(57)【要約】【課題】効率の高い太陽熱集積装置を提供する。【解決手段】太陽熱集積装置１ａ、１ｂ、１ｃは、蓄熱媒体２ａ、２ｂ、２ｃを収容する蓄熱媒体収容部３ａ、３ｂ、３ｃと、輻射線を受けて輻射熱に変換して蓄熱媒体２ａ、２ｂ、２ｃに伝達する輻射熱導入部４ａ、４ｂ、４ｃと、太陽からの輻射線を輻射熱導入部４ａ、４ｂ、４ｃに供給する輻射線供給部５ａ、５ｂ、５ｃとを備える。輻射熱導入部４ａ、４ｂ、４ｃは、輻射線を受けて輻射熱に変換する輻射熱変換部６ａ、６ｃと、変換された輻射熱を蓄熱媒体２ａ、２ｂ、２ｃに伝達する輻射熱伝達部７ａ、７ｂ、７ｃとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽からの輻射線を輻射熱に変換して蓄熱媒体に伝達することにより輻射熱を収集及び蓄積する太陽熱集積装置であって、
前記蓄熱媒体を収容する蓄熱媒体収容部と、
供給される輻射線を受けて輻射熱に変換し、該熱を前記蓄熱媒体収容部に収容されている蓄熱媒体に伝達する輻射熱導入部と、
太陽からの輻射線を前記輻射熱導入部に供給する輻射線供給部とを備え、
前記輻射熱導入部は、
前記輻射線を受けて輻射熱に変換する輻射熱変換部と、
前記輻射熱変換部において変換された輻射熱を、前記蓄熱媒体収容部に収容されている蓄熱媒体に接して伝達する輻射熱伝達部とを備えることを特徴とする太陽熱集積装置。
【請求項２】
前記輻射熱導入部は、
前記蓄熱媒体収容部内に配置された輻射熱変換室と、
前記輻射線供給部からの輻射線を前記輻射熱変換室内に導入するために一端が該輻射熱変換室に開口し、他端が前記蓄熱媒体収容部の外面に開口した輻射線導入部とを有し、
前記輻射熱変換室の壁における内壁側により、前記輻射熱変換部が構成されており、
前記輻射熱変換室の壁における外壁側により、前記輻射熱伝達部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集積装置。
【請求項３】
前記輻射線導入部の内壁面は、前記輻射熱変換室側から前記蓄熱媒体収容部の外面側にかけて径が大きくなる円錐台状の形状を有することを特徴とする請求項２に記載の太陽熱集積装置。
【請求項４】
前記輻射線導入部の内壁面は、前記輻射線供給部からの輻射線を反射する面で構成されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽熱集積装置。
【請求項５】
前記輻射熱変換室は、前記開口の中心軸を軸とする回転楕円体状の形状を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の太陽熱集積装置。
【請求項６】
前記輻射熱導入部は、前記蓄熱媒体収容部の外部に突出した突出部と、該蓄熱媒体収容部の内部に存在する内在部及びそこから放射状に延びた板状部とを有し、該突出部により前記輻射熱変換部が構成されており、該内在部及び該板状部により前記輻射熱伝達部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱集積装置。
【請求項７】
断熱部材で構成され、前記突出部に被せるキャップを有することを特徴とする請求項６に記載の太陽熱集積装置。
【請求項８】
前記輻射線供給部は、太陽からの輻射線を反射する反射面を備え、
太陽熱収集装置は、前記反射面により反射される輻射線が前記輻射熱導入部に供給されるように、該反射面又は該輻射熱導入部のいずれか、若しくは該反射面及び該輻射熱導入部の双方を移動させる太陽追従部を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の太陽熱集積装置。
【請求項９】
前記蓄熱媒体収容部は、熱の移動を遮断する壁で構成され、該壁の内面は、該蓄熱媒体収容部内の蓄熱媒体からの輻射線を反射する面で構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の太陽熱集積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光からの輻射熱を集積して利用するための太陽熱集積装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、低温の媒体を格納し及び取出すことが可能で、運搬可能な高圧ボンベが使われている。このようなボンベは、液体酸素、液体窒素などの各種低温物質を用途に合わせて格納し、長時間保管し、必要に応じて使用場所へ搬送して格納物を取り出すために用いられる。格納物として利用されるものは、液化ガスの範囲のものに限られている。
【０００３】
このような低温用ガスボンベは、格納された物質を、保温可能な状態で長期間安全に、変質無く保管し、用途に合わせて取り出すことを可能にする手段を提供している。その際に、格納物の一部を使用し、再度残量を保管することを繰り返しながらボンベを使用することも実現されている。
