JP2014102012A - 太陽熱発電用集光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安価な太陽熱発電用集光装置を提供する。
【解決手段】架台に支持される軸部13と、軸部13にその長さ方向に間隔を置いて固定されたアーム部14a,14bと、アーム部14a,14bにより支持される可撓性の反射板15とを備える。アーム部14a,14bは、軸部13に対して垂直な断面において放物線状となる反射面形成面を有する。反射板15の端部をアーム部14a,14bの反射面形成面に密着させることにより、反射板15の反射面が太陽光の集光に適した放物柱面状に形成される。
【選択図】図7
【解決手段】架台に支持される軸部13と、軸部13にその長さ方向に間隔を置いて固定されたアーム部14a,14bと、アーム部14a,14bにより支持される可撓性の反射板15とを備える。アーム部14a,14bは、軸部13に対して垂直な断面において放物線状となる反射面形成面を有する。反射板15の端部をアーム部14a,14bの反射面形成面に密着させることにより、反射板15の反射面が太陽光の集光に適した放物柱面状に形成される。
【選択図】図7
Description
本発明は、太陽熱発電用の集光装置、該集光装置を用いた太陽熱発電システム、および太陽熱発電に用いる反射板の取り付け方法に関する。
従来より、太陽光を曲面反射鏡を用いた集光装置により集熱管に集光させ、集熱管内を流れる例えばオイルなどの液体を加熱し、そこで加熱された液体を利用して蒸気タービンを回すことにより発電を行う太陽熱発電方式が知られている(例えば特許文献1参照)。太陽熱発電方式は、太陽光発電方式よりも導入費用が安いほか蓄熱により24時間の発電が可能である。太陽熱発電方式はまた、燃料を用いないため燃料費が低減でき、二酸化炭素の排出を抑制できるという利点を持つ。
太陽熱発電用集光装置においては、太陽光を集熱管に効率的に集光するために、反射鏡を高い精度で予め設計された曲面形状(例えば放物線状の断面を有する反射鏡)に形成する必要がある。そのため、従来においては、工場にて所定の曲面形状を有するガラス製反射鏡を形成し、該ガラス製反射鏡を設置場所に搬送し、架台に設置することで太陽熱発電用集光装置を形成していた。
しかしながら、上記のような従来の装置では、工場にてガラス製反射鏡を高い精度で曲げ加工する必要があるため、製造コストが高くなりがちである。また、曲面形状のガラス製反射鏡は、搬送時に嵩張るため設置場所への搬送効率が低く、設置コストが高くなりがちである。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価な太陽熱発電用集光装置および太陽熱発電システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽熱発電用集光装置は、架台に支持される軸部と、軸部にその長さ方向に間隔を置いて固定された少なくとも2つのアーム部であって、軸部に対して垂直な断面において曲線状となる反射面形成面を有するアーム部と、太陽光を反射集光する可撓性の反射板であって、その両端部において2つのアーム部により支持される反射板と、反射板の端部をアーム部の反射面形成面に密着させる密着手段とを備える。
アーム部は、反射面形成面に対して所定の間隔を置いて配置された第2の面を有し、反射面形成面と第2の面との間に形成された溝部に反射板の端部を挿入することで反射板がアーム部により支持されてもよい。
反射板は、その反射面がアーム部の反射面形成面側に向き、反射面の裏面がアーム部の第2の面側に向くように配置されてもよい。
密着手段は、少なくとも一部に板状部分を備え、板状部分を反射板の端部とアーム部の第2の面との間に圧入することにより、反射板の端部がアーム部の反射面形成面に密着してもよい。
板状部分は、くさび状に形成されてもよい。
密着手段は、少なくとも一部に弾性部分を備え、弾性部分を反射板の端部とアーム部の第2の面との間に介在させることにより、反射板の端部がアーム部の反射面形成面に密着してもよい。
弾性部分は、板バネにより形成されてもよい。
密着手段は、棒状部材と、棒状部材をアーム部に固定する固定部材とを備え、棒状部材にて反射板の端部を押圧することにより、反射板の端部がアーム部の反射面形成面に密着してもよい。
本発明の別の態様は、太陽熱発電システムである。このシステムは、上述の太陽熱発電用集光装置と、太陽熱発電用集光装置により集光された光を受ける集熱管と、集熱管内の加熱された液体を用いて発生した蒸気により回転する蒸気タービンと、蒸気タービンの回転により発電する発電機とを備える。
