CN107208934A - 太阳能集热管、太阳光‑热转换装置以及太阳能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供太阳能集热管、太阳光‑热转换装置以及太阳能发电装置。本发明的太阳能集热管(1)具有：管(3)，其能供热介质(2)在内部流通；红外线反射层(4)，其形成于管(3)的外侧表面上；太阳光‑热转换层(5)，其形成于红外线反射层(4)上并含有硅化锰；以及防反射层(6)，其形成于太阳光‑热转换层(5)上。太阳光‑热转换层(5)所使用的硅化锰优选为半导体。根据本发明的太阳能集热管(1)，能够将太阳光高效地转换为热。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能集热管、太阳光-热转换装置以及太阳能发电装置。
背景技术
公知有将太阳光转换为热并利用该热进行发电的太阳能发电装置。在该装置中，由聚光单元会聚太阳光，并利用其所会聚的太阳光对太阳能集热管内的热介质进行了加热后，在发电机中利用该加热了的热介质的热能进行发电。因此，从提高将太阳光转换为热的效率(其结果为发电效率)观点出发研究出，在太阳能集热管的外侧表面形成将太阳光转换为热的层(以下称“太阳光-热转换层”)等，来促进利用所会聚的太阳光对热介质加热。
例如，专利文献1中提出了使用金属陶瓷层作为太阳光-热转换层。这里，金属陶瓷(Cermet)是指将陶瓷(Ceramic)与金属(Metal)复合而成的材料。
另外，专利文献2中提出了使用在一侧形成有选择性涂层而在另一侧形成有放射性涂层的片材作为太阳光-热转换层。
专利文献1：欧州专利第1397622号说明书
专利文献2：日本特开昭57-55363号公报
然而，如上所述的现有的具有太阳光-热转换层的太阳能集热管的将太阳光转换为热的效率依然不足。因此，强烈期望促进利用所会聚的太阳光对热介质加热，从而更高效地将太阳光转换为热。
发明内容
本发明为解决如上所述的问题而产生，目的在于提供能够高效地将太阳光转换为热的太阳能集热管和太阳光-热转换装置。
此外，本发明的目的还在于提供一种发电效率高的太阳能发电装置。
本发明者们为解决如上所述的问题而潜心研究，结果发现硅化锰具有适合用于太阳光-热转换层的特性，而完成了本发明。
即，本发明为下文的第(1)项～第(6)项。
(1)一种太阳能集热管，具有：管，其能供热介质在内部流通；红外线反射层，其形成于所述管的外侧表面上；太阳光-热转换层其形成于所述红外线反射层上，并含有硅化锰；以及防反射层，其形成于所述太阳光-热转换层上。
(2)根据第(1)项所述的太阳能集热管，上述硅化锰为半导体。
(3)根据第(1)项或者第(2)项所述的太阳能集热管，上述硅化锰以Mn11Si19为主要成分。
(4)根据第(1)项～第(3)项中任一项所述的太阳能集热管，在上述红外线反射层与上述太阳光-热转换层之间还形成有透光层。
(5)一种太阳光-热转换装置，具有第(1)项～第(4)项中任一项所述的太阳能集热管和将太阳光向上述太阳能集热管会聚的聚光单元。
(6)一种太阳能发电装置，具有第(5)项所述的太阳光-热转换装置和发电机，对所述太阳光-热转换装置的所述太阳能集热管内的热介质加热，并且由所述发电机利用经过加热的所述热介质的热能产生电力。
根据本发明，能够提供能将太阳光高效地转换为热的太阳能集热管和太阳光-热转换装置。
此外，根据本发明，还能够提供一种发电效率高的太阳能发电装置。
附图说明
图1是实施方式1的太阳能集热管的剖视图。
图2是示出太阳光的光谱和黑体辐射的光谱的图表。
图3是在红外线反射层与太阳光-热转换层之间进一步具有透光层的实施方式1的太阳能集热管的剖视图。
图4是实施方式2的太阳光-热转换装置的剖视图。
图5是用于对在实施例1中制作的层叠体进行说明的图。
图6是用于对在实施例2中制作的层叠体进行说明的图。
图7是用于对在比较例1中制作的层叠体进行说明的图。
图8是示出实施例1～2和比较例1的层叠体的吸收特性的图表。
具体实施方式
实施方式1.
