JP2015049015A - Collector - Google Patents

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Koichi Namasugi
浩一 生杉
和志 平岡
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和志 平岡
俊夫 滝谷
Toshio Takiya
俊夫 滝谷
典洋 井上
Norihiro Inoue
典洋 井上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a collector capable of maintaining energy efficiency over a long period of time while improving the energy efficiency.SOLUTION: The collector of the invention comprises carbon nano-tubes 20 arranged on a light receiving face 11 at regular intervals and perpendicularly to the light receiving face 11, in which the carbon nano-tubes 20 being covered with a coating film 21 having excellent oxidation resistance. By providing the carbon nano-tubes 20 arranged on the light receiving face 11 at regular intervals and perpendicularly to the light receiving face 11, the energy loss by letting light escape the outside of a collector 10 can be suppressed so as to improve the energy efficiency of the collector 10. Furthermore, by covering the carbon nano-tubes 20 with the coating film 21 having excellent oxidation resistance, the oxidation/burning-up of the carbon nano-tubes 20 can be prevented so as to maintain the energy efficiency of the collector 10.

Description

本発明は、太陽熱発電装置などに用いられる集光器に関する。   The present invention relates to a concentrator used in a solar thermal power generation device or the like.

太陽熱発電装置などにおいて、太陽光の光エネルギーを熱エネルギーに変換し、水や空気などの熱媒体に伝える集光器は既に知られている。太陽熱発電装置は、太陽光を集光器の受光面に入射させて熱エネルギーを吸収し、この熱エネルギーをタービンやスターリングエンジン等を介して、電気的エネルギーに変換して発電するものである。   In solar thermal power generation devices and the like, a condenser that converts light energy of sunlight into thermal energy and transmits it to a heat medium such as water or air is already known. The solar thermal power generation device absorbs thermal energy by making sunlight incident on a light receiving surface of a condenser, and converts the thermal energy into electrical energy through a turbine or a Stirling engine to generate electric power.

このような太陽熱発電装置では、受光面に入射した太陽光が反射すると、太陽光の光エネルギーが集光器の外部に逃げるため、エネルギー損失が生じて、集光器のエネルギー効率が低下する。そのため、光吸収率が高い材料・構造のものを集光器の受光面に設置することによって、太陽光の反射を抑えて、太陽光の光エネルギーが集光器の外部に逃げることによるエネルギー損失を抑える集光器が提案されている。   In such a solar thermal power generation device, when sunlight incident on the light receiving surface is reflected, light energy of sunlight escapes to the outside of the collector, resulting in energy loss and lowering the energy efficiency of the collector. Therefore, by installing a material / structure with a high light absorption rate on the light-receiving surface of the concentrator, the reflection of sunlight is suppressed and energy loss due to the escape of sunlight's light energy to the outside of the concentrator. Concentrators have been proposed to suppress this.

特許文献１では、受光面に、光の吸収率が高いＳｉＣまたはカーボンを設置し、その材料で多孔質構造体を形成することによって、太陽光の反射率を低減して吸収率を向上させた集光器が開示されている。図１１に多孔質構造体２６の模式図を示す。   In Patent Document 1, SiC or carbon having a high light absorption rate is installed on the light receiving surface, and a porous structure is formed of the material, thereby reducing the reflectance of sunlight and improving the absorption rate. A concentrator is disclosed. FIG. 11 shows a schematic diagram of the porous structure 26.

ここで、多孔質構造とは、図１１に示すように、一般には真直ではなく曲がりくねった深孔を有した構造を意味する。集光器の受光面１１に深孔の多孔質構造体２６を設置した場合、多孔質構造体２６の深層部に進入した太陽光を、集光器の外部に逃がすことなく吸収することができるため、受光面に多孔質構造体を設置しない場合と比較して集光器のエネルギー効率を向上させることができる。以下、詳細を説明する。   Here, as shown in FIG. 11, the porous structure generally means a structure having deep holes that are not straight but meandering. When a deep porous structure 26 is installed on the light receiving surface 11 of the collector, the sunlight that has entered the deep layer of the porous structure 26 can be absorbed without escaping to the outside of the collector. Therefore, the energy efficiency of the light collector can be improved compared to the case where no porous structure is installed on the light receiving surface. Details will be described below.

図１１のＳｂ１は多孔質構造体２６の深層部に進入した太陽光を示す。このように、多孔質構造体の深層部に進入した太陽光Ｓｂ１は、多孔質構造体２６の孔の内壁で反射されても、その内壁の他の部分に入射して吸収される。そのため、受光面に多孔質構造体２６を設置しない場合と比較して、太陽光が集光器の外部に逃げることによるエネルギー損失を抑え、集光器のエネルギー効率は向上する。   Sb1 in FIG. 11 indicates sunlight that has entered the deep layer portion of the porous structure 26. Thus, even if the sunlight Sb1 that has entered the deep layer portion of the porous structure is reflected by the inner wall of the hole of the porous structure 26, the sunlight Sb1 enters the other portion of the inner wall and is absorbed. Therefore, compared with the case where the porous structure 26 is not installed on the light receiving surface, energy loss due to sunlight escaping to the outside of the collector is suppressed, and the energy efficiency of the collector is improved.

また、特許文献２では、熱吸収体が複数のカーボンナノチューブを含み、複数のカーボンナノチューブが互いに分子間力で結合して、カーボンナノチューブ構造体を構成した太陽集光器が開示されている。この発明によれば、太陽集光器に光吸収率が非常に高いカーボンナノチューブが使用されているため、太陽集光器の光吸収率が非常に高い。そのため、集光器のエネルギー効率も高い。   Patent Document 2 discloses a solar concentrator in which a heat absorber includes a plurality of carbon nanotubes, and the plurality of carbon nanotubes are coupled to each other by intermolecular force to form a carbon nanotube structure. According to the present invention, since carbon nanotubes having a very high light absorption rate are used in the solar collector, the light absorption rate of the solar collector is very high. Therefore, the energy efficiency of the collector is also high.

特開２０１２−９２６８８号公報JP 2012-92688 A 特開２００９−２５７７５３号公報JP 2009-257753 A

しかしながら、特許文献１に記載の集光器では、受光面に、熱伝導性が高いＳｉＣまたはカーボンが設置されているものの、受光面にカーボンナノチューブを設置した場合と比較して、光吸収率が低い。また、図１１に示すように、多孔質構造体２６は、その孔が一般的には非垂直であるため、受光面１１に多孔質構造体２６を設置しても、多孔質構造体２６の表面近傍で太陽光の反射が生じてしまう。また、図示のように、多孔質構造体２６の表面でも反射が生じる。そのため、太陽光が集光器の外部に逃げてしまうことによって、エネルギー損失が生じてしまう。図１１のＳｂ２は多孔質構造の表面で反射された太陽光を示し、図１１のＳｂ３は多孔質構造２６の深層部にまで進入せず、表面近傍で反射された太陽光を示す。太陽光Ｓｂ２及びＳｂ３のいずれも、多孔質構造体２６の一つの層で反射することによって、太陽光を集光器の外部に逃がすことによるエネルギーの損失が生じる。   However, in the collector described in Patent Document 1, although SiC or carbon having high thermal conductivity is installed on the light receiving surface, the light absorptance is lower than when carbon nanotubes are installed on the light receiving surface. Low. Further, as shown in FIG. 11, since the pores of the porous structure 26 are generally non-perpendicular, even if the porous structure 26 is installed on the light receiving surface 11, Sunlight reflection occurs near the surface. Further, as shown in the figure, reflection also occurs on the surface of the porous structure 26. Therefore, energy loss occurs when sunlight escapes outside the collector. Sb2 in FIG. 11 indicates sunlight reflected on the surface of the porous structure, and Sb3 in FIG. 11 indicates sunlight reflected in the vicinity of the surface without entering the deep layer portion of the porous structure 26. Both of the sunlight Sb2 and Sb3 are reflected by one layer of the porous structure 26, thereby causing energy loss due to the escape of sunlight to the outside of the collector.

