JP2015508484A - エネルギを集中させるための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、太陽エネルギ工学に関し、かつ「追跡ソーサー」、「パン」および「ソーラータワー」の種類のソーラー発電プラントにおける、ならびに他の類似したシステムにおける応用を見いだすことができる。本発明の応用によって得られる技術的成果は、調節を簡単にしてかつミラーシステムのサイズに関する既存の厳しい制約を回避するために技術のアクセスしやすさを向上させることから成る。前記技術的成果が、主集中装置およびエネルギコンバータを備えるエネルギを集中させるための装置が、主集中装置の焦点ゾーン内に実装される追加集中装置を備え、エネルギコンバータが追加集中装置の焦点ゾーン内に実装され、一方、追加集中装置が凹面円筒形表面または球形表面のセグメントとして設計されることにより達成される。同時に、主集中装置が、反射光線軸を追加集中装置の球面の中心そばをまたは円筒軸そばを通るようにさせるように向けられる一まとまりの平坦ミラーとして作られることができる。平坦ミラーは装置位置サイトの地理的緯度の半分と等しい水平線に対する角度で実装されることができ、およびエネルギコンバータは熱交換器としてまたは能動もしくは受動要素の分散システムとして作られることができる。その上、平坦ミラーを支持する主集中装置表面が、その表面と追加集中装置の球面中心または円筒軸との間の二倍の距離と等しい半径を備えた球形または円筒形に作られることができる。前記技術的成果は、熱交換器が少なくとも２つの部分から成ることができてかつ球形リングまたは環状球形プレートとして作られることができることにより同様に達成される。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽エネルギ工学に関し、かつ「追跡ソーサー」、「パン」および「ソーラータワー」の種類のソーラー発電プラントにおける、ならびに他の類似したシステムにおける応用を見いだすことができる。

本発明の背景は、太陽エネルギを集中させるために設計された種々の装置を開示する。

特に、固定半球反射器および固定熱吸収器を備える、著者の特許文献１内に記述されるソーラーヒータに言及することができる。この技術的解決策の欠点は、その低い効率にある。

基本的特徴の組合せに関しては、請求された装置に対して最も近いものは、主および追加集中装置ならびにエネルギコンバータを備える、著者の特許文献２内に開示される太陽エネルギ集中装置である。この技術的解決策の欠点は、その技術的および動作上の複雑性、同じくその貧弱な効率である。

旧ソビエト連邦発明者証第ＳＵ １６１５４８４号明細書、１９９０年１２月２３日公開 旧ソビエト連邦発明者証第ＳＵ １３４７０６８号明細書、１９８７年１０月２３日公開

本発明によって解決されるべき課題は、設計を簡単にしてそのコストを低下させ、同じくその効率を向上することから成る。

本発明の応用によって得られる技術的成果は、調節を簡単にしてかつミラーシステムのサイズに関する既存の厳しい制約を回避するために技術のアクセスしやすさを向上させることから成る。

前記技術的成果が、主集中装置およびエネルギコンバータを備えるエネルギを集中させるための装置が、主集中装置の焦点ゾーン内に実装される追加集中装置を備え、エネルギコンバータが追加集中装置の焦点ゾーン内に実装され、一方、追加集中装置が凹面円筒形表面または球形表面のセグメントとして設計されることにより達成される。同時に、主集中装置は反射光線軸を追加集中装置の球面の中心そばをまたは円筒軸そばを通るようにさせるように向けられる一まとまりの平坦ミラーとして作られることができ、およびエネルギコンバータは熱交換器としてまたは能動もしくは受動要素の分散システムとして作られることができる。平坦ミラーは装置位置サイトの地理的緯度の半分と等しい水平線に対する角度で実装されることができる。

その上、平坦ミラーを支持する主集中装置表面が、その表面と追加集中装置の球面中心または円筒軸までの間の二倍の距離と等しい半径を備えた球形または円筒形に作られることができる。

前記技術的成果は、熱交換器が少なくとも２つの部分から成ることができてかつ球形リングまたは環状球形プレートとして作られることができることにより同様に達成される。

別々のミラーシステムとして、使用は概ね球形放物面鏡と比べて何倍も安価でかつ容易に入手可能な一般平坦ミラーでできている。タワー上に位置するエネルギ集中装置として、使用は先端を切った球面セグメントまたは先端を切った円筒の形状の下のミラーでできている。平坦ミラーは、反射光線軸を集中装置球面の中心そばをまたは追加集中装置の円筒軸そばを通るようにさせるように向けられる。同時に、距離に関してはかつそれらの水平位置に関しては、球形または円筒形集中装置の焦点ゾーンの構成はシステム平坦ミラーの位置精度に依存しない。角度に対してだけ平坦ミラーの正確な調節を与える必要がある。それは角度に対する、水平位置に対するかつ焦点までの距離に対するシステムの焦点に関しては非常に高い精度で実行されるべきである球面ミラー配置と比較すると、平坦ミラーの任意の位置設定、例えばそれらの平面配置を構築することを可能にする。角度および平坦ミラーの取付けに関するそれらの調節精度の、単純性の観点からの、主集中装置上のそれらの配置に対する最も効率的な設定は、それらを、その半径がこの球形または円筒形表面の表面から追加集中装置の球面中心または円筒軸までの二倍の距離と等しい球面または円筒上に配置することである。

