JP2008523351A - Solar energy collection apparatus and method - Google Patents
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Abstract
太陽集光器(solar concentrator)から熱を集める太陽エネルギー収集装置は、細長い空洞を持つ等温体(isothermal body)を有している。その空洞は、円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径に等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記円形の開口は、上記太陽集光器の焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して垂直に設けられている。また、上記空洞の軸と、上記太陽集光器の主軸とは一直線上に並んでいる。上記等温体に集められた熱は、熱吸収源に吸収される。上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から目的のエネルギー量を吸収するのに十分な長さ、かつ、空洞開口の直径の5〜9倍の長さである。上記等温体は、使用される材質によっては、空洞の反射壁の反射率を維持するために還元性気体が密封されていてもよい。 A solar energy collector that collects heat from a solar concentrator has an isothermal body with an elongated cavity. The cavity has a circular aperture, the diameter of which is equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator. The cavity has a reflecting wall so that the sunlight irradiated to the reflecting wall is sufficiently reflected. The circular opening is located at the focal point of the solar concentrator and is provided perpendicular to the main axis of the solar concentrator. Further, the axis of the cavity and the main axis of the solar concentrator are aligned. The heat collected in the isothermal body is absorbed by the heat absorption source. The length of the cavity is long enough to absorb the target amount of energy from the sun rays entering the cavity, and is 5 to 9 times the diameter of the cavity opening. Depending on the material used, the isothermal body may be sealed with a reducing gas in order to maintain the reflectivity of the reflective wall of the cavity.
Description
本発明は、太陽エネルギーの分野に関するものであり、特に、熱化学処理、熱機械的処理、または、他の熱処理の原動力とするための、太陽放射エネルギー収集に関するものである。 The present invention relates to the field of solar energy, and in particular to solar radiant energy collection for use as a driving force for thermochemical, thermomechanical, or other heat treatments.
今日、再生可能な太陽熱エネルギーを非常に多くの様々な熱駆動処理に活用することについて、かなりの関心が寄せられている。熱駆動処理とは、スターリングエンジンまたは蒸気タービンなどに見られる熱機械発電システム、熱化学再形成、加熱分解、加熱処理、一般加熱処理、材料処理などのことである。一般に、太陽エネルギー収集システムは、太陽光をすぐに取得できるような場所に設置される。一般的なシステムでは、平らにセグメント化された、または、曲げられた鏡が、放物線上に、または、ボウルや桶のような形に配置され、入射する太陽放射エネルギーを収集し、あらかじめ定めたターゲット上に集光させる。トラッキング制御システムまたは前もってプログラムされたアルゴリズムは、鏡を動かすことによって、太陽が空を横断するのに応じて、要求された可視光線の形を維持する。 There is considerable interest today in utilizing renewable solar energy for a large number of different heat-driven processes. The thermal drive process is a thermomechanical power generation system, thermochemical reforming, thermolysis, heat treatment, general heat treatment, material treatment, etc. found in a Stirling engine or a steam turbine. Generally, a solar energy collection system is installed in a place where sunlight can be obtained immediately. In a typical system, a flat segmented or bent mirror is placed on the parabola or in the shape of a bowl or bowl to collect incident solar radiation energy and pre-determine it Focus on the target. The tracking control system or pre-programmed algorithm maintains the required visible light shape as the sun traverses the sky by moving the mirror.
ターゲットは、たいてい空洞または浅い皿のような形状であり、そこに、光が円錐状に集光される。空洞は、一般に、吸収された熱が稼動中の処理に伝達されるように、中に冷却液を流し込まれた複数の管によって形成される。米国特許公報#5,113,659には、いくつかの空洞の設計が掲載されている。空洞の内部に、連結されたホットシュー(a series of hot shoes)が含まれており、複数の自由ピストンスターリング機関(free piston sterling generator)に熱エネルギーを伝達するようになっている。太陽光熱化学処理のいくつかにおいて、太陽の像(the image fireball)は、しばしば局所的な加熱スポット(hotspot)を引き起こす透明の処理チューブ内の熱触媒床に直接使用される。このため、触媒焼結が生じたり、処理温度制御がうまくいかなかったりする。 The target is usually shaped like a cavity or a shallow dish where light is collected in a conical shape. The cavity is generally formed by a plurality of tubes into which cooling liquid is poured so that the absorbed heat is transferred to the running process. US Patent Publication No. 5,113,659 describes several cavity designs. A series of hot shoes are included within the cavity to transfer thermal energy to a plurality of free piston sterling generators. In some solar thermochemical processes, the image fireball is often used directly on the thermal catalyst bed in a transparent processing tube that causes local hotspots. For this reason, catalyst sintering occurs or the processing temperature control is not successful.
