WO2006025449A1 - 太陽光集熱器、太陽光集光用反射装置、太陽光集光システムおよび太陽光エネルギ利用システム - Google Patents

Abstract

　太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有するように、熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に巻回して形成された集熱体を備える太陽光集熱器、複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記集光器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光用反射装置、複数のヘリオスタットＡｎの間の太陽光が照射されている場所に、複数のヘリオスタットＢｍを配置し、ヘリオスタットＡｎおよびヘリオスタットＢｍが、各ヘリオスタットが属するヘリオスタット群の集光点に向けて反射光が形成される太陽光集光システム、およびその太陽光集光システムによって太陽光を集光する太陽光エネルギ利用システム。

Description

明 細 書

太陽光集熱器、太陽光集光用反射装置、太陽光集光システムおよび太 陽光エネルギ利用システム 技術分野

[0001] 本発明は、太陽光集熱器、太陽光集光用反射装置、太陽光集光システムおよび太 陽光エネルギ利用システムに関し、特に、太陽光エネルギの利用効率が高い太陽光 集熱器および太陽光集光用反射装置、太陽光の集光効率が高!、太陽光集光システ ムおよび集光された太陽光の熱エネルギを有効活用する太陽光エネルギ利用シス テムに関する。

背景技術

[0002] 近年、太陽光を集光して得られる熱エネルギを、発電システム、化学反応プロセス などの各種のシステムやプロセスの熱源として利用する装置およびシステムとして、 太陽光集熱器および太陽光集光システム、ならびに集光された太陽光の熱エネルギ を利用する太陽光エネルギ利用システムの開発および実用化が進められて 、る。例 えば、米国エネルギ省による Solar IIプロジェクトでは、地上に配置された多数の反 射鏡 (以下、「ヘリオスタツト」という）によって太陽光の反射光を高さ 100m程度の一 本のタワーの頂部に設置した集熱器に集光させる集光システム (タワー方式)の実証 試験が行われた。この集光システムでは、集熱器における太陽光の集光位置に複数 のパイプを平行に並べて配置して、パイプの中を流通する溶融塩を集光された太陽 光の熱エネルギによって間接的に加熱し、加熱された溶融塩の熱で発生させた蒸気 を蒸気タービンに供給して発電を行う試験が行われた (非特許文献 1参照)。

[0003] しかし、この Solar IIプロジェクトで用いられた装置では、太陽光の受光面、すなわ ち、パイプの外周面が外気に曝されているため、風によって受光面から多くの熱が奪 われるとともに、受光面における太陽光の反射、受光面からの熱輻射が周囲に散逸 する。したがって、入射した太陽光のエネルギに対して溶融塩の加熱に実際に使わ れる熱エネルギの割合が小さくなる。そのため、太陽光の利用効率に限界がある。

[0004] また、非特許文献 2には、図 40に示すように、地上に配置された複数のへリオスタツ ト 61からの反射光の集光点 Fの手前の高所に集光用反射鏡 62を配置し、その集光 用反射鏡 62によって太陽光を地上に向けて下向きに反射させ、地上付近に設けた 集熱器 63に集光させる太陽光集光システム (ビームダウン方式）が開示されている。 そして、この太陽光集光システムで用いる集熱器として、二重の入れ子構造の円錐 台形に形成された集熱容器の隙間に形成された環状流路に溶融塩を流し、太陽光 を集熱容器の内側力も照射して溶融塩を間接的に加熱する装置が記載されている。

[0005] しかし、この非特許文献 2では、集熱器の装置形状を最適化することに関しては何 ら検討されていない。また、この集熱器では、環状流路中の溶融塩の流速が遅ぐ日 射量に変化がある場合に、集熱容器出口における溶融塩の温度の変動に対する温 度制御の応答時間が遅れるために、流量制御による微妙な温度制御が困難である。 さらに、二重の円錐台形という複雑な形状の大型の装置を製作することは、困難であ るため、商業的実用化が難しい。

[0006] さらに、図 40に示すビームダウン方式の太陽光集光システムは、太陽光の利用効 率は向上するが、ヘリオスタツトの設置範囲が半径百 mの集光システムの場合、集光 用反射鏡 62は半径数十 m以上、設置高さは 100m程度になる。この場合、反射鏡は 、大きな風圧を受け、風の脈動によって反射鏡の位置がずれたり反射鏡自体が変形 したりして、集光精度が低下する。また、荒天時の強風に耐えるために反射鏡を支え る構造を強固なものにする必要があり、建設費が高額になる。こうした問題に対処す るため、反射鏡を小さなセグメントに分けて隣のセグメントを隙間を空けて設置する、 一定の割合でセグメントを間弓 Iきしてそこに風を通過させる穴を設ける、と 、つた対策 が考案されてきている。しかし、これらの方法では、ヘリオスタツトによって集光されて 反射鏡の間の隙間の部分に到達した太陽光は利用することができず、その結果、集 光効率が低下する。また、 1)太陽光が反射鏡で折り返すので光路長が長くなること に起因して、受光面 (焦点面)での焦点の拡がりが相対的に大きくなる結果、集熱器 63を大きくせざるを得ない。さらに、 2)前記の 1)に起因する集光不足で、集熱器 63 において、溶融塩で熱を回収する場合には、溶融塩の十分な昇温が得られない。 3) 集熱器 63を地表近くに設置する場合、集光用反射鏡 62は回転双曲面になるので、 受光面での入射光熱流束が焦点近傍に偏る現象が生じる。これは、改質反応炉等 のように、熱流束が均一に入射される方が有利なシステムに適用する場合には好ま しくな ヽ特性で、その平坦化もビームダウン集光方式で解決すべき課題である。

[0007] 次に、非特許文献 1および非特許文献 2に開示されている太陽光集光システムは、 複数のへリオスタツトによって形成される 1つの集光点に、集熱器または集光用反射 鏡を設けた構成を有する。しかし、これらの太陽光集光システムは、未だ実験段階の 比較的集光量が少ないシステムであり、商業規模で十分に利用可能な集光量を得る ことができる大規模な集光システムを構築する場合、大型化に伴って発生する問題 に対応できるものではな力つた。例えば、集熱器または反射鏡の設置高さは、前記の とおり、集熱器または反射鏡が受ける風圧の影響によって、実際上は制限がある。

[0008] また、非特許文献 3には、複数のタワーを配置した集光システムが提案されて 、る。

しかし、この集光システムでは、ヘリオスタツトを全数直近のタワーに帰属させて集光 しているため、例えば、北半球に集光システムを設置した場合には、タワーの南側で ヘリオスタツトの数密度が大となり、非効率的である（同じ光量を得るに要するヘリオス タツトの数が増える）。

[0009] ところで、従来、実験または提案されて!、る太陽光集光システムでは、タワー力 離 れた位置に配置される遠方のへリオスタツトでは、隣接へリオスタツトとの間で光の遮 りが発生し、それを避けるためにへリオスタツトをまばらにしか置けない。すなわち、地 面に配置された多数のへリオスタツトは、光の干渉を避けるため、相互に適当なスぺ ースを保って配置される力 タワー力 離れた位置では、隣接するへリオスタツト同士 による反射光の遮り（以下、「ブロッキング」と称す)を回避するのに必要な距離が長く 、反射鏡を疎に配置せざるを得ない。このため、下記の（a)、 （b)等の問題がある。

(a)太陽光が照射されても、その太陽光を反射するへリオスタツトが配置できない未 利用の明るい地面が残り、地面に降り注ぐ太陽光の一部し力利用できない。例えば、 従来の集光システムの場合、日本の緯度で春分正午の太陽光の利用効率は約 40 %と試算される。そして、この利用効率は、集光量を多くするため、集光システムを大 型化するに伴って、低下する。

(b)ヘリオスタツトから集熱器または集光用反射鏡までの反射光の光路長が長くなり、 反射鏡面 (焦点面)での焦点の広がりが相対的に大きくなる。その結果、下記のような 問題も発生する。

(b— 1)集熱器または集光用反射鏡を大きくせざるを得ず、そのため、集光倍率 が下がる。

(b 2)集光倍率が下がるため、集光された太陽光の熱エネルギーを回収する集 熱器に配置される熱媒体の温度が下がる。この影響は、図 33に示すようなビームダ ゥン型の集光システムで顕著となる。

こうした大型化に伴って生じる集光効率、利用効率の低下等の問題は、集光システ ムの大型化によって広 、面積にヘリオスタツトを設置するほど顕著に現れ、大型集光 システムを構築する際のネックになっている。

非特干文献 1 :J.E. Pacheco and R. Gilbert, 'Overview of Recent Results forthe boiar Two Test and Evaluations Program." Proceedings of the 1999 ASME International Solar Energy Conference: Renewable and Advanced Energy Systems for 21st Centur y, Maui, Hawaii(1999).

^^特許文献 2 : E.Epstein, A.Segal and A.Yogev, "A molten salt system with a ground base-integrated solar receiver storage tank."j.Phys.IV France 9,95—104(1999). 非特許文献 3 : Phillipp Schramek, David R. Mills , "Multi-tower solar array", Solar Ene rgy 75(2003) 249-260.

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] そこで、本発明の第 1の目的は、太陽光の熱エネルギを高効率かつ高品質で回収 して、熱媒体に蓄熱する太陽光集熱器を提供することにある。

[0011] また、本発明の第 2の目的は、前記太陽光集熱器によって熱媒体に蓄熱された太 陽光の熱エネルギを有効活用するシステムを提供することにある。

[0012] 本発明の第 3の目的は、耐風圧設計が容易で、集熱器における受光面 (焦点面） での焦点の拡がりが抑制されるとともに、受光面での入射光熱流束を制御できる太陽 光集光用反射装置を提供することにある。

[0013] また、本発明の第 4の目的は、前記太陽光集光用反射装置で集光された太陽光の 熱エネルギを有効活用する太陽光エネルギ利用システムを提供することにある。 [0014] 本発明の第 5の目的は、太陽光を高集光効率で集光することができる太陽光集光 システムを提供することにある。

[0015] また、本発明の第 6の目的は、前記太陽光集光システムによって集光された太陽光 の熱エネルギを有効活用する太陽光エネルギ利用システムを提供することにある。 課題を解決するための手段

[0016] 本発明は、前記第 1の目的を達成するため、第 1Aの発明として、内面に太陽光を 受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口 と、前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、前記太陽光導入口から導入さ れた太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集 熱器であって、前記集熱体は、前記太陽光導入口に向力つて収束する湾曲状の受 光面を有するように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回し て形成されたことを特徴とする太陽光集熱器を提供する。

[0017] 第 1Aの発明の太陽光集熱器では、前記太陽光導入口に向力つて収束する湾曲 状の受光面を有するように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状 に卷回して形成された集熱体において、前記太陽光導入口から導入され、受光面に 照射された太陽光によって熱媒体流通管の内部を流通する熱媒体が加熱されて前 記熱媒体導出口から導出され、熱媒体に蓄熱される熱エネルギが利用される。このと き、集熱体が、前記太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有するよう に形成されているため、太陽光導入ロカ 外部に散逸する反射光を少なくすることが できるため、太陽光の利用率 (熱に変換される割合)を高めることができる。また、高 温になった受光面力も発生する熱輻射についても、同様に外部への散逸を少なくす ることができる。これにより、輻射による熱損失を低減し、さらに、風等の空気の流れに 伴う熱損失も低減することができる。

[0018] また、本発明は、前記第 1の目的を達成するため、第 1Bの発明として、内面に太陽 光を受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導 入口と、前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、前記集熱体の底部に設 けられ、前記太陽光導入口から導入された太陽光によって加熱された熱媒体を導出 する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱体は、前記熱媒体導 入部から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜流下させて前記熱媒体導出部か ら熱媒体を導出させ直接的に熱媒体を照射加熱するように構成されたことを特徴と する太陽光集熱器を提供する。

[0019] 第 1Bの発明の太陽光集熱器では、前記熱媒体導入部から前記受光面の表面に 沿って熱媒体を液膜流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体を導出させるように構 成された集熱体によって、前記太陽光導入口から導入され、受光面に照射された太 陽光によって受光面の表面に沿って液膜流下する熱媒体に直接太陽光が当たりカロ 熱されて前記熱媒体導出口から導出され、熱媒体が蓄熱することにより熱エネルギ が利用される。このとき、太陽光が熱媒体を直接加熱するので、集熱体の構造材は 液膜を介して間接的に加熱されるので、その温度上昇を抑制でき耐熱設計に余裕が 生じ、また、集熱体を小型化できる。

[0020] また、本発明は、前記第 2の目的を達成するため、第 2の発明として、前記第 1Aの 発明または第 1Bの発明の太陽光集熱器を備える太陽光エネルギ利用システムを提 供する。

[0021] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記太陽熱集熱器力 導出される熱媒体 の蓄熱エネルギを、発電システム、化学反応プロセスなどの各種のシステムや海水 淡水化設備などのプロセスの熱源として利用することができる。このとき、第 1の発明 および第 2の発明の太陽光集熱器を使用するため、太陽光を熱エネルギとして利用 する効率が高 、システムを構成することができる。

[0022] また、前記第 3の目的を達成するため、第 3の発明として、複数の 1次反射鏡によつ て集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に収束させる太陽光集光用 反射装置であって、複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡 セグメントは、前記集熱器に太陽光を収束させる反射面を有することを特徴とする太 陽光集光用反射装置を提供する。

[0023] この第 3の発明の太陽光集光用反射装置は、複数の反射鏡セグメントで構成される 反射鏡群によって、 1次反射鏡によって集光される太陽光を効率よぐ集熱器に収束 させることができるととも〖こ、各反射鏡セグメントを小さくして耐風圧設計が容易となる [0024] この太陽光集光用反射装置にお!、て、前記反射鏡群を構成する各反射鏡セグメン トの反射面が、前記太陽光の集光点を共焦点とし、相異なる曲率半径を有する回転 二次曲面に沿つて配置される。

[0025] これによつて、前記反射鏡群を構成する各反射鏡セグメントの反射面が、前記太陽 光の集光点を共焦点とし、相異なる曲率半径を有する回転二次曲面に沿って配置さ れていることによって、光の収束性が増すので、集熱器における受光面の拡がりが抑 制され、従来よりも小さな集熱器に太陽光エネルギを集光できる。

[0026] また、この太陽光集光用反射装置において、前記反射鏡群が、前記集光点から前 記集熱器に向力う方向に沿って配置された n個（nは 2以上の整数)の反射鏡セグメン トで構成され、前記集光点 F1に近い側力も k番目の反射鏡セグメント Sの反射面が k

配置される回転二次曲面の曲率半径 R (kは l <k≤n— 1の整数）と、 k+ 1番目の反 k

射鏡セグメント S の反射面が配置される回転二次曲面の曲率半径 R とが、 R <R k+1 k+1 k k

+1となるように構成される。

[0027] これによつて、前記集光点から前記集熱器に向力う方向に沿って配置された n個（n は 2以上の整数)の反射鏡セグメントからなる反射鏡群において、集光点に近い側か ら k番目の反射鏡セグメント Sの反射面が配置される回転二次曲面の曲率半径 R (k k k は l <k≤n— 1の整数）と、 k+ 1番目の反射鏡セグメント S の反射面が配置される k+1

回転二次曲面の曲率半径 R とが、 R <R となるように構成されていることによって k+1 k k+1

、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を各反射鏡セグメント で反射して集熱器に収束させることができる。

[0028] さらに、この太陽光集光用反射装置は、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回 転二次曲面の一部で形成される。

[0029] これによつて、回転二次曲面の一部で形成される各反射鏡セグメントの反射面によ つて、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱 器〖こ収束させることができる。

[0030] また、太陽光集光用反射装置は、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回転二 次曲面の接平面で形成される。

これによつて、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回転二次曲面の接平面で形 成されていることによって、集熱器の受光面での入射光熱流束を制御して、均一な熱 流束によるエネルギの平坦ィ匕が可能となる。

[0031] また、太陽光集光用反射装置は、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回転二 次曲面の一部または接平面である複数の反射鏡ユニットの集合体で構成される。

[0032] これによつて、反射鏡セグメントが、前記回転二次曲面の一部または接平面である 複数の反射鏡ユニットの集合体で構成される反射面を有することによって、複数の 1 次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を複数の反射鏡ユニットで構成 される反射面で反射して集熱器に収束させることができ、し力も各反射鏡セグメントに おける反射面の形態を反射鏡ユニットで調整することができる。

[0033] また、太陽光集光用反射装置は、前記回転二次曲面が、回転双曲面および回転 楕円面力も選ばれる少なくとも 1種の曲面である。

[0034] これによつて、前記回転二次曲面が、回転双曲面および回転楕円面から選ばれる 少なくとも 1種の曲面であることによって、各反射鏡セグメントの反射面が、複数の 1次 反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に収束させるこ とがでさる。

[0035] また、この太陽光集光用反射装置は、前記複数の反射鏡セグメントが、前記複数の 1次反射鏡によって前記集光点に向けて集光される太陽光およびその反射光の光 路上で重複しな！、ように配置される。

[0036] これによつて、前記複数の 1次反射鏡によって前記集光点に向けて集光される太陽 光およびその反射光の光路上で重複しな!、ように、前記複数の反射鏡セグメントが 配置されていることによって、各反射鏡セグメントの反射面が、複数の 1次反射鏡によ つて集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に効率的に収束させること ができる。

[0037] さらに、この太陽光集光用反射装置は、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回 転二次曲面に沿って、前記太陽光の集光点と前記集熱器の集光面の中心とを結ぶ 中心線を軸中心とする環状に形成されることが好ましい。この環は円環でも円弧でも よぐその形状は複数の一次反射鏡の配置方法に応じて最適に決められる。

これによつて、前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回転二次曲面に沿って、前 記太陽光の集光点と前記集熱器の集光面の中心とを結ぶ中心線を軸中心とする環 状に形成されていることによって、各反射鏡セグメントの反射面が、複数の 1次反射 鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に収束させることが できる。

[0038] さらに、前記第 4の目的を達成するため、第 4の発明として、前記の太陽光集光用 反射装置を備えることを特徴とする太陽光エネルギ利用システムが提供される。 この太陽光エネルギ利用システムでは、前記太陽光集光用反射装置によって効率 よく集熱器に収束させた太陽光の熱エネルギを利用して、発電、合成燃料製造、各 種ィ匕学プロセスあるいは海水淡水化設備の熱エネルギ源として使用することができる

[0039] また、この太陽光エネルギ利用システムは、前記集熱器が、内面に太陽光を受光 する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、前 記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、前記太陽光によって加熱された熱 媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱体は、前 記太陽光導入口に向力つて収束する湾曲状の受光面を有するように、前記熱媒体 が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された太陽光集熱器であ ると、好ましい。

[0040] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記太陽光集光用反射装置によって効率 よく集熱器に太陽光の熱エネルギを収束させるとともに、収束された太陽光の熱エネ ルギを、輻射による熱損失を低減し、さらに、風等の空気の流れに伴う熱損失も低減 して、熱媒体に蓄熱される熱エネルギを効率的に利用することができる。

[0041] さらに、この太陽光エネルギ利用システムは、前記集熱器が、内面に太陽光を受光 する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、前 記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、前記集熱体の底部に設けられ、前 記太陽光導入口から導入された太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒 体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱体は、前記熱媒体導入部から 前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体 を導出させ直接的に熱媒体を照射加熱するように構成された太陽光集熱器であるこ と力 好ましい。

[0042] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記太陽光集光用反射装置によって効率 よく集熱器に太陽光の熱エネルギを収束させるとともに、収束された太陽光の熱エネ ルギが、液膜流下する熱媒体に蓄熱され、効率的に利用することができる。このとき、 太陽光が熱媒体を直接加熱するので、集熱体の構造材の温度上昇を抑制でき耐熱 設計に余裕が生じ、また、集熱体を小型化できる。

