WO2017002252A1

WO2017002252A1 - 太陽熱収集装置

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Publication number: WO2017002252A1
Application number: PCT/JP2015/069088
Authority: WO
Inventors: 雅也金光; 城太郎白井; 丸山　啓; 隆一甲斐田; 史郎玉野; 洋鈴木
Original assignee: 千代田化工建設株式会社
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-01-05
Also published as: JPWO2017002252A1; CN107923657A; JP6543707B2; EP3318814A4; EP3318814A1

Abstract

複数種の管からなる熱媒流路を効率的に加熱することが可能な太陽熱収集装置を提供する。　太陽熱収集装置（１）は、太陽熱を集光する集光鏡（３）の集光位置に熱媒を流す熱媒流路（２）を備える。熱媒流路（２）は、集光鏡（３）の集光位置に配置される集熱管（２ａ）を含む複数種の導電性の管が直列に接続されることにより構成される。直列に接続された集熱管（２ａ）、フレキシブル管（２ｅ）、配管（２ｂ）に直列に電気を流すことにより、これらを加熱する加熱手段（３０）を備える。配管（２ｂ）には、配管（２ｂ）に対して電流が並列に流れるバイパスケーブル（２ｆ）が設けられている。

Description

太陽熱収集装置

　本発明は、熱媒が流れる熱媒流路を備える太陽熱収集装置に関する。

　再生可能エネルギーを利用した効率的な電力安定供給を実現するためのシステムの一例として、太陽熱を利用した太陽熱発電プラントが挙げられる（例えば特許文献１および２参照）。
　この太陽熱を利用した発電プラントでは、太陽熱を太陽熱収集装置で集め、この集めた熱を、熱媒を介して熱交換器に送り、この送った熱により水を蒸気に変化させ、この蒸気によりタービンを駆動させて発電を行うようになっている。太陽熱収集装置は、例えば、断面が凹状で水平方向に同形状で延在する集光（集熱）用の反射鏡（集光鏡）と、この反射鏡による集光位置に配置されて内部に熱媒が流れる（循環する）集熱管（受熱管：レシーバチューブ）とを有する集熱ユニットを備えるとともに、複数の集熱管を繋ぐための配管が設けられている。また、集熱管は、太陽の高度（仰角）の経時変化に対応して反射鏡とともに移動する。また、集熱管は、日中と夜間や、作動時とメンテナンス時の温度差により比較的大きく伸縮する。したがって、熱媒流路の固定された配管と、集熱管との間をフレキシブル管で接続することが考えられる。

　また、太陽熱収集装置で集めた熱は、熱媒を介して蓄熱装置により蓄熱することができ、この蓄熱した熱を、夜間といった太陽熱を収集できないない時間帯に再び熱媒を介して熱交換器に送ることにより、発電を行うことができる。このため、電力を安定的に供給することが可能となる。

　このような太陽熱発電プラントで使用される熱媒としては、一般的に合成オイルが使用されるが、近年において、熱媒を合成オイルから溶融塩に変更する試みが為されている。
　熱媒を合成オイルから溶融塩に変更することで以下のような利点がある。
　まず、従来型より高温のスチームを供給することができ、これによって、発電効率の上昇と発電コストの削減が期待できる。また、従来型と比べ、溶融塩を熱媒として使用したシステムでは蓄熱装置のタンクの容量をより小さくすることができる。さらに、合成オイルを熱媒に用いた従来型は、蓄熱媒体として溶融塩を使用しているため、合成オイルと溶融塩の熱交換が必要であったが、全システムを溶融塩のみで動かすことにより熱交換器が不要となり、プラントをよりシンプルに構成することができるようになる。

米国特許出願公開第２０１０／４３７７６号明細書特開２０１４－３１７８７号公報

　ところで、太陽熱収集装置に熱媒としての溶融塩を流している（循環させる）上述の集熱管を含む熱媒流路は、ポンプにより熱媒を流しているが、例えば、スタートアップの際に熱媒流路に溶融塩を導入する場合やメンテナンス時等に溶融塩を排出して再導入する場合には、蓄熱装置を含む熱媒流路を溶融塩が完全には循環していない状態となり、かつ、溶融塩への熱供給が途絶えた状態となる虞がある。このような状態の熱媒流路内で溶融塩の温度が下がり過ぎて凝固しないように熱媒流路を加熱装置で加熱する必要がある。溶融塩は、合成オイルと比較して凝固点が高く、熱が供給されない状態で放熱してしまうと凝固して、熱媒流路を閉塞させる虞がある。

　太陽熱発電プラントの太陽熱収集装置以外の部分で固定配置された熱媒流路となる配管には、その外周側に上述の加熱装置として例えば電熱線（電気ヒートトレース）が設けられている。
　しかし、太陽熱収集装置において、熱媒流路の多くの部分を占める集熱管は、外周部に真空断熱部を備えるので電熱線を配置することが困難である。また、電熱線が集光された太陽光の受光の邪魔になる虞がある。さらに、集熱管が上述のように移動するので、電熱線に電力を供給する構造が煩雑になる虞がある。また、フレキシブル管は、上述のように太陽の高度の変化に対応する移動や温度変化による集熱管の長さの変化に応じて変形するので、電熱線を取り付けることが難しい。したがって、太陽熱収集装置の熱媒流路を加熱することが難しく、熱媒流路を加熱するために大きなコストがかかる虞がある。

