JPWO2017078134A1 - 太陽熱集熱システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

低温加熱装置で生成される蒸気温度が飽和蒸気温度に達するまでの時間を短縮する。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加熱装置と、低温加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、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加熱装置と、を備え、低温加熱装置は、線状に配置された第一の集熱管、および前記第一の集熱管の長手方向に沿って線状に配置され、太陽光を第一の集熱管に反射させる第一の反射部材を有し、第一の反射部材からの反射光を第一の集熱管に集光して第一の集熱管を流れる水を加熱する第一の集熱器と、線状に配置された第二の集熱管を有し、複数のヘリオスタットの少なくとも一部からの反射光を受光して、第二の集熱管を流れる水を加熱する第二の集熱器と、を含む。

Description

本発明は、太陽熱を集熱して水から蒸気を生成する太陽熱集熱システムおよびその運転方法に関する。

例えば太陽熱発電プラントに用いられる太陽熱集熱システムとして、特許文献１が公知である。特許文献１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を備えたことを特徴とする太陽熱ボイラ」の構成が記載されている（要約参照）。

特許文献１の構成は、低温加熱装置としてトラフ式やフレネル式等の線集光タイプのものが用いられ、高温加熱装置としてタワー式の集熱装置が用いられている。特許文献１によれば、タワー式の集光集熱装置を小型化できるので、タワー高さを低減して建設コストを削減できる。また、ヘリオスタットに要求される集光精度もタワー高さ（距離）に比例するから、建設時および運用時の角度調整等、集光精度を高度に保つために要するコストを低減できる。

国際公開第２０１３／００２０５４号

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、過熱蒸気の生成に十分な飽和蒸気が得られるようになるまで（汽水分離装置により蒸気が分離するまで）高温加熱装置による蒸気の加熱ができない。すなわち、ヘリオスタットが太陽光を集光できる状態にありながら、作動媒体である蒸気が高温加熱装置内に無いため集熱（熱回収）ができない課題がある。これについて図６を用いて説明する。

図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、（ａ）晴天日の直達日射量、（ｂ）低温加熱装置出口流体温度、（ｃ）汽水分離装置出口蒸気流量、を示した図である。図６（ａ）に示すように、日の出とともに直達日射量が増加し、低温加熱装置の伝熱管内に供給された水は加熱され、図６（ｂ）に示すように低温加熱装置出口の流体温度が上昇する。この低温加熱装置出口流体温度が飽和温度に達し、水−蒸気二相流体になってはじめて、図６（ｃ）に示すように、蒸気が汽水分離装置から高温加熱装置に供給される。低温加熱装置において給水が飽和蒸気温度に達するまでの時間（図６（ｂ）のＡ−Ａ´間）、高温加熱装置へ向けて予熱しているヘリオスタットを除く、大多数のヘリオスタットが待機状態となる。よって、このＡ−Ａ´間は高温加熱装置にて熱回収できない。

また、上記従来技術は、季節に応じて低温加熱装置と高温加熱装置との集熱量バランスが不釣り合いとなるため、そのバランスを取るためにヘリオスタットを待機させておかなければならない課題がある。これについて図７および図８を用いて説明する。

図７は低温加熱装置と高温加熱装置の集熱原理を説明するための図である。図７（ａ）に示すように、低温加熱装置は、水平に設置されたミラーの反射光を、前記ミラーの上方に設置された水平伝熱管に集光させて伝熱管内の作動媒体を加熱する方式である。例えば、夏季の南中など、太陽が天頂に近づくほど、太陽と水平に設置されたミラーは正対し、受光面積が増大、すなわち、集熱効率が最大化する。一方、冬季の南中などは、太陽光が斜めから入射し、正味の太陽光の受光面積が減少するため、集熱効率が低下する。