[0043] また、前記第 5の目的を達成するため、第 5の発明として、複数のへリオスタツト群を 備え、各へリオスタツト群は、そのへリオスタツト群を構成する複数のへリオスタツトによ つて、それぞれ太陽光の集光点を 1つ形成する太陽光集光システムであって、一の 集光点 Faに太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Aを構成する複数のへリオスタツト A n (nは 2以上の整数)が隣接するスペースのうち太陽光が地面に照射されている場所 に、他の集光点 Fbに太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Bを構成する複数のへリオ スタツト Bm(mは 2以上の整数)を配置し、ヘリオスタツト Anによる反射光の光路と、 ヘリオスタツト Bmによる反射光の光路とが、各へリオスタツトが属するヘリオスタツト群 の集光点に向けて形成されるようにへリオスタツト Anおよびへリオスタツト Bmが配置 されていることを特徴とする太陽光集光システムが提供される。

[0044] この太陽光集光システムでは、ヘリオスタツト群 Aを構成する複数のへリオスタツト A n (nは 2以上の整数)の間のブロッキングによって、未利用の太陽光が照射されてい る場所に、他の集光点 Fbに太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Bを構成する複数の ヘリオスタツト Bm (mは 2以上の整数）を配置し、ヘリオスタツト Anによる反射光の光 路と、ヘリオスタツト Bmによる反射光の光路とが、各へリオスタツトが属するヘリオスタ ット群の集光点に向けて形成されるようにへリオスタツト Anおよびへリオスタツト Bmを 配置することによって、ブロッキングによって地面に陽が差している領域が消失し、へ リオスタツトが設置される領域に降り注ぐ太陽光をほぼ全部、複数の集光点に集光さ せて、集光された太陽光のエネルギを回収できる。したがって、ヘリオスタツトを設置 する領域に降り注ぐ太陽光の全光量に対して、実際にへリオスタツトで集光してエネ ルギとして利用できる太陽光の光量の割合であるフィールド効率は 100%に近づけ ることがでさる。 [0045] この太陽光集光システムにおいて、前記へリオスタツト Anと、前記へリオスタツト Bm とは、同一または異なる形態を有することが好ま 、。

[0046] 前記へリオスタツト Anと、前記へリオスタツト Bmとが同一の形態を有する場合は、複 数のへリオスタツトを配置してヘリオスタツト群を構成して、まず、一の集光点を形成し 、そして、配置したヘリオスタツトの間の太陽光が照射されている場所に、他の複数の ヘリオスタツトを、反射鏡面を前記配置したヘリオスタツトとは異なる方向に向けたヘリ ォスタツト群を構成して、他の集光点を形成することによって、集光効率の向上を図る ことができる。また、この場合、ヘリオスタツトの製造、設置位置等が容易となる利点が ある。一方、前記へリオスタツト Anと、前記へリオスタツト Bmとが異なる形態を有する ものである場合は、 V、ずれか一方のへリオスタツトを複数配置して一の集光点を形成 し、その配置したヘリオスタツトの間の太陽光が照射されている場所に、異なる形態の ヘリオスタツトを配置して他の集光点を形成することによって、集光効率の向上を図る ことができる。この場合には、いずれか一方のへリオスタツト群を構成するへリオスタツ トを、他方のへリオスタツト群を構成するへリオスタツトの形状、形態等に対応して、そ の配置したヘリオスタツトの間の太陽光が照射されている場所に適合した形態のもの として集光効率の向上を図ることができる利点がある。

[0047] また、この太陽光集光システムは、北半球では前記一の集光点 Faの北側に、南半 球では前記一の集光点 Faの南側に、前記他の集光点 Fbが形成されるように、前記 ヘリオスタツト群 Aと前記へリオスタツト群 Bとが配置されて 、ることが好ま 、。

以下、特に断らない限り、南北の記述は、北半球での事象を意味するものとする。 南半球の場合には、南北を逆転、すなわち、南を北に、北を南に読み替えるものとす る。

[0048] この太陽光集光システムにおいては、北半球では前記一の集光点 Faの北側に、南 半球では前記一の集光点 Faの南側に、前記他の集光点 Fbが形成されるように、ほ ぼ同じ間隔で、所要数の集光点を形成できるように、前記へリオスタツト群 Aと前記へ リオスタツト群 Bとを配置することによって、ヘリオスタツトが設置される領域の広さに左 右されず、かつ細長い土地でも、高効率で目的の集光量で太陽光を回収できる。

[0049] また、この太陽光集光システムは、前記へリオスタツト群 Aが複数の第 1のへリオスタ ットより構成され、前記へリオスタツト群 Bが、複数の第 2のへリオスタツトより構成され、 前記へリオスタツト群 Bによる集光点 Fbは、集光システムが設置される地域が北半球 に位置する力、または南半球に位置するかに応じて、前記へリオスタツト群 Aによって 形成される集光点 Faの北側または南側に形成され、前記第 1のへリオスタツトは、反 射鏡面が太陽と前記集光点 Faに対面する方向に配向されるように配置され、前記第 2のへリオスタツトは、反射鏡面が太陽と前記集光点 Fbに対面する方向に配向される ように、前記へリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のへリオスタツト An (nは 2以上 の整数)の間の太陽光が照射されている場所に、前記第 1のへリオスタツトよりも地面 に近接した位置に配置されて 、ることが好ま 、。

[0050] この太陽光集光システムでは、ヘリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のへリオス タツトの間のブロッキングによって、未利用の太陽光が照射されている場所に、他の 集光点 Fbに太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Bを構成する複数の第 2のへリオス タツトを配置し、前記第 1のへリオスタツトは、反射鏡面が太陽と前記集光点 Faに対面 する方向に配向されるように配置され、前記第 2のへリオスタツトは、反射鏡面が太陽 と前記集光点 Fbに対面する方向に配向されるように配置し、し力も、ヘリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のへリオスタツト An (nは 2以上の整数)の間の太陽光が照射 されている場所に、前記第 1のへリオスタツトよりも地面に近接した位置に配置するこ とによって、第 1のへリオスタツトによる反射光の光路と、第 2のへリオスタツトによる反 射光の光路とが、各へリオスタツトが属するヘリオスタツト群の集光点 Fa, Fbに向けて 集光される。これによつて、ブロッキングによって地面に陽が差している領域が消失し 、ヘリオスタツトが設置される領域に降り注ぐ太陽光をほぼ全部、複数の集光点に集 光させて、集光された太陽光のエネルギを回収できる。

[0051] また、太陽光集光システムは、前記第 2のへリオスタツトが、前記太陽を追尾して日 中の時刻または季節に応じて、反射鏡面に最大の太陽光を受光できるように、配置 位置を移動可能および反射鏡面を可動自在に構成されて 、ることが好ま U、。

[0052] この太陽光集光システムでは、前記第 2のへリオスタツトが、前記太陽を追尾して日 中の時刻または季節に応じて、反射鏡面に最大の太陽光を受光できるように、配置 位置を移動可能および反射鏡面を可動自在に構成されていることによって、第 2の ヘリオスタツトは、太陽高度の日変化および季節的変化により時々刻々変化する第 1 のへリオスタツトの陰を避けた位置に移動させることができる。これにより、集光効率の 向上を図ることができる。

[0053] また、この太陽光集光システムは、前記へリオスタツト群 Aと、前記へリオスタツト群 B とが、南北方向に沿って交互に配列され、隣接するへリオスタツト群 B (hiは 1以上

hi

の整数）とへリオスタツト群 A (klは 2以上の整数）とが、 1つの集光点を形成すること

kl

が好ましい。

[0054] この太陽光集光システムでは、前記へリオスタツト群 Aと、前記へリオスタツト群 Bとが 、南北方向に沿って交互に配列され、隣接するへリオスタツト群 B (hiは 1以上の整

hi

数）とへリオスタツト群 A (klは 2以上の整数）とが、 1つの集光点を形成することによ

kl

つて、一の集光点 Faの北側に、前記他の集光点 Fbが形成されるように、ほぼ同じ間 隔で、所要数の集光点を南北方向に直列に形成でき、ヘリオスタツトが設置される領 域の広さに左右されず、かつ細長い土地でも、高効率で目的の集光量の太陽光を 回収できる。

[0055] また、この太陽光集光システムは、 3つのへリオスタツト群力 なるユニットを含み、 前記ユニットを構成するへリオスタツト群によって形成される 3つの集光点力 底辺が 東西方向に配向された三角形の頂点上に位置するように、各へリオスタツト群を配列 したことが好ましい。

[0056] この太陽光集光システムでは、 3つのへリオスタツト群力 なるユニットを含み、前記 ユニットを構成するへリオスタツト群によって形成される 3つの集光点力 底辺が東西 方向に配向された三角形の頂点上に位置するように、各へリオスタツト群を配列する ことによって、集光量が最大となる集光点を選択するように第 1のへリオスタツトを配置 し、ついでブロッキングが発生している領域に、第 2のへリオスタツトを配置し、へリオ スタツトの北側に位置するものの内、集光量が最大になる集光点に集光することがで きる。これによつて、第 2のへリオスタツトは、太陽光の照射角の季節'日中の変化に 応じて、随時最適な集光点を選択できるので、ヘリオスタツトを固定設置する集光シ ステムと比較して年間の集光量を最大化できる。

[0057] また、この太陽光集光システムは、前記三角形が、底辺が東西方向に配向され、残 る頂点が北半球では前記底辺の北側に配置され、南半球では前記底辺の南側に配 置された二等辺三角形であることが好ま 、。

[0058] この太陽光集光システムでは、前記三角形を、底辺が東西方向に配向された二等 辺三角形とすることによって、より集光効率の向上を図ることができる。

[0059] まら、この太陽光集光システムは、前記ユニットを東西方向および南北方向に三角 格子状に配列したことが好ま U、。

[0060] この太陽光集光システムでは、前記ユニットを東西方向および南北方向に三角格 子状に配列することによって、任意形状のフィールドにおける集光を効率ィ匕できる。 また、タワーの位置が列ごとに互い違いになるようにずらして配置すれば、陰の影響 を低減できる。

[0061] さらに、前記第 6の目的を達成するため、第 6の発明として、前記の太陽光集光シス テムにおける複数のへリオスタツト群によって形成される各集光点に集熱器を配置し て、集光される太陽光のエネルギを回収することを特徴とする太陽光エネルギ利用シ ステムを提供する。

[0062] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記の太陽光集光システムにおける複数 のへリオスタツト群によって形成される各集光点に集熱器を配置して、集光される太 陽光のエネルギを回収することによって、ヘリオスタツトを設置する領域に降り注ぐ太 陽光を高 、フィールド効率で集光して、集光された太陽光の熱エネルギを高効率で 利用できる。

[0063] さらに、本発明は、太陽光集光システムにおける複数のへリオスタツト群によって形 成される各集光点に、回転二次曲面状の反射面を有する反射鏡を配置して、前記反 射鏡の下部に配置した集熱器に太陽光を集光させ、集光される太陽光の熱ェネル ギを回収することを特徴とする太陽光エネルギ利用システムを提供する。

[0064] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記の太陽光集光システムにおける複数 のへリオスタツト群によって形成される各集光点に、回転二次曲面状の反射面を有す る反射鏡を配置して、前記反射鏡の下部に配置した集熱器に太陽光^^光させ、集 光される太陽光の熱エネルギを回収することによって、ヘリオスタツトを設置する領域 に降り注ぐ太陽光を高 、フィールド効率で集光して、集光された太陽光の熱ェネル ギを高効率で利用できる。

[0065] また、本発明は、前記の太陽光集光システムによって集光される太陽光の熱エネル ギを、発電または産業プロセスに利用する太陽光エネルギ利用システムを提供する。

[0066] この太陽光エネルギ利用システムでは、前記の太陽光集光システムによって高い 集光効率で集光される太陽光の熱エネルギを回収して、発電または産業プロセスに 利用することによって、ヘリオスタツトを設置する領域に降り注ぐ太陽光を高いフィー ルド効率で集光して、集光された太陽光の熱エネルギを高効率で利用できる。

[0067] また、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、前記集熱器が、内面に太陽光を 受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口 と、前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、前記太陽光によって加熱され た熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱体 は、前記太陽光導入口に向力つて収束する湾曲状の受光面を有するように、前記熱 媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された太陽光集熱器 であることが好ましい。

[0068] この太陽光エネルギ利用システムでは、集熱器として、前記第 1Aの発明に係る太 陽光集熱器を用いることによって、 1次反射鏡によって集光される太陽光を効率よぐ 集熱器に収束させるとともに、その収束された太陽光のエネルギを高い利用効率で 熱媒体に蓄熱し、その蓄熱エネルギを利用することができる。

[0069] また、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、前記集熱器が、内面に太陽光を 受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口 と、前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、前記集熱体の底部に設けられ 、前記太陽光導入口から導入された太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱 媒体導出部とを備える太陽光集熱器であり、前記集熱体は、前記熱媒体導入部から 前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体 を導出させるように構成された太陽光集熱器であることが好ま 、。

[0070] この太陽光エネルギ利用システムでは、複数のへリオスタツト群によって太陽光を高 いフィールド効率で集光して、各集光点に配置された集熱器によって、集光される太 陽光のエネルギを、液膜流下する熱媒体に蓄熱して、効率的に回収することによつ て、太陽光の熱エネルギを高効率で利用できる。

[0071] また、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、前記反射鏡が、複数の 1次反射 鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に収束させる太陽光 集光用反射装置であって、複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各 反射鏡セグメントは、前記集熱器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光 用反射装置であることが好まし 、。

[0072] この太陽光エネルギ利用システムでは、複数のへリオスタツト群によって太陽光を高 いフィールド効率で集光して、集光された太陽光を前記太陽光集光用反射装置によ つて効率よく集熱器に収束させることによって、太陽光の熱エネルギを高効率で利用 できる。

[0073] さらに、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、前記集熱器が、内面に太陽光 を受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入 口と、前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、前記太陽光によって加熱さ れた熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱 体は、前記太陽光導入口に向力つて収束する湾曲状の受光面を有するように、前記 熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された太陽光集熱 器であり、前記反射鏡が、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太 陽光を反射して集熱器に収束させる太陽光集光用反射装置であって、複数の反射 鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記集熱器に太 陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光用反射装置であることが好ましい。

[0074] この太陽光エネルギ利用システムでは、複数の 1次反射鏡によって集光点に向け て反射される太陽光を、前記太陽光集光用反射装置によって効率よく集熱器に集光 させるとともに、集光された太陽光を、前記第 1Aの発明に係る太陽光集熱器に収束 させ、その収束された太陽光のエネルギを高い利用効率で熱媒体に蓄熱し、その蓄 熱エネルギを利用することができる。

[0075] また、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、前記集熱器が、内面に太陽光を 受光する受光面を有する集熱体と、前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口 と、前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、前記集熱体の底部に設けられ 、前記太陽光導入口から導入された太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱 媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、前記集熱体は、前記熱媒体導入部 から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜流下させて前記熱媒体導出部から熱 媒体を導出させるように構成された太陽光集熱器であり、前記反射鏡が、複数の 1次 反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に収束させる太 陽光集光用反射装置であって、複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成さ れ、各反射鏡セグメントは、前記集熱器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽 光集光用反射装置であることが好まし ヽ。

[0076] この太陽光エネルギ利用システムでは、複数の 1次反射鏡によって集光点に向け て反射される太陽光を、前記太陽光集光用反射装置によって効率よく集熱器に集光 させるとともに、集光された太陽光を、前記第 1Bの発明に係る太陽光集熱器に収束 させ、収束された太陽光の熱エネルギを、液膜流下する熱媒体に蓄熱して、効率的 に利用することができる。

発明の効果

[0077] 第 1Aの発明および第 1Bの発明の太陽光集熱器は、太陽光エネルギの利用効率 が高ぐ熱媒体が蓄熱する熱エネルギを利用して、発電システム、化学反応プロセス などの各種のシステムや海水淡水化設備などのプロセスにおける熱エネルギ供給源 として好適である。

そして、第 1Aの発明の太陽光集熱器は、反射光および熱対流による熱損失、およ び高温の受光面から発生する熱輻射による熱損失が低減される。また、パイプを螺 旋状に曲げて集熱体を形成するため、板状の金属を組み合わせて熱媒体の流路が 構成される集熱体に比べて、熱応力が軽減され、構造強度上有利であり、さらに、製 作も容易である。

[0078] また、第 1Bの発明の太陽光集熱器は、第 1Aの発明と同様に、反射光および熱対 流による熱損失、および高温の受光面から発生する熱輻射による熱損失が低減され るとともに、太陽光によって液膜を形成する熱媒体が直接加熱されるため、集熱体の 耐熱設計に余裕が生じ、集熱体を小型化できる。また、長流路が不要なので熱媒体 の輸送に要するポンプ動力低減が可能となる。 [0079] さらに、第 2の発明の太陽光エネルギ利用システムは、前記太陽光集熱器によって 高い利用効率で熱媒体に蓄積された蓄熱エネルギを有効活用することが可能になる

[0080] 第 3の発明の太陽光集光用反射装置は、 1次反射鏡によって集光される太陽光を 効率よぐ集熱器に収束させることができるとともに、各反射鏡セグメントを小さくして 大きな風圧を受けず、風の脈動によっても各反射鏡セグメントの位置がずれたり反射 鏡セグメント自体が変形したりして、集光精度が低下することを防止することができる 。また荒天時の強風に対しても、各反射鏡セグメントを小さく構成できるため、支持構 造を比較的簡易にすることができ、耐風圧設計が容易となり、建設費が低減できる。 また、集熱器における受光面の拡がりが抑制され、従来よりも小さな集熱器に太陽光 エネルギを集光でき、さらに、受光面での入射光熱流束を制御して、均一な熱流束 によるエネルギの平坦ィ匕が可能となる。

また、集熱器に太陽光をより小さく収束することができるため、集熱器の集光導入部 の開口径が小さくても十分な集光効率を得ることができるため、集熱器を小型化する ことが可能になる。

[0081] また、第 4の発明の太陽光エネルギ利用システムは、半径数十 m〜数百 m程度の 範囲に降り注ぐ太陽光を集光して、集められた太陽光の熱エネルギを、発電、合成 燃料製造、各種化学プロセス、海水淡水化設備などの加熱源として使用することが できる。特に、均一な熱流束によるエネルギの平坦ィ匕によって、天然ガスから水素を 生成する化学反応等の改質反応炉に熱エネルギを供給するシステムとして有効であ る。

[0082] この太陽光エネルギ利用システムにお 、て、集熱器として、前記第 1Aの発明また は第 1Bの発明に係る太陽光集熱器を用いれば、 1次反射鏡によって集光される太 陽光を効率よぐ集熱器に収束させるとともに、その収束された太陽光のエネルギを 高い利用効率で熱媒体に蓄熱し、その蓄熱エネルギを利用することができる。

[0083] 第 5の発明の太陽光集光システムによれば、半径数百 m〜数 km程度の大規模エリ ァに降り注ぐ太陽光を、効率よく集光することができる。すなわち、太陽光が照射され ても、その太陽光を反射するへリオスタツトが配置できない未利用の明るい地面が残 り、地面に降り注ぐ太陽光の一部し力利用できない問題を解決し、必要な太陽熱を、 エタセルギーを高く保持し、かつ限られた領域力も最小のへリオスタツト数で効率的 に太陽光を集光することができる。そのため、下記の効果を得ることができる。

[0084] (1)集光倍率が高ぐ太陽光のエネルギを高温で回収できる。従来の 1つの集光点 のみを形成する集光システムでは、ヘリオスタツトの配置を最適化しても、エネルギー コストはせいぜい 2%程度の改善に留まる力 本発明の集光システムでは、例えば、 2つの集光点を形成する場合には、 13%に向上し、フィールド利用効率も向上できる

