JP6648154B2 - 太陽熱収集器 - Google Patents

Description

本発明は、任意の時の太陽放射からの熱の一時的貯蔵のための太陽熱収集器であって、太陽放射を伝導するための放射伝導体、太陽放射を放射伝導体の第１の先端に集中させるためのレンズ手段を備え、かつ放射伝導体の反対側の第２の先端に熱的に絶縁されたコアを備え、そのコアは、放射伝導体から放出される太陽放射によって加熱され、熱を一時的に貯蔵する能力がある、太陽熱収集器に関する。

そのような太陽熱収集器は、本出願人の特許文献１から知られている。この既知の太陽熱収集器は、太陽放射から熱くなることができ、かつある期間にわたってこの熱を保持する能力がある熱伝導コアを備える。レンズ手段を用いて液体を加熱して、それを直接使用する、従来の太陽熱収集器とは異なり、この既知の太陽熱収集器は、夜間などの、受け取られる太陽放射の量が比較的低い期間の間でさえ使用可能なエネルギーを生み出すことを可能にする。熱伝導コアは、実際、比較的大きい熱量を貯蔵することができ、それ故に低太陽放射のそのような期間の間エネルギーバッファとして使用される。

既知の太陽熱収集器はすでに、より長い期間にわたって連続してエネルギーを生み出すために有効に使用されることもあるけれども、特に熱損失を打ち消すことによって、言い換えればリターン時改善がなされ得ることは明らかである。

ＷＯ ２００９／００２１６８

本発明の目的はそれ故に、上で述べられた種類のさらに改善された太陽熱収集器を生み出すことである。

意図される目標を達成するために、本発明による序文で述べられた種類の太陽熱収集器は、コアを実質的に完全に包み込む断熱ケーシングがコアに設けられ、その断熱ケーシングが、多孔質セラミック材料の層を備えることを特徴とする。本発明は、固有の断熱問題にもかかわらず、できる限り高い熱容量を有するコアが、最良の結果につながるという理解に基づいている。高熱容量を有するコアを用いて達成することができる高温に起因して、使用される断熱材が、そのような温度に対して耐性があるということは、非常に重要である。多孔質セラミック材料の層は、最高温度においてでさえどんな熱損失もまったくまたはほとんど提供しないための断熱材として特によく適している。熱の漏れをできる限り打ち消すために、その層は、コアを実質的に完全に包み込む断熱ケーシング内に提供される。セラミック材料を用いたそのような断熱ケーシングは、特に軽量というわけではないが、特に比較的大きい太陽熱収集器の規模に関しては、それが、予想されるほど不都合でないことは明らかである。増加した重量を有する太陽熱収集器を制御することによるエネルギー損失は、高熱容量を有するコアのそのような良好な断熱性によってリターンに影響を及ぼさない。

もし断熱層内のあらゆるギャップまたは弱点が、熱漏れのリスクを増加させるならば、優先的実施形態での本発明による太陽熱収集器は、実質的に継ぎ目のないセラミック材料の層によって特徴付けられる。このようにして、セラミック材料の層は、本発明による太陽熱収集器のさらなる優先的実施形態に従ってコアの周りに成形されてもよい。セラミック材料の層のそのような成形は、継ぎ目のない実質的に途切れない統合体をもたらし、それは、全表面にわたって実質的に均一な断熱値を有する。これにより、断熱材内の弱点ができる限り防止される。

熱放射を十分に獲得するために、セラミック材料の層は、多孔質である。例えば、これは、多孔質材料を用いることによって、または例えば細孔の所望のネットワークを層内に残すために加熱すると層から燃えてなくなる補助物質をセラミック材料に加えることによって行われてもよい。

さらなる優先的実施形態では、本発明による太陽熱収集器は、セラミック材料の層が、軽い難燃性石造（masonry）製品を備えることを特徴とする。耐熱材料などの、そのような石造製品は、コアの周りの層内に所望の形で簡単に適用されることになり、非常に高い温度に対して耐性があり、際立った断熱値を有する。

