JP5417091B2 - 太陽光線熱変換装置 - Google Patents

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、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で金属製のコイル等を直接加熱し、内部に循環した水を水蒸気に変換したりするのが一般的である。

特開平１１−１１９１０５号公報

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。

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。

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熱媒体を保持し、該低融点熱媒体の表面に金属板に光吸収膜をコーティングした光吸収板を浮かべた構造であって、下向きに反射された太陽光線を光吸収板で受光することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、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３記載の発明は、低融点熱媒体が、溶融塩であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、耐熱容器の上部を耐熱透明ガラスでカバーすると共に、耐熱透明ガラスと低融点熱媒体との間の空間を希ガス雰囲気又は真空雰囲気にしたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、光吸収板が四角形状で中央に四角形の凹部を形成した形状であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、低融点熱媒体内に熱交換用のパイプが設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、低融点熱媒体の表面に光吸収板を浮かべ、その光吸収板が太陽光線を受けるため、太陽光線の吸収率が高い。従って、光吸収板により太陽光線は効率良く熱に変換され、その熱により低融点熱媒体が溶解するため、所定の量の熱源をそこに形成することができる。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、熱交換も容易であり、熱として利用し易い。

請求項２記載の発明によれば、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。

請求項３記載の発明によれば、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り、装置の大型化が容易である。

請求項４記載の発明によれば、希ガス雰囲気又は真空雰囲気のため、光吸収板の耐熱温度が向上し、より高い熱を発生させることができる。

請求項５記載の発明によれば、光吸収板が四角形のため、複数の光吸収板を低融点熱媒体の表面に隙間なく浮かべることができる。

請求項６記載の発明によれば、低融点熱媒体内に熱交換用のパイプが設けられているため、パイプは溶解した低融点熱媒体と隙間なく接し、低融点熱媒体とパイプとの間の熱交換効率が高い。

本発明の実施形態に係る太陽光線熱変換装置を適用した太陽集光装置を示す概略図。 熱変換装置を示す断面図。 光吸収板を錫の表面に浮かべた状態を示す斜視図。

以下、図１〜図３に基づいて、本発明の好適な実施形態を説明する。符号１は楕円鏡で、支持タワー２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はその鏡面形状が楕円体の一部で、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３が設置されており、該熱変換装置３の上部には、テーパ筒状の集光鏡４が設置されている。そして、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、多数のヘリオスタット５が設けられている。

各ヘリオスタット５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５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４を経由して熱変換装置３に到達する。

次に、熱変換装置３の説明をする。

鉄製の耐熱容器６は上部開放型で、内部には低融点熱媒体としての錫７が保持されている。耐熱容器６の周囲は耐火レンガ８により囲まれており、耐熱容器６の熱が外部へ逃げないようにされている。耐火レンガ８の周囲を更にＡＬＣ（軽量気泡コンクリート）で囲んでも良いし、耐火レンガ８に代えてＡＬＣを利用しても良い。

耐熱容器６の上部は耐熱透明ガラス９によりカバーされ、錫７と耐熱透明ガラス９との空間Ｓには窒素ガスが充満されている。窒素ガスは空間Ｓの一方の図示せぬ入口から少量ずつ供給され且つ他方の図示せぬ出口から少量ずつ排出され、常に窒素ガスが充満した状態になっている。空間Ｓは窒素ガス以外の希ガス（例えばアルゴン）を充満させても良い。また、空間Ｓを真空にしても良い。

錫７の表面には、四角形の光吸収板１０が複数浮かべた状態で設けられている。錫７が固体の状態では、錫７の表面と一体化した状態で載っている。光吸収板１０は中央に四角形の凹部１０ａが形成されており、舟のような形状になっている。従って、錫７が液状になっても、浮力により浮いた状態となり、錫７の中に沈まない。太陽熱を高効率で吸収する光吸収板１０と液体となった錫７が全接触する構造であり、熱媒体の容量（液面レベル）の増減の影響を受けないため、集光された太陽熱が高い効率で安定して熱媒体に伝達される。また、光吸収板１０が四角形のため、複数の光吸収板１０を隙間なく錫７の上に設けることができる。

