JP2012042093A - 太陽光反射装置及び太陽熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】風による倒壊の危険性や駆動機構の故障を低減でき、さらには結露等による太陽熱発電のための受光効率の低下を抑制できる太陽光反射装置を提供する。
【解決手段】短冊状の複数の反射鏡と、前記反射鏡を保持する保持部材と、前記保持部材の向きを変更する傾斜角可変機構と、を有し、前記保持部材上に、前記反射鏡が非反射部領域と交互に鋸歯状に傾斜して配置されている太陽光反射装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、タワー上に設けた中央反射鏡に太陽光を導く用途に好適に用いられる太陽光反射装置及び、複数の該反射装置とタワー上に設けた中央反射鏡を用いた太陽熱発電システムに関するものである。

従来より、化石燃料を燃やして発電する火力発電は、設備コストが比較的低く、世界中で広く用いられている。一方、地球環境保護の観点からＣＯ_２（二酸化炭素）の削減が求められており、環境に負荷を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光エネルギーが注目されている。

この、太陽光エネルギーを利用して発電するものとして、太陽光を直接電気エネルギーに変換する光電変換装置（いわゆる太陽電池）を用いた発電方式や、太陽光を集光させて得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するいわゆる太陽熱発電方式等が提案されている。太陽熱発電方式は比較的単純な構成で発電が可能であるため、機械的な故障の発生が少なく、大型の設備を設けることで大きな電気エネルギーを得ることが可能であることから、広大かつ平坦な地形を利用可能な地域における新たな発電システムとして注目されている。

太陽熱発電システムとしては、断面形状が放物線上となる樋型の反射鏡を用いて、その集光位置に円筒状の流体循環部を設け、加熱された流体を循環させて、熱電変換部で電気エネルギーに変換することで発電する、いわゆるトラフ式太陽熱発電システムや、タワー周囲に配置した多数の平板もしくは曲面形状の反射鏡を用いて、タワー上に設けた集光鏡（中央反射鏡とも呼ばれる）に集光させ、この集光鏡による反射光を熱交換機に集光させ、加熱し得られた熱エネルギーを用いて発電するもの（タワー式太陽熱発電システムとも呼ばれる）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような太陽熱発電システムに用いられる反射装置として、所定の曲率を有した小さい凹面鏡要素を複数用いて大きな凹面鏡として使用するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１１９１０５号公報 特開２００４−３７０３７号公報

上記特許文献１に記載のような、タワー式太陽熱発電システムは、広大な受光面積を得るため大型の設備とされ、十分な熱量を得るために日照時間の長い土地に大規模に設置される。これに適する場所としては、機材の搬送等に有利な海岸線に近い砂漠地帯等が考えられている。

このような、海岸線に近い砂漠地帯では昼と夜の寒暖差が大きいうえに湿度が高いため、これにより鏡面に結露を生じ、この結露による水滴に塵埃が付着して鏡の表面が汚れ、太陽熱発電のための受光効率が低下する問題や、水滴に塵埃が付着した場合には、水滴が蒸発することで塵埃が鏡面に強固に付着し、清掃で洗い落とすことが困難となってしまい人件費が増加するという問題もある。また、このような水滴による問題は、結露だけではなく、通常の雨によっても発生するため、太陽熱発電システムの設置される土地にかかわらず発生する問題である。

しかし、このような問題に対しては、通常、タワー式太陽熱発電システムで用いられる反射装置の鏡面は、タワー上部に設けられた中央反射鏡に向けられて設置されており、その鏡面は地面に対してある程度角度をもって設置されるため、各反射鏡の表面がある程度撥水性となるように処理することで解決可能な問題と考えられていた。

ところが、タワー式の太陽熱発電システムの実用化にあたり、多数の平面鏡を設置する際にあたり、新たな問題が明らかになった。

上述のように、太陽熱発電システムが設置される土地は、比較的平坦な場所とされるため、周囲には遮蔽物がなく、且つ各反射鏡の反射面面積が大きいため強風に対する耐力が要求されるとともに、強風により飛散した砂や小石等による鏡面の破損も大きな問題となることが明らかとなった。

このような問題に対し、上記特許文献２に記載のヘリオスタットでは、強風に対する考慮がなされておらず駆動機構の故障や倒壊のおそれがあるとともに、飛散物による鏡面の劣化の問題が発生する恐れもある。

