(57)【要約】【課題】線形太陽光集光装置において、１日の太陽高度の変化に対する集光・集熱エネルギー変動の低減、光損失の低減、および集光効率の向上を実現する。【解決手段】南北方向に配置された複数の反射ラインＬ１乃至Ｌ８と、東西方向に配置された１本の受光ラインＧを備えている。各反射ラインにはミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，…が設置されている。ミラーセグメントは南北方向及び東西方向の回転角度の調整が可能である。各反射ラインは東西方向に移動可能であり、隣り合う反射ラインの間隔Ｐをミラーセグメントの東西方向の長さＬの２倍以上に設定することで、朝夕のシャドーイングによる照射エネルギーの低下を低減することができる。【選択図】図１３
2013194936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の反射ラインと、１本の受光ラインとを有する線形太陽光集光装置であって、
前記反射ラインは南北方向に並列に設定され、
前記受光ラインは前記反射ラインの上方の東西方向に設定され、
各反射ラインには複数のミラーセグメントで構成されるヘリオスタットが設置され、
前記受光ラインには前記ヘリオスタットから照射された太陽光の反射光を受光して集熱する１基のレシーバが設置され、
前記ミラーセグメントの角度を調整する角度調整手段と、各列の反射ラインを東西方向に移動させる駆動手段とを備えた
線形太陽光集光装置。
【請求項２】
前記レシーバは、内部に熱媒体が充填された集熱パイプを有し、
前記集熱パイプは、前記ミラーセグメントからの反射光が照射される照射領域とその両端に配置された非照射領域とに区画されているものである請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項３】
前記照射領域は、反射光により加熱されて照射領域から非照射領域に伝熱し、前記集熱パイプ内の流体に熱移動を生じさせる領域である請求項２に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項４】
前記角度調整手段は、南北方向および東西方向の回転角度の調整が可能である請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項５】
前記ミラーセグメントの高さを可変設定する手段を有する請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項６】
前記角度調整手段は、東西方向の回転角度を共通に調整し、南北方向の回転角度を個別に調整する請求項４に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項７】
前記ミラーセグメントは、南北方向の長さが東西方向の長さの２倍の定型のモジュールに設定され、直列に配列された数枚のミラーセグメントを１組とし、受光ラインの位置を挟んで各反射ライン上にそれぞれ向き合わせに配列されているものである請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項８】
前記ミラーセグメントの南北方向の間隔は、受光ラインから離れるにしたがって広く設定され、南北方向に隣り合うミラーセグメント間のブロッキング、シャドーイング等の光損失を低減させるための間隔である請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項９】
北半球に設置される場合は、前記受光ラインを境にした反射ラインの長さが南側よりも北側に長く設定され、南半球に設置される場合は、前記受光ラインを境にした反射ラインの長さが北側よりも南側に長く設定されるものである請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項１０】
前記レシーバは、内部に熱媒体が充填された集熱パイプを有し、ヘリオスタットの全列の上方に配置され、その一端は熱供給源に接続されるものであり、
前記集熱パイプは、ヘリオスタットからの反射光を受光し、加熱された熱媒体を集熱するものである請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項１１】
前記レシーバは、複数の集熱パイプを並列に有し、前記集熱パイプの列の上方が断熱外壁で覆われ、前記集熱パイプの列の直下に、キャビティウィンドウ機能を有する吸熱網が設置され、
前記断熱外壁は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプの組を内包し、
前記断熱外壁の両縁は、吸熱網の端縁から下向きに張り出しており、
前記吸熱網が、一定の厚みのある井桁あるいはハニカム構造を有するステンレスメッシュであって、前記ヘリオスタットからの反射光は前記メッシュを透過して内側に到達するが、その放射光はメッシュの内側から出にくい構造となっている請求項１に記載の線形太陽光集光装置。
【請求項１２】
予備加熱手段と、本加熱手段とを有する太陽光集光発電システムであって、
前記予備加熱手段は、請求項１に記載された線形太陽光集光装置を用いて、目的の温度より低温の第１の温度まで加熱する手段であり、
前記本加熱手段は、前記線形太陽光集光装置より高温集熱光に適した他の形式の太陽光集光装置を用いて目的の温度である第２の温度まで昇温させる手段である太陽光集光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光の反射ラインを複数本平行に配列することによって形成する線形太陽光集光装置、および太陽光集光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光の反射ラインを複数本平行に配列することによって形成する従来の線形太陽光集光装置として、いわゆる線形フレネル型太陽光集光装置が知られている。
【０００３】
図１８に、先行例１として従来の線形フレネル型太陽光集光装置の１例を示す（非特許文献１、特許文献１参照）。ここで、図１８Ａは斜視図であり、図１８Ｂは受光ラインの一端側から見た図である。
【０００４】
