JP5564396B2

JP5564396B2 - 集光発電装置

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Publication number: JP5564396B2
Application number: JP2010238728A
Authority: JP
Inventors: 芳郎宮崎; 智前田
Original assignee: TAIYO ELECTRONIC CO., LTD.
Current assignee: TAIYO ELECTRONIC CO., LTD.
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-10-25
Also published as: JP2012094596A

Description

この発明は、光を集めて発電する集光発電装置に関する。

太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽光発電システムでは、光電変換素子が太陽光を受けて温度上昇し、その温度上昇の影響で光電変換効率が低下するという問題がある。

対策として、光電変換素子に気中放熱冷却機構を取付けた構成の集光型太陽光発電装置が知られている（例えば特許文献１）

特開２０１０−４０９４０号公報

上記の集光型太陽光発電装置は、太陽光を受けるパラボラ反射板の焦点位置に光電変換素子を配置し、その光電変換素子に気中放熱冷却機構を取付けている。この構成では、パラボラ反射板に向かう太陽光の光路上に光電変換素子と気中放熱冷却機構およびその支持部材が存在し、それが光を遮るため、光電変換素子への集光量が少なくなる。

安定した発電を行うためには、光電変換素子への集光量をできるだけ多くすることが望まれる。ただし、集光量が増えると、光電変換素子の温度上昇が大きくなって光電変換効率が低下するため、その温度上昇を抑制する対策が必要となる。

この発明の目的は、光電変換素子への集光量を多くすることができるとともに、光電変換素子の温度上昇を確実に抑制できる集光発電装置を提供することである。

この発明の集光発電装置は、光電変換素子と、この光電変換素子の受光面に光を集める光学レンズと、前記光電変換素子に設けられた自励振動ヒートパイプと、前記光電変換素子の背面部に取付けられた伝熱体と、を備え、前記伝熱体は、柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子の背面部に取付けられ、前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体に取付けられ、前記伝熱体の周面に接する位置とその周面から同伝熱体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する。

この発明によれば、光電変換素子への集光量が多くなるとともに、それに伴う光電変換素子の温度上昇を確実に抑制できる集光発電装置を提供できる。

第１乃至第７の実施形態の外観を示す図。第１の実施形態の構成を示す図。図２における自励振動ヒートパイプの形状を上方から見た図。第２の実施形態の構成を示す図。第３の実施形態の要部の構成を示す図。図５における自励振動ヒートパイプの形状を上方から見た図。第４の実施形態の構成を一部断面して示す図。図７における筒状体を斜め方向から見た図。第６の実施形態の構成を一部断面して示す図。第７の実施形態の要部を拡大して示す図。

［１］以下、第１の実施形態について説明する。
図１に示すように、架台１の上面にブラケット２を介して基板３の下縁部が回動自在に枢支され、その基板３の下面と架台１の上面との間に支持ロッド４の先端が係止される。そして、基板３の上面に多数の集光発電装置１０が縦横に配置される。ブラケット２における基板３の回動位置および基板３に対する支持ロッド４の係止位置を調節することにより、各集光発電装置１０を太陽に向く最適な状態に設定することができる。

各集光発電装置１０の構成を図２および図３に示す。
１１は光電変換素子で、光が到来する方向に受光面１１ａを向けて配置され、受光面１１ａで受けた光をその受光量に対応する大きさの電力に変換して出力する。この光電変換素子１１の受光面１１ａの上方に、その受光面１１ａに光を集める集光手段として、光学レンズ１２が設けられる。

１３は伝熱体で、熱伝導性が良好な部材たとえば銅やアルミニウムによって光電変換素子１１と略同じ径を有する円柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子１１の背面部に取付けられる。そして、伝熱体１３の周面に、熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１４が取付けられる。

自励振動ヒートパイプ１４は、１本の細管およびその細管に封入された流体とで構成される。細管は、伝熱体１３の周面に接する位置とその周面から同伝熱体１３の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体１３の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する。この細管の各巻回部分は、伝熱体１３の周面に接する部分が加熱部（受熱部ともいう）、伝熱体１３の周面から離間する部分が冷却部となる。細管内の流体はそれぞれ表面張力によって形成された液状体および蒸気泡からなり、これら液状体および蒸気泡が管軸方向に分布している。なお、エンドレスの細管を用いているが、両端がそれぞれ閉じた非エンドレスの細管を用いてもよい。

太陽光を受けて温度上昇する光電変換素子１１の熱は、伝熱体１３を介して自励振動ヒートパイプ１４の加熱部に伝わり、その加熱部から蒸発潜熱として流体に伝わり、その流体を伝わって冷却部に運ばれ、凝縮潜熱となって気中に放出される。この放熱に伴い、冷却部が冷え、その冷熱が流体を伝わって加熱部に運ばれる。

