JP2012021409A - 太陽熱受熱器及び太陽熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングの開口部によって生じる熱損失を抑制する。
【解決手段】太陽光が入射する開口部４４を有するケーシング４１と、ケーシング４１の内部に設けられ、開口部４４から入射した太陽光から熱を受けて熱媒体を昇温させる受熱部５１と、開口部４４の周囲の少なくとも一部に設けられ、開口部４４の中心側に向けて外部から供給されたガスを噴き出させるガス噴出部６０とを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽熱受熱器及び太陽熱発電装置に関する。

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、外部に取り出して利用可能な有効エネルギーが低い。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（例えば、特許文献１参照）。

ところで、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太陽熱受熱器の組合せにより集光・集熱を行う。集光装置と太陽熱受熱器の組合せ方式として、一般的にトラフ集光方式とタワー集光方式という二種類の方式がある。
トラフ集光方式とは、半円筒型のミラー（トラフ）によって太陽光線を反射させ、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。しかしながら、トラフ集光方式では、ミラーが太陽光線を追尾するよう向きを変えるものの一軸制御であるため、熱媒体の高い温度上昇を期待することはできない。

これに対して、タワー集光方式とは、地上から立設されたタワー部（支持部）上に太陽熱受熱器を配置するとともに、タワー部の周囲を取り囲むようにヘリオスタット（太陽光集光システム）と呼ばれる集光用の反射光制御鏡を複数配置し、これらヘリオスタットで反射される太陽光線を太陽熱受熱器に導くことで集光・集熱するものである。近年では、発電サイクルの更なる高効率化を図るという観点から、太陽熱受熱器で熱交換される熱媒体について、より高温化が可能なタワー集光方式の発電装置（タワー集光装置）の開発が盛んに行われている。

特許第２９５１２９７号公報

ところで、上記タワー集光方式における太陽熱受熱器においては、開口部を有するケーシングの内部に熱媒体が流通する受熱管を配設し、開口部から太陽光を入射させると共に、この入射した太陽光から受熱管で熱を受けて熱媒体を昇温させるのが通常であるが、開口部の向きや気流の影響により、ケーシングの内部の空気が外部に漏出して熱損失が生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ケーシングの開口部によって生じる熱損失を抑制することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る太陽熱受熱器は、太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、前記ケーシングの内部に設けられ、前記開口部から入射した太陽光から熱を受けて熱媒体を昇温させる受熱部と、前記開口部の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記開口部の中心側に向けて外部から供給されたガスを噴き出させるガス噴出部とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、開口部の周囲に、開口部の中心側に向けてガスを噴き出させるガス噴出部を備えるので、開口部の開口方向に交差する仮想面に沿ってガス噴流が形成される。これにより、開口部において、ガス噴流が、ケーシングの内部と外部との間における空気の流通を妨げる（ガスカーテン効果）。従って、ガス噴出部を設けない場合に比べて、ケーシングの内部と外部との間における空気の置換流量を低減することができる。よって、ケーシングの開口部によって生じる熱損失を抑制することができる。

また、前記ガス噴出部は、前記開口部の内周部に形成され、前記開口部の周方向に延びるスリット口を有することを特徴とする。
この構成によれば、開口部の内周部に形成されて周方向に延びるスリット口を有するので、開口部の周囲のうち開口部中心に最も近接する位置からガス噴流が噴き出すこととなる。これにより、ガスの噴き出し位置から、開口部中心又は内周部のうち開口部を挟んだ反対位置までの距離を短くすることができるので、これら開口部中心又は反対位置までガス噴流が到達し易くなる。
また、ガスの流路断面がスリット幅に狭められることで、ガス噴流の流速を高めることができるので、ガスカーテン効果を高めることができる。

また、前記ガス噴出部は、前記スリット口に沿って設けられ、前記スリット口に連通すると共に前記ガスが供給されるヘッダを有することを特徴とする。
この構成によれば、スリット口に連通すると共にガスが供給されるヘッダを備えるので、ヘッダに対してガスを流入させるガス流入部の数や形状、ガス圧力の影響を緩和して、ヘッダ内のガス圧力を略一定にする。これにより、スリット口の延在方向（開口部の周方向）に亘って、ガス噴流の流速を均一的にすることができる。

また、前記ガス噴出部は、前記ガスの噴出方向を変更可能に構成され、前記ケーシング外部の気流の方向を検出する気流センサと、前記気流センサの検出結果に基づいて、前記気流に沿うように前記ガスの噴出方向を変更する制御部とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、気流センサの検出結果に基づいて、気流に沿うようにガスの噴出方向を変更するので、ガス噴流が気流と干渉し難くなってガス噴流に乱れが生じ難くなる。これにより、ガスカーテン効果を安定して得ることができる。

