JP4852233B2 - 管状カバーを備えたレシーバー管及びそれを有するパラボラトラフコレクタ - Google Patents

Description

本発明は、太陽エネルギーコレクタ、特にパラボラトラフコレクタの吸収管用管状カバーに関する。本発明はまた、太陽エネルギー用パラボラトラフコレクタ及びそのレシーバー管にも関する。

従来の技術

公知パラボラトラフコレクタは１軸パラボラミラーと、そのパラボラミラーの焦点に配置されるレシーバー管から構成されている。このミラーは通常５ｍないし６ｍの幅がある。このレシーバー管は、吸収管とも呼ばれる好ましくは放射線選択内管部と、防護又は絶縁用のガラス製外管状カバーから構成されている。ミラーとレシーバー管は太陽の方を向き、太陽放射線が開口平面に垂直に向けられ、理想的に該ミラーに当たる該放射線がレシーバー管に案内されるようにされている。
収束誤差、そしてそれによる幾何学的に依存する光損失が種々のファクターによりパラボラトラフコレクタに発生する。例えば、ミラー素子が全体の形状許容差又はゆがみを有し、これが収束誤差につながる。組立て時のミラー素子の位置決めはある許容差内での可能性に過ぎない。パラボラトラフコレクタが設置される鋼構造物の自己変形、製造及び組立て許容差も考慮する必要がある。最後に、これだけではないが、このパラボラトラフコレクタの近くで発生する風は全体の構造物を変形させ、収束誤差となる。

現在、レシーバー管に取り付けた補助集光装置の使用による焦点移動により光損失を最小にする試みがなされている。補助平面反射鏡を実験的に使用することが既に行われている。金属反射鏡の形態の補助集光装置を備えたパラボラミラーを補助的に配置することがＷＯ９７／００４０８に記載されている。太陽エネルギー工学誌、１２４巻、１０９〜１２５頁（２００２年）H.Price他によれば、ジグザグ状の金属シートが補助集光装置として使用されている。

高反射材料、例えば研磨金属シートを補助集光装置に使用する場合、真空中で該シートを管状カバーに入れることは、そのシートを埃やエージングから保護するうえで重要である。この補助集光装置は管状カバーか吸収管に取り付けることができる。吸収管は、該吸収管上方の補助集光装置をミラーから離れた面側に取り付けることで陰になる。補助集光装置が吸収管より幅が広い場合、ミラーの一部も陰になる。この補助集光装置が管状カバーに取り付けられると、ミラーから離れた側の補助集光装置側に当たる一部の放射線は、該管状カバーと吸収管が分断されているため、失われる。補助集光装置を吸収管に取り付け、ミラーから離れた側で吸収する場合に、この放射線の一部を使用することは可能である。この機能のために、多くの放射線を利用することができる。しかし、同時に吸収面積が増大して熱損失も大きくなる。
補助集光装置による取り込みファクター（吸収管に当たる放射線の一部）の増加は、上記欠点のために放射線損失を必然的に伴う。従って、取り込みファクターの大きな改良が全体的には達成されない。

本発明の目的は、最高の可能性の取り込みファクターを提供して、蓄積される太陽エネルギー量を増大させるパラボラトラフコレクタ用管状カバーを提供することである。
本発明の他の目的は、先行技術の従来のレシーバー管より多くの太陽放射線の蓄積を助け、最高の可能性の取り込みファクターを有するパラボラトラフコレクタ用管状カバーを提供することである。
本発明の他の目的は、最高の可能性の取り込みファクターを備えたレシーバー管を有する太陽エネルギー用パラボラトラフコレクタを提供することである。

本発明によれば、該パラボラトラフコレクタ用管状カバー又はカバー管は、管状カバーあるいはカバー管に配置された吸収管に太陽光を、太陽光の屈折及び／又は回折により収束させる構造素子を有している。
本発明によれば、パラボラトラフコレクタ用レシーバー管は管状カバーと該管状カバー内に配置された吸収管とから構成されている。この管状カバーは、管状カバー内に配置された吸収管に太陽光を屈折及び／又は回折することにより収束させる構造素子を有する。
本発明によれば、太陽エネルギー用パラボラトラフコレクタは焦点を有するパラボラミラーと該パラボラミラーの焦点に配置されたレシーバー管とから構成されている。このレシーバー管は、吸収管と該吸収管周囲の管状カバーとからなり、該管カバーはその内部に配置された吸収管に、太陽光を屈折及び／又は回折させることにより太陽光を収束させる構造素子からなっている。

