JP3156344U - 太陽光利用の蒸気発生装置及びこれを利用した熱機関並びに発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ−コストの低減を図るとともに、火力発電などに使われる燃料廃棄物の問題も解決できる発電技術を提供する。【解決手段】自動制御されるアクチュエ−タによって伸縮する三本以上の支柱１と、該各支柱の上端に支持される無色透明のフレネルレンズ２と、上面に黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体４が配設される熱伝導体５と、該熱伝導体を配設するタンクにより構成し、前記支柱の伸縮が、太陽の位置に応じて集光する光を前記黒体に照射するようにフレネルレンズの角度及び距離を制御して、太陽光の熱によりタンク内の水を沸騰させて蒸気を得る蒸気発生装置Ｊとした。また、該蒸気発生装置を複数連接したり、発生した蒸気熱により加熱されて駆動するスターリングエンジンＳとしたり、該蒸気圧を利用したタービン駆動の発電装置とすることもできる。【選択図】図２

Description

本考案は、太陽熱を利用した蒸気発生装置を使用する熱機関と発電装置に関するものである。

スタ−リングエンジンは１８１６年にロバ−ト・スタ−リングが開発した動力装置であり、外部から加熱・冷却して仕事を得る外燃機関である。

近年太陽光を利用する発電ではソ−ラ−パネルを利用する発電装置がポピュラ−である（非特許文献１参照）。しかし、ソーラーパネルは高価であり設備も大掛かりとなってしまう問題が残っている。また、太陽光を反射鏡で加熱板表面へ集光照射することによって熱を発生させる熱機関とそれを利用した発電装置を作る動きもある（特許文献１参照）。しかし、係る技術は反射鏡を利用しているため、集光には大きな反射鏡が必要となり、前記発明同様に設備の大きさやコスト等の問題が解決されていない。

酒井弥著「黒体のふしぎ−２１世紀の新素材」技報堂出版 ２００１年 特開２００８−２９１７９３公報

地面から伸びた自動で伸び縮みするアクチュエ−タからなる３本以上の支柱の頂点で支えられたフレネルレンズを使って自然の太陽光を集光し、太陽の動きに合わせてアクチュエ−タを動かし、タンク上に接合された黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体にあてることで熱に変換し、タンク内の熱伝導体にこの熱を伝えてタンク内の水を沸騰させる蒸気発生装置と、該蒸気発生装置によって得られた蒸気を利用した熱機関並びに発電装置を作る。

前述した通り、従来の太陽熱発電技術では非常に広大な面積を持つ反射鏡を使わねばならず、コストの面から幅広い普及が阻害されている。そこで、このような問題に鑑み、本考案は、従来の発電技術のエネルギ−コストの低減を図るとともに、火力発電などに使われる燃料廃棄物の問題も解決できる発電技術を提供するものである。また、本考案では燃料廃棄物がでないようにするため、無尽蔵の資源である自然の太陽光を利用して、それをある程度の大きさのフレネルレンズを使って集光し、黒塗の熱伝導率の高い素材に当てることで蒸気を作り、クリ−ンなエネルギ−を得ることを特徴とし、かつコストが最初の設備だけにしかかからず、半永久的にただになるような発電装置を作ることも目的とする。さらに、フレネルレンズを使うことで反射鏡を使う時より集熱面積が小さくなり、コストを小さく抑える。またさらに、レンズの大きさを変えたり、複数の熱機関をつなげることによって大規模な発電装置も作ることを可能とする。

請求項１に係る考案は、自動制御されるアクチュエ−タによって伸縮する三本以上の支柱と、該各支柱の上端に支持される無色透明のフレネルレンズと、上面に黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体が配設される熱伝導体と、該熱伝導体を配設するタンクから構成し、前記支柱の伸縮が、太陽の位置に応じて集光する光を前記黒体に照射するようにフレネルレンズの角度及び距離を制御し、太陽光の熱を利用してタンク内の水を沸騰させて蒸気を発生する蒸気発生装置とした。

請求項２に記載の考案は、前記蒸気発生装置が複数連接している構成の蒸気発生装置とした。

請求項３の考案は、請求項１または請求項２に記載の蒸気発生装置とスターリングエンジンから構成される熱機関とした。

請求項４の考案は、請求項１または請求項２に記載の蒸気発生装置を利用する構成の発電装置とした。

本考案によれば、ＣＯ２の排出量がない発電装置を作ることができ、温暖化問題の解決につながる。またフレネルレンズを使うことによって従来の太陽熱発電技術では得られなかったようなエネルギ−コストの低い発電装置ができる。また発電装置が比較的安価であり省スペ−スでできることで、小地域・一般家庭に普及することが可能である。レンズの大きさを変えたり、前記の発電装置を複数つなげることによって大規模な発電所を作ることもできる。

本考案は、アクチュエータを自動制御することにより、太陽光の集光効率を高めることができる蒸気発生装置Ｊを備えていることを最大の特徴とする。以下、本考案を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本考案に係る蒸気発生装置Ｊの構造を示した説明図である。蒸気発生装置Ｊは、自動制御されるアクチュエ−タによって伸縮する三本以上の支柱１と、該各支柱の上端に支持される無色透明のフレネルレンズ２と、上面に黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体４が配設される熱伝導体５と、該熱伝導体を配設するタンク３から構成されており、前記支柱１の伸縮が、太陽の位置に応じて集光する光を前記黒体４に照射するようにフレネルレンズの角度及び距離を制御する。

