JP6033405B2 - 太陽熱集熱システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽からの熱を集熱し、その熱で蒸気を生成する太陽熱集熱システムに関する。

本技術分野の背景技術として、例えば、国際公開第ＷＯ２０１３／００２０５４号パンフレット（特許文献１）がある。このパンフレットには、給水ポンプから供給される水を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置と、低温加熱装置によって生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、汽水分離装置で分離された蒸気を太陽光の熱で加熱する高温加熱装置と、汽水分離装置で分離した水を低温加熱装置に供給する循環ポンプと、を備えた太陽熱集熱システムが記載されている（要約参照）。

国際公開第ＷＯ２０１３／００２０５４号パンフレット

特許文献１の太陽熱集熱システムを用いて蒸気を生成する場合の、（ａ）日射量、（ｂ）低温集熱装置メタル温度、（ｃ）汽水分離装置入口蒸気温度、（ｄ）高温集熱装置入口（出口）蒸気流量、（ｅ）高温集熱装置メタル温度、（ｆ）高温集熱装置出口蒸気温度のそれぞれの変化を図１５に示す。

図１５（ａ）に示すように時刻ｔ１から日射量が増加し始めると、図１５（ｂ）および図１５（ｅ）に示すように、低温集熱装置および高温集熱装置が起動し、それぞれの集熱装置のメタル温度が増加し始める。そして、低温集熱装置に給水された水は、時刻ｔ３の時点で飽和蒸気温度まで加熱され、飽和温度に達した水−蒸気二相流体は汽水分離装置で蒸気と水に分離される（図１５（ｃ））。一方で、時刻ｔ１〜ｔ４（ｔ３より若干遅い時刻）までの間、図１５（ｄ）に示すように、高温集熱装置にはまだ蒸気が流れておらず、メタル温度が上昇し続けている。この状態で汽水分離装置から徐々に増加しはじめた蒸気を高温集熱装置に流入させると、図１５（ｆ）に示すように、時刻ｔ４において、高温集熱装置出口の蒸気温度がオーバーシュートする。その結果、高温集熱装置の伝熱管が損傷する可能性がある。

本発明は、上記した実状を鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽熱集熱システムにおいて、高温集熱装置の伝熱管の損傷リスクを低減させることにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の手段は、供給された水を太陽光の熱で加熱して蒸気を生成する低温集熱装置と、前記低温集熱装置で生成された水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、前記汽水分離装置で分離された蒸気を複数のヘリオスタットで反射させた太陽光の熱で加熱して、過熱蒸気を生成する高温集熱装置と、前記高温集熱装置のメタル温度が、前記高温集熱装置の出口における蒸気温度のオーバーシュートを防止するために設定された閾値温度以下となるように、前記複数のヘリオスタットの角度を制御するヘリオスタット制御装置と、を備え、前記低温集熱装置は、樋状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、前記高温集熱装置は、所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、太陽光を前記複数のヘリオスタットで伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなり、前記ヘリオスタット制御装置は、前記タワーとの距離が遠い方の前記ヘリオスタットを、前記タワーとの距離が近い方の前記ヘリオスタットより先に前記伝熱管パネルに太陽光を集光させるよう角度の調整を行うことを特徴とする。

第１の手段によれば、高温集熱装置のメタル温度が閾値温度以下に制御されるため、高温集熱装置出口の蒸気温度のオーバーシュートを防止できる。よって、高温集熱装置の伝熱管の損傷リスクを低減することができる。また、第１の手段によれば、高温集熱装置のメタル温度が急激に上昇することを防止できるため、より一層伝熱管パネルの損傷リスクを抑えることができる。

本発明の第２の手段は、前記第１の手段において、前記高温集熱装置のメタル温度を検出するメタル温度検出器と、前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気の流量を検出する流量検出器と、を備え、前記ヘリオスタット制御装置は、前記メタル温度検出器で取得した温度データおよび前記流量検出器で取得した流量データに基づいて、前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする。

