JP2013245877A - 太陽光熱媒体加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体をより均一に加熱することができる太陽光熱媒体加熱装置を提供する。
【解決手段】内壁部６において太陽光Ｌを受光する範囲が全て太陽光導入口５側へ露出しており、太陽光Ｌが当たらない部分がないため、内壁部６は均一に近い状態で加熱され、内部の溶融塩Ｍも内壁部６からの伝熱により内部側へ向けて規則的に加熱される。そのため溶融塩Ｍの加温状態を正確に制御することができ、溶融塩Ｍの一部が過熱状態となるような不測の事態を回避することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、太陽光により熱媒体を加熱する太陽光熱媒体加熱装置に関する。

地上に降り注ぐ太陽光を地上に設置された複数の一次ミラー（ヘリオスタット）により、所定高さに設置された二次ミラーへ向けて反射すると共に、更にその反射光を二次ミラーにより下向きに反射して、地上の一点に集めるビームダウン式の太陽集光装置が知られている。

太陽光が集光する地上位置には加熱体が設置されている。加熱体は丸い金属製のパイプを螺旋状に巻回して一種の壺状に形成したもので、上部が太陽光導入口として開口している。

上部より下向きに反射される太陽光は太陽光導入口から加熱体の内部へ入り込み、加熱体の内面により受光されて、そこで熱に変換される。内面を形成するパイプには熱媒体としての溶融塩が流れており、加熱された内面との間で熱交換して加温される。加熱された溶融塩は集熱体から取り出されて蒸気タービン等へ循環され、蒸気を発生させるための熱源として利用される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００６／０２５４４号

しかしながら、このような従来の技術にあっては、加熱体の内面が横方向（水平方向）に巻回した丸パイプの側面により形成されるため、内面は上下方向で凹凸状の表面形状となる。そのため、上方から照射される太陽光はパイプの側面のうち最も内面側へ突出した部分には当たるが、その上下部分は太陽光が遮られて陰となり熱吸収効率が悪い。

さらに太陽光が一様に当たらないと、加熱体の内面に温度分布が生じて、内部の溶融塩を均一に加熱しにくくなる。その結果、溶融塩の加熱状態が不規則となって、正確な温度制御が行えずに、溶融塩の一部を部分的に過熱状態にして変質させてしまうおそれがある。

また、パイプの不均一な熱膨張によって、パイプに歪みが生じて溶融塩の流れに乱流が生じたり、さらには、応力集中によるパイプの破損のおそれもあった。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、熱媒体をより均一に加熱することができる太陽光熱媒体加熱装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、上部に太陽光導入口を有する全体容器形状で且つ内壁部と外壁部との間に流通空間が形成されたジャケット構造の加熱体を有し、該加熱体の上下いずれか一方の端部に形成された導入部より熱媒体を流通空間内に導入して他方の端部に形成された導出部より導出可能とし、前記太陽光導入口から導入された太陽光を内壁部の表面で受光し、太陽光により加熱される内壁部を介して流通空間内を流れる熱媒体を加熱すると共に、前記内壁部おける太陽光を受光可能な範囲の表面が、全て太陽光導入口側に露出していることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、導入部が加熱体の底部中央に形成され且つ導出部が加熱体の上端に形成されると共に、流通空間内に導入部から外側へ向けたスパイラル状の流路を規定するように隔壁が設けられることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、導入部が加熱体の底部中央に形成され且つ導出部が加熱体の上端に形成されると共に、流通空間内に導入部から外側へ向けた放射状の流路を規定するように隔壁が設けられることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、隔壁が内壁部又は外壁部にいずれか一方だけに接合され且つ他方とは非接合にしたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、隔壁を外壁部側に接合して形成したことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、加熱体の内壁部の表面が、円筒状又はテーパー状の側面とフラットな底面とか構成されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、加熱体の上部に形成された太陽光導入口の径が、加熱体の最大径よりも小さいことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、内壁部と外壁部より成るジャケット構造の加熱体を用い、その内部の流通空間に熱媒体を流すようにした。太陽光は加熱体の上部に形成された太陽光導入口から内部に入り、内壁部の表面に当たって内壁部を加熱する。この時、内壁部において太陽光を受光する範囲が全て太陽光導入口側へ露出しており、太陽光が当たらない部分がないため、内壁部は均一に近い状態で加熱され、内部の熱媒体も内壁部からの伝熱により内部側へ向けて規則的に加熱される。そのため熱媒体の加温状態を正確に制御することができ、熱媒体の一部が過熱状態となるような不測の事態を回避することができる。

