(57)【要約】  高められた温度において熱エネルギーを貯蔵する蓄熱設備を提供する。前記設備は、蓄熱媒質を保持するためのエンクロージャと、循環する伝熱流体から熱を伝達するための第一の熱伝達面と、前記蓄熱媒質から発電設備に関連する蒸気パイプに熱を伝達するための第二の熱伝達面とを含む。前記蓄熱媒質は金属相変化物質であり、好ましくは５００℃を超える融解温度を有し、前記第一の熱伝達面と前記第二の熱伝達面との間に配置される。前記金属伝熱流体は、好ましくは常温から、金属相変化物質の融点を超える最高運転温度までの広い温度範囲において液状である。前記金属伝熱流体は、好ましくは融解アルカリ金属とアルカリ金属の合金とから選択される。本発明は１つ以上のこのような蓄熱設備を備える太陽熱発電所にも及ぶ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高められた温度で熱エネルギーを貯蔵するための蓄熱設備であって、
蓄熱媒質を保持するためのエンクロージャと、
循環する伝熱流体から熱を伝達するための第一の熱伝達面と、
前記蓄熱媒質から発電設備に関連する蒸気パイプに熱を伝達するための第二の熱伝達面とを含み、
前記第一の熱伝達面と前記第二の熱伝達面との間に配置された前記蓄熱媒質が金属相変化物質であり、
前記伝熱流体が液状金属であることを特徴とする蓄熱設備。
【請求項２】
前記金属相変化物質が高熱伝導性、高融解潜熱、及び高融解温度を有する、請求項１に記載の蓄熱設備。
【請求項３】
前記金属相変化物質の融解温度が５００℃を超える温度である、請求項２に記載の蓄熱設備。
【請求項４】
前記金属相変化物質は、８７．７６％のＡｌ及び１２．２４％のＳｉを含むアルミニウム及びシリコンの合金と、８３．１４％のＡｌ、１１．７％のＳｉ及び５．１６％のＭｇで構成される合金とから選択される、請求項３に記載の蓄熱設備。
【請求項５】
前記金属伝熱流体が、常温から、前記金属相変化物質の融点を超える最高運転温度までの広い温度範囲において液状である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄熱設備。
【請求項６】
前記金属伝熱流体は、融解アルカリ金属またはアルカリ金属の合金から選択される、請求項５に記載の蓄熱設備。
【請求項７】
前記金属伝熱流体は、ナトリウム及びカリウムの合金である、請求項６に記載の蓄熱設備。
【請求項８】
前記熱伝達面は、前記エンクロージャを通って伸びる概して平行なパイプ群の面又は前記エンクロージャに隣接する概して平行なパイプ群の面である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の蓄熱設備。
【請求項９】
前記蓄熱設備が、予熱器、ボイラー、過熱器、再熱器、又はそのいずれか２つ以上のユニットの機能を果たすようにデザインされた組み合わせユニットから選択されたユニットの一部を構成する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の蓄熱設備。
【請求項１０】
タワーに搭載された関連するソーラーレシーバーを備える１つのヘリオスタットフィールドを備える太陽熱装置であって、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の蓄熱設備が前記タワーに組み込まれている、太陽熱装置。
【請求項１１】
タワーに搭載された関連するソーラーレシーバーを備える、複数のヘリオスタットフィールドを有する太陽熱装置であって、
前記ソーラーレシーバーのそれぞれは、１つ以上の共用の請求項１乃至９の何れか１項に記載の蓄熱設備に接続され、
前記蓄熱設備は、予熱器、ボイラー、過熱器、及び再熱器から選択された１つ以上のユニットにおいて実装され、
前記設備のそれぞれへの伝熱流体の流れは、関連する前記ユニットの関連する目的を達成するように制御される、太陽熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に熱エネルギーを貯蔵するために適切であり、さらに、これに限定されないが、特に集光型太陽熱装置を使用して太陽から得られた熱エネルギーに適切である、蓄熱設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
