JP6309702B2 - 蓄熱槽および蓄熱槽を用いた太陽熱発電システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱槽および蓄熱槽を用いた太陽熱発電システムに関する。

近年、自然エネルギーの一つである太陽熱を利用したシステムの研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１を参照）。太陽熱を利用したシステムは、太陽の位置や気象の影響を受けやすいため、蓄熱技術を応用してシステムの安定化を図ったものも考案されている（例えば、特許文献２を参照）。なお、蓄熱技術は、太陽熱のような温熱を蓄熱するもののみならず、例えば、空調などで使われる冷熱を蓄熱するものもある（例えば、特許文献３を参照）。

特開２００９−２１０１６２号公報 特開２００２−３２７９６２号公報 特公平８−１３４６号公報

供給が不安定な熱を利用する場合、需要や供給の変動を抑制するために蓄熱することが求められる。例えば、太陽熱のような環境に左右されやすい自然エネルギーで発電を行う場合、夜間や雨天でも発電可能なように太陽熱を蓄えることで、安定的な発電を実現できる。しかしながら、熱源から供給される熱を蓄える場合に、熱源から熱を輸送する流体である熱輸送媒体を、蓄熱剤に直接触れないよう、蓄熱剤を貫通したり蓄熱剤に浸漬させる等により間接的に熱交換するように設けられた熱交換器としての管の内部を通過するようにして蓄熱すると、管の熱媒入口の近傍の蓄熱剤には十分に蓄熱されるものの、管の熱媒入口から離れた蓄熱剤には十分に蓄熱されない。また、熱が管を介して蓄熱剤に蓄熱されるため、蓄熱効率が低下する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、熱を効率的に蓄熱可能な蓄熱槽および蓄熱槽を用いた太陽熱発電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、蓄熱槽に蓄熱する熱を輸送する第一の熱輸送媒体と混在する状態で、槽内に蓄熱剤を配置することとし、蓄熱剤に蓄えられている熱を利用する際は、槽内の熱交換面を通じて熱交換を行う第二の熱輸送媒体により熱を所定の供給先へ輸送することにした。また、蓄熱剤が槽内から流出しないよう、蓄熱剤が第一の熱輸送媒体よりも比重が大きい場合には第一の熱輸送媒体が槽内の下部から上部へ流れる構成を採り、蓄熱剤が第一の熱輸送媒体よりも比重が小さい場合には第一の熱輸送媒体が槽内の上部から下部へ流れる構成を採ることにした。

詳細には、本発明は、例えば、所定の熱源から供給される熱を蓄える蓄熱槽であって、前記蓄熱槽に蓄熱する蓄熱モードにおいて、前記所定の熱源から供給される熱を輸送する第一の熱輸送媒体が、槽内の下部に流入して上部から流出する蓄熱槽本体と、前記蓄熱槽本体の槽内に前記第一の熱輸送媒体と混在する状態で配置され、前記第一の熱輸送媒体よりも比重が大きく、前記第一の熱輸送媒体と混合しても前記第一の熱輸送媒体と分離する蓄熱剤と、前記蓄熱槽に蓄えられた熱を放熱する放熱モードにおいて、前記蓄熱槽本体の
槽内の熱交換面を通じて、前記第一の熱輸送媒体と共に混在する前記蓄熱剤と熱交換を行い、所定の供給先へ熱を輸送する第二の熱輸送媒体が流れる熱交換器と、を備える。

このように構成される蓄熱槽であれば、蓄熱槽に蓄熱する熱を輸送する第一の熱輸送媒体と混在する状態で、蓄熱剤が槽内に配置されているため、第一の熱輸送媒体が蓄熱剤を通過する際の流路が拘束されない。すなわち、第一の熱輸送媒体は、蓄熱剤の内部のあらゆる箇所に拡散しながら流れて熱交換を行い、蓄熱剤に蓄熱する。このため、熱が特定の部位の蓄熱剤にのみ蓄えられること無く、槽内の全ての蓄熱剤に概ね均等に蓄えられる。また、第一の熱輸送媒体は、蓄熱剤と直接触れて熱交換するため、特定の流路を構成する管等の部材を介して熱交換する場合に比べて、蓄熱効率が高い。この結果、上記蓄熱槽によれば、熱を効率的に蓄熱することが可能となる。

なお、前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体が、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体よりも高い温度で、槽内の下部に流入して上部から流出し、前記蓄熱剤は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体の温度と、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体の温度との間に融点を有することにより、潜熱蓄熱剤として作用するものであってもよい。

