太陽光集光システム
【課題】製造コストを低く抑えることができ、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバー２により、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することである。
【解決手段】レシーバー２を複数のモジュール２０の立体的な組合せで構成し、モジュールの少なくとも一部が台形状モジュール２０Ｂであり、台形状モジュールが、上方ヘッダー２１Ｂと、上方ヘッダーより短い下方ヘッダー２２Ｂと、２つのヘッダーを連結する複数の受熱管２３を有し、受熱管が、正面視Ｘにおいて上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視Ｙにおいて、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成する。
【解決手段】レシーバー２を複数のモジュール２０の立体的な組合せで構成し、モジュールの少なくとも一部が台形状モジュール２０Ｂであり、台形状モジュールが、上方ヘッダー２１Ｂと、上方ヘッダーより短い下方ヘッダー２２Ｂと、２つのヘッダーを連結する複数の受熱管２３を有し、受熱管が、正面視Ｘにおいて上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視Ｙにおいて、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のヘリオスタット（反射鏡）から反射された太陽光を、レシーバー（受熱部）に集光し、前記レシーバーに熱媒体が循環している太陽光集光システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源の枯渇及びその価格の高騰が憂慮され、また、地球温暖化の原因の１つである石油資源から新たなエネルギー資源への移行が研究されている。新たなエネルギー源の１つとして、太陽光を集光してエネルギーとして使用する太陽熱発電がある。
【０００３】
太陽光集光システムにおいて、太陽光を反射鏡であるヘリオスタットによりシステム中央部の上方に反射し、この反射光をセンターリフレクターと呼ばれる大型反射鏡で下方に設置されたレシーバー（受熱部）に集光するビームダウン式太陽光集光システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このレシーバーは、内部で熱媒体（例えば、溶融塩等）が循環するパイプ等で構成することがある。このとき、レシーバーで太陽光から熱エネルギーを受け取った熱媒体は、発電部に送るように構成している。発電部は、例えば、熱媒体の熱を利用して水蒸気を発生させ、この水蒸気を水蒸気タービンに供給して発電を行なう発電装置等で構成している。
【０００５】
この太陽光集光システムを利用した発電の効率を向上させる方法として、集熱レシーバーをつぼ型（キャビティー形状）に構成する発明が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の発明は、つぼの内部に侵入した太陽光を複数回反射させ、熱媒体に効率的に熱を伝え、太陽光を外部に逃がさないように構成している。この構成により、太陽光発電の効率は非常に高いものとなる。
【０００６】
しかしながら、引用文献２に記載のつぼ型レシーバーは、１本のパイプをつぼ型に成形している構造であるため、製造が非常に困難であり、且つ、製造コストが高くなるという問題を有している。しかも、レシーバーのサイズが巨大となるため、一体型でのレシーバーの運搬は容易ではなく、また、現地で建設する場合も困難な作業となる。
【０００７】
更に、パイプの破損等のレシーバーの故障時には、レシーバー全体を交換する必要がある。ここで、例えば、４００〜５００ｍ四方のビームダウン式太陽光集光システムを建設する場合には、つぼ型のレシーバーの直径は約８〜１０ｍとなり、非常に巨大となる。
【０００８】
また、レシーバー内で太陽光があたる部位は不均一であり、温度分布の不均一により、レシーバーを構成するパイプの熱膨張量が不均一となる。このため、レシーバーに隙間が生じたり、窮屈な場所で膨張したりして、場合によってはパイプが割れる等の故障が発生するという問題を有している。
【０００９】
更に、パイプの破損等でレシーバーが故障した場合、レシーバーが１本のパイプにより構成されているため、全体を交換する必要があり、交換作業が大規模となる。加えて、新たなレシーバーを用意するためのコストが嵩むという問題を有している。
【００１０】
更に、太陽光集光システムでは、熱媒体を１５０〜５００℃で液相となる硝酸ナトリウム等の溶融塩を使用することが多い。この溶融塩を使用する場合、曇りの日や夜間は、レシーバーから溶融塩を抜き取り、保温槽に移動する必要がある。これは、溶融塩が冷める
と固化し、レシーバー管内で閉塞を起こすためである。この溶融塩を回収する際、引用文献２に記載のらせん状パイプで構成したレシーバーでは、溶融塩を抜くのに時間がかかる。