JP2014098534A - 太陽熱集熱装置および太陽熱集熱方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽熱集熱装置であって、複数本の反射ラインが南北方向に並列に設定され、各列の反射ライン上には太陽光を反射する複数枚の反射鏡が設置されており、ヘリオスタット機構を備え、各列の反射ライン上の複数枚の反射鏡を支持して連結する連結部材を有し、連結部材の南北方向における一端が他端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設され、前記一端の側に設置された反射鏡が前記他端の側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置し、1本以上の受光ラインが、複数本の反射ラインに直交して上方の定位置に設定され、各受光ライン上には1基のレシーバが設置されており、該レシーバは複数枚の反射鏡からの太陽光の反射光の熱を集熱するものである太陽熱集熱装置。
【選択図】図6
Description
そこで、再生可能であり、燃料費が不要の太陽光が、新たなエネルギー源の1つとして注目されている。
なお、タワー型の方式では例えば図7のようなヘリオスタット機構が用いられている。反射鏡の裏面にT字の支柱(Tボーン)が取り付けられており、図7に示すようにTボーンの各部を回転させることによって、太陽の動きに合わせて反射鏡を任意に回転させている。
また、例えばトラフ型などの従来の装置に比べ、反射鏡の反射面を太陽光に対し、より直角に近くなるよう配置することができる。すなわち反射効率を高めることができ、効率の良い集熱を図ることができる。
また、南側に設置された反射鏡が北側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置しているものであれば、南半球において、北側からの太陽光を反射する際に、より確実にブロッキングを防止することができるものとなる。
従来では、クロスリニア型の装置であっても、上記ブロッキングの防止のため、例えば北側に向かうほど互いの間隔を広くして反射鏡を配置する必要があった。すなわち、反射鏡同士の間隔は等間隔ではなかった。しかしながら、本発明では北側の反射鏡ほど上方に位置しておりブロッキングを防止できるので、反射鏡同士の間隔を等間隔にすることができる。このため、本発明の太陽熱集熱装置は、その製造や設置がより簡便なものとなる。
このようなものであれば、太陽熱集熱装置を設置する緯度の高低、暦の変化による太陽の高度に応じて、各々の反射鏡の鉛直方向の相対的な位置を調整でき、ブロッキングの防止や集熱効率の向上を図ることができる。
このようなものであれば、ローラーおよびモーターによって、簡便かつ正確に1本の反射ライン上にある複数枚の反射鏡の反射面の角度を同時に調整を行うことができる。
このようなものであれば、アームによって反射鏡は裏面から支えられているため、風が吹いても反射鏡が揺れにくいものとすることができる。したがって、風が吹いても太陽光をレシーバへ向けて適切に反射して焦点を合わすことができる。風の影響で集熱効率が下がるのを抑制することができる。
さらには、上記のような連結部材を配設することでブロッキングを防止することができるし、反射効率を高めることができ、効率の良い集熱を図ることができる。
また、南側に設置された反射鏡が北側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置するよう配置すれば、南半球において、北側からの太陽光を反射する際に、より確実にブロッキングを防止することができる。
本発明では北側の反射鏡ほど上方に位置するよう配設しておりブロッキングを防止できるので、従来と異なり、反射鏡同士の間隔を等間隔にすることができる。このため、太陽熱集熱装置の製造や設置をより簡便に行うことができる。
このようにすれば、設置する緯度の高低、暦の変化による太陽の高度に応じて、各々の反射鏡の鉛直方向の相対的な位置を調整でき、ブロッキングの防止や集熱効率の向上を図ることができる。
図1に本発明の太陽熱集熱装置の一例を示す。
まず、太陽熱集熱装置1の全体的な仕組みについて説明する。複数本の反射ライン2と1本以上の受光ライン3とが設定されている。各々の反射ライン2上には複数枚の反射鏡4が設置されており、受光ライン3上にはレシーバ5が設置されている。太陽光が反射鏡4に照射して反射され、該反射光をレシーバ5へ集光することで、太陽熱を集熱するものである。
太陽熱を集熱して温められたレシーバ内の媒体は不図示の蒸気タービンやガスタービン等へ送られて発電が行われる。
複数本の反射ライン2は、南北方向に沿って互いに並列に設定されている。図1には4本の反射ライン2A〜2Dが設定されている例を示したが、反射ライン2の本数は複数本であればよく、特に限定されない。
図1には1本の受光ライン3Aが設定されている例を示したが、2本以上とすることもでき、適宜決定することができる。例えば、図1に示す反射鏡4やレシーバ5等を1ユニットとし、このユニットを複数用意して並列配置することができる。
また、受光ライン3と反射ライン2との垂直方向の距離も特に限定されず、例えば太陽光を集光し易いように各種条件に合わせて適宜決定することができる。
反射鏡4は反射ライン2A〜2Dの各列上に複数枚ずつ設置されている。図1には各列あたり6枚ずつ設置されている例を示したが、この枚数に限定されない。例えば設置箇所の広さに応じて決めることができる。
