JP6293540B2

JP6293540B2 - 太陽熱レシーバの集熱効率測定用の擬似太陽光照射装置及びそれを利用した集熱効率測定方法

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Publication number: JP6293540B2
Application number: JP2014057518A
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Inventors: 芳樹奥原; 友宏黒山; 則武　和人; 和人則武
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Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2018-03-14
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Description

本発明は、太陽熱利用システムで使用されるレシーバ（太陽光を熱に変換する集熱管）における集熱効率を測定する際に用いられる擬似太陽光照射装置と、この装置を使用して測定された結果からレシーバにおける集熱効率の絶対値を定量測定する集熱効率測定方法に関する。

従来から、太陽光を吸収して得られる熱は水、蒸気、又はオイル等の流体の加熱に利用されており、熱エネルギー源の生成やその熱をもとに発電する電気エネルギー源の生成に有効な手段である。しかも、地球温暖化対策や原子力発電に代わるクリーンエネルギーなどが切望される昨今においては、太陽熱の有効利用が従来にも増して注目されている。具体的には、古くは温水の生成が代表的であったが（特許文献１）、近年では高温に加熱された高温蒸気やオイル等によって発電する技術も開発されている（特許文献２）。

近年ではより効率的に太陽熱を集熱する必要性が高まっており、太陽光を高倍率で集光して高温熱源を生み出す太陽熱利用システムが開発されている。例えば特許文献３のように、横長の凹面鏡であるパラボリック反射鏡によって太陽光を線状に集光し、当該線集光ラインに長尺な中空円筒形のレシーバを設置して、その管内に熱媒体を流通させて熱回収する太陽熱利用システムがある。この種のレシーバは、太陽光を熱に変換して熱エネルギーを回収する部材であって、集熱管とも称される。特許文献３には太陽熱利用システム全体の構成は図示されていないが、その基本的構成は次の通りである。

すなわち、図９に示すように、太陽熱利用システム１００の基本的な機構は、熱媒体として水やオイル等の液状の流体が貯留されたタンク１０１から供給された流体が、パラボリック反射鏡（図示せず）によって集光された太陽光を受けて加熱されるレシーバ１０３内を流動していく際に加温され、当該加温された流体から熱交換器１０４を介して熱を利用するようになっている。この場合、熱利用後の降温した流体は、タンク１０１に返流される循環経路となっている。符号１０５は流体が流動していく配管であり、符号１０６は流体を供給するポンプであり、符号１０７はレシーバへの流入前と流出後の流体の温度差を測定するための温度計である。また、図１０に示す熱利用システム１１０ように、熱交換器を使用せず、加温された流体をそのまま使用する貫流式の太陽熱利用システムもある。なお、図１０では、図９と同じ部材に同じ符号を付している。

ところで、このような太陽熱利用システムを構築する際、レシーバにおける集熱効率は極めて重要なマターとなる。集熱効率とは、レシーバに照射された光の照射強度（入力エネルギー）に対して回収できる熱量（出力エネルギー）の比である。レシーバにおける集熱効率は、太陽熱利用システム全体の効率に直結する。そこで、このような太陽熱利用システムにおいて、より集熱効率を高めるためにレシーバの構成を改良した技術として、特許文献４が提案されている。特許文献４のレシーバは、レシーバとしての金属製の集熱管がガラス管で覆われ、集熱管とガラス管との間の空間は真空引きされた真空二重構造となっており、光吸収表面となる集熱管の表面は選択吸収膜で被覆されている。

一方で、より集熱効率の高いレシーバを開発するには、その効果確認・性能評価・品質保証したり最適条件を選定する等のために、レシーバにおける集熱効率の測定が必須となる。また、その集熱効率を正確に評価することで、太陽熱利用システム全体のコスト低減、効率向上のための最適設計に必須となる基礎データを提供できる。そこで、レシーバにおける集熱性能の評価方法として、例えば非特許文献１が開示されている。具体的には、図１１に示すように、レシーバ２００と略同じ左右長さの長尺な楕円筒面鏡２１０内の２ヶ所の集光位置に沿ってレシーバ２００と複数の擬似太陽光源２０２を設置し、擬似太陽光をレシーバ２００に照射している。レシーバ２００管内には水を熱媒体として貫流させ、その水の温度上昇分から回収熱量を測定している。また、図１２に示すように、パラボリック反射鏡２０１の前に擬似太陽光源２０２を複数並設して擬似太陽光をレシーバ２００に照射することで、集熱効率を測定する方法も開示されている。

