JP6543708B2 - 太陽熱収集装置の接地構造、太陽熱収集装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱収集装置の接地構造、太陽熱収集装置および太陽熱発電システムに関する。

反射鏡を用いて太陽光を熱媒流路に集光させて熱媒流路内を流れる熱媒を加熱し、加熱された熱媒を利用して蒸気タービンを回すことにより発電を行う太陽熱発電システムが知られている。太陽熱発電システムは、太陽光発電システムよりも導入費用が安いほか蓄熱により２４時間の発電が可能である。従来では、熱媒にオイルを用いた太陽熱発電システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−１０２０１３号公報

近年、太陽熱発電システムに用いる熱媒として溶融塩が注目されている。溶融塩は沸点が高いため、溶融塩によれば運転温度を比較的高くでき、高温蒸気を発生させることにより発電効率が向上する。

溶融塩は２５０℃程度で固化してしまうため、スタートアップ時やメンテナンス後に熱媒流路に溶融塩を流し込むとき、熱媒流路の温度が比較的低い状態にあると熱媒流路に熱を奪われて溶融塩が固化しうる。そのため、熱媒流路に溶融塩を流し込む前に熱媒流路を所定の温度以上に温めておく必要がある。

熱媒流路を温めるひとつの手法として、熱媒流路に電流を流すことが考えられる。電流を流すと、そのときのジュール熱で熱媒流路が温まる。しかしながら、熱媒流路に電流を流す場合、安全のために、熱媒流路を支持する複数のスチール製の支柱を接地することが必要となる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱媒流路を支持する支柱を接地するための施工の手間を低減しつつも電気的な安全性を確保できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽熱収集装置の接地構造は、太陽熱を受ける熱媒が流れる第１の熱媒流路と、第１の熱媒流路を支持する第１の導電性材料により形成された複数の第１支柱と、を備える太陽熱収集装置の接地構造であって、第１の熱媒流路は、通電されることで温められ、複数の第１支柱のうちの一部の第１支柱は、異種材料接合部材を介して当該一部の第１支柱に接続された、第２の導電性材料により形成されたケーブルを介して接地され、複数の第１支柱のうちの他の少なくとも一部の第１支柱は、第１の導電性材料により形成された接続部材を介して大地に接続され、第２の導電性材料は、第１の導電性材料よりも導電率が高い。

この態様によると、一部の支柱がケーブルを介して接地される。したがって、すべての支柱がケーブルを介して接地する場合に比べ、異種材料接合部材を介しての接続が少なくなる。また、太陽熱収集装置ように多数の支柱がある大規模な構造物では一部の支柱がケーブルを介して接地することによって太陽熱収集装置全体としての接地基準を満たしたとしても、熱媒流路に絶縁不良が生じたときには支柱に電気が溜まる虞があるときに他の支柱は接続部材を介して大地に接続される。つまり、この態様によると、ケーブルを最小限にして異種金属接合部材による接合の手間を抑えつつも電気的な安全性を確保できる。

本発明の別の態様もまた、太陽熱収集装置の接地構造である。この太陽熱収集装置の接地構造は、太陽熱を受ける熱媒が流れる第１の熱媒流路と、第１の熱媒流路を支持するスチール製の複数の第１支柱と、を備える太陽熱収集装置の接地構造であって、第１の熱媒流路は、通電されることで温められ、複数の第１支柱のうちの一部の第１支柱は、銅製のケーブルを介して接地され、複数の第１支柱のうちの他の少なくとも一部の第１支柱は、スチール製の接続部材を介して大地に接続される。

他の少なくとも一部の第１支柱は、接続部材を介して一部の第１支柱と接続されていてもよい。

太陽熱を受ける熱媒が流れる第２の熱媒流路と、第２の熱媒流路を支持する複数の第２支柱と、をさらに備えてもよい。複数の第２支柱は、第１の熱媒流路を支持する一部の第１支柱を接地するケーブルを介して接地されてもよい。

本発明のある態様の太陽熱収集装置は、上述のいずれかの接地構造を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、熱媒流路を支持する支柱を接地するための施工の手間を低減しつつも電気的な安全性を確保できる。

実施の形態に係る太陽熱発電システムを示す模式図である。 図１の太陽熱収集装置を示す模式図である。 第１集熱ユニットの一部を示す模式図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施形態に係る太陽熱発電システム１００を示す模式図である。太陽熱発電システム１００は、集光エリア１２１、蓄熱エリア１２２、発電エリア１２３の３つのエリアを含む。