第２の手段によれば、高温集熱装置のメタル温度のデータと過熱蒸気の流量のデータとに基づいてヘリオスタットの制御を行っているため、高温集熱装置出口における蒸気温度を高精度で調整できる。よって、高温集熱装置の伝熱管の破損リスクはより一層低減される。

本発明の第３の手段は、前記第１または第２の手段において、前記汽水分離装置の入口の蒸気温度を検出する第１温度検出器を備え、前記ヘリオスタット制御装置は、前記低温集熱装置が起動されたタイミングより後、かつ、前記第１温度検出器で検出された温度が飽和蒸気温度に到達するより前の任意のタイミングで、太陽光が前記高温集熱装置に反射するように前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする。

第３の手段によれば、高温集熱装置のメタル温度が上昇を開始するのは、低温集熱装置の起動後となるから、高温集熱装置のメタル温度を閾値温度以下に制御するのが簡単である。即ち、第３の手段は、高温集熱装置の起動を低温集熱装置の起動より遅らせるという簡単な制御により、高温集熱装置のメタル温度の上昇を効果的に抑制して、伝熱管の破損リスクを低減しているのである。

さらに、第３の手段では、高温集熱装置の起動は、第１温度検出器にて検出される温度が飽和蒸気温度に到達するより前であるから、高温集熱装置のメタル温度が飽和蒸気温度より低い状態で高温集熱装置に蒸気が流入するのを防止できる。

本発明の第４の手段は、前記第１または第２の手段において、前記低温集熱装置の出口の蒸気温度を検出する第２温度検出器を備え、前記ヘリオスタット制御装置は、前記低温集熱装置が起動されたタイミングより後、かつ、前記第２温度検出器で検出された温度が飽和蒸気温度に到達するより前の任意のタイミングで、太陽光が前記高温集熱装置に反射するように前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする。

第４の手段によれば、高温集熱装置のメタル温度が上昇を開始するのは、低温集熱装置の起動後となるから、高温集熱装置のメタル温度を閾値温度以下に制御するのが簡単である。即ち、第４の手段は、高温集熱装置の起動を低温集熱装置の起動より遅らせるという簡単な制御により、高温集熱装置のメタル温度の上昇を効果的に抑制して、伝熱管の破損リスクを低減しているのである。

さらに、第４の手段では、高温集熱装置の起動は、第２温度検出器にて検出される温度が飽和蒸気温度に到達するより前であるから、高温集熱装置のメタル温度が飽和蒸気温度より低い状態で高温集熱装置に蒸気が流入するのを防止できる。

本発明の第５の手段は、前記第１の手段において、前記高温集熱装置にて生成された過熱蒸気に対して水を吹き付けて、当該過熱蒸気の温度を安定させるためのスプレ弁を設けたことを特徴とする。

第５の手段によれば、過熱蒸気を安定した温度で供給することができるため、例えば、第５の手段に係る太陽熱集熱システムを太陽熱発電プラントなどに組み込んで用いることにより、プラント全体の性能が高まる。

本発明によれば、高温集熱装置の伝熱管の損傷リスクを低減させることができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 図１に示す高温集熱装置を設置したタワー式の集光・集熱装置の概略構成図である。 図２に示す高温集熱装置の伝熱パネルの概略構成図である。 第１実施形態に係る太陽熱集熱システムを用いて蒸気を生成する場合の各種データを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 トラフ式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。 フレネル式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。 本発明の第３実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 第４実施形態に係る太陽熱集熱システムを用いて蒸気を生成する場合の各種データを示す図である。 （ａ）はタワーとヘリオスタットとの距離Ｘに対するヘリオスタット１枚あたりの集光効率を示す図であり、（ｂ）は高温集熱装置の上面図である。 本発明の第５実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 本発明の第６実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 本発明の第７実施形態に係る太陽熱集熱システムの概略構成図である。 従来の太陽熱集熱システムを用いて蒸気を生成する場合の各種データを示す図である。

