JP4592024B2

JP4592024B2 - 太陽光集熱装置

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Publication number: JP4592024B2
Application number: JP2006320998A
Authority: JP
Inventors: 繁夫今井; 雄二濱地
Original assignee: EIKOU CO Ltd
Current assignee: EIKOU CO Ltd
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: JP2008134009A

Description

本発明は、太陽光から熱を集熱する太陽光集熱装置に関する。

太陽光から熱を集熱する太陽光集熱方法としては、周知のようにレンズや曲面反射板等の集光手段で太陽光線を集光することが行われ、レンズで集光された太陽光線を照射した被加熱体の熱が所定の目的に利用される（例えば、特許文献１、２参照）。あるいは水を直接太陽光で暖めて移送しその熱を利用することも行われる。

しかし、太陽光から熱を集熱し同時に光線としても取出して利用する装置は見当らない。また、レンズや曲面反射板で集光された光線の焦点部は極めて高温であり、この部分から目的の熱を取出す簡易な装置も見当らないのが現状である。
特開２００６−６４３５６号公報特開２００５−１０６４３２号公報

本発明の目的は、太陽光から熱を集熱し同時に光線としても取出して利用する装置を提供しようとすることである。また、レンズや曲面反射板で集光された光線の焦点部は極めて高温であり、この部分から目的の熱を取出す簡易な装置を提供しようとする。

本発明の要旨とするところは、集光手段と、該集光手段で集光された太陽光が照射される照射端面を備えた石英ロッドとを含み、該石英ロッドの一部分に、炭素塊、金属塊、セラミック塊から選択される塊で埋設された被埋設部を有し、該被埋設部と該塊とで集光された太陽光が集熱される集熱部が構成された太陽光集熱装置であることにある。

前記被埋設部は、前記石英ロッドが瘤状に太くされた部分であり得る。

前記太陽光集熱装置は、前記被埋設部を複数個有し得る。

前記太陽光集熱装置においては、前記被埋設部のうちの一つが、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部に位置し得る。

前記太陽光集熱装置においては、前記石英ロッドが分岐部を有して該分岐部で複数の分枝に分岐し、該分岐部が前記被埋設部を構成し得る。

前記太陽光集熱装置は、他の石英ロッドを備え得、該他の石英ロッドの一の端面が前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端面に間隔をおいて対向して配置されて、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部と、前記他の石英ロッドの前記一の端面側の端部とが前記被埋設部を構成し得る。

前記太陽光集熱装置は、前記石英ロッドより小径の複数の小径石英ロッドを備え得、該小径石英ロッドの一の端面がそれぞれ前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端面に間隔をおいて対向して配置されて、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部と各前記小径石英ロッドの、前記一の端面側の端部とが前記被埋設部を構成し得る。

前記太陽光集熱装置においては、前記石英ロッドが曲がり部で曲げられ、該曲がり部が前記被埋設部を構成し得る。

前記太陽光集熱装置においては、前記曲がり部で前記石英ロッドが螺旋状に曲げられ得る。

前記太陽光集熱装置は、前記塊と流体との熱交換手段を備え得る。

前記太陽光集熱装置においては、前記塊が透水性の多孔質体であり得る。

本発明によると、太陽光から熱を集熱し同時に光線としても取出して利用する太陽光集熱装置が提供される。また、レンズや曲面反射板で集光された光線の高温の焦点部から目的の熱を取出す簡易な太陽光集熱装置が提供される。

本発明の太陽光集熱装置は、熱源と光源を同時利用する分野で簡便かつ経済的に利用される。

本発明の太陽光集熱装置は、熱源と光源をそれぞれ別の目的に同時利用することが可能であり、太陽光の多角的利用を単独の太陽光集熱装置により簡便かつ経済的に行うことができる。

本発明の太陽光集熱装置は、複数の熱源を複数の個所で同時に取出してそれぞれ別の目的に同時利用することが可能であり、太陽光の多角的利用を単独の太陽光集熱装置により簡便かつ経済的に行うことができる。

本発明の太陽光集熱装置の態様を説明する。なお、本明細書においては、各図にわたって記される同じ符号は同一又は同様の部材やものを示す。図１に示すように、本発明の太陽光集熱装置２は、太陽光を集光する集光手段４、石英ロッド６、石英ロッド６の一部分を埋設する塊８を含んで構成される。集光手段４としては図１ではフレネルレンズ３が図示される。集光手段４で集光された太陽光は焦点近傍で石英ロッド６の照射端面１０を照射する。石英ロッド６は長手方向にみた中間点の一部分１２が塊８で埋設された被埋設部１９であり、被埋設部１９と塊８とで集熱部１５が構成されている。被埋設部１９には、他の部分より径が瘤状に太い瘤部１４が形成されている。瘤部１４の径は石英ロッド６の径の１．５〜３倍であることが好ましい。図２に集熱部１５の断面構造を示す。

