WO2004099610A1 - 太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置 - Google Patents

太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置 Download PDF

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Kouzou Kitamura
Kiyohiko Tsukumo
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Abstract

 発電するための燃料を不要とし、また、物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素(CO2 )を発生させないこと。さらに、発電と同時に温水供給も可能にすること。  太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ1と、このフレネルレンズ1にて集光熱した約600°Cから約2000°Cの熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー3と、この光導ファイバー3からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン4と、このスターリングエンジン4により駆動される発電機5とで構成されている。

Description

明 細 書
太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置
技術分野
[0001] 本発明は、燃料が不要な太陽光を用いた太陽光熱利用スターリングエンジン発電 装置に関するものである。
背景技術
[0002] 従来より種々な発電装置が提供されてきており、一般的には燃料をガソリンとした内 燃機関の発電装置がある。また、この内燃機関とは異なり点火ノイズが無く運転が静 力なスターリングエンジンも研究開発されている。
このスターリングエンジンの基本原理は、シリンダに封入した作動流体(作動ガス) を加熱したり、冷却することにより、圧力変動を起こさせてピストンを上下動させ、この ピストンの上下運動を回転運動に変換して発電させるものである。
[0003] 上記スターリングエンジンを加熱する場合、燃料をバーナーで燃やし、その熱をカロ 熱部に与えるのであるが、ガソリンなどの燃料を燃やすと二酸化炭素(CO )を発生さ
2 せることになる。
そこで、スターリングエンジンの加熱部に供給する熱エネルギーとして太陽光が考 えられる。この場合、一面に太陽光を反射させる反射面を形成した円板状の反射板 を多数配設して全体を碗状に形成し、その放物面上に配置した多数 (例えば、 32枚 )の反射板 (鏡)の焦点にスターリングエンジンを配置している。
[0004] 多数の反射板に反射された光が集光し、その熱エネルギーがスターリングエンジン の加熱部に供給されることで、該スターリングエンジンの加熱部を加熱していた。
[0005] し力、しながら、多数の反射板を配置して、その反射光を 1点に集光させるには反射 板の設置が難しぐ思うように集光させることができず、また、装置全体が大掛かりとな り、非常にコストが高いという問題があった。
また、太陽光を反射板にて一旦反射させて集光させるために、反射効率も悪くなり 、スターリングエンジンの加熱部の温度も約 750°Cであり、それ以上の温度を上げる ことができないという問題もあった。そのため、発電機出力も約 7. 5kWという低出力 の発電しか出来なかった。
[0006] さらに、スターリングエンジンの発電出力を上げるために、該スターリングエンジンの 加熱部の温度を例えば、 1000°Cまで上げようとした場合、反射板の数をさらに増加 させる必要がある。そのため、反射板の設置上の困難さと共に、莫大なコストがかかり 、ランニングコストが増大し、デメリットば力、りの発電装置となる。
[0007] 特許文献 1 :特開平 2001— 13357
[0008] ところで、上記特許文献 1は、本出願人がすでに出願したものであるが、この特許 文献 1には、レンズを用いて太陽光の熱エネルギーを取り入れるようにしたものである 。しかし、力、かる場合にも、レンズにて集光した太陽光によりスラグを燃やしてしまい、 その燃やした熱エネルギーにて、例えば、水蒸気タービンによる発電を行なう旨の記 載がある。
し力、しながら、スラグを燃やすと上記と同様に二酸化炭素が発生し、地球温暖化の 原因となり、二酸化炭素(CO )を減らしていこうとする最近の動向に反することになる
[0009] 特に、化石型燃料を燃焼した熱を熱源としたスターリングエンジン発電装置は、多 々あるが、化石型燃料を燃焼させるために、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出 で大いに問題となっているのが現状である。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明は上述の問題点に鑑みて提供したものであって、少なくとも以下の目的を備 えた太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置を提供するものである。
(1)発電するための燃料を不要とすること。
(2)物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素(CO )を発生させないこと。
(3)発電と同時に温水供給も可能にすること。
(4)従来の発電装置よりも低コスト化な発電装置を提供すること。
(5)上記の燃料が不要であり、二酸化炭素 (CO )を発生させないことから環境保 全型の発電装置を提供すること。
課題を解決するための手段 [0011] そこで、本発明の請求項 1記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では 、太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ 1と、このフレネルレンズ 1にて集光熱した約 600°Cから約 2000°Cの熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー 3と 、この光導ファイバー 3からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン 4と、このスタ 一リングエンジン 4により駆動される発電機 5とで構成されていることを特徴としている
