(57)【要約】【課題】高い反射率を有し、耐久性に優れる集光システム用反射鏡及びこの集光システム用反射鏡を備える集光システムを提供する。【解決手段】本発明に係る集光システム用反射鏡２は、基体２１と、基体２１上に設けられた反射層２２とを備え、反射層２２は、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる。集光システム用反射鏡２は、表面反射鏡であることが好ましい。また、集光システム用反射鏡２は、太陽光集光システム用であることが好ましい。本発明に係る集光システム１は、集光システム用反射鏡２と、集光システム用反射鏡２で反射される光Ｒを受光する受光部５とを備える。集光システム１は、更に、太陽の動きに合わせて集光システム用反射鏡２の向きを変化させる駆動部６を備えることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、前記基体上に設けられた反射層とを備え、前記反射層は、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる集光システム用反射鏡。
【請求項２】
表面反射鏡である請求項１に記載の集光システム用反射鏡。
【請求項３】
太陽光集光システム用である請求項１又は２に記載の集光システム用反射鏡。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の集光システム用反射鏡と、前記集光システム用反射鏡で反射される光を受光する受光部とを備える集光システム。
【請求項５】
更に、太陽の動きに合わせて前記集光システム用反射鏡の向きを変化させる駆動部を備える請求項４に記載の集光システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光システム用反射鏡及びこの集光システム用反射鏡を備える集光システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題の観点から、環境に優しい再生可能なエネルギーを得るシステムの一つとして、太陽光集光システムが注目されている。太陽光集光システムは、太陽光を反射鏡によって受光部に集光し、得られる太陽熱を利用して水、オイル、溶融塩等の熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体によって水を蒸発させて高温及び高圧の蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービンを駆動し、発電するものである。太陽光集光システムの長所としては、例えば、発電中に二酸化炭素等の温室効果ガスを発生することがなく、環境負荷が低い点、蓄熱することができるため、天候及び昼夜を問わず、発電することができる点、比較的高いエネルギー変換効率を達成できる点等が挙げられる。太陽光集光システムとしては、主にパラボリックトラフ型、リニアフレネル型、タワー型、及びパラボリックディッシュ型が知られている。
【０００３】
従来、太陽光集光システムに用いられる反射鏡としては、銀、アルミニウム等からなる反射層を備える反射鏡が一般的に使用されている。通常、このような反射層上には、ガラス等からなる透明保護層が形成される。具体的には、例えば、特許文献１には、基板と、この基板上に被着されたアルミニウム、銀等で形成された金属反射膜と、この金属反射膜の表面に被着されたガラス質膜等で形成された透明性無機質保護膜とを備える太陽光集光システム用反射鏡が記載されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−４００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
集光システムには、使用環境に対する耐久性が要求される。例えば、太陽光集光システムは、長い日照時間及び広い土地が得られることから、砂漠地帯等の過酷な環境下で使用されることが多く、このような過酷な環境下での使用にも耐え得る必要がある。中でも、集光システムに用いられる反射鏡は、経時での反射率の低下が抑制されていることが求められる。例えば、太陽光集光システムにおいて、反射鏡は、砂塵等が高速で衝突しても傷つきにくいことが強く望まれる。従来の反射鏡において、反射層がガラス等からなる透明保護層により保護されておらず、直接、外界に晒されるように構成されていると、銀、アルミニウム等からなる反射層は、砂塵等で傷つきやすく、また、容易に酸化及び腐食して、反射鏡の反射率が低下してしまう。また、特許文献１に記載されているように、反射層が透明保護層により保護されていても、透明保護層は、強度が十分ではないため、砂塵等の衝突により割れが生じやすく、その割れから水や酸素が浸入して、反射層が酸化及び腐食し、反射鏡の反射率が低下しやすい。