また、前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記受熱部で昇温した熱媒体が供給されることを特徴とする。
この構成によれば、ガス噴出部に供給されるガスの少なくとも一部として、受熱部で加熱された熱媒体が供給されるので、ガス噴流の温度を高めることができる。これにより、ガス噴流の一部がケーシングの内部に流入したとしても熱損失が生じることを抑えることができる。

また、本発明の太陽熱発電装置は、上記のうちいずれかに記載の太陽熱受熱器と、前記太陽光受熱器で加熱される前記熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットとを備え、前記ガスタービンユニットは、前記熱媒体を前記受熱部に送り込む圧縮機と、前記受熱部から導出される前記熱媒体が供給されるタービンと、前記タービンの駆動力を電力へと変換する発電機とを備えていることを特徴とする。
この構成によれば、上記のうちいずれかの太陽熱受熱器を備えるので、ケーシングの開口部によって生じる熱損失を抑制することができ、受熱部の放熱を抑制することができる。これにより、受熱部を通過する熱媒体を確実に昇温させると共に、昇温させた熱媒体をタービンに安定的に供給するので、高効率な発電を安定して行うことができる。

また、前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記タービンから排出された排気ガスが供給されることを特徴とする。
この構成によれば、ガス噴出部に供給されるガスの少なくとも一部として、タービンから排出された排気ガスが供給されるので、ガス噴流の温度を高めることができる。これにより、ガス噴流の一部がケーシングの内部に流入したとしても熱損失が生じることを抑えることができる。

また、気体を圧縮する流体機械を備え、前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記流体機械で圧縮された気体が供給されることを特徴とする。
この構成によれば、気体を圧縮する流体機械を備え、ガス噴出部に供給されるガスの少なくとも一部として流体機械で圧縮された気体が供給されるので、ガス圧力の調整を容易に行うことができる。

また、前記ガスタービンユニット及び前記太陽光受熱器は、地上に立設されたタワー部上に設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、ガスタービンユニット及び太陽光受熱器が地上に立設されたタワー部上に設けられているので、熱媒体を高温に昇温させることができ、発電サイクルの更なる高効率化を図ることができる。

本発明によれば、ケーシングの開口部によって生じる熱損失を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る太陽熱発電装置１００とヘリオスタット２との位置関係を示す側面図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱発電装置１００とヘリオスタット２との位置関係を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０の要部断面図であって、（ａ）が上面から見た断面図、（ｂ）は側面から見た断面図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０の一部を破断して示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る受熱部４２の斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０を下方側から見た外観斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０の要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０の概略断面図である。 本発明の第一実施形態に係る効果説明図であって、開口部４４の内径Ｄ_ｒ及びスリット口６１のスリット幅δの比δ／Ｄ_ｒと、太陽光入射熱量Ｑ_ｒ及び開口部４４によって生じる損失熱量Ｑ_ｌの比Ｑ_ｌ／Ｑ_ｒとの関係を示したグラフである。 本発明の第一実施形態に係る太陽熱受熱器１０の変形例を示す概略断面図である。 本発明の第二実施形態に係る太陽熱発電装置１０１の太陽熱受熱器８０の概略断面図である。 本発明の第二実施形態に係る太陽熱受熱器８０の要部拡大図であって、図１１におけるＰ矢視図である。なお、図１２においては、受熱管５１の図示を省略している。 本発明の第一実施形態及び第二実施形態の変形例を示す図であって、太陽熱発電装置１００とヘリオスタット２との位置関係を示す側面図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では、本発明に係る太陽熱受熱器と、太陽熱受熱器により加熱された熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットとが一体的に構成された太陽熱発電装置を例にして説明する。

（第一実施形態）
（太陽熱発電装置）
図１及び図２は、本発明の第一実施形態に係る太陽熱発電装置１００とヘリオスタット２との位置関係を示す説明図であり、図１は側面図、図２は平面図を示している。なお、地球上で太陽熱発電装置の立地に適する場所は、太陽からの直達日射が強く良好な回帰線に近い亜熱帯高圧帯の乾燥地域である。そこで、まず第一実施形態の太陽熱発電装置では、特に亜熱帯高圧帯の中における低緯度地域に配置される全周配置方式の太陽熱発電装置について説明する。

図１において、符号１で示すものは、グランドＧに設けられたヘリオスタットフィールドである。このヘリオスタットフィールド１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２が配置され、また、ヘリオスタットフィールド１の中央部には、ヘリオスタット２で導かれた太陽光線（図１中矢印Ｈ１，Ｈ２）を受けるタワー状の太陽熱発電装置１００が設けられている。すなわち、ヘリオスタット２は、太陽熱発電装置１００の約３６０度全周を囲むように配置されている（図２参照）。

