JP6538516B2 - 太陽熱集熱システム及び冷却媒体供給システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、太陽熱集熱システム及び冷却媒体供給システムに関する。

太陽光線から太陽熱を集熱する太陽熱集熱システムは、一般にトラフ型、フレネル型、タワー型、固定パネル型などに分類される。図１４及び図１５は、トラフ型の太陽熱集熱システムを示している。図１６は、トラフ型の太陽熱集熱システムを構成する集熱器１を示している。図１４〜図１６では、同一または類似の構成要素には同一の符号を付し、各構成要素についての重複する説明は省略する。

図１６は、従来の集熱器１の構造を示す斜視図である。

図１６の集熱器１は、複数の反射鏡２と、複数の集熱管３とを具備している。具体的には、図１６は、２列の反射鏡２と２本の集熱管３を示しており、各列の反射鏡２は、３枚の反射鏡２を含んでいる。これらの集熱管３は、熱媒体流路４に並列に接続されている。集熱器１は、太陽光線Ｓを反射鏡２により集熱管３に集光する事で、集熱管３内の熱媒体を加熱する。熱媒体は、例えば水や油である。

各反射鏡２は、水平方向を長手方向とする曲面状の形状を有している。各反射鏡２の長手方向に垂直な断面形状は、放物線である。集熱器１は、太陽光線Ｓが放物線の軸（焦点と頂点とを結ぶ直線）と平行になるように、反射鏡２を回転駆動させる。即ち、反射鏡２は、高度に関して太陽を追尾する。反射鏡２の回転中心は、放物線の焦点と一致していてもよいし、放物線の焦点と一致していなくてもよい。

各集熱管３は、放物線の焦点位置に設置されている。集熱管３は、反射鏡２の回転軸と平行に配置された管である。太陽光線Ｓは、反射鏡２で反射されて、集熱管３の位置に集光される。熱媒体は、集熱管３内を流通しており、各集熱管３の一方の端部から他方の端部へと流れる。集熱管３は、その集光部分のみが透明なガラス管内に配置されている事が多い。

図１４は、従来の太陽熱集熱システムの構成の第１の例を示す模式図である。

図１４の太陽熱集熱システムは、集熱器１を具備している。図１４の集熱器１は、複数の反射鏡２と１本の集熱管３を具備している。図１４は、複数の反射鏡２として、１列分の６枚の反射鏡２ａ〜２ｆを示している。図１４の太陽熱集熱システムはさらに、熱媒体流路４と、熱媒体ポンプ５と、膨張タンク６と、加熱器７と、温度センサ８とを具備している。

熱媒体は、熱媒体流路４内を流通する。熱媒体流路４は、集熱器１と加熱器７との間で熱媒体を熱媒体ポンプ５により循環させる。熱媒体流路４は配管で構成されており、配管は保温材で覆われ保温されている。

熱媒体の体積は、熱媒体の温度変化に伴い変化する。膨張タンク６は、この体積変化を吸収するために、熱媒体流路４よりも高い位置に設けられている。膨張タンク６内には、膨張タンク６内に封入されている気体と、熱媒体流路４から流入した熱媒体（液体）との気液界面が存在する。熱媒体の種類によっては、膨張タンク６内の熱媒体は大気解放されていてもよい。

集熱器１により加熱された熱媒体は、加熱器７に搬送され、符号Ｆで示す被加熱流体を加熱器７内で加熱する。例えば、熱媒体の熱を太陽熱発電用に利用する場合には、被加熱流体は蒸気タービンの作動流体である。

熱媒体が油（熱媒油）である場合、熱媒体が充分に高温になると、熱変性により熱媒体の性状が劣化する。その結果、油の熱媒体としての機能が低下する。また、熱媒体が水である場合、熱媒体が局所的にでも沸点以上になると、熱媒体が沸騰する。その結果、太陽熱集熱システムの運転や制御が実施しにくくなる。

そのため、熱媒体の許容上限温度を定め、熱媒体の温度が許容上限温度に達しないように太陽熱集熱システムを運転する。油の許容上限温度は、油の種類によって異なるが、ある事例では余裕度を持たせて３００〜３５０℃程度に設定されている。一方、水の許容上限温度は、水が使用される圧力下での沸点を考慮して設定され、余裕度を持たせてこの沸点より充分に低い温度に設定される。

熱媒体流路４において、熱媒体が最も高温になる位置は、集熱器１の出口である。そのため、図１４の温度センサ８は、集熱器１の出口付近の地点Ｐ_１において、集熱管３に温度センサ８を差し込むように設置されている。地点Ｐ_１は、集熱器１の最下流に配置された反射鏡２ｆの下流に位置している。温度センサ８は、地点Ｐ_１を流れる熱媒体の温度を測定する。太陽熱集熱システムは、温度センサ８の測定温度が許容上限温度にならないように運転する事で、太陽熱集熱システム全体で熱媒体の温度を許容上限温度より低く維持する事ができる。

太陽熱集熱システムは、熱媒体の温度が許容上限温度を越えた場合、反射鏡２を回転駆動させる事で太陽光線Ｓの焦点外しを実施する。集熱器１は、少なくとも太陽光線Ｓの反射光が集熱管３に集光されなくなる角度まで、反射鏡２を回転駆動させる。集熱管３の加熱量は、焦点外しにより充分に小さくなり、熱媒体の温度は許容上限温度より低くなる。

