JP2008057823A

JP2008057823A - 太陽熱集熱器およびそれを用いた太陽熱利用装置

Info

Publication number: JP2008057823A
Application number: JP2006233583A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Yasuki; 誠一安木; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Katsuzo Konakawa; 勝蔵粉川; Norio Yotsuya; 規夫肆矢
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP4983157B2

Abstract

【課題】熱媒体からの放熱を可及的に抑えて太陽熱集熱器としての効率を高めることを目的とする。
【解決手段】最も右側の集熱部２９の集熱管２８の下側に熱媒体入口３２を接続し、この集熱部２９の集熱管２８の上側と、最も左側の集熱部２９の集熱管２８の上側を熱媒体配管３３によって接続している。最も左側の集熱部２９の集熱管２８の下側と右側から二番目の集熱部２９の集熱管２８の下側を熱媒体配管３３によって接続している。このようにして、７つの集熱部２９の外側の集熱部２９から順に左右交互にその集熱管２８を熱媒体配管３３によって接続していき、中央の集熱部２９の集熱管２８の上側に熱媒体出口３４を接続して、１パスの熱媒体の流れる流路を構成している。
【選択図】図３

Description

本発明は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の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、図７，８に示すように、断面を複合放物面（ＣＰＣ）とした桶型の細長い集光反射鏡１の焦点に集熱管２を配置した複数の集熱部３から構成され、それぞれの集熱管２を熱媒体配管４で接続して、熱媒体入口５から熱媒体出口６までを１つにつないだ管路を形成している。

また、集光反射鏡１の開口側を光透過体７で、その他の部分をケーシング８で覆われる構成としている。つまり、太陽光のほとんどを透過する光透過体７とケーシング８により囲われる空間は密閉されており、集熱器外部の空気が集熱管２と接することがないようになっている（例えば、特許文献１参照）。

太陽光は、光透過体７を通り抜け、集光反射鏡１で反射され、その焦点に配置された集熱管２に集められる。集められた太陽光は集熱管２の表面において吸収されて熱に変換される。熱媒体は熱媒体入口５からすべての集熱管２の内部を順に通って、熱媒体出口６へと流れていき、その過程で集熱管２によって加熱される。

このようにして、太陽光の持つエネルギーを取り込み、熱エネルギーへ変換し熱媒体の温度を上昇させる。

この時、集熱管２は高温となっているため、この集熱管２の周囲にある気体へとその熱が放熱されるが、光透過体７とケーシング８によって内部を密閉することで対流による外部への放熱を抑制している。

また、光透過体７によって太陽光のほとんどを透過しながら、高温となった集熱管２から放射される赤外波長のほとんどを外部へと透過させないことによって、外部への熱放射を抑制している。

このようにして太陽光をうまく取り込みつつ、変換された熱の外部への放熱ロスを抑制することで効率の良い太陽熱集熱器としている。
特開２００２−２２８２７１号公報

このような太陽熱集熱器では、集熱管２に熱媒体を流しながら加熱をおこない、温度を徐々に上昇させるため、集熱管２やその内部の熱媒体の温度は、熱媒体入口５側に近い上流側から熱媒体出口６に近い下流側になるにつれて高温になっていく。そして、その周辺の空気などの温度も集熱部の温度につれて高温となっていく。

断熱材を含んだケーシング８や光透過体７による密閉構造などにより断熱構造としているものの、内部の集熱管２や熱媒体の温度が高いと外部との温度差が大きくなるので、集熱部３から外部への放熱量は増加する。

しかしながら、従来の構成では端の集熱部から順に逆の端まで集熱管２を順に熱媒体配
管４によって接続しているため、最も高温となる熱媒体出口６側の集熱部３が外気に一番近い部位に配置されている。

そのため、この一番高温となる熱媒体出口６に近い部分の放熱が大きく、太陽熱集熱器としての効率が悪くなっているとともに、熱媒体出口６の温度が低下するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、太陽熱集熱器の内側に熱媒体出口を設けることで、高温部からの放熱損失を低減し、効率良く熱媒体を加熱するともに、出口温度を上昇させ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、熱媒体を流す熱媒体配管と、太陽熱によって熱媒体配管を加熱する集熱部をもつ太陽熱集熱器において、太陽熱集熱器の内側に熱媒体出口を設けた。出口側の最も高温となる集熱部の周りが他の集熱部となるので、外気との間の断熱層とすることができる。

本発明の太陽熱集熱器は、出口側の最も高温となる集熱部の周りが他の集熱部となるので、外気との間の断熱層とする。最も高温となる集熱部からの放熱量を低減させて、太陽熱集熱器の効率を向上させるとともに、出口温度を上昇させることができる。

