JP6083812B2 - 太陽エネルギー吸収ユニット、およびこれを収容する太陽エネルギー装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽エネルギー吸収装置に関する。本発明は、より詳細には、太陽光によって直接加熱され、装置から熱エネルギーを抽出するのに用いる流体を加熱する、太陽エネルギーコレクターを使用する、光起電性よりはむしろ、熱的な太陽エネルギー吸収装置に関する。

この種類の太陽エネルギー吸収装置は、一般に、建物の屋根上または太陽光を一日のうちの相当な時間直接受けるように選択された他の有利な位置に備え付けることができるような比較的薄いパネルの形態で製造される。パネルは、一般に、好ましくは熱損失を防ぐように断熱する金属、木材またはプラスチックから形成された残留物を含むような、通常ではガラスまたは透明プラスチック材料から形成された透明壁を有する薄い平坦な箱からなる。箱は透明壁から数センチメートル離れて配置された平板状の太陽エネルギーコレクターを収容し、このコレクターの前面は、黒に色付けされているか、入射する太陽光を吸収してそれを熱に変換するように特別にコーティングされている。その結果生成された熱は、熱抽出流体、通常では水性液体、例えば、水または水とプロピレングリコール（不凍剤）との混合体が通って流れるように蛇行型に配置された（通常銅から形成される）金属チューブを通ってコレクタープレートの裏面から抽出される。通常の条件下では、熱抽出流体の温度は、コレクタープレートから金属チューブへの熱的エネルギーの移動に起因して１００℃にも達することがある。得られるエネルギー量は、コレクタープレートのサイズ、入射する太陽光の強度、および注意深く設計しないと不要な熱損失を招きかねない装置の全体構造に応じて決まる。コレクターのサイズは、通常、操作性および特に、装置の屋根上への備え付けが意図され、それ故それが目立つ場合には美観を考慮して制限される。熱損失を最小限に抑えるために、そのような装置は、一般に、先に述べたように断熱され、箱は、通常、対流熱損失を防ぎ、気候の悪影響から吸収体の外面を保護するために閉じて密閉される。それ故に、使用中、静止空気がブランケット効果を与えて箱内部の熱を上昇させる。

コレクタープレートは、前面に集まった熱を、パネルを通して、そこから熱を抽出する裏面に簡単に案内するために、それ自体が良好な熱伝導率を有する必要がある。この理由のため、パネルは、通常、熱伝導性金属、例えば、アルミニウム、銅またはこれらの金属の合金から形成される。一般に、蛇行型の金属チューブがコレクタープレートの裏面に直接取り付けられる。この取り付けには、種々の方法、例えば、物理的形成、レーザーもしくは超音波溶接、またははんだ付けを用いることができる。（良好な結合を作り出す）レーザー溶接を行う場合には、レーザー溶接可能な保護層を板の後側に提供してもよい。これにより板が保護され、溶接プロセスがより容易になる。しかしながら、多くの場合に、コストを低減するために、金属チューブとコレクタープレートとの接続には不連続溶接（すなわち、いわゆるスティッチ溶接）が用いられる。それ故、チューブは、間隔を介して板にのみ取り付けられ、溶接ビードが金属チューブの全長には沿って延びない。これにより、熱的エネルギーの移動中に効率損失が生じ、実際には、溶接ビードが金属チューブ全体に沿って伸長する場合でさえも、チューブの取り付けに用いる溶接が大いにエネルギー効率の良いものとはならない。コレクタープレートの全表面積と比較して接触面積が大きく制限される場合に加えて、溶接を形成する材料が良好な熱伝導率を有しない場合でも、その内部に収容されている熱抽出流体を加熱する前に、熱は金属チューブの壁を通り抜ける必要がある。

この種類の太陽装置は、可能な限りメンテナンス不要であり、かつ寿命が長くなるように設計される。装置は、日常のメンテナンスが要求されるあらゆる可動部品は含まないが、熱抽出流体の悪影響に起因して腐食が生じることがある。不運にも、ソーラーコレクターまたは熱除去チューブの組み立てが容易な良好な強度および性質を有する材料は、腐食には良好な耐性を有さない。これを解消するために、熱抽出流体の搬送に用いられるチューブまたはチャネルの内面を、耐食材料、例えば、金属酸化物、または犠牲合金の層を有するクラッド金属面を用いてコーティングする試みがなされてきた。そのような手法は、例えば、１９７９年１２月１８日にＪａｍｅｓ Ｍ．Ｐｏｐｐｌｅｗｅｌｌに発行された米国特許第４，１７８，９９０号に記載されている。しかしながら、金属酸化物を用いたコーティングは、孔食の完全な防止には不十分であることが見出された。また、クラッド金属（例えば、アルミニウム−亜鉛合金を有するアルミニウムクラッド）の使用は、２つの合わせ板を共に接着する必要があるという事実に起因して、複雑かつ高費用であることも見出された。保護用のクラッディング層が腐食によって急速に消耗して保護されていないコア表面を露出するため、それが限られた保護しか提供せず、接合部に腐食が生じ、その結果、接合界面に沿った侵食および熱移動流体の漏出が起こることも見出された。Ｐｏｐｐｌｅｗｅｌｌは、そのような流体がソーラーコレクター機構を通り抜ける前に、腐食性金属イオンに、そのイオンが熱交換流体から除去されるようにそれに高親和性を有するゲッター物質を提供することを推奨した。