(2)ヘリオスタツトから集熱器または集光用反射鏡までの反射光の光路長が短縮さ れ、集光規模に依らず集光倍率をほぼ一定に保持できる。

[0085] (3)集光点を南北方向に直列に形成するように、ヘリオスタツト群を配置することに より細長い土地でも、効率よく太陽光を集光できる。

(4)南北方向および東西方向に集光点が形成されるように、ヘリオスタツト群を組み 合わせて配置することによって、広大な土地、任意の土地形状に対応して効率よく太 陽光を集光できる。

[0086] (5) 3つのへリオスタツト群によって形成される 3つの集光点力 底辺が東西方向に 配向された三角形の頂点上に位置するように、各へリオスタツト群を配列することによ つて、第 2のへリオスタツトは、太陽光の照射角の季節'日中の変化に応じて、随時最 適な集光点を選択できるので、ヘリオスタツトを固定設置する集光システムと比較して 日量'年間の集光量を最大化できる。

[0087] (6)第 2のへリオスタツトを可動式とし、第 1のへリオスタツトによる陰を随時避ければ 、集光効率をさらに向上できる。また、太陽を追尾して日中の時刻または季節に応じ て、反射鏡面に最大の太陽光を受光できるように、配置位置を移動可能および反射 鏡面を動かすことによって、第 2のへリオスタツトは、太陽高度の日変化および季節的 変化により時々刻々変化する第 1のへリオスタツトの陰を避けた位置に移動させること ができる。これにより、集光効率の向上を図ることができる。

[0088] また、第 6の発明の太陽光エネルギ利用システムによれば、太陽光集光システムに よって高集光効率で集光された太陽光を、発電、合成燃料製造、各種化学プロセス の加熱源として利用することができる。

[0089] この太陽光エネルギ利用システムにお 、て、集熱器として、前記第 1Aの発明また は第 1Bの発明に係る太陽光集熱器を用いるとともに、太陽光集光用反射鏡として、 前記第 3の発明に係る太陽光集光用反射装置を用いることによって、 1次反射鏡によ つて集光される太陽光を効率よぐ集熱器に収束させるとともに、その収束された太 陽光のエネルギを高 ヽ利用効率で熱媒体に蓄熱し、その蓄熱エネルギを利用するこ とがでさる。

発明を実施するための最良の形態

[0090] 次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して詳細に説明する。

<第 1の実施形態 >

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る太陽光集熱器の一例を示す模式図である 図 1に概形を示す太陽光集熱器 1は、集熱体 3と、この集熱体 3の一端に開口され た太陽光導入口 4と、図 2 (a)に示すように、集熱体 3に熱媒体を導入する熱媒体導 入部 5と、熱媒体導出部 6とを備えるものである。

[0091] 集熱体 3は、熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管 7を螺旋状に卷回して形成さ れ、集熱体 3の内側に露出された熱媒体流通管 7の外周面によって受光面 2が形成 される。そして、受光面 2は、集熱体 3の上端に開口された太陽光導入口 4に向かつ て収束するように湾曲状に形成される。この卷回された熱媒体流通管 7によって形成 される受光面 2の湾曲形状は、後述のとおり、集光された太陽光 SBの熱フラックス分 布等に応じて、最適な形状に構成される。例えば、図 2 (a)の断面模式図に示すよう に、全体として上部 (太陽光導入口 4側)が狭く下部 (熱媒体導入部 5側)が広 、断面 を有するキヤビティ型の最適な形状に構成される。

[0092] 集熱体 3を構成する熱媒体流通管 7は、円形断面、矩形断面等のいずれの断面形 状を有するパイプを用いてもよい。特に、前記形状に卷回して集熱体 3を形成する場 合に、流路の製作段階で溶接個所が少ないことから、円形断面のパイプが有利であ る。この熱媒体流通管 7の材質は、熱媒体として NaNOと KNOの混合溶融塩、また

3 3

は NaNO、 K NOおよび NaNOの混合溶融塩を用いる場合には、熱媒体に対する耐食性、耐熱

3 2

性、価格等の観点から、オーステナイト系ステンレス鋼が有利である。また、パイプの 肉厚は、溶融塩の圧力や必要な高温強度等に応じて適宜決定される。

[0093] そして、熱媒体流通管 7の受光面 2は、光吸収性耐熱処理されて!、ることが好まし い。この光吸収性耐熱処理は、光吸収性と耐熱性に優れる塗料を受光面 2に塗布す る、または、光の吸収と耐熱性に優れたィ匕学的表面処理を行なう。本発明において、 「光吸収性」とは、太陽光の成分のうち、 0. 2〜2. 5 /z mの波長帯域の光成分の吸収 率が 80%以上であることを 、う。

[0094] 光吸収性と耐熱性に優れる塗料としては、例えば、例えば、 B. J. Wolfe Enterprise 社製の商品名： Pyromark Paint等を用いることができる。

[0095] さらに、集熱体 3の外側に断熱部（図示せず)を設けることが好ましい。これによつて 、集熱体 3の周壁から外側への放熱を遮断して、熱媒体の熱エネルギの損失を有効 に防止することができる。この断熱部は、例えば、集熱体 3の外側にアルミナ、シリカ 等を主成分とするセラミックファイバ断熱材で形成することができる。

[0096] 太陽光導入口 4は、集熱体 3の一端に開口され、この太陽光導入口 4から集光した 太陽光が導入される。導入された太陽光 SBは、受光面 2に照射され、受光面 2を形 成する熱媒体流通管 7内を流通する熱媒体を間接的に加熱する。太陽光導入口 4は 、集熱体 3の下端に開口されていてもよい。また、熱媒体導入部 5および熱媒体導出 部 6は、それぞれ集熱体 3の上端および下端に設けてもよい。さらに、太陽光導入口 4、熱媒体導入部 5および熱媒体導出部 6は、これらの配置に制限されず、各種の態 様に配置されていてもよい。例えば、太陽光が上方力も入射する場合には開口は上 部に、下方力も入射する場合には開口は下部に設けるのが好ましい。

[0097] 熱媒体導入部 5は、図 2 (b)に示すように、集熱体 3の底部中央に設けられ、集熱体 3を形成する熱媒体流通管 7に連通し、ポンプ等の送出器（図示せず）によって圧送 された熱媒体を熱媒体流通管 7に導入するものである。この熱媒体導入部 5に、バル ブ等の流量調整機構を設けることによって、熱媒体流通管 7内を流通する熱媒体の 流量を調整することができる。

[0098] 熱媒体導出部 6は、図 2 (a)に示すように、集熱体 3の最上部に設けられ、集熱体 3 を形成する熱媒体流通管 7に連通し、熱媒体流通管 7を流通して太陽光によってカロ 熱された熱媒体を導出するものである。

[0099] なお、熱媒体導入部 5と熱媒体導出部 6とは、図 1、図 2 (a)に示す配置に限定され ず、熱媒体導入部 5を集熱体 3の最上部に、熱媒体導出部 6を集熱体 3の底面中央 に配置した構成としてもよい。特に、太陽光の一次入射光が集熱体 3の上部に集中 する場合には、この構成が有利である。

[0100] 熱媒体は、耐熱温度が 500°C以上のものであれば、特に制限されな!、が、例えば、

NaNO、 KNOの混合溶融塩、もしくは NaNO、 KNOおよび NaNOの混合溶融

3 3 3 3 2

塩を用いることができる。この溶融塩または混合溶融塩を用いることによって、燃料転 換の化学反応 (例えば、天然ガスの改質反応)を促進する温度とエネルギを供給する

、あるいは蒸気タービン発電用の熱エネルギあるいは海水淡水化設備用の加熱源を 提供することができる。

[0101] この太陽光集熱器 1における集熱体 3の形状は、太陽光導入口 4の開口径、開口 形状、熱媒体流通管 7を卷回して形成される受光面の湾曲形状を含めて、太陽光が 照射された受光面 2の温度、受光面 2から熱媒体への熱伝達、導入される太陽光の 熱フラックス (受光面単位面積当たりの熱エネルギ)の分布等を考慮して、最適な形 状に構成される。ここで、集熱体 3における熱収支を、図 1および図 3に示すとおり、 入射エネルギ、すなわち、太陽光導入口 4から導入された太陽光 SBが有する熱エネ ルギを 100とし、熱媒体に伝達される正味の熱エネルギを A、集熱体 3の内側におけ る太陽光の反射による損失 B、受光面 2から熱輻射による損失 C、受光面 2からの対 流伝熱損失 D、集熱体 3の外壁からの対流伝熱損失を Eとして、受光面 2の表面にお ける熱フラックス分布を、集熱体 3の断面形状に応じて計算した結果を図 4 (a)〜図 4 (f)に示す。その結果、図 4 (a)に示す断面四角形を有する集熱体 3の場合には、図 4 (b)に示すとおり、上部に集中した熱フラックス分布を示した。また、図 4 (c)に示す 断面形状を有する集熱体 3の場合には、図 4 (d)に示すとおり、集熱体 3の中央にピ ークを有する力 ほぼ平均化した熱フラックス分布を示した。さらに、図 4 (e)に示す 形状を有する集熱体 3の場合には、図 4 (f)に示すとおり、集熱体 3の高さ方向に平 均化した熱フラックス分布を示した。 [0102] このような集熱体 3における熱収支を考慮した結果、集熱体 3の形状は、図 5に示す とおり、全体として上部が狭く下部が広い断面を有するキヤビティ型を有し、太陽光導 入口 4の開口径を Da、集熱体 3の高さを Ho、集熱体 3の開口部の反対側力 計測し た最大膨出部 Mの長さを Hm、最大膨出部 Mの直径を Dmaxとすると、下記の式（1) および式 (2)で表わされる関係を満たすように集熱体 3の形状を構成することが、受 光面 2の表面における熱フラックス分布を最適化して、太陽光集熱器 1における太陽 光の利用効率、すなわち AZ100を向上させるために有効であることが分力つた。

l≤Dmax/Da< 3 (1)

0<Hm/Ho< 0. 8 (2)

[0103] また、受光面 2を形成する熱媒体流通管 7 (パイプ)の内径は、熱媒体の使用上限 温度と、熱媒体に接する熱媒体流通管 7の内面温度の上限によって決定される。ま た、熱媒体を送るポンプの最大吐出圧力が制約となって熱媒体流通管 7における圧 力損失の上限が定まる。したがって、これらの二つの制約条件を満たすよう、前記の 集熱体 3の全体形状と熱媒体流通管 7の内径を決定することができる。ちなみに、図 6に示すように、太陽光 SBの照射によって加熱される受光面 2の熱媒体側の表面温 度を 600°C、熱媒体流通管 7の外側から内側へ向力う熱フラックスの大きさを 300kW Zm²とすると、肉厚 5mm

の SUS316ステンレス製の熱媒体流通管 7 (パイプ)の内部を流通する熱媒体の温 度は 550°C程度になる。したがって、このような温度分布を考慮して、熱媒体流通管 7の肉厚、材質、内径等を適宜決定することができる。

[0104] この太陽光集熱器 1にお!/ヽて、熱媒体導入部 5から熱媒体が導入され、熱媒体流 通管 7内を流通して、太陽光導入口 4から導入された太陽光が照射された受光面 2を 通じて熱媒体が加熱される。加熱された熱媒体は、熱媒体導出部 6から導出され、発 電システム、化学反応プロセスなどの各種のシステムやプロセスの熱源として供給さ れる。このとき、熱媒体として NaNOと KNOの混合溶融塩を用いた場合、熱媒体流

3 3

通管 7内を流通する混合溶融塩の温度が、混合溶融塩の融点（220°C)と使用温度 上限（同 600°C)の二つの温度の範囲内に入るように、熱媒体の流量、流速等を制御 して太陽光集熱器 1が運転される。 [0105] この太陽光集熱器 1において、受光面 2に照射された太陽光は一部反射されるが、 太陽光集熱器 1では、反射光の大部分が受光面の他の部分に再照射され、太陽光 導入口 4から外部に散逸する反射光が低減され、これによつて、照射された太陽光の 利用効率 (熱に変換される割合)の向上に有効である。また、高温になった受光面 2 から発生する熱輻射についても、同様に外部への散逸を少なくして、熱輻射による熱 損失を低減することができる。さらに、図 1に示すような上部断面が狭いキヤビティ型 の集熱体を形成したことで、熱対流による熱ロスが低減される。

[0106] また、太陽光集熱器 1の大きさは、熱出力 100MWの場合、直径、高さともに 10〜2 Om程度になるが、このような大きさの集熱体 3では、パイプを螺旋状に曲げて炉を形 成する方が、板状の金属を組み合わせて流路を構成する構造よりも、熱応力を軽減 できるので、構造強度上有利であり、製作も容易である。

[0107] さらに、太陽光集熱器 1は、前記太陽光導入部 5に太陽光 SBを断熱遮断する機構 を有していてもよい。この機構は、集熱体 3が冷却能力を喪失するなどの緊急時に集 熱体 3を保護する機能を有するものである。以上説明した第 1の実施形態の太陽光 集熱器 1は、 1本の熱媒体流通管 7を卷回して形成された、いわゆる 1条卷きの形態 で構成されているが、本発明の太陽光集熱器 1は、複数本の熱媒体流通管 7を卷回 して形成された形態で構成されていてもよい。例えば、図 7 (a)および図 7 (b)に示す とおり、 8本の熱媒体流通管 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7hを卷回して形成された 形態であってもよい。この場合、熱媒体導入部 5および熱媒体導出部 6は、 8本の熱 媒体流通管 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g, 7hに分岐連通する分岐口を有するヘッダ によって構成することができる。

[0108] <第 2の実施形態 >

次に、図 8は、本発明の第 1の実施形態に係る太陽光集熱器 1を用いた第 2の実施 形態に係る太陽光エネルギ利用システムの一例を示す概念図である。

図 8に示す太陽光エネルギ利用システムは、一次集光系 FCと、二次集光系 SCと、 三次集光系 CPCと、太陽光集熱器 1と、高温熱媒タンク 81と、熱交換器 82と、低温 熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84とを備える。そして、太陽光集熱器 1と、高温熱媒 タンク 81と、熱交換器 82と、低温熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84とは、それぞれ 熱媒体が流通する流路で連絡され、また、各所にバルブ等が配置されている。

[0109] 太陽光集熱器 1は、前記第 1の実施形態に係るものと同様のものが用いられる。

また、高温熱媒タンク 81と、熱交換器 82と、低温熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84 とは、特に制限されず、用いる熱媒体、容量、熱媒体の要求純度等に応じて適宜選 択される。

[0110] この太陽光エネルギ利用システムにおいては、太陽 Sからの太陽光 SBが、反射鏡 等によって構成された一次集光系 FC、二次集光系 SCによって集光され、さらに、太 陽光集熱器 1の上部に設けられた三次集光系 CPCによって集光されて太陽光集熱 器 1の太陽光導入口 4から導入される。導入された太陽光 SBは、太陽光集熱器 1の 受光面 2に照射され、この受光面 2を通じて、熱媒体導入部 5から導入されて熱媒体 流通管 7内を流通する熱媒体が加熱加熱され、加熱されて熱エネルギを保持した熱 媒体は、熱媒体導出部 6から導出される（図 1、図 2参照)。熱媒体導出部 6から導出 された熱媒体は、流路を通って高温熱媒タンク 81に給送される。そして、この高温熱 媒タンク 81に給送された熱媒体は、熱交翻 82に供給され、熱エネルギを、熱交換 器 82に連結された、熱利用設備に供給する。この熱利用設備としては、例えば、蒸 気タービン発電、炭化水素の熱分解、天然ガスや石炭からの液体燃料の製造等が 挙げられる。

[0111] 熱交翻 82によって熱エネルギの一部を熱交換されて温度が低下した熱媒体は、 低温熱媒タンク 83に給送され一時貯留される。そして、低温熱媒タンク 83に一時貯 留された低温の熱媒体は、熱媒体浄化系 84で清浄化され、再び、太陽光集熱器 1 の熱媒体導入部 5に供給される。熱媒体浄化系 84は、循環する熱媒体および配管 材料が腐食劣化して熱媒体流通管 7等を閉塞する、あるいは熱媒体の熱容量の低 下等による太陽光のエネルギの利用効率の低下を防止するために、設けられる。し たがって、熱媒体浄化系 84によって熱媒体を清浄化すれば、熱媒体および配管材 料の腐食生成物を除去でき、太陽光集熱器 91の長期安定運転を図ることができる。 また、熱媒体の清浄ィ匕が不要な場合には、熱媒体浄ィ匕系 84に設けたバイパスによつ て、熱媒体浄化系 84を通さずに、そのまま熱媒体を太陽光集熱器 1に供給すること ができる。 [0112] また、高温熱媒タンク 81は、熱媒体を貯留して、熱利用設備における所要熱エネ ルギに応じて熱媒体を熱交翻82に供給することができる。例えば、熱利用設備が 発電設備である場合には、発電量の変動に応じて熱媒体の供給を調整することがで きる。

[0113] さらに、このようにして、 24時間、一定出力で連続運転が可能なプラントを稼働でき る。

[0114] <第 3の実施形態 >

次に、図 9 (a)は、本発明の第 3の実施形態に係る太陽光集熱器 91を示す模式断 面図である。

図 9 (a)に示す太陽光集熱器 91は、内面に熱媒体が液膜流下する受光面 92を有 する集熱体 93と、この集熱体 93の上端に開口された太陽光導入口 94と、集熱体 93 に熱媒体を導入する熱媒体導入部 95と、熱媒体導出部 96とを備えるものである。

[0115] 集熱体 93は、薄板を組み合わせて内面に太陽光 SBを受光するとともに、熱媒体 が液膜流下する受光面 92が形成される。そして、受光面 92は、集熱体 93の上端に 開口された太陽光導入口 94に向かって収束するように湾曲状に形成される。この受 光面 92の湾曲形状は、前述の第 1の実施形態と同様に、集光される太陽光 SBの熱 フラックス分布、受光面 92を液膜流下する熱媒体の粘度、流量、熱伝導率、液膜厚 さ等に応じて、最適な形状に構成される。例えば、図 9 (a)の断面模式図に示すよう に、全体として上部 (太陽光導入口 94側）が狭く途中に膨出した部分を有し、端部に 焦点を有する略樽型の形状が具体例として挙げられる。

[0116] また、第 3の実施形態の太陽光集熱器は、前記の図 9 (a)に示す断面形状に限られ ず、図 9 (b)に示すとおり、受光面 92が、集熱体 93の上端に開口される太陽光導入 口 94から熱媒体導出口 96に向力つて先細り状に形成された略ラッパ状の形状に形 成されていてもよぐまた、端部近傍に焦点を有する回転双曲面の集熱体 93もその 一つの候補である。さらに、集熱体 3は、円筒形状に形成されていてもよい。断面形 状がラッパ型の集熱体 93は、熱媒体の温度が高!、領域 (集熱体 3の下部)での受光 面 92における熱媒体の表面積が少ないので、受光面 92における熱輻射による損失 を低減できる利点がある。 [0117] この図 9 (a)および図 9 (b)に示す集熱体 93は、それぞれ図 10 (a)および図 10 (b) に示すとおり、受光面に、図 10 (c)に示すような流下案内条 98が突設されていること が好ましい。この流下案内条 98によって、受光面 92上における流れの偏りを防止し 熱媒体の液膜流下状態を良好にすることができる。また、集熱体 3の構造強度の向 上に有効である。

[0118] そして、集熱体 93の受光面 92は、光吸収性耐熱処理されていることが好ましい。

この光吸収性耐熱処理は、光吸収性と耐熱性に優れる塗料を受光面 92に塗布する 、または、光の吸収と耐熱性に優れたィ匕学的表面処理を行なう。光吸収性と耐熱性 に優れる塗料または光の吸収と耐熱性に優れたィヒ学的表面処理は、前記第 1の実 施形態と同様であるので、記載を省略する。

