JP2015094534A - トラフ型太陽熱集熱器 - Google Patents

Abstract

【課題】反射鏡に入射する全直達日射量を有効に利用することができ、集熱効率に優れたトラフ型太陽熱集熱器を提供する。【解決手段】トラフ型反射鏡で反射した太陽光を集熱管に集熱するトラフ型太陽熱集熱器において、反射鏡の背面もしくは反射鏡の下部に、反射鏡を回転させて反射鏡を太陽光に追尾させる駆動部（回転ギアやチェーンなど）を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光を集熱管に集光して太陽熱エネルギーを集熱するトラフ型太陽熱集熱器に関する。

化石燃料の消費に伴う地球温暖化の防止や地球規模でのエネルギー供給安定化の一助として、再生可能エネルギーの利用促進が図られている。再生可能エネルギーには太陽エネルギーや風力、波力、地熱などがあり、それぞれ効率的な利用方法が検討されている。また、太陽エネルギーとして、太陽光を直接利用するシステムと、太陽熱の形で利用する場合が有る。

太陽熱を利用する場合、トラフ型の反射鏡で集熱管に集光し、集熱管内の流体を加熱して、熱媒体として用いるトラフ型太陽熱集熱器が知られている。例えば特許文献１の技術がある。具体的には、放物線形状の反射鏡の回転軸に集熱管を配置して、反射鏡で反射させた太陽光を集熱管に集光し、集熱管内の流体を加熱させる技術が開示されている。これまでのトラフ型太陽熱集熱器では、反射鏡と集熱管をフレームで一体化した構成が用いられている。

ＵＳ２００８／００７８３８０Ａ１

従来、トラフ型太陽熱集熱器の反射鏡の多くは、南北方向に回転軸が設けられ、日中の太陽の動きに合わせて東から西にその回転軸の周りを反射鏡が回転することで、太陽光に反射鏡が常に正対した状態で追尾するように構成される。すなわち、太陽光追尾機能により、逐次、太陽光を集熱管に線集光させて集熱している。

また、一般的にトラフ型反射鏡の放物曲面を形成する部材として反射鏡の両端に強度部材であるミラーフレームや、反射鏡を回転するためのチェーン円盤などが設けられる。これらの部材は太陽光が反射鏡に入射する際に、反射鏡へ影を落とす要因となるため、集熱管へ入射する入射光は、実質の反射鏡の投影面積より少なくなる。したがって、一日のうちの太陽光追尾を通しての集熱効率は、反射鏡の投影面積よりもおよそ5〜20％低い値になる。

すなわち、従来技術では、例えば、一面の反射鏡の両端にフレームを設けて、それらのフレームに集熱管を貫通もしくは固定する構造のため、太陽高度および日照時間帯によっては反射鏡にフレームの影が写り、反射鏡の全面を有効に利用できていないという課題がある。

本発明の目的は、反射鏡に入射する全直達日射量を有効に利用することができ、集熱効率(＝加熱媒体の得た熱量/太陽光の入射熱量)に優れたトラフ型太陽熱集熱器を提供することにある。

本発明のトラフ型太陽熱集熱器は、反射鏡の背面もしくは反射鏡の下部に、反射鏡を回転させて反射鏡を太陽光に追尾させる駆動部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、反射鏡に入射する太陽光を集熱管に線集光するにあたり、反射鏡と集熱管との間に介在していた太陽光を遮る部材が基本的に取り除かれるので、従来よりも集熱効率を向上したトラフ型太陽熱集熱器を提供することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例のトラフ型太陽熱集熱器の正面図である(実施例１)。 本発明の実施例のトラフ型太陽熱集熱器の側面図である(実施例１)。 本発明の他の実施例のトラフ型太陽熱集熱器の正面図である(実施例２)。 本発明の他の実施例のトラフ型太陽熱集熱器の正面図である(実施例３)。 本発明の他の実施例のトラフ型太陽熱集熱器の部分的な正面図である(実施例４)。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて詳細に説明する。

先ず、本発明に至った経緯について説明する。本発明者等は、トラフ型太陽熱集熱器を用いて太陽光追尾による集熱実験を試みた。その結果、反射鏡に影を落とす要因となる部材として、次の知見を得た。

