JP2008232524A - 集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】集熱器の高い集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。
【解決手段】太陽光を集光する複数個の反射鏡３ａ〜３ｆと、それら反射鏡３ａ〜３ｆの焦点９ａ〜９ｆに設けられ、熱媒体６が流通する集熱部１ａ〜１ｆと、これらの反射鏡３ａ〜３ｆと集熱部１ａ〜１ｆを収納する外装４とを具備し、それぞれの反射鏡３ａ〜３ｆの集熱部１ａ〜１ｆに集光する集光比を変化させて構成したものである。これよって、熱媒体６の入口側７の反射鏡３ｂ〜３ｆは集熱部１ｂ〜１ｆの表面積を拡大して多量の熱を収集し、出口側８の反射鏡３ａは集熱部１の表面積を縮小して太陽光をより集光して高温に加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を集光して、太陽熱を回収する集熱器に関するものである。

従来、この種の集熱器は、２次元トラフ（樋）型の複合放物面（ＣＰＣ）をもつ反射鏡を用いるものが一般的であった。

この２次元トラフ型複合放物面をもつ反射鏡は、平板型よりも集光比を大きくすることが可能で、また集光比の大きさにより、太陽光を反射鏡内に取り込むための許容角度を拡大できるので、集熱器の設置角度を固定しても年間を通して太陽光の集光が可能となる。これにより、平板型集熱器よりも熱媒体の高温化を行うことができるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３１４９０２号公報

しかしながら、前記従来のように複合放物面型の反射鏡を用いるものでは、集熱器の設置角度を固定しても年間を通して太陽光の集光が可能となるが、太陽光を反射鏡内に取り込むための許容角度を拡大すると太陽光を集中させる集光比が大きくできないので、平板型よりは高温の熱媒体を得る可能性があっても更に熱媒体を高温化することや熱媒体の蒸気を発生させることができないという点において課題があった。

本発明は、このような課題を解決するもので、集熱器により水の沸騰温度よりも高温の熱媒体や熱媒体の蒸気を生成することを目的とする。

本発明は前記従来の課題を解決するために、太陽光を集光する複数個の反射鏡と、これら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が流通する集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する外装とを具備し、前記それぞれの反射鏡の集熱部に集光する集光比を変化させるようにしたものである。

これよって、集熱器に供給する熱媒体の入口側の反射鏡は集熱部の表面積を拡大して多量の熱を収集するようにして熱媒体の熱回収を促進し、出口側の反射鏡は集熱部の表面積を縮小して太陽光をより集光するため、熱媒体をより高温化する。

本発明の集熱器は、集熱器の入口側で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、集熱器の出口側で熱媒体の温度を適当に上昇させた後に高温に加熱するので、集熱熱効率を低下させないようにして水の沸騰温度よりも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、これら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が流通する集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する外装とを具備し、前記それぞれの反射鏡の集熱部に集光する集光比を変化させるようにした。

これにより、集熱器に供給する熱媒体の入口側の反射鏡は集熱部の表面積を拡大して多
量の熱を収集するようにし、出口側の反射鏡は集熱部の表面積を縮小し太陽光をより集光して集熱器の出口側の熱媒体を高温とする。その結果、集熱熱効率を低下させないようにして水の沸騰温度よりも高温の熱媒体を供給することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の反射鏡は、熱媒体の入口側の反射鏡から出口側の反射鏡に向かって集光比を増加するように構成した。

したがって、集熱器の入口側で熱媒体の温度がまだ低い時は、反射鏡と集熱部の個数を増加させ熱量を多く確保し熱効率を高めるように作用し、集熱器の出口側で熱媒体の温度が適当に上昇した後には、反射鏡と集熱部の個数を最少にして集熱部に太陽光を集光させて高温に加熱するので、高い熱効率を維持しながら水の沸騰温度よりも高温の熱媒体を供給できるものである。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の複数個の反射鏡は、略東西方向に焦点の軌跡を形成するように配置した。