タワーに設けたソーラーレシーバーを用いて太陽熱を集光すること（ＣＳＰ）の一つの利点は、熱エネルギーの貯蔵が可能になることである。夜間又は悪天候時に太陽熱発電所が電気エネルギーを提供し得るように快晴日の発電サイクルをバッファーするためには、蓄熱をする必要がある。
【０００３】
従来の蓄熱システムの多くは顕熱方式において動作し、何らかの融解塩に熱エネルギーを貯蔵するか、熱をコンクリート等の固体物に貯蔵する。融解塩の使用の場合、夜にレシーバーループに塩が固まる可能性があるという不利な点があり、よって夜間等の非運転時中に、又は補助管において、塩を液状に維持するためにトレース加熱をする必要があり、これはメンテナンスの問題に至り得る。
【０００４】
その他の相変化コンセプトも検討されたが、全て低伝導性の塩に基づくものであり、熱伝導性を向上させるには広範囲な伝熱改善が必要である。
【０００５】
コンクリート体等の固体貯蔵物質の出力には制限があり、さらにこのような媒質の耐用期間を限定する熱応力にも影響され得る。なお、固体の貯蔵素子を修正することは高価になる。
【０００６】
他の貯蔵システムにおいて、貯蔵物質及び伝熱流体として油を使用することも可能である。これに関する主要な問題は、油の最高使用温度が約４００℃であることである。この事実はレシーバーの最高温度を大きく制限し、発電所の最高効率を制限する。
【０００７】
出願人の知る限り、従来の蓄熱方法全てには限界がある。一般的には熱エネルギー貯蔵に関して二つの限定点があり、その一つは温度による限定であり、そしてもう一つは固有の閉塞問題を引き起こす高融解温度の伝熱流体である。
【０００８】
従って、伝熱流体のトレース加熱の必要性を取り除き、そして従来実施されているものよりも高温度で高出力熱エネルギー貯蔵を提供する新たな熱エネルギー貯蔵システムが必要である。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の第一の形態において、高められた温度で熱エネルギーを貯蔵する蓄熱設備が提供され、前記設備は蓄熱媒質を保持するためのエンクロージャと、循環する伝熱流体から熱を伝達するための第一の熱伝達面と、前記蓄熱媒質から発電設備に関連する蒸気パイプに熱を伝達するための第二の熱伝達面とを含み、前記第一の熱伝達面と前記第二の熱伝達面との間に配置された前記蓄熱媒質が金属相変化物質（ＰＣＭ）であり、前記伝熱流体が液体金属であることを特徴とする。
【００１０】
本発明のさらなる特徴として、金属相変化物質は高熱伝導性、高融解潜熱、及び融解温度、好ましくは約５００℃を超える融解温度、及び高運転温度を有する。材料の一つの候補としては、アルミニウム及びシリコンの合金である金属相変化物質があり、好ましくは８７．７６％のＡｌ及び１２．２４％のＳｉを含む合金（ＡｌＳｉ１２、ＬＭ６鋳造合金とも呼ばれる）のような市販の合金がある。
【００１１】
本発明はさらに、常温温度から、金属相変化物質の融点を超える最高運転温度までの広い温度範囲において液状であるような金属伝熱流体を提供し、前記金属伝熱流体は主として融解アルカリ金属又はアルカリ金属の合金であり、特にＮａＫと知られているナトリウム及びカリウムの合金であり、そして前記熱伝達面は一般には前記エンクロージャを通って伸びる概して平行なパイプ又は前記エンクロージャに隣接する概して平行なパイプの熱伝達面である。
【００１２】
本発明はさらに、蓄熱設備が予熱器、ボイラー、過熱器、再熱器、又はそのいずれかの２つ以上のユニットの機能を果たすようにデザインされた組み合わせユニットのから選択されたユニットの一部を構成する、上記に定義された蓄熱設備を提供する。
【００１３】
本発明のある形態において、一般には比較的低容量の太陽熱装置の一部が、タワーに搭載された関連のソーラーレシーバーを備える１つのヘリオスタットフィールドにより構成され、この場合、上記に定義した蓄熱設備がタワーに組み込まれていてもよい。
【００１４】
本発明のもう一つの形態において、太陽熱装置はタワーに搭載された関連するソーラーレシーバーを備える、複数のヘリオスタットフィールドを含み得、前記ソーラーレシーバーのそれぞれは、１つ以上の共有の上記の蓄熱設備に接続されている。このような場合には、蓄熱設備は予熱器、ボイラー、過熱器、及び再熱器から選択された１つ以上のユニットにおいて実装されてもよく、一般にはこれら全てにおいて実装され、前記設備のそれぞれへの伝熱流体の流れは、それら設備の関連する目的を達成するように制御される。
