JP2008190801A - 集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】反射鏡の集点に向かう太陽光を夫々の反射鏡内の集熱管の個数を変化させて、集熱管を徐々に加熱して高い熱効率を維持しながら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１６は、太陽光を集光する複数個の反射鏡１と、その焦点２または焦点２の周囲に設けられた複数個の集熱管５と、前記複数個の反射鏡１に設けた夫々の集熱管５の個数を変化させて設ける集熱部４と、これらの反射鏡１と集熱部４を収納する外装とで構成したものである。集熱管５には反射鏡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、集熱器１６入口側の熱媒体６の温度が低い時は、集熱管５の受光面積が大きくなり多量の熱を収集して出口側の熱媒体６の温度が上昇した時は、集熱管５の受光面積を小さくして集光し集熱管５の温度を高温化して熱媒体の温度を高温にするものである。
【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、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と、集熱器入口側の熱媒体温度の低い時は、集熱管の個数を増やして受光面積を大きくとり熱媒体の加熱を促進し、出口側の熱媒体温度が上昇した時は、集熱管の個数を減らして受光面積を小さくして熱媒体の温度を高温にして、集熱器の高い熱効率を維持しながら高温の熱媒体を得ることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の集熱器は、太陽光を集光する複数個の反射鏡と、この反射鏡の焦点または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、前記複数個の反射鏡に設けた夫々の集熱管の個数を変化させて設けた集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する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、反射鏡の焦点に向かう太陽光が集光し、集熱器入口側の熱媒体温度の低い時は、集熱管の個数を増やして受光面積を大きくとり多量の熱を収集して熱媒体の加熱を促進し、出口側の熱媒体温度が上昇した時は、集熱管の個数を減らし受光面積を小さくして集光し集熱管の温度を高温化して熱媒体を加熱するものである。

本発明の集熱器は、複数個の集熱管に反射鏡の焦点に向かう太陽光を順次受光面積を変化させながら集光するので、集熱部を流通する熱媒体の温度を徐々に高温に加熱することができ、熱媒体の温度がまだ低い時は、熱量を多く確保し熱効率を高めるように作用し、熱媒体の温度が上昇したときは、高温に加熱するので、高い熱効率を維持しながら高温の熱媒体を供給できるものである。

第１の発明は、太陽光を集光する複数個の反射鏡と、この反射鏡の焦点または焦点の周
囲に設けられ、熱媒体が流通する複数個の集熱管と、前記複数個の反射鏡に設けた夫々の集熱管の個数を変化させて設けた集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する外装とで構成したもので、複数個の集熱管には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することができる。

また、集熱器入口側の熱媒体温度の低い時は、集熱管の集熱管の個数を増やして受光面積を大きくとり多量の熱を収集して熱媒体の加熱を促進し、出口側の熱媒体温度が上昇した時は、集熱管の集熱管の個数を減らし受光面積を小さくして集光し集熱管の温度を高温化して熱媒体の温度を高温にするので、集熱部を流通する熱媒体の温度を徐々に高温に加熱することができ、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ことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、集熱部は、熱媒体の入口側の集熱管から出口側の集熱管に向かって個数を減じるように構成したことにより、集熱器入口側の熱媒体温度の低い時は、集熱管の受光面積を大きくとり多量の熱を収集して熱媒体の加熱を促進し、出口側の熱媒体温度が上昇した時は、集熱管の受光面積を小さくして集光し集熱管の温度を高温化して熱媒体の温度を高温にするので、集熱部を流通する熱媒体の温度を徐々に高温に加熱することができ、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ことができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、複数個の反射鏡は、その形状を略同一にしたことにより、焦点または焦点の周囲に設ける集熱管の個数を変化させることで、集熱管の受光面積を変えて、集熱部に対する集光比を調節できるので、熱媒体の加熱温度を容易にコントロールすることができる。

第４の発明は、特に、第１または３の発明において、複数個の反射鏡は、略東西方向に焦点の軌跡を形成するように配置したことにより、複数個の反射鏡は、１日の太陽の方位方向の動きに合わせて日射を取り込むので、１日内に長い時間、集熱管を加熱することができる。

第５の発明は、特に、第１または２の発明において、集熱部は、夫々の反射鏡内に設ける集熱管を熱媒体の入口側の集熱管から出口側の集熱管に向かって、順次連通させ一体化したことにより、熱媒体を集熱管の受光面積を変化させて加熱していくので、熱量と温度を確保しながら熱媒体を高温に保つことができる。

第６の発明は、特に、第１，２，５の発明において、集熱部は、集熱部は、熱媒体の出口側の集熱管を単管としたことにより、略同一形状の反射鏡の中で最大の集光比に調節するので、出口側の熱媒体の温度を最高に上昇させ熱媒体の使用温度を確保することができる。

第７の発明は、特に、第１，２，５，６の発明において、集熱部は、集熱部は、夫々の反射鏡内に設ける集熱管の内径を同一に構成したことにより、集熱管内を流通する熱媒体の流速を低下させないので、集熱管から熱媒体への熱伝達性能の低下を防止することができる。

