JP5577046B2 - 太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムに関し、特にカーボンナノチューブを利用した太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムに関するものである。

太陽エネルギーを利用する技術には、太陽光発電と太陽熱利用の２つがある。太陽エネルギーは、太陽電池や太陽集熱器の受光面によって採取され、電力や熱に変換されて利用することができる。一般的に、太陽集熱器には、「平板型」と「真空ガラス管型」がある。「平板型」は、集熱器全体が平たい板状になり、表面は透明なガラス板で覆われ、下部には熱が逃げないよう断熱材が使われている。「真空ガラス管型」は、集熱部を真空のガラス管で密閉して、集めた熱が外へ逃げにくい構造となっている。平板型の太陽集熱器は、良好な利用効率及び低いコストという優れた点があるので、広く利用されている。

図５を参照すると、非特許文献１に掲載された従来の平板型の太陽集熱器５００は、基板５２と、該基板５２の周辺に沿って設置した側壁５６と、前記基板５２に対向して、前記側壁５６の前記基板５２に接触する側の反対側に設置した透明なカバー５０と、を含む。前記基板５２と、前記側壁５６と、前記透明なカバー５０とは、チャンバー６０を形成する。該チャンバー６０の中に、複数の支持体５８を設置する。前記基板５２は、例えば、銅やアルミニウムなどの光吸収材料からなる。光は前記透明なカバー５０を透過して前記太陽集熱器５００の中に入射して、前記基板５２で吸収される。前記光により生じた熱は、貯蓄装置（図示せず）に伝送されて貯蓄されることができる。

Ｗｕ Ｊｉａｑｉｎｇ、"ＣＯＭＰＡＲＡＴＩＶＥ ＳＴＵＤＹ ＯＦ ＴＨＥ Ｎ−Ｓ ＡＮＤ Ｅ−Ｗ ＯＲＩＥＮＴＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＵＢＥＳ ＦＯＲ ＥＶＡＣＵＡＴＥＤ ＤＯＭＥＳＴＩＣ ＷＡＴＥＲ ＨＥＡＴＥＲＳ"、「ＡＣＴＡ ＥＮＥＲＧＩＡＥ ＳＯＬＡＲＩＳ ＳＩＮＩＣＡ」、１９９８年、ｖｏｌ９、第３９６〜４０５頁 Ｋａｉｌｉ Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ Ｆａｎ、"Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｙａｒｎｓ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１

しかし、前記太陽集熱器５００の高効率を保持するために、前記基板５２の酸化を防止しなければならない。このため、前記基板５２を真空の雰囲気において製造する必要がある。また、前記太陽集熱器５００の熱吸収効率は、基板５２の材料により決められる。従って、従来の太陽集熱器には、コストが高く、熱吸収率が低いという課題がある。

従って、前記課題を解決するために、本発明は、カーボンナノチューブを利用した太陽集熱器及びそれを利用した太陽集熱システムを提供する。

本発明の太陽集熱器は、基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板、前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収体と、を含む。前記熱吸収体はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。

前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ前記カーボンナノチューブ構造体の一つの表面と成す角度が０°〜１５°である。

隣接するカーボンナノチューブは分子間力で結合されている。前記カーボンナノチューブ構造体がシート状の自立構造を有する。

前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブフィルムを含む場合、前記複数のカーボンナノチューブフィルムが積層され、又は隙間なく並列されている。

本発明の太陽集熱システムは、太陽集熱器と、熱貯蓄装置と、を含む。前記太陽集熱器は、基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置された透明なカバーと、前記基板及び前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収体と、を含む。前記熱吸収体はカーボンナノチューブ構造体を含む。前記カーボンナノチューブ構造体は複数のカーボンナノチューブを含む。前記複数のカーボンナノチューブは等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。

従来の技術と比べて、本発明は次の優れた点を有する。第一に、本発明に利用したカーボンナノチューブ構造体は、良好な光吸収特性を有するので、本発明の太陽集熱器の光吸収率が高くなる。第二に、前記カーボンナノチューブ構造体は強い強靱性を有するので、本発明の太陽集熱器の耐久性が優れる。第三に、カーボンナノチューブ構造体は酸化し難いので、太陽集熱器を真空の雰囲気において製造する必要がないので、本発明の太陽集熱器のコストが低くなる。

本発明の太陽集熱システムの模式図である。 本発明の太陽集熱器の上面図である。 本発明の太陽集熱器に利用したカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の太陽集熱器に利用したカーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 従来の太陽集熱器の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１及び２を参照すると、本実施例の太陽集熱システム１００は、太陽集熱器１０と、該太陽集熱器１０に接続された貯蓄装置２０と、を含む。前記貯蓄装置２０は、前記太陽集熱器１０に生じた熱を貯蓄するために利用される。

