JP2011007150A

JP2011007150A - 受熱器

Info

Publication number: JP2011007150A
Application number: JP2009153707A
Authority: JP
Inventors: Ichita Kobayashi; 一太小林; Masashi Tagawa; 雅士田川; Toshiyuki Osada; 俊幸長田; Manabu Maeda; 学前田; Masahiro Masuda; 将寛益田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】部材の熱膨張による熱応力の発生を抑えることが可能な受熱器を提供する。
【解決手段】本発明の受熱器１０は、太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管２０と、受熱管２０を収容するケーシング１１と、一端が外部に固定されるとともに、他端がケーシング１１に固定され、ケーシング１１を吊り下げる第１吊り具１２と、を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、受熱器に関するものである。

近年、地球温暖化の防止、化石燃料の使用抑制の観点から、二酸化炭素や窒素酸化物などの有害物質の排出が少ない自然エネルギー、資源を再利用するリサイクルエネルギーなどのクリーンエネルギーを利用した発電が注目されている。クリーンエネルギーは、全世界で必要とされる電力エネルギーを上回る量がある。しかしながら、クリーンエネルギーのエネルギー分布は広範囲にわたり、有効エネルギー（外部に取り出して利用可能なエネルギー）が低い。これに起因して、クリーンエネルギーを利用した発電は、電力への変換効率が低く発電コストが高くなるため、十分に普及していない。そこで、発電方式としては、ガスタービン、蒸気タービン及びカスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）などの発電技術を利用した太陽熱エネルギーによる発電が期待されている。

太陽熱エネルギーの利用においては、通常、鏡を用いた集光装置と受熱器の組合せにより集光・集熱を行う。集光装置と受熱器の組合せ方式には、例えばトラフ式（二次元集光）やタワー式（三次元集光）がある。トラフ式は、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光を反射させ、円筒の中心を通るパイプに集光・集熱し、パイプ内を通る熱媒体の温度を上昇させるものである。タワー式は、受熱器を高いタワーの上部に配置し、タワー周囲の地上にヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を複数配置して、タワー上部の受熱器に集光・集熱させるものである。近年、発電サイクルの高効率化が求められており、タワー式を採用したタワー型太陽光集光受熱器において熱交換される熱媒体について、より高温化に対応した開発が行われている。

図６は従来の受熱器の構造を示す模式図である。図６に示すように、受熱器５５は、受熱管５３がケーシング５４の内部に配置されたキャビティ型となっている。これにより、受熱管５３が外部へ露出しないようにし、受熱管５３からの対流や輻射による熱損失を抑制している。

一方、特許文献としては以下のような技術が開示されている。図７は特許文献１における受熱器の構造を示す模式図である。図７（ａ）は受熱器の構造を示す側断面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図７に示すように、受熱器７０は、熱媒体導入部７１及び熱媒体導出部７２を通じて内部に熱媒体が流通される熱媒体流通管７３が螺旋状に巻回されることで形成されてなる集熱体７４を有している。この集熱体７４の受光面７５は、集熱体７４の内部に露出された熱媒体流通管７３の外周面によって形成されている。熱媒体導入部７１は熱媒体流通管７３の中央部にあり、熱媒体導出部７２は熱媒体流通管７３の外周部にある。これにより、熱媒体流通管７３内の熱媒体が螺旋の中央から外周に向かって流通する。また、集熱体７４の受光面７５は、太陽光導入口７６に向かって収束する湾曲形状になっている。

国際公開第２００６−０２５４４９号公報

従来技術の受熱器では、受熱管の高温化により構成する部材に熱膨張が生じ、外部拘束により熱応力が発生してしまう問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、部材の熱膨張による熱応力の発生を抑えることが可能な受熱器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の受熱器は、太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管と、前記受熱管を収容するケーシングと、一端が外部に固定されるとともに、他端が前記ケーシングに固定され、該ケーシングを吊り下げる第１吊り具と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、ケーシングが第１吊り具によって吊り下げられるので、外部拘束されなくなり、ケーシングの熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を抑えることが可能な受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、前記第１吊り具が可撓性を有していてもよい。

この構成によれば、第１吊り具が可撓性を有することで変位が吸収されるようになり、ケーシングの熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、一端が前記ケーシングの内面に固定されるとともに、他端が前記受熱管に固定され、該受熱管を吊り下げる第２吊り具を有していてもよい。