【０００４】
一方、自然エネルギーの有効利用方法として、太陽光に含まれる熱エネルギーを使用するために用いられる集熱機構が知られている（例えば、特許文献１参照）。集熱機構は、ヘリオスタット等の鏡面反射装置で太陽光を収束させるものである。集熱機構により収束させた太陽光から、集熱面を介して熱が吸収され、蓄積されて、発電などに利用される（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような装置の集熱面は、一般に外気にさらされ、集熱面であると同時に放熱面ともなっている。集熱面は、地面に垂直なものが多く、この場合、鏡面反射装置の設置位置が集熱機構の片側に限定されるので、集熱の効率は低い。
【０００６】
集熱面が鉛直下方に向いているものもあるが、この場合も、同様に外気との接触面が集熱と放熱を行う状態であるため、集熱効率に限界がある。したがって、集熱面が加熱されて高温になると、外気との温度差が大きくなって放射による熱エネルギーのロスが増大するので、熱平衡状態となり、それ以上の熱の蓄積が不能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２８１５６５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８１２５１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１４７８１号公報
【特許文献４】特開２０１２−２５０７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現状でのエネルギーの必要性への対応は、電力の供給による以外は、ガスやガソリンなどの危険性の高い可燃性の燃料によるものが大半であり、使用時には、ＣＯ２の発生を伴い、社会環境に少なからず悪影響をもたらすものである。
【０００９】
また、電気自動車の研究・供給、エコ家電の開発・供給、再生可能エネルギーの研究開発・供給などで、エネルギー供給負担の軽減・改善、対応策の多様化が進められている。しかし、レアメタルの必要性や、海底資源開発などの需要に対応するには不十分であるとともに、費用は高額であり、加えてリスク負担も大きい。
【００１０】
ところで、エネルギーは、その媒質の形態を変換することは可能である。上記のボンベの格納対象を、低温液化ガスから高温・高圧の熱エネルギー媒質に代えることで、媒質が有する熱エネルギーを直接的に保管し、必要に応じて供給・使用することが可能である。このエネルギーを収集・蓄積し、必要に応じて使用できる仕組みとしての太陽熱集積装置が実現できれば、ＣＯ２削減などの社会環境の改善に大きく貢献できるエネルギー利用形態が実現する。
【００１１】
現状では３００気圧前後の高圧下で、低温液化ガスを安全に長期間保管できるボンベが販売されていて、これらを用いて効率的に熱を蓄積することができる。
【００１２】
しかし、特許文献３に記載されたものは、蓄積したエネルギーを単に保温に使用するものであり、エネルギー媒体の形態を変換して使用するものではない。また、特許文献４に記載されたものも、蓄熱媒質を容器内部に収納し、再利用可能な形態を実現しているが、同じくエネルギー媒体の形態を変換して使用するものではない。
【００１３】
一方、特許文献１、２に記載の装置は、ともに集熱効率を向上させることを目的の１つとするが、集熱面がそのまま外気に接する構造を有する。また、集熱面が垂直上方に位置するため、集光機構の配置が、装置本体の片側に偏在する。また、集熱面が高温になるほど、集熱面からの熱エネルギーの放射により、集熱したエネルギーが外気に流出し、ロスとなることは避けられない。
【００１４】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、より効率の高い太陽熱集積装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１発明に係る太陽熱集積装置は、
太陽からの輻射線を輻射熱に変換して蓄熱媒体に伝達することにより輻射熱を収集及び蓄積する太陽熱集積装置であって、
前記蓄熱媒体を収容する蓄熱媒体収容部と、
供給される輻射線を受けて輻射熱に変換し、該熱を前記蓄熱媒体収容部に収容されている蓄熱媒体に伝達する輻射熱導入部と、
太陽からの輻射線を前記輻射熱導入部に供給する輻射線供給部とを備え、
前記輻射熱導入部は、
前記輻射線を受けて輻射熱に変換する輻射熱変換部と、
前記輻射熱変換部において変換された輻射熱を、前記蓄熱媒体収容部に収容されている蓄熱媒体に接して伝達する輻射熱伝達部とを備えることを特徴とする。
