JP2016011811A - 集熱レシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】大型の太陽熱発電装置の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバを提供する。
【解決手段】集熱レシーバ１０Ａによれば、太陽光を吸収する吸収体２０Ａと、吸収体２０Ａを保持するハウジング３０Ａとからなるので、吸収体２０Ａにより吸収された熱を、ハウジング３０Ａ内に取り込んで外部に漏らさないようにすることができる。また、吸収体２０Ａは、ハウジング３０Ａ内部に備えられた吸収体保持具４６に、支持棒４７を用いて支持されているので、吸収体２０Ａが大面積であっても、ケーシングなどで分割することなしに吸収体２０Ａの撓みを防止することができる。また、集熱レシーバ１０Ａの受光面２１１は吸収体２０Ａのみで、構成することができるので、耐熱性を高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽光を受けて熱に変換する集熱レシーバに関する。

太陽熱、地熱などを利用した自然エネルギーは、天然資源を枯渇させることがない上に、大気汚染、地球温暖化、廃棄物等の問題がなく、核燃料、化石燃料に替わるエネルギー源として期待されている。中でも太陽光を利用した太陽熱発電は、エネルギーの量が豊富であり、地熱エネルギーのように偏在せず、どこでも得られるのでその利用が期待されている。
太陽熱発電には、太陽の追尾機能を有するミラーを用い太陽光をタワーに備えられた集熱レシーバに集光させるタワー型の太陽熱発電がある。タワー型の太陽熱発電では、多くのミラーからの光を１カ所に集めるので高い温度が得られ、エネルギー効率が高い特徴がある。

タワー型の太陽熱発電に用いられる集熱レシーバは、高い温度を得るために、材質、構造など様々な工夫がされている。
特許文献１には、太陽熱発電装置に使用される集熱レシーバが、熱媒体を通過させるための複数の流路が並設された１個又は複数個のハニカムユニットからなる熱吸収体と、該熱吸収体を支持するとともに、熱媒体を流通させる支持体（ケーシング）からなる。熱吸収体は、炭化ケイ素を含んで構成され、支持体の内表面から所定の距離離れて支持されている。

特開２０１２−９３００３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の集熱レシーバは、多くの太陽熱を受光するために受光部を大面積にすると、多くの集熱レシーバを配列して使用する必要が生じる。
多くの集熱レシーバを配列して使用すると、熱吸収体を取り囲む支持材（ケーシング）にも太陽光が当たり、高温に曝され耐熱性が必要となるうえに、重力、風圧などにより強度も必要となる。このため、支持材（ケーシング）の材料選定、構造設計は、大型の太陽熱発電装置を得る上で、重要な課題となる。

本発明では、前記課題を鑑み、大型の太陽熱発電装置の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の集熱レシーバは、太陽光を吸収する受光面を有するとともに配列する複数のハニカム体からなる吸収体と、吸収体を保持するハウジングと、からなる集熱レシーバであって、前記吸収体は、前記ハウジングの内部に備えられた吸収体保持具と、前記吸収体保持具に連結された支持棒とにより支持されている。

本発明の集熱レシーバによれば、太陽光を吸収する吸収体と、吸収体を保持するハウジングとからなるので、吸収体により吸収された熱を、ハウジング内に取り込んで外部に漏らさないようにすることができる。
また、吸収体は、ハウジング内部に備えられた吸収体保持具に支持棒により支持されているので、吸収体が大面積であっても、ケーシングなどで分割することなしに吸収体の撓みを防止することができる。また、集熱レシーバの受光面は吸収体のみで構成でき、ケーシングなどの余分な部材は無いので、耐熱性を高めることができる。
これにより、大型の太陽熱発電装置の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバを提供することができる。

さらに、本発明の集熱レシーバは、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記支持棒を複数有する。
本発明の集熱レシーバは、複数の支持棒を有するので、大面積の吸収体を構成しても撓みを発生しにくくすることができる。

（２）前記複数のハニカム体は、接着層で互いに接合されている。
本発明の集熱レシーバは、接着層よりなる接合手段によって互いに接合され、１つの吸収体を構成する。このため、容易に作成することができ、吸収体の強度を保つことができるとともに、吸収体からハニカム体の脱落することを防止することができる。