特開平７−１３９８１８号公報特開２０１４−３１７８７号公報特開２０１３−１１９９７１号公報特開２００９−１９８１７０号公報

J. Pernpeintner, N. Lichtenthaler, B. Schiricke, E. Lupfert, T. Litzke, and W. Minich, "Test benches for the measurement of the optical efficiency of parabolic trough receivers using natural sunlight and solar simulator light", Proceedings of SolarPACES, Perpignan, 2010

しかしながら、非特許文献１ではレシーバへの光照射強度（入力エネルギー）の定量測定ができない構成であるため、集熱効率の絶対値を測定することができなかった。そのため、従来では標準サンプルレシーバで得られる回収熱量を基準として、被測定サンプルレシーバの回収熱量がその基準よりも大きい・小さいという相対比較のみで集熱性能を評価していた。また、図１１および図１２の構成において擬似太陽光源２０２からの擬似太陽光は、楕円円筒面鏡もしくはパラボリック反射鏡２０１を使用して照射しているだけなので、レシーバ２００に対する入射光の入射角度分布等はランダムで定まらない。レシーバの光吸収表面に形成される選択吸収膜や、真空二重構造のためのガラス管表面の光学特性（透過・反射・吸収性能）は光の入射角度によって大きく影響を受けるため、集熱効率も入射角度によって変わる。つまり図１１および図１２の構成では、擬似太陽光源を実環境に近い条件でレシーバに照射することはできず、正確な集熱効率を測定することもできないという問題があった。

また、レシーバに対する擬似太陽光の入射角度分布をある程度揃えるために、１つの擬似太陽光源２０２に対して１つの凹面鏡を設置して各擬似太陽光源２０２からの擬似太陽光を集光するとしても、凹面鏡のみでは点集光されることになる。これでは、レシーバ２００においては集熱点が複数並在しているだけとなるので、レシーバ２００の軸方向において均一に照射集熱することはできない。レシーバ２００の軸方向にできるだけ均一に照射集熱するためには、単純には多数の擬似太陽光源２０２を密に並設することが考えられる。しかし、これではコストが嵩ばかりか、それでも均一な照射集熱には限界がある。

そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、太陽熱利用システムのレシーバにおける集熱効率の絶対値を定量的に測定する際に用いる擬似太陽光照射装置と、この擬似太陽光照射装置を利用した集熱効率測定方法を提供することを目的とする。

そのための手段として、本発明の擬似太陽光照射装置は、ハウジング後端部に設けられる擬似太陽光源と、該擬似太陽光源からの光を前方へ点集光しながら照射する半球状の凹面鏡と、前記擬似太陽光源の前方に設けられ、前記凹面鏡によって点集光された光を四角錐状の光路に変換するインテグレータレンズと、前記ハウジングの前端面に設けられ、前記インテグレータレンズから四角錐状の光路で入射された光を、照射方向と平行な向きで線集光するフレネルレンズとを有し、前記フレネルレンズとして、前記インテグレータレンズから四角錐状の光路で入射された光を照射方向と平行な向きに変換するコリメートレンズと、該コリメートレンズから入射された光を線集光するシリンドリカルレンズ（シリンダーレンズ）とを備える。

前記コリメートレンズ及びシリンドリカルレンズは、一面に前記コリメートレンズ（点集光レンズ）として機能するフレネル形状が形成され、他面に前記シリンドリカルレンズ（線集光レンズ）として機能するフレネル形状が形成された一枚レンズとすることが好ましい。

前記擬似太陽光源としては、キセノン（Ｘｅ）ランプが最も好適である。この場合、前記インテグレータレンズと前記フレネルレンズとの間に、エアマスフィルターを設けることが好ましい。

さらに、太陽熱利用システムで使用される円筒形のレシーバにおける集熱効率を測定する集熱効率測定方法であって、上記擬似太陽光照射装置により前記レシーバへ擬似太陽光を照射して前記レシーバ内部に流通させた流体の温度上昇から算出される回収熱量（出力エネルギー）と、下記光照射強度分布測定装置によって測定された光照射強度分布（入力エネルギー）との比（出力エネルギー／入力エネルギー）により、集熱効率の絶対値を定量測定する、集熱効率測定方法を提供することもできる。
そして集熱効率測定方法に用いられる光照射強度分布測定装置は、太陽熱利用システムで使用される円筒形のレシーバにおける集熱効率を測定する際に用いられる擬似太陽光源から照射された光の照射強度分布を測定するための光照射強度分布測定装置であって、光照射強度を検知するセンサと、前記センサを前記レシーバの軸方向にスライド移動させるスライド機構と、回転軸を中心として前記センサを前記レシーバの周方向に軸回転させる回転機構とを備え、前記回転軸から前記センサの受光部までの距離が、前記レシーバの中心軸から周壁外面までの距離と同じであり、前記回転軸が前記レシーバの中心軸と同軸上にセットされる構成である。