　本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、複数種の管からなる熱媒流路を効率的に加熱することが可能な太陽熱収集装置を提供することを目的とする。

　前記課題を解決するために、本発明の太陽熱収集装置は、太陽熱を集光する集光手段の集光位置に熱媒を流す熱媒流路を備える太陽熱収集装置であって、
　前記熱媒流路は、前記集光手段の集光位置に配置される集熱管を含む複数種の導電性の管が直列に接続されることにより構成され、
　直列に接続された複数種の前記管に前記熱媒流路に沿って直列に電気を流すことにより、前記熱媒流路の前記管を発熱させる加熱手段が設けられ、
　かつ、複数種の前記管のうちの少なくとも１つの前記管に当該管に対して電流が並列に流れるバイパス電路が設けられていることを特徴とする。

　このような構成によれば、熱媒流路に外部から熱媒流路を加熱する例えば電熱線等を設けることなく、熱媒流路に電流を流すことにより、熱媒流路を発熱させて加熱することができる。したがって、集熱管の外面に電熱線を設けた場合に、集光された太陽光の受光の邪魔になったり、集熱管の外周部分に透明な外管を有する真空断熱構造があることにより電熱線等の加熱装置を取り付けることが困難だったりする場合でも直接集熱管に電流を流して発熱させることにより、集熱管を加熱することが可能になる。

　また、フレキシブル管のように使用時に大きく変形する可能性があることにより、電熱線等の加熱装置を外付けすることが困難な管でも電流を流して加熱することができる。

　また、個々の異なる種類の管にそれぞれ電流を流すのではなく、直列に繋がる複数種の管に直列に電流を流す構成とすることで、さらに各管を加熱するための構造を簡略化することできる。しかし、抵抗値の違う異なる種類の管に直列に電流を流した場合に、種類の異なる各管を流れる電流量は同じになってしまう。この場合に管の種類（材質および形状）の違いによって抵抗値が異なることになり、管の種類によって発熱量が異なることになる。また、熱媒の温度は、周囲の温度に対して高温であることから熱媒流路は熱が逃げないように断熱構造とすることが好ましい。この際に、各管はその構造や使用状況によって異なる断熱構造が採用され、それぞれ断熱性能が異なることから各管は種類によって放熱量が異なることになる。

　これら異なる種類の複数の管に直列に電流を流して加熱すると、各管によって加熱時の温度が大きく異なる状態となってしまう虞がある。そこで、他の種類の管より加熱時の温度が高くなる種類の管に当該管と並列に電流が流れるバイパス電路を設けることで、加熱時に当該管に流れる電流量を減少させて当該管の過加熱を防止することが可能となる。

　以上のことから、種類の異なる複数の管に直列に電流を流す簡単な構造で、各種類の管を適切な温度に加熱することができる。したがって、熱媒流路を低コストに加熱することができる。

　本発明の前記構成において、前記熱媒が溶融塩であることが好ましい。

　このような構成によれば、熱媒としての溶融塩が熱媒流路で凝固するのを防止できる。なお、溶融塩の凝固点温度（融点温度）は、常温に対してかなり高く、集光手段に光を照射され高温の状態で熱媒流路を循環している状態や、蓄熱槽等で蓄熱された熱を利用して熱媒流路を循環している状態であれば、温度が低下し過ぎて凝固することはない。しかし、スタートアップやメンテナンスで熱媒流路に溶融塩を導入したり、熱媒流路から溶融塩を排出したりする場合に、熱の供給が途絶えた状態で溶融塩が熱媒流路を流れる場合に途中で溶融塩が凝固する虞がある。そこで、熱媒流路を加熱することにより、溶融塩の凝固を防止できる。なお、溶融塩以外でも熱媒として凝固点温度の高い物質や、冷えると粘性が高くなるような物質を用いる場合にも適用可能である。

　また、本発明の前記構成において、前記管には、太陽高度に対応して移動する前記集熱管と、固定の配管と、前記集熱管と前記配管とを繋ぐフレキシブル管とが含まれることが好ましい。

　この場合に、電熱線等の外付けの加熱装置を用いることが上述のように難しい集熱管およびフレキシブル管を簡単な構造で容易に加熱することができる。

　また、本発明の前記構成において、前記配管に前記バイパス電路が設けられていることが好ましい。

　このような構成によれば、配管は、フレキシブル配管のように変形することがなく、また、集熱管のように太陽光が照射されることもないので、低コストで高い断熱性能を有する断熱構造を採用することができる。したがって、配管は、抵抗値がそれほど高くなくとも、電流を流した場合に、放熱量が少ないことから高温になる虞がある。そこで、配管にバイパス電路を設けて配管を流れる電流量を減少させることで、配管がフレキシブル管や集熱管に対して高温に成り過ぎるのを防止することができる。

　また、本発明の前記構成において、前記バイパス電路において電流が流れる導電体の材質と、断面積と、長さとのうちの少なくとも１つを調整することにより、前記バイパス電路の抵抗値が調整されていることが好ましい。

