JP2013228184A - Linear solar concentrator and solar concentration power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光の反射ラインを複数本平行に配列することによって形成する線形太陽光集光装置、および太陽光集光発電システムに関する。 The present invention relates to a linear solar light collecting device formed by arranging a plurality of sunlight reflection lines in parallel, and a solar light collecting power generation system.
太陽光の反射ラインを複数本平行に配列することによって形成する従来の線形太陽光集光装置として、いわゆる線形フレネル型太陽光集光装置が知られている。 A so-called linear Fresnel solar concentrator is known as a conventional linear solar concentrator formed by arranging a plurality of sunlight reflection lines in parallel.
図23に、先行例1として従来の線形フレネル型太陽光集光装置の1例を示す(非特許文献1、特許文献1参照)。ここで、図23Aは斜視図であり、図23Bは受光ラインの一端側から見た図である。
FIG. 23 shows an example of a conventional linear Fresnel solar concentrator as a first example (see Non-Patent
図示のように、先行例1の線形フレネル型太陽光集光装置は、地上に複数の反射ラインL1,L2,・・・を並列に設定し、反射ラインL1,L2,・・・の列に跨ってその上方に、一定の周期で反射ラインの方向と平行方向に受光ラインG1,G2,・・・を設定したものである。各反射ラインL1,L2,・・・には、ヘリオスタットとして多数本の長方形のミラープレートH,H,・・・が配列され、各受光ラインG1,G2,・・・には、レシーバ(集熱器)R,R,・・・が一定間隔を置いて平行に設置されている。 As shown in the figure, the linear Fresnel solar concentrator of the first example has a plurality of reflection lines L1, L2,... Set in parallel on the ground and arranged in a row of reflection lines L1, L2,. The light receiving lines G1, G2,... Are set in a direction parallel to the direction of the reflection lines at a constant cycle. Each of the reflection lines L1, L2,... Is arranged with a number of rectangular mirror plates H, H,... As a heliostat, and each light receiving line G1, G2,. Heaters R, R,... Are installed in parallel at regular intervals.
各列のミラープレートH,H,・・・は、各反射ラインL1,L2,・・・に設定された中央回転軸を中心に個別にその転回角度が制御され、ミラープレートH,H,・・・はその鏡面に入射した太陽光を反射し、近傍のレシーバRにその反射光を受光させる。そして、レシーバRに受光された反射光の熱は、熱媒体を介して高温水蒸気に変換されるのである。なお、各反射ラインL1,L2,・・・とレシーバRとは、共に南北方向(S−N)に並列に配置されており、各反射ラインL1,L2,・・・上のミラープレートH,H,・・・は、太陽の動きを追尾し、反射光が常にレシーバR近傍に集光するように各反射ラインの角度を東西方向(E−W)に回転調整している。 The mirror plates H, H,... In each row are individually controlled in rotation angle around the central rotation axis set in each reflection line L1, L2,. .. Reflects the sunlight incident on the mirror surface and causes the nearby receiver R to receive the reflected light. And the heat | fever of the reflected light received by the receiver R is converted into high temperature water vapor | steam via a heat medium. Each of the reflection lines L1, L2,... And the receiver R are arranged in parallel in the north-south direction (SN), and the mirror plates H on the reflection lines L1, L2,. H,... Track the movement of the sun, and rotate and adjust the angle of each reflection line in the east-west direction (EW) so that the reflected light is always collected near the receiver R.
太陽光集光装置は、集光太陽熱発電システムに用いられ、集光太陽熱発電システムの商業プラントとしては、雨樋形の放物面鏡を用いて、鏡の焦点位置に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる流体(オイルなど)を加熱し、その熱エネルギーで発電するトラフ(Parabolic trough)式太陽熱発電システム、及び太陽追尾装置付の平面鏡を用いて、中央部に設置されたタワーにある集熱器に太陽光を集中させることで集光し、タワー上部に流した流体によりその熱を回収して発電するタワー(Central Tower)式太陽熱発電システムがすでに商業プラントとして稼働している。 A solar concentrator is used in a concentrating solar power generation system, and as a commercial plant for a concentrating solar power generation system, a gutter-shaped parabolic mirror is used, and a solar pipe is installed on a pipe installed at the focal point of the mirror. It is installed in the center using a parabolic trough solar power generation system that concentrates light and heats fluid (oil etc.) flowing through the pipe and generates electricity using the heat energy, and a plane mirror with a solar tracking device. A central tower solar power generation system has already been in operation as a commercial plant that collects sunlight by concentrating sunlight on a heat collector in a tower and collects the heat from the fluid flowing in the upper part of the tower to generate electricity. ing.
トラフ式太陽熱発電システムは比較的低コストであるが、加熱された流体の温度が低いため高効率化が困難であり、タワー式太陽熱発電システムは高温の流体を得ることができるが、高精度の集光を必要とするために高コストとなる欠点がある。 Trough solar power generation system is relatively low cost, but it is difficult to increase efficiency because the temperature of the heated fluid is low, and tower type solar power generation system can obtain high temperature fluid, but it is highly accurate. There is a disadvantage of high cost due to the necessity of condensing light.
これに対し、線形フレネル型太陽光集光装置は、トラフ型やタワー型の太陽光集光装置に比べ、風の影響を受けにくく、比較的低剛性でシンプルな構造であり、且つ土地利用効率が高いため、低い発電コストを実現できる点で商業プラントとして最も注目されている集光太陽熱発電システムの1つである。 In contrast, linear Fresnel solar concentrators are less susceptible to wind than trough and tower solar concentrators, have a relatively low rigidity and simple structure, and land use efficiency Therefore, it is one of the concentrated solar thermal power generation systems that is attracting the most attention as a commercial plant in that low power generation costs can be realized.
このように線形フレネル型太陽光集光装置には、トラフ型やタワー型の発電装置に比べて構造がシンプルであり、低い発電コストを実現できるという特長があるものの以下の原因によって、太陽光の光損失が大きく、高い集光、集熱効率を得ることが難しいという問題がある。 As described above, the linear Fresnel type solar concentrator has a simple structure compared to trough type and tower type power generators, and can realize low power generation costs. There is a problem that light loss is large and it is difficult to obtain high light collection and heat collection efficiency.
太陽光の光損失は、ミラープレート上で入射光束が蹴られること(コサイン損失という)、ミラープレートで反射された光束が別のミラープレートで遮られること(ブロッキングという)、ミラープレートへ入射する光束が別のミラープレートで遮られること(シャドーイングという)などが原因となって生じる。 The loss of sunlight is caused by the incident light beam being kicked on the mirror plate (called cosine loss), the light beam reflected by the mirror plate being blocked by another mirror plate (called blocking), and the light beam entering the mirror plate. Is caused by being blocked by another mirror plate (called shadowing).
上記光損失のうち、コサイン損失とブロッキングの発生イメージを図24に示す。シャドーイングは、特にミラーへの太陽入射光が斜めに入射する際に顕著に発生するため、図24には示していない。 FIG. 24 shows an image of cosine loss and blocking among the optical losses. Shadowing is not shown in FIG. 24 because it occurs particularly when the solar incident light on the mirror is obliquely incident.
こうした光損失は、地表面に対してミラープレートHの角度の傾きが大きい場合や、太陽高度に追従してミラープレートHの角度調整をする際にミラープレートHの回転角の変化が大きいほど、こうした光損失は大きくなりやすい。図24において、例えば、従来の線形フレネル型太陽光集光装置のレシーバRが南北方向に設置された場合に、反射ライン上のミラープレートH,H,・・・を東西方向に傾けることにより、見かけ上ミラープレートH,H,・・・からの反射光は、1点のレシーバRに照射される。そのため、レシーバRから離れた反射ライン上のミラープレートほど地表面に対する傾きが大きくなり、コサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きくなる。 Such light loss is caused when the inclination of the mirror plate H is large with respect to the ground surface, or when the angle of the mirror plate H is adjusted to follow the solar altitude, the change in the rotation angle of the mirror plate H increases. Such optical loss tends to increase. In FIG. 24, for example, when the receiver R of the conventional linear Fresnel solar concentrator is installed in the north-south direction, by tilting the mirror plates H, H,. Apparently, the reflected light from the mirror plates H, H,... Therefore, the mirror plate on the reflection line farther from the receiver R has a larger inclination with respect to the ground surface, and cosine loss and light loss due to blocking increase.
