(57)【要約】【課題】コスト的に有利で且つ配管メンテナスが容易で、太陽光のエネルギーを効率良く熱エネルギーに変換できる粉体固定床集光構造を提供する。【解決手段】安価な酸化マグネシウムを利用するため、コストの面で有利である。また酸化マグネシウムは熱伝導率も高いため、パイプ手段１０との熱伝導も良好である。粉体のためタンク本体６からの抜き出しが容易で、パイプ手段１０のメンテナンスが容易である。更に熱交換部材を太陽光の最小スポット位置に設置するため、太陽光のエネルギーが一番集約された位置で効率良く熱に変換することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上よりも高い位置に設置され下面に反射面を有するセンターミラーと、該センターミラーの周囲の地上領域に設置されて太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットとを有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させ、下向きに反射された太陽光を筒型集光鏡により更に集光させるビームダウン式太陽集光装置の集光部に設置される粉体固定床集光構造であって、
蓄熱材として酸化マグネシウムの粉体が蓄積されたタンク本体と、粉体中に配置された複数のパイプ手段とを備え、タンク本体の中心部に隔壁を介して粉体収納部と区画され且つ透明窓を介して太陽光を上側から導入可能な太陽光導入部を形成し、該太陽光導入部内に太陽光を受光する耐熱材料製の熱交換部材を設け、太陽光導入部内の気体をパイプ手段に循環する送風手段を設けた構造であり、
前記熱交換部材が太陽光導入部内における集光された太陽光の最小スポット位置に設置されていることを特徴とする粉体固定床集光構造。
【請求項２】
熱交換部材が太陽光の最小スポットに相応する大きさであることを特徴とする請求項１記載の粉体固定床集光構造。
【請求項３】
気体が不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の粉体固定床集光構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉体固定床集光構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境に負荷を与えることのないクリーンエネルギーとしての太陽光を集光し、その集光した太陽光を熱エネルギーに変換することで非常に高い温度を作り出し、その熱を利用して発電や海水淡水化を行う技術が知られている。昼間だけでなく夜間も熱の利用ができるように蓄熱する技術も合わせて開発されている。現在の蓄熱は溶融塩に蓄熱する方式が一般的である。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０１１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、溶融塩を利用した蓄熱方式であるため、コストの面で不利である。また廃棄する際には特殊な設備が必要で、その廃棄費用まで考慮すると、更にコスト高となる。
【０００５】
変換溶融塩に代えて粉体流動床や固体蓄熱（コンクリート等）も提案されているが、粉体制御の困難性や配管メンテナンスの困難性などの問題点がある。
【０００６】
更に溶融塩以外の蓄熱材を利用する場合も太陽光のエネルギーを効率良く熱エネルギーに変換できる構造でなければならない。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、コスト的に有利で且つ配管メンテナスが容易で、太陽光のエネルギーを効率良く熱エネルギーに変換できる粉体固定床集光構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明は、地上よりも高い位置に設置され下面に反射面を有するセンターミラーと、該センターミラーの周囲の地上領域に設置されて太陽光を前記センターミラーに向けて反射する複数のヘリオスタットとを有し、ヘリオスタットで反射された太陽光をセンターミラーで下向きに反射させ、下向きに反射された太陽光を筒型集光鏡により更に集光させるビームダウン式太陽集光装置の集光部に設置される粉体固定床集光構造であって、蓄熱材として酸化マグネシウムの粉体が蓄積されたタンク本体と、粉体中に配置された複数のパイプ手段とを備え、タンク本体の中心部に隔壁を介して粉体収納部と区画され且つ透明窓を介して太陽光を上側から導入可能な太陽光導入部を形成し、