JP5738183B2 - ソーラーパワーデバイス - Google Patents

Description

太陽からエネルギーを収集するための多種多様なソーラーパワーデバイスが存在する。一既存種のソーラーパワーデバイスは、太陽光線を単一のスターリングエンジン上に集める一次ミラーを１つだけ利用する。しかしながら、この種のソーラーパワーデバイスは、効率がわずか約２８％となる大きな屈折損失を生じうる。別の種類の既存のソーラーパワーデバイスは、ガラス管の上に太陽放射線を集める放物面樋型を利用するもので、このガラス管の中には熱伝達流体がポンピングされて、ソーラーパワーデバイスは太陽放射線を塩蓄熱システム中に収集する。しかしながら、この種のソーラーパワーデバイスは、太陽放射線を熱伝達流体に伝達する間に大きな熱伝達損失を生じて効率を大きく低下させうる。

太陽光線からエネルギーを収集するための一又は複数の既存の装置及び／又は方法に付随する一又は複数の問題を低減するための装置及び／又は方法が必要である。

本発明の一態様では、集光型ソーラーパワーデバイスは、太陽光線からエネルギーを収集するための蓄熱装置と、一次ミラーと、二次ミラーとを備えることができる。一次ミラーは、太陽光線を二次ミラーに向かって反射することができる。二次ミラーは、太陽光線を蓄熱装置に向かって反射することができる。

本発明の別の態様では、太陽光線からエネルギーを収集する方法が提供される。一のステップにおいて、一次ミラーと、二次ミラーと、蓄熱装置とを備えるソーラーパワーデバイスを供給する。別のステップにおいて、太陽光線を一次ミラーから二次ミラーに向かって反射させる。また別のステップにおいて、一次ミラーから反射された太陽光線を、二次ミラーから蓄熱装置に向かって反射させる。また別のステップでは、二次ミラーから蓄熱装置に向かって反射された太陽光線を使用して、蓄熱装置によりエネルギーを収集する。

図１は、太陽光線を収集するための集光型ソーラーパワーデバイスの一実施形態の背面斜視図である。 図２は、図１の実施形態の集光型ソーラーパワーデバイスの前面斜視図である。 図３は、集光型ソーラーパワーデバイスから取り外された図１の実施形態の蓄熱装置の斜視図である。 図４は、太陽光線からエネルギーを収集する方法の一実施形態のフローチャートである。

以下の詳細な説明は、本発明を実行するために現在考えられる最善のモードである。本明細書の説明は、限定的なものではなく、本発明の一般的な理念を例示することのみを目的としており、本発明の範囲は特許請求の範囲に最もよく規定されている。

図１は、太陽１４からの太陽光線１２を収集するための集光型ソーラーパワーデバイス１０の一実施形態の背面斜視図である。図２は、図１の実施形態の集光型ソーラーパワーデバイス１０の前面斜視図である。図１及び２に示すように、本集光型ソーラーパワーデバイス１０は、一次ミラー１６、二次ミラー１８、蓄熱装置２０、及び回転式追跡フレーム２２を含むことができる。

一次ミラー１６は、アルミニウム、ポリマーコーティング、及び／又は別の種類の反射材料といったあらゆる種類の反射材料から作製することができる。一次ミラー１６は凹形状を有することができる。他の実施形態では、一次ミラー１６は他の形状及び／又は大きさを有することができる。一次ミラー１６の中央２６には開口２４を画定することができる。開口２４の直径は６インチとすることができる。他の実施形態では、開口２４の位置、大きさ、及び形状を変更することができる。一次ミラー１６は、太陽１４からの太陽光線１２を二次ミラー１８に向かって反射することができる。