図７（ｂ）は、高温加熱装置の集熱原理を示したものである。ヘリオスタットと呼ばれる二軸傾動式の多数のミラーにより太陽光を反射し、タワー上部に設置されたレシーバと呼ばれる伝熱管パネルに集光して、伝熱管パネル内の作動媒体を加熱する方式である。高温加熱装置の場合、図に示すように、冬季になるほど太陽とミラーが正対し、集熱効率が向上するヘリオスタットが存在する。しかし、数百〜数千枚設置される全ヘリオスタットの個別に変化する集熱効率をトータルで見ると、年間の集熱効率の変動は小さい傾向にある。

図８は、低温加熱装置および高温加熱装置の集熱効率と緯度の関係を説明するための図である。図８（ａ）に示すように、年間を通して日中の太陽軌道が天頂に近い低緯度においては、低温加熱装置および高温加熱装置ともに集熱効率の変動が小さい。すなわち、ある計画点、例えば夏至を基準に低温加熱装置と高温加熱装置の設備規模を決定しても、冬季の低温加熱装置および高温加熱装置の集熱効率の変動が小さいため、集熱効率と相関関係にある集熱量が大幅に低下するようなことはない。

しかしながら、図８（ｂ）に示すように、高緯度になるほど冬季における太陽高度が低下し、図７（ａ）で示したように低温加熱装置の集熱効率が低下する。これにより、例えば夏至を基準に低温加熱装置と高温加熱装置の設備規模を決定すると、冬季での飽和蒸気の流量が低下し、本来、夏至と同等に集熱できる状態にある高温加熱装置の集熱量を抑制しなければならず、ヘリオスタットを待機させる必要がある。そのため、従来技術では、設備稼働率が下がるという課題がある。

この課題に対して、休止状態にある一部のヘリオスタットで集光可能な太陽光を低温集熱装置に重畳させることで、不足する飽和蒸気の生成を補うことが考えられる。しかしながら、既存の低温集熱装置（線集光型集熱器）にヘリオスタットで集光可能な太陽光を集光させても、効率良く集熱して飽和蒸気の生成量を増大させることはできないことが、本件発明者らの研究・開発により明らかとなった。

これは、元々、トラフ式やフレネル式のような低温集熱装置（線集光型集熱器）は、集熱管から比較的近い距離（焦点距離）に設置された反射・集光部材（ミラー・レンズ類）からの反射光が集熱管に集光され、集熱されるように設計されているのに対し、高温集熱装置は、伝熱管パネルから遠く（焦点距離大）に設置された多数のヘリオスタットからの反射光を縦横に拡がりのある伝熱管パネルの集熱面で受光するよう設計されているという設計上の違いによるものである。

より具体的には、ヘリオスタットからの集光パターンを線集光型集熱器の受光面の形状に一致させ難いことが、ヘリオスタットで太陽光を線集光型集熱器に集光させても効率良く飽和蒸気を生成できない要因の一つとなっている。

本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、太陽熱集熱システムにおいて低温加熱装置で生成される蒸気温度が飽和蒸気温度に達するまでの時間を短縮することにあり、その第２の目的は、季節に応じて低温加熱装置と高温加熱装置との集熱量バランスが不釣り合いとなるのを改善することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る太陽熱集熱システムは、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加熱装置と、前記低温加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加熱装置と、を備え、前記低温加熱装置は、線状に配置された第一の集熱管、および前記第一の集熱管の長手方向に沿って線状に配置され、太陽光を前記第一の集熱管に反射させる第一の反射部材を有し、前記第一の反射部材からの反射光を前記第一の集熱管に集光して前記第一の集熱管を流れる水を加熱する第一の集熱器と、線状に配置された第二の集熱管を有し、前記複数のヘリオスタットの少なくとも一部からの反射光を受光して、前記第二の集熱管を流れる水を加熱する第二の集熱器と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明は、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加熱装置と、前記低温加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加熱装置と、を備えた太陽熱集熱システムの運転方法であって、前記低温加熱装置は、水の流れの下流側に配置される第一の集熱器と、上流側に前記第一の集熱器と直列で配置される第二の集熱器とを含み、所定の期間に亘って、水が前記第二の集熱器を経由して前記第一の集熱器へと流れるようにすると共に、前記複数のヘリオスタットのうち少なくとも一部のヘスオスタットを用いて太陽光を前記第二の集熱器に反射させるようにし、前記期間の経過後は、水が前記第二の集熱器をバイパスして前記第一の集熱器に流れるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、低温加熱装置で生成される蒸気温度が飽和蒸気温度に達するまでの時間を短縮することができる。また、本発明によれば、季節に応じて低温加熱装置と高温加熱装置との集熱量バランスが不釣り合いとなるのを改善することができる。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。

