JP2010002077A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体による太陽光の波長変換光を利用した、簡便な構造で高い熱密度が得られる太陽熱集熱装置を提供する。
【解決手段】太陽光エネルギーを利用する太陽熱集熱装置であって、太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部と、波長変換部から発せられる光を吸収して発熱する蓄熱部とを備える太陽熱集熱装置に関する。該太陽熱集熱装置は、波長変換部が、蛍光体を含有することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱集熱装置に関する。さらに詳しくは、太陽光エネルギーを熱エネルギーとして利用する太陽熱集熱装置に関する。

近年、環境調和の観点から、太陽光エネルギーの利用に関する関心が高まっている。太陽光エネルギーを利用した装置の一つとして、太陽熱集熱装置を利用した温水器が挙げられる。

従来の太陽熱集熱装置の一つとして、平板型集熱装置が挙げられる。図９は、従来の平面型集熱装置の構造の一形態を示す斜視図である。以下、図９に基づいて説明する。

平面型集熱装置は、波長変換部３０１と熱媒体３０２とを備え、波長変換部３０１は、集熱板３０３、ケーシング３０４およびガラス板３０５を備える。該平面型集熱装置は、ケーシング３０４内部に、集熱板３０３と熱媒体３０２とを配置しており、集熱板３０３と熱媒体３０２とは、直接接触した構造を有している。そして、該平面型集熱装置において、太陽光を吸収して発熱した集熱板３０３の熱が熱媒体３０２に直接伝わることで、熱媒体３０２が昇温する。平板型集熱装置は、その構造の単純さから、広く普及している太陽熱集熱装置である。

また、集光式の太陽熱集熱装置として、複合パラボラ（ＣＰＣ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）型集熱装置が提案されている（たとえば、特開２００４−２７８８３７号公報（特許文献１）参照）。該複合パラボラ型集熱装置においては、二次元桶型の反射鏡を用いることで、太陽光を焦点に集光することができる。該複合パラボラ型集光装置の特徴としては、太陽光追尾システムが不要、太陽光を集光することで平板型集熱装置に比べて高温に加熱できるなどの長所が見られる。
特開２００４−２７８８３７号公報

しかしながら、従来の平板型集熱装置においては、波長変換部３０１が太陽光を集光するような構造ではないため、熱媒体３０２を高温に加熱することができないという問題があった。また、複合パラボラ型集熱装置においては、集光能力が高く熱媒体を十分高温に加熱することができるが、構造の複雑さのために装置が高価になり、結果として普及の障害となっていた。

本発明は、以上のような事情を鑑み、蛍光体による太陽光の波長変換光を利用した、簡便な構造で高い熱密度が得られる太陽熱集熱装置の提供を目的とする。

本発明者は、目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、波長変換部を用いて太陽光の波長変換を行い、波長変換により得られる光を集光することにより、簡便な構造で高い熱密度が得られる太陽熱集熱装置を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、太陽光エネルギーを利用する太陽熱集熱装置であって、太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部と、波長変換部から発せられる光を吸収して発熱する蓄熱部とを備える太陽熱集熱装置に関する。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、波長変換部が、蛍光体を含有することが好ましい。
また、本発明の太陽熱集熱装置は、蛍光体が、半導体微粒子であることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、半導体微粒子が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、半導体微粒子が、コア／シェル構造を有することが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、蛍光体が、赤外波長の蛍光を発することが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、蛍光体が、溶液中に分散されていることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、蛍光体が、光透過性材料に被膜されてなることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、波長変換部の少なくとも一部が、波長選択反射材で覆われてなることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置において、蓄熱部は、熱媒体を備え、熱媒体が、水であることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置において、蓄熱部は、熱媒体を備え、熱媒体が、エチレングリコール、ポリプロピレングリコールのいずれかであることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置において、蓄熱部は、熱媒体と断熱材とを備え、熱媒体は、少なくとも一部が断熱材に覆われてなることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、波長変換部と蓄熱部とが、空間的に離れていることが好ましい。

また、本発明の太陽熱集熱装置は、波長変換部から発せられる光が、光伝送部を通じて、蓄熱部に照射されることが好ましい。

本発明の第１の要旨は、波長変換部により太陽光を太陽光とは異なる波長の光に変換させ、該光を蓄熱部に吸収させることで、高い熱密度が得られる太陽熱集熱装置が得られることにある。また、本発明の太陽熱集熱装置は、波長変換部、蓄熱部から構成され、非常に単純な構造である。

また、本発明の第２の要旨は、光伝送部を介することにより、蓄熱部が波長変換部と直接接触しておらず、該波長変換部と空間的に離れた場合であっても、蓄熱部を加熱できる太陽熱集熱装置が得られることにある。

