JP2007205645A - 太陽熱集熱器およびこれを有する太陽熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】裏側流路においても熱媒体である空気を加熱しているため、熱媒体の温度を高くしようとすると裏側流路の温度が高くなる。そのため裏面からの放熱量が増えて効率が低下し、熱媒体の温度を上昇させることが困難となるという課題があった。
【解決手段】本発明の太陽熱集熱器は、熱媒体を加熱する集熱流路の採光面以外を、集熱流路に熱媒体を送る熱媒体供給流路により覆い、集熱流路と熱媒体供給流路の間に流路断熱層を設けたものである。これによって、集熱流路から外部への放熱を加熱前の熱媒体で回収できるようにするとともに、高温となった集熱流路によって熱媒体供給流路の熱媒体が直接加熱されないようにして熱媒体供給流路の温度上昇を抑えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は太陽光のエネルギーを熱に変えて熱媒体の加熱を行う太陽熱集熱器およびそれを利用した太陽熱温水器や太陽熱発電装置など太陽熱利用装置に関するものである。

従来のこの種の太陽熱集熱器としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図７は、前記公報に記載された従来の太陽熱集熱器を示すものである。

図７に示すように、この太陽熱集熱器は透明板１と裏板２の中間に集熱板３を配置している。そして、透明板１と集熱板３の間を表側流路４とし、集熱板３と裏板２の間を裏側流路５としている。熱媒体である空気を裏側流路５から取り込み表側流路４へと流す構成としている。裏側流路５を流れる空気はこの太陽熱集熱器で加熱される過程において比較的低温であるため、裏板２からの放熱による損失を少なくすることができ、効率のよい太陽熱集熱器とすることができる。
特開２００２−１２２３６０号公報

しかしながら上記発明では、裏側流路においても熱媒体である空気を加熱しているため、熱媒体の温度を高くしようとすると裏側流路の温度が高くなる。そのため裏面からの放熱量が増えて効率が低下し、熱媒体の温度を上昇させることが困難となる。

本発明は、上記課題を解決するもので、効率良く熱媒体を加熱することができる太陽熱集熱器の提供を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、太陽光により熱媒体を加熱する集熱流路と、前記集熱流路の表面の一部を形成する採光面とを有し、前記集熱流路の表面の採光面以外を熱媒体供給流路により覆い、前記集熱流路と前記熱媒体供給流路の間に流路断熱層を設けるとともに、熱媒体は前記熱媒体供給流路を経由した後、前記集熱流路を通ることを特徴とする太陽熱集熱器とする。これによって、集熱流路から外部への放熱を加熱前の熱媒体で回収できるようにするとともに、高温となった集熱流路によって熱媒体供給流路の熱媒体が直接加熱されないようにして熱媒体供給流路の温度上昇を抑えることができる。

本発明の太陽熱集熱器は、集熱流路から外部への放熱を加熱前の熱媒体で回収できるようにするとともに、高温となった集熱流路によって熱媒体供給流路の熱媒体が直接加熱されないようにして熱媒体供給流路の温度上昇を抑える。熱媒体供給流路と外部との温度差で生じる外部への放熱を抑えることによって、効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第１の発明は、太陽光により熱媒体を加熱する集熱流路と、前記集熱流路の表面の一部を形成する採光面とを有し、前記集熱流路の表面の採光面以外を熱媒体供給流路により覆い、前記集熱流路と前記熱媒体供給流路の間に流路断熱層を設けるとともに、熱媒体は前記熱媒体供給流路を経由した後、前記集熱流路を通ることを特徴とする太陽熱集熱器とす
るものである。それによって、集熱流路から外部への放熱を加熱前の熱媒体で回収するとともに、集熱流路によって熱媒体供給流路の熱媒体が直接加熱されないようにして熱媒体供給流路の温度上昇を抑えて熱媒体供給流路から外部への放熱を抑えることができ、効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の熱媒体供給流路外部に外部断熱層を設けることによって、外部断熱層によって熱媒体供給管から外部への熱の通過自体を抑えることができ、熱媒体供給管から外部への放熱を抑えて効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第３の発明は、特に、第１から第２の発明の集熱流路の採光面に光を透過する断熱層を設けることによって、採光面から太陽光を取り込みつつ、採光面から外部への放熱を抑えることができ、効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明における集熱流路の採光面へ集光手段によって太陽光を集光して行うことによって、集熱流路の採光面を小さくすることができ、採光面からの放熱を小さくすることで効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第５の発明は、特に、第１から第２の発明の熱媒体供給流路を多層構造とすることによって、熱媒体供給流路の温度を外側に行くほど低くして外部との温度差を小さくすることができ、最も外側の熱媒体供給流路から外部への放熱を抑えることで、効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。