これらすべての収集スキームにおいて、スポットサイズおよびその形状を、熱交換および空洞のパラメータに合わせて調整する必要がある。局所的な加熱効果を回避するために、太陽像の焦点をぼかしたり、または、複数の太陽像を斜めに照射させたりすることによって、熱交換処理チューブが配置されている場所を、均一の温度で加熱されるゾーンにする。この結果、太陽像が拡大されて、これに伴い、熱放射表面の領域が増加したことが原因で、太陽の上記ターゲット上の焦点は、最適な焦点よりもぼけて、放射損失が増加する。 In all these collection schemes, the spot size and its shape need to be adjusted to the heat exchange and cavity parameters. In order to avoid local heating effects, defocus the sun image or illuminate multiple sun images at an even temperature. In the zone heated by. As a result, the sun image is magnified, and as a result, the area of the heat radiation surface is increased, so that the focus of the sun on the target is more blurred than the optimum focus and radiation loss increases.
像の拡大縮小および太陽エネルギー収集技術の損失は、生成物全体の変換効率の大部分に影響する。したがって、太陽エネルギー収集システムの目的は、最小の太陽エネルギー収集可能領域で生産物の最大生産量を目指す点にある。上記目的を達成するための鍵となる要因は、ターゲットからの放熱による寄生損失(parasitic)を最小化することである。 Image scaling and the loss of solar energy collection technology affect the bulk of the overall product conversion efficiency. Therefore, the purpose of the solar energy collection system is to aim for the maximum production amount of the product in the minimum solar energy collection area. A key factor to achieve the above objective is to minimize the parasitic loss due to heat dissipation from the target.
要求される処理温度に応じて、収集手段が決定する。低温熱を利用するためには、桶形の反射体が収集手段となり、より高温を得るためには、放物曲線形の収集装置が収集手段となる。蒸気システムは、800Kより下の中くらいの温度で稼動する。吸熱反応における高温の平衡定数(high equilibrium constants)を得ようとすると、熱化学反応には、実質それ以上の高温が必要となる。残念なことに、処理温度が増加するにつれ、熱放射などによる寄生放射損失は増加する。シュテファンの法則(Pr=σεAT4)にしたがって、上記処理温度におけるターゲットの絶対温度が2倍になると、寄生放射損失は16倍も増加する。したがって、放射損失の最小化は、黒体領域がフォーカスされた太陽像と同じになるように構成された、最適化された空洞の受光部と連動して、最小の太陽像または最高の太陽エネルギー収集を実用化することで実現する。
〔発明の概要〕
本発明の目的は、従来技術の問題点を克服する太陽熱収集装置および方法を提供することにある。
[Summary of the Invention]
It is an object of the present invention to provide a solar heat collecting apparatus and method that overcomes the problems of the prior art.
本発明の第1の実施形態において、太陽集光器から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源(heat sink)に伝達するための装置を開示する。上記装置は、細長い空洞を持つ等温体(isothermal body)を有している。その空洞は、略円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶような向きになっている。上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように設計されている。上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から目的のエネルギー量を吸収するのに十分な長さである。 In a first embodiment of the present invention, an apparatus for collecting heat from a solar concentrator and transferring the collected heat to a heat sink is disclosed. The device has an isothermal body with an elongated cavity. The cavity has a substantially circular aperture whose diameter is approximately equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator. The cavity has a reflecting wall so that the sunlight irradiated to the reflecting wall is sufficiently reflected. The direction of the isothermal body is such that the circular opening is located at a substantially focal point of the solar concentrator and is substantially perpendicular to the main axis of the solar concentrator, and the cavity axis and the solar concentrator The main shaft is aligned in a substantially straight line. The isothermal body is designed such that heat generated by the isothermal body is absorbed by the heat absorption source. The length of the cavity is sufficient to absorb the target amount of energy from the sunlight entering the cavity.
本発明の第2の実施形態において、太陽から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達するための装置を開示する。上記装置は、太陽集光器および等温体を備えている。上記等温体は、細長い略円筒状の空洞を有する。その空洞は、略円形の開口を有し、開口の直径は、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しい。上記空洞は反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている。上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶような向きになっている。上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように設計されている。上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の約5〜9倍の長さである。 In a second embodiment of the present invention, an apparatus for collecting heat from the sun and transferring the collected heat to a heat absorption source is disclosed. The apparatus includes a solar concentrator and an isothermal body. The isothermal body has an elongated substantially cylindrical cavity. The cavity has a substantially circular aperture whose diameter is approximately equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator. The cavity has a reflecting wall so that the sunlight irradiated to the reflecting wall is sufficiently reflected. The direction of the isothermal body is such that the circular opening is located at a substantially focal point of the solar concentrator and is substantially perpendicular to the main axis of the solar concentrator, and the cavity axis and the solar concentrator The main shaft is aligned in a substantially straight line. The isothermal body is designed such that heat generated by the isothermal body is absorbed by the heat absorption source. The length of the cavity is about 5-9 times the diameter of the circular opening.
