JPH10511451A - 非結像型太陽光集光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 非結像型太陽光集光装置を提供する。太陽光集光装置の製造方法ならびに製造物には、光を透過する外部ハウジング、外部ハウジング内に配置された反射要素、外部ハウジングに対して同心に配置された吸収器、および吸収器に結合され、吸収器から半径方向に離れるにつれて厚みが薄くなるくさび形状をした熱導伝フィンが備えられている。

Description

【発明の詳細な説明】 非結像型太陽光集光装置 本発明は、非結像型集光装置に関する。具体的には、本発明は、真空円筒形反 射管など非結像型集光を可能にするガラス製のハウジング内に同心（共心あるい は同軸）に配置された吸収器を備えた太陽エネルギ集中装置または収集装置に関 する。本吸収器はギャップ損失を低下させるＶ溝も備えるよう構成されている。 このＶ溝は、吸収器に結合されたくさび型熱伝導フィンに対して相補的に配置さ れている。 非結像型集光装置ならびにそれらの利点は周知である（たとえば、引用するこ とにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第3957031号、第4002499号、 第4003638号、第4230095号、第4387961号、第4359265号、および第5289356号を 参照のこと）。こうした従来の方法論では、本装置は、通常は円筒形の管である 所与の形状の吸収器を用いて構成されており、適切な非結像型反射器が設計され ている。したがって、集光効率を最適化する新しい反射器の設計の開発に主眼が 置かれている。最近では、フレキシブルな基板に付着させることも可能な新しい 高性能吸収材料が利用可能になってきた。こうした吸収材料は、太陽光のスペク トルに対して通常９０％より大きい吸収性能をもち、動作温度での半球放射度が 極めて低い。 したがって、本発明の目的は、改良された非結像型太陽光集光装置およびその 使用方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、非結像型光集中を可能にするガラス製のハウジング内に 同心に配置された吸収器を備えた新しい非結像型太陽光集光装置を提供すること にある。 本発明のさらに他の目的は、外部ハウジングと放射状に結合されたくさび型熱 導伝フィンをもつ同心に配置された管状吸収器を備えた改良型非結像太陽光集光 装置を提供することにある。 本発明の目的は、断面円すい型の熱導体に結合された円筒形反射器と管状吸収 器を備えた新しい非結像型太陽光集光装置を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、反射器内に同心に配置され、円すい形の断面を有 する熱導伝器に結合された吸収器を備えた改良型太陽光集光装置を提供すること にある。 本発明のさらに他の目的は、集光特性を最適化するよう設計されたフレキシブ ルな基板に配置可能な効率のよい吸収物質を利用した太陽光集光装置を提供する ことにある。 本発明のさらに他の目的は、太陽光追尾駆動装置が不必要な単純な構成と集成 が可能になる、太陽光収集効率が高い同心熱交換チャンネルの製造方法ならびに 製造物を提供することにある。 本発明の他の目的と利点は、以下に記載された詳細な説明と図面から明らかに なるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、平坦なフィン状伝導体を備えた従来技術の太陽光集光装置を示す図で ある。 図２は、尖頭形状の反射器内の非中心に配置された吸収器を備えた３５度の受 光角度をもつ従来技術の非結像型太陽光集光装置を示す図である。 図３Ａは、Ｖ溝ギャップ損失抑制器を備えた円筒型反射器内に同心（同軸）に 配置され、円すい形状断面を有する熱導伝フィンが結合された吸収器を備えた非 結像型太陽光集光装置を示す図３Ｄの線３Ａ−３Ａに沿った横断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの集光装置の光線軌跡を示す図である。 図３Ｃは、図３Ａの太陽光集光装置の透視図である。 図３Ｄは、理想的な位置づけからづれた場合の図３Ａの４０度のＶ溝集光装置 と図２の３５度ＩＣＰＣ集光装置の熱的性能を示すグラフである。 図４は、受光角度が増大した図３の集光装置の他の実施例を示す図である。 図５は、Ｖ溝ギャップ損失抑制要素のない図３の太陽光集光装置の変形を示す 図である。 