本発明の内容を下記に記載の実施形態にて詳細に説明するが、本発明が本実施形態にて制限されるものではない。

「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ１の概略構成図である。この太陽熱集熱システムＳＹＳ１は、太陽熱発電プラントの蒸気タービンに過熱蒸気を供給するために使用される。なお、太陽熱発電プラントは、図示しないが、太陽熱集熱システムＳＹＳ１の高温集熱装置５で生成された過熱蒸気で駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンの動力で発電する発電機と、蒸気タービンに供給された過熱蒸気を復水する復水器と、復水器で復水された水を太陽熱集熱システムＳＹＳ１の低温集熱装置１に供給するラインとを備えて構成される。

図１において、符号１は水を太陽光の熱で加熱する低温集熱装置、符号２は給水ポンプ、符号３は給水弁、符号４は低温集熱装置１で生成した水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置、符号５は蒸気を太陽光の熱で加熱する高温集熱装置、符号６は太陽、符号７は太陽からの太陽光、符号８はヘリオスタット、符号９はタワー、符号１０は蒸気弁、符号１１は高温集熱装置５からの蒸気流量を計測する流量計（流量検出器）、符号１２は高温集熱装置５のメタル温度を測定する温度計（メタル温度検出器）、符号１３は流量計１１で取得した流量データおよび温度計１２で取得した温度データに基づいて、任意のヘリオスタット８の角度を調整する演算装置（ヘリオスタット制御装置）、符号１４は循環ポンプ、符号４０はスプレ弁である。なお、スプレ弁４０を給水ポンプ２と給水弁３とを繋ぐ配管から分岐した分岐管に設けているのは、給水の温度が最も安定しており、流量の調整を行い易いからである。

また、以降の説明では、各構成要素を結ぶ配管をライン○−○と表記する。前記の○には符号が入り、例えば、ライン２−３は給水ポンプ２と給水弁３を結ぶ配管を表している。

この太陽熱集熱システムＳＹＳ１は、図１に示すように、まず、給水ポンプ２から供給された水はライン２−３を通り、給水弁３により流量が調整され、ライン３−１を通り低温集熱装置１に送られる。この低温集熱装置１では太陽光の熱によって給水を加熱し、水−蒸気二相流体が生成される。生成された水−蒸気二相流体は、ライン１−４を通り汽水分離装置４に送られる。

汽水分離装置４に導入された水−蒸気二相流体は、汽水分離装置４にて水と蒸気に分離される。分離された飽和蒸気は、ライン４−５を通り高温集熱装置５へ送られる。その高温集熱装置５に導入された飽和蒸気は、高温集熱装置５にて太陽熱でさらに加熱され、過熱蒸気が生成される。なお、汽水分離装置４で分離された水はライン４−１４を通り、循環ポンプ１４へ送られる。循環ポンプ１４で加圧された水はライン１４−１を通り、低温集熱装置１の入口へ送られる。

高温集熱装置５で生成された過熱蒸気はライン５−１１を通り、流量計１１で流量が測定され、ライン１１−１０を通り蒸気弁１０で過熱蒸気の流量が調整される。なお、流量計１１の流量データを演算装置１３に入力する。また、温度計１２で高温集熱装置５のメタル温度が測定される。温度計１２の温度データを演算装置１３に入力する。さらに、演算装置１３は、入力された流量データおよび温度データに基づいて、任意のヘリオスタット８の角度を調整する仕組みとなっている（詳しくは後述する）。なお、本発明のメタル温度検出器は温度計に限定されず、サーモグラフィーやカメラによる撮影データ解析によるものも含まれる。