この構成によれば、受熱管が第２吊り具によって吊り下げられるので、外部拘束されなくなり、受熱管やケーシングの熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、前記受熱管は、前記第２吊り具により前記ケーシングから離間するように吊り下げられていてもよい。

この構成によれば、受熱管がケーシングと離間するので、離間してできた隙間により受熱管やケーシングの熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、前記第１吊り具と前記第２吊り具とが直結されていてもよい。

この構成によれば、第１吊り具と第２吊り具とが直結されることによって吊り具全体として可撓性が向上する。このため、吊り具全体により受熱管やケーシングの熱膨張による変形が格段に許容される。また、第１吊り具と第２吊り具とが直結されることにより製作性や施工性が向上するので、製作コストを低減した受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、前記受熱管及び前記ケーシングは、それぞれ少なくとも１箇所で分離可能に連結されていてもよい。

この構成によれば、受熱管及びケーシングのそれぞれ少なくとも一箇所を連結することにより受熱器を製作することができる。したがって、製作性や施工性に優れ、製作コストを低減した受熱器が提供できる。

また、上記受熱器においては、前記受熱管に接続され、該受熱管に流通する前記熱媒体を流出させる接続配管と、該接続配管と接続されるとともに外部と接続された出口配管とを有し、前記接続配管及び前記出口配管は、少なくとも１箇所で分離可能に接続されていてもよい。

この構成によれば、接続配管及び出口配管の少なくとも一箇所を接続することにより受熱器を製作することができる。したがって、製作性や施工性に優れ、製作コストを低減した受熱器が提供できる。

本発明の受熱器は、太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管と、受熱管を収容するケーシングと、一端が外部に固定されるとともに、他端がケーシングに固定され、該ケーシングを吊り下げる第１吊り具と、を有しているので、ケーシングが吊り下げられることで外部拘束されなくなり、ケーシングの熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を抑えることが可能な受熱器が提供できる。

タワー型太陽光集光受熱器を示す図である。タワー周辺のヘリオスタットの配置構成を示す平面図である。タワー上部の概略構成を示す模式図である。吊り具の接続状態を示す斜視図である。受熱器の概略構成を示す斜視図である。従来の受熱器の構造を示す模式図である。特許文献１の受熱器の構造を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

図１は本発明の一例としてタワー式を採用したタワー型太陽光集光受熱器を示す図である。図２は、タワー周辺のヘリオスタットの配置構成を示す平面図である。なお、タワー型太陽光集光受熱器は、受熱器を高いタワーの上に置き、周囲の地上にヘリオスタットと呼ばれる集光用の反射光制御鏡を多数台置き、タワー上部の受熱器に集光させるものである。

図１に示すように、グランドＧ上にはヘリオスタットフィールド１０１が設けられている。このヘリオスタットフィールド１０１上には、太陽光線を反射するための複数のヘリオスタット１０２が配置されている。また、ヘリスタットフィールド１０１の中央部には、ヘリオスタット１０１で導かれた太陽光線を受けるタワー型太陽光集光受熱器１００が設けられている。図２に示すように、ヘリオスタット１０２はタワー型太陽光集光受熱器１００の３６０度全周に配置されている。

タワー型太陽光集光受熱器１００は、グランドＧに立設されたタワー１１０と、タワー１１０上部の収容室１２０内に設置された受熱器１０とから構成されている。

タワー１１０には、複数の補強部材１１１が設けられている。補強部材１１１は、タワー１１０の長手方向に交差して間隔（隣り合う補強部材間の距離）Ｐを空けて設けられている。間隔Ｐは、ヘリオスタット１０２から受熱器１０に太陽からの光を入光させる光路となる範囲でタワー１１０上部（受熱器１０の設置された側）に近づくにつれて大きくなっている。これにより、ヘリオスタット１０２により反射された光が補強部材１１１に遮られることなくタワー１１０上部の受熱器１０に集光される。なお、補強部材１１１の配置構造としては、剛性確保の面から例えばトラス構造とするのがよい。

図３は、タワー上部の概略構成を示す模式図である。図３（ａ）は、タワー上部の概略構成を示す平面図である。図３（ｂ）は、タワー上部の概略構成を示す断面図である。図４は、吊り具の接続状態を示す斜視図である。図５は、受熱器の概略構成を示す斜視図である。

図３（ａ）に示すように、タワー１１０上部の収容室１２０は平面視円形状になっている。図３（ｂ）に示すように、収容室１２０は、下部収容室１２１及び上部収容室１２２の２つの収容室を有する構造となっている。下部収容室１２１の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部１２１ｃが設けられている。開口部１２１ｃは太陽光線のスポット径に応じて平面視円形状となっている。