本発明の擬似太陽光照射装置によれば、擬似太陽光源からの光を最終的に線集光して照射できるので、線状のレシーバの円周方向に対して光を集中させて光照射強度を向上することができる。しかも、照射される擬似太陽光の入射強度や入射角度分布も一定となるため、光照射強度分布を的確に設計・測定でき、正確な集熱効率の絶対値を導出するとともにその測定精度を向上できる。集熱効率の測定精度が向上すれば、そのレシーバを適用した太陽熱利用システム全体の過剰仕様設計や仕様未達リスクを低減でき、より効率的で最適コストでのプラント設計にも貢献できる。また、線集光していれば左右方向では一定の幅を有するので、擬似太陽光源の設置個数を従来に比べて抑えることもできる。しかも、照射方向と平行に線集光しているので、レシーバに対して一定の範囲でほぼ均一に照射できる。

本発明の擬似太陽光照射装置では、点光源である擬似太陽光源からの発光を、半球状の凹面鏡で一次集光している。当該一次集光点にはインテグレータレンズを設けており、当該インテグレータレンズによって点集光された光が四角錐形状の光路に変換される。そして、インテグレータレンズから照射された光に対してフレネルレンズの一種であるコリメートレンズを向けることで、このコリメートレンズ透過後には照射方向に対して平行な平行光が得られる。そのうえで、平行光の先に、同じくフレネルレンズの一種であるシリンドリカルレンズを設置していることで、照射方向に対して平行なまま線集光することができる。このような複数の部材を１つのハウジング内に設置してユニット化しておけば、擬似太陽光源の設置も容易となる。

なお、技術的にはシリンドリカルレンズのみを使用して点光源を直接線集光させることもできる。しかし、当該シリンドリカルレンズは入射光と透過光との収差が大きいため、広い画角で使用すると集光効率が低下する特性を持つ。これに対し、本発明のような構成としていれば、このようなシリンドリカルレンズのみによる集光効率低下の問題を回避することができる。

このとき、インテグレータレンズからの透過光に対して、さらに二枚のフレネルレンズを設置すると、各レンズ表面（空気との界面）において光の反射ロスが積算されるため、効率的な線集光には限界がある。そこで、一面にコリメートレンズとして機能するフレネル形状を形成する一方、他面にシリンドリカルレンズとして機能するフレネル形状を形成した一枚のフレネルレンズとしていれば、そのレンズ厚み方向のみで平行光を作り出すことができる。これにより、レンズの設置枚数を一枚減らして、擬似太陽光の反射ロスを低減することができる。延いては、擬似太陽光の照射強度を向上することができる。また、フレネルレンズは非球面レンズと同等の形状が実現できるので、単面で収差補正が可能となる。さらに、フレネルレンズは光軸付近、軸外付近の光学素子内の光路長がほぼ同じになるので、光学素子の吸収による影響を受け難いというメリットもある。

擬似太陽光を照射するための代表的な光源としては、キセノンランプ（Ｘｅランプ）、メタルハライドランプ、もしくはプラズマ光源などが挙げられる。しかし、プラズマ光源は発光領域が大きく点光源とならないため集光には課題を残す。また、メタルハライドランプは紫外領域の短波長側の強度が強く、太陽光スペクトルのシミュレートの点においては課題を残す。したがって、本発明の擬似太陽光源としては、Ｘｅランプが最も好ましい。

また、擬似太陽光源をＸｅランプとすれば、エアマスフィルターによって光のスペクトル分布を調整することもできる。したがって、擬似太陽光源をＸｅランプとした場合に、インテグレータレンズとフレネルレンズとの間にエアマスフィルターを設けておけば、擬似太陽光を実際の太陽光のスペクトル分布に近づけることができる。

