JP5025750B2

JP5025750B2 - 太陽光集熱装置

Info

Publication number: JP5025750B2
Application number: JP2010072159A
Authority: JP
Inventors: 善幸赤尾; 栄徳斎藤; 浩志堀川; 剛丈永田
Original assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Current assignee: Nikkeikin Aluminum Core Technology Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2011202910A

Description

この発明は、太陽光集熱装置に関するもので、更に詳細には、太陽光集熱装置であるＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator＝複合放物面鏡集熱装置）の集熱装置に関するものである。

従来、太陽光を利用する装置は数多く開発されている。例えば、ＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）はその一つであり、集光板（反射鏡）を放物線形状、及びインボリュート曲線形状にすることで、広範囲の入射光を集熱管へ導くことができる。さらに、その集熱管の外表面には太陽放射エネルギーを良く吸収し、且つ放射率の小さい選択吸収膜等が蒸着されており、その集熱管内に熱媒体が流れるものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

また、上記集熱部を真空二重ガラス管で形成し、外周面に選択吸収膜面を持ち、且つ外周方向に弾発力を有する円弧状の熱伝導体を、上記真空二重ガラス管の内管に面接触させて装着し、熱伝導体の内周面に媒体となる導通管を面接触させ、その導通管内に熱媒体が流れるものが知られている（例えば、特許文献３，４参照）。

特開２００４−２７８８３７号公報特開２００８−１３８８９９号公報実開昭６２−１９５０４４号公報実開昭６３−４３０４５号公報

例えば、特許文献１，２に記載の集熱管構造において、管内を流れる熱媒体への伝熱効率を向上させるためには、なるべく集熱管の外径を小さくする必要があるが、この場合、集熱管への集光が困難となり、その結果、集熱効率が低下する懸念がある。また、集熱管の材質は、銅管やアルミニウム管等で構成されているため保温性に劣り、放熱による熱損失が生じる懸念もある。

一方、特許文献３，４に記載の集熱管の構造では、真空度（保温性）の高い真空二重ガラス管（以下にガラス管という）の内部に熱媒体が流れる導通管を設け、広い集光面と高い保温性を集熱管に確保することができる。しかしながら、ガラス管の内周面に金属板からなる熱伝導体を外周方向への弾発力により面接触させ、熱伝導体の内周面に加熱媒体導通管を面接触させて固定するため、ガラス管と熱伝導体が正確に接触するようにその形状を形成する必要がある。ガラス管と熱伝導体が正確に面接触しない場合、例えば、ガラス管の内径に対して熱伝導体の外径が大きすぎると、ガラス管に熱伝導体を装着する際に、ガラス管が破損する懸念がある。また、ガラス管の内径に対して、熱伝導体の外径が小さすぎると、ガラス管に熱伝導体が面接触せずその間に隙間が生じるため、熱抵抗が大きくなり、その結果、ガラス管から熱媒体への伝熱効率が低下してしまう。このように、ガラス管から熱媒体への伝熱効率を良好にするためには、熱伝導体の形状を正確に作成し、ガラス管と熱伝導体を確実に面接触させる必要がある。

また、ガラス管の内部に達した太陽熱は、熱伝導体から導通管に熱伝導され、導通管の内部を流れる熱媒体の温度を上昇させる。熱伝導体と導通管の間に隙間が生じていると、熱伝導体から導通管への伝熱効率が低下してしまう。

