JP4625608B2 - 太陽熱吸収装置のギャップ及び受光器の設計 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、一般に、主反射器と太陽熱受光器との間にギャップを設けた太陽熱吸収装置(solar concentrator)に関する。特に、本発明は、主反射器及び主反射器と隣接する外形内の溝又はくぼみと関連して、受光器（コレクタ）が最適な位置に配置されている太陽熱吸収装置に関する。
【０００２】
新世代の非結像式(nonimaging)太陽熱吸収装置の設計において、いわゆる「ギャップ問題」という新たな関心事項について注目されている。この「ギャップ問題」とは、ほぼ理想的な吸収装置をどのように設計するかということであり、この吸収装置には、反射器の熱分離または機械的な事由のために吸収体の周りに空間又はギャップを組み入れる必要がある。このことは、常に極めて大きな実際的に重要なことであった。この問題についてほぼ２０年前に遡ると、初期のいくつかの開発品には、相当な不都合があった。
【０００３】
従来技術の非結像式太陽熱吸収装置の設計には、一般に、反射器及び接触する吸収体が必要とされていた。この理由は、説得力があり詳述する価値がある。これらの設計は、入力及び出力のエテンデュー(etendue)を、反射器をうまく利用することにより強制的に適合させていた。論点は以下のようになる。エテンデューは、吸収装置への入力、及び吸収装置からの出力の両方における最大角度の光線（「エッジ光線」）に沿った光路長で表すことができる。出力光線は、今度は、吸収体へ入射する。この関係は極めて一般的であり、変分法を取り入れながら光学的諸特性に適合させた概念であるヒルベルト積分(Hilbert Integral)を利用している。エテンデューを適合させるためには、入力及び出力の両端部における最大エッジ光線の光路長を確実に等しくするという条件を満たす必要がある。これは、入力および出力の最大エッジ光線間の角度を二等分するミラー部によって実現される。１つの最大光線は、他の光線に反射されて、それが同じ光路を遡るようにさせている。このように、光路を等しくすることは、光路を同一にすることによって実施されている。この方法論は、ミラー部が入力及び出力と隣接していることが必要であり、特に吸収体に接触している必要がある。しかしながら、実際の考察では、吸収体と反射器との間にギャップが必要とされる。ヒルベルト積分の定理を用いた結果としての見解は、挿入されたギャップは結果として光学的な処理能力の損失、集中の損失又はその両方を生じさせるであろうということであった。
【０００４】
太陽熱吸収装置に関し、熱い吸収体と反射器との間の物理的な空間、すなわち「ギャップ」は、真空の空間又は空気を設けて吸収体を分離させるために、または単に反射器への損傷を防止するために必要であった。このギャップの実際的な必要性を検討するために、ほぼ最大の集光性を維持するとともに、ギャップを通る放射光の潜在的な損失を減少させ、または除去する目的で、設計変更を行なうための様々な試みがなされた。重要な手段としては、ギャップ（ｇ）が最大（ｇ＋ｒ）≒√２ｒを満たす、損失の無いＷ形キャビティを開発することにおかれた。ここで、ｒは円筒形吸収体の半径である。この式は、損失の無い解決策が存在することを証明するが、勿論、光を集めることはできない。次に、吸収体の角度付き物体(angular substance)の外側の全ての放射光を吸収体の方向に向け直す微細構造体が見出された。これにより、ｇ＝ｒとできる状態にまで進歩し、外部のエテンデューを受光器により範囲を定められたエテンデューと一致させることができる。これは率直に言うと極端なケースであるが、すなわちｇ＝ｒの場合、中空壁にある吸収体によって範囲が定められる角度は６０゜である。吸収体によって範囲が定められたエテンデューは、（一定の係数まで）２ｓｉｎ３０°であり、一方、外部のエテンデューは（一定の係数まで）２（１−ｓｉｎ３０°）である。これらは等しい。勿論、吸収体の角度付き物体の外側の全ての放射光は確かに十分ではあるが、放射光をさらに必要としているので、まだ光を集めることはできない。外部のエテンデューの一部は、空からの光線が届かないので無駄である。それにもかかわらず、微細構造体の全ての素子が等しいため、この解決策は実践的である。構造体はＶ字形であり、そして構造体は従来の結像方法によって設計される。ｇ＝ｒに限定した大きなギャップでは、微細溝の開口角度は１２０゜である。実際に実現させる場合には、１つのＶ字形しか一般に要求されていない。このＶ字形は、ｇが約０．２７ｒまで完全に動作し、それより大きなギャップに対しても極めて良好である。しかしながら、光学的な損失をゼロにするという要求は、光を集めることを不当に制限する結果となり、集光を著しく損失する。種々の設計方法により、光学的な損失を受け入れるか、集光を犠牲にして光学的な損失を取り除くか、またはこれら２つの極端な方法の間かのある程度の妥協を図りながら、選択的に最大の集光を維持することができる。物理的な吸収体よりも大きい仮想の吸収体を設計し、これにより理想的な集光以上の状態を作ることも可能である。この方法は、放射光がギャップを通って逃げるため、光学的な処理能力の損失を犠牲にすることは言うまでもない。これはその暗示する形状から「アイスクリームのコーン」設計として知られていた。必要なものは、光学的な損失と集光との間の妥協点を最適にする方法である。