JP2008170138A - 真空太陽熱収集装置及び真空太陽熱収集システム - Google Patents

Abstract

【課題】真空式コレクターの高真空を長期間に亙って維持し、コレクターの単位面積当たりの太陽光の入力を増加させることを課題とする。
【解決手段】真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、上側及び下側の２枚のドーム状の窓ガラス２と、窓ガラス２を連結する筒部３とで真空室を形成し、集熱板４の前面に上側の窓ガラス２を通して太陽光を入力させ、集熱板４の背面に下側の窓ガラス２を通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、長期間に亙り高真空を維持する真空太陽熱収集装置及び真空太陽熱収集システムに関するものである。

従来、太陽熱収集装置（以下、コレクターと言う）は種々提案されているが、空気の熱伝導による損失を少なくするため、真空ガラス管の中に吸熱板を収容したものは、あまり大きい直径にすると取扱いが不便であり、２０ｃｍ以下、長さ２ｍ程度のガラス管を使用している。従って、広い面積のコレクターにするには多くのガラス管を並べなくてはならないという問題があった。

このような問題を解決した筐体が金属の真空平板式コレクターでは、一つのコレクターの面積を１〜４ｍ^２位の大きさにするのが容易であり、工事が楽で安価にできる長所がある。
しかし、筐体が金属の場合には、窓ガラスの外周と金属筐体とを数ｍに亙って真空封止し、例えば０．１Ｐａ（パスカル）以下の高真空を維持するのが難しいため、非真空にするか、或いは非特許文献１のように、内部の気圧を数百分の一程度の低真空にして、空気の代わりに熱伝導率の低い気体、例えばクリプトンを充填して熱絶縁を保っていた。この場合の熱伝導率は数十Ｐａの空気と同じであり、高真空ではないので、太陽熱の収集が効率的でなかった。

これに対して、特許文献１に示すように、窓ガラスの線膨張率より大きな線膨張率を有する金属で筐体を形成し、筐体の側壁と窓ガラスの端面との間に金属ガスケットを設け、筐体の収縮力によって金属ガスケットに圧力を掛けて真空封止した真空平板式コレクターが提案されている。
しかしながら、特許文献１のコレクターは前面方向の太陽光の熱エネルギーのみを集熱するので、太陽光の入力が少ないという問題があった。

書名：ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ，Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．２，ｐｐ．１１１−１１８，１９９９，論文名：ＨＩＧＨ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＥＶＡＣＵＡＴＥＤ ＦＬＡＴ−ＰＬＡＴＥ ＳＯＬＡＲ ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ ＦＯＲ ＰＲＯＣＥＳＳ ＳＴＥＡＭ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ．著者：Ｎ．ＢＥＮＺ ＡＮＤ Ｔ．ＢＥＩＫＩＲＣＨＥＲ 発行：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ． 特開２００３−１９４４１８号公報

本発明は、真空式コレクターの高真空を長期間に亙って維持し、コレクターの単位面積当たりの太陽光の入力を増加させることを課題とする。

上記した課題を解決するため、本発明は、真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、上側及び下側の２枚の窓ガラスと、窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成し、集熱板の前面に上側の窓ガラスを通して太陽光を入力させ、集熱板の背面に下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させるようにしたものである。

本発明は、上下２枚の窓ガラスと、２枚の窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成するので、窓ガラスと筒部とを気密に溶着することにより、長期間に亙り高真空を維持し、集熱板の背面にも下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させることができ、従来に比して太陽光の入力を数倍にすることが可能になる。

真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、上側及び下側の２枚のドーム状の窓ガラスと、２枚の窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成し、集熱板の前面に上側の窓ガラスを通して太陽光を入力させ、集熱板の背面に下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させることにより、長期間の高真空を維持し、太陽光の入力を増加させることを実現した。