また、集熱体 93の外側に断熱部（図示せず)を設けることが好ましいが、この断熱 部についても、前記第 1の実施形態と同様であるので、記載を省略する。

[0119] 本実施形態において、太陽光導入口 94は、集熱体 93の上端に開口され、この太 陽光導入口 94から集光した太陽光が導入される。導入された太陽光 SBは、受光面 2に照射され、受光面 2を液膜流下する熱媒体を直接加熱する。太陽光導入口 94は 、集熱体 93の下端に開口させることもできる。

[0120] 熱媒体導入部 95は、図 9 (a)または図 9 (b)に示すように、集熱体 93の頂部に設け られ、ポンプ等の送出器（図示せず）によって圧送された熱媒体を、集熱体 93の内面 である受光面 92に沿って噴出するディストリビュータで構成される。この熱媒体導入 部 95から噴出された熱媒体は、液膜を形成して、受光面 92上を重力流下する。この 熱媒体導入部 95に、バルブ等の流量調整機構を設けることによって、受光面 92を 液膜流下する熱媒体の流量を調整することができる。これにより、入射光エネルギの 変動に対しても常時一定温度の熱媒体を導出することができ、高品質のエネルギを 回収できる。

[0121] 熱媒体導出部 96は、図 9 (a)または図 9 (b)に示すように、集熱体 93の底部に設け られ、受光面 92を液膜流下して太陽光によって加熱された熱媒体を回収して導出す るものである。

[0122] 受光面 92を液膜流下する熱媒体は、受光面 92を液膜流下する程度の粘性の有 する液体であれば、特に制限されないが、例えば、 NaNO、 KNOの混合溶融塩、

3 3

もしくは NaNO、 KNOおよび NaNOの混合溶融塩を用いることができる。この溶融

3 3 2

塩ま

たは混合溶融塩を用いることによって、燃料転換の化学反応プロセスを促進する温 度とエネルギを供給することができる。特に、第 3の実施形態の太陽光集熱器 91で 用いる熱媒体は、液膜を形成するものであることから構造物 (特に、集熱体 93の受光 面 92)との濡れ性が良い性状のものが好ましい。また、受光面 92を熱媒体との親和 性の良 、形状にカ卩工もしくは構造としてもよ!/、。

受光面 92を液膜流下する熱媒体の液膜の厚さは、適切な流量を確保し、かつ液 膜が受光面 92からはく離しな 、ように、 l〜7mm程度であることが好ま 、。

[0123] また、この熱媒体は、太陽光 SB力 効率的に熱エネルギの吸収率を向上させるた めに、熱吸収物質を含むことが好ましい。熱吸収物質としては、例えば、微量の硝酸 コバルト、硝酸ニッケル等の有色金属塩等が挙げられる。例えば、 Fe(NO ) 9H 0

3 3 2 と C oCl 6H 0を重量比で 1： 1混合したものを KNOと NaNOの混合溶融塩に 5%添カロし

2 2 3 3

て黒色にすることができる。これらを添カ卩して、黒色にした KNOおよび NaNOの混

3 2 合溶融塩を熱媒体として用いた場合と、 KNO

3および NaNOの

2 混合溶融塩からなる 透明な熱媒体を用いた場合とについて、それぞれ集熱体 93の内外における温度分 布をシミュレーションした結果を図 11および図 12に示す。この図 11に示すとおり、集 熱体 93の受光面 92の表面を液膜落下する熱媒体が黒色の場合、熱媒体の液膜表 面の温度が最も高くなり、熱場体の最高温度を 600°Cとすると集熱体の温度はそれ より低くなる。一方、透明な熱媒体を用いた場合 (図 12)は、太陽光 SBは熱媒体を透 過して受光面 92に達し、そこで大部分が吸収されて熱に変わる。熱媒体は受光面 9 2からの対流伝熱によって加熱される。このとき、熱媒体の最高温度は受光面 92の温 度と等しくなる。

したがって、このような温度分布を考慮して、集熱体 93の形状、液膜の流下速度、 熱媒体の流下量、液膜の厚さ等を適宜決定することができる。

[0124] この太陽光集熱器 91において、前記太陽光導入部 95に石英もしくはサファイアの ガラス窓を設けてもよい。この窓は、空気中の塵、砂などが集熱器 91に侵入し、熱媒 体に混入することを防止するためのものである。この太陽光集熱器 91において、熱 媒体導入部 95から熱媒体が導入され、受光面 92を熱媒体が液膜流下して、太陽光 導入口 94から導入された太陽光 SBによって熱媒体が加熱される。加熱された熱媒 体は、熱媒体導出部 96から導出され、発電システム、化学反応プロセスなどの各種 のシステムやプロセスの熱源として供給される。

[0125] この第 3の実施形態の太陽光集熱器 91においては、集熱体 93の受光面 92に沿つ て上部の熱媒体導入部 95より液膜流下される熱媒体が直接加熱され、受光面 92の 単位面積あたりの許容熱負荷を高くすることができるため、集熱体 93をさらに小型化 できる。また、日射量に応じて熱媒体の流下量を調節することにより、常時一定温度 の熱媒体を取り出せる。

[0126] <第 4の実施形態 >

次に、図 13は、本発明の第 3の実施形態に係る太陽光集熱器 91を用いた第 4の実 施形態に係る太陽光エネルギ利用システムの一例を示す概念図である。

図 13に示す太陽光エネルギ利用システムは、一次集光系 FCと、二次集光系 SCと 、三次集光系 CPCと、太陽光集熱器 91と、高温熱媒タンク 81と、熱交換器 82と、低 温熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84とを備える。そして、太陽光集熱器 91と、高温 熱媒タンク 81と、熱交換器 82と、低温熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84とは、それ ぞれ熱媒体が流通する流路で連絡され、また、各所にバルブ、ポンプ等が配置され ている。

[0127] 太陽光集熱器 91は、前記第 3の実施形態に係るものと同様のものが用いられる。

また、高温熱媒タンク 81と、熱交換器 82と、低温熱媒タンク 83と、熱媒体浄化系 84 とは、特に制限されず、用いる熱媒体、容量、熱媒体の要求純度等に応じて適宜選 択される。

[0128] この太陽光エネルギ利用システムにおいては、太陽 Sからの太陽光 SBが、反射鏡 等によって構成された一次集光系 FC、二次集光系 SCによって集光され、さらに、太 陽光集熱器 91の上部に設けられた三次集光系 CPCによって集光されて太陽光集 熱器 91の太陽光導入口 94から導入される。導入された太陽光 SBは、太陽光集熱 器 91の受光面 92に照射され、熱媒体導入部 95から受光面 92の表面を液膜流下す る熱媒体が加熱され、加熱されて熱エネルギを保持した熱媒体は、集熱体 93の下部 に設けられた熱媒体導出部 96から導出される（図 9等参照)。熱媒体導出部 96から 導出された熱媒体は、流路を通って高温熱媒タンク 81に給送される。そして、この高 温熱媒タンク 81に給送された熱媒体は、熱交換器 82に供給され、熱エネルギを、熱 交翻 82に連結された、熱利用設備に供給する。この熱利用設備としては、例えば 、蒸気タービン発電、炭化水素の熱分解、天然ガスや石炭からの液体燃料の製造等 が挙げられる。

[0129] 熱交翻 82によって熱エネルギの一部を熱交換されて温度が低下した熱媒体は、 低温熱媒タンク 83に給送され一時貯留される。そして、低温熱媒タンク 83に一時貯 留された低温の熱媒体は、熱媒体浄化系 84で清浄化され、再び、太陽光集熱器 91 の熱媒体導入部 95に供給される。循環する熱媒体は、集熱体 93の受光面 92にお いて外気と接触して腐食劣化される可能性があり、さらに集熱体 93も腐食劣化する 可能性がある。腐食劣化した熱媒体および集熱体 93の腐食劣化は、熱媒体流通管 7等を閉塞する原因となる。したがって、熱媒体浄化系 84によって熱媒体を清浄ィ匕 すれば、熱媒体の腐食生成物を除去でき、太陽光集熱器 91の長期安定運転を図る ことができる。また、熱媒体の清浄化が不要な場合には、熱媒体浄化系 84に設けた ノ ィパスによって、熱媒体浄化系 84を通さずに、そのまま熱媒体を太陽光集熱器 91 に供給することができる。

[0130] また、高温熱媒タンク 81は、熱媒体を貯留して、熱利用設備における所要熱エネ ルギに応じて熱媒体を熱交翻82に供給することができる。例えば、熱利用設備が 発電設備である場合には、発電量の変動に応じて熱媒体の供給を調整することがで きる。

[0131] この図 13に示す太陽光エネルギ利用システムにおいて、太陽光集熱器 91を地上 に設置する場合には、まず三次集光系 CPCの内面に熱媒体を供給して液膜流下さ せ、ついで CPCの下部に設置した太陽光集熱器 91に熱媒体を導いてもよい。これ によって、熱媒体による集熱効果で CPCでの放熱ロス低減を、また、熱洗浄効果で 塵の付着による鏡面の汚れを防げ、反射効率を向上できる。

[0132] また、 CPCにおける熱の回収率が高い場合には、 CPC自体を太陽光集熱器として 利用し、前記の太陽光集熱器 91を省略してもよい。

[0133] この太陽光エネルギ利用システムにおいては、高温熱媒タンク 81、低温熱媒タンク 83、熱媒体浄化系 84、さらに、各所に設けたバルブ、ポンプ等によって、太陽光集 熱器 91の熱媒体導入部 95に供給する熱媒体の流量を調節して、受光面 92を液膜 流下する熱媒体の流下流量を調節することができる。例えば、熱媒体導出部 96から 導出される高温の熱媒体の温度、および熱媒体導入部 95に供給される低温の熱媒 体の温度を測定し、その温度の測定結果に基づいて、熱媒体の供給量を調整すれ ば、再循環流量の調整範囲が広がり、運用性が向上する。また、熱利用設備から要 求される熱エネルギ量に応じて、受光面 92を液膜流下する熱媒体の流下流量を増 減することができる。さらに、 日射量に応じて熱媒体の循環流量を調節して、常時一 定温度の熱媒体を取り出して、熱設備に供給することが可能である。

[0134] <第 5の実施形態 >

次に、本発明の第 5の実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明 する。図 14は、本発明の第 5の実施形態に係る太陽光集光用反射装置の構成を説 明する概念図である。

[0135] 図 14は、太陽光集光用反射装置を構成する反射鏡群 11と、その反射鏡群 11に太 陽光を集光させるヘリオスタツト（1次反射鏡） 12と、反射鏡群 11によって収束された 太陽光の集光面 13 (集熱器）とを示す。なお、図 14においては、 1基のへリオスタツト 12のみを代表的に示した力 ヘリオスタツト 12は、図 33に示す太陽光集光システム と同様に、集熱器を中心として、集熱器を囲むように複数基が配置され、それぞれの ヘリオスタツトは、太陽光を反射して集光点 F1に向けて太陽光を集光させるものであ る。

[0136] 反射鏡群 11は、第 1反射鏡セグメント 21と、第 1反射鏡セグメント 21の下部に配置 される 5つの第 2反射鏡セグメント 22、第 3反射鏡セグメント 23、第 4反射鏡セグメント 24、第 5反射鏡セグメント 25、および第 6反射鏡セグメント 26とを備える。

[0137] 第 1反射鏡セグメント 21は、複数のへリオスタツト 12によって集光される太陽光の集 光点 F1を焦点（上方焦点）とする第 1回転二次曲面 HB1の一部で構成される反射面 2 laを有するものである。 [0138] 第 1反射鏡セグメント 21の反射面 21aは、中心線 CLを中心とする円板状に第 1回 転二次曲面 HB1を切り取った形状でも、あるいは円板の一部を切り取った形状を有 するものでもよい。さらに、第 1反射鏡セグメント 21は、前記中心線 CLを含む領域が 開口された環状の形状を有するものでもよい。例えば、円環状または円環の一部を 切り取った円弧状の形状を有するものでもよい。

[0139] また、第 2反射鏡セグメント 22、第 3反射鏡セグメント 23、第 4反射鏡セグメント 24、 第 5反射鏡セグメント 25、および第 6反射鏡セグメント 26は、前記第 1回転二次曲面 HB1と同一の焦点、すなわち集光点 F1を共焦点とし、相異なる曲率半径を有する回 転二次曲面 HB2,HB3,HB4,HB5, HB6のそれぞれに沿って配置された反射面 22 a, 23a, 24a, 25a, 26aを有するものである。

[0140] さらに、回転二次曲面 HBl, HB2,HB3,HB4,HB5, HB6の曲率半径は、集光点 F1から集光面 13に向力う方向に配置される反射鏡セグメントの曲率半径が集光面 1 3に近づくにしたがって大きくなるように構成される。すなわち、例えば、前記反射鏡 群が、前記集光点 F1から前記集光面 13 (集熱器）に向カゝぅ方向に沿って配置された n個（nは 2以上の整数)の反射鏡セグメントで構成されて ヽる場合、前記集光点 F1に 近い側力 k番目の反射鏡セグメント Sの反射面が配置される回転二次曲面の曲率 k

半径 R (kは l <k≤n— 1の整数）と、 k+ 1番目の反射鏡セグメント S の反射面が配 k k+1 置される回転二次曲面の曲率半径 R

k+1とが、 R <R

k k+1となるように構成される。

[0141] そして、第 2反射鏡セグメント 22、第 3反射鏡セグメント 23、第 4反射鏡セグメント 24 、第 5反射鏡セグメント 25、および第 6反射鏡セグメント 26は、それぞれ反射面 22a, 23a, 24a, 25a, 26aが、集光点 Flと集熱器の集光面 13の中心とを結ぶ中心線 CL を軸中心とする円環状に形成されて 、てもよ 、し、その円環の一部を切り取った形状 を有するものでもよい。例えば、円環状または円環の一部を切り取った円弧状の形状 を有するものでもよい。

[0142] また、前記第 1反射鏡セグメント 21ないし第 6反射鏡セグメント 26の各反射面 21a, 22a, 23a, 24a, 25a, 26aは、それぞれ前記回転二次曲面 HBl, HB2, HB3, H B4, HB5, HB6の一部で形成されていてもよいし、前記回転二次曲面 HBl, HB2 , HB3, HB4, HB5, HB6の接平面で形成されていてもよい。ここで、一般に、図 15 に示すとおり、太陽の視差角（30分)の存在により、集光面 3に収束される太陽光は 一定の拡がりを示す。そこで、特に、第 1反射鏡セグメント 21以外の反射鏡セグメント の反射面（22a, 23a, 24a, 25a, 26a)力 それぞれ回転二次曲面（HB2, HB3, HB4, HB5, HB6)の接平面で形成されていると、太陽の視差角（30分）と、へリオ スタツト 12が平面で構成されていることに起因する集光面 13上の光の拡がりを小さく することができ、集熱器の受光部を小型化することができる。さらに、第 1反射鏡セグ メント 21、第 2反射鏡セグメント 22、第 3反射鏡セグメント 23、第 4反射鏡セグメント 24 、第 5反射鏡セグメント 25および第 6反射鏡セグメント 26の各セグメントの配置を最適 化することで、集光面 13上での集光熱流束の分布を平坦ィ匕できる利点がある。さら に、各反射面 21a, 22a, 23a, 24a, 25a, 26aは、前記回転二次曲面 HB1, HB2, HB3, HB4, HB5, HB6の接線に対して所定の角度だけ傾けた線分、または法線 方向に所定の距離だけ平行移動させた線分を中心線 CLの周りに回転させて形成さ れる曲面で形成されていてもよい。これにより、集光面 13での光の拡がりをさらに小さ くすることができる。例えば、前記接線に対して 0〜+ 30分程度（中心線 CLに沿って 上方に 0〜 + 30分程度）、好ましくは + 15分程度傾けた線分を中心線 CLの周りに 回転させて形成される曲面で形成することにより、集光面 13における太陽光の拡がり を小さくすることができ、例えば、後記の図 24および図 25に示す構成を有する反射 鏡群によれば、集光面 13における光の拡がりを約 1Z2に低減可能である。

[0143] また、反射面 21a, 22a, 23a, 24a, 25a, 26aのそれぞれは、複数の反射鏡ュ- ットを各回転二次曲面 HB1, HB2,HB3,HB4,HB5, HB6に沿って配置され、全体 として反射面 21a, 22a, 23a, 24a, 25a, 26aのそれぞれを形成する反射鏡ユニット の集合体で構成されて 、てもよ 、。この反射鏡ユニットの集合体で各反射鏡セグメン トを構成することによって、前記第 1反射鏡セグメント 21ないし第 6反射鏡セグメント 2 6のそれぞれの形状、形態を任意に調整することができるとともに、各反射鏡セグメン ト自体の耐風圧設計が容易となり、また、支持構造も簡易化が可能となる。

[0144] 反射鏡群 11を構成する各反射鏡セグメントは、複数のへリオスタツト 12の配置位置 および配置面積、集光点 F1の位置、集光面 13の位置および配向方向等に応じて、 適宜、第 1反射鏡セグメント 21ないし第 6反射鏡セグメント 26の配置位置、形態、傾 き、曲率半径等を、適宜選択できる。例えば、複数のへリオスタツト 12が、集熱器を囲 んで扇状に配置されている場合には、反射鏡群を構成する各反射鏡セグメントを、集 光される太陽光の光路に対応した扇形に形成して、そのへリオスタツト 12によって集 光される太陽光を反射して集熱器の集光面 13に収束できるように構成してもよい。ま た、複数のへリオスタツト 12が傾斜面に沿って配置されている場合には、前記傾斜面 の傾斜角度に応じて、各へリオスタツト 12から集光される太陽光の集光点 F1が、前 記傾斜面に対して所定の位置に配位するが、この集光点 F 1の位置と集光面 13の位 置を考慮して、反射鏡群 11を構成する各反射鏡セグメントの配向、配置位置等を、 適宜選択することによって、集光面 13に太陽光が収束されるようにすることができる。 さらに、集熱器の設置場所、太陽光エネルギ利用システムにおける集熱器の設置状 態等によって、集熱器の集光面が鉛直方向に対して一定の角度で傾いている場合 には、反射鏡群を構成する各反射鏡セグメントの配向、配置位置、さらにへリオスタツ ト 12による太陽光の集光点 F1を調整することによって、集光面 13に太陽光を収束さ せることができる。

[0145] この太陽光集光用反射装置では、ヘリオスタツト 12によって反射された太陽光は、 第 1反射鏡セグメント 21ないし第 6反射鏡セグメント 26によって、漏らさず集光面 13 に収束され、高い集光効率を得ることができる。また、第 1反射鏡セグメント 21と、第 1 反射鏡セグメント 22との間、第 2反射鏡セグメント 22と第 3反射鏡セグメント 23の間、 第 3反射鏡セグメント 23と第 4反射鏡セグメント 24との間、第 4反射鏡セグメント 24と 第 5反射鏡セグメント 25との間、ならびに第 5反射鏡セグメント 25と第 6反射鏡セグメ ント 26との間には、風が通過可能な隙間が形成されるため、各反射鏡の大きさを小さ く構成できることと相俟って、各反射鏡が受ける風圧が小さくなり、耐風圧設計が容易 となる。また、各反射鏡の支持構造も簡易にすることができ、反射鏡を一枚の回転双 曲面で構成する場合との比較で建設費を 50%低減することが可能である。また、集 熱器における受光面の拡がりが抑制され、従来よりも小さな集熱器に太陽光ェネル ギ^^光でき、さらに、受光面での入射光熱流束を制御して、均一な熱流束によるェ ネルギの平坦ィ匕が可能となる。