受熱器１０は下部収容室１２１内に設けられている。受熱器１０は、太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管２０と、円筒形状のケーシング１１と、外部に対してケーシング１１を吊り下げる第１吊り具１２と、ケーシング１１に対して受熱管を吊り下げる第２吊り具１３と、を有している。

具体的には、受熱器１０は下部収容室１２１の上壁１２１ａに第１吊り具１２を介して固定され、下部収容室１２１内において上壁１２１ａから吊り下げられる構造となっている。また、受熱器１０は下部収容室１２１の内面と接触しないように、下部収容室１２１の内面と離間して配置されている。

第１吊り具１２は上壁１２１ａの周方向に複数設けられている。また、第１吊り具は可撓性を有する構造となっており、変位が吸収されるようになっている。これにより、受熱器１０内部で熱交換が行われ高温（例えば９００℃以上）となった場合、ケーシング１１の熱膨張による変形を許容できるようになっている。

また、ケーシング１１の下面側には、太陽光線を取り込むための開口部１１ｂが設けられている。開口部１１ｂは、前述の開口部１２１ｃと同様に、太陽光線のスポット径に応じて平面視円形状となっている。

一方、上部収容室１２２内には、受熱器１０によって加熱された流体（熱媒体）を作動流体として作動するガスタービン３０及びガスタービン３０の作動エネルギーを電力として取り出す発電機３３が配置されている。ガスタービン３０は、熱媒体となる流体（例えば大気）を吸入して圧縮し圧縮流体を生成する圧縮機３１と、該圧縮機３１で圧縮されるとともに受熱器１０によって加熱された流体を作動流体として作動するタービン３２とを有している。そして、タービン３２の回転により生じる運動エネルギーが発電機３６によって電気エネルギーに変換され、電力として取り出される。

なお、上部収容室１２２内には必要に応じて、受熱器１０が受けた熱を検知する温度センサー、ガスタービン３０を始動させる補助駆動装置、作動流体が受熱器１０で加熱される前に作動流体とタービン３２の排気との熱交換を行う再生熱交換器、作動流体を補助燃焼してタービン３２に流入させる補助燃焼器、発電機３３の振動を打ち消す消振器などの装置が配置されていてもよい。このように、タワー１１０上部に装置を集約して配置することで、設備設置面積を縮小することができる。

また、上部収容室１２２の側面には、圧縮機３１に供給される流体（大気）を取り込むための開口部１２２ｂが設けられている。なお、開口部１２２ｂは必要に応じてタービン３２からの排気を外部に放出するために用いられる。

受熱管２０は、下部ヘッダー管２１と、上部ヘッダー管２２と、受熱管本体２３と、を有して構成されている。下部ヘッダー管２１は、環形状となっておりケーシング１１下部に配置されている。具体的には、下部ヘッダー管２１はケーシング１１の外側に露出され、下部収容室１２１内の下壁１２１ｂ近傍に配置されている。

また、下部ヘッダー管２１にはＬ字状の入口配管１５が設けられている。この入口配管１５と圧縮機３１との間には接続配管１９が設けられている。接続配管１９は、ケーシング１１の外側に露出され、下部収容室１２１の内面に沿って配置されている。このような構成により、圧縮機３１により生成された圧縮流体は、接続配管１９及び入口配管１５を経由して下部ヘッダー管２１に供給されるようになっている。

受熱管本体２３は、上部ヘッダー管２２と下部ヘッダー管２１との間に複数設けられており、一端が上部ヘッダー管２２に接続され、他端が下部ヘッダー管２１に接続されている。これら受熱管本体２３は、下部ヘッダー管２１から流出した作動流体を上部ヘッダー管２１に流出するものである。また、受熱管本体２３は、上部ヘッダー管２２（下部ヘッダー管２１）の周方向に所定の間隔（隙間）を空けて設けられている。受熱管本体２３の他端はケーシング１１の外側に露出している。受熱管本体２３はケーシング１１の長手方向に沿った直線形状となっており、自重による曲げ応力がかからないようになっている。また、受熱管本体２３内を流れる作動流体の流動方向が一方向になるようになっている。

