JP2013167376A - 太陽集光装置及び太陽熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量化を図ることができ、メンテナンスが容易な太陽集光装置及び太陽熱発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る太陽集光装置１は、集光ミラー４が配置された回転テーブル２と、回転テーブル２に設けられ、集光ミラー４の反射光を受けるレシーバ３とを備え、集光ミラー４は、太陽光を線状に集光するためのリニアフレネル面７ｂを有する本体部７と、リニアフレネル面７ｂを被覆し太陽光を反射するための反射膜８と、を有する。太陽集光装置１によれば、平板状のフレネル型の集光ミラー４を採用することで、トラフ型の集光ミラーと比べて、ミラー表面の洗浄や補修などのメンテナンスが容易になる。また、回転テーブル２上に平板状の集光ミラー４を設ける構成は、集光ミラー４が風から受ける影響を大幅に低減できるので、サポート部材を減らすことができ、装置の軽量化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転テーブルを備える太陽集光装置及び太陽熱発電システムに関する。

近年、化石燃料の枯渇や二酸化炭素排出による諸問題に鑑み、再生可能な自然エネルギーである太陽光の利用が広く検討されている。太陽光エネルギーの利用には、太陽電池により太陽光を直接電気に変換する手法と太陽光を太陽熱として吸収して利用する手法とが知られている。太陽熱として利用する手法には、その熱を利用してタービンなどにより間接的に発電するものも含まれる。

太陽熱の利用は蓄熱による安定供給を行うことができ、エネルギーを貯蔵するコストも電池より蓄熱の方が有利である。これらの優位性から、近年、世界各国で再注目されている。特に、晴天日射の密度が高く、かつ、上空の水分量が少ないため直達光の散乱光に対する比率も高いサンベルト地域において、大規模な集光型の太陽熱の利用が普及することが予測されている。

太陽熱発電システムとしては、トラフ方式、リニアフレネル方式、タワー方式、ディッシュ方式などの様々な方式が知られており、ここではトラフ方式からの変形と考えられる回転テーブル方式について説明する。例えば、特許文献１には、下部固定フレームと、下部固定フレーム上で回転可能に取り付けられた上部回転フレームと、上部回転フレームに支持された複数のトラフ型の反射器と、各反射器において反射光が集められ、内部を熱媒体が流れる配管と、歯車伝導装置を用いて上部回転フレームを回転させるための回転駆動機構と、を備えた回転テーブル方式の太陽熱発電システムが開示されている。特許文献１の太陽熱発電システムにおいては、各反射器が上部回転フレームと一体に回転することにより、太陽の動きに追従した効率的な集光を行うことができる。

特表２００４−５２７７２３号公報

ところで、前述した従来の太陽熱発電システムでは、太陽光を集光する太陽集光装置にトラフ型の反射器を採用している。しかしながら、トラフ型の反射器は重量が重く、その形状から風の影響を受けやすいため十分な強度を持たせる必要がる。また、洗浄などのメンテナンスも容易ではないという問題があった。

そこで、本発明は、軽量化を図ることができ、メンテナンスが容易な太陽集光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。

上記課題を解決するため、少なくとも一つの集光ミラーが配置された回転テーブルと、回転テーブルに設けられ、集光ミラーの反射光を受けるレシーバと、を備え、集光ミラーは、太陽光を線状に集光するためのリニアフレネル面を有する本体部と、リニアフレネル面を被覆し太陽光を反射するための反射膜と、を有することを特徴とする。

上記太陽集光装置によれば、回転テーブル方式を採用することで、従来のトラフ型などと比べて土地の利用率を高くすることができる。しかも、集光ミラーを従来のトラフ型ではなく平板状のフレネル型にすることで、集光ミラーの軽量化を図ることができる。更に、上記太陽集光装置では、回転テーブル上に平板状の集光ミラーを配置する構成とすることで、集光ミラーが風から受ける影響を大幅に減らすことができるので、ミラーを補強するサポート部材を減らすことができ、太陽集光装置の構造の簡素化及び軽量化に有利である。そして、上記太陽集光装置では、平板状のフレネル型の集光ミラーを採用することで、湾曲した形状を有するトラフ型の集光ミラーと比べて、ミラー表面の洗浄や補修などのメンテナンスが容易になる。このことは、太陽集光装置のメンテナンス性を大きく向上させるので、運用コストを大幅に低減することができる。

