JP2004205062A - Light-concentrating solar water heater - Google Patents

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    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems with a conventional solar water heater having a general flat plate type heat collector wherein heat loss is large and, since heat is not condensed, heat collecting efficiency is remarkably lowered in heat collection at high temperatures and in use under cold weather conditions. <P>SOLUTION: In this light-concentrating solar water heater, the solar heat collector of condensing system in which sunbeam is condensed into a heat collecting part by a reflective plate, a hot water storage tank, and a hot water supply/water supply device are formed integrally with each other. Thus, the heat collecting efficiency in heat collection at high temperatures and in use under cold weather conditions can be increased. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、太陽熱温水器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般家庭用の太陽熱温水器では、一部真空管型があるが、ほとんどが集熱装置として平板型の太陽集熱器を用いている。平板型は簡便な構造で製作が容易であるため製造コストが抑えられ、太陽熱温水器の普及に大きな貢献をもたらした。しかしながら、平板型の太陽集熱器では、構造そのものに起因する熱損失が大きいこと、また太陽光を集光していないために集光部の表面温度が高温にならないことから、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するという問題点がある。そのため、太陽熱温水器は温暖な西日本には比較的に多く普及（宮崎・愛媛などでは普及率50％を超える）しているが、東北・北海道（例えば青森では2.5％）などではほとんど普及していないのが実情である。また、従来の太陽熱温水器では、良好な集熱を得るために緯度に応じた傾斜角度で設置する必要があり、そのため、図１０記載のように、各家屋の屋根面２６の傾斜角に応じた固定架台２８を組む必要があった。この設置方法では、デザイン上見栄えが悪く、また、台風など風対策にも難がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の太陽熱温水器が高温集熱時および寒冷な気象条件での使用において著しく集熱効率が低下するということである。さらに、設置方法がデザイン上見栄えが悪く、風対策にも難があることである。
【０００４】
【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、請求項１の発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造を特徴とする集光式太陽熱温水器である。
【０００５】
また，集光方式の手段として、請求項２の発明は、複合放物面集光(Compound Parabolic Concentrator,以下CPC)型の反射板を有する太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００６】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる手段として、請求項３の発明は、希ガスなどの高断熱性ガスを封入したペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００７】
また、太陽熱温水器の断熱性能を向上させる他の手段として、請求項４の発明は、真空ペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００８】
また、太陽熱温水器の設置を任意の角度にする手段として、請求項５の発明は、集光用反射板の傾斜角度を組み立て段階において、もっとも効率良く集熱できる角度に任意に調節することによって、太陽集熱器の傾斜角度を任意にすることが可能であるという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【０００９】
さらに、太陽熱温水器の設置方法を改善する手段として、請求項６の発明は、貯湯槽を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納するという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
図２は、図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板（以下、リフレクタ）の断面図である。
【００１１】
集光式太陽熱温水器は、基本的に太陽集熱器とそれに配管によって連結された貯湯槽５で構成され、太陽集熱器は、集光用の反射板として樋状のCPCリフレクタ１とその内部に集熱管２を通した構造のものを複数本並べてヘッダー管３で連結した構造を有する。これらは外装矩体１２とカバー４の内部に格納されており、カバー４としては、断熱性能の高いクリプトン（Kr）ガスなどの希ガスを封入したペアガラスもしくは真空ペアガラスを用いる。さらにCPCリフレクタ１および集熱管２の周囲は断熱材１６によって厳重に断熱されている。ヘッダー管３は貯湯槽５の下層に連結されており、熱サイフォン現象を利用した自然循環方式、場合によってはポンプによる強制循環方式のいずれかによって熱媒体（水、もしくは不凍液）が循環され、貯湯槽５に蓄熱される。なお、強制循環方式の場合は循環ポンプが必要となり、ポンプの電源として貯湯槽５上部の鏡板に太陽電池２３を設置することもある。貯湯槽５には通常、給水口６、オーバーフロー水出口７、給湯口８、エア抜き弁９、およびボールタップ１１などの付随装置が設けられており、最適な集熱・給湯が行われるようになっている。