請求項２記載の発明によれば、流通空間の内部に設けた隔壁によりスパイラル状の流路が形成され、加熱体の中心部から流路に沿って熱媒体が流れるため、熱媒体の流れが規則的になり、正確な温度制御を行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、流通空間の内部に設けた隔壁により放射状の流路が形成され、加熱体の中心部から流路に沿って熱媒体が流れるため、熱媒体の流れが規則的になり、正確な温度制御を行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、隔壁が内壁部又は外壁部の一方側だけに接合され、他方側とは非接合状態ため、太陽光の受光時に内壁部と外壁部との間で熱膨張の差が生じても、隔壁の接合部に応力集中が発生せず、接合部の保護を図ることができる。

請求項５記載の発明によれば、受光時に比較的温度上昇が小さい外壁部側に隔壁を接合したため、接合部への熱負荷が小さくなり、接合部の保護を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、加熱体の内壁部の表面が、円筒状又はテーパー状の側面とフラットな底面とか構成されているため、内壁部の形状が単純で、内壁部の製造が容易である。

請求項７記載の発明によれば、太陽光導入口の径が小さく形成されているため、太陽光により加熱された内壁部の熱輻射が太陽光導入口から逃げるのを防ぐことができ、輻射による熱損失を低減させることができる。

本発明の第１実施形態に係る太陽光熱媒体加熱装置を示す全体図。 加熱体を含む太陽熱利用システムを示す概略図。 加熱体を示す断面図。 加熱体を示す平面図。 矢示ＤＡ部分を示す拡大断面図。 本発明（ａ）と比較例（ｂ）の受光状態を比較して示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る加熱体の断面図。 加熱体を示す平面図。 本発明の第３実施形態に係る加熱体の断面図。 本発明の第４実施形態に係る加熱体の断面図。

第１実施形態
図１〜図６は本発明の第１実施形態を示す図である。

図１中の符号１は二次ミラーとしての楕円鏡で、図示せぬ支持タワーにより所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１はその鏡面形状が回転楕円面の一部で、回転楕円面の長軸方向の下方には共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。

楕円鏡１の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、一次ミラーとしてのヘリオスタット２が多数設けられている。各ヘリオスタット２は反射された太陽光Ｌが第１焦点Ａを通過するように図示せぬセンサーにより制御される。ヘリオスタット２で反射された太陽光Ｌが第１焦点Ａを通過すると、楕円鏡１で下向きに反射されて、必ず第２焦点Ｂに集光される。

第２焦点Ｂの真下位置には概略テーパ筒状の集光鏡３が設置されている。この集光鏡３は内面が鏡面で、上部開口３ａよりも下部開口３ｂの方が小さく形成されている。そのため上部開口３aから導入されて内部で反射されてから下部開口３ｂより出てくる時には、上部開口３aと下部開口３ｂとの比率に応じて集光度が高められる。下部開口３ｂの太陽光Ｌは若干拡散しながら出てくる。

この集光鏡３の真下に配置されているのが加熱体４である。加熱体４は集光鏡３からの太陽光Ｌを受け止めるために、全体として上部が太陽光導入口５として開口した容器形状をしている。

加熱体４は内壁部６と外壁部７で形成されたジャケット構造になっており、その中空部分は熱媒体である溶融塩Ｍを流すための流通空間８を構成する。

内壁部６及び外壁部７はステンレス製で、それぞれ連続した表面形状を有する円筒状の側面と湾凹状の底面を一体化した容器形状をしている。内壁部６の上端にはリング状のフランジ６ａが外向きに形成されており、このフランジ６ａの端部を外壁部７の上端に係合させて接合することにより、内壁部６と外壁部７とは内部を密閉化した状態で一体化される。

外壁部７の底部中央には溶融塩Ｍを内部に導入するための導入部９が形成されている。また加熱体４の流通空間８には導入部９を中心に外側へ向けて順次スパイラル状に広がる隔壁１０が接合されている。隔壁１０は溶接による接合部１０ａで外壁部７だけに接合されている。隔壁１０と内壁部６とは非接合になっている。

流通空間８の内部がこの隔壁１０によりスパイラル状の流路８ａが区画される。すなわち、外壁部７、内壁部６および隔壁１０により流路空間８ａが画成される。従って導入部９から導入された溶融塩Ｍはこの流路８ａに沿ってスパイラル状に流通空間８内を流れる。流路８ａの最終点となる加熱体４の上端には導出部１１が形成されており、この導出部１１から溶融塩Ｍを取り出すことができる。