熱の供給を受けて作動する機器の中には、熱を供給する熱輸送媒体の温度が安定していることを要するものがある。例えば、発電機を駆動する蒸気タービンは、流入させることが可能な蒸気の圧力や温度に設計上の条件があるため、蓄熱した熱で蒸気を製造して蒸気タービンを駆動する場合には、製造される蒸気の圧力や温度を一定にさせやすい潜熱を用いることが望まれる。

このような場合であっても、第一の熱輸送媒体が、放熱モードにおいて所定の供給先へ流れる第二の熱輸送媒体よりも高い温度で槽内を通過して蓄熱し、蓄熱剤が、蓄熱モードにおける第一の熱輸送媒体の温度と、放熱モードにおける第二の熱輸送媒体の温度との間に融点を有するものであれば、蓄熱剤を潜熱蓄熱剤として利用することができるので、蓄熱した熱を所定の供給先へ安定的に供給することができる。

また、前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱剤が配置される領域を槽内の底面から隔てるように下部を仕切る多孔板であって、前記蓄熱剤が槽内の底面に堆積するのを抑制し、槽内の下部に流入する前記第一の熱輸送媒体を前記蓄熱剤に拡散させる孔を多数設けた多孔板を有するものであってもよい。

このように構成される蓄熱槽であれば、比重が第一の熱輸送媒体よりも大きいことにより、蓄熱槽本体の槽内に沈降した場合であっても、蓄熱剤が槽内の下部を仕切る多孔板に支持されるので底面に堆積することがなくなる。よって、蓄熱槽に蓄熱する蓄熱モードにおいて、第一の熱輸送媒体を槽内の下部に流入させると、第一の熱輸送媒体が多孔板の下側から孔を通過し、多孔板に支持された蓄熱剤を通過することになる。したがって、蓄熱剤が槽内で沈降した場合であっても、第一の熱輸送媒体を槽内に流せば、所定の熱源から供給される熱を速やかに蓄熱剤に蓄えることが可能である。

なお、本発明は、例えば、所定の熱源から供給される熱を蓄える蓄熱槽であって、前記蓄熱槽に蓄熱する蓄熱モードにおいて、前記所定の熱源から供給される熱を輸送する第一の熱輸送媒体が、槽内の上部に流入して下部から流出する蓄熱槽本体と、前記蓄熱槽本体の槽内に前記第一の熱輸送媒体と混在する状態で配置され、前記第一の熱輸送媒体よりも比重が小さく、前記第一の熱輸送媒体と混合しても前記第一の熱輸送媒体と分離する蓄熱剤と、前記蓄熱槽に蓄えられた熱を放熱する放熱モードにおいて、前記蓄熱槽本体の槽内
の熱交換面を通じて、前記第一の熱輸送媒体と共に混在する前記蓄熱剤と熱交換を行い、所定の供給先へ熱を輸送する第二の熱輸送媒体が流れる熱交換器と、を備えるものであってもよい。このように構成される蓄熱槽であっても、上述した蓄熱槽と同様、熱を効率的に蓄熱することが可能となる。

蓄熱槽がこのように構成されている場合、前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体が、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体よりも高い温度で、槽内の上部に流入して下部から流出し、前記蓄熱剤は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体の温度と、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体の温度との間に融点を有することにより、潜熱蓄熱剤として作用するものであってもよい。

また、蓄熱槽がこのように構成されている場合、前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱剤が配置される領域を槽内の天面から隔てるように上部を仕切る多孔板であって、前記蓄熱剤が槽内の天面に堆積するのを抑制し、槽内の上部に流入する前記第一の熱輸送媒体を前記蓄熱剤に拡散させる孔を多数設けた多孔板を有するものであってもよい。

また、本発明は、太陽熱発電システムであって、上記何れかに記載の蓄熱槽と、太陽光を集光して太陽熱を回収する太陽熱回収装置と、前記太陽熱回収装置から供給される熱で発電する発電装置と、を備え、前記蓄熱槽は、前記太陽熱回収装置から供給される熱を蓄えるものであり、前記第一の熱輸送媒体は、前記太陽熱回収装置から供給される熱を輸送し、前記第二の熱輸送媒体は、前記発電装置へ熱を輸送するものであってもよい。

