JP5869284B2

JP5869284B2 - 太陽熱コレクター

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Publication number: JP5869284B2
Application number: JP2011220552A
Authority: JP
Inventors: 博久保田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-10-04
Also published as: JP2013079768A

Description

本発明は、太陽熱コレクターに関する。

近年、地球温暖化が深刻な状態となっていることが判明している。この原因は、人類の活動によって温室効果のある二酸化炭素が急激に増加したためと考えられている。更に、平成２３年３月１１日に発生した大地震と大津波による福島第一原子力発電所の爆発と放射能汚染という未曾有の大事故が発生したことから、環境負荷のない再生可能エネルギーなどの太陽由来の新エネルギー開発に拍車がかかっている。

その一つに太陽光発電があるが、一般に市販されている太陽電池の変換効率は１０％台でまだ低いままである。こうした中で量子ドット太陽電池、或いは多接合型太陽電池の場合は理論効率が６０％を超えると見られているが、まだ研究段階であり一般に普及するまでにはかなりの年数がかかると予測されている。そこで、従来から行われてきている太陽熱発電が最近の再生可能エネルギー研究の中で見直されてきている。

太陽熱発電の種類には様々な形があり、トラフ型、タワー型、フレネル型、ディッシュ型などがある。それぞれに長所短所がある。トラフ型は樋状の曲面鏡を用いて集熱パイプに太陽光を集中させることで摂氏４００度近くまで加熱することが出来るもので、集熱パイプ内の液体を蒸気に替えてタービンを回して発電する。タワー型は地面に置かれた鏡を多数枚用いて、タワー上部に置かれてある集熱器に光を当てるが、太陽の動きを精密に追尾する必要があるため大掛かりな装置が必要となる。フレネル型は地面に寝かせた複数枚の鏡で、上方にある集熱パイプに集光して加熱することで蒸気を発生させる。鏡を頻繁に動かす必要がないという長所がある。ディッシュ型は放物曲面状の鏡を利用してスターリングエンジン、ボイラーなどに太陽光を集中させることにより発電するものであるが、かなり大掛かりで太陽追尾も精密さが求められ、追尾架台７に太陽光反射鏡を乗せて、太陽の位置を太陽センサーで感知して、太陽高度に合わせて傾動させるとともに太陽の方位角を感知して旋回させることで、より精密な太陽追尾を行っている。これら太陽熱発電装置の設置場所としては出来るだけ赤道に近いところで乾燥した砂漠のような場所が最適ではあるが、日本においてはそのような場所は存在せず、また広い土地が必要となるためと、湿気が多いため超大型の太陽熱発電は集熱効果が低くなり不向きであると言われている。

しかしながら、最近の電力不足を考え合わせると、太陽熱エネルギーは依然として魅力のあるエネルギーと言える。そして、視点を変えて考えてみると、超大型ではなく家庭の屋根の上に設置する太陽熱温水器などのような小型の太陽熱コレクターであれば、太陽光発電とともに家庭に設置出来る新エネルギー源としては将来性があると期待されている。特に太陽熱エネルギーの場合は、太陽光発電と比較すると約３倍のエネルギー効率になると言われている。

しかし、従来の太陽熱温水器などの太陽熱コレクターは屋根に設置するため、一戸建ての家でしか使用することが出来ず、また多くの面積を必要とする。そこで、太陽熱エネルギーをもっと簡便にどこの家でも、また、マンションのベランダなどでも利用出来ないか開発が望まれている。

特許公開２０１１−８７４１６特許公開２０１１−７４５９

解決しようとする問題点は、従来の太陽熱コレクターは、広い設置面積が必要であるため、従来は、一戸建ての屋根など限られた場所でしか設置出来なかった。このため狭い場所にも設置することの出来る太陽熱コレクターが求められていた。本発明は、従来利用されていなかったマンションのベランダ、あるいは住宅の庭先などの狭い場所でも利用可能な設置面積を極力少なく出来る太陽熱コレクターの提供を課題とする。

以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、トラフ型曲面鏡、集熱パイプ、接続パイプ、作動流体、取付具、太陽方位角回動装置、太陽高度回動装置、追尾架台、太陽追尾装置、太陽センサー、バランサー、クランプからなる群の中から選択される少なくともトラフ型曲面鏡と集熱パイプを含めた５以上を主たる構成要素とし、前記トラフ型曲面鏡を仰角０度から９０度の範囲の中から選択された角度で前記追尾架台に設けた太陽熱コレクターにおいて、前記トラフ型曲面鏡の底部に底部反射鏡を加えて設けたことを特徴とする太陽熱コレクター。

本発明においては、トラフ型曲面鏡を仰角０度、つまり垂直に設置することにより、軽量、コンパクトにすることが出来るため、小面積設置が可能となり、従来は設置出来なかったマンションのベランダなどにも簡単に設置可能という利点がある。かつ安価に製造出来るという利点がある。なお、前記回動軸を垂直で使用するだけでなく傾斜させての使用も可能である。また、トラフ型曲面鏡であることから、太陽高度に対する傾動はその制御頻度を最小限にすることが出来、手動での太陽仰角制御で充分である。更に、太陽方位角に対する回動制御は、太陽追尾装置を使用して、東から西方向への太陽追尾するだけで充分なので、一般的な対太陽高度傾動及び方位角回動の２軸制御は必要とせず、方位角回動の１軸制御だけでも良いという利点がある。