このとき、自励振動ヒートパイプ１４の流体には、加熱部での蒸発作用および冷却部での凝縮作用により、加熱部と冷却部との間を揺れ動く自励的な振動いわゆる自励振動が生じる。すなわち、加熱部で生じる蒸気泡は冷却部へと流れ、冷却部で生じる液状体は加熱部へと流れる。この場合、加熱部から冷却部に向かう蒸気泡の流れ方向はその加熱部から冷却部を見た一方向および他方向においてランダムであり、冷却部から加熱部に向かう液状体の流れ方向もその冷却部から加熱部を見た一方向および他方向においてランダムである。

この流体の自励振動によって加熱部から冷却部への熱輸送が継続し、光電変換素子１１の熱が効率よく気中に放出される。

以上のように、光電変換素子１１の受光面１１ａを光が到来する方向に向け、その受光面１１ａの上方に集光用の光学レンズ１２を設けることにより、より多くの光を光電変換素子１１の受光面１１ａに集めることができる。これにより、光電変換素子１１の出力が増大する。

集光量が増えると、それに伴って光電変換素子１１の温度上昇が大きくなるが、光電変換素子１１に伝熱体１３を取付け、その伝熱体１３に熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１４を取付けているので、光電変換素子１１の熱を効率よく気中に放出できる。これにより、光電変換素子１１の温度上昇を確実に抑制でき、ひいては光電変換素子１１の光電変換効率の低下を回避することができ、常に安定した発電が可能となる。

とくに、自励振動ヒートパイプ１４は、伝熱体１３の周面に接する位置とその周面から同伝熱体１３の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体１３の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有し、多数の巻回部分が伝熱体１３の周面全体を覆うように接するとともに、それぞれの巻回部分の放熱部が互いに離れてその相互間に十分な放熱空間を確保する構成であるから、伝熱体１３からの受熱効率に優れるとともに放熱部から気中への放熱効率にも優れ、もともと持っている高い熱輸送性能を最大限に発揮することができる。これにより、光電変換素子１１の温度上昇に対する抑制効果がより高まる。

［２］第２の実施形態について説明する。
図４に示すように、集光発電装置１０が太陽に向かって傾斜状態で配置されることに対処し、自励振動ヒートパイプ１４の各巻回部分のうち、加熱部が上方で冷却部が下方となる位置関係を持つ少なくとも１つの巻回部分に、逆止弁１５が設けられる。

加熱部が上方で冷却部が下方となる位置関係を持つ巻回部分では、冷却部で凝縮して加熱部の方向（昇り方向）に向かう液状体の流れに対し、重力が加わる。この重力による液状体の落下を抑えるために逆止弁１５を設けている。
他の構成、作用、効果は、第１の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

［３］第３の実施形態について説明する。
図５および図６に示すように、伝熱体１３の周面に、熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１６が取付けられる。図５は要部を側方から見た図、図６は図５を上方から見た図である。

自励振動ヒートパイプ１６の細管は、伝熱体１３の周面に接する位置とその周面から同伝熱体１３の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体１３の軸方向に沿って繰り返され、かつ伝熱体１３の周方向における各巻回の位置がその伝熱体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有する。この細管の各巻回部分は、伝熱体１３の周面の略半分を被うように接する部分が加熱部となり、伝熱体１３の周面から離間する部分が冷却部となる。細管内の流体はそれぞれ表面張力によって形成された液状体および蒸気泡からなり、その液状体および蒸気泡が管軸方向に分布している。なお、エンドレスの細管を用いているが、両端がそれぞれ閉じた非エンドレスの細管を用いてもよい。

他の構成は、第１の実施形態に示した図１および図２と同じである。

光電変換素子１１の受光面１１ａへの集光量が増えることで光電変換素子１１の温度上昇が大きくなるが、光電変換素子１１に伝熱体１３を取付け、その伝熱体１３に熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１６を取付けているので、光電変換素子１１の熱を効率よく気中に放出できる。これにより、光電変換素子１１の温度上昇を確実に抑制でき、ひいては光電変換素子１１の光電変換効率の低下を回避することができ、常に安定した発電が可能となる。

