JP3958032B2

JP3958032B2 - グレージングコレクタ

Info

Publication number: JP3958032B2
Application number: JP2001354888A
Authority: JP
Inventors: 武雄齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003161534A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、太陽エネルギーを効率よく利用して温水および高温熱媒体などを製造する薄型太陽集熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
住宅等の暖房用温水および高温熱媒体などの加熱用として、従来から平板型の太陽集熱装置（ソーラーコレクタとも呼ばれる）が多く使用されている。平板型集熱装置の一例として図９にその概略を示す。代表的な平板型集熱装置はアルミニウム製のフィン14と銅製の集熱管４から成り、集熱管４の内部に熱媒体３を循環し、背面を断熱材６で断熱してある。これらは通常、上面に透過体を持つ外装箱に収められ、透過体５には通常、強化もしくは半強化の一枚ガラスが用いられる。
【０００３】
しかしながら、以上の従来技術によれば、集熱装置内部の空気の対流・熱伝導現象によって熱損失が増大すること、太陽光を集光しない（集光比ほぼ１）こと、および集熱管と熱媒体との熱伝達が悪いことなどが複合的に効いて、弱い日射時、高温集熱時、および寒冷地での使用（60℃〜70℃集熱）において、集熱効率が著しく低下するという短所がある。
【０００４】
従来技術では、装置の熱損失を改善するために、透過体にペアガラス構造を用いて断熱性能の向上を図る場合がある。この場合、ペアガラスの内部に空気や熱伝導率の小さいクリプトンガスなどの不活性ガスを封入する場合がある。また、集熱管をガラス管で覆い、ガラス管内部を真空に引いた真空管型集熱装置集熱装置も提案されている（例えば特開2001-221512号、特許文献１）。
【０００５】
しかしながら、従来技術によれば透過体上面からの熱損失は減少するが、集熱装置内部の対流による熱損失の問題が解決されていないため、大幅な集熱効率の向上は困難である。さらに、ペアガラスは非常に重く、装置自体が厚くかさばり、製造コストも大きい。また、真空管型集熱装置は、有効面積当たりの集熱効率が低いにもかかわらず製造コストが高く、さらに真空に引いたガラス管が破裂するという危険性がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開2001-221512号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、平板型集熱装置の約 3 倍〜数倍の性能を実現でき、コストパフォーマンスに優れた薄型太陽集熱装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
薄いグレージング層の内部に集熱管及び複合放物面集光（ Compound Parabolic Concentrator 、単に「 CPC 」とも言う）型反射鏡を含め、かつ反射鏡を微細にすることにより、反射鏡の内側（「キャビティ」と呼ぶ）での自然対流現象を抑制し、対流熱損失を抑えることができることを発見し、本発明に想到した。
【０００９】
本発明の薄型太陽集熱装置は、厚さが 20 ｍｍ以下のグレージング層を形成する透過体を有する外装箱と、前記グレージング層の内部に設けられた集熱管と、前記集熱管に接着された複数の集熱部と、前記集熱部の上に設けられて太陽光線を前記集熱部の各々に入射させる複数の複合放物面集光型反射鏡とを有し、前記反射鏡はその内側での自然対流現象を抑制する程度に微細であることを特徴とする。
【００１０】
前記複合放物面集光型反射鏡は円形又は正六角形の開口部を有する３次元形状であるか、樋型の２次元形状であるのが好ましい。
【００１１】
前記反射鏡は前記集熱部と熱的に絶縁されているのが好ましい。前記グレージング層内に熱伝導率の不活性ガスが封入されているのが好ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の薄型太陽集熱装置は、従来の平板型集熱装置、真空管型集熱装置などよりも寒冷地および高温集熱において格段に優れた集熱性能を発揮する。さらに、材料費などの製作コストの削減によって、これまでにない薄型の量産型集熱装置として大いに期待できる。また、利用方法も一般家庭の暖房・給湯用の温水製造から、吸収冷凍や水素吸蔵合金を用いたケミカルヒートポンプの高熱源まで２０種類以上の幅広い応用が期待できる。
【００１３】
九州や四国などの温暖な地では太陽熱温水器の普及率が５０％前後と高いが青森などでは２％台と集熱効率の低さの故低かったが、本発明の薄型太陽集熱装置は、寒冷地でも従来の３倍程度の効率が得られる。さらに、130〜200℃の高温の熱水を製造することにより蒸気タービンを駆動することができ、いわゆる熱発電（Thermal electric）としての利用が可能である。また給湯・暖房を組み合わせることにより、総合効率を太陽電池の６倍程度まで向上させることができる。これらのことから、将来の新しい太陽エネルギー利用の道を開くものと期待できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例による薄型太陽集熱装置を示し、図2の(a) および(b) は反射鏡および集熱管周りの断面形状を示す。薄型太陽集熱装置の１ユニットは、防反射処理（Anti-Reflection Coating）の施された強化一枚ガラスと外装箱からなる薄いグレージング層（通常は厚さ10〜20ｍｍ以下）の内部に、比較的集光比の高い(集光比3〜8程度)２次元ないし３次元形状のCPC型反射鏡１と、集熱部２と、乱流促進体のある集熱管４と、断熱材６とが入った構造を有する。反射鏡１は集熱部の上に設けられている。グレージング層内部全体には熱伝導率が空気の約１／３以下であるクリプトンガス(不活性ガス)などが封入されている。ガスは背面断熱材周りにも十分に浸透するように封入する。可能な限り微細な反射鏡１を用いることによって、そのキャビティ内部の自然対流現象を抑制し、対流熱伝達による損失をほとんどなくすことができる。集熱部２は集熱管４と一体もしくは密接に接着された構造で、集熱管４に熱媒体３を循環し高温媒体を得る。また、集熱部２は反射鏡１と熱的に絶縁されており、反射鏡１のフィン効果による熱損失を抑える構造となっている。なお、CPC型反射鏡を有する太陽集熱装置では、許容偏角７よりも小さい太陽光入射角20で入射する太陽光線10はすべて集熱部２に入射する。集熱管４は黒色クロムめっき等によって選択吸収性を持たせている。集熱管４背面の断熱材６には、高温断熱性に優れた超微粒子シリカ系断熱材等を用いる。
