WO2016125393A1 - 太陽熱集熱管、太陽光－熱変換装置及び太陽熱発電装置 - Google Patents

太陽熱集熱管、太陽光－熱変換装置及び太陽熱発電装置 Download PDF

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heat
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sunlight
heat conversion
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琢仁 筒井
笹谷　亨
則武　和人
芳樹 奥原
友宏 黒山
大輔 伊岐見
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株式会社豊田自動織機
一般財団法人ファインセラミックスセンター
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a solar heat collecting tube, a solar-heat converter, and a solar power generator.
  • a solar thermal power generation apparatus that converts sunlight into heat and generates power using the heat is known.
  • the sunlight is collected by the light collecting means, the heat medium in the solar heat collecting tube is heated by the collected sunlight, and then the heat energy of the heated heat medium is used in the generator. Power generation is performed. Therefore, from the viewpoint of increasing the efficiency of converting sunlight into heat (as a result, power generation efficiency), a layer that converts sunlight into heat on the outer surface of the solar heat collecting tube (hereinafter referred to as “sunlight-heat conversion layer”) It has been studied to promote the heating of the heat medium by the concentrated sunlight.
  • Patent Document 1 proposes to use a cermet layer as the solar-heat conversion layer.
  • cermet refers to a material in which ceramic and metal are combined.
  • Patent Document 2 proposes to use a sheet material in which a selective coating is formed on one side and a radioactive coating is formed on the other side as a solar-heat conversion layer.
  • the solar heat collecting tube having the conventional solar-heat conversion layer as described above still has insufficient efficiency for converting sunlight into heat. Therefore, it is strongly desired to promote heating of the heat medium by the concentrated sunlight and to convert sunlight into heat more efficiently.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solar heat collecting tube and a solar-heat conversion device capable of efficiently converting sunlight into heat. And Another object of the present invention is to provide a solar thermal power generation device with high power generation efficiency.
  • the present invention includes the following items (1) to (6).
  • a tube through which a heat medium can flow, an infrared reflection layer formed on the outer surface of the tube, and a solar-heat conversion layer formed on the infrared reflection layer, which is silicided A solar heat collecting tube having a solar-heat conversion layer containing manganese and an antireflection layer formed on the solar-heat conversion layer.
  • a solar-heat conversion apparatus comprising the solar heat collecting tube according to any one of items (1) to (4) and a light collecting means for collecting sunlight on the solar heat collecting tube. .
  • a solar thermal power generation apparatus comprising the solar-heat conversion apparatus according to item (5) and a generator, wherein the heat medium in the solar heat collecting tube in the solar-heat conversion apparatus is heated. And the solar thermal power generation apparatus which generates electric power using the thermal energy of the heated said heat carrier with the said generator.
  • the present invention it is possible to provide a solar heat collecting tube and a solar-heat conversion device that can efficiently convert sunlight into heat. Moreover, according to this invention, a solar thermal power generation apparatus with high electric power generation efficiency can be provided.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the solar heat collecting tube in the first embodiment. It is a graph which shows the light spectrum of sunlight, and the light spectrum of black body radiation.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the solar heat collecting tube in the first embodiment further including a light transmission layer between the infrared reflection layer and the sunlight-heat conversion layer.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a solar-heat conversion device according to a second embodiment.
  • 3 is a diagram for explaining a laminate produced in Example 1.
  • FIG. 6 is a view for explaining a laminate produced in Example 2.
  • FIG. 6 is a view for explaining a laminate produced in Comparative Example 1.
  • FIG. 3 is a graph showing the absorption characteristics of the laminates of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the solar heat collecting tube of the present embodiment.
  • a solar heat collecting tube 1 according to the present embodiment includes a tube 3 through which a heat medium 2 can flow, an infrared reflecting layer 4 formed on the outer surface of the tube 3, and an infrared reflecting layer 4.
  • the solar light-heat conversion layer 5 formed and the antireflection layer 6 formed on the solar light-heat conversion layer 5 are included.
  • the pipe 3 through which the heat medium 2 can flow is not particularly limited, and pipes known in the technical field can be used.
  • the material of the tube 3 may be a heat-resistant metal such as an iron-based material (for example, stainless steel, heat-resistant steel, alloy steel, or carbon steel) or an aluminum-based material.
  • an iron-based material for example, stainless steel, heat-resistant steel, alloy steel, or carbon steel
  • an aluminum-based material for example, aluminum-based material.
  • the tube 3 made of stainless steel or heat resistant steel is preferable.
  • the heat medium 2 that circulates inside the pipe 3 is not particularly limited, and those known in the technical field can be used.
  • Examples of the heat medium 2 include water, oil, molten salt (for example, molten sodium) and the like.
  • the infrared reflecting layer 4 formed on the outer surface of the tube 3 has a function of reflecting heat radiation (heat radiation) from the heat medium 2 and the tube 3.
  • heat radiation heat radiation
  • materials such as the heat medium 2 and the tube 3 in the solar heat utilization are heated to a high temperature of about 600 ° C., but most of the electromagnetic waves radiated at that time are infrared rays. Therefore, the infrared reflective layer 4 mainly has a function of reflecting light in this infrared region. That is, the infrared reflecting layer 4 suppresses the heat energy given to the heat medium 2 and the tube 3 being released to the outside of the tube 3 due to heat radiation.
  • the infrared reflective layer 4 is not particularly limited, and those known in the technical field can be used.
