JP2013145071A - Solar heat collecting system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽熱コレクターを用いた集熱システムの構造に関する。 The present invention relates to a structure of a heat collection system using a solar heat collector.
太陽熱を収集し、その熱によって熱媒体を加熱してエネルギーを取り出して利用しようとすることが進められている。太陽熱を収集して高温の熱媒体とするための装置としては、高い塔の上に集熱器を置き、1000枚程度の平面鏡を用いて太陽光を集光して熱媒体を高温に加熱するタワー方式や、円筒放物面鏡の焦点位置に集熱管を並べ、集熱管を流れる熱媒体を加熱する方法などがあった。しかしこれらの方法は全体のシステムが大掛かりとなったり、特殊な鏡が必要となったりするという問題があった。 It is underway to collect solar heat and use the heat to heat the heating medium and extract the energy. As a device for collecting solar heat into a high-temperature heat medium, a heat collector is placed on a high tower and the heat medium is heated to a high temperature by collecting sunlight using about 1000 plane mirrors. There were a tower method and a method in which a heat collecting tube was arranged at the focal position of a cylindrical parabolic mirror and a heat medium flowing through the heat collecting tube was heated. However, these methods have a problem that the whole system becomes large and a special mirror is required.
このため、内部を真空としたケーシングの中に可視光を中心とした波長帯のエネルギーを吸収する波長選択性のある選択吸収膜が表面に取り付けられた集熱器を収容し、太陽光が入射する面に透明なガラス窓を設けた太陽熱コレクターが提案されている。この太陽熱コレクターは、内部を真空とすることにより空気の熱伝達による放熱損失を低減し、選択吸収膜により遠赤外線領域の放射損失を低減して集熱効率を向上させる方法が提案されている。(例えば、特許文献1参照)。 For this reason, a solar collector with a wavelength-selective selective absorption film that absorbs energy in the wavelength band centered on visible light is housed in a vacuum casing inside, and sunlight enters. Solar collectors have been proposed with transparent glass windows on the surface. In this solar heat collector, a method has been proposed in which the heat collection efficiency is improved by reducing the heat radiation loss due to heat transfer of air by making the inside vacuum, and reducing the radiation loss in the far infrared region by the selective absorption film. (For example, refer to Patent Document 1).
太陽熱コレクターは、真空となっているケーシング内部に空気が入り込むと空気の熱伝達による放熱損失が大きくなり、集熱効率が低下してしまう。このため、ケーシングと窓ガラスとの接続部分はエポキシ樹脂等の接着剤によって気密となるように接合されている。しかし、太陽熱コレクターは屋外に設置されるため、温度変化や紫外線によって接着剤が経年劣化し、使用期間中に空気がケーシングの中に入り込んで集熱効率が低下してしまうという問題があった。 In the solar heat collector, when air enters the vacuum casing, heat dissipation loss due to heat transfer of air increases, and heat collection efficiency decreases. For this reason, the connection part of a casing and window glass is joined so that it may become airtight with adhesive agents, such as an epoxy resin. However, since the solar heat collector is installed outdoors, the adhesive deteriorates over time due to temperature changes and ultraviolet rays, and there is a problem that air enters the casing during the period of use and the heat collection efficiency decreases.
また、熱媒体を流れる媒体は、夜間などの太陽熱を吸収しない場合には、その温度は、大気温度まで低下し、太陽熱を吸収している昼間には、その温度が100℃以上となる。冷媒に水等を使用した場合、太陽熱を吸収して冷媒の温度が100℃以上となった場合でも、冷媒が沸騰しないように、冷媒に圧力を掛ける方法が用いられることが多い。しかし、冷媒の沸騰を加圧によって押さえようとすると、集熱管を耐圧構造にする必要があり、集熱効率の低下、重量の増加やコストの増加を招いてしまうという問題があった。また、夜間に冷媒の温度が氷点下まで低下し、冷媒が凍結すると、冷媒の体積が膨張することにより集熱管が破損してしまうという問題があった。このため、太陽熱集熱システムは、例えば、極地等の寒冷地や高温地帯には設置することができないという問題があった。 In addition, when the medium flowing through the heat medium does not absorb solar heat such as at night, the temperature drops to the atmospheric temperature, and during the daytime when the solar heat is absorbed, the temperature becomes 100 ° C. or higher. When water or the like is used as the refrigerant, a method of applying pressure to the refrigerant is often used so that the refrigerant does not boil even when the temperature of the refrigerant becomes 100 ° C. or higher by absorbing solar heat. However, if the boiling of the refrigerant is to be suppressed by pressurization, it is necessary to make the heat collecting tube into a pressure-resistant structure, which causes a problem that the heat collecting efficiency is lowered, the weight is increased, and the cost is increased. Further, when the temperature of the refrigerant drops to below freezing at night and the refrigerant freezes, there is a problem in that the heat collecting tube is damaged due to expansion of the volume of the refrigerant. For this reason, there existed a problem that a solar heat collection system cannot be installed in cold districts, such as a polar region, and a high temperature zone, for example.
