太陽光受熱器及び太陽熱発電装置
【課題】複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能を均一化する。
【解決手段】太陽光が入射する開口部１０ａを有するケーシング１０と、ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体Ａを太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系２０と、を備え、管路系２０は、ケーシングに収容され、ケーシングの開口部から入射した太陽光を受けて、内部に流通する熱媒体を昇温させる複数の受熱管２１と、各受熱管の一端２１ａ側に接続され、流体供給源から導入された熱媒体を各受熱管に分配する導入ヘッダ管２２と、各受熱管の他端側に接続され、各受熱管を通過した熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管２３と、を有する太陽光受熱器５であって、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管は、受熱管に比べて、管内径が大きくなっている（ｄ２＞ｄ１，ｄ３＞ｄ１）。
【解決手段】太陽光が入射する開口部１０ａを有するケーシング１０と、ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体Ａを太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系２０と、を備え、管路系２０は、ケーシングに収容され、ケーシングの開口部から入射した太陽光を受けて、内部に流通する熱媒体を昇温させる複数の受熱管２１と、各受熱管の一端２１ａ側に接続され、流体供給源から導入された熱媒体を各受熱管に分配する導入ヘッダ管２２と、各受熱管の他端側に接続され、各受熱管を通過した熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管２３と、を有する太陽光受熱器５であって、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管は、受熱管に比べて、管内径が大きくなっている（ｄ２＞ｄ１，ｄ３＞ｄ１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光受熱器及び太陽熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に影響を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光を集光して得られる熱エネルギーを利用した装置が知られている。このような装置として、太陽光を集光して得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う太陽熱発電装置の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上述した太陽熱発電装置では、通常、鏡を用いた集光装置と太陽光受熱器の組合せにより集光・集熱を行う。このような集光装置と受熱器の組合せ方式として、一般的にトラフ集光方式とタワー集光方式という二種類の方式がある。
トラフ集光方式とは、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。しかしながら、トラフ集光方式では、ミラーが太陽光を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。
【０００４】
これに対して、タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部上に太陽光受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲を取り囲むようにヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を複数配置し、これらヘリオスタットで反射される太陽光を太陽光受熱器に導くことで集光・集熱するものである。近年では、発電サイクルの更なる高効率化を図るという観点から、太陽光受熱器で熱交換される熱媒体について、より高温化が可能なタワー集光方式の太陽熱発電装置の開発が盛んに行われている。
【０００５】
タワー集光方式に用いる太陽光受熱器は、例えば特許文献２に示されるように、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備えており、管路系は、ケーシングに収容され、ケーシングの開口部から入射した太陽光を受けて、内部に流通する熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、各受熱管の一端側に接続され、流体供給源から導入された熱媒体を各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、各受熱管の他端側に接続され、各受熱管を通過した熱媒体を集めて流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８０６３８号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２４１９３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の流路系においては、導入ヘッダ管の入口から導出ヘッダ管の出口まで熱媒体が流れる経路が受熱管の数だけ存在することとなる。
しかしながら、従来の技術においては、各経路において熱媒体のエネルギー損失が異なるものとなるので、各経路を流れる熱媒体の流量配分が不均一になってしまって、複数の経路のうちの一部に局所的な温度ムラが生じたり、各経路の熱媒体に対する昇温性能に差が生じてしまったりするという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能を均一化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る太陽光受熱器は、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を前記太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備え、前記管路系は、前記ケーシングに収容され、前記ケーシングの開口部から入射した前記太陽光を受けて、内部に流通する前記熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、前記各受熱管の一端側に接続され、前記流体供給源から導入された前記熱媒体を前記各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、前記各受熱管の他端側に接続され、前記各受熱管を通過した前記熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有する太陽光受熱器であって、前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管は、前記受熱管に比べて、管内径が大きくなっていることを特徴とする。
このようにすれば、管内径を大きくされた導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管（以下、「ヘッダ管」という。）における熱媒体のエネルギー損失が、受熱管に比べて小さくなる。このため、各経路でのエネルギー損失の総和に対する、ヘッダ管でのエネルギー損失の割合が相対的に小さくなる一方で、受熱管でのエネルギー損失の割合が相対的に大きくなる。換言すれば、各経路で長さが異なるヘッダ管においてエネルギー損失を抑えるので、各経路でのエネルギー損失の総和の差分も小さくなる。従って、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を小さくすることができ、各経路の流量配分を均一的にすることができる。よって、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能とを均一化することができる。
【００１０】
また、前記導出ヘッダ管は、前記導入ヘッダ管に比べて、管内径が大きく設定されていることを特徴とする。