  • Examples of the infrared reflective layer 4 include a molybdenum (Mo) layer, a tungsten (W) layer, a silver (Ag) layer, a gold (Au) layer, a copper (Cu) layer, and the like. Among them, a molybdenum (Mo) layer that is excellent in the function of assisting the absorption of sunlight while reflecting heat radiation is preferable.
  • Mo molybdenum
  • the thickness of the infrared reflective layer 4 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but is preferably 10 nm to 500 nm.
  • the method for forming the infrared reflective layer 4 is not particularly limited, and methods known in the technical field can be used.
  • the infrared reflective layer 4 can be formed by using chemical vapor deposition or physical vapor deposition (sputtering, vacuum vapor deposition, ion plating, etc.).
  • the solar-heat conversion layer 5 formed on the infrared reflective layer 4 has a function of efficiently absorbing sunlight while suppressing heat dissipation due to thermal radiation.
  • the sunlight-heat conversion layer 5 contains manganese silicide.
  • manganese silicide means a compound composed of silicon (Si) and manganese (Mn).
  • Examples of manganese silicide include MnSi, Mn 4 Si 7 , Mn 11 Si 19 , Mn 15 Si 26 , Mn 27 Si 47 and the like.
  • Manganese silicide becomes a metal or semiconductor depending on the ratio of silicon and manganese.
  • MnSi is a metal having an electrical resistivity of 2 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m
  • Mn 11 Si 19 is a semiconductor.
  • the manganese silicide used for the solar-heat conversion layer 5 contains manganese silicide as a semiconductor, particularly Mn 11 Si 19 as a main component among various manganese silicides.
  • the “main component” in the present specification means a component having the largest amount among the compositions containing various components, specifically, a component having more than 50% by mass.
  • Mn 11 Si 19 is a semiconductor having a band gap of 0.64 eV, it absorbs light on a shorter wavelength side than the wavelength corresponding to this band gap (about 1937 nm) and exceeds the wavelength corresponding to this band gap. It does not absorb light on the wavelength side. Therefore, Mn 11 Si 19 has a steep absorption slope near the wavelength corresponding to the band gap. Therefore, Mn 11 Si 19 has an optical characteristic that the absorption rate is high for visible light to near infrared light with a wavelength of several hundreds of nm and low for infrared light with a wavelength of several thousand nm. Have.
  • FIG. 2 shows the light spectrum of sunlight and the light spectrum of blackbody radiation.
  • the light spectrum of sunlight spreads around a visible light region having a wavelength of several hundreds of nm, whereas several hundreds of temperatures at which the sunlight-heat conversion layer 5 is exposed.
  • the light spectrum of black body radiation at 0 ° C. (for example, 200 to 600 ° C.) extends mainly in the infrared region having a wavelength of several thousand nm.
  • the emissivity (emissivity) of an opaque material corresponds to the absorptance, and when the emissivity in a certain wavelength region is high, the absorptance in the same wavelength region also increases.
  • the absorption rate for light in the visible region to the near-infrared region having a wavelength of several hundred nm is increased.
  • the absorptance with respect to light in the infrared region having a wavelength of several thousand nm must be reduced.
  • the solar-heat conversion layer 5 used in the solar heat collecting tube 1 of the present embodiment contains manganese silicide having the optical characteristics as described above, the solar spectrum distribution is several. While it is possible to efficiently absorb light in the visible light region having a wavelength of 100 nm, absorption (that is, radiation) of light in the infrared region having a wavelength of several thousand nm can be suppressed. Further, the absorptance with respect to the wavelength of light of the solar-heat conversion layer 5 used in the solar heat collecting tube 1 of the present embodiment is shorter than the wavelength region of 1000 nm to 2480 nm (from the visible light region to the near infrared region).
  • the absorptance changes sharply in a narrow wavelength region of 1000 nm to 2480 nm. For this reason, the loss by heat radiation can be suppressed low, and sunlight can be absorbed efficiently. As a result, it is possible to efficiently convert sunlight into heat.
  • the change in the absorptance with respect to the wavelength of light is gradual, the absorption rate of sunlight in the near infrared region decreases or the emissivity of light in the infrared region increases, resulting in loss of thermal energy. Will increase.
  • the solar-heat conversion layer 5 may contain only manganese silicide, but can further contain materials other than manganese silicide. That is, the solar-heat conversion layer 5 may be composed of only manganese silicide or may be composed of a composite material (composite material) of manganese silicide and a material other than manganese silicide.
  • a transparent dielectric can be used as a material other than manganese silicide used for the composite material.
  • a transparent dielectric By using a composite material of manganese silicide and a transparent dielectric, characteristics such as the refractive index of the solar-heat conversion layer 5 can be adjusted.
  • the transparent dielectric is not particularly limited, and those known in the technical field can be used. Examples of the transparent dielectric include SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, etc. Among them, SiO 2 is preferable from the viewpoint of reducing light reflection.
  • the composite material of manganese silicide and SiO 2 has a steep change in light absorption with respect to wavelength (change from high absorption to low absorption), similar to manganese silicide alone.
  • the infrared region has a high absorptance from the visible region where the spectrum of sunlight is distributed to the near infrared region, and a low emissivity (that is, a low absorptance) in the infrared region.
  • the content of manganese silicide in the composite material is not particularly limited, and for example, 10 vol% or more, 20 vol% or more, 30 vol% or more, 40 vol% or more, 50 vol% or more, 60 vol% or more, 70 vol%. % Or more, 80 vol% or more, 90 vol% or more, and 95 vol% or more.
  • the thickness of the solar-heat conversion layer 5 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but is preferably 1 nm to 10 ⁇ m, more preferably 5 nm to 100 nm.
