(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽集熱器、エネルギー貯蔵装置及び発電装置という３部分から成り； 前記太陽集熱器は、太陽光反射装置（１）とタワー式太陽エネルギー吸収装置（２）と熱 交換器Ａ（３）と冷気タンク（４）とを含み、前記太陽光反射装置（１）が前記タワー式 太陽エネルギー吸収装置（２）の一側に設けられ、前記太陽光反射装置（１）から反射さ れた太陽光を前記タワー式太陽エネルギー吸収装置（２）に吸収させ、前記タワー式太陽 エネルギー吸収装置（２）、前記熱交換器Ａ（３）及び前記冷気タンク（４）がサイクル 配管で順次接続され；   前記エネルギー貯蔵装置は、粉体熱交換器Ｂ（５）と反応器（６）と粉体熱交換器Ｃ（ ７）と高温ＣａＯタンク（８）と高温ＣａＣＯ３タンク（９）とミル機（１０）と圧縮機 Ａ（１１）とＣＯ２タンク（１２）とゲートバルブＢ（１８）とを含み、前記ＣＯ２タン ク（１２）の出口に２本のＣＯ２サイクル配管が設けられ、１つ目が前記ＣＯ２タンク（ １２）の出口、前記熱交換器Ａ（３）、前記ゲートバルブＢ（１８）、前記反応器（６） 、前記粉体熱交換器Ｂ（５）、前記圧縮機Ａ（１１）、前記ＣＯ２タンク（１２）の入口 をサイクル配管で順次接続し；２つ目は、前記ＣＯ２タンク（１２）の出口、前記粉体熱 交換器Ｃ（７）、前記ゲートバルブＢ（１８）、前記反応器（６）、前記粉体熱交換器Ｂ （５）、前記圧縮機Ａ（１１）、前記ＣＯ２タンク（１２）の入口をサイクル配管で順次 接続し；前記反応器（６）の固体粒子材料の入口が前記高温ＣａＣＯ３タンク（９）と連 通され、接続配管の間に前記粉体熱交換器Ｂ（５）、前記ミル機（１０）が設けられ、前 記反応器（６）の固体粒子材料の出口が前記高温ＣａＯタンク（８）と連通され、接続配 管の間に前記粉体熱交換器Ｃ（７）が設けられ；   前記発電装置は、粉体熱交換器Ｂ（５）と反応器（６）と粉体熱交換器Ｃ（７）と高温 ＣａＯタンク（８）と高温ＣａＣＯ３タンク（９）とＣＯ２タンク（１２）とタービン機 （１３）と復水器（１４）と圧縮機Ｂ（１５）と膨張機（１６）とゲートバルブＡ（１７ ）とゲートバルブＢ（１８）とを含み、前記反応器（６）のガス出口、前記タービン機（ １３）、前記粉体熱交換器Ｂ（５）、前記復水器（１４）、前記圧縮機Ｂ（１５）、前記 ゲートバルブＡ（１７）、加熱装置、前記ゲートバルブＢ（１８）、前記反応器（６）の ガス入口がサイクル配管で順次接続され；前記ＣＯ２タンク（１２）と前記膨張機（１６ ）のガス入口とが互いに接続し、接続配管の間に前記粉体熱交換器Ｃ（７）が設けられ； 前記膨張機（１６）のガス出口と反応器（６）とが互いに接続し、接続配管の間に加熱装 置が設けられ；前記反応器（６）の固体粒子材料の入口は、前記高温ＣａＯタンク（８） と連通され、接続配管の間に前記粉体熱交換器Ｂ（５）が順次設けられ、前記反応器（６ ）の固体粒子材料の出口が前記高温ＣａＣＯ３タンク（９）と連通され、接続配管の間に 前記粉体熱交換器Ｃ（７）が設けられる、   ことを特徴とする、高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記加熱装置は、加熱器（１９）とゲートバルブＣ（２０）とゲートバルブＤ（２１） とを含み、前記加熱器（１９）が前記ゲートバルブＣ（２０）と順次連通され、前記ゲー トバルブＤ（２１）が前記加熱器（１９）、前記ゲートバルブＣ（２０）と並列接続する ことを特徴とする、請求項１に記載の高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー 貯蔵システム。
【請求項３】
