JPWO2010067434A1

JPWO2010067434A1 - 太陽熱の集熱方法及び集熱装置

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Publication number: JPWO2010067434A1
Application number: JP2009553860A
Authority: JP
Inventors: 山口　博司; 博司山口; 穂吉上田; 昇澤田; 孝範金山; 藤間　克己; 克己藤間
Original assignee: Showa Denko KK; Mayekawa Manufacturing Co; Doshisha Co Ltd; Showa Denko Gas Products Co Ltd
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co; Doshisha Co Ltd; Showa Denko Gas Products Co Ltd; Resonac Holdings Corp
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: CN102245978A; JP4607232B2; DE112008004183T5; CN102245978B; WO2010067434A1

Abstract

動力を不要として省エネを可能とし、かつ装置構成を簡素化して低コスト化でき、さらに、冬季でも高温の回収温度を得ることができる太陽熱集熱手段を実現することを目的とし、ＣＯ２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ２流体という）が循環する閉回路１を形成し、ＣＯ２流体に集熱する集熱器２と、集熱されたＣＯ２流体から熱回収する熱交換器３とを備えた集熱装置において、ＣＯ２流体ｗの保有熱を回収して液化させるとともに、ＣＯ２流体ｗが流入する入口側とＣＯ２流体ｗが流出する出口側とで高低差をもうけて出口側にＣＯ２流体ｗによる液頭圧Ｈを形成させる熱交換器３と、閉回路１に介設され液化したＣＯ２流体ｗに集熱して出口側のＣＯ２流体ｗを超臨界状態となす集熱器２とを備え、閉回路１でＣＯ２流体ｗの自然循環を形成させるように構成した。

Description

本発明は、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体が循環する閉回路で太陽熱の集熱を図った発明に係り、特にＣＯ_２流体を無動力で循環可能とし、太陽熱を効率良く低コストで集熱し利用可能にした太陽熱の集熱方法及び装置に関する。

近年、温室効果ガスによる地球温暖化などの環境汚染問題や、化石燃料の枯渇問題を背景に化石燃料に代わる新しいエネルギ源の開拓、実用化に関する研究が行なわれている。その中で、太陽エネルギは、地球上のほぼ全体に降り注いでおり、そのエネルギ量は他の自然エネルギと比較して圧倒的に大きく無尽蔵であるために、有効利用に関する多くの研究及び実用化がなされている。

太陽エネルギを含む自然エネルギ利用の効果として、省エネと炭酸ガスの排出削減が挙げられるが、太陽エネルギの利用上の課題として、太陽熱利用システムの設置面積の削減と集熱率の向上、及び低価格化が望まれている。

本出願人等は、先に特許文献１（特開２００４−２６３９４４号公報）で、太陽エネルギを利用して、発電と冷温熱と給湯の同時供給を可能とするソーラシステムを提案している。このシステムは、作動流体として、ＣＯ_２，ＮＨ_３，Ｈ_２Ｏ，炭化水素系の自然冷媒を使用し、液化ＣＯ_２流体を超臨界圧流体とするポンプアップ部、該超臨界圧流体を太陽熱により高温超臨界圧流体とする蒸発器と、該高温超臨界圧流体を断熱膨張させて低圧ガスを形成するとともに発電する膨張タービンと、低圧ガスより熱回収するとともに液化及び超臨界、近超臨界、臨界未満の作動流体を形成する熱回収器とより構成してなるものである。

特許文献１に開示されたソーラシステムは、システム内で作動流体を強制循環させるためのポンプ動力を必要とするとともに、装置が大掛かりになり、設備コスト及びメンテナンスコストが高価になるという問題がある。

一般に、太陽熱利用システムは、集熱効率が悪く、設備投資が大きくなるという問題がある。特に、冬季での回収温度が低く、利用する場合には追い焚きなどが必要である。また、特許文献１に開示されたシステムでは、集熱そのものに動力が必要であり、さらに、バッチ式の熱回収であるために熱利用性の点で劣るという問題がある。
特開２００４−２６３９４４号公報

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、動力を不要として省エネを可能とし、かつ装置構成を簡素化して低コスト化でき、さらに、冬季でも高温の回収温度を得ることができる太陽熱集熱手段を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の集熱方法は、
ＣＯ_２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ_２流体という）が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱を集熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱方法において、
前記閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて、該伝熱管のＣＯ_２流体の吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽熱集熱器よりのＣＯ_２流体を、集熱器出口側で臨界点以上になるように加熱して、太陽集熱により該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、該閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成するようにしたものである。

また、本発明の太陽熱の集熱装置は、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱集熱によりＣＯ_２流体を加熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ_２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱装置において、
前記閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて該熱交換器の伝熱管吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽熱集熱器よりＣＯ_２流体を集熱器出口側で臨界点以上になるように加熱して、太陽集熱により該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、該閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成可能に構成した。