なお、集熱器１が並列配置された複数列の反射鏡２を具備する場合、回転駆動する反射鏡２は、熱媒体の温度が許容上限温度を越えた列のみでもよいし、全ての列でもよい。また、太陽熱集熱システムは、熱媒体の温度が許容上限温度を越えた場合に、反射鏡２を回転駆動させる代わりに、熱媒体の流量を増加させてもよいし、加熱器７の熱回収量を増加させてもよい。

図１５は、従来の太陽熱集熱システムの構成の第２の例を示す模式図である。

図１５の温度センサ８は、集熱器１内の地点Ｐ_２において、集熱管３に温度センサ８を差し込むように設置されている。地点Ｐ_２は、集熱器１の最下流に配置された反射鏡２ｆと、反射鏡２ｆに隣接する反射鏡２ｅとの間に位置している。このように、温度センサ８は、集熱器１の出口付近の地点Ｐ_１以外に設置してもよい。

なお、許容上限温度による熱媒体の温度制御は、トラフ型以外の太陽熱集熱システムにも適用可能である。例えば、反射鏡２の焦点外しは、フレネル型やタワー型の太陽熱集熱システムにも適用可能である。また、熱媒体の流量増加や加熱器７の熱回収量の増加は、フレネル型、タワー型、固定パネル型にも適用可能である。

特開２０１２−１２７６０７号公報

許容上限温度による熱媒体の温度制御には、以下の問題がある。

焦点外しは、太陽光線Ｓの集光位置が放物線の焦点位置からずれて、かつ太陽光線Ｓが１箇所に集光しなくなるように行われる。しかしながら、集熱管３は太いため、反射鏡２の回転角度が小さいと、太陽光線Ｓの大部分が集熱管３の表面のいずれかの場所に当たり集熱管３に集光される。そのため、太陽光線Ｓが集熱管３に集光されなくなる角度まで、反射鏡２を回転駆動させる必要がある。しかしながら、反射鏡２は重量も寸法も大きな部品であるため、反射鏡２の高速駆動は難しい。そのため、熱媒体は反射鏡２の回転駆動中にさらに高温になる事が多い。また、固定パネル型の集熱器１は反射鏡２を具備していないため、その場合には焦点外しのような集光量低減方策を行う事ができない。

また、熱媒体の流量を増加させる事には、以下の問題がある。熱媒体の温度は、熱媒体の温度が上昇傾向にあるときに許容上限温度に達する。そのため、熱媒体の流量が増加しても、上昇傾向が抑制されるだけで、上昇傾向は続く。流量の増加から充分な時間が経過すれば、熱媒体の温度は低下に転じて許容上限温度より低くなる。しかしながら、熱媒体の温度が低下に転じるまでに、熱媒体の温度が許容上限温度より長時間高くなる可能性がある。また、許容上限温度を余裕度を持たせて設定しても、熱媒体の温度が許容上限温度より高くなる可能性がある。

また、加熱器７の熱回収量を増加させる事には、以下の問題がある。加熱器７の熱回収量を増加させると、加熱器７の出口における熱媒体の流体塊は温度低下する。この流体塊が集熱器１の出口に到達すれば、集熱器１の出口での熱媒体の温度が低下する。しかしながら、流体塊がそこに到達するまでには充分な時間が必要である。さらに、熱媒体の温度は、熱媒体の温度が上昇傾向にあるときに許容上限温度に達する。そのため、加熱器７の熱回収量を増加しても、上昇傾向が抑制されるだけで、上昇傾向は続く。よって、許容上限温度を余裕度を持たせて設定しても、熱媒体の温度が許容上限温度より高くなる可能性がある。

従って、熱媒体の温度が許容上限温度を超える事を確実に防止し、熱媒体の性状の劣化を防止する事が望まれる。

そこで、本発明は、熱媒体の劣化を抑制する事が可能な太陽熱集熱システム及び冷却媒体供給システムを提供する事を課題とする。

一の実施形態によれば、太陽熱集熱システムは、集熱管内の熱媒体を太陽光線により加熱する集熱器と、前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体流路とを具備する。前記システムはさらに、前記集熱管または前記熱媒体流路の第１地点に接続されており、前記第１地点に冷却媒体を供給して、前記熱媒体に前記冷却媒体を混入させる第１流路を具備する。

第１実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の第１変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の第２変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の第３変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の第４変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態の第５変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第２実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第３実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第４実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第５実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第６実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第６実施形態の変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 第７実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。 従来の太陽熱集熱システムの構成の第１の例を示す模式図である。 従来の太陽熱集熱システムの構成の第２の例を示す模式図である。 従来の集熱器の構造を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１〜図１６では、同一または類似の構成要素には同一の符号を付し、各構成要素についての重複する説明は省略する。また、図１〜図１３に示す構成要素について説明する際に、図１４〜図１６の説明と重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図１の太陽熱集熱システムは、図１４及び図１５に示す構成要素に加え、冷却媒体タンク１１と、冷却媒体ポンプ１２と、弁１３と、冷却媒体流路１４と、制御部１５とを具備している。冷却媒体流路１４は、第１流路の例である。符号１１〜１５の構成要素は、太陽熱集熱システムに冷却媒体を供給する冷却媒体供給システムを構成している。