したがって、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、集熱部を加熱することができる。

第４の発明は、特に、第１の発明のそれぞれの反射鏡内に設けられ集熱部を順次連通させ一体化した。

その結果、集熱管の加熱温度を徐々に変化させて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５の発明は、特に、第１または第４の発明の集熱部を構成する集熱管の管径を熱媒体流動方向に同一に設定した。

これにより、集熱管内を流通する熱媒体の流速が低下せず、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。

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、以下の実施の形態が本発明を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１、図２、図３において、１ａ〜１ｆは太陽光を受けて内部を流通する熱媒体を加熱する複数個の集熱部で、銅管、ステンレス管、黄銅管、アルミ管などからなる単管の集熱管２ａ〜２ｆと、太陽光を集光するために複数個の反射鏡３ａ〜３ｆとから構成され、外装４でそれら反射鏡３ａ〜３ｆの外側をおおうことで集熱器５としている。

前記複数の集熱管２の端部は反射鏡３外で順次連結し、一経路に構成してある。これにより、集熱管２ａ〜２ｆ内を流通する熱媒体６を徐々に加熱し、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、効率的な太陽熱回収を行うようにしている。

前記複数個の集熱管２ａ〜２ｆの表面には黒色の黒クロム、または無電解ニッケルのめっき処理、或いはマンガン系の黒色塗料を塗布することによって選択吸収膜を形成している（図示なし）。

そして、熱媒体６の温度がまだ低い集熱器５の入口側７では、より多くの熱量を獲得で
きるように反射鏡の集光比を小さく設定してある。

すなわち、太陽光が入射できる一定の面積でみると集光比が小さい側では反射鏡３ｂ〜３ｆを小さくする反面、個数を増加しており、これにより、集熱部１ｂ〜１ｆとしては太陽光の受光面積が拡大し、熱の回収量が増加することになる。

また、熱媒体６の温度が上昇した出口側８では集熱管２ａの温度をより上昇させるために、反射鏡３ａの集光比を拡大し、特に、出口側８直前では集光比を最大に設定している。

すなわち、太陽光が入射できる一定の面積でみると集光比が最大の側では反射鏡３ａを最大にする反面、集熱部１ａとしては単体としており、これにより、集熱部１ａとしては受光面積が最少になって、太陽光が集中し、熱媒体６が最高の温度に加熱される。

集光比とは反射鏡３ａ〜３ｆ内に入射した太陽光を虫眼鏡のごとく集中できた時の比率で、太陽の方位方向に向けて東西方向に伸ばして配置した樋型の反射鏡３ａ〜３ｆの焦点（焦線）９ａ〜９ｆに沿って配置される２次元タイプのものであれば、その幅（この場合、南北方向）を集熱部１ａ〜１ｆの集熱管２ａ〜２ｆの外径で除した値となる。

また、集熱器５の入口側７と出口側８の間には、集光比を適当に設定した放物面反射鏡３ａ〜３ｆとし、集熱器５の入口側７から出口側８に向かって徐々に熱媒体６を加熱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。

反射鏡３ａ〜３ｆの反射面１０ａ〜１０ｆ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。

鏡面仕上げは放物面反射鏡３ａ〜３ｆを構成する材料によりめっき、蒸着、研磨、塗装などの方法で実施する。

また、反射鏡３ａ〜３ｆの加工方法は、例えば、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂など耐熱の樹脂の成型、ステンレスのプレス加工、或いはアルミダイカスト成型などの方法が考えられよう。さらに、アルミの鏡面仕上げ板を折り曲げる方法もある。

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など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３ａ〜３ｆにおいて、原理的に焦点９ａ〜９ｆに集光できる太陽光の入射方向は一方向のである。そこで反射鏡３ａ〜３ｆは春分（秋分）時の南中の太陽に正対するように設けられ、それぞれの開口部１１ａ〜１１ｆの頂点から太陽光が入射して、反射面１０ａ〜１０ｆにより反射して焦点９ａ〜９ｆに集光するようにしている。