下文参照附图说明本发明的太阳能集热管的优选实施方式。
图1是本实施方式的太阳能集热管的剖视图。
在图1中，本实施方式的太阳能集热管1具有：管3，其能供热介质2在内部流通；红外线反射层4，其形成于管3的外侧表面上；太阳光-热转换层5，其形成于红外线反射层4上；以及防反射层6，其形成于太阳光-热转换层5上。
作为能供热介质2在内部流通的管3，并不特别限定，能够使用在本技术领域中公知的管。一般而言，管3的材质可以使用铁系材料(例如不锈钢、耐热钢、合金钢、碳钢)、铝系材料等具有耐热性的金属。在这些材料之中，若考虑使用环境(例如管3的加热温度)，则优选为不锈钢或者耐热钢制的管3。
作为在管3的内部流通的热介质2，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的热介质。作为热介质2的例子，可以举出水、油、熔融盐(例如熔融钠)等。
形成于管3的外侧表面上的红外线反射层4具有反射来自热介质2和管3的热辐射(热放射)的功能。一般而言，太阳能利用方面的热介质2和管3等材料会被加热到600℃左右的高温，而此时所放射出的电磁波绝大部分为红外线。因此，红外线反射层4主要具有反射该红外域的光的功能。即，红外线反射层4抑制被给予到热介质2和管3的热能因热辐射而向管3的外部释放这种情况出现。
作为红外线反射层4，并不特别限定，可以使用该技术领域中公知的红外线反射层。作为红外线反射层4的例子，可以举出钼(Mo)层、钨(W)层、银(Ag)层、金(Au)层以及铜(Cu)层等。其中，优选反射热辐射并辅助吸收太阳光的功能优异的钼(Mo)层。
红外线反射层4的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就不特别限定，但优选为10nm～500nm。
作为红外线反射层4的形成方法，并不特别限定，可以使用该技术领域中公知的方法。例如，能够使用化学蒸镀、物理蒸镀(溅射、真空蒸镀、离子镀等)来形成红外线反射层4。
形成于红外线反射层4上的太阳光-热转换层5具有抑制因热辐射所致的散热并高效地吸收太阳光的功能。
太阳光-热转换层5含有硅化锰。能够通过将硅化锰用于太阳光-热转换层5来获得上述功能。
这里，“硅化锰”是指由硅(Si)和锰(Mn)构成的化合物。作为硅化锰的例子，可以举出MnSi、Mn4Si7、Mn11Si19、Mn15Si26、Mn27Si47等。
根据硅与锰的占比的差异，硅化锰为金属或者半导体。例如，MnSi是电阻率为2×10-8Ωm的金属，而Mn11Si19为半导体。
身为金属的硅化锰基本上会吸收所有波长的光，因此吸收率的斜率比身为半导体的硅化锰平缓。因此，在各种硅化锰中，太阳光-热转换层5所使用的硅化锰优选身为半导体的硅化锰，尤其优选含有Mn11Si19作为主要成分。
这里，在本说明书中“主要成分”是指含有各种成分的组成中含量最多的成分，具体而言是指含量多于50质量％的成分。
Mn11Si19是带隙为0.64eV的半导体，因此具有吸收波长靠比与该带隙相当的波长(约1937nm)短这侧的光而不吸收波长比与该带隙相当的波长长这侧的光的性质。因此，在与带隙相当的波长附近，Mn11Si19的吸收率的斜率变得陡峭。因此，Mn11Si19具有对从数百nm波长的可见光到近红外光的吸收率大且对数千nm波长的红外光的吸收率小的光学特性。
图2示出太阳光的光谱和黑体辐射的光谱。如图2所示，太阳光的光谱以数百nm波长的可见光区域为中心扩张，而在太阳光-热转换层5所置身的温度即数百℃(例如200～600℃)下黑体辐射的光谱则以数千nm波长的红外区域为中心扩张。
此外，一般而言，不透明材料的辐射率(放射率)与吸收率相对应，在某个波长域的辐射率较高的情况下，相同波长域的吸收率也高。
因此，为了获得针对太阳光的吸收率高且因热辐射所致的散热少的太阳光-热转换层5，必须增大对从数百nm波长的可视域到近红外域的光的吸收率，并减小对数千nm波长的红外域的光的吸收率。
在这一点上，本实施方式的太阳能集热管1所使用的太阳光-热转换层5含有具有如上所述的光学特性的硅化锰，因此能够高效地吸收太阳光的光谱所分布的数百nm波长的可见光区域的光，并且能够抑制对数千nm波长的红外区域的光的吸收(即放射)。
