JP2016133301A - 太陽光集光エネルギーの利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の太陽光集光装置は集光エネルギーの発生位置が固定し集光エネルギーを他の場所へ移動したり、加算集合又は拡散低減することはできなかった。従って太陽熱発電のような巨大なエネルギーを得るためには高い塔の頂部に集光集熱器を設ける手段しかなく、他は小型の熱源としての利用しかできなかった。本発明は以上の制約を排除し、太陽光集光エネルギーの移動や加算集合、拡散低減を可能として幅広い分野での熱源とすることを目的とするものである。【解決手段】 側壁が石英光ファイバーの単層又は複数層から成るフレキシブルな円筒で集光の入り口が円錐形となっていてレンズの焦点や前段の集光エネルギーを受け入れやすく、内面の全反射によって集光エネルギーを円筒出口へ移動できる伝送管を用い、伝送管の口径の調節によって集光エネルギーの加算集合や拡散低減が行える太陽光集光エネルギーの利用システムである。【選択図】なし

Description

本発明は、太陽光集光エネルギーの利用システムに関する。

従来の太陽光エネルギーの集光方式としては、レンズを用いてその焦点に集中させるか、トラフ鏡を用いて線状に集中させるか又は多数の鏡面を並べてその反射光を１箇所に集中させる等の方式用いられてきたが、これ等の方式は太陽光エネルギーの集中箇所が固定されており、集光エネルギーを他の場所へ移動したり、集光エネルギー同士を加算集合させることができないので、高い密度の集光エネルギーを得ることは困難であった。

点集光屈折型集熱器では、その焦点は千数百度に達するが焦点の径が小さくスポット集熱器に過ぎない。点集光反射型集熱器ではタワー型集熱器として高いタワー上に受光部を設けけるなどの制約があるし、又広大な平坦な敷地面が必要となる。

太陽光の集光、集熱に当っては以上述べたような制約がなく、必要に応じて適切な温度の熱源を自由に形成できることが望ましく、本発明は複数の点集合屈折型集光器（レンズ）のエネルギーの移動、加算集合をまとめて複数の熱源を形成し、これ等を所望の場所へ伝送して利用しようとするシステムである。

従来の太陽光集光装置は屈折型であれ反射型であれ焦点が固定した一点又は一線状に限られ、これ等の集光エネルギーを加算集合したり、他の場所へ移動させることはできなかった。

又、集中型太陽熱発電システムでは多数の平面鏡を配置し、タワーの頂部に取り付けられた集熱器へ集光する方式であり、高いタワーと広大な平坦な敷地が必要である。

本発明においては、複数のレンズの焦点の集光エネルギーをまとめて所要の温度、熱量の熱源を作るためにフレキシブルな光エネルギー伝送管群を用い、次段の伝送管で集合する時に熱源の温度、熱量を調節することを可能として従来の集光集熱器の欠陥を解決し、必要な熱量と数百度から２０００度以上の熱源を確保することを目的とする。

先ずレンズ焦点に集光した光エネルギーの伝送管について述べる。集光レンズとしてはフレネルレンズを採用し、その４、９、１６、２５枚を組み合わせた各モジュールの焦点の集光エネルギーを取り込む伝送管は，石英光ファイバーによって円筒形に形成された構造で、その内壁は光を全反射するので伝送におけるエネルギーの損失は小さく、又伝送管が部分的に接着した石英光ファイバーで構成されているのでフレキシブルであり、曲がった配管も容易である。

次段の伝送管への集光エネルギーの送り込みには、第一段の伝送管の出口口径を絞り、複数の第一段伝送管を次段伝送管内へ装入することができ、ここで各集光エネルギーは加算集合されて次段伝送管内を伝送される。このようにして段数を増やしていけば巨大な集光エネルギーを集合伝送することができる。

