JP2011089741A - 集光太陽光集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 集光太陽光を受光する部分の耐熱性の問題と放熱ロスを防止する。
【解決手段】 断熱層を備えた水槽１の側壁部１ａに、光入射部３を設けて、太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる集光太陽光８を光入射部３を通して入射できるようにする。光入射部３の内側に、複数の金属細線を備えた受光部９を、水槽１に貯留する水２に没するように設ける。光入射部３より入射する集光太陽光８のうち、赤外域の光は水槽１内の光入射部３と受光部９との間に存在する水２の層により吸収させて水中で熱エネルギーに変換させ、可視域と近赤外域の光は、受光部９の金属細線で多重散乱させる過程で吸収して熱エネルギーに変換し、その熱を金属細線の外周面の全面より水２に熱伝達させると共に、近赤外域の光の一部は金属細線で多重散乱する過程で通過する水２に吸収させて水中で熱エネルギーに変換させることで、水２の加熱を行わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光集光装置により集光された太陽光を熱エネルギーに変換して水等の流体を加熱するために用いる集光太陽光集熱装置に関するものである。

環境に負荷を与えることのないクリーンなエネルギーとして太陽エネルギーがあり、該太陽エネルギーの利用形態の１つとして、太陽光を熱エネルギーに変換して利用する太陽熱利用が知られている。

この種の太陽熱利用を実施する装置としては、たとえば、トラフ状をなす長形のパラボラ反射鏡の焦点を連ねた焦点軸上に、内部を真空にした透明二重壁となる管壁を備えた集熱管を設け、該集熱管内に、水等の受熱用の流体を往復流動させるためのＵ字管を設けてなる構成とし、更に、上記パラボラ反射鏡をその焦点軸を中心に回転させて太陽を追尾できるようにした太陽熱ボイラーが従来提案されている。

かかる太陽熱ボイラーによれば、太陽を追尾する長形トラフ状のパラボラ反射鏡により太陽光線が集熱管に向けて集められるようになるため、該集熱管にて、水等の受熱用の流体を、Ｕ字管内を往復流動する間に集熱管に加えられる太陽熱により加熱して蒸気とすることができ、この際、集熱管の管壁を内部を真空にした透明な二重壁としてあることで、捉えた熱を外部へ逃がさない断熱性を持たせる構造とすることができるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、上記太陽熱利用における温水や蒸気を発生させるための受熱用の流体として広く一般的に用いられている水は、赤外域の光（中赤外線から遠赤外線）の吸収性は高い一方、太陽光のエネルギーが集中する可視域から近赤外域にかけて光（可視光と近赤外線）の吸収性に乏しいため、水に直接太陽光を照射させても、太陽光の熱エネルギーへの変換能力を十分に得ることはできない。

そのために、従来の太陽光を熱エネルギーに変換して集熱するための集熱装置では、太陽光スペクトルに応じた選択吸収特性を有する選択吸収塗料を、受熱用の流体としての水を流通させる容器の表面に塗布してなる構成として、照射される太陽光を該容器表面に塗布された選択吸収塗料で効率よく熱エネルギーに変換し、その熱を上記容器内を流通させる水に伝えて該水の加熱を行わせるようにする手法が広く一般的に採用されている。

特開２００１−２０１１８７号公報

ところが、上記特許文献１に記載されたものでは、パラボラ反射鏡で集光した太陽光を、透明な集熱管内に設けたＵ字管内を流動させる受熱用の流体に単に照射するようにしてあるため、この受熱用の流体が水である場合は、可視域から近赤外域の太陽光のエネルギーの吸収性が乏しいことに起因して、その利用効率が低いという問題がある。

又、太陽光より変換された熱エネルギーにより加熱された系より、一旦吸収されたエネルギーが遠赤外線として外部へ放射されるのを防ぐようにはなっていない。

なお、たとえば、上記水を流通させる容器であるＵ字管の表面に選択吸収塗料を塗布する手法を適用すれば、太陽光に含まれる可視域から近赤外域や赤外域までの波長の光を有効に熱エネルギーに変換して、該Ｕ字管の内部を流動する水の加熱に利用することができるようになると考えられる。しかし、上記特許文献１に示されたものでは、長形トラフ状のパラボラ反射鏡を用いているため、太陽光の集光を２次元集光（線集光）でしか行うことができないと共に、上記長形トラフ状のパラボラ反射鏡の寸法が最大でも１ｍ×２ｍであるため、該長形トラフ状のパラボラ反射鏡により太陽光の集光を行っても、あまり光束密度を高めることができないというのが実状である。よって、太陽光より得る熱エネルギーをあまり大きくすることはできないため、発生可能な蒸気量も少ないものでしかない。