ヘリオスタット機構7は太陽の動きに追従させて反射面6の角度を調整するものである。反射鏡4の反射面6に関して、東西方向の角度を調整する手段(東西角度調整手段8)と、南北方向の角度を調整する手段(南北角度調整手段9)とを有している。なお、ここでは反射ライン2A上の反射鏡4A1〜4A6の場合についての例を挙げているが、他の反射ライン2B〜2Dにおいても同様にこれらの手段が備えられている。
従来では図5のようなTボーンのみを用いて任意の角度に反射面の角度を調整していたが、本発明におけるヘリオスタット機構7では、東西方向の角度と南北方向の角度とで調整手段が異なっている。これらの手段は、互いに独立して各々の方向の角度を調整できるようになっている。したがって、制御が簡単でありながら、高精度で角度調整ができる。
また、図2、図3(A)に示すように、フレーム11は、南北方向に直列に並べられた反射鏡4A1〜4A6の全てを囲うようにして配置されており、各反射鏡4A1〜4A6の東側および西側の側面と連結されている。なお、ここでは各反射鏡4A1〜4A6の側面の中央部において連結されており、該連結部を結ぶ軸(図3(A)の点線)を中心にして各反射鏡4A1〜4A6は南北方向に回転可能になっている。
なお、ここでは回転リング10の数が3つの場合を例に挙げたが、これに限定されず1つ以上あれば良い。例えばフレーム11の中央のみに配置しても良いが、特には複数あるのが好ましく、図3の場合よりも多く配置することもできる。
反射鏡4A1〜4A6を適切に保持できるとともに、同時に回転させることができれば良く、フレーム11の形状や大きさ、回転リング10の数や大きさ等は適宜決定することができる。反射鏡の重量等も考慮してフレーム11等に撓みが生じないように、材質等もその都度決定することができる。
ここでは回転リング10ごとに2つのローラー12が配置されている。該ローラー12によって回転リング10は回転可能に下方から支えられている。ローラー12の数や大きさ等は特に限定されず、適宜決定することができる。
配置するモーター13の数は適宜決定することができる。
また、回転の度合い(回転範囲)も特に限定されないが、日中に反射鏡4が太陽光をレシーバ5に反射させることができるよう、反射鏡4を、12時間あたり90°回転させることが可能なモーター13やローラー12を用意するのが良い。
南北角度調整手段9は反射鏡4に対して個別に設けられており、アーム14を有するアクチュエータ15を備えている。このアクチュエータ15はアーム14を前進後退運動させるものである。またアーム14は反射鏡4に連結されている。
図7のような従来のTボーン方式では、そのTボーンのみで反射面を様々な方向に回転させて任意の角度に調整しなければならず、そのために制御が複雑であった。
しかしながら、本発明では、反射面の角度調整を、回転リングを有する東西角度調整手段とアクチュエータを有する南北角度調整手段で分担している。すなわち、東西角度調整手段は東西方向の角度調整だけ行えば良く、また、南北角度調整手段は南北方向の角度調整だけ行えば良いので、各々は、単純な制御構造で簡便に反射面の角度を調整することができ、それらの組合わせで任意の角度に反射面の角度を高い精度で調整可能である。しかも、それぞれの機構は簡単であるため、低コストなものとなる。
このような角度調整を円滑にすすめるため、例えば、東西角度調整手段8および南北角度調整手段9に、暦および真太陽時に応じた太陽の動きに対する反射鏡4の角度調整データを内蔵しておくと良い。前述したように、東西角度調整手段8においては、モーター13によりローラー12が回転駆動制御されて、回転リング10の回転が制御され、反射鏡4の反射面6の東西方向の角度調整が行われる。また太陽の動きは暦および真太陽時から予め推測することができる。
特に東西角度調整手段8においては、東から西へ移動する太陽に対して、一定速度で回転させれば良く、極めて安定した制御が可能である。従来のTボーン方式では太陽の位置に対応させるために、反射鏡が大きく回転することもあり、回転速度を急激に高める必要性が生じたりもするが、本発明ではそのような急激な回転の必要性を低減することができる。
なお、コンピュータを別個用意するのではなく、例えばモーター13に内蔵されるメモリと制御回路に角度調整データを入力して制御させることもできる。
そして、初期角度を調整した後、引き続き中央制御装置16により角度調整を行っても良いし、あるいは前述したように内蔵データを利用して角度調整を行うこともできる。
この連結部材17は特に限定されず、各列の反射ライン2上にある複数枚の反射鏡4(図5では、反射ライン2A上の反射鏡4A1〜4A6)を支持して連結するものであれば良い。そして、連結部材17を一端(北端)が他端(南端)よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設することができるものであれば良い(図6参照)。傾きの角度としては特に限定されないが、例えば15〜20°程度とすることができる。このように傾けて配設されているため、該連結部材17により支持された複数枚の反射鏡4は、相対的に上方に位置する一端の側(北側)に設置された反射鏡が、相対的に下方に位置する他端の側(南側)に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置している。
