JP2015215095A

JP2015215095A - 太陽熱集熱システム及びその制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2015215095A
Application number: JP2014096132A
Authority: JP
Inventors: 功一後藤; Koichi Goto; 高橋　政彦; Masahiko Takahashi; 政彦高橋; 山下　勝也; Katsuya Yamashita; 勝也山下; 信雄沖田; Nobuo Okita
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-07
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Abstract

【課題】熱媒体の性状の劣化を効果的に防止する事が可能な太陽熱集熱システム及びその制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】一の実施形態によれば、太陽熱集熱システムは、太陽光線により熱媒体を加熱する集熱器と、前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器とを具備する。さらに、前記システムは、前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させるための配管を具備する。さらに、前記システムは、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記熱媒体の温度を、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記配管の最初の屈曲部分よりも上流で計測する温度センサと、前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体の加熱を制御する制御部とを具備する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、太陽熱集熱システム及びその制御装置及び制御方法に関する。

図７及び図８はそれぞれ、従来の集熱器１の構造を示す斜視図及び断面図である。符号Ｘ及びＹは、互いに垂直な水平方向を示し、符号Ｚは、鉛直方向を示す。図８は、図７に示す集熱器１の一断面を示している。

図７及び図８に示す集熱器１は、太陽光線Ｓ₁から太陽熱を集熱する太陽熱集熱システム内に設置されている。一般に太陽熱集熱システムにはトラフ型、フレネル型、タワー型等の種類があるが、この太陽熱集熱システムはトラフ型である。

集熱器１は、集熱管２と、反射鏡３と、透明管４と、支柱５とを具備している。符号１１は、太陽熱集熱システム内の配管を示す。配管１１は、複数本の分岐管１１ａを含んでおり、集熱管２は、これらの分岐管１１ａの一部分を構成している。図８は、１本の集熱管２及び１枚の反射鏡３の断面を示している。

反射鏡３は、図７に示すように、水平方向に長い曲面状の形状を有している。反射鏡３の長手方向に垂直な断面の形状は、図８に示すように、放物線である。集熱器１は、地面Ｇに設置されている。集熱器１は、太陽光線Ｓ₁がこの放物線の中心軸（焦点と頂点とを結ぶ直線）と平行になるように、反射鏡３を回転駆動させる。即ち、反射鏡３は、太陽の高度の変化に応じて回転する事で、太陽を追尾する。

集熱管２は、反射鏡３の水平軸と平行に配置された管であり、反射鏡３の（放物線の）焦点位置に設置されている。よって、反射鏡３の中心軸が太陽光線Ｓ₁と平行に設定されている場合、太陽光線Ｓ₁は、反射鏡３で反射され集熱管２の位置に集光される。符号Ｓ₂は、太陽光線Ｓ₁の反射光を示す。集熱管２は、例えば金属管である。

反射鏡３の回転中心は、反射鏡３の焦点に一致する場合もあるし、反射鏡３の焦点に一致しない場合もある。図８では、反射鏡３の回転中心は支柱５の先端であり、反射鏡３は矢印Ａ₁のように回転する。集熱管２と反射鏡３は連結され一体化されているため、反射鏡３が回転すると、それに合わせて集熱管２も矢印Ａ₂のように回転移動する。また、集熱管２と反射鏡３が連結され一体化されているため、集熱管２の回転移動中心は、反射鏡３の回転中心と同一である。よって、集熱管２の周方向位相の観点では、集熱管２上における反射鏡３に最も近い表面場所は、反射鏡３が回転しても変わらない。

図９は、従来の集熱器１の構造を示す拡大断面図である。

集熱管２の内部には、熱媒体６が流通している。熱媒体６は、例えば油である。熱媒体６は、集熱管２の一方の端から流入し、集熱管２の他方の端から流出する。熱媒体６は、集光された反射光Ｓ₂により加熱される。

集熱管２における反射鏡３と隣接する部分、即ち、集熱管２における反射光Ｓ₂が集光される部分は、透明管４の中に設置されている。透明管４は、例えばガラス管である。集熱管２と透明管４との間の空間は、真空７である事が望ましい。ただし、集熱管２と透明管４との間のシール構造の都合上、集熱管２と透明管４との間には空気が存在する場合もある。

図１０は、従来の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図１０の太陽熱集熱システムは、上述の集熱器１と、上述の配管１１と、温度感知部１２ａを有する温度センサ１２と、ポンプ１３と、加熱器１４と、制御部１５とを具備している。

集熱器１により加熱された熱媒体６は、配管１１を介してポンプ１３により加熱器１４に搬送され、加熱器１４内で被加熱流体１６を加熱する。例えば、太陽熱集熱システムが太陽熱発電所の場合には、被加熱流体１６の例は、蒸気タービンの作動流体である。加熱器１４から排出された熱媒体６は、配管１１を介して集熱器１に再び搬送される。このように、図１０の太陽熱集熱システム内の熱媒体６は、集熱器１と加熱器１４との間を配管１１を介して循環する。

