JP2008309027A

JP2008309027A - 太陽熱と地中の温度差を利用した可搬性を有する蒸気発電装置

Info

Publication number: JP2008309027A
Application number: JP2007156284A
Authority: JP
Inventors: Masahide Ichikawa; 雅英市川; Masahiro Ando; 政弘安藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】輸送困難な僻地や途中に輸送を妨げる障害物があるような場所にでも設置できるような太陽熱を利用して発電できる装置を提供する。
【解決手段】太陽熱による蒸気発電装置一式を箱体に組込んだ発電装置において、箱体の壁面は各々ボルト等で固定され、ボルトを外すことにより壁面を開けることができ、箱体の上面角や下部面角に空輸のためのロープを掛けるフックを設けてある。設置現場で各部品の組立工事を行う必要がないので経済的にも有利である。また、陸送もしくは空輸することができるので、僻地や途中に輸送を妨げる障害物のあるような場所にでも設置できるようになった。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱と地中の温度差を利用した可搬性を有する蒸気発電装置に関し、さらに詳しくは蒸気発電装置一式を箱体に組込み、可搬性を持たせた太陽熱と地中との温度差を利用する蒸気発電装置に関する。

近年、エネルギー源として太陽光を利用しようとする動きが活発である。その最もポピュラーなものは、半導体を使ったソーラーパネルで、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換して利用しようとするものである。また、太陽光を集光し、それを熱源として水を蒸発させ、水蒸気に変え、水蒸気タービンを回して連動する発電機により発電しようとする動きもあり、本発明者らは太陽熱と地中の温度差を利用する蒸気発電装置をすでに提案した（特願２００７−１３９７８８）。
特開平８−４６２４６公報特開２００１−７４１２公報特開２００４−８４５９５公報特願２００７−１３９７８８公報

しかしながら、特願２００７−１３９７８８の発明は、水資源に乏しい乾燥地帯における発電システムとしては非常に有用であるが、設置場所までの装置の移動、搬送に困難な面を有していた。すなわち、装置を設置場所まで運んで、現場にて装置を組立てるという作業が必要であった。

もちろん、労力をかければこれらの問題を解決することはできるのであるが、より簡便に発電装置を移動、搬送、設置できるようにするために、これらの装置一式を箱体に組込んで一体化すること、そのためには太陽光の集光装置および加熱装置を工夫することで、上記問題を解決できることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の要旨は、太陽熱を利用した蒸気発電装置を組込んだ箱体において、箱体の上面に太陽光を集光する集光装置を設け、箱体側面に低温である地中との温度差を利用して水蒸気を凝結、水に戻すための二重構造を持つ熱伝導性パイプを設けることを特徴とする集光装置、蒸気発電装置、熱伝導パイプを一体とした可搬性を有する太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置であり、集光装置が凹面反射鏡であって、集束した光を反射鏡の焦点位置近傍に設置した加熱板に導き、加熱板に密着して設けた導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置であり、加熱板がなく、直接導水管に反射光を照射して導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置である。また、集光装置の凹面反射鏡の焦点位置に凹面の反射鏡を設け、集束した光を反射させて集光装置の中心部に開けた穴を通して集光装置の裏側に設置した加熱板に導き、加熱板に密着して設けた導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置であり、加熱板がなく、直接導水管に反射光を照射して導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置である。さらに、熱伝導パイプは外管と内管の二重構造となっており、外管の底部は閉塞されており、内管の長さは外管の長さより短く、外管と内管の間の空隙を流れてきた水蒸気と水の混合物が低温である地中との温度差により冷却され、液体に戻った水が外管底部と内管との間隙部を通って送水ポンプにより汲み上げられ、装置内を循環する構造としたことを特徴とする二重構造を持つ熱伝導パイプを有する太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置である。

本発明は、太陽光を集光し、それを熱源として水を蒸発させ、蒸発させられた水蒸気で蒸気タービンを回して発電する装置一式を箱体に組込んだ装置にある。このような装置にすることにより、設置予定の場所が奥地や僻地にあっても、トラックやトレーラーで搬送することができ、また、輸送経路の途中に乗越えるに困難な障害物があるような場合においても、ヘリコプターなど空輸手段で現地に搬送することができる。現場に到着後は熱伝導パイプを接続する工事と集光装置を調整するだけですぐに稼動させることができる発電装置を提供することにある。

以下に本発明を図面を交えて詳細に説明する。本発明は太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置であって、これら発電装置一式が箱体に組込まれ、搬送可能としたものである。［図１］は箱体に組込まれた発電装置一式の概略を箱体内を上から見た平面図である。従って、集光装置および加熱板、導水管は箱体の上面部に設置されているため、［図１］には示していない。導水管は図面から垂直方向に伸びており、水の入口と出口が図示されている。集光装置の概略は［図２］および［図３］に示してある。これらをまとめて説明する。まず、太陽光を箱体１の上部に設置した凹面反射鏡２に受け、集光し、それを熱源として凹面鏡の焦点近傍に設けられた加熱板３に放射する。焦点が合いすぎると表面温度が上がり過ぎ、加熱板が溶融する恐れがあるので焦点は少しボカした状態が好ましい。

