JP2014194323A - バルーン型太陽光集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、太陽光を８０℃〜１００℃の中熱の熱媒体に非常に低いコストで変換することを目的とする。
【解決手段】 本発明の太陽光集熱装置１００は、透明な第１の可撓性フィルムと、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムとから構成されるバルーン１０１を備え、バルーン１０１の内部に充填された気体で、前記バルーンを円筒状に維持する。さらに、バルーン１０１の内部に、表面鏡から反射された太陽光が集光される領域を覆う集熱管１０２を設置し、該集熱管の中に液体を通すことにより、熱の輸送を実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は太陽光を集光することによって中温の熱に変換する装置に関する。

従来の集熱装置にはパラボラトラフ鏡を用いたものがある。また、円弧状の鏡を用いたものがある。さらに、集光を行わずに熱に変換するいわゆるフラットタイプの温水器がある。

パラボラトラフは放物線を母線にもつトラフ（日本語で樋）である。これを用いると一点の焦点近くに直達太陽光（以下、太陽光と述べる）は集光される。その焦点近くに熱媒を通したパイプ状などの集熱管を設置すると、太陽光を高温の熱に変換することができる。この方式は大型の太陽熱発電プラントに使用されている。そして、集光温度は３５０℃以上が一般的である。

また、円弧状の鏡を用いた集光装置は、集光原理は本発明と同じであり太陽光を集光する面積は一点でなくかなり広いため、パラボラトラフのように高温の熱を得ることができない（特許文献１）。さらにフラットタイプの温水器は言うまでもなく、６０℃以上の熱に変換することはできない。さらにこれらの集光装置は鏡の形を形成するのに、鏡の裏面に成型部材を用いるため、円弧の場合は、支持部材などが複雑なものになってしまう。

特公昭６３−６１５７９

先行技術の集光装置は鏡の形を形成するのに、鏡の裏面に成型部材を用いる。円弧の場合には支持部材などが複雑なものになっている。基本的に鏡を形を形成する部材をなくすことが低コスト化への課題である。

変換効率は集光倍率、すなわち、（集光された光の強度／日射強度）が大きいほど高くなる。集光された光の強度が集熱された温度での熱放散よりも小さい場合は、集めようとする温度の熱を得られず集光効率が低下する。したがって、集光された光の強度の大きい位置に集熱管を置くことが変換効率を維持する課題である。

本発明は、太陽光を８０℃〜１００℃の中熱の熱媒体に非常に低いコストで変換することを目的とする。これは言い換えれば変換効率をコストで割った値を大きくすることである。また追加的手段によって、２次的には太陽光の強度（以下、日射強度と述べる）が下がったときにも変換効率を高く維持できることも目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行った結果、太陽光集熱装置において、透明な可撓性フィルムの内面に反射鏡を設けて集光するバルーンを備えることにより、太陽光の変換効率が向上することを発見し、本発明を完成するに到った。
すなわち、本発明は、以下のとおりである。

（１）は、透明な第１の可撓性フィルムと、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムとから構成されるバルーンを備える太陽光集熱装置であって、前記バルーンの内部に充填された気体で、前記バルーンを円筒状に維持することを特徴とする太陽光集熱装置である。（２）は、前記バルーンの内部に、前記表面鏡から反射された太陽光が集光される領域を覆う集熱管を設置し、該集熱管の中に熱媒体を通すことにより、熱の輸送を実現することを特徴とする（１）記載の太陽光集熱装置である。（３）は前記第１の可撓性フィルムは、紫外線を通さない透明な樹脂であることを特徴とする（１）又は（２）記載の太陽光集熱装置である。（４）は前記表面鏡は、蒸着アルミニウムであることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置である。

（５）は、前記集熱管における中心直径をDとしたとき、該集熱管の上面をバルーンの中心直径上で中心から反射面側に０．２５Dの位置に設置し、中心直径上の長さを０．０８Dから０．１Dの範囲に、幅を０．０２Dから０．０３Dの範囲にすることを特徴とする（２）に記載の太陽光集熱装置である。（６）は、前記集熱管を分割して中心直径上の長さを、日射強度に応じて変化可能とすることを特徴とする（２）又は（５）に記載の太陽光集熱装置である。（７）は、前記表面鏡として用いられる材料の酸化を防ぐために、前記バルーンの内部の雰囲気を無酸化雰囲気に保つことを特徴とする（４）記載の太陽集熱輸送装置である。（８）は、前記第１の可撓性フィルム、または前記第２の可撓性フィルムが交換可能であることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に太陽光集熱装置である。（９）は前記バルーンと前記集熱管を支持する部材を、コルゲート断面を持つリングと真円度を保つスポークとで構成することを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置である。