太陽熱発電装置１００は、グランドＧに立設されたタワー部３と、タワー部３上に設置されたハウジング１２と、ハウジング１２内に収納された太陽熱受熱器１０及びガスタービンユニット１１とを備えている。
ハウジング１２は、軸方向と鉛直方向とが一致した状態で配置された有底筒状のものであり、上面は閉塞される一方、下面における径方向中央部には、グランドＧに向けて開放された開放部１５が形成されている。また、ハウジング１２内には、軸方向における上部と下部とを仕切る仕切壁１６が設けられており、仕切壁１６で仕切られた上部空間はガスタービンユニット１１が配置されたタービン室１７、下部空間は太陽熱受熱器１０が配置された集光室１８として構成されている。

タワー部３は、グランドＧからハウジング１２の下面に向かって立設された複数（例えば、四本）の支柱２１を備えている。これら支柱２１は、ハウジング１２の下面における外周側に周方向に沿って等間隔に連結されている。
また、タワー部３は各支柱２１間を架け渡すように連結された梁部２２を備えている。

（ガスタービンユニット）
図３の（ａ）は太陽熱発電装置を上面から見た断面図、（ｂ）は側面から見た断面図である。
図３に示すように、ガスタービンユニット１１は、ハウジング１２のタービン室１７内に収納されており、圧縮機２３及びタービン２４からなるガスタービン２５と、吸気フィルター２６と、再生熱交換器２７と、発電機２８とを主に備えている。

ガスタービン２５は、減速機３１を介して発電機２８に連結された回転可能なロータ３０を備え、このロータ３０に対して同軸上に配置されるように圧縮機２３及びタービン２４が取り付けられている。

圧縮機２３は、ハウジング１２の外部に設けられた図示しない供給源から空気供給路３５を流通して供給される空気を、ハウジング１２の空気取込口２９から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成するものである。圧縮機２３には、圧縮機２３で圧縮された圧縮空気が太陽熱受熱器１０の上流端に向けて流通する受熱器供給路３２が接続されている（図４中矢印Ｆ１参照）。そして、太陽熱受熱器１０で加熱された圧縮空気は、太陽熱受熱器１０の下流端に接続されたタービン供給路３３を通ってタービン２４に供給されるようになっている（図４中矢印Ｆ２参照）。

タービン２４は、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーをロータ３０の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させるものである。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力されることで、発電が行われるようになっている。そして、タービン２４内を流通した圧縮空気は、排出ガスとなって空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。
なお、空気排出路３４を流通する排出ガスは、図３に示すように、再生熱交換器２７の下流側において、分岐管（ガス流入部）３６によって一部が分岐されてガス噴出部（後述する。）６０に供給される（図４中矢印Ｆ３参照）。

吸気フィルター２６は、空気供給路３５上における供給源と圧縮機２３との間に配置され、供給源から供給される空気中に含まれる塵埃等を圧縮機２３に供給される前段で除去する。
また、再生熱交換器２７には、受熱器供給路３２と空気排出路３４とが接続されており、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気と、空気排出路３４内を流通する排出ガスとの間で熱交換を行い、受熱器供給路３２内を流通する圧縮空気が太陽熱受熱器１０に供給される前段で予備加熱されるようになっている。

（太陽熱受熱器）
図４は、太陽熱受熱器１０の一部を破断して示す斜視図である。
太陽熱受熱器１０は、ハウジング１２の集光室１８に収納されており（図３（ｂ）参照）、図４に示すように、ケーシング４１と、圧縮機２３から送り込まれる圧縮空気が流通する受熱部４２とを備えている。
ケーシング４１は、軸方向がハウジング１２の軸方向に一致した状態で配置された有底筒状のものである。このケーシング４１は、略一定の内径で形成された周壁部４８と、この周壁部４８の上部を閉塞する天壁部４３と、周壁部４８の下部に形成され、下方に進むに従って内径が漸次縮小するテーパ壁部４６と、テーパ壁部４６の最下部に形成された端壁部４９とで概略構成されている。そして、端壁部４９にはグランドＧに向けて鉛直方向に開口する開口部４４が形成されている。

ケーシング４１の天壁部４３と仕切壁１６とは、複数のフック部材４５（図３（ｂ）参照）により連結されており、これらフック部材４５によりケーシング４１は仕切壁１６から吊り下げられた状態で集光室１８内に収納されている。なお、後述するがフック部材４５の下端部はケーシング４１を貫通しており、受熱部４２にも連結されている。すなわち、太陽熱受熱器１０のケーシング４１及び受熱部４２は、ともに同一のフック部材４５により支持されている。

