JP2004332672A

JP2004332672A - 太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置

Info

Publication number: JP2004332672A
Application number: JP2003132509A
Authority: JP
Inventors: Kozo Kitamura; 幸三北村; Kiyohiko Tsukumo; 清彦九十九
Original assignee: TAIYOKO KENKYUSHO KK
Current assignee: TAIYOKO KENKYUSHO KK
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Also published as: CN1550731A; US6775982B1; WO2004099610A1

Abstract

【課題】発電するための燃料を不要とし、また、物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させないこと。さらに、発電と同時に温水供給も可能にすること。
【解決手段】太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ１と、このフレネルレンズ１にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー３と、この光導ファイバー３からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン４と、このスターリングエンジン４により駆動される発電機５とで構成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料が不要な太陽光を用いた太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より種々な発電装置が提供されてきており、一般的には燃料をガソリンとした内燃機関の発電装置がある。また、この内燃機関とは異なり点火ノイズが無く運転が静かなスターリングエンジンも研究開発されている。
このスターリングエンジンの基本原理は、シリンダに封入した作動流体（作動ガス）を加熱したり、冷却することにより、圧力変動を起こさせてピストンを上下動させ、このピストンの上下運動を回転運動に変換して発電させるものである。
【０００３】
上記スターリングエンジンを加熱する場合、燃料をバーナーで燃やし、その熱を加熱部に与えるのであるが、ガソリンなどの燃料を燃やすと二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させることになる。
そこで、スターリングエンジンの加熱部に供給する熱エネルギーとして太陽光が考えられる。この場合、一面に太陽光を反射させる反射面を形成した円板状の反射板を多数配設して全体を碗状に形成し、その放物面上に配置した多数（例えば、３２枚）の反射板（鏡）の焦点にスターリングエンジンを配置している。
【０００４】
多数の反射板に反射された光が集光し、その熱エネルギーがスターリングエンジンの加熱部に供給されることで、該スターリングエンジンの加熱部を加熱していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数の反射板を配置して、その反射光を１点に集光させるには反射板の設置が難しく、思うように集光させることができず、また、装置全体が大掛かりとなり、非常にコストが高いという問題があった。
また、太陽光を反射板にて一旦反射させて集光させるために、反射効率も悪くなり、スターリングエンジンの加熱部の温度も約７５０℃であり、それ以上の温度を上げることができないという問題もあった。そのため、発電機出力も約７．５ｋＷという低出力の発電しか出来なかった。
【０００６】
さらに、スターリングエンジンの発電出力を上げるために、該スターリングエンジンの加熱部の温度を例えば、１０００℃まで上げようとした場合、反射板の数をさらに増加させる必要がある。そのため、反射板の設置上の困難さと共に、莫大なコストがかかり、ランニングコストが増大し、デメリットばかりの発電装置となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２００１−１３３５７
【０００８】
ところで、上記特許文献１は、本出願人がすでに出願したものであるが、この特許文献１には、レンズを用いて太陽光の熱エネルギーを取り入れるようにしたものである。しかし、かかる場合にも、レンズにて集光した太陽光によりスラグを燃やしてしまい、その燃やした熱エネルギーにて、例えば、水蒸気タービンによる発電を行なう旨の記載がある。
しかしながら、スラグを燃やすと上記と同様に二酸化炭素が発生し、地球温暖化の原因となり、二酸化炭素（ＣＯ_２）を減らしていこうとする最近の動向に反することになる。
【０００９】
特に、化石型燃料を燃焼した熱を熱源としたスターリングエンジン発電装置は、多々あるが、化石型燃料を燃焼させるために、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出で大いに問題となっているのが現状である。
【００１０】
本発明は上述の問題点に鑑みて提供したものであって、少なくとも以下の目的を備えた太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置を提供するものである。
▲１▼ 発電するための燃料を不要とすること。
▲２▼ 物を燃焼させずに発電させることで、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させないこと。
▲３▼ 発電と同時に温水供給も可能にすること。
▲４▼ 従来の発電装置よりも低コスト化な発電装置を提供すること。
