JP2003329311A

JP2003329311A - 集光・集熱装置

Info

Publication number: JP2003329311A
Application number: JP2002138061A
Authority: JP
Inventors: Takeo Saito; 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-11-19

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の太陽エネルギー利用における集光・集熱
装置は、構造的に厚くかさばり、重量増大や製造コスト
増大などの欠点がある。さらに熱損失が大きく、寒冷地
での使用に適さないという短所がある。また、従来の太
陽電池パネルは集光しないため、発電量に対するパネル
面積が大きく、コストが大きいという問題点がある。さ
らに、太陽電池は高温時に効率が低下する短所もある。【解決手段】ガラスなどの透過体カバー自身に集光作用
を持つ形状や反射面を形成することによって、カバーと
しての機能と集光機能を持たせる。これより集熱装置と
しての性能改善と薄型化、軽量化、低コスト化が可能と
なる。さらに薄型化によって装置内部を真空にすること
も可能で、より高性能となる。さらに太陽電池パネルに
利用すると、太陽電池面積を従来よりも大幅に削減でき
る。また、高効率な光熱ハイブリッド装置や光伝送装置
への応用も期待される。

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
などを利用した温水および高温熱媒体の製造と光発電、
さらに光伝送に関するものである。

【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６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
フィン２０と銅製の集熱配管５から成り、集熱配管５の
内部に熱媒体４を循環し、背面を断熱材２１で断熱して
ある。これらは通常、上面に透過体カバーを持つ外装箱
に収められ、透過体カバーには通常、強化もしくは半強
化の一枚ガラスがカバー１９として用いられる。このよ
うに平板型コレクタは、簡素な構造で製作が容易である
という利点があり、これまでの太陽エネルギー利用分野
において先駆的な役割を果たしてきた。

【０００４】しかしながら、以上の従来技術によれば、
太陽光を集光しない（集光比ほぼ１）こと、熱損失が極
めて大きいことなどが複合的に効いて、弱い日射時、高
温集熱時、および寒冷地での使用（たとえば60℃〜70℃
での集熱）において、集熱効率が著しく低下するという
短所がある。これらの問題点を解決するために、アルミ
ニウム等の金属板で製作された反射板を有する集光型コ
レクタも提案されているが、コレクタ装置自体が厚くか
さばり、製造コストが大きくなるという欠点がある。こ
のことがコレクタの普及を阻害してきた原因である。

【０００５】一方、太陽電池に関して従来の技術では、
一般に太陽光を集光しないことから、発電量に対する太
陽電池面積が大きく、これが製造コスト増大を招くとい
う短所がある。さらに、太陽電池は太陽光に晒されて温
度が高温になると発電効率が降下するという問題点もあ
る。

【０００６】

【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、集熱性能に対し
て、重量および製造コストが非常に大きいことである。
第二は、集光比が小さく、また熱損失が大きいために寒
冷地での使用がほとんど不可能なことである。第三は、
太陽電池の発電量に対する太陽電池面積が大きいこと、
ならびに高温時における発電効率降下である。

【０００７】

【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、ガラスや高分子機能材料などの透過体カ
バー自身に集光作用を持つ反射面形状と反射面処理を施
した集熱・集光装置を発明した。これによって、集光に
よる性能改善と透過体カバーと反射面の一体化によって
装置全体の厚さを薄くできることによる軽量化（従来品
の約１／４以下）、低コスト化（従来品の約１／４〜１
／１０）が可能となる。

【０００８】さらに薄型化によって装置内部を真空にす
ることも可能となり、より高性能な集光・集熱装置とな
る。また、太陽電池に利用した場合には、集光比が上が
ることから、発電量に対する太陽電池面積を減らす（従
来の１／３〜１／５）ことが可能となる。さらに太陽電
池と集熱管を密接に組み合わせることによって、太陽電
池の高温時の発電効率降下を抑え、かつ、同時に温水を
製造するという光熱ハイブリッド利用が可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の集熱・集光装置の
実施形態を示している。図１(a)は全体の概略図であ
り、図１(b)は図１(a)の断面の概略図である。図２は、
図１記載の集熱・集光装置の分解図である。図３は、図
１記載の集熱・集光装置の断面を正面から見た図であ
る。

【００１０】図１、図２および図３に示すように、太陽
光などの光線に対して高透過性のガラスや高分子機能材
料などの透過体カバー１自身の内面に光を一定の場所に
集光する作用を持つ反射面形状の一つとしてトラフ
（桶）型構造であるＣＰＣ形状の断面が形成されてお
り、光の反射が要求されるＣＰＣ形状の反射面２には、
装置外部から見たときに鏡面になるように反射面処理が
施されている。これによって透過体表面から入射した光
は、透過体内部を通過し、また入射角度によっては反射
面２を経由して、集熱面３に入射することとなる。集熱
面３は、熱媒体４が流れる集熱配管５の表面となってお
り、波長選択吸収特性を持つ膜がコーティングされてい
る。

