JP2011007458A - 太陽光集光受熱器及び太陽熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換受熱管に作用する曲げ応力を低減するとともに、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる太陽光集光受熱器及び太陽熱発電装置の提供を目的とする。
【解決手段】受熱部４２は、太陽光線を受光する複数の受熱管５１と、受熱管５１における圧縮空気の流通方向上流端が連結され、受熱管５１に向けて圧縮空気を導入させる低温側ヘッダ５２と、受熱管５１における圧縮空気の流通方向下流端が連結され、受熱管５１から圧縮空気が導出される高温側ヘッダ５３とを備え、低温側ヘッダ５２は受熱管５１に対して鉛直方向下方に配置される一方、高温側ヘッダ５３は受熱管５１に対して鉛直方向上方に配置され、受熱管５１は、上流端から下流端に至る受熱管５１の延在方向が鉛直方向に沿って配列されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽光線を集光して高温の熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを熱伝達により熱媒体に伝える太陽光集光受熱器及び太陽熱発電装置に関する。

高温の太陽熱利用においては、通常、鏡により集光・集熱を実施するが、集光装置と受熱器の組合せに関して、集光装置と受熱器が機械的に組合せ一体化されて地表に近い場所に置かれるトラフ集光に代表される方式と、受熱器を高いタワーの上に置き、周囲の地上にヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を多数台置き、タワー上部の受熱器上に集光させるタワー集光、という２種類の方式がある。

上述したトラフ集光方式の受熱器の構成として、例えば特許文献１に示される受熱器３００は、図１１に示されるように、熱媒体導入部３０１及び熱媒体導出部３０２を通じて内部に熱媒体が流通される熱交換受熱管３０３が、螺旋状に巻回されることで形成されてなる集熱体３０４を有している。集熱体３０４は上方に向けて開口しており、ヘリオスタット等を用いて開口部分から集熱体３０４の内面（受光面３０５）に向けて太陽光線の反射光が集光されるようになっている。

国際公開第０６／０２５４４９号パンフレット

一方、上述したタワー集光方式の受熱器では、ヘリオスタットで反射された太陽光線を効率的に受光するために、複数の熱交換受熱管を平行に配列するとともに、これら熱交換受熱管の延在方向（軸方向）をグランド面に対して傾斜配置する構成が考えられる。
しかしながら、この構成では、熱交換受熱管に自重により作用する応力と、熱交換受熱管の延在方向とが一致せず、熱交換受熱管に作用する曲げ応力が大きくなる。この場合、太陽光線により熱交換受熱管が加熱されて高温になると、曲げ応力によって熱交換受熱管が変形する虞がある。そのため、熱交換受熱管に対して、強度を確保するための改善を行う必要があり、構成の複雑化や製造コストの増加に繋がるという問題がある。

また、太陽光線の入射方向上流側に配置された往路受熱管と、この往路受熱管にＵ字管を介して接続されて入射方向下流側の復路受熱管とにより、熱交換受熱管を折り返し構造にすることも考えられる。
ここで、熱媒体が熱交換受熱管から効率的に熱エネルギーを得るためには、熱交換受熱管の温度が熱媒体の温度に比べて十分に高くなっている必要がある。しかしながら、上述の構成では、往路受熱管の上流端（導入側のヘッダ付近）と、復路受熱管の下流端（導出側のヘッダ付近）とが近接配置されることになる。この場合、往路受熱管の上流端と復路受熱管の下流端との間では温度差が大きいため、復路受熱管から往路受熱管に向けて熱が放射されやすくなる。その結果、復路受熱管の温度上昇が妨げられ、復路受熱管と熱媒体との熱交換の効率が低下するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、熱交換受熱管に作用する曲げ応力を低減するとともに、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる太陽光集光受熱器及び太陽熱発電装置の提供を目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明では、熱媒体が流通するとともに太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する受熱部を備えた太陽光集光受熱器であって、前記受熱部は、太陽光線を受光する複数の熱交換受熱管と、前記複数の熱交換受熱管における前記熱媒体の流通方向上流端が連結され、前記複数の熱交換受熱管に向けて前記熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダと、前記複数の熱交換受熱管における前記熱媒体の流通方向下流端が連結され、前記複数の熱交換受熱管から前記熱媒体が導出される熱媒体導出ヘッダとを備え、前記熱媒体導入ヘッダは前記複数の熱交換受熱管に対して鉛直方向下方に配置される一方、前記熱媒体導出ヘッダは前記複数の熱交換受熱管に対して鉛直方向上方に配置され、前記複数の熱交換受熱管は、上流端から下流端に至る前記熱交換受熱管の延在方向が鉛直方向に沿って配列されていることを特徴とする。