本発明は、太陽熱によって熱媒体を加熱する複数の集熱部を熱媒体配管で接続し、外側に位置する集熱部に熱媒体入口を、内側に位置する集熱部に熱媒体出口をそれぞれ設けたものである。

それによって、出口側の最も高温となる集熱部の周りが他の集熱部となるので、外気との間の断熱層とすることができる。最も高温となる集熱部からの放熱量を低減させて、太陽熱集熱器の効率を向上させるとともに、出口温度を上昇させることができる。

具体的には、左右に位置する集熱部を相互に熱媒体配管で接続する。例えば、奇数の集熱部が配置されており、中央の集熱部に熱媒体出口を接続したり、左右に位置する集熱部を、隣接する集熱部を接続してから左右相互に熱媒体配管で接続したり、熱媒体配管を多パスとして熱媒体出口側の最下流の集熱部どうしを近接させることが考えられる。

熱媒体としてはがＲ１３４ａとか、超臨界流体、例えば二酸化炭素が考えられるであろう。

そして、これら太陽熱集熱器は、同太陽熱集熱器で加熱された熱媒体により発電機を駆動させるようにした太陽熱発電装置とか、太陽熱集熱器で貯湯タンクの水を加熱するようにした太陽熱温水器に活用することができる。

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に示す太陽熱発電装置は、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取り出し、発電を行う発電機２２と、この発電機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電気エネルギーとして取り出し、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Ｒ１３４ａ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によって湯として給湯される。

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。

このようなサイクルを継続してまわすことによって、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。

図２，３は前記太陽熱集熱器２１の構造を示し、まず、この太陽熱集熱器の基本的な構成について説明する。複合放物線を断面とし、樋型に二次元的に構成された集光反射鏡２７の焦点に集熱管２８を配置して集熱部２９を構成しており、そしてこのような構成の集熱部２９が複数列並べて配列してある。

前記集光反射鏡２７の採光面は光透過体３０で、その他の部分は断熱材による断熱層をもつケーシング３１によってそれぞれ覆われている。

集光反射鏡２７の表面は太陽光を反射するように高反射塗料によりコーティングされており、開口部から入射した太陽光をその焦点に配置された集熱管２８へ効果的に反射するようにしている。また、これらの基材は熱伝導率の比較的低い樹脂としている。

集熱管２８は中空の管であり、その内部を熱媒体が流れるようになっており、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。

光透過体３０は効果的な太陽光の取り込みと、集熱した熱の外部との断熱を両立させるため、太陽光を透過し、集熱管２８から放射される赤外波長を透過しにくいガラス材料からできている。

そして、最も右側の集熱部２９の集熱管２８の下側に熱媒体入口３２を接続し、この集熱部２９の集熱管２８の上側と、最も左側の集熱部２９の集熱管２８の上側を熱媒体配管３３によって接続している。

前記最も左側の集熱部２９の集熱管２８の下側と右側から二番目の集熱部２９の集熱管
２８の下側を熱媒体配管３３によって接続している。このようにして、７つの集熱部２９の外側の集熱部２９から順に左右交互にその集熱管２８を熱媒体配管３３によって接続していき、中央の集熱部２９の集熱管２８の上側に熱媒体出口３４を接続して、１パスの熱媒体の流れる流路を構成している。

このように最も高温となる集熱部２９を太陽熱集熱器２１の内側、しかもその中心部とするとともに、最も低温となる熱媒体入口３２を接続する集熱部２９を最も外側にあるものとし、これらを含むその他の集熱部２９を外側から順に接続していることを特徴としている。

前記構成の太陽熱集熱器１の集熱時の動作、作用について説明する。

光透過体３０から太陽光を取り入れ、それぞれの集熱部２９において、集光反射鏡２７によってその太陽光を反射し集熱管２８に集光する。集熱管２８の表面で太陽光は吸収されて熱へと変換される。この熱によって集熱管２８の内部を流れる熱媒体が加熱される。このようにして、太陽光の持つエネルギーを熱エネルギーに変換して熱媒体の加熱をおこなっている。

この時、熱媒体は太陽熱集熱器の入口の約２０℃から出口での約１６０℃まで集熱管２８を通る間に加熱される。よって、入口付近の集熱管２８の温度は２０℃程度と低く、出口付近の集熱管２８の温度は１６０℃程度と高くなる。

集熱管２８自体は外気にさらされてはいないため、直接外気に放熱するわけではないが、集熱管２８の温度の影響で周辺の空気温度も高くなり、空気と接するケーシング３１や光透過体３０へと伝わって外部に逃げて行く熱量も多くなる。

前記構成では、高温となる熱媒体出口３４を接続した集熱部２９を太陽熱集熱器２１の中心に配置することによって、この中心の集熱部２９からみれば、他の集熱部２９が断熱層の役割を果たすことになり、中心の集熱部２９からの放熱を低減させることができる。また、熱媒体入口３２を接続する集熱部２９を最も外側に配置したことで最も温度の低い集熱部２９を外気に一番近い位置に配置している。