  • the sunlight-heat conversion layer 5 may be a single layer or a plurality of layers including different types of sunlight-heat conversion part layers 5.
  • the method for forming the solar-heat conversion layer 5 is not particularly limited, and methods known in the technical field can be used.
  • the solar-heat conversion layer 5 can be formed by using chemical vapor deposition or physical vapor deposition (sputtering, vacuum vapor deposition, ion plating, etc.).
  • the antireflection layer 6 formed on the sunlight-heat conversion layer 5 has a function of preventing reflection of sunlight.
  • the antireflection layer 6 is not particularly limited, and those known in the technical field can be used.
  • Examples of the antireflection layer 6 include transparent dielectric layers such as a SiO 2 layer, an Al 2 O 3 layer, an AlN layer, and a Cr 2 O 3 layer.
  • the thickness of the antireflection layer 6 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but is preferably 10 nm to 500 nm.
  • the method for forming the antireflection layer 6 is not particularly limited, and methods known in the technical field can be used.
  • the antireflection layer 6 can be formed by using chemical vapor deposition or physical vapor deposition (sputtering, vacuum vapor deposition, ion plating).
  • the solar heat collecting tube 1 of the present embodiment has the above-described components as essential components.
  • the light transmission layer 7 is interposed between the infrared reflective layer 4 and the solar-heat conversion layer 5. You may have.
  • the light transmission layer 7 has a function of promoting light absorption in the sunlight-heat conversion layer 5 by an interference effect.
  • the light-transmitting layer 7 is not particularly limited, and those known in the technical field can be used. Examples of the light transmission layer 7 include transparent dielectric layers such as a SiO 2 layer, an Al 2 O 3 layer, an AlN layer, and a Cr 2 O 3 layer.
  • the thickness of the light transmission layer 7 is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be obtained, but is preferably 1 nm to 100 nm.
  • the method for forming the light transmission layer 7 is not particularly limited, and methods known in the technical field can be used.
  • the light transmission layer 7 can be formed by using chemical vapor deposition or physical vapor deposition (sputtering, vacuum vapor deposition, ion plating).
  • the solar heat collecting tube 1 of the present embodiment having the above-described configuration changes from a high light absorptance state to a low state in a narrow wavelength region of 1000 nm to 2480 nm (that is, the change in absorptivity characteristics is steep). Since the solar-heat conversion layer 5 is provided, it is possible to efficiently absorb sunlight while suppressing heat radiation due to thermal radiation, and efficiently convert light energy of sunlight into heat energy. It is possible.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the solar-heat converter according to the present embodiment.
  • the solar-heat conversion device 10 according to the present embodiment includes the solar heat collecting tube 1 according to the first embodiment and a light collecting unit 11 that collects sunlight L on the solar heat collecting tube 1.
  • the detail of a structure of the solar heat collecting tube 1 is not shown from a viewpoint which makes drawing easy to see.
  • the condensing means 11 is not particularly limited as long as it can condense sunlight L onto the solar heat collecting tube 1, and those known in the technical field can be used.
  • the condensing means 11 generally has a shape having a trough parabolic cross section.
  • the inner surface of the light collecting means 11 (the surface on the solar heat collecting tube 1 side) is a mirror surface, and the solar heat collecting tube 1 is supported at the focal position of the sunlight L reflected by the light collecting means 11.
  • the condensing means 11 it is not limited to a trough type, A Fresnel type, a linear Fresnel type, etc. may be used.
  • the solar-heat conversion apparatus 10 of the present embodiment can be used for heating the heat medium 2 to 300 ° C. to 1100 ° C., preferably 400 ° C. to 1000 ° C., more preferably 400 ° C. to 900 ° C.
  • the sunlight L is condensed on the solar heat collecting tube 1 by the condensing means 11, and the heat medium 2 in the solar heat collecting tube 1 is collected by the condensed sunlight L. Heating.
  • the solar heat collecting tube 1 on which the sunlight L is collected can effectively absorb the sunlight L while suppressing heat radiation due to thermal radiation from the tube 3 that accommodates the heated heat medium. Since it has the heat conversion layer 5, it is possible to convert sunlight L into heat efficiently.
  • the solar thermal power generation apparatus includes the solar-heat conversion apparatus 10 according to the second embodiment and a generator.
  • the solar-heat conversion device 10 heats the heat medium 2 in the solar heat collecting tube 1 and generates heat using the heat energy of the heated heat medium 2 in the generator.
  • the solar thermal power generation device having the above-described configuration includes the solar-heat conversion device 10 that can efficiently convert sunlight L into heat, a solar thermal power generation device with high power generation efficiency is provided. can do.
  • the generator used in the solar thermal power generation apparatus of the present invention is not particularly limited as long as it can convert heat into electricity.
  • a generator capable of generating electric power by evaporating an evaporation medium such as water and ammonia with the heated heat medium 2 and rotating a steam turbine with the vapor is used.
  • Example 1 Absorption characteristics of the laminate having the structure shown in FIG.
  • quartz glass (length 30 mm ⁇ width 20 mm ⁇ thickness 1 mm) is used as a substrate, the substrate temperature is set to room temperature, and each single layer film is formed by sputtering. did.
  • the single layer film was annealed in a vacuum furnace at a temperature of 600 to 800 ° C. for 1 hour.
  • the atmosphere during sputtering was an Ar atmosphere (flow rate 20 sccm, pressure 0.4 Pa).
  • the SiO 2 layer was formed by generating plasma with a sputtering power of 200 W using a SiO 2 target and a high frequency current (RF) power source.
