JP4777452B2 - 太陽光集光システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のヘリオスタット（反射鏡）から反射された太陽光を、レシーバー（受熱部）に集光し、前記レシーバーに熱媒体が循環している太陽光集光システムに関するものである。

近年、石油資源の枯渇及びその価格の高騰が憂慮され、また、地球温暖化の原因の１つである石油資源から新たなエネルギー資源への移行が研究されている。新たなエネルギー源の１つとして、太陽光を集光してエネルギーとして使用する太陽熱発電がある。

太陽光集光システムにおいて、太陽光を反射鏡であるヘリオスタットによりシステム中央部の上方に反射し、この反射光をセンターリフレクターと呼ばれる大型反射鏡で下方に設置されたレシーバー（受熱部）に集光するビームダウン式太陽光集光システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このレシーバーは、内部で熱媒体（例えば、溶融塩等）が循環するパイプ等で構成することがある。このとき、レシーバーで太陽光から熱エネルギーを受け取った熱媒体は、発電部に送るように構成している。発電部は、例えば、熱媒体の熱を利用して水蒸気を発生させ、この水蒸気を水蒸気タービンに供給して発電を行なう発電装置等で構成している。

この太陽光集光システムを利用した発電の効率を向上させる方法として、集熱レシーバーをつぼ型（キャビティー形状）に構成する発明が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２に記載の発明は、つぼの内部に侵入した太陽光を複数回反射させ、熱媒体に効率的に熱を伝え、太陽光を外部に逃がさないように構成している。この構成により、太陽光発電の効率は非常に高いものとなる。

しかしながら、引用文献２に記載のつぼ型レシーバーは、１本のパイプをつぼ型に成形している構造であるため、製造が非常に困難であり、且つ、製造コストが高くなるという問題を有している。しかも、レシーバーのサイズが巨大となるため、一体型でのレシーバーの運搬は容易ではなく、また、現地で建設する場合も困難な作業となる。

更に、パイプの破損等のレシーバーの故障時には、レシーバー全体を交換する必要がある。ここで、例えば、４００〜５００ｍ四方のビームダウン式太陽光集光システムを建設する場合には、つぼ型のレシーバーの直径は約８〜１０ｍとなり、非常に巨大となる。

また、レシーバー内で太陽光があたる部位は不均一であり、温度分布の不均一により、レシーバーを構成するパイプの熱膨張量が不均一となる。このため、レシーバーに隙間が生じたり、窮屈な場所で膨張したりして、場合によってはパイプが割れる等の故障が発生するという問題を有している。

更に、パイプの破損等でレシーバーが故障した場合、レシーバーが１本のパイプにより構成されているため、全体を交換する必要があり、交換作業が大規模となる。加えて、新たなレシーバーを用意するためのコストが嵩むという問題を有している。

更に、太陽光集光システムでは、熱媒体を１５０〜５００℃で液相となる硝酸ナトリウム等の溶融塩を使用することが多い。この溶融塩を使用する場合、曇りの日や夜間は、レシーバーから溶融塩を抜き取り、保温槽に移動する必要がある。これは、溶融塩が冷める
と固化し、レシーバー管内で閉塞を起こすためである。この溶融塩を回収する際、引用文献２に記載のらせん状パイプで構成したレシーバーでは、溶融塩を抜くのに時間がかかる。特に、緊急時であり、溶融塩を速やかに回収する必要がある場合に対応することができないという問題がある。

特許２９５１２９７号公報 国際公開第２００６／０２５４４９号

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コスト、運搬コスト及び建設コストを低く抑えることができ、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る太陽光集光システムは、太陽光を、複数のヘリオスタットから、熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、前記受熱部を複数のモジュールの組合せで構成し、前記モジュールが、上方ヘッダーと、下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、且つ、前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成したことを特徴とする。

この構成により、受熱管とヘッダーからなる単純なモジュールを組合わせて、レシーバー（受熱部）とすることができるため、製造が容易となる。また、モジュールにばらした状態で運搬できるため、運搬も容易となり、運搬コストを抑制することもできる。また、現地での建設の場合容易に組立が可能となる。更に、パイプ等の破損によるレシーバーの故障時には、レシーバー全体ではなく、その対象となるモジュールのみの交換により修理が完了するため、修理作業が容易となり、交換品のコストも削減することができる。