伝送管の口径は必要に応じて選択できるので二千数百度から数百度の範囲の温度調節が可能である。高温度の熱源が必要な場合には伝送管出口口径を絞って集光エネルギー密度を上げ、低温度の熱源が必要な場合には伝送管出口口径を拡大させて調節する。

最終段伝送管からの集光エネルギーの照射は、太陽熱発電においてはボイラ加熱面へ照射する間接加熱方式をとるのが一般的であるが、化学反応、金属の溶解、製錬等においては材料へ直接照射する。

伝送管から外部への光の漏れを防ぐため、伝送管は複数層の石英光ファイバーをもって構築し、石英光ファイバーを部分的にエチルシリケイト等で接着し、伝送管外周を金属箔により保護する。

本発明の特徴の一つは、集光エネルギーを自由に何処へでも移動させることができ、加算集合することができることである。

これを太陽熱発電に適用すれば高いタワーの建設や広大な平坦な敷地の必要はなくなり、更に出力の制約も緩和される。

本発明のもう一つの特徴は集光エネルギー密度を伝送管によって大きくしたり、小さくしたりして所望のレベルに変換し、高温から低温までの幅広い熱源を創り出せることである。

従って、熱交換、蒸発、蒸留、乾燥、晶析、燃焼等の各装置の熱源やスターリングエンジンの熱源として活用できるし、これ等の装置の円滑な運用に必要な蓄熱装置の熱源としても適切である。

高密度の集光エネルギーの照射は通常の熱化学反応における熱伝導速度よりも照射面の昇温反応速度の方が速いので、例えばバイオマスのガス化反応では触媒も不要でタールの発生もなく、バイオマス全体を加熱する必要がなくなるので反応効率が高くなる。

紫外光範囲まで透過できるアクリル製フレネルレンズを用いて集光すると、高エネルギーの波長ほを含む集光エネルギーが得られ、この集光を照射すると物質の電子状態が励起されるので高温度とともに触媒を必要としない化学反応を生起させることが期待できる。

以下、本発明の実施の形態として太陽熱発電を例として説明する。

１ｍ^２のフレネルレンズを４ｍ×４ｍの正方形に並べて１つのモジュールとし、その焦点を径７０ｍｍ以下に絞り込み、焦点を囲むように第一段の伝送管内に入れ、伝送管内を全反射させながら径３０ｍｍの出口まで集光エネルギーを伝送する。

前項のモジュール１０個の各伝送管出口を第二段の伝送管内に装入して集光エネルギーを加算集合し、径１００乃至１５０ｍｍの出口まで伝送し、これを第三段の伝送管へ装入する。

このようにして第三段の伝送管１０個を第四段の伝送管へ装入し、更に第四段伝送管１０個を第五段の伝送管へ装入すれば、第五段伝送管の太陽光集光エネルギーレベルは約１２，０００Ｋｗとなり、フレネルレンズは１６，０００枚で済む。

熱源としての温度調節は最終段伝送管出口の口径によって行うが太陽熱発電の場合は２０本の最終段伝送管口径４００乃至５００ｍｍの照射口を持った熱源とする。

化学工業におけるユニットプロセスに適合する熱源の集光エネルギーと温度は最終段の伝送管の数と出口の口径によって決めることができる。

次は１０００℃以上２０００℃を超えるような高温度の熱源として利用する場合について述べる。このような高温度を必要とするのは高温の化学反応であり、金属類の溶解、製錬、精錬、炭化物等の製造、水の熱分解の熱源としての利用であるが、これ等の場合には反応物質へ直接集光エネルギーを照射する。

この時反応物質が光子エネルギーを吸収すると励起状態となり分子の電子状態に変化を生じる。通常の熱化学反応では電子状態の変化は殆ど生起せず、反応速度は遅いが、高温度の集光エネルギー照射における照射面の反応速度は著しく速いので、例えばバイオマスのガス化反応では触媒が不要でタールの生成もなく照射表面でのみ反応が進行するので、装入バイオマス全体を加熱する必要はなく反応効率が高い。