二次ミラー１８は、一次ミラー１６より実質的に小さくてよく、一次ミラー１６の中央の開口２４と位置合わせされて且つ同開口から離間して位置することができる。スペーサー部材２５は、一次ミラー１６と、二次ミラー１８を取り付けることができるプレート２８との間に延びることができる。二次ミラー１８は、アルミニウム、ポリマーコーティング、及び／又は別の種類の反射材料といったあらゆる種類の反射材料から作製することができる。二次ミラー１８の形状はほぼ平坦である。他の実施形態では、二次ミラー１８は、一次ミラー１６とは異なる形状、大きさ、及び／又は位置を有してよい。二次ミラー１８は、一次ミラー１６によって二次ミラー１８に反射された太陽光線１２を、蓄熱装置２０に向かって反射することができる。

蓄熱装置２０は、二次ミラー１８によって蓄熱装置中に反射された太陽１４の太陽光線１２から、エネルギー２１を収集することができる。蓄熱装置２０は、一次ミラー１６の背面３０に取り付けることができ、一次ミラー１６の中央２６の開口２４の真後ろに位置合わせすることができる。

図３は、集光型ソーラーパワーデバイス１０から取り外された図１の実施形態の蓄熱装置２０の斜視図である。図示のように、蓄熱装置２０は、上面２３、側面３６、底面３８、及び内部４６を有する絶縁されたハウジング３２を備えることができる。説明を助けるために、底面３８は側面３６から切り離して図示されている。しかしながら、使用時には、上面３４、側面３６、及び底面３８は互いに対して取り付けられて、絶縁された内部４６を提供する。上面３４は、図１及び２に示すように、一次ミラー１６の中央２６の開口２４の真後ろに位置合わせされたレンズを含むことができる。このレンズは、太陽光線１２を、方向４１に進ませるが、方向４３には進ませない高透過合わせガラス（low iron glass）組成物から作製することができる。他の実施形態では、このレンズは種々の材料から作製することができる。図１〜３に示すように、二次ミラー１８は、一次ミラー１６によって二次ミラー１８に反射された太陽光線を、一次ミラー１６の開口２４を通して蓄熱装置２０に向かって、そして蓄熱装置２０の絶縁ハウジング３２の内部４６へと、反射することができる。図１に示すように、回転式追跡フレーム２２は、一次ミラー１６に装着され且つ間接的に二次ミラー１８に装着されて太陽１４を追跡し、一次ミラー１６と二次ミラー１８とを、日中可能な限り多くの太陽光線１２を反射できる最良の位置に継続して位置させることができる。

蓄熱材５０は、装着された上面３４、側面３６、及び底面３８の間の絶縁されたハウジング３２の内部４６の中に配置される、及び／又は同内部４６を満たすことができる。蓄熱材５０は、絶縁されたハウジング３２の内部４６中に反射された太陽１４の太陽光線１２からエネルギー２１を収集／吸収することができる。蓄熱材５０は、塩（硝酸ナトリウム及びカリウム）、黒鉛、炭素、溶融炭酸塩、及び／又はシリコン砂を含むことができる。他の実施形態では、蓄熱材５０は、絶縁されたハウジング３２の内部４６中に反射された太陽１４の太陽光線１２から、エネルギー２１を収集／吸収するあらゆる種類の熱蓄積吸収材料を含むことができる。

複数のスターリングエンジン４２は、側面３６に設けられた穴４４から、絶縁されたハウジング３２の内部４６中に延びることができる。各スターリングエンジン４２は、シリンダー４９内部に熱媒体４８を含むことができる。シリンダー４９内の熱媒体４８は、絶縁されたハウジング３２の内部４６で蓄熱材５０が太陽１４の太陽光線１２からエネルギー２１を収集／吸収するとき、蓄熱材５０からの熱伝達により加熱されうる。熱媒体４８は、水素又はヘリウムを含むことができる。他の実施形態では、熱媒体４８は他の材料を含むことができる。

