WO2011077806A1 - 太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システム - Google Patents

Abstract

　本発明の太陽光受熱器は、内部に熱媒体が流通するとともに、照射される太陽光の熱を熱媒体に伝達する受熱管を有し、前記受熱管の内部を、太陽光が照射される受光面の第１流路と、太陽光の照射方向における前記第１流路と反対側であって非受光面の第２流路と、に区画する仕切部材を備えている。

Description

太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システム

　本発明は、太陽光線を受光して高温の熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを熱伝達により熱媒体に伝える太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システムに関する。
　本願は、２００９年１２月２４日に日本出願された特願２００９－２９１６３７に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　近年、環境に影響を与えないクリーンなエネルギーとして、太陽光線を集光して得られる熱エネルギーを利用した装置が知られている。このような装置として、太陽光線を集光して得られる熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う太陽光集光受熱システム（以下、集光受熱システムという）の開発が進められている。

　上述した集光受熱システムにおいて、太陽光線を集光する方式の一つとしてタワー集光方式という方式がある。
　タワー集光方式とは、地上に建てられたタワー部の上部に集光受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲に太陽光線を追尾するように動作制御された複数のヘリオスタットを配置し、ヘリオスタットで反射される太陽光線を集光受熱器に導くことで集光・集熱するものである。

　図１５は、従来の集光受熱器をケーシングの軸方向から見た断面図である。
　図１５に示すように、従来の集光受熱器５００は、図示しないタワー部の上部に設置され、有底筒状のケーシング５０２と、複数の受熱管５０３とを有している。ケーシング５０２は、ヘリオスタットで反射される太陽光線が入射する開口部５０１を有する。複数の受熱管５０３は、軸方向がケーシング５０２の中心軸と平行になるようにして、ケーシング５０２の内壁面に沿って配列され、ケーシング５０２内に入射した太陽光線を受光する。

　ところで、上述した集光受熱器５００では、各受熱管５０３の周方向（外周面）において大きな温度差が生じるという問題がある。具体的に、ヘリオスタットで反射された太陽光線Ｈ’は、開口部５０１からケーシング５０２内に入射し、開口部５０１からケーシング５０２内周に向かって進む。そのため、受熱管５０３における太陽光線Ｈ’の照射方向手前の面（受熱管５０３の外周面においてケーシング５０２の径方向内方を向いた面）は、太陽光線Ｈ’を直接受光する受光面５０３ａとなり、太陽光線Ｈ’の照射方向奥の面（受熱管５０３の外周面においてケーシング５０２の径方向外方を向いた面）は太陽光線Ｈ’を直接受光できない非受光面５０３ｂとなる。その結果、非受光面５０３ｂでは太陽光線Ｈ’による熱エネルギーを効率的に得ることができないため、受光面５０３ａと非受光面５０３ｂとの間で温度差が大きくなるという問題がある。

　この場合、受光面５０３ａと非受光面５０３ｂとの温度差に起因して熱応力が発生する。これにより、受熱管５０３が変形して、受熱管５０３自体や複数の受熱管５０３を集合させるヘッダ（不図示）との接続部分等に応力が集中する虞がある。また、太陽光線Ｈ’は、昼夜のサイクルや、天候等により日射量が変動するため、受熱管５０３にはそれらの日射量変化の影響によっても温度変化が生じる。そして、温度変化の度に受熱管５０３は熱応力による変形を繰り返すことで、疲労寿命が低下する虞もある。

　そこで、例えば特許文献１には、受熱管の補強、及び受光面と非受光面との熱伝達の向上を図るために、受熱管の受光面と非受光面とを接触させる支持体を挿入する構成が開示されている。

特開昭５６－１０５２５０号公報

　しかしながら、上述した特許文献１の構成のように、受熱管の内部に設けられた支持体による受光面と非受光面との熱伝導だけでは、受光面と非受光面との温度差を十分に低減することが難しく、受熱管には未だ大きな熱応力が作用する。その結果、上述したように応力集中や疲労寿命の低下等により、受熱管５０３の耐久性が低下するという問題がある。

　そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、受熱管における受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することで、受熱管の耐久性の向上を図ることができる太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システムの提供を目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の太陽光受熱器では、内部に熱媒体が流通するとともに、照射される太陽光の熱を熱媒体に伝達する受熱管を有する太陽光受熱器であって、前記受熱管の内部を、太陽光が照射される受光面（照射側）の第１流路と、太陽光の照射方向における前記第１流路と反対側であって非受光面（非照射側）の第２流路と、に区画する仕切部材を備えている。

　そして、このような構成の太陽光受熱器によれば、熱媒体が流通する受熱管を太陽光線の受光面（照射側）の第１流路と、非受光面（非照射側）の第２流路とに区画することで、第１流路と第２流路とで熱媒体の流通条件をそれぞれ設定することができる。
　この場合、例えば第１流路内に流通する熱媒体の流量が、第２流路内に流通する熱媒体の流量に比べて多くなるように設定することで、第１流路から熱媒体への熱伝達の効率は、第２流路から熱媒体への熱伝達の効率に比べて高くなる。すなわち、第１流路での熱媒体への熱伝達を、第２流路での熱媒体への熱伝達よりも積極的に行わせることで、熱媒体への熱伝達による第２流路の温度低下を、第１流路の温度低下に比べて抑制することができる。これにより、太陽光の受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することができるので、両側間での温度差に起因して発生する熱応力を低減することが可能となる。その結果、応力集中や、応力の繰り返し発生による疲労寿命の低下を抑制することができるので、受熱管の耐久性を向上させることができる。

