JPWO2010100992A1 - 太陽熱受熱器および太陽熱発電設備 - Google Patents
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Abstract
Description
上述の特許文献3や特許文献4では、太陽熱の吸収効率の向上を図るために、太陽光が照射される領域に吸熱性の高い材料からなる層が配置されている。
この太陽熱受熱器では、まず、太陽光の熱が多孔質セラミックスに吸収される。そして、空気が多孔質セラミックスを透過する際に、多孔質セラミックスの熱が空気に吸収され、空気が加熱されている。
しかしながら、太陽熱の吸収効率の向上を図る方法のみでは、吸収効率に上限があることから、流体を加熱する効率の向上にも限界があり、さらなる発電効率の向上を図ることが難しいという問題があった。
さらに、多孔質セラミックスなどから構成された太陽熱受熱器の場合には、製造コストが高くなるという問題があった。
本発明の第1の態様は、太陽光の照射を受けて流体を加熱する太陽熱受熱器であって、少なくとも前記流体が流れる流路を構成する金属性の受熱部と、少なくとも該受熱部における前記太陽光が照射される領域の面に配置され、前記太陽光のエネルギを吸収するとともに耐熱性を有するコーティング層と、が設けられている太陽熱受熱器である。
コーティング層として、上述のように遮熱性が付加されたTBC等を用いることにより、太陽光が照射されるコーティング層の表面と、コーティング層と受熱部との接触面との間の温度差をさらに大きくすることができ、太陽光が照射される面と、流体が接触する面との間の温度差を大きくすることができる。
このようにすることにより、セラミックスからなるコーティング層を容易に形成することができる。
上記構成においては、前記セラミックスは、Y2O3を固溶させて部分安定化させたZrO2系セラミックスであることが望ましい。
その一方で、受熱管路に対して全ての方向から太陽光が照射されることから、受熱管路の周方向にわたる温度差の発生を抑制することができ、受熱管路の損傷を抑制することができる。
その一方で、コーティング層の熱は受熱部に伝達され、受熱部を加熱する。受熱部と隣接する第2流路を流れる流体は、さらに受熱部の熱を吸収して加熱される。そのため、効率よく流体を加熱することができる。
つまり、流体は第1流路を流れる際に、加熱されたコーティング層から熱を吸収して素早く加熱され、その後、さらに第2流路を流れる際に、コーティング層と比較して温度が低いが、流体よりも高温な受熱部から熱を吸収してさらに加熱される。このように、流体を2段階で加熱することにより、流体を効率よく加熱することができる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る太陽熱発電設備ついて図1から図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る太陽熱発電設備の概略を説明する模式図である。
太陽熱発電設備1は、図1に示すように、太陽光が有するエネルギを熱(太陽熱)に変換し、その熱を用いて発電を行う設備である。本実施形態では、ガスタービンを用いて発電機5を駆動する構成に、太陽熱を利用して発電を行う構成を組み合わせた、いわゆる太陽熱ガスタービンの太陽熱発電設備1に適用して説明する。
タワーTにおける太陽光が集光される部分、例えば、タワーTの先端部分には、後述する発電部2の受熱器7が配置されている。
反射鏡Hとしては、平面鏡の向きを太陽の動きに合わせて制御し、太陽光を所定位置に向けて反射するヘリオスタットなどを用いることができ、特に限定するものではない。
発電部2は、反射鏡Hにより反射された太陽光のエネルギを用いて発電を行うものである。
発電部2には、図2に示すように、圧縮機3と、タービン部4と、発電機5と、熱交換器6と、受熱器(太陽熱受熱器)7と、が設けられている。
圧縮機3は、タービン部4から回転駆動力が伝達される回転軸8の周囲に、回転駆動力が伝達されるように配置されている。
なお、タービン部4としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
なお、発電機5としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
熱交換器6と受熱器7との間には、熱交換器6により加熱された圧縮された空気が流れる配管10Dが設けられている。
なお、熱交換器6としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