この妥協点は、経済的な問題及び製造しやすさの問題も考慮する必要がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、改良された太陽熱吸収装置の設計を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、新規な太陽熱吸収装置用のギャップの設計を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、Ｖ字形ノッチ部に接続された主反射器と、太陽熱受光器との間に特別な空間的関係を有する改良された太陽熱吸収装置を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、仮想の受光器の面に対する接線に基づく鏡像を形成することによって定義された受光器の実空間位置を有する新規な太陽熱吸収装置を提供することである。この接線は、主反射器の端部とＶ字形ノッチの始点とを確立するために（二次元の構造体の中で）２つの点を接続することにより定義される。
【０００９】
本発明の付加的な目的は、Ｖ字形ノッチの１つのエッジ（又は三次元内の面）及び縦方向の受光器への接線の反対側の仮想受光器の鏡像によって受光器の位置が定義される改良された太陽熱吸収装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的及び利点は、本願の説明及び描写された図面から明らかになるであろう。
【００１１】
本発明に基づいて構成されたギャップを有する太陽熱吸収装置は、図面で示されており、全体的に１０で示されている。太陽熱吸収装置１０は、単に二次元の断面図として示されているが、実際の使用においては、三次元の装置として横方向に伸ばされていると理解される。太陽熱吸収装置１０には、主反射器２０が設けられている。この主反射器２０には、最も好ましい実施形態としては、集光効率を最適にするために適合された曲線状表面が形成されている。例えば、米国特許第５，５８６，０１３号を参照されたい。この特許は、所望の目的を達成するために適合された反射器に関するものであり、参照することによって本願に組み込まれる。
【００１２】
前述したように、好適に設けられた特徴的な曲線状表面が形成された主反射器２０は、Ｖ字形ノッチ３０に接続されている。さらに、Ｖ字形ノッチ３０自体は、太陽熱吸収装置１０で光を処理するために、その効率を最適化することができるように適合させることもできる。
【００１３】
前述したように、動作の効率をさらに最適にするために、受光器３５の位置をギャップ３８に対して注意深く位置決めすることは有効なことである。特に、図面の二次元の断面図では、受光器３５の位置は、点５０及び６０により定義される接線４０を形成することによって得ることができる。これらの点５０及び６０は、主反射器２０及びＶ字形ノッチ３０の表面曲率間の不連続点として生ずる。三次元では、主反射器２０とＶ字形ノッチ３０との間の曲線状表面の不連続点によって得られた２つの線の間に面が形成される。図面の二次元構造体の説明に戻ると、これが商業的に利用されている三次元のシステムを意図していることが理解される。
【００１４】
図面の二次元形状の実施例においては、受光器３５の虚像９０の上に接点８０が決められている。結果として生じた虚像９０は、Ｖ字形ノッチ３０のいずれかの面１００又は１０２の曲線状表面を横切って反射されている。その結果、受光器３５は、また鏡像線１１０に沿って等しく配置される（線１１０の左右の等しい区域）。受光器３５，主反射器２０及びＶ字形ノッチ３０によって結果として生じた構成は、協同して効率を最適化し、同時に太陽熱吸収装置１０内に必要なギャップを維持させている。
【００１５】
本発明のさらなる利点及び特徴は、以下に記載する特許請求の範囲を参照することによって理解されるであろう。好ましい実施形態を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、その最も完全な解釈の中で変更及び修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実際の太陽熱受光器に対する仮想受光器の位置を示す二次元の断面図である。

Claims (5)

1. 曲線状表面を有する主反射器と、
   前記主反射器に接続され、前記主反射器の外形の表面との間に確立された第１の線及び第２の線を有するＶ字形ノッチ部と、
   前記第１の線及び前記第２の線を含む面によって定義された接線を有する受光器の虚像に対して、前記Ｖ字形ノッチ部を定義する面の反対側の鏡像位置に配置された受光器と、
   を備えていることを特徴とする太陽熱吸収装置。
2. 前記受光器の虚像が前記Ｖ字形ノッチ部のいずれかの側に１つの像を生じさせていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱吸収装置。
3. 前記受光器が前記Ｖ字形ノッチ部に対して対称的に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽熱吸収装置。
4. 前記主反射器には、調整された非結像の曲線状表面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱吸収装置。
5. 前記Ｖ字形ノッチ部には、調整された非結像の表面形状が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱吸収装置。

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