光吸収板１０は金属（銅）の表面に特殊な光吸収膜をコーティングしたもので、太陽光線Ｌの吸収率が９５％であり、太陽熱によって融解しない。光吸収膜は、セラミックとメタルの複合体を基本にしたコーティングで、セルメット（CERMET）と呼ばれるセラミック地にメタル粒子が埋め込まれた複数の層によって形成されている。例えば、ドイツのブルーテック社のエタ・プラス（商品名）などがある。このような光吸収板は通常寒冷地の建造物の壁面パネルなどとして固体物に設置されるが、熱媒体の液面に浮揚させることによって高い熱変換効率を実現することができる。

耐熱容器６の内部には、錫７を蛇行しながら通過する熱交換用のパイプ１１が設けられている。パイプ１１内には、一方側から水Ｗが供給されるようになっている。

以上のような熱変換装置３に対して、下向きに反射された太陽光線Ｌが照射されると、太陽光線Ｌは耐熱透明ガラス９を透過して光吸収板１０に受光される。光吸収板１０の光吸収率が高い（約９５％）ため、光吸収板１０で吸収され熱に変換される。光吸収板１０で変換された熱は錫７に伝達される。温度が融点（２３２°Ｃ）に達すると、錫７は溶解して液状になる。この実施形態では、光吸収板１０が希ガス（窒素ガス）雰囲気中にあるため、耐熱性が向上しており、より高い熱を発生させることができる。尚、真空雰囲気にした場合も、光吸収板１０の耐熱性は同様に向上する。

錫７が溶解することにより、錫７は所定の量の熱源となり、錫７の中に設けられたパイプ１１を通過する水Ｗを水蒸気Ｖに変換して、他方側より排出する。排出された水蒸気Ｖによりタービンを回して発電することができる。特に、溶解した錫７は濡れ性にすぐれパイプ１１に対して隙間なく接するため、錫７とパイプ１１との間の熱交換効率が良く、錫７の熱により効率良く水蒸気Ｖを発生させることができる。

錫７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、溶解した錫７を熱移動流体として、他の装置に循環することもできる。

また、パイプ１１内に熱移動流体として空気を通過させても良い。パイプ１１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。また、低融点金属に代えて、溶融塩を利用しても良い。溶融塩としては、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物が好適で、融点である約１４０°Ｃ程度で液状になる。溶融塩１３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。

この実施形態では、光吸収板１０の形状を四角形にする例を示したが、これに限定されず、丸形、六角形、三角形などでも良い。

１ 楕円鏡
２ 支持タワー
３ 熱変換装置
４ 集光鏡
５ ヘリオスタット
６ 耐熱容器
７ 錫（低融点熱媒体）
８ 耐火レンガ
９ 耐熱透明ガラス
１０ 光吸収板
１０ａ 凹部
１１ パイプ
１２ 黒色炭素材料
Ａ 第１焦点
Ｂ 第２焦点
Ｌ 太陽光線
Ｓ 空間
Ｗ 水
Ｖ 水蒸気

Claims (5)

1. 上部開放型の耐熱容器内に低融点熱媒体を保持し、
   該低融点熱媒体の表面に金属板に光吸収膜をコーティングした光吸収板を浮かべた構造であって、
   光吸収板が四角形状で中央に四角形の凹部を形成した形状であり、
   下向きに反射された太陽光線を光吸収板で受光することを特徴とする太陽光線熱変換装置。
2. 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。
3. 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。
4. 耐熱容器の上部を耐熱透明ガラスでカバーすると共に、耐熱透明ガラスと低融点熱媒体との間の空間を希ガス雰囲気又は真空雰囲気にした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。
5. 低融点熱媒体内に熱交換用のパイプが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽光線熱変換装置。

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