JP5743485B2 - 集熱レシーバー及び太陽熱発電装置 - Google Patents
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Description
集熱レシーバーでは、加熱された熱吸収体の流路にエアー又はエアーを含む混合ガスからなる熱媒体を通過させ、これにより熱媒体が熱を得ることができる。タワー型太陽熱発電では、得られた熱により水を沸騰させて蒸気とし、蒸気タービンを回して発電を行う。
上記集熱レシーバーは、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からなり、
上記熱吸収体は、炭化ケイ素を含んで構成され、上記支持体の内表面から所定の距離離れて支持されていることを特徴とする。
断熱領域面積割合(%)=(B−A)×100/B・・・(1)
従って、上記した割合の層が断熱層として機能し、熱吸収体からの放熱を防止することができる。
断熱領域面積割合が5%未満であると、断熱領域の割合が小さすぎるため、充分に放熱を防止することができず、一方、断熱領域面積割合が50%を超えると、それ以上断熱領域を増加させても、断熱効果が殆ど向上しない。
以下、本発明の集熱レシーバーの一実施形態である第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1(a)は、本発明の第一実施形態に係る集熱レシーバーを模式的に示す縦断面図であり、図1(b)は、図1(a)に示した集熱レシーバーのA−A線断面図である。図1(a)は、集熱レシーバーに収納された熱吸収体を構成するハニカムユニットの流路に平行に切断した縦断面図であり、図1(b)は、上記流路に垂直な断面である。
本発明の実施形態に係る集熱レシーバー10において、多孔質炭化ケイ素の気孔率は35〜60%が望ましい。多孔質炭化ケイ素の気孔率が35%未満であると、気孔の一部が閉気孔となり易く、気孔に熱媒体が侵入することが難しくなるために熱伝導が低下しやなる。一方、多孔質炭化ケイ素の気孔率が60%を超えるとハニカムユニット13の強度が低下し、ハニカムユニット13の昇温、降温の繰り返し(熱履歴)により破壊され易くなる。
なお、上記気孔率は、水銀圧入法により測定した値である。
金属材料としては、例えば、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、鉛、銅、亜鉛及びこれら金属の合金等が挙げられる。また、セラミックとしては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、シリカ、アルミナ、ムライト、ジルコニア等の酸化物セラミック等が挙げられる。支持体12の材料としては、その他に、例えば、金属と窒化物セラミックの複合体、金属と炭化物セラミックの複合体等も挙げられる。支持体の材料は、耐熱性等の点から、アルミナ、炭化ケイ素等のセラミックが好ましい。
この保持材17は、無機繊維からなる平面視矩形のマットが1層又は複数積層されて構成されたものである。この保持材17を熱吸収体11の側面に巻き付けた状態で、支持体12に収納することにより、熱吸収体11を支持体12の内部に支持、固定することができる。そのため、熱吸収体11に蓄積された熱が放散されるのを防止することができる。
断熱領域面積割合(%)=(B−A)×100/B・・・(1)
図2は、図1(b)に示した断面図を利用しており、図示された最も外側の輪郭線が支持体12の外側の輪郭であり、その内側の輪郭線Bの内側部分が、支持体12の開口面積Bを示している。また、その内側の輪郭線Aは、熱吸収体11の断面積Aを示している。従って、ハッチングのある部分が断熱領域断の面積(B−A)となり、断熱領域面積割合は、支持体12の開口面積Bに対する断熱領域の断面積(B−A)の百分率ということとなり、(1)式のようになる。
まず、ハニカムユニットを構成する多孔質炭化ケイ素を製造する。
多孔質炭化ケイ素を製造する際には、原料として平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末と、有機バインダ、可塑剤、潤滑剤、水等とを混合して、湿潤混合物を調製する。
(1)本実施形態の集熱レシーバーは、多孔質炭化ケイ素からなるハニカムユニットを含む熱吸収体を有するため、熱伝導率が高く、得られた熱をスムーズに空気等の熱媒体に伝達することができる。また、ハニカムユニットを構成する炭化ケイ素は、空気中、1600℃でも安定であるため、長期間の使用においても、その性能が変わりにくくなる。
(ハニカムユニットの焼成体の作製工程)