加えて、複数のモジュールを１つに連結することなく、複数の系統に分けて連結して、太陽光による加熱の不均一を抑制することができる。つまり、温度が上昇しているモジュールの熱媒体の流量を増加し、逆に温度があまり高くないモジュールの熱媒体の流量を減少する制御により、レシーバーにおける温度の不均一さを抑制することができる。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記モジュールを、直線状の前記上方ヘッダーと、直線状の前記下方ヘッダーと、前記上方ヘッダーと前記下方ヘッダーを連結する複数の受熱管とで構成し、正面視において略四角形となる平板状モジュールとしたことを特徴とする。

この構成により、モジュールが単純な構成となるため、モジュールの製造コスト、及び運搬コスト等を抑制することができる。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記平板状モジュールを、平面視において、前記下方ヘッダーが両端から中心にかけて突出する略三角形となるように構成し、立体型モジュールとしたことを特徴とする。

この構成により、モジュールを立体的な立体型モジュールとすることができる。この複
数の立体型モジュールを組み合わせてレシーバーを構成すると、平板状モジュールを組み合わせた場合とは異なり、入射する太陽光の再反射の効率や、太陽光を外部に漏らさないようにモジュール間の間隔を小さくすること等が可能となり、立体的且つ効率的なレシーバーを構成することができる。特に、熱媒体の流動性の高い直線状の受熱管を使用しながら、モジュールを立体化することができるため、この立体型モジュールにおいて、熱媒体の流動性が低下するという問題は発生しない。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記立体型モジュールを、平面視において、前記下方ヘッダーの両端を結ぶ直線距離を、前記上方ヘッダーの両端を結ぶ距離より短く構成することを特徴とする。

この構成により、モジュールを、上方ヘッダーから下方ヘッダーにかけて細くなるように絞った、立体型モジュールとすることができる。この絞りの入った立体型モジュールにより、更に、立体的且つ効率的なレシーバーを構成することができる。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記受熱部を、平板状に連結した複数の前記平板状モジュールで構成し、それぞれの前記平板状モジュールが、前記上方ヘッダーから前記下方ヘッダーに向かって下降傾斜していることを特徴とする。

この構成により、レシーバー（受熱部）を、平板状モジュールの組み合わせで構成できるため、レシーバーの製造、運搬のコストを抑制することができる。また、上方ヘッダーから下方ヘッダーに向かって傾斜した平板状のレシーバーに構成したことで、緊急時に、モジュール内を循環している熱媒体を容易に回収することができる。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記受熱部を、略Ｖ字型に連結した複数の前記平板状モジュールで構成し、それぞれの前記平板状モジュールが、前記上方ヘッダーから前記下方ヘッダーに向かって下降傾斜していることを特徴とする。

この構成により、レシーバー（受熱部）に入射した太陽光を、Ｖ字型の内側で再反射させることができる。そのため、太陽光のエネルギーを、モジュール内を循環する熱媒体に効率よく伝達することができる。つまり、エネルギーの回収効率を向上することができる。

上記の太陽光集光システムにおいて、前記受熱部を、前記立体モジュールの側部を互いに連結し、つぼ型の受熱部としたことを特徴とする。

この構成により、太陽光のエネルギー回収効率の高いつぼ型のレシーバーを、複数のモジュールの組み合わせで構成することができる。そのため、このつぼ型のレシーバーは、従来と同等のエネルギー回収効率を誇るレシーバーでありながら、製造コスト、運搬コスト及び修繕コストを大幅に抑制したレシーバーとすることができる。

本発明に係る太陽光集光システムによれば、製造コストを低く抑え、故障が発生した場合の復旧作業が容易であり、且つ、緊急時に内部を循環する熱媒体を速やかに回収することができるレシーバーにより、発電コストの抑制を実現した太陽光集光システムを提供することができる。

本発明に係る実施の形態のビームダウン式太陽光集光システムの概略を示した図である。 本発明に係る実施の形態の平板状モジュールの概略を示した図である。 本発明に係る実施の形態のレシーバーを示した概略図である。 本発明に係る異なる実施の形態のＶ字型レシーバーを示した概略図である。 本発明に係る異なる実施の形態の立体型モジュールを示した三面図である。 本発明に係る異なる実施の形態のつぼ型レシーバーの概略図である。 本発明に係る異なる実施の形態の絞り付モジュールを示した三面図である。 本発明に係る異なる実施の形態の絞り付レシーバーの概略図である。 本発明に係る異なる実施の形態の絞り付レシーバーの概略図である。

以下に、本発明に係る実施の形態の太陽光集光システムにおけるレシーバー（受熱部）及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る実施の形態のビームダウン式太陽光集光システム１の構成を示す。なお、以下、ビームダウン式太陽光集光システムに関して説明するが、本発明は、この他にも、タワー型の建造物の上部にレシーバーを設置するタワー式太陽光集光システムに適用することもできる。

