JP4305387B2

JP4305387B2 - 可変反射材料（ｖａｒｅｍ）の使用構造

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Publication number: JP4305387B2
Application number: JP2004500340A
Authority: JP
Inventors: ヘルデンヴィルヘルムスヘラルドゥスヤコブスファン; ヘルマンアルベルトゾンダッハ; ベルナルドダム
Original assignee: スティフティングエネルギィオンデルズゥクセントルムネーデルラント
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: CA2480502A1; EP1490912A1; NL1020281C2; JP2005521856A; WO2003092080A1; AU2003225420A1; AU2003225420B2; US20050173716A1

Description

この発明は、可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の使用構造に関し、その材料は金属合金の薄い層の集まりであると考慮され、その光学的特性は、スペクトルの視覚部分において、反射および吸収間で変化しうるものである。

上記変化は、合金の結晶格子に吸蔵された水素量の変化によって影響される。水素の量は、必要とされる水素イオンを可変合金に噴射することのできる付加的構造（イオン導体および水素貯蔵層を含んでいる）が使用されるときに、例えば、外部水素圧または電圧または温度変化によって変化するであろう。

既に、１９９６年に、独国研究科学者は、水素に曝すことにより透明相および反射相間で切り換えうる材料グループを発見した（非特許文献１参照。）。その科学者は、イットリウムおよびランタンのような特別な材料の薄いフィルムが水素を吸蔵することができ、金属的水素化合成物を形成するか、水素の量が大量である場合、透明合成物を形成することを発見した。それらは、圧力を変化させて、フィルムに水素を注入することにより、透明相および反射層の間での変換に影響を与えうることができた。

特許文献１は、ＥＣ層の透明性を制御しうる装置を開示しており、これは、光の吸収割合を変化させうることを可能としている。ＥＣ層の透明性は、２つの電極の間に電解質を閉じ込め、続いて、電極の一方の側に板状透明部材を置いて、熱伝達媒体の機能を果たす液体を通過させうるように空間を形成することにより達成される。どの相でＥＣ層が切り換えられるのかは、明確では無い。

特許文献２は、光起電性セルおよび通電変色装置の組合せを開示している。その構成によれば、つぎのことが示されており、通電変色装置の着色の程度が増加するときに、光起電性セルの電気的出力が増加する。そのセルは、通電変色装置の後に位置させられているから、セルへの入射光は、通電変色材料を通り抜ける。また、この場合、通電変色層が存在させられており、それは、透明相および反射相間で切り替わり、後者の相で、ＰＶセルへの入射光は、具体例として示されているように、部分的にブロックされる。

非特許文献２に関する論文は、加熱および冷却過程の能動的制御のための「スマートウィンドウ」として、光起電性−通電変色性装置を開示しており、そこでは、通電変色層およびＰＶセルの図解積み重ねが、独立して伝達される光の量を制御する透明構造に向けられている。その構造は、太陽エネルギーの吸収およびできるだけ最も効果的に発生させられる、その後の熱の放出に関する如何なる情報も提供していない。

特許文献３は、入射光によって透過率を変える装置を開示しており、その装置は、通電変色材料の層を備えている。そこで示されている構造は透明であり、通電変色層の切換は、透過率の程度を制御することに完全に向けられている。