そして、このような構成の太陽光集光受熱器では、熱交換受熱管が鉛直方向に沿って配列されているため、熱交換受熱管の自重による応力と熱交換受熱管の延在方向とが一致することになる。そのため、熱交換受熱管に作用する曲げ応力を低減して、熱交換受熱管の変形等を抑制することができる。この場合、従来のように熱交換受熱管を太陽光線に向けて傾斜配置する構成に比べて、熱交換受熱管の強度を確保するための構成を追加する必要もないので、構成の簡素化や製造コストの低下が可能になる。
しかも、本発明の構成によれば、熱交換受熱管の下端に熱媒体導入ヘッダが配置されるとともに、上端に熱媒体導出ヘッダが配置されているため、両ヘッダが熱交換受熱管を間に挟んで離間配置されることになる。すなわち、熱媒体導出ヘッダの周囲に熱媒体導入ヘッダ等の低熱源が配置されることがないので、熱媒体導出ヘッダからの不要な放射を抑制することができる。よって、太陽光線によって受熱部の温度を安定して上昇させることができるので、受熱部で得た熱エネルギーを熱媒体に効率的に伝達することができる。したがって、熱効率の高い太陽光集光受熱器を提供することができる。

また、本発明の太陽光集光受熱器では、地上から立設されたタワー部上に設置され、前記受熱部のうち少なくとも前記熱交換受熱管が収容されたケーシングを備え、前記ケーシングは、軸方向が鉛直方向に沿うように配置された有底筒状に形成されるとともに、前記ケーシングの周壁における内面に沿って前記複数の熱交換受熱管が配列され、前記ケーシングには下方に向けて開口する開口部が形成され、前記ケーシングは、前記タワー部の周囲を取り囲むように配置されたヘリオスタットで集光される太陽光線を、前記開口部から受け入れることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱器では、ケーシングの開口部が下方に向けて開口しているため、タワー部の周囲に配置されたヘリオスタットから均一に太陽光線を取り込むことができる。そのため、ケーシング内に配置された熱交換受熱管で太陽光線を安定して受光することができ、熱交換受熱管で得た熱エネルギーを効率的に熱媒体に伝達することができる。

また、本発明の太陽光集光受熱器では、地上から立設されたタワー部上に設置され、前記受熱部のうち少なくとも前記熱交換受熱管が収容されたケーシングを備え、前記ケーシングは、軸方向が鉛直方向に沿うように配置された平面視円弧状の背面部と、前記背面部の前方を覆う前面部と、前記前面部の下端部に形成された開口部とを備え、前記背面部には、内面に沿って前記複数の熱交換受熱管が配列され、前記ケーシングは、前記タワー部の前方に所定角度範囲で配置されたヘリオスタットで集光される太陽光線を、前記開口部から受け入れることを特徴とする。
上述したタワー部の周囲を取り囲むようにヘリオスタットが配置される、いわゆる全周配置方式の太陽光集光受熱器では、実際の設備の立地条件によっては、ヘリオスタットの入反射角度の大小による鏡の有効面積が大きく異なり、一部の方角からの太陽光線を取り込むことが困難になる。
このような場合に、本発明の構成のように、タワー部の前方に所定角度範囲でヘリオスタットを集中配置するとともに、ケーシングの前面部に太陽光線を取り込む開口部を形成することで、鏡の有効面積を確保できる範囲のみにヘリオスタットが配置されることになる。その結果、ヘリオスタットの設備コストを低減した上で、安定した集光効率を実現することができる。

また、本発明の太陽光集光受熱器では、前記ケーシングの内面には、断熱材が配置されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱器では、ケーシング内の熱エネルギーが、ケーシングの壁面から外部に向けて放射されることを抑制することができる。

また、本発明の太陽熱発電装置では、上記本発明の太陽光集光受熱器と、前記太陽光集光受熱器で加熱される前記熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットとを備え、前記ガスタービンユニットは、前記熱媒体を前記熱媒体導入ヘッダに送り込む圧縮機と、前記熱媒体導出ヘッダから導出される前記熱媒体が供給されるタービンと、前記タービンの駆動力を電力へと変換する発電機とを備えていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽熱発電装置では、上記本発明の太陽光集光受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行うため、発電効率に優れた太陽熱発電装置を提供することができる。

また、本発明の太陽熱発電装置では、前記ガスタービンユニットは、前記太陽光集光受熱器とともに前記タワー部上に設置されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽熱発電装置では、ガスタービンユニットと太陽光集光受熱器とが、ともにタワー部上に設置されているため、メンテナンス性を向上させることができる。

また、本発明の太陽熱発電装置では、前記圧縮機と前記熱媒体導入ヘッダとの間には、前記圧縮機から前記熱媒体導入ヘッダに向けて送り込まれる前記熱媒体と、前記タービンから排出される排出ガスとの間で熱交換を行うための再生熱交換器が設けられていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽熱発電装置では、熱媒体を熱媒体導入ヘッダに導入する前段で予備加熱することができるので、タービンに向けて高温の熱媒体を供給することができる。その結果、太陽熱発電装置の発電効率の更なる向上を図ることができる。しかも、再生熱交換器では、タービンで発電に供された排出ガスを有効利用することができるので、別途で熱源を用意することがなく、構成の簡素化及び設備コストの低減を図ることができる。