このようにすれば、導出ヘッダ管が、導入ヘッダ管に比べて管内径が大きく設定されているので、受熱管で昇温して体積流量が増加した熱媒体が流れる導出ヘッダ管において、熱媒体の流速が増加することを抑制する。これにより、熱媒体の流速に比例するエネルギー損失も抑えることができる。従って、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を更に小さくすることができ、流量配分をより均一的にすることができる。
【００１１】
また、前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管のうち少なくとも一方は、前記外部との間で前記熱媒体を流通させる流通口が複数設けられていることを特徴とする。
このようにすれば、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管のうち少なくとも一方に、流通口が複数設けられているので、各受熱管開口から、該受熱管開口に最も近接する流通口までの平均距離を小さくすることができる。これにより、流通口と受熱管開口との間で生じるエネルギー損失を抑えることができ、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を小さくすることができる。従って、各経路への流量配分を均一的にすることができる。
なお、流通口は、受熱管の配列方向に離間して設けるのが望ましい。
【００１２】
また、前記熱媒体は、空気であることを特徴とする。
このようにすれば、熱媒体が空気であるので、空気を均一的に昇温させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る太陽熱発電装置によれば、上記のうちいずれか一に記載の太陽光受熱器と、地上に立設され、前記太陽光受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、それぞれ前記太陽光を前記太陽光受熱器の開口部に入射させる複数のヘリオスタットと、前記流体供給源となる圧縮機と前記流体供給先となるタービンと前記タービンにより回転駆動される発電機を備えるガスタービンユニットと、を備えることを特徴とする。
このようにすれば、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る太陽光受熱器によれば、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能を均一化することができる。
また、本発明に係る太陽熱発電装置によれば、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽熱発電装置１００の側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略側面断面図であって、図２におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る流路系２０の断面図であって、各経路Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明では、本発明の太陽光受熱器と、太陽光受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットと、が一体的に構成された太陽熱発電装置を例にして説明する。
【００１７】
『太陽熱発電装置』
図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱発電装置１００の側面図である。
ここで、地球上で太陽熱発電装置の立地に適する場所は、太陽からの直達日射が強く良好な回帰線に近い亜熱帯高圧帯の乾燥地域である。例えば、本実施形態の太陽熱発電装置は、特に亜熱帯高圧帯の中における高緯度地域に配置される片側配置方式を採用している。なお、本実施形態は、片側配置方式に限定されるものではない。
図１において、符号１で示すものは、地上Ｇに設けられたヘリオスタットフィールドであり、ここでは北半球の地域であるとして説明する。太陽熱発電装置１００は、このヘリオスタットフィールド１に照射される太陽光Ｈ（例えば、図１中Ｈ１，Ｈ２）を集光し受熱する集光受熱システム１０１と、集光受熱システム１０１で受熱した熱により加熱された空気Ａ（熱媒体）を用いて発電を行うガスタービンユニット１０２と、を備えている。ここで、ガスタービンユニット１０２は、詳細を省略するが、集光受熱システム１０１で加熱された空気Ａ（作動流体）が圧縮される圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気Ａが供給されるタービンと、圧縮機とタービンとを同軸で連結するロータと、ロータに接続された発電機と、を主に備える。そして、タービンに供給される空気Ａによりロータが回転することで、圧縮機により空気Ａを圧縮するとともに、発電機により発電をさせることが可能となっている。
【００１８】
集光受熱システム１０１は、ヘリオスタットフィールド１上に配置され、太陽光Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）を反射するための複数のヘリオスタット２と、地上Ｇに立設されたタワー３と、タワー３の上部に設置されて太陽光Ｈを受光する太陽光受熱器５と、を備えている。例えば、本実施形態において、タワー３は、ヘリオスタットフィールド１の一端側（南北方向における南側端部）に配置されている。また、ヘリオスタット２は、ヘリオスタットフィールド１における他端側（北側）であって、タワー３を中心にして略水平面内における所定の角度範囲の領域に配列されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド１は、タワー３を中心にして扇形状に設定されている。なお、ヘリオスタットフィールド１が南半球の地域にある場合には、タワー３とヘリオスタット２の配置関係は、上記した北半球の場合とは反対方向のものとなる。
【００１９】
タワー３は、地上Ｇから上方に向かって立設された複数（例えば、四本）の支柱３ａと、各支柱３ａ間を架け渡すように連結された梁部３ｂと、を備えている。また、タワー３の上部には、上述した太陽光受熱器５等を支持するフレーム３ｄが設けられている。
【００２０】
『太陽光受熱器』
図２は太陽光受熱器５の概略正面図、図３は概略平面図、図４は概略側面断面図（図２におけるＩ−Ｉ線断面図）、である。以下の説明では、太陽光Ｈの照射方向における上流側（本実施形態では北側）を前側、下流側（本実施形態では南側）を後側として説明する。
図２〜図４に示すように、太陽光受熱器５は、太陽光Ｈが入射する開口部１０ａを有するケーシング１０と、ケーシング１０に配設され、ガスタービンユニット１０２の圧縮機（流体供給源）から送られた空気Ａを太陽光Ｈで昇温させた後にガスタービンユニット１０２のタービン（流体供給先）へと送り出す管路系２０とを備えている。
ケーシング１０は、図２〜図４に示すように、箱型状に形成されており、前部の下半分が斜めに切り欠かれた形状となっている。より具体的には、前壁１１が後壁１２に比べて天壁１３から略半分の長さだけ垂下し、底壁１４が天壁１３に比べて後壁１２から略半分の長さだけ前方に延出しており、前壁１１の下端縁と底壁１４の前端縁とが斜壁１５によって接続されている。
【００２１】
斜壁１５には、地上Ｇに向けて開口する開口部１０ａが形成されている。具体的に、開口部１０ａは、その開口方向が斜め前下方に向けて開放され、ヘリオスタット２で反射された太陽光Ｈが、開口部１０ａを通してケーシング１０内に取り込まれるようになっている。なお、ケーシング１０の内表面には、全域に亘って図示しない断熱材が設けられている。これにより、ケーシング１０内の熱エネルギーが、ケーシング１０の壁面から外部に向けて放射されることを抑制している。
【００２２】
後壁１２の中央部は、上述したタワー３のフレーム３ｄに連結され、これによりケーシング１０がタワー３に支持されている。
【００２３】
管路系２０は、図２に示すように、複数の受熱管２１と、導入ヘッダ管２２と、導出ヘッダ管２３とを有している。
複数の受熱管２１は、それぞれケーシング１０に収容されており、延在方向を上下方向に向けた状態で、後壁１２の内表面に沿って互いに所定のピッチを空けて一列に配列されている。各受熱管２１は、下端（一端）が導入ヘッダ管２２と、上端（他端）が導出ヘッダ管２３とに接続されている。
この受熱管２１は、開口部１０ａから入射した太陽光Ｈを受けて加熱された管壁により、内部に流通する空気Ａを昇温させる。
【００２４】