特に、緊急時であり、溶融塩を速やかに回収する必要がある場合に対応することができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許２９５１２９７号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０２５４４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コスト、運搬コスト及び建設コストを低く抑えることができ、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明に係る太陽光集光システムは、太陽光を、複数のヘリオスタットから、熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、前記受熱部を複数のモジュールの立体的な組合せで構成し、前記モジュールの少なくとも一部が台形状モジュールであり、前記台形状モジュールが、上方ヘッダーと、前記上方ヘッダーより短い下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、前記受熱管が、正面視において上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視において、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成し、更に前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
この構成により、受熱管とヘッダーからなる単純なモジュールを立体的に組み合わせて連結し、レシーバー（受熱部）とすることができるため、製造が容易となる。また、モジュールにばらした状態で運搬できるため、運搬も容易となり、運搬コストを抑制することもできる。また、現地での建設の場合、容易に組立が可能となる。更に、パイプ等の破損によるレシーバーの故障時には、レシーバー全体ではなく、その対象となるモジュールのみの交換により修理が完了するため、修理作業が容易となり、交換品のコストも削減することができる。
【００１５】
加えて、複数のモジュールを１つに連結することなく、複数の系統に分けて連結して、太陽光による加熱の不均一を抑制することができる。つまり、温度が上昇しているモジュールの熱媒体の流量を増加し、逆に温度があまり高くないモジュールの熱媒体の流量を減少する制御により、レシーバーにおける温度の不均一さを抑制することができる。
【００１６】
また、正面視が略台形となる台形状モジュールを利用する構成により、レシーバーを形成する際の立体的な形状の自由度が増加する。つまり、例えば、上方を拡開し、下方を絞った角錐台形状のレシーバーを組立てる場合、台形状モジュールにより、モジュール間の隙間がないように組立てることができる。そのため、レシーバーに入射した太陽光を逃がすことなく、効率的にエネルギーを取り出すことが可能となる。
【００１７】
更に、受熱管の断面積を同一としながら、形状を変更することにより、受熱管内を循環する熱媒体の流速を変えることなく、モジュールの形状を変更することができる。例えば、受熱管の上方ヘッダー側を円形とし、下方ヘッダー側を楕円形とすると、楕円形の短軸方向に受熱管を密集することができる。
【００１８】
ここで、受熱管の断面積を同一とすると、例えば、台形状モジュールを製作する場合に、上方ヘッダー側に比べ下方ヘッダー側の受熱管の断面積を小さく形成すると、流路が狭くなり、熱媒体の流速が上昇し、太陽光から十分に熱を受け取る前に熱媒体が、流れ過ぎてしまうという問題を解決できる。反対に、流速が遅い管内では、熱媒体の急激な温度上昇が発生するという問題を解決できる。
【００１９】
加えて、台形状モジュールを連結して、上方が拡開した錐台形状のレシーバーを構成することにより、太陽光を効率的に受光することができる。また、熱媒体の流れる方向が鉛直方向になるため、緊急時に熱媒体を自重によりレシーバー内から迅速に回収することができる。
【００２０】
上記の太陽光集光システムにおいて、前記受熱部を構成する前記複数のモジュールの少なくとも一部が湾曲状モジュールであり、前記湾曲状モジュールが、円弧の一部を構成するように湾曲している上方ヘッダーと、円弧の一部を構成するように湾曲している下方ヘッダーを有していることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、前述の台形状モジュールと同様の作用効果を得ることができる。更に、湾曲状モジュールにより、レシーバーを円錐台形状に構成することができる。
【００２２】
上記の太陽光集光システムにおいて、前記モジュールを組み合わせて立体的に構成した前記受熱部が、上部に開口部を有するかご型であることを特徴とする。
【００２３】
この構成により、センターリフレクターからの反射光（太陽光）を、開口部で広く受止めることができ、且つ、開口部から入射した反射光を、かご型としたレシーバー内で再反射することができる。このため、レシーバー内を循環する熱媒体で、太陽エネルギーを効率的に回収することが可能となる。
【００２４】
上記の太陽光集光システムにおいて、複数の前記台形状モジュールの前記上方ヘッダーを周状に連結し、同様に、前記下方ヘッダーを周状に連結し、角錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする。
【００２５】
又は、複数の前記湾曲状モジュールの前記上方ヘッダーを周状に連結し、同様に、前記下方ヘッダーを周状に連結し、円錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、製造コスト及び運搬コスト等の抑制を実現し、且つ、従来のレシーバーと同等、又はそれ以上の太陽エネルギー回収効率を有するレシーバーを提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る太陽光集光システムによれば、製造コストを低く抑え、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る実施の形態の太陽光集光システムの概略を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の平板状モジュールの概略を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の台形状モジュールの概略を示した図である。
