JPS5810927Y2 - 太陽熱集熱器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は太陽からの光エネルギーを受けて水等の媒体を
加熱し、熱エネルギーとして利用する集熱器に関するも
ので、たとえば、太陽熱給湯・暖房・冷房、小規模太陽
熱発電、太陽熱濯厩の如き太陽熱を利用するシステムに
利用できる太陽熱の集熱器のうちで光反射を利用して集
熱効果を高めた集光形集熱器に関するものである。

従来、この集光形集熱器としては種々の形式のものが考
えられているが、いずれも問題点があった。

すなわち、従来の集光形集熱器としては、第１図イ〜ホ
に示すように、集熱部ａと反射板ｄを種々に組み合せた
ものがある。

第１図イの例は、反射面を凹面状にした反射板ｄ上に集
熱部ａを置き、夏の太陽光ｅ、冬の太陽光ｆを集熱板す
に集光させて集熱するようにしたものであるが、反射板
ｄの内側に、雨水やごみが溜り易いと共に、下方からの
反射光があるため集熱板すの裏面（下面）にも選択吸収
膜を処理することが必要である。

Ｃはガラス管である。第１図口の例は、集熱部ａを反射
面がフラットな反射板ｄに沿って配設したものであるが
、反射光の一部が集熱板すの間を通り抜けること、集熱
板すの裏面にも選択吸収膜を施す処理が必要であること
、反射板ｄの反射面が汚れてこの汚れがとれないこと、
等の欠点がある。

第１図への例は、集熱部ａをケースｇの中に入れ表面を
カバーガラスｈで覆い全体を傾斜させたものである。

この方式では、カバーガラスｈにより反射面の保護にな
るが、ケースｇ及び該ケースｇを載せる架台が必要であ
ること、集熱板すの裏面にも選択吸収膜の処置が必要で
あること、等の欠点がある。

第１図二の例は、集熱部ａの各々に反射面が曲面状の反
射板ｄを相対して設けたものを、ケースｇの中に収め、
表面をカバーガラスｈで覆ったものであるが、集熱器の
ケースｇの高さＨが高くなるので、年間の太陽高度変化
によって影ができるため、季節によっては反射面の傾斜
角度の調節が必要となる。

このため、反射面の角度調節機構又は傾斜用集熱器角度
調節架台が必要となってコストアップになると共に、集
光比（集光部面積と開口部面積との比）を上げると、反
射板ｄの高さが高くなり、影が出来易いという欠点か゛
ある。

第１図示の例は、反射板ｄを反射面が放物面となるよう
にして太陽光が焦線上に焦点を結ぶようにし、この焦線
の位置に集熱部ａを配置したものを、ケースｇの中に収
納し、カバーガラスｈで覆ったものである。

しかし、反射面が放物面で太陽光が焦線上に焦点を結ぶ
ため、太陽高度の時間変化に対して焦点がずれてくるの
でこの変化に合せて反射面又は集熱部の位置を追尾させ
る機構が必要となる。

又カバーガラスｈの覆いを取ったこの形式の集熱器では
雨天時に水が溜り、水がなくなるまでは反射面としての
機能を果たさないため、水抜きが必要となると共に、ご
み、汚れが洗い流されることなく滞溜蓄積してくるので
反射率の経時変化による減少が大きいという欠点があり
、更に反射板ｄが下方にあることから下方からの反射光
があるので集熱板すの下面（裏面）にも選択吸収膜処理
をする必要がある、等の欠点がある。

本考案は、上記の従来方式のもつ諸欠点を解消するため
、集熱部に当らないで通り抜けようとする光をとらえて
集熱させるようにし、据付面積当りの集熱量の増加とコ
スト低減を図ろうとするもので、太陽光を吸収する集熱
板に太陽光を熱として取出し利用するための流体を流す
ための管路を設けてなる集熱体を透明ガラス管に封入し
て集熱器本体を構成し、該集熱器本体の複数個を横方向
に所定の間隔をもって並列させると共に、集熱部に当ら
ないで通り抜けようとする光を反射させて集熱できるよ
う、該複数の集熱器本体の各々を横方向から挾むように
反射体を横方向に配列し、且つ上記横方向に並べられた
集熱器本体と反射体との間に隙間を設け、上記反射体は
、−面に１つの集熱器本体に太陽光を反射させる反射面
を、文化の一面に隣接する他の集熱器本体に太陽光を反
射させる反射面をそれぞれ非対称に有することを特徴と
する 以下、図面にもとづき本考案の実施例を説明する。