しかも、朝から夕方にかけて太陽の軌跡に追従するためには、ミラープレートHの調整角度が東西方向に約±45度以上変化するため、特に朝夕の太陽高度が低い時にコサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きくなり、1日の集光・集熱エネルギーの変動量が大きくなる。そのため、得られる温度の上限は水蒸気で400℃〜500℃にとどまり、600℃以上の高温を得ることができない。 Moreover, in order to follow the sun's trajectory from morning to evening, the adjustment angle of the mirror plate H changes by about ± 45 degrees or more in the east-west direction, so cosine loss and light loss due to blocking, especially when the solar altitude is low in the morning and evening. Increases, and the amount of fluctuation in the concentration and heat collection energy per day increases. Therefore, the upper limit of the temperature obtained is limited to 400 ° C. to 500 ° C. with water vapor, and a high temperature of 600 ° C. or higher cannot be obtained.
また、東西方向の反射ライン上に多数本のミラープレートを配列し、ミラー設置面積を広くしたとしても、レシーバから離れたミラープレートは、前述の光損失が益々大きくなるため高い集光効率を得ることができない。更に、一基のレシーバが反射光を受光できるミラープレートの数には自ら限界があるため、広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配列したときには、一定本数のミラープレートの組ごとに1本の受光ラインを設定し、受光ライン毎にレシーバRの設置が必要となり、レシーバR毎に受光した反射光の熱を集約して取り出さなければならない。このような理由から従来の線形フレネル型太陽光集光装置から得られる温度は500℃程度が限界であった。 Also, even if a large number of mirror plates are arranged on the reflection line in the east-west direction and the mirror installation area is increased, the above-mentioned light loss becomes larger and the high light collection efficiency is obtained with the mirror plate far from the receiver. I can't. Furthermore, since the number of mirror plates that can be reflected by a single receiver is limited by itself, when a large number of mirror plates are arranged over a wide range, one light is received for each set of mirror plates. It is necessary to set a line and install a receiver R for each light receiving line, and collect and extract the heat of reflected light received for each receiver R. For these reasons, the temperature obtained from the conventional linear Fresnel solar concentrator is limited to about 500 ° C.
こうした光損失を低減する装置として、各反射ラインの長手方向とレシーバの長手方向とを共に東西方向に平行に配置する線形フレネル型太陽光集光装置が特許文献2に記載されている。この装置を先行例2として説明する。図25に示すように、先行例2の装置は、各反射ラインL1(L2、L3・・・)上の各ミラープレートH,H,・・・を太陽の軌跡に対して東西方向に回転させず、南北方向にのみ回転させて反射光をレシーバRに導くというものである。
As a device for reducing such light loss,
この装置によれば、南北方向のミラー回転角が1日(朝夕)では数度以内、年間でも±15°程度と小さいため、前述の光損失を大幅に低減することができる。そのため、南北方向に多数本のミラープレートを配列し、ミラープレートの設置面積を増やせば、レシーバRの受ける総集熱エネルギー量も増やすことができる。 According to this apparatus, since the mirror rotation angle in the north-south direction is as small as several degrees on one day (morning and evening) and about ± 15 ° even in a year, the aforementioned optical loss can be greatly reduced. Therefore, if a large number of mirror plates are arranged in the north-south direction and the installation area of the mirror plates is increased, the total amount of collected heat energy received by the receiver R can be increased.
しかし、先行例2の装置では、東西方向のミラー角度の調整ができないため、特に朝夕の太陽高度が低い場合は、ミラープレートHで集光される線状集光領域がレシーバ上から大きく外れてしまい、1日の集熱エネルギーの変動が大きいという問題がある。 However, since the mirror angle in the east-west direction cannot be adjusted in the device of the preceding example 2, the linear condensing region condensed by the mirror plate H is greatly deviated from the receiver especially when the solar altitude is low in the morning and evening. Therefore, there is a problem that the fluctuation of the heat collection energy per day is large.
また、先行例1、2のいずれの装置も、反射ラインとレシーバが並列に配置されているため、レシーバ上に集光される光束は、線上のほぼ一様な照射領域となる。こうした照射領域では600℃近くの高温に上昇した際に再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が低下しやすいという問題がある。 Moreover, since the reflection line and the receiver are arranged in parallel in any of the devices of the first and second examples, the light beam condensed on the receiver becomes a substantially uniform irradiation region on the line. In such an irradiation region, there is a problem that when the temperature rises to near 600 ° C., re-radiation increases, and the efficiency of the amount of heat absorbed by the heat medium is likely to decrease.
つまり、先行例1の装置ではミラープレート上のコサイン損失、ブロッキング、シャドーイング等の光損失が大きいため、発熱温度が500℃にとどまり、しかも1日の集熱エネルギーの変動が大きいという問題、及び広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配設したとしても、レシーバから離れるほど光損失は益々大きくなるため、集光効率に限界があるという問題がある。また、先行例1、2のいずれの装置にもレシーバ上の照射領域では600℃近くの高温に上昇した際に再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が低下しやすいという問題がある。 That is, in the apparatus of the first example, since the optical loss such as cosine loss, blocking, shadowing, etc. on the mirror plate is large, the heat generation temperature remains at 500 ° C. and the fluctuation of the heat collection energy per day is large, and Even if a large number of mirror plates are arranged over a wide range, the light loss increases as the distance from the receiver increases, and there is a problem that the light collection efficiency is limited. Further, in any of the devices of the preceding examples 1 and 2, the problem is that the heat radiation is increased when the temperature of the irradiation region on the receiver rises to a high temperature near 600 ° C., and the efficiency of the amount of heat absorbed by the heat medium is likely to decrease. There is.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、線形太陽光集光装置において、1日の太陽高度の変化に対する集光・集熱エネルギー変動の低減、光損失の低減、及び加熱効率の向上を実現することである。 The present invention has been made to solve such a problem, and in a linear solar light collecting device, reduction in light collection and heat collection energy fluctuations with respect to changes in solar altitude of the day, reduction in light loss, And to improve the heating efficiency.
本発明は、複数本の反射ラインと、1本の受光ラインとを有する線形太陽光集光装置であって、前記反射ラインは南北方向に並列に設定され、前記受光ラインは前記反射ラインの上方の東西方向に設定され、各反射ラインには複数のミラーセグメントで構成されるヘリオスタットが設置され、前記受光ラインには前記ヘリオスタットから照射された太陽光の反射光を受光して集熱する1基のレシーバが設置され、前記ミラーセグメントの角度を個々に調整可能な角度調整手段を備え、前記角度調整手段により、東西方向に隣り合う複数の反射ラインからの反射光の前記レシーバ上の受光領域を合わせることで、当該受光領域における集光比の調整を可能にした線形太陽光集光装置である。 The present invention is a linear solar light collecting device having a plurality of reflection lines and one light receiving line, wherein the reflection lines are set in parallel in the north-south direction, and the light receiving line is located above the reflection line. A heliostat composed of a plurality of mirror segments is installed in each reflection line, and the light receiving line receives reflected light of sunlight irradiated from the heliostat and collects heat. One receiver is provided, and includes angle adjusting means capable of individually adjusting the angles of the mirror segments, and the angle adjusting means receives light reflected on the receiver from a plurality of reflection lines adjacent in the east-west direction. It is a linear sunlight condensing device that makes it possible to adjust the concentration ratio in the light receiving region by combining the regions.
本発明によれば、線形太陽光集光装置において、1日の太陽高度の変化に対する集光・集熱エネルギー変動の低減、光損失の低減、及び加熱効率の向上を実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a linear sunlight condensing device, reduction of condensing and heat collection energy fluctuation | variation with respect to the change of the solar height of the day, reduction of light loss, and improvement of a heating efficiency are realizable.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
[線形太陽光集光装置の基本構成]
本発明の実施形態を説明する前にその基本構成である、本発明の実施形態の前提となっている線形太陽光集光装置の構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic configuration of linear solar concentrator]
Before describing the embodiment of the present invention, the configuration of the linear solar light collecting apparatus, which is the basic configuration of the embodiment of the present invention, will be described.