  • the Mn 11 Si 19 layer was formed by using an Mn target, an Si target, and a direct current (DC) power source to generate plasma with an Mn sputtering power of 5.5 W and an Si sputtering power of 50 W.
  • the optical constants of Mo (n, k), the optical constants of SiO 2 (n c , k c ), and Mn It was obtained by multilayer approximation based on the optical constant (n s , k s ) of 11 Si 19 .
  • the result is shown in FIG.
  • the optical constant (n, k) of Mo was referred to the document “Handbook of Optical Constants of Solids, Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985”.
  • optical constants (n c , k c ) of SiO 2 and the optical constants (n s , k s ) of Mn 11 Si 19 are obtained from the measured data by the spectroscopic ellipsometer and the reflectance and transmittance characteristics measured by the spectrophotometer The calculated data was used.
  • Example 2 Absorption characteristics of the laminate having the structure shown in FIG. 6 were determined by multilayer approximation.
  • the production of the single layer film for measuring the optical constant was performed under the same conditions as in Example 1.
  • the MnSi layer was formed by using a Mn target, a Si target, and a direct current (DC) power source to generate plasma with a sputtering power of Mn of 8.0 W and a sputtering power of Si of 50 W.
  • DC direct current
  • optical constants (n c , k c ) of SiO 2 and the optical constants (n s , k s ) of MnSi are data calculated from spectroscopic ellipsometer data, and reflectance and transmittance characteristics measured with a spectrophotometer. It was used.
  • the laminates of Examples 1 and 2 using manganese silicide for the solar-heat conversion layer have a high light absorption rate in a narrow wavelength range of 1000 nm to 2480 nm. The absorption rate changed to a low state.
  • the laminate of Example 1 in which Mn 11 Si 19 is used for the solar-heat conversion layer among manganese silicides has a steep slope of light absorption in the wavelength range of 1000 to 2480 nm (that is, light absorption characteristics). The change was steep), and it was found that sunlight from the visible region to the near-infrared region can be efficiently absorbed while suppressing heat dissipation due to thermal radiation.
  • the slope of the change in the light absorption rate is gradual, and the change point at which the absorption rate starts to decrease is the example. It was found that it was on the shorter wavelength side (wavelength range of less than 1000 nm) than the solar-heat conversion layers 1 and 2, and the solar light absorption efficiency was lower than that of the laminates of Examples 1 and 2.
  • the absorptance, emissivity (400 ° C.), and photothermal conversion efficiency of sunlight in the wavelength region of 280 to 4000 nm were calculated.
  • the absorptance was 89.9% in Example 1, 89.3% in Example 2, and 75.8% in Comparative Example 1.
  • the emissivity was 2.2% in Example 1, 4.4% in Example 2, and 3.0% in Comparative Example 3.