熱媒体６が充分に高温になると、熱媒体６の性状が熱変性により劣化し、熱媒体６としての機能が低下する。そのため、太陽熱集熱システムでは熱媒体６の許容上限温度が定められており、熱媒体６の温度を許容上限温度よりも低く設定して太陽熱集熱システムを運転する。例えば、熱媒体６が油である場合には、油の種類によって異なるが、熱媒体６の許容上限温度は、熱媒体６の温度の余裕度を持たせて３００〜３５０℃程度に定められる事が多い。

熱媒体６の流路の内、熱媒体６が最も高温になる箇所は、一般に集熱器１の出口Ｅ₁である。集熱器１の出口Ｅ₁とは、各集熱管２における最終段の反射鏡３の最後尾の箇所である。熱媒体６の温度は、熱媒体６が集熱器１の出口Ｅ₁から遠ざかるほど低下する。ただし、図１０の太陽熱集熱システムにおいては、集熱器１の出口Ｅ₁よりも下流の配管１１が保温材で覆われているため、集熱器１の出口Ｅ₁よりも下流での熱媒体６の温度低下は少ない。
図１０の温度感知部１２ａは、配管１１内の点Ｐに設置されている。点Ｐを、温度センサ１２の温度計測位置と呼ぶ。図１０の温度計測位置Ｐは、集熱器１の出口Ｅ₁から遠く離れている。そのため、配管１１が保温材で覆われていても、熱媒体６の温度は、集熱器１の出口Ｅ₁から温度計測位置Ｐに至るまでに少し低下する。そこで、図１０の太陽熱集熱システムにおける許容上限温度は、上記の許容上限温度の例（３００〜３５０℃程度）に比べて、低く定める事が望ましい。

温度センサ１２は通常、熱媒体６の温度を正確に計測するために、集熱管２の内部に充分に差し込まれている。温度センサ１２は例えば熱電対であり、その温接点（温度感知部１２ａ）である先端は通常、集熱管２の中心軸付近に位置している。なお、図１０の温度センサ１２は、温度センサ１２の信号線を含めて図示されている。

熱媒体６の温度が許容上限温度を越えた場合、制御部１５は、反射鏡３を回転駆動させて、反射鏡３の中心軸を太陽光線Ｓ₁と非平行にする。これにより、反射光Ｓ₂が集光される位置が反射鏡３の焦点位置でなくなり、かつ、反射光Ｓ₂のすべてが同じ位置に集光する状態ではなくなる。しかしながら、集熱管２の形状は線ではなく太さを有する円柱であるため、反射鏡３の回転角度がわずかであると、反射光Ｓ₂が集熱管２の表面のどこかに当たり、集熱管２が加熱される事になる。そのため、制御部１５は、反射光Ｓ₂が集熱管２に集光されなくなる角度まで、反射鏡３を回転駆動させる。その結果、集熱管２の加熱は充分に小さくなり、熱媒体６の温度は許容上限温度よりも低くなる。

なお、以上の説明は、トラフ型の太陽熱集熱システムを想定しているが、フレネル型やタワー型の太陽熱集熱システムでも同様に成立する。

特開２０１２−１２７６０７号公報

図９に示すように、反射光Ｓ₂は、集熱管２の反射鏡３に近い側の表面に当たる。集熱管２は、金属製である事が多い。そのため、集熱管２の表面の内、反射鏡３に近い側の表面は反射光Ｓ₂により加熱されるが、反射鏡３の反対側の表面は集熱管２を伝導してきた熱により加熱される。よって、集熱管２の温度は、反射鏡３に近い側がより高く、反射鏡３の反対側がより低い。

集熱管２内を流れる熱媒体６は、集熱管２の内壁から加熱される。よって、熱媒体６の内、反射鏡３に近い領域Ｒ₁の熱媒体６がより大きく加熱され、反射鏡３から遠い領域Ｒ₂の熱媒体６がより小さく加熱される。図９では、領域Ｒ₁が斜線で示されている。

しかしながら、熱媒体６の流量が充分に大きい場合には、熱媒体６の管内流速が大きく熱媒体６が充分に撹拌されるため、図９に示す集熱管２の断面における熱媒体６の温度分布は一様に近い。

集熱器１が太陽光線Ｓ₁、Ｓ₂から受ける熱量は、太陽高度や天候により変化する。そのため、加熱器１４は、熱媒体６により被加熱流体１６を加熱するための熱量を、熱媒体６の流量の増減に応じて調節する。

集熱器１が太陽光線Ｓ₁、Ｓ₂から受ける熱量が大きいが、熱媒体６の流量が小さい場合には、熱媒体６は充分には撹拌されず温度成層化する。そのため、集熱管２の断面における熱媒体６の温度分布は非一様になる。即ち、集熱管２の断面において、熱媒体６の温度は、反射鏡３に近い領域Ｒ₁でより高く、反射鏡３から遠い領域Ｒ₂でより低くなる。