図１は、集熱器１の出口付近の地点Ｐ_１と、集熱器１内の地点Ｐ_２、Ｐ_３とを示している。地点Ｐ_１は、集熱器１の最下流に配置された反射鏡２ｆの下流に位置している。地点Ｐ_２、Ｐ_３は、集熱器１の最下流に配置された反射鏡２ｆと、反射鏡２ｆに隣接する反射鏡２ｅとの間に位置している。反射鏡２ｆは、第１反射鏡の例である。反射鏡２ｅは、第２反射鏡の例である。本実施形態の温度センサ８は、地点Ｐ_２にて集熱管３に差し込まれており、地点Ｐ_２を流れる熱媒体の温度を測定（検出）する。温度センサ８は、温度検出器の例である。

冷却媒体流路１４の一方の端部は、地点Ｐ_３にて集熱管３に接続されており、冷却媒体流路１４の他方の端部は、冷却媒体タンク１１に接続されている。地点Ｐ_３は、第１地点の例である。冷却媒体ポンプ１２と弁１３は、冷却媒体流路１４に設けられている。

冷却媒体タンク１１は、冷却媒体を貯蔵している。本実施形態の冷却媒体は、熱媒体流路４を流れる熱媒体と同じ種類の熱媒体であり、常温で貯蔵されている。一方、地点Ｐ_２、Ｐ_３を流れる熱媒体は、集熱器１により加熱されているため、常温より高温である。よって、太陽熱集熱システムの運転中において、冷却媒体の温度は、地点Ｐ_２、Ｐ_３における熱媒体の温度より低温である。従って、冷却媒体は、地点Ｐ_３を流れる熱媒体を冷却するために使用可能である。

制御部１５は、太陽熱集熱システムの種々の動作を制御する。例えば、制御部１５は、温度センサ８から熱媒体の測定温度を受信する。また、制御部１５は、熱媒体の許容上限温度の設定値を保持している。

制御部１５は、熱媒体の測定温度が許容上限温度に達したら、弁１３を閉状態から開状態に変化させ、弁１３を開くと共に、冷却媒体ポンプ１２を稼働させる。その結果、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体が、冷却媒体ポンプ１２により冷却媒体流路１４を介して地点Ｐ_３に供給され、地点Ｐ_３を流れる熱媒体に合流（混入）する。集熱管３内の熱媒体は、熱媒体より低温な冷却媒体と合流する事で急冷される。よって、熱媒体が最も高温になる地点Ｐ_１でも、熱媒体の温度が低下する。これにより、熱媒体の温度を許容上限温度より低く戻す事ができ、熱媒体の性状の劣化を防止する事ができる。

なお、熱媒体流路４を流れる熱媒体の総量は、冷却媒体の合流により増加する。この体積増加は、熱媒体流路４に接続された膨張タンク６により吸収される。

集熱器１内の地点Ｐ_３（合流地点）は、集熱器１の出口に近い事が望ましい。理由は、地点Ｐ_３が集熱器１の出口に近いほど、地点Ｐ_１を流れる最も高温の熱媒体を冷却媒体により短時間で温度低下させる事ができるからである。そのため、本実施形態の地点Ｐ_３は、反射鏡２ｆと反射鏡２ｅとの間に位置している。理由は、反射鏡２ｆと反射鏡２ｅとの間の地点は、互いに隣接する他の反射鏡２の間の地点より、集熱器１の出口に近いからである。

以下、図２〜図６を参照して、第１実施形態の種々の変形例について説明する。本実施形態では、図１の構成の代わりに図２〜図６の構成を採用してもよい。

図２は、第１実施形態の第１変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の温度センサ８は、地点Ｐ_１にて集熱管３に差し込まれており、地点Ｐ_１を流れる熱媒体の温度を測定する。この場合、温度センサ８は、最も高温の熱媒体の温度を測定する事ができる。よって、本変形例によれば、温度センサ８の測定温度から、冷却媒体を供給すべきタイミングを適切に判断する事が可能となる。なお、地点Ｐ_１は、集熱管３の下流で加熱器７より上流の熱媒体流路４に位置していてもよい。

ここで、第１実施形態と第１変形例とを比較する。

第１実施形態の温度センサ８は、地点Ｐ_２にて集熱管３に差し込まれており、地点Ｐ_２を流れる熱媒体の温度を測定する。よって、第１実施形態の温度センサ８は、第１変形例の温度センサ８より上流で熱媒体の温度を測定する。そのため、第１実施形態の温度センサ８は、第１変形例の温度センサ８に比べて、熱媒体の温度変化の傾向を早いタイミングで観測する事ができる。よって、第１実施形態によれば、冷却媒体の供給を迅速に開始する事が可能となる。

なお、第１実施形態の許容上限温度は、地点Ｐ_１と地点Ｐ_２との温度差を考慮して、第１変形例の許容上限温度より低く設定する事が望ましい。例えば、第１変形例の許容上限温度をＴ_１とし、第１実施形態の許容上限温度をＴ_２とする場合（Ｔ_１＞Ｔ_２）、第１実施形態の制御部１５は、地点Ｐ_２の熱媒体の温度をＴ_２より低く制御する事で、地点Ｐ_１の熱媒体の温度をＴ_１より低く制御する事が可能となる。この場合、Ｔ_２の値は、このような制御を実現できるように、Ｔ_１の値に基づいて事前に設定しておく。