另外，一方面，本实施方式的太阳能集热管1所使用的太阳光-热转换层5对光的波长的吸收率为，在波长短于1000nm～2480nm波长区域一侧(从可见光域到近红外域)变高，在波长长于1000nm～2480nm波长区域一侧(红外域)变低，即，在1000nm～2480nm的狭窄的波长区域吸收率陡峭地变化。因此，能够将因热辐射所致的损失抑制得较低，并且能够高效地吸收太阳光。其结果是，能够将太阳光高效地转换为热。另一方面，在对光的波长的吸收率的变化平缓的情况下，对近红外域的太阳光的吸收率降低，对红外域的光的辐射率变高，从而增大热能损失。
太阳光-热转换层5可以仅含有硅化锰，但也可以进一步含有硅化锰以外的材料。即，太阳光-热转换层5可以仅由硅化锰构成，也可以由硅化锰与硅化锰以外的材料制成的复合材料(Composite Material)构成。
作为复合材料中使用的硅化锰以外的材料，可以使用透明介电体。通过设为硅化锰与透明介电体形成的复合材料，能够调节太阳光-热转换层5的折射率等特性。作为透明介电体，并不特别限定，可以使用该技术领域中公知的透明介电体。作为透明介电体的例子，可以举出SiO2、Al2O3、AlN等，但其中，从减小光的反射的观点出发，优选SiO2。例如，硅化锰与SiO2的复合材料与硅化锰单体相同，光的吸收率相对于波长的变化(从吸收率高向吸收率低的变化)表现为陡峭。另外，在从太阳光的光谱所分布的可视域到近红外域，具有高吸收率，且在红外域具有低辐射率(即，低吸收率)。
在使用复合材料的情况下，复合材料中的硅化锰的含量并不特别限定，例如，可以设为10vol％以上、20vol％以上、30vol％以上、40vol％以上、50vol％以上、60vol％以上、70vol％以上、80vol％以上、90vol％以上、95vol％以上。
太阳光-热转换层5的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就不特别限定，但优选为1nm～10μm，更加优选为5nm～100nm。
太阳光-热转换层5可以是1层，也可以设为由不同种类的太阳光-热转换部层5构成的多层。
作为太阳光-热转换层5的形成方法，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的方法。例如，能够通过使用化学蒸镀、物理蒸镀(溅射、真空蒸镀、离子镀等)，来形成太阳光-热转换层5。
形成于太阳光-热转换层5上的防反射层6具有防止太阳光反射的功能。
作为防反射层6，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的防反射层。作为防反射层6的例子，可以举出SiO2层、Al2O3层、AlN层、Cr2O3层等透明介电体层。
防反射层6的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就不特别限定，但优选为10nm～500nm。
作为防反射层6的形成方法，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的方法。例如，能够通过使用化学蒸镀、物理蒸镀(溅射、真空蒸镀、离子镀)，来形成防反射层6。
本实施方式的太阳能集热管1作为必须的结构而具有上述各结构，但也可以如图3所示，在红外线反射层4与太阳光-热转换层5之间具有透光层7。
透光层7具有通过干涉效应促进光在太阳光-热转换层5处的吸收的功能。
作为透光层7，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的透光层。作为透光层7的例子，可以举出SiO2层、Al2O3层、AlN层、Cr2O3层等透明介电体层。
透光层7的厚度只要为可取得本发明的效果的范围就不特别限定，但优选为1nm～100nm。
作为透光层7的形成方法，并不特别限定，可以使用在该技术领域中公知的方法。例如，能够通过使用化学蒸镀、物理蒸镀(溅射、真空蒸镀、离子镀)，来形成透光层7。
具有如上所述的结构的本实施方式的太阳能集热管1具有光的吸收率在1000nm～2480nm的狭窄的波长区域从较高的状态向较低的状态变化(即，吸收率特性的变化陡峭)的太阳光-热转换层5，因此能够抑制因热辐射所致的散热并高效地吸收太阳光，从而能够将太阳光的光能高效地转换为热能。
实施方式2.
