(57)【要約】【課題】集熱管の内管の内側表面の酸化を防止することができる太陽熱集熱装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】太陽熱集熱装置１００は、曲面鏡１を用いて太陽光Ｌを集熱管２に集光することにより集熱管２内を流通する熱媒体Ｍを加熱し、集熱管２は、熱媒体Ｍが内部を流通する内管４と、内管４の外側に設けられる外管３と、内管４と外管３とを接続するベローズ７及びフランジ８と、内管４と外管３との間に形成される断熱空間９とを備え、内管４の内側表面には、無機酸化物を含む酸化防止膜１７が塗布によって形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱する太陽熱集熱装置であって、
前記集熱管は、
前記熱媒体が内部を流通する内管と、
前記内管の外側に設けられる外管と、
前記内管と前記外管とを接続する接続部材と、
前記内管と前記外管との間に形成される断熱空間とを備え、
前記内管の内側表面には、無機化合物を含む酸化防止膜が塗布によって形成される太陽熱集熱装置。
【請求項２】
前記酸化防止膜はＳｉＯ２を含む請求項１に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項３】
前記酸化防止膜はＡｌ２Ｏ３を含む請求項１又は２に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項４】
前記内管の外側表面には選択吸収膜が形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽熱集熱装置を製造する方法であって、
前記酸化防止膜を形成する組成物の溶液を、前記内管の内部に充填し、その後、前記溶液を前記内管の前記内部から除去することにより、前記内管の内側表面に前記酸化防止膜を形成する、太陽熱集熱装置の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の太陽熱集熱装置を製造する方法であって、
前記選択吸収膜が形成された前記内管を、前記酸化防止膜を形成する組成物の溶液が入った液槽の中に浸し、
その後、前記溶液を前記液槽から除去し、又は、前記内管を前記液槽から取り出すことにより、
前記内管の内側表面に前記酸化防止膜を形成するとともに、前記内管に形成された前記選択吸収膜の外側表面に反射防止膜を形成する、太陽熱集熱装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽熱集熱装置に関し、特に、トラフ式の太陽熱集熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放物面を有する集熱手段を用いて太陽光を集熱管に集光し、集熱管内を流通する熱媒体を加熱するトラフ式の太陽熱集熱装置が知られている。この太陽熱集熱装置に用いられる集熱管は、太陽光を効率良く熱に変換して熱損失を少なくするため、ガラス製の外管と金属製の内管とからなる二重管構造をなしている。また、外管と内管との間には、真空状態にした密閉空間が設けられている。
【０００３】
特許文献１には、外側表面に放射線選択性吸収体コーティングが施されたスチール管（内管）を有するパラボラトラフ集熱器が記載されている。放射線選択性吸収体コーティングは、金属層、バリヤ層、吸収層、反射防止層等を有する。このように、特許文献１の集熱器では、集熱器の内管の外側表面に種々のコーティングが施されることにより、内管に対して酸化防止や反射防止等の様々な機能が働くようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７１０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の図２に示すように、本文献のパラボラトラフ集熱器では、熱媒体に接触するスチール製の内管の内側表面には何らコーティングが施されていない。ここで、内管を流通する熱媒体はスチーム又はオイル又は溶融塩であるが、これらの熱媒体に混入した酸素や水により、熱媒体の熱の影響を受けて内管の内側表面はより酸化しやすい状況にある。よって、内管の内側表面の酸化により、集熱器の内管が劣化し、強度が低下してしまうおそれがある。
【０００６】
この発明は、このような問題を解決するためになされ、集熱管の内管の内側表面の酸化を防止することができる太陽熱集熱装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る太陽熱集熱装置は、集光手段を用いて太陽光を集熱管に集光することにより前記集熱管内を流通する熱媒体を加熱し、集熱管は、熱媒体が内部を流通する内管と、内管の外側に設けられる外管と、内管と外管とを接続する接続部材と、内管と外管との間に形成される断熱空間とを備え、内管の内側表面には、無機化合物を含む酸化防止膜が塗布によって形成される。
