JP2015081694A - 受熱装置および太陽熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】本願は、太陽光が集光される部分に設置される作動流体の経路のうち太陽光が当たる部分からの放熱を抑制する受熱装置および太陽熱利用システムを提供することを課題とする。
【解決手段】受熱装置であり、作動流体が流通する第１の経路と、前記第１の経路を内包しており、前記第１の経路のうち太陽光が集光される被集光部に前記太陽光を当てるための開口部が設けられた断熱材と、前記第１の経路と共に前記断熱材に内包される作動流体の経路であり、前記開口部を通過する過程で前記被集光部周辺の熱を回収する作動流体が流通する第２の経路と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、受熱装置および太陽熱利用システムに関する。

近年、自然エネルギーを利用する技術の研究開発が盛んに行われている。例えば、太陽光を集光してエネルギーとして利用する技術分野では、太陽光を樋状に伸びた曲面状の反射鏡で作動流体が流れる部分に集光し、作動流体の蒸気を生成して発電を行うシステム（例えば、特許文献１を参照）や、その他の各種システム（例えば、特許文献２−４を参照）が考案されている。

特開平１０−９６８０号公報 特開２０００−１７７４９号公報 特開２０１２−６７９４８号公報 特開２０１２−６３０８６号公報

太陽光が集光される部分に設置される受熱装置は、太陽光が作動流体の経路に当たらないと太陽光の熱を受熱できない。しかし、作動流体の経路が外気に触れると、作動流体の温度低下の一因になる。そこで、作動流体の経路のうち太陽光が当たる部分以外については、断熱材を施工することにより、経路から外気への放熱の抑制を図ることが考えられる。太陽光の集光箇所が経路全体ではなく、経路の途中に離散的に存在する場合、断熱材の施工による放熱の抑制効果は更に高まると推測される。

しかしながら、受熱装置の経路のうち太陽光が当たる部分については断熱材の施工ができないため、当該部分については経路を外気に接触せざるを得ない。

そこで、本願は、太陽光が集光される部分に設置される作動流体の経路のうち太陽光が当たる部分からの放熱を抑制する受熱装置および太陽熱利用システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、作動流体が流通する第１の経路と共に断熱材に内包される作動流体の経路であり、第１の経路のうち太陽光が集光される被集光部に太陽光を当てるための開口部を通過する過程で被集光部周辺の熱を回収する作動流体が流通する第２の経路を設けることにした。

詳細には、本発明の受熱装置は、作動流体が流通する第１の経路と、前記第１の経路を内包しており、前記第１の経路のうち太陽光が集光される被集光部に前記太陽光を当てるための開口部が設けられた断熱材と、前記第１の経路と共に前記断熱材に内包される作動流体の経路であり、前記開口部を通過する過程で前記被集光部周辺の熱を回収する作動流体が流通する第２の経路と、を備える。

上記断熱材には被集光部に太陽光を当てるための開口部が設けられているため、被集光部においては開口部から外部への放熱がある。しかしながら、上記受熱装置は、第２の経
路が開口部において第１の経路の周辺を通過するように形成されている。すなわち、第２の経路を形成している部材の一部が開口部内に露出している。よって、第２の経路内を流通する作動流体は、開口部を通過する過程で被集光部周辺の熱を回収することになる。このため、上記受熱装置であれば、被集光部に太陽光を当てるために断熱材に不可避的に形成される開口部から外部への放熱が可及的に抑制される。よって、上記受熱装置は、太陽光が集光される部分に設置される作動流体の経路のうち太陽光が当たる部分からの放熱を抑制することが可能である。

なお、前記第２の経路は、前記第１の経路へ繋がっていてもよい。第２の経路が第１の経路へ繋がっていれば、第２の経路内を流通する作動流体が開口部を通過する過程で予熱された後、第１の経路へ流れることになるため、受熱装置全体の熱回収効率が高まる。

また、前記第２の経路は、前記第１の経路と平行に配置されており、前記開口部内においては前記第１の経路の背後を通過するように形成されていてもよい。第２の経路が第１の経路の背後を通過するように形成されていれば、第１の経路に当たる前の太陽光に第２の経路が干渉することが無い。よって、第１の経路を流通する作動流体が太陽熱を十分に吸収することが可能である。

また、前記第１の経路および前記第２の経路は、管材の内部を長手方向に沿って２分割することによって各々形成されており、前記被集光部は、前記第１の経路の途中に部分形成された管材の開放部分の前後において前記第１の経路を遮るように配置される半円状の管板および前記管板に接合される細管によって形成されていてもよい。上記受熱装置がこのように形成されていれば、開口部内の空間を比較的小さくでき、第１の経路からの放熱を可及的に抑制することができる。

