JP2008185299A - 集熱器 - Google Patents
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Abstract
【課題】放物面反射鏡の集点に向かう太陽光を夫々の集熱管で受けるようにして、熱媒体の温度を高温に保つことを目的とする。
【解決手段】集熱器25は、太陽光を集光する放物面反射鏡1と、この放物面反射鏡1の焦点2の周囲に設け、熱媒体6が流通する複数個の集熱管5と、この複数個の集熱管5が一つの経路に構成するように連通している集熱部4と、これらの放物面反射鏡1と集熱部4を収納した外装22とで構成したので、複数個の集熱管5には、放物面反射鏡1の焦点2に向かう太陽光が集光するので、集熱部4を流通する熱媒体6の温度が高温に加熱されるようになる。また、放物面反射鏡1の焦点2の周囲に複数個の集熱管5を配置して集熱部4を構成するので、複数個の集熱管5には常に太陽光が集光し、集熱部4からの放熱を低減し集熱効率を向上するものである。
【選択図】図1
【解決手段】集熱器25は、太陽光を集光する放物面反射鏡1と、この放物面反射鏡1の焦点2の周囲に設け、熱媒体6が流通する複数個の集熱管5と、この複数個の集熱管5が一つの経路に構成するように連通している集熱部4と、これらの放物面反射鏡1と集熱部4を収納した外装22とで構成したので、複数個の集熱管5には、放物面反射鏡1の焦点2に向かう太陽光が集光するので、集熱部4を流通する熱媒体6の温度が高温に加熱されるようになる。また、放物面反射鏡1の焦点2の周囲に複数個の集熱管5を配置して集熱部4を構成するので、複数個の集熱管5には常に太陽光が集光し、集熱部4からの放熱を低減し集熱効率を向上するものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、太陽光を集光して、太陽熱を回収するの集熱器に関するものである。
従来、この種の集熱器は、放射円筒状の反射鏡の焦点と放射円筒状反射鏡面上の中央を通る開口部頂点との間及び焦線上に、放射円筒状反射鏡長手方向に沿って複数本の集熱管を配置し、集熱管列の最上部管が焦線上に位置するように設け、直射日光と散乱光のいずれも集熱するようにしている(例えば特許文献1参照)。
特開昭55−105147号公報
しかしながら、前記従来技術では、反射鏡の焦点上に配置される集熱管は、複数本の集熱管の一部であるため、反射鏡で集光する直射日光を受ける集熱管以外には、直射日光が当たらず集熱管内を通過する熱媒体の温度を高温にできないという課題があった。
また、散乱光を受けることができても、焦点上のように集光できないので、焦点上で集光した太陽熱を他の集熱管で放熱し、集熱器の集熱効率を向上できないという課題もあった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、放物面反射鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して、常に集点に向かう太陽光を夫々の集熱管で受けるようにして、熱媒体の温度を高温に保つことを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の集熱器は、太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成するように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とで構成したものである。
これよって、複数個の集熱管には、放物面反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度が高温に加熱されるようになる。
また、放物面反射鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して集熱部を構成するので、複数個の集熱管には常に太陽光が集光し、集熱部からの放熱を低減し集熱効率を向上するものである。
本発明の集熱器は、複数個の集熱管に放物面鏡の焦点に向かう太陽光を集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を高温に加熱することができる。
また、集熱部からの放熱を防止し、熱媒体を高温に加熱するための熱量を効率良く回収するものである。
第1の発明は、太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成す
るように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とで構成したことにより、複数個の集熱管には、放物面反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を高温に加熱することができる。
また、放物面鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して集熱部を構成するので、複数個の集熱管には常に太陽光が集光し、集熱部からの放熱を低減し集熱効率を向上することができる。
るように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とで構成したことにより、複数個の集熱管には、放物面反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を高温に加熱することができる。