本発明の太陽光集熱装置は、効率よく太陽光から集熱することができる。

集熱装置全体の断面図である。 バルーン断面図である。 集熱管を支持するためのリングの側面図である。 集熱管上の集光量の分布を示す図である。 集熱管上の集光量の分布（理論値）の計算結果である。 図５を得るための計算の問題設定を表した図である。 バルーンを支持、回転させるリングの断面図である。 バルーンを支持、回転させるリングの側面図である。 集熱装置に誤差がある場合の反射光の方向と集熱管上面の寸法との関係を示す図である。 ２分割した集熱管の断面図である。 太陽光強度が小さくなった時の２分割した集熱管の制御の説明図である。 バルーンの駆動装置の説明図である。 フィルム交換装置の側面図である。 フィルム交換装置の断面図である。 フィルム交換装置の構成図である。 交換フィルムの構成図である。

本発明の集熱装置１００の長手方向断面図を図１に示している。円筒状のバルーン（風船）１０１をプラスチックフィルムで作成する（図１）。このバルーンの中に圧力を持った気体を封入する。そのバルーンの軸方向の数か所に集熱管１０２を支持するためのリング１０３を備える。また、そのバルーンの両端は円形のほぼ平面状のプラスチックフィルム１０４で構成する。この円形を構成するためと、バルーンを支持、回転するためのリング１０５をバルーンは持つ。
バルーンの中に圧力を持った気体を封入することで、バルーン１０１が理論上、円筒面に成型される。

図２は集熱装置１００の断面を示している。バルーン１０１の円筒状のプラスチックフィルムのうち中心線２０３を中心にして円周上左右にθ、合計２θの部分を内面にアルミニウムをコーティング（一般的には蒸着処理）した反射鏡２０１にする。他の部分は透明のプラスチックフィルム（例えば紫外線カットしたアクリルフィルムなど耐候性の良いフィルム）２０２にする。

反射鏡２０１の設置角度２θは実質上９０度〜１００度である。それ以上広げても太陽光が散乱して入射してこない。なお、このバルーン１０１に対して、太陽光を中心直径２０３と平行な方向Ｓから入射させる。
上述したような方向に入射した太陽光は反射鏡によって反射され集熱管１０２上に集光される。この集熱管は中心直径２０３に沿って設置される。

図３は集熱管を支持するためのリングの断面を示している。円形のリング１０３は軽量化のために板厚を１ｍｍ程度にして、しかも剛性を上げるためと、フィルムを固定するために、コルゲート形をしている。窪んだ部分でフィルムをワイヤなどを使って固定する。また、円形のリングの真円度を保つために、少なくとも２本（場合によっては本数を増やしてもよいが最少２本で効果が出る）のスポーク３０１がバルーン１０１の中心を通って設置してある。このスポークは引っ張り力で真円度を保っているため部材の直径は小さい（例えば１ｍの円の場合２ｍｍφ程度で十分である）。
またこのリング１０３には中心直径２０３に垂直に中心を通らないスポーク３０２を設置し、この上に集熱管１０２を取り付ける。

図４は太陽光が中心直径に平行に入射した場合の集熱管上の集光量の分布を模式的に示している。縦軸は中心直径、横軸は集光量である。設計条件での集光量の計算値は実線の集光量４０１に示している。実際の測定値は実線の集光量４０２上の黒い点であり、種々の誤差を含んでいると思われる。

本発明は８０℃〜１００℃の中熱に太陽光を変換することを目的としている。図４のQ点は１００℃での集熱管からの放射損失と対流損失を加えたもので、１００℃の水を集熱管内に流した時の熱損失を表す。集熱量はこれ以上でなければならず集熱効率を高めるためにはQ点の熱量より大きくなければならない。例えば２倍とすれば計算上、集熱管の位置と長さは、集熱管の上端がバルーン中心から、直径をDとすると０．２５Ｄ、集熱管長さが０．１Ｄとなる。実際は上端位置を変えずに、長さを０．０８Ｄ〜０．１Ｄにするのが良い（気象条件で最適化される）。

前段落で記載の、集熱管の上端の位置は、公知の知見の範囲内で、幾何学的に計算を行い、その結果（図５）を参考に決定した。なお、図５の横軸は光の集光量に対応し、縦軸は、単位を直径とした、バルーン断面中心より下方の位置を表す。