導入ヘッダ管２２には、複数の受熱管２１における空気Ａの流通方向上流端（下端）がまとめて接続されており、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から導入された空気Ａを各受熱管２１に分配する。
導入ヘッダ管２２は、ケーシング１０内の下部において、後壁１２における内表面に沿って受熱管２１の配列方向に延在する配管であり、延在方向両端が閉塞されている。この導入ヘッダ管２２の両端側においては、流体供給路３１の入口（流通部）２０ａがそれぞれに一つずつ形成されている。
各流体供給路３１は、導入ヘッダ管２２から下方に沿って延在し、ケーシング１０の底壁１４に形成された貫通孔１４ａ（図４参照）内に遊挿されてケーシング１０の外部に引き出されている。そして、流体供給路３１の上流端は、上述したガスタービンユニット１０２の圧縮機に接続され、圧縮機から空気Ａが供給されるようになっている。なお、流体供給路３１と貫通孔１４ａとの間には、流体供給路３１とケーシング１０とを相対変位可能に封止するシール部材を設けるのが好ましい。
【００２５】
導出ヘッダ管２３は、複数の受熱管２１における空気Ａの流通方向下流端（上端）がまとめて接続されており、各受熱管２１を経た空気Ａを集めてガスタービンユニット１０２へと導出する。
導出ヘッダ管２３は、ケーシング１０内の上部において、後壁１２における内表面に沿って受熱管２１の配列方向に延在する配管であり、延在方向両端が閉塞されている。この導入ヘッダ管２２の延在方向中央においては、流体排出路３２の出口（流通部）２０ｂが一つ形成されている。
この流体排出路３２は、導出ヘッダ管２３から上方に向かって延在し、ケーシング１０の天壁１３に形成された貫通孔１３ａ（図４参照）内に遊挿されてケーシング１０の外部に引き出されている。そして、流体排出路３２の下流側は、上述したタービンに接続されており、受熱管２１で加熱された空気Ａが、流体排出路３２を通ってタービンに供給されるようになっている。なお、流体排出路３２と貫通孔１３ａとの間には、流体排出路３２とケーシング１０とを相対変位可能に封止するシール部材を設けるのが好ましい。
【００２６】
この管路系２０は、図４に示すように、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２と、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３とが大きく設定されている。また、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２に比べて、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３が大きく設定されている。
管路系２０においては、導入ヘッダ管２２の二つの入口２０ａから導出ヘッダ管２３の出口２０ｂまで空気Ａが流れる経路Ｃが受熱管２１毎に形成される（図５参照）。
【００２７】
ここで、一般的に、管路の圧力損失ΔＰｆは、
ΔＰｆ＝４ｆ（ρｕ２／２）・（Ｌ／Ｄ）…式１
で求められる。なお、ｆは管摩擦係数、ρは流体の密度、ｕは流体の平均速度、Ｌは管路の全長、Ｄは管内径である。また、管摩擦係数ｆについては、例えばＳｗａｍｅｅ−Ｊａｉｎ式を用いることができる。
【００２８】
続いて、上述した太陽光受熱器５の作用について説明する。
まず、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から流体供給路３１を介して管路系２０に空気Ａが送られると、二つの入口２０ａから空気Ａが導入ヘッダ管２２に導入される。導入ヘッダ管２２に導入された空気Ａは、各受熱管２１に分配されて受熱管２１のいずれかに流入し、受熱管２１内を通過する間に太陽光Ｈで加熱された管壁によって昇温する。そして、受熱管２１を通過して昇温した空気Ａは、導出ヘッダ管２３で集められ、ガスタービンユニット１０２のタービンに向けて導出される。
【００２９】
この際、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２と導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３とがそれぞれ大きく設定されていることから、各経路Ｃにおいて、受熱管２１に比べて、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３の方が、単位長さ当たりで空気Ａが比較的にスムーズに通過する。
【００３０】
また、空気Ａは、受熱管２１を通過する際に昇温して熱膨張をすることによって体積流量が増加する。このため、受熱管２１及び導入ヘッダ管２２に比べて、導出ヘッダ管２３を通過する空気Ａの体積流量が大きくなるが、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を受熱管２１の管内径ｄ１と導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２よりも大きく設定していることから、空気Ａが導出ヘッダ管２３をスムーズに通過する。
【００３１】
以上説明したように、太陽光受熱器５によれば、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３において、空気Ａがスムーズに通過する。
より詳細に説明すると、各経路Ｃにおいては、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３のそれぞれにおいて、その長さが異なる（図５参照）。換言すれば、各経路Ｃの受熱管２１の配設位置に応じて、各受熱管２１の管入口２１ａから該管入口２１ａに近接する入口２０ａまでの距離、及び、各受熱管２１の管出口２１ｂから出口２０ｂまでの距離、がそれぞれ異なったものとなる。このため、各経路Ｃにおいて長さが共通する受熱管２１よりも、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３の方が、経路Ｃ相互間のエネルギー損失のバラつきに影響を与え易い（式１参照）。つまり、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３においては、管内径ｄが小さくなると空気Ａの流速が大きくなることから、入口２０ａ及び出口２０ｂから離間する受熱管２１ほどエネルギー損失が大きくなる傾向にある。
しかしながら、太陽光受熱器５においては、管内径ｄ１に比べて管内径ｄ２，ｄ３が大きく設定されている。このため、各経路Ｃでのエネルギー損失の総和に対する、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３でのエネルギー損失（後述するΔＰｆ２，ΔＰｆ６）の割合が受熱管２１に比べて小さくなる一方で、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３に比べて受熱管２１でのエネルギー損失（後述するΔＰｆ４）割合が大きくなる。換言すれば、各経路Ｃで長さが異なる導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３においてエネルギー損失を抑えるので、各経路Ｃでのエネルギー損失の総和の差分も小さくなる。従って、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を小さくすることができ、経路Ｃ相互間の流量配分を均一的にすることができる。よって、複数の経路Ｃの温度分布と各経路Ｃの空気Ａに対する昇温性能とを均一化することができる。
【００３２】
また、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を、受熱管２１の管内径ｄ１及び導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２よりも大きく設定しているので、導出ヘッダ管２３に体積流量が増加した空気Ａが流れても、空気Ａの流速が増加することを抑える。これにより、空気Ａの流速に比例するエネルギー損失も抑えることができる。従って、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を更に小さくすることができ、各経路Ｃへの流量配分をより均一的にすることができる。
【００３３】
また、導入ヘッダ管２２に入口２０ａが二つ設けられているので、各受熱管２１の管入口２１ａから、該管入口２１ａに最も近接する入口２０ａまでの平均距離を小さくすることができる。これにより、入口２０ａと受熱管２１の管入口２１ａとの間で生じるエネルギー損失（後述するΔＰｆ２）を抑えることができ、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を小さくすることができる。従って、流量配分を均一的にすることができる。