前記反応器（６）は、双方向型高温振動流動層反応器であり、前記反応器の内部に耐熱 コンベアが設けられことを特徴とする、請求項１又は２に記載の高温カルシウムサイクル の熱化学によるエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記双方向型高温振動流動層反応器にはＩｎｃｏｎｅｌ  ６１７材料を用いることを特 徴とする、請求項３に記載の高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵シス テム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電分野に関し、特に、高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵方法及びシステム。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電は、供給源が無限で、環境に汚染しない等の利点を持ち、理想的な代替エネルギーとなり得る。しかしながら、太陽エネルギーは間欠性、低密度及び不安定性、安定供給が難しいという特徴があるため、太陽エネルギーを利用した太陽熱発電にはやはり多くの問題を解決する必要があり、如何にして太陽エネルギーの高効率、大規模の貯蔵を実現することで、太陽光発電の安定供給を保証するかが太陽熱発電の重要な技術である。顕熱エネルギー貯蔵、潜熱エネルギー貯蔵及び熱化学によるエネルギー貯蔵等の主な蓄熱方式において、熱化学によるエネルギー貯蔵は、エネルギー貯蔵密度が高く、反応温度も高く、長期蓄熱損失が小さい等の顕著な利点を持っているため、電気エネルギーの変換、貯蔵及び再生を効果的に解決できる。現在主に研究されている幾つかの化学反応エネルギー貯蔵体系としては、ＣａＣＯ３／ＣａＯ体系、ＮＨ３合成分解体系、ＣＨ４／ＣＯ２及びＣＨ４／Ｈ２Ｏ改質体系、Ｃａ（ＯＨ）２／ＣａＯ体系、Ｃｏ３Ｏ４／ＣｏＯ体系、ＭｇＨ２／Ｈ２体系等が挙げられる。ＣａＣＯ３／ＣａＯ体系は、比較的理想な熱化学によるエネルギー貯蔵体系であり、エネルギー貯蔵密度が高く（６９２ｋＷｈ／ｍ３）、無毒で且つ安全性が高く、供給源が無限で且つ安価で、副反応もなく、常圧反応温度も高（７００℃−１０００℃）いという顕著な利点を持っている。これによりＣａＣＯ３／ＣａＯ体系は、太陽エネルギーの高温熱化学によるエネルギー貯蔵に用いられ、太陽熱発電所の発電の高効率な連続運転という問題をもっとよく解決できる。国内において現在ＣａＣＯ３／ＣａＯ体系を熱化学によるエネルギー貯蔵に用いることについての研究は、やはり初期段階にあり、関連の特許もまだない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、本発明は、電気エネルギーの変換、貯蔵及び再生の問題を効果的に解決するための高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵方法及び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】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明に係る高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システムは、太陽集熱器、エネルギー貯蔵装置及び発電装置という３部分から成り；
前記太陽集熱器は、太陽光反射装置とタワー式太陽エネルギー吸収装置と熱交換器Ａと冷気タンクとを含み、前記太陽光反射装置がタワー式太陽エネルギー吸収装置の一側に設けられ、太陽光反射装置から反射された太陽光をタワー式太陽エネルギー吸収装置に吸収させ、前記タワー式太陽エネルギー吸収装置、熱交換器Ａ及び冷気タンクがサイクル配管で順次接続され；
前記エネルギー貯蔵装置は、粉体熱交換器Ｂと反応器と粉体熱交換器Ｃと高温ＣａＯタンクと高温ＣａＣＯ３タンクとミル機と圧縮機ＡとＣＯ２タンクとゲートバルブＢとを含み、前記ＣＯ２タンクの出口に２本のＣＯ２サイクル配管が設けられ、１つ目がＣＯ２タンク出口、熱交換器Ａ、ゲートバルブＢ、反応器、粉体熱交換器Ｂ、圧縮機Ａ、ＣＯ２タンクの入口をサイクル配管で順次接続し；２つ目は、ＣＯ２タンクの出口、粉体熱交換器Ｃ、ゲートバルブＢ、反応器、粉体熱交換器Ｂ、圧縮機Ａ、ＣＯ２タンクの入口をサイクル配管で順次接続し；前記反応器の固体粒子材料の入口が高温ＣａＣＯ３タンクと連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｂ、ミル機が設けられ、前記反応器の固体粒子材料の出口が高温ＣａＯタンクと連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃが設けられ；