また、特許文献２に記載の太陽集光器では、受光面に複数のカーボンナノチューブが設置されているが、例えば、ミラーやレンズを多数用いて、集光器に太陽光を集光させて発電を行う太陽熱発電装置、すなわち、タワー型の太陽熱発電装置の場合、集光器の温度は１０００℃付近にまで上昇する。カーボンナノチューブは４００℃を超えると焼失してしまう。カーボンナノチューブが焼失すると、太陽光の吸収率が低下して、集光器のエネルギー効率は低下する。   In the solar concentrator described in Patent Document 2, a plurality of carbon nanotubes are installed on the light receiving surface. For example, a large number of mirrors and lenses are used to condense sunlight into the concentrator to generate power. In the case of a solar thermal power generation apparatus that performs the above, that is, a tower type solar thermal power generation apparatus, the temperature of the condenser rises to around 1000 ° C. Carbon nanotubes are burned out when the temperature exceeds 400 ° C. When the carbon nanotubes are burnt down, the solar light absorption rate decreases, and the energy efficiency of the collector decreases.

そこで、本発明は、エネルギー効率を向上させ、かつそのエネルギー効率を長期にわたって維持できる集光器を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the collector which can improve energy efficiency and can maintain the energy efficiency over a long period of time.

上記目的を達成するために、本発明の集光器は、受光面に一定間隔で配列され、前記受光面に対して垂直に配列されたカーボンナノチューブを備え、前記カーボンナノチューブが、耐酸化性を有する被覆膜で覆われていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the light collector of the present invention comprises carbon nanotubes arranged on a light receiving surface at regular intervals and arranged perpendicularly to the light receiving surface, and the carbon nanotubes have oxidation resistance. It is covered with the coating film which has.

本発明の集光器によれば、受光面にカーボンナノチューブを設置することによって光吸収率を向上させることができる。また、そのカーボンナノチューブが一定間隔で配列され、受光面に対して垂直に配列されているため、カーボンナノチューブの側壁に入射した光は、その側壁で反射しても、隣接するカーボンナノチューブの側壁に入射して吸収されて、太陽光を集光器の外部に逃がすことによるエネルギー損失を抑えることができ、ひいては集光器のエネルギー効率を向上させることができる。   According to the collector of the present invention, the light absorption rate can be improved by installing the carbon nanotubes on the light receiving surface. Also, since the carbon nanotubes are arranged at regular intervals and perpendicular to the light receiving surface, the light incident on the side wall of the carbon nanotube is reflected on the side wall of the adjacent carbon nanotube even if it is reflected on the side wall. It is possible to suppress energy loss caused by incident light being absorbed and escaping sunlight to the outside of the light collector, and thus energy efficiency of the light collector can be improved.

さらに、カーボンナノチューブが、耐酸化性を有する被覆膜で覆われていることによって、大気から遮断され、集光器の温度が高温となっても、受光面に配列されたカーボンナノチューブの酸化・焼失を防止できるため、光の吸収率を低下させることなく、集光器のエネルギー効率を長期にわたって維持させることができる。   Further, since the carbon nanotubes are covered with an oxidation-resistant coating film, they are shielded from the atmosphere, and even if the temperature of the condenser becomes high, the oxidation / oxidation of the carbon nanotubes arranged on the light receiving surface is performed. Since burnout can be prevented, the energy efficiency of the collector can be maintained over a long period of time without reducing the light absorption rate.

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の実施の形態に係る集光器の一例を示す断面図である。(A), (b), (c) is sectional drawing which shows an example of the collector which concerns on embodiment of this invention, respectively. 本発明の実施の形態に係る集光器の模式図と太陽光の入射の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the collector which concerns on embodiment of this invention, and the mode of incident sunlight. 本発明の実施の形態に係る集光器の一例と、熱輻射による電磁波の様子とを示す図である。It is a figure which shows an example of the collector which concerns on embodiment of this invention, and the mode of the electromagnetic waves by heat radiation. 本発明の実施の形態に係る平面型集光器の平面図（ａ）、及びＡ−ＡＡ断面図（ｂ）である。It is the top view (a) of the planar collector which concerns on embodiment of this invention, and A-AA sectional drawing (b). 本発明の実施の形態に係る波板型集光器の平面図（ａ）、及びＢ−ＢＢ断面図（ｂ）である。It is the top view (a) of the corrugated sheet type collector which concerns on embodiment of this invention, and B-BB sectional drawing (b). 本発明の実施の形態に係る管状型集光器の平面図（ａ）、及びＣ−ＣＣ断面図（ｂ）である。It is the top view (a) of the tubular collector which concerns on embodiment of this invention, and C-CC sectional drawing (b). 本発明の実施の形態に係るハニカム型集光器の平面図（ａ）、及びＤ−ＤＤ断面図（ｂ）である。It is a top view (a) and D-DD sectional view (b) of a honeycomb type concentrator concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係るキャビティ型集光器の平面図（ａ）、及びＥ−ＥＥ断面図（ｂ）である。It is the top view (a) of the cavity type | mold collector which concerns on embodiment of this invention, and E-EE sectional drawing (b). 本発明の実施の形態に係るドーム型集光器の平面図（ａ）、及びＦ−ＦＦ断面図（ｂ）、及びＧ−ＧＧ断面図（ｃ）である。It is the top view (a), F-FF sectional view (b), and G-GG sectional view (c) of the dome shape collector concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る集光器について、カーボンナノチューブをバンドル化した集光器の断面図である。It is sectional drawing of the collector which bundled the carbon nanotube about the collector which concerns on embodiment of this invention. 従来の集光器の模式図と太陽光の入射の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the conventional collector and the mode of incidence | injection of sunlight.

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る集光器１０は、受光面１１を備えており、複数のカーボンナノチューブ２０が、受光面１１に対してそれぞれ垂直に配列されている。そして、隣り合うカーボンナノチューブ２０同士が一定の間隔をおいて配列されている。以下、このように複数のカーボンナノチューブ２０が配列された構造を配向構造と称す。   As shown in FIG. 1A, the collector 10 according to the present embodiment includes a light receiving surface 11, and a plurality of carbon nanotubes 20 are arranged perpendicular to the light receiving surface 11. . Adjacent carbon nanotubes 20 are arranged at regular intervals. Hereinafter, a structure in which a plurality of carbon nanotubes 20 are arranged in this manner is referred to as an alignment structure.

さらに、カーボンナノチューブ２０が、耐酸化性を有する被覆膜としてＳｉＣ被覆膜２１で覆われている。   Further, the carbon nanotube 20 is covered with a SiC coating film 21 as a coating film having oxidation resistance.

カーボンナノチューブ２０同士の間隔は、受光面１１、カーボンナノチューブ２０、ＳｉＣ被覆膜２１からの熱輻射の波長以下、より望ましくは３００ｎｍ〜６００ｎｍである。本実施の形態では、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を５００ｎｍとした。   The interval between the carbon nanotubes 20 is equal to or less than the wavelength of heat radiation from the light receiving surface 11, the carbon nanotube 20, and the SiC coating film 21, more preferably 300 nm to 600 nm. In the present embodiment, the interval between the carbon nanotubes 20 is set to 500 nm.

被覆膜は、ＳｉＣの他にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｇの単元素、合金、その酸化物や窒化物でも良い。
図１の２２は、カーボンナノチューブ２０と、ＳｉＣ被覆膜２１とで構成された被覆カーボンナノチューブを示す。 In addition to SiC, the coating film may be a single element of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W, Al, or Mg, an alloy thereof, an oxide or a nitride thereof.
Reference numeral 22 in FIG. 1 denotes a coated carbon nanotube composed of the carbon nanotube 20 and the SiC coating film 21.

また、図１（ｂ）に示すように、被覆カーボンナノチューブ２２がさらに、非結晶体被覆膜２３で覆われていても良い。非結晶体被覆膜２３としては、非結晶体ＳｉＣや非結晶体Ｓｉが考えられる。その他、上記被覆膜と同様に、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｇの単元素、合金、その酸化物や窒化物の非結晶体被覆膜でも良い。   Further, as shown in FIG. 1B, the coated carbon nanotube 22 may be further covered with an amorphous coating film 23. As the amorphous coating film 23, amorphous SiC or amorphous Si can be considered. Other than the above coating film, a single element of Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W, Al, Mg, an alloy, an oxide or a nitride amorphous coating film But it ’s okay.

また、被覆カーボンナノチューブ２２または非結晶体被覆膜２３の表面に、金属ナノ粒子２４が担持されていてもよい。金属ナノ粒子２４は、例えば、分子間力によって被覆カーボンナノチューブ２２または非結晶体被覆膜２３に担持されている。   Further, metal nanoparticles 24 may be supported on the surface of the coated carbon nanotube 22 or the amorphous coating film 23. The metal nanoparticles 24 are supported on the coated carbon nanotubes 22 or the amorphous coating film 23 by intermolecular force, for example.