【００１２】
【実施例】
図３は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１３】
図１記載の実施形態で、あらかじめ集熱器をモジュール化しておくことにより、集熱器モジュール１３を複数枚連結することによって集熱面積を容易に拡大することが可能となる。
【００１４】
さらに図４は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００１５】
仮に図４(a)に示すように平坦な面に太陽熱温水器を設置することを考えると、太陽光を効率良く集光するためには、緯度に応じた設置角度１４にしなければならない。しかし、図４(b)のように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を、設置角度分だけ傾斜させると、太陽熱温水器は平坦な面にそのまま設置することが可能となる。このように集光用反射板であるCPCリフレクタ１の傾斜角度１５を任意にすることによって、多様な傾斜面に対応する太陽熱温水器を製造することができる。なお、図４(a)および(b)のサブリフレクタ１７は、貯湯槽の外装板に反射面を設けたもので、これにより集熱器への日射量を若干増加させることができる。図４(b)の場合、サブリフレクタ傾斜角度１８は、リフレクタ傾斜角度１５と等しくなるようにするのが良い。サブリフレクタ１７の表面には酸化チタン皮膜などによる防汚・耐候性処理がなされるのが望ましい。
【００１６】
図５は、図４(b)記載の実施例の説明図である。
【００１７】
図５(a)は図４(a)記載のCPCリフレクタ１および集熱管２の拡大図であるが、この状態で緯度に応じた設置角度１４分だけCPCリフレクタ１を傾斜させると、図５(b)のように隣同士のCPCリフレクタ１が太陽光線に対して陰になってしまう。これを回避するために、図５(c)のように、CPCリフレクタ１の片側だけをトランケーション（切頭）２０してお互いを密接に並べることが考えられる。この場合、もっとも最適なトランケーション２０および集熱管間隔２２は、トランケーション（切頭）２０の先端位置と集熱管２の下部と外接する直線の角度が、設計上必要とされる最も低い太陽高度と設置面の傾斜角度を考慮に入れた上で算出される設計角度１９に等しくなる場合である。なお、図５(c)の例では、外装矩体１２に透過体２１を入れることによって少しでも集光する日射量を増やす工夫もしている。
【００１８】
図６は、CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【００１９】
図６(a)は図１記載の実施形態における構造であるが、その他に図６(b),(c),(d)などのCPCリフレクタ１と集熱管２の構造も考えられる。
【００２０】
図７は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２１】
図１記載の実施形態では、CPCリフレクタ１と集熱管２は横方向に並んでいるが、他の実施例として、図７のように縦方向に並べることも考えられる。この場合、リフレクタ１の設計は横方向の場合とは異なるものとなる。また、縦・横いずれの場合においても並列配管のみではなく、直列配管にする場合も考えられる。
【００２２】
図８は、集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【００２３】
図９は、図８記載の他の実施例の断面図である。
【００２４】
従来の太陽熱温水器ならびに本発明の実施形態では、貯湯槽５は、集熱器モジュール１３の上部に位置している。他の実施例として、図８および図９に示すように、貯湯槽５を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納することが考えられる。通常の太陽熱温水器の貯湯槽の容量は約２００リットルであり、集熱器モジュールの面積は約２平方メートルであるので、図８および図９に示すように集熱器モジュールの裏面に貯湯槽を設けると、その高さは約５ｃｍとなり、非常に薄型の貯湯槽が得られる。貯湯槽の強度を確保するために、適切な間隔で支柱２４が設けられる。また、この場合には熱サイフォンの原理に基づく自然循環が困難なことも考えられるので、その際には太陽電池２３を太陽熱温水器の表面に設け、それによって電力を発生させ、貯湯槽５内の水中ポンプを駆動することも考えられる。
【００２５】
さらに本発明の太陽熱温水器では、カバー材料として、赤外線（波長４〜１５マイクロメートル）において高透過性を有する材料を用いた場合、自然エネルギーの１つである放射冷却現象（Sky Radiation Cooling）を利用した冷水製造装置としても用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造により、高温集熱時および寒冷な気象条件での使用における集熱効率の向上が得られる。さらに、デザイン的に見栄えが良くなり、強風にも強い構造となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】集光式太陽熱温水器の実施形態を示す図である。
【図２】図１記載の集光式太陽熱温水器の集熱管および反射板の断面を示す図である。
【図３】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図４】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図５】図４記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の説明を示す図である。
【図６】CPCリフレクタと集熱管の構造の他の実施例を示す図である。
【図７】太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図８】集光式太陽熱温水器の他の実施例を示す図である。
【図９】図８記載の集光式太陽熱温水器の他の実施例の断面を示す図である。
【図１０】従来技術の太陽熱温水器の設置方式を示す図である。
【符号の説明】
１ CPCリフレクタ
２ 集熱管
３ ヘッダー管
４ カバー
５ 貯湯槽
６ 給水口
７ オーバーフロー水出口
８ 給湯口
９ エア抜き弁
１０ 仕切り板
１１ ボールタップ
１２ 外装矩体
１３ 集熱器モジュール
１４ 設置角度
１５ リフレクタ傾斜角度
１６ 断熱材
１７ サブリフレクタ
１８ サブリフレクタ傾斜角度
１９ 設計角度
２０ トランケーション
２１ 透過体
２２ 集熱管間隔
２３ 太陽電池
２４ 支柱
２５ 水中ポンプ
２６ 屋根面
２７ 太陽熱温水器
２８ 固定架台[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solar water heater.
