(57)【要約】【課題】あらゆる方向からも均一な光量を受光することができ、受熱量を向上させることができる太陽光集光受熱システムを提供する。【解決手段】集光受熱器１０は、太陽光線が入射する開口部２６を有する受熱器本体２３と、受熱器本体２３内に収容され、圧縮空気が流通するとともに、開口部２６から入射した太陽光線を受光して、熱エネルギーとして圧縮媒体へ伝達する受熱部とを備え、基準日時における太陽方位および太陽仰角を方向ベクトルとするとともに、開口部２６中心を通る直線を中心軸Ｌ１とし、開口部２６の中心Ｏ１を頂点して下方に拡がる仮想円錐Ｐを少なくとも１つ形成するとともに、仮想円錐Ｐの底面の外縁に沿って等間隔に仮想設置点を設定し、複数のヘリオスタットのそれぞれは、仮想設置点を通る仮想円錐Ｐの稜線の延長線とグランドとの交点上に配されていることを特徴とする。【選択図】図４
2011094820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表面に配列され、太陽光線を反射させる複数の反射鏡と、
前記地表面上方に配置され、前記複数の反射鏡により反射された太陽光線を受光する受熱器とを備えた太陽光集光受熱システムであって、
前記受熱器は、太陽光線が入射する入射口を有するケーシングと、
前記ケーシング内に収容され、熱媒体が流通するとともに、前記入射口から入射した太陽光線を受光して、熱エネルギーとして前記熱媒体へ伝達する受熱部とを備え、
基準日時における太陽方位および太陽仰角を方向ベクトルとするとともに、前記入射口中心を通る直線を中心軸とし、前記入射口中心を頂点して下方に拡がる仮想円錐を少なくとも１つ形成するとともに、前記仮想円錐の底面の外縁に沿って等間隔に仮想設置点を設定し、
前記複数の反射鏡のそれぞれは、前記仮想設置点を通る前記仮想円錐の稜線の延長線と前記地表面との交点上に配されていることを特徴とする太陽光集光受熱システム。
【請求項２】
前記仮想円錐の中心軸周りで隣接する前記反射鏡間の前記底面上での間隔は、前記基準日時を含む所定時刻間において、前記反射鏡同士によってそれぞれ入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いで遮らない範囲で最小の間隔に設定されていることを特徴とする請求項１記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項３】
立体角の異なる前記仮想円錐が複数形成され、
該仮想円錐の互いに隣り合うもの同士の立体角の角度差は、前記基準日時を含む所定時刻間において、それぞれの前記仮想円錐に属する前記反射鏡同士によって、それぞれに入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いに遮らない範囲で最小の角度差に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項４】
前記複数の反射鏡の受光面積は、同一の前記仮想円錐に属するもの同士で、該仮想円錐の前記底面に投影された投影面積が等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項５】
前記ケーシングは円筒形状に形成され、前記ケーシングの中心軸と、前記仮想円錐の中心軸とが一致するように前記受熱器が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項６】
前記受熱部は、その軸方向が前記ケーシングの中心軸と平行になるようにして、該ケーシングの内周面に沿って配列する複数の熱交換受熱管を備えることを特徴とする請求項５記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項７】
前記熱交換受熱管には、前記ケーシングの前記入射口側の端部から前記熱媒体が導入されることを特徴とする請求項６記載の太陽光集光受熱システム。
【請求項８】
前記ケーシングの前記入射口に入射する際における前記反射鏡の光軸に直交する太陽光線の径をａ、前記仮想円錐における中心軸と稜線とのなす角をθとすると、前記ケーシングの前記入射口の内径ｂは、
ａ／ｃｏｓθ＜ｂ＜２ａ／ｃｏｓθの範囲で設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の太陽光集光受熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光集光受熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（例えば、特許文献１参照）。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。