下文参照附图说明本发明的太阳光-热转换装置的优选实施方式。
图4是本实施方式的太阳光-热转换装置的剖视图。
在图4中，本实施方式的太阳光-热转换装置10具有实施方式1的太阳能集热管1和将太阳光L向太阳能集热管1会聚的聚光单元11。此外，在图4中，从便于阅览附图的观点出发，未示出太阳能集热管1的结构的详情。
作为聚光单元11，只要能够将太阳光L向太阳能集热管1会聚，就不特别限定，可以使用该技术领域中公知的聚光单元。一般而言，聚光单元11具有截面为槽式的抛物面的形状。另外，聚光单元11的内表面(太阳能集热管1一侧的表面)为镜面，太阳能集热管1被支承于由聚光单元11反射的太阳光L的焦点位置。此外，作为聚光单元11，并不局限于槽式，还可以使用菲涅尔式、线性菲涅尔式等。
本实施方式的太阳光-热转换装置10能够用于将热介质2加热至300℃～1100℃，优选加热至400℃～1000℃，更加优选加热至400℃～900℃。
在具有如上所述的结构的太阳光-热转换装置10中，由聚光单元11将太阳光L向太阳能集热管1会聚，并利用所会聚的太阳光L对太阳能集热管1内的热介质2加热。而且，供会聚太阳光L的太阳能集热管1具有太阳光-热转换层5，该太阳光-热转换层5能够抑制因来自对被加热了的热介质进行收容的管3的热辐射所致的散热并高效地吸收太阳光L，因此能够高效地将太阳光L转换为热。
实施方式3.
本实施方式的太阳能发电装置具有实施方式2的太阳光-热转换装置10和发电机。在该太阳能发电装置中，由太阳光-热转换装置10对太阳能集热管1内的热介质2加热，并且在上述发电机中利用被加热了的热介质2的热能来产生电力。
具有如上所述的结构的太阳能发电装置具有能够将太阳光L高效地转换为热的太阳光-热转换装置10，因此能够提供发电效率高的太阳能发电装置。
作为本发明的太阳能发电装置所使用的发电机，只要能够将热转换为电，就不特别限定。作为发电机的例子，可以举出能够利用加热了的热介质2使水、氨气等蒸发介质蒸发并通过其蒸气使蒸气涡轮旋转而产生电力的发电机。
实施例是
下文借助实施例和比较例详细说明本发明，但它们并不限定本发明。
在以下的实施例和比较例中，基于光学常量(n、k)通过多层膜近似求出了构成太阳能集热管的各层的层叠体(除管以外的层的层叠体)的特性，而对该特性进行了评价。有关各层的光学常量，若它们为已知，则从文献中获得其值，在它们不清楚的情况下，通过实际制作了单层膜，测定并计算出多层膜近似所需的各层的光学常量(n、k)而获得。
(实施例1)
通过多层膜近似求出了具有图5所示的构造的层叠体的吸收特性。为了制作用于测定光学常量的单层膜，使用石英玻璃(纵30mm×横20mm×厚度1mm)作为基板，将基板温度设为室温，通过溅射将各单层膜成膜。成膜后，将单层膜在真空炉中以温度600℃～800℃退火1个小时。这里，溅射时的气氛设为Ar气氛(流量20sccm，压力0.4Pa)。使用SiO2靶和高频电流(RF)电源以溅射功率200W生成等离子体而形成了SiO2层。使用Mn靶、Si靶以及直流(DC)电源以Mn的溅射功率5.5W、Si的溅射功率50W生成等离子体而形成了Mn11Si19层。
接下来，基于Mo的光学常量(n、k)、SiO2的光学常量(nc、kc)以及Mn11Si19的光学常量(ns、ks)，通过多层膜近似，求出了具有图5所示的构造的层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)。其结果示于图4。
这里，Mo的光学常量(n、k)参考文献“Handbook of Optical Constants ofSolids,Edward D.Palik,Academic Press,Boston,1985”。SiO2的光学常量(nc、kc)和Mn11Si19的光学常量(ns、ks)使用了根据光谱椭偏仪的测定数据以及用分光光度计测定出的反射率特性和透过率特性所计算出的数据。
(实施例2)
通过多层膜近似，求出了具有图6所示的构造的层叠体的吸收特性。在与实施例1相同的条件下制作了用于测定光学常量的单层膜。使用Mn靶、Si靶以及直流(DC)电源，以Mn的溅射功率8.0W、Si的溅射功率50W生成等离子体而形成了MnSi层。
接下来，基于Mo的光学常量(n、k)、SiO2的光学常量(nc、kc)以及MnSi的光学常量(ns、ks)，通过多层膜近似，求出了具有图6所示的构造的层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)。其结果示于图4。