本発明の第3の実施形態において、太陽集光器から、熱吸収源に伝達するための熱を収集する方法を開示する。上記方法は、略円形の開口を有し、開口の直径が、上記太陽集光器の焦点の直径にほぼ等しくなる空洞であって、かつ、反射壁を有し、上記反射壁に照射される太陽光線が十分反射されるようになっている細長い空洞を持つ等温体(isothermal body)を提供するステップと、上記等温体の向きを、上記円形の開口が上記太陽集光器の略焦点に位置し、該太陽集光器の主軸に対して略垂直となり、かつ、上記空洞の軸と上記太陽集光器の主軸とが略一直線上に並ぶように決定するステップと、反射壁に照射される各太陽光線が、上記反射壁における第1の接点から、反射壁における第2の接点、および、上記反射壁における後に続く複数の接点へと反射して、上記太陽光線に含まれる目的のエネルギー量が反射壁に吸収されるまで、各接点において、各太陽光線に含まれるエネルギーを反射壁によって吸収するステップと、上記太陽光線の吸収されたエネルギーにより上記等温体にて生成された熱が、熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源が、熱的に、上記等温体に接続するステップとを含んでいる。 In a third embodiment of the present invention, a method for collecting heat for transmission from a solar concentrator to a heat absorption source is disclosed. The method has a substantially circular opening, a cavity whose opening diameter is substantially equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator, has a reflecting wall, and is irradiated on the reflecting wall. Providing an isothermal body having an elongated cavity in which sunlight is sufficiently reflected, and the orientation of the isothermal body, with the circular aperture positioned approximately at the focal point of the solar concentrator. The step of determining the axis of the cavity to be substantially perpendicular to the main axis of the solar concentrator and the main axis of the solar concentrator being aligned substantially in a straight line; Each sunlight ray is reflected from the first contact point on the reflection wall to the second contact point on the reflection wall and a plurality of subsequent contact points on the reflection wall, so that the target energy amount included in the sunlight ray is reflected. At each contact until is absorbed by the reflecting wall The step of absorbing energy contained in each solar ray by a reflecting wall, and the heat absorption source so that heat generated in the isothermal body by the absorbed energy of the solar ray is absorbed by the heat absorption source Thermally connecting to the isothermal body.
太陽放射エネルギーは、等温体に形成された反射空洞内の複数の内部反射によって熱に変換される。そして空洞の受光部は、熱的に必要な熱処理または熱吸収源と連動する。上記等温体は、熱機能を統合するための主要部を有し、軽微な断熱材または太陽像の湾曲とは無関係に、ほぼ一定の温度での連動処理を実現する。 Solar radiant energy is converted to heat by a plurality of internal reflections in a reflective cavity formed in the isothermal body. The hollow light-receiving portion is interlocked with a thermally necessary heat treatment or heat absorption source. The isothermal body has a main part for integrating the thermal function, and realizes interlocking processing at a substantially constant temperature regardless of a slight heat insulating material or the curvature of the solar image.
空洞の開口は、放物曲線形の太陽集光器の焦点に可視光の主軸上で位置しており、その光円錐における直径が最小になる部分が空洞の入り口にあたるようになっている。 The opening of the cavity is located on the main axis of visible light at the focal point of a parabolic solar concentrator, and the portion of the light cone with the smallest diameter corresponds to the entrance of the cavity.
機械的構造は、化学的還元可能物質(a chemically reducible material)に覆われた、または、化学的還元可能物質からなる厚い壁を有する中空円柱と似ている。化学的還元可能物質とは、例えば、銅などであるが、これに限定されない。空洞の端の開口が、太陽集光器からの焦点において光円錐を遮断している間は、等温体は、熱処理と熱的に連動している。太陽エネルギーは、上記空洞に入り、内部反射を繰り返す。この間、均一に分散し、徐々に熱が放射される。熱は、受光部の等温体に吸収されて、処理の実施に活用される。空洞壁の反射率は、内部の空気の不活性化または還元性気体(reducing atmosphere)によって調整される。 The mechanical structure resembles a hollow cylinder covered with a chemically reducible material or having a thick wall made of a chemically reducible material. The chemically reducible substance is, for example, copper, but is not limited thereto. While the opening at the end of the cavity blocks the light cone at the focal point from the solar concentrator, the isothermal body is thermally linked to the heat treatment. Solar energy enters the cavity and repeats internal reflection. During this time, it is uniformly dispersed and heat is gradually emitted. The heat is absorbed by the isothermal body of the light receiving unit and used for the execution of the processing. The reflectivity of the cavity wall is adjusted by internal air inactivation or reducing atmosphere.
〔図の簡単な説明〕
本発明の上述した目的および有利な点、ならびに、さらなる目的および有利な点は、以下に記載の、本発明を構成要素として示した図面を参照して行う、本発明の好ましい実施形態についての詳細な説明によって、より完全に理解される。
[Brief description of figure]
The above objects and advantages of the present invention, as well as further objects and advantages, will be set forth in detail in the following description of preferred embodiments of the invention with reference to the drawings, which illustrate the invention as a component. A more complete understanding can be gained through this explanation
図1および図2は、同期変流機(electrical converter)のスターリングを駆動するように構成された、従来の太陽熱収集システムの概略を示す図である。 1 and 2 are schematic diagrams of a conventional solar heat collection system configured to drive the Stirling of a synchronous current transformer.