ここで、本明細書において、略直方体状の波長変換部１０１および光透過性材料１０４において太陽光を取り込む面を「上面」とし、該上面と対向する面を「下面」とする。そして、「上面」および「下面」以外の面について側面と呼ぶ。

本発明によれば、簡便な構造で高い熱密度が得られる太陽熱集熱装置を提供することができる。

以下、本願の図面において、同一の符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。また、図２は、図１における当該太陽熱集熱装置のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。以下、図１および図２に基づいて説明する。

本発明の太陽熱集熱装置１００は、波長変換部１０１と蓄熱部１０２とを備える。そして、波長変換部１０１は、太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長に変換する機能を有する。蓄熱部１０２は、波長変換部１０１の発光を吸収して発熱し、該発光由来の熱エネルギーを蓄える機能を有する。

まず、波長変換部１０１の構成について説明する。波長変換部１０１は、蛍光体１０３を含有する光透過性材料１０４と、波長選択反射材１０５と、反射材１０６とを備える。本実施形態においては、蛍光体１０３を保持する光透過性材料１０４が直方体状に形成されており、該光透過性材料１０４の上面を被覆するように波長選択反射材１０５が配置されている。そして、該光透過性材料１０４の一側面以外の三側面、および下面については、反射材１０６によって被覆されている。ただし、波長選択反射材１０５および反射材１０６の構成については、適宜選択することができる。

次に、蓄熱部１０２の構成について説明する。なお、図１においては、蓄熱部１０２は、説明のため一部のみしか描写していない。蓄熱部１０２は、熱媒体１０７と断熱材１０８とを備える。本実施形態においては、熱媒体１０７は第１透光性容器によって保持され、該透光性容器を断熱材１０８が被覆している。そして、断熱材１０８は、第２透光性容器によって保持されている。そして、断熱材１０８の材質は、高い透光性を有するものであることが好ましい。

次に、太陽熱集熱装置１００の動作について説明する。波長変換部１０１に太陽光が照射されると、波長変換部１０１上面から太陽光を取り込み、光透過性材料１０４を透過して、蛍光体１０３で吸収される。蛍光体１０３は太陽光を吸収後、蛍光を発する。この蛍光は光透過性材料１０４を透過し、波長変換部１０１の側面の少なくとも一部から取り出される。本実施形態においては、該蛍光は、光透過性材料１０４における反射材１０６で被覆されていない面から取り出される。なお、図１に示す形態においては、波長変換部１０１の一面にのみ蓄熱部１０２が配置されており、他の３面は反射材１０６に覆われているが、この数を制限する必要はなく、たとえば２面が蓄熱部で２面が反射材である場合でも当然差し支えない。

蓄熱部１０２は、波長変換部１０１からの該蛍光（発光）を吸収して、熱エネルギーに変換する。まず、該蛍光は、第１透光性容器、第２透光性容器および断熱材１０８を通過して熱媒体１０２に到達する。そして、熱媒体１０２において該蛍光は、熱エネルギーに変換され、同時に蓄えられる。熱媒体１０２は、断熱材１０７に覆われているため、蓄えられた熱エネルギーが該蓄熱部１０２の外部に放出することを抑制することができる。

本実施形態の太陽熱集熱装置１００は、簡便な構造で高い熱密度が得られるものである。以下、各部材の構成、材料について説明する。

＜蛍光体＞
本実施形態において、蛍光体１０３とは、励起光の少なくとも一部を吸収し、励起光より長波長の光を放出する特性を有するものを指す。本発明における蛍光体１０３は、励起光が太陽光となるため、可視光波長領域内の広い波長域で光を吸収する特性が求められる。蛍光体１０３による太陽光の吸収率としては、４０％以上が好ましく、さらに好ましくは６０％以上、最も好ましくは８０％以上である。蛍光体の光吸収率は、分光光度計を用いて測定することができる。

また、蛍光体の蛍光波長帯は赤外波長域であることが特に好ましい。これは、該赤外波長域は、太陽光の波長域と異なるため、波長選択反射材１０５における蛍光の閉じ込めが容易であること、また水などの熱媒体に効率的に吸収させることができるなどの特徴があるためである。蛍光体の蛍光波長は、蛍光分光光度計を用いて測定することができる。ここで赤外波長域の光とは、波長が０．７〜１０００μｍの電磁波を示す。

また、蛍光体は、強い励起光の照射によっても劣化しにくい耐光性と、水分・酸素に対する耐久性とを備えていることが好ましい。また、蛍光体は、太陽熱集熱装置１００の稼動時に太陽光照射による昇温が生じる虞があるため、良好な温度特性を有することが好ましい。蛍光体としては、有機色素蛍光体、希土類賦活蛍光体、半導体微粒子蛍光体などが例示されるが、上記の条件を満たす蛍光体材料としては、特に半導体微粒子蛍光体が好ましい。

