JP2012215348A - 太陽熱受熱器及び太陽熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの開口部周辺がヘリオスタットの反射光により加熱されることがなく、しかも、良好な熱効率が得られる太陽熱受熱器を提供する。
【解決手段】ヘリオスタットで反射された太陽光が入射する開口部１１を有するケーシング１２と、該ケーシング１２内に配設され、熱媒体が流通するとともに反射された太陽光を受光したときに得られる熱を熱媒体に伝達させる複数の熱交換受熱管とを備えた太陽熱受熱器１０において、ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、開口部１１の外側にはみ出た光を受けるための断熱材２０が開口部周囲に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光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熱受熱器及び太陽熱発電装置に関する。

高温の太陽熱を利用して熱媒体を加熱し、この熱媒体によりタービンを回転駆動させて発電する太陽熱発電装置は、通常鏡により集光及び集熱を実施している。
集光装置と集熱する受熱器（熱交換器）とを組合せた構成には、たとえば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設置して、タワー上部の受熱器上に集光させて集熱するタワー集光方式がある。
また、集光装置と受熱器とを組合せる集光・集熱方式には、下記の特許文献１に開示されているように、下向きの楕円鏡を用いることにより、熱交換器を高いタワー上に設置しなくてすむようにした構成も提案されている。

特許第２９５１２９７号公報

ところで、タワー集光方式の太陽熱受熱器は、ヘリオスタットで反射された太陽光をケーシング内に配設された熱交換器が受光し、熱交換器を構成する熱交換受熱管の内部を流れている熱媒体に熱を伝達して加熱・集熱する。従って、熱交換器を設置するケーシングには、ヘリオスタットから反射されてくる太陽光を入射させるため、集光用の開口部が設けられている。

しかし、ヘリオスタットから反射された太陽光が集光用の開口部から漏れると、すなわち、鏡面精度等の問題により生じる反射角度等のずれによって太陽光の一部が開口部周辺に当たるようになると、ケーシングを加熱することとなる。こうして太陽光（反射光）に加熱されると、加熱を受けた領域のケーシングが焦げてしまい、焼損に至ることも懸念される。
上述した開口部周辺の加熱を防止するためには、反射光が当たらないように、開口部の面積を大きくすることが考えられる。しかし、大きな開口部を設けることは、放熱量を増大させることになるので、ケーシング内を高温に維持することが困難となり、熱効率上好ましくない。

このような背景から、ヘリオスタットで反射された太陽光をケーシング内に配設された熱交換器が受光して集熱する太陽熱受熱器においては、開口部周辺に漏れた太陽光の反射光が当たってもケーシングを加熱せず、しかも、集光用の開口部を最上限にして良好な熱効率を得られることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ケーシングの開口部周辺をヘリオスタットの反射光により加熱することがなく、しかも、良好な熱効率が得られる太陽熱受熱器、及びこの太陽熱受熱器を備えた太陽熱発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る太陽熱受熱器は、ヘリオスタットで反射された太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、該ケーシング内に配設され、熱媒体が流通するとともに前記反射された太陽光を受光したときに得られる熱を熱媒体に伝達させる複数の熱交換受熱管とを備えた太陽熱受熱器において、前記ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、前記開口部の外側にはみ出た光を受けるための断熱材を開口部周囲に設けたことを特徴とするものである。

このような太陽熱受熱器によれば、ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、開口部の外側にはみ出た光を受けるための断熱材を開口部周囲に設けたので、ケーシングの開口部周囲においては、反射光が断熱材に当たるため、反射光によるケーシングの加熱を防止できる。

上記の発明において、前記断熱材は、ヘリオスタットの制御誤差及び製作誤差の少なくとも１つに起因して開口部から外側へはみ出る光の範囲をカバーするように設けられていることが好ましい。すなわち、開口部から外側へはみ出る反射光の範囲をカバーするように、開口部の外側へ広めとしたリング状体の断熱材を設けることが望ましい。
この場合、開口部は円形または楕円形とされ、開口部が同心または偏心した位置となるように設けられたリング状体の断熱材が取り付けられる。
また、上記の発明において、好適な断熱材は、セラミックファイバーである。

本発明に係る太陽熱発電装置は、請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱受熱器と、地上から立設し前記太陽熱受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、集光した太陽光を前記太陽熱受熱器の開口部に向けて導く複数のヘリオスタットと、前記太陽熱受熱器の熱交換受熱管から導出された高温の加熱熱媒体により回転駆動されるタービンと、前記タービンにより回転駆動される発電機と、を備えることを特徴とするものである。

このような太陽熱発電装置によれば、請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱受熱器を備えているので、太陽熱受熱器のケーシングに設けた開口部の周辺では、ヘリオスタットから反射された太陽光が断熱材に当たるようになり、従って、ケーシングの開口部周囲が反射光により加熱されることはない。
なお、ここで言う「所定の角度範囲」には、３６０度の角度範囲、つまりタワーの全周囲にわたって複数のヘリオスタットが配置される場合も含んでいる。

