JP5337612B2 - 太陽光線熱変換装置用の熱交換構造 - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光線熱変換装置用の熱交換構造に関する。
太陽光線をヘリオスタットと称される複数の一次ミラーで、高いタワーの頂部に支持された二次ミラーへ向けて反射し、二次ミラーから更に下向きに反射して、太陽光線を地上の一点に集め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、特許文献１参照）。
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を受光板に当てることで、受光板を１０００度以上の高温にできることが知られている。
特開平１１−１１９１０５号公報
このように、太陽光線で受光板を直接加熱することにより、受光板が非常に高温になるため、その熱を熱交換により取り出せれば、非常に有用である。しかし、受光板があまりにも高温になるため、受光板と、熱交換用の流体（水やオイルなど）とを直接接触させることができず、有用な熱交換構造が今まで提案されずにいた。
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、高温の受光板と安全に熱交換することができる太陽光線熱変換装置用の熱交換構造を提供するものである。
請求項１記載の発明は、上部開放型の耐熱容器内に低融点金属を保持し、低融点金属の表面に炭素材料製の受光板を浮かべ、該受光板に上側から太陽光線を当てる太陽光線熱変換装置を構成し、該太陽光線熱変換装置を断熱材製のハウジング内に収納し、太陽光線熱変換装置とハウジングとの間の空間に、熱交換用の流体を流すパイプを太陽光線熱変換装置とは非接触状態で配置したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、受光板が上部解放型の容器形状であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、パイプが太陽光線熱変換装置に対して上下動自在であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、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。
請求項１記載の発明によれば、熱交換用の流体を流すパイプと、受光板を含む太陽光線熱変換装置とが非接触で、パイプ内の流体を太陽光線熱変換装置からの放射される輻射熱により加熱する構造のため安全である。太陽光線熱変換装置が非常に高温のため、輻射熱でも流体を確実に加熱することができる。
請求項２記載の発明によれば、受光板が上部解放型の容器形状であるため、平板に比べて受光面積が増し、受光板をより高温にすることができる。
請求項３記載の発明によれば、パイプが太陽光線熱変換装置に対して上下動自在であるため、パイプと太陽光線熱変換装置との隙間を調整して、パイプへ作用する輻射熱量を調整することができる。
請求項４記載の発明によれば、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ため、太陽光線の吸収率が高く、耐熱性にも優れる。
本発明の一実施形態に係る太陽集光装置を示す全体図。 太陽光線熱変換装置を示す断面図。 受光板を示す斜視図。
本発明の好適な実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。符号１は二次ミラーとしての楕円鏡で、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はその鏡面形状が回転楕円面の一部で、回転楕円面の長軸方向の下方には第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太陽光線熱変換装置３が設置されている。太陽光線熱変換装置３は、上部に開口４を有する軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）製のハウジング５内に収納されている。ハウジング５の開口４には概略テーパ筒状の集光鏡６が設置されている。尚、ハウジング５の内面には外方への熱放射を反射するための反射膜をコーティングしても良い。
そして、太陽光線熱変換装置３の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数の一次ミラーとしてのヘリオスタット７が設けられている。各ヘリオスタット７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６を経由して太陽光線熱変換装置３に到達する。
ハウジング５内には、耐熱金属製の耐熱容器８がハウジング５との間に空間を設けた状態で設置されている。耐熱容器８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。
耐熱容器８内には低融点金属としての錫９が保持されている。錫９は融点が２３２℃であり、太陽光線を受けて加熱されることにより溶融可能な低融点金属である。錫９の表面には受光板１０が浮かべられてる。受光板１０は黒色炭素材料製で、表面が炭化珪素膜（ＳｉＣ）にて覆われている。この受光板１０も耐熱容器８と同じ上部開放型の容器形状をしている。この実施形態では、耐熱容器８、錫９、受光板１０により、太陽光線熱変換装置３が構成される。
耐熱容器８の周辺には、熱交換用のパイプ１１が渦巻き状態で配置されている。パイプ１１は耐熱容器８とは非接触で、両者間には隙間が確保されている。
太陽光線熱変換装置３の上方にも別のパイプ１２が渦巻き状に配置されている。この上側のパイプ１２は、集光鏡６から照射される太陽光線Ｌと干渉しない位置に配置されている。そして、上側のパイプ１１と下側のパイプ１２は、図示せねフレキシブルパイプにて接続されていて、下側のパイプ１１だけが耐熱容器８に対して上下動するようになっている。下側のパイプ１１が上下動することにより、下側のパイプ１１と耐熱容器８との隙間の間隔が変化する。
パイプ１１内には、熱交換用の流体としてのオイルＨが流される。オイルＨの耐熱温度は約４００℃である。４００℃を超えるとオイルＨの物性が変化する。４００℃未満で、オイルＨは加熱され、熱を外部へ取り出すことができる。
次に作用を説明する。
まず、太陽光線Ｌが受光板１０に当たり、受光板１０に熱に変換される。
受光板１０が上部開放型の容器形状であるため、平板に比べて受光面積が増し、受光板１０をより高温にすることができる。受光板１０は表面が炭化珪素膜で被覆された炭素材料製であるため、光吸収性が良く、耐熱性も良い。受光板１０で光から変換された熱は、錫９に伝達されて、温度が融点に達すると、錫９は溶融状態となる。
溶融した錫９は、受光板１０と耐熱容器８との間に存在し、両者に対して液面で接するため、受光板１０から耐熱容器８への熱伝達がよい。従って、受光板１０、錫９、耐熱容器８にて構成された太陽光線熱変換装置３全体が非常に高温の熱源となり、周囲に輻射熱を放射する。
パイプ１１の中を流れるオイルＨは、この輻射熱を主たる熱源としてパイプ１１、１２を介して加温される。輻射熱による加温のため、高温になりすぎて、物性が破壊されるようなことはない。
また、太陽光線熱変換装置３に近く、輻射熱による加温効率の高い下側のパイプ１１を上下動自在にしているため、パイプ１１と耐熱容器８との間の隙間を調整することができる。従って、パイプ１１への輻射熱量を調整することができ、内部を流れるオイルＨの温度調整を最適に調整することができる。
この実施形態では、受光板１０を炭化珪素膜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、低融点金属として、錫９の代わりに、鉛、半田を使用することも可能である。
３ 太陽光線熱変換装置
５ ハウジング
８ 耐熱容器
９ 錫（低融点金属）
１０ 受光板
１１ パイプ
１２ パイプ
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光線
Ｈ オイル

Claims (4)

  1. 上部開放型の耐熱容器内に低融点金属を保持し、低融点金属の表面に炭素材料製の受光板を浮かべ、該受光板に上側から太陽光線を当てる太陽光線熱変換装置を構成し、該太陽光線熱変換装置を断熱材製のハウジング内に収納し、太陽光線熱変換装置とハウジングとの間の空間に、熱交換用の流体を流すパイプを太陽光線熱変換装置とは非接触状態で配置したことを特徴とする太陽光線熱変換装置用の熱交換構造。
  2. 受光板が上部解放型の容器形状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用の熱交換構造。
  3. パイプが太陽光線熱変換装置に対して上下動自在であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽光線熱変換装置用の熱交換構造。
  4. 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用の熱交換構造。
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