(57)【要約】【課題】多数のレトルトを均一に加熱することができる粉体加熱式太陽熱還元炉を提供する。【解決手段】熱伝導率の高い金属酸化物の粉体５を太陽熱で加熱し、その加熱された粉体５中に複数のレトルト２０を設置するため、複数のレトルト２０を同時に加熱できると共に全てのレトルト２０を均一に加熱することができる。従って効率的なマグネシウムの還元を行うことができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームダウン式の集光構造により集光された太陽光を入光する耐熱性の透明窓が上部に形成され且つ内部に金属酸化物の粉体が蓄積されたタンク本体と、
粉体中に配置されたパイプ手段と、
太陽光を受けて光を熱に変換し且つ気体が通過可能な形状の熱変換部材と、
熱変換部材を通過した高温気体を前記パイプ手段に循環させる耐熱ポンプと、
タンク本体の粉体中に設置可能なレトルトとを備えたことを特徴とする粉体加熱式太陽熱還元炉。
【請求項２】
金属酸化物が酸化マグネシウム又は酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載の粉体加熱式太陽熱還元炉。
【請求項３】
地上よりも高い位置に設置され下面に反射面を有するセンターミラーと、前記センターミラーの周囲の地上領域に設置されて太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットとを有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させるビームダウン式太陽集光装置により地上位置に集光される構造で、
センターミラーが、断面が回転楕円体に合致した湾曲面を有し且つ下方に第１焦点と第２焦点を持つものであり、上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を前記第２焦点付近に設置し、タンク本体の透明窓は前記筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、前記ヘリオスタットは、反射光が前記第１焦点へ向かうように制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の粉体加熱式太陽熱還元炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉体加熱式太陽熱還元炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境に負荷を与えることのないクリーンエネルギーとしての太陽光を集光し、その集光した太陽光を熱エネルギーに変換することで非常に高い温度を作り出し、高温の反応環境が必要とされる所定の反応物の化学反応を進行させる太陽熱反応炉が知られている。
【０００３】
一方でマグネシウム金属を利用したマグネシウム電池が知られている。マグネシウム金属を負極として電解液中に浸漬させることにより起電力を発生させる一次電池である。このマグネシウム電池では使用後に不溶酸化物（水酸化マグネシウム）が生じる。その不溶酸化物を太陽熱により還元して再度マグネシウム金属に復元することで電池として繰り返し利用することが望まれている。
【０００４】
酸化物の還元にはレトルトという筒型の鋼製容器が使用される。このレトルト内にマグネシウムの酸化物と還元材とを入れて高温（約１２００℃）に加熱することにより還元されて、マグネシウムだけが気化してレトルトの一端の冷却部に凝固し回収される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６-４１６５４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、このような関連技術にあっては、太陽光を直接レトルトに当てて加熱する場合に一度に多くのレトルトを加熱することができない。つまり太陽光を当てたレトルトの裏は影になり、そこにレトルトを配置できないからである。また集光状態によっては複数のレトルトを均一に加熱することができない場合もある。
【０００７】
本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、多数のレトルトを均一に加熱することができる粉体加熱式太陽熱還元炉を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の特徴によれば、ビームダウン式の集光構造により集光された太陽光を入光する耐熱性の透明窓が上部に形成され且つ内部に金属酸化物の粉体が蓄積されたタンク本体と、粉体中に配置されたパイプ手段と、太陽光を受けて光を熱に変換し且つ気体が通過可能な形状の熱変換部材と、熱変換部材を通過した高温気体を前記パイプ手段に循環させる耐熱ポンプと、タンク本体の粉体中に設置可能なレトルトとを備える。
【０００９】
本発明の第２の特徴によれば、金属酸化物が酸化マグネシウム又は酸化アルミニウムである。
【００１０】
