JP2013539000A - クロスライン型太陽熱集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】線型太陽熱集光装置の集熱効率を高める。
【解決手段】複数本の反射ラインと、１本の受光ラインとを有している。複数本の反射ラインは、地上の略南北方向に並列に設定されたものであり、それぞれの反射ラインＬ１，Ｌ２・・・にはへリオスタット１が設置されている。ヘリオスタット１は、各反射ラインＬ１，Ｌ２・・・に直列に配置された複数のミラーセグメントである。受光ラインＣは、反射ラインＬ１，Ｌ２・・・に直交した東西方向に、且つその上方の定位置に設定されたものであり、受光ラインＣには、１基のレシーバが設置され、各列の反射ラインＬ１，Ｌ２・・・に設置されたそれぞれのミラーセグメントは、ミラー面に入射された太陽光の反射光を受光ラインＣに向けて照射するものであり、受光ラインＣ上のレシーバ２は、各列上のミラーセグメントから照射された太陽光の反射光の熱を集光する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光の反射ラインを平行に配列することによって形成する線型太陽熱集光装置、特に平行に配列された反射ラインに交差して配置された受光ラインを有するクロスライン型太陽熱集光装置およびクロスライン型太陽熱集光装置を中継機に用いた太陽熱集光装置に関する。

太陽熱の反射ラインを平行に配列することによって形成する従来の線型太陽熱集光装置として、いわゆる線形フレネル型太陽熱集光装置が知られている。

図１１ａ、図１１ｂに、先行例１として従来の線型太陽熱集光装置の１例を示す（非特許文献１、特許文献１参照）。先行例１の線形フレネル型太陽熱集光装置は、地上に複数の反射ラインＬ１，Ｌ２、・・・を並列に設定し、反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・の列を跨ってその上方に、一定の周期で反射ラインの方向と平行方向に受光ラインＣ１、Ｃ２、・・・を設定したものである。各反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・には、ヘリオスタットとして多数本の長方形のミラープレートＨ，Ｈ、・・・が配列され、各受光ラインＣ１、Ｃ２、・・・には、レシーバ（集熱器）Ｒ、Ｒ、・・が一定間隔を置いて平行に設置されている。

図１１ｂにおいて、各列のミラープレートＨ，Ｈ、・・・は、各反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・に設定された中央回転軸を中心に個別にその転回角度が制御され、ミラープレートＨ，Ｈ、・・・はその鏡面に入射した太陽光を反射し、近傍のレシーバＲにその反射光を受光させる。そして、レシーバＲに受光された反射光の熱は、熱媒体を介して高温水蒸気に変換されるのである。なお、各反射ラインＬ１，Ｌ２、・・・とレシーバＲとは、共に南北方向に並列に配置されており、各反射ラインＬ１，Ｌ２、・・・上のミラープレートＨ，Ｈ、・・・は、太陽の動きを追尾し、反射光が常にレシーバＲの近傍に集光するように各反射ラインの角度を東西方向に回転調整している。

太陽熱集光装置は、例えば太陽熱発電システムに用いられ、太陽熱発電システムに用いる太陽熱集光装置の商業プラントとしては、雨樋形の放物面鏡を用いて、鏡の焦点位置に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる熱媒体（オイルなど）を加熱し、その熱エネルギーで発電する「トラフ（Parabolic trough）型太陽熱発電システム及び太陽追尾装置付の平面鏡を用いて、中央部に設置されたタワーにある集熱器に太陽光を集中させることで集光し、タワー上部に流した熱媒体によりその熱を回収して発電するタワー（Central Tower）型太陽熱発電システムがすでに稼働している。

トラフ型太陽熱発電システムは比較的低コストであるが、加熱された熱媒体の温度が低いため高効率化が困難であり、タワー型太陽熱発電システムは高温の熱媒体を得ることができるが、高精度の集光を必要とするために高コストとなる欠点がある。

これに対し、線形フレネル型太陽熱集光装置は、トラフ型やタワー型の太陽熱集光装置に比べ、風の影響を受けにくく、比較的低剛性でシンプルな構造であり、且つ土地利用効率が高いため、低い発電コストを実現できる点で太陽熱発電システムの商業プラントとして最も注目されている太陽熱集光装置の１つである。

このように線形フレネル型太陽熱集光装置には、トラフ型やタワー型の発電装置に比べて構造がシンプルであり、低い発電コストを実現できるという特長があるものの以下の原因によって、太陽光の光損失が大きく、高い集光、集熱効率を得ることが難しいという問題がある。

太陽光の光損失は、ミラープレート上での入射光束の蹴られること（コサイン損失という）、ミラープレートで反射された光束が、別のミラープレートで遮られること（ブロッキングという）、ミラープレートへ入射する光束が、別のミラープレートで遮られること（シャドウィングという）などが原因となって生じる。