集熱管２よりも下流の配管１１、即ち、反射光Ｓ₂により加熱される部分よりも下流の配管１１に屈曲部分１１ｂがあると、配管１１内を流れる熱媒体６は屈曲部分１１ｂで撹拌される。この場合、屈曲部分１１ｂよりも上流の配管１１の断面では、熱媒体６の温度分布は非一様であるが、屈曲部分１１ｂよりも下流の配管１１の断面では、熱媒体６の温度分布は一様に近い。

よって、屈曲部分１１ｂよりも下流に温度感知部１２ａを設置すれば、配管１１のどの場所に温度感知部１２ａを設置しても、ほぼ同じ温度計測値を得る事ができる。この場合の温度計測値は、屈曲部分１１ｂよりも上流の配管１１の各断面における熱媒体６の平均温度に近い。

例えば、集熱管２の下流の配管１１にボールジョイントが設置されており、ボールジョイントよりも下流の配管１１が移動しないように構成されている場合、ボールジョイントの設置に伴い配管１１に屈曲部分１１ｂが設けられる。この場合、図１０に示すように温度計測位置Ｐが屈曲部分１１ｂよりも下流に位置する場合には、温度計測位置Ｐにおける熱媒体６の温度分布は一様に近い。

しかしながら、熱媒体６が充分に撹拌された下流位置における計測温度が許容上限温度以下であっても、屈曲部分１１ｂよりも上流位置（例えば集熱器１の出口Ｅ₁）における熱媒体６の温度が局所的に許容上限温度を越えている場合があり得る。具体的には、熱媒体６の温度は、反射鏡３に近い領域Ｒ₁で許容上限温度を越えている場合があり得る。

熱媒体６の温度が一部で局所的に許容上限温度を越えている場合、その部分で熱媒体６の性状が劣化する。よって、温度センサ１２の計測温度が許容上限温度以下であっても、熱媒体６の性状が劣化する可能性がある。例えば、温度センサ１２の計測温度が許容上限温度と等しい場合には、集熱器１の出口Ｅ₁におけるいずれかの部分で熱媒体６の温度が許容上限温度を越えている事となる。

そこで、本発明は、熱媒体の性状の劣化を効果的に防止する事が可能な太陽熱集熱システム及びその制御装置及び制御方法を提供する事を課題とする。

一の実施形態によれば、太陽熱集熱システムは、太陽光線により熱媒体を加熱する集熱器と、前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器とを具備する。さらに、前記システムは、前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させるための配管を具備する。さらに、前記システムは、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記熱媒体の温度を、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記配管の最初の屈曲部分よりも上流で計測する温度センサと、前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体の加熱を制御する制御部とを具備する。

第１実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。第１実施形態の集熱器の構造を示す断面図である。第１実施形態の集熱器の構造を示す別の断面図である。第１実施形態の太陽熱集熱システム内の熱媒体温度の例を示すグラフである。第１実施形態の変形例の集熱器の構造を示す断面図である。第２実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。従来の集熱器の構造を示す斜視図である。従来の集熱器の構造を示す断面図である。従来の集熱器の構造を示す拡大断面図である。従来の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。本実施形態の太陽熱集熱システムの構成については、図７〜図１０に示す構成との相違点を中心に説明する。

図１の配管１１は、複数本の分岐管１１ａを含んでおり、集熱器１の集熱管２は、これらの分岐管１１ａの一部分を構成している。符号１１ｂは、集熱器１から加熱器１４へと向かう各分岐管１１ａの最初の屈曲部分、即ち、集熱器１の出口Ｅ₁の付近及び下流における最上流の屈曲部分を示す。

図１の太陽熱集熱システムは、複数個の温度センサ１２を具備しており、これらの温度センサ１２の温度感知部１２ａは、分岐管１１ａ内に設置されている。具体的には、温度感知部１２ａは、集熱器１から加熱器１４へと向かう分岐管１１ａ内に設置され、かつ、最初の屈曲部分１１ｂよりも上流に設置されている。図１は、温度感知部１２ａが、集熱器１の出口Ｅ₁よりも下流、かつ、最初の屈曲部分１１ｂよりも上流に設置されている様子を示している。

よって、本実施形態の温度センサ１２は、集熱器１から加熱器１４へと向かう熱媒体６の温度を、集熱器１から加熱器１４へと向かう分岐管１１ａの最初の屈曲部分１１ｂよりも上流で計測する事ができる。符号Ｐは、温度センサ１２の温度計測位置を示す。温度計測位置Ｐは、集熱管２内に位置していてもよいし、集熱管２以外の分岐管１１ａ内に位置していてもよい。

