JP2013164033A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の太陽光発電装置に比較して太陽光をより効率よく利用できる太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】集光された太陽光の熱により被加熱液体を沸騰させることにより、駆動気体を生じさせる気化装置２を地上から離れた位置に設置し、その下側には、ヘリオスタットを配置する。ヘリオスタットによって集光された太陽光は、本体２１の下部に照射され、熱媒体が熱せられ、熱媒体の熱によって被加熱液体が熱せられて沸騰する。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽光を用いて発電する太陽光発電システムに関するものである。

近年、地球温暖化ガスの一種でする炭酸ガスの発生を削減する試みが各分野で図られている。その一つに発電施設がある。火力発電所は、最も炭酸ガスを発生させる発電施設であり、また原子力発電所は、各廃棄物の処理の問題や、事故が起きた場合の社会的及び環境的な付加が多大である。そのため、近年では自然エネルギーを利用する発電施設、特に太陽光発電施設が注目されている。

特開２０１０−２８１２５１号公報

太陽光の熱エネルギーにより水蒸気を発生させタービンにより発電する施設としては、例えば、特許文献1に記載されているような施設がある。太陽光を所定の場所に集光することで、蒸気を発生させる程の熱量を得るには、より広い範囲から効率よく太陽光を集光する必要があるが、例えば、特許文献１に記載の発明などのように、太陽光を反射することで集光する構成を採用すると、ボイラーを直接照射された太陽光は、加熱するエネルギーとして利用できない。

ボイラーに直接照射される太陽光は、反射面に対して入射角と反射が近い為に最もエネルギーが高いのであるが、その反射面はボイラーの影となり、加熱部に反射させることができず、加熱エネルギーとして利用できないといった問題があった。
この発明は、従来の太陽光発電装置に比較して太陽光をより効率よく利用できる太陽光発電装置を提供することを目的とするものである。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 駆動気体の圧力によってタービンを回転させ、該タービンの回転によって発電する発電機とを備えた発電装置であって、
外部からの加熱によって被加熱液体を沸騰させて駆動気体を得る気化室と、
前記気化室内の被加熱液体を加熱する加熱部と、
前記気化室と前記加熱部との間に設けられ、前記加熱部の熱を前記気化室に伝達する熱媒体を収容する熱媒体収容部と、
太陽光を前記加熱部に集光する集光手段とを備え、
前記熱媒体は、前記被加熱液体よりも沸点が高いことを特徴とする太陽光発電装置。

（２） 前記集光手段は、太陽光を反射して集光し、前記気化室を下側から加熱する反射集光手段と、太陽光を屈折させて集光し、前記気化室を上側から加熱する屈折集光手段とを備える上記（１）に記載の太陽光発電装置。

（３）前記屈折集光手段は、円弧に沿って配設された案内レールと、
該案内レール上を移動する移動体と、
該移動体に保持され受光した太陽光を加熱部へ向けて各屈折させて集光する複数の屈折手段と、
前記屈折手段により屈折された太陽光が加熱部に集光するように、太陽の天球上の移動に応じて前記案内レールを移動させる移動手段とを備える上記（２）に記載の太陽光発電装置。

（４） 前記反射手段は、反射面を有する複数の反射体と、各反射体の反射方向を調整する反射方向調節手段と、
太陽の天球上の移動に応じて、各反射体からの反射方向を、太陽光が加熱部に集光するように制御する集光制御手段とを備える上記（２）に記載の太陽光発電装置。

（５）前記熱媒体は、前記被加熱液体よりも比熱が高い上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の太陽光発電装置。

請求項１に記載の発明によれば、加熱部の熱が熱媒体を介して被加熱液体に伝達されるので、太陽光による加熱位置が太陽の動きとともに移動した場合にも、均一に被加熱液体に熱を伝達することができる。そして、熱媒体が被加熱液体よりも沸点が高い液体であるので、被加熱液体を容易に沸騰させて気化させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、集光手段によって集められた太陽光の熱によって、駆動気体を得ることができるが、反射によって集光された太陽光と、屈折によって集光された太陽光の両方の熱により加熱されるので、太陽光エネルギーをより効率良く利用することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、案内レール上を移動体が太陽の動きに沿って移動するので、太陽光を常時加熱部に集光とすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、太陽光の動きに沿って反射方向が調節されるので、加熱部に太陽光が常時集光することができる。
請求項５に記載の発明によれば、熱媒体が被加熱液体よりも比熱が高い液体であるので、周囲の気温変化による熱媒体の温度変化が少なく、所望の温度を安定的に維持できる。