上記光損失のうち、コサイン損失とブロッキングの発生イメージを図１２に示す。シャドウィングは、特にミラーへの太陽入射光が斜めに入射する際に顕著に発生するため、図１２には示していない。

こうした光損失は、地表面に対してミラーＨの角度の傾きが大きい場合や、太陽高度に追従してミラーＨの角度調整をする際にミラーＨの回転角の変化が大きいほど、こうした光損失は大きくなりやすい。図１２において、例えば、従来の線形フレネル型太陽熱集光装置のレシーバＲが南北方向に設置された場合に、反射ライン上のミラープレートＨ，Ｈ，・・・を東西方向に傾けることにより、見かけ上ミラープレートＨ，Ｈ，・・・からの反射光は、１点のレシーバＲに照射される。そのため、レシーバＲから離れた反射ライン上のミラーほど地表面に対するミラーの傾き角度が大きくなり、コサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きい。

しかも、朝から夕方にかけての太陽の軌跡を追従するためには、東西方向にミラープレートが約±４５°以上に調整角度が大きく変化するため、特に朝夕の太陽高度が低い時にコサイン損失、ブロッキングによる光損失が大きくなり、１日の集光・集熱エネルギーの変動量が大きい。そのため、集光度が低いために得られる温度の上限は水蒸気で４００℃〜５００℃にとどまり、６００℃以上の高温を得ることができない。

また、東西方向の反射ライン上に多数本のミラープレートを配列し、ミラー設置面積を広くしたとしても、レシーバから離れたミラープレートは、前述の光損失が益々大きくなるため高い集光効率を得ることができない。更に、一基のレシーバが反射光を受光できるミラープレートの数には自ら限界があるため、広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配列したときには、一定本数のミラープレートの組ごとに１本の受光ラインを設定し、各受光ライン毎にレシーバＲの設置が必要となり、各レシーバＲごとに受光した反射光の熱を集約して取り出さなければならない。このような理由から従来の線形フレネル型太陽熱集光装置から得られる温度は、せいぜい５００℃程度が限界であった。

こうした、光損失を低減する方法として、特許文献２には、各反射ラインの長手方向とレシーバの長手方向とを共に東西方向に平行に配置する線形フレネル型太陽熱集光システムを提案している。このシステムを先行例２として説明する。図１３において、先行例２のシステムは、要するに、各反射ラインＬ１（Ｌ２、Ｌ３・・・）上の各ミラープレートＨ、Ｈ、・・・を太陽の軌跡に対して東西方向に回転させず、南北方向にのみ回転させて反射光をレシーバに導くというものである。

この方法によれば、南北方向のミラー回転角が１日（朝夕）では数度以内、年間でも±１５°程度と小さいため、前述の光損失を大幅に低減することができる。そのため、南北方向に多数本のミラープレートを配列し、ミラープレートの設置面積を増やせば、レシーバＲに受ける総集熱エネルギー量も増やすことが可能となる。

しかし、先行例２のシステムによるときには、東西方向のミラー角度の調整ができないため、特に朝夕の太陽高度が低い場合は、ミラープレートで集光される線状集光領域が、レシーバ上から大きく外れてしまい、１日の集熱エネルギーの変動が大きいという問題がある。

また、従来の線形フレネル型太陽熱集光装置は、先行例１，２のいずれのシステムであっても、反射ラインとレシーバが並列に配置されているため、レシーバ上に集光される光束は、線上のほぼ一様な照射領域となる。こうした照射領域では６００℃近くの高温に上昇した際に、再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が劣化しやすいという問題がある。

US2009/0056703 A1：出願人Ausra Inc. “LINEAR FRESNEL SOLAR ARRAYS AND COMPONENTS THEREFOR” US2010/0012112 A1：出願人AUSRA PTY LIMITED、 “ENERGY COLLECTOR SYSTEM HAVING EAST-WEST EXTENDING LINEAR REFLECTORS”

Solar 2004:Life, the Universe and Renewables "Steam-circuit Model for the compact Linear Fresnel Reflector Prototype"

解決しようとする問題点は、従来のいわゆる線形フレネル型太陽熱集光装置において、先行例１の方式ではミラープレート上のコサイン損失、ブロッキング、シャドウィング等の光損失が大きいため、発熱温度が５００℃にとどまり、しかも１日の集熱エネルギー変動が大きいことであり、また先行例１の方式では広い範囲にわたって多数本のミラープレートを配設したとしても、レシーバから離れるほど光損失は益々大きくなるため、集光効率に限界があるという点であり、さらには、先行例１，２のいずれの方式であっても、レシーバ上の照射領域では６００℃近くの高温に上昇した際に、再放熱が大きくなり、熱媒体に吸収される熱量の効率が劣化しやすいという点である。