本発明の第３の特徴によれば、粉体加熱式太陽熱還元炉は、地上よりも高い位置に設置され下面に反射面を有するセンターミラーと、前記センターミラーの周囲の地上領域に設置されて太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットとを有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させるビームダウン式太陽集光装置により地上位置に集光される構造で、センターミラーが、断面が回転楕円体に合致した湾曲面を有し且つ下方に第１焦点と第２焦点を持つものであり、上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を前記第２焦点付近に設置し、タンク本体の透明窓は前記筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、前記ヘリオスタットは、反射光が前記第１焦点へ向かうように制御される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば、熱伝導率の高い金属酸化物の粉体を太陽熱で加熱し、その加熱された粉体中に複数のレトルトを設置するため、多数のレトルトを同時に加熱できると共に全てのレトルトを均一に加熱することができる。従って効率的なマグネシウムの還元を行うことができる。
【００１２】
本発明の第２の特徴によれば、金属酸化物が酸化マグネシウム又は酸化アルミニウムであるため、入手が容易で安価である。
【００１３】
本発明の第３の特徴によれば、集光装置がビームダウン型で、センターミラーは断面が楕円に合致した湾曲面を有した形状であって、ヘリオスタットで反射した太陽光がセンターミラーの第１焦点を通過すれば、その太陽光は幾何光学的に必ず第２焦点に集光する。そのため、ヘリオスタットは反射光が常に第１焦点へ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタットの制御が容易である。また、第２焦点の周囲に筒型集光鏡が位置するため、第２焦点から外れた太陽光も筒型集光鏡内に取り入れてその内面で反射しながら確実にタンク本体の透明窓に導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る粉体加熱式太陽熱還元炉と太陽集光構造を示す斜視図。
【図２】粉体加熱式太陽熱還元炉と太陽集光構造を示す平面図。
【図３】粉体加熱式太陽熱還元炉と太陽集光構造を示す側面図。
【図４】太陽光の集光状態を示す説明図。
【図５】粉体加熱式太陽熱還元炉の断面図。
【図６】太陽光導入部内の構造を示す斜視図。
【図７】粉体加熱式太陽熱還元炉の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１〜図７は、本発明の好適な実施形態を示す図である。
【００１６】
まず、太陽熱を得るためのビームダウン式太陽集光装置の説明をする。この実施形態では日本のような北半球の中緯度の地域の場合を例にして説明する。
【００１７】
ビームダウン式太陽集光装置の中心にはセンターミラー１が３本のタワー１ａにより支持されている。センターミラー１は、日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円形状をしている。センターミラー１は断面が楕円に合致した湾曲面を有し、図３に示すように下方に第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。
【００１８】
センターミラー１は図２に示すように、平面視で、半円よりも東側及び西側に所定の角度範囲だけ張り出した状態になっている。センターミラー１の北側及び東西両側には複数のヘリオスタット２が放射状に設置されている。
【００１９】
ヘリオスタット２は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンターミラー１で反射されて第２焦点Ｂに集光する。
【００２０】
第２集光点Ｂには筒型集光鏡３が設置されている。筒型集光鏡３は上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた構造をしている。この筒型集光鏡３の上部開口の中心付近に第２焦点Ｂが位置しており、太陽光Ｌが上部開口から筒型集光鏡３内に取り入れられることで太陽光は更に集光される。
【００２１】
筒型集光鏡３の下部に粉体加熱式太陽熱還元炉４が設置されている。粉体加熱式太陽熱還元炉４は蓄熱材として酸化マグネシウムの粉体５が蓄積されたタンク本体６を備えている。
【００２２】
タンク本体６はステンレス金属製で、中心部に位置する円筒状の太陽光導入部７と、その周囲に位置する粉体収納部８とから構成されている。太陽光導入部７の上部には石英硝子製の透明窓９が設けられている。
【００２３】