まず、太陽光集光システム１の概要について説明する。太陽光集光システム１では、太陽５から照射している太陽光Ｓを、ヘリオスタット（反射鏡）４で反射し（反射光Ｒ１）、センターリフレクター（大型反射鏡）３で再反射し（反射光Ｒ２）、レシーバー（受熱部）２に集光する。このレシーバー２の内部では太陽光が反射を繰り返す（反射光Ｒ３）。この太陽光の有する熱エネルギーを、レシーバー２を循環する熱媒体で吸収するように構成している。

この熱媒体は、熱媒体用タンク６から、ポンプ７及び熱媒体ライン１１を経由して、レシーバー２に供給している。また、レシーバー２で太陽光のエネルギーを吸収した熱媒体は、熱交換器９を経由して、熱媒体用タンク６に戻すように構成している。

この熱交換器９では、水蒸気ライン１２を循環する水に、熱媒体の有する熱エネルギーを移動させる。この水（水蒸気）を、水蒸気タービン等を有した水蒸気発電装置１０に供給して、発電を行なうように構成している。

また、例えば熱媒体を、硝酸ナトリウム等から構成される溶融塩とした場合、日没後は、全ての溶融塩を熱媒体用タンク６に回収するように制御を行うこともある。これは、日没後にレシーバー２の温度が下がり、溶融塩がレシーバー２内他で固化して、閉塞を起こす問題を回避するためである。

更に、天候の急変（雲天時）やレシーバー２の破損等により、緊急に熱媒体を回収する必要がある場合は、緊急ライン８を利用して、熱媒体用タンク６に熱媒体を回収できるように構成している。ここで、熱媒体用タンク６は、レシーバー２より低い位置に設置することが望ましく、熱媒体を重力により熱媒体用タンク６に回収できる位置関係とすることが望ましい。

次に、ビームダウン式太陽光集光システム１において、発電効率を高め、システムの運搬、設置、及び修繕コストの削減を実現するために、本発明で採用したレシーバー２の構造を説明する。なお、本発明では、レシーバー２を、複数のモジュール２０の組み合わせとして構成している。

図２に、レシーバー２を構成するモジュール２０の一例として、平板状モジュール２０Ａを示しており、正面Ｘ及び側面Ｙの概略を示している。この平板状モジュール２０Ａは、連結管２４から受入れた熱媒体ｈを、上方ヘッダー２１Ａから受熱管２３を経由して、下方ヘッダー２２Ａに流し、連結管２４から次のモジュールへ供給するように構成している。なお、矢印は熱媒体ｈの流れを示している。

ここで、連結管２４をヘッダー２１、２２の側方に図示しているが、これはモジュール２０Ａの連結方向により、上方又は下方に変更することもできる。また、便宜上、受熱管２３同士の隙間を空けて図示しているが、この隙間は可能な限り狭い方が、太陽光から熱を回収する効率が上昇する。しかしながら、ビームダウン式太陽光集光システム１において、レシーバー２の温度は６００〜７００℃と高温となることもあるため、受熱管２３が膨張して破壊されない程度の隙間をあけておく必要はある。

図３に、平板状モジュール２０Ａを組み合わせて構成したレシーバー２の一例を示す。平板状モジュール２０Ａを、平面で連結し、上方ヘッダー２１Ａから下方ヘッダー２１Ａに若干の傾斜角度を有するように構成している。この傾斜角度は、緊急時に、熱媒体ｈを動力なしで速やかに回収することが可能となる角度、すなわち、熱媒体ｈが平板モジュール２０Ａ内を自重で流れ落ちる程度の角度である。

この構成により、レシーバー２の製造及び運搬は、複数の平板状モジュール２０Ａをそれぞれ製造及び運搬することで実現することができる。そのため、直径が８〜１０ｍの特許文献２に記載のつぼ型レシーバーに比べ、平板状モジュール２０Ａは、例えば、横２〜４ｍ、縦５〜１０ｍ程度とすると、運搬性は格段に向上する。また、太陽光集光システム１を建設する現地では、平板状モジュール２０Ａを組立てる作業によりレシーバー２を作成するため、この作業が容易となり、レシーバー２の運搬コスト及び設置コストを抑制することができる。

また、受熱管２３の破損等の故障時には、故障箇所を有する平板状モジュール２０Ａのみを交換すればよいため、修繕作業が容易、且つ交換部品のコストもモジュール１つ分のみとなるため低コストで行えるようになる。