【図４】本発明に係る異なる実施の形態の角錐台型レシーバーを示した概略図である。
【図５】本発明に係る異なる実施の形態の円錐台型レシーバーを示した概略図である。
【図６】本発明に係る異なる実施の形態の複合レシーバーを示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明に係る実施の形態の太陽光集光システムにおけるレシーバー（受熱部）及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る実施の形態のビームダウン式太陽光集光システム１の構成を示す。なお、以下、ビームダウン式太陽光集光システムに関して説明するが、本発明は、この他にも、タワー型の建造物の上部にレシーバーを設置するタワー式太陽光集光システムに適用することもできる。
【００３０】
まず、太陽光集光システム１の概要について説明する。太陽光集光システム１では、太陽５から照射している太陽光Ｓを、ヘリオスタット（反射鏡）４で反射し（反射光Ｒ１）、センターリフレクター（大型反射鏡）３で再反射し（反射光Ｒ２）、レシーバー（受熱部）２に集光する。このレシーバー２の内部では太陽光が反射を繰り返す（反射光Ｒ３）。この太陽光の有する熱エネルギーを、レシーバー２を循環する熱媒体で吸収するように構成している。
【００３１】
この熱媒体は、熱媒体用タンク６から、ポンプ７及び熱媒体ライン１１を経由して、レシーバー２に供給している。また、レシーバー２で太陽光のエネルギーを吸収した熱媒体は、熱交換器９を経由して、熱媒体用タンク６に戻すように構成している。
【００３２】
この熱交換器９では、水蒸気ライン１２を循環する水に、熱媒体の有する熱エネルギーを移動させる。この水（水蒸気）を、水蒸気タービン等を有した水蒸気発電装置１０に供給して、発電を行なうように構成している。
【００３３】
また、例えば熱媒体を、硝酸ナトリウム等から構成される溶融塩とした場合、日没後は、全ての溶融塩を熱媒体用タンク６に回収するように制御を行うこともある。これは、日没後にレシーバー２の温度が下がり、溶融塩がレシーバー２内他で固化して、閉塞を起こす問題を回避するためである。
【００３４】
更に、天候の急変（雲天時）やレシーバー２の破損等により、緊急に熱媒体を回収する必要がある場合は、緊急ライン８を利用して、熱媒体用タンク６に熱媒体を回収できるように構成している。ここで、熱媒体用タンク６は、レシーバー２より低い位置に設置することが望ましく、熱媒体を重力により熱媒体用タンク６に回収できる位置関係とすることが望ましい。
【００３５】
次に、ビームダウン式太陽光集光システム１において、発電効率を高め、システムの運搬、設置、及び修繕コストの削減を実現するために、本発明で採用したレシーバー２の構造を説明する。なお、本発明では、レシーバー２を、複数のモジュール２０の組み合わせとして構成している。
【００３６】
図２に、レシーバー２を構成するモジュール２０の一例として、平板状モジュール２０Ａを示しており、正面Ｘ及び側面Ｙの概略を示している。この平板状モジュール２０Ａは、連結管２４から受入れた熱媒体ｈを、上方ヘッダー２１Ａから受熱管２３を経由して、下方ヘッダー２２Ａに流し、連結管２４から次のモジュールへ供給するように構成している。なお、矢印は熱媒体ｈの流れを示している。
【００３７】
ここで、連結管２４をヘッダー２１、２２の側方に図示しているが、これはモジュール２０Ａの連結方向により、上方又は下方に変更することもできる。また、便宜上、受熱管２３同士の隙間を空けて図示しているが、この隙間は可能な限り狭い方が、太陽光から熱を回収する効率が上昇する。しかしながら、ビームダウン式太陽光集光システム１において、レシーバー２の温度は６００〜７００℃と高温となることもあるため、受熱管２３が膨張して破壊されない程度の隙間をあけておく必要はある。
【００３８】
図３に、レシーバー２を構成するモジュールの異なる例として、台形状モジュール２０Ｂを示しており、正面Ｘ、側面Ｙ、及び受熱管２３の断面の概略を示している。この台形状モジュール２０Ｂは、上方ヘッダー２１Ｂと、上方ヘッダー２１Ｂより短い下方ヘッダー２２Ｂと、２つのヘッダー２１Ｂ、２２Ｂを連結する複数の受熱管２３を有しており、モジュール全体の形状を正面視Ｘで略台形としている。この受熱管２３は、正面視Ｘにおいて、上方ヘッダー２１Ｂ側から下方ヘッダー２２Ｂ側に向けて細くなるクサビ形となり、側面視Ｙにおいて、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成している。
【００３９】
つまり、図３に示す様に、受熱管２３の上部断面１８を円形とし、下部断面１９を楕円形（図３の正面視Ｘの左右方向に短く、奥行き方向に長い楕円形）とすると、受熱管２３の断面積を一定としたまま、モジュールの形状を台形等に変形することができる。
【００４０】
この受熱管２３の断面積を一定にすることにより、内部を流れる熱媒体ｈの流速が、受熱管２３内で一定となり、太陽光による熱媒体ｈの加熱が効率的になる。また、熱媒体ｈを循環するためのポンプ７に余分な負荷がかかることを防止している。
【００４１】
更に、熱媒体循環用ポンプ７の故障や天候の急変（気温の低下）等の緊急時に、熱媒体ｈをレシーバー２から自重で落下させて、緊急ライン８を経由して熱媒体用タンク６に回収する必要がある。このとき、受熱管２３の管径が途中から細くなっている場合は、熱媒体ｈの流れに抵抗が発生するが、断面積が一定であればその問題はなく、速やかに熱媒体ｈを回収することができる。また、台形状モジュール２０Ｂは、前述した平板状モジュール２０Ａと同様の理由で、受熱管２３同士の隙間を空けて図示している。
【００４２】