前記発電装置は、粉体熱交換器Ｂと反応器と粉体熱交換器Ｃと高温ＣａＯタンクと高温ＣａＣＯ３タンクとＣＯ２タンクとタービン機と復水器と圧縮機Ｂと膨張機とゲートバルブＡとゲートバルブＢとを含み、前記反応器のガス出口、タービン機、粉体熱交換器Ｂ、復水器、圧縮機Ｂ、ゲートバルブＡ、加熱装置、ゲートバルブＢ、反応器のガス入口がサイクル配管で順次接続され；前記ＣＯ２タンクと膨張機のガス入口とが互いに接続し、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃが設けられ；前記膨張機のガス出口と反応器とが互いに接続し、接続配管の間に加熱装置が設けられ；前記反応器の固体粒子材料の入口は、高温ＣａＯタンクと連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｂが順次設けられ、前記反応器の固体粒子材料の出口が高温ＣａＣＯ３タンクと連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃが設けられる。
【０００５】
さらに、前記加熱装置は、加熱器とゲートバルブＣとゲートバルブＤとを含み、前記加熱器がゲートバルブＣと順次連通され、前記ゲートバルブＤが加熱器、ゲートバルブＣと並列接続する。
【０００６】
摩損及び詰まりを減少するため、反応器は、双方向型高温振動流動層反応器であることが好ましく、反応器の内部に耐熱コンベアが設けられ、その役目は固体粒子の十分な流動化を促進させることで、固体粒子とガスを十分反応させることにある。
【０００７】
システムの安全性、信頼性、保守性、加工性等に対する高温エネルギー貯蔵特殊性の要求を考慮すると、前記双方向型高温振動流動層反応器にはＩｎｃｏｎｅｌ  ６１７材料を用いる。
【０００８】
高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵方法であって、用いられる熱化学によるエネルギー貯蔵体系は、ＣａＣＯ３／ＣａＯで、熱エネルギーと化学エネルギー間の相互変換を通じてエネルギー貯蔵を行い、日射量が充足な時、ＣａＣＯ３固体粒子が太陽エネルギーで発生した暖気により壁間で加熱され熱分解吸熱反応を生じ、受け取った熱量を化学エネルギーの形態で分解生成物のＣａＯ及びＣＯ２内に貯蔵し；熱量を必要とした時、常圧においてＣａＯとＣＯ２に可逆熱化学反応を起こし、ＣａＯとＣＯ２内に貯蔵されていた化学エネルギーを熱エネルギーに変換させて放出させる。
【０００９】
高温カルシウムサイクルの熱化学反応流程は、エネルギー貯蔵段階及びエネルギー放出段階に分かれる。エネルギー貯蔵段階において、本来蓄えるＣＯ２と太陽熱を吸収した高温暖気は、熱交換器Ａに熱交換することで、ＣａＣＯ３固体粒子を双方向型高温振動流動層反応器において反応温度及び流動化に達させることで、ＣａＣＯ３固体粒子に分解反応を起こさせ、反応温度が９００〜１１００℃のとき、エネルギー貯蔵反応プロセス進行させるにつれて、ＣａＣＯ３固体粒子の分解生成物であるＣＯ２の反応余熱で粉体熱交換器Ｂにおいてその後きて反応に参加するＣａＣＯ３固体粒子を予熱させ；ＣａＣＯ３固体粒子の分解生成物であるＣａＯの反応余熱で粉体熱交換器ＣにおいてＣＯ２タンク内のＣＯ２を予熱させる。エネルギー放出段階において、ＣＯ２とＣａＯ固体粒子が反応を起こってＣａＣＯ３固体粒子を生成し、反応温度が５００〜７００℃のとき、大量の熱量を放出する。この時ＣＯ２が超臨界状態にあり、ランキンサイクルとブレイトンサイクルを結合して発電が実現される。高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システム全体において、ＣａＣＯ３固体粒子、ＣａＯ固体粒子の送りは、いずれもスクリューフィーダによる送り方式を用いることで、ＣＯ２ガスの漏洩を防止する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、可逆熱化学反応ＣａＣＯ３／ＣａＯ体系を利用することで、高温熱エネルギーの再生を実現する。ＣＯ２は、プロセス中に熱交換媒体、流動化媒体、反応媒体となる。エネルギー放出過程で、ＣＯ２の温度が３１℃を上回り、圧力が７ＭＰａを上回り、超臨界状態にあり、ＣＯ２がシステムンにおいてランキンサイクルとブレイトンサイクルを経ることで、太陽が出ていないときでも電気の安定供給を実現でき、太陽熱発電所の電力曲線を滑らかにする。同時にＣａＣＯ３の分解解反応生成物ＣＯ２熱量及び圧力エネルギーを効果的に利用し、また蓄熱器、熱交換器でシステム内の高温熱エネルギーを回収利用し、エネルギーの総合カスケード利用を実現し、エネルギー貯蔵システムの効率も顕著な向上が得られる。