【００１５】
図１に示す実施例では、開口部が円形になっているお椀状の3次元形状のCPC 型反射鏡１が並んでいるが、反射鏡１の開口部が円形のままでは各反射鏡間に隙間が生じてしまい、有効面積に対する実効面積が減少してしまう。これを解決するため、図３に示すような開口部が正六角形をなした3次元反射鏡の構造を挙げる。これは開口部だけが正六角形をしており、開口部の下ではCPC 型形状となっている。
【００１６】
図４に集熱管２の内部構造を示す。(a) はスパイラル状の内部フィンの例であるが、この他に直管に(b) のようなねじり板（ヘリカルリボン）を挿入する方法なども考えられる。集熱管内のフィンやヘリカルリボンなどの乱流促進体によって熱媒体への熱伝達が大幅に向上する。
【００１７】
図１に示す１つのユニットを集熱の規模に見合わせて複数個、並列もしくは直列に連結することによって１モジュールが形成され、このモジュールが装置としての単位になる。なお、図１はCPC型反射鏡が図２の断面を軸中心に回転させた３次元形状、つまりお椀状の場合の実施例である。
【００１８】
他の実施例として、図５に示すような２次元形状のCPC型反射鏡によって構成される薄型太陽集熱装置がある。この断面形状は図１の３次元形状のものと同じであるが、３次元形状のCPC型反射鏡が底の平らなお椀のような形状となっているのに対して、これは図２に示すのと同じ断面形状をもった樋型の反射鏡となっている。3次元形状の場合、2次元形状よりも集光比が大きくなるため、高温集熱、蒸気製造に適しているが、2次元形状は3次元形状よりも比較的低い温度での集熱に適しているなど、用途などによって使い分けるのが望ましい。
【００１９】
その他の実施例として、図６に示すように反射鏡の替りにサイズがサブミクロンから２〜３μmの格子状のアブソーバーを形成することにより光の波長に近づけることで、反射率を抑制した構造が含まれる。
【００２０】
さらに他の実施例として、図７に示すように、集熱部２に太陽電池13を貼り付けることによって、集熱装置としてだけでなく太陽光発電装置としても利用することができる。また、これにより太陽電池の面積を大幅に減らすことができる。この場合、集熱管４に熱媒体３を流すことによって太陽電池13を冷却し、効率を向上することが可能となり、発電効率の向上につながるため、CPC型反射鏡の集光作用とあわせて高効率な太陽光発電が可能である。
【００２１】
図８は、本発明の薄型太陽集熱装置の集熱効率を、従来の真空管式集熱装置および平板型集熱装置の集熱効率と比較した結果を示す。図８から、真空管型集熱装置及び平板型集熱装置より寒冷地および高温集熱において格段に優れた集熱性能を発揮することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による薄型太陽集熱装置を示す部分断面斜視図である。
【図２】図１の薄型太陽集熱装置における反射鏡及び集熱管周りの概略図であり、 (a) は集熱管に直交する断面を示し、 (b) は集熱管と平行な断面を示す。
【図３】正六角形の開口部を有する反射鏡を示す斜視図である。
【図４】集熱管の内部構造を示す概略図である。
【図５】本発明の別の実施例による薄型太陽集熱装置を示す部分断面斜視図である。
【図６】本発明のさらに別の実施例による薄型太陽集熱装置を示す概略図である。
【図７】集熱管、集熱部及び複合放物面集光型反射鏡の関係を示す斜視図である。
【図８】本発明の薄型太陽集熱装置、真空管式集熱装置および平板型集熱装置の集熱効率を比較したグラフである。
【図９】従来の平板型集熱装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１・・・反射鏡
２・・・集熱部
３・・・熱媒体
４・・・集熱管
５・・・透過体
６・・・断熱材
７・・・許容偏角
８・・・開口部長さ
９・・・太陽光入射角
10・・・太陽光線
11・・・内部フィン
12・・・ヘルカルリボン
13・・・太陽電池
14・・・集熱フィン

Claims

厚さが 20 ｍｍ以下のグレージング層を形成する透過体を有する外装箱と、前記グレージング層の内部に設けられた集熱管と、前記集熱管に接着された複数の集熱部と、前記集熱部の上に設けられて太陽光線を前記集熱部の各々に入射させる複数の複合放物面集光型反射鏡とを有し、前記反射鏡はその内側での自然対流現象を抑制する程度に微細であることを特徴とする薄型太陽集熱装置。
請求項１に記載の薄型太陽集熱装置において、前記複合放物面集光型反射鏡が円形又は正六角形の開口部を有する３次元形状であることを特徴とする薄型太陽集熱装置。
請求項１に記載の薄型太陽集熱装置において、前記複合放物面集光型反射鏡が樋型の２次元形状であることを特徴とする薄型太陽集熱装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の薄型太陽集熱装置において、前記反射鏡が前記集熱部と熱的に絶縁されていることを特徴とする薄型太陽集熱装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の薄型太陽集熱装置において、前記グレージング層内に熱伝導率の不活性ガスが封入されていることを特徴とする薄型太陽集熱装置。