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JP2008014627A - 太陽エネルギ塔システムおよび太陽エネルギ塔で高温溶融塩を使用する方法 - Google Patents

太陽エネルギ塔システムおよび太陽エネルギ塔で高温溶融塩を使用する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】耐熱性の高い熱伝達媒体を使用した太陽熱発電システムを構築する。
【解決手段】太陽エネルギ塔システム１０は概して、低温貯蔵タンク１２、太陽集熱器１４、ヘリオスタット１６、高温貯蔵タンク１８、およびエネルギ変換システム２０を備えている。熱伝達媒体は、低温貯蔵タンク１２に貯蔵されている。熱伝達媒体が必要とされると、太陽集熱器１４に圧送され、複数のヘリオスタット１６の領域から反射される太陽放射によって熱せられる。熱伝達媒体が所望の温度に熱せられると、高温貯蔵タンク１８に圧送され、必要とされるまで貯蔵される。熱せられた熱伝達媒体が、エネルギ変換システム２０に圧送されて発電する。熱伝達媒体が熱交換システム２０を通過すると、熱エネルギを奪われた熱伝達媒体は温度が急激に下がり、低温貯蔵タンク１２に送り返される。熱伝達媒体は閉サイクルの太陽エネルギ塔システム１０で再利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽エネルギ発生塔システムに関するものであり、より詳しくは、高温で稼動する太陽エネルギ発生塔システムに関するものである。
太陽エネルギなどのクリーンで継続可能なエネルギ源が常に求められている。太陽エネルギ塔は、塔に取り付けられた集熱器に太陽放射線を高密度に集めることにより、太陽光線から電力を発生させる。太陽エネルギ塔システム(solar power tower system)は、概して「低温」貯蔵タンク、太陽集熱器、ヘリオスタット、「高温」貯蔵タンク、および蒸気発生器もしくはタービン／発電器装置などのエネルギ変換システムを含んでいる。稼動時には、熱伝達流体が、低温貯蔵タンクから太陽集熱器に圧送される。熱伝達流体は、熱を伝達する機能があり、かつ耐熱性が高い、水や液体金属や溶融塩などの媒体であれば、どの媒体でもよい。
太陽集熱器は、概ね地上から５０フィート（約１５．２メートル）から２５０フィート（約７６．２メートル）、あるいはさらに高い位置に設置され、ヘリオスタットにより熱せられる。ヘリオスタットは、太陽からの放射線を太陽集熱器の向きに変えて高密度に集め、この太陽集熱器が、向きを変えられた太陽光線を熱エネルギに変換する。熱伝達流体は、太陽集熱器の集熱管を流れ、高密度の太陽エネルギによって熱せられる。この太陽集熱器では、熱伝達流体として使われている液体金属は、約１６００°Ｆ（８７１℃）まで熱することができ、熱伝達媒体として現在使われている溶融塩は約１１００°Ｆ（５９３℃）まで熱することができる。
熱伝達流体は、太陽集熱器で熱せられると、高温熱貯蔵タンクへ流れる。その後、熱伝達流体は、発電のために必要とされるまで、高温熱貯蔵タンクに貯蔵される。高温熱貯蔵タンクがあることにより、太陽光線が利用できないときにも電力を生成することができる。電気エネルギが必要なとき、熱せられた熱伝達媒体は高温熱貯蔵タンクから圧送され、エネルギ変換システムを巡る。熱伝達流体は、エネルギ変換システム内で熱を伝達する。エネルギ変換システムは、ランキンサイクル変換システムやブレイトンサイクル変換システムなどにすることができる。熱伝達流体から熱が取り除かれると、熱伝達流体は再利用のために低温貯蔵タンクに送り返される。
一般に、熱伝達流体の温度が高いほど、太陽塔エネルギ塔システムの効率が高い。従って、耐熱性の高い熱伝達流体および熱伝達システムが望まれている。
高温太陽エネルギ塔システムは、溶融塩熱伝達媒体、高温太陽集熱器、およびエネルギ変換システムを含んでいる。本発明の溶融塩熱伝達媒体は耐熱性が高く、太陽集熱器による約１２００°Ｆ（約６４９℃）以上の高温に耐えることができる。本発明のエネルギ変換システムは、この溶融塩熱伝達媒体からの熱エネルギを使って電力を発生させる。
図１に高温溶融塩を使用する太陽エネルギ塔システム１０の概略を示す。太陽エネルギ塔システム１０は概して、低温貯蔵タンク１２、太陽集熱器１４、ヘリオスタット１６、高温貯蔵タンク１８、およびエネルギ変換システム２０を備えている。高温溶融塩は、太陽エネルギ塔システム１０を通じて熱伝達媒体として使われる。高温溶融塩および高温熱貯蔵タンク１８の利用により、太陽エネルギ塔システム１０が、１日に２４時間まで電気（および熱エネルギ）を供給し、かつ十分に高温で稼動することが可能になり、熱エネルギを合理的に効率よくガスタービンエンジンの動作に使用し、太陽エネルギ変換システム２０を簡略化し、ランキン蒸気サイクルなどの他のサイクルと比較してシステムの水への依存を減らすことができる。