本発明のさらに別の態様は、太陽熱発電用集光装置の製造方法である。この方法は、軸部を架台に支持するステップと、軸部にその長さ方向に間隔を置いて少なくとも2つのアーム部を固定するステップであって、アーム部が軸部に対して垂直な断面において曲線状となる反射面形成面を有するステップと、太陽光を反射集光する可撓性の反射板の両端部を、2つの前記アーム部により支持するステップと、反射板の端部をアーム部の反射面形成面に密着させるステップとを備える。
本発明のさらに別の態様は、反射板取り付け方法である。この方法は、軸部にその長さ方向に間隔を置いて固定された少なくとも2つのアーム部であって、軸部に対して垂直な断面において曲線状となる反射面形成面を有するアーム部に、太陽光を反射集光する可撓性の反射板を取り付ける方法である。この方法は、反射板をアーム部の反射面形成面に沿って湾曲させる第1ステップと、反射板の端部をアーム部の反射面形成面に密着させる第2ステップとを備える。
アーム部は、反射面形成面から間隔を置かれた第2の面と、該第2の面と反射面形成面との間に形成された溝部とを有し、第1ステップは、反射板の端部を溝部に挿入するステップを有してもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、安価な太陽熱発電用集光装置および太陽熱発電システムを提供できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10の斜視図である。図1に示すように、太陽熱発電用集光装置10は主に、地盤上の架台11,12と、架台11,12により回転可能に支持された軸部13と、軸部13にその長さ方向に間隔を置いて固定された複数のアーム部14と、アーム部14によって支持された複数の反射板15とを備える。反射板15の反射面は、軸部13に対して垂直な断面において放物線状となる放物柱面に形成されている。
図1に示すように、反射板15の前方には、集熱管20が軸部13と平行に支持されている。この集熱管20内には例えばオイルなどの液体が流される。液体は、ポンプ(図示せず)により循環される。
太陽熱発電用集光装置10は、反射板15を用いて集熱管20に太陽光を集光させ、集熱管20内を流れる液体を加熱する。太陽熱発電用集光装置10により加熱された液体は、熱交換器に送られる。熱交換器は、加熱された液体を用いて蒸気を発生させ、この蒸気を蒸気タービンに送る。蒸気タービンは、その蒸気を用いてタービンを回転させ、発電を行う。
太陽熱発電用集光装置10は、軸部13周りに反射板15を回転させる回転装置(図示せず)を備えてもよい。例えば太陽の位置に応じて反射板15を回転させることにより、効率的に液体を加熱することができ、その結果発電効率を向上できる。
図2は、太陽熱発電用集光装置10の正面図である。図3は、図2に示す太陽熱発電用集光装置10のA−A断面図である。
図2に示すように、本実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10では、地盤上に架台11,12が立設されており、該架台11,12により軸部13の両端が支持されている。軸部13は、例えば直径数百mm(例えば500mm乃至700mm、例えば600mm)程度の例えばスチール製パイプであってよい。
軸部13には、その長さ方向に所定の間隔をおいて、複数のアーム部14が固定されている。アーム部14は、厚さ数mm(例えば6mm)程度の板状体であり、例えばスチール等により形成されてよい。図3に示すように、アーム部14は、その一方の側面が放物線状となるように形成されている。アーム部14は、例えば溶接により軸部13に固定されてよい。あるいは、アーム部14は、ボルトとナットを用いて軸部13に固定されてもよい。平板状のアーム部14を軸部13に固定しただけの単純な構造を採用することにより、例えば上述の特許文献1に記載されるようにトラス構造を採用した場合と比較して、製造コストおよび輸送コストを低減できる。
本実施形態では、図2に示すように、軸部13から上方向に13個のアーム部14が延設されており、軸部13から下方向も13個のアーム部14が延設されている。軸部13の長さ方向に隣接する2つのアーム部14間ごとに、1枚の反射板15が設けられる。従って、軸部13の上方に12枚の反射板15が設けられ、軸部13の下方にも12枚の反射板15が設けられている。軸部13の上下に並ぶ2枚の反射板15は、軸部13を対称軸として線対称に配置されており、放物柱面状の反射面を形成している。
図4は、反射板15の断面構造を説明するための図である。図4に示すように、反射板15は、可撓性平板40上にフィルムミラー41を貼り合わせた構造を有する。可撓性平板40は、例えば厚さ数mm(例えば1mm乃至2mm)程度の金属板(例えばスチール板またはアルミ板)であってよい。フィルムミラー41は、可撓性のフィルム基材42上に反射層43が設けられた構造を有する。フィルム基材42は、従来公知の樹脂製基材であってよく、例えばアクリル系フィルムやポリエステル系フィルムであってよい。反射層43は、フィルム基材42上に蒸着により形成される金属反射層(例えば銀反射層)であってよい。以上のように形成された反射板15は、可撓性を有する。