また、前記被集光部は、前記第１の経路中に複数箇所形成されていてもよい。被集光部が第１の経路中に複数個所形成されていれば、太陽光を複数個所に離散的に集光する太陽熱利用システムへの適用が容易である。

また、本発明は、太陽熱利用システムとしての側面から捉えることもできる。例えば、本発明は、太陽熱利用システムであって、上記何れかの受熱装置と、前記被集光部に太陽光を集光する反射鏡と、を備えるものであってもよい。上記受熱装置は、太陽光が集光される部分に設置される経路のうち太陽光が当たる部分からの放熱が抑制されているため、この受熱装置を反射鏡と組み合わせて太陽熱利用システムを構築することにより、熱回収効率の高いシステムを形成することができる。

上記受熱装置及び太陽熱利用システムは、太陽光が集光される部分に設置される作動流体の経路のうち太陽光が当たる部分からの放熱を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る受熱装置の斜視図の一例である。 図２は、受熱装置の内部構造を示した図の一例である。 図３は、受熱装置の各部の断面を示した図の一例である。 図４は、受熱装置の内部における作動流体、太陽光および熱の移動状態を示した図の一例である。 図５は、太陽熱利用システムに受熱装置を適用した適用例を示した図の一例である。 図６は、太陽熱利用システムを上から見た図の一例である。 図７は、線形フレネル形の太陽熱利用システムを示した図の一例である。 図８は、太陽熱利用システムを上から見た図の一例である。 図９は、トラフ形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、夏至における日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。 図１０は、トラフ形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、冬至における日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。 図１１は、線形フレネル（ＬＦ）形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。 図１２は、太陽熱利用システムの変形例を示した図の一例である。 図１３は、上記適用例と本変形例の２種類の太陽熱利用システムについて、日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。 図１４は、受熱装置の参考例を示した図の一例である。 図１５は、参考例に係る受熱装置の内部構造を示した図の一例である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であり、本発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る受熱装置の斜視図の一例である。受熱装置１は、管材２を断熱材３で覆ったものであり、図１に示すように棒状の形態を呈している。受熱装置１の一端（図１において手前側の端部）には、受熱装置１内を流通する作動流体が流入する流入口４と、作動流体が流出する流出口５とが設けられている。作動流体としては、空気や二酸化炭素、オイル、蒸気といった各種の熱輸送媒体を適用可能である。受熱装置１の他端（図１において奥側の端部）は、断熱材３で覆われている。

図２は、受熱装置１の内部構造を示した図の一例である。また、図３は、受熱装置１の各部の断面を示した図の一例である。管材２の内部は、図２や図３（Ｂ）に示されるように、管材２の長手方向に沿って延在する仕切板６によって上下に２分割されており、受熱装置１内に作動流体が流通する上下２段の流通経路を形成している。図２や図３（Ａ）に示されるように、受熱装置１の内部に形成されている上下２段の経路のうち、下側に形成されている第１の経路７は流出口５と連通しており、上側に形成されている第２の経路８は流入口４と連通している。また、仕切板６は受熱装置１の他端側で第１の経路７と第２の経路８とを連通している。よって、下側に形成されている第１の経路７には、第２の経路８を通過して管材２の端部で折り返した作動流体が流入する。第１の経路７に流入した作動流体は、流出口５から流出する。上側に形成されている第２の経路８には、流入口４から流入する作動流体が流れる。

第１の経路７の途中には、太陽光が集光される被集光部９が複数個所形成されている。被集光部９は、第１の経路７の途中に部分形成された管材２の開放部分の前後において第１の経路７を遮るように配置される半円状の管板１０および管板１０に接合される細管１１によって形成されている。図２や図３（Ｃ）に示されるように、管材２を覆う断熱材３には、第１の経路７のうち被集光部９に太陽光を当てるための開口部１２が作動流体の流れ方向に沿って複数個所に間隔をおいて設けられており、被集光部９への太陽光の照射を可能にしている。細管１１は、開口部１２内において並列に多数配置されている。よって、細管１１は、開口部１２から入射した太陽光を直接受ける。例えば、細管１１の直径を３００ｍｍとし、細管１１を８本並列させる場合、仕切板６及び管板１０の横幅や管材２の内径を概ね３０００ｍｍ程度にする。この場合、第２の経路８に流入する作動流体の平均温度が約３００℃とし、被集光部９付近の温度を約１０００℃とすれば、第１の経路７から流出する作動流体の平均温度を約６００℃程度にすることができる。受熱装置１の各部の運転温度をこのように設定する場合、断熱材３の厚みは、材質にもよるが約２００ｍｍ程度にすることが好ましい。