1)反射鏡からの反射光を集熱管に集めるため、集熱管自身が常時反射鏡の中心軸上に影を落とす構造は本質的に避けられない。
2)集熱管を支持する反射鏡から伸びたサポートも反射鏡に影を落とす。
3)反射鏡の両端にある放物曲面を形成するためのミラーフレームも反射鏡に影を落とす。
4)反射鏡を回転するチェーンを動かすために設けられた回転軸の円盤状回転ギアも反射鏡に影を落とす。特に集熱管を回転軸とする場合は、集熱管を回転軸とした円盤状回転ギアの影が占める比率が大きい。

上記の知見を基に、集熱管を回転軸とするトラフ型太陽熱集熱器においては、集熱管と反射鏡との間にできる限り連結部材は使用せずに太陽光自動追尾が可能とする構造が望ましいと考え、下記のように構成することが望ましいことを見出した。

すなわち、集熱管は集熱管の外径以下の支柱で支持すると共に、通常、集熱管と反射鏡との間に設けられるミラーフレームを削除し、かつ円盤状回転ギアを反射鏡の下部に設置する構成とすることである。

これらによって、反射鏡と集熱管との間に介在していた太陽光を遮る部材（反射鏡に影を落とす部材）を取り除き、反射鏡への太陽光入射量を最大にするトラフ型太陽熱集熱器の構造を提供することが可能となる。

なお、本発明に関わるトラフ型太陽熱集熱器とは、太陽光を反射する鏡の曲面が放物線形状となっており、反射鏡に入射した平行光(直達日射光という)が集熱管に線集光する構造を有し、かつ反射鏡の回転軸が集熱管の中心軸に一致する集熱器を指す。したがって、トラフ型太陽熱集熱器では、太陽光を追尾する反射鏡は集熱管を回転軸として太陽光の日射方向に逐次追尾する。

トラフ型太陽熱集熱器の基本的な構成要素は、熱媒体を流通させる集熱管および集熱管の支持部材と、その集熱管に太陽光を反射して線集光させる放物線形状の反射鏡と、この反射鏡を太陽光に追尾して駆動させる回転ギアおよびモータである。本発明では、太陽光を集熱管に線集光させる際に、反射鏡に影を落とす部材を可能な限り削除しつつ、反射鏡の太陽光追尾を可能とするものである。

本発明の実施例１を図１により具体的に説明する。
図１は、直達日射光13を集熱管1に線集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱するトラフ型太陽熱集熱器の正面図である。図１は図２におけるＡ-Ａ矢視図を示す。
図１において、本実施例のトラフ型太陽熱集熱器は、熱媒体を流通させる集熱管1と、直達日射光13を反射させる反射鏡2、反射鏡2を補強する反射鏡外郭3および反射鏡2と反射鏡外郭3とを連結する接続板4と、集熱管1を支える支柱5と、支柱5の最下部に位置するベース台6と、支柱5に設けられたモータ駆動軸7と、反射鏡外郭3を太陽光の角度に追尾駆動させるための回転ギア8と、モータ駆動軸7から回転ギア8に回転力を伝達するチェーン12から構成される。モータ駆動軸7にはチェーン12と噛み合うチェーンホイール7aが設けられている。

図２に図1のトラフ型太陽熱集熱器の側面図を示す。図２は反射鏡外郭3の長手方向から見た図である。図２では１枚の反射鏡2について記載しているが、モータ駆動軸7を回転させるモータ15は複数枚の反射鏡2に対して１台の割合で構わず、図２のように反射鏡2ごとにモータ15を設ける必要は無い。
モータ15はモータ駆動軸7に連結され、モータ駆動軸7の両側に設けられたチェーンホイール7ａと、ギア駆動軸10および11にそれぞれ設けられたチェーンホイール10a（駆動軸11に設けられたチェーンホイールは図示省略）と、チェーン12を介して、モータ15の回転がギア駆動軸10および11に伝達される。また、ギア駆動軸10および11の両側には回転ギア8が左右に２台ずつ、計４台が設置されている。４台の回転ギア8は反射鏡外郭3の表面（背面）に設けた回転ギア溝14にはめ込むように設けられる。集熱管1は反射鏡2の両端近傍に設けた支柱5で支えられ、支柱5はベース台6に保持されている。支柱5には前述のモータ駆動軸7とギア回転軸10および11が設置される（支柱5には回転軸10および11を支持するフレームが設けられているが図示省略している。）。

