JP2010256008A - ビームダウン方式太陽光採光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ヘリオスタットからの反射光のブロッキングとシャドーイングを軽減し、且つ、重量物であり大型であるセンターリフレクターを高強度で安定に固定した太陽光採光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ビームダウン方式太陽光採光装置において、少なくとも３本の支柱を角錐状に組み付け、かつ、前記センターリフレクターの外周縁が各支柱に内接するように、前記センターリフレクターの外周縁を各支柱に固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビームダウン方式太陽光採光装置に関し、詳しくは、ヘリオスタットからの反射光のブロッキングやシャドーイングを軽減し、さらに安定且つ強固にセンターリフレクターを支持する太陽光採光装置に関する。

近年、化石燃料を燃焼させた排気ガスによる大気汚染、化石燃料の枯渇等の地球環境への関心が高まっており、前述の化石燃料に変わる代替エネルギーが注目されている。このような代替エネルギーとして、風力発電や太陽光発電が普及しつつある。

特に、太陽光を集光した熱で熱媒体を加熱し、この熱媒体の熱によって水蒸気を発生させ、この水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電する集光型太陽熱発電装置が、従来の火力発電と同様の発電設備で稼働でき、高出力が得られるので注目されている。

このような集光型太陽熱発電装置としては、一方の面に反射面が形成された断面半円形状の反射板の軸方向に熱媒体が導入されるパイプが設けられたトラフ型太陽熱発電装置（例えば、特許文献１）、周囲に多数のヘリオスタットを設置し、熱媒体加熱部が頂部に設けられたタワーを中央に配置したタワー型太陽熱発電装置（例えば、特許文献２）、一方の面に反射面が形成された椀型の反射板と、反射板の近傍に熱媒体加熱部が設けられたディッシュ型太陽熱発電装置（例えば、特許文献３）が提案されている。

ところで、前記トラフ型太陽熱発電装置は反射板の幅方向にかなり大型化しており、これが縦横に設置されるので大規模化してしまうという問題があった。

また、前記タワー型太陽熱発電装置は、ヘリオスタットの設置数を増加させることで比較的容易に集光量を向上することができるが、タワーの上端側に設けた熱媒体加熱部に熱媒体となる例えば溶融塩を供給・循環させているので、太陽光のない夜間は前記溶融塩が固化しないように電熱器等の加熱手段によって溶融塩を保温しなければならないという問題があった。更に、溶融塩の配管距離が長くなるので、溶融塩の温度が低下してしまい発電効率の低下という問題もあった。

前記ディッシュ型は、反射板１台毎に集光して熱媒体を加熱するのでコンパクトであるが、大規模発電に適していないという問題があった。

ところで、前述の集光型太陽熱発電装置とは異なる方式のものとして、ビームダウン方式太陽熱発電装置が提案されている（非特許文献１）。

ＷＯ２００５／０１７４２１号公報 特開２００５−１０６４３２号公報 特開２００４−１６９０５９号公報 Solar Energy, Volume 62, Number 2, February 1998 , pp. 121-129(9)

前記ビームダウン方式太陽熱発電装置は、図１８に示すように垂直に立設したトラス構造の３本の支柱５１ａ，５１ｂ，５１ｃにより円盤形状のセンターリフレクター５５（中央反射鏡）が支持されている。支柱間はブロッキングとシャドーイングの原因となる補強部材が配置されることは許されていない。また、中央反射鏡５５の直径は１００ｍを超える大口径のものもあり、構造パイプ（多数の連結手段を備えたパイプ）の組み合わせによる長間構造となっておりその重量は３０００トンを超えるものもある。

従って、支柱間に補強部材を有さず垂直に立設された支柱は、中央反射鏡の円周方向の回転力に対しての耐力が極めて低く、また、風力対抗性や地震横荷重対抗性いという問題があり、支柱１本あたりの荷重負荷が大きい。

また、支柱１本につき固定箇所は、上端側のセンターリフレクターとの固定部と、支柱の下端側のアンカー部分であって、支柱の安定性と強度とが得られない構造となっている。従って、安全性の問題、耐用年数の問題、そして、センターリフレクターに歪みやズレを生じさせて光軸がブレるという問題の発生により結果的に発電効率の低下につながっていた。

