JP2015049015A - 集光器 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率を向上させつつ、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集光器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の集光器は、受光面１１に一定間隔で配列され、受光面１１に対して垂直に配列されたカーボンナノチューブ２０を備え、カーボンナノチューブ２０が、耐酸化性を有する被覆膜２１で覆われていることを特徴とする。受光面１１に一定間隔で配列され、受光面１１に対して垂直に配列されたカーボンナノチューブ２０を備えることによって、光を集光器１０の外部へ逃がすことによるエネルギー損失を抑えることができ、集光器１０のエネルギー効率を向上させることができる。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２１で覆われていることによって、カーボンナノチューブ２０の酸化・焼失を防止できるため、集光器１０のエネルギー効率を維持することができる。【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０１２−９２６８８号公報 特開２００９−２５７７５３号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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