図６Ａは、同心（同軸）の管状吸収器と反射器の隆起輪郭を備えた、５度の受 光角度の非結像型集光装置を示す図である。 図６Ｂは、図６Ａの集光装置の光線軌跡を示す図である。 図７は、図６の集光装置の角度毎の受光特性を示す図である。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明に応じて構成された非結像型太陽光集光装置が図３ないし６図に図示さ れており、全体的に参照番号１０で示されている。集光装置の従来例の設計が比 較のために図１と２に示してある。図１の従来の集光装置１２は、約１００℃以 上の温度で熱的性能が低下するように熱を放射させる熱導伝フィン１４と１６を 備えている。図２の従来の非結像型集光装置は、温度が上昇すると比較的良好な 熱的性能を示すが、吸収器２０は非中心に配置されており、いくぶん複雑な構造 を有する反射器２２を製造する必要がある。 新規の非結像型太陽光集光装置１０には、外部に透明なガラス製の管状ハウジ ング２４を備えており、ハウジング２４の真空内部に光線２６が入るようになっ ている（図３Ｂを参照）。ハウジング２４は円筒形に図示されているが、本明細 書に記載された機能を達成することができる他の適切な構成を取ることができる 。光線２６は吸収管２８に直接当たるかまたは反射器表面３２から反射されて吸 収管２８に集中されて、集光が行われる。好適実施例では、この吸収管２８は図 示のもの以外の形も可能であるが、ハウジング２４に関して同心（同軸あるいは 共 心）に配置される。吸収管２８は、図３Ａ、図３Ｂ、図４および図５に示してあ るように、吸収管２８と合わさって断面形状が「アイスクリームコーン」型にな るくさび型熱伝導体３０（図３Ｃを参照）をさらに備えることができる。 好適実施例（図３、４、５を参照）では、反射器表面３２はギャップ損減少Ｖ 溝３４を備えている。この溝３４は、反射器表面３２とくさび型熱導伝体３０の 間に空間があるときに発生するエネルギ吸収のギャップ損を抑制する。図３Ａで は、吸収器の受光角度は約４０度であり、この角度により、集光装置１０は太陽 追尾機構なしでも東西方向の配置に適するものとなる。Ｖ溝３４の特定の角度に 応じた受光により、吸収器３０の垂直方向の配置誤差や水平方向の変位に対する 許容度の幅がひろがる（図３Ｄを参照）。 図４の集光装置１０では、反射器表面３２の曲率半径は小さく、その結果受光 角度が７０度と広くなる。本実施例では、太陽追尾装置なしで、集光装置１０が 南北または東西の方向に設置することが可能になる。 図５の集光装置１０は、図３と４の実施例を制限した例であり、反射部表面３ ２の曲率半径はガラス製の管状ハウジング２４の内表面と一致している。本実施 例の受光角度は９０度に近い。集光装置１０は、その製造工程がさらに単純にな るよう形作られている。 図６Ａと６Ｂの実施例では、反射器表面３２の曲率半径は比較的大きく、受光 角度は約５度で、連続的または間欠的に動作する単純な太陽追尾装置が必要とな る。この設計では、受光角度が小さいことから、尖点を有する形状となっている 。熱的性能は温度が上昇すると良好になる。図７は、反射損失やフレネル損失は 無視した場合の、集中倍率２、３、４、５に対する図６の実施例の入射角度対光 効率を示す。約４倍の集中倍率は効率のよい５度の受光特性で達成される。 図面の例示実施例の熱的性能は以下の表１に示してある。計算は、ニューメキ シコのアルバカーキー（Albuquerque，New Mexico）の平均的な気象状態の年を 基 準に計算されたものである。吸収器の放射率は１００℃で０．０５であり、吸収 率は０．９５であると仮定した。 集光装置１０の構成では、吸収管２８と熱伝導体３０上に複数の種類の高性能 太陽光吸収コーティングを利用することも好ましい。たとえば、コーティングに は、太陽光のスペクトルに対して極めて低い放射率（２０℃で約０．０２）と高 い吸収率（約０．９２）のサーメットを使用できる。サーメットは従来からの材 料で、反射防止コーティングを施した金属反射層上に配置された、特定の金属組 成を含む誘電材料の複数の層を備えている。頂部の層の誘電材料の金属含有率は 、その下の層よりも低い。底部では高い金属含有層ほどエネルギーを多く吸収す るが、これは可視光が頂部層を容易に通過するからである。しかし、黒体放射の 放射光（＞２ｍｍ波長）はサーメットドーパントにより極めて効率的に反射され る。したがって、底部層からの放射光は吸収器の材料内で捕らえられて、ドーパ ントの量の小さい頂部の層だけが熱を放射する。