〈ヘリオスタットとレシーバの配置例〉
図1は本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成として、ヘリオスタットとレシーバの配置例を示す図である。
<Example of arrangement of heliostat and receiver>
FIG. 1 is a diagram illustrating an arrangement example of a heliostat and a receiver as a basic configuration of a linear solar light collecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
図示のように、この線形太陽光集光装置は、複数本の反射ラインL1,L2、・・・と、1本の受光ラインGとの組を有する線形フレネル型太陽光集光装置である。複数本の反射ラインL1,L2,・・・は、地上の南北方向に設定された受熱ゾーンZに並列に設定されたものであり、それぞれの反射ラインにはヘリオスタット1が設置されている。なお、この線形太陽光集光装置において、反射ラインをL1からL8からなる8列に設定した例を示しているが、反射ラインの数は8本に限定されず、任意の本数に設定できる。
As shown in the figure, this linear solar light collecting device is a linear Fresnel type solar light collecting device having a set of a plurality of reflection lines L1, L2,. The plurality of reflection lines L1, L2,... Are set in parallel to the heat receiving zone Z set in the north-south direction on the ground, and the
各列の反射ラインL1,L2,・・・に設置されたヘリオスタット1は、反射ライン上でミラー面の角度調整により、反射ラインL1,L2,・・・上の各部に入射された太陽光の反射光を受光ラインGに向けて照射する。
The
一方受光ラインGは、各反射ラインL1,L2,・・・の列の中央上方の所定の位置において東西方向、即ち各反射ラインL1,L2,・・・と直交する方向に設定され、受光ラインGには、1基のレシーバ2が設置されている。レシーバ2は、各列のヘリオスタット1から照射された太陽光の反射光を受光して集熱する。ヘリオスタットの大きさが1m×2mの場合にレシーバ2の設置高さは概ね20mである。
On the other hand, the light receiving line G is set in the east-west direction, that is, in a direction orthogonal to each of the reflective lines L1, L2,. In G, one
ここで、複数本の反射ラインL1,L2,・・・の設定方向は、地上の南北方向に正確に合致させる場合はもちろんのこと、反射ラインL1,L2,・・に設置されているそれぞれのヘリオスタット1に入光した太陽光の反射光を受光ラインGに設置されたレシーバ2に有効に受光させることができる限り、南北方向からの多少のずれは、誤差の範囲として許される。これは受光ラインGについても同じである。即ち、ヘリオスタット1からの太陽光の反射光をレシーバ2に有効に受光させることができる限り、受光ラインGの配置方向が東西方向から多少ずれていても誤差の範囲として許される。
Here, the setting direction of the plurality of reflection lines L1, L2,... Is not limited to the case where the reflection lines L1, L2,. As long as the reflected light of sunlight entering the
〈受光ラインに配置されたミラーセグメントの概略構成〉
図2は図1における受光ラインに配置されたミラーセグメントの概略構成を示す図である。ここでは、各列の反射ラインを代表して、反射ラインL1上に設置されたヘリオスタット1の構成を示す。
<Schematic configuration of mirror segments arranged in the light receiving line>
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of mirror segments arranged in the light receiving line in FIG. Here, the configuration of the
図2に示すように、反射ラインL1上には、ヘリオスタット1として、複数個のミラーセグメント1a,1b,1c,・・が地上の一定の範囲にわたり、行方向(南北方向)に配置される。各列の反射ラインL2,L3,・・・にも同様に複数個のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・が行方向に配列され、その結果、受熱ゾーンZには行方向に整列してミラーセグメント1a,1b,1c,・・・が設置される。
As shown in FIG. 2, a plurality of
〈ミラーセグメントの回転角調整〉
図3は反射ラインに配置された各ミラーセグメントの回転角を南北方向、東西方向に調整する要領を示す図である。
<Rotation angle adjustment of mirror segment>
FIG. 3 is a diagram showing a procedure for adjusting the rotation angle of each mirror segment arranged in the reflection line in the north-south direction and the east-west direction.
図3に示すように、同じ列のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・は、南北方向に沿った主回転軸Xに共通に取り付けられ、主回転軸Xは、列方向駆動装置3によって東西方向に回転制御され、各列のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・は、主回転軸Xを中心に回転角度が調整される。
As shown in FIG. 3, the
一方、各行のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・は、それぞれ受光ラインGに直交する方向(東西方向)の個別軸Y1,Y2,Y3,・・・毎に取り付けられた行方向駆動装置4a,4b,4c,・・・によって個別に回転制御され、それぞれの個別軸Y1,Y2,Y3,・・・を中心に回転角度が南北方向(行方向)に個別に調整される。
On the other hand, each row of
以上各列の反射ラインを代表して、反射ラインL1上に設置されたヘリオスタット1についての回転角の調整要領を説明したが、他の反射ラインL2,L3,・・・上に設置されたヘリオスタット1(ミラーセグメント1a,1b,1c,・・・)についても同じである。
As described above, the procedure for adjusting the rotation angle of the
各列のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・は、例えば反射ラインの方向(南北方向)の長さが1m、横方向(東西方向)の長さが2mといった定型のモジュールに設定される。図1は、1例として図2に示すように直列に配列された5枚のミラーセグメント1a,1b,1c,・・・1eを1組のユニットとし、各列の中央位置を挟んで各反射ライン上L1,L2,・・・に2組のユニットを直列に配列した例を示している。もっとも、1組を構成するミラーセグメントの数は5枚に限定されるものでなく、各反射ラインに配列するユニットの数は2組に限られるものではない。
The
また、東西方向に設置された受光ラインを境に、北側と南側の反射ラインの長さは必ずしも同一である必要はなく、北半球では太陽の軌跡が受光ラインに対して南側を通るため、本装置を北半球に設置する場合は、反射ラインの長さを南側よりも北側に長くして、北側のミラー設置面積をより広く採ることにより、集光、集熱効率を高めることができる。一方、南半球に設置する場合は、北半球に設置する場合と反対に、反射ラインの長さを北側よりも南側に長くすることにより、集光、集熱効率を高くすることができる。 In addition, the length of the reflection line on the north side and the south side is not necessarily the same with respect to the light receiving line installed in the east-west direction. In the northern hemisphere, the solar trajectory passes to the south side with respect to the light receiving line. When installing in the northern hemisphere, the length of the reflection line is made longer to the north side than the south side, and the mirror installation area on the north side is made larger, thereby improving the light collection and heat collection efficiency. On the other hand, when installing in the southern hemisphere, contrary to the case of installing in the northern hemisphere, the light collection and heat collection efficiency can be increased by making the length of the reflection line longer to the south side than the north side.
また、前記の複数本の反射ラインにおいて、反射ラインが設置される土地占有領域については、行方向(南北方向)を列方向(東西方向)よりも長くすることができる。前述したように、東西方向にレシーバを設置し、ミラーセグメントを角度調整して受光ラインを照射する構成をとっているので、行方向(南北方向)に反射ラインを延伸させることにより、従来の線形フレネル型太陽光集光装置に比べ光損失の少ない集光光学系が得られる。このように、南北方向に拡張したミラーセグメントを構成することにより、ロスを低減し、高い集熱エネルギーを得ることができる。また東西方向のレシーバを従来の線形フレネル型太陽光集光装置より短く設定できるため、吸収した熱の再放熱による熱損失を低減することもできる。 Further, in the plurality of reflection lines, the land-occupying area where the reflection lines are installed can be made longer in the row direction (north-south direction) than in the column direction (east-west direction). As described above, the receiver is installed in the east-west direction and the angle of the mirror segment is adjusted to irradiate the light receiving line. Therefore, by extending the reflection line in the row direction (north-south direction), the conventional linear A condensing optical system with less light loss than a Fresnel type solar condensing device can be obtained. Thus, by configuring the mirror segment extended in the north-south direction, loss can be reduced and high heat collection energy can be obtained. In addition, since the receiver in the east-west direction can be set shorter than the conventional linear Fresnel solar concentrator, heat loss due to re-radiation of absorbed heat can be reduced.
〈レシーバの構成〉
図4は図1におけるレシーバの構成を示す断面図である。図示のように、レシーバ2は、熱媒体(空気、蒸気など)を内部に充填した集熱パイプ(ステンレスパイプなど)6,6,・・・の複数本(ここでは6本)を並列に有し、ヘリオスタットの全列(ここでは反射ラインL1〜L8)上を跨がってその上方に配置され、その一端は、図1に示す熱供給源5に接続されている。集熱パイプ6は、ヘリオスタット1からの反射光を受光し、反射熱で加熱された熱媒体を集熱して熱供給源5に供給する。
<Receiver configuration>
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the receiver in FIG. As shown in the figure, the
また、複数本の集熱パイプ6の上方を断熱外壁7で覆い、集熱パイプ6の列の直下に、キャビティウィンドウ機能を有する吸熱網8を設定している。断熱外壁7は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプ6,6,・・・の組を内包し、その下面が吸熱網8で塞がれているものである。断熱外壁7の両縁を吸熱網8の端縁から下向きに張り出させることによって、断熱外壁7内での上昇気流による対流熱損失をかなり抑えることができる。
Further, the
吸熱網8は、一定の厚みがある井桁あるいはハニカム構造等を有するステンレスメッシュであって、ヘリオスタットからの反射光はメッシュ壁を透過して内側に到達するが、その放射光はメッシュの内側からは出にくい構造となっている。 The endothermic net 8 is a stainless mesh having a constant thickness such as a girder or a honeycomb structure, and the reflected light from the heliostat passes through the mesh wall and reaches the inside, but the emitted light is transmitted from the inside of the mesh. The structure is difficult to come out.
