JP2018084365A

JP2018084365A - 太陽熱集熱器

Info

Publication number: JP2018084365A
Application number: JP2016227428A
Authority: JP
Inventors: 浩一荒川; Koichi Arakawa
Original assignee: Arakawa Denko Co Ltd
Current assignee: Arakawa Denko Co Ltd
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-31

Abstract

【課題】本発明は、集熱配管と透光管の間を通過して集熱配管に集光される太陽光に関して、その太陽光の持つエネルギーを有効に活用できる太陽熱集熱器を提供することを目的とする。
【解決手段】入射する太陽光を反射して集光する反射板（１）と、前記反射板（１）が反射した太陽光により、内部を流れる熱媒体（Ｍ）が加熱される集熱配管（２）と、前記集熱配管（２）を真空状態で内包し透光性を有する透光管（３）と、前記集熱配管（２）と前記透光管（３）との間に前記集熱配管（２）に当接して配設された集熱部（４）を備えることを特徴とする太陽熱集熱器、また、集熱部（４）が、前記集熱配管（２）及び前記透光管（３）の長手方向に、前記集熱配管（２）を挟んで一対設けられていることを特徴とする前記の太陽熱集熱器などにより解決することができた。
【選択図】図１

Description

本発明は、降り注ぐ太陽光を集光して熱媒体を加熱する太陽熱集熱器に関する。

従来、再生可能エネルギーを利用した発電システムとして、太陽熱を利用した発電システムや蓄熱システムが知られており、太陽光を集光してその集光した太陽光の熱を油や水などの熱媒体を加熱し、その加熱された熱媒体が熱交換などを経て、蒸気タービンを回転して発電したり、事業又は家庭で使用する水を加温して温水としたりすることができる。

これらの太陽光を利用するシステムでは、例えばトラフ型の集光集熱器である、曲面状の鏡の焦点に集熱配管を位置しており、入射した太陽光を曲面状の鏡が焦点に位置する集熱配管に集めて集熱配管中を流れる熱媒体を加熱するものが知られている。

例えば、特許文献１に示すように、断面が放物線形状のトラフ型ミラーと、ミラーに対向して配置され、ミラーで集光された太陽光により加熱される熱媒体が内部を流れる集熱配管と、集熱配管を真空状態に内包する透光性を有する透光管を備えた太陽熱集熱器が開示されている。

特開２０１１−１６５９４０号公報

しかしながら、特許文献１に示す太陽熱集熱器では、集熱配管と透光管の間を通過して集熱配管に集光される太陽光は、まず透光管の一の面を通過し集熱配管と透光管の間に入り、そして透光管の他の面を通過した後に、ミラーに反射され透光管のさらに他の面を通過して集熱配管に至るというように、透光管を３度通過するために、その都度透光管に光が少しずつ吸収されて減衰し、集熱配管に到達するときには当初の約６割程度のエネルギーしか有さず太陽光の持つエネルギーを有効に活用できていないという課題があった。

そこで、本発明は、集熱配管と透光管の間を通過して集熱配管に集光される太陽光に関して、その太陽光の持つエネルギーを有効に活用できる太陽熱集熱器を提供することを目的とする。

〔１〕すなわち、本発明は、入射する太陽光を反射して集光する反射板（１）と、前記反射板（１）が反射した太陽光により、内部を流れる熱媒体（Ｍ）が加熱される集熱配管（２）と、前記集熱配管（２）を真空状態で内包し透光性を有する透光管（３）と、前記集熱配管（２）と前記透光管（３）との間に前記集熱配管（２）に当接して配設された集熱部（４）を備えることを特徴とする太陽熱集熱器である。

〔２〕そして、前記集熱部（２）が、前記集熱配管（２）及び前記透光管（３）の長手方向に、前記集熱配管（２）を挟んで一対設けられていることを特徴とする前記〔１〕に記載の太陽熱集熱器である。

〔３〕そして、前記集熱部（２）が、熱線吸収剤により被覆されていることを特徴とする前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の太陽熱集熱器である。