図１は本発明の実施例１を示す断面図、図２は本発明の実施例１の平面図である。
１はコレクター、２はドーム状の窓ガラス、３は上側及び下側の２枚の窓ガラス２を連結する筒部、４は両面で太陽光の熱を収集する集熱板、５は集熱板４の表裏両面に形成された選択吸収膜、６は集熱板４に密着して固定されている集熱パイプ、７は集熱パイプ６に液状の熱媒体を送り込むための入力パイプ、８は集熱パイプ６から熱媒体の蒸気をコレクター１の外部に取り出すための出力パイプ、９は入力パイプ８、出力パイプ９を通すための孔である。

窓ガラス２はコレクター１の前面と背面に２枚設けられ、筒部３によって連結されて一体となり、２枚の窓ガラス２とリング状の筒部３とで真空室が形成される。
筒部３はガラス又は金属で形成される。ガラス製の筒部３の場合は、窓ガラス２と同質な材料なので、ガラス同士で完全に溶着し、完全な真空封止となる。
このガラス材料のみで形成された真空室の筐体は、真空管やブラウン管で証明されているように、高真空を長期に亙って維持することができる。
金属の筒部３の場合は、筒部３と窓ガラス２との間を、金属とガラスの双方に親和性のある半田或いはろうで気密に溶着することにより高真空を長期に亙って維持することができる。

残存気体の圧力がある程度以上低くなると気体は自由分子流になり、その熱伝導率は２物体間の距離に無関係に一定になる。この性質を利用して筐体の厚さを薄くし、且つ熱伝導損失を減らす。具体的には０．１Ｐａ以下の高真空度を数十年以上に亙って維持して従来の真空式太陽熱収集装置より更に熱伝導損失を数十分の一にすることができる。

図１，２に示されたように、ドーム状に形成された窓ガラス２を使用すると、大気圧によって窓ガラス２に掛かる応力の形をほとんど圧縮応力にして、引っ張り応力がほとんど掛からないようにできるので、比較的広い薄い窓ガラス２でも窓ガラス２を支える柱の必要を無くすことができる。ガラスは引っ張り応力には弱いが、圧縮応力には強いからである。
引っ張り応力には弱いが圧縮応力には強いガラスの特性を生かし、窓ガラス支持用の柱無しで大気圧を支えられる１枚の窓ガラスの厚さを５ｍｍ程度以下にし、且つ面積を１〜２ｍ^２にすることが容易にできる。
また、金属の筒部３と窓ガラス２とを半田付けにした場合、半田付け部分にドーム状の窓ガラス２の押し付け力が働いて半田付け部分の気密性を更に向上させることができる。

集熱板４は両面に選択吸収膜５を形成して両面で太陽光の熱を集熱できるように構成されている。
そのため、集熱板４の前面に上側の窓ガラス２を通して直接太陽光を入力させ、集熱板４の背面に下側の窓ガラス２を通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させることができる。

集熱パイプ６と入力パイプ７との間及び集熱パイプ６と出力パイプ８との間は、窓ガラス２で囲われた筐体の真空を維持するために、気密に接着されている。入力パイプ７及び出力パイプ８より集熱パイプ６を少し太くすると、気密がより確実になる。
入力パイプ７と出力パイプ８には、その線膨張率がガラスの線膨張率とほぼ同じである金属、例えばコバール（商品名）のような金属を用いると良い。
図１では、コレクター１は熱媒体が重力の働きで自動的に集熱パイプ６内を下方に移動するように、斜め或いは垂直に設けられる。このとき入力パイプ７はコレクター１の上部に、出力パイプ８はコレクター１の下部に設けられる。

熱媒体は液体の状態で図示してないポンプにより入力パイプ７に高圧で圧入され、集熱パイプ６内に入った熱媒体は、重力によって下方に移動しながら、太陽熱で暖められた集熱板４からの熱によって集熱パイプ６内で蒸気の形となって、出力パイプ８から外部に送り出される。
熱媒体としては、気化熱が大きいことから、通常の場合水が推奨される。特に寒冷な地方では不凍液が用いられる。

