(57)【要約】【課題】集熱管周囲の気体の温度差によって空間内での対流が起こり、集熱管から太陽熱集熱器内部の気体への放熱が促進され損失となるという課題があった。【解決手段】集光反射鏡と光透過体により囲われる空間を仕切り板によって分割した。これによって、集光反射鏡内の気体が移動しないようにして、集光反射鏡と光透過体により囲われる空間内の温度差による気体の対流を抑制することができる。集熱管から集光反射鏡内の気体への放熱を抑制することによって効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を反射し集光する集光反射鏡と、前記集光反射鏡によって集光した太陽光を受け加熱される集熱管と、前記集光反射鏡の開口部を覆う光透過体とを有し、前記集光反射鏡と前記光透過体により囲われる空間を仕切り板によって集熱管の方向に対して横切る方向に分割したことを特徴とする太陽熱集熱器。
【請求項２】
仕切り板の表面を光が反射するものとした請求項１に記載の太陽熱集熱器。
【請求項３】
仕切り板の材料を光が透過するものとした請求項１に記載の太陽熱集熱器。
【請求項４】
仕切り板の間隔を集熱管の下流側にいくほど狭くした請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
【請求項５】
集光反射鏡の断面を複合放物線とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
【請求項６】
集光反射板を集熱管の周囲に設け、仕切り板が集熱管の下半分に接する部分と上半分に接する部分とに分割可能な請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
【請求項７】
集光反射鏡を仕切り板で区切られた部分ごとに分けて構成した請求項１〜６のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
【請求項８】
仕切り板で区切られた部分ごとに光透過体を分けて構成した請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された水を貯める貯湯槽とを有する太陽熱利用装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒体により駆動される発電機とを有する太陽熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽熱集熱器およびそれを利用した太陽熱温水器や太陽熱発電装置などの太陽熱利用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の太陽熱集熱器としては、例えば、引用文献１に記載されているようなものがあった。図８は、前記公報に記載された従来の太陽熱集熱器を示すものである。
【０００３】
図８に示すように、この太陽熱集熱器は桶型の集光反射鏡１と、その集光反射鏡１の少し上方に二次元状に存在する焦点に集熱管２を配置している。そして、集光反射鏡１の開口側を光透過体３で、その他の部分をケーシング４で囲う構成としている。太陽光のほとんどを透過する光透過体３とケーシング４により囲われる空間は密閉され、減圧もしくはアルゴンなどの熱伝導率の低い気体によって満たされている。
【０００４】
太陽光は、光透過体３を通り抜け、集光反射鏡１で反射され、その焦点に配置された集熱管２に集められる。集められた太陽光は集熱管２の表面において吸収されて熱に変換される。そしてその内部を流れる熱媒体を加熱する。このようにして、太陽光の持つエネルギーを取り込み、熱エネルギーへ変換し熱媒体の温度を上昇させる。この時、集熱管２は高温となっているため、集熱管２の周囲にある気体へとその熱が放熱されるが、光透過体３とケーシング４によって内部を密閉することで対流による外部への放熱を抑制している。また、内部を減圧もしくは熱伝導率の低い気体によって満たすことによって集熱管２から周囲への気体への放熱自体を抑制している。また、光透過体３によって太陽光のほとんどを透過しながら、高温となった集熱管２から放射される赤外波長のほとんどを外部へと透過させないことによって外部への熱放射を抑制している。このようにして太陽光をうまく取り込みつつ、変換された熱の外部への放熱ロスを抑制することで効率の良い太陽熱集熱器としている。
