JP2015094533A - 集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】集熱効率の低下に伴う集熱器と設置面積の増大、保守人員の増加を防ぐことが可能な集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器を提供する。【解決手段】曲面の反射鏡により太陽光を集光し、集光した光により集熱管を加温し、熱媒体に受熱するトラフ型太陽光集熱器において、反射鏡および集熱管部分を密閉するカバーであって、光を透過する材料で形成されたカバーと、該カバー表面の汚濁を洗浄する洗浄装置と、該洗浄装置を集光部から集光部外部まで移動させる移動手段を有する。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、太陽熱エネルギーを利用する太陽光集熱器に関する。

近年、地球温暖化の原因物質である二酸化炭素排出量の削減が指向される中、化石燃料に替り再生可能エネルギーの利用が求められている。その一環として、太陽光集熱器を用いて、太陽熱を熱源に利用するシステムが注目されている。例えば発電システムへの適用例として、集熱器を用いて太陽熱により発生させた蒸気で蒸気タービンを駆動し発電する技術（特許文献１）や、ガスタービン出力上昇のための吸気冷却に使用する温水を太陽熱で発生させる技術（特許文献２）などの例がある。その他の技術分野でも、農業用ビニルハウス加熱源や、工場利用熱源、家庭用熱源への適用がある。

太陽光集熱器の技術としては、曲面鏡の前に設置した集熱管に太陽光を集光させ熱媒体を加熱するトラフ型や、ヘリオスタットと呼ばれる複数の平面鏡で反射させた太陽光をタワーに集光させるタワー型など、種々の方式が存在する。

特開2008-39367号 ＷＯ2013/124899Ａ1 特開2012-122642号

前述の太陽光集熱器を利用したシステムでは、膨大な反射鏡が必要となる。例えば、出力５０ＭＷの発電設備の場合、集熱装置の設置面積として１.２平方キロメートルが必要と言われている。この設備面積を可能な限り縮小することが、コスト、保守の面から求められる。そのためには、太陽光の持つ熱量に対する集熱量の割合、すなわち集熱効率を高く維持することが重要である。現状の反射鏡による集熱では、集熱効率は50%前後である。

ここで、太陽光を用いる集熱器の汚濁が問題となる。太陽光集熱器は当然屋外に設置されるため、反射鏡あるいは集熱管が時間とともに汚濁することが避けられない。この汚濁により、集熱効率は5%以上低下することがあり、相対的に鏡面の10%が失われるに等しい性能低下となる。汚濁による集熱効率低下を許容して性能を維持するためには、設備面積に10%の裕度を持たせる必要があり、設備、土地コストの増大につながる。

このような集熱器の汚濁を防ぐ対策として、鏡面、あるいは集光管の表面を洗浄する技術が考えられている。しかし、トラフ型集熱器の曲面鏡は、その形状を保持するための筐体、柱、ワイヤーなどの部材が鏡前面に設置されることが多い。このため、洗浄用の器具や装置を設置した場合、洗浄用の器具や装置が、筐体、柱、ワイヤーなどの部材と干渉しやすく、洗浄の自動化が難しい。そのため、例えば、特許文献３では、トラフ型集熱器の外縁部から空気噴霧し、鏡面の砂塵などの埃を除去する技術が提案されている。しかし、この方法では付着性の強い汚濁の除去が困難である。付着性の強い汚濁の除去には、汚濁面の近傍からの水噴射、あるいはブラッシングなどの洗浄が求められるが、現状、人力による洗浄が必要であり、膨大な反射鏡に対応することは難しい。

本発明の目的は、集熱効率の低下に伴う集熱器と設置面積の増大、保守人員の増加を防ぐことが可能な集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器は、反射鏡および集熱管部分を密閉するカバーであって、光を透過する材料で形成されたカバーと、該カバー表面の汚濁を洗浄する洗浄装置と、該洗浄装置を集光部から集光部外部まで移動させる移動手段を有する。

また、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器は、好ましくは、現時点の受熱量と、記憶された過去の受熱量との比、および／または、計画された受熱量との比を計算し、該受熱量の比が一定値を下回った場合に洗浄装置の起動指令を発信する制御装置を有する。