図示のように、先行例１の線形フレネル型太陽光集光装置は、地上に複数の反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・を並列に設定し、反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・の列に跨ってその上方に、一定の周期で反射ラインの方向と平行方向に受光ラインＧ１，Ｇ２，・・・を設定したものである。各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・には、ヘリオスタットとして多数本の長方形のミラープレートＨ，Ｈ，・・・が配列され、各受光ラインＧ１，Ｇ２，・・・には、レシーバ（集熱器）Ｒ，Ｒ，・・・が一定間隔を置いて平行に設置されている。
【０００５】
各列のミラープレートＨ，Ｈ，・・・は、各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・に設定された中央回転軸を中心に個別にその転回角度が制御され、ミラープレートＨ，Ｈ，・・・はその鏡面に入射した太陽光を反射し、近傍のレシーバＲにその反射光を受光させる。そして、レシーバＲに受光された反射光の熱は、熱媒体を介して高温水蒸気に変換されるのである。なお、各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・とレシーバＲとは、共に南北方向（Ｓ−Ｎ）に並列に配置されており、各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・上のミラープレートＨ，Ｈ，・・・は、太陽の動きを追尾し、反射光が常にレシーバＲ近傍に集光するように各反射ラインの角度を東西方向（Ｅ−Ｗ）に回転調整している。
【０００６】
太陽光集光装置は、集光太陽熱発電システムに用いられ、集光太陽熱発電システムの商業プラントとしては、雨樋形の放物面鏡を用いて、鏡の焦点位置に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる流体（オイルなど）を加熱し、その熱エネルギーで発電するトラフ（Parabolic trough）式太陽熱発電システム、及び太陽追尾装置付の平面鏡を用いて、中央部に設置されたタワーにある集熱器に太陽光を集中させることで集光し、タワー上部に流した流体によりその熱を回収して発電するタワー（Central Tower）式太陽熱発電システムがすでに商業プラントとして稼働している。
【０００７】
トラフ式太陽熱発電システムは比較的低コストであるが、加熱された流体の温度が低いため高効率化が困難であり、タワー式太陽熱発電システムは高温の流体を得ることができるが、高精度の集光を必要とするために高コストとなる欠点がある。
【０００８】
これに対し、線形フレネル型太陽光集光装置は、トラフ型やタワー型の太陽光集光装置に比べ、風の影響を受けにくく、比較的低剛性でシンプルな構造であり、且つ土地利用効率が高いため、低い発電コストを実現できる点で商業プラントとして最も注目されている集光太陽熱発電システムの１つである。
【０００９】
このように線形フレネル型太陽光集光装置には、トラフ型やタワー型の発電装置に比べて構造がシンプルであり、低い発電コストを実現できるという特長があるものの以下の原因によって、太陽光の光損失が大きく、高い集光、集熱効率を得ることが難しいという問題がある。
【００１０】
太陽光の光損失は、ミラープレート上で入射光束が蹴られること（コサイン損失という）、ミラープレートで反射された光束が別のミラープレートで遮られること（ブロッキングという）、ミラープレートへ入射する光束が別のミラープレートで遮られること（シャドーイングという）などが原因となって生じる。
【００１１】
上記光損失のうち、コサイン損失とブロッキングの発生イメージを図１９に示す。シャドーイングは、特にミラーへの太陽入射光が斜めに入射する際に顕著に発生するため、図１９には示していない。
【００１２】
こうした光損失は、地表面に対してミラープレートＨの角度の傾きが大きい場合や、太陽高度に追従してミラープレートＨの角度調整をする際にミラープレートＨの回転角の変化が大きいほど、こうした光損失は大きくなりやすい。図１９において、例えば、従来の線形フレネル型太陽光集光装置のレシーバＲが南北方向に設置された場合に、反射ライン上のミラープレートＨ，Ｈ，・・・を東西方向に傾けることにより、見かけ上ミラープレートＨ，Ｈ，・・・からの反射光は、１点のレシーバＲに照射される。そのため、レシーバＲから離れた反射ライン上のミラープレートほど地表面に対する傾きが大きくなり、コサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きくなる。
【００１３】
しかも、朝から夕方にかけて太陽の軌跡に追従するためには、ミラープレートＨの調整角度が東西方向に約±４５度以上変化するため、特に朝夕の太陽高度が低い時にコサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きくなり、１日の集光・集熱エネルギーの変動量が大きくなる。そのため、得られる温度の上限は水蒸気で４００℃〜５００℃にとどまり、６００℃以上の高温を得ることができない。
【００１４】
また、東西方向の反射ライン上に多数本のミラープレートを配列し、ミラー設置面積を広くしたとしても、レシーバから離れたミラープレートは、前述の光損失が益々大きくなるため高い集光効率を得ることができない。更に、一基のレシーバが反射光を受光できるミラープレートの数には自ら限界があるため、広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配列したときには、一定本数のミラープレートの組ごとに１本の受光ラインを設定し、受光ライン毎にレシーバＲの設置が必要となり、レシーバＲ毎に受光した反射光の熱を集約して取り出さなければならない。このような理由から従来の線形フレネル型太陽光集光装置から得られる温度は５００℃程度が限界であった。
【００１５】
こうした光損失を低減する装置として、各反射ラインの長手方向とレシーバの長手方向とを共に東西方向に平行に配置する線形フレネル型太陽光集光装置が特許文献２に記載されている。この装置を先行例２として説明する。図２０に示すように、先行例２の装置は、各反射ラインＬ１（Ｌ２、Ｌ３・・・）上の各ミラープレートＨ，Ｈ，・・・を太陽の軌跡に対して東西方向に回転させず、南北方向にのみ回転させて反射光をレシーバＲに導くというものである。
【００１６】
この装置によれば、南北方向のミラー回転角が１日（朝夕）では数度以内、年間でも±１５度程度と小さいため、前述の光損失を大幅に低減することができる。そのため、南北方向に多数本のミラープレートを配列し、ミラープレートの設置面積を増やせば、レシーバＲの受ける総集熱エネルギー量も増やすことができる。