塊８は、炭素塊、金属塊、セラミック塊から選択される塊である。炭素塊であることが
高温に耐えかつ集熱性に優れて最も好ましい。炭素塊としては炭素の燒結体が挙げられる。金属塊に用いられる金属材料としては鋳鉄などの鉄材、真鍮、ステンレス、アルミニウムなどが例示される。セラミック塊としては土器、セッ器、陶器、磁器などからなるものが例示される。塊８は耐熱性と熱伝導性を有するものであればこれらに限定されない。

集光手段４で集光され照射端面１０から入光し石英ロッド６の内部を導光されて瘤部１４に達した光の一部が瘤部１４での屈折や瘤部１４の表面部での反射や散乱を伴いつつ瘤部１４からロッドの外部に漏光し、瘤部１４を包含している塊８に吸収されて熱となり、塊８の温度が上昇し、塊８に熱エネルギが蓄積される。また、瘤部１４に達した光の残部は瘤部１４を通過して石英ロッド６の内部を導光されて石英ロッド６の出射端１６から出射される。

出射端１６から出射された出射光１８がレンズ２２で集光され光ファイバ束２４の入射端に入光して所定の位置まで伝送され不図示の照明や光電池による電気エネルギへの変換などの目的に利用される。

塊８に蓄積された熱エネルギは、不図示の熱交換手段により取出されて所定の対象物の保温や加熱、あるいは機械エネルギに変換されて発電などの所定の目的に利用される。

このように、本発明の太陽光集熱装置２においては、集光された高密度の光を熱エネルギに変換蓄積すると同時に、伝送光としても取出して照明や光電池による電気エネルギへの変換などの目的に利用することができる。

図３に示すように、集熱部１５は石英ロッド６の長手方向に間隔をおいて複数個設けられ瘤部１４ごとに塊８で埋設されてもよい。この態様により、熱エネルギを複数個所から取出すことができる。

なお、図４に示すように、塊８ａと、埋設された被埋設部１９である瘤部１４との間に隙間２５があってもよい。このように本発明においては、「埋設」は被埋設物とこの被埋設物を囲んで埋設する物（炭素塊など）との間に隙間がある態様も意味するものとする。隙間２５のサイズｄｄは１〜１０ｍｍであってもよい。

また、本発明においては、塊８が照射された光をあまり反射せずに吸収する、炭素のような素材からなるものである場合に限り、図５に示すように、塊８が石英ロッド６の真っ直ぐな部分に密着して設けられてもよい。

さらにまた、本発明においては、図６に示すように、石英ロッド６の表面に凹凸を有する部分１７を設け、その部分が被埋設部１９ａとして塊８で埋設されるようにしてもよい。凹凸の波長はミクロンオーダーであってもよい。ｍｍオーダーであってもよい。１〜２ｃｍであってもよい。

本発明の他の態様においては、図７に示すように、石英ロッド６の終端に塊８ｂで埋設された瘤部１４ｂが被埋設部１９ｂとして形成されてもよい。

本発明のさらに他の態様においては、図８に示すように、石英ロッド６ｃの終端部に分岐部２８が形成され、分岐部２８で石英ロッド６ｃが複数の小径石英ロッドの分枝３０に分岐し、分岐部２８が被埋設部１９ｃとして塊８ｃで埋設されてもよい。この態様においては、分枝３０ごとに、分枝３０の終端から分配された光を取出してそれぞれ利用することができる。また、分岐部２８からの漏光で塊８ｃが加熱される。

本発明のまたさらに他の態様においては、図９に示すように、石英ロッド６と、石英ロッド６より小径の複数の小径石英ロッド３２が組合されて分岐部分３４が形成されてもよい。図９においては、石英ロッド６の照射端面１０（図１）と反対側の端面３６と、小径石英ロッド３２の一の端面３８（入射端面）が間隔をおいて対向して配置され、石英ロッド６の端面３６がわの端部と、各小径石英ロッド３２の、一の端面３８がわの端部とが被埋設部１９ｄとして塊８ｄに埋設されたものであってもよい。この態様も、小径石英ロッド３２ごとに、小径石英ロッド３２の終端から分配された光を取出してそれぞれ利用することができる。また、端面３６からの漏光で塊８ｄが加熱される。