図４は、台形状モジュール２０Ｂを利用した角錐台型レシーバー２Ｂを示しており、一部の台形状モジュール２０Ｂを枠線のみで省略して図示している。この角錐台型レシーバー２Ｂは、台形状モジュール２０Ｂを６つ組み合わせて構成しており、上方ヘッダー２１Ｂを周状（六角形状）に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｂを周状（六角形状）に連結して構成している。
【００４３】
この構成により、上部の開口部２５から入射した太陽光が、レシーバー２Ｂ内で反射を繰り返すため、太陽熱を効率的に熱媒体ｈに吸収することができる。また、熱媒体ｈの流れる方向を略鉛直方向とすると、緊急時の熱媒体ｈの回収を容易且つ、速やかに行うことができる。
【００４４】
ここで、熱媒体ｈの流路は、全てのモジュール２０Ｂを連結して１系統としてもよいし、複数の系統としてもよい。系統数を増やすことで、レシーバー２Ｂにおける熱分布を均一化する制御を行うことができる。また、系統数を減らすことで、熱媒体ｈを搬送するためのポンプ等の数を減らし太陽光集光システム１自体を簡易化することができる。
【００４５】
なお、連結する台形状モジュール２０Ｂの数は、６つに限定する必要はなく、台形状モジュールの形状により、任意に組み合わせて、レシーバー２とすることができる。
【００４６】
図５は、湾曲状モジュール２０Ｃを利用した円錐台型レシーバー２Ｃを示しており、一部の湾曲状モジュール２０Ｃを枠線のみで省略して図示している。この円錐台型レシーバー２Ｃは、湾曲状モジュール２０Ｃを６つ組み合わせて構成しており、上方ヘッダー２１Ｃを周状に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｃを周状に連結して構成している。
【００４７】
この構成により、特許文献２に記載のつぼ型のレシーバーと同様に、高効率で太陽熱を回収することができ、且つ、製造コスト、運搬コスト、設置コスト、修理コストの全てを大幅に抑えた円錐台型レシーバー２Ｃとして提供することができる。
【００４８】
なお、湾曲状モジュール２０Ｃのヘッダー２１Ｃ、２２Ｃは、円を４分割したものとして構成しているが、レシーバーの大きさによっては、この分割数を増やし、湾曲モジュール２０Ｃの大きさを小さくして、この運搬性を高めることができる。また、湾曲状モジュール２０Ｃの上方ヘッダー２１Ｃ及び下方ヘッダー２２Ｃの長さを等しくした、あたかも円筒を複数に分割した形状となるモジュールとしてもよい。
【００４９】
図６は、平板状モジュール２０Ａと台形状モジュール２０Ｂを組み合わせて構成した、複合レシーバー２Ｄの概略を示している。図６に示す様に、平板状モジュール２０Ａ、台形状モジュール２０Ｂ、又は湾曲状モジュール２０Ｃを任意に組み合わせて、レシーバー２を構成することができる。
【００５０】
なお、レシーバーを構成するモジュール２０Ａ、２０Ｂの背面（太陽光の受光面と反対側）に、断熱材を設置してもよい。この断熱材により、モジュール内を循環する熱媒体ｈの放熱を防止することができる。また、モジュール２０の背面に、反射鏡を設置する構成としてもよい。この構成により、受熱管２３の隙間等を透過する太陽光を、受熱管２３に再反射することができるため、太陽エネルギーの回収効率を向上することができる。なお、受熱管２３上に焦点を持つ放物面を有する反射鏡とすると、更に回収効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ ビームダウン式太陽光集光システム
２ レシーバー（受熱部）
２Ｂ 角錐台型レシーバー
２Ｃ 円錐台型レシーバー
２Ｄ 複合レシーバー
３ センターリフレクター
４ ヘリオスタット
２０ モジュール
２０Ａ 平板状モジュール
２０Ｂ 台形状モジュール
２０Ｃ 湾曲状モジュール
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 上方ヘッダー
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 下方ヘッダー
２３ 受熱管
２４ 連結管
ｈ 熱媒体
Ｓ 太陽光
Ｒ１ 反射光
Ｒ２ 再反射光
Ｒ３ レシーバー内反射光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のヘリオスタット（反射鏡）から反射された太陽光を、レシーバー（受熱部）に集光し、前記レシーバーに熱媒体が循環している太陽光集光システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油資源の枯渇及びその価格の高騰が憂慮され、また、地球温暖化の原因の１つである石油資源から新たなエネルギー資源への移行が研究されている。新たなエネルギー源の１つとして、太陽光を集光してエネルギーとして使用する太陽熱発電がある。
【０００３】
太陽光集光システムにおいて、太陽光を反射鏡であるヘリオスタットによりシステム中央部の上方に反射し、この反射光をセンターリフレクターと呼ばれる大型反射鏡で下方に設置されたレシーバー（受熱部）に集光するビームダウン式太陽光集光システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このレシーバーは、内部で熱媒体（例えば、溶融塩等）が循環するパイプ等で構成することがある。このとき、レシーバーで太陽光から熱エネルギーを受け取った熱媒体は、発電部に送るように構成している。発電部は、例えば、熱媒体の熱を利用して水蒸気を発生させ、この水蒸気を水蒸気タービンに供給して発電を行なう発電装置等で構成している。
【０００５】