とくに、自励振動ヒートパイプ１６は、伝熱体１３の周面に接する位置とその周面から同伝熱体１３の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体１３の周方向に沿って螺旋状に繰り返され、かつ伝熱体１３の周方向における各巻回の位置がその伝熱体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有し、多数の巻回部分が伝熱体１３の周面全体を覆うように接するとともに、それぞれの巻回部分の放熱部が上下および水平の両方向において互いに離れてその相互間に十分な放熱空間を確保する構成であるから、伝熱体１３からの受熱効率に優れるとともに放熱部から気中への放熱効率にも優れ、もともと持っている高い熱輸送性能を最大限に発揮することができる。これにより、光電変換素子１１の温度上昇に対する抑制効果がより高まる。

［４］第４の実施形態について説明する。
図７および図８に示すように、光学レンズ１２と光電変換素子１１との間に筒状体２１が設けられる。筒状体２１は、熱伝導性が良好な部材たとえば銅やアルミニウムにより円筒状に形成され、光学レンズ１２を経た光が入る開口２１ａを軸方向一端に有する。この筒状体２１の内周面の全域に、その開口２１ａに入る光を反射により同筒状体２１の軸方向他端側に導く反射部材（ホモジナイザーともいう）２２が装着される。

光電変換素子１１は、筒状体２１の軸方向他端に、かつ受光面１１ａが開口２１ａに向く状態に、配設される。

筒状体２１の開口２１ａに入る太陽光は、反射部材２２で反射されながら筒状体２１の軸方向他端側に進み、光電変換素子１１の受光面１１ａに照射される。照射される光の強さは、反射部材２２の反射を経ていることにより、受光面１１ａの全域において一定となる。受光面１１ａの一点に強い光が集中しない。

そして、筒状体２１の周面に、熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１４が取付けられる。

自励振動ヒートパイプ１４の細管は、筒状体２１の周面に接する位置とその周面から同筒状体２１の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体２１の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する。この細管の各巻回部分は、筒状体２１の周面に接する部分が加熱部、筒状体２１の周面から離間する部分が冷却部となる。この自励振動ヒートパイプ１４の構成そのものは、図２および図３に示した第１の実施形態のものと同じである。

以上のように、筒状体２１および反射部材２２を設けることにより、光電変換素子１１の受光面１１ａに照射される光の強さをその受光面１１ａの全域において一定にすることができる。

光電変換素子１１は熱伝導性が良好な筒状体２１に接しており、その筒状体２１に熱輸送性能の高い自励振動ヒートパイプ１４を取付けているので、光電変換素子１１の熱を効率よく気中に放出できる。これにより、光電変換素子１１の温度上昇を確実に抑制でき、ひいては光電変換素子１１の光電変換効率の低下を回避することができ、常に安定した発電が可能となる。

とくに、自励振動ヒートパイプ１４は、筒状体２１の周面に接する位置とその周面から同筒状体２１の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体２１の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有し、多数の巻回部分が筒状体２１の周面全体を覆うように接するとともに、それぞれの巻回部分の放熱部が互いに離れてその相互間に十分な放熱空間を確保する構成であるから、伝熱体１３からの受熱効率に優れるとともに放熱部から気中への放熱効率にも優れ、もともと持っている高い熱輸送性能を最大限に発揮することができる。

［５］第５の実施形態について説明する。
この第５の実施形態は、図５および図６の第３の実施形態と図７および図８の第４の実施形態との組合せに相当するもので、とくに図示していないが、図７および図８に示した筒状体２１に対し、自励振動ヒートパイプ１４に代えて、図５および図６に示した自励振動ヒートパイプ１６が取付けられる構成である。

この構成によれば、集光に関して第４の実施形態と同じ作用および効果が得られ、放熱に関して第３の実施形態と同じ作用および効果が得られる。

［６］第６の実施形態について説明する。
この第６の実施形態は、図７および図８に示した第４の実施形態の変形例であり、図９に示すように、自励振動ヒートパイプ１４の各巻回部分が筒状体２１の側壁に挿通される。

この構成によれば、筒状体２１と自励振動ヒートパイプ１４との密着度が増して両者間の伝熱性能が向上するという効果を奏する。

他の構成、作用、効果は第４の実施形態と同じである。

［７］第７の実施形態について説明する。
第７の実施形態は、図７および図８に示した第４の実施形態のさらなる変形例であり、図９のように自励振動ヒートパイプ１４の各巻回部分が筒状体２１の側壁に挿通されるとともに、図１０に示すように、筒状体２１の側壁とその側壁から出る自励振動ヒートパイプ１４の外周面との間にロウ付け部材２３がロウ付けされる。

