JP2014163305A - Parallel structure of stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スターリングエンジンの並設構造に関するものである。 The present invention relates to a side-by-side structure of Stirling engines.
スターリングエンジンは内部の作動流体を、加熱部で加熱したり冷却部で冷却したりすることによる温度差でピストンを作動させ、そのピストンの往復動作で発電機を駆動させる。 A Stirling engine operates a piston by a temperature difference caused by heating an internal working fluid by a heating unit or cooling by a cooling unit, and drives a generator by a reciprocating motion of the piston.
スターリングエンジンを駆動させるための熱源として太陽熱を利用した提案もある。フレネルレンズ等で集光した太陽光を光ファイバーなどによりスターリングエンジンの加熱部に導き、加熱空気に直接太陽光を当てることにより、加熱部を加熱する構造になっている(例えば、特許文献1参照)。 There is also a proposal using solar heat as a heat source for driving the Stirling engine. The sunlight condensed by a Fresnel lens or the like is guided to the heating part of the Stirling engine by an optical fiber or the like, and the heating part is heated by directing sunlight to the heated air (for example, see Patent Document 1). .
しかしながら、このような従来の技術にあっては、集光した太陽光をスターリングエンジンの加熱部へ直接当てる構造のため、複数のスターリングエンジンを同時に駆動させることが困難である。すなわち複数のスターリングエンジンを同時に駆動させるには、各々のスターリングエンジンの加熱部に集光した太陽光を分岐して当てる必要があるため、その光学的構造が複雑となる。一つの大きな光路中にスターリングエンジンの加熱部を臨ませる構造では、下流のスターリングエンジンの加熱部が上流の陰となり並設が成立しない。 However, in such a conventional technique, it is difficult to drive a plurality of Stirling engines at the same time because of the structure in which the collected sunlight is directly applied to the heating unit of the Stirling engine. That is, in order to drive a plurality of Stirling engines at the same time, it is necessary to divide and apply the concentrated sunlight to the heating portions of the respective Stirling engines, which complicates the optical structure. In the structure in which the heating unit of the Stirling engine is exposed in one large optical path, the heating unit of the downstream Stirling engine is behind the upstream and the juxtaposition is not established.
本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、複数のスターリングエンジンの同時駆動が可能な並設構造を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a problem of the conventional technology, and an object thereof is to provide a side-by-side structure capable of simultaneously driving a plurality of Stirling engines.
請求項1記載の発明は、ヘリオスタットにより反射された太陽光が入光する受熱部と、受熱部を通過した加熱空気が送られる加熱空気路と、該加熱空気路に加熱部をそれぞれ臨ませた状態で設置された複数のスターリングエンジンから成ることを特徴とする。
The invention according to
請求項2記載の発明は、加熱空気路を通過する加熱空気が受熱部に循環されることを特徴とする。
The invention according to
請求項3記載の発明は、地上よりも高い位置に設置され下面に反射面を有するセンターミラーと、前記センターミラーの周囲の地上領域に設置されて太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットとを有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させて地上位置に集光させる構造で、受熱部が地上位置における太陽光の集光位置に設置されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there are provided a center mirror installed at a position higher than the ground and having a reflective surface on the lower surface, and a plurality of reflectors installed in a ground area around the center mirror and reflecting sunlight toward the center mirror. The heliostat has a structure in which the sunlight reflected by the heliostat is reflected downward by the center mirror and collected at the ground position, and the heat receiving part is installed at the sunlight collecting position at the ground position. It is characterized by being.
請求項4記載の発明は、センターミラーが、断面が回転楕円体に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第1焦点と第2焦点を持つものであり、上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第2焦点とを略一致させた状態で設置し、受熱部は前記筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the center mirror has a curved surface whose cross section matches a spheroid, and has a first focal point and a second focal point below, and has a lower opening than the upper opening. A cylindrical condenser mirror having a smaller surface and a mirror inner surface is installed in a state where the center of the upper opening and the second focal point are substantially coincided with each other, and the heat receiving portion is a lower opening of the cylindrical condenser mirror. The heliostat is installed in the vicinity, and the heliostat is controlled so that reflected light is directed toward the first focal point.
請求項1記載の発明によれば、加熱空気が流れる加熱空気路内に複数のスターリングエンジンの加熱部を臨ませる構造にしたため、下流のスターリングエンジンに対しても加熱空気が流体として流れ込むため確実に加熱することができ、複数のスターリングエンジンを同時に駆動させることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the heating unit of the plurality of Stirling engines faces the heated air passage through which the heated air flows, the heated air flows into the downstream Stirling engine as a fluid. It can be heated and a plurality of Stirling engines can be driven simultaneously.