本発明における希土類賦活蛍光体としては、無機材料中に希土類元素を添加することで、希土類元素の電子準位間の遷移により発光する材料を示す。本発明においては、Ｍ・Ｎｄ（ＷＯ₄）₂、Ｍ・Ｎｄ（ＭｏＯ₄）₂などが例示される（但し、Ｍは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋから選ばれる一つの金属元素を指す）。

本発明における有機色素としては、ローダミンＢ、ローダミン６Ｇなどが例示される。かかる有機色素は、一般に、染料・顔料と呼称されることもある。本発明における蛍光体は、一度有機溶媒に溶解・分散させた後、光透過性材料１０４の前駆体に混合し硬化させることで、樹脂に担持させた状態で使用することができる。また、当該蛍光体は、粉体の状態で光透過性材料１０４の前駆体と混練してもよい。

≪半導体微粒子蛍光体≫
本発明における半導体微粒子とは、粒子径が数ｎｍ程度の半導体微結晶のことを示す。半導体結晶を数ｎｍ程度まで小さくすると、量子閉じ込め効果により、バンドギャップが変化する。したがって、粒子径を制御することにより、発光波長を制御することが可能である。また、材料が半導体のため、電子準位がバンド状に広がっていることより、広い波長範囲で光吸収が生じる。したがって半導体微粒子は、蛍光波長の選択制御性や、励起波長を選ばない点で、蛍光体として非常に優れた特性を示す。このような半導体微粒子は、コロイド粒子、ナノ粒子、あるいは量子ドット等とも呼称される場合がある。

半導体微粒子の材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等のＩ族元素と、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）、よう素（Ｉ）等のＶＩＩ族元素からなるＩ−ＶＩＩ族化合物半導体、
亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）等のＩＩ族元素と、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等のＶＩ族元素からなるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、
アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等のＶ族元素からなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、
炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等のＩＶ族元素半導体、
炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）等のＩＶ族元素と、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等のＶＩ族元素からなるＩＶ−ＶＩ族化合物半導体、
およびこれらの混晶が挙げられる。この中でも、原子間の結合が強いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料が、安定性の観点から、好ましい。この中でも、赤外発光を示すヒ化インジウム(ＩｎＡｓ)、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、およびこれらの混晶が、特に好ましい。

半導体微粒子の合成には、ホットソープ法、逆ミセル法に代表される公知の方法を用いて合成することができる。

また、当該半導体微粒子蛍光体は、コア／シェル構造を有することが好ましい。コア／シェル構造とは、上記半導体微粒子（コア）の表面を、異なる材料（シェル）で覆うことで、外界からの悪影響を緩和させることが可能となる。したがって、コア／シェル構造を有した半導体微粒子蛍光体は、耐久性が向上する。本明細書においてＡ／Ｂと記載する場合には、ＡがコアでＢがシェルを示すものとする。

コアシェル構造半導体微粒子のシェル材料は、コアよりも大きいバンドギャップを有することが好ましい。上記条件を満たす材料としては、Ｉ−ＶＩＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＶ族元素半導体、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体などが挙げられるが、特に塩化銅（ＣｕＣｌ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭素化シリコン（ＳｉＣ）およびこれらの混晶が特に好ましい。

＜光透過性材料＞
本発明における光透過性材料１０４とは、蛍光体を分散させた状態で保持できる機能を有する材料で、かつ励起光波長および蛍光体の発する蛍光波長に透明であるという特性が望まれる。また、当該光透過性材料１０４は、蛍光体の保護部材としての役割も求められることから、酸素・水分を通さない特性を有する材料であることが、特に好ましい。また、太陽光照射による昇温が生じるため、耐熱性が要求される。上記の条件を満たす光透過性材料としては、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、尿素樹脂等に代表される樹脂や、ガラス、アルミナ、イットリア等に代表される透光性無機材料が挙げられる。

また、当該光透過性材料１０４には、有機溶剤や水などの溶媒を用いてもよい。かかる有機溶剤としては、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールなどに代表されるアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどに代表されるケトン類、ペンタン、ヘキサンなどのアルカン類が例示される。当該溶液を用いると、太陽熱集熱装置の蛍光体の交換が容易になるため、メンテナンス性が大幅に向上する。