  • the photothermal conversion efficiency was 88.6% in Example 1, 86.6% in Example 2, and 74.0% in Comparative Example 1.
  • the present invention it is possible to provide a solar heat collecting tube and a solar-heat conversion device capable of efficiently converting sunlight into heat. Further, by using the solar heat collecting tube and the solar-heat conversion device of the present invention, a solar thermal power generation device with high power generation efficiency can be provided.

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Abstract

　本発明の太陽熱集熱管（１）は、内部を熱媒体（２）が流通可能な管（３）と、管（３）の外側表面上に形成された赤外線反射層（４）と、赤外線反射層（４）上に形成された太陽光－熱変換層（５）であって、ケイ化マンガンを含有する太陽光－熱変換層（５）と、太陽光－熱変換層（５）上に形成された反射防止層（６）とを有する。太陽光－熱変換層（５）に用いられるケイ化マンガンは半導体であることが好ましい。本発明の太陽熱集熱管（１）によれば、太陽光を熱に効率的に変換することができる。

Description

太陽熱集熱管、太陽光－熱変換装置及び太陽熱発電装置
　本発明は、太陽熱集熱管、太陽光－熱変換装置及び太陽熱発電装置に関する。
　太陽光を熱に変換し、その熱を利用して発電を行う太陽熱発電装置が知られている。この装置では、集光手段によって太陽光を集光し、その集光した太陽光によって太陽熱集熱管内の熱媒体を加熱した後、その加熱した熱媒体の熱エネルギーを発電機で利用することによって発電が行われる。そのため、太陽光を熱に変換する効率（その結果として発電効率）を高める観点から、太陽熱集熱管の外側表面に太陽光を熱に変換する層（以下、「太陽光－熱変換層」という）等を形成することにより、集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進することが検討されている。
　例えば、特許文献１には、太陽光－熱変換層として、サーメット層を用いることが提案されている。ここで、サーメット（Cermet）とは、セラミック（Ceramic）と金属（Metal）とを複合させた材料のことを言う。
　また、特許文献２には、太陽光－熱変換層として、一方に選択的コーティング、他方に放射性のコーティングを形成したシート材料を用いることが提案されている。
欧州特許第１３９７６２２号明細書 特開昭５７－５５３６３号公報
　しかしながら、上記のような従来の太陽光－熱変換層を有する太陽熱集熱管は、太陽光を熱に変換する効率が依然として十分ではない。そのため、集光した太陽光による熱媒体の加熱を促進し、より効率的に太陽光を熱に変換することが強く望まれている。
　本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、太陽光を熱に効率的に変換することが可能な太陽熱集熱管及び太陽光－熱変換装置を提供することを目的とする。
　また、本発明は、発電効率の高い太陽熱発電装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記のような問題を解決すべく鋭意研究した結果、太陽光－熱変換層に用いるのに適した特性をケイ化マンガンが有していることを見出し、本発明に至った。
　すなわち、本発明は、以下の第（１）項～第（６）項である。
　（１）内部を熱媒体が流通可能な管と、前記管の外側表面上に形成された赤外線反射層と、前記赤外線反射層上に形成された太陽光－熱変換層であって、ケイ化マンガンを含有する太陽光－熱変換層と、前記太陽光－熱変換層上に形成された反射防止層とを有する太陽熱集熱管。
　（２）前記ケイ化マンガンは半導体である第（１）項に記載の太陽熱集熱管。
　（３）前記ケイ化マンガンはＭｎ11Ｓｉ19を主成分とする第（１）項又は第（２）項に記載の太陽熱集熱管。
　（４）前記赤外線反射層と前記太陽光－熱変換層との間に光透過層がさらに形成されている第（１）項～第（３）項のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
　（５）第（１）項～第（４）項のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管と、前記太陽熱集熱管に太陽光を集光する集光手段とを有する太陽光－熱変換装置。
　（６）第（５）項に記載の太陽光－熱変換装置と、発電機とを有する太陽熱発電装置であって、前記太陽光－熱変換装置における前記太陽熱集熱管内の熱媒体を加熱し、且つ加熱された前記熱媒体の熱エネルギーを前記発電機で利用して電力を発生させる太陽熱発電装置。
　本発明によれば、太陽光を熱に効率的に変換することが可能な太陽熱集熱管及び太陽光－熱変換装置を提供することができる。
　また、本発明によれば、発電効率の高い太陽熱発電装置を提供することができる。
実施の形態１における太陽熱集熱管の断面図である。 太陽光の光スペクトルと黒体輻射の光スペクトルを示すグラフである。 赤外線反射層と太陽光－熱変換層との間に光透過層をさらに有する実施の形態１における太陽熱集熱管の断面図である。 実施の形態２の太陽光－熱変換装置の断面図である。 実施例１で作製した積層体を説明するための図である。 実施例２で作製した積層体を説明するための図である。 比較例１で作製した積層体を説明するための図である。 実施例１～２及び比較例１の積層体の吸収特性を示すグラフである。
　実施の形態１．
　以下、本発明の太陽熱集熱管の好適な実施の形態について、図面を用いて説明する。
　図１は、本実施の形態の太陽熱集熱管の断面図である。
　図１において、本実施の形態の太陽熱集熱管１は、内部を熱媒体２が流通可能な管３と、管３の外側表面上に形成された赤外線反射層４と、赤外線反射層４上に形成された太陽光－熱変換層５と、太陽光－熱変換層５上に形成された反射防止層６とを有する。
　内部を熱媒体２が流通可能な管３としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。一般的には、管３の材質は、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、合金鋼、炭素鋼）、アルミニウム系材料等の耐熱性を有する金属を用いることができる。これらの中でも、使用環境（例えば、管３の加熱温度）を考慮すると、ステンレス鋼又は耐熱鋼製の管３あることが好ましい。