本発明の太陽光発電装置に供えられた気化装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の太陽熱発電装置の構成を示す模式図である。 本発明の太陽熱発電装置の全体斜視図である。 気化装置の本体の断面側面図である。 循環機構の一部構成を示す拡大側面図である。 循環機構の一部構成を示す拡大平面図である。 集光装置の部分側面図である。 移動体の移動駆動部を示す拡大斜視図である。 夏至における移動体の移動軌跡を示す屈折集光手段の全体斜視図である。 気化装置の他の構成例を示す断面正面図である。

以下、本発明の好適実施形態について詳説する。図１は、本発明の太陽光発電装置に供えられた気化装置２の構成を示す正面断面図であり、図２は、本発明の太陽熱発電装置１の構成を示す模式図、図３は、本発明の太陽熱発電装置１の全体斜視図である。図２に示されているように、本発明の太陽光発電装置１は、気化装置２で発生されられた駆動気体としての水蒸気の流れによって回転させられるタービン１１と、タービン１１から流出した水蒸気を水に戻す復水器１２と、タービン１１の回転軸にロータが接続されている発電機１３と、復水器１２から供給される水に熱を沸騰させて水蒸気とする気化装置２を備え、更に、図３に示されているような、太陽光を気化装置２に集光して加熱する太陽光集光手段７とを備えている。太陽光集光手段７は、太陽光を反射して集光して気化装置２の加熱部を加熱する反射集光手段７５と、気化装置２の上部に位置して太陽光を屈折させて加熱部に集光し、気化装置２を加熱する屈折集光手段７１とを備えている。

気化装置２は、内側に空洞を有し略円球状に形成された本体２１と、本体２１内に設けられた本体２１の空洞を、気化室２３と上部熱媒体収容部２２とに分割する隔壁２３ａと、気化室２３と下部熱媒体収容部２４とに分割する隔壁２３ｂとを備えている。気化室２３には被加熱液体が収容され、各熱媒体収容部２２、２４には、熱媒体が収容されている。隔壁２３ａ、２３ｂは、それぞれ上下に湾曲した構成になっており、その間に気化室２３が画成される。また、隔壁２３ａ、２３ｂの周端は相互に接続されており、本体２１の内周面には熱媒体が接触する構成となっている。太陽光で本体２１の外側が温められると、該熱媒体を介して、太陽光の熱が被加熱液体に伝達される構成となっている。

この実施形態では、被加熱液体は水であり、気化室２３において沸騰し水蒸気が発生させられる。気化室２３には、被加熱液体が供給される送水管６３が接続されている。送水管６３は、隔壁２３ａ、２３ｂの接合部分に接続されて、気化室２３内に連通している。また、気化室２３には、気化室２３内で発生した水蒸気が導出される水蒸気管５１の一端が開口し、水蒸気管５１の他端は、タービン３１を収容するタービン室の内部に開口している。水蒸気管５１は、上側隔壁２３ａの頂点部に開口しており、本体２１の外殻２５の内側に沿って配管され、送水管６３に対向する位置で本体２１の外部に延出している。送水管６３と、水蒸気管５１は、水平位置で、同一直線状に配置され、送水管６３と水蒸気管５１の共通する軸線は、球状の外殻２５の中心を通るように構成されている。

外殻２５の下部には、内側に球面状に凹んだ凹状加熱部２６が設けられている。加熱部２６は、凹状に形成されることにより、温められて膨張した空気が外側に逃げずに、加熱部２６内に滞留することとなり、熱効率の低下を抑制することができる。ここで、加熱部とは、太陽光が当たることにより加熱される部位を意味し、凹状加熱部２６に限らず、外殻２５の外側が加熱部となる。
熱媒体収容部２２、２４にそれぞれ充填されている熱媒体は、被加熱液体よりも高い沸点を有する液体であり、例えば、油である。熱媒体収容部２２、２４に充填されている熱媒体は、循環装置３によって相互に循環させられている。

図４は、本体２１の断面側面図である。循環装置３は、この実施形態では４つの循環機構３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを備えており、各機構は、気化室２３から真上に伸出する水蒸気管５１を中心として４方向に配置され、それぞれ独立して駆動する。各循環機構は同一の構成であるので、以下、循環機構３Ａに説明し、他の３つの機構の説明は省略する。
図５及び図６は循環機構の一部構成を示す拡大側面図及び拡大平面図である。循環機構３Ａは、両端が熱媒体収容部２２、２４にそれぞれ開口し、両者の間で熱媒体の流通を可能とする熱媒体流路３３と、熱媒体に運動エネルギーを付与するポンプ部３４と、撹拌部とを備えている。

