JP2013092266A

JP2013092266A - 太陽炉装置

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Publication number: JP2013092266A
Application number: JP2011232669A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Ogawa; 静夫小川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-24
Also published as: JP5653885B2

Abstract

【課題】太陽光線を受光部に受光させる窓部分から失われる熱エネルギーを低減させて、太陽炉装置のエネルギー回収効率を向上させる。
【解決手段】受光部１２は、その内面に断熱層１１Ａが形成されたケーシング１１の内部に配設されている。ケーシング１１は、このケーシング１１の内部に太陽光線Ｌを導いてこの太陽光線Ｌを受光部１２に受光させる窓部１３を備えている。窓部１３は、この窓部１３を介した物質の出入りを遮断する透明部材１３Ａと、窓部１３を介した熱伝導を低減させる真空層１３Ｂと、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽炉装置に関する。詳しくは、太陽光線を受光して熱エネルギーを取り出すための受光部を備えた太陽炉装置に関する。

従来、太陽光線を集光してその熱エネルギーを利用することが広く行われている。この際、集光された太陽光線を受光する受光部に熱媒体を流通させて熱エネルギーを取り出すことが一般的に行われている。
例えば、特許文献１には、太陽光線をヘリオスタットで集光してケーシングとなる受熱器本体の開口部に導き、この受熱器本体の内壁面に沿って配設された熱交換受熱管に圧縮空気を流通させて加熱し、加熱された圧縮空気を用いてガスタービンユニットにより発電を行う技術が開示されている。ここで、受熱器本体の内壁面には全域にわたって断熱材が取り付けられて、受熱器本体から失われる圧縮空気の熱エネルギーを低減させるようになっている。

特開２０１１−００７４５８号公報

しかし、上記従来技術では、受熱器本体からその開口部を通して熱エネルギーが失われることを防ぐことができないという問題があった。
本発明は、上記した問題を解決するものとして創案されたものである。すなわち、本発明が解決しようとする課題は、太陽光線を受光部に受光させる窓部分から失われる熱エネルギーを低減させて、太陽炉装置のエネルギー回収効率を向上させることである。

上記課題を解決するために、本発明の太陽炉装置は次の手段をとる。
まず、第１の発明は、太陽光線を受光して熱エネルギーを取り出すための受光部を備えた太陽炉装置である。受光部は、内面に断熱層が形成されたケーシングの内部に配設されている。ケーシングは、このケーシングの内部に太陽光線を導いてこの太陽光線を受光部に受光させる窓部を備えている。窓部は、この窓部を介した物質の出入りを遮断する透明部材と、窓部を介した熱伝導を低減させる真空層と、を備えている。
この第１の発明によれば、窓部を介した物質の出入りを遮断することで、物質の対流および拡散による熱エネルギーの損失を防ぐことができる。また、真空層により窓部を介した熱伝導を低減させることで、受光部に集光される太陽光線を遮断することなく熱エネルギーの損失を防ぐことができる。

ついで、第２の発明は、上述した第１の発明において、太陽光線の直達光線を受光部に集光させる直達光集光レンズと、太陽光線をケーシングに向けて反射させる平面鏡と、この平面鏡により反射された太陽光線を受光部に集光させる反射光集光レンズと、ケーシングと受光部と直達光集光レンズと平面鏡と反射光集光レンズとを一体に動かして太陽を追尾する太陽光追尾装置と、を備え、窓部は、ケーシングの複数箇所に形成されて、直達光集光レンズを通った太陽光線と反射光集光レンズを通った太陽光線とを別々の光路で受光部に導くものである。
この第２の発明によれば、太陽炉装置の集光手段（直達光集光レンズ、反射光集光レンズおよび平面鏡）は、ケーシングおよび受光部と一体に太陽を追尾する。このため、太陽光線を集光させる際に集光手段の各構成を個別に制御する必要がなくなり、太陽炉装置の構成が簡単になる。さらに、ケーシングの複数箇所に窓部を形成して、直達光線と反射光線とを別々の光路で集光させるため、太陽炉装置に集光手段の各構成を配設しやすくなる。
ところで、鏡の鏡面に凹みがある場合も、その凹んだ鏡面により反射光を集光させることができる。しかしながら、この場合は、鏡面と入射光の角度関係によっては、鏡面の凹みにより生じる陰が鏡面の他の部分に落ちることで、その部分の鏡面が入射光を反射しなくなる。言い換えると、太陽炉装置の集光手段において、その鏡の鏡面に凹みがある場合、その鏡面と太陽との角度関係によっては、集光手段の集光能力が低下する可能性が生じる。
すなわち、上記第２の発明によれば、平面鏡で反射した太陽光線を反射光集光レンズにより受光部に集光させることで、鏡の鏡面に陰が落ちて集光能力が低下することを防ぐことができる。さらに、鏡の製造コストを抑えて太陽炉装置をより安価にすることができる。