受熱器7は、図1に示すように、タワーTにおける太陽光が集光される位置に配置され、照射された太陽光のエネルギを熱に変換し、空気を加熱するものである。
受熱器7には、図2および図3に示すように、筐体71と、受熱管路(受熱部)72と、が設けられている。
筐体71には、太陽光が照射される領域に入射部73が設けられている。さらに、筐体71の内面は、入射部73から導入された太陽光を反射する鏡面とされている。
なお、筐体71の形状としては、図3に示すように立方体形状であってもよいし、その他の形状であってもよく、特に限定するものではない。
入射部73は、筐体71における太陽光が照射される面に配置され、筐体71から太陽光が照射される方向に向かって径が広がる略円錐状に形成された部材である。略円錐状に形成された入射部73の内周面は、太陽光を反射する鏡面とされている。
なお、入射部73の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
受熱管路72は、図3に示すように、筐体71の内部に螺旋状に配置され、螺旋状に配置された受熱管路72は、互いに間隔をあけて配置されている。
受熱管路72は、図4に示すように、耐熱合金を円筒状に形成した管本体(受熱部)74と、管本体74の外周面に形成されたコーティング層75と、管本体74の内部に配置されたタービュレータ76と、が設けられている。
管本体74を形成する耐熱合金としては、公知の合金を用いることができ、特に限定するものではない。
タービュレータ76は、管本体74の内周面から中心方向に突出するものであり、管本体74の内部における空気の流れに乱れを生じさせるとともに、管本体74と空気との間の熱交換面積を増やすものである。
まず、太陽熱発電設備1における発電の概略について説明し、その後に、本実施形態の特徴である受熱器7における作用について説明する。
なお、反射鏡Hにおける太陽光の反射方向を制御する方法としては、公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。
タービン部4から排出された空気は、配管10Cを介して熱交換器6に流入し、圧縮機3により圧縮された空気の加熱に用いられた後、外部に排出される。
発電機5は、回転軸8により回転駆動されることにより発電を行い、外部へ電力を供給する。
配管10Aに流入した圧縮空気は、配管10Eを流れてきた空気とともにタービン部4に流入する。
この際、圧縮空気は、タービュレータ76により流れが拡散されるとともに、伝熱面積が拡大されているため、タービュレータ76が無い場合と比較して、高い効率で加熱される。
その結果、コーティング層75の外周面から、管本体74の内周面に伝達される熱流束密度が高くなり、管本体74の内部を流れる圧縮空気を効率よく加熱することができる。
その一方で、受熱管路72に対して全ての方向から太陽光が照射されることから、受熱管路72の周方向にわたる温度差の発生を抑制することができ、受熱管路72の損傷を抑制することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について図5および図6を参照して説明する。
本実施形態の太陽熱発電設備の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、受熱器の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図5および図6を用いて受熱器の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図5は、本実施形態の太陽熱発電設備における受熱器の構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素に付いては、同一の符号を付してその説明を省略する。
受熱器107には、図5に示すように、透明筐体171と、外側壁部(受熱部)172と、内側壁部173と、が設けられている。
なお、コーティング層75は、図5に示すように、外側壁部172における透明筐体171と対向する面、および、内側壁部173と対向する面に設けられていてもよいし、透明筐体171と対向する面のみに設けられていてもよく、特に限定するものではない。
第1流路174は、外側壁部172に形成された連通孔176を介して第2流路175と、圧縮空気が流通可能に接続されている。
第2流路175は、配管10Eと圧縮空気が流通可能に接続されている。
なお、太陽熱発電設備101における発電の概略については、第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
その一方で、コーティング層75の熱は外側壁部172に伝達され、外側壁部172を加熱する。