本発明のさらにまた他の態様においては、図１０に示すように、石英ロッド６の照射端面１０（図１）と反対側の端面３６に、他の石英ロッド６ａの一の端面３９が間隔ｄｓをおいて対向して配置され、石英ロッド６の照射端面１０と反対側の端部と他の石英ロッド６ａの、一の端面３９側の端部とが被埋設部１９ｅとして塊８ｅに埋設されたものであってもよい。端面３６からの漏光で塊８ｅが加熱される。間隔ｄｓは１〜１０ｍｍであることが好ましい。

図１０に示す態様は図１１に示すように、石英ロッド６の直列連結に適用することができる。連結部４０が図１０に示す構成となることにより、連結部４０の塊８ｅが加熱されるとともに、一部の光を一の石英ロッド６から、隣設の他の石英ロッド６へと伝導することができる。

また、本発明においては、図１２に示すように、瘤に替えて石英ロッド６を屈曲させて形成した曲がり部４２を被埋設部１９ｆとして塊８ｆで埋設してもよい。曲がり部４２からの漏光で塊８ｆが加熱される。屈曲の角度αは６０〜１６０度であることが好ましい。屈曲部の石英ロッド６の軸心の曲率半径は石英ロッド６の径の０．７〜３倍であることが好ましい。

図１３に示すように、曲がり部は石英ロッド６が螺旋状に曲げられた曲がり部４２ａ（被埋設部１９ｇ）であってもよい。また、曲がり部４２ａを埋設する塊８ｇに導通管４４を貫通させて配することにより、塊８ｇの熱と導通管４４を通過する流体との熱交換手段４６とすることができる。導通管４４は、例えば、螺旋の中心軸に沿って塊８ｇを貫通させる。螺旋の径は石英ロッド６の径の３〜２０倍であることが好ましい。

導通管４４に水等の流体を通過させることによりその流体の温度が上昇する。すなわち、その流体が熱交換の媒体となる。

図１３に示す熱交換手段は、他の態様の塊を用いた集熱部にも適用される。すなわち、図１４において、不図示の石英ロッドを埋設した塊８８に導通管４４を貫通させることにより熱交換手段４６ａが構成される。

図１５に他の熱交換手段の態様を示す。図１５においては、不図示の石英ロッドを埋設した塊８８ａに貫通孔５０が形成され、貫通孔５０に導管５２を介して流体を流入し、排出管５３から排出することにより熱交換手段４６ｂが構成される。

図１６に他の熱交換手段の態様を示す。図１６においては、不図示の石英ロッドを埋設した連通孔を有する多孔質の塊８８ｂに案内管５５を介して液体を注ぎ、連通孔を通過した液体をロートのような捕集手段５４で捕集することにより熱交換手段４６ｃが構成される。気体を連通孔に吹き込んで通過させて熱交換してもよい。

本発明に用いられる石英ロッドの径は１〜５ｃｍであることが好ましい。１．５〜２．５ｃｍであることがさらに好ましい。石英ロッドの断面形状は円形であることが光の伝搬の効率のうえで好ましいが、方形、多角形、楕円形、長円形などの非円形であってもよい。石英ロッドは中空であってもよい。瘤部や曲がり部に光を屈折や分散や散乱させる気泡を存在させると、その部分の塊の加熱が促進されて集熱を効率よく行うことができる。また、瘤部や曲がり部の表面に凹凸を形成することにより、光の屈折や分散や散乱が促進され、その部分の塊の加熱が促進されて集熱を効率よく行うことができる。

本発明に用いられる集光手段４は太陽光線の入射方向にあわせて受光面を追尾させる追尾手段を備えていてもよい。

集光手段４としては、レンズ、フレネルレンズ、凹面鏡などか好適に用いられるが、太陽光を集光できるものであればこれらに限定されない。フレネルレンズが軽量で占拠スペースが小さい点で好ましい。フレネルレンズの径は、１０〜２００ｃｍであることが好ましい。

石英ロッドが塊に埋設された構造は、例えば、塊の二つ割形状をなす二個のピースのそれぞれに石英ロッドの径方向にみた半分の部分が嵌る溝を形成し、石英ロッドをその溝に嵌めつつ二個のピースをもとの塊の形になるよう合体して得られる。

