(57)【要約】【課題】受熱部における温度の不均一を考慮して、太陽光を反射するミラーを適切に制御する。【解決手段】太陽熱発電システム１０００は、複数のミラー１２１と、ミラー１２１の各々により反射された太陽光を吸収する受熱部１と、ミラー１２１の各々の角度を制御する制御装置５０と、を備える太陽熱発電システム１０００であって、制御装置５０は、ミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の第１の端部付近に向くように、複数のミラー１２１の各々の角度を制御する第１のプロセスと、ミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の第２の端部付近に向くように、複数のミラー１２１の角度を制御する第２のプロセスと、を実行する。【選択図】図３
2016017689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のミラーと、
前記ミラーの各々により反射された太陽光を吸収する受熱部と、
前記ミラーの各々の角度を制御する制御装置と、を備える太陽熱発電システムであって、
前記制御装置は、
前記ミラーが反射した太陽光の焦点が前記受熱部の第１の端部付近に向くように、前記複数のミラーの各々の角度を制御する第１のプロセスと、
前記ミラーが反射した太陽光の焦点が前記受熱部の第２の端部付近に向くように、前記複数のミラーの各々の角度を制御する第２のプロセスと、を実行する太陽熱発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽熱発電システムであって、
前記第１の端部付近が西側に位置し、前記第２の端部付近が東側に位置し、
前記制御装置は、前記第２のプロセスにおいて前記ミラーを停止する、太陽熱発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の太陽熱発電システムであって、
前記制御装置は前記第１のプロセスを、間歇的にかつ周期的に繰り返し実行する、太陽熱発電システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱発電システムであって、
複数のミラーを含むミラー群が定義され、
前記制御装置は前記第１のプロセスを、前記ミラー群を単位として実行する、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、太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇、環境破壊への対策が大きな課題となっている。このような課題を解決するために、水力、風力、潮力、波力、地熱、太陽光、太陽熱などの自然エネルギーの検討、利用が進められている。中でも太陽熱を利用した太陽熱発電システムは、比較的安価な設備で大きなエネルギーを得ることができること、蓄熱器を利用することにより夜間でも発電が可能になることから、注目されている。
【０００３】
太陽電池を用いた太陽光発電システムは、発電パネルの面積が発電量および設備コストと相関が高い。これに対しミラーを用い集熱する太陽熱発電システムでは、ミラーの面積と発電量との相関はあるが、ミラーはコストの高い設備ではないため、ミラーの面積と発電コストとの相関は高くない。このため、発電設備が大規模になるほど電力コストが安くなる特徴があり、大規模発電に向いている。
【０００４】
そして、太陽熱発電システムにおける発電量を決定する要因の一つとして、受熱部への太陽光の集光効率がある。ミラーにおいて反射された太陽光は、受熱部に送られ、当該受熱部においてシステムの熱媒体が熱せられ、この熱媒体と発電機の間で熱交換が行われる。よって、受熱部への集光効率の向上は重要な技術テーマの一つである。
【０００５】
特許文献１は、日射量の急激な変化の様に、刻々変化する状況に適切に対応し、より適切な入熱量や入熱分布を得ることのできるヘリオスタット（ミラー）の制御方法を提案している。当該方法においては、気象情報に基づいて、複数のヘリオスタットのオン・オフの組み合わせである選択パターンを求め、得られた選択パターンに従って複数のヘリオスタットのオン・オフ制御を行うことにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−９６６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示の技術の様に、これまで、受熱部への集光効率の向上のため、ミラーの制御を行う種々の技術が提案されてきている。しかしながら、これまで提案されてきた技術は、受熱部への集光量を上げることに専ら着目しており、受熱部における温度の上昇等、受熱部において発生する問題については検討は十分されていない。
【０００８】