[0146] 前記第 5の実施形態は、 6つの反射鏡セグメント (第 1反射鏡セグメント 21〜第 6反 射鏡セグメント 26)が配置されている例であるが、本発明の太陽光集光用反射装置 において、第 1反射鏡セグメント 21と前記集熱器の集光面 13との間に配置される反 射鏡セグメントの個数は限定されず、反射鏡セグメントが複数配置されて 、ることが好 ましい。これによつて、各反射鏡セグメントの大きさ、重量、集光面 13での光の拡がり 等を小さくすることができ、有利である。この反射鏡セグメントの設置個数は、前記実 施形態に限定されず、ヘリオスタツト 12の設置基数、最も高所に配置される第 1反射 鏡セグメント 21の高さ、集光面 13での光の拡がりの許容値等に応じて、適宜、必要 な配置個数が決定される。例えば、第 1反射鏡セグメント 21が高所に位置する場合 には、最外周の反射鏡セグメント（中心線 CLに沿って最も下部に位置する反射鏡セ グメント）を形成する円環の半径が小さくなるため、反射鏡セグメントの所要個数は少 なくなる。

[0147] また、本発明の太陽光集光用反射装置において、第 1反射鏡セグメント 21と、第 2 反射鏡セグメント 22ないし第 6反射鏡セグメント 26とは、複数のへリオスタツト（1次反 射鏡） 12によって集光点 F 1に向けて集光される太陽光の光路上で重複しな!、ように 配置される。これは、各へリオスタツト 12から各反射鏡セグメントの反射面に集光され 、各反射鏡セグメントの外縁から反射される太陽光の光路を考慮して、その光路が他 の反射鏡セグメントから反射される太陽光の光路と交差しないように、第 2反射鏡セグ メント 22ないし第 6反射鏡セグメント 26の大きさ、形状、回転二次曲面の曲率半径、 配置場所等を考慮して決定される。

[0148] 前記第 5の実施形態において、反射鏡セグメントの反射面は、回転二次曲面に沿 つて配置された例を示したが、本発明で用いられる反射鏡セグメントの反射面は、複 数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集光面に収束 させることが可能な曲面であれば、いずれの曲面に沿って配置されていてもよぐ特 に制限されない。また、前記実施形態において、反射面を配置する曲面の具体例と して例示した回転二次曲面として、回転双曲面および回転楕円面力 選ばれる少な くとも 1種の曲面が挙げられる。各反射鏡セグメントの反射面は、全部が回転双曲面 または回転楕円面に沿って配置されていてもよいし、一部の反射面が回転双曲面に 沿って配置され、他の反射面が回転楕円面に沿って配置されていてもよい。また、各 反射鏡セグメントが複数の反射鏡ユニットの集合体で構成されて 、る場合、集合体を 構成する反射鏡ユニットが、回転双曲面および回転楕円面力も選ばれる少なくとも 1 種の曲面に沿って配置されていてもよい。さらに、反射面が回転双曲面に沿って配 置された反射鏡セグメントからなる反射鏡群では、各へリオスタツトから集光点（回転 双曲面の上方焦点)までの光路およびその集光点から集光面までの光路が比較的 短い特長を活力して、多数のへリオスタツトが広い面積に亘つて配置され、反射鏡群 が高所に配置される大規模な太陽光エネルギ利用システムに好適である。また、反 射面が回転楕円面に沿って配置された反射鏡セグメントからなる反射鏡群では、各 ヘリオスタツトから集光点（回転楕円面の上方焦点)までの光路およびその集光点か ら集光面（回転楕円面の下方焦点)までの光路が比較的長い特長を活力して、反射 鏡群が低位に配置される小規模な太陽光エネルギ利用システムに好適である。

[0149] <第 6の実施形態 >

次に、図 16は、本発明の第 5の実施形態に係る太陽光集光用反射装置を用いた、 第 6の実施形態に係る太陽光エネルギ利用システムの一例を示す概念図である。 図 16に示す太陽光エネルギ利用システムは、ヘリオスタツト（一次集光系） FCと、 二次集光系 SCと、三次集光系（CPC) 57と、太陽光集熱器 51と、高温熱媒タンク 52 と、熱交 と、低温熱媒タンク 54と、熱媒体浄ィ匕系 55とを備える。そして、太陽 光集熱器 51と、高温熱媒タンク 52と、熱交換器 53と、低温熱媒タンク 54と、熱媒体 浄ィ匕系 55とは、それぞれ熱媒体が流通する流路で連絡され、また、各所にバルブ、 ポンプ等が配置されて 、る。

[0150] この太陽光エネルギ利用システムにおいて、二次集光系 SCは、前記の複数の反 射鏡セグメントからなる反射鏡群を備える本発明の太陽光集光用反射装置で構成さ れる。

[0151] なお、図 16に示す太陽光エネルギ利用システムでは、太陽光集熱器 51は、その 上部に、反射鏡群に向けて開口する三次集光系（CPC) 57を備えるが、太陽光集熱 器 51は、上部に三次集光系（CPC) 57を設置しな 、ものでもよ 、。

[0152] また、太陽光集熱器 51は、上方に開口する開口部を通って太陽光が内面の受光 面に入射するものが望まし 、。 この太陽光集熱器 51において、三次集光系（CPC) 57を備える場合には、その三 次集光系（CPC) 57の開口部に、三次集光系（CPC) 57を有しない場合には、太陽 光集熱器 51の開口部に、前記へリオスタツト FCによって集光され二次集光系 SC (本 発明の太陽光集光用反射装置）によって反射された太陽光が収束する集光面 3が位 置するように構成されることが望ま 、。

[0153] また、高温熱媒タンク 52と、熱交換器 53と、低温熱媒タンク 54と、熱媒体浄化系 55 とは、特に制限されず、用いる熱媒体、容量、熱媒体の要求純度等に応じて適宜選 択される。

[0154] この太陽光エネルギ利用システムにおいては、太陽 Sからの太陽光 SBが、ヘリオス タツト FCによって、二次集光系である太陽光集光用反射装置 SCに集光され、さらに 、太陽光集光用反射装置 SCによって太陽光集熱器 51に集光されて太陽光集熱器 51の太陽光導入口 56から導入される。導入された太陽光 SBは、太陽光集熱器 51 の受光面に照射されて、受光面に配置される熱媒体が加熱される。加熱されて熱ェ ネルギを保持した熱媒体は、太陽光集熱器 51の下部に設けられた熱媒体導出部か ら導出される。熱媒体導出部から導出された熱媒体は、流路を通って高温熱媒タンク 52に給送される。そして、この高温熱媒タンク 52に給送された熱媒体は、熱交換器 5 3に供給され、熱エネルギを、熱交 53に連結された、熱エネルギ利用設備に供 給する。この熱エネルギ利用設備としては、例えば、蒸気タービン発電、炭化水素の 熱分解、天然ガスや石炭からの液体燃料の製造等が挙げられる。

[0155] 熱交 によって熱エネルギの一部を熱交換されて温度が低下した熱媒体は、 低温熱媒タンク 54に給送され一時貯留される。そして、低温熱媒タンク 54に一時貯 留された低温の熱媒体は、熱媒体浄化系 55で清浄化され、再び、太陽光集熱器 51 に供給される。

[0156] また、本発明の太陽光集光用反射装置によって得られる太陽光の熱エネルギを改 質反応炉に利用する場合、例えば、メタン CHと水 H Oを反応させて合成ガス (CO,

4 2

H )を製造するプロセスに適用する場合、改質反応炉は、太陽光集熱器 51の代わり

2

に、同一の位置に配置される。このとき、前記のとおり、受光面での入射光熱流束を 制御して、均一な熱流束によるエネルギの平坦ィ匕を図ることができれば、前記改質反 応炉に利用する熱エネルギとして有効である。

[0157] <第 7の実施形態 >

次に、本発明の第 7の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明す る。なお、以下の第 7の実施形態においては、北半球に、集光点に集熱器を配置す るタワー方式の集光システムを設置する場合について説明する。南半球に、太陽光 集光システムを設置する場合は、以下に説明する第 7の実施形態における第 1のヘリ ォスタツトおよび第 2のへリオスタツトの南北方向の配置を逆にすることで構成すること ができる。また、ビームダウン方式の集光システムは、集光点の近傍に集光用反射鏡 を配置し、その集光用反射鏡によって太陽光を地上に向けて下向きに反射させ、地 上付近に設けた集熱器に集光させる以外は、以下の第 7の実施形態と同じ構成を有 するので、説明を省略する。

[0158] 図 17は、本発明の第 7の実施形態に係る太陽光集光システムを示す概念図である この太陽光集光システム 31は、ヘリオスタツト群 Aとへリオスタツト群 Bとを備える。 ヘリオスタツト群 Aは、太陽光 SB 光点 Faに集光させる複数の第 1のへリオスタツ ト 32から構成される。また、ヘリオスタツト群 Bは、集光点 Faよりも北側に位置する集 光点 Fbに太陽光 SBを集光させる複数の第 2のへリオスタツト 33から構成される。前 記へリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のへリオスタツト 32による反射光 B2の光 路と、ヘリオスタツト群 Bを構成する複数の第 2のへリオスタツト 33による反射光 B3の 光路とが、各へリオスタツトが属するヘリオスタツト群の集光点 Fa、 Fbに向けて形成さ れるように、第 1のへリオスタツト 32および第 2のへリオスタツト 33が配置される。

[0159] 第 1のへリオスタツト 32は、図 18 (a)に示す反射鏡面 2aが太陽と前記集光点 Faに 対面する方向に配向されるように地面に固定的に配置される。すなわち、第 1のヘリ ォスタツト 2は、反射鏡面 2aの法線を対称軸として、太陽光と、その太陽光を反射して 集光点 Faに至る反射光とが対称の関係を有するように、反射鏡面 2aの向きが調整さ れる。

[0160] この第 1のへリオスタツト 32は、例えば、図 18 (a)に示すように、反射鏡面 32aと、片 面に反射鏡面 32aを有する枠体 32bと、枠体 32bを支持して地面に立設される支柱 32cとを備えるものである。反射鏡面 32aは、例えば、ガラス、透明性プラスチック等 からなる透明基板の片面に金属を蒸着して反射膜を形成してなる反射体を所要の形 状および面積に敷設して形成することができる。

[0161] この第 1のへリオスタツト 32は、太陽高度の日中変化および季節的変化に応じて、 太陽を追尾して、反射鏡面 32aが太陽と前記集光点 Faに対面する方向に配向され るように、例えば、枠体 32bを支柱 32cに架設する支軸 32dを軸方向およびその軸方 向に垂直な方向に回動自在とするように構成できる。また、この第 1のへリオスタツト 3 2は、反射鏡面 32aに付随して太陽電池を配設して、その太陽電池によって、太陽を 追尾して枠体 32bを回動させるための動力を得るようにすることができる。

[0162] 第 2のへリオスタツト 33は、反射鏡面 33aが太陽と前記集光点 Fbに対面する方向 に配向されるように配置される。すなわち、第 2のへリオスタツト 33は、反射鏡面 33a の法線を対称軸として、太陽光 SBと、その太陽光を反射して集光点 Fbに至る反射 光 RB3とが対称の関係を有するように、反射鏡面 33aの向きが調整される。

[0163] この第 2のへリオスタツト 33は、図 18 (b)に示すように、反射鏡面 33aと、反射鏡面 3 3aを回動自在に軸支する回動軸 33bと、回動軸 33bが横架された支持枠 33cと、支 持枠 33cを軸支する回転支持台 33dと、回転支持台 33dを支持する基台 33eとを備 える。

この第 2のへリオスタツト 33において、鉛直方向に対する反射鏡面 33aの角度 |8は 、回動軸 33bを中心軸として反射鏡面 33dを回動させることによって調整される。また 、水平方向に対する反射鏡面 33aの角度 αは、回転支持台 33dを回転させることに よって調整される。回動軸 33bおよび回転支持台 33dは図示しない駆動モータ等に よって馬区動することができる。

[0164] この第 2のへリオスタツト 33は、基台 33eの下部に移動用車輪等の走行駆動手段を 備え、この走行駆動手段によって、第 2のへリオスタツト 33自体を、所要の位置に自 立移動できるように構成することができる。これによつて、太陽高度の日中変化および 季節的変化に応じて、第 1のへリオスタツト 32による影を避ける位置に、自立移動す るとともに、回動軸 33bおよび回転支持台 33dによる反射鏡面 33aの角度 ocおよび 角度 ι8を調整して、太陽光を反射して集光点 Fbに集光させることができる。この第 2 のへリオスタツト 33も、前記第 1のへリオスタツト 32と同様に、太陽電池を設けて、その 太陽電池によって、回動軸 33b、回転支持台 33dおよび走行駆動手段の駆動のた めの動力を得るようにすることができる。

[0165] この第 2のへリオスタツト 33は、前記へリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のヘリ ォスタツト 32の間の太陽光が照射されている場所、すなわち、ブロッキングを回避す るため、第 1のへリオスタツト 32が配置されず、太陽光が地面に照射されている場所 に配置される。したがって、第 2のへリオスタツト 33は、第 1のへリオスタツト 32の間に 配置される。これによつて、ブロッキングによって地面に陽が差している領域が消失し 、ヘリオスタツトが設置される領域に降り注ぐ太陽光をほぼ全部、複数の集光点に集 光させて、集光された太陽光のエネルギを回収できる。したがって、ヘリオスタツトを 設置する領域に降り注ぐ太陽光の全光量に対して、実際にへリオスタツトで集光して エネルギとして利用できる太陽光の光量の割合であるフィールド効率は 100%に近 づけることができる。

[0166] そして、第 2のへリオスタツト 33は、前記第 1のへリオスタツト 32よりも地面に近接した 位置に配置される。ここで、第 1のへリオスタツト 32よりも地面に近接した位置とは、第 1のへリオスタツト 32の反射鏡面よりも第 2のへリオスタツト 33の反射鏡面 33aの方が 低い位置に設置され、より地面に近い位置に配置されることをいう。これによつて、ブ ロッキングによって地面に陽が差している領域に第 2のへリオスタツト 33を密に配置 することができるため、ブロッキングによって地面に陽が差している領域が消失し、へ リオスタツトが設置される領域に降り注ぐ太陽光をほぼ全部、複数の集光点に集光さ せることができ、そのため、集光システム全体の集光効率の向上を図ることができる。

[0167] そして、この第 2のへリオスタツト 33は、図 18 (c)に示すように、太陽光が地面に照 射されている場所に、その場所を覆うように、直列および並列に複数のへリオスタツト 33が配置される。各第 2のへリオスタツト 33は、前記のとおり、反射鏡面 33aの鉛直 方向および水平方向に対する角度 OC、 βを太陽高度の変動に応じて調整可能であ るとともに、第 1のへリオスタツト 32および隣接する第 2のへリオスタツト 33の影を避け るため、基台 33eの下部に設けた走行駆動手段によって移動することができる。これ によって、第 2のへリオスタツト 33が、前記太陽を追尾して日中の時刻または季節に 応じて、反射鏡面 33aに最大の太陽光を受光できるように、配置位置を移動可能お よび反射鏡面 33aを可動自在に構成されて 、ることによって、第 2のへリオスタツト 33 は、太陽高度の日変化および季節的変化により時々刻々変化する第 1のへリオスタ ット 32の陰を避けた位置に移動させることができる。これにより、集光効率の向上を図 ることができる。この第 2のへリオスタツト 33を、太陽高度の日変化および季節的変化 により時々刻々変化する第 1のへリオスタツト 32の陰を避けた位置に移動させる場合 に、第 1のへリオスタツト 32の陰の時刻変化と第 2のへリオスタツト 33の動きについて シミュレーションした結果を図 19に示す。このように、第 2のへリオスタツト 33を移動さ せることによって、第 1のへリオスタツト 32による影を避けて太陽光を集光することがで きるため、集光効率の向上に有効である。

[0168] ここで、図 17に示す 2つの集光点 Fa、 Fbを有する太陽光集光システム 1において、 第 2のへリオスタツト 33の配置にっ 、て検討する。

図 20は、太陽 S、タワー T (右の三角柱）との間の入射光および反射光の関係と、第 1のへリオスタツト 32による陰および反射光の遮り（ブロッキング)の概念を図示したも のである。この図 20においては、各へリオスタツトは、簡単のため一枚の鏡で構成さ れているものとしている。図 20において、単位ベクトル el、 e2、 nは、それぞれ、太陽 指向ベクトル、タワー指向ベクトルならびにへリオスタツトの外向き法線ベクトルである 。これらのベクトルを用いた演算とヘリオスタツトの辺の長さから、陰（shadow length)、 ブロッキング長さ (Blocking length)を算出できる。ここで、ブロッキング長さとは、タワー 力も遠い位置にある第 1のへリオスタツト 32の下辺でのタワー Tに向力 反射光がタヮ 一に近い第 1のへリオスタツト 32の上辺に力かる場合の、 2つのへリオスタツトの配置 間隔をいう。両ヘリオスタツトをこの距離以上離せば、ブロッキングによる光の干渉は 生じない。

[0169] タワーが 1本の場合について、ヘリオスタツトの配置と陰長さ、ブロッキング長さ、フィ 一ルド単位面積当たりのヘリオスタツトで回収可能な光量の間の関係を図 21に示す 。タワー Tを原点にして南北方向に、南側を正とする座標 (y)をとる。簡単のために、 太陽の南中を想定する。図 21では、タワー高さ H (集光点の高さ）は 120m、太陽高 度 φは 45度である。 図 21から、タワー Tを挟む範囲、すなわち、下記式を満足する範囲では、陰の長さ（ 図中、破線で示す)がブロッキング長さ（図中、一点鎖線で示す)よりも長い。

[数 1] レ| < = Ηοοί また、それより外側の領域、すなわち、下記式を満足する範囲では、逆である。

[数 2]

[0170] そこで、鏡面の利用効率を向上するには、ヘリオスタツト間での光の干渉を避けるた め、下記式で表される範囲では、南北方向に相隣るヘリオスタツトを、陰長さよりも長 ぐそれより外側の領域ではブロッキング長さよりも長ぐ離して配置することが必要で ある。

[数 3]

| | < Ηοοϊφ

[0171] さらに、下記式で表される領域では、フィールド全体の中で光の干渉距離が最小で あり、一方、その外側の領域ではへリオスタツトの位置によるブロッキング長さの変化 が大きい。

画

— Hcot < < 2Hcot^

[0172] これらの性質から、図 18 (c)に示されたように、一定間隔で配置された短冊形の鏡（ ファゼット 33f)を乗せて鏡面 33aを構成した第 2のへリオスタツト 33は、下記式で表さ れる領域に敷き詰めて配置するのが有効であることが分かる。

[数 5] | < Η οίφ

[0173] 一方、下記式で表される領域ではブロッキング長さが長いば力りか場所による変化 も大きいので、第 2のへリオスタツト 33の配置には向かず、第 1のへリオスタツト 32を 配置するのが有利である。

[数 6] γ≤-Ηοοί

[0174] 上記の一本のタワーを有する集光システムについての考察から、複数タワー方式で の集光システムにおいては、第 2のへリオスタツト 33の配置は、以下のようにすること が望ましい。すなわち、第二のタワーに対して、第 2のへリオスタツト 33を、第一のタヮ 一に集光する第 1のへリオスタツト 32の間に配置する、すなわち埋め込み用として、 また、陰の長さがブロッキング長さよりも長くなるタワー周辺に用いるのが有利である。

[0175] 図 17に戻って、第一のタワーに座標 (y)の原点をとり、 Lをタワーの陰の長さとする と、

[数 7]

-L < y < L の領域には、第 2のへリオスタツト 33を、

[数 8]

-4L < y < -L の領域にはブロッキング長さだけ離してまず第 1のへリオスタツト 32を、ついで第二の タワーに集光する第 2のへリオスタツト 33を、光の干渉を考慮して第 1のへリオスタツト 32の間に埋め込む。

[0176] また、

[数 9]