▲５▼ 上記の燃料が不要であり、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させないことから環境保全型の発電装置を提供すること。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の請求項１記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では、太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ１と、このフレネルレンズ１にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー３と、この光導ファイバー３からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン４と、このスターリングエンジン４により駆動される発電機５とで構成されていることを特徴としている。
【００１２】
かかる構成とすることで、発電機５にて発電するための燃料は太陽光としているので、燃料は不要であり、しかも、従来のように物を燃焼させるのではないため、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させることもない。そのため、理想的な環境保全型の発電装置を提供することができる。また、燃焼自体はコストが全く不要なため、ランニングコストが非常に低く、従来の発電装置よりも低コストな発電装置を提供することができる。さらに、本装置のスターリングエンジン４の稼働中は、給水パイプ４４からの冷却部４２にて冷却した水は高温水となって排出パイプ４５から排出されるので、発電と同時に温水供給も可能となる。
【００１３】
請求項２記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では、太陽光熱を追尾する追尾装置２を備えていることを特徴としている。
これにより、太陽光熱を有効に、且つ確実に利用することができる。
【００１４】
請求項３記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置では、前記フレネルレンズ１からの太陽光熱を受ける光導ファイバー３の受光部３１は、フレネルレンズ１側に至るほど径を大きくした略円錐状に形成されていることを特徴としている。
これにより、光導ファイバー３の受光部３１をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動させることで、光導ファイバー３の受光部３１の受光面３２での集光面積を変えることができて、例えば、約６００〜約２０００℃の所望の温度の熱源を容易に得ることができる。そのため、スターリングエンジン４の出力に応じて光導ファイバー３を移動させることで、種々の出力のスターリングエンジン４に対応することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明は、地球環境汚染や地球温暖化ガスの排出を解決すべく、地球環境にやさしいクリーンな太陽光熱を熱源に利用して、スターリングエンジンに熱を与え、スターリングエンジンの出力により駆動する発電機で発電するようにしたものである。
【００１６】
図１は本発明のシステム構成図を示し、太陽光熱を集光熱した熱源を利用するために、アクリル製のフレネルレンズ１で集光熱し、フレネルレンズ１による集光部分からその集光方向に沿って６００℃から２０００℃の任意の温度を得るようにしている。
また、３は石英ガラス製の光導ファイバーであり、この光導ファイバー３により上記フレネルレンズ１にて集光熱した熱源を確実に、安全に、ロス無く、目的の場所に導くようにしている。
【００１７】
前記フレネルレンズ１及び光導ファイバー３により発生する熱源によってスターリングエンジン４を駆動し、このスターリングエンジン４の出力によって発電機５を発電駆動するようになっている。
【００１８】
ここで、太陽光熱を有効に、且つ確実に集光熱するために追尾装置２が設けられており、昼間の時刻と共に太陽の位置が変化するのを図外のセンサにて検出し、太陽の位置変化に応じてフレネルレンズ１の方位角と仰角を制御している。これにより、フレネルレンズ１の集光面を太陽に向けて太陽光熱を有効且つ確実に集光熱している。
なお、追尾装置２は、フレネルレンズ１だけでなく、光導ファイバー３、スターリングエンジン４、発電機５を一体に動かして制御している。この追尾装置２を備えていることで、太陽光熱を有効に、且つ確実に利用することができるものである。
【００１９】
本発明で用いているスターリングエンジン４自体は公知なので詳細な説明は省略するが、基本原理は密閉容器内に一定量の気体が封入されており、この気体を作動流体と呼んでおり、水素、ヘリウム、空気などが用いられる。
図１に示すように、スターリングエンジン４内は、加熱部４１と冷却部４２に大別され、作動流体を加熱部４１（高温側）と冷却部４２（低温側）の間を交互に移動させる。これによってピストン４３を動かすことができ、動力を取り出すことができる。このピストン４３の一端側の上下動の動きを他端側で回転運動に変換し、このピストン４３の回転運動で発電機５を駆動する。これにより発電機５が駆動されて電気出力を得ている。なお、図１では図示していないが、スターリングエンジン４の加熱部４１と冷却部４２の間に、再生熱交換器が設けられていて熱効率を上げている。
【００２０】
スターリングエンジン４の冷却部４２には、該冷却部４２を冷却させるための冷却水を冷却部４２内に入れるために給水パイプ４４が接続配管されており、また、冷却部４２を冷却した冷却水を排出させるための排出パイプ４５が冷却部４２に接続配管されている。
給水パイプ４４から冷却部４２内に流入した冷却水は冷却部４２を冷却することで高温水となり、この冷却後の高温水は排出パイプ４５から外部へ排出される。
【００２１】
そして、スターリングエンジン４のシリンダ内に一定量のガス（例えば、ヘリウムガス）を密封し、等容加熱→等温膨張→等容冷却→等温収縮を繰り返す基本熱サイクルのスターリングエンジン４を活用しているため、熱交換器の給水を加熱して高温水を得ることができる。このスターリングエンジン４にて得られた高温水を施設内等で種々利用することができる。
【００２２】
フレネルレンズ１は直径が約１ｍ（メートル）から約２０ｍ（メートル）までの任意の直径のものを用いるようにしているが、本実施形態では、直径は約２０ｍのフレネルレンズ１を用いている。これは、スターリングエンジン４の出力を約５５ｋＷのものを用いているからであり、スターリングエンジン４の加熱部４１を加熱する温度が約１０００℃ほど必要であるからである。
【００２３】
また、フレネルレンズ１で集光され、該集光熱した熱源を導く略円柱状の光導ファイバー３の受光部３１は略円錐状に形成されており、この受光部３１は先端に至るほど径を大きくしている。そして、受光部３１の先端面の受光面３２は平坦面となっている。
