JPH05506495A - ソーラールーフコレクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ソーラールーフコレクタ 技術分野 本発明はエネルギー生産の一般分野、また特に、太陽エネルギーを機械的なエネ ルギーに変換するソーラールーフコレクタに関するものであり、更に、太陽熱を 屋根の上で集熱する構造体に使用するソーラーコレクタに関するものである。

技術背景 太陽エネルギーは、従来の燃料、又は核燃料を利用する通常のエネルギー生産技 術に代わる魅力的なものと多くの人々に考えられている。太陽エネルギーは豊富 であり、環境に安全であり、回収でき、至るところで入手することができる。こ の理由のため、使用するのに最も便利な電気的、熱的、又は機械的エネルギーに 太陽エネルギーを変換する高効率のシステムを開発するため、著しい努力と大変 な資金とが投じられてきた。

一般に、太陽熱変換システムは２つのカテゴリーに分類することができる。第１ のカテゴリーに属するシステムは、ある形式のヒートコレクタを利用している。

このヒートコレクタは、太陽からの輻射熱に露出されていて、熱を吸収する作動 流体を運ぶものであり、この作動流体を使用してタービンのような発電グループ を駆動している。熱の捕集を増大させるため、反射装置、又は屈折装置によって 作動流体の通路上に、太陽輻射線が焦点を合わせるよう構成している。この形式 のシステムは、比較的高い効率で作動するが、この光学フォー力スイングシステ ムを太陽に対して最適の角度に維持するため、成る種の高価で複雑な追跡装置を 必要とする欠点がある。

太陽熱変換システムの第２のカテゴリーに属するシステムは、種々の形式の光電 池装置を具え、太陽の輻射線を直接電力に変換している。しかし、この形式のシ ステムは広い市場の要求に合致する必要な効率があげられず、従ってその用途は 著しく狭いものとなっている。

発明の開示 本発明の目的は通常のソーラールーフエネルギー変換装置より一層高い効率で作 動し、建築物に使用するソーラールーフコレクタを得るにある。

本発明の他の目的は建物の中に太陽光線が入るよう良好な光透過性を有するソー ラールーフコレクタを得るにある。

本発明の更に他の目的は直接電力を発生することができるソーラールーフコレク タを得るにある。

本発明の他の目的は選択的な光反射特性、又は光屈折特性を有し、ソーラールー フシステムとともに使用する改良したソラールーフコレクタを得るにある。

本発明の１局面において、本発明はガスタービン、又はピストン装置のような通 常のエネルギー変換装置を作動させるほど温度が十分高くなっていない作動流体 を、通常のエネルギー変換システムを直接駆動できる一層高い温度の作動流体に 変換し得る２段コレクタを有するソーラールーフシステムを提供する。

この２段コレクタは、可視光線に対し透明、又は半透明であり、ソラールーフシ ステムを取り付けた建物内に、可視光線を透過させることができる。このソーラ ールーフシステムの第１段では、１９８３年７月２６日発効の本願人のカナダ特 許第１１５０５８６号に記載されたソーラーコレクタの概念に一部もとづくプレ ートコレクタを具え、このプレートコレクタの光透過性導管に水のような作動流 体を流し、この導管を冷却するとともに、この導管を透過する太陽輻射線から熱 を吸収するようにしている。

第２段では、第１段で暖められた作動流体を受理し、蒸発凝縮工程を経て、一層 高温の作動流体を発生させる。機械的エネルギーを発生するエネルギー変換装置 を駆動するのにこの高温の作動流体を使用する。また特に、この第２段階では、 光透過性ダクトと、このダクト内に気流を発生させるためこのダクトに連結した プロワ−のような空気移動装置とから成る蒸発冷却装置を具える。第１段からの 予熱した作動流体をこのダクトに流すが、薄い被膜の形で流すのがよい。このダ クト内の空気の循環によって、成る量の作動流体を迅速に蒸発させ、これにより 蒸発の潜熱に等しい熱を作動流体から抽出する。従って復帰の作動流体は、入口 の作動流体より低温である。空気を含む渾気を、渦流沈降装置のような＃検装置 に通し、凝縮の結果として相当の量の作動流体と熱とを発生させる。この熱をエ ネルギー変換装置に供給し、機械的動力を発生させる。