熱伝達媒体は、上記の低温貯蔵タンク１２に貯蔵されている。熱伝達媒体が必要とされると、太陽集熱器１４に圧送され、複数のヘリオスタット１６の領域から反射される太陽放射によって熱せられる。太陽集熱器１４は耐熱性があり、約１２００°Ｆ（約６４９℃）以上、望ましくは約１５００°Ｆ（約８１６℃）以上、さらに望ましくは約１７００°Ｆ（約９２７℃）以上、最も望ましくは約１８００°Ｆ（約９８２℃）以上の高温に耐える。太陽集熱器１４を構築するのに適する材料には、ニッケル基合金、鉄基合金、コバルト基合金があるが、これらに限定されない。市販されている適当なニッケル基合金は、テキサス州コンロー（Conroe）所在のSpecial Metal Inc.,社から調達可能なハステロイＸ、ハステロイＮ、ハステロイＣ、およびインコネル７１８などである。市販されている適当な鉄基合金は、オーストリア所在のMetallwerke Plansee社から調達可能なＡ−２８６、ＰＭ２０００などである。市販されている適当なコバルト基合金は、コネチカット州ウィンザー（Windsor）所在のHaynes International Inc.,社から調達可能なヘインズ２５などである。
熱伝達媒体は、所望の温度に熱せられると、高温貯蔵タンク１８に圧送され、エネルギ変換システム２０で必要とされるまで貯蔵される。熱せられた熱伝達媒体が、エネルギ変換システム２０に圧送されて発電する。太陽エネルギ塔システム１０は、エネルギ変換システム２０として使われる空気ブレイトンサイクル変換システムとともに使用される。エネルギ変換システム２０としてブレイトンサイクル変換システムを使うことで、蒸気ランキンサイクル変換システムを使う必要がなくなり、相当に多くの工場設備を減らしている。例えば、蒸気発生システム、蒸気タービン、発電器、冷却塔、浄水設備、蒸気ドラム、通気装置、水処理システム、および水の補給は必要でない。エネルギ変換システム２０が代わりに必要とするのは、熱変換器２２、圧縮器２４、膨張器６、発電器２８、および回復器（recuperator）３０のみである。熱伝達媒体は熱変換器２２に送られ、この熱変換器において、高温熱伝達媒体で得られた熱エネルギが、熱交換器２２を介して空気流に移される。その後、この空気はエネルギ変換システム２０に送られ、電気を発生させる。太陽発電塔システムと共に使われる空気ブレイトンサイクル変換システムの使用については、本願の参考となる米国特許第６９５７５３６号（Litwinら）に記載されている。
熱伝達媒体が熱交換システム２０を通過すると、熱エネルギを奪われた熱伝達媒体は温度が急激に下がり、低温貯蔵タンク１２に送り返される。熱伝達媒体は閉サイクルの太陽エネルギ塔システム１０で再利用され、必要とされるまで低温貯蔵タンク１２に貯蔵される。
太陽エネルギ塔システム１０の熱伝達媒体は、耐熱性の高い溶融塩である。太陽集熱器１４からの熱をエネルギ変換システム２０に移すこの溶融塩は、１２００°Ｆ（約６４９℃）以上、望ましくは約１５００°Ｆ（約８１６℃）以上、さらに望ましくは約１７００°Ｆ（約９２７℃）以上、最も望ましくは約１８００°Ｆ（約９８２℃）以上の高温に熱せられることが可能である。この溶融塩は、アルカリ土類フッ化物やアルカリ金属フッ化物などの塩であるか、あるいはこれらを組み合わせた塩である。この溶融塩に適する元素は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、フランシウム（Ｆｒ）、ベリリルム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ラジウム（Ｒａ）、およびフッ素（Ｆ）である。適当なフッ化物溶融塩の例として、ＦＬｉＮａＫ、ＦＬｉＢｅ、ＦＬｉＮａＢｅ、ＦＬｉＫＢｅ、およびこれらを組み合わせた塩があるが、これらに限定されない。
ＦＬｉＮａＫの組成に適する構成化合物の濃度範囲は、約１０〜約９０ｍｏｌ％のＬｉＦ、約１〜約３０ｍｏｌ％のＮａＦ、および約１０〜約９０ｍｏｌ％のＫＦである。本発明の組成に特に適する構成化合物の濃度範囲は、約４４〜約４８ｍｏｌ％のＬｉＦ、約９〜約１２％ｍｏｌのＮａＦ、および約４０〜約４４ｍｏｌ％のＫＦである。これに比肩する物理的特性を持つ溶融塩を得るために、他にも適する構成化合物の濃度範囲があるということが、当業者には理解されるであろう。
