JP5642519B2 - 太陽光集熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光集熱装置に関し、特に、反射鏡によって太陽光を集熱管に向けて集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置に関するものである。
従来、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡によって太陽光を集熱管に向けて集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
ところで、従来の太陽光集熱装置は、集光効率を上げるために種々の工夫がなされており、例えば、特許文献１に記載の太陽光集熱装置においては、集熱管の熱媒体が内部を流通する内管の外周を断熱空間を形成して覆う外管に、内管に太陽光が収束する構造素子を備えることが提案されている。
ところで、従来の太陽光集熱装置においては、図２に示すように、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射鏡１への入射角度αが小さい場合、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡１の端部の近傍域に入射する太陽光Ｓｂ２の反射光が集熱管２に到達せず、このため、特に緯度の高い地域では、このことが集熱効率が低下する要因となっていた。
具体的には、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射鏡１への入射角度をα、反射鏡１から集熱管２までの高さをＨ０とすると、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡１の端部から、
Ｌ＝Ｈ０／ｔａｎα
で計算される距離Ｌの範囲に入射する太陽光Ｓｂ２の反射光が集熱管２に到達しないものとなる。
そして、このことは、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡１に限らず、複数の長尺の平面分割鏡を太陽の動きに従って揺動追尾させることによって、各鏡に入射した太陽光の反射光が固定された集熱管に集光させるようにしたフレネルミラー型の反射鏡（図示省略）についても同様であり、反射鏡から集熱管までの高さが高く設定されることが多いフレネルミラー型の反射鏡の場合には、特に顕著であり、南北方向の長さが短い太陽光集熱装置においては、集熱効率が大幅に低下する要因となっていた。
具体的には、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射鏡１への入射角度をα、反射鏡１から集熱管２までの高さをＨ０とすると、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡１の端部から、
Ｌ＝Ｈ０／ｔａｎα
で計算される距離Ｌの範囲に入射する太陽光Ｓｂ２の反射光が集熱管２に到達しないものとなる。
そして、このことは、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡１に限らず、複数の長尺の平面分割鏡を太陽の動きに従って揺動追尾させることによって、各鏡に入射した太陽光の反射光が固定された集熱管に集光させるようにしたフレネルミラー型の反射鏡（図示省略）についても同様であり、反射鏡から集熱管までの高さが高く設定されることが多いフレネルミラー型の反射鏡の場合には、特に顕著であり、南北方向の長さが短い太陽光集熱装置においては、集熱効率が大幅に低下する要因となっていた。
本発明は、上記従来の太陽光集熱装置の実情に鑑み、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部の近傍域に入射する太陽光を有効に利用できるようにすることによって、集熱効率を高めることができるようにした太陽光集熱装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の太陽光集熱装置は、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡に入射した太陽光の反射光を、反射鏡の焦点の位置に架設された集熱管に集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置において、反射鏡の中心軸が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部に、前記中心軸に直交するように平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設したことを特徴とする。
また、同じ目的を達成するため、本発明の太陽光集熱装置は、複数の長尺の平面分割鏡からなるフレネルミラー型の反射鏡に入射した太陽光の反射光を、反射鏡の集光位置に架設された集熱管に集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置において、反射鏡の中心軸が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部に、前記中心軸に直交するように平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設したことを特徴とする太陽光集熱装置。
