JP2002089972A - マイクロ複合放物面集光（ｃｐｃ）型ソーラーコレクタ - Google Patents

マイクロ複合放物面集光（ｃｐｃ）型ソーラーコレクタ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来技術の太陽熱集光器は構造的に熱損失が大
きく、また、材料費を含む製造コストの増大、重量増大
による輸送費などの増大、配管と熱媒体との伝熱性能不
足などの欠点がある。 【解決の手段】微小な複合放物面集光（Compound Parab
olic Concentrator）型の反射鏡を有する量産可能な高
性能かつ多機能な薄型軽量のマイクロCPC型コレクタを
提案する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、太陽エネルギー
を利用した温水および高温熱媒体の製造、および光発電
の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】住宅等の暖房用温水および高温熱媒体な
どの加熱用として、従来の太陽集熱器（ソーラーコレク
タと呼ぶ、以下コレクタと表記）では平板型が多く使用
されている。
【０００３】平板型コレクタを用いたシステムの例を図
１４に示す。平板型コレクタ９に循環ポンプ１２を用い
て（潜熱）蓄熱タンク１０の熱媒体（水、ブラインな
ど）を平板型コレクタ９に循環し、太陽エネルギーを利
用して加熱、蓄熱タンクに熱媒体を蓄える。タンク１０
には潜熱蓄熱カプセル１１が充填されている場合もあ
る。
【０００４】平板型コレクタの一例として図１５にその
概略を示す。平板型コレクタはアルミニウム製のフィン
１３と銅管１４から成り、銅管１４の内部に熱媒体を循
環し、背面を断熱材７で断熱してある。
【０００５】しかしながら、以上の従来技術によれば、
銅管１４とフィン構造そのものに起因する熱損失の増
大、フィン効率の低下、および太陽光を集光しないこと
などが複合的に効いて、弱い日射時あるいは高温集熱時
において、集熱効率が悪くなるという短所がある。そこ
で考え出されたのは、CPC型の反射鏡(以下、CPC型リフ
レクタと表記)を導入するCPC型太陽集熱器(CPC型ソーラ
ーコレクタと呼ぶ。以下、CPC型コレクタと表記)であ
る。
【０００６】CPC型コレクタの一例を図１６に示す。な
お、図１６に示された寸法は実際の代表的な市販品のも
のである。CPC型リフレクタ（図中の反射鏡１）の導入
によって集光比を平板型コレクタよりも大きくすること
が可能となり、また集光比によっては設置角度を固定し
ても年間を通して集光が可能となる。これによって、平
板型コレクタよりも高温集熱が可能で集熱効率も高い。
【０００７】しかし、一方で図１６のタイプのCPC型リ
フレクタ１および熱媒体循環用配管４は開口部長さ１９
が80mmとサイズが大きいため、リフレクタによって囲ま
れた空間(以下、リフレクタキャビティと表記する)内部
の自然対流熱損失が極めて大きく、また材料費が高くな
るほか、装置全体が厚くかさばるため、製品化の際の高
価格、高重量、および高輸送費が懸念され、実用化が阻
害されてきた。実際の設置場所としては家屋の屋根など
が考えられるため、高重量では屋根荷重が問題となる。
さらに、従来形状のCPC型コレクタでは熱媒体循環用配
管と熱媒体との伝熱面積が小さく十分な熱交換がなされ
ないという欠点もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点の第一は、サイズの大きいリフレクタキャビティ内部
の大きな熱損失、第二はCPC型リフレクタや配管の厚
さ、面積に起因するCPC型コレクタの材料費を含む製造
コストの増大、重量増大による輸送費などの増大、およ
び第3は配管と熱媒体との伝熱性能不足である。
【０００９】CPC型コレクタでは、従来の平板型コレク