　本発明の太陽光受熱器では、前記第２流路への熱媒体の流入を制限する制限手段を有していてもよい。
　この場合、制限手段により第２流路内へ流入する熱媒体の流量を制限することで、第１流路内を流通する熱媒体の流量を、第２流路内に流通する熱媒体の流量に比べて多くすることができる。その結果、上述したように第１流路から熱媒体への熱伝達の効率を、第２流路から熱媒体への熱伝達の効率に比べて高くすることができる。その結果、上述したように受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することができる。

　本発明の太陽光受熱器では、複数の前記受熱管と、前記複数の受熱管における熱媒体の流通方向上流端が連結され、前記複数の受熱管に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダとを備えていてもよい。前記熱媒体導入ヘッダは、前記受熱管の前記第１流路に連通する第１ヘッダと、前記受熱管の前記第２流路に連通する第２ヘッダとを備え、前記第２ヘッダに前記制限手段が設けられていてもよい。
　この場合、熱媒体導入ヘッダを第１ヘッダと第２ヘッダとに区画するとともに、第２ヘッダに制限手段を設けることで、複数の受熱管の第２流路に対して一括して流量を制限することができる。これにより、上述したように第１流路から熱媒体への熱伝達の効率を、第２流路から熱媒体への熱伝達の効率に比べて高くすることができる。その結果、上述したように受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することができる。

　本発明の太陽光受熱器では、前記第１流路と前記第２流路とは、熱媒体の流通方向一端で連通していてもよい。熱媒体は、前記第１流路の流通方向他端から供給され、前記第２流路の流通方向他端から排出されていてもよい。
　この場合、熱媒体が第１流路から流入して、第２流路から排出されるため、第１流路には比較的低温の熱媒体が、第２流路には第１流路で熱交換された比較的高温の熱媒体が流通することになる。すなわち、第１流路と第１流路内を流通する熱媒体との温度差は、第２流路と第２流路内を流通する熱媒体の温度差に比べて大きくなる。そのため、第１流路での熱媒体への熱伝達が、第２流路での熱媒体への熱伝達よりも積極的に行われることになるので、熱媒体への熱伝達による第２流路の温度低下を、第１流路の温度低下に比べて抑制することができる。その結果、受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することができる。

　本発明の太陽光受熱器では、複数の前記受熱管と、前記複数の受熱管における前記第１流路の流通方向他端が連結され、前記各第１流路に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダと、前記第２流路の流通方向他端が連結され、前記各第２流路から熱媒体が導出される熱媒体導出ヘッダとを備えていてもよい。
　この場合、受熱管は、他端のみで熱媒体導入ヘッダ及び熱媒体導出ヘッダに連結されているので、一端は自由端となっている。そのため、仮に受熱管が温度変化により変形した場合であっても、この変形が許容されることになるので、受熱管に作用する熱応力を低減することができる。

　本発明の太陽光集光受熱システムでは、地上に設置され、太陽光線を反射する複数の反射鏡と、前記地上から建てられたタワー部と、前記タワー部に支持され、太陽光線を集光する開口部を有するケーシングと、前記ケーシング内に収容された上記本発明の太陽光受熱器とを備えている。
　このような構成の太陽光集光受熱システムでは、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減した上で、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる。

　本発明の太陽光受熱器では、受熱管における受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することで、受熱管の耐久性を向上させることができる。
　また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減した上で、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる。

実施形態における発電装置を側面から見た図である。 実施形態における発電装置を上面から見た図である。 実施形態における発電装置を上面から見た断面図である。 実施形態における発電装置を側面から見た断面図である。 実施形態における集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。 実施形態における受熱部の斜視図である。 図３ＢのＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図６の矢印Ｂから見た斜視図である。 受熱部の拡大斜視図である。 第２実施形態の受熱部を一部破断して示す平面図である。 第３実施形態の受熱部を示す断面図である。 第４実施形態の受熱部を示す断面図である。 第４実施形態の受熱部を示す断面図である。 第５実施形態の集光受熱器を軸方向から見た断面図である。 制限手段の他の構成を示す受熱管の斜視図である。 受熱管の他の構成を示す受熱管の斜視図である。 従来の集光受熱器を軸方向から見た断面図である。

　次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、本発明の太陽光集光受熱器と、太陽光集光受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行う発電ユニットとが一体的に構成された太陽熱発電装置（以下、発電装置という）を例にして説明する。

　（発電装置）
　図１，２は、ヘリオスタットと、タワー上の集光受熱器との位置関係を示す説明図であり、図１は側面図、図２は平面図である。なお、地球上で発電装置の立地に適する場所は、太陽からの直達日射が強く良好な回帰線に近い亜熱帯高圧帯の乾燥地域である。そこで、本実施形態の発電装置では、特に亜熱帯高圧帯の中における低緯度地域に配置される全周配置方式の発電装置について説明する。
　図１において、符号１で示すものは、グランドＧに設けられたヘリオスタットフィールドである。発電装置１００は、このヘリオスタットフィールド１に照射される太陽光線Ｈを集光し受熱する集光受熱システム１０１と、集光受熱システム１０１で受熱した熱により加熱された熱媒体を用いて発電を行う発電ユニット１０２とを備えている。