この場合において、前記平面反射鏡の高さを調節可能に設けることができる。
また、前記平面反射鏡を着脱可能に設けることができる。
本発明の太陽光集熱装置によれば、反射鏡の中心軸が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部に、前記中心軸に直交するように平面反射鏡を配設することにより、太陽光の反射鏡への入射角度が小さい場合に、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部の近傍域に入射する太陽光の反射光を、平面反射鏡によって再反射させて集熱管に集光させることができ、反射鏡に入射する太陽光を有効に利用することによって、集熱効率を高めることができる。
そして、平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設することにより、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部の近傍域に入射する太陽光の反射光を、平面反射鏡によって再反射させて集熱管に集光させることに加えて、太陽光を平面反射鏡で反射し、反射鏡によって再反射させて集熱管に集光させることができ、集熱効率を一層高めることができる。
そして、平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設することにより、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部の近傍域に入射する太陽光の反射光を、平面反射鏡によって再反射させて集熱管に集光させることに加えて、太陽光を平面反射鏡で反射し、反射鏡によって再反射させて集熱管に集光させることができ、集熱効率を一層高めることができる。
また、前記平面反射鏡の高さを調節可能に設けることにより、季節によって変化する太陽光の反射鏡への入射角度に合わせて、平面反射鏡の高さを調節することができ、これにより、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを抑制することができる。
また、前記平面反射鏡を着脱可能に設けることにより、季節によって変化する太陽光の反射鏡への入射角度に合わせて、平面反射鏡を着脱することができ、これにより、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを防止することができるとともに、季節によって変化する太陽の位置（北回帰線と南回帰線の間の地域）に合わせて平面反射鏡を設けることができる。
以下、本発明の太陽光集熱装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の太陽光集熱装置の一実施例を示す。
この太陽光集熱装置は、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡１に入射した太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射光を、反射鏡１の焦点の位置に架設された集熱管２に集光し、集熱管２の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにしたものである。
この太陽光集熱装置は、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡１に入射した太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射光を、反射鏡１の焦点の位置に架設された集熱管２に集光し、集熱管２の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにしたものである。
そして、この太陽光集熱装置は、反射鏡１及び集熱管２の中心軸Ｌ１が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側（太陽が南に位置する場合には北側、北に位置する場合には南側）の反射鏡１の端部に、中心軸Ｌ１に直交するように平面反射鏡３を配設するようにしている。
この場合において、反射鏡１及び集熱管２は、基台４に共通の揺動軸５を介して揺動可能に設置するようにする。
そして、反射鏡１及び集熱管２の二等分線Ｌ２を含む面の延長方向が常に太陽の方向を指向するように、太陽の動きに従って揺動軸５を回動させる太陽追尾機構６を設けるようにする。
そして、反射鏡１及び集熱管２の二等分線Ｌ２を含む面の延長方向が常に太陽の方向を指向するように、太陽の動きに従って揺動軸５を回動させる太陽追尾機構６を設けるようにする。
これにより、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２が、常に反射鏡１の二等分線Ｌ２を含む面と平行に反射鏡１に入射し、反射光が、反射鏡１の焦点の位置に架設された集熱管２の中心軸Ｌ１に集光されるようにする。
反射鏡１及び平面反射鏡３は、支持材となるアルミニウム製の板材と鏡となる高反射率のアルミニウム製の板材とを重ね合わせたものを、アルミニウム製の押出成形材からなる枠部材に嵌め込んで構成するようにしたが、湾曲可能な薄板からなるガラス製の鏡を用いることもできる。