この太陽光集光システムを利用した発電の効率を向上させる方法として、集熱レシーバーをつぼ型（キャビティー形状）に構成する発明が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の発明は、つぼの内部に侵入した太陽光を複数回反射させ、熱媒体に効率的に熱を伝え、太陽光を外部に逃がさないように構成している。この構成により、太陽光発電の効率は非常に高いものとなる。
【０００６】
しかしながら、引用文献２に記載のつぼ型レシーバーは、１本のパイプをつぼ型に成形している構造であるため、製造が非常に困難であり、且つ、製造コストが高くなるという問題を有している。しかも、レシーバーのサイズが巨大となるため、一体型でのレシーバーの運搬は容易ではなく、また、現地で建設する場合も困難な作業となる。
【０００７】
更に、パイプの破損等のレシーバーの故障時には、レシーバー全体を交換する必要がある。ここで、例えば、４００〜５００ｍ四方のビームダウン式太陽光集光システムを建設する場合には、つぼ型のレシーバーの直径は約８〜１０ｍとなり、非常に巨大となる。
【０００８】
また、レシーバー内で太陽光があたる部位は不均一であり、温度分布の不均一により、レシーバーを構成するパイプの熱膨張量が不均一となる。このため、レシーバーに隙間が生じたり、窮屈な場所で膨張したりして、場合によってはパイプが割れる等の故障が発生するという問題を有している。
【０００９】
更に、パイプの破損等でレシーバーが故障した場合、レシーバーが１本のパイプにより構成されているため、全体を交換する必要があり、交換作業が大規模となる。加えて、新たなレシーバーを用意するためのコストが嵩むという問題を有している。
【００１０】
更に、太陽光集光システムでは、熱媒体を１５０〜５００℃で液相となる硝酸ナトリウム等の溶融塩を使用することが多い。この溶融塩を使用する場合、曇りの日や夜間は、レシーバーから溶融塩を抜き取り、保温槽に移動する必要がある。これは、溶融塩が冷める
と固化し、レシーバー管内で閉塞を起こすためである。この溶融塩を回収する際、引用文献２に記載のらせん状パイプで構成したレシーバーでは、溶融塩を抜くのに時間がかかる。特に、緊急時であり、溶融塩を速やかに回収する必要がある場合に対応することができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許２９５１２９７号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０２５４４９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コスト、運搬コスト及び建設コストを低く抑えることができ、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明に係る太陽光集光システムは、太陽光を、複数のヘリオスタットから、熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、前記受熱部を複数のモジュールの立体的な組合せで構成し、前記モジュールの少なくとも一部が台形状モジュールであり、前記台形状モジュールが、上方ヘッダーと、前記上方ヘッダーより短い下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、前記受熱管が、正面視において上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視において、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成し、更に前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
この構成により、受熱管とヘッダーからなる単純なモジュールを立体的に組み合わせて連結し、レシーバー（受熱部）とすることができるため、製造が容易となる。また、モジュールにばらした状態で運搬できるため、運搬も容易となり、運搬コストを抑制することもできる。また、現地での建設の場合、容易に組立が可能となる。更に、パイプ等の破損によるレシーバーの故障時には、レシーバー全体ではなく、その対象となるモジュールのみの交換により修理が完了するため、修理作業が容易となり、交換品のコストも削減することができる。
【００１５】
加えて、複数のモジュールを１つに連結することなく、複数の系統に分けて連結して、太陽光による加熱の不均一を抑制することができる。つまり、温度が上昇しているモジュールの熱媒体の流量を増加し、逆に温度があまり高くないモジュールの熱媒体の流量を減少する制御により、レシーバーにおける温度の不均一さを抑制することができる。
【００１６】
また、正面視が略台形となる台形状モジュールを利用する構成により、レシーバーを形成する際の立体的な形状の自由度が増加する。つまり、例えば、上方を拡開し、下方を絞った角錐台形状のレシーバーを組立てる場合、台形状モジュールにより、モジュール間の隙間がないように組立てることができる。そのため、レシーバーに入射した太陽光を逃がすことなく、効率的にエネルギーを取り出すことが可能となる。
【００１７】
更に、受熱管の断面積を同一としながら、形状を変更することにより、受熱管内を循環する熱媒体の流速を変えることなく、モジュールの形状を変更することができる。例えば、受熱管の上方ヘッダー側を円形とし、下方ヘッダー側を楕円形とすると、楕円形の短軸方向に受熱管を密集することができる。
【００１８】
ここで、受熱管の断面積を同一とすると、例えば、台形状モジュールを製作する場合に、上方ヘッダー側に比べ下方ヘッダー側の受熱管の断面積を小さく形成すると、流路が狭くなり、熱媒体の流速が上昇し、太陽光から十分に熱を受け取る前に熱媒体が、流れ過ぎてしまうという問題を解決できる。反対に、流速が遅い管内では、熱媒体の急激な温度上昇が発生するという問題を解決できる。
【００１９】