　管３の内部を流通する熱媒体２としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。熱媒体２の例としては、水、油、溶融塩（例えば、溶融ナトリウム）等が挙げられる。
　管３の外側表面上に形成される赤外線反射層４は、熱媒体２及び管３からの熱輻射（熱放射）を反射する機能を有する。一般に、太陽熱利用における熱媒体２及び管３などの材料は、６００℃程度の高温にまで加熱されるが、その際に放射される電磁波のほとんどは赤外線となる。そのため、赤外線反射層４は、この赤外域の光を反射する機能を主に有している。すなわち、赤外線反射層４は、熱媒体２及び管３に与えられた熱エネルギーが、熱輻射により管３の外部に放出されるのを抑制している。
　赤外線反射層４としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。赤外線反射層４の例としては、モリブデン（Ｍｏ）層、タングステン（Ｗ）層、銀（Ａｇ）層、金（Ａｕ）層、銅（Ｃｕ）層等が挙げられる。その中でも、熱輻射を反射しつつ、太陽光の吸収を補助する機能に優れるモリブデン（Ｍｏ）層が好ましい。
　赤外線反射層４の厚さは、本発明の効果を奏することができる範囲であれば特に限定されないが、好ましくは１０ｎｍ～５００ｎｍである。
　赤外線反射層４の形成方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、化学的蒸着、物理的蒸着（スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなど）を用いることにより、赤外線反射層４を形成することができる。
　赤外線反射層４上に形成される太陽光－熱変換層５は、熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率良く吸収するという機能を有する。
　太陽光－熱変換層５は、ケイ化マンガンを含有する。ケイ化マンガンを太陽光－熱変換層５に用いることにより、上記の機能を得ることができる。
　ここで、「ケイ化マンガン」とは、ケイ素（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）とから構成される化合物のことを意味する。ケイ化マンガンの例としては、ＭｎＳｉ、Ｍｎ4Ｓｉ7、Ｍｎ11Ｓｉ19、Ｍｎ15Ｓｉ26、Ｍｎ27Ｓｉ47等が挙げられる。
　ケイ化マンガンは、ケイ素とマンガンとの割合によって、金属又は半導体となる。例えば、ＭｎＳｉは、電気抵抗率が２×１０-8Ωｍの金属であるが、Ｍｎ11Ｓｉ19は半導体である。
　金属であるケイ化マンガンは、基本的に、全ての波長の光を吸収するため、吸収率の傾きは半導体であるケイ化マンガンよりも緩やかになる。そのため、太陽光－熱変換層５に用いられるケイ化マンガンは、各種ケイ化マンガンの中でも、半導体であるケイ化マンガン、特にＭｎ11Ｓｉ19を主成分として含有することが好ましい。
　ここで、本明細書において「主成分」とは、各種成分を含有する組成のうちで最も量が多い成分のこと、具体的には５０質量％よりも多い成分のことを意味する。
　Ｍｎ11Ｓｉ19は、バンドギャップが０．６４ｅＶの半導体であるため、このバンドギャップに相当する波長（約１９３７ｎｍ）よりも短波長側の光を吸収し、このバンドギャップに相当する波長よりも超波長側の光を吸収しない性質を有する。したがって、Ｍｎ11Ｓｉ19は、バンドギャップに相当する波長の近傍で吸収率の傾きが急峻になる。そのため、Ｍｎ11Ｓｉ19は、数百ｎｍの波長の可視光から近赤外光に対して吸収率が大きく、且つ数千ｎｍの波長の赤外光に対して吸収率が小さいという光学特性を有する。
　図２に太陽光の光スペクトルと黒体輻射の光スペクトルとを示す。図２に示すように、太陽光の光スペクトルは、数百ｎｍの波長の可視光領域を中心に拡がっているのに対して、太陽光－熱変換層５が曝される温度である数百℃（例えば２００～６００℃）における黒体輻射の光スペクトルは、数千ｎｍの波長の赤外領域を中心に拡がっている。
　また一般に、不透明な材料の輻射率（放射率）は吸収率に対応しており、ある波長域の輻射率が高い場合は、同じ波長域における吸収率も高くなる。
　したがって、太陽光に対する吸収率が高く、且つ熱輻射による放熱が少ない太陽光－熱変換層５を得るためには、数百ｎｍの波長の可視域から近赤外域の光に対する吸収率を大きくし、且つ数千ｎｍの波長の赤外域の光に対する吸収率を小さくしなければならない。
　この点、本実施の形態の太陽熱集熱管１に用いられる太陽光－熱変換層５は、上記のような光学特性を有するケイ化マンガン含有しているので、太陽光のスペクトルの分布する、数百ｎｍの波長の可視光領域の光を効率良く吸収することができる一方、数千ｎｍの波長の赤外領域の光の吸収（即ち放射）を抑制することができる。
　また、本実施の形態の太陽熱集熱管１に用いられる太陽光－熱変換層５の光の波長に対する吸収率は、１０００ｎｍ～２４８０ｎｍの波長領域よりも短波長側（可視光域から近赤外域）では高く、１０００ｎｍ～２４８０ｎｍの波長領域よりも長波長側（赤外域）では低くなっており、つまり、１０００ｎｍ～２４８０ｎｍの狭い波長領域において吸収率が急峻に変化する。このため、熱輻射による損失を低く抑えることができ、また、太陽光を効率良く吸収することができる。その結果、太陽光を熱に効率的に変換することが可能となる。一方で、光の波長に対する吸収率の変化が緩やかである場合は、近赤外域における太陽光の吸収率が低下したり、赤外域の光の輻射率が高くなったりするため、熱エネルギーのロスが増大してしまうこととなる。
　太陽光－熱変換層５は、ケイ化マンガンのみを含有してよいが、ケイ化マンガン以外の材料を更に含有することができる。すなわち、太陽光－熱変換層５は、ケイ化マンガンのみから構成しても、ケイ化マンガンとケイ化マンガン以外の材料との複合材料（コンポジット材料）から構成してもよい。
　複合材料に用いられるケイ化マンガン以外の材料としては、透明誘電体を用いることができる。ケイ化マンガンと透明誘電体との複合材料とすることにより、太陽光－熱変換層５の屈折率等の特性を調節することができる。透明誘電体としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。透明誘電体の例としては、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等が挙げられるが、その中でも光の反射を小さくする観点からＳｉＯ2が好ましい。例えば、ケイ化マンガンとＳｉＯ2との複合材料は、ケイ化マンガン単体と同様に、波長に対する光の吸収率の変化（吸収率高から吸収率低への変化）が急峻である。また、太陽光のスペクトルの分布する可視域から近赤外域では高い吸収率を有し、且つ、赤外域で低い輻射率（即ち、低い吸収率）を有する。
　複合材料を用いる場合、複合材料中のケイ化マンガンの含有量は、特に限定されず、例えば、１０ｖｏｌ％以上、２０ｖｏｌ％以上、３０ｖｏｌ％以上、４０ｖｏｌ％以上、５０ｖｏｌ％以上、６０ｖｏｌ％以上、７０ｖｏｌ％以上、８０ｖｏｌ％以上、９０ｖｏｌ％以上、９５ｖｏｌ％以上とすることができる。