また、放物面鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して集熱部を構成するので、複数個の集熱管には常に太陽光が集光し、集熱部からの放熱を低減し集熱効率を向上することができる。
第2の発明は、特に、第1の発明の集熱部において、放物面反射鏡の焦点から均等の距離に複数個の集熱管を配置したことにより、複数個の集熱管に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管の温度を均一に上昇させることができ、集熱管内を流通する熱媒体を均一に加熱することができる。
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の集熱部において、放物面反射鏡の太陽光の反射が焦点に集光可能な領域に複数個の集熱管を配置したことにより、集熱管のすべてが放物面反射鏡に反射する集光した太陽光を受けるので、すべての集熱管の温度を高温に上昇させることができる。
第4の発明は、特に、第1または2の発明の集熱部において、複数個の集熱管を奇数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を両端に分けて配置する時に、中間に位置する集熱管を春分(秋分)時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡の開口部の頂点に配置したことにより、入口側の集熱管と出口側の集熱管に放物面反射鏡に反射し、集光した太陽光を中間に位置する集熱管よりも多く当てるので、集熱管内を流通する熱媒体の温度を集熱管の出口まで低下させないで保つことができる。
第5の発明は、特に、第1または2の発明の集熱部において、複数個の集熱管を偶数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間に位置する集熱管の一部を春分(秋分)時の南中の太陽に正対するときに方物反射面鏡の開口部の頂点に配置したことにより、入口側の集熱管と出口側の集熱管に放物面反射鏡に反射し、集光した太陽光を中間に位置する集熱管よりも多く当てるので、集熱管内を流通する熱媒体の温度を集熱管の出口まで低下させないで高温に保つことができる。
第6の発明は、特に、第1〜5のいずれか1つの発明の集熱部において、複数個の集熱管の端部に複数個の階層仕切られ、夫々の集熱管が連通することで、複数個の集熱管が一つの経路に構成するように入口連通部と出口連通部を設けたことにより、複数個の集熱管を焦点から等距離に配置し、集熱管を潰さないように屈曲するよりもその距離も小さく設定できるので、集熱管のすべてをより焦点に近づけ、放物面反射鏡に反射する太陽光をより集光し、すべての集熱管の温度を高温に上昇させることができる。
第7の発明は、特に、第1〜6のいずれか1つの発明の集熱部において、周囲に筒状の透過管を配置し、集熱管の周囲を密閉構造にしたことにより、集熱管の周囲を真空にして空気層を無くすので、集熱管から透過管への対流による放熱を防止し、集熱部の集熱効率を向上することができる。
第8の発明は、特に、第1〜7のいずれか1つの発明の集熱部において、複数個の集熱管を焦点の周囲に互いに夫々の集熱管の外壁が接触するよう配置したことにより、複数個の集熱管の放物面反射鏡に反射する集光した太陽光を受けない部分からの放熱を防止するので、集熱部の集熱効率を向上することができる。
第9の発明は、特に、第1〜8のいずれか1つの発明の集熱部において、放物面反射鏡の焦点を回転の中心として、その周囲を放物面反射鏡が回転できるように支持した回転支
持部と、放物面反射鏡を回転する駆動部と、この駆動部をコントロールする制御部を設け、これらの集熱部と放物面反射鏡と駆動部を収納した外装とで集熱器を構成したことにより、制御部は、太陽の年間の動きをベースに季節や1日の太陽高度に合わせて、駆動部を作動し、放物面反射鏡を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように指示できるので、それにより放物面反射鏡に反射した太陽光が常に焦点に集中し、集熱部の温度を高温に上昇させ、熱媒体を高温に加熱することができる。
持部と、放物面反射鏡を回転する駆動部と、この駆動部をコントロールする制御部を設け、これらの集熱部と放物面反射鏡と駆動部を収納した外装とで集熱器を構成したことにより、制御部は、太陽の年間の動きをベースに季節や1日の太陽高度に合わせて、駆動部を作動し、放物面反射鏡を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように指示できるので、それにより放物面反射鏡に反射した太陽光が常に焦点に集中し、集熱部の温度を高温に上昇させ、熱媒体を高温に加熱することができる。
(実施の形態1)
図1、図2、図3において、1は、太陽光を集光する放物面反射鏡で、放物面反射鏡1の形状は、太陽光を焦点2に集束させるために放物線で断面を形成され、その方物線を断面とする樋型に構成している。
図1、図2、図3において、1は、太陽光を集光する放物面反射鏡で、放物面反射鏡1の形状は、太陽光を焦点2に集束させるために放物線で断面を形成され、その方物線を断面とする樋型に構成している。
この樋型の放物面反射鏡1を方位方向(東西方向)に伸ばして一つの放物面反射鏡1を構成している。
放物面反射鏡1の反射面3は、太陽光の反射率を向上させるために、鏡面に仕上げている。反射面3の鏡面仕上げは、放物面反射鏡1を構成する材料によりめっき、蒸着、研磨、塗装等の方法がある。