〔４〕そして、前記反射板（１）が、前記反射板（１）の長手方向に伸びた溝部（１３）を境界に、分割可能であることを特徴とする前記〔１〕から前記〔３〕のいずれかに記載の太陽熱集熱器である。

〔５〕そして、前記反射板（１）の外側に、前記反射板（１）の曲面に沿って前記反射板（１）を支持する支持部（５）を備えることを特徴とする前記〔１〕から前記〔４〕のいずれかに記載の太陽熱集熱器である。

本発明の太陽熱集熱器によれば、集熱配管と透光管の間を通過して集熱配管に集光される太陽光に関して、その太陽光の持つエネルギーを有効に活用できる。

本発明の太陽熱集熱器の一実施形態を示す斜視図である。本発明の太陽熱集熱器の一実施形態を示す右側面図である。本発明の太陽熱集熱器の一実施形態を示すＡ部拡大図である。本発明の太陽熱集熱器の一実施形態を示す正面図である。本発明の太陽熱集熱器の一実施形態を示すＢ−Ｂ線拡大断面図である。

以下、本発明の太陽熱集熱器に関する実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するに好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。また、数値範囲をあらわす記載は上限と下限を含むものである。

図１から図５に示すように、本実施形態の太陽熱集熱器は、パラボリック・トラフ式と呼ばれるタイプであり、入射する太陽光を反射して集光する反射板１と、反射板１が反射した太陽光により、内部を流れる熱媒体Ｍが加熱される集熱配管２と、集熱配管２を真空状態で内包し透光性を有する透光管３と、集熱配管２と透光管３との間に集熱配管２に当接して配設された集熱部４などを備えている。また、太陽熱集熱器は、図示しない支持脚により反射板１が太陽光を受光できるように支えられて、設置する箇所に固定される。

反射板１は、入射する太陽光を反射して集熱配管２に集光する部材であり、雨樋のように湾曲しながら伸びている形状を有している。反射板１の長手方向に垂直な面で切断すると、反射板１の形状は、集熱配管２が位置する場所を焦点とする放物線を描く形状となっている。反射板１は、太陽光の反射率を向上させるために鏡面に仕上げられており、反射板１を構成する材料における集熱配管２と対向する曲面をメッキ、蒸着、研磨、塗装などの方法により反射被膜が形成されている。また、反射板１を構成する材料としては、強度及び耐久性の観点から、ステンレス、アルミニウム合金などの金属を用いることが好ましい。

また、反射板１は、図１、図５に示すように、第一反射板１１と第二反射板１２を所定間隔の隙間を空けて構成されており、第一反射板１１と第二反射板１２はそれぞれ雨樋のように湾曲しながら伸びている形状を有しており、そして、集熱配管２が位置する場所を焦点とする放物線を描く形状となっている。このように、反射板１を第一反射板１１と第二反射板１２の二つの部材から構成されることにより、太陽熱集熱器を特定の場所に設置するときに、第一反射板１１と第二反射板１２をそれぞれ搬送してその設置場所で組み立てることが可能となり、運搬に際しての荷積み及び荷下ろしに掛かる負担の軽減、運搬中の破損を軽減することができ、また、その運搬に係る経費を削減することができる。

また、反射板１を組み立てるときに設けられ、第一反射板１１と第二反射板１２の間の所定間隔を有する溝部１３は、反射板１の長手方向に沿って形成される隙間である。この溝部１３により、反射板１に吹き付ける空気の流れを外側に逃すことができるために、風の強い地域に設置したときであっても反射板１の歪みを抑制したり、土埃や砂粒などの異物を空気や液体の流れで反射板１の外側に排出したりすることにより、効率よく太陽光を集光することできる。また、溝部１３は、反射板１による太陽光の集光を阻害しないように、反射板１が集光しているときに、集熱配管２の影となり、太陽光の入射が少ない太陽と集熱配管２の延長線上に位置することが好ましい。溝部１３の隙間としては、１〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜１５ｍｍであることがより好ましい。溝部１３の隙間がこの範囲であると、空気や土埃や砂粒などの異物が反射板１に堆積せずに通過することができ、また、反射板１の掃除も簡便となる一方で、太陽光の集光を阻害しないようにすることができる。また、あらかじめ複数の貫通孔が穿孔された一つの反射鏡であると、その貫通孔の周りに応力が集中するために運搬中において破損が生じやすいが、溝部１３は二つの第一反射板１１と第二反射板１２を組み合わせるときに生じる隙間であるために、そのような運搬中における破損が生じるおそれがない。

