JP2016142474A - ４分の１バルーン型太陽光集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を６０℃〜１００℃の中熱の熱媒体に非常に低いコストで変換する太陽光集熱装置を提供する。
【解決手段】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、前記バルーンの表面鏡部分の断面形状を４分の１の円弧状に維持する。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。円筒型バルーン型太陽光集熱装置（特許文献２）と同等の能力を持ち、材料費並びに製造のための工数すなわち工賃の削減を意図し、バルーン式の太陽集熱機構において重要な表面鏡を有する薄膜部分の形状を４分の１の円弧状に維持する機構を保持しながら、構造の単純化と更なる軽量化を図る。
【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り、その実現法の一つとして、円筒状のバルーンを形成する太陽光集熱装置も提案されている。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。

上記円弧上の鏡を用いた集光装置の新しい形態として提案されているバルーン型太陽集熱装置（特許文献２）においては、可撓性フィルム等により形成されるため、日本国内での運用においては、上記の支持部材等の問題は回避できるものの、太陽光を多く拾う必要があることや、風雨による損傷を回避するための工夫が必要になり、これらを実現するために、製作において、材料費よりも工賃の占める割合が大きくなる。

特公昭６３−６１５７９ 特開２０１４−１９４３２３

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った。

前述の課題に対して鏡の断面形状を形成するための部材を最低限度に抑えたバルーン型太陽集熱装置の提案により、量産段階における製造コストの主要部分である材料費の削減は可能になった。

しかしながら、バルーン型太陽集熱装置では、可撓性フィルムにより形成されているなど構造が脆弱である。このため、風雨にさらされうる屋外に設置する場合、十分な防護策を施す必要が生じる。その結果として、重量の増大ならびに工数すなわち工賃の増大を引き起こす。このため、バルーン型太陽集熱装置の長所を活かすためには工賃の削減が課題となる。

提案されているバルーン型太陽集熱装置（特許文献２）において、風雨に対する防護策を取る際に問題になるのは、占有体積が大きく、とりわけその表面のほとんどがフィルムにより形成されている点である。風の力は面に作用する力であり、体積が大きいということは、風が吹き付ける面が広いということである。したがって、風雨による損傷を回避するためには、
１．風がフィルムに対して直接的に吹き付けないように遮蔽物を取り付ける。
２．体積そのものを小さくする。
３．屋内に設置する
等の対策が考えられる。

上記１．のアプローチを行う場合、バルーン型太陽集熱装置の構造上、フィルムを固定する部材にフィルムを取り付けた後の作業になるため、作業に対する細心の注意が求められる。これは、歩留り率の低下を招き、工数の増大を招くことになる。また、故障時のメンテナンス性にも困難がある。したがって、２．あるいは３．のアプローチを行うことがバルーン型太陽集熱装置を国内で普及させ、運用する上での課題と言える。

また、円筒状バルーン型太陽集熱装置の研究を行ってきた過程において、バルーンを形成するフィルムの加圧により、軸方向に波打つしわが生じることが発見された。これは、円周方向に延びる分だけ、それと垂直な軸方向が横弾性変形により縮んでしまうためである。この種のしわは、鏡面にも生じてしまい、このことは、表面鏡による光の正反射を利用するバルーン型太陽集熱装置においては致命的な問題である。したがって、この問題を解決することも重要な課題である。

本発明は、太陽光を６０℃〜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。とりわけ、円筒状バルーン型太陽集熱装置のイニシャルコストの大部分を占める工数の削減を狙っている。また、上記の鏡面に発生するしわを除去することも目的としている。

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、
１．バルーン型太陽光集熱装置において、もっとも重要な役割を果たす表面鏡を有する可撓性フィルムが、加圧の結果として円弧の４分の１になるように形成されるバルーンを備えること
２．可撓性フィルムの軸方向に対して、張力を与えることにより鏡面に生じるしわを除去すること
を発見することにより、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、太陽光を透過する透明な第１の可撓性フィルムと、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムにより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、前記バルーンの表面鏡を有する可撓性フィルムの部分の断面形状が４分の１の円弧状で維持することを特徴とする太陽光集熱装置。（２）は、前記第１の可撓性フィルムおよび第２の可撓性フィルムは、紫外線による劣化に耐性のある樹脂材料であることを特徴とする（１）に記載の太陽光集熱装置。（３）は端面に紫外線による劣化に耐性のある透明な樹脂材料、すなわち可撓性フィルムまたは樹脂材料の板を取り付けることを特徴とする（１）および（２）に記載の太陽光集熱装置。（４）太陽光を集光する管を回転軸とすることを特徴とした（１）〜（３）のいずれかに記載の太陽光集熱装置。