蒸気は蓄熱槽その他、熱を必要とする所で液化して気化熱を放出する。熱媒体の気化熱は比熱に比べて大変大きいから、効率良く高速で熱を移動させることができる。
この際、熱媒体は液体の状態で、集熱パイプ６内の気化した熱媒体の圧力より高い高圧で入力パイプ７から集熱パイプ６に送り込まれるので、蒸気は入力パイプ７の方には移動できず、全部が出力パイプ８から図示されていないが外部にある蓄熱槽に送り出される。このときパイプ８内を空気のような気体が存在しない真空或いはそれに近い状態にしておくと、蒸気の温度は蓄熱槽の温度に支配され、蓄熱槽の温度よりやや高い温度で熱媒体は気化する。集熱パイプ６内を１気圧の空気や窒素のような気体で満たしておくと、集熱パイプ６の温度が１００℃以上になったときに出力が得られる。

気化した蒸気はそれ自体の圧力で蓄熱槽の方向に自動的に移動して蓄熱槽に達し、蓄熱槽内の熱交換器によって液化して、気化熱の形で吸収した太陽熱エネルギーを蓄熱槽内に放出する。蓄熱槽内に放出された熱エネルギーを外部に取り出して、発電、造水、乾燥、暖房等に利用することができる。
液化した熱媒体は、図示されていないが、コレクターの外部に設けられているポンプの方向に移動して、ポンプの力で再び入力パイプ７に送り返されてこの系内を循環する。

図３はコレクターと反射鏡の相対位置の関係を示す図で、太陽光の進行経路を矢印で表示している。
１０はコレクターで、例えば実施例１のコレクター１を想定し、１１は反射鏡で、凹面鏡の例を示している。
図４、図５はコレクターに反射鏡をセットした平面図で、図４は角型のコレクター１２に複数の長方形の平面鏡を角度をつけて集光できるように構成した反射鏡１３を柱１４によって結合した例を示し、図５は丸型のコレクター１５に凹面鏡で構成した反射鏡１６を柱１４によって結合した例を示している。

図３において、太陽光は上方からコレクター１０の上面に直角に入射しており、コレクター１０の側面を通過した太陽光Ａ１〜Ａ２は反射鏡１１で反射されて、コレクター１０の下面から反射光が入射して集熱板の背面で吸収される。
同様に太陽光Ｂ１〜Ｂ２は反射鏡１１で反射されて、コレクター１０の下面から反射光が入射して集熱板に吸収される。
太陽光Ａ２〜Ｂ２を代表して矢印Ｃで表示しているが、太陽光Ｃはコレクター１０の上面から入射して集熱板の前面に直接入力され、吸収される。
図４、図５に示したコレクター１２，１５においても同様の動作が行われることは勿論である。

図３、図４に示したコレクター１０，１２と反射鏡１１，１３とを組み合わせてセットした場合、コレクターの面積の約５倍の反射鏡を用いることになるので、コレクターに入る太陽光の熱エネルギーはコレクターの上面から入る直接光のエネルギーの約５倍になる。
図３の場合、上面からのエネルギー量を１とすると、下面から入るエネルギー量はコレクターの陰になる部分を除いて約４倍となり、合計５倍である。反射鏡の面積を増やせば５倍以上にできることは明白である。
図３の例で、反射鏡１１と同じ面積の効率５０％の高真空コレクターを置いた場合は、コレクター特有の放射損失や、伝導損失も増加するので、全体のシステムに到来する太陽光の量は反射鏡１１の場合と同じであるが、全体の効率は５０％である。反射鏡１１を使用した方が、価格も安く効率も高い。

図６は真空コレクターの効率を示す図で、横軸は出力温度、縦軸は出力を表している。
曲線１７は例えば図３のコレクター１０自体の効率を示し、曲線１８，１９はコレクター１０と反射鏡１１との総合効率を示している。
曲線１７で示されているようにコレクター１０単体の効率は出力温度の上昇と共に減衰する。
しかし曲線１７と曲線１８、或いは曲線１８と曲線１９が互いに平行であるのは反射鏡１１の効果が使用温度に左右されないことを意味している。
曲線１７と曲線１８との間隔は反射鏡１１の面積を示し、反射鏡１１が大きいほどこの間隔は増大する。曲線１８は小さい反射鏡１１、曲線１９は大きい反射鏡１１の出力を示している。