〈受光ライン上の照射領域〉
図5は図1における受光ライン上の照射領域を説明するための図である。
レシーバ2を構成する集熱パイプ6の全長にわたり、一定の間隔をおいて交互に照射領域と非照射領域とに区画し、各照射領域にのみ、各反射ラインのミラーセグメント1a,1b,・・・からの反射光を照射して集熱パイプ内の流体への伝熱効率の増大を図ることが望ましい。
<Irradiation area on the light receiving line>
FIG. 5 is a view for explaining an irradiation region on the light receiving line in FIG.
Over the entire length of the
図5Aは、受光ラインG上のレシーバ2に備えた集熱パイプ6(長さP1)の全長の範囲内に5箇所の照射領域F1〜F5を設定した例である。各照射領域F1〜F5の間には、一定の長さの非照射領域dが確保され、照射領域F1〜F5が集熱パイプ6の長さP1のほぼ全長にわたってほぼ均等に分散して配置されている。
FIG. 5A is an example in which five irradiation areas F1 to F5 are set within the entire length of the heat collecting pipe 6 (length P1) provided in the
各照射領域F1〜F5に対しては、各反射ラインのミラーセグメント1a,1b,・・・に照射された反射光が集熱パイプ6に照射され、集熱パイプ6内の熱媒体が加熱され、照射領域F1を始端、照射領域F5を終端として各照射領域F1〜F5にて加熱された熱媒体は、終端の照射領域F5から図1に示す熱供給源5に向けて送り出される。さらに非照射領域dを断熱した場合には、この部分から外部への熱輻射が抑制され、集熱パイプ6内の流体をより高温に加熱して熱供給源5に向けて送り出すことが可能である。
For each of the irradiation regions F1 to F5, the reflected light applied to the
図5Bは、非照射領域dを断熱した場合の集熱パイプ(長さP1)に対する流体の温度分布T1を示すグラフである。流体温度分布T2は、比較のため、図5Cに示すように各照射領域F1〜F5の両側に非照射領域を確保せずに集熱パイプの特定領域に集中して反射光を照射した時の流体の温度分布曲線である。両温度分布を比較して明らかなようにT1>T2である。 FIG. 5B is a graph showing a temperature distribution T1 of the fluid with respect to the heat collecting pipe (length P1) when the non-irradiated region d is insulated. For comparison, the fluid temperature distribution T2 is as shown in FIG. 5C when the reflected light is concentrated on a specific area of the heat collecting pipe without securing non-irradiation areas on both sides of the irradiation areas F1 to F5. It is a temperature distribution curve of a fluid. As apparent from the comparison of the two temperature distributions, T1> T2.
このように、各照射領域F1〜F5の両端に非照射領域dを配置することによって、各照射領域F1〜F5が加熱された場合に、集熱パイプ6の各照射領域F1〜F5からそれぞれの照射領域両端の非照射領域dに伝熱され、照射領域から集熱パイプ内部の流体への直接的な熱移動に加え、非照射領域dから流体への熱移動が生じ、高温に加熱された集熱パイプ6と流体との接触時間が増加し、その結果、集熱パイプ6から内部流体への移動熱量が増大して高温流体を熱供給源5へ送り込むことができる。なお、各照射領域F1〜F5および各照射領域F1〜F5間の各非照射領域dの長さは制約されず、集熱パイプ6(長さP1)の全長の範囲内で各照射領域F1〜F5は均等又は不均等に自由に設定できる。
Thus, when each irradiation area F1-F5 is heated by arrange | positioning the non-irradiation area | region d at the both ends of each irradiation area | region F1-F5, each irradiation area | region F1-F5 of each
図1において、各反射ラインL1、L2、L3・・・上に配列されたミラーセグメント1a、1b、・・・は、東西方向には列毎に回転角が制御され、南北方向には、個別に回転角が制御され、それぞれ南北方向、東西方向に回転角度が調整されて太陽からの直射光を受光し、その反射光を上方のレシーバ2に向けて照射する。
In FIG. 1, the
各列、各行のミラーセグメント1a,1b,・・・からの反射光は、レシーバ2の吸熱網8を通して断熱外壁7に囲まれた空間内に透過し、集熱パイプ6を通してその内部に充填された熱媒体を加熱し、集熱パイプ6内を透過する間に繰り返し高温に加熱されて熱供給源5に送り込まれる。熱供給源5内では例えば高温蒸気を生成して蒸気タービン発電に利用したり、あるいは吸熱化学反応によって、化学エネルギー燃料に加工されたりする。
Reflected light from the
以上説明した線形太陽光集光装置においては、反射ラインL1,L2,・・・に沿って配列されたミラーセグメントの間隔は、レシーバ2に対する距離の大小に関わりなく一定間隔に配列する例を示した。
In the linear solar light collecting apparatus described above, an example in which the intervals between the mirror segments arranged along the reflection lines L1, L2,... Are arranged at regular intervals regardless of the distance to the
しかしながら、レシーバ2に近い位置では受光ライン上の前後のミラーセグメント間、即ち受光ライン上で隣り合うミラーセグメント間のブロッキング等による光損失は少ないが、レシーバ2からの距離が増大するにしたがって前後のミラーセグメント間のブロッキング等による光損失が大きくなる。前後のミラーセグメント間のブロッキング等の光損失を防止するには、ミラーセグメントの列方向の前後の間隔を、受光ラインに近い側では狭く、受光ラインから離れるにしたがって広く設定することが望ましい。
However, at a position close to the
なお、受光ラインGの位置から遠くなるほど、反射光のブロッキングが出るため、レシーバ2を設置する受光ラインGの位置を挟んでその南北に配置するミラーセグメントの前後の間隔を変化させてミラーセグメント間にスペースを確保することが望ましい。しかしながら、必ずしも前後のミラーセグメント毎に間隔を変化させる必要はなく、受光ラインGに最も近い位置から順に幾つかのゾーンに区画し、各ゾーンに含まれるミラーセグメントの数を変化することによって対応できる。
The farther away from the position of the light receiving line G, the more the reflected light is blocked. Therefore, the distance between the front and rear mirror segments arranged on the north and south sides of the position of the light receiving line G where the
以上のように、図1に示す線形太陽光集光装置によれば、東西方向に設定した受光ラインGにレシーバ2を設置し、反射ライン上のミラーセグメント1a,1b,・・・を角度調整し、ミラーセグメント1a,1b,・・・に受光した太陽光により受光ラインGを照射する構成のため、太陽軌道を追尾する際に、ミラーセグメント1a,1b,・・・の南北方向の角度調整量は、1日で数度以下、1年通しても十数度以下(地軸の傾きである23.4度の約1/2)と小さく、ミラー角度変動に伴う光損失が非常に小さい。
As described above, according to the linear sunlight collecting apparatus shown in FIG. 1, the
また、ミラーセグメント1a,1b,・・・の東西方向の角度調整については、受光ラインのライン上に沿って集光させればよいので、南中時の太陽入射光に対するミラー設定角度が従来に比べて小さくコサイン損失が少ない。さらに1日の太陽高度変化に対しても光損失の変動が少ないため、1日の集熱エネルギー変動も小さく抑えることができる。
In addition, the angle adjustment in the east-west direction of the
次に、本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成について、より詳細かつ具体的に説明する。
〈ミラーセグメントの配置例〉
図6は図1におけるミラーセグメントの配置例を示す図である。
ここでは、反射ラインの長さを210mとし、その中央の高さ20mの位置を受光ラインGとしてレシーバ2を設置した。また、反射ラインにおける受光ラインGの位置の前後105mの範囲を3等分し、受光ラインGに最も近い位置から順に35mずつD1ゾーン、D2ゾーン、D3ゾーンに区画した。さらに、各ゾーンのミラーセグメントの数をD1ゾーンは34枚、D2ゾーンは30枚、D3ゾーンは26枚とし、レシーバ幅を0.5mに設定して太陽光を受光した。その結果、日照強度0.8kW/m2でのレシーバ入力熱量は400kW/m2程度であった。
Next, the basic configuration of the linear solar light collecting apparatus according to the embodiment of the present invention will be described in more detail and specifically.
<Example of mirror segment arrangement>
FIG. 6 is a diagram showing an example of arrangement of mirror segments in FIG.