第２図に示すように、太陽光を受は易いように板状にし
た集熱板２を水平面に対しθ角度傾斜させ、該集熱板２
に、熱を適当なところに搬送するための流体を通す集熱
管３を一体的に取り付け、更に表面に選択吸収膜４を取
り付けて集熱体５を構成し、該集熱体５を透明ガラス管
６内に封入し、ガラス管内部を真空にして断熱効果を高
めて、集熱器本体１とする。

上記集熱体５は表面に選択吸収膜４の処理をしているが
、その理由は、太陽熱を吸収し易くシ、更に集熱体５が
高温になった場合集熱体５からの熱輻射によって熱を失
うのでこれをおされるためである。

上記のような構成とした集熱器本体１を第２図の如く所
定の間隔をおいてピッチＬで複数個水平に並べ各集熱器
本体１の集熱管３をヘッダ＝（図示せず）で接続して流
体が各集熱器本体１を通って流出されるようにし、又各
集熱器本体１を挾むように、断面がほぼ三角形状をなす
よう非対称な反射面８と９を所要角度に組み合せて入射
光が効率よく集熱体５に集められるような形状とした反
射体７を配設し、各反射体７と各集熱器本体１の透明ガ
ラス管６との間には、隙間ｍ、ｎを設け、雨水やごみ等
が溜らないようにする。

尚、反射体７の反射面８，９に用いる反射材は、ガラス
ミラー、アルミもしくは銀を蒸着した薄膜、小鏡鋼材の
研磨板等がある。

上記構成からなる本考案の集熱器は、次のようにして設
置する。

太陽の入射光は設置場所の緯度及び季節によって変るの
で、各集熱器本体１の集熱板２を東西軸に合わせ、傾斜
角度θ、反射面８，９の適切な角度を設定させる。

尚、各集熱板２の間隔りと透明ガラス管径Ｇとの比（集
光比）はＬ／Ｇである（第３図参照）。

太陽の位置は、夏は第３図イに示すように高く、冬は第
３図口に示すように低い位置にあり、光反射を利用する
本考案では反射面８と９の作用が異なる。

■ 夏の場合 夏には太陽の位置が高く、水平面と太陽のなす角度をｈ
８（これを太陽高度という）としたとき、第３図イに示
す如く、Ａからの太陽光は反射体７の反射面８で反射し
て集熱板２上に、Ｂからの太陽光は反射体７０反射面８
で反射して集熱板２上に、Ｃからの太陽光は直接集熱板
２上に、更にＤからの太陽光は隣接する別の反射体７の
反射面９で反射して集熱板２上に、それぞれ到達するよ
うに集熱板２の傾斜角度θならびに反射体７の反射面８
，９の角度の設定を行う。

■ 冬の場合 冬には太陽の位置が低く、第３図口に示す如く、太陽高
度ｈｗのとき、Ａからの太陽光は直接集熱板２上に、Ｂ
からの太陽光は反射体７の反射面９で反射して集熱板２
上に、それぞれ到達するように、集熱板２の傾斜角度θ
、ならびに反射体７の反射面８，９の適切な角度を選定
し設定する。

このように、夏は反射面８，９を、冬は反射面８により
、本来利用できない光を反射させて集熱させることによ
り集熱量を増大させることができる。

尚、北緯３５°３９’１６″に位置する東京での太陽高
度り８．ｈＷはそれぞれ７７．５°、３０．５°である
。

又、上記集熱板２の取付角度（傾斜角度）θは、集熱器
の使用目的によっても決定される。

すなわち、冷房を対象とする場合は、夏の太陽光が集熱
板２に直角に当るように水平面に対してθ＝９０°−ｈ
５とするのがよく、暖房を目的とする場合にはθ−９０
°−ｈｗとするのがよい。

