JP2013015304A

JP2013015304A - 太陽集光システム及び太陽熱発電システム

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Publication number: JP2013015304A
Application number: JP2011150359A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Mitsunari; 俊泰光成
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013005479A1

Abstract

【課題】複数列の集光ミラーを効率良く配置できる太陽集光システム及び太陽熱発電システムを提供する。
【解決手段】本発明は、直線状に延在するレシーバ１１に対して集光する反射部１２を有する集光ミラー１３の列Ａ，Ｂを備えたトラフ型の太陽集光システム１０であって、集光ミラー１３は、レシーバ１１に沿って延在する中心軸Ｐを中心として回転可能又は揺動可能に構成され、中心軸Ｐは、中心軸Ｐと直交する方向において集光ミラー１３のうち中心軸Ｐから最も離れた端部となる外縁端Ｎ１，Ｎ２と中心軸Ｐとの直線距離が最小となるように位置する。この太陽集光システム１０によれば、集光ミラー１３の回転直径Ｄを小さくすることができるので、回転や揺動による機械的干渉が起きない範囲で複数列の集光ミラー１３を狭い列間隔で配置することができ、集光ミラー１３の効率良い配置が実現できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽集光システム及び太陽熱発電システムに関する。

近年、化石燃料の枯渇や二酸化炭素排出による諸問題に鑑み、再生可能な自然エネルギーである太陽光の利用が広く検討されている。太陽光エネルギーの利用には、太陽電池により直接電気に変換する手法と太陽光を吸収して太陽熱として利用する手法とが知られている。太陽熱として利用する手法には、その熱を利用してタービンやスターリングエンジンにより間接的に発電するものも含まれる。

太陽熱の利用は半導体を用いないため、太陽電池に比べて単位面積当たりのコストを低くすることができ、大面積で利用したい場合の初期投資が低く抑えられるため、近年注目を再び集めている。特に、発電せずに熱そのものを利用する場合に効率が高く、太陽熱を利用する意義が大きい。このため、特に産業用の蒸気の供給などの中規模なプラントにおいて太陽熱を利用できる太陽集光システムが日本だけではなく欧州等の世界各国でも検討されている。

太陽集光システムとしては、トラフ型、タワー型、ディッシュ型、フレネル型などの手法が知られており、ここではトラフ型について説明する。例えば特許文献１には、直線状のレシーバに対して太陽光を線状に集光する樋状の反射鏡を複数列備えたトラフ型の太陽集光システムが開示されている。このようなトラフ型の太陽熱発電システムでは、管状のレシーバ内部を熱輸送流体が流れており、集光によってレシーバが受けた熱が熱輸送流体を介して蒸気タービンなどの発電設備へと送られることで、太陽熱を利用した発電が行われる。

図６に従来の太陽集光システムの例を示す。図６に示す従来の太陽集光システム５０は、直線状のレシーバ５１と、直線状のレシーバ５１に対して集光する反射部５２を有する集光ミラー５３と、集光ミラー５３を回転可能に支持する支持台５４と、集光ミラー５３の中央付近に取り付けられ、集光ミラー５３を回転駆動させるアクチュエータ５５と、を備えている。この太陽集光システム５０では、集光ミラー５３の側方から見て、集光ミラー５３の回転中心となる中心軸Ｑが集光ミラー５３の中央付近に位置している。

特開２０１０−１４４７２５号公報

ところで、トラフ型の太陽集光システムでは、複数列の集光ミラーが狭い列間隔で設置されると、太陽の高度が低い時間帯に集光ミラーの一部が前列の集光ミラーの影に入り、影に入った分のミラー面積が無駄となる。このため、土地の価格が安い砂漠地帯などでは、通常、集光ミラー自体の幅の数倍程度の間隔で集光ミラーの各列が配置されている。しかしながら、日本など土地の価格が高く土地の広さに制限のある地域では、土地利用効率を高める必要がある。このため、集光ミラーの効率的な配置が強く求められている。