図２は、図１に示す高温集熱装置５を設置したタワー式の集光・集熱装置の概略構成図であり、図３は、高温集熱装置５の伝熱パネルの概略構成図である。

図２に示すように、タワー式集光・集熱装置は、所定の高さ（３０〜１００ｍ程度）を有するタワー９の上に高温集熱装置５（伝熱管パネル２７）を設置する。一方、地上面には多数のヘリオスタット８を色々な向きに配置して、太陽６の動きを追尾しながらヘリオスタット８群で高温集熱装置５（伝熱管パネル２７）に集光して、過熱蒸気を生成する仕組みになっている。このタワー式の集光・集熱装置は、トラフ式の集光・集熱装置よりも高温の蒸気を生成することができるため、太陽熱発電プラントに用いた場合には、タービン効率を上げて、より多くの電力が得られるという長所を有している。

また、図３に示すように、高温集熱装置５に用いる伝熱管パネル２７は、汽水分離装置４からの蒸気を均等に分配する過熱器下部ヘッダ２２と、その過熱器下部ヘッダ２２で分配された蒸気を流動させる多数本並列に配置された過熱器伝熱管２１と、その過熱器伝熱管２１から流出した過熱蒸気を集合させる過熱器上部ヘッダ２３で構成される。過熱器上部ヘッダ２３から出た過熱蒸気は、図示しない蒸気タービンへ供給される。

次に、第１実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ１を用いて蒸気を生成する場合の、（ａ）日射量、（ｂ）低温集熱装置メタル温度、（ｃ）汽水分離装置入口蒸気温度、（ｄ）高温集熱装置入口（出口）蒸気流量、（ｅ）高温集熱装置メタル温度、（ｆ）高温集熱装置出口蒸気温度のそれぞれの変化について、図４を用いて説明する。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１において日射量が増加し始めると、図４（ｂ）に示すように、低温集熱装置１が起動し、低温集熱装置１のメタル温度が増加し始める。そして、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ３では、汽水分離装置４の入口において、蒸気温度が飽和蒸気温度Ｔ３に到達する。このとき、図４（ｅ）に示すように、高温集熱装置５のメタル温度が閾値温度Ｔｃ（Ｔｃ＝６００℃〜６６０℃）を超えないように、演算装置１３が、温度流量計１１で取得した流量データおよび温度計１２で取得した温度データに基づいて任意のヘリオスタット８の角度調整を行っている。

これにより、飽和蒸気温度Ｔ３まで温度が上昇した飽和蒸気が高温集熱装置５に流入した瞬間（図４（ｄ）の時刻ｔ４）であっても、高温集熱装置５の出口蒸気温度のオーバーシュートする温度量を低減することが可能となり、高温集熱装置５の伝熱管の熱的損傷リスクを低減することができる（図４（ｆ）参照）。

「第２実施形態」
図５は、本発明の第２実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ２の概略構成図である。本実施形態では、トラフ式の集光・集熱装置からなる低温集熱装置１５を用いている。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

図６は、トラフ式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。このトラフ式の集光・集熱装置は、図６に示すように、樋状に延びた集光ミラー３０の内周曲面上方の焦点位置に個別に伝熱管３１を水平に配置し、太陽光７を集光ミラー３０で伝熱管３１に集光する。各伝熱管３１内には水３３が流通しており、伝熱管３１に集められた熱によってその水３３が加熱され、伝熱管３１から水−蒸気二相流体３４が得られる仕組みになっている。このトラフ式の集光・集熱装置は、高度な集光技術は不要であり、構造が比較的単純であるという長所を有している。

なお、第２実施形態において、トラフ式の集光・集熱装置からなる低温集熱装置１５の代わりに、フレネル式の集光・集熱装置からなる低温集熱装置を用いても良い。図７は、フレネル式の集光・集熱装置の構成などを説明するための原理図である。図７に示すように、フレネル式の集光・集熱装置は、平面状あるいは若干曲面状の集光ミラー３５を、角度を少しずつ変えて多数枚並べて、その集光ミラー３５群の上方数メートルの所にパネル状になった伝熱管３１群を水平に配置する。