本発明の集熱効率測定方法に用いられる光照射強度分布測定装置は、太陽熱利用システムにレシーバが設置されている状態を想定しながら、この仮想レシーバに対する擬似太陽光源からの擬似太陽光の照射強度を測定するものであって、レシーバに替えて擬似太陽光照射装置に組み込んで使用されるものである。そのうえで、当該光照射強度分布測定装置は、センサを左右にスライド移動させるスライド機構を有するので、仮想レシーバの軸方向の両端に亘って全範囲の光照射強度を測定することができる。同時に、センサを軸回転させる回転機構を備えることで、仮想レシーバにおける周方向の光照射強度分布も測定することができる。加えて、回転軸からセンサの受光部までの距離が、レシーバの中心軸から周壁外面までの距離と同じであるため、センサ受光部は仮想レシーバの周壁に沿って回転するので、レシーバにおける光照射強度分布を正確に測定することができる。

このレシーバへの光の照射強度を定量測定できることにより、レシーバへの入力エネルギーを知ることができ、従来の方法で求められる熱回収量（出力エネルギー）との比よりレシーバの集熱効率を絶対値として導出できる。これにより、従来の相対的な性能評価法ではなく、絶対的な変換効率を提供することができる。具体的には、従来の評価法では、標準サンプルレシーバでの回収熱量に対して被測定サンプルレシーバの回収熱量が相対的に大きいか小さいかといった情報提供のみに留まっており、その情報のみでは太陽熱利用システムのプラント設計には応用できなかった。これに対して、本発明により被測定サンプルレシーバの集熱効率の絶対値がわかることで、そのレシーバを適用した太陽熱利用システム全体での効率を導出することができる。さらに、太陽熱利用システムにて要求される全体エネルギー量を得るために必要となるレシーバの総延長などを設計するプロセスでも、レシーバ集熱効率は極めて有用な情報となる。これらの効果により、太陽熱利用システム全体の最適設計が可能となり、過剰な仕様設計や仕様未達のリスクを回避できることに繋がるため、システム全体でのコスト低減や効率向上に貢献できる。

擬似太陽光照射装置の内部構造を示す斜視図である。フレネルレンズの照射側斜視図である。フレネルレンズの入射側斜視図である。擬似太陽光照射装置の設置状態を示す斜視図である。擬似太陽光照射装置の別の設置状態を示す斜視図である。光照射強度分布測定装置の斜視図である。光照射強度分布測定状態の斜視図である。光照射強度分布測定の模式図である。循環式熱利用システムの模式図である。貫流式熱利用システムの模式図である。従来の集熱効率測定機構を示す模式図である。従来の別の集熱効率測定機構を示す模式図である。光照射強度分布の測定結果である。流体の流速に対する集熱挙動を示すグラフである。集熱効率の測定結果を示すグラフである。

以下に、本発明の代表的な実施形態について説明する。
［擬似太陽光照射装置］
本実施形態の擬似太陽光照射装置１０は、図１に示すように、擬似太陽光源１と、凹面鏡２と、インテグレータレンズ３と、フレネルレンズ４とを必須の構成要素として有し、これらが１つのハウジング５内に設置されたユニットとして構成されている。また、本実施形態では、インテグレータレンズ３とフレネルレンズ４との間にエアマスフィルター６も備える。符号１１は擬似太陽光源１の一方（後方側）の電極１ｒへ通電する電源部であり、符号１２は擬似太陽光源１の他方（前方側）の電極１ｆを支持すると共に、通電も可能な支柱である。なお、図１において、ハウジング５は仮想線で示している。

擬似太陽光源１としては、２つの電極１ｆ・１ｒ間に通電することで発光する、キセノンランプ（Ｘｅランプ）、メタルハライドランプ、もしくはプラズマ光源等が挙げられる。中でも、発光強度の高い点光源となり、光から熱へ変換可能な波長領域の強度にも優れるＸｅランプが好ましい。詳しくは、Ｘｅショートアークランプを好適に使用できる。擬似太陽光源１は、ハウジング５の後端部中央において、その軸方向が擬似太陽光Ｓの照射方向と平行に配される。擬似太陽光源１の電源としては、トランス方式のドロッパ電源やサイリスタ方式のスイッチング電源を採用できる。時間安定性が高い点においてはドロッパ電源が好ましく、比較的安価である点においてはスイッチング電源が好ましい。なお、ハウジング５の後端ないし後方には、擬似太陽光源１の軸方向調整機構を設けておくことが好ましい。

凹面鏡２は、擬似太陽光源１から点光源として発せられた擬似太陽光Ｓを、照射方向へ向けて点集光（一次集光）しながら照射するために配されている。当該凹面鏡２は半球状（お椀状）を呈し、擬似太陽光源１の発光部を後方から完全に覆うように配されている。凹面鏡２は擬似太陽光源１からの高温に晒される部材なので、熱に対する長期耐久性の高いものを使用することが好ましい。このような凹面鏡２としては、例えばＳｉＯ₂保護膜で覆われたアルミ蒸着ミラーを挙げることができる。