　このような構成によれば、バイパス電路と並列に配置された管の電流量を容易に調整することができる。特に、伝導体の長さにより抵抗値を調整するものとすれば、抵抗値の調整がより容易になる。なお、伝導体の材質によって抵抗率（比抵抗）が異なることにより、抵抗値を調整することができる。

　また、本発明の前記構成において、前記熱媒流路に熱媒を導入する場合および前記熱媒流路から熱媒を排出する場合に、前記加熱手段は、前記管に電流を流して、前記熱媒流路を加熱することが好ましい。

　このような構成によれば、熱媒の熱媒流路への導入と熱媒流路からの排出の場合に、高温の熱媒が熱媒流路を循環している状態とならず、熱媒が途中で冷えて凝固する虞があるが、この場合に熱媒の凝固を確実に防止することができる。

　また、本発明の前記構成において、前記熱媒流路は、２つの所定部分が互いに略平行に配置され、
　２つの前記所定部分のそれぞれに前記集熱管が配置されるとともに、一方の前記所定部分の前記集熱管と、他方の前記所定部分の前記集熱管とが互いに略平行に隣り合って配置され、
　前記熱媒流路の２つの前記所定部分を配線で繋ぐことにより、互いに略平行に配置される２つの前記集熱管を含む回路が構成され、前記加熱手段は前記回路に電流を流すことが好ましい。

　このような構成によれば、熱媒流路の互いに略平行に配置される所定部分間の距離が短ければ、熱媒流路に電流を流す閉回路を構成するための送電用ケーブルの長さを短くすることができる。これにより、送電用ケーブルの設置作業を容易にすることができるとともに、送電用ケーブルにかかるコストや、送電ロスを低減することができる。なお、略直線状に複数の集熱管が連結された熱媒流路の長い部分に電流を流すために、熱媒流路の電流を流す部分の端と端を送電用ケーブルで繋ぐと、少なくとも熱媒流路の電流を流す部分と略同じ長さの送電用ケーブルが必要となる。

　本発明によれば、複数の種類の管から構成される熱媒流路に電気を流して発熱させることにより、導電性の管ならばどのような管であっても簡単な構造で加熱可能となるとともに、複数種類の管からなる熱媒流路に直列に電流を流した場合でも管によって温度が高く成り過ぎるのを防止できる。

本発明の実施の形態に係る太陽熱収集装置を備える太陽熱収集システムを示す概略図である。同、太陽熱収集装置の集熱ユニットを示す概略正面図である。同、太陽熱収集装置の２つの集熱ユニットの接続部分を示す概略側面図である。同、太陽熱収集装置の熱媒流路に電流を流して加熱する構造を説明するための回路図である。

　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
　図１は、本実施の形態の太陽熱収集装置１を備える太陽熱収集システムの概略構成を示すものである。図１に示す太陽熱収集システムは、複数の太陽熱収集装置１を備えている。なお、図１では太陽熱収集装置１を２つ記載しているが、実際には太陽熱収集装置１は多数（例えば１００台以上）設けられている。なお、太陽熱収集システムで収集された太陽熱は、熱媒を介して発電システムに送られて発電が行われる。これら太陽熱収集システムと発電システムとから太陽熱発電プラントが構成される。

太陽熱収集装置１は、略Ｕ形の熱媒流路２を有しており、この熱媒流路２は、集光鏡（集光手段）３で集光された太陽光によって加熱され、これによって、熱媒流路２を流れる熱媒の温度が例えば５５０℃程度まで上昇するようになっている。

　なお、本実施の形態では熱媒としては、硝酸ナトリウムと硝酸カリウムとの混合物からなる溶融塩が使用されている。
　また、図１において、小さな直角三角形で示すものは勾配記号であり、この勾配記号にしたがって、熱媒流路２および後述する傾斜配管５が水平面に対して傾斜している。

　太陽熱収集装置１の熱媒流路２は傾斜配管５に接続されている。傾斜配管５はループ状に構成されており、図１において左端部が右端部より高くなっている。つまり、傾斜配管５は水平面に対して図１において右下がりに傾斜している。また、傾斜配管５は、平行に配置された２本の傾斜配管５ａ，５ｂを有しており、一方の傾斜配管５ａと他方の傾斜配管５ｂとはその両端部においてそれぞれ配管５ｃによって接続されている。
　傾斜配管５には２つのタンク６，７が接続されている。タンク６，７はそれぞれ熱媒を貯留するものであり、タンク６は太陽熱収集装置１によって加熱される前の熱媒を貯留し、タンク７は太陽熱収集装置１によって加熱された後の熱媒を貯留するようになっている。したがって、以下ではタンク６をコールド側タンク６と称し、タンク７をホット側タンク７と称する。

　コールド側タンク６と傾斜配管５ａとは接続配管１０によって接続されており、コールド側タンク６に設けられた図示しないポンプによって、コールド側タンク６から傾斜配管５ａに熱媒を送り込むようになっている。傾斜配管５ａに送り込まれた熱媒は、接続配管１０と傾斜配管５ａとの接続部において分岐して、その一部が傾斜配管５ａの勾配に沿って右側に流れ、残りの一部が傾斜配管５ａの勾配に逆らって左側に流れるようになっている。

