JP2013096596A

JP2013096596A - 太陽熱集熱装置

Info

Publication number: JP2013096596A
Application number: JP2011237395A
Authority: JP
Inventors: Norihito Takeuchi; 範仁竹内
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】輻射による熱放出を抑制すべく集熱管の表面の形状を適切な形状とすることで、太陽熱用集熱装置としての集熱効率の向上を図ることを可能にしうる太陽熱集熱装置を提供すること。
【解決手段】本発明における太陽熱集熱装置おいては、集熱管の表面が、反射鏡体に面する側の下側表面領域であって反射鏡体にて反射して焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域と、該下側表面領域とは反対側に位置する上側表面領域であって反射鏡体にて反射して焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域との２つの領域にて構成され、集熱管の下側表面領域は曲面形状にて形成され、集熱管の上側表面領域は、表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽熱集熱装置に関し、特に、集光反射鏡の前方に配置された集熱器の集熱管に太陽光を集光させ、集熱管の中を流れる媒体を加熱させる太陽熱集熱装置に関する。

このような太陽熱集熱装置としては、できるだけ多くの太陽エネルギーを効率よく取り入れる必要上、集光反射鏡としての曲面鏡として樋状に延びた放物面鏡が集熱部に用いられて、該樋状に延びた放物面鏡の焦線上の位置に集熱器が配置されて構成される、所謂、パラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置が知られている。

このようなパラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置における集熱器は概して、樋状に延びた放物面鏡の焦線上の位置に配置され、集熱管とともに該集熱管の周囲を囲むように該集熱管の外周側に配置されるガラス外管を有して構成され、集熱管の外周側に配置されるガラス外管内を真空雰囲気として、樋状に延びた放物面鏡にて反射されて該放物面鏡の焦線に集光する太陽光によって集熱管を加熱するようにすることにより、集熱効率の向上を図っている。

特開昭６０−３０９４８号公報

ところで、上記のようなパラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置の構成においては、樋状に延びた放物面鏡にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光は、該太陽光が到達するような表面部分を主として含む集熱管の表面領域、すなわち、樋状に延びた放物面鏡に面する側の集熱管の下側表面領域に照射されることとなり、このような集熱管の下側表面領域は高温となる。

一方で、樋状に延びた放物面鏡にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管の表面領域、すなわち、集熱管の下側表面領域とは反対側に位置する集熱管の上側表面領域を加熱しうるような太陽熱エネルギー要素は、主として太陽からの直達光のみであり、しかも、輻射による熱放出もある。このため、樋状に延びた放物面鏡にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管の表面領域における輻射による熱放出が原因で、太陽熱集熱装置としての集熱効率という点において支障をきたす場合があるという課題が存在する。

本発明は上記課題に鑑み、太陽熱集熱装置において、反射鏡体の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管の表面領域における輻射による熱放出の抑制という観点から集熱管の表面の形状を適切な形状にすることで、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図ることを可能にしうる太陽熱集熱装置を提供することを目的とする。

ちなみに、特許文献１においては、下方に設置した反射構体によって反射された太陽光を真空状ガラス外管内の集熱パイプに集光させてこの集熱パイプ内の熱媒を加熱するようにした太陽熱集熱装置であって、ガラス外管の上面側からの熱放出を軽減してガラス外管の上下面における温度差を低減しうるように構成された太陽熱集熱装置が開示されている。しかしながら、引用文献１に開示されている太陽熱集熱装置は、ガラス外管よりも大きな幅を有するカバーであって赤外線、特に４〜６μ以上の波長域を透過させずに、且つ水を透さないようなカバーをガラス外管の上方に設けることにより、ガラス外管の上面側からの熱放出を軽減してガラス外管の上下面における温度差の低減を図るものであり、輻射による熱放出の抑制という観点から集熱管を適切な形状にて形成することで太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図る本発明とは構成が異なるものである。

請求項１に記載の発明によれば、反射鏡体と該反射鏡体の焦線上の位置に集熱器が配置されて構成され、該集熱器の集熱管の中を流れる媒体を加熱する太陽熱集熱装置において、前記集熱管の表面は、前記反射鏡体に面する側の下側表面領域であって前記反射鏡体にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域と、該下側表面領域とは反対側に位置する上側表面領域であって前記反射鏡体にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域との２つの領域にて構成され、前記集熱管の前記下側表面領域は曲面形状にて形成され、前記集熱管の前記上側表面領域は、表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成される、太陽熱集熱装置が提供される。