-4L-L'< y < -L の領域には第二のタワーに集光する第 2のへリオスタツト 33を配置する。第一のタヮ 一と第二のタワーの間の間隔 4Lと各タワーから南北端までの距離 L'、すなわち、 2つ のタワーの座標は、ヘリオスタツトの数 (コスト）と集光量とを考慮して最適の値が選択 される。

[0177] 図 17に示す集光システムにおいて、第 1のへリオスタツト 32の間に配置可能な第 2 のへリオスタツトの数は、下記式で表される。

[数 10]

N„ = N_S

" ^s Max(SL_n , BL_n ) ここで、 Nは単位フィールド長さにおけるヘリオスタツトの数、 BLはブロッキング長さ 、 SLは陰長さを示し、添字 nは第 2のへリオスタツト (第 2のタワー（北側に配置)への 集光）、添字 sは第 1のへリオスタツト (第 1のタワーへの集光)を示す。

[0178] <第 8の実施形態 >

次に、図 22 (a)および図 22 (b)は、本発明の第 8の実施形態に係る太陽光集光シ ステムにおけるヘリオスタツト群 Aおよびへリオスタツト群 Bの配置を説明する図である この集光システムでは、図 22 (a)に示すように、複数の集光点 Fl, F2, F3 - - -FN- • ·が南北方向に配列して形成されるように、ヘリオスタツト群 Aと、ヘリオスタツト群 Bと を配置して形成される集光システムを、東西方向に適正間隔で複数列配置する。

[0179] この太陽光集光システムでは、図 22 (b)に示すように、隣接するへリオスタツト群 B

hi

(hiは 1以上の整数）とへリオスタツト群 A (klは 2以上の整数）と力 1つの集光点を

kl

形成することによって、一の集光点 Faの北側に、前記他の集光点 Fbが形成されるよ うに、ほぼ同じ間隔で、所要数の集光点を南北方向に直列に形成でき、ヘリオスタツ トが設置される領域の広さに左右されず、かつ細長い土地でも、高効率で目的の集 光量の太陽光を回収できる。

この集光システムでは、円形や方形に近 、形状のフィールドの集光を効率ィ匕できる 。さらに、形成される複数の集光点の位置が列ごとに互い違いになるようにずらして ヘリオスタツト群を配置すれば、陰の影響を低減できる効果がある。

[0180] <第 9の実施形態 >

また、図 23 (a)および図 23 (b)は、本発明の第 9の実施形態に係る太陽光集光シ ステムにおける集光点およびへリオスタツト群の配置を説明する図である。 図 23 (a)に示す太陽光集光システムは、第 1のへリオスタツトからなるヘリオスタツト 群が配置された領域 (フィールド) A2, A3と、第 1のへリオスタツトと第 2のへリオスタツ トとが混在する領域 (フィールド) Al, A4と力もなるユニット 41を含み、前記ユニット 4 1を構成するへリオスタツト群によって形成される 3つの集光点 Fl, F2, F3が、集光 点 F2と集光点 F3を結ぶ線を底辺とし、その底辺が東西方向に配向された三角形 D の頂点上に F1が位置するように配列されている。この三角形 Dは、底辺が東西方向 に配向された二等辺三角形であることが、集光効率の等高線が南北方向に細長い 楕円形に類似した形状であることから、集光効率の向上を図る上で有効である。

[0181] この集光システムでは、まず、集光量が最大となる集光点を選択するように第 1のへ リオスタツトを配置し、ついでブロッキングが発生している領域に、第 2のへリオスタツト を配置して、ヘリオスタツトの北側に位置するものの内、集光量が最大になる集光点 に集光するようにすることができる。これによつて、第 2のへリオスタツトは、太陽光の 照射角の季節'日中の変化に応じて、随時最適な集光点を選択できるので、ヘリオス タツトを固定設置する集光システムと比較して年間の集光量を最大化できる。

[0182] そして、図 23 (b)に示すように、前記の 3つの集光点 Fl, F2, F3を形成するュ-ッ トを東西方向および南北方向に三角格子状に配列して、大規模な集光システムを構 築することができる。この図 23 (b)に示す太陽光集光システムでは、前記ユニットを東 西方向および南北方向に三角格子状に配列することによって、円形や方形に近い 形状のフィールドにおける集光を効率ィ匕できる。また、タワーの位置が列ごとに互い 違いになるようにずらして配置すれば、陰の影響を低減できる。また、このような構成 によれば、第 1のへリオスタツトおよび第 2のへリオスタツト、ならびに集熱器または集 光用反射鏡を設置する場所の広狭、傾斜、形態等の地理的条件に応じて、適宜、最 適な配置を構成することができる自由度が高ぐ商業的に大規模な太陽光集光シス テムを構築する際に有効である。

[0183] 以上説明した第 7の実施形態、第 8の実施形態および第 9の実施形態は、第 1のへ リオスタツトと、第 2のへリオスタツトとは、異なる形態のものを用いた例である力 本発 明の太陽光集光システムにおいては、第 1のへリオスタツトと、第 2のへリオスタツトとし て、同一の形態のものを用いてもよい。例えば、第 1のへリオスタツトと、第 2のへリオス タツトとして、前記図 18 (a)に示す形態のものを用いてヘリオスタツト群を構成してもよ い。すなわち、複数の図 18 (a)に示す形態のへリオスタツトを配置して一のへリオスタ ット群 Aを構成して、まず、一の集光点 Faに太陽光を集光させ、そして、配置した図 1 8 (a)に示す形態のへリオスタツトの間の地面で太陽光が照射されている場所に、他 の複数の図 18 (a)に示す形態のへリオスタツトを、反射鏡面を前記配置したヘリオス タツトとは異なる方向に向けた他のへリオスタツト群 Bを構成して、他の集光点 Fbに太 陽光を集光させて集光システムを構成することができる。さらに、同様にして、第 1の ヘリオスタツトと、第 2のへリオスタツトとして、前記図 18 (b)に示す形態のものを用い て複数のへリオスタツト群を構成してもよ 、。

[0184] 以上説明した本発明の太陽光集光システムは、前記の太陽光集光システムにおけ る複数のへリオスタツト群によって形成される各集光点に集熱器または集光用反射鏡 を配置して、集光される太陽光のエネルギを集熱器または集光用反射鏡の下部に設 けた集熱器によって回収することによって、ヘリオスタツトを設置する領域に降り注ぐ 太陽光を高 、フィールド効率で集光して、集光された太陽光の熱エネルギを高効率 で利用できる。例えば、太陽光集光系と、太陽光集熱器と、高温熱媒タンクと、熱交 と、低温熱媒タンクと、熱媒体浄ィヒ系とを備える太陽光エネルギ利用システムを 構築することができる。そして、太陽光集光系として、前記本発明の太陽光集光シス テムを用いることができる。

[0185] この太陽光エネルギ利用システムにおいては、太陽光が、太陽光集光システムによ つて集光され、さらに、太陽光集熱器によって集光されて太陽光のエネルギが回収さ れる。太陽光のエネルギは、太陽光集熱器において、熱媒体を加熱し、加熱されて 熱エネルギを保持した熱媒体によって回収される。熱媒体は、熱交換器に供給され、 熱エネルギを、熱交換器に連結された、熱利用設備に供給する。この熱利用設備と しては、例えば、蒸気タービン発電、炭化水素の熱分解、天然ガスや石炭からの液 体燃料の製造等が挙げられる。

[0186] 本発明の太陽光エネルギ利用システムにおいては、各種の実施形態が可能である 。例えば、太陽光集熱器として、前記第 1の実施形態または第 3の実施形態に係る太 陽光集熱器を用いることができる。これによつて、前記集熱器として、前記第 1の実施 形態または第 3の実施形態の太陽光集熱器を用いて、ヘリオスタツト群によって高い フィールド効率で集光された太陽光のエネルギを高 ヽ利用効率で回収して、太陽光 の熱エネルギを高効率で利用できる。

[0187] また、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、太陽光集光用反射鏡として、前 記第 5の実施形態に係る太陽光集光用反射装置を用いることができる。これによつて 、複数の 1次反射鏡力 なる複数のへリオスタツト群によって太陽光を高いフィールド 効率で集光して、集光された太陽光を前記太陽光集光用反射装置によって効率よく 集熱器に収束させることによって、太陽光の熱エネルギを高効率で利用できる。

[0188] さらに、この太陽光エネルギ利用システムにおいて、太陽光集熱器として、前記第 1 の実施形態または第 3の実施形態に係る太陽光集熱器を用い、太陽光集光用反射 鏡として、前記第 5の実施形態に係る太陽光集光用反射装置を用いることができる。 これによつて、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて反射される太陽光を、前記 太陽光集光用反射装置によって効率よく集熱器に集光させるとともに、集光された太 陽光を、前記第 1Aの発明に係る太陽光集熱器に収束させ、その収束された太陽光 のエネルギを高 、利用効率で熱媒体に蓄熱し、その蓄熱エネルギを利用することが できる。

[0189] さらにまた、太陽光エネルギ利用システムにお 、て、太陽光エネルギを利用して発 電を行うシステムは、蒸気タービンを用いるランキンサイクル型のシステム、ガスター ビンを用いる開放ブレイトンサイクル型のシステム等の ヽずれの形態のシステムも適 用可能であり、太陽光エネルギ利用システムのシステム全体の構成、太陽光ェネル ギの利用目的、立地条件等の各種の条件に応じて適宜選択することができる。例え ば、発電を主要な目的とするシステムの場合には、発電機を駆動するエネルギとして 、太陽光集熱器によって熱媒体に蓄熱される太陽光の熱エネルギの全部を利用する ことができる。また、発電システムと化学プラント等の他のシステムとを組み合わせた 複合システムの場合には、太陽光の熱エネルギを発電システムと他のシステムとに、 両者のエネルギ利用形態、熱媒体の温度等を考慮して、太陽光のエネルギを分配し て効率的に利用できるようにすることができる。

[0190] 次に、太陽光エネルギ利用システムとして、太陽光エネルギを利用して発電を行う システムの具体例にっ 、て説明する。

[0191] 図 24は、太陽光エネルギを、ガスタービンを備える発電プラントの熱エネルギ源とし て利用する開放ブレイトンサイクル型の発電システム (ソーラーガスタービンシステム） の具体例を す (¾inai, J. et al. 'Adaptation and modification of gas turbines for sol ar energy applications", GT 2005—68122, proc. ASME Turbo Expo 2005, 2005)。こ のソーラーガスタービンシステムは、作動媒体の空気を十分高温に加熱できれば、 作動媒体として蒸気タービンを用いるランキンサイクル型のシステムよりも高い発電効 率を達成することができる。

[0192] 図 24に示すソーラーガスタービンシステム 70は、外気を吸引して圧縮する圧縮機 7 1、膨張仕事をするタービン 72と発電機 73を備える。そして、地表に配置された複数 の反射鏡 (ヘリオスタツト：図示せず)で太陽光を反射して、タワーの上部に設けた受 光器 (レシーバ） 74に集光し、圧縮機 71から受光器 74に供給された高圧空気を太 陽光の集光熱で直接加熱して高温高圧の空気が生成する。生成した高温高圧空気 はタービン 72に導入されて膨張仕事をし、タービン 72の軸に直結された発電機 73 で発電が行われる。

[0193] このソーラーガスタービンシステム 70において、タービン 72における高温高圧空気 の膨張仕事の 3Z5は、圧縮機 71の軸動力として消費されるため、発電出力は (ター ビンの軸動力)一 (圧縮機の所要軸動力）に等しい。膨張仕事を終えたタービン排気 は、もっとも単純なサイクルの場合、大気中に放散される。

[0194] このソーラーガスタービンシステム 70においては、タービン入口 72aにおける高温 高圧空気の温度を少なくとも 1000°C以上にするため、構成部材、例えば、受光器 7 4を構成する熱交換部材は、耐熱合金であることが望ましい。また、タービンの作動 媒体 (空気)を、太陽光の集光熱で直接加熱し、タービンで仕事をさせるため、日射 のある昼間だけでなぐ夜間においては、昼間の間に熱媒体に蓄熱した太陽光の熱 エネルギを利用して、または、図 24に示すように、燃焼器 75における燃焼エネルギ によって、作動媒体を加熱してタービンに供給することが望ましい。なお、バイパスは 、緊急時にシステムを隔離して、熱の供給を停止するため、また、ガスタービンの入 口 72aにおける作動媒体の温度を制御するためのものである。 [0195] 夜間の化石燃料消費を削除し、太陽熱エネルギーのみで 24時間発電を可能とす るために、図 25に示すガスタービン発電システム 100は、太陽光集光用反射鏡によ つて集光された太陽光を、太陽光集熱器に収束させ、その収束された太陽光のエネ ルギを熱媒体に熱エネルギとして蓄熱し、その蓄熱された熱エネルギの一部を、作 動媒体として超臨界状態の二酸ィ匕炭素を用いてガスタービン発電プラントに供給し て発電を行うものである。

[0196] 図 25に示すガスタービン発電システム 100は、太陽光集熱器 101と、溶融塩熱交 翻 102と、タービン 103と、発電機 104とを備える。さらに、タービン 103の出口 10 3aと溶融塩熱交翻 102の入口 102aとの間に、再生熱交翻 105と、前置冷却器 106と、低圧圧縮機 107と、中間冷却器 108と、高圧圧縮機 109とからなる再生サイ クルを備える。

[0197] このガスタービン発電システム 100は、太陽光集熱器 101において溶融塩に蓄熱 された太陽光の熱エネルギを熱源としてガスタービンサイクルを駆動するものである。 このガスタービン発電システム 100にお ヽては、前置冷却器 106で臨界温度近傍ま で冷却された二酸化炭素 (作動媒体)は低圧圧縮機 107で圧縮され、昇温した作動 媒体 (二酸化炭素）は、中間冷却器 108で、再度、臨界温度近傍まで冷却された後、 高圧圧縮機 109で昇圧されて超臨界状態の二酸ィ匕炭素となる。そして、作動媒体（ 超臨界状態の二酸化炭素）は、再生熱交翻105でタービン 103の出口 103aから 排出される排気ガスの排熱を回収して昇温した後、溶融塩熱交翻102において、 太陽光集熱器 101において溶融塩に蓄熱された太陽光の熱エネルギを吸収して、さ らに昇温してタービン 103に導入され、膨張仕事を行い、降温する。このタービン 10 3の出口 103aから排気された作動媒体は、その排気が持つ熱エネルギを、再生熱 交翻 105において、高圧圧縮機 109の出口力も排出されるガスに移行させた後、 前置冷却器 106において臨界温度近傍まで冷却されて、再び、低圧圧縮機 107〖こ 供給される。この作動媒体 (二酸ィ匕炭素）の循環サイクルを通じて、太陽光の熱エネ ルギによって、作動媒体の膨張仕事によって駆動されるタービンによって発電機 104 における発電が行われる。なお、本発明における「超臨界状態の二酸ィ匕炭素」とは、 臨界圧力（7. 375MPa)以上の圧力状態の二酸化炭素を言う。 [0198] このガスタービン発電システム 100において、中間冷却器 108は、高圧圧縮機 109 の入口における作動媒体の温度を下げることにより、高圧圧縮機 109における圧縮 仕事を低減させる役割を有する。

また、再生熱交^^ 105は、タービン 103からの高温の排気ガスが有する熱ェネル ギーをサイクル内部で回収し、投入熱量を節約することで、ガスタービンサイクルの熱 効率の向上に寄与する。

このように、循環サイクルィ匕することによって、ガスタービンサイクルの熱効率の最大 値が高圧圧縮機 109の圧力比が小さいところに存在するので、ガスタービンの耐圧 設計が容易になる利点がある。

[0199] このガスタービン発電システム 100では、太陽光集熱器 101に集熱した太陽光の 熱エネルギを、蓄熱媒体に蓄熱するとともに、溶融塩熱交換器 102を介して、その一 部をガスタービン発電システム 100における発電に利用することによって、 日射量の 日量変化に依存せず、一定の出力で昼夜発電できるシステムとすることができる。こ のとき、作動媒体の使用可能温度範囲（中温度く 1000°C)で動作し、しかも蒸気タ 一ビンの効率を越えるガスタービンサイクルとするためには、超臨界状態の二酸化炭 素を作動媒体とする前記クローズドサイクルのガスタービンサイクル力 有効である。

[0200] このガスタービンサイクルにお 、て、作動媒体として超臨界状態の二酸化炭素を用 いる理由は、下記の通りである。

一般に、気体の圧縮/膨張仕事は次式で表される。

[数 11]

そして、後記のとおり、二酸ィ匕炭素の圧縮率因子 zが臨界点近傍で急減する特性（ 最大で理想気体の 1Z5)を利用して、圧縮機の所要動力を大幅に低減できる利点 がある。かつ、二酸化炭素の臨界条件（31°C、 7. 4MPa)は常温近傍に存在するの で、ブレイトンサイクルよりも低温度で熱効率が高 、サイクルを構成できる利点がある

[0201] また、ブレイトンサイクルよりも高圧である力 再生サイクルを採用すればガスタービ ンサイクルの熱効率の最大値が低圧力比側にシフトするので、設計可能である。 さらに、このガスタービン発電システム 100における作動媒体の再生サイクルでは、 再生熱交換器 105の温度効率がサイクルの熱効率の値を大きく左右する。特に、温 度効率が 0. 95以上の高いサイクル熱効率を実現できる。そこで、再生熱交換器 10 5として熱交^^の一種である PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger)を利用する ことが望ましい。通常の熱交^^では経済的な制約から 0. 85程度である温度効率 を 0. 95以上に高くすることが可能で、しかもコンパクトな熱交 を実現してコスト低 減に有効であり、さらに、高い耐圧性も実現することができるからである。また、中間 熱交換器 108または再生熱交換器 105に高伝熱性能かつ圧力損失が低い特性を 有する PCHEを用いれば、低コストで高効率の熱輸送が可能である。特に、再生熱 交換器 105は温度効率が高いほどサイクル熱効率は高くなり、 95%で従来のソーラ 一ガスタービン（開放型ブレイトンサイクル)を凌ぐことができる。この再生熱交翻 10 5の好まし!/、温度効率は 98%である。

[0202] 圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)は、軸流型と遠心型のいずれでもよい 力 軸流圧縮機の断熱効率は高いが、翼に作用する力が作動媒体の密度が高いた めに大きぐ機械強度の観点力 許容できない可能性がある。一方、二酸化炭素を 作動媒体とする圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)の仕事は、圧縮係数が 小さい領域で動作させるので小さぐその断熱効率がサイクル熱効率に及ぼす影響 は小さい。このことから、圧縮機を、機械強度的にロバストな遠心型にすることが望ま しい。

また、タービン 103は、大きな仕事を発生させる軸流タイプが望ましい。

[0203] また、前記のガスタービンシステムの圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109) の駆動に要する仕事は、タービン 103における作動媒体の膨張仕事の一部で賄わ れる。したがって、発電機 104における発電出力 Qは、タービン 103での膨張仕事 W から圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)の仕事 Wを差し引いたもの、すな

T C

わち次式で与えられる。

[数 12]

Q ^ W_T - W_C ( 2 ) ここで、もし、作動媒体が理想気体の場合には、 Wは Wの 3Z5にもなる。したが

C T

つて、 Wを小さくすることで、発電出力 Qを大きくし、かつ熱効率の向上を得ることが

C

できる。そこで、二酸ィ匕炭酸の臨界状態近傍の物性値について検討すると、まず、図

26は二酸化炭素の圧縮率係数 zの温度圧力依存性を示す。図 26において、三角マ ークが臨界点を示す。

[0204] この図 26から、 300Kの常温近傍に圧縮率係数 zの値が小さい領域が存在し、 500 K付近では理想気体の値である 1に漸近することがわかる。したがって、常温近傍で の zの圧力依存性は大、一方、高温での圧力依存性は小さい傾向がある。ちなみに 、圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)の入口における作動媒体の温度を 35 度（308K)とすると、 zの最小値を与える圧力は 9〜： LOMPaに存在するので、圧縮機 の入口における作動媒体の圧力をこの近傍に選べばよい。一方、タービン 103での 膨張仕事は大きいほうが良いので、タービン 103の入口における作動媒体の温度を 500K以上にする。圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)とタービン 103の好 ましい作動領域を図 26中に示す。式（1)と式（2)から、ガスタービンの効率向上を期 待できることがわかる。このとき、タービン 103の入口における作動媒体の圧力は、再 生サイクルの最適圧力比と圧縮機 (低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109)の入口にお ける作動媒体の圧力とから逆算される値を選択する。このように、ガスタービン構成機 器の入口圧力 ·温度条件を最適化するようにサイクルを構成することができる。