ＦＬｉＢｅの組成に適する構成化合物の濃度範囲は約１０〜約９０ｍｏｌ％のＬｉＦ、約１０〜約９０％のＢｅＦ2である。特に本発明の組成に適する構成化合物の濃度範囲は、約４４〜約４８ｍｏｌ％のＬｉＦ、および約５２〜５６％のＢｅＦ2である。これに比肩する物理的特性を持つ溶融塩を得るために、他にも適する構成化合物の濃度範囲があるということが、当業者には理解されるであろう。
ＦＬｉＮａＢｅの組成に適する構成化合物の濃度範囲は、約１０〜約９０ｍｏｌ％のＢｅＦ2、約１０〜９０ｍｏｌ％のＮａＦ、および約１０〜約９０ｍｏｌ％のＬｉＦである。特に本発明の組成に適する構成化合物の濃度範囲は、約２５〜約３５ｍｏｌ％のＮａＢｅＦ4、および約６５〜７５ｍｏｌ％のＬｉ2ＢｅＦ4である。これに比肩する物理的特性を持つ溶融塩を得るために、他にも適する構成化合物の濃度範囲があるということが、当業者には理解されるであろう。
ＦＬｉＫＢｅの組成に適する構成化合物の濃度範囲は、約１０〜約９０ｍｏｌ％のＫＦ、約１０〜約９０ｍｏｌ％のＬｉＦ、および約１０〜約９０ｍｏｌ％のＢｅＦ2である。これに比肩する物理的特性を持つ溶融塩を得るために、他にも適する構成化合物の濃度範囲があるということが、当業者には理解されるであろう。
図２に、太陽エネルギ塔システム１０の熱伝達媒体として高温溶融塩を使う方法のフローチャートを示す。前述のように、溶融塩は始めに低温貯蔵タンクに貯蔵されている（ステップ３２）。溶融塩が必要なとき、太陽集熱器１４に圧送され（ステップ３４）、約１２００°Ｆ（約６４９℃）以上の高温に熱せられる（ステップ３６）。熱せられた溶融塩は、高温貯蔵タンク１８に送られ、エネルギ変換システム２０で必要とされるまで貯蔵される（ステップ３８）。熱せられた溶融塩はエネルギ変換システム２０に圧送され、溶融塩の熱から空気への熱の交換により発生するエネルギが、外部システムの稼動に使用される（ステップ４０）。太陽エネルギ塔システムは、高温では、従来のエネルギ変換システムより効率がよく、多様な目的に利用されうる。太陽エネルギ塔システム１０によって発生するエネルギは、水素の生成、水の脱塩、プロセス加熱、熱化学工場の稼動、および電力の生成などに利用されうる。
本発明の太陽エネルギ塔システムは、高温に熱せられることができる溶融塩熱伝達媒体を、高温での使用に耐える太陽集熱器と組み合わせて使うことで、エネルギ変換システムを稼動させる。このエネルギ変換システムは、従来の蒸気ランキンサイクル変換システムではなく空気ブレイトンサイクル変換システムである。本発明の太陽エネルギ塔システムは、例えば、約１２００°Ｆ（約６４９℃）以上、望ましくは約１５００°Ｆ（約８１６℃）以上、さらに望ましくは約１７００°Ｆ（約９２７℃）以上、最も望ましくは約１８００°Ｆ（約９８２℃）以上の高温で、さらに効率がよくなり、発電器に連結したガス出力タービンなどの多様な型式のシステムに対してエネルギをもたらすことができる。
本発明は、最良の形態について記述したが、当業者であれば、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、形態や細部で改良が行われうることを理解されるであろう。
高温溶融塩を使用する太陽エネルギ塔システムの概略図。 太陽エネルギ塔システムの熱伝達媒体として高温溶融塩を使用する方法のフローチャート。
符号の説明
１２…低温貯蔵タンク
１４…太陽集熱器
１８…高温貯蔵タンク
２０…エネルギ変換システム

Claims (21)

  1. 約１２００°Ｆ（約６４９℃）以上の温度まで熱せられることが可能な溶融塩熱伝達媒体と、
    上記溶融塩を熱する高温太陽集熱器と、
    上記熱せられた溶融塩を使ってエネルギを発生させるエネルギ変換システムと、
    を備える高温太陽エネルギ塔システム。
  2. 上記熱伝達媒体がフッ化物溶融塩であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
  3. 上記フッ化物溶融塩が、アルカリ希土類フッ化物塩およびアルカリ金属フッ化物塩の群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
  4. 上記フッ化物溶融塩が、ＦＬｉＮａＫ，ＦＬｉＢｅ，ＦＬｉＮａＢｅ，ＦＬｉＫＢｅ，およびこれらを組み合わせた塩の群から選択されることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