本発明の目的は、こうした従来の線形フレネル型太陽熱集光装置の課題を解決し、６００℃以上の発熱温度を実現するとともに、１日の太陽高度の変化に対しても集光・集熱エネルギー変動を低減したクロスライン型太陽熱集光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によるクロスライン型太陽熱集光装置は、複数の反射ラインを南北方向に並列に配列し、複数の反射ラインの配列に直交して東西方向に１本の受光ラインを設定し、各列の反射ラインにはヘリオスタットが配置され、ミラー面の角度調整により、反射ライン上の各部に入射された太陽光を受光ラインに向けて照射するものである。特に各列の反射ラインには、それぞれ行方向（南北方向）に複数のミラーセグメントを各行方向（南北方向）及び列方向（東西方向）に角度調整可能に設置し、ミラーセグメントに入射して反射した太陽光を受光ライン上のレシーバに集光させることを最大の特徴としている。
なお、従来の線型太陽熱集光装置が反射ラインと受光ラインが平行に配列することによって形成されているのに対し、本発明の線型太陽熱集光装置では反射ラインに交差して配置された受光ラインを有する点でクロスライン型太陽熱集光装置と称している。

本発明装置によれば、太陽光の集光度を同一大きさの面積に設置された従来の線形フレネル型太陽熱集光装置に比べてコサイン損失、ブロッキング、シャドウィング等の光損失を大幅に低減でき、また、光損失を抑えつつ反射ラインを南北方向に拡張することができるため、総合の集光、集熱エネルギー量を比較的容易に向上することができる。

更に、受光ラインには、反射ラインの列の数に関わりなく１基のレシーバを設置すればよく、広範囲に設置されたヘリオスタットからの反射光を１基のレシーバに集中させるため、６００℃以上の高温水蒸気もしくは高温空気を容易に発生させることが可能となり、タワー型の太陽熱集光システムと併用して実に８００℃近傍の高温を低コストで得ることができる。

図１は本発明によるクロスライン型太陽熱集光装置の１実施例を示すヘリオスタットと、レシーバの配置例を示す図である。 図２は反射ラインに配置されたミラーセグメントの配置要領を示す図である。 図３は反射ラインに配置された各ミラーセグメントを南北、東西方向に回転角を調整する要領を示す図である。 図４はレシーバの構成の一例を示す断面図である。 図５ａは受光ライン上のレシーバに備えた集熱パイプの全長の範囲内に５箇所の照射領域Ｆ１〜Ｆ５を設定した例を示す図である。 図５ｂは集熱パイプに対する流体の温度分布Ｔ１と、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両側に非照射領域を確保せずに集熱パイプの特定領域に集中して反射光を照射した時の熱媒体の温度分布Ｔ２との比較を示す図である。 図５ｃは各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両側に非照射領域を確保せずに集熱パイプの特定領域に集中して照射領域Ｆ１〜Ｆ５を配置した場合の図である。 図６は予備加熱手段と、本加熱手段とを組合わせた太陽熱発電システムの太陽熱集光装置の一例を示す図である。 図７は反射ラインに配置されたミラーセグメントの他の配置例を示す図である。 図８は本発明と先行技術との構造の違いを示すもので、図８ａは本発明の構造モデルを示す図である。 図８ｂは先行例１の構造モデルを示す図である。 図８ｃは先行例２の構造モデルを示す図である。 図９は本発明の実施例２，３および先行例１，２の集光シミュレーション結果を示す図である。 図１０は本発明の実施例３によるクロスライン型太陽熱集光装置の上面図を示す図である。 １１ａは従来の線形フレネル型太陽熱集光装置の１例（先行例１）を示す図である。 １１ｂは従来の線形フレネル型太陽熱集光装置の１例（先行例１）を示す図である。 図１２はコサイン損失、ブロッキングの光損失を説明する図である。 図１３は従来の線形フレネル型太陽熱集光装置の他の例（先行例２）を示す図である。

以下に本発明の実施例を図によって説明する。図１において、本発明は、複数本の反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・と、１本の受光ラインＣとの組を有するクロスライン型太陽熱集光装置である。複数本の反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・は、地上の南北方向（Ｓ−Ｎ）に設定された受熱ゾーンＺに並列に設定されたものであり、それぞれの反射ラインにはヘリオスタット１が設置されている。なお、この実施例において、反射ラインは、Ｌ１からＬ８の合計８本の列に設定した例を示しているが、本発明によれば、反射ラインの数は限定されず、任意の本数に設定できる。

各列の反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・に設置されたヘリオスタット１は、ライン上でミラー面の角度調整により、反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・上の各部に入射された太陽光の反射光を受光ラインＣに向けて照射する。

