JP5404374B2 - 太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システム - Google Patents
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Description
タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部上に集光受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲に太陽光線を追尾するように動作制御された複数のヘリオスタットを配置し、ヘリオスタットで反射される太陽光線を集光受熱器に導くことで集光・集熱するものである。
図15に示すように、従来の集光受熱器500は、図示しないタワー部上に設置され、ヘリオスタットで反射される太陽光線が入射する開口部501を有する有底筒状のケーシング502と、軸方向がケーシング502の中心軸と平行になるようにして、ケーシング502の内壁面に沿って配列され、ケーシング502内に入射した太陽光線を受光する複数の受熱管503とを有している。
この場合、例えば第1流路内に流通する熱媒体の流量が、第2流路内に流通する熱媒体の流量に比べて多くなるように設定することで、第1流路から熱媒体への熱伝達の効率は、第2流路から熱媒体への熱伝達の効率に比べて高くなる。すなわち、第1流路での熱媒体への熱伝達を、第2流路での熱媒体への熱伝達よりも積極的に行わせることで、熱媒体への熱伝達による第2流路の温度低下を、第1流路の温度低下に比べて抑制することができる。これにより、太陽光の照射側と非照射側との温度差を低減することができるので、両者間での温度差に起因して発生する熱応力を低減することが可能となる。その結果、応力集中や、応力の繰り返し発生による疲労寿命の低下を抑制することができるので、受熱管の耐久性を向上させることができる。
この構成によれば、熱媒体導入ヘッダを第1ヘッダと第2ヘッダとに区画するとともに、第2ヘッダに制限手段を設けることで、複数の受熱管の第2流路に対して一括して流量を制限することができる。これにより、上述したように第1流路から熱媒体への熱伝達の効率を、第2流路から熱媒体への熱伝達の効率に比べて高くすることができる。その結果、上述したように照射側と非照射側との温度差を低減することができる。
この構成によれば、熱媒体が第1流路側から流入して、第2流路側から排出されるため、第1流路には比較的低温の熱媒体が、第2流路には第1流路で熱交換された比較的高温の熱媒体が流通することになる。すなわち、第1流路と第1流路内を流通する熱媒体との温度差は、第2流路と第2流路内を流通する熱媒体の温度差に比べて大きくなる。そのため、第1流路での熱媒体への熱伝達が、第2流路での熱媒体への熱伝達よりも積極的に行われることになるので、熱媒体への熱伝達による第2流路の温度低下を、第1流路の温度低下に比べて抑制することができる。その結果、照射側と非照射側との温度差を低減することができる。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、照射側と非照射側との温度差を低減した上で、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる。
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、照射側と非照射側との温度差を低減した上で、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる。
図1,2は、ヘリオスタットと、タワー上の集光受熱器との位置関係を示す説明図であり、図1は側面図、図2は平面図を示している。なお、地球上で発電装置の立地に適する場所は、太陽からの直達日射が強く良好な回帰線に近い亜熱帯高圧帯の乾燥地域である。そこで、本実施形態の発電装置では、特に亜熱帯高圧帯の中における低緯度地域に配置される全周配置方式の発電装置について説明する。
図1において、符号1で示すものは、グランドGに設けられたヘリオスタットフィールドである。発電装置100は、このヘリオスタットフィールド1に照射される太陽光線Hを集光し受熱する集光受熱システム101と、集光受熱システム101で受熱した熱により加熱された熱媒体を用いて発電を行う発電ユニット102とを備えている。
集光受熱システム101は、ヘリオスタットフィールド1上に配置され、太陽光線Hを反射するための複数のヘリオスタット2と、グランドGに立設されたタワー部3と、タワー部3上に設置されたハウジング12と、ハウジング12内に収納されて太陽光線Hを受光する集光受熱器10とを備えている。ここで、本実施形態では、タワー部3は、ヘリオスタットフィールド1の内部に配置されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド1内のヘリオスタット2は、タワー部3を約360度全周囲むように配置されている(図2参照)。
図3の(a)は発電装置を上面から見た断面図、(b)は側面から見た断面図である。