上記集光ミラーの本体部は樹脂製であってもよい。
この場合、集光ミラーの本体部を射出成形などで成形することが可能となるため、集光ミラーの大量生産が容易になると共に、集光ミラーの製造コストを大幅に低減することができる。

上記回転テーブルには、集光ミラーが一つのみ配置されている構成であってもよい。
この構成によれば、装置構成を簡素化することができるので、大量生産が容易になり、製造コストの低減に有利である。また、メンテナンス性の向上も図られる。

上記集光ミラーにおいて、本体部は、太陽光を透過する光透過性の部材であり、リニアフレネル面及び反射膜は、集光ミラーの回転テーブル側に位置する構成であってもよい。
この構成によれば、太陽光が入射する本体部の入射面側（レシーバ側）を平らにすることができるので、汚れが発生するミラー表面の洗浄などのメンテナンスが非常に簡易になる。また、平面の洗浄は自動化も容易であり、装置の運用コストを大幅に低減することができる。しかも、太陽光が本体部を透過する裏面反射の構成とすることで、表面反射の場合と比べて、リニアフレネル面の凹凸に起因する影の影響を少なくすることができ、ミラーの有効面積を広くして効率的に集光することができる。

上記太陽集光装置において、集光ミラーの回転テーブル側には、反射膜を保護するための封止材からなる封止層が形成されており、集光ミラーは、封止層を介して回転テーブル上に配置されていてもよい。
この構成によれば、封止層を設けることで反射膜に対する熱や湿度の悪影響を防ぐことができる。また、封止層を介することで、凹凸のあるリニアフレネル面を平坦な回転テーブル上に安定して設置することができる。

上記集光ミラーにおいて、リニアフレネル面及び反射膜は、集光ミラーのレシーバ側に位置する構成であってもよい。
この構成によれば、集光ミラーの本体部を透過することなく太陽光が反射されるため、本体部の光透過性や太陽光に対する耐性を考慮する必要がなく、集光ミラーの耐久性向上及び製造コストの低減に有利である。

また、本発明に係る太陽熱発電システムは、上記太陽集光装置を備え、レシーバが得た熱を利用して発電を行うことを特徴とする。
本発明に係る太陽熱発電システムによれば、上記太陽集光装置を備えることで、メンテナンス性を向上できると共に、システムの大幅な軽量化を図ることができる。

本発明によれば、軽量化を図ることができ、メンテナンスが容易な太陽集光装置及び太陽熱発電システムを提供できる。

第１の実施形態に係る太陽集光装置を示す斜視図である。 第１の集光ミラーの概略構成を示す断面図である。 第２の実施形態に係る太陽集光装置を示す斜視図である。 第３の実施形態に係る太陽集光装置の集光ミラーの概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１に示されるように、第１の実施形態に係る太陽集光装置１は、太陽光を集光するための装置であり、例えば太陽熱発電システムに組み込まれて用いられる。このような太陽熱発電システムでは、太陽集光装置１が太陽光を集光することで得られる太陽熱を利用して、蒸気タービンなどの発電設備により発電が行われる。

太陽集光装置１は、回転テーブル２と、レシーバ３、集光ミラー４〜６と、を備えている。円板状の回転テーブル２は、地面に対して回転可能に設置されており、回転軸線Ｃを中心として水平面内で回転可能に構成されている。回転軸線Ｃは、回転テーブル２の中央を通る鉛直軸線である。回転テーブル２を回転可能に支持する支持構造や回転テーブル２を回転駆動させるアクチュエータについては、様々な周知の構成を採用することができる。

レシーバ３は、熱媒体が内部を流れる管状の部材である。熱媒体はガスであっても液体であっても良い。レシーバ３は、第１の集光ミラー４からの反射光を集光する第１の集熱管３ａ、第２の集光ミラー５からの反射光を集光する第２の集熱管３ｂ、第３の集光ミラー６からの反射光を集光する第３の集熱管３ｃを有している。第１の集熱管３ａ及び第２の集熱管３ｂは接続配管３ｄを介して接続され、第２の集熱管３ｂ及び第３の集熱管３ｃは接続配管３ｅを介して接続されている。集光ミラー４〜６が太陽光を集光することによりレシーバ３が得た太陽熱は、内部を流れる熱媒体を通じて発電設備などに供給される。

集光ミラー４〜６は、入射した太陽光をレシーバ３に向けて反射する裏面反射型のミラーである。各集光ミラー４〜６は、回転軸線Ｃの延在方向から見て長方形状に形成されており、互いに並列して回転テーブル２の上に配置されている。各集光ミラー４〜６は、それぞれ同様の構成を有している。