また、ケーシング４１の端壁部４９における下面の位置は、鉛直方向においてハウジング１２の下面と同位置に配置されており、ヘリオスタット２で反射された太陽光線は、開口部４４からケーシング４１の内部に取り込まれるようになっている。
なお、ケーシング４１の内壁面には、全域に亘って断熱材４７（図４参照）が取り付けられている。

図５は受熱部４２の斜視図である。
図３〜図５に示すように、受熱部４２は、複数の受熱管５１と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向上流端がまとめて接続された低温側ヘッダ（熱媒体導入ヘッダ）５２と、複数の受熱管５１における圧縮空気の流通方向下流端がまとめて接続された高温側ヘッダ（熱媒体導出ヘッダ）５３とを備えている。
低温側ヘッダ５２は、ケーシング４１のテーパ壁部４６を囲むように配置された環状の部材であり、その外周面には圧縮機２３と受熱部４２との間を接続する複数の受熱器供給路３２が設けられている。受熱器供給路３２は、低温側ヘッダ５２の周方向に沿って等間隔に配置されており、受熱器供給路３２から低温側ヘッダ５２内に供給された圧縮空気が低温側ヘッダ５２の全域に行き渡るようになっている。

高温側ヘッダ５３は、ケーシング４１の内部において天壁部４３の外周側に沿って配置された環状の部材である。高温側ヘッダ５３の内周側には、径方向中心に向かって延出する複数（例えば、四本）の流出管５５が周方向に沿って等間隔に形成されている。これら流出管５５は、高温側ヘッダ５３の径方向中心で集合してタービン供給路３３を構成している。そして、タービン供給路３３は、天壁部４３及び仕切壁１６を鉛直方向に沿って貫通してタービン室１７内を望むように延出しており、その下流端でタービン２４に接続されている。なお、高温側ヘッダ５３には、上述した複数のフック部材４５が連結されており、これにより受熱部４２が仕切壁１６に吊り下げ支持されている。

図５に示すように、受熱管５１は、その軸方向が鉛直方向に一致するように配置された部材であり、ケーシング４１の周壁部４８における内壁面に沿って周方向全周に亘って複数配列されている。各受熱管５１の下端部（上流端）は、テーパ壁部４６を貫通して低温側ヘッダ５２の上部にそれぞれ接続される一方、上端部（下流端）はケーシング４１の内部で高温側ヘッダ５３の下部にそれぞれ接続されている。すなわち、低温側ヘッダ５２を流通する圧縮空気は各受熱管５１内に分散され、各受熱管５１内で加熱された後、再び高温側ヘッダ５３で集合するようになっている。
なお、各受熱管５１は、断熱材４７と間隙を空けて配設されている。

（ガス噴出部）
図６は太陽熱受熱器１０を下方側から見た外観斜視図であり、図７は太陽熱受熱器１０の要部拡大断面図である。
図６及び図７に示すように、ガス噴出部６０は、ケーシング４１の開口部４４にガス噴流Ｊを形成するものであり、スリット口６１と、ヘッダ６２とを有している。
スリット口６１は、ケーシング４１の開口部４４を画定する内周部４４ａの全周に形成されており、開口部４４の周方向に延びている。このスリット口６１のスリット幅δは、開口部４４の内径をＤ_ｒとした場合に、δ／Ｄ_ｒが０．１となるように形成されている。

ヘッダ６２は、環状に形成された管部材で構成されており、スリット口６１に沿って配設されている。このヘッダ６２は、ケーシング４１の端壁部４９において内周部４４ａを囲繞する位置に埋設されており、空気排出路３４からそれぞれ分岐された四本の分岐管３６に接続されている。
ヘッダ６２に接続された四本の分岐管３６は、ケーシング４１の周方向に等間隔に配管されており、図３（ｂ）に示すように、ケーシング４１の外部において、それぞれケーシング４１の天壁部４３と周壁部４８とテーパ壁部４６とに沿うようにして配設されている。そして、各分岐管３６は、端壁部４９に埋設された状態でヘッダ６２に接続されている。すなわち、分岐管３６からヘッダ６２内に供給された高温高圧の排気ガスがヘッダ６２の全域に行き渡るようになっている。

このような構成のガス噴出部６０は、以下の条件式（１）を満たすように構成されている。
Ｄ_Ｈ＞２（Ｄ_ｒ・δ／ｎ）^０．５・・・（１）
ここで、Ｄ_Ｈはヘッダ６２の管内径、Ｄ_ｒは開口部４４の内径、δはスリット口６１のスリット幅、ｎは分岐管３６の本数である。