＜反射材＞
本発明における反射材１０６とは、蛍光体１０３の発する蛍光を反射する機能を有する材料である。当該反射材１０６を用いることにより、蛍光体１０３の発する蛍光を、外部に逃すことなく蓄熱部１０２に伝播させることができ、その結果当該太陽熱集熱装置の効率を向上させることができる。反射材１０６の反射率としては、蛍光体１０３の発する蛍光波長において、４０％以上が好ましく、さらに好ましくは６０％以上、最も好ましくは、８０％以上の反射率である。材料の反射率は、分光光度計を用いて測定することができる。上記条件を満たす反射材１０６としては、金・銀・白金・アルミニウム・クロム・ニッケル材料を用いた金属膜ミラーなどが例示される。

＜波長選択反射材＞
本発明における波長選択反射材１０５とは、太陽光に透明であり、かつ蛍光体１０３の発光波長で反射する機能を有する材料である。当該波長選択反射材１０５を用いることにより、蛍光体１０３の発光を外部に逃すことなく、太陽光を蛍光体１０３に照射させることが可能となる。当該波長選択反射材の太陽光の透過率としては、４０％以上が好ましく、さらに好ましくは６０％、最も好ましくは８０％以上である。当該波長選択反射材の蛍光体の発光波長での反射率としては、４０％以上が好ましく、さらに好ましくは６０％、最も好ましくは８０％以上である。上記条件を満たす波長選択反射材１０５としては、絶縁体多層膜からなるダイクロイックミラー等が例示される。

＜熱媒体＞
本発明における熱媒体１０７とは、波長変換部１０１の発光の少なくとも一部を吸収して発熱し、かつその熱エネルギーを蓄える機能が求められる。また、熱容量が大きいと、熱密度の観点からより好ましい。上記条件を満たす熱媒体１０７としては、水・エチレングリコール・ポリプロピレングリコールなどが例示される。この中でも、安価で安全であることから水が好ましく、融点が低く寒冷地でも使用可能であることから、エチレングリコール・ポリプロピレングリコールが好ましい。

＜断熱材＞
本発明における断熱材１０８とは、熱媒体１０７に蓄えられたエネルギーが、放熱により損失するのを低減させる機能が求められる。上記条件を満たす断熱材１０８としては、真空状態や熱伝導率の低い希ガス等を利用することができる。つまり、上述した第２透光性容器の内部を真空にしたり、希ガスで充満させることで、真空状態および希ガスの充満状態を断熱材１０８とすることができる。また、断熱材１０８としては、熱伝導率の低い樹脂などを例示することもできる。

上述した各部材の材料については、以下の他の実施形態においても適宜選択して用いることができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。また、図４は、図３における当該太陽熱集熱装置のＩＶ−ＩＶ線に沿った模式的な断面図である。以下、図３および図４に基づいて説明する。

本発明の太陽熱集熱装置４００は、波長変換部４０１と蓄熱部４０２とを備える。そして、波長変換部４０１は、太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長に変換する機能を有する。蓄熱部４０２は、波長変換部４０１の発光を吸収して発熱し、該発光由来の熱エネルギーを蓄える機能を有する。

そして、第１の実施形態と同様に波長変換部４０１は、蛍光体４０３を含有する光透過性材料４０４と、波長選択反射材４０５と、反射材４０６とを備える。そして、第１の実施形態と同様に蓄熱部４０２は、熱媒体４０７と断熱材４０８とを備える。熱媒体４０７は第１透光性容器によって保持され、該透光性容器を断熱材４０８が被覆している。そして、断熱材４０８は、第２透光性容器によって保持されている。

ただし、本実施形態は、第１の実施形態と異なり、蓄熱部４０２が、波長変換部４０１に埋め込まれた構造をしている。本実施形態によると、第１の実施形態に示す構造に比べて、蓄熱部４０２と波長変換部４０１の接する面積が大きくなるため、より効率よく蛍光体４０３の発光を熱媒体４０７に吸収させることが可能となる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。以下、図５に基づいて説明する。

本発明の太陽熱集熱装置６００は、蛍光体６０３と波長選択反射材６０４と、反射材６０５とを備える。また、太陽熱集熱装置６００においては上述の「光透過性材料」を備えず、熱媒体６０２の中に蛍光体６０３が分散している状態となっている。

太陽熱集熱装置６００は、断熱材６０６を用いることにより、より効率を向上させることができる。断熱材６０６は、熱媒体６０２の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。あるいは、波長選択反射材６０４、反射材６０５の外側の少なくとも一部を覆っていても、同様の効果が得られる。当該断熱材６０６としては、第１の実施形態と同様、真空や希ガスを封入した第２透光性容器を用いることができる。

本実施形態の構成によると、より簡便な構造で太陽熱集熱装置を構成できる利点がある。

［第４の実施形態］
図６は、本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。以下、図６に基づいて説明する。