そこで、本発明者は、たとえば、ヘリオスタット等の広い面積に設置されたミラー群を用いてより大規模な集光を行う形式の太陽光集光装置によって３次元集光（点集光）された太陽光を用いて、所要の容器内に貯留した水等の受熱用の流体を加熱することで、上記太陽光を利用してより大きな熱エネルギーを回収できるようにすることを考えている。

しかし、上記広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置により３次元集光された太陽光のように光束密度の大きな光を用いて所要の容器内に貯留した水等の受熱用の流体の加熱を行う場合、容器の表面に選択吸収塗料を塗布した構成を適用すると、以下のような問題が生じることが予測される。

すなわち、容器の表面に選択吸収塗料を塗布した場合、太陽光の熱エネルギーへの変換が主として行われるのは、上記選択吸収塗料が塗布してある容器表面となる。

太陽の直進光及び拡散光や、２次元集光程度の光束密度の低い光が照射される場合であれば、選択吸収塗料が塗布してある容器表面で太陽光の熱エネルギーへの変換を行う際に容器表面の温度が過剰に高くなることはなく、よって、該容器内部の流体の加熱を比較的効率よく行うことが可能になる。しかし、上記広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置により３次元集光された太陽光の如き光束密度の大きな光を選択吸収塗料が塗布してある容器表面に照射すると、該３次元集光された太陽光を吸収する選択吸収塗料が設けてある容器表面の温度が顕著に上昇するため、耐熱性の問題が生じる虞が懸念される。更に、この温度が顕著に上昇した容器表面から外部への熱放射による放熱ロスが大きくなる虞も懸念される。

しかも、温度上昇する容器自体より該容器内部の流体への熱伝達は、該流体に接している容器壁の内面のみ、すなわち、容器壁の有する内外両面の全表面積の１／２の面積のみからしか行われないため、熱伝達面積が小さくて、上記流体の加熱効率が低いという問題もある。

なお、従来用いられている上記選択吸収塗料は、太陽光スペクトルに応じた選択吸収特性を得るための特殊な成分を配合してあることに起因して、水に対する耐性があまり高いものではないことから、上記選択吸収塗料を水等の受熱用の液体と直接接触する個所に適用する考えは提案されておらず、よって、受熱用の液体が直接接触する個所で太陽光の熱エネルギーへの変換を行わせる考えは従来特に提案されていない。

そこで、本発明は、広い面積に設置されたミラー群を用いた形式等の所要の太陽光集光装置により太陽光を集光してなる高い光束密度の集光太陽光を、熱エネルギーに変換して水等の受熱用の流体を高効率で加熱することができ、且つ外部への熱放射による放熱ロスを抑えることができる集光太陽光集熱装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、外側に断熱層を備えてなる流体貯留容器に、窓材を嵌めた光入射部を設けて、外部の太陽光集光装置により太陽光を集光してなる集光太陽光を、上記光入射部を通して上記流体貯留容器内に入射できるようにし、且つ上記流体貯留容器内における上記光入射部の内側に、上記集光太陽光を受光して熱エネルギーに変換させるための受光部を、流体貯留容器に貯留する受熱用流体に没するように設けてなる構成とする。

又、上記構成において、受熱用流体を水とし、且つ受光部を、太陽光スペクトルにおける可視域と近赤外域の光を受光して熱エネルギーに変換できる機能を有するものとした構成とする。