例えば、通電変色／熱パネルを使用するときに、そのようなパネルの温度は、非常に高レベルまで上昇し、その高温はパネルにダメージを与える。そのような通電変色／熱パネルは、それ自体は、例えば、本出願人による特許文献４から既知である。そこから既知である通電変色／熱パネルは、パネル状キャリヤを備えており、これには、少なくとも２つの実質的に平坦状の通電変色ユニットが備えられ、これらは、光を受取り、その光を電位差に転換するために電導体によって連続して連結され、各通電変色ユニットは、別々に造られ、その通電変色ユニットは、２つの長辺および２つの短辺によって区画される実質的に細長い形状を有している。加えて、太陽パネルは、通電変色ユニットが連続して連結された太陽セルで造られ、これは、シリコン材料のスライスを含んでおり、これは、キャリヤプレート上で間隔をおいて配列されていることにおいて、既知である。商業的に有用な太陽コレクタは、分光的に選択された、一定の光学的特性をもつコーティングを備えている。さらに、注目すべきは、この結合において、光の吸収率が高い、とくに７０％またはそれ以上であるということである。コレクタに必要とされる熱が無い状況おいて、温度は非常に高レベルまで上昇し、太陽パネルにもたらされるダメージが悪い結果をまねく。また、他の光起電性技術として、例えば、アモルファスシリコン、ＣＩＳまたはＣｄ−Ｔｅのような薄いフィルム技術および微少結晶シリコンが使用されるであろう。
ネイチャー３８０，２３１；（１９９６）特開昭５９−００４８５６号公報米国特許No.５，４５７，５６４号「自家動力光起電性−通電変色性装置のための半透明ａ−Ｓｉｃ：Ｈ太陽セル」、Ｂｕｌｌｏｃ、Ｊ．Ｎ．ｅｔａｌ特開平０９−２４４０７２号公報独国特許No.１００５９２６号

この発明の第１の目的は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよびできれば電気エネルギーに変換するための装置を提供することにあり、その装置には、光学的に変化しうるコーティングが提供され、これは、上記した最高温度を相当に低下させうる。

この発明の第２の目的は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよびできれば電気エネルギーに変換するための装置を提供することにあり、その装置には、光学的に変化しうるコーティングが提供され、これは、光に対する透過率を必要とするように変化させるように制御されうる。

この発明の第３の目的は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよびできれば電気エネルギーに変換するための装置を提供することにあり、その装置には、光学的に変化しうるコーティングが提供され、その結果、光温度のピークの発生が妨げられることにより、装置の寿命が有効的に延長される。

序文で言及したところの、この発明は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよびできれば電気エネルギーに変換するための装置における可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の使用構造であって、ＶＡＲＥＭ材料の層が、光伝達プレートおよびキャリヤプレートの間に存在させられている使用構造を特徴とするものである。

この発明において使用されるＶＡＲＥＭ材料は、とくに、暗黒的吸収および金属的反射間で切り換えるために適しており、その特性は、この発明の上記目的を達成する観点からすると、非常に有利である。

適切な装置は、キャリヤプレートとして、所定距離を隔てた光伝達プレートおよび熱伝導基体を備えており、その基体には、１またはそれ以上の通路が形成されており、その通路には、熱伝達媒体が存在させられており、ＶＡＲＥＭ層が、光伝達プレートおよび基体の間に存在させられている装置である。

そのような具体例において、ＶＡＲＥＭ層が、基体に隣接させられており、特別の具体例においては、光起電性ユニット層が、ＶＡＲＥＭ層および光伝達プレートの間に存在させられており、それで、入射光が電気エネルギーを発生させるために用いられる。

そのような具体例において、光起電性ユニット層が使用される結果として、光は熱に変換されるだけでなく、電気エネルギーにも変換され、その結合において、光起電性ユニット層が、ＶＡＲＥＭ層に隣接させられていることが特に望ましい。

この発明による他の特別の適用は、キャリヤプレートとして、第１光伝達プレート、第２光伝達プレートおよび熱絶縁キャリヤを備えており、これらプレートは、それぞれに距離を隔てており、第２光伝達プレートおよび熱絶縁キャリヤによって形成された空間が、光起電性ユニット層によって２つの部分空間に分割されており、光伝達媒体が各部分空間に存在させられ、ＶＡＲＥＭ層が、光起電性ユニット層および熱絶縁キャリヤによって形成された部分空間に存在させられている装置に関する。

