(57)【要約】【課題】簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供する。【解決手段】太陽熱集熱システム１００は、太陽光が透過すると共に、熱伝導を抑制するように内部が真空となっている第１の中空透明ガラス平板２１と、第１の中空透明ガラス平板２１の外側に取り付けられる選択吸収膜と、選択吸収膜の第１の中空透明ガラス平板２１と反対側の表面に取り付けられ、太陽熱を集熱する集熱器２６と、集熱器２６に熱媒体を循環させる閉ループの循環系統６０と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光が透過すると共に、熱伝導を抑制する透光性断熱部材と、
前記透光性断熱部材の外側に取り付けられ、前記透光性断熱部材を通して入射した太陽光の熱を選択的に吸収し熱放射を抑制する選択吸収膜と、
前記選択吸収膜の透光性断熱部材と反対側の表面に取り付けられ、太陽熱を集熱する集熱器と、
前記集熱器に熱媒体を循環させる循環系統と、
を有する太陽熱集熱システムであって、
前記透光性断熱部材は、内部を真空とした中空透明ガラス平板であること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。
【請求項２】
請求項１に記載の太陽熱集熱システムであって、
蓄熱液が貯留されるタンクを含み、
前記循環系統は循環する前記熱媒体によって前記タンク内に貯留された前記蓄熱液を加熱する加熱器と、
前記タンク内に貯留される加熱された前記蓄熱液によって給水の温度を上昇させる加温器と、を備え、
前記循環系統は閉ループであること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。
【請求項３】
請求項２に記載の太陽熱集熱システムであって、
前記循環系統は、太陽電池で駆動され、前記熱媒体を循環させる循環ポンプを備えること、
を特徴とする太陽熱集熱システム。
【請求項４】
請求項１に記載の太陽熱集熱システムであって、
前記熱媒体は、少なくとも、前記集熱器と、発電機を駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに駆動用蒸気を供給するボイラと、の間を循環すること、
を特徴とする太陽熱発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱コレクターを用いた集熱システムの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱を収集し、その熱によって熱媒体を加熱してエネルギーを取り出して利用しようとすることが進められている。太陽熱を収集して高温の熱媒体とするための装置としては、高い塔の上に集熱器を置き、１０００枚程度の平面鏡を用いて太陽光を集光して熱媒体を高温に加熱するタワー方式や、円筒放物面鏡の焦点位置に集熱管を並べ、集熱管を流れる熱媒体を加熱する方法などがあった。しかしこれらの方法は全体のシステムが大掛かりとなったり、特殊な鏡が必要となったりするという問題があった。
【０００３】
このため、内部を真空としたケーシングの中に可視光を中心とした波長帯のエネルギーを吸収する波長選択性のある選択吸収膜が表面に取り付けられた集熱器を収容し、太陽光が入射する面に透明なガラス窓を設けた太陽熱コレクターが提案されている。この太陽熱コレクターは、内部を真空とすることにより空気の熱伝達による放熱損失を低減し、選択吸収膜により遠赤外線領域の放射損失を低減して集熱効率を向上させる方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１１５９１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
太陽熱コレクターは、真空となっているケーシング内部に空気が入り込むと空気の熱伝達による放熱損失が大きくなり、集熱効率が低下してしまう。このため、ケーシングと窓ガラスとの接続部分はエポキシ樹脂等の接着剤によって気密となるように接合されている。しかし、太陽熱コレクターは屋外に設置されるため、温度変化や紫外線によって接着剤が経年劣化し、使用期間中に空気がケーシングの中に入り込んで集熱効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