この管状カバー内の収束構造素子のために、滑らかであるかあるいは構造素子を持たない管状カバーであったなら、それを通してある角度範囲から入り、吸収管に衝突せずに再度出るであろう放射線は今や吸収管表面まで直接案内される。これはパラボラミラーの外部領域から管状カバーに入る光線や、太陽から管状カバーに直接当たる光線に関してである。管状カバーの構造素子は、パラボラミラーの外部領域から管状カバーに達する光線を吸収管に特に収束させるために好適に形成されている。この管状カバーの光学的構造は上記角度範囲の拡大効果に似た吸収管の光学的拡大をもたらす。ミラー誤差の大きさと空間分布に依存するが、約１％ないし３％の光効率の増加を達成することができる。
ミラーと組立ての誤差が大きい場合でも、光効率がより高いものであることが分かる。本発明に係る管状カバーの使用によりミラー製造、組立ての大きい許容差に適応することも可能になり、ひいてはコストを明確に下げることになる。

本発明に係る管状カバーの別の利点は、熱負荷が吸収管上に幾分均一に分配されることである。パラボラトラフコレクタは、ミラーに面する吸収管の側面がミラーから離れた側の面より何倍も強く照射される望ましくない特性を有している。この特性のため、通常、温度勾配が管周囲に発生し、これが材料のストレスと変形をもたらす。管状カバーに直接当たる光線、及び吸収管から軸方向に遠い光線を特に収束するため、ミラーから離れた側の吸収管の面は、本発明に係る管状カバーを使用した場合、幾分強く照射される。
管状カバーの収束構造素子は、複数のレンズ、複数の多面体、そして特に複数のプリズムとすることができる。これらのタイプの光学素子は管状カバーの内部に、従って吸収管に収束する特性がある。収束構造素子は、管状カバーの内側あるいは外側に取り付けられる適当な構造の箔で提供することができる。この外側への取り付けは製造工学的見地からより簡単に取り付けられる。この箔を風化作用や埃から保護するために、この箔を、組立て前に管状カバーの内側に取り付けることができる。箔を取り付ける場合、箔が管状カバーに光学的に結合されることを考慮する必要がある。箔は例えば接着されるか積層される。

好ましい実施形態において、この管状カバーは引抜きガラス管である。収束構造素子は、引抜きガラス管の管状カバーに沿った長手方向に一定であるか不変である。レンズ形状構造素子はガラス管の内壁及び／又は外壁を例えば波状に構成することで得られる。プリズム的あるいはプリズム状構造素子は、ガラス管の内壁及び／又は外壁を実質的にジグザグ構成することで得られた。プリズム構造素子に関しては実際上、プリズムの丸み化は現在の工学の能力範囲で回避できる程度のもので良い。
管状カバーが内側及び外側の少なくとも一方に反射防止コーティングを有するのは好ましい。それによって、管状カバーに当たる大部分の放射線が吸収管に案内され、外部に反射しないことが保証される。

構造素子形成領域を少なくとも１つのセグメントにのみ設けることが有利であることが分かった。例えば、構造素子形成は、太陽に面する側であって放射線が管状カバーの収束構造素子により屈折せずに吸収管に直接当たる領域で少なくとも一部省略される。構造素子が、２０°ないし１０５°、特に３５°ないし６５°の角度範囲でパラボラミラーの垂直軸に関してそれぞれ反対側にある２つのストリップに対称的に管状カバーに設けられている配置が特に好ましい。
パラボラトラフコレクタの好ましい実施形態では、レシーバー管が、焦点に対してパラボラミラーの方向に管状カバーと吸収管との間のスペースの約半分に等しい距離だけ幾分ずらされている。それによって、放射線がレシーバー管の下、すなわち、レシーバー管とミラーとの間を通過することで吸収管に当たり損なう放射線の損失が低下する。その結果、熱負荷が吸収管により等しく分布して、管周囲に小さな熱勾配、従って小さな変形及び材料ストレスがもたらされることになる。
この発明の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照して以下の好ましい実施態様により、さらに詳細に説明する。