（太陽光集光受光システムの動作方法）
次に、上述した太陽熱発電装置１００の動作方法について説明する。以下の説明においては、太陽熱発電装置１００の一般的な動作方法について説明した後に、ガス噴出部６０による熱損失抑制作用について説明する。
まず、図３に示すように、発電機２８が作動し、減速機３１を介してロータ３０が回転し始めると、供給源に貯留された空気が空気取込口２９から空気供給路３５内を流入し、吸気フィルター２６を通って圧縮機２３内に流入する。圧縮機２３に流入した空気は圧縮機２３内で圧縮された後、圧縮空気となって受熱器供給路３２に流出し、受熱器供給路３２から受熱部４２の低温側ヘッダ５２内に供給される（図４中矢印Ｆ１参照）。

図４に示すように、低温側ヘッダ５２内に供給された圧縮空気は、低温側ヘッダ５２内を周方向全域に行き渡った後、低温側ヘッダ５２の周方向全周に亘って接続された各受熱管５１内に流入する。

一方、ヘリオスタット２に入射した太陽光線は、ヘリオスタット２で反射された後、ケーシング４１の開口部４４からケーシング４１の内部に入射する。ケーシング４１に入射した太陽光線は、受熱管５１の受光面で受光され、受熱管５１を加熱する。

これにより、受熱管５１が加熱されるとともに、加熱された受熱管５１と受熱管５１内を流通する圧縮空気との間で熱交換が行われる。その結果、圧縮空気は受熱管５１内を流通する間に昇温する。
そして、受熱管５１の下流端まで到達した圧縮空気は、高温の圧縮空気となって高温側ヘッダ５３内に流入する。すなわち、各受熱管５１で加熱された圧縮空気は、高温側ヘッダ５３内で集合された後、流出管５５を通ってタービン供給路３３内に流入する。

タービン供給路３３内に流入した圧縮空気は、タービン供給路３３内を鉛直方向上方に向かって流通し（図４中矢印Ｆ２参照）、タービン２４内に流入してタービン２４を駆動させる。これにより、タービン供給路３３から供給される圧縮空気の熱エネルギーがロータ３０の回転エネルギーに変換され、タービン２４に駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ３０に連結された発電機２８に出力され、発電が行われる。

タービン２４内を流通した圧縮空気は排出ガスとなり、空気排出路３４を通ってタービン２４から排気される。空気排出路３４を流通する排出ガスは、再生熱交換器２７内に供給され、上述した圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気との間で熱交換を行った後、外部に排出されるようになっている。このように、再生熱交換器２７において、圧縮機２３から受熱部４２に向かって流通する圧縮空気を受熱部４２に供給する前段で予備加熱しておくことで、タービン２４に供給される圧縮空気の温度をより高温に設定することができ、太陽熱発電装置１００の発電効率の更なる向上を図ることができる。

続いて、ガス噴出部６０による熱損失抑制作用について、主に図８を用いて説明する。図８は太陽熱受熱器１０の概略断面図である。
再生熱交換器２７を通過した排気ガスの一部は、分岐管３６を流通してヘッダ６２に流入する。ヘッダ６２内のガス圧力は、高圧の排気ガスが分岐管３６を介してヘッダ６２内に絶えず供給されるために、所定値以上に保たれる。

このヘッダ６２内の排気ガスは、図６及び図８に示すように、スリット口６１から開口部４４の中心側に向けて噴出する。すなわち、内周部４４ａの全周から開口部４４の中心側に向けて排気ガスが噴出し、開口部４４の開口方向（鉛直方向）に交差する仮想面Ｓ（図７参照）に沿ってガス噴流Ｊが形成される。
太陽熱発電装置１００の起動状態においては、ガス噴流Ｊが中心近傍まで到達すると一部がケーシング４１の内部上方に向かって流れると共に、残りの一部がケーシング４１の外部下方に向かって流れる。ケーシング４１の内部においては、内周部４４ａから径方向中心側に向かうガス噴流Ｊと、開口部４４の径方向中心側において上方に向かう流れとによって、ケーシング４１の内部に図８中矢印Ｆ４方向（ケーシング４１の径方向中心側で下方から上方に、上方で径方向中心側から径方向外方に、径方向外方で上方から下方に、下方で径方向外方から径方向中心側に向かう方向）の自然対流が生じる。
この太陽熱発電装置１００の起動の際には、タービン２４の排気ガスからなるガス噴流Ｊが内部に流れ込んでケーシング４１の内部の空気と受熱部４２とを昇温させる。このため、太陽熱発電装置１００が起動状態から定常状態に速やかに移行する。