コイル５２は、底面３８の穴５１を通って、絶縁されたハウジング３２の内部４６へと延びることができる。コイル５２は、装着されてハウジング３２の内部４６を形成する上面３４、側面３６、及び底面３８の間の、絶縁されたハウジング３２の内部４６内の蓄熱材５０によって覆われる。コイル５２は、リチウムブロマイドと水のような物質５３、及び／又は別の種類の物質を含有しうる。コイル５２及びコイル５２内部の物質５３は、絶縁されたハウジング３２の内部４６内において蓄熱材５０が太陽１４の太陽光線１２からエネルギー２１を収集／吸収するとき、蓄熱材からの熱伝達により加熱されうる。コイル５２は、ステンレス鋼及び／又は他の材料から作製することができる。コイル５２は、吸収冷凍発生器、ガス発生器、燃料電池、電気装置、機械装置、及び／又は別の種類のエネルギー蓄積又はエネルギー消費装置５４のうちの少なくとも一つからなるエネルギー蓄積又はエネルギー消費装置５４に取り付けることができる。コイル５２及びコイル５２内部の物質５３が蓄熱材５０からの熱伝達により熱くなると、エネルギー２１を使用してエネルギー蓄積又はエネルギー消費装置５４に動力を供給することができる。

本集光型ソーラーパワーデバイス１０は、いかなる熱伝達流体も、ポンプも、バルブも利用しない。これにより、流体、ポンプ、又はバルブを利用することにより熱伝達損失を招く他の既存のソーラーパワーデバイスよりも効率が上昇しうる。更に、本集光型ソーラーパワーデバイス１０の一次ミラー１６、二次ミラー１８、蓄熱装置２０、及び複数のスターリングエンジン４２の組み合わせにより、反射損失が低減することにより、一次ミラー式反射器の焦点において単一のスターリングエンジンを使用する他の既存のソーラーパワーデバイスよりも効率が上昇しうる。集光型ソーラーパワーデバイス１０は、１０時間以上の運転が可能でありうる。別の実施形態では、集光型ソーラーパワーデバイス１０は、１０〜１４時間の運転が可能でありうる。これは、５〜７時間の運転しか可能でない一又は複数の既存のソーラーパワーデバイスを大きく改善するものである。

図４は、太陽１４の太陽光線１２からエネルギー２１を収集する方法６０の一実施形態のフローチャートである。一のステップ６２では、一次ミラー１６、二次ミラー１８、及び蓄熱装置２０を備えたソーラーパワーデバイス１０を供給する。供給されたソーラーパワーデバイス１０は、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブのいずれも含まなくてよい。供給される一次ミラー１６は、供給される二次ミラー１８より実質的に大きなものにすることができる。二次ミラー１８は、一次ミラー１６の中央２６と位置合わせし且つ同中央２６から離間させることができる。供給された蓄熱装置２０は、供給された一次ミラー１６に取り付けることができる。このソーラーパワーデバイス１０の一次ミラー１６の中央２６には開口２４を画定することができ、供給される蓄熱装置２０のレンズは、この開口２４の真後ろに位置合わせされる。このレンズは高透過合わせガラス又は別の種類の材料から作製することができる。供給される蓄熱装置２０は、ハウジング３２の内部に蓄熱材５０を含むことができる。蓄熱材５０は、塩（硝酸ナトリウム及びカリウム）、黒鉛、炭素、溶融炭酸塩、シリコン砂、及び／又は別の種類の蓄熱材を含むことができる。

別のステップ６４では、供給された蓄熱装置２０を複数のスターリングエンジン４２に取り付ける。各スターリングエンジン４２は、水素、ヘリウム、又は別の材料を含む熱媒体４８を含むことができる。また別のステップ６６では、吸収冷凍発生器、ガス発生器、燃料電池、電気装置、機械装置、及び／又は別の種類のエネルギー蓄積又はエネルギー消費装置５４のうちの少なくとも一つから構成されるエネルギー蓄積又はエネルギー消費装置の蓄熱装置２０内部のコイル５２に、供給された蓄熱装置２０を取り付けることができる。