[0205] 図 25中に、中間熱交^^ 108と再生熱交^^ 105を備えるガスタービン発電シス テムにおける熱バランスの試算例を示す。すなわち、溶融塩熱交 102における 交換熱量、低圧圧縮機 107、高圧圧縮機 109の入口における作動媒体の温度、タ 一ビン 103の入口における作動媒体の温度'圧力をそれぞれ図 25に示した値に、圧 縮機とタービン 103の断熱効率をそれぞれ 0. 9、 0. 93に、再生熱交^^ 105の温 度効率は 98%に固定し、タービンの膨張比をパラメータにして熱バランスを計算した 。この試算例では、溶融塩熱交翻102からの作動媒体への入熱が 50MWのとき に、 23. 6MWの電気出力が得られる。したがって、サイクル熱効率は 47. 2%であり 、図 24に示したブレイトンサイクルの効率（33%)、さらには、従来の蒸気タービンの 効率（39%)を上回っている。 [0206] また、図 27は、タービン入り口の作動流体の温度が 800K(527°C)の条件下、図 2 5に示した再生熱交^^と中間熱交翻108とを備えるガスタービン発電システム（ 図 27中の RC+ICサイクル）と、再生サイクルを有しないガスタービン発電システム（ 図 27中の ICサイクル）とについて、比出力一サイクル熱効率の関係を示す図である 。この図 27から、再生サイクルを有しないガスタービン発電システム（図 27中の ICサ イタル)では、タービン 103の膨張率が 20のときに熱効率が最大（26%)になり、比出 力も大きい。しかし、このような大きい膨張率は作動媒体が二酸ィ匕炭素の場合は、シ ステムが高圧になりすぎ、実現困難である。これに対して、再生熱交翻105を備え るガスタービン発電システム（図 27中の RC+ICサイクル）では、サイクル熱効率が最 大で 47%に向上することがわかる。このように、本再生サイクルでは、既出の図 24に 示した開放型ブレイトンサイクルに比べてタービン入り口温度が低くても、高いサイク ル熱効率を達成できる。既出の図 25はこの最適条件下での熱平衡線図を示したも のである。

[0207] 次に、図 28は、サイクル熱効率の膨張比依存性を示す。この図 28から、最大熱効 率を与える膨張率は 1. 55であり、十分製作可能なタービンである。ただし、比出力 は、 ICサイクルの約 50%に低下するので、発電出力が小'中規模のガスタービンに 向き、ソーラー応用に好適であると言える。タービン 103の入口における作動媒体の 圧力は 20MPa付近に最適値があることが分かる。

[0208] 図 29は、再生熱交換器の温度効率がサイクル熱効率に及ぼす影響を示す図であ る。なお、図 29の右縦軸の Specific heat duty of recuperatorおよび図中の S pecific Qrecupは、再生熱交翻の比熱負荷を示す。この比熱負荷が大きいと、 所要熱交換を達成するうえでの再生熱交換器は小さくてすむ。

図 29から、通常の熱交換器の温度効率 85%程度では、サイクル熱効率が 20%程 度にしかならないが、温度効率が 98%では熱効率は 47%になることが分かる。特に 、温度効率が 95%以上での感度が大きい。これより、再生熱交翻105を備えるガ スタービン発電システム（図 27中の RC + ICサイクル）の特徴は、高効率の再生熱交 ^^との組み合わせで初めて実現できることが分かる。

そして、作動流体の温度'圧力範囲を考慮すると、耐圧、耐熱性に優れた PCHE ( Printed Circuit Heat Exchanger)が最適である。図 26に示した事例では、シェルアン ドチューブ型熱交^^の総容積は 125m³になる力 PCHEでは 10m³と 12分の 1で 済み、機器配置スペース、コストの両面で有利である。ここで、 PCHEは、エッチング によって、水力等価直径 0. 6mm程度の流路を刻設した厚さ lmm程度の金属板を、 高温側流路と低温側流路が交互に重ね合うように、多数枚を拡散接合して構成され る熱交^^である。この PCHEは耐熱性および耐圧性が高ぐ高温'高圧で運転さ れる超臨界 COガスタービンサイクルシステムに好適である。

2

[0209] したがって、このガスタービン発電システム 100においては、太陽光集熱器 101に おいて溶融塩に蓄熱された太陽光の熱エネルギを、一旦、蓄熱媒体に蓄え、その一 部をガスタービン発電プラントに供給することにより、 24時間の連続発電が可能とな る。また、ガスタービンサイクルを、超臨界状態の二酸化炭素を作動媒体にした、中 間熱交 l08を備える再生サイクルとすることにより、蓄熱媒体の運用温度範囲（ 中温度)で動作でき、し力もランキンサイクルよりも高い発電効率を確保できる。このよ うな特徴を有するガスタービン太陽熱発電システムは、既存電源と競合可能な、二酸 化炭素を発生しな 、発電システムを構築できる。

[0210] 次に、図 30は、ガスタービン発電システムと化学プラントとを結合させた太陽光エネ ルギ複合利用システムの具体例を示す。

図 30に示す太陽光エネルギ複合利用システム 110は、太陽の光エネルギーをヘリ ォスタツト 111で反射し中央反射鏡 112で集光した太陽光を太陽光集熱器 113で受 光して、受光した太陽光の熱エネルギを溶融塩に蓄熱してガスタービン発電システム およびィ匕学プラントにエネルギを供給して発電およびィ匕学プロセスを行うシステムで ある。なお、図 30は中央反射鏡 112を備えるシステムを示すが、これがない場合、す なわち太陽光集熱器が高所にある、タワーアップ方式であってもよい。

[0211] この太陽光エネルギ複合利用システム 110において、溶融塩等の蓄熱材は、ポン プ P3によって低温蓄熱容器 114から太陽光集熱器 113に供給され、太陽光集熱器 113で受光した太陽光の熱エネルギを吸収して高温となり、ポンプ P1によって高温 蓄熱容器 115に送給されて貯留される。そして、高温の蓄熱材は、第 1蓄熱材熱交 換器 116に供給されて、再生熱交換器 117を通って、タービン 118からの排ガスの 排熱を回収した二酸ィ匕炭素に熱エネルギを供給する。さらに、第 2蓄熱材熱交 1 19において、化学プロセス、海水淡水化などに熱を供給する化学プラントサイクルに 熱エネルギーを供給して、所定の温度で低温蓄熱容器 114に戻る。

[0212] 第 1蓄熱材熱交 116で加熱された二酸ィ匕炭素は、タービン 118で膨張仕事を 行い、発電機 120によってその一部またはほぼ全部を電気エネルギーに変換する。 タービン 118で仕事を終えた排気ガス (作動流体）は、再生熱交翻117でその熱ェ ネルギ一の一部を圧縮機 121で加圧された作動媒体に与えた後、冷却器 122で所 定の温度に冷却されて、圧縮機 121に導入される。圧縮機 121で加圧され再生熱交 117で加熱された作動媒体は第 1蓄熱材熱交換器 116に導入されて、太陽熱 エネルギーで加熱され、ガスタービン発電サイクルが一巡する。この発電サイクルに おいて、比出力を向上させるため、圧縮機 121は、図 25に示す低圧圧縮機 107と、 中間熱交翻 108と、高圧圧縮機 109とから構成されるインタークーリング (IC)サイ クルであることが好ましい。あるいは、冷却器で冷却された作動媒体の一部を分岐し 、第三の圧縮機に導いて圧縮後、再生熱交換器に導いてもよい。この太陽光ェネル ギ複合利用システム 110において、高温蓄熱容器 115から第 1蓄熱材熱交換器 116 に供給する熱エネルギーを制御すれば、 24時間、第 1蓄熱材熱交換器 116に所定 量の熱エネルギーを供給できるので、夜間も一定出力で発電することができる。第 1 蓄熱材熱交換器 116での作動媒体 (二酸化炭素)の加熱に、化石燃料を燃焼させて 補助的に熱を供給することも可能である。化学プラントの具体例として、石炭ガス化プ 口セスの CMM (スラリー）を加熱蒸発するプラント、あるいは熱で蒸気を発生し海水 淡水化の熱源として用いることができる。また、蒸気温度が高い場合にはランキンサ イタルを構成し、発電するシステムとすることが可能である。

[0213] これらのガスタービン発電システムおよび太陽光エネルギ複合利用システムにお!/ヽ て、蓄熱媒体は、 600°C以下の動作温度では、硝酸系アルカリ塩 (たとえば、 NaNO , KNOの等モル溶液）が好ましい。また、 600°C以上の動作温度では、蓄熱媒体と

3 3

して金属ナトリウムを用いることができる。金属ナトリウムは、融点が 80°C、沸点が 850 °C付近にあり広!、温度範囲で液体を保てる上、熱伝導率が極めて高!、ので熱輸送 媒体として好適である。溶融塩よりも高温で用いることができるので、ガスタービンサ イタルのサイクル熱効率が硝酸系溶融塩を用いる場合に比べて高 、と 、う特徴があ る。また、二酸ィ匕炭素との化学反応速度が遅いので、仮にナトリウムと二酸ィ匕炭素と の直接接触が起きても、爆発や大きな発熱は生じな！/、ので安全である。

実施例

[0214] 次に、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、これ らの実施例に限定されるものではない。

[0215] (実施例 1)

表 1に、商用化規模の太陽光エネルギ利用のための集光システム（実用ィヒ）と、そ の商用化規模の太陽光エネルギ利用の実証試験を行うための集光システム（実験） とについて、その主要諸元を示す。そして、実用化される集光システムについて、図 3 1に回転双曲面（図中に破線で示す）と、その回転双曲面に沿つて配置された反射 鏡セグメントの構成例を示す。

[0216] [表 1] 表 1 計算に用いた集光システムの諸元

上方焦点高さ 140m、下方焦点高さ 25mという条件を満たす回転双曲面は無数に 存在する。そこで、図 31に示すとおり、中心点高さ 116mから lmの間隔で 125mま で、 10個の回転双曲面にっ 、ての一部（太線で示されて 、る部分)を使って反射鏡 群を構成する場合にっ 、て検討した。

高さ 116mの回転双曲面は一番外側 (右）の部分を使用する。ここで、点 Aは、太陽 の中心力 発し外側から 5番目（系列番号 67：図 32の横軸参照）のへリオスタツトの 中心で反射した光線が、この回転双曲面上に照射される点である。

[0218] そして、この反射鏡群の構成において、回転双曲面の点 Aにおける接線を集光点 と集光面の中心とを結ぶ中心線 CLの回りに回転させた曲面 (形状は円錐台形)を考 える。系列 63〜系列 71 (図 32の横軸参照）のへリオスタツトからの光線力 この円錐 台形面で反射して下方焦点面 (集光面)を通過する際の半径方向座標を示したのが 図 32である。

[0219] 図 32における「へリオ外縁太陽内縁」は、ヘリオスタツトの外縁で反射された太陽光 を意味する。この太陽光が、中心から最も外側方向へのずれが大きい。逆に、内側 方向へのずれは、「へリオ内縁太陽外縁」の光線の場合が最も大きくなる。

[0220] この図 32から、ヘリオスタツト（1次反射鏡）によって集光される太陽光を反射して集 光面に収束させる 2次反射鏡を複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成す ることにより、 2次反射鏡を回転双曲面で構成される一枚の反射鏡で構成する場合よ りも、集光面での光の拡がりが小さくなることが分かる。

[0221] また、図 33は、集光面における熱流束の半径方向の分布を、本発明の太陽光集光 用反射装置による場合と、従来の場合とを対比して示す。この図 33から、本発明の 太陽光集光用反射装置による場合は、集光面における熱流束の半径方向の分布は 、中央部の集光倍率が下がり、周辺部（下方焦点面内位置の大きいところ:集光面の 中心力も外側に向力 部分)では上がっているのがわかる。これは、熱流束の平坦ィ匕 を示し、改質反応炉等の熱エネルギとして利用するために好ましぐ空間的に均一な 温度分布を与える熱流束の分布特性である。

[0222] (実施例 2)

上方焦点高さ 140m、下方焦点高さ 25mという条件を満たす回転楕円面で構成さ れる反射鏡セグメントからなる反射鏡群の構成例を図 34に示す。図 34に示す反射 鏡群は、中心点高さ 164mから lmの間隔で 155mまで、 10個の曲率半径が異なる 回転楕円面のそれぞれの一部（太線で示されて！/、る部分)を使って反射鏡セグメント を構成した例を示す。

この反射鏡群力もなる太陽光集光用反射装置では、ヘリオスタツトによって回転楕 円面の上方焦点に集光された太陽光は、各反射鏡セグメントで反射されて、回転楕 円面の下方焦点 (集光面）に、前記実施例 1と同様の光の拡がり（図 32に示す光の 拡がり）で収束される。

[0223] 次に、太陽光集光システムとして、 1km四方の平地の中央に高さ H = 120mのタヮ 一を設け、 1本のタワー周辺に配置した多数の第 1のへリオスタツトからタワーの頂部 に配置した集熱器に集光する場合を考える。ここで、太陽高度を 45度とすると、この エリアへの太陽からの直達エネルギーは約 700MWである。

[0224] (実施例 3)

座標原点（0, 0)をタワーの位置にとり、タワーを含む南北方向の諸量の分布を求 めた結果を図 35に示す。ここで、ヘリオスタツトは互いに光の干渉が生じない（ブロッ キンッグと陰を避けた)範囲で最も密に配置してあるものとする。

[0225] 図 35において、横軸は、南北方向の第 1のへリオスタツトの位置を示す。縦軸は、 陰とブロッキング長さは第 1のへリオスタツトの大きさとの比、受光量は第 1のへリオス タツトが太陽に正対して 、る場合の集光量 p に対する比を表す。

max

[0226] 図 35に示す結果から、第 1のへリオスタツトの受光量、陰長さ、ブロッキング長さとも にタワーの北側で顕著である。また、下記式で表される範囲では、陰のほうが、それ 以外ではブロッキングの方が長 、ことが分かる。

[数 13]

\y\ < H/tan(ji) = 120/tan(45) = 120

[0227] 第 1のへリオスタツトの配置間隔は、陰の長さとブロッキング長さのいずれ力長いほう で決まるため、この図 35に示す結果から、光の干渉を避けたヘリオスタツトの最密配 置の方法は、北側には受光量の大きい第 1のへリオスタツトが疎に、南では受光量の 少ない第 1のへリオスタツトを密に配置することになる。ヘリオスタツト 1基の受光量は、 北側で多ぐ南側で少ないので、タワーが 1本の場合に最小のへリオスタツトの基数 で最大の受光量を得るには、タワーの位置をフィールド中心から南側に移動させた 位置にするのが有利である。

また、北側に 4Hの位置でのブロッキング長さは、第 1のへリオスタツトの 4倍であり、 そのうちの地面が明るい部分は 2. 6H (ブロッキング長さから陰長さを差し引いた差 分)ちあることがゎカゝる。

[0228] 次に、図 36は、 2本のタワー (集光点）を有する太陽光集光システムに本発明を適 用したときの集光密度（南北方向のフィールド単位長さ当り回収できる光量)のフィー ルド平均値を理論値に対する比で示した。ここで、タワー (集光点）高さ H = 60m、南 北のフィールド長さは 8H=480m、フィールド中央は南端から、 240mの位置にある 。図 35に示す集光システムの 1Z2縮尺に相当する。図 36において、横軸は、南側 のタワーの座標を示す。

[0229] この集光システムにお 、て、北側のタワーは原点（フィールド中央）に対して南側の タワーと点対称な位置にある。

[0230] 図 36に示すように、タワー (集光点）がーつの場合と比較すると、明らかに、本発明 を適用した 2つのタワーを有する集光システムの方が、フィールド利用効率が高ぐ南 端から 2H付近に最大値を与える位置があることが分かる。この位置では、一つの集 光点を有する従来の集光システムの場合に比べて、約 1. 5倍の効率の改善が見ら れることが分力ゝる。

[0231] 幾何学的な相似の関係から、タワー高さに対する比が等しい南北の位置では同じ 結果を与えることを考慮すると、この結果を敷衍して、例えば、 H= 120m、南北 960 mのフィールド（図 35に示す態様)では、最適地点は、 2H = 240m付近に存在する ことが分力ゝる。

[0232] 図 37は、最適タワー位置での諸量として、集光密度、南向きへリオスタツト（第 1の ヘリオスタツト）の数密度、第 1のへリオスタツトと第 2のへリオスタツトの合計数密度、 合計の集光密度を計算した結果を示す。第 2のへリオスタツトは横軸 < 50mの領 域に第 1のへリオスタツトと混在し、その数は、破線 (南向きへリオスタツト（第 1のヘリ ォスタツト）の数密度）と、二点鎖線 (第 1のへリオスタツトと第 2のへリオスタツトの合計 数密度）との縦軸の値の差に相当する。

この図 37から、各タワーを中心とする 60m以内の領域 (全体の 50%)で太陽高度 4 5度の場合の理論集光密度 =0. 707を達成できていることが分かる。

[0233] 図 38は、理論集光密度を実現している領域（ 260く yく 180)において、埋め 込みをせずに北側のタワー（二本目）に集光させた集光システムの場合と、本発明の 集光システム (第 1のへリオスタツトと第 2のへリオスタツトの混在）の場合に必要なヘリ ォスタツト数の比較を示す。明らかに、ヘリオスタツトの設置個数は、本発明の場合で は少ないことが分かる。言い換えると、本発明におけるヘリオスタツトの埋め込み方式 では、所要の集光量を得るために必要なヘリオスタツトが少なくて済む効果がある。こ のケースでは 5%低減されることが分かる。

[0234] ヘリオスタツトの最適配置

次に、太陽とタワーが同じ方向に見える線上でのヘリオスタツトの配置について考え る。

まず、タワーの高さを 60mとし、タワーを中心とする半径 480mの領域での集光を考 慮して、タワーの位置を変数にして、相対的なメリットを算出した。ここで、設備費に占 めるヘリオスタツト関連コストをパラメータにした。図 39は太陽高度 45度の場合の計 算結果を示す。メリットの基準は、領域の中央にタワーが一本配置されている場合と した。

[0235] 図 39から、タワーが 1本の場合、メリットが最大になる最適点は、建設費全体に占め るへリオスタツトの設備費の割合が 0. 6、 0. 5, 0. 4に対応して、それぞれ、タワーの 南端から 120m、 150m, 180mになることが分かる。この位置は、太陽高度が 45度 の場合、タワーの高さを Hとすると、一般的に 2H,2. 5H, 3Hと表現することができる

[0236] これは、北半球ではタワーの北側でのヘリオスタツトの集光量が大、一方、隣接する ヘリオスタツトとの光の干渉 (陰と反射光の遮り）を避けて配置できる第 2のへリオスタ ットの単位面積当りの数 (数密度）は南側で大きい傾向があることによる。しかし、一本 のタワーを配置した集光システムでは、最適化後のメリットは、 1本のタワーをフィール ド中央に配置した場合と比べて、設備比 0. 5の場合で高々 2%程度にとどまつている 。また、必要な集光量を確保するためには広大な土地が必要である。このために、へ リオスタツトからタワー (集光点)までの光路長が長くなり、焦点面での光の広がり（希 釈）が生じ、レシーバを大型にする必要が生じるという悪影響が生じる。