そこで、本発明は、複数列の集光ミラーを効率良く配置できる太陽集光システム及び太陽熱発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、直線状に延在するレシーバに対して集光する反射部を有する集光ミラーの列を複数備えたトラフ型の太陽集光システムであって、集光ミラーは、レシーバに沿って延在する中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、中心軸は、中心軸と直交する方向において集光ミラーのうち中心軸から最も離れた端部となる外縁端と中心軸との直線距離が最小となるように位置することを特徴とする。

この太陽集光システムによれば、集光ミラーの回転直径を小さくすることができるので、回転や揺動による機械的干渉を起こすことなく複数列の集光ミラーを短い間隔で配置することができ、複数列の集光ミラーを効率良く配置することができる。従って、この太陽集光システムによれば、使用する土地面積に対して集光ミラーが受ける光束面積の比率を大きくすることができるので、効率良く太陽熱を得ることができる。

上記太陽集光システムにおいては、反射部の中心軸に垂直な断面がレシーバを焦点とした放物線形状であっても良い。
この太陽集光システムによれば、集光ミラーの正面から入射した太陽光を効果的にレシーバに集光することができるので、一層効率良く太陽熱を得ることができる。

本発明は、直線状に延在するレシーバに対して集光する反射部を有する集光ミラーの列を複数備え、集光によりレシーバが得た熱を利用して発電を行うトラフ型の太陽熱発電システムであって、集光ミラーは、レシーバに沿って延在する中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、中心軸は、中心軸と直交する方向において集光ミラーのうち中心軸から最も離れた端部となる外縁端と中心軸との直線距離が最小となるように位置することを特徴とする。

この太陽熱発電システムによれば、集光ミラーの回転半径を小さくすることができるので、回転や揺動による機械的干渉を起こすことなく複数列の集光ミラーを短い間隔で配置することができ、複数列の集光ミラーを効率良く配置することができる。従って、この太陽熱発電システムによれば、土地の面積に対して集光ミラーが受ける光束面積の比率を大きくすることができるので、高効率の太陽熱発電を実現することができる。

本発明によれば、複数列の集光ミラーを効率良く配置できる。

本発明に係る太陽熱発電システムにおける太陽集光システムの一実施形態を示す斜視図である。図１の太陽集光システムを示す側面図である。（ａ）太陽の高度が高いときの集光状態を説明するための図である。（ｂ）図３（ａ）に示すＥ及びＧの概略的関係を説明するための図である。太陽の高度が低いときの集光状態を説明するための図である。単位面積当たりにおける一日分の光エネルギと集光ミラー列の隙間比率との関係を示すグラフである。従来の太陽集光システムを示す側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係る太陽熱発電システムは、太陽光の集光により得られる太陽熱を利用して発電を行うシステムであり、太陽光を集光する太陽集光システム１０を備えている。

太陽集光システム１０は、いわゆるトラフ型の集光システムであり、直線状に延在するレシーバ１１に対して集光する樋状の反射部１２を有する集光ミラー１３の列を複数備えている。レシーバ１１は、内部を熱輸送流体が流れるチューブ状の部材であり、集光ミラー１３の集光によりレシーバ１１が得た熱は熱輸送流体によって発電設備へ供給される。発電設備は、例えば蒸気タービンやスターリングエンジンなどであり、熱輸送流体を通じて供給された熱を利用して発電を行う。

太陽集光システム１０における集光ミラー１３の列数は、数列から数十列以上など使用可能な土地の大きさなどに応じて決定される。図１及び図２では、二列の集光ミラー列Ａ，Ｂを例示して説明を行う。

図１及び図２に示されるように、集光ミラー列Ａ，Ｂは、各六枚の集光ミラー１３を備えており、互いに平行に並んでいる。集光ミラー列Ａ，Ｂは、配置位置を除いて、全て同一の構成要素を有している。以下、集光ミラー列Ａについて説明を行う。