本発明方法では、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体を用いる。ＣＯ_２は、高圧になるほど比熱が減少し、特に高温での集熱がしやすくなる。また、高圧高密度でも粘性が大幅に変わらず、臨界点（圧力７．３ＭＰａ、温度３１℃）以上で超臨界状態となり、超臨界状態で粘度が小さくなるので、集熱器と熱交換器間に配設された閉回路を循環させる場合に移動動力を小さくすることができる。そして、熱交換器でＣＯ_２流体の保有熱を回収してＣＯ_２流体を液化させ、熱交換器の伝熱管出口部の閉回路内で液化したＣＯ_２流体の液頭圧を形成することにより、ＣＯ_２流体を該閉回路で自然循環させるようにしている。従って、閉回路に前記ＣＯ_２流体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設する必要がない。

また、本発明装置では、熱交換器の伝熱管にＣＯ_２流体の流入側とＣＯ_２流体の流出する流出側とで高低差をもうけてＣＯ_２流体の流出側の閉回路にＣＯ_２流体による液頭圧を形成することにより、該閉回路でＣＯ_２流体を自然循環させるようにしている。

また、ＣＯ_２は、常温域で液化又はガス化（若しくは臨界化）するため、常温域近辺での相変化を利用することにより、無動力で自然循環流を形成でき、この循環流により熱移動を連続的に行なうことができる。

このように、本発明では、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体を用い、ＣＯ_２流体から熱回収を行なう熱交換器の出口側にＣＯ_２流体による液頭圧を形成するとともに、集熱器の出口側でＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成させるようにし、これによって、無動力でＣＯ_２流体を循環させることにより、装置構成を簡素化し、省エネと低コストを実現したものである。

本発明方法において、集熱器に設けられた集熱管のうち少なくともＣＯ_２流体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置するとよい。このように構成すれば、この上向き勾配をなす集熱管内でのＣＯ_２流体の相変化（液体→超臨界状態）によって超臨界状態となったＣＯ_２流体が集熱器の出口側に向う上昇力が発生する。そして、この上昇力が該閉回路内での自然循環の形成を助ける作用をなす。

集熱器の集熱量や周囲温度の日々の変動、あるいは季節などで太陽熱の集熱量が変動するため、ＣＯ_２流体を高温にして効率良く熱回収したり、あるいはＣＯ_２流体の循環量を抑制し高圧になるのを防ぐ必要がある。本発明方法において、集熱器の出口側閉回路に設けた検出器によりＣＯ_２流体の超臨界状態の有無を検出し、該検出結果に応じて該集熱器の出口側と前記熱交換器の入口側とを接続する閉回路に介設した流量調整弁の開度を調節することにより、該集熱器の出口側閉回路に常にＣＯ_２流体の超臨界状態を形成するようにするとよい。

これによって、集熱器の出口側閉回路に常にＣＯ_２流体の超臨界状態を形成できるため、ＣＯ_２流体の集熱量を高め、ＣＯ_２流体を高温にして熱交換器での熱回収効率を高めたり、あるいはＣＯ_２流体の循環量を制御して閉回路内が高圧になるのを防ぐことができる。このため、熱回収流体の温度を用途に応じて必要な温度に制御することができ、あるいは、冬季で太陽からの日射量が少ない時でも、高い温度の熱回収流体を得ることができる。

なお、ＣＯ_２流体の超臨界状態の有無を検出する検出器としては、太陽光の日射量を計測して、該日射量から集熱器の集熱量を演算する機器や、あるいは集熱器の出入り口のＣＯ_２流体の温度差又は圧力差を計測して、該計測値から集熱器の集熱量を演算する機器、あるいは集熱器出口部でのＣＯ_２流体の温度又は圧力を検出してその検出値からＣＯ_２流体の超臨界状態を検出する機器が適用できる。

また、本発明方法において、好ましくは、作動流体として、ＣＯ_２とＣＯ_２に対してジメチルエーテルを１〜３５モル％配合したものを用いるとよい。熱交換器で熱回収流体を循環して熱回収を行なう場合、夏季などで、集熱器での集熱量が多い場合は、熱交換器に供給する熱回収流体の温度は高くなり、そのため、熱交換器でのＣＯ_２流体の凝縮が不十分となる場合が生じる。

作動流体として、ＣＯ_２にジメチルエーテルを配合すると、ＣＯ_２にジメチルエーテルが溶解する。これによって、ＣＯ_２流体の沸点がＣＯ_２のみの場合より上昇する。
炭酸ガスの臨界温度は３１．０５℃であるが、ジメチルエーテルを配合することによって、ＣＯ_２流体の凝縮温度を高くすることができる。これによって、ＣＯ_２流体の温度域が高くなっても凝縮しやすくなる。従って、熱交換器内でＣＯ_２流体が液化しやすくなり、液頭圧を形成しやすくなるので、閉回路での自然循環を安定して形成することができる。

