JP5417090B2

JP5417090B2 - 太陽光線熱変換装置

Info

Publication number: JP5417090B2
Application number: JP2009202714A
Authority: JP
Inventors: 勝重中村
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: JP2010085079A

Description

本発明は太陽光線熱変換装置に関するものである。

太陽光線をヘリオスタットと称される複数の反射ミラーで、高いタワーの頂部に支持されたセンターミラーへ向けて反射し、センターミラーから下向きに反射された太陽光線を一点に集めて熱を得るビームダウン式の太陽集光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種のビームダウン構造の場合、下向きに反射された太陽光線で金属製のコイル等を直接加熱し、内部に循環した水を水蒸気に変換したりするのが一般的である。

特開平１１−１１９１０５号公報

しかしながら、従来のように、太陽光線で金属コイルを直接加熱する構造では、金属コイルの表面の金属色により太陽光線が反射され、効率の良い熱変換を行うことができない。金属コイルの表面は太陽光線により高温になるため、表面に黒色塗装を施しても剥がれやすい。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、太陽光線を効率良く熱に変換することができる太陽光線熱変換装置を提供するものである。

請求項１記載の発明は、上部開放型の耐熱容器内に低融点熱媒体を保持し、耐熱容器の上部を耐熱透明ガラスでカバーすると共に、耐熱透明ガラスと低融点熱媒体との間の空間を希ガス雰囲気又は真空雰囲気にし、低融点熱媒体の表面に黒色炭素材料を浮かべた構造であって、下向きに反射された太陽光線を耐熱透明ガラスを介して黒色炭素材料で受光することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、低融点熱媒体が、錫、鉛、半田の何れかの低融点金属であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、低融点熱媒体が、溶融塩であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、希ガスが窒素ガスであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、黒色炭素材料が粉状であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、黒色炭素材料が固体であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、黒色炭素材料が板状であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、低融点金属内に熱交換用のパイプが設けられていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、低融点熱媒体の表面に黒色炭素材料を浮かべ、その黒色炭素材料が太陽光線を受けるため、太陽光線の吸収率が高い。従って、黒色炭素材料により太陽光線は効率良く熱に変換され、その熱により低融点熱媒体が溶解するため、所定の量の熱源をそこに形成することができる。黒色炭素材料は一般大気中では高温で燃焼するが、本装置では希ガス雰囲気又は真空雰囲気のため、燃焼することはない。低融点熱媒体は、溶解して液状の熱源となるため、耐熱容器の形状に応じていかなる形態をとることも可能で、熱交換も容易であり、熱として利用し易い。

請求項２記載の発明によれば、低融点熱媒体が、錫、鉛、半田の何れかの低融点金属であるため、高い温度の液状熱源が得られる。

請求項３記載の発明によれば、低融点熱媒体が溶融塩であるため、コストの面で有利であり、装置の大型化が容易である。

請求項４記載の発明によれば、希ガスが窒素ガスのため、コストの面で有利である。

請求項５記載の発明によれば、黒色炭素材料が粉状であるため、低融点熱媒体の表面を隙間なく覆うことができる。

請求項６及び７記載の発明によれば、黒色炭素材料が板状等の固体であるため、黒色炭素材料が取り扱い易い。

請求項８記載の発明によれば、低融点熱媒体内に熱交換用のパイプが設けられているため、パイプは溶解した低融点熱媒体と隙間なく接し、低融点熱媒体とパイプとの間の熱交換効率が高い。

本発明の第１実施形態に係る太陽光線熱変換装置を適用した太陽集光装置を示す概略図。熱変換装置を示す断面図。黒色炭素材料を錫の表面に浮かべた状態を示す断面図。本発明の第２実施形態に係る黒色炭素材料を錫の表面に浮かべた状態を示す断面図。

（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明の第１実施形態を示す図である。符号１は楕円鏡で、支持タワー２により所定の高さ位置に下向き状態で設置されている。楕円鏡１はその鏡面形状が楕円体の一部で、下方には、第１焦点Ａと、第２焦点Ｂが存在する。この楕円鏡１の下方には、太陽光線Ｌを熱エネルギーに変換するための熱変換装置３が設置されており、該熱変換装置３の上部には、テーパ筒状の集光鏡４が設置されている。そして、熱変換装置３の周囲の地上には、楕円鏡１を取り囲んだ状態で、多数のヘリオスタット５が設けられている。

各ヘリオスタット５は、反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過するように図示せぬセンサーにより制御される。ヘリオスタット５で反射された太陽光線Ｌが第１焦点Ａを通過しさえすれば、楕円鏡１で下向きに反射されて、必ず第２焦点Ｂに集光され、集光鏡４を経由して熱変換装置３に到達する。

次に、熱変換装置３の説明をする。

鉄製の耐熱容器６は上部開放型で、内部には低融点熱媒体としての錫７が保持されている。耐熱容器６の周囲は耐火レンガ８により囲まれており、耐熱容器６の熱が外部へ逃げないようにされている。耐火レンガ８の周囲を更にＡＬＣ（軽量気泡コンクリート）で囲んでも良いし、耐火レンガ８に代えてＡＬＣを利用しても良い。

