(57)【要約】【課題】熱媒体の蒸気を利用して熱移送を行う太陽熱収集システムであって、熱媒体の液体と蒸気を分離するセパレータやリサイクル用のパイプを不要にし、少量の熱媒体で大量の熱を移送できるようにすることを課題とする。【解決手段】集熱板３に接着する集熱パイプ４を、入口７から出口８までの全管路が常に下降方向に向くように配置して構成し、少量の熱媒体が入口７から供給されると重力により全長にわたって熱媒体が付着し、集熱板３の熱により、熱媒体から蒸気を発生させて出口８から出力させ、その蒸気により熱移送するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を収集する集熱板と、
前記集熱板に接着され、入口から出口までの全管路が常に下降方向に向いて配置され、少量の熱媒体が前記入口から供給されると重力により全長にわたって前記熱媒体が付着し、前記集熱板の熱により前記熱媒体から蒸気を発生させて前記出口から出力する集熱パイプと、
前記蒸気を移送する前記集熱パイプを含む密閉された熱移送系とを備えたことを特徴とする太陽熱収集システム。
【請求項２】
前記熱媒体の供給量は、太陽熱エネルギー密度をＳｋＷ／ｍ２とし、前記熱媒体の気化熱をａジュール／ｃｃとすると、（１０００Ｓ／ａ）〜（１０００Ｓ／ａ）×１０ｃｃ／ｓであることを特徴とする請求項１記載の太陽熱収集システム。
【請求項３】
前記熱移送系における前記蒸気以外の気体による圧力を０．１気圧以下にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の太陽熱収集システム。
【請求項４】
前記熱媒体は空気その他の気体が溶け込んでいない水であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽熱収集システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を収集した集熱板から熱エネルギーを外部に取り出す技術分野に属し、特に熱媒体の気化熱を利用して蒸気により熱移送を行う太陽熱収集システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の代表的な太陽熱収集装置である屋根上に置く太陽熱温水器では、集熱板に取り付けられた金属製のパイプの内部に流される太陽熱で温められた温水を循環させて、熱エネルギーを外部に取り出していた。
しかし、太陽熱温水器は蓄熱槽の温度より３〜５℃程度高い温水を循環させるので、水１ｃｃは１℃当たり１カロリーの熱しか運べないから、この場合３〜５カロリー／ｃｃしか熱移送できない。１ｋＷの熱を移送するには、毎秒５０〜１００ｃｃ位の水を送らなければならない。
そのため、温水で大量の熱を移送するには、大量の水を移送しなければならず、太い配管や大型のポンプが必要であった。
【０００３】
この問題を解決するため、液体の熱媒体から蒸気を取り出し、気化熱を利用して熱移送するものが提案されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】書名：SOLARENERGY,Vol.65,No.2,pp.111〜118,１９９９発行：ElsevierScience Ltd.論文名：HIGH EFFICIENCY EVACUATED FLAT-PLATED SOLAR COLLECTOR FOR PROCE-SSSYSTEM PRODUCTION 著者：N.BENZAND T.BEIＫIRCHER
【０００４】
非特許文献１の太陽熱コネクタは、平板の集熱板にパイプを取り付け、そのパイプ内に熱媒体（一般には水）を下方から供給して満杯にし、その水を沸騰させて蒸気を作り、その蒸気を上方から取り出して熱を移送している。