[0002]
[Prior art]
Some conventional solar water heaters for general household use include a vacuum tube type, but most of them use a flat type solar heat collector as a heat collector. The flat plate type has a simple structure and is easy to manufacture, so that the manufacturing cost is reduced and the solar water heater has been greatly contributed. However, the flat-type solar collector has a large heat loss due to the structure itself, and the surface temperature of the condensing part does not become high because the sunlight is not condensed. In addition, there is a problem that the heat collection efficiency is remarkably reduced in use under cold weather conditions. For this reason, solar water heaters are relatively common in warm western Japan (more than 50% in Miyazaki and Ehime, etc.), but almost in Tohoku and Hokkaido (for example, 2.5% in Aomori). There is no fact. In addition, in the conventional solar water heater, it is necessary to install at an inclination angle according to the latitude in order to obtain good heat collection. Therefore, as shown in FIG. 10, according to the inclination angle of the roof surface 26 of each house, It was necessary to assemble the fixed base 28. With this installation method, the appearance is poor in terms of design, and there is also difficulty in countering wind such as typhoons.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved is that the conventional solar water heater has a significantly reduced heat collection efficiency during high temperature heat collection and in use in cold weather conditions. Furthermore, the installation method has a poor design appearance, and there is also difficulty in wind control.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 integrates a solar heat collector of a condensing type that focuses sunlight on a heat collecting portion by a reflector, a hot water storage tank, and a hot water supply / water supply device. It is a concentrating solar water heater characterized by its structure.
[0005]
The invention of claim 2 is characterized in that the solar collector having a compound parabolic concentrator (hereinafter referred to as CPC) type reflector is a component of the concentrating method. Item 2. A concentrating solar water heater according to Item 1.
[0006]
In addition, as means for improving the heat insulation performance of the solar water heater, the invention according to claim 3 is characterized in that a solar collector using a paired glass filled with a high heat insulating gas such as a rare gas as a cover is a component. The concentrating solar water heater according to claim 1, further comprising:
[0007]
Further, as another means for improving the heat insulating performance of the solar water heater, the invention of claim 4 has a feature that a solar collector using a vacuum pair glass as a cover is a constituent element. Is a concentrating solar water heater.
[0008]
As means for setting the solar water heater at an arbitrary angle, the invention according to claim 5 is to adjust the inclination angle of the condensing reflector to an angle at which heat can be collected most efficiently in the assembling stage. 3. The concentrating solar water heater according to claim 1, wherein the inclination angle of the solar collector can be arbitrarily set.
[0009]
Further, as a means for improving the method of installing the solar water heater, the invention of claim 6 has a feature that the hot water storage tank is thinned and stored on the back surface of the heat collector module. It is a solar water heater.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a concentrating solar water heater.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a heat collecting tube and a reflector (hereinafter, a reflector) of the concentrating solar water heater illustrated in FIG. 1.
