JP2003227661A - 光ファイバーソーラーコレクタ - Google Patents

光ファイバーソーラーコレクタ

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JP2003227661A
JP2003227661A JP2002028932A JP2002028932A JP2003227661A JP 2003227661 A JP2003227661 A JP 2003227661A JP 2002028932 A JP2002028932 A JP 2002028932A JP 2002028932 A JP2002028932 A JP 2002028932A JP 2003227661 A JP2003227661 A JP 2003227661A
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heat
collector
reflecting mirror
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武雄 齋藤
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    • F21LIGHTING
    • F21SNON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S11/00Non-electric lighting devices or systems using daylight
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/12Light guides
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来技術の太陽熱集熱器は配管および蓄熱タン
クによる熱損失が大きいために効率が低下し、高温領域
および寒冷地での使用に適さない。さらに、製造コス
ト、維持費の増大などの欠点がある。また、温水製造の
みか発電のみの単機能であり、多機能・多目的ではな
い。 【解決手段】CPC型反射鏡および光ファイバーを太陽
光の集光・伝送に用いて、光そのものを輸送し、効率良
くエネルギー変換を行うことのできる先進的で高効率・
多目的な光ファイバーソーラーコレクタを提案する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】この発明は、太陽エネルギー
の光および熱の併用による電気、熱水および蒸気の製造
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)では平板型コレクタ、
真空管式コレクタが多く使用されている。また、太陽エ
ネルギーを利用して蒸気を発生し発電を行うプラントで
は、反射鏡を有し、トラッキング(太陽追尾)を行う高
密度集光型コレクタが多く使用されている。
【0003】平板型コレクタの一例として図13にその
概略を示す。代表的な平板型コレクタはアルミニウム製
の集熱フィン18と銅製の集熱管20から成り、集熱管
20の内部に熱媒体17を循環し、背面を断熱材19で
断熱してある。これらは通常、上面に透過体であるカバ
ー3を持つ外装箱5に収められ、カバー3には通常、強
化もしくは半強化の一枚ガラスが用いられる。
【0004】しかしながら、以上の従来技術によれば、
いずれのコレクタにおいても太陽光から熱へのエネルギ
ー変換は、集熱管20とその内部を流れる水などの熱媒
体17を介して行われ、その後、長い配管経路を経て蓄
熱タンクに貯えられ,随時利用される。結局、従来技術
のコレクタでは、長い配管経路や蓄熱タンクなどにおけ
る熱損失によって、貴重なエネルギーの多くを失うため
に、高温領域における集熱効率は著しく低下する傾向に
ある。さらに、従来技術のコレクタではコレクタモジュ
ールそのものの断熱に加えて、配管経路および蓄熱タン
クを築くための配管部材、断熱材、経年劣化による腐食
・漏れなどの対するメンテナンスなど製造コスト、維持
費がかさむという大きな問題がある。
【0005】
【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、従来技術のコレクタでは熱媒体を配管によ
って輸送し,蓄熱タンクに貯蔵することによる熱損失が
大きすぎるために、高温領域や寒冷地での使用がほとん
ど不可能なことである。第二はコレクタの製造コスト、
重量および維持費の増大である。
【0006】第三は、コレクタの多機能化である。従来
の技術では、発電のみか、温水製造のみの機能しかな
く、太陽エネルギーの重要な要素である光そのものの利
用ができていない。本発明では、光そのものを取り込む
ことによって発電と高温水や蒸気製造などを複合して行
うことができる。また、従来の技術では光ファイバーに
よって太陽光スペクトルから可視光線のみを採光して室
内に取り込むものなどがあるが、本発明においては、太
陽光スペクトルのほぼ全波長を対象とするため、発電や
