JP2011032902A - 太陽光集光受熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持部の強度を確保した上で、受熱器による集光効率を向上させることができる太陽光集光受熱装置の提供を目的とする。
【解決手段】圧縮空気が流通するとともに、複数のヘリオスタット２により集光された太陽光線を受光して圧縮空気へ伝達する集光受熱器１０と、集光受熱器１０を支持するタワー部３とを備え、タワー部３には、ヘリオスタット２と集光受熱器１０との間の光路上において、ヘリオスタット２により集光された太陽光線を集光受熱器１０に向けて通過させるための開口部２２が形成され、開口部２２は、南北方向に沿って太陽光線を集光受熱器１０に入光可能に開口していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光集光受熱装置に関する。

近年、環境に影響を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光線を集光して得られる熱エネルギーを、電気エネルギーに変換することで発電を行う太陽熱発電装置（以下、発電装置という）の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。

上述した発電装置において、太陽光線を集光する方式としては、一般的にトラフ集光方式とタワー集光方式という２種類の方式がある。
トラフ集光方式とは、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光線を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。しかしながら、トラフ集光方式では、ミラーが太陽光線を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。

これに対して、タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部（支持部）上に集光受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲を取り囲むように複数のヘリオスタット（反射鏡）を配置し、ヘリオスタットで反射される太陽光線を集光受熱器に導くことで集光・集熱するものである。なお、タワー部は、例えば複数本の支柱により構成されている。近年では、発電サイクルの更なる高効率化を図るという観点から、集光受熱器で熱交換される熱媒体について、より高温化が可能なタワー集光方式の発電装置の開発が盛んに行われている。

特許第２９５１２９７号公報

ところで、上述したタワー集光方式の発電装置では、実際の設備の立地条件によって、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、タワー部の南北で大きく異なるという現象が発生する。
ここで、集光受熱器とヘリオスタットの配置位置との関係による、コサイン効率（集光効率）の違いについて説明する。図２２は、集光受熱器からの距離に対するコサイン効率の分布を示す図である。なお、図２２では、北緯２０度以下の亜熱帯地域において、春分の南中時に測定した場合におけるコサイン効率の分布を示している。コサイン効率とは、ヘリオスタットに入射する太陽光線の光量に対して、ヘリオスタットで反射して集光受熱器内に入射する光量の割合を示している。すなわち、ヘリオスタットに入射する入射角が大きくなるにつれ、集光受熱器内に入射する光量が減少してコサイン効率は低下傾向になる。また、図２２に示す集光受熱器の周囲には、集光受熱器を取り囲むようにヘリオスタットが配置されている。

図２２に示すように、例えば北半球においては、南中時には南側から北側に向けて太陽光線が照射されるため、北側の所定角度範囲ではヘリオスタットに入射する太陽光線の入射角が小さくなる。そのため、北側に配置されたヘリオスタットでは、高いコサイン効率を得ることができる。この場合、高コサイン効率が得られる範囲（以下、高効率範囲Ｆ１という）は、ヘリオスタットが配置された配置範囲の中心よりも北側に偏心した略楕円形の範囲となることがわかる。
一方、集光受熱器の南側や、集光受熱器から離れた領域に向かうにつれ（範囲Ｆ２，Ｆ３）、ヘリオスタットに入射する太陽光線の入射角が大きくなり、コサイン効率が除々に低下する傾向にあることがわかる。

ここで、上述したタワー集光方式の発電装置では、集光受熱器を支柱によって支持している関係で、ヘリオスタットで反射された太陽光線の光路上に支柱が配置される場合がある。この場合、ヘリオスタットで反射される太陽光線が支柱によって遮られ、集光受熱器の開口部内へ入射する際の妨げとなる。特に、高効率範囲Ｆ１に配置されたヘリオスタットで反射される太陽光線が、支柱によって遮られることで、集光効率の大幅な低下に繋がるという問題があり、タワー部を構成する支柱としては最小限の数、断面寸法とすることが望ましい。
その一方で、タワー部には、タワー部上に設置される集光受熱器やその他の設備の荷重、地震荷重や風圧等が作用するため、これらの荷重に耐えうるようにタワー部の強度を確保する必要がある。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、支持部の強度を確保した上で、受熱器による集光効率を向上させることができる太陽光集光受熱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、複数の反射鏡により集光された太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する受熱器と、前記受熱器を支持する支持部とを備え、前記支持部には、前記反射鏡と前記受熱器との間の光路上において、前記複数の反射鏡により集光された太陽光線を前記受熱器に向けて通過させるための開口部が形成され、前記開口部の少なくとも一つは、南北方向に沿って太陽光線を前記受熱器に入光可能に開口し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装置では、太陽光線の光路上に支持部が配置されている場合であっても、反射鏡で反射された太陽光線は開口部を通過した後、受熱器に集光されることになる。すなわち、反射鏡で反射される太陽光線が支持部により遮られることを抑制し、受熱器において太陽光線を効率的に集光することができる。特に、開口部が南北方向に沿って集光された太陽光線を受熱器に入光可能に開口しているので、コサイン効率の高い反射鏡で反射された太陽光線を遮ることなく受熱器に集光させることができる。
なお、支持部には、太陽光線が通過する光路上に開口部が形成されていればよいので、支持部における開口部以外の部位の強度を高めることで、支持部の強度は確保することができる。その結果、集光効率の向上を図るために、単に支持部の断面寸法等を縮小するだけの構成と異なり、支持部の強度を確保した上で、受熱器における集光効率を向上させることができる。
よって、太陽光線によって受熱器の温度を安定して上昇させることができるので、受熱器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装置を提供することができる。