【００３４】
また、上述した太陽熱発電装置１００によれば、太陽光受熱器５を備えているので、複数の経路Ｃの温度分布と各経路の空気Ａに対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【００３５】
上述した実施形態においては、管内径ｄ３＞管内径ｄ２＞管内径ｄ１に設定したが、以下の方法で管内径ｄ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を設定することにより、経路Ｃ相互間でのエネルギー損失を更に均一的にすることが可能である。
すなわち、図５に示すように、経路Ｃのエネルギー損失Δｆiは、主に、入口２０ａの放流損失（＝ΔＰｆ１）、入口２０ａから受熱管２１の管入口２１ａまでの摩擦損失（＝ΔＰｆ２）、受熱管２１の管入口２１ａへの吸込損失（＝ΔＰｆ３）、受熱管２１における摩擦損失（＝ΔＰｆ４）、受熱管２１の管出口２１ｂからの放流損失（＝ΔＰｆ５）、受熱管２１の管出口２１ｂから出口２０ｂまでの摩擦損失（＝ΔＰｆ６）の総和ΣΔＰｆｉとなる。
このため、経路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ毎にΔＰｆｉを積分する。すなわち、経路Ｃ１のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ１）、経路Ｃ２のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ２）、経路Ｃ３のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ３）…経路ＣｎのΣΔＰｆｉ（＝ＰＣｎ）を求める。
【００３６】
上述したように、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２及び導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３が、受熱管２１の管内径ｄ１と同程度であると、入口２０ａから受熱管２１までの摩擦損失（＝ΔＰｆ２）、受熱管２１の管入口２１ａへの吸込損失（＝ΔＰｆ３）、受熱管２１の管出口２１ｂへの放流損失（＝ΔＰｆ５）がそれぞれ大きくなって、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの差分が大きくなる（経路Ｃ相互間のバラつきが大きくなって不均一になる。）。
このため、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの各差分を小さくするように、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２及び導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を大きくする。管内径ｄ１，ｄ２，ｄ３を決定するに際しては、｜ＰＣ１−ＰＣ２｜≒｜ＰＣ１−ＰＣ３｜≒…≒｜ＰＣ１−ＰＣｎ｜≒｜ＰＣ２−ＰＣ３｜≒｜ＰＣ２−ＰＣ４｜≒…≒｜ＰＣ２−ＰＣｎ｜≒…≒｜ＰＣ（ｎ−１）−ＰＣｎ｜となり且つこの値が極小値となる条件を満たす最適解をシミュレーション計算等で見つけて設計する。このようにすることで、経路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎにおいて、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの各差分が小さくなってそれぞれにおけるエネルギー損失が略同一となるので、流量配分の均一化を更に図ることができる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、受熱管２１を直線状に配列すると共に導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３を真直状に構成したが、受熱管２１を周状に配列すると共に受熱管２１の配列方向に延びる導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を用いてもよい。この場合、受熱管２１を円弧状あるいは全周状に配列してもよく、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を円弧状あるいは全周状に延びる構成にしてもよい。また、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を、全周状に構成した場合には、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管の内部を複数の空間に分割してもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態においては、導入ヘッダ管２２と導出ヘッダ管２３との双方の管内径ｄ２，ｄ３を受熱管２１の管内径ｄ１よりも大きく構成したが、どちらか一方のみを大きくしたとしても、経路Ｃ相互間のエネルギー損失の均一化を図ることが可能である。
【００３９】
また、上述した実施形態においては、導入ヘッダ管２２において入口２０ａを二つ設ける構成にしたが、三つ以上設けてもよいし、一つだけ設ける構成にしてもよい。なお、入口２０ａは任意の位置に設けることができる。
【００４０】
また、上述した実施形態においては、導出ヘッダ管２３において出口２０ｂを一つ設ける構成にしたが、二つ以上設ける構成にしてもよい。この場合においても、出口２０ｂを一つだけ設ける場合に比べて、出口２０ｂと各受熱管２１の管入口２１ａとの平均距離を小さくすることができるので、各経路Ｃの導出ヘッダ管２３におけるエネルギー損失を抑えることができる。
【００４１】
また、上述した実施形態においては、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から太陽光受熱器５に空気Ａを送ると共に、太陽光受熱器５からガスタービンユニット１０２のタービンに空気Ａを送る構成としたが、他の流体供給源から太陽光受熱器５に空気Ａを送られてもよいし、太陽光受熱器５から他の流体供給先へ空気Ａを送ってもよい。また、受熱管２１で空気Ａ以外を昇温させてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２…ヘリオスタット
３…タワー
５…太陽光受熱器
１０…ケーシング
１０ａ…開口部
２０…管路系
２０ａ…入口（流通口）
２０ｂ…出口（流通口）
２１…受熱管
２２…導入ヘッダ管
２３…導出ヘッダ管
Ａ…空気（作動流体）
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）…経路
Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）…太陽光
ｄ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）…管内径
１００…太陽熱発電装置
１０２…ガスタービンユニット（流体供給源，流体供給先）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光受熱器及び太陽熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に影響を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光を集光して得られる熱エネルギーを利用した装置が知られている。このような装置として、太陽光を集光して得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う太陽熱発電装置の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上述した太陽熱発電装置では、通常、鏡を用いた集光装置と太陽光受熱器の組合せにより集光・集熱を行う。このような集光装置と受熱器の組合せ方式として、一般的にトラフ集光方式とタワー集光方式という二種類の方式がある。
トラフ集光方式とは、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。しかしながら、トラフ集光方式では、ミラーが太陽光を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。