【０００３】
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としては、一般的にトラフ集光方式とタワー集光方式という２種類の方式がある。
トラフ集光方式とは、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光線を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。しかしながら、トラフ集光方式では、ミラーが太陽光線を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。
【０００４】
これに対して、タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部上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（反射鏡）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。また、集光受熱器としては、タワー部上に設置され、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を有するケーシングと、ケーシング内周面に沿って配置され、ケーシング内に入射した太陽光線を受光する複数の受熱管とを有するものがある。
近年では、上述した集光方式のうち、発電サイクルの更なる高効率化を図るという観点から、集光受熱器の受熱管で熱交換される熱媒体をより高温に加熱可能なタワー集光方式の集光受熱システムの開発が盛んに行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３００３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のタワー集光方式の集光受熱システムとしては、タワー部自体の影を避ける等の理由により、タワー部に対して片側のみにヘリオスタットを集中配置する、片側配置方式の集光受熱システムが主流である。
【０００７】
しかしながら、片側配置方式では、タワー部の全周にヘリオスタットを配置する全周配置方式に比べ、同じ受熱量を得るためのヘリオスタットの設置域面積が広くなる。その結果、タワー部から離れるにつれ、ヘリオスタットから反射される太陽光線の仰角が小さくなる。そのため、遠方に配置されたヘリオスタットでは隣接するヘリオスタットによって太陽光線が遮蔽されたり（ブロッキング）、隣接するヘリオスタットの影によって覆われたり（シャドーイング）することで、近方に配置されたヘリオスタットに比べて集光効率が低くなるという問題がある。
また、タワー部から離れるにつれて太陽光線とヘリオスタットの光軸とのなす角（ヘリオスタットへの太陽光線の入射角）が広がる。この場合、ヘリオスタットに入射する太陽光線の光量に対して、ヘリオスタットで反射して集光受熱器内に入射する光量の割合（いわゆる、コサイン効率）が低くなる。
【０００８】
そして、これらの影響により、ケーシングの周方向において、集光受熱器の受熱量が不均一になるという問題がある。すなわち、ケーシングの内周面に配列された受熱管のうち、近方のヘリオスタットにより集光された太陽光線を受熱する受熱管と、遠方のヘリオスタットにより集光された太陽光線を受熱する受熱管とで、受熱量が不均一になるという問題がある。
【０００９】
ここで、集光受熱システムの設計段階においては、ケーシング内に配列された各受熱管の中から、受熱量が最大となる受熱管のピーク温度に揃えて各受熱管の材料を選定する必要がある。そのため、その他の受熱管における受熱量は、材料が持つ最大受熱容量に比べて大きく下回ることになる。その結果、各受熱管で受熱可能な受熱量を合計した総受熱容量に対して、実際の受熱量が低いという問題がある。
【００１０】
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、あらゆる方向からも均一な光量を受光することができ、受熱量を向上させることができる太陽光集光受熱システムの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の太陽光集光受熱システムでは、地表面に配列され、太陽光線を反射させる複数の反射鏡と、前記地表面上方に配置され、前記複数の反射鏡により反射された太陽光線を受光する受熱器とを備えた太陽光集光受熱システムであって、前記受熱器は、太陽光線が入射する入射口を有するケーシングと、前記ケーシング内に収容され、熱媒体が流通するとともに、前記入射口から入射した太陽光線を受光して、熱エネルギーとして前記熱媒体へ伝達する受熱部とを備え、基準日時における太陽方位および太陽仰角を方向ベクトルとするとともに、前記入射口中心を通る直線を中心軸とし、前記入射口中心を頂点して下方に拡がる仮想円錐を少なくとも１つ形成するとともに、前記仮想円錐の底面の外縁に沿って等間隔に仮想設置点を設定し、前記複数の反射鏡のそれぞれは、前記仮想設置点を通る前記仮想円錐の稜線の延長線と前記地表面との交点上に配されていることを特徴とする。
