JP2013545958A - いくつかのセクションから成る集光器配列を備えた太陽熱収集器 - Google Patents

Abstract

トラフ式集光装置として構成された線形集光装置に設けられた第二集光器配列の別の集光器によって、集光放射線が焦点領域で集光され、その結果、アブソーバチューブ内で、より高い放射線の集光が達成され得、従って、より高い温度が達成され得る。高温による急激に増加するアブソーバチューブにおける熱損失を減らすために、複数の独立した熱開口から成る複数の列を備え、これらの列が相互に隣接して配置されているアブソーバ配列が設けられる。
【選択図】 図６ａ

Description

本発明は、請求項1の前文による太陽熱収集器に関する。

この種の放射線収集器又は集光器は太陽熱発電所で使用される。

太陽熱発電の損失を克服することは今まで不可能だったので、この技術を利用して合理的なコストで太陽熱による電流を生成することはできないでいた。太陽熱発電所は、他方では、これまでかなりの期間、従来の電流の生成のための普通の商業価格に近い価格で、工業規模の電流を生成している。

太陽熱発電所では、太陽放射線は、集光器を用いて集光装置によって反射され、選択的に、ある場所に集光され、その結果、その場所では高温が発生する。集められた熱は、電流発生装置を駆動するタービンのような熱出力エンジンの運転に使用され、消散され得る。

今日、ディッシュ式太陽熱発電システム、タワー式太陽熱発電システム及びトラフ式太陽熱発電システムの三つの形式の太陽熱発電所が知られている。

ディッシュ式太陽熱発電システムは、1つのモジュール当たり50kWまでの範囲である小さいユニットであり、一般的には受け入れられない。

タワー式太陽熱発電システムは、非常に多くの数の独立したミラーを通して、それに太陽光を反射するために、（「タワー」における）高い位置に設けられた中心アブソーバを有し、その結果、太陽光の放射線エネルギが、多くのミラー又は集光器を介してアブソーバに集光され得、それにより、（通常、動力発生用の蒸気又は流体タービン発電である）下流の熱機械の効率に有効な１３００℃までの温度を達成することが期待される。カリフォルニアにある「ソーラツー」プラントは、数ＭＷの出力を有する。スペインのピーエス２０プラントは、２０ＭＷの出力を有する。しかしながらタワー式太陽熱発電所は、（高い温度が得られるという利点があるにもかかわらず）広範囲に使用されていない。

しかしながら、パラボラトラフ式発電所は広まっており、この発電所は、幅狭の長い集光器を有し、従って、焦点ではなく、焦線を有する多数の集光装置を含んでいる。これらの線形集光器は、今日では、２０ｍから１５０ｍの長さを有する。動力発生プラントに熱を送る、（５００℃までの）集中熱用アブソーバチューブが焦線に沿って伸びている。使用可能な輸送媒体は、例えば、熱媒油、溶融塩又は過熱水蒸気である。

従来のアブソーバチューブは、できるだけ熱損失を最小限に抑えるために複雑で高価な構造である。熱輸送媒体がパイプの内部で循環するので、集光器によって集光された太陽放射線は、パイプを加熱し、次いで、熱輸送媒体を加熱し、その結果、約５００℃の熱さであるアブソーバチューブは、その温度に応じて熱を放散する。熱輸送媒体用のライン・ネットワークを介して放散される熱は、100W/mに達し得、大規模プラントにおけるライン長は、１００ｋｍに達し得、その結果、ライン・ネットワークを介した熱損失は、アブソーバチューブに起因する熱損失の比率のように、発電所の全体的効率に相当に重要なものになる。

その結果、アブソーバラインは、これらのエネルギ損失を回避するために、ますます複雑な構造になる。このような従来のアブソーバラインは、ガラスと金属との間に真空があるガラスで覆われた金属管として広範囲で構成されている。金属管は、熱輸送媒体を運び、その外表面上にコーティングがされ、このコーティングは、可視領域の放射光の吸収を改善するが、赤外線領域においては、波長に対する放射率が低い。周りを囲むガラス管は、風による冷却から金属管を保護し、熱放射に対する付加的なバリアとして機能する。周りを囲むガラスの壁が、入射した太陽放射線を部分的に反射し、また、吸収をするという欠点があり、この欠点が、反射を減らすためにガラスにコーティングをすることに結び付く。

このようなアブソーバラインの清掃に費やされる相当な額の費用を低減させ、かつ機械的なダメージからガラスを保護するために、アブソーバラインには、付加的に、それを覆う（断熱しないか、殆ど断熱しない）機械的な保護パイプが設けられ得、この保護パイプは、たとえ太陽光線が入射するための開口が設けられなければならないとしても、他の点では、確実にアブソーバラインを保護する。

このような構造は、製造とメンテナンスの両方に関して、面倒であり、相応して高価である。

南カリフォルニアにある９基の太陽熱発電システムであるパラボラトラフ式発電所は、全部で約３５０ＭＷの出力を生成する。2007年にネットワークへリンクした「ネバダソーラーワン」発電所は、182,400個のカーブミラーを持ったトラフ式集光装置を有し、これらのミラーは、140ヘクタールのエリア一帯に配列され、65MWを生み出す。スペインのアンダソル３は、2009年9月以来ずっと建築中であり、2011年に稼働することになっており、アンダソル発電所１〜３の出力は、合計で、50MWまでになる予定である。

全てのアンダソル発電所（アンダソル１〜３）の最大効率は、２０％の範囲内にあることが期待されており、年平均効率は１５％の範囲内にあることが期待されている。

上述したように、太陽熱発電所の性能のための一つの本質的なパラメータは、集光装置によって加熱される輸送媒体の温度であり、集光装置から得られる熱は、この輸送媒体を介して消散され、例えば、電流に変換するために利用される。温度が高くなる程、変換中に達成される効率は高くなる。輸送媒体内で実現され得る温度は、集光器を介した反射太陽放射線の集光に依存する。50の集光は、集光器の焦点範囲内で、1平方メートル当たりのエネルギ密度が得られることを意味し、それは、地表の１平方メートル上に太陽によって照射されたエネルギの５０倍に相当する。