太陽光７を集光ミラー３５群で伝熱管３１群に集光し、各伝熱管３１内を流通する水３３を加熱して、伝熱管３１から水−蒸気二相流体３４が得られる仕組みになっている。このフレネル式の集光・集熱装置は、トラフ式の曲面集光ミラー３０よりも製造が簡便であり、安価に製造でき、しかも集光ミラー３５が風圧に影響され難いという長所を有している。

「第３実施形態」
図８は、本発明の第３実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ３の概略構成図である。図８において、符号１７は低温集熱装置１の蒸気出口に設けられた温度計、符号１８は低温集熱装置１から汽水分離装置４に導入される水−蒸気二相流体の流量を測定する流量計、符号４３は、汽水分離装置４の蒸気入口に設けられた温度計、符号１９は演算装置である。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

第３実施形態では、低温集熱装置１の出口に設けられた温度計１７で蒸気の温度を、流量計１８で蒸気の流量をそれぞれ計測し、各計測データが所定の値になるように、演算装置１９が給水弁３の弁開度を制御して低温集熱装置１への給水流量を調整している。具体的には、低温集熱装置１の出口の蒸気温度が３００℃以下になるように、低温集熱装置１の給水流量を調整している。これにより、集熱量に応じて低温加熱装置１で生成する蒸気量を最適化することが可能となる。なお、低温集熱装置１の蒸気出口に設けられた温度計１７の代わりに、汽水分離装置４の蒸気入口に設けられた温度計４３を用い、この温度計４３と流量計１８とを用いて給水弁３の制御を行うようにしても良い。

「第４実施形態」
図９は、本発明の第４実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ４の概略構成図である。図９において、符号２０は低温集熱装置１の蒸気出口に設けられた温度計、符号２１は低温集熱装置１から汽水分離装置４に導入される水−蒸気二相流体の流量を測定する流量計、符号４４は、汽水分離装置４の蒸気入口に設けられた温度計、符号２２は演算装置である。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

第４実施形態では、低温集熱装置１の出口に設けられた温度計２０で蒸気の温度を、流量計２１で蒸気の流量をそれぞれ計測し、各計測データが所定の値になるように、演算装置２２が低温集熱装置１の集熱量を調整している。具体的には、低温集熱装置１の出口の蒸気温度が３００℃以下になるように、低温集熱装置１の集熱量を調整している。これにより、給水流量に応じて低温加熱装置１で生成する蒸気量を最適化することが可能となる。なお、低温集熱装置１の蒸気出口に設けられた温度計２０の代わりに、汽水分離装置４の蒸気入口に設けられた温度計４４を用い、この温度計４４と流量計２１とを用いて低温集熱装置１の集熱量を制御するようにしても良い。

さらに、第４実施形態では、第１実施形態とは異なる制御によって高温集熱装置５のメタル温度が閾値温度Ｔｃ以下を保つようにしている。以下、その制御について、図１０を用いて詳しく説明する。なお、第４実施形態において、高温集熱装置５のメタル温度の閾値温度Ｔｃは、６００℃〜６６０℃に設定してある。また、図１０（ｄ），（ｆ），（ｇ）において、実線は本発明の第４実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ４を用いた場合の変化を、二点鎖線は従来の太陽熱集熱システムを用いた場合の変化を、それぞれ示している。

太陽熱集熱システムＳＹＳ４では、図１０（ａ）に示すように、日射量の上昇開始（時刻ｔ１）と共に低温集熱装置１が起動して集光が開始される。すると、図１０（ｂ）に示すように、低温集熱装置１のメタル温度が増加し始める。また、低温集熱装置１が起動すると、徐々に低温集熱装置１を循環する水は加熱され、汽水分離装置４の入口流体温度は上昇していく。このとき、高温集熱装置５は起動していないため、高温集熱装置５のメタル温度は殆ど増加しない（図１０（ｆ）の時刻ｔ１〜ｔ２間を参照）。