【００１２】
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、仮想円錐の底面に等間隔に仮想設置点を設定して該仮想設置点を通る稜線の延長線と地表面の交点のそれぞれに反射鏡を配置することで、同一仮想円錐に属する各反射鏡で反射した太陽光線の光量を仮想円錐の底面上で周方向に均一なものとすることができる。これにより、各反射鏡で反射して仮想円錐の頂点を通ってケーシング内に入射する太陽光線を、周方向に均一なものとして、受熱器内全体での受熱密度の均一化を図ることができる。このため、受熱部でのピーク温度の均一化を図ることができる。そして、このピーク温度を許容するように受熱部の材料を選定することで、受熱部全体の総受熱容量に可能な限り近い受熱量を確保することができるので、受熱部の受熱効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記仮想円錐の中心軸周りで隣接する前記反射鏡間の前記底面上での間隔は、前記基準日時を含む所定時刻間において、前記反射鏡同士によってそれぞれ入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いで遮らない範囲で最小の間隔に設定されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、仮想円錐の中心軸周りで隣接する反射鏡同士のブロッキングやシャドーイングを防いだ上で、可能な限り多くの光量を集光することができるとともに、各反射鏡から均一な光量の太陽光線を受熱器によって受光することができる。
【００１４】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、立体角の異なる前記仮想円錐が複数形成され、該仮想円錐の互いに隣り合うもの同士の立体角の角度差は、前記基準日時を含む所定時刻間において、それぞれの前記仮想円錐に属する前記反射鏡同士によって、それぞれに入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いに遮らない範囲で最小の角度差に設定されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、隣り合う仮想円錐のそれぞれに属する反射鏡同士のブロッキングやシャドーイングを防いだ上で、可能な限り多くの光量を集光することができるとともに、各反射鏡から均一な光量の太陽光線を受熱器によって受光することができる。
【００１５】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記複数の反射鏡の受光面積は、同一の前記仮想円錐に属するもの同士で、該仮想円錐の前記底面に投影された投影面積が等しくなるように設定されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、各反射鏡の受光面積を、同一の仮想円錐に属するもの同士で、該仮想円錐の底面に投影された投影面積が等しくなるように設定されていることで、各反射鏡で反射してケーシング内に入射する太陽光線の光量を等しくすることができる。これにより、各反射鏡で反射して仮想円錐の頂点を通ってケーシング内に入射する太陽光線を、周方向により均一なものとして、受熱器内全体での受熱密度のさらなる均一化を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記ケーシングは円筒形状に形成され、前記ケーシングの中心軸と、前記仮想円錐の中心軸とが一致するように前記受熱器が配置されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、ケーシングの中心軸と仮想円錐の中心軸とを一致させることで、ケーシングの周方向においてより均一に太陽光線を受光することができる。