この光導ファイバー３の受光面３２から流入した熱源は該フレネルレンズ１を介して放出部３３まで導かれる。放出部３３の先端の面は略平坦面となっていて、放出部３３の先端面はスターリングエンジン４の加熱部４１の熱供給部に接触ないし近接して配置されている。
【００２４】
ここで、光導ファイバー３の受光部３１の形状を略円錐状に形成しているのは以下の理由による。すなわち、直径が約２０ｍのフレネルレンズ１では焦点付近では約２０００℃の温度を得ることができ、また、スターリングエンジン４の出力に応じて約６００℃から約２０００℃までの任意の温度が必要な場合が生じる。
【００２５】
そこで、図２に示すように、光導ファイバー３をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動可能にしておき、例えば、光導ファイバー３の受光面３２の位置が図２のＡに示す位置では集光温度が約６００℃、Ｂに示す位置では集光温度が約１０００℃、Ｃに示す位置では集光温度が約２０００℃となるようにしておくことで、スターリングエンジン４の出力に応じて光導ファイバー３の集光温度を任意に設定することが可能となる。
図３（ａ）〜（ｃ）は、図２のＡ，Ｂ，Ｃの位置に対応した集光面積３４を示しており、この集光面積３４が小さいほど集光温度は高い。また、温度が高いほど集光面積３４が光導ファイバー３の受光面３２の面積に対して小さくなるので、集光した熱源が光導ファイバー３の周囲に漏れることがないので、安全性を向上させている。
【００２６】
これにより、光導ファイバー３の受光部３１をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動させることで、光導ファイバー３の受光部３１の受光面３２での集光面積を変えることができて、例えば、約６００〜約２０００℃の所望の温度の熱源を容易に得ることができる。そのため、スターリングエンジン４の出力に応じて光導ファイバー３を移動させることで、種々の出力のスターリングエンジン４に対応することができる。
【００２７】
そして、フレネルレンズ１にて太陽光熱を集光熱した熱源は光導ファイバー３を介してスターリングエンジン４の加熱部４１へ供給され、スターリングエンジン４の加熱部４１と冷却部４２との間で作動流体が交互に移動してピストン４３を駆動し、発電機５を駆動する。この発電機５が駆動されることで、所望の電気出力が得られる。
なお、光導ファイバー３は上述したように石英ガラスを用いているので、集光熱の損失はほとんどなくスターリングエンジン４の加熱部４１へ供給することができる。
【００２８】
また、本装置のスターリングエンジン４の稼働中は、給水パイプ４４からの冷却部４２にて冷却した水は高温水となって排出パイプ４５から排出されので、発電と同時に温水供給も可能となる。
また、発電機５にて発電するための燃料は太陽光としているので、燃料は不要であり、しかも、従来のように物を燃焼させるのではないため、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させることもない。そのため、理想的な環境保全型の発電装置を提供することができる。また、燃焼自体はコストが全く不要なため、ランニングコストが非常に低く、従来の発電装置よりも低コストな発電装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、発電機にて発電するための燃料は太陽光としているので、燃料は不要であり、しかも、従来のように物を燃焼させるのではないため、二酸化炭素（ＣＯ_２）を発生させることもない。そのため、理想的な環境保全型の発電装置を提供することができる。また、燃焼自体はコストが全く不要なため、ランニングコストが非常に低く、従来の発電装置よりも低コストな発電装置を提供することができる。さらに、本装置のスターリングエンジンの稼働中は、給水パイプからの冷却部にて冷却した水は高温水となって排出パイプから排出されるので、発電と同時に温水供給も可能となる。
【００３０】
請求項２記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、太陽光熱を追尾する追尾装置を備えているので、太陽光熱を有効に、且つ確実に利用することができる。
【００３１】
請求項３記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置によれば、光導ファイバーの受光部をフレネルレンズ１の集光方向と同方向に移動させることで、光導ファイバーの受光部の受光面での集光面積を変えることができて、例えば、約６００〜約２０００℃の所望の温度の熱源を容易に得ることができる。そのため、スターリングエンジンの出力に応じて光導ファイバーを移動させることで、種々の出力のスターリングエンジン４に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置のシステム構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態における光導ファイバーの受光面における集光面積の説明図である。
【符号の説明】
１フレネルレンズ
２追尾装置
３光導ファイバー
４スターリングエンジン
５発電機
３１受光部
３２受光面
４１加熱部
４２冷却部
４４給水パイプ
４５排出パイプ

Claims

太陽光熱を集光熱するフレネルレンズ（１）と、このフレネルレンズ（１）にて集光熱した約６００℃から約２０００℃の熱源を所定の場所に導く石英ガラス製の光導ファイバー（３）と、この光導ファイバー（３）からの熱源にて駆動されるスターリングエンジン（４）と、このスターリングエンジン（４）により駆動される発電機（５）とで構成されていることを特徴とする太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置。
太陽光熱を追尾する追尾装置（２）を備えていることを特徴とする請求項１記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置。
前記フレネルレンズ（１）からの太陽光熱を受ける光導ファイバー（３）の受光部（３１）は、フレネルレンズ（１）側に至るほど径を大きくした略円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽光熱利用スターリングエンジン発電装置。