さらに、熱伝導体は反射率の高い金属板から形成されているため、内部のガラス管から熱伝導体への放射伝熱が減じてしまう虞がある。

この発明は、発明者等が上記事情に鑑みて鋭意研究してなされたもので、反射鏡により集熱部に集光された太陽放射エネルギーを、熱媒管内に流れる熱媒体へ効率よく伝導する集熱効率の高い太陽光集熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は、太陽放射エネルギーを集熱部に集中させ、上記集熱部内を流れる熱媒体を温める太陽光集熱装置において、透明なガラス製の二重真空管と、上記二重真空管の内管の外周面に被覆される選択吸収膜と、弾発力によって上記二重真空管の内管の内周面に面接触可能な伝熱フィンと、上記伝熱フィンの内側面に面接触する熱媒管とを具備し、上記伝熱フィンの外表面には陽極酸化皮膜処理が施され、かつ、伝熱フィンの外径が上記二重真空管の内管の内径と同径以上に形成され、さらに上記伝熱フィンは、一側が開口した断面円弧状に形成されると共に、円弧状部に内方に向かって凹状に屈曲する凹状湾曲部が設けられている、ことを特徴とする。

このように構成することにより、陽極酸化皮膜処理の低摩擦性により、外径が上記二重真空管の内管の内径と同径以上に形成された伝熱フィンの二重真空管の内管への挿入が可能となり、伝熱フィンと内管の接触面積を増やし、伝熱フィンと内管の密着性が向上する。また、伝熱フィンの外向きの弾性的応力を確実に確保することができるため、伝熱フィンと内管の接触面積を増やし、密着性をさらに向上させることができる。

また、上記伝熱フィンの外表面に陽極酸化皮膜処理を施すことにより、伝熱フィン外表面の反射率を抑制することができるため、伝熱フィンへの放射伝熱を改善することができる。

この発明において、上記伝熱フィンの内側面に、断面が狭隘開口状の嵌合溝部が長手方向に沿って設けられ、上記嵌合凹溝部内に上記熱媒管を嵌合させる方がよい。

このように構成することにより、伝熱フィンの内側面に熱媒管の接触面積を増やすことができると共に、確実に面接触することができるため、伝熱フィンと熱媒管の密着性が向上する。

さらに、上記伝熱フィンは、アルミニウム製押出形材にて形成することができる。

このように構成することにより、伝熱フィンは良好な熱伝導性を確保することができる。また、アルミニウムはリサイクル性が良好である。

この発明によれば、上記のように構成されているので、以下のような顕著な効果が得られる。

伝熱フィンの外径を二重真空管の内管の内径と同径以上に形成し、伝熱フィンの外表面に陽極酸化皮膜処理を施すことにより、伝熱フィンの二重真空管の内管への挿入を容易にでき、伝熱フィンと内管の密着性が向上するので、集熱効率の増大が図れる。更に、伝熱フィンの外表面に陽極酸化皮膜処理を施すことにより、伝熱フィン外表面の反射率を抑制することができるため、伝熱フィンへの放射伝熱を改善し、集熱効率を向上することができる。

この発明に係る太陽光集熱装置を示す概略斜視図である。上記太陽光集熱装置の一部を断面で示す平面図である。上記太陽光集熱装置の一部を断面で示す側面図である。上記太陽光集熱装置の要部を示す断面図（ａ）及び（ａ）のＩ部拡大断面図（ｂ）であるである。この発明における集熱部の断面図である。この発明における集熱部の断面斜視図である。この発明における伝熱フィンの斜視図である。

以下に、この発明に係る太陽光集熱装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

この発明に係る太陽光集熱装置は、図１ないし図３に示すように、給水管３３と給湯管３４を挿入する矩形筒状の主枠３１と、この主枠３１の一方の側壁の下部から外方に延在する矩形状のベース板３２と、このベース板３２の端部であって主枠３１と対向する位置に設けられた真空管受け３６からなる本体３０と、主枠３１の側壁部に沿設される側枠部材３５を介してベース板３２の上方に並設される複数の集熱部１と、各集熱部１の下方に配設された集光枠部材４０にくさび状接続部材４２によって取り付けられ、集熱部１付近に入光する太陽光を反射して集熱部１に集中させる集光板４３とを具備している。

上記集光枠部材４０は、図４（ａ）に示すように、アルミニウム製（アルミニウム合金を含む）の押出形材にて形成されており、中央部に断面コ字状の凹状嵌合部４１を有し、両側部が左右対称かつＷ字形状の複合放物面に形成された取付面を有している。なお、取付面を形成する複合放物面は、角度θをなすインボリュート曲線と放物曲線（ＣＰＣ曲線）とを組み合わせてなる形状であり、入射光が最も効率よく集熱部１に向けて反射される形状である。