太陽光線に露出する光透過性ダクトに作動流体が通る結果として、このコレクタ の第２段で作動流体に成るエネルギー人力が与えられる。

更に、２段コレクタの上方に位置し、スペクトルの可°視光線の範囲、及び赤外 線の範囲の光に対しほぼ透明で、高品質の集熱システムをこのソーラールーフシ ステムに設けるのが好適である。作動流体を運ぶ１個、又はそれ以上の導管に向 け、紫外線のような波長の短い見えない輻射線を指向させる焦点システムを、こ の高品質の集熱システムに設ける。この熱の移送の結果、作動流体は過熱され、 エネルギー変換装置を駆動するためにこの作動流体を使用することができる。

また、プレートコレクタからの低位の熱を蓄えるために使用できる熱質量体をこ のソーラールーフシステムに設けるのが好適である。蒸発冷却装置にとって必要 な時に、この熱を供給することができる。この熱質量体として最も簡単な形は、 良好な熱絶縁性を有する作動流体のための貯水タンクである。蒸発冷却装置によ って作動するタービンから排出された熱をこの熱質量体に分散させ、このシステ ムのエネルギー損失を減少させるのが有利である。

このシステムのポンプ、ブロワ−等のように動力で作動する種々の作動構成部材 に、電力のような動力を供給するために、この高品質の２段コレクタを使用して もよい。動力入力がこのシステムの動力出力を上回った時、この超過エネルギー を電池、機械的装置等に蓄えてもよいし、ニーテリティグリッドに供給してもよ い。

本発明ソーラールーフコレクタは、比較的高い効率を有するものと期待され、こ のソーラールーフコレクタを設置した建物の加熱費用、及び冷却費用を著しく減 少させることができるものと考えられる。冬季、及び夏季、この高品質のコレク タによって、電気的エネルギーを供給し、建物の加熱、又は冷却を助けるから、 加熱システム、及び冷却システムに入力する必要なエネルギーを減らすことがで きる。夏季は、この２段コレクタによって、熱を吸収して屋根構造を冷却し、そ れにより有用なエネルギーを発生し、しかも熱が建物に入るのを防止することに よって、建物の冷却システムに加わる熱的負荷を減らすことができる。光透過性 であることは、このソーラールーフシステムの他の望ましい要旨であり、これに より照明費用を減少させることができる。

本発明の好適な実施例では、１９８４年１２月２７日に発効した本願人のカナダ 特許第１１７９８２１号に開示した取り外し可能な発泡絶縁システムを、ソーラ ールーフコレクタに補足的に設ける。

本発明の他の局面では、作動流体を運ぶ導管と、この導管内の流体を加熱するた め紫外線のような比較的波長の短い輻射線を導管に同は指向させるフォー力スイ ング構造とを具えるソーラーフォーカスイングコレクタを提供する。このフォー カスイング構造はスペクトルの可視範囲の輻射線に対しほぼ透明であり、従って 、建物に太陽光線が入るのを妨げることなく、ソーラールーフコレクタの構造内 にこのフォーカスイング構造を使用することができる。

本発明の好適な実施例では、フォーカスイング構造は複数個の平行な反射空所を 生ずるよう配置した薄い反射被膜を具える。

作動流体を運ぶ真空管コレクタを、各反射空所内に取り付ける。

この薄い反射被膜を、剛固な構造体に支持してもよいし、離間した位置に懸垂し てもよいが、その最終形状はこの薄い反射被膜の両側に生ずる空気の差圧によっ て定まる。

一実施例では、作動流体を運ぶ導管に向け、紫外線を焦点合わせするのに、屈折 技術を使用してもよい。屈折被膜を構成するため、最近、開発されたマイクロエ ンボンタンク技術を使用してもよい。作動流体を運ぶ導管に向け、紫外線を集中 させるため、他の１式のレンズを使用してもよい。

