(57)【要約】【課題】設置面積当たりの最大加熱量を向上させる。【解決手段】集光装置１００は、太陽光を反射する反射面１１０ａの向きが可変である複数の反射鏡１１０と、互いに位置が異なり、反射面で反射された太陽光が集光される複数の集光部１１４と、それぞれの集光部に対応して設けられ、原料が投入されるとともに、集光部に集光された太陽光の熱によって原料が加熱されて、生成物が生成される複数の反応部１１６と、複数の反射鏡の反射面それぞれの向きを制御する制御部と、を備え、制御部は、反射鏡と、反射鏡が反射した太陽光を集光する集光部の組み合わせを変更可能である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を反射する反射面の向きが可変である複数の反射鏡と、
互いに位置が異なり、前記反射面で反射された太陽光が集光される複数の集光部と、
それぞれの前記集光部に対応して設けられ、原料が投入されるとともに、該集光部に集光された太陽光の熱によって該原料が加熱される複数の反応部と、
前記複数の反射鏡の反射面それぞれの向きを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記反射鏡と、該反射鏡が反射した太陽光を集光する前記集光部の組み合わせを変更可能であることを特徴とする集光装置。
【請求項２】
前記複数の反応部毎に並列して設けられ、該複数の反応部それぞれから前記原料が加熱されて生成される生成物が排出される生成物排出路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記複数の反応部毎に並列して設けられ、該複数の反応部それぞれに前記原料を供給する原料供給路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記複数の反応部のいずれか２つは、許容される加熱量が異なることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の集光装置。
【請求項５】
太陽光の強度を測定する照度計をさらに備え、
前記制御部は、前記照度計の測定値に基づいて、前記反射鏡と、該反射鏡が反射した太陽光を集光する前記集光部の組み合わせを決定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の集光装置。
【請求項６】
前記複数の集光部を前記複数の反射鏡よりも鉛直上方に支持し、該複数の集光部の鉛直下方にそれぞれ前記複数の反応部を配した複数の集光塔をさらに備え、
前記複数の集光部は、鏡で構成され、集光した光を該複数の反応部に反射することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を集光して原料を加熱する集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光を集光しその熱を利用して化学反応を起こす化学反応炉や、タービンを回して発電する発電装置が開発されている。これらの設備に設置される集光装置は、太陽光を集光させる形態によって、幾つかの方式がある。そのうち、タワー式の集光装置は、複数の反射鏡で反射した太陽光を、集光塔に設置した集光部に集光して、集光された太陽光の熱で、反応部に投入された原料を加熱する（例えば、特許文献１）。
【０００３】
太陽光の強度は気象条件に大きく左右されることから、太陽光の強度が強いときに合わせて設計すると、太陽光が不足して稼働できない期間が長くなってしまう。そこで、反射鏡を余剰させて設置しておき、太陽光の強度が強いときには、余剰分を除いた一部の反射鏡のみで集光部に集光する。一方、太陽光の強度が弱いときには、余剰分も含めた全ての反射鏡を用いて集光部に集光する。こうすることで、太陽光の強度に拘わらず、反応部に供給された原料を十分に加熱して、稼働可能な期間を長く確保することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０２５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、反射鏡を余剰させて設置する場合、太陽光の強度が強いときには、一部の反射鏡は、集光部に向かって太陽光を反射させない未使用状態となる。そのため、従来の集光装置は、太陽光の強度が強いときの未使用状態の反射鏡の分だけ、反射鏡の設置面積当たりの最大加熱量が低く抑えられてしまっていた。