【０００４】
これに対して、タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部上に太陽光受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲を取り囲むようにヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を複数配置し、これらヘリオスタットで反射される太陽光を太陽光受熱器に導くことで集光・集熱するものである。近年では、発電サイクルの更なる高効率化を図るという観点から、太陽光受熱器で熱交換される熱媒体について、より高温化が可能なタワー集光方式の太陽熱発電装置の開発が盛んに行われている。
【０００５】
タワー集光方式に用いる太陽光受熱器は、例えば特許文献２に示されるように、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備えており、管路系は、ケーシングに収容され、ケーシングの開口部から入射した太陽光を受けて、内部に流通する熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、各受熱管の一端側に接続され、流体供給源から導入された熱媒体を各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、各受熱管の他端側に接続され、各受熱管を通過した熱媒体を集めて流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８０６３８号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２４１９３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の流路系においては、導入ヘッダ管の入口から導出ヘッダ管の出口まで熱媒体が流れる経路が受熱管の数だけ存在することとなる。
しかしながら、従来の技術においては、各経路において熱媒体のエネルギー損失が異なるものとなるので、各経路を流れる熱媒体の流量配分が不均一になってしまって、複数の経路のうちの一部に局所的な温度ムラが生じたり、各経路の熱媒体に対する昇温性能に差が生じてしまったりするという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能を均一化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る太陽光受熱器は、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、前記ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を前記太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備え、前記管路系は、前記ケーシングに収容され、前記ケーシングの開口部から入射した前記太陽光を受けて、内部に流通する前記熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、前記各受熱管の一端側に接続され、前記流体供給源から導入された前記熱媒体を前記各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、前記各受熱管の他端側に接続され、前記各受熱管を通過した前記熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有する太陽光受熱器であって、前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管は、前記受熱管に比べて、管内径が大きくなっていることを特徴とする。
このようにすれば、管内径を大きくされた導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管（以下、「ヘッダ管」という。）における熱媒体のエネルギー損失が、受熱管に比べて小さくなる。このため、各経路でのエネルギー損失の総和に対する、ヘッダ管でのエネルギー損失の割合が相対的に小さくなる一方で、受熱管でのエネルギー損失の割合が相対的に大きくなる。換言すれば、各経路で長さが異なるヘッダ管においてエネルギー損失を抑えるので、各経路でのエネルギー損失の総和の差分も小さくなる。従って、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を小さくすることができ、各経路の流量配分を均一的にすることができる。よって、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能とを均一化することができる。
【００１０】
また、前記導出ヘッダ管は、前記導入ヘッダ管に比べて、管内径が大きく設定されていることを特徴とする。
このようにすれば、導出ヘッダ管が、導入ヘッダ管に比べて管内径が大きく設定されているので、受熱管で昇温して体積流量が増加した熱媒体が流れる導出ヘッダ管において、熱媒体の流速が増加することを抑制する。これにより、熱媒体の流速に比例するエネルギー損失も抑えることができる。従って、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を更に小さくすることができ、流量配分をより均一的にすることができる。
【００１１】
また、前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管のうち少なくとも一方は、前記外部との間で前記熱媒体を流通させる流通口が複数設けられていることを特徴とする。
このようにすれば、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管のうち少なくとも一方に、流通口が複数設けられているので、各受熱管開口から、該受熱管開口に最も近接する流通口までの平均距離を小さくすることができる。これにより、流通口と受熱管開口との間で生じるエネルギー損失を抑えることができ、各経路を流れる熱媒体の流量の差分を小さくすることができる。従って、各経路への流量配分を均一的にすることができる。
なお、流通口は、受熱管の配列方向に離間して設けるのが望ましい。
【００１２】
また、前記熱媒体は、空気であることを特徴とする。
このようにすれば、熱媒体が空気であるので、空気を均一的に昇温させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る太陽熱発電装置によれば、上記のうちいずれか一に記載の太陽光受熱器と、地上に立設され、前記太陽光受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、それぞれ前記太陽光を前記太陽光受熱器の開口部に入射させる複数のヘリオスタットと、前記流体供給源となる圧縮機と前記流体供給先となるタービンと前記タービンにより回転駆動される発電機を備えるガスタービンユニットと、を備えることを特徴とする。
このようにすれば、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る太陽光受熱器によれば、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能を均一化することができる。
また、本発明に係る太陽熱発電装置によれば、複数の経路の温度分布と各経路の熱媒体に対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽熱発電装置１００の側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る太陽光受熱器５の概略側面断面図であって、図２におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る流路系２０の断面図であって、各経路Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明では、本発明の太陽光受熱器と、太陽光受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットと、が一体的に構成された太陽熱発電装置を例にして説明する。
【００１７】
『太陽熱発電装置』
図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱発電装置１００の側面図である。
