(57)【要約】【課題】測定対象とする太陽熱利用システムの集熱器の最大寸法に応じて人工太陽光源を用意すると、試験設備の導入費、維持費、運転費の高騰を招く。【解決手段】本発明は、人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定システムを、太陽熱利用システムを構成する複数枚の集熱器で構成される集熱面のうちの第１の領域部分に人工太陽光を照射する人工太陽光源と、前記集熱面のうち前記第１の領域部分を除く第２の領域部分の少なくとも一部に対して熱を印加する熱源と、前記複数枚の集熱器の最終段から出力される熱媒体の温度の測定値が、前記第１及び第２の領域部分の全体に人工太陽光が照射されると仮定した場合に得られる目標温度に一致するように前記熱源の発熱量を制御する制御部で構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱利用システムを構成する複数枚の集熱器で構成される集熱面のうちの第１の領域部分に人工太陽光を照射する人工太陽光源と、
前記集熱面のうち前記第１の領域部分を除く第２の領域部分の少なくとも一部に対して熱を印加する熱源と、
前記複数枚の集熱器の最終段から出力される熱媒体の温度の測定値が、前記第１及び第２の領域部分の全体に人工太陽光が照射されると仮定した場合に得られる目標温度に一致するように前記熱源の発熱量を制御する制御部と
を有する人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定システム
【請求項２】
請求項１に記載の集熱性能測定システムにおいて、
前記制御部は、人工太陽光で照射される前記第１の領域部分に対して入出力される熱媒体の温度、前記集熱器の周囲温度、前記人工太陽光の照射量、前記集熱器を循環する熱媒体の流量、熱媒体の比熱、前記集熱器の集熱面積、予め確認された前記集熱器の効率特性に基づいて、前記目標温度を計算する
ことを特徴とする集熱性能測定システム。
【請求項３】
人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定方法において、
太陽熱利用システムを構成する複数枚の集熱器で構成される集熱面のうちの第１の領域部分に人工太陽光を照射する処理と、
前記集熱面のうち前記第１の領域部分を除く第２の領域部分の少なくとも一部に対し、熱源を通じて熱を印加する処理と、
前記複数枚の集熱器の最終段から出力される熱媒体の温度の測定値が、前記第１及び第２の領域部分の全体に人工太陽光が照射されると仮定した場合に得られる目標温度に一致するように、制御部が前記熱源の発熱量を制御する処理と
を有する人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱利用システムは、日射条件の良い場所に設置された複数枚の集熱器と、集熱器で集めた熱エネルギーを蓄える蓄熱槽と、それらを連結する配管部材等で構成される。蓄熱槽から送り出された熱媒体は集熱器において加熱されて蓄熱槽に戻り、給湯や冷暖房等に活用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、太陽熱利用システムの集熱性能をシステム全体として測定したい場合、屋外に実際の太陽熱利用システムを構築し、晴天日に運転を行い、その性能を測定している。ただし、この測定手法は、自然環境下での測定となるため、客観性や再現性に問題がある。これに対し、試験室内に太陽熱利用システムを構築し、人工太陽を用いて集熱性能を測定する手法が実用化されている。試験室内の測定は客観性や再現性に優れ、更に測定環境を揃えることで太陽熱利用システム同士の性能比較も容易に行うことができる。
【０００４】
しかし、人工太陽設備による人工太陽光の照射寸法には限りがある。このため、測定対象とする太陽熱利用システムの集熱器の寸法が人工太陽光の照射寸法以上である場合、その集熱性能を試験室内で測定することができない。また、人工太陽設備を試験対象として想定する最大寸法まで大型化する（すなわち、人工太陽光の照射寸法を大型化する）手法が考えられるが、この手法では、人工太陽設備等の導入費、維持費、運転費（例えば光熱費）が高額となり、実用的な解決策とはなり得ない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者は、人工太陽光の照射寸法以上の寸法を有する集熱器を用いて構築される太陽熱利用システムであっても、その集熱性能を人工太陽を用いて測定することができるシステム及び方法を提案する。