【００１１】なお、この面に太陽電池を密接に貼り付け
ることによって太陽光発電も可能となり、この場合は集
熱と発電の光熱ハイブリッド装置となる。また、太陽光
発電のみを機能させる太陽電池パネルに特化する場合も
あり、その場合は集熱配管５や集熱配管５の背面の断熱
材２１等は必要ない。

【００１２】集熱配管５は、入口側と出口側にヘッダー
管６を設け、ヘッダー管６を多数の並列な配管で繋ぐ並
列配管構造となっている。入口・出口を除く全ての配管
は、透過体カバー１と外装ケース７によって形成される
内部空間に格納されており、装置内部の間隙は空気、も
しくは断熱性の高い他の気体（アルゴンガス、クリプト
ンガス、キセノンガスなど）を封入することによって熱
損失を抑える場合と、真空もしくはそれに準ずる真空度
に圧力を下げることによって熱損失を抑える場合があ
る。

【００１３】この場合、断熱材２１は必要なく、真空度
に耐え得る構造にするために、装置の厚さと透過体カバ
ー１と集熱配管５、および集熱配管５と外装ケース７と
の間隙は極力薄くし、強度が保てるように適度な間隔で
スペーサー８を挿入する。ただし、スペーサー８の寸法
や設置間隔は熱伝導による損失が問題とならない範囲と
する。

【００１４】

【実施例】前述の実施形態では、透過体カバー自身の内
面に加工される反射面形状の論理的形状の一例として、
トラフ（桶）型ＣＰＣ形状および反射面加工を施した場
合について述べたが、本発明においては、請求項１に記
載したように、ＣＰＣ形状に限らず、湾曲した形状の反
射面を透過体カバーと一体化させたものを全て含む。上
記の実施形態では、透過体カバー自身に湾曲した多数の
反射面形状が加工された構造となっているが、製作上可
能であるならば、板ガラス状の透過体カバーの内部に同
様の反射面を形成することも考えられる。

【００１５】各構成要素の寸法と精度は、製作時の技術
力、コストなどに応じて可変するが、可能な限り微細か
つ緻密に製作することが望ましい。マイクロ加工やナノ
加工を行うことにより反射面の寸法をマイクロ／ナノオ
ーダーにできる。例えば、透過体カバーの厚さとしては
6 mm以下が最も望ましい。6 mm以上では、透過体カバー
自身の重さが重くなること、材料費がかさむこと、およ
び透過率が低下するという問題点がある。

【００１６】他の実施例の一つとして、反射面形状とし
て２次元集光型のトラフ（桶）型よりも集光比を大きく
することができる３次元集光型の反射面形状が考えられ
る。３次元集光型の基本的な例としては、ＣＰＣ形状を
中心軸まわりに回転させたカップ型（椀型）が考えられ
る。カップ型では、上部断面形状が円形になり、それら
を規則的に密に配置すると、開口部と開口部の間隙は集
光に寄与しない部分がどうしても出来てしまう。これを
解決するために、ハニカム（蜂の巣）型のＣＰＣ形状が
考えられる。以下では、他の実施例としてハニカム型の
例を示す。

【００１７】図４に他の実施例であるハニカム型集熱・
集光装置の概略を示す。図５に図４記載のハニカム型集
熱・集光装置のハニカム構造の概略を示す。

【００１８】ハニカム型集光形状における集光位置は規
則的に配置された例えば円状の集熱面３となるため、そ
れらを効率良く通過する配管構造を採用する必要があ
る。実施例では、集光位置を網の目状に結ぶ配管構造と
している。このような複雑な配管経路は、近年注目され
ているマイクロマシニング技術や半導体分野における技
術などを駆使することによって、より精緻かつ低コスト
で加工することができる。また、この実施例において
も、先の実施形態にも示したように、集熱面３に太陽電
池を貼り付けることによって太陽光発電が可能となる。
とくに図４に示すハニカム型では集光比が高いため、太
陽電池の面積を大幅に削減することができる。また、光
熱ハイブリッド利用も可能となる。

【００１９】図６に図４記載のハニカム型集熱・集光装
置における単位ハニカム集光形状の概略を示す。図６
(a)は単位ハニカム集光形状を論理的に求める方法の説
明図である。また、図６(b)は単位ハニカム集光形状に
おける連結面を示す。単位ハニカム集光形状は、ＣＰＣ
曲線を回転することによって形成される回転ＣＰＣ面９
の上端円１０に内接する正六角形１１に基づく正六角柱
１２でくり貫かれた形状となる。そして、くり貫かれる
際に形成される切断面１３を通じて複数のハニカム形状
が一体となっている構造となる。

【００２０】他にも、このハニカム集光形状を潰した形
状（図７(a)）や、断面が円形のカップ型形状（図７
(b)）、カップ型を潰した楕円形状（図７(c)）などの環
状のもの、三角形状（図７(d)）、四角形状(図７(e))な
どの多角形状のものなど様々な集光形状を施すことが考
えられる。