（３）前記吸収体は、長さが互いに異なるハニカム体によって構成され、一部のハニカム体が吸収体保持具により支持される支持棒である。
本発明の集熱レシーバは、吸収体が互いに異なるハニカム体によって構成され、一部のハニカム体が、吸収体保持具により支持される支持棒として機能する。このため、支持棒を別途設ける必要がなくなるので、部品点数を減少させて、構造を簡略化することができる。また、支持棒を設けるスペースが必要なくなるので、集熱レシーバのコンパクト化を図ることができる。

本発明によれば、吸収体は、ハウジングの内部に備えられた吸収体保持具と、支持棒とにより支持されているので、吸収体が大面積であっても、ケーシングなどで分割することなしに吸収体の撓みを防止することができる。また、集熱レシーバの受光面は吸収体のみで構成でき、ケーシングなど余分な部材は無いので、耐熱性を高めることができる。これにより、大型の太陽熱発電装置の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバを提供することができる。

本発明に係る集熱レシーバを用いた発電装置の全体図である。 （Ａ）は集熱レシーバの一部の正面図、（Ｂ）は（Ａ）中Ｂ−Ｂ位置の断面図である。 本発明に係る第１実施形態の集熱レシーバの断面図である。 本発明に係る第２実施形態の集熱レシーバの断面図である。 図４中Ｖ方向から見た正面図である。 （Ａ）は集熱レシーバの一部の正面図、（Ｂ）は（Ａ）中Ｂ−Ｂ位置の断面図である。

本発明の集熱レシーバについて説明する。

本発明の集熱レシーバは、太陽光を吸収する受光面を有するとともに配列する複数のハニカム体からなる吸収体と、吸収体を保持するハウジングと、からなる集熱レシーバであって、前記吸収体は、前記ハウジングの内部に備えられた吸収体保持具と、前記吸収体保持具に連結された支持棒とにより支持されている。

本発明の集熱レシーバによれば、太陽光を吸収する吸収体と、吸収体を保持するハウジングとからなるので、吸収体により吸収された熱を、ハウジング内に取り込んで外部に漏らさないようにすることができる。
また、吸収体は、ハウジングの内部に備えられた吸収体保持具と、支持棒とにより支持されているので、吸収体が大面積であっても、ケーシングなどで分割することなしに吸収体の撓みを防止することができる。また、集熱レシーバの受光面は吸収体のみで構成できケーシングなど余分な部材は無いので、耐熱性を高めることができる。
これにより、大型の太陽熱発電装置の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバを提供することができる。

さらに、本発明の集熱レシーバは、以下の態様であることが望ましい。
（１）前記支持棒を複数有する。
本発明の集熱レシーバは、複数の支持棒を有するので、大面積の吸収体を構成しても撓みを発生しにくくすることができる。

（２）前記複数のハニカム体は、接着層で互いに接合されている。
本発明の集熱レシーバは、接着層よりなる接合手段によって互いに接合され、１つの吸収体を構成する。このため、容易に作成することができ、吸収体の強度を保つことができるとともに、吸収体からハニカム体の脱落することを防止することができる。

（３）前記吸収体は、長さが互いに異なるハニカム体によって構成され、一部のハニカム体が吸収体保持具により支持される支持棒である。
本発明の集熱レシーバは、吸収体が互いに異なるハニカム体によって構成され、一部のハニカム体が、吸収体保持具により支持される支持棒として機能する。このため、支持棒を別途設ける必要がなくなるので、部品点数を減少させて、構造を簡略化することができる。また、支持棒を設けるスペースが必要なくなるので、集熱レシーバのコンパクト化を図ることができる。

（第１実施形態）
図１、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、以下に説明する各実施形態の集熱レシーバ１０Ａは、太陽光を用いた発電装置１に用いることができる。発電装置１は、中央に中央タワー２を有しする。中央タワー２の最も高い位置には、後述する集熱レシーバ１０Ａが配設されている。集熱レシーバ１０Ａの下には、順次、蒸気発生器４、蓄熱器５および蒸気タービン６が配設されている。
また、中央タワー２の周囲には、多数のヘリオスタット８が配置されている。ヘリオスタット８は、反射角度や鉛直方向を軸とした回転方向を自由に制御することが可能なように設定されている。ヘリオスタット８は、時事刻々と変化する太陽光を反射して、中央タワー２の集熱レシーバ１０Ａに集めるように自動的に制御されている。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、集熱レシーバ１０Ａでは、太陽光照射面が開放された箱に複数の集熱レシーバ１０Ａが、太陽光の照射を受ける受光面を正面に向けて整列した状態で配置されている。

