(57)【要約】【課題】太陽光の局所的な照射による破損を防止する。【解決手段】太陽熱集光システム２におけるレシーバ７には、配管７１の内面に輻射膜７４が形成されている。これにより、太陽光の局所的な照射により、レシーバ７の配管７１に生じる温度差を抑制することができる。すなわち、太陽光の局所的な照射によるレシーバ７の破損（特に、配管７１の破損）を防止することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光された太陽光により流路を流れる流体を加熱する太陽熱集光装置であって、
前記流路の内面に輻射膜を有することを特徴とする太陽熱集光装置。
【請求項２】
前記流路は、キャビティ型である請求項１に記載の太陽熱集光装置。
【請求項３】
前記輻射膜は、前記流路のうち前記太陽光の照射量が大きい領域に設けられる請求項１又は２に記載の太陽熱集光装置。
【請求項４】
太陽光を反射する反射部と、
前記反射部で反射された太陽光を集光し、該集光された太陽光により流路を流れる流体を加熱する集熱部と、を備え、
前記集熱部は、前記流路の内面に輻射膜を有することを特徴とする太陽熱集光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱集光装置及び太陽熱集光システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地面付近に設置されたミラーで太陽光を上方へ反射し、集光部に反射光を入射させ集光させることで、集光部の内部に設けられた流路を流通する熱媒体を加熱し発電に利用する太陽熱集光システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０２０７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ミラーにより太陽光を集光部の内部に入射させる場合、太陽光が照射する位置が特定の領域に集中することが考えられる。この場合、太陽光が照射する位置とそうではない位置との間での温度差が大きくなり、集光部が破損する可能性も考えられる。
【０００５】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、太陽光の局所的な照射による破損を防止した太陽熱集光装置及び太陽熱集光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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る太陽熱集光装置は、集光された太陽光により流路を流れる流体を加熱する太陽熱集光装置であって、前記流路の内面に輻射膜を有することを特徴とする。
【０００７】
上記の太陽熱集光装置によれば、流路の内面に輻射膜を有することで、太陽光の局所的な照射によって流路が局所的に加熱された場合であっても、輻射膜を介して輻射熱を伝達することができる。したがって、太陽光の局所的な照射による太陽熱集光装置の破損を防ぐことができる。
【０００８】
ここで、前記流路が、キャビティ型である態様とすることができる。
【０００９】
流路がキャビティ型である場合、太陽光の局所的な照射が発生することが多いと考えられる。したがって、輻射膜を設けることによって、太陽熱集光装置の破損を効果的に防ぐことができる。
【００１０】
また、前記輻射膜は、前記流路のうち前記太陽光の照射量が大きい領域に設けられる態様とすることができる。
【００１１】
流路のうち太陽光の照射量が大きい領域とは、高温になりやすい場所であるともいえる。したがって、その領域の内面に輻射膜を設けることで、当該領域からの輻射熱の伝達を効果的に行うことができる。
【００１２】
また、本発明の一形態に係る太陽熱集光システムは、太陽光を反射する反射部と、前記反射部で反射された太陽光を集光し、該集光された太陽光により流路を流れる流体を加熱する集熱部と、を備え、前記集熱部は、前記流路の内面に輻射膜を有することを特徴とする。
【００１３】
上記の太陽熱集光システムによれば、集熱部の流路の内面に輻射膜を有することで、太陽光の局所的な照射によって集熱部の流路が局所的に加熱された場合であっても、輻射膜を介して輻射熱を伝達することができる。したがって、太陽光の局所的な照射による集熱部の破損を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、太陽光の局所的な照射による破損を防止した太陽熱集光装置及び太陽熱集光システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る太陽熱発電システムを示す概略図である。
【図２】レシーバの概略図である。
