(57)【要約】【課題】太陽熱発電用の蓄熱システムに適した蓄熱材および蓄熱システムを提供する。【解決手段】蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムに用いられる２成分の蓄熱材であって、第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したものである。【選択図】図８
2013224343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムに用いられる２成分の蓄熱材であって、
第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、
前記第１物質と前記第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定した
ことを特徴とする蓄熱材。
【請求項２】
２成分の蓄熱材を用いた蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムであって、
前記蓄熱材として、
第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、
前記第１物質と前記第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したものを用いた
ことを特徴とする蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱材および蓄熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年注目を集める再生可能エネルギー関連技術として、太陽熱発電システムがある。太陽熱発電システムは、集熱エリアで太陽光を集光/集熱して水蒸気を生成し、生成した蒸気により蒸気タービンを回転させて発電を行うシステムである。
【０００３】
この太陽熱発電システムには、夜間や日射量が得られない時間帯の発電を補い出力電力の過渡的な変化をなくすために、蓄熱システムが備えられている。トラフ型太陽熱発電システム用の蓄熱システムでは、蓄熱温度範囲は２５０〜４００℃とされているのが通常である。
【０００４】
従来、このような蓄熱システムに用いられる蓄熱材としては、液体状態の溶融塩が用いられており、具体的には、ソーラーソルト（Ｓｏｌａｒ  Ｓａｌｔ）と呼ばれる硝酸カリウム（ＫＮＯ3）と硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）の混合物（質量分率０．４−０．６）が用いられている。
【０００５】
しかし、ソーラーソルトのように顕熱を利用した蓄熱材では、潜熱を利用した蓄熱材と比べて蓄熱密度が小さいという問題がある。他方、潜熱を利用した蓄熱材では、固体の状態での熱伝導率が低いため、強制対流による熱交換が可能な液体顕熱蓄熱材を用いた場合と比較して伝熱効率が悪く、熱交換器が大きくなるなどの問題がある。
【０００６】
そこで、強制対流による熱交換が可能で伝熱効率の低下を抑制できる潜熱蓄熱材として、スラリ状の蓄熱材が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２０４５１７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のように２５０〜４００℃の蓄熱温度範囲で用いられ、かつ従来の蓄熱材と同等以上の蓄熱性能を有する太陽熱発電用の蓄熱システムに適したスラリ状の蓄熱材は、従来提案されていなかった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、太陽熱発電用の蓄熱システムに適した蓄熱材および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】
【００１０】
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、蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムに用いられる２成分の蓄熱材であって、第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、前記第１物質と前記第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定した蓄熱材である。
【００１１】
また、本発明は、２成分の蓄熱材を用いた蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムであって、前記蓄熱材として、第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、前記第１物質と前記第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したものを用いた蓄熱システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、太陽熱発電用の蓄熱システムに適した蓄熱材および蓄熱システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明で蓄熱材として用いるＣｓＮＯ3−ＮａＮＯ3の平衡状態図である。