このように構成される太陽熱発電システムであれば、太陽熱回収装置が太陽光を集光して回収した熱が、槽内の全ての蓄熱剤に概ね均等に蓄えられる。また、第一の熱輸送媒体が、蓄熱剤と直接触れて熱交換するため、特定の流路を構成する管等の部材を介して熱交換する場合に比べて、太陽熱回収装置が太陽光を集光して回収した熱をより多く蓄えることができる。この結果、発電に必要な太陽光を十分に集光できず、蓄熱槽に蓄えた熱で発電する場合であっても、より長時間の発電が可能となるため、太陽の位置や気象の影響を受けにくい太陽熱発電を実現することが可能である。

熱を効率的に蓄熱し、利用することが可能である。

実施形態に係る蓄熱槽および蓄熱槽を用いた太陽熱発電システムの構成図である。 蓄熱槽の構成図である。 多孔板の構成図である。 蓄熱槽の状態を、太陽熱発電システムの運転モード毎に示した図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の実施形態を例示するものであり、本発明の技術的範囲を以下の実施形態に限定するものではない。

本発明の実施形態に係る蓄熱槽および蓄熱槽を用いた太陽熱発電システムの構成を図１に示す。太陽熱発電システム１は、太陽熱回収装置２０と発電装置３０と蓄熱槽４０とを備えている。

太陽熱回収装置２０は、太陽光を集光して太陽熱を回収するものであり、熱輸送媒体である作動流体２１を太陽熱で加熱する。作動流体２１は、本発明でいう第一の熱輸送媒体に相当する。また、発電装置３０は、発電機３１に蒸気タービン３２を連結した蒸気発電機であり、太陽熱回収装置２０から流れる作動流体２１が通過する蒸気発生器３３で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン３２が発電機３１を回して発電する。また、蓄熱槽４０は、太陽熱回収装置２０から供給される熱を蓄えるものであり、蓄熱槽本体４１と蓄熱剤４２と熱交換器４３と多孔板４４とを備えている。

蒸気発生器３３に供給する、第２の熱輸送媒体としての水は、蒸気タービン３２を通過した蒸気の凝縮水（復水という場合もある）を回収するドレンタンク３４から給水ポンプ３５により給水される。給水ポンプ３５は、蒸気発生器３３から蒸気タービン３２へ流れる蒸気の量に応じた水を蒸気発生器３３に給水するように作動する。給水ポンプ３５は、このような運転を実現するため、例えば、蒸気発生器３３内の水位（あるいはチューブ内で水が沸騰してボイドになる部位の位置）が一定になるように作動するようにしてもよいし、あるいは、太陽熱発電システム１を統合的に制御するコンピュータのメモリ上に展開された、運転状態を規定したマップに従って作動するようにしてもよい。蒸気タービン３２の入口側には、蒸気加減弁３８が設けられており、蒸気タービン３２が発電機３１の極数および送電系統の周波数によって定まる所定の回転数を維持するよう、蒸気タービン３２に流入する蒸気の量を調整する。なお、蒸気タービン３２の入口側には、蒸気タービン３２や発電機３１のトリップ（急速停止）に備え、蒸気停止弁やタービンバイパス弁を設けてもよい。ドレンタンク３４は、水位が一定に保たれるよう、オーバーフロー管や補給水管が設けられており、水位が上がればオーバーフロー管から排出され、水位が下がればフロート弁などにより補給水管から水が補給される。なお、発電装置３０は、水を蒸発させて生成した蒸気で発電するもののみならず、例えば、アンモニアと水とを混合したアンモニア水などを使って発電するものであってもよい。このような液体を蒸発させて発電させれば、太陽熱回収装置２０で回収した太陽熱を、水の場合よりも低温で利用することができる。

ところで、本実施形態に係る太陽熱発電システム１は、蒸気タービン３２で発電機３１を駆動して発電することを前提としたシステム構成にしているため、各機器や各機器を流れる熱輸送媒体は以下のようなものを採用することが好ましい。

例えば、本実施形態に係る太陽熱発電システム１で採用する蒸気タービン３２の定格圧力が、ゲージ圧力で０．４ＭＰａ以上である場合、蒸気発生器３３で約１６０℃以上の蒸気を生成する必要がある。この場合、太陽熱回収装置２０は、少なくとも蒸気タービン３２を駆動する蒸気の温度（約１６０℃）以上の温度に作動流体２１を加熱する必要がある。このような条件に適合する太陽熱回収装置２０の具体的な構成としては、太陽熱回収装置２０が設置される地域の日射量等の環境にもよるが、例えば、太陽光を集光するパラボラ型の装置や、外気に左右されにくい真空管型の装置を適用することができる。もっとも、太陽熱回収装置２０は、少なくとも蒸気タービン３２を駆動する蒸気の温度以上の温度に作動流体２１を加熱可能なものであれば、その他の形式（例えば、平板型やヘリオスタット型等）を適用することもできる。なお、ゲージ圧力で０．５ＭＰａ程度の蒸気を使って発電を行う場合、１００ｋＷ級の発電となるため、発電機３１は、これに耐える仕様のものを適用する必要がある。