ここで、地球上で太陽熱発電装置の立地に適する場所は、太陽からの直達日射が強く良好な回帰線に近い亜熱帯高圧帯の乾燥地域である。例えば、本実施形態の太陽熱発電装置は、特に亜熱帯高圧帯の中における高緯度地域に配置される片側配置方式を採用している。なお、本実施形態は、片側配置方式に限定されるものではない。
図１において、符号１で示すものは、地上Ｇに設けられたヘリオスタットフィールドであり、ここでは北半球の地域であるとして説明する。太陽熱発電装置１００は、このヘリオスタットフィールド１に照射される太陽光Ｈ（例えば、図１中Ｈ１，Ｈ２）を集光し受熱する集光受熱システム１０１と、集光受熱システム１０１で受熱した熱により加熱された空気Ａ（熱媒体）を用いて発電を行うガスタービンユニット１０２と、を備えている。ここで、ガスタービンユニット１０２は、詳細を省略するが、集光受熱システム１０１で加熱された空気Ａ（作動流体）が圧縮される圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気Ａが供給されるタービンと、圧縮機とタービンとを同軸で連結するロータと、ロータに接続された発電機と、を主に備える。そして、タービンに供給される空気Ａによりロータが回転することで、圧縮機により空気Ａを圧縮するとともに、発電機により発電をさせることが可能となっている。
【００１８】
集光受熱システム１０１は、ヘリオスタットフィールド１上に配置され、太陽光Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）を反射するための複数のヘリオスタット２と、地上Ｇに立設されたタワー３と、タワー３の上部に設置されて太陽光Ｈを受光する太陽光受熱器５と、を備えている。例えば、本実施形態において、タワー３は、ヘリオスタットフィールド１の一端側（南北方向における南側端部）に配置されている。また、ヘリオスタット２は、ヘリオスタットフィールド１における他端側（北側）であって、タワー３を中心にして略水平面内における所定の角度範囲の領域に配列されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド１は、タワー３を中心にして扇形状に設定されている。なお、ヘリオスタットフィールド１が南半球の地域にある場合には、タワー３とヘリオスタット２の配置関係は、上記した北半球の場合とは反対方向のものとなる。
【００１９】
タワー３は、地上Ｇから上方に向かって立設された複数（例えば、四本）の支柱３ａと、各支柱３ａ間を架け渡すように連結された梁部３ｂと、を備えている。また、タワー３の上部には、上述した太陽光受熱器５等を支持するフレーム３ｄが設けられている。
【００２０】
『太陽光受熱器』
図２は太陽光受熱器５の概略正面図、図３は概略平面図、図４は概略側面断面図（図２におけるＩ−Ｉ線断面図）、である。以下の説明では、太陽光Ｈの照射方向における上流側（本実施形態では北側）を前側、下流側（本実施形態では南側）を後側として説明する。
図２〜図４に示すように、太陽光受熱器５は、太陽光Ｈが入射する開口部１０ａを有するケーシング１０と、ケーシング１０に配設され、ガスタービンユニット１０２の圧縮機（流体供給源）から送られた空気Ａを太陽光Ｈで昇温させた後にガスタービンユニット１０２のタービン（流体供給先）へと送り出す管路系２０とを備えている。
ケーシング１０は、図２〜図４に示すように、箱型状に形成されており、前部の下半分が斜めに切り欠かれた形状となっている。より具体的には、前壁１１が後壁１２に比べて天壁１３から略半分の長さだけ垂下し、底壁１４が天壁１３に比べて後壁１２から略半分の長さだけ前方に延出しており、前壁１１の下端縁と底壁１４の前端縁とが斜壁１５によって接続されている。
【００２１】
斜壁１５には、地上Ｇに向けて開口する開口部１０ａが形成されている。具体的に、開口部１０ａは、その開口方向が斜め前下方に向けて開放され、ヘリオスタット２で反射された太陽光Ｈが、開口部１０ａを通してケーシング１０内に取り込まれるようになっている。なお、ケーシング１０の内表面には、全域に亘って図示しない断熱材が設けられている。これにより、ケーシング１０内の熱エネルギーが、ケーシング１０の壁面から外部に向けて放射されることを抑制している。
【００２２】
後壁１２の中央部は、上述したタワー３のフレーム３ｄに連結され、これによりケーシング１０がタワー３に支持されている。
【００２３】
管路系２０は、図２に示すように、複数の受熱管２１と、導入ヘッダ管２２と、導出ヘッダ管２３とを有している。
複数の受熱管２１は、それぞれケーシング１０に収容されており、延在方向を上下方向に向けた状態で、後壁１２の内表面に沿って互いに所定のピッチを空けて一列に配列されている。各受熱管２１は、下端（一端）が導入ヘッダ管２２と、上端（他端）が導出ヘッダ管２３とに接続されている。
この受熱管２１は、開口部１０ａから入射した太陽光Ｈを受けて加熱された管壁により、内部に流通する空気Ａを昇温させる。
【００２４】
導入ヘッダ管２２には、複数の受熱管２１における空気Ａの流通方向上流端（下端）がまとめて接続されており、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から導入された空気Ａを各受熱管２１に分配する。
導入ヘッダ管２２は、ケーシング１０内の下部において、後壁１２における内表面に沿って受熱管２１の配列方向に延在する配管であり、延在方向両端が閉塞されている。この導入ヘッダ管２２の両端側においては、流体供給路３１の入口（流通部）２０ａがそれぞれに一つずつ形成されている。
各流体供給路３１は、導入ヘッダ管２２から下方に沿って延在し、ケーシング１０の底壁１４に形成された貫通孔１４ａ（図４参照）内に遊挿されてケーシング１０の外部に引き出されている。そして、流体供給路３１の上流端は、上述したガスタービンユニット１０２の圧縮機に接続され、圧縮機から空気Ａが供給されるようになっている。なお、流体供給路３１と貫通孔１４ａとの間には、流体供給路３１とケーシング１０とを相対変位可能に封止するシール部材を設けるのが好ましい。
【００２５】
導出ヘッダ管２３は、複数の受熱管２１における空気Ａの流通方向下流端（上端）がまとめて接続されており、各受熱管２１を経た空気Ａを集めてガスタービンユニット１０２へと導出する。
導出ヘッダ管２３は、ケーシング１０内の上部において、後壁１２における内表面に沿って受熱管２１の配列方向に延在する配管であり、延在方向両端が閉塞されている。この導入ヘッダ管２２の延在方向中央においては、流体排出路３２の出口（流通部）２０ｂが一つ形成されている。
この流体排出路３２は、導出ヘッダ管２３から上方に向かって延在し、ケーシング１０の天壁１３に形成された貫通孔１３ａ（図４参照）内に遊挿されてケーシング１０の外部に引き出されている。そして、流体排出路３２の下流側は、上述したタービンに接続されており、受熱管２１で加熱された空気Ａが、流体排出路３２を通ってタービンに供給されるようになっている。なお、流体排出路３２と貫通孔１３ａとの間には、流体排出路３２とケーシング１０とを相対変位可能に封止するシール部材を設けるのが好ましい。
【００２６】
この管路系２０は、図４に示すように、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２と、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３とが大きく設定されている。また、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２に比べて、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３が大きく設定されている。
管路系２０においては、導入ヘッダ管２２の二つの入口２０ａから導出ヘッダ管２３の出口２０ｂまで空気Ａが流れる経路Ｃが受熱管２１毎に形成される（図５参照）。
【００２７】
ここで、一般的に、管路の圧力損失ΔＰｆは、
ΔＰｆ＝４ｆ（ρｕ２／２）・（Ｌ／Ｄ）…式１
で求められる。なお、ｆは管摩擦係数、ρは流体の密度、ｕは流体の平均速度、Ｌは管路の全長、Ｄは管内径である。また、管摩擦係数ｆについては、例えばＳｗａｍｅｅ−Ｊａｉｎ式を用いることができる。
【００２８】
続いて、上述した太陽光受熱器５の作用について説明する。