下面の窓ガラスによる透過損失と選択吸収膜の吸収損失の合計損失が１０％として、下面から入力を加えた場合の出力の増加分の効率は、下面の窓ガラスの表面に到達した太陽光の９０％である。ここで言う効率とは、コレクターの窓ガラスの外部表面に入力した太陽熱エネルギーの何％が熱出力として、コレクターから外部に取り出されるかを示すものである。反射鏡１１の反射効率が９０％であるとしたら、到来した太陽熱エネルギーに対する総合効率は８１％になる。
上乗せされる反射鏡による出力の量は出力温度に拘わらず同じで、その量は反射鏡１１に到来した太陽熱の８１％である。
それは太陽の表面温度が６０００℃と言う高温であるため、選択吸収膜の出力温度が１００℃であっても５００℃であっても、その温度差は６０００℃に比べて少ないために、その温度にほとんど関係なく、単位面積当たりに入力する太陽熱エネルギーの量は同じであるからである。従って反射鏡１１を利用する場合は、高温出力で使う方が有利である。

使用する選択吸収膜は多少２次放射率が悪くても、使用可能温度の高いものが良い。もし５００℃まで使用可能なら太陽熱発電に大変有効な高温高出力のコレクターが得られる。
この場合、従来の裸のパイプに反射鏡で太陽光を集めて発電する方法に比べて、集熱され、高温になったコレクターが真空断熱されているだけ損失が少ないため、発電効果が高く、太陽電池の効率の数倍に達し、大変優れている。

以上のように実施例１によれば、上下２枚のドーム状の窓ガラスと、２枚の窓ガラスを連結するリング状の筒部とで真空室を形成するので、長期間に亙り高真空を維持し、集熱板の背面にも下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させることができ、集熱板の前面からの入力だけの従来に比して太陽光の入力を数倍にすることができ、数倍から１０倍程度の出力を得ることができる。

また、大気圧を２枚のドーム状の窓ガラスと筒部で支持しているので、従来、窓ガラスが破壊しないように大気圧を分散して支持していた多数の柱を無くすことができ、更に、柱を通すために集熱板に明けていた穴を不要とし、集熱板及び真空室を形成する筐体の構造を簡単にすることができる。

なお、上記した説明では、真空コレクターの形状を円形にしていたが、角型、楕円形、小判型であっても構わない。それに応じて必要な各構成要素をその形状に対応させることにより容易に適用することができる。

図７は本発明の実施例２を示す断面図である。
２１はコレクター、２２は平板ガラスで形成された上側及び下側の窓ガラス、２３は筒部、２４は集熱板、２６は集熱パイプ、２７は入力パイプ、２８は出力パイプ、２９は窓ガラスを支える柱である。
真空室は上側及び下側の窓ガラス２２とそれらの窓ガラス２２を連結する筒部２３とで形成される。

筒部２３はガラス又は金属で形成される。ガラスの筒部２３の場合は、窓ガラス２２と同質な材料なので、ガラス同士で完全に溶着し、完全な真空封止となる。
なお、下側の窓ガラス２２と筒部２３を予め一体にして容器状に形成しても構造上は全く同じになる。

金属の筒部２３の場合は、筒部２３と窓ガラス２２との間を、金属とガラスの双方に親和性のある半田或いはろうで気密に溶着することにより高真空を長期間に亙って維持することができる。
なお、この場合、筒部２３の上下に窓ガラス２２を載せた例を示しているが、筒部２３の上下の内側に段差を設け、この段差に窓ガラス２２をそれぞれ載せて筒部２３の内側にはめ込むようにしても良い。このようにすると、ガラスより線膨張率の大きい金属、例えばステンレス等を筒部２３に使用すると、冷却された際の筒部２３の収縮力により半田等に圧力が掛かり、筒部２３と窓ガラス２２の端面との気密性を向上させることができる。