図４は、受熱装置１の内部における作動流体、太陽光および熱の移動状態を示した図の一例である。第１の経路７および第２の経路８は、管材２の内部を管材２の長手方向に沿って２つに仕切る仕切板６によって各々形成されている。よって、第２の経路８は、仕切板６を挟んで第１の経路７と平行な位置関係にあり、また、開口部１２において仕切板６を挟んで第１の経路７の背後を通過するように形成される状態となっている。作動流体は、管材２の一端側に配置される流入口４から第２の経路８内に流入し、管材２の他端側付近で仕切板６が途切れることにより第１の経路７と第２の経路８とを連通している部分から第１の経路７内に流入し、流出口５から流出する。よって、作動流体は仕切板６を挟んで相互に対向するように流れることになる。

被集光部９は、２つの管板１０に囲まれる部分に空洞を形成しているため、当該空洞内においては細管１１からの放射熱伝達や空気の自然対流により開口部１２から外部への放熱がある。しかしながら、本実施形態に係る受熱装置１は、第２の経路８が開口部１２において仕切板６を挟んで第１の経路７の背後を通過するように形成されている。すなわち、第２の経路８を形成している仕切板６が開口部１２内に露出している。よって、第２の経路８内を流通する作動流体が、開口部１２を通過する過程で被集光部９周辺の熱を回収する。また、第２の経路８内を流通する作動流体は、管板１０を通過して細管１１へ流れ込む過程で流路が狭まり、細管１１内では流速が速まるので熱伝達が良好になり、開口部１２の熱が効果的に作動流体へ伝わる。このため、本実施形態に係る受熱装置１であれば、被集光部９に太陽光を当てるために不可避的に形成される開口部１２から外部への放熱が可及的に抑制される。第２の経路８内を流通する作動流体は、開口部１２を通過する過程で被集光部９周辺から回収された熱によって予熱され、受熱装置１全体の熱回収効率を高めている。

なお、上記受熱装置１は、放熱量抑制のため、表面積が最小となり断熱材３や保護カバー類の施工性にも優れる外観視円柱状の形態を採用しているが、本願で開示する受熱装置はこのような形態に限定されるものでなく、例えば、管材２は方形状（いわゆる角管）であってもよいしその他の各種形態を採用してもよい。

また、上記受熱装置１は、流入口４と流出口５とが近接している。よって、例えば、高温に加熱された流出口５からの作動流体の全部または一部を流入口４側へ還流する還流弁等を設置することにより、流出口５側よりも温度の低い流入口４側の作動流体を予熱する操作を容易に行えるようにすることもできる。しかし、本願で開示する受熱装置１は、作動流体の流入口および流出口を近接させた形態に限定されるものでなく、例えば、流入口と流出口とを互いに離間させてもよい。

上記受熱装置１は、例えば、以下のような方法で製作可能である。すなわち、上記受熱装置１の製作にあたっては、例えば、受熱装置１を適用する太陽熱利用システムに規定されている太陽熱利用熱量等の設計仕様に適合する長さや耐熱性能の管材（管材２となる材料であるため、以下、「母材」という）を用意する。用意する母材は、管材２になり得るものであれば如何なるものであってもよく、パイプ状の各種部材を適用できる。母材としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やＡｌｌｏｙ８００Ｈといった耐熱性能を有する各種の材料を用いたものを適用可能である。

このような母材を用意した後は、当該母材を長手方向に沿って半分に分割して仕切板６に突き当て、その両端を溶接し、太陽光で加熱される前の作動流体が通る断面視半月形の配管を製作する。開口部１２に相当する部分には管板１０に相当する一対の半月板を用意し、開口部１２内の空洞の長さに相当する細管１１の両端に作動流体が通過する孔を設けて細管１１を溶接した後、太陽光で加熱される前の作動流体が通る上記断面視半月形の配
管の仕切板６に当該半月板を溶接する。そして、母材を半分に分割した際に生じたもう一方の部材に開口部１２となる円形の開口を作成し、太陽光で加熱される前の作動流体が通る断面視半月形の上記配管に全周溶接することにより、母材を長手方向に沿って半分に分割する前の円管の状態に戻す。その後、母材の一端を閉止する半球状の部材を全周溶接する。また、母材の他端に、流入口４および流出口５に相当する円形の開口を２つ設けた円板状の部材を全周溶着する。なお、仕切板６に溶接する各半月板は、細管１１に必要枚数取り付けられてユニット化された状態で仕切板６に一度に取り付けてもよい。また、細管１１は、半月板に突き当てた状態で溶接してもよいし、半月板の孔に挿通した状態で細管１１の端部の径を押し広げて溶接するようにしてもよい。溶接個所は、細管１１が挿通されている半月板の表面側と裏面側の何れの側であってもよい。