Here, the length of the reflection line is 210 m, and the
これを70ライン並べて、レシーバの一端(入口)より室温の空気ガスを10気圧で注入するパイプ20本をレシーバ内に配置した。空気流速をおよそ2.5m2/secとすることにより、70ライン通過後のレシーバ出口の空気温度をほぼ700℃に加熱することができた。この時のレシーバ入口の集光エネルギー400kW/m2は、通常の線形フレネル集光システムと比較すると、5−10倍である。また、この70ラインのトータルの集光パワーは25MWであった。 70 lines were arranged, and 20 pipes into which air gas at room temperature was injected at 10 atm from one end (inlet) of the receiver were arranged in the receiver. By setting the air flow rate to approximately 2.5 m 2 / sec, the air temperature at the receiver outlet after passing through the 70 lines could be heated to approximately 700 ° C. At this time, the collection energy 400 kW / m 2 at the receiver inlet is 5 to 10 times that of a normal linear Fresnel collection system. Further, the total light collecting power of the 70 lines was 25 MW.
〈線形太陽光集光装置の構造モデル及び集光シミュレーション〉
次に図1に示す線形太陽光集光装置の構造モデル及び先行例の構造モデルの集光シミュレーション結果について説明する。
<Structural model and condensing simulation of linear solar concentrator>
Next, the result of the light collection simulation of the structural model of the linear solar light collecting apparatus shown in FIG. 1 and the structural model of the preceding example will be described.
図7は図1に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの1例を示す図、図8は図1に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの別の1例を示す上面図、図9は先行例1の構造モデルを示す図、図10は先行例2の構造モデルを示す図である。また、図7A、図7B、図7Cは、それぞれ上面図、正面図(東側から見た図)、側面図(南側から見た図)である。図9A、図9B、図9C、図10A、図10B、図10Cについても同様である。 7 is a diagram showing an example of the structural model of the linear solar light collecting device shown in FIG. 1, FIG. 8 is a top view showing another example of the structural model of the linear solar light collecting device shown in FIG. 9 is a diagram showing a structural model of the preceding example 1, and FIG. 10 is a diagram showing a structural model of the preceding example 2. 7A, 7B, and 7C are a top view, a front view (viewed from the east side), and a side view (viewed from the south side), respectively. The same applies to FIGS. 9A, 9B, 9C, 10A, 10B, and 10C.
図7に示す構造モデル(以下、実施例1)では、図1を用いて説明したように、8本の反射ラインL1乃至L8が南北方向に配置されるとともに、8本の反射ラインL1乃至L8と立体的に交差するように、それらの上方に1本の受光ラインGが東西方向に配置されている。また、受光ラインGの北側と南側のミラーセグメントは同数(4個ずつ)である。ここで、各反射ラインのミラー面は反射光が常に受光ラインに垂直に入射するように角度制御されている。 In the structural model shown in FIG. 7 (hereinafter referred to as Example 1), as described with reference to FIG. 1, the eight reflection lines L1 to L8 are arranged in the north-south direction, and the eight reflection lines L1 to L8 are arranged. One light receiving line G is arranged in the east-west direction above them so as to cross three-dimensionally. Further, the number of mirror segments on the north side and the south side of the light receiving line G is the same number (four each). Here, the angle of the mirror surface of each reflection line is controlled so that the reflected light always enters the light receiving line perpendicularly.
図8に示す構造モデル(以下、実施例2)では、図7に示す実施例1と同様、8本の反射ラインL1乃至L8が南北方向に配置されるとともに、8本の反射ラインL1乃至L8と立体的に交差するように、それらの上方に1本の受光ラインGが東西方向に配置されている。ただし、実施例1では、受光ラインGの北側と南側のミラーセグメントは同数(4個ずつ)であるのに対し、実施例2では、受光ラインGを境にミラーセグメント1a,1b,・・・を南側よりも北側に多く非対称に配置し(南側1に対し、北側7)、反射ラインL1,L2,・・・が設置される領域を、行方向(南北方向)が列方向(東西方向)よりも長く設定した。図7同様、この場合も各反射ラインのミラー面は反射光が常に受光ラインに垂直に入射するように角度制御されている。
In the structural model shown in FIG. 8 (hereinafter referred to as Example 2), as in Example 1 shown in FIG. 7, eight reflection lines L1 to L8 are arranged in the north-south direction, and eight reflection lines L1 to L8 are arranged. One light receiving line G is arranged in the east-west direction above them so as to cross three-dimensionally. However, in the first embodiment, the number of mirror segments on the north side and the south side of the light receiving line G is the same (four each), whereas in the second embodiment, the
図9に示す先行例1の構造モデルでは、8本の反射ラインL1乃至L8が南北方向に配置されるとともに、1本のレシーバRが反射ラインの上方に南北方向に配置されている。 In the structural model of the first example shown in FIG. 9, eight reflection lines L1 to L8 are arranged in the north-south direction, and one receiver R is arranged in the north-south direction above the reflection line.
図10に示す先行例2の構造モデルでは、8本の反射ラインL1乃至L8が東西方向に配置されるとともに、1本のレシーバRが反射ラインの上方に東西方向に配置されている。 In the structural model of Prior Example 2 shown in FIG. 10, eight reflection lines L1 to L8 are arranged in the east-west direction, and one receiver R is arranged in the east-west direction above the reflection lines.
図11は図7乃至図10に示す各構造モデルのレシーバ上の照射エネルギーの1日の変化をシミュレートしたグラフを示す。シミュレーションを実施した日、場所、シミュレーションの設定条件は以下のとおりである。 FIG. 11 shows a graph simulating a daily change in irradiation energy on the receiver of each structural model shown in FIGS. The simulation date, place, and simulation setting conditions are as follows.
・日付:春分(2011/3/21)
・場所:スペイン アルメニア地方 (緯度: 36.84°北 / 経度: 2.47°西)
・ミラーセグメントの総面積:64m2
・レシーバ長さ:11m
・レシーバ高さ:地表から5m
・ Date: Equinox (2011/3/21)
・ Location: Armenia, Spain (latitude: 36.84 ° north / longitude: 2.47 ° west)
-Total area of mirror segment: 64m 2
・ Receiver length: 11m
・ Receiver height: 5m from the ground surface
図11に示すように、朝夕の僅かの時間は先行例1の照射エネルギー量が少し多いものの、全体的には実施例1、2の照射エネルギー量が多いことが判る。また、緯度に応じて、ミラーセグメント1a,1b,・・・の設置を南北非対称とする、即ち例えばミラーセグメント1a,1b,・・・の設置場所が北緯(北半球)の場合には実施例2のように北側のミラーを多く、南緯(南半球)の場合は南側を多くすることによって、各ミラーに対してコサイン損失をより小さくでき、照射エネルギーの増大が可能なことが判る。
As shown in FIG. 11, it can be seen that the irradiation energy amount of Examples 1 and 2 is large as a whole although the irradiation energy amount of the preceding example 1 is a little larger during a short morning and evening time. Further, when the
〈線形太陽光集光装置を用いた太陽光集光発電システム〉
図1に示す線形太陽光集光装置を中継機として高集熱能力を有する太陽光集光装置と組み合わせることで、予備加熱した流体をさらに高温に加熱することができる。
<Solar condensing power generation system using linear solar concentrator>
By combining the linear solar light collecting device shown in FIG. 1 with a solar light collecting device having a high heat collecting ability as a relay, the preheated fluid can be heated to a higher temperature.
図12は4基の線形太陽光集光装置10a〜10dをタワー型集光装置11の中継機に用いた例である。この組み合わせによれば、300℃に予熱された流体を4基の線形太陽光集光装置10a〜10dに分散させて加熱することによって流体温度を600℃に昇温でき、さらに各線形太陽光集光装置10a〜10dで加熱された流体をタワー型集光装置11に得られた集光熱で加熱して最終的に800℃の高温流体が得られた。
FIG. 12 shows an example in which four linear solar light collecting devices 10 a to 10 d are used as a relay of the tower type
一方、タワー型集光装置11を単独で一気に集光、集熱して温度上昇させるシステムでは、例えば集熱量100MWクラスのプラントを実現するためには、タワー高さは100mを超え、ヘリオスタットフィールドも数kmに及ぶ。そのため、建設コストも膨大となり、低コストで電力供給を行うことが困難である。
On the other hand, in a system that collects and collects heat from the tower-
そこで予備加熱手段に図1に示すような線形太陽光集光装置を用い、目的の温度より低い温度、例えば600℃程度まで予備加熱した後、本加熱手段として前記線形太陽光集光装置より高温集光に適した他の形式の太陽光集光装置、例えばタワー型等の太陽光集光装置を用いて目的の温度、例えば800℃近傍まで昇温する。 Therefore, the linear solar light collecting device as shown in FIG. 1 is used as the preheating means, and after preheating to a temperature lower than the target temperature, for example, about 600 ° C., the main heating means has a higher temperature than the linear solar light collecting device. The temperature is raised to a target temperature, for example, around 800 ° C., using another type of solar light collecting device suitable for condensing, for example, a tower-type solar light collecting device.