本発明の太陽光集光受熱器では、熱交換受熱管が鉛直方向に沿って配列されているため、熱交換受熱管の自重による応力と熱交換受熱管の延在方向とが一致することになる。そのため、熱交換受熱管に作用する曲げ応力を低減して、熱交換受熱管の変形等を抑制することができる。この場合、従来のように熱交換受熱管を太陽光線に向けて傾斜配置する構成に比べて、熱交換受熱管の強度を確保するための構成を追加する必要もないので、構成の簡素化や製造コストの低下が可能になる。
しかも、本発明の構成によれば、熱交換受熱管の下端に熱媒体導入ヘッダが配置されるとともに、上端に熱媒体導出ヘッダが配置されているため、両ヘッダが熱交換受熱管を間に挟んで離間配置されることになる。すなわち、熱媒体導出ヘッダの周囲に熱媒体導入ヘッダ等の低熱源が配置されることがないので、熱媒体導出ヘッダからの不要な放射を抑制することができる。よって、太陽光線によって受熱部の温度を安定して上昇させることができるので、受熱部で得た熱エネルギーを熱媒体に効率的に伝達することができる。したがって、熱効率の高い太陽光集光受熱器を提供することができる。
また、本発明の太陽熱発電装置では、上記本発明の太陽光集光受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行うため、発電効率に優れた太陽熱発電装置を提供することができる。

第１実施形態における全周配置方式の発電装置を側面から見た図である。 第１実施形態における全周配置方式の発電装置を上面から見た図である。 第１実施形態における発電装置の全体構成を示す図であって、（ａ）は発電装置を上面から見た断面図、（ｂ）は側面から見た断面図である。 第１実施形態における集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。 第１実施形態における受熱部の斜視図である。 図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図６の矢印Ｂから見た斜視図である。 全周配置方式の発電装置と、片側配置方式の発電装置との集光効率を比較するグラフである。 第２実施形態における片側配置方式の発電装置を側面から見た図である。 第２実施形態における発電装置の概略構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 従来の太陽光集光受熱器を示す図であり、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、本発明の太陽光集光受熱器と、太陽光集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（以下、発電装置という）を例にして説明する。
（第１実施形態）
（発電装置）
図１，２は、ヘリオスタットと、タワー上の発電装置との位置関係を示す説明図であり、図１は側面図、図２は平面図を示している。なお、地球上で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。そこで、まず第１実施形態の発電装置では、特に亜熱帯高圧帯の中における低緯度地域に配置される全周配置方式の発電装置について説明する。
図１において、符号１で示すものは、グランドＧに設けられたヘリオスタットフィールドである。このヘリオスタットフィールド１上には、太陽光線を反射するための複数のヘリオスタット２が配置され、また、ヘリオスタットフィールド１の中央部には、ヘリオスタット２で導かれた太陽光線（図１中矢印Ｈ１，Ｈ２）を受けるタワー状の発電装置１００が設けられている。すなわち、ヘリオスタット２は、発電装置１００の約３６０度全周を囲むように配置されている（図２参照）。

発電装置１００は、グランドＧに立設されたタワー部３と、タワー部３上に設置されたハウジング１２と、ハウジング１２内に収納された集光受熱器（太陽光集光受熱器）１０及びガスタービンユニット１１とを備えている。
ハウジング１２は、軸方向と鉛直方向とが一致した状態で配置された有底筒状のものであり、上面は閉塞される一方、下面における径方向中央部には、グランドＧに向けて開口する開口部１５が形成されている。また、ハウジング１２内には、軸方向における上部と下部とを仕切る仕切壁１６が設けられており、仕切壁１６で仕切られた上部空間はガスタービンユニット１１が配置されたタービン室１７、下部空間は集光受熱器１０が配置された集光室１８として構成されている。

タワー部３は、グランドＧからハウジング１２の下面に向かって立設された複数（例えば、４本）の支柱２１を備えている。これら支柱２１は、ハウジング１２の下面における外周側に周方向に沿って等間隔に連結されている。なお、図２に示すように、各支柱２１の対角線の延長線上にはヘリオスタット２が配列されていない。これは、ヘリオスタット２で反射された太陽光線の光路上に支柱２１が配置されていると、太陽光線が各支柱２１で遮られ、集光受熱器１０内に太陽光線を取り込むことが難しいためである。このように、各支柱２１同士の対角線を避けるようにヘリオスタット２を配置することで、ヘリオスタット２を無駄に設置する必要がなくなるため、設備コストの低減を図ることができる。
また、タワー部３は、各支柱２１間を架け渡すように連結された梁部２２を備えている。これら梁部２２は、ヘリオスタット２で反射されて集光受熱器１０に入射する太陽光線の光路上には配置されないようになっている。すなわち、本実施形態では、梁部２２は、支柱２１の鉛直方向下側において各支柱２１間を連結している。

（ガスタービンユニット）
図３の（ａ）は発電装置を上面から見た断面図、（ｂ）は側面から見た断面図である。
図３に示すように、ガスタービンユニット１１は、ハウジング１２のタービン室１７内に収納されており、圧縮機２３及びタービン２４からなるガスタービン２５と、吸気フィルター２６と、再生熱交換器２７と、発電機２８とを主に備えている。