本発明は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができる太陽熱集熱システムを提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a solar heat collection system that can provide a solar heat collection system that can be stably operated in a wide temperature range with a simple configuration.
太陽光が透過すると共に、熱伝導を抑制する透光性断熱部材と、前記透光性断熱部材の外側に取り付けられ、前記透光性断熱部材を通して入射した太陽光の熱を選択的に吸収し熱放射を抑制する選択吸収膜と、前記選択吸収膜の透光性断熱部材と反対側の表面に取り付けられ、太陽熱を集熱する集熱器と、前記集熱器に熱媒体を循環させる循環系統と、を有する太陽熱集熱システムであって、前記透光性断熱部材は、内部を真空とした中空透明ガラス平板であること、を特徴とする。 A light transmissive heat insulating member that transmits sunlight and suppresses heat conduction, and is attached to the outside of the light transmissive heat insulating member, and selectively absorbs the heat of sunlight incident through the light transmissive heat insulating member. A selective absorption film that suppresses thermal radiation, a heat collector that is attached to the surface of the selective absorption film opposite to the light-transmitting heat insulating member, and that collects solar heat, and a circulation that circulates the heat medium through the heat collector A solar heat collecting system, wherein the translucent heat insulating member is a hollow transparent glass flat plate having a vacuum inside.
本発明の太陽熱集熱システムにおいて、蓄熱液が貯留されるタンクを含み、前記循環系統は循環する前記熱媒体によって前記タンク内に貯留された前記蓄熱液を加熱する加熱器と、前記タンク内に貯留される加熱された前記蓄熱液によって給水の温度を上昇させる加温器と、を備え、前記循環系統は閉ループであること、としても好適である。 In the solar heat collecting system of the present invention, the system includes a tank in which the heat storage liquid is stored, and the circulation system includes a heater that heats the heat storage liquid stored in the tank by the circulating heat medium, and the tank. And a heater that raises the temperature of the feed water by the heated stored heat storage liquid, and the circulation system is preferably a closed loop.
本発明の太陽熱集熱システムにおいて、前記循環系統は、太陽電池で駆動され、前記熱媒体を循環させる循環ポンプを備えること、としても好適であるし、前記熱媒体は、少なくとも、前記集熱器と、発電機を駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに駆動用蒸気を供給するボイラと、の間を循環すること、としても好適である。 In the solar heat collection system of the present invention, the circulation system is preferably equipped with a circulation pump that is driven by a solar cell and circulates the heat medium, and the heat medium is at least the heat collector. It is also preferable to circulate between a steam turbine that drives the generator and a boiler that supplies driving steam to the steam turbine.
本発明は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができるという効果を奏する。 The present invention has an effect that it is possible to provide a solar heat collecting system capable of stable operation in a wide temperature range with a simple configuration.
