JP2017161092A

JP2017161092A - 集熱・発電システム

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Publication number: JP2017161092A
Application number: JP2016043111A
Authority: JP
Inventors: 敬水田; Kei Mizuta; 大樹亘; Daiki Wataru; 宏任臼木; Hirotaka Usuki
Original assignee: FUJI ENERGY CO Ltd; Kagoshima University NUC
Current assignee: FUJI ENERGY CO Ltd; Kagoshima University NUC
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-07
Also published as: JP6755489B2

Abstract

【課題】エネルギー利用効率をより一層高めることができる集熱・発電システムを提供する。
【解決手段】集熱部は、密閉された内部空間に加熱により管内を下から上への熱移動を行う熱媒体である水が封入され上下又は傾斜姿勢に配置される直管状のヒートパイプ１００と、ヒートパイプ１００の上端以外の部分の周囲を所定の距離を空けて同軸に包む内筒２０２と外筒２０３を有し内筒２０２と外筒２０３との間に真空層２０４を形成する真空ガラス管２００と、を有する集熱体２０が、所定の間隔で平行に配列されている。光電変換パネル３０は、集熱体２０の間を通過した太陽光を入射して光電変換を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、集熱・発電システムに関する。

従来より、熱媒体の取り扱いが容易で、熱伝達性能に優れたヒートパイプが組み込まれた集熱体を備える集熱システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１４８２９１号公報

最近では、上述のような集熱システムにおいても、エネルギー源である太陽エネルギーのより一層効率的な利用が求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、エネルギー利用効率をより一層高めることができる集熱・発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る集熱・発電システムは、
密閉された内部空間に加熱により管内の下から上への熱移動を行う熱媒体が封入され上下又は傾斜姿勢に配置される直管状のヒートパイプと、前記ヒートパイプの上端以外の部分の周囲を所定の距離を空けて同軸に包む内筒と外筒を有し前記内筒と前記外筒との間に真空層を形成する真空ガラス管と、を有する集熱体が、所定の間隔で平行に配列された集熱部と、
前記集熱体の間を通過した太陽光を入射して光電変換を行う光電変換パネルと、
を備える。

この場合、前記集熱体の間を通過した太陽光を入射して、前記光電変換パネルに導く導光部を備える、
こととしてもよい。

前記集熱体１本について、前記光電変換パネル及び前記導光部が１本ずつ設けられて配列されており、
前記集熱体、前記光電変換パネル及び前記導光部の間に空隙が設けられている、
こととしてもよい。

前記導光部は、
前記集熱体の間を通過する太陽光を入射するために前記集熱体から張り出した張出部を有し、
前記張出部に入射した太陽光を前記光電変換パネルに導く、
こととしてもよい。

前記導光部は、
前記張出部の最外部に入射した太陽光を全反射させ、前記光電変換パネルに入射させる形状に形成された側面部を有する、
こととしてもよい。

前記導光部は、
隣接する前記集熱体の近傍を通過し、隣接する前記導光部に入射しなかった太陽光が、入射する側面部を有し、
前記側面部に入射した太陽光が前記導光部から出射することなく前記光電変換パネルに入射するように、前記光電変換パネル及び前記導光部が配置されている、

前記導光部は、
前記光電変換パネルの受光面を被覆する、
こととしてもよい。

前記集熱体は、
前記導光部に形成された凹部に嵌め込まれている、
こととしてもよい。

本発明によれば、集熱を行う複数の集熱体に加え、集熱体の間を通過する太陽光を光電変換パネルに入射させて発電を行うので、エネルギー利用効率をより一層高めることができる。

本発明の一実施の形態に係る集熱・発電システムの構成を示す斜視図である。図１の集熱・発電システムの側面図である。集熱体の構造を示す模式図である。太陽光の光路図（その１）である。太陽光の光路図（その２）である。太陽光の光路図（その３）である。集熱体と光電変換パネルの寸法の関係式を示す模式図である。集熱・発電システムの変形例（その１）の構成を示す断面図である。集熱・発電システムの変形例（その２）の構成を示す断面図である。集熱・発電システムにおける太陽光の鉛直方向からの角度と光電変換パネル上の平均照度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ｘｙｚ直交座標系を用いて説明を行う。ここでは、水平面をｘｙ平面とし、ｚ軸方向を上下方向とする。