次に、図１および図２に示す実施例の動作を説明する。

本実施例では、太陽からの直達日射光13を反射鏡2で反射させて集熱管1に集光し、集熱管１内の熱媒体を加熱する。この場合は、反射鏡2の断面形状は、平行光である直達日射光13を集熱管1の表面に直線的に焦点を結ぶように、パラボリックトラフ型(通称トラフ型)と呼ばれる放物線形状となっている。但し、太陽高度が時々刻々と変化するので、トラフ型の反射鏡2も太陽の方角に一致させるべく、太陽光の入射方向に角度を変える動作いわゆる追尾動作が必要であり、反射鏡2を時々刻々と回転させることで達成される。

本実施例では、放物曲面の反射鏡2を回転させるために、接続板4を用いて半円弧状の反射鏡外郭3を反射鏡2に合体して、反射鏡外郭3を回転させることにより、集熱管1を回転軸として反射鏡2を回転できるようにしている。集熱管1と反射鏡2との間に反射鏡2を回転させる回転ギア8などを設けるとその回転ギア8などが反射鏡2に影を落とし集熱効率が低下するため、回転ギア8は反射鏡外郭3の背面側ないしは下側に設置する。加えて、図２のように、反射鏡外郭3の長手方向の両側に回転ギア8を２台ずつ置き、計４台の回転ギア8を反射鏡外郭3に設けた回転ギア溝14にはめ込むことで反射鏡2の位置が保持される。太陽光の方向に反射鏡2を追尾させる場合は、モータ15によりモータ駆動軸7を回転させてチェーン12で連結されたギア駆動軸10および11を所望の方向に回転させることで、反射鏡外郭3および反射鏡2が集熱管1を中心に回転し、常に集熱管1に直達日射光13が集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱する。

本実施例においては、集熱管1と反射鏡2との間に連結部材を用いず非接触構成としたので、反射鏡2に入射し集熱管1に反射する直達日射光13の影となる部品が少なく、集熱効率(＝加熱媒体の得た熱量/太陽光の入射熱量)を向上できる。また、４台の回転ギア8に反射鏡外郭3を組み合わせたので安定した姿勢で集熱ができる。

次に、図３を用いて本発明の実施例２を説明する。なお、実施例１と異なる点を中心に説明する。
図３は、直達日射光13を集熱管1に線集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱するトラフ型太陽熱集熱器の正面図である。図３において、本実施例のトラフ型太陽熱集熱器は、モータ駆動軸7から直接的に回転ギア8に回転力を伝達するように構成される。実施例２でも、反射鏡外郭3の背面に回転ギア溝14が設けられており、回転ギア8が回転ギア溝14に噛み合っている。

１枚の反射鏡2については、回転ギア8は反射鏡2の長手方向の両側に１台ずつ、計２台を置いて反射鏡2の回転を制御している。このように、実施例２では１枚の反射鏡外郭3に接触する回転ギア8が２台ゆえ、反射鏡2の姿勢が安定しにくい。このため、実施例２では反射鏡外郭3の長手方向の両側にテンションベルト16を接続して、そのテンションベルト16をベース台6の内部に貫通させることで反射鏡外郭3の両側からテンションを与えて反射鏡2の姿勢を安定的に保持している。

次に、図３の実施例の動作を説明する。基本的な動作は実施例１と同様である。
本実施例では、モータ駆動軸7から直接的に回転力が伝達される回転ギア8が反射鏡外郭3の背面に設けた回転ギア溝14に噛み合うように設置されている。太陽光の方向に放物曲面の反射鏡2を追尾させる場合は、モータ駆動軸7を回転させて直接的に回転ギア8を回転させる。反射鏡2が回転している間は、常にテンションベルト16により反射鏡外郭3とベース台6との間に一定のテンションがかかり、風圧などの外乱の影響を抑制する。これにより、反射鏡外郭3および反射鏡2が集熱管1を中心に回転し、常に集熱管1に直達日射光13が集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱する。