すなわち、請求項１に記載の発明では、集熱管の表面を、反射鏡体に面する側の下側表面領域であって反射鏡体にて反射して該反射鏡体の焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域と、該下側表面領域とは反対側に位置する上側表面領域であって反射鏡体にて反射して該反射鏡体の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域との２つの領域に分けて構成する。そして、反射鏡体に面する側の下側表面領域を曲面形状にて形成し、該下側表面領域とは反対側に位置する上側表面領域を、その表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成する。このような構成にすることにより、反射鏡体にて反射して該反射鏡体の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域の低面積化を図り、集熱管の上側表面領域における輻射による熱放出を抑制し、太陽熱発電用集熱装置としての集熱効率の向上を図ることを可能とする。

請求項２に記載の発明によれば、前記反射鏡体は樋状に延びた放物面鏡であって、前記集熱管の前記下側表面領域と前記上側表面領域との境界は、前記樋状に延びた放物面鏡の曲面形状の曲率が変化する方向における該放物面鏡の外縁部にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達する前記集熱管の表面部分に基づいて画成される、請求項１に記載の太陽熱集熱装置が提供される。

請求項３に記載の発明によれば、前記集熱管の前記下側表面領域は、太陽光吸収率が高く輻射率が低い選択吸収膜にて被膜され、また、前記集熱管の前記上側表面領域は、赤外線を反射することに特化した金属膜にて被膜される、請求項１または請求項２に記載の太陽熱集熱装置が提供される。

各請求項に記載の発明によれば、反射鏡体と該反射鏡体の焦線上の位置に集熱器が配置されて構成され、該集熱器の集熱管の中を流れる媒体を加熱させる太陽熱集熱装置において、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図ることを可能にするという共通の効果を奏する。

本発明に係る太陽熱集熱装置の一実施形態の構成を説明するための概観斜視図である。図１に示す太陽熱集熱装置の実施形態の側面図である。本発明に係る太陽熱集熱装置の別の実施形態の側面図である。本発明に係る太陽熱集熱装置のさらに別の実施形態の側面図である。

以下、添付図面を用いて本発明に係る太陽熱集熱装置の実施形態について説明する。図１は、本発明に係るパラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置の一実施形態の構成を説明するための概観斜視図であり、また、図２は、図１に示すパラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置の実施形態の側面図である。図１及び図２において、１は樋状に延びた反射鏡体としての放物面鏡であり、２は集熱器、３は集熱管、４は外管、をそれぞれ示す。

樋状に延びた放物面鏡１は、該放物面鏡１の焦線に太陽光を集光する集光反射鏡として構成され、この樋状に延びた放物面鏡１を延ばして１つの集光反射鏡ユニットを構成している。樋状に延びた放物面鏡１の反射鏡面は、太陽熱の反射率を向上させるために鏡面に仕上げられている。この鏡面仕上げは、樋状に延びた放物面鏡１を構成する材料により、めっき、蒸着、研磨、塗装などの方法があり、樋状に延びた放物面鏡１の形成には、耐熱樹脂を成型したものや、アルミダイカスト成型などの方法が知られている。

ちなみに、樋状に延びた放物面鏡１をガラス鏡板として形成することも考えられる。しかしながら、該放物面鏡１がガラス鏡板として形成された場合においては、飛び石などにより割れや破損が生じやすいことが考えられる。このことに基づいて、本実施形態においては、可撓性を有する金属板から構成されて且つ表面に反射皮膜が適用された反射板にて、放物面鏡が形成されるものとする。この場合における反射鏡面は、例えば、研磨面もしくはフィルム鏡の貼付、金属蒸着膜などにて形成されるものとする。また、放物面鏡の材質としては、例えば、鉄やステンレスあるいはアルミニウムなどが使用されうる。

集熱器２は、密封封止したガラス製の外管４内を真空に保つとともに、この外管４のほぼ中心軸線上に集熱管３を挿通して構成されている。集熱管３はステンレス管の表面に黒色塗装あるいは選択吸収膜などが適用されて構成され、内部には加熱すべき媒体、例えば、水、化学合成油などを流すようになっている。そして、樋上の放物面鏡１の焦線上に集熱器２が配置される。放物面鏡１は支持フレーム１０によって、集熱器２はアーム部材１１によって、それぞれ太陽熱集熱装置の設置面に対して支持される支持手段１２に固定されている。

