(57)【要約】      （修正有）【課題】受熱部における熱伝達率を向上できる太陽熱集熱装置及び太陽熱発電システムを提供する。【解決手段】太陽熱集熱装置は、熱媒体２３を流す配管２４と、複数の反射部により反射された太陽光の熱を受け、配管２４を流れる熱媒体２３を加熱する受熱部２２と、配管２４に設けられ、超音波を発生する超音波振動子２５と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を流す配管と、
複数の反射部により反射された太陽光の熱を受け、前記配管を流れる前記熱媒体を加熱する受熱部と、
前記配管に設けられ、超音波を発生する超音波振動子と、
を備える太陽熱集熱装置。
【請求項２】
前記超音波振動子は、前記受熱部からみて、前記熱媒体の流れる方向の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項３】
太陽電池の機能を有する受光部をさらに備え、
前記受光部における発電電力が前記超音波振動子に供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項４】
太陽光によりレーザを励起するレーザ励起部をさらに備え、
前記レーザ励起部により励起されたレーザが前記超音波振動子に与えられることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項５】
前記配管は複数設けられ、
前記複数の配管の各々に前記超音波振動子が設けられており、
前記受熱部における熱分布に基づいて、各超音波振動子に与える電力量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項６】
前記受熱部の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記温度センサの検出結果に基づいて、前記受熱部における熱分布を求めることを特徴とする請求項５に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項７】
前記複数の反射部には、それぞれ、当該反射部への太陽エネルギーの入射量を検出する日射量センサが設けられており、
前記日射量センサの検出結果に基づいて、前記受熱部における熱分布を求めることを特徴とする請求項５に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の太陽熱集熱装置と、
前記太陽熱集熱装置により加熱された前記熱媒体を用いて蒸気を発生させ、この蒸気を用いて発電を行う発電装置と、
を備える太陽熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱集熱装置及び太陽熱発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の火力発電システム等の化石燃料を燃焼させる発電プラントに対し、地球温暖化抑止の観点から、運転中に二酸化炭素を発生しない風力発電等の再生可能エネルギーが普及しつつある。このような代替エネルギーの１つとして、太陽光を集光して得た熱によって熱媒体を加熱し、この熱媒体の熱容量をエネルギー源にタービンを駆動して発電する太陽熱発電が注目されている。太陽熱発電は、従来の火力発電システムに類似する技術・設備で稼動でき、また、他の再生可能エネルギーに比べて高い出力を得ることが可能である。
【０００３】
集光型太陽熱発電システムは、トラフ式、タワー式、ディッシュ式などいくつかの方式が開発されているが、基本的には、太陽光を高密度に集めることでエネルギーを得るものであり、太陽光を反射させるミラー、反射した光を受け、熱媒体に熱を伝える受熱部と、蒸気発生器やタービン／発電機などのエネルギー変換システムにより構成されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００４】
集光型太陽熱発電システムは、タービンサイクルの上流側温度、すなわち熱媒体の温度が高いほど発電効率が高くなるため、受熱部における熱伝達率の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１５３８８号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００１１２９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、受熱部における熱伝達率を向上できる太陽熱集熱装置及び太陽熱発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による太陽熱集熱装置は、熱媒体を流す配管と、複数の反射部により反射された太陽光の熱を受け、前記配管を流れる前記熱媒体を加熱する受熱部と、前記配管に設けられ、超音波を発生する超音波振動子と、を備えるものである。
【０００８】
本発明の一態様による太陽熱発電システムは、前記太陽熱集熱装置と、前記太陽熱集熱装置により加熱された前記熱媒体を用いて蒸気を発生させ、この蒸気を用いて発電を行う発電装置と、を備えるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、受熱部における熱伝達率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽熱発電システムの概略構成図である。