本実施例においても、集熱管1と反射鏡2との間に連結部材を用いず非接触構成としたので、反射鏡2に入射し集熱管1に反射する直達日射光13の影となる部品が少なく、集熱効率(＝加熱媒体の得た熱量/太陽光の入射熱量)を向上できる。また、１枚の反射鏡2あたりに２台の回転ギア8で済み、チェーン12の代わりにテンションベルト16を用いるので、コストを削減できる。

次に、図４を用いて本発明の実施例３を説明する。実施例１及び実施例２と異なる点を中心に説明する。
図４は、直達日射光13を集熱管1に線集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱するトラフ型太陽熱集熱器の正面図である。図４において、本実施例のトラフ型太陽熱集熱器は、実施例２と同様に、モータ駆動軸7から直接的に回転ギア8に回転力を伝達するように構成される。そして、実施例３では、反射鏡外郭3の背面に接するように支柱5にスライド支持部17が設けられている。支柱5は両側に設けられているので、スライド支持部17は１枚の反射鏡外郭3に２ヶ所設置されている。

１枚の反射鏡2については、回転ギア8は反射鏡2の長手方向の両側に１台ずつ、計２台を置いて反射鏡2の回転を制御している。なお、反射鏡2の姿勢を安定させるため、反射鏡外郭3の長手方向の両側にチェーン18を接続して、そのチェーン18に噛み合った回転ギア8を回転させることで反射鏡2の姿勢を保持している。チェーン18と反射鏡外郭3の接続は接続部19を介して行われている。

次に、図４の実施例の動作を説明する。基本的な動作は実施例１や実施例２と同様である。
本実施例では、太陽光の方向に放物曲面の反射鏡2を追尾させる場合は、モータ駆動軸7を回転させて直接的に回転ギア8を回転し、チェーン18を介して反射鏡2を所望の方向に回転させる。反射鏡外郭3はスライド支持部17上をスライドしながら所望の回転角度に制御される。反射鏡外郭3と回転ギア8が常にチェーン18により連結されていることで、風圧などの外乱の影響を抑制できる。これにより、反射鏡外郭3および反射鏡2が集熱管1を中心に回転し、常に集熱管1に直達日射光13が集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱する。

本実施例においても、集熱管1と反射鏡2との間に連結部材を用いず非接触構成としたので、反射鏡2に入射し集熱管1に反射する直達日射光13の影となる部品が少なく、集熱効率(＝加熱媒体の得た熱量/太陽光の入射熱量)を向上できる。また、１枚の反射鏡外郭3に２ヶ所のスライド支持部17を設けて反射鏡2の位置を確定し、チェーン18によって回転ギア8と反射鏡外郭3とを直接連結しているので反射鏡2の角度制御の精度を向上できる。

次に、図５を用いて本発明の実施例４を説明する。実施例１〜３と異なる点を中心に説明する。
図５は、直達日射光13を集熱管1に線集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱するトラフ型太陽熱集熱器の正面図である。図５において、本実施例のトラフ型太陽熱集熱器は、実施例２や実施例３と同様に、モータ駆動軸7から直接的に回転ギア8に回転力を伝達するように構成される。そして、実施例４では反射鏡外郭3の背面に接するように支柱5にローラー20が設けられている。支柱5は両側に設けられているので、ローラー20は１枚の反射鏡外郭3に２ヶ所設置されている。

１枚の反射鏡2については、回転ギア8は反射鏡2の長手方向の両側に１台ずつ、計２台を置いて反射鏡2の回転を制御している。なお、反射鏡2の姿勢を安定させるため、接続部19を介して、反射鏡外郭3の長手方向の背面両側の中間地点にチェーン18を接続して、そのチェーン18に噛み合った回転ギア8を回転させることで反射鏡2の姿勢を保持している。