第2流路175においてさらに加熱された圧縮空気は、配管10Eに流入し、タービン部4に導かれる。
圧縮空気は第1流路174を流れる際に、加熱されたコーティング層75から熱を吸収して素早く加熱され、その後、さらに第2流路175を流れる際に、コーティング層75と比較して温度が低いが、圧縮空気よりも高温な外側壁部172から熱を吸収してさらに加熱される。このように、圧縮空気を2段階で加熱することにより、圧縮空気を効率よく加熱することができる。
なお、上述の実施形態のように、を一方が閉じた円筒状に形成された透明容器171、外側容器172、および、内側容器173を用いて受熱器107を形成しても良いし、図6に示すように、筒状に形成された透明容器271、および、外側容器272を用いて受熱器207を形成することにより、第1流路174および第2流路175を形成しても良く、特に限定するものではない。
3 圧縮機
4 タービン部
5 発電機
7,107,207 受熱器(太陽熱受熱器)
71 筐体
72 受熱管路(受熱部)
73 入射部
74 管本体(受熱部)
75 コーティング層
171,271 透明筐体
172,272 外側壁部(受熱部)
H 反射鏡(反射部)
上述の特許文献3や特許文献4では、太陽熱の吸収効率の向上を図るために、太陽光が照射される領域に吸熱性の高い材料からなる層が配置されている。
この太陽熱受熱器では、まず、太陽光の熱が多孔質セラミックスに吸収される。そして、空気が多孔質セラミックスを透過する際に、多孔質セラミックスの熱が空気に吸収され、空気が加熱されている。
しかしながら、太陽熱の吸収効率の向上を図る方法のみでは、吸収効率に上限があることから、流体を加熱する効率の向上にも限界があり、さらなる発電効率の向上を図ることが難しいという問題があった。
さらに、多孔質セラミックスなどから構成された太陽熱受熱器の場合には、製造コストが高くなるという問題があった。
本発明の第1の態様は、太陽光の照射を受けて流体を加熱する太陽熱受熱器であって、少なくとも前記流体が流れる流路を構成する金属性の受熱部と、少なくとも該受熱部における前記太陽光が照射される領域の面に配置され、前記太陽光のエネルギを吸収するとともに耐熱性を有するコーティング層と、が設けられている太陽熱受熱器である。
コーティング層として、上述のように遮熱性が付加されたTBC等を用いることにより、太陽光が照射されるコーティング層の表面と、コーティング層と受熱部との接触面との間の温度差をさらに大きくすることができ、太陽光が照射される面と、流体が接触する面との間の温度差を大きくすることができる。
このようにすることにより、セラミックスからなるコーティング層を容易に形成することができる。
上記構成においては、前記セラミックスは、Y2O3を固溶させて部分安定化させたZrO2系セラミックスであることが望ましい。
その一方で、受熱管路に対して全ての方向から太陽光が照射されることから、受熱管路の周方向にわたる温度差の発生を抑制することができ、受熱管路の損傷を抑制することができる。
その一方で、コーティング層の熱は受熱部に伝達され、受熱部を加熱する。受熱部と隣接する第2流路を流れる流体は、さらに受熱部の熱を吸収して加熱される。そのため、効率よく流体を加熱することができる。
つまり、流体は第1流路を流れる際に、加熱されたコーティング層から熱を吸収して素早く加熱され、その後、さらに第2流路を流れる際に、コーティング層と比較して温度が低いが、流体よりも高温な受熱部から熱を吸収してさらに加熱される。このように、流体を2段階で加熱することにより、流体を効率よく加熱することができる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る太陽熱発電設備ついて図1から図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る太陽熱発電設備の概略を説明する模式図である。
太陽熱発電設備1は、図1に示すように、太陽光が有するエネルギを熱(太陽熱)に変換し、その熱を用いて発電を行う設備である。本実施形態では、ガスタービンを用いて発電機5を駆動する構成に、太陽熱を利用して発電を行う構成を組み合わせた、いわゆる太陽熱ガスタービンの太陽熱発電設備1に適用して説明する。
タワーTにおける太陽光が集光される部分、例えば、タワーTの先端部分には、後述する発電部2の受熱器7が配置されている。
反射鏡Hとしては、平面鏡の向きを太陽の動きに合わせて制御し、太陽光を所定位置に向けて反射するヘリオスタットなどを用いることができ、特に限定するものではない。
発電部2は、反射鏡Hにより反射された太陽光のエネルギを用いて発電を行うものである。