集光エリア１２１は、主に太陽熱収集装置８と、加熱システム２と、を含む。太陽熱収集装置８は、太陽光を集光し、熱媒流路（後述）内を流れる熱媒を加熱する。加熱された熱媒は、蓄熱エリア１２２に送られる。加熱システム２は、熱媒流路に溶融塩を流し込む前に熱媒流路に熱を奪われて溶融塩が固化しないよう、熱媒流路を加熱する。

蓄熱エリア１２２は、ホットタンク１０２と、コールドタンク１０３と、を含む。加熱された熱媒の熱をホットタンク１０２に蓄えておくことにより、必要なときに発電できる。例えば夜間や日中の悪天候時の発電が可能となる。

発電エリア１２３は、蒸気発生器１０４と、蒸気タービン１０６と、復水器１０８と、を含む。蒸気発生器１０４は、ホットタンク１０２に蓄えられた加熱された熱媒を用いて蒸気を発生させ、蒸気タービン１０６は蒸気によりタービンを回転させる。この回転により発電する。蒸気発生器１０４で熱を奪われた比較的低温の熱媒はコールドタンク１０３に送られる。復水器１０８は蒸気を液体に戻す。

図２は、太陽熱収集装置８を示す模式図である。太陽熱収集装置８は、第１集光ユニット１０と、第２集光ユニット２０と、第３集光ユニット３０と、第４集光ユニット４０と、連結管路５０と、第１ケーブル６０と、第２ケーブル６２と、を含む。

第１集光ユニット１０は、第１熱媒流路１１と、複数の第１支柱１２と、複数の第１反射板１３と、第１接続部材１４と、を含む。図３は、第１集熱ユニット１０の一部を示す模式図である。複数の第１支柱１２はそれぞれ、スチールにより形成され、コンクリート製の架台６上に立設される。第１支柱１２は、第１熱媒流路１１に沿って配置され、第１熱媒流路１１を支持する。また、第１支柱１２は、第１反射板１３を回転可能に支持する。

第１反射板１３は、第１熱媒流路１１に太陽光を集光させ、第１熱媒流路１１内を流れる熱媒を加熱する。第１反射板１３には、回転装置（不図示）が接続されている。回転装置は、例えば太陽の位置に応じて第１反射板１３を回転させる。これにより、熱媒は効率的に加熱される。

第１熱媒流路１１は金属製であり、その内部には、太陽熱を受ける熱媒としての溶融塩が流れる。溶融塩は、太陽熱収集装置において従来使用されてきた合成オイルよりも沸点が高いため、より高温に温めることができる。これにより、蒸気タービン１０６による発電効率が向上する。一方で、溶融塩は、２５０℃程度で固化してしまう。溶融塩は、集光時は太陽熱で加熱されているため基本的に固化することはないが、例えばスタートアップ時やメンテナンス後に第１熱媒流路１１に溶融塩を流し込む前に、第１熱媒流路１１の温度が比較的低い状態にあると第１熱媒流路１１に熱を奪われて固化しうる。そのため、第１熱媒流路１１に溶融塩を流し込む前には、第１熱媒流路１１を所定の温度（例えば２８０℃）以上に温めておく必要がある。

第１熱媒流路１１を温める手法として、第１熱媒流路１１に電熱線を這わせ、そこに電流を流して第１熱媒流路１１を温めることが考えられる。しかしながら、第１熱媒流路１１は、断熱のために真空ガラス管で覆われているため、電熱線を這わせることができない。そこで、本実施の形態では、加熱システム２に含まれる１つまたは複数の電源（不図示）を第１熱媒流路１１に接続して第１熱媒流路１１自体に電流を流し、そのときのジュール熱で第１熱媒流路１１を温める。そのため、第１熱媒流路１１は、第１熱媒流路１１を温めるための電流が、第１熱媒流路１１を支持する第１支柱１２に流れてしまわないよう絶縁される。また、第１支柱１２は、第１熱媒流路１１の絶縁不良などに備えて、後述のように接地される。

図２に戻り、第１熱媒流路１１は、Ｕ字状に形成され、略同一方向に延在する長直線部１１ａと、長直線部１１ｂとを含む。第１支柱１２および第１反射板１３は、この長直線部１１ａ、長直線部１１ｂに沿って配置される。一例としては、長直線部１１ａ、長直線部１１ｂの長さはそれぞれ５００〜６００ｍであり、図示の例ではそれぞれ１０本の第１支柱１２によって支持される。