　太陽光－熱変換層５の厚さは、本発明の効果を奏することができる範囲であれば特に限定されないが、好ましくは１ｎｍ～１０μｍ、より好ましくは５ｎｍ～１００ｎｍである。
　太陽光－熱変換層５は、１層でもよいし、異なる種類の太陽光－熱変換部層５からなる複数層としてもよい。
　太陽光－熱変換層５の形成方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、化学的蒸着、物理的蒸着（スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなど）を用いることにより、太陽光－熱変換層５を形成することができる。
　太陽光－熱変換層５上に形成される反射防止層６は、太陽光の反射を防止する機能を有する。
　反射防止層６としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。反射防止層６の例としては、ＳｉＯ2層、Ａｌ2Ｏ3層、ＡｌＮ層、Ｃｒ2Ｏ3層等の透明誘電体層が挙げられる。
　反射防止層６の厚さは、本発明の効果を奏することができる範囲であれば特に限定されないが、好ましくは１０ｎｍ～５００ｎｍである。
　反射防止層６の形成方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、化学的蒸着、物理的蒸着（スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング）を用いることにより、反射防止層６を形成することができる。
　本実施の形態の太陽熱集熱管１は、上記の各構成を必須の構成として有するが、図３に示すように、赤外線反射層４と太陽光－熱変換層５との間に光透過層７を有していてもよい。
　光透過層７は、干渉効果によって太陽光－熱変換層５での光の吸収を促進させる機能を有する。
　光透過層７としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。光透過層７の例としては、ＳｉＯ2層、Ａｌ2Ｏ3層、ＡｌＮ層、Ｃｒ2Ｏ3層等の透明誘電体層が挙げられる。
　光透過層７の厚さは、本発明の効果を奏することができる範囲であれば特に限定されないが、好ましくは１ｎｍ～１００ｎｍである。
　光透過層７の形成方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、化学的蒸着、物理的蒸着（スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング）を用いることにより、光透過層７を形成することができる。
　上記のような構成を有する本実施の形態の太陽熱集熱管１は、１０００ｎｍ～２４８０ｎｍの狭い波長領域において光の吸収率が高い状態から低い状態へと変化する（即ち、吸収率特性の変化が急峻である）太陽光－熱変換層５を有しているので、熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光を効率良く吸収することができ、太陽光の光エネルギーを熱エネルギーに効率的に変換することが可能である。
　実施の形態２．
　以下、本発明の太陽光－熱変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
　図４は、本実施の形態の太陽光－熱変換装置の断面図である。
　図４において、本実施の形態の太陽光－熱変換装置１０は、実施の形態１の太陽熱集熱管１と、太陽熱集熱管１に太陽光Ｌを集光する集光手段１１とを有する。なお、図４では、図面を見易くする観点から、太陽熱集熱管１の構成の詳細は示していない。
　集光手段１１としては、太陽熱集熱管１に太陽光Ｌを集光可能なものであれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。集光手段１１は、一般に、トラフ式という放物面の断面を有する形状を有する。また、集光手段１１の内面（太陽熱集熱管１側の表面）は鏡面になっており、集光手段１１によって反射される太陽光Ｌの焦点位置に太陽熱集熱管１が支持される。なお、集光手段１１としては、トラフ式に限定されず、フレネル式、リニアフレネル式等を用いてもよい。
　本実施の形態の太陽光－熱変換装置１０は、熱媒体２を３００℃～１１００℃、好ましくは４００℃～１０００℃、より好ましくは４００℃～９００℃に加熱するために用いることができる。
　上記のような構成を有する太陽光－熱変換装置１０では、集光手段１１によって太陽光Ｌを太陽熱集熱管１に集光し、集光した太陽光Ｌによって太陽熱集熱管１内の熱媒体２の加熱を行う。そして、太陽光Ｌが集光される太陽熱集熱管１は、加熱された熱媒体を収容する管３からの熱輻射による放熱を抑えつつ、太陽光Ｌを効率良く吸収することができる太陽光－熱変換層５を有しているため、太陽光Ｌを熱に効率的に変換することが可能である。
　実施の形態３．
　本実施の形態の太陽熱発電装置は、実施の形態２の太陽光－熱変換装置１０と、発電機とを有する。この太陽熱発電装置では、太陽光－熱変換装置１０によって太陽熱集熱管１内の熱媒体２を加熱し、且つ加熱された熱媒体２の熱エネルギーを前記発電機で利用して電力を発生させる。
　上記のような構成を有する太陽熱発電装置は、太陽光Ｌを熱に効率的に変換することが可能な太陽光－熱変換装置１０を有しているため、発電効率の高い太陽熱発電装置を提供することができる。
　本発明の太陽熱発電装置に用いられる発電機としては、熱を電気に変換することが可能なものであれば特に限定されない。発電機の例としては、加熱された熱媒体２によって水、アンモニア等の蒸発媒体を蒸発させ、その蒸気によって蒸気タービンを回転させることで電力を発生させることができる発電機が挙げられる。
　以下、実施例及び比較例により本発明を詳細に説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
　以下の実施例及び比較例では、太陽熱集熱管を構成する各層の積層体（管を除いた層の積層体）の特性を、光学定数（ｎ，ｋ）を基にして多層膜近似によって求めることで評価した。各層の光学定数については、既知のものは文献からその値を得られるが、不明な場合、実際に単層膜を作製し、多層膜近似に必要な各層の光学定数（ｎ，ｋ）を測定・算出することによって得た。
　（実施例１）
　図５に示す構造を有する積層体の吸収特性を多層膜近似によって求めた。光学定数を測定するための単層膜の作製には、基板として石英ガラス（縦３０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を用い、基板温度を室温に設定し、スパッタリングによって各単層膜を成膜した。成膜後、単層膜を真空炉中で温度６００～８００℃で１時間アニールした。ここで、スパッタリング時の雰囲気は、Ａｒ雰囲気（流量２０ｓｃｃｍ、圧力０．４Ｐａ）とした。ＳｉＯ2層は、ＳｉＯ2ターゲット及び高周波電流（ＲＦ）電源を用い、スパッタ電力２００Ｗでプラズマを生成させて形成した。Ｍｎ11Ｓｉ19層は、Ｍｎターゲット、Ｓｉターゲット及び直流（ＤＣ）電源を用い、Ｍｎのスパッタ電力５．５Ｗ、Ｓｉのスパッタ電力５０Ｗでプラズマを生成させて形成した。