そのような特別の具体例において、ＶＡＲＥＭ層が、熱絶縁キャリヤに隣接させており、より特別には、ＶＡＲＥＭ層が、光起電性ユニット層に隣接させている。

他の具体例によれば、装置は、キャリヤプレートとして、所定距離を隔てた光伝達プレートおよび熱絶縁キャリヤを備えており、そのキャリヤに隣接させられているＶＡＲＥＭ層が、そのプレートおよびキャリヤ間に位置させられており、そのＶＡＲＥＭ層の上に光起電性ユニット層が存在させられており、熱伝達媒体が、光伝達プレートおよび光起電性ユニット層の間に存在させられているものである。

前記具体例において、変換される光の量は、ＶＡＲＥＭ層の吸収の程度を変更することによって調整される。ＶＡＲＥＭ層の吸収相において、光伝達プレートによって伝達される光は、熱に変換され、その熱は、熱伝導基体によって放出され、基体には１またはそれ以上の通路があり、これには、好ましくは、水である熱伝達媒体が存在させられている。ＶＡＲＥＭ層の反射相において、光は反射され、その結果、非常に少ない光が熱に変換される。通常の作動状況においては、こうして、吸収される熱の量を調整することが可能である。したがって、反射相においてＶＡＲＥＭ層を使用すると、充分な低温まで、熱の量を縮小し、好ましく無い高温からパネルを保護する。光起電性ユニットが透明であり、電気的接触を妨げるものがその後側に無いと、ＶＡＲＥＭ層の反射相において反射される光は、光起電性ユニットの層をもう一度通過し、これにより、ＶＡＲＥＭ層が吸収相にある場合の具体例と比較して、電気的効率を向上させる。光起電性ユニットが不透明である状況においては、光起電性ユニット間を通過する光の調整だけが行われる。

光起電性ユニットの層を備えない具体例において、高温の危険性は、原理的に、光起電性ユニットの層を備えた具体例のように明白さがそがれる。しかしながら、現実的には、入射光から得られる熱の量は調整されることが望ましい。例えば、装置が赤外線を伝達するコーティングを備えているならば、ＶＡＲＥＭ層が吸収相にある、暗い状況において、ＶＡＲＥＭ層はとくに使用されるうる。特別の具体例において、光伝達プレートが、赤外線放射をも伝達することが好ましい。

太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するための装置における可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の他の適用は、所謂、トロンプ壁である。トロンプ壁は、ウィンドウの丁度後に配置された壁でありかつ一般的に暗い表面層を備えている。昼間に、ウィンドウを通過した太陽光線は、壁に吸収され、これを加熱する。トロンプ壁の厚さは、吸収される熱が暗さに向かって壁を通過し、それで、続いて、壁の後の空間を加熱しうるようになっている。今まで、そのようなシステムは完全に受動的であり、壁が充分に光を浴びた数日後には暑くなりすぎ、これは、好ましく無くかつ外的日よけによって現実には防がれる。トロンプ壁がＶＡＲＥＭ層を備えていると、例えば、（もはや）加熱が必要でなくなったときに、ＶＡＲＥＭ層をその反射相に切り換えることにより、このシステムを効果的に調節することが可能である。

特別の具体例によれば、ＶＡＲＥＭ層が、金属合金、固体電解質および電極によって連続して造られており、ＶＡＲＥＭ層が、閉鎖水素雰囲気で取り囲まれており、金属合金の水素濃度が、電極および金属合金の間に電圧をかけることによって制御される。さらに、ＶＡＲＥＭ層が、金属合金、固体電解質、帯電電極、頂部電極および水素不浸透性層によって連続して造られており、金属合金の水素濃度が、電極および金属合金の間に電圧をかけることによって制御されることが可能である。

後者の具体例において、さらには、頂部電極および帯電電極を、水素を容易に吸収しうる１つの層と置き換えることが可能である。このことは、とくに、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＰｄのような遷移金属に適用される。

ＶＡＲＥＭ層の水素濃度（であるから視覚相）は、水素透過電極（例えばＰｄ）および金属合金間に電圧をかけることによって操作される。固体電解質は、この点に関し、２つの機能を有しており、Ｈ−イオン／プロトンの輸送を可能とし、電子の輸送をブロックする。