図3は、従来技術に用いられている太陽集光器であって、エネルギーを活用可能レベルにまで減衰させるために、放射状にゆがめられた太陽集光器における、ターゲットの放射照度の特性(irradiance profile)示す図である。 FIG. 3 is a solar concentrator used in the prior art, in which the irradiance characteristics of the target in a solar concentrator radiated radially to attenuate energy to a usable level. profile).
図4は、従来技術および本発明における径方向配光のグラフである。 FIG. 4 is a graph of radial light distribution in the prior art and the present invention.
図5は、ターゲットの温度および領域と黒体の熱放射損失との関係を表すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the temperature and region of the target and the thermal radiation loss of the black body.
図6は、本発明における、スターリングエンジン原動力生成システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。 FIG. 6 is a side sectional view showing an outline of an embodiment adopting a Stirling engine motive power generation system in the present invention.
図7は、本発明の加熱の用途における他の実施形態の概略を示す側断面図である。 FIG. 7 is a side sectional view schematically showing another embodiment of the heating application of the present invention.
図8および図9は、本発明における、熱化学反応システムを採用した実施形態の概略を示す側断面図である。 FIG. 8 and FIG. 9 are side sectional views showing an outline of an embodiment adopting a thermochemical reaction system in the present invention.
図10は、本発明の同軸の空洞を有する等温体を示す等角投影図であり、ひとつの光線の径路および空洞の作用の基本原理を示す図である。 FIG. 10 is an isometric view showing an isothermal body having a coaxial cavity according to the present invention, showing the basic principle of the path of one ray and the action of the cavity.
図11は、図10に示す熱伝導体の端面図であり、内部の光線の径路を示す図である。 FIG. 11 is an end view of the heat conductor shown in FIG. 10 and shows the path of the internal light beam.
〔発明の詳細な説明〕
図1および図2は、従来技術における、熱エンジンおよび電気生成装置の組み合わせ駆動する太陽熱収集システムの概略を示す図である。太陽熱収集システムは、多種多様な目的で用いられる熱を提供するためのものである。収集された熱は、基本的に熱を消費する図示された熱エンジンのように、熱吸収源に伝達されて用いられる。作動温度は、目的によってさまざまである。また、システムは、作動温度が目的の温度に達したら、収集されたすべての熱が、熱吸収源によって分離されるように設計されており、作動温度は、約100℃〜1400℃またはそれ以上であってもよい。
Detailed Description of the Invention
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing an outline of a conventional solar heat collection system that is driven by a combination of a heat engine and an electricity generation device. Solar heat collection systems are intended to provide heat used for a wide variety of purposes. The collected heat is used by being transferred to a heat absorption source, basically like the illustrated heat engine that consumes heat. The operating temperature varies depending on the purpose. The system is also designed so that once the operating temperature reaches the desired temperature, all collected heat is separated by a heat sink, and the operating temperature is about 100 ° C. to 1400 ° C. or higher. It may be.
上記の例では、太陽放射光1が太陽集光器2によって反射して生じた、太陽光の光束の中の太陽光線7は、ターゲット8に焦点が合わされる。ターゲット8は、放物曲線形の太陽集光器2の焦点に合わせて、空洞11上に設けられている。ターゲット8は、複数の金属管3から構成されており、金属管3は、光円錐を遮断するように、放物曲線形の太陽集光器2の主軸9について線対称に配置される。熱伝達損失を低減するために、水晶窓(quartz window)5が、ターゲット8を覆っている。冷却剤は、管3を介して、管3に接する放熱が吸収されることによって生成された熱を取り除くために流れている。そして、その熱を熱伝導によって熱エンジン4に伝える。
In the above example, the solar rays 7 in the luminous flux of sunlight generated by reflecting the solar radiation 1 by the
上記の例において、熱エンジンによって変換された機械的エネルギーは、シャフト10によって生成部6に伝送される。生成部6は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。上記の例では、ターゲット8に向けられた配光は、図3に示すとおり、管状の熱交換構造における、環状リングと同じになる。環状リングは、太陽光の光束強度(flux intensity)レベルを熱交換可能限界まで軽減するために、複数の太陽像に歪められたものである。図4において、曲線Wは、図3に示す太陽像が歪められてターゲット8に重畳されたときの、ターゲット8における径方向配光の結果をグラフ化したものである。図3に示すとおり、ターゲットの中心部の略円形の部分は、実質、太陽光線7があたっていない。このように、ターゲットになる領域を広げることによって太陽光線7がターゲット8に集中するのを抑える。