熱媒体流路３３は、一端が熱媒体収納部２２に開口し、他端が熱媒体収納部２４に開口しており、両熱媒体収容部２２、２４の間で熱媒体の流通が可能となるように構成されている。また、熱媒体流路３３はらせん形状であり、被加熱液体との接触面積が多くなるように構成されている。これにより、被加熱液体との熱交換効率が向上する。熱媒体流路３３の形状はらせん形状に限らず、蛇行形状など、他の形状であってもよい。
ポンプ部３４は、一端が水蒸気管５１に他端が気化室２３内に開口する水蒸気導管３１と、タービン３１１と、タービン３１１の回転軸３２１に設けられた駆動ギヤ３２２と、駆動ギヤ３２２のギヤ部３２２ａに噛み合うギヤ部３４１ａを有する従動ギヤ３４１と、従動ギヤ３４１の回転によって回転するスクリュー３４２とを備えている。

タービン３１１は、水蒸気導管３１に設けられたタービン室３１１内に収納され、タービン３１１の回転軸３２１は気化室２３内へ延出して、隔壁２３ｂの近傍まで達している。
従動ギヤ３４１は、熱媒体流路３３を構成する管材の外側に外装され、管材を中心にして回転する。また、スクリュー３４２は、前記管材の内側に内装され、管材の内壁に沿って配置された環材３４２ａを備える。環材３４２ａと、従動ギヤ３４１とは、一方が磁石、他方が磁性体であり、従動ギヤ３４１が回転することで、スクリュー３４２が回転する構成となっている。

回転軸３２１の下端には、駆動撹拌体３２３が固定されており、隔壁２３ｂを挟んで反対側の下部熱媒体収容部２４には、従動撹拌体３２４が設けられている。駆動撹拌体３２３と従動撹拌体３２４は、一方が磁石、他方が磁性体で構成され、回転軸３２１の回転によって駆動撹拌体３２３が回転すると、磁力によって従動撹拌体３２４が回転する構成となっている。
気化室２３内で水が沸騰し水蒸気となると、水蒸気管５１のみならず、水蒸気導管３１にも水蒸気が流通し、タービン３１１が回転する。タービン３１１の回転によって、駆動ギヤ３２２と駆動撹拌体３２３が回転する。駆動ギヤ３２２の回転によって、従動ギヤ３４１、スクリュー３４２と回転し、熱媒体に運動エネルギーを与える（流れを起こさせる）。また駆動撹拌体３２３の回転によって、従動撹拌体３２４が回転し、被加熱液体と熱媒体を撹拌する。

スクリュー３４２が熱媒体に流れを起こさせる方向は、各循環機構３Ａ〜３Ｄで２に分けられ、２つの循環機構は、下部から上部へ、他の２つの循環機構は、上部から下部へ流れるように設定される。
このように、上部熱媒体収容部２２と下部熱媒体収容部２４との間で熱媒体の流通が行われることにより、熱媒体収容部２２、２４全体で温度が均一となり、気化室２３内の被加熱液体に対する加熱効率が向上する。また、対流によらず強制的に撹拌することになるので、迅速に被加熱媒体の温度分布を均一にすることができる。撹拌部は、駆動撹拌体３２３と従動撹拌体３２４で構成される。

気化室２３に充填される被加熱液体は、上部熱媒体収容部２２と下部熱媒体収容部２４から効率よく加熱され得るように、気化室内に十分満たされていることが好ましく、例えば、８０％以上、好ましくは９０％以上であると良い。
気化室２３に対しては、被加熱液体の温度を検出する温度センサ８１と、同じく液量を検出する液量センサ８３、気化室２３内の圧力を検出する圧力センサ８４が設けられ、上部熱媒体収納部２２には熱媒体の温度を検出する温度センサ８２が、下部熱媒体収納部２４には熱媒体の温度を検出する温度センサ８５が設けられている。

次に、図３、図７及び図８に基づいて、太陽光を加熱部へ向けて集光する集光手段の構成について説明する。反射集光手段７５は、太陽光を反射して集光し、気化装置２の加熱部を加熱する。反射集光手段７５は、公知技術であるヘリオスタットである。反射集光手段７５は、気化装置２の下側に位置する水平面上に、気化装置２を中心として周囲に反射面を有する反射体M0100〜M0201、M0202・・M0307・・Mnmを複数配置し、各反射体において、反射方向を調整する反射方向調節手段と、太陽の天球上の動きを検出する太陽位置センサと、太陽位置センサの検出位置に基づいて、反射方向調節手段の向きや角度を調節して、反射面で反射された太陽光が常時加熱部に当たるように制御する集光制御手段とを備えている。このような反射集光手段７５によって集光させられた太陽光は、主に下部熱媒体収容部２４の外殻、特に凹状加熱部26を加熱部として、熱する。