上述した本発明によれば、太陽熱受熱器のケーシングに設けた開口部の周辺では、ヘリオスタットから反射された太陽光が断熱材に当たるようになるため、ケーシングの開口部周囲が反射光により加熱されることを防止できる。このため、良好な熱効率が得られるように集光用の開口部を必要最小限に設定しても、ケーシングの開口部周辺で加熱を受けた領域が焦げて焼損に至ることを防止できる。

本発明に係る太陽熱受熱器の一実施形態を示す図で、（ａ）は太陽熱受熱器の正面図、（ｂ）は太陽熱受熱器の右側面図である。 図１に示した太陽熱受熱器に設けた集光用の開口部を示す断面図である。 集光用の開口部周囲に断熱材を取り付けた断熱材取付構造例を示す要部の断面図である。 本発明に係る太陽熱受熱器の第１変形例を示す図で、（ａ）は太陽熱受熱器の正面図、（ｂ）は太陽熱受熱器の底面図である。 本発明に係る太陽熱受熱器の第２変形例を示す側面図である。 本発明に係る太陽熱受熱器の第３変形例を示す正面図である。 本発明に係る太陽熱受熱器の第４変形例を示す底面図である。 本発明に係る太陽熱受熱器の第５変形例を示す側面図である。

以下、本発明に係る太陽熱受熱器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示す本実施形態の太陽熱受熱器１０は、太陽熱発電装置の一部を構成する機器である。この太陽熱受熱器１０は、太陽光を集光して高温の熱エネルギーに変換し、この熱エネルギーを熱伝達により熱媒体に伝える機能を有している。すなわち、太陽熱受熱器１０は、太陽光のエネルギーで熱媒体を加熱することにより、タービン駆動用として高温に加熱された熱媒体を供給する機器である。

太陽熱発電装置は、上述した太陽熱受熱器１０と、地上から立設した太陽熱受熱器１０を高所位置に固設するためのタワーと、タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、集光した太陽光を太陽熱受熱器１０の開口部１１に向けて導く複数のヘリオスタットと、太陽熱受熱器１０の熱交換受熱管から導出された高温の加熱熱媒体により回転駆動されるタービンと、該タービンにより回転駆動される発電機と、を備えている。

すなわち、タワー集光方式の太陽熱受熱器１０は、タワー上の高所位置に設置され、周囲に設置された複数のヘリオスタットにより反射させた太陽光（反射光）をケーシング１２に設けた開口部１１に集め、ケーシング１２の内部に設置された熱交換器が受光することにより、熱交換器を構成する熱交換受熱管の内部を流れる熱媒体に熱を伝達して加熱・集熱する。
太陽熱発電装置は、こうして高温となった熱媒体がタービンに供給されてタービン駆動の仕事をし、さらに、タービン出力を駆動源とする発電機が駆動されて発電する。

図１に示す太陽熱受熱器１０は、略直方体形状としたケーシング１２の正面下部を切り欠くようにして傾斜面１３を形成し、この傾斜面１３に集光用の開口部１１を形成している。すなわち、本実施形態の太陽熱受熱器１０は、ヘリオスタットで反射された太陽光が図２に矢印で示すように入射する開口部１１を有しているケーシング１２と、該ケーシング１２内に配設され、熱媒体が流通するとともに反射された太陽光を受光したときに得られる熱を熱媒体に伝達させる複数の熱交換受熱管とを備えており、開口部１１の周囲部には、ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、開口部１１の外側にはみ出た光を受けるための断熱材２０が設けられている。

図示の開口部１１は、長軸が略水平方向となる横長の楕円形とされ、楕円形の開口部１１と同心となるように、開口部周囲にリング状体の断熱材２０が設けられている。換言すれば、楕円形の開口部１１と略相似形の外径形状に形成したリング形状の断熱材２０が、開口部１１を形成するケーシング１２の端部周辺を覆い、ヘリオスタットから反射された太陽光が直接ケーシング１２に当たらないように取り付けられている。
すなわち、断熱材２０は、ヘリオスタットの制御誤差及び製作誤差の少なくとも１つに起因して、開口部１１から外側（開口部１１を形成するケーシング１２の端部周辺）へはみ出る光、すなわち、開口部１１の領域から外れた太陽光の反射光が当たる範囲をカバーするようなリング形状幅に設けられている。

上述した断熱材２０としては、たとえばセラミックファイバー製が好ましい。
断熱材２０の取付構造例としては、たとえば図３に示すように、開口部１１を形成するケーシング１２の端部を上向きに折曲してフランジ部１２ａを形成しておき、このフランジ部１２ａに対して、断熱材２０を取り付けるためのリブ２１を溶接等により固定する構造がある。リブ２１に対する断熱材２０の固定は、たとえば周方向に複数配置したスタッドボルト２２に係止する構造等があり、断熱材２０を確実に固定できれば、リブ２１の使用も含めて特に限定されることはない。