図１に示すように、本実施の形態に係る集熱・発電システム１は、ヘッダ１０とフッタ１１とを備える。ヘッダ１０及びフッタ１１は、集熱・発電システム１のフレームである。ヘッダ１０とフッタ１１との間に、集熱部２（複数の集熱体２０）と、複数の光電変換パネル３０と、複数の導光部４０が挿入されている。

図２に示すように、ヘッダ１０及びフッタ１１は、例えば鉄骨等のフレーム１２に取り付けられており、集熱体２０、光電変換パネル３０及び導光部４０は、傾斜して延びている。集熱・発電システム１は、太陽光が、集熱体２０等に効率良く入射するように設置されている。

（集熱部２）
図３に示すように、ヘッダ１０の内部には、給湯管３００が配置されており、給湯管３００の周囲には、断熱材３０４が設けられている。この給湯管３００の中を流れる水Ｗが、集熱体２０によって熱せられお湯となる。図１に示すように、ヘッダ１０を介して複数の集熱体２０を並べて設置し、集熱効率を上げることができる。

集熱体２０について説明する。集熱体２０は、図３及び図４等に示すように、ヒートパイプ１００と、真空ガラス管２００と、を備える。

（ヒートパイプ）
ヒートパイプ１００は、傾斜姿勢に配置される密閉構造の長尺な直管状の管体１０１を有している。管体１０１の密閉された内部空間には熱媒体としての水１０２が封入されている。水１０２は、加熱により管内の下から上への熱移動を行う媒体である。

管体１０１は、熱伝導性に優れる材料、例えば銅で形成されている。管体１０１の下端には、水１０２を貯留する貯留部１０５が設けられている。

また、管体１０１には、一方に太陽熱により水１０２を加熱して沸騰させる集熱部１０３が設けられている。集熱部１０３は、ヒートパイプ１００の上端以外の部分の範囲、すなわち真空ガラス管２００に対応する領域に渡って設けられている。集熱部１０３は、貯留部１０５に溜まった水１０２を加熱する。

さらに、管体１０１の上端には、凝縮部１０４が設けられている。凝縮部１０４は、ヘッダ１０内に挿入されており、給湯管３００に露出している。凝縮部１０４には、真空ガラス管２００を介して集熱された太陽熱により加熱され沸騰した蒸気成分１０２’が到達する。凝縮部１０４は、この蒸気成分１０２’と、給湯管３００を流れる水Ｗとの間で熱交換を行い、給湯管３００の通路３０１を流れる水Ｗを加熱する。

より詳細には、給湯管３００にヒートパイプ１００の凝縮部１０４を支持する支持管３０２が設けられている。給湯管３００の通路３０１において、支持管３０２を介してヒートパイプ１００の凝縮部１０４は、通路３０１における水Ｗが流れる方向と直交するように配置されている。支持管３０２とヒートパイプ１００の凝縮部１０４との間には、図示しないが熱伝導性の良いグリース（熱伝導グリース）が介在されている。

また、支持管３０２は、伝熱性に優れた材料、例えば銅製であり、下端からヒートパイプ１００の凝縮部１０４を挿入可能となっている。支持管３０２は、凝縮部１０４全体を給湯管３００の通路３０１に配置する。さらに、支持管３０２は、ヒートパイプ１００の集熱部１０３が給湯管３００に対しては垂直に延び、重心方向に対しては傾斜姿勢となるようにヒートパイプ１００を支持する。また、支持管３０２の側周面に沿ってその外側を水Ｗがヒートパイプ１００の凝縮部１０４と熱交換されながら矢印方向に流れるようになっている。この構成によれば、蒸気成分１０２’と水Ｗとの熱効率を最大とすることができる。