理論上可能な最大の集光は、太陽と地球との配列に依存し、即ち、地上から観測される太陽の開口角に依存する。この０．２７°の開口角から、トラフ式集光装置用の理論上可能な最大集光係数は２１３になる。

ミラーが、非常に複雑に製造されており、従って、工業用に使用するには非常に高価であり、断面がパラボラ形状に非常に近似しており、従って、直径が最小限の焦線領域を形成することを考慮しても、この２１３の最大集光におおよそ達することでさえ、今日では不可能である。しかし、約５０〜６０の確実に達成可能な集光は現実的であり、パラボラトラフ式発電所のアブソーバチューブにおいて上記したように、ほとんど５００℃に近い温度を可能にする。

妥当なコストで、できるだけパラボラ形状に近いトラフ式集光器を構成するために、出願人は、国際公開公報WO 2010/037243号において、トラフ式集光装置を提案した。このトラフ式集光装置は、その内部に可撓性集光器が配列された圧力セルを備えている。この集光器は、異なる領域では異なる曲率を有しており、希望するパラボラ形状に非常に近い。これにより、集光器に対する妥当な費用でアブソーバチューブにおいて５００℃に近い温度を得ることが可能になるが、アブソーバチューブ内で繰り返し上昇した処理温度を得ることはできない。

従って、本発明の目的は、工業規模で、熱の生産をするためのトラフ式集光装置を提供することであり、それは、より高い効率を示し、そして、輸送媒体内で高い温度を生成することも可能にする。

この目的は、請求項１の特徴部分を備えた太陽熱収集器によって満たされる。

第二集光器配列によって、反射太陽放射線は、焦線領域ではなく、少なくとも一つの焦点領域において反射されることになるので、集光は、一次元トラフ式集光装置で達成される。前記集光は二次元であり、即ち、集光器の長手方向に亘って焦線で集光された後、その幅方向に亘って少なくとも一つの焦点領域において集光される。これは、理論上の最大可能集光が４０，０００以上まで増加するという効果を有する。ここでも、この最大可能集光を、おおよそですら達成することができる方法はないと言わざるをえない。しかし、この莫大な可能性を少し実現するだけで、輸送媒体の温度を要求値まで増加させることが可能になり、従って、発電所の効率（又は最小限の熱を発生するユニットですらその効率）が改善される。

第二集光器配列の少なくとも一つの集光器が、現在の第一放射線軌道に連続的に整列するので、時刻に対応する入射太陽放射線の斜角に起因する第二集光器配列における損失が回避され得、それにより、常に高度な効率が確保される。

別の集光器から成る複数の列と、熱開口から成る隣接して配列された複数の列とが、アブソーバ配列に設けられているので（例えば、同じ数の熱開口から成る単一の列に比べて）、配列全体の改善された熱吸収／改善された効率が達成される。

さらに、第二集光器配列の別の集光器の焦点領域は固定されたままであり、従って、アブソーバ配列上の元の位置にある。これにより、入射太陽放射線の変化に関係なく、入射する放射線軌道の横断面積までアブソーバチューブの熱開口を低減することが可能になり、アブソーバチューブの関連熱損失を減らし、太陽発電所の効率を上げる効果が得られる。

従って、本発明は、規定要求事項に加えて、熱開口の領域が個々の小さい開口に分割され、本質的により小さな領域に低減されたアブソーバ配列／アブソーバチューブを使用することを可能にする。同時に、これにより、各アブソーバチューブの熱損失が著しく低減する。

これは、本発明に従って焦点領域において集光された放射線による相乗効果に繋がる。即ち、一方では、アブソーバチューブ内の温度が上がり、他方では、アブソーバチューブからの熱損失が低減する。このことは、熱損失は殆どが、温度の４乗まで増加する熱放射によって生じるので、ここでは得に重要である。さらに、本発明による集光器の効率は、アブソーバ配列／アブソーバチューブにおいて関連する複数の熱開口から成る隣接して伸びる複数の列を備えた、複数の焦点領域から成る隣接して伸びる複数の列を提供する配列のレイアウトによって高められ、レイアウトにより配列の吸収力が増加する。

離間した複数の熱開口が設けられているので、アブソーバチューブの広い領域が断熱され得、動作中に、その熱放出が低減されるという効果を有する。熱放射は温度の４乗まで増えるので、これは、高い温度を生成する本発明による太陽熱収集器の場合には、特に、有利である。

本発明の実施例は、添付図面を参照して、以下に詳細に説明される。

太陽熱発電所で使用される従来のトラフ式集光装置を示す概略図である。 本発明によるトラフ式集光装置の構造を示す概略図である。 図２ａのトラフ式集光装置の横断面図である。 図２ａのトラフ式集光装置の長手方向断面図である。 一日に亘る太陽放射線の入射方向を概略的に示している。 本発明の好ましい実施例を示している。 図４に示した実施例の特に好ましい変形例を縦方向から見た図である。 図５ａの実施例の横断面図である。 本発明の別の実施例を示す図である。 図６ａの実施例の横断面図である。 別の集光器の光学要素の第一実施例を示している。 図７ａの光学要素の横断面図であり、この図では、光学要素を通過する放射線の幾何学的位置が示されている。 別の集光器の光学要素の第二実施例を示している。 図８ａの光学要素の横断面図であり、この図でも、光学要素を通過する放射線の幾何学的位置が示されている。 別の集光器の光学要素の第三実施例を示している。 従来の構造の電力吸収と本発明による構造の電力吸収とを比較したグラフであり、本発明による構造は、隣接して配列された熱開口から成る幾つかの列を備えている。 本発明のさらに別の実施例の横断面図である。 図１０ａの実施例の詳細図である。

図１は、従来の形式のトラフ式集光装置１を示しており、この集光装置１は圧力セル２を備え、圧力セル２は、クッションの形態を有し、かつ、上側可撓性薄膜３と、図面では隠れている下側可撓性薄膜４とによって形成されている。

薄膜３は、圧力セル２の内部で、集光器薄膜（集光器１０、図２ａ）上に入射する太陽光線５に対して透明であり、太陽光線５は、アブソーバチューブ７の方向に光線６して反射される。アブソーバチューブ７の内部では、熱輸送媒体(heat transporting medium)が循環し、集光装置によって集められた熱を放散する。