外気との温度差が一番小さいのはこの熱媒体入口３２を接続した集熱部２９であり、この集熱部２９を一番外側に配置することで、この部分で生じる太陽熱集熱器２１から外部への放熱を低減させることができる。

また、熱媒体入口３２を接続した最も外側の集熱部２９から中心に配置した集熱部２９まで順に接続したことによって、隣り合う集熱部２９同士の温度差を極力小さくすることになり、各集熱部２９の間の熱の移動量を少なくすることができる。

全体としてみれば、最も高温となる中心に配置した熱媒体出口を接続した集熱部２９から外部へ向けての熱の移動量を低減させることで、太陽熱集熱器２１としての外部への放熱量を低減させることができるとともに、最も高温となる集熱部２９からの放熱量を低減させて、この集熱部で加熱される熱媒体の温度を高くすることができる。

このように、実施の形態１によれば、太陽熱集熱器２１の中心に配置した集熱部２９に熱媒体出口３４を接続し、最も外側の集熱部２９に熱媒体入口３２を接続し、これらを含む集熱部２９を熱媒体入口を接続した集熱部２９から順に接続することによって、太陽熱集熱器２１からの放熱を低減させることができるとともに、熱媒体出口３４での熱媒体の温度を高く保つことができるので、集熱効率が高く、熱媒体加熱温度の高い太陽熱集熱器
２１とすることができる。そして、この太陽熱集熱器２１を用いることでエネルギー利用効率の高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に示す実施の形態２の太陽熱集熱器は、最も高温となる熱媒体出口３４を接続した集熱部２９を中心に配置し、最も低温となる熱媒体入口３２を接続した集熱部２９を最も外側に配置しているところは実施の形態１と同じである。

異なるところとしてはこれらの集熱部２９の熱媒体配管による接続の順番である。すなわち、熱媒体入口３２を接続した最も右側の集熱部２９の上側と最も左側の集熱部２９の上側を熱媒体配管３３によって接続し、最も左側の集熱部２９の下側をその隣の左側から二番目の集熱部２９の下側に接続している。

このようにして、上側で接続する時は左右の離れた集熱部２９どうしを接続し、下側で接続する時は隣の内側の集熱部２９と接続することによって熱媒体の流路を形成している。このような接続とすることによって、下側での熱媒体配管３３を短くすることができ、この部分の熱媒体配管３３に必要なスペースを少なくすることができるとともに、この部分からの無駄な放熱を低減させることができる。このような接続とした場合でも隣り合う集熱部２９の温度差は小さく保つことができる。

よって、このように実施の形態２によれば、熱媒体配管３３による集熱部２９の接続を片側では隣り合った集熱部２９を接続し、反対側では離れた集熱部２９を接続するようにすることで、片側の熱媒体配管３３による接続部分を短くして、小さいものとするとともに、この部分の無駄な放熱を低減させて効率のよい太陽熱集熱器とすることができる。

（実施の形態３）
図５，６は太陽熱温水器を示し、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。なお、実施の形態１，２と同じ作用を行う構成については同一符号を付し、詳細な説明はそれら実施の形態１，２のものを援用する。

本実施の形態では、加熱した水を貯えるための貯湯タンク３５を持ち、その下部からの水を循環ポンプ３６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３５の上部へと循環させて、貯湯タンク３５に貯湯する。

また、貯湯タンク３５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２５にかかる水圧で貯湯タンク３５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。

そして、この実施の形態における太陽熱集熱器２１が実施の形態１，２と異なるところは、熱媒体の流路を２本とした点にある。すなわち、熱媒体入口３２から熱媒体の流路を２本に分岐し、それぞれを左右の最も外側の集熱部２９に接続している。そして、それぞ
れの熱媒体の流路ごとに隣り合う集熱部２９を外側から順番に熱媒体配管３３によって接続している。太陽熱集熱器２１の中央にある２つの集熱部２９の出口を熱媒体配管３３を介して熱媒体出口３４に合流させている。

このように構成の太陽熱温水器において、太陽熱集熱器２１で太陽光を受け、貯湯タンク３５からの水を加熱することによってその温度を高め、約６０〜９０℃のお湯とする。この際、太陽熱集熱器２１の入口側、左右の最も外側の集熱管２８は水温程度であり、中央にある２つの出口側の集熱管２８は約６０〜９０℃の高温となり、集熱管２８の上流と下流において温度差が生じる。