該太陽光導入部内に太陽光を受光する耐熱材料製の熱交換部材を設け、太陽光導入部内の気体をパイプ手段に循環する送風手段を設けた構造であり、前記熱交換部材が太陽光導入部内における集光された太陽光の最小スポット位置に設置されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、熱交換部材が太陽光の最小スポットに相応する大きさであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、気体が不活性ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、安価な酸化マグネシウムを利用するため、コストの面で有利である。また酸化マグネシウムは熱伝導率も高いため、パイプ手段との熱伝導も良好である。粉体のためタンク本体からの抜き出しが容易で、パイプ手段のメンテナンスが容易である。更に熱交換部材を太陽光の最小スポット位置に設置するため、太陽光のエネルギーが一番集約された位置で効率良く熱に変換することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、熱交換部材が太陽光の最小スポットに相応する大きさであるため、最小の大きさの熱交換部材で効率的な熱変換を行うことができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、循環する気体が不活性ガスのため、気体が接する設備の金属を酸化させない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る粉体固定床集光構造と太陽集光構造を示す斜視図。
【図２】粉体固定床集光構造と太陽集光構造を示す平面図。
【図３】粉体固定床集光構造と太陽集光構造を示す側面図。
【図４】太陽光の集光状態を示す説明図。
【図５】粉体固定床集光構造の断面図。
【図６】太陽光導入部内の構造を示す斜視図。
【図７】粉体固定床集光構造の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１〜図７は、本発明の好適な実施形態を示す図である。
【００１６】
まず、太陽熱を得るためのビームダウン式太陽集光装置の説明をする。この実施形態では日本のような北半球の中緯度の地域の場合を例にして説明する。
【００１７】
ビームダウン式太陽集光装置の中心にはセンターミラー１が３本のタワー１ａにより支持されている。センターミラー１は、日中に太陽が存在する方角とは反対側が切欠かれた部分回転楕円形状をしている。センターミラー１は断面が楕円に合致した湾曲面を有し、図３に示すように下方に共焦点として第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。
【００１８】
センターミラー１は図２に示すように、平面視で、半円よりも東側及び西側に所定の角度範囲だけ張り出した状態になっている。センターミラー１の北側及び東西両側には複数のヘリオスタット２が放射状に設置されている。
【００１９】
ヘリオスタット２は図示せぬセンサーにより太陽の動きに連動して向きを変化させる構造となっており、常に太陽光Ｌを第１焦点Ａへ向けて反射するように制御される。第１焦点Ａを通過した太陽光Ｌはセンターミラー１で反射されて第２焦点Ｂに集光する。
【００２０】
第２集光Ｂには筒型集光鏡３が設置されている。筒型集光鏡３は上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた構造をしている。この筒型集光鏡３の上部開口の中心付近に第２焦点Ｂが位置しており、太陽光Ｌが上部開口から筒型集光鏡３内に取り入れられることで太陽光は更に集光される。
【００２１】
筒型集光鏡３の下部に粉体固定床集光構造４が設置されている。粉体固定床集光構造４は蓄熱材として酸化マグネシウムの粉体５が蓄積されたタンク本体６を備えている。
【００２２】
タンク本体６はステンレス金属製で、中心部に位置する円筒状の太陽光導入部７と、その周囲に位置する粉体収納部８とから構成されている。太陽光導入部７の上部には石英硝子製の透明窓９が設けられている。
【００２３】
太陽光導入部７と粉体収納部８とか隔壁１５を介して区画されている。酸化マグネシウムの粉体５は粉体収納部８側に収納されており、粉体収納部８にはその粉体５の中を貫通する複数のパイプ手段１０が設けられている。
【００２４】
粉体収納部８の上下にはそれぞれ上部空間１１と下部空間１２が形成され、パイプ手段１０の両端はその上部空間１１と下部空間１２に連通している。