１９７７年１２月１３日にＧｅｒａｌｄ Ｃ．Ｒｅｅｄに発行された米国特許第４，０６２，３５０号には、ステンレス鋼から形成されたベースシートと、銅でコーティングされた少なくとも一つの表面を有する、ステンレス鋼から形成された吸収体シートとを有する太陽光吸収体が記載されている。ステンレス鋼を使用すると、ソーラーコレクター装置が非常に重くなる場合がある。その特許権所有者は、そのような装置にアルミニウムの使用を勧めていない。この理由は、アルミニウムは、標準的な水道水に触れると腐食し易く、プール水に触れる場合にはなおさら腐食を受けやすいからである。その良好な熱伝導率および耐食性を理由として銅を使用するのもよいが、特許権所有者は、銅のコストが比較的高く、それが将来的に不足する可能性のある金属であることを指摘している。

１９８１年１０月６日にＨａｒｏｌｄ Ｗ．Ｓｍｉｔｈに発行された米国特許第４，２９２，９５５号には、高耐食性および高伝熱性を有する金属、例えば、銅から形成されると言われている太陽エネルギーコレクターが開示されている。

２００７年７月２５日に欧州特許公開第１８１１２４５号として公開された欧州特許出願第０７１００５６３．１号には、２個のアルミニウムシートから形成されたソーラーコレクター構造物が記載されている。第一のアルミニウムシートは、放射線吸収コーティングでコーティングされている吸収板である。第二のアルミニウムシート、下部シートは、スタンピングから成り、冷却流体が通って流れるチャネルの形成を支援する。吸収板とスタンプ前の下部シートとは、はんだ付けによって結合して閉じたチャネルを形成する。とりわけ、アルミニウム協会の３ＸＸＸ系の合金を用いることが提案されている。

構造物における材料の腐食を最小限に抑えつつ、良好な熱抽出効率を得ることができるような、この種類の装置のための改善された構造が要求されている。

本発明の例示的な実施態様は、太陽エネルギー吸収ユニットを提供する。このユニットは熱伝導性材料から形成されるコレクタープレートを含み、この板は、太陽エネルギーを吸収し、太陽エネルギーを熱に変換するように構成されている前面と、前面と反対側の裏面とを有する。このユニットは、内面および外面を有する後面パネルを含み、その内面は、流体密接合によってコレクタープレートの裏面の一部分に取り付けられている。この取り付けによって、パネルの内面とコレクタープレートの裏面とは、共に、パネルが取り付けられている板の裏面の一部分同士の間（すなわち、それらの境界線の内側）に少なくとも一つの流体搬送チャネルを画定する。このユニットは、熱抽出流体を少なくとも一つのチャネルに案内し、そこから流体を除去するためのコネクタも含む。コレクタープレートは、板の裏面を形成するクラッド層を備えるアルミニウム合金のコア層を含む。このクラッド層は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、好ましくは０．４ｗ．％以下、より好ましくは０．３５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。なおも好ましくは、鉄の総含有量（存在する場合）は、０．２５重量％以下（すなわち、０〜０．２５重量％）である。それ故に、クラッド層の合金は高純度であり、大部分はアルミニウムを備える。

後面パネルは金属から形成されてもよいし、あるいは、後面パネルをコレクタープレートに取り付ける前でも後でも、流体搬送チャネルに対応する領域に凹面を形成するように後面パネルの内面を形作る場合には、プラスチックまたは複合材料などの材料から形成されてもよい。プラスチックまたは複合材料からなる後面パネルは、接着剤を使用してコレクタープレートに取り付けることができる。しかしながら、好ましくは、後面パネルは、パネルの内面を形成するクラッド層を備えるアルミニウム合金のコア層を有する金属パネルである。このクラッド層は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、好ましくは０．４ｗ．％以下、より好ましくは０．３５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。なおも好ましくは、鉄の総含有量（存在する場合）は、０．２５重量％以下である。

パネルが前述のような金属パネルである場合には、流体密接合は、好ましくは、結合する板の一部分におけるコレクタープレートのクラッド層と後面パネルとを共に圧延接合することによって形成されたものである。次に、圧力下で流体を導いて、板とパネルとの間の接合していないまたは接合が弱い一部分を膨張させることによって流体搬送チャネルを形成できる。圧延接合は、結果として金属のコレクタープレートと金属の裏板とが直接接触するため、その２つの間の良好な熱移動を可能にする。後面パネルをプラスチックまたは複合材料から作る場合には、結合する一部分に接着剤を塗布することによって流体密接合を形成でき、後面パネルの予め形形成された領域によって流体搬送チャネルを形成できる。

コレクタープレートは、板の前面を形成するコア層の反対側に更に別のクラッド層を有してもよい。この更に別のクラッド層は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、好ましくは０．４ｗ．％以下、より好ましくは０．３５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。同様に、後面パネルは、好ましくは、外面を形成するパネルのコア層の反対側に更に別のクラッド層を含む。この更に別のクラッド層は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、好ましくは０．４ｗ．％以下、より好ましくは０．３５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。

コレクタープレートの前面には、有利には、太陽エネルギー吸収を向上するように構成された粗面またはテクスチャード加工面が提供される。あるいは、前面に、太陽エネルギー吸収を向上するように構成された材料の層が提供されてもよい。

別の例示的な実施態様は、透明材料、例えば、ガラスまたはプラスチックから形成された前壁を有するエンクロージャを含む太陽エネルギー吸収装置を提供し、前述の種類の太陽エネルギー吸収ユニットがエンクロージャ内部に備え付けられる。