さらに、第３の発明は、上述した第１または第２の発明において、ケーシングは、長尺の直管形状に形成されて、その長手方向に沿うように受光部を配設し、かつ、この長手方向に熱媒体を流通させ、窓部は、ケーシングの長手方向に沿うように長尺に形成されているものである。
この第３の発明によれば、長尺の受光部に熱媒体を連続的に流通させながらこの熱媒体を連続的に加熱することができる。このため、太陽炉装置は、太陽光線から効率的に熱エネルギーを取り出すことができる。

さらに、第４の発明は、上述した第１から第３の発明のいずれかにおいて、透明部材は、その内部が中空に形成されて、その中空部分に真空層を備えているものである。
この第４の発明によれば、真空層は、透明部材という１つの部材の内部に形成される。このため、透明部材の気密性を高めることで真空層の維持を簡単にして、太陽炉装置の構成を簡単にすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る太陽炉装置が適用された発電設備を表す模式図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２の部分拡大図であり、上記太陽炉装置の窓部の構造を表す。本発明の第２の実施形態に係る太陽炉装置の窓部の構造を表した拡大断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。
〈第１の実施形態〉
始めに、第１の実施形態に係る太陽炉装置１０の構成について、図１ないし図３を用いて説明する。この太陽炉装置１０は、図２に示すように、太陽光線Ｌを直達光集光レンズ１４、反射光集光レンズ１５および平面鏡１６（すなわち集光手段）により集光してケーシング１１の受光部１２に受光させるようになっている。受光部１２は、受光した太陽光線Ｌから熱エネルギーを取り出し、ケーシング１１内の水ｗを加熱するようになっている。ここで、水ｗが本発明における「熱媒体」に相当する。

上記水ｗは、図１に示すように、まず水源Ｗから液体の状態で水タンクＴ２に供給されて蓄えられ、この水タンクＴ２から太陽炉装置１０に供給される。ついで、水ｗは、太陽炉装置１０により加熱されてその状態が高圧の蒸気（または超臨界流体）に変化し、この状態で蒸気タンクＴ１に供給されて蓄えられる。蒸気タンクＴ１に蓄えられた水ｗは、原動機Ｐを駆動させてその状態が低圧の蒸気に変化する。
なお、本実施形態においては、原動機Ｐは蒸気機関であり、その駆動力は発電機Ｇによる発電に用いられる。また、原動機Ｐを駆動させた後の水ｗは、その一部が復水器Ｃにより液体の状態で回収されて水タンクＴ２に戻される。これにより、水源Ｗから供給する水ｗの量を減らすとともに、原動機Ｐを駆動させた後の水ｗが持つ熱エネルギーの一部を回収することができる。

受光部１２は、長尺の直管形状に形成されてその長手方向（図１で見て上下方向）に水ｗを流通させるようになっている。この受光部１２は、長尺の直管形状に形成されたケーシング１１の内部に、ケーシング１１の長手方向（図１で見て上下方向）に沿うように配設されている。
受光部１２は、図３に示すように、集光された太陽光線Ｌを受光して発熱し、その熱を受光部１２の表面に沿った方向（熱移動方向Ｈ１を参照）に熱伝導させながら水ｗを加熱する（熱移動方向Ｈ２を参照）ように構成されている。このため、受光部１２はその内部の水ｗをより均一に加熱することができる。