また、本実施形態の制御部１５は、温度センサ１２により計測された熱媒体６の温度に基づいて、熱媒体６の加熱を制御する。具体的には、制御部１５は、図１に示すように、集熱器１の反射鏡３を回転駆動させる事により、熱媒体６の加熱を制御する。制御部１５の動作の詳細については、後述する。

図２は、第１実施形態の集熱器１の構造を示す断面図である。図２は、集熱管２の管軸方向（Ｙ方向）に垂直な断面を示している。

図２は、集熱管２内の領域の内、反射鏡３に近い領域Ｒ₁と、反射鏡３から遠い領域Ｒ₂とを示している。熱媒体６の内、反射鏡３に近い領域Ｒ₁の熱媒体６はより大きく加熱され、反射鏡３から遠い領域Ｒ₂の熱媒体６はより小さく加熱される。図２では、領域Ｒ₁が斜線で示されている。

本実施形態の温度感知部１２ａは、反射鏡３に近い領域Ｒ₁内に配置されている。このような配置を採用する理由については、後述する。このように、本実施形態の温度センサ１２は、熱媒体６の温度を、領域Ｒ₁のように、集熱管２の中心軸よりも反射鏡３に近い箇所で計測する。

図３は、第１実施形態の集熱器１の構造を示す別の断面図である。図３は、集熱管２の管軸方向（Ｙ方向）に平行な断面を示している。

本実施形態の集熱管２は、透明管４で覆われた第１部分２ａと、保温材８で覆われた第２部分２ｂとを具備している。第２部分２ｂは、第１部分２ａの下流に位置し、最初の屈曲部分１２ｂよりも上流に位置している。本実施形態の集熱管２はさらに、第１部分２ａと第２部分２ｂとの間に位置する第３部分２ｃを具備している。第３部分２ｃは、透明管４にも保温材８にも覆われていない。

符号Ｅ₁は、第１部分２ａと第３部分２ｃとの境界を示す。境界Ｅ₁は、集熱器１の出口に相当する。符号Ｅ₂は、第３部分２ｃと第２部分２ｂとの境界を示す。

第３部分２ｃは、存在しない方が望ましいが、集熱器１の施工上の理由で存在する場合がある。図３は、第３部分２ｃが存在する場合を示している。第３部分２ｃでは通常、太陽光線Ｓ₁、Ｓ₂による加熱量（受熱量）が集熱管２の表面からの放熱量よりも大きいため、第３部分２ｃの熱媒体６は加熱されている。

よって、このような集熱管２の加熱部分は、第１及び第３部分２ａ、２ｃであり、集熱管２内の熱媒体６は、第１部分２ａだけでなく、第３部分２ｃでも加熱される。よって、集熱管２が第３部分２ｃを具備する場合には、境界Ｅ₂が、集熱器１の実質的な出口に相当する。

図３は、集熱管２内における反射鏡３に近い領域Ｒ₁を示している。符号Ｒ_1Aは、第１部分２ａにおける領域Ｒ₁を示し、符号Ｒ_1Bは、第２及び第３部分２ｂ、２ｃにおける領域Ｒ₁を示している。

本実施形態の温度検知部１２ａは、領域Ｒ_1B内に配置されており、具体的には、第２部分２ｂにおける領域Ｒ₁内に配置されている。この温度検知部１２ａは、境界Ｅ₂上または境界Ｅ₂付近に配置する事が望ましい。この場合、温度センサ１２は、集熱管２内の熱媒体６の最高温度に近い温度を計測する事ができる。なお、温度検知部１２ａを、第３部分２ｃにおける領域Ｒ₁内に配置した変形例については後述する。

温度センサ１２の形状は、図３に示すように、棒状または線状でかつ屈曲している事が望ましい。これにより、領域Ｒ_1B内に位置する温度センサ１２の長さを、温度センサ１２の外径に比べて充分に長くする事ができる。その結果、温度センサ１２に対する集熱管２の温度の影響を低減する事ができる。また、温度センサ１２は集熱管２及び保温材８を貫通しているが、温度センサ１２が集熱管２を貫通している部分はシールされている。これにより、熱媒体６が集熱管２から流出する事を防止する事ができる。

図３の温度センサ１２は、温度センサ１２の信号線を含めて図示されている。本実施形態の温度検知部１２ａは集熱管２内に設置されているため、温度センサ１２の信号線が、集熱管２の回転移動に伴い移動する。この場合、信号線の断線等の不具合が発生する事が懸念される。

そこで、本実施形態では、温度センサ１２の信号線を、温度検知部１２ａの付近の配管１１から、集熱管２が回転しても移動しない配管１１まで、配管１１の表面（より詳細には、保温材８の表面）を這うように敷設する。この場合、信号線は、配管１１の各屈曲部分の付近において、張り詰めた状態ではなく、充分なたわみを有する状態で敷設される。これにより、配管１１の屈曲部分等における信号線の断線等の不具合を防止する事が可能となる。上述の最初の屈曲部分１１ｂは、このような屈曲部分の一例である。このような屈曲部分は例えば、配管１１のボールジョイント部分等に存在する。

