JP5156842B2

JP5156842B2 - 太陽光線熱変換装置

Info

Publication number: JP5156842B2
Application number: JP2010544121A
Authority: JP
Inventors: 勝重中村
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: WO2010074141A1; US20110253128A1; AU2009331219B2; JPWO2010074141A1; CN102257331A; SG172326A1; AU2009331219A1

Description

本発明は太陽光線熱変換装置に関するものである。

太陽光線をヘリオスタットと称される複数の反射ミラーで、高いタワーの頂部に支持されたセンターミラーへ向けて反射し、センターミラーから下向きに反射された太陽光線を一点に集めて熱を得るビームダウン式の太陽集光装置が知られている（例えば、日本国特開平１１−１１９１０５号公報参照）。

この種のビームダウン構造の場合、下向きに反射された太陽光線で金属製のコイル等を直接加熱し、コイルの内部に循環した水を水蒸気に変換している。

しかしながら、従来のように、太陽光線で金属コイルを直接加熱する構造では、金属コイルの表面の金属色により太陽光線が反射され、効率の良い熱変換を行うことができない。金属コイルの表面は太陽光線により非常に高温になるため、表面に黒色塗装を施しても剥がれやすい。

課題を解決するための手段
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、太陽光線を効率良く熱に変換することができる太陽光線熱変換装置を提供するものである。

本発明の技術的側面によれば、上部開放型の耐熱容器内に低融点熱媒体を保持し、低融点熱媒体の表面に受光板を低融点熱媒体と接触させた状態で支持した構造であって、前記受光板が、固体の炭化珪素製又は全面を炭化珪素膜で被覆した固体の炭素材料製であることを特徴とする。

図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽集光装置を示す全体図。図２は、熱変換装置を示す断面図。図３は、受光板及び耐熱容器を示す斜視図。図４は、受光板及び耐熱容器の表面の炭化珪素膜を示す拡大断面図。図５は、本発明の第２実施形態に係る熱変換装置を示す断面図。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明の第１実施形態を示す図である。符号１はセンターミラーとしての鏡楕円鏡で、図示せぬ支持タワーにより所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１の中央には円形開口１ａが形成されている。楕円鏡１はその鏡面形状が楕円面の一部で、下方には第１焦点Ａと第２焦点Ｂが存在する。この楕円鏡１の下方には、太陽光線Ｌを熱エネルギーに変換するための熱変換装置２が設置されており、この熱変換装置２の上部には、概略テーパ筒状の集光鏡３が設置されている。そして、熱変換装置２の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット４が設けられている。

各ヘリオスタット４は、反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過するように図示せぬセンサーにより制御される。ヘリオスタット４で反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過しさえすれば、楕円鏡１で下向きに反射されて、必ず第２焦点Ｂに集光され、集光鏡３を経由して熱変換装置２に到達する。

熱変換装置２は上部に開口５を有する軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）製のボックス６を備え、開口５に前記集光鏡３が設置されている。ボックス６内には黒色炭素材料製の耐熱容器７が設けられ、その耐熱容器７内には低融点熱媒体としての錫８が保持されている。錫８の表面には黒色炭素材料製の受光板９が浮かべられてる。錫８内には熱交換用のパイプ１０が蛇行した状態で設けられている。パイプ１０内には、一方側から熱伝達媒体として水Ｗが供給され、他方から水蒸気Ｓが排出されるようになっている。

耐熱容器７は、円形の底面から上方へ向けて広がったテーパー状の側面部を有する上部開放型の形状をしている。この耐熱容器７を形成する黒色炭素材料は全面が炭化珪素膜（ＳｉＣ）１１にて覆われている。

錫８の表面に浮かべる受光板９は円板形状で、この受光板９も全面が炭化珪素膜１１にて覆われた黒色炭素材料製である。炭化珪素膜１１自体が黒色なので、集光鏡３にて集光された太陽光線Ｌが受光板９に当たると、高い吸収率（約９５％）で吸収され、熱に変換される。

受光板９にて変換された熱は、錫８に伝達されて、温度が融点（２３２°Ｃ）に達すると、錫８は溶融状態となる。溶融した錫８が濡れた状態で受光板９及びパイプ１０に接触するため、伝熱効率が高く、パイプ１０内を通過する水Ｗは確実に水蒸気Ｓに変換される。

受光板９を形成する黒色炭素材料の方が錫８よりも比重が小さいため、錫８が溶融しても受光板９はその表面に浮かんだ状態となり、錫８の内部へ沈下することはない。受光板９は全面が炭化珪素膜１１にて覆われており、炭化珪素膜１１自体が非常に高い耐熱性を有していると共に、内部の黒色炭素材料を空気と接触せないため、受光板９が高温になっても燃焼することはない。

耐熱容器７も炭化珪素膜１１で表面が被覆されているため、露出している部分に太陽光線Ｌが当たると、そこでも太陽光線Ｌが吸収されて熱に変換され、錫８の加熱に寄与する。

錫８に受光板９から熱が加えられた最初の段階では、錫８は固体のまま加熱されて熱膨張を起こす。この際、錫８と耐熱容器７の内面との密着性が強いと、錫８及び耐熱容器７の一部に応力が集中して、部分的な歪みや破損を招くおそれがある。