【００１７】
しかし、先行例２の装置では、東西方向のミラー角度の調整ができないため、特に朝夕の太陽高度が低い場合は、ミラープレートＨで集光される線状集光領域がレシーバ上から大きく外れてしまい、１日の集熱エネルギーの変動が大きいという問題がある。
【００１８】
また、先行例１、２のいずれの装置も、反射ラインとレシーバが並列に配置されているため、レシーバ上に集光される光束は、線上のほぼ一様な照射領域となる。こうした照射領域では６００℃近くの高温に上昇した際に再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が低下しやすいという問題がある。
【００１９】
つまり、先行例１の装置ではミラープレート上のコサイン損失、ブロッキング、シャドーイング等の光損失が大きいため、発熱温度が５００℃にとどまり、しかも１日の集熱エネルギーの変動が大きいという問題、及び広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配設したとしても、レシーバから離れるほど光損失は益々大きくなるため、集光効率に限界があるという問題がある。また、先行例１、２のいずれの装置にもレシーバ上の照射領域では６００℃近くの高温に上昇した際に再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が低下しやすいという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、線形太陽光集光装置において、１日の太陽高度の変化に対する集光・集熱エネルギー変動の低減、光損失の低減、および集光効率の向上を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、複数本の反射ラインと、１本の受光ラインとを有する線形太陽光集光装置であって、前記反射ラインは南北方向に並列に設定され、前記受光ラインは前記反射ラインの上方の東西方向に設定され、各反射ラインには複数のミラーセグメントで構成されるヘリオスタットが設置され、前記受光ラインには前記ヘリオスタットから照射された太陽光の反射光を受光して集熱する１基のレシーバが設置され、前記ミラーセグメントの角度を調整する角度調整手段と、各列の反射ラインを東西方向に移動させる駆動手段を備えた線形太陽光集光装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、線形太陽光集光装置において、１日の太陽高度の変化に対する集光・集熱エネルギー変動を低減し、光損失を低減し、集光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成を示す図である。
【図２】図１におけるミラーセグメントの概略構成を示す図である。
【図３】図１におけるミラーセグメントの回転角を南北方向、東西方向に調整する要領を示す図である。
【図４】図１におけるレシーバの構成を示す断面図である。
【図５】図１における受光ライン上の照射領域を説明するための図である。
【図６】図１におけるミラーセグメントの配置例を示す図である。
【図７】図１に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの１例を示す図である。
【図８】図１に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの別の１例の上面図である。
【図９】先行例１の構造モデルを示す図である。
【図１０】先行例２の構造モデルを示す図である。
【図１１】図７乃至図１０に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの集光シミュレーション結果を示す図である。
【図１２】図１に示す線形太陽光集光装置を用いた太陽光集光発電システムの１例を示す図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係る線形太陽光集光装置においてミラー幅に対するミラー間隔を変化させたときの集光シミュレーション結果を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。
【図１８】従来の線形フレネル型太陽光集光装置の１例（先行例１）を示す図である。
【図１９】コサイン損失及びブロッキングを説明するための図である。
【図２０】従来の線形フレネル型太陽光集光装置の他の例（先行例２）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［線形太陽光集光装置の基本構成］
本発明の実施形態を説明する前にその基本構成である、本発明の実施形態の前提となっている線形太陽光集光装置の構成について説明する。
【００２５】
〈ヘリオスタットとレシーバの配置例〉
図１は本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成として、ヘリオスタットとレシーバの配置例を示す図である。
【００２６】
図示のように、この線形太陽光集光装置は、複数本の反射ラインＬ１，Ｌ２、・・・と、１本の受光ラインＧとの組を有する線形フレネル型太陽光集光装置である。複数本の反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・は、地上の南北方向に設定された受熱ゾーンＺに並列に設定されたものであり、それぞれの反射ラインにはヘリオスタット１が設置されている。なお、この線形太陽光集光装置において、反射ラインをＬ１からＬ８からなる８列に設定した例を示しているが、反射ラインの数は８本に限定されず、任意の本数に設定できる。
【００２７】
各列の反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・に設置されたヘリオスタット１は、反射ライン上でミラー面の角度調整により、反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・上の各部に入射された太陽光の反射光を受光ラインＧに向けて照射する。
【００２８】
一方受光ラインＧは、各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・の列の中央上方の所定の位置において東西方向、即ち各反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・と直交する方向に設定され、受光ラインＧには、１基のレシーバ２が設置されている。レシーバ２は、各列のヘリオスタット１から照射された太陽光の反射光を受光して集熱する。ヘリオスタットの大きさが１ｍ×２ｍの場合にレシーバ２の設置高さは概ね２０ｍである。