【００１１】
本発明に係る新型高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システムは、太陽エネルギー集熱駆動
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可逆反応で、受け取ったエネルギーが化学エネルギーの形態でその分解生成物であるＣａＯとＣＯ２に貯蔵される。エネルギー貯蔵密度が高く、サイクル効率も高く、環境に優しく、構造も簡単で、非設計点を柔軟に制御し、運用が信頼できるという特性を持つことで、太陽熱発電所の発電の高効率な連続運転という問題を解決でき、太陽熱発電分野にも幅広く活用でき、他タイプの発電所の高温熱エネルギーの貯蔵及び再生にも適用できる。
【００１２】
本発明は、温度変化を通じてエネルギー貯蔵／エネルギー放出、すなわち、ＣａＣＯ３固体粒子の分解／合成反応を調整制御し；熱エネルギー−化学エネルギー−熱エネルギーというエネルギー変換利用概念を通じて、時間或いは場所で引き起こす熱的ミスマッチ及び不均一性による低エネルギー利用率を解決した。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るシステム動作の全体フローチャートである。
【図２】本発明に係るシステム動作のエネルギー貯蔵フローチャートである。
【図３】本発明に係るシステム動作のエネルギー放出フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明への理解を深化するため、実施例及び添付図面を組み合わせて本発明を更に説明し、その実施例が本発明を解釈するためであって、本発明の保護範囲の限定を構成しない。
【実施例１】
【００１５】
図１に示すように、高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システムであって、前記システムは、太陽集熱器、エネルギー貯蔵装置及び発電装置という３部分から成り；
太陽集熱器は、太陽光反射装置１とタワー式太陽エネルギー吸収装置２と熱交換器Ａ３と冷気タンク４とを含み、前記太陽光反射装置１がタワー式太陽エネルギー吸収装置２の一側に設けられ、太陽光反射装置１から反射された太陽光をタワー式太陽エネルギー吸収装置２に吸収させ、前記タワー式太陽エネルギー吸収装置２、熱交換器Ａ３及び冷気タンク４がサイクル配管で順次接続され；
前記エネルギー貯蔵装置は、粉体熱交換器Ｂ５と高温振動流動層反応器６と粉体熱交換器Ｃ７と高温ＣａＯタンク８と高温ＣａＣＯ３タンク９とミル機１０と圧縮機Ａ１１とＣＯ２タンク１２とゲートバルブＢ１８とを含み、前記ＣＯ２タンク１２の出口に２本のＣＯ２サイクル配管が設けられ、１つ目がＣＯ２タンク１２の出口、熱交換器Ａ３、ゲートバルブＢ１８、高温振動流動層反応器６、粉体熱交換器Ｂ５、圧縮機Ａ１１、ＣＯ２タンク１２の入口をサイクル配管で順次接続し；２つ目は、ＣＯ２タンク１２の出口、粉体熱交換器Ｃ７、ゲートバルブＢ１８、高温振動流動層反応器６、粉体熱交換器Ｂ５、圧縮機Ａ１１、ＣＯ２タンク１２の入口をサイクル配管で順次接続し；前記高温振動流動層反応器６の固体粒子材料の入口が高温ＣａＣＯ３タンク９と連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｂ５、ミル機１０が設けられ、前記高温振動流動層反応器６の固体粒子材料の出口が高温ＣａＯタンク８と連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃ７が設けられ；