タに見られる、弱い日射時および高温集熱時の集熱効率
の低下を緩和することができるが、CPC型は平板型の2〜
3倍のコストがかかり、実用化・普及の障害となってい
た。本マイクロCPC型コレクタは平板型コレクタの1/10
のコストを実現できる有用な発明である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の３つの問題点を解
決するために、CPC型リフレクタおよび熱媒体循環用配
管のサイズをマイクロ化することによって、従来のCPC
型コレクタの利点を生かしたまま、熱損失の軽減し、材
料費などのコストの削減、伝熱性能の向上を図ることが
できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は本発明のマイクロCPC型コ
レクタの実施形態を示している。
【００１２】図2は本発明のマイクロCPC型コレクタのリ
フレクタ（図中の反射鏡１）、放熱部２、熱媒体循環用
配管４の断面形状である。この実施の形態では、リフレ
クタキャビティのサイズを通常の約1/100にしたものを
想定している(開口部長さ１９を図１６に示す従来の80m
mから0.8 mmにマイクロ化)。ただし、図１においては見
易さの観点から大きめに描画してある。
【００１３】図1および図2に示すように、マイクロCPC
型コレクタの１ユニットは、反射鏡１、冷媒循環用配管
４と一体もしくは密接に接着された集熱部２から成り、
冷媒循環用配管４に各種冷媒３を循環し低温媒体を得
る。なお、CPC型コレクタでは、許容偏角８よりも小さ
い太陽光入射角２０で入射する太陽光線２１はすべて集
熱部２に入射する。通常、ソーラーコレクタは南向き、
傾斜角が設置地点の緯度とほぼ同じ角度の面に設置され
るが、図２に示すマイクロCPC型リフレクタによって、
装置全体を固定した状態で太陽光を効率的に集光するこ
とができる。
【００１４】図１に示すような１つのユニットを集熱の
規模に見合わせて複数個、並列もしくは直列に連結する
ことによって１モジュールが形成され、このモジュール
が装置としての単位になる。なお、図１はマイクロCPC
型リフレクタが図２の断面を軸中心に回転させた３次元
形状、つまりお椀状の場合の実施形態である。
【００１５】熱媒体・配管周りの熱損失は、主に自然対
流熱伝達に依存する。自然対流熱伝達の起こる度合いを
示す無次元数であるレイレー数(Rayleigh Number)は、
リフレクタキャビティの代表長さ(高さ)の3乗に比例す
ると考えられるため、例えば、もし図１６のCPCリフレ
クタを開口部長さ１９が従来の一般的な長さである80mm
から0.8mmに1/100になるように全体を相似形状でマイク
ロ化すれば（図８参照）レイレー数は図３に示すように
の5×106からの5に減少し、結果的に熱伝達率、す
なわち熱損失は約1/10に減少する。これにより、熱損失
を増やさずに、リフレクタの大きさと重量を1/10以下に
抑えることができる。
【００１６】請求項１で述べた微小な開口部とは、従来
の1/3〜1/100の範囲が集熱性能および現状での製作技術
との兼ね合いでは妥当な範囲であると考えられるが、製
作コストと性能などの折り合いや今後のマイクロ化技術
の革新で、場合によっては従来の1/2〜1/100以下といっ
たサイズのものも含めて考える。
【００１７】この実施形態では、図１６に示すCPC型コ
レクタのようにリフレクタキャビティ内部に熱媒体循環
用配管（図１６では銅管）を通すのではく、リフレクタ
キャビティ底部の集熱部２と一体もしくは密に接着され
た流路の狭い金属製(たとえば銅)の熱媒体循環用配管４
が考えられている。これによって管内を流れる熱媒体と
集熱部２との熱交換が従来よりも大幅に促進されるため
性能が格段に向上する。
【００１８】また、この実施形態では、対流熱損失を抑
え、反射面に風雨やゴミ等が付着するのを防ぐため、開