更に、上記構成における受光部を、フレームに線を複数取り付けてなり且つ該複数の線により光を多重散乱させることができるものとした構成とする。

更に又、上記構成において、フレームに、上下方向に配置した線を複数取り付けるようにした構成とする。

上述の各構成において、受光部における少なくとも流体貯留容器の光入射部に面する個所に、耐水性の黒色塗料を塗布するようにした構成とする。

更に、上述の構成における受光部を、フレームに多孔質体を保持させてなるものとした構成とする。

本発明の集光太陽光集熱装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）外側に断熱層を備えてなる流体貯留容器に、窓材を嵌めた光入射部を設けて、外部の太陽光集光装置により太陽光を集光してなる集光太陽光を、上記光入射部を通して上記流体貯留容器内に入射できるようにし、且つ上記流体貯留容器内における上記光入射部の内側に、上記集光太陽光を受光して熱エネルギーに変換させるための受光部を、流体貯留容器に貯留する受熱用流体に没するように設けてなる構成としてあるので、太陽光集光装置により集光して流体貯留容器の光入射部より入射させる集光太陽光を、受光部で受光させて熱エネルギーに変換させることができ、この際、加熱される受光部は受熱用流体に没するようにしてあることから、該受光部の全表面積のほとんどの部分を熱の伝達面として周囲に存在する受熱用流体に熱を伝えることができ、よって、熱の有効伝熱面積を大きく取ることができると共に、加熱された受光部より外部への熱放射による放熱ロスを防止できる。以上により、上記太陽光集光装置により太陽光を集光してなる集光太陽光を用いて流体貯留槽内の受熱用流体を高効率で加熱することができる。
（２）しかも、上記加熱される受光部は、周囲に存在する受熱用流体に熱を伝えることで相対的に冷却されるため、該受光部が顕著に温度上昇する虞を未然に防止できて、該受光部の耐熱性の問題が生じる虞を抑制できる。
（３）受熱用流体を水とし、且つ受光部を、太陽光スペクトルにおける可視域と近赤外域の光を受光して熱エネルギーに変換できる機能を有するものとした構成とすることにより、太陽光集光装置で太陽光を集光してなる集光太陽光に含まれる赤外域の光は、流体貯留容器内の水で直接吸収して熱エネルギーに変換させることができる共に、可視域及び近赤外域の光は、受光部で熱エネルギーに変換できるため、太陽光スペクトルに準じて上記集光太陽光に含まれる可視域及び近赤外域及び赤外域の光を利用して熱エネルギーを得ることができ、よって、流体貯留槽内の水を効率よく加熱して蒸気や高温水を得ることができる。
（４）受光部を、フレームに線を複数取り付けてなり且つ該複数の線により光を多重散乱させることができるものとした構成とすることにより、受光部では、集光太陽光に含まれる可視域及び近赤外域の光を、多重散乱の過程で吸収して熱エネルギーに変換できると共に、近赤外域の光の一部は、多重散乱の過程で水に吸収させることで熱エネルギーに変換させることができる。しかも、受光部の熱容量を小さくして該受光部に耐熱性に関する問題が生じる虞を回避する効果を高めることができる。
（５）フレームに、上下方向に配置した線を複数取り付けるようにした構成とすることにより、集光太陽光より変換した熱エネルギーを利用して流体貯留容器内で水を沸騰させて蒸気を得る場合に、水の沸騰時に発生する気泡を受光部における上下方向の線に沿ってスムーズに上昇させることができるため、該受光部の線の周りに円滑な水の対流を生じさせることができて、流体貯留容器内全体の水の加熱を効率よく行うことが可能になる。
（６）受光部における少なくとも流体貯留容器の光入射部に面する個所に、耐水性の黒色塗料を塗布するようにした構成とすることにより、受光部で、集光太陽光に含まれる可視域及び近赤外域の光を効率よく吸収して熱エネルギーに変換することができ、その熱を受光部の周囲に存在する水に熱伝達することで、流体貯留容器内の水を効率よく加熱することができる。
（７）受光部を、フレームに多孔質体を保持させてなるものとした構成とすることにより、上記（４）と同様の効果を得ることができる。

本発明の集光太陽光集熱装置の実施の一形態を示す概略切断側面図である。 図１の装置の水槽部分の切断斜視図である。 図１の装置における受光部を拡大して示すもので、（イ）は概略正面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ方向矢視図である。 太陽光スペクトルに含まれる赤外域の光の水の層による吸収を説明するための図で、（イ）は石英ガラス製の窓材を通過した後のスペクトルの分析結果を、（ロ）は石英ガラス製窓材通過後の光を１ｃｍの水の層を通過させた後に得られるスペクトルの分析結果を、それぞれ示すものである。 本発明の実施の他の形態を示す概略切断側面図である。 図５の装置の水槽部分の切断斜視図である。 本発明の実施の更に他の形態を示す概略切断側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図４（イ）（ロ）は本発明の集光太陽光集熱装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。