【００１７】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記受熱部は、その軸方向が前記ケーシングの中心軸と平行になるようにして、該ケーシングの内周面に沿って配列する複数の熱交換受熱管を備えることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、各熱交換受熱管での受熱分布の均一化を図ることができるため、各熱交換受熱管でのピーク温度の均一化を図ることができる。そのため、熱交換受熱管全体の総受熱容量に可能な限り近い受熱量を確保することができる。
【００１８】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記熱交換受熱管には、前記ケーシングの前記入射口側の端部から前記熱媒体が導入されることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、遠方に配置された反射鏡からの太陽光線は熱交換受熱管の入射口側の端部（下端部）を照射し、また、近方に配置された反射鏡からの太陽光線は熱交換受熱管の上端部を照射することになる。この場合、本発明の構成では、受熱器から離れるにつれて反射鏡の配置個数が多くなるため、熱交換受熱管の上端部に比べて下端部の方が比較的、受熱量が高く、より高温になる。そのため、熱交換受熱管の下端部から熱媒体を導入することで、熱媒体と熱交換受熱管との温度差を大きく確保することができ、熱伝達の効率を向上させることができる。その結果、熱媒体を速やかに加熱することがでる。
【００１９】
また、本発明の太陽光集光受熱システムでは、前記ケーシングの前記入射口に入射する際における前記反射鏡の光軸に直交する太陽光線の径をａ、前記仮想円錐における中心軸と稜線とのなす角をθとすると、前記ケーシングの前記入射口の内径ｂは、ａ／ｃｏｓθ＜ｂ＜２ａ／ｃｏｓθの範囲で設定されていることを特徴とする。
そして、このような構成の太陽光集光受熱システムでは、入射口を、内径ｂが「ａ／ｃｏｓθ＜ｂ」を満たすように形成することで、各反射鏡で反射された太陽光線の全体を入射口内に効率的に入射させることができる。一方、入射口を、内径ｂが「ｂ＜２ａ／ｃｏｓθ」を満たすように形成することで、入射口の大きさを最小限とし、受熱部で得た熱エネルギーが入射口から外部に放射されることを抑制できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の太陽光集光受熱システムによれば、あらゆる方向からも均一な光量を受光することができ、受熱量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】集光受熱システムの側面図である。
【図２】集光受熱システムの平面図である。
【図３】集光受熱器の概略構成図である。
【図４】集光受熱器とヘリオスタットとの位置関係を説明する説明図である。
【図５】仮想円錐の底面図である。
【図６】仮想ライン上の周方向で隣接するヘリオスタットの位置関係を説明するための説明図である。
【図７】隣り合う仮想円錐の各仮想ライン上に配置されたヘリオスタットの位置関係を説明するための説明図である。
【図８】集光受熱システムの概略構成図（側面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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、太陽熱発電装置と、この太陽熱発電装置の周囲を囲むように配置された複数のヘリオスタット（反射鏡）とを有する、いわゆる全周配置方式の太陽光集光受熱システム（以下、集光受熱システムという）を例にして説明する。
【００２３】
（集光受熱システム）
図１は集光受熱システムの側面図であり、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の乾燥地域である。そこで、本実施形態の集光受熱システムでは、北半球の亜熱帯における低緯度地域（例えば、２０度以下）に配置される集光受熱システムについて説明する。
図１，図２に示すように、集光受熱システム１００は、グランドＧ上に設けられたヘリオスタットフィールド１と、ヘリオスタットフィールド１上に設置された太陽熱発電装置（以下、発電装置という）５と、ヘリオスタットフィールド１上に、発電装置５の周囲を取り囲むように並んで配置された複数のヘリオスタット２とを備えている。ヘリオスタット２は、太陽光線を反射するためのものであり、例えば１枚の凹面鏡や、複数枚の平面鏡が凹面状に配列されて構成され、太陽方位及び太陽仰角（高度）に応じて太陽を追尾するように制御されている。
【００２４】
発電装置５は、グランドＧに立設された例えば１本または複数本（図１では１本のみ示す）の支柱２１からなるタワー部３と、タワー部３に支持されたガスタービンユニット１１及び集光受熱器（受熱器）１０とを備えている。