図1に示すように、本発明の実施形態の太陽熱集熱システム100は、建物10の屋根11の上に設置され、太陽光15を受ける太陽熱コレクター20と、太陽熱コレクター20に熱媒体を循環させる循環系統60と、循環系統60に設けられて熱媒体を循環系統60に循環させる循環ポンプ50と、循環ポンプ50の駆動源である太陽電池30と、蓄熱液を貯留するタンク40と、タンク40の中に設けられ、循環系統60を循環する熱媒体によって蓄熱液を加熱する加熱器70と、タンク40の中に設けられ給水系統90に流れる給水を加温する加温器80を備えている。
As shown in FIG. 1, a solar
循環系統60を循環する熱媒体は、太陽熱コレクター20によって加熱され、高温熱媒体となってタンク40の加熱器70に流れ込み、タンク40の加熱器70を通してタンク40の中の蓄熱液45を加熱する。一方、給水系統90の給水管91から流入した低温給水は、タンク40の中の加温器80によって加温され、温水管92から建物内の給湯口93を通して風呂12などの設備に温水として供給される。
The heat medium circulating in the
図2に示すように、本実施形態の太陽熱集熱システム100の太陽熱コレクター20はその表面に、熱媒体が流れるサーペンタイン状の集熱器26を備え、集熱器26には、循環系統60の内部圧力が一定の圧力を超えないようにする逃がし弁28が取り付けられるサージタンク27が接続されている。また、循環ポンプ50は、ポンプ本体51と駆動モータ52とを含み、駆動モータ52は太陽電池30から供給される電力によって駆動される。太陽電池30は複数の太陽電池パネル31を組み合わせたものである。蓄熱液45を貯留するタンク40は、内部ケーシング41と外部ケーシング42との二重構造となっており、各ケーシング41,42の間には真空層43が設けられ、外部ケーシング42の外側は断熱材44によって覆われている。タンク40の上部には、タンク40の内部の圧力が一定の圧力を超えないように逃がし弁48が取り付けられている。加熱器70、加温器80はいずれも伝熱管がサーペンタイン状に配置された熱交換器である。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、太陽熱コレクター20は、太陽光15が透過すると共に、熱伝導を抑制する透光性断熱部材である第1の中空透明ガラス平板21と、第1の中空透明ガラス平板21の太陽光15を受ける表面22と反対側の裏面24の側に取り付けられた鉄等の金属製材料で構成された真空ケーシング35と、真空ケーシング35の内部空間36に取り付けられる選択吸収膜25と、選択吸収膜25の裏面24と反対側の面に取り付けられた集熱器26とを備えている。先に述べたように、集熱器26は、熱媒体が流れるサーペンタイン状のパイプによって構成され、循環系統60の熱媒体入り口管61と熱媒体出口管62とが接続されている。第1の中空透明ガラス平板21の内部の中空部分23は真空となっている。第1の中空透明ガラス平板21は、例えば、500℃程度の高温に加熱してガラスに吸着している空気を真空ポンプで排気した後、封止を行って製造する。また、真空ケーシング35は、第1の中空透明ガラス平板21の側面に接着剤あるいはガラス溶着によって内部空間36が密閉されるように取り付けられる。真空ケーシング35を取り付けた後、内部空間36は、真空ポンプ等によって空気を排気して真空とされる。選択吸収膜25は、太陽光15の放射を抑制し、効果的に太陽光から熱を集熱するものである。選択吸収膜25の表面は、第1の中空透明ガラス平板21の下面24との間に隙間を設けるように配置されている。
As shown in FIG. 3, the
以上のように構成された太陽熱集熱システム100の動作について説明する。図3に示すように、太陽光15を受けると、太陽光15は、太陽熱コレクター20の第1の中空透明ガラス平板21の表面22から入射し、真空の中空部分23を通過して裏面24から真空ケーシング35の内部空間36に設けられている選択吸収膜25に入射する。選択吸収膜25は太陽光15の表面からの放射を抑制し、太陽光15の熱を効果的に吸収する。そして、選択吸収膜25によって吸収された太陽熱は集熱器26の内部を流れる熱媒体に移動し、熱媒体の温度を上昇させる。また、第1の中空透明ガラス平板21は、中空部分23が真空となっているので、選択吸収膜25、集熱器26の熱が熱伝導によって外部に放散することを抑制している。従って、選択吸収膜25による放射熱の抑制と第1の中空透明ガラス平板21による熱伝導の抑制により、太陽光15からの太陽熱は、効率的に集熱器26の熱媒体に移動し、熱媒体の温度を効果的に上昇させる。熱媒体は、零下30℃程度で凍らず、100℃を超えても沸騰しない、例えば、エチレングレコールなどの不凍液であってもよいし、250℃程度まで沸騰しない特殊な熱媒体であってもよい。このように、太陽熱を集熱した際の温度でも熱媒体は沸騰しないものを用いる。
The operation of the solar
太陽が出ている昼間は、図1に示す太陽電池30も太陽光15を受け、電気出力を循環ポンプ50の駆動モータ52に供給しているので、循環ポンプ50が回転し、熱媒体は循環系統60を循環する。そして、熱媒体は、熱媒体出口管62からタンク40の中の加熱器70に流れ込み、タンク40の中に貯留されている、例えば、水などの蓄熱液45を加熱する。一方、低温の給水は給水管91から加温器80に流入し、加熱された蓄熱液45と熱交換して温度が上昇し、温水管92から建物内の給湯口93に供給される。
In the daytime when the sun goes out, the