第６の発明は、特に、第１から第５の発明の太陽熱集熱器と太陽熱集熱器によって加熱された熱媒体によって駆動される発電機とからなる太陽熱利用装置とすることによって、効率よく熱媒体を高温に加熱することで、発電機の入口と出口との温度差を大きくとることができ、発電機での発電効率を高めることができるので、効率の良い太陽熱発電装置とすることができる。

第７の発明は、特に、第１から第５の発明の太陽熱集熱器と貯湯タンクからなる太陽熱利用装置とすることによって、効率よく高温の湯を作ることができ、単位体積あたりの湯に溜められるエネルギーを大きくすることができるので、貯湯タンクをコンパクトとした小型の太陽熱温水器とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における太陽熱利用装置の一形態である太陽熱発電装置のシステム全体を表したシステム図である。この太陽熱発電装置は太陽光が持つエネルギーを熱エネルギーに変換して熱媒体を加熱する太陽熱集熱器２１と、高温高圧の熱媒体がもつエネルギーを運動エネルギーに変換して軸出力として取り出し発電を行う発電機２２と、発電機２２を通過したあとの熱媒体のもつ熱を放熱するための放熱器２３と、熱媒体を加圧する加圧ポンプ２４を熱媒体が流れる配管によって環状に接続して構成されている。加圧ポンプ２４によって熱媒体を加圧して、太陽熱集熱器２１で加熱をおこない、熱媒体を高温高圧として、発電機２２によってそのエネルギーを仕事として取り出し、放熱器２３で放熱を行うランキンサイクルを形成している。

この装置のランキンサイクルの動作熱媒体としてフロン冷媒であるＲ１３４ａを用いている。サイクルの運転条件としては、加圧ポンプ２４においてＲ１３４ａを加圧し約２ＭＰａの高圧とし太陽熱集熱器２１へと送る。そして太陽熱集熱器２１で約１６０℃まで加熱する。タービンを出た後のＲ１３４ａの状態は約１００℃の気体となる。このＲ１３４
ａの持つ熱を用いて放熱器２３においてこの高温の気体の放熱を行う。放熱器２３に水を供給する給水管２５が接続され、放熱器２３を通る約１００℃のＲ１３４ａによってその水を加熱する。加熱された水は６０〜９０℃程度の温度となり、給湯管２６によって給湯される。加圧ポンプ２４での加圧は、Ｒ１３４ａが液体であれば体積変化が小さく、加圧にかかるエネルギーは小さくてすむため、Ｒ１３４ａの温度を給水温度である２０℃程度まで低下させ、液体とするように放熱器２３での放熱を行う。このようにして取り入れた太陽エネルギーの一部を電気エネルギーに変換すると共に、熱エネルギーとして給湯に利用する電気と熱のコジェネシステムである。なお、冷媒はＲ４１０ａ、ＣＯ２等を用いても同様の効果を奏するものである。

図２は太陽熱利用装置の一形態である太陽熱発電装置における太陽熱集熱器２１の構造を示した断面斜視図であり、図１における太陽熱集熱器２１の破線部分の断面を示している。この断面に示すように、集熱流路２７は管からなり、その表面には太陽光吸収率が高く、放射率が低い選択吸収膜がコーティングされている。その周りを集熱流路２７に光が当たるよう上部を開口したＵ字型に集熱流路断熱層２８により覆い、その周りに複数の管とその間をフィンにより接続した熱媒体供給流路２９を配置している。そして、その周りを外部断熱層３０により覆っている。そして、上部の開口部は光透過体３１によって覆っている。この光透過体３１は二重ガラス構造となっており、隙間に希ガスであるアルゴンを封入している。この光透過体３１を通して太陽光を集熱流路２７へ導くために、光透過体３１の上方に、集光手段３２を配置している。この集光手段３２は外部と接する上面が平面であるフレネルレンズとなっている。下面は角度の違う面を段違いに並べているため、厚みがなくても普通の凸レンズのように集光を行うことができる。そのためレンズに必要な材料を減らすことができ、低コストで軽量なものとできる。また、上部が平面であるため汚れなどが溜まりにくく、雨などによって洗い流されやすく、汚れによる集光量の低下を抑制することができる。この集光手段３２によって、集熱流路２７の集熱面積以上の面積の太陽光を取り入れることができるともに、光透過体３１の面積を少なくすることができる。このように構成された部分を１ユニットとして、これらのユニットを並列に並べて、これらをケーシング３３で覆うことで太陽熱集熱器２１を形成している。