前記太陽集熱器１０は、基板１１と、側壁１２と、透明なカバー１３と、熱吸収体１４と、複数の支持体１５と、を含む。前記基板１１は、第一表面１１１及び該第一表面に対向する第二表面１１２を含む。前記透明なカバー１３は、表面１３１を含む。前記側壁１２は、前記基板１１の周辺に沿って前記基板１１の第一表面１１１に垂直に立つように設置される。前記透明なカバー１３は、前記基板１１の第一表面１１１に対向して、前記側壁１２の前記基板１１に接触する側の反対側に設置される。前記基板１１と、前記側壁１２と、前記透明なカバー１３とは、チャンバー１６を形成する。前記複数の支持体１５は、前記チャンバー１６の中に設置されている。前記熱吸収体１４は、前記基板１１の第一表面１１１に設置されるように、前記チャンバー１６の中に設置されている。

前記基板１１は、例えば、金属、ガラス、ポリマーなどの熱伝導材料からなる。前記基板１１の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍである。前記基板１１の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。

前記透明なカバー１３は、ガラス、プラスチック、セラミック、ポリマーなどの透明な材料からなる。前記透明なカバー１３の厚さは、１００μｍ〜５ｍｍである。前記透明なカバー１３の形状に対しては特に制限がなく、三角形、四角形又は六角形の形状に形成されることができる。

前記側壁１２は前記透明なカバー１３を支持するために、前記透明なカバー１３及び前記基板１１の間に設置されている。前記側壁１２は、ガラス、プラスチック、ポリマーなどの材料からなる。前記側壁１２の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであるが、１５０μｍ〜２５０μｍであることが好ましい。

前記チャンバー１６は真空又は大気で満ちている。本実施例において、前記チャンバー１６は大気で満ちている。さらに、前記基板１１の酸化を防止するために、前記チャンバー１６の中に、窒素や不活性ガスなどの断熱ガスも注入されることができる。

前記熱吸収体１４の厚さは、３μｍ〜２ｍｍである。前記熱吸収体１４はカーボンナノチューブ構造体を含む。さらに、前記カーボンナノチューブ構造体は少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、前記複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブが前記カーボンナノチューブ構造体の表面と成す角度は０°〜１５°である。前記角度が０°である場合、前記カーボンナノチューブは前記カーボンナノチューブ構造体の表面に平行に配列されている。

前記カーボンナノチューブフィルムの幅は、前記カーボンナノチューブを成長させるための基材の幅により決定され、前記カーボンナノチューブフィルムの長さは基材の寸法に限定されず、必要に応じて製造されることができる。前記カーボンナノチューブフィルムの幅は０．０１ｃｍ〜１０ｃｍに設けられ、厚さは０．５〜１００μｍに設けられる。前記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。前記カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブである場合、直径が０．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが二層カーボンナノチューブである場合、直径が１ｎｍ〜５０ｎｍに設定され、前記カーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブである場合、直径が１．５ｎｍ〜５０ｎｍに設定される。

さらに、熱吸収体１４の寸法は、前記熱吸収体１４に利用した前記カーボンナノチューブフィルムの大きさに制限されない。例えば、大寸法の熱吸収体１４を製造する場合、隙間なく複数の前記カーボンナノチューブフィルムを並列して設置することができる。

前記カーボンナノチューブフィルムは次の工程により製造される。第一ステップでは、少なくとも一つのカーボンナノチューブアレイを提供する。前記カーボンナノチューブは超配列カーボンナノチューブアレイ（Ｓｕｐｅｒａｌｉｇｎｅｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，非特許文献２）であることが好ましい。第二ステップでは、前記カーボンナノチューブアレイに所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、前記基板１１にカーボンナノチューブフィルムを形成する。

本実施形態において、それぞれ前記基板１１に形成されたカーボンナノチューブフィルムは、次の二種の方法により製造される。

第一方法は、押し器具を利用して、基材に成長された前記カーボンナノチューブアレイに所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押してカーボンナノチューブフィルムを形成させる第一サブステップと、前記基材から前記カーボンナノチューブフィルムを分離させる第二サブステップと、前記基板１１の形状により、前記カーボンナノチューブフィルムを切る第三サブステップと、前記カーボンナノチューブフィルムを前記基板１１に設置する第四サブステップと、を含む。

第二方法は、前記基板１１の第一表面１１１を前記カーボンナノチューブアレイに接触させるように、前記基板１１を前記カーボンナノチューブアレイの端部に設置する第一サブステップと、押し器具を利用して、前記基板１１の第一表面１１１と対向する第二表面１１２を押して、前記基板１１の第一表面１１１にカーボンナノチューブフィルムを形成する第二サブステップと、前記基板１１の形状により、前記カーボンナノチューブフィルムを切って、前記基板１１に前記カーボンナノチューブフィルムを形成する第三サブステップと、を含む。

前記カーボンナノチューブアレイのカーボンナノチューブは押し器具からの圧力で倒れると同時に、前記基材から脱離することになる。前記カーボンナノチューブは分子間力でそれぞれ結合され、自立構造を有するカーボンナノチューブフィルムに形成されることができる。カーボンナノチューブは強い接着性を有するので、前記カーボンナノチューブフィルムは、前記基板１１に直接接着されることができる。