上記集熱部１は、図４ないし図６に示すように、透明なガラス製の外管２ａと内管２ｂからなる二重真空管２と、二重真空管２の内管２ｂの外周面に被覆される選択吸収膜３と、二重真空管２の内管２ｂの内周面に面接触するように配置された伝熱フィン１０と、伝熱フィン１０の内側面に面接触するように配置され、主枠２内に挿入された給水管３３と給湯管３４に接続する熱媒管１５とを具備している。また、図１，図２に示すように、集熱部１の先端部は、真空管受け３６に取り付けられたキャップ３６ａに挿入された状態で保持され、集熱部１の基端部は、側枠部材３５に取付孔３５ａを介して保持されている。

上記二重真空管２は、真空度の高い真空ガラス管を使用し、ガラス管の一方の端面を閉じた外管２ａと内管２ｂとを重ね合わせ、外管２ａと内管２ｂの一方の端面を閉じる。そして、他方の端面側を真空ポンプによって減圧し、外管２ａを封止する。こうすることによって、真空層５が形成される。なお、内管２ｂの外周面には、後述する選択吸収膜３が被覆される。

上記内管２ｂの外表面を被覆する選択吸収膜３は、例えば内管２ｂの外周面を密着被覆する低熱放射率の薄い金属膜上に黒色の黒クロムまたは無電解ニッケルがメッキ処理されたり、マンガン系の黒色塗料がペイントまたは蒸着されるか、あるいは酸化銅皮膜やアルマイト皮膜などにより、既存の方法によって太陽光の吸収率が大きい薄膜を形成したものである。上記内管２ｂの外表面に選択吸収膜３が形成されることで、太陽熱を効率的に吸収しながら選択吸収膜３から外管２ａへの放射伝熱を低下させることができる。また、内管２ｂと外管２ａとの間の真空層５が、選択吸収膜３から外管２ａへの対流熱伝達による熱損失を防ぐ。

上記のように形成される選択吸収膜３は、図５に示すように、二重真空管２の内管２ｂの外周面に被覆される。選択吸収膜３は、二重真空管２の外管２ａと内管２ｂの間に位置するため、上述したように、内管２ｂに選択吸収膜３を被覆した上で、外管２ａと内管２ｂを一体的に結合する。

上記伝熱フィン１０は、図７に示すように、アルミニウム製（アルミニウム合金を含む）の押出形材にて形成されており、長手方向に沿う開口１１ａが設けられた断面略円弧状に形成される基部１１と、基部１１の長手方向に沿ってそれぞれ形成される、開口１１ａと対向する位置であって基部１１の内方に向かって凹状に屈曲する凹状湾曲部１２と、断面が狭隘開口状であって、基部１１の内方に向かって対向する位置に形成される２つの嵌合溝部１３と、から形成される。伝熱フィン１０をアルミニウム素材とすることによりは良好な熱伝導性を確保することができるため、熱伝導性が向上し集熱効率が増大する。また、アルミニウムはリサイクル性が良好である。

また、上記伝熱フィン１０の外表面には、図７に示すように、陽極酸化皮膜処理（以下にアルマイト処理という）が施されている。処理方法は例えば、脱脂処理とエッチング、そしてアルマイト処理を経た後、９０℃前後の熱水中にて陽極酸化皮膜１４の孔を塞ぐ。陽極酸化皮膜１４の膜厚は２μｍ以上から２０μｍ以下の範囲が好ましい。その理由は、２μｍ未満であると下地の反射率が反映されるため２μｍ以上が好ましく、逆に膜厚が２０μｍを超過すると生産性が低下したり、陽極酸化皮膜１４の熱抵抗が無視できなくなり、伝熱フィン１０への入熱が減少する虞があるためである。伝熱フィン１０の外表面にアルマイト処理を施すことにより、伝熱フィン１０外表面の反射率を抑制することができるため、伝熱フィン１０への放射伝熱を改善し、集熱効率が向上する。