【０００６】
また、集光システムに用いられる反射鏡は、可能な限り多くの光を受光部に集光することができるよう、より高い反射率を有することが求められる。例えば、受光部において集熱することを目的とする場合には、遠赤外線領域における反射率が高いことを要する。しかし、上述の通り、反射層保護の観点から、従来の反射鏡においては、特許文献１に記載されているように、通常、反射層上に少なくとも透明保護層が形成されているが、このような透明保護層自体、光の吸収を有することから、反射率の低下は避けられない。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、高い反射率を有し、耐久性に優れる集光システム用反射鏡及びこの集光システム用反射鏡を備える集光システム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】
【０００８】
本発明者は鋭意検討した結果、集光システム用反射鏡において、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる反射層を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のものを提供する。
【０００９】
本発明の第一の態様は、基体と、上記基体上に設けられた反射層とを備え、上記反射層は、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる集光システム用反射鏡である。
【００１０】
本発明の第二の態様は、上記集光システム用反射鏡と、上記集光システム用反射鏡で反射される光を受光する受光部とを備える集光システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高い反射率を有し、耐久性に優れる集光システム用反射鏡及びこの集光システム用反射鏡を備える集光システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る集光システム１の一部を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る集光システム１の一部を示す側面図である。集光システム１は、太陽光Ｉを集光し、得られた熱で発電を行う太陽光集光システムである。図１では、パラボリックトラフ型を例に挙げて太陽光集光システムについて説明する。図１に示すように、本発明の実施形態に係る集光システム１は、集光システム用反射鏡２と、フレーム３と、アーム４と、受光部５と、駆動部６と、支持体７と、を少なくとも備える。
以下、集光システム１の各部について詳しく説明する。
【００１４】
集光システム用反射鏡２は、基体２１と、基体２１上に設けられた反射層２２とを備え、フレーム３上に設けられている。集光システム用反射鏡２は、高い反射率を有する全反射鏡として機能する。集光システム用反射鏡２は、側面視で弧状をなし、紙面垂直方向に樋状に細長く延びた形状を有する反射曲面鏡（反射凹面鏡）である。集光システム用反射鏡２は表面反射鏡であり、反射層２２上には透明保護層等の他の層は設けられていない。集光システム用反射鏡２の最表面（即ち、反射層２２の表面）は、側面視で放物線の一部を形成しており、集光システム用反射鏡２の向きを調整することで、集光システム用反射鏡２で反射された太陽光Ｒを上記放物線の焦点に線状（紙面垂直方向に延びる直線状）に集光することができる。後述の通り、上記焦点には、受光部５が位置しており、集光システム用反射鏡２で反射された太陽光Ｒは、受光部５に集光される。
【００１５】
基体２１としては、反射層２２を支持することができるものであれば特に限定されない。基体２１の材質としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂、ガラス、金属等の無機材料等が挙げられる。上記樹脂は、炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維を含んでいてもよい。中でも、軽量かつ高強度の基体２１を得ることが容易であることから、無機繊維を含む樹脂が好ましく、炭素繊維を含むポリエチレンテレフタレートがより好ましい。基体２１の厚さとしては、例えば、４〜８ｍｍが挙げられる。また、基体２１の裏面は、高い摩耗耐性を有する材料（例えば、モース硬度が８以上）で被覆されていることが好ましい。
【００１６】