更にまた、強度を向上させるために支柱の本数を増加するとブロッキングとシャドーイングが発生して発電効率が減少してしまうことから強度の向上を図ることができないという問題があった。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑み、ヘリオスタットからの反射光のブロッキングとシャドーイングを軽減し且つ重量物であり大型であるセンターリフレクターを高強度で安定に固定する支持装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係るビームダウン方式太陽熱発電装置におけるセンターリフレクターの支持装置は次のように構成されている。

１）太陽光を反射する複数台のヘリオスタットと、該ヘリオスタットで反射された反射光を熱媒体加熱手段へ集光させるセンターリフレクターなどで構成される太陽光採光装置において、少なくとも３本の支柱を角錐状に組み付け、かつ、前記センターリフレクターの外周縁が各支柱に内接するように、前記センターリフレクターを各支柱に固定したことを特徴としている。

即ち、３本を基本とする傾斜する支柱を基本に、角錐状に組立最上部で固定する。各々の支柱下部は、地上部のアンカーによって固定されている。これによって、当該構造物は構造的に安定した形で構築することができる。従来の構造物で課題であった支柱間での補強部材の配置が許されないことに起因した構造的不安定さ（中央反射鏡の演習方向での回転力に対する耐力の低下。風力，地震などによる横荷重に対する対抗性の低下）を解決することができる。

この３本の支柱の指定の高さには、センターリフレクター（中央反射鏡）の円盤状の構造物を支承する構造物を設け、センターリフレクターを固定する。場合によって支承部間が長径間となる場合には、角錐の頂点から複数のケーブルまたは棒状の吊り手段によって吊り下げる構造とすることも可能である。この場合、ケーブル又は棒状の吊り手段は、センターリフレクターの上部に設置されるため、太陽光を集光させるために広範囲に配置されたヘリオスタットの配置が不可能となる領域の増加に繋がることはない。

２）太陽光を反射する複数台のヘリオスタットと、該ヘリオスタットで反射された反射光を熱媒体加熱手段へ集光させるセンターリフレクターなどで構成される太陽光採光装置において、上端側が互いに連結・固定された少なくとも２本の支柱を開脚させた状態で前傾させ、かつ、前記支柱に設けた複数のケーブル又は棒状の吊り手段によって吊り下げた前記センターリフレクターを前記支柱に固定したことを特徴としている。

即ち、２本を基本とする傾斜する支柱を基本に、センターリフレクター（中央反射鏡）を吊り下げる構造の場合は、前記１）項以上にヘリオスタット配置不可能領域を少なくすることができ、シャドーイングやブロッキングなどの集光能力低下を防ぐことができる。

また、張り出し工法などによって施工された支柱を、施工に伴い順次バックアンカーを設けるなどして構築することができる。

３）太陽光を反射する複数台のヘリオスタットと、該ヘリオスタットで反射された反射光を熱媒体加熱手段へ集光させるセンターリフレクターなどで構成される太陽光採光装置において、１本の支柱を前傾状態で設置し、かつ、前記支柱に設けた複数のケーブル又は棒状の吊り手段によって吊り下げた前記センターリフレクターを前記支柱に固定したことを特徴としている。

１本を基本とする傾斜する支柱を基本に、センターリフレクター（中央反射鏡）を吊り下げる構造の場合は、前記１）項ないし２）項以上にヘリオスタットの配置が不可能となる領域を少なくすることができ、更に集光能力の低下を防ぐことができる。

また、支柱と同方向にバックアンカーを設けることで安定した構造物とすることができる。

支柱の頂点からセンターリフレクターを吊り下げる構造とするため、センターリフレクターの大きさによっては、安定した本数で複数のケーブルまたは棒状の吊り手段によって吊り下げることが可能であり、センターリフレクターの構造的安定性を得ることが可能となる。

この場合、ケーブルまたは棒状の吊り手段は、センターリフレクターの上部に設置されるため、太陽光を集光させるために広範囲に配置されたヘリオスタットの配置不可能領域の増加に繋がることはない。

１）３本の支柱により三角錐の辺を形成したので、垂直に立設された多数の支柱によりセンターリフレクターを支持するものと比較してブロッキングとシャドーイングが軽減され、ヘリオスタットの設置密度を向上させ、集光量が向上して発電量を向上させることができる。

