(57)【要約】【課題】受熱部における熱伝達率を向上させる。【解決手段】太陽熱集熱装置は、熱媒体２３を流す第１配管２４、及び複数の反射部１０により反射された太陽光の熱を受ける第１受熱面２６Ｂを有し、第１受熱面２６Ｂの熱を用いて第１配管２４を流れる熱媒体２３を加熱する第１熱交換部２２Ｂと、第１熱交換部２２Ｂにより加熱された熱媒体２３を流す第２配管２４、複数の反射部１０により反射された太陽光の熱を受ける第２受熱面２６Ａ、及び第２配管２４に設けられ、第２配管２４を流れる熱媒体２３を第２受熱面２６Ａの裏面に吐出するノズル２５を有する第２熱交換部２２Ａと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を流す第１配管、及び複数の反射部により反射された太陽光の熱を受ける第１受熱面を有し、前記第１受熱面の熱を用いて前記第１配管を流れる前記熱媒体を加熱する第１熱交換部と、
前記第１熱交換部により加熱された前記熱媒体を流す第２配管、複数の反射部により反射された太陽光の熱を受ける第２受熱面、及び前記第２配管に設けられ、前記第２配管を流れる前記熱媒体を前記第２受熱面の裏面に吐出するノズルを有する第２熱交換部と、
を備える太陽熱集熱装置。
【請求項２】
前記ノズルは前記第２配管の上流側から下流側にかけて複数設けられ、
前記熱媒体の流れの下流側に位置するノズルの吐出口径は、上流側に位置するノズルの吐出口径より大きい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】
前記第２配管は、前記熱媒体の流れの上流側の口径が下流側の口径より大きい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４】
前記第２受熱面の裏面には、前記ノズルから吐出された前記熱媒体を左右方向へ導くガイド部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
【請求項５】
前記ノズルは前記第２配管の上流側から下流側にかけて複数設けられ、
前記第２受熱面への入射熱エネルギー量に応じて、前記熱媒体を吐出するノズルの数が調整され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６】
請求項１乃至５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と水とを熱交換させて蒸気を発生させる熱交換器、前記蒸気により回転駆動するタービン、前記タービンのタービン軸に連結された発電機、及び前記タービンから排出された蒸気を復水する復水器を有する発電装置と、
を備える太陽熱発電システム。
【請求項７】
前記第１配管と前記第２配管との間に設けられ、前記第１熱交換部により加熱された前記熱媒体を用いて、前記復水器から排出された水を加熱する熱交換タンクをさらに備え、
前記熱交換タンクにより加熱された水が、前記発電装置の前記熱交換器に供給されることを特徴とする請求項６に記載の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
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００１１２９０号
【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、熱媒体を流す第１配管、及び複数の反射部により反射された太陽光の熱を受ける第１受熱面を有し、前記第１受熱面の熱を用いて前記第１配管を流れる前記熱媒体を加熱する第１熱交換部と、前記第１熱交換部により加熱された前記熱媒体を流す第２配管、複数の反射部により反射された太陽光の熱を受ける第２受熱面、及び前記第２配管に設けられ、前記第２配管を流れる前記熱媒体を前記第２受熱面の裏面に吐出するノズルを有する第２熱交換部と、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、上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と水とを熱交換させて蒸気を発生させる熱交換器、前記蒸気により回転駆動するタービン、前記タービンのタービン軸に連結された発電機、及び前記タービンから排出された蒸気を復水する復水器を有する発電装置と、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】同実施形態に係る太陽熱集熱装置の受熱部の縦断面図である。
【図３】熱交換部の横断面図である。
【図４】熱交換部の横断面図である。
【図５】熱交換部の縦断面図である。
【図６】熱交換部の縦断面図である。
【図７】変形例による受熱部の縦断面図である。
【図８】変形例による受熱部の縦断面図である。
【図９】変形例による受熱面の概略構成図である。
【図１０】変形例による受熱部の概略構成図である。
【図１１】変形例による熱交換部の概略構成図である。
【図１２】変形例による配管の概略構成図である。