　（集光受熱システム）
　集光受熱システム１０１は、ヘリオスタットフィールド１上に配置され、太陽光線Ｈを反射するための複数のヘリオスタット２と、グランドＧに建てられたタワー部３と、タワー部３の上部に設置されたハウジング１２と、ハウジング１２内に収納されて太陽光線Ｈを受光する集光受熱器１０とを備えている。ここで、本実施形態では、タワー部３は、ヘリオスタットフィールド１のほぼ中央に配置されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド１内のヘリオスタット２は、タワー部３を約３６０度全周囲むように配置されている（図２参照）。

　ハウジング１２は、軸方向と鉛直方向とが一致した状態で配置された有底筒状のものである。ハウジング１２の上面は閉塞される一方、下面における径方向中央部には、グランドＧに向けて開口する開口部１５が形成されている。また、ハウジング１２内には、軸方向における上部と下部とを仕切る仕切床１６が設けられている。仕切床１６で仕切られた上部空間は発電ユニット１０２が配置されたタービン発電機室１７、下部空間は集光受熱器１０が配置された集光室１８となっている。

　タワー部３は、グランドＧからハウジング１２の下面に向かって建てられた複数（例えば、４本）の支柱２１と、各支柱２１間を架け渡すように連結された梁部２２とを備えている。

　（発電ユニット）
　図３Ａは発電装置を上面から見た断面図、図３Ｂは側面から見た断面図である。
　図３Ｂに示すように、発電ユニット１０２は、ハウジング１２のタービン発電機室１７内に収納されており、圧縮機２３及びタービン２４からなるガスタービン２５と、吸気フィルター２６と、再生熱交換器２７と、発電機２８とを主に備えている。

　ガスタービン２５は、減速機３１を介して発電機２８に連結された回転可能なロータ３０を備え、このロータ３０に対して同軸上に配置されるように圧縮機２３及びタービン２４が取り付けられている。
　圧縮機２３は、ハウジング１２の外部に設けられた図示しない供給源から空気供給路３５を流通して供給される空気を、ハウジング１２の空気取込口２９から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成する。圧縮機２３には、圧縮機２３で圧縮された圧縮空気が集光受熱器１０の上流端に向けて流通する受熱器供給路３２が接続されている（図４参照）。そして、集光受熱器１０で加熱された圧縮空気は、集光受熱器１０の下流端に接続されたタービン供給路３３を通ってタービン２４に供給される（図４中矢印Ｆ２参照）。
　タービン２４は、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーをロータ３０の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力されることで、発電が行われる。そして、タービン２４内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなって空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。

　吸気フィルター２６は、空気供給路３５上における供給源と圧縮機２３との間に配置され、供給源から供給される空気中に含まれる塵埃等を圧縮機２３に供給される前段で除去する。
　また、再生熱交換器２７には、受熱器供給路３２と空気排出路３４とが接続されている。再生熱交換器２７において、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気と、空気排出路３４内を流通する排出ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気が集光受熱器１０に供給される前段で予備加熱される。

　（集光受熱器）
　図４は、集光受熱器の一部を破断して示す斜視図である。
　図３Ａ，図３Ｂ，及び図４に示すように、集光受熱器１０は、ハウジング１２の集光室１８に収納されており、ケーシングとなる受熱器本体４１と、受熱器本体４１の内部に設けられ、ヘリオスタット２で反射された太陽光線Ｈが照射されて受熱する受熱部４２とを有する。
　受熱器本体４１は、軸方向がハウジング１２の軸方向に一致した状態で配置された有底筒状のものである。受熱器本体４１の上部は天板部４３により閉塞される一方、下部にはグランドＧに向けて開口する開口部４４が形成されている。そして、受熱器本体４１の天板部４３と仕切床１６とは、複数のフック部材４５（図３Ｂ参照）により連結されており、これらフック部材４５により受熱器本体４１は仕切床１６から吊り下げられた状態で集光室１８内に収納されている。なお、後述するがフック部材４５の下端部は受熱器本体４１を貫通しており、受熱部４２にも連結されている。すなわち、集光受熱器１０の受熱器本体４１及び受熱部４２は、ともに同一のフック部材４５により支持されている。

　受熱器本体４１の開口部４４の端面位置は、ハウジング１２の下面に対して鉛直方向において同位置に配置されており、ヘリオスタット２で反射された太陽光線Ｈは、開口部４４から受熱器本体４１内に取り込まれる。また、受熱器本体４１の下部には、開口部４４（下方）に向かって内径が漸次縮小するテーパ部４６が形成されている。

　また、受熱器本体４１の内壁面には、全域に亘って断熱材４７（図４参照）が取り付けられている。これにより、受熱器本体４１内の熱エネルギーが、受熱器本体４１の壁面から外部に向けて放射されることを抑制することができる。

　図５は受熱部の斜視図である。
　図３Ａ～５に示すように、受熱部４２は、複数の受熱管５１と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向上流端がまとめて接続された低温ヘッダ（（熱媒体導入ヘッダ））５２と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向下流端がまとめて接続された高温ヘッダ（熱媒体導出ヘッダ）５３とを備えている。

　低温ヘッダ５２は、受熱器本体４１のテーパ部４６を囲むように配置された環状の部材であり、その外周面には圧縮機２３と受熱部４２との間を接続する複数の受熱器供給路３２が設けられている。受熱器供給路３２は、低温ヘッダ５２の周方向に沿って等間隔に配置されており、受熱器供給路３２から低温ヘッダ５２内に供給された圧縮空気が低温ヘッダ５２の全域に行き渡る。このように、低温ヘッダ５２が受熱器本体４１の外部に配置されているので、低温ヘッダ５２の材料として耐熱性の高い材料を用いる必要がない。そのため、装置コストの低減を図ることができる。