反射鏡３ａ〜３ｆ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。

太陽光は大気中の乱反射や地面または建物等の反射もあるので、反射鏡３ａ〜３ｆを太陽の方位方向に向けて東西方向に伸ばして構成した樋型にすれば、実際上は南中の前後±２時間程度、高温加熱という能力を発揮するようになる。

反射鏡３ａ〜３ｆでは開口部１１ａ〜１１ｆの幅を大きくすることにより焦点９ａ〜９ｆに集光する太陽光の量を増加し、集熱部１ａの温度を水の沸騰温度よりも高温に上昇するようにしている。

外装４は上部開口部に共通透過体１２を設けた箱状に構成され、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材料で構成している。

外装４の内部は反射鏡３ａ〜３ｆや集熱部１ａ〜１ｆの周囲を覆う、例えば耐熱性のロックウール、グラスウールなどからなる外装断熱材１３が充填してある。

外装断熱材１３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１２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。

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などを用いることで１００℃以上の高温の熱を貯めるようにしている。

１７は集熱器５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。

先ず、制御部１７に運転の支持があたえられるか、または集熱器５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５の集熱部１ａ〜１ｆに送る。

集熱器５が太陽の南中方向に向けて設置してあれば、太陽の南中時に、集熱器５に垂直の太陽光が入射する。

このとき、熱媒体６の温度がまだ低い集熱器５の入口側７では、集熱部１ｂ〜１ｆに対する反射鏡３ｂ〜３ｆの集光比を小さくすることで、集熱部１ｂ〜１ｆは太陽光の受光面積が拡大し、熱の回収量が増加する。

また、熱媒体６の温度が上昇した出口側８では、反射鏡ａの集光比を拡大することで、集熱部１ａとしては太陽光の受光面積が最少になり、太陽光が集中し熱媒体６の温度が最高に加熱される。集熱部１ａ〜１ｆの熱を受けて熱媒体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５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、太陽光を集光する複数個の反射鏡３ａ〜３ｆと、これら反射鏡３ａ〜３ｆの焦点９ａ〜９ｆに設けられ、熱媒体６が流通する集熱部１ａ〜１ｆと、これらの反射鏡３ａ〜３ｆと集熱部１ａ〜１ｆを収納する外装４と、それぞれの反射鏡３ａ〜３ｆの集熱部１ａ〜１ｆに集光する集光比を変化させて構成したので、集熱器５に供給する熱媒体６の入口側７の反射鏡３ｂ〜３ｆは、集熱部１ｂ〜１ｆの表面積を拡大して多量の熱を収集するようにして熱媒体６の熱回収を促進し、出口側８の反射鏡３ｆは、集熱部１ｆの表面積を縮小し太陽光をより集光するため、集熱器５の出口側８からを高温の熱媒体６を供給し、集熱熱効率を低下させないようにして水の沸騰温度よりも高温の熱媒体６を供給することができる。

反射鏡３ａ〜３ｆは熱媒体６の入口側７の反射鏡３ｆから出口側８の反射鏡３ａに向かって集光比を増加するように構成したので、集熱器５の入口側７で熱媒体６の温度がまだ低い時は、反射鏡３ｂ〜３ｆと集熱部１ｂ〜１ｆの個数を増加させて熱量を多く確保し集熱効率を高めるように作用し、集熱器５の出口側８で熱媒体６の温度が適当に上昇した後には、反射鏡３ａと集熱部１ａの個数を最少にして太陽光を集光させて高温に加熱するので、高い集熱効率を維持しながら水の沸騰温度よりも高温の熱媒体を供給できるものである。

複数個の反射鏡３ａ〜３ｆは略東西方向に焦点９ａ〜９ｆの軌跡を形成するように配置したので、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ことができ、１日内に長い時間、集熱部１ａ〜１ｆを加熱することができる。