この方式では、沸騰する蒸気には温められた水が混在するため、パイプから蒸気と一緒に水が多量に吹き出すので、パイプの出口に蒸気と水を分離するセパレータを設け、更に分離した水を再循環させるリサイクル用のパイプを設けている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、熱媒体の蒸気を利用して熱移送を行う太陽熱収集システムであって、蒸気と熱媒体を分離するセパレータやリサイクル用のパイプを不要にし、少量の熱媒体で大量の熱を移送できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は、集熱板に接着する集熱パイプを、入口から出口までの全管路が常に下降方向に向くように配置して構成し、少量の熱媒体が入口から供給されると重力により全長にわたって熱媒体が付着し、集熱板の熱により熱媒体から蒸気を発生させて出口から出力させ、その蒸気により熱移送するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、少量の熱媒体を蒸気にして熱移送するので、大量の熱を移送することができ、セパレータやリサイクル用のパイプを不要にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
太陽熱を収集する集熱板と、集熱板に接着され、入口から出口までの全管路が常に下降方向に向いて配置され、少量の熱媒体が入口から供給されると重力により全長にわたって熱媒体が付着し、集熱板の熱によりその熱媒体から蒸気を発生させて出口から出力する集熱パイプと、その蒸気を移送する集熱パイプを含む密閉された熱移送系とを備えて太陽熱収集システムを実現した。
熱媒体としては、通常は水を使用するが、特に寒い地方ではアルコール等を使用する。
【実施例１】
【０００９】
図１は本発明の実施例１を示す平面図で、太陽熱収集システムの集熱器を示している。
集熱器１は、金属製の筐体２と、筐体２内に収容された太陽熱を収集する集熱板３と、集熱板３の裏面（表面でも良い）に接着された集熱パイプ４と、筐体２の上部をカバーする窓ガラス５と、窓ガラス５を支持する柱６とを備えている。
この集熱器１は、集熱板３に金属の平板を使用した平板式で、筐体２を窓ガラス５で密閉した真空式の例を示しているが、これに限定されない。
【００１０】
集熱パイプ４は、金属製で、液体の熱媒体が供給される上部の入口７から、熱媒体の蒸気を出力する出口８まで、柱６を避け、その全管路が常に下降方向に向いて配置されて集熱板３に接着されている。なお、入口７には細管９が設けられている。
常に下降方向とは、集熱器１を斜めに傾けて又は垂直に設置した際に、図１の上部である入口７側を上に、図１の下部である出口８側を下にして、入口７から出口８までの全行程が常に上から下への下降方向になっており、熱媒体が集熱パイプ４の途中で溜まることがないような形状に配置されることを意味している。なお、入口７及び出口８は図の左側又は右側に形成しても同じである。
更に、１個の集熱器１に独立した複数の集熱パイプ４を並列に並べて使う場合も同じである。この場合、後述する供給管から複数の細管９を取り出し、各細管９は集熱パイプ４毎にその入口７に取り付けられるが、出口８は複数本の集熱パイプ４をまとめて共通にしても良い。
また、図では細管９を筐体２の外に配置しているが、細管９及び供給管の一部を筐体２内に収容しても良い。
【００１１】
集熱板３と集熱パイプ４の接着に関しては、集熱パイプ４の全長にわたって、外周方向の一部がろう付け、溶接等で接着されるだけでなく、集熱板３を集熱パイプ４の一部として接触、固着させても、また両者を一体に形成しても良く、接着は広く解釈されなければならない。
【００１２】
細管９は極く細い管で、その内経は１ｍｍ程度であり、供給管の内経８ｍｍ前後に較べはるかに細くして、流路抵抗を十分大きく１００倍以上にすることができ、集熱パイプ４に供給する熱媒体の量を、その流路抵抗と細管９に与えられる熱媒体の圧力とポンプの流量により決められるようにしている。
また、複数個の集熱器１を並列に接続することも可能で、その場合、熱媒体の供給量は実質的に細管９の抵抗値でほぼ決まるので、ポンプからの距離に拘わらず各集熱器１にほぼ同じ量の熱媒体を供給することができる。
このようにして、少量の熱媒体を集熱パイプ４の全長にわたって供給することができる。
【００１３】
図２は本発明の太陽熱収集システムの構成を示す図で、集熱器１は断面を示している。
集熱パイプ４は内経８ｍｍ前後の金属パイプで、その出口８には内経１０〜１２ｍｍ程度の蒸気管１０が接続されている。蒸気管１０は蓄熱槽１１への入力用熱交換器１２に連なり、更に入力用熱交換器１２の出力部は液体の熱媒体を溜めておく熱媒体槽１３に配管される。入力用熱交換器１２は蓄熱槽１１からの出力用熱交換機１３と熱交換し、出力用熱交換器１３から熱エネルギーを外部に取り出す。
【００１４】