このように樋状に放物面鏡１と集熱器２とを構成配置することで、太陽光が樋状に延びた放物面鏡１にて反射されて外管４内に挿通した集熱管３に集光して該集熱管３を加熱して、集熱管３内の媒体を加熱するようにして、該媒体により太陽熱エネルギーを取り出すことを可能とする。集熱管３で発生した熱は媒体に伝達され、発電機に送られ発電に利用される。但し、これに限定されることはなく、例えば、媒体を熱交換器により作動媒体と熱交換して、余った熱を給湯や空調などに使う方式として構成されてもよい。

ところで、上記のようなパラボリック・トラフ式太陽熱集熱装置の構成においては、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光は、該太陽光が到達するような表面部分を主として含む集熱管３の表面領域、すなわち、樋状に延びた放物面鏡１に面する側の集熱管３の下側表面領域に照射されることとなり、該太陽光が到達するような表面部分を主として含む集熱管の下側表面領域は高温となる。

一方で、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管３の表面領域、すなわち、集熱管３の下側表面領域とは反対側に位置する集熱管３の上側表面領域を加熱しうるような太陽熱エネルギー要素は、主として太陽からの直達光のみであり、該上側表面領域は下側表面領域のように高温になることはない。

さらに、このような集熱管３の上側表面部分は真空状の外管４内に収容されていることから、該上側表面部分からの熱伝達などによる熱放出は抑制されるが、該上側表面部分からの輻射による熱放出は存在する。このようなことから、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管３の表面領域における輻射による熱放出が原因で、太陽熱集熱装置としての集熱効率という点において支障をきたす場合があり、このような輻射による熱放出を抑制する何らかの方策の提案の要望がある。

ところで、樋状に延びた放物面鏡にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような放熱管の表面部分からの輻射による熱放出を抑制する一つの方法としては、特許文献１で開示されているような構成、すなわち、赤外線、特に４〜６μ以上の波長域は透過させずに、且つ水を透さないようなカバーをガラス外管の上面側に配設して、カバーとガラス外管との隙間内での空気の流通をなくし、外気への輻射による熱放出を抑制する方法が知られている。

その一方で、樋状に延びた放物面鏡にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような集熱管の表面部分からの輻射による熱放出を抑制する別の方法として、該集熱管の表面部分を適切な形状にて形成することで、すなわち、該集熱管の表面部分の表面積の低面積化を図れるような形状にて形成することにより、外気への輻射による熱放出を抑制する方法が考えられる。このような方法によれば、部品点数を増加させることなく、より簡易な構成で輻射による熱放出を抑制することを可能とする。

このことに基づいて、本発明においては、反射鏡体と該反射鏡体の焦線上の位置に集熱器が配置されて構成され、該集熱器の集熱管の中を流れる媒体を加熱する太陽熱用集熱装置において、反射鏡体にて反射して焦線に向かう太陽熱が到達しないような表面部分を主として含む集熱管の表面領域における輻射による熱放出の抑制という観点から集熱管の表面の形状を適切な形状とすることで、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図る。

本発明の一実施形態を示す図２から理解されうるごとく、本発明においては、集熱管３の表面を、樋状に延びた放物面鏡１に面する側の下側表面領域５であって樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域５と、該下側表面領域５とは反対側に位置する上側表面領域６であって樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域６との２つの領域に分けて、該２つの領域の表面の形状を適切な形状に形成することで、集熱管３の上側表面領域６からの輻射による熱放出を抑制し、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図るものとする。

より具体的には、樋状に延びた放物面鏡１に面する側の下側表面領域５は曲面形状にて形成され、該下側表面領域５とは反対側に位置する上側表面領域６は、その表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成される。すなわち、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域５は、曲面形状にて形成され、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域６が、表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成される。

このような構成によれば、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む集熱管３の上側表面領域６を平面形状にて形成することで、集熱管１の上側表面領域６を最小表面積にて形成することができ、集熱管３の上側表面領域６からの輻射による熱放出を最も効果的に抑制することを可能とする。

尚、集熱管３の下側表面領域５と上側表面領域６との境界は、樋状に延びた放物面鏡１の曲面形状の曲率が変化する方向における該放物面鏡の外縁部７、８にて反射して焦線に向かう太陽光が到達する集熱管３の表面部分に基づいて画成される。