太陽光をレシーバに効率良く反射するにあたっては、太陽の高度を考慮する必要があるが、この太陽の高度は、日中はもちろんのこと、暦や、装置を配設する場所の緯度によって変化する。そこで、日中の変化に対してヘリオスタット機構7で反射面6の角度を調整する他、暦や緯度の変化にも対応しやすいように、上記のように連結部材17の南北方向の傾きの角度を調整可能なものとすると良い。また、午前中など太陽の高度が低いときにも連結部材17の傾きの角度を調整しても良い。従来では、例えば暦に関しては春分のときの太陽の高度に合わせて反射鏡の設置状態を調整している。しかしながら、南北方向の角度を調整可能なものであれば、一年を通してより適切に太陽の動きに対応させることができ、一層効率良く集熱を行うことができる。
図6のように、複数枚の反射鏡4において、北側に設置された反射鏡が南側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置しているため、ブロッキングが発生するのを防止し易い。そのため効率良く太陽熱を集熱することができる。
しかも、反射鏡4同士を例えば等間隔で配設することができる。このため、複数枚の反射鏡の設置が簡単になる。また、これらの反射鏡4を連結する連結部材17は、等間隔で反射鏡4との連結部を設ければ良く、その製造が簡便である。
さらには、このような等間隔の配置であってもブロッキングを生じないようにすることができる。
しかしながら、本発明の場合は連結部材17が傾けられていることで、太陽光をより直角に近くなるよう高角度で反射鏡に入射させて反射させることができ、集熱効率を向上させることができる。
なお、トラフ型において放物面鏡を傾けて配設しようとすると、それに伴いレシーバも傾ける必要が生じてしまうため、本発明に比べて多くの手間がかかってしまう。
レシーバ5自体は特に限定されるものではなく、その形状、大きさは適宜決定することができる。例えば従来と同様のものを用いることができる。太陽光の反射光を集光させて、効率よく集熱することができるものであれば良い。
レシーバ5は媒体(空気や二酸化炭素など)が流れる受熱管を有しており、レシーバ5に集熱した太陽熱により受熱管中の媒体が温められ、該温められた媒体が蒸気タービン等に送られ、発電に用いられる。
本発明の太陽熱集熱装置1を用いた場合について説明するが、当然本発明の方法はこれに限定されない。まず、太陽熱集熱装置1を北半球に設置して集熱する場合について説明する。
まず、連結部材17としての機能も兼ね備えたフレーム11に、各列の反射ライン上の複数枚の反射鏡4を連結させる。ここでは反射鏡4同士の間隔が等間隔になるよう連結させるが、これに限定されず、必要に応じて異なる間隔で連結させることも可能である。
(実施例)
図1に示すような本発明のクロスリニア型の太陽熱集熱装置を用いて、本発明の方法により太陽光を集光して受熱管内の媒体を温めるシミュレーションを行った。シミュレーションの条件を以下のように設定した。
1本の受光ラインを設定してレシーバを設置し(地上から20mの高さ)、80本の反射ライン上に(ライン間の距離は1.5m)、一列あたり30枚の反射鏡(大きさは1.5m×1.5m)を設置した(全反射鏡の面積は5400m2)。
また、反射鏡は全てレシーバに対して北側に配置した。レシーバに近い側の第一番目の反射鏡の先端とレシーバとの水平方向の距離が5mになるようにした。
反射鏡の角度調整は、図1の東西角度調整手段および南北角度調整手段を用いた。内蔵の、暦および真太陽時に応じた太陽の動きに対する各反射鏡の角度調整データに基づいて、回転リングの回転とアクチュエータのアームの前進後進運動を制御して反射鏡の角度調整を行った。
連結部材の南北方向の傾きの角度調整により、北端を南端よりも上方に位置させることで、北側の反射鏡が南側の反射鏡よりも上方に位置するよう調整してブロッキングが0〜0.2(すなわち2割以下)となるようにした。
また、日時や場所としては、冬至の午前10時、11時、12時、13時、14時とし、赤緯47.91667度(モンゴルウランバートル)とした。
しかしながら、本発明であれば、実施例のように高緯度の冬場においても十分に太陽熱を集熱して発電可能であるため、上述した燃料費等を削減することができる。
3、3A…受光ライン、 4、4A1〜4A6…反射鏡、 5…レシーバ、
6…反射面、 7…ヘリオスタット機構、 8…東西角度調整手段、
9…南北角度調整手段、 10…回転リング、 11…フレーム、
12…ローラー、 13…モーター、 14…アーム、 15…アクチュエータ、
16…中央制御装置、 17…連結部材。
Claims (12)
- 複数本の反射ラインと、1本以上の受光ラインとを有する太陽熱集熱装置であって、
前記複数本の反射ラインは、南北方向に並列に設定されたものであり、各列の反射ライン上には太陽光を反射する複数枚の反射鏡が設置されており、該複数枚の反射鏡は太陽の動きに追従させて反射面の角度を調整するヘリオスタット機構を備えており、
前記各列の反射ライン上にある前記複数枚の反射鏡を支持して連結する連結部材を有しており、
該連結部材が、南北方向において、一端が他端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設されていることで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡は、前記一端の側に設置された反射鏡が前記他端の側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置しているものであり、