まず、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から流体供給路３１を介して管路系２０に空気Ａが送られると、二つの入口２０ａから空気Ａが導入ヘッダ管２２に導入される。導入ヘッダ管２２に導入された空気Ａは、各受熱管２１に分配されて受熱管２１のいずれかに流入し、受熱管２１内を通過する間に太陽光Ｈで加熱された管壁によって昇温する。そして、受熱管２１を通過して昇温した空気Ａは、導出ヘッダ管２３で集められ、ガスタービンユニット１０２のタービンに向けて導出される。
【００２９】
この際、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２と導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３とがそれぞれ大きく設定されていることから、各経路Ｃにおいて、受熱管２１に比べて、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３の方が、単位長さ当たりで空気Ａが比較的にスムーズに通過する。
【００３０】
また、空気Ａは、受熱管２１を通過する際に昇温して熱膨張をすることによって体積流量が増加する。このため、受熱管２１及び導入ヘッダ管２２に比べて、導出ヘッダ管２３を通過する空気Ａの体積流量が大きくなるが、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を受熱管２１の管内径ｄ１と導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２よりも大きく設定していることから、空気Ａが導出ヘッダ管２３をスムーズに通過する。
【００３１】
以上説明したように、太陽光受熱器５によれば、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３において、空気Ａがスムーズに通過する。
より詳細に説明すると、各経路Ｃにおいては、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３のそれぞれにおいて、その長さが異なる（図５参照）。換言すれば、各経路Ｃの受熱管２１の配設位置に応じて、各受熱管２１の管入口２１ａから該管入口２１ａに近接する入口２０ａまでの距離、及び、各受熱管２１の管出口２１ｂから出口２０ｂまでの距離、がそれぞれ異なったものとなる。このため、各経路Ｃにおいて長さが共通する受熱管２１よりも、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３の方が、経路Ｃ相互間のエネルギー損失のバラつきに影響を与え易い（式１参照）。つまり、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３においては、管内径ｄが小さくなると空気Ａの流速が大きくなることから、入口２０ａ及び出口２０ｂから離間する受熱管２１ほどエネルギー損失が大きくなる傾向にある。
しかしながら、太陽光受熱器５においては、管内径ｄ１に比べて管内径ｄ２，ｄ３が大きく設定されている。このため、各経路Ｃでのエネルギー損失の総和に対する、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３でのエネルギー損失（後述するΔＰｆ２，ΔＰｆ６）の割合が受熱管２１に比べて小さくなる一方で、導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３に比べて受熱管２１でのエネルギー損失（後述するΔＰｆ４）割合が大きくなる。換言すれば、各経路Ｃで長さが異なる導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３においてエネルギー損失を抑えるので、各経路Ｃでのエネルギー損失の総和の差分も小さくなる。従って、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を小さくすることができ、経路Ｃ相互間の流量配分を均一的にすることができる。よって、複数の経路Ｃの温度分布と各経路Ｃの空気Ａに対する昇温性能とを均一化することができる。
【００３２】
また、導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を、受熱管２１の管内径ｄ１及び導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２よりも大きく設定しているので、導出ヘッダ管２３に体積流量が増加した空気Ａが流れても、空気Ａの流速が増加することを抑える。これにより、空気Ａの流速に比例するエネルギー損失も抑えることができる。従って、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を更に小さくすることができ、各経路Ｃへの流量配分をより均一的にすることができる。
【００３３】
また、導入ヘッダ管２２に入口２０ａが二つ設けられているので、各受熱管２１の管入口２１ａから、該管入口２１ａに最も近接する入口２０ａまでの平均距離を小さくすることができる。これにより、入口２０ａと受熱管２１の管入口２１ａとの間で生じるエネルギー損失（後述するΔＰｆ２）を抑えることができ、各経路Ｃを流れる空気Ａの流量の差分を小さくすることができる。従って、流量配分を均一的にすることができる。
【００３４】
また、上述した太陽熱発電装置１００によれば、太陽光受熱器５を備えているので、複数の経路Ｃの温度分布と各経路の空気Ａに対する昇温性能が均一化されるので、耐久性に優れたシステム構成にすることが可能である。
【００３５】
上述した実施形態においては、管内径ｄ３＞管内径ｄ２＞管内径ｄ１に設定したが、以下の方法で管内径ｄ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）を設定することにより、経路Ｃ相互間でのエネルギー損失を更に均一的にすることが可能である。
すなわち、図５に示すように、経路Ｃのエネルギー損失Δｆiは、主に、入口２０ａの放流損失（＝ΔＰｆ１）、入口２０ａから受熱管２１の管入口２１ａまでの摩擦損失（＝ΔＰｆ２）、受熱管２１の管入口２１ａへの吸込損失（＝ΔＰｆ３）、受熱管２１における摩擦損失（＝ΔＰｆ４）、受熱管２１の管出口２１ｂからの放流損失（＝ΔＰｆ５）、受熱管２１の管出口２１ｂから出口２０ｂまでの摩擦損失（＝ΔＰｆ６）の総和ΣΔＰｆｉとなる。
このため、経路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ毎にΔＰｆｉを積分する。すなわち、経路Ｃ１のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ１）、経路Ｃ２のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ２）、経路Ｃ３のΣΔＰｆｉ（＝ＰＣ３）…経路ＣｎのΣΔＰｆｉ（＝ＰＣｎ）を求める。
【００３６】
上述したように、導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２及び導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３が、受熱管２１の管内径ｄ１と同程度であると、入口２０ａから受熱管２１までの摩擦損失（＝ΔＰｆ２）、受熱管２１の管入口２１ａへの吸込損失（＝ΔＰｆ３）、受熱管２１の管出口２１ｂへの放流損失（＝ΔＰｆ５）がそれぞれ大きくなって、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの差分が大きくなる（経路Ｃ相互間のバラつきが大きくなって不均一になる。）。