本実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10においては、取り付け前において平板状の反射板15をアーム部14への取り付け時に撓ませることにより、反射板15の反射面44が太陽光の集光に適した放物柱状曲面に形成される。アーム部14が反射板15を支持する支持構造の詳細については後述する。
反射板15の前方には、図3に示すように支持部材21,22,23により集熱管20が支持されている。集熱管20は、その中心が反射板15の放物柱状反射面の焦点に位置するように支持される。放物柱面状の反射面で反射した太陽光は放物柱面の焦点に集光するので、このように集熱管20を配置することにより、太陽光を効率的に集熱管20に反射集光できる。
図5は、図3に示す太陽熱発電用集光装置10のB−B断面図である。図5は、アーム部14の内側端部の拡大断面図であり、反射板15を支持するための支持構造を説明するための図である。本実施形態においては、アーム部14は、軸部13から延びる放物線状の側面を有する板状のアーム本体部53と、アーム本体部53の内側端部に沿って設けられた反射板15を固定支持するための反射板支持部50とから構成されている。
反射板支持部50は、反射板の端部が挿入される2つの溝部54と、反射板支持部50をアーム本体部53に固定するための固定部55とを備える。固定部55にはボルト孔56が設けられており、該ボルト孔56に挿通されたボルト51とナット52を用いて反射板支持部50がアーム本体部53に固定されている。なお、本実施形態では、アーム本体部53と反射板支持部50を別々に形成し、ボルト51およびナット52を用いて両者を連結する構造としているが、アーム本体部53と反射板支持部50は一体的に形成された部材であってもよい。
反射板支持部50の2つの溝部54は、断面コ字状の溝であり、所定の間隔を置いて対向する第1面57および第2面58と、底面59とから構成されている。2つの溝部54は、底面59を間に介して互いに逆方向に開口するように形成されている。第1面57は、第2面58よりも放物柱面の内側方向、すなわち第2面58よりも集熱管側に位置している。
本実施形態において、第1面57は、反射板15の反射面44の曲面形状を規定する「反射面形成面」としての役割を有する。具体的には、第1面57は、軸部に対して垂直な断面において放物線状となる放物柱面に形成されている。組立前においては反射板15は平板状であるが、組み立て時に第1面57に沿って反射板15の反射面44を撓ませることで、反射面44が所定の放物柱面に形成される。
図6は、隣接する2つのアーム部14a,14bにより、1枚の反射板15が支持されている様子を示す。図6に示すように、一方のアーム部14aの反射板支持部50aが有する1つの溝部54aと、隣接する他方のアーム部14bの反射板支持部50bが有する1つの溝部54bとが対向しており、それら2つの溝部54a,54bに反射板15の両端部を挿入することで、反射板15が曲面形状に撓んだ状態でアーム部14a,14bにより支持される。
ここで、本実施形態では、反射板15の反射面44の両端部を反射面形成面である第1面57a,57bに確実に密着させるために、断面がくさび状に形成された板状部材60a,60bが反射板15の裏面45の両端部と第2面58a,58bとの間に圧入されている。本実施形態では、反射面44の両端部を溝部54a,54bに挿入しやすいように、第1面57a,57bと第2面58a,58bとの間隔を反射板15の厚みよりも大きくしている。従って、くさび状の板状部材60a、60bを圧入しない場合、反射板15の反射面44の両端部が反射面形成面である第1面57a,57bに密着せず、反射面44を所望の放物柱面に形成できないおそれがある。反射面44が設計通りの放物柱面になっていない場合、期待する集光効率を達成できず、発電効率が低下するおそれがある。
そこで、本実施形態のように、くさび状の板状部材60a,60bを用いて反射板15の両端部を第1面57a,57bに密着させることで、反射板15の反射面44を確実に所望の放物柱面に形成することができる。反射板15の反射面44を設計通りの曲面に形成することで、太陽光の集光効率が高くなり、発電効率を向上できる。くさび状の板状部材は、アーム部の長さ方向に分割されていてもよいし、アーム部の全長にわたって存在していてもよい。また、くさび状の板状部材を反射板の裏面と第2面との間に圧入後、ボルトを用いて板状部材および反射板を反射板支持部に固定してもよい。