なお、図１（ｃ）では、非結晶体被覆膜２３の表面に金属ナノ粒子２４が担持されている態様が描かれているが、非結晶体被覆膜２３を有さず、金属ナノ粒子２４が直接被覆カーボンナノチューブ２２の表面に担持されていても良い。   In FIG. 1C, an embodiment in which the metal nanoparticles 24 are supported on the surface of the amorphous coating film 23 is depicted, but the metal nano particles 24 are not provided and the metal nano particles 24 are not provided. The particles 24 may be directly supported on the surface of the coated carbon nanotube 22.

次に本実施の形態に係る集光器の製造方法について説明する。
まず、受光面１１を有する基板Ｔの上に、配向構造のカーボンナノチューブ２０を形成する。基板Ｔの材質は、金属などの熱伝導率が高い材料で、例えば鉄や銅である。ただし、後述するＳｉＣ熱分解法で配向構造のカーボンナノチューブ生成する場合、基板Ｔの材質はＳｉＣである。カーボンナノチューブ２０の形成方法は、主に直接成長と転写法の２種類存在する。 Next, the manufacturing method of the concentrator which concerns on this Embodiment is demonstrated.
First, the carbon nanotubes 20 having an oriented structure are formed on the substrate T having the light receiving surface 11. The material of the board | substrate T is a material with high heat conductivity, such as a metal, for example, iron and copper. However, when carbon nanotubes having an oriented structure are produced by the SiC pyrolysis method described later, the material of the substrate T is SiC. There are two main methods for forming the carbon nanotubes 20: direct growth and transfer.

まず、直接成長について説明する。配向構造のカーボンナノチューブ２０を直接成長によって得る方法は２つ考えられる。一つ目はＣＶＤ法（化学気相成長法）と称されるもので、表面に鉄などの触媒粒子を有する基板Ｔに、熱せられた炭化水素ガスを供給することで、配向構造のカーボンナノチューブ２０を成長させる方法である。二つ目はＳｉＣ熱分解法と称されるもので、ＳｉＣでできた基板Ｔを高温下に曝すことで基板表面のＳｉＣの化学結合が破壊され、配向構造のカーボンナノチューブ２０を成長させる方法である。   First, direct growth will be described. There are two possible methods for obtaining the carbon nanotubes 20 having an oriented structure by direct growth. The first is called a CVD method (chemical vapor deposition method). By supplying heated hydrocarbon gas to a substrate T having catalyst particles such as iron on the surface, carbon nanotubes with an oriented structure are provided. This is a method of growing 20. The second is called a SiC pyrolysis method. By exposing the substrate T made of SiC to a high temperature, the chemical bond of SiC on the substrate surface is broken, and a carbon nanotube 20 having an oriented structure is grown. is there.

次に、転写法について説明する。配向構造のカーボンナノチューブ２０を転写する場合、さらに２通りの方法が考えられる。仮に転写される側の基板Ｔが低融点であるなら、ホットプレスによって直接転写することができる。詳しく説明すると、基板Ｔを加熱して基板Ｔの表面が軟化した状態でカーボンナノチューブ２０を押さえつけ、その後冷却されることで基板Ｔの表面が硬化して、カーボンナノチューブ２０を転写する。この時の注意点として、カーボンナノチューブは４００℃以上で酸化するため、ホットプレスの際は、設定温度を４００℃未満にするか、酸素に曝されてカーボンナノチューブが酸化することを防止するために、不活性ガスを放射するか真空雰囲気中で行う必要がある。一方、転写される側の基板Ｔが高融点である、または強度が弱くプレスによって割れなどが生じる材料の場合は、ホットプレスによって直接転写することができないため、接着剤を用いて、カーボンナノチューブ２０を取り付ける方法が考えられる。   Next, the transfer method will be described. When transferring the carbon nanotubes 20 having an oriented structure, two more methods are conceivable. If the substrate T to be transferred has a low melting point, it can be directly transferred by hot pressing. More specifically, the substrate T is heated to press the carbon nanotubes 20 in a state where the surface of the substrate T is softened, and then cooled, whereby the surface of the substrate T is cured and the carbon nanotubes 20 are transferred. As a precaution at this time, since carbon nanotubes are oxidized at 400 ° C. or higher, in order to prevent the carbon nanotubes from being oxidized by exposure to oxygen at a set temperature lower than 400 ° C. It is necessary to radiate an inert gas or to perform in a vacuum atmosphere. On the other hand, in the case where the substrate T to be transferred has a high melting point, or is a material that is weak in strength and cracked by pressing, it cannot be directly transferred by hot pressing. It is possible to install a method.

直接成長、または転写法でカーボンナノチューブ２０を生成した後、カーボンナノチューブ２０をＳｉＣ被覆膜２１で覆い、被覆カーボンナノチューブ２２を形成する。例えば、基板ＴにＳｉを用いて、基板Ｔとカーボンナノチューブ２０との構造体を真空状態にして密閉して加熱することにより、Ｓｉ原子が昇華し、カーボンナノチューブ２０の表面のＣ原子と反応してＳｉＣ被覆膜２１を形成することができる。この時の真空度は７．６×１０−４〜１．３×１０−４Ｐａとした。また、基板Ｔとカーボンナノチューブ２０との構造体を密閉する際に、粉末状のＳｉを一緒に密閉して昇華させても良い。   After the carbon nanotubes 20 are generated by direct growth or a transfer method, the carbon nanotubes 20 are covered with the SiC coating film 21 to form the coated carbon nanotubes 22. For example, when Si is used for the substrate T and the structure of the substrate T and the carbon nanotube 20 is vacuumed and sealed and heated, Si atoms sublimate and react with C atoms on the surface of the carbon nanotubes 20. Thus, the SiC coating film 21 can be formed. The degree of vacuum at this time was 7.6 × 10 −4 to 1.3 × 10 −4 Pa. Further, when sealing the structure of the substrate T and the carbon nanotube 20, the powdered Si may be sealed together and sublimated.

加熱方法については、加熱時間は１０分〜１２時間とすることが好ましく、加熱温度は１１００℃〜１４００℃程度とすることが好ましい。加熱時間を制御することによって、被覆膜の膜厚を制御することができる。   Regarding the heating method, the heating time is preferably 10 minutes to 12 hours, and the heating temperature is preferably about 1100 ° C to 1400 ° C. By controlling the heating time, the film thickness of the coating film can be controlled.

詳しく説明すると、被覆膜は、低い加熱温度だと最表面は非結晶体の非炭化物およびその下層は結晶質炭化物層（一部は非結晶体の場合もあり）からなり、中程度の加熱温度だと結晶質の非炭化物および結晶質炭化物（被覆膜の外層が非炭化物で内層が炭化物）からなり、高い加熱温度だと結晶質の炭化物からなる。具体的には、上記基板の材料と粉末状の被覆材料とがＳｉの場合、被覆膜は、１１００℃の加熱温度だと非結晶体のＳｉおよびその下層は結晶質のＳｉＣ（一部は非結晶体）からなり、１２００℃の加熱温度だと結晶質の混合材料（被覆膜の外層がＳｉで内層がＳｉＣ）からなり、１３００℃の加熱温度だと結晶質のＳｉＣからなる。なお、１２００℃の加熱温度で形成された被覆膜における内層のＳｉＣは、外層のＳｉとカーボンナノチューブとが反応したものである。   Explaining in detail, when the coating film is at a low heating temperature, the outermost surface is composed of an amorphous non-carbide and the underlying layer is a crystalline carbide layer (some of which may be non-crystalline). When the temperature is high, it consists of crystalline non-carbide and crystalline carbide (the outer layer of the coating film is non-carbide and the inner layer is carbide), and when the heating temperature is high, it consists of crystalline carbide. Specifically, when the substrate material and the powdery coating material are Si, the coating film is amorphous Si and its lower layer is crystalline SiC (some It is made of a crystalline mixed material (the outer layer of the coating film is Si and the inner layer is SiC) at a heating temperature of 1200 ° C., and is made of crystalline SiC at a heating temperature of 1300 ° C. The SiC in the inner layer in the coating film formed at a heating temperature of 1200 ° C. is a reaction between the Si in the outer layer and the carbon nanotube.