这里，Mo的光学常量(n、k)参考文献“Handbook of Optical Constants ofSolids,Edward D.Palik,Academic Press,Boston,1985”を。SiO2的光学常量(nc、kc)和MnSi的光学常量(ns、ks)使用了根据光谱椭偏仪的测定数据以及用分光光度计测定出的反射率特性和透过率特性所计算出的数据。
(比较例1)
通过多层膜近似，求出了具有图7所示的构造的层叠体的吸收特性。在与实施例1相同的条件下制作了用于测定光学常量的单层膜。
接下来，基于Mo的光学常量(n、k)和SiO2的光学常量(nc、kc)，通过多层膜近似，求出了具有图7所示的构造的层叠体的吸收特性(对应于集热温度400℃)。其结果示于图4。
这里，Mo的光学常量(n、k)参考文献“Handbook of Optical Constants ofSolids,Edward D.Palik,Academic Press,Boston,1985”。SiO2的光学常量(nc、kc)使用了根据光谱椭偏仪的测定数据以及用分光光度计测定出的反射率特性和透过率特性所计算出的数据。
如图8所示，将硅化锰用于太阳光-热转换层的实施例1、2的层叠体的光的吸收率在1000nm～2480nm的狭窄的波长范围，从较高的状态向吸收率较低的状态变化。特别是，可知在硅化锰中，将Mn11Si19用于太阳光-热转换层的实施例1的层叠体的在1000～2480nm波长范围的光吸收率的斜率表现为陡峭(即，光吸收特性的变化陡峭)，该层叠体能够抑制因热辐射所致的散热并高效地吸收从可视域到近红外域的太阳光。
与此相对地，可知将Mo用于太阳光-热转换层的比较例1的层叠体的光的吸收率的变化的斜率表现为平缓，并且吸收率开始变低的变化点位于波长比实施例1、2中的太阳光-热转换层要短这侧(小于1000nm的波长范围)，该层叠体的太阳光的吸收效率低于实施例1、2的层叠体。
另外，有关上述实施例和比较例的层叠体，计算出了太阳光的280～4000nm波长区域的吸收率、辐射率(400℃)以及光热转换效率。
其结果是，吸收率在实施例1中为89.9％，在实施例2中为89.3％，在比较例1中为75.8％。此外，辐射率在实施例1中为2.2％，在实施例2中为4.4％，在比较例3中为3.0％。另外，光热转换效率在实施例1中为88.6％，在实施例2中为86.6％，在比较例1中为74.0％。
由以上结果可知，根据本发明，能够提供能将太阳光高效地转换为热的太阳能集热管和太阳光-热转换装置。此外，还能够通过使用本发明的太阳能集热管和太阳光-热转换装置，提供发电效率高的太阳能发电装置。
此外，本国际申请主张基于2015年2月6日提出申请的日本国专利申请第2015-021810号的优先权，在本国际申请中援引这些日本专利申请的全部内容。
附图标记说明
1…太阳能集热管；2…热介质；3…管；4…红外线反射层；5…太阳光-热转换层；6…防反射层；7…透光层；10…太阳光-热转换装置；11…聚光单元。
Claims (6)
1.一种太阳能集热管，其中，具有：
管，其能供热介质在内部流通；
红外线反射层，其形成于所述管的外侧表面上；
太阳光-热转换层，其形成于所述红外线反射层上，并含有硅化锰；以及
防反射层，其形成于所述太阳光-热转换层上。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热管，其中，
所述硅化锰为半导体。
3.根据权利要求1或者2所述的太阳能集热管，其中，
所述硅化锰以Mn11Si19为主要成分。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的太阳能集热管，其中，
在所述红外线反射层与所述太阳光-热转换层之间还形成有透光层。
5.一种太阳光-热转换装置，其中，具有：
权利要求1～4中任一项所述的太阳能集热管、和
将太阳光向所述太阳能集热管会聚的聚光单元。
6.一种太阳能发电装置，具有权利要求5所述的太阳光-热转换装置和发电机，其中，
对所述太阳光-热转换装置的所述太阳能集热管内的热介质加热，并且由所述发电机利用经过加热的所述热介质的热能产生电力。
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