【００２５】
（ガスタービンユニット）
まずガスタービンユニット１１は、集光受熱器１０の上端部に固定されており、圧縮機及びタービンからなるガスタービンと、発電機（何れも不図示）とを主に備えている。
ガスタービンは、発電機に連結された回転可能なロータを備え、このロータに対して同軸上に配置されるように圧縮機及びタービンが取り付けられている。
【００２６】
圧縮機は、ハウジングの外部から供給される空気を圧縮空気とした後に、集光受熱器１０に供給するようになっている。そして、圧縮空気は、集光受熱器１０において加熱された後に、タービンに供給されるようになっている。
タービンは、集光受熱器１０で加熱された圧縮空気の熱エネルギーをロータの回転エネルギーに変換して駆動力を発生させるものである。そして、この駆動力がロータに連結された発電機に出力されることで、発電が行われるようになっている。そして、タービン内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなってタービンから排気される。
【００２７】
（集光受熱器）
図３は集光受熱器の概略構成図である。
図３に示すように、集光受熱器１０は、ケーシングとなる受熱器本体２３と、受熱器本体２３内に配置され、圧縮機から送り込まれる圧縮空気が流通する受熱部２４とを備えている。
受熱器本体２３は、軸方向が重力方向に対して傾斜した状態でタワー部３の上端部に固定された有底筒状のものであり、上部は閉塞される一方、下部にはグランドＧに向けて開口する開口部２６が形成されている。具体的に、受熱器本体２３は、その軸方向が基準日時（例えば、春分の日の南中時刻）における太陽方位および太陽仰角と平行になるように傾斜している。すなわち、開口部２６が僅かに北側を向いた状態で配置されている。そして、ヘリオスタット２で反射された太陽光線は、開口部２６から受熱器本体２３内に取り込まれるようになっている。
【００２８】
また、受熱部２４は、受熱器本体２３の内周面に沿って配置されており、複数の受熱管３１と、複数の受熱管３１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側ヘッダ３２と、複数の受熱管３１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側ヘッダ３３とを備えている。
【００２９】
低温側ヘッダ３２は、受熱器本体２３内の下端側で開口部２６を取り囲むように配置された環状の部材であり、ガスタービンユニットの圧縮機から低温側ヘッダ３２内に圧縮空気が供給されるようになっている。
高温側ヘッダ３３は、受熱器本体２３内の上端側の外周側に沿って配置された環状の部材である。高温側ヘッダ３３は、ガスタービンユニットのタービンに接続されており、受熱管３１で加熱された圧縮空気が集合された後タービンに供給されるようになっている。
【００３０】
受熱管３１は、その軸方向が受熱器本体２３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２３の周壁における内壁面に沿って周方向全周に亘って複数配列されている。すなわち、各受熱管３１は所定間隔を空けた状態で互いに平行に配列されており、その外周面で太陽光線を受光して、熱エネルギーとして圧縮空気に伝達するように構成されている。
【００３１】
（ヘリオスタットの配置レイアウト）
ここで、本実施形態のヘリオスタット２の配置レイアウトについて説明する。図４は受熱器とヘリオスタットとの位置関係を説明する説明図である。
図２，図４に示すように、本実施形態では、ヘリオスタットフィールド１上に、タワー部３の全周を取り囲むように複数のヘリオスタット２が配列されている。
【００３２】
図５は仮想円錐の底面図である。
この場合、各ヘリオスタット２の配置レイアウトは、下記のように決定される。まず、図４，図５に示すように、基準日時（例えば春分日の南中時刻）における太陽方位及び太陽仰角（太陽高度）を方向ベクトルとするとともに、受熱器本体２３の開口部２６の中心Ｏ１を通る直線を中心軸Ｌ１とし、中心Ｏ１を頂点として下方に拡がる複数の仮想円錐Ｐを形成する。すなわち、各仮想円錐Ｐは、それぞれ底面が中心軸Ｌ１に対して同心円となるように形成する。そして、各仮想円錐Ｐの底面の外縁に沿って等間隔に仮想設置点Ｐ’を設定する。次に、各仮想円錐Ｐの底面をグランドＧ上に投影する。そして、仮想設置点Ｐ’を通る仮想円錐Ｐの稜線（母線）の延長線と、グランドＧとの交点上に沿ってヘリオスタット２を配列する。なお、同一の仮想円錐Ｐを投影した際に、仮想円錐Ｐの各稜線とグランドＧとの交点同士を結ぶと、略楕円形状の仮想ラインＱが形成される。すなわち、各仮想円錐Ｐの底面は真円に形成されているが、中心軸Ｌ１が重力方向に対して傾斜しているため、仮想円錐Ｐの稜線を投影して形成される各仮想ラインＱは、北側に延びる楕円形状に形成される。