本実施の形態では、被膜としてＳｉＣ被覆膜２１が用いられているため、加熱温度を１３００℃程度とすることによって、結晶質のＳｉＣ被覆膜２１を得ることができる。また、ＳｉＣ被覆膜２１にさらに非結晶体被覆膜２３で覆う場合は、さらにＳｉが昇華する温度で加熱することによって結晶質のＳｉＣ被覆膜２１と非結晶体被覆膜２３としての非結晶体Ｓｉを同時に生成することができる。   In the present embodiment, since SiC coating film 21 is used as a film, crystalline SiC coating film 21 can be obtained by setting the heating temperature to about 1300 ° C. Further, when the SiC coating film 21 is further covered with the amorphous coating film 23, the crystalline SiC coating film 21 and the amorphous coating film 23 are further heated by heating at a temperature at which Si is sublimated. Amorphous Si can be generated simultaneously.

さらに、本実施の形態に係る集光器１０の製造方法は、金属ナノ粒子２４を担持させる工程を有していても良い。金属ナノ粒子２４を担持させる方法は、例えば、金属ナノ粒子を分散させた液体に、基板Ｔと被覆カーボンナノチューブ２２とを含んだ構造体を浸漬させ、その後、その構造体を乾燥させることによって、被覆カーボンナノチューブ２２の表面に金属ナノ粒子２４を担持させる。金属ナノ粒子を分散させる液体としては、例えばエタノールが挙げられ、エタノールを用いた場合は、乾燥温度を８０℃程度とすればよい。   Furthermore, the method for manufacturing the collector 10 according to the present embodiment may include a step of supporting the metal nanoparticles 24. A method for supporting the metal nanoparticles 24 is, for example, by immersing a structure including the substrate T and the coated carbon nanotubes 22 in a liquid in which the metal nanoparticles are dispersed, and then drying the structure. Metal nanoparticles 24 are supported on the surface of the coated carbon nanotubes 22. Examples of the liquid in which the metal nanoparticles are dispersed include ethanol. When ethanol is used, the drying temperature may be about 80 ° C.

本実施の形態に係る集光器１０によれば、受光面１１に光吸収率が高いカーボンナノチューブ２０が設置されているため、太陽光の吸収率が高い。一般的にカーボンナノチューブは、光の波長にもよるが、９８〜９９％の光を吸収し、１〜２％の光を反射するとされている。また、集光器１０の受光面１１に配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２が備えられているため、図２に示すように、被覆カーボンナノチューブ２２の側壁によって反射された太陽光Ｓａ１〜Ｓａ３が、隣接する被覆カーボンナノチューブ２２の側壁に入射して吸収される。そのため、太陽光の光エネルギーを集光器１０の外部に逃がすことによるエネルギー損失を抑えることができ、ひいては集光器１０のエネルギー効率を向上させることができる。   According to the collector 10 according to the present embodiment, since the carbon nanotubes 20 having a high light absorption rate are installed on the light receiving surface 11, the solar light absorption rate is high. Generally, carbon nanotubes are said to absorb 98 to 99% of light and reflect 1 to 2% of light, depending on the wavelength of light. In addition, since the coated carbon nanotubes 22 having an oriented structure are provided on the light receiving surface 11 of the condenser 10, sunlights Sa1 to Sa3 reflected by the side walls of the coated carbon nanotubes 22 are adjacent to each other as shown in FIG. It is incident on the side wall of the coated carbon nanotube 22 and absorbed. Therefore, energy loss due to the escape of sunlight light energy to the outside of the collector 10 can be suppressed, and as a result, the energy efficiency of the collector 10 can be improved.

すなわち、特許文献１のように集光器１０の受光面１１に多孔質構造体２６（図１１参照）を設置する場合よりも、本実施の形態のように配向構造体２５を設置する方が太陽光が集光器の外部に逃げることによるエネルギー損失を抑えることができる。   That is, it is better to install the alignment structure 25 as in the present embodiment than to install the porous structure 26 (see FIG. 11) on the light receiving surface 11 of the collector 10 as in Patent Document 1. Energy loss due to sunlight escaping to the outside of the collector can be suppressed.

さらに、本実施の形態に係る集光器１０によれば、カーボンナノチューブ２０が耐酸化性を有するＳｉＣ被覆膜２１で覆われているため、集光器１０のエネルギー効率を長期にわたって維持することができる。以下、詳細を説明する。   Furthermore, according to the collector 10 according to the present embodiment, since the carbon nanotubes 20 are covered with the SiC coating film 21 having oxidation resistance, the energy efficiency of the collector 10 can be maintained over a long period of time. Can do. Details will be described below.

例えば、ミラーやレンズを多数用いて、集光器に太陽光を集光させて発電を行う太陽熱発電装置、すなわち、タワー型の太陽熱発電装置の場合、集光器の温度は１０００℃付近にまで上昇する。カーボンナノチューブは４００℃を超えると酸化するとされているため、仮にカーボンナノチューブが被覆されていない場合、集光器の温度が４００℃を超えると、受光面に設けられたカーボンナノチューブが酸化して焼失してしまう。カーボンナノチューブが焼失すると、太陽光の吸収率が低下して、集光器のエネルギー効率は低下する。   For example, in the case of a solar thermal power generation apparatus that uses a large number of mirrors and lenses to collect sunlight on a light collector to generate power, that is, a tower type solar power generation apparatus, the temperature of the light collector is close to 1000 ° C. To rise. Since carbon nanotubes are said to oxidize when they exceed 400 ° C, if the carbon nanotubes are not coated, if the temperature of the condenser exceeds 400 ° C, the carbon nanotubes provided on the light receiving surface will oxidize and burn out. Resulting in. When the carbon nanotubes are burnt down, the solar light absorption rate decreases, and the energy efficiency of the collector decreases.

この点、本実施の形態に係る集光器１０によれば、集光器１０が高温となっても、カーボンナノチューブ２０が耐熱性を有するＳｉＣ被覆膜２１で覆われてることで大気から遮断されて、カーボンナノチューブ２０の酸化・焼失を防止することができ、ひいては集光器１０のエネルギー効率を長期にわたって維持することができる。   In this regard, according to the concentrator 10 according to the present embodiment, even when the concentrator 10 is at a high temperature, the carbon nanotubes 20 are covered with the heat-resistant SiC coating film 21 so as to be shielded from the atmosphere. Thus, oxidation / burning of the carbon nanotubes 20 can be prevented, and as a result, the energy efficiency of the condenser 10 can be maintained over a long period of time.

また、被覆膜がないカーボンナノチューブにおいては、カーボンナノチューブは柔軟性を有するため、実際の使用環境では風などの外力によって湾曲し、配向構造が変形してしまうことがある。配向構造が変形すると、被覆カーボンナノチューブ２２の側壁で反射された太陽光が、集光器１０の外部に逃げてしまい、集光器１０のエネルギー効率が低下するおそれがある。   Further, in a carbon nanotube without a coating film, since the carbon nanotube has flexibility, it may be bent by an external force such as wind in an actual use environment, and the orientation structure may be deformed. When the orientation structure is deformed, sunlight reflected by the side wall of the coated carbon nanotube 22 escapes to the outside of the collector 10 and the energy efficiency of the collector 10 may be reduced.

この点、本実施の形態に係る集光器１０では、カーボンナノチューブ２０がＳｉＣ被覆膜２１で覆われているため、結果物としての被覆カーボンナノチューブ２２が剛性の高いものとなり、外力等によってカーボンナノチューブ２０が湾曲して、配向構造が変形することを防止できる。カーボンナノチューブ２０の配向構造を維持できれば、集光器のエネルギー効率が低下することなく、そのエネルギー効率を長期にわたって維持することができる。   In this respect, in the collector 10 according to the present embodiment, since the carbon nanotubes 20 are covered with the SiC coating film 21, the resulting coated carbon nanotubes 22 have high rigidity, and carbon is generated by an external force or the like. It is possible to prevent the nanotube 20 from being bent and the alignment structure from being deformed. If the orientation structure of the carbon nanotube 20 can be maintained, the energy efficiency of the light collector can be maintained for a long time without lowering the energy efficiency of the collector.