更に別の例示的な実施態様は、太陽エネルギー吸収ユニットを製造する方法を提供する。この方法は、熱伝導性材料から形成され、太陽エネルギーを吸収し、太陽エネルギーを熱に変換するように構成されている前面と、前面と反対側の裏面とを有するコレクタープレートと、内面および外面を有する後面パネルとを提供することを含む。後面パネルの内面またはコレクタープレートの裏面の部分は、流体搬送チャネルのパターンにおいて非接合インクでコーティングされる。パネルの内面のコーティングされていない一部分は圧延接合によって板の裏面の対応する一部分に取り付けられ、示されたパターンにおいて非接合領域または接合が弱い領域を残しつつ、それらの間に流体密接合を形成する。次に、非接合領域における板とパネルとの間に、圧力下で流体を導いて流体搬送チャネルを膨張させる。流体搬送チャネルにコネクタが提供され、このコネクタにより、熱抽出流体をチャネルに案内し、かつそれを流体搬送チャネルから除去することが可能になる。

この記述では、ＡＡ番号によって特定された合金を参照する。アルミニウムおよびその合金の命名および特定に最も一般に用いられる番号表示システムの理解のために、アルミニウム協会によって公開されている、２００９年２月改訂の「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」（その開示はその全体が参照により本明細書に組み入れられる）を参照されたい。

用語「クラッド」および「コア」または「クラッド層」および「コア層」は、本明細書において非常に大まかに用いられることを説明する。例えば、コア層およびクラッド層は、３層構造において容易に特定できるが、厳密に言えば、２層構造にはそのようなものとしてコア層（すなわち、埋め込み層）が無くともよい。しかしながら、通常、コア層は、そのような２層構造におけるより厚い層として考慮され、通常、層状構造に大半の物理的性質を分け与える層である。本発明の文脈では、多層構造のうちの、少なくとも一つの流体搬送チャネルに面する層がクラッド層（または、クラッド）であると考慮される。

コレクタープレートのクラッド層および場合により後面パネルに用いられる高純度アルミニウム合金は、下記の実験セクションに示すように、良好な耐食性を有するが、モノリシック層（単一層）の形態で用いる場合には極端に脆弱になる傾向があり、損傷し易い。より強力な金属コアにおける腐食を受けやすい表面にクラッド層としてそのような合金を提供することが有利であることが見出された。クラッド層は、好ましくは、腐食を受けやすい面、すなわち、流体搬送チャネルの内面に提供される。場合によっては、太陽熱吸収ユニットが備えるエンクロージャ内部の大気に接触する面に提供される。

太陽エネルギー吸収装置の例示的な一実施態様を示す断面図である。 図１の装置の太陽エネルギー吸収ユニットを示す部分断面図である。 図２のユニットに用いることができる例示的なコレクタープレートを示す部分断面図である。 図２のユニットに用いることができる例示的なコレクタープレートを示す部分断面図である。 図２のユニットに用いることができる例示的なコレクタープレートを示す部分断面図である。 図２のユニットに用いることができる後面パネルを示す部分断面図である。 図２のユニットに使用することができる種類の、コレクタープレートと後面パネルとが複数の接点において相互に取り付けられた例示的な組立体を示す代替的な部分断面図である。 図２のユニットに使用することができる種類の、コレクタープレートと後面パネルとが複数の接点において相互に取り付けられた例示的な組立体を示す代替的な部分断面図である。 下記の実験セクションに記載する結果を生むのに用いられる実験セルを示す断面図である。 下記の実験セクションに記載する実験結果を示すグラフである。 下記の表１に示す種々の合金について測定された受動的範囲を示すグラフである。

本発明に関する種類の太陽エネルギー吸収装置の例示的な実施態様を、添付図面である図１に示し、下記に簡潔に記載する。

本図は、建物の屋根などへの備え付けに適した平坦パネルの形態の太陽エネルギー吸収装置１０の部分断面を示す。この装置は、透明の矩形前壁１１および後壁１２を有する外側エンクロージャ１０Ａを含む。前壁１１は、例えば、ガラスまたは透明プラスチックから形成される。後壁１２は、例えば、金属、木材またはプラスチックの絶縁材料（例えば、発泡ポリスチレン）から形成され、従来の断熱材、例えば、ガラス繊維などの内層および／または外層（図示せず）を備えている。前壁と後壁とは、後壁１１と同じ構造物から作ることができる短い側壁１３によって、それらの周辺において互いに接続している。これらの壁はそれぞれの端部において相互に接続して密閉装置を形成する。流体コネクタ１４が、壁の一つ、例えば、示す側壁１３を貫通して装置への熱抽出流体の出し入れを可能にする。密閉されたエンクロージャ１０Ａは太陽エネルギー吸収ユニット１５を収容し、このユニットは、透明壁１１を通過する太陽エネルギー２０を吸収し、それを熱エネルギーに変換し、次に、熱抽出流体を利用して熱エネルギーを収集したり、除去したりする。このユニット１５は、黒色に塗られた前面を有するコレクタープレート１７を含むか、太陽エネルギーを効率的に吸収する材料の層１９を備えており、その結果として加熱される。熱は伝導によってコレクタープレート１７を通り、その全表面区域一面が覆われているその裏面１６、または後面パネル２５と一体となっている裏面１６の選択された一部または複数の部分に移動する。後面パネルは、コレクタープレート１７に接触する平坦部分１８および蛇行または他の複雑な経路をたどる単一チャネル２６、あるいは、下記する多重チャネルを提供するように曲線を付けられる。チャネル２６は、その反対端が適した導管（図示せず）を介して流体コネクタ１４に接続される。この接続により、装置１０の外部に位置付けられた流体ポンプ（図示せず）を用いて、熱抽出流体２２（通常、水もしくはプロピレングリコールを含有する水、または不凍剤もしくは沸騰防止添加剤として類似の化学物質）を連続的に供給することができる。チャネル内部の熱抽出流体２２がコレクタープレート１７の裏面１６のかなりの区域にわたり直接接触することにより、通常ではこの目的のために提供される従来の蛇行型の金属チューブよりも、より効率の良い集熱が可能になることに留意されたい。太陽エネルギーによって生成された熱は、熱抽出流体２２によって収集しられ、熱抽出流体によって装置から除去される。この方法により除去された加熱流体を、例えば、従来の熱交換を利用して、別の媒体（例えば、建物内で用いる温水、または建物空間を直接に、もしくは他のプロセスで温めるための空気もしくは水）を加熱することができる。その後、温度が下がった熱抽出流体は、更に別の集熱のために太陽エネルギー吸収装置１０に戻り、通常、熱抽出流体の一定かつ持続的な再循環が行われる。

