(57)【要約】【課題】熱音響現象を用いて発電する際に、熱源として太陽熱を利用する太陽熱利用熱音響発電装置を提供することを課題とする。【解決手段】軸方向両端が閉じられていて内部に気体が封入された気柱管１と、気柱管１の軸方向での一端部側内部に配置され上記軸方向に複数の狭流路が形成された蓄熱部４と、蓄熱部４の一端部に接し狭流路内の気体を加熱する高温熱交換器５と、蓄熱部４の他端部に接し狭流路内の気体を冷却する低温熱交換器６と、気柱管１の他端部側に設けられ上記蓄熱部４内の気体に生じる上記軸方向での温度勾配にもとづいて生じる自励振動により発生する音響エネルギを電気エネルギに変換するトランスデューサ１１とを備えた熱音響発電装置において、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置８と、太陽熱集熱装置８で集熱された太陽熱を受熱し、受熱した太陽熱を高温熱交換器５に供給する太陽熱受熱装置７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向両端が閉じられていて内部に気体が封入された気柱管と、
気柱管の軸方向での一端部側内部に配置され上記軸方向に複数の狭流路が形成された蓄熱部と、
蓄熱部の一端部に接し狭流路内の気体を加熱する高温熱交換器と、
蓄熱部の他端部に接し狭流路内の気体を冷却する低温熱交換器と、
気柱管の他端部側に設けられ上記蓄熱部内の気体に生じる上記軸方向での温度勾配にもとづいて生じる自励振動により発生する音響エネルギを電気エネルギに変換するトランスデューサとを備えた熱音響発電装置において、
太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、
太陽熱集熱装置で集熱された太陽熱を受熱し、受熱した太陽熱を高温熱交換器に供給する太陽熱受熱装置と、
を有することを特徴とする太陽熱利用熱音響発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響現象を用いて発電する熱音響発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体を封入した管内に、該管の軸方向に延びる複数の狭流路を形成する蓄熱部（スタック）を設け、上記軸方向で該蓄熱部両側の間に温度差を生じさせて温度勾配を形成させることにより、気体の自励振動が生じ音波が発生する熱音響現象が知られており、生じた音波エネルギを電気エネルギに変換する熱音響発電装置が知られている。
【０００３】
このような熱音響現象を利用して内燃機関の排気熱を回収して発電する装置が特許文献１で提案されている。この特許文献１の装置は内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続された共鳴管と、この共鳴管の一端に設けられたスタックと、共鳴管の他端に設けられた音／電気変換器とを備えている。共鳴管は内部に気体が封入されている。この特許文献１の装置では触媒コンバータから発せられる熱により共鳴管内のスタックの一端が加熱され、スタックの両端部間に温度勾配が付与され、これによってスタック内の気体に自励振動が生じ音波が発生し、音波エネルギが音／電気変換器により電気エネルギに変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の熱音響発電装置は、内燃機関の排気熱を回収して発電しており、近来、二酸化炭素排出量削減の観点から求められている自然エネルギを利用して熱音響発電を行う技術については、いまだ開発されていない。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、熱音響現象を用いて発電する際に、熱源として太陽熱を利用する太陽熱利用熱音響発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る太陽熱利用熱音響発電装置は、軸方向両端が閉じられていて内部に気体が封入された気柱管と、気柱管の軸方向での一端部側内部に配置され上記軸方向に複数の狭流路が形成された蓄熱部と、蓄熱部の一端部に接し狭流路内の気体を加熱する高温熱交換器と、蓄熱部の他端部に接し狭流路内の気体を冷却する低温熱交換器と、気柱管の他端部側に設けられ上記蓄熱部内の気体に生じる上記軸方向での温度勾配にもとづいて生じる自励振動により発生する音響エネルギを電気エネルギに変換するトランスデューサとを備えている。