【００２５】
太陽光導入部７の上部空間１３は隔壁１５により粉体収納部８の上部空間１１と区画されているが、太陽光導入部７の下部空間１４は粉体収納部８の下部空間１２と連続している。そしてタンク本体６内の全ての空間には熱媒体としての窒素ガスが充填されている。
【００２６】
タンク本体６の上部には円周方向に４つの送風手段１６が設けられており、太陽光導入部７と粉体収納部８の間でタンク本体６内の窒素ガスをパイプ手段１０を介して循環できるようになっている。この送風手段１６は耐熱軸受けを利用した送風ポンプで、高温の窒素ガスを循環することができる。
【００２７】
太陽光導入部７の内部にはセンターパイプ１７の上端に取付けられた熱交換部材１８と、太陽光導入部７の円筒状の隔壁１５に沿ってリング状の補助熱交換部材１９が上下に多段に設けられている。
【００２８】
熱交換部材１８は非金属耐熱材料としての黒色で炭化珪素膜（ＳｉＣ）製の多貫通孔構造をしており約１０００℃以上の耐熱性を有している。多貫通孔構造のため上下で気体を通過させることができる。補助熱交換部材１９は隔壁１５と同じ金属製で太陽光導入部７の隔壁の内側近接位置に設けられている。
【００２９】
熱交換部材１８の位置と大きさは、筒型集光鏡３から照射される太陽光Ｌの集光スポットに対応している。図４に示すように、筒型集光鏡３の下側から照射される太陽光Ｌはいったん最小スポットＳに収束した後に再び拡散し、ヘリオスタット２の配置構造に相応した概略三日月形のスポット形状を呈する。つまり図２に示すようにヘリオスタット２の配置が円形でなく、部分円のような配置のため、それがそのまま非焦点部分のスポット形状として現れる。
【００３０】
この実施形態での熱交換部材１８は大きさが太陽光Ｌの集光状態における最小スポットＳに合致しており、位置も最小スポットＳと同じ位置に合致している。
【００３１】
このように熱交換部材１８を太陽光Ｌのエネルギーが最も集約する位置に設けているため、熱交換部材１８により太陽光Ｌを効率良く熱エネルギーに変換することができる。そしてその熱交換部材１８を通過する窒素ガスを効率良く加熱することができる。
【００３２】
また筒型集光鏡３の下部から照射される太陽光Ｌは最小スポットＳに向けて収束するだけでなく、周囲に拡散する太陽光Ｌ′もある。そのような太陽光Ｌ′は太陽光導入部７の隔壁１５に当たる前に、補助熱交換部材１９に当たり、そこで熱エネルギーに変換され、太陽光導入部７内の窒素ガスの加熱に貢献する。
【００３３】
補助熱交換部材１９に当たらずに隔壁１５に当たった太陽光Ｌ′は隔壁１５を加熱して、内部の酸化マグネシウムの粉体５を伝熱で加熱する。
【００３４】
また粉体５内を上下に貫通する複数のパイプ手段１０には送風手段１６により高温の窒素ガスが循環するため、熱がパイプ手段１０を介して粉体５に伝達され、粉体５を加熱することができる。
【００３５】
酸化マグネシウムの熱伝導率は５９［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］（３００°Ｋ）で溶融塩の約１００倍の性能を有する。そのため粉体５の全体が均一に加熱されて蓄熱することができる。
【００３６】
また酸化マグネシウムの価格は溶融塩の約半分である。そのためコストの面で有利である。また酸化マグネシウムは熱伝導率も高いため、パイプ手段１０との熱伝導も良好である。
【００３７】
更に粉体５のためタンク本体６からの抜き出しが容易で、パイプ手段１０のメンテナンスが容易である。
【００３８】
尚、以上の説明では気体として窒素ガスを例にしたが、蓄熱温度が低く設定されて接する金属の酸化の心配がない場合は空気を利用しても良い。
【００３９】
更に太陽光Ｌで加熱せずに他の熱源で加熱した流体（オイル等）を利用することも可能である。その場合は送風手段１６として別のポンプが使用される。
【符号の説明】
【００４０】
１  センターミラー
２  ヘリオスタット
３  筒型集光鏡
４  粉体固定床集光構造
５  粉体（酸化マグネシウム）
６  タンク本体
７  太陽光導入部
８  粉体収納部
９  透明窓
１０  パイプ手段
１６  送風手段
１８  熱交換部材
１９  補助熱交換部材
Ａ  第１焦点
Ｂ  第２焦点
Ｌ、Ｌ′太陽光
Ｓ  最小スポット
【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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