図３はこの太陽熱集熱器２１の１つのユニットの断面を示したものであり、（ａ）は流れ垂直方向断面、（ｂ）は流れ方向断面である。これらの断面図によって集熱時の動作、作用を説明する。

まず、図３（ａ）において、集光手段３２は上面で受けた太陽光を屈折、集光させて、光透過体３１を透過し、集熱流路２７へと導く。この集光手段３２によって、集熱比を高めて集熱流路の温度上昇を早めることができるとともに、光透過体３１の面積を少なくすることができる。集熱流路２７の表面には選択吸収膜がコーティングされており、太陽光を効果的に吸収することで、太陽光のエネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱で内部の熱媒体を加熱する。集熱流路２７の表面は高温となるが、赤外線の放射率が低い選択吸収膜によって、熱が赤外線となることによる外部への放射を抑制することができる。光透過体３１はガラスであるため、太陽光を取り込むとともに、集熱流路２７の表面から一部放射される赤外線の透過を抑制できる。また、二重構造の隙間にアルゴンを封入しているので、熱伝導率が非常に低く、高温となる集熱流路２７から周囲の空気によって熱伝導で伝えられる熱が外部へと逃げるのを効果的に抑制できる。

熱媒体であるＲ１３４ａはこの太陽熱集熱器２１へと導かれた後、このユニットごとの熱媒体供給流路２９に分岐され流れていく。１ユニットの端から端まで流れた後、そこで合流されて、集熱流路２７へと流れていく。図３（ｂ）の流れ方向断面図に示すように、その流れ方向は、熱媒体供給流路２９を流れる向きと集熱流路２７を流れる向きは反対方向になっている。集熱流路２７を流れて加熱された熱媒体は、複数のユニットからそれぞ
れ合流して太陽熱集熱器２１から出ていく。

このように、熱媒体は熱媒体供給流路２９を流れた後、集熱流路２７を流れていく。そして、集熱流路２７を囲むように集熱流路断熱層２８を配置し、その周りに熱媒体供給流路２９を配置しているため、高温となる集熱流路２７から外部への放熱を、まずは集熱流路断熱層２８で抑制する。その一部は集熱流路断熱層２８から放熱されるが、熱媒体供給流路２９によって吸収される構造となっている。熱媒体供給流路２９の構造は、内部を高圧となるＲ１３４ａが流れるため、その耐圧設計から管状のものとし、広範囲にわたって外部への放熱を抑制するため、複数の管をフィンでつないだ構造としている。このようにして、集熱流路断熱層２８によって、集熱流路２７から外部への放熱を抑制しつつ、熱媒体供給流路２９において、加熱前の熱媒体によって吸収することで、外部への放熱を効果的に抑制している。さらに、その周りを外部断熱層３０により覆って外部への放熱をほとんどなくしている。

このように、第１の実施の形態におけるこの太陽熱集熱器２１について、高温となる集熱流路２７から外部への放熱抑制という観点からまとめると、まず、集光手段３２によって太陽光を屈折して取り込むことによって、光透過体３１の太陽光を透過する面積を少なくしている。光を透過させるため、他の部分に比べて断熱構造をとりにくい部分であるので、根本的にその面積を減らす構造としている。集熱流路２７の表面に選択吸収膜をコーティングすることで赤外線の放射量を少なくして放射による放熱を抑制している。また、この光透過体３１をその隙間にアルゴンを封入した二重ガラスとすることで、熱伝導率を低くし、熱伝導による放熱を抑制している。そして、それ以外の集熱流路２７の周りを、集熱流路断熱層２８で覆い、熱の通過自体を抑制するとともに、熱媒体供給流路２９によって、それでも通過してくる一部の放熱を回収して有効利用している。太陽熱集熱器２１に入ってくる加熱前の熱媒体の温度はそれほど高くなく外気温と大差が無いが、その周りも外部断熱層３０によって断熱することでその断熱を確実なものとしている。これらによって太陽熱集熱器から外部への放熱を無くし、高温の熱媒体の加熱時においても集熱性能の良い太陽熱集熱器とすることができ、全体として効率のよい太陽熱発電装置とすることができる。