発電装置は、粉体熱交換器Ｂ５と高温振動流動層反応器６と粉体熱交換器Ｃ７と高温ＣａＯタンク８と高温ＣａＣＯ３タンク９とＣＯ２タンク１２とタービン機１３と復水器１４と圧縮機Ｂ１５と膨張機１６とゲートバルブＡ１７とゲートバルブＢ１８とを含み、前記高温振動流動層反応器６のガス出口、タービン機１３、粉体熱交換器Ｂ５、復水器１４、圧縮機Ｂ１５、ゲートバルブＡ１７、加熱装置、ゲートバルブＢ１８、双方向型高温振動流動層反応器６のガス入口がサイクル配管で順次接続され；前記ＣＯ２タンク１２と膨張機１６のガス入口とが互いに接続し、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃ７が設けられ；前記膨張機１６のガス出口と高温振動流動層反応器６とが互いに接続し、接続配管の間に加熱装置が設けられ；前記高温振動流動層反応器６の固体粒子材料の入口は、高温ＣａＯタンク８と連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｂ５が順次設けられ、前記高温振動流動層反応器６の固体粒子材料の出口が高温ＣａＣＯ３タンク９と連通され、接続配管の間に粉体熱交換器Ｃ７が設けられる。
【００１６】
加熱装置は、加熱器１９とゲートバルブＣ２０とゲートバルブＤ２１とを含み、前記加熱器１９がゲートバルブＣ２０と順次連通され、前記ゲートバルブＤ２１が加熱器１９、ゲートバルブＣ２０と並列接続する。
【００１７】
双方向型高温振動流動層反応器にはＩｎｃｏｎｅｌ  ６１７材料を用いる。
【００１８】
高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システムの動作原理としては、
エネルギー貯蔵段階では、日射量が十分な時、図２に示すように、太陽光が太陽光反射装置１を透過し、太陽放射エネルギーをタワー式太陽エネルギー吸収装置２内において空気により集熱し、本来蓄えるＣＯ２と高温暖気が熱交換器Ａ３内で十分に熱交換し、その後高温ＣＯ２が双方向型高温振動流動層反応器６に入り、ＣａＣＯ３固体粒子を流動化させると共に分解反応を起こさせる。分解反応が進行するにつれ、分解生成物であるＣＯ２が粉体熱交換器Ｂ５においてその後きたＣａＣＯ３固体粒子を予熱し、そして圧縮機Ａ１１により圧縮して貯蔵する。反応余熱を十分利用するため、ＣＯ２が粉体熱交換器Ｃ７において分解生成物ＣａＯと十分に熱交換してから双方向型高温振動流動層反応器６に入って先ほどの流れを繰り返すことで、熱量を十分利用させる。高温暖気が熱交換器Ａ３を通過した後、冷気タンク４に蓄える。
【００１９】
エネルギー放出段階では、日射量が不十分な時、図３に示すように、初回エネルギー放出による発電時、ゲートバルブＣ２０を開き、ゲートバルブＤ２１を閉じ、ＣＯ２が膨張機１６、加熱器１９を通過することで、ＣＯ２が反応温度になるまで昇温され、双方向型高温振動流動層反応器６に入り、ＣａＯを流動化させると共に合成反応を起こさせ、大量の熱量を放出させる。この時、ＣＯ２の温度が３１℃を上回り、圧力も７ＭＰａを上回ることで、超臨界状態にあり、タービン機１３を経由して発電させる。ＣＯ２は、タービン機１３を経由して発電した後、熱量がなお残り、ＣａＯ固体粒子を予熱できる。初回のエネルギー放出後、ゲートバルブＣ２０を閉じ、ゲートバルブＤ２１を開き、合成生成物であるＣａＣＯ３固体粒子の反応予熱で粉体熱交換器Ｃ７においてＣＯ２を予熱して反応温度に達させ、先ほどのＣＯ２流れを繰り返す。エネルギー放出過程において、ＣＯ２が粉体熱交換器Ｃ７で昇温され、膨張機１６で膨脹され、ＣａＯ固体粒子を予熱した後、復水器１４に入って降温してから圧縮機Ｂ１５に入り圧縮される過程で、軸受で発電することを実現する。
【００２０】
高温カルシウムサイクルの熱化学によるエネルギー貯蔵システム全体において、ＣａＣＯ３固体粒子、ＣａＯ固体粒子の送りは、いずれもスクリューフィーダによる送り方式を用いることで、ＣＯ２ガスの漏洩を防止する。
【００２１】
なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、本発明の精神及び原則を逸脱することなく、均等の範囲内で加える各種の修正、置き換え、改善などは、均しく本発明の保護範囲内に網羅される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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