特表 2020-537112 溶融塩化物塩を含むソーラータワーシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2020-537112(P2020-537112A)

(43)【公表日】2020年12月17日

(54)【発明の名称】溶融塩化物塩を含むソーラータワーシステム

(51)【国際特許分類】

   F24S 20/20 20180101AFI20201120BHJP

   C22C 30/00 20060101ALI20201120BHJP

   C22C 19/05 20060101ALI20201120BHJP

   C23F 11/18 20060101ALI20201120BHJP

   F24S 80/10 20180101ALI20201120BHJP

【ＦＩ】

   F24S20/20

   C22C30/00

   C22C19/05 F

   C23F11/18

   F24S80/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2020-541646(P2020-541646)

(86)(22)【出願日】2018年10月11日

(85)【翻訳文提出日】2020年6月9日

(86)【国際出願番号】US2018055368

(87)【国際公開番号】WO2019075177

(87)【国際公開日】20190418

(31)【優先権主張番号】62/572,059

(32)【優先日】2017年10月13日

(33)【優先権主張国】US

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】501145376

【氏名又は名称】ヘインズ・インターナショナル・インコーポレイテッド

(71)【出願人】

【識別番号】520128705

【氏名又は名称】アイシーエル − アイピー アメリカ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】デオデシュムク、ビネイ

(72)【発明者】

【氏名】エッフェンバーガー、ラインハルト

【テーマコード（参考）】

4K062

【Ｆターム（参考）】

4K062AA03

4K062BA01

4K062DA03

4K062FA02

4K062FA04

4K062FA20

(57)【要約】

熱伝達媒体が６５０℃よりも高い温度の溶融塩であるソーラータワーシステムが開示される。溶融塩を運ぶまたは保持するコンポーネントは、ヘインズインターナショナルによって製造され、ＨＲ−１２０（登録商標）合金、２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金の名称で販売されている、その組成が本明細書に記載されている市販の合金でできている。溶融塩は、好ましくはＭｇＣｌ_２−ＫＣｌである。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸収管、貯蔵タンクおよび熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、２５％〜４５％のニッケル、１２％〜３２％のクロム、０．１％〜２．０％のニオブ、最大４．０％のタンタル、最大１．０％のバナジウム、最大２．０％のマンガン、最大１．０％のアルミニウム、最大５％のモリブデン、最大５％のタングステン、最大０．２％のチタン、最大２％のジルコニウム、最大５％のコバルト、最大０．１％のイットリウム、最大０．１％のランタン、最大０．１％のセシウム、最大０．１％の他の希土類金属、最大約０．２０％の炭素、最大３％のケイ素、約０．０５％〜０．５０％の窒素、最大０．０２％のホウ素を含み、残部が鉄および不純物である合金でできている改良型ソーラータワーシステム。

【請求項2】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、３０％〜４２％のニッケル、２０％〜３２％のクロム、０．２％〜１．０％のニオブと０．２％〜４．０％のタンタルと０．０５％〜１．０％のバナジウムのうちの少なくとも１つ、最大０．２％の炭素、約０．０５％〜０．５０％の窒素、０．００１％〜０．０２％のホウ素、および最大０．２％のチタンを含み、残部が鉄および不純物である合金でできている、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項3】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、約３７％のニッケル、約２５％のクロム、約３％のコバルト、約１％のモリブデン、約０．５％のタングステン、約０．７％のニオブ、約０．７％のマンガン、約０．６％のケイ素、約０．２％の窒素、約０．１％のアルミニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素を含み、残部が鉄および不純物である合金でできている、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項4】

前記溶融塩熱伝達媒体は６５０℃よりも高い温度を有する、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項5】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器が、６５０℃を超える温度を有する溶融塩熱伝達媒体を含み、前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、抑制剤なしの溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項6】

前記合金は、抑制剤としてＭｇを有する溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項7】

前記合金は、抑制剤としてＺｒを有する溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項8】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、２０％〜２４％のクロム、１３％未満〜１５％未満のタングステン、１％未満〜３％のモリブデン、最大３％の鉄、最大５％のコバルト、０．３％〜１．０％のマンガン、０．２５〜０．７５％のケイ素、０．２〜０．５％のアルミニウム、０．５％〜０．１５％の炭素、０．００５％〜０．０５％のランタン、最大０．１％のチタン、最大０．５％のニオブ、最大０．０１５％のホウ素、最大０．０３％のリン、および最大０．０１５％の硫黄を含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、含まれる改良型ソーラータワーシステム。