ガスタービン２５は、減速機３１を介して発電機２８に連結された回転可能なロータ３０を備え、このロータ３０に対して同軸上に配置されるように圧縮機２３及びタービン２４が取り付けられている。
圧縮機２３は、ハウジング１２の外部に設けられた図示しない供給源から空気供給路３５を流通して供給される空気を、ハウジング１２の空気取込口２９から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成するものである。圧縮機２３には、圧縮機２３で圧縮された圧縮空気が集光受熱器１０の上流端に向けて流通する受熱器供給路３２が接続されている（図４中矢印Ｆ１参照）。そして、集光受熱器１０で加熱された圧縮空気は、集光受熱器１０の下流端に接続されたタービン供給路３３を通ってタービン２４に供給されるようになっている（図４中矢印Ｆ２参照）。
タービン２４は、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーをロータ３０の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させるものである。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力されることで、発電が行われるようになっている。そして、タービン２４内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなって空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。

吸気フィルター２６は、空気供給路３５上における供給源と圧縮機２３との間に配置され、供給源から供給される空気中に含まれる塵埃等を圧縮機２３に供給される前段で除去するためのものである。
また、再生熱交換器２７には、受熱器供給路３２と空気排出路３４とが接続されており、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気と、空気排出路３４内を流通する排出ガスとの間で熱交換を行い、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気が集光受熱器１０に供給される前段で予備加熱されるようになっている。

（集光受熱器）
図４は、集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。
図３，４に示すように、集光受熱器１０は、ハウジング１２の集光室１８に収納されており、ケーシングとなる受熱器本体４１と、圧縮機２３から送り込まれる圧縮空気が流通する受熱部４２とを備えている。
受熱器本体４１は、軸方向がハウジング１２の軸方向に一致した状態で配置された有底筒状のものであり、上部は天板部４３により閉塞される一方、下部にはグランドＧに向けて開口する開口部４４が形成されている。そして、受熱器本体４１の天板部４３と仕切壁１６とは、複数のフック部材４５（図３（ｂ）参照）により連結されており、これらフック部材４５により受熱器本体４１は仕切壁１６から吊り下げられた状態で集光室１８内に収納されている。なお、後述するがフック部材４５の下端部は受熱器本体４１を貫通しており、受熱部４２にも連結されている。すなわち、集光受熱器１０の受熱器本体４１及び受熱部４２は、ともに同一のフック部材４５により支持されている。

受熱器本体４１の開口部４４の端面位置は、ハウジング１２の下面に対して鉛直方向において同位置に配置されており、ヘリオスタット２で反射された太陽光線は、開口部４４から受熱器本体４１内に取り込まれるようになっている。また、受熱器本体４１の下部には、開口部４４（下方）に向かって内径が漸次縮小するテーパ部４６が形成されている。

また、受熱器本体４１の内壁面には、全域に亘って断熱材４７（図４参照）が取り付けられている。これにより、受熱器本体４１内の熱エネルギーが、受熱器本体４１の壁面から外部に向けて放射されることを抑制することができる。なお、断熱材４７の表面に太陽光線を反射させるための反射板を設ける構成にしても構わない。

図５は受熱部の斜視図である。
図３〜５に示すように、受熱部４２は、複数の受熱管５１と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向上流端がまとめて接続された低温側ヘッダ（熱媒体導入ヘッダ）５２と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向下流端がまとめて接続された高温側ヘッダ（熱媒体導出ヘッダ）５３とを備えている。
低温側ヘッダ５２は、受熱器本体４１のテーパ部４６を囲むように配置された環状の部材であり、その外周面には圧縮機２３と受熱部４２との間を接続する複数の受熱器供給路３２が設けられている。受熱器供給路３２は、低温側ヘッダ５２の周方向に沿って等間隔に配置されており、受熱器供給路３２から低温側ヘッダ５２内に供給された圧縮空気が低温側ヘッダ５２の全域に行き渡るようになっている。このように、低温側ヘッダ５２が受熱器本体４１の外部に配置されているので、低温側ヘッダ５２の材料として耐熱性の高い材料を用いる必要がない。そのため、装置コストの低減を図ることができる。

高温側ヘッダ５３は、受熱器本体４１内において天板部４３の外周側に沿って配置された環状の部材である。この場合、高温側ヘッダ５３の外周面と断熱材４７の内面とは接触しておらず、両者間に間隙を空けた状態で配置されている。高温ヘッダ５３の内周側には、径方向中心に向かって延出する複数（例えば、４本）の流出管５５が周方向に沿って等間隔に形成されている。これら流出管５５は、高温側ヘッダ５３の径方向中心で集合してタービン供給路３３を構成している。そして、タービン供給路３３は、天板部４３及び仕切壁１６を鉛直方向に沿って貫通してタービン室１７内を望むように延出しており、その下流端でタービン２４に接続されている。なお、高温側ヘッダ５３には、上述した複数のフック部材４５が連結されており、これにより受熱部４２が仕切壁１６に吊り下げ支持されている。