また、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器は、好ましくは、鏡面日射量と外部日射量の比を計算し、該日射量の比が一定値を下回った場合に洗浄装置の起動指令を発信する制御装置を有する。

本発明によれば、トラフ型集熱器の課題であった洗浄装置と集熱器の部材が干渉することなく、付着性の強い汚濁も除去でき、自動洗浄が可能な機構を提供でき、設置面積、保守人員の低減を図ることができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の側面図を示す図（図１ＢのＢ-Ｂ矢視図）である。 本発明の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の正面図を示す図（図１ＡのＡ-Ａ断面図）である。 本発明の実施例における集光部とカバーの構成例を示す斜視図である。 図２Ａにおけるカバーを取り外した斜視図である。 本発明の他の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の側面図を示す図（図３ＢのＢ-Ｂ矢視図）である。 本発明の他の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の正面図を示す図（図３ＡのＡ-Ａ断面図）である。 本発明の他の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の側面図を示す図（図４ＢのＢ-Ｂ矢視図）である。 本発明の他の実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例の正面図を示す図（図４ＡのＡ-Ａ断面図）である。 本発明の実施例の制御用設備の構成例を示す図である。 図５Ａに示す制御用設備の構成例に用いられる制御ロジックの例を示す図である。 本発明の他の実施例の制御用設備の構成例を示す図である。 図６Ａに示す制御用設備の構成例に用いられる制御ロジックの例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、本実施例の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の構成例を示す。
太陽光を反射、集光するよう曲面構造を持つ鏡面１と、鏡面１を保護する外殻２が、架台３に設置される。鏡面１からの集光点には、集熱管兼回転軸４が設置される。集熱管兼回転軸４の管中には熱媒体が流通し、集光された太陽光の熱を吸収する。同時に集熱管兼回転軸４は、回転軸架台５に支持され回転可能となっており、時間とともに移動する太陽の方向に鏡面を指向させることが可能になっている。

鏡面１、外殻２、集熱管兼回転軸４より構成される集光部は、光透過カバー６および側面カバー７によって、密閉される構成となっている。
図２Ａ及び図２Ｂに集光部のみを取り出した構成図を示す。曲面である鏡面１の上部には、鏡面１、外殻２、集熱管兼回転軸４を固定、支持し形状を保つための支柱１４、ワイヤー１５が設置されている。これらの部材は、太陽光の集光焦点を保つために必須な設備であるが、鏡面１の前面に多数の部材が設置されるため鏡面１の洗浄を困難にしている。

本実施例では、集光部全体が光透過カバー６、側面カバー７により密閉されている。太陽光は、光透過カバー６を通過して鏡面１に達し、集光される。そのために、光透過カバー６は透明であり、光を透過できる材料が選択される。このような材料として、ガラス類、例えば屋外用強化ガラス、あるいは樹脂類、例えば紫外線劣化に耐性があるポリカーボネートなどが使用可能である。光透過カバー６は本実施例では水平面の形状としている。これは、通過する太陽光の屈折を防ぐためである。しかし、光透過カバー６の形状を曲面として、レンズ効果を加える構成も、もちろん取りうる。側面カバー７は、光不透過の材料も採用でき、また、太陽仰角が低く側面カバー７を太陽光が通過するような場所では、光透過カバー６と同じく透明な材料を採用することも可能である。この構成により、鏡面１、集熱管兼回転軸４の汚濁は防止され、汚濁は光透過カバー６に発生する。

次に、図１Ａ及び図１Ｂにより集光部の洗浄機構を説明する。汚濁する水平な光透過カバー６を洗浄するため、本実施例では移動型スプレー洗浄機８を採用している。スプレー洗浄機８は、光透過カバー６の近傍から噴射水９を噴射し、カバー表面の汚濁を除去する。近傍から水噴射することにより、砂塵などの埃に加え、付着性の強い汚濁も除去可能となる。スプレー洗浄機８は、集光部の上を移動レール１０に沿って移動可能である。この時、移動チェーン用モータ１２を駆動し、移動チェーン１１によりスプレー洗浄機８を牽引、移動させる。洗浄終了後、スプレー洗浄機は、光を遮らず、集光部が回転する妨げとならない待機位置１３に移動し、次の洗浄動作まで待機する。この構成により、人力を用いずに集光部を自動洗浄することが可能になり、集熱効率の低下を効果的に防止できる。

