JP2011163595A - 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１０は、ケーシング１１の開口部１１ｂから入射する太陽光による熱をシールドする機能をもつ放射率の小さい放射シールド板４０を受熱管２０のケーシング中心軸線側に設けている。この放射シールド板４０は、所定の厚みを有する円筒形状をなし、複数が周方向に配列された受熱管２０の表面側（ケーシング１１の中心軸線側）に所定間隔をあけて、上部収容室側から吊り支持された状態でケーシング１１に対して略同軸に設けた構成とした。
【選択図】図８

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、受熱管の表側と裏側とでは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、開口部から入射する太陽光による熱をシールドする機能を受熱管に設けたことを特徴としている。

本発明では、熱流束が大きい部分の受熱管表面を開口部から入射する太陽光による熱に対してシールドすることで、太陽熱入射の大きい部分の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管の表面（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。

また、本発明に係る太陽熱受熱器では、シールド機能を有するシールド部材は、放射率の小さい部材であることが好ましい。

また、本発明に係る太陽熱受熱器では、シールド部材は、受熱管のケーシング中心軸線側に設けられていることが好ましい。
本発明では、開口部から入った太陽熱が受熱管よりケーシング中心軸線側に位置するシールド部材に一端入射し、さらにそのシールド部材から再放射して受熱器内部で拡散することから、太陽熱入射分布の均一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、受熱管の表面は、放射率を小さくするように研磨加工されていることが好ましい。
本発明では、熱流束が大きい部分の受熱管表面を研磨することで放射率を小さくすることができ、太陽熱入射の大きい部分の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管の表裏面の温度差を小さくすることが可能なるので、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、受熱管の表面には、放射率の小さい金属部材が加工されていることが好ましい。
本発明では、受熱管の表面に放射率の小さい金属部材を加工することで、放射率を小さくすることができ、太陽熱入射の大きい部分の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管の表裏面の温度差を小さくすることが可能なるので、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、ケーシングの内壁面には、太陽熱を吸収する断熱材が設けられてなり、受熱管は、開口部側で熱流束の高い部分が断熱材に埋め込まれていてもよい。
この場合、断熱材内に埋め込まれている受熱管の高温部に太陽熱が入射しないので、高温部の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管の表裏面の温度差を小さくすることが可能なるので、受熱管の強度寿命を延ばすことができる。

本発明の太陽熱受熱器によれば、熱流束が大きい部分の受熱管表面を開口部から入射する太陽光による熱に対して放射率の小さい部材等を用いてシールドすることで、太陽熱入射の大きい部分の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管の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線断面図であって、放射シールド板の構成を示す図である。 図６の矢印Ｂから見た斜視図である。 受熱器の構成を示す一部破断側面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施例による放射シールド板の効果の一例を示す模式図である。 第２の実施の形態による受熱器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。

図８に示すように、受熱器１０には、ケーシング１１の開口部１１ｂから入射する太陽光による熱をシールドする機能をもつ放射シールド板４０が受熱管本体２３（受熱管２０）に設けられている。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６乃至図８に示すように、放射シールド板４０は、所定の厚みを有する円筒形状をなし、複数が周方向に配列された受熱管２０の表面側（ケーシング１１の中心軸線側）に所定間隔をあけて、上部収容室１２１側から吊り支持された状態でケーシング１１に対して略同軸に設けられている。放射シールド板４０の部材として、セラミック、金属（カンタル、ニクロム）、セラミックファイバー等の放射率が小さく、且つ耐熱性の高い材料が用いられる。

放射シールド板４０の設置範囲は、熱流束のピークの範囲であって、太陽熱入射の大きい受熱管２０の下側部分（高温部Ｋ）に重なる範囲である。例えば、受熱管２０の熱量分布にしたがって受熱管２０の温度が９２０℃を超える範囲に配置される。
そして、受熱管２０と放射シールド板４０との間の間隔は、任意に設定することが可能である。

このように放射率εの低い（反射率の高い）放射シールド板４０を設けることで、開口部１１ｂから入った太陽熱が受熱管２０よりケーシング中心軸線側に位置する放射シールド板４０に一端入射し、さらにその放射シールド板４０から再放射して受熱器１０内部で拡散することから、太陽熱入射分布の均一化を図ることができる。すなわち、放射シールド板４０による受熱器効率の低下は発生しない。

上述した本第１の実施の形態による太陽熱受熱器では、熱流束が大きい部分の受熱管表面を開口部１１ｂから入射する太陽光による熱に対してシールドすることで、太陽熱入射の大きい部分の受熱管表面の熱流束が低減され、受熱管２０の表面２０ａ（ケーシング１１の中心軸線側の面）と裏面２０ｂ（ケーシング１１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２０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。

次に、上述した第１の実施の形態による太陽熱受熱器の効果を裏付けるために行った試験例について以下説明する。

本実施例では、放射シールド板を受熱管に設けたときの受熱管の高温部の状態を確認した。
図９は、放射シールド板の効果の一例を示す模式図であって、図９（ａ）は受熱管の長さＸに対する受熱管に入熱される熱流束ｑ（Ｗ／ｍ２）を示し、図９（ｂ）は受熱管の長さＸに対する受熱管の表裏面温度Ｔ（℃）を示し、図９（ｃ）は放射シールド板４０の位置関係を示している。なお、図中の符号Ｘｓは、放射シールド板４０の長さ寸法を示している。