図３は、第１実施形態の第２変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の温度センサ８は、集熱器１内の地点Ｐ_４にて集熱管３に差し込まれている。地点Ｐ_４は、地点Ｐ_２や地点Ｐ_３より上流に位置している。このように、温度センサ８は、地点Ｐ_２以外の地点Ｐ_４で、集熱器１内の熱媒体の温度を測定してもよい。

図４は、第１実施形態の第３変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の冷却媒体流路１４は、上記の地点Ｐ_４にて集熱管３に接続されている。このように、冷却媒体流路１４は、地点Ｐ_３以外の地点Ｐ_４で、集熱器１内の熱媒体に冷却媒体を合流させてもよい。

図５は、第１実施形態の第４変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の冷却媒体流路１４は、集熱器１の入口付近の地点Ｐ_５にて集熱管３に接続されている。地点Ｐ_５は、集熱器１の最上流に配置された反射鏡２ａの上流に位置している。なお、地点Ｐ_５は、集熱管３の上流で熱媒体ポンプ５より下流の熱媒体流路４に位置していてもよい。

図６は、第１実施形態の第５変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の集熱器１は、２列の反射鏡２と、２本の集熱管３とを具備している。熱媒体流路４は、地点Ｑ_１、Ｑ_２で分岐して、これらの集熱管３に接続されている。各列の反射鏡２は、６枚の反射鏡２ａ〜２ｆを含んでいる。２個の温度センサ８の内の一方は、一方の列の反射鏡２ｅ、２ｆの間の地点Ｐ_２に配置されている。２個の温度センサ８の内の他方は、他方の列の反射鏡２ｅ、２ｆの間の地点Ｐ_２に配置されている。

本変形例の太陽熱集熱システムは、冷却媒体タンク１１と、冷却媒体ポンプ１２と、２個の弁１３と、２本の分岐流路を有する冷却媒体流路１４と、制御部１５とを具備している。一方の分岐流路は、一方の弁１３を有し、一方の地点Ｐ_３に接続されている。他方の分岐流路は、他方の弁１３を有し、他方の地点Ｐ_３に接続されている。

以下、温度センサ８の一方を第１の温度センサ８と呼び、第１の温度センサ８に対応する弁１３、分岐流路を第１の弁１３、第１の分岐流路と呼ぶ。また、温度センサ８の他方を第２の温度センサ８と呼び、第２の温度センサ８に対応する弁１３、分岐流路を第２の弁１３、第２の分岐流路と呼ぶ。

制御部１５は、第１の温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、第１の弁１３を開くと共に、冷却媒体ポンプ１２を稼働させる。その結果、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体が、第１の分岐流路を介して一方の地点Ｐ_３に供給される。その結果、一方の集熱管３内の熱媒体が温度低下する。

また、制御部１５は、第２の温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、第２の弁１３を開くと共に、冷却媒体ポンプ１２を稼働させる。その結果、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体が、第２の分岐流路を介して他方の地点Ｐ_３に供給される。その結果、他方の集熱管３内の熱媒体が温度低下する。

なお、本変形例の集熱器１は、３列以上の反射鏡２と、３本以上の集熱管３とを具備していてもよい。この場合、すべての列に温度センサ８、弁１３、分岐流路を設ける事が望ましい。また、制御部１５は、ある温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、対応する弁１３のみを開いて、対応する集熱管３内の熱媒体を温度低下させる事が望ましい。

以上のように、本実施形態の太陽熱集熱システムは、集熱管３または熱媒体流路４に冷却媒体を供給して、熱媒体に冷却媒体を混入させる冷却媒体流路１４を具備している。よって、本実施形態によれば、熱媒体を冷却媒体により温度低下させる事で、熱媒体の劣化を抑制する事が可能となる。

なお、本実施形態の太陽熱集熱システムは、トラフ型以外でもよく、例えば、フレネル型、タワー型、または固定パネル型でもよい。これは、後述する第２〜第７実施形態でも同様である。また、第１〜第５変形例は、互いに組み合わせて第１実施形態に適用してもよい。また、第１〜第５変形例は、単独でまたは互いに組み合わせて後述する第２〜第７実施形態に適用してもよい。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図７の太陽熱集熱システムは、図１に示す構成要素に加え、弁１６と、冷却媒体流路１７とを具備している。冷却媒体流路１７は、第２流路の例である。

図７は、熱媒体流路４上の地点Ｐ_６を示している。地点Ｐ_６は、集熱器１と熱媒体ポンプ５との間において、熱媒体ポンプ５の下流に位置している。冷却媒体流路１７の一方の端部は、地点Ｐ_６にて熱媒体流路４に接続されており、冷却媒体流路１７の他方の端部は、冷却媒体タンク１１に接続されている。地点Ｐ_６は、第２地点の例である。弁１６は、冷却媒体流路１７に設けられている。