【請求項9】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、約２２％のクロム、約１４％のタングステン、約２％のモリブデン、最大３％の鉄、最大５％のコバルト、約０．５％のマンガン、約０．４％のケイ素、最大０．５％のニオブ、約０．３％のアルミニウム、最大０．１％のチタン、約０．１％の炭素、約０．０２％のランタン、および最大約０．０１５％のホウ素を含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、請求項８に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項10】

前記溶融塩熱伝達媒体は８００℃よりも高い温度を有する、請求項９に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項11】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型ソーラーセントラルであって、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、１８％〜２０％のクロム、１８％〜２０％のコバルト、３．０％〜３．５％のアルミニウム、７％〜８％のモリブデン、０．４％〜０．８％のタンタル、０．４％〜０．６％のチタン、０．１％〜０．４％のマンガン、最大０．３％のタングステン、最大１．５％の鉄、０．０４〜０．２％のケイ素、０．０８％〜０．１２％の炭素、最大０．０１５％のリン、最大０．０１５％の硫黄、０．００２％〜０．００６％のホウ素、０．００１％〜０．０２５％のイットリウム、０．０１％〜０．０５％のジルコニウムを含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、改良型ソーラーセントラル。

【請求項12】

前記合金は、重量パーセントで、約１９％のクロム、約１９％のコバルト、約３．２５％のアルミニウム、約７．５％のモリブデン、約０．５％のタンタル、約０．５６％のチタン、約０．２％のマンガン、約０．０５％のタングステン、約１．０％の鉄、約０．１４％のケイ素、約０．１０％の炭素、０．００２％未満のリン、０．００２％未満の硫黄、約０．００２％のホウ素、約０．００７％のイットリウム、約０．０２％のジルコニウムを含み、残部がニッケルおよび不純物である、請求項１１に記載の改良型太陽電池。

【請求項13】

前記溶融塩熱伝達媒体は８００℃よりも高い温度を有する、請求項１１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項14】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型タワーシステムであって、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、抑制剤としてＭｇまたはＺｒを添加した溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する合金でできている、改良型タワーシステム。

【請求項15】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、９２７℃（１７００°Ｆ）、６８．９ＭＰａ（１０ｋｓｉ）でのクリープ破断強度が２５時間を超え、７６０℃（１４００°Ｆ）、６８．９ＭＰａ（１０ｋｓｉ）でのクリープ破断強度が２０００時間を超え、１０００時間、７６０℃（１４００°Ｆ）での引張伸びが少なくとも１６％であり、７６０℃で１％のひずみ範囲およびＲ＝−１．０に曝された場合、１０００サイクル未満で破損しない合金でできている、改良型ソーラータワーシステム。

【請求項16】

前記合金は、９２７℃（１７００°Ｆ）および６８．９ＭＰａ（１０ｋｓｉ）で５００時間を超えるクリープ破断強度を有する、請求項１５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項17】

前記合金は、７６０℃（１４００°Ｆ）および１０３．３５ＭＰａ（１５ｋｓｉ）で８０００時間を超えるクリープ破断強度を有する、請求項１５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項18】

１４００°Ｆで１０００時間の引張伸びが少なくとも３３％である、請求項１５に記載の改良されたソーラータワーシステム。

【請求項19】

前記合金は、７６０℃で１％のひずみ範囲およびＲ＝−１．０に曝された場合、２０００サイクル未満で破損しない、請求項１５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項20】

前記溶融塩熱伝達媒体は、８００℃よりも高い温度を有する、請求項１５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項21】

前記合金は、９２７℃（１７００°Ｆ）および６８．９ＭＰａ（１０ｋｓｉ）で１２０時間を超えるクリープ破断強度を有する、請求項１５に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽光から熱を吸収し、その熱を伝達して、溶融塩を熱輸送流体として使用して発電するのに使用する太陽電池タワーに関する。

【背景技術】

【0002】

多くの材料の表面は、ある期間にわたって太陽光に曝されると加熱される。当該技術は、発電に使用するため、または建物および他の環境を加熱するためにこの熱を捕捉するシステムを開発してきた。ソーラータワーシステムとして知られている１つのタイプのシステムには、太陽光に曝され、その太陽光によって加熱される一連の熱吸収管またはレシーバがある。熱吸収管には、熱吸収管から熱交換器に向けられる熱伝達媒体が含まれている。システムには、熱伝達媒体を含む貯蔵タンクがある。そのようなソーラータワーシステムでは、溶融ナトリウムカリウム硝酸塩が熱伝達媒体として使用されてきた。それらのシステムでは、硝酸ナトリウムカリウム塩は約５６５℃に加熱される。