アブソーバチューブ７は、集光器薄膜の焦線領域においてサポート８によって保持される（集光器１０、図２ａ）。

圧力セル２は、フレーム９に配列され、フレーム９は、スタンド上に公知の方法で、太陽のデイリーポジション(daily position)に従って傾斜角を変更可能に設けられる。

このような太陽熱収集器は、例えば、国際公開公報ＷＯ２０１０／０３７２４３号及び国際公開公報ＷＯ２００８／０３７１０８号で開示されている。これらの文献は、本明細書に参照文献として明示的に含まれる。

本発明は、好ましくは、トラフ式集光装置として構成されたこのタイプの太陽熱収集器、即ち、圧力セルと圧力セル内に配列された集光器薄膜とを備えた太陽熱収集器で使用されるが、本発明は、これに制限されることは全くなく、例えば、その集光器が可撓性ミラーとして構成されていないトラフ式集光装置でも使用され得る。非可撓性ミラーを有する集光装置は、例えば、上述した発電所で使用される。

以下で説明される図面では、発明に関係のないトラフ式集光装置の部品は省略されている。これらの省略された部品は、上述した従来技術（圧力セルを備えた集光装置又は非可撓性ミラーを備えた集光装置）に従って構成され、当業者によって容易に決められ得ることを、ここで再度説明しておく。

図２ａは、本発明による別の集光装置の実施例を示している。原理上、図１に示した集光装置１と同じように構成された集光装置１０は、集光器１１とサポート８上に設けられたアブソーバチューブ１２とを備えている。太陽光線５は、集光器１１に入射し、集光器１１によって光線６として反射される。集光器１１のこの実際の構造のために、反射放射線に対する第一放射線軌道は、光線６によって表される。

一方向だけに曲げられているので、集光器１１は線形集光器である。線形集光器は、二方向に曲げられたパラボリック集光器に比べて、より簡単な方法で製造することができ、加えて、フレーム構造のための高い構造的境界条件を生じさせることはなく、かつ、太陽の位置に応じて一日中連続的に整列することを要求することのない広い領域を有する。

図面の方向付けのために、矢印１６は縦方向を示し、矢印１７は横方向を示す。従って、集光器１１は、横方向１７に曲げられ、縦方向１６には曲げられていない。

集光器１１の放射線軌道は、必然的に、焦線領域を有しなければならない。なぜなら、一方では、太陽の開口角に起因して、太陽の光線５が平行に入射せず、幾何学的に正確な焦線に集光させることは不可能であるからであり、また、可能な限り理論上近似した焦線のために妥当な費用で集光器の正確な放射型曲線を製造することも不可能であるからである。

集光器１１は、この明細書では、（図面を明確にするために図示されていない）圧力セルと、圧力を維持して制御するためのユニットと、内部に集光器１１が設けられたフレームとから形成されている集光装置１０の第一集光器配列の一部である。上記したように、省略した要素は、当業者に明らかである。

図面では、集光された放射線に対して透明であり、かつ、板状に構成された光学要素２０が、集光器１１の第一放射線軌道（従って、第一集光器配列の放射線軌道）に配列され、放射線軌道がこれらの要素を通過するようにされている。これらの光学要素２０は、光学要素２０の下流で放射線６が、焦点領域に放射線１５として集光されるように、（集光器１１によって反射され）それらに入射した放射線６を屈曲させる。他方、放射線１５によって表された光学要素２０の各々の第二放射線軌道は、焦点領域２１を有する。太陽熱収集器の長さに応じた多数の光学要素２０が図面に示されており、一実施例として、二つの光学要素２０に対する焦点領域が示されている。

光学要素２０は、第二集光器配列の一部であり、第二集光器配列は、焦線領域の前方にある第一放射線軌道内に配列され、第二集光器配列における別の集光器を形成する。ここでは、第二集光器は、例えば、アブソーバチューブ１２上に固定され、その上に光学要素２０が適所に保持されたキャリア２２を備えている。

この明細書では、アブソーバチューブ１２として構成されたアブソーバ配列は、焦点領域２１の場所に配列され、集光された放射線１５が、それを介してアブソーバチューブ１２の内部へ通過し得る複数の熱開口２３を有する。熱開口は、集光された放射線からの熱が通過することを可能にするが、必ずしも、機械的な開口として構成されなければならないわけではない。例えば、熱開口は、透明断熱材に関連して、再放射を減衰するために被覆されたガラスディスクとして構成され得る。しかし、そうであっても、結局は、好適な断熱が熱開口の場所で達成され得ないことは確かであり、従って、それに対応する関連した熱損失は許容されなければならない。

太陽電池が、アブソーバ配列の熱開口内に配列され得ることは、この時点で言及されるべきであり、 前記太陽電池は電流を直接生成し、この場合、（図１で説明した）熱輸送媒体は省略される。簡単化するために、限定するわけではないが、以下の説明では、内部で熱輸送媒体が循環するアブソーバ配列を参照する。

好ましくは、外側アブソーバチューブが使用され、即ち、その外側が非透明性断熱材で全体的に覆われたアブソータチューブが使用され、その熱開口は、この外側断熱材に物理理的な開口として形成され、勿論、例えば、ガラスディスクによって閉鎖され得る。

図２ｂは、図２ａの集光装置１０を矢印１７方向に横切る横断面図であり、この横断面の中に照射される放射線軌道／二つの集光器配列の第一及び第二の放射線軌道が示されている。上述したように、発明の理解を助けるために、トラフ式集光装置２０の必須ではない構成要素は、当業者に良く知られているものであり、従って、図面では省略されている。

具体的には、この図面では、二つの反射放射線６，６’によって示されている第一集光器配列（集光器１１）の第一放射線軌道は、アブソーバチューブ１２の場所にある焦線領域２１に向かって集光する。放射線６は光学要素２０を通過する。この図面では、二つの光線１５，１５’によって示されている、その第二放射線軌道は、焦点領域２１に向かって集光する。