【図３】レシーバの断面図の一部であり、温度変化に係るシミュレーションの測定点を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る太陽熱集光システムを含む太陽熱発電システムを示す概略図である。図１に示すように、太陽熱発電システム１は、太陽光を反射させ集光させて流体を加熱する太陽熱集光システム２と、加熱された流体との間で熱交換を行って得た熱を利用し発電を行う発電装置３（エネルギー変換部）と、を備える。なお、ここでは特に好ましいとして流体を空気としているが、空気に限定されず、オイル、溶融塩等を用いてもよい。
【００１８】
太陽熱集光システム２は、図１に示すように、供給配管４、排出配管５、及び太陽熱集光ユニット６を備えている。太陽熱集光ユニット６は、複数のレシーバ７（太陽熱集光装置、集熱部）と、複数のミラー８（反射部）と、を有している。
【００１９】
供給配管４は、発電装置３における熱交換によって冷却されたた流体を、太陽熱集光ユニット６へ供給するためのものである。また、供給配管４は、各レシーバ７に対して接続されて流体を送る。
【００２０】
排出配管５は、太陽熱集光ユニット６の各レシーバ７（詳しくは後述）において加熱された流体を、太陽熱集光ユニット６から取り出すためのものである。
【００２１】
レシーバ７は、ミラー８で反射された太陽光を集光し、流路を流れる流体を加熱する機能を有する集熱部としての機能を有する。また、レシーバ７は、内部に流体を流通させる流路を有し、集光された太陽光からの伝熱によって、流路の内部の流体を加熱する太陽熱集光装置としての機能も有する。レシーバ７において流体を流通させる流路である配管は、例えばステンレス鋼やニッケル合金等の高温耐性を有する材料により形成されており、その一端が供給配管４の水平部４ａに接続されると共に、その他端が排出配管５の水平部５ａに接続される。
【００２２】
レシーバ７は、本実施形態においては、太陽熱集光ユニット６に複数設けられている。レシーバ７は、供給配管４及び排出配管５の水平部４ａ，５ａに、配管の延在方向に沿って等間隔に設けることができる。隣り合うレシーバ７，７同士の間隔は適宜変更することができる。なお、太陽熱集光ユニット６に設けられるレシーバ７の個数は４つに限られない。
【００２３】
また、本実施形態に係る太陽熱集光システム２では、レシーバ７が所謂キャビティ型レシーバであり、その内部にミラー８からの太陽光を入射させることで、レシーバ７内部の流路である配管を流れる流体が加熱される。このレシーバ７の構造の詳細については後述する。
【００２４】
ミラー８は、太陽光を反射し、レシーバ７に入射させるためのものである。各レシーバ７に対して一列に整列するように配置されている。各ミラー８は、角度を傾けるための駆動装置（不図示）を備えており、太陽の動きに合わせて自動で角度を変えることで、常に反射光がレシーバ７に入射するように制御されている。なお、図１においては、説明のために、太陽光が一部のミラー８にのみ反射し、一つのレシーバ７にのみ入射するように示しているが、実際は略全てのミラー８に太陽光が反射し、各々対応するレシーバ７に入射する。
【００２５】
図１に示すように、発電装置３は、太陽熱集光システム２で加熱され排出配管５を経由した流体と熱交換を行い蓄熱する蓄熱部１０と、蓄熱部１０で蓄熱した熱を利用して発電を行う発電部１１と、を有している。
【００２６】
蓄熱部１０は、固体の蓄熱体を敷き詰めたものであり、排出配管５からの加熱された流体が蓄熱体の隙間を通過する過程で、蓄熱体と流体との間の熱交換を行う。ここでは、蓄熱部１０は、蓄熱体を通過する前後で流体の温度を例えば約６５０℃から約１２０℃まで低下させる。蓄熱体としては、例えば石を使用することができ、この場合、コストを低減しつつ、蓄熱体に要求される十分な性能を確保できる。
【００２７】
発電部１１は、蓄熱部１０が流体から得た熱によって水から蒸気を発生させる蒸気発生器１３と、当該蒸気によって回転駆動される蒸気タービン１４と、蒸気タービン１４と連動して回転駆動され発電を行う発電機１５と、蒸気タービン１４を通過した蒸気を水に戻す復水器１６と、主に復水器１６を通過した水から空気を取り除く脱気器１７と、を有している。なお、発電部１１としては上記構成に限定されず、蓄熱部１０が得た熱を利用して発電を行うことができれば、あらゆる構成を採用することができる。
【００２８】