本発明の太陽熱コレクターの一実施例の説明図である。（実施例１）図１の一実施例の説明図である。図１の一実施例の説明図である。図１の一実施例の説明図である。本発明の太陽熱コレクターの一実施例の説明図である。（実施例５）本発明の太陽熱コレクターの一実施例の説明図である。（実施例６）

本発明の太陽熱コレクターは、従来の太陽熱コレクターが利用していなかったマンションのベランダなど狭い場所にも設置出来るようにするという目的を、簡便にしかも安価に最小品点数により実現した。

図１は、本発明の一実施例である。
図１中、１はトラフ型曲面鏡、２は底部反射鏡、３は集熱パイプ、４は接続パイプ、５は作動流体、６は焦点、７は追尾架台、８は取付具、９は太陽方位角回動装置、１０はプーリー、１１はベルト、１２はボールベアリング、１３は太陽追尾装置、１４は太陽センサー、１５は電線、１６は駆動モーター、２１はねじである。
トラフ型曲面鏡１をその直線状焦点６が垂直となるように立て、トラフ型曲面鏡１の底部に底部反射鏡２を設けて追尾架台７に設け、トラフ型曲面鏡１の直線状焦点６の位置に集熱パイプ３を設け、集熱パイプ３の両端にそれぞれ接続パイプ４を設け、集熱パイプ３と接続パイプ４の内部に作動流体５を流すよう配置し、直線状焦点６と直角をなす面を回動する太陽方位角回動装置９を設け、太陽方位角回動装置９を構成するボールベアリング１２でスムーズに太陽方位角回動装置９が回動するように設け、太陽追尾装置１３を構成する太陽センサー１４、電線１５、駆動モーター１６を設け、駆動モーター１６にプーリー１０を設け、プーリー１０にベルト１１を設け、太陽センサー１４で太陽位置方位角を感知して東西方向の回動を自動制御するよう装置して、追尾架台７に取付具８のねじ２１を設け、マンションベランダのフェンスなどに設置する。
本実施例においては、トラフ型曲面鏡１を仰角０度、つまりトラフ型曲面鏡１を垂直に立てた形で、トラフ型曲面鏡１の底部に底部反射鏡２を設けてあるが、この形状が設置面積を最小にする。
この場合、太陽高度によって垂直に立てたトラフ型曲面鏡に太陽光が当たる角度は異なるが、本実施例にあるように直線状の焦点６に位置して設置した集熱パイプ３の直径が太いため、いずれの太陽角度を選択した場合もトラフ型曲面鏡１に当たった太陽光は焦点６に位置する集熱パイプ３に焦点６を結ぶ。このとき、トラフ型曲面鏡１の最上部に当たった太陽光は全て焦点６に集まるが、トラフ型曲面鏡１の一番下に太陽光が当たった場合は、一旦、底部反射鏡２に当たった後に焦点６である集熱パイプ３に当たり集熱パイプ３を加熱するとともに、集熱パイプ３の内部に流してある作動流体５を加熱する。加熱された作動流体５を太陽熱利用機器に接続パイプ４を接続して流し、様々な太陽熱の利用を図る。なお、作動流体５としては冷媒、水、オイル、気体、超臨界流体の中から選択されるものを用いるが、太陽熱利用機器によって最良の作動流体５を選択して使用する。例えば、太陽利用機器を太陽熱温水器としてのみで使用する場合には、作動流体として水を使用することになる。太陽熱を一旦蓄熱装置に繋いで夜間も利用したい場合には作動流体５としてオイルを使用して、オイルに太陽熱を集熱吸収させて蓄熱装置で蓄熱させてから夜間に熱交換機で水と熱交換を行って水蒸気にして夜間にタービン発電機を稼動させて発電も出来、更にその水蒸気を覆水器で水に戻し給湯器に流して利用することも可能である。さらに、蓄熱装置と、作動流体５として冷媒を使用してヒートポンプをつなぐことにより、一日中熱い湯水を使用することも可能となる。そして、もちろん、トラフ型曲面鏡１を本実施例のように垂直でなくとも、トラフ型曲面鏡１を仰角０度から９０度までの範囲から選択された角度をつけて追尾架台７に取り付けた形態でも良い。設置地域によって最適な設置角度が考えられるので、地域に合った設置角度を用いるのが良い。これにより、最高効率的に太陽光熱を吸収することが可能となる。また、太陽追尾装置１３は、太陽センサー１４、電線１５、駆動モーター１６からなり、太陽が東から昇り西に落ちるまでを太陽センサー１４が太陽方位角を感知して電線１５を介して駆動モーター１６に伝えられ、駆動モーター１６がトラフ型曲面鏡１を太陽に自動的に向け続ける働きをする。