本発明の他の局面では、加熱された作動流体、及び電力を発生させるためソーラ ーラジエーションフォーカスイング装宜とともに使用するのが好適なハイブリッ ドソーラーコレクタを提供する。このハイブリッドソーラーコレクタは、熱を吸 収する作動流体を運ぶ導管を内部に取り付けて排気した光透過性の筒体を具え、 この導管に集中した太陽輻射線によって作動流体が十分に加熱された時、機械的 エネルギーを発生する適切なエネルギー変換装置にこの加熱された作動流体を供 給する。１個、又はそれ以上の光電池をこの筒体に取り付け、熱的に上記導管に 連結する。この光電池は電力を直接発生する。熱を吸収する作動流体は２つの役 割を果たすことに注目すべきである。即ちその役割は、第１に、熱を捕集し、次 にこの熱を他のエネルギーの形に変換することである。第２に、光電池を冷却し 、光電池が過熱するのを防止することである。

要約すれば、本発明は、熱を吸収する作動流体を運ぶ導管と、この導管に同は太 陽の紫外線を指向させるためこの導管に連結され太陽の可視光線、及び赤外線に 対しほぼ透明な紫外線フォカスイング装置とを具えるソーラーフォカスイングコ レクタに図１は、本発明によるソーラールーフコレクタの説明を分かりやすくす るため若干の素子を省いた簡単な斜視図、図２は、本発明によるハイグレードの ソーラーコレクタの焦点位置に配置するための真空チューブの一実施例の詳細な 部分斜視図、 図３は、本発明によるソーラールーフコレクタに使用するキャノピ−装置モジュ ールの正面図、 図４は、本発明によるソーラールーフコレクタの動作を説明するブロック図、 図５は、図４に示すソーラールーフコレクタの蒸発冷却器の空気流通経路を示す 線図的説明図、 図６は、本発明によるハイグレードコレクタの他の実施例の断面図である。

主ユ■皇施旦撮 次に、図面につき説明すると、図１には、基礎１２から延びる、ルーフグリッド ビーム１４を支持する支柱１０を有する建物構造を示す。ビーム部分１６を、グ リッドビーム１４から上方に突出させ、建物の長さにわたり延在させる。各ビー ム部分１６の頂部に樋１８を設ける。

ソーラールーフ装置２０をビーム１６に支持する。ソーラールーフ装置２０は図 １に示した以外のルーフ支持構体に適用することもできる。ソーラールーフ装置 ２０は、ハイグレードコレクタ２２を有し、このハイグレードコレクタ２２はロ ーグレードコレクタ２４の上方に配置した合焦コレクタである。

ハイグレードコレクタ２２は、互いにほぼ平行な複数個のりコレクタ２８を使用 したりコレクタ組立体２６を有し、これらリフレクタ２８は、適当な支持構体３ ０によりビーム部分１６に支持する。

リフレクタ２８は、比較的軽量な薄いフィルムにより構成し、従って、重量のあ る支持構体は必要でない。リフレクタ２８は、太陽からの紫外線を、真空チュー ブコレクタ３２を配置した焦点位置に集束し、可視光線及び赤外線を透過する。

リフレクタ２８の湾曲表面は南北軸に沿って配置するｋよく、これにより太陽が 東から西に移動するにつれ、昼間のピークの日照時間中にリフレクタ２８の湾曲 表面の光軸にほぼ垂直に入射する。

図２には真空チューブコレクタ３２を示し、このコレクタ３２は内部が真空の透 明な外側チューブ３４を有する。またこのコレクタ３２には、内部に作動流体を 案内する黒色の放射線吸収中心チューブ３６と、この中心チューブの両側方に延 びて集熱に寄与しかつ集熱した熱を中心チューブ３６に伝達し、更に、チューブ ３６を外側チューブ３４のほぼ中心に位置決めするフランジ３８とを設ける。フ ォトセル４１を中心チューブ３６の両側のフランジ３８に取り付け、太陽からの 放射線エネルギを、中心チューブ３６内に通過する液体又は蒸気によって吸収す るのみならず、フォトセル４１によって電気エネルギに変臭することも行う。更 に、作動流体によりフォトセル４１を冷却し、このフォトセルの過熱を防止する ようにすると好適である。