図２は図１に類似する断面図であるが、太陽エネルギー吸収ユニット１５のみを単独で示す。後面パネル２５が、コレクタープレート１７の裏面１６、例えば２８の領域に堅く取り付けられる。この取り付けはパネル２５の全範囲にわたって行われ、チャネル２６内部に熱抽出流体を閉じ込め、チャネルの隣接ループ間を熱抽出流体が直交流することを防止する。コレクタープレート１７は、好ましくは、片面または両面に、異なるアルミニウム合金の薄層を含むアルミニウム合金板のクラッドから形成される。この種類の合わせ板は、例えば、熱間圧延および冷間圧延によって作ることができ、２００９年１月６日にＡｎｄｅｒｓｏｎらによって発行された米国特許第７，４７２，７４０号に開示されている順次的な共鋳造の手法によって製造された複合インゴットがある（その開示は具体的には参照により本明細書に組み入れられる）。後面パネル２５は金属から作ることができ、あるいは、領域２８における接合を、接着剤を使用して達成する場合には、成型プラスチック材料または複合材料から形成されてもよい。

図３Ａは、コア層３０ならびにコア層の両面に提供されたクラッド層３１および３２からなるクラッド板の形態であるコレクタープレート１７の例示的な実施態様を示す。コア層３０は、その良好な熱伝導率に加えて良好な機械的性質を考慮して選択される合金である。好ましくは、コアの合金は、コア層の合金の機械的強度を強大にするための熱処理を行う必要がないように、熱処理（時効硬化）合金ではない。そのような熱処理は、望ましくないことに、コア層３０からクラッド層３１および３２に合金化元素を移動させ、その結果、クラッド層の耐食性能を損なう。ＡＡ３ＸＸＸ、ＡＡ４ＸＸＸ、ＡＡ５ＸＸＸ、またはＡＡ８ＸＸＸ系のアルミニウム合金がコア層に適しており、ＡＡ１ＸＸＸ系の合金の一部もコア層に適している。コア層３０に用いる合金の選択は、前述のプロセスにおける共鋳造の容易さにも影響され得る。クラッド層３１および３２には高耐食性合金が選択される。腐食は、大抵の場合、コレクタープレート１７が熱抽出流体２２に接触する接点に生じる。このため、板は片側のみ、すなわち、チャネル２６内部の熱抽出流体２２に面し、接触する裏面１６を形成する側のみがクラッドされる。クラッディング層用に選択される好ましい合金は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、より好ましくは０．４重量％以下、最も好ましくは０．３５重量％以下のアルミニウム合金である。このように、アルミニウム合金は高純度である。

長時間にわたる高温での熱処理を利用して、鉄のような不純物元素の溶解を支援することができる。原理上は、これにより、不純物が陰極として機能することを防止でき、その結果、さらに所定の不純物の基準レベルにおける耐食性を改善できる。実際には、これは処理が遅くかつ高価な場合にはあまり好ましくなく、パネルを軟化および歪曲させる可能性がある。

前述の通り、コレクタープレート１７の上（すなわち、外）面は、通常、太陽エネルギーを強く吸収する材料の層１９でコーティングされている。層１９は、好ましくは、高度に接着性であり、長年にわたる使用における大気による腐食形態に耐性がある。層１９の直ぐ下に高耐食性金属の更に別のクラッド層３１を選択的に使用することでも、パネルの耐食性および一般的な耐候性を向上できる。この層３１は、下部クラッド層３２と同じ合金から形成されてもよいし、熱抽出流体よりはむしろエンクロージャ１０Ａ内に存在する空気もしくは他の気体または湿気と接触する場合には、腐食を減らすことを第一に意図された異なる合金から形成されてもよい。

図３Ｂに示すように、太陽光吸収を改善するために、コレクタープレート１７の上面に、粗面またはテクスチャード加工面４０を追加的に提供してもよい。上面は、その開示が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第７，５１６，６３７号の教示に従ってテクスチャード加工できる。図３Ｂに示すように、コア層３０の両面にクラッド層を備える場合には、粗面またはテクスチャード加工面４０は、コーティング層１９と接触するクラッド層３１の上面となるであろう。しかしながら、図３Ｃの代替態様に示すように、（例えば、大気による腐食が重大な懸念でない場合）クラッド層３１を削除してもよい。この場合は、粗面またはテクスチャード加工面４０は、コーティング層１９と接触するコア層３０の上面となる。