放物面反射鏡1の加工は、耐熱の樹脂(例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等)を成型、ステンレスをプレス加工、アルミダイカスト成型等の方法がある。またアルミの鏡面仕上げ板を折り曲げる方法もある。
例えば、放物面反射鏡1を耐熱樹脂で成型した時は、鏡面をアルミめっき(蒸着)や塗装で仕上げ、反射面3を形成する。特に、鏡面をアルミめっきする時は、ポリイミド樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂またはポリステル樹脂、ポリアミド樹脂等を使用する。また、ステンレスをプレス加工したときは、アルミ電解研磨やバフ研磨等で鏡面を形成することもある。
また、アルミダイカストの成型でもめっき等により鏡面仕上げを行い、アルミダイカスト材料の研磨後の酸化皮膜による反射率の低下を防止することもある。
4は、集熱部で、放物面反射鏡1の放物線の焦点の周囲に配置されている。集熱部4は、複数個の集熱管5(銅管やステンレス管や黄銅管やアルミ管等)で構成され、東西方向に伸ばして構成した樋型の放物面反射鏡1の焦点2(焦線)に沿って配置されている。
複数個の集熱管5は、放物面反射鏡1の焦点2の周囲に焦点2から同一の距離に配置している。放物面反射鏡1の焦点2から均等の距離に複数個の集熱管5を配置して、複数個の集熱管5に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管5の温度を均一に上昇させ、集熱管5内を流通する熱媒体6を均一に加熱している。
複数個の集熱管5は、夫々の端部が順次連結され、一経路に連通するように構成している。これにより、集熱管5内を流通する熱媒体6の流速を低下させないで、集熱管5の集光状態の太陽光を受ける面積を拡大して太陽熱を回収するようにしている。
集熱部4は、複数個の集熱管5を奇数個設け、集熱部4に流入する熱媒体6の入口側7と出口側8を両端に分けて配置する時に、中間9に位置する集熱管5を春分(秋分)時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡1の開口部10の頂点に配置して、入口側7の集熱管5と出口側の集熱管5に放物面反射鏡1に反射し、集光した太陽光を中間9に位置する集熱管5よりも多く当て、集熱管5内を流通する熱媒体6の温度を集熱管5の出口側
8まで低下させないで保つようにしている。
8まで低下させないで保つようにしている。
放物面反射鏡1は、春分(秋分)時の南中の太陽に正対する位置を基準にすることで、夏至や冬至の時の太陽高度の大きな変化の中で、年間を通して長い期間、日射を受けるようにしている。
集熱管5は、入口側7から中間9に部分と中間9から出口側8に連結する時に集熱管5が潰れないように曲率をもたせて折り返すような構成にしている。この集熱管5の折り返す部分は、放物面反射鏡1の内側に設けるようにしている。
この時、入口側7の集熱管5と出口側8の集熱管5は、放物面反射鏡1内に入る部分と放物面反射鏡1から出る部分は、一本の集熱管5で構成し、焦点2上に配置し、そこに太陽光を集光するようにしている。
放物面反射鏡1では、開口部10の幅を大きくすることにより焦点2に集光する太陽光の量を増加し、集熱部4の温度を高温に上昇するようにしている。
熱媒体6は、代替フロン(HFC:Hydrogenerated Fluoro Carbon)の134Aや二酸化炭素(CO2)を使用するか、または熱媒体油(シリコーン油のような鉱物油)を使用している。
放物面反射鏡1は、一方向の太陽光しか焦点2を結ばないので、集熱部4に太陽光を集中させるためには、樋型の放物面反射鏡1に対して垂直の太陽光を当てるかまたは樋型の方位方向に平行の適当な角度の太陽光を当て反射面3に反射させ反対側の集熱部3に同一の角度で跳ね返り集光する必要がある。
この放物面反射鏡1の特性に合わせるために、放物面反射鏡1を固定した集熱部4の周囲に回転させるための駆動部11とこの駆動部11により放物面反射鏡1を同一の角度に一体で回転させる作動部12を設けている。
ただし、集熱部4は、春分(秋分)時の南中の太陽に正対するときに方物面反射鏡1の開口部10内での位置関係を決めて固定しているので、太陽高度に合わせて放物面反射鏡1は、常に太陽に正対するが、集熱部4は、太陽が春分(秋分)時の南中の高度以外は、複数個の集熱管5のどこかに太陽光が当たるようにしている。
駆動部11は、モーターとギアやカムを組み合わせて軸に装着した駆動部作動板13を回転し、この駆動部作動板13に一部に取り付けられた棒状の作動部12を装着している。また、駆動部11は、ステッピングモーターを使用して、自在の角度に設定することも可能である。
作動部12は、駆動部作動板13にピン15で固定されるが、自在に回転できるようにしてあり、駆動部作動板13の回転により押したり引いたりする動作を行うようにしている。
放物面反射鏡1の端部に設けた駆動部作動板13と同等の形状の反射鏡作動板14に作動部12の一方の端部をピン15で固定し、駆動部作動板13と同じように自在に回転できるようにしてあり、駆動部作動板13の回転により押したり引いたりする動作に連動して、反射鏡作動板14が押されたり引かれたりして集熱部4を軸として放物面反射鏡1が回転するようになっている。
反射鏡作動板14は、放物面反射鏡1の両端部に装着した端面16のどちらか一方(両端の端面16でも可能である)に固定されている。