特定の実施形態では、本発明による太陽熱収集器は、コアから離れた断熱ケーシングの面の１つの周りで、コアの方を向く放射反射面を有する少なくとも１つの反射体を設けられることを特徴とする。反射体は、断熱ケーシングから逃げる赤外線放射を反射してコアに戻すだけのものとし、それは、全体の断熱値のさらなる改善をもたらす。

本発明による太陽熱収集器のさらなる好ましい実施形態は、コアおよび断熱ケーシングが、実質的に気密の閉じた筐体内に収容されること、ならびにコアおよび断熱ケーシングの周りで筐体内に実質的真空を生み出すための手段が、提供されることを特徴とする。太陽熱収集器内で部分間のすべてのスペースに真空を生み出すことによって、伝導または対流熱伝達による熱の解放の可能性ができる限り制限される。そうすることで、熱損失は、実質的にもっぱら放射を介して可能であり、それはしかしながら、本発明による上述の対策に起因して、できる限り打ち消される。

さらなる好ましい実施形態では、本発明による太陽熱収集器は、コアが、比較的高い熱容量を有する耐熱性の伝導材料を備えることを特徴とする。本発明による太陽熱収集器のさらなる特定の実施形態は、コアが、スチールの固体ブロックを備えるという特徴を有する。スチールは、太陽熱収集器での使用に適した熱容量を有し、それが、コア内に蓄積する高温にもかかわらず固体ブロックとして使用できるように、高い融点を有する。そのようなスチールコアを使用することによって、１５００℃の温度までコアを加熱することが可能である。本発明による太陽熱収集器はそれ故に、さらなる特定の実施形態を有するが、コアが、最高で１２００℃までの温度を貯蔵するという特徴の通りである。コアのそのような温度は、太陽放射のないまたは少ない期間の橋渡しをするために十分長いエネルギーバッファを提供し、一方放射伝導体などの、太陽熱収集器のすべてのコンポーネントは、この温度に対して耐性があるように思われる。

本発明による太陽熱収集器のさらなる特定の実施形態は、コアが、アルミニウムの液体質量を備えるという特徴を有する。アルミニウムは、優れた熱容量を有し、比較的軽量であり、また非常に伝導性もあり、その結果熱は、それからエネルギーを生み出すために非常に迅速にそれから引き出すことができる。アルミニウムの比較的低い融点に起因して、アルミニウムの液体質量は、コア内で効率的な温度を達成するのに必要である。

さらなる優先的実施形態では、本発明による太陽熱収集器は、光伝導体が、石英ファイバーを部分的に備えることを特徴とする。そのような石英ファイバーは、光のどんな大幅な損失もなしにファイバーの長さにわたって太陽放射を伝導するのに特に適している。特に、石英ファイバーは、１２００℃までの、太陽熱収集器のコア内で達成される高い温度に耐えるのが得意である。このように、石英ファイバーは、太陽熱収集器のコアの近くでの使用に適している。

完全に石英ファイバーから放射伝導体を製造することは可能であるが、グラスファイバーの使用もまた、利点を提供する。グラスファイバーは、石英ファイバーと比較して明らかにより安価であり、さらにはるかにより柔軟である。結果として、グラスファイバーは、屈曲および湾曲を有する放射伝導体での使用により良く適している。しかしながら、太陽熱収集器のコア内で生じることもあるより高い温度においては、グラスファイバーは、放射伝導が、結果としてもはや最適でないように影響を受ける。このため、本発明による太陽熱収集器のさらなる特定の実施形態は、石英ファイバーが、放射伝導体の第２の先端を備え、断熱ケーシングの外側に延びること、およびグラスファイバーが、石英ファイバーと接合され、放射伝導体の第１の先端を備えることを特徴とする。最高温度に耐えなければならない放射伝導体のその部分だけ、特にコアと断熱ケーシングとの間の部分は、耐熱性石英ファイバーから製造され、一方レンズ手段の焦点の近くまでの断熱ケーシングからの放射伝導体の他の部分は、より柔軟なグラスファイバーで作られる。