本発明書には、本発明者が提案する解決手段が複数含まれているが、その一つは、特許請求の範囲の請求項１に記載の人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定システムである。すなわち、太陽熱利用システムを構成する複数枚の集熱器で構成される集熱面のうちの第１の領域部分に人工太陽光を照射する人工太陽光源と、前記集熱面のうち前記第１の領域部分を除く第２の領域部分の少なくとも一部に対して熱を印加する熱源と、前記複数枚の集熱器の最終段から出力される熱媒体の温度の測定値が、前記第１及び第２の領域部分の全体に人工太陽光が照射されると仮定した場合に得られる目標温度に一致するように前記熱源の発熱量を制御する制御部とを有する人工太陽を用いた太陽熱利用システムの集熱性能測定システムである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、測定対象である太陽熱利用システムの集熱器の集熱面よりも照射寸法が小さい人工太陽設備を用いつつ、集熱面の全体を人工太陽光で照射する場合と同等の測定環境を実現することができる。この結果、集熱性能測定システムの導入費、維持費、運転費を大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】太陽熱利用システムと集熱性能測定システムの接続構成を説明する図。
【図２】最終段に位置する集熱器から出力される熱媒体の目標温度の計算に使用されるパラメータの関係を説明する図。
【図３】集熱性能測定システムによる測定動作を説明する図。
【図４】太陽熱利用システムが真空管式の場合における温度測定位置とヒーターの配置位置の関係を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。なお、本発明の実施例は、後述する実施例に限定されるものでなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。
【０００９】
図１に、測定対象である太陽熱利用システム１０と、人工太陽を用いてその集熱性能を測定するシステム（以下「集熱性能測定システム」又は単に「測定システム」という）２０とで構成されるシステムの全体構成を示す。図１（Ａ）は各要素間の接続構成を示し、図１（Ｂ）は集熱器付近の断面構造を示す。
【００１０】
図１に示す太陽熱利用システム１０は、平板型の集熱器１Ａ、１Ｂと、熱媒体を循環させる配管３と、前記熱媒体又は当該熱媒体により温められた温水を蓄える蓄熱槽２で構成される。平板式の集熱器１Ａ、１Ｂは、集熱面が平たい板状であり、その裏面が断熱材で覆われている。平板式の集熱器１Ａ、１Ｂは、１本の流入路と、流入路から並列に分岐した複数本の分岐路と、複数本の分岐路を通って温められた熱媒体が再合流する１本の流出路で構成される。なお、平板型の集熱器１Ａ、１Ｂに代えて、真空管型の集熱器を使用することもできる。本明細書において、真空管型の集熱器とは、熱媒を通す管と集熱板を、真空のガラス管の内部に配置した集熱器をいう。この他、熱媒体として空気を使用する空気式の集熱器を用いることもできる。
【００１１】
集熱性能測定システム２０は、温度センサー２１、２２、２３、２４と、人工太陽光源２５と、日射遮光板２６と、ヒーター２７と、制御部２８で構成される。温度センサー２１は、１枚目の集熱器１Ａの流入路に流入する熱媒体の温度を測定するセンサーである。温度センサー２２は、２枚目の集熱器１Ｂの流入路に流入する熱媒体の温度を測定するセンサーである。温度センサー２３は、１枚目の集熱器１Ａの出力路から流出する熱媒体の温度を測定するセンサーである。温度センサー２４は、２枚目の集熱器１Ｂの流出路から流出する熱媒体の温度を測定するセンサーである。なお、２枚目の集熱器１Ｂの流出路からは、１枚目の集熱器１Ａで温められた熱媒体と２枚目の集熱器１Ｂで温められた熱媒体が混合された熱媒体が流出される。
【００１２】