次に、第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａについて、図を用いながら説明する。
図３に示すように、第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａでは、ヘリオスタット８から反射してきた太陽光ＳＢを吸収する複数のハニカム体２１からなる吸収体２０Ａと、吸収体２０Ａを保持するハウジング３０Ａを有する。
ハウジング３０Ａは、吸収体２０Ａを収容する収容部３１と、収容部３１に連続して蒸気発生器４等に連通するパイプ３３を有する。

吸収体２０Ａは、例えば、正方形の断面形状を有するハウジング３０Ａの収容部３１に、複数個のハニカム体２１を収容している。ここでは、例えば、縦４個×横４個の合計１６個のハニカム体２１が収容されている。各ハニカム体２１の受光面である外側端面２１１は、互いに隣り合う。なお、ハニカム体２１の個数は限定するものではない。
ハニカム体２１は、セラミックで形成されている。ハニカム体２１は、例えば、アルミナ、コージェライト、炭化硅素、チタン酸アルミニウムより選択される１または２以上のセラミックより形成されているのが望ましい。

吸収体２０Ａは、ハウジング３０Ａの内部に備えられた吸収体保持具４６と、吸収体保持具４６に連結された支持棒４７とにより裏面より支持されている。
吸収体２０Ａにおいては、支持棒４７を、複数個設けることができる。また、複数のハニカム体２１は、互いに接合手段である接着層で接合されている。

ハウジング３０Ａの内部には、ハニカム体２１における外側端面２１１とは反対側の内側端面２１２が設けられている。内側端面２１２は、パイプ３３に連通する。
なお、集熱レシーバは、ハニカム体２１の前端部を支持するための接合手段２９を有している。接合手段２９は、空気が流通しない板状部材、接着層などを用いることができるが、網目状や、格子状の、空気が流通可能な部材を用いることも可能である。

次に、第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａの作用、効果について説明する。
第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａによれば、太陽光ＳＢを吸収する吸収体２０Ａと、吸収体２０Ａを保持するハウジング３０Ａとからなるので、吸収体２０Ａにより吸収された熱を、ハウジング３０Ａの内部に取り込んで外部に漏らさないようにすることができる。

また、吸収体２０Ａは、ハウジング３０Ａの内部に備えられた吸収体保持具４６に、支持棒４７により支持されているので、吸収体２０Ａが大面積であっても、ケーシングなどで分割することなしに吸収体２０Ａの撓みを防止することができる。また、集熱レシーバ１０Ａの受光面は吸収体２０Ａのみで、構成することができるので、耐熱性を高めることができる。
これにより、大型の発電装置１の集熱部に適用可能な新しいコンセプトの高強度の集熱レシーバ１０Ａを提供することができる。

第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａは、複数の支持棒４７を有するので、大面積の吸収体２０Ａを構成しても撓みを発生しにくくすることができる。

第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａは、複数のハニカム体２１を接着層で互いに接合して吸収体２０Ａが形成されているので、吸収体２０Ａの強度を保つことができる。また、容易に作成することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の集熱レシーバについて、図を用いながら説明する。
なお、前述した第１実施形態の集熱レシーバ１０Ａと共通する部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することとする。
図４に示すように、第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、ヘリオスタット８から反射してきた太陽光ＳＢを吸収する吸収体２０Ｂと、吸収体２０Ｂを保持するハウジング３０Ｂとを有する。

ハウジング３０Ｂは、吸収体２０Ｂを収容する収容部３１と、収容部３１に連続して蒸気発生器４等に連通するパイプ３２、３３を有する。
吸収体２０Ｂは、例えば、正方形の断面形状を有するハウジング３０Ｂの収容部３１に、複数個のハニカム体２１を収容している。ここでは、例えば、縦５個×横５個の合計２５個のハニカム体２１が収容されている。第２実施形態では、ハニカム体２１は、第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３の２種類のハニカム体よりなる。第１のハニカム体２２の受光面である外側端面２２１と、第２のハニカム体２３の受光面である外側端面２３１は、互いに隣り合う。

図５に示すように、ここでは、例えば中央の４個のハニカム体２１が第２のハニカム体２３で、そのほかのハニカム体２１が第１のハニカム体２２である。
すなわち、第１のハニカム体２２は、第２のハニカム体２３に挟まれており、第１のハニカム体２２と、第２のハニカム体２３とは、交互に配置されている。
第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３は、互いに同一の材質であるセラミックで形成されている。第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３は、例えば、アルミナ、コージェライト、炭化硅素、チタン酸アルミニウムより選択される１または２以上のセラミックより形成されているのが望ましい。