【０００８】
また、内管の内側表面の酸化防止膜は、ＳｉＯ２を含んでもよく、Ａｌ２Ｏ３を含んでもよい。
またさらに、内管の外側表面には選択吸収膜が形成されてもよい。
【０００９】
また、この発明に係る太陽熱集熱装置を製造する方法として、酸化防止膜を形成する組成物の溶液を、内管の内部に充填し、その後、溶液を内管の内部から除去することにより、内管の内側表面に酸化防止膜を形成してもよい。
【００１０】
さらに、この発明に係る太陽熱集熱装置を製造する別の方法として、選択吸収膜が形成された内管を、酸化防止膜を形成する組成物の溶液が入った液槽の中に浸し、その後、溶液を液槽から除去し、又は、内管を溶液の中から取り出すことにより、内管の内側表面に酸化防止膜を形成するとともに、内管に形成された選択吸収膜の外側表面に反射防止膜を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る太陽熱集熱装置及びその製造方法によれば、集熱管の内側表面の酸化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態に係る太陽熱集熱装置の集熱管の長手方向に垂直な断面図である。
【図２】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の長手方向に平行な断面図である。
【図３】図１に示す太陽熱集熱装置の集熱管の内管の一部拡大断面図である。
【図４】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の内管の内側表面に酸化防止膜を形成する方法を示す図である。
【図５】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の内管の内側表面に酸化防止膜を形成する別の方法を示す図である。
【図６】図１に示す太陽熱集熱装置に用いられる集熱管の内管の内側表面に酸化防止膜を形成する別の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１及び２に示すように、太陽熱集熱装置１００は、集光手段としての曲面鏡１及び曲面鏡１の内側に配置される集熱管２を備えている。曲面鏡１は、長手方向に沿って放物面の断面を有する形状を有する。また、曲面鏡１の内側の表面は鏡面となっており、その焦点位置において集熱管２が長手方向に沿って支持される。
【００１４】
集熱管２は、熱媒体Ｍであるオイル又はスチーム又は溶融塩が内部を流通するステンレス鋼製の内管４と、内管４の外側に設けられるガラス製の外管３とを備えた二重管構造を有する。内管４及び外管３の長手方向の長さは約４ｍである。また、集熱管２は、内管４の両端付近に設けられるフランジ８と、フランジ８と外管３とを接続するベローズ７とを有する。ベローズ７は、外管３と内管４との間の熱膨張の差を吸収する。そして、ベローズ７及びフランジ８によって互いに接続された外管３と内管４との間には、密閉された断熱空間９が形成される。断熱空間９は、断熱性を高めるために真空状態となっている。
ここで、ベローズ７及びフランジ８は接続部材を構成する。
【００１５】
なお、外管３の材質としては、特に限定されず、透明な耐熱ガラスを一般に用いることができる。透明な耐熱ガラス製のガラス管としては、例えば、ホウケイ酸ガラス管等が挙げられる。
また、内管４の材質としては、ステンレス鋼に限定されず、他の鉄系材料（例えば、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もできる。
【００１６】
また、外管３と内管４との間の熱膨張差を吸収する手段としては、ベローズ７に限定されずダイアフラムを用いてもよい。
さらに、ベローズ７及びフランジ８の材質は、特に限定されず、例えば、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。
【００１７】
内管４の外側表面には、選択吸収膜１４が形成され、さらに選択吸収膜１４の外側表面には反射防止膜１６が形成される。図３に示すように、選択吸収膜１４は、内管４の外側表面を直接被覆する金属層１４ａと、金属層１４ａの上に形成される吸収層１４ｂとを有する。そして、吸収層１４ｂの上には反射防止膜１６が形成されている。金属層１４ａには、例えば、モリブデン、タングステン、ニッケル、銅、銀等の金属が用いられる。また、吸収層１４ｂには、金属とセランミックの混合物であるサーメットが用いられる。また、反射防止膜１６にはＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３（アルミナ）が用いられる。内管４の外側表面に、このような金属層１４ａ及び吸収層１４ｂを有する選択吸収膜１４と、反射防止膜１６とが形成されることにより、太陽光Ｌの可視光線及び近赤外線を吸収し、熱媒体Ｍから輻射される遠赤外線を反射することができる。