In the above example, the mechanical energy converted by the heat engine is transmitted to the generator 6 by the
一般に、太陽光の集積度合いは、”suns”という単位を用いて測定される。1sunは、標準となる太陽光の1単位面積あたりの入射エネルギー量を表している。太陽光は、1平方メートルあたり約1000ワット(W/m2)である。より具体的には、焦点上の太陽光の集積度合いが約5500sunsだとすると、熱交換管3は、その集積度合いに達したときの熱に持ちこたえることはない。熱交換の熱伝導パラメータに沿って、熱吸収許容量および冷却剤流量を与えると、最大許容太陽光集積度合いは、例えば、約877suns、または、約877000W/m2となる。太陽光集積度合いを軽減するためには、機構を以下のように配置する。すなわち、例えば、放物曲線形の集光器2を歪めて、より広い領域に放射されるようにする。太陽光集積度合いがこのように軽減されると、交換温度を許容範囲内に収まるように維持している間は、必要とされる熱伝導を行うことができる。
Generally, the accumulation degree of sunlight is measured using a unit of “suns”. 1 sun represents the amount of incident energy per unit area of standard sunlight. Sunlight is about 1000 watts per square meter (W / m 2 ). More specifically, when the accumulation degree of sunlight on the focus is about 5500 suns, the heat exchange tube 3 does not hold up to the heat when the accumulation degree is reached. Given the heat absorption allowance and coolant flow rate along the heat transfer heat transfer parameters, the maximum allowable solar accumulation degree is, for example, about 877 suns or about 877000 W / m 2 . In order to reduce the degree of sunlight accumulation, the mechanism is arranged as follows. That is, for example, the parabolic
しかしながら、ターゲットのサイズを大きくすると、所定の温度での放射損失も大きくなってしまい、太陽光収集効率が下がってしまう。図5は、放射率1.0のときにおける、ターゲットの再放射エネルギーが原因となるエネルギー損失の規模は、実質、処理温度およびターゲットの放射面積に影響される。図1および図2に示す上述した例では、ターゲット8の直径は約15インチで、太陽光の集積度合いは、約177平方インチのターゲットの面積(太陽光線7が実質あたっていないターゲットの中心部の円形部分も含む)において877sunsとなる。放物曲線形の太陽集光器2を一つの太陽像の焦点にて集光するように再配置することにより、ターゲットの直径は、約6インチとなる。これにより、太陽光集積度合いは、その焦点において、ターゲットの面積約28平方インチにつき5500sunsとなる。したがって、ターゲットの面積は、約6.25分の1に減らされる分、それに応じて、集光度は、約6.25倍になる。
However, when the size of the target is increased, radiation loss at a predetermined temperature is also increased, and the sunlight collection efficiency is lowered. FIG. 5 shows that when the emissivity is 1.0, the magnitude of the energy loss caused by the re-radiation energy of the target is substantially affected by the processing temperature and the radiation area of the target. In the above-described example shown in FIGS. 1 and 2, the
図5に示すとおり、ターゲットのサイズを15インチから6インチに減らすことによって、放射損失を、13%から2%に減らすことができる。このときの処理作動温度は850℃である。図5に示すとおり、作動温度が上がるにつれて、小さいターゲットの放射損失は、さほど増加しないが、一方、大きい方のターゲットにおける放射損失は、作動温度が上がるにつれて劇的に増加する。これらのデータは、所定の温度に達するように設計された黒体太陽光受光部であればいずれでも当てはまる、熱力学の真実である。上述のような直径の小さな集光部によって、非常に高い集光度を得ようとすることは解決が困難な課題である。 As shown in FIG. 5, radiation loss can be reduced from 13% to 2% by reducing the target size from 15 inches to 6 inches. The processing operating temperature at this time is 850 degreeC. As shown in FIG. 5, as the operating temperature is increased, the radiation loss of the small target does not increase much, while the radiation loss at the larger target increases dramatically as the operating temperature is increased. These data are the thermodynamic truths that apply to any blackbody solar receiver designed to reach a predetermined temperature. An attempt to obtain a very high light concentration by the light condensing part having a small diameter as described above is a difficult problem to solve.
