JP2009092362A

JP2009092362A - 太陽光熱の反射集熱装置

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Publication number: JP2009092362A
Application number: JP2007285550A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kiyuukahon; 健二久下本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-30
Also published as: WO2009044933A1

Abstract

【課題】太陽熱エネルギーの集熱方法は、太陽熱温水器のように建築物の屋根、外壁に設置して水、不凍液などを循環して貯湯タンクなどに蓄熱して利用しているが普及が図られているとは言えない。また、近年ソーラー発電が盛んになり、太陽光が降り注ぐ時間が多い地域では、発電は有効に利用されている。一方で、冬期に多くが曇天または降雪になる地域では発電は見込まれていない。また、太陽光を利用するソーラー発電では、建築物の屋根、外壁に設置して発電しているが、普及されているとは言えない。これらにより、太陽光の降り注ぐ屋根、外壁、道路側壁、防音壁などを有効に利用し、かつ、太陽熱エネルギーを最大限に利用する技術が必要となった。
【解決手段】太陽熱エネルギーの集熱方法を、太陽熱の反射集熱装置を利用することで高温の熱エネルギーを集熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光熱を採光、集熱する装置であって、太陽光熱の反射集熱装置に関するものである。

太陽光熱エネルギーは、曇天、晴天であっても周年を通して期待される熱エネルギーである。この太陽光熱エネルギーの集熱利用技術には、建築物の屋根、外壁などに設置する太陽熱温水器がある。集熱方法としては、太陽光熱エネルギーを、屋根、外壁に設置された太陽熱温水器で集熱し、水、不凍液などを、電動ポンプなどを駆動して循環させ、貯湯タンクなどに温水として熱エネルギーを蓄熱させている。
その他には、太陽電池とかあるいは、太陽光を利用するものとして、多数個のフレネルレンズによって太陽光を収束し、収束した太陽光を光ケーブルによって他の場所へ伝送する太陽光集光伝送装置がある。

特開平１１−１０８４６６号特開昭５８−１９２００１号

従来の太陽熱温水器の集熱技術では、表面を保護する硝子などの熱反射は技術改良されているが、内部の集熱盤の集熱効率は必ずしも優れているとは言えない。特に、太陽光熱を日射する方式なので、集熱体によって太陽光熱が反射されて反射熱はかなりの部分が大気に放散されてしまって、太陽光熱の日射効率は十分ではない。また、設置場所も建築物の屋根面、あるいは外壁面の一部にのみ設置され利用されている。この太陽熱温水器の集熱盤による集熱方法は、水、不凍液などを循環して蓄熱利用するが、一方で、夜間の太陽光熱の見込めない時間帯では、太陽熱温水器の温度が低下し、貯湯タンクなどに蓄熱貯蔵されている温度の方が高温となって、熱伝導により太陽熱温水器方向へ放熱してしまう。また、太陽電池は太陽光熱エネルギーを電気に変換する際の変換効率が悪く、この効率不良を補うための機器が高価である。その他に、光ケーブルについては、太陽光熱エネルギーの光エネルギーの利用のみである。

しかし従来技術、特に太陽熱温水器について言えば、水、不凍液を循環させ外部動力を必要とするものであり、また、太陽光熱をつぎのような目的では使用されていない。
その一つ目は、太陽光熱を集熱備蓄して、その熱で貯湯タンクなどを加熱する方式ではない。二つ目は、本発明者が開発した太陽熱の地中内熱備蓄装置（特願２００６−２２８４３４）へ熱供給するための太陽熱の熱備蓄移送装置への熱供給手段といったものではない。

本発明は、以上のような課題を解決するためのものであり、太陽の光と熱を有効に利用することにあり、一度入射した太陽光と熱を、機器の中で複数回反射させて、かつ一度入射した太陽光と熱を入射した方向に反射させることなく無反射で、機器の奥までの間で集熱させて、機器の外側である入射側には熱エネルギーを放熱させることなく、その集束させた熱エネルギーを蓄熱して、貯湯タンクを加熱する熱源や、種々の機器の熱源として利用するといった多目的な用途を有したものであり、また、道路側壁の傾斜壁面に使用して集熱して、太陽熱の地中内熱備蓄装置へ熱供給を行うものである。

前面に前部保温カバーを装着した断熱収納箱内に、太陽光熱を受けて、受熱及び反射を繰り返す複数の反射集熱室を有する面状集熱板を複層内蔵して、面状集熱板で集熱した熱を、それぞれの熱伝導部を介して単体の蓄熱室に蓄熱し、蓄熱室に接続した熱移送管で外部機器と接続して熱利用するものである。