また、熱媒体を流れる媒体は、夜間などの太陽熱を吸収しない場合には、その温度は、大気温度まで低下し、太陽熱を吸収している昼間には、その温度が１００℃以上となる。冷媒に水等を使用した場合、太陽熱を吸収して冷媒の温度が１００℃以上となった場合でも、冷媒が沸騰しないように、冷媒に圧力を掛ける方法が用いられることが多い。しかし、冷媒の沸騰を加圧によって押さえようとすると、集熱管を耐圧構造にする必要があり、集熱効率の低下、重量の増加やコストの増加を招いてしまうという問題があった。また、夜間に冷媒の温度が氷点下まで低下し、冷媒が凍結すると、冷媒の体積が膨張することにより集熱管が破損してしまうという問題があった。このため、太陽熱集熱システムは、例えば、極地等の寒冷地や高温地帯には設置することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができる太陽熱集熱システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
太陽光が透過すると共に、熱伝導を抑制する透光性断熱部材と、前記透光性断熱部材の外側に取り付けられ、前記透光性断熱部材を通して入射した太陽光の熱を選択的に吸収し熱放射を抑制する選択吸収膜と、前記選択吸収膜の透光性断熱部材と反対側の表面に取り付けられ、太陽熱を集熱する集熱器と、前記集熱器に熱媒体を循環させる循環系統と、を有する太陽熱集熱システムであって、前記透光性断熱部材は、内部を真空とした中空透明ガラス平板であること、を特徴とする。
【０００９】
本発明の太陽熱集熱システムにおいて、蓄熱液が貯留されるタンクを含み、前記循環系統は循環する前記熱媒体によって前記タンク内に貯留された前記蓄熱液を加熱する加熱器と、前記タンク内に貯留される加熱された前記蓄熱液によって給水の温度を上昇させる加温器と、を備え、前記循環系統は閉ループであること、としても好適である。
【００１０】
本発明の太陽熱集熱システムにおいて、前記循環系統は、太陽電池で駆動され、前記熱媒体を循環させる循環ポンプを備えること、としても好適であるし、前記熱媒体は、少なくとも、前記集熱器と、発電機を駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンに駆動用蒸気を供給するボイラと、の間を循環すること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態の太陽熱集熱システムを建物に取り付けた場合の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態の太陽熱集熱システムの系統を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態の太陽熱集熱システムに用いられる太陽熱コレクターの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態の太陽熱集熱システムに用いられる他の太陽熱コレクターの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態の太陽熱集熱システムを発電システムに用いたた場合の構成を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示すように、本発明の実施形態の太陽熱集熱システム１００は、建物１０の屋根１１の上に設置され、太陽光１５を受ける太陽熱コレクター２０と、太陽熱コレクター２０に熱媒体を循環させる循環系統６０と、循環系統６０に設けられて熱媒体を循環系統６０に循環させる循環ポンプ５０と、循環ポンプ５０の駆動源である太陽電池３０と、蓄熱液を貯留するタンク４０と、タンク４０の中に設けられ、循環系統６０を循環する熱媒体によって蓄熱液を加熱する加熱器７０と、タンク４０の中に設けられ給水系統９０に流れる給水を加温する加温器８０を備えている。
【００１４】
循環系統６０を循環する熱媒体は、太陽熱コレクター２０によって加熱され、高温熱媒体となってタンク４０の加熱器７０に流れ込み、タンク４０の加熱器７０を通してタンク４０の中の蓄熱液４５を加熱する。一方、給水系統９０の給水管９１から流入した低温給水は、タンク４０の中の加温器８０によって加温され、温水管９２から建物内の給湯口９３を通して風呂１２などの設備に温水として供給される。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態の太陽熱集熱システム１００の太陽熱コレクター２０はその表面に、熱媒体が流れるサーペンタイン状の集熱器２６を備え、集熱器２６には、循環系統６０の内部圧力が一定の圧力を超えないようにする逃がし弁２８が取り付けられるサージタンク２７が接続されている。また、循環ポンプ５０は、ポンプ本体５１と駆動モータ５２とを含み、駆動モータ５２は太陽電池３０から供給される電力によって駆動される。太陽電池３０は複数の太陽電池パネル３１を組み合わせたものである。蓄熱液４５を貯留するタンク４０は、内部ケーシング４１と外部ケーシング４２との二重構造となっており、各ケーシング４１，４２の間には真空層４３が設けられ、外部ケーシング４２の外側は断熱材４４によって覆われている。タンク４０の上部には、タンク４０の内部の圧力が一定の圧力を超えないように逃がし弁４８が取り付けられている。加熱器７０、加温器８０はいずれも伝熱管がサーペンタイン状に配置された熱交換器である。