　また、ホット側タンク７と傾斜配管５ｂとは接続配管１１によって接続されており、太陽熱収集装置１によって加熱された後の熱媒を前記ポンプの圧力によってホット側タンク７に送り込むようになっている。なお、接続配管１１は途中で分岐して、コールド側タンク６にも必要に応じて熱媒を送り込むことが可能となっている。例えば、太陽が出ていない夜間等は太陽熱収集装置１にて熱媒を加熱できないので、その場合、前記分岐部に設けられた切替弁によって、熱媒をコールド側タンク６にのみ送り込むようにして、加熱されていない熱媒がホット側タンク７に送り込まれるのを防止する。

　また、太陽熱収集装置１の熱媒流路２の一方の端部は傾斜配管５ａに接続されており、他方の端部は傾斜配管５ｂに接続されている。したがって、通常の運転時に傾斜配管５ａを流れる熱媒は太陽熱収集装置１によって加熱される前の熱媒であり、傾斜配管５ｂを流れる熱媒は太陽熱収集装置１によって加熱された後の熱媒である。太陽熱収集装置１の熱媒流路２では、傾斜配管５ａに接続された端部から傾斜配管５ｂに接続される端部に熱媒が流れることになり、熱媒が太陽熱収集装置１を循環している状態となる。

　なお、熱媒流路２および傾斜配管５ａ，５ｂから熱媒を排出する場合には、熱媒流路２および傾斜配管５ａ，５ｂの傾斜にしたがって上から下に熱媒を流すことが可能になっており、熱媒流路２の最も高い位置にベント弁を備えるベント部１５が設けられており、ベント部１５のベント弁を開放することにより、熱媒を排出する場合に空気を取り入れるようになっている。

　また、熱媒流路２の集光鏡３の部分が、集光鏡３で集光された光により加熱される集熱管２ａとなる。これら集光鏡３と集熱管２ａとから集熱ユニット３ａが構成される。
　図２および図３に示すように、集熱ユニット３ａは、太陽光を集熱管２ａに集光する集光鏡３と、集光された太陽光を受光することにより内部を流れる熱媒を加熱する当該集熱管２ａと、集光鏡３を補強する補強部材３ｂと、前記補強部材３ｂに接続されて集光鏡３の集光位置に集熱管２ａを支持する管支持部材３ｃと、集光鏡３を支持する脚部材３ｄと、脚部材３ｄに回転自在に支持されるとともに、補強部材３ｂに固定される回転筒３ｅとを備える。

　集光鏡３は、断面略円弧状（凹状）で、左右に延在し、直管状の集熱管２ａに太陽光を集光するようになっている。集熱管２ａは、内部に熱媒が流れるとともに、外部に光を透過する外管が備えられている。集熱管２ａと外管との間が略真空となって、真空断熱構造を構成している。補強部材３ｂは、集光鏡３の反射面の裏側となる背面に固定されて集光鏡３を補強する。補強部材３ｂは、集光鏡３および集熱管２ａの長さ方向に沿って等間隔に複数設けられている。

　また、補強部材３ｂは、回転筒３ｅに固定され、回転筒３ｅと一体に回転可能となっていることにより、集光鏡３を太陽の高度の変化に対応して角度変更可能としている。管支持部材３ｃは、補強部材３ｂに固定されるとともに集熱管２ａを支持した状態で、回転筒３ｅと一体に回転可能となっている。脚部材３ｄは、回転筒３ｅを回転自在に支持することで、集光鏡３、集熱管２ａ、補強部材３ｂ、管支持部材３ｃを回転自在に支持している。

　また、集熱ユニット３ａの左右端部では、それぞれ、集熱管２ａに配管２ｂがフレキシブル管（第１のフレキシブル管）２ｃおよびフレキシブル管（第２のフレキシブル管）２ｄを介して接続されている。図３に示すように、２つの集熱ユニット３ａの間では、集熱管２ａに接続されたフレキシブル管２ｃ、当該フレキシブル管２ｃに接続されたフレキシブル管２ｄ、当該フレキシブル管２ｄに接続された配管２ｂ、当該配管２ｂに接続されたフレキシブル管２ｄ、当該フレキシブル管２ｄに接続されたフレキシブル管２ｃ、当該フレキシブル管２ｃに接続された集熱管２ａが配置され、これらの管により熱媒流路２が構成されるようになっている。なお、２つの集熱ユニット３ａは、斜面上に設けられているため、左の集熱ユニット３ａより、右の集熱ユニット３ａの方が低くなっている。

　直列に繋がれた２本のフレキシブル管２ｃ、２ｄは、補強部材３ｂまたは回転筒３ｅに一体に回転可能に取り付けられたフレキ支持部材３ｆに支持された状態で互いに接合されている。一方のフレキシブル管２ｃは、一方の端部が集熱管２ａに接続され、他方の端部がフレキ支持部材３ｆに支持された状態でフレキシブル管２ｄに接続されている。したがって、フレキシブル管２ｃは、集熱管２ａおよびフレキ支持部材３ｆとともに、回転筒３ｅと一体に回転する。このフレキシブル管２ｃは、集熱管２ａの温度に基づく伸縮に応じて変形し、集熱管２ａの伸縮による変形を吸収するようになっている。