反射層２２は、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる。上記材料は、１種単独の物質から構成されていても、２種以上の物質から構成されていてもよい。上記屈折率が２．５未満であると、反射層２２の反射率が向上しにくく、受光部５に集光される太陽光Ｒが少なくなりやすい。なお、上記屈折率の上限は、特に限定されないが、実用上は４．５程度である。上記モース硬度が１２未満であると、反射層２２は、耐久性が不十分となりやすいため、砂塵等で傷つきやすく、反射率が低下しやすい。
【００１７】
反射層２２を構成する材料の具体例としては、炭化ケイ素、炭化タングステン、ロンズデーライト等が挙げられる。中でも、波長２５００ｎｍにおける屈折率、及びモース硬度がそれぞれ上記範囲を満たし、更に、疎水性が二酸化チタンに匹敵するほど高く、優れた防汚性を有することから、炭化ケイ素が好ましい。
反射層２２の厚さとしては、例えば、１０〜１００μｍが挙げられる。
【００１８】
集光システム用反射鏡２は、公知の方法によって、基体２１上に、波長２５００ｎｍにおける屈折率が２．５以上であり、モース硬度が１２〜１５である材料からなる層を積層して反射層２２を形成することにより製造することができる。
【００１９】
フレーム３は、集光システム用反射鏡２及びアーム４を支持する。フレーム３には、駆動部６が固定されている。フレーム３は、駆動部６の固定位置で、支持体７の上部に設置されている。
【００２０】
アーム４は、受光部５を支持する。アーム４の一端側はフレーム３により支持され、アーム４の他端に受光部５が配置される。集光システム用反射鏡２により線状に集光された太陽光Ｒが受光部５により受光されるように、適宜、アーム４の長さ、角度等が調整される。
【００２１】
受光部５は、内部を水、オイル、溶融塩等の熱媒体が流れることができるよう、中空に形成されており、反射層２２の表面が形成する上記放物線の焦点に配置されている。受光部５は、紙面垂直方向にパイプ状に延びた形状を有する。受光部５に線状に集光された太陽光Ｒにより、受光部５内部の熱媒体が加熱される。受光部５には熱交換器（図示せず）が接続されており、熱媒体は熱交換器を経由して受光部５の内部を循環する。
反射層２２は反射率の高い材料で構成されているため、反射層２２の表面が側面視で形成する形状が放物線の一部分のみであったとしても、十分に多くの光を上記放物線の焦点に集光することができる。よって、当該一部分の位置を適正に選択することで、受光部５を、集光システム用反射鏡２に入射する太陽光Ｉの経路から外れた位置に設けることができる。これにより、太陽光Ｉが集光システム用反射鏡２に入射するのを受光部５が妨げることを防ぐことができる。その結果、より多くの太陽光Ｉが集光システム用反射鏡２に入射し、反射層２２で反射されて受光部５に集光される。
【００２２】
駆動部６は、太陽の動きに合わせて集光システム用反射鏡２の向きを変化させる。駆動部６は、モーター等で構成され、フレーム３に固定されている。駆動部６が駆動すると、フレーム３は、紙面垂直方向に駆動部６を貫いて延びる軸の周りを回転する。これに伴い、集光システム用反射鏡２、アーム４、及び受光部５も上記軸の周りを回転する。駆動部６は、集光システム用反射鏡２で反射された太陽光Ｒが受光部５に常時集光されるように、フレーム３を回転させる。
【００２３】
支持体７は、フレーム３並びにフレーム３を介して集光システム用反射鏡２、アーム４、受光部５、及び駆動部６を支持する。支持体７の最上部には、駆動部６の位置でフレーム３が設置されている。
【００２４】
次に、本発明の実施形態に係る集光システム１の動作について、図１を参照しながら説明する。
太陽光Ｉは、集光システム用反射鏡２に入射すると、反射層２２により反射される。反射された太陽光Ｒは、受光部５に線状に集光され、受光部５内部の熱媒体が加熱する。加熱された熱媒体は、受光部５内部を流れ、受光部５に接続された熱交換器（図示せず）で水を蒸発させて高温及び高圧の蒸気を発生させる。この蒸気により蒸気タービン（図示せず）が駆動され、発電が行われる。熱交換器を経た熱媒体は、更に受光部５内部を流れ、再び、反射層２２により反射され集光された太陽光Ｒにより加熱される。集光システム用反射鏡２は、駆動部６により、太陽の動きを追尾し、集光システム用反射鏡２で反射された太陽光Ｒは、受光部５に常時集光される。
【００２５】
本発明の実施形態に係る集光システム１によれば、以下のような効果が奏される。
集光システム１で用いられる集光システム用反射鏡２において、反射鏡２２を構成する材料の波長２５００ｎｍにおける屈折率は、２．５以上という高い値であり、反射層２２の反射率が高くなりやすいため、より多くの太陽光Ｒを受光部５に集光することができる。