先に述べたように、後面パネル２５はプラスチックまたは複合材料から形成されてもよいが、これは、好ましくは、コレクタープレート１７と同様に、片面または両面に、異なるアルミニウム合金、好ましくはクラッドしたアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成される。そのような配置を図４（この図は図２の参照番号２７で参照する区域におけるパネルの一部を示す）に示す。この配置では、コア層３５はその両面を、クラッド層３６および３７によりクラッドされる。この場合も、コア３５には良好な機械的性質を有する合金を選択できる。理想的には、コア層３５には、機械的強度を強大にするための熱処理を行う必要がないように、熱処理合金は用いない。そのような熱処理は望ましくはない。この理由は、この処理はコア層３５からクラッド層３６および３７に合金化元素を移動させ、その結果、耐食性が低減するからである。コア層３５に適する合金には、ＡＡ３ＸＸＸおよびＡＡ５ＸＸＸ系の合金が含まれる。熱抽出チャネル２６の内面を形成する後面パネルの上面は、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下、より好ましくは０．４重量％以下、最も好ましくは０．３５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金によりクラッドされる。これらの合金はそれ故に高純度である。流体に直面するコレクタープレート１７の面に提供されるクラッド層３２との組み合わせにより、熱抽出流体２２を、チャネル２６を形成する耐食性面の内部に確実に完全に閉じ込めることができる。（もしあれば）後面パネルの下部（すなわち、外）層３７に用いるクラッディング層は、太陽装置内部の大気による腐食に耐性がある高耐食性アルミニウム合金でもよい。この層はクラッド層３６と同じ合金でもよいし、異なる耐食合金でもよい。この種類の被覆パネルは、先に述べたプロセスによって製造されるクラッドインゴットから作ることができる。

図５Ａは、図２の参照番号２８で参照する領域における被覆コレクタープレート１７および被覆後面パネル２５を示す。この図では、コレクタープレートと後面パネルとが互いに接触して相互に取り付けられる。コレクタープレート１７の内側クラッド層３２および後面パネル２５の内側クラッド層３６は、前述のように、熱抽出流体２２に対して高耐食性を示すものが選択される。また、これらのクラッド層への高純度合金の使用によって、マイクロガルバニック作用を最小限に抑えることができ、その結果、腐食をさらに低減または遅延することができる。

図５Ｂは、それぞれが、１つのクラッド層のみを備える被覆コレクタープレート１７および被覆後面パネル２５を示す。コレクタープレート１７のクラッド層３２および後面パネル２５の内側クラッド層３６は、前述のように、熱抽出流体２２に対して高耐食性を示すものが選択されるが、前述の外側クラッド層３１および３７は存在しない。そのような配置は、大気による腐食が深刻な懸念ではない状況に用いられるであろう。先に述べたように、図５Ｂの実施態様におけるコア層３０の外面、または図５Ａの実施態様におけるクラッド層３１の外面を、太陽光吸収を改善または向上するためにテクスチャード加工してもよいし、粗面化してもよい。

クラッド層に高純度合金を用いることにより、後面パネル２５のコレクタープレート１７への取り付けに利用され得る圧延接合プロセスが容易になる。圧延接合は、積層板およびパネルのそれらが結合する領域を、荷重ローラー間を通過させることにより、かなりの力を板およびパネルに加えることを含む。この接合は、チャネル２６を形成するために後面パネル２５を事前に形作る場合には困難となるであろう。それゆえに、所望の経路のチャネル２６を作り出すために、後面パネル２５を平坦に維持し、板またはパネルのいずれかの内面を非接合材料（しばしば、非接合「インク」と称される）の分散によって「プリント」してもよい。この目的には黒鉛インクが適している。次に、コレクタープレートおよび後面パネルを、荷重ローラー間を通過させて圧延接合を行う。非接合インクによって隔てられていない接触領域では接合強度が比較的高く、一方、非接合インクが堆積している接触領域では接合強度が比較的低いか、または面は全く接合していない。接合強度が低いまたはゼロである領域は、圧延接合後に「膨張」してチャネル２６を形成できる。すなわち、圧力により膨張流体がコレクタープレートと後面パネルとの間に導かれ、強く取り付けられていない一部分におけるコレクタープレートと後面パネルとを離すように推し進め、パネルを恒久的に歪曲させるのに十分に大きな圧力が生じ、チャネル２６を形成する。膨張流体は気体でもよいし、液体でもよい。

膨張中、コレクタープレートおよび後面パネルいずれか一つのみ（好ましくは、後面パネル）を歪曲してもよいし、両方を歪曲してチャネル２６を形成してもよい。コレクタープレートおよび後面パネル両方の膨張は、いずれか一つの張り出し成形の要求を制限しつつ、形成されるチャネルの断面積を最大化できるという利点がある。コレクタープレートおよび後面パネルのいずれか一つのみを膨張させる場合には、膨張する構成要素を全て張り出し成形する必要がある。コレクタープレートおよび後面パネル内部の相対的な膨張量は、コア層３０および３５に用いる合金の相対的強度および／または厚さに影響を受ける。歪曲させるコアには、降伏強度がＯ質別において約６０ＭＰａ以下、および伸長（破断一軸伸長）が３０％以上である合金を用いることが望ましい。また、クラッディング層およびコアに用いる金属における降伏強度の差異は、好ましくは約５０ＭＰａ以下である。クラッディング層の伸長は、好ましくは、コアのそれと同等以上にするのがよい。この理由は、膨張時にコアの伸長がより大きくなるからである。具体的な好ましい例を提供するために、多くの場合にコアに用いられるＯ質別における合金ＡＡ１１００の降伏強度が３４ＭＰａであり、その伸長が約３５％であることに言及する。Ｏ質別における合金ＡＡ３００３では、対応する値は４２ＭＰａおよび３０〜４０％であり、合金ＡＡ５００５のＯ質別における降伏強度は４０ＭＰａ以上である。対照的に、合金ＡＡ５０８２およびＡＡ５０８３の降伏強度は１００〜２００ＭＰａであり、この強度はコア層に用いるには過度に大きく、チャネル膨張中に歪曲に耐えてしまうと考えられる。