本発明による太陽熱収集器のさらなる優先的実施形態は、エネルギーに変換される放射伝導体から放出する太陽放射がコアの表面と接触することを可能にするために、放射伝導体が、コア内のリセスの場所でかつリセス内のスペースに収容されるように、コアの外側に第２の先端にて固定されることを特徴とする。コア内のリセスは、リセス内により大きいコアエリアを生み出し、それによって放射伝導体から放出される太陽放射は、熱の形の放射エネルギーを除去するようにコアに入射する。さらなる好ましい実施形態では、本発明による太陽熱収集器は、コアに対する反射防止コーティングが、リセス内に適用されることを特徴とする。反射防止コーティングは、放射伝導体から放出される太陽放射を吸収し、これを熱としてコアに放出する。このようにして、エネルギーの損失を意味する、放射伝導体に反射して戻ることできる太陽放射が打ち消される。

本発明は今から、説明に役立つ例および関連する図面を使用してより詳細に説明されることになる。

横断面の側面図において本発明による太陽熱収集器の説明に役立つ例を示す図である。 図１に示されるような本発明による太陽熱収集器の説明に役立つ例の筐体内のコアの斜視図を示す図である。 図１に示されるような領域Ｂによる筐体内のコアの横断面詳細図を示す図である。

ちなみに、図は、純粋に概略的であり、一定の縮尺で描かれていない。実際、寸法のいくつかは、明瞭さのために誇張されて示される。

対応する部分は、少しでも可能であれば、図において同じ参照番号を用いて示される。

太陽放射からの熱の一時的貯蔵のための図１に示される太陽熱収集器１は、図２により良く示されるように、円筒状金属筐体３内に熱伝導コア２を備える。この説明に役立つ例でのコア２は、本発明によると１２００℃まで加熱できるスチールの固体ブロックである。より長い期間にわたってこの熱を保持するために、コア２の周りに、コアを完全に包み込む断熱ケーシング４が提供される。断熱ケーシング４は、高い断熱値を有するセラミック材料の層を備える。断熱ケーシング４からある距離を置いて、放射をコアに向けて反射する一面を有する第１の反射体５が、断熱ケーシングから逃れる放射を反射してコアに向けて戻すために提供される。第１の反射体５からある距離を置いて、放射をさらに反射してコアに戻すための第２の反射体６が提供される。筐体はさらに、筐体内に真空を生み出すことができる手段（図示されず）を備え、その結果反射体５、６と断熱ケーシング４との間のスペース内には、実質的に完全な真空が広がる。これは実質的に、対流または伝導による熱損失を排除する。

筐体の外側は、太陽熱収集器を使用する場合、１２００℃のコア温度において周囲温度のそれに実質的に対応する温度にとどまる。したがって、外部環境への熱損失は、無視できる量である。本発明による太陽熱収集器はそれ故に、特に完全なリターンを提供し、日照時間の間にエネルギーを提供する能力だけでなく、太陽放射のより少ない期間の間に連続的なエネルギーを抽出することができるエネルギーバッファを生成することができる。

コア２の加熱のために、筐体３の前に、太陽放射を集中させるためのレンズ手段がその中に提供されるスクリーン７が置かれる。レンズ手段は、等距離に離れて置かれ、かつ太陽の方に向けられたレンズシステムを備え、いずれの場合にも、レンズに入射する太陽放射は、それ自体の焦点に集中する。しかしながら、焦点において、各レンズの後ろにグラスファイバーの形の放射伝導体の第１の先端が置かれ、その結果集中した太陽放射は、ファイバー内に集められる。各レンズのグラスファイバーを通って、太陽放射は、筐体３に向かって伝導される。太陽放射の最大収集のために、追跡手段が、一日にわたって太陽の通過を追うことができるように提供される。このために、筐体３は、太陽熱収集器がその上に支持される水平ベース２１内で完全に回転できる第１の回転フレーム２０上に位置し、一方レンズを有するスクリーンは、筐体３の周りである距離にわたって回転する第２の回転フレーム３０に固定される。１つの位置から次へのレンズの連続調節は、追跡手段の信号に応答する回転フレームの自動駆動によって実現される。追跡手段が例えば、太陽の位置を連続的に記録し、例えばプロセッサなどの処理手段に伝えるセンサを備えてもよく、その処理手段が次いで、出力信号を然るべく提供される駆動手段に送り、それが、フレーム２０、３０のどちらか１つの必要な調節を成し遂げることは、当業者には明らかであろう。