図１には、パラボラミラー１とレシーバー（受光）管２が図示されている。レシーバー管２は、図１に示した装置ではパラボラミラー１の焦点に配置されている。太陽に面しているレシーバー管側で入射放射線は、ミラー１とレシーバー管２が太陽の位置に向けて正確に向けられているため、垂直方向に常に当っている。放射線はミラーに面するレシーバー管２の側で１６０°ないし１８０°の間の角度で当る。図１の矢印は入射角を示す。
図２では、吸収管４と管状カバー３からなる従来のレシーバー管２が示されている。放射線ビーム５，５’はコレクタの光軸から比較的遠くから通過するビームであり、一方、放射線ビーム６，６’はコレクタの光軸に比較的近くから通過するビームである。双方のビームとも吸収管４に当らずに管状カバー３を通過している。

図３では、ミラー変形による収束誤差が実例で図示されている。この損失は、該誤差がレシーバー管２までの距離が大きいことによる影響が大きいために、パラボラミラー１の外部領域で原理的に生じる。ミラー１とレシーバー管２との間の距離が大きいため、入射ビームは、比較的遠いビーム８（光軸Ｏに対して測定して）の場合に比較的近いビーム７の場合より大きなビーム断面に広がる。望ましくない負荷分布のため、通常ミラー１の変形はミラーの縁部ではその中心より大きい。さらに、そのためミラー誤差は光軸Ｏから距離が長くなるにつれ増大している。この収束誤差は種々の結果をもたらす。ミラーの縁部から管状カバー３に当る放射線ビーム８はそれを通りミラーから離れて面する上側の一部に達する。ミラー中心に向けられる放射線ビーム７は殆ど何の損失もなくレシーバー管２に当る。ミラー１に達する前に管状カバー３を通過するビームは吸収管４に一部当る。他のビーム部分は吸収管４に当らずに管状カバー３から出て、ミラー１の方へ案内される。しかし、管状カバー３のために、ミラー１での反射後、ビームは一部が強く曲げられ吸収管４に当たらない。

図４では、吸収管４と、幾つかのセグメントから構築された管状カバー３から構成されるレシーバー管２が図示されている。図４に示された実施形態では、放射線がさらに屈折されることなく太陽から吸収管４へ直接入る管状カバー３の領域ａでの構造素子形成が省略される。すなわち領域ａは構成されない。さらに、その構造素子形成はミラーに面する管状カバー３の領域で省略される。そのため、ミラーに面する側での入射ビーム角度スペースは、殆ど完全に満たされているため、この領域では、構造素子を形成しても取り込みファクターが大きく増加することはない。特に、放射線が角度範囲約１８０°から吸収管２に当る低い管状カバー領域では、取り込みファクターの局部的な小さな低下が起きることさえある。
ｃで図示された少なくとも１つのセグメントあるいは領域を構造素子形成する必要があることが図示されており、これは、構造素子を、パラボラミラー面の垂直軸Ｎに対し３５°ないし６５°の角度範囲に設ける必要があることを意味している。ｂ及びｄで示されたセグメントが構造素子を設けるか構造素子形成すると、取り込みファクターの増加をさらに達成することができる。これは、パラボラミラー面の垂直軸Ｎに対し２０°ないし１０５°の角度範囲に対応している。例えば４ないし５ミリラジアン（mrad）のミラー角度誤差を想定して、３％までの取り込みファクターの増加を達成することができる。

図５ａないし図５ｄは、本発明に係る管状カバー３の特定の実施形態であり、吸収管４に多くの放射線を収束させる構造素子９ａないし９ｄを示すべく断面で示されている。図５ａ、図５ｂ及び図５ｃの３つの管状カバー３はある角度範囲だけ形成されるか配置された構造素子９ａ、９ｂ、９ｃを有している。形成されたか配置されたレンズ状構造素子９ａが図５ａに示されている。形成されたか配置されたレンズ状構造素子９ｂが図５ｂに示されている。ジグザク状構造素子９ｃが図５ｃに示されている。図５ｄに示されたプリズム状の構造素子は管状カバー３の外側に配置される箔１９に設けられている。他の実施形態では、この箔を管状カバー３の内側に配置してもよい。これらの実施形態の形成されたか配置された構造素子は最適化取り込みファクターとなる。境界面は、所定の入射角とミラー誤差の場合に吸収管にできるだけ大きく収束させることができるように選択される。