人工太陽光源２５は、太陽光と同じスペクトルの光を出す照明灯である。人工太陽光源２５は、１枚目の集熱器１Ａの上方に配置される。本実施例の場合、人工太陽光源２５の照射範囲２９は、１枚目の集熱器１Ａの集熱面よりもわずかに広く設定されている。日射遮光板２６は、人工太陽光を透過させない素材及び構造を有する部材であり、２枚目の集熱器１Ｂの集熱面を覆うように配置される。日射遮蔽板２６は、人工太陽光の一部が２枚目の集熱器１Ｂの集熱面に入射し、２枚目の集熱器１Ｂの加温制御や冷却制御が不安定になるのを防ぐ目的で配置されている。このため、２枚目の集熱器１Ｂの加温制御や冷却制御に支障が生じないのであれば、日射遮蔽板２６は必ずしも設けなくてもよい。本実施例では、日射遮蔽板２６を設置して、人工太陽光が２枚目の集熱器１Ｂに入射しない環境を確保している。なお、後述するヒーター２７による加温を停止し、送風により２枚目の集熱器１Ｂの冷却を図る場合には、日射遮蔽板２６を設ける方が冷却効果を高めることができる。前述の通り、日射遮蔽板２６は人工太陽光を遮蔽できれば良いので、図１（Ｂ）に示すように、人工太陽光源２５に対して遠端側が開口の構造でも良い。ヒーター２７は、２枚目の集熱器１Ｂの集熱面を覆うように配置される。本実施例の場合、ヒーター２７は、シリコンゴムで発熱体を挟んだシート状のシリコンラバーヒーターである。シリコンラバーヒーターを用いる場合、集熱面との密着性を高めることができ、効率的に熱を伝えることができる。本実施例の場合、ヒーター２７の寸法は、集熱器１Ｂの集熱面より広いものとするが、集熱面の寸法よりも小さくても良い。なお、集熱面を加熱できれば良いのでヒーター２７の加熱手法はこれに限らない。制御部２８は、２枚目の集熱器１Ｂから流出する熱媒体の測定温度Tout2が、集熱器１Ａ及び１Ｂの集熱面の全体に人工太陽光が照射される場合に想定される計算上の温度Tout2”（以下「目標温度」という）と等しくなるようにヒーター２７の発熱量を制御する。
【００１３】
図２を用いて、制御部２８による目標温度の計算方法を説明する。図２は、図１に示す平面型の集熱器１Ａ及び１Ｂの内部の配管構成と各部の測定温度の関係を模式的に示す図である。人工太陽光源２５の単位面積当たりの日照強度をＩ、測定システムの周囲温度をθa 、集熱器１Ａ及び１Ｂの集熱面の面積をＡ、集熱器１Ａ及び１Ｂを流れる熱媒体の総循環流量をＱ、熱媒体の比熱をρ、集熱器１Ａへ流入する熱媒体の測定温度をTin1 、集熱器１Ａから流出する熱媒体の測定温度をTout1、集熱器１Ｂへ流入する熱媒体の測定温度をTin2 、集熱器１Ｂから最終的に流出する熱媒体の測定温度をTout2とする。なお、日射強度Ｉ、周囲温度θa 、総循環流量Ｑは固定値でも良い。
【００１４】
ここで、集熱効率ηは、式１で与えられる。
η＝b0 − b1・Δθ／I    …（式１）
b0とb1は集熱器毎に定まる特定値であり、b0は切片、b1は傾きである。Δθは、（ｔin2+ｔout2）/2−θaで与えられる値である。
【００１５】
次に、２枚目の集熱器１Ｂだけから流出される熱媒体の温度Tout2’を計算する。温度Tout2’は、式１及び式２の連立式から導きだすことができる。
η＝ρQ 2（tout2−tin2）/I・A    …（式２）
ここで、集熱器１Ａを流れる熱媒体の流量Q1 は式３、集熱器１Ｂを流れる熱媒体の流量Q2は、総循環流量Qを用いて式４で計算される。
Q1＝(η1 ・I・A) / （(Tout1 − Tin1)・ρ）    …（式３）
Q2＝Q − Q1    …（式４）
【００１６】
このとき、集熱器１Ａ及び１Ｂの集熱面の全体に人工太陽光が照射されると仮定した場合に想定される２枚目の集熱器１Ｂから流出する熱媒体の目標温度Tout2”は、式５で計算される。
Tout2”＝ (Q2・Tout2’＋Q1・Tout1) / Q    …（式５）
【００１７】
次に、図３を用いて、制御部２８による温度制御動作を説明する。測定システムの運転スイッチがオン操作されると、人工太陽光源２５による人工太陽光が１枚目の集熱器１Ａのみに照射される（ステップＳ１）。なお、２枚目の集熱器１Ｂの表面は、日射遮光板２６で覆われているので集熱面に人工太陽光が入射することはない。この後、測定システムによる熱媒体の循環運転が開始される（ステップＳ２）。
【００１８】
この時点で、制御部２８は、測定環境の変動値を測定する（ステップＳ３）。ここでの変動値は、例えば人工太陽光源２５の日射強度Ｉ、熱媒体の循環量Ｑ、集熱器１Ａに流入する熱媒体の温度Tin1 、集熱器１Ａから流出する熱媒体の温度Tout1、集熱器１Ｂに流入する熱媒体の温度Tin2 、周囲温度θaである。また、制御部２８は、測定環境の固定値を読み込む（ステップＳ４）。固定値は、例えば集熱面の面積Ａ、集熱器特性b0、b１であり、不図示の記憶部から読み出される。因みに、集熱器特性b0は集熱効率特性の切片であり、b1は傾きである。
【００１９】