温度の下がった熱媒体は、タンク40の加熱器70を出て循環ポンプ50によって加圧されて再び屋根11の上に配置された太陽熱コレクター20に戻って加熱される。そして、太陽が沈んだ夜間になると、太陽電池30からの電力の供給が停止するので、太陽熱コレクター20での集熱が停止するとともに、循環ポンプ50の駆動モータ52が停止し、熱媒体の循環が停止する。夜間は、太陽熱コレクター20による集熱がないので、循環系統60の熱媒体の温度は低下し、外気が氷点下に下がる場合には、熱媒体の温度も氷点下まで低下する。しかし、熱媒体は不凍液あるいは低温で凍らない特殊な熱媒体を用いているので、凍結しない。
The heat medium having fallen in temperature leaves the
また、太陽熱を集熱した際の温度でも熱媒体が沸騰しないので、循環系統60の圧力は大きくならず、循環系統60の耐圧性をさほど大きくしなくとも効率よく太陽熱を集熱することができる。そして、大気温度の高い地域でも圧力の上昇が少なく、安定した運転を行うことができる。また、熱媒体は閉ループである循環系統60の中を循環するのみであることから、少量の特殊な熱媒体を用いることでシステムを構成でき、太陽熱集熱システム100のコストを抑えつつ、集熱効率が高く、安定した運転ができる。
Further, since the heat medium does not boil even when the solar heat is collected, the pressure of the
以上説明したように、本実施形態の太陽熱集熱システム100は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができるという効果を奏する。
As described above, the solar
次に、図4を参照しながら、他の太陽熱コレクター20の構成について説明する。図4に示す太陽熱コレクター20は、図3で説明した太陽熱コレクター20の真空ケーシング35に代わって、第2の中空透明ガラス平板32の中空部分33に選択吸収膜25と集熱器26を配置したものである。第2の中空ガラス平板32は、第1の中空透明ガラス平板21の太陽光15を受ける表面22と反対側の裏面24の表面に重ねあわされて取り付けられており、第1の中空ガラス平板21と同様、例えば、500℃程度の高温に加熱してガラスに吸着している空気を真空ポンプで排気した後、封止を行って製造する。第2の中空透明ガラス平板32は第1の中空透明ガラス平板32の裏面24に密着して取り付けられていることが好ましいが、多少の隙間があってもよい。本実施形態のように構成した太陽常コレクター20を用いて図1、図2を参照して説明した太陽熱集熱システム100を構成した場合も先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
Next, the configuration of another
次に図5を参照しながら図3、図4を参照して説明した太陽熱コレクター20を発電システム200に適用した場合について説明する。図5に示すように、発電システム200は、発電機203を駆動する蒸気タービン202と、蒸気タービン202に駆動用蒸気を供給するボイラ201と、蒸気タービン202で膨張した蒸気を水に戻す復水器204と、復水器204からの水を太陽熱コレクター20とボイラ201に供給する給水ポンプ205とを備えている。本実施形態の発電システム200では、熱媒体は水である。太陽熱コレクター20の熱媒体入り口管61から集熱器26に入った水は、太陽熱コレクター20によって加熱されて高温の水となってボイラ201に入る。また、ボイラ201には給水ポンプ205からも給水が供給される。給水ポンプ205から供給された給水は、ボイラ201で加熱された後、集熱器26からの高温の水と混合された後、蒸発して高温の蒸気となって蒸気タービン202に供給され、発電機201を回転させる。蒸気タービン201で膨張した蒸気は復水器204で水に戻って再び太陽熱コレクター20と、ボイラ201とに給水される。このように、本実施形態では、熱媒体である水は、集熱器26、ボイラ201、蒸気タービン202、復水器204を循環する。従って、集熱器26、ボイラ201、蒸気タービン202、復水器204は閉ループの循環系統60を構成する。本実施形態は、太陽熱集熱システム100を発電システム200に利用し、効率の高い発電を行うことができるという効果を奏する。
Next, a case where the
本実施形態では、集熱器26から高温の水をボイラ201に入れることとして説明したが、集熱器26で蒸気を発生させ、ボイラ201で発生した蒸気と合わせて蒸気タービン202に供給するように構成してもよい。また、多数の太陽熱コレクター20を設置し、太陽熱コレクター20によって発生する蒸気によって蒸気タービン202を駆動するように構成してもよい。
In the present embodiment, it has been described that high-temperature water is put into the
10 建物、11 屋根、12 風呂、15 太陽光、20 太陽熱コレクター、21 第1の中空透明ガラス平板、22 表面、23,33 中空部分、24 裏面、25 選択吸収膜、26 集熱器、27 サージタンク、28,48 逃がし弁、30 太陽電池、31 太陽電池パネル、32 第2の中空透明ガラス平板、33 中空部分、35 真空ケーシング、36 内部空間、40 タンク、41 内部ケーシング、42 外部ケーシング、43 真空層、44 断熱材、45 蓄熱液、50 循環ポンプ、51 ポンプ本体、52 駆動モータ、60 循環系統、61 熱媒体入り口管、62 熱媒体出口管、70 加熱器、80 加温器、90 給水系統、91 給水管、92 温水管、93 給湯口、100 太陽熱集熱システム、200 発電システム、201 ボイラ、202 蒸気タービン、203 発電機、204 復水器。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記透光性断熱部材の外側に取り付けられ、前記透光性断熱部材を通して入射した太陽光の熱を選択的に吸収し熱放射を抑制する選択吸収膜と、