【0003】

特許文献１は、約５６５℃の温度で硝酸ナトリウムカリウム塩を含むソーラータワーシステムを開示している。この特許は、６２５合金をこのシステムで使用する必要があることを教示している。なぜなら、この合金は、６０５℃の温度で、溶融硝酸ナトリウムカリウム塩からの耐腐食性に優れ、溶融塩または大気または断熱材からの外部由来の塩化物中の不純物による塩化物応力腐食割れに対する耐性が高く、低い熱膨張係数、優れた熱伝導率、優れたクリープおよび降伏強度、および卓越した機械的および熱的疲労耐性を有するからである。

【0004】

３０４および３１６オーステナイト系ステンレス鋼およびインコロイ（登録商標）８００ニッケル−鉄−クロム合金もまた、硝酸ナトリウム−カリウム塩ソーラータワーシステムにおけるレシーバに使用されてきた。これらの合金は、熱膨張係数が高く、降伏強度とクリープ強度が低く、熱伝導率が低く、熱疲労特性が低いが、塩化物応力腐食割れの影響を受けやすい。

【0005】

ソーラータワーシステムで使用される合金は、溶融塩の強い腐食特性に耐性があり、塩化物応力腐食割れに耐性があり、経済的に製造され、溶接可能で、ＡＳＭＥボイラーおよび圧力容器コードに受け入れられ、貫通壁に起因するおよび直径温度勾配にわたる厳しい熱ひずみに耐え得ることが必要とされる。材料の熱膨張係数に正比例するこれらのひずみは、レシーバの寿命にわたって課される毎日の太陽と雲のカバーサイクルの数に対する材料の許容疲労ひずみレベルによって決定される値に吸収される太陽熱流束を制限することにより、レシーバのサイズを設定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第５，８６２，８００号明細書

【特許文献2】欧州特許第２９７１２０５号明細書

【特許文献3】米国特許第４，９８１，６４７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

現在、６５０℃から最高１０００℃までのより高い温度で作動することができるソーラータワーシステムが必要とされている。このようなシステムには、これらの高温で溶融状態の塩媒体が必要である。そのようなシステムにおける吸収管、熱交換器、および貯蔵タンクは、６５０℃〜１０００℃の間の温度で溶融塩に対して耐食性のある材料、好ましくは金属合金から作られる必要がある。合金はまた、これらの高温で、熱膨張係数が高く、降伏強度とクリープ強度が低く、熱伝導率が低く、熱疲労が低い必要がある。

【0008】

ナトリウム−カリウム硝酸塩は、約５６５℃の温度で動作するソーラータワーシステムで使用されてきたが、これらの塩は、より高い温度、特に８００℃〜１０００℃程度の高温での使用には適していない。これらの用途では、硝酸カリウムカリウム塩よりもはるかに高い凍結温度を持つ塩が必要である。

【0009】

高温用途での使用のために販売されている既知の合金は数多くあるが、これらの合金の６５０℃から最高１０００℃程度の高温で溶融塩に曝されたときの耐食性についてはほとんど知られていない。当業者は、約５６５℃の他の高温用途で使用されている任意の合金が、６５０℃から最高１０００℃程度の温度までの温度で動作する溶融塩ソーラータワーシステムで使用できると予想するかもしれないが、我々はこれが真実ではないことを見出した。それらの多くは、６５０℃から最高１０００℃程度の高温で動作する溶融塩ソーラータワーシステムに必要な耐食性と機械的特性の両方を備えていない。ここに開示されている特定の合金組成物のみがそのようなシステムに適している。

【0010】

我々は、熱伝達媒体が６５０℃を超える温度の溶融塩であり、溶融塩を運ぶまたは保持するコンポーネントが、ヘインズインターナショナル（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）によって製造され、ＨＲ−１２０（登録商標）合金、２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金の名称で販売されている市販の合金から作られるソーラータワーシステムを提供する。これらのヘインズ合金の技術仕様内の名目上の組成と合金の組成を以下に提供する。これらの合金は、所望の耐食性と機械的特性を備えており、これらの吸収管、熱交換、および貯蔵の一部またはすべてに使用できる。好ましくは、溶融塩はＭｇＣｌ_２−ＫＣｌ溶融塩である。

【0011】

溶融塩が８００℃を超える温度に加熱される代替の実施形態では、ＨＲ−１２０（登録商標）合金は、貯蔵タンクにのみ使用され、２３０（登録商標）合金または２３３（商標名）合金は、レシーバおよび溶融塩を運ぶ他のコンポーネントに使用される。