前記カーボンナノチューブに圧力をかけるために、押し器具を利用する。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの配列方向は、該押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイの押し方向により決められている。例えば、図３を参照すると、平面を有する押し器具を利用して、前記基板に垂直な方向に沿って前記カーボンナノチューブを押す場合、等方的に配列されたカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成されている。図４を参照すると、ローラー形状を有する押し器具を利用して、所定の方向又は異なる方向に沿って前記複数のカーボンナノチューブを同時に押す場合、前記複数のカーボンナノチューブは所定の方向又は異なる方向に沿って前記カーボンナノチューブフィルムに分布されている。

前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、それぞれ該カーボンナノチューブ構造体の表面と０°〜１５°の角度を成し、均一的に配列されている。前記角度が０°である場合、前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれ該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行に配列されている。前記カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、該圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが高くなり、また、該カーボンナノチューブにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが厚くなる。

さらに、前記カーボンナノチューブフィルムを、もう一つのカーボンナノチューブアレイの上に積層させて、前記第二ステップを繰り返すことにより、複数のカーボンナノチューブフィルムを含む多層のカーボンナノチューブ構造体を形成することができる。前記複数のカーボンナノチューブ構造体は、分子間力で相互に接着されている。

勿論、複数のカーボンナノチューブフィルムを積層させて、前記押し器具を利用して前記複数のカーボンナノチューブフィルムを押すことにより、多層のカーボンナノチューブ構造体を形成することができる。

前記支持体１５は、前記太陽集熱器１０の強度を増加するために設置されている。前記支持体１５は、ランダム、又は所定のパターンによって前記チャンバー１６の中に設置されることができる。隣接する前記支持体１５は、所定の距離で分離している。前記支持体１５は、例えば、ガラス、プラスチック、ゴムなどの断熱材料からなる。

さらに、前記太陽集熱器１０は反射層１７を含む。前記反射層１７は、前記透明なカバー１３の表面１３１に設置されている。前記反射層１７は、可視光及び近赤外線光、紫外線光を前記透明なカバー１３から透過させ、前記熱吸収体１４で放射された遠赤外線光を反射することができるので、前記反射層１７を利用することにより、前記チャンバー１６の熱が外部へ放射されることを防止することができる。従って、前記太陽集熱器１０の光吸収率を高めることができる。前記反射層１７は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）又は二酸化チタンからなる。前記反射層１７の厚さは、１０ｎｍ〜１μｍである。

前記貯蓄装置２０は、循環液体が充填された複数のパイプ（図示せず）を含み、前記基板１１の第二表面１１２に設置されている。前記液体は、水やグリコールなどの液体である。

前記カーボンナノチューブ構造体は黒色であるので、太陽光に対して光吸収率が高い。太陽光は前記透明なカバー１３を透過して前記熱吸収体１４に達すると、太陽光の大部分は前記熱吸収体１４で吸収されて熱エネルギーに変化する。前記熱エネルギーは前記基板１１から前記貯蓄装置２０に伝送される。前記カーボンナノチューブ構造体は、良好な光吸収特性を有するので、前記太陽集熱器の光吸収率が高くなる。また、前記カーボンナノチューブ構造体は強い強靱性を有するので、本発明の太陽集熱器の耐久性が優れる。また、カーボンナノチューブ構造体は酸化し難いので、太陽集熱器を真空の雰囲気において製造する必要がないので、本発明の太陽集熱器のコストが低くなる。

１０ 太陽集熱器
１００ 太陽集熱システム
１１ 基板
１１１ 第一表面
１１２ 第二表面
１２ 側壁
１３ 透明なカバー
１３１ 表面
１４ 熱吸収体
１４３ カーボンナノチューブセグメント
１４５ カーボンナノチューブ
１５ 複数の支持体
１６ チャンバー
１７ 反射層
２０ 貯蓄装置

Claims (3)

1. 基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板、前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収体と、を含み、
   前記熱吸収体がシート状の自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体であり、
   前記カーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブアレイに圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押して形成され、
   前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブからなり、
   前記複数のカーボンナノチューブが等方的に配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されており、
   前記カーボンナノチューブ構造体が前記基板に直接接着されていることを特徴とする太陽集熱器。
2. 前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブフィルムを含み、
   前記複数のカーボンナノチューブフィルムが積層され、又は隙間なく並列されていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽集熱器。
3. 基板と、側壁と、前記基板に対向して前記側壁に設置した透明なカバーと、前記基板及び前記側壁及び前記透明なカバーにより形成されたチャンバーと、前記基板に設置した熱吸収層と、を含む太陽集熱器と、
   熱貯蓄装置と、
   を含む太陽集熱システムにおいて、
   前記熱吸収体がシート状の自立構造を有するカーボンナノチューブ構造体であり、
   前記カーボンナノチューブ構造体は、カーボンナノチューブアレイに圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押して形成され、
   前記カーボンナノチューブ構造体が複数のカーボンナノチューブからなり、
   前記複数のカーボンナノチューブが等方的に配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されており、
   前記カーボンナノチューブ構造体が前記基板に直接接着されていることを特徴とする太陽集熱システム。