さらに、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を制御することによって、集光器１０のエネルギー効率を増大させることができる。以下、詳細を説明する。
物質（ここでは、カーボンナノチューブ）が熱エネルギーを吸収すると、熱輻射によって熱エネルギーが電磁波として外部に放出される。熱輻射によって発生する電磁波の波長は、物質の温度に依存する。例えば、物質の温度が１０００Ｋの場合、電磁波の波長は３０００ｎｍ、物質の温度が１６００Ｋの場合、電磁波の波長は２０００ｎｍ程度である。 Furthermore, the energy efficiency of the collector 10 can be increased by controlling the distance between the carbon nanotubes 20. Details will be described below.
When a substance (here, carbon nanotube) absorbs thermal energy, the thermal energy is released to the outside as an electromagnetic wave by thermal radiation. The wavelength of electromagnetic waves generated by thermal radiation depends on the temperature of the substance. For example, when the temperature of the substance is 1000 K, the wavelength of the electromagnetic wave is 3000 nm, and when the temperature of the substance is 1600 K, the wavelength of the electromagnetic wave is about 2000 nm.

しかしながら、カーボンナノチューブ２０同士（厳密には被覆カーボンナノチューブ２２間）の間隔を受光面１１、カーボンナノチューブ２０、被覆膜２１からの熱輻射の波長以下にすることによって、熱輻射によって発生する電磁波を制御することができる。すなわち、上記カーボンナノチューブ２０同士の間隔を熱輻射波長以下（半分程度）にすることで熱輻射波長に相当する周波数の電磁波は存在することが出来ず、その周波数の電磁波をカットオフする。そのため、吸収した熱エネルギーの放出を抑制することができる。   However, by setting the interval between the carbon nanotubes 20 (strictly, between the coated carbon nanotubes 22) to be equal to or less than the wavelength of heat radiation from the light receiving surface 11, the carbon nanotubes 20, and the coating film 21, electromagnetic waves generated by thermal radiation can be reduced. Can be controlled. That is, by setting the interval between the carbon nanotubes 20 to be equal to or less than the heat radiation wavelength (about half), an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the heat radiation wavelength cannot exist, and the electromagnetic wave having the frequency is cut off. Therefore, the release of absorbed thermal energy can be suppressed.

ここで、本発明では、配向構造のカーボンナノチューブ２０がカーボンナノチューブ２０同士の間隔以上の周波数の電磁波はカットオフされる。そのため、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を、熱輻射によって発生する電磁波の波長以下、より好ましくは、熱輻射によって発生する電磁波の波長の半分程度（３０％〜７０％）以下とすることによって、熱輻射によるエネルギー損失を抑制することができ、ひいては集光器のエネルギー効率を増大させることができる。   Here, in the present invention, the electromagnetic wave having a frequency equal to or greater than the interval between the carbon nanotubes 20 of the carbon nanotubes 20 having an oriented structure is cut off. Therefore, the heat radiation is achieved by setting the interval between the carbon nanotubes 20 to be equal to or less than the wavelength of the electromagnetic wave generated by thermal radiation, more preferably about half (30% to 70%) or less of the wavelength of the electromagnetic wave generated by thermal radiation. Can be suppressed, and as a result, the energy efficiency of the collector can be increased.

例えば、カーボンナノチューブ２０の温度が１６００Ｋ程度になると仮定した場合、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を２０００ｎｍ以下とすればよく、より好ましくは、６００ｎｍ以下である。   For example, assuming that the temperature of the carbon nanotubes 20 is about 1600K, the interval between the carbon nanotubes 20 may be 2000 nm or less, and more preferably 600 nm or less.

以上の理由により、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を、受光面１１、カーボンナノチューブ２０、ＳｉＣ被覆膜２１からの熱輻射の波長以下とすることによって、太陽光の主成分たる可視光を吸収しつつ、熱輻射を抑制することができる。   For the above reasons, the distance between the carbon nanotubes 20 is set to be equal to or less than the wavelength of heat radiation from the light receiving surface 11, the carbon nanotubes 20, and the SiC coating film 21, while absorbing visible light as the main component of sunlight. , Heat radiation can be suppressed.

また、ＳｉＣ被覆膜２１の外層が、さらに非結晶体被覆膜２３で覆われている場合、太陽光Ｓのエネルギー効率を増加させることができる。すなわち、非結晶体被覆膜２３によって、カーボンナノチューブ２０の表面にナノメートルオーダーの凹凸を形成し、カーボンナノチューブ２０の表面において、太陽光Ｓが非結晶体被覆膜２３の表面で乱反射を起こし、被覆カーボンナノチューブ全体の反射率を低減させて吸収率を向上させることができ、ひいては集光器のエネルギー効率を増加させることができる。   Moreover, when the outer layer of the SiC coating film 21 is further covered with the amorphous coating film 23, the energy efficiency of the sunlight S can be increased. That is, the amorphous coating film 23 forms nanometer-order irregularities on the surface of the carbon nanotube 20, and sunlight S causes irregular reflection on the surface of the amorphous coating film 23 on the surface of the carbon nanotube 20. Further, it is possible to improve the absorption rate by reducing the reflectance of the entire coated carbon nanotube, and thus increase the energy efficiency of the collector.

また、被覆カーボンナノチューブ２２の表面に金属ナノ粒子２４が担持されている場合、熱輻射によって生じる熱エネルギーの損失を抑制することができる。以下詳細を説明する。   Moreover, when the metal nanoparticle 24 is carry | supported on the surface of the covering carbon nanotube 22, the loss of the thermal energy which arises by thermal radiation can be suppressed. Details will be described below.

図３に示すように、集光器１０が熱せられると、太陽光Ｓから得られた熱エネルギーは、熱輻射によって被覆カーボンナノチューブ２２から電磁波Ｅとして被覆カーボンナノチューブ２２の外部に放出され、熱エネルギーの損失が生じる。一方、被覆カーボンナノチューブ２２の表面に金属ナノ粒子２４が担持されている場合、金属ナノ粒子２４が表面プラズモン共鳴を発生させて、熱輻射によって生じた電磁波Ｅを吸収して再び熱エネルギーとして回収することができる。   As shown in FIG. 3, when the condenser 10 is heated, the thermal energy obtained from the sunlight S is released from the coated carbon nanotubes 22 as electromagnetic waves E to the outside of the coated carbon nanotubes 22 by thermal radiation, and the thermal energy. Loss. On the other hand, when the metal nanoparticles 24 are supported on the surface of the coated carbon nanotubes 22, the metal nanoparticles 24 generate surface plasmon resonance, absorb the electromagnetic waves E generated by thermal radiation, and recover them again as thermal energy. be able to.

ここで、表面プラズモン共鳴とは、金属ナノ粒子が特定の波長の電磁波を選択吸収し、金属ナノ粒子が振動することで、電磁波のエネルギーが熱エネルギーに変換される現象をいう。なお、吸収する電磁波Ｅの波長は金属ナノ粒子２４の材料及びサイズに依存する。集光器１０が熱せられた時に被覆カーボンナノチューブ２２から発生する電磁波Ｅは、熱せられた集光器１０の温度に依存するが、概ね赤外光であるため、金属ナノ粒子２４は、赤外光を吸収するような材料及び光の波長に応じてサイズを選択すればよい。望ましくは、Ａｕ、Ａｇで粒子径は、３０ｎｍ以下である。   Here, the surface plasmon resonance refers to a phenomenon in which the energy of electromagnetic waves is converted into thermal energy when the metal nanoparticles selectively absorb electromagnetic waves having a specific wavelength and the metal nanoparticles vibrate. Note that the wavelength of the electromagnetic wave E to be absorbed depends on the material and size of the metal nanoparticles 24. The electromagnetic wave E generated from the coated carbon nanotubes 22 when the collector 10 is heated depends on the temperature of the heated collector 10, but is generally infrared light. What is necessary is just to select a size according to the material which absorbs light, and the wavelength of light. Desirably, the particle diameter of Au or Ag is 30 nm or less.

また、本実施の形態に係る集光器１０では、カーボンナノチューブ２０がＳｉＣ被覆膜２１で覆われているため、金属ナノ粒子２４の担持性に優れている。以下、詳細を説明する。   Moreover, in the concentrator 10 according to the present embodiment, the carbon nanotubes 20 are covered with the SiC coating film 21, and therefore, the carrying property of the metal nanoparticles 24 is excellent. Details will be described below.