ただし、この角度では前者の方が夏の集熱量は多いが、
冬に太陽高度が低くなったときは集熱量が減る。

又逆に後者では、冬の集熱量は多いが、夏では集熱量が
少ない。

従って、冷房と暖房を同じ集熱器で行い年間を通して集
熱量を多くしたい場合には、取付角度θをに設定すれば
よい。

尚、太陽熱で冷凍機を駆動する場合には、夏の太陽光度
に合せて取付角度θをθ＝９０°−ｈ５付近の傾斜角度
で取り付けるケースが多い。

集熱板２の傾斜角度は、上記のようにして決定されるが
、集熱器本体１を水平に複数配列する場合には、前位置
の集熱器本体１の集熱板２の影が隣接する後位置の集熱
器本体１の集熱板２上に第４図の如く落ちることになる
。

この部分Ｓでの集熱が不能になるため影を避けた位置ま
で、Ｌ１′から集熱板２をＬｌの位置迄離す必要がある
。

ところが、この影の影響は、太陽高度の低い冬に特に大
きいが、太陽高度が高くなる春、夏、秋では、この離し
た空間に入射した太陽光が素通りして利用できないこと
になる。

この点、本考案では、各集熱器本体１の間に反射体７を
配設し、この素通りしようとする太陽光を反射面８，９
で反射させ、集熱板２に集めるため、太陽光の素通りが
なくなって、有効利用部分を増すことができる。

本考案の集熱器は、上記したように複数の集熱器本体１
を配列し、各集熱器本体１間に反射体７を配し、太陽光
を有効に集光して集熱し、太陽エネルギーを吸収して高
温となる。

透明ガラス管６がなければ、折角吸収した熱が失われる
ことになるが、集熱体５を透明ガラス管６内に封入して
内部を真空にして、断熱しているので熱の逸散損失をお
さえることができる。

反射体７の反射面８，９は、いずれも反射した光が集熱
板２に集まるように放物面もしくはこれに近い一枚の平
面鏡又は複数の平面鏡の組合せで構成することが好まし
い。

次に、集熱器の集熱量について説明すると、集熱量は、 集熱量−（集熱板に吸収された日射量）−（熱損失量）
であり、これを数式で表示すれば、 ｑ−ταＪ ＬＪｖ （ＴｖＪＴａ） ｑ：集熱量〔ｋｃａｌ／１ｎ２ｈ：］ τニガラスの透過率 α：集熱板の吸収率 Ｊ：入射全日射量Ｃｋｃａｌ／ｍ２ｈ：］−・−集熱温
咥□〕 Ｔａ：外気温度［？Ｃ） ｕ・：集熱器本体（１）の熱貫流Ｋ 〔ｋｃａ１７％”
ｈ０ｃ〕となる。

ここで、ＴＷ−Ｔ、＝ＪＴ とし、Ｊで割れば集熱効率が求められる。

この値は第５図に示しである。

ηＶ：従来の真空管式集熱器の効率 一方、本案の如き集光形では、反射面からの入射光が直
接集熱板に入る光に加算されるので、この反射面間の面
積Ａと集熱板の面積Ａ。

との比をＡ／Ａ、とすると、 この効率は次の、こ表わ
される。

４／ｃ ：集光形集熱器の効率 Ｕｏ：集光形集熱器の集熱器本体の熱貫流率（ｋａｘｌ
／ｎｖｌ ｈ０ｃ〕 ρ：反射板の反射率 Ａｏ７に：集光比の逆数 今、集熱器本体１に同じ性能の真空管を使用すれば、Ｕ
Ｖ＝ＵＣ″′Ｃあり、ＪＴ−〇とすれは、ηＣ，／／Ｔ
／Ｖ二ρ とｋつ、δη／δ（ＪＴ／Ｊ ） ＝η′とすれは、η
′い′ｖ−一（ル／Ａ） となる。