支柱１は、必要な強度を有する金属等で形成し、両端部には自在継ぎ手等により、支柱１の伸縮に応動可能とする。伸縮機構はアクチュエータを用いるが、太陽の追従には高速性が要求されないので、ソレノイドアクチュエータでも油圧アクチュエータでもよい。また、エアーシリンダーやモーターと減速機構による機械的な伸縮機構であっても可能である。制御方法は、タイマー制御のような簡易な制御でもよいが、日付と時間より太陽の位置を算出して、より正確に制御することが望ましい。

フレネルレンズ２は無色透明とし、保持具等を介して支柱１に支持される。回折の影響を無視できる用途なので、レンズカットの分割数を多くすることが可能であり、レンズ素材を薄くして、軽量化とコスト低減を図ることが望ましい。

熱伝導体５は、熱伝導率の高いアルミ系合金等の金属やセラミック素材等で形成し、特に上面に配設される黒塗り黒体４は、例えば熱伝導率の極めて高い窒化アルミニウム系のファインセラミックス等が望ましい。ただし、素材はこれらに限定されるものではなく、コストと機能を考慮して選択すればよい。

タンク３は、断熱材で覆われた耐圧構造とし、内部に水を収容し、上部には加熱により発生した水蒸気をスターリングエンジンへ伝える管６と、復水管７が設けられている。また、特に図示はしていないが、蒸気タンクとして一般的に具備しなければならない仕切弁や安全弁等を備えることは言うまでもない。

図２は、本考案に係る熱機関全体構成を示す説明図である。以下、本考案を実施するための具体的な実施例について説明する。

太陽光をたとえば一辺１メ−トルの正方形状のフレネルレンズ２によって集光し、一辺１０センチの正方形を底面に持つ厚さ数ミリの黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体４に集中させる。このときフレネルレンズ２の頂点は底部から立設した自動で伸び縮みするアクチュエ−タの支柱１に支えられている。支柱１はタンク３を中心とする地面上の２×２（ｍ）の正方形の頂点から伸びていることが望ましい。タンク３の大きさは２０×２０×２０（ｃｍ）であるとする。タンク３の上面には前記のセラミックス製等の黒体４が接合されており、この黒体４はタンク３内に入っている、たとえば一辺１０センチの底面を持つ高さ１０センチの立方体状の熱伝導体５とも接合している。タンク３の周りを断熱材で囲む。タンク３中では立方体状の熱伝導体５の６割ほどが水中に沈むようにしておくことが望ましい。黒体４の表面にレンズ２で集中させた光を当てる。これによって発生した熱により、タンク３内の水が沸騰し、水蒸気となる。熱伝導体５の近くで発生した水蒸気は熱伝導体５の形状によりタンク３内の上側の周辺部にたまる。そこに水蒸気をつたえる管６をつなげ、蒸気タ−ビンまでつなげ、タ−ビンをまわす。蒸気を冷却させるため水の豊富な地域ならば水を使い、ない地域では地中の熱を使う。冷却された復水を管７によってタンクまで伝える。

太陽光が前記レンズ２によって前記黒体４になるべく長時間当たるようにするために、支柱１を伸び縮みさせることでレンズ２を自動的に可動させ、レンズ２で集めたすべての光が黒体４に当たるようにする。

レンズ２と、黒体４と、熱伝導体５と、タンク３をセットにしたものを複数つなげることで、大きな蒸気発生装置Ｊを作ることもできる。この場合、圧力差による逆流を防ぐための逆止弁や、各タンクの水量を一定に保つためのインジェクターなどに考慮することは言うまでもない。また、該蒸気発生装置Ｊによって得られた蒸気を、スターリングエンジンＳの加熱部に送ることでシリンダー内の気体を加熱させ、これを水等により冷却することで駆動する外燃機関としての熱機関や、蒸気タ−ビンＴを駆動させて発電機の動力とする発電装置を作ることもできる。

面積１平方メ−トルのフレネルレンズ２は日射量積算値が多い地域で約２６００ＫＷｈの日射を集めることができる。日本の日射量積算値は平均で年間約１２００ＫＷｈ／平方メートルであり、面積１平方メ−トルのフレネルレンズ２により年間約１２００ＫＷｈを集光できる。

日射量瞬間値を１ＫＷとすると、面積１メ−トルのフレネルレンズ２は１ＫＷのエネルギ−に相当する太陽光を集めることができる。

本考案に係る蒸気発生装置の構造を示した説明図 本考案に係る熱機関全体構成を示す説明図

１ 自動で伸び縮みする支柱
２ フレネルレンズ
３ 断熱材を巻いたタンク
４ 黒体
５ 熱伝導体
６ 水蒸気を伝える管
７ 復水の管
Ｊ 蒸気発生装置
Ｓ スターリングエンジン
Ｔ 蒸気タービン

Claims (4)

1. 自動制御されるアクチュエ−タによって伸縮する三本以上の支柱と、
   該各支柱の上端に支持される無色透明のフレネルレンズと、
   上面に黒塗りの熱伝導率の高い素材で形成される黒体が配設される熱伝導体と、
   該熱伝導体を配設するタンクから構成され、
   前記支柱の伸縮が、太陽の位置に応じて集光する光を前記黒体に照射するようにフレネルレンズの角度及び距離を制御し、
   太陽光の熱を利用してタンク内の水を沸騰させて蒸気を発生することを特徴とする蒸気発生装置。
2. 前記蒸気発生装置が複数連接していることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の蒸気発生装置と、スターリングエンジンとから成ることを特徴とする熱機関。
4. 請求項１または請求項２に記載の蒸気発生装置を利用していることを特徴とする発電装置。