各集光ミラー４〜６は、円形の回転テーブル２上における集光面積を広く取るため、回転テーブル２の両端に配置される第１の集光ミラー４及び第３の集光ミラー６と比べて、回転テーブル２の中央に配置される第２の集光ミラー５は大きく形成されている。

図２に、第１の集光ミラー４の概略構成を示す断面図を示す。図２は、第１の集熱管３ａに垂直な断面を表している。なお、同様の構成を有する第２の集光ミラー５及び第３の集光ミラー６については説明を省略する。

図２に示されるように、第１の集光ミラー４は、本体部７、反射膜８、及び封止層９を備えている。本体部７は、太陽光を透過する光透過性の透明樹脂からなる部材である。本体部７は、例えばアクリル樹脂やポリカーボネートなどから形成されている。

本体部７の表側（第１の集熱管３ａ側）には、太陽光が入射する入射面７ａが形成されている。入射面７ａは平面であり、例えば回転テーブル２の上面と平行になるように平坦に形成されている。なお、太陽光が入射面７ａで反射することを防止するための反射防止膜を入射面７ａ上に設けてもよい。また、入射面７ａは水平面に平行なものに限られず、水平面に対して傾いていてもよい。

一方、本体部７の裏側（回転テーブル２側）には、リニアフレネル面７ｂが形成されている。リニアフレネル面７ｂは、いわゆるリニアフレネルレンズの表面形状をミラーの反射面形状として採用したものである。リニアフレネル面７ｂは、第１の集熱管３ａに垂直な断面（図２の断面）において、中央に放物線状に窪む凹面が形成され、中央の凹面から左右に広がるように鋸刃状の凹凸面が形成された形状を有している。リニアフレネル面７ｂは、第１の集熱管３ａの延在方向で同一の断面形状を有しており、放物線状の凹面や鋸刃状の凹凸面は第１の集熱管３ａの延在方向で溝状に形成されている。このような形状を有するリニアフレネル面７ｂに反射膜８を設けることで、反射光を第１の集熱管３ａに沿って線状に集光することができる。

反射膜８は、Ａｇなどの反射性材料からなり、リニアフレネル面７ｂを被覆するように形成されている。反射膜８は、例えば蒸着によりリニアフレネル面７ｂに形成されてもよく、反射フィルムなどを貼着することで形成されてもよい。

このように形成された第１の集光ミラー４では、矢印Ｔで示すように本体部７の入射面７ａから太陽光が入射すると、太陽光は本体部７を透過して、リニアフレネル面７ｂに形成された反射膜８により反射される。その後、反射膜８で反射された太陽光は、入射面７ａにおける屈折を経て空気中に出射され、第１の集熱管３ａへと到達する。

ここで、入射面７ａで屈折が生じないとした場合の反射光の進行方向を矢印Ｔ１（破線）として示し、入射面７ａで屈折した反射光の進行方向を矢印Ｔ２（実線）として図２に示す。また、反射膜８における太陽光の反射角をＬ１、入射面７ａにおける屈折角をＬ２として示す。この場合、裏面反射のフレネル型構造を採用する第１の集光ミラー４では、入射面７ａの屈折の影響により、反射膜８において反射角Ｌ１で太陽光を反射するだけで、矢印Ｔ２の方向（矢印Ｔに対してＬ１＋Ｌ２の角度の方向）へ太陽光を進ませることができる。すなわち、第１の集光ミラー４では、入射面７ａにおける屈折率の分だけ反射膜８の反射角を小さくすることができるので、リニアフレネル面７ｂの凹凸形状に起因して生じる影を少なくすることができ、効率的に集光することができる。このように、リニアフレネル面７ｂは、入射面７ａにおける屈折も考慮して、効率的に太陽光を集光できるよう形にその形状が選択される。

また、第１の集光ミラー４の回転テーブル側には、反射膜８を保護するための封止材からなる封止層９が形成されている。封止材としては、例えばエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）やポリビニルアルコール樹脂（ＰＶＡ）を用いることができる。封止層９は、熱や湿度などの悪影響から反射膜８を保護するため反射膜８を覆うように形成される。

封止層９は、第１の集光ミラー４のリニアフレネル面７ｂと回転テーブル２の上面との間に充填されている。この構成により、凹凸のあるリニアフレネル面７ｂを平坦な回転テーブル２に向けた状態で第１の集光ミラー４を安定して設置することができる。

