(57)【要約】  入射太陽放射に関連する熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置（１；１０；１１；１２）であって、上方から太陽放射を集束させる光学プラント構成に基づいたエネルギーの生産のために太陽熱プラント内で使用され、収容筐体（２）と、筐体（２）内部に収容され、一方が他方に外接して配置された流動可能粒子の複式床（３１、３２）と、を含み、筐体（２）が、粒子床（３）を貫通して延在しており、かつ、ヘリオスタットのフィールドによって集中した太陽放射を受けるための開口上部入口（２１）、及び粒子床の底面のレベルに開口又は閉鎖底部（２２）を有する少なくとも１つの受光筒状空胴（２０）を有し、全体の配置は、粒子床のうちの一方（３１）が、太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵するために筒状空胴（２０）のサイドスカート（２３）に接触して配置され、粒子床のうちの他方（３２）が、作動流体が交差する管束（４１）に接触して配置されるようにされる、装置（１；１０；１１；１２）。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射太陽放射に関連する熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置（１；１０；１１；１２）であって、「ビームダウン」構成に基づいたエネルギーの生産のための太陽熱プラント内で使用され、太陽放射によって上方から照射される装置（１；１０；１１；１２）であり、当該装置（１）は、
収容筐体（２）と、
前記筐体（２）の内部に収容された少なくとも１つの流動可能粒子床（３）と、を備え、
前記筐体（２）が、前記粒子床（３）を貫通して延在する少なくとも１つの受光空洞（２０）を有しており、前記空洞（２０）は、前記入射太陽放射の入口を規定する第１の開口長手方向端部（２１）と、前記第１の開口端部（２１）に対向し、前記空胴の底部を規定する第２の閉鎖長手方向端部（２２）と、を有しており、前記空胴のサイドスカート（２３）が前記端部同士の間に規定され、
全体の配置は、前記粒子床（３）が、前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）に外接して配置され、及び好ましくは接触して配置され、かつ、前記サイドスカート（２３）を通じて前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵する流動化ガスによって移動させられるようにされる、装置（１；１０；１１；１２）。
【請求項２】
前記空胴（２０）が、実質的に細長く、好ましくは実質的に筒形状を有する、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記空胴（２０）が長手軸（ｌ）を有し、全体の構成は、使用時に前記長手軸（ｌ）が実質的に垂直方向に配置されるようにされる、請求項１又は２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）が、金属材料及び／又はセラミック材料の外表面を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記空胴（２０）の前記第２の長手方向端部（２２）が、前記筐体（２）の底部及び／又は前記粒子床（３）の底面に配置される、若しくは、前記筐体（２）の底部及び／又は前記粒子床（３）の底面に近接して実質的に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記サイドスカート（２３）が前記太陽放射を吸収する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項７】
前記空胴（２０）の前記底部（２２）が前記太陽放射を反射する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項８】
前記空胴（２０）が、横方向の寸法、好ましくは直径（ｄ）と、約０．２〜０．５の範囲から構成された比で前記横方向の寸法に対して直交する高さ（ｈ）と、を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項９】
前記粒子床（３）が、
前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵し、前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）に配置された第１の貯蔵部（３１）と、
前記第１の部分（３１）に隣接して配置され、前記第１の部分（３１）によって貯蔵された熱エネルギーを、前記筐体（２）内に配置された熱交換手段（４１）に伝達する第２の伝達部（３２）と、によって形成され、
前記第１の貯蔵部（３１）及び前記第２の伝達部（３２）がそれぞれ、熱エネルギーを貯蔵するステップと、前記貯蔵されたエネルギーを伝達するステップと、を実行するために選択的かつ独立して流動可能である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記第１の貯蔵部（３１）が、少なくとも２つのさらなる部分に細分され、それらのうちの一方が前記空胴の前記サイドスカートに隣接し、もう一方が前記空胴の前記サイドスカートから離れており、それら２つのさらなる部分が、前記空胴との熱交換を高めるために選択的かつ独立して流動可能である、請求項９に記載の装置（１）。
【請求項１１】
前記流動化ガスの速度及び／又は流量を選択的に変更する手段を備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
気体／気体、好ましくは空気／空気の熱交換器（７１）を備え、前記全体の配置が、使用時に、前記粒子床（３）を流動化するために使用されるべき前記流動化ガスである第１の低温ガスと、前記粒子床（３）からの前記流動化ガスの出口である第２の高温ガスとが前記交換器（７１）内に供給されるようにされる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１３】
熱交換手段（４１、４２）、好ましくは使用時に作動流体が交差する１つ又は複数の管束、を備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１４】
使用時に作動流体が交差し、かつ、前記流動可能粒子床（３）に、好ましくは前記流動可能粒子床（３）の前記第２の伝達部（３２）に浸漬され又は接触させられるように前記筐体（２）内に配置された第１の熱交換手段（４１）を備える、請求項１３に記載の装置（１）。
【請求項１５】
使用時に作動流体が交差し、入射太陽放射によって照射されるように前記筐体（２）の外部に配置された第２の熱交換手段（４２）を備える、請求項１３又は１４に記載の装置（１０）。
【請求項１６】
前記全体の構成が、前記第２の熱交換手段（４２）が使用時に前記筐体（２）の上部（２５）、好ましくは前記入口（２１）に配置されるようにされる、請求項１５に記載の装置（１０）。
【請求項１７】
前記空胴（２０）の前記入口（２１）が直角面によって規定される、請求項１６に記載の装置（１０）。
【請求項１８】
前記空胴の入口（２１０）が円錐台形面によって規定される、請求項１６に記載の装置（１１）。
【請求項１９】
前記粒子床（３）、好ましくは前記粒子床（３）の前記第２の部分（３２）との熱交換を可能にするように、前記筐体（２）内に部分的に配置された第１の熱交換回路を備える、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２０】
入射太陽放射との直接的な熱交換を可能にするように、前記筐体（２）の外側に配置された第２の熱交換回路を備える、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項２１】
前記作動流体の予熱及び蒸発を可能にするように、前記第２の回路が、異なるセクタに仕切られている、請求項２０に記載の装置（１２）。
【請求項２２】
前記第１及び第２の回路が、一方と他方とで互いに連通し、一方と他方とで選択的に連通して設置され、若しくは、一方と他方とで完全に独立しており及び／又は独立して作動可能である、請求項１９と請求項２０又は２１とに記載の装置（１０）。
【請求項２３】
前記粒子床（３）内又は前記粒子床（３）の一部内に、燃料、好ましくは気体燃料を供給する手段を備える、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２４】
前記装置（１）が、前記作動流体が交差していることを検知して温度上昇を行うように、装置間に配置された温度状況の異なる装置に熱的に直列に接続されることに適している、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の１つ又は複数の装置（１）と、上方から太陽放射を集束させる照射構成を前記装置（１）とともに規定する太陽放射キャプテーション手段（２００、３００；２１０）と、を備える、エネルギー生産プラント（１００）。
【請求項２６】
