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流動層を備えた太陽光集熱装置及びこれを用いた太陽光集熱方法

国内特許コード P200017146
整理番号 (S2017-0729-N0)
掲載日 2020年8月11日
出願番号 特願2019-519197
出願日 平成30年5月9日(2018.5.9)
国際出願番号 JP2018018005
国際公開番号 WO2018212046
国際出願日 平成30年5月9日(2018.5.9)
国際公開日 平成30年11月22日(2018.11.22)
優先権データ
  • 特願2017-097466 (2017.5.16) JP
発明者
  • 松原 幸治
  • 櫻井 篤
  • 兒玉 竜也
  • 郷右近 展之
出願人
  • 国立大学法人新潟大学
発明の名称 流動層を備えた太陽光集熱装置及びこれを用いた太陽光集熱方法
発明の概要 粒子の内循環流動及び外循環流動を効率よく実現可能な太陽集熱式流動層を提供する。
太陽光集熱装置1は、流動層3と照射部4と気体導入部5とが設けられた集熱容器2を備える。流動層3は、第1・第2開口部31,32と、第1仕切板33と、第1・第2流動空間34,35と、粒子Pとを備える。集熱容器2は、粒子Pを導入・排出する粒子導入口6及び粒子排出口7と、流動層3に接続された第1・第2ループシール部8,9との少なくとも一方を更に備える。第1ループシール部8は、粒子導入口6と流動層3の第1流動空間34とを接続して、第1流動空間34へ粒子Pを供給する。第2ループシール部9は、流動層3の第2流動空間35と粒子排出口9とを接続して、第2流動空間35内の粒子Pを粒子排出口9へ供給する。
従来技術、競合技術の概要

近年、集光型太陽集熱を利用したエネルギー貯蔵技術に関する研究が活発化している。この手法は、熱機関が不要でカルノー効率の制約を受けないため、安価でしかも高効率な自然エネルギー貯蔵に応用可能な新技術として注目を集めている。

本発明者らは、これまでに、内部で内循環を発生可能な流動層を備えた水熱分解装置や太陽蓄熱装置を提案している(特許文献1,2を参照)。

特許文献1では、図7に示すように、水熱分解装置100内に二塔式流動層103を設け、各塔101,102間で金属酸化物粒子Pを内循環させることで、一方の塔101を熱還元反応器として、他方の塔102を水熱分解(酸化)反応器として使用するものである。

しかしながら、特許文献1の技術は、上記2つの反応(還元と酸化)の全てを一つの二塔式流動層103内で発生させるシステムであり、2つの反応を完全に分離できないため、各反応における更なる高効率化を目指すことが困難であった。

また、特許文献1に開示の流動層103を太陽蓄熱装置の集熱容器として使用する場合、集光された太陽光Sを装置100上部の窓104から照射することで、流動層103内の粒子Pを直接加熱し、顕熱を層状となった粒子Pに行き渡らせることができるが、加熱された粒子Pを取り出して図示しない別の容器に蓄えるため、太陽蓄熱プロセスがバッチ式となり、蓄熱の効率が下がる原因となっていた。

また、本発明者らは、特許文献2において、特許文献1とは異なる構造の流動層を備えた太陽蓄熱装置を開示しており、特に、大規模な集熱・蓄熱を行うために特許文献2の実施例3(及びこれに対応する図面4も参照)では、集熱容器と蓄熱容器とを分離し、これらの容器間で蓄熱粒子を循環させる技術を開示している。

しかしながら、特許文献2の実施例3に係る装置では、集熱容器内において、流動層による粒子の内循環流動を起こして粒子の集熱効果を確認することができるが、蓄熱粒子をこの集熱容器から蓄熱容器へと接続する搬送路内に粒子を逐次供給することは、実際上困難であった。すなわち、集熱容器にて内循環を行う粒子の一部を分離して、蓄熱容器へと接続する搬送路内に実際に供給されるよう粒子の流れを作り出す方法(集熱容器-蓄熱容器-集熱容器の間で蓄熱粒子を適切に外循環させること)は、未だ良く解明されていなかった。

産業上の利用分野

本発明は、二つのループシールで挟まれた二塔式流動層に関し、より具体的には、太陽蓄熱、太陽熱燃料化、バイオマスガス化などの各種化学反応に利用可能な流動層を備えた太陽光集熱装置及びこれを用いた太陽光集熱方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
流動層と照射部と気体導入部とが設けられた集熱容器を備えた太陽光集熱装置であって、
前記流動層は、前記集熱容器内に設けられた第1・第2開口部と、第1・第2開口部との間に設けられた第1仕切板と、第1仕切板によって仕切られつつ第1・第2開口部に接続された第1・第2流動空間と、第1・第2流動空間内の粒子と、を備え、
前記照射部は、前記集熱容器に設けられた窓を備え、かつ、該窓を通して、集光された太陽光を案内して前記粒子へ照射し、
前記気体導入部は、前記流動層に設けられた第1分散板と、第1分散板を通して気体を第1・第2流動空間に向け導入する第1・第2導入口とを備え、かつ、第1導入口から第1流動空間に導入する気体の線速度を、第2導入口から第2流動空間に導入する気体の線速度より異ならせることで、第1流動空間と第2流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させ、
前記集熱容器は、前記粒子を導入・排出する粒子導入口及び粒子排出口と、前記流動層に接続された第1・第2ループシール部の少なくとも一方を更に備え、
第1ループシール部は、前記粒子導入口と第1流動空間とを接続して、第1流動空間へ前記粒子を供給し、
第2ループシール部は、第2流動空間と前記粒子排出口とを接続して、第2流動空間内の前記粒子を前記粒子排出口へ供給することを特徴とする太陽光集熱装置。