更に、上方ヘッダー２１Ａが、下方ヘッダー２２Ａよりも高い位置になるように設置しているため、緊急時には、受熱管２３内を循環している熱媒体ｈを、容易且つ迅速に回収することが可能となる。

図４に、平板状モジュール２０Ａを組み合わせて構成したＶ字型レシーバー２Ａの概略を示す。平板状モジュール２０Ａを、下方ヘッダー２２Ａで連結し、上方ヘッダー２１Ａが高い位置になるように組み合わせている。レシーバー２Ａの内側に入射した太陽光が再反射して、受熱管２３に複数回あたるように構成しているため、太陽エネルギーの回収効率を向上することができる。

なお、図３及び４に示すレシーバー２、２Ａにおける平板状モジュール２０Ａの組み合わせは、これに限られるものではなく、更に多数の平板状モジュール２０Ａを組み合わせて、レシーバーを構成することができる。例えば、平板状モジュール２０Ａを、天頂を開放した箱型に組み合わせたり、片側を９枚のモジュール２０Ａで構成する大型のＶ字型レシーバーとしたり、平板状モジュール２０Ａのサイズや、数により、さまざまな組み合わせで、レシーバーを構成することが可能となる。このとき、複数のモジュールを１つに連結することなく、複数の系統に分けて連結して、太陽光による加熱の不均一を抑制することができる。

図５に、平板状モジュール２０Ａに改良を加えて作製した、立体型モジュール２０Ｂの概略を示す。立体型モジュール２０Ｂは、直線状の上方ヘッダー２１Ｂと、平面視Ｚにおいて、両端から中心に向かって突出する略三角形となる下方ヘッダー２２Ｂにより構成し
ている。また、正面視Ｘにおいては略四角形となり、側面視Ｙにおいては略三角形となる。この屈曲した下方ヘッダー２２Ｂにより、受熱管２３は、上方ヘッダー２１Ｂ近傍では一列に並んだ状態であるが、下方ヘッダー２２Ｂ近傍では、前後にずれ、曲って並んでいる状態となる。この構成により、モジュールを立体的に形成することができ、このモジュールを組み合わせて立体的なレシーバーを形成することが容易になる。

具体的には、図６に示す様に、立体型モジュール２０Ｂの上方ヘッダー２１Ｂを周状に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｂも周状に連結して、つぼ型レシーバー２Ｂを構成することができる。図６は、立体型モジュール２０Ｂの外縁により、立体型レシーバー２Ｂを表現している。

ここで、上方ヘッダー２１Ｂを周状に連結すると、多角形（図６では八角形）となり、つぼ型レシーバー２Ｂの上方の開口部２５を形成する。また、下方ヘッダー２２Ｂを周状に連結すると、星型となり、レシーバー２Ｂの下方の底面部２６を形成する。

このつぼ型レシーバー２Ｂは、開口部２５から入射した太陽光を、レシーバー内で複数回反射することができるため、太陽エネルギーの回収効率を飛躍的に向上することができる。

図７に、立体モジュール２０Ｂに改良を加えて作製した、絞り付モジュール２０Ｃの概略を示す。絞り付モジュール２０Ｃは、直線状の上方ヘッダー２１Ｃと、平面視Ｚにおいて、両端から中心に向かって突出する略三角形となる下方ヘッダー２２Ｃを有しており、更に、下方ヘッダー２２Ｃの両端を結ぶ直線距離を、上方ヘッダー２１Ｃの両端を結ぶ直線距離より短くなるように構成している。また、正面視Ｘにおいては、上底に比べ下底の長さが短い台形となる。この構成により、モジュールを立体的に形成することができるため、モジュールを組み合わせて立体的なレシーバーを形成することが容易になる。

具体的には、図８に示す様に、絞り付モジュール２０Ｃの上方ヘッダー２１Ｃを周状に連結し、同様に、下方ヘッダー２２Ｃも周状に連結して、絞り付レシーバー２Ｃを構成することができる。図８は、絞り付モジュール２０Ｃの外縁により、絞り付レシーバー２Ｃを表現している。

ここで、上方ヘッダー２１Ｃを周状に連結すると、多角形（図８では八角形）となり、絞り付レシーバー２Ｃの上方の開口部２５を形成する。また、下方ヘッダー２２Ｃを周状に連結すると、星型となり、レシーバー２Ｃの下方の底面部２６を形成する。

この絞り付レシーバー２Ｃは、開口部２５に対して、底面部２６を細く絞っているため、入射する太陽光が増え、且つ、太陽エネルギーを回収しない底面部２６の面積を小さくできるため、太陽エネルギーの回収効率を更に向上することができる。