加えて、台形状モジュールを連結して、上方が拡開した錐台形状のレシーバーを構成することにより、太陽光を効率的に受光することができる。また、熱媒体の流れる方向が鉛直方向になるため、緊急時に熱媒体を自重によりレシーバー内から迅速に回収することができる。
【００２０】
上記の太陽光集光システムにおいて、前記受熱部を構成する前記複数のモジュールの少なくとも一部が湾曲状モジュールであり、前記湾曲状モジュールが、円弧の一部を構成するように湾曲している上方ヘッダーと、円弧の一部を構成するように湾曲している下方ヘッダーを有していることを特徴とする。
【００２１】
この構成により、前述の台形状モジュールと同様の作用効果を得ることができる。更に、湾曲状モジュールにより、レシーバーを円錐台形状に構成することができる。
【００２２】
上記の太陽光集光システムにおいて、前記モジュールを組み合わせて立体的に構成した前記受熱部が、上部に開口部を有するかご型であることを特徴とする。
【００２３】
この構成により、センターリフレクターからの反射光（太陽光）を、開口部で広く受止めることができ、且つ、開口部から入射した反射光を、かご型としたレシーバー内で再反射することができる。このため、レシーバー内を循環する熱媒体で、太陽エネルギーを効率的に回収することが可能となる。
【００２４】
上記の太陽光集光システムにおいて、複数の前記台形状モジュールの前記上方ヘッダーを周状に連結し、同様に、前記下方ヘッダーを周状に連結し、角錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする。
【００２５】
又は、複数の前記湾曲状モジュールの前記上方ヘッダーを周状に連結し、同様に、前記下方ヘッダーを周状に連結し、円錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、製造コスト及び運搬コスト等の抑制を実現し、且つ、従来のレシーバーと同等、又はそれ以上の太陽エネルギー回収効率を有するレシーバーを提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る太陽光集光システムによれば、製造コストを低く抑え、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る実施の形態の太陽光集光システムの概略を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の平板状モジュールの概略を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の台形状モジュールの概略を示した図である。
【図４】本発明に係る異なる実施の形態の角錐台型レシーバーを示した概略図である。
【図５】本発明に係る異なる実施の形態の円錐台型レシーバーを示した概略図である。
【図６】本発明に係る異なる実施の形態の複合レシーバーを示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明に係る実施の形態の太陽光集光システムにおけるレシーバー（受熱部）及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る実施の形態のビームダウン式太陽光集光システム１の構成を示す。なお、以下、ビームダウン式太陽光集光システムに関して説明するが、本発明は、この他にも、タワー型の建造物の上部にレシーバーを設置するタワー式太陽光集光システムに適用することもできる。
【００３０】
まず、太陽光集光システム１の概要について説明する。太陽光集光システム１では、太陽５から照射している太陽光Ｓを、ヘリオスタット（反射鏡）４で反射し（反射光Ｒ１）、センターリフレクター（大型反射鏡）３で再反射し（反射光Ｒ２）、レシーバー（受熱部）２に集光する。このレシーバー２の内部では太陽光が反射を繰り返す（反射光Ｒ３）。この太陽光の有する熱エネルギーを、レシーバー２を循環する熱媒体で吸収するように構成している。
【００３１】
この熱媒体は、熱媒体用タンク６から、ポンプ７及び熱媒体ライン１１を経由して、レシーバー２に供給している。また、レシーバー２で太陽光のエネルギーを吸収した熱媒体は、熱交換器９を経由して、熱媒体用タンク６に戻すように構成している。
【００３２】
この熱交換器９では、水蒸気ライン１２を循環する水に、熱媒体の有する熱エネルギーを移動させる。この水（水蒸気）を、水蒸気タービン等を有した水蒸気発電装置１０に供給して、発電を行なうように構成している。
【００３３】
また、例えば熱媒体を、硝酸ナトリウム等から構成される溶融塩とした場合、日没後は、全ての溶融塩を熱媒体用タンク６に回収するように制御を行うこともある。これは、日没後にレシーバー２の温度が下がり、溶融塩がレシーバー２内他で固化して、閉塞を起こす問題を回避するためである。
【００３４】
更に、天候の急変（雲天時）やレシーバー２の破損等により、緊急に熱媒体を回収する必要がある場合は、緊急ライン８を利用して、熱媒体用タンク６に熱媒体を回収できるように構成している。ここで、熱媒体用タンク６は、レシーバー２より低い位置に設置することが望ましく、熱媒体を重力により熱媒体用タンク６に回収できる位置関係とすることが望ましい。
【００３５】
次に、ビームダウン式太陽光集光システム１において、発電効率を高め、システムの運搬、設置、及び修繕コストの削減を実現するために、本発明で採用したレシーバー２の構造を説明する。なお、本発明では、レシーバー２を、複数のモジュール２０の組み合わせとして構成している。
【００３６】
図２に、レシーバー２を構成するモジュール２０の一例として、平板状モジュール２０Ａを示しており、正面Ｘ及び側面Ｙの概略を示している。この平板状モジュール２０Ａは、連結管２４から受入れた熱媒体ｈを、上方ヘッダー２１Ａから受熱管２３を経由して、下方ヘッダー２２Ａに流し、連結管２４から次のモジュールへ供給するように構成している。なお、矢印は熱媒体ｈの流れを示している。