インテグレータレンズ３は、四角板状のガラスレンズであって、凹面鏡２によって点集光された擬似太陽光Ｓの光路を四角錐状の光路に変換し、且つ光強度分布を均一化するために配される。そのため、インテグレータレンズ３は、凹面鏡２による点集光位置に設置される。インテグレータレンズ３の設置位置が凹面鏡２による点集光位置からずれていると、擬似太陽光Ｓの透過量が低減するため、擬似太陽光Ｓの照射強度が低下してしまう。同様の理由により、インテグレータレンズ３の大きさ（面積）は、当該インテグレータレンズ３への入射面における擬似太陽光Ｓの断面積以上としておくことが好ましい。

エアマスフィルター６は必須の構成要素ではないが、擬似太陽光源１をＸｅランプとした場合にエアマスフィルター６を設けておけば、擬似太陽光のスペクトル分布をより太陽光のスペクトル分布に近づけることができる。また、この擬似太陽光Ｓの光路中へのエアマスフィルターの挿入量の可変によりスペクトル分布の調整量を制御できるようにすることが好ましい。

フレネルレンズ４は、ハウジング５の前端面に設置された照射レンズであって、インテグレータレンズ３から四角錐状の光路で入射された擬似太陽光Ｓを、照射方向に平行な状態で線集光された光路に変換して照射するものである。そのため、フレネルレンズ４は、点集光レンズとなるコリメートレンズと、線集光レンズとなるシリンドリカルレンズとの２つの機能を備える。詳しくは、図２，３に示すように、一面にコリメートレンズ４ａとして機能するサーキュラータイプのフレネル形状が形成され、他面にシリンドリカルレンズ４ｂとして機能するリニアタイプのフレネル形状が形成された、一枚レンズからなる。この場合、フレネルレンズ４の内部（厚みの範囲）において、擬似太陽光Ｓが照射方向と平行な光路に変換される。フレネルレンズ４は、コリメートレンズ４ａがインテグレータレンズ３側、シリンドリカルレンズ４ｂが照射側を向くように設置される。

なお、凹面鏡２による点光源サイズをＤ、コリメートレンズ４ａの焦点距離をｆｓ、シリンドリカルレンズ４ｂの焦点距離をｆｒとすると、フレネルレンズ４によって効率よく均一に平行線集光するためには、次の式（１）・（２）を満足することが好ましい。
ｆｓ＞５Ｄ・・・（１）
０．５ｆｓ＜ｆｒ＜２ｆｓ・・・（２）
また、フレネルレンズ４は、透過率が高い点においてはガラスレンズとすることが好ましいが、ある程度大型化するには樹脂製（例えばポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）製）のレンズとすることが好ましい。

この焦点距離を実現させるフレネルレンズを得るために、レンズ面内の凹凸の間隔（ピッチ）を０．１〜０．５mm間隔として、レンズ中央からレンズ端部に向けて凹凸の高さ（サグ量）を０．００００１〜０．４mmの範囲で分布させ、また凹凸の角度（スロープ）を０．００１〜５０°の範囲で分布させることが好ましい。より好ましくは、ピッチ間隔を０．２〜０．４mm、サグ量を０．００００２〜０．２mm・スロープを０．００３〜３０°の範囲で分布させることで、効率的な集光が可能となるフレネルレンズを得られる。

ハウジング５は、上記各種部材をユニット化できるものであれば特に限定されない。単純には、図４，５に示すように後端から前端にかけて一様な中空筒状のものとすることもできるし、後端からインテグレータレンズ３部分までは筒状とする一方、インテグレータレンズ３から前端までは、各コーナーに骨格を有するだけでその他は開放されたような形状にすることもできる。

このユニット化された擬似太陽光照射装置１０を使用して太陽熱利用システムのレシーバにおける集熱効率を測定する際は、図４，５に示すように、複数の擬似太陽光照射装置１０をフレーム状の架台１５に設置した状態で、レシーバ２０に向けて使用する。詳しくは、レシーバ２０の軸方向長さに対応させて左右に複数個並設した列を上下に複数段設置し、レシーバ２０の周方向から複数の角度で擬似太陽光Ｓを照射する。このとき、各列からの線集光ラインは一致させておき、その線集光ライン上にレシーバ２０が位置しているように設置する。

