JP2011027268A - 高効率太陽光追尾集熱装置、淡水化装置、発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を用いて媒質または液体を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。太陽光を安価に追尾し、太陽光追尾と温水加熱器、温水貯蔵装置が一体となったもので、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。本願発明による装置では、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可能であり、この温水を用いた発電も可能となる。
【解決手段】太陽光の日周および年周運動にあわせて追尾集光する装置と、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、小面積の開口部によって輻射・対流損失が大きく低減され、集熱装置そのものが蓄熱装置となっており、長時間に亘る温水保存を可能とする装置である。
【選択図】図５

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、高温媒体を製造し、発電や純水製造を行うことを可能とする装置である。

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。

これに対して、本願発明者は、特願2008-120538として、小さな開口部を持つ断熱壁に封入された媒質を効率よく加熱する装置を考案した。しかしながら、太陽の入射が大きく傾いているときは、レンズに斜め方向から太陽光が入射するため、単位面積あたりに入射する太陽光の量が小さくなると同時に、焦点距離が異なるため、開口部を焦点にできないという欠点があった。この方法をより効率的に行うには、斜めから入射する太陽光をも効率よく集光する必要がある。

特許出願２００７−１３８２１ 特許出願２００８−８７６１ 特許出願２０００−２０９７１４ 特許出願２００８−１２０５３８

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。

また、高温の温水を長時間貯蔵することができれば、現在、太陽電池のみに頼っている太陽光利用発電に代わって、温水利用の温度差発電を可能とし、安価で、高効率の発電が可能となる。

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。

(１) 太陽光を追尾する装置と、(２) 集光した太陽光を開口部を通して過させ、高温媒体を作る加熱部を持つことを特徴とする。

前記追尾には、太陽の日周運動および年周運動にあわせてレンズを移動させることができる駆動部を備える。

前記日周運動の追尾には、円形の回転部分を備え、これにフレネルレンズを固定し、ベルト等によって回転を与えることによってレンズを回転させ、回転によって焦点が移動しないように設定される。

年周運動に対しては、装置全体の傾きによって追尾する機能を備える。

前記年周運動の追尾に際して、集熱装置底辺を円筒にすることによって円筒軸周りの回転を容易にし、この回転によって追尾を行うことを特徴とする。

フレネルレンズで集光された太陽光を通過させる小さな開口部を持ち、それ以外の部分は、熱が逃げないように断熱壁となっており、内部に封入された媒質を効率よく高温にし、長時間貯蔵することを可能とする。

高温となった温水を、断熱壁によって貯蔵し、太陽光を２４時間貯蔵することを可能とする。

当該集熱装置を用いて生成した高温温水を、加熱源として淡水化装置および冷房装置、発電装置を駆動する複合太陽熱利用装置が可能となる。

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では本出願人による既出願の集熱装置の模式図を示す。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。しかし、このようにレンズも開口部も固定された系の場合、太陽光が地平線の方向へ傾くにつれて、レンズ内に入る太陽光の量が少なくなってくる。

図２は、これを解決する手段の原理図である。フレネルレンズを、両側のアームに固定する。アームは、集光点を軸とする円周を描く。この円周上を動くことによって、フレネルレンズは、焦点と太陽とを結ぶ線に垂直に運動することになる。このアームは、小さなモーターによって動くベルトや棒などによって回転させることができる。

図３は、このよう原理を利用した、太陽光追尾集熱装置の一つの形態を示す。多数の車輪が、一本のベルトによって回転されている。集熱装置は、断熱壁を持つ容器からなっており、これに、太陽光通過用の小さな開口部が設けられ、この穴を通して入射した太陽光は、箱の内部の水を高温に加熱する。

図４は、太陽光追尾集熱装置の別の形態を示す。多数のアームが、一本の棒によって結合され、棒の水平方向運動によって、回転を与えられるようになっている。

図５では、集熱器本体が円筒形をしており、この円筒形容器の軸方向に年周を調整する軸がついており、この軸の回転によって太陽高度を追尾することができる。円筒容器の側壁には、フレネルレンズを回転させるアームがついており、このアームに固定されたフレネルレンズが日周運動を追尾する。円筒容器の軸の回転とともに、アームと焦点位置を含めた部分が、一体となって動き、常に、太陽に対して焦点、フレネルレンズの法線とが一直線となるように、モーターの速度が調整される。