熱利用のほかに採光の機能もある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明では、太陽光の伝送に光ファイバーを利
用することによって、配管や蓄熱タンクによる熱損失を
なくし、また、配管および蓄熱タンクに関係する一切の
コストを削除することができ、先進的で高効率多機能な
ソーラー光コレクタシステムを構築することが可能とな
る。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は本発明の光ファイバーソー
ラーコレクタの実施形態を示している。図2は本発明の
光ファイバーソーラーコレクタの反射鏡、光ファイバー
周りの概略図である。図3は本発明の光ファイバーソー
ラーコレクタの反射鏡、光ファイバー周りの断面の概略
図である。図1および図2に示すように、光ファイバー
ソーラーコレクタの1ユニットは、防反射処理(Anti-Re
flection Coating)の施された高透過率の強化一枚ガラ
スのカバー3と外装箱5からなる層内部に、多数の3次
元形状のCPC型反射鏡1が並んだ構造となっており、
それぞれの集光部に光ファイバー2の受光部が配置され
ている。CPC型反射鏡1は比較的集光比の高い(集光
比3〜8程度)ものを用いている。各集光部から引かれた
光ファイバー2は束状にまとめられ、光ファイバー伝送
4される。
【0009】CPC型反射鏡1(第一段階)の許容偏角
6より小さい入射角度7で入射した太陽光線8は、CP
C型反射鏡1を経由して、さらに光ファイバーの受光可
能角度以内の許容偏角を有するCPC型反射鏡1(第2
段階)を経由して光ファイバー2に入射し、そこから光
ファイバー内を伝送していく構造となる。
【0010】図3に示すように、CPC型反射鏡1およ
び光ファイバー2によって集光・伝送された太陽光は、
高密度となってエネルギー変換部である光チャンバー9
へと到達し、そこで高温水、蒸気もしくは電気に変換さ
れる。光チャンバー9の実施形態を図4および図5に示
す。
【0011】図4は、太陽光から高温水もしくは蒸気を
得るための光チャンバーの実施形態の概略図である。光
ファイバー2によって伝送されてきた高密度の太陽光は
回転楕円体型で内面を鏡面処理した光チャンバー9に導
かれ、その内部において集光比をより高めるためにCP
C型反射鏡1を経由して、回転楕円体の第一焦点にあた
る位置から回転楕円体内面の反射鏡に向けて照射され
る。回転楕円体の焦点から射出される光線はすべて第2
焦点に入射する性質を利用して、光の損失なく受光部1
0に照射される。受光部10は球状になっており回転楕
円体の内面の反射鏡を経由してくるあらゆる方向からの
光を受光できる。受光部10は太陽光スペクトル全域に
おいて高い放射吸収率を持ち、かつ耐熱性の材料で製造
される。受光部10には外部から配管11によって輸送
されてきた水12が微細な噴流となって通過する構造と
なっており、高温になった受光部10を通過する際に高
温水、もしくは蒸気13に変換され、外部へと出てい
く。
【0012】図5は、太陽光から電力を得るためのエネ
ルギー変換装置の実施形態の概略図である。光ファイバ
ー2によって伝送されてきた高密度の太陽光はCPC型
反射鏡1の作用によってさらに高密度化されたうえで、
高密度太陽光に対して高効率な性能を持つ太陽電池14
に照射され、発電を行い電力15を外部に送る構造とな
っている。太陽電池14は高温になると効率が低下する
特性があるため,これを防止するために冷却用媒体21
を太陽電池14背面に流すための工夫がなされている。
【0013】
【実施例】他の実施例として、図2および図3の実施形
態では、より広角な範囲の日射を受光するために、許容
偏角の比較的大きいCPC型反射鏡1(第一段階)と光
ファイバーの受光可能角度を満たすCPC型反射鏡1
(第二段階)を複合した形となっているが、図6および
図7に示すように単一のCPC型反射鏡のみよる形態も
考えられる。
【0014】また、図2および図3の実施形態では、C
PC型反射鏡1の作用によって光ファイバー2の入口に
太陽光を送り込む構造となっているが、図8に示すよう
に、回転放物面型の反射鏡22と平面型もしくは双曲面
型の反射鏡23を用いて光ファイバーに入射させること
も考えられる.さらに,図9に示すように,反射鏡のか
わりにフレネルレンズなどのレンズの集光作用によって
同様の効果を得ることも考えられる。ただし、これらの
場合は,太陽光線に対して正対するような追尾装置が必
要となる。
【0015】さらに他の実施例として、図1の実施例で
は、開口部が円形になっているお椀状の3次元形状のC
PC型などの反射鏡1が並んでいるが、反射鏡1の開口
部が円形のままでは、各反射鏡間に隙間が生じてしま
い、太陽光を捉える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、図10および図11に
示すような開口部が正六角形または四角形をなした3次
元反射鏡1の構造を挙げる。これは開口部だけが正六角
形または四角形をしており、開口部の下ではCPC型な
どの最適な形状となっているものである。
【0016】さらに他の実施例として、図4の実施例で