すなわち、受熱用流体としての所要量の水２を貯留するための流体貯留容器としての水槽１の所要の１個所、たとえば、１つの側壁部１ａの下端寄り個所に、該側壁部１ａを内外方向に貫通する所要形状の開口部４に太陽光に対する高い透過性能（透過率）を有する材質製の窓材５、たとえば、ガラス製の窓材５を嵌めてなる構成の光入射部３を設けて、上記水槽１の外部に設けた広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６（図１では図示する便宜上、簡略化して示してある。後述する図５及び図７でも同様とする。）で太陽光７を３次元集光（点集光）してなる光束密度の高い光（強い光束の光、以下、集光太陽光と云う）８を、上記光入射部３を通して上記水槽１内へ入射させることができるようにする。

更に、上記水槽１の内底部における上記光入射部３の内側となる位置に、太陽光スペクトルにおける可視域及び近赤外域の光を熱エネルギーに変換させるための受光部９を、水槽１内に貯留する水２に没するように設置して、本発明の集光太陽光集熱装置を構成する。

詳述すると、上記水槽１は、側壁部１ａにおける上記光入射部３を除く部分の外側と、天井部１ｂ及び底板部１ｃの外側の全面に断熱層１０を設けてなる構成として、上記水槽１内で加熱される水２の熱が、該水槽１の側壁部１ａ、天井部１ｂ、底板部１ｃを介して外部へ熱放射される虞を防止して放熱ロスを抑制できるようにしてある。

上記受光部９は、たとえば、図３（イ）（ロ）に示すように、水平方向に配した２本の水平部材１１ａと上下方向に配した２本の垂直部材１１ｂとからなる所要大きさの矩形状のフレーム１１と、該フレーム１１の上下の水平部材１１ａの間に上下方向に張り渡した複数の線としての金属細線（ワイヤ）１２とからなる構成として、該複数の金属細線１２により光を多重散乱させることができるようにしてある。なお、上記フレーム１１と、金属細線１２とからなる受光部９の製造を容易に行うことができるようにするという観点からすると、たとえば、上記フレーム１１の上下の水平部材１１ａに、一連の長い金属細線１２を、該各水平部材１１ａの長手方向に少しずつ位置をずらしながら巻き付けて受光部９を構成してもよい。

上記受光部９は、上記水槽１の内底部における上記光入射部３より所要距離を隔てた内側となる個所に、該光入射部３より水槽１内に入射させる集光太陽光８の進行方向を横切る姿勢で、単数、又は、図１、図２に示すように、該光入射部３より水槽１内に入射させる集光太陽光８の進行方向に沿って所要間隔で複数基（図では３基）配列して、該各受光部９のフレーム１１の下端部を、水槽１の内底部に、図示しない所要の取付手段により取り付けて設置してある。

なお、上記受光部９における金属細線１２は、伝熱面積を拡大する、すなわち、水槽１内の水２との接触面積を拡大するという観点、及び、熱容量を小さくするという観点からすると、直径寸法を１００μｍ以下とすることが好ましい。又、上記金属細線１２は、水槽１内の水２に浸漬した状態で配置されるものであるため、腐食を防止するという観点からすると、耐食性の材質または耐食性処理がなされた材質製とすることが好ましい。

更に、上記光入射部３と該光入射部３に最も近接して配置される受光部９との間には、該光入射部３より入射する集光太陽光８を受光して熱エネルギーに変換することで加熱される受光部９の熱により光入射部３近傍の温度が顕著に上昇しないようにするための間隔を設けるようにすることが好ましい。これにより、上記光入射部３からの放熱ロスを低減できるようにしてある。しかも、太陽光７を１０倍集光してなる集光太陽光を光入射部３の窓材５として、たとえば、石英ガラス製の窓材５を通過させた後に得られる図４（イ）に示す如きスペクトルの分析結果と、上記窓材５を通過させた後の光を１ｃｍ（０．０１ｍ）の水の層を通過させた後に得られる図４（ロ）に示す如きスペクトルの分析結果との比較から明らかなように、上記光入射部３と該光入射部３に最も近接して配置される受光部９との間に１ｃｍ程度の水の層を形成させるようにすれば、上記窓材５を通過した後の集光太陽光８に含まれる赤外域の光を、上記光入射部３に最も近接して配置される受光部９に到達するまでに水にほとんど吸収させることができる。

