WO2016189702A1

WO2016189702A1 - 太陽熱収集装置、集熱管の予熱方法および熱媒導入方法

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Publication number: WO2016189702A1
Application number: PCT/JP2015/065271
Authority: WO
Inventors: 実湯浅
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2017-11-27

Abstract

太陽熱収集装置（８）は、熱媒を流す集熱管（１２）と、集熱管（１２）に太陽光を集光する反射板（１３）と、集熱管（１２）に熱媒が導入される際に、反射板（１３）の反射面（１３ａ）の一部を覆うように取り付けられる遮光部材（４０）とを備える。

Description

太陽熱収集装置、集熱管の予熱方法および熱媒導入方法

　本発明は、太陽光を集光することで、集熱管内を流れる熱媒を加熱する太陽熱収集装置に関する。

　反射鏡を用いて太陽光を集熱管に集光させて集熱管内を流れる熱媒を加熱し、加熱された熱媒を利用して蒸気を発生させ、蒸気タービンを回すことにより発電を行う太陽熱発電システムが知られている。太陽熱発電システムは、太陽光発電システムよりも導入費用が安い他に蓄熱により２４時間の発電が可能である。従来では、熱媒にオイルを用いた太陽熱発電システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

　近年、太陽熱発電システムに用いる熱媒として溶融塩が注目されている。溶融塩は沸点が高いため、溶融塩によれば運転温度を比較的高くでき高温蒸気を発生させることにより発電効率が向上する。

　溶融塩は２５０℃程度で固化してしまうため、スタートアップやメンテナンス後に集熱管に溶融塩を流し込むとき、集熱管の温度が比較的低い状態にあると集熱管に熱を奪われて溶融塩が固化しうる。そのため、集熱管に溶融塩を流し込む前に集熱管を所定の温度以上に予熱しておく必要がある。

　集熱管を予熱する一つの手法として、集熱管に電流を流すことが考えられる。電流を流すと、そのときのジュール熱で集熱管を温めることができる。

特開２０１４－１０２０１３号公報

　しかしながら、上記のような集熱管に電流を流す予熱方法では、非常に多くの電力が必要となり、コストが高くなるという課題がある。

　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、太陽熱収集装置において、低コストで集熱管を予熱できる技術を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽熱収集装置は、熱媒を流す集熱管と、集熱管に太陽光を集光する反射板と、集熱管に熱媒が導入される際に、反射板および／または集熱管の一部に取り付けられる遮光部材とを備える。

　遮光部材は、反射板に対して着脱可能に固定するための固定部を備えてもよい。

　遮光部材は、反射板の一部を覆うように設けられる布状部材であってもよい。

　遮光部材は、集熱管の一部を覆うように設けられる金属部材であってもよい。金属部材は、複数の開口部が設けられた筒状体であってもよい。

　本発明の別の態様は、熱媒を流す集熱管と、集熱管に太陽光を集光する反射板とを備える太陽熱収集装置における集熱管の予熱方法である。この予熱方法は、反射板および／または集熱管の一部に遮光部材を取り付けるステップと、反射板を用いて太陽光を集熱管に集光するステップとを備える。

　本発明のさらに別の態様は、熱媒を流す集熱管と、集熱管に太陽光を集光する反射板とを備える太陽熱収集装置において、集熱管に熱媒を導入するための熱媒導入方法である。この熱媒導入方法は、反射板および／または集熱管の一部に遮光部材を取り付けるステップと、反射板を用いて太陽光を集熱管に集光し、集熱管を予熱するステップと、予熱された集熱管に熱媒を流し込むステップと、集熱管への太陽光の集光を停止するステップと、反射板および／または集熱管から遮光部材を取り外すステップとを備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明によれば、太陽熱収集装置において、低コストで集熱管を予熱できる。

本発明の実施形態に係る太陽熱発電システムを説明するための図である。本発明の実施形態に係る太陽熱収集装置を説明するための図である。太陽熱収集装置を説明するための概略斜視図である。本発明の実施形態に係る熱媒の導入方法を説明するためのフローチャートである。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の実施形態に係る遮光部材の取付態様を説明するための図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の別の実施形態に係る遮光部材の取付態様を説明するための図である。

　以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

　図１は、本発明の実施形態に係る太陽熱発電システム１００を説明するための図である。太陽熱発電システム１００は、集光エリア１２１、蓄熱エリア１２２、発電エリア１２３の３つのエリアを含む。