上部ヘッダー管２２は、ケーシング１１上部に配置されている。この上部ヘッダー管２２はケーシング１１の上壁１１ａに第２吊り具１３を介して固定され、ケーシング１１内において上壁１１ａから吊り下げられる構造となっている。第２吊り具１３は上壁１１ａの周方向に複数設けられており、可撓性を有する構造となっている。これにより、受熱器１０内部で熱交換が行われ高温（例えば９００℃以上）となった場合、受熱管２０やケーシング１１の熱膨張による変形を許容できるようになっている。

以上の構成により、下部ヘッダー管２１に供給された圧縮流体は、複数の受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２を経由する間、開口部１１ｂから入射した太陽光線の熱エネルギーにより加熱される。受熱管２０は、上部ヘッダー管２２がケーシング１１の上壁１１ａに第２吊り具１３を介して固定され、全体として上壁１１ａから吊り下げられる構造となっている。

また、受熱管２０は、第２吊り具１３によりケーシング１１から離間するように吊り下げられている。例えば、受熱管２０の外面とケーシング１１の内面とが所定の距離離れるように、第１吊り具１２により受熱管２０とケーシング１１の位置が設定されている。ここで、所定の距離は受熱管２０の直径の１.０〜３．０倍の範囲内に設定するのがよい。なお、より好ましくは受熱管２０の直径の１．３〜２．０倍の範囲内に設定するのがよい。

受熱管２０及びケーシング１１は、それぞれ少なくとも１箇所で分離可能に連結されている。受熱器１０は、上部ヘッダー管２２に接続され、受熱管２０に流通する熱媒体を流出させる接続配管２４と、一端がこの接続配管２４と接続され、他端がタービン３２と接続された出口配管２５とを有している。接続配管２４及び出口配管２５は、少なくとも１箇所で分離可能に接続されている。例えば、受熱管２０及びケーシング１１は、分割ラインＬ１〜Ｌ８の８つの分割ラインを有し、接続継手により５つの部品構成に分離可能に連結されている。具体的には、５つの部品は、分割ラインＬ１,Ｌ２,Ｌ６で分割される第１部品、分割ラインＬ２,Ｌ３,Ｌ７で分割される第２部品、分割ラインＬ３,Ｌ４,Ｌ８で分割される第３部品、分割ラインＬ１,Ｌ４,Ｌ５で分割される第４部品、分割ラインＬ５,Ｌ６,Ｌ７,Ｌ８で分割される第５部品、を有して構成される。これにより、受熱器１０は、製作性や施工性に優れた構造とすることができる。

上部ヘッダー管２２と出口配管２５との間には４つの接続配管２４が接続されており、平面視Ｘ字状になっている。出口配管２５は上部収容室１２２内において屈曲して断面視Ｌ字状になっており、出口配管２５の４つの接続配管２４に接続された側と反対の側の端部はタービン３２に接続されている。受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２を通って加熱された圧縮流体は、４つの接続配管２４を経由してさらに出口配管２５を経由した後、高温高圧の作動流体となりタービン３２に供給される。

図４に示すように、本実施形態では、ケーシング１１と下部収容室１２１とを接続する第１吊り具１２と、受熱管２０とケーシング１１とを接続する第２吊り具１３とが直結されている。具体的には、第１吊り具１２と第２吊り具１３とは平面視重なる位置に配置され、互いの端部が接続されている。言い換えると、第１吊り具１２と第２吊り具１３とが一体となり、下部収容室１２１の上壁１２１ａと上部ヘッダー管２２とが接続され、受熱器１０全体が上壁１２１ａから吊り下げられる構造となっている。

これにより、吊り具全体として可撓性が向上するため、吊り具全体により変位が吸収されるようになり、受熱管２０やケーシング１１の熱膨張による変形が格段に許容される。また、第１吊り具１２と第２吊り具１３とが直結されることにより製作性や施工性が向上する。

図５に示すように、ケーシング１１の内壁面には、太陽熱を吸収する断熱材１６が設けられている。断熱材１６で吸収した熱により断熱材１６内面は温度上昇し、受熱管本体２３の背面（太陽光線が直接入射しない側の面）に熱放射し受熱管２０の周方向全体が加熱される。また、断熱材１６は、受熱管本体２３から発せられる輻射熱を受熱管本体２３の背面に戻し、受熱管本体２３を安定して加熱させている。また、断熱材１６は、受熱管本体２３及び上部ヘッダー管２２から外部に向かう発熱量を低減させている。

