JP2020056561A - 自家用発電の太陽光線集光装置と発電に至る装置 - Google Patents
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Abstract
Description
故に、球形内部を空洞にし、熱伝導板を設置し、直接入射する光の焦点の熱を反射させることで、熱は増殖し、発電にかなう熱媒体装置とした。
そこで、本発明は、比較的低い熱量によって発電可能な発電装置、並びに、かかる熱量を蓄積可能な集光装置を提供することにある。
本実施形態に係る集光装置は、太陽光を集光するとともに、集光装置内部で太陽光線に起因する熱を蓄積するものである。
図1に示す様に、集光装置1は、茸型の母体2と、母体2の外殻に配置された凸レンズ3と、母体2の内部に配置された熱伝導板(不図示、後述する符号5)とを備える。
なお、本実施形態に係る集光装置は、例えば、屋根又、屋上に設置される(後述する図4参照)。
母体2は、採光のための様式を茸型にしており、球形状の集光部21と、集光部21を支持する支柱22とにより構成されている。
また、母体2の内部は、後述する図4に示すように空洞4(heat sink)が全体に設けられており、この空洞4が恒温槽として機能している。
なお、母体2(集光部21)の材料としては、例えば、蓄熱効果の高いもの、若しくは、耐熱性に優れるものが好適である。
また、支柱22は、集光部21と後述する熱伝導板(図3中、符号5)を同時に支持可能な態様で配設されており、集光部21を支持可能な強度を有する平板部材により構成されている。なお、支柱22としては、上述する平板部材に代えて筒状部材を用いることが可能であり、筒状部材を支柱22として用いることで、耐久性を向上させることができ、過度な負荷(台風等)に耐えうる構造とすることができる。
また、凸レンズ3は、母体2の内部に太陽光を取り込むための採光窓として機能するものであり、母体2(集光部21)の外殻に、蜂の巣状に配列されている。ここで、一般的な光学特性として、図2に示した様に、凸レンズ3を通過した光は、凸レンズ3から所定距離にある焦点で収束する。
本実施形態にかかる集光装置1では、後述するように、焦点となる位置に、熱伝導板5を配置することで、熱伝導板5で焦点熱を吸収させるようにしている。
熱伝導板5は、母体2によって集光された太陽光を受光して焦点熱を吸収させるとともに、焦点熱を放射線状に反射させる部材であり、母体2の内部を加温するための熱源として機能するものである。
この熱伝導板5は、図3に示すように、刺す又型に形成されている。すなわち、熱伝導板5は、上部の天盤51と、下部の両脚部52により構成されており、接合点Fにおいて接続されている。
天盤51は、上向きに開放した湾曲形状を有している。
また、両脚部52は、下向きに開放した湾曲形状を有しており、両脚部52の一方がn脚部52aを成すとともに、その他方がp脚部52bを成している。
かかる構成を有する熱伝導板5では、天盤51は、南中時の太陽光が照射しやすい角度に配設されており、同様に、n脚部52aが日昇時の太陽光が照射しやすい角度に配設されており、p脚部52bが日降時の太陽光が照射しやすい角度に配設されている。なお、本実施形態では、図3中左側から右側へ太陽が日周運動しているとする。
このように、熱伝導板5では、多角的な集光面(天盤51、n脚部52a、p脚部52b)を備えることで、太陽の日周運動に依存することなく、いずれの時間帯においても、一定程度の太陽光を取り込むとともに、所望の焦点熱および反射熱を得られるようになっている。
また、天盤51と、両脚部52を接合点Fで接合することで、天盤51や両脚部52によって夫々蓄積された熱を最終的に一つにまとめることができ、高い熱量を効率的に蓄積することができるようになっている。
なお、天盤51は、本発明に係る集光装置のb部に相当し、また、両脚部52の一方(例えば、n脚部52a)は、本発明に係る集光装置のa部に相当し、さらに、両脚部52の他方(例えば、p脚部52b)は、本発明に係る集光装置のc部に相当する。