上記構成を有するヒートパイプ１００によれば、管体１０１において、下端と貯留部１０５に貯留された水１０２が外部の太陽熱により加熱されて沸騰すると、水１０２の蒸気成分１０２’が、貯留部１０５と凝縮部１０４を結ぶ集熱部１０３の上側を上昇移動して、凝縮部１０４に至り、凝縮部１０４において給湯管３００内を流れる水Ｗとの熱交換を行った後、液体化し、管内を落下移動して下方の集熱部１０３へと戻る。

集熱体２０は、上記構成を有するヒートパイプ１００と、ヒートパイプ１００に対し外装された真空ガラス管２００とを有している。真空ガラス管２００は、その上端開口部を有するとともにヒートパイプ収容部２０１を有する有底の内筒２０２と、この内筒２０２の周囲に配置される有底の外筒２０３とから成る縦断面Ｕ字形の二重管構造をしている。図３、図４に示すように、内筒２０２及び外筒２０３は、ヒートパイプ１００の上端以外の部分の周囲を所定の距離を空けて同軸に包んでいる。

内筒２０２の上端部と外筒２０３の上端部は全周に渡って互いに接続され、内筒２０２と外筒２０３との間に密閉され真空引きをされた真空層２０４が形成されている。かかる内筒２０２と外筒２０３はともに太陽光を少なくとも９０％透過させる透明なガラス管から成る。

内筒２０２の外筒２０３側表面にはヒートパイプ収容部２０１の周囲を覆うようにして選択吸収膜２０５が全周に渡って設けられている。この選択吸収膜２０５は、外筒２０３を透過し、真空層２０４を通過した太陽光線をヒートパイプ収容部２０１内に取り込んで集熱する役目をする。

選択吸収膜２０５には、可視から近赤外線域で高い吸収率を持ち、赤外線域で低い放射率を持つ材料を用いた、いわゆる選択吸収材料を用いることが望ましい。選択吸収材料は内筒２０２の外筒２０３側表面に真空蒸着により皮膜として施され、太陽光線を効率良く吸収して吸収材料自体の熱放射による損失を抑制することができる。選択吸収膜２０５による集熱作用と真空層２０４による断熱（熱損失の抑制）作用の組合せによって、ヒートパイプ収容部２０１内の温度を約２２０〜２５０℃程度まで昇温することができる。

このように、太陽光を利用した集熱・発電システム１において、給湯管３００に所定の間隔で支持管３０２を設け、集熱体２０を挿入することにより、図４に示すように、ヘッダ１０を介して複数の集熱体２０を平行に配列して集熱部２を構成し、集熱効率を上げることができる。

（光電変換パネル及び導光部）
図４に示すように、光電変換パネル３０は、その受光面が集熱体２０に対向するように配置されている。本実施の形態では、光電変換パネル３０は、１つの集熱体２０について１つ設けられている。光電変換パネル３０は、集熱体２０の間を通過した太陽光を入射して光電変換を行い、電力を出力する。

導光部４０は、導光部材により構成され、導光部材としては、例えば、レンズ、すなわち屈折光学系であり、集熱体２０の間を通過した太陽光を入射して、光電変換パネル３０に導く。導光部４０としては、アクリル、ポリカーボネート、シクロオレフィン、などの樹脂製又はガラス製のものが使用される。本実施の形態では、導光部４０も、１つの集熱体２０、光電変換パネル３０について１つ設けられている。集熱体２０、光電変換パネル３０及び導光部４０の間に空隙が設けられている。集熱体２０、光電変換パネル３０及び導光部４０の間に空隙を設けることにより、集熱・発電システム１を軽量化するとともに、光電変換パネル３０の裏面に風を受けた際には、風から集熱体２０へかかる外力を低減することができる。また、集熱体２０等への埃や火山灰等の堆積物もたまりにくくなる。