【図１３】変形例による受熱部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】
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】
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、複数設けられる。受熱部２２における熱エネルギーが熱媒体２３に移動して、熱媒体２３が加熱される。
【００１７】
受熱部２２を通過して加熱された熱媒体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２に受熱部２２の縦断面（上下方向の断面）を示す。図１及び図２に示すように、受熱部２２は、熱交換部２２Ａ、及び熱交換部２２Ａの下方に設けられた熱交換部２２Ｂを有している。熱交換部２２Ｂにより加熱された熱媒体２３は、上方の熱交換部２２Ａへ送り込まれて、さらに加熱される。
【００１９】
図３に、熱交換部２２Ｂの横断面（水平方向の断面）を示す。図２及び図３に示すように、熱交換部２２Ｂでは、複数の配管２４が、反射部１０により反射された太陽光の熱を受ける受熱面２６Ｂに接触するように（又は受熱面２６Ｂの極めて近くに）設けられている。受熱面２６Ｂの熱が配管２４を流れる熱媒体２３に移動することで、熱媒体２３が加熱される。受熱面２６Ｂは例えばＳＵＳで形成されている。
【００２０】
図４に、熱交換部２２Ａの横断面を示す。図２及び図４に示すように、熱交換部２２Ａでは、各配管２４に複数のノズル２５が、反射部１０により反射された太陽光の熱を受ける受熱面２６Ａに向かって、設けられている。図５に示すように、ノズル２５は、配管２４を流れる熱媒体２３を、受熱面２６Ａ（の裏面）へ吐出する。熱媒体２３が、高温になっている受熱面２６Ａに直接接触するため、熱交換部２２Ｂのように配管２４の管壁を介して熱媒体２３を加熱する手法よりも、受熱面２６Ａから熱媒体２３への熱伝達率を高くすることができる。
【００２１】
ノズル２５は、受熱面２６Ａへの光の入射熱エネルギーの設計に応じて配置され、等間隔に配置しても良いし、千鳥状に配置しても良い。受熱面２６Ａは例えばＳＵＳで形成されている。
【００２２】
図６に示すように、熱交換部２２Ａの底部には、熱媒体２３を貯留するタンク２７が設けられている。ノズル２５から吐出された熱媒体２３は、受熱面２６Ａに接触して落下し、タンク２７に貯留される。熱媒体２３は、タンク２７に貯留されている間も、受熱面２６Ａにより加熱され得る。タンク２７に貯留されている熱媒体２３は、配管２４ａにより排出される。タンク２７から排出された熱媒体２３は、熱交換器５０に供給される。なお、熱媒体２３が気体の場合は、受熱面２６Ａで加熱されて上昇した熱媒体２３を熱交換部２２Ａの上方で回収したり、熱媒体２３を排出するための配管を別途設けたりすることが好ましい。
【００２３】
熱交換部２２Ａにおいて、配管２４の上端は塞がっていてもよいし、塞がっていなくてもよい。配管２４の上端が塞がっている場合、熱交換部２２Ａに送り込まれた熱媒体２３は全てノズル２５から吐出されることになる。配管２４の上端が塞がっていない場合は、熱交換部２２Ａに送り込まれた熱媒体２３のうち、ノズル２５から吐出されなかった熱媒体２３は、例えば、タンク２７から配管２４ａにより排出された熱媒体２３と混合されて、熱交換器５０に供給される。
【００２４】
このように、本実施形態では、配管２４にノズル２５を設け、受熱面２６Ａの裏面に熱媒体２３を吐出して、熱媒体２３と受熱面２６Ａの裏面とを直接的に接触させるため、熱媒体２３は受熱面２６Ａから多くの熱量を集熱することができ、受熱部２２における熱伝達率を向上させることができる。また、受熱面２６Ａと熱媒体２３との熱交換により、受熱面２６Ａの温度を効率良く低下させることができるため、受熱部２２を構成する材料の信頼性を向上させることができる。
【００２５】
上記実施形態では、配管２４に設けられる複数のノズル２５の吐出口径は同じであったが、図７に示すように、配管２４に設けられるノズル２５の吐出口径を、位置に応じて変えてもよい。すなわち、図７に示すように、上部（熱媒体２３の流れの下流側）のノズル２５の吐出口径が、下部（熱媒体２３の流れの上流側）のノズル２５の吐出口径より大きくなるようにしてもよい。これにより、各ノズル２５からの熱媒体２３の吐出量を均一化することができる。
【００２６】
ノズル２５の口径比率は、配管２４内で発生する熱媒体２３の摩擦損失、分岐損失、出口損失により規定されるもので、流体流量、配管径、ノズル２５の配置及び個数から算出されるが、必ずしも全ての圧力損失バランスを満たす必要性はない。
【００２７】
また、図８に示すように、熱交換部２２Ａにおいて、配管２４の口径が上から下に向かって徐々に大きくなるようにしてもよい。すなわち、熱媒体２３の流れの上流側の配管２４の口径が、下流側の配管２４の口径より大きくなるようにしてもよい。配管２４をこのような構成にすることでも、各ノズル２５からの熱媒体２３の吐出量を均一化することができる。この配管径拡大比率についても、流体流量、配管径、ノズル２５の配置及び個数から算出される。配管２４は円管でもよいし、矩形管でもよい。
