JP2015183950A

JP2015183950A - 太陽熱集熱装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2015183950A
Application number: JP2014061640A
Authority: JP
Inventors: 隆行本間; Takayuki Honma
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: JP6137010B2

Abstract

【課題】集熱管を洗浄する際に起きる外管の透過率の低下を防止する太陽熱集熱装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】太陽熱集熱装置１００は、曲面鏡１を用いて太陽光Ｌを集熱管２に集光することにより集熱管２内を流通する熱媒体Ｍを加熱し、集熱管２は、熱媒体Ｍが内部を流通する内管４と、内管４の外側に設けられるガラス製の外管３と、内管４と外管３とを接続するベローズ７及びフランジ８と、内管４と外管３との間に形成される断熱空間９とを備え、外管３の内側表面には反射防止膜１０が形成され、外管３の外側表面にはガラス材料が露出する。
【選択図】図２

Description

この発明は、太陽熱集熱装置及びその製造方法に関し、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置及びその製造方法に関する。

放物面を有する集熱手段を用いて太陽光を集熱管に集光し、集熱管内を流通する熱媒体を加熱するトラフ式の太陽熱集熱装置が知られている。この太陽熱集熱装置に用いられる集熱管は、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくするため、特許文献１に記載される太陽熱集熱器のように、外管と内管とからなる二重管構造をなしている。また、外管と内管との間には、真空状態にした密閉空間が設けられている。さらに、外管はガラス製となっている。

また、特許文献２には、透過率を向上させるために表面に低反射膜が被覆された、太陽電池のカバーガラスが記載されている。これと同様に、図４に示すように、一般に太陽熱集熱装置に用いられる集熱管２’においても、外管３’のガラスの内側及び外側の表面には、透過率の向上を目的として反射防止膜１０’が形成される。

特開昭５９−７７２５２号公報国際公開第２０１１／０２７８２７号

ここで、ガラス製の外管３’の外側表面に砂塵等が付着した場合、透過率が低下してしまうため、運用時にはメンテナンスとして外管３’を含む集熱管２’の洗浄が必須となる。しかしながら、外管３’を洗浄することにより、外管３’の外側表面に形成された反射防止膜１０’に傷がついたり、剥離したりするおそれがある。その結果、外管３’の外側表面に凹凸ができるため、太陽光の入射時に光散乱が起きて、外管３’の透過率が却って低下してしまう。また、反射防止膜１０’の傷や剥離のためにできた凹凸によって、外管３’の外側表面に砂塵等が付着しやすくなり、さらに透過率の低下を招いてしまう。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、集熱管を洗浄する際に起きる外管の透過率の低下を防止する太陽熱集熱装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る太陽熱集熱装置は、集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、集熱管は、熱媒体が内部を流通する内管と、ガラス材料を含むとともに、内管の外側に設けられる外管と、内管と外管とを接続する接続部材と、内管と外管との間に形成される断熱空間とを備え、外管の内側表面には反射防止膜が形成され、外管の外側表面にはガラス材料が露出する。

また、この発明に係る太陽熱集熱装置における反射防止膜は、多孔体もしくは中空体を有する酸化ケイ素であってもよい。
また、反射防止膜は、ウェットプロセスによって外管の内側表面に形成されてもよい。

さらに、内管の外側表面には光学選択膜が形成されてもよい。

また、この発明に係る太陽熱集熱装置を製造する方法として、反射防止膜を形成する組成物の溶液を、外管の内部に充填し、その後、溶液を外管の内部から除去することにより、外管の内側表面に反射防止膜を形成するようにしてもよい。

この発明に係る太陽熱集熱装置及びその製造方法によれば、集熱管を洗浄する際に起きる外管の透過率の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態に係る太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図である。図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の長手方向に平行な断面図である。図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の内側表面に反射防止膜を形成する方法を示す図である。従来の例による太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１及び２に示すように、太陽熱集熱装置１００は、集光手段としての曲面鏡１及び曲面鏡１の内側に配置される集熱管２を備えている。曲面鏡１は、長手方向に沿って放物面の断面を有する形状を有する。また、曲面鏡１の内側の表面は鏡面となっており、その焦点位置において集熱管２が長手方向に沿って支持される。

集熱管２は、熱媒体Ｍが内部を流通する金属製の内管４と、内管４の外側に設けられるガラス製の外管３とを備えた二重管構造を有する。内管４及び外管３の長手方向の長さは約４ｍである。また、集熱管２は、内管４の両端付近に設けられるフランジ８と、フランジ８と外管３とを接続するベローズ７とを有する。ベローズ７は、外管３と内管４との間の熱膨張の差を吸収する。そして、ベローズ７及びフランジ８によって互いに接続された外管３と内管４との間には、密閉された断熱空間９が形成される。断熱空間９は、断熱性を高めるために真空状態となっている。
ここで、ベローズ７及びフランジ８は接続部材を構成する。
なお、外管３と内管４との間の熱膨張差を吸収する手段としては、ベローズ７に限定されずダイアフラムを用いてもよい。
さらに、ベローズ７及びフランジ８の材質は、特に限定されず、例えば、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。

外管３の内側表面には、反射防止膜１０が形成される。すなわち、外管３の内側表面は反射防止膜１０によって被覆されている。この実施の形態において、反射防止膜１０には酸化ケイ素の多孔体が用いられる。一方、外管３の外側表面には、反射防止膜等は形成されておらず、ガラス面が露出している。
なお、反射防止膜１０には、酸化ケイ素の中空体を用いてもよい。

