JP2011163592A - 太陽熱受熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱管の表裏面温度差を低減することで、受熱管の強度寿命を向上させることができる。
【解決手段】受熱器は、太陽光が入射する開口部を有するケーシング１１と、このケーシング１１内にケーシング周方向に配列するとともに内部に熱媒体が流通する複数の受熱管本体２３（受熱管２０）とを備えている。各受熱管２０の内面にはフィン２６が設けられ、長さ方向で上側に対して下側ほどフィン２６の高さ寸法を大きくして表面積を大きくすることで、入熱量の高い高温部分における受熱管２０の表面２０ａと裏面２０ｂの温度差を低減するようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、太陽熱発電装置のタービンを駆動する流体媒体を昇温するための太陽熱受熱器に関する。

近年、地球温暖化の防止、化石燃料の使用抑制の観点から、二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質の排出が少ない自然エネルギー、資源を再利用するリサイクルエネルギーなどのクリーンエネルギーを利用した発電が注目されている。クリーンエネルギーは、全世界で必要とされる電力エネルギーを上回る量がある。しかしながら、クリーンエネルギーのエネルギー分布は広範囲にわたり、有効エネルギー（外部に取り出して利用可能なエネルギー）が低い。これに起因して、クリーンエネルギーを利用した発電は、電力への変換効率が低く発電コストが高くなるため、十分に普及していない。そこで、発電方式としては、ガスタービン、蒸気タービン及びカスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）などの発電技術を利用した太陽熱エネルギーによる発電が期待されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、太陽熱エネルギーの利用においては、通常、鏡を用いた集光装置と受熱器の組合せにより集光・集熱を行う。集光装置と受熱器の組合せ方式として、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ヘリオスタット（太陽光集光システム）と呼ばれる集光用の反射光制御鏡を複数配置し、これら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。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（タワー集光装置）の開発が盛んに行われている。

特許第２９５１２９７号公報

しかしながら、従来の受熱器においては、以下のような問題があった。
すなわち、従来のタワー集光装置における熱交換器では、円筒状の断熱容器の内面に配列させた複数の受熱管に流体を流し、それら受熱管の表面に太陽光を照射し入熱することにより流体温度を上昇させているが、この場合、直接太陽光が入射する受熱管の表側の面と壁側に面する裏側の面との温度差が大きくなる。とくに、軸対象にミラーを配列した場合、集光したときにミラーの面積効果で受熱管の入口付近の熱負荷が大きくなり、高温となる。また、昼夜のサイクルや、雲の影響によっても太陽光の照射量の変動によっても、受熱管の表裏面で温度差が生じている。このように高温で且つ温度差の大きな入口付近では、とくに受熱管に熱疲労が発生し易い欠点があり、受熱管の耐久性が要求されており、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、受熱管の表裏面温度差を低減することで、受熱管の強度寿命を向上させることができる太陽熱受熱器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る太陽熱受熱器では、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、ケーシング内にケーシング周方向に配列するとともに内部に熱媒体が流通する複数の受熱管とを備える太陽熱受熱器であって、受熱管は、内面にフィンが設けられ、長さ方向に低温側に対して高温側の表面積が大きく設定されていることを特徴としている。

本発明では、受熱管の内面にフィンを設けて表面積を増加させることで、その部分の内部流体との対流伝熱量を増加させることができる。すなわち、フィンの位置を適宜設定することで、受熱管の対流伝熱量を入熱量分布にしたがって調整することが可能である。これにより、受熱管の入熱量の高い部分における表面（ケーシングの中心軸線側の面）と裏面（ケーシングの内面側の面）との温度差を低減することが可能となり、受熱管の強度寿命を延ばすことができる。
さらに、本発明の受熱管のフィンにあっては、長さ方向に低温側に対して高温側の表面積が大きく設定されているので、入熱量の高い開口部側の高温部分の受熱管の前記表面と裏面の温度差をより確実に低減することができる。
また、フィンを設けることで受熱管の熱交換効率が高くなるので、受熱器のコンパクト化を図ることができる。