【００２８】
図９（ａ）に示すように、受熱面２６Ａの裏面（ノズル２５から吐出された熱媒体２３が接触する面）にガイド２８を設けてもよい。図９（ｂ）に示すように、受熱面２６Ａの裏面に接触した熱媒体２３は、ガイド２８に沿って左右方向へ流れる。ガイド２８が無く、ノズル２５から吐出された熱媒体２３が受熱面２６Ａをそのまま流下する場合、上部のノズル２５から吐出されて流下してきた熱媒体２３が、下部のノズル２５から吐出された熱媒体２３と受熱面２６Ａとの接触（熱交換）の妨げになり得る。図９（ａ）、（ｂ）に示すようにガイド２８を設けることで、熱媒体２３は左右方向へ流れてから流下するため、下部のノズル２５から吐出された熱媒体２３も、受熱面２５から多くの熱量を集熱することができる。
【００２９】
また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、熱交換部２２Ａと熱交換部２２Ｂとの間の配管２４に、熱媒体２３と水５１とを熱交換させる熱交換タンク（熱交換器）２９を設けてもよい。水５１は、熱交換タンク２９において熱媒体２３により加熱された後に、熱交換器５０（図１参照）に供給される。このような構成にすることで、水５１を予熱することができる。また、熱交換部２２Ａに供給される熱媒体２３の温度が下がるため、受熱面２６Ａからの集熱量を増やすことができる。
【００３０】
熱媒体２３を吐出するノズル２５の数を制御する制御部を設け、受熱面２６Ａへの入射熱エネルギー量や、受熱面２６Ａの表面温度に応じて、受熱面２６Ａへの熱媒体２３の吐出量を調整するようにしてもよい。天候の急変や曇天時の熱エネルギー不足時において、受熱面２６Ａの使用面積（反射光の照射面積）を縮小し、受熱面２６Ａの未使用領域には熱媒体２３を吐出しないようにすることで、タワー２１から排出される熱媒体２３の温度が低下することを防止できる。
【００３１】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、熱交換部２２Ａにおける配管２４を二重管構造にしてもよい。配管２４は、受熱面２６Ａに接触している外管２４ｂと、外管２４ｂの内側に設けられた内管２４ｂとを備えている。内管２４ｂには熱媒体２３が流れている。内管２４ｂにはノズル２５が設けられており、このノズル２５から外管２４ｂの内壁面に熱媒体２３が吐出される。ノズル２５から吐出された熱媒体２３は、外管２４ｂの管壁を介して受熱面２６Ａから熱量を集熱する。このような構成によっても、熱媒体２３は受熱面２６Ａから多くの熱量を集熱することができ、受熱部２２における熱伝達率を向上させることができる。
【００３２】
また、図１２に示すように、熱交換部２２Ｂにおける配管２４内部にスワール構造３１を設けてもよい。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、熱交換部２２Ｂにおける熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００３３】
上記実施形態では、ノズル２５から受熱面２６Ａへ熱媒体２３を吐出する熱交換部２２Ａと、配管２４にノズル２５が設けられていない熱交換部２２Ｂとの２つの熱交換部を備えた構成について説明したが、熱交換部２２Ａ及び／又は熱交換部２２Ｂを２つ以上設けてもよい。また、熱交換部２２Ａのみを１つ以上設けた構成にしてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、熱交換部２２Ａ、２２Ｂを上下に配置した構成について説明したが、図１３に示すように、左右に配置してもよい。熱媒体２３の流れの上流側に熱交換部２２Ｂが配置され、下流側に熱交換部２２Ａが配置される。
【００３５】
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、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。
【００３６】
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】
【００３７】
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
２２Ａ、２２Ｂ  熱交換部
２３  熱媒体
２４  配管
２５  ノズル
２６Ａ、２６Ｂ  受熱面
２７  タンク
２８  ガイド
２９  熱交換タンク
３１  スワール構造
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】
2012202556.tif 000012
【図１１】
2012202556.tif 000013
【図１２】
2012202556.tif 000014
【図１３】
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