図９（ａ）において、実線Ｑ１は放射シールド板４０を設けていないグラフを示し、点線Ｑ２は放射シールド板４０を設けているグラフを示している。図９（ｂ）において、実線Ｔ１１、Ｔ１２は放射シールド板４０を設けていない場合で、それぞれ受熱管２０の表裏面の温度を示し、点線Ｔ２１、Ｔ２２は放射シールド板４０を設けた場合で、それぞれ受熱管２０の表裏面の温度を示している。

図９より、放射シールド板４０を配置することで、その範囲（符号Ｘｓの範囲）、すなわち太陽熱入射の大きい部分（図８に示す高温部Ｋ）の受熱管２０において、グラフＱ２の熱流束ｑが小さくなるとともに、グラフＴ１１、Ｔ１２の表裏面温度Ｔも小さくなっていることが確認できる。また、図９（ｂ）において、放射シールド板４０の有無による表裏面温度差を比較すると、放射シールド板４０有りの最大温度差ΔＴｓ（Ｔ２１−Ｔ２２）は、放射シールド板４０無しの最大温度差ΔＴ（Ｔ１１−Ｔ１２）よりも小さくなっている。

そして、熱流束ｑおよび表裏面温度Ｔともに、符号Ｘｓの範囲より上方の位置で放射シールド板４０を設ける方が大きくなっている。これにより、放射シールド板４０に一端入射した太陽熱がさらに放射シールド板４０から再放射し、受熱器内（ケーシング内）で拡散され、太陽熱入射分布が受熱管２０の長さ方向Ｘにわたって均一化されていることも確認することができる。

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１０に示すように、第２の実施の形態による受熱器１０Ａは、受熱管２０の金属の表面を放射率εが小さくなるように鏡状に研磨加工させた研磨部４１を形成した構成となっている。
本第２の実施の形態の受熱器１０Ａによれば、熱流束が大きい部分の受熱管表面を研磨することで放射率εを小さく（反射率を大きく）することができ、上述した第１の実施の形態と同様に、太陽熱入射の大きい部分（高温部Ｋ）の受熱管２０表面の熱流束が低減され、受熱管２０の表裏面の温度差を小さくすることが可能なるので、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１１に示すように、第３の実施の形態による受熱器１０Ｂは、開口部側で熱流束の高い部分、すなわち太陽熱入射の大きい部分（高温部Ｋ）の受熱管２０を断熱材１５に埋め込まれた構造となっている。そして、断熱材１５の部材として、熱容量が小さく、繊維状のセラミックファーバーを用いることにより、受熱管２０を容易に埋め込むことができる。この場合、一旦、断熱材１５で太陽熱を受け止めてから、ケーシング１１（図８参照）の上側に向けて反射させて発散させることができる。

本第３の実施の形態の受熱器１０Ｂによれば、断熱材１５内に埋め込まれている受熱管２０の高温部Ｋの表面に太陽熱が直接入射しないので、上述した実施の形態と同様に、高温部Ｋの受熱管２０表面の熱流束が低減され、受熱管２０の表裏面の温度差を小さくすることが可能なるので、受熱管２０の強度寿命を延ばすことができる。

以上、本発明による太陽熱受熱器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、本第１の実施の形態では１枚の円筒状の放射シールド板４０を受熱管２０のケーシング中心軸線側に設ける構成としているが、このような形態に限定されることはなく、例えば複数枚の放射シールド板を重ね合わせて積層させた構成であっても良い。
また、放射シールド板４０の厚さ寸法、長さ寸法などの構成は、受熱管２０の本数、寸法やケーシング１１の寸法などの条件に応じて適宜設定することができる。

さらに、第２の実施の形態においては、受熱管２０を研磨して研磨部４１を設ける構成としているが、このような加工に限定されることはない。すなわち、研磨部４１に代えて、例えば低放射率の金属部材を受熱管２０の高温部Ｋの表面に巻き付ける加工、貼り付ける加工、或いは溶接、めっき、溶射による加工などにより金属部材を被覆し、放射率εを小さくすることもできる。
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、１０Ａ、１０Ｂ 受熱器（太陽熱受熱器）
１１ ケーシング
１１ｂ 開口部
１５ 断熱材
２０ 受熱管
２０ａ 表面
２０ｂ 裏面
２３ 受熱管本体
４０ 放射シールド板
４１ 研磨部
Ｋ 高温部

Claims (6)

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、
   前記開口部から入射する太陽光による熱をシールドする機能を前記受熱管に設けたことを特徴とする太陽熱受熱器。
2. シールド機能を有するシールド部材は、放射率の小さい部材であることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱受熱器。
3. 前記シールド部材は、前記受熱管のケーシング中心軸線側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の太陽熱受熱器。
4. 前記受熱管の表面は、放射率を小さくするように研磨加工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。
5. 前記受熱管の表面には、放射率の小さい金属部材が加工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。
6. 前記ケーシングの内壁面には、太陽熱を吸収する断熱材が設けられてなり、
   前記受熱管は、前記開口部側で熱流束の高い部分が前記断熱材に埋め込ま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。

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