本発明の実施形態に係る太陽熱集熱システムの全体構成図である。 晴天日の直達日射量と低温加熱装置出口の流体温度と汽水分離装置出口の蒸気流量との関係を本発明と従来技術とで比較した図である。 本発明による低温加熱装置の集熱効率を説明するための図である。 本発明に適用可能な低温集熱装置の変形例を示す図である。 本発明に適用可能な低温集熱装置の変形例を示す図である。 従来技術における晴天日の直達日射量と低温加熱装置出口の流体温度と汽水分離装置出口の蒸気流量との関係を示す図である。 低温加熱装置と高温加熱装置の集熱原理を説明するための図である。 低温加熱装置と高温加熱装置の集熱効率と緯度の関係を説明するための図である。 本発明の第二の実施形態に係る太陽熱集熱システムの全体構成図である。

＜第一の実施形態＞
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の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。この太陽熱集熱システム１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１の高温加熱装置４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１の低温加熱装置２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２は水を太陽光の熱で加熱する低温加熱装置、符号３は低温加熱装置２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４は蒸気を太陽光の熱で加熱する高温加熱装置、符号５はヘリオスタット、符号６は太陽、符号７は太陽光、符号１０は給水ポンプ、符号１１は循環ポンプ、符号１５は温度検出器、符号２０は制御装置（ヘリオスタット制御装置）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は低温加熱装置２と汽水分離装置３を結ぶ配管を表している。

この太陽熱集熱システム１は、図１に示すように、給水ポンプ１０から供給された水はライン１０−２を通り低温加熱装置２に送られる。この低温加熱装置２では太陽光７の熱によって水を加熱し、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２−３を通り汽水分離装置３に送られる。

汽水分離装置３に導入された水−蒸気二相流体は、汽水分離装置３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３−４を通り高温加熱装置４へ送られる。その高温加熱装置４に導入された飽和蒸気は、高温加熱装置４においてヘリオスタット５で反射された太陽光７の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３で分離された水はライン３−１１を通り、循環ポンプ１１へ送られる。循環ポンプ１１で加圧された水はライン１１−２を通り、低温加熱装置２の入口へ送られる。

次に、高温加熱装置４の詳細について説明する。高温加熱装置４は、いわゆるタワー式の集光・集熱装置であって、具体的には所定の高さ（３０〜１００ｍ程度）を有するタワー９の上に伝熱管パネル８が設置されている。一方、地上面には多数のヘリオスタット５が色々な向きに配置されており、太陽６の動きを追尾しながらヘリオスタット５群で高温加熱装置４（伝熱管パネル８）に集光して、過熱蒸気が生成される。なお、各ヘリオスタット５は、制御装置２０によりその角度が制御される。そして、詳しくは後述するが、ヘリオスタット５群の一部（符号５ａ）は、低温加熱装置２に太陽光を反射させることができるよう、制御装置２０によってその角度が制御される。

次に、低温加熱装置２の詳細について説明する。低温加熱装置２は、いわゆるフレネル式の集光・集熱装置であって、具体的には、平面状あるいは若干曲面状の集光ミラー１２を、角度を少しずつ変えて多数枚並べて、その集光ミラー１２群の上方数メートルの所に平面状に伝熱管１３群を水平に並べて構成される。太陽光７を集光ミラー１２群で伝熱管１３群に集光し、各伝熱管１３内を流通する水を加熱することで、水−蒸気二相流体が生成される。