第一集光器配列の集光は、横方向（矢印１７）にもたらされる。

図示された好ましい実施例では、光学要素２０の焦点領域２１は、集光器１１の焦線領域にあり、即ち、第一集光器配列の焦線領域にある。（図２ｃに示す縦方向ではなく）図２ｂに示した横断面に現れるように、反射放射線６は、光学要素２０によっては屈折せず、言い換えれば、それは実質的に真っすぐに伸びる。光線６，６’が光学要素２０を通過する時に、放射線軌道１５，１５’は放射線軌道６，６’に対して僅かにオフセットするが、このことは、ここでは関係ない。

光学要素２０用の支持部材２２（図２ａ）のような必須でない構成要素は、図面の理解を助けるために、この図では省略されている。

図２ｃは、図２ａに示した集光装置１０の長手方向（矢印１６）断面図を示しており、この長手方向面に照射された放射線軌道／第一及び第二集光器配列の第一及び第二放射線軌道が示されている。しかし、光学要素２０の一つ分の長さ方向に沿った長手方向断面の部分のみが示されている。

（図２ｂにおける）右から左の方向に見たと仮定すると、図２ｃは、集光器１１の左半分の図を示している（図２ｂ）。

具体的には、図面から、反射放射線６，６’によって示された第一集光器配列（集光器１１）の第一放射線軌道が、アブソーバチューブ２３の場所にある焦線領域に向かって進んでいることが分かる。放射線６，６’は光学要素２０を通過し、光学要素によって長手方向１６に屈折され、光学要素２０の（光線１５，１５’で示された）第二放射線軌道は、一つの焦線領域２１に各々向かって集光する。

第二集光器配列の集光は、長手方向（矢印１６）に達成される。

第二集光器配列が、第二放射軌道を持つ少なくとも一つの光学要素２０（即ち、少なくとも一つの別の集光器）を備え、少なくとも一つの焦点領域が、少なくとも一つの光学要素２０によって生成される。本発明による配列が、光学要素２０を一つしか持たない小型又は超小型応用物、又は数ダース又は数百の光学要素２０を備えた非常に大きな寸法を有する集光装置における工業用応用物のために実行され得ることは、この時点で説明されるべきである。

図２ｂ及び図２ｃに示すように、図示実施例において、光学要素２０は直線集光器として形成され、その集光方向は、第一集光器配列の直線集光器の集光方向に対して横方向、即ち、垂直方向に進んでいる。

このことは、（図２ｂに示されたように）焦線領域に直交する面に照射される個々の光線の軌道は直線になるが、（図２ｃに示された）焦線領域にある面に照射される個々の光線の軌道は焦点領域２１に向けて反射されるような方法で、光学的に活性な表面（そこで、光線の屈折が生み出される）が、第一集光器配列（集光器１１）の第一放射線軌道と整列することを意味している。

光学要素は、好ましくは、フレネル構造を有し、図２ａ〜２ｃに示された板状本体で構成することを可能にしている。例えば、板状本体の底面は平坦に構成され、上面に並行なフレネルステップが構成され得、ステップは、横方向１７において、相互に平行に伸び、焦点領域が、板状本体の中心の上方に位置するようにされている。

このようなフレネルレンズ３０のレイアウトは、当業者によって、現実、容易に達成され得る。選択的に、各光学要素２０は、アブソーバチューブ１２の下方で横方向に伸び、図２ｂ及び図２ｃに示すような屈折を生成する集光レンズとして構成され得る。この方法で構成される光学要素２０は鋳造によって生産され得、例えば、金型が生産され、そして、適当なプラスチック材料（又はガラス）で鋳造される。

図３は、集光装置１０及び朝から晩までの太陽の軌道３０を示している。図面には太陽光線３１，３２及び３３が示されており、これらの光線は、同じ場所で集光器１１に入射し、一日の時間に応じて、集光器１１によって、光線３１’、３２’及び３３’のように第一放射軌道で反射される。言い換えれば、集光器１１、即ち、第一集光器配列上への太陽光線の入射は、動作範囲内で一日中変わり、その結果、その第一放射線軌道は、日が進むにつれて、連続的に変化する。ここで、第一放射線軌道は、朝は光線３１’によって表され、昼は光線３２’によって表され、夜は光線３３’によって表される。従って、集光器１１の焦線領域は、その長手方向軸線（方向１６）でのみで動かされ、横方向には動かされない。それでも、放射線３１’及び３３’が光学要素２０（図２ａ及び２ｃ）に傾斜して入射するので、これは損失である。従って、放射線３１’及び３３’は、光学要素２０に部分的に入り、本発明によって屈折され、また、光学要素の表面から部分的に反射され、反射光線が焦点エリアに到着しないので、太陽熱収集器１０の効率に有害である。この結果は、光線３２’の場合にはゼロに近く、光学要素２０の下面に入射する光線３１’及び３３’の傾きが大きくなるにつれて、大きくなる。

図４は、第二集光器配列の平均効率を上昇させる本発明による配列を示している。図２ｃに対応するこの図は、集光器２０の長手方向（矢印１６）断面を示しており、この図では、集光装置１０（図２ａ）の任意の光学要素２０を用いて、関係の詳細を説明するために、長手方向の部分だけが示されている。

光学要素２０は、アブソーバチューブ１２に固定されて（一方の支持部材４１’だけが図面の正面に表れている）支持部材４１，４１’上に、（一方の支持部材４０’だけが図面の正面に表れている）支持部材４０，４０’を介して回動可能に設けられている。これにより、光学要素２０が、両矢印４２の方向に回動することが可能にされ、それらが、第一集光器配列の現在の放射線軌道に整列される。即ち、それは、現代の第一放射線軌道に対して垂直に伸びる。図面では、現在の放射線軌道は、光線３１’及び３１’’によって表されている。第二放射線軌道は、光線１５’及び１５’’によって表される。

回動運動は、両矢印４７の方向に移動可能であるレバー４８によってもたらされ、レバー４８は光学要素２０（及び集光装置１０の他の全ての光学要素）に接続されている。（理解を助けるために図面には示されていない）集光装置の制御装置は、レバー４８の駆動装置（図示せず）を動かすことができ、それにより、一日の間に、光学要素２０が常に正確に整列される。レバー４８のフィードレンジは、光学要素２０の整列範囲を画定し、この整列範囲は、集光装置１０（図３）の場所での時刻に応じた放射状態に対応する。