また、３本の支柱は、あたかも三角錐を構成する辺であって、上端側の頂点により３本の支柱は固定されているので、強度が著しく向上しする。よって、重量物であり大型のセンターリフレクターを安定且つ強固に固定することができるので安全性と耐用年数が向上する上に、ヘリオスタットからの反射光を高精度でレシーバ（溶融塩等の加熱装置）に導くことができる。
２）支柱を２本としたので、さらにブロッキングとシャドーイングが軽減される上に、これによりヘリオスタットの設置数が増加する。
３）支柱を１本としたので、より一層のブロッキングとシャドーイングが軽減される上に、ヘリオスタットの設置密度を従来になく高密度化できる。
４）軸線上に、頂点あるいは吊り下げ部を設けたので、センターリフレクターの重心と頂点あるいは吊り下げ部が一致し、センターリフレクターを安定して保持することができる。

本発明に係る太陽光採光装置の概略図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置の第２実施態様を示す概略図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の他の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の他の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の他の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の他の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の他の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の施工方法を説明する図である。 本発明に係る太陽光採光装置における支柱の施工方法を説明する図である。 図４の平面概略図である。 本発明に係るセンターリフレクターの第３実施態様を示す概略図である。 本発明に係るセンターリフレクターの第３実施態様を示す説明図である。 図１４の平面概略図である。 図１４の正面概略図である。 従来のセンターリフレクターの支持装置を示す図である。

以下、本発明に係るビームダウン方式太陽光採光装置について、実施態様を図示して説明する。以下の実施例は、一例として、本発明に係る太陽光採光装置を太陽熱発電装置に適用したものである。

（太陽光採光装置の概略）
図１は、本発明に係る太陽光採光装置Ａの概略構成図である。この図に示すように、３本の支柱で支持された円盤状のセンターリフレクター５と、このセンターリフレクター５を取り囲む図示しないヘリオスタットが多数配置されている。センターリフレクター５の中心軸上の地上には、センターリフレクター５で反射された太陽光を受光する例えば漏斗形状のレシーバと溶融塩等の熱媒体を加熱溶融させる溶融塩炉とを備えた溶融塩加熱装置（不図示）が設けられている。そして、図示しない水蒸気発生装置、蒸気タービン等からなる発電設備によって発電するようになっている。

本実施例は、図１に示すように３本の支柱１ａ，１ｂ，１ｃにより三角錐構造を形成し、この三角錐の辺によりセンターリフレクター５を支持するものである。

図１に示すように、３本の支柱１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれの一端側が固定されて三角錐の頂点（固定部２）を形成し、他端が地中に埋設されたアンカー１０ａ，１０ｂ，１０ｃに固定されている。

前述のように構成されたセンターリフレクター５を支持する支柱１ａ，１ｂ，１ｃは、図２〜図３に示すように支柱１ａをアンカー１０ａ上に垂直に立設し、次いでこの支柱１ａに仮設ステイケーブル１６を設けると共に所定の傾斜角となるように支柱１ａが傾斜される。同様に他の２本の支柱１ｂ，１ｃを傾斜状態とし、３本の支柱１ａ，１ｂ，１ｃの先端を連結・固定し、最後にセンターリフレクターを吊り上げて所定箇所で固定し、前記仮設ステイケーブル１６を取り外して施工が完了する。

本実施例により、センターリフレクターを安定且つ強固に保持することができ、安全性と耐用年数が向上する。また、太陽光を受光するレシーバへの光軸のブレが抑制されるので、センターリフレクターのメンテナンスとその費用が軽減される。

更に、ヘリオスタットからの反射光のブロッキングとシャドーイングが軽減され、ヘリオスタットの設置面積を向上させることができるので、採光効率が向上して発電効率も向上するのである。

また、簡単な施工方法で製作することができるので施工費用を抑え、その施工期間を短縮することができる。

本実施例は、図４に示すように２本の支柱１ａ，１ｂによる三角形状構造によってセンターリフレクター５を支持するものである。

センターリフレクター５を支持する支柱１ａ，１ｂは、張出し施工などにより施工される。例えば、図５に示すようにアンカー３１上に基部３３と総足場３０を施工する。次に図６に示すように、前記基部３３の先端側に型枠を備えた架設装置３２を設け、順次支柱が形成されその長さが延長される。

また、図７に示すように、支柱の延長に伴い該支柱を緊張させて支持する架設用ステイ３６が複数本設けられる。図８に示すようにコンクリート打設の際にセンターリフレクターを固定するための横梁を連結する横梁接合部材３４が形成される。