なお、本実施形態において、フレネル式の集光・集熱装置からなる低温加熱装置２の代わりに、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・集熱装置を用いても良い。

次に、制御装置２０によるヘリオスタット５群の制御について説明する。制御装置２０には、低温加熱装置２の蒸気出口温度を検出する温度検出器１５からのデータが入力される。例えば、太陽熱集熱システム１が稼働し、温度検出器１５にて検出された蒸気の温度が飽和蒸気温度に到達するまでの期間（所定期間）、制御装置２０は、ヘリオスタット５群のうちの低温加熱装置２に近い側に設置されたヘリオスタット５ａを低温加熱装置２の伝熱管１３に向けるよう角度の制御を行う。これにより、太陽光７をヘリオスタット５ａで反射させて伝熱管１３に集めることができるため、低温加熱装置２による飽和蒸気の生成時間を短縮することができる。そして、温度検出器１５にて検出された蒸気温度が飽和蒸気温度に達すると、制御装置２０は、低温加熱装置２に向けられていたヘリオスタット５ａを高温加熱装置４に向くように角度を制御する（元の位置に戻す）。

なお、ヘリオスタット５群のうち低温加熱装置２に近い側に設置されたヘリオスタット５ａの角度を制御するようにしたのは、遠い側のヘリオスタットの角度を制御するのに比べて、低温加熱装置２の伝熱管１３への集光効率が高いからである。

このように、低温加熱装置２で飽和蒸気が生成されるまでの間は高温加熱装置４に飽和蒸気が供給されず、高温加熱装置４は待機状態にあるため、全てのヘリオスタット５群を用いて高温加熱装置４の伝熱管パネル８に太陽光７を集光させる必要はない。そこで、本実施形態では、高温加熱装置４の予熱のために必要なヘリオスタット５を除いた一部のヘリオスタット５ａを用いて低温加熱装置２に太陽光７を集光させることにより、低温加熱装置２による飽和蒸気の生成時間を短縮している。

制御装置２０には、高温加熱装置４の蒸気出口温度を検出する温度検出器１６からのデータが入力される。例えば、太陽熱集熱システム１が稼働し、温度検出器１６にて検出された蒸気の温度が所定の温度（例えば、５５０℃）に到達し、所定の温度を維持する場合、低温加熱装置２からの飽和蒸気の蒸気流量が定格時の流量に達していなければ、用意するヘリオスタット５の枚数や日射条件にもよるが、必ずしもヘリオスタット５の全てを高温加熱装置４に向けなくても所定温度を維持できる。

そこで、ヘリオスタット５群のうち、高温加熱装置４を向いていない待機状態にある例えばヘリオスタット５ａを低温加熱装置２の伝熱管１３に向けるように角度の制御を行う。これにより、太陽光７をヘリオスタット５ａで反射させて伝熱管１３に集めることができるため、低温加熱装置２で生成される飽和蒸気の蒸気流量を増加させることができる。

そして、温度検出器１６にて検出された蒸気の温度が所定の温度（例えば５５０℃）を下回ると、制御装置２０は、低温加熱装置２に向けられていたヘリオスタット５ａを高温加熱装置４に向くように角度を制御する。

このように、本実施形態では、高温加熱装置４の蒸気出口温度を維持するために必要なヘリオスタット５を除いた一部のヘリオスタット５ａを用いて低温加熱装置２に太陽光７を集光させることにより、低温加熱装置２からの飽和蒸気流量を増加させることができる。

次に、本発明の効果を従来技術と比較して説明する。図２は、（ａ）晴天日の直達日射量と（ｂ）低温加熱装置出口の流体温度と（ｃ）汽水分離装置出口の蒸気流量との関係を本発明と従来技術とで比較した図、図３は本発明による低温加熱装置の集熱効率を説明するための図である。