上記水槽１の所要個所、たとえば、上記光入射部３と干渉しない側壁部１ａや底板部１ｃの所要個所には、水２を補給するための図示しない水補給ラインが接続してあり、且つ上記水槽１内に貯留する水２の水面レベルよりも上方となる所要個所、たとえば、天井部１ｂ又は側壁部１ａの上部の所要個所には、該水槽１内で水２が加熱されて沸騰することで生じる蒸気を外部へ取り出すための蒸気回収ラインが接続してあるものとする。

以上の構成としてある本発明の太陽熱利用装置を使用する場合は、水槽１に、水面が上記光入射部３の上端位置よりも上方に位置し、且つ受光部９が没水するように水２を予め貯留しておき、この状態で、上記広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光することで高い光束密度となる集光太陽光８を、光入射部３を通して水槽１内に入射させる。

これにより、上記光入射部３を通して水槽１内に入射された上記集光太陽光８は、該水槽１内の水２を通して光入射部３の内側に設けてある受光部９に達するまでの間に、該集光太陽光８に含まれていた赤外域の光のほとんどが、上記光入射部３と該光入射部３に下も近接して配置された受光部９との間に存在する水２の層で吸収されて、水中で直接熱エネルギーに変換されるようになるため、その熱による水槽１内の水２の加熱が行われる。

上記のようにして赤外域の光が水２により吸収された後に上記集光太陽光８に含まれていた可視域と近赤外域の光が受光部９に達すると、該受光部９に設けてある複数の金属細線１２により多重散乱の過程で吸収されて熱エネルギーへの変換が行われ、この熱によって高温に加熱される上記受光部９の金属細線１２より、その周りに存在する水２への熱伝達が行われることで、水槽１内の水２の加熱が行われる。

更に、上記受光部９に達した集光太陽光８の近赤外域の光の一部は、受光部９の複数の金属細線１２における表面反射による多重散乱の過程で水中を長距離進む間に水２による吸収が行われて水中で直接熱エネルギーへの変換が行われるようになることから、このことによっても水槽１内の水２の加熱が行われるようになる。

なお、上記可視域と近赤外域の光を吸収することで加熱されて高温となる上記受光部９の金属細線１２より熱エネルギーの一部が遠赤外域の光として放出されるとしても、この放出される遠赤外域の光は水槽１内の水２により効率よく再吸収されるようになるため、外部へ逃げることはない。

しかも、水槽１の側壁部１ａにおける光入射部３を除く部分と天井部１ｂと底板部１ｃの外面には断熱層１０が設けてあるため、水槽１に貯留してある水２の温度上昇に伴って該水槽１自体の温度が上昇しても、外部への熱放射による放熱ロスは大幅に抑制されるようになる。

よって、上記広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光することで生じる光束密度の高い集光太陽光８が光入射部３を通して水槽１内に入射されると、太陽光スペクトルに準じて該集光太陽光８に含まれる可視域、近赤外域、赤外域の全域に亘る光が上記水槽１内の水２を加熱させるための熱エネルギーに効率よく変換されるようになることから、その熱により水槽１内の水２が加熱されて沸騰することで蒸気が発生されるようになる。

このように、本発明の集光太陽光集熱装置によれば、太陽光７を広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により３次元集光してなる光束密度の高い集光太陽光８により、水槽１内の水２を加熱することができ、この際、上記集光太陽光８の可視域と近赤外域の光を受けて加熱される受光部９の金属細線１２は、水槽１内に貯留される水２に没するようにしてあるため、該金属細線１２の外周面の全面、すなわち、全表面積のほとんどの部分を水槽１内の水２への熱の伝達面とすることができるため、熱の有効伝達面積を大きく取ることができると共に、加熱された受光部９の金属細線１２より外部への熱放射による放熱ロスを防止できる。

以上により、上記太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる光束密度の高い集光太陽光８を用いて、水槽１内の水２を効率よく加熱して蒸気を発生させることができる。