ここで、受光部１２には、図２に示すように、複数本（本実施形態では３本）の受光溝１２Ａが形成されている。そして、受光部１２は、上記各受光溝１２Ａにより太陽光線Ｌを受光するように構成されている。これにより、受光部１２が水ｗに接触する面積が増加し、受光部１２が水ｗを加熱する際のエネルギー効率が向上する。なお、各受光溝１２Ａは、受光部１２の直管を、その表面側からその長手方向（図１で見て上下方向）に沿って長尺の直線状に凹ませることで形成されている。
上記各受光溝１２Ａは、図３に示すように、その溝の底が集光される太陽光線Ｌに対して垂直になるように湾曲している。これにより、各受光溝１２Ａにおける太陽光線Ｌの反射を低減させて、太陽炉装置１０のエネルギー回収効率を向上させることができる。また、各受光溝１２Ａは、受光部１２の内部側（図３で見て下側）に向かって板状に形成された複数枚（本実施形態では３枚）の放熱器１２Ｂを備えている。これにより、受光部１２が水ｗに接触する面積が増加し、受光部１２が水ｗを加熱する際のエネルギー効率が向上する。

ケーシング１１は、図２および図３に示すように、ケーシング１１の内面に形成された断熱層１１Ａと、ケーシング１１の内部に太陽光線Ｌを導いて上記受光部１２に受光させる窓部１３と、を備えている。
断熱層１１Ａは、図３に示すように、受光部１２を外側から覆うように配設されて、この受光部１２から外部に向かう方向（熱移動方向Ｈ３を参照）の熱移動を遮断するように構成されている。これにより、受光部１２から外部に逃げる熱エネルギーの量を低減させて、太陽炉装置１０のエネルギー回収効率を向上させることができる。
窓部１３は、図１ないし図３に示すように、上記断熱層１１Ａの複数箇所（本実施形態では３箇所、図２参照）にケーシング１１の長手方向（図１で見て上下方向）に沿って開けられた長孔形状に形成されている。ここで、各窓部１３は、受光部１２の各受光溝１２Ａに対応した位置に形成されて、受光部１２が各受光溝１２Ａで太陽光線Ｌを受光できるようになっている。

上記各窓部１３には、それぞれ透明部材１３Ａが嵌め込まれている。この各透明部材１３Ａは、光を透過させ、かつ、各窓部１３を介した物質の出入りを遮断するように構成されている。これにより、物質の対流および拡散により各窓部１３から受光部１２の熱エネルギーが失われることを防いで、太陽炉装置１０のエネルギー回収効率を向上させることができる。
透明部材１３Ａは、図３に示すように、その内部に真空層１３Ｂを備えている。このため、透明部材１３Ａは、光を透過させる性質を保ったまま、その熱伝導率が低減されている。言い換えると、各窓部１３は、この各窓部１３を介した熱伝導を各真空層１３Ｂにより低減させるようになっている。そして、各真空層１３Ｂは、それぞれ透明部材１３Ａという１つの部材の内部に形成されている。
これにより、受光部１２に集光される太陽光線Ｌを遮断することなく、透明部材１３Ａを介した熱伝導による熱エネルギーの損失を防いで、太陽炉装置１０のエネルギー回収効率を向上させることができる。また、透明部材１３Ａの気密性を高めることで真空層１３Ｂの維持を簡単にして、太陽炉装置１０の構成を簡単にすることができる。

ここで、太陽炉装置１０の集光手段について説明する。太陽炉装置１０の集光手段は、図１および図２に示すように、太陽光線Ｌの直達光線を受光部１２に集光させる直達光集光レンズ１４と、太陽光線Ｌをケーシング１１に向けて反射させる一対の平面鏡１６と、この各平面鏡１６により反射された太陽光線Ｌを受光部１２に集光させる一対の反射光集光レンズ１５と、で構成されている。
ところで、鏡の鏡面に凹みがある場合も、その凹んだ鏡面により反射光を集光させることができる。しかしながら、この場合は、鏡面と入射光の角度関係によっては、鏡面の凹みにより生じる陰が鏡面の他の部分に落ちることで、その部分の鏡面が入射光を反射しなくなる。言い換えると、太陽炉装置の集光手段において、その鏡の鏡面に凹みがある場合、その鏡面と太陽との角度関係によっては、集光手段の集光能力が低下する可能性が生じる。
すなわち、上記構成によれば、平面鏡１６で反射した太陽光線Ｌを反射光集光レンズ１５により受光部１２に集光させることで、鏡の鏡面に陰が落ちて集光能力が低下することを防ぐことができる。さらに、鏡の製造コストを抑えて太陽炉装置１０をより安価にすることができる。