　高温ヘッダ５３は、受熱器本体４１内において天板部４３の外周に沿って配置された環状の部材である。高温ヘッダ５３の内周には、径方向中心に向かって延びる複数（例えば、４本）の流出管５５が周方向に沿って等間隔に形成されている。これら流出管５５は、高温ヘッダ５３の径方向中心で集合してタービン供給路３３を構成している。そして、タービン供給路３３は、天板部４３及び仕切床１６を鉛直方向に沿って貫通してタービン発電機室１７まで延ばして、下流端でタービン２４に接続されている。なお、高温ヘッダ５３には、上述した複数のフック部材４５が連結されており、これにより受熱部４２が仕切床１６に吊り下げ支持されている。

　図６は図３ＢのＡ－Ａ線に沿う断面図であり、図７は図６の矢印Ｂから見た斜視図である。
　図４～図７に示すように、受熱管５１は、その軸方向が受熱器本体４１の軸方向と平行になるように配置された部材であり、受熱器本体４１の内壁面における周方向全周に亘って複数配列されている。各受熱管５１の下端部（上流端）は、テーパ部４６を貫通して低温ヘッダ５２の上部にそれぞれ接続される一方、上端部（下流端）は受熱器本体４１内で高温ヘッダ５３の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温ヘッダ５２を流通する圧縮空気は各受熱管５１内に分散され、各受熱管５１内で加熱された後、再び高温ヘッダ５３で集合する。

　図６に示すように、各受熱管５１は、受熱器本体４１の周方向において隣接する受熱管５１との間に間隔を空けた状態で、所定の管ピッチ（配列ピッチ）Ｐ毎に互いに平行に配列されている。なお、管ピッチＰとは、受熱器本体４１の周方向において、隣接する受熱管５１の中心軸（例えば、Ｏ１，Ｏ２）間の距離である。そして、受熱管５１の外周面において、受熱器本体４１の径方向内方を向いた約１８０度の領域（太陽光線Ｈの照射方向手前）が、開口部４４から集光された太陽光線Ｈの照射方向に対向して太陽光線Ｈを直接受光する受光面（照射側）５１ａを構成している。一方、受熱管５１の径方向外方を向いた約１８０度の領域（太陽光線Ｈの照射方向奥）が、断熱材４７に対向して太陽光線Ｈが直接受光されない非受光面（非照射側）５１ｂを構成している。

　図８は、受熱部の拡大斜視図である。
　ここで、図６～図８に示すように、各受熱管５１内には、上述した受光面５１ａと非受光面５１ｂとを区画する仕切板５６が配置されている。この仕切板５６は、溶接加工や引抜き加工等により受熱管５１に一体的に形成された平板状のものであり、受熱管５１の軸方向における全長に亘って形成されている。これにより、受熱管５１は、受光面５１ａと仕切板５６とに囲まれた受光側流路（第１流路）６１と、非受光面５１ｂと仕切板５６とに囲まれた非受光側流路（第２流路）６２とに区画されている。

　また、非受光側流路６２の上流、すなわち非受光側流路６２における低温ヘッダ５２からの流入口には、非受光側流路６２の流入口を閉塞するようにオリフィスプレート（制限手段）６３が設けられている。このオリフィスプレート６３には、厚さ方向に貫通するオリフィス孔６４が形成され、これにより、非受光側流路６２内に流入する圧縮空気の流量を受光側流路６１内に流入する圧縮空気の流量に比べて制限している。

　（発電装置の動作方法）
　次に、上述した発電装置の動作方法について説明する。
　まず、図３Ｂに示すように、発電機２８が作動し、減速機３１を介してロータ３０が回転し始めると、供給源に貯留された空気が空気取込口２９から空気供給路３５内に流入し、吸気フィルター２６を通って圧縮機２３内に流入する。圧縮機２３に流入した空気は圧縮機２３内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱器供給路３２に流出し、受熱器供給路３２から受熱部４２の低温ヘッダ５２内に供給される（図４中矢印Ｆ１参照）。

　図４に示すように、低温ヘッダ５２内に供給された圧縮空気は、低温ヘッダ５２内を周方向全域に行き渡った後、低温ヘッダ５２の周方向全周に亘って接続された各受熱管５１内に流入する。

　一方、ヘリオスタット２に入射した太陽光線Ｈは、ヘリオスタット２で反射された後、受熱器本体４１の開口部４４から受熱器本体４１内に入射する。受熱器本体４１に入射した太陽光線Ｈのうち、受熱管５１の受光面５１ａで受光される太陽光線Ｈは熱エネルギーとなって受熱管５１を直接加熱する。具体的には、図１に示すように、集光受熱器１０に最も近くに位置するヘリオスタット２からの太陽光線Ｈは受熱管５１の上部（下流）を照射し、また、集光受熱器１０から最も遠くに位置するヘリオスタット２からの太陽光線Ｈが受熱管５１の下部（上流）を照射する。
　そして、加熱された受熱管５１と受熱管５１内を流通する圧縮空気との間で熱交換が行われ、圧縮空気は受熱管５１内を流通する間に高温となる。