【０００８】
かかる熱音響発電装置において、本発明では、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、太陽熱集熱装置で集熱された太陽熱を受熱し、受熱した太陽熱を高温熱交換器に供給する太陽熱受熱装置とを有していることを特徴としている。
【０００９】
このような構成の本発明によると、太陽熱集熱装置で集熱した太陽熱により高温熱交換器の熱交換面で蓄熱部の一端部が加熱され、蓄熱部の他端部が低温熱交換器に供給される低温冷熱により冷却される。この蓄熱部の一端部での加熱そして他端部での冷却により、該蓄熱部内の気体に上記軸方向での温度勾配が生じて、この温度勾配により気体の自励振動が発生し、発生した音響エネルギがトランスデューサにより電気エネルギに変換され、発電がなされる。本発明では、高温熱交換器へ供給する高温熱源として自然エネルギである太陽熱を有効利用して発電される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、このように、熱源として太陽熱を利用して熱音響発電を行うので、自然エネルギを有効に利用した発電が可能であり、二酸化炭素排出量削減の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態装置の概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面の図１にもとづき、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
本実施形態の太陽熱利用熱音響発電装置は、軸方向両端が閉塞された円形断面の気柱管１を有している。該気柱管１は、図１にも見られるように、軸方向中間部にテーパ部分を有していて、一端側（図にて左端側）に対して他端側が拡径されている。該気柱管１内には、空気、窒素、ヘリウム等の希ガスが作動ガスとして封入されている。
【００１４】
かかる気柱管１の一端側には、音波発生部２がそしてそれよりも他端側には共鳴部３が形成されている。
【００１５】
上記音波発生部２は、一端側で気柱管１内に配された蓄熱部（スタック）４と、気柱管１の外周で該蓄熱部４の一端側位置に設けられた高温熱交換器５と、気柱管１の外周で上記蓄熱部４の他端側に設けられた低温熱交換器６とを有している。
【００１６】
上記蓄熱部４は、気柱管１の軸方向に平行に延びる複数の狭流路を有する部材で形成されており、例えば、多数のステンレス鋼板が小隙間をもって積層されることにより構成されている。かかる小隙間で形成される狭流路は軸方向に貫通している。
【００１７】
上記高温熱交換器５は、外部から熱を受けてこれを気柱管１の管壁を介しての熱交換により上記蓄熱部４の一端部にこの熱を伝熱するように形成されている。該高温熱交換器５へ外部から熱を供給するのは、該高温熱交換器５に接続されている下述の太陽熱受熱装置７である。
【００１８】
上記太陽熱受熱装置７は、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置８に接続されていて、太陽熱集熱装置で集熱された太陽熱を受けこの熱を上記高温熱交換器５へ供給するが、その熱を高温熱交換器５へ直接供給しても、該太陽熱受熱装置７で熱媒体を加熱してこの熱媒体を介して間接的に熱を供給してもよい。
【００１９】
上記太陽熱集熱装置８は、太陽熱を集熱すべく構成されていて、例えば、複数の反射鏡と反射された太陽光を収束させるため断面が放物線状の収束反射鏡とを有していて、複数の反射鏡で反射された太陽光が収束反射鏡により集光され、収束された太陽光を太陽熱受熱装置の受熱部に照射することにより効率的に太陽熱を利用するようになっている。
【００２０】
一方、太陽熱受熱装置７は、間接的に上記蓄熱部４を加熱する場合には、内部に熱媒体を流通させる受熱部を有していて、太陽熱集熱装置８からの太陽熱により熱媒体を加熱するようになっている。加熱された熱媒体は高温熱交換器５に送られ、蓄熱部４の一端側たる高温側端部を加熱する。太陽熱受熱装置７の表面は、透明ガラス、透明石英等に覆われ、透明ガラス等と受熱部との間の空間を真空とすることにより、対流伝熱による熱ロスを抑制できる。また、受熱部表面は、黒色塗料が塗布されるか、凹凸のある鏡面構造を有することで、輻射伝熱ロスを抑制できるようになっていて、太陽熱集熱装置８からの受熱熱量を最大に、かつ熱ロスを最小化にする。