【０００６】
本発明の目的は、設置面積当たりの最大加熱量を向上させることが可能な集光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の集光装置は、太陽光を反射する反射面の向きが可変である複数の反射鏡と、互いに位置が異なり、反射面で反射された太陽光が集光される複数の集光部と、それぞれの集光部に対応して設けられ、原料が投入されるとともに、集光部に集光された太陽光の熱によって原料が加熱される複数の反応部と、複数の反射鏡の反射面それぞれの向きを制御する制御部と、を備え、制御部は、反射鏡と、反射鏡が反射した太陽光を集光する集光部の組み合わせを変更可能であることを特徴とする。
【０００８】
複数の反応部毎に並列して設けられ、複数の反応部それぞれから原料が加熱されて生成される生成物が排出される生成物排出路をさらに備えてもよい。
【０００９】
複数の反応部毎に並列して設けられ、複数の反応部それぞれに原料を供給する原料供給路をさらに備えてもよい。
【００１０】
複数の反応部のいずれか２つは、許容される加熱量が異なってもよい。
【００１１】
太陽光の強度を測定する照度計をさらに備え、制御部は、照度計の測定値に基づいて、反射鏡と、反射鏡が反射した太陽光を集光する集光部の組み合わせを決定してもよい。
【００１２】
複数の集光部を複数の反射鏡よりも鉛直上方に支持し、複数の集光部の鉛直下方にそれぞれ複数の反応部を配した複数の集光塔をさらに備え、複数の集光部は、鏡で構成され、集光した光を複数の反応部に反射してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、設置面積当たりの最大加熱量を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】集光装置の概略図である。
【図２】集光装置の機能ブロック図である。
【図３】原料および生成物の流れを説明するための説明図である。
【図４】比較例の集光装置の概略図である。
【図５】太陽光の強度が弱いときの集光装置の集光を説明するための説明図である。
【図６】変形例における集光装置の概略図である。
【図７】変形例における原料および生成物の流れを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
（集光装置１００）
図１は、集光装置１００の概略図である。図１に示すように、集光装置１００は、複数の反射鏡１１０と、集光塔１１２と、複数の集光部１１４と、複数の反応部１１６とを含んで構成される。
【００１７】
反射鏡１１０は、反射面１１０ａを有する鏡で構成され、例えば地面などの低位置に設置されて、太陽光を受光して集光部１１４に反射する。
【００１８】
集光塔１１２には、反射鏡１１０よりも高い位置に、互いに位置が異なる複数（ここでは、３つ）の集光部１１４が配されている。集光部１１４は、反射鏡１１０の反射面１１０ａで反射された太陽光が集光される部位である。
【００１９】
反応部１１６は、例えば、投入された原料に、吸熱を伴う化学反応を生じさせる炉であって、集光部１１４に対応して複数（ここでは、３つ）設けられる。それぞれの反応部１１６は、外壁に集光部１１４が形成されており、集光部１１４に集光された太陽光の熱によって反応部１１６内部の原料が加熱されて、化学反応の結果物としての生成物が生成される。
【００２０】
なお、本実施形態では、反応部１１６の内部に供給される原料に化学反応が生じて、生成物が生成される場合について説明する。しかし、反応部１１６の内部で生じる吸熱現象は、化学反応に限らず、例えば、液体の水を原料とし、水が加熱されて沸騰し、生成物として水蒸気が生成されてもよい。このようにして生成された水蒸気は、例えば、タービンなどを介して発電処理に利用することができる。
【００２１】
図２は、集光装置１００の機能ブロック図である。図２に示すように、集光装置１００は、照度計１１８と、角度調節器１２０と、原料供給部１２２と、制御部１２４と、を含んで構成される。
【００２２】
照度計１１８は、例えば、反射鏡１１０付近の地面に、反射鏡１１０と重ならないように設置され、太陽光を受光して太陽光の強度を測定する。
【００２３】