（実施の形態１）
図１、図２において、１は太陽光を集光する反射鏡で、その断面形状は、太陽光を焦点２に集束させるために放物線断面に設定され、全体としては樋型に構成している。

この樋型の反射鏡１は太陽の方位方向、すなわち、東西方向に位置設定されるもので、
太陽の高度方向に向けて南北方向に複数個、並列に配置している。

複数個の反射鏡１は同一の放物線断面であり、それらの反射面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、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。

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、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。さらに、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。

反射鏡１の放物線の焦点２の周囲であって、その焦線に沿って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、前記焦点２の周囲に同一距離をおいて配置している。

つまり、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、それら集熱管５に同一の集光状態の太陽光を当て、夫々の集熱管５の温度を均一に上昇させ、内部を流通する熱媒体６を均一に加熱するようにしている。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ある。

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。

前記のように、集熱部４は夫々の反射鏡１内に複数個の集熱管５で構成されるが、熱媒体６の入口側７の反射鏡１に設ける集熱管５の個数を出口側８の反射鏡１に設ける集熱管５の個数よりも多く構成するようにしている。

例えば、図１のように入口側７の反射鏡１内の集熱管５を３個、出口側８の集熱管５を１個に構成し、熱媒体６の温度がまだ低い入口側７では、集熱管５の受光面積を拡大してより多くの熱量を獲得するようにし、また熱媒体６の温度が上昇した出口側８では、受光面積を減少させて太陽光を集光し、集熱管５の温度をより上昇させるようにしている。

夫々の反射鏡１内の集熱管５は、反射鏡１外で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を徐々に加熱し、集熱管５の急激な温度上昇による放熱損失を防止しながら集熱効率の低下を軽減し、太陽熱を回収するようにしている。

集熱部４は、例えば、入口側７の反射鏡１に複数個の集熱管５を３個設ける時は、図２のように集熱部４に流入する熱媒体６の入口側９と出口側１０を両端に分け、中間１１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反射鏡１の開口部１２の頂点の逆（逆正三角形）に配置して、入口側９の集熱管５と出口側１０の集熱管５と中間１１に位置する集熱管５が均一に集光した太陽光を受光するようにして、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１０まで低下させないで保つようにしている。

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９から中間１１に部分と中間１１から出口側１０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、反射鏡１の外側に設けるようにしている。この折り返す部分は、別の構成部品（例えば、２重構造の分離した部屋を構成する）で構成することも可能である。

また、複数個の集熱管５を２個設けるときは、図２のように入口側９の集熱管５と出口側１０の集熱管５を春分（秋分）時の南中の太陽に正対するときに反射鏡１の開口部１０の頂点に対して直角方向に配置して、入口側７の集熱管５と出口側８の集熱管５に反射鏡１により集光した太陽光が同一条件で受光できるようにしている。

また、２個（偶数配置も含む）配置の時は、入口側９の集熱管５と出口側１０の集熱管５は、同一側から反射鏡１内に挿入でき、片支持が可能となり、支持構成、断熱構成が容易となるようにしている。

また、図１のように熱媒体６の出口側の反射鏡１内の集熱管５は、最高の加熱温度を得るために単管を用い、この場合は、集熱管５は、反射鏡１の焦点２（焦線）上に配置するようにしている。

反射鏡１では開口部１２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。

１３は反射鏡１と集熱部４とを収納した外装で、上部に透過体１４の開口を設けた箱状に構成している。

外装１３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）で構成している。

外装１３の内部は反射鏡１や集熱部４の周囲を外装断熱材１５で覆うようにしている。外装断熱材１５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１５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１４は放物面反射鏡１の上部に設けられ、太陽光を取り込み、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１４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１４に向かって外装断熱材１５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。

１６は放物面反射鏡１と集熱部４を外装断熱材１５で囲み、収納するとともに反射鏡１の上部を透過体１４で開口した外装１３で構成した集熱器である。

１７は熱媒体６の循環ポンプ、１８は熱媒体６が流れる回路、１９は熱媒体６からの高温の熱を蓄える蓄熱槽である。この蓄熱槽１９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。

２０は集熱器１６の各部の温度を検知しながら循環ポンプ１７の運転時間や熱媒体６の流量をコントロールする制御部である。

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２０に運転の支持があたえられるか、または集熱器１６の温度上昇を検知した制御部２０により、循環ポンプ１７が作動し、熱媒体６を回路１８内に循環させ、集熱器１６に送る。

集熱器１６では、例えば、太陽が南中にあれば、太陽光は、高度、方位に関して反射鏡１の放物線上の反射面３に直角に当たり、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。

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１９に送られる。

蓄熱槽１９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１９で凝縮して液体となり、循環ポンプ１７により再度、集熱器１６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１９に維持するようにしている。