［光照射強度分布測定装置］
次に、レシーバに対する擬似太陽光Ｓの照射強度分布を測定する装置について説明する。光照射強度測定装置３０は、図６に示すように、擬似太陽光照射装置から照射された擬似太陽光Ｓの照射強度を検知するセンサ３１と、該センサ３１をレシーバの軸方向にスライド移動させるスライド機構と、回転軸３２を中心としてセンサ３１をレシーバの周方向に軸回転させる回転機構とを備える。具体的には、左右横長の走査ステージ３３と、該走査ステージ３３上をスライド可能に設置された回転ステージ３４とを有する。

センサ３１としては、高い集光密度を計測できるセンサであれば特に限定されない。一例として、熱流速計として使用されるＭＥＤＴＨＥＲＭ社のガードン放射計を挙げることができる。センサ３１の先端には、実際に擬似太陽光Ｓの照射強度を検知する受光部３１ａが存在し、図８に示すように、回転軸３２から受光部３１ａまでの距離Ｌ₁が、測定対象となるレシーバ２０の中心軸から光吸収面となる周壁２０ａの外面までの距離Ｌ₀と同じになるように設定されている。

センサ３１のスライド機構としても特に限定されず、例えば走査ステージ３３に設けられたラック（固定）と、回転ステージ３４に設けられたピニオン（モータにより回転）とによって構成されるラックアンドピニオン機構、走査ステージ３３に設けられたレール上を、回転ステージ３４がエアシリンダや油圧シリンダ等によってスライドする機構、走査ステージ３３に設けられたウォーム歯車（モータにより回転）と回転ステージ３４に設けられた平歯車（自由回転）とが噛み合った機構、走査ステージ３３に掛け渡されたタイミングベルトやチェーンによって回転ステージ３４が横移動する機構などを挙げることができる。

回転ステージ３４は、左右に２本の支柱が立設されており、その間に回転可能に架設された回転軸３２を介してセンサ３１が回転するように構成されている。本実施形態では、センサ３１の回転機構として、回転軸３２の一端に設けたギアボックス３５と、回転ステージ３４の下部に設けたモータボックス３６と、ギアボックス３５内のギアとモータボックス３６内のモータとを連結するチェーン３７とによって構成している。このようにモータを線集光部から離れた位置に設置していることで、モータの周辺が光によって加熱され動作不良が生じることを防ぐことができる。なお、センサ３１は、図示していないケーブルを介してデータ処理装置と繋がっている。また、モータも図示していないケーブルを介して通電される。

この光照射強度測定装置３０を使用してレシーバにおける集光効率を計測する際は、図７に示すように、レシーバが本来設置される位置にセンサ３１が存在している状態で設置する。詳しくは、レシーバが設置されている状態を想定した仮想レシーバ２０の中心軸とセンサ３１の回転軸３２とを同軸状に設置する。そして、仮想レシーバ２０の軸方向長さと同じ範囲でセンサ３１を左右にスライドさせながら、センサ３１を軸回転させる。このとき、回転軸３２から受光部３１ａまでの距離Ｌ₁と、仮想レシーバ２０の中心軸から周壁２０ａの外面までの距離Ｌ₀とが同じとなっているため、センサ３１の受光部３１ａは仮想レシーバ２０の光吸収面となる周壁面２０ａに沿って移動する。このセンサ位置（軸方向位置・回転角度）と各位置での光照射強度との関係を測定することにより、実際にレシーバを設置していなくても、レシーバが設置されていると同じように擬似太陽光Ｓの照射強度分布を測定することができる。

［集熱効率測定方法］
上記光照射強度測定装置によって得られた光照射強度分布を照射面積について積分することで、レシーバへの単位時間当たりの入力エネルギーを算出することができる。一方、その強度の擬似太陽光を照射したレシーバでの回収熱量は、従来の方法と同様に、擬似太陽光で加熱されたレシーバの内部に流通させる熱媒体としての流体が、レシーバの入口と出口で温度上昇が何℃になるかを測定することで算出できる。具体的には、レシーバの入口と出口の間でΔＴ（Ｋ）の温度差が得られた場合、単位時間当たりの回収熱量ΔＱ（ｋＷ＝ｋＪ/ｓ）は、流体の試験温度での比熱をＣｐ（kJ/kgK）、密度をρ（kg/m³）、流速をν（m³/s）とすると、次式（３）により算出できる。当該単位時間当たりの回収熱量ΔＱが、レシーバから得られる単位時間当たりの出力エネルギーとなる。
ΔＱ＝ＣｐΔＴρν・・・（３）