以上説明した太陽集光装置１によれば、回転テーブル方式を採用することで、従来のトラフ型などと比べて土地の利用率を高くすることができる。しかも、集光ミラー４〜６を従来のトラフ型ではなく平板状のフレネル型にすることで、集光ミラー４〜６の軽量化を図ることができる。また、太陽集光装置１では、集光ミラー４〜６を平板状に形成することで、集光ミラー４〜６が風から受ける影響を大幅に減らすことができるので、集光ミラー４〜６を補強するサポート部材を減らすことができ、装置構造の簡素化及び軽量化に有利である。そして、太陽集光装置１では、平板状のフレネル型の集光ミラー４〜６を採用することで、湾曲した形状を有するトラフ型の集光ミラー４〜６と比べて、ミラー表面の洗浄や補修などのメンテナンスが容易になる。このことは、太陽集光装置１のメンテナンス性を大きく向上させるので、運用コストを大幅に低減することができる。

また、太陽集光装置１では、集光ミラー４〜６の本体部が樹脂製であることから、射出成形などで成形することが可能となり、集光ミラーの大量生産が容易になると共に、集光ミラーの製造コストを大幅に低減することができる。

更に、太陽集光装置１では、反射膜８を回転テーブル２側に設ける裏面反射型の構成とすることで、太陽光が入射する本体部７の入射面７ａ側（レシーバ３側）を平面にすることができるので、汚れが発生するミラー表面の洗浄などのメンテナンスが非常に簡易になる。また、平面の洗浄は自動化も容易であり、装置の運用コストを大幅に低減することができる。しかも、太陽光が本体部７を透過する裏面反射の構成とすることで、表面反射の場合と比べて、リニアフレネル面７ｂの凹凸に起因する影の影響を少なくすることができ、ミラーの有効面積を広くして効率的に集光することができる。

また、太陽集光装置１では、第１の集光ミラー４の回転テーブル２側に封止層９を設けることで反射膜８に対する熱や湿度の悪影響を防ぐことができる。また、封止層９を介することで、凹凸のあるリニアフレネル面７ｂを有する第１の集光ミラー４を平坦な回転テーブル２上に安定して設置することができる。なお、封止層は、第２の集光ミラー５及び第３の集光ミラー６の回転テーブル２側にも同様に形成されている。

また、以上説明した太陽集光装置１を備える太陽熱発電システムによれば、太陽集光装置１を備えることで、メンテナンス性を向上できると共に、システムの大幅な軽量化を図ることができる。

［第２の実施形態］
図３に示されるように、第２の実施形態に係る太陽集光装置１０は、集光ミラー及びレシーバのみが第１の実施形態と比べて異なっている。なお、図３において第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

第２の実施形態に係る太陽集光装置１０では、回転テーブル２上に一つの集光ミラー１２のみが配置されており、レシーバ１１も集光ミラー１２に対応する一本のみが設けられている。

第２の実施形態に係る集光ミラー１２は、第１の実施形態に係る第１の集光ミラー４と比べて、回転軸線Ｃの延在方向から見た場合の形状及び大きさと、８枚のミラーパネル１２ａ〜１２ｈを組み合わせて構成されている点と、が異なっている。その他の基本的構成については、第１の実施形態に係る第１の集光ミラー４と同様である。

長方形状のミラーパネル１２ａ〜１２ｈは、太陽光を透過する光透過性の樹脂製部材であり、射出成形に適した大きさに形成されている。このように、射出成形に適した大きさの複数のミラーパネル１２ａ〜１２ｈを組み合わせて集光ミラー１２を形成することで、大型の集光ミラーであっても射出成形を利用して低コストかつ容易に製造することができる。なお、必ずしも集光ミラー１２を複数枚のミラーパネルから形成する必要はなく、集光ミラー１２の全体を一度の射出成形で成形してもよい。

以上説明した第２の実施形態に係る太陽集光装置１０によれば、第１の実施形態に係る太陽集光装置１と同様の効果を得ることができる。また、太陽集光装置１０では、一つの回転テーブル２上に一つの集光ミラー１２のみを設けることにより、装置構成を簡素化することができるので、大量生産が容易になり、製造コストの低減に有利である。また、メンテナンス性の向上も図られる。

［第３の実施形態］
図４に示されるように、第３の実施形態に係る太陽集光装置は、集光ミラーが裏面反射型ではなく表面反射型である点のみが第１の実施形態と比べて異なっている。なお、図４において第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