図２（ｂ）に示すように、ヘリオスタット５ａによる集熱が得られる分、低温加熱装置２出口の流体温度が飽和蒸気温度に達するまでの時間がＡ−Ａ´からＡ−Ｂに短縮されることが分かる。使用するヘリオスタット５ａの数、発電規模等により条件が変わるが、飽和蒸気生成までの時間を２０〜３０分短縮するよう設計すれば、日照時間８ｈｒ／ｄａｙとした場合でヘリオスタットの設備利用率が５〜８％ｐｏｉｎｔ上昇する。

また、図３に、本発明による低温加熱装置２の集熱効率を示す。例えば夏至を基準として低温加熱装置２と高温加熱装置４の設備規模を決定し、待機中のヘリオスタット５ａを、低温加熱装置２を加熱する分とその加熱により増加する飽和蒸気の流量に応じ高温加熱装置４を加熱する分に分配することで、低温加熱装置２の集熱効率は春分に約１．０５〜１．１０倍、冬季に約１．４０倍〜１．４５倍に増加させることが可能となる。すなわち、本発明によれば、待機中のヘリオスタット５ａを利用することで、高緯度地域に設置した場合でも効率的に集熱できるようになる。

次に、本発明に適用可能な低温加熱装置の各種変形例について、図を用いて説明する。図４，５は、本発明に適用可能な低温集熱装置の変形例を示す図である。図４（ａ）に示す低温加熱装置２ａは水平置き伝熱管と同じ伝熱管１３にヘリオスタット５ａの反射光を集光する構成である。このように、水平置き伝熱管がヘリオスタット５ａの反射光も集光できるものであれば、追加の伝熱管は必要ない。図４（ｂ）に示す低温加熱装置２ｂは、水平置き伝熱管の下流側にヘリオスタット５ａの反射光を集光できる伝熱管１３を備えた構成である。図４（ｃ）に示す低温加熱装置２ｃは、水平置き伝熱管の上流側にヘリオスタット５ａの反射光を集光できる伝熱管を備えた構成である。図４（ａ）〜（ｃ）から分かるように、ヘリオスタット５ａによる集光部分は作動媒体が流通すれば、低温加熱装置２のどの位置でも良い。さらに、図４（ｄ）に示す低温加熱装置２ｄのように二つ以上の伝熱管１３がヘリオスタット５ａからの反射光を集光する対象となる場合もある。

さらにまた、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、低温加熱装置の伝熱管の構造として、例えば高温加熱装置４用の伝熱管パネルと同様の構造を用いても良い。図５（ａ）に示す低温加熱装置２ｅは、２つの水平置き伝熱管の間に伝熱管パネル２５を設置し、この伝熱管パネル２５にヘリオスタット５ａの反射光を集光する構成である。図５（ｂ）に示す低温加熱装置２ｆは、水平置き伝熱管の下流側に伝熱管パネル２５を設置し、この伝熱管パネル２５にヘリオスタット５ａの反射光を集光する構成である。図５（ｃ）に示す低温加熱装置２ｇは、伝熱管パネル２５を低温加熱装置２ｆとは逆に水平置き伝熱管の上流側に配置した構成である。

図５（ｄ）に示す低温加熱装置２ｈは、伝熱管１３と伝熱管パネル２５とを直列に配置して、伝熱管１３と伝熱管パネル２５とにヘリオスタット５ａからの反射光を集光させる構成である。図５（ｅ）は、水平置き伝熱管と並列に接続された伝熱管パネル２５にヘリオスタット５ａの反射光を集光させる構成である。これら各種の低温加熱装置を適宜採用すれば良い。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。図９は、本発明の第二の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。なお、第一の実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。図９に示すように、第二の実施形態に係る太陽熱集熱システム１００は、太陽光７を集光ミラー１２で受け、その集光ミラー１２からの反射光を集熱管１３に集光して集熱管１３内の水を循環ポンプ１１で循環しながら蒸気ドラム（汽水分離装置）３内の水温を上昇させる飽和蒸気生成系統と、蒸気ドラム３から発生した飽和蒸気をタワー９の過熱器（伝熱管パネル）８に導いたのちにヘリオスタット５で受けた太陽光７の反射光を過熱器８に照射させて過熱蒸気を生成させる過熱蒸気生成系統とから構成される。