熱媒体としての流体は、水、蒸気、オイルなどを用いることができ、測定したいレシーバの温度帯によって選択することができる。これらの流体を加熱してレシーバ入口に導くことで、レシーバの温度帯を任意に制御できる。

そして、光照射強度測定装置により得られた入力エネルギーに対して、上記のように算出された出力エネルギーが得られる割合を求めることで、集熱効率（＝出力エネルギー／入力エネルギー）を導出することができる。

［光照度分布の測定］
次に、上記光照射強度分布測定装置による光照射分布測定試験について説明する。擬似太陽光源として、凹面鏡の直径３８０ｍｍ、インテグレータレンズ（一次集光点）までの焦点距離約７００ｍｍ、インテグレータレンズ側の点集光距離ｆｓ=８００ｍｍ、集熱レシーバ側への線集光距離ｆｒ＝１１００ｍｍであり、一面にコリメートレンズ機能を、他面にシリンドリカルレンズ機能を有する一枚レンズからなる、ポリメタクリル酸メチル樹脂製のフレネルレンズを用いた。また、定格出力５ｋＷのＸｅランプを擬似太陽光源とした。そのうえで、軸長さ４．０ｍ、直径７０ｍｍの集熱管をもつトラフ型レシーバを想定して、１０灯×２列の配列で擬似太陽光源装置を組み立てた。

一方、光照射強度分布測定装置として、軸長さ４．０ｍ、直径７０ｍｍのトラフ型レシーバを想定して、走査範囲４．８ｍ、±９０°の回転範囲でスキャンできる機構のものを使用した。センサとしては、ＭＥＤＴＨＥＲＭ社の熱流速計である「ガードン放射計」を使用し、センサの受光部が回転軸から３５ｍｍ（７０ｍｍ管の半径分）離れた位置に来る位置にて光軸調整および光照射強度分布測定を実施した。また、光照射強度測定時には、測定領域外ではほとんどの光が漏れ光となってしまう。そこで、測定領域の背面に黒体塗料を塗布した水冷プレートに漏れ光を吸収させ、水循環により熱を逃がす機構を備えた。

これにより得られた長軸方向と円周方向の光照射強度の２次元分布マップを、図１３に示す。図１３の結果から、仮想レシーバの水平角度（０°）位置における長軸方向ライン上にて、最大３７．７kW/m²、最小２８．２kW/m²の範囲内の照度分布となり、その場所むらは±１４．５％以内に収まっていた。さらに、円周方向の角度分布は、０°から±９０°へ中心角が大きくなるにつれて照度が低下する分布となっている。この２次元マップより光照射強度の平均値を求めると、１８．１kW/m²となる。この光照射強度は、レシーバ表面の半周分の面積で計算した光照射強度であり、実際のトラフ型レシーバ（アパーチャー：５．７７ｍ）での５２．５kW/m²に対して３５％程度の光量まで到達している。

参考までに、ＤＬＲのＥｌｌｉＲＥＣにおいてこの光照射強度を推測する（集熱量４ｋＷよりレシーバ効率９０％として算出）と、平均で５．１kW/m²となり、本シミュレータでは約３．６倍の光照射強度を実現できていることになる。なお、上記の円周上面積に基づく光照射強度１８．１kW/m²を、４ｍ×７０ｍｍ径の長方形断面積で考えて表記すると、２８．５kW/m²となる。

［集熱効率の絶対値測定］
上記光照度分布の測定結果を踏まえて、被測定サンプルレシーバにおける集熱効率の絶対値算出試験を行った。本試験では、軸長さ４．０ｍ、直径７０ｍｍ、ＳＵＳ製の集熱管が、直径１２５ｍｍのガラス管で覆われたモデルレシーバを使用した。なお、集熱管の表面には、太陽光波長領域の吸収率が８３％、赤外領域の放射率が５％の選択吸収膜が設けられている。集熱管とガラス管の間を真空引き＋ベローズ部ベーキングにより０．５Ｐａ以下としてから、光照射分布測定試験と同じ条件で擬似太陽光を照射した。

試験用の熱媒体循環方式としては、図１０に示す循環方式と、図１１に示す貫流方式の双方を使用できるが、本試験では循環方式を採用し、モデルレシーバの出口付近に長さ約３００ｍｍのスタティックミキサーを追加した。スタティックミキサーは、その内部に断面の約３／２を遮蔽する板を交互に７カ所並べており、その内部に熱媒体が通過する際に上下に蛇行することで、その流路の強制変更の際に攪拌力を作用させて、熱媒体を均熱化させる機構である。熱媒体は水とした。