実施例１はドーム状の窓ガラスを使用した例であるが、実施例２は２枚の平面のガラス板を使用した場合で、平面で大気圧を支えるために、多数の柱で支持する方法である。
従来は金属製の筐体の上に窓ガラスを載せた方式で多数の支持柱を使用しているが、実施例２では真空室の上面及び下面にガラスを使用し、筒部２３にガラス又は金属を使用しているので、高真空の長期保持を可能にすると共にコレクター２１の前面及び背面の両方から太陽光の入力を可能にしている。

図７の場合、従来の金属筐体に支柱を立てるのと違って製作時に注意しなければいけないことがある。それは上側の窓ガラス２２又は下側の窓ガラス２２の何れかに、正確な位置で柱２９を立てなければならない点とその柱２９を立てた点での全部の柱２９の長さを正確に同じにして、大気圧を受けたときの窓ガラス２２に掛かる応力にむらを生じさせないようにする点にある。
金属筐体では、大気圧を支える柱の長さが多少変化してもそれに応じて金属板が変形して対応してくれるが、ガラスの場合は、許容される変形量が金属板に比べて遥かに小さいので、柱２９をそれだけ正確に立てなければならないのである。
なお、上下の窓ガラス２２を通して集熱板２４の前面及び背面から太陽光の熱エネルギーを入力させることができることは実施例１と同じである。
また、集熱パイプ２６、入力パイプ２７、出力パイプ２８は実施例１と同様に構成されている。

以上のように実施例２によれば、大気圧を支えるための多数の柱を必要とするが、長期間の高真空の維持と太陽光の入力を増加させる点では実施例１と同等の効果を奏する。
なお、ドーム状の窓ガラスを使用せず、平面のガラス板を使用する点では実施例１より安価に製造できる。
また、真空コレクターの形状を円形、角型、楕円形、小判型等にして良いことは言うまでもない。

図８は本発明の実施例３を説明するための平面図で、集熱板に固着された集熱パイプを示している。
集熱パイプ３６は太いパイプ３７とその中に挿入された細いパイプ３８との二層構造で形成されている。
太いパイプ３７の先端部３９は閉じて密閉され、細いパイプ３８は両端共開放されている。太いパイプ３７内には細いパイプ３８が太いパイプ３７の先端部３９の近くまで通されている。

液状の熱媒体は矢印Ｄの方向から細いパイプ３８に供給され、熱媒体は細いパイプ３８を通り、その先端から矢印Ｅの方向に噴出し、太いパイプ３９内に溢れ出る。
太いパイプ３７の先端３９は閉じているので、熱媒体は太いパイプ３７内を下方に流れながら太陽光の熱エネルギーを吸収した集熱板３４の熱エネルギーで暖められた太いパイプ３７内で気化して蒸気となる。
この蒸気は太いパイプ３７の出力側から矢印Ｆの方向に出力し、図示してない出力パイプを通してコレクターの外部へ取り出される。

実施例１，２の集熱パイプに代えて上記した集熱パイプ３６を使用した実施例３によれば、熱媒体を供給するパイプが太いパイプ内に収容されて一体化されているので、入力パイプは不要であるから、ドーム状の窓ガラスを使用した場合は実施例１、平面ガラスの窓ガラスを使用した場合は実施例２の効果に加えて、コレクターに明けられる貫通孔を出力パイプ用の１つにすることができる。

図９は本発明の実施例４を示す断面図、図９は熱媒体供給パイプと出力パイプを示す断面図で、太陽熱エネルギーをコレクターの外部に取り出す方法を示している。
４１はコレクター、４２は上下の窓ガラス、４３は２枚の窓ガラス４２を連結する筒部、４４は集熱板、４５は集熱板４４の一方の面に張り付けられた布、４６は２枚の集熱板４４を連結する筒状体、４７は布４５に熱媒体を供給するための熱媒体供給パイプ、４８は出力パイプ、４９は２枚の集熱板４４の間に設置された柱である。なお、２枚の窓ガラス４２を大気圧から支える柱は複雑になるので図では省略している。

上下の窓ガラス４２と筒部４３とで真空室を形成することは図７の実施例２で説明した通りであるが、図９の場合は下側の窓ガラス４２と筒部４３とで容器状に形成している。
下側の窓ガラス４２と筒部４３を別体に形成してから融着させても、予め容器状に形成しても、ガラス同士の融着であるから一体になり、構造的には全く同じになる。