本発明の太陽熱集熱装置７００は、波長変換部７０１と、光伝送部７０２と、蓄熱部（図示せず）とを備える。そして、波長変換部７０１は、太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長に変換する機能を有する。蓄熱部は、波長変換部７０１の発光を吸収して発熱し、該発光由来の熱エネルギーを蓄える機能を有する。光伝送部７０２は、波長変換部７０１と蓄熱部（図６では省略）が空間的に離れている場合において、波長変換部７０１と蓄熱部とを結びつけるはたらきがある。本実施形態においては、蓄熱部は、上述したものと同様の構成のものを採用することができる。

そして、第１の実施形態と同様に波長変換部７０１は、蛍光体７０３を含有する光透過性材料７０４と、波長選択反射材７０５と、反射材７０６とを備える。光伝送部７０２は、波長変換部７０１の発光（蛍光）を集光する集光部材７０７と、光伝送材７０８から伝播された発光を蓄熱部に伝播する光伝送材７０８とから構成される。本実施形態においては、太陽熱集熱装置７００は、光伝送部７０２を介して、波長変換部７０１と蓄熱部（図７では省略）が空間的に離れていても良い。本実施形態においては、該太陽熱集熱装置７００の設計に自由度が生まれる点で好ましい。

本発明における集光部材７０７とは、波長変換部７０１の発する蛍光を集光して、光伝送材７０８に伝える機能を有する。上記条件を満たす集光部材７０７としては、レンズや光カプラ等が例示される。

本発明における光伝送材７０８とは、波長変換部７０１の発する蛍光を、空間的に離れた蓄熱部まで伝える機能を有する。上記条件を満たす光伝送材７０８としては、光ファイバーなどが例示される。

［第５の実施形態］
図７は、本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。図８は、図７における当該太陽熱集熱装置のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った模式的な断面図である。以下、図７および図８に基づいて説明する。

本実施形態においては、波長変換部８０１は、蛍光体８０３を光透過性材料８０４に分散させ、円筒状に成型した後、波長選択反射材８０５で側面が覆われた構造を有している。また、当該波長変換部８０１の光出射面に、集光部材８０６および光伝送材８０７からなる光伝送部８０２を介して蓄熱部（図８、９では省略）と接続している。光伝送材８０２により、波長変換部８０１から空間的に離れた蓄熱部を加熱することができる。また、本実施形態の波長変換部８０１の構造は第４の実施形態の波長変換部７０１と比べて、波長変換部と光伝送部との接続損失が小さく、効率よく蓄熱部に光を伝送できる点で優れている。また、波長変換部が円筒状の構造をしていることで反射による光閉じ込めが可能となるため、第１〜４の実施形態の平面型の波長変換部に比べて、蛍光体の発光を無駄なく利用することが可能な点で優れている。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

以下実施例において表記の光吸収率・反射率は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製分光光度計Ｕ−４１００を、発光特性は、ＪＯＢＩＮ ＹＶＯＮ社製蛍光分光光度計ＦｌｕｏｒｏＭａｘ−３を用いて測定を行なった。また、以下に示す実施例および比較例の各構成要素の材料等は表１にまとめて表示する。

［実施例１］
以下、図１および図２を参照して説明する。本実施例においては、図１および図２に示す構造を有する太陽熱集熱装置１００を作製した。

波長変換部１０１においては、蛍光体１０３に、粒子径７．２ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子を用いた。該ＩｎＡｓ半導体微粒子の発光特性は、ピーク波長が２．９μｍであることを確認した。また、光透過性材料１０４には、シリコーン樹脂を用いた。また、反射材１０６には、Ａｌ金属膜を用いた。また、波長選択反射材１０５には、誘電体多層膜から構成されるダイクロイックミラーを用いた。

波長変換部１０１の製造方法は、以下のとおりとした。まず、蛍光体１０３を軟化させた該光透過性材料１０４に分散させ、層状に直方体状に成型し硬化させた。そして、硬化させた該光透過性材料１０４の下側部および、発光取り出し部としての１側面部以外の３側面部を、反射材１０６で覆った。また、当該光透過性材料１０４の上面部は、波長選択反射材１０５で覆った。

蓄熱部１０２においては、第１透光性容器および第２透光性容器が二重構造を有するガラス管を用いた。そして、第１透光性容器には、熱媒体１０７としての１０℃の水を満たした。第２透光性容器の内部と第１透光性容器の外部とで形成される空間は、断熱材１０８とするために真空とした。そして、当該波長変換部１０１の発光取り出し部に該蓄熱部１０２を配置した。

本実施例においては、太陽熱集熱装置１００に対して冬季の最高気温９℃、日照時間４時間３０分の条件で太陽光を照射した。その結果、熱媒体１０７が５０℃まで昇温することを確認した。