なお、運転条件、熱媒体、材質などは一例である。例えば、熱媒体をＲ１３４ａとしているが、超臨界の二酸化炭素を用いることで密度の高い超臨界流体によって効果的な集熱を行うことができ、また、万が一の熱媒体の大気放出時にもオゾン破壊係数が０、温暖化係数が１と環境負荷が極めて小さい装置とすることができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の太陽熱利用装置の第２の実施の形態における太陽熱温水器の構成図である。図１から図３に示した第１の実施の形態と同様の構成、要素などは同じ名称、番号で示し、異なる点を中心に説明を行う。

構成として、第１の実施の形態と大きく異なるところは、まず、この太陽熱温水器は太陽熱集熱器２１において水を加熱し、給湯に利用するシステムとなっており、太陽熱集熱器２１において加熱される熱媒体は水となっている。この太陽熱集熱器２１で太陽光を受けて貯湯タンク３４からの水を加熱して約６０〜９０℃のお湯とする。そして、加熱した水を貯えるための貯湯タンク３４を持ち、その下部からの水を循環ポンプ３５により太陽熱集熱器２１に送り、太陽熱で加熱し、貯湯タンク３４の上部へと循環させて、貯湯タンク３４に貯湯する。また貯湯タンク３４の下部には給水管２５が接続され、上部には給湯管２６が接続されており、給湯時には給水管にかかる水圧で貯湯タンク３４内の湯を給湯管２６に送り出して給湯を行う。昼間、太陽光が照射しているときに太陽熱集熱器２１によって水を加熱することによって貯湯タンク３４に湯を貯えておき、給湯が必要となる時
にその貯えた湯を利用する貯湯式給湯機となっている。

次に、この太陽熱温水器の太陽熱集熱器２１の詳細について説明する。図５はこの太陽熱集熱器２１の内部の構造を表した断面斜視図である。太陽熱集熱器２１における水が流れる流路は、それぞれ内部が中空の３つの箱体からなっており、一番外側から第一水流路３８、第二水流路３９、集熱流路２７の順に三層構造となっている。一番内側の集熱流路２７を覆うように第二水流路３９を断面がＵ字型となるように構成し、さらに第一水流路３８も断面がＵ字型となるように構成している。この太陽熱集熱器２１に入ってくる水は、まず、第一水流路３８を流れた後、第二水流路３９を流れ、集熱流路２７を流れた後、太陽熱集熱器２１の外部へと出ていき、貯湯タンク３４へと流れていく。集熱流路２７の上面には太陽光の吸収率が高く、赤外線の放射率が低い選択吸収膜がコーティングされている。集熱流路２７から間をあけて上方に光透過体３１を配置している。素材をガラスとし、太陽光を集熱流路２７の上面に取り込むとともに、光透過体３１と集熱流路２７の間の空気層によって集熱流路２７からの熱伝導を抑制する断熱層を形成している。また、これ以外の部分から外部への熱伝導を防止するための断熱層として、集熱流路２７と第二水流路３９の間には集熱流路断熱層２９、第二水流路３９と第一水流路３８との間には水流路断熱層４０、第一水流路の外面には外部断熱層３０を設けている。

図６はこの太陽熱集熱器２１の内部の構造を表した断面図である。図６（ａ）は太陽熱集熱器２１の内部の水の流れ方向に垂直な断面図であり、図６（ｂ）は流れ方向の断面図である。これらの断面図によって集熱時の動作、作用を説明する。

まず、図６（ａ）において、集熱流路２７の上面で太陽光を受ける。集熱流路２７の表面には選択吸収膜がコーティングされており、太陽光を効果的に吸収することで、太陽光のエネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱で内部の水を加熱する。集熱流路２７の表面は高温となるが、赤外線の放射率が低い選択吸収膜によって、熱が赤外線となることによる外部への放射を抑制することができる。光透過体３１はガラスであるため、太陽光を取り込むとともに、集熱流路２７の表面から一部放射される赤外線の透過を抑制できる。