【００１６】
第１発明によれば、輻射線供給部からの輻射線を、輻射熱変換部により受けて輻射熱に変換し、輻射熱伝達部により、蓄熱媒体収容部内の蓄熱媒体に伝達するようにしたので、効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００１７】
第２発明に係る太陽熱集積装置は、第１発明において、
前記輻射熱導入部は、
前記蓄熱媒体収容部内に配置された輻射熱変換室と、
前記輻射線供給部からの輻射線を前記輻射熱変換室内に導入するために一端が該輻射熱変換室に開口し、他端が前記蓄熱媒体収容部の外面に開口した輻射線導入部とを有し、
前記輻射熱変換室の壁における内壁側により、前記輻射熱変換部が構成されており、
前記輻射熱変換室の壁における外壁側により、前記輻射熱伝達部が構成されていることを特徴とする。
【００１８】
第２発明によれば、輻射熱変換室内の輻射熱変換部への輻射線の供給が、輻射熱変換室の開口から輻射線を導入することにより行われるので、輻射熱変換部の熱が放射熱となって輻射熱変換室の開口から散逸する確率を低減させることができる。したがって、より効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００１９】
第３発明に係る太陽熱集積装置は、第２発明において、前記輻射線導入部の内壁面は、前記輻射熱変換室側から前記蓄熱媒体収容部の外面側にかけて径が大きくなる円錐台状の形状を有することを特徴とする。
【００２０】
第３発明によれば、輻射熱変換室を蓄熱媒体収容部のより内部の方へ配置した場合でも、輻射熱変換室への輻射線の導入を、輻射熱変換室の開口の軸に対してある程度の角度をなす方向から行うことができる。したがって、輻射熱変換室を蓄熱媒体収容部のより内部の方に配置し、輻射熱変換室により変換された輻射熱をより効率的に蓄熱媒体収容部内の蓄熱媒体に伝達させることができる。したがって、より効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００２１】
第４発明に係る太陽熱集積装置は、第３発明において、前記輻射線導入部の内壁面は、前記輻射線供給部からの輻射線を反射する面で構成されていることを特徴とする。
【００２２】
第４発明によれば、輻射線供給部からの輻射線が、輻射線導入部に対してかなり斜めに入射した場合でも、その輻射線を輻射熱変換室内の輻射熱変換部に入射させることができる。したがって、より効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００２３】
第５発明に係る太陽熱集積装置は、第２〜第４のいずれかの発明において、前記輻射熱変換室は、前記開口の中心軸を軸とする回転楕円体状の形状を有することを特徴とする。
【００２４】
第５発明によれば、輻射熱変換部の熱が放射熱となって輻射熱変換室の開口から散逸する確率をさらに低減させることができる。したがって、より効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００２５】
第６発明に係る太陽熱集積装置は、第１発明において、前記輻射熱導入部は、前記蓄熱媒体収容部の外部に突出した突出部と、該蓄熱媒体収容部の内部に存在する内在部及びそこから放射状に延びた板状部とを有し、該突出部により前記輻射熱変換部が構成されており、該内在部及び該板状部により前記輻射熱伝達部が構成されていることを特徴とする。
【００２６】
第６発明によれば、蓄熱媒体に接する輻射熱伝達部と熱的に連結した突出部を介して蓄熱媒体への熱の充填を行うようにしているので、蓄熱媒体に蓄積された熱を、この突出部を介して取り出すことができる。したがって、蓄熱媒体収容部全体を容易に密閉した構造とし、高温・高圧の蓄熱媒体を長期かつ安全に保存することができる。したがって、高温・高圧の蓄熱媒体に熱を蓄積するのにより適したより効率の高い太陽熱集積装置を提供することができる。
【００２７】
第７発明に係る太陽熱集積装置は、第６発明において、断熱部材で構成され、前記突出部に被せるキャップを有することを特徴とする。
【００２８】
第７発明によれば、太陽熱集積装置により熱を集積した後、突出部にキャップを被せることにより、集積した熱が突出部を経て散逸するのを防止することができる。したがって、蓄熱媒体に熱を集積した後、突出部にキャップを被せて熱の散逸を防止しながら、熱の供給場所まで、蓄熱媒体収容部を搬送することができる。
【００２９】
第８発明に係る太陽熱集積装置は、第１〜第７のいずれかの発明において、
前記輻射線供給部は、太陽からの輻射線を反射する反射面を備え、
太陽熱収集装置は、前記反射面により反射される輻射線が前記輻射熱導入部に供給されるように、該反射面又は該輻射熱導入部のいずれか、若しくは該反射面及び該輻射熱導入部の双方を移動させる太陽追従部を備えることを特徴とする。