なお、内管４の外側表面と金属層１４ａとの間には、さらにモリブデン層又はＳｉＯ２層が設けられてもよい。
【００１８】
また、内管４の内側表面には、熱媒体Ｍに含まれる酸素の透過を防止するための酸化防止膜１７が形成される。酸化防止膜１７は、無機酸化物であるＳｉＯ２である。
なお、この酸化防止膜１７はＳｉＯ２に限定されず、酸化防止機能を有する他の無機酸化物であってもよく、具体的には、酸化防止膜１７はＡｌ２Ｏ３であってもよく、又はＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２との複合材であってもよい。また、酸化防止膜１７は無機酸化物に限定されず、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のような酸化防止機能を有する他の無機化合物であってもよい。
【００１９】
内管４の内側表面に酸化防止膜１７を形成する方法について、図４を参照して説明する。
まず、内管４の一端に、縁が起立した略円盤形状の蓋体１２が嵌め込まれる。蓋体１２には開口１３及び開口１３に取り付けられる開閉バルブ１５が設けられている。内管４は、蓋体１２が嵌め込まれた一端を下方向にして、開放された他端が上方向に向くように配置される。この時、蓋体１２に設けられた開閉バルブ１５は閉状態となっている。そして、上方向に開放された一端から内管４の内部に、ＳｉＯ２の溶液Ｓが注ぎ込まれ充填される。その後、充分な時間が経過した後、開閉バルブ１５は閉状態から開状態に切り替えられ、開口１３を介して内管４の内部から重力に従って徐々にＳｉＯ２の溶液Ｓが流出し、除去されていく。これにより、内管４の内側表面は、酸化防止膜１７を形成する組成物であるＳｉＯ２が塗布される。すなわち、内管４の内側表面には、ウェットプロセスである塗布によって酸化防止膜１７が形成される。
【００２０】
ここで、太陽熱集熱装置１００に入射した太陽光Ｌの入射経路について図１を用いて説明すると、太陽光Ｌは曲面鏡１上で反射し、集熱管２に集光される。そして、まず外管３に入射した太陽光Ｌは、外管３を通過して内管４に入射する。次に、内管４に入射した太陽光Ｌは、反射防止膜１６、選択吸収膜１４、内管４及び酸化防止膜１７を通過して、内管４の内部を流通する熱媒体Ｍによって吸収され、これにより熱媒体Ｍが加熱される。
【００２１】
以上より、この実施の形態に係る太陽熱集熱装置１００では、集熱管２の内管４の内側表面に酸化防止膜１７が形成されているため、高温かつ酸素や水を含有する熱媒体Ｍに接している内管４の内側表面の酸化が防止される。そのため、内管４の耐食性及び耐久性が向上する。また、酸化防止膜１７は無機酸化物であるため、内管４の内側表面の酸化を防止するのみならず、内管４の耐熱性及び熱伝導性を向上させることもできる。
【００２２】
また、酸化防止膜１７にＳｉＯ２を用いる場合、反射防止膜１６にも同一の材料であるＳｉＯ２を使用することができ、太陽熱集熱装置１００の製造の効率が向上する。
【００２３】
さらに、酸化防止膜１７がＡｌ２Ｏ３を含む場合、すなわち、酸化防止膜１７がＡｌ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２との複合材である場合、ＳｉＯ２を用いる場合と同様に、反射防止膜１６にも同一のＡｌ２Ｏ３を含む材料を使用することができる。また、Ａｌ２Ｏ３を含む酸化防止膜１７は内管４の酸化を防止する機能のみならず、熱媒体Ｍからの水素の透過を抑制する機能をも有する。すなわち、熱媒体Ｍに生じた水素ガスが内管４を透過して断熱空間９に入り込むと、断熱空間９の真空度が下がり断熱性が低下するおそれがあるが、酸化防止膜１７がＡｌ２Ｏ３を含むことにより、このような水素ガスの透過が防止される。
【００２４】
ここで、以下の（１）〜（６）の工程により、ステンレス鋼板すなわちＳＵＳ板上にＡｌ２Ｏ３の酸化防止膜を形成した実験例を示す。
（１）アルミニウムイソプロポキシド、純水及び硝酸を含むＡｌ２Ｏ３の前駆体ゾルにＳＵＳ板を浸漬した後、０．５ｍｍ／秒の速度で引き上げ、ＳＵＳ板の表面にＡｌ２Ｏ３の前駆体ゾルの塗膜を形成した。
（２）（１）で得たＳＵＳ板を常温で１０分間放置して乾燥させた。
（３）（２）で得たＳＵＳ板を乾燥炉に入れて８０℃で３０分乾燥させた。
（４）（３）で得たＳＵＳ板を焼成炉に入れ、２℃／分の速度で３時間かけて６００℃まで昇温させ、６００℃で１時間保持した後、５℃／分の速度にて室温まで冷却した。
（５）焼成炉からＳＵＳ板を取り出し、純水洗浄を行った。
（６）（１）〜（５）の工程を２回繰り返した。