そして、汽水分離装置４の入口流体温度が所定の温度Ｔ２に達すると（時刻ｔ２）、図１０（ｄ）に示すようにヘリオスタット８の一部の枚数（Ｎ１枚）が高温集熱装置５の伝熱パネル２７（レシーバ部）に向かうように傾けられる。その結果、太陽光７の一部が反射光として高温集熱装置５の伝熱パネル２７に当てられる。これにより、高温集熱装置５のメタル温度が時刻ｔ２から徐々に上昇する（図１０（ｆ））。

さらに、タワー９の伝熱パネル２７に向かうように傾けられるヘリオスタット８の枚数は時刻の経過と共に徐々に増えていき、汽水分離装置４の入口の流体温度（温度計４４で測定される温度）が飽和蒸気温度Ｔ３に到達する時刻ｔ３より少し後である時刻ｔ４になると、全部（Ｎ２枚）のヘリオスタット８が伝熱パネル２７を向くように傾けられる。

このように、高温集熱装置５が低温集熱装置１の起動から遅れて起動し、ヘリオスタット８の枚数も徐々に増加するので、高温集熱装置５の集光量は徐々に増加する。その結果、高温集熱装置５のメタル温度を時刻ｔ２から徐々に増加させることができ、かつ、汽水分離装置４で分離された飽和蒸気が高温集熱装置５に導入される時刻ｔ４において、高温集熱装置５のメタル温度を閾値温度Ｔｃに保持することができる。

ここで、複数のヘリオスタット８の制御の詳細について、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は、タワーとヘリオスタットとの距離Ｘに対するヘリオスタット１枚あたりの集光効率を示す図であり、図１１（ｂ）は高温集熱装置５の上面図である。図１１（ｂ）に示すように、ヘリオスタット８はタワー９の周囲に数多く設置されており、タワー９に近い方から順にエリア（ａ）、エリア（ｂ）、エリア（ｃ）の３つのエリアに分けられている。そして、図示の通り、各エリアに複数のヘリオスタット８が設置されている。

図１１（ａ）に示すように、原点であるタワー９からの距離が遠くなる（距離Ｘの値が大きくなる）ほど、集光効率は低下する。この理由としては、タワー９との距離が遠くなるにつれ、反射光を当てるためにヘリオスタット８の傾斜角が大きくなり、鏡の受光面積が減少するためである（コサイン効果）。なお、上記の集光効率とは、レシーバ部である伝熱パネル２７に入射するエネルギー量と鏡の面積当たりの太陽のエネルギー量の比をとったものである。タワー９とヘリオスタット８との距離が近く、反射光を伝熱パネル２７へ当てるためのヘリオスタット８の傾斜角が小さいと、受光面積が大きくなるため集光効率は大きくなる。

本実施形態では、エリア（ａ）に設置されたヘリオスタット８は、受光面積が大きく、集光効率が１．０であるのに対し、距離Ｘの値が大きくなるにつれて集光効率が小さくなっていく。即ち、ヘリオスタット８の集光効率および受光面積の関係は、エリア（ａ）＞エリア（ｂ）＞エリア（ｃ）となる。

そして、本実施形態において、ヘリオスタット８の作動は、タワー９から遠い方から近い方の順で行われる。具体的には、演算装置１３は、温度計４４にて測定された温度データがＴ２に到達した時刻ｔ２のタイミングで、まずエリア（ｃ）に設置されたヘリオスタット８の角度を制御して太陽光７を高温集熱装置５に反射させるようにする。エリア（ｃ）のヘリオスタット８の制御が完了すると、次に、エリア（ｂ）に設置されたヘリオスタット８の角度を制御し、それが終わると、エリア（ａ）に設置されたヘリオスタット８の角度を制御する。こうして、図１０（ｄ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ４にかけてヘリオスタット８の枚数が段階的に増加する。