【００２９】
ここで、複数本の反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・の設定方向は、地上の南北方向に正確に合致させる場合はもちろんのこと、反射ラインＬ１，Ｌ２，・・に設置されているそれぞれのヘリオスタット１に入光した太陽光の反射光を受光ラインＧに設置されたレシーバ２に有効に受光させることができる限り、南北方向からの多少のずれは、誤差の範囲として許される。これは受光ラインＧについても同じである。即ち、ヘリオスタット１からの太陽光の反射光をレシーバ２に有効に受光させることができる限り、受光ラインＧの配置方向が東西方向から多少ずれていても誤差の範囲として許される。
【００３０】
〈受光ラインに配置されたミラーセグメントの概略構成〉
図２は図１における受光ラインに配置されたミラーセグメントの概略構成を示す図である。ここでは、各列の反射ラインを代表して、反射ラインＬ１上に設置されたヘリオスタット１の構成を示す。
【００３１】
図２に示すように、反射ラインＬ１上には、ヘリオスタット１として、複数個のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・が地上の一定の範囲にわたり、行方向（南北方向）に配置される。各列の反射ラインＬ２，Ｌ３，・・・にも同様に複数個のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・が行方向に配列され、その結果、受熱ゾーンＺには行方向に整列してミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・が設置される。
【００３２】
〈ミラーセグメントの回転角調整〉
図３は反射ラインに配置された各ミラーセグメントの回転角を南北方向、東西方向に調整する要領を示す図である。
【００３３】
図３に示すように、同じ列のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・は、南北方向に沿った主回転軸Ｘに共通に取り付けられ、主回転軸Ｘは、列方向駆動装置３によって東西方向に回転制御され、各列のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・は、主回転軸Ｘを中心に回転角度が調整される。
【００３４】
一方、各行のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・は、それぞれ受光ラインＧに直交する方向（東西方向）の個別軸Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，・・・毎に取り付けられた行方向駆動装置４ａ，４ｂ，４ｃ，・・・によって個別に回転制御され、それぞれの個別軸Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，・・・を中心に回転角度が南北方向（行方向）に個別に調整される。
【００３５】
以上各列の反射ラインを代表して、反射ラインＬ１上に設置されたヘリオスタット１についての回転角の調整要領を説明したが、他の反射ラインＬ２，Ｌ３，・・・上に設置されたヘリオスタット１（ミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・）についても同じである。
【００３６】
各列のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・は、例えば反射ラインの方向（南北方向）の長さが１ｍ、横方向（東西方向）の長さが２ｍといった定型のモジュールに設定される。図１は、１例として図２に示すように直列に配列された５枚のミラーセグメント１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・１ｅを１組のユニットとし、各列の中央位置を挟んで各反射ライン上Ｌ１，Ｌ２，・・・に２組のユニットを直列に配列した例を示している。もっとも、１組を構成するミラーセグメントの数は５枚に限定されるものでなく、各反射ラインに配列するユニットの数は２組に限られるものではない。
【００３７】
また、東西方向に設置された受光ラインを境に、北側と南側の反射ラインの長さは必ずしも同一である必要はなく、北半球では太陽の軌跡が受光ラインに対して南側を通るため、本装置を北半球に設置する場合は、反射ラインの長さを南側よりも北側に長くして、北側のミラー設置面積をより広く採ることにより、集光、集熱効率を高めることができる。一方、南半球に設置する場合は、北半球に設置する場合と反対に、反射ラインの長さを北側よりも南側に長くすることにより、集光、集熱効率を高くすることができる。
【００３８】
また、前記の複数本の反射ラインにおいて、反射ラインが設置される土地占有領域については、行方向（南北方向）を列方向（東西方向）よりも長くすることができる。前述したように、東西方向にレシーバを設置し、ミラーセグメントを角度調整して受光ラインを照射する構成をとっているので、行方向（南北方向）に反射ラインを延伸させることにより、従来の線形フレネル型太陽光集光装置に比べ光損失の少ない集光光学系が得られる。このように、南北方向に拡張したミラーセグメントを構成することにより、ロスを低減し、高い集熱エネルギーを得ることができる。また東西方向のレシーバを従来の線形フレネル型太陽光集光装置より短く設定できるため、吸収した熱の再放熱による熱損失を低減することもできる。
【００３９】
〈レシーバの構成〉
図４は図１におけるレシーバの構成を示す断面図である。図示のように、レシーバ２は、熱媒体（空気、蒸気など）を内部に充填した集熱パイプ（ステンレスパイプなど）６，６，・・・の複数本（ここでは６本）を並列に有し、ヘリオスタットの全列（ここでは反射ラインＬ１〜Ｌ８）上を跨がってその上方に配置され、その一端は、図１に示す熱供給源５に接続されている。集熱パイプ６は、ヘリオスタット１からの反射光を受光し、反射熱で加熱された熱媒体を集熱して熱供給源５に供給する。
【００４０】
