(57)【要約】  固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供する。  蓄熱最低温度がＴminである蓄熱システムにおいて、蓄熱材として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた。
2014185178.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱最低温度がＴminである蓄熱システムにおいて、
蓄熱材として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた
ことを特徴とする蓄熱システム。
【請求項２】
前記蓄熱材として、固液共存状態となる温度幅が１℃以上であるものを用いる
請求項１記載の蓄熱システム。
【請求項３】
蓄熱最低温度Ｔminが１５０℃以上である
請求項１または２記載の蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
集熱エリアで太陽光を集光して集熱し、この熱により水蒸気を生成して蒸気タービンを駆動し発電を行う太陽熱発電システムが知られている。太陽熱発電システムでは、夜間や日射量が得られない時間帯での発電を補い、出力電力の過渡的な変化を抑制するために、蓄熱システムが備えられるのが一般的である。【０００３】
太陽熱発電システム等に用いられる蓄熱システムとして、液体状態のソーラーソルトと呼ばれる溶融塩（硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）の混合物、硝酸ナトリウムの質量分率は０．６）を蓄熱材として用い、顕熱により蓄熱を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
しかし、蓄熱量が例えば１ＴＪと大きくなると、顕熱を用いた蓄熱システムでは蓄熱槽が大きくなりすぎ、現実的ではなくなる。そこで、蓄熱槽の寸法を現実的なものとするため、潜熱を利用した蓄熱システムが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２５６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、潜熱を利用した従来の蓄熱システムでは、凝固時に固相となった蓄熱材が伝熱管に付着してしまい、伝熱低下が引き起こされてしまうという問題があった。【０００７】
この問題を解決するため、伝熱管を蓄熱槽内の全体に張り巡らせて、伝熱促進を図ることが考えられるが、蓄熱槽が大型である場合、蓄熱槽全体に伝熱管を張り巡らせると非常にコストが高くなってしまう。なお、潜熱を利用することにより、顕熱を利用した場合と比較して蓄熱槽を小型化することが可能であるが、この場合でも、蓄熱量が１ＴＪ程度になると蓄熱槽の容積は１０００ｍ3のオーダーとなり、蓄熱槽全体に伝熱管を張り巡らせることは容易ではない。【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、潜熱を利用した蓄熱システムにおいて、固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、蓄熱最低温度がＴminである蓄熱システムにおいて、蓄熱材として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた蓄熱システムである。【００１０】
前記蓄熱材として、固液共存状態となる温度幅が１℃以上であるものを用いてもよい。【００１１】
蓄熱最低温度Ｔminが１５０℃以上であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、（ｂ）は、本発明で蓄熱材として用いるＫＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。
【図２】本発明で蓄熱材として用いるＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。
【図３】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。
【図４】本発明で蓄熱材として用いるＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物の状態遷移図である。
【図５】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物の状態遷移図である。
【図６】本発明の実施例で用いた実験装置の模式図である。
