JP2005076967A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光を効率よく容易に集光して媒体加熱部へと導くことができ、それによって加熱対象媒体を容易に効率よく高温に加熱できる、安価に構成可能な太陽熱集熱装置を提供する。
【解決手段】断面形状が放物線である凹面の反射面を有し、中央部に貫通部を有し、該反射面に太陽光を受光する反射鏡Ａと、該反射鏡Ａの前方に位置し、断面形状が双曲線の一方の曲線である凸面の反射面を有し、該反射面にて反射鏡Ａからの反射光を反射鏡Ａの貫通部に向けて反射するとともに集光する反射鏡Ｂと、貫通部を通過した集光された光を媒体加熱部に導く導光手段とを備えた太陽熱集熱装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱集熱装置に関し、とくに、太陽光の集光の効率を上げて加熱対象媒体を効率よくかつ容易に高温に加熱できるようにした太陽熱集熱装置に関する。

太陽熱を利用して高温を得るためには、太陽光の集光倍率を上げることが必要である。従来から、凹面鏡により太陽光を受光して反射させ、反射した光を凹面鏡の焦点部に設けた集熱器に集光させて太陽熱の集熱を行うようにした太陽熱集熱装置が知られている（例えば、特許文献１）。また、断面形状が放物線状の樋型の凹面鏡により太陽光を受光して反射させ、反射した光を樋型凹面鏡の焦点部に設けた管路に集光させ、該管路内の媒体を加熱するようにした装置も知られている。

このような太陽熱集熱装置においては、高温を得るためには、一つの凹面鏡で高い倍率をもって集光する必要があるため、凹面鏡の反射面の曲率を大きくする必要があるとともに、反射面の面精度を高くする必要があり、高価な装置になる傾向がある。また、上記のように凹面鏡の焦点部に加熱媒体管路を有する構造では、太陽光の方向変化に応じて太陽光を追尾しようとすると、凹面鏡の姿勢変更と同時に加熱媒体管路も空間移動させる必要があり、管路や接続管路に可撓性を持たせる必要が生じて装置構成が複雑化する。また、加熱媒体管路に可動部分が存在することは、媒体の漏れや接続部の耐久性等の面から、好ましい構造ではない。
特開平１０−２８１５６５号公報

そこで本発明の課題は、太陽光を効率よく容易に集光して媒体加熱部へと導くことができ、それによって加熱対象媒体を容易に効率よく高温に加熱できる、安価に構成可能な太陽熱集熱装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、加熱媒体管路を所定の位置に固定したまま、太陽光の受光、反射系を可動して太陽光を追尾できるようにし、媒体の漏れや管路接続部の耐久性等の問題を生じさせることなく、安定して効率のよい集熱を行うことができるようにした太陽熱集熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽熱集熱装置は、断面形状が放物線である凹面の反射面を有し、中央部に貫通部を有し、前記反射面に太陽光を受光する反射鏡Ａと、該反射鏡Ａの前方に位置し、断面形状が双曲線の一方の曲線である凸面の反射面を有し、該反射面にて前記反射鏡Ａからの反射光を前記反射鏡Ａの前記貫通部に向けて反射するとともに集光する反射鏡Ｂと、前記貫通部を通過した集光された光を媒体加熱部に導く導光手段とを備えたことを特徴とするものからなる。

このような構成においては、反射鏡Ａに受光された太陽光は反射鏡Ａの反射面で反射されるとともに反射鏡Ｂに向けてまず大略集光され、反射鏡Ｂでは反射鏡Ａからの反射光を反射させて貫通部に向けて集光し、貫通部を通過した集光光が媒体加熱部に導かれて媒体が加熱される。二回反射させた後最終的な焦点としての媒体加熱部へと集光光を導くので、従来の一つの反射鏡の焦点部に集熱器を位置させた構造に比べ、媒体加熱部に至るまでの距離が長くなり、反射鏡Ａおよび反射鏡Ｂの反射面の曲率を小さくでき、製作が容易になる。また、反射鏡Ａは、平行光である太陽光を反射鏡Ｂに向けて反射させるとともに大略集光させればよいので、反射面を格別高精度に仕上げる必要はなく、製作が容易になるとともに安価に製作できる。

上記太陽熱集熱装置においては、上記反射鏡Ａとしては、例えば、実質的に同一断面形状にて一方向に延びる反射鏡、つまり、樋型の反射鏡に構成できる。また、上記反射鏡Ｂとしても、実質的に同一断面形状にて一方向に延びる反射鏡に構成することができる。そして、上記貫通部としては、スリット状に延びる貫通穴に形成することができる。すなわち、平行光である太陽光を帯状に延びる反射鏡Ａの凹面の反射面で反射させて、まず、反射鏡Ｂに向けて大略集光し、反射鏡Ａからの反射光を帯状に延びる反射鏡Ｂの凸面の反射面で反射させてスリット状に延びる貫通部に向けて集光するのである。

上記媒体加熱部としては、例えば、内部を加熱対象媒体が流通される加熱媒体管路に構成できる。管路内を流れる加熱対象媒体が、上記の如く集光され導光されてきた太陽光によって効率よく加熱されるとになる。