なお、図１０（ｄ）は、エリア（ｃ）、エリア（ｂ）、エリア（ａ）の順に段階的にヘリオスタット８の角度を制御し、さらに、各エリア内でもタワー９から遠い方から段階的にヘリオスタット８の角度を制御している例を示している。そのため、時刻ｔ２から時刻ｔ４にかけて曲線を描いてヘリオスタット８の枚数が増加している。なお、エリア毎に一斉にヘリオスタット８の角度を制御しても良く、この場合には、時刻ｔ２〜ｔ４間において階段状にヘリオスタット８の枚数が増加することになる。

このように、タワー９から遠いエリアから近いエリアへと段階的にヘリオスタット８の角度を制御すると、タワー９から遠くなるほどヘリオスタット８の集光効率が低いため、高温集熱装置５に蒸気が流れていない状態において、高温集熱装置５のメタル温度が急激に増加することがない。よって、高温集熱装置５のメタル温度を高精度で調整することができる。その結果、高温集熱装置５の出口の蒸気温度のオーバーシュートの発生が抑えられ、伝熱パネル２７の損失リスクが回避される。

なお、日射量の変動による蒸気温度の変化は、給水弁３を操作して給水量を増減することでカバーすれば良い。また、演算装置１３は、温度計（第１温度検出器）４４で計測された温度データに基づいてヘリオスタット８を制御しているが、低温集熱装置１の蒸気出口に設けられた温度計（第２温度検出器）２０で計測された温度データに基づいて、上記したようにヘリオスタット８を制御しても良い。

「第５実施形態」
図１２は、本発明の第５実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ５の概略構成図である。図１２において、符号２３は汽水分離装置４の水位を計測する水位計、符号２５は低温集熱装置１と汽水分離装置４の間の水の循環量を調整する循環流量制御弁、符号２４は演算装置である。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

第５実施形態では、汽水分離装置４の水位が所定の値になるように、給水弁３あるいは循環流量制御弁２５によって給水流量あるいは循環量を調整することができるため、低温集熱装置１内の水の保有量を一定に保つことが可能となる。さらに、第５実施形態によれば、汽水分離装置４のタンクの容量オーバーにより、水が高温集熱装置５に流入するのを防止することができる。

「第６実施形態」
図１３は、本発明の第６実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ６の概略構成図である。この図において、符号２６は熱媒体が循環する熱媒体流路、符号２７はその熱媒体流路２６の途中に設けられた熱媒体循環ポンプ、符号２８は熱媒体流路２６の途中に設けられ、太陽光７を集光して生じた熱を、熱媒体流路２６を循環する熱媒体に伝達する集光・集熱装置、符号２９は熱媒体流路２６の一部が熱交換器として内側に設置された熱交換器付き低温集熱装置である。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

第６実施形態では、集光・集熱装置２８で集熱した熱を、熱媒体を介して熱交換器付き低温集熱装置２９内の水に伝達する構成になっているため、熱媒体に例えば油や溶融塩といった熱容量が大きい媒体を用いることで、日射量減衰時の低温集熱装置の温度低下を抑制し、日射量回復時に蒸気生成を早めることができる。

「第７実施形態」
図１４は、本発明の第７実施形態に係る太陽熱集熱システムＳＹＳ７の概略構成図である。図１４において、符号４１は蒸気弁１０の下流側に設けられ、図示しない蒸気タービンへ供給される蒸気の温度を計測するための温度計、符号４２は演算装置である。他の構成などは第１実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。

第７実施形態において、温度計４１で計測された温度データは演算装置４２に送られる。演算装置４２は、温度計４１の温度データに基づいて、スプレ弁４０を開閉し、スプレ量を制御する。これにより、蒸気タービンに供給される蒸気の温度を安定させることができる。特に、スプレ弁４０は図１４に示す位置に設けられており、給水を使用するためスプレの温度が安定する。その結果、第７実施形態では、蒸気温度をより一層安定に保つことができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、高温集熱装置５のメタル温度を閾値温度以下になるように制御できるから、高温集熱装置出口の蒸気温度がオーバーシュートすることがなく、高温集熱装置の伝熱パネル２７が損傷するリスクを低減することができる。