本発明がいくつかの図面で例示され、そこで：

「追跡ソーサー」の場合における、発電プラント構造体の全体図を示す； 平坦ミラーの環状配置を備えた、かつ球形リングとして作られる熱交換器を備えた「追跡ソーサー」タイプ装置の全体図である； 装置の線図表現、側面図である； 図３の図Ａを示す； 「パン」タイプ装置の全体図である； 装置位置サイトの地理的緯度の半分と等しい角度で旋回されたミラーを備えた「パン」タイプ装置の全体図である； パンエッジ上に位置する平坦ミラーを備えた、かつそれらの各々が体積円筒の一部の形である２つの部分でできている熱交換器を備えた「パン」タイプ装置の全体図である； タワー上に実装される追加球形集中装置を備えた、かつ小さいサイズの熱交換器を備えた「ソーラータワー」タイプ装置の全体図である； 焦点距離の計算を説明する図面である。

ソーラー放射を集中させるための請求された装置の応用において、１から１００ｍの半径を備えた球面上へ、または５から１００ｍの幅を備えた円筒上へ実装される０．１ｘ０．１ｍから４ｘ４ｍまでの寸法の一般入手可能平坦ミラーを使用することが望ましい。０．２から１０ｍの半径を備えた、かつ０．４から２０メートル以上のサイズを備えた球形または円筒形集中装置を使用することが望ましい。

図９は、主光学軸と平行にそれからの距離「ａ」で、集中装置上へ落ちるビームに対して半径Ｒを備えた凹面球形または円筒形集中装置に対する焦点距離ＦＰの計算を説明する図面である。ジョブの幾何学的設定は、図によって明確にされる。二等辺三角形ＡＯＦにおいて底辺ＯＡ＝Ｒおよび隣接した角度αを通して辺ＯＦを表現することが容易である：

直角三角形ＯＢＡから以下が見いだされることができる：

このとき

点Ｆから極Ｐへの未知の焦点距離：

この等式は、球形または円筒形集中装置の焦点ゾーンのためにある。軸から平行ビームまでの距離「ａ」が大きいほど、焦点は、集中装置に対してより遠く移動する。「ａ」＝０．５ｍに対してＲ＝１．５ｍを備えた集中装置の場合、焦点の変位は、３．０ｃｍであり、および「ａ」＝１．０ｍに対して焦点変位は２５．４ｃｍである。平坦ミラーのサイズが２ｘ２ｍであるので、軸から最後の平行ビームまでの最大距離「ａ」は、１．０ｍである。与えられた計算は、１本の主光学軸に対して実施される。問題が球面または円筒であるので、多数の主光軸が球面または円筒中心から集中装置開口角の境界の表面まであることができる。

したがって、その開口角の境界でのその中心を通しての、追加球形または円筒形集中装置の同じサイズの部分上の２ｘ２ｍの寸法の全ての平坦ミラーの放射光が、追加集中装置からかつ集中装置側面まで２５．４ｃｍの深さで距離Ｒ／２から始まる体積球形または円筒形ゾーンを形成することを可能にする。放射光集中は、追加集中装置から距離Ｒ／２で最大である。中心から、Ｒ／２を超える追加集中装置からの距離で、何れの集中した放射光も観測されない。追加集中装置側面から、最後まで２５．４ｃｍより短い距離で、何れの集中した放射光も観測されない。

この場合、追加球形または円筒形集中装置の焦点ゾーンは内部曲率Ｒ＝０．７５ｍおよび０．２５４ｍの深さを有し、そこで球形または円筒形熱交換器が実装されることができる。

１．「追跡ソーサー」タイプ発電プラント。

本発明内に開示される装置は、１０から４０メートル以上の直径を備えた平坦ミラーを実装するプレートのサイズを考慮する。既存の「追跡ソーサー」タイプ発電プラントでは、ミラー直径は、概して、１２メートルを上回らない。

これらのサイズに対してかつ２０から３００枚までの平坦ミラーの数に対して、光軸の数が同程度に２０から３００本まである。

装置は、次のように動作する。球面表面から追加集中装置中心までの二倍の距離と等しい半径を備えた主集中装置３の機能アンテナフィールド上で追加球形集中装置２の反対側に実装され、かつ各ミラーの反射ビーム軸を追加集中装置球面の中心を通過させるように向けられる平坦一般ミラー１が、ソーラー光を反射する。主集中装置ミラーの大きな数を考慮して、熱交換器が実装される追加球形集中装置４の焦点ゾーン内に全エネルギが集中される。