上記受熱装置１は、例えば、上記のような方法で製作可能であるが、本願で開示する受熱装置はこのような方法で製作されたものに限定されるものでない。本願で開示する受熱装置は、上記以外の方法で製作されたものであってもよい。

図５は、太陽熱利用システムに上記受熱装置１を適用した適用例を示した図の一例である。また、図６は、太陽熱利用システム５０を上から見た図の一例である。図５に示す破線は、太陽光を示したものである。上記受熱装置１は、例えば、本適用例に係る太陽熱利用システム５０のように、太陽光を特定の箇所に離散的に集光させるものに対して好適である。

既存の太陽熱利用システムにおいては、太陽光を効率よく集光する仕組みとして、トラフ形、線形フレネル（ＬＦ）形、タワー形、或いはディッシュ形と呼ばれるものが一般には知られている。何れも太陽運行に対する追尾機構を具備しており、名称から想起される形状に依拠した形態的特徴を有している。図７は、線形フレネル形の太陽熱利用システム１００を示した図の一例である。また、図８は、太陽熱利用システム１００を上から見た図の一例である。上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、形態的には線形フレネル形の太陽熱利用システム１００に酷似しているが、次の点で異なる。

例えば、反射鏡の構造に関し、図７や図８に示す線形フレネル形の太陽熱利用システム１００が南北方向に延在する長尺な１枚鏡の反射鏡１０１を多数配置するのに対し、図５や図６に示す上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、小型の反射鏡５１を多数配置している。

また、受熱管（受熱装置）の配置に関し、線形フレネル形の太陽熱利用システム１００が受熱管１０２を南北方向に沿って反射鏡１０１と平行配置するのに対し、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、受熱装置１を長手方向が東西方向となるように配置する。すなわち、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、受熱装置１の長手方向が反射鏡５１の長手方向に対して直交するように受熱装置１を配置している。よって、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、例えば、「クロスリニア集光形」と称することができる。

また、受熱管（受熱装置）に関し、線形フレネル形の太陽熱利用システム１００が受熱管１０２の全長に亘って太陽光を集光しているのに対し、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、反射鏡５１の配置列数と等しい数だけ離散的に太陽光を受熱装置１に集光している。

上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、小型の反射鏡５１を多数配置しており、また、太陽光を受熱装置１に離散的に集光しているため、次のような特徴を有する。すなわち、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、小型の反射鏡５１を多数配置するこ
とから、太陽を追尾する装置類を小型化、軽量化可能である。

また、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、小型の反射鏡５１を多数配置しており、南北方向にも太陽追尾が可能であるため、比較的高緯度の地区においても高効率の集光効率を発揮することができる。この特徴は特に冬至において顕著になる。冬至には地上から見た太陽の高さが低くなるが、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、各反射鏡５１の列方向（南北方向）に動かすことができるので、受熱装置１への太陽光の入射角を受熱装置１の長手方向に対して概ね直交させることができる。よって、各反射鏡５１を、太陽光を迎えて受熱装置１へ方光するように角度調整することで、夏至のみならず冬至においても高い集光性能を図ることができる。図９は、トラフ形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、夏至における日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。また、図１０は、トラフ形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、冬至における日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。図９のグラフと図１０のグラフとを比較すると明らかなように、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、夏至および冬至の何れにおいても高い集光効率を発揮していることが判るが、冬至において特に高い集光効率を発揮していることが判る。上記適用例のこのような効果は、北緯が高いほど顕著に現れ、他方式に比べて集光効率の差が大きくなる。

また、太陽光が離散的に集光されているため、放熱の比較的少ない受熱装置１を用いることができ、結果として受熱効率が高い。図１１は、線形フレネル（ＬＦ）形と上記適用例の２種類の太陽熱利用システムについて、日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。図１１のグラフから明らかなように、上記適用例の太陽熱利用システム５０は、線形フレネル形の太陽熱利用システム１００に比べて集光エネルギーのピークが高い。この理由には様々な要素が影響していることは否定できないが、上記受熱装置１には断熱材３が備わっているが故に放熱が抑制され、線形フレネル形の太陽熱利用システム１００に備わっている受熱管１０２よりも高い温度領域で作動流体が流れることで、高い集光エネルギーを発揮すると推察される。

