JPS637304B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱搬送材料として光異性体材料を利用
した太陽熱集熱装置に関する。

従来の太陽熱集熱装置は黒色塗膜や選択吸収膜
を表面に形成したコレクターで太陽エネルギーを
顕熱として熱搬送材料が吸収し、この熱搬送材料
を熱交換器に与えて熱交換し、貯湯槽の水を湯化
する形式のものであり、コレクターの方式ならび
に面積と熱搬送材料の流速および貯溜槽容積等で
定まる湯温まで昇温し、貯湯するものである。こ
のため、太陽熱集熱装置は、高温貯湯する場合に
は放熱ロスが大きくなりがちで、保温コストが大
となり、一方、低温貯湯して放熱ロスを少なくし
ようとすると、高温出湯のために追焚き装置を要
し、その追焚のための電気、ガス、石油等のエネ
ルギーを要するものであつた。

また、熱搬送材料としてノルボルナジエン等の
光異性体材料を用いて太陽エネルギーをクアドリ
シクラン等の光異性化潜熱として吸収し、吸熱さ
れた熱エネルギーを搬送して触媒反応器において
クアドシクランからノルボルナジエンへの逆反応
を起させて熱エネルギーに変換しようとするもの
も考えられてきているが、この熱搬送材料は太陽
エネルギーの低波長領域が主体で、吸収効率の悪
いものであつた。このため、吸収効率の改善策と
して増感剤を添加した光異性体材料を熱搬送体と
して用いる方法等も考えられるが、これとても５
％を超える太陽エネルギー変換効率を得ることは
難しいものである。

本発明はこのような問題に留意し、熱搬送材料
として光異性体材料を用いたものにおいて、省エ
ネルギー度の高い、かつ、効率的で、しかも、簡
単な構成の太陽熱集熱装置を提供することを目的
とするものである。

この目的を達成するために、本発明は熱搬送材
料として光異性体材料に着色物質を分散させ、太
陽エネルギーを顕熱エネルギーおよび光異性化潜
熱エネルギーとして吸収する太陽熱吸収材料を用
い、コレクターを含む前記太陽エネルギー吸収材
料の第１の循環回路と、前記第１の循環回路に順
次に挿入された顕熱エネルギーを熱交換する第１
の熱交換器および太陽エネルギー吸収材料の貯湯
槽と、前記貯溜槽に接続された太陽エネルギー吸
収材料の第２の循環回路と、前記第２の循環回路
に順次に挿入された光異性化潜熱エネルギーを顕
熱エネルギーに変換する触媒反応装置および、こ
の触媒反応装置で得られる顕熱エネルギーを熱交
換する第２の熱交換器と、前記第１、第２の循環
回路の強制循環手段よりなる太陽熱集熱装置の構
成としたものである。

上記構成になる本発明の太陽熱集熱装置は、光
異性体材料に着色物質を分散させた太陽エネルギ
ー吸収材料が、コレクターにおいて太陽エネルギ
ーを顕熱エネルギーおよび光異性化潜熱エネルギ
ーとして吸収し、この太陽エネルギーを吸収した
太陽エネルギー吸収材料を強制循環手段により第
１循環回路に循環させて第１の熱交換器において
熱交換させるとともに、貯溜槽に溜められ、さら
に再びコレクターへ送る。そして１回の循環では
必ずしも全量の光異性体材料の光異性化反応は完
了しないが、循環を繰り返すことによつて光異性
化反応は進み、全量の光異性化反応を完了するこ
ととなる。前記第１の熱交換器で熱交換した前記
顕熱エネルギーは蓄熱材料に低温蓄熱したり、熱
搬送媒体を低温加熱し他へ搬送して利用される。
また、光異性化反応をした光異性体材料を含む太
陽エネルギー吸収材料は前記貯溜槽に貯溜され
る。