太陽熱エネルギーの集熱方法として、上記に述べた面状集熱板によれば、反射集熱装置の形状が設置場所に応じて平面、凹面、凸面であっても、日の出から日没まで入射角度を補正または追尾することなく固定したままで集熱可能である。また、日射された太陽光熱は、面状集熱板（反射板）で、日射の反射を繰り返すことによって損失なく集熱し、また、日射方向への逆反射をすることは無いので、日射光熱を効率よく利用することができるのでより高温集熱が可能であり、この集熱した熱を断熱被覆されたパイプなどの熱移送管によって貯湯タンク等の種々の機器の熱源として利用することができて、太陽光熱エネルギー利用の範囲が増大する。

面状集熱板で集熱した熱を蓄熱室に蓄熱するので、外部機器に対して安定して熱供給可能であり、また、日陰時や夜間においては面状集熱板で集熱できなくなって、貯湯タンクや種々の機器の熱源として供給された熱が面状集熱板の方向へ逆流しようとするが、蓄熱室を設けてあるので逆流による放熱がない。

この発明の一実施形態は、太陽光熱の反射集熱装置の前面、即ち太陽光の入射する側に、入射をできる限り妨げないでしかも、内部からの放熱をできる限り阻止可能なガラス板又は透明度を有するアクリル、ポリカーボネートなどの合成樹脂などを利用した前部保温カバー（３）を設け、内部には大きさを異にする、即ち、反射集熱室の開口高さと厚さは、前面を大きく後面に行くに従って小さくした順に複層に配置して、入射する太陽光熱を集熱する面状に広がる面状集熱板（２）を内蔵して、断熱収納箱（１）とし、この断熱収納箱（１）内部の上部に、面状集熱板（２）のそれぞれの上部に接して面状集熱板（２）の熱を集束する熱集束部（４）を設け、その熱集束部（４）のそれぞれの上部に熱伝導部（５）を介して蓄熱室（６）を設けて一時熱備蓄する。

蓄熱室（６）は、太陽光熱の反射集熱装置の上方に位置し、しかも熱伝導部（５）からは、ある間隔を置いた反対側（図１の熱伝導部（５）に対して左側）に、断熱被覆された金属または非鉄金属のパイプなどの熱移送管（８）を蓄熱室（６）の後部に接続し、この熱移送管（８）に、熱移送管（８）と同様の性状を有した熱移送管あるいは外部機器を接続して蓄熱室（６）に蓄熱した熱エネルギーを熱移送させるものである。

図１は本発明装置の正面図であり、断熱収納箱（１）は箱形形状としたものであり、しかも断熱性能を有した構造としたものである。形状は箱形以外に三角形、多角形、円形、半円形などでも可能である。
太陽光熱が日射される方向、即ち、図２において右側方向には太陽光熱の透過を許容するガラス板又は透明性を有するアクリル、ポリカーボネートなどの合成樹脂製の前部保温カバー（３）が断熱収納箱（１）の内部を密閉する状態で取り付けられている。この断熱収納箱（１）の内部には、複層の面状集熱板（２）が設けてあり、断熱収納箱（１）内に固定されて取り付けられている。

面状集熱板（２）は、外見形状を同一とし、内部形状の厚さと高さの異なる面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）から成る複数層で構成されており、各面状集熱板部材（２Ａ〜２Ｆ）は六角形をしたハニカム構造をしたもので、しかも太陽光を反射し受熱を可能とした金属又は非金属性のものであって、具体的にはアルミ材あるいはアルミ箔としたものである。また、図４に示すように各面状集熱板部材（２Ａ〜２Ｆ）の六角形をしたハニカム構造の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）の開口高さ（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６）はＨ１〜Ｈ６に行くに従って暫減とし、一方、厚さ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６）もＴ１〜Ｔ６に行くに従って暫減としてあり、前部保温カバー（３）側より面状集熱板部材（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ）の順に積層してある。
面状集熱板（２）の上側面には、面状集熱板（２）と同一材質とした熱集束部（４）が密接した状態で当接しており、また、この熱集束部（４）の上部には熱伝導部（５）が、熱伝導部（５）の上部には箱形をした蓄熱室（６）がそれぞれ当接している。また熱伝導部（５）および蓄熱室（６）も面状集熱板（２）と同一材質としてある。