また、複数本の集熱パイプ６の上方を断熱外壁７で覆い、集熱パイプ６の列の直下に、キャビティウィンドウ機能を有する吸熱網８を設定している。断熱外壁７は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプ６，６，・・・の組を内包し、その下面が吸熱網８で塞がれているものである。断熱外壁７の両縁を吸熱網８の端縁から下向きに張り出させることによって、断熱外壁７内での上昇気流による対流熱損失をかなり抑えることができる。
【００４１】
吸熱網８は、一定の厚みがある井桁あるいはハニカム構造等を有するステンレスメッシュであって、ヘリオスタットからの反射光はメッシュ壁を透過して内側に到達するが、その放射光はメッシュの内側からは出にくい構造となっている。
【００４２】
〈受光ライン上の照射領域〉
図５は図１における受光ライン上の照射領域を説明するための図である。
レシーバ２を構成する集熱パイプ６の全長にわたり、一定の間隔をおいて交互に照射領域と非照射領域とに区画し、各照射領域にのみ、各反射ラインのミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・からの反射光を照射して集熱パイプ内の流体への伝熱効率の増大を図ることが望ましい。
【００４３】
図５Ａは、受光ラインＧ上のレシーバ２に備えた集熱パイプ６（長さＰ１）の全長の範囲内に５箇所の照射領域Ｆ１〜Ｆ５を設定した例である。各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の間には、一定の長さの非照射領域ｄが確保され、照射領域Ｆ１〜Ｆ５が集熱パイプ６の長さＰ１のほぼ全長にわたってほぼ均等に分散して配置されている。
【００４４】
各照射領域Ｆ１〜Ｆ５に対しては、各反射ラインのミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・に照射された反射光が集熱パイプ６に照射され、集熱パイプ６内の熱媒体が加熱され、照射領域Ｆ１を始端、照射領域Ｆ５を終端として各照射領域Ｆ１〜Ｆ５にて加熱された熱媒体は、終端の照射領域Ｆ５から図１に示す熱供給源５に向けて送り出される。さらに非照射領域ｄを断熱した場合には、この部分から外部への熱輻射が抑制され、集熱パイプ６内の流体をより高温に加熱して熱供給源５に向けて送り出すことが可能である。
【００４５】
図５Ｂは、集熱パイプ（長さＰ１）に対する流体の温度分布Ｔ１を示すグラフである。流体温度分布Ｔ２は、比較のため、図５Ｃに示すように各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両側に非照射領域を確保せずに集熱パイプの特定領域に集中して反射光を照射した時の流体の温度分布曲線である。両温度分布を比較して明らかなようにＴ１＞Ｔ２である。
【００４６】
このように、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両端に非照射領域ｄを配置することによって、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５が加熱された場合に、集熱パイプ６の各照射領域Ｆ１〜Ｆ５からそれぞれの照射領域両端の非照射領域ｄに伝熱され、照射領域から集熱パイプ内部の流体への直接的な熱移動に加え、非照射領域ｄから流体への熱移動が生じ、高温に加熱された集熱パイプ６と流体との接触時間が増加し、その結果、集熱パイプ６から内部流体への移動熱量が増大して高温流体を熱供給源５へ送り込むことができる。なお、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５および各照射領域Ｆ１〜Ｆ５間の各非照射領域ｄの長さは制約されず、集熱パイプ６（長さＰ１）の全長の範囲内で各照射領域Ｆ１〜Ｆ５は均等又は不均等に自由に設定できる。
【００４７】
図１において、各反射ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３，・・・上に配列されたミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・は、東西方向には列毎に回転角が制御され、南北方向には、個別に回転角が制御され、それぞれ南北方向、東西方向に回転角度が調整されて太陽からの直射光を受光し、その反射光を上方のレシーバ２に向けて照射する。
【００４８】
各列、各行のミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・からの反射光は、レシーバ２の吸熱網８を通して断熱外壁７に囲まれた空間内に透過し、集熱パイプ６を通してその内部に充填された熱媒体を加熱し、集熱パイプ６内を透過する間に繰り返し高温に加熱されて熱供給源５に送り込まれる。熱供給源５内では例えば高温蒸気を生成して蒸気タービン発電に利用したり、あるいは吸熱化学反応によって、化学エネルギー燃料に加工されたりする。
【００４９】
以上説明した線形太陽光集光装置においては、反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・に沿って配列されたミラーセグメントの間隔は、レシーバ２に対する距離の大小に関わりなく一定間隔に配列する例を示した。
【００５０】
しかしながら、レシーバ２に近い位置では受光ライン上の前後のミラーセグメント間、即ち受光ライン上で隣り合うミラーセグメント間のブロッキング等による光損失は少ないが、レシーバ２からの距離が増大するにしたがって前後のミラーセグメント間のブロッキング等による光損失が大きくなる。前後のミラーセグメント間のブロッキング等の光損失を防止するには、ミラーセグメントの列方向の前後の間隔を、受光ラインに近い側では狭く、受光ラインから離れるにしたがって広く設定することが望ましい。
【００５１】
なお、受光ラインＧの位置から遠くなるほど、反射光のブロッキングが出るため、レシーバ２を設置する受光ラインＧの位置を挟んでその南北に配置するミラーセグメントの前後の間隔を変化させてミラーセグメント間にスペースを確保することが望ましい。しかしながら、必ずしも前後のミラーセグメント毎に間隔を変化させる必要はなく、受光ラインＧに最も近い位置から順に幾つかのゾーンに区画し、各ゾーンに含まれるミラーセグメントの数を変化することによって対応できる。
【００５２】
以上のように、図１に示す線形太陽光集光装置によれば、東西方向に設定した受光ラインＧにレシーバ２を設置し、反射ライン上のミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・を角度調整し、ミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・に受光した太陽光により受光ラインＧを照射する構成のため、太陽軌道を追尾する際に、ミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の南北方向の角度調整量は、１日で数度以下、１年通しても十数度以下（地軸の傾きである２３．４度の約１／２）と小さく、ミラー角度変動に伴う光損失が非常に小さい。