端面16は、放物面反射鏡1と同等の材料と表面処理を行うようにしている。この端面16に開口17を設け、集熱部4の入口側7と出口側8の集熱管5が挿入されている。端面16の開口17を集熱部4に接触しないように延長して筒状の軸受け部18を設け、その周囲に回転軸受け19を設けている。
回転軸受け19は、ベアリング軸受けまたは非接触の流体軸受けを使用している。回転軸受け19の一方は、回転支持部20に固定され、これにより放物面反射鏡1は、集熱部4と接触しないように独立した構成に設けられている。
複数個の集熱管5の表面には、選択吸収膜を形成している。(図示なし)選択吸収膜は、集熱管5の表面に黒色の黒クロムまたは無電解ニッケルのめっき処理を行うようにしている。また、めっきの替わりにマンガン系の黒色塗料を塗布することもある。
21は、駆動部11の動作をコントロールする制御部で、制御部21は、マイコン等に記憶した太陽の年間の動きをベースに季節や1日の太陽高度に合わせて、駆動部11を作動し、作動部12を動かして放物面反射鏡1を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように指示している。
それにより放物面反射鏡1に反射した太陽光が集熱部4を焦点2にして集中し、集熱部4の温度を高温に上昇させるようにしている。
22は、放物面反射鏡1と集熱部4と作動部12と駆動部11を収納した外装で、上部に透過体23の開口を設けた箱状に構成している。
外装22は、腐食の少ないステンレスや耐候性のある樹脂材料(例えば、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂等)で構成してあり、内部は、放物面反射鏡1や集熱部4の周囲を外装断熱材24で覆うようにして、外装22の内壁に沿って充填している。
外装断熱材24は、耐熱性のロックウール、グラスウール等で構成している。外装断熱材24の表面は、硬化させて、それだけで壁面を構成するかまたは板で内面を補強して構成するようにしている。
透過体23は、放物面反射鏡1の上部に設けられ、太陽光を取り込み、放物面反射鏡1の内部に雨やホコリが侵入するのを防止している。
透過体23は、太陽光を通過させるために透過率の大きな透明ガラスを使用している(このような透明ガラスの日射透過率は、約90%である)。この透過体23に向かって外装断熱材24を傾斜させて、上方に広がるように構成して、太陽の高度に合わせて反射鏡で太陽光を多く受けられるようにしている。
25は、放物面反射鏡1と集熱部4を外装断熱材24で囲み、収納するとともに放物面反射鏡1の上部を透過体23で開口した外装22で構成した集熱器である。
26は、熱媒体6の循環ポンプ、27は、熱媒体6が流れる回路、28は、熱媒体6からの高温の熱を蓄える蓄熱槽である。蓄熱槽28は、融点の高い溶融塩の相変化を利用した潜熱型や溶融塩や油等を用いた顕熱型や蒸気を圧力水の形で蓄える蒸気アキュムレイタ等を用いることで100℃以上の高温の熱を貯めるようにしている。
以上のように構成された集熱器について、以下その動作、作用を説明する。
まず、制御部21に運転の支持があたえられることにより、制御部21は、循環ポンプ26を作動し、熱媒体6を回路27内に循環させ、集熱器25に送る。集熱器25では、制御部21が、マイコン等に記憶するその日の太陽高度データに合わせて、駆動部11を回転させ、作動部12を動かし、集熱部4(複数個の集熱管5)の周囲で放物面反射鏡1を回転させ、太陽光が放物面反射鏡1の開口部10の頂点に沿ってに垂直に当たるような位置に向ける。
例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して放物面反射鏡1の反射面3にどの方向からも直角に当たり、その反射光は、放物線で反射し、焦点2の周囲に設けた集熱部4に太陽光を集中させて、集熱部4の温度を上昇させる。
図2の(a)、(b)のように異なる太陽高度により、太陽光の入射方向が異なっても、放物面反射鏡1の回転により、放物面反射鏡1に太陽光を垂直に当てるようにしている。集熱部4の表面に装着した選択吸収膜により、太陽光の約90%が集熱部4に吸収され、集熱部4の温度が上昇する。
集熱部4に熱媒体6が送られると、集熱部4の熱を受け、熱媒体6は、高温の液体または蒸気(または液体や蒸気と液体が混ざったもの等)を形成して蓄熱槽28に送られる。蓄熱槽28では、この液体または蒸気を受けて100℃以上の熱量を蓄積するようにしている。熱媒体6の液体または蒸気は、蓄熱槽28で凝縮して液体となり、循環ポンプ26により再度、集熱器25に送られ、加熱されるようにしている。
この動作を太陽熱の供給が可能な間、繰り返すことにより、必要な熱量を蓄熱槽28に維持するようにしている。この時、制御器21は、太陽の高度の動きに合わせて放物面反射鏡1を随時動かし、太陽が南中から方位が変化していても太陽光が常に放物面反射鏡1に反射して、焦点2に到達するように駆動部11をコントロールしていく。
以上のように、本実施の形態においては、太陽光を集光する放物面反射鏡1と、この放物面反射鏡1の焦点2の周囲に設け、熱媒体6が流通する複数個の集熱管5と、この複数個の集熱管5が一つの経路に構成するように連通している集熱部4と、これらの放物面反射鏡1と集熱部4を収納した外装22とで構成したので、複数個の集熱管5には、放物面反射鏡1の焦点2に向かう太陽光が集光するので、集熱部4を流通する熱媒体6の温度を高温に加熱することができる。
また、本実施の形態においては、放物面反射鏡1の焦点の周囲に複数個の集熱管5を配置して集熱部4を構成するので、複数個の集熱管5には常に太陽光が集光し、集熱部4からの放熱を低減し集熱効率を向上することができる。