【0012】

２３０（登録商標）合金または２３３（商標名）合金から作られるコンポーネントは、耐食性を改善するためにジルコニウムまたはマグネシウムでコーティングされ得る。

【0013】

マグネシウムは腐食抑制剤として作用するので、溶融塩にマグネシウムを加えることができる。好ましくは、１．１５モル％のマグネシウムが使用される。

【0014】

この太陽電池システムの他の目的および利点は、図面に示されている特定の現在の好ましい実施形態の説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】６５０℃から８００℃〜１０００℃程度の高温で溶融塩を熱伝達媒体として使用するように本発明に従って変更することができる、従来技術で既知のソーラータワーシステムの斜視図である。

【図2】典型的な溶融塩太陽光吸収パネルの等角図である。

【図3】ソーラータワーシステムを使用できる加熱システムのブロック図である。

【図4】８５０℃で１００時間ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２塩組成で試験した２３０（登録商標）合金と２３３（商標名）合金の腐食速度のグラフである。

【図5】８５０℃で１００時間ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２塩組成で試験した２３０（登録商標）合金、ＨＲ−１２０（登録商標）合金、２４４（登録商標）合金、および２８２（登録商標）合金の腐食速度の図４と同様のグラフである。

【図6】８５０℃で１００時間ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２塩組成で試験した２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金、およびＨＲ−１２０（登録商標）合金の腐食速度の図４と同様のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１および図３を参照すると、特許文献１に開示されているタイプの太陽電池システムは、ヘリオスタット２のフィールドによって囲まれたソーラーセントラル円筒形レシーバ１を有する。レシーバ１は、タワー３に取り付けられ、最も効率的な焦点の高さを提供する。レシーバ１は、溶融塩太陽光吸収パネル１０で構成される。太陽５０は、ヘリオスタット２に当たる太陽光線５１を提供する。太陽光線５１は、ヘリオスタット２によってソーラーセントラル円筒形レシーバ１に反射される。溶融塩太陽光吸収パネル１０は、太陽光線によって加熱される。パネル管４の内部の高温の溶融塩は、熱を熱交換器に輸送し、熱交換器は、プロセス熱用の熱エネルギーまたは電気を生成するために熱エネルギーを使用することができる。

【0017】

図２に示される典型的な溶融塩太陽光吸収パネル１０は、継ぎ目がなく、溶接構造または溶接・引き抜き構造であり得る吸収管４およびヘッダー５を有する。溶融塩流は、そのヘッダーを介して導管９から太陽光吸収パネル１０に入るか、または導管９へと太陽光吸収パネル１０を出る。図１に示される実施形態では、レシーバ１は、２つの回路に配置された複数のパネル１０から構成され、それぞれ８つのパネルを有し、蛇行流路を有し、多面体の円筒面を形成する。

【0018】

本発明のソーラータワーシステムでは、溶融塩熱伝達媒体は、６５０℃よりも高く、最高１０００℃程度の温度に加熱される。図３を参照すると、加熱された溶融塩は、レシーバ１０の吸収管４から熱交換器１２に運ばれ、その後、導管９を介してレシーバ１９に戻される。溶融塩用の貯蔵タンク１４がシステムに提供される。

【0019】

溶融塩化物塩は、６５０℃から最高１０００℃程度までの温度を操作する溶融塩ソーラータワーシステムで使用するためのより良い候補であることを見出した。特に、ＭｇＣｌ_２−ＫＣｌ溶融塩を提供することを好む。他の適切な塩は、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＭｇＣｌ_２、またはＣａＣｌ_２で構成されるハロゲン化物を、３００℃〜１０００℃の温度範囲で少なくとも部分的に溶融する、個別のエンティティとして、または２成分、３成分、４成分、５成分の混合物として含み得る。ＬｉＢｒ、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＭｇＢｒ_２、またはＣａＢｒ_１２で構成される溶融ハロゲン化物を、温度範囲３００℃〜１０００℃で少なくとも部分的に溶融する、個別のエンティティとして、または２成分、３成分、４成分、または５成分の混合物として使用することもできる。別の適切な塩は、温度範囲３００℃〜１０００℃で少なくとも部分的に溶融する、個別のエンティティまたは混合物として、ＬｉＸ、ＮａＸ、ＫＸ、ＭｇＸ_２、またはＣａＸ_２（ただし、ＸはＣｌまたはＢｒとすることができる）で構成される溶融ハロゲン化物とすることができる。温度範囲３００℃〜１０００℃で少なくとも部分的に溶解する、個別のエンティティとして、または２成分、３成分、または４成分の混合物として、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、またはＢｅＦ_２から構成される溶融ハロゲン化物もまた使用できる。