　集光エリア１２１は、主に太陽熱収集装置８を含む。太陽熱収集装置８は、熱媒を流す複数の集熱管から成る熱媒流路１１と、太陽光を集熱管に集光して熱媒を加熱する複数の反射板１３とを備える。加熱された熱媒は、蓄熱エリア１２２に送られる。

　蓄熱エリア１２２は、ホットタンク１０２と、コールドタンク１０３とを含む。加熱された熱媒の熱をホットタンク１０２に蓄えておくことにより、必要なときに発電できる。例えば夜間や日中の悪天候時の発電が可能となる。

　発電エリア１２３は、蒸気発生器１０４と、蒸気タービン発電機１０６と、復水器１０８とを含む。蒸気発生器１０４は、冷却水と加熱された熱媒との熱交換により蒸気を発生させ、蒸気タービン発電機１０６は蒸気によりタービンを回転させる。この回転により発電する。復水器１０８は蒸気を冷却水に戻す。

　図２は、本発明の実施形態に係る太陽熱収集装置８を説明するための図である。図２に示すように、太陽熱収集装置８は、複数（図１では４つ）の集光ユニット１０と、連結流路５０とを含む。各集光ユニット１０は、熱媒流路１１と、複数の反射板１３とを含む。

　各熱媒流路１１は、Ｕ字状に形成され、互いに平行な長直線部１１ａおよび１１ｂと、長直線部１１ａおよび１１ｂの一端部同士をつなぐ短直線部１１ｃとから成る。長直線部１１ａおよび１１ｂは、それぞれ、直線状に配置された複数の集熱管１２から成る。短直線部１１ｃは、連結配管１４から成る。長直線部１１ａ、１１ｂの長さＡは、約１００～２００ｍであってよい。また、各集熱管１２の長さは、約１０～２０ｍであってよい。また、長直線部１１ａは１０～２０本の集熱管１２から構成されてよい。また、短直線部１１ｃの長さＢは２０～３０ｍであってよい。

　熱媒流路１１の集熱管１２内には、太陽熱を受ける熱媒としての溶融塩が流れる。溶融塩は、太陽熱収集装置において従来使用されてきた合成オイルよりも沸点が高いため、より高温に温められる。これにより、太陽熱発電システム１００の発電効率が向上する。一方で、溶融塩は、２５０℃程度で固化してしまう。溶融塩は、運転時は太陽熱で加熱されているため基本的に固化することはないが、例えばスタートアップ時やメンテナンス後に集熱管１２に溶融塩を流し込むとき、集熱管１２の温度が比較的低い状態にあると集熱管１２に熱を奪われて固化しうる。そこで、本実施形態では、集熱管１２に溶融塩を流し込む前に、集熱管１２を所定の温度以上に予熱しておく。集熱管１２への溶融塩の導入方法については後述する。

　連結流路５０は、環状の流路であり、各熱媒流路１１と接続される。また連結流路５０は、蓄熱エリア１２２のホットタンク１０２およびコールドタンク１０３とも接続される。したがって、連結流路５０を介して、各熱媒流路１１と、ホットタンク１０２およびコールドタンク１０３とが連結される。連結流路５０にはコールドタンク１０３から熱媒が流れこむ。連結流路５０を流れる熱媒は、各熱媒流路１１の長直線部１１ａに流し込まれる。長直線部１１ａの集熱管１２を通って加熱された熱媒は、連結配管１４を通って長直線部１１ｂに流れる。長直線部１１ｂの集熱管１２を通って加熱された熱媒は、連結流路５０に戻り、ホットタンク１０２に流れ込む。

　図３は、太陽熱収集装置８を説明するための概略斜視図である。図３に示すように、太陽熱収集装置８は、地盤上の架台３０と、架台３０により回転可能に支持された集熱管１２および反射板１３とを備える。また、太陽熱収集装置８は、太陽に追従して集熱管１２および反射板１３を回転させる回転装置を備える。

　反射板１３は、高反射率の鏡もしくは金属板（例えばスチール板またはアルミ板）から成る。反射板１３の反射面１３ａは、放物柱面状に形成されている。集熱管１２は、直線的に延びる管である。集熱管１２は、断熱のために真空ガラス管で覆われている。集熱管１２は、その中心が反射板１３の放物柱面状の反射面１３ａの焦点に位置するように支持されている。反射面１３ａで反射した太陽光は、放物柱面の焦点に集光するので、その焦点に位置する集熱管１２を効率的に加熱できる。

　図４は、本発明の実施形態に係る熱媒の導入方法を説明するためのフローチャートである。

　本実施形態に係る熱媒導入方法においては、まず、反射板１３の一部に遮光部材を取り付ける（Ｓ１０）。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の実施形態に係る遮光部材の取付態様を説明するための図である。図５（ａ）は、太陽熱収集装置８の概略正面図であり、図５（ｂ）は、太陽熱収集装置８の概略側面図である。