また、本発明の太陽光集光受熱装置では、前記受熱器は、前記複数の反射鏡が並んで配置された配置範囲上方に配置され、前記支持部は、前記配置範囲における前記受熱器直下を含む範囲よりも外側に位置する外側範囲から前記受熱器に向かって立設され、前記配置範囲の中心から南北方向における何れかの方向に偏心した位置で前記受熱器を支持し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装置では、外側範囲から受熱器に向かって支持部を立設させることで、受熱器の直下にも反射鏡を配置することができる。ここで、受熱器の直下は、反射鏡に入射する太陽光線の入射角が小さく、高コサイン効率が得られる高効率範囲である。そのため、受熱器の直下に反射鏡を配置することで、受熱器の集光効率を向上させることができる。
また、配置範囲の中心に対して南北方向における太陽光線の入射方向上流側に偏心して受熱器を配置することで、太陽光線の入射角が比較的小さい入射方向下流側の反射鏡で反射された太陽光線を効率的に集光することができる。そのため、受熱器に入射する太陽光線の集光効率の向上を図ることができる。

また、本発明の太陽光集光受熱装置では、前記支持部は、高さ方向中間の一部において枠組構造を有しており、該枠組構造を構成する部材間で前記開口部を形成し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装置では、支持部が枠組構造を有しているので、支持部の強度を高めることができる。

本発明の太陽光集光受熱装置では、太陽光線の光路上に支持部が配置されている場合であっても、反射鏡で反射された太陽光線は開口部を通過した後、受熱器に集光されることになる。すなわち、反射鏡で反射される太陽光線が支持部により遮られることを抑制し、受熱器において太陽光線を効率的に集光することができる。特に、開口部が南北方向に沿って太陽光線を受熱器に入光可能に開口しているので、コサイン効率の高い反射鏡で反射された太陽光線を遮ることなく受熱器に集光させることができる。
なお、支持部には、太陽光線が通過する光路上に開口部が形成されていればよいので、支持部における開口部以外の部位の強度を高めることで、支持部の強度は確保することができる。その結果、集光効率の向上を図るために、単に支持部の断面寸法等を縮小するだけの構成と異なり、支持部の強度を確保した上で、受熱器における集光効率を向上させることができる。
よって、太陽光線によって受熱器の温度を安定して上昇させることができるので、受熱器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装置を提供することができる。

第１実施形態における太陽光集光受熱システムを示す側面図である。 第１実施形態における太陽光集光受熱システムを示す平面図である。 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２実施形態における太陽光集光受熱システムを示す側面図である。 第２実施形態における太陽光集光受熱システムを示す平面図である。 第２実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの側面図である。 第２実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの平面図である。 第３実施形態における太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第３実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第３実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第３実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第４実施形態における太陽光集光受熱システムの斜視図である。 図１２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 第５実施形態における太陽光集光受熱システムの側面図である。 第５実施形態における太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第５実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第５実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの平面図である。 第５実施形態の変形例を示す太陽光集光受熱システムの平面図である。 第６実施形態における太陽光集光受熱システムの斜視図である。 第７実施形態における太陽光集光受熱システムの側面図である。 図２０のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 集光受熱器からの距離に対するコサイン効率の分布を示す図である。

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、太陽熱発電装置（太陽光集光受熱装置）と、この太陽熱発電装置の周囲に配置されたヘリオスタット（反射鏡）とを有する太陽光集光受熱システム（以下、集光受熱システムという）を例にして説明する。

（第１実施形態）
（集光受熱システム）
まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は集光受熱システムの側面図、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、北半球の亜熱帯における低緯度地域（例えば、２０度以下）に配置される集光受熱システムについて説明する。
図１，図２に示すように、集光受熱システム１００は、グランドＧ上に設けられた略環状のヘリオスタットフィールド１と、太陽熱発電装置（以下、発電装置という）５とを備えている。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が並んで配置されている。具体的に、ヘリオスタット２は、ヘリオスタットフィールド１の真北方向から周方向両側に亘ってそれぞれ所定角度範囲（例えば、１３５度ずつ）で配列されるとともに、真南方向から周方向両側に亘って所定角度範囲で配列されている（図２参照）。なお、ヘリオスタット２の配置範囲のうち、後述する集光受熱器１０に対して北側の範囲を第１の配置範囲Ｒ１、集光受熱器１０に対して南側の範囲を第２の配置範囲Ｒ２とする。

