(57)【要約】【課題】太陽熱発電システムにおいて、急激な天候変化があっても安定した熱エネルギーの供給を図る。【解決手段】蓄熱器１２０は、筐体１２１と、筐体１２１の内部における上側の領域に配置された固体材料１２２と、筐体１２１の内部における固体材料１２２の下側に配置された潜熱材料１２３と、液化した潜熱材料１２３を筐体１２１の内部および外部の間で移送させる移送装置１２４と、を備え、移送装置１２４が、筐体１２１の内部において、液化した潜熱材料１２３の量を変動させることにより、液化した潜熱材料１２３と固体材料１２２が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体の内部における上側の領域に配置された固体材料と、
前記筐体の内部における前記固体材料の下側に配置された潜熱材料と、
液化した前記潜熱材料を前記筐体の内部および外部の間で移送させる移送装置と、を備え、
前記移送装置が、前記筐体の内部において、液化した前記潜熱材料の量を変動させることにより、液化した前記潜熱材料と前記固体材料が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとる、
蓄熱器。
【請求項２】
請求項１に記載の蓄熱器であって、
前記固体材料がコンクリートである蓄熱器。
【請求項３】
請求項１に記載の蓄熱器であって、
前記潜熱材料が、相変化材料と、黒鉛と、ＳｉＣとの混合物である蓄熱器。
【請求項４】
請求項３に記載の蓄熱器であって、
前記相変化材料が、硝酸ナトリウムまたは硝酸カリウムの少なくともいずれか一つを含む、蓄熱器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の蓄熱器であって、
前記潜熱材料が液化する温度範囲が１５０℃〜５５０℃である蓄熱器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の蓄熱器であって、
前記移送装置が、
前記筐体の内部と外部との間で液化した前記潜熱材料を循環させるポンプと、
液化した前記潜熱材料を蓄積可能なリザーブタンクと、
前記筐体と前記ポンプと前記リザーブタンクとを接続する配管と、
を含む蓄熱器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の蓄熱器を用いた太陽熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱器および当該蓄熱器を用いた太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇、環境破壊への対策が大きな課題となっている。このような課題を解決するために、水力、風力、潮力、波力、地熱、太陽光、太陽熱などの自然エネルギーの検討、利用が進められている。中でも太陽熱を利用した太陽熱発電は、比較的安価な設備で大きなエネルギーを得ることができること、蓄熱器を利用することにより夜間でも発電が可能になることから、自然エネルギーを利用した大規模発電として、注目されている。
【０００３】
太陽電池を用いた太陽光発電は、発電パネルの面積が発電量および設備コストと相関が高い。これに対しミラーを用い集熱する太陽熱発電では、ミラーの面積と発電量との相関はあるが、ミラーはコストの高い設備ではないため、ミラーの面積と発電コストとの相関は高くない。このため、発電設備が大規模になるほど電力コストが安くなる特徴があり、大規模発電に向いている。
【０００４】
しかしながら、太陽熱発電では大規模になるほど、発電量の変動が電力系統に与える影響が大きくなる。例えば、太陽熱発電においては、曇等により急激に発電量が低下することがある。このような問題を解決するために、特許文献１には、夜間の発電のための蓄熱器とは別に短時間の変動に対応する蓄熱器が提案されている。
【０００５】