太陽熱発電装置１００の定常状態においては、ケーシング４１の内部が外部よりも僅かに高圧となった状態で、ケーシング４１の内部と外部との圧力バランスが平衡する。この定常状態においては、ガス噴流Ｊが中心近傍まで到達すると大部分がケーシング４１の下方に向けて流れる。
この状態においては、ケーシング４１の外部の気流Ｗが、開口部４４を介して、ケーシング４１の内部に向かって流れたとしても、気流Ｗがガス噴流Ｊに合流したり、随伴したりして径方向中心側に向けて流され、最終的に開口部４４の下方側に押し流される。
また、ケーシング４１の内部においては、開口部４４に空気が向かったとしても、自然対流に合流したり、随伴したりすることによって径方向中心側に向けて流され、上方に向けて押し流される。

このように、ガス噴流Ｊがケーシング４１の内部と外部との空気の流通を妨げる（ガスカーテン効果）。このため、外部の空気がケーシング４１の内部に流入し難く、また、外気と比べて相対的に高温となったケーシング４１の内部の空気が外部に漏出し難い。すなわち、ケーシング４１の内部の空気を高温に保ち、この空気に対する受熱部４２の放熱量を抑制することで、受熱部４２を流通する圧縮空気を十分に昇温させ、昇温させた圧縮空気の熱エネルギーを有効利用して、高効率の発電が行われる。

以上説明したように、ガス噴出部６０によれば、開口部４４の周囲に、開口部４４の中心側に向けて排気ガスを噴き出させるガス噴出部６０を備えるので、開口部４４の開口方向に交差する仮想面Ｓに沿ってガス噴流Ｊが形成される。これにより、開口部４４において、ガス噴流Ｊが、ケーシング４１の内部と外部との間における空気の流通を妨げる（ガスカーテン効果）。従って、ガス噴出部６０を設けない場合に比べて、ケーシング４１の内部と外部との間における空気の置換流量を低減することができる。よって、ケーシング４１の開口部４４によって生じる熱損失を抑制することができる。

また、開口部４４の内周部４４ａに形成されて周方向に延びるスリット口６１を有するので、開口部４４の周囲のうち開口部４４の中心に最も近接する位置からガス噴流Jが噴き出すこととなる。これにより、ガス噴流Jの噴き出し位置から開口部４４の中心までの距離が短くなるので、これら開口部４４の中心までガス噴流Jが到達し易くなる。
また、排気ガスの流路断面がスリット幅δに狭められることで、排気ガスの圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、ガス噴流Ｊの流速を高めることができる。これにより、ガスカーテン効果を高めることができる。
また、スリット口６１のスリット幅δが、開口部４４の内径をＤ_ｒとした場合に、δ／Ｄ_ｒが０．１となるように形成されているので、ガス噴流Ｊのコアを開口部４４の中心近傍に確実に到達させると共に、ガス噴流Ｊの流速を高めることができる。

図９は、開口部４４の内径Ｄ_ｒ及びスリット口６１のスリット幅δの比δ／Ｄ_ｒと、太陽光入射熱量Ｑ_ｒ及び開口部４４によって生じる損失熱量Ｑ_ｌの比Ｑ_ｌ／Ｑ_ｒとの関係を示したグラフである。
図９に示すように、δ／Ｄ_ｒが０．５％未満であるとガス噴流Ｊが開口部４４の中心近傍に到達するまでに減衰してしまうためにＱ_ｌ／Ｑ_ｒが大きくなる傾向にある。一方、δ／Ｄ_ｒが０．２５％よりも大きくなるとガス噴流Ｊの流速が比較的に小さくなるためにＱ_ｌ／Ｑ_ｒが大きくなる傾向にある。しかしながら、ガス噴出部６０は、δ／Ｄ_ｒを０．１に設定することで、ガス噴流Ｊのコアを開口部４４の中心近傍に確実に到達させると共に、ガス噴流Ｊの流速を高めることができる。これにより、Ｑ_ｌ／Ｑ_ｒが０．５％以下となって十分なガスカーテン効果を得ることができる。

また、スリット口６１に連通すると共に排気ガスが供給されるヘッダ６２を備えるので、ヘッダ６２に対して排気ガスを流入させる分岐管３６の数や形状、ガス圧力の影響を緩和して、ヘッダ６２内のガス圧力を略一定にする。これにより、スリット口６１の延在方向（開口部４４の周方向）に亘って、ガス噴流Ｊの流速を均一的にすることができる。
また、ガス噴出部６０は、上述した条件式（１）を満足するので、ヘッダ６２内の排気ガスのガス圧力がより均一的になってスリット口６１から噴出するガス噴流Ｊの流速にムラができ難い。これにより、ガス噴流Ｊの流速をさらに均一的にすることができる。