次に、図５の実施例の動作を説明する。基本的な動作は実施例１〜実施例３と同様である。
本実施例では、太陽光の方向に放物曲面の反射鏡2を追尾させる場合は、モータ駆動軸7を回転させて直接的に回転ギア8を回転し、チェーン18を介して反射鏡2を所望の方向に回転させる。反射鏡外郭3はローラー20上を転がりながら所望の回転角度に制御される。なお、反射鏡外郭3の姿勢を安定させるため、ローラー20は複数個を並べて設置（例えば、支柱５に横方向に延在するフレーム（図示省略）を設けて複数個のローラー20を設置）しても良い。反射鏡外郭3と回転ギア8が常にチェーン18により連結されていることで、風圧などの外乱の影響を抑制できる。これにより、反射鏡外郭3および反射鏡2が集熱管1を中心に回転し、常に集熱管1に直達日射光13が集光し、集熱管1内の熱媒体を加熱する。

本実施例においても、集熱管1と反射鏡2との間に連結部材を用いず非接触構成としたので、反射鏡2に入射し集熱管1に反射する直達日射光13の影となる部品が少なく、集熱効率(＝加熱媒体の得た熱量/太陽光の入射熱量)を向上できる。また、１枚の反射鏡外郭3背面の中間地点にチェーン18を設けたので回転ギア8を小型化できる。

本発明のトラフ型太陽光集熱器は、集熱媒体の温度レベルによって、空調機や冷凍機の熱源のほか、植物工場の熱源あるいは、冬季の融雪熱源としても利用可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１ 集熱管
２ 反射鏡
３ 反射鏡外郭
４ 接続板
５ 支柱
６ ベース台
７ モータ駆動軸
８、９ 回転ギア
１０、１１ ギア駆動軸
１２、１８ チェーン
１３ 直達日射光
１４ 回転ギア溝
１５ モータ
１６ テンションベルト
１７ スライド支持部
１９ 接続部
２０ ローラー

Claims (10)

1. トラフ型反射鏡で反射した太陽光を集熱管に集熱するトラフ型太陽熱集熱器であって、
   前記反射鏡の背面もしくは前記反射鏡の下部に、前記反射鏡を回転させて前記反射鏡を太陽光に追尾させる駆動部を設けたことを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
2. 請求項１に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記反射鏡の背面となる反射鏡外郭の形状は半円弧状に形成され、
   前記駆動部は回転ギアで構成され、
   前記半円弧状に形成された反射鏡の背面に前記回転ギアと噛み合う回転ギア溝が形成されていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
3. 請求項２に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記駆動部は、前記回転ギアを前記回転ギアの下方に設けられた駆動軸によりチェーンを介して駆動するように構成されていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
4. 請求項３に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記回転ギアは、前記反射鏡１枚に付き４台設けられていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
5. 請求項２に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記駆動部は、前記回転ギアを支持し回転駆動する駆動軸を備えていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
6. 請求項５に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記回転ギアは前記反射鏡１枚に付き２台設けられており、
   前記反射鏡の長手方向の両側に接続されたテンションベルトを備え、
   前記テンションベルトは、前記トラフ型太陽熱集熱器のベース台を貫通するように設けられていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
7. 請求項１に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記反射鏡の背面に接触して前記反射鏡の回転を支えるスライド支持部を備え、
   前記駆動部は、前記反射鏡の下部で、かつ、前記スライド支持部の下方に設けられていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
8. 請求項７に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記駆動部は、回転駆動される回転ギアと、前記回転ギアで駆動され、前記前記反射鏡の長手方向の両側に接続するチェーンとを備えることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
9. 請求項１に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
   前記反射鏡の背面に接触して前記反射鏡の回転を支えるローラーを備え、
   前記駆動部は、前記反射鏡の下部で、かつ、前記ローラーの下方に設けられていることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。
10. 請求項９に記載のトラフ型太陽熱集熱器において、
    前記駆動部は、回転駆動される回転ギアと、前記回転ギアで駆動され、前記前記反射鏡の長手方向の左右両面に接続するチェーンとを備えることを特徴とするトラフ型太陽熱集熱器。

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