図3に示すように、発電ユニット102は、ハウジング12のタービン発電機室17内に収納されており、圧縮機23及びタービン24からなるガスタービン25と、吸気フィルター26と、再生熱交換器27と、発電機28とを主に備えている。
圧縮機23は、ハウジング12の外部に設けられた図示しない供給源から空気供給路35を流通して供給される空気を、ハウジング12の空気取込口29から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成するものである。圧縮機23には、圧縮機23で圧縮された圧縮空気が集光受熱器10の上流端に向けて流通する受熱器供給路32が接続されている(図4参照)。そして、集光受熱器10で加熱された圧縮空気は、集光受熱器10の下流端に接続されたタービン供給路33を通ってタービン24に供給されるようになっている(図4中矢印F2参照)。
タービン24は、タービン供給路33から供給される圧縮空気の熱エネルギーをロータ30の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させるものである。そして、この駆動力がロータ30に連結された発電機28に出力されることで、発電が行われるようになっている。そして、タービン24内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなって空気排出路34を通ってタービン24から排気される。
また、再生熱交換器27には、受熱器供給路32と空気排出路34とが接続されており、受熱器供給路32内を流通する圧縮空気と、空気排出路34内を流通する排出ガスとの間で熱交換を行い、受熱器供給路32内を流通する圧縮空気が集光受熱器10に供給される前段で予備加熱されるようになっている。
図4は、集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。
図3,4に示すように、集光受熱器10は、ハウジング12の集光室18に収納されており、ケーシングとなる受熱器本体41と、受熱器本体41の内部に設けられ、ヘリオスタット2で反射された太陽光線Hが照射されて受熱する受熱部42とを有する。
受熱器本体41は、軸方向がハウジング12の軸方向に一致した状態で配置された有底筒状のものであり、上部は天板部43により閉塞される一方、下部にはグランドGに向けて開口する開口部44が形成されている。そして、受熱器本体41の天板部43と仕切床16とは、複数のフック部材45(図3(b)参照)により連結されており、これらフック部材45により受熱器本体41は仕切床16から吊り下げられた状態で集光室18内に収納されている。なお、後述するがフック部材45の下端部は受熱器本体41を貫通しており、受熱部42にも連結されている。すなわち、集光受熱器10の受熱器本体41及び受熱部42は、ともに同一のフック部材45により支持されている。
図3〜5に示すように、受熱部42は、複数の受熱管51と、複数の受熱管51における圧縮空気の流通方向上流端がまとめて接続された低温側ヘッダ((熱媒体導入ヘッダ))52と、複数の受熱管51における圧縮空気の流通方向下流端がまとめて接続された高温側ヘッダ(熱媒体導出ヘッダ)53とを備えている。
図4〜図7に示すように、受熱管51は、その軸方向が受熱器本体41の軸方向と平行になるように配置された部材であり、受熱器本体41の内壁面における周方向全周に亘って複数配列されている。各受熱管51の下端部(上流端)は、テーパ部46を貫通して低温側ヘッダ52の上部にそれぞれ接続される一方、上端部(下流端)は受熱器本体41内で高温側ヘッダ53の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温側ヘッダ52を流通する圧縮空気は各受熱管51内に分散され、各受熱管51内で加熱された後、再び高温側ヘッダ53で集合するようになっている。
ここで、図6〜図8に示すように、各受熱管51内には、上述した受光面51a側と非受光面51b側とを区画する仕切板56が配置されている。この仕切板56は、溶接加工や引抜き加工等により受熱管51に一体的に形成された平板状のものであり、受熱管51の軸方向における全長に亘って形成されている。これにより、受熱管51は、受光面51aと仕切板56とに囲まれた受光側流路(第1流路)61と、非受光面51bと仕切板56とに囲まれた非受光側流路(第2流路)62とに区画されている。
次に、上述した発電装置の動作方法について説明する。
まず、図3に示すように、発電機28が作動し、減速機31を介してロータ30が回転し始めると、供給源に貯留された空気が空気取込口29から空気供給路35内に流入し、吸気フィルター26を通って圧縮機23内に流入する。圧縮機23に流入した空気は圧縮機23内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱器供給路32に流出し、受熱器供給路32から受熱部42の低温側ヘッダ52内に供給される(図4中矢印F1参照)。
そして、加熱された受熱管51と受熱管51内を流通する圧縮空気との間で熱交換が行われ、圧縮空気は受熱管51内を流通する間に高温となる。