本実施形態では、この飽和蒸気生成系統において、低温加熱装置として第一の線集光型集熱器（第一の集熱器）５１および第二の線集光型集熱器（第二の集熱器）５２を備えている。

第一の線集光型集熱器５１は、線状に配置された複数の真空二重管型集熱管（第一の集熱管）１３と、各真空二重管型集熱管１３（以下、集熱管１３という）の長手方向に沿って線状に配置され、太陽光を集熱管１３に反射させる複数の集光ミラー（第一の反射部材）１２と、を有し、各集光ミラー１２からの反射光を各集熱管１３に集光して各集熱管１３を流れる水を加熱するよう構成されている。複数の集熱管１３は、集光ミラー１２群の上方数メートルの所に平面状に並べて配置される。なお、集熱管１３および集光ミラー１２の数は仕様に応じて適宜決定できる。

第二の線集光型集熱器５２は、複数の真空二重管型集熱管（第二の集熱管）３０を有している。複数の真空二重管型集熱管３０（以下、集熱管３０という）は、それぞれ水平に向けた状態で、上下方向に並べて面状（パネル状）に配置される。これらの集熱管３０は直列に接続されており、この面状に形成された複数の集熱管３０が待機中のヘリオスタット５ａからの反射光を受光することにより、集熱管３０内を流れる水が加熱される。ここで、集熱管３０の数は仕様に応じて適宜決定できる。なお、集熱管１３および集熱管３０として、例えば、チューブ外径７０ｍｍ、ガラス管外径１２５ｍｍのサイズの真空二重管型集熱管を適用できる。

第二の線集光型集熱器５２は、タワー９とヘリオスタット５の間に位置する空間部分に設置される。本実施形態では、ヘリオスタット５からの焦点距離を考慮して、第二の線集光型集熱器５２をタワー９の支持構造体に取り付ける構成としているが、タワー９とヘリオスタット５の間の空間に別途支持部材を設けて、その支持部材に第二の線集光型集熱器５２を取り付けても良い。

なお、本実施形態では、集熱管３０間の隙間から漏れた反射光を二次反射させて集光効率を高めるために、集熱管３０の背面側（ヘリオスタット５と反対側）に補助ミラー（第二の反射部材）５５を設ける構成としているが、必ずしも補助ミラーを設けなくて良い。

第一の線集光型集熱器５１と第二の線集光型集熱器５２とは、流路切換機構としての２つの三方弁３１、３２を介して直列に接続されており、水の流れの上流側に第二の線集光型集熱器５２が、下流側に第一の線集光型集熱器５１が配置されている。具体的には、集熱管３０の入口は、循環ポンプ１１の出口側と三方弁３１を介して接続される。また、集熱管３０の出口は、集熱管１３の入口側と三方弁３２を介して接続され、かつ三方弁３１と三方弁３２は残りポートの一端同士が配管で接続されている。また、蒸気ドラム３には、蒸気ドラム３内の水温を計測する蒸気ドラム水温計３３が設置され、その蒸気ドラム水温計３３の指示値に基づく開閉信号を２つの三方弁３１、３２に入力している。