角度調節器１２０は、例えば、モータで構成され、反射鏡１１０の姿勢を変更可能であって、反射鏡１１０の反射面１１０ａの向きを可変とする。すなわち、反射鏡１１０は、それぞれ、太陽光を反射する反射面１１０ａの向き（反射方向）が可変である。
【００２４】
原料供給部１２２は、複数の反応部１１６へ原料を供給する機能部であって、後述する原料供給路１２６それぞれに設けられるバルブ１２２ａを含んで構成される。バルブ１２２ａは、反応部１１６へ供給される原料の流量を可変とする。
【００２５】
制御部１２４は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して集光装置１００全体を管理および制御する。制御部１２４は、照度計１１８の測定値を取得し、測定値が示す太陽光の強度、および、日付と時刻から計算される太陽の位置などに基づいて、角度調節器１２０を動作させる。こうして、制御部１２４は、太陽光の受光および集光部１１４への反射が適切に行われるように、複数の反射鏡１１０の反射面１１０ａそれぞれの向きを制御する。
【００２６】
また、制御部１２４は、反応部１１６それぞれの太陽光による加熱量に応じ、その反応部１１６へ原料を供給する原料供給路１２６に配されたバルブ１２２ａの開度を調整する。例えば、制御部１２４は、稼働を停止している反応部１１６へ原料を供給する原料供給路１２６に配されたバルブ１２２ａを閉じる。反応部１１６の稼働の停止については後に詳述する。
【００２７】
図３は、原料および生成物の流れを説明するための説明図である。図３に示すように、集光装置１００には、集光塔１１２に設けられた３つの反応部１１６それぞれに対して、並列に、原料供給路１２６および生成物排出路１２８が設けられている。
【００２８】
すなわち、原料供給路１２６および生成物排出路１２８は、複数の反応部１１６毎に並列して設けられている。そして、原料供給路１２６は、複数の反応部１１６それぞれに原料を供給する流路となり、生成物排出路１２８は、複数の反応部１１６それぞれから生成物が排出される流路となっている。
【００２９】
以下、複数の反応部１１６を、集光塔１１２の塔頂側から順に、反応部１１６ａ、反応部１１６ｂ、反応部１１６ｃとする。また、反応部１１６ａの外壁に形成された集光部１１４を集光部１１４ａ、反応部１１６ｂの外壁に形成された集光部１１４を集光部１１４ｂ、反応部１１６ｃの外壁に形成された集光部１１４を集光部１１４ｃとする。
【００３０】
本実施形態において、反応部１１６ａ、反応部１１６ｂ、反応部１１６ｃは、それぞれ、許容される加熱量が異なる。ここで、許容される加熱量は、例えば、単位時間当たりに受熱可能な熱量などであるとともに、それぞれの反応部１１６が、単位時間当たりに化学反応によって吸熱させることが可能な熱量である。すなわち、許容される加熱量は、反応部１１６それぞれの化学反応における吸熱量の定格容量である。
【００３１】
例えば、太陽光の強度が想定範囲のうちで最も強い気象条件下において、すべての反射鏡１１０によって太陽光を集光部１１４に集光し、反応部１１６に伝熱可能な太陽光のエネルギーを１００％とする。このとき、定格容量は、反応部１１６ａが５０％、反応部１１６ｂが３０％、反応部１１６ｃが２０％となっている。すべての反応部１１６が定格容量で稼働しているとき、集光装置１００はフル稼働していることとなる。
【００３２】
ただし、雨天や冬季など、太陽光の強度が弱く、すべての反射鏡１１０によって集光部１１４に集光しても、太陽光のエネルギーが１００％未満しか反応部１１６に伝熱できない場合がある。
【００３３】
図４は、比較例の集光装置１０の概略図である。例えば、反応部１６に伝熱可能な太陽光のエネルギーが８０％の場合、比較例の集光装置１０のように、集光部１４や反応部１６が１つしかないと、反応部１６においては、定格容量の８０％しか、化学反応の吸熱に充てることができない。このように太陽光の強度が不足しているときは、反応部１６に供給する原料の流量を抑え、時間当たりの化学反応の反応量を抑制することで、ある程度は対応可能である。
【００３４】
しかし、例えば、反応部１６に伝熱可能な太陽光のエネルギーが、３０％といったように不足し過ぎると、原料の流量調整だけでは対応できなくなり、化学反応を継続できず、反応部１６の稼働状態を維持できなくなってしまう。
【００３５】
図５は、太陽光の強度が弱いときの集光装置１００の集光を説明するための説明図である。制御部１２４は、照度計１１８の測定値に基づいて、反射鏡１１０と、反射鏡１１０が反射した太陽光を集光する集光部１１４の組み合わせを決定する。
