JP2008209011A - 集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】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】太陽光を集光する複数個の反射鏡１の焦点２に熱媒体６が流通する集熱管５を配設し、前記集熱管５はその管径を下流側の反射鏡側ほど小さく設定したものである。これよって、集熱管５の入口側では受光面積が大となって多量の熱を収集して熱媒体６の加熱を促進し、出口側では集熱管５の受光面積が小となって熱媒体６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、太陽熱を回収するため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に複数本の集熱管を配置し、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、また、散乱光を受けることができても、結局、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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高い熱効率を維持しながら高温の熱媒体が得られる集熱器を提供す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、それら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が順次流動する集熱管とを具備し、前記集熱管はその管径を下流側の反射鏡側ほど小さく設定したものである。

これよって、上流側に位置する径大の集熱管は受光面積が大きくなって多量の熱を収集し、また、下流側に位置する径小な集熱管は受光面積が小さくなって熱媒体を高温に加熱するものである。

本発明の集熱器は、集熱管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、よって、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、それら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が順次流動する集熱管とを具備し、前記集熱管はその管径を下流側の反射鏡側ほど小さく設定したものである。

これにより、多量の熱を収集するようにして熱媒体の加熱を促進するとともに、高温の熱媒体を得ることができる。

集熱管の表面には熱吸収膜を形成したり、黒色塗料を塗布しておくのが望ましい。

また、集熱管に通路形成体を内設して、この集熱管を流通する熱媒体の流速が上流側から下流側まで略一定になるようにした。この場合、集熱管の上流側に相当する通路形成体ほど外径を大きくした。そして、この通路形成体を螺旋状に構成すれば、集熱管から熱媒体への熱伝達が効率的になされることとなる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、実施の形態によって本発明
が限定されるものではない。

（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、その形状は、太陽光を焦点２に集束させるために断面放物線で、全体として樋型に構成してある。そして、前記反射鏡１は東西方向に伸ばしてあり、太陽の高度方向に向けて南北方向に複数個、並列に配置してある。

前記反射鏡１の反射面３は太陽光の反射率を向上させるために、鏡面に仕上げてあり、例えば、反射鏡材料にめっき、蒸着、研磨、塗装等の方法でその鏡面処理がなされている。また、反射鏡１の加工は、例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等耐熱樹脂による成型、ステンレスのプレス加工、アルミダイカスト成型等の方法がある。

さらに、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。

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。

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。

集熱部４は銅管やステンレス管や黄銅管やアルミ管等の単管の集熱管５で構成され、反射鏡１の焦点２に沿って、つまり焦線にそって配置されている。

夫々の反射鏡１内に配置された集熱管５の管径は異なるように設定されており、すなわち、熱媒体６の入口側７の管径を出口側８の管径よりも大きく構成するようにしている。

具体的には、図１のように入口側７の集熱管５の管径を太く、出口側８の集熱管５の管径を細く構成している。換言すれば、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ある。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。

また、図１のように熱媒体６の出口側８の集熱管５は、最高の加熱温度を得るために最も管径の小さい単管を用いるようにしている。

夫々の反射鏡１に設けた各集熱管５の連通は、前記反射鏡１の外側でヘッダー部分を設けて行い、その管径は、出口側８の集熱管５と略同一にして、熱媒体６の流速を上げて集熱管５内に移動するようにしている。

集熱部４は、図１のように流入する熱媒体６の入口側７と出口側８を両端に分けて構成している。

反射鏡１は春分（秋分）時の南中の太陽に正対するように設けられ、その開口部９の頂点から太陽光が入射して、反射面３により反射して焦点２に集光するようにして集熱管５内を流通する熱媒体６を加熱するようにしている。

このように、反射鏡１を春分（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。

反射鏡１では開口部９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。

１０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１１の開口を設けた箱状に構成してあり、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）を使用している。

外装１１の内部には反射鏡１や集熱部４の周囲を覆うようにして耐熱性のロックウール、グラスウール等からなる外装断熱材１２が充填してある。

そして、外装断熱材１３の表面を硬化させて、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１１は太陽光を取り込み、反射鏡１の内部に雨やホコリが侵入するのを防止するもので、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１１に向かって外装断熱材１２を上方に広がるように傾斜させて構成し、太陽の高度に合わせて反射鏡１で太陽光を多く受けられるようにしている。

１３は以上の構成からなる集熱器である。

１４は熱媒体６の循環ポンプ、１５は熱媒体６が流れる回路、１６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１６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。

１７は集熱器１４の各部の温度を検知しながら循環ポンプ１４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１７に運転の指示があたえられるか、または集熱器１３の温度上昇を検知した制御部１７により循環ポンプ１４が作動し、熱媒体６を回路１５内に循環させ、集熱器１３に送る。

集熱器１３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に設けた集熱管５に太陽光を集中させて、その集熱管５の温度を上昇させる。

集熱管５の表面に装着した選択吸収膜により、太陽光の約９０％が吸収され、集熱管５の温度が上昇する。

集熱管５に熱媒体６が送られると、その熱を受けて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）となり、蓄熱槽１６に送られる。