【図７】本発明の実施例において、蓄熱材と金属板の温度履歴を示すグラフ図であり、（ａ）は蓄熱材として非共晶組成のものを用いた場合、（ｂ）は蓄熱材として共晶組成のものを用いた場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、本実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、図１（ｂ）は、本実施の形態で蓄熱材として用いる硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）の混合物の状態遷移図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、蓄熱システム１は、蓄熱材２を貯留する蓄熱槽３と、蓄熱槽３内に設けられた２つの熱交換器４，５と、を備えている。
【００１７】
冷却側熱交換器４は、低温の第１熱媒体が供給され、第１熱媒体と蓄熱材２とを熱交換させることで、蓄熱材２を冷却し、熱交換により高温となった第１熱媒体を熱負荷等に出力するものである。冷却側熱交換器４は、第１熱媒体を通す伝熱管からなり、蓄熱槽３内の上部のみに設けられる。
【００１８】
加熱側熱交換器５は、高温の第２熱媒体が供給され、第２熱媒体と蓄熱材２とを熱交換させることで、蓄熱材２を加熱して蓄熱させるものである。加熱側熱交換器５は、第２熱媒体を通す流路が内部に設けられた板状の熱交換器であるホットプレートからなり、蓄熱槽３の底面に設けられる。
【００１９】
図示していないが、蓄熱槽３内には、蓄熱材２を撹拌する撹拌手段を備えてもよい。また、蓄熱槽３には、固相となった蓄熱材２を冷却側熱交換器４の表面から強制的に剥落させる手段を備えてもよい。
【００２０】
本実施の形態では、太陽熱発電システム等の高温のシステムに適用することを想定しているため、蓄熱最低温度Ｔminは１５０℃以上、好ましくは２００℃以上とする。ここでは、一例として、蓄熱システム１の蓄熱最高温度Ｔmaxが４００℃、蓄熱最低温度Ｔminが２５０℃である場合を説明する。
【００２１】
さて、本実施の形態に係る蓄熱システム１では、蓄熱材２として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いる。
【００２２】
ここでは、蓄熱材２として、硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）とを非共晶となる組成で混合した２成分混合塩を用いる場合を説明する。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物では、硝酸ナトリウムのモル分率が０．４９となる組成で共晶となる。よって、この共晶となる組成以外の組成とし、かつ、蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃において固液共存状態となるように、組成を決定する必要がある。
【００２４】
本実施の形態では、図１（ｂ）に太線破線で示した組成、すなわち硝酸ナトリウムのモル分率が０．７８６（質量分率が０．７５５）となる組成のものを蓄熱材２として用いた。
【００２５】
この場合、蓄熱材２は、蓄熱最高温度Ｔmaxである４００℃から徐々に冷却していくと、２７４℃で固相が生じ、さらに冷却されると固相率を徐々に増加させながら蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃に至る。このとき、最も低温となる冷却面（冷却側熱交換器４である伝熱管の表面）にて固相が発生し、その固相が冷却面に沿って成長するが、固相は冷却面に密着しないため、蓄熱材２の流動等によってはがれ落ちる。なお、蓄熱最低温度Ｔminである２５０℃からさらに冷却すると、２３４℃で蓄熱材２は完全に固相になる。つまり、図示太線実線で示す温度領域が固液共存状態となる。
【００２６】
蓄熱材２の固相率は、温度により制御することができる。固液共存状態となる温度幅が狭すぎると所望の固相率に制御することが困難になるので、固液共存状態となる温度幅が１℃以上となるように組成を決定することが望ましい。なお、特許文献１のように固相と液相で物質が異なる固液共存状態となる蓄熱材を用いた場合には、温度による固相率の制御は困難である。
【００２７】
上述のように、非共晶組成の２成分混合塩を蓄熱材２として用いると、凝固して固相となった蓄熱材２が冷却面（冷却側熱交換器４である伝熱管の表面）に強く付着せず、容易にはがれ落ちるようになる。
【００２８】
これは、凝固しはじめる際に冷却面付近の固相率が局所的に大きくなるため、融点が比較的低い液相の溶融塩が冷却面と固相の間に入り込みながら凝固が進行するためだと考えられ、非共晶の溶融塩の固液共存領域が温度幅をもって存在することに起因すると考えられる。したがって、液相の状態から徐々に固相が増加するように（つまり徐々に温度を低下させるように）制御を行うことで、固相となった蓄熱材２が冷却面に密着してしまうことを抑制可能になる。