【００３０】
第８発明によれば、太陽の移動に拘わらず、太陽からの輻射線を適切に輻射熱導入部に供給することができる。
【００３１】
第９発明に係る太陽熱集積装置は、第１〜第８のいずれかの発明において、前記蓄熱媒体収容部は、熱の移動を遮断する壁で構成され、該壁の内面は、該蓄熱媒体収容部内の蓄熱媒体からの輻射線を反射する面で構成されていることを特徴とする。
【００３２】
第９発明によれば、蓄熱媒体からの輻射線が蓄熱媒体収容部の壁面に衝突し、輻射熱となって外部に逃げるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽熱集積装置の蓄熱媒体収容部及び輻射熱導入部の断面図である。
【図２】図１の太陽熱集積装置の平面図である。
【図３】図１の太陽熱集積装置の一部を断面で表示した側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る太陽熱集積装置の蓄熱媒体収容部及び輻射熱導入部の縦断面図である。
【図５】図４の蓄熱媒体収容部及び輻射熱導入部の横断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る太陽熱集積装置の断面図である。
【図７】図６の太陽熱集積装置における輻射熱導入部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本発明の第１実施形態に係る太陽熱集積装置は、太陽からの輻射線を輻射熱に変換して蓄熱媒体に伝達することにより輻射熱を収集及び蓄積するものである。
【００３５】
図１に示すように、この太陽熱集積装置１ａは、蓄熱媒体２ａを収容する蓄熱媒体収容部３ａと、供給される輻射線を受けて輻射熱に変換し、蓄熱媒体収容部３ａに収容されている蓄熱媒体２ａに伝達する輻射熱導入部４ａとを備える。図２及び図３に示すように、蓄熱媒体収容部３ａの近傍には、太陽からの輻射線を輻射熱導入部４ａに供給する輻射線供給部５ａが設置される。
【００３６】
蓄熱媒体２ａとしては、水などの安定した、低コストで沸点の低い媒体が用いられる。蓄熱媒体収容部３ａが高温・高圧に耐え得るものである場合には、水蒸気、ＣＯ２などの高温・高圧の安定したガスを用いて、性能向上を図ってもよい。
【００３７】
蓄熱媒体収容部３ａは、熱の移動を良好に遮断する壁、例えば、真空層を含む壁で構成される。壁の内面は、蓄熱媒体収容部３ａ内の蓄熱媒体２ａからの輻射線を反射する面で構成され、蓄熱媒体２ａに蓄積された熱が輻射熱となって逃げることが防止される。
【００３８】
輻射熱導入部４ａは、輻射線供給部５ａからの輻射線を受けて輻射熱に変換する輻射熱変換部６ａと、輻射熱変換部６ａにおいて変換された輻射熱を、蓄熱媒体収容部３ａに収容されている蓄熱媒体２ａに接して伝達する輻射熱伝達部７ａとを備える。
【００３９】
また、輻射熱導入部４ａは、蓄熱媒体収容部３ａ内に配置された輻射熱変換室８ａと、輻射線供給部５ａからの輻射線を輻射熱変換室８ａ内に導入するために一端が輻射熱変換室８ａに開口し、他端が蓄熱媒体収容部３ａの外面に開口した輻射線導入部９ａとを有する。
【００４０】
ただし、本実施形態では、これらの開口はほぼ重なっており、輻射線導入部９ａは、単なる開口部１０ａとしての形態を有する。そして、輻射熱変換室８ａの壁における内壁側により、上述の輻射熱変換部６ａが構成され、輻射熱変換室８ａの壁における外壁側により、上述の輻射熱伝達部７ａが構成される。
【００４１】
ただし、輻射熱変換室８ａの内壁における開口部１０ａと反対側の半分程度は、入射する輻射線が効率的に輻射熱に変換されるように、黒色に塗装されているのが好ましく、開口部１０ａ側の半分程度は、反射面８ｂで構成されるのが好ましい。ここで、黒色には黒体色が含まれる。これにより、開口部１０ａから反射面８ｂに直接入射する輻射線や、内壁からの輻射線が反射面８ｂで反射されて輻射熱への変換に供されるので、開口部１０ａから輻射熱変換室８ａに入射する輻射線を、効率的に輻射熱に変換することができる。
【００４２】
輻射熱変換室８ａの内壁としての輻射熱変換部６ａに対する開口部１０ａの面積の割合は、大きいと輻射熱変換部６ａの熱が放射熱となって開口部１０ａから散逸する割合が多くなり、小さいと輻射線供給部５ａからの輻射線を輻射熱変換部６ａに照射し難くなるので、これらを考慮して決定される。例えば、該面積の割合は、５〜３０［％］の範囲内の値とされ、より好ましくは１０〜２０［％］の範囲内の値とされる。
【００４３】
輻射熱変換室８ａは、開口部１０ａの中心軸を軸とする回転楕円体状の形状を有する。蓄熱媒体収容部３ａは、熱の移動を遮断する壁で構成され、該壁の内面は、蓄熱媒体収容部３ａ内の蓄熱媒体２ａからの輻射線を反射する面で構成される。