制御部１５は、熱媒体の測定温度が許容上限温度に達したら、弁１３、１６を閉状態から開状態に変化させ、弁１３、１６を開くと共に、冷却媒体ポンプ１２を稼働させる。その結果、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体が、冷却媒体流路１４を介して地点Ｐ_３に供給され、集熱管３内の熱媒体が温度低下する。さらには、地点Ｐ_６の熱媒体が、冷却媒体流路１７を介して冷却媒体タンク１１内に供給される。地点Ｐ_６から冷却媒体タンク１１に流入する熱媒体の量は、冷却媒体タンク１１から地点Ｐ_３に流出する冷却媒体の量と同量である。地点Ｐ_６から冷却媒体タンク１１に流入した熱媒体は、冷却媒体として使用される。

地点Ｐ_６は加熱器７より下流なので、地点Ｐ_６からの熱媒体は、地点Ｐ_３の熱媒体よりは充分に低温である。しかしながら、地点Ｐ_６からの熱媒体は、冷却媒体タンク１１内に予め貯蔵された常温の熱媒体（冷却媒体）よりは充分に高温である。そのため、本実施形態では、冷却媒体流路１７から冷却媒体タンク１１の頂部に熱媒体を流入させ、冷却媒体タンク１１の底部から冷却媒体流路１４に熱媒体を流出させる事で、冷却媒体タンク１１内の熱媒体を温度成層化させる事が望ましい。これにより、冷却媒体タンク１１の鉛直方向の深さを充分に深くしなくても、集熱器１の焦点外しが完了するまでの間は、集熱管３に常温の熱媒体を供給できる。

なお、地点Ｐ_６は、図７では熱媒体ポンプ５の下流に位置しているが、熱媒体ポンプ５の上流に位置していてもよい。また、地点Ｐ_６は、集熱管３上に位置していてもよい。

弁１３、１６を開くと、集熱器１の入口と地点Ｐ_３との間の領域での熱媒体の流量が減少するので、この領域内での熱媒体の温度は上昇する。しかしながら、地点Ｐ_３に常温の冷却媒体が注入される効果が大きいので、地点Ｐ_３と集熱器１の出口との間の領域では熱媒体は充分に冷却される。

ここで、第１実施形態と第２実施形態とを比較する。

第１実施形態では、集熱器１内の熱媒体を充分に冷却するためには、冷却媒体タンク１１を大気解放するか、冷却媒体ポンプ１２を高出力にして冷却媒体タンク１１から大量の熱媒体を大量に流出させる必要がある。一方、第２実施形態では、このような方法によらずに、集熱器１内の熱媒体を充分に冷却する事ができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図８の太陽熱集熱システムは、図７に示す構成要素を具備しているが、冷却媒体ポンプ１２は具備していない。よって、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体は、冷却媒体ポンプ１２を介さずに地点Ｐ_３に供給される。

ここで、第２実施形態と第３実施形態とを比較する。

第２実施形態では、冷却媒体流路１４、１７の圧力損失が充分に小さく、かつ、冷却媒体ポンプ１２と地点Ｐ_３との鉛直方向の高さが充分に小さい場合に、冷却媒体タンク１１内の冷却媒体を冷却媒体ポンプ１２を用いずに地点Ｐ_３に送液する事ができる。そこで、第３実施形態の太陽熱集熱システムは、第２実施形態の太陽熱集熱システムから冷却媒体ポンプ１２を除去して構成されている。

本実施形態では、地点Ｐ_６が熱媒体ポンプ５の下流に位置している。これにより、冷却媒体流路１４、１７内の熱媒体を熱媒体ポンプ５の搬送能力により搬送する事が可能となる。本実施形態によれば、冷却媒体ポンプ１２を用いずに太陽熱集熱システムを構成する事で、太陽熱集熱システムの構成を簡略化する事が可能となる。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図９の太陽熱集熱システムは、図８に示す構成要素を具備しているが、冷却媒体タンク１１、弁１６、及び冷却媒体流路１７は具備していない。さらに、冷却媒体流路１４の一方の端部は地点Ｐ_３に接続され、冷却媒体流路１４の他方の端部は地点Ｐ_６に接続されている。よって、熱媒体流路４の熱媒体は、地点Ｐ_６から冷却媒体流路１４に流入し、冷却媒体タンク１１及び冷却媒体ポンプ１２を介さずに地点Ｐ_３に冷却媒体として供給される。

ここで、第３実施形態と第４実施形態とを比較する。

第３実施形態では、地点Ｐ_６を流れる熱媒体の温度が充分に温度低下している場合、この熱媒体を冷却媒体タンク１１内で自然冷却する必要はない。この熱媒体の温度が常温ではないが、地点Ｐ_３を流れる熱媒体の温度より充分に低温であれば、この熱媒体は冷却媒体として充分に機能できるからである。そこで、第４実施形態の太陽熱集熱システムは、第３実施形態の太陽熱集熱システムから冷却媒体タンク１１を除去して構成されている。

本実施形態によれば、冷却媒体タンク１１を用いずに太陽熱集熱システムを構成する事で、太陽熱集熱システムの構成をさらに簡略化する事が可能となる。

（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図１０の太陽熱集熱システムは、図８に示す構成要素を具備しているが、冷却媒体タンク１１と弁１６は具備していない。また、冷却媒体流路１４の一方の端部は地点Ｐ_３に接続され、冷却媒体流路１４の他方の端部は膨張タンク６に接続されている。また、冷却媒体流路１７の一方の端部は熱媒体流路４上の地点Ｐ_７に接続され、冷却媒体流路１７の他方の端部は膨張タンク６に接続されている。地点Ｐ_７は、加熱器７と熱媒体ポンプ５との間において、熱媒体ポンプ５の上流に位置している。地点Ｐ_７は、第２地点の例である。このように、本実施形態の膨張タンク６は、冷却媒体流路１４、１７と連通している。