[0011]
The concentrating solar water heater is basically composed of a solar collector and a hot water storage tank 5 connected to the solar collector by a pipe, and the solar collector is a gutter-shaped CPC reflector 1 and a gutter-shaped CPC reflector 1 as a condensing reflector. It has a structure in which a plurality of tubes having a structure through which the heat collection tubes 2 pass are arranged and connected by a header tube 3. These are stored inside the exterior rectangular body 12 and the cover 4, and the cover 4 is made of a paired glass or a vacuum paired glass filled with a rare gas such as krypton (Kr) gas having high heat insulation performance. Further, the periphery of the CPC reflector 1 and the heat collecting tube 2 is strictly insulated by a heat insulating material 16. The header tube 3 is connected to the lower layer of the hot water storage tank 5, and the heat medium (water or antifreeze) is circulated by either a natural circulation system using a thermosiphon phenomenon or a forced circulation system by a pump in some cases. The heat is stored in the tank 5. In the case of the forced circulation system, a circulation pump is required, and a solar cell 23 may be installed on a head plate above the hot water tank 5 as a power source of the pump. The hot water storage tank 5 is usually provided with auxiliary devices such as a water supply port 6, an overflow water outlet 7, a hot water supply port 8, an air vent valve 9, and a ball tap 11, so that optimal heat collection and hot water supply can be performed. ing.
[0012]
【Example】
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
[0013]
In the embodiment shown in FIG. 1, by modularizing the heat collector in advance, the heat collecting area can be easily enlarged by connecting a plurality of heat collector modules 13.
[0014]
FIG. 4 is a view showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
[0015]
Considering that the solar water heater is installed on a flat surface as shown in FIG. 4A, the installation angle 14 must be set according to the latitude in order to efficiently collect sunlight. However, when the inclination angle 15 of the CPC reflector 1 which is a light-collecting reflector is inclined by the installation angle as shown in FIG. 4B, the solar water heater can be installed on a flat surface as it is. . By arbitrarily setting the inclination angle 15 of the CPC reflector 1, which is a light-collecting reflector, it is possible to manufacture solar water heaters corresponding to various inclined surfaces. The sub-reflector 17 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) is provided with a reflection surface on the exterior plate of the hot water storage tank, whereby the amount of solar radiation to the heat collector can be slightly increased. In the case of FIG. 4B, it is preferable that the sub-reflector tilt angle 18 be equal to the reflector tilt angle 15. The surface of the sub-reflector 17 is desirably subjected to antifouling and weathering treatment with a titanium oxide film or the like.
[0016]
FIG. 5 is an explanatory diagram of the embodiment described in FIG.
[0017]
FIG. 5 (a) is an enlarged view of the CPC reflector 1 and the heat collecting tube 2 described in FIG. 4 (a). In this state, when the CPC reflector 1 is inclined by an installation angle of 14 minutes according to the latitude, FIG. As shown in b), the adjacent CPC reflectors 1 are shaded with respect to sunlight. In order to avoid this, as shown in FIG. 5C, it is conceivable that only one side of the CPC reflector 1 is truncated (truncated) 20 so that they are closely arranged. In this case, the most optimal truncation 20 and the heat collecting tube spacing 22 are determined by setting the angle between the position of the tip of the truncation (truncated portion) 20 and the lower part of the heat collecting tube 2 to the lowest solar altitude required by design. This is the case where it becomes equal to the design angle 19 calculated taking into account the inclination angle of the surface. In addition, in the example of FIG. 5 (c), it is devised to increase the amount of sunlight to be condensed even a little by inserting the transmitting body 21 into the exterior rectangular body 12.
[0018]
FIG. 6 is a view showing another embodiment of the structure of the CPC reflector and the heat collecting tube.
[0019]
FIG. 6A shows the structure of the embodiment shown in FIG. 1. In addition, the structure of the CPC reflector 1 and the heat collecting tube 2 shown in FIGS. 6B, 6C, and 6D can be considered.
[0020]
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
[0021]
In the embodiment shown in FIG. 1, the CPC reflector 1 and the heat collecting tubes 2 are arranged in the horizontal direction. However, as another example, the CPC reflector 1 and the heat collecting tubes 2 may be arranged in the vertical direction as shown in FIG. In this case, the design of the reflector 1 is different from the case in the horizontal direction. In both vertical and horizontal cases, not only parallel piping but also series piping is conceivable.
[0022]
FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
[0023]
FIG. 9 is a sectional view of another embodiment shown in FIG.