熱媒体である水の流速（ポンプインバータ周波数）を４２L/minから１０L/minへと段階的に変化させ、各流速におけるモデルレシーバ出入口での温度差を測定した。その水流速と温度挙動を図１４に示す。

図１４の結果から、水流速を減らしていけばモデルレシーバ出入口での水温度差は増加傾向があり、水流速を１０L/minまで低下させると水温度差は最大の８．８℃であった。

図１４の結果における各流量での温度差をもとに（３）式から計算した回収熱量（出力エネルギー）に基づいて集熱効率を導出し、その水流速との関係を図１５に示す。この結果より、集熱効率は水流速に大きく依存せずほぼ一定値を維持できることを明らかにできた。すなわち、いずれの流量でもほぼ同一の集熱効率が得られていることから、安定した温度計測・時間変動の小さい光照射ができていることを裏付けている。

また、光学特性から予想される理論効率（図１５において点線で示す値）と比較した場合、本実施例で得られた集熱効率と非常に良い一致性を示した。すなわち、本発明の装置および方法により、正確に集熱効率を測定できることが確認された。なお、光学特性からの理論効率は、レシーバの選択吸収膜における吸収率スペクトルと真空二重構造のガラス管の透過率から計算でき、本試験においては７６．４％である。

１擬似太陽光源
２凹面鏡
３インテグレータレンズ
４ａコリメートレンズ
４ｂシリンドリカルレンズ
４フレネルレンズ
５ハウジング
６エアマスフィルター
１０擬似太陽光照射装置
１５架台
２０レシーバ
３０光照射強度測定装置
３１センサ
３１ａ受光部
３２回転軸
３３走査ステージ
３４回転ステージ
１００・１１０太陽熱利用システムの流体循環・熱回収機構
１０１タンク
１０３レシーバ
１０４熱交換器
２００レシーバ
２０１パラボリック反射鏡
２０２擬似太陽光源
Ｓ擬似太陽光

Claims

ハウジング後端部に設けられる擬似太陽光源と、
該擬似太陽光源からの光を前方へ点集光しながら照射する半球状の凹面鏡と、
前記擬似太陽光源の前方に設けられ、前記凹面鏡によって点集光された光を四角錐状の光路に変換するインテグレータレンズと、
前記ハウジングの前端面に設けられ、前記インテグレータレンズから四角錐状の光路で入射された光を、照射方向と平行な向きで線集光するフレネルレンズとを有し、
前記フレネルレンズとして、前記インテグレータレンズから四角錐状の光路で入射された光を照射方向と平行な向きに変換するコリメートレンズと、該コリメートレンズから入射された光を線集光するシリンドリカルレンズとを備える、擬似太陽光照射装置。
前記コリメートレンズ及びシリンドリカルレンズは、一面に前記コリメートレンズとして機能するフレネル形状が形成され、他面に前記シリンドリカルレンズとして機能するフレネル形状が形成された一枚レンズからなる、請求項１に記載の擬似太陽光照射装置。
前記擬似太陽光源がキセノン（Ｘｅ）ランプである、請求項１または請求項２に記載の擬似太陽光照射装置。
前記インテグレータレンズと前記フレネルレンズとの間に、エアマスフィルターが設けられている、請求項３に記載の擬似太陽光照射装置。
太陽熱利用システムで使用される円筒形のレシーバにおける集熱効率を測定する集熱効率測定方法であって、擬似太陽光源から照射された光の照射強度分布を測定するための光照射強度分布測定装置を用いるとともに、
前記光照射強度分布測定装置が、
光照射強度を検知するセンサと、
前記センサを、前記レシーバの軸方向にスライド移動させるスライド機構と、
前記センサを、回転軸を中心として前記レシーバの周方向に軸回転させる回転機構とを備え、
前記回転軸から前記センサの受光部までの距離が、前記レシーバの中心軸から周壁外面までの距離と同じであり、
前記回転軸が前記レシーバの中心軸と同軸上にセットされる構成とされ、
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の擬似太陽光照射装置により前記レシーバへ擬似太陽光を照射して前記レシーバ内部に流通させた流体の温度上昇から算出される回収熱量（出力エネルギー）と、前記光照射強度分布測定装置によって測定された光照射強度分布（入力エネルギー）との比（出力エネルギー／入力エネルギー）により、集熱効率の絶対値を定量測定する、集熱効率測定方法。