JPS583180B2 - シユウネツユニツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽エネルギーを単純構造で効率よく捕集する
装置に関するものである。

従来太陽エネルギーを熱として捕集するに際しては、太
陽光線密度を高くすることなくそのまま集熱する平板型
および円筒型、またはレンズ、反射鏡などを用いて太陽
エネルギー密度を高くして集熱する集光タイプがあった
。

いずれの場合も黒色度の高い材料まだは黒色度の高い塗
料で塗装された材料で構成された容器に太陽エネルギー
をまず集熱し、容器内に充満されている水などの熱媒に
伝熱し、その熱媒を使って蓄熱、熱輸送およびエネルギ
ーとしての有効活用をはかつていた。

ところがこれら従来の方式では太陽エネルギーを熱とし
て集熱した黒色系容器材料は熱媒方向に伝熱する一方受
熱容器の外側への空気層に、および支持部材を通して放
熱していた。

さらには輻射熱としても受熱容器外表面から放熱してい
ただめ本来有効利用すべき熱媒への伝熱は外表面からの
放熱分だけ差引かれたものとなり自ずと太陽エネルギー
集熱器の効率限界をもたらしていた。

つまり太陽エネルギー集熱器の効率を向上させるために
は空気層および支持部材への伝熱放熱、および受熱容器
から周囲のより低温の物体への輻射放熱を抑える必要が
あった。

本発明はこれらの問題を解決し受熱効率を向上させよう
とするものである。

つまり一度受熱した材料からの伝熱または輻射エネルギ
ーをすべて利用熱媒に吸収させ直接放熱を減少させよう
と試みるものである。

その目的達成手段として熱媒中に太陽エネルギー吸収体
を出来るだけ表面積を大きくして熱媒体中に分散させる
ことと、吸収体を浮遊させる熱媒体としては太陽光線を
よく透過する材料を選ぶこととする。

例えば熱媒として水を選べば水は太陽エネルギーの大部
分を構成する赤外線以下の短波長を透過し易く、赤外線
以上の長波長を吸収し易い性質を持つだめこの適性にか
なっている。

つまり水中に浮遊または固定させた黒色板状体、繊維状
体、網状体または粉粒体布帛状体まだはコロイド状体は
水中を透過してきた太陽光線をよく却収し熱として捕促
する。

そしてこれら黒色受熱体が受熱後昇撫すると水中へ熱伝
達すると同時に比較的長波長として輻射される輻射エネ
ルギーも熱媒としての水中に吸収されてしまうことにな
る、もちろん熱媒に浮遊させる繊維状体あるいは粉粒体
、フロイド状体などは循環系で用いるか、あるいは受熱
容器の熱媒流入口および流出口に適当なろ過、回収装置
を取付けることにより非循環系にも適用できることはい
うまでもない。

かくして透明体容器に水を封入しその中に黒色体を浸漬
した構造体は効率のよい太陽熱集熱器となり得る。

更に集光型集熱器の場合、従来では集光装置としてフレ
ネルレンズなどのレンズ及び反射鏡などが用いられてお
り、日射角度の時間推移に従ってレンズまたは反射鏡側
を太陽日射方向に追尾するか、集光部を焦点移動に伴な
って移動させるか、或いは集熱効率を犠性にしなければ
ならないという欠点があったが、本発明の第２の手段に
おいては焦熱効率を上げると同時に外筒内筒間に充満さ
せた熱媒にレンズの集光作用をもたせ、追尾装置を要せ
ず効率減少を起こせないようにすることができる。

これらを図面によって説明する。

第１図、第２図、第３図はそれぞれ従来の円筒または平
板型集熱器主要部の典型を示すものである。

それぞれ１は受熱容器本体、２は熱媒部、３は太陽光線
を示し受熱容器本体１は黒色材料または表面を黒色系塗
料で塗られたものである。

第１図、第２図、第３図は代表的形態であるのでこれら
原理を踏まえた構造のものは数多く考えられる。

また図示されたこれら主要部は一重または二重のガラス
板、プラスチック膜、板などで被われることもあり後部
は各種断熱構造がとられるのが普通である。

熱媒の流路としても併流型、直流型、組合せ型など各種
の方式がとられる。

さらに集光タイプの例でも受熱部の基本は黒色体容器中
に熱媒を封入する型がとられることは、平板型と同様で
ある。

第４図および第５図は本発明の一部を示す概念図である
。

第４図は円筒容器に本発明を適用した場合、第５図は平
板型に本発明を適用した場合である。

それぞれ４は太陽光線の大半を占める赤外線以下の短波
長をよく透過する材料で作られる透明容器であり、４の
中には赤外線以下の短波長はよく透過するが遠赤外線以
上の長波長はよく吸収する例えば水などを封入している
。