前記太陽放射キャプテーション手段が、前記太陽放射が直接関係する第１のキャプテーション手段（２００）、好ましくはヘリオスタットのフィールドと、前記第１の手段から前記太陽放射を受け、前記太陽放射を前記装置（１）の前記空胴（２０）で伝達する第２のキャプテーション手段（３００）、好ましくは反射器と、を備える、請求項２５に記載のプラント（１００）。
【請求項２７】
前記全体の構成が、前記太陽放射が、前記粒子床（３）の暴露面で前記空胴（２０）内で伝達されるようにされる、請求項２５又は２６に記載のプラント（１００）。
【請求項２８】
前記全体の構成が、前記第１の熱交換回路、及び任意選択で前記第２の熱交換回路での蒸気又は熱エネルギーの生産を可能にするようにされ、前記第１及び第２の熱交換回路が、一方と他方とで独立して作動可能であることが好ましい、請求項１８及び１９に従属する場合の請求項２５〜２７のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項２９】
前記全体の構成が、前記第１の熱交換回路での電気エネルギーの生産のための蒸気又は熱の生産と、前記第２の熱交換回路で１つ又は複数の熱消費装置（９０）のための熱エネルギーの生産と、を可能にするようにされる、請求項１８及び１９に従属する場合の請求項２５〜２８のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３０】
連結された熱消費装置、好ましくは塩除去システムのために蒸気を生産する及び／又は熱を生産する、請求項２５〜２９のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３１】
蒸気を生産し及び／又は電気エネルギーを生産し、熱的に直列に連結された２つ以上の装置（１）を備える、請求項２５〜３０のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３２】
作動水を飽和蒸気に変換するように構成された１つ又は第１の群の装置（ＵＧＳ−Ｌ）と、前記飽和蒸気を過熱蒸気又は再過熱蒸気に変換するように構成された１つ又は第２の群の装置（ＵＧＳ−Ｈ）と、を備える、請求項３１に記載のプラント（１００）。
【請求項３３】
請求項２５〜３２のいずれか１項に記載のプラント（１００）を使用する、太陽放射からエネルギーを生産するための方法。
【請求項３４】
第１のキャプテーション手段（２１０）を自然斜面又は人工斜面に位置付けすることによって、上方からの太陽照射を提供する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
電気エネルギー及び熱エネルギーを付随して生産し、好ましくは前記熱エネルギーが脱塩水を生産するためのものである、請求項３３又は３４に記載の方法。
【請求項３６】
請求項９に記載の装置（１）を備え、
前記粒子床（３）の前記第１の部分（３１）によって、集中した前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵するステップと、
前記貯蔵するステップで貯蔵された前記熱エネルギーを、作動流体が交差する熱交換手段（４１）に伝達するステップであって、前記床の前記第２の部分（３２）の流動化によって実行されるステップと、を含み、
前記熱を貯蔵するステップ及び前記熱を伝達するステップが、一方と他方とで独立して作動され、好ましくは一方が昼間に、他方が昼間及び夜間に作動される、請求項３３〜３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記流動化ガスが空気である、請求項３３〜３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
流動化ガスの速度及び／又は流量を選択的に変更する、請求項３３〜３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
請求項１８及び１９に記載の装置を含み、前記第２の熱交換回路が昼間に作動し、前記第１の熱交換回路が夜間に作動する、請求項３３〜３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
作動流体として水又は空気を使用する、請求項３３〜３９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４１】
作動水を飽和蒸気中で変換するように構成された１つ又は第１の群の装置（ＵＧＳ−Ｌ）と、前記飽和蒸気を過熱蒸気又は再過熱蒸気に変換するように構成された１つ又は第２の群の装置（ＵＧＳ−Ｈ）と、を使用する、請求項３３〜４０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギーの使用及び貯蔵に基づきエネルギーを生産するプラント、関連方法、並びに、そのようなプラントでの使用に適した太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリオスタットによって集中した太陽エネルギーを使用することは本技術分野で知られている。ヘリオスタットによって集中した太陽放射に暴露される流動粒子床に基づいた装置によって、すぐに使用しない熱を貯蔵可能であることも知られている。
【０００３】
典型的には、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵する装置及び／又は対応の熱交換のための装置は、集中的な太陽放射を下から受けるために、ヘリオスタットのフィールドの設置面に対して高い位置に配置される。従って、典型的な構成は、塔状構造物上に配置された貯蔵装置又は交換装置を備え、その装置内にいわゆる「サービス」部品が収容されることが可能であり、ミラーに基づいたヘリオスタットのフィールドは地上に設置される。
【０００４】
そのような装置に基づいた太陽由来の熱／電気エネルギーを生産するプラントは、得るべき熱出力に応じて、１つ又は複数の貯蔵ユニット及び／又は交換ユニットを想定することができる。プラント出力の増加に伴い、貯蔵手段を含む装置の重量が増加し、各装置専用のミラーの数が増加し、それに応じて、ミラーのフィールドの拡張を妥当にしておくように装置自体が位置付けされねばならない高さが増し、付随して、太陽放射が確実に装置の上に適切に集中する。典型的な工業プラントでは、貯蔵装置及び／又は交換装置の高さは、１００ｍを超える非常に高い値が想定されている。
【０００５】
既知のプラント構成においてさらに重要なことは、高温で動作するため貴重で高価な材料で構成され、付随して、関連する熱分散がより大きいために全体的なプラント効率の低下をもたらす装置が存在することに関連する。
【０００６】
ここで説明した既知のプラント構成は、とりわけ、大きい巻上手段を必要とする高所での保守作業の困難さ及びコストにも関連する著しい欠点を伴う。
【０００７】
さらに、流動可能粒子床を備えた装置の場合には、装置自体が偶然破損することによって、人と物にとっての危険を伴う高温材料の漏出及び重力による落下が起こり得る。
【０００８】
ここまで述べてきたことの結果として、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための既知の装置は、電気エネルギー生産のコストが依然として高くなり、いずれにしてもいわゆる「パリティグリッド」からほど遠い。
【発明の概要】
【０００９】
従って、本発明の根底にある技術的課題は、既知の技術に関する上記欠点を克服することである。
【００１０】
上記課題は、請求項１に記載の装置及び請求項３２に記載の方法によって解決される。
【００１１】
本発明の好ましい特徴は、従属クレームの目的である。
【００１２】
本発明は、流動可能粒子床にある固体貯蔵手段に基づいた、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置を提供する。
【００１３】
前記装置は、高い生産効率、低い投資及び維持コスト、並びに高い作業安全性を可能にする。これは、装置自体の建設が単純であること、及び、装置を地上に位置付けして、上から太陽照射を提供することが可能であることによって達成される。
【００１４】
本発明の装置は、地上に位置付けするように考案され、例えば、以下に説明するいわゆる「ビームダウン」構成による反射光学系によって、又は、高所、例えば自然斜面若しくは専用の高架構造物の上にミラー若しくは等価な手段を単に位置付けすることによって、上からの照射を実行することができる。
【００１５】
好ましいプラント構成によれば、上記の高い生産効率及び低いコストは、貯蔵及び伝達する装置を、それぞれ特定の温度及び運転の状態に関連する２つ以上のいわゆる「熱カテゴリ」に、構造的に特殊化することによっても得られる。
【００１６】
次いで、熱カテゴリの異なる装置は、同じプラント内のそれらの装置同士の間で直列に効果的に連結されることが可能である。前記文脈において、本発明の装置は、電気及び／又は熱エネルギー生産用プラント内に基部モジュールとして装着するのに適切であり、例えば、有利には塩除去システムなどの熱消費装置に役立つことが好ましい。
【００１７】
とりわけ、高出力の電気エネルギー生産プラントに装置が装着される場合、これらの装置を熱カテゴリに構造的に特殊化することによって、効率向上及びコスト削減の点で著しい利点が得られる。
【００１８】