このように図1に示すような線形太陽光集光装置を中継機に用い、2段階で温度上昇させることにより、再放熱などの集熱エネルギーロスが少なく、かつ建設コストと土地面積を低減した太陽光集光発電システムを実現することが可能となる。 As described above, the linear solar light collecting device as shown in FIG. 1 is used for a repeater, and the temperature is raised in two stages, thereby reducing heat collection energy loss such as re-radiation and reducing construction cost and land area. A solar concentrating power generation system can be realized.
以上、本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成について説明した。次に本発明の実施形態の線形太陽光集光装置について説明する。本発明の実施形態は第1乃至第4の実施形態からなり、いずれも上述した線形太陽光集光装置を改良し、受光ラインにおける集光比を増大させることにより加熱効率を高めたものである。 The basic configuration of the linear solar light collecting apparatus according to the embodiment of the present invention has been described above. Next, the linear sunlight condensing device of embodiment of this invention is demonstrated. Embodiments of the present invention include the first to fourth embodiments, all of which improve the above-described linear sunlight condensing device and increase the condensing ratio in the light receiving line to increase the heating efficiency. .
そこで、各実施形態について説明する前に集光比について説明する。
太陽光を集光し、熱媒体を過熱して発電に利用する太陽光集光発電システムにおいて、集熱効率(ηth)はレシーバ内の熱媒体が得るエネルギー量(熱量)Qout[W]を日射量Qin[W]で除した値として、下記の式〔1〕で表されることが知られている(「新太陽エネルギー利用ハンドブック」、新太陽エネルギー利用ハンドブック編集委員会、日本太陽エネルギー学会発行、2010-05-01(4.7.14式))。
ηth=Qout/Qin …式〔1〕
Therefore, the concentration ratio will be described before describing each embodiment.
In a solar concentrating power generation system that collects sunlight and overheats the heat medium for power generation, the heat collection efficiency (ηth) is the amount of energy (heat amount) Qout [W] obtained by the heat medium in the receiver. It is known that the value divided by Qin [W] is expressed by the following formula [1] (“New Solar Energy Utilization Handbook”, New Solar Energy Utilization Handbook Editorial Committee, published by the Japan Solar Energy Society, 2010-05-01 (4.7.14 formula)).
ηth = Qout / Qin (1)
熱媒体が得るエネルギー量Qoutは、熱媒体が得るエネルギーと熱損失(放射損失のみを考慮)から導かれ、以下の式〔2〕で表される。
Qout=Ib・Aa・ηopt・α−Ar・ε・σ・(Tr4−Ta4) …式〔2〕
The amount of energy Qout obtained by the heat medium is derived from the energy obtained by the heat medium and heat loss (considering only radiation loss), and is expressed by the following equation [2].
Qout = Ib.Aa..eta.opt..alpha.-Ar..epsilon..sigma. (Tr 4 -Ta 4 ) (2)
ここで、Ib:日射量[W/m2]、Aa:ミラー開口面積[m2]、ηopt:集光効率、α:レシーバの熱吸収率、Ar:レシーバ集光面積[m2],ε:レシーバ表面の熱放射率、σ:ステファン・ボルツマン定数[W/m2・K4]、Tr:レシーバ温度[K]、Ta:周囲温度[K]である。 Here, Ib: solar radiation amount [W / m 2 ], Aa: mirror opening area [m 2 ], ηopt: light collection efficiency, α: receiver heat absorption rate, Ar: receiver light collection area [m 2 ], ε : Thermal emissivity of receiver surface, σ: Stefan-Boltzmann constant [W / m 2 · K 4 ], Tr: receiver temperature [K], Ta: ambient temperature [K].
一方、日射量Qinは以下の式〔3〕で表される。
Qin=Ib・Aa …式〔3〕
On the other hand, the solar radiation amount Qin is represented by the following formula [3].
Qin = Ib · Aa (3)
式〔2〕、〔3〕を式〔1〕に代入すると、下記の式〔4〕が得られる。
ηth=ηopt・α− ε・σ・(Tr4−Ta4)/(Ib・X) …式〔4〕
ここで、X(=Aa/Ar)は集光比と呼ばれる。
Substituting equations [2] and [3] into equation [1] yields equation [4] below.
ηth = ηopt · α-ε · σ · (Tr 4 −Ta 4 ) / (Ib · X) Equation (4)
Here, X (= Aa / Ar) is called a condensing ratio.
式〔4〕より、レシーバの最高到達温度Tr,maxを求めると、下記の式〔5〕となる。
Tr,max4=X・Ib・ηopt・α/(ε・σ)+Ta4 …式〔5〕
When the maximum temperature Tr, max of the receiver is obtained from the equation [4], the following equation [5] is obtained.
Tr, max 4 = X · Ib · ηopt · α / (ε · σ) + Ta 4 Equation [5]
即ち、熱媒体を高温にするためには、集光比Xを大きくする必要がある。そこで、本実施形態では、反射ラインに設置されたヘリオスタット上のミラーセグメントの角度を独立に調整することにより、個々のミラーセグメントにおける反射光がレシーバの東西方向に到達する位置(受光位置)を調整して、レシーバの東西方向の任意の位置における集光比を自由に設定できるようにした。 That is, in order to increase the temperature of the heat medium, it is necessary to increase the concentration ratio X. Therefore, in this embodiment, by independently adjusting the angle of the mirror segment on the heliostat installed in the reflection line, the position (light receiving position) where the reflected light in each mirror segment reaches the east-west direction of the receiver is determined. It was adjusted so that the light collection ratio at an arbitrary position in the east-west direction of the receiver can be set freely.
[第1の実施形態]
図13は本発明の第1の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図7と同一の部分又は対応する部分には図7と同じ参照符号が付されている。ここで、図13A、図13Bは、それぞれ上面図、側面図である。
[First Embodiment]
FIG. 13 is a diagram showing a structural model of the linear solar light collecting apparatus according to the first embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as in FIG. 7 are assigned to the same or corresponding parts as in FIG. Here, FIGS. 13A and 13B are a top view and a side view, respectively.
図13Bに示すように、本実施形態の線形太陽光集光装置は、東西方向に隣り合う2つ毎の反射ラインからの反射光をレシーバ2の1つの照射領域(受光位置)に集めることで、その照射領域における集光比Xを2倍にしたものである。この構成は、レシーバ集光面積Arを変えずに、ミラー開口面積Aaを2倍にしたことに相当する。
As shown in FIG. 13B, the linear solar light collecting apparatus of the present embodiment collects reflected light from every two reflection lines adjacent in the east-west direction in one irradiation region (light receiving position) of the
即ち図7に示す線形太陽光集光装置と比べると、照射領域の間隔は2倍になるが、非照射領域を断熱した場合は、その部分からの熱輻射が抑制され、より高温に加熱することができる。 That is, compared with the linear sunlight condensing device shown in FIG. 7, the interval between the irradiation regions is doubled, but when the non-irradiation region is insulated, the heat radiation from that portion is suppressed and heated to a higher temperature. be able to.
[第2の実施形態]
図14は本発明の第2の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図13と同一の部分又は対応する部分には図13と同じ参照符号が付されている。ここで、図14A、図14Bは、それぞれ上面図、側面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 14 is a diagram showing a structural model of the linear solar light collecting apparatus according to the second embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as in FIG. 13 are assigned to the same or corresponding parts as in FIG. Here, FIGS. 14A and 14B are a top view and a side view, respectively.
本実施形態は、熱供給源(西側)に近づくに従って、照射領域での集光比が増大するようにしたものである。即ち、東側から数えて1番目および2番目の反射ラインL8およびL7からの反射光を別々の照射領域に集光させ、3番目および4番目の反射ラインL6およびL5からの反射光を共通の1つの照射領域に集光させ、5番目乃至8番目の反射ラインL4乃至L1からの反射光を共通の1つの照射領域に集光させている。 In this embodiment, as the heat supply source (west side) is approached, the light collection ratio in the irradiation region is increased. That is, the reflected lights from the first and second reflection lines L8 and L7 counted from the east side are condensed in different irradiation areas, and the reflected lights from the third and fourth reflection lines L6 and L5 are shared by a common 1 The light is condensed on one irradiation region, and the reflected light from the fifth to eighth reflection lines L4 to L1 is condensed on one common irradiation region.