図２は、本発明の一実施例である。図２中、１〜１６と２１は図１と同様である。１７は太陽高度回動装置、１８は蝶番、１９は保持棒、２１はねじ、２２は穴である。図２は、図１の実施例でトラフ型曲面鏡１を仰角０度、つまりトラフ型曲面鏡１を垂直に立てた形で、トラフ型曲面鏡１の底部に底部反射鏡２を設けたが、本実施例においては、トラフ型曲面鏡１を仰角０度から９０度まで太陽高度に合わせて傾動させるための太陽高度回動装置１７を設けたものである。太陽高度回動装置１７は、穴２２、ねじ２１、蝶番１８、保持棒１９から構成され、取付具８と追尾架台７のそれぞれの上部を蝶番１８で蝶着し、更に追尾架台７下部と保持棒１９を蝶番１８で蝶着し、前記保持棒１９を取付具８下部に空けた穴２２に通し、ねじ２１で止めたものである。日本において太陽高度は、夏場に仰角７０度以上であるものが冬場には同３０度前後となる。この太陽高度に合わせて本実施例の太陽熱コレクターを傾動させる太陽高度回動装置１７を手動で適切な角度となるようにセットする。この操作方法は極めて簡単であって、図２の取付具８下部のねじ２１を緩めて穴２２に通してある保持棒１９を動かした後に再度前記ねじ２１を締めるだけで良い。本発明は、トラフ型曲面鏡１を縦に配置したものであることから太陽高度が変化したとしても太陽熱集熱能力に大きな熱損失はないが、前記操作をすることによって更に太陽熱集熱効率が上がる。ただ、この操作は頻繁に行う必要はなく、数日或いは数週間に一回の操作でも何ら構わない。

図３は、本発明の一実施例である。図３中、図２の１〜１９、２１、２２と同様である。蝶番１８と保持棒１９とねじ２１と穴２２の取り付け位置を変えたもので、保持棒１９と追尾架台７上部を蝶番１８で蝶着し、取付具８と追尾架台７中央部とを蝶番１８で蝶着し、取付具８の一部に開けた穴２２に保持棒１９を通してねじ２１で固定するものである。本実施例においては、操作がし易く、ベランダに本実施例を配置した際にはしゃがんだりせずに操作が手元で出来、楽であるという利点がある。

図４は、本発明の一実施例である。図４中、１〜１７と２１は図３と同様である。２０はバランサーである。図４は、図１の追尾架台７の上下の取付具８を取り、代わりに太陽高度回動装置１７として、追尾架台７の中央にねじ２１を取り付けて回動自在とし、取付具８を設けたものである。本実施例は、図３と同様に簡単に太陽高度に合わせて適正な位置に修正して止めることが出来、バランサー２０をねじ２１に通して回して移動させることによって安定させることが可能で取付具８に無理な力が掛からないという利点がをある。また、本実施例の場合も、ベランダなどに本実施例を設置すると楽に操作が可能である。

図５は、本発明の一実施例である。図５中、図４の１〜１７と２０、２１と同様である。図５は、図４と比較すると、追尾架台７中央部のねじ２１に代えて太陽高度回動装置１７を追尾架台７に設ける。また、前記太陽高度回動装置１７には、太陽センサー１４、電線１５、駆動モーター１６からなる太陽追尾装置１３を設け、これにより太陽高度回動装置１７を駆動するよう配置するが、太陽方位角回動装置で使用している太陽センサー１４を共有して使用出来るよう配置している。本実施例のように装置を配置すると、図１〜図４において考慮しなかった太陽高度についても太陽追尾を自動制御することが可能となる。

図６は、本発明の一実施例である。図５中、１〜１６と２１は図１と同様である。１８は蝶番、２３はクランプである。本実施例はフェンスなどの構築物、庭先、ベランダなどに置かれた垂直ポールなどに取り付けることの出来るクランプ２３を取付具８として設けている。本実施例により、ごく簡単に本実施例を設置して使用可能である。

本発明の太陽熱コレクターは、従来、広い設置面積が必要であったトラフ型太陽熱コレクターに比較して設置面積が小さいことから災害時、あるいはキャンプにおいての発電、給湯などの用途にも適用出来る。

１トラフ型曲面鏡
２底部反射鏡
３集熱パイプ
４接続パイプ
５作動流体
６焦点
７追尾架台
８取付具
９太陽方位角回動装置
１０プーリー
１１ベルト
１２ボールベアリング
１３太陽追尾装置
１４太陽センサー
１５電線
１６駆動モーター
１７太陽高度回動装置
１８蝶番
１９保持棒
２０バランサー
２１ねじ
２２穴
２３クランプ

Claims

トラフ型曲面鏡、集熱パイプ、接続パイプ、作動流体、取付具、太陽方位角回動装置、太陽高度回動装置、追尾架台、太陽追尾装置、太陽センサー、バランサー、クランプからなる群の中から選択される少なくともトラフ型曲面鏡と集熱パイプを含めた５以上を主たる構成要素とし、前記トラフ型曲面鏡を仰角０度から９０度の範囲の中から選択された角度で前記追尾架台に設けた太陽熱コレクターにおいて、前記トラフ型曲面鏡の底部に底部反射鏡を加えて設けたことを特徴とする太陽熱コレクター。