【００１５】
上述の蓄熱設備の構築において、融解高温アルカリ金属合金と水又は蒸気との間の金属相変化物質の存在が、さもなければ悲惨な結果を招くアルカリ金属と水又は蒸気との接触を防いでいる限り、伝熱流体として適切な融解アルカリ金属合金を使用することが可能であることが理解される。この構成は今までの関連する状況で使用されていない材料の特有な性質を有用に適用することを可能にし、特異的な性質を活用することを可能にする。従って、本発明は、水又は蒸気の加熱器又は発生器を蓄熱設備と組み合わせることを可能にする。
【００１６】
従って、使用において熱は、一般には（共晶の、又は亜共晶の）ＮａＫ等の融解アルカリ金属合金である融解伝熱流体によりタワー上のレシーバーから金属相変化物質に伝達され、金属相変化物質はこの材料の融解潜熱により熱エネルギーを吸収するように溶け、そして熱は貯蔵され、並びに必要に応じて水から蒸気を生成させるため及び発電所での使用のために蒸気を過熱するために、第二の熱伝達面に伝達される。
【００１７】
本発明の上記又は他の特徴を十分に理解されるために、次に二つの異なる実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】単独のソーラーレシーバーがタワーの頂上に設けてある本発明による設備を備えた太陽熱装置の実施形態の略図である。
【図２】複数のソーラーレシーバーが複数のタワーの頂上に設けてあり、伝熱流体が複数の蓄熱設備に供給され、蓄熱設備は必要に応じて熱を水又は蒸気を加熱するために使用される、本発明による設備を含むもう一つの種類の集光型電力設備の、図１と同類の図である。
【図３】金属相変化物質中に分布している第一及び第二の熱伝達パイプを示す、本発明による貯蔵容器のある形態の横断面の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示される本発明の実施形態において、集光型太陽熱装置は、タワー（３）に搭載されたソーラーレシーバー（２）を備える、実質的に従来型のヘリオスタット（１）を含む。タワーにおけるソーラーレシーバーは、アルカリ金属ＮａＫの形態をとる伝熱流体を加熱するために使用される。
【００２０】
特にこの実施形態においては、蓄熱部、蒸気発生器、及び循環システムは、全てタワーに含まれる。このような構成は集光型太陽熱装置のあるサイズのものにのみ適用可能であることが予想され、図２を参照して説明される本発明の実施形態により似ている可能性の高いより大きいものには適用されないことが予想される。
【００２１】
図１に示される本発明の実施形態に戻り、伝熱流体はポンプ（４）によりレシーバー及びエンクロージャ（６）に含まれる金属相変化物質（５）を通して循環され、一連の熱伝達パイプ（７）を介してタワーを実質的に満たす。伝熱流体、つまり融解ＮａＫ熱伝達液は、よって熱レシーバーにおいて加熱され、第一の熱伝達面を構成する一連の熱伝達パイプ（７）を通して循環する。
【００２２】
第二の熱伝達面を構成する蒸気パイプ（８）も金属相変化物質と接触するが、熱伝達パイプ（７）に対して間隙をおいて配置されている。蒸気パイプは下のタンク（９）から上の蒸気チャンバ（１０）に伸びるか、又は外部の蒸気ドラムが存在してもよい。
【００２３】
集光型太陽熱装置の残部は実質的に従来型であり、通常の蒸気処理装置と、高圧力、中圧力、及び低圧力タービン（１１、１２、１３）と、一般的に番号（１４）に示される凝縮再生利用装置とを含む。
【００２４】
さらに言及すべきことは、この場合において、高圧力タービン（１１）から出力される蒸気が中圧力タービン（１２）に入る前に加熱するための再熱器（１５）を同様に構築することが可能であり、この再熱器が自身のヘリオスタットフィールド（１６）、レシーバー、タワー、及び蓄熱設備を有することも可能である。
【００２５】
次に図２に示される本発明の実施形態に関して、より大きい集光型太陽熱装置において、複数のヘリオスタットフィールド（２１）、この場合は４つのヘリオスタットフィールドは、それぞれタワー（２３）に設けられた独自のレシーバー（２２）を有し、これらの伝熱流体の出力は、全体の太陽熱レシーバーアセンブリが、水又は蒸気の加熱器及び発生器の一部を構成する別個の構成の蓄熱部を提供できるように、互いにつながっている。