第３の実施形態に係る集光ミラー２０の本体部２１は、表側（第１の集熱管３ａ側）にリニアフレネル面２１ａを有しおり、表側のリニアフレネル面２１ａ上に反射膜２２が形成されている。リニアフレネル面２１ａの形状としては、例えば第１の実施形態に係るリニアフレネル面７ｂの凹凸を逆にした形状を採用することができる。

本体部２１の裏側（回転テーブル２側）の面２１ｂは、回転テーブル２に対して固定されている。本体部２１は、接着剤や機械的な把持機構により回転テーブル２上に固定されている。

以上説明した第３の実施形態に係る集光ミラー２０では、矢印Ｔ３に示すように、本体部２１の表側に位置するリニアフレネル面２１ａに形成された反射膜２２により太陽光が反射され、第１の集熱管３ａに対して線状に集光される。この構成によれば、集光ミラー２０の本体部２１を透過することなく太陽光が反射されるため、本体部２１の光透過性や太陽光に対する耐性を考慮する必要がなく、集光ミラー２０の耐久性向上及び製造コストの低減に有利である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、集光ミラーの構成や形状、配置、数は、上述したものに限られない。一つの回転テーブル上に配置される集光ミラーの数は、二つや四つ以上であってもよい。また、回転軸線Ｃの延在方向から見た集光ミラーの形状は、長方形状に限られず、円形、楕円形、多角形状などであってもよい。

リニアフレネル面の形状は、上述したものに限られず、太陽集光装置の仕様、配置環境その他の様々な要因を考慮して適切な形状が選択される。また、レシーバ３の構成や配置も上述したものに限られない。

更に、回転テーブルの形状や構成についても、周知の様々な態様を採用することができる。上記実施形態では、回転テーブルが鉛直に延びる回転軸線Ｃを中心として回転する態様としたが、必ずしも鉛直軸を中心として水平面内で回転する必要はなく、斜面などに回転テーブルを配置することにより非水平面内で回転する態様としても良い。

また、本発明に係る太陽集光装置の利用は、太陽熱発電に限られない。太陽電池に集光することで発電する構成であってもよく。太陽熱を直接利用した給湯、蒸気供給、暖房空調、冷房空調（吸収式冷凍機の高温熱源）など、様々な分野に活用することができる。特に、中規模プラントにおける工場の空調や蒸気供給などの用途に適している。

１，１０…太陽集光装置 ２…回転テーブル ３，１１…レシーバ ３ａ…第１の集熱管 ３ｂ…第２の集熱管 ３ｃ…第３の集熱管 ３ｄ…接続配管 ３ｅ…接続配管 ４…第１の集光ミラー ５…第２の集光ミラー ６…第３の集光ミラー ７，２１…本体部 ７ａ…入射面 ７ｂ，２１ａ…リニアフレネル面 ８，２２…反射膜 ９…封止層 １２，２０…集光ミラー １２ａ-１２ｈ…ミラーパネル Ｃ…回転軸線 Ｌ１…反射角 Ｌ２…屈折角

Claims (7)

1. 少なくとも一つの集光ミラーが配置された回転テーブルと、
   前記回転テーブルに設けられ、前記集光ミラーの反射光を受けるレシーバと、
   を備え、
   前記集光ミラーは、太陽光を線状に集光するためのリニアフレネル面を有する本体部と、前記リニアフレネル面を被覆し前記太陽光を反射するための反射膜と、を有することを特徴とする太陽集光装置。
2. 前記集光ミラーの前記本体部は樹脂製である請求項１に記載の太陽集光装置。
3. 前記回転テーブルには、前記集光ミラーが一つのみ配置されている請求項１又は請求項２に記載の太陽集光装置。
4. 前記本体部は、太陽光を透過する光透過性の部材であり、
   前記リニアフレネル面及び前記反射膜は、前記集光ミラーの前記回転テーブル側に位置する請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の太陽集光装置。
5. 前記集光ミラーの前記回転テーブル側には、前記反射膜を保護するための封止材からなる封止層が形成されており、
   前記集光ミラーは、前記封止層を介して前記回転テーブル上に配置されている請求項４に記載の太陽集光装置。
6. 前記リニアフレネル面及び前記反射膜は、前記集光ミラーの前記レシーバ側に位置する請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の太陽集光装置。
7. 請求項１〜６のうち何れか一項に記載の太陽集光装置を備え、前記レシーバが得た
   熱を利用して発電を行うことを特徴とする太陽熱発電システム。

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