集熱板４４の一方の面に接着された布４５は、木綿、絹、ガラス繊維、人口繊維等で作られた布で、常時熱媒体によって湿らされている。
液体状の熱媒体を供給するパイプ４７は、先端部がＴ字状をしており、Ｔ字状部分の布４５に面する側に複数個の孔５０が明けられ、両端部は閉じている。
図示してないポンプにより熱媒体供給パイプ４７に矢印Ｇの方向から液状の熱媒体が送り込まれると、熱媒体はＴ字状部の孔５０から噴水のように噴き出して布４５を満遍なく濡らすことになる。

２枚の集熱板４４で全体の集熱板が形成されるが、集熱板４４は布４５を張り付けた面を互いに向き合わせて筒状体４６で連結して密閉空間を形成している。
この密閉空間内に気化した熱媒体の蒸気が発生するがその圧力によって２枚の集熱板４４が過度に膨れ上がることがないように、複数の柱４９で２枚の集熱板４４を互いに結び付けている。このように２枚の集熱板４４を結合することにより密閉空間の破壊を防止している。

出力パイプ４８はその中に熱媒体供給パイプ４７が挿通するので、ある程度太いパイプで構成され、一方が上記した密閉空間に通じており、他方は密閉空間内に発生した熱媒体の蒸気を矢印Ｈ方向に取り出すためにコレクター４１の外部に通じている。

上記したように、布４５は集熱板４４の一方の面のほぼ全面に亙って布に適する接着剤により密着して接着されているので、熱媒体供給パイプ４７の孔５０から高圧ポンプによって押し出された熱媒体によって、布４５は常に全面的に湿った状態になっている。
従って、集熱板４４上のある位置における温度が、太陽熱によって上がると、その温度上昇は直ちに、その場所で布４５に伝えられる。布４５は集熱板４４の全面に隙間なく張り付けられているので、集熱パイプの場合のように、大半の集熱板の場所が集熱パイプから離れているために、熱エネルギーを運ぶための温度差を必要とするというようなことはない。

換言すれば、集熱板４４が収集した太陽熱エネルギーを熱媒体に伝えるために必要な温度差は最小限で済まされる。それだけコレクター４１の効率は上昇する。
また太陽熱を運ぶ距離は集熱板４４の板厚で、通常１ｍｍ以下位であるから、銅のような熱伝導の良い高価な材料を必要とせず、鉄板のような安い材料でも熱損失はほとんど無視できる。

この方式は蒸発した熱媒体による圧力を集熱板４４の剛性と柱４９によって支えられているが、パイプの場合のように高い内部圧力に耐えることはできない。熱媒体が高温になって、あまり大きな熱媒体の圧力の上昇があると、２枚の集熱板４４によって包まれている密閉空間は破壊するので、あまり高温での出力を必要とする用途には適しない。通常は１００℃以内位の出力に適しており、高温出力には集熱パイプが適している。
なお、実施例４はドーム状の窓ガラスを使用して真空室を形成した場合にも適用可能で、真空コレクターの形状を円形、角型、楕円形、小判型等にすることもできる。

以上のように実施例４によれば、実施例３の効果に加えて、集熱パイプを使用せずに、布を張り付けた２枚の集熱板を利用して密閉空間で発生する熱媒体の蒸気を取り出すので、高温出力には向かないが、真空コレクターとして効率が大変良く、熱移動の距離が短いので、集熱板に鉄板のような安い材料を使用しても熱損失をほとんど無視できる程小さくすることができる。

図１１は本発明の実施例５の真空太陽熱収集システムを示す図で、複数のコレクターの集合体としてのシステムを示している。
ここで言うコレクターは、実施例１〜４で説明したコレクター単体に図３，４のように反射鏡をセットした状態のものを示している。
５１は反射鏡をセットしたコレクター、５２は複数のコレクター５１を束ねるための長い軸、５３はコレクター５１を軸５２に取り付ける支持体、５４は軸５２を支持する支柱、５５は複数のコレクター５１が集熱した太陽熱エネルギーを一箇所に集めるための太陽熱収集パイプ、５６は軸５２を所定角度回転させ、また元に復するように往復回転運動をさせる回転装置である。