そのため、受光側流路61から圧縮空気への熱伝達の効率は、非受光側流路62から圧縮空気への熱伝達の効率に比べて高くなる。すなわち、受光側流路61での圧縮空気への熱伝達を、非受光側流路62での圧縮空気への熱伝達よりも積極的に行わせることで、圧縮空気への熱伝達による非受光側流路62の温度低下を、受光側流路61の温度低下に比べて抑制することができる。
タービン供給路33内に流入した圧縮空気は、タービン供給路33内を鉛直方向上方に向かって流通し(図4中矢印F2参照)、タービン24内に流入してタービン24を駆動させる。これにより、タービン供給路33から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータ30の回転エネルギーに変換され、タービン24に駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ30に連結された発電機28に出力され、発電が行われるようになっている。
この構成によれば、受光側流路61での圧縮空気との熱交換を非受光側流路62での圧縮空気との熱交換よりも積極的に行わせることで、上述したように受光面51a側と非受光面51b側との温度差を低減することができるので、両者間での温度差に起因して発生する熱応力を低減することが可能となる。これにより、受熱管51自体や受熱管51とヘッダ52,53との接合部分等に作用する応力集中や、応力の繰り返し発生による疲労寿命の低下を抑制することができるので、受熱管51の耐久性を向上させることができる。その結果、受熱管51の寿命を長期化させることで、受熱管51のメンテナンスや交換間隔を長期化させることができるため、設備コストを低減させることができる。これにより設備コストに対する発電量を増加させ、発電効率を向上させることができる。
そして、このような集光受熱システム101では、受光側流路61と非受光側流路62との温度差を低減した上で、太陽光線Hからの熱エネルギーを圧縮空気に対して効率的に伝達することができる。
したがって、受熱管51を周方向全域に亘って加熱することができるので、受光面51aと非受光面51bとの温度差をより効果的に低減することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図9は本実施形態の受熱部を一部破断して示す平面図である。上述した実施形態では、各受熱管51の非受光側流路62の流入口に制限手段であるオリフィスプレート63を配置する構成について説明したが、本実施形態では低温側ヘッダ52に制限手段を配置する点で上述した実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図9に示すように、本実施形態の受熱部142は、低温側ヘッダ152を周方向に沿って等間隔に区画する複数の区画壁111が設けられている。区画壁111は、低温側ヘッダ152における各受熱器供給路32の流出口の一端側に配置され、区画壁111間で囲まれた領域が分割ヘッダ112をそれぞれ構成している。すなわち、各分割ヘッダ112は、低温側ヘッダ152を90度毎に分割しており、これら各分割ヘッダ112における周方向一端側で受熱器供給路32の流出口が開口している。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図10は本実施形態の受熱部を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図10に示すように、本実施形態の受熱部242は、受熱器本体41内において、天板部43の外周側に沿って配置された高温側ヘッダ253と、高温側ヘッダ253の径方向内側に配置された低温側ヘッダ252と、これらヘッダ252,253を連通させる複数の受熱管251とを備えている。なお、低温側ヘッダ252及び高温側ヘッダ253は、複数のフック部材245により天板部43から吊り下げられた状態で支持されている。
さらに、各ヘッダ252,253がともに受熱器本体41の上端側に配置されているため、上述した第1実施形態のように圧縮機23で圧縮された圧縮空気を低温側ヘッダ52まで供給するために、受熱器本体41の下端側まで引き回す必要がない。そのため、装置のレイアウト性を向上させることも可能である。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図11は本実施形態の受熱部を示す断面図である。本実施形態では、受熱管251の配置方向を第3実施形態に比べて上下逆向きに配置している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図11(a)に示すように、本実施形態における受熱部242は、受熱器本体41内において、低温側ヘッダ252及び高温側ヘッダ253が重力方向下部に配置されるとともに、これら低温側ヘッダ252及び高温側ヘッダ253から上方に向けて延在するように複数の受熱管251が接続されている。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。図12は、集光受熱器を軸方向から見た断面図である。