５の交叉斜線部は太陽光線をよく吸収する黒色系材料を
軽く充満するｌに浮遊させるか、あるいは浸漬固定する
かを表現するものである。

この材料の形態としては板状物であり、繊維集合体であ
り、粉粒体であり、コロイド状体でありまたは二重三重
あるいはそれ以上に巻いた網状または布状体であっても
よい。

第５図の６は流路を構成する仕切板を示しているが、こ
れはほんの変形であって透明体に黒色系物体を浸漬静置
する形であればその応用はすべて含むものとする。

これら黒色系物体は外部から駆動されることもなくただ
静置あるいは自由浮遊しているだけであるので特別な操
作は必要ではない。

第７、第８図は集光タイプの従来のものを示し受熱部は
前記第１．２．３図と同様の考えで組立てられている。

集光部７は第７図ではフレネルレンズを示し、第８図は
放物面反射鏡を示しているように第１〜第３図とは異な
っている。

図中１，２，３はそれそれ受熱部容器、熱媒および太陽
光線を示し、この集光型の場合には７または１は太陽位
置により焦点結びを受熱容器にあわすよう追尾移動する
のが普通であるが、ここではその図説明を省略している
。

第９図は本発明の焦熱ユニットを示す図である。

８は太陽光をよく透過する透明外筒、９は同じく透明内
筒、１０は内筒熱媒中に充満浮遊させる太陽光吸収体を
示す。

もちろん内筒９中に充満浮遊させる太陽光吸収体は内筒
外に流れ出したり、拡散したりすることのないように円
筒の上下底面に流出防止の簡単な装置を取付けている。

１１は熱媒流体入口、１２は熱媒流体の外筒から円筒へ
の折返し点、１３は昇温させた熱媒流体の集熱ユニット
からの流出口を示している。

この第９図により本発明を説明すると、太陽光線は８の
透明外筒、その内部に充満している透明熱媒および９の
透明内筒をそれぞれ透過して１０？太陽エネルギー吸収
物体に到達する。

この際透明外筒内部に充満している熱媒および透明内筒
の屈折率の違いによりレンズ作用が生じ外筒投影面に日
射している太陽光線はほぼ円筒投影面に集光されエネル
ギー密度を上げる。

また逆に内筒に集光されるよう容器材料、熱媒および外
筒／内筒直径比を選ぶよう設計することも可能である。

太陽光線はこれら物体を透過するといっても一部反射さ
れ二部吸収されるが吸収された分については直接間接に
熱媒体の昇温に役立つので問題ない。

１０の太陽エネルギー吸収物体の材質、形状については
種々考えられるが要するに熱媒のレンズ作用により集光
された太陽光線を効率よく吸収し、その後迅速に熱媒体
に伝熱するよう考えられているものであればいかなるも
のであってもよい。

例えば２０〜３０メッシュ程の黒色網状体を三重に同心
円状に円筒熱媒中に浸漬静置する例などがこの代表例と
して考えられる。

さらに本集熱ユニットは外筒から内筒への流路をとって
いるので外筒内にある熱媒は内筒の放熱により予熱され
る状態になるので予熱されて後円筒に流入する熱媒は昇
温される度合も大きいし内筒型集熱器に比べレンズ作用
によりエネルギー密度の高くなった熱媒が円筒に到達す
るのでさらに高い温度まで昇温可能となる。

かくして本集熱ユニットにおいては、中心から半径方向
外側にいくほど熱媒温度の低い温度分布となり、外気と
の温度差の大小によって決まる放熱量を小さくすること
ができる。

つまりレンズ、反射鏡などを用い設備的に高価な追尾装
置を使うことなく利用度の高い高温状態のエネルギーを
得ることができる。

なお第９図では、２重管の例で示し、２重管の外側から
内側へ熱媒が流入する構造で示しているが、これは必ず
しも円筒状物の構造に限らすとも断面形状を問わない筒
状体、球体まだは平板集熱体の変形であってもよいし、
さらに熱媒の流路を外側から内側へと限定されるもので
なく、他の同形の集熱ユニットとそれそれ並列または直
列流路をとってよいことは云うまでもない。

さらに第１０図は追尾装置の不要な状態を説明している
。

８，９．１０は第９図と同じく、それぞれ外筒、内筒お
よび吸熱体を示し３′が太陽南中時の日射方角、３″お
よび３″′はそれぞれ早朝、夕方の太陽光線方角を示し
、いずれも内筒９に集光できることを示している。