図６は、太陽光を追尾しながら、小さな穴の開いた断熱容器に太陽光を入射させた結果である。容器の大きさは、300ｘ450ｘ190ｍｍであり、内部には２リットルの水を入れた。フレネルレンズは、縦横５０ｃｍのアクリル製のものを用いた。約５時間で１００度の温水が得られている。
一方、上面がガラス張りで、レンズ集光をしない通常の方法では、６０度付近で、加熱が止まっている。このことより、本発明の有効性が示せた。

図６の実験では、通常の断熱材を用いたが、現在、断熱性能の最も高い松下電器製の真空断熱材は0.002W/mKの熱伝導特性があり、これを用いて計算すると、５０ｃｍ直径の円筒菅の半分に水が入っている場合に、１００度の温水が２４時間後には９７度にしか低下しないという結果を得た。これは、開口部が全体の装置に較べて無視できるほど小さいので、装置全体が断熱容器となっていると同じであるからである。このことから、本装置を用いれば２４時間、１００度近い温水が提供できることになり、この温水を用いた発電も可能であり、淡水化装置も太陽のない夜間でもこの温水で稼動できることを示している。

図６の実験で用いたフレネルレンズを最適化し、断熱性能の高い容器を用いれば、太陽光の８０％を温水として使用できる。この１００度の温水を熱源として、アンモニアなどの低温で蒸発する作動流体を用いるランキン・サイクルによる発電装置を用いて、太陽光を利用した発電が可能となる。試算によれば、１００度近傍で、ランキン・サイクル発電での発電効率が１０％程度となる。太陽光からの温水利用効率を総合しても８％は可能となることが分かった。また、温水を蓄えることによって昼夜とも発電が可能であり、太陽電池をはるかに凌ぐ太陽発電機が実現できることが分かった。

上記の実施例からも明らかなように、本発明によれば、効率良く高熱の温水を作ることができるので、淡水装置への高温の温水入力が可能となると同時に、１００度近い温水の２４時間利用により、カリーナサイクルなどのアンモニア蒸発によるタービン発電機にも応用でき、太陽電池を凌ぐ発電効率も可能となるであろう。

本出願人による既出願集熱装置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。 請求項３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５の実施形態を示す太陽光集熱装置の概略図である。 当該装置を用いて水に太陽光を集熱したときの時間に対する温度特性である。

符号の説明

１．開口部
２．断熱貯水槽
３．光吸収体
４．アーム
５．窓ガラス
６. 被加熱物 （水）
７．フレネルレンズ
８．車輪
９．モーター
１０．断熱容器
１１．ベルト
１２．円筒型断熱貯水槽
１３．日周運動調整軸
１４．年周運動調整軸
１５．太陽光通過窓

Claims (8)

1. (a) 太陽光を追尾する装置と、(b) 集光した太陽光を開口部を通して過させ、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. 前記追尾には、太陽の日周運動および年周運動にあわせてレンズを移動させることができる駆動部を備える高効率太陽光集熱装置。
3. 前記日周運動の追尾には、円周方向への回転部分を備え、これにフレネルレンズを固定し、ベルト等によって回転を与えることによってレンズを回転させ、回転によって焦点が移動しないように設定された追尾装置。
4. 年周運動に対しては、装置全体の傾きによって追尾する機能を備えた追尾装置。
5. 前記年周運動の追尾に際して、集熱装置底辺を円筒にすることによって円筒軸周りの回転を容易にし、この回転によって追尾を行うことを特徴とする追尾装置。
6. フレネルレンズで集光された太陽光を通過させる小さな開口部を持ち、それ以外の部分は、熱が逃げないように断熱壁となっており、内部に封入された媒質を効率よく高温にし、かつ長時間貯蔵することを可能とする高効率太陽光集熱装置。
7. 高温となった温水を、断熱壁によって貯蔵し、太陽光を２４時間貯蔵することを可能とする高効率太陽光集熱装置。
8. 前記、高温温水を、加熱源として淡水化装置および冷房装置、発電装置を駆動する複合太陽熱利用装置。