駆動部材に関連するレバー４７及びその制御装置に加えて、支持部材４０，４０’及び４１，４１’を備えた支持部材対は、一日の時間に応じて、第一集光器配列の現在の第一放射線軌道に対して、第二集光器配列の少なくとも一つの集光器（図示実施例における光学要素２０）を整列させるための手段に相当する。

図面に示した好ましい実施例では、支持部材４１を備えた支持部材対のために、回動軸４３が熱開口４５の領域内に配列され、その結果、点線で示された焦点領域４６が、光学要素２０の全整列領域（又は第二集光器配列の少なくとも一つの集光器の整列範囲）を横切る固定位置に固定的に保持されるという利点を有する。

アブソーバチューブ１２は、集光器１１に対して固定的に配列されるので、これは、焦点領域４５にも適用する。言い換えれば、図示した整列に基づいて、第二集光器配列の集光器（光学要素２０）の焦点領域４５は、第一集光器配列の集光領域（ここでは、図面に示した集光器１１の領域）に関する固定された位置に対して固定的に保持される。

この配列により、固定焦点領域４６の延長に合致させるように、即ち、放射線の整列の変更（図３）に起因する、それらの寸法に合致するように、熱開口４５を減らすことを可能にする。光学要素２０が、本発明に従って整列されていなければ、熱開口は日中の焦点領域の移動に応じた長さを有する必要がある。日中の太陽に対する長い露光時間のために、これは、その全長に沿って連続的に伸びる、アブソーバチューブ用の熱開口に通じる相互に接触する個々の熱開口に通じる。これは、本発明によって回避され得る対応する熱損失になると思われる。

図５ａは、本発明による、さらに別の実施例を示しており、この実施例では、図４による実施例に、二つの区切りミラー５０，５１が追加されている。これらのミラーの好ましい配列は、合成パラボラ集光器として当業者に知られることになる。出願人の知識によれば、合成パラボラ集光器は、今日まで、線形集光器を備えた太陽熱収集器で使用されていない。合成パラボラ集光器では、ミラー５０，５１は、焦点が対抗するミラーのロアエッジ上に位置するパラブル(parable)のブランチ(branch)に対応する外形を示す。区切りミラー５０，５１は、一方が光学要素２０に固定され、他方が上側ブラケット５８に固定され、前記上側ブラケット５８は、光学要素２０に対して固定されており、それに回動可能に配列されている。

これらの区切りミラー５０，５１は、第一放射線軌道で反射した放射線の分散を正す効果を有する。分散は、一方では、太陽放射線が平行な放射線として入射しないという結果をもたらす太陽の開口角に起因し、他方では、その表面が、妥当な費用で幾何学的に理想的になるように製造できずに、不斜線の軌道に影響をもたらす集光器１１に起因する。また、光学要素２０のエラーは、区切りミラー５０，５１によって正された第二放射線軌道において干渉を引き起こし得る。

図面では、光線３１’’が第一放射線軌道に示され、光線１５’’が第二放射線軌道に示されている。光線３１’’が、太陽の中心から発生した光線の反射光線であり、集光器１１が反射の場所で幾何学的に理想的になるように構成されているとみなされる。従って、光線１５’’は、焦点領域４６の中心を通って理想的に伸びる。

また、図面は、第一放射線軌道内に光線５３’を示し、第二放射線軌道内に光線５４’を示している。ここでは、光線５３’は太陽のエッジから発生した光線の反射光であり、及び／又は集光器１１は、反射の場所で幾何学的偏差を有するとみなされる。従って、光線３１’’及び５３’は平行ではなく、また、光学要素２０における屈折にもかかわらず（又は光学要素２０におけるエラーが原因で）、光線５４’は焦点領域４６と整列されてなく、点線４７で示すように、それは的を外すことになる。

従って、光線５４’は、区切りミラー５０に当たり、それによって光線５５’として焦点領域４６へ反射される。

区切りミラー５０でのこの反射は、その上に当る全ての放射線が、その許容角度に対して、焦点領域４６上で集光されるという効果を有する。言い換えれば、区切りミラー５０，５１は、第三集光器配列を表し、第三放射線軌道を有し、その焦点領域は、第二放射線軌道の焦点領域４６の場所にある。

図５ｂは、図５ａのＡＡ面に沿った断面で図５ａの配列を示している。光学要素２０の内側に見えるものは区切りミラー５０の後部であり、ここでは、光線５４’の当る位置がバツ印で示されている。

図面は、集光装置１０の長手方向断面における区切りミラー５０，５１の使用を示しており、言い換えれば、それらの表面が方向１７、即ち、横方向に伸びていることを付け加える。しかし、区切りミラー５０，５１は、長手方向、即ち、方向１６に整列させることもでき、その結果、集光器１１の横方向（方向１７）の湾曲における誤差が原因で、又は、第三放射線軌道における別の集光による光学要素２０の横方向の事実上の誤差が原因で、放射線の軌道は、例えば、太陽からの非平行入射放射線によって、修正される。

別の好ましい実施例では、区切りミラーは、長手方向及び横方向において放射線軌道を修正するために設けられる。

図６ａは、本発明に従って構成された集光装置６０を示しており、その第一集光器配列は、隣接して長手方向に伸びる幾つかの集光器セクション６１及び６２を有する。この時点で、第一集光器配列が、二つだけでなく、例えば、四つ、六つ、八つ又はそれ以上の集光器セクションを有し得ることが説明されるべきである。

図６ａに示した種類の太陽熱収集器の別の実施例は、５０ｍの長さの集光器を備えたトラフ式集光装置を有し、集光器は、各々４ｍ幅の二つの平行なセクションを有し、それらの焦線領域が３ｍ離れるように湾曲されている。光学要素は、板状本体ではなく、（適当なフレネル構造を有する）横方向に湾曲した半体として構成され得、２００ｍｍの曲率半径と２００ｍｍの長さを有する。従って、約２５０の光学要素がアブソーバチューブの長手方向に沿って設けられ、アブソーバチューブ（図１０）は２５０の熱開口を有する。