【００３６】
例えば、照度計１１８の測定値によって、反応部１１６に伝熱可能な太陽光のエネルギーが８０％であると判断されたとする。制御部１２４は、複数の反射鏡１１０の反射面１１０ａそれぞれの向きを制御して、集光部１１４ａに５０％、集光部１１４ｂに３０％のエネルギー分の太陽光を集光させる。集光部１１４ｃには太陽光を集光させない。
【００３７】
その結果、反応部１１６ａ、１１６ｂでは、それぞれ定格容量分の十分な加熱がなされ、最適な化学反応が生じることとなる。このとき、反応部１１６ｃでは、化学反応は停止している。制御部１２４は、反応部１１６ｃへ原料を供給する原料供給路１２６に配されたバルブ１２２ａを閉じる。
【００３８】
また、反応部１１６に伝熱可能な太陽光のエネルギーが３０％の場合、制御部１２４は、複数の反射鏡１１０の反射面１１０ａそれぞれの向きを制御して、集光部１１４ｂに３０％のエネルギー分の太陽光を集光させる。集光部１１４ａおよび集光部１１４ｃには太陽光を集光させない。
【００３９】
その結果、反応部１１６ｂでは、定格容量分の十分な加熱がなされ、最適な化学反応が生じることとなる。このとき、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｃでは、化学反応は停止している。制御部１２４は、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｃに原料を供給する原料供給路１２６に配された各バルブ１２２ａを閉じる。
【００４０】
上述したように、集光装置１００は、集光部１１４および反応部１１６を複数備えており、制御部１２４は、反射鏡１１０と、反射鏡１１０が反射した太陽光を集光する集光部１１４の組み合わせを変更可能である。そのため、太陽光の強度に応じて、稼働させる集光部１１４の数を増減させることで、稼働可能な太陽光の強度の範囲を拡大することが可能となる。
【００４１】
また、反射鏡１１０を余剰させる必要がなく、すべての反射鏡１１０が受光した太陽光を、常にいずれかの集光部１１４に反射させる。そのため、反射鏡１１０を余剰させて設置し、太陽光の強度が強いときに一部の反射鏡１１０を未使用状態とする構成に比べ、設置面積当たりの最大加熱量を向上させることが可能となる。
【００４２】
また、生成物排出路１２８を、反応部１１６毎に並列して設けていることから、例えば、反応部１１６ｃから排出される生成物は、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂを通過しない。そのため、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂの稼働を停止しても、反応部１１６ｃの生成物に影響を与えることがなく、効率的に生成物を生成することが可能となる。
【００４３】
同様に、原料供給路１２６を、反応部１１６毎に並列して設けていることから、例えば、反応部１１６ｃに供給される原料は、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂを通過しない。そのため、反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂの稼働を停止しても、原料は反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂを通過することなく反応部１１６ｃに供給される。そのため、稼働停止中の反応部１１６ａおよび反応部１１６ｂを通過することによって、原料の流量が制限されるなどといった影響を受けることなく、効率的に生成物を生成することが可能となる。
【００４４】
（変形例）
図６は、変形例における集光装置２００の概略図である。図６に示すように、変形例においては、集光装置２００は、複数（ここでは、３つ）の集光塔２１２を備えている。それぞれの集光塔２１２には、反射鏡１１０の高さよりも高い位置に１つずつ、集光部２１４が配されている。すなわち、複数の集光塔２１２は、複数の集光部２１４を複数の反射鏡１１０よりも鉛直上方に支持している。
【００４５】
集光部２１４は、反射鏡１１０の反射面１１０ａで反射された太陽光が集光される部位であって、例えば鏡を含んで構成され、集光部２１４に集光された太陽光を、鉛直下方に向かって反射する。
【００４６】