熱媒体流路４を流れる熱媒体の体積が増加すると、熱媒体が地点Ｐ_７から冷却媒体流路１７を介して膨張タンク６に流入する。これにより、熱媒体の体積増加が膨張タンク６により吸収される。

制御部１５は、熱媒体の測定温度が許容上限温度に達したら、弁１３を閉状態から開状態に変化させ、弁１３を開くと共に、冷却媒体ポンプ１２を稼働させる。その結果、膨張タンク６内の熱媒体が、冷却媒体流路１４を介して地点Ｐ_３に冷却媒体として供給され、集熱管３内の熱媒体が温度低下する。さらには、地点Ｐ_７の熱媒体が、冷却媒体流路１７を介して膨張タンク６に流入する。

なお、第４実施形態では、熱媒体流路４の熱媒体をただちに冷却媒体として使用するのに対し、本実施形態では、熱媒体流路４の熱媒体を膨張タンク６内に貯蔵した後に冷却媒体として使用する。よって、本実施形態では、第４実施形態に比べて低温の熱媒体を冷却媒体として使用する事ができる。また、膨張タンク６内の熱媒体の温度は一般に、熱媒体流路４を流れる熱媒体の温度とは異なり、常温に近いので、温度低下させやすい。よって、本実施形態では、冷却媒体タンク１１が不要となる。

なお、膨張タンク６の出口（膨張タンク６と冷却媒体流路１４との接続点）は、膨張タンク６の入口（膨張タンク６と冷却媒体流路１７との接続点）から遠くに配置する事が望ましい。これにより、膨張タンク６内に入口から流入した流体塊が、膨張タンク６の出口からただちに流出する事を回避する事が可能となる。

また、地点Ｐ_７は、図１０では熱媒体ポンプ５の上流に位置しているが、熱媒体ポンプ５の下流に位置していてもよい。

（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図１１の太陽熱集熱システムは、図１に示す構成要素を具備しているが、冷却媒体タンク１１、冷却媒体ポンプ１２、弁１３、及び冷却媒体流路１４は具備していない。

図１１の熱媒体流路４は、集熱器１をバイパスして熱媒体を流通させるバイパス流路２１を具備している。バイパス流路２１は、地点Ｒ_１にて熱媒体流路４の本流から分岐しており、地点Ｒ_２にて熱媒体流路４の本流に合流している。バイパス流路２１には、熱媒体ポンプ２２と、熱媒体ポンプ２２の上流に位置する弁２３と、熱媒体ポンプ２２の下流に位置する弁２４が設けられている。地点Ｒ_１からバイパス流路２１に流入した熱媒体は、熱媒体ポンプ２２により地点Ｒ_２まで送液される。また、弁２７は、地点Ｒ_１と集熱器１との間の熱媒体流路４に設けられ、弁２８は、地点Ｒ_２と集熱器１との間の熱媒体流路４に設けられている。また、流路２９は、熱媒体ポンプ２２をバイパスするように設けられており、弁３０は、流路２９に設けられている。

図１１の太陽熱集熱システムは、冷却媒体流路１４の代わりに冷却媒体流路２５を具備している。冷却媒体流路２５の一方の端部は、バイパス流路２１上の地点Ｒ_３にてバイパス流路２１に接続されており、冷却媒体流路２５の他方の端部は、地点Ｐ_３にて集熱管３に接続されている。地点Ｒ_３は、熱媒体ポンプ２２と弁２４との間において、熱媒体ポンプ２２の下流に位置している。冷却媒体流路２５は、地点Ｒ_３からの熱媒体を冷却媒体として地点Ｐ_３に供給する。冷却媒体流路２５は、第１流路の例である。地点Ｐ_３は、第１地点の例である。地点Ｒ_３は、第２地点の例である。冷却媒体流路２５には、弁２６が設けられている。

太陽熱集熱システムの集熱運転時には、弁２３、２４、２６を閉じておき、弁２７、２８を開いておく。この場合、熱媒体は、集熱器１内を流通し、バイパス流路２１には流通しない。弁３０は、閉じておいても開いておいてもよい。

また、太陽熱集熱システムを何らかの理由で集熱運転からバイパス運転に切り替える際には、弁２３、２４、３０を開いた後、弁２７、２８の一方または両方を閉じる。この場合、熱媒体は、集熱器１をバイパスして地点Ｒ_１から地点Ｒ_２までバイパス流路２１を流通する。

太陽熱集熱システムの集熱運転時には、バイパス流路２１内に常温の熱媒体が保管される。制御部１５は、熱媒体の測定温度が許容上限温度に達したら、弁２４を閉じたまま、かつ弁２７、２８を開いたままで、弁２３、２６を開き、弁３０を閉じ、熱媒体ポンプ２２を稼働させる。その結果、バイパス流路２１内の常温の熱媒体が、熱媒体ポンプ２２により地点Ｒ_３を介して冷却媒体流路２５に冷却媒体として供給され、地点Ｐ_３を流れる熱媒体に合流する。さらには、熱媒体が地点Ｒ_１からバイパス流路２１に流入する。地点Ｒ_１からバイパス流路２１に流入する熱媒体の量は、バイパス流路２１から冷却媒体流路２５に流出する熱媒体の量と同量である。