また、ＣＯ_２にジメチルエーテルを配合することで、ＣＯ_２流体の圧力を低下させることができる。ＣＯ_２は蒸気圧が３．４８５ＭＰａ（２７３Ｋ）と高くなる物性を有するが、ジメチルエーテルを配合することでＣＯ_２流体の圧力を下げることができ、ＣＯ_２流体が流れる閉回路の配管系を低コストとすることができる。なお、ジメチルエーテルの配合割合を大きくすると、可燃性になると共に、ジメチルエーテルは比較的液粘度が高いので（１４９．０×１０−６Ｐａ／ｓ（２９８Ｋ））、輸送動力が上昇する。従って、ＣＯ_２に対する配合割合が１〜３５モル％（不燃域又は微燃域）での使用が望ましい。

また、本発明方法において、作動流体がＣＯ_２とＣＯ_２に対して炭化水素系自然冷媒を１〜３５モル％配合したものとするとよい。このように、炭化水素系自然冷媒、例えば、イソブタン、プロパン、エタン等を配合すると、凝縮温度を上昇させ、かつＣＯ_２流体の圧力を低下させる利点がある。

また、本発明装置において、好ましくは、集熱器に設けられた集熱管のうち少なくともＣＯ_２流体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置し、ＣＯ_２流体を該集熱器の底部から流入して上部から流出させ、前記熱交換器において前記閉回路と接続される伝熱管をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって下向き勾配となるように配置し、ＣＯ_２流体を該熱交換器の上部から流入して底部から流出させるように構成するとよい。

かかる構成とすることにより、集熱器に設けられた集熱管のうち少なくともＣＯ_２流体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分が上向きに配置されるので、ＣＯ_２流体の相変化（液体→超臨界状態）によって超臨界状態となったＣＯ_２流体が集熱器の出口側に向う上昇力が発生する。この上昇力が該閉回路内での自然循環の形成を助ける作用をなす。
また、熱交換器内ではＣＯ_２流体が流れる伝熱管が下向きに形成されるので、熱交換器の出口側でＣＯ_２流体の液頭圧を形成しやすくなる。このように、前記構成によって、ＣＯ_２流体の自然循環流を形成するのが容易になる。

ＣＯ_２流体の自然循環を形成するためには、通常、集熱器を下方の位置に配置し、熱交換器を上方の位置に配置するようにするが、本発明装置では、粘性が小さいＣＯ_２をＣＯ_２流体の主要流体として用いていており、かつ前記構成とすることにより、熱交換器を集熱器に対して同一高さに配置しても、自然循環を可能とする。従って、集熱装置が嵩高とならず、集熱装置をコンパクトにすることができる。

また、本発明装置において、熱交換器に流入するか若しくは該熱交換器から流出するＣＯ_２流体の温度、又は該熱交換器から流出する熱回収流体の温度を検出する検出器と、該熱交換器に熱回収流体を流通させる出入り配管及び該出入り配管に設けられた流量調整弁と、該検出器の温度検出値に基づいて該流量調整弁の開度を調節するコントローラとを備えるようにするとよい。これによって、熱回収流体の温度を用途に応じて必要な温度に調節することができる。従って、冬季で日射量が少ない時でも、高い温度の熱回収流体を得ることができる。

また、本発明装置において、熱交換器の出口部の閉回路に分岐管路を並設し、該分岐管路に開閉弁を介して液化した炭酸ガスの貯留容器を設け、該貯留容器に貯留するＣＯ_２流体量を調節することによりＣＯ_２流体の液頭圧を調節可能に構成するとよい。
夏季と冬季とではＣＯ_２流体の比重が異なる。そのため、熱交換器下流側に形成される液頭圧に夏季と冬季で差が出てくる。液頭圧が変動すると、ＣＯ_２流体の自然循環を安定して維持できなくなる。これに対し、前記構成とすることにより、液頭圧を常に所定の高さに調節することができるので、常に自然循環を安定して形成することができる。

また、本発明装置の集熱器において、ＣＯ_２流体が流れる集熱管を真空容器の内部に配置するようにするとよい。これによって、集合管からの伝導、対流による熱の放散を小さくし、熱損失を小さくすることができる。

本発明方法は、熱交換器にＣＯ_２流体の流入側と流出側とで高低差をもうけて該熱交換器のＣＯ_２流体流出側にＣＯ_２流体による液頭圧を形成するとともに、集熱器の集熱により該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、ＣＯ_２流体が流れる閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成するようにしたので、ＣＯ_２流体を循環させる動力を不要として省エネを可能とし、かつ装置構成を簡素化して低コストを実現することができる。

また、本発明装置は、ＣＯ_２流体の保有熱を回収して液化させるとともに、ＣＯ_２流体の流入側とＣＯ_２流体の流出する流出側とで高低差をもうけてＣＯ_２流体の流出側にＣＯ_２流体により液頭圧を形成させる熱交換器と、ＣＯ_２流体の閉回路に介設され液化したＣＯ_２流体に集熱して出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態となす集熱器とを備え、該閉回路でＣＯ_２流体の自然循環を形成させるように構成したため、閉回路を流れる炭酸ガスの自然循環を可能にし、これによって、ＣＯ_２流体を循環させる動力を不要として省エネを達成でき、かつ装置構成を簡素化して低コストを実現することができる。