集熱部１ａ〜１ｆはそれぞれの反射鏡３ａ〜３ｆ内に設けられ、集熱管２ａ〜２ｆを入口側７から出口側８に向かって順次連通させ一体化し、熱媒体６の加熱温度を徐々に変化させていくので、熱量と温度を確保しながら熱媒体６を高温に保つことができる。

集熱管２ａ〜２ｆの管径を同一に構成すれば、流通する熱媒体６の流速を低下させないので、熱伝達性能の低下を防止することができる。そして、集熱管２ａ〜２ｆの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、これら集熱管２ａ〜２ｆからの赤外線放射を防止して高温度に維持し、熱媒体６にその熱を効率良く伝えることができる。

外装４は透過体１２で開口部１１ａ〜１１ｆを覆ったことにより、外装４内に雨水やホコリが堆積せず、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１２は反射鏡３ａ〜３ｆ内部に熱をこもらせ、集熱管２ａ〜２ｆからの対流による放熱を防止して、熱媒体６にその熱を効率良く伝えることができる。

透過体１２を選択透過性能を有する耐熱性、耐候性の優れた、例えば、ポリカーボネートなどの樹脂材料で構成することにより、集熱器５の軽量化と低コスト化を行うことができる。

また、蓄熱槽１６に熱を蓄えるので、その熱は、夜間に利用するか、或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。しかも、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。

反射鏡３ａ〜３ｆの幅や個数を変化させれば、それらの集光比を容易に調節することができ、高い集熱効率を維持しながら熱媒体６の加熱温度をコントロールすることができるものである。

なお、反射鏡３ａ〜３ｆの形状は太陽光を焦点９ａ〜９ｆ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９ａ〜９ｆに集光する太陽光は放物面状の反射鏡３ａ〜３ｆ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３ａ〜３ｆ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３ａ〜３ｆ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３ａ〜３ｆに反射した太陽光が常に焦点９ａ〜９ｆ上の集熱部１ａ〜１ｆに集中し、それら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３ａ〜３ｆを複合放物面鏡（ＣＰＣ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）とすれば、それらを回転させなくても太陽高度に対応が可能である。例えば、太陽光入射許容角度（太陽光が反射鏡３ａ〜３ｆ内に入射可能な角度の限界）を天頂より±３０°程度とすると約３倍の集光比が得られる。

太陽光入射許容角度をこれよりも拡大すると太陽光を受け易くなるが集光比は小さくなり、太陽光の集中する割合は減少するので集熱部１ａ〜１ｆの加熱温度は低くなる。また、太陽光入射許容角度をこれよりも縮小すると太陽光を受け難くなるが集光比は大きくなり、太陽光の集中する割合は増加するので集熱部１の加熱温度は高くなる。複合放物面鏡は、放物面状の反射鏡３ａ〜３ｆに比較して太陽の高度に対して１日の中で長時間、太陽光を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、集光比の異なる反射鏡を用いて、熱媒体の温度を高い集熱効率を維持しながら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 同集熱器の縦断面図 同集熱器の作用説明図

符号の説明

１ａ〜１ｆ 集熱部
２ａ〜２ｆ 焦熱管
３ａ〜３ｆ 反射鏡
４ 外装
６ 熱媒体
９ａ〜９ｆ 焦点

Claims (5)

1. 太陽光を集光する複数個の反射鏡と、これら反射鏡の焦点に設けられ、熱媒体が流通する集熱部と、これらの反射鏡と集熱部を収納する外装とを具備し、前記それぞれの反射鏡の集熱部に集光する集光比を変化させるようにした集熱器。
2. 反射鏡は、熱媒体の入口側の反射鏡から出口側の反射鏡に向かって集光比を増加するようにした請求項１記載の集熱器。
3. 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２記載の集熱器。
4. それぞれの反射鏡内に設けられ集熱部を順次連通させ一体化した請求項１記載の集熱器。
5. 集熱部を構成する集熱管の管径を熱媒体流動方向に同一に設定した請求項１または４記載の集熱器。

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