導光部４０の上側には、集熱体２０が嵌め込まれる凹部が設けられており、集熱体２０は、その凹部に固定されている。これにより、集熱体２０の間に入った太陽光を導光部４０にいち早く入射させることができるとともに、集熱・発電システム１全体の厚みを薄くすることができる。

また、導光部４０の下側には光電変換パネル３０が貼り付けられ固定されている。これにより、光電変換パネル３０の受光面が導光部４０に被覆される。導光部４０で光電変換パネル３０の受光面を被覆することにより、光電変換パネル３０の受光面の汚れによる発電効率の低下を防止することができる。

導光部４０における集熱体２０が埋め込まれた部分の両側には張出部４１が張り出している。その張出部４１と導光部４０の側面部４２とを結ぶ頂点に張出部４１の最外部、すなわち角部４３が形成されている。

導光部４０は、入射した太陽光を屈折させて、その太陽光を可能な限り光電変換パネル３０へ集光する構造となっている。集熱体２０に入射しそのまま出射した太陽光は、そのまま導光部４０を透過して光電変換パネル３０へ入射する。どのような太陽光が集熱体２０と透過するかは選択吸収膜２０５の選択によって制御可能である。

光電変換パネル３０へ入射する太陽光の経路には、この他、大別して以下の３つがある。なお、ここで、空気の屈折率をｎ１とし、導光部４０の屈折率をｎ２とする。

（１）導光部４０の張出部４１に入射した光
図４に示すように、導光部４０の張出部４１に入射角θ１で入射した光は、屈折率ｎ２／ｎ１で屈折し、出射角θ２の方向に進み、光電変換パネル３０に入射する。このように、導光部４０の張出部４１に入射した光は、導光部４０で光電変換パネル３０の中心側に屈折し、光電変換パネル３０に入射し易くなっている。導光部４０の張出部４１の傾斜角度、張出部４１と光電変換パネル３０との距離、光電変換パネル３０の幅ｗ等を調整することにより、張出部４１に入射した太陽光が、最大限に光電変換パネル３０に入射するように設計することができる。

（２）導光部４０の角部４３に入射した光
図５に示すように、集熱体２０で遮られることなく最も大きな入射角θ１で導光部４０の張出部４１の角部４３に入射した太陽光について考える。この太陽光は、屈折率ｎ２／ｎ１で屈折して出射角θ２の方向に進みつつ、導光部４０の側面部４２で全反射し、最終的に光電変換パネル３０に入射する。このように、導光部４０の角部４３と太陽を結ぶ線とが、集熱体２０の真空ガラス管２００の表面における接線を成す場合においても、導光部４０の側面部４２の形状は、導光部４０の内部側面に太陽光が到達した際の入射角が臨界角を下回る様な形状となっており、張出部４１の最外部（角部４３）に入射した太陽光を全反射して光電変換パネル３０へ導くことができるようになっている。

（３）導光部４０の側面部４２に直接入射した光
図６に示すように、隣接する集熱体２０の横を通り抜けて、隣接する導光部４０に入射することなく、導光部４０の側面部４２に入射した太陽光は、反対側の側面部４２から抜けることなく光電変換パネル３０に入射する。言い換えれば、隣接する集熱体２０の外縁部に接するような角度θ１から導光部４０の側面部４２へ入射する際の屈折により太陽光が水平方向へその進路を変更する際にも、光電変換パネル３０の端部よりも内側に太陽光が入射するように、導光部４０の側面部４２の形状及び集熱体２０の間の間隔を設定し、光電変換パネル３０及び導光部４０を配置すればよい。