本発明の第１実施形態の系統図である。前記第１実施形態の集熱器の斜視図である。図２中のＡ部拡大図である。前記第１実施形態のモリエル線図である。本発明の第２実施形態の系統図である。本発明の第３実施形態の系統図である。本発明の前記第１実施形態を実施した実施例の運転条件を示す図表である。前記実施例の実験データを示す図表である。前記実施例の実験データを示す線図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
［実施形態１］

次に本発明に係る太陽熱集熱装置の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る系統図である。図１において、太陽熱を採集する集熱器２と、集熱器２で採取した太陽熱を回収する熱交換器３とが略同一高さに設けられている。これらの間には、集熱器２の出口部と熱交換器３の入口部とを接続する流路１ａと、熱交換器３の出口部と集熱器２の入口部とを接続する流路１ｂとからなる閉回路１が設けられ、閉回路１を通って集熱器２と熱交換器３との間をＣＯ２流体が循環するように構成されている。ＣＯ２流体として、ＣＯ_２又は、ＣＯ_２及びＣＯ_２に対して１〜３５モル％の割合で配合されたジメチルエーテルからなるＣＯ２流体が用いられる。

集熱器２の構造を図２及び図３に基づいて説明する。図２は集熱器２の斜視図、図３は図２中のＡ部拡大図である。図２及び図３において、流路１ｂに接続される下部集合管２２は上下方向に傾きをもって配置され、その上端が集熱器２のケーシング２１に取り付けられている。下部集合管２２はケーシング２１の内部に配設された下部ヘッダ２３に接続されている。ケーシング２１の内部で下部ヘッダ２３には複数の集熱管２４が並列に接続されている。流路１ｂから下部集合管２２に流入してきたＣＯ２流体ｗは、下部ヘッダ２３を経て集熱管２４に分配される。集熱管２４は上下方向に入口側が低く、出口側が高くなるようにある傾きをもって配置され、入口側と出口側とで高低差をもつように配置されている。

集熱管２４の周囲は密封構造の透明なガラス管２５で囲まれ、ガラス管２５の内部は真空状態に保持されている。これによって、集熱管２４からの熱伝導、熱対流による熱の放散を小さくし、熱損失を少なくすることができる。
ガラス管２５の下側周囲には放物面状をなす反射板２６が配置されている。反射板２６は放物線とインボリュート曲線で構成され、高い反射率を有する増反射コーティングが施されたアルミニウム板をプレス加工して製作されている。反射板２６で反射された太陽光ｓは集熱管２４に集光される。

ＣＯ_２流体ｗは、集熱管２４を通る間に集熱管２４に向けて集光された太陽光ｓで加熱される。その後、ＣＯ_２流体ｗはケーシング２１内に設けられた上部ヘッダ２７で合流して上部集合管２８に流出し、上部集合管２８から流路１ａに流出する。上部集合管２８も上下方向に傾きをもって配置され、その下端部がケーシング２１に取り付けられている。反射板２６の下側には、グラスウール等からなる図示しない断熱材が配設され、ケーシング２１の外側に熱が放散するのを防止している。

図１において、集熱器２で加熱されたＣＯ_２流体ｗ（集熱器２出口部で７０〜９０℃）は、電磁弁９を経て熱交換器３の伝熱管３ａに到達する。熱交換器３の伝熱管３ａでは、ＣＯ_２流体ｗの入口部が熱交換器３の伝熱管３ａの上部に接続され、ＣＯ_２流体ｗの出口部が熱交換器３の伝熱管３ａ下部に接続されている。そして、該熱交換器３の入口部と該出口部とは、熱交換器３の内部で上下方向に配設された伝熱管３ａで接続されている。熱交換器３には、熱交換器３の伝熱管３ａ下部に接続された供給管４から熱回収流体ｆが供給され、熱回収流体ｆはＣＯ_２流体ｗと間接熱交換を行なってＣＯ_２流体ｗから熱回収を行なった後、熱交換器３の上部に接続された戻り管５から排出される。

伝熱管３ａを流れるＣＯ_２流体ｗと伝熱管３ａの周囲を流れる熱回収流体ｆとは、図１に示すように、互いに逆方向に流れるので、熱交換効率を向上させることができる。このように、集熱管２４を真空状態としたガラス管２５内に配置し、かつ熱交換器３でＣＯ_２流体ｗと熱回収流体ｆとを対向流としたことにより、高温の熱回収流体ｆを回収することができる。

前述のように、集熱器２において、下部集合管２２、集熱管２４及び上部集合管２８は、それぞれＣＯ_２流体ｗの流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置され、下部集合管２２と上部集合管２８とは高低差を有しているので、集熱管２４内で加熱され超臨界状態となったＣＯ_２流体ｗは上昇力を発生して集熱管２４の出口側に向う。集熱器２を出たＣＯ_２流体ｗは、流路１ａを通って熱交換器３の上部に配置された入口部から熱交換器３に入り、熱交換器３の下部に配置された出口部で流路１ｂに接続されている。そのため、流路１ａは流路１ｂより上方に配置され、流路１ａと流路１ｂとは高低差を有している。