図３においてより詳細に示されるように、グラスファイバー８の先端は、締結手段１０を用いて筐体３の外側に固定される。グラスファイバーの先端はそれ故に、石英ファイバー９の先端に適合して受け入れられ、その結果グラスファイバーからの太陽放射は、放射の損失なしに石英ファイバー内に伝達する。石英ファイバー９は、さらなる締結手段１１を用いて筐体３の内側に固定される。Ｏリングの形の柔軟な調整可能な手段が、全体を密封するために、筐体のリードスルー内に提供され、それを通って放射伝導体が延びる。石英ファイバー９は、筐体３の内側から実質的にコア２に至るまで案内され、そこで石英ファイバー９は、放射伝導体の第２の先端を形成する。放射伝導体の第２の先端は、固定手段１２を用いてコア２内のリセスのところでコア２に対して固定される。放射伝導体から解放される放射粒子はそれ故に、リセス内のスペースに入り、その結果放射は、より大きなコアエリアに入射することができ、放射伝導体に戻る放射の反射による損失は、最小限に抑えられる。

本発明は、ただ単一の説明に役立つ例だけを用いてさらに説明されるが、本発明が決してそれに限定されないことは明らかである。反対に、より多くの変形形態および実施形態は、本発明のフレームワーク内で当業者にとって可能である。

１ 太陽熱収集器
２ コア
３ 筐体
４ 断熱ケーシング
５ 第１の反射体
６ 第２の反射体
７ スクリーン
８ グラスファイバー
９ 石英ファイバー
１０ 締結手段
１１ 締結手段
１２ 固定手段
２０ 第１の回転フレーム
２１ 水平ベース
３０ 第２の回転フレーム

Claims (10)

1. 太陽放射からの熱の一時的貯蔵のための太陽熱収集器であって、太陽放射を伝導するための放射伝導体と、前記放射伝導体の第１の先端に太陽放射を集中させるためのレンズ手段とを備え、かつ前記放射伝導体の反対側の第２の先端に熱的に絶縁されたコアを備え、前記コアは、前記放射伝導体から放出される前記太陽放射によって加熱され、前記熱を一時的に貯蔵するためにあり、前記コアが、前記コアを完全に包み込む断熱ケーシング内に設けられ、前記断熱ケーシングが、多孔質セラミック材料の層を備えるという特徴を有し、前記放射伝導体が、石英ファイバーを部分的に備え、前記石英ファイバーが、前記放射伝導体の前記第２の先端を備え、前記断熱ケーシングの外側に延び、かつグラスファイバーが前記石英ファイバーに接続され、前記放射伝導体の前記第１の先端を備え、前記第２の先端は、前記断熱ケーシング内において前記コアに至るまで案内される、太陽熱収集器。
2. セラミック材料の前記層が、耐火性の層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱収集器。
3. セラミック材料の前記層が、継ぎ目がなく、前記コアの周りに成形されることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽熱収集器。
4. 前記コアから離れた側の前記断熱ケーシングの周りで、少なくとも１つの反射体に前記コアの方を向く反射面が設けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽熱収集器。
5. 前記コアおよび断熱ケーシングが、気密に密閉される筐体内に収容され、かつ前記コアおよび断熱ケーシングの周りの前記筐体内に真空を生み出すための手段が設けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽熱収集器。
6. 前記コアが、耐熱性の伝導材料を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽熱収集器。
7. 前記コアが、スチールの固体ブロックを備えることを特徴とする、請求項６に記載の太陽熱収集器。
8. 前記コアが、アルミニウムの液体を備えることを特徴とする、請求項６に記載の太陽熱収集器。
9. 前記コアが、最高で１２００℃までのコア温度に対応する熱エネルギーを貯蔵することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の太陽熱収集器。
10. エネルギーに変換される前記放射伝導体からの前記太陽放射が前記コアの表面と接触することを可能にするために、前記放射伝導体が、前記コア内のリセスの場所でかつ前記リセス内のスペースに収容されるように前記コアの外側に前記第２の先端にて固定されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の太陽熱収集器。

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