　他方のフレキシブル管２ｄは、一方の端部が回転筒３ｅと一体に回転するフレキ支持部材３ｆに支持された状態でフレキシブル管２ｃに接続され、他端部が固定の配管２ｂに接続され、太陽高度に対応する集熱管２ａの移動に基づいて変形し、集熱管２ａの回転移動による変位を吸収するようになっている。これら、フレキシブル管２ｃ、２ｄは、熱媒の温度に対応する耐熱性を有する周知のステンレス等の金属からなる。また、集熱管２ａおよび配管２ｂも耐熱性を有する金属製であり、フレキシブル管２ｃ、２ｄ、集熱管２ａ、配管２ｂは、それぞれ導電性を有するものとなっている。

　なお、図１において、１つの太陽熱収集装置１を構成する４つの集熱ユニット３ａは、Ｕ字状の熱媒流路２により、直列に接続されており。各集熱ユニット３ａ間は、配管２ｂで接続されている。なお、太陽熱収集装置１を構成する集熱ユニット３ａの数は４つに限定されるものではなく、４つより多くても少なくてもよい。また、本実施の形態では、上述のようにＵ字状の熱媒流路２を用いることにより、集熱ユニット３ａは、２列に配置されるようになっている。

　また、本実施の形態において、上述のように金属からなる集熱管２ａ、フレキシブル管２ｃ，２ｄおよび配管２ｂからなる熱媒流路２に直接電気を流すことにより、熱媒流路２を発熱させて加熱するようになっている。したがって、集熱管２ａや、フレキシブル管２ｃの外周に、電熱線等の加熱装置を取り付けることなく、電源３０を接続して電流を流すだけで、熱媒流路２を加熱することが可能になる。すなわち、熱媒流路２に電流を流す電源３０が加熱手段となる。この場合に、熱媒流路２自体が発熱することから、集熱管２ａにおいて加熱装置が集光による受熱の邪魔になることがない。また、変形するフレキシブル管２ｃ、２ｄに加熱装置を外付けする必要がなくなり、極めて簡単な構成で熱媒流路２の加熱が可能となる。このような加熱方法が、例えばジュール・エフェクト・ヒーティング（インピーダンス・ヒーティング）である。

　図４に、１つの太陽熱収集装置１における熱媒流路２に電源（トランス）３０から電流を流した場合の回路図を示す。回路図では、熱媒流路２の集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｃおよびフレキシブル管２ｄからなるフレキシブル管２ｅと、後述するバイパスケーブル（バイパス電路、送電用ケーブル）２ｆおよび閉回路用ケーブル（配線）２ｇ、電源接続ケーブル（配線）２ｈを抵抗の図記号で示した。また、図４において、電源の容量は、Ｓ（ｋＶＡ）と記載しているが、各種条件に応じて必要な容量のトランスを用いればよい。

　電源３０は、例えば、単相４００Ｖの交流電流を、３０Ｖ程度の電圧に変圧するトランスであり、二次コイル側の中性点が接地されていないフローティング電源となっている。電源３０から熱媒流路２に電源接続ケーブル２ｈが接続されている。本実施の形態では、上述のように熱媒流路２がＵ字状に曲げられることにより、熱媒流路２の上流側の所定部分と下流側の所定部分とが互いに平行に配置されている。また、熱媒流路２の上流側と下流側とにそれぞれ２個ずつ集光鏡３および集熱管２ａからなる集熱ユニット３ａが配置されている。

　本実施の形態では、上流側の１つの集熱ユニット３ａと、この上流側の集熱ユニット３ａに並んで配置される下流側の１つの集熱ユニット３ａとの部分（ブロック）に１つの電源３０から電流を流す構造となっている。したがって、本実施例では、１つの太陽熱収集装置１のＵ字状の熱媒流路２の互いに平行に配置される上流側の所定部分と下流側の所定部分とに２つずつの集熱ユニット３ａが設けられており、図１において、隣り合う上流側の１つの集熱ユニット３ａ（集熱管２ａ）と、下流側の１つの集熱ユニット３ａ（集熱管２ａ）とから１つのブロックが形成されることにより、熱媒流路２に２つのブロックが形成されている。なお、例えば、１つのＵ字状の熱媒流路２の上流側と下流側に３つずつの集熱ユニット３ａが設けられていれば、３つのブロックが形成されることになる。なお、１つのブロックに含ませる集熱ユニット３ａの数は、集熱ユニット３ａの長さや数によって任意に変更することができる。

　一つのブロックには、図４に示すように。上述のように互いに平行に熱媒流路２の上流側と下流側とが配置されており、上流側と下流側とにおいて、例えば、左側から固定の配管２ｂ、フレキシブル管２ｅ、集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂの順で各種管が直列に接続されている。なお、図４において、例えば、図中上側の熱媒流路２を熱媒流路２の上流側とし、図中下側の熱媒流路２を熱媒流路２の下流側とする。