　ここで、上述したように受熱器本体４１に入射した太陽光線Ｈは、受熱管５１の受光面５１ａで受光されるため、受光側流路６１は非受光側流路６２に比べて高温となる。そして、低温ヘッダ５２から受熱管５１内に流入する圧縮空気は、受熱管５１の流入口で受光側流路６１と非受光側流路６２とに分岐される。この時、非受光側流路６２は、オリフィス孔６４によって流路に流入する圧縮空気の流量が制限されているため、受光側流路６１内に流入する圧縮空気の流量は、非受光側流路６２内に流入する圧縮空気の流量に比べて多くなる。すなわち、高温の受光側流路６１には、受光側流路６１よりも低温の非受光側流路６２に比べて多くの圧縮空気が供給される。
　そのため、受光側流路６１から圧縮空気への熱伝達の効率は、非受光側流路６２から圧縮空気への熱伝達の効率に比べて高くなる。すなわち、受光側流路６１での圧縮空気への熱伝達を、非受光側流路６２での圧縮空気への熱伝達よりも積極的に行わせることで、圧縮空気への熱伝達による非受光側流路６２の温度低下を、受光側流路６１の温度低下に比べて抑制することができる。

　そして、受光側流路６１及び非受光側流路６２内を流通して高温となった圧縮空気は、受熱管５１の下流端から高温ヘッダ５３内に流入する。すなわち、各受熱管５１で加熱された圧縮空気は、高温ヘッダ５３内で集合された後、流出管５５を通ってタービン供給路３３内に流入する。
　タービン供給路３３内に流入した圧縮空気は、タービン供給路３３内を鉛直方向上方に向かって流通し（図４中矢印Ｆ２参照）、タービン２４内に流入してタービン２４を駆動させる。これにより、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータ３０の回転エネルギーに変換され、タービン２４に駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力され、発電が行われる。

　タービン２４内を流通した圧縮空気は排出ガスとなり、空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。空気排出路３４を流通する排出ガスは、再生熱交換器２７内に供給され、上述した圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気との間で熱交換を行った後、外部に排出される。このように、再生熱交換器２７において、圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気を受熱部４２に供給する前段で予備加熱しておくことで、タービン２４に供給される圧縮空気の温度をより高温に設定することができる。その結果、発電装置１００の発電効率の更なる向上を図ることができる。しかも、再生熱交換器２７では、タービン２４で発電に供された排出ガスを有効利用することができるので、別の熱源を用意することがなく、構成の簡素化及び設備コストの低減を図ることができる。

　このように、本実施形態では、受熱管５１における受光面５１ａ側と非受光面５１ｂ側とを区画する仕切板５６を設けるとともに、非受光側流路６２内に流入する圧縮空気を制限するオリフィスプレート６３を配置する構成とした。
　この構成によれば、受光側流路６１での圧縮空気との熱交換を非受光側流路６２での圧縮空気との熱交換よりも積極的に行わせることで、上述したように受光面５１ａと非受光面５１ｂとの温度差を低減することができるので、両面間での温度差に起因して発生する熱応力を低減することが可能となる。これにより、受熱管５１自体や受熱管５１とヘッダ５２，５３との接合部分等に作用する応力集中や、応力が繰り返し発生することを理由とした疲労による寿命の低下を抑制することができるので、受熱管５１の耐久性を向上させることができる。その結果、受熱管５１を長寿命にすることで、受熱管５１のメンテナンスや交換の間隔を長くすることができるため、設備コストを低減させることができる。これにより設備コストに対する発電量を増加させ、発電効率を向上させることができる。
　そして、このような集光受熱システム１０１では、受光側流路６１と非受光側流路６２との温度差を低減した上で、太陽光線Ｈからの熱エネルギーを圧縮空気に対して効率的に伝達することができる。

　なお、受熱器本体４１に入射した太陽光線Ｈのうち、各受熱管５１の間を通過した太陽光線Ｈは、断熱材４７の内面に照射されて受熱器本体４１内で熱エネルギーとなる。この場合、受熱器本体４１の内面は、断熱材４７によって断熱されるとともに、断熱材４７の表面には黒体塗料が塗布されているので、受熱器本体４１内で発生した熱エネルギーは受熱器本体４１の壁面まで伝達されることはなく、受熱器本体４１内に放射される。そのため、受熱器本体４１内に放射される熱エネルギーは受熱管５１における非受光面５１ｂに伝達され、受熱管５１を加熱する。また、受熱管５１が得た熱エネルギーは、受熱管５１の内部に放射される一方、受熱管５１の外部（受熱器本体４１内）にも放射される。この場合も、受熱器本体４１の内壁面には断熱材４７が設けられているため、受熱器本体４１内で熱エネルギーが滞留する。そして、この滞留した熱エネルギーが受熱管５１に対して放射される。
　したがって、受熱管５１を周方向全域に亘って加熱することができるので、受光面５１ａと非受光面５１ｂとの温度差をより効果的に低減することができる。

　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９は本実施形態の受熱部を一部破断して示す平面図である。上述した実施形態では、各受熱管５１の非受光側流路６２の流入口に制限手段であるオリフィスプレート６３を配置する構成について説明したが、本実施形態では低温ヘッダ５２に制限手段を配置する点で上述した実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様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、本実施形態の受熱部１４２は、低温ヘッダ１５２を周方向に沿って等間隔に区画する複数の区画壁１１１が設けられている。区画壁１１１は、低温ヘッダ１５２における各受熱器供給路３２の流出口の一端に配置され、区画壁１１１間で囲まれた領域が分割ヘッダ１１２をそれぞれ構成している。すなわち、各分割ヘッダ１１２は、低温ヘッダ１５２を９０度毎に分割しており、これら各分割ヘッダ１１２における周方向一端で受熱器供給路３２の流出口が開口している。