具体的には、相変化媒体が担持され、熱媒体が流通する複数の第１蓄熱タンクと、相変化媒体を含まない第２蓄熱タンクがソーラーフィールドに対し並列に接続されている。このようなシステムを用いることにより、曇等により太陽光が急に得られなくなったときには、成層化タンク（第１蓄熱タンク）への熱媒体の供給を止め、代わりに、成層化タンク（第２蓄熱タンク）に貯蔵されている熱媒体を外部へ放出する。即ち、急に十分な太陽光が得られなくなった場合には、成層化タンク（第２蓄熱タンク）に貯蔵されていた熱媒体を太陽熱放熱部に供給する。成層化タンク（第２蓄熱タンク）には、直前まで高温の熱媒体が供給されていたため、ほとんど温度が低下していない高温の熱媒体を太陽熱放熱部に供給することができる。このようにすることにより、応答性をより良好なものにすることができる。即ち、雲等により十分な太陽光が得られない時に、発電システムが冷却されることを防止することができる。これにより、気象変化による発電量の低下を抑制することができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−４７９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、太陽熱発電が、大規模になるに従って電力系統に与える影響は大きくなる。曇天時に蓄熱器の応答性が悪いと、充分な熱エネルギーを供給できず発電量の低下をきたし、電圧変動、周波数変動の原因となる。
【０００８】
このような課題を鑑み、本発明では安定して熱エネルギーが供給できる蓄熱器、太陽熱発電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】
本発明の蓄熱器は、筐体と、前記筐体の内部における上側の領域に配置された固体材料と、前記筐体の内部における前記固体材料の下側に配置された潜熱材料と、液化した前記潜熱材料を前記筐体の内部および外部の間で移送させる移送装置と、を備え、前記移送装置が、前記筐体の内部において、液化した前記潜熱材料の量を変動させることにより、液化した前記潜熱材料と前記固体材料が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとる。
【００１０】
また、本発明の太陽熱発電システムは上記蓄熱器を用いるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の蓄熱器によれば、移送装置の作用により、筐体の内部において、液化した潜熱材料の量を変動させることにより、液化した潜熱材料と固体材料が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとることが可能である。このため、日照量の変化のような天候変化が生じても、太陽熱発電システムの電圧変動、周波数変動の如き事象を抑制することが可能なため、安定した熱エネルギーの供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の太陽熱発電システムの構成図
【図２】実施形態の太陽熱発電システムに用いられる蓄熱器を示す図であり、（ａ）は固体材料と潜熱材料の接触状態を示し、（ｂ）は固体材料と潜熱材料の非接触状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の蓄熱器および太陽熱発電システムについて説明する。
【００１４】
蓄熱器は、筐体と、前記筐体の内部における上側の領域に配置された固体材料と、前記筐体の内部における前記固体材料の下側に配置された潜熱材料と、液化した前記潜熱材料を前記筐体の内部および外部の間で移送させる移送装置と、を備え、前記移送装置が、前記筐体の内部において、液化した前記潜熱材料の量を変動させることにより、液化した前記潜熱材料と前記固体材料が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとる。
【００１５】
上記構成によれば、日照量の変化のような天候変化が生じても、太陽熱発電システムの電圧変動、周波数変動の如き事象を抑制することが可能なため、安定した熱エネルギーの供給が可能となる。