前段落に記載の計算の内容は、バルーン上面２θ＝９０°の範囲より、バルーン下面に対して垂直に入射された光線が、バルーン下面の反射鏡により鏡面反射された場合に、バルーン断面の中心より下方のある位置を貫く光線の本数を数え、これを光の集光量とみなして見積もりを行った。

図５には理論値と共に、計測値も記入してあり良い一致を示している。

図６は、前二段落に記載の計算を行う際の問題設定を示した図である。図６に示された、x1（−0.353D〜−0.001D；図６におけるx座標）毎に線分αβのy切片を求める問題として、x1に対するy切片(y0)を求めた後、−0.353D ≦ x1 ≦ −0.001Dにおいて、 y0という答えが何度得られたかを数え上げる。

y0 (x1) = y1 + tan(π/2 − 2φ) | x1 | （式１）

式１は、図６より得られる。なお、図６において、線分oαとy軸とがなす角度φを用いて、∠α’αo = ∠αoβ = φおよび∠α^’αo = ∠oαβ = φとしているのは、それぞれ、平行な２直線の錯角が等しいことと、反射の法則によって正当化される。

図５を得るための計算を行う際の条件は、次のの５つの条件において計算している。（１）反射鏡が、θ＝45°（2θ＝90°）の範囲内に張られている。（２）バルーン下面の鏡に入射する光線は、地面に対して垂直に（図中y軸に平行に）入射する。（３）光線は、反射により進行方向を変えた後、直進する。（４）バルーン下面の鏡に入射した光線は、反射の法則に従ってその進行方向を変える（鏡面反射のみを考慮した）。（５）バルーン上半面の薄膜による光の屈折による光線の進行方向の変化を無視した。なお、（５）は、バルーンの半径に対してフィルムが非常に薄いことから無視できることを説明できる。

図１の集熱装置１００には集熱管に水を通すための入口パイプ１０６と出口パイプ１０７を回転軸１０８と１０９に取付けられている。また、バルーンに圧力を持った気体を通すためのパイプ１１０と１１１も回転軸に取付けられている。

図７にバルーンを支持、回転するためのリング１０５の側面図を示す。これはコルゲート状の断面を持つリング本体７０２と回転軸７０１とで構成されている。また、バルーンを回転させるための金属線７０３がリング本体７０２に懸けられている。

図８はリング１０５の側面図で、中間のリング１０３と同じ役割をするスポーク７０５を複数個もち、それらは回転軸７０１に取付けられている。また、図１に記載しているパイプ１０６及び１０７を取り付ける孔を備えている。

バルーンに送られる圧力を持った気体は、バルーンの形状を円筒状にすると同時にもう一つの役割を持っている。それは、反射鏡２０１の酸化劣化を防ぐために無酸化雰囲気にする役目である。たとえば１〜３％水素含有窒素または二酸化炭素を使用する。

集熱管１０２は、好ましくは三角形の断面、より好ましくは、鋭角が垂直方向を向く二等辺三角形の断面とすることができる。この集熱管も軽量化のために内部の圧力を常圧にすることによって管の厚さを薄くできる。実際には１ｍｍ程度にできる。図４に関して上記通り説明したように中心直径２０３に沿った方向の寸法は決まるが、三角形の断面の上面（中心直径に垂直方向）の寸法は理論上は零となる。しかしながら装置の誤差が想定され、その誤差要因は本装置の場合、装置製作誤差、据付誤差、運転制御誤差、太陽追尾誤差などが考えられる。一般的に本発明に類する装置誤差は、上記の各誤差が±０．５度が想定される。その場合全体の誤差は２乗平均を取って±１度となる。

図９は誤差を考えた時の三角形の断面の上面の寸法Mを決定する方法を示している。線分COは太陽光が中心直径に平行に入射した場合（理論通り）反射光が上面の中心に達する（線分OC’）時の入射光の軌跡である。誤差が±１度の場合のそれぞれの反射光の軌跡はOA’、OB’となる。この時のMの値は０．０２Dとなる。誤差によってMは決まるが、余裕を持って、（０．０２〜０．０３）Dとするのが良い。
図１０は日射強度が天候によって小さくなった時に対応するための集熱管の形状を示す。

集熱管を２分割して中心直径２０３に沿って配置する。上方の集熱管１００１は固定しておき、下方の集熱管１００２を図の位置から上方に移動できるようにする。下方の集熱管１００２を上方に移動すると、二つの集熱管を合わせた長さを短くできる。