【００３３】
図６は、仮想ライン上の周方向で隣接するヘリオスタットの位置関係を説明するための説明図である。
図６に示すように、中心軸Ｌ１周りで隣接するヘリオスタット２の仮想円錐Ｐの底面上での間隔は、上述した基準日時を含む所定時刻（例えば、南中時刻±３時間）において、仮想ラインＱの周方向で隣接する各ヘリオスタット２同士にそれぞれ入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いで遮らない範囲で最小の間隔に設定されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド１上に配列された各ヘリオスタット２は、周方向で隣接するヘリオスタット２によって所定時刻間に形成される影領域Ｓに重ならない範囲で、かつ隣接するヘリオスタット２から反射される太陽光線を遮らない範囲のうち最小となる間隔で配列されている。その結果、同一の仮想ラインＱ上において、各ヘリオスタット２の間隔は、南側の領域から北側の領域に向かうにつれ、周方向の間隔が除々に広くなるように配列されている。
【００３４】
この場合、図５に示すように、仮想円錐Ｐの底面における仮想設置点Ｐ’でヘリオスタット２同士が周方向で重ならないような間隔及び大きさにすることで、図６に示すようにヘリオスタット２を仮想ラインＱ上に配列した場合に、隣接するヘリオスタット２同士のブロッキングやシャドーイングを確実に防止することができる。さらに、各ヘリオスタット２の受光面積は、同一の仮想円錐Ｐ（仮想ラインＱ）に属するもの同士で、仮想円錐Ｐの底面に投影された投影面積が等しくなるように設定されている。なお、上述した所定時刻は適宜変更可能であるが、発電装置５における一日の受熱量（積分値）が最大となるような時間に設定することが好ましい。
【００３５】
図７は、隣り合う仮想円錐の各仮想ライン上に配置されたヘリオスタットの位置関係を説明するための説明図である。
一方、図７に示すように、各仮想円錐Ｐの互いに隣り合うもの同士の角度差（ヘリオスタットフィールド１上で径方向に隣接する仮想ラインＱの間隔）は、基準日時を含む所定時刻において、各ヘリオスタット２にそれぞれ入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いで遮らない範囲で最小の角度差に設定されている。すなわち、各ヘリオスタット２は、内周側に配置されたヘリオスタット２によって所定時刻内に形成される影領域Ｓに重ならない範囲で、かつ外周側に配置されたヘリオスタット２から反射される太陽光線を遮らない範囲のうち最小となる間隔で配列されている。
【００３６】
この場合、図５に示すように、仮想円錐Ｐの底面における仮想設置点Ｐ’で、各ヘリオスタット２に入射及び反射する太陽光線を遮らない範囲で最小の間隔に、各仮想円錐Ｐの立体角を決定する。そのため、各仮想円錐Ｐにおける立体角の角度差は、ヘリオスタットフィールド１の外周側に向かうにつれ、徐々に広がるように形成されている。すなわち、ヘリオスタットフィールド１の内周側から外周側に向かうにつれ、ヘリオスタット２によって形成される影領域Ｓが拡大されるため、内側の仮想円錐Ｐと外側の仮想円錐Ｐにおける底面の外径の間隔は、ヘリオスタットフィールド１の外周側に向かうにつれ、徐々に広がるように形成されている。その結果、仮想円錐Ｐの底面を投影して形成される各仮想ラインＱは、北側に延びる楕円形状に形成されるとともに、仮想ラインＱ間の間隔も拡大されることになる。そのため、各ヘリオスタット２は南側の領域から北側の領域に向かうにつれ、径方向の間隔が除々に広くなるように配列されることになる。
【００３７】
図８は、集光受熱システムの概略構成図（側面図）であり、ヘリオスタットの配置レイアウトを説明するための説明図である。
図８に示すように、ヘリオスタット２の外径をＬ、ヘリオスタット２とグランドＧとのなす角度（ヘリオスタット２の傾き）をθｔ、基準日時における太陽光線の重力方向からの角度をθｓ、ヘリオスタット２により反射された太陽光線の受熱器本体２３の開口部２６への入射角度（重力方向とのなす角）をθｒとすると、各ヘリオスタット２のヘリオスタットフィールド１の径方向における間隔ｌは、
ｌ＝Ｌｃｏｓθ・ｔａｎθｒ
θｔ＝（θｒ−θｓ）／２
になるように設定されている。これにより、径方向で隣接するヘリオスタット２間でブロッキングやシャドーイングが起こらない最小の範囲でヘリオスタット２を配置することができる。