以上のように構成された第二の実施形態に係る太陽熱集熱システムの動作について説明する。太陽熱集熱システムを日の出ののちに起動させる場合、まず飽和蒸気生成系統を立ち上げる。蒸気ドラム水温計３３の指示値が目標温度(たとえば３００℃)に到達するまでは、三方弁３１の開方向は循環ポンプ１１の出口から集熱管３０の入口に向かって図中の矢印Ａの方向に管内流体の水が流れるように設定され、かつ三方弁３２の開方向は集熱管３０の出口から集熱管１３の入口へ管内流体の水が流れるように設定され、三方弁３１と三方弁３２の間は流体が流れない状態にある（第一の流路）。

この状態で循環ポンプ１１を駆動すると、循環ポンプ１１で移送された水は、三方弁３１から集熱管３０、三方弁３２、集熱管１３、蒸気ドラム３を順次経由して循環ポンプ１１へ戻る。このとき、集熱管３０には待機中のヘリオスタット５ａの反射光３４を照射し、集熱管３０内の水温を高め、さらにその温水を集熱管１３内に導いて、太陽光７が照射された集光ミラー１２からの反射光によって集熱管１３内の水温が高められる。

蒸気ドラム水温計３３の指示値が目標温度に到達したのちは、蒸気ドラム３内の飽和蒸気を過熱器８に供給できる状態になり、過熱器８にヘリオスタット５の反射光を照射する段階で、待機中のヘリオスタット５ａの照射を集熱管３０から過熱器８に切り替え、過熱蒸気を発生させる。その後、三方弁３１と３２をそれぞれ切替えて集熱管１３と集熱管３０とを流体的に切り離す。すなわち、循環ポンプ１１から送られた温水は、集熱管３０を経由することなく、図中の矢印Ｂの方向に三方弁３１のあと三方弁３２に接続された配管を経由して集熱管１３に直接流れる（第二の流路）。

以上説明したように、第二の実施形態によれば、太陽熱集熱システム起動時の低温加熱装置（線集光型集熱器）全体の集熱量が増加するため、蒸気ドラム３から従来よりも早く飽和蒸気を発生させることができ、起動時間を短縮することができる。

また、タワー９とヘリオスタット５の間に複数の集熱管３０を垂直の平面上に設置したので、待機中のヘリオスタット５ａからの反射光を集熱管３０に効率良く照射できると共に、待機中のヘリオスタット５ａからの反射光を集熱管３０全体に亘って照射することができるので均質な加熱状態を作り易く、ホットスポットなどの局所的な温度上昇を抑制し易いという効果もある。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る太陽熱集熱システム１によれば、低温加熱装置２の集光ミラー１２からの反射光と、待機中のヘリオスタット５ａからの反射光とにより低温加熱装置２に供給される水を加熱することができるため、低温加熱装置２で飽和蒸気を生成する時間が短縮される。よって、太陽熱集熱システム１の稼働効率が改善される。また、高緯度地域であっても、待機中のヘリオスタット５ａを利用することにより、季節に応じて低温加熱装置２と高温加熱装置４との集熱量バランスが不釣り合いとなるが改善され、集光効率が低下するのを防止できる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

例えば、三方弁３１、３２はあくまで流路切換機構の組合せの例として記載したものであり、代替手段として例えば、複数の流量調節弁を集熱管３０を経由する流路上と集熱管３０をバイパスする流路上とにそれぞれ設けても良い。

この場合、各流量調節弁の開度を制御することにより、集熱管１３に全流量の被加熱流体（水）を流しつつ、集熱管３０に流れる被加熱流体の流量を加減することができる。このため、太陽熱集熱システム１００の起動直後は、集熱管１３と集熱管３０に全流量の被加熱流体を流しつつ、起動後の時間の経過とともに集熱管３０に流れる被加熱流体の流量を徐々に減少させていくといった調整運転が可能となる。