高出力プラントに装着される場合の、本発明の装置の特殊化と装置同士の間の連結モードとに関する利点について以下に説明する。
【００１９】
本発明の装置は、外部環境から上記流動可能粒子床を絶縁する筐体内に収容された上記流動粒子床を含む。筐体は、金属であり、それ自体の外表面で断熱されることが好ましい。前記筐体は、粒子床を貫通して延在し、かつ、上から来る集中的な太陽放射を受ける１つ又は複数の空胴を規定する。空胴の壁は、金属及び／又はセラミック材料から作られ及び／又はコーティングされることが好ましく、断熱されない。空胴は、筒状又は実質的に筒状の形状を有することが好ましい。
【００２０】
各受光空胴の上記配置及び構成によって、太陽放射の吸収、ひいては、本発明の装置を使用するプラントの全体効率を最大化することができる。
【００２１】
上記流動可能粒子床は、受光空胴の壁から伝達された熱を貯蔵し、そのような熱をさらなる熱交換素子に伝達するという二重の機能を実行することができ、熱交換素子、特に、管束は、粒子床に浸漬され、又はいずれにしても前記床に接触されている。
【００２２】
前記貯蔵するステップ及び前記伝達するステップはまた、選択的に、一方を他方から独立して作動させることができる。これは、粒子床の選択された部分を制御しながら流動化することによって有利に得られる。
【００２３】
特に、好ましい実施形態では、装置は、独立して流動可能な２つの床ゾーン又は床部分、及び具体的には、受光空胴と接触し、熱エネルギーの貯蔵に割り当てられた床の第１の部分と、第１の部分に隣接し、作動流体、好ましくは水が交差する熱交換管束（又は等価な手段）が浸漬されている床の第２の部分と、を備える。
【００２４】
受光空胴と貯蔵床との間の熱交換は、床の前記第１の部分を流動化することによって起こり、熱伝達に割り当てられた床の第２の部分は、装置が装着されているプラント又は装置がエネルギーを生産している動作状態においてのみ流動化され得る。空胴の壁により近い第１の部分セクションは、以下により良く説明するように、残りの第１の部分に対して、より大きい流動化速度で流動化されることが好ましい。
【００２５】
好ましい構成では、太陽放射を空胴内で方向付けることを可能にする光学系は、第２の反射器上に放射を集中させるヘリオスタットのフィールドから構成され、第２の反射器は、そのような放射を流動床装置の受光空胴内に集中させる。第２の反射器は、塔又はいずれにしても高架構造物の上に配置され、貯蔵及び伝達するための装置は、地上（上記）、好ましくは第２の反射器に対してセンタリングされた位置に配置されることが好ましい。
【００２６】
別の同様に好ましい構成では、ヘリオスタットは、自然斜面又は人工斜面の上に配置され、粒子床内に適切に配置された１つ又は複数の空胴内に太陽放射を集中させることができる。
【００２７】
従って、集中的太陽放射は、上から流動床内部の空洞又は各空胴に入射し、好ましくは前記空胴の中央領域内に集中する。
【００２８】
上記のように、受光空胴又は各受光空胴は流動可能床に交差する。空胴の下端部は、前記床の底面と一致し、上端部は、粒子床を受ける筐体の上部を規定し得る。従って、空胴の壁は、外部環境に対して床を収容し、床と環境とが直接接触することを防止する。
【００２９】
上記のように、空胴は、筒形状を有することが好ましい。空胴は、０．２〜０．５の範囲に含まれる直径／高さ比を有することがさらにより好ましい。そのような比は、より詳細に以下に示すように、確実に、太陽放射の吸収を高めるため、反射による損失を減少させる。特に、提案した比の範囲は、粒子床を通って空胴自体の長手方向延長部に沿って複数回、部分的に反射した後に、空胴の側壁に入射する放射を吸収させ、外側への損失を最小限まで減らす。
【００３０】
さらなる好ましい構成では、高い熱出力の生産プラントに対応して、本発明の流動床装置は、入射放射に直接暴露されるさらなる管束、又は等価な熱交換手段を有することができる。前記さらなる熱交換手段は、粒子床を受ける筐体の上部に配置されることが好ましい。特に、太陽放射に暴露される前記さらなる熱交換手段は、空胴の入口を囲んで（も）位置付けすることできる。
【００３１】
上記の第２の反射器を備える好ましい構成では、管束の熱抵抗特性に対応する熱流の減少と典型的には関連する、流動床装置から遠いヘリオスタットから来る太陽放射が熱交換手段に入射する。その代わりに、装置の受光空胴内では、第２の反射器により近いヘリオスタットから来る高い熱流の太陽放射が伝えられる。ヘリオスタットの空間的位置に関連して熱流の程度がそのように異なるのは、太陽放射のガウス分布によるものであり、それによって、すべてのヘリオスタットのいわゆる「照射跡」の重なりから生じるはるかに高い熱流を、空胴の中心が受ける。
【００３２】
以下により良く示しているように、太陽放射に暴露された上記管束又は他の熱交換手段は、他の熱交換素子が粒子床に接触した単一の動作回路を形成し、又は、前記床から独立若しくは選択的に独立させることができる回路を規定することができる。
【００３３】
ここで検討した、太陽放射に直接暴露された熱交換素子と、粒子床に接触した熱交換素子とに基づいた構成は、有効熱流をすべて利用することができるように、プラント効率の点で最適化され、付随して、再照射による外部環境への熱損失を最小化するために筒状空胴の直径は小さいままにしておく。直接放射に暴露される熱交換素子の使用温度は、実際無視可能な照射による損失をもたらすようなものであり得る。
【００３４】
熱交換素子に交差する作動流体が水である場合、好ましい工程構成は、昼間に、暴露された交換素子が太陽放射を受け、それを作動流体に直接伝達し、関連する熱エネルギーを、タービンによって電気エネルギーを生産し、及び／又は、脱塩水を生産するために直ちに利用可能にすることが想定される。付随して、空胴は集中的放射を受け、関連する熱エネルギーは粒子床に貯蔵される。終夜又は長期間太陽がないために、粒子床に貯蔵された熱エネルギーを筐体内部の熱交換素子に交差する作動流体に伝達することができ、電気エネルギーの生産及び／又は脱塩水の生産を継続するために前記熱エネルギーを使用することができる。任意選択で、日照時間中に、粒子床に貯蔵されたエネルギーの一部を、筐体内部の熱交換素子の作動流体に伝達し、電気エネルギー及び／又は脱塩水の生産に役立てることができる。
【００３５】
本明細書に記載するポリジェネレーションタイプの構成、すなわち、電気エネルギー（装置をタービンに関連付けることによって）及び、例えば真水（装置を塩除去システムに関連付けることによって）が生産可能な構成によって、有効太陽放射の利用を意味する効率を最大化することができる。
【００３６】
前記ポリジェネレーション構成は、太陽放射に直接暴露される熱交換素子がない場合でも実現することができる。
【００３７】
ポリジェネレーション構成及びモノジェネレーション構成からの最適な動作構成の選択は、本発明の装置及び設置ゾーンのニーズに基づいたプラントの寸法に依存する。プラント効率の理由により、小型プラントには、先述のように、暴露された交換素子がない場合でも、脱塩水の生産のみを行うことが好ましく、中出力及び高出力のプラントにはポリジェネレーションが有利である。
【００３８】
また、低温の作動流体で動作する本発明の装置に基づいた発電プラントには、又はいずれにしても小型プラントの場合には、プラントをＯＲＣ（有機ランキンサイクル）サイクル、すなわち、前記場合に本発明の装置の作動流体を構成する有機流体を備えたランキンサイクルに関連付けることが有利である。有機サイクルとの関連付けは、従来の蒸気サイクルがよりコストがかかるであろう小出力プラントには特に有利である。
【００３９】
従って、本発明の装置は、任意の寸法のプラントのモジュールとして、かつ、上記塩除去作業のための、又は本発明の装置が高効率をもたらし得る小さい熱消費装置のサービスへのいわゆる「単独」用途のための両方に、使用することができる。
【００４０】
高出力が生産される場合には、本発明の装置は、電気エネルギー生産が、例えば塩除去システム、空調システムなどの熱消費装置用の蒸気生産と一体となっているハイブリッドプラントに装着されるのに特に適している。
【００４１】
好ましい構成ではまた、長期の日射がないことを補い及び／又は決定された熱レベルに確実に到達させるために、流動床内部で燃料が使用される。これにより、システムの柔軟性及び全体効率を大幅に改善することが可能となる。
【００４２】
別の同様に好ましい構成では、装置から外部環境への熱分散を避けるために、悪天候の場合、及び／又は、日射が一時的若しくは長期的にない場合に作動可能な空胴閉鎖部品が設けられる。
【００４３】
上記のように、電気エネルギー生産プラントの好ましい構成では、貯蔵及び伝達するための装置は２つの類型に特殊化され得る。特に、作動流体としての給水から乾燥飽和蒸気を生産するための低温太陽発電ユニット、ＵＧＳ−Ｌと呼ばれる第１の類型が提供される。さらに、ＵＧＳ−Ｌによって生産された蒸気を過熱、及び任意選択で再過熱するための高温太陽発電ユニットＵＧＳ−Ｈと呼ばれる第２の類型が想定される。
【００４４】
一般に、実行される機能に関連して、ＵＧＳ−Ｌ装置は、ＵＧＳ−Ｈより著しく低い温度で動作する。
【００４５】
さらに、上記のように、特殊化が異なるユニットが直列に連結される。
【００４６】
上で導入したＵＧＳは、本発明の装置の本明細書で述べる特徴を保持し、かつ、装置及びプラントの全体効率を増加させながら、ＵＧＳ−Ｌの受光空胴を通る外部環境への対流及び照射による熱損失が著しく減少することに関する利点を伴う。