そして、ヘリオスタットフィールド１の内側（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５が設けられている。
発電装置５は、グランドＧに立設されたタワー部（支持部）３と、タワー部３に支持されたガスタービンユニット１１及びハウジング１２と、ハウジング１２内に収納された集光受熱器（受熱器）１０とを備えている。

（ガスタービンユニット）
まずガスタービンユニット１１は、タワー部３における後述する支柱２１の上端部に固定されており、圧縮機及びタービンからなるガスタービンと、発電機（何れも不図示）とを主に備えている。
ガスタービンは、発電機に連結された回転可能なロータを備え、このロータに対して同軸上に配置されるように圧縮機及びタービンが取り付けられている。

圧縮機は、ハウジングの外部から供給される空気を圧縮空気とした後に、集光受熱器１０に供給するようになっている。そして、圧縮空気は、集光受熱器１０において加熱された後に、タービンに供給されるようになっている。
タービンは、集光受熱器１０で加熱された圧縮空気の熱エネルギーをロータ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に連結された発電機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、タービン内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなってタービンから排気される。

ハウジング１２は、軸方向と高さ方向とが一致した状態で配置された角筒状のものであり、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。そして、このハウジング１２の内側に、集光受熱器１０が収納されている。

（集光受熱器）
図３は集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。
図３に示すように、集光受熱器１０は、ケーシングとなる受熱器本体２３と、圧縮機から送り込まれる圧縮空気が流通する受熱部２４とを備えている。
受熱器本体２３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２５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２６が形成されている。そして、受熱器本体２３は、天板部２５とハウジング１２の上面とが、図示しないフック部材等により連結されることによりハウジング１２内で支持されている。

受熱器本体２３の開口部２６の端面位置は、ハウジング１２の開口部１５の端面位置に対して高さ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２６から受熱器本体２３内に取り込まれるようになっている。また、受熱器本体２３の下部には、開口部２６（下方）に向かって内径が漸次縮小するテーパ部２７が形成されている。

また、受熱器本体２３の内壁面には、全域に亘って断熱材２８が取り付けられている。これにより、受熱器本体２３内の熱エネルギーが、受熱器本体２３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２８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。

受熱部２４は、複数の受熱管３１と、複数の受熱管３１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３２と、複数の受熱管３１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３３とを備えている。
低温側ヘッダ３２は、受熱器本体２３のテーパ部２７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と受熱部２４との間を接続する複数の受熱器供給路３４が設けられている。受熱器供給路３４は、低温側ヘッダ３２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３４から低温側ヘッダ３２内に供給された圧縮空気が低温側ヘッダ３２の全域に行き渡るようになっている。なお、低温側ヘッダ３２が受熱器本体２３の外部に配置されているので、低温側ヘッダ３２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３３は、受熱器本体２３内において天板部２５の外周側に沿って配置された環状の部材である。高温側ヘッダ３３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３５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３５は、高温側ヘッダ３３の径方向中心で集合してタービン供給路３６を構成している。そして、タービン供給路３６は、その下流端でタービンに接続されている。

受熱管３１は、その軸方向が高さ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２３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３１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、その外周面で太陽光線を受光するように構成されている。各受熱管３１の下端部（上流端）は、テーパ部２７を貫通して低温側ヘッダ３２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２３内で高温側ヘッダ３３の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温側ヘッダ３２を流通する圧縮空気は各受熱管３１内に分散され、各受熱管３１内で加熱された後、再び高温側ヘッダ３３で集合するようになっている。

（タワー部）
ここで、タワー部３は、グランドＧから上方に向けて立設された一本の支柱２１を備えている。支柱２１は、例えば角柱形状のものであり、その各側面がそれぞれ東西南北に向いた状態に配置されている。そして、支柱２１の北側の側面には、ハウジング１２が固定されている。なお、上述したように、グランドＧと集光受熱器１０とを結ぶ直線上において、間に支柱２１が介在する範囲には、ヘリオスタット２が配列されていない。これは、グランドＧと集光受熱器１０とを結ぶ直線上は、ヘリオスタット２で反射された太陽光線が集光受熱器１０に至るまでの光路となるものであり、この光路上に支柱２１が配置されていると、太陽光線が支柱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。そのため、本実施形態においては、支柱２１によって太陽光線が遮られる遮光範囲Ｓ（発電装置５の南側から周方向両側の所定角度範囲（南西及び南東））には、ヘリオスタット２が配置されていない。すなわち、遮光範囲Ｓ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、支柱２１の高さ方向中間位置には、支柱２１を南北方向に沿って貫通する開口部２２が形成されている。この開口部２２は、発電装置５に対して南側に配置されたヘリオスタット２から反射される太陽光線の光路上に形成されており、支柱２１の南側の側面から北側の側面にかけて上方に向けて傾斜するように貫通している。すなわち、開口部２２は、第２の配置範囲Ｒ２に配置されたヘリオスタット２から反射される太陽光線を入光可能に開口している。