【００３７】
ここで、連結管２４をヘッダー２１、２２の側方に図示しているが、これはモジュール２０Ａの連結方向により、上方又は下方に変更することもできる。また、便宜上、受熱管２３同士の隙間を空けて図示しているが、この隙間は可能な限り狭い方が、太陽光から熱を回収する効率が上昇する。しかしながら、ビームダウン式太陽光集光システム１において、レシーバー２の温度は６００〜７００℃と高温となることもあるため、受熱管２３が膨張して破壊されない程度の隙間をあけておく必要はある。
【００３８】
図３に、レシーバー２を構成するモジュールの異なる例として、台形状モジュール２０Ｂを示しており、正面Ｘ、側面Ｙ、及び受熱管２３の断面の概略を示している。この台形状モジュール２０Ｂは、上方ヘッダー２１Ｂと、上方ヘッダー２１Ｂより短い下方ヘッダー２２Ｂと、２つのヘッダー２１Ｂ、２２Ｂを連結する複数の受熱管２３を有しており、モジュール全体の形状を正面視Ｘで略台形としている。この受熱管２３は、正面視Ｘにおいて、上方ヘッダー２１Ｂ側から下方ヘッダー２２Ｂ側に向けて細くなるクサビ形となり、側面視Ｙにおいて、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成している。
【００３９】
つまり、図３に示す様に、受熱管２３の上部断面１８を円形とし、下部断面１９を楕円形（図３の正面視Ｘの左右方向に短く、奥行き方向に長い楕円形）とすると、受熱管２３の断面積を一定としたまま、モジュールの形状を台形等に変形することができる。
【００４０】
この受熱管２３の断面積を一定にすることにより、内部を流れる熱媒体ｈの流速が、受熱管２３内で一定となり、太陽光による熱媒体ｈの加熱が効率的になる。また、熱媒体ｈを循環するためのポンプ７に余分な負荷がかかることを防止している。
【００４１】
更に、熱媒体循環用ポンプ７の故障や天候の急変（気温の低下）等の緊急時に、熱媒体ｈをレシーバー２から自重で落下させて、緊急ライン８を経由して熱媒体用タンク６に回収する必要がある。このとき、受熱管２３の管径が途中から細くなっている場合は、熱媒体ｈの流れに抵抗が発生するが、断面積が一定であればその問題はなく、速やかに熱媒体ｈを回収することができる。また、台形状モジュール２０Ｂは、前述した平板状モジュール２０Ａと同様の理由で、受熱管２３同士の隙間を空けて図示している。
【００４２】
図４は、台形状モジュール２０Ｂを利用した角錐台型レシーバー２Ｂを示しており、一部の台形状モジュール２０Ｂを枠線のみで省略して図示している。この角錐台型レシーバー２Ｂは、台形状モジュール２０Ｂを６つ組み合わせて構成しており、上方ヘッダー２１Ｂを周状（六角形状）に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｂを周状（六角形状）に連結して構成している。
【００４３】
この構成により、上部の開口部２５から入射した太陽光が、レシーバー２Ｂ内で反射を繰り返すため、太陽熱を効率的に熱媒体ｈに吸収することができる。また、熱媒体ｈの流れる方向を略鉛直方向とすると、緊急時の熱媒体ｈの回収を容易且つ、速やかに行うことができる。
【００４４】
ここで、熱媒体ｈの流路は、全てのモジュール２０Ｂを連結して１系統としてもよいし、複数の系統としてもよい。系統数を増やすことで、レシーバー２Ｂにおける熱分布を均一化する制御を行うことができる。また、系統数を減らすことで、熱媒体ｈを搬送するためのポンプ等の数を減らし太陽光集光システム１自体を簡易化することができる。
【００４５】
なお、連結する台形状モジュール２０Ｂの数は、６つに限定する必要はなく、台形状モジュールの形状により、任意に組み合わせて、レシーバー２とすることができる。
【００４６】
図５は、湾曲状モジュール２０Ｃを利用した円錐台型レシーバー２Ｃを示しており、一部の湾曲状モジュール２０Ｃを枠線のみで省略して図示している。この円錐台型レシーバー２Ｃは、湾曲状モジュール２０Ｃを６つ組み合わせて構成しており、上方ヘッダー２１Ｃを周状に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｃを周状に連結して構成している。
【００４７】
この構成により、特許文献２に記載のつぼ型のレシーバーと同様に、高効率で太陽熱を回収することができ、且つ、製造コスト、運搬コスト、設置コスト、修理コストの全てを大幅に抑えた円錐台型レシーバー２Ｃとして提供することができる。
【００４８】
なお、湾曲状モジュール２０Ｃのヘッダー２１Ｃ、２２Ｃは、円を４分割したものとして構成しているが、レシーバーの大きさによっては、この分割数を増やし、湾曲モジュール２０Ｃの大きさを小さくして、この運搬性を高めることができる。また、湾曲状モジュール２０Ｃの上方ヘッダー２１Ｃ及び下方ヘッダー２２Ｃの長さを等しくした、あたかも円筒を複数に分割した形状となるモジュールとしてもよい。
【００４９】
図６は、平板状モジュール２０Ａと台形状モジュール２０Ｂを組み合わせて構成した、複合レシーバー２Ｄの概略を示している。図６に示す様に、平板状モジュール２０Ａ、台形状モジュール２０Ｂ、又は湾曲状モジュール２０Ｃを任意に組み合わせて、レシーバー２を構成することができる。
【００５０】
なお、レシーバーを構成するモジュール２０Ａ、２０Ｂの背面（太陽光の受光面と反対側）に、断熱材を設置してもよい。この断熱材により、モジュール内を循環する熱媒体ｈの放熱を防止することができる。また、モジュール２０の背面に、反射鏡を設置する構成としてもよい。この構成により、受熱管２３の隙間等を透過する太陽光を、受熱管２３に再反射することができるため、太陽エネルギーの回収効率を向上することができる。なお、受熱管２３上に焦点を持つ放物面を有する反射鏡とすると、更に回収効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ ビームダウン式太陽光集光システム