なお、上記受熱装置１を適用する太陽熱利用システム５０は、例えば、次のように変形してもよい。図１２は、太陽熱利用システム５０の変形例を示した図の一例である。本変形例に係る太陽熱利用システム５０は、反射鏡５１の配置が異なっている。すなわち、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、各列の反射鏡５１が等間隔に並んでいた。しかし、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０は、例えば、図１２に示すように、受熱装置１からの距離に応じて反射鏡５１同士の間隔が広がるように各反射鏡５１を配置してもよい。各反射鏡５１は、受熱装置１からの距離が離れるに従い、地表面に対する受熱装置１の仰角が小さくなって隣接する反射鏡５１が反射光の障害になりやすくなる。しかし、図１２に示すように、受熱装置１からの距離に応じて反射鏡５１同士の間隔が広がるように各反射鏡５１を配置すれば、隣接する反射鏡５１が反射光の障害になりにくいため、集光エネルギーのピークを高めることができる。

図１３は、上記適用例と本変形例の２種類の太陽熱利用システムについて、日中の集光エネルギーの変化を示したグラフの一例である。図１３のグラフから明らかなように、上記適用例に係る太陽熱利用システム５０を変形し、各反射鏡５１を受熱装置１からの距離に応じて反射鏡５１同士の間隔が広がるように配置すると、集光エネルギーのピークを更に高めることができる。

図１４は、受熱装置の参考例を示した図の一例である。上記太陽熱利用システム５０に適用可能な受熱装置としては、例えば、図１４に示すような受熱装置２０も考えられる。図１５は、参考例に係る受熱装置２０の内部構造を示した図の一例である。本参考例に係る受熱装置２０は、長手方向の一端側から流入した作動流体が細管３１を通過し、長手方
向の他端側から流出する形態を採っている。受熱装置２０の筐体２２には、筐体２２内部の細管３１に太陽光を当てるための開口部３２が離散的に形成されている。細管３１は、開口部３２から入射した太陽光を直接受ける。

上記太陽熱利用システム５０に適用可能な受熱装置としては、例えば、このような受熱装置２０も考えられる。しかし、本参考例に係る受熱装置２０には、上記実施形態に係る受熱装置１のように作動流体を予熱し、開口部３２から外部への放熱を抑制する手段が存在しない。この点、上記実施形態に係る受熱装置１は、作動流体を予熱し、開口部３２から外部への放熱を抑制する手段が存在するので、本参考例に係る受熱装置１に比べると熱回収効率が優れる。

１，２０・・受熱装置；２・・管材；２２・・筐体；３・・断熱材；４・・流入口；５・・流出口；６・・仕切板；７・・第１の経路；８・・第２の経路；９・・被集光部；１０・・管板；１１，３１・・細管；１２，３２・・開口部；５０，１００・・太陽熱利用システム；５１，１０１・・反射鏡；１０２・・受熱管

Claims (6)

1. 作動流体が流通する第１の経路と、
   前記第１の経路を内包しており、前記第１の経路のうち太陽光が集光される被集光部に前記太陽光を当てるための開口部が設けられた断熱材と、
   前記第１の経路と共に前記断熱材に内包される作動流体の経路であり、前記開口部を通過する過程で前記被集光部周辺の熱を回収する作動流体が流通する第２の経路と、を備える、
   受熱装置。
2. 前記第２の経路は、前記第１の経路へ繋がっている、
   請求項１に記載の受熱装置。
3. 前記第２の経路は、前記第１の経路と平行に配置されており、前記開口部内においては前記第１の経路の背後を通過するように形成されている、
   請求項１または２に記載の受熱装置。
4. 前記第１の経路および前記第２の経路は、管材の内部を長手方向に沿って２分割することによって各々形成されており、
   前記被集光部は、前記第１の経路の途中に部分形成された管材の開放部分の前後において前記第１の経路を遮るように配置される半円状の管板および前記管板に接合される細管によって形成されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載の受熱装置。
5. 前記被集光部は、前記第１の経路中に複数箇所形成されている、
   請求項１から４の何れか一項に記載の受熱装置。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の受熱装置と、
   前記被集光部に太陽光を集光する反射鏡と、を備える、
   太陽熱利用システム。

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