[0024]
In the conventional solar water heater and the embodiment of the present invention, the hot water storage tank 5 is located above the heat collector module 13. As another embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, it is conceivable to store the hot water storage tank 5 in a thin shape on the back surface of the heat collector module. Since the capacity of the hot water tank of a normal solar water heater is about 200 liters and the area of the heat collector module is about 2 square meters, a hot water tank is provided on the back of the heat collector module as shown in FIGS. When provided, the height is about 5 cm, and a very thin hot water storage tank can be obtained. In order to secure the strength of the hot water storage tank, the columns 24 are provided at appropriate intervals. Also, in this case, natural circulation based on the principle of thermosiphon may be difficult, and in that case, the solar cell 23 is provided on the surface of the solar water heater, thereby generating electric power, and It is also conceivable to drive the submersible pump.
[0025]
Further, in the solar water heater of the present invention, when a material having high transmittance in infrared rays (wavelength 4 to 15 micrometers) is used as a cover material, radiant cooling phenomenon (Sky Radiation Cooling), which is one of natural energy, is caused. It can also be used as a cold water production device that is used.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a structure in which a concentrating solar heat collector that focuses sunlight on a heat collecting unit by a reflector, a hot water tank, and a hot water supply / water supply device are integrated with each other. And improved heat collection efficiency when used in cold weather conditions. In addition, the design looks good and the structure is strong against strong winds.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a concentrating solar water heater.
FIG. 2 is a view showing a cross section of a heat collecting tube and a reflector of the concentrating solar water heater shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a view showing another embodiment of a concentrating solar water heater.
FIG. 4 is a view showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the concentrating solar water heater shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a view showing another embodiment of the structure of the CPC reflector and the heat collecting tube.
FIG. 7 is a view showing another embodiment of the solar water heater.
FIG. 8 is a view showing another embodiment of the concentrating solar water heater.
FIG. 9 is a view showing a cross section of another embodiment of the concentrating solar water heater shown in FIG. 8;
FIG. 10 is a diagram showing an installation method of a conventional solar water heater.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 CPC reflector 2 Heat collection pipe 3 Header pipe 4 Cover 5 Hot water tank 6 Water supply port 7 Overflow water outlet 8 Hot water supply port 9 Air release valve 10 Partition plate 11 Ball tap 12 Exterior rectangular body 13 Collector module 14 Installation angle 15 Reflector inclination angle 16 Insulation material 17 Sub-reflector 18 Sub-reflector inclination angle 19 Design angle 20 Truncation 21 Transmissive body 22 Heat collecting tube spacing 23 Solar cell 24 Support post 25 Submersible pump 26 Roof surface 27 Solar water heater 28 Fixed stand

Claims (6)

反射板によって太陽光を集熱部に集束させる集光方式の太陽熱集熱器と貯湯槽および給湯・給水装置が一体となった構造を特徴とする集光式太陽熱温水器。A concentrating solar water heater characterized by a structure in which a concentrating solar heat collector that focuses sunlight to a heat collecting unit by a reflector, a hot water storage tank, and a hot water supply / water supply device are integrated. 複合放物面集光(Compound Parabolic Concentrator,以下CPC)型の反射板を有する太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１記載の集光式太陽熱温水器。The concentrating solar water heater according to claim 1, characterized in that the concentrating solar water heater comprises a solar collector having a compound parabolic concentrator (CPC) type reflector. 希ガスなどの高断熱性ガスを封入したペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。3. The concentrating solar water heater according to claim 1, wherein a solar collector using as a cover a pair glass enclosing a highly adiabatic gas such as a rare gas is used as a component. 真空ペアガラスをカバーとして用いた太陽集熱器を構成要素とするという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。3. The concentrating solar water heater according to claim 1, wherein a solar collector using a vacuum pair glass as a cover is a component. 集光用反射板の傾斜角度を組み立て段階において、もっとも効率良く集熱できる角度に任意に調節することによって、太陽集熱器の傾斜角度を任意にすることが可能であるという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。Claims are characterized in that the inclination angle of the solar collector can be made arbitrary by arbitrarily adjusting the inclination angle of the condensing reflector to an angle at which heat can be collected most efficiently in the assembling stage. 3. The concentrating solar water heater according to 1 or 2. 貯湯槽を集熱器モジュールの裏面に薄型にして格納するという特徴を有する請求項１および２記載の集光式太陽熱温水器。3. The concentrating solar water heater according to claim 1, wherein the hot water storage tank is stored in a thin shape on the back surface of the collector module.
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Cited By (12)

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