また、本実施の形態においては、集熱部4は、放物面反射鏡1の焦点2から均等の距離に複数個の集熱管5を配置したので、複数個の集熱管5に同一の集光状態の太陽光を当て、集熱管5の温度を均一に上昇させることができ、集熱5内を流通する熱媒体6を均一に加熱することができる。
また、本実施の形態においては、集熱部4は、複数個の集熱管5を奇数個(例えば、3本)設け、集熱部4に流入する熱媒体6の入口側7と出口側8を両端に分けて配置する時に、中間9に位置する集熱管5を春分(秋分)時の南中の太陽に正対する位置を基準にして、方物面反射鏡1の開口部10の頂点に配置したので、入口側7の集熱管5と出口側8
の集熱管5に放物面反射鏡1に反射し、集光した太陽光を中間9に位置する集熱管5よりも多く当てるので、集熱管5内を流通する熱媒体6の温度を集熱管5の出口側8まで低下させないで保つことができる。
の集熱管5に放物面反射鏡1に反射し、集光した太陽光を中間9に位置する集熱管5よりも多く当てるので、集熱管5内を流通する熱媒体6の温度を集熱管5の出口側8まで低下させないで保つことができる。
また、入口側7の集熱管5では、熱媒体6の温度を急速に上昇させ、中間9の集熱管5での直達日射による加熱での温度上昇の上昇率の低下分を補うことで、熱媒体6の温度を継続的に上昇させることができる。
また、本実施の形態においては、複数個の集熱管5は、夫々の端部が順次連結され、一経路に連通するように構成しているので、集熱管5内を流通する熱媒体6の流速を低下させないで、集熱管5の集光状態の太陽光を受ける面積を拡大して太陽熱を回収し、熱媒体6への太陽熱の授受を効率良く促進することができる。熱媒体6の集熱管5内での流速を低下させないことで、集熱管5から熱媒体6への熱伝達性能の低下を防止することができる。
また、本実施の形態においては、集熱管5は、入口側7から中間9に部分と中間9から出口側8に連結する時に集熱管5に曲率をもたせて折り返すような構成にしているので、熱媒体6の流れを変化させ、集熱管5内の内壁沿いの流れと中央部分の流れの混合を促進し、温度分布を均一化することができる。
また、本実施の形態においては、集熱管5の折り返す部分は、放物面反射鏡1の内側に設けるので、折り返しの部分にも太陽光を集光し、太陽熱の回収量を増加することができる。
また、本実施の形態においては、入口側7の集熱管5と出口側8の集熱管5は、放物面反射鏡1内に入る部分と放物面反射鏡1から出る部分は、一本の集熱管5で構成し、焦点2上に配置し、そこに太陽光を集光するので、熱媒体6の温度低下を起こすことなく、太陽熱を回収し、熱媒体6への太陽熱の授受を効率良く促進することができる。
本実施の形態においては、集熱部4は、放物面反射鏡1の焦点2から均等の距離に複数個の集熱管5を配置したので、焦点2上に1本の集熱管5を設けることよりも組み立て時に焦点2に対して配置がずれても集光された太陽光を受けることができるので、組み立てを容易にすることができる。
また、本実施の形態においては、集熱管5は、表面に赤外線を吸収する選択吸収膜を形成したことにより、集熱管5からの赤外線放射を防止して集熱管5の温度を高温に維持して、熱媒体6にその熱を効率良く伝えることができる。
また、本実施の形態においては、制御部21は、太陽の年間の動きをベースに季節や1日の太陽高度に合わせて、駆動部11を作動し、作動部12を動かして放物面反射鏡1を回転させて、その日のその時間の太陽の日射が最大になる高度に合わせるように支持しているので、それにより放物面反射鏡1に反射した太陽光が焦点2上の集熱部4に集中し、集熱部4の温度を高温に上昇させることができ、熱媒体6に高温の熱を年間の長い期間、1日の多くの時間帯を使って伝えることができる。
また、本実施の形態においては、放物面反射鏡1は、方物線で構成したので、太陽光を放物面反射鏡1の焦点2に集中でき、エネルギ密度の低い太陽光から必要な熱量と温度を得ることができる。
また、本実施の形態においては、外装22は、放物面反射鏡1が開口部10側に透過体
23を装着したことにより、外装22内に雨水やホコリが堆積しないので、長期間にわたって集熱効率を良好に維持することができる。また、透過体23を放物面反射鏡1の上に載置したので、放物面反射鏡1内に熱をこもらせ、集熱管5からの対流による放熱を防止して、集熱管5の温度を高温に維持して、熱媒体6にその熱を効率良く伝えることができる。
23を装着したことにより、外装22内に雨水やホコリが堆積しないので、長期間にわたって集熱効率を良好に維持することができる。また、透過体23を放物面反射鏡1の上に載置したので、放物面反射鏡1内に熱をこもらせ、集熱管5からの対流による放熱を防止して、集熱管5の温度を高温に維持して、熱媒体6にその熱を効率良く伝えることができる。
また、本実施の形態の透過体23は、選択透過性能を有する耐熱性、耐候性の優れた樹脂材料(例えば、ポリカーボネート等)で構成することにより、集熱器25の軽量化と低コスト化を行うことができる。
また、本実施の形態の放物面反射鏡1は、複合放物面集光器(CPC:Compound Parabolic Concentrator)の反射鏡を用いることにより、太陽光の所定の傾斜角度(例えば、太陽光の入射可能な角度が天頂より30°程度なら約3倍の集光比、入射可能な角度が20°程度に狭くすると、集光比は約7倍に拡大する。集光比が、大きくなれば太陽光がより集束するので、開口部10で照射する熱量は増加し、温度を上昇するようになる。