屈折集光手段７は、移動体７１と、移動体７１を案内する案内レール７３と、案内レール７３を揺動可能に支持する支持部７２ａ、７２ｂとを有している。移動体７１は、気化装置２の球形の本体２１と同心の球面を備えた湾曲形状を備えた保持部材７１０と、保持部材７１０に保持されている屈折手段としての複数の屈折部７１２ｎと、移動体７１が案内レール７３に沿って移動するための移動駆動部とを備えている。

屈折部７１２ｎは、太陽光が透過し得る材料で構成され、光の屈折により所望の位置に太陽光が集光するように配置されている。各屈折部７１２１、７１２２・・７１２ｎは、屈折面の角度調整し、かつ、各屈折部の向きを調整することにより、球形の本体２１の所定の加熱部に太陽光が集光するように配置されている。この場合、太陽光が集光させられる加熱部は、主として本体２１の上部となる。 屈折部７１２は、例えば、ガラス、ポリカーボネート等の光透過率の高い材料が利用される。

移動体７１の保持部材７１０の両端には、案内レール７３が挿通する挿通部７１３が設けられ、一方の挿通部７１３には、移動駆動部が設けられている。移動駆動部は、モータ７１３Ｍと、モータ７１３Ｍの出力軸接続されたワームギヤ７１３Ｗとを備えている。移動体７１は、一対の挿通部７１３を挿通する案内レール７３に沿って、案内レール７３上を往復移動する。
前記ワームギヤ７１３Ｗは、案内レール７３上に形成されている溝７３１に形成されているネジ溝に螺合し、ワームギヤ７１３Ｗが回転することで、移動体７１が案内レール７３上を移動する構成となっている。

案内レール７３は、球形の本体２１の中心を中心とする円弧状に形成されており、その両端部は、支柱７２ａ、７２ｂの先端部において、回動自在に支持されている。案内レール７３の両端部における支持軸には、揺動駆動手段が設けられている。この揺動駆動手段は、支持軸と一体に設けられた扇状のラック部材７２ａａ、７２ｂａと、出力軸に駆動ギヤを有する揺動駆動モータ７２ａｍ、７２ｂｍとを有する。ラック部材７２ａａ、７２ｂａの端部は、支持軸を中心とする円弧状であり、該円弧の端にはラックが形成されている。該ラックには、揺動駆動モータ７２ａｍ、７２ｂｍの駆動ギヤが直接又は間接に噛み合っており、揺動駆動モータ７２ａｍ、７２ｂｍの駆動によって、案内レール７３が揺動移動可能に構成されている。

既述の太陽位置センサの検出位置に基づいて、揺動駆動モータ７２ａｍ、７２ｂｍと、モータ７１３Ｍが駆動し、移動体７１の位置が天球上の太陽位置に合致するように移動する。 案内レール７３の支持軸は、球形の本体２１の中心を通る直線上に配置され、同じ直線上に、送水管６３と水蒸気管５１が位置することとなる。

以上のように構成された屈折集光手段７の作用について、図９に基づいて説明する。図９は、夏至における移動体７１の移動を示す全体斜視図である。日の出時刻では、案内レール７３は、北側に倒れている。太陽の移動と共に案内レール７３を起こし、同時に案内レール７３上で移動体７１を移動させる。太陽位置センサの検出位置に基づいて、随時揺動駆動モータ７２ａｍ、７２ｂｍと、モータ７１３Ｍを駆動させ、太陽の軌跡に沿って移動体７１を移動させる。南中時において、移動体７１は、案内レール７３の頂点に達し、また、案内レール７３は、最も南側に傾いた位置となる。さらに、太陽が西側に移動すると、案内レール７３は北側に揺動し、同時に移動体７１は案内レール７３の西側へ移動する。日の入り時には、案内レール７３は、日の出時と同じ位置、即ち北側に水平倒れた状態となり、移動体７１は、案内レール７３の最も西側の端に位置する。