【００２１】図８には、図４記載の集熱・集光装置を光
ファイバー伝送に利用した場合の集光部の概略を示す。
図４、図５、図６および図７において説明した集光形状
の下部に単独の光ファイバー１７もしくは光ファイバー
束１７を配置することによって、集光した太陽光などの
光線１８を光ファイバー伝送することが可能となる。こ
れによって太陽光の採光などに利用することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の集熱・集
光装置は、透過体そのものに集光作用を持たせる加工を
施すことによって、従来技術では考えられなかった薄型
軽量化と低コスト化を可能とすることができる。また、
薄型化によって内部を真空もしくはそれに準ずる真空度
にすることによって、寒冷地および高温集熱時において
優れた集熱性能を発揮する。さらに太陽電池に利用する
ことによって、発電量に対する太陽電池面積を減らすこ
とができ、低価格化が期待される。さらに光熱ハイブリ
ッド利用も可能となる。また、光ファイバーとの組み合
わせによる太陽光などの光伝送にも利用できる。

【００２３】これらによって、オイルショック当時に少
し普及の兆しがみられた太陽集熱器の普及に拍車をかけ
るとともに、二酸化炭素排出削減に大きく寄与できる。
因みに、本発明の集光・集熱装置を我が国の住宅・公共
施設の５０％と事業所の３０％に必要な面積を設置する
ことにより、原油換算で２２５０万キロリットル／年の
効果（一次エネルギー供給の約４％弱）があり、また、
２０兆円規模の産業・雇用創出効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】集熱・集光装置の実施の形態を示した説明図で
ある。(a)全体図、(b)断面概略図

【図２】図１記載の集熱・集光装置の分解図である。

【図３】図１記載の集熱・集光装置の断面を正面から見
た図である。

【図４】集熱・集光装置の他の実施例としてハニカム型
を示した概略図である。

【図５】図４記載の集熱・集光装置のハニカム構造の概
略図である。

【図６】図４記載の集熱・集光装置の単位ハニカム集光
形状の概略図である。

【図７】集光形状の他の実施例の概略図である。

【図８】他の実施例として光ファイバー伝送への応用を
示す概略図である。

【図９】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透過体カバー２反射面３集熱面（太陽電池）４熱媒体５集熱配管６ヘッダー管７外装ケース８スペーサー９回転ＣＰＣ面１０回転ＣＰＣ面上端円１１内接正六角形１２正六角柱１３切断面（接続面）１４六角形１５三角形１６四角形１７光ファイバー（束）１８光線（太陽光）１９ガラスカバー２０集熱フィン２１断熱材２２円形２３楕円形

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に、外観基本形状が湾曲した形状
の反射面形状を加工し、さらに反射面処理を施している
という特徴を有する集光・集熱装置。
【請求項２】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工される反射面の断面形状が
円形を含む環状であるという特徴を有する請求項１記載
の集光・集熱装置。
【請求項３】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工される反射面の断面形状が
多角形であるという特徴を有する請求項１記載の集光・
集熱装置。
【請求項４】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工される反射面の外観基本形
状の論理的形状として「複合放物面集光型（Compound P
arabolic Concentrator, 以下ＣＰＣ型）」であるとい
う特徴を有する請求項１記載の集光・集熱装置。この場
合、ＣＰＣ型断面を延長した２次元集光型のトラフ型
（桶型）とＣＰＣ型断面を中心軸まわりに回転すること
によってできる３次元集光型のカップ型（椀型）が基本
的に考えられ、より集光比を大きくする必要性のあると
きは、カップ型（椀型）が最も望ましい。また、加工さ
れる透過体カバーの厚さは、6 mm以下が最も望ましい。
6 mm以上では、透過体カバー自身の重さが重くなるこ
と、材料費がかさむこと、および透過率が低下するとい
う問題点がある。
【請求項５】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工された反射面の作用によっ
て集光された光が入射する部分（集光部）に太陽電池を
配置することによって、光発電装置としての機能を有す
るという特徴を有する請求項１、２、３および４記載の
集光・集熱装置。
【請求項６】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工された反射面の作用によっ
て集光された光が入射する部分（集光部）に、太陽電池
ならびに集熱管を配置することによって、光熱ハイブリ
ッド利用装置としての機能を有するという特徴を有する
請求項１、２、３および４記載の集光・集熱装置。この
場合、太陽電池と熱媒体の流れる集熱管は熱交換が容易
に行われるよう密接に配置する必要がある。
【請求項７】太陽光などの光線に対して高透過性を有
する透過体カバー自身に加工された反射面の作用によっ
て集光された光が入射する部分（集光部）に光ファイバ
ーの受光部を配置することによって、光伝送装置として
の機能を有するという特徴を有する請求項１、２、３お
よび４記載の集光・集熱装置。