JP2011027267A - 高効率太陽光集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を用いて媒質または液体を効率よく高温とすることができる高効率で安価な集熱装置を提供する。入射する太陽光は出来るだけ多く取り込むことができる一方、輻射や対流による損失を出来るだけ少なくすることにより、従来では実現が不可能であった高温を作ることができる。太陽熱利用温水器の効率を大幅に上昇させるだけでなく、淡水や浄水を製造する際に用いられる蒸発法においても、安価に熱損失を大幅に低減して必要な高温を達成することが出来る。
【解決手段】太陽光を集光する装置と、集光した太陽光を通過させる開口部と、集光した太陽光を再び広げてこれを吸収し高温媒体を作る加熱部を持つ太陽光集熱装置であって、大面積で受光した太陽光を、小面積の開口部を通して内部の液体を加熱させ、開口面積に比例する輻射損失、対流損失を太陽入射エネルギーの１０分の一以下に低減できる集熱装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽光を効率よく吸収し、輻射や対流などの損失を抑えることによって高熱の媒体を生成することができ、家庭や農業、産業用の温水、高温媒体を製造できる装置である。

地球温暖化が問題となっている現在、電気を使用しない再生可能エネルギーを模索する研究が多く行われている。特に太陽の無尽蔵なエネルギーを如何に使用するかは今後ますます重要となる問題である。その中で、太陽光を利用した温水器、淡水化装置などは最も実現の急がれる課題である。本願発明者は、太陽光を利用した蒸発装置および淡水化装置を考案し、既に特願2007-13821、特願2008-8761として特許出願している。

一般に、太陽から温水を得る方法としては、透明なガラスまたはプラスティックを通して太陽光を導入し、これを吸収体に当て加熱することにより、高温の媒体を製造することが行われている。しかし、高温部からの輻射や対流による損失は、温度が高くなるにつれ非常に大きくなる。このために、太陽光で効率よく到達できる温度に制限が出てきていた。

太陽光で直接水を加熱すると、水蒸気が発生して窓ガラスが曇り、これによる光の散乱により太陽光が媒体に入射できず加熱が妨げられるので、水は鋼製の管の中に封入され、太陽熱はこの管の外から間接的に水を加熱せざるを得なかった。（特許文献３）

蒸気を防ぐために容器内部を水で満たすと、高温時に高圧が発生し容器が破損したり、汚物や塩分が窓ガラスに付着し光を遮ったりすることが問題であった。

海水の淡水化の場合には、貝などの卵が海水と共に装置内に取り込まれ、装置内で成貝に成長し大きくなり、装置を覆ってしまうという問題があった

太陽加熱淡水化装置の場合、高温が実現すればそれにつれて効率が上昇する。しかし、温度の上昇によって損失も増大するため、最適な温度が比較的低温となる。そのため、蒸発を促進するために、真空装置が必要となり、装置も高価になっている。

家庭用や業務用の温水器も、このような損失を防ぐために、吸熱部に色々な処置を施したり、配管中に水を通しつつ加熱したりなどの技術が必要であり、装置が高価となっていた。
特許出願２００７−１３８２１ 特許出願２００８−８７６１ 特許出願２０００−２０９７１４

２０２５年までには３０億人分の水が不足するといわれているが、このために逆浸透膜による淡水化を行うとすると、９兆キロワット時の電力を必要とする。これは、２００２年の世界全体の電力使用量１６兆キロワット時の５０％以上である。そのため、太陽光を使用した淡水化装置が待たれているが、効率と価格の面で、実用化が困難であった。

本発明は、太陽光を用いて媒質または液体を効率よく高温とすることを目的としている。入射する太陽光は出来るだけ多く、損失を出来るだけ少なくすることによって、蒸発法による淡水化の際に、高効率に蒸発させるために必要な高温を、安価に熱損失を大幅に低減して達成することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、高効率太陽光集熱装置を考案した。本装置は(１) 太陽光を集光する装置と、(２) 集光した太陽光を通過させる開口部と、(３) 集光した太陽光を再び広げてこれを吸収し高温媒体を作る加熱部を持つことを特徴とする。