太陽熱収集用パイプ５５は大気中に熱エネルギーが漏れることによる熱損失を防ぐために熱絶縁物によって覆われており、軸５２に取り付けられている。
また、回転装置５６は公知のモーター、歯車、ベアリング等で構成される。
コレクター５１は太陽熱の収集に適する方向に向くように複数個並べて軸５２に取り付けられるが、具体的には軸５２は東西の方向に長く設置され、コレクター５１は集熱板が北半球の地域では南方向に、南半球の地域では北方向に向くように取り付けられる。

集熱板が効率良く集熱する仰角はコレクター５１が取り付けられる緯度によって変化する。例えば南極ではほぼ大地に対して垂直に近く、赤道近くではほぼ水平に近く設置する。
そしてその仰角は季節に応じて変化させる。それは太陽の位置が季節によって変わるからである。この変化は１年で一巡するので、軸５２を太陽の位置の季節変動に対して１年周期で集熱板が常に太陽光に正対するように往復回転させる。即ち、春分、秋分を中心に冬至でミニマム、夏至でマキシムになるように仰角を変化させる。
上記した往復回転の運動速度は大変遅いので、その回転運動に必要なエネルギーは軸５２を支えるベアリングの損失によってほとんど決まるが、ごく小さいからそのためのモーターは小さいもので良いので、太陽電池を利用して簡単に作ることができる。

以上のように実施例５によれば、太陽熱収集用パイプを熱絶縁物で被覆しているので、大気中に逃げる熱伝導損失を減少させることができる。
従って、コレクターを多数東西に長く設置する大規模な設備、例えば発電、造水等に適用して優れた効果を発揮する。

図１２は本発明の実施例６の真空太陽熱収集システムを示す図で、複数のコレクターと反射鏡との関係を示している。
６１は単体のコレクター、６２は反射鏡で、複数のコレクター６１は太陽熱の収集に適する方向に向くようにして、東西方向に複数個１列に並べて設置される。その長さは通常数十ｍから数百ｍである。

コレクター６１の上面から入射する太陽熱エネルギーの量はこのコレクター６１の長さと入射角度で決まる。
反射鏡６２はコレクター６１と平行に東西に長く設置されるが、その全長は図示したようにコレクター６１の列の全長より長くする。この長さは矢印で示したように、東西に並べたコレクター６１の列の端と反射鏡６２の端とのなす角度θが４５度になる位が適当である。このときの矢印ＡＭ９、矢印ＰＭ３で示された太陽光の進路は午前９時及び午後３時における太陽光の進路である。
図１２で明らかなように、午前９時より午後３時までの間の反射鏡６２による太陽光の反射光はほとんどコレクター６１によって吸収される。太陽光の有効な熱エネルギーの大半はこの時刻の間に集中しているので、反射鏡６２の長さはこれで十分である。

上記した季節による太陽光のコレクターへの入射角の変化によるコレクターの効率の変化の補正は、コレクターの仰角の補正を季節に応じて行うことによって行われるが、太陽光の１日の変化によるコレクター６１への入射角の変化による影響に対する対策は、反射鏡６２の長さを長くする方法によって行われるだけで、そのためにコレクター６１を動かすことはしない。
コレクター６１の移動は上記した１年に一巡する往復回転の移動だけである。これによってコレクター６１の移動によるエネルギー消費その他の費用を最小限にすることができ、且つコレクター６１に対する太陽光の移動による不利益のほとんどを除去することができる。

以上のように実施例６によれば、コレクターの列の全長より反射鏡の全長を長くすることにより、１日の太陽光の有効な熱エネルギーの大半を収集することができるので、コレクターの移動によるエネルギー消費等を最小限にすることが可能となり、極めて経済的な真空太陽熱収集システムを構築することができる。