　次に、図５に示す構造を有する積層体の吸収特性（集熱温度４００℃対応）について、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）、ＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）、及びＭｎ11Ｓｉ19の光学定数（ｎs，ｋs）を基にして多層膜近似によって求めた。この結果を図４に示す。
　ここで、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids, Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）及びＭｎ11Ｓｉ19の光学定数（ｎs，ｋs）は、分光エリプソメータによる測定データ、並びに分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から算出したデータを使用した。
　（実施例２）
　図６に示す構造を有する積層体の吸収特性を多層膜近似によって求めた。光学定数を測定するための単層膜の作製は、実施例１と同様の条件で行った。ＭｎＳｉ層は、Ｍｎターゲット、Ｓｉターゲット及び直流（ＤＣ）電源を用い、Ｍｎのスパッタ電力８．０Ｗ、Ｓｉのスパッタ電力５０Ｗでプラズマを生成させて形成した。
　次に、図６に示す構造を有する積層体の吸収特性（集熱温度４００℃対応）について、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）、ＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）、及びＭｎＳｉの光学定数（ｎs，ｋs）を基にして多層膜近似によって求めた。この結果を図４に示す。
　ここで、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids, Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）及びＭｎＳｉの光学定数（ｎs，ｋs）は、分光エリプソメータによる測定データ、並びに分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から算出したデータを使用した。
　（比較例１）
　図７に示す構造を有する積層体の吸収特性を多層膜近似によって求めた。光学定数を測定するための単層膜の作製は、実施例１と同様の条件で行った。
　次に、図７に示す構造を有する積層体の吸収特性（集熱温度４００℃対応）について、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）及びＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）を基にして多層膜近似によって求めた。この結果を図４に示す。
　ここで、Ｍｏの光学定数（ｎ，ｋ）は、文献「Handbook of Optical Constants of Solids, Edward D. Palik, Academic Press, Boston, 1985」を参考にした。ＳｉＯ2の光学定数（ｎc，ｋc）は、分光エリプソメータによる測定データ及び分光光度計で測定した反射率特性及び透過率特性から算出したデータを使用した。
　図８に示されているように、ケイ化マンガンを太陽光－熱変換層に用いた実施例１及び２の積層体は、光の吸収率が、１０００ｎｍ～２４８０ｎｍの狭い波長範囲において高い状態から吸収率が低い状態へと変化していた。特に、ケイ化マンガンの中でもＭｎ11Ｓｉ19を太陽光－熱変換層に用いた実施例１の積層体は、１０００～２４８０ｎｍの波長範囲における光吸収率の傾きが急峻（即ち、光吸収特性の変化が急峻）であり、熱輻射による放熱を抑えつつ、可視域から近赤外域での太陽光を効率良く吸収することができることがわかった。
　これに対してＭｏを太陽光－熱変換層に用いた比較例１の積層体は、光の吸収率の変化の傾きが緩やかであり、また、吸収率が低くなり始める変化点が、実施例１及び２の太陽光－熱変換層よりも短波長側（１０００ｎｍ未満の波長範囲）にあり、実施例１及び２の積層体に比べて太陽光の吸収効率が低いことがわかった。
　また、上記の実施例及び比較例の積層体について、太陽光の２８０～４０００ｎｍの波長領域における吸収率、輻射率（４００℃）及び光熱変換効率を算出した。
　その結果、吸収率は、実施例１が８９．９％、実施例２が８９．３％、比較例１が７５．８％であった。また、輻射率は、実施例１が２．２％、実施例２が４．４％、比較例３が３．０％であった。また、光熱変換効率は、実施例１が８８．６％、実施例２が８６．６％、比較例１が７４．０％であった。
　以上の結果からわかるように、本発明によれば、太陽光を熱に効率的に変換することが可能な太陽熱集熱管及び太陽光－熱変換装置を提供することができる。また、本発明の太陽熱集熱管及び太陽光－熱変換装置を用いることにより、発電効率の高い太陽熱発電装置を提供することができる。
　なお、本国際出願は、２０１５年２月６日に出願した日本国特許出願第２０１５－０２１８１０号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本国際出願に援用する。
　１　太陽熱集熱管、２　熱媒体、３　管、４　赤外線反射層、５　太陽光－熱変換層、６　反射防止層、７　光透過層、１０　太陽光－熱変換装置、１１　集光手段。

Claims (6)

  1. 　内部を熱媒体が流通可能な管と、
    　前記管の外側表面上に形成された赤外線反射層と、
    　前記赤外線反射層上に形成された太陽光－熱変換層であって、ケイ化マンガンを含有する太陽光－熱変換層と、
    　前記太陽光－熱変換層上に形成された反射防止層と
    を有する太陽熱集熱管。
  2. 　前記ケイ化マンガンは半導体である請求項１に記載の太陽熱集熱管。
  3. 　前記ケイ化マンガンはＭｎ11Ｓｉ19を主成分とする請求項１又は２に記載の太陽熱集熱管。
  4. 　前記赤外線反射層と前記太陽光－熱変換層との間に光透過層がさらに形成されている請求項１～３のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の太陽熱集熱管と、
    　前記太陽熱集熱管に太陽光を集光する集光手段と
    を有する太陽光－熱変換装置。
  6. 　請求項５に記載の太陽光－熱変換装置と、発電機とを有する太陽熱発電装置であって、
    　前記太陽光－熱変換装置における前記太陽熱集熱管内の熱媒体を加熱し、且つ加熱された前記熱媒体の熱エネルギーを前記発電機で利用して電力を発生させる太陽熱発電装置。
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