【特許文献１】特開２００４−２７８８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような太陽熱集熱器では、集熱管２に熱媒体を流しながら加熱をおこない、温度を徐々に上昇させるため、集熱管２の上流側に対して下流側が高温になり、その表面温度に差が生じている。そのため、その周囲の気体の温度にも差が生じている。上記発明では太陽熱集熱器内部の空間はすべてつながっているため、集熱管２周囲の気体の温度差によって空間内での対流が起こり、集熱管２から太陽熱集熱器内部の気体への放熱が促進され損失となるという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するもので、集熱管周囲の気体の対流を抑えることで、集熱時の放熱損失を低減し、効率良く熱媒体を加熱することができる太陽熱集熱器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、太陽光を反射し集光する集光反射鏡と、前記集光反射鏡によって集光した太陽光を受け加熱される集熱管と、前記集光反射鏡の開口部を覆う光透過体とを有し、前記集光反射鏡と前記光透過体により囲われる空間を仕切り板によって集熱管の方向に対して横切る方向に分割したことを特徴とする太陽熱集熱器とする。これによって、集光反射鏡内の気体が移動しないようにして、集光反射鏡と光透
過体により囲われる空間内の温度差による気体の対流を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の太陽熱集熱器は、集光反射鏡内の気体が移動しないようにして、集光反射鏡と光透過体により囲われる空間内の温度差による気体の対流を抑制する。集熱管から集光反射鏡内の気体への放熱を抑制することによって効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、太陽光を反射し集光する集光反射鏡と、前記集光反射鏡によって集光した太陽光を受け加熱される集熱管と、前記集光反射鏡の開口部を覆う光透過体とを有し、前記集光反射鏡と前記光透過体により囲われる空間を仕切り板によって集熱管の方向に対して横切る方向に分割したことを特徴とする太陽熱集熱器としたものである。それによって、集光反射鏡内の気体が移動しないようにして、集光反射鏡と光透過体により囲われる空間内の温度差による気体の対流を抑制する。対流による集熱管からの放熱損失を抑えることができることができ、効率の良い太陽熱集熱器とすることができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、第１の発明における仕切り板の表面を光が反射するものとしたことによって、仕切り板に当たった光を反射させて区切られた部分に戻すことで集光に有効に利用する。集熱に影響を与えることなく集光反射鏡と光透過体により囲われる空間を仕切り板によって分割することができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、第１の発明における仕切り板の材料を光が透過するものとしたことによって、仕切り板に当たった光を透過させて隣の区切られた部分に通して集光に有効に利用する。集熱に影響を与えることなく集光反射鏡と光透過体により囲われる空間を仕切り板によって分割することができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、第１から第３の発明における仕切り板の間隔を集熱管の下流にいくにつれて狭くしたことによって、集熱温度が高くなる集熱管の下流における対流を効果的に抑制する。全体として効率的に仕切り板による放熱抑制の効果を得ることができる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第１から第４の発明の集光反射鏡の断面を複合放物線としたことによって、一定の角度範囲の入射光を焦点に集光することができ、太陽光の入射角度の変化に追尾することなく対応して集熱することができる。
【００１４】