金属合金は、Ｍｇ合金およびＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのような遷移金属から選択される。

固体電解質は、ＺｒＯ_２およびＹ：ＣａＦ_２を含むグループから選択される。

帯電電極は、とくに、例えば、ＷＯ_３を含んでいる。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

図１において、太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気エネルギーの双方に転換するための装置１が概略示されている。入射光は、光伝導プレート２を通過して、この具体例では透明である光起電性ユニット層３に突き当たる。光起電性ユニット層３の下にはＶＡＲＥＭ層４があり、ＶＡＲＥＭ層４は熱伝導基体５に隣接しており、これには、好ましくは水である熱伝導媒体に通じる通路６がある。熱伝導基体を加熱するために使用される光の量は、ＶＡＲＥＭ層４を吸収相および反射相の間で切り換えることにより調整される。この具体例では光起電性ユニット層３は透明であるから、ＶＡＲＥＭ層４が反射相に切換られた結果として、入射光が光起電性ユニット層３をもう一度通過するならば、発電効率は増加させられるであろう。光起電性ユニット層が不透明である場合、光起電性ユニットを通過する光の調節だけが行われるであろう。

図２は、太陽エネルギーを熱エネルギーおよび電気エネルギーの双方に転換するための装置９の構成を示している。光は第１光伝達プレート２に入射し、つづいて、これより所定距離を隔てた第２光伝達プレート11に突き当たる。熱絶縁キャリヤ７が第２光伝達プレート11から特別に距離を隔てて配置されており、熱絶縁キャリヤ７の一方の側にはＶＡＲＥＭ層４が備えられている。ＶＡＲＥＭ層４および第２光伝達プレート11間の空間は、光起電性ユニット層３によって２つの部分空間８に分割されており、そこで、熱エネルギーは、もう一度、水に伝達される。例えば、水である熱伝達媒体は、第２光伝達プレート11に隣接する部分空間８に運ばれ、その熱伝達媒体は入射光によって加熱され、ＶＡＲＥＭ層４および光起電性ユニット層３によって囲まれた空間によって形成された部分空間８を経由して戻され、そこで、熱エネルギーはもう一度水に伝達される。そのような具体例によれば、入射光は、光起電性ユニット層３の存在の結果として、熱エネルギーに転換され、また、熱伝達媒体を形成する水に発散させられることにより、熱エネルギーに転換される。他の具体例（図示しない）によれば、光起電性ユニット層３がＶＡＲＥＭ層４に隣接させられ、部分空間８が１つだけ存在させられ、その部分空間８が、とくに水である、熱伝達媒体のための通路を形成する。

図３は、最後に、太陽エネルギーを熱エネルギーだけに変換するための装置10を示しており、ここでは、光は、光伝達プレート２を通ってＶＡＲＥＭ層４に突き当たり、そのＶＡＲＥＭ層４は熱伝導基体５に隣接しており、これには、通路６があり、これを経由して、例えば水である熱伝達媒体が通過させられる。通路６内の熱伝達媒体に伝達される熱の量は、ＶＡＲＥＭ層４を透明相および反射相に切り換えることにより調整される。

透明光起電性ユニットの層を備えた装置におけるＶＡＲＥＭ層の具体例を示す概略図である。光起電性ユニットを備えた装置におけるＶＡＲＥＭ層の特別な具体例を示す概略図である。ＶＡＲＥＭ層の在る熱コレクタの具体例を示す概略図である。