発電部2には、図2に示すように、圧縮機3と、タービン部4と、発電機5と、熱交換器6と、受熱器(太陽熱受熱器)7と、が設けられている。
圧縮機3は、タービン部4から回転駆動力が伝達される回転軸8の周囲に、回転駆動力が伝達されるように配置されている。
なお、タービン部4としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
なお、発電機5としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
熱交換器6と受熱器7との間には、熱交換器6により加熱された圧縮された空気が流れる配管10Dが設けられている。
なお、熱交換器6としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
受熱器7は、図1に示すように、タワーTにおける太陽光が集光される位置に配置され、照射された太陽光のエネルギを熱に変換し、空気を加熱するものである。
受熱器7には、図3に示すように、筐体71と、受熱管路(受熱部)72と、が設けられている。
筐体71には、太陽光が照射される領域に入射部73が設けられている。さらに、筐体71の内面は、入射部73から導入された太陽光を反射する鏡面とされている。
なお、筐体71の形状としては、図3に示すように立方体形状であってもよいし、その他の形状であってもよく、特に限定するものではない。
入射部73は、筐体71における太陽光が照射される面に配置され、筐体71から太陽光が照射される方向に向かって径が広がる略円錐状に形成された部材である。略円錐状に形成された入射部73の内周面は、太陽光を反射する鏡面とされている。
なお、入射部73の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
受熱管路72は、図3に示すように、筐体71の内部に螺旋状に配置され、螺旋状に配置された受熱管路72は、互いに間隔をあけて配置されている。
受熱管路72は、図4に示すように、耐熱合金を円筒状に形成した管本体(受熱部)74と、管本体74の外周面に形成されたコーティング層75と、管本体74の内部に配置されたタービュレータ76と、が設けられている。
管本体74を形成する耐熱合金としては、公知の合金を用いることができ、特に限定するものではない。
タービュレータ76は、管本体74の内周面から中心方向に突出するものであり、管本体74の内部における空気の流れに乱れを生じさせるとともに、管本体74と空気との間の熱交換面積を増やすものである。
まず、太陽熱発電設備1における発電の概略について説明し、その後に、本実施形態の特徴である受熱器7における作用について説明する。
なお、反射鏡Hにおける太陽光の反射方向を制御する方法としては、公知の方法を用いることができ、特に限定するものではない。
タービン部4から排出された空気は、配管10Cを介して熱交換器6に流入し、圧縮機3により圧縮された空気の加熱に用いられた後、外部に排出される。
発電機5は、回転軸8により回転駆動されることにより発電を行い、外部へ電力を供給する。
配管10Bに流入した圧縮空気は、配管10Eを流れてきた空気とともにタービン部4に流入する。
この際、圧縮空気は、タービュレータ76により流れが拡散されるとともに、伝熱面積が拡大されているため、タービュレータ76が無い場合と比較して、高い効率で加熱される。
その結果、コーティング層75の外周面から、管本体74の内周面に伝達される熱流束密度が高くなり、管本体74の内部を流れる圧縮空気を効率よく加熱することができる。
その一方で、受熱管路72に対して全ての方向から太陽光が照射されることから、受熱管路72の周方向にわたる温度差の発生を抑制することができ、受熱管路72の損傷を抑制することができる。
次に、本発明の第2の実施形態について図5および図6を参照して説明する。
本実施形態の太陽熱発電設備の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、受熱器の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図5および図6を用いて受熱器の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図5は、本実施形態の太陽熱発電設備における受熱器の構成を説明する模式図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素に付いては、同一の符号を付してその説明を省略する。
受熱器107には、図5に示すように、透明筐体171と、外側壁部(受熱部)172と、内側壁部173と、が設けられている。