第６の発明は、特に、第１から第５の発明における集光反射板を集熱管の周囲に設け、仕切り板が集熱管の下半分に接する部分と上半分に接する部分とに分割可能なものとしたことによって、集熱管を仕切りの下半分と上半分で挟み込んで仕切り板を貫通する構成とすることができ、組み立て時において、仕切りの下半分、集熱管、上半分の順に乗せることで、仕切り板を集熱管が貫通する構成を簡単に組み立てることができる。
【００１５】
第７の発明は、特に、第１から第６の発明の集光反射鏡を仕切り板で区切られた部分ごとに分けて構成したことによって、集光反射鏡を伝わる熱伝導を途切れさせることができ、区切られた部分からの隣り合う部分への熱伝導による放熱を抑えることができる。
【００１６】
第８の発明は、特に、第１から第７の発明の仕切り板で区切られた部分ごとに光透過体を分けて構成したことによって、光透過体を伝わる熱伝導を途切れさせることができ、区切られた部分からの隣り合う部分への熱伝導による放熱を抑えることができる。
【００１７】
第９の発明は、特に、第１から第８の発明の集熱器と発電機からなる太陽熱利用装置と
することによって、効率よく高温に熱媒体を加熱することができ、集熱効率と発電機での効率を高くして効率のよい太陽熱利用装置とすることができる。
【００１８】
第１０の発明は、特に、第１から第８の発明の集熱器と貯湯槽からなる太陽熱利用装置とすることによって、効率よく高温の湯を作ることができ、効率がよく、貯湯槽がコンパクトな太陽熱利用装置とすることができる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態1）
図１は本発明の太陽熱利用装置の第１の実施の形態における太陽熱発電装置のシステム全体を表したシステム図である。この太陽熱発電装置は太陽光が持つエネルギーを熱エネルギーに変換して熱媒体を加熱する太陽熱集熱器２１と、高温高圧の熱媒体がもつエネルギーを運動エネルギーに変換して軸出力として取り出し発電を行う発電機２２と、発電機２２を通過したあとの熱媒体のもつ熱を放熱するための放熱器２３と、熱媒体を加圧する加圧ポンプ２４を熱媒体が流れる配管によって環状に接続して構成されている。加圧ポンプ２４によって熱媒体を加圧して、太陽熱集熱器２１で加熱をおこない、熱媒体を高温高圧として、発電機２２によってそのエネルギーを電気エネルギーとして取り出し、放熱器２３で放熱を行うランキンサイクルを形成している。
【００２１】
この装置のランキンサイクルの動作熱媒体としてＲ１３４ａを用いている。サイクルの運転条件としては、加圧ポンプ２４においてＲ１３４ａを加圧し約２ＭＰａの高圧とし太陽熱集熱器２１へと送る。そして太陽熱集熱器２１で約１６０℃まで加熱する。タービンを出た後のＲ１３４ａの状態は約１００℃の気体となる。このＲ１３４ａの持つ熱を用いて放熱器２３においてこの高温の気体の放熱を行う。放熱器２３に水を供給する給水管２５が接続され、放熱器２３を通るＲ１３４ａによってその水を加熱する。加熱された水は６０〜９０℃程度の温度となり、給湯管２６によって湯として給湯される。加圧ポンプ２４での加圧は、Ｒ１３４ａが液体であれば体積変化が小さく、加圧にかかるエネルギーは小さくてすむため、Ｒ１３４ａの温度を給水温度である２０℃程度まで低下させ、液体とするように放熱器２３での放熱を行う。このようにして取り入れた太陽エネルギーの一部を電気エネルギーに変換すると共に、熱エネルギーとして給湯に利用する、電気と熱のコジェネシステムである。
【００２２】
図２は本発明の太陽熱利用装置の一実施例である太陽熱発電装置における太陽熱集熱器２１の構造を示した斜視図である。まず、この太陽熱集熱器の基本的な構成について説明する。複合放物線を断面とし、樋型に二次元的に構成された集光反射鏡２１を持ち、二次元的に存在する集光反射鏡２７の焦点に集熱管２８を配置している。集光反射鏡２７により囲われる空間は上部仕切り板２９と下部仕切り板３０によって構成された仕切りによって樋型の集光反射鏡２７の長手方向に複数に等分割されている。そして、この樋型の集光反射鏡２７を複数列並べて配置し、これらをケーシング３１によって覆うと共に、それぞれ仕切られた部分ごとに光透過体３２（説明のため図２には一部分しか描写していない）で太陽光を取り込む開口部を覆っている。
【００２３】