第１熱媒流路１１の長直線部１１ａを支持する複数の第１支柱１２は、スチール製の第１接続部材１４により、互いに電気的に接続されている。第１熱媒流路１１の長直線部１１ｂを支持する複数の第１支柱１２も同様に、第１接続部材１４により、互いに電気的に接続されている。この第１接続部材１４は、少なくとも一部が地中に埋まっている。つまり第１接続部材１４は大地に接続されている。このため、各第１支柱１２は、第１接続部材１４を介して大地に接続されている。なお、後述するように複数の第１支柱１２のうちの一部は第１ケーブル６０に接続されるところ、第１ケーブル６０と接続されない第１支柱１２だけが第１接続部材１４を介して大地に接続されてもよい。

また、第１熱媒流路１１の長直線部１１ａを支持する第１支柱１２と第１熱媒流路１１の長直線部１１ｂを支持する第１支柱１２も、第１接続部材１４により、互いに電気的に接続されている。本実施の形態では、長直線部１１ａを支持する第１支柱１２と長直線部１１ｂを支持する第１支柱１２とは、第１接続部材１４によって複数個所（図２では３箇所）で接続されている。第１接続部材１４には、発錆や集光による発火を抑止するため、亜鉛メッキなどの表面処理が施される。

第２集光ユニット２０は、第２熱媒流路２１と、複数の第２支柱２２と、複数の第２反射板２３と、第２接続部材２４と、を含む。
第３集光ユニット３０は、第３熱媒流路３１と、複数の第３支柱３２と、複数の第３反射板３３と、第３接続部材３４と、を含む。
第４集光ユニット４０は、第４熱媒流路４１と、複数の第４支柱４２と、複数の第４反射板４３と、第４接続部材４４と、を含む。

第２熱媒流路２１、第３熱媒流路３１、第４熱媒流路４１はそれぞれ、第１熱媒流路１１と同様に構成される。第２熱媒流路２１は、その長直線部２１ａが第１熱媒流路１１の長直線部１１ｂと隣接しかつ略同一方向に延在するよう配置される。第４熱媒流路４１は、その長直線部４１ａが第３熱媒流路３１の長直線部３１ｂと隣接しかつ略同一方向に延在するよう配置される。
第２支柱２２、第３支柱３２、第４支柱４２はそれぞれ、第１支柱１２と同様に構成される。
第２反射板２３、第３反射板３３、第４反射板４３はそれぞれ、第１反射板１３と同様に構成される。
第２接続部材２４、第３接続部材３４、第４接続部材４４はそれぞれ、第１接続部材１４と同様に構成される。

連結管路５０は、環状の流路であり、第１熱媒流路１１、第２熱媒流路２１、第３熱媒流路３１および第４熱媒流路４１と接続される。また連結管路５０は、蓄熱エリア１２２のホットタンク１０２およびコールドタンク１０３とも接続される。したがって、連結管路５０を介して、第１熱媒流路１１、第２熱媒流路２１、第３熱媒流路３１および第４熱媒流路４１と、ホットタンク１０２およびコールドタンク１０３とが連結される。各熱媒流路で加熱された熱媒は、連結管路５０を介してホットタンク１０２に送られる。また、コールドタンク１０３に蓄えられた比較的低温の熱媒は、連結管路５０を介して各熱媒流路に送られる。

第１ケーブル６０は、第１集光ユニット１０と第２集光ユニット２０との間に設けられる。第１ケーブル６０は、接地用の銅製のケーブルであり、その一端は、太陽熱発電システム１００全体のアースグリッドであるメインアースグリッドに接続される。第１熱媒流路１１を支持する複数の第１支柱１２のうちの一部（図２では３つ）の第１支柱１２は、この第１ケーブル６０により接地される。つまり、第１支柱１２の一部は、導電率が比較的（特に第１接続部材１４よりも）高いケーブルによって接地される。また、上述したように各第１支柱１２は第１接続部材１４により互いに電気的に接続されているため、第１ケーブル６０が接続されていない第１支柱１２も、第１接続部材１４や他の第１支柱１２を介して、第１ケーブル６０と電気的に接続される。本実施の形態では、第１熱媒流路１１はＵ字状に形成され、かつ、その長直線部１１ａを支持する第１支柱１２と長直線部１１ｂを支持する第１支柱１２とが第１接続部材１４によって複数箇所で接続されているため、各第１支柱１２は複数の経路で第１ケーブル６０と電気的に接続される。