図９に示すように支柱１ａの先端側に永久ステイ３８を設けると共に、支柱１ａと同様に施工された支柱１ｂの先端部と連結して固定し、三角形状となる。次いで横梁３５を吊り上げて前記接合部材３４に固定する。次に、センターリフレクター５を吊り上げて前記横梁３５と連結すると共に、センターリフレクター５の周縁部と支柱１ａ，１ｂの上端側とを複数本の吊りケーブル３９で連結する。

また、他の施工方法として、図１０に示すように支柱１ａをアンカー１０ａ上に垂直に立設し、次いで図１１に示すように支柱１ａに永久ステイ１６を設けると共に所定の傾斜角となるように支柱１ａが傾斜される。同様にして施工された一方の支柱１ｂの先端と前記支柱１ａの先端を連結・固定し、センターリフレクター５を吊り上げて支柱１ａ，１ｂの所定箇所で固定されると共に吊りワイヤー６にて支持されている。

本実施例により、図１３に示すようにヘリオスタット１４の配置不可領域Ｚが減少するので、ヘリオスタット１４の設置数を増加させることができるのである。

本実施例においては、支柱が鉄筋コンクリート製のものについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、束材や斜材等のラティス材によってトラスが形成されたトラス構造とすることもできる。このような場合、センターリフレクターは、このセンターリフレクターの周縁部に設けたフランジ部をボルト・ナットによって固定環３（リング）に固定するようにしてもよい。また、支柱は従来から知られているトラス構造であり、その施工は容易により行えるので、建設費用が抑制され工期が短縮される。

本実施例は、図１４〜図１７に示すように１本の支柱１と、この支柱１に固定されたケーブル６とによってセンターリフレクター５を支持するものである。

太陽光採光装置Ａにおけるセンターリフレクター５を支持する支柱１は、前記実施例のように張出し施工などにより施工される。本実施例においては、図１４に示すように、延長された支柱１を緊張させて支持するバックアンカー１１ａ，１１ｂが複数本設けられており、このバックアンカー１１ａ，１１ｂにより支柱１が安定して傾斜状態となっている。また、図１７（正面図）に示すように支柱１は幅広に形成されている。

図１５に示す実施形態の一例では、支柱の高さβは１３０ｍ、傾斜角θは５０°、センターリフレクター５の直径は１２０ｍ、センターリフレクターの支持高さαは６０ｍとなっている。

そして、本実施例により、図１６に示すように設置不可領域Ｚが大幅に減少するのでヘリオスタット１４の設置数が増加するのである。

なお、前記実施例１乃至３において説明した支柱の傾斜角度は、センターリフレクターの重量や直径により本発明の主旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

Ａ センターリフレクターの支持装置
１ 支柱
２ 固定部
３ 円環（リング）
５ センターリフレクター
６ 吊りケーブル
１１ バックアンカー

Claims (3)

1. 太陽光を反射する複数台のヘリオスタットと、該ヘリオスタットで反射された反射光を熱媒体加熱手段へ集光させるセンターリフレクターを有する太陽光採光装置において、
   少なくとも３本の支柱を、上端側を互いに連結・固定して角錐の頂点を形成するように角錐状に組み付け、かつ、前記センターリフレクターの外周縁が各支柱に内接するように、前記センターリフレクターを各支柱に固定したことを特徴とする太陽光採光装置。
2. 少なくとも３本の前記支柱をアンカー上に垂直にそれぞれ立設し、前記支柱にそれぞれ仮設ステイケーブルを設けると共に前記支柱をそれぞれ傾斜させ、前記支柱の上端側を互いに連結・固定し、前記仮設ステイケーブルを取り外して構成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光採光装置。
3. 太陽光を反射する複数台のヘリオスタットと、該ヘリオスタットで反射された反射光を熱媒体加熱手段へ集光させるセンターリフレクターを有する太陽光採光装置の建造方法において、
   少なくとも３本の支柱をアンカー上に垂直にそれぞれ立設するステップと、
   前記支柱にそれぞれ仮設ステイケーブルを設けると共に前記支柱をそれぞれ傾斜させるステップと、
   前記支柱の上端側を互いに連結・固定するステップと、
   前記仮設ステイケーブルを取り外すステップを有することを特徴とする太陽光採光装置の建造方法。

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