ＣＯ_２流体ｗから熱回収した熱回収流体ｆは戻り管５から出て、各用途、例えば、給湯、暖房、融雪等に供される。一方、熱回収流体ｆと熱交換を行なってＣＯ_２流体ｗの凝縮温度以下（例えば１５〜２５℃）に冷却されたＣＯ_２流体ｗは液化して、下方に流下する。熱交換器３の出口管路１ｃは上下方向に配置されて、伝熱管３ａ内で液化し伝熱管３ａの下部と出口管路１ｃとに溜まったＣＯ_２流体ｗにより液頭圧Ｈを形成することができるように構成されている。液頭圧Ｈを形成することによって、閉回路１のＣＯ_２流体ｗは矢印ａ方向に自然循環流を形成することができる。そのため、熱交換器３を出たＣＯ_２流体ｗは集熱器２に移動する。

集熱器２の出口部の上部集合管２８には、ＣＯ_２流体ｗの温度を検出する温度検出器７が設けられ、流路１ａには流量調整弁９が介設されている。そして、温度検出器７で検出した検出値をコントローラ６に入力し、コントローラ６で流量調整弁９の開度を調節することにより、流路１ａを流れるＣＯ_２流体ｗの流量を調節する。流量調整弁９の開度を調節することにより、集熱器２の出口部でＣＯ_２流体ｗが常に超臨界状態を形成するように、集熱器２出口部でのＣＯ_２流体ｗの温度を制御することができる。

なお、温度検出器７の代わりに、集熱器２に日射量測定器８を設け、日射量測定器８で集熱器２に照射される太陽光ｓの日射量を測定し、この日射量測定値に基づいて流量調整弁９の開度を調節するようにしてもよい。あるいは、集熱器２の入口部と出口部との温度差又は圧力差を検出し、それらの差から集熱器２の集熱量を演算し、該演算値に基づいて流量調整弁９を調節するようにしてもよい。あるいは集熱器２の出口部のＣＯ_２流体ｗの圧力を検出し、該圧力値に基づいて流量調整弁９を調節するようにしてもよい。

また、熱回収流体の戻り管５には、流量調整弁１０と熱回収流体ｆの温度を検出する温度検出器１１が設けられており、温度検出器１１の検出値をコントローラ６に入力し、該検出値に基づいて流量調整弁１０を調節することによって、戻り管５を流れる熱回収流体ｆの温度を調節することができる。これによって、所望の温度の熱回収流体ｆを得ることができる。

また、出口管路１ｃには分岐管路１２が出口管路１ｃに対して並設され、分岐管路１２には出口管路１ｃを流れるＣＯ_２流体ｗの一部を貯留する貯留容器１３が介設されている。貯留容器１３の入口側及び出口側には開閉弁１４及び１５が設けられている。

閉回路１内のＣＯ_２流体ｗの流れを安定化するためには、集熱器２でＣＯ_２流体ｗの蒸発域を形成し、かつ熱交換器３でＣＯ_２流体ｗの凝縮域を形成するとともに、熱交換器３の伝熱管３ａと出口管路１ｃに形成されるＣＯ_２流体ｗの液頭圧Ｈを一定にする必要がある。しかし、夏季と冬季では温度の違いによりＣＯ_２流体ｗの比重が異なるため、液頭圧Ｈに差が出てくる。このため、前記のように、出口管路１ｃに並列に設けた分岐管路１２に貯留容器１３を介設し、貯留容器１３にＣＯ_２流体ｗの一部を貯留し、その貯留量を調節することによって、集熱器２の蒸発域と熱交換器３の凝縮域を確保するとともに、液頭圧Ｈが常に一定になるように調節することができる。

かかる構成を有する本実施形態において、上向き勾配となるように配置された集熱管２４及び上部集合管２８の内部で蒸発し超臨界状態となったＣＯ_２流体に発生する上昇力と、熱交換器３内の伝熱管３ａ及び出口管路１ｃに形成された液頭圧Ｈとによって、閉回路１でＣＯ_２流体ｗの自然循環を行なう。そして、集熱器２で太陽光ｓの熱を集めてＣＯ_２流体ｗを加熱し、加熱したＣＯ_２流体ｗを熱交換器３で熱回収流体ｆと間接熱交換させる。これによって、ＣＯ_２流体ｗの保有熱を熱回収流体ｆに回収させ、熱回収流体ｆに回収した熱を各用途、例えば、給湯、暖房あるいは融雪等に使用する。