このような問題に対しては、太陽光の集光に用いられない夜間や荒天時に、反射鏡を駆動させて反射鏡を略水平状態にすることで、強風による影響や飛散物による影響を低減させることが考えられる。ところが、反射鏡を水平状態とした場合には、当然鏡面も水平状態となるため、鏡面に撥水処理を施した場合であっても、表面に付着した水滴が滞留し、塵埃が付着することで鏡の表面が汚れるという問題を解決することができなくなり、太陽熱発電のための受光効率が低下する問題となる事が判明した。

本発明は上記問題に鑑み、風による倒壊の危険性や駆動機構の故障を低減でき、さらには結露等による水滴の付着に伴う太陽熱発電のための受光効率の低下を抑制できる太陽光反射装置及び該反射装置を用いた太陽熱発電システムを提供することを目的とするものである。

上記の目的は、下記の構成により達成される。

（１）太陽光反射装置であって、短冊状の複数の反射鏡と、前記反射鏡を保持する保持部材と、前記保持部材の向きを変更する傾斜角可変機構と、を有し、前記保持部材上に、前記反射鏡が鋸歯状に傾斜して配置されていることを特徴とする太陽光反射装置。

（２）前記保持部材上の複数の前記反射鏡の地面側の側端部を繋ぐ面と前記反射鏡とのなす角を、水滴の転落角より大きくしたことを特徴とする前記（１）に記載の太陽光反射装置。

（３）前記保持部材上の複数の前記反射鏡を反射面方向から見たときの射影面積を最少にする方向と前記反射鏡とのなす角を、水滴の転落角より大きくしたことを特徴とする前記（１）に記載の太陽光反射装置。

（４）前記反射鏡は、材質がガラス又は樹脂で形成されたものであることを特徴とする前記（１）から（３）までのいずれかに記載の太陽光反射装置。

（５）前記（１）から（４）までのいずれかに記載の太陽光反射装置が複数配置され、前記太陽光反射装置により反射された太陽光を集熱器に集め、得られた熱エネルギーを用いて発電することを特徴とするタワー式太陽熱発電システム。

本発明によれば、風による倒壊の危険性や駆動機構の故障を低減でき、さらには結露等による太陽熱発電のための受光効率の低下を抑制できる太陽光反射装置を提供することが可能となる。

本実施の形態に係る太陽光反射装置を有するタワー式太陽熱発電システムの概略を示す模式図である。 本実施の形態に係る太陽光反射装置の概略を示す斜視図である。 本実施の形態に係る太陽光反射装置の反射鏡部の構成例を示す断面図である。 図３に示す反射鏡部の反射鏡の好ましい傾斜角を示す図である。 本実施の形態に係る太陽光反射装置の反射鏡部の変形例を示す図である。 図５（ｂ）に示す反射鏡部の反射鏡の好ましい傾斜角を示す図である。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、以下の図においては、駆動部に電力を供給する電源や、配線等については省略して図示している。

図１は、本実施の形態に係る太陽光反射装置を有するタワー式太陽熱発電システム１００の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、タワー式太陽熱発電システム１００では、鏡と鏡を保持する保持部材と太陽の日周運動に追従して鏡の傾斜を変更調整する傾斜角可変機構とを備えた本実施の形態に係る太陽光反射装置１０が多数配置される。各太陽光反射装置１０で反射された太陽光は、タワー５０の上部にある中央反射鏡５１によりタワー内部に導かれ、タワー内部の集熱器５２を加熱する。そこで加熱された液体（水、オイル、溶融塩など）は、タワー下部に送られ、熱電変換部５３により発電を行うようになっている。熱電変換部５３は、例えば、水を蒸発させて、蒸気タービンを回して発電を行うものである。

図２は、本実施の形態に係る太陽光反射装置１０の概略を示す斜視図である。

図２に示す本実施の形態に係る太陽光反射装置１０は、図示の如く、反射鏡部２５が短冊状の複数枚の反射鏡２０で構成され、鋸歯状に傾斜して配置されている。反射鏡部２５のより詳細な説明は後述する。

鋸歯状に傾斜して配置されている反射鏡２０の各々は、保持部材３０に固着保持されている。保持部材３０は、反射鏡２０の長手方向に回転軸３１が形成されており、フォーク３５に形成された穴部を嵌合貫通している。