【００４４】
輻射線供給部５ａは、太陽からの輻射線を反射する反射面１１ａを備える。輻射線供給部５ａには、反射面１１ａにより反射される輻射線が輻射熱導入部４ａに供給されるように、反射面１１ａ又は輻射熱導入部４ａのいずれか一方、若しくは反射面１１ａ及び輻射熱導入部４ａの双方を移動させる図示していない太陽追従部が設けられる。輻射線供給部５ａは、具体的には、例えば、ヘリオスタッドにより構成することができる。
【００４５】
反射面１１ａは、複数の平面鏡をパラボラ状に配置して、各平面鏡における太陽の反射光が輻射熱導入部４ａに向かうように構成される。あるいは、１つの大きい、例えば半径２［ｍ］程度の放物面鏡で構成してもよい。放物面鏡の位置は、その焦点が、輻射熱変換室８ａの壁で構成される上述の輻射熱変換部６ａの前後に位置するように調整される。焦点が輻射熱変換部６ａに一致すると、その部分に、高熱による悪影響が生じるので好ましくない。
【００４６】
この構成において、太陽熱集積装置１ａにより熱を集積する際には、蓄熱媒体２ａが収容された蓄熱媒体収容部３ａを、輻射線供給部５ａにより輻射熱変換室８ａの開口部１０ａを経て輻射熱変換部６ａに輻射線を照射するのに適した姿勢及び位置となるように配置する。
【００４７】
そして、輻射線供給部５ａによる太陽光の反射方向が輻射熱変換室８ａ内の開口部１０ａの方向となり、かつ複数の反射面１１ａによる合成された焦点位置又は放物面鏡による反射面１１ａの焦点位置が輻射熱変換部６ａの近傍となるように、反射面１１ａの位置を調整する。これにより、太陽からの輻射線が輻射熱変換室８ａ内の輻射熱変換部６ａに良好に供給される状態となる。
【００４８】
その後、太陽の移動に拘わらずにこの状態が維持されるように、太陽追従部により、反射面１１ａ又は輻射熱導入部４ａのいずれか一方、若しくは反射面１１ａ及び輻射熱導入部４ａの双方が移動される。
【００４９】
この間、輻射熱変換室８ａ内の輻射熱変換部６ａでは、反射面１１ａから照射される輻射線が輻射熱に変換され、その熱が、輻射熱伝達部７ａから、蓄熱媒体収容部３ａ内の蓄熱媒体２ａに伝達される。また、この間、この熱は、蓄熱媒体収容部３ａの壁で遮断されて外部へ逃げることが無いので、蓄熱媒体２ａに蓄積されてゆく。
【００５０】
このようにして蓄熱媒体収容部３ａ内の蓄熱媒体２ａに集積された熱は、適当な熱の取出し手段により取り出して利用することができる。なお、熱の取出し手段としては、蓄熱媒体２ａ自体を蓄熱媒体収容部３ａから取り出す手段や、蓄熱媒体２ａの熱を蓄熱媒体収容部３ａの外部に伝導させる手段が該当する。
【００５１】
本実施形態によれば、輻射熱変換部６ａへの輻射線の供給を、輻射熱変換室８ａ内にその開口部１０ａから輻射線を導入して行うようにしており、さらに輻射熱変換室８ａは回転楕円体状の形状を有するので、輻射熱変換部６ａの熱が放射熱となって開口部１０ａを経て散逸する確率を低減させることができる。
【００５２】
すなわち、輻射熱変換室８ａから外部に散逸する熱量よりも、取り入れる熱量の方をかなり大きくすることができる。このため、蓄熱媒体２ａの温度が外部の気温よりもかなり高い温度となるまで、蓄熱媒体２ａに効率良く多くの熱を集積することができる。したがって、蓄熱媒体収容部３ａを高温・高圧に耐えられるように構成することにより、高温・高圧の蓄熱媒体２ａを使用するのにも適した太陽熱集積装置１ａを提供することができる。
【００５３】
図４及び図５は、第２実施形態に係る太陽熱集積装置の蓄熱媒体収容部及び輻射熱導入部の縦断面及び横断面をそれぞれ示す。図４及び図５に示すように、この太陽熱集積装置１ｂは、蓄熱媒体２ｂを収容する蓄熱媒体収容部３ｂと、供給される輻射線を受けて輻射熱に変換し、蓄熱媒体収容部３ｂに収容されている熱媒体に伝達する輻射熱導入部４ｂと、太陽からの輻射線を輻射熱導入部４ｂに供給する輻射線供給部５ｂとを備える。
【００５４】
蓄熱媒体２ｂとしては、比較的沸点が低く、高温・高圧状態でも安定している水蒸気、炭酸ガス、四塩化炭素などを使用することができる。ここでは、飽和水蒸気が用いられる。
【００５５】
蓄熱媒体収容部３ｂとしては、高温・高圧状態、例えば超臨界状態となって常温時には無い物性を示す蓄熱媒体２ｂを安全に収容し得る耐熱性、耐圧性及び断熱性に優れたボンベが用いられる。このようなボンベは、金属、ガラス、樹脂などを用いて作成される。
【００５６】
その際、蓄熱媒体２ｂの最高温度が５００℃未満である場合には、高温状態となった蓄熱媒体２ｂを保温し得るように、金属製のボンベ本体に対して、耐酸性の樹脂が被覆される。また、蓄熱媒体２ｂの温度が１０００℃前後に達する場合には、金属製のボンベ本体に対して、耐熱ガラスやセラミック素材のコーティングを施すことにより、ボンベ本体を保護することができる。