レシーバ７について、図２を参照しながら説明する。図２に示すレシーバ７はキャビティ型である。キャビティ型のレシーバとは、太陽光の入射口が洞穴形状（キャビティ）の入り口となっていて、入射口と比較して内側を広く確保した上で、そのキャビティの内面に日射吸収面が形成されたものである。このうち、本実施形態に係る太陽熱集光システム２では、一般的なキャビティ型レシーバのうち、キャビティの日射吸収面に流路が設けられているレシーバが用いられている。以下の実施形態では、キャビティ型のレシーバとしてコイル状に巻回された流路がキャビティの内面に形成されたタイプのレシーバ７について説明する。
【００２９】
レシーバ７は、流体の流路を形成するコイル状の配管７１と、コイル状の配管７１の周囲を覆うように設けられた断熱材７２と、配管７１の下方に設けられた２次ミラー７３とを含んで構成される。なお、図３では、コイル状の配管７１の一部の断面図のみを示している。
【００３０】
配管７１は、鉛直方向に延びる巻回軸Ｘを中心にして複数回巻回されていて、概略円筒状をなしている。配管７１の下方側の端部７１ａが供給配管４の水平部４ａに接続される。また、配管７１の上方側の端部７１ｂが排出配管５の水平部５ａに接続される。
【００３１】
コイル状に巻回された配管７１は、断熱材７２の内部に収容される。断熱材７２は配管７１と外部とを断熱するために設けられている。断熱材７２は、内部に配管７１を収容すると共に上方側の端部は閉じていて、断熱性能が高められている。また、下方側の端部は、配管７１に対して太陽光を照射するための開口７２ａが形成されている。開口７２ａの内径は、コイル状の配管７１の内径よりも小さくすることができるが、ミラー８からの太陽光の光路に応じて適宜変更される。
【００３２】
開口７２ａの下方には、２次ミラー７３が取り付けられている。２次ミラー７３は、ミラー８により反射された太陽光のレシーバ７内部への入射を促進するためのものである。２次ミラー７３を備えることで、ミラー８により反射された太陽光のうち２次ミラー７３に到達した光についてもレシーバ７の内部へ入射させることができる。
【００３３】
上記のレシーバ７では、ミラー８又は２次ミラー７３により反射することで集光された太陽光が、レシーバ７における断熱材７２の開口７２ａから断熱材７２の内部に入射し、断熱材７２の内部に配置するコイル状に巻回された配管７１の中央側から配管７１を照射する。これにより配管７１が温度上昇することによって、内部の流体が加熱される。流体は、配管７１の入口である下方側の端部７１ａから出口である上方側の端部７１ｂまで移動する間に、温度が約１２０℃から約６５０℃まで加熱される。
【００３４】
レシーバ７の配管７１は、太陽光により照射される領域における集熱効率を高めるために、その表面に熱吸収膜等を設けた構成とすることができる。また、配管７１は内面に輻射膜７４（図３参照）を有する。内面とは、配管７１において流体が流通する側の面のことである。本実施形態の太陽熱集光システム２のレシーバ７は、配管７１の内部に輻射膜７４を有することで、配管７１の各位置における温度の偏りを抑制する。レシーバ７では、配管７１の内面全面に輻射膜７４が設けられている。
【００３５】
輻射膜７４は、配管７１の内面での輻射（放射）を促進させるために設けられる。具体的には、輻射膜７４は、配管７１の内面に積層することができ、何も加工しない配管７１の内面と比較して輻射率（放射率）を向上させる材料であれば特に限定されない。ステンレス鋼の配管７１を用いる場合、内面の輻射率は概ね０．２程度である。したがって、輻射膜７４の輻射率はこれよりも大きい値であることによりその効果が奏される。なお、輻射率が０．５以上程度であると、何も加工をしていない場合と比較して内面の輻射率が十分に大きくなる。
【００３６】
また、輻射膜７４は、配管７１及びその内部を流れる流体の温度に対して耐熱性を有している必要がある。すなわち、耐熱温度が約６５０℃よりも高い材料が選択される。上記のような条件を満たす輻射膜７４として、例えば耐熱性の放熱塗料を用いることができる。公知の放熱塗料を輻射膜７４として用いることができるが、このような放熱塗料としては、例えば、ピロマーク（製品名；テンピル社製）が挙げられる。
【００３７】
上記の太陽熱発電システム１では、太陽光が集光されたレシーバ７において、太陽光が配管７１を照射することで、配管７１の内部を流れる流体が加熱される。レシーバ７において加熱された流体は、排出配管５を経由して蓄熱部１０に至り、ファン１２の吸引により蓄熱部１０を通過する際に蓄熱体との間で熱交換が行われて冷却される。冷却された流体は、供給配管４に供給されて流通する。一方、発電部１１では、蒸気発生器１３において、蓄熱部１０が流体から得た熱によって水から蒸気が発生し、当該蒸気によって蒸気タービン１４及び発電機１５を回転駆動させることで発電を行う。
【００３８】
ここで、レシーバ７には、配管７１の内面に輻射膜７４が形成されている。これにより、太陽光の局所的な照射により、レシーバ７の配管７１に生じる温度差を抑制することができる。すなわち、太陽光の局所的な照射によるレシーバ７の破損（特に、配管７１の破損）を防止することができる。