また、集熱管２は、集光機構としての反射鏡１によって集光された太陽光を受光し、内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達する内管２１と、この内管２１の外周を断熱空間を形成して覆う外管２２とからなるものを用いるようにしている。
より具体的には、内管２１の表面に太陽光熱吸収膜として、酸化クロムメッキ層を施すようにしている。
太陽光熱吸収膜としての酸化クロムメッキ層は、酸洗いした鋼管からなる内管２１の表面に酸化クロムメッキ処理を施すことにより、比較的低コストで形成することができる。
なお、太陽光熱吸収膜１１ａの材質や形成方法は、これに限定されず、材質としては、酸化クロムのほか、ニッケル系等の材料を用いたり、形成方法としては、メッキ処理のほか、溶射処理、物理蒸着（ＰＶＤ）、塗装等によって太陽光熱の吸収を高めるために表面を黒色に着色したり、適宜の選択吸収膜を施すようにする等、従来、公知のものを採用することができる。
太陽光熱吸収膜としての酸化クロムメッキ層は、酸洗いした鋼管からなる内管２１の表面に酸化クロムメッキ処理を施すことにより、比較的低コストで形成することができる。
なお、太陽光熱吸収膜１１ａの材質や形成方法は、これに限定されず、材質としては、酸化クロムのほか、ニッケル系等の材料を用いたり、形成方法としては、メッキ処理のほか、溶射処理、物理蒸着（ＰＶＤ）、塗装等によって太陽光熱の吸収を高めるために表面を黒色に着色したり、適宜の選択吸収膜を施すようにする等、従来、公知のものを採用することができる。
なお、内管２１には、鋼管の外、ステンレススチール管等の金属管を、また、外管２２は、コバールガラス管等の硼珪酸ガラス管を用いることができる。
また、断熱空間は、通常、内管２１と外管２２の間を真空にすることにより、断熱を行うようにする。
また、内管２１の内部を流通する熱媒体には、数百℃、例えば、４００℃程度の温度まで加熱されて熱媒体として機能を発揮する水、熱媒油、溶融塩等の熱媒体を用いることができる。
そして、本実施例の太陽光集熱装置においては、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡１の端部に、反射鏡１及び集熱管２の中心軸Ｌ１に直交するように平面反射鏡３を配設するようにしているが、これにより、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２の反射鏡１への入射角度αが小さい場合に、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡１の端部の近傍域に入射する太陽光Ｓｂ２の反射光を、平面反射鏡３によって再反射させて集熱管２に集光させることができ、反射鏡１に入射する太陽光を有効に利用することによって、集熱効率を高めることができる。
ところで、平面反射鏡３は、上記目的のためには、反射鏡１から集熱管２までの高さＨ０の範囲に配設すれば十分であるが、さらに、それより上方の高さＨ１の範囲に配設することにより、従来利用されていなかった太陽光Ｓｂ３を平面反射鏡３で反射し、反射鏡１によって再反射させて集熱管２に集光させることができ、集熱効率を一層高めることができる。
また、平面反射鏡３の高さを調節可能に設けることができる。
これにより、季節によって変化する太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の反射鏡１への入射角度αに合わせて、平面反射鏡３の高さを調節することができ、例えば、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡３が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを抑制することができる。
これにより、季節によって変化する太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の反射鏡１への入射角度αに合わせて、平面反射鏡３の高さを調節することができ、例えば、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡３が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを抑制することができる。
また、平面反射鏡３を着脱可能に設けることができる。
これにより、季節によって変化する太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の反射鏡１への入射角度αに合わせて、平面反射鏡３を着脱することができ、例えば、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡３が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを防止することができるとともに、季節によって変化する太陽の位置（北回帰線と南回帰線の間の地域）に合わせて平面反射鏡３を設けることができる。
これにより、季節によって変化する太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の反射鏡１への入射角度αに合わせて、平面反射鏡３を着脱することができ、例えば、南北軸に沿うように複数の太陽光集熱装置を隣接設置した場合に、平面反射鏡３が隣接設置した太陽光集熱装置に入射する太陽光を遮ることを防止することができるとともに、季節によって変化する太陽の位置（北回帰線と南回帰線の間の地域）に合わせて平面反射鏡３を設けることができる。