また、太陽熱発電装置１００によれば、太陽熱受熱器１０を備えるので、ケーシング４１の開口部４４によって生じる熱損失を抑制することができ、受熱部４２の放熱を抑制することができる。これにより、受熱部４２を通過する圧縮空気を確実に昇温させると共に、昇温させた圧縮空気をタービン２４に安定的に供給するので、高効率な発電を安定して行うことができる。

また、ガス噴出部６０にタービン２４から排出された排気ガスが供給されるので、ガス噴流Ｊの温度を高めることができる。これにより、ガス噴流Ｊの一部がケーシング４１の内部に流入したとしても熱損失が生じることを抑えることができる。特に、太陽熱発電装置１００の起動の際においては、排気ガスによってケーシング４１の内部の空気と受熱部４２とを昇温させるために、太陽熱発電装置１００を速やかに定常状態に移行させることができる。

また、ガスタービン２５及び太陽熱受熱器１０が地上に立設されたタワー部３上に配設されているので、圧縮空気を高温に昇温させることができ、発電サイクルの更なる高効率化を図ることができる。

なお、上述した構成では、δ／Ｄ_ｒを０．１に設定したが、図９に示すように、０．０５≦δ／Ｄ_ｒ≦０．２５の範囲に設定すれば、Ｑ_ｌ／Ｑ_ｒが０．５％以下となって十分なガスカーテン効果を得ることができる。

また、上述した構成では、ガス噴出部６０に供給するガスとして、タービン２４の排出ガスを用いたが、例えば高温側ヘッダ５３やタービン供給路３３から圧縮空気を分岐させてヘッダ６２に供給する構成を採用してもよい。この構成においても、受熱部４２で昇温した圧縮空気がヘッダ６２に供給されることとなるので、ガス噴流Ｊの温度を高めることができる。これにより、ガス噴流Ｊの一部がケーシング４１の内部に流入したとしても熱損失が生じることを抑えることができると共に、太陽熱発電装置１００を起動状態から定常状態に速やかに移行させることができる。

また、上述した構成では、ガス噴出部６０に供給するガスとして、タービン２４の排出ガスを用いる構成としたが、図１０に示すように、気体（例えば外気等）を圧縮するコンプレッサ（又はブロワ）（流体機械）７０を別途配設して、このコンプレッサ７０で圧縮した気体をガス噴出部６０に供給する構成としてもよい（図１０中矢印Ｆ３´）。この構成によれば、ヘッダ６２内におけるガス圧力の調整を容易に行うことができる。この際、圧縮した気体を外気よりも高温にすることで、ガス噴流Ｊの一部がケーシング４１の内部に流入した場合の熱損失を抑制することができる。
なお、タービン２４の排気ガス、コンプレッサ７０で圧縮した気体、受熱部４２で昇温させたガスを重畳的に用いてガス噴流Ｊを形成する構成としてもよい。

（第二実施形態）
続いて、本発明の第二実施形態について、図１１を用いて説明する。
図１１は、本発明の第二実施形態に係る太陽熱発電装置１０１の太陽熱受熱器８０を示す概略構成断面図であり、図１２は図１１におけるＰ矢視図である。なお、図１１及び図１２において、図１〜図１０と同様の構成要素については、同様の符号を付してその説明を省略する。

この太陽熱受熱器８０は、ガス噴出部６０の構成に複数のスリットカバー９１が追加されて構成されたガス噴出部９０と、気流センサ９２と、制御部９３とを備えている。
複数のスリットカバー９１は、それぞれスリット口６１の一部分を独立開閉可能に構成されており、図１２に示すように、開口部４４の周方向に連続的に環状配置されることにより、スリット口６１の全周に亘って配設されている。

気流センサ９２は、気流Ｗの方向を検出すると共に、この検出結果を制御部９３に出力する。
制御部９３は、気流センサ９２の検出結果に基づいて、ガス噴出部９０のガスの噴出方向を気流Ｗの方向に合わせる。具体的には、気流Ｗの上流側に位置するスリットカバー９１（９１Ａ）を開放すると共に、その他のスリットカバー９１（図９１Ｂ）を閉塞してガス噴流Ｊの噴出方向を気流Ｗの方向に合わせる。

この太陽熱受熱器８０によれば、気流センサ９２の検出結果に基づいて、気流Ｗに沿うようにガスの噴出方向を変更するので、ガス噴流Ｊが気流Ｗと干渉せずにガス噴流Ｊに乱れが生じ難くなる。これにより、ガスカーテン効果を安定して得ることができる。