前記1本以上の受光ラインは、前記複数本の反射ラインに直交して上方の定位置に設定されたものであり、各受光ライン上には1基のレシーバが設置されており、該レシーバは前記複数枚の反射鏡からの太陽光の反射光の熱を集熱するものであることを特徴とする太陽熱集熱装置。 - 前記連結部材が、北端が南端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設されていることで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡は、北側に設置された反射鏡が南側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置しているものであるか、または、
前記連結部材が、南端が北端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設されていることで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡は、南側に設置された反射鏡が北側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置しているものであることを特徴とする請求項1に記載の太陽熱集熱装置。 - 前記複数枚の反射鏡が、互いに等間隔で配置されているものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の太陽熱集熱装置。
- 前記連結部材は南北方向に回転可能であり、南北方向の傾きの角度が調整可能なものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。
- 前記ヘリオスタット機構は、前記複数枚の反射鏡の反射面を東西方向に角度調整する回転リングと、前記複数枚の反射鏡の反射面を南北方向に角度調整するアクチュエータとをさらに有しており、
前記回転リングは前記複数枚の反射鏡とフレームを介して連結されており、前記回転リングの回転により前記フレームを介して1本の反射ライン上にある前記複数枚の反射鏡の反射面の角度が同時に調整されるものであり、
前記アクチュエータは前記反射鏡毎にそれぞれ配置され、各アクチュエータはアームを有し、該アームと前記反射鏡とが連結されており、前記アームの前進後退運動により各反射鏡の反射面の角度が個別に調整されるものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。 - 前記回転リングは複数配置されており、各回転リングにはローラーが備えられており、かつ、前記複数の回転リングのうちの少なくとも1つに備えられたローラーがモーターにより回転駆動制御されるものであることを特徴とする請求項5に記載の太陽熱集熱装置。
- 前記アクチュエータのアームは、前記反射鏡の裏面に取り付けられて反射鏡を支持するものであることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の太陽熱集熱装置。
- 複数本の反射ラインを南北方向に並列に設定して、各列の反射ライン上に設置し、太陽光を反射する複数枚の反射鏡の反射面の角度をヘリオスタット機構により太陽の動きに追従させて調整するとともに、
1本以上の受光ラインを、前記複数本の反射ラインに直交して上方の定位置に設定して、各受光ライン上に設置した1基のレシーバに前記複数枚の反射鏡からの太陽光の反射光の熱を集熱する太陽熱集熱方法であって、
前記各列の反射ライン上にある前記複数枚の反射鏡を連結部材により支持して連結し、
該連結部材を、南北方向において、一端が他端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設することで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡を、前記一端の側に設置された反射鏡が前記他端の側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置するよう配置して太陽光を反射させて集熱することを特徴とする太陽熱集熱方法。 - 前記連結部材を、北端が南端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設することで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡を、北側に設置された反射鏡が南側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置するよう配置するか、または、
前記連結部材を、南端が北端よりも相対的に上方に位置するよう傾けて配設することで、該連結部材により支持された前記複数枚の反射鏡を、南側に設置された反射鏡が北側に設置された反射鏡よりも相対的に上方に位置するよう配置することを特徴とする請求項8に記載の太陽熱集熱装置。 - 前記各列の反射ライン上にある前記複数枚の反射鏡を、互いに等間隔に配置することを特徴とする請求項8または請求項9に記載の太陽熱集熱方法。
- 前記連結部材を南北方向に回転させ、南北方向の傾きの角度を、設置する緯度に応じて調整することを特徴とする請求項8から請求項10のいずれか一項に記載の太陽熱集熱方法。
- 前記連結部材を南北方向に回転させ、南北方向の傾きの角度を、暦に応じて調整することを特徴とする請求項8から請求項11のいずれか一項に記載の太陽熱集熱方法。
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