図４に関する説明で記述のように設計条件での集光量は日射強度が設計条件の場合であり、日射強度は日、時間によって変化する。日射強度が小さくなると図１１に示すように設計条件での集光量４０１に対して少ない集光量１１０１となる。この時、図４に関する説明で記述したように集熱管長さはL’としなければならない。この時には下方の集熱管１００２は図のような位置に制御される。

図１の集熱装置１００のバルーンを太陽光追尾センサー１１４の信号によって中心直径の方向に太陽光が入射するように回転させる。そのための装置としてモーター１１３と駆動装置１１２がある。

図１２に駆動装置を示す。モーターでプーリー１２０１を回転させる。このプーリーには金属線５０３が懸けられている。また、テンションを取るためにアイドルプーリー１２０２とばね１２０３が装備されている。金属線はリング７０２に懸けられ、金属線を引っ張ることによってリングに取付けられているバルーンが回転する。

この駆動装置において、リングの外周に懸けられた金属線をプーリーを介してモーター１１３で駆動する方式をとった理由は、回転速度が一日一回転と非常に遅いため減速装置が複雑になるのをリングとプーリーの直径差による減速で解決することが出来ること、及びそれによるモーターのトルクを小さくできることである。

本発明の目的の１つは本装置の製造コストを非常に低くすることである。本集熱装置１００は鏡の形を形成する成型部材を持たないこと、バルーンを支持し回転させるために、コルゲート形状で剛性を上げた軽量のリングと真円度を保つための細いスポークで構成している。また、上述の通り集熱管も１ｍｍ厚程度の軽量なもので作成される。

これらの徹底した軽量化により１ｍ直径で長さ１０ｍのバルーンを作った場合、フィルムも含め２０ｋｇ程度のものとなる。この製作コストは１個製作でも２０万円程度、半量産になれば５万円程度と安くなる。

このバルーンを日射強度の大きいところに設置した場合、３ｋWの熱量を集めることができる。したがって１ｋW当たりの設備費はバルーン以外の制御装置や支持装置などを考慮しても２万円〜８万円程度となり、現在の日本のエネルギー価格で償却を考えても半量産になれば４年程度であり、十分安い。また、日射量の多い地域では日本のエネルギー価格ベースで２年程度の償却も考えられる。
本発明のもう一つの目的である、太陽光強度の下がった場合の変換効率の維持に関しては、集熱管を２分割することで解決できる。

本発明では、プラスチックフィルムにアルミニウムを蒸着した反射鏡を用いているため、何らかの原因により反射鏡に破損が生じたり劣化した場合に、バルーンを構成するプラスチックフィルム１０１を交換可能にすることで性能を維持したり、保守・点検を容易にすることができる。

図１３に示すように前段落記載のフィルム１０１の交換装置１４００を、バルーン軸に平行に、バルーンに取り付ける。

図１４は交換装置１４００を、バルーン軸に垂直な断面図上で示したものである。交換装置は集熱管支持リング１０３に取付け、その位置は円周上の太陽光の集光に影響しない場所に付ける。

図１５は交換装置の具体例を示す。この場合交換装置筐体１５００内に二つのフィルム巻き取りリールを持つ。一つは交換に用いる新しいフィルム用のリール１５０１でフィルムを払い出す。他方は交換する古いフィルム用リール１５０２でフィルムを巻き取る。

筐体からフィルムを払い出したり巻き取るために、２個のロール１５０３を設置する。また、バルーン内部の圧力を維持するために、ロールの両端にシールバー１５０４を設置する。

リール１５０１に巻かれているフィルムは、反射鏡フィルム１６０２と透明フィルム１６０３が交互に繋がっており、その長さは、バルーンの円周上のそれぞれのフィルムの長さと同じになっている。

（実施例１）
本集光装置のバルーンの軸の傾きを太陽南中時の太陽高度（太陽の高さ方向の角度）に垂直にし、バルーン軸の方向を南北に合わせて設置する場合を説明する。
この場合、バルーンの中心直径を東から天頂を通って西に向かうように回転させる。そのことによって太陽光は常に中心直径上に平行にしかもバルーン軸に垂直に入射する。そのためバルーンの軸方向全域を利用できる。しかし、軸を傾ける装置が必要になるためコスト高になる。