集光ミラー列Ａの有する六枚の集光ミラー１３は、一本のレシーバ１１を共有して直線状に配置されている。各集光ミラー１３は、支持台１４によって左右が支持されている。集光ミラー１３は、太陽の動きに合わせて向きを変えるため、中心軸Ｐを中心として回転可能に支持されている。レシーバ１１は集光ミラー１３と一体的に回転する。中心軸Ｐは、レシーバ１１に沿って平行に延在する仮想の軸線である。

集光ミラー１３は、反射部１２と、反射部１２を支持するミラー基材１５と、ミラー基材１５と支持台１４とを繋ぐアーム部１６と、を有している。

反射部１２は、例えば薄型のガラスや樹脂にＡｌなどの金属コーティングを施したフィルムミラーなどから構成されており、入射した太陽光をレシーバ１１に集光させるものである。反射部１２は、直線状のレシーバ１１に集光させるため横長の樋形状をなしている。

図２に示されるように、反射部１２は、集光ミラー１３の側方（中心軸Ｐの延在方向）から見た場合、レシーバ１１を囲むように湾曲しており、反射部１２における中心軸Ｐと垂直な断面は、レシーバ１１を焦点とした放物線形状をなしている。このような反射部１２を有する集光ミラー１３によれば、集光ミラー１３の正面から入射した太陽光を効果的にレシーバ１１に集光することができるので、非常に効率良く太陽熱を得ることができる。

ミラー基材１５は、樋状の反射部１２を支持する基材である。ミラー基材１５は、反射部１２に沿って樋状に形成されている。このミラー基材１５は、例えば鉄などの金属から構成されている。

アーム部１６は、ミラー基材１５の左右に設けられた一対の板状部材である。アーム部１６は、ミラー基材１５の左右の両側面に各々固定されている。アーム部１６は、支持台１４に対して回転可能に接続されている。

アーム部１６は、一端がミラー基材１５に固定されると共に他端がレシーバ１１に向かって突出した第１連結板１６ａ及び第２連結板１６ｂと、第１連結板１６ａ及び第２連結板１６ｂの他端側を繋ぐ第３連結板１６ｃと、から構成されている。第３連結板１６ｃには、レシーバ１１を支持するレシーバ受け部材１７が連結されている。

集光ミラー列Ａの右端に位置する支持台１４とアーム部１６との間には、集光ミラー列Ａの六枚の集光ミラー１３を回転させるためのアクチュエータ２０が設けられている。アクチュエータ２０には、電気式のものや油圧式のものなど様々な駆動機構を採用することができる。アクチュエータ２０は、集光ミラー１３を任意の方向に回転可能である。なお、アクチュエータ２０は一方向のみに回転可能なものであっても良い。

次に、太陽集光システム１０の集光ミラー列Ａ，Ｂの寸法及び列間隔について説明する。図２に示すＮ１，Ｎ２は、集光ミラー１３の外縁端を示している。外縁端とは、集光ミラー１３のうち中心軸Ｐと直交する方向において中心軸Ｐから最も離れた端部を意味する。本実施形態においては、縦方向におけるミラー基材１５の両端が外縁端Ｎ１，Ｎ２となる。外縁端は集光ミラー１３の形状によって変わり、形状によっては三点以上存在する場合もある。

図２に示すＫは、中心軸Ｐを中心として回転したときの外縁端Ｎ１，Ｎ２の回転軌道である。回転軌道Ｋが集光ミラー１３における最も外側の回転軌道となり、回転による集光ミラー１３同士の機械的接触を避けるため集光ミラー列Ａ，Ｂは回転軌道Ｋが交差しない間隔で配置する必要がある。回転軌道Ｋの回転直径をＤ、回転半径をＲとして示す。

集光ミラー１３の中心軸Ｐは、中心軸Ｐと直交する方向において外縁端Ｎ１，Ｎ２と中心軸Ｐとの直線距離が最小となるように位置する。本実施形態においては、中心軸Ｐは、中心軸Ｐと直交する方向におけるミラー基材１５の両端であるＮ１，Ｎ２を結んだ線分Ｊの中点に位置している。このような位置に中心軸Ｐが存在することで、集光ミラー１３の回転直径Ｄ（回転半径Ｒ）を小さくすることができる。