なお、太陽熱回収装置２０は、蒸気タービン３２の最高使用圧力や、蒸気タービン３２を通過する蒸気が流れる配管の最高使用圧力、圧力容器に関する法規といった各種の事情に鑑み、作動流体２１が一定の温度を超えないように太陽光を集光し、或いは作動流体２１の流量等を制御するものであってもよい。例えば、蒸気タービン３２を駆動する蒸気の最適な圧力が０．５ＭＰａ（飽和蒸気温度は約１５８℃）〜０．７ＭＰａ（飽和蒸気温度
は約１７０℃）であれば、太陽熱回収装置２０は、作動流体２１が例えば２００℃を超えないように太陽光を集光し、或いは作動流体２１の流量等を制御するものであってもよい。

また、太陽熱回収装置２０から蒸気発生器３３へ熱を輸送する作動流体２１は、少なくとも蒸気タービン３２を駆動する蒸気の温度以上の温度に加熱されても沸騰しないシリコンオイルやマシンオイル、その他の各種熱輸送媒体が好適であるが、当該作動流体２１が流れる循環経路を加圧可能であれば、水等を用いることも可能である。但し、当該作動流体２１は、後述するように、蓄熱槽４０の蓄熱剤４２と接触して直接熱交換するため、蓄熱剤４２に溶けにくい必要があり、例えば、蓄熱剤４２が水に溶ける性質を有する場合には、当該作動流体２１として水を適用することができない点に留意する。本実施形態では、作動流体２１としてシリコンオイルを用いているため、太陽熱回収装置２０から蒸気発生器３３へ作動流体２１を送るポンプをオイルポンプ２２と称することにする。なお、作動流体２１は、太陽熱回収装置２０の熱輸送に伴い、膨張したり収縮したりするが、作動流体２１が流れる経路に設けられている膨張タンク２３によって吸収される。

蓄熱槽４０は、太陽熱回収装置２０と発電装置３０との間で蒸気発生器３３を経由して行われる熱輸送経路において、蒸気発生器３３と並列に配置される設備である。すなわち、蓄熱槽４０は、オイルポンプ２２により太陽熱回収装置２０と蒸気発生器３３との間を循環する作動流体２１の循環経路において蒸気発生器３３と並列するように配置され、給水ポンプ３５により蒸気発生器３３と発電装置３０の蒸気タービン３２との間を循環する水の循環経路において蒸気発生器３３と並列するように配置されている。

蓄熱槽４０の構成を図２に示す。蓄熱槽本体４１は、太陽熱回収装置２０から流れる作動流体２１が槽内を通過するように構成されており、また、槽内には作動流体２１と混在するように蓄熱剤４２が配置されている。また、熱交換器４３は、ドレンタンク３４の水がドレンポンプ３６を介して流れるように構成されており、ドレンポンプ３６が作動すると、熱交換器４３内を流れる水が蓄熱槽本体４１の槽内の熱交換面を通じて蓄熱剤４２と熱交換を行い、発電装置３０の蒸気タービン３２へ供給する蒸気を発生するように構成されている。熱交換器４３内を流れる水は、本発明でいう第二の熱輸送媒体に相当する。熱交換器４３から蒸気タービン３２へ繋がる蒸気の配管は、蒸気発生器３３から蒸気タービン３２へ繋がる蒸気の配管の途中に接続されており、当該接続部分の手前に逆流防止弁３７が設けられている。逆流防止弁３７は、蒸気発生器３３で熱交換により発生した蒸気が熱交換器４３へ逆流するのを防止する。熱交換器４３は、蓄熱剤４２に蓄えられた熱で蒸気を生成可能であれば如何なるものであってもよいが、例えば、管内を水が流れるチューブ式の熱交換器であれば、槽内に浸漬された状態で蓄熱剤４２とドレンポンプ３６から送られる水との間の熱交換面を大きくすることができる。また、飽和蒸気を更に加熱した過熱蒸気（乾燥蒸気という場合もある）を生成することも可能なので蒸気タービン３２に好適である。なお、例えば、チューブにフィンを取り付けたフィンチューブ式の熱交換器であれば、蓄熱剤４２とドレンポンプ３６から送られる水との間の熱交換面を更に大きくすることができるので、蓄熱剤４２に蓄えられた熱で蒸気をより確実に生成可能である。