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の他の構成例を説明する。実施例１中で既に説明した、図１と同一の符号を付された構成については、説明を省略する。
図３Ａ及び図３Ｂの構成では、洗浄機構として移動型ブラシ洗浄機１６が設置されている。ブラシ洗浄機１６はブラシ回転用モータ１７により回転し、光透過カバー６の表面を摩擦することにより汚濁を除去する。ブラシ洗浄機１６が、移動チェーンに牽引され、移動レール１０上を移動し、光透過カバー６全体を洗浄する。洗浄終了後、ブラシ洗浄機は、光を遮らず、集光部が回転する妨げとならない待機位置１８に移動し、次の洗浄動作まで待機する。図３Ａ及び図３Ｂでは、ブラシ洗浄機１６のみを示したが、実施例１のスプレー洗浄機、あるいは他の洗浄装置と組み合わせて設置し、洗浄効果を向上する構成も、もちろん取りうる。この構成によっても、人力を用いずに集光部を自動洗浄することが可能になり、集熱効率の低下を効果的に防止できる。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の他の構成例を説明する。実施例１中で既に説明した、図１と同一の符号を付された構成については、説明を省略する。
図４Ａ及び図４Ｂの構成では、洗浄機構として移動型ワイパー洗浄機１９が設置されている。ワイパー洗浄機１９は光透過カバー６の表面を摩擦することにより汚濁を除去する。ワイパー洗浄機１９が、移動チェーンに牽引され、移動レール１０上を移動し、光透過カバー６全体の汚濁を除去する。洗浄終了後、ワイパー洗浄機は、光を遮らず、集光部が回転する妨げとならない待機位置２０に移動し、次の洗浄動作まで待機する。図４Ａ及び図４Ｂでは、ワイパー洗浄機１９のみを示したが、実施例１のスプレー洗浄機、あるいは他の洗浄装置と組み合わせて設置し、洗浄効果を向上する構成も、もちろん取りうる。この構成によっても、人力を用いずに集光部を自動洗浄することが可能になり、集熱効率の低下を効果的に防止できる。

図５Ａ及び図５Ｂを参照して、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の制御用設備と制御ロジックの例を説明する。実施例１中で既に説明した、図１と同一の符号を付された構成については、説明を省略する。

図５Ａに示した、実施例１と同様の構成を持つ、集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器には、自動洗浄の制御を実現するための計測端が設置されている。計測端は、集熱管４内を流通する熱媒体の流量を計測する熱媒体流量計２１、集光部の入口および出口における熱媒体の温度を計測する熱媒体入口温度計２２、出口温度計２３である。

これらの計測端の計測値より、自動洗浄の起動指令を発する制御ロジックを、図５Ｂに示す。
熱媒体の出口温度Ｔ２と入口温度Ｔ１の差より、昇温幅を計算する。この昇温幅と、熱媒体流量Ｆ１、熱媒体比熱Ｃｐより、受熱量を計算する。受熱量は、逐次、受熱量記憶値として記憶装置に保存される。集光部の光透過カバー６表面で汚濁が進むと、透過する日射量が低下し、受熱量が減少する。現在の受熱量と、任意の時間前の過去受熱量の比を計算し、本実施例では受熱量の比が0.9未満、すなわち10%以上低下した場合に自動洗浄起動指令を発し、それ以外では一定時間待機後に再び判断処理を開始する。過去の受熱量を、装置の最大受熱量値とするために、前回の洗浄直後の受熱量を過去受熱量として記憶、使用することもできる。また、別の方法として、現在の受熱量と計画値の比を計算し、受熱量の比が0.9未満、すなわち10%以上低下した場合に自動洗浄起動指令を発する構成も取りうる。また、起動指令の判断として、受熱量の比の値は0.9以外に、0以上1.0未満で任意に取りえることは言うまでもない。
この制御により、集光部を自動的に洗浄し、集熱効率を一定以上に維持する効果が得られる。

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本発明の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器の制御用設備と制御ロジックの他の例を説明する。実施例１中で既に説明した、図１と同一の符号を付された構成については、説明を省略する。