（Ａｏ／ ＜ １）すなわち、効率曲線η−ＩＴ／Ｊ座
標面で、η。

のη切片はρη・９となり、η７の方がη。

より上になる。

つまり、真空管式では、直接太陽光が集熱板に到達する
が、集光形においては一部反射板で反射した太陽光が来
るため、集熱板単位面積当りの入射全日射量は真空管式
の方が多くなる。

勾配については、η、に比較してη。

の方がゆるやかになっている（第５図中、■は真空管式
集熱器の効率曲線であす、ＩＩは集光真空管式集熱器の
効率曲線である）。

これは単位面積当りの集熱板の面積が、真空管式に比較
して集光形の方が小さいため放熱量が少ないがらといえ
る。

真空管式と集光形が同じ効率となるＩＴ／Ｊの座標は、 のなる（第５図）。

今、第５図で示す真空管式の集熱効率の曲線■は、受熱
部の正味面積を基準とした日射量で求めたものであるが
、前記した影の影響を考えて集熱器本体を離して配置す
るので、素通り部の入射光も考慮に入れた開口面積基準
の効率は、第５図中の曲線ＩＩＩとなり、本考案による
集光形集熱器の効率曲線ＩＩより低くなる。

次に、本考案による集熱器の効果の程を明らかにするた
めに、集熱器の据付は面積当りについて真空管式集熱器
と本考案の集熱器の比較を以下に示す。

集熱器の配置を考えるとき、周囲に日影となる建物がな
いことは勿論であるが、集熱器相互の影の影響を考える
必要がある。

集熱器相互の位置関係は第６図に示すとおりで、 Ｌ＝７（ｃ。

８θ、＋二り。を儲Ａ Ｈ＝ｌれｎθ Ｙ＝ （７１１）Ｌ＋ １ｃｏｓθ１ Ｌ：集熱器間隔 Ｈ：集熱器高さ Ｙ：集熱器据付は長さ Ｚ、−％熱器長さ θ、：頌斜角 θ２：向い角 ｎ：集熱器据付は個数 である。

据付は面積と集熱面積との比ｎｌ／Ｙは、である。

集熱板の傾斜角θ、＝２０’にして、冬至南中時（冬）
に集熱器相互間に影が出ないように集熱器本体を配置す
れば、θ２＝３０°となる。

θ１＝２０°。θ２−３０°を上式に代入すると、 となる。

ここで、幅１０×１０ｍ２の建物に集熱板の幅１００ｍ
ｍの真空管を並べたときの、据付は面積に対する集熱面
積の比は、次のように求めることができる（ただし、枠
、配管に必要な面積は除くものとする）。

つまり、真空管６５本人れることができる。

ｎｌ／Ｙ＝０．６５ 気象条件、集熱条件を、Ｊ ＝５００［Ｋｃａｌ／ｍ２
１１ 、ｌ、ＴＷ＝８０〔℃〕、Ｔａ−３０〔℃〕と仮
定することによって集熱量を比較する。

真空管式の集熱効率η、＝０．５４７、据付は面積１０
０ｍ２に対して集熱器への太陽光透過面積である有効集
熱面積ＡＶは、ＡＶ−６５ｍ２となるから、集熱量Ｑｖ
は・ Ｑｖ＝ＡｖＸＪｘηｖ＝６５（＋ｎ２’１Ｘ５００（＆
ＣａＪｚＱ”）ｚ） Ｘｏ、５４７＝１７７７８しｃａ
ＩＩＩＡ〕 となる。

一方、集光形の集熱効率ηｃ−０，５０５、集光形集熱
器の据付は面積Ａ０は有効集熱面積と等しいから、ＡＣ
＝１００ｍ２となる。

集熱量Ｑｃは、 Ｑｃ＝ ＡｃＸ Ｊ Ｘ １゜＝ １００Ｃｍ２） Ｘ
５００（ｋｃａＪ／、、％］Ｘ０．５０５となる。

従って、集熱量ＱｖとＱｃの関係は、 Ｑｃ／Ｑｖ−１，４２ となる。

以上から、同じ据付は面積のところで集熱量を比較した
場合、上記設置、気象、集熱の各条件では、真空管式よ
りも集光形集熱器の方が４２％集熱量が多いことがわか
る。

又、本考案に係る集光形の集熱器と従来の真空管式とを
比較した場合、集熱条件、高温集熱又は日射条件が低日
射量の場合には、真空管式より集光形集熱器の方が集熱
効率が高い、特に開口面積を基準とした場合、この差が
大きくなる。