【００２６】
また、反射層２２は、モース硬度が１２〜１５である材料からなり、耐久性が十分であるため、砂塵等で傷つきにくく、経時で反射率が維持されやすい。よって、反射層２２は、透明保護層で保護する必要がなく、単層のまま用いることができる。即ち、集光システム用反射鏡２を表面反射鏡として構成することができ、透明保護層で太陽光が吸収されることを防ぐことができるので、集光システム用反射鏡２の反射率を効果的に向上させることができる。また、透明保護層を形成する必要がないため、集光システム用反射鏡２の製造工程を簡略化することができる。
【００２７】
表１に、種々の反射鏡の反射率及びモース硬度を示す。表１における「Ｓｉ−Ｃ」とは、炭化ケイ素からなる反射層２２を備える集光システム用反射鏡２であり、「Ｓｉ−Ｃ」のモース硬度は、反射層２２を形成する炭化ケイ素のモース硬度を表す。表１における「Ｔｈｉｃｋ  ｇｌａｓｓ」は、銀を含む反射層と、シリカガラスからなる表層とを備える反射鏡であり、「Ｔｈｉｃｋ  ｇｌａｓｓ」のモース硬度は、表層を形成するシリカガラスのモース硬度を表す。表１における「Ａｌｕｍｉｎｕｍ」は、アルミニウムを含む反射層を備える反射鏡である。表１における「Ｓｉｌｖｅｒｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ」は、銀を含む反射層と、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂を含むポリマー層とを備える反射鏡である。
【００２８】
表１に示す通り、本発明に係る集光システム用反射鏡である「Ｓｉ−Ｃ」は、反射率が１００％という極めて高い値を示し、また、モース硬度が１２以上であり、優れた耐久性を有する。これに対し、従来、用いられてきた反射鏡である、「Ｔｈｉｃｋ  ｇｌａｓｓ」、「Ａｌｕｍｉｎｕｍ」、及び「Ｓｉｌｖｅｒｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ」は、反射率がせいぜい９３．５０％であり、不十分であるのに加え、モース硬度も低く、耐久性に劣る。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
上記実施形態において、受光部５は、集光システム用反射鏡２に入射する太陽光Ｉの経路から外れた位置に設けられている。よって、受光部５は、太陽光Ｉが集光システム用反射鏡２に入射するのを妨げないため、より多くの太陽光Ｉが集光システム用反射鏡２に入射し、反射層２２で反射されて受光部５に集光される。これに対し、従来のパラボリックトラフ型太陽光集光システムでは、反射鏡に入射する太陽光の経路上に受光部が設けられるため、太陽光の一部が反射鏡２に入射するのを受光部が妨げてしまう。よって、上記実施形態では、従来に比べ、より多くの太陽光Ｒを受光部５に集光させることができる。
【００３１】
反射層２２の材料が炭化ケイ素であると、炭化ケイ素の優れた防汚性により、反射層２２の表面には汚れが付着しにくいため、汚れを除去するためのメンテナンスの手間や費用を大幅に削減することができる。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、パラボリックトラフ型の太陽光集光システムについて説明したが、集光システム用反射鏡２は、リニアフレネル型、タワー型、及びパラボリックディッシュ型のいずれの太陽光集光システムにも適用することができる。
【００３４】
上記実施形態では、太陽光集光システムを例に挙げて集光システム１について説明したが、集光システム１及び集光システム用反射鏡２は、太陽光集光システム以外の一般の集光システムにも適用することができる。
【００３５】
上記実施形態において、受光部５を太陽電池に代えた構成としてもよい。これにより、集光システム用反射鏡２で集光したより多くの太陽光Ｒを太陽電池に照射して発電を行うことができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  集光システム
２  集光システム用反射鏡
２１  基体
２２  反射層
３  フレーム
４  アーム
５  受光部
６  駆動部
７  支持体
Ｉ  入射光
Ｒ  反射光
【図１】
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【国際調査報告】
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