耐熱容器６の上部は耐熱透明ガラス９によりカバーされ、錫７と耐熱透明ガラス９との空間Ｓには窒素ガスが充満されている。窒素ガスは空間Ｓの一方の図示せぬ入口から少量ずつ供給され且つ他方の図示せぬ出口から少量ずつ排出され、常に窒素ガスが充満した状態になっている。空間Ｓは窒素ガス以外の希ガス（例えばアルゴン）を充満させても良い。また、空間Ｓ内を真空にしても良い。

錫７の表面には、粉末状の黒色炭素材料（カーボン）１０が浮かべた状態で設けられている。黒色炭素材料１０の方が錫７よりも比重が小さいため、必ず錫７の表面に浮かんだ状態となり、錫７の内部へ沈下することはない。黒色炭素材料１０の粉体は所定の厚さで錫７の表面全体を覆っている。

耐熱容器６の内部には、錫７を蛇行しながら通過する熱交換用のパイプ１１が設けられている。パイプ１１内には、一方側から水Ｗが供給されるようになっている。

以上のような熱変換装置３に対して、下向きに反射された太陽光線Ｌが照射されると、太陽光線Ｌは耐熱透明ガラス９を透過して黒色炭素材料１０に受光される。黒色炭素材料１０が黒色のため、高い吸収率（約９５％）で吸収され熱に変換される。黒色炭素材料１０は熱伝導率が良いため、変換された熱は錫７に伝達される。温度が融点（２３２°Ｃ）に達すると、錫７は溶解して液状になる。黒色炭素材料１０が粉体であるため、錫７の表面を浮遊して隙間なく覆うことができ、太陽光線Ｌを効率良く熱に変換することができる。また、局所的な対流等により粉体のムラができて錫７の表面の一部が露出した場合には、その部分の熱吸収効率が低下して対流を抑制する作用が機能するため一様な粉体の分布を維持することができる。

黒色炭素材料１０は大気中では高温になると燃焼して酸化するが、熱変換装置３では窒素ガス雰囲気中のため、燃焼することはない。尚、真空雰囲気にした場合も、黒色炭素材料１０の燃焼は防止される。

錫７が溶解することにより、錫７は所定の量の熱源となり、錫７の中に設けられたパイプ１１を通過する水Ｗを水蒸気Ｖに変換して、他方側より排出する。排出された水蒸気Ｖによりタービンを回して発電することができる。特に、溶解した錫７は濡れ性にすぐれパイプ１１に対して隙間なく接するため、錫７とパイプ１１との間の熱交換効率が良く、錫７の熱により効率良く水蒸気Ｖを発生させることができる。

錫７は、溶解して液状の熱源となるため、耐熱容器の形状に応じていかなる形態をとることも可能で、溶解した錫７を熱移動流体として、他の装置に循環することもできる。

また、パイプ１１内に熱移動流体として空気を通過させても良い。パイプ１１を通過した空気は高温となり、他の装置に循環することにより、その装置に錫７の熱を移動させることができる。

更に、低融点熱媒体として、錫７の代わりに、鉛、半田等の低融点金属を使用することも可能である。また、黒色炭素材料１０としては、通常のカーボンだけでなく、いわゆるカーボンナノチューブも含む。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態では、低融点熱媒体として、錫７に代えて溶融塩１３を利用した。溶融塩１３は、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物で、融点である約１４０°Ｃ程度で液状になる。溶融塩１３の表面に板状に成形した黒色炭素材料１２を複数浮かべた。黒色炭素材料１２が板状に成形された固体であるため、黒色炭素材料１２の取り扱いが容易である。板状の黒色炭素材料１２の形状はいかなる形状でも良い。また、板状の他にも、複数のボール状、或いは繊維状の固体にして浮かべても良い。

溶融塩１３は、それだけを使用しても良いし、加熱しても溶解しない固体蓄熱材を混ぜて使用しても良い。

１楕円鏡
２支持タワー
３熱変換装置
４集光鏡
５ヘリオスタット
６耐熱容器
７錫（低融点熱媒体）
８耐火レンガ
９耐熱透明ガラス
１０黒色炭素材料
１１パイプ
１２黒色炭素材料
１３溶融塩（低融点熱媒体）
Ａ第１焦点
Ｂ第２焦点
Ｌ太陽光線
Ｓ空間
Ｗ水
Ｖ水蒸気

Claims

上部開放型の耐熱容器内に低融点熱媒体を保持し、
耐熱容器の上部を耐熱透明ガラスでカバーすると共に、耐熱透明ガラスと低融点熱媒体との間の空間を希ガス雰囲気又は真空雰囲気にし、
低融点熱媒体の表面に粉体の黒色炭素材料を浮かべた構造であって、
下向きに反射された太陽光線を耐熱透明ガラスを介して黒色炭素材料で受光することを特徴とする太陽光線熱変換装置。
低融点熱媒体が、錫、鉛、半田の何れかの低融点金属であることを特徴とする請求項１記載の太陽光線熱変換装置。
低融点熱媒体が、溶融塩であることを特徴とする請求項１記載の太陽光線熱変換装置。
希ガスが窒素ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光線熱変換装置。
低融点熱媒体内に熱交換用のパイプが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽光線熱変換装置。