前記集光には、レンズや鏡を用い、太陽の日周運動に伴って変化する集光部の動きに対応することができる開口部を備える。

前記開口部は、高熱を作るために太陽光のエネルギーを効率よく閉空間に導入することができる一方、内部の加熱された媒質からの輻射や対流損失を抑えることができる小さな開口を持つ。

前記開口部は、高温となった液面からの蒸発によって曇る可能性のある透明板が液体に水没した構造となっており、蒸気に触れない構造を持つことを特徴とする。

前記水没した開口部に、水中の汚物や塩分が付着し太陽入射を遮るとき、太陽光を収束させ、この付着物を融解させることができる程度の高い光強度を実現する集光部とこれに適合した大きさを持った開口部を備える。

前記開口部を水没させない場合には、窓材を使用せず、単なる空孔にすぎない開口部が損失を十分に防げる大きさを持つ。

前記開口部を出来る限り小さくするために、湾曲したレンズや鏡等を備えることが可能な構造を有する。

前記レンズは、装置の高さを最小限に留めるために、多数の小さいレンズや鏡などの集光器からなっていてもよく、それぞれの小さな集光器について、同様の太陽光に追随する開口部を持つことを特徴とする。

殺菌および生物の卵の孵化を防ぐために十分な高温を発生させることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。上述した課題を解決する本発明について図を用いて説明するが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではない。まず、図１では従来の集熱装置の模式図を示す。箱２の上部から透明板１を通して太陽光が入射する。 太陽光は内部の吸収体３に吸収され、これを高温にする。しかし、温度が上昇するにつれて輻射や対流による熱損失が大きくなるが、その損失は上部の透明板からがほとんどである。たとえば、輻射損失は温度の４乗に比例するので、この損失の増加率は非常に大きい。従って、ある温度以上になると入射した熱はそのまま損失となり、温度を上昇させることが出来なくなってくる。

図２は、これを解決する手段の原理図である。太陽光を、レンズや鏡で集光し、箱２の上部の小さな開口部５を通して、箱の中に導入する。開口部を通過した太陽光は箱の内部で再び広がり、内部の吸収体３を加熱する。内部は高温になるが輻射損失は開口面積に比例するため、開口部が小さければ小さいほど少なくなる。

図３は、このよう原理を利用した、集熱装置の一つの形態を示す。箱２の上部に支柱によって支えられたフレネルレンズ７を配置している。このフレネルレンズ７は、箱の上面の開口部を焦点としており、ここで太陽光を小さく絞っている。焦点を通過した後は、光は再び広がって箱の内部を加熱する。

図４は、太陽の日周運動を考慮した配置である。太陽が西から東へ動く際にはフレネルレンズに光が斜めに照射され、その焦点位置は太陽と反対側に動く。一日の中でこのような動きは直線状であるので、箱の上部には図のようなスリット８を置き、日周運動につれて動く焦点がこのスリット内を動くように設計する。
太陽受光面とスリット開口面の面積比を１０倍以上にすることは容易であり、これにより損失を１０分の１以下にすることができる。

図５では、焦点位置が動かないように、フレネルレンズ自身を湾曲させ、いつも焦点が同じ位置に来るように設計した例である。この方式は魚眼レンズ９と類似しており、フレネルレンズを魚眼レンズ仕様に設計することが可能である。また、レンズは水を用いたレンズも使用することができる。

装置の高さを制限するためと、装置を安価に製作するため、図６のように、小さな集光装置を並列に置き、それぞれの装置に太陽光の運動を予測したスリット状の開口部を設けている。

これ以外にも、図７のように反射板を設けて光を曲げることもできるが、こうした種々の変形も考えることができる。

液体を加熱する際には、蒸気が発生し、これが開口部の透明板に付着し、入射太陽光を散乱させる。図８はこれを防ぐ装置の一例である。開口部を図のように水没させることにより、蒸気付着を防ぐことができる。従来技術では、窓を水没させるとこれに塩分や汚物が付着して、光の入射を困難とするが、本技術のように光を集光して強度を上げれば付着物を溶かして取り除くことが可能となる。例えば、塩分の場合、８００度Ｃ以上で融解するので、窓ガラスを軟化点が１６５０度Ｃの石英ガラスを使用すれば、窓ガラスを溶かすことなく塩分を除去できる。