【００３９】
レシーバ７では、断熱材７２の下方に設けられた開口７２ａから太陽光が入射するため、太陽光はコイル状の配管７１における径方向内側の表面（巻回軸Ｘ側と対向する側の面）を照射する。逆に、径方向外側の配管７１の表面（断熱材７２と対向する側の面）には太陽光は照射されない。そのため、配管７１の径方向内側と径方向外側との間での温度差が大きくなる。なお、配管７１の径方向内側と径方向外側との間での温度差とは、径方向内側での表面と、径方向外側での表面とを比較したものを指している。ただし、配管７１の径方向内側における表面と裏面（内面）との温度差、及び、配管７１の径方向外側における表面と裏面（内面）との温度差は、配管７１の径方向内側と径方向外側との間での温度差と比較すると十分小さく、無視できるレベルである。
【００４０】
配管７１の径方向内側と径方向外側との温度差は、配管７１に負荷を与えることになる。具体的には、温度差によって配管７１において応力が生じ、配管７１の変形を発生させることも考えられる。また、配管７１の内部の流体の温度は、配管７１の周囲の温度の平均値と同じようになるように変化する。すなわち、配管７１内部の流体の温度が最終的に約６５０℃に到達すると考えると、配管７１の径方向内側と径方向外側との温度差が大きいということは、配管７１の径方向内側の温度は流体の到達温度（約６５０℃）よりもかなり高くなると考えられる。配管７１の材料がステンレス鋼である場合、７００℃以上となると配管７１自体の劣化が促進されてしまう可能性がある。
【００４１】
上記の問題点について、例えば、配管７１の厚みを変更して熱伝導性を高めるという対応が考えられるが、この対応は材料コストの上昇を招く可能性がある。配管７１の材料として用いられるステンレス鋼やニッケル合金は、そもそも熱伝導率が高い材料でないため、厚みを増して温度の均一化を図ろうとしても、なかなかその効果が得られない可能性がある。さらに、厚くなった配管７１自体が内部の流体への伝熱を遅くすることが考えられる。また、配管７１に生じる温度差を小さくする他の方法として、配管７１の径方向外側の表面にも太陽光が照射されるように、配管７１の形状を変更することも考えられるが、形状変更による加工コストが上昇する可能性や、形状によっては内部の流体の加熱効率が低下する可能性が考えられる。
【００４２】
そこで、本実施形態の太陽熱集光システム２におけるレシーバ７（太陽熱集光装置）では、配管７１の内面に輻射膜７４を設けることで、太陽光が照射する配管７１の径方向内側で発生した熱が配管７１の径方向外側へ輻射される。これにより、配管７１における径方向内側と径方向外側との温度差を小さくすることができる。すなわち、太陽光の局所的な照射によるレシーバ７の破損を防止することができる。
【００４３】
輻射膜７４を設けることによる効果についてシミュレーションした結果を示す。図２に示した輻射膜７４を有するレシーバ７に対して太陽光を照射した場合に、輻射膜７４の有無によって温度がどう変化するかをシミュレーションした。具体的には、図３に示すように、コイル状の配管７１の下方から順に１周毎に測定点Ｐ１〜Ｐ４を設定した。そして、レシーバ７と同様に下方の開口７２ａから太陽光を入射させて配管７１に対して照射したときの、それぞれの測定点における径方向内側の１点における表面温度と、径方向外側の１点における表面温度と、を２つの条件下において、シミュレーションにより算出した。２つの条件とは、配管７１の内面に輻射膜７４が設けられている場合（輻射率０．８２）と、輻射膜７４が設けられていない場合（輻射率０．１８）と、である。
【００４４】
なお、配管７１については、ステンレス製であって、外径２２ｍｍ、巻回径（巻回軸Ｘを挟んで対向する配管７１同士の中心間の距離）１６０ｍｍであるとした。また、配管７１内で流量３．１ｇ／ｓとなるように端部７１ａから１２０℃の空気を導入した状態で、太陽光の照射により配管７１を加温した、という条件でシミュレーションを行った。その結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１に示すように、輻射率０．１８の場合には、測定点Ｐ１において内側と外側の温度差が１６２℃であったのに対して、輻射率０．８２の場合には、１１３℃となった。同様に、測定点Ｐ２〜Ｐ４についても、輻射率０．１８の場合と比較して輻射率０．８２の場合の方が内側と外側の温度差が小さくなった。表１の算出結果からも明らかなように、配管７１の内面の輻射率が高くなると内側の温度が低下し、外側の温度が上昇することが確認された。これは、配管７１の径方向内側から径方向外側へ向けた輻射熱の伝達によるものであると考えられる。このように、配管７１における径方向内側と径方向外側との温度差を小さくすることがシミュレーション結果からも確認できた。