図６ａでは、光路が、所定の厚さの従来のガラス管状カバー３と吸収管４からなるレシーバー管２が示されている。図６ａに示された光路は光軸から比較的遠いビームのものである。吸収管４に達しない個々の光線は、ミラー１から離れて面する管状カバー３の部分３’で特に生ずる。さらに、管状カバー３の部分３’の緩やかな焦点ずれ効果が観察される。その効果は管状カバー３の所定の厚さと、ガラスと空気あるいはガラスと真空の屈折率の差で生じる。図６ｂの実施形態では、管状カバー３は本発明に係るジグザグ構造素子２’を特に垂直軸Ｎに対し９０°ないし２０°の角度範囲で備えてある。プリズム装置のようなジグザグ面形状又はプロフィールは、光軸から比較的遠い入射放射線に作用して、それがなければ焦点ずれしてしまう入射放射線の大部分が吸収管４に案内される。

図７ａ及び図７ｂは図６ａ及び図６ｂのような同様の装置を示すが、ただ吸収管４と管状カバー３からなるレシーバー管２に太陽から直接当たる放射線用のものである。吸収管４に当たり、吸収管４からそれる放射線比率は、吸収管４と管状カバー３（図６ａ）の長手方向断面の断面積の比率に相当する。さらに、管状カバー３の部分３’の通常の放射線に対する焦点ずれ効果は特に明確である。勿論、本発明に従った構造素子を備えた管状カバー３を使用しても、全ての光線が吸収管４に案内されるわけではない。しかし、管状カバー３に入射し、吸収管４に達する放射線の部分をかなり増加することができる。

この効果はまた、図８ａ及び図８ｂのグラフからも明確に理解できる。図８ａは局部的取り込みファクター（％）の光軸に対する距離（ｍｍ）に対する依存性を示している。実線曲線は従来あるいは先行技術の構造素子を有しない管状カバーで得られた曲線に対応している。破線曲線は本発明による収束構造素子を備えた管状カバーを使用して得られた曲線に対応している。太陽から直接入る放射線（光軸まで約０ｍｍのスペース）及び比較的遠い、光軸から約２０００ｍｍ離間した放射線の取り込みファクターの明確な増加が観察される。また、取り込みファクターは、管状カバーの収束構造素子により約１％（０°〜１０°の入射角）ないし約３％（５０°〜６０°の入射角）増加する。

図９では、パラボラミラー１との関連で吸収管４と管状カバー３を構成するレシーバー管２の好ましい配置を示している。従来、このレシーバー管２は焦点Ｆに配置されている。本発明によれば、レシーバー管２の下を通ることで吸収管を外す光線の数を減らすために、レシーバー管２（すなわち、それの中心、又は吸収管の中心）が焦点Ｆからパラボラミラー１の方向に、管状カバー３と吸収管４との間のスペースの約半分に等しい距離だけずらされている。
ある実施形態では、管状カバー３に、図７ｂに示したように内面１７に、及び／又は図６ｂに示したように外面１１に反射防止コーティングを設けることができる。

本発明は、パラボラトラフコレクタの吸収管用管状カバー、該パラボラトラフコレクタのレシーバー管及びパラボラトラフコレクタに取り入れたように示されているが、種々の改良と改造を本発明の精神から何ら逸脱することなく実施できるため、その詳細には限定されるものではない。
他の分析を行うことなく、前述の内容は本発明の要旨を十分に示しているので現在の知識を適用することでこの発明の一般的あるいは特殊な態様の本質的な特性を先行技術の観点からかなり構成する特徴を省略せずに他人が種々の用途に本発明を適用することができる。