導出部１１から取り出された溶融塩Ｍはタンク１２へ循環され、ポンプ１３を介して導入部９から再度加熱体４内へ戻される。タンク１２内の溶融塩Ｍは一部が蒸気発生器１４へ循環される。蒸気発生器１４には溶融塩Ｍ内を通過する複数の配管が設けられており、この配管へ水Ｗを供給することで蒸気Ｓが得られるようになっている。循環する溶融塩Ｍは流路８ａ中に付属された図示せぬヒーターにより必要時加熱されて、溶融塩Ｍが固化しないように維持されている。

導出部１１の下部開口３ｂから出る太陽光Ｌは若干拡散しながら太陽光導入口５より加熱体４内に入る。内壁部６の表面は連続した円筒状の側面と湾凹状の底面とから形成されており、表面の全てが太陽光導入口５側へ露出しているため、表面全体に太陽光Ｌが当たる。内壁部６の全面が受光面となることにより、内壁部６が加熱される。尚、内壁部６の表面全体には太陽光Ｌの吸収効率を高めるための耐熱性の黒色塗料が施されている。

内壁部６の内部ではスパイラル状に区画された流路８ａを溶融塩Ｍが流れており、流れながら内壁部６と接しているため、溶融塩Ｍも内壁部６から伝熱により加熱される。加熱された溶融塩Ｍは前述のように蒸気発生器１４へ循環され、蒸気Ｓを発生させることができる。

加熱体４の流通空間８内には図示せぬ温度センサーが設けられ、溶融塩Ｍの温度制御を行っている。具体的には所定温度以上になれば加熱体４内に導入される太陽光Ｌの入射量を制御してそれ以上加熱しないようにしたり、或いは、雨天や曇天時に十分な太陽光Ｌが得られずに溶融塩Ｍの温度が最低温度よりも下がりそうになった時には図示せぬヒーターを稼働させて必要な温度が維持される。

この実施形態によれば、内壁部６の表面が全て太陽光導入口５側へ露出しており、図６（ａ）に示すように、斜め上方から入射する太陽光Ｌが内壁部６の全面に当たるため、内壁部６は均一に近い状態で加熱されて効率よく外壁部側（流通空間側）に熱が伝導し、内部の溶融塩Ｍも内壁部６からの伝熱により流路８ａに沿って流れる間に内部側（流路８ａの主軸）へ向けて規則的に加熱される。そのため溶融塩Ｍの正確な温度制御を行うことができる。しかも、この実施形態では、隔壁１０により形成されたスパイラル状の流路８ａに沿って溶融塩Ｍが流れるため、この点においても溶融塩Ｍの流れが規則的となり、正確な温度制御に寄与することができる。隔壁１０と内壁部６とは熱膨張に伴う応力の集中を避けるために非接合となっており、僅かに隙間が生じているが、流路８ａ内の溶融塩Ｍの層流的な流れを擾乱させるほどのものではない。

一方、図６（ｂ）に比較例を示す。この比較例は金属製の丸パイプ１５を巻回して重ね、その側面で内壁部１６を形成した例である。この比較例によれば、内壁部１６の表面が上下方向で凹凸状になるため、斜め上方から照射される太陽光Ｌは丸パイプ１５の側面のうち最も突出した部分にしか当たらず（角度θの側面範囲）、その上下部分は太陽光Ｌが遮られて陰となる。従って、内壁部１６に空間的な温度むらが生じ、内部の溶融塩Ｍの加熱状態が不規則となって、正確な温度制御が困難となる。温度制御が正確に行えないと、溶融塩Ｍの一部が部分的に過熱状態となり変質してしまうおそれがある。

また、この実施形態では、隔壁１０が外壁部７だけに接合されて、内壁部６とは非接合状態ため、太陽光Ｌの受光時に内壁部６と外壁部７との間で熱膨張の差が生じても、隔壁１０の溶接による接合部１０ａに応力集中が生ぜず、接合部１０ａの保護を図ることができる。しかも、この実施形態では、隔壁１０を受光時に比較的温度上昇が小さい外壁部７側に接合したため、接合部１０ａへの熱負荷が小さくなり、接合部１０ａの保護を更に図ることができる。

次に他の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は前記実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

第２実施形態
図７及び図８は本発明の第２実施形態を示す図である。この実施形態では、加熱体１７の流通空間１８内に、中心の導入部９から外側へ向けた放射状の隔壁１９ａ、１９ｂを設けて放射状の流路１８ａを形成した。すなわち、中心の導入部９から外側へ向けて放射状に延在する流路１８ａを規定するように隔壁１９ａ、１９ｂを設けた。