図6は、太陽集光器から熱を収集し、収集した熱を熱吸収源に伝達するための本発明の装置の一実施形態を示す図である。図示された実施形態において、本発明の収集装置が備える熱吸収源は、スターリングエンジン生成装置であって、図1および図2の収集装置に設けられた熱吸収源と似ている。ここでは、集光器を歪めるのではなく、放物曲線形の太陽集光器2によって集められた太陽放射光1が、はっきりと一つの太陽像が細長い空洞13の開口入り口にて投影されるように焦点を合わせられている。ここでは、太陽光集積度合いは最も大きく、ターゲット(すなわち、空洞13の開口入り口)の直径は最も小さい。図4では、曲線Sは、太陽像が一つである場合の、ターゲット8における径方向配光の結果をグラフ化したものである。
FIG. 6 is a diagram illustrating one embodiment of the apparatus of the present invention for collecting heat from a solar concentrator and transferring the collected heat to a heat absorption source. In the illustrated embodiment, the heat absorption source included in the collection device of the present invention is a Stirling engine generation device, which is similar to the heat absorption source provided in the collection device of FIGS. 1 and 2. Here, rather than distorting the concentrator, the solar radiation 1 collected by the parabolic
空洞13の開口は円形で、その直径は、太陽集光器2の焦点の直径にほぼ等しい。空洞13は、円形の開口が太陽集光器2の焦点に位置し、かつ、太陽集光器2の主軸9に対して略垂直になるように方向付けられている。さらに、空洞13の軸が主軸9と略一直線上に並ぶように空洞13は設けられている。
The opening of the cavity 13 is circular and its diameter is approximately equal to the diameter of the focal point of the
空洞13は、ステインレススティールなどでできた等温体12の内部に形成されている。空洞13の内側は銅などの金属板32で覆われている。銅は、化学的に還元された状態で良好な反射率を有し、熱伝導率が高い。あるいは、等温体12はその全体が、化学的に還元可能でかつ熱伝導率が高い材料、例えば銅など(しかしこれに限定されない)でできていてもよい。いずれにしても、空洞13は、壁に照射された太陽光線7が十分に反射されるように、反射壁を有している。空洞13内部における光線の複数の反射によって、空洞13の壁にて、太陽光線から熱へとエネルギーが変換される。熱は、等温体12への熱伝導によって、温度を上げたり、その熱エネルギーを熱吸収源処理にて利用可能なようにしたりするのに転用される。
The cavity 13 is formed inside an
太陽光線7を反射させることにより、受光部において光が作用した領域は、空洞の開口の領域から空洞の壁の領域へと増加する。太陽光線7は、反射壁における第1の接点から反射壁における第2の接点へと反射を繰り返し続け、反射壁における非常に多くの接点に照射され反射する。空洞は、空洞の開口と比べて細長いので、壁から壁へと反射して開口を介して出力された吸収される前の太陽光線の割合は小さい。 By reflecting the sunlight 7, the area where the light acts in the light receiving portion increases from the area of the cavity opening to the area of the cavity wall. The sunlight 7 continues to be repeatedly reflected from the first contact point on the reflection wall to the second contact point on the reflection wall, and is irradiated and reflected on a large number of contact points on the reflection wall. Since the cavity is elongated compared to the opening of the cavity, the proportion of the unabsorbed sunlight that is reflected from the wall to the wall and output through the opening is small.
太陽エネルギーの吸収率は、空洞の長さに比例して増加してもよい。光線の総吸収量は、現実的ではないが、反射空洞13の長さが空洞入り口開口の直径の約5〜9倍であれば、空洞の長さは、一般に、空洞に入る太陽光を必要十分な割合で吸収するのに十分であるといえる。黒体吸収部の非常に良好な近似値が得られた試験を、最小限の黒体領域によって実現する。ここで、反射空洞13の長さは、空洞入り口開口の直径の約7倍である。上記構成によれば、約95%の太陽エネルギーが吸収される。 The absorption rate of solar energy may increase in proportion to the length of the cavity. The total amount of light absorption is not practical, but if the length of the reflective cavity 13 is about 5-9 times the diameter of the cavity entrance opening, the length of the cavity generally requires sunlight entering the cavity. It can be said that it is sufficient to absorb at a sufficient rate. A test with a very good approximation of the blackbody absorber is achieved with a minimal blackbody area. Here, the length of the reflection cavity 13 is about 7 times the diameter of the cavity entrance opening. According to the above configuration, about 95% of solar energy is absorbed.
空洞13の長さを長くすると、太陽光線の吸収率も上がる。しかしながら、等温体12の長さもまた長くなる。等温体12のサイズが大きくなるにつれて、同じように等温体12からの熱伝導による損失が増加する。そして、放射量低減(radiation reduction)により得たメリットは、等温体12の細長い表面を介して伝導損失により相殺される。空洞13の長さを短くすると、光線の大部分が反射して空洞13から外に出て損失されるので、太陽光線7におけるエネルギー吸収効率が低下する。
Increasing the length of the cavity 13 increases the absorption rate of sunlight. However, the length of the
空洞13は、露出した金属の構成要素の化学的還元のための還元性気体で維持される。金属の構成要素は、酸化すると反射率が低下し、そのために装置の有効性が低減されてしまう。 The cavity 13 is maintained with a reducing gas for chemical reduction of exposed metal components. When metal components are oxidized, the reflectivity is reduced, which reduces the effectiveness of the device.