回転軸３１には、ウォームホイール３２が固着されている。ウォームホイール３２には、フォーク３５に固定されたモータ３４により回転させられるウォームギア３３が歯合している。これにより、モータ３４を駆動することで、反射鏡部２５を図示Ｈ軸回りに回転させ、反射鏡部２５のＨ軸回りの方向（反射鏡部全体の傾斜）を変更できるようになっている。

フォーク３５の中央部に形成された回転軸４１には、同様に、ウォームホイール４２が固着されている。ウォームホイール４２には、基台４５に固定されたモータ４４により回転させられるウォームギア４３が歯合している。これにより、モータ４４を駆動することで、反射鏡部２５を図示Ｖ軸回りに回転させ、反射鏡部２５のＶ軸回りの方向を変更できるようになっている。図２ではウォームホイール及びウォームギア等を露呈した状態で示しているが防塵カバー等で覆われていることが好ましい。

また、不図示であるが、Ｈ軸回りにおける保持部材３０の傾斜角及び、Ｖ軸回りにおけるフォーク３５の方向を検知するセンサが設けられている。

このような経緯台式の傾斜角可変機構においては、中央反射鏡５１及び太陽光反射装置１０の配置位置と、太陽の位置に対応して、反射鏡２０の向きをモータ３４及び４４により常時駆動制御し、太陽光を中央反射鏡５１へ向けて反射させる。

なお、図２では傾斜角可変機構を経緯台式のもので説明したが、フォーク３５を極軸回りに回転させる赤道儀式のものであってもよい。

図３は、本実施の形態に係る太陽光反射装置１０の反射鏡部２５の構成例を示す断面図である。図３は図２に示すＡ−Ａ線で切断した断面図である。

図３に示すように、反射鏡部２５は、短冊状の複数枚の反射鏡２０で構成され、鋸歯状に傾斜して配置されている。反射鏡２０の各々は、反射面を平行とされて保持部材３０に固着保持されている。また、各反射鏡２０の間には、図示のように非反射部領域２２を有している。すなわち、反射鏡２０が非反射部領域２２と交互に配置されているものである。

このように、反射鏡２０を短冊状に分割し非反射部領域２２と交互に鋸歯状に傾斜させて平行に配置することにより、太陽を追尾して図２に示すＨ軸回りの傾斜角を変化させても、保持部材３０及び反射鏡２０の水平方向の射影面積を小さくすることができる。これにより、従来のような平面的に反射鏡を配置するのに比べ、太陽光反射装置の反射鏡部２５の風から受ける力を小さくすることができ、各部を強化することなく、相対的に風に対する耐力を大きくすることができる。

また、反射鏡２０が破損や劣化した場合の交換に際しても、１枚の反射鏡の面積が小さいため交換が容易で、低コストとできる。

図４は、図３に示す反射鏡部２５の反射鏡２０の好ましい傾斜角を示す図である。

反射鏡２０の好ましい傾斜角は、結露した水分が水滴として反射鏡２０の表面から転落するような角度に設定されていることが好ましい。

図４は、短冊状の複数枚の反射鏡２０の地面側の側端部を繋ぐ面（図４におけるＢ）と反射鏡２０とのなす角（図示θ１）を、水滴が自然に落下する転落角より大きくした例である。この場合、夜間や降雨時には反射鏡部２５の反射鏡２０の地面側の側端部を繋ぐ面と水平面を一致させた状態で静止させておけば、反射鏡２０上の結露した水滴は自重で表面から転落するため、滞留した水分に塵埃が付着して鏡の表面が汚れることを防止でき、反射面の反射率を低下させることがない。また、このように静止させておくことで、反射鏡部２５の風から受ける力を小さくすることができる。

また、水滴は、反射鏡２０から転落し非反射部領域２２に落下させるため、非反射部領域２２の高さは反射鏡２０より低く形成されていることが好ましく、図３、４に示すように底面の無い素通しとして、直接地面に落下させるように形成されているとより好ましい。

なお、傾斜角可変機構に水平面の設定誤差が有る場合には、この設定誤差を含めた角度以上に傾斜角θ１を設定することが好ましい。例えば転落角が４０度の場合、傾斜角可変機構の水平面の設定誤差が±０．５度の場合には、θ１を４０．５度にするということである。