本実施形態のＣＯ_２流体ｗのモリエル線図（圧力−エンタルピ線図）を図４に示す。図４において、Ｋは臨界点（圧力７．３ＭＰａ、温度３１℃）であり、臨界点以上で超臨界状態となる。本実施形態は、ＣＯ_２流体ｗが閉回路１内を自然循環するため、圧力の変動はなく、同一圧力で集熱器２での気化（超臨界状態）と熱交換器３での凝縮との間を往復するサイクルｂを繰り返す。ＣＯ_２流体ｗに含まれるＣＯ_２は、高圧高密度でも粘性が変わらず、臨界点（圧力７．３ＭＰａ、温度３１℃）以上で超臨界状態となり、超臨界状態で粘度が小さくなるので、ＣＯ_２流体ｗを集熱器２と熱交換器３間に配設された閉回路１を循環させる場合に、自然循環が容易に形成できるとともに、ＣＯ_２流体ｗの移動に要する力を小さくすることができる。また、ＣＯ_２は高圧になるほど比熱が減少し、特に高温での集熱がしやすくなるという利点をもつ。

本実施形態によれば、集熱器２に設けられた集熱管２４をＣＯ_２流体ｗの流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置するとともに、上下部集合管２２及び２８も同様な配置とし、熱交換器３の伝熱管３ａを上下方向に配置し、集熱器２の出口側と熱交換器３の入口側とを流路１ａで接続し、熱交換器３の出口側と集熱器２の入口側とを流路１ｂで接続することにより、流路１ａと流路１ｂとに高低差をもうけることができる。

かかる構成により、集熱管２４内で相変化（液体→超臨界状態）によって超臨界状態となったＣＯ_２流体ｗが集熱器２の出口側に向う上昇力を発生する。この上昇力が閉回路１内での自然循環の形成を助ける作用をなす。

また、伝熱管３ａと伝熱管３ａの出口側に接続される出口管路１ｃとでＣＯ_２流体ｗの液頭圧Ｈを形成することができる。そして、集熱器２の出口側流路１ａに超臨界状態を形成することによって発生する上昇力と該液頭圧Ｈとにより、閉回路１内でＣＯ_２流体ｗの自然循環流を形成することができる。これによって、ＣＯ_２流体ｗの循環にポンプ動力を不要とするので、集熱装置の稼動を省エネかつ低コストで行なうことができる。

また、熱交換器３の出口管路１ｃに並設した分岐管路１２に貯留容器１３を設け、ＣＯ_２流体ｗの一部を貯留容器１３に貯留し、該貯留量を調節することにより、閉回路１でのＣＯ_２流体ｗの循環を安定化させることができる。

また、ＣＯ_２流体ｗとしてＣＯ_２とＣＯ_２に対して１〜３５モル％のジメチルエーテルを配合したＣＯ_２流体を用いた場合には、ＣＯ_２流体の沸点をＣＯ_２だけをＣＯ_２流体として用いた場合より上昇させることができる。これによって、凝縮温度域を高くすることができる。そのため、ＣＯ_２流体の温度域が高くなっても、ＣＯ_２流体が凝縮しやすくなり、液頭圧Ｈを形成しやすくなるので、ＣＯ_２流体の自然循環を確実に行なうことができる。

さらに、ジメチルエーテルを配合することで、ＣＯ_２流体の圧力を下げることができ、ＣＯ_２流体の配管系を低圧仕様にすることができて低コストとすることができる。

また、集熱器２の出口部の上部集合管２８にＣＯ_２流体ｗの温度を検出する温度検出器７を設けるか、又は集熱器２の日射量を測定する日射量測定器８を設け、コントローラ６でこれらの測定値に基づいて流量調整弁９の開度を調節しているので、集熱器２出口側のＣＯ_２流体ｗの温度を所望の温度に調節することができる。これによって、集熱器２の出口側流路１ａにＣＯ_２流体ｗの超臨界状態を安定して形成できるので、自然循環を安定して形成できるとともに、集熱器２でのＣＯ_２流体ｗによる集熱効率を向上させることができる。

また、戻り管５に流量調整弁１０及び熱回収流体の温度を検出する温度検出器１１を設け、コントローラ６で該温度検出値に基づいて流量調整弁１０の開度を調節するようにしているので、用途に応じて熱回収流体の温度を所望の温度に調節することができる。従って、冬季のように日射量が少ない時期でも、高い温度の熱回収流体を得ることができる。
［実施形態２］

次に本発明の第２実施形態を図５に基づいて説明する。図５において、前記第１実施形態と同一符号を付した機器又は部品は、第１実施形態と同一の機器又は部品を示すので、これらの説明を省略する。本実施形態では、集熱器２で加熱されたＣＯ_２流体ｗの熱を回収する熱回収部３０で、熱回収流体との熱交換を行なわずに、直接熱供給を必要とする対象物との熱交換を行なうようにした場合である。その他の構成は前記第１実施形態と同一である。

例えば、熱回収部３０で閉回路１に接続された伝熱管３１を空調対象空間ｒ中に配置し、空調対象空間ｒの雰囲気をファン３２で伝熱管３１に当るように循環させることで、空調対象空間ｒを暖房するようにする。あるいは、別の用途として、伝熱管３１を融雪を必要とする場所、例えば寒冷地の道路に埋設して融雪を行なうようにする。このように、本実施形態では、前記第１実施形態の作用効果に加えて、伝熱管３１を流れるＣＯ_２流体ｗを直接加熱対象物と熱交換するので、熱回収効率を向上させることができる。
［実施形態３］