なお、直達光集光レンズ１４を通った太陽光線Ｌと各反射光集光レンズ１５を通った太陽光線Ｌは、図２に示すように、それぞれ別々の光路を通って別々の窓部１３から受光部１２に導かれるようになっている。
このため、窓部１３を、直達光集光レンズ１４および平面鏡１６と反射光集光レンズ１５の組がそれぞれ集光する太陽光線Ｌの光路に対応させて配設することで、直達光集光レンズ１４、平面鏡１６、および、反射光集光レンズ１５の配設をしやすくすることができる。

上記直達光集光レンズ１４および各反射光集光レンズ１５は、図１および図２に示すように、その曲率方向と垂直な方向に長尺な（図１参照）平凸のシリンドリカルレンズ（図２参照）として形成されている。そして、この各レンズ１４、１５は、その平面側を窓部１３に向けた状態で（図２参照）、その長手方向がケーシング１１の長手方向（図１で見て上下方向）に沿うように配設されている。なお、上記各平面鏡１６は、図１に示すように、長尺に形成されて、その長手方向がケーシング１１の長手方向（図示上下方向）に沿うように配設されている。

太陽光線Ｌは一般的に平行光線とみなすことができる。ここで、平面鏡には、平行光線を平行光線として反射するという性質がある。また、シリンドリカルレンズには、その曲率方向と垂直な方向には集光も光の拡散も行わないという性質がある。さらに、平凸のシリンドリカルレンズには、その凸面側から平行光線を入射させると、この平行光線をシリンドリカルレンズの平面側に線分形状に集光（結像）させるという性質がある。ここで、上記集光による線分は、その向きが上記シリンドリカルレンズの曲率方向に対して垂直になるように結像される。

上述した各構成により、図２に示すように、直達光集光レンズ１４に入射した太陽光線Ｌを、長孔形状に形成された窓部１３を通して長尺の直線状に形成された受光溝１２Ａに集光させることができる。また、各平面鏡１６により太陽光線Ｌを平行光線の状態で反射して各反射光集光レンズ１５に入射させ、長孔形状に形成された窓部１３を通して長尺の直線状に形成された受光溝１２Ａに集光させることができる。
このため、太陽炉装置１０は、長尺の直管形状に形成された受光部１２の長手方向（図１で見て上下方向）に水ｗを連続的に流通させながら、この水ｗを連続的に加熱することができる。これにより、太陽炉装置１０は、太陽光線Ｌから効率的に熱エネルギーを取り出すことができる。

ところで、第１の実施形態の太陽炉装置１０は、図２に示すように、太陽を追尾することで太陽炉装置１０のエネルギー回収効率を向上させる太陽光追尾装置１７を備えている。この太陽光追尾装置１７は、地面に対して一体に固定された基台１７Ａと、支柱１１Ｂを介してケーシング１１が一体に固定された設置台１７Ｂと、この設置台１７Ｂを基台１７Ａに対して傾動可能に連結させるジャッキ１７Ｆと、このジャッキ１７Ｆに駆動力を与えて設置台１７Ｂを傾動させる複数のモーター１７Ｄと、この各モーター１７Ｄを制御して設置台１７Ｂを傾動させ、そのケーシング１１が固定された側の設置面１７Ｃを太陽に向ける制御装置１７Ｅと、を備えている。
ここで、直達光集光レンズ１４は、支柱１４Ａによりケーシング１１に対して一体に固定されている。また、各反射光集光レンズ１５は、それぞれ支柱１５Ａにより設置台１７Ｂの設置面１７Ｃ側に一体に固定されている。また、各平面鏡１６は、それぞれ支柱１６Ａにより設置台１７Ｂの設置面１７Ｃ側に一体に固定されている。