加熱板にはそれに密着して導水管４が設けられている。導水管には水圧調整タンク５から供給されている水が流れている。水は導水管中を流れている間に太陽熱により加熱され、蒸発するので、導水管の長さは長い方が好ましい。従って、導水管の形状は蛇腹状や渦巻状にして長さを稼いだ方が好ましい。導水管の出口付近では水はほとんど水蒸気になっている。蒸発した水蒸気は導管６を通ってタービン室８に導かれるのであるが、途中に圧力調整タンク７に導き、圧力を調整した後、タービン室に導かれ蒸気タービン９を回転させる動力源となる。蒸気タービンは回転軸でつながった発電機１０を回転させ発電させる。余分の水蒸気はバイパス径路を通して水蒸気導管に戻される。蒸気タービンを回転させた水蒸気は、冷却パイプ１１に接触し、冷却されて一部は水に戻る。タービン室内は高い場所と低い場所に分かれ、高い場所に蒸気タービンが設置されている。低い場所は一部凝結されて液体に戻った水が溜まるようになっている。

水と水蒸気の混合物は地中に埋め込まれた熱伝導パイプ１２の外管１３と内管１４の間の空隙部に流され、低温である地中との温度差により凝結され、水に戻る。戻った水は熱伝導パイプの底部から内管の内部を通り、送水ポンプ１５により水圧調整タンクに戻される。水はタービン室内の冷却パイプを通って水圧調整タンクに戻される。水蒸気を冷却しながら自身は暖められるので、熱効率は良くなる。送水ポンプを運転するには、最初は蓄電池を使い、以降は本システムで発電した電力の一部を使用する。この径路には逆流防止弁１６がある。

このような冷却システムを採用しているため、冷却水を必要とせず、また、蒸発させる水、凝結された水（復水）は密閉系の系内を循環しているので、系内の水量の減少はほとんど無いといってよい。このような発電システムであるため、本発明は年間降雨量の少ないか極端に少ない乾燥地帯、砂漠地帯での発電システムとして特に有用である。また、若干量の水のロスの補給もしくはメンテナンス時の水の取り換えのために、径路のどこかに水の注水口１７を設けておくことが好ましい。これは一例であるが、本発明では水圧調整タンクの上面に設けてある。

［図２］には集光装置の一つの実施態様を示す図で、集光装置は支持体で箱体の上面に固定されており、必要ならばワイヤーなどで補強する。凹面反射鏡で集められた太陽光をその凹面鏡の焦点近傍に設けられた加熱板とそれに密着して設けられた導水管もしくは加熱板が無い場合は、導水管に直接照射し、中を流れる水を加熱するメカニズムを示している。先にも述べたとおり、加熱板もしくは導水管に照射する場合には、焦点を合わせすぎると加熱板や導水管が溶融してしまうおそれがあるため、焦点はややボカした位に調整する。加熱板や導水管の材質は熱伝導性の良好な金属が好ましく用いられる。例えば、銅、真鍮、アルミ、ステンレスなどが好ましく、なかでも防サビ、コストの面からステンレスが好ましく用いられる。

また［図３］は集光装置の他の実施態様を示す図で、凹面反射鏡で集められた太陽光をその凹面鏡の焦点近傍に設けられた他の凹面鏡に照射する。凹面鏡により反射された集束光は集光装置の中心部に開けられた穴を通って集光装置の裏側に設けられた加熱板とそれに密着して設けられた導水管もしくは加熱板が無い場合は、導水管に直接照射し、中を流れる水を加熱するメカニズムを示している。先にも述べたとおり、加熱板もしくは導水管に照射する場合には、焦点を合わせすぎると加熱板や導水管が溶融してしまうおそれがあるため、焦点はややボカした位に調整する。加熱板や導水管の材質は熱伝導性の良好な金属が好ましく用いられる。例えば、銅、真鍮、アルミ、ステンレスなどが好ましく、なかでも防サビ、コストの面からステンレスが好ましく用いられる。

集光装置は垂直方向に設置することもできるし、上空方向に向けても設置できる。集光装置の設置角度によっては、導水管をその角度に合うよう折り曲げることで対応できる。さらに太陽光を有効に受光させるために、追尾装置を併用するとより効果的である。

［図４］は本発明の特徴の一つである水蒸気冷却の機能を果たす熱伝導パイプの概略を示す図である。熱伝導パイプは外管と内管の二重構造になっており、外管の底部は閉塞されている。内管の長さは外管より短く、先端は開放されている。外管と内管の間の空隙部を水と水蒸気の混合物が流れ、途中、冷却されて液体になった水は底部から内管の中に流れ、冷却パイプを通って貯水槽に戻され、導水管に流れて循環することになる

地下に埋め込む熱伝導パイプの材質は、熱伝導性良好の金属から成るものが良く、銅、真鍮、アルミニウム、ステンレス製のものが好ましく、なかでも防サビやコストの面からステンレス製のものが好ましく用いられる。