集熱管２と透明管４は例えばそれぞれ、金属製とガラス製である。この場合、集熱管２及び透明管４の温度上昇に伴い、集熱管２と透明管４との熱伸び差が発生する。本実施形態の太陽熱集熱システムにおいては、この熱伸び差による集熱管２及び透明管４の破損を防止するための構造上の工夫がなされているが、その図示は省略した。

図４は、第１実施形態の太陽熱集熱システム内の熱媒体温度の例を示すグラフである。

図４の縦軸は、集熱管２の領域Ｒ₁内の熱媒体６の温度を示す。図４の横軸は、集熱管２の領域Ｒ₁内の点のＹ座標を示す。

図４のグラフにおいて、熱媒体６の温度は、第１部分２ａにおいてＹ座標の増加に伴い上昇する。理由は、熱媒体６が集熱器１により加熱されるからである。また、熱媒体６の温度は、第３部分２ｃにおいてもＹ座標の増加に伴い少し上昇する。理由は、熱媒体６が集熱器１の出口Ｅ₁から排出されてもなお、第３部分２ｃでは熱媒体６が太陽光線Ｓ₁、Ｓ₂により放熱量よりも大きく加熱（受熱）されるからである。そして、熱媒体６の温度は、第２部分２ｂにおいて一定になるか、ゆるやかな減少傾向に転じる。理由は、熱媒体６の加熱が終了するが、熱媒体６の放熱が保温材８により抑制されるためである。

符号Ｔ₀は、本実施形態における熱媒体６の許容上限温度を示す。本実施形態の許容上限温度Ｔ₀は、例えば制御部１５内に予め定められている。図４は、熱媒体６の温度が、第１部分２ａにおいて許容上限温度Ｔ₀を越えていく様子を示している。この場合、本実施形態の温度センサ１２により計測される熱媒体６の温度は、許容上限温度Ｔ₀を越える事となる。

そこで、本実施形態の制御部１５は、温度センサ１２により計測された熱媒体６の温度と、制御部１５内に予め定められた許容上限温度Ｔ₀とに基づいて、熱媒体６の加熱を制御する。

具体的には、制御部１５は、熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀よりも低い場合には、反射鏡３が太陽を追尾するように集熱器１の回転を制御する。この場合、反射鏡３の中心軸が太陽光線Ｓ₁と平行に維持されるため、反射光Ｓ₂が集熱管２の位置に集光され続ける。よって、集熱管２内の熱媒体６は、高効率で加熱される。

一方、制御部１５は、熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀よりも高い場合には、反射鏡３が太陽の追尾を停止し、反射鏡３の向きを集熱管２に反射光Ｓ₂を集光しない向きに設定するように集熱器１を制御する。この場合、反射鏡３の中心軸は、太陽光線Ｓ₁と非平行に設定される。

制御部１５は、熱媒体６の計測温度がＴ₀よりも低い温度からＴ₀よりも高い温度に上昇した場合には、反射光Ｓ₂が集熱管２の位置に集光されなくなる角度まで反射鏡３を回転駆動させる。その結果、熱媒体６の単位流量当たりの加熱量が太陽追尾時に比べて減少し、熱媒体６の温度が低下する。制御部１５は、熱媒体６の計測温度がＴ₀よりも高い温度からＴ₀よりも低い温度に下降した場合には、太陽の追尾を再開させる。

なお、温度センサ１２は、熱媒体６の温度を計測すると、計測された熱媒体６の温度を含む第１信号を制御部１５に出力する。また、制御部１５は、温度センサ１２から第１信号を受信すると、第１信号に含まれる熱媒体６の温度に基づいて、熱媒体６の加熱を制御するための第２信号を集熱器１に出力する。本実施形態の第２信号は、集熱器１の回転に関する指令を含んでいる。温度センサ１２と制御部１５はそれぞれ、第１及び第２信号出力部の例である。

なお、温度センサ１２と制御部１５は例えば、第１信号を処理する１台以上の装置を介して接続されていてもよい。同様に、制御部１５と集熱器１は、第２信号を処理する１台以上の装置を介して接続されていてもよい。

ここで、本実施形態の温度感知部１２ａを、最初の屈曲部分１１ｂよりも上流に配置する利点について説明する。さらには、本実施形態の温度感知部１２ａを、反射鏡３に近い領域Ｒ₁内に配置する利点についても説明する。