熱媒体槽１４からポンプ１５を経て、集熱パイプ４の入口７に接続された細管９まで、熱媒体の供給管１６が配置される。なお、ポンプ１５には電源となる太陽電池１７が接続される。
このようにして構成された集熱パイプ４を含む熱移送系はクローズドループで密閉された系を形成し、その内部は空気その他の気体を排除して０．１気圧以下、理想的には０．０１気圧以下に維持される。
【００１５】
動作について説明すると、太陽電池１７により動作するポンプ１５によって、熱媒体槽１４から少量の熱媒体が供給管１６に矢印のように供給され、熱媒体は細管９を経て入口７から集熱パイプ４に供給され、重力を利用して集熱パイプ４の全長にわたって少量の熱媒体を付着させる。
液体の熱媒体は、流量を正確に制御できる容積型のポンプ１５により少量ずつ供給され、流路抵抗の大きい細管９により集熱パイプ４の全長にわたってその一部例えばパイプ底部に少量ずつ均一に熱媒体が付着するように制御される。即ち集熟パイプ４の内面が液体で濡れた状態になる。
【００１６】
集熱パイプ４に供給された熱媒体は、太陽熱が集熱板３によって収集され、集熱パイプ４が暖められると気化して蒸気となり、集熱パイプ４の出口８から蒸気管１０に排出される。
入力用熱交換器１２内の蒸気圧は集熱パイプ４内で発生した蒸気の蒸気圧より低いので、その圧力差によって蒸気は蒸気管１０から入力用熱交換器１２に向かって矢印のように移送される。
【００１７】
蓄熱槽１１内では、入力用熱交換器１２から出力用熱交換器１３に熱交換され、出力用熱交換機１３から外部に熱エネルギーが取り出され、消費者等に供給される。
一方、熱交換した熱媒体の蒸気は冷却され、圧縮されて液体の熱媒体となり、熱媒体槽１４に送られる。
以上の工程を繰り返すことにより、太陽熱から大量の熱エネルギーを取り出すことができる。
【００１８】
熱媒体として寒冷地以外では水が採用されることは前述したが、熱媒体を水にした際に大量の熱エネルギーを移送できる根拠について説明する。
水は１℃、１ｃｃ当たり１カロリーの熱カロリーしか運べないが、水を気化させると、水温にもよるが、１ｃｃ当たり約５６０カロリー（約２３００ジュール）の熱を移送することができる。
例えば、１ｋＷの熱量を送るのに必要な水の量は、約０．４３ｃｃ／ｓであり、８５０Ｗでは約０．３７ｃｃ／ｓである。
蒸気発生用に必要な水の量は、その時の太陽熱の大きさで決まる。従って太陽熱の大きさを測定し、その大きさに比例した少量の水をポンプ１５により供給するようにすれば良い。そのため、太陽電池１７を利用して流量を調整するのが合理的である。
【００１９】
そこで、集熱板１ｍ２当たり、集熱パイプ４への熱媒体（水）の供給量Ｖは、太陽熱エネルギー密度をＳｋＷ／ｍ２とし、熱媒体の気化熱をａジュール／ｃｃとすると、必要量が１０００Ｓ／ａであるから、
Ｖ＝（１０００Ｓ／ａ）〜（１０００Ｓ／ａ）×１０ｃｃ／ｓ位が望ましい。
水の場合、気化熱ａは約２３００ジュール／ｃｃであるから、上記のように１ｋＷの熱量を送るのに必要な水の量は、約０．４３ｃｃ／ｓになる。
【００２０】
太陽熱の大きさは最大で１ｋＷ／ｍ２位でそのとき集熱板３に入る太陽エネルギーは８５０Ｗ／ｍ２位であるから、集熱板３の１ｍ２当たり必要な供給量として、０．３７ｃｃ／ｓになる。
この水の流量は非常に少ないので、太陽熱の大きさが異なる晴天、曇天等の天候の如何に拘らず、所定量を流し続けても大きなエネルギー損は生じない。
従って、余裕をみて、集熱板３の１ｍ２当たり０．５ｃｃ／ｓ位の水を集熱パイプ４に供給すれば、集熱パイプ４の全長にわたって常にその一部である例えばパイプ底部に水が付着し、その場所で水が蒸気となって熱移送が行われることになる。集熱板３が２ｍ２の集熱器１の場合は、１ｃｃ／ｓの水を供給すれば十分である。
ただし、水量は大き過ぎなければ問題ないので、必要量の計算値の１０倍までは許容される。
【００２１】
いずれにしろ、少量の水であるから、ポンプ１５は小型のもので良いが、高圧で水を供給できるものを使用する。蒸気を１００℃以上で出口８から出力する場合は、蒸気が入口７の方へ逆流しないように、ポンプ１５の出力は１気圧以上の圧力を必要とし、１５０℃の出力では５気圧以上の圧力を必要とする。
水の供給量が少ないときは、水が無くなって乾燥し、太陽熱で温度だけが上昇して放射損となって太陽熱を利用できないということが起こるが、供給量が多いときは、蒸気にならずに余った水は熱水として多少の熱を運ぶのでこれも熱移送に役立つことになる。