【００２９】
蓄熱材２の流動や撹拌等によりはがれ落ちた固相の蓄熱材２は、液相の蓄熱材２よりも比重が大きいため、蓄熱槽３の下部に沈降する。よって、蓄熱槽３の上部に冷却側熱交換器４を設けることで、液相の蓄熱材２を効率よく冷却することが可能になる。また、蓄熱槽３の底面に加熱側熱交換器５を設けることで、固相の蓄熱材２が自重により加熱側熱交換器５に押しつけられることになり、固相の蓄熱材２を効率よく加熱することが可能になる。
【００３０】
本実施の形態では、蓄熱材２として硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物を用いたが、これに限らず、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩であれば、蓄熱材２として使用可能である。
【００３１】
例えば、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２５０℃に設定する場合、蓄熱材２として、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物を用いることが可能である。また、Ｔmin＝２８０℃に設定する場合、蓄熱材２として、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物等を用いることが可能である。それぞれの平衡状態図を図２〜５に示す。
【００３２】
図２に示すように、蓄熱材２としてＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物を用いる場合、ＮａＮＯ3のモル分率を０．９０２（質量分率を０．８０１）とすることで、Ｔmin＝２５０℃において固液共存状態とすることができる。同様に、図３のＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＮａＮＯ3のモル分率を０．８７７（質量分率を０．８９８）、図４のＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＲｂＮＯ3のモル分率を０．１０５（質量分率を０．１６９）とすることで、Ｔmin＝２５０℃において固液共存状態とすることができる。また、図５のＬｉＢｒとＮａＮＯ3の混合物を蓄熱材２として用いる場合はＮａＮＯ3のモル分率を０．９６４（質量分率を０．９６３）とすることで、Ｔmin＝２８０℃において固液共存状態とすることができる。なお、図２〜５においても、図１（ｂ）と同様に、固液共存状態となる温度領域を太線実線で表している。
【００３３】
また、蓄熱材２としては、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩であれば、３成分以上のものを用いることも可能である。
【００３４】
例えば、３成分系溶融塩として、ヒートトランスファーソルト（ＨＴＳ）と呼称されるＮａＮＯ3とＫＮＯ3とＮａＮＯ2の混合塩が知られている。このＨＴＳの組成を一般的に使用されている共晶組成（ＮａＮＯ3：７ｍｏｌ％、ＫＮＯ3：４４ｍｏｌ％、ＮａＮＯ2：４９ｍｏｌ％、融点は１４２℃）から変化させ、ＮａＮＯ3：７ｍｏｌ％、ＫＮＯ3：７０ｍｏｌ％、ＮａＮＯ2：２３ｍｏｌ％と非共晶組成にして凝固実験を行った。その結果、固相となった蓄熱材２は、冷却面から小さな粒子状となって剥離し、冷却面から固相が剥離し易くなっていることが確認された。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱システム１では、蓄熱材２として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いている。
【００３６】
これにより、凝固して固相となった蓄熱材２が冷却面に強く付着せずに、容易にはがれ落ちるようになるため、固相となった蓄熱材２による伝熱低下を抑制可能になる。その結果、蓄熱槽３全体に伝熱管を張り巡らせずとも潜熱を利用することが可能になり、低コスト化および蓄熱量の向上が可能になる。
【００３７】
さらに、蓄熱システム１では、蓄熱材２が冷却面に強く付着せずはがれ落ちるため、従来よりも蓄熱最低温度Ｔminでの固相率を高く設定しても伝熱低下を抑制できることになり、蓄熱量をさらに向上させることが可能になる。
【００３８】