（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１，図２に示すように、ガスタービンユニット１１の発電機が作動し、減速機を介してロータが回転し始めると、圧縮機内に空気が流入する。圧縮機に流入した空気は圧縮機内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱器供給路３４に流出し、受熱器供給路３４から受熱部２４の低温側ヘッダ３２内に供給される。

図３に示すように、低温側ヘッダ３２内に供給された圧縮空気は、低温側ヘッダ３２内を周方向全域に行き渡った後、低温側ヘッダ３２の周方向全周に亘って接続された各受熱管３１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２３の開口部２６から受熱器本体２３内に入射する。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３１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３１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３１が加熱される。
この時、第２の配置範囲Ｒ２に配置されたヘリオスタット２で反射された太陽光線は、支柱２１の開口部２２を通過した後に受熱器本体２３の開口部２６に入射する。そして、受熱器本体２３に入射した太陽光線は、受熱管３１で受光され、受熱管３１を加熱する。

これにより、受熱管３１が加熱されるとともに、加熱された受熱管３１と受熱管３１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３１内を流通する間に高温となる。
そして、受熱管３１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３３内に流入する。すなわち、各受熱管３１で加熱された圧縮空気は、高温側ヘッダ３３内で集合された後、流出管３５を通ってタービン供給路３６内に流入する。
タービン供給路３６内に流入した圧縮空気は、タービン供給路３６内を流通した後、タービン内に流入してタービンを駆動させる。これにより、タービン供給路３６から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータの回転エネルギーに変換され、タービンに駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータに連結された発電機に出力され、発電が行われるようになっている。なお、タービン内を流通した圧縮空気は排出ガスとなり、タービンから排気される。

このように、本実施形態では、集光受熱器１０を支持する支柱２１の高さ方向中間位置に、南北方向に沿って開口する開口部２２を形成する構成とした。
この構成によれば、太陽光線の光路上にタワー部３が配置されている場合であっても、ヘリオスタット２で反射される太陽光線がタワー部３により遮られることを抑制し、集光受熱器１０において太陽光線を効率的に集光することができる。
なお、支柱２１には太陽光線が通過する光路上のみに開口部２２が形成されているので、開口部２２以外の部位の強度を高めることで、タワー部３の強度を確保することができる。その結果、集光効率の向上を図るために、単に支柱の断面寸法（径）や本数等を縮小するだけの構成と異なり、タワー部３の強度を確保した上で、集光受熱器１０における集光効率を向上させることができる。
よって、太陽光線によって集光受熱器１０の温度を安定して上昇させることができるので、集光受熱器１０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、熱効率の高い発電装置５を提供することができる。

しかも、本実施形態のように集光受熱システム１００を北半球に設置した場合には、高効率範囲Ｆ１（図２２参照）がヘリオスタットフィールド１の中心よりも北側に偏心している。
そこで、本実施形態では、ハウジング１２に対して南側にタワー部３を設置することで、コサイン効率の高い北側のヘリオスタット２から反射される太陽光線は、タワー部３に遮られることなく集光受熱器１０内で集光されることになる。その結果、太陽光線を効率的に集光受熱器１０内に供給することができる。

そして、本実施形態の発電装置５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５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。図４は第２実施形態における太陽光集光受熱器システムの側面図、図５は平面図である。上述した第１実施形態では、集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１が１本の支柱２１により支持される場合について説明したが、本実施形態では、２本の支柱によって集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１を支持する点で上述した第１実施形態と相違している。なお、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４，図５に示すように、本実施形態における発電装置４１のタワー部４２は、グランドＧから上方に向かって立設された２本の支柱４３を備えている。各支柱４３は、例えば角柱形状のものであり、東西方向に沿って並んで配置されている。各支柱４３の平面形状は、長手方向が東西方向に、短手方向が南北方向に一致するように配置された長方形形状に形成されている。

ここで、ヘリオスタットフィールド１には、タワー部４２の周囲を取り囲むように複数のヘリオスタット２が略環状に配置されている。この場合、発電装置４１を中心としたヘリオスタットフィールド１の周方向において、発電装置４１とグランドＧとを結ぶ直線上に支柱４３が介在する領域は、遮光範囲Ｓとなっており、この遮光範囲Ｓにはヘリオスタット２は配置されていない。すなわち、本実施形態におけるヘリオスタット２の配置範囲は、発電装置４１に対して真北から周方向両側に所定角度範囲（第１の配置範囲Ｒ１）及び、発電装置４１に対して真南から周方向両側に所定角度範囲（第２の配置範囲Ｒ２）に亘っている。