このように構成された太陽熱受熱器１０は、ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、開口部１１の外側にはみ出た反射光を受けるための断熱材２０が開口部周囲に設けられているので、ケーシング１２の開口部周囲では、開口部１１を通過できない反射光が断熱材２０に当たるため、反射光によるケーシング１２の加熱を防止できる。従って、反射光を受けたケーシング１２が加熱されて焦げ、あるいは、さらなる加熱を受けたケーシング１２が焼損に至ることを防止できる。

ところで、上述した実施形態の開口部１１は、ケーシング１２の傾斜面１３に設けた横長の楕円形としたが、これに限定されることはない。
図４に示す第１変形例の太陽熱受熱器１０Ａは、略直方体形状としたケーシング１２Ａの底面に開口部１１Ａが開口している。この場合、開口部１１Ａは円形とされ、この開口部１１Ａと同心になるように、円形リング状体の断熱材２０Ａが開口部周囲に設けられている。

また、図５に示す第２変形例の太陽熱受熱器１０Ｂは、ケーシング１２Ｂの側面に円形の開口部１１Ｂが開口し、この開口部１１Ｂと同心になるように、円形リング状体の断熱材２０Ｂが開口部周囲に設けられている。
また、図６に示す第３変形例の太陽熱受熱器１０Ｃは、ケーシング１２Ｃの傾斜面１３Ｃに楕円形の開口部１１Ｃが開口し、この開口部１１Ｃが偏心した位置となるように、楕円形リング状体の断熱材２０Ｃが開口部周囲に設けられている。

また、図７に示す第４変形例の太陽熱受熱器１０Ｄは、ケーシング１２Ｄの底面に円形の開口部１１Ｄが開口し、この開口部１１Ｄが偏心した位置となるように、円形リング状体の断熱材２０Ｄが開口部周囲に設けられている。
また、図８に示す第５変形例の太陽光受熱器１０Ｅは、ケーシング１２Ｅの側面に円形の開口部１１Ｅが開口し、この開口部１１Ｅが偏心した位置となるように、円形リング状体の断熱材２０Ｅが開口部周囲に設けられている。
このように、開口部１１，１１Ａ〜１１Ｅは、円形または楕円形とされ、開口部１１，１１Ａ〜１１Ｅと同心となるように設けられたリング状体、または、開口部１１，１１Ａ〜１１Ｅが偏心して設けられたリング状体の断熱材２０，２０Ａ〜２０Ｅとなる。

上述したように、本実施形態及び変形例において、太陽熱受熱器１０のケーシング１２に設けた開口部１１の周辺では、ヘリオスタットから反射された太陽光が開口部１１を通過できないことがあり、この反射光は、ケーシング１２の開口部周囲を覆う断熱材２０に当たる。このため、ケーシング１２自体が反射光を直接受けることはなく、反射光の直射により加熱されることを防止でき、この結果、開口部１１の大きさを必要最小限に設定して良好な熱効率が得られるようになる。

すなわち、集光用の開口部１１を必要最小限の大きさに設定しても、開口部１１を通過できない反射光を断熱材２０が受熱することにより、開口部周辺で加熱を受けた領域のケーシング１２が焦げて焼損に至ることを防止でき、しかも、良好な熱効率が得られる太陽熱受熱器１０及びこの太陽熱受熱器１０を備えた太陽熱発電装置を提供できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０，１０Ａ〜１０Ｅ 太陽熱受熱器
１１，１１Ａ〜１１Ｅ 開口部
１２，１２Ａ〜１２Ｅ ケーシング
１３，１３Ｃ 傾斜面
２０，２０Ａ〜２０Ｅ 断熱材
２１ リブ
２２ スタットボルト

Claims (4)

1. ヘリオスタットで反射された太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、該ケーシング内に配設され、熱媒体が流通するとともに前記反射された太陽光を受光したときに得られる熱を熱媒体に伝達させる複数の熱交換受熱管とを備えた太陽熱受熱器において、
   前記ヘリオスタットから反射された太陽光のうち、前記開口部の外側にはみ出た光を受けるための断熱材を開口部周囲に設けたことを特徴とする太陽熱受熱器。
2. 前記断熱材は、ヘリオスタットの制御誤差及び製作誤差の少なくとも１つに起因して開口部から外側へはみ出る光の範囲をカバーするように設けら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. 前記断熱材がセラミックファイバーであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱受熱器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱受熱器と、
   地上から立設し前記太陽熱受熱器を高所位置に固設するためのタワーと、
   前記タワーの周囲に所定の角度範囲で配置され、集光した太陽光を前記太陽熱受熱器の開口部に向けて導く複数のヘリオスタットと、
   前記太陽熱受熱器の熱交換受熱管から導出された高温の加熱熱媒体により回転駆動されるタービンと、
   前記タービンにより回転駆動される発電機と、
   を備えることを特徴とする太陽熱発電装置。
   

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