太陽光導入部７と粉体収納部８とは隔壁１５を介して区画されている。酸化マグネシウムの粉体５は粉体収納部８側に収納されており、粉体収納部８にはその粉体５の中を貫通するパイプ手段１０が設けられている。また粉体収納部８における粉体５中にマグネシウム還元用のレトルト２０が複数設置されている。
【００２４】
粉体収納部８の上下にはそれぞれ上部空間１１と下部空間１２が形成され、パイプ手段１０の両端はその上部空間１１と下部空間１２に連通している。
【００２５】
太陽光導入部７の上部空間１３は隔壁１５により粉体収納部８の上部空間１１と区画されているが、太陽光導入部７の下部空間１４は粉体収納部８の下部空間１２と連続している。そしてタンク本体６内の全ての空間には熱媒体としての窒素ガスが充填されている。
【００２６】
タンク本体６の上部には円周方向に４つの耐熱ポンプ１６が設けられており、太陽光導入部７と粉体収納部８の間でタンク本体６内の窒素ガスをパイプ手段１０を介して循環できるようになっている。この耐熱ポンプ１６は耐熱軸受けを利用した構造で、高温の窒素ガスを循環することができる。
【００２７】
太陽光導入部７の内部にはセンターパイプ１７の上端に取付けられた熱交換部材１８と、太陽光導入部７の円筒状の隔壁１５に沿ってリング状の補助熱交換部材１９が上下に多段に設けられている。
【００２８】
熱交換部材１８は非金属耐熱材料としての黒色で炭化珪素膜（ＳｉＣ）製の多貫通孔構造をしており約１０００℃以上の耐熱性を有している。多貫通孔構造のため上下で気体を通過させることができる。補助熱交換部材１９は隔壁１５と同じ金属製で太陽光導入部７の隔壁１５の内側近接位置に設けられている。
【００２９】
熱交換部材１８の位置と大きさは、筒型集光鏡３から照射される太陽光Ｌの集光スポットに対応している。図４に示すように、筒型集光鏡３の下側から照射される太陽光Ｌはいったん最小スポットＳに収束した後に再び拡散し、ヘリオスタット２の配置構造に相応した概略三日月形のスポット形状を呈する。つまり図２に示すようにヘリオスタット２の配置が円形でなく、部分円のような配置のため、それがそのまま非焦点部分のスポット形状として現れる。
【００３０】
この実施形態での熱交換部材１８は大きさが太陽光Ｌの集光状態における最小スポットＳに合致しており、位置も最小スポットＳと同じ位置に合致している。
【００３１】
このように熱交換部材１８を太陽光Ｌのエネルギーが最も集約する位置に設けているため、熱交換部材１８により太陽光Ｌを効率良く熱エネルギーに変換することができる。そしてその熱交換部材１８を通過する窒素ガスを効率良く加熱することができる。
【００３２】
また筒型集光鏡３の下部から照射される太陽光Ｌは最小スポットＳに向けて収束するだけでなく、周囲に拡散する太陽光Ｌ′もある。そのような太陽光Ｌ′は太陽光導入部７の隔壁１５に当たる前に、補助熱交換部材１９に当たり、そこで熱エネルギーに変換され、太陽光導入部７内の窒素ガスの加熱に貢献する。
【００３３】
補助熱交換部材１９に当たらずに隔壁１５に当たった太陽光Ｌ′は隔壁１５を加熱して、内部の酸化マグネシウムの粉体５を伝熱で加熱する。
【００３４】
また粉体５内を上下に貫通する複数のパイプ手段１０には耐熱ポンプ１６により高温の窒素ガスが循環するため、熱がパイプ手段１０を介して粉体５に伝達され、粉体５を加熱することができる。
【００３５】
酸化マグネシウムの熱伝導率は５９Ｗ／（ｍ・Ｋ）（３００Ｋ）で溶融塩の約１００倍の性能を有する。そのため粉体５の全体が均一に加熱される。従って、この粉体５中に設置される複数のレトルト２０を同時に且つ均一に加熱して、効率的なマグネシウム還元を行うことができる。
【００３６】
また酸化マグネシウムの価格は溶融塩の約半分である。そのためコストの面で有利である。また酸化マグネシウムは熱伝導率も高いため、パイプ手段１０との熱伝導も良好である。
【００３７】
更に粉体５のためタンク本体６からの抜き出しが容易で、パイプ手段１０のメンテナンスが容易である。
【００３８】
尚、以上の説明では粉体５として酸化マグネシウムを例にしたが、酸化アルミニウム等の他の金属酸化物を利用しても良い。
【００３９】
循環する気体として窒素ガスを例にしたが、蓄熱温度が低く設定されて接する金属の酸化の心配がない場合は空気を利用しても良い。
【００４０】
更に太陽光Ｌで加熱せずに他の熱源で加熱した流体（オイル等）を利用することも可能である。その場合は耐熱ポンプ１６として別のポンプが使用される。
【符号の説明】
【００４１】
１  センターミラー
２  ヘリオスタット
３  筒型集光鏡
４  粉体加熱式太陽熱還元炉
５  粉体（酸化マグネシウム）
６  タンク本体
７  太陽光導入部
８  粉体収納部
９  透明窓
１０  パイプ手段
１６  耐熱ポンプ
１８  熱交換部材
１９  補助熱交換部材
２０  レトルト
Ａ  第１焦点
Ｂ  第２焦点
Ｌ、Ｌ′太陽光
Ｓ  最小スポット
【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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