そして、支柱４３の上部には、支柱４３間を架け渡すようにハウジング１２が固定されている。そして、ハウジング１２内には、上述した第１実施形態と同様の構成からなる集光受熱器１０が収納される一方、ハウジング１２の上面にはガスタービンユニット１１が配置されている。

この場合、ヘリオスタット２で反射される太陽光線は、各支柱４３間を通って集光受熱器１０内に入射される。すなわち、各支柱４３間が南北方向に沿って開口する開口部を構成している。そして、太陽光線が集光受熱器１０内に集光されることにより、上述した第１実施形態のような発電が行われるようになっている。なお、図示しないがハウジング１２の上部には滑車等からなる昇降機構が設けられており、支柱４３における集光受熱器１０とは反対側の側面に沿って昇降可能とされている。そして、集光受熱器１０やガスタービンユニット１１のメンテナンスを行う際の工具や部品等を、昇降機構を用いてタワー部４２の上部まで搬送できるようになっている。この場合、遮光範囲Ｓとなる支柱４３の側面に沿って工具や部品等を搬送することで、集光受熱器１０による集光効率を低下させることがない。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、１本の支柱２１によりハウジング１２及びガスタービンユニット１１を支持する場合に比べて、タワー部４２の強度を向上させることができる。
また、支柱４３上面の長手方向が東西方向に一致するように配置されているため、長手方向を南北方向に一致するように配置した場合に比べて、支柱４３により太陽光線が遮られる遮光範囲Ｓを縮小することができる。しかも、支柱４３間の開口部の開口方向が南北方向に沿って延在しているので、コサイン効率の高いヘリオスタット２の配置範囲（第１の配置範囲Ｒ１）で反射された太陽光線を、支柱４３によって遮ることなく集光受熱器１０に集光させることができる。これにより、集光受熱器１０の集光効率を向上させ、発電効率の向上を図ることができる。なお、第１実施形態のように各支柱４３を貫通する開口部を形成するような構成も可能である。これにより、遮光範囲Ｓをより縮小して、集光効率の向上を図ることが可能である。

（変形例）
次に、第２実施形態の変形例について説明する。図６は、第２実施形態の変形例を示す集光受熱システムの側面図である。
図６に示すように、タワー部４２の支柱４３を補強部材４４によって補強しても構わない。補強部材４４は、グランドＧから立設された側面視三角形状のものであり、支柱４３の下部を取り囲むように支持している。
この構成によれば、補強部材４４によって支柱４３を補強することができるため、支柱４３の断面寸法（例えば、南北方向の長さ）を可能な限り縮小して、支柱４３による遮光範囲Ｓを縮小することができる。なお、太陽光線の光路上には介在しないことを条件に、補強部材４４の大きさ、形状等は適宜設計変更が可能である。

また、図７は第２実施形態の他の変形例を示す集光受熱システムの側面図である。
支柱４３の平面視形状は、長方形状に限らず、例えば図７に示すような楔形（平面視略台形状）に形成するようにしても構わない。具体的に、各支柱４３は、ハウジング１２に接近するにつれ短手方向（南北方向）の幅が狭くなるように形成されている。そして、各支柱４３の短辺側の側面間を架け渡すようにハウジング１２が固定されている。
この構成によれば、支柱４３を平面視長方形状に形成する場合に比べて、遮光範囲Ｓを縮小することができるため、集光効率の更なる向上を図ることができる。なお、支柱４３の平面形状は、高さ方向全域に亘って楔形にする必要はなく、太陽光線の光路上に介在する箇所のみを楔形に形成しても構わない。これにより、タワー部４２の強度を確保した上で、遮光範囲Ｓの縮小を図ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態における集光受熱システムの斜視図である。上述した第１実施形態では、タワー部３をヘリオスタットフィールド１の中央部に配置し、このタワー部３を取り囲むようにヘリオスタット２を配置する構成について説明したが、第３実施形態ではタワー部の支柱がヘリオスタットフィールドにおける外周領域から延在している点で上述した実施形態と相違している。

図８に示すように、本実施形態の集光受熱システム１０１では、複数のヘリオスタット２がヘリオスタットフィールド１上に略円状に配置されている。具体的に、ヘリオスタットフィールド１におけるヘリオスタット２の配置範囲Ｒは、高効率範囲Ｆ１（図２２参照）よりも外側の範囲において、南側の範囲よりも北側の範囲の方が広く設定されている。そして、ヘリオスタットフィールド１の中心よりも南側、すなわち太陽光線の入射方向上流側に偏心した位置に、タワー部５２に支持された集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１が配置されている。