【００５３】
また、ミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の東西方向の角度調整については、受光ラインのライン上に沿って集光させればよいので、南中時の太陽入射光に対するミラー設定角度が従来に比べて小さくコサイン損失が少ない。さらに１日の太陽高度変化に対しても光損失の変動が少ないため、１日の集熱エネルギー変動も小さく抑えることができる。
【００５４】
次に、本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成について、より詳細かつ具体的に説明する。
〈ミラーセグメントの配置例〉
図６は図１におけるミラーセグメントの配置例を示す図である。
ここでは、反射ラインの長さを２１０ｍとし、その中央の高さ２０ｍの位置を受光ラインＧとしてレシーバ２を設置した。また、反射ラインにおける受光ラインＧの位置の前後１０５ｍの範囲を３等分し、受光ラインＧに最も近い位置から順に３５ｍずつＤ１ゾーン、Ｄ２ゾーン、Ｄ３ゾーンに区画した。さらに、各ゾーンのミラーセグメントの数をＤ１ゾーンは３４枚、Ｄ２ゾーンは３０枚、Ｄ３ゾーンは２６枚とし、レシーバ幅を０．５ｍに設定して太陽光を受光した。その結果、日照強度０．８ｋＷ／ｍ２でのレシーバ入力熱量は４００ｋＷ／ｍ２程度であった。
【００５５】
これを７０ライン並べて、レシーバの一端（入口）より室温の空気ガスを１０気圧で注入するパイプ２０本をレシーバ内に配置した。空気流速をおよそ２．５ｍ２／ｓｅｃとすることにより、７０ライン通過後のレシーバ出口の空気温度をほぼ７００℃に加熱することができた。この時のレシーバ入口の集光エネルギー４００ｋＷ／ｍ２は、通常の線形フレネル集光システムと比較すると、５−１０倍である。また、この７０ラインのトータルの集光パワーは２５ＭＷであった。
【００５６】
〈線形太陽光集光装置の構造モデル及び集光シミュレーション〉
次に図１に示す線形太陽光集光装置の構造モデル及び先行例の構造モデルの集光シミュレーション結果について説明する。
【００５７】
図７は図１に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの１例を示す図、図８は図１に示す線形太陽光集光装置の構造モデルの別の１例を示す上面図、図９は先行例１の構造モデルを示す図、図１０は先行例２の構造モデルを示す図である。また、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、それぞれ上面図、正面図（東側から見た図）、側面図（南側から見た図）である。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃについても同様である。
【００５８】
図７に示す構造モデル（以下、実施例１）では、図１を用いて説明したように、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８が南北方向に配置されるとともに、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８と立体的に交差するように、それらの上方に１本の受光ラインＧが東西方向に配置されている。また、受光ラインＧの北側と南側のミラーセグメントは同数（４個ずつ）である。
【００５９】
図８に示す構造モデル（以下、実施例２）では、図７に示す実施例１と同様、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８が南北方向に配置されるとともに、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８と立体的に交差するように、それらの上方に１本の受光ラインＧが東西方向に配置されている。ただし、実施例１では、受光ラインＧの北側と南側のミラーセグメントは同数（４個ずつ）であるのに対し、実施例２では、受光ラインＧを境にミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・を南側よりも北側に多く非対称に配置し（南側１に対し、北側７）、反射ラインＬ１，Ｌ２，・・・が設置される領域を、行方向（南北方向）が列方向（東西方向）よりも長く設定した。
【００６０】
図９に示す先行例１の構造モデルでは、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８が南北方向に配置されるとともに、１本のレシーバＲが反射ラインの上方に南北方向に配置されている。
【００６１】
図１０に示す先行例２の構造モデルでは、８本の反射ラインＬ１乃至Ｌ８が東西方向に配置されるとともに、１本のレシーバＲが反射ラインの上方に東西方向に配置されている。
【００６２】
図１１は図７乃至図１０に示す各構造モデルのレシーバ上の照射エネルギーの１日の変化をシミュレートしたグラフを示す。シミュレーションを実施した日、場所、シミュレーションの設定条件は以下のとおりである。
【００６３】
・日付：春分(2011/3/21)
・場所：スペイン アルメニア地方 (緯度: 36.84°北 / 経度: 2.47°西)
・ミラーセグメントの総面積：６４ｍ２
・レシーバ長さ：１１ｍ
・レシーバ高さ：地表から５ｍ
【００６４】
図１１に示すように、朝夕の僅かの時間は先行例１の照射エネルギー量が少し多いものの、全体的には実施例１、２の照射エネルギー量が多いことが判る。また、緯度に応じて、ミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の設置を南北非対称とする、即ち例えばミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の設置場所が北緯（北半球）の場合には実施例２のように北側のミラーを多く、南緯（南半球）の場合は南側を多くすることによって、各ミラーに対してコサイン損失をより小さくでき、照射エネルギーの増大が可能なことが判る。
【００６５】
〈線形太陽光集光装置を用いた太陽光集光発電システム〉