弁２３、２６を開くと、集熱器１の入口と地点Ｐ_３との間の領域での熱媒体の流量が減少するので、この領域内での熱媒体の温度は上昇する。しかしながら、地点Ｐ_３に常温の冷却媒体が注入される効果が大きいので、地点Ｐ_３と集熱器１の出口との間の領域では熱媒体は充分に温度低下する。

パイパス流路２１内の熱媒体の温度は一般に、バイパス運転中やバイパス運転の直後を除き、常温に近い。よって、本実施形態では、冷却媒体タンク１１が不要となる。また、本実施形態のバイパス流路２１や冷却媒体流路２５の長さは一般に、第１〜第５実施形態の冷却媒体流路１４の長さや、第２、第３、第５実施形態の冷却媒体流路１７の長さに比べて短い。よって、本実施形態の熱媒体ポンプ２２の必要動力は、第１実施形態等の冷却媒体ポンプ１２の必要動力より小さくなる。

図１２は、第６実施形態の変形例の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

本変形例の集熱器１は、上述の第５変形例と同様に、２列の反射鏡２と、２本の集熱管３とを具備している。熱媒体流路４は、地点Ｑ_１、Ｑ_２で分岐して、これらの集熱管３に接続されている。各列の反射鏡２は、６枚の反射鏡２ａ〜２ｆを含んでいる。２個の温度センサ８の内の一方は、一方の列の反射鏡２ｅ、２ｆの間の地点Ｐ_３に配置されている。２個の温度センサ８の内の他方は、他方の列の反射鏡２ｅ、２ｆの間の地点Ｐ_３に配置されている。

本変形例の太陽熱集熱システムは、２組のバイパス流路２１、熱媒体ポンプ２２、冷却媒体流路２５、弁２３、２４、２６、２７、２８、３０、及び流路２９を具備している。各組のバイパス流路２１等の構成は、図１１に示す構成と同様である。制御部１５は、ある温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、対応する弁２３、２６のみを開き、対応する弁３０のみを閉じ、対応する熱媒体ポンプ２２のみを稼働させる事で、対応する集熱管３内の熱媒体を温度低下させる。

なお、本変形例の太陽熱集熱システムは、バイパス流路２１、熱媒体ポンプ２２、弁２３、２４、２７、２８、３０、及び流路２９を１組のみ具備し、冷却媒体流路２５及び弁２６を２組具備していてもよい。この場合、１本のバイパス流路２１から２本の冷却媒体流路２５が分岐し、各冷却媒体流路２５に１個の弁２６が設けられる。制御部１５は、ある温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、弁２３を開き、弁３０を閉じると共に、この温度センサ８に対応する弁２６を開き、熱媒体ポンプ２２を稼働させる事で、対応する集熱管３内の熱媒体を温度低下させる。

また、本変形例の集熱器１は、３列以上の反射鏡２と、３本以上の集熱管３とを具備していてもよい。この場合には、上述の２列の例と同様に、各列に１組のバイパス流路２１等を個別に設けてもよいし、複数列に１組のバイパス流路２１等を共通に設けてもよい。また、１つの太陽熱集熱システムにこれらの構成を組み合わせて採用してもよい。複数列に１組のバイパス流路２１等を共通に設ける場合には、１本のバイパス流路２１から複数本の冷却媒体流路２５を分岐させ、各冷却媒体流路２５に１個の弁２６を設ける。いずれの構成においても、制御部１５は、ある温度センサ８の測定温度が許容上限温度に達したら、少なくともこの温度センサ８に対応する弁２６を開く事で、対応する集熱管３内の熱媒体を温度低下させる。

以上のように、本実施形態の太陽熱集熱システムは、集熱管３または熱媒体流路４に冷却媒体を供給して、熱媒体に冷却媒体を混入させる冷却媒体流路２５を具備している。よって、本実施形態によれば、熱媒体を冷却媒体により冷却する事で、熱媒体の劣化を抑制する事が可能となる。

なお、第６実施形態の上記変形例は、後述する第７実施形態に適用してもよい。

（第７実施形態）
図１３は、第７実施形態の太陽熱集熱システムの構成を示す模式図である。

図１３の太陽熱集熱システムは、図１２に示す構成要素を具備しているが、熱媒体ポンプ２２、流路２９、及び弁３０は具備していない。よって、地点Ｒ_１からバイパス流路２１に流入した熱媒体は、熱媒体ポンプ２２を介さずに地点Ｒ_２や地点Ｒ_３に送液される。

ここで、第６実施形態と第７実施形態とを比較する。

第６実施形態では、バイパス流路２１と冷却媒体流路２５の圧力損失が充分に小さく、かつ、熱媒体ポンプ５と地点Ｐ_３との鉛直方向の高さが充分に小さい場合に、バイパス流路２１内の熱媒体を熱媒体ポンプ２２を用いずに地点Ｒ_２や地点Ｒ_３に送液する事ができる。そこで、第７実施形態の太陽熱集熱システムは、第６実施形態の太陽熱集熱システムから熱媒体ポンプ２２を除去して構成されている。