ドレンポンプ３６は、蓄熱槽４０に蓄えた熱で発電を行う場合に作動させるポンプである。よって、ドレンポンプ３６は、例えば、太陽熱回収装置２０において回収された太陽熱のみで、蒸気発生器３３で十分な量の蒸気が発生している場合（例えば、好天時の日中等）は停止状態とし、太陽熱回収装置２０において回収された太陽熱では、蒸気発生器３３で十分な量の蒸気が発生しない場合（例えば、夜間や日中の雨天時等）は運転状態とする。ドレンポンプ３６は、このような動作を実現するため、例えば、熱交換器４３内の水位が一定になるように作動するようにしてもよいし、蒸気タービン３２に流入する蒸気圧力が規定の範囲になるように作動するようにしてもよいし、あるいは、太陽熱発電システ
ム１を統合的に制御するコンピュータのメモリ上に展開された、運転状態を規定したマップに従って作動するようにしてもよい。

蓄熱剤４２は、太陽熱回収装置２０において回収された太陽熱では、蒸気発生器３３で十分な量の蒸気が発生しない場合に、自身が蓄えている熱で蒸気を発生させて蒸気タービン３２へ供給することを目的としたものである。蓄熱剤４２は、作動流体２１と接触して直接熱交換するため、作動流体２１に溶けない性質を有する必要があり、また、蓄熱槽本体４１の槽内から流出して太陽熱回収装置２０へ流れないよう、作動流体２１よりも比重が大きい必要がある他に、太陽の位置や気象の変化による発電電力の出力変動を、所望の範囲内に抑制可能な程度の量の蓄熱容量を有していることが好ましい。よって、蓄熱剤４２は、このような蓄熱容量を確保可能な材質のものが選定され、蓄熱槽本体４１の槽内に必要最低量が配置されていることが好ましい。

すなわち、蓄熱剤４２には、太陽熱回収装置２０で回収した太陽熱を、発電装置３０の作動条件を満たす温度で発電装置３０に供給することが求められる。例えば、本実施形態に係る太陽熱発電システム１で採用する蒸気タービン３２のように、定格圧力がゲージ圧力で０．４ＭＰａ以上である場合に、蓄熱槽４０に蓄熱した熱で発電を行うには、ドレンポンプ３６から送られる水を加熱して約１６０℃以上の蒸気を生成する必要がある。

また、太陽熱回収装置２０で回収した太陽熱で長時間の発電を行う場合、蓄熱剤４２には、蒸気タービン３２の作動条件を満たす温度領域においてより多くの熱を蓄熱可能な性質を有することが求められる。例えば、本実施形態のように、定格圧力がゲージ圧力で０．４ＭＰａ以上の蒸気タービン３２を用いる場合は、約１６０℃以上の温度領域においてより多くの熱を蓄熱可能な性質を有するものを蓄熱剤４２に適用すれば、蓄熱槽４０に蓄熱した熱で蒸気タービン３２をより長時間、より安定的に回転させて発電することができる。

このように、蓄えた熱を蒸気タービン３２の作動条件を満たすような特定の温度領域で安定的に放熱させるには、顕熱よりも潜熱を使う方が、放熱温度が一定に保たれるので蒸気タービン３２の作動条件を充足しやすい。また、一般的に、顕熱のみを使う場合に比べて潜熱を使う方が蓄熱量も遥かに多いので、蒸気タービン３２をより長時間、より安定的に回転させて発電することができる。すなわち、蒸気タービン３２の作動条件を満たす温度領域であり、且つ、太陽熱回収装置２０から太陽熱を輸送している際の作動流体２１の温度よりも低い温度領域に融点が存在するものを蓄熱剤４２とすることが最も合理的である。

そこで、本実施形態では、蒸気タービン３２の作動条件を満たす温度領域（約１６０℃以上）であり、且つ、太陽熱回収装置２０から太陽熱を輸送している際の作動流体の温度（例えば、２００℃）よりも低い温度領域に融点が存在する糖アルコール類のマンニトールを蓄熱剤４２としている。糖アルコール類のマンニトールは、融点が概ね１６８℃であるため、これを蓄熱剤４２とすれば、蓄熱剤４２を潜熱蓄熱剤として機能させることができる。