また、図２に示すＨは集光ミラー列Ａ，Ｂの全高であり、Ｌは、集光ミラー列Ａ，Ｂの間の列間隔である。Ｆは回転軌道Ｋと地面との間の余裕であり、Ｗは集光ミラー列Ａの回転軌道Ｋと集光ミラー列Ｂの回転軌道Ｋとの間の余裕である。Ｆ及びＷは回転による集光ミラー１３の機械的干渉を避けるために設けられた安全マージンである。

ここで、図３及び図４を参照して、太陽の高度に応じた集光ミラー１３の回転状態を説明する。

図３は、太陽の高度が高いときの集光状態を説明するための図である。図４は、図３より太陽の高度が低いときの集光状態を説明するための図である。図３及び図４では、三つの集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃを例示して説明を行う。図３において、太陽光をＴ、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃが受ける太陽光の光束面積をα１〜α３、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃの使用する土地面積をＧ、使用土地面積Ｇに対する太陽光の光束面積をＥとして示す。また、図４において集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃが受ける太陽光の光束面積をβ１〜β３、前列の集光ミラー１３の影となる範囲をＳ１，Ｓ２として示す。

図３に示されるように、太陽の高度が高いとき、太陽光Ｔは地面に対して急な角度で入射する。集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃは、太陽光Ｔを受ける光束面積α１〜α３が最大となるように集光ミラー１３の回転角度を調整する。この場合、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれの反射部１２の全範囲で太陽光を受けることができ、光束面積α１〜α３に差は生じない。

一方、太陽の高度が高いときには、一部の太陽光Ｔが集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃの隙間を通り抜けてしまう。通り抜けた分は光エネルギを取得できないため集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃの隙間が小さいことが好ましい。すなわち、土地に降り注ぐ太陽光の光束面積Ｅと集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃが受ける太陽光の光束面積α１〜α３の和との差が小さいことが好ましい。この差が小さいほど、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃによる土地利用率が高くなる。なお、図３（ｂ）に示されるように、光束面積Ｅと使用土地面積Ｇとは、地面に対する太陽光Ｔの入射角をθとしたとき概略的にＥ＝Ｇsinθの関係で表すことができる。

図４に示されるように、太陽の高度が低いとき、太陽光Ｔは地面に対して緩やか角度で入射する。集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃは、太陽光Ｔを受ける光束面積β１〜β３が最大となるように集光ミラー１３の回転角度を調整する。この場合には、太陽の方向から見て後列の集光ミラー１３の一部が前列の集光ミラー１３の影に入るシャドーイングが発生する。

シャドーイングが発生すると、後列の集光ミラー列Ｂ，Ｃの集光ミラー１３の一部範囲Ｓ１，Ｓ２は前列の集光ミラー１３の影となり太陽光Ｔを受けることができない。一方で、この場合には、土地に降り注ぐ太陽光の光束面積Ｅと集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃが受ける太陽光の光束面積β１〜β３の和との差を小さくすることができる。そこで、本実施形態に係る太陽集光システム１０では、従来の太陽集光システムでは避けられていたシャドーイングの発生を許容して集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃの配置を行う。これにより、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃの列間隔（隙間）を短くすることができるので、集光ミラー列Ａ，Ｂ，Ｃによる土地利用率を高くすることができる。

次に、図２及び図６を参照して、本実施形態に係る太陽集光システム１０と従来の太陽集光システムとを比較しつつ、太陽集光システム１０の作用効果を説明する。

ここで、図６は、従来の太陽集光システム５０における集光ミラー列Ａｐ，Ｂｐを示す側面図である。図６に示されるように、従来の太陽集光システム５０は、集光ミラー５３の側方から見て集光ミラー５３の中心軸Ｑがミラー基材５６の中央付近に位置している点と、レシーバ受け部材５７がミラー基材５６に直接固定されている点と、が本実施形態に係る太陽集光システム１０と比べて主に異なっている。なお、レシーバ５１、反射部５２、及び支持台５４は、太陽集光システム１０におけるレシーバ１１、反射部１２、及び支持台１４と同様の構成を有する。

