JP2011007459A - 太陽光集光受熱器及び太陽熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱し、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し、かつ熱交換受熱管の周方向の温度分布を均一化することで、熱交換受熱管で発生する熱応力を低減し、熱交換受熱管の強度を確保するための改善を不要と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】受熱器本体４１の内面には、断熱材４７が配置され、複数の受熱管５１は、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Ｐ毎に配列されるとともに、断熱材４７の内面との間に、所定距離を空けた状態で配置されていることを特徴とする。
【選択図】図６

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１０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湾曲状の集熱体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

しかしながら、上述した特許文献１の構成では、熱交換受熱管３０３の外周面同士が接触するように螺旋状に巻回されているため、集熱体３０４の外面（非受光面３０６）にはヘリオスタットで集光された太陽光線が照射されないことになる。そのため、熱交換受熱管３０３の周方向において、集熱体３０４の受光面３０５と、集熱体３０４の非受光面３０６とで熱交換受熱管３０３の外周面における温度差が大きくなる。
すなわち、熱交換受熱管３０３の周方向における温度が不均一となり、熱交換受熱管３０３内を流通する熱媒体に対して熱エネルギーを効率的に伝達することが難しいという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱し、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、太陽光線を集光する開口部を有するケーシングと、前記ケーシング内に収容され、熱媒体が流通するとともに、前記ケーシング内に集光される太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する複数の熱交換受熱管とを備えた太陽光集光受熱器であって、前記ケーシングの内面には、断熱材が配置され、前記複数の熱交換受熱管は、隣接する前記熱交換受熱管との間に間隔を空けた状態で、所定の配列ピッチ毎に配列されるとともに、前記断熱材の内面との間に、所定距離を空けた状態で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、まず熱交換受熱管はケーシング内に収容されているため、熱交換受熱管の外周面におけるケーシングの内面（断熱材の内面）に対向する領域は、太陽光線が照射されにくい非受光面となる。
ここで、本発明の構成によれば、ケーシング内に集光された太陽光線が、熱交換受熱管の受光面（太陽光線の入射方向に対向する面）に照射されることで熱エネルギーとなって直接、熱交換受熱管が加熱される一方、隣接する受熱管の間を通過して断熱材に照射された太陽光線が、熱エネルギーとなって放射されることで非受光面も加熱されることになる。
したがって、熱交換受熱管の非受光面に対しても熱エネルギーを伝達することができるので、熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱することができる。その結果、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ので、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。

この場合、従来のように熱交換受熱管の外周面同士が接触している構成に比べて、各熱交換受熱管全体の総受熱面積を減少させた上で、従来と同等の熱エネルギーを得ることができるので、熱交換受熱管の設置本数を減少させることができる。その結果、装置の小型軽量化及びコストの低減を図ることができる。さらに、熱交換受熱管の本数減少に伴い、熱交換受熱管の口径を拡大することができるので、熱交換受熱管の施工性及びメンテナンス性を向上させることができる。

また、本発明の太陽光集光受熱器では、前記熱交換受熱管の外径をＤ、前記断熱材の内面から前記熱交換受熱管の中心軸までの距離Ｌとすると、外径Ｄに対する距離Ｌが１．０≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明の構成によれば、距離Ｌを１．０≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲に設定することで、断熱材に照射された太陽光線により発生した熱エネルギーが熱交換受熱管の非受光面に向けて効率的に放射される。したがって、熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱することができる。

また、本発明の太陽光集光受熱器では、前記隣接する熱交換受熱管の中心軸間の距離を配列ピッチＰとすると、配列ピッチＰは、１．０Ｄ＜Ｐ≦２．０Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明の構成によれば、配列ピッチＰを１．０Ｄ＜Ｐ≦２．０Ｄの範囲に設定することで、熱交換受熱管を互いに間隔を有しつつ、好適な密度で配置することができるので、ケーシング内に集光された太陽光線を熱交換受熱管の受光面及び断熱材に向けて効率的に照射することができる。そして、断熱材に照射された太陽光線により発生した熱エネルギーが熱交換受熱管の非受光面に伝達されることで、熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱することができる。

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交換受熱管に送り込む圧縮機と、前記熱交換受熱管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、前記太陽光集光受熱器及び前記ガスタービンユニットは、地上から立設された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交換受熱管との間には、前記圧縮機から前記熱交換受熱管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、熱媒体を熱交換受熱管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、ケーシング内に集光された太陽光線が、熱交換受熱管の受光面（太陽光線の入射方向に対向する面）に照射されることで熱エネルギーとなって直接、熱交換受熱管が加熱される一方、隣接する受熱管の間を通過して断熱材に照射された太陽光線が、熱エネルギーとなって放射されることで非受光面も加熱されることになる。
したがって、熱交換受熱管の非受光面に対しても熱エネルギーを伝達することができるので、熱交換受熱管を周方向全域に亘って均一に加熱することができる。その結果、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ので、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。
この場合、従来のように熱交換受熱管の外周面同士が接触している構成に比べて、各熱交換受熱管全体の総受熱面積を減少させた上で、従来と同等の熱エネルギーを得ることができるので、熱交換受熱管の設置本数を減少させることができる。その結果、装置の小型軽量化及びコストの低減を図ることができる。さらに、熱交換受熱管の本数減少に伴い、熱交換受熱管の口径を拡大することができるので、熱交換受熱管の施工性及び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、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４（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。 断熱材と受熱管との間の距離Ｌ（ｍｍ）に対する形態係数Ｆを示すグラフである。 外径Ｄに対する距離Ｌの割合（Ｌ／Ｄ）に対する形態係数Ｆを示すグラフである。 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。
（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。
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。

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。
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。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。

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毎に互いに平行に配列されている。なお、管ピッチＰとは、隣接する受熱管５１の中心軸（例えば、Ｏ１，Ｏ２）間の距離である。そして、受熱管５１の外周面の周方向において、受熱器本体４１の径方向内側を向いた約１８０度の領域（太陽光線Ｈ１，Ｈ２の入射方向上流側）が、開口部４４から集光された太陽光線の入射方向に対向して太陽光線を直接受光する受光面５１ａを構成している。一方、受熱管５１の径方向外側を向いた約１８０度の領域が、断熱材４７に対向して太陽光線が直接受光されない非受光面５１ｂを構成している。

また、受熱管５１の非受光面５１ｂ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。すなわち、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平面視（軸方向から見て）で環状に配列されている。

（形態係数測定試験）
ここで、本願発明者は、受熱器本体４１内で集光される太陽光線の光量を変えず、受熱管５１の外径Ｄ及び管ピッチＰをそれぞれ変えて、距離Ｌに対する形態係数Ｆを測定する試験を行った。外径Ｄ及び管ピッチＰの各条件は以下の通りである。
受熱管５１の外径Ｄ： ３１ｍｍ
４８．３ｍｍ
７１．６ｍｍ
管ピッチＰ： １．１Ｄ（隙間ピッチ０．１Ｄ）
１．５Ｄ（隙間ピッチ０．５Ｄ）
２．０Ｄ（隙間ピッチ１．０Ｄ）

図８は、断熱材４７と受熱管５１との間の距離Ｌ（ｍｍ）に対する形態係数Ｆを示すグラフである。なお、形態係数Ｆとは、一の面から全空間に放射される熱エネルギーのうち、他の面に入射する熱エネルギーの割合を示す。すなわち、本実施形態では、受熱器本体４１内で集光される太陽光線により発生する熱エネルギーのうち、受熱管５１で得られる熱エネルギーの割合を示すことになる。また、図中の形態係数Ｆの値は、断熱材４７と受熱管５１との間の距離Ｌを変化させた際の極大値（選定点）を示している。

図８に示すように、まず受熱管５１の管ピッチＰを広くするにつれて形態係数Ｆが増加していることがわかる。これは、隣接する受熱管５１同士の間の間隔が拡大することで、受熱器本体４１内で集光された太陽光線が受熱管５１同士の間を通過し易くなる。そして、受熱管５１同士の間を通過した太陽光線が断熱材４７の内面に照射され、受熱器本体４１内で熱エネルギーとなる。これにより、断熱材４７から放射される熱エネルギーが増加することで、受熱管５１の非受光面５１ｂに到達する熱エネルギーが増加し、受熱管５１の周方向全域が加熱されるためであると考えられる。