図６は図３（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図７は図６の矢印Ｂから見た斜視図である。
ここで、図４〜７に示すように、受熱管５１は、その軸方向が鉛直方向に一致するように配置された部材であり、受熱器本体４１の周壁における内壁面に沿って周方向全周に亘って複数配列されている。すなわち、各受熱管５１は所定間隔を空けた状態で互いに平行に配列されており、その外周面における径方向内側の面が開口部４４から集光された太陽光線を直接受光する受光面を構成している。各受熱管５１の下端部（上流端）は、テーパ部４６を貫通して低温側ヘッダ５２の上部にそれぞれ接続される一方、上端部（下流端）は受熱器本体４１内で高温側ヘッダ５３の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温ヘッダ５２を流通する圧縮空気は各受熱管５１内に分散され、各受熱管５１内で加熱された後、再び高温ヘッダ５３で集合するようになっている。

図６に示すように、各受熱管５１は、受熱器本体４１の周方向において隣接する受熱管５１との間に間隔を空けた状態で、所定の管ピッチ（配列ピッチ）Ｐ毎に配列されている。なお、管ピッチＰとは、受熱器本体４１の周方向において、隣接する受熱管５１の中心軸（例えば、Ｏ１，Ｏ２）間の距離である。
また、受熱管５１の非受光面（受熱管５１における断熱材４７に対向する外周面）は、断熱材４７の内面に接触しておらず所定距離を空けた状態で配置されている。この場合、受熱器本体４１の径方向において、断熱材４７の内面から各受熱管５１の中心軸（例えば、Ｏ１，Ｏ２）までの距離は、Ｌに設定されている。この場合、各受熱管５１は、それぞれの中心軸が断熱材４７の内面からの距離Ｌの周上に配置されるように環状に配列されている。

（太陽光集光受光システムの動作方法）
次に、上述した発電装置の動作方法について説明する。
まず、図３に示すように、発電機２８が作動し、減速機３１を介してロータ３０が回転し始めると、供給源に貯留された空気が空気取込口２９から空気供給路３５内を流入し、吸気フィルター２６を通って圧縮機２３内に流入する。圧縮機２３に流入した空気は圧縮機２３内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱器供給路３２に流出し、受熱器供給路３２から受熱部４２の低温側ヘッダ５２内に供給される（図４中矢印Ｆ１参照）。

図４に示すように、低温側ヘッダ５２内に供給された圧縮空気は、低温側ヘッダ５２内を周方向全域に行き渡った後、低温側ヘッダ５２の周方向全周に亘って接続された各受熱管５１内に流入する。

一方、ヘリオスタット２に入射した太陽光線は、ヘリオスタット２で反射された後、受熱器本体４１の開口部４４から受熱器本体４１内に入射する。受熱器本体４１に入射した太陽光線は、受熱管５１の受光面で受光され、受熱管５１を加熱する。具体的には、図１に示すように、集光受熱器１０に最も近い最近点に位置するヘリオスタット２からの太陽光線（図１中矢印Ｈ１参照）は受熱管５１の上部（下流側）を照射し、また、集光受熱器１０から最も遠い最遠点に位置するヘリオスタット２からの太陽光線（図１中矢印Ｈ２参照）が受熱管５１の下部（上流側）を照射するようになっている。

これにより、受熱管５１が加熱されるとともに、加熱された受熱管５１と受熱管５１内を流通する圧縮空気との間で熱交換が行われる。その結果、圧縮空気は受熱管５１内を流通する間に高温となる。なお、受熱管５１が得た熱エネルギーは、受熱管５１の内部に放射される一方、受熱管５１の外部（受熱器本体４１内）にも放射される。この場合、受熱器本体４１の内壁面には断熱材４７が設けられているため、受熱器本体４１内で発生した熱エネルギーは受熱器本体４１の壁面まで伝達されることはなく、受熱器本体４１内に滞留することになる。そして、この滞留した熱エネルギーが受熱管５１の受光面以外の面（断熱材４７に対向する面）に対して放射される。
また、本実施形態において隣接する受熱管５１同士は、所定距離を空けた状態で配置されているので、受熱器本体４１内に入射した太陽光線は、隣接する受熱管５１の間を通過して直接断熱材４７の内面に到達する場合もある。この場合、断熱材４７に照射された太陽光線は受熱器本体４１内で熱エネルギーとなり、受熱器本体４１内に滞留する。そして、滞留した熱エネルギーが受熱管５１の受光面以外の面に対しても熱が放射される。
したがって、受熱管５１を周方向全域に亘って均一に加熱することができる。

そして、受熱管５１の下流端まで到達した圧縮空気は、高温の圧縮空気となって高温側ヘッダ５３内に流入する。すなわち、各受熱管５１で加熱された圧縮空気は、高温側ヘッダ５３内で集合された後、流出管５５を通ってタービン供給路３３内に流入する。
タービン供給路３３内に流入した圧縮空気は、タービン供給路３３内を鉛直方向上方に向かって流通し（図４中矢印Ｆ２参照）、タービン２４内に流入してタービン２４を駆動させる。これにより、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータ３０の回転エネルギーに変換され、タービン２４に駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力され、発電が行われるようになっている。