[0237] 一方、図 17に示すとおり、 2つの集光点（タワー）を有する集光システムについて、 第 2のへリオスタツトを埋め込んだ場合にっ 、て考える。 この集光システムにおいて、タワーの北側では、 L<Hでは陰、 L>Hでは遮り（ブロ ッキング） 1S 第 1のへリオスタツトの配置間隔を決定する。ブロッキングの領域には地 面に陽が当たる場所があり、これがフィールド利用効率を低下させている。そこに北 向きに第 2のへリオスタツトを配置して、 2番目のタワーに集光させる。光路が逆向き かつタワーとの距離が短いので、光の干渉は少なぐ効率的に第 2のへリオスタツトを 配置できる。

[0238] また、 L=Hの場合は、第 2のへリオスタツト同士の間隔も陰によって支配されるので 、照射面は完全に消えフィールド効率は 100%になる。ここで、この配置方法を、完 全被覆と呼ぶことにする（図 22参照)。南北の両端から同一距離離れた位置に 2本の タワーを配置し、その距離を変数にした。パラメータは、ヘリオスタツトの設備費割合 である。また、タワーの設備費割合を 10%/本とした。この場合、メリットが最大になる タワーの最適位置は南北端から、 L= 100〜： L 10m= l . 7〜1. 8H程度の地点にあ り、タワー (集光点）がー本の場合より、やや端に近い。また、最適位置のへリオ設備 費割合への依存性が小さいことがわかる。基準のケースに比べて、集光量は 38% ( ベネフィット増）、ヘリオスタツトの数は 25%増え、また、タワーが 1本増加する（コスト 増)結果、全へリオスタツトの全設備費に占める割合、すなわち、設備比が 0. 5の場 合に、 1本のタワーをフィールド中央に配置した場合と比べてメリットは 15. 5% ( = 38 -0. 5 * 25— 10)にも向上する。最適化された 1本タワーのケースと比べても 13. 5 % (= 15. 5- 2)のエネノレギ原価の低減がある。

図面の簡単な説明

[0239] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る太陽光集熱器の概形を示す模式図である。

[図 2] (a)は、図 1に示す太陽光集熱器の模式断面図、（b)は (a)に示す A— A線断 面図である。

[図 3]太陽光集熱器における熱収支を説明する図である。

[図 4]太陽光集熱器の断面形状と受光面における熱フラックス分布に関するシミュレ ーシヨン結果を示す図である。

[図 5]集熱体の形状例を示す模式図である。

[図 6]第 1の実施形態の太陽光集熱器の受光面における温度分布のシミュレーション 結果を示す図である。

[図 7] (a)は、集熱体を構成する熱媒体流通管を 8条卷きに形成した例を示す斜視図 、（b)は、（a)における B— B線断面図である。

圆 8]本発明の第 2の実施形態に係る太陽光エネルギ利用システムを示す概念図で ある。

[図 9] (a)は、本発明の第 3の実施形態に係る太陽光集熱器の概形を示す模式図、 ( b)はその変形例を示す模式図、（c)は、（a)および (b)における B— B線断面および C C線断面を示す図である。

[図 10] (a)および (b)は、それぞれ図 9 (a)および (b)の好まし 、形態を示す模式断面 図、（c)は、（a)および (b)における B— B線断面および C C線断面を示す図である

[図 11]黒色にした混合溶融塩を熱媒体として用いた場合の集熱体の内外における温 度分布をシミュレーションした結果を示す図である。

圆 12]透明な熱媒体を用いた場合の集熱体の内外における温度分布をシミュレーシ ヨンした結果を示す図である。

圆 13]本発明の第 4の実施形態に係る太陽光エネルギ利用システムを示す概念図で ある。

圆 14]本発明の第 5の実施形態に係る太陽光集光用反射鏡を説明する図である。 圆 15]太陽の視差角の存在に起因して集光面に収束される太陽光が拡がりを有する ことを示す概念図である。

圆 16]本発明の第 6の実施形態に係る太陽光エネルギ利用システムの構成例を示す 概念図である。

圆 17]本発明の第 7の実施形態に係る太陽光集光システムを示す模式図である。

[図 18] (a)は第 1のへリオスタツトを示す斜視図、 (b)は第 2のへリオスタツトを示す模 式図、（c)は第 2のへリオスタツトの設置例を示す図である。

[図 19]第 1のへリオスタツトの陰長さと方向の時刻変化と第 2のへリオスタツトの動きに っ 、てシミュレーションした結果を示す図である。

[図 20]太陽力 の入射光、タワーへの反射光と、第 1のへリオスタツトによる陰および 反射光の遮り（ブロッキング)の関係を示す図である。

[図 21] 1本のタワーがフィールド中央に立つ場合におけるヘリオスタツトに関わる諸量 の南北方向分布を示す図である。

[図 22] (a)は 2つのへリオスタツト群を南北方向に直列に配置した場合の太陽光の集 光状態を示す概念図、 (b)は複数のへリオスタツト群を南北方向に直列に配置した構 成を示す概念図である。

[図 23] (a)は集光点を三角格子状に形成する集光システムを示す模式図、 (b)は (a) に示す集光システムを構成するユニットを示す模式図である。

[図 24]開放ブレイトンサイクル型の発電システムの具体例を示す概念図である。

[図 25]ガスタービン発電システムの具体例を示す概念図である。

圆 26]二酸化炭素の圧縮率係数 zの温度圧力依存性を示す図である。

圆 27]図 25に示した再生熱交翻と中間熱交翻 108とを備えるガスタービン発電 システムと、再生サイクルを有しないガスタービン発電システムとについて、比出力一 サイクル熱効率の関係を示す図である。

圆 28]サイクル熱効率の膨張比依存性を示す図である。

圆 29]再生熱交翻の効率がサイクル熱効率に及ぼす影響を示す図である。

[図 30]太陽光エネルギ複合利用システムの具体例を示す概念図である。

圆 31]本発明の太陽光集光用反射鏡における反射鏡群の構成例を説明する図であ る。

[図 32]集光面における光の拡がりを示す図である。

[図 33]複数の反射鏡セグメントで構成したことによって、集光面における熱流束分布 が平坦になることを示す図である。

[図 34]各反射鏡セグメントを回転楕円面で構成した反射鏡群の例を示す図である。

[図 35]太陽光集光システムとして、 1本のタワー (集光点）の周辺に配置した多数の第 1のへリオスタツトからタワーの頂部に配置した集熱器に集光する場合について、南 北方向の諸量の分布を求めた結果を示す図である。

圆 36]2本のタワー (集光点）を有する太陽光集光システムに本発明を適用したときの 集光密度 (南北方向単位長さ当り回収できる光量)のフィールド平均値をタワーの位 置を変数にして示す図である。

圆 37]2つの集光点 (タワー）を有する本発明の集光システムについて最適な集光点 における諸量を計算した結果を示す図である。

[図 38]2つの集光点（タワー）を有する集光システムについて、本発明の集光システム では、同一の光量を得るに必要なヘリオスタツトの数が少ないことを示す図である。

[図 39]太陽高度 45度の場合のへリオスタツトの最適配置を計算した結果を示す図で ある。

[図 40]従来のビームダウン方式の太陽光集光システムの 1例を示す模式図である。 符号の説明

1 太陽光集熱器

2 受光面

3 集熱体

4 太陽光導入口

5 熱媒体導入部

6 熱媒体導出部

7 熱媒体流通管

11 反射鏡群

12 ヘリオスタツト（1次反射鏡)

13 集光面 (集熱器）

21 第 1反射鏡セグメント

22 第 2反射鏡セグメント

23 第 3反射鏡セグメント

24 第 4反射鏡セグメント

25 第 5反射鏡セグメント

26 第 6反射鏡セグメント

21a, 22a, 23a, 24a, 25a, 26a

31 太陽光集光システム

32 第 1のへリオスタツト 第 2のへリオスタツト

Claims

請求の範囲

[1] 内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、

前記太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光 集熱器であって、

前記集熱体は、前記太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有する ように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された ことを特徴とする太陽光集熱器。

[2] 前記受光面が、光吸収性耐熱処理されて！ヽることを特徴とする請求項 1に記載の 太陽光集熱器。

[3] 内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、

前記集熱体の底部に設けられ、前記太陽光導入ロカ 導入された太陽光によって 加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、 前記集熱体は、前記熱媒体導入部から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜 流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体を導出させるように構成されたことを特徴と する太陽光集熱器。

[4] 前記熱媒体は、光吸収物質を含むことを特徴とする請求項 3に記載の太陽光集熱

[5] 前記受光面に設けられた前記熱媒体の流下案内条および Zまたは前記太陽光導 入口に設けられた石英ガラス窓を備えることを特徴とする請求項 3または請求項 4に 記載の太陽光集熱器。

[6] 前記集熱体は、外側に断熱部を備えることを特徴とする請求項 1〜請求項 5のいず れカ 1項に記載の太陽光集熱器。

[7] 前記集熱体は、前記太陽光導入口に断熱遮断機構を備えることを特徴とする請求 項 1〜請求項 5のいずれか 1項に記載の太陽光集熱器。 請求項 1〜請求項 6のいずれか 1項に記載の太陽光集熱器を備える太陽光エネル ギ利用システム。

請求項 1〜請求項 6のいずれか 1項に記載の太陽光集熱器力 導出される熱媒体 が有する熱を利用して発電または産業プロセスの加熱を行なう太陽光エネルギ利用 システム。

請求項 1〜請求項 6のいずれか 1項に記載の太陽光集熱器力 導出される熱媒体 の温度が日射量の変化によって変動せずに所定値を保持するように、前記熱媒体導 入部からの熱媒体の導入量を調節する機構を備える太陽光集熱器。

複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反射して集熱器に 収束させる太陽光集光用反射装置であって、

複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記 集熱器に太陽光を収束させる反射面を有することを特徴とする太陽光集光用反射装 置。

前記反射鏡群を構成する各反射鏡セグメントの反射面が、前記太陽光の集光点を 共焦点とし、相異なる曲率半径を有する回転二次曲面に沿って配置されていることを 特徴とする請求項 11に記載の太陽光集光用反射装置。

前記反射鏡群が、前記集光点から前記集熱器に向かう方向に沿って配置された n 個（nは 2以上の整数)の反射鏡セグメントで構成され、前記集光点 F1に近 、側から k 番目の反射鏡セグメント Sの反射面が配置される回転二次曲面の曲率半径 R (kは 1 k k

< ≤11 1の整数）と、 k+ 1番目の反射鏡セグメント S の反射面が配置される回転 k+1

二次曲面の曲率半径 R とが、 R <R となるように構成されていることを特徴とする k+1 k k+1

請求項 12に記載の太陽光集光用反射装置。

前記反射鏡セグメントの反射面力 前記回転二次曲面の一部で形成されていること を特徴とする請求項 12または請求項 13に記載の太陽光集光用反射装置。

前記反射鏡セグメントの反射面力 前記回転二次曲面の接平面で形成されている ことを特徴とする請求項 12または請求項 13に記載の太陽光集光用反射装置。

前記反射鏡セグメントの反射面力 前記回転二次曲面の一部または接平面である 複数の反射鏡ユニットの集合体で構成されていることを特徴とする請求項 12または 請求項 13に記載の太陽光集光用反射装置。

[17] 前記回転二次曲面が、回転双曲面および回転楕円面力 選ばれる少なくとも 1種 の曲面であることを特徴とする請求項 14〜請求項 16のいずれか 1項に記載の太陽 光集光用反射装置。

[18] 前記複数の反射鏡セグメントが、前記複数の 1次反射鏡によって前記集光点に向 けて集光される太陽光およびその反射光の光路上で重複しな 、ように配置されて 、 ることを特徴とする請求項 11〜請求項 17のいずれか 1項に記載の太陽光集光用反 射装置。

[19] 前記反射鏡セグメントの反射面が、前記回転二次曲面に沿って、前記太陽光の集 光点と前記集熱器の集光面の中心とを結ぶ中心線を軸中心とする環状に形成され て ヽることを特徴とする請求項 11〜請求項 18の 、ずれか 1項に記載の太陽光集光 用反射装置。

[20] 請求項 11〜請求項 19のいずれか 1項に記載の太陽光集光用反射装置を備えるこ とを特徴とする太陽光エネルギ利用システム。

[21] 前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、

前記太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光 集熱器であって、

前記集熱体は、前記太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有する ように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された 太陽光集熱器であることを特徴とする請求項 20に記載の太陽光エネルギ利用システ ム。

[22] 前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、

前記集熱体の底部に設けられ、前記太陽光導入ロカ 導入された太陽光によって 加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、 前記集熱体は、前記熱媒体導入部から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜 流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体を導出させるように構成された太陽光集熱 器であることを特徴とする請求項 20に記載の太陽光エネルギ利用システム。

[23] 複数のへリオスタツト群を備え、各へリオスタツト群は、そのへリオスタツト群を構成す る複数のへリオスタツトによって、それぞれ太陽光の集光点を 1つ形成する太陽光集 光システムであって、

一の集光点 Faに太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Aを構成する複数のへリオス タツト An (nは 2以上の整数)の間の太陽光が照射されている場所に、他の集光点 Fb に太陽光を集光させるヘリオスタツト群 Bを構成する複数のへリオスタツト Bm (mは 2 以上の整数)を配置し、ヘリオスタツト Anによる反射光の光路と、ヘリオスタツト Bmに よる反射光の光路とが、各へリオスタツトが属するヘリオスタツト群の集光点に向けて 形成されるようにへリオスタツト Anおよびへリオスタツト Bmが配置されて ヽることを特 徴とする太陽光集光システム。

[24] 前記へリオスタツト Anと、前記へリオスタツト Bmと力 同一または異なる形態を有す ることを特徴とする請求項 23に記載の太陽光集光システム。

[25] 北半球では前記一の集光点 Faの北側に、南半球では前記一の集光点 Faの南側 に、前記他の集光点 Fbが形成されるように、前記へリオスタツト群 Aと前記へリオスタ ット群 Bとが配置されていることを特徴とする請求項 23または請求項 24に記載の太陽 光集光システム。

[26] 前記へリオスタツト群 Aが複数の第 1のへリオスタツトより構成され、前記へリオスタツ ト群 Bが、複数の第 2のへリオスタツトより構成され、前記へリオスタツト群 Bによる集光 点 Fbは、集光システムが設置される地域が北半球に位置する力、または南半球に位 置するかに応じて、前記へリオスタツト群 Aによって形成される集光点 Faの北側また は南側に形成され、

前記第 1のへリオスタツトは、反射鏡面が太陽と前記集光点 Faに対面する方向に配 向されるように配置され、

前記第 2のへリオスタツトは、反射鏡面が太陽と前記集光点 Fbに対面する方向に配 向されるように、前記へリオスタツト群 Aを構成する複数の第 1のへリオスタツト An (n は 2以上の整数)の間の太陽光が照射されている場所に、前記第 1のへリオスタツトょ りも地面に近接した位置に配置されていることを特徴とする請求項 23〜請求項 25の いずれか 1項に記載の太陽光集光システム。

[27] 前記第 2のへリオスタツトが、前記太陽を追尾して日中の時刻または季節に応じて、 反射鏡面に最大の太陽光を受光できるように、配置位置を移動可能および反射鏡面 を可動自在に構成されていることを特徴とする請求項 26に記載の太陽光集光システ ム。

[28] 前記へリオスタツト群 Aと、前記へリオスタツト群 Bとが、南北方向に沿って交互に配 列され、隣接するへリオスタツト群 B (hiは 1以上の整数）とへリオスタツト群 A (kl

hi kl は 2以上の整数）とが、 1つの集光点を形成することを特徴とする請求項 27に記載の 太陽光集光システム。

[29] 3つのへリオスタツト群力 なるユニットを含み、前記ユニットを構成するへリオスタツ ト群によって形成される 3つの集光点が、底辺が東西方向に配向された三角形の頂 点上に位置するように、各へリオスタツト群を配列したことを特徴とする請求項 23〜請 求項 27のいずれか 1項に記載の太陽光集光システム。

[30] 前記三角形が、底辺が東西方向に配向され、残る頂点が北半球では前記底辺の 北側に配置され、南半球では前記底辺の南側に配置された二等辺三角形であること を特徴とする請求項 29に記載の太陽光集光システム。

[31] 前記ユニットを東西方向および南北方向に三角格子状に配列したことを特徴とする 請求項 7または請求項 30に記載の太陽光集光システム。

[32] 請求項 23〜請求項 31のいずれか 1項に記載の太陽光集光システムにおける複数 のへリオスタツト群によって形成される各集光点に集熱器を配置して、集光される太 陽光のエネルギを回収することを特徴とする太陽光エネルギ利用システム。

[33] 請求項 23〜請求項 31のいずれか 1項に記載の太陽光集光システムにおける複数 のへリオスタツト群によって形成される各集光点に、回転二次曲面状の反射面を有す る反射鏡を配置して、前記反射鏡の下部に配置した集熱器に太陽光^^光させ、集 光される太陽光の熱エネルギを回収することを特徴とする太陽光エネルギ利用シス テム。 [34] 請求項 23〜請求項 31のいずれか 1項に記載の太陽光集光システムによって集光 される太陽光の熱エネルギーを、発電または産業プロセスに利用する太陽光エネル ギ利用システム。

[35] 前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、

前記太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光 集熱器であり、

前記集熱体は、前記太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有する ように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された 太陽光集熱器であることを特徴とする請求項 31〜請求項 33のいずれか 1項に記載 の太陽光エネルギ利用システム。

[36] 前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、

前記集熱体の底部に設けられ、前記太陽光導入ロカ 導入された太陽光によって 加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であり、 前記集熱体は、前記熱媒体導入部から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜 流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体を導出させるように構成された太陽光集熱 器であることを特徴とする請求項 31〜請求項 33のいずれか 1項に記載の太陽光ェ ネルギ利用システム。

[37] 前記反射鏡が、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反 射して集熱器に収束させる太陽光集光用反射装置であって、

複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記 集熱器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光用反射装置であることを特 徴とする請求項 31〜請求項 32のいずれか 1項に記載の太陽光エネルギ利用システ ム。

[38] 前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、 前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体に熱媒体を導入する熱媒体導入部と、

前記太陽光によって加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光 集熱器であって、

前記集熱体は、前記太陽光導入口に向かって収束する湾曲状の受光面を有する ように、前記熱媒体が内部を流通する熱媒体流通管を螺旋状に卷回して形成された 太陽光集熱器であり、

前記反射鏡が、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反 射して集熱器に収束させる太陽光集光用反射装置であって、

複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記 集熱器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光用反射装置であることを特 徴とする請求項 31〜請求項 33のいずれか 1項に記載の太陽光エネルギ利用システ ム。

前記集熱器が、内面に太陽光を受光する受光面を有する集熱体と、

前記集熱体の一端に開口された太陽光導入口と、

前記集熱体の上部に設けられた熱媒体導入部と、

前記集熱体の底部に設けられ、前記太陽光導入ロカ 導入された太陽光によって 加熱された熱媒体を導出する熱媒体導出部とを備える太陽光集熱器であって、 前記集熱体は、前記熱媒体導入部から前記受光面の表面に沿って熱媒体を液膜 流下させて前記熱媒体導出部から熱媒体を導出させるように構成された太陽光集熱 器であり、

前記反射鏡が、複数の 1次反射鏡によって集光点に向けて集光される太陽光を反 射して集熱器に収束させる太陽光集光用反射装置であって、

複数の反射鏡セグメントからなる反射鏡群で構成され、各反射鏡セグメントは、前記 集熱器に太陽光を収束させる反射面を有する太陽光集光用反射装置であることを特 徴とする請求項 31〜請求項 33のいずれか 1項に記載の太陽光エネルギ利用システ ム„