本発明は、受熱部における温度を考慮して、太陽光を反射するミラーを適切に制御可能な太陽熱発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の太陽熱発電システムは、複数のミラーと、前記ミラーの各々により反射された太陽光を吸収する受熱部と、前記ミラーの各々の角度を制御する制御装置と、を備える太陽熱発電システムであって、前記制御装置は、前記ミラーが反射した太陽光の焦点が前記受熱部の第１の端部付近に向くように、前記複数のミラーの各々の角度を制御する第１のプロセスと、前記ミラーが反射した太陽光の焦点が前記受熱部の第２の端部付近に向くように、前記複数のミラーの各々の角度を制御する第２のプロセスと、を実行する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、太陽光を反射するミラーの角度を適切に制御して、受熱部における温度勾配の発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態の太陽熱発電システムのシステム構成図
【図２】受熱部の表面における温度勾配および圧力損失を示す模式図であり、（ａ）は受熱部の断面の模式図であり、（ｂ）は受熱部の表面の模式図
【図３】太陽光の焦点の移動およびその制御を示す模式図であり、（ａ）は焦点の西側から中心位置への移動を示し、（ｂ）は中心位置から東側への移動を示し、（ｃ）は制御装置からの制御信号と当該制御信号に対する焦点の移動を示すグラフ
【図４】受熱部の平面図を示し、（ａ）は縦３個、横３個の計９個の単位ブロックからなる例で、（ｂ）は縦６個、横６個の計３６個の単位ブロックからなる例
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態の太陽熱発電システム１０００は、複数のミラー１２１と、ミラー１２１の各々により反射された太陽光を吸収する受熱部１と、ミラー１２１の各々の角度を制御する制御装置５０と、を備える太陽熱発電システム１０００であって、制御装置５０は、ミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の第１の端部付近に向くように、複数のミラー１２１の各々の角度を制御する第１のプロセスと、ミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の第２の端部付近に向くように、複数のミラー１２１の角度を制御する第２のプロセスと、を実行する。
【００１３】
第１の端部付近が西側に位置し、第２の端部付近が東側に位置し、制御装置５０は、第２のプロセスにおいてミラー１２１を停止することが好ましい。
【００１４】
制御装置５０は第１のプロセスを、間歇的にかつ周期的に繰り返し実行することが好ましい。
【００１５】
複数のミラー１２１を含むミラー群１２０が定義され、制御装置５０は第１のプロセスを、ミラー群１２０を単位として実行することが好ましい。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である太陽熱蓄熱システム１００を用いた太陽熱発電システム１０００のシステム構成図である。太陽熱発電システム１０００は、複数のミラー（ヘリオスタット）１２１を含むミラー群１２０と、太陽熱蓄熱システム１００と、スチームガスタービン発電機１３０と、制御装置５０より構成される。本実施形態では、太陽熱蓄熱システム１００とスチームガスタービン発電機１３０を媒介するエネルギー変換部２は熱交換器により構成されている。
【００１７】
本実施形態の太陽熱蓄熱システム１００は、ミラー群１２０の個々のミラー１２１により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する受熱部（レシーバ）１と、エネルギー変換部２と、受熱部１とエネルギー変換部２とを接続し熱媒体が流通する流路配管３と、を備える。さらに太陽熱蓄熱システム１００は、流路配管３に対して、互いに並列に配置された昼間用蓄熱器２０、夜間用蓄熱器３０、火力ヒーター４０とを備えている。
【００１８】
受熱部１を通過する熱媒体は、受熱部１が吸収した太陽熱を吸収して流路配管３を流通し、エネルギー変換部２は当該熱媒体から太陽熱に基づくエネルギーを取り出す役割を果たす。取り出されたエネルギーにより、スチームガスタービン発電機１３０が運転され、電力が生成される。
【００１９】
太陽熱蓄熱システム１００には、蓄熱機能を有する昼間用蓄熱器２０と夜間用蓄熱器３０とが設けられている。昼間用蓄熱器２０は昼間の余剰熱を蓄え、夜間用蓄熱器３０は夜間の余剰熱を蓄える。昼間用蓄熱器２０と夜間用蓄熱器３０の内部には、例えば、コンクリートの塊、潜熱蓄熱材などが封入されている。潜熱蓄熱材を用いる場合には、内部を流路配管が通っており、流路配管の壁の伝熱によって熱交換が行われる。
【００２０】
ミラー群１２０の複数のミラー１２１の各々は、太陽１１０からの太陽光を受けて反射し、受熱部１に太陽光を導く役割を果たす。一般的に受熱部１は、所定の高さ（２０ｍ等）を有する塔の頂上に設けられ、当該塔の周りに複数のミラー１２１がミラー群１２０として備え付けられる。複数のミラー１２１の配置形態としては放射状等があり、受熱部１への集光効率を考慮して決定される。また、ミラー群１２０は、後述する制御装置５０が一括して制御される複数のミラー１２１によって定義される一単位であり、一般的に図示せぬ複数のミラー群１２０が太陽熱発電システム１０００に設けられる。制御装置５０は、ミラー群１２０毎にミラーの角度を制御する。