上記導光手段は、上記貫通部を通過した集光された光を、さらに上記媒体加熱部に向けて集光する集光レンズ（例えば、凸レンズ）を有することが好ましい。これによって、最終的な焦点としての媒体加熱部により高い倍率をもって集光でき、より高温への加熱が可能となる。また、この導光手段は、上記媒体加熱部に向けての導光路の少なくとも一部を形成する導光体を有することが好ましい。導光体は、可撓性導光体、例えば、光ファイバーからなることが好ましい。このような可撓性導光体を設けておけば、反射鏡Ａと反射鏡Ｂが太陽光を追尾する際にも、反射鏡Ａと反射鏡Ｂの可動動作が媒体加熱部側に伝達されるのを可撓性導光体で遮断することができ、媒体加熱部を所定の固定姿勢に保つことができる。

太陽光の方向変化に応じて反射鏡Ａと反射鏡Ｂが太陽光を追尾できるようにするには、反射鏡Ａと反射鏡Ｂが、実質的に一定の相対位置関係に保たれながら、太陽光の方向変化に応じて連動移動されればよい。このような連動移動により、最終的な焦点としての媒体加熱部に至るまでの反射、集光経路を維持しつつ、太陽光を追尾でき、恒常的に効率のよい集熱を行うことができる。また、反射鏡Ａと反射鏡Ｂを姿勢可変としつつ、媒体加熱部を姿勢固定とできる。媒体加熱部を所定の固定構造とできることにより、媒体の漏れや管路接続部の耐久性についての不安が除去され、安定した集熱が可能になる。

本発明に係る太陽熱集熱装置によれば、太陽光を効率よく容易に集光して媒体加熱部へと導くことができ、常時効率のよい集熱を行うことができるようになる。その結果、従来装置では得られないような大きな集熱量が得られ、加熱対象媒体を容易に効率よく高温に加熱できる。

また、加熱媒体管路を所定の位置に固定したまま、太陽光の受光、反射系を可動して太陽光を追尾できるようになるので、媒体の漏れや管路接続部の耐久性等の問題を生じさせることなく、安定して効率のよい集熱を行うことができるようになる。

さらに、反射鏡Ａと反射鏡Ｂの反射面には大きな曲率や格別高精度は要求されず、これら反射鏡はもとより、装置全体としても安価に製作可能となる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る太陽熱集熱装置を示している。図１において、１は太陽熱集熱装置全体を示しており、この太陽熱集熱装置１は、断面形状が放物線である凹面の反射面２を有し、中央部に貫通部３を有し、反射面２に平行光である太陽光４を受光する反射鏡Ａ（５）と、該反射鏡Ａ（５）の前方（太陽光受光側）に位置し、断面形状が双曲線の一方の曲線である凸面の反射面６を有し、該反射面６にて反射鏡Ａ（５）からの反射光７を反射鏡Ａ（５）の貫通部３に向けて反射するとともに反射面６からの反射光８を貫通部３に向けて集光する反射鏡Ｂ（９）と、貫通部３を通過した集光された光８を媒体加熱部としての加熱媒体管路１０に導く導光手段１１とを備えている。本実施態様では、導光手段１１は、可撓性を有する導光体としての光ファイバー１２と、光ファイバー１２により導かれてきた集光光を、さらに加熱媒体管路１０に向けて集光させる集光レンズとしての凸レンズ１３を備えている。

また、本実施態様では、反射鏡Ａ（５）および反射鏡Ｂ（９）は、反射面が実質的に同一断面形状にて一方向（図１における紙面と垂直の方向）に延びる反射鏡に構成されている。また、これに合わせて、貫通部３も同じ方向にスリット状に延びる貫通穴として形成されている。さらに、光ファイバー１２も同じ方向に多数配列された所定厚みのシート状に構成されており、かつ、凸レンズ１３は、同じ方向（図１における紙面と垂直の方向）に直線状に延びる直線状凸レンズに構成されている。

さらに、上記のような構成を有する太陽熱集熱装置においては、反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）が、実質的に一定の相対位置関係に保たれながら、太陽光４の方向変化（例えば、太陽南中時や太陽低高度時等における方向変化）に応じて連動移動されるようになっている。これにより、太陽光４の方向変化に応じて反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）が、最も効率よく集熱できるように太陽光４を追尾できるようになる。

このような反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）の組み合わせは、複数組並設することも可能である。そして、太陽光４の追尾においては、例えば図２（太陽南中時）、図３（太陽低高度時）に示すように、一定の位置に固定配置されている加熱媒体管路１０に対し、反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）を所定の位置関係に保ちながら、太陽光４のの方向変化に追従させて太陽光４を追尾するように、受光方向を変更することができる。つまり、加熱媒体管路１０は位置固定としつつ、反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）は一定の相対位置関係に保ちながら姿勢可変とする構成である。このような構成は、導光体として設けられている光ファイバー１２が可撓性を有するので、容易に達成できる。