次に構成の詳細について説明する。集光反射鏡２７は仕切り板によって分割された部分ごとに別部品により構成されており、その表面は太陽光を反射するように高反射塗料によりコーティングされている。開口部から入射した太陽光をその焦点に配置された集熱管２８へと効果的に反射する。上部仕切り板２９と下部仕切り板３０も集光反射鏡２７と同様の高反射塗料がコーティングされている。また、これらの基材は熱伝導率の比較的低い樹脂としている。集熱管２８は中空の管であり、その内部を熱媒体が流れるようになっており、その表面には太陽光吸収率が高く、放射率が低い選択吸収膜がコーティングされてい
る。光透過体３２は効果的な太陽光の取り込みと、集熱した熱の外部との断熱を両立させるため、太陽光を透過し、集熱管２８から放射される赤外波長を透過しにくいガラス材料からできている。また、これらの部品をケーシング３１で覆い、ケーシング３１との隙間には、集光反射鏡２７の位置固定と外部との断熱を兼ねた反射鏡設置台３３を配置している。
【００２４】
このように構成された太陽熱集熱器の集熱時の動作、作用について説明する。光透過体３２から太陽光を取り入れ、集光反射鏡２７によってその太陽光を反射し集熱管２８に集光する。集熱管２８の表面において太陽光は吸収されて熱へと変換される。この熱によって集熱管２８の内部を流れる熱媒体が加熱される。このようにして、太陽光の持つエネルギーを熱エネルギーに変換して熱媒体の加熱をおこなっている。この時、熱媒体は太陽熱集熱器の入口の約２０℃から出口での約１６０℃まで集熱管２８を通る間に加熱される。よって、入口付近の集熱管２８の温度は２０℃程度と低く、出口付近の温度は１６０℃程度となり大きな温度差が生じてくる。集熱管２８の温度の影響で周辺の気体温度にも差が生じるが太陽熱集熱器２１の内部の空間は仕切られているため、それらの温度差のある気体が混ざり合うことがなく、仕切り内での気体の対流もほとんど起こらない。集熱管２８周辺の気体の対流によって生じるそのため集熱管２８からの放熱を抑制することができる。
【００２５】
上部仕切り板２９と下部仕切り板３０は高反射塗料によりコーティングされているため当たった光を反射させる。図３にその反射の様子を示す。仕切り板を集光反射鏡２７と集熱管２８に対して垂直とすることによって、仕切り板を挟んだ二つの領域が鏡面対称の関係になるため、反射させた光も確実に集熱管２８に集光させることができ、仕切り板に当たった光を区切られた部分に反射させて集光に有効に利用することができる。つまり、太陽光の集光に影響を与えることなく、集光反射鏡と光透過体により囲われる空間を仕切り板によって分割することができる。
【００２６】
集光反射鏡２７の断面形状は複合放物線であり、その断面を図４に示す。これは良く知られているように、太陽光の入射角がある程度の範囲内であれば焦点に集光をおこなうことができる断面形状となっている。断面方向に一定の許容角をもった集光が可能となる構造であるので、一日を通じて東から西まで大きく変化する太陽光の入射角度の対応を、樋状となっている集光反射鏡２７において指向性のない長手方向で行い、冬至から夏至まで季節で変化する入射角度の範囲がＣＰＣの許容角内に収まるように、太陽熱集熱器２１を設置することによって、追尾機構を持つことなく、時間や季節によって変化する太陽光の入射光の角度変化に対応することができる。
【００２７】
仕切り板を上部仕切り板２９と下部仕切り板３０の上下からなるものとしたことによって、この太陽熱集熱器２１の組み立てが容易となる。その組み立て時の部品の関係を図５に示す。太陽熱集熱器２１の下側と側面を覆うケーシング３１の上に集光反射鏡２７の位置を固定する反射鏡設置台３３を配置し、その上に複数の集光反射鏡２７をそれぞれの間に下部仕切り板３０を挟んで配置する。そして、その上に複数の管を分岐するように構成した集熱管２８を載せ、その上に、下部仕切り板２９に対応した上部仕切り板３０で挟んで配置する。
【００２８】
この太陽熱集熱器２１は樋状に構成された部分を複数個並べて構成されているので、集熱管２８は入口において一本の管を複数の管に分岐し、また出口で一本の管とする多パス構造としている。また、この集熱管２８には高圧の熱媒体であるＲ１３４ａが流れるため耐圧性を考慮する必要がある。耐圧性をもつ多パス構造とするため、耐圧設計した肉厚の複数の管とヘッダー管をロウ付けによって接続して構成している。ここで、仕切り板を下部仕切り板２９と上部仕切り板３０によって構成し、これらによって集熱管２８を挟み込