前述の実施態様の考察では、チャネル２６が、蛇行または他の複雑なパターンにおいてコレクタープレート１７の裏面全体を伸長する単一チャネルでもよいと述べている。しかしながら、代替的な配置も可能である。例えば、個々のチャネルが板の裏面１７の全域において平行に伸長し、装置外部において結合してもよいし、コレクタープレートの反対側の側端部に沿って伸長する連結管を介して結合してもよい。加えて、必要に応じて、前述の取り付け方法を利用してその全長に沿った変断面を有するチャネルを製造してもよい。この方法を用いて、熱抽出流体とコレクタープレートの下面との接触面積が、チャネルの全長に沿って異なるように取り付け面積を変えることもできる。この方法によるチャネルの性質を変化させる能力は、さもなければ所定のチャネルパターンに生じ得る熱抽出流体の流量または圧力の変化に順応するのに有益である。なおさらに、コレクタープレート１７を（好ましくも）略平坦なものとして述べたが、あるいは、チャネル２６は、平坦でもよいし、曲線を付けたコレクタープレート１７と共にチャネルの一部を形成するように部分的に曲線を付けられてもよい後面パネルとともにコレクタープレート１７に形成してもよい。

選択的な太陽光吸収層１９に用いる材料には非常に多くの選択肢がある。層は、通例、高吸収率および低放射率を有するように形成された（例えば、吸収率：放射率が９５：５程度に高いように選択された）薄い黒膜である。「本質的な吸収体」の薄膜には、例えば、酸化コバルトまたは酸化銅を用いることができる。しかしながら、他の方法、例えば、誘電体および薄い金属膜（光学的に透明）の交互層、または半導体と金属との組み合わせを用いる場合でも高選択性をもたらすことができる。多層構造は、一般に高性能であるが、製造費がより高価となる。

例示的な実施態様の太陽エネルギー吸収ユニットは、任意の所望のサイズに作ることができる。そのようなユニットの従来のサイズは、１．２ｍ×２．４ｍ（４ｆｔ×８ｆｔ）であるが、より小さいユニット、例えば、ｌｍ×２ｍも望ましい。

本発明の好ましい例示的な実施態様は、以下の実験セクションを参照することによりさらに理解される。

実験
太陽エネルギー吸収ユニットにおけるチャネル内部の腐食を最小限に抑えるための効果的なクラッド層を形成するアルミニウム合金の種類を特定するための試験を実行した。下記の表１に、８個の候補合金の組成を示す。

試料合金８は、主要な合金化元素としてマンガンを有する標準的な３ＸＸＸ系合金である。

全ての合金を、およそ０．９〜１．０ｍｍゲージのモノリシック（単一層）シートの形態において評価した。初期の一連の試験は、およそ２分間、エタノールを除去する超音波の後に、ミル仕上げ面において実施した。

図６に示すような標準の三極配置であるプリンストンの「フラットセル」を用いて電気化学実験を実施した。この装置によって、最低限の作成試料を用いたアルミニウム合金の小さなクーポン６０の試験が可能になる。試験クーポン６０の前面を、セル６５の端板６２に備え付けられたＯリングシール６１に接触固定した。この配置では、金属クーポンの均一な１ｃｍ^２ディスクをセル内部の試液６４にさらした。英国カンブリア州のＡＣＭ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｌｔｄ．から得られるプログラム可能な電気化学的界面を用いて直線分極実験（ＬＰＥ）を実施した。

ＬＰＥ実験には、試験クーポン６０と標準的な基準電極６６（例えば、ＳＥＣと称される塩化第一水銀、または銀もしくは塩化銀）との間の電位を測定し、定電位電解装置６７を用いて電位を制御することを含んでいた。アルミニウムクーポンに力を加えて陽極に分極することにより、不動態皮膜破壊、その結果生じる孔食発生を防ぐための次第に増大する駆動力を生じさせることが可能になった。この分極中の不動態皮膜の耐性程度の測定を、アルミニウム試料の電位が次第に増大している（すなわち、より陽極になる）ときに、試料クーポン６０と不活性対極６８との間の電流をモニタリングすることによって行った。アルミニウム合金についての標準的なＬＰＥの結果は、特定の試液における合金の耐食性を表す３つの特徴を示した。すなわち、以下の特徴を示した。
１．Ｅｆｃ−合金の自由腐食電位。
２．Ｅｐｉｔ−破壊電位、孔食電位と称されることもある。
３．不動態化範囲−ＥｆｃとＥｐｉｔとの電位差の測定。この範囲は、合金の孔食性の測定値として一般に用いられる。

表１の合金を、ＬＰＥ実験において、種々の試験水溶液を用いて試験した。太陽熱装置における熱抽出に一般に用いられる熱抽出溶液（すなわち、５０％が水で、５０％がプロピレングリコール）のイオン伝導率は、通例、非常に低く、そのような溶液を用いたＬＰＥ実験に伴う短期間においては、合金のいずれも破壊電位（Ｅｐｉｔ）を示さなかった。それ故に、そのような溶液は、候補合金の耐食性をランク付けするのに有益ではなかった。この理由のため、より侵略的な試液を用いた。すなわち、以下の試液を用いた。
・２５℃のＡＳＴＭ水（Ｎａ_２Ｓ０_４が１４８ｍｇ／Ｌであり、ＮａＨＣ０_３が１６５ｍｇ／Ｌ）。
・水５０％＋プロピレングリコール５０％＋２５０ｐｐｍの塩化物。

２５℃のＡＳＴＭ水において（表１の）合金試料１および７について実行したＬＰＥ実験の結果を図７に示す。この結果は、試料７（−２３４ｍＶ）よりも試料１（−１２５４ｍＶ）の受動的範囲がかなり高いことを示している。本発明者らは、これらのデータの原因が、はるかに高いレベルの不純物、例えば、鉄およびシリコンが試料７の合金に存在しているためであると考えている。不純物は、露出面において陰極として機能し、その結果、マイクロガルバニック作用を促進し、受動性が低減すると考えられている。従って、これらの結果から、試料７の合金よりも試料１の合金が孔食に対して遥かに大きい耐性があることが予測される。