しかし、集光比を拡大すると太陽光の入射可能な角度は、天頂を基準に狭くなるので、集光部での集光時間、設置場所等の制約が多くなり、考慮する必要がある。)に対して、集熱部4に集中することができるので、太陽の高度に対して、放物面反射鏡1を回転させる範囲を小さくするか、または回転をする必要が無いように構成し、構成部品や制御の簡略化によりコストダウンを図ることができる。
また、本実施の形態の外装22は、内部に熱伝導率の小さいガス(例えば、クリプトンガス)を注入し、密封することにより、外装20内で反射鏡1の可動部分のための空間の空気の対流による放熱を防止するので、外装22からの放熱を低減させ集熱効率を向上することができる。また、不活性ガスを充填することで、高温の集熱部4を覆い安全性を高め、外装断熱材24の劣化を防止して、長期間の使用に耐えるようにしている。
また、本実施の形態の集熱器25は、太陽の高度方向を固定(放物面反射鏡1の並びを南北方向に合わせ、例えば、設置台の傾斜角度は、春分や秋分時の南中に太陽光が垂直に反射鏡1に当たるような角度に設置する)して、太陽の方位の動きに対して放物面反射鏡1を回転することにより、1日の太陽の動きからより多くの太陽光を集熱部4に集中することも可能である。
また、本実施の形態の蓄熱槽28に熱を蓄えるので、その熱は、夜間に利用したり、あるいは曇りの時に十分な熱が得られない時に補充する形で太陽光の不安定な熱の供給を安定化し、使い勝手を向上することができる。また、常時、蓄熱槽28に熱を蓄えることができるので、エネルギー密度の少ない太陽熱を効率良く回収することができる。
(実施の形態2)
図4において、集熱部4は、放物面反射鏡1の太陽光の反射が焦点2に集光可能な領域に複数個の集熱管5を配置している。放物面反射鏡1の反射面3の端部から焦点2に集光する太陽光を領域の限界として、その領域内にすべての集熱管5を配置するようにしている。
図4において、集熱部4は、放物面反射鏡1の太陽光の反射が焦点2に集光可能な領域に複数個の集熱管5を配置している。放物面反射鏡1の反射面3の端部から焦点2に集光する太陽光を領域の限界として、その領域内にすべての集熱管5を配置するようにしている。
図4(a)は、春分(秋分)の南中時の放物面反射鏡1の傾きと太陽光を、(b)は、夏至の南中時、(c)は、冬至の南中時を示している。
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。
例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して放物面反射鏡1の反射面3にどの方向からも直角に当たり、その反射光は放物線で反射して焦点2の周囲に設けた集熱部4に太陽光を集中させて、集熱部4の温度を上昇させる。
この南中の位置のときは、放物面反射鏡1に反射した太陽光がすべて焦点2に集中するので、反射面3両端からの反射した太陽光を限界とする領域内に複数個の集熱管5を配置することで、すべての集熱管5に集光した太陽光を当てるようにしている。
以上のように、本実施の形態においては、集熱管5のすべてが放物面反射鏡1に反射する集光した太陽光を受けるので、すべての集熱管5の温度を高温に上昇させることができる。
また、本実施例の集熱部4により、集光した太陽光を受け損なう集熱管5がなくなるので集熱管5からの放熱を低減できるので、集集熱器25の熱効率を向上することができる。
(実施の形態3)
図5において、集熱部4は、複数個の集熱管5を偶数個設け、集熱部4に流入する熱媒体6の入口側7と出口側8を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間9に位置する集熱管5の一部を春分(秋分)時の南中の太陽に正対する位置を基準にして方物反射面鏡1の開口部10の頂点に配置している。
図5において、集熱部4は、複数個の集熱管5を偶数個設け、集熱部4に流入する熱媒体6の入口側7と出口側8を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間9に位置する集熱管5の一部を春分(秋分)時の南中の太陽に正対する位置を基準にして方物反射面鏡1の開口部10の頂点に配置している。
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。
例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して放物面反射鏡1の反射面3にどの方向からも直角に当たり、その反射光は放物線で反射して焦点2の周囲に設けた集熱部4に太陽光を集中させて、集熱部4の温度を上昇させる。
このとき、中間9に位置する集熱管5を春分(秋分)時の南中の太陽に正対する位置を基準にして、方物面反射鏡1の開口部10の頂点に配置したので、入口側7の集熱管5と出口側8の集熱管5に放物面反射鏡1に反射し、集光した太陽光を中間9に位置する集熱管5よりも多く当て、集熱管5内を流通する熱媒体6の温度を集熱管5の出口側8まで低下させないようにしている。
以上のように、本実施の形態においては、入口側7の集熱管5と出口側8の集熱管5に放物面反射鏡1に反射し、集光した太陽光を中間9に位置する集熱管5よりも多く当てるので、集熱管5内を流通する熱媒体6の温度を集熱管5の出口側8まで低下させないで高温に保つことができる。
また、入口側7の集熱管5では、熱媒体6の温度を急速に上昇させ、中間9の集熱管5での直達日射による加熱での温度上昇の上昇率の低下分を補うことで、熱媒体6の温度を継続的に上昇させることができる。