一方受光ラインＣは、各反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・の列を直角に横切って、東西方向（Ｅ−Ｗ）に列の中央上方の定位置に設定され、受光ラインＣには、１基のレシーバ２が設置されている。レシーバ２は、各列のヘリオスタット１から照射された太陽光の反射光を受光して集熱するものである。ヘリオスタットの大きさが１ｍ×２ｍの場合にレシーバ２の設置高さは概ね２０ｍである。

本発明において、複数本の反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・の設定方向は、地上の南北方向（Ｓ−Ｎ）であり、受光ラインＣの方向は東西方向（Ｅ−Ｗ）である。複数本の反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・の設定方向は、地上の南北方向（Ｓ−Ｎ）に正確に合致させる場合はもちろんのこと、反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・に設置されているそれぞれのヘリオスタット１に入光した太陽光の反射光を受光ラインＣに設置されたレシーバ２に有効に受光させることができる限り、配置方向の多少のずれは南北方向の範囲に含まれる。これは受光ラインＣについても同じである。ヘリオスタット１からの太陽光の反射光をレシーバ２に有効に受光させることができる限り、受光ラインＣの配置方向の多少ずれは東西方向の範囲に含まれる。

図２に、各列の反射ラインを代表して、反射ラインＬ１上に設置されたヘリオスタット１の構成を示す。本発明において、反射ラインＬ１上には、ヘリオスタット１として、複数個のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・が地上の一定の範囲にわたり、行方向に配置されたものである。各列の反射ラインＬ２，Ｌ３、・・・にも同様に複数個のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・が行方向に配列され、その結果、受熱ゾーンＺには行方向に整列してミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・が設置されるものである。

同じ列のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、図３に示すように行方向（南北方向）に沿った主回転軸Ｘに共通に取り付けられ、主回転軸Ｘは、列方向駆動装置３によって列方向（東西方向）に回転制御され、各列のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、回転軸Ｘを中心に転回角が調整される。

一方、各行のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、それぞれ受光ラインＣに直交する方向（東西方向）の個別軸Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、・・・毎に取り付けられた行方向駆動装置４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・によって個別に回転制御され、それぞれの個別軸Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、・・・を中心に回転角度が行方向（南北方向）に個別に調整される。以上各列の反射ラインを代表して、反射ラインＬ１上に設置されたヘリオスタット１についての回転角の調整要領を説明したが、他の反射ラインＬ２、Ｌ３、・・・上に設置されたヘリオスタット１（ミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・）についても同じである。

各列のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、例えば反射ラインの方向（南北方向）の長さが１ｍ、横方向（東西方向）の長さが２ｍといった定型のモジュールに設定される。図１は、１例として図２に示すように直列に配列された５枚のミラーセグメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・１ｅを１組のユニットとし、各列の中央位置を挟んで各反射ライン上Ｌ１、Ｌ２、・・・に２組のユニットを直列に配列した例を示している。もっとも、１組を構成するミラーセグメントの数は５枚に限定されるものでなく、各反射ラインに配列するユニットの数は２組に限られるものではない。

また、本発明において、東西方向に設置された受光ラインを境に、北方向と南方向の反射ラインの長さは必ずしも対称である必要はなく、例えば北半球に本発明のクロスライン型太陽熱集光装置を設置する場合は、太陽の軌跡は受光ラインに対して南側を通るため、反射ラインの長さは南側よりも北側に長く配置し、北側のミラー設置面積をより広く採ることにより集光、集熱効率は高くなる。反対に南半球に本発明のクロスライン型太陽熱集光装置を設置する場合は、反射ラインの長さは北側よりも南側に長く配置することにより集光、集熱効率は高くなる。

また、前記の複数本の反射ラインにおいて、反射ラインが設置される土地占有領域は、行方向（南北方向）が列方向（東西方向）よりも長く設置することができる。東西方向にレシーバを設置し、ミラーセグメントを角度調整し受光ラインを照射する構成をとることにより、行方向（南北方向）に反射ラインを延伸させることにより、従来の線形フレネル型太陽熱集光装置に比べ光損失が少ない集光光学系が提供できる。そのため、南北方向に拡張したミラーセグメントを構成することにより、ロスが少なく高い集熱エネルギーを得ることができる。また東西方向のレシーバを従来の線形フレネル型太陽熱集光装置より短く設定できるため、吸収した熱の再放熱による熱損失を低減することが可能となる。

図４に、レシーバ２の実施例を示す。この実施例において、１基のレシーバ２は、熱媒体（空気、蒸気など）を内部に充填した集熱パイプ（ステンレスパイプなど）６、６、・・・の複数本を並列に有し、ヘリオスタットの全列（この実施例ではＬ１〜Ｌ８）上を跨ってその上方に配置され、その一端は、図１に示す熱供給源５に接続されている。集熱パイプ６は、ヘリオスタット１からの反射光を受光し、反射熱で加熱された熱媒体を集熱して熱供給源５に供給する。