［実施例２］
本実施例においては、波長選択反射材を備えていない以外は全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置の熱媒体１０７に、１０℃の水を供給し、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体が３８℃まで昇温することを確認した。

［実施例３］
本比較例においては、断熱材を備えていない以外は全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４０℃まで昇温することを確認した。

［比較例１］
本比較例においては、従来の集熱装置を用いた太陽熱集熱装置について検討した。図９に、本比較例１における、太陽熱集熱装置の模式図を示す。

鋼板を上面の空いた箱状に成型して、ケーシング３０４とした。作製したケーシング３０４の内側底部に、黒色塗料を塗布した集熱板３０３を配置した。さらに、ケーシング３０４内部に、水を満たし、熱媒体３０２とした。その上で、ケーシング３０４上部を、太陽光に透明なガラス板３０５を取り付け、太陽熱集熱装置とした。

上記構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体が３２℃まで昇温することを確認した。

＜検討結果＞
これは、比較例１に示す太陽熱集熱装置に比べて、実施例１〜３に示す太陽熱集熱装置は、高い集熱効率を示すことが確認できた。これは、実施例１〜３は、波長変換部１０１を用いて、太陽エネルギーを集めることにより、高い熱密度が得られたことに対して、比較例１においては、集光することができなかったためである。

また、実施例１〜３は、全て高い集熱効率を示したが、特に実施例１が高い集熱効率を示すことが分かった。これは、実施例２は、実施例１と比較すると、波長選択反射材を備えないため、蛍光（発光）が漏れてしまったためであり、実施例３は、実施例１と比較すると断熱材を備えないため、熱媒体の熱が放射されてしまうためであると考えられた。以上より、選択波長反射材１０５、断熱材１０８を備えることが特に好ましいことが分かった。

［実施例４］
以下に、コアシェル構造半導体微粒子蛍光体を用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、蛍光体としてコアシェル構造を有する半導体微粒子を用いた以外は、全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

本実施例において、蛍光体１０３には、コアシェル構造を有するＩｎＡｓ／ＺｎＳ半導体微粒子を用いた。当該半導体微粒子は、粒子径７．２ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子の表面を、厚さ２．５ｎｍのＺｎＳシェルで覆った構造を有していた。本実施例で用いたＩｎＡｓ／ＺｎＳ半導体微粒子の発光特性は、ピーク波長が２．９μｍであることを確認した。

上記の構造を有する太陽熱集光装置に、実施例１と同じ条件で太陽光を照射したところ、熱媒体が５１℃まで昇温することを確認した。

［実施例５］
以下に、ＰｂＳ半導体微粒子蛍光体を用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、蛍光体として、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体微粒子を用いた以外は、全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

本実施例において、蛍光体１０３には、粒子径１２．５ｎｍのＰｂＳ半導体微粒子を用いた。本実施例で用いたＰｂＳ半導体微粒子の発光特性は、ピーク波長が２．９μｍであることを確認した。

上記の構造を有する太陽熱集光装置に、実施例１と同じ条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４２℃まで昇温することを確認した。

本実施例は、比較例１と比較すると熱媒体１０７の昇温の度合いは高かったが、実施例１ほど熱媒体１０７の昇温は見られなかった。つまり、本発明においては、蛍光体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体微粒子であることがより好ましいことが分かった。

［実施例６］
以下に、希土類賦活蛍光体を用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例におおいては、蛍光体として、希土類賦活半導体を用いた以外は、全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

本実施例において、蛍光体１０３には、ＮａＮｄ（ＷＯ₄）₂蛍光体を用いた。本発明で用いたＮａＮｄ（ＷＯ₄）₂蛍光体の発光特性は、ピーク波長が１．０６μｍであることを確認した。

上記の構造を有する太陽熱集光装置に、実施例１と同じ条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が３６℃まで昇温することを確認した。

本実施例は、比較例１と比較すると熱媒体１０７の昇温の度合いは高かったが、実施例１ほど熱媒体１０７の昇温は見られなかった。つまり、本発明においては、蛍光体は、半導体微粒子であることが、より好ましいことが分かった。

［実施例７］
以下、図３および図４を参照して説明する。本実施例においては、図３および図４に示す構造を有する太陽熱集熱装置４００を作製した。

本実施例においては、波長変換部４０１および蓄熱部４０２の材料については、実施例１と同様のものを用いた。

しかし、本実施例においては、蓄熱部４０２が、波長変換部４０１に埋め込まれた構造とした。本実施例に示す構造にすると、実施例１に示す構造に比べて、蓄熱部４０２と波長変換部４０１の接する面積が大きくなるため、より効率よく蛍光体４０３の発光を熱媒体４０７に吸収させることができた。