図７に示した取付前の伝熱フィン１０の外径Ｙは、図５に示した二重真空管２の内管２ｂの内径Ｘと同径以上に形成されている。しかし、伝熱フィン１０の基部１１の長手方向に開口１１ａが設けられ断面略円弧状に形成されると共に、開口１１ａと対向する位置であって基部１１の内方に向かって凹状に屈曲する凹状湾曲部１２が形成されることにより、伝熱フィン１０に弾発力を持たせ、伝熱フィン１０を撓ませることにより、伝熱フィン１０を内管２ｂへの挿入が可能となる。また、挿入された伝熱フィン１０は外向きの弾性的応力によって伝熱フィン１０と内管２ｂの接触面積を増やすことができる。

また、図４〜７に示すように、伝熱フィン１０の内側面に、断面が狭隘開口状であって、基部１１の内方に向かって対向する位置に形成される２つの嵌合溝部１３が基部１１の長手方向に沿ってそれぞれ形成され、嵌合溝部１３内に熱媒管１５が嵌合されることにより、伝熱フィン１０と熱媒管１５との接触面積を増やすことができると共に、確実に面接触することができ、伝熱フィン１０と熱媒管１５の密着性が向上する。

上記熱媒管１５は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導率の良い金属から形成されるＵ字状の管体にて形成されており、熱媒体例えば水が流れる。

上記のように構成される二重真空管２，選択吸収膜３，伝熱フィン１０，熱媒管１５は、以下の手順で組み立てることができる。まず、外表面に選択吸収膜３が被覆された内管２ｂと外管２ａを重ね合わせ、外管２ａと内管２ｂの一方の端面を閉じる。そして、他方の端面側を真空ポンプによって減圧し、外管２ａを封止する。こうすることによって、内管２ｂの外周面に選択吸収膜３が被覆された二重真空管２が形成される。次に、内管２ｂの開口から、伝熱フィン１０を撓ませて内管２ｂに挿入して、伝熱フィン１０の弾発力によって伝熱フィン１０を内管２ｂの内周面に密接する。なお、伝熱フィン１０の外表面にアルマイト処理を施してあることにより、すべり性が向上し、内管２ｂへの伝熱フィン１０の挿入の際の摩擦を軽減することができるため、二重真空管２の内管２ｂに伝熱フィン１０を装着する際、二重真空管２の破損率を抑制する。

次に、上記のようにして二重真空管２に挿入された伝熱フィン１０の嵌合溝部１３を、給水管３３と給湯管３４に溶接固定されている熱媒管１５に嵌合するように挿入する。伝熱フィン１０の弾発力及び熱媒管１５の挿入により、内管２ｂの外周方向への圧力が発生するが、伝熱フィン１０の外表面にアルマイト処理を施してあるので、陽極酸化皮膜１４の緩衝機能により、伝熱フィン１０から内管２ｂへの圧力を均等にすることができるため、伝熱フィン１０と内管２ｂの密着性を向上させることができる。

その後、二重真空管２の基端部を側枠部材３５に形成された取付孔３５ａに嵌合し、先端部を真空管受け３６に取り付けられたキャップ３６ａで保持する。

次に、この発明に係る太陽光集熱装置について、伝熱フィン１０の外表面のアルマイト処理の有無の関係、及び、二重真空管２の内管２ｂの内径Ｘと伝熱フィン１０の外径Ｙとの関係を調べるために下記の条件等にて実験を行った結果について説明する。