カーボンナノチューブに直接金属ナノ粒子を担持させようとすると、その固着性（担持した触媒の挙動や脱離を抑制）は悪い。
この点、本実施の形態に係る集光器１０では、カーボンナノチューブ２０は、ＳｉＣ被覆膜２１で覆われており、ＳｉＣ被覆膜２１の表面に金属ナノ粒子２４を担持させることとしたため、直接カーボンナノチューブに金属ナノ粒子を担持させる場合と比較して、金属ナノ粒子の固着性に優れている。 When metal nanoparticles are directly supported on carbon nanotubes, their adhesion (suppresses the behavior and desorption of the supported catalyst) is poor.
In this respect, in the collector 10 according to the present embodiment, the carbon nanotubes 20 are covered with the SiC coating film 21 and the metal nanoparticles 24 are supported on the surface of the SiC coating film 21. Compared with the case where the metal nanoparticles are directly supported on the carbon nanotube, the metal nanoparticles are excellent in adhesion.

以下、各構成要素の具体的な態様について説明する。
カーボンナノチューブ２０の高さは、０．５μｍ以上、特に１０μｍ以上とすることが望ましい。カーボンナノチューブの高さが大きいほど、被覆カーボンナノチューブ２２の側壁に入射して反射した光が他の被覆カーボンナノチューブ２２側壁に入射して吸収されやすいため、光が集光器の外部に逃げることによるエネルギー損失を抑え、集光器のエネルギー効率が向上するが、カーボンナノチューブ２０の高さを１０μｍ以上とすると、受光面１１に入射した太陽光を略全て集光器１０の外部に逃がさないようにすることができる。カーボンナノチューブの高さは、カーボンナノチューブを生成する工程において、カーボンナノチューブを成長させる時間に依存する。すなわち、カーボンナノチューブを成長させる時間が長いほど、カーボンナノチューブの長さは大きくなる。 Hereinafter, specific modes of each component will be described.
The height of the carbon nanotube 20 is preferably 0.5 μm or more, particularly 10 μm or more. As the height of the carbon nanotube is larger, the light incident and reflected on the side wall of the coated carbon nanotube 22 is more likely to be incident on the side wall of the other coated carbon nanotube 22 and absorbed, so that the light escapes to the outside of the collector. Although energy loss is suppressed and the energy efficiency of the concentrator is improved, when the height of the carbon nanotube 20 is 10 μm or more, almost all of the sunlight incident on the light receiving surface 11 is not released outside the concentrator 10. can do. The height of the carbon nanotube depends on the growth time of the carbon nanotube in the process of generating the carbon nanotube. That is, the longer the time for growing carbon nanotubes, the larger the length of carbon nanotubes.

また、カーボンナノチューブ２０同士の間隔は、光を吸収しつつ、照射した光を、熱輻射による熱エネルギーの放出を抑制するため、受光面１１、カーボンナノチューブ２０、ＳｉＣ被覆膜２１からの熱輻射の波長以下とした。また、カーボンナノチューブ２０同士のバンドル化を避けるため、２０ｎｍ以上とした。望ましくは、３００〜６００ｎｍである。本実施の形態では、カーボンナノチューブ２０同士の間隔を５００ｎｍとした。カーボンナノチューブ同士の間隔は、基板上の触媒粒子同士の間隔に依存する。すなわち、触媒粒子同士の間隔が大きいほど、カーボンナノチューブ同士の間隔も大きくなる。   Further, the interval between the carbon nanotubes 20 absorbs light and suppresses the radiation of the irradiated light to suppress the release of thermal energy due to thermal radiation, so that the heat radiation from the light receiving surface 11, the carbon nanotube 20, and the SiC coating film 21. Or less. Moreover, in order to avoid bundling of the carbon nanotubes 20, the thickness was set to 20 nm or more. Desirably, it is 300-600 nm. In the present embodiment, the interval between the carbon nanotubes 20 is set to 500 nm. The distance between the carbon nanotubes depends on the distance between the catalyst particles on the substrate. That is, the larger the distance between the catalyst particles, the larger the distance between the carbon nanotubes.

また、カーボンナノチューブの太さは、太いほどカーボンナノチューブの強度が増大するが、太過ぎるとカーボンナノチューブの上面で太陽光が反射してしまうことが考えられ、集光器のエネルギー効率が低下するおそれがある。カーボンナノチューブ２０同士の間隔が５００ｎｍの場合は、ＳｉＣ被覆膜２１及び非結晶体被覆膜２３を含めて５ｎｍ〜２０ｎｍとすることが望ましい。カーボンナノチューブの太さは、基板上の触媒粒子のサイズに依存する。すなわち、触媒粒子のサイズが大きいほどカーボンナノチューブの太さは大きくなる。   In addition, the thickness of the carbon nanotube increases as the thickness of the carbon nanotube increases. However, if the carbon nanotube is too thick, sunlight may be reflected from the upper surface of the carbon nanotube, which may reduce the energy efficiency of the collector. There is. When the interval between the carbon nanotubes 20 is 500 nm, it is desirable that the thickness including the SiC coating film 21 and the amorphous coating film 23 be 5 nm to 20 nm. The thickness of the carbon nanotube depends on the size of the catalyst particles on the substrate. That is, the larger the catalyst particle size, the larger the thickness of the carbon nanotube.

また、ＳｉＣ被覆膜２１の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下にすることが好ましい。膜厚が薄すぎると熱によってカーボンナノチューブが酸化・焼失したり、周辺雰囲気によってカーボンナノチューブが変質することがあるためである。例えば、４００℃以上の酸素雰囲気での使用に耐えられず、耐熱性や耐環境性の向上が図れない。また、ＳｉＣ被覆膜２１の膜厚が厚すぎると、ＳｉＣ被覆膜２１がカーボンナノチューブが光吸収を遮って、熱エネルギーがカーボンナノチューブに伝わりにくくなるためである。   The film thickness of the SiC coating film 21 is preferably 10 nm or more and 50 nm or less. This is because if the film thickness is too thin, the carbon nanotubes may be oxidized and burned by heat, or the carbon nanotubes may be altered by the surrounding atmosphere. For example, it cannot withstand use in an oxygen atmosphere at 400 ° C. or higher, and heat resistance and environmental resistance cannot be improved. Moreover, if the film thickness of the SiC coating film 21 is too thick, the SiC coating film 21 blocks the light absorption by the carbon nanotubes, making it difficult for thermal energy to be transmitted to the carbon nanotubes.

金属ナノ粒子２４の材料は、例えば金であり、他にも銅、ニッケル、コバルト、鉄、亜鉛、チタン、クロム、銀、白金、アルミニウム等が用いられる。金属ナノ粒２３子の粒径は、熱輻射によって被覆カーボンナノチューブ２２から外部に放出される赤外光を吸収できるサイズを選択する必要があるが、金属ナノ粒子２４が金の場合は、１０ｎｍ〜２００ｎｍである。   The material of the metal nanoparticles 24 is, for example, gold. Besides, copper, nickel, cobalt, iron, zinc, titanium, chromium, silver, platinum, aluminum, and the like are used. The particle size of the metal nanoparticle 23 needs to be selected to be a size that can absorb infrared light emitted from the coated carbon nanotube 22 to the outside by thermal radiation. When the metal nanoparticle 24 is gold, the particle size is 10 nm to 200 nm.

集光器の形態としては、図４〜９に示すように、例えば、平面型集光器４０、波板型集光器５０、管状型集光器６０、ハニカム型集光器７０、キャビティ型集光器８０、ドーム型集光器９０などが考えられる。いずれの集光器も、被覆カーボンナノチューブ２２が受光面１１に対して垂直に配列されて、配向構造が形成されている。また、被覆カーボンナノチューブ２２が非結晶体被覆膜で覆われていても良く、被覆カーボンナノチューブ２２または非結晶体被覆膜の表面に金属ナノ粒子が担持されていても良い。   As a form of the concentrator, as shown in FIGS. 4 to 9, for example, a flat concentrator 40, a corrugated concentrator 50, a tubular concentrator 60, a honeycomb concentrator 70, and a cavity type. A concentrator 80, a dome-shaped concentrator 90, and the like are conceivable. In any collector, the coated carbon nanotubes 22 are arranged perpendicular to the light receiving surface 11 to form an alignment structure. The coated carbon nanotubes 22 may be covered with an amorphous coating film, and metal nanoparticles may be supported on the surface of the coated carbon nanotubes 22 or the amorphous coating film.