このように、熱供給源で必要な温度に応じて、レシーバ2の任意の位置の集光比を自由に設定することにより、第1の実施形態と比べ、熱供給源をより高温にすることができる。
In this way, the heat supply source is set to a higher temperature than in the first embodiment by freely setting the light collection ratio at an arbitrary position of the
[第3の実施形態]
図15は本発明の第3の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図13と同一の部分又は対応する部分には図13と同じ参照符号が付されている。ここで、図15A、図15Bは、それぞれ上面図、側面図である。
[Third Embodiment]
FIG. 15 is a diagram showing a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the third embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as in FIG. 13 are assigned to the same or corresponding parts as in FIG. Here, FIGS. 15A and 15B are a top view and a side view, respectively.
本実施形態も第2の実施形態と同様に、熱供給源(西側)に近づくに従って、照射領域での集光比が増大するようにしている。第2の実施形態との違いは、第2の実施形態では徐々に集光を増大させているのに対し、本実施形態では段階的に増大させていることである。 Similarly to the second embodiment, this embodiment is configured such that the light collection ratio in the irradiation region increases as the heat supply source (west side) is approached. The difference from the second embodiment is that the concentration of light is gradually increased in the second embodiment, whereas it is increased stepwise in the present embodiment.
本実施形態では、東側から数えて1番目乃至4番目の反射ラインL8乃至L5からの反射光を別々の照射領域に集光させ、5番目と6番目の反射ラインL4とL3からの反射光を共通の1つの照射領域に集光させ、7番目と8番目の反射ラインL2とL1からの反射光を共通の1つの照射領域に集光させている。本実施形態においても第2の実施形態と同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the reflected lights from the first to fourth reflection lines L8 to L5 counted from the east side are collected in different irradiation areas, and the reflected lights from the fifth and sixth reflection lines L4 and L3 are collected. The light is condensed on one common irradiation area, and the reflected light from the seventh and eighth reflection lines L2 and L1 is condensed on one common irradiation area. Also in this embodiment, the same effect as the second embodiment can be obtained.
[第4の実施形態]
図16は本発明の第4の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルの側面図である。この図において、図13と同一の部分又は対応する部分には図13と同じ参照符号が付されている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 16 is a side view of a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as in FIG. 13 are assigned to the same or corresponding parts as in FIG.
本実施形態では、各反射ラインL1乃至L8に設置されているヘリオスタットを構成する各ミラーセグメントの反射面の東西方向に曲率を持たせた、つまり反射面を曲面で構成したものである。この構成はミラー開口面積Aaを変えずに、レシーバ集光面積Arを狭くすることにより、集光比Xを大きくすることを意味する。曲面の断面形状は、円、楕円、放物線等、曲線であれば何でもよい。特に集熱パイプを焦線とした円筒状放物面(Cylindrical Parabola)形状とした場合には平面形状に比べ反射光の広がりを抑えることができるため、より多くの光を集熱パイプに照射することが可能となる。 In the present embodiment, a curvature is given in the east-west direction of the reflection surface of each mirror segment constituting the heliostat installed in each reflection line L1 to L8, that is, the reflection surface is configured by a curved surface. This configuration means that the condensing ratio X is increased by reducing the receiver condensing area Ar without changing the mirror aperture area Aa. The cross-sectional shape of the curved surface may be anything as long as it is a curve such as a circle, an ellipse, or a parabola. In particular, when a cylindrical parabola shape with a heat collecting pipe as a focal line is used, the spread of reflected light can be suppressed compared to a planar shape, so more light is irradiated to the heat collecting pipe. It becomes possible.
[第5の実施形態]
図17は本発明の第5の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図であり、図18はレシーバ21の要部構成を示す図である。ここで、図17A、図17B、図17Cは、それぞれ上面図、正面図、側面図である。また、この図において、図7と同一の部分又は対応する部分には図7と同じ参照符号が付されている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 17 is a diagram illustrating a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 18 is a diagram illustrating a main configuration of the
本実施形態は、図7におけるレシーバ2に代えて図18に示すレシーバ21を用いたものである。レシーバ21は、複合放物面集光鏡(Compound Parabolic Concentrator)77を備えている。
In the present embodiment, a
図18において、集熱パイプ6の半径をa、集熱パイプ6の長手方向をz軸(図示省略)、y軸のマイナス方向を天頂方向、集熱パイプ6の中心軸座標をx=0,y=0、複合放物面集光鏡77の最大入射角をθ1としたとき、複合放物面集光鏡77の断面形状、即ち複合放物面集光鏡77の表面のxy座標は下記の式〔6〕〜〔9〕で表される。
In FIG. 18, the radius of the
「0≦θ≦(π/2)+θ1」に対して
x=±a{sinθ+θcos(θ−π)} …式〔6〕
y=a{−cosθ+θsin(θ−π)} …式〔7〕
「(π/2)+θ1≦θ≦(3π/2)−θ1」に対して
x=±a{sinθ+pcos(θ−π)} …式〔8〕
y=a{−cosθ+psin(θ−π)} …式〔9〕
ただし、
p={θ+θ1+(π/2)cos(θ−θ1)}/{1+sin(θ−θ1)}
である。
For “0 ≦ θ ≦ (π / 2) + θ 1 ” x = ± a {sin θ + θ cos (θ−π)} Equation [6]
y = a {−cos θ + θ sin (θ−π)} (7)
For “(π / 2) + θ 1 ≦ θ ≦ (3π / 2) −θ 1 ” x = ± a {sin θ + pcos (θ−π)} Equation [8]
y = a {−cos θ + psin (θ−π)} (9)
However,
p = {θ + θ 1 + (π / 2) cos (θ−θ 1 )} / {1 + sin (θ−θ 1 )}
It is.
x、yをこのように定めることにより、反射光の広がりを最小限に抑え、より多くの光を集熱パイプ6に照射することができる。この式の導出過程については、下記の文献1、2に記載されているので説明を省略する。
By determining x and y in this way, the spread of the reflected light can be minimized and more heat can be applied to the
〈文献1〉
"High Collection Nonimaging Optics", pp.263-266, First
Edition edition, December 1989
Author: W.T.Welford, R.Winston
Publisher:Academic Pr
ISBN-10:0127428852
ISBN-13:978-0127428857
<
"High Collection Nonimaging Optics", pp.263-266, First
Edition edition, December 1989
Author: WTWelford, R. Winston
Publisher: Academic Pr
ISBN-10: 0127428852
ISBN-13: 978-0127428857
〈文献2〉
"Dyna", year77, Nro.163, pp.132-140, Medellin, September
2010, ISSN0012-7353
"MODELING OF DIRECT SOLAR RADIATION IN A COMPOUND PARABOLIC COLLECTOR (CPC) WITH THE RAY TRACKING TECHNIQUE"
この文献の3.1節(134ページ)に上記の式に関する説明が記載されている。この記載におけるt、θaが、それぞれ上記の式におけるθ、θ1に対応する。
<
"Dyna", year77, Nro.163, pp.132-140, Medellin, September
2010, ISSN0012-7353
"MODELING OF DIRECT SOLAR RADIATION IN A COMPOUND PARABOLIC COLLECTOR (CPC) WITH THE RAY TRACKING TECHNIQUE"
Section 3.1 (page 134) of this document describes the above formula. T in this description, .theta.a is, theta in the above equation correspond to the theta 1.
[第6の実施形態]
図19は本発明の第6の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルの正面図である。この図において、図17と同一の部分又は対応する部分には図17と同じ参照符号が付されている。
[Sixth Embodiment]
FIG. 19 is a front view of a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 are attached to the same or corresponding parts as those in FIG.
本実施形態は、第5の実施形態と同様、レシーバ21を備えている。第5の実施形態との違いは、第5の実施形態では、受光ラインGの北側と南側のミラーセグメントが同数であるのに対し、本実施形態では図8と同様、北側に多く非対称に配置している。
The present embodiment includes a
また、南側よりも北側に多く配置したことに伴い、複合放物面集光鏡77の開口部の中心向きを変えている。即ち、第5の実施形態では、鉛直下方に向けているのに対し、本実施形態では、鉛直下方から下記の式[10]、[11]で定義される角度θ2傾けている。
In addition, the center of the opening of the compound
この式において、m:nは南側に配置したミラーセグメント数と、北側に配置したミラーセグメント数の比(m<n)である。このように角度をθ2傾けることで、年間平均で複合放物面集光鏡77に入射する光量を最大にし、集熱パイプ6に照射される光量を最大にすることができる。
In this equation, m: n is a ratio (m <n) between the number of mirror segments arranged on the south side and the number of mirror segments arranged on the north side. By tilting the angle in this way by θ 2 , the amount of light incident on the composite
ここで、式[10]は、余弦定理及び三平方の定理を用いて算出したものである。
即ち、余弦定理の式である「a2=b2+c2−2bccosA」において、「a2=L2」、「b2=H2+{m/(m+n)*L}2」、「c2=H2+{n/(m+n)*L}2」、「A=2θ1」と置いて算出したものである。また、式[10]は、頂角がそれぞれθ1−θ2、θ1+θ2である2つの直角三角形におけるタンジェントから導出したものである。
Here, equation [10] is calculated using the cosine theorem and the three-square theorem.