次に本発明の第３実施形態を図６に基づいて説明する。図６に示す第３実施形態の集熱装置の構成は図１に示す第１実施形態と同一である。従って、第３実施形態において、第１実施形態と同一の機器又は部品は第１実施形態と同一の符号を付し、それら同一の機器又は部品の説明を省略する。

以下、本実施形態において、前記第１実施形態と異なる点を説明する。図６において、熱交換器３でＣＯ_２流体ｗと間接熱交換して、ＣＯ_２流体ｗが保有する熱を回収した熱回収流体の戻り管５に貯留タンク４１を接続し、熱回収した熱回収流体を貯留タンク４１に貯留する。貯留タンク４１の隔壁は断熱性材で構成され、断熱性を有する。昼間集熱装置で得た高温の熱回収流体を貯留タンク４１に貯留しておくことで、熱回収流体ｆの保有熱を夜間にも利用することができる。

さらに、貯留タンク４１内の熱回収流体を吸収冷凍機４２に供給するように構成している。貯留タンク４１に貯留する熱回収流体ｆは回収温度が高いため、この熱回収流体ｆを吸収冷凍機４２に供給することで、夏季の空調に適用可能である。また、貯留タンク４１に貯留した熱回収流体ｆとして、水道水等の飲料水を使用することで、給湯にも適用可能である。その他、冬季の暖房や、あるいはビニールハウスでの暖房、温水プールの補助熱源や、寒冷地での融雪対策等に適用可能である。例えば、熱交換方式として、給湯など高温回収が望ましい場合には、前述のように、集熱器２での２重管方式による真空断熱及び熱交換器３での対向流式熱交換を採用するとよい。

このように、本実施形態によれば、前記第１実施形態による作用効果に加えて、前記のような作用効果を得ることができる。
［実施例］

次に本発明の前記第１実施形態を実際に実施した場合の実施例を図７及び図８に基づいて説明する。図７に本実施例の運転条件を示し、図８に得られた実験データを示している。なお、本実施例は、冬季（１月から３月）の晴天時に行なった実験の平均値を示し、熱交換器３における熱回収流体ｆとして水を用いている。図８から、８０％以上の高い集熱率と回収率を得られることがわかる。

なお、ＣＯ_２流体として、ＣＯ_２にジメチルエーテルを配合したＣＯ_２流体を用いた場合は、ＣＯ_２のみを用いた場合と比べ、凝縮温度を高くすることができるので、液頭圧を形成しやすくなる。また、ＣＯ_２流体として水を用いた場合の熱回収率が６０％であるのに対して、ＣＯ_２流体として、ＣＯ_２とジメチルエーテルとを配合したＣＯ_２流体を用いた場合は、８０％以上の高い熱回収率を得ることができる。

図９は、冬季（２月）の晴天時に行なった実験データを示す。これは、ＣＯ_２流体としてＣＯ_２にジメチルエーテル１０モル％を配合したＣＯ_２流体を用いた場合の集熱器２（１．５ｍ^２当り）による集熱量と日射量を計測したものである。実験は、午前１０時過ぎにスタートし、外気温が８〜１６℃の中で行なったものである。図９から、日射量に対して高い集熱量を得ていることがわかる。

本発明によれば、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体が循環する閉回路を形成し、該閉回路でＣＯ_２流体を自然循環させることで、動力を不要とし、低コストで集熱能力の高い太陽熱集熱手段を実現することができる。

かかる目的を達成するため、本発明の集熱方法は、
ＣＯ_２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ_２流体という）が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱を集熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ_２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱方法において、
前記閉回路は、ＣＯ _２流体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設していない閉回路であって、
該閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて、該伝熱管のＣＯ_２流体の吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽集熱器に設けられた集熱管のうち少なくとも、該集熱管に流入したＣＯ _２液体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの液相部分（以下液相部分と超臨界状態との境界部を超臨界界面という）をＣＯ _２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置するとともに、前記太陽熱集熱器の太陽集熱により、該集熱器内のＣＯ _２流体の超臨界界面が、該集熱器の集熱管内に位置するように、加熱して、該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、該閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成するようにしたことを特徴とし、好ましくは前記集熱器内のＣＯ _２流体の超臨界状態の有無を検出する検出器の検出値に基づいて、前記閉回路に設けられた流量調整弁の開閉調整により、前記太陽熱集熱器の太陽集熱により、該集熱器内のＣＯ _２流体の超臨界界面が、該集熱器の集熱管内に位置するように、加熱して、該集熱器出口側のＣＯ _２流体を超臨界状態とすることを特徴とするものである。