（５）は、前記のバルーンを形成するフィルムに対して、張力を与えることで軸方向に伸ばし、期待を充填した際に、円周方向のフィルムの伸びにより発生する横弾性変形に起因するしわを取り除くことを特徴とした（１）〜（４）のいずれかに記載の太陽光集熱装置。（６）は、前記のバルーンを形成するフィルムの内、表面鏡を有する第二の可撓性フィルムの円周方向における端点を固定しないことを特徴とした（１）〜（５）のいずれかに記載の太陽光集熱装置。（７）は、前記のバルーンを形成するフィルムの内、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムの円周方向の長さを端面を形成する部材に固定することを特徴とした（１）〜（５）のいずれかに記載の太陽光集熱装置。（８）は、（４）に記載の太陽光を集光する管、すなわち集熱管の直達日射光が入射してくる方向に断熱材を取り付けていることを特徴とする太陽光集熱装置。

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、バルーン断面の形状が円形となるバルーン型太陽集熱装置と比較して、製造上において量産段階における製造コストの主成分である材料費の更なる削減と、工数、すなわち人件費の削減が可能になる。

集熱装置全体の断面図であり、横方向がバルーンの長手方向である。 バルーン断面図であり、前後がバルーンの長手方向である。 表面鏡を有する可撓性フィルムの端点を固定しない場合の図である。 表面鏡を有する可撓性フィルムの端点を固定する場合の円周方向の処方の図である。 駆動装置の図である。 表面鏡を有する可撓性フィルムに後から張力を与える処方を実現するための機構の図である。

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。円筒の内、鏡面である４分の１の部分のみを保ったバルーン（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両端にプラスチックフィルム１０１を固定するための２種類のアーチ状部材１０３および１０４を備える。また、そのバルーンの両端は前記１０３および１０４の面により形成される端面を円形のほぼ平面状の耐紫外線性を備えた透明な樹脂材料１０５で構成する。この円弧の形を構成するための役割は、前記１０３および１０４並びに、軸方向に通している２本の部材である１０６が担っている。また、集熱管１０２上部には断熱材１０７を取り付け、バルーン外部の集熱管には、断熱材１０８が取り付けられたうえに、ギヤ１０９を有しており、これを駆動する駆動装置１１０と、タイミングベルト１１１でつながっている。
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の鏡面部分が理論上、円弧の４分の１の形に成型される。

図２は集熱装置１００の断面を示している。バルーン１０１のプラスチックフィルムのうち中心線２０３を中心にして図２の破線、すなわち円周上左右に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、フッ素樹脂製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２の２０４は集熱管を支持するための端面部材の断面を示している。アーチ状部材１０３ならびに１０４は軽量化のために射出成型された樹脂材料を用いる。ここで、１０３ならびに１０４は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。窪んだ部分にワイヤー２０５などを用いてフィルムを押さえつけて固定する。

本発明は６０℃〜１００℃の中熱に太陽光を変換することを目的としている。このため、集熱管が受ける光の強度は、放熱量以上でなければならない。このため、集熱管の形状および配置は放熱を考慮したうえで決定される。なお、形状は低コスト化のために規格品を用いる。したがって、配置のみを公知の知見の範囲内で計算し、決定する。この計算の集光分布は幾何学的に計算を行い、放熱は理論的に集熱管が１００℃の時に気温２０℃の場合、バルーン内部の風速がゼロであるとして集熱管に塗布される黒体塗料の放射率と寸法をもとに決められる。

前段落に記載の幾何学的計算の内容は、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。この見積もりの正当性は、レーザーを用いて光の到達位置の計測がなされており、理論通りの集光がなされるとみられる（特許文献２）。

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１１２と出口パイプ１１３が回転軸である集熱管１０２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１１４も取付けられている。

図３に、バルーンの鏡面が４分の１の円弧状になるための処方の一つを示す。軸方向にフィルムが滑らかに乗る部材１０６‘を通し、鏡面の端側を自由端にしておく。そして、バルーンの上側、すなわち太陽光が入射する面に耐紫外線性を有する透明度の高い樹脂材料の板（例えばアクリル板）３０１を置き、上側のフィルムを固定する。

図４に、バルーンの鏡面が４分の１の円弧状になるためのもうひとつ処方を示す。軸方向にフィルムを固定できる溝のある部材１０６を通し、この溝の部分でフィルムを接着剤４０１により固定する。これにより、鏡面フィルムの長さが決定され、４分の１の円弧状の鏡面を実現できる。この場合には、前記の板を置く必要がなくなり、性能を落とさずに済む。

図１のバルーンを回転するための機構に対して言及する。これは、集熱管１０２を回転軸として、バルーン外部の集熱管に駆動装置への放熱を防ぐための断熱材１０８を取り付け、その上からギヤ１０９を当てる。

バルーンに送られる圧力を持った気体は、バルーンの鏡面部分の形状を４分の１の円弧状にする役割を持っている。したがって、圧力を吹き込んだ後は吹き込み口をふさぐことで密閉可能な構造、例えば、空気吹き込みパイプにネジを切り、フィルムとめくらの併用などで吹き込み口からの漏れを防ぐことが考えられる。