上記構成により、太陽光追尾装置１７は、設置台１７Ｂの設置面１７Ｃを、ケーシング１１および太陽炉装置１０の集光手段（すなわち、直達光集光レンズ１４、反射光集光レンズ１５および平面鏡１６）と一体に太陽に向けるようになっている。言い換えると、太陽炉装置１０の集光手段の各構成は、ケーシング１１およびその内部の受光部１２と一体に太陽を追尾する。
このため、太陽光線Ｌを集光させる際に集光手段の各構成を個別に制御する必要がなくなり、太陽炉装置１０の構成が簡単になる。また、ケーシング１１および集光手段に当たる太陽光線Ｌの角度が一定となるので、ケーシング１１およびその支柱１１Ｂにより遮られる範囲の太陽光線を直達光集光レンズ１４により集光することができる。さらに、太陽炉装置１０の集光手段の各支柱１４Ａ、１５Ａ、１６Ａを太陽光線Ｌと干渉しない位置に配設して、太陽炉装置１０の集光能力の低下を防止することができる。

〈第２の実施形態〉
続いて、第２の実施形態に係る太陽炉装置２０の構成について、図４を用いて説明する。第２の実施形態に係る太陽炉装置２０は、第１の実施形態に係る太陽炉装置１０を変形した実施形態である。したがって、上記第１の実施形態に係る太陽炉装置１０の各構成と共通する構成については、第１の実施形態に係る太陽炉装置１０の各構成に付した符号から、その十の位の数字を「２」に置き換えた符号を付して対応させ、その詳細な説明を省略する。
第２の実施形態の太陽炉装置２０は、図４に示すように、窓部２３の真空層２３Ｂを、透明部材２３Ａと受光部２２との間に配設したものである。言い換えると、上記真空層２３Ｂは、透明部材２３Ａと受光部２２との間の空気を真空ポンプ２３Ｃおよび排気管２３Ｄにより排気することで形成される。ここで、何らかの理由により透明部材２３Ａと受光部２２との間の空間に空気が入り込むと、上記真空層２３Ｂは失われる。この場合、上述した真空ポンプ２３Ｃを再駆動させて入り込んだ空気を排気することで、真空層２３Ｂを再び形成することができる。
上記構成によれば、窓部２３を介した熱伝導を真空層２３Ｂにより低減させて、太陽炉装置２０のエネルギー回収効率を向上させることができる。さらに、透明部材２３Ａの製造コストを抑えて太陽炉装置２０をより安価にすることができる。

ここで、窓部２３は、その窓枠２３Ｅが金属により形成されて受光部２２に対して一体に熔接されている。また、この窓枠２３Ｅには、板状に形成された透明部材２３Ａがガスケット２３Ｆを挟んだ状態でボルト２３Ｇにより固定されている。これにより、透明部材２３Ａと受光部２２との間の空間に気密性を持たせて、真空層２３Ｂを維持することができる。
なお、上記太陽炉装置２０においては、受光部２２から窓枠２３Ｅおよびボルト２３Ｇを介して外部に逃げる熱量は無視できるほど小さいとみなしている。しかしながら、窓枠２３Ｅおよびボルト２３Ｇを熱伝導率の小さい素材で形成したり、ボルト２３Ｇの頭部を断熱材で覆ったりすることで、太陽炉装置２０のエネルギー回収効率をさらに向上させることもできる。