【００５７】
また、蓄熱媒体収容部３ｂの設計及び作成に際しては、蓄熱媒体収容部３ｂを構成する各素材の熱膨張率の相違などから、蓄熱媒体収容部３ｂの構造や材質の改良を行い、必要となる熱エネルギー量、熱エネルギーの使用場所などに適合した蓄熱媒体収容部３ｂが設計され作成される。
【００５８】
また、蓄熱媒体収容部３ｂに対する熱エネルギーの充填と取出しに際し、蓄熱媒体収容部３ｂから蓄熱媒体２ｂ自体が取り出されることはない。このため、蓄熱媒体収容部３ｂ及び輻射熱導入部４ｂの作成が完了した後に蓄熱媒体２ｂの充填及び取出しを行うための開口部は不要である。
【００５９】
したがって、蓄熱媒体収容部３ｂについては、これを完全に密封することが可能であり、断熱材の被覆や真空構造の設置などが全体的に行われ、保温効率の向上や、安全性の確保、構造の単純化などが図られる。
【００６０】
蓄熱媒体収容部３ｂは、例えば、市場で入手可能な低温液化ガス格納用のボンベ、具体的には医療用として汎用されている空気呼吸器用ボンベを加工することにより得ることができる。
【００６１】
蓄熱媒体収容部３ｂは、具体的には、鉄などの金属素材を用いた二重の壁で構成された容器壁を有するものとして構成され、各壁の間の空間を真空にして、熱の伝導が防止される。容器壁の内側の表面は、光反射率の高い金属、耐熱ガラスなどでコーティングされ、放射による熱の散逸が防止される。
【００６２】
輻射熱導入部４ｂは、蓄熱媒体２ｂを収容する蓄熱媒体収容部３ｂの外部に突出した輻射熱変換部としての熱充填・取出部１３と、蓄熱媒体収容部３ｂの内部に存在する輻射熱伝達部７ｂとを有する。輻射熱導入部４ｂは、熱を良好に伝達する熱良導体、例えば銅などの金属により構成される。
【００６３】
熱充填・取出部１３は、蓄熱媒体収容部３ｂの一端側の壁を貫通して突出した棒状の部材の突出部として構成される。また、熱充填・取出部１３の表面は、照射される輻射線が効率的に輻射熱に変換されるように黒色に塗装される。輻射熱伝達部７ｂは、該棒状の部材のうちの蓄熱媒体収容部３ｂ内においてほぼその長さにわたって存在する内在部１４と、その部分から放射状に八方に延びた熱良導体の板状部材を有する熱拡散部１５とで構成される。
【００６４】
すなわち、輻射熱伝達部７ｂは、蓄熱媒体収容部３ｂに充填された蓄熱媒体２ｂに対し、広い接触面積で接触しており、これにより蓄熱媒体２ｂと熱充填・取出部１３との間の熱の移動効率が高められている。
【００６５】
熱充填・取出部１３には、そこからの熱の散逸を防止するためのキャップ１６を被せることができるようになっている。キャップ１６は、熱充填・取出部１３を極力隙間なく覆うように構成される。また、キャップ１６は、熱の伝導を防止するために、蓄熱媒体収容部３ｂの容器壁と同様の断熱構造を有する。
【００６６】
輻射線供給部５ｂとしては、第１実施形態の輻射線供給部５ａの場合と同様のものを用いることができる。その場合に、第１実施形態の場合と同様に、輻射線供給部５ｂを太陽追従部により、反射面と、輻射熱導入部４ｂ及び蓄熱媒体収容部３ｂとのいずれか一方若しくは双方を太陽の動きに追従して移動できるようにしてもよい。
【００６７】
この構成において、太陽熱集積装置１ｂにより熱を集積する際には、蓄熱媒体２ｂが収容されている蓄熱媒体収容部３ｂを、輻射線供給部５ｂにより熱充填・取出部１３に輻射線を照射するのに適した姿勢及び位置となるように配置する。
【００６８】
そして、輻射線供給部５ｂによる太陽光の反射方向が熱充填・取出部１３の方向となり、かつ輻射線供給部５ｂの焦点位置が熱充填・取出部１３の近傍となるように、輻射線供給部５ｂを調整する。これにより、太陽からの輻射線が熱充填・取出部１３に良好に供給される状態となる。
【００６９】
その後、太陽の移動に拘わらずにこの状態が維持されるように、輻射線供給部５ｂの太陽追従部により、輻射線供給部５ｂによる太陽光の反射方向及び焦点位置が、太陽の動きに応じて調整される。
【００７０】
この間、熱充填・取出部１３では、輻射線供給部５ｂから照射される輻射線が輻射熱に変換され、その熱が、輻射熱伝達部７ｂを経て、蓄熱媒体収容部３ｂ内の蓄熱媒体２ｂに伝達される。また、この間、この熱は、蓄熱媒体収容部３ｂの容器壁で遮断されて外部へ逃げることが無いので、蓄熱媒体２ｂに蓄積されてゆく。
【００７１】
そして、蓄熱媒体収容部３ｂ内の蓄熱媒体２ｂである水蒸気の圧力及び温度が臨界点（２１８気圧、６４７℃）を超えると、蓄熱媒体２ｂは、超臨界水となり、さらに多くの熱が蓄積される。
【００７２】
このようにして蓄熱媒体２ｂに熱が集積された蓄熱媒体収容部３ｂは、熱充填・取出部１３にキャップ１６が被せられて、熱が利用される場所に搬送される。搬送後、キャップ１６が外され、熱充填・取出部１３から、外部の熱利用機構によって、熱伝導により熱が取り出されて利用される。