図２に示される実施形態においては、集熱管３の下側表面領域５と上側表面領域６との境界は、樋状に延びた放物面鏡１の曲面形状の曲率が変化する方向における該放物面鏡１の外縁部７、８にて反射して焦線に向かう太陽光が到達する集熱管３の表面部分がまさに境界線となるように画成される。図３及び図４は、図２に示される実施形態と同様に、該放物面鏡１の外縁部７、８にて反射して焦線に向かう太陽光が到達する集熱管３の表面部分がまさに境界線となるように画成される実施形態であって、樋状に延びた放物面鏡の形態が異なる別の実施形態を示す図である。

尚、集熱管３の下側表面領域５と上側表面領域６との境界は、これに限定されることはなく、例えば、集光度の観点から予めその許容範囲などが設定されている場合や、樋状に延びた放物面鏡１の外縁部７、８にて反射して焦線に向かう太陽光が到達する集熱管３の表面部分が集熱器２の機構構成上などの関係から境界線領域として画成するのに不都合があるような場合などにおいては、これらの点を考慮して、樋状に延びた放物面鏡の外縁部にて反射して焦線に向かう太陽光が到達する集熱管３の表面部分に基づいて該表面部分から所定量だけオフセットされた位置となるように画成されるなどされてもよい。

ちなみに、樋状に延びた放物面鏡１に面する側の下側表面領域５であって樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域５は、太陽光吸収率が高く輻射率が低い選択吸収膜にて被膜されていてもよい。

その一方で、集熱管３の表面の下側表面領域５とは反対側に位置する上側表面領域６は、樋状に延びた放物面鏡１にて反射して該放物面鏡の焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む表面領域となるため、太陽光吸入率に優れ且つ輻射率が低いというような両方の特性を兼ね備えた選択吸収膜にて被膜することの必要性については適宜判断することが求められる。例えば、このような上側表面領域６に対しても、下側表面領域５と同様の選択吸収膜にて被膜することが、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上という観点から好ましいと判断される場合には、上側表面領域６に対しても下側表面領域５と同様の選択吸収膜が適用される。

これに対して、例えば、このような上側表面領域６に対しては、該表面領域からの輻射による熱放出を抑制するのに最適な被膜を適用することが、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上という観点からは、より好ましい場合もありうる。このことに基づいて本発明の一実施形態においては、集熱管３の上記のような上側表面領域６に対しては、特に輻射による熱放出を抑制すべく、赤外線を反射することに特化した金属膜にて被膜されるように構成されてもよい。
また、各実施形態において反射鏡体として放物面鏡を用いたが、複数枚の平面型反射鏡を組み合わせて集熱器２に向けて反射するように配置するような、いわゆるフレネル型、リニアフレネル型の反射鏡体でもよい。

以上のように、本発明によれば、集熱管３の上側表面領域６を平面形状にて形成して表面積の低面積化することで、該上側表面領域６からの輻射による熱放出を抑制し、太陽熱集熱装置としての集熱効率の向上を図ることを可能にする。

１放物面鏡
２集熱器
３集熱管
４外管
５下側表面領域
６上側表面領域

Claims

反射鏡体と該反射鏡体の焦線上の位置に集熱器が配置されて構成され、該集熱器の集熱管の中を流れる媒体を加熱する太陽熱集熱装置において、
前記集熱管の表面は、前記反射鏡体に面する側の下側表面領域であって前記反射鏡体にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達するような表面部分を主として含む下側表面領域と、該下側表面領域とは反対側に位置する上側表面領域であって前記反射鏡体にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達しないような表面部分を主として含む上側表面領域との２つの領域にて構成され、
前記集熱管の前記下側表面領域は曲面形状にて形成され、
前記集熱管の前記上側表面領域は、表面積の低面積化を図るべく平面形状にて形成される、太陽熱集熱装置。
前記反射鏡体は樋状に延びた放物面鏡であって、前記集熱管の前記下側表面領域と前記上側表面領域との境界は、前記樋状に延びた放物面鏡の曲面形状の曲率が変化する方向における該放物面鏡の外縁部にて反射して前記焦線に向かう太陽光が到達する前記集熱管の表面部分に基づいて画成される、請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
前記集熱管の前記下側表面領域は、太陽光吸収率が高く輻射率が低い選択吸収膜にて被膜され、また、前記集熱管の前記上側表面領域は、赤外線を反射することに特化した金属膜にて被膜される、請求項１または請求項２に記載の太陽熱集熱装置。