【図２】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨの平衡状態図である。
【図３】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＮＯ3−ＮａＮＯ3の平衡状態図である。
【図４】本発明で蓄熱材として用いるＫＮＯ3−ＮａＮＯ3の平衡状態図である。
【図５】本発明で蓄熱材として用いるＮａＮＯ3−ＲｂＮＯ3の平衡状態図である。
【図６】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＢｒ−ＬｉＯＨの平衡状態図である。
【図７】本発明で蓄熱材として用いるＬｉＢｒ−ＮａＮＯ3の平衡状態図である。
【図８】本発明において蓄熱材として用いる各第１物質と第２物質の組み合わせについて、Ｔmin〜Ｔmax間の蓄熱量ΔＨを推算および計測により求めた結果を示す図である。
【図９】本発明において蓄熱材として用いるＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3−ＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3−ＲｂＮＯ3、およびＬｉＢｒ−ＬｉＯＨにおける、温度ＴとエンタルピーＨの関係を示す図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施の形態に係る蓄熱システムを示す概略構成図である。
【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】
本実施の形態に係る蓄熱材は、蓄熱温度範囲が２５０℃以上４００℃以下である蓄熱システムに用いられる２成分の蓄熱材であって、第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したものである。
【００１６】
以下、第１物質と第２物質の組み合わせをハイフンで区切って、第１物質−第２物質として表示する。本実施の形態で蓄熱材として用いるＣｓＮＯ3−ＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3−ＮａＮＯ3、ＫＮＯ3−ＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3−ＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒ−ＬｉＯＨ、ＬｉＢｒ−ＮａＮＯ3の平衡状態図を図１〜７にそれぞれ示す。
【００１７】
ここでは、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２５０℃に設定する場合を説明する。但し、図６に示すＬｉＢｒ−ＬｉＯＨの共晶点は２６７℃であり、また図７に示すＬｉＢｒ−ＮａＮＯ3における［Liquid+NaNO3(S2)］相と［Liquid+NaBr(s)+NaNO3(S2)］相の相平衡温度は２７８℃であるため、この２つの組み合わせについては、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２８０℃とする。図１〜７に示すように、各第１物質−第２物質の組み合わせにおいて、Ｔmin〜Ｔmaxの蓄熱温度範囲に固液共存相が存在することが確認できる。
【００１８】
蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．３以上とするのは、固相率が０．３未満になると十分な蓄熱量を確保できないためである。また、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．７以下とするのは、固相率が０．７を超えると、殆ど固体と見分けがつかない状態となり、流動性が確保できなくなるためである。
【００１９】
ここでは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．３以上０．７以下としたが、蓄熱密度を向上させ、かつ流動性を確保するという観点からは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率は、０．５以上０．６以下とすることがより望ましい。なお、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率の上限値、下限値は適用する蓄熱システムの要求に応じて適宜変更可能である。
【００２０】