また、本発明の太陽熱の集熱装置は、ＣＯ_２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ _２流体という）が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱集熱によりＣＯ_２流体を加熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ_２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱装置において、
前記閉回路は、ＣＯ _２流体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設していない閉回路であって、
該閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて、該伝熱管のＣＯ _２流体の吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽集熱器に設けられた集熱管のうち少なくとも、該集熱管に流入したＣＯ _２液体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの液相部分（以下液相部分と超臨界状態との境界部を超臨界界面という）をＣＯ _２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置するとともに、該集熱器内のＣＯ _２流体の超臨界状態の有無を検出する検出器と、前記閉回路に設けられて、前記集熱管内のＣＯ _２流体量を制御する流量調整弁と、該検出器の検出値に基づいて前記流量調整弁を開閉制御するコントローラとを備え、
該コントローラが、前記流量調整弁を開閉調整することにより、前記太陽熱集熱器内のＣＯ _２流体の超臨界界面が、該集熱器の集熱管内に位置するように、太陽集熱により前記太陽熱集熱器を加熱して、該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とするコントローラであることを特徴とする。

Claims

ＣＯ_２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ_２流体という）が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱を集熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ_２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱方法において、
前記閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて、該伝熱管のＣＯ_２流体の吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽熱集熱器よりのＣＯ_２流体を、集熱器出口側で臨界点以上になるように加熱して、太陽集熱により該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、該閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成するようにしたことを特徴とする太陽熱の集熱方法。
前記閉回路にＣＯ_２流体の圧縮又は揚程作用を伴う物理的な強制循環機器を介設していないことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱の集熱方法。
前記集熱器に設けられた集熱管のうち少なくともＣＯ_２流体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱の集熱方法。
前記集熱器の出口側閉回路に設けた検出器によりＣＯ_２流体の超臨界状態の有無を検出し、
該検出結果に応じて該集熱器の出口側と前記熱交換器の入口側とを接続する閉回路に介設した流量調整弁の開度を調節することにより、該集熱器の伝熱管の出口側閉回路に常にＣＯ_２流体の超臨界状態を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽熱の集熱方法。
前記検出器が、前記集熱器の集熱量を検出する検出器、又は該集熱器出口側の閉回路を流れるＣＯ_２流体の温度若しくは圧力を検出する検出器であることを特徴とする請求項４に記載の太陽熱の集熱方法。
前記ＣＯ_２流体がＣＯ_２とＣＯ_２に対してジメチルエーテルを１〜３５モル％配合したものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱の集熱方法。
前記ＣＯ_２流体がＣＯ_２とＣＯ_２に対して炭化水素系自然冷媒を１〜３５モル％配合したものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱の集熱方法。
ＣＯ_２を主要流体とする作動流体（以下ＣＯ２流体という）が循環する閉回路を形成し、該閉回路に太陽熱集熱によりＣＯ_２流体を加熱する太陽熱集熱器と、ＣＯ_２流体が流れる伝熱管を具えた熱交換器とを介設して、該閉回路内を循環するＣＯ_２流体に太陽熱を集熱して、該ＣＯ_２流体の熱を熱交換器で熱回収する太陽熱の集熱装置において、
前記閉回路に介装した熱交換器の伝熱管に作動流体の吸入側が高く、吐出側が低くなるように、高低差を設けて該熱交換器の伝熱管吐出側に液頭圧を形成するとともに、
前記太陽熱集熱器よりＣＯ_２流体を集熱器出口側で臨界点以上になるように加熱して、太陽集熱により該集熱器出口側のＣＯ_２流体を超臨界状態とすることにより、該閉回路にＣＯ_２流体の自然循環を形成可能に構成したことを特徴とする太陽熱の集熱装置。
前記集熱器に設けられた集熱管のうち少なくともＣＯ_２流体の加熱が始まり超臨界状態に変わるまでの部分をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって上向き勾配となるように配置し、ＣＯ_２流体を該集熱器の底部から流入して上部から流出させ、前記熱交換器において前記閉回路と接続される伝熱管をＣＯ_２流体の流れ方向下流側に向かって下向き勾配となるように配置し、ＣＯ_２流体を該熱交換器の上部から流入して底部から流出させるように構成したことを特徴とする請求項８に記載の太陽熱の集熱装置。
前記熱交換器が前記集熱器に対して重力方向において同一高さレベル又はそれ以上の高さレベルに配置されたことを特徴とする請求項９に記載の太陽熱の集熱装置。
前記熱交換器に流入するか若しくは該熱交換器から流出するＣＯ_２流体の温度、又は該熱交換器から流出する熱回収流体の温度を検出する検出器と、
該熱交換器に熱回収流体を流通させる出入り配管及び該出入り配管に設けられた流量調整弁と、
該検出器の温度検出値に基づいて該流量調整弁の開度を調節するコントローラとを備えたことを特徴とする請求項８に記載の太陽熱の集熱装置。
前記熱交換器の出口部の前記閉回路に分岐管路を並設し、該分岐管路に開閉弁を介して液化したＣＯ_２流体の貯留容器を設け、
該貯留容器に貯留するＣＯ_２流体量を調節することによりＣＯ_２流体の液頭圧を調節可能に構成したことを特徴とする請求項８に記載の太陽熱の集熱装置。
前記集熱器においてＣＯ_２流体が流れる集熱管を真空容器の内部に配置したことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかの項に記載の太陽熱の集熱装置。