口部に日射透過率の高いガラスのカバー６を設け、マイ
クロCPC型コレクタの背面および側面を断熱材７で断熱
している。
【００１９】さらに、この実施形態では、CPC型リフレ
クタ１には高い反射率をもち、放射率の小さい増反射ア
ルミニウム材質板を用いており、集熱部２には太陽光の
スペクトル(波長：0.2μm〜2μm)をよく吸収する一方
で、集熱部２からの熱放射のスペクトル(波長：2μm〜2
0μm)での放射率が少ない選択吸収性塗料（黒色クロ
ム）が塗布されている。これにより太陽光は吸収する
が、集熱部２からの熱放射は遮蔽され、集熱効率が一段
と向上する。
【００２０】上記のマイクロCPC型コレクタ１５を図１
４の従来の平板型コレクタに代わり用いることによって
集熱システム全体の性能向上が期待される。
【００２１】
【実施例】他の実施例として、図４に示すような２次元
形状のCPC型リフレクタによって構成されるマイクロCPC
型コレクタがある。この断面形状は図１の３次元形状の
ものと同じであるが、３次元形状のCPC型リフレクタが
底の平らなお椀のような形状となっているのに対して、
これは図２に示すCPC型断面形状をもった樋(とい)型の
リフレクタとなっている。3次元形状の場合、2次元形状
よりも集光比が大きくなるため、高温集熱、蒸気製造お
よび太陽光発電に適しているが、2次元形状は3次元形状
よりも比較的低い温度での集熱に適しているなど、用途
などによって使い分けるのが望ましい。
【００２２】図１の実施形態では、開口部が円形になっ
ているお椀状の3次元形状のCPC型リフレクタが並んでい
るが、CPC型リフレクタの開口部が円形のままでは、各C
PC型リフレクタ間に隙間が生じてしまい、有効面積に対
する実効面積が減少してしまう。これを解決するため、
他の実施例として、図５に示すような開口部が正六角形
をなした3次元CPC型リフレクタの構造を挙げる。これは
開口部だけが正六角形をしており、開口部の下ではCPC
型となっているものである。同じように図６には開口部
が四角形をなした構造の例を挙げる。同様に開口部が3
角形をなした構造も考えられる。
【００２３】図１、図４では高精度な加工技術を必要と
するマイクロCPC型の反射鏡１を用いているが、他の実
施例として、製造・加工コストの削減のために、図７
(a)(b)に示すようなCPC型反射鏡の断面を直線、または
直線群で近似した反射鏡を用いることも考えられる。こ
れは2次元・3次元形状のCPC型リフレクタの両方につい
て考えられる。
【００２４】他の実施例として、図８(a)(b)(c)(d)に示
すように図１６の従来のCPC型コレクタのCPC型リフレク
タおよび集熱部のサイズを1/3〜1/100(場合によっては1
/100以下も含む)にマイクロ化したものも挙げる。
【００２５】他の実施例として、リフレクタキャビティ
内部を真空にすることがある。これによってリフレクタ
キャビティの対流、熱伝導による上面への熱損失は全く
なくなる。また、下面の断熱材には、通常のポリスチレ
ンフォームよりも優れた断熱性を有するマイクロビーズ
断熱材、真空断熱材等の高性能断熱材を併用することに
よりさらに断熱効果を高め、装置全体を薄く、軽量にす
ることができる。
【００２６】他の実施例として、CPC型リフレクタの材
質には、増反射アルミニウム板の代わりに、他の金属板
やポリスチレン、ポリウレタン等の断熱材を複数のCPC
面状に加工し、その表面にアルミニウム、銀等を蒸着し
たものなどを用いることによって製作過程の効率化、コ
スト削減が図られる。また、CPCリフレクタ表面をTiO 2
（酸化チタン）コーティングすることにより反射率の劣
化を防ぐことができる。
【００２７】また、実施の形態では、マイクロCPC型コ
レクタを従来の平板型コレクタの代りに利用した集熱シ
ステムをあげたが、他の利用例として図９(a)に示すよ
うにマイクロCPC型コレクタ１５をヒートポンプエアコ