１ 太陽熱集熱システム
２ 低温加熱装置
３ 汽水分離装置／蒸気ドラム
４ 高温加熱装置
５ ヘリオスタット
５ａ 待機中のヘリオスタット
６ 太陽
７ 太陽光
８ 伝熱管パネル／過熱器
９ タワー
１０ 給水ポンプ
１１ 循環ポンプ
１２ 集光ミラー
１３ 伝熱管／集熱管
１５ 温度検出器
２０ 制御装置（ヘリオスタット制御装置）
３０ 真空二重管型集熱管（第二の集熱管）
３１、３２ 三方弁（流路切換機構）
５５ 補助ミラー（第二の反射部材）

Claims (9)

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加熱装置と、
   前記低温加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加熱装置と、を備え、
   前記低温加熱装置は、
   線状に配置された第一の集熱管、および前記第一の集熱管の長手方向に沿って線状に配置され、太陽光を前記第一の集熱管に反射させる第一の反射部材を有し、前記第一の反射部材からの反射光を前記第一の集熱管に集光して前記第一の集熱管を流れる水を加熱する第一の集熱器と、
   線状に配置された第二の集熱管を有し、前記複数のヘリオスタットの少なくとも一部からの反射光を受光して、前記第二の集熱管を流れる水を加熱する第二の集熱器と、を含む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、
   前記第二の集熱器は、前記第二の集熱管を複数備え、
   複数の前記第二の集熱管は、それぞれ水平に向けられ、かつ、上下方向に並べて配置されることにより、面状に形成されることを特徴とする太陽熱集熱システム。
3. 請求項２において、
   前記第二の集熱器は、前記複数の第二の集熱管の間から漏れた前記複数のヘリオスタットからの反射光を前記複数の第二の集熱管に二次反射させるための第二の反射部材をさらに含むことを特徴とする太陽熱集熱システム。
4. 請求項２において、
   前記高温加熱装置は、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前記伝熱管パネルに集光することにより、前記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、
   前記第二の集熱器は、前記タワーに取り付けられ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、
   水の流れの下流側に前記第一の集熱器が配置され、上流側に前記第二の集熱器が配置されると共に、前記第一の集熱器と前記第二の集熱器とは直列に接続され、
   前記低温加熱装置は、前記第一の集熱器と前記第二の集熱器との間に設けられ、水が前記第二の集熱器を経由して前記第一の集熱器へと流れる第一の流路と、水が前記第二の集熱器をバイパスして前記第一の集熱器へと流れる第二の流路とに水の流れる流路を切り換える流路切換機構をさらに含むことを特徴とする太陽熱集熱システム。
6. 請求項５において、
   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をさらに備え、
   前記ヘリオスタット制御装置は、前記複数のヘリオスタットのそれぞれの角度を太陽光が前記高温加熱装置に向かって反射するよう制御すると共に、所定の期間、太陽光が前記第二の集熱器に向かって反射するように制御することを特徴とする太陽熱集熱システム。
7. 請求項６において、
   前記流路切換機構は、前記所定の期間に亘って水の流路を前記第一の流路に切り換え、前記所定の期間が経過した後に水の流路を前記第一の流路から前記第二の流路に切り換えることを特徴とする太陽熱集熱システム。
8. 請求項７において、
   前記所定の期間は、前記低温加熱装置に供給された水が飽和蒸気温度に達するまでの期間であることを特徴とする太陽熱集熱システム。
9. 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加熱装置と、
   前記低温加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加熱装置と、を備えた太陽熱集熱システムの運転方法であって、
   前記低温加熱装置は、
   水の流れの下流側に配置される第一の集熱器と、上流側に前記第一の集熱器と直列で配置される第二の集熱器とを含み、
   所定の期間に亘って、水が前記第二の集熱器を経由して前記第一の集熱器へと流れるようにすると共に、前記複数のヘリオスタットのうち少なくとも一部のヘスオスタットを用いて太陽光を前記第二の集熱器に反射させるようにし、前記期間の経過後は、水が前記第二の集熱器をバイパスして前記第一の集熱器に流れるようにしたことを特徴とする太陽熱集熱システムの運転方法。