別のステップ６８では、太陽１４の太陽光線１２を一次ミラー１６から二次ミラー１８に向かって反射させる。また別のステップ７０では、一次ミラー１６から反射された太陽光線１２を、二次ミラー１８から蓄熱装置２０に向かって反射させる。また別のステップ７２では、二次ミラー１８から蓄熱装置２０に向かって反射された太陽光線１２を使用して、蓄熱装置２０によってエネルギー２１を収集する。ステップ７２の間に、蓄熱装置５０の蓄熱材５０は、太陽光線１２を吸収してエネルギー２１を蓄積することができる。

ステップ７４では、蓄熱装置２０によって収集したエネルギー２１を使用して複数のスターリングエンジン４２を稼動させる。ステップ７６では、蓄熱装置２０は、収集したエネルギー２１を使用して、エネルギー蓄積又はエネルギー消費装置５４に動力を供給する。ステップ７８では、ソーラーパワーデバイス１０は、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブを持たないことによって、及び／又は反射損失を低減させることによって、効率を上昇させる。また別のステップ８０では、供給されたソーラーパワーデバイス１０は、１０時間以上稼動することができる。

本発明の一又は複数の実施形態は、流体、ポンプ、又はバルブを利用する結果熱伝達損失を招く他の既存のソーラーパワーデバイス又は使用方法と比較して、効率を改善することができる。本発明の一又は複数の実施形態では、反射損失を低減させる結果、一次ミラー反射器の焦点において単一のスターリングエンジンを利用しうる既存の他のソーラーパワーデバイス又は使用方法より効率が上昇しうる。本発明の一又は複数の実施形態は１０時間以上の稼動が可能であり、これは５〜７時間しか稼動できない一又は複数の既存のソーラーパワーデバイスの実質的な改良である。