【００４７】
また、配管７１内の流体が空気である場合、輻射膜７４は近赤外（７００ｎｍ〜２５００ｎｍ）又は中赤外（２５００ｎｍ〜４０００ｎｍ）の波長領域の光に対しても高い輻射率を有していることが好ましい。配管７１内の流体が空気である場合、空気は赤外線を透過するため、配管７１における内側から外側への輻射熱の伝達を効率よく行うことができる。
【００４８】
また、配管７１を含むレシーバ７がキャビティ型である場合に、輻射膜７４に設けることによる効果が顕著となる。すなわち、キャビティ型のレシーバでは、太陽光の入射口が限定されているため、照射方向が限られてしまう。したがって、キャビティの内面に形成される流路のうち、入射口に対向する側の面は太陽光の照射によって加熱される一方で、入射口に対向する側の面とは逆側の面には太陽光の照射がなく、その結果両者間で温度差が生じると考えられる。このように、キャビティ型のレシーバでは、太陽光の局所的な照射による温度差が大きくなる可能性が考えられるため、輻射膜７４に設けることによる温度差の低減効果が顕著となると考えられる。
【００４９】
また、本実施形態に係るレシーバ７のように、輻射膜７４に設けることによる効果が顕著となる。開口７２ａの近傍に設けられた２次ミラー７３を有している場合には、ミラー８のみの場合と比較して太陽光の角度分布が大きくなるため、開口７２ａ周辺、すなわち、下方側に太陽光が集中しやすくなると考えられる。配管７１を流れる流体は、下方から上方へ移動しながら加熱されるため、下方の配管７１には低温の流体が流れている。そのため、上記のシミュレーションでも示したように、上方の配管７１と比較して内外での温度差が大きくなりやすい。したがって、輻射膜７４を設けることによる温度差の低減効果が顕著となると考えられる。
【００５０】
なお、輻射膜７４は、配管７１の内面全面に設けられていてもよいが、太陽光の照射によって高温となりやすい部分に輻射膜７４を設けることで、太陽光の局所的な照射によるレシーバ７の破損を防止することができる。高温となりやすい部分とは、他の領域と比較して集光された太陽光の照射量が大きい領域である。本実施形態に係るレシーバ７の場合、集光された太陽光の照射量が大きい領域とは、配管７１のうち径方向内側の領域であり、且つ、開口７２ａに近い下方側であると考えられる。ただし、流路の配置を含むレシーバ７の形状、及び、ミラー８の配置等によって太陽光の集光具合及び太陽光の照射位置が変化することが考えられる。つまり、どのような領域に太陽光が集中して照射されるかは、諸々の条件によって変化する。したがって、輻射膜７４を設ける位置についても適宜変更することができる。
【００５１】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られず、種々の変更を加えることができる。
【００５２】
例えば、上記実施形態では、流路がキャビティ型であるレシーバ７として、配管７１がコイル状に巻回されたタイプのレシーバ７について説明したが、レシーバ７の形状は適宜変更することができる。また、流路の形状についても適宜変更することができる。例えば、上記実施形態では、流路が配管７１であって、レシーバ７の下方から上方に向けて配管７１内を流体が移動する場合について説明したが、例えば、上記実施形態で説明した輻射膜は、スリット状の開口部を有する筒形状の部材を形成し、その内部を中空にすることで流体の流路としたレシーバにも適用することができる。このような形状のレシーバの場合、スリットがキャビティにおける太陽光の入射口となる。
【００５３】
さらに、本発明に係る輻射膜は、キャビティ型のレシーバの流路には限定されない。流体を流れる流路を有するレシーバでは、流路の外側全面に太陽光を均等に照射することは困難であることから、太陽光の局所的な照射が発生することが考えられる。すなわち、太陽光の局所的な照射によるレシーバの破損が生じることが考えられる。これに対して、流路の内面に輻射膜を設けることによって、太陽光の局所的な照射によるレシーバの破損を防止することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１…太陽熱発電システム、２…太陽熱集光システム、３…発電装置、４…供給配管、５…排出配管、６…太陽熱集光ユニット、７…レシーバ、８…ミラー、７１…配管、７２…断熱材、７３…２次ミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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