タービン２４内を流通した圧縮空気は排出ガスとなり、空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。空気排出路３４を流通する排出ガスは、再生熱交換器２７内に供給され、上述した圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気との間で熱交換を行った後、外部に排出されるようになっている。このように、再生熱交換器２７において、圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気を受熱部４２に供給する前段で予備加熱しておくことで、タービン２４に供給される圧縮空気の温度をより高温に設定することができる。その結果、発電装置１００の発電効率の更なる向上を図ることができる。しかも、再生熱交換器２７では、タービン２４で発電に供された排出ガスを有効利用することができるので、別途で熱源を用意することがなく、構成の簡素化及び設備コストの低減を図ることができる。

このように、本実施形態では、複数の受熱管５１の延在方向が鉛直方向に沿って配列されている構成とした。
この構成によれば、受熱管５１が鉛直方向に沿って配列されているため、受熱管５１の自重による応力と受熱管５１の延在方向とが一致することになる。そのため、受熱管５１に作用する曲げ応力を低減して、受熱管５１の変形等を抑制することができる。この場合、従来のように受熱管を太陽光線に向けて傾斜配置する構成に比べて、受熱管５１の強度を確保するための構成を追加する必要もないので、構成の簡素化や製造コストの低下が可能になる。
しかも、受熱管５１の下端に低温側ヘッダ５２が配置されるとともに、上端に高温側ヘッダ５３が配置されているため、両ヘッダ５２，５３が受熱管５１を間に挟んで離間配置されることになる。すなわち、高温側ヘッダ５３の周囲に低温側ヘッダ５２等の低熱源が配置されることがないので、高温側ヘッダ５３からの熱エネルギーの不要な放射を抑制することができる。よって、太陽光線によって受熱部４２の温度を安定して上昇させることができるので、受熱部４２で得た熱エネルギーを圧縮空気に効率的に伝達することができる。したがって熱効率の高い太陽光集光受熱器１０を提供することができる。

また、受熱器本体４１の開口部４４が鉛直方向下方に向けて開口しているため、タワー部３の周囲に配置されたヘリオスタット２から均一に太陽光線を取り込むことができる。そのため、受熱器本体４１内に配置された受熱管５１で太陽光線を安定して受光することができ、受熱管５１で得た熱エネルギーを効率的に圧縮空気に伝達することができる。

そして、本実施形態の発電装置１００では、集光受熱器１０により加熱された圧縮空気を用いて発電を行うため、発電効率に優れた発電装置１００を提供することができる。
また、ガスタービンユニット１１と集光受熱器１０とが、ともにタワー部３上に設置されているため、メンテナンス性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
上述した第１実施形態では、ヘリオスタット２が発電装置の全周に配置された全周配置方式の発電装置１００について説明した。全周配置方式の発電装置１００では、実際の設備の立地条件によっては、ヘリオスタット２の入反射角度の大小による鏡の有効面積がタワー部３の南北で大きく異なり、片側で悪くなるという現象が発生する。
このため、実際の太陽の高度変化に対応して、ヘリオスタット２の有効面積が大きく取れる側にヘリオスタット２を集中配置する、片側配置方式と呼称される発電装置２００（図９参照）が用いられる場合がある。

図８は、全周配置方式の発電装置と、片側配置方式の発電装置との集光効率を比較するグラフであり、横軸に緯度（度）、縦軸に効率（％）を示している。なお、図中実線は片側配置方式の発電装置を示しており、破線は全周配置方式の発電装置を示している。また、「片側開口」及び「全周開口」とは、太陽光線により受熱器本体内で得られる全体熱エネルギーに対する有効熱エネルギーの割合（全体熱エネルギーと開口部から放射される熱エネルギー（放熱損失）との差）を示し、「片側集光」及び「全周集光」とは、ヘリオスタット２に入射する太陽光線に対する受熱器本体内に入射する太陽光線の割合を示している。また、図８では、片側配置方式と全周配置方式とで集光受熱器の高さ（開口部の高さ）及び、太陽高度を同等に設定している。