符号の説明

１，９，10 装置
２光伝達プレート
３光起電性ユニット
４ＶＡＲＥＭ層
５熱伝導基体
６通路
７熱絶縁キャリヤ
８空間
11 光伝達プレート

Claims

太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するための装置（１，10）における可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の使用構造であって、可変反射材料の光学的特性は、スペクトルの視覚部分において、反射および吸収間で切替可能であり、相所定距離を隔てた光伝達プレート（２）および熱伝導基体（５）を備えており、基体（５）には、１またはそれ以上の通路（６）が形成されており、その通路（６）には、熱伝達媒体が存在させられており、可変反射材料の層（４）が、光伝達プレート（２）および基体（５）の間に存在させられている使用構造。
請求項１による使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、基体（５）に隣接させられていることを特徴とする使用構造。
請求項１または２による使用構造であって、光起電性ユニット層（３）が、可変反射材料の層（４）および光伝達プレート（２）の間に存在させられていることを特徴とする使用構造。
請求項３による使用構造であって、光起電性ユニット層（３）が、可変反射材料の層（４）に隣接させられていることを特徴とする使用構造。
太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するための装置（９）における可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の使用構造であって、可変反射材料の光学的特性は、スペクトルの視覚部分において、反射および吸収間で切替可能であり、装置が、第１光伝達プレート（２）、第２光伝達プレート（11）および熱絶縁キャリヤ（７）を備えており、これらプレートは、それぞれに距離を隔てており、第２光伝達プレート（11）および熱絶縁キャリヤ（７）によって形成された空間（８）が、光起電性ユニット層（３）によって２つの部分空間に分割されており、熱伝達媒体が各部分空間に存在させられ、可変反射材料の層（４）が、光起電性ユニット層（３）および熱絶縁キャリヤ（７）によって形成された部分空間に存在させられていることを特徴とする使用構造。
請求項５による使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、熱絶縁キャリヤ（７）に隣接させていることを特徴とする使用構造。
請求項５による使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、光起電性ユニット層（３）に隣接させていることを特徴とする使用構造。
太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するための装置（９）における可変反射材料（ＶＡＲＥＭ）の使用構造であって、可変反射材料の光学的特性は、スペクトルの視覚部分において、反射および吸収間で切替可能であり、装置が、所定距離を隔てた光伝達プレート（２）および熱絶縁キャリヤ（７）を備えており、そのキャリヤ（７）に隣接させられている可変反射材料の層（４）が、そのプレート（２）およびキャリヤ（７）間に位置させられており、その可変反射材料の層（４）の上に光起電性ユニット層（３）が存在させられており、熱伝達媒体が、光伝達プレート（２）および光起電性ユニット層（３）の間に存在させられていることを特徴とする使用構造。
請求項１〜８のいずれか１つによる使用構造であって、光伝達プレート（２，11）が、赤外線放射をも伝達することを特徴とする使用構造。
請求項１による使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、トロンブ壁の上に存在させられていることを特徴とする使用構造。
請求項１〜１０のいずれか１つによる使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、金属合金、固体電解質および電極によって連続して造られており、可変反射材料の層（４）が、閉鎖水素雰囲気で取り囲まれており、金属合金の水素濃度が、電極および金属合金の間に電圧をかけることによって制御されることを特徴とする使用構造。
請求項１〜１０のいずれか１つによる使用構造であって、可変反射材料の層（４）が、金属合金、固体電解質、帯電電極、頂部電極および水素不浸透性層によって連続して造られており、金属合金の水素濃度が、電極および金属合金の間に電圧をかけることによって制御されることを特徴とする使用構造。
請求項１１または１２による使用構造であって、電圧が、光電セルの使用によって発生させられることを特徴とする使用構造。
請求項１１または１２による使用構造であって、金属合金が、Ｍｇ合金およびＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのような遷移金属から選択されることを特徴とする使用構造。
請求項１１または１２による使用構造であって、固体電解質が、ＺｒＯ_２およびＹ：ＣａＦ_２を含むグループから選択されることを特徴とする使用構造。
請求項１２による使用構造であって、帯電電極が、ＷＯ_３を含んでいることを特徴とする使用構造。
請求項１２による使用構造であって、ＺｒＯ_２またはイットリウム酸化物のどちらかが、水素不浸透性層のために使用されていることを特徴とする使用構造。
請求項１２による使用構造であって、帯電電極および頂部電極が、Ｖ、Ｎｂ、ＴａおよびＰｂのような遷移金属から１つのユニットを形成していることを特徴とする使用構造。