なお、断熱材１６内面（ケーシング１１と断熱材１６の間）に反射鏡を設け、熱放射の代わりに光を反射させてもよい。この反射鏡は、ケーシング１１内の受熱管本体２３の配置される部分に設けるのがよい。これにより、受熱管本体２３の隙間を通じて入射された太陽光線の反射光を、受熱管本体２３の背面（断熱材１６の側の面）に照射して、熱エネルギーに変換させることができる。

本実施形態の受熱器１０によれば、太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管２０と、受熱管２０を収容するケーシング１１と、一端が外部に固定されるとともに、他端がケーシングに固定され、該ケーシング１１を吊り下げる第１吊り具１２と、を有しているので、ケーシング１１が吊り下げられることで外部拘束されなくなり、ケーシング１１の熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を抑えることが可能な受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、第１吊り具１２が可撓性を有することで変位が吸収されるようになり、ケーシング１１の熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、受熱管２０が第２吊り具１３によって吊り下げられるので、外部拘束されなくなり、受熱管２０やケーシング１１の熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、受熱管２０がケーシング１１と離間するので、離間してできた隙間により受熱管２０やケーシング１１の熱膨張による変形が許容される。したがって、部材の熱膨張による熱応力の発生を格段に抑えることが可能な受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、第１吊り具１２と第２吊り具１３とが直結されることにより吊り具全体として可撓性が向上する。このため、吊り具全体によって変位が吸収されるようになり、受熱管２０やケーシング１１の熱膨張による変形が格段に許容される。また、第１吊り具１２と第２吊り具１３とが直結されることにより製作性や施工性が向上するので、製作コストを低減した受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、受熱管２０及びケーシング１１のそれぞれ少なくとも一箇所を連結することにより受熱器１０を製作することができる。したがって、製作性や施工性に優れ、製作コストを低減した受熱器１０が提供できる。

また、この構成によれば、接続配管２４及び出口配管２５の少なくとも一箇所を連結することにより受熱器１０を製作することができる。したがって、製作性や施工性に優れ、製作コストを低減した受熱器が提供できる。

なお、本実施形態では、第１吊り具１２と第２吊り具１３とが直結されているがこれに限らない。例えば、第１吊り具１２と第２吊り具１３との配置位置をずらしたり、配置数を増減したりするなどして、第１吊り具１２と第２吊り具１３との配置状態を適宜変更してもよい。

また、本実施形態では、受熱管２０及びケーシング１１は、が８つの分割ラインを有し、５つの構成部品に分離可能に連結されているが、これに限らない。例えば、受熱管２０及びケーシング１１は、が２つ、３つ、４つ、あるいは５つ以上の構成部品に分離可能に連結されていてもよい。すなわち、受熱管２０及びケーシング１１がそれぞれ少なくとも１箇所で分離可能に連結されていればよい。

また、本実施形態では、ヘリオスタット１０２がタワー１１０の３６０度全周に配置されているが、これに限らない。例えば、ヘリオスタット１０２がタワー１１０の片側（平面視で１８０度以下の角度範囲）に配置されていてもよい。すなわち、ヘリオスタット１０２の配置構成は、実際の太陽の高度変化に対応して、ヘリオスタット１０２の入反射角度の大小による鏡の有効面積が大きく取れる側に配置されていればよい。

１０受熱器
１１ケーシング
１２第１吊り具
１３第２吊り具
２０受熱管
２４接続配管
２５出口配管

Claims

太陽からの熱を受けて内部に流通する熱媒体に熱を伝達させる受熱管と、
前記受熱管を収容するケーシングと、
一端が外部に固定されるとともに、他端が前記ケーシングに固定され、該ケーシングを吊り下げる第１吊り具と、
を有することを特徴とする受熱器。
前記第１吊り具が可撓性を有していることを特徴とする請求項１に記載の受熱器。
一端が前記ケーシングの内面に固定されるとともに、他端が前記受熱管に固定され、該受熱管を吊り下げる第２吊り具を有することを特徴とする請求項１または２に記載の受熱器。
前記受熱管は、前記第２吊り具により前記ケーシングから離間するように吊り下げられていることを特徴とする請求項３に記載の受熱器。
前記第１吊り具と前記第２吊り具とが直結されていることを特徴とする請求項３または４に記載の受熱器。
前記受熱管及び前記ケーシングは、それぞれ少なくとも１箇所で分離可能に連結されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の受熱器。
前記受熱管に接続され、該受熱管に流通する前記熱媒体を流出させる接続配管と、該接続配管と接続されるとともに外部と接続された出口配管とを有し、
前記接続配管及び前記出口配管は、少なくとも１箇所で分離可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の受熱器。