また、本実施例の集熱部4により、集熱器25に対して入口側7と出口側8の集熱管5を同一方向に配置するので、集熱器25を設置する時に回路27の引き回しが簡素になり、設置を容易に行うことができる。
(実施の形態4)
図6において、集熱部4は、複数個の集熱管5の両端部に複数個の階層仕切られ、夫々
の集熱管5が連通することで、複数個の集熱管5が一つの経路に構成するように入口側連通部29と出口側連通部30を設けている。入口側連通部29と出口側連通部30は、2重の部屋で仕切られ、熱媒体6が出入りする第一の部屋31と複数個の集熱管5が連通する第二の部屋32が設けられている。
図6において、集熱部4は、複数個の集熱管5の両端部に複数個の階層仕切られ、夫々
の集熱管5が連通することで、複数個の集熱管5が一つの経路に構成するように入口側連通部29と出口側連通部30を設けている。入口側連通部29と出口側連通部30は、2重の部屋で仕切られ、熱媒体6が出入りする第一の部屋31と複数個の集熱管5が連通する第二の部屋32が設けられている。
入口側連通部29と出口側連通部30は、円筒状に構成され、熱伝導の良い材料(例えば、銅、黄銅、アルミ等)で構成され、その表面には、集熱管5と同じ選択吸収膜を形成している。
複数個の集熱管5の連通構成は、入口側7の集熱管5の場合は、集熱管5との入口管33(入口管33は、集熱器25の外部に延長され回路27と連結している。また、入口管33の放物面反射鏡1内に露出した部分は、集熱管5と同じ選択吸収膜を形成している。)は、入口側連通部29の第一の部屋31で連通している。
この入口側7の集熱管5は、入口側連通部29の第二の部屋32と連通することなく貫通して、出口側連通部30の第二の部屋32に連通し、この第二の部屋32から中間9の集熱管5が入口側連通部29に向けて設けられている。
中間9の集熱管5は、入口側連通部29の第二の部屋32で出口側8の集熱管5と連通し、この出口側8の集熱管5が出口側連通部30に向けて設けられている。
出口側8の集熱管5は、出口側連通部30の第二の部屋32に連通することなく貫通し、第一の部屋31に連通している。
この第一の部屋31で出口側8の集熱管5と出口管34(出口管34は、集熱器25の外部に延長され回路27と連結している。
また、出口管34の放物面反射鏡1内に露出した部分は、集熱管5と同じ選択吸収膜を形成している。)が連通するように構成している。
以上のように構成された集熱器について、以下その動作、作用を説明する。
循環ポンプ26により、回路27を介して集熱器25に送られた熱媒体6は、入口管33から入口側連通部29の第一の部屋31から入口側7の集熱管5を通り、出口側連通部30の第二の部屋32から中間9の集熱管5を通り、入口側連通部29の第二の部屋32から出口側8の集熱管5に送られ、出口管34から回路27へ排出され、この間に集熱器25で加熱されるようにしている。
以上のように、本実施の形態においては、複数個の集熱管5を焦点2から等距離に配置し、集熱管5を潰さないように屈曲するよりもその距離も小さく設定できるので、集熱管5のすべてをより焦点2に近づけ、放物面反射鏡1に反射する太陽光をより集光し、集熱管5の温度を高温に上昇させることができる。
また、本実施例の入口側連通部29と出口側連通部30により、熱媒体6の流れを変化させて混合を促進し、温度分布を均一化することができる。
(実施例5)
図7において、集熱部4は、周囲に筒状の透過管35を配置し、集熱管5の周囲を密閉構造にしている。
図7において、集熱部4は、周囲に筒状の透過管35を配置し、集熱管5の周囲を密閉構造にしている。
透過管35は、日射の透過率が大きい(例えば、透過ガラスや石英ガラスでは、透過率90%程度である)ガラス管で構成している。透過管35の内部は、真空に保たれ、対流による集熱管5からの放熱を防止するようにしている。
透過管35の内部を真空に保つ方法としては、入口側連通部29と出口側連通部30を利用しOリング36により密閉構造を保つようにしている。
以上のように構成された集熱器について、以下その動作、作用を説明する。
循環ポンプ26により、回路27を介して集熱器25に送られた熱媒体6は、集熱管5の内部を流通する間に、透過管35により集熱管5の周囲は真空に保たれ、集熱管5からの対流による放熱損失を防止されるので、高温度を保ちながら集熱器25から回路27に排出される。
以上のように、本実施の形態においては、集熱管5の周囲を真空にして空気層を無くすので、集熱管5から透過管35への対流による放熱を防止し、集熱部4の集熱効率を向上することができる。
なお、本実施例の透過管35の内部に真空に代わり、空気よりも熱伝導率の小さい、不活性のクリプトンガスを注入しても集熱管5からの放熱を防止することができる。この場合、透過管35の強度は真空ほど必要ないので、透明度の高い樹脂製の管(例えば、ポリカーボネイト等)を使用することも可能である。
(実施例6)
図8(a)、(b)において、集熱部4は、複数個の集熱管5を焦点2の周囲に互いに夫々の集熱管5の外壁37が接触するよう配置している。入口側7の集熱管5と中間9の集熱管5と出口側8の集熱管5とが放物面反射鏡1の焦点2に近いところで夫々の外壁36を接触するようにして、焦点2に太陽光がより集光した位置で太陽光を受けるようにしている。図8の(a)は、奇数個、(b)は、偶数個の配置を示している。