図７に示されているように、移動体７１は、本体２１と太陽の間に常時位置するように移動している。例えば、南中時における、移動体７１による集光作用を説明すると、移動体７１の中央に位置する屈折部は、屈折させることなく、太陽光線をそのまま透過させれば、本体２１の外殻２５に到達する。
また、移動体７１に設けられている屈折部７１Ｌｎは、光が入射する入射面が上側（太陽側）、屈折した太陽光が出る出射面が本体２１側に露出した状態で、保持部材７１０に保持されている。そして、太陽と本体２１とを結ぶ中央線が通過する位置を中心として、各屈折部の屈折角度は、中心から離れるに従って大きくなるように設定されており、中心位置の屈折角度はゼロ、最も中心から離れた屈折部の屈折角度が最も大きくなっている。このように屈折角度を変えることによって、移動体７１に当たった太陽光が、本体２１の外殻２５に集光するように構成されている。特に、屈折部で屈折して本体２１に照射される太陽光が、常時本体２１の外殻２５の外表面に対して直角に当たるように、屈折角度が設定されている。

図７に示されているように、太陽光ＳＬは、移動体７１に照射されたものは、屈折部７１Ｌｎを介して本体２１の外殻２５に照射され、移動体７１に照射されていない他の太陽光は、反射集光手段７５の複数の反射体M0100・・・に反射して、その反射光が本体２１の外殻２５に照射される。
本体２１の外殻２５において、移動体７１から集光された太陽光が当たる部位(即ち、加熱部)は、太陽の移動とともに移動する。つまり、日の出とともに、本体２１の東側に太陽光が集光し、本体２１の南側上部を通過して、西側に移動する。この際、本体２１の外殻２５は、球形であるため常に太陽光に対して照射される面が直角となるように設定することができる。

本体２１の外殻２５において、反射集光手段７５から集光された太陽光が当たる部位(即ち、加熱部)は、太陽の移動とともに移動する。つまり、日の出とともに、本体２１の西側に太陽光が集光し、本体２１の北側下部を通過して、東側に移動する。
以上説明した実施形態では、被加熱液体は水であり、熱媒体は油であったが、この他、例えば、被加熱液体はアンモニア、熱媒体は水としてもよい。この場合には、被加熱液体より比熱が高い熱媒体として、水を用いることで、外気温度の変化による熱媒体温度の変化を抑制させることができる。

図１０は、気化装置２の他の構成例を示す断面正面図である。気化装置２Ａは、球形状の本体２１Ａ内に同様に球形状の気化室２３Ａを備え、気化室２３Ａと本体２１Ａの間の空間が熱媒体収容部２２Ａとなっている。熱媒体収容部が上下に分割されず、一体となっている。このような構成とすることによって、熱媒体を撹拌する構成を簡略化することができる。

１ 太陽光発電装置
１１ タービン
１２ 復水器
１３ 発電機
２ 気化装置
２１ 本体
２２ 上部熱媒体収容部
２４ 下部熱媒体収容部
２３ 気化室
２３a、２３b 隔壁
２５ 外殻
３ 循環装置
３３ 熱媒体流路
７ 屈折集光手段
７１ 移動体
７２a、７２b 支持部
７３ 案内レール
７５ 反射集光手段

Claims (5)

1. 駆動気体の圧力によってタービンを回転させ、該タービンの回転によって発電する発電機とを備えた発電装置であって、
   外部からの加熱によって被加熱液体を沸騰させて駆動気体を得る気化室と、
   前記気化室内の被加熱液体を加熱する加熱部と、
   前記気化室と前記加熱部との間に設けられ、前記加熱部の熱を前記気化室に伝達する熱媒体を収容する熱媒体収容部と、
   太陽光を前記加熱部に集光する集光手段とを備え、
   前記熱媒体は、前記被加熱液体よりも沸点が高いことを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記集光手段は、太陽光を反射して集光し、前記気化室を下側から加熱する反射集光手段と、太陽光を屈折させて集光し、前記気化室を上側から加熱する屈折集光手段とを備える請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記屈折集光手段は、円弧に沿って配設された案内レールと、
   該案内レール上を移動する移動体と、
   該移動体に保持され受光した太陽光を加熱部へ向けて各屈折させて集光する複数の屈折手段と、
   前記屈折手段により屈折された太陽光が加熱部に集光するように、太陽の天球上の移動に応じて前記案内レールを移動させる移動手段とを備える請求項２に記載の太陽光発電装置。
4. 前記反射手段は、反射面を有する複数の反射体と、各反射体の反射方向を調整する反射方向調節手段と、
   太陽の天球上の移動に応じて、各反射体からの反射方向を、太陽光が加熱部に集光するように制御する集光制御手段とを備える請求項２に記載の太陽光発電装置。
5. 前記熱媒体は、前記被加熱液体よりも比熱が高い請求項１〜４のいずれか１に記載の太陽光発電装置。

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