この場合も２５℃のＡＳＴＭ水を用いて、表１の合金試料の全てについて実行した類似の試験についてのデータを以下の表２に示す。この表は、合金試料の自由腐食（Ｅｆｃ）値、破壊電位（Ｅｐｉｔ）、および受動的範囲を示す。

表２に要約されたデータは、表１の候補合金の孔食性の範囲を表示している。これらのデータから、それらの良好な強度のために熱抽出ユニットの組み立てに通常用いられる標準の合金、すなわち、試料７（ＡＡ１１００合金）および試料８（ＡＡ３００３合金）が、より純度の高い合金（試料１〜６）よりもかなり受動的範囲が低いことが見受けられる。それ故に、これらの短期間でのＬＰＥ実験において試料７および８に示された受動レベルから、これらの合金を長期間使用することが不適切であることが想定できる。

図８は、表２の種々の試料についての受動的範囲をチャートの形態で示す。この図から、合金純度と受動性の増大との間に一般的相関があることが見受けられる。ソーラーパネルでの用途（例えば、５０％の水と５０％のプロピレングリコールを用いる通常の熱抽出流体）における長期の使用（例えば、２０年超）に適した受動的範囲は、約２８０ｍＶ（線８０に示す）以上であると想定される。これは厳密な境界線ではなく、ＬＰＥデータと従来の合金を用いた過去の使用経験とに基づく推定値である。そのような受動的範囲レベルは、合金化元素の含有量が約０．５重量％以下（すなわち、０．５重量％を超えない）、より好ましくは約０．４重量％以下（すなわち、０．４重量％を超えない）、最も好ましくは約０．３５重量％以下（すなわち、０．３５重量％を超えない）であるアルミニウム合金に略対応している。金属純度と受動的範囲との間の相関関係は厳密ではない。この理由は、合金の鋳造時間および鋳造方法次第で、離散した金属間層に存在するよりはむしろ固溶体中で結合する不純物レベルが変化することがあるからである。このように、たとえ受動性への主な影響が不純物レベルであっても、熱機械加工過程も合金の受動性に影響を及ぼし得る。それでもなお、効果的な耐食性のためには、多くの場合に、不純物の最大数値が０．５重量％であることが適切である。

以下の表３は、標準のＡＳＴＭ水よりも高い塩化物レベルを有する試液（前記参照）を用いて、合金試料について実施したＬＰＥ実験の結果を示す。この第二の試液は、ＡＳＴＭ水よりも侵略的であるとみなされる。この実験では、熱吸収装置の運転温度に近い約８５℃に溶液を加熱することにより、なおさらに侵略的な溶液を作った。

表３に示すデータは、前述の表２および図８と同じパターンに従う。ＡＳＴＭ水について得られた結果と同様に、より純度の高い合金がより大きい受動的範囲を示している。前のデータとの無比の顕著な違いは、従来の試料７および８の合金に加えて、試料６の合金（鉄の含有量が０．３５重量％よりもわずかに高い合金）も活性溶解したことである。それ故に、これらの合金は、このより侵略的な試液においては測定可能な受動的範囲を示さなかった。これらの結果は、太陽光吸収体での用途におけるクラッド層に、より純度の高い合金が要求されることを示している。試料６の合金がこの試験に不適切であることが見出され、試料１〜５の合金よりも適していないことが示唆されるが、作業条件が一般にはさほど厳しくないであろうため、それでもなおこれは実際の使用には適したものとなる。それでもなお、一般には、使用中に熱抽出流体（さらには、太陽ユニット内部の大気）に触れる合金の鉄含有量を、多くの用途では０．２５重量％以下（すなわち、０〜０．２５重量％）に維持することが好ましい。

Claims (23)