【請求項2】
前記集熱容器には、第1・第2ループシール部の双方が設けられ、
第1ループシール部は前記流動層の一方の側に設けられ、かつ、
第2ループシール部は前記流動層の他方の側に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の太陽光集熱装置。

【請求項3】
前記照射部の前記窓は前記集熱容器の上部に設けられ、かつ、前記気体導入部の第1分散板は前記流動層の下部に設けられることを特徴とする請求項2に記載の太陽光集熱装置。

【請求項4】
第1ループシール部は、下部開口部と、該下部開口部より上方に延びた第2仕切板と、第2仕切板によって仕切られつつ前記下部開口部で互いに接続された第3・第4流動空間と、第4流動空間と前記流動層の第1流動空間とを区分する第1壁と、第4流動空間の上部に設けられ、第1流動空間に接続するシール出口と、を更に備え、
前記粒子導入口が第3流動空間の上部に接続されることで、新たな粒子が前記集熱容器の外部から第1ループシール部へ導入され、第3・第4流動空間及び前記シール出口を通して、前記流動層の第1流動空間へ案内されることを特徴とする請求項3に記載の太陽光集熱装置。

【請求項5】
第2ループシール部は、上部開口部と、該上部開口部より下方に延びた第3仕切板と、第3仕切板によって仕切られつつ前記上部開口部で互いに接続された第5・第6流動空間と、第5流動空間と前記流動層の第2流動空間とを区分する第2壁と、を更に備え、第5流動空間の下部に設けられ、第2流動空間に接続するシール入口と、を更に備え、
前記粒子排出口が第6流動空間の下部に接続されることで、前記流動層において内循環された前記粒子が前記シール入口から第2ループシール部内へ導入され、第5・第6流動空間を介して前記粒子排出口から前記集熱容器外部へ排出されることを特徴とする請求項3又は4に記載の太陽光集熱装置。

【請求項6】
前記気体導入部は、
第1ループシール部の下部に設けられた第2分散板と、
第2分散板を通して気体を第3・第4流動空間に向け導入する第3・第4導入口と、
を更に備えることを特徴とする請求項4又は5に記載の太陽光集熱装置。

【請求項7】
前記気体導入部は、
第2ループシール部の下部に設けられた第3分散板と、
第3分散板を通して気体を第5流動空間に向け導入する第5導入口と、
を更に備えることを特徴とする請求項5又は6に記載の太陽光集熱装置。

【請求項8】
前記太陽光集熱装置には、第1・第2搬送路と、蓄熱容器と、が更に設けられ、かつ、
第1搬送路は、前記粒子排出口と前記蓄熱容器とを連通して前記粒子を前記集熱容器から前記蓄熱容器へ搬送可能であり、
第2搬送路は、前記蓄熱容器と前記粒子導入口とを連通して前記粒子を前記蓄熱容器から前記集熱容器へ搬送可能であることを特徴とする請求項2~7のいずれかに記載の太陽光集熱装置。

【請求項9】
前記粒子として、石英砂、鉄酸化物、及び、炭化珪素の群のうち少なくとも1種類が選択されることを特徴とする請求項2~8のいずれかに記載の太陽光集熱装置。

【請求項10】
前記粒子として、金属酸化物粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として前記粒子を還元可能なガスが選択され、
前記集熱容器を水熱分解法の熱還元反応器として利用することを特徴とする請求項2~8のいずれかに記載の太陽光集熱装置。

【請求項11】
前記粒子として、石炭コークス粒子及び流動媒体粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として水蒸気が選択され
前記集熱容器を、石炭コークス粒子をガス化させるための反応器として利用することを特徴とする請求項2~8のいずれかに記載の太陽光集熱装置。

【請求項12】
請求項2~11のいずれかに記載の太陽光集熱装置を用いた太陽光集熱方法であって、
前記流動層及び第1・第2ループシール部に前記粒子を予め充填し、
前記気体導入部から第1分散板を介して、第1・第2流動空間に気体を導入し、
第1グループシール部に接続された前記粒子導入口から前記粒子を新たに導入し、
第2グループシール部に接続された前記粒子排出口から前記粒子を排出し、
第1・第2流動空間へ導入される気体の線速度を異なるように設定して、第1流動空間と第2流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させることを特徴とする太陽光集熱方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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