【００４７】
さらに、ＵＧＳ−Ｌの建設材料と、それに関連する生産装置とのコストの削減は、それらを含むプラントのさらなる全体的な利点に相当する。実際、熱力学サイクルでは、飽和蒸気生産に関連するエネルギーシェア、ひいては、ＵＧＳ−Ｌから構成されるモジュールのシェア部分が約６０％である。従って、前述の利点は、プラント自体のコスト削減及び効率増加を伴いながら、発電プラントの６０％に適用される。
【００４８】
本発明の他の利点、特徴及び動作ステップは、例として挙げた、限定することを目的としない、本発明のいくつかの実施形態についての以下の詳細な説明において明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
添付図面の図が参照される。
【００５０】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置を含む「ビームダウン」構成のプラントにおける第１の実施形態の概略図を示す。
【図１Ａ】図１のプラントの一部の拡大図を示す。
【図１Ｂ】上から装置に照射することによってヘリオスタットの配置が異なる、図１のプラントに類似したプラントを示す。
【図２Ａ】図１及び図１Ｂの装置の筒状空胴の入口における平面上に生成された太陽の照射跡を示す数値シミュレーションの結果を示す。
【図２Ｂ】図１及び図１Ｂの装置の筒状空胴の中心からの距離に応じた太陽流の分布を示す数値シミュレーションの結果を示す。
【図３】本発明の別の好ましい実施形態による、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置を含むプラントにおける第２の実施形態の概略図を示す。
【図３Ａ】図３のプラントの一部の拡大図を示す。
【図４】図３のプラントの変形実施形態の概略図を示す。
【図５】図３のプラントの別の変形実施形態の概略図を示す。
【図５Ａ】図５のプラントの一部の拡大図を示す。
【図６】本発明による、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置の変形実施形態の概略図を示す。
【図７】図１〜図６のプラントのうちの１つにおいて適用可能な、特殊ＵＧＳ装置間の一般的な連結図を示す。
【図８】図６の特殊ＵＧＳ装置に基づいた電気エネルギー生産プラントの図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
まず図１及び図１Ａを参照すると、「ビームダウン」構成に基づいた、エネルギーを生産するための太陽熱プラントが一般に１００で示される。本実施形態のプラント１００は、蒸気及び工業用蒸気を生産するのに適している。
【００５２】
プラント１００は、本発明の好ましい実施形態による、入射太陽放射に関連する熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置を含み、その装置の全体が１で示される。プラント１００は、上記タイプの２つ以上の装置を含んでもよい。
【００５３】
プラント１００はまた、装置１と共に上記「ビームダウン」照射構成を規定する太陽放射キャプテーション手段を含む。特に、プラント１００は、太陽放射が直接関係し、太陽放射を第２のキャプテーション手段３００上で伝えることができる第１のキャプテーション手段、本実施例ではヘリオスタットのフィールド２００を含み、第２のキャプテーション手段３００は、第１の手段２００から太陽放射を受け、次いでそれを装置１の受光空胴２０で伝えることができ、好ましくは反射器又はミラーである。
【００５４】
本配置では、第２の反射器３００は、塔又は他の高架構造物の上に位置し、ヘリオスタットのフィールド２００及び装置１は、地上に配置される。装置１は、第２の反射器３００に対してセンタリングされた位置にあることが好ましい。
【００５５】
装置１は収容筐体２を含み、収容筐体２は、キャプテーション手段によって集中した太陽放射を受けるための受光空胴２０を有し、かつ、その内部に流動可能粒子床３を収容する。
【００５６】
変形実施形態は、筐体２内に入った２つ以上の受光空胴を備えてもよい。
【００５７】
収容筐体２は、外部環境への熱の分散を最小限まで減らすために断熱され、好ましくは金属から作られる。
【００５８】
本発明によれば、受光空胴２０は、粒子床３を貫通し、好ましくは収容筐体２の全高にわたって延在する。
【００５９】
本実施例では、受光空胴２０は、実質的に細長く、特に実質的に筒形状を有し、使用時に好ましくは垂直に配置される長手軸ｌに沿って延在する。
【００６０】
空胴２０は、第１の開口長手方向端部、すなわち入口２１によって、底部で閉じられるのが好ましい第２の長手方向端部２２によって、及び入口２１と底部２２との間に介在し、集中的太陽放射を受け、かつ太陽放射に関連する熱エネルギーを粒子床３に伝達することができるサイドスカート２３によって規定される。
【００６１】
本実施例では、空胴２０の入口２１は、実質的に平らで、実質的に直角の面によって規定される。
【００６２】
空胴２０は、比が約０．２〜０．５の範囲に含まれる直径ｄ及び高さｈを有することが好ましい。前記比は、集中的太陽放射の吸収を最大化するのに適している。特に、前記比の値が低いほど、スカート２３の上部の壁に入射する太陽放射の吸収効率が良い。前記入射放射は、空胴２０の底部２２の方へ複数回、部分的に反射した後に、前記スカート２３から吸収される。
【００６３】
空胴２０のサイドスカート２３は、太陽放射を吸収する材料から構成され、底部２２は、太陽放射を反射する材料から構成されることが好ましく、その結果、底部２２は、衝突してくるいかなる放射をもサイドスカート２３の方へ正確に再び反射し、これにより、入射放射の吸収が高くなる。
【００６４】
サイドスカート２３は、金属材料及び／若しくはセラミック材料により作られた、又はコーティングされた外表面を備えてもよい。粒子床３と接触するスカート２３の内表面は、耐磨耗コーティングを備えてもよい。
【００６５】
上記のように、受光空胴２０は、粒子床３を貫通して延在し、それ自体のサイドスカート２３によって粒子床３から分離される。従って、粒子床３は、前記サイドスカート２３に外接し、かつ前記サイドスカート２３の内表面に接触して配置される。
【００６６】
空胴２０の底部２２は、実質的に、粒子床３の底面を規定する筐体２の底部で、又はそれに近接して配置されることが好ましい。
【００６７】
全体構成は、太陽放射が、空胴２０内の空胴自体の中心で、かつ粒子床３の暴露面の高さで伝えられるようなものであることが好ましい。言いかえれば、光学系を目的とした好ましい構成は、第２の焦点ｆ、すなわち第２の反射器３００によって反射した光線の集束点を、空胴２０の上部入口２１の中心で、かつ粒子床の高さと等しい高さで位置付けするようなものである。
【００６８】
粒子床３は、太陽放射から受け取った熱エネルギーを空胴２０のサイドスカート２３から貯蔵するために、流動化ガス、好ましくは空気によって選択的に移動させることができる。粒子床３の流動化により、空胴２０のサイドスカート２３との効率的で均一な熱交換が確実に正確に行われる。
【００６９】
粒子床３の粒子材料の選択は、流動化空気中の微粉の生成及び輸送を制限するために床粒子水簸の現象を最小化する必要性に応えて、特に、摩耗及び細分化に対する適性が低いことに基づく。これらの考察に基づいて、好ましい構成では床粒子として、規則的形状、好ましくは球状、及び／又は好ましくは約５０〜５００ミクロンの寸法を有し、かつ、前記寸法が、好ましくは、より小さい粒子の凝集から生じていない本来のものであるような、例えば炭化ケイ素又は石英のような、酸化に不活性な粒状物質を使用することが好ましい。
【００７０】
本実施形態に基づいて、粒子床３は、第１の貯蔵部３１及び第２の伝達部３２によって効果的に形成され、第２の伝達部３２は、貯蔵部３１に外接し、貯蔵部３１に接触するのが好ましい。
【００７１】
特に、貯蔵部３１は、太陽放射から受け取った熱エネルギーを空胴２０のサイドスカート２３から貯蔵することができ、従って、空胴２０のサイドスカート２３に配置される。伝達部３２は、空胴２０の周辺に、貯蔵部３１に隣接して配置され、床部３１に貯蔵された熱エネルギーを、筐体２内に収容された熱交換素子４１に伝達することができ、これについては以下に説明する。
【００７２】
使用時には、貯蔵部３１及び伝達部３２はそれぞれ、熱エネルギーを貯蔵するステップ及び前記貯蔵されたエネルギーを伝達するステップを実現するために、選択的に、かつ独立して流動可能であることが好ましい。特に、熱交換素子４１への熱伝達は、交換部３２の流動化を中止することによって停止することができる。
【００７３】
プラント１００の典型的な動作モードによれば、床部３１によって貯蔵するステップは、昼間及び太陽照射がある場合に作動し、また床部３２が作動することによって、伝達するステップは昼間及び夜間の両方で行われる。
【００７４】
流動化ガスは、エアボックスタイプの供給口５１及び５２のそれぞれによって、筐体２内の床部３１及び３２に供給され、供給口５１及び５２は、それ自体知られており、図に概略的に示した。
【００７５】
そのような入口５１及び５２には、流動化ガスが均一に入ることを可能にし、かつ付随して粒子床３を確実に支持して、筐体２の底部の実現に寄与することができる流動化ガスの分配隔壁又は他の分配器を備えられることが好ましい。