【００３８】
また、図３に示すように、ヘリオスタット２から反射した太陽光線が受熱器本体２３の開口部２６に入射する際の太陽光線のスポット径（ヘリオスタット２の光軸に直交する径）をａ、仮想円錐Ｐにおける中心軸Ｌ１と稜線とのなす角をθとすると、受熱器本体２３の開口部２６の内径ｂは、
ａ／ｃｏｓθ＜ｂ＜２ａ／ｃｏｓθ
に設定されていることが好ましい。開口部２６を、内径ｂが「ａ／ｃｏｓθ＜ｂ」を満たすように形成することで、各ヘリオスタット２で反射された太陽光線の全体を開口部２６内に効率的に入射させることができる。一方、開口部２６を、内径ｂが「ｂ＜２ａ／ｃｏｓθ」を満たすように形成することで、開口部２６の大きさを最小限とし、受熱部２４で得た熱エネルギーが開口部２６から外部に放射されることを抑制できる。
【００３９】
このように、本実施形態のヘリオスタットフィールド１は、南北方向を長軸方向とする略楕円形状に形成される。そして、このヘリオスタットフィールド１上において、中心よりも南側に偏心した位置に発電装置５が設置されている。この構成によれば、本実施形態のように集光受熱システム１００が北半球に設置されている場合、南中時には南側から北側に向けて太陽光線が照射されるため、北側の所定角度範囲ではヘリオスタット２に入射する太陽光線の入射角が小さくなる。そのため、北側に配置されたヘリオスタット２では、高いコサイン効率を得ることができる。すなわち、本実施形態のように、ヘリオスタットフィールド１を発電装置５に対して南側よりも北側に拡大することで、高コサイン効率の範囲を広く確保することができる。
【００４０】
（集光受熱システムの動作方法）
次に、上述した集光受熱システムの動作方法について説明する。
まず、図１に示すように、ガスタービンユニット１１の発電機が作動し、減速機を介してロータが回転し始めると、圧縮機内に空気が流入する。圧縮機に流入した空気は圧縮機内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱部２４の低温側ヘッダ３２内に供給される。低温側ヘッダ３２内に供給された圧縮空気は、低温側ヘッダ３２内を周方向全域に行き渡った後、低温側ヘッダ３２の周方向全周に亘って接続された各受熱管３１内に流入する。そして、各受熱管３１内に流入した圧縮空気は、受熱器本体２３の下端側から上端側に向かって流通する。
【００４１】
一方、ヘリオスタット２に入射した太陽光線は、ヘリオスタット２で反射された後、受熱器本体２３の開口部２６から受熱器本体２３内に入射する。具体的には、図１に示すように、集光受熱器１０に近い位置に配置されたヘリオスタット２からの太陽光線（例えば図１中矢印Ｈ１参照）は受熱管３１の上部（下流側）を照射し、また、集光受熱器１０から遠い位置に配置されたヘリオスタット２からの太陽光線（例えば図１中矢印Ｈ２参照）が受熱管３１の下部（上流側）を照射するようになっている。これにより、受熱管３１が加熱されるとともに、加熱された受熱管３１と受熱管３１内を流通する圧縮空気との間で熱交換が行われる。この場合、本実施形態では、図２に示すように、発電装置５から離れるにつれてヘリオスタット２の配置個数が多くなるため、受熱管３１の上端部に比べて下端部の方が、受光量が高くなる。そのため、受熱管３１の上端部に比べて下端部の方が、受熱量が高く、より高温になる。そこで、受熱管３１の下端部から圧縮空気を導入することで、圧縮空気と受熱管３１との温度差を大きく確保することができ、熱伝達の効率を向上させることができる。その結果、受熱管３１を流通する圧縮空気を速やかに加熱することができ、発電効率を向上させることができる。
【００４２】
そして、受熱管３１の下流端まで到達した圧縮空気は、高温の圧縮空気となって高温側ヘッダ３３内に流入する。すなわち、各受熱管３１で加熱された圧縮空気は、高温側ヘッダ３３内で集合された後、タービン内に流入してタービンを駆動させる。これにより、受熱部２４から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータの回転エネルギーに変換され、タービンに駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータに連結された発電機に出力され、発電が行われるようになっている。なお、タービン内を流通した圧縮空気は排出ガスとなり、タービンから排気される。
【００４３】