図１に示す線形太陽光集光装置を中継機として高集熱能力を有する太陽光集光装置と組み合わせることで、予備加熱した流体をさらに高温に加熱することができる。
【００６６】
図１２は４基の線形太陽光集光装置１０ａ〜１０ｄをタワー型集光装置１１の中継機に用いた例である。この組み合わせによれば、３００℃に予熱された流体を４基の線形太陽光集光装置１０ａ〜１０ｄに分散させて加熱することによって流体温度を６００℃に昇温でき、さらに各線形太陽光集光装置１０ａ〜１０ｄで加熱された流体をタワー型集光装置１１に得られた集光熱で加熱して最終的に８００℃の高温流体が得られた。
【００６７】
一方、タワー型集光装置１１を単独で一気に集光、集熱して温度上昇させるシステムでは、例えば集熱量１００ＭＷクラスのプラントを実現するためには、タワー高さは１００ｍを超え、ヘリオスタットフィールドも数ｋｍに及ぶ。そのため、建設コストも膨大となり、低コストで電力供給を行うことが困難である。
【００６８】
そこで予備加熱手段に図１に示すような線形太陽光集光装置を用い、目的の温度より低い温度、例えば６００℃程度まで予備加熱した後、本加熱手段として前記線形太陽光集光装置より高温集光に適した他の形式の太陽光集光装置、例えばタワー型等の太陽光集光装置を用いて目的の温度、例えば８００℃近傍まで昇温する。
【００６９】
このように図１に示すような線形太陽光集光装置を中継機に用い、２段階で温度上昇させることにより、再放熱などの集熱エネルギーロスが少なく、かつ建設コストと土地面積を低減した太陽光集光発電システムを実現することが可能となる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態に係る線形太陽光集光装置の基本構成について説明した。次に本発明の実施形態の線形太陽光集光装置について説明する。本発明の実施形態は第１乃至第４の実施形態からなり、いずれも上述した基本構成を備えた線形太陽光集光装置を改良し、受光ラインにおける集光エネルギー量を高めたものである。
【００７１】
［第１の実施形態］
図１３は本発明の第１の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す図である。この図において、図７と同一の部分又は対応する部分には図７と同じ参照符号が付されている。ここで、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃは、それぞれ上面図、正面図、側面図である。
【００７２】
図１３Ｃに示すように、本実施形態の線形太陽光集光装置は各反射ラインが東西方向に移動可能に構成されている。即ち反射ラインＬ１乃至Ｌ８はそれぞれ支持体１０３により支持されており、支持体１０３はベースプレート１０１上のガイドレール（図示せず）上を東西方向に移動可能なリニアスライダ１０２に取り付けられている。各リニアスライダ１０２はミラーセグメント毎に個別に移動可能に構成されている。
【００７３】
従って、本実施形態に係る線形太陽光集光装置によれば、隣り合う反射ラインとの間隔Ｐを調整することが可能である。図１３は間隔Ｐをミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の東西方向の長さ（以下、ミラー幅）Ｌのほぼ２倍に設定した状態を示している。
【００７４】
隣り合う反射ラインの間隔Ｐをミラーセグメント１ａ，１ｂ，・・・の東西方向の長さＬの２倍以上に設定することで、図７に示す構造モデルよりも朝夕のシャドーイングによる照射エネルギーの低下を低減することができる。このことについて集光シミュレーション結果を用いて説明する。
【００７５】
図１４は本発明の第１の実施形態に係る線形太陽光集光装置においてミラー幅に対するミラー間隔を変化させたときの集光シミュレーション結果を示す図である。この図の横軸はミラー幅Ｌに対するミラー間隔Ｐ（Ｐ／Ｌ）の値であり、縦軸は照射エネルギー量（単位：ｋＷ）である。
【００７６】
この集光シミュレーションは図７乃至図１０に示す構造モデルと同じ条件の午前８時について行ったものである。ただし、下記の表１に示すようにレシーバの長さは間隔Ｐの条件に応じて長くした。
【００７７】
【表１】
2013194936.tif 000003
【００７８】
図１４に示すシミュレーション結果より、Ｐ＝Ｌに比べ、Ｐ＝２Ｌでは照射エネルギー量が約１．５倍になり、Ｐ／Ｌの増大に伴って照射エネルギー量も徐々に増大することが判る。ただし、Ｐを長くすると、土地面積の利用効率が低下するので、シャドーイングがほぼ０となり、かつ照射エネルギー量が飽和する３倍以内にすることが望ましい。
【００７９】
表１に示すように、レシーバの長さが長くなっても、太陽光が照射している領域（照射領域：図５参照）は間隔Ｐによって殆ど変化しないため、太陽光が照射していない領域（非照射領域）が増えていることになる。図５を用いて説明したように、非照射領域を断熱すれば、熱輻射が抑制されるので、より効率的に熱媒体を昇温することができる。
【００８０】
このように、本実施形態に係る線形太陽光集光装置によれば、反射ラインＬ１乃至Ｌ８の数を増やすことなく、照射エネルギー量を増加させることができるので、この装置を太陽光発電システムに用いれば、１日当たりの発電時間を長くすることができる。
【００８１】
［第２の実施形態］
図１５は本発明の第２の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。この図において、図１３と同一の部分又は対応する部分には図１３と同じ参照符号が付されている。ここで、図１５Ａは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１になっている状態を示し、図１５Ｂは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１から傾斜している状態を示している。
【００８２】
即ち本実施形態の線形太陽光集光装置においては、各反射ラインＬ１乃至Ｌ８のミラーセグメント毎に昇降可能に構成されている。ミラーセグメントを昇降させる手段としては油圧昇降機構、チェーン式昇降機構、ロープ式昇降機構等の公知の機構を採用することができる。図１５には、昇降手段として、油圧を用いたピストンシリンダ機構２０１を採用し、そのピストンロッド２０２の先端にミラーセグメントを取り付けた構成を示した。
【００８３】
個々のミラーセグメントの高さを調整することで、反射ラインの基準面Ｖ２を水平面Ｖ１から所望の角度θに設定することができる。この角度設定は予め作成したプログラムにより、設置位置（緯度、経度）および動作年月日の太陽高度に対応させて、個々のミラーセグメントの高さを設定することで行う。反射ラインに太陽光強度センサを設け、センサの検知信号レベルが最大値となる角度に設定する方法を採用することもできる。