図８に示すように、低緯度地域（緯度が約１５度程度の地域）においては、片側集光の割合に比べて全周集光の割合は低くなっているが、片側開口に比べて全周開口の割合が高くなっているため、総合的（全周総合及び片側総合）には全周配置方式の発電装置１００（全周総合）の集光効率が高いことがわかる。
一方、高緯度地域（緯度が約２０度以上の領域）においては、全周総合の割合に比べて片側総合の割合が高くなっていることがわかる。すなわち、高緯度になるにつれ太陽高度が低くなるため、一部の方角（例えば、北半球の場合は南側）における太陽光の集光効率が低下するという傾向がある。これは、全周配置方式では、太陽高度が低くなるにつれコサイン効率の低下や、ブロッキングロスの増加に繋がり易いためであると考えられる。なお、コサイン効率とは、ヘリオスタット２に入射する太陽光線の光量に対して、ヘリオスタット２で反射して受熱器本体の開口部に入射する光量の割合を示しており、開口部に入射する入射角が大きくなるにつれ開口部内に入射する光量が減少することを指している。また、ブロッキングロスとは、ヘリオスタット２に入射する太陽光線の光量に対して、ヘリオスタット２で反射されて受熱器本体内に入射する前に周囲のヘリオスタット２によって遮られる太陽光線の光量の割合を示している。そのため、低緯度地域と高緯度地域とでの太陽高度に応じて、全周配置方式の発電装置１００と、片側配置方式の発電装置２００とを使い分けることが好ましい。

そこで、本発明の第２実施形態では、発電装置の片側だけにヘリオスタット２が集中配置された片側型の発電装置２００の構成について説明する。図９は、ヘリオスタットと、タワー上の発電装置との位置関係を示す説明図である。また、図１０は発電装置の概略構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。なお、以下の説明では上述した第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

図９，１０に示すように、ヘリオスタットフィールド１上には、太陽光線を反射するための複数のヘリオスタット２が配置され、また、ヘリオスタットフィールド１の南端（図９中左側）には、ヘリオスタット２で導かれた太陽光線を受けるタワー状の発電装置２００が設けられている。

図１０に示すように、発電装置２００は、グランドＧに立設されたタワー部３と、タワー部３上に設置された支持部２０１と、支持部２０１に固定された集光受熱器（太陽光集光受熱器）２１０及びガスタービンユニット１１とを備えている。
支持部２０１は、タワー部３の上端部においてグランドＧと平行に延在する平板状のものであり、支持部２０１の上面には、ガスタービンユニット１１のうち、上述したガスタービン２５や吸気フィルター２６等を含むＧＴパッケージ２０２が設置されている。一方、支持部２０１の下面側には、ガスタービンユニット１１のうち、再生熱交換器２７が設置されている。

支持部２０１における太陽光線の入射方向上流側（図１０中左側）には、平面視円弧状に形成された円弧部２０３が設けられ、円弧部２０３の内面側に集光受熱器２１０が固定されている。
集光受熱器２１０は、ケーシングとなる受熱器本体２４１と、受熱器本体２４１内の太陽光線入射方向（図９中矢印Ｈ１，Ｈ２方向）の下流側に設けられた受熱部２４２とを備えている。

受熱器本体２４１は、平面視円弧状のものであり、円弧部２０３の内面と同等の曲率半径を有する背面部２２１と、背面部２２１に対向配置され、上方から下方にかけて前方（図１０中左側）に向けて傾斜する前面部２２２と、背面部２２１の下端側に形成され、上方から下方にかけて前方に向けて傾斜する傾斜部２２３とを備えている。前面部２２２と背面部２２１の下端位置は、鉛直方向における同位置に位置しており、これにより背面部２２１の下端部と傾斜部２２３の下端部との間には、受熱器本体２４１内に太陽光線を取り込むための開口部２２４が形成されている。この開口部２２４は、ヘリオスタット２に対向するように、受熱器本体２４１の斜め前方（北半球の場合は北側）に向けて開口している。なお、図示しないが受熱器本体２４１の内面全域には断熱材が取り付けられている。

受熱部２４２は、上述した第１実施形態と同様に、複数の受熱管５１と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向上流端がまとめて接続された低温側ヘッダ５２と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向下流端がまとめて接続された高温側ヘッダ５３とを備えている。
低温側ヘッダ５２は、背面部２２１の外部において、傾斜部２２３の基端側の外面に沿って延在する円弧状の部材であり、再生熱交換器２７と受熱部２４２との間を接続する受熱器供給路３２が設けられている。

高温側ヘッダ５３は、背面部２２１（断熱材）の上部において、背面部２２１の内面に沿って延在する円弧状の部材であり、ＧＴパッケージ２０２のタービン２４（図３参照）と高温側ヘッダ５３との間を接続するタービン供給路３３が接続されている。
受熱管５１は、その軸方向が鉛直方向に一致するように配置された部材であり、背面部２２１の内面に沿って複数配列されている。すなわち、各受熱管５１は所定間隔を空けた状態で互いに平行に配列されており、前面側（開口部２２４に向いている面側）が開口部２２４から集光された太陽光線を受光する受光面を構成している。また各受熱管５１の下端部（上流端）は、傾斜部２２３を貫通して低温側ヘッダ５２の上部にそれぞれ接続される一方、上端部（下流端）は受熱器本体２４１内で高温側ヘッダ５３の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温ヘッダ５２を流通する圧縮空気は各受熱管５１内に分散され、各受熱管５１内で加熱された後、再び高温ヘッダ５３で集合するようになっている。