本発明の太陽光集熱装置は、冷暖房用熱源、ヒートポンプ用熱源、給湯用熱源、光化学反応プラントの光源及び熱源、発電用蒸気タービン駆動用熱源、スターリングエンジン用熱源、海水淡水化用熱源、植物プラント用光源及び熱源、海底浄化用光源、河川、湖沼浄化用光源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源、太陽電池の光源、小規模発電の熱源、として利用できる。

なかでも、本発明の太陽光集熱装置は、とくに熱源と光源を同時利用する分野、例えば、光化学反応促進用光源、植物プラント用光源及び熱源、光触媒を利用する排水浄化用光源及び熱源として好適に利用される。

さらに、本発明の太陽光集熱装置は、熱源と光源をそれぞれ別の目的に同時利用することが可能であり、太陽光の多角的利用を単独の太陽光集熱装置により簡便かつ経済的に行うことができる。

また、本発明の太陽光集熱装置は、複数の熱源を複数の個所で同時に取出してそれぞれ別の目的に同時利用することが可能であり、太陽光の多角的利用を単独の太陽光集熱装置により簡便かつ経済的に行うことができる。

その他、本発明は、主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明の太陽光集熱装置の構成の一例を示す側面模式図式である。本発明の太陽光集熱装置における瘤部の構成を示す断面図である。複数の瘤部を備えた本発明の太陽光集熱装置の構成を示す要部断面図である。本発明の太陽光集熱装置における瘤部の他の態様の構成を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の他の態様の構成を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部のさらに他の態様を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における瘤部のさらに他の態様の構成を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様の他の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様のさらに他の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様のさらにまた他の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様のまたさらに他の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様の別の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における集熱部の態様のさらに別の一例を示す斜視模式図である。本発明の太陽光集熱装置における熱交換手段の態様の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における熱交換手段の態様の他の一例を示す断面図である。本発明の太陽光集熱装置における熱交換手段の態様のさらに他の一例を示す断面図である。

符号の説明

２：太陽光集熱装置
３：フレネルレンズ
４：集光手段
６、６ｃ：石英ロッド
６ａ：他の石英ロッド
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ、８ｆ、８ｇ、８８、８８ａ、８８ｂ：塊
１０：照射端面
１５：集熱部
１４：瘤部
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ：被埋設部
２８：分岐部
３０：分枝
３２：小径石英ロッド
３４：分岐部分
３６：端面
３８：一の端面
４０：連結部
４２、４２ａ：曲がり部
４４：導通管
４６、４６ａ、４６ｃ、：熱交換手段
５０：貫通孔

Claims

集光手段と、該集光手段で集光された太陽光が照射される照射端面を備えた石英ロッドとを含み、該石英ロッドの一部分に、炭素塊、金属塊、セラミック塊から選択される塊で埋設された被埋設部を有し、前記被埋設部が前記石英ロッドが瘤状に太くされた部分であり、該被埋設部と該塊とで集光された太陽光が集熱される集熱部が構成された太陽光集熱装置。
前記被埋設部が、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部に位置する請求項１に記載の太陽光集熱装置。
前記被埋設部を複数個有する請求項１に記載の太陽光集熱装置。
前記被埋設部のうちの一つが、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部に位置する請求項３に記載の太陽光集熱装置。
前記石英ロッドが分岐部を有して該分岐部で複数の分枝に分岐し、該分岐部が前記被埋設部を構成する請求項1に記載の太陽光集熱装置。
他の石英ロッドを備え、該他の石英ロッドの一の端面が前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端面に間隔をおいて対向して配置され、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部と、前記他の石英ロッドの前記一の端面側の端部とが前記被埋設部を構成する請求項1に記載の太陽光集熱装置。
前記石英ロッドより小径の複数の小径石英ロッドを備え、該小径石英ロッドの一の端面がそれぞれ前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端面に間隔をおいて対向して配置され、前記石英ロッドの前記照射端面と反対側の端部と各前記小径石英ロッドの、前記一の端面側の端部とが前記被埋設部を構成する請求項1に記載の太陽光集熱装置。
前記石英ロッドが曲がり部で曲げられ、該曲がり部が前記被埋設部を構成する請求項1に記載の太陽光集熱装置。
前記曲がり部で前記石英ロッドが螺旋状に曲げられた請求項８に記載の太陽光集熱装置。
前記塊と流体との熱交換手段を備える請求項１から９のいずれか１項に記載の太陽光集熱装置。
前記塊が透水性の多孔質体である請求項１０に記載の太陽光集熱装置。