タワー部５２は、高効率範囲Ｆ１の外周縁から集光受熱器１０に向かって斜め上方に延在する３本の支柱５３と、各支柱５３間に支持された筒状のブラケット５４とを備え、このブラケット５４の内側で集光受熱器１０が支持されている。
各支柱５３のうち、一の支柱５３ａは高効率範囲Ｆ１の北側の外周縁からブラケット５４に向かって延在し、他の支柱５３ｂ，５３ｃは、高効率範囲Ｆ１の南東側及び南西側の外周縁からブラケット５４に向かって延在している。各支柱５３は、直方体形状のものであり、平面視における長手方向がヘリオスタットフィールド１の径方向に一致するように配置されている。また、支柱５３よりも径方向外側の領域は、遮光範囲Ｓとなっており、ヘリオスタット２は配置されていない。この場合、ヘリオスタット２で反射される太陽光線は、各支柱５３間を通って集光受熱器１０の開口部２６（図３参照）に入射される。すなわち、各支柱５３間がヘリオスタット２と集光受熱器１０との間の光路上に配置され、太陽光線を集光受熱器１０に入光可能な開口部を構成している。

このように、本実施形態では、上述した実施形態と同様の効果を奏することに加え、高効率範囲Ｆ１の外周縁から支柱５３が立設しているため、集光受熱器１０の直下、すなわち高効率範囲Ｆ１の全域に亘ってヘリオスタット２を配置することができる。ここで、集光受熱器１０の直下は、ヘリオスタット２に入射する太陽光線の入射角が小さく、高コサイン効率が得られる高効率範囲Ｆ１である。そのため、集光受熱器１０の直下にヘリオスタット２を配置することで、集光受熱器１０の集光効率を向上させることができる。

また、高効率範囲Ｆ１よりも外側の範囲にもヘリオスタット２を配置することで、更なる集光効率の向上を図ることができる。この場合、高効率範囲Ｆ１よりも北側のヘリオスタットフィールド１を南側のヘリオスタットフィールド１に比べて広く確保することで、比較的コサイン効率の高い北側のヘリオスタットフィールド１に多くのヘリオスタット２を配置することができる。さらに、太陽光集光受熱システム１０１をヘリオスタットフィールド１の中心に対して北側に偏心して配置することで、太陽光線の入射角が比較的小さい入射方向下流側のヘリオスタット２で反射された太陽光線を効率的に集光することができる。
そのため、集光受熱器１０に入射する太陽光線の入射量を増加させ、太陽光集光受熱システム１０１の集光効率を向上させることができる。なお、ヘリオスタットフィールド１の外側から集光受熱器１０に向かって支柱５３を延在させる構成にしても構わない。

（変形例）
次に、第３実施形態の変形例について説明する。
上述した第３実施形態では、支柱５３ａが高効率範囲Ｆ１における北側の外周縁から立設している構成について説明したが、これに限らず、例えば図９に示すように、高効率範囲Ｆ１の南側の外周縁から集光受熱器１０に向かって支柱５３ａを延在させても構わない。この場合、南側から照射される太陽光線は支柱５３ａによって遮られ易くなるが、集光受熱器１０よりも北側のヘリオスタットフィールド１上の全域にヘリオスタット２を配置することができるので、集光受熱器１０よりも北側に照射された太陽光線を効率的に集光受熱器１０に向けて反射させることができる。

また、上述した第３実施形態では、３本の支柱５３によって集光受熱器１０を支持する場合について説明したが、支柱５３の本数は３本に限られず、適宜設計変更が可能である。
例えば、図１０に示す集光受熱システム１０２のタワー部５７は、２本の支柱５８を備えている。各支柱５８は、それぞれ高効率範囲Ｆ１の南東及び南西側の外周縁から集光受熱器１０に向かって延在している。また、支柱５８の平面視形状は、長手方向がヘリオスタットフィールド１の径方向に一致するように形成されている。そして、支柱５８よりも径方向外側の領域は遮光範囲Ｓとなっており、ヘリオスタット２は配置されていない。

また、図１１に示す集光受熱システム１０３のタワー部６２は、４本の支柱６３を備えている。各支柱６３は、高効率範囲Ｆ１の外周縁から南東及び南西側から集光受熱器１０に向かって、それぞれ２本ずつ延在している。また、支柱６３の平面視形状は、長手方向がヘリオスタットフィールド１の径方向に一致するように形成されている。そして、支柱６３よりも径方向外側の領域は遮光範囲Ｓとなっており、ヘリオスタット２は配置されていない。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１２は第４実施形態の発電装置を示す斜視図であり、図１３は図１２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１２，図１３に示すように、本実施形態の集光受熱システム１０４は、発電装置６７のタワー部６８の周囲を取り囲むように環状のヘリオスタットフィールド１が設けられている。タワー部６８は、ヘリオスタットフィールド１の中央部から立設されたベース部６９と、ベース部６９の上部から延出した３本の支柱７１と、各支柱７１の上端部で各支柱７１間に連結された筒状のブラケット７２とを備え、このブラケット７２の内側で集光受熱器１０が支持されている。