２ レシーバー（受熱部）
２Ｂ 角錐台型レシーバー
２Ｃ 円錐台型レシーバー
２Ｄ 複合レシーバー
３ センターリフレクター
４ ヘリオスタット
２０ モジュール
２０Ａ 平板状モジュール
２０Ｂ 台形状モジュール
２０Ｃ 湾曲状モジュール
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 上方ヘッダー
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 下方ヘッダー
２３ 受熱管
２４ 連結管
ｈ 熱媒体
Ｓ 太陽光
Ｒ１ 反射光
Ｒ２ 再反射光
Ｒ３ レシーバー内反射光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を、複数のヘリオスタットから、熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、
前記受熱部を複数のモジュールの立体的な組合せで構成し、前記モジュールの少なくとも一部が台形状モジュールであり、
前記台形状モジュールが、上方ヘッダーと、前記上方ヘッダーより短い下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、
前記受熱管が、正面視において上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視において、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成し、
更に前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成したことを特徴とする太陽光集光システム。
【請求項２】
前記受熱部を構成する前記複数のモジュールの少なくとも一部が湾曲状モジュールであり、
前記湾曲状モジュールが、円弧の一部を構成するように湾曲している上方ヘッダーと、円弧の一部を構成するように湾曲している下方ヘッダーを有していることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光システム。
【請求項３】
前記モジュールを組み合わせて立体的に構成した前記受熱部が、上部に開口部を有するかご型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光集光システム。
【請求項４】
複数の前記台形状モジュールの側部を互いに連結し、角錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光システム。
【請求項５】
複数の前記湾曲状モジュールの側部を互いに連結し、円錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光システム。
【請求項１】
太陽光を、複数のヘリオスタットから、熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、
前記受熱部を複数のモジュールの立体的な組合せで構成し、前記モジュールの少なくとも一部が台形状モジュールであり、
前記台形状モジュールが、上方ヘッダーと、前記上方ヘッダーより短い下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、
前記受熱管が、正面視において上方から下方に向けて細くなるクサビ形となり、側面視において、上方から下方に向けて太くなるクサビ形となるように、断面形状を逐次変更して構成し、
更に前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成したことを特徴とする太陽光集光システム。
【請求項２】
前記受熱部を構成する前記複数のモジュールの少なくとも一部が湾曲状モジュールであり、
前記湾曲状モジュールが、円弧の一部を構成するように湾曲している上方ヘッダーと、円弧の一部を構成するように湾曲している下方ヘッダーを有していることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光システム。
【請求項３】
前記モジュールを組み合わせて立体的に構成した前記受熱部が、上部に開口部を有するかご型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光集光システム。
【請求項４】
複数の前記台形状モジュールの側部を互いに連結し、角錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光システム。
【請求項５】
複数の前記湾曲状モジュールの側部を互いに連結し、円錐台型の受熱部を構成したことを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−４３１２８（Ｐ２０１１−４３１２８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２６７２（Ｐ２００９−１９２６７２）
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２４日（２００９．８．２４）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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