第１ケーブル６０は銅製であり、第１支柱１２はスチール製であるため、これらは異種金属接合部材６４により接合される。これにより、銅とスチールとの接触（すなわち異種金属の接触）による腐食を防ぐことができる。第１支柱１２の総数に対する、第１ケーブル６０に接続される第１支柱１２の数の比率は、１／１０〜３／１０であることが望ましい。これより小さいと、各第１支柱１２と第１ケーブル６０とを電気的に接続する経路数が少なくなるため、太陽熱収集装置８全体としての電気的な安全性が基準を下回る虞がある。また、これより大きいと、異種金属接合部材６４の材料費と施工の手間が増大するため不経済になる。

また、第２熱媒流路２１を支持する複数の第２支柱２２のうちの一部（図２では３つの第２支柱２２）の第２支柱２２は、第１ケーブル６０により接地される。すなわち、第１集光ユニット１０と第２集光ユニット２０とは、それらの間に設けられる共通の第１ケーブル６０により接地される。

第２ケーブル６２は、第３集光ユニット３０と第４集光ユニット４０との間に設けられる。第２ケーブル６２は、接地用の銅製のケーブルであり、第１ケーブル６０と同様に、メインアースグリッドに接続される。複数の第３支柱３２のうちの一部（図２では３つ）の第３支柱３２、複数の第４支柱４２のうちの一部（図２では３つ）の第４支柱４２はそれぞれ、第２ケーブル６２により接地される。すなわち、第３集光ユニット３０と第４集光ユニット４０とは、それらの間に設けられる共通の第２ケーブル６２により、接地される。

以上説明した実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、各集光ユニットは、一部の支柱が異種金属接合部材６４により銅製のケーブルと接続される。ここで、各集光ユニットは多くの支柱を有するため、それらすべての支柱を異種金属接合部材６４により銅製のケーブルに接続すると、施工に手間がかかり、また異種金属接合部材６４の材料費が高くなる。これに対し、実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、上述したように一部（例えば複数の支柱のうちの１／１０〜３／１０）の支柱だけが異種金属接合部材６４により銅製のケーブルと接続されるため、すべての支柱が異種金属接合部材６４を介してケーブルに接続する場合に比べ、施工の手間と異種金属接合部材６４の材料費とを抑えることができる。

また、本実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、各集光ユニットの各支柱はスチール製の接続部材により大地に接続（すなわち接地）される。ここで、実施の形態の太陽熱収集装置８のように複数の支柱がある大規模な構造物では、一部の第１支柱１２がケーブルを介して接地することによって太陽熱収集装置８全体としての接地基準を満たしたとしても、熱媒流路に絶縁不良が生じたときには、支柱に電気が溜まってしまう虞がある。これに対し実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、上述のように各支柱は接続部材によっても接地されているため、熱媒流路に絶縁不良が生じても支柱に電気が溜まることはない。つまり、太陽熱収集装置８によれば、ケーブルを最小限にして異種金属接合部材６４による接合の手間を抑えつつも電気的な安全性を確保できる。

また、反射板の角度によっては意図せずケーブルに光が集光され、ケーブルの温度が上昇する場合がある。ケーブルは銅製であり、比較的低い温度で変形や腐食してしまう。これに対して本実施の形態では、こうした問題の起きにくいスチール製の接続部材によって電気的な安全性を確保しつつ、銅製のケーブルを減らすことができる。そのため、銅製のケーブルのメンテナンス頻度が減り、維持コストが低減される。

また、本実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、各支柱は、接続部材による複数の経路で、銅ケーブルと電気的に接続される。そのため、接続部材の破損により一部の経路が破断した場合でも、電気的な安全性が維持される。

また、本実施の形態に係る太陽熱収集装置８によると、第１集光ユニット１０と第２集光ユニット２０は、それらの間に設けられる共通の銅製のケーブルにより、接地される。したがって、それぞれ別々のケーブルにより接地される場合に比べ、ケーブルが少なくなるため材料コストが低減される。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（変形例１）
実施の形態では、太陽熱収集装置８は、４つの集光ユニットを備える場合について説明したが、これに限られない。太陽熱収集装置８は、１つ、２つ、３つ、または、５つ以上の集光ユニットを備えていてもよい。