熱媒体６の流量が充分に大きい場合には、熱媒体６が充分に撹拌されるため、集熱管２の断面（管軸方向に垂直な断面）における熱媒体６の温度分布は一様に近くなる。一方、熱媒体６の流量が小さい場合には、熱媒体６は充分には撹拌されないため、集熱管２の断面における熱媒体６の温度分布は非一様になる。この場合、集熱管２の断面において、熱媒体６の温度は、反射鏡３に近い領域Ｒ₁でより高くなり、反射鏡３から遠い領域Ｒ₂でより低くなる。

しかしながら、熱媒体６は、配管１１の屈曲部分において撹拌される。よって、熱媒体６の流量が小さい場合においても、配管１１の最初の屈曲部分１１ｂよりも下流の熱媒体６の温度分布は一様に近くなる。一方、配管１１の最初の屈曲部分１１ｂよりも上流の熱媒体６の温度分布は非一様になる。

よって、温度感知部１２ａを最初の屈曲部分１１ｂよりも下流に配置すると、熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀より低い場合であっても、最初の屈曲部分１１ｂより上流における熱媒体６の温度が一部で局所的に許容上限温度Ｔ₀よりも高い場合がある。この場合、この部分で熱媒体６の性状が劣化する。

そのため、本実施形態の温度感知部１２ａは、最初の屈曲部分１１ｂよりも上流に配置されている。これにより、熱媒体６が最初の屈曲部分１１ｂにおいて撹拌される前の温度を計測する事が可能となる。

さらに、本実施形態の温度感知部１２ａは、反射鏡３に近い領域Ｒ₁内に配置されている。理由は、集熱管２内の熱媒体６は、反射鏡３に近い領域Ｒ₁で局所的に高温になり、その性状が劣化する可能性が高いからである。よって、本実施形態によれば、温度感知部１２ａを領域Ｒ₁内に配置する事により、熱媒体６の性状が劣化する可能性が高い部分で熱媒体６の温度を計測する事が可能となる。

さらに、本実施形態の温度感知部１２ａは、領域Ｒ₁内において、第２部分２ｂと第３部分２ｃとの境界Ｅ₂付近に配置されている。理由は、集熱管２内の熱媒体６は、領域Ｒ₁内の境界Ｅ₂付近において最も高温になる可能性が高いからである。よって、本実施形態によれば、温度感知部１２ａを領域Ｒ₁内の境界Ｅ₂付近に配置する事により、熱媒体６の性状が劣化する可能性が最も高い部分で熱媒体６の温度を計測する事が可能となる。

本実施形態の温度感知部１２ａは、熱媒体６が高温になる可能性の高い位置に配置する事が望ましい。理由は、この位置の熱媒体６の温度を許容上限温度Ｔ₀よりも低く制御すれば、この位置以外の多くの位置の熱媒体６の温度も許容上限温度Ｔ₀よりも低く制御する事ができるからである。本実施形態によれば、熱媒体６が高温になる可能性の高い位置に温度感知部１２ａを配置する事で、太陽熱集熱システム全体における熱媒体６の性状の劣化を防止する事が可能となる。

また、本実施形態によれば、熱媒体６の流量が小さい場合を考慮して温度感知部１２ａを配置する事で、熱媒体６の流量が小さい場合だけに限らず、熱媒体６の流量が大きい場合の熱媒体６の性状の劣化も防止する事が可能となる。理由は、熱媒体６の流量が大きい場合には、熱媒体６の流量が小さい場合よりも、熱媒体６の温度分布が一様に近いためである。

図５は、第１実施形態の変形例の集熱器１の構造を示す断面図である。図５は、集熱管２の管軸方向（Ｙ方向）に平行な断面を示している。

本変形例の温度検知部１２ａは、第２部分２ｂにおける領域Ｒ₁内ではなく、第３部分２ｃにおける領域Ｒ₁内に配置されている。この場合にも、温度検知部１２ａは、第２部分２ｂと第３部分２ｃとの境界Ｅ₂付近に配置する事が望ましい。

なお、温度検知部１２ａを第３部分２ｃに配置する事には、温度検知部１２ａを第２部分２ｂに配置する場合に比べて、熱媒体６の温度上昇をより上流、即ち、より低い温度の場所で検知できるため、安全性が高いという利点がある。一方、温度検知部１２ａを第２部分２ｂに配置する事には、温度検知部１２ａを第３部分２ｃに配置する場合に比べて、温度センサ１２の施工が容易であるという利点がある。なお、温度検知部１２ａを境界Ｅ₂上に配置する場合には、これら両方の利点を享受する事が可能である。また、第２部分２ｂの周りに保温材８が存在していても、第２部分２ｂにて熱媒体６の温度低下がわずかながらあるため、境界Ｅ₂より下流よりも境界Ｅ₂上の方が検知リスクが小さい。