１．５ｍの追加球形集中装置半径に対して、熱交換器容積は最高１４０リットルである。この容積が能動反射表面の８０から１２００ｍ^２の効果の対象であることができることを考慮すると、焦点ゾーンの体積特徴は、パラボラの場合における一点と比較して利点になる。１８から２５％までの平坦ミラーエネルギの一部が焦点ゾーン内に位置するこの容積上に直接集中され、エネルギの残りの部分が、追加球形集中装置によって同じ容積上に、しかし向こう側から集中される。

主集中装置の球形表面中心内に何のミラーも配置されない場合には、熱交換器の構成をその容積を低下させる体積球形リングとする可能性がある。

２．円筒形「パン」タイプ発電プラント。
本発明による装置が、円筒形パラボラパンの形状のミラーを備えた発電プラント内に同様に使われることができる。そして、円筒形パラボラの代わりに、円筒表面から追加集中装置の中心までの二倍の距離と等しい曲率半径を備えた円筒３の形状の下の主集中装置３が、実装される。パラボラ形状を備えたミラーの代わりに、反射ビーム軸を追加集中装置２の円筒軸を通過させるように向けられる例えば２ｘ２ｍのサイズを備えた平坦ミラー１が実装される。追加集中装置は、１．５ｍの半径を備えた円筒形の形状である。熱交換器４は、０．７５ｍの内部半径および最高２５．４ｃｍまでの厚さを備えた同様に円筒形の形状を有する。熱交換器内の液体の容積は、延メートルあたり最高１５０ｌであることができる。１ｘ２−４ｍのサイズを備えたミラーを使用する場合、追加集中装置のサイズおよび熱交換器のサイズは２倍縮小されることができる。そして、主集中装置内の汎用ミラーシステムの同じサイズに対して、熱交換器の１延メートルにおける液体の容積は、最高４０ｌである。

平坦ミラーから成る円筒形パンの形状の下の主集中装置の幅が、１０ｍから４０ｍ以上であることができる。既知のプロジェクトにおいて、パンの幅は、概して、せいぜい６−８ｍである。

本システムでは平坦ミラー１の配置が追加集中装置までの距離に依存しないので、全ての個々のミラーが、地球の表面に平行にではなく、装置位置サイトの地理的緯度の半分と等しい水平線に対する角度でパン内に配置されることができる。この場合、ソーラー放射は、熱交換器に対して垂直プラスマイナス２３°で落ち、それが特に冬期に、かつ３０°を越える緯度の装置位置で、全システムの効率を向上する。

場合によっては、平坦ミラーは円筒形パンの形状で主集中装置のエッジ上だけに実装され、かつ（円筒中心の）陰にされた側面に何れのミラーも配置されない。この場合、熱交換器は２つの別々の部分から成る体積円筒として作られる。

３．「ソーラータワー」タイプ発電プラント。
反射ビーム軸を追加集中装置２の球面中心を通過させるように平坦ミラー１を向ける一方、タワー上へ球形表面の先端を切ったセグメント２の形状の下に集中装置５を実装する場合、すべての個々のコンピュータ制御の平坦ミラー１の面積を数倍増大するかまたは、熱交換器４の面積および容積をむしろ鋭く縮小するかのどちらかが可能である。

この場合、球形追加集中装置は最高１２０°までのセクターの大面積を備えた複数のミラーからソーラー光を収集することができる。

これによって、平坦ミラーが、水平に最高１２０°までの、および垂直に最大４５°までのセクターをとることができることを考慮して、水平に拡張されてかつ垂直に大きさを制限される球形表面の先端を切った部分の形状の追加集中装置を構築することが望ましい。それで、それぞれ、熱交換器容積が実質的に縮小される。

１ 平坦ミラー
２ 追加集中装置
３ 主集中装置 円筒
４ 追加集中装置 熱交換器
５ 集中装置

Claims (8)

1. 主集中装置およびエネルギコンバータを備える、エネルギを集中させるための装置であって、該装置が前記主集中装置の焦点ゾーン内に実装される追加集中装置を備え、および、前記エネルギコンバータが前記追加集中装置の焦点ゾーン内に実装され、前記追加集中装置が、凹面円筒形表面または球形表面のセグメントとして作られる装置。
2. 前記主集中装置が、反射光線軸を前記追加集中装置の前記球面の中心そばをまたは前記円筒軸そばを通るようにさせるように向けられる一まとまりの平坦ミラーとして作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記エネルギコンバータが、熱交換器として作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記エネルギコンバータが、能動または受動要素の分散システムとして作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記平坦ミラーを支持する前記主集中装置表面が、その表面と前記追加集中装置の前記球面中心または前記円筒軸との間の二倍の距離と等しい半径を備えた球形または円筒形に作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記平坦ミラーが、前記装置位置サイトの地理的緯度の半分と等しい水平線に対する角度で実装されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記熱交換器が、少なくとも２つの部分から成ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記熱交換器が、球形リングまたは環状球形プレートとして作られることを特徴とする請求項１に記載の装置。

Images