【００１６】
前記固体材料は、例えば、コンクリートである。
【００１７】
上記構成によれば、安価で実際の使用温度に適した固体材料を提供することが可能となる。
【００１８】
前記潜熱材料は、例えば、相変化材料と、黒鉛と、ＳｉＣとの混合物である。
【００１９】
上記構成によれば、取り扱いが容易で蓄熱性能の高い潜熱材料を提供することが可能となる。
【００２０】
前記相変化材料は、例えば、硝酸ナトリウムまたは硝酸カリウムの少なくともいずれか一つを含む。
【００２１】
上記構成によれば、取り扱いが容易で蓄熱性能の高い潜熱材料を提供することが可能となる。
【００２２】
前記潜熱材料が液化する温度範囲は、例えば、１５０℃〜５５０℃である。
【００２３】
上記構成によれば、実際の使用温度に適した潜熱材料を提供することが可能となる。
【００２４】
前記移送装置は、例えば、前記筐体の内部と外部との間で液化した前記潜熱材料を循環させるポンプと、液化した前記潜熱材料を蓄積可能なリザーブタンクと、前記筐体と前記ポンプと前記リザーブタンクとを接続する配管と、を含む。
【００２５】
上記構成によれば、簡易かつ安価に移送装置を構築することが可能となる。
【００２６】
太陽熱発電システムは、上述の蓄熱器を用いて構成され得る。
【００２７】
次に本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の蓄熱器を用いた太陽熱発電システムの構成図を示す。太陽熱発電システム２００は、ミラー１０と、太陽熱蓄熱システム１００と、発電機３０とを含む。本実施形態では、太陽熱蓄熱システム１００と発電機３０を媒介するエネルギー変換部Ｅは熱交換器により構成されている。
【００２８】
ミラー１０はヘリオスタットのような反射鏡等により構成され、太陽Ｓからの太陽光を反射して太陽熱蓄熱システム１００の受熱部１１０に導く役割を果たす。例えば、多数のミラー１０が受熱部１１０の周囲に放射状に配置され、図示せぬ制御装置が時間の経過に伴う太陽Ｓの位置に合わせて各ミラー１０の向きを最適な位置に設定する。ミラー１０の種類、配置される数、配置形態などは特に限定はされない。
【００２９】
すなわち、本実施形態の太陽熱発電システム２００は、太陽光を集光し、熱した熱媒体（空気、水、オイル、溶融塩など）を発電に利用する集光型太陽熱発電システム、特にタワー式太陽熱発電システムに属するものである。しかしながら、ここでの太陽熱発電システムの種類は特に限定されず、本発明は太陽熱を利用する種々の発電システムに利用することが可能である。
【００３０】
本実施形態の太陽熱蓄熱システム１００は、ミラー１０により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する受熱部１１０と、熱媒体の熱を蓄積するとともに放出可能な蓄熱器１２０と、エネルギー変換部Ｅとを含む。さらに太陽熱蓄熱システム１００は、受熱部１１０と、蓄熱器１２０と、エネルギー変換部Ｅとを接続し、熱媒体が流通する熱媒体パイプである流路配管１３０を含む。
【００３１】
受熱部１１０はレシーバとも呼ばれ、例えば太陽光の太陽熱を吸収しつつ、高温に耐え得るセラミック構造体などにより構成される。受熱部１１０は、例えばタワーの如き高い建物の頂上に設けられ、ミラー１０により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する。受熱部１１０は流路配管１３０に接続されており、流路配管１３０を流通する熱媒体を熱することにより熱交換を行う。受熱部１１０の配置位置、種類も特に限定はされない。
【００３２】
蓄熱器１２０は、流路配管１３０を流通する熱媒体の熱を蓄積するとともに放出可能であり、その詳細については後に説明する。エネルギー変換部Ｅは、太陽熱蓄熱システム１００と発電機３０との間で熱交換（エネルギー交換）を行う熱交換器により構成されているが、その種類は特に限定はされない。