本実施形態では、バイパス流路２１や冷却媒体流路２５内の熱媒体を熱媒体ポンプ５の搬送能力により搬送する。本実施形態によれば、熱媒体ポンプ２３を用いずに太陽熱集熱システムを構成する事で、太陽熱集熱システムの構成を簡略化する事が可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定する事を意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施する事ができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行う事ができる。添付の特許請求の範囲及びこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：集熱器、２：反射鏡、３：集熱管、４：熱媒体流路、
５：熱媒体ポンプ、６：膨張タンク、７：加熱器、８：温度センサ、
１１：冷却媒体タンク、１２：冷却媒体ポンプ、１３：弁、
１４：冷却媒体流路、１５：制御部、１６：弁、１７：冷却媒体流路、
２１：バイパス流路、２２：熱媒体ポンプ、２３：弁、２４：弁、
２５：冷却媒体流路、２６：弁、２７：弁、２８：弁、２９：流路、３０：弁

Claims (14)

1. 集熱管内の熱媒体を太陽光線により加熱する集熱器と、
   前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、
   前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体流路と、
   前記集熱管または前記熱媒体流路の第１地点に接続されており、前記第１地点に冷却媒体を供給して、前記熱媒体に前記冷却媒体を混入させる第１流路と、
   を具備し、
   前記第１地点は、前記集熱器の最下流に配置された第１反射鏡と、前記第１反射鏡に隣接する第２反射鏡との間に位置する事を特徴とする太陽熱集熱システム。
2. 前記冷却媒体は、前記第１地点における前記熱媒体の温度より低い温度を有する事を特徴とする、請求項１に記載の太陽熱集熱システム。
3. 前記熱媒体の温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器により検出された前記温度に基づいて、前記冷却媒体を前記第１流路から前記第１地点に供給する制御部と、
   を具備する事を特徴とする、請求項１または２に記載の太陽熱集熱システム。
4. 前記温度検出器は、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間において、または前記第１反射鏡の下流で前記加熱器より上流において、前記熱媒体の温度を検出する事を特徴とする、請求項３に記載の太陽熱集熱システム。
5. 前記冷却媒体を貯蔵する冷却媒体タンクを具備し、
   前記第１流路は、前記冷却媒体タンク内の前記冷却媒体を前記第１地点に供給する事を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
6. 前記熱媒体流路または前記集熱管の第２地点に接続されており、前記第２地点からの前記熱媒体を前記冷却媒体として前記冷却媒体タンクに供給する第２流路を具備する事を特徴とする、請求項５に記載の太陽熱集熱システム。
7. 前記第１流路に設けられ、前記冷却媒体タンク内の前記冷却媒体を前記第１流路を介して前記第１地点に供給する冷却媒体ポンプを具備する事を特徴とする、請求項５または６に記載の太陽熱集熱システム。
8. 前記第１流路は、前記冷却媒体タンク内の前記冷却媒体を冷却媒体ポンプを介さずに前記第１地点に供給する事を特徴とする、請求項５または６に記載の太陽熱集熱システム。
9. 前記第１流路は、前記熱媒体流路または前記集熱管の第２地点に接続されており、前記第２地点からの前記熱媒体を前記冷却媒体として冷却媒体タンク及び冷却媒体ポンプを介さずに前記第１地点に供給する事を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
10. 前記熱媒体流路または前記集熱管の第２地点に接続された流路と連通している膨張タンクを具備し、
    前記第１流路は、前記膨張タンク内の前記熱媒体を前記冷却媒体として前記第１地点に供給する事を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
11. 前記熱媒体流路は、前記集熱器をバイパスして前記熱媒体を流通させるバイパス流路を具備し、
    前記第１流路は、前記バイパス流路の第２地点に接続されており、前記第２地点からの前記熱媒体を前記冷却媒体として前記第１地点に供給する事を特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱システム。
12. 前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路に流入した前記熱媒体を前記第２地点に供給する熱媒体ポンプを具備する事を特徴とする、請求項１１に記載の太陽熱集熱システム。
13. 前記バイパス流路は、前記バイパス流路に流入した前記熱媒体を熱媒体ポンプを介さずに前記第２地点に供給する事を特徴とする、請求項１１に記載の太陽熱集熱システム。
14. 集熱管内の熱媒体を太陽光線により加熱する集熱器と、
    前記熱媒体により被加熱流体を加熱する加熱器と、
    前記集熱器と前記加熱器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体流路と、
    を具備する太陽熱集熱システムに冷却媒体を供給する冷却媒体供給システムであって、
    前記集熱管または前記熱媒体流路の第１地点に接続されており、前記第１地点に前記冷却媒体を供給して、前記熱媒体に前記冷却媒体を混入させる第１流路と、
    前記第１流路に設けられ、前記第１流路から前記第１地点への前記熱媒体の供給を制御する弁と、
    を具備し、
    前記第１地点は、前記集熱器の最下流に配置された第１反射鏡と、前記第１反射鏡に隣接する第２反射鏡との間に位置する事を特徴とする冷却媒体供給システム。

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