１ 低温集熱装置
４ 汽水分離装置
５ 高温集熱装置
７ 太陽光
８ ヘリオスタット
９ タワー
１１ 流量計（流量検出器）
１２ 温度計（メタル温度検出器）
１３ 演算装置（ヘリオスタット制御装置）
１５ トラフ式低温集熱装置（低温集熱装置）
２０ 温度計（第２温度検出器）
２７ 伝熱パネル
３０ 集光ミラー
３１ 伝熱管
３５ 集光ミラー
４０ スプレ弁
４４ 温度計（第１温度検出器）
Ｔ３ 飽和蒸気温度
Ｔｃ 閾値温度

Claims (5)

1. 供給された水を太陽光の熱で加熱して蒸気を生成する低温集熱装置と、
   前記低温集熱装置で生成された水−蒸気二相流体を水と蒸気とに分離する汽水分離装置と、
   前記汽水分離装置で分離された蒸気を複数のヘリオスタットで反射させた太陽光の熱で加熱して、過熱蒸気を生成する高温集熱装置と、
   前記高温集熱装置のメタル温度が、前記高温集熱装置の出口における蒸気温度のオーバーシュートを防止するために設定された閾値温度以下となるように、前記複数のヘリオスタットの角度を制御するヘリオスタット制御装置と、を備え、
   前記低温集熱装置は、
   樋状に延びた集光ミラーの内周曲面の上方に伝熱管を配置し、太陽光を集光ミラーで伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するトラフ式の集光・集熱装置、または略平面状の集光ミラーを多数並べて、その集光ミラー群の上方に伝熱管を配置し、太陽光を前記集光ミラー群で伝熱管に集光することにより、伝熱管内を流通する水を加熱して蒸気を生成するフレネル式の集光・集熱装置からなり、
   前記高温集熱装置は、
   所定の高さを有するタワーの上に伝熱管パネルを設置し、太陽光を前記複数のヘリオスタットで伝熱管パネルに集光することにより、伝熱管パネル内を流通する水を加熱して蒸気を生成するタワー式の集光・集熱装置からなり、
   前記ヘリオスタット制御装置は、前記タワーとの距離が遠い方の前記ヘリオスタットを、前記タワーとの距離が近い方の前記ヘリオスタットより先に前記伝熱管パネルに太陽光を集光させるよう角度の調整を行うことを特徴とする太陽熱集熱システム。
2. 請求項１において、
   前記高温集熱装置のメタル温度を検出するメタル温度検出器と、
   前記高温集熱装置で生成された過熱蒸気の流量を検出する流量検出器と、
   を備え、
   前記ヘリオスタット制御装置は、前記メタル温度検出器で取得した温度データおよび前記流量検出器で取得した流量データに基づいて、前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする太陽熱集熱システム。
3. 請求項１において、
   前記汽水分離装置の入口の蒸気温度を検出する第１温度検出器を備え、
   前記ヘリオスタット制御装置は、前記低温集熱装置が起動されたタイミングより後、かつ、前記第１温度検出器で検出された温度が飽和蒸気温度に到達するより前の任意のタイミングで、太陽光が前記高温集熱装置に反射するように前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする太陽熱集熱システム。
4. 請求項１において、
   前記低温集熱装置の出口の蒸気温度を検出する第２温度検出器を備え、
   前記ヘリオスタット制御装置は、前記低温集熱装置が起動されたタイミングより後、かつ、前記第２温度検出器で検出された温度が飽和蒸気温度に到達するより前の任意のタイミングで、太陽光が前記高温集熱装置に反射するように前記複数のヘリオスタットの角度を制御することを特徴とする太陽熱集熱システム。
5. 請求項１において、
   前記高温集熱装置にて生成された過熱蒸気に対して水を吹き付けて、当該過熱蒸気の温度を安定させるためのスプレ弁を設けたことを特徴とする太陽熱集熱システム。
   
   
   

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