平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末52.8重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末22.6重量%とを混合し、得られた混合物に対して、アクリル樹脂2.1重量%、有機バインダ(メチルセルロース)4.6重量%、潤滑剤(日油社製 ユニルーブ)2.8重量%、グリセリン1.3重量%、及び、水13.8重量%を加えて混練して湿潤混合物を得た。得られた湿潤混合物を押出成形する押出成形工程を行い、四角柱形状の生のハニカムユニットの成形体を作製した。
次いで、得られた多孔質炭化ケイ素からなるハニカムユニット13の接着面に耐熱性の両面テープを貼着し、縦4個、横4個の合計16個のハニカムユニット13を耐熱性の両面テープを介して接着し、熱吸収体11とした。
この温度測定用のサンプルは、支持体12に挿入、固定することにより、集熱レシーバーとすることが可能である。
このとき、熱吸収体11の寸法は、縦137.2mm、横137.2mmとなる。本実施例では、熱吸収体11の周囲に厚さ21mmの保持材17を巻き付けているので、保持材17の周囲に支持体12が配設されているとして断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(179.2×179.2)−断面積A(137.2×137.2)〕×100/断面積B(179.2×179.2)=41.4(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、41.4%となる。
保持材17の厚さを、14mmとしたほかは、実施例1と同様に温度測定用のサンプルを作成した。 このサンプルに関し、実施例1と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(165.2×165.2)−断面積A(137.2×137.2)〕×100/断面積B(165.2×165.2)=31.0(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、31.0%となる。
保持材17の厚さを、7mmとしたほかは、実施例1と同様に温度測定用のサンプルを作成した。このサンプルに関し、実施例1と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(151.2×151.2)−断面積A(137.2×137.2)〕×100/断面積B(151.2×151.2)=17.7(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、17.7%となる。
実施例1と同様にして、ハニカムユニット13を作製し、耐熱性の両面テープを用いて縦3個、横3個の合計9個のハニカムユニット13を耐熱性の両面テープを介して接着し、熱吸収体11とした。
〔断面積B(144.9×144.9)−断面積A(102.9×102.9)〕×100/断面積B(144.9×144.9)=49.6(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、49.6%となる。
保持材17の厚さを、14mmとしたほかは、実施例4と同様に温度測定用のサンプルを作成した。 このサンプルに関し、実施例4と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(130.9×130.9)−断面積A(102.9×102.9)〕×100/断面積B(130.9×130.9)=38.2(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、38.2%となる。
保持材17の厚さを、7mmとしたほかは、実施例4と同様に温度測定用のサンプルを作成した。このサンプルに関し、実施例4と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(116.9×116.9)−断面積A(102.9×102.9)〕×100/断面積B(116.9×116.9)=31.0(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、22.5%となる。
実施例1と同様にして、ハニカムユニット13を製造し、耐熱性の両面テープを用いて縦2個、横2個の合計4個のハニカムユニット13を耐熱性の両面テープを介して接着し、熱吸収体11とした。
〔断面積B(110.6×110.6)−断面積A(68.6×68.6)〕×100/断面積B(110.6×110.6)=61.5(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、61.5%となる。