図示しない変更例においては、外側チューブ３４の外側に反射表面を有する回転 自在のシールドを設ける。この反射シールドは、作動流体が途絶えた場合に、放 射線がコレクタに達するのを阻止するよう回転し、従って、真空チューブコレク タの過熱を防止することができるようにするとよい。他の実施例においては、真 空チューブコレクタ３２を可動にし、焦点位置から移動できるようにし、やはり 作動流体が途絶えた場合に太陽光線がこの真空チューブコレクタに直接集束して 過熱するのを防止するようにすると好適である。

ハイグレードソーラーコレクタ２２の下方に、ローグレードコレクタ２４の一部 をなすキャノピ−装置４０を配置する（図１及び図３参照）。このキャノピ−４ ０は、ジグザグ状に配置した互いに隣接する中空スリーブ４２により構成する。

図３には、互いに隣接する１対のスリーブ４２により形成したモジュールを示す 。

各スリーブ４２は、１対の傾斜した頂面及び底面の透明薄膜４４及び１対の側壁 ４６により構成する。各スリーブ４２内にはスリーブ４２の高い端部に取り付け た長手方向に延在させた作動流体分配導管４８を設ける。この導管４８により、 下側の薄膜４４を流下する作動流体例えば、水の薄いフィルムを生じ、流下した 水をスリーブ４２の下端に配置した樋５０により回収する。このタイプのキャノ ピ−装置は、上述のカナダ国特許第１，１５０，５８６号に記載されている。所 要に応じ、このキャノピ−装置には、上述のカナダ国特許第１，１７９．８２１ 号に記載の泡発生装置５２を設け、中空スリーブ４２を除去可能な泡で充填し、 一時的に例えば、夜間にキャノピ−装置を絶縁するようにすると好適である。

キャノピ−装置４０とリフレクタ２８との間には、互いに平行なエアダクト５４ を生じ、このエアダクト５４は低圧蒸発冷却器の一部をなす。蒸発冷却器（この 構造については後に詳細に説明する）は、作動流体例えば、水の薄いフィルムを 生ずる作動流体分配導管５６を有し、キャノピ−装置４０の頂部薄膜４４に作動 流体を流下させ、樋１８により回収する。ダクト５４における空気流によりこの ダクトに負圧を生じ、薄膜リフレクタ２２の両側に差圧を生じ、この差圧はりコ レクタに最終形状を与えるのに使用する。この構成によれば、薄い反射フィルム はキャノピ−装置４０の上方の若干数のポイントでのみ支持する必要がある。

ルーフ装置２０を支持する建物の床の下方には、断熱水リザーバ５８の形成の蓄 熱塊を配置する。例えば、リザーバ５８には、砂利を包囲する防水ライニング又 は水で満たした岩床を設ける。

蓄熱塊５８は建物の支持脚システム内に配置すると好適である。

ある実施例においては蓄熱塊を建物の外部に露出させるものがあり、又は他の実 施例においては深い上溝により構成するものがある。蓄熱塊５８は熱を蓄積し、 昼間に発生した熱を夜及び寒い期間中に利用することができるようになる。更に 、蓄熱塊５８は仕切って、異なる作動温度の作動流体を収納するようにするとよ い。

本発明による図１に示す構成を利用したソーラーエネルギルーフ装置の動作及び 構造を図４に示す。ハイグレードコレクタ２２は、ポンプ６０から作動流体例え ば、水を受入れ、この水を真空チューブコレクタ３２に通過させて２００　’Ｃ 又はそれ以上の温度に加熱し、この液体を蒸発させ、この蒸気を利用して既知の 構造のガスタービン６２を駆動し、次に渦巻き沈降装置６８及びボイラ７０を含 む熱交換器６６の一部をなす凝縮器６４に帰還させる。凝検器６４において、蒸 気は液体にａ縮し、この液体を再び真空チューブコレクタ３２にポンプ送給する 。