【００２１】
受熱部１は、ミラー群１２０からの太陽光を吸収した上で、熱に変換する光−熱変換媒体として機能する。受熱部１は、例えば、ハニカム状、多孔体状など様々な形態の物が利用できるが、太陽光を受ける面（表面）から、システムの内部へ太陽光により熱せられた空気を送る通路は少なくとも必要である。例えばＳｉＣ（炭化珪素）により構成されたハニカム構造体は、耐熱性が高く、熱伝導性も良好なため、好適に使用される。
【００２２】
これまで、受熱部１への集光効率の向上のため、制御装置５０によりミラー１２１の角度の制御を行う種々の技術が提案されてきている。地球の自転に伴いミラー１２１への太陽光の入射する角度（入射角）が変わってしまうと、太陽光を反射する角度（反射角）も変わってしまい、結果的に受熱部１へ太陽光が適切に届かなくなるおそれがある。そこで、制御装置５０は、時間の経過に応じてミラー１２１の角度を変更することにより、太陽光のミラー１２１への入射角を一定にしている。この結果、太陽光の反射角をも維持し、受熱部１へ太陽光を適切に届けることができる。尚、ここでの制御装置５０は、ミラー１２１を駆動する駆動機構のみならず、当該駆動機構を制御するマイクロコンピュータ等の制御部をも含む。当該ミラーの設置された位置（緯度、経度）、時刻により角度が一意的に決まるため、時間ごとの角度の駆動量（送り量）も自動的に決定される。
【００２３】
しかしながら、このような技術は、受熱部１への集光量を上げることに専ら着目している。ここでの基本思想は、太陽光をミラー１２１で反射させた後、受熱部１の中心に焦点を結像させることである。受熱部１の中心に常に焦点が結像すれば、受熱部１は効率よく太陽光を吸収できるからである。
【００２４】
しかしながら、この思想においては、受熱部１における温度の上昇等の問題について十分検討がされていない。中心等、特定の位置に焦点が常に結像する場合、当該特定の位置のみが熱せられ、受熱部１の耐久性に好ましくない影響を与えることが予測される。
【００２５】
また、特定の位置のみが熱せられて当該位置で温度が上昇するが、この状態がある程度続くと、受熱部１の表面（太陽光があたる面）に温度勾配（温度ムラ）が生ずることが予想される。このような温度勾配は、熱媒体の温度ムラを発生させ、熱媒体の温度ムラは表面上において圧力損失のムラの発生を招き好ましくない。
【００２６】
図２は、受熱部１の表面における温度勾配および圧力損失を示す模式図であり、（ａ）は受熱部１の断面の模式図であり、（ｂ）は受熱部１の表面の模式図である。受熱部１の中心位置Ｘに太陽光の焦点が常に結像することにより、（ａ）に示すように温度勾配が発生し、（ｂ）に示すように、受熱部１の中心側の第１部位１Ａの温度は高くなり、周辺側の第２部位１Ｂの温度は低くなる。この結果、（ｂ）に示すように熱媒体の流れに差が生ずることとなる。具体的には、温度が高い中心位置Ｘの周辺では熱媒体が膨張するため、熱媒体の流速が小さくなり、圧力損失が大きくなる。よって、圧力損失の差が発生するため、熱媒体による熱伝導に好ましくない影響が生じ得る。
【００２７】
そこで、本実施形態においては、制御装置５０が、ミラー１２１を間欠的に動かすことにより、太陽光の焦点が受熱部１の表面上の特定箇所に集中するのを防止し、太陽の自然な動きも利用して、焦点が受熱部１の表面上を走査（スキャン）するように動かし、受熱部１の表面の温度が不均一になるのを防止する。
【００２８】
図３は、太陽光の焦点の移動およびその制御を示す模式図であり、（ａ）は焦点の西側から中心位置への移動を示し、（ｂ）は中心位置から東側への移動を示し、（ｃ）は制御装置５０からの制御信号と当該制御信号に対する焦点の移動を示すグラフである。
【００２９】
本実施形態では図３（ａ）に示すように、まず第１のプロセスとして、制御装置５０は、ミラー群１２０が反射した太陽光の焦点が受熱部１の表面の西側の端部付近に向くように、複数のミラー１２１の各々の角度を制御する。図示の例では、焦点Ｆ１が第１のプロセスによって形成される焦点である。
【００３０】
本実施形態では、制御装置５０は所定数のミラー１２１を含むミラー群１２０が形成する太陽光の焦点を制御しており、制御装置５０はミラー群１２０毎にミラー１２１の角度を制御している。すなわち、第１のプロセスは、ミラー群１２０を単位として実行される。よって、ミラー群１２０の焦点は、個々のミラー１２１の焦点の集合体のため、図示の様に焦点はある程度の面積を持っている。ただし、制御装置５０は、個々のミラー１２１の焦点を個別に制御することも可能であり、この場合は焦点の面積がより小さいものとなる。
【００３１】
尚、焦点Ｆ１は図示の位置には限定されず、さらに西側よりの端部付近でもよく、「端部付近」は、焦点の少なくとも一部が受熱部１の表面の端部上にあたることを意味する。そして焦点Ｆ１は、第１のプロセスにおいて設定される焦点を意味する。
【００３２】