第一反射板１１と第二反射板１２の長手方向の長さは、１５００〜４５００ｍｍであることが好ましく、２０００〜４５００ｍｍであることがより好ましい。また、第一反射板１１と第二反射板１２を組み合わせたときの反射板１における谷底から両端までの高さは、２００〜８００ｍｍであることが好ましく、４００〜６００ｍｍであることがより好ましい。

集熱配管２は、内部に油や水が流れる筒状で、反射板１により集光された太陽光が照射される部材である。そして、集熱配管２は、図１などに示すように、反射板１の長手方向に沿って反射板１とおよそ同じ長さを有している直線状の部材である。また、集熱配管２は図示しない他の配管と接続可能とされており、集熱配管２に内包されている熱媒体Ｍが図示しないポンプなどにより集熱配管２の一端側から他端側へ流れる過程で、反射板１により集光された太陽光に加熱され、加熱された状態で図示しない他の配管へ流出する。また、集熱配管２の材料としては、例えば、吸熱性及び熱伝導性の観点から、ステンレス、アルミニウム合金などの金属を用いることが好ましく、そして、後述する熱線吸収剤が外表面に塗布されていることがより好ましい。

集熱配管２の内部を流れる熱媒体Ｍは、太陽熱集熱器の使用用途により種々の物質を利用することができ、例えば、水や油を利用することができる。油としては、鉱物油、合成油など、加熱される温度を踏まえて分解や変性が生じにくい種類が選択される。そして、反射板１により集光された太陽光に加熱された熱媒体Ｍは、集熱配管２の他端側から流出して、熱交換を行った後に集熱配管２の一端側から流入して、循環して利用することができる。

透光管３は、集熱配管２を真空状態で内包した太陽光を透過する透明性を有する部材である。そして、透光管３は、図１などに示すように、反射板１の長手方向に沿って集熱配管２とおおよそ同じ長さを有している直線状の部材である。集熱配管２の外表面と透光管３の間を真空状態に保つことにより、透光管３内の断熱性を持たせることができ、集熱配管２の内部を流れる熱媒体Ｍの放熱を防止することができる。また、透光管３の材料としては、例えば、太陽光を吸収せずに透過させる観点から、ガラス、石英など、とりわけ近赤外領域から遠赤外領域の波長に対して透明性が高い材料であることが好ましい。さらに、透光管３の外表面で反射される太陽光を軽減し集光される太陽光を有効に活用する観点から、透光管３の外表面には、フッ素化化合物、ポリシロキサンなどの低屈折率の材料を含有する反射防止塗料が塗布されていたり、それら材料を含有する反射防止フィルムが貼付けられていたりすることが好ましい。

集熱部４は、集熱配管２と透光管３との間に、集熱配管２に当接して配設された部材である。そして、図１、図５などに示すように、集熱部４は、板状の部材として、集熱配管２及び透光管３の長手方向に、集熱配管２を挟んでおおよそ１８０度の角度になるように第一集熱板４１と第二集熱板４２として一対設けられている。集熱部４により、従来品では集熱配管と透光管の間を通過して集熱配管に集光される太陽光が透光管を３度通過するために、その都度透光管に光が少しずつ吸収されて減衰し、太陽光の持つエネルギーを有効に活用できていなかったところ、透光管３を１度通過した太陽光が集熱部４に照射され加熱されることで集熱配管４に熱を伝えることができるために、太陽光をより効率的に利用することができるようになった。また、集熱配管２を挟んで一対設けることにより、集熱配管２と透明配管３の間を透過する太陽光のエネルギーを無駄なく利用することができる。