また、ここでは蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率を０．１以下としているが、潜熱による蓄熱量を大きくする観点からは、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率はなるべく０に近いことが望ましい。
【００２１】
例えば、図２のＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨでは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．５以上０．６以下とするには、第２物質であるＬｉＯＨの組成をモル分率で０．７８１＜ｘ0＜０．８２５とすればよいことが分かる。ここでは、第２物質であるＬｉＯＨの組成をモル分率で０．８００（質量分率で０．５８１）とした。
【００２２】
同様に、以下の説明では、図１のＣｓＮＯ3−ＮａＮＯ3では第２物質であるＮａＮＯ3の組成をモル分率で０．９０２（質量分率で０．８０１）とした場合、図３のＬｉＮＯ3−ＮａＮＯ3では第２物質であるＮａＮＯ3の組成をモル分率で０．８７７（質量分率で０．８９８）とした場合、図４のＫＮＯ3−ＮａＮＯ3では第２物質であるＮａＮＯ3の組成をモル分率で０．７８６（質量分率で０．７５５）とした場合、図５のＮａＮＯ3−ＲｂＮＯ3では第２物質であるＲｂＮＯ3の組成をモル分率で０．１０５（質量分率で０．１６９）とした場合、図６のＬｉＢｒ−ＬｉＯＨでは第２物質であるＬｉＯＨの組成をモル分率で０．６２１（質量分率で０．３１１）とした場合、図７のＬｉＢｒ−ＮａＮＯ3では第２物質であるＮａＮＯ3の組成をモル分率で０．９６４（質量分率で０．９６３）とした場合、について説明する。これらの組成は、いずれも上述の固相率の条件を満たすものである。
【００２３】
これらの各第１物質と第２物質の組み合わせについて、Ｔmin〜Ｔmax間の蓄熱量（エンタルピーの変化量）ΔＨを推算および計測により求めた。結果を表１および図８に示す。
【００２４】
【表１】
2013224343.tif 000003
【００２５】
なお、表１および図８における蓄熱量ΔＨの推算値は、一般的な熱物性推算ソフトを用いて推算した値である。また、蓄熱量ΔＨの計測方法に示す断熱型は、断熱型比熱測定装置による比熱を計測してＴmin〜Ｔmax間の蓄熱量（エンタルピーの変化量）を求める方法である。蓄熱量ΔＨの計測方法に示すＤＳＣは、ＤＳＣ(示差走査熱量測定)装置で比熱を計測してＴmin〜Ｔmax間の蓄熱量（エンタルピーの変化量）を求める方法である。比熱計測は概ね（固相線−２０℃）〜（液相線＋２０℃）の温度範囲で行ったため、液相では、計測した液相の比熱の平均値を用い、比熱を一定と仮定して液相線から４００℃までのエンタルピーの変化量を求めた。
【００２６】
また、本発明との比較のため、従来より用いられているソーラーソルトについても、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２５０℃とした場合の蓄熱量を推算した。結果を表１および図８に併せて示す。ここで計測値は公知のデータを引用した。
【００２７】
表１および図８に示すように、従来より用いられているソーラーソルトの蓄熱量ΔＨは、推算値で２３５［Ｊ／ｇ］、計測値では２３４［Ｊ／ｇ］であった。これに対して、本発明の蓄熱材の蓄熱量ΔＨは、少なくとも推算値で２９９［Ｊ／ｇ］以上、計測値で３１０［Ｊ／ｇ］以上となっており、いずれの組み合わせにおいても、ソーラーソルトの蓄熱量を上回っていることがわかる。
【００２８】
図９に、ＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3−ＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3−ＲｂＮＯ3、およびＬｉＢｒ−ＬｉＯＨの４つの組み合わせにおける、温度ＴとエンタルピーＨ（計測値）の関係（Ｈ−Ｔ線図）を示す。図９のＨ−Ｔ線図の傾きが変化する温度が図１〜７の平衡状態図における液相線温度に相当している。なお、図９では、ソーラーソルトにおけるＨ−Ｔ線図も併せて示している。
【００２９】
図９からも分かるように、本発明の蓄熱材では、スラリ状態で使用する温度領域があることで、ソーラーソルトの顕熱のみの蓄熱よりも蓄熱量が大きくなっている。なお、ＬｉＢｒ−ＬｉＯＨについては、蓄熱最低温度Ｔminを２８０℃と高く設定しているにもかかわらず、ソーラーソルトの顕熱のみの蓄熱よりも蓄熱量が大きくなっていることがわかる。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱材では、第１物質と第２物質の組み合わせが、ＣｓＮＯ3とＮａＮＯ3、ＬｉＮＯ3とＬｉＯＨ、ＬｉＮＯ3とＮａＮＯ3、ＫＮＯ3とＮａＮＯ3、ＮａＮＯ3とＲｂＮＯ3、ＬｉＢｒとＬｉＯＨ、ＬｉＢｒとＮａＮＯ3、のいずれかからなり、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定している。
【００３１】