このようにして貯溜された光異性化反応をした
光異性体材料は、太陽エネルギー吸収材料として
強制循環手段により第２の循環回路を循環し、触
媒反応装置において逆反応を起させて光異性化潜
熱エネルギーを顕熱エネルギーに変換させ、その
後第２の熱交換器にて熱交換させ、さらに再び前
記貯溜槽へと還る。前記第２の熱交換器で熱交換
した顕熱エネルギーは高温が得られるので、前記
低温蓄熱した蓄熱材料を追焚きしたり、または他
の蓄熱材料に高温蓄熱したり、熱搬送媒体により
他へ搬送したり、前記低温加熱した熱搬送媒体を
追焚加温して他へ搬送して利用される。

前記第１、第２の循環回路にそれぞれ設けられ
た強制循環手段はそれぞれ独立に機能できるか
ら、前述の作用をそれぞれ最適化するようにそれ
ぞれの太陽エネルギー吸収材料の流量を決定する
ことも可能である。

以下本発明の一実施例を第１図にもとづき説明
する。

図において１はコレクターであり、前記コレク
ター１を含む太陽エネルギー吸収材料の第１の循
環回路２を設け、この第１の循環回路２には貯湯
槽３内に装置されたところの第１の熱交換器４、
太陽エネルギー吸収材料の貯溜槽５、第１の循環
ポンプ６を順次に挿入している。

前記貯溜槽５には太陽エネルギー吸収材料の第
２の循環回路７を接続しており、この第２の循環
回路７には第２の循環ポンプ８、触媒反応装置
９、第２の熱交換器１０を順次に挿入してあり、
前記第２の熱交換器１０は貯湯槽３の出湯回路１
１に設けられている。なお、図中の１２は給水
口、１３は給湯口である。

前記コレクター１は第２図に示すように構成さ
れ、すなわち、下面に遠赤外線を反射する選択透
過膜１４をもつ白色板ガラス１５と、外殻１６に
より凾体を形成し、この凾体の内部に白色板ガラ
ス１７とステンレス板１８とで太陽エネルギー吸
収材料の流路１９を形成し、この流路１９の下部
に断熱材２０、アルミシートなどよりなる赤外線
反射板２１、断熱材２２を配して構成されてい
る。

前記太陽熱吸収材料は光異性体材料に着色物質
を分散させてなるものであり、光異性体材料とし
ては、たとえば、 ノルボルナジエン→クワドリシクラン系異性
化反応を利用 シス−トランス異性化反応を利用 分子内ビアントラセンの形成を利用した反応 芳香核異性化を利用 １・３ジエンの異性化を利用 （２＋２）型光環化付加反応を利用 などがあり、いずれの系の適用も可能である。そ
して着色物質としてはカーボン粒子を用いる。

また、光異性体材料は同時に光反応の増感剤を
含んでもよい。ただし、この増感剤は着色物質と
は全く目的が違うため、区別する必要がある。

なお、以下の説明は光異性体材料としてノルボ
ルナジエン系を中心に行なう。

次に動作について説明する。コレクター１で太
陽エネルギー吸収材料に太陽エネルギーを吸収さ
せるに当り、ノルボルナジエンに低波長側の太陽
エネルギーを光異性化潜熱エネルギーとして吸収
させてクアドリシクランに変える光異性化反応を
起させ、カーボン粒子に全波長の太陽エネルギー
を顕熱エネルギーとして吸収させて太陽エネルギ
ー吸収材料を昇温させる。この太陽エネルギーを
吸収させた太陽エネルギー吸収材料は第１の循環
回路２を第１の循環ポンプ６の運転により循環さ
せられる。そして第１の熱交換器において前記顕
熱エネルギーを熱交換して貯湯槽３の水を加温し
て湯とする働きをする。顕熱エネルギーを熱交換
して冷やされた太陽エネルギー吸収材料は貯溜槽
５を経てコレクター１へもどり、再び太陽エネル
ギーの吸収をする。１回の循環では必ずしも全量
のノルボルナジエンが光異性反応を起すことはで
きないが、循環を繰返すうちには全量のノルボル
ナジエンが光異性化反応を起しクアドリシクラン
へ光異性化し、光異性化潜熱エネルギーとして太
陽エネルギーを吸収した太陽エネルギー吸収材料
として貯溜槽５に貯溜される。