That is, in “a 2 = b 2 + c 2 −2bccosA” which is an expression of the cosine theorem, “a 2 = L 2 ”, “b 2 = H 2 + {m / (m + n) * L} 2 ”, “c 2 = H 2 + {n / (m + n) * L} 2 ”,“ A = 2θ 1 ”. Equation [10] is derived from tangents in two right triangles whose apex angles are θ 1 −θ 2 and θ 1 + θ 2 , respectively.
[第7の実施形態]
図20は本発明の第7の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図17と同一の部分又は対応する部分には図17と同じ参照符号が付されている。
[Seventh Embodiment]
FIG. 20 is a diagram showing a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 are attached to the same or corresponding parts as those in FIG.
本実施形態は、第1の実施形態(図13)において、レシーバ2に代えて図18に示すレシーバ21を用いたものである。本実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加えて、第5の実施形態の効果が得られる。
In this embodiment, the
[第8の実施形態]
図21は本発明の第8の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図17と同一の部分又は対応する部分には図17と同じ参照符号が付されている。
[Eighth Embodiment]
FIG. 21 is a diagram showing a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 are attached to the same or corresponding parts as those in FIG.
本実施形態は、第2の実施形態(図14)において、レシーバ2に代えて図18に示すレシーバ21を用いたものである。本実施形態によれば、第2の実施形態の効果に加えて、第5の実施形態の効果が得られる。
This embodiment uses a
[第9の実施形態]
図22は本発明の第9の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図17と同一の部分又は対応する部分には図17と同じ参照符号が付されている。
[Ninth Embodiment]
FIG. 22 is a diagram showing a structural model of a linear solar light collecting apparatus according to the ninth embodiment of the present invention. In this figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 are attached to the same or corresponding parts as those in FIG.
本実施形態は、第3の実施形態(図15)において、レシーバ2に代えて図18に示すレシーバ21を用いたものである。本実施形態によれば、第3の実施形態の効果に加えて、第5の実施形態の効果が得られる。
This embodiment uses a
なお、本発明には下記(1)、(2)のような変形が可能である。
(1)時間帯に応じて集光比を変化させる。例えば朝夕はコサイン損失やシャドーイングによる照射エネルギーロスが大きいのに対し、南中時は照射エネルギーロスが小さいので、時間帯に応じて集光比を変化させることで、熱供給源に必要な温度の熱媒体を安定的に作り出すことが可能となる。
(2)ミラーセグメントからの反射光が照射される照射領域の位置に応じて、非照射領域を断熱する断熱部材の位置を変化させる。これにより、集光比の変化に伴って、非照射領域が変化しても、断熱部材を適正な位置に移動させることができるので、熱損失を低減することができる。
The present invention can be modified as shown in the following (1) and (2).
(1) The condensing ratio is changed according to the time zone. For example, the irradiation energy loss due to cosine loss and shadowing is large in the morning and evening, while the irradiation energy loss is small in the middle and south, so the temperature required for the heat supply source can be changed by changing the concentration ratio according to the time zone. It is possible to stably produce a heat medium.
(2) The position of the heat insulating member that insulates the non-irradiation region is changed according to the position of the irradiation region irradiated with the reflected light from the mirror segment. Thereby, even if a non-irradiation area changes with a change in the light collection ratio, the heat insulating member can be moved to an appropriate position, so that heat loss can be reduced.
L1〜L8…反射ライン、G…受光ライン、Z…受熱ゾーン、1…ヘリオスタット、1a,1b,1c,・・・…ミラーセグメント、2,21…レシーバ、3…列方向駆動装置、4a,4b,・・・…行方向駆動装置、5…熱供給源、6…集熱パイプ、7…断熱外壁、8…吸熱網、77…複合放物面集光鏡。 L1 to L8 ... reflective line, G ... light receiving line, Z ... heat receiving zone, 1 ... heliostat, 1a, 1b, 1c, ... mirror segment, 2, 21 ... receiver, 3 ... column direction drive device, 4a, 4b,... Row driving device, 5 ... heat supply source, 6 ... heat collecting pipe, 7 ... heat insulating outer wall, 8 ... heat absorption network, 77 ... compound parabolic condensing mirror.
Claims (13)
前記反射ラインは南北方向に並列に設定され、
前記受光ラインは前記反射ラインの上方の東西方向に設定され、
各反射ラインには複数のミラーセグメントで構成されるヘリオスタットが設置され、
前記受光ラインには前記ヘリオスタットから照射された太陽光の反射光を受光して集熱する1基のレシーバが設置され、
前記ミラーセグメントの角度を個々に調整可能な角度調整手段を備え、前記角度調整手段により、東西方向に隣り合う複数の反射ラインからの反射光の前記レシーバ上の受光領域を合わせることで、当該受光領域における集光比の調整を可能にした線形太陽光集光装置。 A linear solar light collecting device having a plurality of reflection lines and one light receiving line,
The reflection lines are set in parallel in the north-south direction,
The light receiving line is set in the east-west direction above the reflection line,
Each reflection line is equipped with a heliostat consisting of multiple mirror segments,
In the light receiving line, one receiver that receives reflected heat of sunlight irradiated from the heliostat and collects heat is installed,
Angle adjustment means capable of individually adjusting the angles of the mirror segments, and by combining the light receiving areas on the receiver of reflected light from a plurality of reflection lines adjacent in the east-west direction by the angle adjustment means, A linear solar concentrator capable of adjusting the concentration ratio in the area.
前記集熱パイプは、前記ミラーセグメントからの反射光が照射される照射領域とその両端に配置された非照射領域とに区画されているものである請求項1に記載の線形太陽光集光装置。 The receiver has a heat collecting pipe filled with a heat medium inside,
The linear solar light collector according to claim 1, wherein the heat collecting pipe is divided into an irradiation region irradiated with reflected light from the mirror segment and a non-irradiation region disposed at both ends thereof. .
前記集熱パイプは、ヘリオスタットからの反射光を受光し、加熱された熱媒体を集熱するものである請求項1に記載の線形太陽光集光装置。 The receiver has a heat collecting pipe filled with a heat medium inside, and is disposed above the entire row of heliostats, one end of which is connected to a heat supply source,
The linear solar light collecting device according to claim 1, wherein the heat collecting pipe receives reflected light from a heliostat and collects a heated heat medium.
前記断熱外壁は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプの組を内包し、
前記断熱外壁の両縁は、吸熱網の端縁から下向きに張り出しており、
前記吸熱網が、一定の厚みのある井桁あるいはハニカム構造を有するステンレスメッシュであって、前記ヘリオスタットからの反射光は前記メッシュを透過して内側に到達するが、その放射光はメッシュの内側から出にくい構造となっている請求項1に記載の線形太陽光集光装置。 The receiver has a plurality of heat collecting pipes in parallel, an upper part of the row of the heat collecting pipes is covered with a heat insulating outer wall, and a heat absorption network having a cavity window function is installed immediately below the row of the heat collecting pipes. ,
The heat insulating outer wall is a cover having a circular arc cross section, and includes a set of heat collecting pipes arranged in parallel,
Both edges of the heat insulating outer wall protrude downward from the edge of the heat absorption net,
The endothermic network is a stainless steel mesh having a constant girder or honeycomb structure, and the reflected light from the heliostat passes through the mesh and reaches the inside, but the emitted light is transmitted from the inside of the mesh. The linear solar light collecting device according to claim 1, wherein the linear solar light collecting device has a structure that is difficult to come out.
前記予備加熱手段は、請求項1に記載された線形太陽光集光装置を用いて、目的の温度より低温の第1の温度まで加熱する手段であり、
前記本加熱手段は、前記線形太陽光集光装置より高温集熱光に適した他の形式の太陽光集光装置を用いて目的の温度である第2の温度まで昇温させる手段である太陽光集光発電システム。
A solar condensing system having a preheating means and a main heating means,
The preliminary heating means is means for heating to a first temperature lower than a target temperature using the linear solar light collecting device according to claim 1,
The main heating means is a means for raising the temperature to a second temperature, which is a target temperature, by using another type of solar light collecting device suitable for high-temperature heat collecting light than the linear solar light collecting device. Light concentrating power generation system.
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