ここで、カーボンナノチューブ２０は受光面１１に対して、直交する方向に突出することが好ましいが、必ずしも直交する方向に突出する必要はなく、各カーボンナノチューブ２０が異なる方向に突出していてもかまわない。例えば、受光面１１に対して概ね９０°±１０°の範囲内で形成されたものが使用される。   Here, it is preferable that the carbon nanotubes 20 protrude in a direction orthogonal to the light receiving surface 11. However, the carbon nanotubes 20 do not necessarily protrude in the orthogonal direction, and the carbon nanotubes 20 may protrude in different directions. . For example, those formed within a range of approximately 90 ° ± 10 ° with respect to the light receiving surface 11 are used.

図４に示す平面型集光器４０では、集熱した熱を外部に逃がさないために真空槽１２が備えられている。また、真空槽１２の中には平板状の受光面１１が設置されており、受光面１１全体に、配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２が設置されている。真空槽１２は、ガラス等の透光性を有する蓋体１３で閉じられており、内部の真空度は０．１Ｐａ以下とする。また、受光面１１の下方には熱媒体管１４が設置されており、熱媒体が熱媒体管１４を通って、受光面１１が得た熱エネルギーを、タービン等へ移送する構造となっている。熱媒体管１４の材料は、熱媒体が得た熱エネルギーを熱媒体管の外部へ逃がさないために、断熱性の高い材料、例えばセラミックが考えられる。熱媒体は、液体や気体が考えられ、移送する熱エネルギーの量によって変化するが、不活性で不燃、高熱伝導率で低粘度であることが望ましい。タワー型の太陽熱発電装置の場合は、空気や窒素、ヘリウム等が考えられる。熱媒体管１４のさらに下には、熱を逃がさないための断熱材１５が設置されている。   In the flat collector 40 shown in FIG. 4, the vacuum chamber 12 is provided in order not to let the collected heat escape to the outside. A flat light-receiving surface 11 is provided in the vacuum chamber 12, and the coated carbon nanotubes 22 having an orientation structure are provided on the entire light-receiving surface 11. The vacuum chamber 12 is closed with a light-transmitting lid 13 such as glass, and the internal vacuum degree is 0.1 Pa or less. In addition, a heat medium pipe 14 is installed below the light receiving surface 11, and the heat medium passes through the heat medium pipe 14 to transfer the heat energy obtained by the light receiving surface 11 to a turbine or the like. . The material of the heat medium tube 14 may be a highly heat insulating material such as ceramic in order not to let the heat energy obtained by the heat medium escape to the outside of the heat medium tube. The heat medium may be a liquid or a gas, and varies depending on the amount of heat energy to be transferred. However, it is desirable that the heat medium is inert and non-flammable, has a high thermal conductivity, and has a low viscosity. In the case of a tower type solar thermal power generation device, air, nitrogen, helium, or the like can be considered. A heat insulating material 15 is installed below the heat medium pipe 14 so as not to let heat escape.

図５に示す波板型集光器５０は、受光面１１を波板型とすることによって、平面型集光器４０と比較して、受光面１１の表面積を増大させ、真上から以外の太陽光の入射光に対しても効率的に太陽光を吸収することができる構造となっている。そのため、平面型集光器４０よりも高効率に太陽光の熱エネルギーを得ることができる。本実施の形態では、集光器１０の受光面１１に配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２を設置することで、太陽光の吸収率を向上させるようにしている。真空槽１２、蓋体１３、熱媒体管１４、断熱材１５の構造については平面型集光器４０と同様である。波板の凹凸具合によって太陽光の吸収率は変化するが、その表面に配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２が設置されているため、凹凸のピッチを１μｍ〜１０ｍｍとすることが望ましい。   The corrugated plate type collector 50 shown in FIG. 5 increases the surface area of the light receiving surface 11 compared to the flat type collector 40 by using the light receiving surface 11 as a corrugated plate type. It has a structure capable of efficiently absorbing sunlight even with respect to incident sunlight. Therefore, the thermal energy of sunlight can be obtained more efficiently than the flat collector 40. In the present embodiment, the coated carbon nanotubes 22 having an oriented structure are installed on the light receiving surface 11 of the light collector 10 to improve the sunlight absorption rate. The structures of the vacuum chamber 12, the lid body 13, the heat medium tube 14, and the heat insulating material 15 are the same as those of the flat collector 40. Although the absorption rate of sunlight changes depending on the unevenness of the corrugated plate, it is desirable that the unevenness pitch is 1 μm to 10 mm because the coated carbon nanotubes 22 having an oriented structure are provided on the surface thereof.

図６に示す管状型集光器６０は、主に一般家庭に普及している太陽熱給湯器で使用される集光器をモデルにしたものである。熱媒体管１４の表面が、そのまま受光面１１となっており、太陽光を効率的に熱エネルギーに変換して、タービン等へ移送することが可能となる。本実施の形態では、その熱媒体管１４の表面に配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２を設置することで、従来のモデルと比較して、効率的に光吸収率を向上させるようにしている。真空槽１２、蓋体１３、熱媒体管１４、断熱材１５の構造については、平面型集光器４０と同様である。   The tubular concentrator 60 shown in FIG. 6 is a model of a concentrator used mainly in a solar water heater widely used in general households. The surface of the heat medium pipe 14 is the light receiving surface 11 as it is, and sunlight can be efficiently converted into heat energy and transferred to a turbine or the like. In the present embodiment, the coated carbon nanotubes 22 having an oriented structure are provided on the surface of the heat medium tube 14 so that the light absorptance is efficiently improved as compared with the conventional model. The structures of the vacuum chamber 12, the lid body 13, the heat medium tube 14, and the heat insulating material 15 are the same as those of the flat collector 40.

図７に示すハニカム型集光器７０は、主にタワー型太陽熱発電装置のレンズやミラーによって集光した光を受光する際に用いられる集光器である。受光面１１をハニカム構造とすることによって、入射した光の反射を防止し、効率的に太陽光を熱エネルギーに変換することができる。さらに、中空１６を通る気体（空気や窒素等）を熱媒体とすることによって、熱せられた受光面１１および被覆カーボンナノチューブ２２の熱エネルギーをタービン等へ移送する構造としている。そのため、熱媒体管を用いなくともよい。   A honeycomb-type concentrator 70 shown in FIG. 7 is a concentrator mainly used when receiving light collected by a lens or mirror of a tower-type solar thermal power generation apparatus. By making the light receiving surface 11 have a honeycomb structure, reflection of incident light can be prevented and sunlight can be efficiently converted into heat energy. Further, by using a gas (air, nitrogen, etc.) passing through the hollow 16 as a heat medium, the heat energy of the heated light receiving surface 11 and the coated carbon nanotube 22 is transferred to a turbine or the like. Therefore, it is not necessary to use a heat medium tube.

図８に示すキャビティ型集光器８０も、ハニカム型集光器７０と同様の用途に用いられる集光器である。上方にあるハノ字面が太陽光の受光面１１として熱せられると同時に、間にある隙間を空気などの熱媒体が通って、下方の熱媒体管１４が存在する領域が熱せられる構造となっている。本実施の形態では、この構造の内上方のハノ字構造体の表面に配向構造の被覆カーボンナノチューブ２２を設置することで、さらに太陽光の吸収率を向上させようとしている。   The cavity type collector 80 shown in FIG. 8 is also a collector used for the same application as the honeycomb type collector 70. The upper half-shaped surface is heated as the sunlight receiving surface 11, and at the same time, a heat medium such as air passes through the gap between them, and the region where the lower heat medium pipe 14 exists is heated. . In the present embodiment, the absorption rate of sunlight is further improved by installing the coated carbon nanotubes 22 having an alignment structure on the surface of the upper-shaped structure in the upper part of the structure.

図９に示すドーム型集光器９０も、ハニカム型集光器７０及びキャビティ型集光器８０と同様の用途に用いられる集光器であって、ミラーやレンズで集光された太陽光をドーム構造となった内部へ入射させて熱エネルギーに変換する。ドーム型集光器９０の内部にある受光面１１は天板部１１ａと曲面部１１ｂとを有している。天板部１１ａはドーナツ状の板で、曲面部１１ｂは円錐台の側面の形状をしており、天板部１１ａと、曲面部１１ｂの内部とで熱媒体が通過する中空１６を形成している。中空１６の下端に相当する部分は開口されている。   The dome-shaped concentrator 90 shown in FIG. 9 is also a concentrator used for the same application as the honeycomb-type concentrator 70 and the cavity-type concentrator 80. It enters the inside of the dome structure and converts it into thermal energy. The light receiving surface 11 inside the dome-shaped concentrator 90 has a top plate portion 11a and a curved surface portion 11b. The top plate portion 11a is a donut-shaped plate, the curved surface portion 11b has a shape of a side surface of a truncated cone, and a hollow 16 through which a heat medium passes is formed between the top plate portion 11a and the inside of the curved surface portion 11b. Yes. A portion corresponding to the lower end of the hollow 16 is opened.