この実施例において、数本の集熱パイプ６の上方を断熱外壁７で覆い、集熱パイプ６の列の直下に、キャビティウィンドウ機能を有する吸熱網８を設定している。断熱外壁７は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプ６、６、・・・の組を内包し、その下面が吸熱網８で塞がれているものである。断熱外壁７の両縁を吸熱網８の端縁から下向きに張り出させることによって、断熱外壁７内での上昇気流による対流熱損失をかなり抑えることができる。

吸熱網８は一定の厚みがある井桁あるいはハニカム構造等を有するステンレスメッシュであって、ヘリオスタットからの反射光はメッシュ壁を通して内側に透過するが、その放射光はメッシュ壁の内側からは出にくい構造となっている。

本発明において、レシーバ２を構成する集熱パイプ６の全長にわたり、一定の間隔をおいて交互に照射領域と非照射領域とに区画し、各照射領域にのみ、各反射ラインのミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・からの反射光を照射して集熱パイプ内の流体への伝熱効率の増大を図ることが望ましい。図５ａは、受光ラインＣ上のレシーバ２に備えた集熱パイプ６（長さＰｌ）の全長の範囲内に５箇所の照射領域Ｆ１〜Ｆ５を設定した例である。

各照射領域Ｆ１〜Ｆ５のそれぞれの領域の間には、一定の長さの範囲に非照射領域ｄが確保され、照射領域Ｆ１〜Ｆ５が集熱パイプ６の長さＰｌのほぼ全長にわたってほぼ均等に分散して配置されている。各照射領域Ｆ１〜Ｆ５に対しては、各反射ラインのミラーセグメント１ａ、１ａ、・・・に照射された反射光が集熱パイプ６に照射され、集熱パイプ６内の熱媒体が加熱され、照射領域Ｆ１を始端、照射領域Ｆ５を終端として各照射領域Ｆ１〜Ｆ５にて加熱された熱媒体は非照射領域ｄを通過する際にもそれぞれの非照射領域ｄに蓄熱された熱で加熱され、終端の照射領域Ｆ５から図１に示す熱供給源５に向けて送り出される。さらに非照射領域ｄを断熱した場合には、この部分から外部への熱輻射が抑制されるため集熱パイプ６内の熱媒体をより高温に加熱して熱供給源に向けて送り出すことが可能である。

図５ｂは、集熱パイプ（長さＰｌ）に対する熱媒体の温度分布Ｔ１を示すグラフである。比較のため、図５ｃに示すように各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両側に非照射領域を確保せずに集熱パイプの特定領域に集中して反射光を照射した時の熱媒体の温度分布Ｔ２を示す。両温度分布を比較して明らかなように、照射領域Ｆ５を越えた位置での集熱パイプ６内の熱媒体の温度分布は、Ｔ１＞Ｔ２である。

本発明によれば、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５の両端に非照射領域ｄを確保することによって、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５が加熱された場合に、集熱パイプ６の各照射領域Ｆ１〜Ｆ５からそれぞれの照射領域両端の非照射領域ｄに伝熱され、照射領域から直接集熱パイプ内部の熱媒体への熱移動に加え、非照射領域２ｄから熱媒体への熱移動が生じ、高温に加熱された集熱パイプ６と熱媒体との接触時間が増加し、その結果、集熱パイプから内部熱媒体への移動熱量が増大して高温流体を熱供給源５へ送り込むことができる。なお、各照射領域Ｆ１〜Ｆ５および各照射領域Ｆ１〜Ｆ５間の各非照射領域ｄの長さは制約されず、集熱パイプ６（長さＰｌ）の全長の範囲内で各照射領域Ｆ１〜Ｆ５は均等又は不均等に自由に設定できる。

図１において、各反射ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３・・・上に配列されたミラーセグメント１ａ、１ｂ、・・・は、東西方向には列ごとに回転角が制御され、南北方向には、個別に回転角が制御され、それぞれ南北方向、東西方向に回転角度が調整されて太陽からの直射光を受光し、その反射光を上方のレシーバ２に向けて照射する。

各列、各行のミラーセグメント１ａ、１ｂ、・・・からの反射光は、レシーバ２の吸熱網８を通して断熱外壁７に囲まれた空間内に透過し、集熱パイプ６を通してその内部に充填された熱媒体を加熱し、集熱パイプ６内を透過する間に繰り返し高温に加熱されて熱供給源５に送り込まれる。熱供給源５内では例えば高温蒸気を生成して蒸気タービン発電に利用したり、あるいは吸熱化学反応によって、化学エネルギー燃料に加工される。

以上実施例においては、反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・に沿って配列されたミラーセグメントの間隔は、レシーバ２に対する距離の大小に関わりなく一定間隔に配列する例を示した。