これに対して、管ピッチＰを１．０Ｄに設定すると、上述したように受熱管５１の外周面同士が接触することになり、断熱材４７に太陽光線が照射されず、熱エネルギーは受光面５１ａからしか得られなくなる。その結果、非受光面５１ｂに熱エネルギーが伝達され難くなり、受熱管５１の周方向における温度が不均一となるため好ましくない。
一方、管ピッチＰを拡大し過ぎると、所望の熱エネルギーを得るために必要な本数の受熱管５１を受熱器本体４１内に配置することが難しくなるため好ましくない。

以上の結果から、本実施形態において、受熱管５１の管ピッチＰは、１．０Ｄ＜Ｐ≦２．０Ｄの範囲に設定することが好ましい。この場合、隣接する受熱管５１間の隙間ピッチＱは、０＜Ｑ≦１．０Ｄとなる。これにより、受熱管５１を互いに間隔を有しつつ、好適な密度で配置することができるので、受熱器本体４１内に集光された太陽光線を受熱管５１の受光面５１ａ及び断熱材４７に向けて効率的に照射することができる。そして、断熱材４７に照射された太陽光線により発生した熱エネルギーを受熱管５１の非受光面５１ｂに伝達することで、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。

また、図８に示すように、断熱材４７と受熱管５１との距離Ｌを拡大するにつれ、始めは形態係数Ｆが増加傾向にある。これは、断熱材４７と受熱管５１とを離間配置することにより、断熱材４７から放射される熱エネルギーが受熱管５１の非受光面５１ｂに向けて効率的に放射されるためである。
そして、さらに距離Ｌを拡大するにつれ、形態係数Ｆは極大値を迎え、その後極大値を越えると距離Ｌを拡大するにつれ形態係数Ｆが減少傾向になることがわかる。
これは、断熱材４７と受熱管５１とを離し過ぎると、受熱管５１の設置可能本数が少なくなって受光面５１ａで直接受熱することが可能な面積が小さくなるとともに、断熱材４７から放射される熱を非受光面５１ｂで受熱することが可能な面積も小さくなるからであると考えられる。

図９は、外径Ｄに対する距離Ｌの割合（Ｌ／Ｄ）に対する形態係数Ｆを示すグラフである。
図９に示すように、上述した試験結果に基づいて外径Ｄと距離Ｌとの関係を無次元化すると、外径Ｄに対する距離Ｌの割合Ｌ／Ｄは、管ピッチＰに関わらず１．０≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲に設定することが好ましい。さらに、極大値に対して９０％程度の形態係数Ｆが得られる範囲に設定することがより好ましい。具体的に、管ピッチＰ毎にＬ／Ｄの範囲を設定すると、管ピッチＰが１．１Ｄの場合には１．０≦Ｌ／Ｄ≦２．０、管ピッチＰが１．５Ｄの場合に１．２≦Ｌ／Ｄ≦２．２、管ピッチＰが２．０の場合に１．５≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲に設定することが好ましい。

（発電装置の動作方法）
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のうち、受熱管５１の受光面５１ａで受光される太陽光線は熱エネルギーとなって受熱管５１を直接加熱する。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（符号Ｈ１で示す）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（符号Ｈ２で示す）が受熱管５１の下部（上流側）を照射するようになっている。

また、受熱器本体４１に入射した太陽光線のうち、各受熱管５１の間を通過した太陽光線は、断熱材４７の内面に照射されて受熱器本体４１内で熱エネルギーとなる。この場合、受熱器本体４１の内面は、断熱材４７によって断熱されているので、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内に放射される。そして、受熱管５１は断熱材４７の内面との間に、距離Ｌを空けた状態で配置されているので、断熱材４７の内面から受熱器本体４１内に放射される熱エネルギーは受熱管５１における非受光面５１ｂに伝達され、受熱管５１を加熱するようになっている。

そして、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、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。この場合も、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内で熱エネルギーが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に対して放射される。
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ので、太陽光線からの熱エネルギーを圧縮空気に対して効率的に伝達することができる。