【0020】

６００℃未満の温度で作動する太陽電池で使用されてきた合金は、６５０℃から最高１０００℃程度までの温度で溶融塩化物塩を含む吸収管、熱交換器、および貯蔵タンクに必要な耐食性および機械的特性を有さない。しかしながら、ヘインズのＨＲ−１２０（登録商標）合金、２３０（登録商標）合金、および２３３（商標名）合金には、所望の耐食性および機械的特性があることを見出した。これらは、これらの吸収管、熱交換器、導管、および貯蔵タンクの一部またはすべてに使用できる。

【0021】

ヘインズのＨＲ−１２０（登録商標）合金、２３０（登録商標）合金、２３３（登録商標）合金、２４４（登録商標）合金、および２８２（登録商標）合金に対して腐食試験を行って、本発明のソーラータワーシステムでの使用に対するそれらの適合性を決定した。各合金の３つのクーポンを、溶融ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２または腐食抑制剤として機能する１．５モル％のマグネシウムと組み合わせたＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２内で耐食性についてテストした。２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金、２４４（登録商標）合金、および２８２（登録商標）合金は、８５０℃でテストされた。ＨＲ−１２０（登録商標）合金は、７５０℃でテストされた。２３０（登録商標）合金の６つのクーポンはジルコニウムでコーティングされ、２３０（登録商標）合金の別の６つのクーポンはマグネシウムでコーティングされた。コーティングされた各クーポンの３つを溶融ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２内でテストし、３つを１．５モル％のマグネシウムと組み合わせたＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＭｇＣｌ_２内でテストした。表１に、各テストを示す。テストは、ＨＲ−１２０（登録商標）合金と２３０（登録商標）合金で繰り返された。

【表1】

【0022】

腐食テストの結果は、図４、図５、および図６に報告されている。第１のテスト中にテストされた３つのクーポンの各セットの平均は、四角形で示されている。第２のテスト中にテストされた３つのクーポンの各セットの平均は、ひし形で示されている。各テストの標準偏差は、各点から伸びるひげによって示される。データは、マグネシウム抑制剤と併用した場合またはジルコニウムおよび／またはマグネシウムでコーティングした場合の２３３（商標名）合金および２３０（登録商標）合金と、ＨＲ−１２０（登録商標）は、８５０℃で低い腐食速度（５０〜１００ミクロン／年）を示すことを示している。２３３（商標名）合金の耐食性およびＨＲ−１２０（登録商標）合金の耐食性は、マグネシウムの存在下で１５ミクロン／年未満に減少した。マグネシウムの代わりに他の還元金属を使用することができる。

【0023】

ヘインズ２３０（登録商標）合金は、マグネシウムでコーティングされている場合、または溶融塩がマグネシウムを含む場合に使用することができる。マグネシウムのような活性還元金属が存在する場合にのみ、腐食速度を１５ミクロン／年以下に下げることができる。

【0024】

溶融塩化物ソーラータワーシステムは、溶融硝酸塩ソーラータワーシステムよりも高い作動温度で作動するので、合金の酸化特性は、レシーバ管およびタンクの腐食特性および機械的特性と共に同様に重要である。レシーバ管とタンクは、管の外側とタンクの外側で空気に曝されるため、酸化特性が要求される。以下に示すように、これらの合金の酸化特性は、現在使用されているステンレス鋼のタンク材料よりもはるかに優れている。

【0025】

ＨＲ−１２０（登録商標）合金、２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金、インコネル８００ＨＴ（登録商標）、３０４ステンレス鋼、および３１６ステンレス鋼について、流れる空気中９８２℃（１８００°Ｆ）で１００８時間（週１回のサイクル）の酸化データを以下の表２に示す。メーカーによると、合金８００、８００Ｈ、および８００ＨＴは、ニッケル、クロム、鉄の含有量が同じで、概して同様の耐食性を示す。

【表2】

金属損失＝（Ａ−Ｂ）／２
平均内部浸透＝Ｃ
最大内部浸透＝Ｄ
影響を受ける平均金属＝金属損失＋平均内部浸透
影響を受ける最大金属＝金属損失＋最大内部浸透
２３０（登録商標）合金、２３３（商標名）合金、ＨＲ−１２０（登録商標）合金はまた、６５０℃から最高１０００℃程度の温度で溶融塩化物塩を含む吸収管、熱交換器、および貯蔵タンクで使用するための所望の機械的特性を有する。これらの特性は次の通りである。
クリープ破断強度（９２７℃（１７００°Ｆ）／６８．９ＭＰａ（１０ｋｓｉ））−横
２３３（商標名）合金＝５２３時間
２３０（登録商標）合金＝１２１時間
ＨＲ−１２０（登録商標）合金＝２５時間
クリープ破断強度＠７６０℃（１４００°Ｆ）／１０３．３５ＭＰａ（１５ｋｓｉ）（プレート／バー）
２３０（登録商標）合金＝８２００時間
ＨＲ−１２０（登録商標）合金＝２００時間
３０４ステンレス鋼＝１０時間
３１６ステンレス鋼＝１００時間
（ＲＴ％）合金の熱安定性 １０００時間／７６０℃（１４００°Ｆ）
２３０（登録商標）合金＝３３％
ＨＲ−１２０（登録商標）合金＝２４％
２３３（商標名）合金＝１６．５％
合金のＬＣＦ特性（破損までのサイクル数）
７６０℃／ひずみ範囲＝１％；Ｒ＝−１．０
ＨＲ−１２０（登録商標）合金＝２２２０
２３０（登録商標）合金＝１０９７
８７０℃／ひずみ範囲＝１％；Ｒ＝−１．０
ＨＲ−１２０（登録商標）合金＝１２８４
２３０（登録商標）合金＝２２８