そして、このような工程で酸化防止膜が形成されたＳＵＳ板と、酸化防止膜が形成されていないＳＵＳ板とを真空度１Ｐａの中において、それぞれ４００℃で３日間加熱した。その結果、酸化防止膜が形成されたＳＵＳ板の表面には変化は現れなかったが、酸化防止膜が形成されていないＳＵＳ板の表面は黒く酸化した。従って、ＳＵＳ板にＡｌ２Ｏ３の酸化防止膜を形成することで、ＳＵＳ板の酸化が抑制されている。
【００２５】
また、内管４の外側表面に選択吸収膜１４が形成されることにより、太陽熱集熱装置１００の集熱管２は効率よく太陽光Ｌを吸収するとともに、熱媒体Ｍからの熱輻射を抑えることができる。
【００２６】
さらにまた、この発明の実施の形態に係る太陽熱集熱装置１００の製造方法では、ＳｉＯ２の溶液Ｓが内管４の内部に充填された後に除去されることにより、内管４の内側表面にＳｉＯ２が塗布され、酸化防止膜１７が形成される。ここで、内管４は長手方向の長さが長く、内側表面に酸化防止膜１７を形成するためにはスパッタ等のドライプロセスによる成膜技術は使えない。しかしながら、内管４の内部に溶液Ｓを充填し、内管４の内側表面にＳｉＯ２を塗布する方法のウェットプロセスであれば確実に酸化防止膜１７を形成することができる。
【００２７】
なお、太陽熱集熱装置１００の製造方法、すなわち内管４の内側表面に酸化防止膜１７をウェットプロセスによって形成する方法は、この実施の形態のように内管４の内側に溶液Ｓを充填して除去する方法には限定されない。
例えば、図５に示すように、内管４の長手方向の長さよりも深さが深く、内管４の全体を収納することができる程度の内容積を有する容器として液槽２２を用意する。液槽２２の底面には開口２３が形成される。開口２３には開閉バルブ２５が取り付けられる。ここで、開閉バルブ２５を閉状態とした上で、液槽２２にＳｉＯ２の溶液Ｓを注ぎ入れて充填させる。この時、溶液Ｓは、内管４の長手方向の長さよりも深さが深くなるように液槽２２に充填される。そして、溶液Ｓで満たされた液槽２２の中に、長手方向が縦になるような向きに内管４が沈められ、浸される。なお、内管４が溶液Ｓの入った液槽２２の中に浸される前の工程において、既に内管４の外側表面には選択吸収膜１４が形成されている。そして、充分な時間が経過した後、開閉バルブ２５は閉状態から開状態に切り替えられ、開口２３を介して液槽２２の内部から重力に従って徐々にＳｉＯ２の溶液Ｓが流出し、除去されていく。これにより、内管４の内側表面にはＳｉＯ２が塗布されるとともに、内管４の外側表面に形成される選択吸収膜１４のさらに外側表面にもＳｉＯ２が塗布される。内管４の内側表面に塗布されたＳｉＯ２は酸化防止膜１７を構成する。また、内管４に形成される選択吸収膜１４の外側表面に塗布されたＳｉＯ２は反射防止膜１６を構成する。
【００２８】
また、図６に示すように、開口や開閉バルブを有さない液槽３２を用いて内管４に酸化防止膜１７及び反射防止膜１６を形成してもよい。液槽３２は、図５の液槽２２と同様に、内管４の長手方向の長さよりも深さが深く、内管４の全体を収納することができる程度の内容積を有する容器である。液槽３２には溶液Ｓが注ぎ入れられ、内管４の長手方向の長さよりも深さが深くなるように充填される。そして、選択吸収膜１４が既に外側表面に形成されている内管４は、溶液Ｓの入った液槽３２の中に、長手方向が縦になるような向きに沈められ、浸される。その後、充分な時間が経過してから、図６の矢印が示すように、内管４を上方向に向かって徐々に溶液Ｓの中から引き上げて取り出す。これにより、内管４の内側表面にはＳｉＯ２が塗布され、酸化防止膜１７が形成される。また、内管４の外側表面に形成される選択吸収膜１４のさらに外側表面にも同様にＳｉＯ２が塗布され、反射防止膜１６が形成される。
【００２９】
以上より、図５及び６に示すように、選択吸収膜１４が形成された内管４を溶液Ｓの入った液槽２２，２３の中に浸し、その後、溶液Ｓを液槽２２から除去し、又は、溶液Ｓの入った液槽３２の中から内管４を取り出すことにより、内管４の内側及び外側にＳｉＯ２を塗布することができる。従って、酸化防止膜１７及び選択吸収膜１４を一工程で形成することができ、より効率よく太陽熱集熱装置１００を製造することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  曲面鏡（集光手段）、２  集熱管、３  外管、４  内管、７  ベローズ（接続部材）、８  フランジ（接続部材）、９  断熱空間、１４  選択吸収膜、１６  反射防止膜、１７  酸化防止膜、１００  太陽熱集熱装置、Ｌ  太陽光、Ｍ  熱媒体、Ｓ  溶液。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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