しかしながら、レシーバ２に近い位置では受光ライン上の前後のミラーセグメント間のブロッキング等による光損失は少ないが、レシーバ２からの距離が増大するにしたがって前後のミラーセグメント間のブロッキング等による光損失が大きくなる。前後のミラーセグメント間のブロッキング等の光損失を防止するには、ミラーセグメントの列方向の前後の間隔を、受光ラインに近い側では間隔を狭く、受光ラインから離れるにしたがって間隔を広く設定することが望ましい。

なお、受光ラインＣの位置から遠くなるほど、反射光のブロッキングが出るため、レシーバ２を設置する受光ラインＣの位置を挟んでその南北に配置するミラーセグメントの前後の間隔を変化させることによって、ミラーセグメント間にスペースを確保することが望ましい。しかしながら、必ずしも前後のミラーセグメントごとに間隔を変化させる必要はなく、受光ラインＣにもっとも近い位置から順に幾つかのゾーンに区画し、各ゾーンに含まれるミラーセグメントの数を変化することによって対応できる。

以上のように本発明によれば、東西方向の受光ラインＣにレシーバ２が設置され、反射ラインＬ上のミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・を角度調整し、ミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・に受光した太陽光を受光ラインＣを照射する構成のため、太陽軌道を追尾する際に、ミラーセグメントの南北方向の角度調整量は、１日で数度以下、１年通しても十数度以下（ミラー角度調整量は地軸２３．４度の約１／２）と小さく、ミラー角度変動に伴う光損失が非常に小さい。

また、ミラーセグメントの東西方向の角度調整量は、受光ラインのライン上に沿って集光すれば良いので、南中時の太陽入射光に対するミラー設定角度が従来に比べて小さくコサイン損失が少ない。
更に１日の太陽高度変化に対しても光損失の変動が少ないため、１日の集熱エネルギー変動も小さく抑えることができる。

本発明によるクロスライン型太陽熱集光装置を中継機とし、さらに高集熱能力を有する太陽熱集光装置と組み合わせることで予備加熱した熱媒体をさらに高温に加熱することができる。図６は、本発明による４基のクロスライン型太陽熱集光装置１０ａ〜１０ｄをタワー型太陽熱集光装置１１の中継機に用いた例である。この組合わせによれば、３００℃に予熱された熱媒体を４基のクロスライン型太陽熱集光装置１０ａ〜１０ｄに分散させて加熱することによって熱媒体温度を６００℃に昇温でき、さらに各クロスライン型太陽熱集光装置１０ａ〜１０ｄで加熱された熱媒体をタワー型太陽熱集光装置１１に得られた集光熱で加熱して最終的に８００℃の高温の熱媒体が得られた。

タワー型太陽熱集光装置１１を単独で一気に集光、集熱して温度上昇させる方式では、例えば集熱量１００ＭＷクラスのプラントを実現するためには、タワー高さは１００ｍを超え、ヘリオスタットフィールドも数ｋｍにも及ぶ。そのため、建設コストも膨大となり、低コストな電力供給を行うことが困難である。

そこで、前述のように本発明のクロスライン型太陽熱集光装置を予備加熱手段に用い、本加熱手段として前記クロスライン型太陽熱集光装置より高温集光に適した他の形式の太陽熱集光装置、例えばタワー型等の太陽熱集光装置を組合わせて２段階の加熱により、目的の高温にまで昇温することが可能となり、しかも再放熱などの集熱エネルギーロスが少なく、且つ建設コストと土地面積を低減して大出力の太陽熱集光装置を実現することができる、得られた高温の熱媒体の熱は、太陽熱発電用の熱源、化学反応の反応熱などに活用できる。
以下に本発明の実施例を示す。

図７は反射ラインの長さ２１０ｍの中央位置の高さ２０ｍの位置を受光ラインＣとしてレシーバ２を設置し、受光ラインＣの前後１０５ｍの範囲を３等分し、受光ラインＣに最も近い位置から順に３５ｍずつＤ１ゾーン、Ｄ２ゾーン、Ｄ３ゾーンに区画し、各ゾーンのミラーセグメントの数をＤ１ゾーンには、３４枚、Ｄ２ゾーンには３０枚、Ｄ３ゾーンには２６枚、レシーバ幅０．５ｍに設定して太陽光を受光した。その結果、日照強度０．８ｋＷ／ｍ^２でのレシーバ入力熱量は４００ｋＷ／ｍ^２程度であった。

これを７０ライン並べて、レシーバの一端（入口）より室温の空気ガスを１０気圧で注入するパイプ２０本をレシーバ内に配置する。空気流速をおよそ２．５ｍ／ｓｅｃとすることにより、７０ライン通過後のレシーバ出口の空気温度をほぼ７００℃に加熱することができた。この時のレシーバ入口の集光エネルギー４００ｋＷ／ｍ^２は、通常の線形フレネル型太陽熱集光装置と比較すると、５−１０倍である。また、この７０ラインのトータルの集光パワーは２５ＭＷであった。