【００２６】
特にこの実施形態においては、蓄熱部と、水及び蒸気の加熱及び発生器とは、高圧力タービン（２８）及び中圧力タービン（２９）の間に配置された予熱器（２４）、ボイラー（２５）、過熱器（２６）、及び再熱器（２７）を含む。各ケースにおいて、適切なユニットは独自のエンクロージャを有し、エンクロージャは以下図３を参照して説明されているものと実質的に同様に構成されているために分かれては示されていない熱伝達パイプと蒸気パイプとを含む。
【００２７】
図３に示されているように、本発明による蓄熱構成が使用されている各場合に、一連の同心円等のような適切なパターンで金属相変化物質により満たされた格納エンクロージャ（３３）の内部中にパイプを分布することにより、蒸気パイプ（３１）及び伝熱流体パイプ（３２）の好ましい一般的な構成が得られる。
【００２８】
金属伝熱流体の好ましい特性は、低融点（好ましくは室温より低い）と、高熱伝導性と、高密度と、高比熱容量とである。低融点は、レシーバーは少なくとも寿命の半分は低温であるため、信頼性のある集光型太陽熱装置には重要である。レシーバーにおいて、高融点をもつ伝熱流体は、伝熱流体の固体化は重大な問題を引き起こすため、装置の信頼性を低下させることになる。
【００２９】
ＮａＫはナトリウム及びカリウムの共晶混合物であり、その共晶組成はカリウム７８％とナトリウム２２％（質量％）である。マイナス１２．６℃から７８５℃の間は液状である。４０％から９０％カリウム（質量％）を含む組成は室温において液状である。カリウムよりナトリウムの比熱容量が高いため、より多くナトリウムを含む混合物が好ましい。ＮａＫの特性は、水との高い反応性を含み、空気中で保管された場合、カリウムスーパーオキシドが形成され、これは発火し得るものであり、そして有機物との高い反応性を有し、このことは有機溶媒及び鉱油中に保管することを危険とする。共晶ＮａＫは、非常に高い表面張力と、１００℃において０．８５５ｇ／ｍＬの密度と、１００℃において２３．２Ｗｍ-１Ｋ-1の熱伝導性とを有する。
【００３０】
原子力産業における何年もの研究の結果、集光型太陽装置において安全にＮａＫが使用できるようにＮａＫの標準デザイン及び取り扱いプロトコルが成立された。
【００３１】
金属相変化物質に関して、二つの良い候補は、Ａｌ８７．７６％及びＳｉ１２．２４％を含む、５５７℃の融点及び４９８Ｊ／ｇの融解熱を有する合金と、Ａｌ８３．１４％、Ｓｉ１１．７％、及びＭｇ５．１６％を含む、５５５℃の融点及び４８５Ｊ／ｇの融解熱を有する合金である。前者は、一般的な低コスト鋳合金で、高熱伝導性を有すつ合金であるため選択された。さらに、非毒性であり、簡単に入手でき、そしてさらなる合金化により融解潜熱を向上させる見込みもある。
【００３２】
７７０℃を超える上部レシーバーの温度及び５５７℃のＡｌＳｉ合金の融点が、蒸気サイクルの使用を可能にする。過熱蒸気は従って金属相変化物質に貯蔵された熱により直接生成され得る。
【００３３】
熱伝達概念を実施するには幾つかの方法があるが、この概念の最終的な形態は、具体的なデザインの要件による。格納エンクロージャは円筒形状である必要はないが、タワーを用いる場合は、円筒形状は合理的である。
【００３４】
格納エンクロージャに関係する可能なパイプレイアウトに関しては、さらなる具体的な形状が具体的な応用に対して適切であり得る。考慮すべき一つの重要な要因は、伝熱流体パイプの面である第一熱伝達面を介して伝達させる熱である。もう一つの要因は必要な熱流束を提供するための、この伝熱流体パイプと、蒸気パイプの面である第二の熱伝達面との間の距離である。さらにもう一つの要件は、存在する金属相変化物質の体積である。当然、熱伝達要件は、サイズに依存する。
【００３５】
多数の可能性が存在すること、及び上述の本発明の実施形態は単に可能な構成を表すものであることが理解される。
【００３６】
従って、本発明は効率の良い蓄熱設備を提供し、特にヘリオスタットフィールドレシーバー式設備との併用に適切な蓄熱設備を提供する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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