請求項2記載の発明によれば、加熱空気路を通過する加熱空気が繰り返し受熱部に循環されるため、熱のロスが少なく、太陽熱の利用効率が高まる。 According to the second aspect of the present invention, since the heated air passing through the heated air path is repeatedly circulated to the heat receiving portion, there is little heat loss and the solar heat utilization efficiency is increased.
請求項3記載の発明によれば、集光装置がビームダウン型で、受熱部が地上位置にあるため、スターリングエンジンの設置が容易である。 According to the third aspect of the present invention, the Stirling engine can be easily installed because the condensing device is a beam-down type and the heat receiving portion is located on the ground.
請求項4記載の発明によれば、センターミラーは断面が楕円に合致した湾曲面を有した形状であって、ヘリオスタットで反射した太陽光がセンターミラーの第1焦点を通過すれば、その太陽光は幾何光学的に必ず第2焦点に集光する。そのため、ヘリオスタットは反射光が常に第1焦点へ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタットの制御が容易である。また、第2焦点の周囲に筒型集光鏡が位置するため、第2焦点から外れた太陽光も筒型集光鏡内に取り入れて内面で反射しながら確実に受熱部に導くことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, if the center mirror has a curved surface whose cross section matches an ellipse, and the sunlight reflected by the heliostat passes through the first focus of the center mirror, Light is always collected geometrically at the second focal point. Therefore, the heliostat has only to be controlled so that the reflected light always goes to the first focal point, and the heliostat can be easily controlled. In addition, since the cylindrical condenser mirror is positioned around the second focal point, sunlight deviating from the second focal point can be taken into the cylindrical condenser mirror and reliably guided to the heat receiving part while being reflected by the inner surface. .
本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、太陽熱を得るためのビームダウン式太陽集光装置の説明をする。この実施形態では日本のような北半球の中緯度の地域の場合を例にして説明する。 First, a beam-down solar concentrator for obtaining solar heat will be described. In this embodiment, a case of an area in the middle latitude of the northern hemisphere such as Japan will be described as an example.
ビームダウン式太陽集光装置の中心にはセンターミラー1が図示せぬ3本のタワーにより支持されている。センターミラー1は、日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円形状をしている。センターミラー1は図1に示すように、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、下方に共焦点として第1焦点Aと第2焦点Bが存在する。
A
センターミラー1は図2に示すように、平面視で、半円よりも東側及び西側に所定の角度範囲だけ張り出した状態になっている。センターミラー1の北側及び東西両側には複数のヘリオスタット2が設置されている。
As shown in FIG. 2, the
ヘリオスタット2は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、常に太陽光Lを第1焦点Aへ向けて反射するように制御される。第1焦点Aを通過した太陽光Lはセンターミラー1で反射されて第2焦点Bに集光する。
The
第2焦点Bには筒型集光鏡3が設置されている。筒型集光鏡3は上部開口よりも下部開口が狭い概略テーパー筒形状で、内面はマルチミラー式の複数のセグメントにより構成された鏡面になっている。ヘリオスタット2の反射光は、センターミラー1で反射された後に、すべてこの筒型集光鏡3内に導入される。筒型集光鏡3の下側には受熱部4が設けられている。
A
筒型集光鏡3は周囲が角型のハウジング5により覆われていて、筒型集光鏡3とハウジング5との間には中空部6が存在する。ハウジング5の上部には中空部6への空気取入口7が形成されている。
The
筒型集光鏡3の下側の受熱部4はハウジング8に収納されている。受熱部4はこのハウジング8の断面を塞ぐように設けられている。
The
筒型集光鏡3のハウジング5と、受熱部4のハウジング8とは、通気路12を介して連結されている。筒型集光鏡3の下部開口に臨むハウジング8の上面には透明窓13が形成されている。この透明窓13は耐熱性を有する石英硝子で形成されている。
The
受熱部4は複数個の熱交換部材9から構成され、それぞれ非金属耐熱材料としての黒色で炭化珪素膜(SiC)製の多貫通孔構造をしており約1000℃以上の耐熱性を有している。個々の熱交換部材9は通過空気を均一化するためのロート状のカバー15(図7)内に収納されている。
The
受熱部4の下方のハウジング8からはループ状の加熱空気路14が形成され、内部に図示せぬ送風手段により空気が一定方向に向けて循環するようになっている。
A loop-shaped heated
この加熱空気路14に複数のスターリングエンジン16の加熱部17が加熱空気路14に沿った状態で並設されている。スターリングエンジン16は密閉容器内に水素やヘリウム等の作動流体が封入され、該作動流体を加熱部17と冷却部18の間を交互に移動させることによりピストン19を動かす。ピストン19は発電機20を駆動させ、発電することができる。スターリングエンジン16の加熱部17は一端に設けられ、この加熱部17が前記加熱空気路14内に臨まされた状態で設置されている。
A plurality of Stirling
したがって、循環空気路を形成する加熱空気路14上にはハウジング8および複数のスターリングエンジン16が直列に配列され、熱源としてのハウジング8では低温側(C)から高温側(H)へ、熱負荷としての各スターリングエンジン16では高温側から低温側へ空気が通過する。また、必要に応じてスターリングエンジン16の加熱部17を迂回する空気路に切り換えてもよい。受熱状況によって稼働するスターリングエンジンを16を選択することでトータルのエネルギー効率を高めることができる。