　ここで、各分割ヘッダ１１２は、低温ヘッダ１５２を径方向に内側と外側とに半分に区画する仕切板（仕切部材）１５６が設けられている。仕切板１５６は、分割ヘッダ１１２における下流（周方向他端）の区画壁１１１から上流（周方向一端）の区画壁１１１に向かって延びる平面視（低温ヘッダ１５２の軸方向から見て）略円弧状の部材である。これにより、分割ヘッダ１１２は、低温ヘッダ１５２の径方向内側で仕切板１５６に囲まれた受光側ヘッダ（第１ヘッダ）１１３と、低温ヘッダ１５２の径方向外側で仕切板１５６に囲まれた非受光側ヘッダ１１４とに区画されている。

　なお、各分割ヘッダ１１２において、仕切板１５６の下流の端部と下流の区画壁１１１とは連結される一方、仕切板１５６の上流の端部と上流の区画壁１１１とは連結されていない。すなわち、仕切板１５６の上流の端部と上流の区画壁１１１との間には、受熱器供給路３２から圧縮空気が流入してくる共通流路１１５が形成されている。そのため、受熱器供給路３２から各分割ヘッダ１１２に流入してくる圧縮空気は、共通流路１１５内を流通した後、受光側ヘッダ１１３及び非受光側ヘッダ１１４にそれぞれ分岐される。

　各仕切板１５６は、上述した受熱管５１の仕切板５６と低温ヘッダ１５２の軸方向から見て重なるように配置されている。この場合、分割ヘッダ１１２の受光側ヘッダ１１３と受熱管５１の受光側流路６１とが連通する一方、分割ヘッダ１１２の非受光側ヘッダ１１４と受熱管５１の非受光側流路と６２がそれぞれ連通している。

　また、非受光側ヘッダ１１４の流入口には、流入口を狭めるようにオリフィスプレート１６３が設けられている。このオリフィスプレート１６３には、厚さ方向に貫通するオリフィス孔１６４が形成され、これにより、非受光側ヘッダ１１４内に流入する圧縮空気の流量を受光側ヘッダ１１３に流入する圧縮空気の流量に比べて制限している。

　本実施形態によれば、低温ヘッダ１５２を受光側ヘッダ１１３と非受光側ヘッダ１１４とに区画するとともに、非受光側ヘッダ１１４にオリフィスプレート１６３を設けることで、複数の受熱管５１の非受光側流路６２に対して一括して流量を制限することができる。したがって、上述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、各受熱管５１にオリフィスプレート６３（図８参照）をそれぞれ設ける場合に比べて、設備コストの低下を図ることができる。

　（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は本実施形態の受熱部を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様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１０に示すように、本実施形態の受熱部２４２は、受熱器本体４１内において、天板部４３の外周に沿って配置された高温ヘッダ２５３と、高温ヘッダ２５３の径方向内側に配置された低温ヘッダ２５２と、これらヘッダ２５２，２５３を連通させる複数の受熱管２５１とを備えている。なお、低温ヘッダ２５２及び高温ヘッダ２５３は、複数のフック部材２４５により天板部４３から吊り下げられた状態で支持されている。

　各受熱管２５１は、１本の配管が仕切板２５６によって受光側流路２６１と非受光側流路２６２とに区画されている。受光側流路２６１及び非受光側流路２６２の一端（上端）の開口部にはそれぞれ分岐管２０１，２０２が接続されて二股状に延びる一方、他端の開口部には開口部同士を連通させる折返し流路２０３が接続され、各受熱管２５１は、Ｙ字状になっている。そして、各受熱管２５１は、受光側流路２６１の分岐管２０１が低温ヘッダ２５２に、非受光側流路２６２の分岐管２０２が高温ヘッダ２５３にそれぞれ接続されている。すなわち、各受熱管２５１は、低温ヘッダ２５２及び高温ヘッダ２５３に吊り下げ支持されるように配置されている。この場合、低温ヘッダ２５２を流通する圧縮空気は、分岐管２０１から受光側流路２６１に流入し、折返し流路２０３で折り返された後、非受光側流路２６２を流通し、分岐管２０２から高温ヘッダ２５３内に流入する。

　本実施形態によれば、低温ヘッダ２５２が受光側流路２６１に接続される一方、高温ヘッダ２５３が非受光側流路２６２に接続されているため、圧縮空気は受光側流路２６１から流入して、非受光側流路２６２から排出される。そのため、受光側流路２６１には低温ヘッダ２５２から供給される比較的低温の圧縮空気が、非受光側流路２６２には受光側流路２６１で熱交換された比較的高温の圧縮空気が流通することになる。すなわち、受光側流路２６１と圧縮空気の温度差は、非受光側流路２６２と圧縮空気との温度差に比べて大きくなる。そのため、受光側流路２６１での圧縮空気への熱伝達が、非受光側流路２６２での圧縮空気への熱交換よりも積極的に行われることになる。その結果、受光側流路２６１と非受光側流路２６２との温度差を低減することができる。