　本実施形態において、遮光部材４０は、布状部材である。この布状部材の種類は特に限定されないが、縮みが生じにくいことから例えばナイロンやポリエステル等の合成繊維が好適である。本実施形態では、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、遮光部材４０は、遮光部材４０の反射面１３ａのうち、上方部分１３ｕおよび下方部分１３ｄを覆うように取り付けられている。

　図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、遮光部材４０の端部には、遮光部材４０を反射板１３に対して着脱可能に固定するための固定部４１が設けられている。遮光部材４０は、例えば面ファスナーや磁石等であってよい。あるいは、固定部４１は、遮光部材４０を反射板１３に括り付けるための紐であってもよい。あるいは、固定部４１を袋状に形成し、該袋状の固定部４１を反射板１３に被せることで遮光部材４０を反射板１３に取り付けてもよい。

　図４に戻り、熱媒の導入方法の説明を続ける。反射板１３に遮光部材４０を取り付けた後、集熱管１２への太陽光の集光を開始する（Ｓ１２）。具体的には、上述の回転装置を作動させ、集熱管１２および反射板１３を太陽に追従させる。これにより、反射板１３の反射面１３ａのうち、遮光部材４０で覆われていない部分からの反射光が集熱管１２に集光し、集熱管１２が予熱される。

　集熱管１２が所定の温度（例えば３００℃程度）に予熱された後、集熱管１２内に熱媒を導入する（Ｓ１４）。集熱管１２が予熱されているため、固化することなく熱媒を集熱管１２内に流し込むことができる。

　集熱管１２内に熱媒を導入した後、集熱管１２への太陽光の集光を停止する（Ｓ１６）。すなわち、反射板１３の反射面１３ａが太陽の方向を向かないように回転装置を作動させる。最後に、反射板１３から遮光部材４０を取り外し（Ｓ１８）、熱媒の導入が完了する。

　集熱管１２内に熱媒が導入されていない状態で、反射板１３に遮光部材４０を取り付けずに集熱管１２に太陽光を集光した場合、集熱管１２がいわゆる空焚き状態となって非常に高温になり、破損するおそれがある。本実施形態のように、反射板１３の反射面１３ａの一部を覆うように遮光部材４０を取り付けることにより、集熱管１２への集光量を抑制することができるため、集熱管１２の温度が非常に高くなることが防止され、集熱管１２の破損を防ぐことができる。本実施形態に係る熱媒導入方法は、布状の遮光部材４０を用意し、熱媒の導入前に反射板１３に取り付け、熱媒導入後に反射板１３から取り外すだけであるので、上述した集熱管に電流を流して予熱する方法に比べて、非常に簡易且つ低コストである。

　図５（ａ）および図５（ｂ）では、遮光部材４０は反射板１３の反射面１３ａに沿うように取り付けられているが、必ずしもこのような取付形態に限定されず、反射面１３ａからの反射光が集熱管１２に到達しないように遮光部材４０が設けられていればよい。例えば、遮光部材４０は、反射板１３の上端から鉛直下方に垂れ下がるように取り付けられてもよい。

　上記実施形態では、遮光部材４０を布状部材としたが、反射板１３が磁性体である場合には、遮光部材４０はラバー磁石であってもよい。この場合、遮光部材４０の全体が、反射板１３に対して着脱可能に固定するための固定部として機能する。

　図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の別の実施形態に係る遮光部材の取付態様を説明するための図である。図６（ａ）は、集熱管１２の概略正面図であり、図６（ｂ）は、集熱管１２の概略側面図である。

　図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、集熱管１２は、断熱のために真空ガラス管６０で覆われている。本実施形態では、集熱管１２および真空ガラス管６０を覆うように遮光部材６２が取り付けられている。この遮光部材６２は、金属製の筒状部材であり、半円柱状の２つの分割筒状部材６３から成る。２つの分割筒状部材６３は、ボルト６４およびナット６５によって真空ガラス管６０の外周面上に固定される。ボルト６４およびナット６５は、遮光部材６２を集熱管１２および真空ガラス管６０に対して着脱可能に固定するための固定部として機能する。