また、隣接する反射鏡による反射後の太陽光のケラレの発生を抑えるには、傾斜角すなわち転落角はより小さい方が好ましい。例えば、反射鏡に表面処理を施すことで、転落角をより小さな角度とできる。例えば、ダイキン工業（株）製 オプツール、富士化成工業（株）製 ＺＸ−０４９、ＤＩＣ（株）製 メガファック、ＪＳＲ（株）製 オプスター等を用いることができる。

図５は、本実施の形態に係る太陽光反射装置１０の反射鏡部２５の構成の変形例を示す図である。図５（ａ）は短辺方向の長さの等しい反射鏡２０の配置高さを連続的に変化させたものであり、図５（ｂ）は反射鏡２０の短辺方向の長さを連続的に長くして配置したものである。

図５に示すように、反射鏡２０の配置高さを連続的に変化あるいは短辺方向の長さを連続的に長くして配置することで、隣接する反射鏡による反射後の太陽光のケラレの発生を低減させることができ中央反射鏡５１へ効率よく太陽光を導くことができる。

なお、図３〜図５においては、保持部材３０に反射鏡２０を固着した例で説明したが、保持部材３０に反射面を直接蒸着したものであってもよい。この場合は、薄膜状の反射鏡である反射面を保持部材が保持しているということになる。

また、反射鏡は、ガラス製、樹脂製、樹脂フィルム等のいずれでもよい。また、保持部材としては、一体構造であってもよいし、骨組構造体であってもよいが、風から受ける力を減少させるため、側面方向から見た際に平坦部の面積ができるだけ少なく、構造部材の射影面積が小さい構造であることが好ましい。

図６は、図５（ｂ）に示す反射鏡部２５の反射鏡２０の好ましい傾斜角を示す図である。

図６に示すように、反射鏡２０の短辺方向の長さの異なる場合は、反射面方向から見たときの反射鏡２０の射影面積を最少にする方向（図６におけるＣ）と反射鏡とのなす角（図示θ２）を、水滴転落角より大きくすることが好ましい。

この場合、夜間や降雨時には反射鏡２０の射影面積を最少にする方向（図示Ｃの方向）と水平面を一致させた状態で静止させておけば、各反射鏡の風から受ける力を最小にすることができる。さらに、反射鏡２０上の結露した水滴は自重で表面から転落するため、塵埃が付着して鏡の表面が汚れることを防止でき、反射面の反射率を低下させることがない。

なお、図５（ｂ）に示す反射鏡部２５においても、図４に示したような傾斜角の設定としてもよいのはもちろんである。

なお、上述の実施の形態においては、反射鏡部として５枚の短冊状の反射鏡で構成した例で説明したが、これに限るものでなく、２〜４枚、或いは６枚以上で構成してもよい。

１０ 太陽光反射装置
２０ 反射鏡
２２ 非反射部領域
２５ 反射鏡部
３０ 保持部材
３１ 回転軸
３２ ウォームホイール
３３ ウォームギア
３４ モータ
３５ フォーク
４１ 回転軸
４２ ウォームホイール
４３ ウォームギア
４４ モータ
４５ 基台
５０ タワー
５１ 中央反射鏡
５２ 集熱器
５３ 熱電変換部
１００ タワー式太陽熱発電システム

Claims (5)

1. 太陽光反射装置であって、
   短冊状の複数の反射鏡と、
   前記反射鏡を保持する保持部材と、
   前記保持部材の向きを変更する傾斜角可変機構と、を有し、
   前記保持部材上に、前記反射鏡が鋸歯状に傾斜して配置されていることを特徴とする太陽光反射装置。
2. 前記保持部材上の複数の前記反射鏡の地面側の側端部を繋ぐ面と前記反射鏡とのなす角を、水滴の転落角より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光反射装置。
3. 前記保持部材上の複数の前記反射鏡を反射面方向から見たときの射影面積を最少にする方向と前記反射鏡とのなす角を、水滴の転落角より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光反射装置。
4. 前記反射鏡は、材質がガラス又は樹脂で形成されたものであることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の太陽光反射装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の太陽光反射装置が複数配置され、
   前記太陽光反射装置により反射された太陽光を集熱器に集め、得られた熱エネルギーを用いて発電することを特徴とするタワー式太陽熱発電システム。

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