また、本発明に係る太陽熱受熱器では、受熱管は、低温側に対して高温側の肉厚が大きく設定されていることが好ましい。
本発明では、受熱管の肉厚を大きくした部分の断面積が増加するので、その部分の熱伝導伝熱量を増加させることができる。そのため、受熱器の肉厚を変化させることで、受熱管の表裏間の熱伝導伝熱量を入熱量分布にしたがって調整することが可能である。これにより、受熱管の入熱量の高い部分における前記表面と裏面との温度差を低減することが可能となり、受熱管の強度寿命を延ばすことができる。

また、本発明に係る太陽熱受熱器では、フィンは、長さ方向で高さを変化させていることが好ましい。
この場合、受熱管では、上側に対して下側ほどフィンの高さ寸法が大きく設定され表面積が大きくなっているので、とくに入熱量の高い高温部分における受熱管の前記表面と裏面との温度差を低減することができる。

また、本発明に係る太陽熱受熱器では、受熱管は、フィンの高さの異なる短尺の受熱管を長さ方向に連結した構成とされることが好ましい。
本発明では、入熱量の高い開口部側の高温部分にフィンの高さが大きい短尺の受熱管を配置して連結することで、前記高温側で表面積が大きくなることから、受熱管の前記表面と裏面との温度差を低減することができる。そして、短尺の各受熱管に設けられるフィン２６自体は各受熱管の長さ方向にわたって同じ高さ寸法となるので、徐々にフィンの高さ寸法を変化させる受熱管構造よりも、製造が容易で安価になる利点がある。

本発明の太陽熱受熱器によれば、長さ方向に低温側に対して高温側の受熱管の内面にフィンを設けて表面積を増加することで、その部分の内部流体との対流伝熱量を増加させることが可能となり、受熱管の入熱量の高い部分における表裏面温度差を低減することができ、受熱管の強度寿命を向上させることができる。したがって、受熱管出口のガス温度の変動が抑えられ、出側の集合ガス温度の安定が図れるので、タービンの運転を安定させることができる。

本発明の第１の実施の形態によるタワー型太陽光集光受熱器を示す図である。 タワー周辺のヘリオスタットの配置構成を示す平面図である。 タワー上部の概略構成を示す模式図であって、（ａ）はタワー上部の概略構成を示す平面図、（ｂ）はタワー上部の概略構成を示す断面図である。 受熱器の概略構成を示す斜視図である。 図４に示す受熱管の斜視図である。 図３（ｂ）に示すＡ−Ａ線断面図である。 図６の矢印Ｂから見た斜視図である。 図７に示す受熱管内のフィン形状を示す図であって、（ａ）は図６に示すＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）はフィンの断面図である。 （ａ）、（ｂ）は他のフィン形状を示す図であって、図８（ａ）に対応する図である。 図９（ａ）に示す受熱管の側断面図である。 第２の実施の形態による受熱管の構造を示す側断面図である。 第３の実施の形態による受熱管の構造を示す側断面図である。

以下、本発明の実施の形態による太陽熱受熱器について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

（第１の実施の形態）
図１に示すタワー型太陽光集光受熱器は、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に集光させるものである。
図１に示すように、グランドＧ上にはヘリオスタットフィールド１０１が設けられている。このヘリオスタットフィールド１０１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１０２が配置されている。また、ヘリスタットフィールド１０１の中央部には、ヘリオスタット１０１で導かれた太陽光線を受けるタワー型太陽光集光受熱器１００が設けられている。図２に示すように、ヘリオスタット１０２はタワー型太陽光集光受熱器１００の３６０度全周に配置されている。

タワー型太陽光集光受熱器１００は、グランドＧに立設されたタワー１１０と、タワー１１０上部の収容室１２０内に設置された受熱器１０（太陽熱受熱器）とから構成されている。

タワー１１０には、複数の補強部材１１１が設けられている。補強部材１１１は、タワー１１０の長手方向に交差して間隔（隣り合う補強部材間の距離）Ｐを空けて設けられている。間隔Ｐは、ヘリオスタット１０２から受熱器１０に太陽からの光を入光させる光路となる範囲でタワー１１０上部（受熱器１０の設置された側）に近づくにつれて大きくなっている。これにより、ヘリオスタット１０２により反射された光が補強部材１１１に遮られることなくタワー１１０上部の受熱器１０に集光される。なお、補強部材１１１の配置構造としては、剛性確保の面から例えばトラス構造とするのがよい。