図6に示す実施形態に代えて、第2面58a,58bを反射面形成面とし、第1面57a,57bと反射面44の両端部との間にくさび状の板状部材60a,60bを打ち込む構成としてもよい。しかしながら、この場合は、くさび状の板状部材60a,60bにより反射面44の面積が小さくなり、またくさび状の板状部材60a,60bを打ち込む際に反射面44を傷つけてしまうおそれがある。従って、図6に示す実施形態のように、反射面44が第1面57a,57b(反射面形成面)側に向き、裏面45が第2面58a,58b側に向くように反射板15を配置し、第2面58a,58bと反射板15の裏面45の両端部との間にくさび状の板状部材60a,60bを打ち込む構成とするのが望ましい。
図7は、本実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10の設置方法を説明するための図である。本実施形態では、工場で製造された反射板15が平板の状態で設置場所に搬送される。また、複数のアーム部14(図7には2つのアーム部14a,14bを図示)は、軸部13から取り外された状態で設置場所に搬送される。まず、地盤上に架台11,12(図1参照)を設置し、該架台11,12に軸部13を支持する。次に、軸部13にその長さ方向に間隔を置いてアーム部14a,14bを固定する。そして、隣接する一方のアーム部14aの反射板支持部50aの溝部と、隣接する他方のアーム部14bの反射板支持部50bの溝部に、アーム部14a,14bの延設先端部分から反射板15の両端部を挿入し、反射板15をアーム部14a,14bの反射面形成面に沿って湾曲させる。反射板15の挿入完了後、反射板支持部50a,50bの第2面と反射板15の裏面の両端部との間にくさび状板状部材(図示せず)を打ち込む。これにより、反射板15の反射面の両端部が反射板支持部50a,50bの反射面形成面(第1面)に密着し、反射板15の反射面を所望の放物柱面に形成できる。
以上説明したように、本実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10によれば、反射板15を平板の状態で設置場所に搬送することができるので、搬送時に嵩張ることがなく、搬送効率を向上することができる。また、工場においては単なる平板状の反射板15を製造し、設置現場において上記のように簡単な方法で精度の高い放物柱面状の反射面を形成できるので、工場において放物柱面状のガラス製反射鏡を製造する場合に比べて製造コストを低減できる。従って、本実施形態によれば、安価な太陽熱発電用集光装置を提供できる。
図8は、反射面を反射面形成面に密着させる密着構造の変形例を説明するための図である。図6に示す実施形態では、反射板の反射面の両端部を反射面形成面に密着させるための密着部材として、単なる断面くさび状の板状部材を用いた。しかしながら、密着部材の構造はこれに限定されず、図8に示す変形例のように、断面くさび状の板状部分80aと、該板状部分80aの端部に設けられた打ち込み部分80bとを備える断面略L字状部材80であってもよい。この場合、打ち込み部分80bをハンマー等で打つことにより、反射板支持部50の第2面58と反射板15の裏面45との間に密着部材を打ち込み易くなるという利点がある。
図9は、反射面を反射面形成面に密着させる密着構造のさらなる変形例を説明するための図である。密着部材は、図9に示す変形例のように、厚さが均一の単なる平板状部材であってもよい。この場合、密着部材をくさび状に加工する必要がなく、密着部材の製作コストを低減できるという利点がある。
図10は、反射面を反射面形成面に密着させる密着構造のさらなる変形例を説明するための図である。本変形例では、反射板支持部50の第2面58と反射板15の裏面45との間に断面V字状の板バネ91を介在させ、該板バネ91の弾性力により反射板15の反射面44を反射面形成面(第1面57)に密着させている。反射板15の端部と反射板支持部50の第2面58との間に介在させる部材は、弾性部材であれば特に限定されず、例えばゴム製の弾性部材であってもよい。
図11は、反射面を反射面形成面に密着させる密着構造のさらなる変形例を説明するための図である。本変形例では、第2面58に貫通孔94が設けられており、該貫通孔94の第2面側と反対側には、雌ねじが切られたナット93が固定されている。そして、雄ねじが切られたボルト92をナット93に嵌合し、ボルト92を回転することでボルト92の先端部にて反射板15の端部が押圧され、反射板15の反射面44を反射面形成面(第1面57)に密着させている。本変形例のように、ボルト92のような棒状部材と、ナット93のような棒状部材を固定する固定部材とを用いて密着部材を構成してもよい。
上述の実施形態では、隣接する2つのアーム部14の両方に密着部材を設け、反射板15の反射面の両端部を反射板支持部の反射面形成面に密着させた。しかしながら、反射板15の反射面が所望の曲面に形成されるのであれば、隣接する2つのアーム部14のうち一方のアーム部14の反射面形成面にのみ反射板15の反射面を密着させてもよい。