本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、特に高緯度地域において、片側配置方式の発電装置２００を採用することで、鏡の有効面積を確保できる範囲のみにヘリオスタット２が配置されることになる。その結果、ヘリオスタット２の設備コストを低減した上で、安定した集光効率を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、集光受熱器１０で加熱した圧縮空気を作動流体としてタービン２４に供給する場合について説明したが、これに限らず、タービン２４には別途作動流体（例えば、燃焼ガス）を供給し、受熱部４２で加熱された圧縮空気を作動流体との熱交換に用いる構成にしても構わない。
また、集光受熱器とガスタービンユニットとの位置関係は適宜設計変更が可能である。すなわち、ガスタービンユニットの配置位置は、集光受熱器の上方や、後方に限られることはない。

さらに、上述した実施形態では、発電機２８がロータ３０を駆動させるとともに、タービン２４が回転することによって発電を行うオルタネータとしての機能を有している場合について説明したが、これに限らず発電機２８とは別体としてロータ３０を回転させる駆動モータを採用しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、各受熱管５１を管ピッチＰ毎に配置した場合について説明したが、各受熱管５１間の間隔を空けずに配列しても構わない。
また、受熱管５１の外周面を断熱材４７の内面に接触させても構わない。
また、再生熱交換器２７を除いた発電装置としても構わない。

２ ヘリオスタット
３ タワー部
１０，２１０ 集光受熱器（太陽光集光受熱器）
１１ ガスタービンユニット
２３ 圧縮機
２４ タービン
２７ 再生熱交換器
２８ 発電機
４１，２４１ 受熱器本体（ケーシング）
４２，２４２ 受熱部
４４，２２４ 開口部
４７ 断熱材
５１ 受熱管（熱交換受熱管）
５２ 低温側ヘッダ（熱媒体導入ヘッダ）
５３ 高温側ヘッダ（熱媒体導出ヘッダ）
１００，２００ 発電装置（太陽熱発電装置）

Claims (7)

1. 熱媒体が流通するとともに太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する受熱部を備えた太陽光集光受熱器であって、
   前記受熱部は、太陽光線を受光する複数の熱交換受熱管と、
   前記複数の熱交換受熱管における前記熱媒体の流通方向上流端が連結され、前記複数の熱交換受熱管に向けて前記熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダと、
   前記複数の熱交換受熱管における前記熱媒体の流通方向下流端が連結され、前記複数の熱交換受熱管から前記熱媒体が導出される熱媒体導出ヘッダとを備え、
   前記熱媒体導入ヘッダは前記複数の熱交換受熱管に対して鉛直方向下方に配置される一方、前記熱媒体導出ヘッダは前記複数の熱交換受熱管に対して鉛直方向上方に配置され、
   前記複数の熱交換受熱管は、上流端から下流端に至る前記熱交換受熱管の延在方向が鉛直方向に沿って配列されていることを特徴とする太陽光集光受熱器。
2. 地上から立設されたタワー部上に設置され、前記受熱部のうち少なくとも前記熱交換受熱管が収容されたケーシングを備え、
   前記ケーシングは、軸方向が鉛直方向に沿うように配置された有底筒状に形成されるとともに、前記ケーシングの周壁における内面に沿って前記複数の熱交換受熱管が配列され、
   前記ケーシングには下方に向けて開口する開口部が形成され、
   前記ケーシングは、前記タワー部の周囲を取り囲むように配置されたヘリオスタットで集光される太陽光線を、前記開口部から受け入れることを特徴とする請求項１記載の太陽光集光受熱器。
3. 地上から立設されたタワー部上に設置され、前記受熱部のうち少なくとも前記熱交換受熱管が収容されたケーシングを備え、
   前記ケーシングは、軸方向が鉛直方向に沿うように配置された平面視円弧状の背面部と、前記背面部の前方を覆う前面部と、前記前面部の下端部に形成された開口部とを備え、
   前記背面部には、内面に沿って前記複数の熱交換受熱管が配列され、
   前記ケーシングは、前記タワー部の前方に所定角度範囲で配置されたヘリオスタットで集光される太陽光線を、前記開口部から受け入れることを特徴とする請求項１記載の太陽光集光受熱器。
4. 前記ケーシングの内面には、断熱材が配置されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の太陽光集光受熱器。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の太陽光集光受熱器と、
   前記太陽光集光受熱器で加熱される前記熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットとを備え、
   前記ガスタービンユニットは、前記熱媒体を前記熱媒体導入ヘッダに送り込む圧縮機と、
   前記熱媒体導出ヘッダから導出される前記熱媒体が供給されるタービンと、
   前記タービンの駆動力を電力へと変換する発電機とを備えていることを特徴とする太陽熱発電装置。
6. 前記ガスタービンユニットは、前記太陽光集光受熱器とともに前記タワー部上に設置されていることを特徴とする請求項５記載の太陽熱発電装置。
7. 前記圧縮機と前記熱媒体導入ヘッダとの間には、前記圧縮機から前記熱媒体導入ヘッダに向けて送り込まれる前記熱媒体と、前記タービンから排出される排出ガスとの間で熱交換を行うための再生熱交換器が設けられていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の太陽熱発電装置。

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