図６において、従来の太陽集光システム５０の集光ミラー列Ａｐ，Ｂｐの全高をＨｐ、集光ミラー５３の回転直径をＤｐ、集光ミラー５３の回転半径をＲｐ、集光ミラー５３の外縁端をＮｐ１，Ｎｐ２、外縁端Ｎｐ１，Ｎｐ２の描く回転軌道をＫｐ、回転軌道Ｋｐと地面との間の余裕をＦｐ、外縁端Ｎｐ１，Ｎｐ２を結ぶ線分をＪｐとして示す。ま

また、集光ミラー列Ａｐ，Ｂｐの間隔をＬｐ、集光ミラー列Ａｐの回転軌道Ｋｐと集光ミラー列Ｂｐの回転軌道Ｋｐとの間の余裕をＷｐとして示す。なお、図２の余裕Ｆと図６の余裕Ｆｐ、及び図２の余裕Ｗと図６の余裕Ｗｐとは、回転による機械的干渉を避けるために設けられた安全マージンであり、同じ値である。また、図２の外縁端Ｎ１，Ｎ２を結ぶ線分Ｊと図６の外縁端Ｎｐ１，Ｎｐ２を結ぶ線分Ｊｐとは同一の長さである。

図２に示されるように、本実施形態に係る太陽集光システム１０によれば、中心軸Ｐと直交する方向において集光ミラー１３のうち中心軸Ｐから最も離れた端部となる外縁端Ｎ１，Ｎ２と中心軸Ｐとの直線距離が最小となるように中心軸Ｐが位置しているので、図６に示す従来の太陽集光システム５０における集光ミラー５３の回転直径Ｄｐ（回転半径Ｒｐ）と比べて、集光ミラー１３の回転直径Ｄ（回転半径Ｒ）を小さくすることができる。

従って、この太陽集光システム１０によれば、集光ミラー１３の回転直径Ｄを小さくすることができるので、前後の集光ミラー１３の機械的干渉すなわち回転軌道Ｋ同士の接触を避けつつも、集光ミラー１３の列間隔Ｌを短く配置することが可能となり、複数列の集光ミラー１３を効率良く配置することができる。この太陽集光システム１０によれば、使用する土地面積Ｇに対して集光ミラー１３が受ける光束面積の比率を大きくすることができるので、効率良く太陽熱を得ることができる。

次に、図５を参照して太陽集光システム１０の作用効果を説明する。図５は、単位面積当たりにおける一日分の光エネルギと集光ミラー列の隙間比率との関係を示すグラフである。単位面積当たりにおける一日分の光エネルギとは、単位面積当たりにおける一日分の直達日射量ＤＮＩ［Direct Normal Irradiance］を１２００（ｋＷｈ／ｍ^２）の土地に太陽集光システムを配置した場合に太陽集光システムが得る光エネルギ（熱量）である。また、隙間比率とは、複数列の集光ミラーの列間隔と集光ミラーの幅との比率である。例えば、隙間比率の値が１の場合には、集光ミラーの列間隔が集光ミラーの幅と等しくなるように配置されていることを意味する。

図５に示されるように、太陽集光システムでは、隙間比率が小さいほどシステムが得られる光エネルギが大きくなる。隙間比率が５以上の場合と１以下の場合とを比べると、得られる光エネルギが二倍以上大きくなっている。

従って、本実施形態に係る太陽集光システム１０によれば、回転による前後の集光ミラー列の機械的干渉やシャドーイングの問題から高い隙間比率で集光ミラー列を配置していた従来の太陽集光システムと比べて、非常に小さな隙間比率で集光ミラー列を配置することができるので、効率的に光エネルギを集めることができる。