保持材17の厚さを、14mmとしたほかは、実施例7と同様に温度測定用のサンプルを作成した。 このサンプルに関し、実施例7と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(96.6×96.6)−断面積A(68.6×68.6)×100/断面積B(96.6×96.6)=49.6(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、49.6%となる。
保持材17の厚さを、7mmとしたほかは、実施例7と同様に温度測定用のサンプルを作成した。このサンプルに関し、実施例7と同様に断熱領域面積割合を計算すると、以下のようになる。
〔断面積B(82.6×82.6)−断面積A(68.6×68.6)×100/断面積B(82.6×82.6)=31.0(%)
すなわち、断熱領域面積割合は、31.0%となる。
保持材17を、熱吸収体11の周囲に巻き付けなかったほかは、実施例1と同様に温度測定用のサンプルを作成した。本比較例の断熱領域面積割合は、0%である。
保持材17を、熱吸収体11の周囲に巻き付けなかったほかは、実施例4と同様に温度測定用のサンプルを作成した。本比較例の断熱領域面積割合は、0%である。
保持材17を、熱吸収体11の周囲に巻き付けなかったほかは、実施例7と同様に温度測定用のサンプルを作成した。本比較例の断熱領域面積割合は、0%である。
パナソニック社製でRPS−500WB、100V、150Wのスポット写真用ランプを用い、実施例1〜9及び比較例1〜3の温度測定用サンプル(以下、単にサンプルともいう)のサンプル表面より100mmの距離から写真用ランプを30分間照射した。照射開始から照射終了後30分のサンプルの温度を10秒毎にサンプルに直接取り付けた熱電対により測定した。
図7は、本発明の実施例1〜3及び比較例1におけるサンプルの温度変化を示すグラフであり、図9は、本発明の実施例4〜6及び比較例2におけるサンプルの温度変化を示すグラフであり、図11は、本発明の実施例7〜9及び比較例3におけるサンプルの温度変化を示すグラフである。図7、9及び11の各グラフにおいて、縦軸は温度(℃)、横軸は、経過時間(秒)を示している。また、図8は、本発明の実施例1〜3及び比較例1におけるサンプルの断熱領域面積割合と到達最高温度との関係を示すグラフであり、図10は、本発明の実施例4〜6及び比較例2におけるサンプルの断熱領域面積割合と到達最高温度との関係を示したグラフであり、図12は、本発明の実施例7〜9及び比較例3におけるサンプルの断熱領域面積割合と到達最高温度との関係を示したグラフである。図8、10及び12の各グラフにおいて、縦軸は到達最高温度(℃)、横軸は、断熱領域面積割合(%)を示している。さらに、各実施例及び各比較例の温度測定結果を表1に示した。表1では、各実施例、比較例に係るサンプルの最高温度、ランプの照射が終了して30分後の温度を示している。
以下、本発明の集熱レシーバーの一実施形態である第二実施形態について図面を参照しながら説明する。
図3(a)は、本発明の第二実施形態に係る集熱レシーバーを模式的に示す縦断面図であり、図3(b)は、図3(a)に示した集熱レシーバーのB−B線断面図である。
また、流路間の壁部の厚さも、第一実施形態の場合と同様に、0.1〜0.5mmが好ましい。
本発明の実施形態に係る集熱レシーバー40では、熱吸収体11と支持体12との間に保持材17が介装されているが、保持材17も第一実施形態の場合と同様に構成されている。
まず、ハニカムユニットを構成する多孔質炭化ケイ素を製造する。この多孔質炭化ケイ素は、第一実施形態の場合と同様にして製造することができる。
ハニカムユニットの焼成体にシリコンを含浸する場合、例えば、前もってハニカムユニットの焼成体に炭素質物質を含浸しておくことが好ましい。このような炭素質物質としては、例えば、フルフラール樹脂、フェノール樹脂、リグニンスルホン酸塩、ポリビニルアルコール、コーンスターチ、糖蜜、コールタールピッチ、又は、アルギン酸塩等の各種有機物質を挙げることができる。なお、カーボンブラック、又は、アセチレンブラックのような熱分解炭素も同様に使用することができる。
また、上記したハニカムユニットの焼成体への金属含浸工程は、ハニカムユニットの成形体(即ち、焼成工程前のハニカムユニット)に対して行ってもよい。この方法によると、省電力化を図ることができ、製造コストを抑えることができる。
すなわち、シリコンを接着材ペーストとして使用し、複数のハニカムユニットをシリコンの層を介して接着する際には、多孔質炭化ケイ素(ハニカムユニット)に対するシリコンの充填と接着とを同時に行う。この場合には、例えば、微粉状シリコンを含浸させた複数のハニカムユニットの焼成体を所定の固定具等を用いて熱吸収体の形状となるように組み合わせた後、加熱する方法をとることができる。
本実施形態においては、第一実施形態の(2)、(4)の作用効果を奏するほか、下記の効果を奏する。