ここで、それぞれ湾曲形状を有する天盤51および両脚部52の曲率は適宜設計変更可能であり、例えば、曲率を小さく(なだらかに)することで、天盤51と両脚部52の接触面積を大きくすることができ、天盤51と両脚部52の間の熱伝導及び/または電気伝導を向上させることができる。他方、曲率を大きく(急峻に)することで、集光部21の径を小さくすることができ、集光装置1を小型化することができる。
例えば、本実施の形態に係る熱伝導板5では、天盤51と、両脚部52を別体に形成し、接合点Fで接合するようにしたが、これには限定されず、天盤と両脚部を一体的に形成してもよい。このように、熱伝導板を一体的に形成することで、天盤の材料と、両脚部の材料との相性によって、熱伝導率が低減したり、若しくは、天盤と両脚部の接合に用いる接合剤に起因して熱伝導率が低減したりすることを防止できる。
また、平板部材に代えて筒状部材を用いることが可能であり、筒状部材を熱伝導板として用いることで、耐久性を向上させることができ、過度な負荷に耐えうる構造とすることができる。
その他、熱伝導板5の表面に凹凸を設けてもよい。
このように、熱伝導板5として、光沢を有するものや、表面が平滑なものを用いることで、集光装置1の設置場所の関係により、太陽光の入射角度が、熱伝導板5に対して鋭角となる場合には、熱伝導板5に対する反射量が大きくなるため、焦点熱のロスが発生する。そこで、太陽光を熱伝導板5、並びに、集光部21の内面に反射させ、再度、熱伝導板5の平面に対して垂直な角度から、太陽光(反射光)を照射させることで、反射光に起因する熱量を蓄積することができ、焦点熱のロスを抑える(軽減させる)ことができる。したがって、太陽光が熱伝導板5に対して鋭角に入射する場合であっても、焦点熱と反射熱を併せた熱量を最大化させることができる。
特に、熱伝導板5の材料としてアルミナを用いる場合には、耐熱性、並びに、加工性に優れた熱伝導板5を形成することができる。
本発明にかかる集光装置1では、凸レンズ3の焦点位置に配置した、刺す又型を有する熱伝導板5で焦点熱を吸収させる。また、熱伝導板5で吸収した焦点熱を反射して、空洞4内に放射線状に拡散する(反射熱が発生する)ことで、空洞4内は高熱の坩堝(炉)になる。これにより、空洞4内部では、高温が維持される。
集光装置1全体の作用の説明に続き、集光装置1の特徴的な機能である集光機能について以下説明する。
集光装置1では、太陽光は凸レンズ3を介して、空洞4内に侵入し、熱伝導板5に照射される。
また、熱伝導板5に照射された太陽光は、熱伝導板5で焦点を結び、この焦点において焦点熱を発生させる。
他方、図5に示すように、入射光S1(図中、実線矢印)の一部は、熱伝導板5(天盤51)で反射される(図中、一点鎖線矢印:符号S2)。この反射光S2は、集光装置1の母体2の内部、若しくは、凸レンズ3を介して、再入射光S3(図中、二点鎖線矢印)として、再び、熱伝導板5に照射されて反射熱を発生させる。
このように、集光装置1の内部では、焦点熱と反射熱が蓄積されて、高温状態となる。すなわち、集光装置1では、入射光の熱伝導板5での反射に起因する発熱量(蓄熱量)の損失を低減している。
すなわち、入射光は三方の熱伝導板5に3部分で発生する熱を変換し易くするために、熱伝導板5を刺す又型にし、且つ、刺す又型にする事で、太陽光の入射角度の変化に順応できる。その為、空洞4内に熱量を滞留させ得る。
具体的には、集光部21を球形にすることで、いずれの角度からも太陽光を取り込むことができる。また、熱伝導板5を刺す又型にして、a部、b部、c部の照射部を設けることで、太陽の日周運動に依存することなく、いずれの時間帯においても、一定程度の太陽光を取り込むとともに、所望の焦点熱および反射熱を得られるようになっている。
以上、説明したように、本実施形態にかかる集光装置1によれば、凸レンズ3の焦点位置に熱伝導板5を配置することで、熱伝導板5上で、焦点熱を吸収させることができる。また、熱伝導板5で反射された光を母体2の内部で反射させて、再度、熱伝導板5に照射させることで、反射熱を発生させることができる。このように、焦点熱と反射熱に起因する熱源を得ることで、熱伝導板5を高い熱量を有する熱源とすることができる。
加えて、熱伝導板5に蓄積された熱源を空洞4の内部に放射線状に拡散させることで反射熱を蓄積させる。これにより、空洞4の内部を高温の坩堝とし、高温状態を維持することができる。