  5. 上記溶融塩が、約１５００°Ｆ（約８１６℃）以上の温度まで熱せられることが可能であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
  6. 上記溶融塩が、約１７００°Ｆ（約９２７℃）以上の温度まで熱せられることが可能であることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
  7. 上記溶融塩が、約１８００°Ｆ（約９８２℃）以上の温度まで熱せられることが可能であることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
  8. 上記高温太陽集熱器が、鉄基合金、ニッケル基合金、およびコバルト基合金の群から選択された材料で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
  9. 上記エネルギ変換システムがブレイトンサイクル変換システムを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
  10. 太陽エネルギを有用なエネルギに変換することができる太陽エネルギ塔システムであって、
    変換システムに動力を供給する溶融塩熱伝達媒体と、
    上記溶融塩を約１２００°Ｆ（６４９℃）以上の温度まで熱する高温太陽集熱器と、
    を備える太陽エネルギ塔システム。
  11. 上記変換システムが、ブレイトンサイクル変換システムであることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
  12. 上記高温太陽集熱器が、上記溶融塩を約１５００°Ｆ（約８１６℃）以上の温度まで熱することを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
  13. 上記高温太陽集熱器が、上記溶融塩を約１７００°Ｆ（約９２７℃）以上の温度まで熱することを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
  14. 上記高温太陽集熱器が、上記溶融塩を約１８００°Ｆ（約９８２℃）以上の温度まで熱することを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
  15. 上記溶融塩が、フッ化物塩であることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
  16. 上記フッ化物塩が、アルカリ希土類フッ化物塩およびアルカリ金属フッ化物塩の群から選択されることを特徴とする、請求項１５に記載のシステム。
  17. 上記フッ化物塩が、ＦＬｉＮａＫ，ＦＬｉＢｅ，ＦＬｉＮａＢｅ，ＦＬｉＫＢｅ，およびこれらを組み合わせた塩の群から選択されることを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
  18. 上記高温太陽集熱器が、鉄基合金、ニッケル基合金、およびコバルト基合金の群から選択された高温材料で形成されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
  19. 太陽エネルギ塔システムで高温溶融塩を使用する方法であって、
    上記溶融塩を低温貯蔵タンクに貯蔵するステップと、
    上記溶融塩を太陽集熱器に圧送するステップと、
    上記溶融塩を１２００°Ｆ（約６４９℃）以上の温度まで熱するステップと、
    上記高温溶融塩を高温貯蔵タンクに貯蔵するステップと、
    エネルギを発生させるために上記高温溶融塩をエネルギ変換システムに圧送するステップと、
    上記溶融塩を上記低温貯蔵タンクに戻すステップと、
    を含む方法。
  20. 上記エネルギ変換システムによって発生したエネルギが、水素の生成、水の脱塩、熱化学工場の稼動、および電力の生成のうち少なくとも１つに使用されることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
  21. 上記溶融塩が、アルカリ土類フッ化物塩、アルカリ金属フッ化物塩、およびこれらを組み合わせた塩の群から選択されることを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。
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