図４および図６（Ａ）に示すように、第１のハニカム体２２は、第２のハニカム体２３に比して、空気の流れる方向の長さが短い。また、第２のハニカム体２３は、吸収体保持具により支持される支持棒の機能を果たすことができる。
吸収体保持具の形状は、特に限定されない。支持棒として機能する第２のハニカム体２３を支持することができればよく、例えば棒状、格子状、板状などどのような形態でも利用することができる。
第２実施形態の吸収体保持具は板状の隔壁２８を構成する。本実施形態の吸収体保持具である隔壁を、第２のハニカム体２３が貫通し、第１のハニカム体２２は貫通していない。このような構成により、以下の機能を新たに付与することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、ハウジング３０Ｂの内部における第１のハニカム体２２の外側端面２２１とは反対側の内側端面２２２の後方（図４において右方）には、第１の空間２４が設けられている。すなわち、第１の空間２４は、第１のハニカム体２２を介して、集熱レシーバ１０Ｂの外部と連通している。
ハウジング３０Ｂの収容部３１には、第１の空間２４と連通する第１の接続孔２５が設けられている。第１の接続孔２５には、パイプ３２が取り付けられている。

ハウジング３０Ｂの内部には、第２のハニカム体２３における外側端面２３１とは反対側の内側端面２３２に連続する第２の空間２６が設けられている。第２の空間２６には、第２の接続孔２７が連続して設けられている。第２の接続孔２７には、パイプ３３が接続されている。
第２のハニカム体２３における内側端面２３２付近には、第１の空間２４と第２の空間２６を隔離する隔壁２８が設けられており、第２のハニカム体２３は隔壁２８を介してハウジング３０Ｂに取り付けられる。このため、第１の空間２４の空気と、第２の空間２６の空気は、混ざらない（図６（Ｂ）参照）。なお、隔壁２８は、吸収体２０Ｂの撓みを防止するための吸収体保持具として機能するとともに、太陽熱で暖められた空気に曝されるために、強固で、耐熱性を備えた材料で構成される。隔壁２８を構成する材料は特に限定されないが、例えば、鉄、ステンレスなどの金属、アルミナ、炭化珪素、コージェライト、窒化珪素、チタン酸アルミニウムなどのセラミックなどが好適に利用することができる。

なお、吸収体２０Ｂは、第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３の前端部を支持するための接合手段２９を設けることができる。このとき、接合手段２９は、空気が流通しない板状部材、接着層などを用いることができるが、網目状や、格子状の、空気が
流通可能な部材を用いることも可能である。吸収体２０Ｂは、裏面側で支持棒として機能する第２のハニカム体２３によって支持されるとともに、前端部側で接合手段２９によって互いに接合されることによって、ハニカム体２１が風圧によって脱落することを防止することができる。

次に、第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂにおける空気の流れについて説明する。第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、第２のハニカム体２３が支持棒として機能するだけでなく、第２のハニカム体２３が第２の空間２６とつながり、第１のハニカム体２２が、第１の空間２４とつながっている。また、第１の空間２４と、第２の空間２６とは、隔壁２８によって隔てられていることによって、特徴ある空気の動きを形成することができる。
図４に示すように、ヘリオスタット８からの太陽光に照らされた空気は、第１のハニカム体２２の外側端面２２１から吸引され、第１のハニカム体２２を通って内側端面２２２から第１の空間２４に収容される。第１の空間２４に収容された空気は、第１の接続孔２５を介してパイプ３２により蒸気発生器４等に送られて、発電に用いられる。
発電に使用された空気は、例えば冷却器からパイプ３３を通り、第２の接続孔２７を介して第２の空間２６に送られる。第２の空間２６に収容された空気は、第２のハニカム体２３の内側端面２３２から第２のハニカム体２３に送られ、外側端面２３１から返送される。なお、返送された空気の一部は、第２のハニカム体２３に隣接する第１のハニカム体２２の外側端面２２１から再度吸引される。