以上のように、本実施形態の温度センサ１２は、集熱器１から加熱器１４へと向かう熱媒体６の温度を、集熱器１から加熱器１４へと向かう配管１１の最初の屈曲部分１１ｂよりも上流で計測する。よって、本実施形態では、熱媒体６が最初の屈曲部分１１ｂにおいて撹拌される前の温度を計測する事で、熱媒体６の温度が局所的に高温になった事を検知する事ができる。よって、本実施形態によれば、この検知結果に基づいて熱媒体６の加熱を制御する事で、熱媒体６の性状が劣化する事を効果的に防止する事が可能となる。

なお、本実施形態の制御部１５は、１つの温度センサ１２による熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀を越えた場合、その温度センサ１２が配置された集熱管２の反射鏡３による追尾動作だけを停止し、反射鏡３の向きを集熱管２に反射光Ｓ₂を集光しない向きに設定してもよいし、太陽熱集熱システム内のすべての反射鏡３による追尾動作を停止し、反射鏡３の向きを集熱管２に反射光Ｓ₂を集光しない向きに設定してもよい。後者のような制御を採用する理由は、ある集熱管２内の熱媒体６の温度が高い場合には、その他の集熱管２内の熱媒体６の温度も同じ程度に高い事が予想されるからである。

また、本実施形態では、すべての集熱管２が温度センサ１２を具備しているが、代わりに１本の集熱管２のみが温度センサ１２を具備していてもよい。この場合、本実施形態の制御部１５は、この温度センサ１２による熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀を越えた場合、太陽熱集熱システム内のすべての反射鏡３による追尾動作を停止し、反射鏡３の向きを集熱管２に反射光Ｓ₂を集光しない向きに設定する。

１本の集熱管２のみが温度センサ１２を具備する構成は、太陽熱集熱システムの製造コストが安価という利点を有する。一方、すべての集熱管２が温度センサ１２を具備する構成は、熱媒体６の温度を精密に制御でき、安全性が高いという利点を有する。また、本実施形態では、２本以上の一部の集熱管２のみが温度センサ１２を具備していてもよい。

また、本実施形態の配管１１は、複数本の分岐管１１ｂに分岐しているが、分岐のない形状を有していてよい。また、本実施形態の太陽熱集熱システムは、フレネル型やタワー型でもよい。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本実施形態の制御部１５は、第１実施形態と同様に、温度センサ１２により計測された熱媒体６の温度に基づいて、熱媒体６の加熱を制御する。ただし、本実施形態の制御部１５は、図６に示すように、配管１１を流れる熱媒体６の流量を変化させる事により、熱媒体６の単位流量当たりの加熱量を制御する。熱媒体６の流量は、ポンプ１３の出力を調整する事により制御可能である。

具体的には、制御部１５は、熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀よりも低い場合には、熱媒体６の流量を第１の流量に調整する。一方、制御部１５は、熱媒体６の計測温度が許容上限温度Ｔ₀よりも高い場合には、熱媒体６の流量を第１の流量よりも大きい第２の流量に調整する。

このように、制御部１５は、熱媒体６の計測温度がＴ₀よりも低い温度からＴ₀よりも高い温度に上昇した場合には、熱媒体６の流量を増加させる。その結果、集熱器１による熱媒体６の加熱量が同じでも、熱媒体６の流量が増加した分、熱媒体６の単位流量当たりの加熱量が減少する事により、熱媒体６の温度が低下する。制御部１５は、熱媒体６の計測温度がＴ₀よりも高い温度からＴ₀よりも低い温度に下降した場合には、熱媒体６の流量を減少させる。

なお、温度センサ１２は、熱媒体６の温度を計測すると、計測された熱媒体６の温度を含む第１信号を制御部１５に出力する。また、制御部１５は、温度センサ１２から第１信号を受信すると、第１信号に含まれる熱媒体６の温度に基づいて、熱媒体６の単位流量当たりの加熱量を制御するための第２信号をポンプ１３に出力する。本実施形態の第２信号は、ポンプ１３の出力に関する指令を含んでいる。なお、制御部１５とポンプ１３は、第２信号を処理する１台以上の装置を介して接続されていてもよい。

本実施形態の温度センサ１２は、第１実施形態と同様に、集熱器１から加熱器１４へと向かう熱媒体６の温度を、集熱器１から加熱器１４へと向かう配管１１の最初の屈曲部分１１ｂよりも上流で計測する。よって、本実施形態では、熱媒体６が最初の屈曲部分１１ｂにおいて撹拌される前の温度を計測する事で、熱媒体６の温度が局所的に高温になった事を検知する事ができる。よって、本実施形態によれば、この検知結果に基づいて熱媒体６の加熱を流量調整により制御する事で、熱媒体６の性状が劣化する事を効果的に防止する事が可能となる。

なお、流量調整による熱媒体６の温度制御には、太陽の追尾停止及び反射鏡３の向きの制御による熱媒体６の温度制御に比べて、一般に、より短時間で熱媒体６の温度を低下させる事ができるという利点がある。理由は、反射鏡３の回転駆動は、一般に急速ではないためである。