上記の構造を有する太陽熱集光装置に、実施例１と同じ条件で太陽光を照射したところ、熱媒体４０７が５２℃まで昇温することを確認した。

［実施例８］
以下に、蛍光体分散溶液からなる波長変換部を有する、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、波長変換部において、光透過性材料１０４にヘキサン溶液を用いたことと、粒子径７．２ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子の表面に、トリオクチルホスフィンオキシド（ＴＯＰＯ）有機分子を結合させてなる蛍光体１０３を用いたことを除いては、全て実施例１と同様にした。蛍光体１０３は、表面にＴＯＰＯ有機分子を結合させていることで、ヘキサン溶液中に均一に分散させることができた。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４７℃まで昇温することを確認した。また、波長変換部１０１から半導体微粒子が分散したヘキサン溶媒を抜き取り、異なる半導体微粒子の分散した溶媒を注入することで、該太陽熱集熱装置を分解することなく、蛍光体１０３および光透過性材料１０４の交換が可能であることを確認した。

［実施例９］
以下に、蛍光体を蓄熱部に分散させた、太陽熱集熱装置について説明する。図５に、本実施例９における、太陽熱集熱装置の模式図を示す。

本実施例において、蛍光体６０３に、粒子径７．２ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子蛍光体を用いた。また、熱媒体６０２には、水を用いた。また実施例１と同様の方法を用いて、波長選択反射材６０４、反射材６０５を備えた太陽熱集熱装置を作製した。

なお、断熱材６０６は、内部を真空にした第２透光性容器を用いた。当該断熱材６０６は、熱媒体６０２の全面を覆うように配置した。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体６０２が３６℃まで昇温することを確認した。

本実施例は、比較例１と比較すると熱媒体６０２の昇温の度合いは高かったが、実施例１ほど熱媒体６０２の昇温は見られなかった。しかし、本実施例においては、簡便な構造で太陽熱集熱装置を構成できる点で好ましいことが分かった。

［実施例１０］
以下に、ＩｎＳｂ半導体微粒子蛍光体を用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、蛍光体１０３に粒子径４．３ｎｍのＩｎＳｂ半導体微粒子蛍光体を用いた以外は全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

なお、本実施例で用いたＩｎＳｂ半導体微粒子の蛍光特性は、ピーク波長が２．９μｍであることを確認した。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４８℃まで昇温することを確認した。

［実施例１１］
以下に、熱媒体としてエチレングリコールを用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、蛍光体１０３および熱媒体１０７の材料が実施例１とは異なるが、それ以外は全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

本実施例において、熱媒体１０７にエチレングリコールを用いた。蛍光体１０３には、粒子径７．８ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子を用いた。本実施例で用いたＩｎＡｓ半導体微粒子の蛍光特性は、ピーク波長が３．０μｍであることを確認した。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４８℃まで昇温することを確認した。また、気温−１０℃においても、当該太陽熱集熱装置の動作を確認した。

［実施例１２］
以下に、熱媒体としてポリプロピレングリコールを用いた、太陽熱集熱装置について説明する。本実施例においては、蛍光体１０３および熱媒体１０７の材料が実施例１とは異なるが、それ以外は全て実施例１と同様に製造した太陽熱集熱装置について検討した。

本実施例において、熱媒体１０７にポリプロピレングリコールを用いた。蛍光体１０３には、粒子径７．８ｎｍのＩｎＡｓ半導体微粒子を用いた。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体１０７が４７℃まで昇温することを確認した。また、気温−１０℃においても、当該太陽熱集熱装置の動作を確認した。

［実施例１３］
以下に、光伝送部を有する太陽熱集熱装置について説明する。本実施例１３における太陽熱集熱装置は、図７に示す構造を有する。

以下、図６を参照して説明する。本実施例においては、図６に示す構造を有する太陽熱集熱装置７００を作製した。

本発明における太陽熱集熱装置は、波長変換部７０１と、光伝送部７０２から構成される。波長変換部７０１は、蛍光体７０３、光透過性材料７０４、波長選択反射材７０５、反射材７０６からなり、実施例１と同様の材料を用いた。

本実施例においては、波長変換部７０１の光取り出し面に、集光部材７０７を接続した。集光部材７０７は、光ファイバーを複数本束ねた上で、片側を結合させた形状をしており、入射された光を集光する機能を有する。集光部材７０７には、光ファイバーからなる光伝送材７０８が接続され、光伝送材７０８に蓄熱部（図６では省略）に接続させることで、波長変換部７０１から空間的に離れた蓄熱部を加熱することができた。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体が３８℃まで昇温することを確認した。