低グレードのコレクタ２４は２つの主部品、即ちプレートコレクタ７２と蒸発チ ラー７４に分けられる。プレートコレクタ７２は天蓋システム４０を含み、前記 天蓋システムはサーマルマス５８から水を受ける。前記水はポンプ７６によって 天蓋システム４０の導管４８に持ち上げられ、ガター５０を通ってサーマルマス ５８に水路を通して戻される。プレートコレクタ７２を通る水の循環は水を温め 、それによって水を供給するサーマルマスのセクションはその温度を徐々に上昇 させる。

蒸発チラー７４は送風器又は圧縮器７８の如き空気移動装置を含み、前記空気移 動装置はサーマルマス５８から天蓋システム５８の頂部上に備えた水流に対する 交差流としてダクト状空洞部５４内に空気の強制対流を生ぜしめる。この水流は 導管５６からくる天蓋システムの頂上からの薄い流れからなり、それはガター１ ８からサーマルマス５８に戻される。チラー装置への空気の流れはこの水に若干 の急速な蒸発を生ぜしめ、それによって蒸発の潜熱に等しい熱をチラー水流から 抽出する。戻し水は従って比較的冷たく、そのとき冷却されているサーマルマス ５８のセクションに戻される。このサーマルマスのセクションは比較的冷たくな る。その温度が成る限度に、例えば５０度Ｆに低下すると、チラー水の供給がサ ーマルマスの温かいセクションに切り換えられる。これらの温かいセクション中 の熱はこれらのセクションがプレートコレクタ７２のための熱蓄積として前に使 用されたときに得られて蓄えられた熱の結果である。

第５図はダクト５４と渦巻き式沈降システム６８の配置を示す。

蒸気飽和した空気流は圧縮器７８を経て業界で既知の型式の第１渦巻き式凝縮器 ６８ａに移動し、そこで突然の圧力降下を生じる。

逆流渦巻き作用と共に圧力降下は水蒸気を沈降させ、空気流から分離させる。空 気流は隣接したチラーダクトに入り、次いで、それは乾燥するにつれて隣接した チラーダクトに入る空気供給源として用いられる。次にこの乾燥した空気は逆方 向にルーフシステムの縦に沿って転向して戻り、ルーフの反対端にある同様の空 気移動装置の渦巻き式沈降器６８ｂに入る前にもう一度飽和する。従って、空気 流は再び最初に述べたチラーダクトに入る。好適には、各渦巻き式凝縮器は圧縮 器７日と組合せて、第５図に示すように単一のユニットを構成する。

第４図に示すように、渦巻き沈降システム６８はかなりの量の水と、凝縮熱であ る熱を発生する。沈降物は冷却され、サーマルマス５８に戻される。熱は熱交換 器６６に送られる。前記熱交換器は有効な密閉サイクル型ガスタービン動力発生 システムのボイラー７０に熱的に連結される。ガスタービン８０用のボイラー７ ０は渦巻き式沈降システム６日と凝縮器６４から熱を抽出し、この密閉サイクル 型ガスタービン動力発生システムの凝縮素子８２は排除熱をサーマルマス５８に 送る。ポンプ８４は動作流体を凝縮器８２からボイラー７０へ循環させるために 使用する。

このシステムの構造は橿めて有効である。というのは、それは”′再生式パであ り、即ち排除された凝縮熱はサーマルマス５８中で回収され、チラー装置７４に よって再び抽出されるからである。

タービン６２は機械的に圧縮器７８に連結され、この圧縮器は機械的連結によっ て発電機８６に接続される。タービン８０は発電機８６に駆動関係で機械的に連 結される。両タービンは電気モータを介して圧縮器７８を駆動する発電機８６に だけ連結してもよい。

タービン６２及び／又はタービン８０によって駆動される発電機８６の出力は圧 縮器７０を駆動するために消費されるエネルギーを除いて、蓄電池（又は他の適 当な型式の電気エネルギー蓄積体）を充電するのに使用される。迅速充電、有効 な復帰、及び永続的充電／放電性を提供する非電気式蓄積システムも使用できる 。