　図６（ａ）に示すように、遮光部材６２は、複数の開口部６６が設けられたいわゆるパンチングメタルから成る。遮光部材６２で集熱管１２を覆うことにより、集熱管１２への集光量を抑制することができるため、集熱管１２の温度が非常に高くなることが防止され、集熱管１２の破損を防ぐことができる。本実施形態に係る遮光部材６２の取付態様を用いた場合も、金属製の遮光部材４０を用意し、熱媒の導入前に集熱管１２および真空ガラス管６０を覆うように取り付け、熱媒導入後に集熱管１２および真空ガラス管６０から取り外すだけであるので、上述した集熱管に電流を流して予熱する方法に比べて、非常に簡易且つ低コストである。

　図５（ａ）および図５（ｂ）並びに図６（ａ）および図６（ｂ）で説明した遮光部材の取付態様において、集熱管１２の予熱温度は、遮光部材の開口率に影響される。

　遮光部材の開口率とは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す態様では、反射板１３の全反射面に対する、遮光部材４０で覆われた反射面の面積比率である。例えば遮光部材４０の開口率１００％とは、反射面１３ａが全く遮光部材４０で覆われていない状態であり、遮光部材４０の開口率０％とは反射面１３ａが全て遮光部材４０で覆われた状態である。

　また、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す態様では、遮光部材の開口率とは、集熱管１２の全表面に対する、遮光部材６２で覆われた集熱管１２の表面の面積比率である。例えば遮光部材６２の開口率１００％とは、集熱管１２の表面が全く遮光部材６２で覆われていない状態であり、遮光部材６２の開口率０％とは集熱管１２の表面が全て遮光部材６２で覆われた状態である。

　図５（ａ）および図５（ｂ）並びに図６（ａ）および図６（ｂ）のいずれの態様においても、遮光部材４０の最適な開口率ｒは、以下の数式によって計算される。
　ｒ＝ｅ（Ｔ）／（Ｐ_ＤＮＩ×Ａ×η）
　ここで、Ｔは予熱温度、ｅ（Ｔ）は予熱温度における単位長当たりの集熱管放熱量、Ｐ_ＤＮＩは直達法線面日射強度、Ａは反射板１３の幅、ηは集光効率である。なお、反射板１３の幅とは、反射板１３の短手方向における開口幅を意味する。

　反射板１３の幅が６ｍ、焦点距離が１．８ｍ、集光管径が７０ｍｍという条件で計算したところ、開口率ｒの好適な範囲は、８％～１２％であった。

　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　例えば上述の実施形態では、反射板と集熱管の一方に遮光部材を設けたが、反射板と集熱管の両方に遮光部材を設けてもよい。

　８　太陽熱収集装置、　１０　集光ユニット、　１１　熱媒流路、　１２　集熱管、　１３　反射板、　３０　架台、　４０、６２　遮光部材、　４１　固定部、　６０　真空ガラス管、　６３　分割筒状部材、　１００　太陽熱発電システム。

　本発明は、太陽熱発電システムで使用される太陽熱収集装置に利用できる。

Claims

　熱媒を流す集熱管と、
　前記集熱管に太陽光を集光する反射板と、
　前記集熱管に前記熱媒が導入される際に、前記反射板および／または前記集熱管の一部に取り付けられる遮光部材と、
　を備えることを特徴とする太陽熱収集装置。
　前記遮光部材は、前記反射板に対して着脱可能に固定するための固定部を備えることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱収集装置。
　前記遮光部材は、前記反射板の一部を覆うように設けられる布状部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱収集装置。
　前記遮光部材は、前記集熱管の一部を覆うように設けられる金属部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽熱収集装置。
　前記金属部材は、複数の開口部が設けられた筒状体であることを特徴とする請求項４に記載の太陽熱収集装置。
　熱媒を流す集熱管と、前記集熱管に太陽光を集光する反射板とを備える太陽熱収集装置における、前記集熱管の予熱方法であって、
　前記反射板および／または前記集熱管の一部に遮光部材を取り付けるステップと、
　前記反射板を用いて太陽光を前記集熱管に集光するステップと、
　を備えることを特徴とする予熱方法。
　熱媒を流す集熱管と、前記集熱管に太陽光を集光する反射板とを備える太陽熱収集装置において、前記集熱管に前記熱媒を導入するための熱媒導入方法であって、
　前記反射板および／または前記集熱管の一部に遮光部材を取り付けるステップと、
　前記反射板を用いて太陽光を前記集熱管に集光し、前記集熱管を予熱するステップと、
　予熱された前記集熱管に前記熱媒を流し込むステップと、
　前記集熱管への太陽光の集光を停止するステップと、
　前記反射板および／または前記集熱管から前記遮光部材を取り外すステップと、
　を備えることを特徴とする熱媒導入方法。