なお、上述した構成では、複数のスリットカバー９１を配設してスリット口６１の一部分を独立開閉可能に構成したが、ヘッダ６２を複数のガス供給室に分割すると共に気流Ｗの上流側に位置するガス供給室に排気ガスを供給して、この排気ガスを供給したガス供給室に連通するスリット口６１からガス噴流Ｊを噴き出させる構成にしてもよい。

なお、上述した各実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した第二実施形態で説明したように、開口部４４の周囲の少なくとも一部からガスを噴き出させれば、開口部４４の一部にガス噴流が形成されることから、スリット口６１を周方向の一部に延在させる構成としてもケーシング４１の開口部４４によって生じる熱損失を抑制することができる。

また、上述した各実施の形態では、スリット口６１からガスを噴出させる構成としたが、他の多数の***からガスを噴き出させてもガス噴流Ｊを良好に形成することができる。

また、上述した各実施の形態では、開口部４４の開口方向に交差する仮想面Ｓにガス噴流Ｊを沿わせる構成としたが、仮想面Ｓに対して平行に沿わせてもよいし、開口部４４の開口方向に角度を付けて沿わせる構成にしてもよい。

また、上述した各実施の形態では、受熱部４２の構成を複数の受熱管５１と低温側ヘッダ５２と高温側ヘッダ５３とで構成したが、例えば、環状に形成した受熱管を鉛直方向に間隔を空けて配列させ、各受熱管を連通させる構成にしてもよい。

また、上述した各実施の形態では、開口部４４の開口方向が鉛直方向下向きに設定された太陽熱受熱器（１０，８０）について本発明を適用する構成としたが、開口方向が他の方向（例えば、鉛直方向上向き）を向いた太陽熱受熱器に本発明を適用してもよい。

また、上述した各実施の形態では、太陽熱発電装置１００の約３６０度全周を囲むようにヘリオスタット２を配置させた構成に本発明を適用したが、図１３に示すように、太陽熱発電装置１００の北側の約１８０度半周を囲むようにヘリオスタット２を配置させると共に、ヘリオスタット２に向けて太陽熱受熱器１０を傾けて配置してもよい。

３…タワー部
１０，８０…太陽熱受熱器
１１…ガスタービンユニット
２３…圧縮機
２４…タービン
２８…発電機
３６…分岐管（ガス流入部）
４１…ケーシング
４２…受熱部
４４…開口部
４４ａ…内周部
６０，９０…ガス噴出部
６１…スリット口
６２…ヘッダ
７０…コンプレッサ（流体機械）
９２…気流センサ
９３…制御部
Ｗ…気流
１００，１０１…太陽熱発電装置

Claims (9)

1. 太陽光が入射する開口部を有するケーシングと、
   前記ケーシングの内部に設けられ、前記開口部から入射した太陽光から熱を受けて熱媒体を昇温させる受熱部と、
   前記開口部の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記開口部の中心側に向けて外部から供給されたガスを噴き出させるガス噴出部とを備えることを特徴とする太陽熱受熱器。
2. 前記ガス噴出部は、前記開口部の内周部に形成され、前記開口部の周方向に延びるスリット口を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱受熱器。
3. 前記ガス噴出部は、前記スリット口に沿って設けられ、前記スリット口に連通すると共に前記ガスが供給されるヘッダを有することを特徴とする請求項２に記載の太陽熱受熱器。
4. 前記ガス噴出部は、前記ガスの噴出方向を変更可能に構成され、
   前記ケーシング外部の気流の方向を検出する気流センサと、
   前記気流センサの検出結果に基づいて、前記気流に沿うように前記ガスの噴出方向を変更する制御部とを備えることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の太陽熱受熱器。
5. 前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記受熱部で昇温した熱媒体が供給されることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の太陽熱受熱器。
6. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載の太陽熱受熱器と、
   前記太陽光受熱器で加熱される前記熱媒体を用いて発電を行うガスタービンユニットとを備え、
   前記ガスタービンユニットは、前記熱媒体を前記受熱部に送り込む圧縮機と、
   前記受熱部から導出される前記熱媒体が供給されるタービンと、
   前記タービンの駆動力を電力へと変換する発電機とを備えていることを特徴とする太陽熱発電装置。
7. 前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記タービンから排出された排気ガスが供給されることを特徴とする請求項６に記載の太陽熱発電装置。
8. 気体を圧縮する流体機械を備え、
   前記ガス噴出部には、前記ガスの少なくとも一部として、前記流体機械で圧縮された気体が供給されることを特徴とする請求項６又は７に記載の太陽熱発電装置。
9. 前記ガスタービンユニット及び前記太陽光受熱器は、地上に立設されたタワー部上に設けられていることを特徴とする請求項６から８のうちいずれか一項に記載の太陽熱発電装置。

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