Therefore, the
次に受熱部4において空気を太陽光で加熱する過程を説明する。
Next, a process of heating air with sunlight in the
まずセンターミラー1で反射された太陽光Lは全て筒型集光鏡3内に導入され、その内面で反射されて集光されるが、反射の際に筒型集光鏡3自体を加熱するため筒型集光鏡3が大変に高温になる。そのため、空気取入口7から取り入れられた空気は中空部6内で筒型集光鏡3の裏面と接して予備的に加熱される。
First, all the sunlight L reflected by the
ある程度加熱された空気は通気路12を介して熱交換部材9の上部空間10に導入される。上部空間10に導入された空気は受熱部4を通過して下部空間11に至る。この際、受熱部4には筒型集光鏡3の下部開口から透明窓13を経て高エネルギーの太陽光Lが照射され、受熱部4自体が大変な高温になっているため、空気は受熱部4を通過する過程で加熱空気Hとなる。
The air heated to some extent is introduced into the
この加熱空気Hが加熱空気路14内に循環するため、各スターリングエンジン16の加熱部17を加熱空気Hにより加熱させ、複数のスターリングエンジン16を同時に駆動することができる。
Since this heated air H circulates in the
また加熱空気路14を通過して温度が低下した空気Cは繰り返し受熱部4に循環される。そのため熱のロスが少なく、太陽熱の利用効率が高まる。
In addition, the air C whose temperature has decreased after passing through the
更に集光装置がビームダウン型で、受熱部4が地上位置にあるため、スターリングエンジン16の設置が容易である。
Furthermore, since the condensing device is a beam-down type and the
加えて、センターミラー1は断面が楕円に合致した湾曲面を有した形状であって、ヘリオスタット2で反射した太陽光Lがセンターミラー1の第1焦点Aを通過すれば、その太陽光Lは幾何光学的に必ず第2焦点Bに集光する。そのため、ヘリオスタット2は反射光が常に第1焦点Aへ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタット2の制御が容易である。また、第2焦点Bの周囲に筒型集光鏡3が位置するため、第2焦点Bから外れた太陽光Lも筒型集光鏡3内に取り入れて内面で反射しながら確実に受熱部4に導くことができる。
In addition, the
以上の実施形態では、ビームダウン式太陽集光装置により太陽光を熱交換部材9に対して集光する例を示したが、それに限定されず、どのような集光装置であっても良い。
Although the example which condenses sunlight with respect to the
2 ヘリオスタット
4 受熱部
14 加熱空気路
16 スターリングエンジン
17 加熱部
H 加熱空気
A 第1焦点
B 第2焦点
L 太陽光
2
Claims (4)
受熱部を通過した加熱空気が送られる加熱空気路(14)と、
該加熱空気路に加熱部をそれぞれ臨ませた状態で設置された複数のスターリングエンジン(16)とから成ることを特徴とするスターリングエンジンの並設構造。 A heat receiving part (4) into which sunlight reflected by the heliostat enters,
A heated air passage (14) through which heated air that has passed through the heat receiving section is sent;
A Stirling engine side-by-side structure comprising a plurality of Stirling engines (16) installed in a state in which the heating section faces each of the heating air passages.
受熱部が地上位置における太陽光の集光位置に設置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のスターリングエンジンの並設構造。 A center mirror installed at a position higher than the ground and having a reflecting surface on the lower surface, and a plurality of heliostats installed in a ground area around the center mirror and reflecting sunlight toward the center mirror, The sunlight reflected by the heliostat is reflected downward by the center mirror and focused on the ground.
3. The Stirling engine side-by-side structure according to claim 1, wherein the heat receiving portion is installed at a sunlight collecting position on the ground position.
上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第2焦点とを略一致させた状態で設置し、
受熱部は前記筒型集光鏡の下部開口付近に設置されており、
前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする請求項3記載のスターリングエンジンの並設構造。 The center mirror has a curved surface whose cross section matches a spheroid, and has a first focus and a second focus below.
A cylindrical condenser mirror in which the lower opening is smaller than the upper opening and the inner surface is a mirror surface is installed in a state in which the center of the upper opening and the second focal point are substantially matched,
The heat receiving part is installed near the lower opening of the cylindrical condenser mirror,
4. The Stirling engine side-by-side structure according to claim 3, wherein the heliostat is controlled so that reflected light is directed toward the first focal point.
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