【００７６】
貯蔵部３１及び交換部３２は、連続的であり、又は図に示していないが隔壁によって分離することができる。好ましい変形実施形態では、２つの床部３１及び３２は、エアボックスを分離することによって選択的に流動可能な、同じ床の隣接する部分を構成してもよい。
【００７７】
熱の交換と伝達の程度とを調整するために、流動化ガス速度及び／又は流量を選択的に変更することができる手段を備えることが好ましい。特に、流動化ガスの交差速度を変更することによって、流動床と交換面との間の全体的な熱交換係数を制御及び修正することができ、結果的に伝達される熱出力量の調整において柔軟性が得られる。
【００７８】
本実施形態では、流動化ガス回路と連通する熱交換器気体／気体７１、特に空気／空気も提供される。特に、使用時に、前記交換器７１内には、粒子床３を流動化するために使用すべき流動化ガスである第１の低温ガスと、粒子床３からの流動化ガス出口である第２の高温ガスとが供給される。従って、交換器７１によって、流動化空気を予熱し、出口である流動化空気の熱の一部を回収することができる。
【００７９】
流動化ガス回路は、典型的には、ファン若しくは圧縮機７２、又は、環境空気を捕集するための等価な手段も含む。
【００８０】
前記回路は、典型的には、図示していないが、装置１から来る高温流動化空気のライン上であって、交換器７１の下流に配置された吸引器によって平衡が保たれる。
【００８１】
上記のように、筐体２内には、熱交換素子４１、特に、使用時に作動流体、本実施例では水／蒸気が交差する管束が備えられる。
【００８２】
流動化時、すなわち熱エネルギーを伝達する前記ステップの間、管束４１は、床の第２の部分３２に浸漬され、又はいずれにしても床の第２の部分３２が接触するように配置される。
【００８３】
管束４１は、プラント１００のタービン８１内で膨張すべき蒸気を生産するのに適している熱交換回路の一部である。特に、前記のように作動流体は、液体状態の水が好ましく、その水は、管束４１と交差する間に熱エネルギーを受けて過熱蒸気になる。次いで、所定の温度及び圧力の状態にある前記過熱蒸気が、電気エネルギー発生器８２に関連付けられた蒸気タービン８１内で膨張することによって、電気エネルギーを生産するために利用される。
【００８４】
作動流体回路はまた、それ自体知られている構成によれば、凝縮器８４、タービン８１内にブリードを備えたゲッタ８５、及び供給ポンプ８６、又はここで挙げたものと等価な手段を含む。
【００８５】
本実施例では、交換素子４１を出る過熱蒸気の一部又はすべてが、プラント１００に連結された１つ又は複数の熱消費装置９０、例えば、塩除去システム、工業システム、調整システムなどに送られてもよい。そのようなポリジェネレーションの場合には、蒸気の供給は、タービン８１の上流に配置された流量調整手段８３によって得ることができる。
【００８６】
作動流体回路はまた、熱消費装置９０に送られ、熱の寄与を行い、まさに排出された流体を、ベース回路、好ましくは凝縮器８４の下流への連結９００によって回収する。
【００８７】
異なる構成では、電気エネルギー生産の代替として、すなわちプラント内で電力生産を行わずに、装置１を熱消費装置９０に関連付けてもよい。
【００８８】
流動化ガス回路及び作動流体回路の両方は、特定の動作ニーズを満たすために、それ自体知られているタイプの流量調整手段及び／又は遮断手段を備え得ることが理解される。
【００８９】
プラント１００及び装置１はまた、粒子床３内、又は粒子床３の一部内で燃焼すべき燃料を供給するための手段を備えることができ、これによって、長期の日射がないことを補い、及び／又は、生産プラントの下流のニーズに応じて決定された出力レベルに確実に到達させる。
【００９０】
この場合、装置１は、燃料、好ましくは気体燃料の粒子床への独立した入口と、燃焼をトリガするため、かつ、装置内部の燃料のあらゆる危険な燃料溜まりから守るために、装置１の環境に装着された１つ又は複数のトーチと、筐体２上の１つ又は複数の破裂板と、を備えるようなものである。これらの方策は、適用可能であってもよい他の手段と同様に、爆発の危険を防ぐことを目的としている。燃料自体の燃焼については既知の技術であり、以下にさらには説明しない。重要な利点は、前記燃料を流動可能床の内部で直接燃焼させることが可能なことにある。通常実際、先行技術の装置では、この動作は、主生産プラントから分離された生産ユニット内で実行される。
【００９１】
図２Ａ及び図２Ｂは、例として、上からの集中的太陽放射の典型的な分布についての数値シミュレーションの結果を示す。
【００９２】
特に、図２Ａは、その中心が筒状空胴２０の上部断面の中心と一致するデカルト座標軸系における熱流を明るく表示している。太陽放射から生成された照射跡は、ヘリオスタットに由来するすべての照射跡の結果であるため、最大流量が前記断面の中心にあることが明示されている。図２Ｂからも推測されるように、中心から遠ざかると、流量値は急速に減少する。
【００９３】
これらの数値シミュレーションの結果は、ヘリオスタットの決定された基準フィールドに対する筒状空胴の直径の寸法決め、及び空胴自体に吸収され得るエネルギー量の予測に有用である。
【００９４】
図１Ｂ及び図３〜図５Ａは、本発明の装置及びプラントのさらなる実施形態並びに変形例を示す。これらのさらなる実施形態及び変形例は、図１及び図１Ａと関連して既に開示しているものに対する違いについてのみ以下に説明する。
【００９５】
図１Ｂの変形例では、ここでは全体的に１１０で示される図１のプラントと同じタイプのプラントが備えられ、いわゆる「ビームダウン」構成に代わる、上からの照射構成を実現する。プラント１１０は、太陽放射が直接関係し、装置１に対して高い位置に正確に配置された、高置の第１のキャプテーション手段２１０に基づいた光学系を備える。特に、高置の第１のキャプテーション手段２１０は、自然斜面及び／又は適切な支持構造物の上に配置される。
【００９６】
図３〜図５Ａの実施形態及び変形例は、高い熱出力が要求される場合に特に適しており、図１及び図１Ｂの両方の照射構成に適合する。
【００９７】
特に、図３〜図５Ａの実施形態及び変形例は、第１の実施形態に対して追加の熱交換素子を共通して備え、その追加素子は、入射太陽放射に直接暴露される。従って、受光空胴の外部の太陽熱流が回収され、放射をすべてキャプテーティングすることによって高出力を得るためだけに受光空胴の横方向の寸法を増加させるという解決策で生じ得るであろう効率損失を防ぐ。
【００９８】
図３及び図３Ａは、第１の実施形態のプラントに類似した、本明細書において１０１で示したプラントの第２の実施形態を示す。
【００９９】
その場合、プラント１０１は、一般に１０で示される、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置を含む。
【０１００】
装置１０は、熱交換素子をさらに備え、特にこの場合、使用時に作動流体が交差し、入射太陽放射が直接関係するように筐体２の外部に配置された管束４２も同様に備える。特に、そのようなさらなる管束４２は、筐体２の上部２５上に、空胴２０の入口２１に、及び／又は、前記入口を部分的に覆うように位置する。
【０１０１】
管束４２は、筐体２の完全に外側に配置され、第１の実施形態の管束４１に関連する回路に付け加えることができる、さらなる熱交換回路の一部である。
【０１０２】
暴露された管束４２には、熱流の減少に関連する、第２の反射器３００から遠いヘリオスタットのフィールド２００のミラー２０１から来る太陽放射が入射する。その代わりに、筒状空胴２０は、第２の反射器３００により近いヘリオスタットのフィールド２００のミラー２０２の高熱流の太陽放射を受ける。
【０１０３】
本実施例では、前記２つの回路は連通している。特に、作動流体は、暴露された管束４２に順に交差し、次いで、粒子床の第２の部分３２に浸漬された管束に交差する。特に、実施例では液体の水である作動流体は、相転移することなく温度を上昇させながら、暴露された管束４２を横切り、次いで、流動床３内部の管束４１に注入され、ここで引き続き、飽和蒸気状態の相転移まで加熱され、その後、過熱される。次いで、第１の実施形態に関して既に説明したことに従って、飽和蒸気がタービン８１に注入される。
【０１０４】
作動流体の全体的な回路はまた、暴露された管束４２から来る温度水を、粒子床に浸漬された熱交換素子４１に送ることなく貯蔵することができるように寸法決めされた貯蔵槽８６を備えることができる。これにより、エネルギー生産の中止、すなわち床部３２との熱交換という特定の動作ニーズを満たすことができる。より詳細には、プラントのニーズに対して、蒸気生産を停止する必要があり得る。このニーズが日照時間中に生じた場合、貯蔵槽８６が存在することによって、暴露された管束４２に入射する太陽放射を回収して、前記放射によって加熱された水を貯蔵槽８６に貯蔵し、かつ、筒状空胴２０から貯蔵床３１に熱エネルギーを貯蔵し続けることができる。これらの状態では、交換を担う床部３２は流動化されない。「生産停止」イベントが終わると、装置１０内部の管束４１と連結するための連結回路を開き、生産を継続することができる。
【０１０５】