　また、受熱管２５１は、上端のみで低温ヘッダ２５２及び高温ヘッダ２５３に連結されているので、下端は拘束されておらず、自由端となっている。そのため、仮に受熱管２５１が温度変化により変形した場合であっても、この変形が許容されることになるので、受熱管２５１に作用する熱応力を低減することができる。
　さらに、各ヘッダ２５２，２５３がともに受熱器本体４１の上端に配置されているため、上述した第１実施形態のように圧縮機２３で圧縮された圧縮空気を低温ヘッダ５２まで供給するために、受熱器本体４１の下端まで引き回す必要がない。そのため、装置のレイアウト性を向上させることも可能である。

　（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂは本実施形態の受熱部を示す断面図である。本実施形態では、受熱管２５１の配置方向を第３実施形態に比べて上下逆向きに配置している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様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１１Ａに示すように、本実施形態における受熱部２４２は、受熱器本体４１内において、低温ヘッダ２５２及び高温ヘッダ２５３が重力方向下部に配置されるとともに、これら低温ヘッダ２５２及び高温ヘッダ２５３から上方に向けて延びるように複数の受熱管２５１が接続されている。

　また、受熱器本体４１内における天板部４３には、天板部４３と各受熱管２５１の上端面とを連結する複数のフック部材３４５が設けられ、これにより、受熱部２４２は受熱器本体４１内で吊り下げ支持されている。

　このように、本実施形態によれば、第３実施形態に対して受熱管２５１を上下逆向きに配置した場合であっても、上述した第３実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、受熱部２４２を吊り下げる構成としては、上述した構成の他に、例えば図１１Ｂに示すような構成にしても構わない。具体的に、各受熱管２５１の上端面に貫通孔３４６ａを有する連結部材３４６を形成する一方、フック部材３４５の先端（下端）に貫通孔３４６内に挿入されるリング部３４７を形成し、これら連結部材３４６とリング部３４７とを連結する。これにより、受熱器本体４１内において、受熱部２４２がフック部材３４５によって吊り下げ支持される。

　（第５実施形態）
　次に、本発明の第５実施形態について説明する。図１２は、集光受熱器を軸方向から見た断面図である。本実施形態では、受熱器本体の内壁面に反射鏡を配置する点で上述した各実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様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１２に示すように、受熱器本体４１の内壁面には全周に亘って反射鏡４０１が配置されている。この反射鏡４０１は、受熱器本体４１の周方向に沿って山部４０２と谷部４０３とが連続的に形成された断面視波型のものであり、各山部４０３間に受熱管３５１が配置されている。この場合、受熱器本体４１内に入射した太陽光線Ｈのうち、一部は受熱管３５１の受光面３５１ａに直接照射される。一方、受熱器本体４１内に入射した太陽光線Ｈのうち、各受熱管３５１間を通過した太陽光線Ｈは、受熱器本体４１の内壁面に設けられた反射鏡４０１で反射され、開口部４４から入射した太陽光線Ｈを直接受光できない非受光面３５１ｂに照射される。

　これにより、受熱管３５１の非受光面３５１ｂに積極的に太陽光線Ｈを照射することができるので、受熱管５１を周方向全域に亘って加熱して、受光面３５１ａと非受光面３５１ｂとの温度差を低減することができる。
　なお、上述した第５実施形態では、上述した第１～第４実施形態と異なり、仕切板（例えば、仕切板５６）によって区画されていない受熱管３５１を用いて説明したが、第１～第４実施形態の仕切板が形成された受熱管５１，１５１，２５１を用いても構わない。これにより、受光面３５１ａと非受光面３５１ｂとの温度差をより低減することができる。また、反射鏡４０１は、凹面状に形成しても構わない。また、反射鏡４０１が配置される間隔は必ずしも受熱管３５１が配置される間隔に合わせる必要はない。

　なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
　例えば、上述した実施形態では、集光受熱器１０で加熱した圧縮空気を作動流体としてタービン２４に供給する場合について説明したが、これに限らず、タービン２４には別途作動流体（例えば、燃焼ガス）を供給し、受熱部４２で加熱された圧縮空気を作動流体の熱交換に用いる構成にしても構わない。
　また、集光受熱器と発電ユニットとの位置関係は適宜設計変更が可能である。すなわち、発電ユニットの配置位置は、集光受熱器の上方や、後方に限られることはない。
　さらに、上述した実施形態では、発電機２８がロータ３０を駆動させるとともに、タービン２４が回転することによって発電を行うオルタネータとしての機能を有している場合について説明したが、これに限らず発電機２８とは別体でロータ３０を回転させる駆動モータを採用しても構わない。

　ところで、発電装置１００では、設置場所が高緯度になるにつれ、太陽高度が低くなる関係で、一部の方角（例えば、北半球の場合は南）における太陽光の集光効率が低下するという傾向がある。そのため、上述した各実施形態では、亜熱帯高圧帯の中における低緯度地域に配置される全周配置方式の発電装置１００について説明したが、これ限らずヘリオスタット２を発電装置１００に対して片側のみに配置する片側配置方式を採用することも可能である。この場合、片側配置方式の発電装置では、受熱器本体を半円状に形成して、その円弧状に沿って受熱管を配列することで構成される。そして、低緯度地域と高緯度地域とでの太陽高度に応じて、これら全周配置方式の発電装置１００と、片側配置方式の発電装置とを使い分けることが好ましい。

　また、上述した各実施形態では、非受光側流路６２内を流通する圧縮空気の流量を制限する制限手段として、オリフィスプレート６３を採用した場合について説明したが、これに限られない。例えば、図１３に示すように、非受光側流路６２における流入口の一部を覆うガイドベーン４１０を設ける構成にしても構わない。さらに、このガイドベーン４１０を可動式にして、非受光側流路６２の流入口の開口幅を太陽光線Ｈの日射量等に基づいて可変するようにしても構わない。この場合、空調ダンパーのように複数の羽根によって、受熱管５１の開口幅を可変にするようにしても構わない。