ただし、あまり多量になると、ポンプも大型にしなければならず、更にリサイクル用のパイプも設けなければならないので好ましくない。必要量の計算値を多少超える位が適当である。
【００２２】
本発明のように少い送水量では、水の粘性のために、給水の初期には、集熱パイプ４の全長に水が行き渡るのに数分程度の時間がかかるが、いずれ重力の働きによって行き渡る。集熱パイプ４は銅やアルミニウムのように熱伝導度の良い金属を材料に用いるので、集熱パイプ４の断面における位置の温度差は多く見ても数℃以下である。
従って、集熱パイプ４の断面の一部、例えばパイプ底部に水が付着して濡れていれば、集熱パイプ４が吸収した太陽熱は効率よく完全に蒸気の形となる。
【００２３】
集熱パイプ４の全長に熱媒体が行き渡ることについて詳述すると、集熱パイプ４の温度が、蓄熱槽１１内の熱媒体の温度より高ければ、その部分での熱媒体の蒸気圧が蓄熱槽１１内の熱媒体の蒸気圧より高くなるから、その部分で熱媒体は蒸発する。熱媒体の蒸発によって気化熱を奪われ、集熱パイプ４の温度が蓄熱槽１１内の熱媒体の温度と同じか或いは低くなると、そこでの熱媒体の蒸発は止まるので、供給された熱媒体はその部分を通過して次の部分に移動する。
このようにして、必要最小限の熱媒体が供給されれば、必ず集熱パイプ４の全長にわたって、蓄熱槽１１の温度よりやや高い温度で熱媒体が行き渡る。  
【００２４】
熱媒体としての水は、空気その他の気体が溶け込んでいない水が望まれる。太陽熱を受けて集熱パイプ４内の水は熱せられて蒸気になるが、その際、空気等の気体が含まれていると、沸騰して蒸気と共に水が集熱パイプ４から吹き出るからである。
このような水は、純水を真空状態で減圧して沸騰させると、しまいに沸騰しなくなるので、そのような状態の水を使用すればよい。
この水を使用した場合には、沸騰しないので、水が吹き出すこともなく、セパレータやリサイクル用パイプは全く必要がない。
また、この水には酸素も含まれていないので、熱移送系の水が接触する部分に錆びや腐食が発生する可能性もなくなる。
従って、数十年の長期にわたって使用可能となり、高い経済的効果を発揮することができる。
【００２５】
また、熱媒体として集熱パイプ４に少量を供給するだけなので、小型のポンプ１５で十分であり、従って太陽電池１７でポンプ１５を運転することができ、経済的な太陽熱収集システムを提供することができる。
太陽電池１７で良いということは、夜間のように太陽が出ていない時にはポンプ１５は自動的に運転が止まり、供給管１６、集熱パイプ４、蒸気管１０内の水が重力によって熱媒体槽１４内に流入して、寒い時期の夜間の凍結を自動的に防止できるということである。
更に、熱媒体の供給量を定めるのに太陽熱の強度を測定する場合、太陽電池１７の出力指示値を利用して直接ポンプ１５を制御することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、非真空式、真空式を問わず、非真空式太陽熱温水器、真空平板式太陽熱収集装置、真空ガラス管式太陽熱収集装置等の集熱板と集熱パイプを有する太陽熱収集装置全般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例１を示す図である。
【図２】本発明のシステム構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１            集熱器
２            筐体
３            集熱板
４            集熱パイプ
５            窓ガラス
６            柱
７            入口
８            出口
９            細管
１０          蒸気管
１１          蓄熱槽
１２          入力用熱交換機
１３          出力用熱交換機
１４          熱媒体槽
１５          ポンプ
１６          供給管
１７          太陽電池
【図１】
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【図２】
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