また、内管４の外側表面には、光学選択膜１４が形成される。ここで、光学選択膜１４とは、太陽光の可視光線及び近赤外線を吸収し、熱媒体Ｍもしくは内管４から輻射される遠赤外線を反射する膜のことを意味する。光学選択膜１４の例としては、黒色クロムめっき膜、黒色ニッケルめっき膜、無電解ニッケル黒化処理膜、四三酸化鉄皮膜等が挙げられる。

なお、外管３のガラス材料の材質としては、特に限定されず、透明な耐熱ガラスを一般に用いることができる。透明な耐熱ガラス製のガラス管としては、例えば、ホウケイ酸ガラス管等が挙げられる。
また、内管４の材質としては、特に限定されず、一般に、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。これらの中でも、使用環境（例えば、集熱管２の加熱温度）を考慮すると、ステンレス鋼製や耐熱鋼製の内管４を用いることが好ましい。

ここで、太陽熱集熱装置１００に入射した太陽光Ｌの入射経路について図１を用いて説明すると、太陽光Ｌは曲面鏡１上で反射し、集熱管２に集光される。そして、まず外管３に入射した太陽光Ｌは、外管３及び反射防止膜１０を通過して内管４に入射する。次に、内管４に入射した太陽光Ｌは、光学選択膜１４及び内管４を介して、内管４の内部を流通する熱媒体Ｍによって吸収され、これにより熱媒体Ｍが加熱される。

反射防止膜１０はウェットプロセスによって形成される。外管３の内側表面に反射防止膜１０を形成する方法について、図３を参照して説明する。
まず、外管３の一端に、縁が起立した略円盤形状の蓋体１２が嵌め込まれる。蓋体１２には開口１３及び開口１３に取り付けられる開閉バルブ１５が設けられている。外管３は、蓋体１２が嵌め込まれた一端を下方向にして、開放された他端が上方向に向くように配置される。この時、蓋体１２に設けられた開閉バルブ１５は閉状態となっている。そして、上方向に開放された一端から外管３の内部に、酸化ケイ素成分が分散した溶液Ｓが注ぎ込まれ充填される。その後、充分な時間が経過した後、開閉バルブ１５は閉状態から開状態に切り替えられ、溶液Ｓは開口１３を介して外管３の内部から重力に従って徐々に流出し、除去されていく。これにより、外管３の内側表面は、反射防止膜１０を形成する組成物である酸化ケイ素多孔体の層によって被覆される。すなわち、外管３の内側表面に反射防止膜１０が形成される。

以上より、この実施の形態に係る太陽熱集熱装置１００では、外管３の内側表面には反射防止膜１０が形成されているため、外管３の両面ともに反射防止膜等によって被覆されていない場合に比べて、透過率が向上する。具体的には、外管３の内外両面のガラス面が反射防止膜に被覆されていない場合の透過率は９２％であるが、外管３の内側表面に反射防止膜が形成されている場合の透過率は９４％である。
一方、外管３の内側表面及び外側表面の両方が反射防止膜によって被覆されている場合の透過率は９６％である。しかしながら、外管３の外側表面に反射防止膜が形成されている場合、集熱管２を洗浄する度に、外管３の外側表面の反射防止膜に傷がついたり剥離したりして、光散乱や砂塵の付着が起こりやすくなり、却って透過率が低下する。しかしながら、この実施の形態に係る太陽熱集熱装置１００では、外管３の外側表面に硬質なガラス面が露出しているため、洗浄しても表面に傷や凹凸がつきにくく、透過率は低下しない。また、外管３の内側表面に形成される反射防止膜は砂塵の付着や洗浄等の外部の影響を受けないため、太陽熱集熱装置１００の集熱管２は、繰り返し洗浄しても、初期の高い透過率を維持することができる。

また、低い屈折率を有する酸化ケイ素の多孔体又は中空体を反射防止膜１０として用いることにより、反射防止膜１０としての高い性能を確保することができる。

また、内管４の外側表面に光学選択膜１４を設けることにより、効率よく太陽光Ｌを吸収するとともに、熱媒体Ｍからの熱輻射を抑えることができる。

さらにまた、この発明の実施の形態に係る太陽熱集熱装置１００の製造方法では、酸化ケイ素成分が分散した溶液Ｓを外管３の内部に充填した後に除去することにより、外管３の内側表面に反射防止膜１０を形成する。ここで、外管３は長手方向の長さが長く、内側表面に反射防止膜１０を形成するためにはスパッタリング等のドライプロセスによる成膜技術は使えない。しかしながら、外管３の内部に溶液Ｓを充填する方法のウェットプロセスであれば確実に反射防止膜１０を形成することができる。

１曲面鏡（集光手段）、２集熱管、３外管、４内管、７ベローズ（接続部材）、８フランジ（接続部材）、９断熱空間、１０反射防止膜、１４光学選択膜、１００太陽熱集熱装置、Ｌ太陽光、Ｍ熱媒体、Ｓ溶液。

Claims

集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、
前記集熱管は、
前記熱媒体が内部を流通する内管と、
ガラス材料を含むとともに、前記内管の外側に設けられる外管と、
前記内管と前記外管とを接続する接続部材と、
前記内管と前記外管との間に形成される断熱空間とを備え、
前記外管の内側表面には反射防止膜が形成され、前記外管の外側表面には前記ガラス材料が露出する太陽熱集熱装置。
前記反射防止膜は、酸化ケイ素の多孔体又は中空体である請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
前記反射防止膜は、ウェットプロセスによって前記外管の内側表面に形成される請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
前記内管の外側表面には光学選択膜が形成される請求項１〜３いずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置を製造する方法であって、
前記反射防止膜を形成する組成物の溶液を、前記外管の内部に充填し、その後、前記溶液を前記外管の前記内部から除去することにより、前記外管の内側表面に前記反射防止膜を形成する、太陽熱集熱装置の製造方法。