【0026】

２３０（登録商標）合金と２３３（商標名）合金は、溶融塩化物と接触しても３５０〜１０００℃の作動範囲にわたって機械的特性を保持し、一方、ＨＲ−１２０（登録商標）合金は、３５０〜８００℃の作動温度範囲にわたって機械的特性を保持する。３つの合金はすべて貯蔵タンクの材料として使用できる。貯蔵タンクはレシーバ管よりも低温で動作するため、適切な強度を備えたタンクの構成材料として低コストのＨＲ−１２０（登録商標）合金の使用は、設備の資本コストを最適化できる。最高８００℃で稼働する集光型太陽光発電設備を集中させるために、ＨＲ−１２０（登録商標）、２３０（登録商標）、および２３３（商標名）合金はまた、溶融塩を運ぶまたは保持するすべてのコンポーネントに使用できる。ＨＲ−１２０（登録商標）合金は、８００℃を超えて作動する集光型太陽光発電設備の蓄熱タンクの構成材料としてのみ使用されるべきである。自生溶接およびビード加工の管を利用することでレシーバのコストが最小限に抑えられ、低コストのステンレス鋼材料上にＨＲ−１２０（登録商標）合金爆発クラッド層を使用することで、貯蔵タンクのコストが最小限に抑えられる。

【0027】

したがって、上記の市販の合金の組成とあまり変わらない２３３（商標名）合金およびＨＲ−１２０（登録商標）合金が、溶融ＫＣｌ−ＮａＣｌ−ＭｇＣｌ_２中で腐食速度をコーティングとしてマグネシウムなしで使用されたヘインズの腐食速度よりも約１０倍低くし、あるいは溶融塩中でヘインズのＮＳ−１６３（登録商標）合金およびＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）８００Ｈ合金で観察された腐食速度よりも約３０〜４０倍低くしたことは驚くべきことである。具体的には、２３０合金の場合は５００〜７００ミクロン／年、ＮＳ−１６３（登録商標）合金とＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）８００Ｈ合金の場合は２０００〜３０００ミクロン／年である代わりに、２３３（商標名）合金とＨＲ−１２０（登録商標）合金は５０〜６０ミクロン／年の腐食を示した（すべて、８５０℃、静的条件で１００時間テストされた）。Ｍｇの存在下では、２３３（商標名）合金とＨＲ−１２０（登録商標）合金のどちらもまた非常に低い腐食性（ＮＭＴ １０ミクロン／年）を示した。

【0028】

ヘインズ２３０（登録商標）合金の公称組成は、２２％のクロム、１４％のタングステン、２％未満のモリブデン、５％以下のコバルト、３％以下の鉄、０．５％のマンガン、０．４％のケイ素、０．５％以下のニオブ、０．３％のアルミニウム、０．１％のチタン、０．１％の炭素、０．０１５％以下のホウ素、０．０２％のランタンであり、残部の５７％がニッケルおよび不純物である。テストした２３０（登録商標）合金クーポンはこの組成であった。重量パーセントで次の範囲内（２０％〜２４％のクロム、１３％〜１５％のタングステン、１％〜３％のモリブデン、最大３％の鉄、最大５％のコバルト、０．３％〜１．０％のマンガン、０．２５〜０．７５％のケイ素、０．２〜０．５％のアルミニウム、０．５％〜０．１５％の炭素、０．００５％〜０．０５％のランタン、最大０．１％のチタン、最大０．５％のニオブ、最大０．０１５％のホウ素、最大０．０３％のリン、最大０．０１５％の硫黄、残部がニッケルおよび不純物）の元素を含む合金組成物は、２３０（登録商標）合金について本明細書に記載されているのと同じ特性を有すると予想される。