例えば、図７に示すように、隣接する集熱体２０の接線方向から入射する際の入射光が水平方向とのなす角を、

とすると、以下の関係が成り立つ。

ここで、Ｄ_０は、集熱体２０の外径であり、Ｌ_ｐは、集熱体２０の配列間隔である。Ｄ_１は、内筒２０２の直径である。

また、図７より、以下の関係が成り立つ。

ここで、Ｌ_ｃｐは、集熱体２０の中心と、光電変換パネル３０との距離である。

この場合、入射角θ_ｃ１で入射する太陽光を光電変換パネル３０に入射させる場合にはＬ_ｃｐは、以下の条件を満たす必要がある。

ここで、Ｗ_ｐｎｌ［ｍ］は、光電変換パネル３０の幅である。

上述のように、光電変換パネル３０には、上述した（１）〜（３）の全てのパターンで太陽光が入射するように光電変換パネル３０及び導光部４０を配置するのが望ましい。

なお、導光部４０の形状は、本実施の形態に係るものには限られない。例えば、図８に示すように、側面部４４から太陽光を十分に入射できるのであれば、張出部４１、角部４３はなくてもよい。この場合、側面部４４の形状を、集熱体２０の間を抜けた太陽光を可能な限り、光電変換パネル３０に導くことができる形状になっているのが望ましい。

また、図９に示すように、光電変換パネル３０が、集熱体２０を通過した太陽光を十分に入射できるのであれば、導光部４０はなくてもよい。この場合、集熱体２０の配列間隔や集熱体２０と光電変換パネル３０との間隔を、光電変換パネル３０で多くの太陽光を受光できる条件に、光電変換パネル３０の大きさや集熱体２０との距離を設定しておくのが望ましい。なお、この場合、光電変換パネル３０は、導光部４０以外の支持部材で支持する必要がある。

光電変換パネル３０で発電された電力は、例えば、家庭内の電力として消費されたり、熱せられた水を給湯する給湯システムに用いられたりする。

本実施の形態に係る集熱・発電システム１の発電の効果について検証するために、図１０に示すように、以下の３つのケースについて、光学シミュレーションを実施した。
Ｃａｓｅ１レンズ無
Ｃａｓｅ２レンズ１（張出部４１あり）
Ｃａｓｅ３レンズ２（張出部４１なし（光電変換パネル３０と同一幅）

光源としては平行光を仮定し、放射発散度としては１．０×１０^３［Ｗ／ｍ^−２］のものを採用した。また、真空ガラス管２００としては、外径５８ｍｍ、内径４３ｍｍとした。また、真空ガラス管２００のピッチを７５ｍｍとし、光電変換パネル３０の大きさを幅６０ｍｍ、長さ１８４０ｍｍとした。さらに、真空ガラス管２００の中心から光電変換パネル３０の上面までの距離を４５ｍｍとした。

図１０に示す各曲線を比較するとわかるように、Ｃａｓｅ２（張出部４１あり）の導光部４０を用いたものが、Ｃａｓｅ１，３の場合に比べ、太陽光の傾斜角度にかかわらず、光電変換パネル３０上の平均照度が高くなっている。したがって、Ｃａｓｅ２（張出部４１あり）の場合が、最も太陽エネルギーの利用効率が高いということがわかる。

以上詳細に説明したように、上記実施の形態によれば、集熱を行う複数の集熱体２０に加え、集熱体２０の間を通過する太陽光を光電変換パネル３０に入射させて発電を行うので、エネルギー利用効率をより一層高めることができる。

また、本実施の形態に係る集熱・発電システム１は、集熱体２０に重ねるようにして光電変換パネル３０が配置されているので、太陽光発電を行うのに、設置面積を大きくする必要がない。

また、光電変換パネル３０で電力に変換されずに、反射した光は、集熱体２０に下から入射して、熱として集熱体２０の用に供される。したがって、集熱体２０の下方に光電変換パネル３０を設置することにより、集熱体２０の太陽エネルギーの利用効率も向上する。

なお、本実施の形態では、１つの集熱体２０につき、光電変換パネル３０及び導光部４０を１つ設けるものとしたが、本発明はこれには限られない。複数の集熱体２０にまたがって、１つの光電変換パネル３０及び導光部４０が設けられるようにしてもよいし、光電変換パネル３０及び導光部４０が設けられていない集熱体があっても良い。