以上説明したように、本実施形態の集光装置1では、球形の集光部21と、集光部21(母体2)の外殻に配列された凸レンズ3と、集光部21の内部に配設された熱伝導板5とを備えることで、太陽光を集光部21の内部に集光するとともに、熱伝導板5において太陽光に起因する焦点熱(反射熱)を蓄積しているが、これには限定されない。
例えば、集光装置1の内部に蓄積された焦点熱(反射熱)を外部に出力して、適宜活用することができる。かかる場合には、熱伝導板5や支柱22の材料として、熱伝導性の高い材料を用いることが好適である。
次に、上述した集光装置を備える発電装置について説明する。
本実施形態にかかる発電装置6は、上述した集光装置1と、この集光装置1において蓄積された太陽光に起因する熱(「焦点熱、反射熱」以下、単に「熱源(heatsource)」という)を電気に変換する熱変換素子(thermoelement)7を備えるものである(図6参照)。
また、熱変換素子7は、支柱22、天盤51、及び、両脚部52に、一個又は複数個配設されている(図7参照)。熱変換素子7には夫々配線8が接続されており、熱変換素子7において変換された電気は配線8を介して外部に出力されるようになっている。
例えば、熱変換素子7を、外部に最も近い支柱22に配設することで、出力配線の引き回しを容易にするとともに、電気エネルギーの転送距離を短縮することができ、これにより、電気エネルギーの転送効率を高めることができる(電気転送時のロスを低減できる)。
また、熱変換素子7を、母体2の空洞4の中央に配置された天盤51に配設することで、南中時に太陽光の照射を受けて蓄積された熱量を最も高い状態で電気エネルギーに変換することができ、高い変換効率(熱電変換)を得ることができる。
さらに、熱変換素子7を、熱源を蓄積する熱伝導板5の一部である両脚部52に配設することで、日昇時および日降時に太陽光の照射を受けて蓄積された熱量を最も高い状態で電気エネルギーに変換することができ、高い変換効率(熱電変換)を得ることができる。
上述した特徴を有する熱変換素子7を、支柱22、天盤51及び両脚部52に配設することで、いずれの環境下においても、電気エネルギーの転送効率と、変換効率(熱電変換)の両方を一定程度享受できる。
なお、熱伝導板5を筒状部材を用いて形成する場合にも同様に、熱伝導板5の外部もしくは内部のいずれかに配設することができる。
発電装置6では、上述した集光装置1と同様に、太陽光に起因する熱(焦点熱、反射熱)が、空洞4(集光部21)内の熱伝導板5に蓄積され、支柱22に伝搬される。
具体的には、熱伝導板5の天盤51に蓄積された熱が、天盤51と接合点Fで接合された両脚部52(n脚部52a、p脚部52b)に伝搬され、両脚部52において、この両脚部52に蓄積された熱と天盤51に蓄積された熱が合わさって、支柱22に伝搬される。
ここで、太陽光に起因する熱(焦点熱、反射熱)は、天盤51から支柱22に伝搬される過程で、天盤51、両脚部52及び支柱22のそれぞれに設けられた熱変換素子7によって熱電変換され、配線8を介して外部に出力される。
2 母体
21 集光部
22 支柱
3 凸レンズ
4 空洞
5 熱伝導板
51 天盤(b部)
52 両脚部
52a n脚部(a部)
52b p脚部(c部)
6 発電装置
7 熱変換素子
8 配線
F 接合点
S1 入射光
S2 反射光
S3 再入射光
Claims (5)
- 茸型ドーム様式形状を母体とし、母体の外殻に凸レンズを蜂の巣状に配列する集光装置。
- 母体の内部に空洞が形成され、
空洞内の凸レンズの焦点位置に、母体の空洞の中に発生する焦点熱Aを吸収させる為の熱伝導板を配置した請求項1の集光装置。 - 前記熱伝導板に発生する焦点熱Aと、焦点熱Aを放射線状に反射した反射熱Bを母体の内部に蓄積した請求項1又は2の集光装置。
- 熱伝導板を、a部(日昇時)、b部(南中時)、c部(日降時)に分け、日昇から日降までの太陽光を追跡し、採光する請求項1〜3の集光装置。
- 請求項1〜4の集光装置を用いて、焦点熱Aと反射熱Bの双方に依って、蓄積した2つの熱量を熱源とし熱変換素子に依り電気エネルギーに変換する発電装置。
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