【図２】反射部の概略構成図である。
【図３】同実施形態に係る集熱装置の概略構成図である。
【図４】熱媒体の流速分布の変化を示す図である。
【図５】変形例による太陽熱集熱装置の概略構成図である。
【図６】変形例による太陽熱集熱装置の概略構成図である。
【図７】変形例による太陽熱集熱装置の概略構成図である。
【図８】変形例による太陽熱集熱装置の概略構成図である。
【図９】変形例による太陽熱集熱装置の概略構成図である。
【図１０】変形例による反射部の概略構成図である。
【図１１】変形例による集熱装置の概略構成図である。
【図１２】変形例による集熱装置の概略構成図である。
【図１３】変形例による配管の概略構成図である。
【図１４】変形例による配管の概略構成図である。
【図１５】変形例による配管の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１に本発明の実施形態に係る太陽熱発電システムの概略構成を示す。太陽熱発電システムは、太陽光を集光し、その熱で熱媒体２３を加熱する太陽熱集熱装置１と、太陽熱集熱装置１により加熱された熱媒体２３を用いて蒸気５２を発生させて発電を行う発電装置５とを備えている。熱媒体２３には、水、空気、溶融塩などが使用される。
【００１３】
発電装置５は、熱媒体２３と水５１とを熱交換して蒸気５２を発生させる熱交換器５０と、蒸気５２により回転駆動する蒸気タービン５４と、蒸気タービン５４のタービン軸に連結され、タービン軸の回転により発電を行う発電機５５とを有している。蒸気タービン５４から排出される蒸気は復水器５６で冷却されて水５１となり、熱交換器５０に供給される。復水器５６には、蒸気を冷却するための冷却水を供給する冷却塔５７が連結されている。
【００１４】
太陽熱集熱装置１は、太陽光Ｌを反射する複数の反射部１０と、反射部１０により反射された太陽光の熱を集熱する集熱装置２０とを備えている。集熱装置２０は、タワー２１と、タワー２１の上部に設けられ、反射部１０により反射された太陽光の熱を受ける受熱部２２と、熱媒体２３を流すための配管２４とを備えている。
【００１５】
図２に、反射部１０の概略構成を示す。反射部１０は、平面鏡１１と、平面鏡１１を支える支柱１２と、太陽の動きに追従して平面鏡１１の向きを調整する調整機構（図示せず）とを備えており、ヘリオスタット（Heliostat）とも呼ばれている。各反射部１０は、平面鏡１１で反射した太陽光が集熱装置２０の受熱部２２に当たるように、平面鏡１１の向きを調整している。そのため、複数の反射部１１で反射した太陽光が受熱部２２に集中する。
【００１６】
図３に示すように、タワー２１内において、配管２４は受熱部２２の近傍に設置され、熱媒体２３は下から上へ流れている。配管２４は例えば炭素鋼で形成される。受熱部２１における熱エネルギーが配管２４を流れる熱媒体２３に移動して、熱媒体２３が加熱される。図２では複数の配管２４を示しているが、配管２４の数は限定されない。
【００１７】
受熱部２１を通過して過熱された熱媒体２３は、図１に示すように、熱交換器５０で水５１と熱交換する。熱交換により降温した熱媒体２３はタワー２１に戻る。このように、熱媒体２３はタワー２１と熱交換器５０との間で循環している。
【００１８】
図３に示すように、配管２４には、受熱部２１より低い位置（熱媒体２３の流れる方向における上流側）に超音波振動子２５が設けられている。超音波振動子２５には、例えば、圧電セラミックス素子、圧電高分子膜、ＺｎＯ薄膜振動子などが使用される。超音波振動子２５は、図示しない制御部により交流電圧が印加されると超音波を発生し、配管２４内を流れる熱媒体２３に超音波振動を与える。
【００１９】
図４に、超音波振動が与えられる前後の配管２４内における熱媒体２３の流速分布の一例を示す。超音波振動が与えられる前は、熱媒体２３は、配管２４の壁面近傍の流速が、配管２４中心部の流速よりも遅くなっている。
【００２０】
超音波振動子２５により超音波振動を与えることで、熱媒体２３にキャビテーションを発生させ、層流で流れてくる熱媒体２３を乱流にすることができる。これにより、熱媒体２３の平均流速を変えずに、配管２４の壁面近傍の流速を上げることができる。
【００２１】
熱媒体２３の配管２４の壁面近傍の流速が高い程、配管２４の熱、すなわち受熱部２２からの熱を効率良く吸収することができる。しかし、熱媒体２３の平均流速を上げると、熱媒体２３が受熱部２２部分を短時間に通過し、熱吸収効率を上げることが困難になる。
【００２２】
本実施形態では、超音波振動子２５を用いて超音波振動を与えることで、熱媒体２３の平均流速を変えずに、配管２４の壁面近傍の流速を上げるため、受熱部２２における熱媒体２３への熱伝達率を向上させることができる。また、熱媒体２３がより多くの熱量を吸収することで、受熱部２２に面した配管２４の温度を下げることができ、局部過熱に伴う配管損傷の発生を防止することができる。
【００２３】