【００１６】
図３に示すように、太陽熱コレクター２０は、太陽光１５が透過すると共に、熱伝導を抑制する透光性断熱部材である第１の中空透明ガラス平板２１と、第１の中空透明ガラス平板２１の太陽光１５を受ける表面２２と反対側の裏面２４の側に取り付けられた鉄等の金属製材料で構成された真空ケーシング３５と、真空ケーシング３５の内部空間３６に取り付けられる選択吸収膜２５と、選択吸収膜２５の裏面２４と反対側の面に取り付けられた集熱器２６とを備えている。先に述べたように、集熱器２６は、熱媒体が流れるサーペンタイン状のパイプによって構成され、循環系統６０の熱媒体入り口管６１と熱媒体出口管６２とが接続されている。第１の中空透明ガラス平板２１の内部の中空部分２３は真空となっている。第１の中空透明ガラス平板２１は、例えば、５００℃程度の高温に加熱してガラスに吸着している空気を真空ポンプで排気した後、封止を行って製造する。また、真空ケーシング３５は、第１の中空透明ガラス平板２１の側面に接着剤あるいはガラス溶着によって内部空間３６が密閉されるように取り付けられる。真空ケーシング３５を取り付けた後、内部空間３６は、真空ポンプ等によって空気を排気して真空とされる。選択吸収膜２５は、太陽光１５の放射を抑制し、効果的に太陽光から熱を集熱するものである。選択吸収膜２５の表面は、第１の中空透明ガラス平板２１の下面２４との間に隙間を設けるように配置されている。
【００１７】
以上のように構成された太陽熱集熱システム１００の動作について説明する。図３に示すように、太陽光１５を受けると、太陽光１５は、太陽熱コレクター２０の第１の中空透明ガラス平板２１の表面２２から入射し、真空の中空部分２３を通過して裏面２４から真空ケーシング３５の内部空間３６に設けられている選択吸収膜２５に入射する。選択吸収膜２５は太陽光１５の表面からの放射を抑制し、太陽光１５の熱を効果的に吸収する。そして、選択吸収膜２５によって吸収された太陽熱は集熱器２６の内部を流れる熱媒体に移動し、熱媒体の温度を上昇させる。また、第１の中空透明ガラス平板２１は、中空部分２３が真空となっているので、選択吸収膜２５、集熱器２６の熱が熱伝導によって外部に放散することを抑制している。従って、選択吸収膜２５による放射熱の抑制と第１の中空透明ガラス平板２１による熱伝導の抑制により、太陽光１５からの太陽熱は、効率的に集熱器２６の熱媒体に移動し、熱媒体の温度を効果的に上昇させる。熱媒体は、零下３０℃程度で凍らず、１００℃を超えても沸騰しない、例えば、エチレングレコールなどの不凍液であってもよいし、２５０℃程度まで沸騰しない特殊な熱媒体であってもよい。このように、太陽熱を集熱した際の温度でも熱媒体は沸騰しないものを用いる。
【００１８】
太陽が出ている昼間は、図１に示す太陽電池３０も太陽光１５を受け、電気出力を循環ポンプ５０の駆動モータ５２に供給しているので、循環ポンプ５０が回転し、熱媒体は循環系統６０を循環する。そして、熱媒体は、熱媒体出口管６２からタンク４０の中の加熱器７０に流れ込み、タンク４０の中に貯留されている、例えば、水などの蓄熱液４５を加熱する。一方、低温の給水は給水管９１から加温器８０に流入し、加熱された蓄熱液４５と熱交換して温度が上昇し、温水管９２から建物内の給湯口９３に供給される。
【００１９】
温度の下がった熱媒体は、タンク４０の加熱器７０を出て循環ポンプ５０によって加圧されて再び屋根１１の上に配置された太陽熱コレクター２０に戻って加熱される。そして、太陽が沈んだ夜間になると、太陽電池３０からの電力の供給が停止するので、太陽熱コレクター２０での集熱が停止するとともに、循環ポンプ５０の駆動モータ５２が停止し、熱媒体の循環が停止する。夜間は、太陽熱コレクター２０による集熱がないので、循環系統６０の熱媒体の温度は低下し、外気が氷点下に下がる場合には、熱媒体の温度も氷点下まで低下する。しかし、熱媒体は不凍液あるいは低温で凍らない特殊な熱媒体を用いているので、凍結しない。
【００２０】