蓄熱室（６）には、熱移送管（８）が接続されており、外部機器との接続に便利なように断熱収納箱（１）の外側に突出した状態にあり、熱移送管（８）自身は外側を断熱材（７）で断熱被覆されている。また、熱移送管（８）と断熱収納箱（１）との接続部も断熱としてある。
また、蓄熱室（６）に当接された熱伝導部（５）は、熱移送管（８）との距離を確保するために、熱移送管（８）とは反対になるように配置し、熱集束部（４）に集熱された熱を、熱伝導部（５）を経由して蓄熱室（６）に蓄えさせる。また、熱伝導部（５）を熱移送管（８）とは反対に配置することにより、蓄熱室（６）は容積一杯に蓄熱されるので、蓄熱室（６）に蓄えられた熱を熱移送管（８）に安定供給すると同時に、蓄熱室（６）の熱を太陽光の日射の減少する雲による日陰時に面状集熱板（２）への逆流放熱を防止するため、熱集束部（４）と近接しない反対方向にしてあることにより日陰時、夜間の放熱を防止することができる。また、蓄熱室（６）の蓄熱容量を増やすように、内部に蓄熱材を用いることもできる。

図５は、図１における面状集熱板（２）を他の実施例としたものであり、面状集熱板部材（３２Ａ）（３２Ｂ）（３２Ｃ）（３２Ｄ）（３２Ｅ）（３２Ｆ）の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）の形状を、六角形をしたハニカム形状から四角形状とした面状集熱板（３２）としたものであって、この形状以外は図１に示したものと同一のものである。

なお、本発明による太陽光熱の反射集熱装置の設置位置は、地上より上方に設置され、前部保温カバー（３）側が太陽の日射を受ける側とし、熱移送管（８）が上側に来る状態に設置され、また、四季に応じて太陽の高さや日射角度が変化するので、その変化に対応して移動可能とすることもできる。

つぎに本発明の作用について説明する。
図３、図４は、本発明の太陽光熱の無反射集熱装置に太陽光熱が日射する状態を示すもので、前部保温カバー（３）を経て、面状集熱板（２）を構成する面状集熱板部材（２Ａ）の反射集熱室（Ｕ）に太陽光熱が日射した状態を示すもので、太陽光熱（ア）は便宜上２本の光跡で示す。
太陽光熱（ア）は、前部保温カバー（３）を透過して、反射集熱室（Ｕ）の空間の下面に入射角αで日射し、反射角βで反射する。このときに入射ポイント（Ｐ１）と反射ポイント（Ｐ２）は太陽の熱エネルギーを反射すると同時に輻射によって受熱し、太陽光熱が間断なく連続して日射され続けると、反射集熱室（Ｕ）内は昇温蓄熱されて、時間の経過に伴って上層階に位置する反射集熱室（Ｕ）へと熱伝導して行き、最後には熱集束部（４）に熱集束されて行く。

本発明の面状集熱板（２）は図４に示すように、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）の順に積層されているので、面状集熱板部材（２Ａ）の反射集熱室（Ｕ）内に日射した太陽光熱は面状集熱板部材（２Ｂ）の反射集熱室（Ｖ）へと入射して、反射ポイント（Ｐ２）で太陽の熱エネルギーを輻射によって受熱し、この受熱は時間の経過に伴って上層階に位置する反射集熱室（Ｖ）へ熱伝導して行き、面状集熱板部材（２Ａ）と同様に熱集束部（４）に熱集束されて行く。
また同様に、図４に示すように面状集熱板部材（２Ｂ）のつぎは面状集熱板部材（２Ｃ）、面状集熱板部材（２Ｄ）、面状集熱板部材（２Ｅ）、面状集熱板部材（２Ｆ）へと順次入射ポイント（Ｐ３）あるいは反射ポイント（Ｐ４）を繰り返して、熱集束部（４）に熱集束されてゆく。このときに、面状集熱板部材（２Ａ）に日射された熱エネルギーは面状集熱板部材（２Ｆ）に到達時には減衰された熱エネルギーとなっている。
こうして、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）によって集熱された熱エネルギーは熱集束部（４）に熱伝導して、熱集束部（４）の上部に設けられた熱伝導部（５）を経て蓄熱室（６）に蓄熱されることになる。
従って、蓄熱室（６）に蓄熱された熱エネルギーは、断熱材（７）で被覆された熱移送管（８）に熱損失の無い状態で導入されて、熱移送管（８）に外部機器を接続して種々の機器の熱源として利用できる。

図５は、図１における面状集熱板（２）を、他の形状をした面状集熱板（３２）としたものであり、六角形をした面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（３Ｆ）にかえて、四角形をした面状集熱板部材（３２Ａ）（３２Ｂ）（３２Ｃ）（３２Ｄ）（３２Ｅ）（３２Ｆ）としたものであって、太陽光熱の集熱、蓄熱の作用は図３，４と同じ現象を利用したものである。