図10および図11は、熱抽出手段を除いた本発明の等温体12および空洞13を示す図であり、空洞13の入り口20を介して太陽光線7のひとつの光線が、空洞13の反射壁に衝突しながらたどる径路を示す図である。上記の例において、太陽光線7または光子は、最終的に空洞壁によって吸収されるまで何度も反射を繰り返す。空洞壁に吸収されたエネルギーは等温体12に伝達されて、内部エネルギーが増加または温度が上昇する。図10および図11において、光子がたどる径路は、無数に存在するが、説明の目的のためにひとつだけ記載している。空洞の入り口に向けられたガウス光線特性(Gaussian beam profile)を有する、焦点が合わされた光エネルギーは、空洞の内部において熱が均一に分散する範囲内で、あらゆる径路をたどる。
10 and 11 are views showing the
等温体12の温度が上がるにつれて、露出面14は、その放射率および面積に応じて、エネルギーを放射する。これが、総合的に寄生損失の原因となる。したがって、図6〜図9に示すとおり、表面放射による熱放射損失を低減する目的で、空洞の開口と等温体の外側の端との間の等温体12の露出面またはそれ自体を覆うために、銅などの還元可能物質類でできたシールド30を設けることは、有利な効果がある。化学的に還元可能な保護物類は、処理温度到達時に露出している構成要素のいずれを覆うことに用いてもよい。
As the temperature of the
図7は、熱処理の蒸気または作動流体に用いられる加熱機構を示す図である。上述の説明では、太陽エネルギーは、空洞内部の複数の反射および吸収の機構によって吸収され、これにより必要な処理温度にまで等温体12が加熱される。作動流体は、受取部18から進入し、円柱の中の通路17を循環する。通路17は、等温体12内部に線対称に配置されている。そして、等温体12からエネルギーが吸収され、必要な処理へと19から出力される。
FIG. 7 is a diagram showing a heating mechanism used for heat-treated steam or working fluid. In the above description, solar energy is absorbed by multiple reflection and absorption mechanisms inside the cavity, thereby heating the
図6から図9に示す実施形態では、密封筐体16が設けられている。密封筐体16は、必要な断熱の役割を果たすとともに、還元性気体15を含んでいる。窓5は、反射空洞13に太陽放射光が入射するのを可能にする一方で、筐体16を実現するために気体の漏れ口をふさぐ役割を果たす。筐体16は、例えば、5%の水素と、それと平衡を保つための封入ガスとからなる還元性気体で満たされている。封入ガスは、作動温度にて不活性である。窒素は、安価であり、比較的高温下でも不活性であるので、窒素を選ぶとよい。同様に、アルゴンなどの他の不活性ガスを用いてもよい。還元性気体によって、還元可能金属は、要求された金属的形態を維持することができる。還元可能金属としては、例えば、無酸素銅(OFHC copper;oxygen free high conductivity copper)、あるいは、他の合金が挙げられる。上記の状態において、反射空洞13の裏板32の反射表面、および、シールド30は、低放射率を維持し、これにより本発明の機能が達成される。
In the embodiment shown in FIGS. 6 to 9, a sealed
熱損失を低減するための、還元ガスを含む筐体16は断熱してある。
The
図6から図9では、太陽放射光が空洞13を熱するので、空洞内に金属壁を形成する金属裏板32の熱の拡張によって、等温体12の内部壁に対して高い圧力がかかる。これらの構成要素間の深い結びつきは、裏板32と等温体12との間の金属境界の熱抵抗(the thermal resistance)を減少させる。熱を受け取る等温体12への熱伝導は拡張され、空洞に裏板およびほぼ等温の受取部を形成することによって、空洞の流束密度の最大比率が増加する。
In FIGS. 6-9, since solar radiation heats the cavity 13, a high pressure is applied to the inner wall of the
図8および図9は、熱化学太陽エネルギー反応炉(a thermo-chemical solar reactor)を示す図である。反応炉では、集められた太陽光線7は、水晶窓5を介して気体を密封する筐体16に入射する。そして、何度も空洞反射を繰り返すことによって、太陽光線7のエネルギーは、等温体12によって吸収され、熱に変換される。反応ガスは、供給ライン22および予熱チャンネル24に注入することができる。予熱チャンネル24から出力される熱い反応物質は、等温体内の反応層(reaction beds)25に入る。ここで、触媒作用による吸熱反応が生じる。上記の例による生産物は、等温体12の管23から出力される。
8 and 9 are diagrams showing a thermo-chemical solar reactor. In the reaction furnace, the collected sunlight 7 enters the
図6〜図9に示される例における他の実施形態では、還元可能金属またはセラミックでできた固形の等温体が含まれており、したがって、反射空洞の裏板やシールドが不要である。他の還元ガスなどのように、主な構成要素の他の酸化抑制手段、あるいは、上述したあらゆる気体の濃度を変化させる手段は、本発明の範囲内で意図されている。 In other embodiments in the example shown in FIGS. 6-9, a solid isotherm made of reducible metal or ceramic is included, thus eliminating the need for a reflective cavity backplate or shield. Other oxidation control means of the main components, such as other reducing gases, or means for changing the concentration of any of the gases mentioned above are contemplated within the scope of the present invention.
本発明の装置は、収集された太陽エネルギーの大部分が放射損失となるような高温での処理に好適に用いられる。より低温での処理では、放射損失はそんなに大きくはないので、本装置を用いても一般的には顕著な効果が得られない。 The apparatus of the present invention is preferably used for processing at high temperatures where most of the collected solar energy results in radiation loss. In the processing at a lower temperature, the radiation loss is not so large, so that the use of this apparatus generally does not provide a remarkable effect.