言うまでもなく、上述の説明は本発明の例示的実施形態に関するものであり、特許請求の範囲に規定される本発明の理念及び範囲から逸脱することなく、変更を加えることが可能である。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
太陽光線からエネルギーを収集するための蓄熱装置、
一次ミラー、及び
二次ミラー
を備えた集光型ソーラーパワーデバイスであって、一次ミラーは二次ミラーに向かって太陽光線を反射し、二次ミラーは蓄熱装置に向かって太陽光線を反射する、ソーラーパワーデバイス。
（態様２）
蓄熱装置がハウジング内部に蓄熱材を含んでおり、この蓄熱材が太陽光線を吸収してエネルギーを蓄積する、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様３）
蓄熱材が、塩（硝酸ナトリウム及びカリウム）、黒鉛、炭素、溶融炭酸塩、及び／又はシリコン砂のうちの少なくとも一つを含んでいる、態様２に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様４）
蓄熱装置が一次ミラーに取り付けられている、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様５）
一次ミラーの中央に開口が画定されており、蓄熱装置のレンズがこの開口の真後ろに位置合わせされている、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様６）
レンズが高透過合わせガラス組成物から作製されている、態様５に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様７）
一次ミラーが二次ミラーより実質的に大きく、二次ミラーが一次ミラーの中央に位置合わせされて且つ一次ミラーの中央から離間している、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様８）
蓄熱装置が複数のスターリングエンジンに取り付けられるように構成されている、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様９）
スターリングエンジンの各々が、水素及びヘリウムのうちの少なくとも一つを含む熱媒体を含んでいる、態様８に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１０）
蓄熱装置が、吸収冷凍発生器、ガス発生器、燃料電池、電気装置、及び機械装置のうちの少なくとも一つの蓄熱装置内部のコイルに取り付けられるように構成されている、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１１）
蓄熱装置によって収集されたエネルギーは、前記吸収冷凍発生器、前記ガス発生器、前記燃料電池、前記電気装置、及び前記機械装置のうちの少なくとも一つに動力を供給する、態様１０に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１２）
熱伝達流体、ポンプ、又はバルブのいずれをも使用しない、態様１に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１３）
熱伝達流体、ポンプ、又はバルブを持たないことと、反射損失を低減させることとにより、効率を上昇させる、態様１２に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１４）
１０時間以上の稼動が可能である、態様１３に記載のソーラーパワーデバイス。
（態様１５）
太陽光線からエネルギーを収集する方法であって、
一次ミラー、二次ミラー、及び蓄熱装置を備えたソーラーパワーデバイスを供給すること、
一次ミラーから二次ミラーに向かって太陽光線を反射させること、
一次ミラーから反射された太陽光線を、二次ミラーから蓄熱装置に向かって反射させること、及び
二次ミラーから蓄熱装置に向かって反射された太陽光線を使用して、蓄熱装置によりエネルギーを収集すること
を含む方法。
（態様１６）
供給された蓄熱装置が、ハウジング内部に配置された蓄熱材を更に備え、収集するステップの間に、蓄熱材が太陽光線を吸収してエネルギーを蓄積する、態様１５に記載の方法。
（態様１７）
蓄熱材が、塩（硝酸ナトリウム及びカリウム）、黒鉛、炭素、溶融炭酸塩、及び／又はシリコン砂のうちの少なくとも一つを含んでいる、態様１６に記載の方法。
（態様１８）
供給された蓄積装置が、供給された一次ミラーに取り付けられる、態様１５に記載の方法。
（態様１９）
供給されたソーラーパワーデバイスの一次ミラーの中央に開口が画定され、供給された蓄熱装置のレンズがこの開口の真後ろに位置合わせされる、態様１５に記載の方法。
（態様２０）
レンズが高透過合わせガラスから作製される、態様１９に記載の方法。
（態様２１）
供給された一次ミラーが供給された二次ミラーより実質的に大きく、供給された二次ミラーが供給された一次ミラーの中央に位置合わせされて且つ一次ミラーの中央から離間している、態様１５に記載の方法。
（態様２２）
供給された蓄熱装置を複数のスターリングエンジンに取り付けるステップ、及び蓄熱装置によって収集されたエネルギーを使用して複数のスターリングエンジンを稼動させるステップを更に含む、態様１５に記載の方法。
（態様２３）
複数のスターリングエンジンの各々が、水素及びヘリウムのうちの少なくとも一つを含む熱媒体を含む、態様２２に記載の方法。
（態様２４）
吸収冷凍発生液、ガス発生器、燃料電池、電気装置、及び機械装置のうちの少なくとも一つの蓄熱装置内部のコイルに、供給された蓄熱装置を取り付けるステップを更に含む、態様１５に記載の方法。
（態様２５）
前記収集したエネルギーを使用して、蓄熱装置が、前記吸収冷凍発生器、前記ガス発生器、前記燃料電池、前記電気装置、及び前記機械装置のうちの少なくとも一つに動力を供給するステップを更に含む、態様２４に記載の方法。
（態様２６）
供給されたソーラーパワーデバイスが、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブのいずれをも含まない、態様１５に記載の方法。
（態様２７）
供給されたソーラーパワーデバイスが、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブを持たないことと、反射損失を低減させることとによって、効率を上昇させるステップを更に含む、態様２６に記載の方法。
（態様２８）
供給されたソーラーパワーデバイスが１０時間以上稼動するステップを更に含む、態様２７に記載の方法。

Claims (17)