このように、本実施形態では、仮想円錐Ｐの底面に等間隔に仮想設置点Ｐ’を設定して仮想設置点Ｐ’を通る稜線の延長線とグランドＧの交点のそれぞれにヘリオスタット２を配置することで、同一仮想円錐Ｐに属する各ヘリオスタット２で反射した太陽光線の光量を仮想円錐Ｐの底面上で周方向に均一なものとすることができる。すなわち、あらゆる方向からも均一な光量を受光することができる。これにより、各ヘリオスタット２で反射して仮想円錐Ｐの頂点を通って受熱器本体２３内に入射する太陽光線を、周方向に均一なものとして、集光受熱器１０内全体での受熱密度の均一化を図ることができる。このため、受熱部２４でのピーク温度の均一化を図ることができる。そして、このピーク温度を許容するように受熱部２４の材料を選定することで、受熱部２４全体の総受熱容量に可能な限り近い受熱量を確保することができるので、受熱部２４の受熱効率を向上させることができる。その結果、受熱管３１で得た熱エネルギーを効率的に圧縮空気に伝達することができるので、発電効率の向上を図ることができる。
【００４４】
また、各ヘリオスタット２の受光面積は、同一の仮想円錐Ｐに属するもの同士で、仮想円錐Ｐの底面に投影された投影面積が等しくなるように設定されているため、各ヘリオスタット２で反射して受熱器本体２３内に入射する太陽光線の光量を等しくすることができる。そのため、各ヘリオスタット２で反射して仮想円錐Ｐの頂点（開口部２６の中心Ｏ１）を通って受熱器本体２３内に入射する太陽光線を、周方向により均一なものとして、集光受熱器１０内全体での受熱密度のさらなる均一化を図ることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、受熱器本体２３が円筒形状に形成されるとともに、受熱器本体２３の中心軸と、仮想円錐Ｐの中心軸Ｌ１とが一致するように配置されているため、受熱器本体２３の周方向においてより均一に太陽光線を受光することができる。
しかも、受熱管３１の軸方向と受熱器本体２３の軸方向とを平行に配置することで、各受熱管３１での受熱分布の均一化を図ることができる。そのため、各受熱管３１でのピーク温度の均一化を図ることができるため、受熱管３１全体の総受熱容量に可能な限り近い受熱量を確保することができる。
【００４６】
しかも、本実施形態では、中心軸Ｌ１周りで隣接するヘリオスタット２間の仮想円錐Ｐの底面上での間隔は、上述した基準日時を含む所定時刻において、同一の仮想ラインＱ上で隣接する各ヘリオスタット２にそれぞれ入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いで遮らない範囲で最小の間隔に設定されている構成とした。
この構成によれば、同一の仮想ラインＱの周方向で隣接するヘリオスタット２同士のブロッキングやシャドーイングを防いだ上で、可能な限り多くの光量を集光することができるとともに、各ヘリオスタット２から均一な光量の太陽光線を集光受熱器１０によって受光することができる。
さらに、仮想円錐Ｐの互いに隣り合うもの同士の立体角の角度差は、基準日時を含む所定時刻間において、それぞれの仮想円錐Ｐに属するヘリオスタット２同士にそれぞれに入射する太陽光線を互いに遮らず、かつ、それぞれで反射する太陽光線を互いに遮らない範囲で最小の角度差に設定されている構成とした。
この構成によれば、ヘリオスタットフィールド１の径方向で隣接するヘリオスタット２同士のブロッキングやシャドーイングを防いだ上で、可能な限り多くの光量を集光することができるとともに、ヘリオスタットフィールド１の径方向において各ヘリオスタット２で同等の光量を受光することができる。
【００４７】
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、集光受熱システムを北半球の亜熱帯地域に設置した場合について説明したが、これに限らず南半球の亜熱帯地域や赤道直下等に設置することも可能である。なお、南半球に設置した場合には、北半球に設置した場合に対して太陽光線の照射方向が逆方向になる。そのため、条件の変化に対応して支柱等の配置位置を設定することが好ましい。
また、上述実施形態では、太陽光線の光軸方向と受熱器本体２３の軸方向とを一致させた場合について説明したが、これに限られない。また、受熱器本体２３の軸方向と重力方向とを一致させても構わない。
【符号の説明】
【００４８】
２  ヘリオスタット（反射鏡）
１０  集光受熱器（受熱器）
２３  受熱器本体（ケーシング）
２４  受熱部
２６  開口部（入射口）
１００  集光受熱システム（太陽光集光受熱システム）
Ｇ  グランド（地表面）
Ｐ  仮想円錐
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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