なお、コーティング層75は、図5に示すように、外側壁部172における透明筐体171と対向する面、および、内側壁部173と対向する面に設けられていてもよいし、透明筐体171と対向する面のみに設けられていてもよく、特に限定するものではない。
第1流路174は、外側壁部172に形成された連通孔176を介して第2流路175と、圧縮空気が流通可能に接続されている。
第2流路175は、配管10Eと圧縮空気が流通可能に接続されている。
なお、太陽熱発電設備101における発電の概略については、第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
その一方で、コーティング層75の熱は外側壁部172に伝達され、外側壁部172を加熱する。
第2流路175においてさらに加熱された圧縮空気は、配管10Eに流入し、タービン部4に導かれる。
圧縮空気は第1流路174を流れる際に、加熱されたコーティング層75から熱を吸収して素早く加熱され、その後、さらに第2流路175を流れる際に、コーティング層75と比較して温度が低いが、圧縮空気よりも高温な外側壁部172から熱を吸収してさらに加熱される。このように、圧縮空気を2段階で加熱することにより、圧縮空気を効率よく加熱することができる。
なお、上述の実施形態のように、を一方が閉じた円筒状に形成された透明筐体171、外側壁部172、および、内側壁部173を用いて受熱器107を形成しても良いし、図6に示すように、筒状に形成された透明筐体271、および、外側壁部272を用いて受熱器207を形成することにより、第1流路174および第2流路175を形成しても良く、特に限定するものではない。
3 圧縮機
4 タービン部
5 発電機
7,107,207 受熱器(太陽熱受熱器)
71 筐体
72 受熱管路(受熱部)
73 入射部
74 管本体(受熱部)
75 コーティング層
171,271 透明筐体
172,272 外側壁部(受熱部)
H 反射鏡(反射部)
Claims (8)
- 太陽光の照射を受けて流体を加熱する太陽熱受熱器であって、
少なくとも前記流体が流れる流路を構成する金属性の受熱部と、
少なくとも該受熱部における前記太陽光が照射される領域の面に配置され、前記太陽光のエネルギを吸収するとともに耐熱性を有するコーティング層と、
が設けられている太陽熱受熱器。 - 前記コーティング層は、前記受熱部に溶射されたセラミックスからなる請求項1記載の太陽熱受熱器。
- 前記コーティング層は、太陽光が照射される受熱部分に設けられている請求項2記載の太陽熱受熱器。
- 前記セラミックスは、MgO,CaO,およびY2O3の少なくとも一つを固溶させて安定化、または、部分安定化させたZrO2系セラミックスである請求項2記載の太陽熱受熱器。
- 前記セラミックスは、Y2O3を固溶させて部分安定化させたZrO2系セラミックスである請求項2記載の太陽熱受熱器。
- 請求項1に記載の受熱部は、内部に前記流体が流れる流路を有する受熱管路であり、
該受熱管路の外周面に、請求項1から請求項5のいずれかに記載のコーティング層が配置され、
前記受熱管路は、前記太陽光を内部に導く入射部を有するとともに、内周面において前記太陽光を反射する筐体の内部に収納されている太陽熱受熱器。 - 請求項1に記載の受熱部を内部に収納するとともに、前記太陽光を透過する透明筐体が設けられ、
少なくとも前記受熱部における前記透明筐体と対向する面に請求項1から請求項5のいずれかに記載のコーティング層が配置され、
前記流路が、前記受熱部および前記透明筐体の間に前記流体が流れる第1流路と、前記受熱部に対して前記第1流路と反対側に前記流体が流れる第2流路とを有し、
前記流体は、前記第1流路および前記第2流路を流通する太陽熱受熱器。 - 太陽光を反射する反射部と、
流体を圧縮する圧縮機と、
前記反射部により反射された太陽光を受けて、前記圧縮機により圧縮された流体を加熱する請求項1から請求項7のいずれかに記載の太陽熱受熱器と、
該太陽熱受熱器により加熱された流体から回転駆動力を抽出するタービン部と、
該タービン部により回転駆動される発電機と、
が設けられている太陽熱発電設備。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011502693A JP5216135B2 (ja) | 2009-03-06 | 2010-02-04 | 太陽熱受熱器および太陽熱発電設備 |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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