また、本発明の発電機を設置する場所が、乾燥し、気温の高い地域である場合、地表の近い部分は地表面温度の影響を受けている。従って、冷却効果を得るには、熱伝導性パイプを相当深い部分まで到達させる必要がある。熱伝導パイプの地上に露出している部分および地表面の温度の影響を受けている部分では、熱伝導パイプに高温が伝わらないようにするため断熱材を巻き付けることが好ましい。

本装置で発生した水蒸気は蒸気タービンを回すことにも使用できるが、この水蒸気でピストンを動かし、カムを使って発電機を回し、発電することも可能である。

このようにして起電された電気はそのままエネルギー源として利用されるか、一度蓄電池（図示していない）に貯えられ、夜間や発電出来ない時のエネルギー源として利用することができる。また、大量の発電容量を必要とする場合は、反射鏡を複数個設け、そこから特定の凹面反射鏡や加熱板に照射するとか、本装置を複数組設置することにより発電容量を増大させることも可能である。

本発明のでは発電装置はを箱体内に組込まれているため、箱体と地中に埋設する熱伝導パイプその他の簡単な部品を陸送もしくは空輸にて設置現場に搬送し、設置場所に固定し、地中に埋め込んだ熱伝導パイプと接続することにより直ちに装置として機能させることができる。箱を構成する壁はボルトなどで固定されているので、メンテナンス時などは壁を開けて作業ができる。また、壁の上面角や底部にフックを設け、空輸の際のロープ掛けの役目を持たせる。

実験は超小型の模型を使って行った。太陽光を集光し、これを熱源として凹面反射鏡の焦点近傍に設けた加熱板表面に照射した。加熱板表面は約３５０℃になっていた。導水管中の水は沸騰し、蒸発した蒸気は圧力調整タンクを通してタービン室に送られ、蒸気タービンおよびそれに連動した発電機を回転させることができた。タービンの回転数は約８００ｒｐｍであった。発電量を測定したところ、６Ｖ、１００ｍＡであった。タービンを回した後の水蒸気はすでに凝結されていた水と一緒の混合物となって地中に埋め込まれた二重構造の熱伝導パイプの外管と内管の間に通した。外管の表面温度は約１３℃であった。混合物は水になっていた。この水を送水ポンプを使って冷却パイプを通しながらタービン室内を流し、水蒸気を冷却させながら水圧調整タンクに戻した。

本発明の箱体に組込まれた発電装置一式の概略を示す平面図。本発明の集光装置の一例を示す概略図。本発明の集光装置の他の一例を示す概略図。本発明の熱伝導パイプを示す概略図。

符号の説明

１ …… 箱体
２ …… 凹面反射鏡
３ …… 加熱板
４ …… 導水管
５ …… 水圧調整タンク
６ …… 水蒸気導管
７ …… 圧力調整タンク
８ …… タービン室
９ …… 蒸気タービン
１０ …… 発電機
１１ …… 冷却パイプ
１２ …… 熱伝導性パイプ
１３ …… 外管
１４ …… 内管
１５ …… 送水ポンプ
１６ …… 逆流防止弁
１７ …… 注水口

Claims

太陽熱を利用した蒸気発電装置を組込んだ箱体において、箱体の上面に太陽光を集光する集光装置を設け、箱体側面に低温である地中との温度差を利用して水蒸気を凝結、水に戻すための二重構造を持つ熱伝導パイプを設けることを特徴とする集光装置、蒸気発電装置、熱伝導パイプを一体とした可搬性を有する太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。
集光装置が凹面反射鏡であって、集束した光を反射鏡の焦点位置近傍に設置した加熱板に導き、加熱板に密着して設けた導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする請求項１記載の太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。
集光装置が凹面反射鏡であって、集束した光を反射鏡の焦点位置近傍に設置した導水管に導き、導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする請求項１記載の太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。
集光装置が凹面反射鏡であって、反射鏡の焦点位置近傍に凹面の反射鏡を設け、集束した光を反射させ、集光装置の中心部に開けた穴を通して集光装置の裏側に設置した加熱板に導き、加熱板に密着して設けた導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする請求項１記載の太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。
集光装置が凹面反射鏡であって、反射鏡の焦点位置近傍に凹面の反射鏡を設け、集束した光を反射させ、集光装置の中心部に開けた穴を通して集光装置の裏側に設置した導水管に導き、導水管中を流れる水を加熱、蒸発させることを特徴とする請求項１記載の太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。
熱伝導パイプは外管と内管の二重構造となっており、外管の底部は閉塞されており、内管の長さは外管の長さより短く、外管と内管の間の空隙を流れてきた水蒸気と水の混合物が低温である地中との温度差により冷却され、液体に戻った水が外管底部と内管との間隙部を通って送水ポンプにより汲み上げられ、装置内を循環する構造としたことを特徴とする二重構造を持つ熱伝導パイプを有する請求項１記載の太陽熱と地中の温度差を利用した蒸気発電装置。