したがって、上述の説明は、単に、本発明の原理を説明するものとして理解されなければならない。さらに、数値の置換や変更は、当業者において容易に行えるので、本発明は、上述したまたは図示した厳密な構成および動作に限定されるものではない。したがって、再現性のある構造や動作におけるすべての適切な置換や変更は、特許請求された本発明の範囲内に含まれる。 Therefore, the above description should be understood as merely illustrating the principles of the invention. Further, since numerical values can be easily replaced or changed by those skilled in the art, the present invention is not limited to the exact configuration and operation described above or illustrated. Accordingly, all suitable substitutions and changes in reproducible structure and operation are included within the scope of the claimed invention.
Claims (20)
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い空洞を形成する等温体を備え、
上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶ向きになっており、
上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源と熱的に接続されており、
上記空洞の長さは、上記空洞に入る太陽光線から所望の割合のエネルギーを吸収するのに十分な長さであることを特徴とする集熱装置。 A heat collector that collects heat from a solar concentrator and transfers the collected heat to a heat absorption source,
An isothermal body that has a substantially circular opening having a diameter substantially equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator, and that forms an elongated cavity having a reflecting wall that sufficiently reflects the irradiated sunlight. With
The direction of the isothermal body is such that the circular opening is substantially located at the focal point of the solar collector, is substantially perpendicular to the main axis of the solar collector, and the hollow axis and the sunlight The main axis of the concentrator is aligned in a substantially straight line,
The isothermal body is thermally connected to the heat absorption source so that heat generated by the isothermal body is absorbed by the heat absorption source,
The heat collecting apparatus according to claim 1, wherein the cavity has a length sufficient to absorb a desired proportion of energy from the sunlight entering the cavity.
太陽光集光器と、
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い略円筒状の空洞を形成する等温体とを備え、
上記等温体の向きは、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶ向きになっており、
上記等温体は、等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源と熱的に接続されており、
上記空洞の長さは、上記円形の開口の直径の約5〜9倍であることを特徴とする集熱装置。 A heat collecting device that collects heat from the sun and transfers the collected heat to a heat absorption source,
A solar concentrator,
A cavity having a substantially circular opening having a diameter approximately equal to the diameter of the focal point of the solar collector, and having an elongated substantially cylindrical cavity having a reflecting wall that sufficiently reflects the irradiated sunlight. An isothermal body to form,
The direction of the isothermal body is such that the circular opening is substantially located at the focal point of the solar concentrator and is substantially perpendicular to the main axis of the solar concentrator. The main axis of the concentrator is aligned in a substantially straight line,
The isothermal body is thermally connected to the heat absorption source so that heat generated by the isothermal body is absorbed by the heat absorption source,
The length of the hollow is about 5 to 9 times the diameter of the circular opening.
上記太陽光集光器の焦点の直径にほぼ等しい直径を有する略円形の開口を持つ空洞であって、照射される太陽光線が十分反射されるような反射壁を有する細長い空洞を形成する等温体を設けるステップと、
上記等温体が、上記円形の開口が上記太陽光集光器の焦点にほぼ位置し、該太陽光集光器の主軸に対して略垂直となり、また、上記空洞の軸と上記太陽光集光器の主軸とが略一直線上に並ぶように、上記等温体を方向付けるステップと、
上記反射壁の第1の接点から反射壁の第2の接点へと反射壁に照射し、その後も、太陽光線に含まれる所望の割合のエネルギーが上記反射壁に吸収されるまで、反射壁の各接点において照射を繰り返す太陽光線を反射するステップと、
上記太陽光線の吸収されたエネルギーによって上記等温体にて生成された熱が、上記熱吸収源に吸収されるように、上記熱吸収源を上記等温体に熱的に接続させるステップとを含む集熱方法。 A heat collection method for collecting heat from a solar concentrator and transferring it to a heat absorption source,
An isothermal body that has a substantially circular opening having a diameter substantially equal to the diameter of the focal point of the solar concentrator, and that forms an elongated cavity having a reflecting wall that sufficiently reflects the irradiated sunlight. Providing a step;
The isothermal body has the circular aperture located substantially at the focal point of the solar collector, substantially perpendicular to the main axis of the solar collector, and the hollow axis and the solar collector. Orienting the isothermal body so that the main axis of the vessel is aligned substantially in a straight line;
The reflecting wall is irradiated from the first contact point of the reflecting wall to the second contact point of the reflecting wall, and after that, until a desired proportion of energy contained in the solar rays is absorbed by the reflecting wall. Reflecting sunlight that repeats irradiation at each contact;
Thermally connecting the heat absorption source to the isothermal body so that heat generated in the isothermal body by the absorbed energy of the solar rays is absorbed by the heat absorption source. Heat method.
上記筐体内を、上記空洞の反射壁の酸化をほぼ防止するのに有効な還元性気体で満たし、上記反射壁の反射率を維持するステップとを含む請求項16から18までのいずれか1項に記載の集熱方法。 Sealing the isothermal body with a housing;
The inside of the housing is filled with a reducing gas effective to substantially prevent oxidation of the reflection wall of the cavity, and the step of maintaining the reflectance of the reflection wall is included. The heat collecting method described in 1.
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