前記選択吸収膜の透光性断熱部材と反対側の表面に取り付けられ、太陽熱を集熱する集熱器と、
前記集熱器に熱媒体を循環させる循環系統と、
を有する太陽熱集熱システムであって、
前記透光性断熱部材は、内部を真空とした中空透明ガラス平板であること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。 A transparent heat insulating member that transmits sunlight and suppresses heat conduction; and
A selective absorption film that is attached to the outside of the translucent heat insulating member, selectively absorbs heat of sunlight incident through the translucent heat insulating member, and suppresses heat radiation; and
A collector that is attached to the surface of the selective absorption film opposite to the light-transmitting heat insulating member and collects solar heat;
A circulation system for circulating a heat medium to the heat collector;
A solar heat collecting system comprising:
The translucent heat insulating member is a hollow transparent glass flat plate having a vacuum inside;
Solar heat collection system characterized by
蓄熱液が貯留されるタンクを含み、
前記循環系統は循環する前記熱媒体によって前記タンク内に貯留された前記蓄熱液を加熱する加熱器と、
前記タンク内に貯留される加熱された前記蓄熱液によって給水の温度を上昇させる加温器と、を備え、
前記循環系統は閉ループであること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。 The solar heat collection system according to claim 1,
Including a tank in which the heat storage fluid is stored,
The circulation system heats the heat storage liquid stored in the tank by the circulating heat medium; and
A heater that raises the temperature of the feed water by the heated heat storage liquid stored in the tank,
The circulation system is a closed loop;
Solar heat collection system characterized by
前記循環系統は、太陽電池で駆動され、前記熱媒体を循環させる循環ポンプを備えること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。 The solar heat collection system according to claim 2,
The circulation system includes a circulation pump that is driven by a solar cell and circulates the heat medium.
Solar heat collection system characterized by
前記熱媒体は、少なくとも、前記集熱器と、発電機を駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに駆動用蒸気を供給するボイラと、の間を循環すること、
を特徴とする太陽熱発電システム。 The solar heat collection system according to claim 1,
The heat medium circulates at least between the heat collector, a steam turbine that drives a generator, and a boiler that supplies driving steam to the steam turbine;
Solar power generation system characterized by
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131022 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140304 |