代替的に、又は、槽８６内の温水の貯蔵に関連して、又は、いずれにしても通常の動作モードにおいて、暴露された束４２に吸収されたエネルギーは、バイパス回路８６１を介して、任意選択で利用可能な熱消費装置９０に直接送ることによって利用することができる。
【０１０６】
さらなる工程構成では、暴露された管束４２に吸収された熱エネルギーが、バイパス回路８６１によって熱消費装置９０に供給するために独占的に利用されてもよく、残りの太陽放射は、引き続き、筒状空胴２０に吸収され、貯蔵床部３１に貯蔵され、付随して、又は太陽のない場合に、タービン８１に送ることができる蒸気を生産するために、管束４１に伝達される。
【０１０７】
ここで図４の実施形態を参照すると、この場合、本明細書では全体的に１１で示した太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置が備えられ、１０２で示したプラント内に装着される。
【０１０８】
装置１１は、円錐台形面によって規定された円筒空胴２０の入口２１０を備える。前記入口２１０には、その輪郭に追随するように、本明細書において４２０で示した、太陽放射に暴露されるさらなる熱交換素子が配置される。
【０１０９】
そうでない場合、プラント１０２及び装置１１は、図３及び図３Ａに関して既に説明したプラント及び装置に類似している。
【０１１０】
既に述べたように、図３及び図４それぞれのプラント１０１及び１０２の場合においても、図示していないが、さらなる好ましい構成では、電気エネルギーを生産することなく、熱消費装置、例えば、塩除去システムと独占的に関連付けてもよい。
【０１１１】
図５及び図５Ａの実施形態を参照すると、この場合、全体的に１２で示した太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置が備えられ、１０３で示したプラントに装着される。
【０１１２】
装置１２には、表面が全体として図３及び図４の場合より大きい、全体的に４２１で示した暴露された熱交換素子が備えられる。そのような熱交換素子４２１は、作動流体の加熱、蒸発、及び過熱の過熱をもたらすような、より大きい太陽熱流を吸収するように、正確に寸法決めされ、従って、代替的に、又は併せて、タービン８１に蒸気を直接注入し、及び／又は、１つ以上の熱消費装置９０で蒸気を使用する。
【０１１３】
暴露された管式交換器４２１をより大きく拡張したこの構成は、より高い出力のプラントに特に便利である。その理由は、高出力用プラントの場合、ヘリオスタットのフィールド２００の寸法がより大きく、装置１２からの距離があるために、装置１２への太陽放射の照射跡が増大するからである。従って、暴露された管式交換器をより大きく拡張することによって、利用可能な入射放射をすべて遮断し、環境への再照射による損失を伴う空胴２０の直径の増大を避けることができる。
【０１１４】
本実施例では、熱交換素子４２１は、筐体２の上部２５上と、空胴２０の、例えば円錐台形の入口２１０との両方に延在する。
【０１１５】
次いで、液体状態の水が、既に挙げたポンプ８６によって供給され、外部交換素子４２１に対する第１の回路、及び粒子床に浸漬された内部交換素子４１に対する第２の回路の２つの回路を流れ得る。
【０１１６】
本明細書で検討した構成では、作動流体の上記予熱、蒸発及び過熱を可能にするために、それら間で連結可能な異なるセクタに仕切られた回路が、暴露された熱交換素子４２１に関連付けられる。特に、空胴２０の周辺に配置され、作動流体の予熱を行うのに適した暴露された熱交換素子４２２と、空胴２０の入口２１０に近接して、又は空胴２０の入口２１０に配置され、素子４２２に対して直列で、かつ作動流体の蒸発及び過熱を行うのに適した暴露されたさらなる熱交換素子４２３と、が提供される。
【０１１７】
熱交換素子４２２及び４２３を連結し、かつ、液相を気相から分離して日射が一時的にない場合に蒸気貯蔵手段として動作することを可能にする筒状体８７を備えることが好ましい。
【０１１８】
好ましい工程構成では、昼間の照射時間中に、暴露されたチューブ交換器４２１のみで過熱蒸気を生産し、付随して、熱エネルギーを貯蔵床部３１に貯蔵する。夜間及び／又は太陽が長期間ない場合には、床３１に貯蔵されたエネルギーが、過熱蒸気を生産するために利用され、これは、交換床部３２及び交換手段４１の流動化によって行われる。
【０１１９】
図６に変形実施形態を概略的に示す。上で説明した他の実施形態のそれぞれと関連し得る前記変形例では、空気供給口又はエアボックスは、それぞれ５１０、５１１及び５２０で示した３つのセクションにさらに細分される。特に、粒子床の貯蔵部３１へ供給される空気は、２つの入口５１０及び５１１を通って正確に細分され、その結果、空胴２０により近い床部３１は、同じ空胴から遠い、すなわち伝達部３２に近い貯蔵床部３１より大きい速度で流動化されてもよい。従って、貯蔵部３１は、受光空胴の壁に近いゾーン及び受光空胴の壁から最も遠いゾーンに細分され、すなわち選択的に流動可能になる。
【０１２０】
このさらなる細分の利点は、空胴に近いゾーンの流動化空気の速度を増加させ、それに応じて、壁と隣接する床部との間の交換係数を増加させることが可能なことにある。従って、貯蔵部がすべて等しく高速である場合には、流動化によるものであろうエネルギー消費が最小になる。さらに、貯蔵床の第１の部分における流動化空気流量の低下によって運ばれる顕熱の損失が減少する。
【０１２１】
上記実施形態及び変形例のすべてにおいて、作動流体回路の異なる部品は、選択的に連通して設置され、かつ／又は、一方が他方から独立して作動し得ることが理解される。
【０１２２】
さらに、前記実施形態及び変形例のそれぞれにおいて、受光空胴及びその様々な部分、特に入口は、上で検討したものと異なる形状及び構成を有してもよいことが理解される。さらに、粒子床３に浸漬された複数の受光空胴を備えることが可能である。
【０１２３】
説明した構成のそれぞれついて、筒状空胴２０に対して、図示していないが閉鎖装置を備えることができ、これにより、悪天候及び／又は日射が一時的若しくは長期的にない場合に、装置から外部環境への熱分散が避けられる。そのような閉鎖装置は、筐体内部の熱交換素子が優先されて貯蔵床と交換床との間で熱交換が起こる場合の、夜間に有利である。
【０１２４】
導入部で述べたように、好ましい変形実施形態に基づいて、プラント構成では、決定された熱力学的ステップを作動流体に実行するのにそれぞれ適した異なる熱カテゴリ又は類型に、装置群を特殊化する。
【０１２５】
作動流体として水を使用する場合には、装置を２つの熱カテゴリに特殊化するのが特に好ましい。特に、第１の類型は、水を飽和蒸気に変換する低温太陽発電ユニット、ＵＧＳ−Ｌを備え、第２の類型は、高温太陽発電ユニット、ＵＧＳ−Ｈを備える。高温太陽発電ユニット、ＵＧＳ−Ｈは、使用時に、ＵＧＳ−Ｌから飽和蒸気を受け取り、タービンに送るべき過熱蒸気、又は熱力学サイクルの要求によって任意選択で再過熱された蒸気を戻す。各ユニットは、上記貯蔵及び伝達するための１つ又は複数の装置によって形成され、任意選択で直列又はユニット自体を形成するように連結され、他のユニットの装置に直列に連結されてもよい。
【０１２６】
そのような特殊化は、発電プラントを構成する装置からの照射及び対流による損失を著しく減少させ、建設材料のコストを節約するとともに、そのような装置の５０％を超える熱状況を低下させることを可能にし、発電プラントの全体効率の増加をもたらす。
【０１２７】
上記の熱カテゴリによる装置の使用を提供するそのような構成は、高出力の生産に特に適している。
【０１２８】
図７を参照すると、特殊ＵＧＳ間の連結図が示され、図中、簡単にするために、電気エネルギーを生産するためのプラントに装着された単一のＵＧＳユニットのみが示される。前記図において、「発電ブロック」とは、図２に関して先述で既に説明したプラント部品のうちのいくつかのセット、好ましくは蒸気タービン８１、発生器８２、供給ポンプ８６、予熱器（図示せず）、ゲッタ８５及び凝縮器８４を意味することが好ましい。
【０１２９】
ＵＧＳ−Ｌは、既に説明した好ましいやり方及び方法で、太陽放射を受け、熱エネルギーを作動流体に伝達する。ＵＧＳ−Ｌの飽和蒸気出力（「蒸気」）は、ＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）の入力を示し、ＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）は、既に説明したやり方及び方法で、太陽放射を受け、それを作動流体（飽和蒸気）に伝達する。
【０１３０】
ＵＧＳ−Ｈの出力は、発電ブロックに送られる過熱蒸気（ＳＨ）である。
【０１３１】
前述のように、熱サイクルの要求に関する再過熱蒸気の生産も可能である。この場合について、第２のユニット、ＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）によって図７に示され、ＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）は、発電ブロックから入力として太陽照射及び低温再過熱蒸気を受け、それを高温再過熱蒸気の形で発電ブロックに戻すＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）と同じ熱特性を有する。例として、低温再過熱蒸気の温度は３００℃であり、ＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）から来る高温再過熱蒸気の温度は、５００℃である。