このため、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの各差分を小さくするように、受熱管２１の管内径ｄ１に比べて導入ヘッダ管２２の管内径ｄ２及び導出ヘッダ管２３の管内径ｄ３を大きくする。管内径ｄ１，ｄ２，ｄ３を決定するに際しては、｜ＰＣ１−ＰＣ２｜≒｜ＰＣ１−ＰＣ３｜≒…≒｜ＰＣ１−ＰＣｎ｜≒｜ＰＣ２−ＰＣ３｜≒｜ＰＣ２−ＰＣ４｜≒…≒｜ＰＣ２−ＰＣｎ｜≒…≒｜ＰＣ（ｎ−１）−ＰＣｎ｜となり且つこの値が極小値となる条件を満たす最適解をシミュレーション計算等で見つけて設計する。このようにすることで、経路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎにおいて、ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３…ＰＣｎの各差分が小さくなってそれぞれにおけるエネルギー損失が略同一となるので、流量配分の均一化を更に図ることができる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、受熱管２１を直線状に配列すると共に導入ヘッダ管２２及び導出ヘッダ管２３を真直状に構成したが、受熱管２１を周状に配列すると共に受熱管２１の配列方向に延びる導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を用いてもよい。この場合、受熱管２１を円弧状あるいは全周状に配列してもよく、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を円弧状あるいは全周状に延びる構成にしてもよい。また、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管を、全周状に構成した場合には、導入ヘッダ管及び導出ヘッダ管の内部を複数の空間に分割してもよい。
【００３８】
また、上述した実施形態においては、導入ヘッダ管２２と導出ヘッダ管２３との双方の管内径ｄ２，ｄ３を受熱管２１の管内径ｄ１よりも大きく構成したが、どちらか一方のみを大きくしたとしても、経路Ｃ相互間のエネルギー損失の均一化を図ることが可能である。
【００３９】
また、上述した実施形態においては、導入ヘッダ管２２において入口２０ａを二つ設ける構成にしたが、三つ以上設けてもよいし、一つだけ設ける構成にしてもよい。なお、入口２０ａは任意の位置に設けることができる。
【００４０】
また、上述した実施形態においては、導出ヘッダ管２３において出口２０ｂを一つ設ける構成にしたが、二つ以上設ける構成にしてもよい。この場合においても、出口２０ｂを一つだけ設ける場合に比べて、出口２０ｂと各受熱管２１の管入口２１ａとの平均距離を小さくすることができるので、各経路Ｃの導出ヘッダ管２３におけるエネルギー損失を抑えることができる。
【００４１】
また、上述した実施形態においては、ガスタービンユニット１０２の圧縮機から太陽光受熱器５に空気Ａを送ると共に、太陽光受熱器５からガスタービンユニット１０２のタービンに空気Ａを送る構成としたが、他の流体供給源から太陽光受熱器５に空気Ａを送られてもよいし、太陽光受熱器５から他の流体供給先へ空気Ａを送ってもよい。また、受熱管２１で空気Ａ以外を昇温させてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２…ヘリオスタット
３…タワー
５…太陽光受熱器
１０…ケーシング
１０ａ…開口部
２０…管路系
２０ａ…入口（流通口）
２０ｂ…出口（流通口）
２１…受熱管
２２…導入ヘッダ管
２３…導出ヘッダ管
Ａ…空気（作動流体）
Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…Ｃｎ）…経路
Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）…太陽光
ｄ（ｄ１，ｄ２，ｄ３）…管内径
１００…太陽熱発電装置
１０２…ガスタービンユニット（流体供給源，流体供給先）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を前記太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備え、
前記管路系は、前記ケーシングに収容され、前記ケーシングの開口部から入射した前記太陽光を受けて、内部に流通する前記熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、
前記各受熱管の一端側に接続され、前記流体供給源から導入された前記熱媒体を前記各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、
前記各受熱管の他端側に接続され、前記各受熱管を通過した前記熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有する太陽光受熱器であって、
前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管は、前記受熱管に比べて、管内径が大きくなっていることを特徴とする太陽光受熱器。
【請求項２】
前記導出ヘッダ管は、前記導入ヘッダ管に比べて、管内径が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光受熱器。
【請求項３】
前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管のうち少なくとも一方は、前記外部との間で前記熱媒体を流通させる流通口が複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光受熱器。
【請求項４】
前記熱媒体は、空気であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の太陽光受熱器。
【請求項５】
請求項１からの４のうちいずれか一項に記載の太陽光受熱器と、
地上に立設され、前記太陽光受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、
前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、それぞれ前記太陽光を前記太陽光受熱器の開口部に入射させる複数のヘリオスタットと、
前記流体供給源となる圧縮機と前記流体供給先となるタービンと前記タービンにより回転駆動される発電機を備えるガスタービンユニットと、
を備えることを特徴とする太陽熱発電装置。
【請求項１】
太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、
前記ケーシングに設けられ、外部の流体供給源から送られた熱媒体を前記太陽光で昇温させた後に外部の流体供給先へと送り出す管路系と、を備え、
前記管路系は、前記ケーシングに収容され、前記ケーシングの開口部から入射した前記太陽光を受けて、内部に流通する前記熱媒体を昇温させる複数の受熱管と、
前記各受熱管の一端側に接続され、前記流体供給源から導入された前記熱媒体を前記各受熱管に分配する導入ヘッダ管と、
前記各受熱管の他端側に接続され、前記各受熱管を通過した前記熱媒体を集めて前記流体供給先へと導出する導出ヘッダ管と、を有する太陽光受熱器であって、
前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管は、前記受熱管に比べて、管内径が大きくなっていることを特徴とする太陽光受熱器。
【請求項２】
前記導出ヘッダ管は、前記導入ヘッダ管に比べて、管内径が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光受熱器。
【請求項３】
前記導入ヘッダ管及び前記導出ヘッダ管のうち少なくとも一方は、前記外部との間で前記熱媒体を流通させる流通口が複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光受熱器。
【請求項４】
前記熱媒体は、空気であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の太陽光受熱器。
【請求項５】
請求項１からの４のうちいずれか一項に記載の太陽光受熱器と、
地上に立設され、前記太陽光受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、
前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、それぞれ前記太陽光を前記太陽光受熱器の開口部に入射させる複数のヘリオスタットと、
前記流体供給源となる圧縮機と前記流体供給先となるタービンと前記タービンにより回転駆動される発電機を備えるガスタービンユニットと、
を備えることを特徴とする太陽熱発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３４５９（Ｐ２０１３−１１３４５９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７８８２（Ｐ２０１１−２５７８８２）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
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