次に、第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂの有するさらなる作用、効果について説明する。
第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂによれば、太陽光を吸収する吸収体２０Ｂと、吸収体２０Ｂを保持するハウジング３０Ｂとからなるので、吸収体２０Ｂにより吸収された熱を、ハウジング３０Ｂの内部に取り込んで外部に漏らさないようにすることができる。
また、吸収体２０Ｂが、互いに受光面としての外側端面２２１、２３１が隣り合う第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３からなるので、受光部の空気を返送する側も吸引する側も同等のハニカム体で構成することができる。このため、形状、材質など制約を受けることなく、集熱レシーバ１０Ｂを構成することができる。また、第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３のいずれから太陽光により昇温した空気を吸引することも可能である。同様に、いずれのハニカム体から使用後の空気を返送することができる。

ハウジング３０Ｂの内部には、第１のハニカム体２２における外側端面２２１とは反対側の内側端面２２２に連続する第１の空間２４を有するとともに、第１の空間２４には第１の接続孔２５が設けられている。このため、第１のハニカム体２２から吸収して第１の空間２４に溜められた熱い空気を、第１の接続孔２５を介して例えば発電機等に送ることができる。あるいは、第１の空間２４に溜められた使用後の空気を、第１の接続孔２５を介して第１のハニカム体２２から外部に返送することができる。

また、第２のハニカム体２３における外側端面２３１とは反対側の内側端面２３２に連続する第２の空間２６を有するとともに、第２の空間２６には第２の接続孔２７が設けられている。このため、第２の空間２６に溜められた使用後の空気を、第２のハニカム体２３から外部に返送することができる。あるいは、第２のハニカム体２３から吸収して第２の空間２６に溜められた熱い空気を、第２の接続孔２７を介して例えば発電機等に送ることができる（図６（Ｂ）参照）。
さらに、第２の空間２６は、第１の空間２４と隔壁２８で隔離されているので、吸引した空気と返送する空気が混ざるのを防止できるとともに、太陽光により昇温された空気の吸引および返送を連続して行うことができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、吸収体２０Ｂが第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３をそれぞれ複数有しているので、吸収体２０Ｂに温度バラツキがあっても、熱応力が蓄積しにくく、高強度の集熱レシーバ１０Ｂを構成することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、第１のハニカム体２２が、第２のハニカム体２３に挟まれているので、第１のハニカム体２２から返送された空気を第２のハニカム体２３が効率良く吸引できる。あるいは第２のハニカム体２３から返送された空気を第１のハニカム体２２が効率良く吸引することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、第１のハニカム体２２と第２のハニカム体２３とが交互に配置されるので、第１のハニカム体２２から返送された空気を第２のハニカム体２３がさらに効率良く吸引できる。あるいは第２のハニカム体２３から返送された空気を第１のハニカム体２２がさらに効率良く吸引することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３がセラミックからなるので、耐熱性、耐蝕性を備え、高強度である。このため、高温環境下あるいは腐食性環境下など過酷な環境下でも使用することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、アルミナ、コージェライト、炭化珪素、チタン酸アルミニウム等のセラミックからなるので、耐熱性、耐食性を備え、高強度な集熱レシーバ１０Ｂを提供することができる。

第２実施形態の集熱レシーバ１０Ｂは、第１のハニカム体２２および第２のハニカム体２３が、互いに同一の材質よりなるので、温度が変化した際に、同様に膨張および収縮し、変形や応力を抑えることができる。

本発明の集熱レシーバは、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。

本発明の集熱レシーバは、太陽光を受けて熱に変換して発電する発電機等に用いることができる。

１０Ａ、１０Ｂ 集熱レシーバ
２０Ａ、２０Ｂ 吸収体
２１ ハニカム体
２１１ 外側端面（受光面）
３０Ａ、３０Ｂ ハウジング
４６ 吸収体保持具
４７ 支持棒

Claims (4)

1. 太陽光を吸収する受光面を有するとともに配列する複数のハニカム体からなる吸収体と、吸収体を保持するハウジングと、からなる集熱レシーバであって、
   前記吸収体は、前記ハウジングの内部に備えられた吸収体保持具と、前記吸収体保持具に連結された支持棒とにより支持されていることを特徴とする集熱レシーバ。
2. 請求項１に記載の集熱レシーバにおいて、
   前記支持棒を複数有する集熱レシーバ。
3. 請求項１または請求項２に記載の集熱レシーバにおいて、
   前記複数のハニカム体は、接着層で互いに接合されている集熱レシーバ。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の集熱レシーバにおいて、
   前記吸収体は、長さが互いに異なるハニカム体によって構成され、一部のハニカム体が吸収体保持具により支持される支持棒である集熱レシーバ。

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