図５に示すように、タワー２１の受熱部２２近傍に、太陽電池の機能を有する受光部２６を設け、この太陽電池の発電電力を直流−交流変換器（図示せず）を介して、超音波振動子２５へ印加するようにしてもよい。太陽電池から超音波振動子２５へ電力を供給することで、超音波振動子２５用の外部電力を低減又は不要にすることができ、発電装置５の発電効率向上に寄与することができる。
【００２４】
受光部２６はタワー２１の前面（受熱部２２と同一の面）に設ける必要はなく、図６に示すようにタワー２１の側面に設けてもよいし、図７に示すように、タワー２１の上面に設けてもよい。また、受光部２６は、タワー２１の背面に設けてもよいし、複数の面に受光部２６を設けてもよい。
【００２５】
また、受光部２６を受熱部２２と同じ面に設ける場合は、図８に示すように、反射部１０の少なくとも１つが、反射させた太陽光を受光部２６に当てるようにしてもよい。
【００２６】
あるいはまた、図９に示すように、タワー２１の受熱部２２近傍に、レーザ励起部２７を設けても良い。レーザ励起部２７は、太陽エネルギーにより固体レーザを励起する。この固体レーザが超音波振動子２５に入射することで、配管２４内部を流れている熱媒体２３に、より高いエネルギーの超音波振動を発生させることができ、熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００２７】
このレーザ励起部２７は、ロッド型レーザやディスク型レーザでよく、特別な構成である必要はない。上述した受光部２６と同様に、レーザ励起部２７の設置面は受熱部２２の面と同一である必要はないが、受熱部２２の面と同一にすることで、反射部１０からの反射光を利用して集光度を高くし、レーザビーム品質を高くすることができる。
【００２８】
図１０に示すように、反射部１０に太陽エネルギーの入射量を検出する日射量センサ１３を設け、各反射部１０の日射量センサ１３の検出結果から、受熱部２２における熱分布を計算し、受熱量の多い部分に対応する配管２４に設けられた超音波振動子２５に与える電力量を大きくして、強い超音波を発生させてもよい。これにより、受熱量に応じた適切な伝熱促進を行うことができ、配管２４毎に熱伝達率を調整することが可能となる。また、受熱部２２や配管２４の局所過熱を防止するとともに、熱媒体２３のタワー出口温度制御にも有効である。これは、特に、雲の通過時などの部分的かつ瞬時的な太陽エネルギー変動に対して有効である。
【００２９】
図１１に示すように、受熱部２２に、受熱部２２の受熱量を測定するための温度センサ２８を複数設けても良い。この温度センサ２８の検出結果から、受熱部２２の面内における受熱量のばらつきを求め、超音波振動子２５に与える電力量を制御して、配管２４毎に熱伝達率を調整する。このような構成によっても、受熱部２２や配管２４の局所過熱を防止することができる。
【００３０】
受熱部２２の受熱量を測定するためのセンサは、温度センサ２８でなくてもよい。例えば、図１２に示すように、受熱部２２の受熱面を撮影する赤外線カメラ２９を設け、画像処理システムにより受熱量のばらつきを求める構成でも良い。
【００３１】
図１３に示すように、配管２４内部にスワール構造３１を設けてもよい。超音波振動子２５により超音波振動を発生させた上で、スワール構造３１により熱媒体２３を回転（攪拌）させることで、配管２４内の熱媒体２３の温度分布を平準化させ、受熱部２２における熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００３２】
また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、配管２４を角柱構造とし、配管２４の受熱部２２側の内壁近傍に円柱構造３２を設けてもよい。図１４（ａ）は横断面、図１４（ｂ）は縦断面を示す。円柱構造３２により配管２４の壁面近傍における熱媒体２３の流速がさらに上がり、熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００３３】
また、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、配管２４内部にメッシュ構造３３を設けてもよい。図１５（ａ）は横断面、図１５（ｂ）は縦断面を示す。メッシュ構造３３により熱媒体２３が攪拌されるので、配管２４内の熱媒体２３の温度分布を平準化させ、受熱部２２における熱伝達率をさらに向上させることができる。また、配管２４からメッシュ構造３３自体へ伝熱することができる。
【００３４】
上記実施形態では、タワー型の太陽熱集熱装置１について説明したが、熱媒体を流す配管に超音波振動子を設けられるものであればよく、トラフ式など他の方式の太陽熱集熱装置に適用することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  太陽熱集熱装置
５  発電装置
１０  反射部
１１  平面鏡
１２  支柱
２０  集熱装置
２１  タワー
２２  受熱部
２３  熱媒体
２４  配管
２５  超音波振動子
５１  水
５２  蒸気
５４  蒸気タービン
５５  発電機
５６  復水器
５７  冷却塔
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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