以上のように、本実施の形態においては、太陽光を集光する複数個の反射鏡１と、この反射鏡１の焦点２または焦点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、前記複数個の反射鏡１に設けた夫々の集熱管５の個数を変化させて設ける集熱部４と、これらの反射鏡１と集熱部４を収納する外装１１とで構成したので、複数個の集熱管５には、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、本実施の形態においては、集熱器１６入口側７の熱媒体６の温度の低い時は、集熱管５の個数を増加させて受光面積を大きくとり多量の熱を収集して熱媒体６の加熱を促進し、出口側８の熱媒体６の温度が上昇した時は、集熱管５の個数を減少させて受光面積を小さくして集光するので、集熱器１６の出口側の直前で集熱管５の温度を高温化して、集熱管５からの放熱を軽減しながら熱媒体６の温度を高温にするものである。

また、本実施の形態においては、集熱器１６入口側の熱媒体６の温度の低い時は、受光面積を大きくとり多量の熱を収集し、集熱器１６の出口側の直前で集熱管５の温度を高温化して、集熱管５からの放熱を軽減するようにしているので、集熱器１６全体として高い集熱効率を維持しながら熱媒体６の温度を高温にすることができる。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、熱媒体６の入口側７の集熱管５から出口側８の集熱管５に向かって個数を減じるように構成したので、夫々の集熱管５の個数変化により徐々に集熱管５の加熱温度を変化させ、熱媒体６の急激な温度上昇による放熱損失を防止して、集熱器１６全体として高い集熱効率を維持しながら熱媒体６の温度を高温にすることができる。

また、本実施の形態においては、複数個の反射鏡１を同一の形状としたので、複数個の集熱管５を配置した時に夫々の反射鏡１内で、同じ位置の焦点２を持つことになり、集熱管５の配置が容易になり、焦点２に対する配置の精度を向上することができる。

また、本実施の形態においては、複数個の反射鏡１は、東西方向に焦点を形成するように配置したので、１日の太陽の動きの中で大きく変化する方位方向の動きに合うように長い時間、太陽光が反射鏡１内に入射することができる。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、夫々の反射鏡１内に設ける集熱管５を熱媒体６の入口側７の集熱管５から出口側８の集熱管５に向かって、順次連通させ一体化したので、太陽光を連続して集光でき、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。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、熱媒体６の出口側８の集熱管５を単管としたので、複数個の反射鏡１を同一の形状とした場合は、単管が最も太陽光の集光する割合が高く、集熱管５の加熱温度を出口側で最高に上昇させ、所定の温度の高温の熱媒体６を得ることができる。

また、本実施の形態においては、集熱部４は、夫々の反射鏡１内に設ける集熱管５の内径を同一に構成したので、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、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、集熱部４は、反射鏡１の焦点２から均等の距離に複数個設ける集熱管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、反射鏡１の焦点２から均等の距離に複数個設ける集熱管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、外装１３は、反射鏡１が開口部１２側に透過体１４を
装着したことにより、外装１３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１４を反射鏡１の上に載置したので、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１４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１６の軽量化と低コスト化を行うことができる。

また、本実施の形態の蓄熱槽１９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１９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。

なお、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ているが、基本的に焦点２に集光する太陽光は反射鏡１に対して一方向の太陽光のみであり、常に太陽光に向かって反射鏡１を移動させる必要がある（実際の太陽光は、雲や空気中の塵や建物等で乱反射しているので色々な角度から入射している場合が多い）。

このため、制御部１８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、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することも可能である。それにより反射鏡１に反射した太陽光が常に焦点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、反射鏡１は、放物線の代わりに複合放物面集光器（ＣＰＣ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）の反射鏡を用いることが可能である。この場合、色々な方向からの太陽光を受け、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１２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。これに対して、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反射鏡１を回転させなくても１日の中で長時間、太陽光を反射鏡１内に入射することができる。

以上のように、本発明にかかる集熱器は、反射鏡の焦点の周囲に複数個の集熱管を配置して、反射鏡ごとに集熱管の個数を変化させるようにして、熱媒体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。

本発明の実施の形態１における集熱器の横断面図 本発明の実施の形態１における集熱器の縦断面図

符号の説明

１ 反射鏡
２ 焦点
４ 集熱部
５ 集熱管
６ 熱媒体
１３ 外装
１６ 集熱器

Claims (7)

1. 太陽光を集光する複数個の反射鏡と、この反射鏡の焦点または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、前記複数個の反射鏡に設けた夫々の集熱管の個数を変化させて設けた集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する外装とで構成した集熱器。
2. 集熱部は、熱媒体の入口側の集熱管から出口側の集熱管に向かって個数を減じるように構成した請求項１記載の集熱器。
3. 複数個の反射鏡は、夫々の形状を略同一にした請求項１記載の集熱器。
4. 複数個の反射鏡は、略東西方向に焦点の軌跡を形成するように配置した請求項１または３記載の集熱器。
5. 集熱部は、夫々の反射鏡に設けた集熱管を熱媒体の入口側の集熱管から出口側の集熱管に向かって順次連通させ一体化した請求項１または２記載の集熱器。
6. 集熱部は、熱媒体の出口側の集熱管を単管とした請求項１，２，５いずれか１項記載の集熱器。
7. 集熱部は、夫々の反射鏡に設けた集熱管の内径を同一にして構成した請求項１，２，５，６いずれか１項記載の集熱器。

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