　集熱管２ａは、例えば、全体で約１００ｍであり、基本的に真空断熱用の外管に覆われた状態となっているが、１２ｍ程度ずつの外管を有する集熱管２ａの分割体を８つ接続した状態となっている。これら集熱管２ａの分割体の接続部では、外管の中の集熱管２ａに直接電源が接続可能となっている。本実施の形態では、電源３０からブロック内の２つの集熱管２ａそれぞれに延びる電源接続ケーブル２ｈが集熱管２ａの中央部で、集熱管２ａの分割体同士の接続部に接続されている。また、熱媒流路２の上流部分と下流部分とは、集熱ユニット３ａの集熱管２ａの左右それぞれにフレキシブル管２ｅを介して接続された配管２ｂの部分で閉回路用ケーブル２ｇにより接続された状態となっている。また、上述のように電源３０がフローティング電源なのに対して、閉回路用ケーブル２ｇの部分がグランド３１により接地されている。

　これにより、電源３０から図中上に向かう電源接続ケーブル２ｈが例えば、熱媒流路２の上流側の集熱管２ａの中央部に接続される。なお、図４において、熱媒流路２の上流側と下流側とでそれぞれ左右一対の集熱管２ａが接続された状態となっているが、これは１つの集熱管２ａを中央部で分けて記載したものであり、１つの集熱管２ａの中央部に電源接続ケーブル２ｈが接続されている状態を示している。

　上側に向かう電源接続ケーブル２ｈは、集熱管２ａに接続された部分で左右に分岐し、この部分から左右に並列で電流が流れる。一つのブロックの左右の各部分は、同じ構造となっているので、ここでは、ブロックの左側部分を説明し、右側部分の説明を省略する。上に延びる電源接続ケーブル２ｈから流れる電流は、電源接続ケーブル２ｈと集熱管２ａとの接続部で左右に流れる。左側を流れる電流は、集熱ユニット３ａの集熱管２ａからフレキシブル管２ｅに向かい、集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂの順で流れ、配管２ｂから閉回路用ケーブル２ｇを通って下側の配管２ｂに流れる。さらに、配管２ｂからフレキシブル管２ｅ、集熱管２ａに至る。集熱管２ａを流れる電流は、集熱管２ａの中央部から下側の電源接続ケーブル２ｈに流れ、電源３０に至ることになる。上述のブロックの右側部分も同じ順で電流が流れる。

　ここで、熱媒流路２を構成する集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｅは、その材質、断面積、長さ、保温構造が異なり、それぞれ一定の電圧で直列に電流を流した場合に、材質と断面積と長さに対応する抵抗値に基づく発熱量と、形状や保温構造による放熱量が異なる。したがって、単純に直列に電流を流した場合に、集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｃ、２ｄで加熱される熱量と放熱量が異なり、電流を流している状態で温度に大きな差が出る虞がある。

　ここで、発熱量（ジュール熱）は、Ｈ＝Ｉ^２Ｒｔで表される。なお、Ｈが発熱量、Ｉが電流値、Ｒが抵抗値、ｔが時間である。
　また、回路図で直列に並んだ各抵抗（集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｅ、閉回路用ケーブル２ｇ、電源接続ケーブル２ｈ）には、同じ電流が流れることになるので、各抵抗としての集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｅ、閉回路用ケーブル２ｇ、電源接続ケーブル２ｈは、それぞれの抵抗値に比例した発熱量となる。図４に示すように、それぞれの抵抗の抵抗値は、集熱管２ａがＲｔ、配管２ｂがＲｐ、フレキシブル管２ｅがＲｆｐ、電源接続ケーブル２ｈがＲｃとなり、これに電流値の２乗と時間を乗算することで発熱量が算出される。したがって、熱媒流路２を構成する各部材の実際の抵抗値が分かれば、発熱量が分かることになるが、各部材の温度は、発熱量と放熱量とに基づいて決まるので、例えば、実験またはシミュレーションにより、各部材の発熱量や放熱量を求めたり、電流を流した場合の各部材の温度を求めたりする必要がある。

　本実施の形態では、集熱管２ａ、配管２ｂ、フレキシブル管２ｅにおいては、集熱管２ａおよびフレキシブル管２ｅの温度に対して配管２ｂの温度が高くなることが確認された。外部から熱を得る必要がある集熱管２ａや、変形するフレキシブル管２ｅに比較して、温度差による収縮はあるが、基本的に固定された状態で、かつ、外部と断熱しても問題がない配管２ｂでは、集熱管２ａやフレキシブル管２ｅより断熱性能に優れた保温構造となっていることから放熱量が少なく、温度が上昇し易くなっている。

　本実施の形態では、同じ電流を流した場合に、フレキシブル管２ｅや集熱管２ａに対してより高温となる配管２ｂに流れる電流値を下げるために、配管２ｂのフレキシブル管２ｅに接続される端部から閉回路用ケーブル２ｇに接続される部分まで、バイパスケーブル２ｆを接続している。すなわち、配管２ｂとバイパスケーブル２ｆとは、並列に配置された状態となっており、電流が配管２ｂとバイパスケーブル２ｆとに分離して流れることにより、配管２ｂを流れる電流の値が低くなり、配管２ｂにおける発熱量が減少し、配管２ｂの温度を集熱管２ａおよびフレキシブル管２ｅに近づけることができる。