本発明の実施例１の断面図である。 実施例１の平面図である。 コレクターと反射鏡との関係を示す図である。 コレクターに反射鏡をセットした平面図である。 コレクターに反射鏡をセットした平面図である。 真空コレクターの効率を示す図である。 本発明の実施例２の断面図である。 本発明の実施例３を説明するための平面図である。 本発明の実施例４の断面図である。 熱媒体供給パイプと出力パイプを示す図である。 本発明の実施例５の真空太陽熱収集システムを示す図である。 本発明の実施例６の真空太陽熱収集システムを示す図である。

符号の説明

１，１０，１２，１５，２１，４１，５１，６１ コレクター
２，２２，４２ 窓ガラス
３，２３，４３ 筒部
４，２４，３４，４４ 集熱板
５ 選択吸収膜
６，２６，３６ 集熱パイプ
７，２７，３７，４７ 入力パイプ
８，２８，３８，４８ 出力パイプ
９ 孔
１１，１３，１６，６２ 反射鏡
１４ 柱
１７，１８，１９ 曲線
３９ 先端部
４９ 柱
５０ 孔
５２ 軸
５３ 支持体
５４ 支柱
５５ 太陽熱収集用パイプ
５６ 回転装置

Claims (8)

1. 真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、
   上側及び下側の２枚の窓ガラスと、前記窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成し、前記集熱板の前面に前記上側の窓ガラスを通して太陽光を入力させ、前記集熱板の背面に前記下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させることを特徴とする真空太陽熱収集装置。
2. 真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、
   上側及び下側の２枚の窓ガラスと、前記窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成し、前記集熱板の前面に前記上側の窓ガラスを通して太陽光を入力させ、前記集熱板の背面に前記下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させ、
   前記集熱板に集熱パイプを固着し、前記集熱パイプを一端が閉じた太いパイプと、前記太いパイプに挿入した両端が開いた細いパイプとの二層構造で形成し、前記細いパイプを通して液状の熱媒体を供給し、前記太いパイプを通して前記熱媒体の蒸気を取り出すようにしたことを特徴とする真空太陽熱収集装置。
3. 真空室内に収容した集熱板に太陽光を入力させて太陽熱エネルギーを収集する真空太陽熱収集装置であって、
   上側及び下側の２枚の窓ガラスと、前記窓ガラスを連結する筒部とで真空室を形成し、前記集熱板の前面に前記上側の窓ガラスを通して太陽光を入力させ、前記集熱板の背面に前記下側の窓ガラスを通して反射鏡による太陽光の反射光を入力させ、
   前記集熱板を一方の面に布を張り付けた２枚の集熱板で構成し、前記布を張り付けた面を互いに向かい合わせて筒状体で連結して密閉空間を形成すると共に前記２枚の集熱板を複数の柱で互いに結合し、前記密閉空間内に前記布に液状の熱媒体を供給する熱媒体供給パイプを設け、前記密閉空間に通じる出力パイプを設け、前記出力パイプを通して前記密閉空間内に発生する前記熱媒体の蒸気を取り出すことを特徴とする真空太陽熱収集装置。
4. 前記筒部をガラス又は金属で形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置。
5. 前記窓ガラスをドーム状に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置。
6. 前記窓ガラスを平面のガラス板で形成し、前記窓ガラス間に複数の柱を設置して大気圧を支持することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置を反射鏡と共に太陽熱の収集に適する方向に向くように複数個並べて軸に取り付け、前記軸に前記複数個の真空太陽熱収集装置が収集した太陽熱エネルギーを集中して取り出す熱絶縁物で覆われた太陽熱収集用パイプを設置し、太陽の位置の季節変動に対応して前記軸を１年周期で往復回転させる回転装置を備えたことを特徴とする真空太陽熱収集システム。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の真空太陽熱収集装置を太陽熱の収集に適する方向に向くように複数個１列に並べて設置し、前記真空太陽熱収集装置と平行に反射鏡を設置し、前記真空太陽熱収集装置の列の全長より前記反射鏡の全長を長くすることを特徴とする真空太陽熱収集システム。

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