タワー１１０上部の収容室１２０は、平面視円形状になっている。
収容室１２０は、上部収容室１２１及び下部収容室１２２の２つの収容室を有する構造となっている。下部収容室１２２の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部１２２ｃが設けられている。開口部１２２ｃは太陽光線のスポット径に応じて円形状となっている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、受熱器１０は、円筒形状のケーシング１１と、受熱管２０とから構成され、下部収容室１２２内に設けられている。具体的には、受熱器１０は下部収容室１２２の上壁１２２ａに吊り具１２を介して固定され、下部収容室１２２内において上壁１２２ａから吊り下げられる構造となっている。つまり、受熱器１０は下部収容室１２２の内壁と接触しないように、下部収容室１２２の内壁と離間して配置されている。吊り具１２は上壁１２２ａの周方向に複数設けられており、可撓性を有する構造となっている。また、吊り具１２はケーシング１１を貫通している。これにより、受熱器１０内部で熱交換が行われ高温（例えば９００℃以上）となった場合、ケーシング１１の熱膨張による変形を許容できるようになっている。また、ケーシング１１の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部１１ｂが設けられている。開口部１１ｂは、前述の開口部１２２ｃと同様に、太陽光線のスポット径に応じて円形状となっている。

一方、上部収容室１２１内には、受熱器１０によって加熱された流体（熱媒体）を作動流体として作動するガスタービン３０及びガスタービン３０の作動エネルギーを電力として取り出す発電機３３が配置されている。ガスタービン３０は、熱媒体となる流体（例えば大気）を吸入して圧縮し圧縮流体を生成する圧縮機３１と、該圧縮機３１で圧縮されるとともに受熱器１０によって加熱された流体を作動流体として作動するタービン３２とを有している。そして、タービン３２の回転により生じる運動エネルギーが発電機３３によって電気エネルギーに変換され、電力として取り出される。

なお、上部収容室１２１内には必要に応じて、受熱器１０が受けた熱を検知する温度センサー、ガスタービン３０を始動させる補助駆動装置、作動流体が受熱器１０で加熱される前に作動流体とタービン３２の排気との熱交換を行う再生熱交換器、作動流体を補助燃焼してタービン３２に流入させる補助燃焼器、発電機３３の振動を打ち消す消振器などの装置が配置されていてもよい。このように、タワー１１０上部に装置を集約して配置することで、設備設置面積を縮小することができる。

また、上部収容室１２１の側面には、圧縮機３１に供給される流体（大気）を取り込むための開口部１２１ｂが設けられている。なお、開口部１２１ｂは必要に応じてタービン３２からの排気を外部に放出するために用いられる。

図３〜図５に示すように、受熱管２０は、下部ヘッダー管２１と、上部ヘッダー管２２と、受熱管本体２３と、を有して構成されている。下部ヘッダー管２１は、環形状となっておりケーシング１１下部に配置されている。具体的には、下部ヘッダー管２１はケーシング１１の外側に露出され、下部収容室１２２内の下壁１２２ｂ近傍に配置されている。

受熱管本体２３は、上部ヘッダー管２２と下部ヘッダー管２１との間に複数設けられており、一端が上部ヘッダー管２２に接続され、他端が下部ヘッダー管２１に接続されている。これら受熱管本体２３は、下部ヘッダー管２１から流出した作動流体を上部ヘッダー管２１に流出するものである。また、受熱管本体２３は、上部ヘッダー管２２（下部ヘッダー管２１）の周方向に所定の間隔（隙間）を空けて設けられている（図６、図７参照）。受熱管本体２３の他端（下端）はケーシング１１の外側に露出している。受熱管本体２３はケーシング１１の長手方向に沿った直線形状となっており、自重による曲げ応力がかからないようになっている。
また、受熱管本体２３内を流れる作動流体の流動方向が一方向になるようになっている。