図12は、本実施形態に係る太陽熱発電用集光装置10を用いた太陽熱発電システム100を説明するための図である。図12に示すように、太陽熱発電システム100は、大きく分けて、集熱エリアと、蓄熱エリアと、発電エリアの3つのエリアから成る。
集熱エリアは、主に上述した太陽熱発電用集光装置10と、集熱管20と、集熱管内の液体を循環させるポンプ(図示せず)とから構成される。集熱エリアにおいては、太陽熱発電用集光装置10により集熱管20に太陽光が集光され、集熱管20内を流れる液体が加熱される。加熱された液体は、蓄熱エリアに送られる。
蓄熱エリアは、主にホットタンク102と、コールドタンク103と、第1熱交換器109とから構成されている。必要発電量を上回る蓄熱があった際には、第1熱交換器109を通してコールドタンク103内の低温液体を温め、ホットタンク102へ移動させ、蓄熱させる。加熱された液体の熱をホットタンク102を用いて蓄えておくことにより、集熱が不足した際や太陽光が得られない夜間の発電が可能となる。
発電エリアは、主に蒸気タービン104と、発電機106と、第2熱交換器111と、第3熱交換器112と、冷却タワー113とから構成される。第2熱交換器111は、加熱された液体を用いて蒸気を発生させ、蒸気タービン104は該蒸気によりタービンを回転させる。発電機106は、蒸気タービン104の回転により発電し、送電線108を介して送電する。第3熱交換器112は蒸気を液体に戻し、冷却タワー113は、該液体を冷却する。
上述した安価な太陽熱発電用集光装置10を用いることにより、太陽熱発電システム100の施工コストを低減することができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
10 太陽熱発電用集光装置、 13 軸部、 14 アーム部、 15 反射板、 20 集熱管、 40 可撓性平板、 41 フィルムミラー、 42 フィルム基材、 43 反射層、 44 反射面、 50 反射板支持部、 53 アーム本体部、 54 溝部、 57 第1面、 58 第2面、 100 太陽熱発電システム、 104 蒸気タービン、 106 発電機。
Claims (8)
- 架台に支持される軸部と、
前記軸部にその長さ方向に間隔を置いて固定された少なくとも2つのアーム部であって、前記軸部に対して垂直な断面において曲線状となる反射面形成面を有するアーム部と、
太陽光を反射集光する可撓性の反射板であって、その両端部において2つの前記アーム部により支持される反射板と、
前記反射板の端部を前記アーム部の反射面形成面に密着させる密着手段と、
を備えることを特徴とする太陽熱発電用集光装置。 - 前記アーム部は、前記反射面形成面に対して所定の間隔を置いて配置された第2の面を有し、
前記反射面形成面と前記第2の面との間に形成された溝部に前記反射板の端部を挿入することで前記反射板が前記アーム部により支持されることを特徴とする請求項1に記載の太陽熱発電用集光装置。 - 前記反射板は、その反射面が前記アーム部の反射面形成面側に向き、前記反射面の裏面が前記アーム部の第2の面側に向くように配置されることを特徴とする請求項2に記載の太陽熱発電用集光装置。
- 前記密着手段は、少なくとも一部に板状部分を備え、
前記板状部分を前記反射板の端部と前記アーム部の第2の面との間に圧入することにより、前記反射板の端部が前記アーム部の反射面形成面に密着することを特徴とする請求項2または3に記載の太陽熱発電用集光装置。 - 前記板状部分は、くさび状に形成されることを特徴とする請求項4に記載の太陽熱発電用集光装置。
- 請求項1から5のいずれかに記載の太陽熱発電用集光装置と、
前記太陽熱発電用集光装置により集光された光を受ける集熱管と、
前記集熱管内の加熱された液体を用いて発生した蒸気により回転する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの回転により発電する発電機と、
を備えることを特徴とする太陽熱発電システム。 - 軸部にその長さ方向に間隔を置いて固定された少なくとも2つのアーム部であって、前記軸部に対して垂直な断面において曲線状となる反射面形成面を有するアーム部に、太陽光を反射集光する可撓性の反射板を取り付ける方法であって、
前記反射板を前記アーム部の反射面形成面に沿って湾曲させる第1ステップと、
前記反射板の端部を前記アーム部の反射面形成面に密着させる第2ステップと、
を備えることを特徴とする反射板取り付け方法。 - 前記アーム部は、前記反射面形成面から間隔を置かれた第2の面と、該第2の面と前記反射面形成面との間に形成された溝部とを有し、
前記第1ステップは、前記反射板の端部を前記溝部に挿入するステップを有することを特徴とする請求項7に記載の反射板取り付け方法。
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