なお、蓄熱剤４２は、これに限定されるものでなく、蒸気タービン３２の作動条件や、蓄熱槽４０から蒸気タービン３２へ流れる蒸気の流量、熱交換器４３の容量等に合わせて適宜変更可能であり、例えば、マンニトール以外の糖アルコール類や、５００℃近傍で融点を持つ硝酸塩系の溶融塩、その他の各種物質を適用することも可能である。しかしながら、本実施形態のように太陽熱を、約２００℃程度の低温で回収するシステム構成を採る場合には、このような低温であっても潜熱蓄熱剤として用いることができる糖アルコール類が好適である。

蓄熱槽本体４１の槽内には、このような蓄熱剤４２が作動流体２１と混在する状態で配置されている。ここでいう、作動流体２１と混在する状態とは、作動流体２１と蓄熱剤４２とを隔てるものが存在することなく、蓄熱槽本体４１の槽内に蓄熱剤４２が作動流体２１と共存している状態をいい、蓄熱剤４２の相と作動流体２１の相とが分離して蓄熱槽本体４１の槽内に存在している状態をいう。

ところで、本実施形態では、上述したように蓄熱剤４２の比重が作動流体２１よりも大きいことを前提としている。また、シリコンオイルやマンニトールは、常温（システムの停止中）から約２００℃（システムが稼働中）へ遷移しても、体積膨張率はせいぜい数％から十数％の範囲内であるため、これらを蓄熱剤４２や作動流体２１として用いた本実施形態において、蓄熱剤４２と作動流体２１との間で比重の関係が逆転することは無い。よって、蓄熱剤４２は、オイルポンプ２２の作動によって蓄熱槽本体４１の槽内に流入する作動流体２１によって押し上げられた場合を除き、基本的に槽内の下部に沈むことになる。蓄熱剤４２が槽内の下部に沈んだ状態でオイルポンプ２２を起動しても、蓄熱剤４２が槽内の下部に堆積固化したままだと、作動流体２１と蓄熱剤４２との間で熱交換が滞り、太陽熱が蓄熱剤４２に十分に蓄えられない。そこで、本実施形態では、蓄熱槽本体４１の槽内に特殊な構造上の工夫を施している。

すなわち、本実施形態では、蓄熱剤４２が配置される領域を蓄熱槽本体４１の槽内の底面から隔てるように下部を仕切る多孔板４４を仕切り板として設けており、オイルポンプ２２から送られる作動流体２１は多孔板４４によって仕切られた槽内の下部の空間に流入するように、蓄熱槽本体４１が構成されている。多孔板４４を槽内の下部に設けることで、蓄熱剤４２の多くが多孔板４４に堆積するようにし、蓄熱剤４２が槽内の底面に堆積したまま融点以下となって堆積固化するのを予防している。また、オイルポンプ２２から送られる作動流体２１が多孔板４４の孔４５を通過することにより、作動流体２１が槽内で細かく分散するので、作動流体２１と蓄熱剤４２との間の接触面積が拡大して熱交換が促進され、太陽熱が蓄熱剤４２に十分に蓄えられる。なお、堆積固化した蓄熱剤４２を溶解するため、電気ヒータを蓄熱槽本体４１に補助的に設けてもよい。

なお、多孔板４４の孔４５の大きさは、作動流体２１として用いる物質の性質等によって適宜決定する。すなわち、多孔板４４の孔４５が小さいと、作動流体２１が十分に拡散せず、作動流体２１と蓄熱剤４２との間の接触面積が十分に確保されない。また、多孔板４４の孔４５が大きいと、作動流体２１の粘性と表面張力によって孔４５が塞がり、蓄熱剤４２の中を上昇できなくなる。よって、多孔板４４の孔４５の大きさは、これらを勘案して決定する。例えば、シリコンオイルであれば、内径を最小で５ｍｍ、最大で２０ｍｍ程度にすれば、槽内で細かく分散しながら蓄熱剤４２の中を密度差に起因する浮力で上昇する間に、蓄熱剤４２とも十分に熱交換可能である。