図６Ａに示した、実施例１と同様の構成を持つ、集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器には、自動洗浄の制御を実現するための計測端が設置されている。計測端は、鏡面１表面における日射量を計測する鏡面日射強度計２４と、装置外に設置された外部日射強度計２５である。光透過カバーの表面が汚濁した場合、外部日射強度計２５の計測値に対し、集光部内部の鏡面日射強度計２４の計測値が小さくなる。図６Ｂに示した制御ロジックでは、鏡面日射強度の外部日射強度に対する比が、0.9未満に低下した場合に自動洗浄起動指令を発し、それ以外では一定時間待機後に再び判断処理を開始する。起動指令の判断として、鏡面日射強度の外部日射強度に対する比の値は、0.9以外に、0以上1.0未満で任意に取りえることは言うまでもない。
本実施例の制御を採用すれば、日射強度の時間変化が大きい土地においても、常時、汚濁の程度を判断可能である。この制御により、集光部を自動的に洗浄し、集熱効率を一定以上に維持する効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１・・・鏡面（曲面の反射鏡）
２・・・外殻
３・・・架台
４・・・集熱管兼回転軸
５・・・回転軸架台
６・・・光透過カバー
７・・・側面カバー
８・・・移動型スプレー洗浄機
９・・・噴射水
１０・・・移動レール
１１・・・移動チェーン
１２・・・異動チェーン用モータ
１３・・・移動型スプレー洗浄機待機位置
１４・・・支柱
１５・・・ワイヤー
１６・・・移動型ブラシ洗浄機
１７・・・ブラシ回転用モータ
１８・・・移動型ブラシ洗浄機待機位置
１９・・・移動型ワイパー洗浄機
２０・・・移動型ワイパー洗浄機待機位置
２１・・・熱媒体流量計
２２・・・熱媒体入口温度計
２３・・・熱媒体出口温度計
２４・・・鏡面日射強度計
２５・・・外部日射強度計

Claims (7)

1. 曲面の反射鏡により太陽光を集光し、集光した光により集熱管を加温し、熱媒体に受熱するトラフ型太陽光集熱器であって、
   反射鏡および集熱管部分を密閉するカバーであって、光を透過する材料で形成されたカバーと、
   前記カバー表面の汚濁を洗浄する洗浄装置と、
   前記洗浄装置を前記トラフ型太陽光集熱器の集光部から集光部外部まで移動させる移動手段を有することを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
2. 請求項１に記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記カバーの材料が、ガラスあるいは光透過性樹脂であることを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
3. 請求項１に記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記洗浄装置が、前記カバーの表面を洗浄する洗浄水を噴射するスプレー洗浄機であることを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
4. 請求項１に記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記洗浄装置が、前記カバーの表面を接触洗浄するブラシ型洗浄機であることを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
5. 請求項１に記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記洗浄装置が、前記カバーの表面を摩擦洗浄するワイパー型洗浄機であることを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
6. 請求項１から５の何れかに記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記集熱管内部を流通する熱媒体の流量を計測する流量計と、前記熱媒体の入口温度および出口温度を計測する温度計と、前記流量計および前記温度計の計測値データを入力とする制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記熱媒体流量と前記熱媒体の入口温度および出口温度から、前記トラフ型太陽光集熱器の受熱量を計算する計算手段と、前記受熱量を記憶する記憶装置、および／または、予め計画された受熱量データを記憶する記憶装置と、現時点の前記受熱量と、前記記憶された過去の受熱量との比、および／または、前記計画された受熱量との比を計算し、前記受熱量の比が所定値を下回った場合に前記洗浄装置の起動指令を発信する判断装置とを有することを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。
7. 請求項１から５の何れかに記載の集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器において、
   前記カバーの内側の前記反射鏡の鏡面における日射量を計測する日射量計と、前記トラフ型太陽光集熱器装置外部の日射量を計測する日射量計と、前記日射量計の計測値データを入力とする制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記鏡面の日射量と前記外部の日射量の比を計算する計算手段と、前記日射量の比が所定値を下回った場合に前記洗浄装置の起動指令を発信する判断装置を有することを特徴とする集光部洗浄機構を持つトラフ型太陽光集熱器。

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