各集光器セクション６１，６２は、光学要素６５，６６の列６３，６４に関連付けされ、各光学要素６５，６６は、アブソーバチューブ６９における分離した熱開口６７，６８に関連付けられる。図面をより良く理解するために、光学要素６５，６６の支持部材及び本発明の理解に必須でない他の構成要素は、省略されている。この時点で、横方向に隣接する光学要素６５，６６が、一つの熱開口に全て関連づけられ得ることが説明されるべきである。

集光器セクション６１における太陽光線７０は、光線７１（集光器セクション６１の第一放射線軌道）として反射され、光学要素６５によって屈折され、光線７２（光学要素６５の第二放射線軌道）として、図示されていない隠れた熱開口６７の場所にある焦点領域に向けられる。

同様に、太陽光線７４は、集光器セクション６２で光線７５（集光器セクション６２の第一放射線軌道）として反射され、光学要素６６によって屈折され、光線７６（光学要素６６の第二放射線軌道）として、熱開口６８の場所にある焦点領域に向けられる。

この配列は、個々の集光器セクション６１，６２の横方向（矢印１７方向）の広がりが、単一の集光器を備えている場合に比べて小さくなり、その結果、幅広の集光器に比べて、小さな焦点領域が達成され得る（太陽の開口角）という利点を有する。このことは、より小さな熱開口６７，６８に通じ、これらの熱開口の全表面は、一つであるが非常に幅広な集光器用の熱開口の表面より小さい。同じ配列を長手方向に適用すると、アブソーバチューブ６９の長手方向に沿って従来のように連続して伸びる熱開口（これが物理的に形成されているか否かは問わない）の代りに、アブソーバチューブ６９の長手方向に沿って間隔を開けて複数の熱開口が配列され、最新の連続的な熱開口に比べて、全体として占める表面の大きさをより小さくすることが可能になる。

必然的に、全ての光学要素６５，６６が、本発明に従って、図４〜図５ｂにおける実施例を通して示すように、アブソーバチューブ６９上に回動可能に配列される。さらに、光学要素６５，６６は、上述したようにフレネルレンズとして構成される。

図６ｂは、図６ａに比べて、僅かに変更した集光装置７０を示しており、二つの集光器セクション７１，７２及び光学要素２０から成る二つの列７３，７４を備えている。上述したように、例えば、六つの集光器セクションと、六つの光学要素２０から成る列を設けることができることは勿論である。各列７３，７４の光学要素２０は、各々関連する集光器セクション７１，７２に整列され、従って、傾けて配列され、本発明に従って、それらは一点鎖線７５，７６で示す傾斜面において回動され得る。この方法で整列される光学要素２０を有しているので、この配列の効率は、さらに改善される。また、図面は、太陽光線８０、集光器セクション７１の第一放射線軌道を示す反射光線８１及び正確に伸びる第二放射線軌道を示す光線８２を示している。さらにまた、図面は、それらの間に集光器セクション７１及び７２が配列される側部フレーム部材８４，８５に加えて、好ましいストリップ８３を示している。好ましくは、ストリップ８３の幅は、ストリップだけが光学要素２０の二つの列７３，７４によって遮断されるように選択される。

さらに好ましい実施例では、軌道を外れる誤差を最小限にするために、フレネル構造を有するレンズ２３０は、図７ａのように、さらに改善される。

図７ｂは、装着時のフレネルレンズ２３０の横方向１７の断面図を示しており、この断面図は、ステップ２３３の一つに沿って伸びている。この断面では、図面の理解を助けるために、フレネルレンズ２３０の半分だけが、それを通過して伸びる放射線軌道と共に示されており、この半分は、一点鎖線の対象軸２３５の左側に位置する。第一集光器配列（ここでは、集光器１１／セクション７１，７２）によって反射された太陽光線２０６iv〜２０６viは、光学的に有効な下面２３１上に入射し、ここで、垂直線２３６の方向に屈折され、その後、フレネルレンズ２３０の本体を通過して、光学的に有効な上面２３２まで進み、そこから光線２１５iv〜２１５viとして外に出る。それらの光線は、上面２３２で垂直線から離れる方向に屈折される。ステップ２３３及びフランク２３４が横方向１７に伸びているので、二回屈折された光線２１５iv〜２１５viは、平行に僅かにオフセットし、外側の光線のオフセットは、内側の光線のオフセットより大きく、焦点領域が実際のケースに応じて、不都合な大きさになる原因になる。これは、光線２６iv〜２６vを延長した破線によって定性的に（かつ、大げさに）示されており、光線２６iv〜２６vが二回屈折されていなければ、それらは、アブソーバパイプ２２８の熱開口２２９の上に、ちょうど集光されることになる。前記した平行オフセットは、光線２１５iv〜２１５viの幾つかだけが、熱開口に達するように屈折された光線の結果であり、最適にはなり得ない。

図８ａは、この点において最適化された実施例を示している。フレネルグリッドレンズ２４０として構成された光学要素が示されており、その光学的に有効な下面２４１は平坦であり、その光学的に有効な上面２４２は中心領域２４３から離れ、フレネルグリッド構造を有している。フレネルグリッドレンズ２４０の基本的な構造は、光学要素２３０の構造に対応している。光学要素２３０に関する偏差(deviation)は、フランク２４４の構造にあり、フランク２４４はファセット２４５に分割され、装着時に各ファセット２４５は、横方向２１７において別々に傾けられる。
図８ｂは、入射光線２０６viiが、光学的に有効な下面２４１を通過する時に、どのように垂直線の方向に屈折され、光学要素２４１の本体を横断するかを示しており、それが、各々ファセット２４５によって形成された光学的に有効な上面２４２で出射する時に再び屈折され、アブソーバチューブ２２８の開口２２９に応戦２１５viiとして到達するまでを示している。

図７ｂを参照して説明したように、光線２０６viiは、もし、それが光学要素を通過していなかったら、図６ｂに対応する一点鎖線２４７で示すように、通過する時に二回屈折される結果として平行にオフセットされることはないので、熱開口２２９に到達する。実際、光線２０６viiは、傾斜したファセット２４５で屈折され、オフセットによって、ずれが相殺され、その結果、光線２１５viiは熱開口２２９に到達する。