実施例２としてレシーバ上における照射エネルギーの１日の変化のシミュレーションを行った。なお、比較のため、先行例１，２についても同様のシミュレーションを行った。シミュレーションに際し、本発明の太陽熱集光装置および先行例１，２の太陽熱集光装置の構成モデルを以下の条件に統一して設定した。図８に本発明の構造モデル及び先行例１，２の構造モデルを示す。図８ａは本発明の構造モデル、図８ｂは先行例１の構造モデル、図８ｃは先行例２の構造モデルを示す図である。

各モデルの太陽熱集光装置についてシミュレーションを実施した日、場所、シミュレーションの設定条件は以下のとおりである。
・日付：春分(2011/3/21)
・場所：スペイン アルメニア地方 (緯度: 36.84°北 / 経度: 2.47°西)
ミラーセグメントの総面積：６４ｍ^２
・レシーバ長さ：１１ｍ
・レシーバ高さ：地表から５ｍ

図９にレシーバ上における照射エネルギーの１日の変化を本実施例２と先行例１，２とを比較したシミュレーション結果を示す。
東西方向にレシーバを設置し、かつミラーセグメントを角度調整し受光ラインを照射する構成とした本発明の太陽熱集光装置を用いて太陽軌道を追尾させたときのミラーセグメントの南北方向の角度調整量は、先行例１、２の太陽熱集光装置を用いたときに比べて１日で数度以下、１年通しても十数度以下（ミラー角度調整量は地軸23．4度の約１／２）と小さく、ミラー角度変動に伴う光損失が非常に小さいという結果が得られた。また、ミラーセグメントの東西方向の角度調整量は、受光ラインのライン上に沿って集光すれば良いので、南中時の太陽入射光に対し、ミラー設定角度が従来に比べて小さくコサイン損失が少ない。更に１日の太陽高度変化に対しても光損失の変動が少ない。

さらに、先行例１の太陽熱集光装置に比べ、本発明の太陽熱集光装置によれば、南中時（１２時頃）の照射エネルギーが高く、しかも朝夕の照射エネルギーの立ち上がりも急峻となるため、先行例２の太陽熱集光装置に比べても１日の積算照射エネルギーの総量が多く、レシーバの集熱パイプ内の熱媒体の温度を７００℃近くに長時間確保することが可能となる。

図１０に示すように東西方向（Ｅ−Ｗ）に設定された受光ラインＣを境にミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・を南側よりも北側に多く非対称に配置し（南側１に対し、北側７）、反射ラインＬ１、Ｌ２、・・・が設置される領域を、行方向（南北方向）が列方向（東西方向）よりも長く設定した場合について、レシーバ２上における照射エネルギーの１日の変化をシミュレートした。そのシミュレーションの結果を実施例３として図９に示している。図９から明らかなように、緯度に応じて、ミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・の設置を南北非対称とするような構成とすることにより、ミラーセグメント１ａ，１ｂ・・・の設置場所が北緯（北半球）の場合には実施例３のように北側のミラーを多く、南緯（南半球）の場合は南側が多くすることによって、各ミラーに対してコサイン損失をより小さくでき、照射エネルギーを増大させることができる。

また、南北非対称とすることにより南北方向が長くなる北側のミラー間隔はブロッキングによる損失を軽減することができる。図９に明らかな通り、実施例３と、先行例１との比較（特に南中時付近）から照射エネルギーが増大していることがわかる。

本発明によれば、南北方向に設定された各反射ライン上のミラーセグメントからの反射光を、各反射ラインの列を横切ってその上方に設定された受光ライン上のレシーバに向けて照射するため、反射ラインの列の数の制約を受けることなく、広大な範囲から１基の受光ライン上のレシーバに集熱することが可能であり、太陽光の集光度が高まり、従来の線形フレネル型太陽熱集光装置に比べて１０〜３０倍の集光度を容易に実現できる。

また本発明によれば、レシーバを設定する受光ラインの高さを５〜３０ｍの範囲に設定して１００ＭＷクラスの集熱器の設計が可能であり、５００℃〜６００℃の高温の水蒸気を容易に得ることができる。また、タワー型の太陽熱集光装置に比べて土地面積の利用率は２〜３倍高く、コンパクトな発電所建設が可能となる。

本発明によれば、集光した太陽熱エネルギーを化学反応の吸熱反応に利用した燃料生産や、安定した発電電力の供給が可能となり、さらには、一酸化炭素からメタノールを合成する技術に適用してメタノール製造工程における二酸化炭素の排出を大幅に削減することが可能となるなど、太陽熱発電、化学プラントはもとより、海水淡水化技術など各種の技術分野に広く活用することができる。