（実施例２）
本集光装置のバルーン軸の傾きを水平方向に固定し、バルーン軸の方向を南北方向に合わせて設置する。この場合バルーンは実施例１と同じようにバルーンの中心直径を東から天頂を通って西に向かうように回転させる。この場合太陽光は中心直径と太陽高度と天頂とのなす角度だけ傾いてバルーン入射する。

したがって緯度の低い赤道付近はバルーン軸上の端面の一部を除いてほぼ全域で集熱できる。しかし、緯度の高い地域では、バルーンの南側の端面付近は集熱管に反射光が到達せず有効に集熱できない。

この設置方法は、軸を傾ける装置の必要がなくコストが低くなる。また設置する場所の高さの制限が少なくその点でもコストを抑えることができる。一部、集熱できない部分の損失のコストはバルーンの長さが大きい時には非常に小さくなる。したがってこのような利用方法がコストを低くするための良い利用方法である。

１００ 集熱装置
１０１ バルーンを構成するプラスチックフィルム
１０２ 集熱管
１０３ 集熱管支持用リング
１０４ 側面のプラスチックフィルム
１０５ バルーン支持、回転用リング
１０６、１０７ 熱媒（水）の出入り管
１０８、１０９ バルーン支持、回転用軸
１１０、１１１ 圧力を持った気体の出入り管
１１２ バルーン駆動装置
１１３ バルーン駆動用モーター
１１４ 太陽光追尾センサー
２０１ 反射鏡
２０２ 透明プラスチックフィルム
２０３ 中心直径
３０１ 真円度保持用スポーク
３０２ 集熱管支持用スポーク
４０１ 設計条件での理論集光量
４０２ 設計条件での実測集光量
７０１ 回転軸
７０２ コルゲート型リング
７０３ 金属線
７０４ パイプ取り付け孔
１０００ 分割型集熱管
１００１ 上方集熱管
１００２ 下方集熱管
１１０１ 日射強度の小さい時の理論集熱量
１２０１ 駆動用プーリー
１２０２ アイドルプーリー
１２０３ テンション付与用ばね
１４００ フィルム交換装置
１５００ 交換装置筐体
１５０１ 交換フィルム用リール
１５０２ 古いフィルム用リール
１５０３ フィルム払い出し、巻き取りロール
１５０４ シールバー
１６０２ 交換用反射鏡フィルム
１６０３ 交換用透明フィルム
α’ バルーン下面の光線が反射される点
α’ バルーン上面の光線を透過する点
β バルーン断面の中心より下方、反射光線が通る点
ο バルーン断面の中心
x1 点αのx座標（地面に水平な方向）
y1 点αのy座標（地面に垂直な方向）
y0 y切片（点βのy座標）
φ 点αと点οを結ぶ直線と、点οを通る、地面に垂直な線とのなす角度
A、A’、B、B’、C、C’ 太陽光の軌跡
L 、L’ 集熱管高さ
M 集熱管上面幅
P バルーン断面の中心点
O 太陽光反射点
Q １００℃の放熱量

Claims (9)

1. 透明な第１の可撓性フィルムと、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムとから構成されるバルーンを備える太陽光集熱装置であって、
   前記バルーンの内部に充填された気体で、前記バルーンを円筒状に維持することを特徴とする太陽光集熱装置。
2. 前記バルーンの内部に、前記表面鏡から反射された太陽光が集光される領域を覆う集熱管を設置し、該集熱管の中に熱媒体を通すことにより、熱の輸送を実現することを特徴とする請求項１記載の太陽光集熱装置。
3. 前記第１の可撓性フィルムは、紫外線を通さない透明な樹脂であることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光集熱装置。
4. 前記表面鏡は、蒸着アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置。
5. 前記集熱管における中心直径をDとしたとき、該集熱管の上面をバルーンの中心直径上で中心から反射面側に０．２５Dの位置に設置し、中心直径上の長さを０．０８Dから０．１Dの範囲に、幅を０．０２Dから０．０３Dの範囲にすることを特徴とする請求項２に記載の太陽光集熱装置。
6. 前記集熱管を分割して中心直径上の長さを、日射強度に応じて変化可能とすることを特徴とする請求項２又は５に記載の太陽光集熱装置。
7. 前記表面鏡として用いられる材料の酸化を防ぐために、前記バルーンの内部の雰囲気を無酸化雰囲気に保つことを特徴とする請求項４記載の太陽光集熱装置。
8. 前記第１の可撓性フィルム、または前記第２の可撓性フィルムが交換可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置。
9. 前記バルーンと前記集熱管を支持する部材を、コルゲート断面を持つリングと真円度を保つスポークとで構成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置。