本実施形態において、集熱部４として、集熱配管２及び透光管３の長手方向に、集熱配管２を挟んでおおよそ１８０度の角度になるように板状の部材が一対設けられているが、他の実施形態において、長手方向に短い複数の板状の部材が断続的に設けることもできるし、一対の板状の部材が集熱配管２を挟んで形成する角度が１５０度〜２１０度と所定の角度となるように設けることもできる。

また、集熱部４の材料としては、例えば、吸熱性及び熱伝導性の観点から、ステンレス、アルミニウム合金などの金属を用いることが好ましく、そして、熱線吸収剤が外表面に塗布されていることがより好ましい。熱線吸収剤は、太陽光の近赤外線領域から遠赤外線領域である０．７５〜１０００μｍ程度の波長を吸収する部材である。具体的には、黒色などの暗色系の有色塗料、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）等金属酸化物微粒子などの無機化合物やフタロシアニン系化合物などの有機化合物が含有された可視領域で透明性を有する組成物であり、これらの組成物を集熱部４に塗布して溶剤を揮発させることにより熱線吸収層が集熱部４の外表面に形成される。熱線吸収剤により被覆されていると、効率よく集熱部４が加熱されることで集熱配管４に熱を伝えることができる。

支持部５は、反射板１における集熱配管２と対向する内側とは反対側である外側に、反射板１の外側の曲面に沿って反射板１を支持する部材である。図１などに示すように、支持５部は、略三日月状の形状を有し、反射板１の長手方向に対して垂直となるように、反射板１の外側に複数本固設されている。支持部５により、反射板１に対して台風などの強風に耐え得る強度を付与することができ、また、反射板１の強度を補強することができるために反射板１の厚みを薄くして運搬や組立てに掛かる負担を軽減することができる。反射板１の長手方向におけるそれぞれの支持部５の間隔は設置箇所等の応じて種々設定することができる。また、支持部５を構成する材料としては、強度及び耐久性の観点から、ステンレス、アルミニウム合金などの金属を用いることが好ましく、それら部材に防錆塗料などを塗布していることがより好ましい。

保持部６は、集熱配管２及び透光管３等を反射板１から所定の距離を保つように保持する部材である。図１、図４に示すように、保持部６は、板状の部材であり、集熱配管２及び透光管３等の両端部と対応する反射板１の両端部の間を繋ぐよう設けられている。また、より具体的には、図４に示すように、保持部６は、反射板１の長手方向の両端部に設けられた支持部５と一の固定板を介して、集熱配管２及び透光管３等の両端部に設けられた他の固定板とリベットや螺子等の固定手段により固設されている。なお、保持部６は、本実施形態において板状の部材であるが、他の実施形態において棒状の部材とすることもできる。

このようにして作製されるパラボリック・トラフ式の太陽熱集熱器は、反射板１の長手方向に沿って、複数台連結して設置及び使用することができる。このときには、集熱配管２同士が連結部材により連結され、その内部を流れる熱媒体Ｍがそれぞれの反射板１により加熱される。

１・・・反射板
１１・・・第一反射板
１２・・・第二反射板
１３・・・溝部
２・・・集熱配管
３・・・透光管
４・・・集熱部
４１・・・第一集熱板
４２・・・第二集熱板
５・・・支持部
６・・・保持部
Ｍ・・・熱媒体

Claims

入射する太陽光を反射して集光する反射板と、
前記反射板が反射した太陽光により、内部を流れる熱媒体が加熱される集熱配管と、
前記集熱配管を真空状態で内包し透光性を有する透光管と、
前記集熱配管と前記透光管との間に前記集熱配管に当接して配設された集熱部
を備えることを特徴とする太陽熱集熱器。
前記集熱部が、前記集熱配管及び前記透光管の長手方向に、前記集熱配管を挟んで一対設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集熱器。
前記集熱部が、熱線吸収剤により被覆されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の太陽熱集熱器。
前記反射板が、前記反射板の長手方向に伸びた溝部を境界に、分割可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の太陽熱集熱器。
前記反射板の外側に、前記反射板の曲面に沿って前記反射板を支持する支持部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の太陽熱集熱器。