図９は、温度に対する輻射、対流損失の増加の計算結果を示す。我が国の太陽光は最高１キロワット/m2であるが、晴天時でもこの半分となることが多い。従って、輻射損失は９０度Ｃ付近でほぼ太陽光と同程度になる。輻射損失は、放射面積に比例しているので、開口部の面積を太陽光入射面積よりも小さくすることによって、この損失を減らすことができる。図には、１キロワットの太陽光が入射したときに、輻射損失を差し引いた入力で、１０度昇温できる水量を示す。開口部が入射面と同じ面積の場合には、９０度を超す水は全く作れないことがわかる。一方、１０分の一の開口面積にすれば、どの温度領域でも同様の温水量を確保できることが示された。

上記の実施例からも明らかなように、本発明によれば、従来の方法では、４０度の温水でも太陽光の５０％の効率しか利用できず、高温では効率が大きく減少していたところを、１００度近い高温でも効率が１００％に近い集熱器を提供できるため、太陽光利用温水器に利用される他、太陽熱利用蒸気発電、太陽熱利用淡水化装置など、非常に幅広い応用が期待される。

従来の実施形態を示す太陽光集熱器の概略図である。 請求項１の実施形態を示す太陽光集熱装置の概略図である。 請求項２の実施形態を示す太陽光集熱装置の概略図である。 太陽の日周運動に備えた太陽光集熱装置の概略図である。 請求項７の実施形態を示す焦点固定用魚眼型フレネルレンズを用いた太陽光集熱装置の概略図である。 請求項８の実施形態を示すアレイ状フレネルレンズ配置型太陽光集熱装置の概略図である。 反射型太陽光集熱装置の概略図である。 請求項４の実施形態を示す太陽光集熱装置の概略図である。 温度に対する輻射熱損失を示す。

符号の説明

１．透明板
２．断熱貯水槽
３．光吸収体
４．被加熱物（水）
５．開口部
６. 遮光板
７．レンズ
８．スリット
９．魚眼型フレネルレンズ
１０．アレイ状フレネルレンズ
１１．斜光型フレネルレンズ
１２．反射鏡
１３．窓型ピンホール
１４．窓ガラス

Claims (9)

1. (a) 太陽光を集光する装置と、(b) 集光した太陽光を通過させる開口部と、(c) 集光した太陽光を再び広げてこれを吸収し高温媒体を作る加熱部を持つことを特徴とする高効率太陽光集熱装置。
2. 前記集光には、レンズや鏡を用い、太陽の日周運動に伴って変化する集光部の動きに対応することができる開口部を備える高効率太陽光集熱装置。
3. 前記開口部は、高熱を作るために太陽光のエネルギーを効率よく閉空間に導入することができる一方、内部の加熱された媒質からの輻射や対流損失を抑えることができる小さな開口を持った高効率太陽光集熱装置。
4. 前記開口部は、高温となった液面からの蒸発によって曇る可能性のある透明板が液体に水没した構造となっており、蒸気に触れない構造を持つことを特徴とする高効率太陽光集熱装置。
5. 前記水没した開口部に、水中の汚物や塩分が付着し太陽入射を遮るとき、太陽光を収束させ、この付着物を融解させることができる程度の高い光強度を実現する集光部とこれに適合した大きさを持った開口部を備える高効率太陽光集熱装置。
6. 前記開口部を水没させない場合には、窓材を使用せず、単なる空孔にすぎない開口部が損失を十分に防げる大きさを持つ高効率太陽光集熱装置。
7. 前記開口部を出来る限り小さくするために、湾曲したレンズや鏡等を備えることが可能な構造を有する高効率太陽光集熱装置。
8. 前記レンズは、装置の高さを最小限に留めるために、多数の小さいレンズや鏡などの集光器からなっていてもよく、それぞれの小さな集光器について、同様の太陽光に追随する開口部を持つことを特徴とする高効率太陽光集熱装置。
9. 殺菌および生物の卵の孵化を防ぐために十分な高温を発生させることができる高効率太陽光集熱装置。