この構成によれば、筒状体２１と自励振動ヒートパイプ１４との密着度がさらに増して両者間の伝熱性能が向上するという効果を奏する。

他の構成、作用、効果は第４の実施形態と同じである。

［８］なお、上記第１乃至第７の実施形態では、太陽光を光電変換する場合を例に説明したが、太陽光に限らず、照明器具の光を光電変換する場合についても同様に実施可能である。
その他、各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］光電変換素子と、
この光電変換素子の受光面に光を集める光学レンズと、
前記光電変換素子に設けられた自励振動ヒートパイプと、
を備えることを特徴とする集光発電装置。
［２］前記光電変換素子の背面部に取付けられた伝熱体、をさらに備え、
前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体に取付けられる、
ことを特徴とする［１］に記載の集光発電装置。
［３］前記伝熱体は、柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子の背面部に取付けられる、
前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体の周面に接する位置とその周面から同伝熱体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する、
ことを特徴とする［２］に記載の集光発電装置。
［４］前記伝熱体は、柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子の背面部に取付けられる、
前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体の周面に接する位置とその周面から同伝熱体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体の軸方向に沿って繰り返され、かつ伝熱体の周方向における各巻回の位置がその伝熱体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有する、
ことを特徴とする［２］に記載の集光発電装置。
［５］前記光学レンズと前記光電変換素子の受光面との間に設けられ、その光学レンズを経た光が入る開口を軸方向一端に有する熱伝導性が良好な筒状体と、
この筒状体の内周面に設けられ、その筒状体の前記開口に入る光を反射により同筒状体の軸方向他端に導く反射部材と、
を備え、
前記光電変換素子は、前記筒状体の軸方向他端に設けられ、前記反射部材により導かれる光を受ける、
前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体に取付けられる、
ことを特徴とする［１］に記載の集光発電装置。
［６］前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に接する位置とその側壁から同筒状体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する、
ことを特徴とする［５］に記載の集光発電装置。
［７］前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に接する位置とその側壁から同筒状体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体の軸方向に沿って繰り返され、かつ筒状体の周方向における各巻回の位置がその筒状体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有する、
ことを特徴とする［５］に記載の集光発電装置。
［８］前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に挿通されている、
ことを特徴とする［６］または［７］に記載の集光発電装置。
［９］前記筒状体の側壁とその側壁から出る前記自励振動ヒートパイプの外周面との間にロウ付けされるロウ付け部材、
をさらに備えることを特徴とする［８］に記載の集光発電装置。

１…架台、２…ブラケット、３…基板、４…支持ロッド、１０…集光発電装置、１１…光電変換素子、１１ａ…受光面、１２…光学レンズ、１３…伝熱体、１４…自励振動ヒートパイプ、１５…逆止弁、１６…自励振動ヒートパイプ、２１…筒状体、２１ａ…開口、２２…反射部材、２３…ロウ付け部材

Claims

光電変換素子と、
この光電変換素子の受光面に光を集める光学レンズと、
前記光電変換素子に設けられた自励振動ヒートパイプと、
前記光電変換素子の背面部に取付けられた伝熱体と、を備え、
前記伝熱体は、柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子の背面部に取付けられ、
前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体に取付けられ、前記伝熱体の周面に接する位置とその周面から同伝熱体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する、
ことを特徴とする集光発電装置。
前記伝熱体は、柱状に形成され、軸方向端部が光電変換素子の背面部に取付けられる、
前記自励振動ヒートパイプは、前記伝熱体の周面に接する位置とその周面から同伝熱体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が伝熱体の軸方向に沿って繰り返され、かつ伝熱体の周方向における各巻回の位置がその伝熱体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の集光発電装置。
前記光学レンズと前記光電変換素子の受光面との間に設けられ、その光学レンズを経た光が入る開口を軸方向一端に有する熱伝導性が良好な筒状体と、
この筒状体の内周面に設けられ、その筒状体の前記開口に入る光を反射により同筒状体の軸方向他端に導く反射部材と、
を備え、
前記光電変換素子は、前記筒状体の軸方向他端に設けられ、前記反射部材により導かれる光を受ける、
前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体に取付けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の集光発電装置。
前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に接する位置とその側壁から同筒状体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体の周方向に沿って螺旋状に繰り返される形状を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の集光発電装置。
前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に接する位置とその側壁から同筒状体の径方向に離間する位置との間を往復する状態に巻回されつつ、その巻回が筒状体の軸方向に沿って繰り返され、かつ筒状体の周方向における各巻回の位置がその筒状体の周方向に沿って所定角度ずつずれる形状を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の集光発電装置。
前記自励振動ヒートパイプは、前記筒状体の側壁に挿通されている、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の集光発電装置。
前記筒状体の側壁とその側壁から出る前記自励振動ヒートパイプの外周面との間にロウ付けされるロウ付け部材、
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の集光発電装置。