しかし、この実施形態では、耐熱容器７を炭化珪素膜１１で覆った黒色炭素材料で形成しているため、耐熱容器７を金属で形成する場合に比べて、両者間の接触力が弱く、錫８が耐熱容器７の内面に対して容易にスライドしやすい。しかも、耐熱容器７が上方の広がったテーパー形状であるため、錫８が固体の状態で上方へスライドしやすい。そのため、錫８や耐熱容器７に応力の集中する部位が発生せず、部分的な歪みが生じたり、破損したりすることがない。

この実施形態では、受光板９及び耐熱容器７を炭化珪素膜１１で覆った黒色炭素材料製にしているが、全体を炭化珪素製にしても良い。また、錫８の表面に一枚の受光板９を浮かべる例を示したが、小サイズの受光板９を複数枚浮かべても良い。

本実施形態ではパイプ１０内に水Ｗを通過させて水蒸気Ｓにする例を示したが、さらに、パイプ１０内に熱移動流体として空気を通過させても良い。パイプ１０を通過した空気は高温となり、他の装置に循環することにより、その装置に錫７の熱を移動させることができる。

更に、低融点熱媒体として、錫７の代わりに、鉛、半田等の低融点金属を使用することも可能である。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施例を示す図である。尚、本実施形態以降の実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態に係る熱変換装置１２では、耐熱容器１３はステンレス製である。また、受光板１４は円形の底面から上方へ向けて広がったテーパー状の側面部を有する上部開放型である。そして、受光板１４と耐熱容器１３の間に、低融点熱媒体としての溶融塩１５を保持する。溶融塩１５は、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物で、融点である約１４０°Ｃ程度で液状になる。耐熱容器１３の上端には、浮力により浮き上がろうとする受光板１４を上方から押さえつけるフランジ１６が固定されている。溶融塩１５内にはパイプ１７が設けられている。

この実施形態によれば、受光板１４が上部開放型の形状なので、太陽光線Ｌを受ける面積が大きい。また、溶融塩１５と接触する面積も大きい。そのため、早期に溶融塩１５を溶解状態にすることができる。また、受光版１４および耐熱容器１３の側面部がテーパー状に傾斜しているうえ、耐熱容器１３の底部周辺においても溶融塩１５が加熱されるので溶解した溶融塩１５が対流し易く温度むらを緩和して熱交換効率をさらに高める効果がある。更に、溶融塩１５は錫などに比べて安価であり、コスト的に有利である。尚、溶融塩１５は、それだけを使用しても良いし、加熱しても溶解しない固体蓄熱材を混ぜて使用しても良い。

発明の効果
本発明によれば、低融点熱媒体の表面に浮かべて太陽光線を受ける受光板を、固体の炭化珪素製又は全面を炭化珪素膜で被覆した固体の炭素材料製にしたため、表面が炭化珪素膜の黒色となり、太陽光線の吸収率が高い。受光板は少なくとも表面が炭化珪素膜で形成されているため、耐熱性に優れる。低融点熱媒体は、溶解して液状の熱源となるため、耐熱容器の形状に応じていかなる形態をとることも可能で接触面積を大きくして熱変換効率を高めることができる。

また、低融点熱媒体が、錫、鉛、半田の何れかの低融点金属であるため、高い温度の液状熱源が得られる。

更に、低融点熱媒体が溶融塩であるため、コストの面で有利である。

更に、耐熱容器が上方の広がったテーパー形状であるため、低融点熱媒体が加熱時又は冷却時に固体状態で熱膨張による体積変化を起こしても、低融点熱媒体は耐熱容器の内面に対して容易にスライドし、低融点熱媒体や耐熱容器に応力集中部位が生じない。従って、低融点熱媒体や耐熱容器に部分的な歪みが生じたり、破損したりすることがない。

更に、耐熱容器が固体の炭化珪素製又は全面を炭化珪素膜で被覆した固体の炭素材料製であるため、耐熱容器でも露出部において太陽光線を吸収して熱に変換することができる。また、耐熱容器を金属製にする場合に比べて、固体の低融点熱媒体との接触力（境界面における相互作用）が弱く、低融点熱媒体の熱膨張時にスライドし易いため耐熱容器へのストレスを軽減することができる。

更に、受光板が上部開放型の容器形状のため、受光面積が増すと共に、低融点熱媒体と接触する面積が増し、低融点熱媒体を早期に溶解状態にすることができる。

（米国指定）
本国際特許出願は米国指定に関し、２００８年１２月２４日に出願された日本国特許出願第２００８−３２７６４７号（２００８年１２月２４日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims

上部開放型の耐熱容器内に低融点熱媒体を保持し、低融点熱媒体の表面に受光板を低融点熱媒体と接触させた状態で支持した構造であって、
前記受光板が、固体の炭化珪素製又は全面を炭化珪素膜で被覆した固体の炭素材料製であることを特徴とする太陽光線熱変換装置。
低融点熱媒体が、錫、鉛、半田の何れかの低融点金属であることを特徴とする請求項１記載の太陽光線熱変換装置。
低融点熱媒体が、溶融塩であることを特徴とする請求項１記載の太陽光線熱変換装置。
耐熱容器が上方の広がったテーパー形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光線熱変換装置。
耐熱容器が、固体の炭化珪素製又は全面を炭化珪素膜で被覆した固体の炭素材料製であることを特徴とする請求項４記載の太陽光線熱変換装置。
受光板が上部開放型の容器形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光線熱変換装置。