【0029】

特許文献２は、ヘインズ ２３３（商標名）合金に関する技術情報を網羅し含む。この合金の公称組成は、１９％のクロム、１９％のコバルト、７．５％のモリブデン、０．５％のチタン、３．３％のアルミニウム、１．５％以下の鉄、０．４％以下のマンガン、０．２０％以下のケイ素、０．１０％の炭素、０．００４％のホウ素、０．５％のランタン、０．３％以下のタングステン、０．０２５％以下のバナジウム、０．３％のジルコニウム、残部の４８％がニッケルおよび不純物である。テストされた２３３（商標名）合金クーポンはこの組成であった。この特許は、２３３（商標名）合金の特性を有することが発見された合金の組成は、１５〜２０重量％のクロム（Ｃｒ）、９．５〜２０重量％のコバルト（Ｃｏ）、７．２５〜１０重量％のモリブデン（Ｍｏ）、２．７２〜３．８９重量％のアルミニウム（Ａｌ）、最大０．６重量％存在するケイ素（Ｓｉ）、および最大０．１５重量％存在する炭素（Ｃ）を含み得る。チタンは最小レベル０．０２重量％で存在するが、０．２％を超えるレベルが好ましい。ニオブ（Ｎｂ）もまた、強化を提供するために存在し得るが、所望の特性を達成するためには必要ではない。Ｔｉおよび／またはＮｂが多すぎると、合金のひずみ経年割れの傾向が高まる可能性がある。チタンは０．７５重量％以下、ニオブは１重量％以下に制限する必要がある。２３３（商標名）合金の特性を有する合金の主要元素の最も広い範囲、中間の範囲、および狭い範囲を表３に示す。

【表3】

【0030】

ヘインズＨＲ−１２０合金は、特許文献３に開示されている合金組成物の商用版である。これは、３３％の鉄、３７％のニッケル、２５％のクロム、３％以下のコバルト、１％以下のモリブデン、０．５以下のタングステン、０．７％のマンガン、０．６％のケイ素、０．７％のニオブ、０．１％のアルミニウム、０．０５％の炭素、０．０２％の窒素、０．００４％のホウ素、０．５％以下の銅、０．２％以下のチタンの重量パーセントの公称組成を有する鉄−ニッケル−クロム合金である。この合金の特許は、重量パーセントでこれらの範囲内（２５％〜４５％のニッケル、１２％〜３２％のクロム、０．１％〜２．０％のニオブ、最大４．０％のタンタル、最大１．０％のバナジウム、最大２．０％のマンガン、最大１．０％のアルミニウム、最大５％のモリブデン、最大５％のタングステン、最大０．２％のチタン、最大２％のジルコニウム、最大５％のコバルト、最大０．１％のイットリウム、最大０．１％のランタン、最大０．１％のセシウム、最大０、１％のその他の希土類金属、最大約０．２０％の炭素、最大３％のケイ素、約０．０５％〜０．５０％の窒素、最大０．０２％のホウ素と、残部が鉄および不純物）にある組成物が望ましい特性を有することを教示している。

【0031】

ソーラータワーシステムの現在の好ましい実施形態を示し、説明してきたが、本発明はそれらに限定されず、以下の特許請求の範囲内で様々に具体化され得ることが明確に理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2020年6月11日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸収管、貯蔵タンクおよび熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれ、該溶融塩が前記吸収管、前記貯蔵タンクおよび前記熱交換器の内面に接触しているタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記溶融塩が６５０℃を超え８００℃以下の温度の塩化物塩であり、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、２５％〜４５％のニッケル、１２％〜３２％のクロム、０．１％〜２．０％のニオブ、最大４．０％のタンタル、最大１．０％のバナジウム、最大２．０％のマンガン、最大１．０％のアルミニウム、最大５％のモリブデン、最大５％のタングステン、最大０．２％のチタン、最大２％のジルコニウム、最大５％のコバルト、最大０．１％のイットリウム、最大０．１％のランタン、最大０．１％のセシウム、最大０．１％の他の希土類金属、最大約０．２０％の炭素、最大３％のケイ素、約０．０５％〜０．５０％の窒素、最大０．０２％のホウ素を含み、残部が鉄および不純物である合金でできている、改良型ソーラータワーシステム。