【００７３】
その際、外部の熱利用機構が、蓄熱媒体２ｂよりも低い沸点を有し、かつ蓄熱媒体２ｂよりも小さい比熱を有する場合には、熱利用機構による蓄熱媒体２の熱の利用効率を高めることができる。
【００７４】
本実施形態によれば、蓄熱媒体２ｂに接する輻射熱伝達部７ｂと熱的に連結した熱充填・取出部１３を介して熱の充填及び取出し行うようにしており、さらに蓄熱媒体収容部３ｂは、高温・高圧の蓄熱媒体２ｂを長期かつ安全に保存できる構造を有する。
【００７５】
したがって、沸点の低い蓄熱媒体２ｂに対し、その沸点よりも高温の熱エネルギーを充填できるので、効率の良い熱エネルギーの集積及び利用を行うことができる。したがって、高温・高圧の蓄熱媒体２ｂに熱を蓄積するのに適した効率の良い太陽熱集積装置１ｂを提供することができる。
【００７６】
また、熱充填・取出部１３に被せるキャップ１６を有するので、蓄熱媒体２ｂに蓄積された熱を、それが利用されるまでの間、良好に保持することができる。したがって、発電装置、各種エンジン、各種暖房設備などの熱エネルギーの供給を要する場所に、熱を逃がすことなく蓄熱媒体収容部３ｂを搬送して、熱を供給することができる。
【００７７】
図６は、第３の実施形態に係る太陽熱集積装置を示す。図６に示すように、この太陽熱集積装置１ｃは、蓄熱媒体２ｃを収容する蓄熱媒体収容部３ｃと、供給される輻射線を受けて輻射熱に変換し、蓄熱媒体収容部３ｃに収容されている熱媒体に伝達する輻射熱導入部４ｃと、太陽からの輻射線を輻射熱導入部４ｃに供給する輻射線供給部５ｃとを備える。
【００７８】
蓄熱媒体２ｃとしては、ここでは、水が用いられるが、他の安定した沸点の低い媒体を用いてもよい。蓄熱媒体収容部３ｃとしては、熱の移動を良好に遮断する壁で構成されたタンクが用いられ、壁の内面は、蓄熱媒体収容部３ｃ内の蓄熱媒体２ｃからの輻射線を良好に反射する面で構成される。これにより、蓄熱媒体２ｃに蓄積された熱が伝導熱や輻射熱となって逃げることが防止される。
【００７９】
輻射熱導入部４ｃは、輻射線供給部５ｃからの輻射線を受けて輻射熱に変換する輻射熱変換部６ｃと、輻射熱変換部６ｃにおいて変換された輻射熱を、蓄熱媒体収容部３ｃに収容されている蓄熱媒体２ｃに接して伝達する輻射熱伝達部７ｃとを備える。
【００８０】
また、輻射熱導入部４ｃは、蓄熱媒体収容部３ｃ内に配置された輻射熱変換室８ｃと、輻射線供給部５ｃからの輻射線を輻射熱変換室８ｃ内に導入するために一端が輻射熱変換室８ｃに開口し、他端が蓄熱媒体収容部３ｃの底面側の外面において開口した輻射線導入部９ｃとを有する。
【００８１】
輻射線導入部９ｃの内壁面は、輻射熱変換室８ｃ側から蓄熱媒体収容部３ｃの外面側にかけて径が大きくなる円錐台状の形状を有する。輻射線導入部９ｃの内面は、輻射線を良好に反射する面で構成される。
【００８２】
輻射熱変換室８ｃの壁における内壁側により、上述の輻射熱変換部６ｃが構成され、輻射熱変換室８ｃの壁における外壁側により、上述の輻射熱伝達部７ｃが構成される。輻射熱変換室８ｃは、輻射線導入部９ｃの中心軸を軸とする回転楕円体状の形状を有する。
【００８３】
輻射熱変換室８ｃの内壁としての輻射熱変換部６ｃに対する輻射線導入部９ｃにおける輻射熱変換室８ｃ側の開口部１７の面積の割合は、大きいと輻射熱変換部６ｃの熱が放射熱となって開口部１７から散逸する割合が多くなり、小さいと輻射線供給部５ｃからの輻射線を輻射熱変換部６ｃに照射し難くなるので、これらを考慮して決定される。例えば、該面積の割合は、５〜３０［％］の範囲内の値とされ、より好ましくは１０〜２０［％］の範囲内の値とされる。
【００８４】
輻射線導入部９ｃにおける輻射熱変換室８ｃ側の開口部１７に対する蓄熱媒体収容部３ｃの開口部１８の大きさは、輻射線供給部５ｃからの輻射線が輻射熱変換部６ｃに照射されるのを妨害しないように決定される。
【００８５】
図７は、輻射熱導入部４ｃにおける各部の寸法の一例を示す。図７に示すように、開口部１７の直径ｄ、輻射熱変換室８ｃの回転楕円体形状の赤道直径Ｄ、輻射線導入部９ｃの長さＬ、及び輻射線導入部９ｃの円錐台形状における軸と側面との成す角θは、輻射線供給部５ｃからの輻射線の角度やその変化、蓄熱媒体収容部３ｃの大きさ、輻射熱変換室８ｃ輻射線の輻射熱への変換効率等に基づいて決定される。
【００８６】
蓄熱媒体収容部３ｃは、熱の移動を極力遮断する壁で構成され、該壁の内面は、蓄熱媒体収容部３ｃ内の蓄熱媒体２ｃからの輻射線を良好に反射する面で構成される。
【００８７】