　さらに、上述した実施形態では、仕切板５６を溶接や引抜き等により一体的に形成する場合について説明したが、例えば図１４に示すように、受熱管４５１の内周面に径方向内方に向かって突出するリブ４５２を設け、このリブ４５２間に別体で仕切板４５６を挿入する構成でも構わない。この場合、受熱管４５１と仕切板４５６とを異種材料で形成しても構わない。

　また、上述した第１各実施形態、第２実施形態及び第５実施形態では、受熱管５１の軸方向全域に亘って仕切板５６を設ける場合について説明したが、受熱管５１の軸方向における一部のみを仕切板５６によって区画する構成でも構わない。この場合、集光受熱システム１０１では、ヘリオスタットフィールド１における外周に向かうにつれ、ヘリオスタット２の配置個数が増加するため、ヘリオスタットフィールド１の内周から外周に向かうにつれ受熱器本体４１の開口部４４内に入射する太陽光線Ｈの入射量が増加する。そのため、受熱管５１の受光量は軸方向上部よりも下部の方が多く、受熱管５１の下部で受光面５１ａと非受光面５１ｂとの温度差が大きくなる。そのため、受熱管５１の下部のみで受光側流路６１と非受光側流路６２とに区画し、受熱管５１の上部では受光側流路６１と非受光側流路６２との集合配管とすることが好ましい。

　また、上述した第２実施形態では、受光側流路６１と非受光側流路６２とに流入する圧縮空気の流量を、低温ヘッダ１５２で制限する構成について説明したが、低温ヘッダ１５２よりも上流でまとめて制限しても構わない。この場合、受光側流路６１に圧縮空気を供給する受光側供給流路と、非受光側流路６２に圧縮空気を供給する非受光側供給流路とに分岐させ、非受光側供給流路に流量制御弁を設けることで、低温ヘッダ１５２に圧縮空気が供給される前段で、受光側流路６１と非受光側流路６２とに供給される圧縮空気の流量を調整しても構わない。

　本発明の太陽光受熱器によれば、受熱管における受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減することで、受熱管の耐久性を向上させることができる。
　また、本発明の太陽光集光受熱システムによれば、上記本発明の太陽光受熱器を備えているので、受光面（照射側）と非受光面（非照射側）との温度差を低減した上で、太陽光線からの熱エネルギーを熱媒体に対して効率的に伝達することができる。

　２　ヘリオスタット
　３　タワー部
　１０　集光受熱器（太陽光受熱器）
　４１　受熱器本体（ケーシング）
　４４　開口部
　５１，１５１，２５１，３５１，４５１　受熱管
　５１ａ，３５１ａ　受光面（照射側）
　５１ｂ，３５１ｂ　非受光面（非照射側）
　５２，１５２，２５２　低温ヘッダ（熱媒体導入ヘッダ）
　５３，２５３　高温ヘッダ（熱媒体導出ヘッダ）
　５６，１５６，２５６，４５６　仕切板（仕切部材）
　６１，２６１　受光側流路（第１流路）
　６２，２６２　非受光側流路（第２流路）
　６３，１６３　オリフィスプレート（制限手段）
　１１３　受光側ヘッダ（第１ヘッダ）
　１１４　非受光側ヘッダ（第２ヘッダ）

Claims (6)

1. 　内部に熱媒体が流通するとともに、照射される太陽光の熱を熱媒体に伝達する受熱管を有する太陽光受熱器であって、
   　前記受熱管の内部を、太陽光が照射される受光面側の第１流路と、非受光面側の第２流路と、に区画する仕切部材を備えている太陽光受熱器。
2. 　請求項１記載の太陽光受熱器において、
   　前記第２流路への熱媒体の流入を制限する制限手段を有する太陽光受熱器。
3. 　請求項２記載の太陽光受熱器において、
   　複数の前記受熱管と、
   　前記複数の受熱管における熱媒体の流通方向上流端が連結され、前記複数の受熱管に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダとを備え、
   　前記熱媒体導入ヘッダは、
   　　前記受熱管の前記第１流路に連通する第１ヘッダと、
   　　前記受熱管の前記第２流路に連通する第２ヘッダとを備え、
   　前記第２ヘッダに前記制限手段が設けられている太陽光受熱器。
4. 　請求項１記載の太陽光受熱器において、
   　前記第１流路と前記第２流路とは、熱媒体の流通方向一端で連通し、
   　熱媒体は、前記第１流路の流通方向他端側から供給され、前記第２流路の流通方向他端から排出される太陽光受熱器。
5. 　請求項４記載の太陽光受熱器において、
   　複数の前記受熱管と、
   　前記複数の受熱管における前記第１流路の流通方向他端が連結され、前記各第１流路に向けて熱媒体を導入させる熱媒体導入ヘッダと、
   　前記第２流路の流通方向他端側が連結され、前記各第２流路から熱媒体が導出される熱媒体導出ヘッダとを備えている太陽光受熱器。
6. 　地上に設置され、太陽光線を反射する複数の反射鏡と、
   　前記地上から建てられたタワー部と、
   　前記タワー部に支持され、太陽光線を集光する開口部を有するケーシングと、
   　前記ケーシング内に収容された請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の太陽光受熱器とを備えている太陽光集光受熱システム。

Images