【請求項2】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、３０％〜４２％のニッケル、２０％〜３２％のクロム、０．２％〜１．０％のニオブと０．２％〜４．０％のタンタルと０．０５％〜１．０％のバナジウムのうちの少なくとも１つ、最大０．２％の炭素、約０．０５％〜０．５０％の窒素、０．００１％〜０．０２％のホウ素、および最大０．２％のチタンを含み、残部が鉄および不純物である合金でできている、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項3】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、約３７％のニッケル、約２５％のクロム、約３％のコバルト、約１％のモリブデン、約０．５％のタングステン、約０．７％のニオブ、約０．７％のマンガン、約０．６％のケイ素、約０．２％の窒素、約０．１％のアルミニウム、約０．０５％の炭素、約０．００４％のホウ素を含み、残部が鉄および不純物である合金でできている、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項4】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器が、６５０℃を超える温度を有する溶融塩熱伝達媒体を含み、前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、抑制剤なしの溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項１に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項5】

前記合金は、抑制剤としてＭｇを有する溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項４に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項6】

前記合金は、抑制剤としてＺｒを有する溶融塩化物塩中で、８５０℃で、６０μｍ未満の腐食速度を有する、請求項４に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項7】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれ、該溶融塩が前記吸収管、前記貯蔵タンクおよび前記熱交換器の内面に接触しているタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記溶融塩が塩化物塩であり、少なくとも１つの腐食抑制剤が、前記溶融塩中、または前記吸収管、前記貯蔵タンクおよび前記熱交換器の内面の少なくとも１つ上に存在し、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、２０％〜２４％のクロム、１３％未満〜１５％未満のタングステン、１％未満〜３％のモリブデン、最大３％の鉄、最大５％のコバルト、０．３％〜１．０％のマンガン、０．２５〜０．７５％のケイ素、０．２〜０．５％のアルミニウム、０．５％〜０．１５％の炭素、０．００５％〜０．０５％のランタン、最大０．１％のチタン、最大０．５％のニオブ、最大０．０１５％のホウ素、最大０．０３％のリン、および最大０．０１５％の硫黄を含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、含まれる改良型ソーラータワーシステム。

【請求項8】

前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、約２２％のクロム、約１４％のタングステン、約２％のモリブデン、最大３％の鉄、最大５％のコバルト、約０．５％のマンガン、約０．４％のケイ素、最大０．５％のニオブ、約０．３％のアルミニウム、最大０．１％のチタン、約０．１％の炭素、約０．０２％のランタン、および最大約０．０１５％のホウ素を含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、請求項７に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項9】

前記溶融塩熱伝達媒体は８００℃よりも高い温度を有する、請求項８に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項10】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれ、該溶融塩が前記吸収管、前記貯蔵タンクおよび前記熱交換器の内面に接触しているタイプの改良型ソーラータワーシステムであって、
前記溶融塩が塩化物塩であり、少なくとも１つの腐食抑制剤が、前記溶融塩中、または前記吸収管、前記貯蔵タンクおよび前記熱交換器の内面の少なくとも１つ上に存在し、
前記吸収管、前記貯蔵タンク、および前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、重量パーセントで、１８％〜２０％のクロム、１８％〜２０％のコバルト、３．０％〜３．５％のアルミニウム、７％〜８％のモリブデン、０．４％〜０．８％のタンタル、０．４％〜０．６％のチタン、０．１％〜０．４％のマンガン、最大０．３％のタングステン、最大１．５％の鉄、０．０４〜０．２％のケイ素、０．０８％〜０．１２％の炭素、最大０．０１５％のリン、最大０．０１５％の硫黄、０．００２％〜０．００６％のホウ素、０．００１％〜０．０２５％のイットリウム、０．０１％〜０．０５％のジルコニウムを含み、残部がニッケルおよび不純物である合金でできている、改良型ソーラーセントラル。

【請求項11】

前記合金は、重量パーセントで、約１９％のクロム、約１９％のコバルト、約３．２５％のアルミニウム、約７．５％のモリブデン、約０．５％のタンタル、約０．５６％のチタン、約０．２％のマンガン、約０．０５％のタングステン、約１．０％の鉄、約０．１４％のケイ素、約０．１０％の炭素、０．００２％未満のリン、０．００２％未満の硫黄、約０．００２％のホウ素、約０．００７％のイットリウム、約０．０２％のジルコニウムを含み、残部がニッケルおよび不純物である、請求項１０に記載の改良型ソーラーセントラル。

【請求項12】

前記溶融塩熱伝達媒体は８００℃よりも高い温度を有する、請求項１０に記載の改良型ソーラータワーシステム。

【請求項13】

吸収管、貯蔵タンク、および熱交換器を有し、これらのすべてに６５０℃を超える温度の溶融塩熱伝達媒体が含まれるタイプの改良型タワーシステムであって、
前記溶融塩が、抑制剤としてＭｇまたはＺｒを添加した６５０℃を超え８００℃以下の温度の塩化物塩である、改良型ソーラータワーシステム。

【国際調査報告】