下部ヘッダー管２１は、環形状あるいは多角形屈折管となっておりケーシング１１下部に配置されている。具体的には、下部ヘッダー管２１はケーシング１１の外側に露出され、下部収容室１２２内の下壁１２２ｂ近傍に配置されている。以上の構成により、受熱管２０は、上部ヘッダー管２２が下部収容室１２２内の上壁１２２ａに吊り具１２を介して固定され、全体として上壁１２２ａから吊り下げられる構造となっている。

また、下部ヘッダー管２１にはＬ字状の入口配管１３が設けられている。この入口配管１３と圧縮機３１との間には接続配管１４が設けられている。接続配管１４は、ケーシング１１の外側に露出され、下部収容室１２２の内壁に沿って配置されている。圧縮機３１により生成された圧縮流体は、接続配管１４及び入口配管１３を経由して下部ヘッダー管２１に供給されるようになっている。下部ヘッダー管２１に供給された圧縮流体は、複数の受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２を経由する間、開口部１１ｂから入射した太陽光線の熱エネルギーにより加熱される。

図４、図６、および図７に示すように、ケーシング１１の内壁面には、太陽熱を吸収する断熱材１５が設けられている。断熱材１５で吸収した熱により断熱材１５内面は温度上昇し、受熱管本体２３の背面（太陽光線が直接入射しない側の面）に熱放射し受熱管２０の周方向全体が加熱される。また、断熱材１５は、受熱管本体２３から発せられる輻射熱を受熱管本体２３の背面に戻し、受熱管本体２３を安定して加熱させている。また、断熱材１５は、受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２から外部に向かう発熱量を低減させている。

一方、上部ヘッダー管２２には複数の接続配管２４を介して出口配管２５が接続されている。複数の接続配管２４は、一端が上部ヘッダー管２２に接続され、他端が出口配管２５に接続され、平面視Ｘ字状になっている。出口配管２５は上部収容室１２１内において屈曲して断面視Ｌ字状になっており、出口配管２５の複数の接続配管２４に接続された側と反対の側の端部はタービン３２に接続されている。受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２を通って加熱された圧縮流体は、複数の接続配管２４を経由してさらに出口配管２５を経由した後、高温高圧の作動流体となりタービン３２に供給される。

次に、受熱管本体２３の構造について図８乃至図１０に基づいて説明する。なお、受熱管本体２３は、本発明の受熱管に相当し、符号２０を付して以下説明する。
図８、図９に示すように、受熱管２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）には、それぞれ内面にフィン２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが設けられており、図１０に示すように受熱管２０の長さ方向（矢印Ｘ方向）に低温側（上側）に対して高温側（下側）の表面積が大きく設定されている。

フィン形状例として、図８（ａ）、（ｂ）に示す第１受熱管２０Ａのフィン２６Ａは、長さ方向にスパイラル状の凸条が延在する形状となっている。
また、図９（ａ）および図１０に示す第２受熱管２０Ｂのフィン２６Ｂは、長さ方向に沿って凸条が延在する形状となっている。このフィン２６Ｂは、図１０に示すように、長さ方向（矢印Ｘ方向）で高温側（下側）から低温側（上側）に向かうにしたがって漸次高さ寸法Ｈが小さくなっている。
さらに、図９（ｂ）に示す第３受熱管２０Ｃのフィン２６Ｃは、周方向に沿って凸条が延在する形状となっている。

上記３例のフィン形状のうち、図９（ａ）に示す第２フィン２６Ｂの形状が受熱管内の熱媒体の流通方向（受熱管２０の長さ方向Ｘ）と一致しているので、最も圧損が少なく、熱交換率が高い。一方、図９（ｂ）に示す第３フィン２６Ｃは、表面積は大きくなるが、熱媒体の流通方向を妨げる方向（受熱管の断面方向）にフィン２６Ｃが配置されるので、第１フィン２６Ａや第２フィン２６Ｂに比べると圧損が大きくなる。