これにより、２５０〜４００℃の蓄熱温度範囲で流動性を持ったスラリ状態で用いることが可能であり、潜熱が利用でき流動性のある蓄熱材を実現することができる。その結果、顕熱のみを利用するソーラーソルト等の従来の蓄熱材と比較して蓄熱性能を向上させることが可能となり、太陽熱発電用の蓄熱システムに適した蓄熱材を実現することができる。
【００３２】
次に、本発明の蓄熱材を用いた蓄熱システムの一例を図１０により説明する。なお、図１０（ａ），（ｂ）に示す蓄熱システム１００ａおよび蓄熱システム１００ｂは、あくまで一例であり、本発明の蓄熱材を用いる蓄熱システムの構成はこれらに限定されない。
【００３３】
図１０（ａ）に示す蓄熱システム１００ａは、熱源１０１からの熱を本発明の蓄熱材Ｓに蓄熱して、その熱を熱負荷１０２に放熱するものである。また、蓄熱システム１００ａは、熱源１０１の熱を蓄熱材Ｓに蓄熱するための蓄熱熱交換器１０３と、その熱を熱負荷１０２に放熱するための放熱熱交換器１０４を、蓄熱材Ｓを貯留する蓄熱槽１０５の外部に設置する構成となっている。
【００３４】
蓄熱槽１０５には、蓄熱槽１０５の熱源側出口１０５ａから圧送ポンプ１０６により圧送した蓄熱材Ｓを、蓄熱熱交換器１０３を介して熱源側入口１０５ｂに戻す蓄熱ライン１０７と、蓄熱槽１０５の熱負荷側出口１０５ｃから圧送ポンプ１０８により圧送した蓄熱材Ｓを、放熱熱交換器１０４を介して熱負荷側入口１０５ｄに戻す放熱ライン１０９と、が接続されている。
【００３５】
蓄熱槽１０５に貯留された蓄熱材Ｓは、圧送ポンプ１０６によって熱源１０１に接続した蓄熱熱交換器１０３に送られることによって蓄熱した状態で蓄熱槽１０５に戻り、また、圧送ポンプ１０８によって熱負荷１０２に接続した放熱熱交換器１０４に送られることによって放熱した状態で蓄熱槽１０５に戻る。
【００３６】
蓄熱システム１００ａでは、熱源１０１で加熱された熱源用熱媒体を圧送ポンプ１１０により蓄熱熱交換器１０３に導入し、蓄熱熱交換器１０３にて熱源用熱媒体と蓄熱材Ｓとの間で熱交換させることにより、熱源１０１の熱を蓄熱材Ｓに伝えるようにしているが、熱源１０１が熱を出力するための出力用の熱交換器を備えるヒートポンプ等である場合には、その熱交換器を蓄熱熱交換器１０３として用いるようにしても良い。
【００３７】
また、蓄熱システム１００ａでは、熱負荷１０２から排出された熱負荷用熱媒体を圧送ポンプ１１１により放熱熱交換器１０４に送り、放熱熱交換器１０４にて蓄熱材Ｓと熱負荷用熱媒体との間で熱交換させ、加熱された熱負荷用熱媒体を熱負荷１０２に導入することで、蓄熱材Ｓの熱を熱負荷１０２に伝えるようにしている。
【００３８】
なお、本実施の形態に係る蓄熱材を用いる蓄熱システムとしては、図１０（ｂ）に示すような、蓄熱槽１０５の内部に熱交換器１１２を設置する構成の蓄熱システム１００ｂとすることもできる。
【００３９】
図１０（ｂ）の蓄熱システム１００ｂでは、蓄熱材Ｓを貯留する蓄熱槽１０５の内部に、蓄熱槽１０５の入口１０５ｅから熱媒体を導入して出口１０５ｆまで通流させる螺旋状の熱媒体用流路が熱交換器１１２として設けられる。入口１０５ｅから導入された熱媒体は、螺旋状の熱媒体用流路からなる熱交換器１１２を通流する間に蓄熱材Ｓと熱交換し、蓄熱槽１０５の出口１０５ｆに至る。
【００４０】
また、蓄熱システム１００ｂでは、熱交換器１１２の入口１０５ｅと出口１０５ｆを熱源１０１に接続するか、あるいは熱負荷１０２に接続するかを切替可能な流路切替手段１１３を備えている。ここでは、流路切替手段１１３を入口側三方弁１１３ａおよび出口側三方弁１１３ｂで構成し、熱交換器１１２を流通する熱媒体を蓄熱時には熱源１０１側に流し、放熱時には熱負荷１０２側に流すように各三方弁１１３ａ，１１３ｂを切換えるようにした。
【００４１】
蓄熱システム１００ｂでは、蓄熱槽１０５から導出された熱媒体は、熱源１０１を経て加熱された状態で蓄熱槽１０５に戻るか、または、熱負荷１０２を経て冷却された状態で蓄熱槽１０５に戻る。図１０（ｂ）では、熱媒体は熱源１０１または熱負荷１０２と直接に熱交換する。
【００４２】
図１０（ａ），（ｂ）では図示していないが、蓄熱システム１００ａ，１００ｂの蓄熱槽１０５には、蓄熱材Ｓを攪拌するための攪拌手段を備え、この攪拌手段により固液共存状態の蓄熱材Ｓを攪拌して、蓄熱材Ｓのスラリ化を行うことが望ましい。
【００４３】
なお、上述の蓄熱システム１００ａ，１００ｂの構成は一例であり、例えば蓄熱システム１００ａと蓄熱システム１００ｂを組み合わせた構成とすることも可能である。
【００４４】
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。
【符号の説明】
【００４５】
１００ａ，１００ｂ  蓄熱システム
１０１  熱源
１０２  熱負荷
Ｓ  蓄熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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