しかも、上記金属細線１２は熱容量が小さいため、該金属細線１２が上記集光太陽光８の照射を受けて加熱されても、その周りに存在する水２への熱伝達により速やかに冷却されるため、該受光部９の金属細線１２に耐熱性の問題が生じる虞を抑制することができる。

更に、上記受光部９を、フレーム１１に上下方向の複数の金属細線１２を設けてなる構成としてあることに起因して、該受光部９の金属細線１２が集光太陽光８の可視域と近赤外域の光を吸収して加熱され、この加熱された金属細線１２からの熱伝達によりその周りの水２が加熱されて沸騰するときに、発生する気泡を上下方向に配されている金属細線１２に沿ってスムーズに上昇させることができるため、該受光部９の金属細線１２の周りに円滑な水２の対流を生じさせることができて、水槽１内全体の水２の加熱を効率よく実施することが可能になる。

次に、図５及び図６は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態と同様の構成において、受光部９を、矩形のフレーム１１と金属細線１２とからなる構成とすることに代えて、図６に示すように、矩形のフレーム１１の内側に、カーボン等、耐熱性を備えた材質製の多孔質体１３を配置して該多孔質体１３の外周を上記フレーム１１に保持させてなる構成の受光部９ａとしたものである。

なお、上記受光部９ａは、光入射部３より水槽１内に入射させる集光太陽光８の進行方向を横切る姿勢で、単数、又は、図５、図６に示すように、該光入射部３より水槽１内に入射させる集光太陽光８の進行方向に沿って所要間隔で複数基（図では２基）配列して、該各受光部９ａのフレーム１１の下端部を、水槽１の内底部に、図示しない所要の取付手段により取り付けて設置してある。

その他の構成は図１及び図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある本実施の形態の集光太陽光集熱装置によっても、水槽１に、上記光入射部３の上端位置よりも上方に水面が位置し、且つ受光部９ａが没水するように水２を貯留した状態で、広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる高い光束密度の集光太陽光８を、上記光入射部３を通して水槽１内に入射させると、該光入射部３を通して水槽１内に入射された上記集光太陽光８のうちの赤外域の光は、光入射部３とその内側に最も近接して設けてある受光部９ａとの間に存在する水２の層でほとんど吸収させて水中で直接熱エネルギーに変換させて、水２の加熱に利用できる。

更に、上記のようにして赤外域の光が水２により吸収された後に上記集光太陽光８に含まれていた可視域と近赤外域の光が受光部９ａに達すると、該受光部９ａの多孔質体１３により多重散乱の過程で吸収されて熱エネルギーへの変換が行われ、この熱によって加熱される上記受光部９ａの多孔質体１３より、該多孔質体１３の全表面積のほとんどの部分を熱の伝達面として、その周りに存在する水２への熱伝達が行われるため、このことによっても水槽１内の水２の加熱が行われる。

更に、上記受光部９ａに達した集光太陽光８の近赤外域の光の一部は、受光部９ａの多孔質体１３の表面で多重散乱させられて水中を長距離進む間に水２により吸収されて水中で直接熱エネルギーへの変換が行われて、水槽１内の水２の加熱が行われるようになる。

したがって、本実施の形態によっても、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態と同様に、広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる高い光束密度の集光太陽光８による水槽１内の水２の加熱を、効率よく行って蒸気を発生させることができ、且つ外部への熱放射によるロスを大幅に低減できるという効果を得ることができる。

次いで、図７は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態と同様の構成において、受光部９を、フレーム１１に上下方向の複数の金属細線１２を取り付けてなる構成とすることに代えて、平板部材１４における少なくとも片面に、太陽光スペクトルに含まれる可視域及び近赤外域の光の吸収性を有する耐水性の黒色塗料１５を塗布して受光部９ｂを構成し、且つ該受光部９ｂを、水槽１の光入射部３の内側となる内底部に、光入射部３より水槽１内に入射させる集光太陽光８の進行方向を横切る配置で、且つ上記黒色塗料１５の塗布面を上記光入射部３に対面させた姿勢で設置してなる構成としたものである。