実際に、熟練者は、フレネルグリッド構造（例えば、ファセット２４５の大きさ）レイアウトを決めることができ、かつ、ファセット２４５の各々の傾きも決めることができる。

フレネルグリッドレンズ２５０として構成された光学要素のさらに別の実施例が図８ｃに示されており、ここでは、光学的に有効な下面２５１及び上面２５２の両方に、フレネルグリッド構造が設けられている。フレネルグリッドレンズ２５０を通るセクションは図３のそれに対応している。下面２５１におけるファセット２５６は、上面２５２のファセットに対応し、その結果、入射する反射太陽光線２０６ixは、ファセット２５６，２５５上に垂直に当り、それらによっては屈折されず、その結果、図示した平面における収差が止められる。好ましくは、上面２５２におけるファセット２５５は、その後、図面における平面に向けて垂直に傾けられ、その結果、光線２１５ixは、熱開口２２９の場所の焦点領域に集光される。ここで、再び、中央領域２５３及び２５４はファセット２４６及び２５５なしに形成される。

実際、熟練者は、フレネルグリッド構造のレイアウトを決めることができ、従って、ファセット２５５，２５６の各々の傾きも決めることができる。

図９は、最終的に、断面から見て一つの幅広の熱開口とアブソーバ配列とを備えた従来のアブソーバチューブと、例えば、図６ｂに従って隣接して配列された二つの熱開口を有する、この明細書で提案したアブソーバチューブとの間の比較図を示している。

Ａは、従来のアブソーバチューブの熱開口の（広い方の）幅を示し、Ｂは、本発明によるアブソーバチューブの二つの熱開口の各々の幅（図６ｂ）を示している。アブソーバチューブは両方共（即ち、従来のアブソーバチューブ及び本発明によるアブソーバチューブ）、比較のために同じ集光器に関連付けされ得、従来のアブソーバチューブは、その熱開口で、集光器全体の全ての焦線領域を登録し、本発明によるアブソーバチューブの熱開口は、各々、この集光器の半分及びこの半分の焦線領域と関連づけされる。

図示された幅Ａ及びＢの上側の曲線は、各々、集光放射線を介して熱開口によって吸収される電力を示している。曲線３２０は、幅Ａを有する単一の熱開口を備えた従来のアブソーバチューブによって吸収される電力を示している。これに対して、曲線３２１及び３２２は、隣接する熱開口の両方を介して本発明によるアブソーバチューブによって吸収された電力を示している。

本発明によるアブソーバチューブと従来のアブソーバチューブによって吸収される電力との差は、図９においけるハッチングされた面と二つのドット付けされた面との間の差に対応する。ドット付けされた面は、ハッチングされた面と等しいか、又はそれよりいくらか大きい。従って、幅が狭い二つの熱開口を備えた本発明によるアブソーバチューブによって吸収される電力は、一つの熱開口しか持たない従来のアブソーバパイプによって吸収される電力と同じ大きさであるか、又は幾らか大きい。

この効果は、太陽の開口角に起因し、開口角に応じて必然的に集光器内で反射される放射線は、焦線領域で分散される。この影響は、集光器のエッジ領域の距離が大きくなるにつれて大きくなる。

要約すると、本発明による集光器の効率は、以下に示すようにさらに高くされ得る。

一方で、単一の細長いスロットとして構成された従来の熱開口は、長手方向に、複数の小さな熱開口に分解され、小さい開口の総領域は、単一の熱開口の領域より小さい。これは、トラフ式集光器の焦線領域を焦点領域に分解する第二集光器配列を用いることにより可能になる。

アブソーバチューブの長手方向に亘って伸びる従来の熱開口は、幅狭の熱開口に分解され、それらは断面から見て相互に隣接して配列され、幅狭の熱開口の各々は、集光器セクションに関連付けされる。従って、複数の熱開口の比較的小さな全領域のために、アブソーバチューブ内への熱入力は、単一の熱開口に対するものと同じになる。

図１０ａ及び１０ｂは、本発明のさらに別の実施例を示しており、この実施例では、第二集光器配列は、透明な光学要素ではないがミラーを有する。図１０ａには、太陽熱収集器１００が示されており、これは公知の圧力セル１０１を有し、太陽を追跡するために基礎１０３上に回動可能に設けられたフレーム１０２に取り付けられている。

圧力セル１０１は、内部に配列されたセクション１０４及び１０５で構成されている多面集光器を有する第一集光器配列を有し、本発明によれば、その内部に、ミラー１０６及び１０７を備える二つの部分の第二集光器配列が設けられる。各ミラー１０６及び１０７は、それに関連付けられた集光器セクション１０４及び１０５の放射線軌道内にある。入射太陽光放射線は、光線１１０及び１１１によって表され、集光器セクション１０４及び１０５の放射線軌道は反射光線１１２及び１１３によって表される。ミラー１０６及び１０７は、各集光器セクション１０４及び１０５の焦線領域の上流において放射線領域内にある。反射太陽放射線１１２及び１１３のためのミラー１０６及び１０７の放射線軌道は、ミラーの位置で反射された放射線１１４及び１１５によって表される。この反射放射線１１４及び１１５は、本発明に従って、ミラー１０６及び１０７によって、アブソーバチューブの関連開口にある焦線領域１１６に集光される。

ミラー１０６及び１０７の必要な湾曲は、図７ｂに概略的に示されている。選択的に、ミラー１０６及び１０７には、フレネル構造が設けられ得、特に好ましくは、フレネルグリッド構造が設けられ得る。図７ｂは太陽熱収集器１００の部分図であり、視野方向は、図７ａにおける参照符号１００の矢印方向とほぼ対応している。図面の理解を助けるために、アブソーバチューブ１２０、熱開口１２１の一つ及びこの熱開口１２１に関連付けされたミラー１０７だけが示されている。アブソーバチューブ１２０の下にある列に配列され、隣接して配列される同様に構成された複数のミラー１０７’が点線で示されており、各ミラー１０７’は開口１２１に関連付けされている。ミラーは、アブソーバチューブ１１２０の下の列に配列されている。

ミラー１０７は、長手方向１６に（凹むように）湾曲され、長手方向から見て、全ての入射光線１１３が焦点領域１１６に集光されるようにし、また、加えて、それは、横方向にも（凹むように）湾曲され、横方向での焦点領域１１６上の集光を促進するようにしている。