また、太陽熱を集熱した際の温度でも熱媒体が沸騰しないので、循環系統６０の圧力は大きくならず、循環系統６０の耐圧性をさほど大きくしなくとも効率よく太陽熱を集熱することができる。そして、大気温度の高い地域でも圧力の上昇が少なく、安定した運転を行うことができる。また、熱媒体は閉ループである循環系統６０の中を循環するのみであることから、少量の特殊な熱媒体を用いることでシステムを構成でき、太陽熱集熱システム１００のコストを抑えつつ、集熱効率が高く、安定した運転ができる。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態の太陽熱集熱システム１００は、簡便な構成で広い温度範囲で安定した運転が可能な太陽熱集熱システムを提供することができるという効果を奏する。
【００２２】
次に、図４を参照しながら、他の太陽熱コレクター２０の構成について説明する。図４に示す太陽熱コレクター２０は、図３で説明した太陽熱コレクター２０の真空ケーシング３５に代わって、第２の中空透明ガラス平板３２の中空部分３３に選択吸収膜２５と集熱器２６を配置したものである。第２の中空ガラス平板３２は、第１の中空透明ガラス平板２１の太陽光１５を受ける表面２２と反対側の裏面２４の表面に重ねあわされて取り付けられており、第１の中空ガラス平板２１と同様、例えば、５００℃程度の高温に加熱してガラスに吸着している空気を真空ポンプで排気した後、封止を行って製造する。第２の中空透明ガラス平板３２は第１の中空透明ガラス平板３２の裏面２４に密着して取り付けられていることが好ましいが、多少の隙間があってもよい。本実施形態のように構成した太陽常コレクター２０を用いて図１、図２を参照して説明した太陽熱集熱システム１００を構成した場合も先に説明した実施形態と同様の効果を奏する。
【００２３】
次に図５を参照しながら図３、図４を参照して説明した太陽熱コレクター２０を発電システム２００に適用した場合について説明する。図５に示すように、発電システム２００は、発電機２０３を駆動する蒸気タービン２０２と、蒸気タービン２０２に駆動用蒸気を供給するボイラ２０１と、蒸気タービン２０２で膨張した蒸気を水に戻す復水器２０４と、復水器２０４からの水を太陽熱コレクター２０とボイラ２０１に供給する給水ポンプ２０５とを備えている。本実施形態の発電システム２００では、熱媒体は水である。太陽熱コレクター２０の熱媒体入り口管６１から集熱器２６に入った水は、太陽熱コレクター２０によって加熱されて高温の水となってボイラ２０１に入る。また、ボイラ２０１には給水ポンプ２０５からも給水が供給される。給水ポンプ２０５から供給された給水は、ボイラ２０１で加熱された後、集熱器２６からの高温の水と混合された後、蒸発して高温の蒸気となって蒸気タービン２０２に供給され、発電機２０１を回転させる。蒸気タービン２０１で膨張した蒸気は復水器２０４で水に戻って再び太陽熱コレクター２０と、ボイラ２０１とに給水される。このように、本実施形態では、熱媒体である水は、集熱器２６、ボイラ２０１、蒸気タービン２０２、復水器２０４を循環する。従って、集熱器２６、ボイラ２０１、蒸気タービン２０２、復水器２０４は閉ループの循環系統６０を構成する。本実施形態は、太陽熱集熱システム１００を発電システム２００に利用し、効率の高い発電を行うことができるという効果を奏する。
【００２４】
本実施形態では、集熱器２６から高温の水をボイラ２０１に入れることとして説明したが、集熱器２６で蒸気を発生させ、ボイラ２０１で発生した蒸気と合わせて蒸気タービン２０２に供給するように構成してもよい。また、多数の太陽熱コレクター２０を設置し、太陽熱コレクター２０によって発生する蒸気によって蒸気タービン２０２を駆動するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１０  建物、１１  屋根、１２  風呂、１５  太陽光、２０  太陽熱コレクター、２１  第１の中空透明ガラス平板、２２  表面、２３，３３  中空部分、２４  裏面、２５  選択吸収膜、２６  集熱器、２７  サージタンク、２８，４８  逃がし弁、３０  太陽電池、３１  太陽電池パネル、３２  第２の中空透明ガラス平板、３３  中空部分、３５  真空ケーシング、３６  内部空間、４０  タンク、４１  内部ケーシング、４２  外部ケーシング、４３  真空層、４４  断熱材、４５  蓄熱液、５０  循環ポンプ、５１  ポンプ本体、５２  駆動モータ、６０  循環系統、６１  熱媒体入り口管、６２  熱媒体出口管、７０  加熱器、８０  加温器、９０  給水系統、９１  給水管、９２  温水管、９３  給湯口、１００  太陽熱集熱システム、２００  発電システム、２０１  ボイラ、２０２  蒸気タービン、２０３  発電機、２０４  復水器。
【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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