　なお、熱媒流路２において、多くの部分を占めるのは、集熱管２ａであり、基本的には、集熱管２ａが好適な温度範囲となるように、電圧や電流が設定されている。それに対して配管２ｂの温度が必要以上に高くなることから、上述のようにバイパスケーブル２ｆを配管２ｂと並列に接続することにより、配管２ｂを流れる電流の値を低下させる。この際に、バイパスケーブル２ｆ側に流れる電流の値は、配管２ｂの抵抗値Ｒｐと、バイパスケーブル２ｆの抵抗値Ｒｂｃによって決まる。すなわち、配管２ｂを流れる電流Ｉｐは、配管２ｂおよびバイパスケーブル２ｆのそれぞれにかかる電圧をＶｐとするとＩｐ＝Ｖｐ／Ｒｐとなり、バイパスケーブル２ｆを流れる電流Ｉｂｃは、Ｉｂｃ＝Ｖｐ／Ｒｂｃとなる。

　本実施の形態においては、上述の実験（シミュレーション）により、電流を熱媒流路２に流した場合に、集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂを最適な温度にするために、同じ電流を流した場合に最も温度が高くなる配管２ｂの温度が、例えば、集熱管２ａやフレキシブル管２ｅと略同じ温度となるように配管２ｂを流れる電流の値を設定し、それに合わせてバイパスケーブル２ｆの抵抗値を決定する。抵抗値は、バイパスケーブル２ｆの材質（の抵抗率）と断面積と長さによって決まるものであり、例えば、低効率（比抵抗）に長さを乗算して断面積で除算したものである。

　基本的には、バイパスケーブル２ｆに必要な抵抗値を推測し、例えば、バイパスケーブル２ｆの長さで抵抗値を設定する。なお、バイパスケーブル２ｆの長さが配管２ｂのバイパスされる部分の長さより短くならないことが好ましく、それに対応して上述のバイパスケーブル２ｆとなる導線の断面積（一本の導線の断面積かける導線の本数）を決定しておく必要がある。なお、バイパスケーブル２ｆは、配管２ｂのバイパスされる部分より長くされるので、例えば、バイパスケーブル２ｆの配管２ｂのバイパスされる部分より長くなった部分は、例えば、ケース内に纏めて収納することが好ましい。但し、バイパスケーブル２ｆをケース内に纏める際にケーブル用リールに巻き取ったような状態（コイル状）ではなく、例えば、１ｍ以上の長いケース内でケースの内壁に沿って長径側が長くなるようにして、少ない巻き数で巻いた状態とすることが好ましい。

　このような構成とすることにより、直列に配置される集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂにおいて、配管２ｂに流れる電流の値を、集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅと異なるように変更することができる。なお、例えば、電流を流した場合に集熱管２ａよりフレキシブル管２ｅの方が、温度が高くなるような場合に、フレキシブル管２ｅに対して並列にバイパスケーブル２ｆを配置して、フレキシブル管２ｅに流れる電流量を集熱管２ａに流れる電流量より少なくしたり、逆に集熱管２ａ側に並列にバイパスケーブル２ｆを配置して、集熱管２ａに流れる電流量をフレキシブル管２ｅに流れる電流量より少なくしてもよい。

　このような太陽熱収集装置１によれば、少なくともスタートアップの際に熱媒流路２に熱媒としての溶融塩を導入する場合や、メンテナンス時に熱媒流路２から溶融塩を排出する場合やメンテナンス後に溶融塩を熱媒流路２に再導入する場合に、熱媒流路２を加熱して、溶融塩が凝固するのを防止することができる。

　この場合に、集熱管２ａは、集光された太陽熱を遮えぎらない構造や、集熱管２ａの外周部に真空断熱構造があっても集熱管２ａを加熱できる構造として、集熱管２ａを含む熱媒流路２に直接電流を流す構造を採用したので、極めて簡単な構造で集熱管２ａを加熱することが可能となる。

　また、集熱管２ａの太陽高度に対応する移動と、温度変化による伸縮に対応するために熱媒流路２に設けられたフレキシブル管２ｅにおいても、フレキシブル管２ｅの変形に追随するような電熱線を用いることなく、フレキシブル管２ｅに電流を流して加熱可能であり、簡単な構造でフレキシブル管２ｅを加熱することが可能となる。

　また、電気を流して加熱する熱媒流路２に、抵抗値が異なるとともに断熱構造の違いにより、放熱量が異なる集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂが直列に繋がれることにより、それぞれに同じ値の電流が流れてしまうことに基づいて、各管の間に、加熱時に大きな温度差が生じる可能性があるが、例えば、温度が集熱管２ａやフレキシブル管２ｅより高くなる配管２ｂに並列にバイパスケーブル２ｆを配置することにより、直列配置でありながら、集熱管２ａおよびフレキシブル管２ｅに流れる電流量より配管２ｂを流れる電流量を少なくすることが可能となる。これにより、バイパスケーブル２ｆを除いて、直列に配置される、集熱管２ａ、フレキシブル管２ｅ、配管２ｂにおいて、バイパスケーブル２ｆの有無や、バイパスケーブル２ｆの抵抗値に基づいて、直列に電流を流した際のそれぞれの部材の温度を個別に設定することが可能となり、それぞれの部材の温度を互いに近づけるように設定することが可能となる。