多孔板４４の構成を図３に示す。本実施形態では、多孔板４４の各孔４５に、上向きに突出するノズル４６を設けることで、作動流体２１を安定的に拡散させ、蓄熱剤４２に均一に拡散するようにしている。作動流体２１の粘性や比重を勘案して、オイルポンプ２２の流速や孔４５の大きさを適宜決定し、多孔板４４の各孔４５から作動流体２１を粒状に分散させれば、作動流体２１と蓄熱剤４２との間の接触面積を更に拡大することができる。なお、孔４５の下側の開口部が面取りされていると、作動流体２１が孔４５を通過しやすい。

蓄熱槽４０の状態を、太陽熱発電システム１の運転モード毎に示した図を図４に示す。太陽熱発電システム１が停止している場合、蓄熱槽４０は、図４（Ａ）に示すように、蓄熱剤４２が槽内の下部付近に沈んだ状態になっている。そして、太陽熱回収装置２０が太
陽熱を回収し、蓄熱剤４２に太陽熱を蓄熱する蓄熱モードの場合、蓄熱槽４０は、図４（Ｂ）に示すように、オイルポンプ２２から送られる作動流体２１が蓄熱剤４２の中を上昇する。作動流体２１が蓄熱剤４２の中を上昇する過程で作動流体２１の熱が蓄熱剤４２に蓄積され、蓄熱剤４２は、固体から液体へ相変化する過程で潜熱を蓄える。また、日没や雨天などにより、蓄熱剤４２から放熱する放熱モードの場合、蓄熱槽４０は、図４（Ｃ）に示すように、ドレンポンプ３６から送られる水が蓄熱剤４２の熱を奪う。ドレンポンプ３６から送られる水が蓄熱剤４２の熱で蒸気となる過程で、蓄熱剤４２は、潜熱を放出し、液体から固体へ相変化する。

なお、多孔板４４やその下側に堆積していた蓄熱剤４２は、蓄熱の過程で相変化し、固体から液体へと変化するため、槽内を流れる作動流体２１に押し流されやすくなる。この結果、蓄熱によって液化した蓄熱剤４２の少なくとも一部が、多孔板４４の孔４５を通過するなどして、槽内の上部に至る可能性がある。しかし、蓄熱剤４２は、比重が作動流体２１よりも大きいため、槽内の上部に至ったとしても作動流体２１と分離し、槽内から流出することは無い。

このように構成される太陽熱発電システム１は、太陽熱回収装置２０から太陽熱が得られる昼間等において、太陽熱回収装置２０が回収した太陽熱の大部分を利用して、蒸気発生器３３で蒸気を製造して発電を行うと共に、太陽熱回収装置２０が回収した太陽熱の一部を蓄熱槽４０の蓄熱剤４２に蓄熱する。そして、雨天時や夜間等において、蓄熱槽４０の蓄熱剤４２に蓄えた熱を利用して、熱交換器４３で蒸気を製造して発電を行うことにより、終日の発電を実現可能である。

また、上記太陽熱発電システム１は、太陽熱で発電を行っているため、自立的な発電が実現可能である。また、上記太陽熱発電システム１は、蓄熱剤４２が固体から液体、あるいは液体から固体へ相変化する際の潜熱を用いているので、蓄熱時や放熱時に蓄熱剤４２の温度が自律的に一定となる。よって、一定温度の蒸気、換言すると、一定圧力の蒸気が自律的に製造され、簡素な制御であっても安定的な発電を実現可能である。また、上記太陽熱発電システム１は、作動流体２１と蓄熱剤４２との相互の非溶解性と密度差とを活用した直接熱交換を採用しているため、伝熱効率が高く、高効率な発電を実現可能である。

なお、蓄熱槽４０は、例えば、蓄熱槽本体４１を長尺のトラックに積載可能な直方体状あるいは円筒状に形成することで、蓄熱槽４０自体をユニット化すれば、現場の施工が容易であり、製作費や移動費、施工費の削減や経済性の確保が容易になる。

また、蓄熱槽４０は、太陽熱発電システム１に組み込まれているが、このような態様に限定されるものではない。上記蓄熱槽４０は、熱を利用するあらゆるシステム（例えば、太陽熱以外の熱源で発電を行う発電システム、冷暖房システム、材料を熱で加工して各種の製品を生産するシステム等）に対しても適用可能である。