その他の構成は図１及び図２に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

以上の構成としてある本実施の形態の集光太陽光集熱装置によれば、水槽１に、上記光入射部３の上端位置よりも上方に水面が位置し、且つ上記受光部９ｂが没水するように水２を貯留した状態で、広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる光束密度の高い集光太陽光８を、光入射部３を通して水槽１内に入射させると、該光入射部３を通して水槽１内に入射された上記集光太陽光８のうちの赤外域の光は、光入射部３とその内側に設けてある受光部９ｂとの間に存在する水２の層でほとんど吸収されて水中で直接熱エネルギーに変換されるようになる。

更に、上記のようにして赤外域の光が水２により吸収された後に上記集光太陽光８に含まれていた可視域と近赤外域の光が上記受光部９ｂに達すると、該可視域と近赤外域の光は、上記受光部９ｂに設けてある黒色塗料１５により吸収されて熱エネルギーへの変換が行われ、この熱によって上記受光部９ｂが加熱される。更に、加熱された上記受光部９ｂでは、受光部９ｂが水槽１内の水２に没するように設けてあることから、平板部材１４における上記黒色塗料１５の塗布された片面とその反対側の面の全面、すなわち、上記受光部９ｂにおける全表面積のほとんどの部分を熱の伝達面として、該受光部９ａの周りに存在する水２への熱伝達が行われて、水槽１内の水２の加熱が行われるようになる。

したがって、本実施の形態によっても、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態と同様に、広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光してなる高い光束密度の集光太陽光８による水槽１内の水２の加熱を、効率よく行って蒸気を発生させることができ、且つ外部への熱放射による放熱ロスを大幅に低減できるという効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態にのみに限定されるものではなく、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態において、受光部９の金属細線１２に、図７の実施の形態における黒色塗料１５と同様の黒色塗料１５を塗布した構成としたり、受光部９のフレーム１１に、金属細線１２に代えて、カーボン製等、黒色で、且つ耐熱性を備えた細い線（細棒）を複数取り付けた構成としてもよい。この場合は、水槽１の光入射部３より入射して上記受光部９に到達する集光太陽光８中の可視域と近赤外域の光を、金属細線１２で吸収すると同時に多重散乱させることに代えて、上記金属細線１２に塗布した黒色塗料１５や、上記黒色で且つ耐熱性を備えた細い線に吸収させることで熱エネルギーに変換させ、その熱により加熱される黒色塗料１５を塗布した金属細線１２や、黒色で且つ耐熱性を備えた細い線からの熱伝達によって水槽１内の水２を加熱することができ、その際、熱の有効伝熱面積を大きくする効果と、受光部９の熱容量を小さくして該受光部９に耐熱性に関する問題が生じる虞を回避できるという効果が期待できる。

図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態、並びに、図５及び図６の実施の形態において、単数の受光部９，９ａにおける金属細線１２を設けた部分や、多孔質体１３の隙間の大小、すなわち、単数の受光部９，９ａにおける上記集光太陽光８の通加量の大小に応じて、水槽１内にて光入射部３より入射する集光太陽光８の進行方向に沿って配列する受光部９，９ａの数を適宜増減してもよい。

広い面積に設置されたミラー群を用いた太陽光集光装置６により太陽光７を３次元集光して水槽１の光入射部３を通して該水槽１内に入射させる集光太陽光８は、必ずしも平行光でなくてもよい。又、水槽１の光入射部３の形状は適宜変更してもよい。したがって、上記光入射部３を通して水槽１に入射する集光太陽光８を受光できれば、受光部９，９ａ，９ｂのサイズ、形状は適宜変更してもよい。更に、水槽１内で加熱される水２の対流によって該水槽１内の水２を撹拌させて、加熱された水２の偏在化を防ぐことができるようにする観点からすると、光入射部３は水槽１の下端寄りに設けると共に、受光部９，９ａ，９ｂを水槽１の内底部に設けることが望ましいが、上記水槽１に撹拌機構を装備する等、加熱された水２の偏在化を防ぐ対策を別途講じる場合は、水槽１における光入射部３の配置や、水槽１内における受光部９，９ａ，９ｂの配置は自在に設定してよい。

受光部は、太陽光スペクトルに準じて集光太陽光８に含まれている可視域と近赤外域の光を熱エネルギーに変換して周囲に存在する水２を加熱できるようにしてあれば、上記各実施の形態に示した受光部９，９ａ，９ｂ以外のいかなる形式のものとしてもよい。