【００３３】
流路配管１３０は、受熱部１１０と、蓄熱器１２０と、エネルギー変換部Ｅとを接続し、閉じた流路を形成する。熱媒体は、流路配管１３０中を受熱部１１０→蓄熱器１２０→エネルギー変換部Ｅ→受熱部１１０の経路に沿って流通する。流路配管１３０を流通する熱媒体としては、空気、水、オイル、溶融塩など種々のものが用いられるが特に限定はされない。
【００３４】
発電機３０は例えばスチームガスタービン発電機などにより構成され、太陽熱蓄熱システム１００との間でエネルギー変換部（熱交換器）Ｅを介して熱交換を行い、温められ媒体（蒸気、オイルなど）により内蔵されたタービンを回転させて発電を行うものである。もちろん発電機３０の種類は特に限定されず、太陽熱蓄熱システム１００との間で熱交換の可能な種々のタイプの発電機を適用することが可能である。
【００３５】
太陽熱蓄熱システム１００は流路配管１３０を流通する熱媒体の熱を、適宜蓄積可能な蓄熱器１２０を備えており、太陽Ｓから得られる太陽熱（太陽光）の変動に伴う出力変動を吸収することができる。すなわち、急激な天候変化により太陽Ｓから得られる太陽熱の量（日照量）が変動しても、蓄熱器１２０の作用により、出力変動を抑制することが可能である。
【００３６】
図２は蓄熱器１２０の実施形態を示す。蓄熱器１２０は流路配管１３０における、受熱部１１０とエネルギー変換部Ｅとの間の位置に設けられている。蓄熱器１２０は、筐体１２１と、筐体１２１の内部における上側の領域に配置された固体材料（顕熱材料）１２２と、筐体１２１の内部における固体材料１２２の下側に配置された潜熱材料１２３と、液化した潜熱材料１２３を筐体１２１の内部および外部の間で移送させる移送装置１２４とを備えている。
【００３７】
筐体１２１は金属、コンクリートなどの材料により形成され、箱形の形状を呈するが材料の種類や形状は特に限定はされない。筐体１２１の壁は一枚の部材で形成してもよいし、二枚以上の部材で形成することもできる。この壁の外側層を金属などにより形成し、外側層の内側に保温性を有する部材を配置してもよい。
【００３８】
固体材料１２２は、筐体１２１の内部の空間における上側の領域に配置され、例えばコンクリートにより形成されるが、ＳｉＣ（炭化ケイ素）等の如きセラミックにより形成することもでき、その材料は特に限定されない。コンクリートにより、安価で実際の使用温度に適した固体材料１２２を提供することができる。固体材料１２２は意図的に形成された空間のないブロック形状でもよいし、空間を有した形状であってもよい。固体材料１２２は、通常の使用状態では固体から状態変化（相転移など）をしないまま、それ自体が温度変化することにより熱を吸収または放出可能な、いわゆる顕熱材料である。
【００３９】
潜熱材料１２３は、筐体１２１の内部における固体材料１２２の下側の空間に配置されている。潜熱材料１２３は、状態変化（相転移など）をすることにより、熱を吸収または放出可能な材料である。潜熱材料１２３として種々の材料を利用することが可能であるが、一例として潜熱材料１２３は相変化材料（ＰＣＭ；Phase Change Material）と黒鉛とＳｉＣとの混合物であってもよい。この混合物は、取り扱いが容易で蓄熱性能の高い潜熱材料１２３を提供することが可能となる。相変化材料（ＰＣＭ）と黒鉛（Ｃ）とＳｉＣとを混合する際の質量比は、たとえばＰＣＭが４０〜７０質量％、Ｃが２０〜４０質量％、ＳｉＣが５〜２０質量％の範囲であってよい。この混合質量比の一例として、例えばＰＣＭ：Ｃ：ＳｉＣ＝５０質量％：３９質量％：１１質量％といった比を採用することができる。
【００４０】
相変化材料は、例えば、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）または硝酸カリウム（ＫＮＯ３）の少なくともいずれか一つを含む。このような成分の相変化材料は、取り扱いが容易で蓄熱性能が高い。また、相変化材料は、硝酸ナトリウムおよび硝酸カリウムの共融塩であってもよい。また、相変化材料は、硝酸ナトリウムおよび硝酸カリウムの共融塩と、硝酸ナトリウムとの混合物であってもよい。