また、この太陽集光システム１０では、図２及び図６に示されるように、集光ミラー列Ａ，Ｂの全高Ｈを従来の集光ミラー列Ａｐ，Ｂｐの全高Ｈｐと比べて低くすることができる。すなわち、レシーバ１１の高さを従来の太陽電池システムと比べて低い位置とすることができる。このため、太陽集光システム１０によれば、レシーバ１１の位置を太陽光により温められた地面に近づけることができるので、地面側から受ける熱的エネルギによりレシーバ１１における熱損失を低減することが可能になる。従って、この太陽集光システム１０によれば、レシーバ１１による熱の取得効率及びレシーバ１１内の熱輸送流体の熱輸送効率を高めることができるので、効率的な太陽熱の利用を実現することができる。

また、本実施形態に係る太陽熱発電システムによれば、太陽集光システム１０を備えることにより複数列の集光ミラー１３を効率良く配置することができるので、使用する土地面積に対して集光ミラー１３が受ける光束面積の比率を大きくすることができ、高効率の太陽熱発電を実現することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態に係る太陽集光システム１０は、太陽熱発電への利用に限られない。太陽熱を利用した給湯、蒸気供給、暖房空調、冷房空調（吸収式冷凍機の高温熱源）など、様々な分野に活用することができる。特に、中規模プラントにおける工場の空調や蒸気供給などの用途に適している。また、レシーバ１１に太陽電池を配置することにより、集光型の太陽電池システムとして活用することもできる。

また、集光ミラー１３は、必ずしも３６０度回転可能な構成である必要はなく、揺動可能な構成であっても良い。この場合、集光ミラー１３の真下に回転スペースを設ける必要がないので、集光ミラー列Ａ，Ｂの高さを一層低くすることができる。

また、太陽集光システム１０の集光ミラー１３の反射部１２は、必ずしも断面が放物線形状である必要はない。例えば、平面部分を有していても良く、いわゆるフレネル型のミラー形状であっても良い。

また、特許請求の範囲に記載された集光ミラーには、レシーバ等を除き、反射部と一体的に回転する各種部材が含まれる。例えば、反射部の裏側に大型のサポートフレームが取り付けられている場合には、当該サポートフレームも集光ミラーに含まれ、当該サポートフレームの端部が特許請求の範囲に記載された外縁端になり得る。

１０…太陽集光システム１１…レシーバ１２…反射部１３…集光ミラー１４…支持台１５…ミラー基材１６…アーム部２０…アクチュエータＡ，Ｂ，Ｃ…集光ミラー列Ｄ…回転直径Ｅ…土地に対する光束面積Ｇ…使用土地面積Ｋ…回転軌道Ｌ…列間隔Ｎ１，Ｎ２…外縁端Ｐ…中心軸Ｑ…中心軸Ｒ…回転半径Ｓ１，Ｓ２…影となる範囲Ｔ…太陽光 α１-α３…光束面積 β１-β３ｃ…光束面積

Claims

直線状に延在するレシーバに対して集光する反射部を有する集光ミラーの列を複数備えたトラフ型の太陽集光システムであって、
前記集光ミラーは、前記レシーバに沿って延在する中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、前記中心軸は、前記中心軸と直交する方向において前記集光ミラーのうち前記中心軸から最も離れた端部となる外縁端と前記中心軸との直線距離が最小となるように位置することを特徴とする太陽集光システム。
前記反射部の前記中心軸と垂直な断面は、前記レシーバを焦点とした放物線形状であることを特徴とする請求項１に記載の太陽集光システム。
直線状に延在するレシーバに対して集光する反射部を有する集光ミラーの列を複数備え、集光により前記レシーバが得た熱を利用して発電を行うトラフ型の太陽熱発電システムであって、
前記集光ミラーは、前記レシーバに沿って延在する中心軸を中心として回転可能又は揺動可能に構成され、前記中心軸は、前記中心軸と直交する方向において前記集光ミラーのうち前記中心軸から最も離れた端部となる外縁端と前記中心軸との直線距離が最小となるように位置することを特徴とする太陽熱発電システム。