なお、本実施形態では、蓄熱剤４２の比重が作動流体２１よりも大きいことを前提にしているため、蓄熱剤４２が槽内から流出しないよう、太陽熱回収装置２０から流れる作動流体２１が槽内の下部に流入して上部から流出するように構成されている。しかし、蓄熱槽４０は、このような態様に限定されるものでなく、例えば、蓄熱剤４２の比重が作動流体２１よりも小さい場合には、太陽熱回収装置２０から流れる作動流体２１が槽内の上部に流入して下部から流出するように蓄熱槽本体４１を構成してもよい。この場合、多孔板４４は、槽内の上部側に配置されることになる。

１・・太陽熱発電システム，２０・・太陽熱回収装置，２１・・作動流体，２２・・オイ
ルポンプ，２３・・膨張タンク，３０・・発電装置，３１・・発電機，３２・・蒸気タービン，３３・・蒸気発生器，３４・・ドレンタンク，３５・・給水ポンプ，３６・・ドレンポンプ，３７・・逆流防止弁，３８・・蒸気加減弁，４０・・蓄熱槽，４１・・蓄熱槽本体，４２・・蓄熱剤，４３・・熱交換器，４４・・多孔板，４５・・孔，４６・・ノズル

Claims (5)

1. 所定の熱源から供給される熱を蓄える蓄熱槽であって、
   前記蓄熱槽に蓄熱する蓄熱モードにおいて、前記所定の熱源から供給される熱を輸送する第一の熱輸送媒体が、槽内の下部に流入して上部から流出する蓄熱槽本体と、
   前記蓄熱槽本体の槽内において前記第一の熱輸送媒体と混在し、前記第一の熱輸送媒体よりも比重が大きい蓄熱剤と、
   第二の熱輸送媒体が流れる熱交換器であって、前記蓄熱槽に蓄えられた熱を放熱する放熱モードにおいて、前記第二の熱輸送媒体が前記蓄熱槽本体の槽内の前記蓄熱剤に接触する熱交換面を通じて前記蓄熱剤と直接的に熱交換を行い、所定の供給先へ熱を輸送する、熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記蓄熱剤が前記蓄熱槽本体の槽内に溜まった状態において、前記熱交換器の少なくとも一部が該蓄熱剤に浸かる位置に配置されている、
   蓄熱槽。
2. 前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体が、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体よりも高い温度で、槽内の下部に流入して上部から流出し、
   前記蓄熱剤は、前記蓄熱モードにおいて前記所定の熱源から流れる前記第一の熱輸送媒体の温度と、前記放熱モードにおいて前記所定の供給先へ流れる前記第二の熱輸送媒体の温度との間に融点を有することにより、潜熱蓄熱剤として作用する、
   請求項１に記載の蓄熱槽。
3. 前記蓄熱槽本体は、前記蓄熱剤が配置される領域を槽内の底面から隔てるように下部を仕切る多孔板であって、前記蓄熱剤が槽内の底面に堆積するのを抑制し、槽内の下部に流入する前記第一の熱輸送媒体を前記蓄熱剤に拡散させる孔を多数設けた多孔板を有する、
   請求項１または２に記載の蓄熱槽。
4. 所定の熱源から供給される熱を蓄える蓄熱槽であって、
   前記蓄熱槽に蓄熱する蓄熱モードにおいて、前記所定の熱源から供給される熱を輸送する第一の熱輸送媒体が、槽内の上部に流入して下部から流出する蓄熱槽本体と、
   前記蓄熱槽本体の槽内において前記第一の熱輸送媒体と混在し、前記第一の熱輸送媒体よりも比重が小さい蓄熱剤と、
   第二の熱輸送媒体が流れる熱交換器であって、前記蓄熱槽に蓄えられた熱を放熱する放熱モードにおいて、前記第二の熱輸送媒体が前記蓄熱槽本体の槽内の前記蓄熱剤に接触する熱交換面を通じて前記蓄熱剤と直接的に熱交換を行い、所定の供給先へ熱を輸送する、熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記蓄熱剤が前記蓄熱槽本体の槽内に溜まった状態において、前記熱交換器の少なくとも一部が該蓄熱剤に浸かる位置に配置されている、
   蓄熱槽。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の蓄熱槽と、
   太陽光を集光して太陽熱を回収する太陽熱回収装置と、
   前記太陽熱回収装置から供給される熱で発電する発電装置と、を備え、
   前記蓄熱槽は、前記太陽熱回収装置から供給される熱を蓄えるものであり、
   前記第一の熱輸送媒体は、前記太陽熱回収装置から供給される熱を輸送し、
   前記第二の熱輸送媒体は、前記発電装置へ熱を輸送する、
   太陽熱発電システム。

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