【００４１】
潜熱材料１２３が液化する温度範囲は、例えば１５０℃〜５５０℃に設定される。この温度範囲であれば、実際の使用温度に適しているため、蓄熱器１２０の稼働が容易であり、上述した潜熱材料１２３が液化した状態を保持することも容易である。
【００４２】
移送装置１２４は、筐体１２１の内部と外部との間で液化した潜熱材料１２３を循環させるポンプ１２５と、液化した潜熱材料１２３を蓄積可能なリザーブタンク１２６と、筐体１２１とポンプ１２５とリザーブタンク１２６とを接続する配管１２７とを含む。この構成によれば、簡易かつ安価に移送装置１２４を構築することが可能となる。移送装置１２４により、液化した潜熱材料１２３を筐体１２１の内部と外部との間で容易に循環させることが可能となる。図示せぬ別の大型筐体を設け、当該大型筐体の内部に筐体１２１と移送装置１２４をまとめて配置してもよい。この大型筐体の内側に所定の断熱材を配置してもよい。
【００４３】
また、蓄熱器１２０（または移送装置１２４）の運転を制御する制御装置１２８が、移送装置１２４のポンプ１２５の運転状態を制御する。制御装置１２８は一般的なプロセッサ、メモリなどを備えるコンピュータである。そして、制御装置１２８は潜熱材料１２３内に設けられた温度センサＳ１と接続されており、温度センサＳ１からの潜熱材料１２３の温度信号を受信し、当該温度信号に基づく制御信号をポンプ１２５に送り、ポンプ１２５の運転制御を行う。さらに制御装置１２８は、太陽Ｓからの日照量を検知する日照量センサＳ２からの日照量信号を受信し、当該日照量信号に基づく制御信号をポンプ１２５に送り、ポンプ１２５の運転制御を行う。
【００４４】
移送装置１２４が稼働すると、筐体１２１の内部において、液化した潜熱材料１２３の量を変動させることにより、液化した潜熱材料１２３と固体材料１２２が、接触状態または非接触状態のいずれかの状態をとることになる。
【００４５】
図２に示すように、流路配管１３０は蓄熱器１２０の内部の空間を貫通しており、本例では流路配管１３０は、３本のサブ配管１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃから構成されている。流路配管１３０に対する固体材料１２２および潜熱材料１２３の接触面積を増加させるため、流路配管１３０は蓄熱器１２０の内部を含む蓄熱器１２０の周辺領域で複数（３本）に分かれている。しかしながらサブ配管の数は特に限定されない。また、サブ配管の配置位置の一例として、図２に示すように総てのサブ配管が固体材料１２２を貫くように配置される。このような配置により、サブ配管から熱が逃げるのを防止し、受熱部１１０からエネルギー変換部Ｅへ効率的に熱を運ぶことができる。もちろん、サブ配管の位置も特に限定されない。
【００４６】
次に、蓄熱器１２０の動作の一例を説明する。ただしここで述べる蓄熱器１２０の動作はあくまで一例であって、状況に応じて種々の運転動作が可能である。
【００４７】
まず、太陽熱発電システム２００の運転開始時において、固体材料１２２および潜熱材料１２３の温度が十分に上がっていない状況を想定する。すなわち、受熱部１１０からの熱が流路配管１３０を流れる熱媒体を介して伝わり始めた状態（運転開始状態）であり、固体材料１２２、潜熱材料１２３が十分温められていない。
【００４８】
このとき、図２（ａ）に示すように、潜熱材料１２３の液面はＩ−Ｉ線の位置に設定される。すなわち、潜熱材料１２３が固体材料１２２に直接接触した接触状態をとり、固体材料１２２の熱が直接潜熱材料１２３に伝熱可能である。この状態で、受熱部１１０からの熱が流路配管１３０を流れる熱媒体を介して伝えられると、固体材料１２２の温度が上昇するとともに、さらにエネルギー変換部Ｅにも熱が伝えられる。
【００４９】
特に太陽Ｓによる日照量が多く、さらに固体材料１２２が熱せられると、その熱は、エネルギー変換部Ｅのみならず、直接接触する潜熱材料１２３にも移動する。潜熱材料１２３の温度は上昇し、潜熱材料１２３への蓄熱が開始する。