むことができるため、集熱管２８を先に組み立てておいてから、後から容易に仕切り板を集熱管２８で貫通した構成に組み立てることができる。そして、最後に集光反射鏡２７と下部仕切り板２９と上部仕切り板３０によって構成される区間ごとにその採光面である開口部に光透過体３２でそれぞれフタをして密閉空間を形成する。また、このようにしてこの太陽熱集熱器２１が組み立てられているため、内部のメンテナンスを容易に分解して行うことができる。
【００２９】
仕切り板によって分割された部分ごとにそれぞれ集光反射鏡２７と光透過体３２をもち、これらは仕切り板を挟んで構成しており、隣り合う部分の集光反射鏡２７と光透過体３２とは接触していないため、集光反射鏡２７や光透過体３２によって、分割された部分の持つ熱を熱伝導により隣り合う部分によって伝えることがなく、隣り合う部分の熱伝導は仕切り板の断熱性を高めることによって抑制することができる。上部仕切り板２９と下部仕切り板の３０の基材を熱伝導率の低い樹脂とし、その肉厚を十分確保することによって、熱伝導を抑制できる。よって、上流部分と下流部分に温度差が生じるがそれらを熱伝導で均一となることを抑制し、太陽熱集熱器２１の全体としての熱伝導による損失を少なくすることができる。
【００３０】
また、仕切り板によって分割された部分ごとの大きさの小さな集光反射鏡２７と光透過体３２を多数配置することによって構成しているため、部品点数は増えるがその分、量産効果で部品にかかる費用を低くすることができ、廉価な太陽熱集熱器とすることができる。また、特に外部にさらされる光透過体３２は、落石やヒョウなどといったものにより破損した場合においてもその被害が破損した部品のみにとどまるので、破損によって太陽熱集熱器２１の断熱性能を大きく下げることがない。また、修理時においては、破損した部分のみを交換すればよいため、メンテナンス性の高い太陽熱集熱器とすることができる。
【００３１】
このように、第１の実施の形態によれば、太陽熱集熱器２１の内部を仕切り板によって分割することによって、集熱管２８からの放熱の要因となる内部の気体の対流を抑制することができ、放熱損失を低くして集熱性能の高い太陽熱集熱器とすることができる。そして、この太陽熱集熱器２１を用いることでエネルギー利用効率の高い太陽熱発電装置とすることができる。
【００３２】
なお、運転条件、熱媒体、材質などは一例である。例えば、熱媒体をＲ１３４ａとしているが、超臨界の二酸化炭素を用いることで密度の高い超臨界流体によって効果的な集熱を行うことができ、また、万が一の熱媒体の大気放出時にもオゾン破壊係数が０、温暖化係数が１と環境負荷が極めて小さい装置とすることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図６は本発明の太陽熱利用装置の第２の実施の形態における太陽熱温水器の構成図である。図１から図６に示した第１の実施の形態と同様の構成、要素などは同じ名称、番号で示し、異なる点を中心に説明を行う。
【００３４】
構成として、第１の実施の形態と大きく異なるところは、まず、この太陽熱温水器は太陽熱集熱器２１において水を加熱し、給湯に利用するシステムとなっており、太陽熱集熱器２１において加熱される熱媒体は水となっている。加熱した水を貯えるための貯湯タンク３４を持ち、その下部からの水を循環ポンプ３５により太陽熱集熱器２１に送り、太陽熱で加熱し、貯湯タンク３４の上部へと循環させて、貯湯タンク３４に貯湯する。また貯湯タンク３４の下部には給水管２５が接続され、上部には給湯管２６が接続されており、給湯時には給水管にかかる水圧で貯湯タンク３４内の湯を給湯管２６に送り出して給湯を行う。昼間、太陽光が照射しているときに太陽熱集熱器２１によって水を加熱することによって貯湯タンク３４に湯を貯えておき、給湯が必要となる時にその貯えた湯を利用する
貯湯式給湯機となっている。
【００３５】