貯溜槽５に貯溜されたノルボルナジエンに太陽
エネルギーを光異性化潜熱エネルギーとして吸収
したクアドリシクランを含む太陽エネルギー吸収
材料は、第２の循環ポンプ８によつて第２の循環
回路７の触媒反応装置９、第２の熱交換器１０を
経て貯溜槽５へもどる。この循環において、ノル
ボルナジエンに太陽エネルギーを光異性化潜熱エ
ネルギーとして吸収したクアドリシクランを含む
太陽エネルギー吸収材料は、触媒反応装置９にお
いてクアドリシクランが逆反応を起してノルボル
ナジエンにもどされることにより、光異性化潜熱
エネルギーは変換されて顕熱エネルギーとなり、
触媒反応装置９の後流側に一体に設けた第２の熱
交換器１０によつて熱交換され、貯湯槽３から送
られてきた低温の湯を追焚き加熱して高温の湯と
し、これを給湯口１３より給湯する。太陽エネル
ギー吸収材料は第１、第２の循環ポンプ６，８に
より第１、第２の循環回路２，７を時に、あるい
は選択的に流れ、所望の温度の湯を得ることがで
きる。

なお、本実施例では触媒反応装置９と第２の熱
交換器１０を一体に構成しているが、触媒反応装
置９と第２の熱交換器１０の間を配管で結合し、
分離して構成してもよい。また、第２の熱交換器
１０を触媒反応装置９で囲むように構成してもよ
い。さらに、図示していないが、第２の熱交換器
１０を高温貯湯槽に内蔵して、第１図に示す低温
の貯湯槽の湯を追い焚きして高温貯湯するように
構成してもよい。また、第２の熱交換器１０によ
り前述の低温貯湯した湯を追い焚きするのではな
く、他の被加熱物質を加熱して高温貯湯したり、
他へ搬送して利用するようにしてもよい。

太陽エネルギー吸収材料の光異性体材料として
は、ノルボルナジエンの代りに2cl−2cNノルボ
ルナジエンのようなノルボルナジエン誘導体や、
ジアセチルインジゴ等を利用することができる。
また、着色粒子として、カーボン粒子の代りに
鉄、銅、マンガン等の複合酸化物による選択吸収
性粒子を用いることもできる。

つぎに本発明と対比するために、本発明の一実
施例を示す第１図に示した装置から、太陽エネル
ギー吸収材料の貯湯槽５を除いた太陽熱集熱装置
の例を第３図に示し説明する。第３図に示した太
陽熱集熱装置においては、太陽エネルギー吸収材
料の貯溜槽５がないから、太陽エネルギー吸収材
料の貯溜ができないため、太陽エネルギー吸収材
料の量が少量しか充填できず、光異性体材料とし
てのノルボルナジエンの量も少量となり、光異性
化潜熱エネルギーの蓄積も少く、すぐに太陽エネ
ルギーの吸収が飽和してしまう。また、逆反応を
起させて光異性化潜熱エネルギーを顕熱エネルギ
ーに変換しようとすると、太陽エネルギーを吸収
する第１の循環回路２の太陽エネルギー吸収材料
の流量に影響を与えてしまう。したがつて、本発
明のように貯溜槽５を設けることは非常に有効で
ある。

第４図は本発明の他の実施例を示し、このもの
は前記第１の熱交換器および第２の熱交換器をそ
れぞれ１対のもの４ａ，４ｂ，１０ａ，１０ｂと
し、両者４ａと４ｂ，１０ａと１０ｂを独立した
熱搬送媒体用配管２３，２４で接続したものであ
る。

この実施例のものでは、光異性体材料と水とを
直接に熱交換せず、プロピレングリコール等の食
品安全性の高い熱搬送材料を介して間接的に熱交
換することもできる。このように間接的に熱交換
することは熱交換率は多少低下する場合もある
が、実用上の配慮で解決可能であり、万が一熱交
換器に穴があいた場合でも、水に食品安全性の低
い物質の混入をさせないという食品安全上の効果
を有する。