図７は、変形例における原料および生成物の流れを説明するための説明図である。図７に示すように、変形例の集光装置２００においては、複数の反応部２１６は、各集光塔２１２において、集光部２１４の鉛直下方にそれぞれ配されている。集光部２１４は、集光された太陽光を、鉛直下方に配された反応部２１６に向かって反射する。
【００４７】
このように、集光装置２００は、所謂ビームダウン方式となっており、集光塔２１２の上部に集光した太陽光を、集光塔２１２の下部に配された反応部２１６に向かって反射し、反応部２１６において、反射された太陽光の熱で化学反応を生じさせる。
【００４８】
このように、ビームダウン方式の集光装置２００は、原料が投入され重くなり易い反応部２１６を、集光塔２１２の上部に配する必要がなく、集光塔２１２の耐荷重が小さくて済む。そのため、集光装置２００のように、複数の集光部２１４および反応部２１６を設けるために、複数の集光塔２１２を設置しても、集光塔２１２それぞれの設置コストが低いことから、集光装置２００全体の設置コストの増加は抑えられる。そのうえ、反応部２１６が低い位置にあることから、反応部２１６のメンテナンス性がよい利点がある。
【００４９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５０】
例えば、上述した実施形態および変形例では、生成物排出路１２８を、反応部１１６、２１６毎に並列して設ける場合について説明した。しかし、生成物排出路は、複数の反応部１１６、２１６を直列につなぐ経路となっていてもよい。
【００５１】
同様に、上述した実施形態および変形例では、原料供給路１２６を、反応部１１６、２１６毎に並列して設ける場合について説明した。しかし、原料供給路は、複数の反応部１１６、２１６を直列につなぐ経路となっていてもよい。
【００５２】
また、上述した実施形態および変形例では、３つの反応部１１６、２１６すべてが、許容される加熱量（定格容量）が異なる場合について説明した。しかし、複数の反応部１１６、２１６の定格容量は全て等しくてもよい。ただし、少なくとも、複数の反応部１１６、２１６のいずれか２つは、定格容量が異なれば、いずれの反応部１１６、２１６を稼働させるかの組み合わせが多様となり、稼働可能な太陽光の強度の範囲をさらに広げることが可能となる。
【００５３】
また、上述した実施形態では、定格容量が、反応部１１６ａが５０％、反応部１１６ｂが３０％、反応部１１６ｃが２０％の場合について説明した。しかし、それぞれの反応部１１６の定格容量は、任意の値であってよい。さらに、反応部１１６および集光部１１４は、複数であれば、２つであっても４つ以上であってもよい。
【００５４】
また、上述した実施形態および変形例では、制御部１２４は、照度計１１８の測定値に基づいて、反射鏡１１０が反射した太陽光を集光する集光部１１４、２１４の組み合わせを決定する場合について説明した。しかし、照度計１１８は必須の構成ではなく、制御部は、作業者の操作入力に応じて、反射鏡１１０が反射した太陽光を集光する集光部１１４、２１４の組み合わせを変更してもよい。ただし、制御部１２４が、照度計１１８の測定値に基づいて、反射鏡１１０が反射した太陽光を集光する集光部１１４、２１４の組み合わせを決定する構成によれば、天候の変化に迅速に対応して集光部１１４、２１４の組み合わせを決定し、効率的に生成物を生成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、太陽光を集光して原料を加熱する集光装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１００、２００  集光装置
１１０  反射鏡
１１０ａ  反射面
１１２、２１２  集光塔
１１４、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、２１４  集光部
１１６、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ、２１６  反応部
１１８  照度計
１２４  制御部
１２６  原料供給路
１２８  生成物排出路
【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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