【０１３２】
次いで、低温ＲＨ及び高温ＲＨとして示した図７の連結はそれぞれ、中温タービンによって収集された蒸気、及び、熱サイクルに適した温度、好ましくは蒸気タービンの最高温度でＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）によって生産された蒸気である。
【０１３３】
熱サイクル図は当業者に知られているため、本明細書ではさらには示さない。
【０１３４】
図７に示した前記簡略図から、図８は、多数の特殊高温及び低温ＵＧＳユニットを備えた発電プラントの図を示す。
【０１３５】
図８には、低温太陽発電ユニットと高温太陽発電ユニットとを熱的に直列に連結する、図７で既に示した基本概念が図式化される。
【０１３６】
特に、図８は、ＵＧＳ−Ｌ  ５００群及びＵＧＳ−Ｈ  ６００群を明示しており、各群は、それらの間で並列に設置された同じ熱カテゴリのユニットによって形成される。ＵＧＳ−Ｌ  ５００群及びＵＧＳ−Ｈ  ６００群は、一般に熱的に直列に配置される。
【０１３７】
より詳細には、ＵＧＳ−Ｈ群は、過熱蒸気生産専用のＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）及び再過熱蒸気生産専用のＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）に細分される。低温群５００のＵＧＳ−Ｌは、収集回路５０１によって、図の「発電ブロック」で示した熱サイクルから来る予熱した水を受け取る。各ＵＧＳ−Ｌの出力は、分配回路５０２によって、高温ユニット群６００の各ＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）に伝えられ、分配される。
【０１３８】
図のＵＧＳ−Ｈ（ＳＨ）の出力は、発電ブロックに送られる過熱蒸気の回路６０１として図式化される。この図式化は又は、ＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）の出力として再過熱蒸気を生産する場合を示す。その場合、タービンから来て、各ＵＧＳ−Ｈ（ＲＨ）に送られる低温再過熱蒸気の回路６０２、及び最大圧力及び最高温度でタービン段に送られる高温再過熱蒸気の回路６０３が示される。
【０１３９】
図８の図はまた、絶縁されているが、表面、ひいては作動流体分配ダクトの熱分散を最小限まで減らすために、高い熱状況のユニット、ＵＧＳ−Ｈを発電ブロックの近くに取り付けるような、発電ブロックに対するＵＧＳの好ましい配置を示す。
【０１４０】
最後に、別の好ましい変形実施形態では、内部熱交換素子内及び／又は暴露された熱交換素子内を循環する作動流体は、水／蒸気の代わりに空気であってもよい。その場合、作動流体回路の部品は、例えば、ブレイトン−ジュール・サイクルの運転に適切である。前記サイクルでは、空気は、ガスタービン内で膨張する前に、本発明の貯蔵及び伝達するための装置によって圧縮され、続いて予熱される。タービン内での膨張の前にシステム効率を高めるためには、ガスタービンの同じ燃焼器内で気体燃料を燃焼させることによって、空気の熱容量をさらに上げることが好ましい。
【０１４１】
本発明について、本発明の好ましい実施形態に関して本明細書で説明してきた。以下に特許請求の保護範囲によって定義されるように、同じ発明の概念にすべて入る他の実施形態が存在し得るであろうことが理解される。
【図１】
2015517081.tif 000003
【図１Ａ】
2015517081.tif 000004
【図１Ｂ】
2015517081.tif 000005
【図２Ａ】
2015517081.tif 000006
【図２Ｂ】
2015517081.tif 000007
【図３】
2015517081.tif 000008
【図３Ａ】
2015517081.tif 000009
【図４】
2015517081.tif 000010
【図５】
2015517081.tif 000011
【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年7月10日(2014.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射太陽放射に関連する熱エネルギーを貯蔵及び伝達する装置（１；１０；１１；１２）であって、「ビームダウン」構成に基づいたエネルギーの生産のための太陽熱プラント内で使用され、太陽放射によって上方から照射される装置（１；１０；１１；１２）であり、当該装置（１）は、
収容筐体（２）と、
前記筐体（２）の内部に収容された少なくとも１つの流動可能粒子床（３）から構成される固体貯蔵手段であって、前記粒子床は使用時に流動化ガスによって流動化される、固体貯蔵手段と、を備え、
前記筐体（２）が、前記粒子床（３）を貫通して延在する少なくとも１つの受光空洞（２０）を有しており、前記空洞（２０）は、前記入射太陽放射の入口を規定する第１の開口長手方向端部（２１）と、前記第１の開口端部（２１）に対向し、前記空胴の底部を規定する第２の閉鎖長手方向端部（２２）と、を有しており、前記空胴のサイドスカート（２３）が前記端部同士の間に規定され、
全体の配置は、前記粒子床（３）が、前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）に外接して配置され、かつ、前記サイドスカート（２３）を通じて前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵する流動化ガスによって移動させられるようにされ、
前記空洞（２０）の前記第２の長手方向端部（２２）は前記粒子床（３）の底面に配置される、装置（１；１０；１１；１２）。
【請求項２】
前記空胴（２０）が、実質的に細長く、好ましくは実質的に筒形状を有する、請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記空胴（２０）が長手軸（ｌ）を有し、全体の構成は、使用時に前記長手軸（ｌ）が実質的に垂直方向に配置されるようにされる、請求項１又は２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）が、金属材料及び／又はセラミック材料の外表面を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記サイドスカート（２３）が前記太陽放射を吸収する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項６】
前記空胴（２０）の前記底部（２２）が前記太陽放射を反射する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項７】
前記空胴（２０）が、横方向の寸法、好ましくは直径（ｄ）と、約０．２〜０．５の範囲から構成された比で前記横方向の寸法に対して直交する高さ（ｈ）と、を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項８】
前記粒子床（３）が、
前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵し、前記空胴（２０）の前記サイドスカート（２３）に配置された第１の貯蔵部（３１）と、
前記空洞（２０）の周辺で、前記第１の部分（３１）に隣接して配置され、前記第１の部分（３１）によって貯蔵された熱エネルギーを、前記筐体（２）内に配置された熱交換手段（４１）に伝達する第２の伝達部（３２）と、によって形成され、
前記第１の貯蔵部（３１）及び前記第２の伝達部（３２）がそれぞれ、熱エネルギーを貯蔵するステップと、前記貯蔵されたエネルギーを伝達するステップと、を実行するために選択的かつ独立して流動可能である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項９】
前記第１の貯蔵部（３１）が、少なくとも２つのさらなる部分に細分され、それらのうちの一方が前記空胴の前記サイドスカートに隣接し、もう一方が前記空胴の前記サイドスカートから離れており、それら２つのさらなる部分が、前記空胴との熱交換を高めるために選択的かつ独立して流動可能である、請求項８に記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記流動化ガスの速度及び／又は流量を選択的に変更する手段を備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１１】
気体／気体、好ましくは空気／空気の熱交換器（７１）を備え、前記全体の配置が、使用時に、前記粒子床（３）を流動化するために使用されるべき前記流動化ガスである第１の低温ガスと、前記粒子床（３）からの前記流動化ガスの出口である第２の高温ガスとが前記交換器（７１）内に供給されるようにされる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１２】
熱交換手段（４１、４２）、好ましくは使用時に作動流体が交差する１つ又は複数の管束、を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１３】