(5)本実施形態の集熱レシーバーは、ハニカムユニットは、多孔質炭化ケイ素と、多孔質炭化ケイ素中の気孔を充填するシリコンとを含んでハニカムユニットが構成されているため、ハニカムユニットは緻密体となる。また、ハニカムユニットは緻密体のため、ハニカムユニットの熱容量が大きくなり、熱吸収体の蓄熱性が高くなる。また、ハニカムユニットの熱伝導率が高くなるので、得られた熱をスムーズに空気等の熱媒体に伝達することができる。
以下、本発明の集熱レシーバーの他の一実施形態である第三実施形態について説明する。
本実施形態に係る集熱レシーバーでは、熱吸収体は、支持体に設けられた固定部材により支持され、固定部材を除いた熱吸収体と支持体との間には、空気層が存在しているほかは、第一実施形態に係る集熱レシーバーと同様に構成されている。従って、以下においては、支持体に設けられた固定部材を用いた熱吸収体の固定方法について説明する。
図4(a)、(b)に示すように、本発明の第三実施形態に係る集熱レシーバー50では、支持体12に収容された熱吸収体11が固定部材であるボルト18により支持、固定されている。
従って、断熱領域面積割合が5〜50%が好ましい。
本実施形態においては、第一実施形態の(1)、(3)及び(4)の作用効果を奏するほか、下記の効果を奏する。
以下、本発明の太陽熱発電装置の一実施形態である第四実施形態について説明する。
本実施形態に係る太陽熱発電装置では、本発明の第一実施形態に係る集熱レシーバーが用いられている。
図6は、本発明に係る太陽熱発電装置を模式的に示す説明図である。
この冷却器36において、蒸気発生器33を通過することにより冷却された熱媒体14が冷却器36の冷却管(図示せず)を通るように構成されていることが好ましい。熱媒体14が冷却管を通ることにより加熱されるので、集熱レシーバー10で吸収した熱を効率良く利用することができる。
(1)本実施形態の太陽熱発電装置においては、第一実施形態に係る集熱レシーバーが用いられているので、照射された太陽光を、効率よく熱に変換することができ、効率よく発電を行うことが出来る。
以下、本発明の集熱レシーバーのその他の実施形態について説明する。
本実施形態においては、複数のハニカムユニットからなる集熱レシーバーについて説明を行ったが、本発明の集熱レシーバーは、1つのハニカムユニットから構成されていてもよい。
11 熱吸収体
12 支持体
12a 拡大部
12b 熱媒体の出口
13 ハニカムユニット
13b 流路
14 熱媒体
15 シール材層
17 保持材
18 ボルト
20 レシーバーアレイ
22 枠体
22a 底部
22b 管
22c 空間
30 太陽熱発電装置
32 中央タワー
33 蒸気発生器
34 蓄熱器
35 蒸気タービン
36 冷却器
37 ヘリオスタット
45 シリコン
Claims (10)
- 太陽熱発電装置に使用される集熱レシーバーであって、
前記集熱レシーバーは、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からなり、
前記熱吸収体は、炭化ケイ素を含んで構成され、
前記支持体の内表面から所定の距離離れて支持されており、
前記熱吸収体と前記支持体との間には無機繊維を含む保持材が介装されていることを特徴とする集熱レシーバー。 - 前記保持材は、アルミナ−シリカ繊維、アルミナ繊維又はシリカ繊維からなる請求項1に記載の集熱レシーバー。
- 前記保持材は、アルミナとシリカとの組成比(アルミナ/シリカ)が60/40〜80/20のアルミナ−シリカ繊維からなる請求項2に記載の集熱レシーバー。
- 前記熱吸収体の太陽光が照射される面に平行な面の断面積をA、前記した太陽光が照射される面に平行な面を含む支持体の開口面積をBとした際、
下記の(1)式で表される断熱領域面積割合が5〜50%である請求項1〜3のいずれかに記載の集熱レシーバー。
断熱領域面積割合(%)=(B−A)×100/B・・・(1) - 前記熱吸収体は、多孔質炭化ケイ素からなる請求項1〜4のいずれかに記載の集熱レシーバー。
- 前記熱吸収体は、多孔質炭化ケイ素と前記多孔質炭化ケイ素中の気孔を充填するシリコンとを含んでいる請求項1〜5のいずれかに記載の集熱レシーバー。
- 前記多孔質炭化ケイ素の気孔率は35〜60%、平均気孔径は5〜30μmである請求項5又は6に記載の集熱レシーバー。
- 前記熱吸収体は、緻密質炭化ケイ素からなる請求項1〜4のいずれかに記載の集熱レシーバー。
- 前記熱吸収体には、31.0〜93.0個/cm2の流路が形成され、流路間の壁部の厚さは、0.1〜0.5mmである請求項1〜8のいずれかに記載の集熱レシーバー。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の集熱レシーバーが用いられていることを特徴とする太陽熱発電装置。
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