更に同じ据付は面積に対して使用する真空管の本数を比
較すると、集光形の方が少ないため、コストダウンが可
能である。

以上述べたように本考案の集熱器によれば、（ｉ）無尽
蔵且つクリーンな太陽光を集光させて有効に集熱できる
ので、従来利用できる量が少ない低日射量又は高温集熱
条件においても太陽熱を有効に活用できる。

（ｉｉ）集熱部に当らないで通り抜けようとする光を反
射体で反射させて集熱できることから、従来の真空管式
集熱器に比べて据付は面積当りの集熱量が多くなるので
、集熱器据付は場所の有効利用が図れる。

（ｉｉｉ）−年を通して太陽光を取り入れる構造になっ
ているため、従来の集光形集熱器の如き太陽追尾機構又
は冷房、暖房時のシーズン切換に伴う反射面調整が不要
となる。

（ｉｖ）集熱器本体と反射体との間に隙間があるため、
雨水やごみが反射体の反射面に溜ることがなく、反射面
の汚れは雨水等により洗い落される。

又反射面は勾配を有することからごみ等が付着しにくい
。

（ｖ）集熱器本体の集熱体には表面（上面）に太陽光が
到達するように反射面で反射させるので、集熱体上面だ
けに選択吸収膜をつければよく、裏面には不要であるか
らコストダウンが図れる。

（１ｖ）反射体の高さは低くできるので、太陽の影の影
響が少なく、構造も簡単である。

又、集熱器本体を横方向に所定の間隔をもって並列させ
ているので、集熱器本体相互の影の影響を受けることも
ない。

（ｖｉｉ）限られた土地を利用して、高温且つ多量の熱
量が利用できるため、従来の集熱器に比較して化石燃料
の節約に寄与するところが大である。

（ｖｉｌｉ）水平設置が可能のため、在来の家屋一般建
物にも簡単に取り付けられ、多数の人に供給することが
でき、又傾斜面でも複雑な架台なしに取り付けができる
。

（１ｘ）従来方式の集光形集熱器よりもコストダウンの
要素を多く含んでいるため、安価で信頼性のある集熱器
を供給することができる。

等の優れた効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ホはいずれも従来の集光形集熱器の例図、第
２図は本考案の集熱器の切断側面図、第３図イ９口は本
考案の集熱器の実施例を示すものであって、イは夏の場
合、口は冬の場合の集熱状態図、第４図は集熱器の配置
の説明図、第５図は集熱効率を示す図、第６図は集熱器
の位置関係を示す図である。 １・・・・・・集熱器本体、２・・・・・・集熱板、３
・・・・・・集熱管、５・・・・・・集熱体、６・・・
・・・透明ガラス管、７・・・・・・反射体、８゜９・
・・・・・反射面。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 太陽光を吸収する集熱板に太陽光を熱として取出し利用
   するための流体を流すための管路を設けてなる集熱体を
   透明ガラス管に封入して集熱器本体を構成し、該集熱器
   本体の複数個を横方向に所定の間隔をもって並列させる
   と共に、集熱部に当らないで通り抜けようとする光を反
   射させて集熱できるよう、該複数の集熱器本体の各々を
   横方向から挾むように反射体を横方向に配列し、且つ上
   記横方向に並べられた集熱器本体と反射体との間に隙間
   を設け、上記反射体は、−面に１つの集熱器本体に太陽
   光を反射させる反射面を、文化の一面に隣接する他の集
   熱器本体に太陽光を反射させる反射面をそれぞれ非対称
   に有することを特徴とする太陽熱集熱器。