一方、太陽の追尾停止及び反射鏡３の向きの制御による熱媒体６の温度制御には、流量調整による熱媒体６の温度制御に比べて、一般に、熱媒体６の温度を低下させる事が可能な温度差が大きいという利点がある。

なお、本実施形態の熱媒体６の流量は、ポンプ１３の出力を調整する代わりに、例えば配管１１上のバルブ（図示せず）の開度を調整する事で制御してもよい。

また、第１実施形態の制御を実行可能な構成と、第２実施形態の制御を実行可能な構成とを、同じ太陽熱集熱システムに設けてもよい。この場合、この太陽熱集熱システムは、両者の実施形態の利点を享受する事が可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定する事を意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステム及び方法は、その他の様々な形態で実施する事ができる。また、本明細書で説明したシステム及び方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行う事ができる。添付の特許請求の範囲及びこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：集熱器、２：集熱管、２ａ：第１部分、２ｂ：第２部分、２ｃ：第３部分、
３：反射鏡、４：透明管、５：支柱、６：熱媒体、７：真空、８：保温材、
１１：配管、１１ａ：分岐管、１１ｂ：屈曲部分、
１２：温度センサ、１２ａ：温度感知部、
１３：ポンプ、１４：加熱器、１５：制御部、１６：被加熱流体

Claims

太陽光線により熱媒体を加熱する集熱器と、
前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、
前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させるための配管と、
前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記熱媒体の温度を、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記配管の最初の屈曲部分よりも上流で計測する温度センサと、
前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体の加熱を制御する制御部と、
を具備する事を特徴とする太陽熱集熱システム。
前記集熱器は、前記配管の一部を構成する集熱管と、太陽光線を集光して前記集熱管内の前記熱媒体を加熱する反射鏡とを具備し、
前記制御部は、前記反射鏡を回転駆動させる事により、前記熱媒体の加熱を制御する事を特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱システム。
前記制御部は、
前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度が、予め定められた上限温度よりも低い場合に、前記反射鏡が太陽を追尾するように前記集熱器を制御し、
前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度が前記上限温度よりも高い場合に、前記反射鏡が太陽の追尾を停止し、前記反射鏡の向きを前記集熱管に太陽光線を集光しない向きに設定するように前記集熱器を制御する、
事を特徴とする請求項２に記載の太陽熱集熱システム。
前記制御部は、前記配管を流れる前記熱媒体の流量を変化させる事により、前記熱媒体の単位流量当たりの加熱量を制御する事を特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱システム。
前記制御部は、
前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度が、予め定められた上限温度よりも低い場合に、前記熱媒体の流量を第１の流量に調整し、
前記温度センサにより計測された前記熱媒体の温度が前記上限温度よりも高い場合に、前記熱媒体の流量を前記第１の流量よりも大きい第２の流量に調整する、
事を特徴とする請求項４に記載の太陽熱集熱システム。
前記制御部は、前記熱媒体の温度が予め定められた上限温度よりも高い場合に、前記熱媒体の単位流量当たりの加熱量を、前記熱媒体の温度が前記上限温度よりも低い場合に比べて減少させる事を特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱システム。
前記配管は、透明管で覆われた第１部分と、保温材で覆われており、前記第１部分の下流に位置し、前記最初の屈曲部分よりも上流に位置する第２部分とを具備し、
前記温度センサは、前記第２部分の前記熱媒体の温度を計測する事を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
前記配管は、透明管で覆われた第１部分と、保温材で覆われており、前記第１部分の下流に位置し、前記最初の屈曲部分よりも上流に位置する第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置する第３部分とを具備し、
前記温度センサは、前記第２部分、前記第３部分、または前記第２部分と前記第３部分との境界上の前記熱媒体の温度を計測する事を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
前記温度センサは、前記熱媒体の温度を、前記集熱管の中心軸よりも前記反射鏡に近い箇所で計測する事を特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
太陽光線により熱媒体を加熱する集熱器と、
前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、
前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させるための配管と、
を具備する太陽熱集熱システムの制御方法であって、
前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記熱媒体の温度を、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記配管の最初の屈曲部分よりも上流で計測し、
前記最初の屈曲部分よりも上流で計測された前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体の加熱を制御する、
事を具備する事を特徴とする太陽熱集熱システムの制御方法。
太陽光線により熱媒体を加熱する集熱器と、
前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、
前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させるための配管と、
を具備する太陽熱集熱システムの制御装置であって、
前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記熱媒体の温度を、前記集熱器から前記加熱器へと向かう前記配管の最初の屈曲部分よりも上流で計測し、計測された前記熱媒体の温度を含む第１信号を出力する第１信号出力部と、
前記第１信号に含まれる前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体の加熱を制御するための第２信号を出力する第２信号出力部と、
を具備する事を特徴とする太陽熱集熱システムの制御装置。