本発明は、上述した第１および第２の実施形態で説明した外観、構成に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、以下のような各種の形態を実施することができる。
（１）直達光集光レンズおよび反射光集光レンズの形状は平凸のシリンドリカルレンズに限定されず、例えばトーリックレンズなど適宜設定することができる。また、各レンズをフレネルレンズとして各レンズの軽量化を図ることもできる。
（２）太陽炉装置の集光手段としてレンズを用いる必要はなく、例えば凹面鏡により太陽光線を集光する構成を用いることができる。
（３）太陽炉装置から集光手段を省略することができる。
（４）太陽光追尾装置が太陽炉装置の集光手段を個別に制御して動かす構成を用いることができる。
（５）太陽炉装置から太陽光追尾装置を省略することができる。
（６）熱媒体の流通経路は受光部の内部に限定されず、受光部から熱エネルギーを伝えることができ、かつ、ケーシングにより外部に逃げる熱エネルギーを低減させることができる流通経路を適宜設定することができる。
（７）太陽炉装置に流通させる熱媒体は水に限定されず、流通可能な流体を適宜設定することができる。
（８）太陽炉装置に熱媒体を流通させる必要はなく、例えば受光部に熱伝導率の高い金属を連結させて、この金属からの熱伝導により熱エネルギーを取り出す構成を用いることができる。
（９）放熱器の形状および配置は第１および第２の実施形態の形状に限定されない。すなわち、例えば放熱器を棒状に形成することができる。また、放熱器を他の放熱器または受光部の内壁面に接続させて、この放熱器に受光部の強度を高める支柱としての機能を追加して持たせることもできる。
（１０）受光部の放熱器および受光溝は、それぞれ省略することができる。
（１１）窓部およびケーシングの形状および配置は第１および第２の実施形態の形状に限定されず、円形の窓部を１つだけ配置するなど、太陽炉装置の各構成の形状および配置に合わせて適宜変更することができる。
（１２）太陽炉装置により駆動される原動機は蒸気機関に限定されず、蒸気タービンなど任意の熱機関を用いることができる。
（１３）太陽炉装置は原動機を駆動させて発電機により発電を行うものに限定されず、例えば熱電変換部材により熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する構成を用いることができる。また、原動機の駆動力を直接利用する構成や、熱エネルギーを直接化学反応に利用する構成を用いることもできる。

１０太陽炉装置
１１ケーシング
１１Ａ断熱層
１１Ｂ支柱
１２受光部
１２Ａ受光溝
１２Ｂ放熱器
１３窓部
１３Ａ透明部材
１３Ｂ真空層
１４直達光集光レンズ
１４Ａ支柱
１５反射光集光レンズ
１５Ａ支柱
１６平面鏡
１６Ａ支柱
１７太陽光追尾装置
１７Ａ基台
１７Ｂ設置台
１７Ｃ設置面
１７Ｄモーター
１７Ｅ制御装置
１７Ｆジャッキ
２０太陽炉装置
２１ケーシング
２１Ａ断熱層
２２受光部
２２Ａ受光溝
２２Ｂ放熱器
２３窓部
２３Ａ透明部材
２３Ｂ真空層
２３Ｃ真空ポンプ
２３Ｄ排気管
２３Ｅ窓枠
２３Ｆガスケット
２３Ｇボルト
Ｃ復水器
Ｇ発電機
Ｈ１熱移動方向
Ｈ２熱移動方向
Ｈ３熱移動方向
Ｌ太陽光線
Ｐ原動機
Ｔ１蒸気タンク
Ｔ２水タンク
Ｗ水源
ｗ水（熱媒体）

Claims

太陽光線を受光して熱エネルギーを取り出すための受光部を備えた太陽炉装置であって、
前記受光部は、内面に断熱層が形成されたケーシングの内部に配設され、
前記ケーシングは、当該ケーシングの内部に前記太陽光線を導いて当該太陽光線を前記受光部に受光させる窓部を備え、
前記窓部は、当該窓部を介した物質の出入りを遮断する透明部材と、前記窓部を介した熱伝導を低減させる真空層と、を備えていることを特徴とする太陽炉装置。
請求項１に記載の太陽炉装置であって、
前記太陽光線の直達光線を前記受光部に集光させる直達光集光レンズと、前記太陽光線を前記ケーシングに向けて反射させる平面鏡と、当該平面鏡により反射された太陽光線を前記受光部に集光させる反射光集光レンズと、前記ケーシングと前記受光部と前記直達光集光レンズと前記平面鏡と前記反射光集光レンズとを一体に動かして太陽を追尾する太陽光追尾装置と、を備え、前記窓部は、前記ケーシングの複数箇所に形成されて、前記直達光集光レンズを通った太陽光線と前記反射光集光レンズを通った太陽光線とを別々の光路で前記受光部に導くことを特徴とする太陽炉装置。
請求項１または請求項２に記載の太陽炉装置であって、
前記ケーシングは、長尺の直管形状に形成されて、その長手方向に沿うように前記受光部を配設し、かつ、当該長手方向に熱媒体を流通させ、前記窓部は、前記ケーシングの長手方向に沿うように長尺に形成されていることを特徴とする太陽炉装置。