輻射線供給部５ｃは、太陽からの輻射線を反射する反射面１１ｃを備える。輻射線供給部５ｃには、反射面１１ｃにより反射される輻射線が輻射熱導入部４ｃに供給されるように、反射面１１ｃを移動させる太陽追従部１９が設けられる。反射面１１ｃを移動させる代わりに、輻射熱導入部４ｃを移動させてもよい。あるいは、反射面１１ｃ及び輻射熱導入部４ｃの双方を移動させてもよい。輻射線供給部５ｃは、より具体的には、例えば、ヘリオスタッドにより構成することができる。
【００８８】
反射面１１ｃは、複数の平面鏡をパラボラ状に配置して、各平面鏡における太陽の反射光が輻射熱導入部４ｃに向かうように構成される。あるいは、１つの大きい、例えば半径２［ｍ］程度の放物面鏡で構成してもよい。放物面鏡の位置は、その焦点が、輻射熱変換室８ｃの内壁側により構成される上述の輻射熱変換部６ｃの前後に位置するように調整される。焦点が輻射熱変換部６ｃに一致すると、その部分に、高熱による悪影響が生じるので好ましくない。
【００８９】
この構成において、太陽熱集積装置１ｃにより熱を集積する際には、第１実施形態の場合と同様に、蓄熱媒体２ｃが収容された蓄熱媒体収容部３ｃと輻射線供給部５ｃとを、太陽からの輻射線が輻射熱変換室８ｃ内の輻射熱変換部６ｃに良好に供給される状態となるように配置する。そして、この状態が維持されるように、太陽追従部１９により、反射面１１ｃ又は輻射熱導入部４ｃのいずれか一方若しくは双方が、太陽の動きに合わせて移動される。
【００９０】
この間、第１実施形態の場合と同様にして、輻射熱変換室８ｃで変換された輻射熱が蓄熱媒体２ｃに蓄積されてゆく。このようにして集積された熱は、適当な熱の取出し手段により取り出して利用することができる。なお、熱の取出し手段としては、蓄熱媒体２ｃ自体を蓄熱媒体収容部３ｃから取り出す手段や、蓄熱媒体２ｃの熱を蓄熱媒体収容部３ｃの外部に伝導させる手段が該当する。ここでは、蓄熱媒体２ｃとして水を用いているので、これを蓄熱媒体収容部３ｃから取り出して容易に使用することができる。
【００９１】
本実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様に、輻射熱変換室８ｃにより輻射線を輻射熱に変換しているので、輻射熱変換部６ｃの熱が放射熱となって開口部１７を経て散逸する確率を低減させることができる。したがって、蓄熱媒体２ｃに効率良く多くの熱を集積することができる。また、蓄熱媒体収容部３ｃを高温・高圧に耐えうるように構成することによって、蓄熱媒体２ｃとして、高温・高圧のものを使用するのにも適した太陽熱集積装置１ｃを提供することができる。
【００９２】
また、輻射線導入部９ｃの内壁面が円錐台状の形状を有するので、輻射熱変換室８ｃを蓄熱媒体収容部３ｃのより内部の方へ配置した場合でも、輻射熱変換室８ｃへの輻射線の導入を、輻射熱変換室８ｃの開口部１７の軸に対してある程度の角度をなす方向から行うことができる。したがって、輻射熱変換室８ｃを蓄熱媒体収容部３ｃのより内部の方に配置し、輻射熱変換室８ｃにより変換された輻射熱をより効率的に蓄熱媒体収容部３ｃ内の蓄熱媒体２ｃに伝達させることができる。
【００９３】
また、輻射線導入部９ｃの内壁面は、輻射線供給部５ｃからの輻射線を良好に反射する面で構成されているので、輻射線供給部５ｃからの輻射線が、輻射線導入部９ｃに対してかなり斜めに入射した場合でも、その輻射線を輻射熱変換室８ｃ内の輻射熱変換部６ｃに入射させることができる。
【００９４】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。例えば、実施形態２における蓄熱媒体収容部３ｂの真空を用いた断熱壁は、実施形態１、３の蓄熱媒体収容部３ａ、蓄熱媒体収容部３ｃに適用してもよい。また、実施形態１、３において、輻射熱導入部４ａ、輻射熱導入部４ｃに代えて、実施形態２における輻射熱導入部４ｂを用いてもよい。
【００９５】
また、図６で示される第３実施形態において、蓄熱媒体収容部３ｃを上下逆にして開口部１８が鉛直上方を向くように配置し、さらに開口部１８の径を大きくし、太陽からの輻射線を直接的に輻射線導入部９ｃに導入するようにしてもよい。この場合、輻射線供給部５ｃは不要となる。これにより、装置のコストを削減することができる。
【符号の説明】
【００９６】
１ａ、１ｂ、１ｃ…太陽熱集積装置、２ａ、２ｂ、２ｃ…蓄熱媒体、３ａ、３ｂ、３ｃ…蓄熱媒体収容部、４ａ、４ｂ、４ｃ…輻射熱導入部、５ａ、５ｂ、５ｃ…輻射線供給部、６ａ、６ｃ…輻射熱変換部、７ａ、７ｂ、７ｃ…輻射熱伝達部、８ａ、８ｃ…輻射熱変換室、９ａ、９ｃ…輻射線導入部、１０ａ…開口部、１１ａ、１１ｃ…反射面、１３…熱充填・取出部、１４…内在部、１５…熱拡散部、１６…キャップ、１７、１８…開口部、１９…太陽追従部。
【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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