図９（ｂ）（ｃ）に示すように、ドーム型集光器９０の内部に入射した太陽光Ｓの大部分は、曲面部１１ｂの被覆カーボンナノチューブ２２で吸収されるが、曲面部１１ｂから反射した太陽光Ｓも天板部１１ａや曲面部１１ｂにおける他の部分の被覆カーボンナノチューブ２２で吸収することができる。   As shown in FIGS. 9B and 9C, most of the sunlight S incident on the inside of the dome-shaped collector 90 is absorbed by the coated carbon nanotubes 22 of the curved surface portion 11b, but from the curved surface portion 11b. The reflected sunlight S can also be absorbed by the coated carbon nanotubes 22 in other portions of the top plate portion 11a and the curved surface portion 11b.

そして、熱媒体が上方の天板部１１ａの孔から進入し、中空１６を介して下方に通り抜けることによって、熱せられた受光面１１の熱エネルギーをタービン等へ移送する構造としている。そのため、熱媒体管を用いなくともよい。なお、ドーム型集光器９０の外部は熱を漏らさないようにするために、真空断熱構造としている。なお、ドーム型集光器９０の外部は、空気や不活性ガスを外気との間に介在させることで断熱する構造としてもよい。   Then, the heat medium enters from the hole of the upper top plate portion 11a and passes downward through the hollow 16, whereby the heat energy of the heated light receiving surface 11 is transferred to a turbine or the like. Therefore, it is not necessary to use a heat medium tube. The outside of the dome-shaped concentrator 90 has a vacuum heat insulating structure so as not to leak heat. Note that the outside of the dome-shaped light collector 90 may be insulated by interposing air or an inert gas with the outside air.

なお、本実施の形態では配向構造のカーボンナノチューブ２０をＳｉＣ被覆膜２１で被覆する場合を述べたが、ＳｉＣの代わりにＳｉの単元素の結晶体や、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の高融点の金属でカーボンナノチューブを被覆すれば、集光器が高温となってもカーボンナノチューブが酸化して焼失することを防止でき、集光器のエネルギー効率を長期にわたって維持できる。また、被覆膜からカーボンナノチューブ、受光面への熱伝熱性に優れる。   In the present embodiment, the case where the carbon nanotubes 20 having an oriented structure are covered with the SiC coating film 21 has been described. However, instead of SiC, a single element crystal of Si, or a high melting point such as Ti, Cr, or Cu is used. If the carbon nanotube is coated with this metal, it is possible to prevent the carbon nanotube from being oxidized and burnt down even if the collector becomes high temperature, and the energy efficiency of the collector can be maintained over a long period of time. In addition, the heat transfer from the coating film to the carbon nanotube and the light receiving surface is excellent.

また、図１０（ａ）に示すように、カーボンナノチューブ２０として、複数のカーボンナノチューブをバンドル化したものを用いても良い。このようにバンドル化したカーボンナノチューブ２０を用いることにより、単独のカーボンナノチューブを一定間隔で配列する場合と比較して強度が強くなる。また、後述のように、滴下などの方法によって容易にバンドル化することができるため、容易に予め定めた間隔を隔てて強固なカーボンナノチューブを配列することができる。   Further, as shown in FIG. 10A, a bundle of a plurality of carbon nanotubes may be used as the carbon nanotube 20. By using the bundled carbon nanotubes 20 as described above, the strength is increased as compared with the case where single carbon nanotubes are arranged at regular intervals. Moreover, since it can be easily bundled by a method such as dropping as described later, it is possible to easily arrange strong carbon nanotubes at predetermined intervals.

カーボンナノチューブ２０をバンドル化する場合は、配向構造のカーボンナノチューブ２０を生成した後、図１０（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ２０同士の間隔毎に水滴等の液体Ｗを滴下する。カーボンナノチューブ２０を生成する際のカーボンナノチューブ２０同士の間隔は、バンドル化させない場合の間隔の半分以下とする。   When the carbon nanotubes 20 are bundled, after the carbon nanotubes 20 having an oriented structure are generated, a liquid W such as a water droplet is dropped at intervals between the carbon nanotubes 20 as shown in FIG. The interval between the carbon nanotubes 20 when the carbon nanotubes 20 are generated is set to be equal to or less than half of the interval when the carbon nanotubes 20 are not bundled.

このように複数のカーボンナノチューブ２０上に液体Ｗを滴下することにより、液体Ｗが滴下された領域にあるカーボンナノチューブ２０が絡み合い、バンドル化される（図１０（ｃ）参照）。その後、カーボンナノチューブ２０をＳｉＣ被覆膜２１で覆うことにより、図１０（ａ）に示す構造を得ることができる。   By dropping the liquid W onto the plurality of carbon nanotubes 20 in this way, the carbon nanotubes 20 in the region where the liquid W is dropped are entangled and bundled (see FIG. 10C). Thereafter, by covering the carbon nanotubes 20 with the SiC coating film 21, the structure shown in FIG. 10A can be obtained.

なお、図では２つのカーボンナノチューブ２０をバンドル化する場合について描かれているが、液体Ｗの滴下の位置と量を調整することにより、複数のカーボンナノチューブ２０をバンドル化して所定の間隔毎にバンドル化されたカーボンナノチューブ２０を得ることができる。   In the figure, the case where two carbon nanotubes 20 are bundled is illustrated. However, by adjusting the position and amount of dropping of the liquid W, a plurality of carbon nanotubes 20 are bundled and bundled at predetermined intervals. Carbonized carbon nanotube 20 can be obtained.

１０ 集光器
１１ 受光面
１２ 真空槽
１３ 熱媒体管
１４ 断熱材
２０ カーボンナノチューブ
２１ ＳｉＣ被覆膜（耐熱性を有する被覆膜）
２２ 被覆カーボンナノチューブ
２３ 非結晶体被覆膜
２４ 金属ナノ粒子
４０ 平面型集光器
５０ 波板型集光器
６０ 管状型集光器
７０ ハニカム型集光器
８０ キャビティ型集光器
９０ ドーム型集光器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light collector 11 Light-receiving surface 12 Vacuum chamber 13 Heat medium pipe 14 Heat insulating material 20 Carbon nanotube 21 SiC coating film (heat-resistant coating film)
22 Coated carbon nanotube 23 Amorphous coating film 24 Metal nanoparticle 40 Flat collector 50 Corrugated collector 60 Tubular collector 70 Honeycomb collector 80 Cavity collector 90 Dome collector Light

Claims (5)

受光面に一定間隔で配列され、前記受光面に対して垂直に配列されたカーボンナノチューブを備え、
前記カーボンナノチューブが、耐熱性を有する被覆膜で覆われている
ことを特徴とする集光器。 Arranged at regular intervals on the light receiving surface, comprising carbon nanotubes arranged perpendicular to the light receiving surface,
A light collector, wherein the carbon nanotube is covered with a heat-resistant coating film. 前記被覆膜がＳｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｍｇあるいは、それらの酸化物、炭化物、窒化物からなる単一、または２つ以上の複合物からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の集光器。 The coating film is made of Si, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W, Al, Mg, or an oxide, carbide, or nitride thereof, or a composite of two or more. The light collector according to claim 1, wherein the light collector is made of an object. 前記被覆膜が前記被覆膜の非結晶体で覆われている
ことを特徴とする請求項１に記載の集光器。 The concentrator according to claim 1, wherein the coating film is covered with an amorphous material of the coating film. 前記被覆膜の表面に金属ナノ粒子が担持されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の集光器。 The concentrator according to any one of claims 1 to 3, wherein metal nanoparticles are supported on a surface of the coating film. 前記一定間隔は、前記受光面、前記カーボンナノチューブ及び前記被覆膜からの熱輻射の波長以下である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の集光器。 5. The concentrator according to claim 1, wherein the predetermined interval is equal to or less than a wavelength of heat radiation from the light receiving surface, the carbon nanotube, and the coating film.
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