図１０ｃは、図１０ａ及び図１０ｂの配列を示しており、ここでは、本発明に従って、第一集光器配列の現在の放射線軌道に関する整列領域にミラー１０７を整列する手段が設けられている。これらの手段は、その上にミラー１０７が枢軸１２３を中心に回動可能に設けられた支持部材１２２を備え、回動運動は、理解を助けるために図面に示していない駆動装置によって駆動されるレバー１２４によってトリガーされる。

好ましくは、ミラーは、実際に、熟練者が本発明に従って要求を達成できるような方法で測定し得るフレネルグリッド構造を有する。この種のミラーは、成形品として製造され得、例えば、成形品の有効光学面は、適当な反射コーティングによって与えられ得る。

図面に示した配列の利点は、第二集光器配列が、第一集光器配列の圧力セルの中に配列され得、それにより、それを汚れから保護できることにある。圧力セルによって保護されていない光学要素の精密にグラジュエートされたフレネル構造又はミラーの中のフレネルグリッド構造を適切に洗浄するには相当な費用がかかり、この法外な費用なしでは、必然的に集光出力における損失に繋がることを考慮すると、これは、原理上は、洗浄に対する相当な支出を抑える。

要約すると、本発明は、具体的には、以下の特徴をもたらす。

Ａ． その上への太陽放射線入射を動作範囲に変更するための焦線領域を有する第一放射線軌道を有する第一集光器配列と、集光放射線用アブソーバ配列とを備えた太陽熱収集器において、
その焦線領域の上流にある第一放射線軌道内に配列された少なくとも一つの別の集光器を有する第二集光器配列を有し、
焦点領域を備えた第二放射線軌道を有し、
第二集光器配列が、第一集光器配列の現在の放射線軌道に関して少なくとも一つの別の集光器の整列領域に連続的な整列をするための手段を備えている
ことを特徴とする太陽熱収集器。
Ｂ．アブソーバ要素がアブソーバチューブとして構成され、
第二集光器配列が、アブソーバチューブの全長に亘って並べて配列された別の集光器から成る少なくとも一つの列を有し、
アブソーバチューブの全長に亘って各場所で、少なくとも一つの熱開口が、そこの配列された少なくとも一つの別の集光器に関連付けされ、
好ましくは別の集光器からなる幾つかの列が設けられ、
各列の各別の集光器が、分離した熱開口に関連付けされ、
別の集光器の連続整列手段が、関連付けされた熱開口内のそれらの焦点領域を固定してホールドする
ことを特徴とする特徴Ａによる太陽熱収集器。

これら二つの特徴は、従属項に従った別の実施例を含み得る。

Claims (14)

1. その上への太陽放射線入射を動作範囲に変更するための焦線領域を有する第一放射線軌道を備えた第一集光器配列と、集光放射線用アブソーバ配列とを備えた太陽熱収集器において、
   第一集光器配列が各々が焦線領域を備えた幾つかの集光器セクションを備え、
   第二集光器配列に、アブソーバ配列の全長に亘って並べて配列された別の集光器から成る幾つかの列が設けられ、
   各列の別の集光器が、各々焦線領域に関連付けされ、かつ、各焦線領域の上流にある第一放射線軌道内にあり、
   別の集光器が、それらの一部において、一つの焦点領域を各々有する第二放射線軌道を有し、
   集光器が、第一集光器配列の集光器セクションの現在の放射線軌道に対して別の集光器の整列領域内に連続的に整列する手段を有し、
   アブソーバ配列の全長に亘って、各列の各別の集光器が熱開口に関連付けされ、
   前記熱開口が、アブソーバ配列において隣接して伸びる列内に配列され、
   別の集光器の連続整列をする手段が、関連付けされた熱開口の焦点領域を固定的にホールドする
   ことを特徴とする太陽熱収集器。
2. アブソーバ配列が、アブソーバチューブとして構成され、
   整列手段が、好ましくは、第二集光器配列に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱収集器。
3. 動作中に別の集光器が、二つの集光器セクションの間のスペースに陰を与える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱収集器。
4. 二つ、好ましくは四つ、さらに好ましくは六つ、特に好ましくは八つの集光器セクションが設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱収集器。
5. 光起電性セルが各熱開口に設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱収集器。
6. 別の集光器が、太陽放射線に対して透明な光学要素として構成され、
   前記要素が、好ましくは、フレネル構造を有し、特に好ましくはフレネルグリッド構造を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の太陽熱収集器。
7. フレネルレンズが、フレネルグリッド構造を有し、通過する光線のオフセットがレンズの厚みによって補償され、光線がオフセットをよそに熱開口に到達するようにした
   ことをとくちょうとする請求項６に記載の太陽熱収集器。
8. 別の集光器が、放射線を焦点領域内に反射するミラーを備えている
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の太陽熱収集器。
9. 別の集光器とその焦点領域との間の第二放射線軌道が、放射線軌道内に横方向に配列された区切りミラーによって区切られ、
   前記ミラーが、少なくとも一つの別の集光器によって集光された放射線用の第三放射線軌道を有し、
   好ましくは、第二放射線軌道の焦点領域の場所の位置決めされた焦点領域を有する
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の太陽熱収集器。
10. 区切りミラーが合成パラボラ集光器を備えている
    ことを特徴とする請求項９に記載の太陽熱収集器。
11. 熱開口が、アブソーバ配列の長手方向に沿って相互に平行に伸びる幾つかの列に配列され、
    各列の熱開口が、アブソーバチューブの高さのレベルで相互に隣接してグループ化され、
    アブソーバチューブの長方向に沿って並べて配列される
    ことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の太陽熱収集器。
12. 熱開口が、二つ、好ましくは四つ、さらに好ましくは六つ、特に好ましくは八つの列に配列されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の太陽熱収集器。
13. 好ましくはアブソーバチューブとして構成されたアブソーバ配列が、熱開口間の領域を含む全体が、外部から断熱されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の太陽熱収集器。
14. 第二集光器配列の別の集光器が、好ましくはアブソーバ要素上に回動可能に設けられた支持構造体に接続され、
    回動軸が、好ましくは、別の集光器の焦点領域内にある
    ことを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の太陽熱収集器。

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