パラボラトラフコレクタの概略断面図である。 パラボラトラフコレクタのレシーバー管内を走行する放射線ビームの路の模式断面図である。 収束誤差の起源を示すパラボラトラフコレクタの放射線路の模式断面図である。 セグメント化された管状カバーを備えたレシーバー管の断面図である。 本発明による収束構造素子が設けられた管状カバーの幾つかの実施形態のそれぞれの断面図である。 本発明による収束構造素子が設けられた管状カバーの幾つかの実施形態のそれぞれの断面図である。 本発明による収束構造素子が設けられた管状カバーの幾つかの実施形態のそれぞれの断面図である。 本発明による収束構造素子が設けられた管状カバーの幾つかの実施形態のそれぞれの断面図である。 従来の管状カバーを備えたレシーバー管の概略断面図であり、周囲光線路を示す。 本発明による管状カバーを備えたレシーバー管の概略断面図であり、光軸から離れた放射線路を示す。 従来の管状カバーを備えたレシーバー管の概略断面図であり、太陽から直接入る放射線路を示す。 本発明により構造素子が形成された管状カバーを備えたレシーバー管の概略断面図であり、太陽から直接入る放射線路を示す。 本発明による管状カバーの場合に光軸からの距離に対する局部的取り込みファクターの依存性のばらつきのグラフである。 本発明による管状カバーの場合に入射角に対する取り込みファクターの依存性のグラフである。 本発明による管状カバーを備えたレシーバー管を有するパラボラトラフコレクタの断面図である。

符号の説明

１…パラボラミラー
２…レシーバー管
３…管状カバー
４…吸収管
５…放射線ビーム
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…構造素子

Claims (9)

1. パラボラトラフコレクター用管状カバー（３）であって、該パラボラトラフコレクターは、焦点（Ｆ）及び垂直軸（Ｎ）並びにパラボラミラー（１）から反射された太陽光を受け取るため該焦点（Ｆ）に又はその下方に配置されたレシーバー管（２）を有するものであり、該パラボラミラー（１）は該レシーバー管（２）の外側に配置されており、該レシーバー管（２）は管状カバー（３）と吸収管（４）からなるものであり、該吸収管（４）は該管状カバー（３）の内側に配置されているものにおいて、
   該管状カバー（３）はガラス管と構造素子（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）からなり、該構造素子（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）は該垂直軸（Ｎ）に関して少なくとも２０〜６５度の角度範囲で両側に配置されていて、パラボラミラー（１）面上の外側面から該吸収管（４）に反射された太陽光を集光させるものであることを特徴とするパラボラトラフコレクター用管状カバー（３）。
2. 前記構造素子は複数のレンズ（９ａ）からなる請求項１に記載の管状カバー。
3. 前記構造素子は複数の多面体セグメント（９ｂ，９ｃ）からなる請求項１に記載の管状カバー。
4. 前記構造素子は複数のプリズム（９ｂ，９ｃ）からなる請求項１又は３に記載の管状カバー。
5. 前記構造素子を有する構造箔をさらに備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の管状カバー。
6. 前記構造素子は該管状カバーに沿った長手方向には不変の請求項１〜４のいずれか１項に記載の管状カバー。
7. 該管状カバーの内側面と外側面の少なくとも１つに反射防止コーティング（１、１７）をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の管状カバー。
8. パラボラトラフコレクター用のレシーバー管（２）であって、該パラボラトラフコレクターは、焦点（Ｆ）と垂線（Ｎ）を有し、該レシーバー管（２）の外側に配置されていてパラボラミラーから反射された光を該レシーバー管（２）に指向させるようになっており、
   該レシーバー管（２）は該パラボラミラーの該焦点（Ｆ）に配置されており、吸収管（４）と、該吸収管（４）の周りに配置されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の管状カバー（３）なっていることを特徴とするパラボラトラフコレクター用レシーバー管（２）。
9. 太陽光用のパラボラトラフコレクターであって、焦点（Ｆ）と垂直軸（Ｎ）を有するパラボラミラー（１）及び該焦点（Ｆ）に又はその下方に配置されたレシーバー管（２）を備えており、該パラボラミラー（１）は該レシーバー管（２）の外側に配置されていて該垂直軸（Ｎ）が該レシーバー管（２）を通るものにおいて、
   該レシーバー管（２）は請求項１〜７のいずれか１項に記載の管状カバー（３）と該管状カバー（３）内に配置された吸収管（４）からなることを特徴とする太陽光用パラボラトラフコレクター。

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