ン１６の室外機として用いる利用法がある。
【００２８】さらに他の実施例として、図１０および図
１１に示すように、3次元形状および2次元形状のマイク
ロCPC型コレクタの集熱部２に太陽電池２２を貼り付け
ることによって、集熱器の他に太陽光発電器としても利
用することができる。この場合、熱媒体循環用配管４に
熱媒体を流すことによって太陽電池２２を冷却し、効率
を向上することが可能となり、発電効率の向上につなが
るため、CPC型リフレクタの集光作用とあわせて高効率
な太陽光発電が可能である。
【００２９】さらに他の実施例として、図１２に示すよ
うに、マイクロCPC型コレクタ１５をランキンサイクル
(蒸気サイクル)の蒸気発生器として利用することによっ
て、タービン２３によって仕事２５を取り出し、蒸気発
電を行うことが可能である。
【００３０】さらに他の実施例として、図１３に示すよ
うに吸収冷凍機の高熱源としてマイクロCPC型コレクタ
１５によって得られる温水を用いる利用法がある。図１
３は吸収冷凍機２６の基本構成に高熱源としてマイクロ
CPC型コレクタ１５を利用した例である。図１３のよう
に構成された吸収冷凍サイクルでは、マイクロCPC型コ
レクタ１５によって得られる駆動熱源により吸収冷凍機
２６の吸収溶液が加熱・再生されることによって、吸収
冷凍サイクルを実現している。マイクロCPC型コレクタ
１５からの熱源の温度が不足するときは化石燃料の燃焼
熱や産業排熱等も補助熱源２７として利用される。また
図１３では吸収冷凍機の冷熱源にマイクロCPC型放射冷
却器３０によって得られる冷却水を用いている。マイク
ロCPC型放射冷却器３０とは、基本的な構造が本発明で
あるマイクロCPC型コレクタと同じであるが、赤外領域
の熱放射に対して不透明なガラスのカバーの代わりに赤
外域の放射に対して高い透過率を有するカバー材料を用
い、集熱部の選択吸収性塗料の代わりに赤外域の放射に
対しての放射率の高い選択放射性塗料を塗布したもの
で、大気の窓領域といわれる波長８〜１３μmの大気放
射量の少ない領域を利用して熱を宇宙に棄てる放射冷却
器である。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のマイクロ
CPC型コレクタは、CPC型リフレクタによる集光比の増
大、サイズを小さくすることによる熱損失の低減などに
よって集熱効率の比較において、従来の平板型コレク
タ、サイズの大きなCPC型コレクタよりも優れた集熱性
能を発揮する。さらに、サイズを小さくすることによる
材料費などの製作コストの削減（従来の約1/10以下）に
よって、これまでにない薄型の量産型コレクタとして大
いに期待できる。また、利用方法も一般家庭の暖房・給
湯用の温水製造から蒸気発電、光発電、吸収冷凍機の高
熱源まで幅広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロCPC型コレクタの実施の形態を示した
説明図である。
【図２】マイクロCPC型コレクタの実施形態としての反
射鏡・放熱部・冷媒循環用配管の概略図である。
【図３】CPCリフレクタキャビティのマイクロ化による
熱損失の軽減効果を示す図である。
【図４】マイクロCPC型コレクタの他の実施例１を示し
た概略図である。
【図５】マイクロCPC型コレクタの他の実施例２を示し
た概略図である。
【図６】マイクロCPC型コレクタの他の実施例３を示し
た概略図である。
【図７】マイクロCPC型リフレクタの直線近似の例を示
す図である。
【図８】マイクロCPC型コレクタの他の実施例４を示し
た概略図である。
【図９】マイクロCPC型コレクタを用いた集熱システム
の例を示す図である。
【図１０】太陽電池素子を貼り付けたマイクロCPC型コ
レクタの例１を示す図である。
【図１１】太陽電池素子を貼り付けたマイクロCPC型コ
レクタの例２を示す図である。
【図１２】マイクロCPC型コレクタを利用したソーラー