放射状の流路１８ａは中心に近い部分は互いに幅が狭く密集し、外側に向けて幅が広くなるため、一枚おきに中心側を省略した短い隔壁１９ｂを設けて、流路１８ａの中心部側が密集しないようにした。また隔壁１９ａ、１９ｂの最上部は流路１８ａが太陽光導入口５に沿って連通するように省略した。

底部中心の導入部９から導入された溶融塩Ｍは内壁部６からの伝熱により加熱されながら流路１８ａに沿って上方へ流れ、最終的に加熱体１７の上部に集合された後に導出部１１より外部へ循環される。

全面に太陽光Ｌが当たる内壁部６により内部の溶融塩Ｍが均一に加熱されると共に、流路１８ａ内を規則的に流れるため、正確な温度制御を行うことができる。

第３実施形態
図９は本発明の第３実施形態を示す図である。

この実施形態では、加熱体２０が扁平球体の上部に太陽光導入口２１を形成したような形状で、内壁部２２も外壁部２３も全体が湾曲している。太陽光導入口２１の径が加熱体２０の最大径よりも小さくなり、上方へ向けて収束した形状になっている。そのため、内壁部２２の表面全体に太陽光Ｌが当たる訳ではない。底面から側面の一部の範囲Ｅにしか当たらない。少なくともこの範囲Ｅの表面は太陽光導入口２１側に露出しており、陰になる部分はない。

この実施形態によれば、太陽光導入口２０の径が小さく形成されているため、太陽光Ｌにより加熱された（又は伝熱により加熱された）内壁部２２の熱輻射が太陽光導入口２１から散逸するのを防ぐことができ、輻射による熱損失を低減させることができる。

第４実施形態
図１０は本発明の第４実施形態を示す図である。

この実施形態では、加熱体２４の内壁部２５及び外壁部２６が、それぞれテーパー状（円筒状でも可）の側面２５ａ、２６ａと、フラットな底面２５ｂ、２６ｂから成る比較的単純形状で形成されている。そのため、内壁部２５及び外壁部２６の製造が容易で、加熱体２４全体の組み立ても容易である。

尚、以上の各実施形態においては、加熱体４、２０等の内部の流通空間８、１８に隔壁１０、１９ａ、１９ｂを設ける例を示したが、それに限定されるものでなく、隔壁１０、１９ａ、１９ｂを設けない構造であっても良い。

熱媒体として溶融塩Ｍを例にしたが、それに限定されるものではなく、溶融塩Ｍ以外の熱媒体も利用することができる。

４、１７、２０、２４ 加熱体
５、２１ 太陽光導入口
６、２２、２５ 内壁部
７、２３、２６ 外壁部
８、１８ 流通空間
８ａ、１８ａ 流路
９ 導入部
１０、１９ａ、１９ｂ 隔壁
１０ａ 接合部
１１ 導出部
Ｍ 溶融塩（熱媒体）
Ｌ 太陽光

Claims (7)

1. 上部に太陽光導入口を有する全体容器形状で且つ内壁部と外壁部との間に流通空間が画成されたジャケット構造の加熱体を有し、
   該加熱体の上下いずれか一方の端部に形成された導入部より熱媒体を流通空間内に導入して他方の端部に形成された導出部より導出可能とし、
   前記太陽光導入口から導入された太陽光を内壁部の表面で受光し、太陽光により加熱される内壁部を介して流通空間内を流れる熱媒体を加熱すると共に、
   前記内壁部おける太陽光を受光可能な範囲の表面が、全て太陽光導入口側に露出していることを特徴とする太陽光熱媒体加熱装置。
2. 導入部が加熱体の底部中央に形成され且つ導出部が加熱体の上端に形成されると共に、流通空間内に導入部から外側へ向けたスパイラル状の流路を規定するように隔壁が設けられることを特徴とする請求項１記載の太陽光熱媒体加熱装置。
3. 導入部が加熱体の底部中央に形成され且つ導出部が加熱体の上端に形成されると共に、流通空間内に導入部から外側へ向けて放射状に延在する流路を規定するように隔壁が設けられることを特徴とする請求項１記載の太陽光熱媒体加熱装置。
4. 隔壁が内壁部又は外壁部にいずれか一方だけに接合され且つ他方とは非接合にしたことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の太陽光熱媒体加熱装置。
5. 隔壁を外壁部側に接合して形成したことを特徴とする請求項４記載の太陽光熱媒体加熱装置。
6. 加熱体の内壁部の表面が、円筒状又はテーパー状の側面とフラットな底面とか構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光熱媒体加熱装置。
7. 加熱体の上部に形成された太陽光導入口の径が、加熱体の最大径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光熱媒体加熱装置。

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