集熱管１０２は、断面が円形であるものを採用する。パイプの位置は前述の通り幾何学的計算と放熱の理論計算により決定し、パイプの形状も同様にする。太陽との同期が完全に理想的なものであれば、パイプ径はある程度小さい方がよい。しかし、装置製作誤差、据え付け誤差、運転制御誤差、太陽追尾誤差などが予想されるため、これらの誤差を許容し、誤差を含めて安定運転できるものを選択する。例えば、円弧の径が１３００ｍｍである場合には、７５ｍｍのパイプであれば、太陽から２．４°ずれていてもほぼ安定な運転が可能になる。

図５に駆動装置を示す。モーター５０１にセルフロックがかかるウォーム減速機５０２をつなぎ、その出力側のタイミングプーリー５０３を回転させる。このプーリーにはタイミングベルト１１１が懸けられている。このタイミングベルト１１１と集熱管に取り付けられたギヤ１０９とがかみ合って、バルーンを回転させる。なお、プーリーにはロータリーエンコーダー５０４を取り付けておき、このエンコーダーの出力をパソコンで受けて、駆動・停止の判別を行い、パソコンよりしかるべきタイミングでモーターに駆動指令を出す。により回転を制御する。

この駆動装置において、集熱管を回転させて駆動する方式をとった理由は、本発明のバルーン型太陽集熱装置のトルクの主成分を集熱管１０２とそこを流れる熱媒体とが担っているためであり、ウォーム減速機を採用した理由は、運転パターンを間欠的にするため、モーターが回っていない時の自動ブレーキを掛けるためである。

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の部材を必要最小限にとどめ、集熱管も量産されている規格品を用いる。

上記の軽量化を徹底することにより、屋外ではなく太陽光を透過する材料で太陽光を入社させる屋内、例えばビニルハウスの上側に吊るし、太陽と同期させて回転させるなど、バルーン本体に対する風雨対策も必要がなくなる。

これらの徹底した軽量化並びに構造の単純化により１．３ｍ直径で長さ２．５ｍのバルーンを作った場合、ほぼ、集熱管並びに流れる水の重量になる。その他の部材は、半量産ベースの場合には１ユニット５万円程度で販売できると期待される。

本発明のもう一つの目的である、バルーンに加圧した際に生じる波打つようなしわについては、二つの処方が考えられる。

フィルムの軸方向にあらかじめ張力を与えて引き延ばしておき、そのうえでフィルムをフィルム固定用の部材に固定する。

または、図６のようにバルーンのフィルム固定用の端面部材を押し、フィルムに張力を与えるための機構６０１を備えておき、バルーンに加圧後、張力を与えてしわを除去する。

（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に入射する。

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。これを実現するためには、ユニットを直列に整列させ、集熱管を連結することにより実現できる。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、１０４ プラスチックフィルムを固定するための端面部材
１０５ 端面の樹脂材料
１０６ バルーンの鏡面形成用の部材（フィルムの端を部材で固定する時）
１０６‘ バルーンの鏡面形成用の部材（フィルムの端を部材で固定しない時）
１０７ 集熱管上面からの放熱を防ぐための断熱材
１０８ バルーンを駆動させるためのギヤに熱を伝えないための断熱材
１０９ バルーン駆動用のギヤ
１１０ バルーン駆動装置
１１１ バルーン駆動用タイミングベルト
１１２、１１３ 熱媒体（水）の入口および出口
１１４ 加圧用パイプ
２０１ 反射鏡
２０２ 透明プラスチックフィルム
２０３ 中心直径
２０４ 集熱管支持用部材
２０５ フィルム固定用のワイヤー
３０１ 耐紫外線性を有する透明な樹脂材料
４０１ 接着剤
５０１ バルーン駆動用モーター
５０２ ウォーム減速機
５０３ タイミングプーリー
５０４ ロータリーエンコーダー
６０１ フィルムに後から張力を与えるための機構

Claims (8)

1. 太陽光を透過する透明な第１の可撓性フィルムと、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムにより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、前記バルーンの表面鏡を有する可撓性フィルムの部分の断面形状が４分の１の円弧状で維持することを特徴とする太陽光集熱装置。
2. 前記第１の可撓性フィルムおよび第２の可撓性フィルムは、紫外線による劣化に耐性のある樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱装置。
3. 端面に紫外線による劣化に耐性のある透明な樹脂材料、すなわち可撓性フィルムまたは樹脂材料の板を取り付けることを特徴とする請求項１および２に記載の太陽光集熱装置。
4. 太陽光を集光する管を回転軸とすることを特徴とした請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
5. 前記のバルーンを形成するフィルムに対して、張力を与えることで軸方向に伸ばし、気体を充填した際に、円周方向のフィルムの伸びにより発生する横弾性変形に起因するしわを取り除くことを特徴とした請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
6. 前記のバルーンを形成するフィルムの内、表面鏡を有する第二の可撓性フィルムの円周方向における端点を固定しないことを特徴とした請求項１〜５のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
7. 前記のバルーンを形成するフィルムの内、表面鏡を有する第２の可撓性フィルムの円周方向の長さを端面を形成する部材に固定することを特徴とした請求項１〜５のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
8. 請求項４に記載の太陽光を集光する管、すなわち集熱管の直達日射光が入射してくる方向に断熱材を取り付けていることを特徴とする太陽光集熱装置。