ランキンサイクルシステムの説明図である。
【図１３】吸収冷凍機にマイクロCPC型コレクタを利用
したシステムの例の説明図である。
【図１４】従来技術を示す平板型コレクタを用いた集熱
システムの説明図である。
【図１５】従来技術を示す平板型コレクタの概略図であ
る。
【図１６】従来技術を示すCPC型コレクタの概略図であ
る。
【符号の説明】
１ 反射鏡(文中ではCPC型リフレクタ、リフレクタと表
記) ２ 集熱部 ３ 熱媒体 ４ 熱媒体循環用配管 ５ 熱媒体流路 ６ カバー ７ 断熱材 ８ 許容偏角 ９ 平板型コレクタ １０ 蓄熱タンク １１ 潜熱蓄熱カプセル １２ 循環ポンプ １３ フィン １４ 銅管 １５ マイクロＣＰＣ型コレクタ １６ ヒートポンプエアコン １７ ＦＣＵ（ファンコイルユニット） １８ 蓄熱タンク １９ 開口部長さ ２０ 太陽光入射角 ２１ 太陽光線 ２２ 太陽電池 ２３ タービン ２４ 復水器 ２５ 仕事 ２６ 吸収冷凍機 ２７ 補助熱源 ２８ 負荷 ２９ 蓄冷タンク ３０ マイクロCPC型放射冷却器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０２Ｎ 6/00 Ｈ０２Ｎ 6/00

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 微小な2次元もしくは3次元形状の複合放
    物面集光（CompoundParabolic Concentrator、以下CP
    C）型の反射鏡(リフレクタ)を有することを特徴とする
    薄型軽量のマイクロCPC型太陽熱集熱器（マイクロCPC型
    ソーラーコレクタと呼ぶ。以下、マイクロCPC型コレク
    タと表記する）。
  2. 【請求項２】 集熱部が流路の狭い冷媒循環用配管の一
    部もしくは配管と密に接着した構造をしているという特
    徴を有する請求項１記載のマイクロCPC型コレクタ。
  3. 【請求項３】 集熱部の表面に、太陽光のスペクトル
    (波長：0.2μm〜2μm)をよく吸収する一方で、集熱部か
    らの熱放射のスペクトル(波長：2μm〜20μm)での放射
    率が少ない選択吸収性の塗料を塗布された請求項１記載
    のマイクロCPC型ソーラーコレクタ。
  4. 【請求項４】 カバー材料に、太陽光のスペクトル(波
    長：0.2μm〜2μm)をよく透過する一方で、集熱部から
    の熱放射のスペクトル(波長：2μm〜20μm)をよく反射
    する選択透過性を持たせた材料を用いるという特徴を有
    する請求項１記載のマイクロCPC型コレクタ。
  5. 【請求項５】 反射鏡(リフレクタ)としてCPC型曲線に
    直線近似(複数の直線を含む)した反射鏡を有する請求項
    １記載のマイクロCPC型コレクタ。
  6. 【請求項６】 反射鏡の材質に、高い反射率をもち、放
    射率の小さい増反射アルミニウム材質板、もしくは他の
    材料に高い反射率のメッキや銀コーティングを施したも
    のを用いるという特徴を有する請求項１記載のマイクロ
    CPC型コレクタ。
  7. 【請求項７】 集熱部に太陽電池を貼り付けることによ
    って、太陽光発電に利用することの可能な請求項１記載
    のマイクロCPC型コレクタ。
  8. 【請求項８】 太陽エネルギーを利用したランキンサイ
    クル発電（蒸気サイクル発電とも呼ぶ）の蒸気発生装置
    として利用することのできる請求項１記載のマイクロCP
    C型コレクタおよびそのシステム。
  9. 【請求項９】 吸収冷凍機の高熱源として利用すること
    のできる請求項１記載のマイクロCPC型コレクタおよび
    そのシステム。
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