（変形例２）
実施の形態では、各集光ユニット内において、すべての支柱が接続部材によって互いに接続される場合について説明したが、これに限られない。各支柱が、直接、あるいは他の支柱および接続部材を介して、ケーブルと接続されていればよく、各集光ユニット内のすべての支柱が接続部材によって互いに接続される必要はない。

（変形例３）
実施の形態では、各支柱が、直接、あるいは他の支柱および接続部材を介してケーブルにより接地され、かつ、接続部材により接地（大地に接続）されている場合について説明したが、これに限られない。ケーブルにより接地されているが接続部材によっては接地されていない支柱があってもよく、接続部材により接地されているがケーブルによっては接地されていない支柱があってもよい。また、ケーブルと接続部材のいずれによっても接地されていない支柱があってもよい。

（変形例４）
実施の形態では、支柱および接続部材がスチール製であり、第１ケーブル６０および第２ケーブル６２が銅製である場合について説明したが、これに限られない。支柱は、第１ケーブル６０および第２ケーブル６２との接続に異種材料接合部材が必要な他の導電性材料によって形成されてもよい。接続部材は、支柱と同じ導電性材料によって形成されればよい。また、第１ケーブル６０および第２ケーブル６２は、支柱との接続に異種材料接合部材が必要で、かつ、支柱よりも導電率が高い導電性材料によって形成されてもよい。

（変形例５）
実施の形態では、２つの集光ユニットに１つの接地用のケーブルが設けられる場合について説明したが、これに限られない。１つの集光ユニットに１つの接地用のケーブルが設けられても、３つ以上の集光ユニットに１つの接地用のケーブルが設けられてもよい。

８ 太陽熱収集装置、 １０ 第１集光ユニット、 １１ 第１熱媒流路、 １２ 第１支柱、 １４ 第１接続部材、 ２０ 第２集光ユニット、 ２１ 第２熱媒流路、 ２２ 第２支柱、 ２４ 第２接続部材、 ３０ 第３集光ユニット、 ３１ 第３熱媒流路、 ３２ 第３支柱、 ３４ 第３接続部材、 ４０ 第４集光ユニット、 ４１ 第４熱媒流路、 ４２ 第４支柱、 ４４ 第４接続部材、 ６０ 第１ケーブル、 ６２ 第２ケーブル、 １００ 太陽熱発電システム、 １０４ 蒸気発生器、 １０６ 蒸気タービン。

本発明は、太陽熱収集装置および太陽熱発電システムに利用することができる。

Claims (5)

1. 太陽熱を受ける溶融塩が流れる第１の熱媒流路と、
   前記第１の熱媒流路を支持する第１の導電性材料により形成された複数の第１支柱と、を備える太陽熱収集装置の接地構造であって、
   前記第１の熱媒流路は、通電されることで温められ、
   前記複数の第１支柱のうちの一部の第１支柱は、異種材料接合部材を介して当該一部の第１支柱に接続された、第２の導電性材料により形成されたケーブルを介して接地され、
   前記複数の第１支柱のうちの他の少なくとも一部の第１支柱は、前記第１の導電性材料により形成された接続部材を介して大地に接続され、
   前記第２の導電性材料は、前記第１の導電性材料よりも導電率が高いことを特徴とする太陽熱収集装置の接地構造。
2. 太陽熱を受ける溶融塩が流れる第１の熱媒流路と、
   前記第１の熱媒流路を支持するスチール製の複数の第１支柱と、を備える太陽熱収集装置の接地構造であって、
   前記第１の熱媒流路は、通電されることで温められ、
   前記複数の第１支柱のうちの一部の第１支柱は、銅製のケーブルを介して接地され、
   前記複数の第１支柱のうちの他の少なくとも一部の第１支柱は、スチール製の接続部材を介して大地に接続されることを特徴とする太陽熱収集装置の接地構造。
3. 前記他の少なくとも一部の第１支柱は、前記接続部材を介して前記一部の第１支柱と接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱収集装置の接地構造。
4. 太陽熱を受ける溶融塩が流れる第２の熱媒流路と、
   前記第２の熱媒流路を支持する複数の第２支柱と、をさらに備え、
   前記複数の第２支柱は、前記第１の熱媒流路を支持する前記一部の第１支柱を接地する前記ケーブルを介して接地されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の太陽熱収集装置の接地構造。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の太陽熱収集装置の接地構造を備えたことを特徴とする太陽熱収集装置。

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