◎実験条件
・コレクター表面積：２．０６ｍ²
・コレクター対地角度：３０°
・熱媒流体：６０．００ｌ／ｈｒ（１．０ｌ／ｍｉｎ）
測定機器等
・温度：熱電対および測温抵抗体を用いてデータロガで測定
・熱媒流量：デジタル流量計（渦式フローモニター）
・日射量：全天式日射計
・制御方法：ポンプ吐出量制御、またはコレクター出口温度制御
なお、温度、日射量などの取得データのサンプリング周期は１０ｓｅｃとし、平均集熱量は、出口温度、入口温度、熱媒質量流量、比熱から算出した。また、平均集熱効率ηは、時間当たりの平均集熱量を時間当たりの平均日射量で除した値とした。

上記条件の下で実験を行ったところ、表１に示すような結果が得られた。

上記実験の結果、伝熱フィン１０の外径Ｙが二重真空管２の内管２ｂの内径Ｘ｛３４．０ｍｍ｝と同径以上に形成されている方が、平均集熱効率が高くなることが判った。

また、伝熱フィン１０の外径Ｙ｛３４．０ｍｍ｝が二重真空管２の内管２ｂの内径Ｘ｛３４．０ｍｍ｝と同径である場合は、比較例３｛アルマイト処理：無｝の平均集熱効率｛０．５０｝に対して、実施例１｛アルマイト処理：有｝の平均集熱効率｛０．５３｝という結果が得られ、伝熱フィン１０の外表面にアルマイト処理が施されている方が、平均集熱効率が高いことが判った。

また、伝熱フィン１０の外径Ｙが内管２ｂの内径Ｘより大きい場合では以下のような結果が得られた。すなわち、実施例２と比較例４の伝熱フィン１０の外径Ｙ｛３４．２ｍｍ｝、実施例３と比較例５の伝熱フィン１０の外径Ｙ｛３４．５ｍｍ｝が、それぞれ内管２ｂの内径Ｘ｛３４．０ｍｍ｝より大きい場合は、比較例４，５の伝熱フィン｛アルマイト処理：無｝では、二重真空管が破損した。これに対して、比較例４，５と同径の実施例２，３の伝熱フィン｛アルマイト処理：有｝では、伝熱フィン１０を二重真空管２の内管２ｂに挿入することが可能であり、実施例２では平均集熱効率が０．５４、実施例３では平均集熱効率が０．５７であった。

上記実験結果から、内管２ｂの内径Ｘと同径以上の外径Ｙを有する伝熱フィン１０の表面にアルマイト処理を施すことにより、高い平均集熱効率が得られることが判った。

１集熱部
２二重真空管
２ａ外管
２ｂ内管
３選択吸収膜
１０伝熱フィン
１１ａ開口
１２凹状湾曲部
１３嵌合溝部
１４陽極酸化皮膜（陽極酸化皮膜処理、アルマイト処理）
１５熱媒管
Ｘ内管の内径
Ｙ伝熱フィンの外径

Claims

太陽放射エネルギーを集熱部に集中させ、上記集熱部内を流れる熱媒体を温める太陽光集熱装置において、
透明なガラス製の二重真空管と、上記二重真空管の内管の外周面に被覆される選択吸収膜と、弾発力によって上記二重真空管の内管の内周面に面接触可能な伝熱フィンと、上記伝熱フィンの内側面に面接触する熱媒管とを具備し、
上記伝熱フィンの外表面には陽極酸化皮膜処理が施され、かつ、伝熱フィンの外径が上記二重真空管の内管の内径と同径以上に形成され、
さらに上記伝熱フィンは、一側が開口した断面円弧状に形成されると共に、円弧状部に内方に向かって凹状に屈曲する凹状湾曲部が設けられている、
ことを特徴とする太陽光集熱装置。
請求項１記載の太陽光集熱装置において、
上記伝熱フィンの内側面に、断面が狭隘開口状の嵌合溝部が長手方向に沿って設けられ、上記嵌合溝部内に上記熱媒管が嵌合されている、ことを特徴とする太陽光集熱装置。
請求項１又は２記載の太陽光集熱装置において、
上記伝熱フィンは、アルミニウム製押出形材にて形成されている、ことを特徴とする太陽光集熱装置。