本実施形態では、受熱器本体の内壁面に反射鏡を配置する点で上述した各実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図12に示すように、受熱器本体41の内壁面には全周に亘って反射鏡401が配置されている。この反射鏡401は、受熱器本体41の周方向に沿って山部402と谷部403とが連続的に形成された断面視波型のものであり、各山部403間に受熱管351が配置されている。この場合、受熱器本体41内に入射した太陽光線Hのうち、一部は受熱管351の受光面351aに直接照射される。一方、受熱器本体41内に入射した太陽光線Hのうち、各受熱管351間を通過した太陽光線Hは、受熱器本体41の内壁面に設けられた反射鏡401で反射され、開口部44から入射した太陽光線Hを直接受光できない非受光面351bに照射される。
なお、上述した第5実施形態では、上述した第1〜第4実施形態と異なり、仕切板(例えば、仕切板56)によって区画されていない受熱管351を用いて説明したが、第1〜第4実施形態の仕切板が形成された受熱管51,151,251を用いても構わない。これにより、受光面351aと非受光面351bとの温度差をより低減することができる。また、反射鏡401は、凹面状に形成しても構わない。また、反射鏡401が配置される間隔は必ずしも受熱管351が配置される間隔に合わせる必要はない。
例えば、上述した実施形態では、集光受熱器10で加熱した圧縮空気を作動流体としてタービン24に供給する場合について説明したが、これに限らず、タービン24には別途作動流体(例えば、燃焼ガス)を供給し、受熱部42で加熱された圧縮空気を作動流体の熱交換に用いる構成にしても構わない。
また、集光受熱器と発電ユニットとの位置関係は適宜設計変更が可能である。すなわち、発電ユニットの配置位置は、集光受熱器の上方や、後方に限られることはない。
さらに、上述した実施形態では、発電機28がロータ30を駆動させるとともに、タービン24が回転することによって発電を行うオルタネータとしての機能を有している場合について説明したが、これに限らず発電機28とは別体でロータ30を回転させる駆動モータを採用しても構わない。
3 タワー部
10 集光受熱器(太陽光受熱器)
41 受熱器本体(ケーシング)
44 開口部
51,151,251,351,451 受熱管
51a,351a 受光面(照射側)
51b,351b 非受光面(非照射側)
52,152,252 低温側ヘッダ(熱媒体導入ヘッダ)
53,253 高温側ヘッダ(熱媒体導出ヘッダ)
56,156,256,456 仕切板(仕切部材)
61,261 受光側流路(第1流路)
62,262 非受光側流路(第2流路)
63,163 オリフィスプレート(制限手段)
113 受光側ヘッダ(第1ヘッダ)
114 非受光側ヘッダ(第2ヘッダ)
Claims (5)
- 内部に熱媒体が流通するとともに、照射される太陽光の熱を熱媒体に伝熱させる受熱管を有する太陽光受熱器であって、
前記受熱管の内部を、太陽光が照射される照射側の第1流路と、太陽光の照射方向における前記第1流路と反対側であって非照射側の第2流路と、に区画する仕切部材を備え、
前記第2流路への熱媒体の流入を制限する制限手段を有することを特徴とする太陽光受熱器。 - 請求項1記載の太陽光受熱器において、
複数の前記受熱管と、
前記複数の受熱管における熱媒体の流通方向上流端が連結され、前記複数の受熱管に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダとを備え、
前記熱媒体導入ヘッダは、
前記受熱管の前記第1流路に連通する第1ヘッダと、
前記受熱管の前記第2流路に連通する第2ヘッダとを備え、
前記第2ヘッダに前記制限手段が設けられていることを特徴とする太陽光受熱器。 - 内部に熱媒体が流通するとともに、照射される太陽光の熱を熱媒体に伝熱させる受熱管を有する太陽光受熱器であって、
前記受熱管の内部を、太陽光が照射される照射側の第1流路と、太陽光の照射方向における前記第1流路と反対側であって非照射側の第2流路と、に区画する仕切部材を備え、
前記第1流路と前記第2流路とは、熱媒体の流通方向一端側で連通し、
熱媒体は、前記第1流路の流通方向他端側から供給され、前記第2流路の流通方向他端側から排出されることを特徴とする太陽光受熱器。 - 請求項3記載の太陽光受熱器において、
複数の前記受熱管と、
前記複数の受熱管における前記第1流路の流通方向他端側が連結され、前記各第1流路に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダと、
前記第2流路の流通方向他端側が連結され、前記各第2流路から熱媒体が導出される熱媒体導出ヘッダとを備えていることを特徴とする太陽光受熱器。 - 地上に設置され、太陽光線を反射する複数の反射鏡と、
前記地上から立設されたタワー部と、
前記タワー部に支持され、太陽光線を集光する開口部を有するケーシングと、
前記ケーシング内に収容された請求項1ないし請求項4の何れか1項に記載の太陽光受熱器とを備えていることを特徴とする太陽光集光受熱システム。
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