【００２１】
このように、太陽熱受熱装置７は、上記太陽熱集熱装置８から受けた太陽熱を高温熱交換器５で用いられるのに適合した形で、高温熱交換器５に接続されている。高温熱交換器５の熱交換面は、既述したように、太陽熱受熱装置７によって上記のように熱媒体を介して間接的に加熱されてもよいし、熱媒体を介さずに上記太陽熱受熱装置７により直接加熱されてもよい。太陽熱受熱装置７により高温熱交換器５の熱交換面を直接加熱する場合には、太陽熱受熱装置７の加熱部と高温熱交換器５の熱交換面とが熱伝導性の高い銅製部材や銀製部材により熱的に連結されていることが好ましい。また、高温熱交換器５の熱交換面は、上記太陽熱集熱装置８により直接加熱されてもよい。太陽熱集熱装置８で集熱した太陽熱を高温熱交換器５の熱交換面に直接照射する場合には、熱交換面の受熱部の表面は、透明ガラス、透明石英等に覆われ、太陽熱が透過できるようになっていることが好ましい。
【００２２】
一方、上記低温熱交換器６は、外部から低温冷熱源の供給を受けて蓄熱部４の他端部を冷却するようになっている。本実施形態において、例えば、冷却水を供給することにより、簡便に低温熱交換器６へ低温冷熱源を供給することができる。太陽熱利用熱音響発電装置を、廃棄物の焼却又はガス化・溶融を行う廃棄物処理炉施設に設け、低温熱交換器へ供給する低温冷熱源として、廃棄物処理炉へ供給する支燃ガス、廃棄物処理炉からの排ガスから廃熱回収するボイラへ供給する給水を用いることができる。このようにすることにより、これらの流体が上記低温熱交換器での熱交換により加熱されるので、従来の廃棄物処理炉施設においてこれらの流体加熱のために使用されている蒸気使用量を低減でき、蒸気を発電タービンに供給する量を増加させる効果がある。
【００２３】
上記音波発生部２に対して軸方向他端側に設けられている共鳴部３は、音波発生部２における気柱管１の部分と同径の管部９と、該管部９からテーパ部を経て拡径された閉鎖端部１０と、該閉鎖端部１０の端壁に設けられたトランスデューサ１１とを有している。該トランスデューサ１１は、音響エネルギを電気エネルギに変換する機能を有している。
【００２４】
上記トランスデューサ１１は、音波を受けて該音波を機械振動に変換し、この機械振動を電気エネルギに変換するものであって、具体的には、振動ピストンとリニア発電機の組み合わせユニット、振動板とピエゾ変換素子の組み合わせユニット、さらには、磁気誘導発電機として実現できる。上記トランスデューサの出力は、制御手段を介して、バッテリ、電気機器等の電気負荷に供給される。
【００２５】
かかる構成の本実施形態では、次の要領で発電される。
【００２６】
（１）太陽熱を受けた高温熱交換器５により、蓄熱部４の高温側端部たる一端部が加熱され、低温側端部たる他端部が低温熱交換器６により冷却されると、上記蓄熱部４の両端間に、蓄熱部４は軸方向で大きな温度勾配が形成される。
【００２７】
（２）上記温度勾配により、蓄熱部４の狭流路内の作動気体は、軸方向で局所的な圧力の変化が生じ、自発的に該軸方向に振動（自励振動）して音波を発生する。
【００２８】
（３）この音波は、作動気体を介して共鳴部３内を往復する。このような熱エネルギによって音波が生じる現象は熱音響現象として知られている。
【００２９】
（４）この音波の周波数と共鳴部３の固有振動数が一致すると、共鳴部３内に定在波が生じ、この定在波により、閉鎖端部１０に設けられたトランスデューサ１１の振動部が加振され、その振動が電気エネルギに変換され、発電がなされる。この発電による電力は、制御手段を介して電気負荷に供給される。
【００３０】
本発明の太陽熱利用熱音響発電装置において、熱膨張や経年変化等の影響による変形により、気柱管の共鳴部の固有振動数が微小ながら変化する可能性があり、固有振動数からのずれや偏りにより発電効率が低下する可能性があるが、この対策として、固有振動数調整のために気柱管の共鳴部の長さを微調整できるような機構、すなわち、楽器のトロンボーンのような固有振動数を無段階で連続的に調整できる機構を設けることがより好ましい。
【符号の説明】
【００３１】
１  気柱管
４  蓄熱部
５  高温熱交換器
６  低温熱交換器
７  太陽熱受熱装置
８  太陽熱集熱装置
１１  トランスデューサ
【図１】
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