図９に、絞り付レシーバー２Ｃの概略を示している。図９は、直線状の上方ヘッダー２１Ｃから、屈曲した下方ヘッダー２２Ｃへ、複数の受熱管２３をずらしながら設置し、絞り付モジュール２０Ｃを構成している様子を示している。

なお、モジュール２０において、上方ヘッダー２１及び下方ヘッダー２２の形状は、直線状、屈曲状、又は湾曲状等あらゆる形状を任意に選択することができる。そして、この上方ヘッダー２１及び下方ヘッダー２２の形状に沿って、複数の受熱管２３を設置してモジュール２０を構成することができる。また、モジュール２０を組み合わせてレシーバーを形成する際には、下方ヘッダー２２に対して、上方ヘッダー２１が上方となるように組み合わせて、モジュール２０内部の熱媒体を速やかに回収できるようにレシーバーを構成
することが望ましい。

なお、モジュール２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの背面（太陽光の受光面と反対側）に、断熱材を設置してもよい。この断熱材により、モジュール内を循環する熱媒体ｈの放熱を防止することができる。また、モジュール２０の背面に、反射鏡を設置する構成としてもよい。この構成により、受熱管２３の隙間等を透過する太陽光を、受熱管２３に反射することができるため、太陽エネルギーの回収効率を向上することができる。なお、受熱管２３上に焦点を持つ放物面を有する反射鏡とすると、更に回収効率を向上することができる。

１ ビームダウン式太陽光集光システム
２ レシーバー（受熱部）
２Ａ Ｖ字型レシーバー
２Ｂ つぼ型レシーバー
２Ｃ 絞り付レシーバー
３ センターリフレクター
４ ヘリオスタット
２０ モジュール
２０Ａ 平板状モジュール
２０Ｂ 立体型モジュール
２０Ｃ 絞り付モジュール
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 上方ヘッダー
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ 下方ヘッダー
２３ 受熱管
２４ 連結管
ｈ 熱媒体
Ｓ 太陽光
Ｒ１ 反射光
Ｒ２ 再反射光
Ｒ３ レシーバー内反射光

Claims (7)

1. 太陽光を、複数のヘリオスタットから熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、
   前記受熱部を複数のモジュールの組合せで構成し、前記モジュールが、上方ヘッダーと、下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、且つ、前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成し、
   前記複数のモジュールを１つに連結することなく、複数の系統に分けて連結し、温度が上昇している前記モジュールの前記熱媒体の流量を増加し、温度が高くない前記モジュールの前記熱媒体の流量を減少する制御を行う制御手段を有したことを特徴とする太陽光集光システム。
2. 前記モジュールを、直線状の前記上方ヘッダーと、直線状の前記下方ヘッダーと、前記上方ヘッダーと前記下方ヘッダーを連結する複数の受熱管とで構成し、正面視において略四角形となる平板状モジュールとしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光集光システム。
3. 太陽光を、複数のヘリオスタットから熱媒体を循環する受熱部に反射し、前記熱媒体からエネルギーを取り出す太陽光集光システムであって、
   前記受熱部を複数のモジュールの組合せで構成し、前記モジュールが、上方ヘッダーと、下方ヘッダーと、前記２つのヘッダーを連結する複数の受熱管を有し、且つ、前記モジュール内を前記熱媒体が循環するように構成し、
   前記モジュールを、直線状の前記上方ヘッダーと、直線状の前記下方ヘッダーと、前記上方ヘッダーと前記下方ヘッダーを連結する複数の受熱管とで構成し、正面視において略四角形となる平板状モジュールとし、
   前記平板状モジュールを、平面視において、前記下方ヘッダーが両端から中心にかけて突出する略三角形となるように構成し、立体型モジュールとしたことを特徴とする太陽光集光システム。
4. 前記立体型モジュールを、平面視において、前記下方ヘッダーの両端を結ぶ直線距離を、前記上方ヘッダーの両端を結ぶ距離より短く構成することを特徴とする請求項３に記載の太陽光集光システム。
5. 前記受熱部を、平板状に連結した複数の前記平板状モジュールで構成し、それぞれの前記平板状モジュールが、前記上方ヘッダーから前記下方ヘッダーに向かって下降傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の太陽光集光システム。
6. 前記受熱部を、略Ｖ字型に連結した複数の前記平板状モジュールで構成し、それぞれの前記平板状モジュールが、前記上方ヘッダーから前記下方ヘッダーに向かって下降傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の太陽光集光システム。
7. 前記受熱部を、前記立体モジュールの側部を互いに連結し、つぼ型の受熱部としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の太陽光集光システム。

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