【００８４】
このように本発明の第２の実施形態の線形太陽光集光装置によれば、設置位置（緯度、経度）および動作年月日に応じて、太陽光強度が最大となる角度に反射ラインの基準面を設定することができるので、如何なる場所に設置されていても常に最大の集光エネルギーを得ることができる。
【００８５】
［第３の実施形態］
図１６は本発明の第３の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。この図において、図１３と同一の部分又は対応する部分には図１３と同じ参照符号が付されている。ここで、図１６Ａは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１になっている状態を示し、図１６Ｂは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１から傾斜している状態を示している。
【００８６】
本実施形態の線形太陽光集光装置は、第２の実施形態の線形太陽光集光装置と同様、反射ラインの基準面Ｖ２を水平面Ｖ１から傾斜させることができる。ただし、傾斜角θを設定する手段が第２の実施形態とは異なる。
【００８７】
本実施形態では、下架台３０１、上架台３０２、及びそれらの一端（北半球では図示の南側端）を取り付けたヒンジ３０３を設け、上架台３０２をヒンジ３０３の位置で揺動可能に構成するとともに、上架台３０２の他端側（北半球では図示の北側端）を下架台３０１から昇降可能にする昇降機構３０４を設けた。また、上架台３０２の上面に反射ラインを配置した。昇降機構３０４としては油圧式昇降機構、チェーン式昇降機構、ロープ式昇降機構等を採用することができる。
【００８８】
昇降機構３０４を動作させ、ヒンジ３０３を中心に上架台３０２を揺動させることにより、反射ラインの基準面Ｖ２を水平面Ｖ１から所望の角度θに設定することができる。この角度設定は予め作成したプログラムにより、設置位置（緯度、経度）および動作年月日の太陽高度に対応させて、昇降機構３０４による上架台３０２の他端側の昇降量を設定することにより行う。反射ラインに太陽光強度センサを設け、センサの検知信号レベルが最大値となる角度に設定する方法を採用することもできる。
【００８９】
本実施形態においても第２の実施形態と同様に、設置位置（緯度、経度）および動作年月日に応じて、太陽光強度が最大となる角度に反射ラインの基準面を設定することにより、如何なる場所に設置されていても常に最大の集光エネルギーを得ることができる。
【００９０】
［第４の実施形態］
図１７は本発明の第４の実施形態に係る線形太陽光集光装置の構造モデルを示す側面図である。この図において、図１３と同一の部分又は対応する部分には図１３と同じ参照符号が付されている。ここで、図１７Ａは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１になっている状態を示し、図１７Ｂは反射ラインの基準面Ｖ２が水平面Ｖ１から傾斜している状態を示している。
【００９１】
本実施形態では、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様、水平面Ｖ１に対する反射ラインの基準面Ｖ２の角度θを設置位置（緯度、経度）および動作年月日の太陽高度に対応させる。角度θを設定するための機構は第２の実施形態、第３の実施形態のどちらを採用してもよい。
【００９２】
さらに、本実施形態では、装置を図示のように北半球に設置する場合は、東西方向に設置される受光ラインＧを境にして、反射ラインの長さを南側よりも北側を長くする。南半球に設置する場合は北半球とは逆に北側よりも南側を長くする。
【００９３】
このように構成することで、コサイン損失がより小さくなる角度で受光ラインＧの方向に太陽光線を反射するミラーセグメントの割合を、受光ラインＧを境にした反射ラインの長さを南北均等に設定した場合よりも増やすことができる。
【符号の説明】
【００９４】
Ｌ１〜Ｌ８…反射ライン、Ｇ…受光ライン、Ｚ…受熱ゾーン、１…ヘリオスタット、１ａ，１ｂ，１ｃ，・・・…ミラーセグメント、２…レシーバ、３…列方向駆動装置、４ａ，４ｂ，・・・…行方向駆動装置、５…熱供給源、６…集熱パイプ、７…断熱外壁、８…吸熱網、１０２…リニアスライダ、２０１…ピストンシリンダ機構、３０１…下架台、３０２…上架台、３０３…ヒンジ、３０４…昇降機構。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９５】
【特許文献１】US2009/0056703 A1：出願人Ausra Inc. “LINEAR FRESNEL SOLAR ARRAYS AND COMPONENTS THEREFOR”
【特許文献２】US2010/0012112 A1：出願人AUSRA PTY LIMITED “ENERGY COLLECTOR SYSTEM HAVING EAST-WESTEXTENDING LINEAR REFLECTORS”
【非特許文献】
【００９６】
【非特許文献１】Solar 2004:Life, the Universe and Renewables “Steam-circuit Modelfor the compact Linear Fresnel Reflector Prototype”
【図１】
2013194936.tif 000004
【図２】
2013194936.tif 000005
【図３】
2013194936.tif 000006
【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】
2013194936.tif 000012
【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】
2013194936.tif 000018
【図１６】
2013194936.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
2013194936.tif 000021
【図１９】
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【図２０】
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