ベース部６９は、コンクリート等からなる中実の略円錐形状の部材であり、ヘリオスタット２で反射された太陽光線を遮らない高さまで延出している。すなわち、ヘリオスタット２で反射された太陽光線は、ベース部６９の上方を通過するようになっている。

ここで、支柱７１は、上端側及び下端側から高さ方向中央部にそれぞれ向かうにつれ、ヘリオスタットフィールド１における径方向に沿って張り出した円弧状の部材である。すなわち、支柱７１は、下端部から上端部に至るまで、ヘリオスタットフィールド１における径方向外側から回り込むようにしてブラケット７２に連結されている。
また、支柱７１の平面視形状は、長手方向がヘリオスタットフィールド１における径方向に一致するように形成されている。そして、ヘリオスタット２で反射された太陽光線は、各支柱７１間を通って集光受熱器１０に集光される。すなわち、各支柱７１間は太陽光線を集光受熱器１０に入光可能な開口部を構成している。なお、ベース部６９の周囲及び支柱７１よりも径方向外側の領域は遮光範囲Ｓとなっており、ヘリオスタット２は配置されていない。すなわち、ヘリオスタットフィールド１には、周方向に沿ってヘリオスタット２の配置範囲Ｒ１〜Ｒ３と遮光範囲Ｓとが交互に配置されている。

この構成によれば、上述した実施形態と同様の効果を奏するとともに、中実のベース部６９に支柱７１を連結することで、支柱７１は太陽光線の光路に相当する範囲のみに配置されることになる。これにより、グランドＧから支柱を立設させる場合に比べて、支柱７１の長さを短縮することができるので、タワー部６８の強度を向上させることができる。さらに、支柱７１が集光受熱器１０から離間するように円弧状に形成されているので、ベース部６９から垂直に支柱を延出する場合に比べて、支柱７１により形成される遮光範囲Ｓを縮小することができる。これにより、タワー部６８の強度を確保した上で、集光効率を向上させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１４は、集光受熱システムの側面図であり、図１５は斜視図である。本実施形態では、タワー部がトラス構造（枠組構造）をなしている点で上述した実施形態と相違している。
図１４，図１５に示すように、本実施形態の集光受熱システム１１０は、発電装置７６のタワー部７７の周囲を取り囲むように、環状のヘリオスタットフィールド１が設けられている。タワー部７７の上部には、角筒状のハウジング１２が設置されており、このハウジング１２内に上述した集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１が収納されている。

タワー部７７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４本の支柱７８を備えている。なお、図１５に示すように、各支柱７８の対角線の延長線上は遮光範囲Ｓとなっており、ヘリオスタット２は配置されていない。これに対して、ヘリオスタットフィールド１における遮光範囲Ｓ以外の領域が、ヘリオスタット２の配置範囲Ｒを構成している。
また、タワー部７７は、各支柱７８間を架け渡すように連結された梁部７９を備えている。これら梁部７９は、支柱７８の高さ方向下側において各支柱７８間を連結しており、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、支柱７８の上部において、梁部７９が配置されていない領域が、本発明の開口部８０を構成している。

この構成によれば、上述した実施形態と同様の効果を奏するとともに、タワー部７７の下部において、各支柱７８を梁部７９によって連結したトラス構造を構成する一方、タワー部７７の上部における太陽光線の光路上には梁部７９を配置せずに各支柱７８間に開口部８０を形成することで、タワー部７７の強度を確保した上で、太陽光線の集光効率を向上させることができる。

（変形例）
なお、上述した第５実施形態では、支柱７８を４本設置する場合について説明したが、これに限らず、図１６に示すように、支柱７８を例えば３本設置する構成であっても構わない。これにより、支柱７８を４本設置した場合に比べて、遮光範囲Ｓを縮小することができるので、集光効率の向上を図ることができる。また、ハウジング１２の形状は角筒状でも円筒状でも構わない。ただし、ハウジング１２を円筒形状に形成することで、ハウジング１２に作用する風圧を低減することができる。