[0012] 請求項 2記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では、太陽光熱を追 尾する追尾装置 2を備えてレ、ることを特徴としてレ、る。
[0013] 請求項 3記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では、前記フレネルレ ンズ 1からの太陽光熱を受ける光導ファイバー 3の受光部 31は、フレネルレンズ 1側 に至るほど径を大きくした略円錐状に形成されていることを特徴としている。
発明の効果
[0014] 請求項 1に記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、発電機 5 にて発電するための燃料は太陽光としているので、燃料は不要であり、し力も、従来 のように物を燃焼させるのではないため、二酸化炭素(CO )を発生させることもない
2
。そのため、理想的な環境保全型の発電装置を提供することができる。また、燃焼自 体はコストが全く不要なため、ランニングコストが非常に低ぐ従来の発電装置よりも 低コストな発電装置を提供することができる。さらに、本装置のスターリングエンジン 4 の稼働中は、給水パイプ 44からの冷却部 42にて冷却した水は高温水となって排出 パイプ 45から排出されるので、発電と同時に温水供給も可能となる。
[0015] 請求項 2に記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、太陽光 熱を有効に、且つ確実に利用することができる。
[0016] 請求項 3に記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、光導ファ ィバー 3の受光部 31をフレネルレンズ 1の集光方向と同方向に移動させることで、光 導ファイバー 3の受光部 31の受光面 32での集光面積を変えることができて、例えば 、約 600—約 2000°Cの所望の温度の熱源を容易に得ることができる。そのため、ス ターリングエンジン 4の出力に応じて光導ファイバー 3を移動させることで、種々の出 力のスターリングエンジン 4に対応することができる。 発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明は、地球環 境汚染や地球温暖化ガスの排出を解決すベぐ地球環境にやさしレ、クリーンな太陽 光熱を熱源に利用して、スターリングエンジンに熱を与え、スターリングエンジンの出 力により駆動する発電機で発電するようにしたものである。
[0018] 図 1は本発明のシステム構成図を示し、太陽光熱を集光熱した熱源を利用するた めに、アクリル製のフレネルレンズ 1で集光熱し、フレネルレンズ 1による集光部分から その集光方向に沿って 600°Cから 2000°Cの任意の温度を得るようにしている。 また、 3は石英ガラス製の光導ファイバーであり、この光導ファイバー 3により上記フ レネルレンズ 1にて集光熱した熱源を確実に、安全に、ロス無く、 目的の場所に導くよ うにしている。
[0019] 前記フレネルレンズ 1及び光導ファイバー 3により発生する熱源によってスターリン グエンジン 4を駆動し、このスターリングエンジン 4の出力によって発電機 5を発電駆 動するようになっている。
[0020] ここで、太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱するために追尾装置 2が設けられて おり、昼間の時刻と共に太陽の位置が変化するのを図外のセンサにて検出し、太陽 の位置変化に応じてフレネルレンズ 1の方位角と仰角を制御している。これにより、フ レネルレンズ 1の集光面を太陽に向けて太陽光熱を有効且つ確実に集光熱している なお、追尾装置 2は、フレネルレンズ 1だけでなぐ光導ファイバー 3、スターリングェ ンジン 4、発電機 5を一体に動力 て制御している。この追尾装置 2を備えていること で、太陽光熱を有効に、且つ確実に利用することができるものである。
[0021] 本発明で用いているスターリングエンジン 4自体は公知なので詳細な説明は省略 する力 基本原理は密閉容器内に一定量の気体が封入されており、この気体を作動 流体と呼んでおり、水素、ヘリウム、空気などが用いられる。
図 1に示すように、スターリングエンジン 4内は、加熱部 41と冷却部 42に大別され、 作動流体を加熱部 41 (高温側)と冷却部 42 (低温側)の間を交互に移動させる。これ によってピストン 43を動かすことができ、動力を取り出すことができる。このピストン 43 の一端側の上下動の動きを他端側で回転運動に変換し、このピストン 43の回転運動 で発電機 5を駆動する。これにより発電機 5が駆動されて電気出力を得ている。なお、 図 1では図示していないが、スターリングエンジン 4の加熱部 41と冷却部 42の間に、 再生熱交換器が設けられていて熱効率を上げている。
[0022] スターリングエンジン 4の冷却部 42には、該冷却部 42を冷却させるための冷却水を 冷却部 42内に入れるために給水パイプ 44が接続配管されており、また、冷却部 42 を冷却した冷却水を排出させるための排出パイプ 45が冷却部 42に接続配管されて いる。
給水パイプ 44から冷却部 42内に流入した冷却水は冷却部 42を冷却することで高 温水となり、この冷却後の高温水は排出パイプ 45から外部へ排出される。
[0023] そして、スターリングエンジン 4のシリンダ内に一定量のガス(例えば、ヘリウムガス) を密封し、等容加熱→等温膨張→等容冷却→等温収縮を繰り返す基本熱サイクル のスターリングエンジン 4を活用しているため、熱交換器の給水を加熱して高温水を 得ること力 Sできる。このスターリングエンジン 4にて得られた高温水を施設内等で種々 利用することができる。