本実施例は、比較例１と比較すると熱媒体７０７の昇温の度合いは高かったが、実施例１ほど熱媒体７０７の昇温は見られなかった。しかし、本実施例においては、該太陽熱集熱装置７００の設計に自由度が生まれる点で好ましいことが分かった。

［実施例１４］
以下、図７および図８を参照して説明する。本実施例においては、図７および図８に示す構造を有する太陽熱集熱装置８００を作製した。

本実施例において、波長変換部８０１は、蛍光体８０３を光透過性材料８０４に分散させ、円筒状に成型した後、波長選択反射材８０５で側面が覆われた構造を有するものとした。本実施例の蛍光体８０３、光透過性材料８０４、波長選択反射材８０５は、実施例１と同じ材料を使用した。また、当該波長変換部８０１の光出射面に、実施例１３と同様に、集光部材８０６、光伝送材８０７を介して蓄熱部（図７、８では省略）と接続した。光伝送材８０７により、波長変換部８０１から空間的に離れた蓄熱部を加熱することができる。

上記の構造を有する太陽熱集熱装置において、実施例１と同一の条件で太陽光を照射したところ、熱媒体が４１℃まで昇温することを確認した。

本実施例は、実施例１３と比較すると熱媒体８０７の昇温の度合いは高いことを確認した。このことより、波長変換部と光伝送部との接続損失を減らし、効率よく蓄熱部に光を伝送するためには、波長選択反射材は円筒形状が好ましいことを確認した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における太陽熱集熱装置は、太陽光エネルギーを効率よく熱エネルギーに変換することができる。かかる太陽熱集熱装置は、太陽熱発電装置や太陽熱温水器に好適に利用される。それ以外にも、太陽光による熱媒体の加熱に利用することができ、例えば床暖房など暖房機器などにも利用できる。

本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。 図１における当該太陽熱集熱装置のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。 図３における当該太陽熱集熱装置のＩＶ−ＩＶ線に沿った模式的な断面図である。 本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。 本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。 本発明における一実施形態の太陽熱集熱装置の模式的な斜視図である。 図７における当該太陽熱集熱装置のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 従来の平面型集熱装置の構造の一形態を示す斜視図である。

符号の説明

１００，４００，６００，７００，８００ 太陽熱集熱装置、１０１，３０１，４０１，６０１，７０１，８０１ 波長変換部、１０２，４０２ 波長変換部、７０２，８０２ 光伝送部、１０５，４０５，６０４，７０５ 波長選択反射材、１０３，４０３，６０３，７０３ 蛍光体、１０４，４０４，７０４ 光透過性材料、１０６，４０６，６０５，７０６ 反射材、１０７，３０２，４０７，６０２ 熱媒体、１０８，４０８ 断熱材、３０５ ガラス板、３０３ 集熱板、３０４ ケーシング、７０７，８０６ 集光部材、７０８，８０７ 光伝送材。

Claims (14)

1. 太陽光エネルギーを利用する太陽熱集熱装置であって、
   前記太陽光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光に変換する波長変換部と、
   前記波長変換部から発せられる光を吸収して発熱する蓄熱部とを備える、太陽熱集熱装置。
2. 前記波長変換部が、蛍光体を含有する、請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
3. 前記蛍光体が、半導体微粒子である、請求項２に記載の太陽熱集熱装置。
4. 前記半導体微粒子が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなる、請求項３に記載の太陽熱集熱装置。
5. 前記半導体微粒子が、コア／シェル構造を有する、請求項３または４に記載の太陽熱集熱装置。
6. 前記蛍光体が、赤外波長の蛍光を発する、請求項２〜５いずれかに記載の太陽熱集熱装置。
7. 前記蛍光体が、溶液中に分散されている、請求項２〜６のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
8. 前記蛍光体が、光透過性材料に被膜されてなる、請求項２〜７のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
9. 前記波長変換部の少なくとも一部が、波長選択反射材で覆われてなる、請求項１〜８のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
10. 前記蓄熱部は、熱媒体を備え、
    前記熱媒体が、水である、請求項１〜９のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
11. 前記蓄熱部は、熱媒体を備え、
    前記熱媒体が、エチレングリコール、ポリプロピレングリコールのいずれかである、請求項１〜９のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
12. 前記蓄熱部は、熱媒体と断熱材とを備え、
    前記熱媒体は、少なくとも一部が断熱材に覆われてなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
13. 前記波長変換部と前記蓄熱部とが、空間的に離れている、請求項１〜１２のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
14. 前記波長変換部から発せられる光が、光伝送部を通じて、蓄熱部に照射される、請求項１３に記載の太陽熱集熱装置。

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