【００５０】
そして、潜熱材料１２３が温められ十分な熱を持つと、制御装置１２８が、潜熱材料１２３内に設けられた温度センサＳ１からの潜熱材料１２３の温度信号をトリガとしてポンプ１２５に制御信号を送り、ポンプ１２５が稼働を開始する。そして、図２（ｂ）に示すように、筐体１２１の内部における潜熱材料１２３の量が減少し、潜熱材料１２３の液面がＩＩ−ＩＩ線の位置、すなわち固体材料１２２に接触しない位置まで下がる。このとき、固体材料１２２の熱は、直接潜熱材料１２３に伝わらないことになり、潜熱材料１２３はリザーブタンク１２６にも蓄積されることになる。このことは、リザーブタンク１２６にも所定の熱が蓄積されることを意味する。
【００５１】
次に、太陽Ｓが雲に隠れた場合のように日照量が減少し、受熱部１１０からエネルギー変換部Ｅへ十分な熱が得られなくなった状態を想定する。この場合、制御装置１２８が、日照量センサＳ２からの日照量信号をトリガとしてポンプ１２５に制御信号を送り、ポンプ１２５が稼働を開始する。そして、図２（ａ）に示すように、潜熱材料１２３の液面が再びＩ−Ｉ線の位置に移動する。すなわち、潜熱材料１２３が固体材料１２２に直接接触し、潜熱材料１２３の熱が、直接固体材料１２２に伝わる。そして、固体材料１２２は再び十分な熱をエネルギー変換部Ｅに伝えることが可能となる。
【００５２】
そして、太陽Ｓが雲から出て日照量が回復すると、固体材料１２２、潜熱材料１２３の温度が再び上昇する。そして、制御装置１２８が、温度センサＳ１からの潜熱材料１２３の温度信号をトリガとしてポンプ１２５に制御信号を送り、ポンプ１２５が稼働を開始する。そして、図２（ｂ）に示すように、筐体１２１の内部における潜熱材料１２３の量が減少し、潜熱材料１２３の液面がＩＩ−ＩＩ線の位置、すなわち固体材料１２２から切り離され、固体材料１２２に接触しない位置まで下がる。以降、日照量の増減に応じて、矢印Ａに示す潜熱材料１２３の液面の移動操作が繰り返される。
【００５３】
尚、相変化材料の中には、熱による体積膨張が大きいものも存在する。そのような相変化材料を使用した場合、潜熱材料１２３の温度上昇時に潜熱材料１２３が膨張し、液漏れ（筐体１２１からの潜熱材料の漏れ）を生ずる可能性がある。このため、図２（ｂ）に示すように、潜熱材料１２３が所定以上の熱を蓄えた時点で、移送装置１２４が潜熱材料１２３を筐体１２１の内部から外部へ排出して、潜熱材料１２３を固体材料１２２から切り離すことが好ましい。
【００５４】
上述した蓄熱器１２０の動作により、日照量の変化のような天候変化が生じても、エネルギー変換部Ｅから発電機３０へ伝えられるエネルギー（熱）の変動を抑制することが可能となる。すなわち、太陽熱発電システム２００の電圧変動、周波数変動の如き事象を抑制することが可能となり、安定した熱エネルギーの供給が可能となる。
【００５５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更又は応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、急激な天候変化があっても安定した熱エネルギーの供給を可能とする太陽熱発電システムが提供されるため、自然エネルギーの利用が促進され得る。
【符号の説明】
【００５７】
１０    ミラー
３０    発電機
１００  太陽熱蓄熱システム
１１０  受熱部
１２０  蓄熱器
１２１  筐体
１２２  固体材料（顕熱材料）
１２３  潜熱材料
１２４  移送装置
１２５  ポンプ
１２６  リザーブタンク
１２７  配管
１２８  制御装置
１３０  流路配管
２００  太陽熱発電システム
Ｅ      エネルギー変換部
Ｓ      太陽
Ｓ１    温度センサ
Ｓ２    日照量センサ
【図１】
2017048693.tif 000003
【図２】
2017048693.tif 000004