1. 熱伝導性材料から作製され、太陽エネルギーを吸収し、前記太陽エネルギーを熱に変換するように構成されている前面と、前記前面と反対側の後面とを有するコレクタープレートと、
   内面および外面を有し、前記内面が流体密接合によって前記コレクタープレートの前記後面の部位に取り付けられている後面パネルであって、
   前記取り付けによって、前記後面パネルの前記内面と前記コレクタープレートの前記後面とは、共に、前記後面パネルが取り付けられている前記コレクタープレートの前記後面の前記部位間に少なくとも一つの流体搬送チャネルを規定する、前記後面パネルと、
   熱抽出流体を前記少なくとも一つの流体搬送チャネル内へ案内し、そこから前記流体を除去するためのコネクタと、を備え、
   前記コレクタープレートが、前記コレクタープレートの前記後面を形成するクラッド層および前記コレクタープレートの前面を形成する更なるクラッド層を備えているアルミニウム合金のコア層、さらに、前記更なるクラッド層上に配置され前記太陽エネルギー吸収を向上するように構成されている材料の層を含み、前記各クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される、太陽エネルギー吸収ユニット。
2. 前記各クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．４重量％以下であるアルミニウム合金から作製される、請求項１に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
3. 前記各クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．３５重量％以下であるアルミニウム合金から作製される、請求項１に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
4. 前記各クラッド層の鉄含有量（存在する場合）が、０．２５重量％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
5. 前記後面パネルが、前記後面パネルの前記内面を形成するクラッド層を備えているアルミニウム合金のコア層から作製され、前記後面パネルのクラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
6. 前記後面パネルの前記クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．４重量％以下であるアルミニウム合金から作製される、請求項５に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
7. 前記後面パネルの前記クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．３５重量％以下であるアルミニウム合金から作製される、請求項５に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
8. 前記後面パネルの前記クラッド層が、鉄含有量（存在する場合）が、０．２５重量％以下であるアルミニウム合金から作製される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
9. 前記流体密接合が、前記コレクタープレートの前記部位における前記コレクタープレートの前記クラッド層と前記後面パネルの前記クラッド層との圧延接合である、請求項５〜８のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
10. 請求項５〜９いずれかに記載の太陽エネルギー吸収ユニットの製造方法であって、前記コレクタープレートの前記部位において前記コレクタープレートの前記クラッド層および前記後面パネルの前記クラッド層を共に圧延接合することにより、前記流体密接合を形成し、前記流体密接合の形成後に、前記後面パネル、前記コレクタープレート、または前記後面パネルと前記コレクタープレートとの両方を流体膨張させ、前記コレクタープレートの前記部位間に、少なくとも一つの流体搬送チャネルを形成させる、該製造方法。
11. 前記後面パネルが、プラスチック材料および複合材料からなる群から選択される材料から作製される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
12. 前記流体密接合が、前記コレクタープレートの前記部位における前記コレクタープレートと前記後面パネルとの接着剤接合である、請求項１１に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
13. 前記後面パネルが、前記外面を形成する前記後面パネルの前記コア層の反対側に更なるクラッド層を含み、前記更なるクラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される、請求項５〜９のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
14. 前記コレクタープレートの前記更なるクラッド層が、前記太陽エネルギーの吸収を向上するように構成された粗面またはテクスチャー面を有する、請求項１〜９、１１〜１３のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
15. 前記材料の層が、高い吸光率と低い放射率を有するように形成された薄膜である、請求項１〜９、１１〜１４のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
16. 前記コレクタープレートの前記コア層が、ＡＡ１ＸＸＸ、ＡＡ３ＸＸＸ、ＡＡ４ＸＸＸ、ＡＡ５ＸＸＸ、およびＡＡ８ＸＸＸ系の合金からなる群から選択されるアルミニウム合金で形成されている、請求項１〜９、１１〜１５のいずれか１項に記載の太陽エネルギー
    吸収ユニット。
17. 前記アルミニウム合金が熱処理不可能な合金である、請求項１６に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
18. 前記後面パネルの前記コア層が、ＡＡ１ＸＸＸ、ＡＡ３ＸＸＸ、ＡＡ４ＸＸＸ、ＡＡ５ＸＸＸ、およびＡＡ８ＸＸＸ系の合金からなる群から選択されるアルミニウム合金から作製される、請求項５〜９のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
19. 前記アルミニウム合金が熱処理不可能な合金である、請求項１８に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
20. 前記後面パネルの前記コア層が、約６０ＭＰａ以下の降伏強度および３０％以上の破断一軸伸長を有するアルミニウム合金から作製される、請求項５〜９のいずれか１項に記載の太陽エネルギー吸収ユニット。
21. 透明材料から作製された前壁を有するエンクロージャと、前記エンクロージャ内部に備え付けられた太陽エネルギー吸収ユニットと、を備える、太陽エネルギー吸収装置であって、前記太陽エネルギー吸収ユニットが、
    熱伝導性材料から作製され、太陽エネルギーを吸収し、前記太陽エネルギーを熱に変換するように構成されている前面と、前記前面と反対側の後面とを有するコレクタープレートと、
    内面および外面を有し、前記内面が流体密接合によって前記コレクタープレートの前記後面の部位に取り付けられている後面パネルであって、
    前記取り付けによって、前記後面パネルの前記内面と前記コレクタープレートの前記後面とは、共に、前記後面パネルが取り付けられている前記コレクタープレートの前記後面の部位間に少なくとも一つの流体搬送チャネルを規定する、前記後面パネルと、
    熱抽出流体を前記少なくとも一つの流体搬送チャネルに案内し、そこから前記流体を除去するためのコネクタと、を備え、
    前記コレクタープレートが、前記コレクタープレートの前記後面を形成するクラッド層および前記コレクタープレートの前面を形成する更なるクラッド層を備えているアルミニウム合金のコア層、さらに、前記更なるクラッド層上に配置され前記太陽エネルギー吸収を向上するように構成されている材料の層を含み、前記各クラッド層が、合金化元素および不純物の総含有量（存在する場合）が、０．５重量％以下であるアルミニウムまたはアルミニウム合金から作製される、太陽エネルギー吸収装置。
22. 太陽エネルギー吸収ユニット製造する方法であって、
    前記太陽エネルギーを熱に変換するコレクタープレートであって、後面を形成するクラッド層および前面を形成する更なるクラッド層を備えたアルミニウム合金のコア層、さらに、前記更なるクラッド層上に配置され前記太陽エネルギー吸収を向上するように構成されている材料の層を有するコレクタープレートを提供すること、
    内面および外面を有する後面パネル、および、少なくとも一つの流体搬送チャネルのパターンにおいて非接合インクでコーティングした、前記後面パネルの前記内面または前記コレクタープレートの前記後面のコーティング部分を提供すること、
    前記後面パネルの前記内面のコーティングされていない部位を、圧延接合によって、前記コレクタープレートの前記後面の対応する部位に取り付けて、前記パターンにおける非接合領域または接合が弱い領域を残しつつ、それらの間に流体密接合を形成すること、
    前記非接合領域において前記コレクタープレートと前記後面パネルとの間に導入される圧力下に流体によって、前記少なくとも一つの流体搬送チャネルを膨張させること、および
    前記少なくとも一つの流体搬送チャネルに、熱抽出流体を前記少なくとも一つの流体搬送チャネル内に案内し、そこから除去することを可能にするコネクタを提供すること、を含む、該方法。
23. 前記材料の層が、
    (i) 酸化コバルト、
    (ii) 酸化銅、または
    (iii) 誘電体フィルムと薄い金属フィルムの交互層
    を含有する請求項１記載の太陽エネルギー吸収ユニット。

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