使用時に作動流体が交差し、かつ、前記流動可能粒子床（３）に、好ましくは前記流動可能粒子床（３）の前記第２の伝達部（３２）に浸漬され又は接触させられるように前記筐体（２）内に配置された第１の熱交換手段（４１）を備える、請求項１２に記載の装置（１）。
【請求項１４】
使用時に作動流体が交差し、入射太陽放射によって照射されるように前記筐体（２）の外部に配置された第２の熱交換手段（４２）を備える、請求項１２又は１３に記載の装置（１０）。
【請求項１５】
前記全体の構成が、前記第２の熱交換手段（４２）が使用時に前記筐体（２）の上部（２５）、好ましくは前記入口（２１）に配置されるようにされる、請求項１４に記載の装置（１０）。
【請求項１６】
前記空胴（２０）の前記入口（２１）が直角面によって規定される、請求項１５に記載の装置（１０）。
【請求項１７】
前記空胴の入口（２１０）が円錐台形面によって規定される、請求項１５に記載の装置（１１）。
【請求項１８】
前記粒子床（３）、好ましくは前記粒子床（３）の前記第２の部分（３２）との熱交換を可能にするように、前記筐体（２）内に部分的に配置された第１の熱交換回路を備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項１９】
入射太陽放射との直接的な熱交換を可能にするように、前記筐体（２）の外側に配置された第２の熱交換回路を備える、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置（１０）。
【請求項２０】
前記作動流体の予熱及び蒸発を可能にするように、前記第２の回路が、異なるセクタに仕切られている、請求項１９に記載の装置（１２）。
【請求項２１】
前記第１及び第２の回路が、一方と他方とで互いに連通し、一方と他方とで選択的に連通して設置され、若しくは、一方と他方とで完全に独立しており及び／又は独立して作動可能である、請求項１８と請求項１９又は２０とに記載の装置（１０）。
【請求項２２】
前記粒子床（３）内又は前記粒子床（３）の一部内に、燃料、好ましくは気体燃料を供給する手段を備える、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２３】
前記装置（１）が、前記作動流体が交差していることを検知して温度上昇を行うように、装置間に配置された温度状況の異なる装置に熱的に直列に接続されることに適している、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２４】
前記全体の配置は、前記粒子床（３）が前記空洞（２０）の前記サイドスカート（２３）に接触するように配置されるようにされる、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置（１）。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の１つ又は複数の装置（１）と、上方から太陽放射を集束させる照射構成を前記装置（１）とともに規定する太陽放射キャプテーション手段（２００、３００；２１０）と、を備える、エネルギー生産プラント（１００）。
【請求項２６】
前記太陽放射キャプテーション手段が、前記太陽放射が直接関係する第１のキャプテーション手段（２００）、好ましくはヘリオスタットのフィールドと、前記第１の手段から前記太陽放射を受け、前記太陽放射を前記装置（１）の前記空胴（２０）で伝達する第２のキャプテーション手段（３００）、好ましくは反射器と、を備える、請求項２５に記載のプラント（１００）。
【請求項２７】
前記全体の構成が、前記太陽放射が、前記粒子床（３）の暴露面で前記空胴（２０）内で伝達されるようにされる、請求項２５又は２６に記載のプラント（１００）。
【請求項２８】
前記全体の構成が、前記第１の熱交換回路、及び任意選択で前記第２の熱交換回路での蒸気又は熱エネルギーの生産を可能にするようにされ、前記第１及び第２の熱交換回路が、一方と他方とで独立して作動可能であることが好ましい、請求項１８及び１９に従属する場合の請求項２５〜２７のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項２９】
前記全体の構成が、前記第１の熱交換回路での電気エネルギーの生産のための蒸気又は熱の生産と、前記第２の熱交換回路で１つ又は複数の熱消費装置（９０）のための熱エネルギーの生産と、を可能にするようにされる、請求項１８及び１９に従属する場合の請求項２５〜２８のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３０】
連結された熱消費装置、好ましくは塩除去システムのために蒸気を生産する及び／又は熱を生産する、請求項２５〜２９のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３１】
蒸気を生産し及び／又は電気エネルギーを生産し、熱的に直列に連結された２つ以上の装置（１）を備える、請求項２５〜３０のいずれか１項に記載のプラント（１００）。
【請求項３２】
作動水を飽和蒸気に変換するように構成された１つ又は第１の群の装置（ＵＧＳ−Ｌ）と、前記飽和蒸気を過熱蒸気又は再過熱蒸気に変換するように構成された１つ又は第２の群の装置（ＵＧＳ−Ｈ）と、を備える、請求項３１に記載のプラント（１００）。
【請求項３３】
請求項２５〜３２のいずれか１項に記載のプラント（１００）を使用する、太陽放射からエネルギーを生産するための方法。
【請求項３４】
第１のキャプテーション手段（２１０）を自然斜面又は人工斜面に位置付けすることによって、上方からの太陽照射を提供する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
電気エネルギー及び熱エネルギーを付随して生産し、好ましくは前記熱エネルギーが脱塩水を生産するためのものである、請求項３３又は３４に記載の方法。
【請求項３６】
請求項９に記載の装置（１）を備え、
前記粒子床（３）の前記第１の部分（３１）によって、集中した前記太陽放射から受け取った熱エネルギーを貯蔵するステップと、
前記貯蔵するステップで貯蔵された前記熱エネルギーを、作動流体が交差する熱交換手段（４１）に伝達するステップであって、前記床の前記第２の部分（３２）の流動化によって実行されるステップと、を含み、
前記熱を貯蔵するステップ及び前記熱を伝達するステップが、一方と他方とで独立して作動され、好ましくは一方が昼間に、他方が昼間及び夜間に作動される、請求項３３〜３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記流動化ガスが空気である、請求項３３〜３６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３８】
流動化ガスの速度及び／又は流量を選択的に変更する、請求項３３〜３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
請求項１８及び１９に記載の装置を含み、前記第２の熱交換回路が昼間に作動し、前記第１の熱交換回路が夜間に作動する、請求項３３〜３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４０】
作動流体として水又は空気を使用する、請求項３３〜３９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４１】
作動水を飽和蒸気中で変換するように構成された１つ又は第１の群の装置（ＵＧＳ−Ｌ）と、前記飽和蒸気を過熱蒸気又は再過熱蒸気に変換するように構成された１つ又は第２の群の装置（ＵＧＳ−Ｈ）と、を使用する、請求項３３〜４０のいずれか１項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ここまで述べてきたことの結果として、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための既知の装置は、電気エネルギー生産のコストが依然として高くなり、いずれにしてもいわゆる「パリティグリッド」からほど遠い。
国際公開第２０１１／０２７３０９は、直接太陽放射による熱エネルギーの貯蔵のためのシステムを開示している。このシステムは、容器内に収容された、連続的で偶然の移動における固定粒子床に基づいている。一実施形態では、太陽放射による粒子の加熱は、例えばヒートパイプといったデバイスの介在を通じて間接的に得られる。
米国特許第４４５５１５３号明細書は、気化した合成燃料を生成するプロセスを開示している。このプロセスの加熱貯蔵部分は、溶融した気化媒体、特に、太陽放射によって加熱された溶融塩によって実施される。
日本国特開平０１−１５１７５７号公報は、熱交換器を有するスターリングエンジンを開示している。熱交換器は、太陽放射によって加熱される流動層を収容する筐体に関連付けられている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記課題は、請求項１に記載の装置及び請求項３３に記載の方法によって解決される。
【国際調査報告】
2015517081.tif 000016
2015517081.tif 000017
2015517081.tif 000018