上述した本第１の実施の形態による太陽熱受熱器では、受熱管２０の内面にフィン２６を設けて表面積を増加させることで、その部分の内部流体との対流伝熱量を増加させることができる。すなわち、フィン２６の位置を適宜設定することで、受熱管２０の対流伝熱量を入熱量分布にしたがって調整することが可能である。これにより、受熱管２０の入熱量の高い部分における表面２０ａ（図６、図７に示すケーシング１１の中心軸線側の面）と裏面２０ｂ（同じく図６、図７に示すケーシング１１の内面１１ａ側の面）との温度差を低減することが可能となり、受熱管２０の強度寿命を延ばすことができる。
さらに、本実施の形態の図１０に示す第２受熱管２０Ｂでは、上側に対して下側ほどフィン２６Ｂの高さ寸法が大きく設定され表面積が大きくなっているので、とくに入熱量の高い高温部分における受熱管２０の表面２０ａと裏面２０ｂの温度差をより確実に低減することができる。

また、フィン２６を設けることで受熱管２０の熱交換効率が高くなるので、受熱器１０全体をコンパクト化させることが可能となる利点がある。

次に、本発明の太陽熱受熱器による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図１１に示すように、第２の実施の形態による太陽熱受熱器では、受熱管２０Ｄの構造において、低温側（上側、図３（ｂ）に示す上部ヘッダー管２２側）に対して高温側（入熱量が高い下側の部分）の肉厚ｔが大きく設定されている構造となっている。

本構造では、受熱管２０の肉厚ｔを大きくした部分の断面積が増加するので、その部分の熱伝導伝熱量を増加させることができる。すなわち、受熱器２０の肉厚ｔを変化させることで、受熱管２０の表裏間の熱伝導伝熱量を入熱量分布にしたがって調整することが可能である。これにより、上述した第１の実施の形態と同様に、受熱管２０の入熱量の高い部分における図６、図７に示す表面２０ａと裏面２０ｂとの温度差を低減することが可能となり、受熱管２０の強度寿命を延ばすことができる。

（第３の実施の形態）
図１２に示すように、第３の実施の形態による太陽熱受熱器では、受熱管２０Ｅの構造において、フィン２６の高さ寸法Ｈの異なる複数の短尺の受熱管２０Ｅ、２０Ｅ、…を長さ方向Ｘに例えば溶接により連結した構成となっている。すなわち、図１２において、下側に位置する受熱管２０Ｅのフィン２６Ｄの高さ寸法Ｈ２は、上側に位置する受熱器２０Ｅのフィン２６Ｅの高さ寸法Ｈ１より大きくなっている。

本第３の実施の形態では、入熱量の高い開口部側の高温部分にフィン２６の高さが大きい短尺の受熱管２０Ｅを配置して連結することで、前記高温側で表面積が大きくなることから、上述した実施の形態と同様に受熱管２０の前記表面２０ａと裏面２０ｂとの温度差を低減することができる。そして、短尺の各受熱管２０Ｅに設けられるフィン２６自体は各受熱管２０Ｅの長さ方向にわたって同じ高さ寸法となるので、徐々にフィン２６の高さ寸法を変化させる受熱管構造よりも、製造が容易で安価になる利点がある。

以上、本発明による太陽熱受熱器の第１〜第３の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態のフィン２６の形状、位置は、受熱管２０（受熱管本体２３）の管径、長さ寸法、本数、材質などの条件に合わせて適宜設定可能である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１０ 受熱器（太陽熱受熱器）
１１ ケーシング
１１ｂ 開口部
１５ 断熱材
２０、２０Ａ〜２０Ｅ 受熱管
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２３ 受熱管本体
２６、２６Ａ〜２６Ｅ フィン

Claims (4)

1. 太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、該ケーシング内にケーシング周方向に配列するとともに内部に熱媒体が流通する複数の受熱管とを備える太陽熱受熱器であって、
   前記受熱管は、内面にフィンが設けられ、長さ方向に低温側に対して高温側の表面積が大きく設定されていることを特徴とする太陽熱受熱器。
2. 前記受熱管は、低温側に対して高温側の肉厚が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱受熱器。
3. 前記フィンは、前記長さ方向で高さを変化させていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱受熱器。
4. 前記受熱管は、前記フィンの高さの異なる短尺の受熱管を長さ方向に連結した構成とされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽熱受熱器。

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