蓄熱最低温度Ｔminが１５０℃以上となるような蓄熱システム１において、固液共存状態で使用でき、かつ、固相の冷却面への付着を抑制できるような蓄熱材２は従来見出されていなかったため、本発明は、高温領域で使用される蓄熱システム１の発展に大きく寄与すると考えられる。
【００３９】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００４０】
固相が冷却面に固着するか、あるいは離脱し得るかを実験的に把握するため、図６に示すような実験装置６１を作成し、実験を実施した。【００４１】
実験装置６１は、ビーカー６３内に貯留された蓄熱材２に、金属板６４の一端部を浸漬すると共に、金属板６４の他端部を蓄熱材２から露出させて冷却するように構成されている。ビーカー６３の下に配置したヒータ６７の温度を徐々に下げ、金属板６４の長手方向の温度分布および蓄熱材２の温度を熱電対６５とデータロガー６６で計測しつつ、固相が生成する様相を観察した。なお、図示していないが、観測を容易とするため、金属板６４の蓄熱材２から露出した他端部を保温して固相の生成を遅くした。【００４２】
蓄熱材２としては、図１（ｂ）の硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物を用いた。蓄熱では比熱が大きい方が有利なため、通常、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物は、共晶となる組成（硝酸ナトリウムのモル分率が０．４９）よりも硝酸ナトリウムが多い組成、具体的には硝酸ナトリウムのモル分率が０．６４となる組成（ソーラーソルトと呼ばれる）で使用されている。ここでは、ソーラーソルトよりさらに硝酸ナトリウムが多い図１（ｂ）に太線破線で示した組成、すなわち硝酸ナトリウムのモル分率が０．７８６（質量分率が０．７５５）となる非共晶の組成で用いた。【００４３】
蓄熱材２の温度を徐々に下げると、最も低温となる金属板６４のメニスカス付近に固相が発生し、金属板６４の表面に沿って成長したが、固相は金属板６４に密着しておらず、撹拌されている液相の蓄熱材２の流動によってはがれた。また、金属板６４の表面に沿って成長した固相は半透明であり、デンドライト状（樹枝状）の凹凸が認められ、凸部は薄い箇所より透明度が低かった。図７（ａ）に、このときの温度履歴を示す。図７（ａ）に示すように、蓄熱材２の温度低下に伴い金属板６４の温度も低下したが、その温度差はほぼ一定であった。【００４４】
非共晶組成では、固液共存状態となる領域は温度幅をもって存在し、その温度における固相率は一意に定まる。凝固し始める際は金属板６４の表面付近の固相率が局所的に大きくなるため、融点が比較的低い液相の蓄熱材２が金属面と固相の間に入り込みながら凝固が進行すると考えられる。それゆえ、温度が十分に低下するまで固相となった蓄熱材２が金属板６４に密着せず、はがれやすくなっていると考えられる。【００４５】
他方、比較のために、共晶組成の蓄熱材を徐々に冷却して観察を行った。蓄熱材に浸漬している金属板６４の表面には透明な薄い膜状の固相が発生し、徐々に厚さが増加し、撹拌されている液相の蓄熱材の流動によってもはがれることはなかった。図７（ｂ）に、このときの温度履歴を示す。図７（ｂ）に示すように、凝固時、蓄熱材はほぼ一定の温度を保つが、金属板６４の温度は固相の成長と共に大きく低下し、温度差は拡大した。【００４６】
以上説明したように、蓄熱材２として非共晶組成のものを用いた場合は、金属面に生成した固相が撹拌されている液相の蓄熱材２の流動によりはがれ落ちたが、共晶組成でははがれ落ちなかった。固相の金属面への付着性の違いは、非共晶の溶融塩の固液共存領域が温度幅をもって存在することに起因すると考えられる。【００４７】
したがって、蓄熱材２として、蓄熱最低温度Ｔminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いることで、固相となった蓄熱材２が冷却面に強く付着せずに容易にはがれ落ちるようになり、固相となった蓄熱材２による伝熱低下を抑制可能になる。
【符号の説明】
【００４８】
１  蓄熱システム
２  蓄熱材
３  蓄熱槽
４  冷却側熱交換器
５  加熱側熱交換器
【図１】
2014185178.tif 000003
【図２】
2014185178.tif 000004
【図３】
2014185178.tif 000005
【図４】
2014185178.tif 000006
【図５】
2014185178.tif 000007
【図６】
2014185178.tif 000008
【図７】
2014185178.tif 000009
【国際調査報告】
2014185178.tif 000010
2014185178.tif 000011
2014185178.tif 000012
2014185178.tif 000013