次に、制御部２８は、これらの値に基づいて、前述の計算手法により、２枚の集熱器１Ａ及び１Ｂに同時に人工太陽光を照射できると仮定した場合に、２枚目の集熱器１Ｂから流出される熱媒体が採る目標温度Tout2”を計算する（ステップＳ５）。なお、目標温度Tout2”は、変動値の影響を受けるので後述するように繰り返し計算される。
【００２０】
この状態で、制御部２８は、２枚目の集熱器１Ｂから流出される熱媒体の温度Tout2を測定する（ステップＳ６）。同時に、制御部２８は、測定温度が目標温度より低いか否かを判定する。測定温度が目標温度より低い場合、制御部２８は、測定温度を目標温度に上げるために必要なヒーター電力量を計算し、計算された電力量をオン制御したヒーター２７に与える（ステップＳ７、Ｓ８）。これに対し、測定温度が目標温度以上の場合、制御部２８は、ヒーター２７をオフ制御する（ステップＳ９）。
【００２１】
この後、制御部２８は、測定システムの全データを計測し、記録する（ステップＳ１０）。例えば集熱器１Ａに入力される熱媒体の温度Tin1 、集熱器１Ａから流出する熱媒体の温度Tout1、集熱器１Ｂに流入する熱媒体の温度Tin2 、集熱器１Ｂから流出する熱媒体の温度Tout2、蓄熱槽２の内部温度、日射量、循環量Ｑ、周囲温度θa、風速等が計測され、不図示の記憶部に記録される。
【００２２】
この後、制御部２８は、測定システムの運転がオフ制御されたか否かを判定し（ステップＳ１１）、否定結果が得られる間は前述の動作を繰り返す。一方、肯定的な判定結果が得られた場合、制御部２８は、ヒーター２７をオフ制御して計測動作を終了する（ステップＳ１２）。
【００２３】
この結果、本実施例に係る測定システムによれば、２枚の集熱器１Ａ及び１Ｂの集熱面の全体に人工太陽光を照射した場合と同じ測定結果を、１枚分の照射範囲２９を有する人工太陽光源２５を用いて得ることができる。すなわち、本実施例に係る測定システムによれば、人工太陽光源２５の照射範囲２９よりも広い集熱面を有する太陽熱利用システムの集熱性能を試験できる。このため、従来システムに比して、試験設備の導入費、維持費、運転費を大幅に削減することができる。その結果、試験依頼者から徴収する試験料を安価に設定することが可能となる。
【００２４】
また、本実施例に係る測定システムは、シミュレーションとは異なり、実際に構築された太陽熱利用システムを対象として集熱性能のデータを収集することができる。このため、目標値に対して運転結果にずれが生じた場合には、太陽熱利用システム全体の流量バランス等の性状を把握することができ、太陽熱利用システムのシステム構成や運転制御を正確かつ容易に実現することができる。
【００２５】
なお、前述の実施例では、太陽熱利用システムを構成する集熱器が２枚の場合について説明したが、集熱器は３枚以上であっても良い。また、前述の実施例では、２枚の集熱器のうち１枚目の集熱器１Ａに人工太陽光を照射し、２枚目の集熱器１Ｂをヒーター２７で加熱する場合について説明したが、人工太陽光を照射するのは２枚目の集熱器１Ｂであり、ヒーター２７で加熱するのは１枚目の集熱器１Ａでも良い。また、前述の実施例では、人工太陽光を集熱器１Ａの全体に照射したが、１枚の集熱器１Ａのうち一部分のみに人工太陽光を照射し、その他の集熱面を日射遮光板２６で覆ってヒーター２７で加熱しても良い。また、人工太陽光が照射する領域は、２枚以上の集熱器にまたがっていても良い。
【００２６】
また、前述の通り、太陽熱利用システムは真空管式の集熱器を用いて構成しても良い。図４に、真空管式の集熱器を２枚用いて太陽熱利用システムを構築する場合の温度センサー２１、２３、２４の配置例とヒーター２７の配置例を示す。なお、２枚目の集熱器１Ｂの表面全体を日射遮光板２６で覆う点は前述の実施例と同様である。ただし、真空管式の集熱器の場合、ヒーター２７は、図４に示すように、主管路部分にのみ配置すれば良い。もっとも、前述の実施例の場合と同様に、集熱面の全体を覆うようにヒーター２７を配置することもできる。
【符号の説明】
【００２７】
１Ａ、１Ｂ…集熱器、２…蓄熱槽、３…配管、１０…太陽熱利用システム、２１、２２、２３、２４…温度センサ、２５…人工太陽光源、２６…日射遮光板、２７…ヒーター、２８…制御部、２９…照射範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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