日本特殊光学樹脂工業（株）製下記仕様の太陽光集光用フレネルレンズ３枚を用意した。
製品番号 焦点距離（ｍｍ） 材質、厚さ（ｍｍ） サイズ巾×長さ（ｍｍ）
ＣＦ１２００Ｂ３ １２００ ＰＭＭＡ ３ｔ １４００×１０５０

フレネルレンズにはアルミニウムのフレームを装着して、たわみを防止し、二軸の赤道儀式太陽追尾装置に取り付けた。太陽追尾装置の駆動は手動である。

伝送管の入り口口径は５０ｍｍ，長さ１５０ｍｍの円錐形をなし、伝送管の出口口径は２０ｍｍ，全体の長さは１５００ｍｍである。前項３枚のフレネルレンズの焦点の集光エネルギーを取り込むために３本の上記伝送管を用意し、これを第一段伝送管とする。

上記３本の第一段伝送管の出口が、第２段伝送管入り口の円錐形の中央付近にくるように第一段各伝送管をフレームに固定した。

第二段伝送管の入り口口径は５０ｍｍ，長さは１５０ｍｍの円錐形とし、出口口径は２０ｍｍとした。第二段伝送管の全長は２０００ｍｍである。

反応容器は人造黒鉛電極から削り出した。サイズは外径×内径×高さが５０×３０×５０ｍｍの円筒で外周を粘土で固めた。

３枚のフレネルレンズの集光エネルギーは夫々第一段伝送管を通って第二段伝送管で加算集合されて、人造黒鉛反応容器の略真上から照射できるように伝送管を曲げて配管した。

黒鉛反応容器に＃２０、２．５Ｍの銅線（１４，５ｇ）を約１ｃｍに切断して装入し、第二段伝送管の出口から１２秒間照射を行ったところ、銅線の９５％以上が溶解して塊状となった。

黒鉛反応容器に＃２８、１６Ｍのステンレス線（１２ｇ）を約１ｃｍに切断して装入し、第二段伝送管出口から１２秒間照射を行ったところ、ステンレス線の９０％が溶解して塊状となった。

上記二つの実施例から、集光の照射面の溶解は速やかに進行するが、熱伝導が遅れて周囲部の金属線は未溶解のまま残留した。

黒鉛反応容器に鋸くず（２０ｇ）を入れ、表面を搗き固める。ここに第二段伝送管出口から集光エネルギーを照射すると一瞬にして炎が上がり、続いて煙が発生する。高温で密度の高い集光エネルギーが照射されると表面の鋸くずは瞬間的にガス化し、次いで残留炭に着火するものと考えられる。

Claims (3)

1. 石英光ファイバーの単層又は複数層の側壁により囲まれた円筒から成り、石英光ファイバー同志は接着剤によって部分的に接着され、円筒がフレキシブル性を有し、この円筒に取り込んだ太陽光集光エネルギーを集光レンズの焦点以外の場所へ全反射させながら伝送できる太陽光集光エネルギー伝送管を用いて希望する集光エネルギー密度に調節するすることを可能とすることを特徴とする太陽光集光エネルギーの利用システム。
2. 請求項１の太陽光集光エネルギー伝送管の出口の口径を絞れば密度の高い集光エネルギーが得られ、逆に伝送管の入り口よりも出口口径を広げれば低い密度の集光エネルギーが得られ、このようにして到達温度が調節できる太陽光集光エネルギー伝送管を用いることを特徴とする太陽光集光エネルギーの利用システム。
3. 複数のレンズ又は複数のレンズを組み合わせたモジュールの各焦点の集光エネルギーを太陽光集光エネルギー伝送管へ取り込み出口の口径を絞り、次段の太陽光集光エネルギー伝送管へ同時に装入すれば集光エネルギーが加算され、密度の高い集光エネルギーとなり、これを次々と繰り返すことにより、より高い密度の集光エネルギーを作り出すことを特徴とする太陽光集光エネルギーの利用システム。