もし出力が蓄積されないならば、それは直接的に消費され及び／又は常用グリッ ドに売られる。

高級コレクタの変更例は第６図に示す。コレクタは反射体の代わりに屈折空洞部 ２８′を使用する。高級コレクタの空洞部２８′はガラス、繊維、シリコン、プ ラスチック又は光線や赤外線を透過させる透明な積層組成物からなる。空の太陽 位置に拘らず太陽からくる紫外線を焦点合わせするための光学システムが屈折体 のシート内に設けられる。焦点合わせは全内部屈折を用いて薄い光学素子によっ て行われ、太陽が空にある場合でも太陽からの直接の放射線エネルギーの少なく とも一部が真空管３２に焦点合わせされる。

屈折体２０′は適当な薄いシートにエンボス加工することによって作られ、所望 の屈折特性を得るためのマイクロ−プリズム構造又はホログラフ構造を支持する ようになす。屈折体の製造の詳細はここでは必要ないと思われる。というのは、 マイクロ−プリズム状エンボス加工は当業者には既知であり、本発明の要部をな さないからである。

−ヱ＝二テア６ 要　約　書 ソーラールーフコレクタ（２０）はプレートコレクタ（７２）を備え、これはプ レートコレクター（７２）内での熱吸収の結果として水の温度を上昇させるため 絶縁性容器（５８）から水の薄いフィルムを通すため複数の透明な導管をもつ。

蒸発チラー（７４）は空気が循環する透明な空気ダクトを含み、前記蒸発チラー は空気ダクト内に予熱された水を絶縁性容器（５８）から好適には薄いフィルム の形をなして分散した状態で受入れる。空気ダクト中の若干の水は蒸発し、蒸気 飽和した空気が渦巻き式凝縮器（６８）を通過し水を沈降させ、この水は熱エネ ルギーを発生する。熱エネルギーはガスタービン（６２）又は他の型式のエネル ギー変換装置を駆動するために使用することができる。

国際調査報告 ｒ’ｍｖｈ　ＰＣＴｎｍｕ　神−――−１−１１ｍｅｌ　１ｌｌ−Ｐ＆ｔｌ　２ ｆｉ　Ｏ５／１１Ｓ＾　４４４９６

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．光り透過性の動作流体を蓄積するための絶縁性容器（５８）と、可視放射線 を透過させる導管手段（４８）と、前記導管手段（４８）内を流れる動作流体に よる熱吸収の結果として動作流体の温度を増大させるために前記導管手段（４８ ）を通して前記絶縁性容器（５８）から出たり戻ったりするように動作流体を流 す手段（７６）を備えたソーラールーフコレクタにおいて、空気ダクト（５４） を前記導管手段（４８）に隣接して備え、前記空気ダクト（５４）は可視放射線 を透過させ、更に、前記空気ダクト（５４）を通る空気流を作る手段（７８）と 、前記空気ダクト（５４）内で動作流体を蒸発させるため前記空気ダクト（５４ ）を通して前記絶縁性容器（５８）から出たり戻ったりするように動作流体を流 すための手段（５６）、（１８）と、蒸気含有空気を受入れるために前記空気ダ クト（５４）と流体連絡した凝縮手段（６４）を備え、前記凝縮手段（６４）は 熱を生じるために動作流体を沈降させ、更に前記凝縮手段（６４）から受入れた 熱から機械的エネルギーを生じるために前記凝縮手段（６４）に熱的に連結され たエネルギー変換手段（７０）を備えたことを特徴とするソーラールーフコレク タ。
2. ２．前記凝縮手段は渦巻き式沈降器（６８）であることを特徴とする請求項１に 記載のソーラールーフコレクタ。
3. ３．前記エネルギー変換器（６６）は前記空気ダクトを通る空気流を作るために 前記手段（８６）、（７８）と駆動関係にあることを特徴とする請求項１に記載 のソーラールーフコレクタ。
4. ４．前記導管手段（４８）は並置した複数の中空スリーブ（４２）を含み、各中 空スリーブ（４２）は可視光線を透過させる頂部と底部の傾斜壁（４４）をもつ ことを特徴とする請求項１に記載のソーラールーフコレクタ。