図７に太陽熱利用装置の一実施例である太陽熱温水器における太陽熱集熱器２１の構造を示した斜視図である。基本的な構成やその動作などは第１の実施の形態と同様であり、異なる点を中心に説明を行う。まず、太陽熱集熱器２１の内部の空間を集熱管２８の出口側になるにつれて狭くなるように仕切り板３６で仕切っている。また仕切り板３６の素材は、光を透過するようアクリルとなっている。
【００３６】
太陽熱集熱器２１において、太陽光を受け、貯湯タンク３４からの水を加熱することによってその温度を高め、約６０〜９０℃のお湯とする。この際、集熱管２８の入口側は水温、出口側は約６０〜９０℃の高温となるため、集熱管２８の上流と下流において温度差が生じる。そして、その温度差に応じた集熱管２８の周辺の温度差によって生じる気体の対流を仕切り板３６によって抑制する。仕切り板３６による対流の抑制効果は仕切り板の間隔を狭くすればするほど効果が高くなるが、仕切り板の数を増やすことでそれにかかるコストが増加する。この太陽熱集熱器２１においては、仕切り板３６の間隔を集熱管３８の温度が高温となる下流側になるにつれて狭くすることで、仕切り板３６の数を増やすことなく、効果的に気体の対流の抑制効果を高めることができる。
【００３７】
また、仕切り板３６の材質を、太陽光を透過するアクリルとしている。仕切り板３６に当たった光を通過させて、集光に有効に利用する。また、仕切り板３６に対してある程度以上の入射角で当たる光は仕切り板３６の表面で反射されるが、仕切り板３６を集熱管２８と集光反射鏡２７に対して垂直にすることによって、反射後の光も第一の実施の形態と同様に利用する。よって仕切り板３６が集光に与えることなく、その対流抑制効果を発揮することができる。
【００３８】
以上のように、第２の実施の形態よれば、仕切り板の数を増やすことなく効果的に内部の気体の対流を抑制するとともに、仕切り板を光を透過するものとすることによって集光の効率を低下させることなく、仕切り板による気体の対流抑制効果を得ることができる。
【００３９】
なお、本発明はかかる上記実施の形態に限定されるものではなく、特に装置の運転条件や各構成要素の材料などは一例であり、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形又は修正が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明にかかる太陽熱集熱器は、集熱管から内部の気体への放熱を抑制することで放熱損失を少なくすることができ、集熱効率を高くすることができる。このような構成は実施の形態で挙げた太陽熱発電装置や太陽熱給湯装置以外にも、太陽熱による熱媒体の加熱を利用する機器に利用できる。例えば、ヒートポンプの蒸発器として太陽熱集熱器を用いた、エアコンやヒートポンプ給湯機などに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における太陽熱発電装置のシステム構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の全体斜視図
【図３】本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の部分詳細斜視図
【図４】本発明の第１の実施の形態における集光反射鏡の設置方向を示す断面図
【図５】本発明の第１の実施の形態における太陽熱集熱器の組み立て図
【図６】本発明の第２の実施の形態における太陽熱温水器のシステム構成図
【図７】本発明の第２の実施の形態における太陽熱集熱器の全体斜視図
【図８】従来例における太陽熱集熱器の全体斜視図
【符号の説明】
【００４２】
２１  太陽熱集熱器
２２  発電機
２７  集光反射鏡
２８  集熱管
２９  上部仕切り板
３０  下部仕切り板
３１  ケーシング
３２  光透過体
３４  貯湯タンク
３６  仕切り板
【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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【図７】
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【図８】
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