Ｌ１，Ｌ２・・・ 反射ライン、Ｃ 受光ライン、Ｚ 受熱ゾーン、１ ヘリオスタット、１ａ,１ｂ,１ｃ ミラーセグメント、２ レシーバ、３ 列方向駆動装置、４ａ,４ｂ・・・ 行方向駆動装置、５ 熱供給源、６ 集熱パイプ、７ 断熱外壁、８ 吸熱網

Claims (11)

1. 複数本の反射ラインと、１本の受光ラインとを有するクロスライン型太陽熱集光装置であって、
   複数本の反射ラインは、地上の南北方向に並列に設定されたものであり、それぞれの反射ラインには複数枚のミラーセグメントで構成されるヘリオスタットが設置され、
   受光ラインは、反射ラインに直交した東西方向に、且つその上方の定位置に設定され、
   受光ラインには１基のレシーバが設置され、
   各列の反射ラインに設置されたヘリオスタット上のミラーセグメントが角度調整されることにより、反射ライン上の各部に入射された太陽光の反射光を受光ラインに向けて照射するものであり、
   受光ライン上のレシーバは、ヘリオスタットから照射された太陽光の反射光の熱を集熱するものであることを特徴とするクロスライン型太陽熱集光装置。
2. 前記受光ライン上のレシーバは、内部に熱媒体が封入された集熱パイプを有し、
   集熱パイプは、反射ラインのミラーセグメントからの反射光が照射される照射領域とその両端に確保された非照射領域とに区画されているものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
3. 前記照射領域は、太陽光の反射光により加熱されて照射領域から非照射領域に伝熱し、前記伝熱パイプ内の熱媒体に熱移動を生じさせる領域であることを特徴とする請求項２に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
4. 各反射ライン上に設置されたミラーセグメントは、それぞれ南北方向および東西方向の転回角度の調整が可能であることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
5. 各反射ライン上に設置されたミラーセグメントは、行方向（南北方向）に整列して配列され、東西方向および南北方向への転回角度の調整が可能であり、反射ライン上に設置された列方向（東西方向）の各ミラーセグメントの回転角は共通に調整され、行方向に配列される各ミラーセグメントの回転角は個別に調整されるものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
6. 前記ミラーセグメントは、行方向（南北方向）の長さが列方向（東西方向）の長さの２倍の定型のモジュールに設定され、直列に配列された数枚のミラーセグメントを１組とし、受光ラインの位置を挟んで各反射ライン上にそれぞれ向き合わせに配列されているものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
7. 前記ミラーセグメントの行方向（南北方向）の前後の間隔は、受光ラインに近い側では間隔が狭く、受光ラインから離れるにしたがって間隔は広く設定されて前後のミラーセグメント間のブロッキング、シャドウィング等の光損失を低減させるための間隔であることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
8. 線型太陽熱集光装置が北半球に設置される場合に、前記東西方向に設置された受光ラインを境にした前後反射ラインの長さは南側よりも北側に長く設定され、南半球に設置する場合には、前記東西方向に設置された受光ラインを境にした前後反射ラインの長さは北側よりも南側に長く設定されるものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
9. 前記１基のレシーバは、熱媒体を内部に充填した集熱パイプを有し、ヘリオスタットの全列を跨ってその上方に配置され、その一端は熱供給源に接続されているものであり、
   集熱パイプは、ヘリオスタットからの反射光を受光し、加熱された熱媒体を集熱するものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
10. 前記１基のレシーバは、数本の集熱パイプを並列に有し、集熱パイプの列の上方を、断熱外壁で覆い、集熱パイプの列の直下に、キャビティウインドウ機能を有する吸熱網が設置され、
    断熱外壁は、断面円弧状のカバーであり、並列に配列された集熱パイプの組を内包し、
    断熱外壁の両縁は、吸熱網の端縁から下向きに張り出させたものであり、
    吸熱網が、一定の厚みのある井桁あるいはハニカム構造を有するステンレスメッシュであって、ヘリオスタットからの反射光はメッシュ壁を通して内側に透過するが、その放射光はメッシュ壁の内側からは出にくい構造となっているものであることを特徴とする請求項１に記載のクロスライン型太陽熱集光装置。
11. 予備加熱手段と、本加熱手段とを組合わせた太陽熱集光装置であって、
    予備加熱手段は、中継機として請求項１に記載された前記クロスライン型太陽熱集光装置を用い、目的の温度より低温の第１の温度にまで加熱する手段であり、
    本加熱手段は、前記クロスライン型太陽熱集光装置より高温集光に適した他の形式の太陽熱集光装置を用いて目的の温度である第２の温度まで昇温させる手段であることを特徴とする太陽熱集光装置。

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