以下、この平面反射鏡３による集熱量の増加量を計算によって検証することとする。
平面反射鏡３を、反射鏡１から集熱管２までの高さＨ０（ｍ）の範囲に配設し、反射鏡１の開口幅をＷ（ｍ）、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の入射角度をα、日射強度をΓ０（Ｗ／ｍ２）、平面反射鏡３の反射率をβ０とすると、平面反射鏡３による集熱量の増加量Ｑ０（Ｗ）は、
Ｑ０＝Γ０×β０×Ｌ×Ｗ＝Γ０×β０×Ｈ０×Ｗ／ｔａｎα
となり、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の入射角度αが小さいときは極めて有効であり、かつ、Ｈ０の１次の関数で寄与する。
平面反射鏡３を、さらに上方の高さＨ１の範囲にまで配設することにより、平面反射鏡３（高さＨ１の範囲）による集熱量の増加量Ｑ１（Ｗ）は、
Ｑ１＝Γ０×β０×Ｈ１×Ｗ
となる。
平面反射鏡３を、反射鏡１から集熱管２までの高さＨ０（ｍ）の範囲に配設し、反射鏡１の開口幅をＷ（ｍ）、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の入射角度をα、日射強度をΓ０（Ｗ／ｍ２）、平面反射鏡３の反射率をβ０とすると、平面反射鏡３による集熱量の増加量Ｑ０（Ｗ）は、
Ｑ０＝Γ０×β０×Ｌ×Ｗ＝Γ０×β０×Ｈ０×Ｗ／ｔａｎα
となり、太陽光Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３の入射角度αが小さいときは極めて有効であり、かつ、Ｈ０の１次の関数で寄与する。
平面反射鏡３を、さらに上方の高さＨ１の範囲にまで配設することにより、平面反射鏡３（高さＨ１の範囲）による集熱量の増加量Ｑ１（Ｗ）は、
Ｑ１＝Γ０×β０×Ｈ１×Ｗ
となる。
また、本実施例において、断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡１を用いるようにしたが、反射鏡として、複数の長尺の平面分割鏡からなるフレネルミラー型の反射鏡（複数の長尺の平面分割鏡を太陽の動きに従って揺動追尾させることによって、各鏡に入射した太陽光の反射光が固定された集熱管に集光させるようにしたもの）（図示省略）を用い、併せて、平面反射鏡３を用いることによって、同様の作用効果を奏することができる。
以上、本発明の太陽光集熱装置について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
本発明の太陽光集熱装置は、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部の近傍域に入射する太陽光を有効に利用できるようにすることによって、集熱効率を高めることができるという特性を有していることから、比較的緯度の高い地域でも太陽光集熱装置の集熱効率を高めることができ、広い地域で太陽光集熱装置を用いることを可能にすることができる。
１ 反射鏡
２ 集熱管
２１ 内管
２２ 外管
３ 平面反射鏡
Ｓｂ１ 太陽光
Ｓｂ２ 太陽光
Ｓｂ３ 太陽光
２ 集熱管
２１ 内管
２２ 外管
３ 平面反射鏡
Ｓｂ１ 太陽光
Ｓｂ２ 太陽光
Ｓｂ３ 太陽光
Claims (4)
- 断面が放物線形状をなすトラフ型の反射鏡に入射した太陽光の反射光を、反射鏡の焦点の位置に架設された集熱管に集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置において、反射鏡の中心軸が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部に、前記中心軸に直交するように平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設したことを特徴とする太陽光集熱装置。
- 複数の長尺の平面分割鏡からなるフレネルミラー型の反射鏡に入射した太陽光の反射光を、反射鏡の集光位置に架設された集熱管に集光し、集熱管の内部を流通する熱媒体にエネルギを伝達するようにした太陽光集熱装置において、反射鏡の中心軸が南北軸に沿うように太陽光集熱装置を設置するとともに、太陽が位置する方向と反対側の反射鏡の端部に、前記中心軸に直交するように平面反射鏡を、反射鏡から集熱管の高さより上方の高さまでの範囲に、配設したことを特徴とする太陽光集熱装置。
- 前記平面反射鏡の高さを調節可能に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光集熱装置。
- 前記平面反射鏡を着脱可能に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光集熱装置。
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| JP2010268554A JP5642519B2 (ja) | 2010-12-01 | 2010-12-01 | 太陽光集熱装置 |
| US13/991,017 US9291368B2 (en) | 2010-12-01 | 2011-11-09 | Solar heat collecting device |
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