第１１図は内筒、外筒の位置が必ずしも同心円状になく
てもよいことを示し、むしろ内筒の位置が光線方向に対
して奥になるほど集光率が高くなりそれだけ高密度での
太陽エネルギー取出しが可能なことを示している。

本発明のかかる集熱ユニットの特長は、 １ 黒色吸収体に吸収された後の太陽エネルギーは効率
高く熱媒に吸収され太陽エネルギー捕捉率が上がる。

２ 熱媒によるレンズ作用が使えるので安価な装置で利
用度を高くしだ太陽エネルギー集熱が可能である。

３ 集光タイプの集熱器であるにもかかわらず、複雑で
スペースの必要とする高価な追尾装置を必要としないな
ど大きなメリットが出せる新規な集熱ユニットである。

本発明は集熱ユニットを示すものであるがこのユニット
を組合せ、流路を工夫したシステムが考えられる。

さらに本発明の効果を実証する簡単なテスト結果を第６
図及び第１２図に示す。

第６図において（１）は黒色ペンキを塗ったガラス容器
に水を充満し屋外で直射日光にあて、水を充満したガラ
ス容器内のほぼ中央部を側温した結果をグラフに示した
ものであり、（２）は透明ガラス容器に水を充満しその
容器中に２５メッシュの黒色プラスチックネットを三重
に同心円状に巻いて水中に浸漬静置したものである。

双方の実験とも昭和４９年１１月１５日，前９時〜１１
時、天候晴、容器内水量５００ｃｃ、風はほぼ前面から
のみあたるように両側および後側についたて状のものを
置いて同一条件になるようにして行ったものである。

このテスト結果から明らかなように例えば、（１）の黒
色ガラス受熱管の１０℃昇温時に（２）は１３〜１４℃
昇温を示し３０〜４０％の集熱向上を示し、（２）が太
陽熱の効率よい捕集手段として非常に優れていることが
実証されている。

第１２図において■は従来型のブランクを示し、■は本
集熱ユニットでの測温結果を示す。

ブランクは内径１００％のガラス製円筒に黒色塗料を塗
り、その中に熱媒として水を充満したものであり容積は
約５００ｃｃである。

比較の集熱ユニットとしては内径１００φのガラス製外
筒に内径３５φのガラス製円筒を中心より１０ｍｍ偏心
して奥行方向にずらして配置した装置に同じく熱媒とし
て水を充満させたもので容積約５００ｃｃである。

そしてこの円筒内の水にメツンユ２５のプラスチック製
黒色ネットを三重に同心円状にして浸漬静置した装置の
ものが■であり、■は内筒内に特別に太陽光吸収体を入
れなかった場合の昇温曲線を示している。

また前記黒色ネットの塗料はブランクの塗料と同じもの
であり、測定は昭和４９年１２月９日、天候快晴、微風
時Ａ．Ｍ９：３０〜ＰＭ１：００ぐらいまでの実測デー
タであり、完全に同一条件で測定されたものである。

なお■は外気温度を示している。

以上のように本発明の集熱ユニットは比較的単純な構造
変更のみで太陽エネルギー利用上重要機器であるコレク
タ一部の焦熱効率を大幅に向上させ得るものである。

【図面の簡単な説明】 第１図、第２図、第３図は従来の円筒まだは平板型集熱
器、第４図、第５図は本発明の一部を示す円筒型、平板
型集熱ユニットを示し、第７図、第８図は集光型の従来
例、第９図は本発明による集光型集熱ユニット、第１０
図、第１１図は第９図の平面図の一例を示し、第６図、
第１２図は本発明の効果を説明するだめの図である。 符号の説明、４：受熱容器、５，１０：黒色系物体、６
：仕切板、８：外筒、９：内筒、１１：熱媒流入口、１
３：熱媒流出口。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 太陽熱エネルギーを熱エネルギーとして捕集する受
   熱装置において、太陽光線の透過率が大である物体で受
   熱蓉器を構成し、該受熱容器を二重筒となし、該受熱容
   器の内筒及び外筒中に太陽光線の透過率が大で、かつ赤
   外線以上の長波長吸収率が大である液状熱媒体を満だ獣
   該内筒の熱媒中に太陽光線の吸収率の大きい黒色系物体
   まだは表面黒色系化した物体を浮遊或いは静置せしめる
   と共に、前記内筒の出入口に前記熱媒中に浮遊あるいは
   静置している物体の回収装置を設けてなる集熱ユニット
   。