図8(a)、(b)において、集熱部4は、複数個の集熱管5を焦点2の周囲に互いに夫々の集熱管5の外壁37が接触するよう配置している。入口側7の集熱管5と中間9の集熱管5と出口側8の集熱管5とが放物面反射鏡1の焦点2に近いところで夫々の外壁36を接触するようにして、焦点2に太陽光がより集光した位置で太陽光を受けるようにしている。図8の(a)は、奇数個、(b)は、偶数個の配置を示している。
以上のように構成された集熱器について、以下その動作、作用を説明する。
循環ポンプ26により、回路27を介して集熱器25に送られた熱媒体6は、集熱管5の内部を流通する間に、入口側7の集熱管5と中間9の集熱管5と出口側8の集熱管5とで、太陽光の受け方が異なり温度にばらつきが発生しても接触させた外壁37を介して熱が伝わり、均一な温度になるようにしている。熱媒体6は、高温を均一に保ちながら集熱器25から回路27に排出される。
以上のように、本実施の形態においては、集熱管5の外壁37を互いに接触させるので複数個の集熱管5の放物面反射鏡1に反射する集光した太陽光を受けない部分の温度低下を防止して、複数個の集熱管5の温度を均一にして集熱部4の集熱効率を向上することができる。
また、本実施例の集熱管5は、集熱管5の外壁37を接触し、より焦点2に近いところに設置するので、太陽光が集光し、熱媒体6を高温に加熱することができる。
以上のように、本発明にかかる集熱器25は、放物面反射鏡1の焦点2の周囲に複数個の集熱管5を配置して、常に集点2に向かう太陽光を夫々の集熱管5で受けるようにして、熱媒体6の温度を高温に保つことができるので、住宅の給湯や発電のための加熱装置に
適用することができる。
適用することができる。
1 放物面反射鏡
2 焦点
4 集熱部
5 集熱管
6 熱媒体
11 駆動部
12 作動部
22 外装
23 透過体
25 集熱器
2 焦点
4 集熱部
5 集熱管
6 熱媒体
11 駆動部
12 作動部
22 外装
23 透過体
25 集熱器
Claims (9)
- 太陽光を集光する放物面反射鏡と、この放物面反射鏡の焦点の周囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、この複数個の集熱管が一つの経路に構成するように連通している集熱部と、これらの放物面反射鏡と集熱部を収納した外装とを具備した集熱器。
- 集熱部は、放物面反射鏡の焦点から均等の距離に複数個の集熱管を配置した請求項1に記載の集熱器。
- 集熱部は、放物面反射鏡の太陽光の反射が焦点に集光可能な領域に複数個の集熱管を配置した請求項1または2に記載の集熱器。
- 集熱部は、複数個の集熱管を奇数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を両端に分けて配置する時に、中間に位置する集熱管を方物面反射鏡の開口部の頂点に配置した請求項1または2に記載の集熱器。
- 集熱部は、複数個の集熱管を偶数個設け、集熱部に流入する熱媒体の入口と出口を同一方向の端部に並べて配置する時に、中間に位置する集熱管を方物面反射鏡の開口部の頂点に配置した請求項1または2に記載の集熱器。
- 集熱部は、複数個の集熱管の端部に複数個の階層仕切られ、夫々の集熱管が連通することで、複数個の集熱管が一つの経路に構成するように入口連通部と出口連通部を設けた請求項1〜5いずれか1項記載の集熱器。
- 集熱部は、周囲に筒状の透過管を配置し、集熱管の周囲を密閉構造にした請求項1〜6いずれか1項記載の集熱器。
- 集熱部は、複数個の集熱管を焦点の周囲に互いに夫々の集熱管の外壁が接触するよう配置した請求項1〜7いずれか1項記載の集熱器。
- 集熱部と、放物面反射鏡の焦点を回転の中心として、その周囲を放物面反射鏡が回転できるように支持した回転支持部と、放物面反射鏡を回転する駆動部と、この駆動部をコントロールする制御部を設け、これらの集熱部と放物面反射鏡と駆動部を収納した外装とで構成した請求項1〜8いずれか1項記載の集熱器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007020824A JP2008185299A (ja) | 2007-01-31 | 2007-01-31 | 集熱器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012073665A1 (ja) * | 2010-12-01 | 2012-06-07 | 株式会社日立プラントテクノロジー | 太陽光集熱装置 |
JP2012117763A (ja) * | 2010-12-01 | 2012-06-21 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 太陽光集熱装置 |
CN114739024A (zh) * | 2022-03-09 | 2022-07-12 | 北京金原科技有限公司 | 利用太阳能光热储热管道的保温装置 |
-
2007
- 2007-01-31 JP JP2007020824A patent/JP2008185299A/ja active Pending
Cited By (4)
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US9291368B2 (en) | 2010-12-01 | 2016-03-22 | Hitachi, Ltd. | Solar heat collecting device |
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