太陽光集光装置６は、選択吸収塗料が塗布してある容器表面に照射すると、耐熱性の問題が生じる虞や、容器表面から外部への熱放射による放熱ロスが懸念されるような高い光束密度の３次元集光（点集光）された集光太陽光８が得られるようにしてあれば、パラボラ鏡や集光レンズ、その他、広い面積に設置されたミラー群を用いた形式以外のいかなる形式の太陽光集光装置６を採用してもよい。更に、高い光束密度の集光太陽光を得ることができれば、２次元集光（線集光）する形式の太陽光集光装置を採用して、該太陽光集光装置により太陽光を２次元集光してなる集光太陽光を、水槽１の光入射部３を通して該水槽１内に入射させる構成としてもよい。

本発明の集光太陽光集熱装置は、集光太陽光８より変換する熱エネルギーにより水槽１内の水２を加熱し蒸発させて蒸気を発生させる形式のものとして説明したが、水槽１内の水２を加熱して高温水（湯）を回収できるようにしてもよい。この場合は、水槽１内に水２を充満させる構成としてもよい。

又、図１乃至図４（イ）（ロ）の実施の形態において、集光太陽光８より変換する熱エネルギーにより水槽１内の水２を加熱して蒸気を発生させる場合は、フレーム１１に取り付けた金属細線１２からの熱伝達によりその周りの水２が加熱されて沸騰するときに発生する気泡をスムーズに上昇させて、金属細線１２の周りに円滑な水２の対流を生じさせるという観点からすると、上記フレーム１１に取り付ける金属細線１２は、上下方向の配置とすることが好ましいが、水槽１に別途撹拌機構を装備して強制的に水槽１内の水２を撹拌する場合や、上記したように本発明の集光太陽光集熱装置を集光太陽光８より変換する熱エネルギーにより水槽１内の水２を加熱して高温水（湯）を回収する形式とする場合には、上記フレーム１１に取り付ける金属細線１２は、光を多重散乱させることができるようにしてあれば、上下方向以外のいかなる方向に配置するようにしてもよい。

更には、流体貯留容器の所要個所に光入射部３を備えると共に、容器内部に、上記光入射部３より入射する集光太陽光８を受光して熱エネルギーに変換できるようにしてある受光部９，９ａ，９ｂを、該容器内に貯留する受熱用の流体に没した状態で設けてあれば、水２以外の受熱用流体を加熱するための集光太陽光集熱装置としてもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 水槽（流体貯留容器）
２ 水（受熱用流体）
３ 光入射部
５ 窓材
６ 太陽光集光装置
７ 太陽光
８ 集光太陽光
９，９ａ，９ｂ 受光部
１０ 断熱層
１１ フレーム
１２ 金属細線（線）
１３ 多孔質体
１５ 黒色塗料

Claims (6)

1. 外側に断熱層を備えてなる流体貯留容器に、窓材を嵌めた光入射部を設けて、外部の太陽光集光装置により太陽光を集光してなる集光太陽光を、上記光入射部を通して上記流体貯留容器内に入射できるようにし、且つ上記流体貯留容器内における上記光入射部の内側に、上記集光太陽光を受光して熱エネルギーに変換させるための受光部を、流体貯留容器に貯留する受熱用流体に没するように設けてなる構成を有することを特徴とする集光太陽光集熱装置。
2. 受熱用流体を水とし、且つ受光部を、太陽光スペクトルにおける可視域と近赤外域の光を受光して熱エネルギーに変換できる機能を有するものとした請求項１記載の集光太陽光集熱装置。
3. 受光部を、フレームに線を複数取り付けてなり且つ該複数の線により光を多重散乱させることができる構成とした請求項２記載の集光太陽光集熱装置。
4. フレームに、上下方向に配置した線を複数取り付けるようにした請求項３記載の集光太陽光集熱装置。
5. 受光部における少なくとも流体貯留容器の光入射部に面する個所に、耐水性の黒色塗料を塗布するようにした請求項２、３又は４記載の集光太陽光集熱装置。
6. 受光部を、フレームに多孔質体を保持させてなるものとした請求項２記載の集光太陽光集熱装置。

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