そのため、集熱管２８を含む集熱部２９全体の温度にも上流と下流とで温度差が生じる。当然、一番高温となる最も下流の集熱管２８を含む集熱部２９の温度が最も高くなる。

この最も下流の集熱部２９が外部との温度差が大きくなるため、放熱の面から考えて一番不利となるが、これらの最も高温となる集熱部２９を太陽熱集熱器２１の最も内側に配置することで、この中心の集熱部２９からみれば、他の集熱部２９が断熱層の役割を果たすことになり、中心の集熱部２９からの放熱を低減させることができるとともに、その温度を高温にすることができる。

また、熱媒体の流路を２本とし、最も高温となる集熱部２９どうしを太陽熱集熱器２１の中心で接触させているため、最も高温となる集熱部２９どうしが接触する側への放熱をなくすことができる。

さらに、熱媒体入口３２に最も近く、最も温度の低い集熱部２９を最も外側の外気に一番近い位置に配置している。外気との温度差が一番小さいのはこの熱媒体入口３２に最も近い集熱部２９であり、熱媒体の流路が２本あるため２つある。この集熱部２９を両側の一番外側に配置することで、太陽熱集熱器２１の両側と外部との温度差を極力小さくすることで、太陽熱集熱器２１から外部への放熱を低減させることができる。

加えて、熱媒体入口３２を接続した最も外側の集熱部２９から中心に配置した集熱部２９まで順に接続したことによって、隣り合う集熱部２９同士の温度差を極力小さくすることになり、各集熱部２９の間の熱の移動量を少なくすることができる。

全体としてみれば、熱媒体出口を接続した、最も高温となる中心に配置した集熱部２９から外部へ向けての熱の移動量を低減させることで、太陽熱集熱器２１としての外部への放熱量を低減させることができるとともに、最も高温となる集熱部２９からの放熱量を低減させて、この集熱部で加熱される熱媒体の温度を高くすることができる。

以上のように、実施の形態３よれば、熱媒体の流路を分岐して２本とし、最も外側の集熱部２９を最も低温となる集熱部２９とし、最も内側に最も高温となる集熱部２９どうしを接触させて配置し、２本の熱媒体の流路とも、それぞれ外側の集熱部２９から順に内側に向けて接続していくことによって、最も高温となる集熱部２９から他の部分への放熱を抑えるとともに、太陽熱集熱器２１全体から外部への放熱自体も抑えることによって、熱媒体の加熱温度を高くするとともに放熱損失を低減させて集熱効率を向上させた太陽熱熱交換器２１とすることができる。

そして、この太陽熱集熱器２１を用いることでエネルギー利用効率の高い太陽熱温水器とすることができる。また太陽熱集熱器２１の加熱温度を高くすることで、貯湯タンク３５への高温水の蓄熱密度を高くすることができ、小さな貯湯タンク３５でより多くの高温水を貯めることができる。

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、高温となる集熱部から外部への放熱を抑制することで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給湯装置以外にも、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、冷凍サイクルや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。

本発明の実施の形態１における太陽熱発電装置のシステム構成図同実施の形態１における太陽熱集熱器の斜視図同実施の形態１における太陽熱集熱器の平面回路図本発明の実施の形態２における太陽熱集熱器の平面回路図本発明の実施の形態３における太陽熱温水器のシステム構成図同実施の形態３における太陽熱集熱器の平面回路図従来例における太陽熱集熱器の斜視図同太陽熱集熱器の平面回路図

符号の説明

２１太陽熱集熱器
２２発電機
２９集熱部
３２熱媒体入口
３３熱媒体配管
３４熱媒体出口
３５貯湯タンク

Claims

太陽熱によって熱媒体を加熱する複数の集熱部を熱媒体配管で接続し、外側に位置する集熱部に熱媒体入口を、内側に位置する集熱部に熱媒体出口をそれぞれ設けた太陽熱集熱器。
左右に位置する集熱部を相互に熱媒体配管で接続した請求項１記載の太陽熱集熱器。
奇数の集熱部が配置されており、中央の集熱部に熱媒体出口を接続した請求項２記載の太陽熱集熱器。
左右に位置する集熱部を、隣接する集熱部を接続してから左右相互に熱媒体配管で接続した請求項２記載の太陽熱集熱器。
熱媒体配管を多パスとして熱媒体出口側の最下流の集熱部どうしを近接させた請求項１記載の太陽熱集熱器。
熱媒体がＲ１３４ａである請求項１〜５いずれか１項記載の太陽熱集熱器。
熱媒体が超臨界流体である請求項１〜５いずれか１項記載の太陽熱集熱器。
請求項１〜７いずれか１項記載の太陽熱集熱器で加熱された熱媒体により発電機を駆動させるようにした太陽熱発電装置。
請求項１〜５いずれか１項記載の太陽熱集熱器で貯湯タンクの水を加熱するようにした太陽熱温水器。