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、断熱材４７の内面に沿って受熱管５１を管ピッチＰ毎に配列するとともに、断熱材４７の内面との間に距離Ｌを空けて受熱管５１を配置する構成とした。
この構成によれば、受熱器本体４１内に集光された太陽光線が、受熱管５１の受光面５１ａに照射されることで熱エネルギーとなって直接受熱管５１が加熱される一方、隣接する受熱管５１の間を通過して断熱材４７に照射された太陽光線が熱エネルギーとなって放射されることで、非受光面５１ｂを加熱されることになる。
したがって、太陽光線を直接受光し難い受熱管５１の非受光面５１ｂに対しても熱エネルギーを伝達することができるので、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。その結果、太陽光線からの熱エネルギーを圧縮空気に対して効率的に伝達することができるので、熱効率の高い集光受熱器１０を提供することができる。

この場合、従来のように受熱管５１の外周面同士が接触している構成に比べて、各受熱管５１全体の総受熱面積（受熱部４２の受熱面積）を減少させた上で、従来と同等の熱エネルギーを得ることができるので、受熱管５１の設置本数を減少することができる。その結果、集光受熱器１０の小型軽量化及びコストの低減を図ることができる。さらに、受熱管５１の設置本数の減少に伴い、受熱管５１の口径を拡大することができるので、受熱管５１の施工性及びメンテナンス性を向上させることができる。

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。また、集光受熱器１０とガスタービンユニット１１が互いに近接して配置されることで、集光受熱器１０で加熱された圧縮空気を温度が低下してしまうことなくタービン２４に供給することができ、さらに発電効率を高めることができる。

ところで、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、複数の受熱管を平行に配列するとともに、これら受熱管の延在方向（軸方向）をグランド面に対して傾斜配置する構成も考えられる。
しかしながら、この構成では、受熱管に自重により作用する応力と、受熱管の延在方向とが一致せず、受熱管に作用する曲げ応力が大きくなる。この場合、太陽光線により受熱管が加熱されて高温になると、曲げ応力によって受熱管が変形する虞がある。そのため、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、受熱管を折り返し構造にすることも考えられる。
ここで、熱媒体が受熱管から効率的に熱エネルギーを得るためには、受熱管の温度が圧縮空気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、折り返し構造の受熱管では、往路受熱管の上流端（低温側ヘッダ付近）と、復路受熱管の下流端（高温側ヘッダ付近）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。

これに対して、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。

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とは別体でロータ３０を回転させる駆動モータを採用しても構わない。
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。

１０ 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 受熱器本体（ケーシング）
４７ 断熱材
５１ 受熱管（熱交換受熱管）
１００ 発電装置（太陽熱発電装置）

Claims (6)

1. 太陽光線を集光する開口部を有するケーシングと、
   前記ケーシング内に収容され、熱媒体が流通するとともに、前記ケーシング内に集光される太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する複数の熱交換受熱管とを備えた太陽光集光受熱器であって、
   前記ケーシングの内面には、断熱材が配置され、
   前記複数の熱交換受熱管は、隣接する前記熱交換受熱管との間に間隔を空けた状態で、所定の配列ピッチ毎に配列されるとともに、前記断熱材の内面との間に、所定距離を空けた状態で配置されていることを特徴とする太陽光集光受熱器。
2. 前記熱交換受熱管の外径をＤ、前記断熱材の内面から前記熱交換受熱管の中心軸までの距離Ｌとすると、
   外径Ｄに対する距離Ｌが１．０≦Ｌ／Ｄ≦２．５の範囲に設定されてい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. 前記隣接する熱交換受熱管の中心軸間の距離を配列ピッチＰとすると、配列ピッチＰは、１．０Ｄ＜Ｐ≦２．０Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする請求項２記載の太陽光集光受熱器。
4. 請求項１ないし請求項３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交換受熱管に送り込む圧縮機と、
   前記熱交換受熱管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。
5. 前記太陽光集光受熱器及び前記ガスタービンユニットは、地上から立設されたタワー部上に設置されていることを特徴とする請求項４記載の太陽熱発電装置。
6. 前記圧縮機と前記熱交換受熱管との間には、前記圧縮機から前記熱交換受熱管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４または請求項５記載の太陽熱発電装置。

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