は,光チャンバーに回転楕円体を利用しているが、図1
2に示すように、光ファイバー2からの光を直接に受光
部10に照射する構造も考えられる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バーソーラーコレクタは、配管および蓄熱タンクによる
熱損失を無くし、集熱効率の比較において、従来の平板
型コレクタ、真空管型コレクタおよび集光型コレクタよ
りも寒冷地および高温集熱において格段に優れた集熱性
能(たとえば、気温−20℃、集熱温度60℃のとき平
板型に較べ集熱効率は6倍高い)を発揮する。さらに、
配管や蓄熱タンクにかかる材料費・建設費・維持費の大
幅な削減によって、これまでにない先進的で高効率多機
能・多目的なコレクタとして大いに期待できる。利用方
法としては、一般家庭の暖房・給湯用の温水製造から、
吸収冷凍機や水素吸蔵合金を用いたケミカルヒートポン
プの高熱源まで幅広い応用が期待できる。
【0018】さらに、100〜300℃の高温水もしく
は蒸気を製造することにより蒸気タービンを駆動(ソー
ラーランキンサイクルシステム)することができ、いわ
ゆる蒸気発電(Thermal electric)としての利用が可能
で、これと給湯・暖房を組み合わせることにより将来の
新しい太陽エネルギー利用の道を拓くものと期待でき
る。また、蒸気によるスチーム洗浄・殺菌などにも利用
できる。光ファイバーの伝送ロスを低減することによっ
て、長い距離でも伝送することができるため、大規模な
地域冷暖房などにも有効であり、日射の少ない地域にも
短時間で光エネルギーを輸送できるなどの利点もある。
【0019】さらに将来的には、本発明の原理に基づい
て宇宙空間における推進装置やナノテクノジー分野など
への応用も考えられる。当然ながら、本発明では、採り
入れた光を暗室などに伝送して照明として利用すること
もでき、太陽光だけではなく、キセノンランプなどによ
る光を伝送して照明等に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】光ファイバーソーラーコレクタの実施の形態を
示した説明図である。
【図2】光ファイバーソーラーコレクタの実施形態とし
ての反射鏡・光ファイバー周りの概略図である。
【図3】光ファイバーソーラーコレクタの実施形態とし
ての反射鏡、光ファイバー周りの断面の概略図である。
【図4】太陽光から高温水・蒸気を得るエネルギー変換
部(光チャンバー)の実施形態の概略図である。
【図5】太陽光から電力を得るエネルギー変換部の実施
形態の概略図である。
【図6】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例1
を示した概略図である。
【図7】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例1
の補足説明を示した概略図である。
【図8】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例2
を示した概略図である。
【図9】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例3
を示した概略図である。
【図10】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例
4を示した概略図である。
【図11】光ファイバーソーラーコレクタの他の実施例
5を示した概略図である。
【図12】太陽光から高温水・蒸気を得るエネルギー変
換部(光チャンバー)の他の実施例を示した概略図であ
る。
【図13】従来技術を示す平板型コレクタの概略図であ
る。
【符号の説明】
1 反射鏡 2 光ファイバー 3 カバー 4 光ファイバー伝送 5 外装箱 6 許容偏角 7 太陽光入射角 8 太陽光線 9 エネルギー変換部 10 受光部 11 配管 12 水 13 蒸気 14 太陽電池 15 電力 16 レンズ 17 熱媒体 18 集熱フィン 19 断熱材 20 集熱管 21 冷却用媒体 22 回転放物面型反射鏡 23 平面型もしくは双曲面型の反射鏡

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複合回転放物面集光(Compound Parabol
    ic Concentrator、以下CPC)型の反射鏡を有し、集
    光および伝送に光ファイバーを用いるという特徴を有す
    る太陽光・熱利用システム。
  2. 【請求項2】 CPC型反射鏡と光ファイバーによって
    集光・伝送された高密度の太陽光を水などの媒体に集束
    させることによって高温水または蒸気を発生させること
    を特徴とする請求項1記載の太陽光・熱利用システム。
  3. 【請求項3】 CPC型反射鏡と光ファイバーによって
    集光・伝送された高密度の太陽光を微小面積の高効率な
    太陽電池に照射することによって発電することを特徴と
    する請求項1記載の太陽光・熱利用システム。
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