図１に示すように構成された実施太陽においては、反射鏡Ａ（５）に受光された太陽光４は反射鏡Ａ（５）の放物線反射面２で反射されるとともに反射鏡Ｂ（９）に向けてまず大略集光され、反射鏡Ｂ（９）では反射鏡Ａ（５）からの反射光７を反射させて貫通部３に向けて集光し、貫通部３を通過した集光光が、光ファイバー１２によって導光され、導光された光が凸レンズ１３により加熱媒体管路１０上に集光され、加熱媒体管路１０およびその内部を流通される媒体が高温に加熱される。反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）で二回反射させた後最終的な加熱用焦点としての加熱媒体管路１０へと集光光を導くので、従来の一つの反射鏡の焦点部に集熱器を位置させた構造に比べ、加熱媒体管路１０に至るまでの距離が長くなり、反射鏡Ａ（５）および反射鏡Ｂ（９）の反射面２、６の曲率を小さくでき、反射鏡Ａ（５）および反射鏡Ｂ（９）の製作が容易になる。とくに、反射鏡Ａ（５）は、平行光である太陽光４を反射鏡Ｂ（９）に向けて反射させるとともに大略集光させればよいので、反射面２を格別高精度に仕上げる必要はなく、製作が容易になるとともに安価に製作できる。すなわち、安価な装置構成でありながら、確実に効率よく最終的な加熱用焦点としての加熱媒体管路１０へと集光光を導くことができるようになり、効果的な加熱が可能となる。

また、反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）の二回反射構成、および貫通部３を通過した集光光を加熱媒体管路１０へと導く構成により、従来の一つの反射鏡の焦点部に集熱器を位置させた構造の場合のように、反射鏡で太陽光を追尾する際に集熱器部分を移動させる必要が無くなり、加熱媒体管路１０を固定配置可能となる。とくに、光ファイバー１２からなる可撓性導光体を介して導光することにより、反射鏡Ａ（５）と反射鏡Ｂ（９）は問題なく連動移動でき、集光された光を外部に逸散させることなく効率よく加熱媒体管路１０に向けて導くことができる。したがって、太陽光の方向変化にかかわらず、太陽光を集光可能な時間中は常時安定して効率のよい集光が可能となる。その結果、最も効率のよい太陽熱集熱が可能になり、可能な最大限の集熱量の達成が可能になる。さらに、凸レンズ１３を介して加熱媒体管路１０上に集光させることにより、集熱効率、加熱効率は一層高められる。

本発明に係る太陽熱集熱装置は、加熱対象媒体を太陽熱を利用して加熱しようとするあらゆる用途に適用できる。加熱された媒体は、管路を介して、適宜使用先へ供給することができる。

本発明の一実施態様に係る太陽熱集熱装置の概略構成図である。 本発明に係る太陽熱集熱装置の太陽南中時の姿勢例を示す概略構成図である。 本発明に係る太陽熱集熱装置の太陽低高度時の姿勢例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 太陽熱集熱装置
２ 凹面の反射面
３ 貫通部
４ 太陽光
５ 反射鏡Ａ
６ 凸面の反射面
７ 反射鏡Ａからの反射光
８ 反射面６からの反射光
９ 反射鏡Ｂ
１０ 媒体加熱部としての加熱媒体管路
１１ 導光手段
１２ 可撓性を有する導光体としての光ファイバー
１３ 集光レンズとしての凸レンズ

Claims (11)

1. 断面形状が放物線である凹面の反射面を有し、中央部に貫通部を有し、前記反射面に太陽光を受光する反射鏡Ａと、該反射鏡Ａの前方に位置し、断面形状が双曲線の一方の曲線である凸面の反射面を有し、該反射面にて前記反射鏡Ａからの反射光を前記反射鏡Ａの前記貫通部に向けて反射するとともに集光する反射鏡Ｂと、前記貫通部を通過した集光された光を媒体加熱部に導く導光手段とを備えたことを特徴とする太陽熱集熱装置。
2. 前記反射鏡Ａが、実質的に同一断面形状にて一方向に延びる反射鏡からなる、請求項１の太陽熱集熱装置。
3. 前記反射鏡Ｂが、実質的に同一断面形状にて一方向に延びる反射鏡からなる、請求項１または２の太陽熱集熱装置。
4. 前記貫通部が、スリット状に延びる貫通穴からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
5. 前記媒体加熱部が、内部を加熱対象媒体が流通される加熱媒体管路からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
6. 前記導光手段が、前記貫通部を通過した集光された光を、さらに前記媒体加熱部に向けて集光する集光レンズを有する、請求項１〜５のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
7. 前記導光手段が、前記媒体加熱部に向けての導光路の少なくとも一部を形成する導光体を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
8. 前記導光体が可撓性導光体からなる、請求項７の太陽熱集熱装置。
9. 前記可撓性導光体が光ファイバーからなる、請求項８の太陽熱集熱装置。
10. 前記反射鏡Ａと反射鏡Ｂが、実質的に一定の相対位置関係に保たれながら、太陽光の方向変化に応じて連動移動される、請求項１〜９のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
11. 前記反射鏡Ａと反射鏡Ｂは姿勢可変とされ、前記媒体加熱部は所定姿勢に固定されている、請求項１〜１０のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。

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