本発明は以上説明したように光異性材料に着色
物質を分散させた太陽エネルギー吸収材料により
顕熱エネルギーと光異性化潜熱エネルギーとして
太陽エネルギーを吸収するため、太陽エネルギー
吸収のための配管結合が簡単な構成でありなが
ら、太陽エネルギーを熱源として高温と低温の２
つの温度レンジの集熱ができるという効果があ
る。しかも、太陽エネルギー吸収材料の貯溜槽を
設け、この貯溜槽を介して太陽エネルギー吸収材
料中の光異性化潜熱エネルギーとして太陽エネル
ギーを吸収した光異性体材料を逆反応させて顕熱
エネルギーに変換させて利用するための第２の循
環回路を構成しているから、太陽エネルギー吸収
材料の充填量が大きくできる効果を有する。さら
に、太陽エネルギー吸収材料に太陽エネルギーを
吸収するための第１の循環回路の太陽エネルギー
吸収材料の流量と、太陽エネルギーを吸収した太
陽エネルギー吸収材料の光異性化潜熱エネルギー
を逆反応により顕熱エネルギーに変換して利用す
るための第２の循環回路の太陽エネルギー吸収材
料の流量とをそれぞれ独立のものとしてそれぞれ
最適な流量に設定できるという効果を有する。こ
の効果の重要性は、たとえば低温貯湯した湯を追
焚きして高温出湯しようとする際、その出湯量、
低温貯湯した湯の温度、光異性体材料の光異性化
比率、高温出湯しようとする湯の温度等により、
太陽エネルギーを吸収した太陽エネルギー吸収材
料の第２の循環回路への流量を加減する必要があ
るが、これを自由に設定できるものであり、か
つ、この流量設定が、太陽エネルギー吸収のため
の前記第１の循環回路の太陽エネルギー吸収材料
の流量設定に影響を及ぼさずに行えるから、太陽
エネルギー吸収のための第１の循環回路の太陽エ
ネルギー吸収材料の流量設定を最適になるように
設定し、これを維持できるという効果を有する。

また、太陽エネルギー吸収材料の量を大とする
ことができるから、飽和することなしに太陽エネ
ルギーを光異性化潜熱エネルギーとして吸収し貯
溜できるから、日照のないときや、夜間に熱エネ
ルギーとして利用したいときに余裕をもつて利用
できるという効果を有する。

さらに、高温貯湯をする構成の場合は、比較的
小型の第２の熱交換器を用いても大量の高温出湯
が可能となる効果を有するものである。

本発明の省エネルギー効果は以上述べたように
大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の太陽熱集熱装置の
回路図、第２図は同装置のコレクターの要部断面
図、第３図は本発明を比較するための太陽熱集熱
装置の回路図、第４図は本発明の他の実施例の太
陽熱集熱装置の回路図である。 １……コレクター、２……第１の循環回路、３
……貯湯槽、４……第１の熱交換器、５……貯溜
槽、６……第１の循環ポンプ、７……第２の循環
回路、８……第２の循環ポンプ、９……触媒反応
装置、１０……第２の熱交換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱搬送材料として光異性体材料に着色物質を
   分散させ、太陽エネルギーを顕熱エネルギーおよ
   び光異性化潜熱エネルギーとして吸収する太陽エ
   ネルギー吸収材料を用い、コレクターを含む前記
   太陽エネルギー吸収材料の第１の循環回路と、前
   記第１の循環回路に挿入された顕熱エネルギーを
   熱交換する第１の熱交換器および太陽エネルギー
   吸収材料の貯溜槽と、前記貯溜槽に接続された太
   陽エネルギー吸収材料の第２循環回路と、前記第
   ２の循環回路に順次に挿入された光異性化潜熱エ
   ネルギーを顕熱エネルギーに変換する触媒反応装
   置およびこの触媒反応装置で得られる顕熱エネル
   ギーを熱交換する第２の熱交換器と、前記第１お
   よび第２の循環回路の強制循環手段よりなる太陽
   熱集熱装置。 ２ 第１の熱交換器と第２の熱交換器はそれぞれ
   各１対の熱交換器で構成され、各１対の熱交換器
   が独立した流路を形成する熱搬送媒体用配管で接
   続された特許請求の範囲第１項に記載の太陽熱集
   熱装置。