また、図１７に示すように、各支柱７８を角柱形状に形成する構成にしても構わない。この場合、各支柱７８の平面視における長手方向を、ヘリオスタットフィールド１の径方向に一致させるように配置することで、遮光範囲Ｓを縮小することができる。
さらに、図１８に示すように、支柱７８の平面視形状を楔形に形成する構成にしても構わない。この場合、支柱７８を平面視長方形状に形成する場合に比べて、遮光範囲Ｓを縮小することができるため、集光効率の更なる向上を図ることができる。なお、これらの支柱７８の形状は、少なくともタワー部７７における開口部８０の形成領域にのみ形成されていればよい。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。図１９は、太陽光集光受熱システムの斜視図である。
図１９に示すように、本実施形態の集光受熱システム１１１は、発電装置８２のタワー部８３の周囲を取り囲むように、環状のヘリオスタットフィールド１が設けられている。タワー部８３の上部には、円筒形状のハウジング１２が設置されており、このハウジング１２内に上述した集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１が収納されている。

タワー部８３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３本の支柱８４を備え、各支柱８４間が梁部８７によって連結されている。また、各支柱８４は、高さ方向に沿って鼓型になるように配設されている。具体的に、各支柱８４は、上方に向かうにつれ各支柱８４間の間隔が狭くなるように延出する縮小部８５と、縮小部８５の上端部からハウジング１２の下面に向かって再び各支柱８４間の間隔が広くなるように延出する拡大部８６とで構成されている。そして、拡大部８６における各支柱８４間には、梁部８７は配置されておらず、梁部８７が配置されていない領域が本発明の開口部８８を構成している。

この構成によれば、支柱８４に拡大部８６を形成することで、上述した第５実施形態に比べて集光受熱器１０の開口部２６（図１５参照）と支柱８４との距離を離間させることができるので、遮光範囲Ｓを縮小することができるとともに、開口部８８の開口面積を増加させることができる。これにより、集光効率の向上を図ることができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。図２０は太陽光集光受熱システムの側面図であり、図２１は図２０のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本実施形態の集光受熱システムは、上述したタワー部に補強柱を設けた点で上述した第６実施形態と相違している。
図２０，図２１に示すように、本実施形態の集光受熱システム１１２は、発電装置９１のタワー部９２を取り囲むように、環状のヘリオスタットフィールド１が設けられている。タワー部９２の上部には、円筒形状のハウジング１２が設置されており、このハウジング１２内に上述した集光受熱器１０及びガスタービンユニット１１が収納されている。

タワー部９２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３本の支柱８４を備え、各支柱８４間が梁部８７によって連結されている。
ここで、タワー部９２の上部において、各支柱８４の径方向外側には、各支柱８４と周方向において同位置に配置され、支柱８４とハウジング１２とを連結する３本の補強柱９４が設けられている。この補強柱９４は、高さ方向に沿って延在しており、下端部が縮小部８５の上部に連結される一方、上端部がハウジング１２の下面に連結されている。

この構成によれば、タワー部９２を補強柱９４によって補強することにより、タワー部９２の強度を向上させることができる。また、補強柱９４と支柱８４とをヘリオスタットフィールド１の周方向における同位置に配置することで、補強柱９４は支柱８４によって形成される遮光範囲Ｓ内に配置されることになる。そのため、補強柱９４の追加に伴う遮光範囲Ｓの増加を防止して、集光効率を維持することもできる。

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、集光受熱システムを北半球の亜熱帯地域に設置した場合について説明したが、これに限らず南半球の亜熱帯地域に設置することも可能である。南半球に設置した場合には、北半球に設置した場合に対して太陽光線の照射方向が逆方向になるので、高効率範囲Ｆ１が北半球とは異なる（南側よりの楕円形状になる）。そのため、条件の変化に対応して支柱等の配置位置を設定することが好ましい。

２ ヘリオスタット（反射鏡）
３，４２，５２，５７，６２，６８，７７，８３，９２ タワー部（支持部）
５，４１，６７，７６，８２，９１ 発電装置（太陽光集光受熱装置）
１０ 集光受熱器（受熱器）
２２，８０，８８ 開口部

Claims (3)

1. 熱媒体が流通するとともに、複数の反射鏡により集光された太陽光線を受光して前記熱媒体へ伝達する受熱器と、
   前記受熱器を支持する支持部とを備え、
   前記支持部には、前記反射鏡と前記受熱器との間の光路上において、前記複数の反射鏡により集光された太陽光線を前記受熱器に向けて通過させるための開口部が形成され、
   前記開口部の少なくとも一つは、南北方向に沿って太陽光線を前記受熱器に入光可能に開口していることを特徴とする太陽光集光受熱装置。
2. 前記受熱器は、前記複数の反射鏡が並んで配置された配置範囲上方に配置され、
   前記支持部は、前記配置範囲における前記受熱器直下を含む範囲よりも外側に位置する外側範囲から前記受熱器に向かって立設され、前記配置範囲の中心から南北方向における太陽光線の入射方向上流側に偏心した位置で前記受熱器を支持し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装置。
3. 前記支持部は、高さ方向中間の一部において枠組構造を有しており、該枠組構造を構成する部材間で前記開口部を形成していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の太陽光集光受熱装置。

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