なお、水１０２は、脱気水でもよい。熱媒体として用いられる脱気水は、溶存気体（酸素、窒素）が脱気された水から成りその溶存酸素濃度が少なすぎて、集熱開始時の熱媒体沸騰によるヒートパイプ上部への熱移動が弱く、１．０ｍｇ／リットルを上回ると、溶存酵素濃度が多すぎて、沸騰により熱媒体中に発生する気泡が大きく、蒸気と液の効率的循環が阻害され、熱伝導性を低下させるからである。

溶存酵素濃度はさらには０．３〜０．７ｍｇ／リットルの範囲が望ましい。ここで、脱気水中の溶存酸素濃度は、市販の溶存酵素濃度計を用いて測定する。また、脱気水は水を沸騰させる等して製造し、脱気水の製造と同時に連続的にヒートパイプ１００内に注入する。

このように、本発明は、熱媒体の種類には限定されない。

また、上記実施の形態では、集熱体２０、光電変換パネル３０及び導光部４０を傾斜させた状態で配設したが、本発明はこれには限られない。集熱体２０、光電変換パネル３０及び導光部４０を鉛直方向に延びるように配置しても構わない。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本発明は、屋外や民家、病院・保養施設・オフィスビル等の建物の屋根に設置されて太陽光を利用して温水の生成や発電等を行う集熱・発電システムに適用することができる。

１集熱・発電システム、２集熱部、１０ヘッダ、１１フッタ、１２フレーム、２０集熱体、３０光電変換パネル、４０導光部、４１張出部、４２側面部、４３角部、４４側面部、１００ヒートパイプ、１０１管体、１０２水、１０２’ 蒸気成分、１０３集熱部、１０４凝縮部、１０５貯留部、２００真空ガラス管、２０１ヒートパイプ収容部、２０２内筒、２０３外筒、２０４真空層、２０５選択吸収膜、３００給湯管、３０１通路、３０２支持管、３０４断熱材、Ｗ水

Claims

密閉された内部空間に加熱により管内の下から上への熱移動を行う熱媒体が封入され上下又は傾斜姿勢に配置される直管状のヒートパイプと、前記ヒートパイプの上端以外の部分の周囲を所定の距離を空けて同軸に包む内筒と外筒を有し前記内筒と前記外筒との間に真空層を形成する真空ガラス管と、を有する集熱体が、所定の間隔で平行に配列された集熱部と、
前記集熱体の間を通過した太陽光を入射して光電変換を行う光電変換パネルと、
を備える集熱・発電システム。
前記集熱体の間を通過した太陽光を入射して、前記光電変換パネルに導く導光部を備える、
請求項１に記載の集熱・発電システム。
前記集熱体１本について、前記光電変換パネル及び前記導光部が１本ずつ設けられて配列されており、
前記集熱体、前記光電変換パネル及び前記導光部の間に空隙が設けられている、
請求項２に記載の集熱・発電システム。
前記導光部は、
前記集熱体の間を通過する太陽光を入射するために前記集熱体から張り出した張出部を有し、
前記張出部に入射した太陽光を前記光電変換パネルに導く、
請求項３に記載の集熱・発電システム。
前記導光部は、
前記張出部の最外部に入射した太陽光を全反射させ、前記光電変換パネルに入射させる形状に形成された側面部を有する、
請求項４に記載の集熱・発電システム。
前記導光部は、
隣接する前記集熱体の近傍を通過し、隣接する前記導光部に入射しなかった太陽光が、入射する側面部を有し、
前記側面部に入射した太陽光が前記導光部から出射することなく前記光電変換パネルに入射するように、前記光電変換パネル及び前記導光部が配置されている、
請求項３に記載の集熱・発電システム。
前記導光部は、
前記光電変換パネルの受光面を被覆する、
請求項２から６のいずれか一項に記載の集熱・発電システム。
前記集熱体は、
前記導光部に形成された凹部に嵌め込まれている、
請求項２から７のいずれか一項に記載の集熱・発電システム。