金属含有を傾斜させることによ り、到来光をとらえ、吸収する原子の量が増加し、熱を放射する原子の数が減少 する。 吸収器に有益な他の材料は、真空蒸着により容易につくられるセラミックスで ある。たとえば、以前よりあるＴｉＮ_xＯ_yとＳｉＯ₂／ＴｉＮ_xＯ_yの層は、累積 が一定量に達するまでアルミニウムまたは銅の基板に被覆可能である。これらの 種類の材料は、どちらも基材上に約５３ｎｍ厚のＴｉＮ_xＯ_y層を備えてなる。第 ２の種類の吸収材料にはＳｉＯ₂の９０ｎｍの層が追加されている。こうした材 料の熱特性は、太陽光吸収器として使用するのに好適である。銅の基板上で、０ ．９０またはそれ以上の吸収率が２００℃で０．０６の放射率で達成可能である 。他方、アルミニウムの基板は、０．９５もの高さの吸収率と１００℃で０．０ ３の放射率を達成する。 上記の好適実施例は、真空にされた円筒形反射ハウジング内に同心に配置され た吸収管を利用している。この吸収管にはさらに、くさび型熱伝動フィンをが結 合されており、また、（約０．０５より低い）低放射率の吸収層（０．９０より 高い吸収率）を備えており、効率の高い太陽光集光装置が達成される。この基本 的な設計が単純なので製造が容易になり、構成コストを下げることができ、太陽 光集光装置の用途がさらに実用的なものとなる。 本発明の他の利点や特徴は、以下に詳述された請求の範囲から理解されるであ ろう。好ましい実施例が記載されてきたが、当業者には明らかなように、本発明 の精神と範囲から逸脱しない限りあらゆる変更と修正が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オギャラガー，ジョゼフ アメリカ合衆国、60422 イリノイ、フロ スムーア、エンバシー・ロウ 2919 (72)発明者 ジェンキンズ，デイヴィッド・ジー アメリカ合衆国、60637 イリノイ、シカ ゴ、サウス・ドレクセル・アベェニュー 6022 (72)発明者 ダフ，ウィリアム アメリカ合衆国、80524 コロラド、フォ ート・コリンズ、リンデンウッド・ドライ ヴ 1404

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも部分的に光を透過する外部ハウジングと、 前記外部ハウジング内に配置された反射要素と、 前記外部ハウジング内に同心に配置された吸収器と、 前記吸収器に結合され、前記吸収器からの放射方向に離れるにつれて厚みが薄 くなる先細なくさび形状をした熱導伝フィンと、 を含む非結像型太陽光集光装置。 ２． 前記外部ハウジングが密封され真空にされている請求項１に記載の太陽 光集光装置。 ３． 前記外部ハウジングが透明ガラスから成る請求項１に記載の太陽光集光 装置。 ４． 前記外部ハウジングが円筒形要素を含む請求項１に記載の太陽光集光装 置。 ５． 前記吸収器が管状要素を含む請求項４に記載の太陽光集光装置。 ６． 前記反射器要素の一部としてＶ溝要素をさらに含む請求項１に記載の太 陽光集光装置。 ７． 前記熱導伝フィンは先細端部を備え、前記Ｖ溝要素は前記熱導伝フィン の該先細端部に関して対称位置に配置されている請求項６に記載の太陽光集光装 置。 ８． 前記先細端部が前記Ｖ溝要素内へと延在している請求項７に記載の太陽 光集光装置。 ９．前記集光装置の受光角度は４０度であり、前記先細端部は前記Ｖ溝要素内 に約２ｍｍ入っている請求項８に記載の太陽光集光装置。 １０． 前記集光装置の受光角度は７０度であり、前記先細端部は前記Ｖ溝要素 内に約１ｍｍ入っている請求項８に記載の太陽光集光装置。 １１． 前記反射要素は前記外部ハウジング内に配置された基板に配置された反 射層を含む請求項１に記載の太陽光集光装置。 １２． 前記反射層は前記外部ハウジングより大きい曲率半径を含む請求項１１ に記載の太陽光集光装置。 １３． 前記外部ハウジングは内部壁を備え、前記反射層基板は前記内部壁の曲 率半径から成る請求項１１に記載の太陽光集光装置。 １４． 前記吸収器は極めて効率の高い吸収物質で被覆した基板を含む請求項１ に記載の太陽光集光装置。 １５． 前記極めて効率の高い吸収物質はサーメットとセラミック材料から成る 材料群から選択される請求項１４に記載の太陽光集光装置。 １６． 前記セラミック材料はＴｉＮ_xＯ_yとＳｉＯ₂／ＴｉＮ_xＯ_yから成る材料 群から選択される請求項１５に記載の太陽光集光装置。 １７． 前記基板はＡｌとＣｕから成る群から選択される請求項１６に記載の太 陽光集光装置。 １８． 前記サーメットは、層間で金属含有率が変化する層構造を含む請求項１ ５に記載の太陽光集光装置。