[0024] フレネルレンズ 1は直径が約 lm (メートル)から約 20m (メートル)までの任意の直径 のものを用いるようにしている力 本実施形態では、直径は約 20mのフレネルレンズ 1を用いている。これは、スターリングエンジン 4の出力を約 55kWのものを用いている からであり、スターリングエンジン 4の加熱部 41を加熱する温度が約 1000°Cほど必 要であるからである。
[0025] また、フレネルレンズ 1で集光され、該集光熱した熱源を導く略円柱状の光導フアイ バー 3の受光部 31は略円錐状に形成されており、この受光部 31は先端に至るほど 径を大きくしている。そして、受光部 31の先端面の受光面 32は平坦面となっている。 この光導ファイバー 3の受光面 32から流入した熱源は該フレネルレンズ 1を介して 放出部 33まで導かれる。放出部 33の先端の面は略平坦面となっていて、放出部 33 の先端面はスターリングエンジン 4の加熱部 41の熱供給部に接触ないし近接して配 置されている。
[0026] ここで、光導ファイバー 3の受光部 31の形状を略円錐状に形成しているのは以下 の理由による。すなわち、直径が約 20mのフレネルレンズ 1では焦点付近では約 20 00°Cの温度を得ることができ、また、スターリングエンジン 4の出力に応じて約 600°C 力 約 2000°Cまでの任意の温度が必要な場合が生じる。
[0027] そこで、図 2に示すように、光導ファイバー 3をフレネルレンズ 1の集光方向と同方向 に移動可能にしておき、例えば、光導ファイバー 3の受光面 32の位置が図 2の Aに 示す位置では集光温度が約 600°C、 Bに示す位置では集光温度が約 1000°C、 Cに 示す位置では集光温度が約 2000°Cとなるようにしておくことで、スターリングェンジ ン 4の出力に応じて光導ファイバー 3の集光温度を任意に設定することが可能となる 図 3 (a) (c)は、図 2の A, B, Cの位置に対応した集光面積 34を示しており、この 集光面積 34が小さいほど集光温度は高レ、。また、温度が高いほど集光面積 34が光 導ファイバー 3の受光面 32の面積に対して小さくなるので、集光した熱源が光導ファ ィバー 3の周囲に漏れることがないので、安全性を向上させてレ、る。
[0028] これにより、光導ファイバー 3の受光部 31をフレネルレンズ 1の集光方向と同方向に 移動させることで、光導ファイバー 3の受光部 31の受光面 32での集光面積を変える ことができて、例えば、約 600—約 2000°Cの所望の温度の熱源を容易に得ることが できる。そのため、スターリングエンジン 4の出力に応じて光導ファイバー 3を移動させ ることで、種々の出力のスターリングエンジン 4に対応することができる。
[0029] そして、フレネルレンズ 1にて太陽光熱を集光熱した熱源は光導ファイバー 3を介し てスターリングエンジン 4の加熱部 41へ供給され、スターリングエンジン 4の加熱部 4 1と冷却部 42との間で作動流体が交互に移動してピストン 43を駆動し、発電機 5を駆 動する。この発電機 5が駆動されることで、所望の電気出力が得られる。
なお、光導ファイバー 3は上述したように石英ガラスを用いているので、集光熱の損 失はほとんどなくスターリングエンジン 4の加熱部 41へ供給することができる。
[0030] また、本装置のスターリングエンジン 4の稼働中は、給水パイプ 44からの冷却部 42 にて冷却した水は高温水となって排出パイプ 45から排出されので、発電と同時に温 水供給も可能となる。
また、発電機 5にて発電するための燃料は太陽光としているので、燃料は不要であ り、し力も、従来のように物を燃焼させるのではないため、二酸化炭素(CO )を発生
2 させることもない。そのため、理想的な環境保全型の発電装置を提供することができ る。また、燃焼自体はコストが全く不要なため、ランニングコストが非常に低ぐ従来の 発電装置よりも低コストな発電装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]本発明の実施の形態における太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置の システム構成図である。
[図 2]本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説 明図である。
[図 3]本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説 明図である。
符号の説明
[0032] 1
2 追尾装置
3 光導ファイバー
4 スターリングエンジン
5 発電機
31 受光部
32 受光面
41 加熱部
42 冷却部
44 給水パイプ
45 排出パイプ

Claims

請求の範囲
[1] 太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ(1)と、このフレネルレンズ(1)にて集光熱し た約 600°Cから約 2000°Cの熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバ 一 (3)と、この光導ファイバー(3)からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン (4) と、このスターリングエンジン (4)により駆動される発電機(5)とで構成されていること を特徴とする太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置。
[2] 太陽光熱を追尾する追尾装置 (2)を備えていることを特徴とする請求項 1記載の太 陽光熱利用スターリングエンジン発電装置。
[3] 前記フレネルレンズ(1)からの太陽光熱を受ける光導ファイバー(3)の受光部(31) は、フレネルレンズ(1)側に至るほど径を大きくした略円錐状に形成されていることを 特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電
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