蓄熱槽１６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１６で凝縮して液体となり、循環ポンプ１４により再度、集熱器１３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１６に維持するようにしている。

ここで、集熱器１３入口側の熱媒体６の温度が低い時は、集熱管５の管径を大きくして受光面積を大として多量の熱を収集して熱媒体６の加熱を促進し、出口側の熱媒体６の温度が上昇した時は、集熱管５の管径を小さくし受光面積を小として集光するので、集熱器１３の出口側の直前で集熱管５の温度を高温化して、この集熱管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。

したがって、集熱器１３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、管径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１３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。

なお、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。

さらに、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の入口側の集熱管５から出口側の集熱管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の管径を最も小さくしたので、複数個の反射鏡１を同一の形状とした場合は、出口側８の集熱管５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１０は、反射鏡１が開口部９側に透過体１１を装着したことにより、外装１０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１１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１１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１３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１６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１６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。

また、本実施の形態においては、集熱管５の管径を変化させることにより、反射鏡１の集光比を容易に調節できるので、熱媒体６の加熱温度を高い集熱効率を維持しながらコントロールすることができる。

なお、図１、図２のように夫々の反射鏡１には、夫々の管径の集熱管５が１個配置されるが、一つの反射鏡１内で、集熱管５の管径を連続的に変化させることも可能である。これにより、同一の反射鏡１内で熱媒体６の加熱温度を調整でき、集熱効率を維持しながら最高の加熱温度を得ることができる。

また、単一の反射鏡１（例えば、東西方向に雨樋のごとく長い反射鏡）でも温度コントロールを容易に行うことができるようになる。

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１７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、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。

なお、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９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のに対して、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。

（実施の形態２）
図３において、集熱部４は夫々の反射鏡１内に設け、異なる管径の集熱管５内に通路形成体１８を挿入するようにしている。

通路形成体１８は夫々の集熱管５の管径に合わせて大きさを変えて集熱管５内に略同一の断面積を形成し、流通する熱媒体６の流速を略一定になるようにしている。

通路形成体１８は集熱管５の略中心に挿入され、熱媒体６がドーナツ状の熱媒体通路１９に沿って集熱管５の内壁を移動するようにしている。

熱媒体通路１９の断面積は集熱器１０の出口側８の反射鏡１に設ける最小の管径の集熱管５を元に構成し、出口側８の反射鏡１に設ける集熱管５には原則的に通路形成体１８を挿入しないようにしている。集熱管５内に通路形成体１８を装着する時は、ワイヤーやピンを用いてセンター出しを行うようにし、アーム状の放射状支持手段でその位置に保持されるようにしてある。

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１７に運転の支持があたえられるか、または集熱器１３の温度上昇を検知した制御部１７により、循環ポンプ１４が作動し、熱媒体６を回路１５内に循環させ、集熱器１３に送る。

集熱器１３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に設けた集熱管５に太陽光を集中させて、その温度を上昇させる。

集熱管５の表面に装着した選択吸収膜により、太陽光の約９０％が吸収され、集熱管５の温度が上昇する。集熱管５に熱媒体６が送られると、その集熱管５内に通路形成体１８により形成された熱媒体通路１９を流通する。

集熱管５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１６に送られる。蓄熱槽１６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１６で凝縮して液体となり、循環ポンプ１４により再度、集熱器１３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１６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、夫々の集熱管５を流通する熱媒体６の流速を略一定にしたので、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、集熱管５の管径が変わっても集熱管５から熱媒体６への熱伝達性能の低下を防止し、熱媒体６を高温に加熱しながら高い集熱効率を維持することができる。

また、本実施例の通路形成体１８は、集熱管５の略中心に挿入され、熱媒体６が集熱管
５の内壁を移動するので、集熱管５に集光した太陽光の熱が均一に熱媒体６を加熱し、効率良く熱を回収することができる。

なお、通路形成体１８をスクリュウのような螺旋状とすれば集熱管５から熱媒体６への熱伝達が一層促進され、高い熱効率を得ることができるものである。

以上のように、本発明にかかる集熱器は、反射鏡の焦点に集熱管を配置して、反射鏡ごとに集熱管の管径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 同縦断面図 本発明の実施の形態２における集熱器の横断面図

符号の説明

１ 反射鏡
２ 焦点
４ 集熱部
５ 集熱管
６ 熱媒体
１０ 外装
１１ 透過体
１３ 集熱器

Claims (6)

1. 太陽光を集光する複数個の反射鏡と、それら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が順次流動する集熱管とを具備し、前記集熱管はその管径を下流側の反射鏡側ほど小さく設定した集熱器。
2. 集熱管の表面に熱吸収膜を形成した請求項１記載の集熱器。
3. 集熱管の表面に黒色塗料を塗布した請求項１記載の集熱器。
4. 集熱管に通路形成体を内設して、この集熱管を流通する熱媒体の流速が上流側から下流側まで略一定になるようにした請求項１記載の集熱器。
5. 集熱管の上流側に相当する通路形成体ほど外径を大きくした請求項４記載の集熱器。
6. 通路形成体を螺旋状に構成した請求項４または５記載の集熱器。

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