1. ハウジングと、太陽光線からエネルギーを収集するための、固形材料からなる蓄熱材とを含む蓄熱装置、
   一次ミラー、
   二次ミラーであって、一次ミラーは二次ミラーに向かって太陽光線を反射し、二次ミラーは蓄熱装置のハウジングの上面に向かって太陽光線を反射する、二次ミラー、及び
   蓄熱装置に取り付けられ、蓄熱材と熱的に接触する複数のスターリングエンジンであって、蓄熱装置のハウジングの側面に設けられた穴から蓄熱装置のハウジング内部に延びる複数のスターリングエンジン、
   を備えるソーラーパワーデバイス。
2. 蓄熱材がハウジング内部に配置され、この蓄熱材が太陽光線を吸収してエネルギーを蓄積する、請求項１に記載のソーラーパワーデバイス。
3. 蓄熱装置が一次ミラーに取り付けられている、請求項１又は２に記載のソーラーパワーデバイス。
4. 一次ミラーはその中央に開口が画定されており、蓄熱装置のレンズがこの開口の真後ろに位置合わせされている、請求項１から３のいずれか一項に記載のソーラーパワーデバイス。
5. 一次ミラーが二次ミラーより実質的に大きく、二次ミラーが一次ミラーの中央に位置合わせされて且つ一次ミラーの中央から離間している、請求項１から４のいずれか一項に記載のソーラーパワーデバイス。
6. スターリングエンジンの各々が、水素及びヘリウムのうちの少なくとも一つを含む熱媒体を含んでいる、請求項１から５のいずれか一項に記載のソーラーパワーデバイス。
7. 蓄熱装置が、吸収冷凍発生器、ガス発生器、燃料電池、電気装置、及び機械装置のうちの少なくとも一つの蓄熱装置内部のコイルに取り付けられるように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のソーラーパワーデバイス。
8. 蓄熱装置によって収集されたエネルギーは、前記吸収冷凍発生器、前記ガス発生器、前記燃料電池、前記電気装置、及び前記機械装置のうちの少なくとも一つに動力を供給する、請求項７に記載のソーラーパワーデバイス。
9. 熱伝達流体、ポンプ、又はバルブのいずれをも使用しない、請求項１から８のいずれか一項に記載のソーラーパワーデバイス。
10. 太陽光線からエネルギーを収集する方法であって、
    一次ミラー、二次ミラー、ハウジングと固形材料からなる蓄熱材とを含む蓄熱装置、及び蓄熱装置に取り付けられ、蓄熱材と熱的に接触する複数のスターリングエンジンであって、蓄熱装置のハウジングの側面に設けられた穴から蓄熱装置のハウジングの内部に延びる複数のスターリングエンジン、を備えたソーラーパワーデバイスを供給すること、
    一次ミラーから二次ミラーに向かって太陽光線を反射させること、
    一次ミラーから反射された太陽光線を、二次ミラーから蓄熱装置のハウジングの上面に向かって反射させること、
    二次ミラーから蓄熱装置のハウジングの上面に向かって反射された太陽光線を使用して、蓄熱装置の蓄熱材によりエネルギーを収集すること、及び
    蓄熱材から伝達される熱エネルギーを用いて複数のスターリングエンジンを稼働させること、
    を含む方法。
11. 供給された蓄熱装置が、ハウジング内部に配置された蓄熱材を更に備え、収集するステップの間に、蓄熱材が太陽光線を吸収してエネルギーを蓄積する、請求項１０に記載の方法。
12. 供給された蓄積装置が、供給された一次ミラーに取り付けられる、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 吸収冷凍発生液、ガス発生器、燃料電池、電気装置、及び機械装置のうちの少なくとも一つの蓄熱装置内部のコイルに、供給された蓄熱装置を取り付けるステップを更に含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記収集したエネルギーを使用して、蓄熱装置が、前記吸収冷凍発生器、前記ガス発生器、前記燃料電池、前記電気装置、及び前記機械装置のうちの少なくとも一つに動力を供給するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 供給されたソーラーパワーデバイスが、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブのいずれをも含まない、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 供給されたソーラーパワーデバイスが、熱伝達流体、ポンプ、又はバルブを持たないことと、熱伝達損失を低減させることとによって、効率を上昇させるステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 供給されたソーラーパワーデバイスが１０時間以上稼動するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。

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