ここで、図２に示した面状集熱板（２）を面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）のように複数層にそれぞれ構成した理由は、単に、面状集熱板部材（２Ａ）のみを単体使用して、面状集熱板部材（２Ａ）厚さＴ１をＴに拡大した面状集熱板（２）とすると、Ｔの場合には日射した太陽光熱は規則的な反射を繰り返して、反射光と熱は後方に到達するが、この状態では反射回数が少ないので、後方にはかなりの光と熱エネルギーが断熱収納箱（１）の後部壁面に到達するので、この断熱収納箱（１）によって太陽光熱が入射方向である前面に向かって反射してしまい再び前部保温カバー（３）を透過して入射側の箱外に放射されて、太陽熱を有効に集熱できないことになる。

この反射と透過によって太陽光熱が箱外に放射されるのを回避するためには、各面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）の厚さＴ１〜Ｔ６とし、高さをＨ１〜Ｈ６として、しかも暫減させることにより、図４示すように、太陽光熱の入射後は後部に位置する面状集熱板部材（２Ｆ）に達するまで入射と反射を繰り返すことになり、各反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）は入射、反射時の受熱によって相当の熱エネルギーを受けることになるので、面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）で受熱した熱エネルギーは相当に集熱効果を上げている。従って面状集熱板部材（２Ｆ）に達するそれぞれの太陽光熱エネルギーは減衰しており、入射方向である前方に向かう反射は殆ど無く、無反射に近い状態となるので、太陽の投射エネルギーは完全に面状集熱板部材（２Ａ）（２Ｂ）（２Ｃ）（２Ｄ）（２Ｅ）（２Ｆ）の上部に熱対流により集熱されて、集熱エネルギーは熱伝導により熱集束部（４）に被熱される状態となる。
この熱集束部（４）に被熱された熱エネルギーは、熱対流によって熱伝導部（５）を経て蓄熱室（６）に蓄熱される。このとき、断熱収納箱（１）は断熱構造としてあるので、蓄熱室（６）内の蓄熱エネルギーは保熱される。また、熱移送管（８）と熱伝導部（５）とは蓄熱室（６）に対して間隔を置いて熱供給と熱出口を遠ざけてあるので、前記したように熱の安定供給と、日陰と夜間における熱の逆流を防止できる。

図６に示すものは、貯湯タンクへ本発明を利用して熱供給する際の実施例を示す。
図７に示すものは、道路の融雪用とした出願人が発明した太陽熱の地中内熱備蓄装置への補助用熱を供給する際に使用する太陽熱の熱備蓄移送装置の上部へ本発明を使用して熱供給する実施例を示す。

本発明装置の正面図で、一部を断面で示した図図１のＡ−Ａ線断面図太陽光が面状集熱板の前面側に入射したときの入射と反射の状況説明図太陽光が面状集熱板内に入射したときの入射と反射の状況説明図本発明装置の他の実施例を示した図本発明装置により外部機器への熱供給する実施例本発明装置により外部機器への熱供給する他の実施例

符号の説明

１、断熱収納箱
２、面状集熱板
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ、面状集熱板部材
３、前部保温カバー
４、熱集束部
５、熱伝導部
６、蓄熱室
７、断熱材
８、熱移送管
３２、面状集熱板
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ，３２Ｆ、面状集熱板部材

Claims

前面に前部保温カバー（３）を装着して、しかも全体が断熱性能を有し箱形をした断熱収納箱（１）の内部に、太陽光熱を受けて、受熱及び反射を繰り返す複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有して、しかも前記複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）の反射集熱室の開口高さと厚さは、太陽光の日射する方向から後方に向かうに従って次第に小さくなる構成とした面状集熱板（２）を内蔵し、かつ、前記面状集熱板（２）に接して前記複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）内の熱を熱伝導集熱する熱集束部（４）を配置し、熱集束部（４）の集束熱を、熱伝導部（５）を介して蓄熱室（６）に蓄熱することを特徴とする太陽光熱の反射集熱装置。
熱伝導部（５）は熱集束部（４）の端部に当接してあり、しかも熱移送管（８）に対し、反対側に対峙する位置で蓄熱室（６）に当接して設けてある請求項１に記載の太陽光熱の反射集熱装置。
面状集熱板（２）の複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）は六角形で構成した請求項１に記載の太陽光熱の反射集熱装置。
面状集熱板（２）の複数の反射集熱室（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）は四角形で構成した請求項１に記載の太陽光熱の反射集熱装置。
断熱材（７）で被覆された熱移送管（８）を蓄熱室（６）に接続し、しかも断熱収納箱（１）の外部に配置してある請求項１に記載の太陽光熱の反射集熱装置。