図６（ｂ）に示すように、水は最外部にある第一水流路３８を流れた後、第二水流路３９へと方向を変えて流れ、集熱流路２７へとまた方向を変えて流れる。このように集熱流路２７を二重の水流路で覆う構造とするとともに、その間を２つの断熱層、集熱流路断熱層２８と水流路断熱層４０によって断熱している。集熱流路２７において太陽熱で水が約６０〜９０℃に加熱されるが、このような構造によって、第１の実施の形態と同様に、断熱層による集熱流路２７からの熱伝導による外部への放熱自体を抑えるとともに、加熱前の熱媒体である水によって一部通過してきた熱を回収する。さらにこの第２の実施の形態においてはその水の流路を第一水流路３８、第二水流路３９の二重構造とすることによってその熱の回収による断熱性能を高めている。これによって、外部への断熱をほとんど無くして高効率の集熱を行うことができる。

以上のように、第２の実施の形態よれば、集熱流路２７の周囲を二重の水流路によって覆うとともに、その流路の間に断熱層を設けることによって、外部への熱伝導による放熱を抑えながら、その一部の放熱を加熱前の水によって回収することで、外部への放熱をなくすことができ、それによって、断熱性能が高く、熱効率の高い太陽熱集熱器とすることができる。よって、効率の高い太陽熱温水器とすることができる。

なお、本発明はかかる上記実施の形態に限定されるものではなく、特に装置の運転条件や各構成要素の材料などは一例であり、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形又は修正が可能である。

以上のように、本発明にかかる太陽熱集熱器は、集熱流路から外部への放熱を断熱層で抑制するとともに、加熱前の熱媒体で回収することによって、放熱損失を少なくすることができ、集熱効率を高くすることができる。このような構成は実施の形態で挙げた太陽熱発電装置や太陽熱温水器以外にも、太陽熱による熱媒体の加熱を利用する機器に利用できる。例えば、ヒートポンプの蒸発器として太陽熱集熱器を用いた、エアコンやヒートポンプ給湯機などに応用することができる。

本発明の第１の実施の形態における太陽熱発電装置のシステム構成図 本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の断面斜視図 （ａ）本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の流れ方向断面図（ｂ）本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の垂直方向断面図 本発明の第２の実施の形態における太陽熱温水器のシステム構成図 本発明の第２の実施の形態における太陽熱集熱器の断面斜視図 （ａ）本発明の第２の実施の形態における太陽熱集熱器の流れ方向断面図（ｂ）本発明の第２の実施の形態における太陽熱集熱器の垂直方向断面図 従来例における太陽熱集熱器の全体斜視図

符号の説明

２１ 太陽熱集熱器
２２ 発電機
２７ 集熱流路
２８ 集熱流路断熱層（流路断熱層）
２９ 熱媒体供給流路
３０ 外部断熱層
３１ 光透過体
３２ 集光手段
３４ 貯湯タンク
３８ 第一水流路（熱媒体供給流路）
３９ 第二水流路（熱媒体供給流路）
４０ 水流路断熱層（流路断熱層）

Claims (7)

1. 太陽光により熱媒体を加熱する集熱流路と、前記集熱流路の表面の一部を形成する採光面とを有し、前記集熱流路の表面の採光面以外を熱媒体供給流路により覆い、前記集熱流路と前記熱媒体供給流路の間に流路断熱層を設けるとともに、熱媒体は前記熱媒体供給流路を経由した後、前記集熱流路を通ることを特徴とする太陽熱集熱器。
2. 熱媒体供給流路の外部に前記熱媒体供給流路からの放熱を抑制するための外部断熱層を設けた請求項１に記載の太陽熱集熱器。
3. 採光面に光を透過する断熱層を設けた請求項１または２記載の太陽熱集熱器。
4. 集光手段を有し、前記集光手段によって太陽光を集めて採光面に照射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
5. 熱媒体供給流路を多層構造にした請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒体により駆動される発電機とを有する太陽熱利用装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器と、加熱された水を貯める貯湯タンクとを有する太陽熱利用装置。
   

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