　また、互いに略平行に配置された集熱管２ａを含む熱媒流路２の互いに略平行に配置される部分同士を閉回路用ケーブル（送電用ケーブル）２ｇと、電源接続ケーブル（送電用ケーブル）２ｈとで接続して熱媒流路２に電流を流す閉回路を構成しているので、互いに平行に配置される集熱管２ａ間の距離が短ければ、閉回路を構成するための送電用ケーブルを短くできる。これにより、送電用ケーブルの設置作業を容易にできるとともに、送電用ケーブルにかかるコストおよび送電ロスの低減を図ることができる。

　また、フレキシブル管２ｅが、主に集熱管２ａの温度に基づく伸縮に応じて変形するフレキシブル管２ｃと、フレキシブル管２ｃに接続され、主に集熱管２ａの移動に応じて変形するフレキシブル管２ｄからなっている。すなわち、フレキシブル管２ｅを、集熱管２ａの伸縮に対応して変形する部分と、集熱管２ａの移動に対応して変形する部分に分けたので、これら２種類の変形に対応するためにフレキシブル管２ｅが自由に変形する部分が長くなって、電気を流した状態で周囲の部材にフレキシブル管２ｅが当たることなどによって問題が生じ易くなるのを防止することができる。なお、第１のフレキシブル管２ｃと第２のフレキシブル管２ｄとが接合される部分は、集熱管２ａと一体に移動する状態となっていることが好ましい。

　バイパス電路としてのバイパスケーブル２ｆは、送電用ケーブルからなるが、導電体の周囲に絶縁層と保護カバーが設けられており、屋外で容易に使用できるとともに、抵抗値が低く、かつ、長さを自由に設定できるので、抵抗値を細かく設定することが容易である。また、送電用ケーブルは、曲げることも比較的容易であり、長くなっても、設置場所に対応して比較的コンパクトに配置することができる。

　なお、本実施の形態では、４つの集熱ユニット３ａを備える太陽熱収集装置１において、２つの集熱ユニット３ａを備える２つのブロックのそれぞれに電源３０を設けて熱媒流路２に電流を流す構造としている。また、１つのブロックの２つの集熱ユニット３ａをそれぞれ二分して、並列に電流を流すようにしている。それに対して、１つの集熱ユニット３ａ毎に電源３０を配置して電流を流してもよいし、１つのブロックにおける２つの集熱ユニット３ａをそれぞれ二分して電源３０に並列に接続せずに、２つの集熱ユニット３ａそれぞれの熱媒流路２に直列になるように電源３０を接続してもよい。

１　　　太陽熱収集装置
２　　　熱媒流路
２ａ　　集熱管
２ｂ　　配管
２ｃ　　フレキシブル管
２ｄ　　フレキシブル管
２ｅ　　フレキシブル管
２ｆ　　バイパスケーブル（バイパス電路）
３　　　集光鏡（集光手段）
３０　　電源（加熱手段）

Claims

　太陽熱を集光する集光手段の集光位置に熱媒を流す熱媒流路を備える太陽熱収集装置であって、
　前記熱媒流路は、前記集光手段の集光位置に配置される集熱管を含む複数種の導電性の管が直列に接続されることにより構成され、
　直列に接続された複数種の前記管に前記熱媒流路に沿って直列に電気を流すことにより、前記熱媒流路の前記管を発熱させる加熱手段が設けられ、
　かつ、複数種の前記管のうちの少なくとも１つの前記管に当該管に対して電流が並列に流れるバイパス電路が設けられていることを特徴とする太陽熱収集装置。
　前記熱媒が溶融塩であることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱収集装置。
　前記管には、太陽高度に対応して移動する前記集熱管と、固定の配管と、前記集熱管と前記配管とを繋ぐフレキシブル管とが含まれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽熱収集装置。
　前記配管に前記バイパス電路が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の太陽熱収集装置。
　前記バイパス電路において電流が流れる導電体の材質と、断面積と、長さとのうちの少なくとも１つを調整することにより、前記バイパス電路の抵抗値が調整されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の太陽熱収集装置。
　前記熱媒流路に熱媒を導入する場合および前記熱媒流路から熱媒を排出する場合に、前記加熱手段は、前記管に電流を流して、前記熱媒流路を加熱することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽熱収集装置。
　前記熱媒流路は、２つの所定部分が互いに略平行に配置され、
　２つの前記所定部分のそれぞれに前記集熱管が配置されるとともに、一方の前記所定部分の前記集熱管と、他方の前記所定部分の前記集熱管とが互いに略平行に隣り合って配置され、
　前記熱媒流路の２つの前記所定部分を配線で繋ぐことにより、互いに略平行に配置される２つの前記集熱管を含む回路が構成され、前記加熱手段は前記回路に電流を流すことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の太陽熱収集装置。