次に制御装置５０は、ミラー群１２０が反射した太陽光の焦点が、受熱部１の表面の東側の端部付近に向けて移動するように、複数のミラー１２１の各々の角度を制御する第２プロセスを実行する。特に本実施形態では、時間経過、すなわち地球の自転に起因する太陽の移動に伴う焦点の移動を利用しているため、本実施形態における第２プロセスは、複数のミラー１２１を停止し、角度を変更しないことになっている。この結果、まず、図３（ａ）の焦点Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３に示すように、焦点Ｆ１を第２プロセスの出発点として、焦点が西側の端部付近から中心位置に向かって移動する（図３（ｃ）における「（ａ）の動き」に相当）。その後、図３（ｂ）の焦点Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６に示すように、中心位置から東側の端部付近に向かって移動する（図３（ｃ）における「（ｂ）の動き」に相当）。焦点Ｆ６も、焦点Ｆ１と同様に図示の位置には限定されず、さらに東側よりの端部付近でもよい。そして焦点Ｆ６は、第２のプロセスの最終位置における焦点を意味する。
【００３３】
図１に示すように、時間経過に伴い太陽１１０は東から西へ移動し、太陽光の反射光によって形成される焦点は、太陽１１０の移動の向きとは逆に西から東へ移動する。
【００３４】
次に、制御装置５０は再び第１のプロセスを実行することにより、焦点が再びＦ１となる。第１プロセスの開始時に図３（ｃ）に示すように、制御装置５０は制御信号としてのパルス信号Ｐを発信し、このパルス信号Ｐに連動して、ミラー１２１（ミラー群１２０）の角度が、焦点がＦ６からＦ１に移動するように制御される。
【００３５】
すなわち、第１のプロセスは、パルス信号Ｐが示すように間歇的にかつ周期的に繰り返し実行される。図３（ｃ）で示した「戻り」は、焦点Ｆ６から焦点Ｆ１への戻りの移動を示し、第１のプロセスの実行に相当する。同時に第２のプロセスは、パルス信号Ｐの間で間歇的にかつ周期的に繰り返し実行される（図３（ｃ）における「ミラー停止」に相当）。図３（ｃ）で示した「（ａ）の動き」および「（ｂ）の動き」が、焦点Ｆ１から焦点Ｆ６への受熱部１の表面を走査する移動を示し、第２のプロセスの実行に相当する。
【００３６】
このようにミラー１２１（ミラー群１２０）の角度を制御した結果、受熱部１の表面は均等に熱せられることになり、受熱部１の耐久性が向上するとともに、圧力損失の差の発生に伴う問題も緩和されることとなる。この結果、太陽熱発電システム１０００の発電効率が向上し、自然エネルギーの利用が促進され得る。
【００３７】
尚、制御装置５０はミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の西側の端部付近を向くように制御する第１のプロセスと、ミラー１２１が反射した太陽光の焦点が受熱部１の東側の端部付近を向くように制御する第２のプロセスと、を実行する。西側の端部付近を「第１の端部付近」、東側の端部付近を「第２の端部付近」と読み替えることにより、東側、西側に限定されず、相対する両端部の間を焦点が動くように制御することが本発明の思想であると言うこともできる。
【００３８】
図４は、受熱部１の平面図を示し、（ａ）は縦３個、横３個の計９個の単位ブロックからなる受熱部１、（ｂ）は縦６個、横６個の計３６個の単位ブロックからなる受熱部１をそれぞれ示す。一体成型される単位ブロックのそれぞれには奥行方向（紙面に垂直な方向）に空気（熱媒体）の通路が形成されている。受熱部１は単位ブロックを所定の接着層を介して接合することにより得られる。単位ブロックの組み合わせの数は特に限定されない。本例では単位ブロックの断面が正方形であり、完成体としての受熱部１の断面も正方形であるが、単位ブロック、受熱部１の形状は特に限定はされない。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更又は応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の太陽熱発電システムによれば、太陽光を反射するミラーの角度を適切に制御して、受熱部における温度勾配の発生を防止することが可能となる。したがって、太陽熱発電システムの発電効率が向上し、自然エネルギーの利用が促進され得る。
【符号の説明】
【００４１】
１        受熱部（レシーバ）
２        エネルギー変換部
３        流路配管
２０      昼間用蓄熱器
３０      夜間用蓄熱器
４０      火力ヒーター
５０      制御装置
１００    太陽熱蓄熱システム
１１０    太陽
１２０    ミラー群
１２１    ミラー（ヘリオスタット）
１３０    スチームガスタービン発電機
１０００  太陽熱発電システム
【図１】
2016017689.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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