集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システム
【課題】熱効率を高めて、集熱管内に収容された熱媒体をより高い温度に加熱できる集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システムを提供する。
【解決手段】反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、上記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする。
【解決手段】反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、上記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽を利用した発電方法として、集光型太陽熱発電が知られている。集光型太陽熱発電は、一般に、太陽光を集光して熱へと変換し、この熱により熱媒体を加熱して、これにより製造した蒸気を利用して蒸気タービンを回して発電するものである。このような集光型太陽熱発電は、発電中に温室効果ガスを出さないうえ、蓄熱することで曇天や夜間でも発電できることから、その開発が進められている。
集光型太陽熱発電の方式としては、トラフ型、フレネル型、タワー型、パラボラ・ディッシュ型等が知られている。以下、トラフ型の太陽熱発電を例に挙げて説明する。
【０００３】
トラフ型の太陽熱発電は、断面が略円弧状に形成された横長の反射鏡（トラフ）を介して太陽熱を集める方式である（例えば、特許文献１参照。）。反射鏡の中央部には、反射鏡の軸方向（複数の反射鏡の凹部を結んだ方向）に沿ってガラス管等の集熱管が配置されており、集熱管内には、オイル等の熱媒体が入っている。反射鏡の反射面は、太陽の方に傾けて配置され、集熱管に向けて太陽光を集光して、集光した熱で集熱管に入っている熱媒体を加熱するように、その位置が調整される。また、反射鏡には、モータで軸を回転させることにより、太陽が移動しても反射面が太陽の方向に向き続けることができるように構成されているものもある。加熱された集熱管内の熱媒体は、蒸気タービンに供給され、蒸気タービンを回す事で発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３９３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
トラフ型の太陽熱発電において効率的に発電を行う為には、集光した熱を集熱管内の熱媒体に効率的に吸収させる必要がある。しかしながら、トラフ型の太陽熱発電では、反射鏡で集光した光が集熱管を通る際、散乱又は反射が生じて熱損失が大きくという問題がある。そのため、集熱管内の熱媒体の最高温度は４００℃程度であり、より高い温度に加熱できることが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、熱効率を高めて、集熱管内に収容された熱媒体をより高い温度に加熱できる集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、熱効率の高いトラフ型の太陽熱発電について種々検討し、熱効率が悪くなる一因は、集熱管の外側表面で生じる太陽光の反射、又は、集熱管による太陽光の散乱にあることに着目した。そして、熱媒体を収容している集熱管の外側表面の反射、又は、集熱管による散乱を大きく低減させ、集熱管自体に太陽熱を吸収させ、熱を吸収した集熱管から熱媒体に効率良く熱を伝達することにより、発電に必要な熱量を効率良く得る事ができることを見いだし、本発明に到達したものである。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の集熱管は、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、上記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外側表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする。
【０００９】
上記集熱管は、本体部の外側表面に形成された室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層を有するので、太陽光の反射又は散乱が大きく低減し、効率的に太陽光を吸収し、熱に変換することができる。また、本体部の外側表面をコーティング層で覆うことで、集光された太陽光の熱の放熱を低減することもできる。さらに、加熱され、充分に昇温した本体部の熱を効率よく、熱媒体に伝達することができ、集光された太陽光によって熱媒体が直接に加熱される従来の集熱管に比べて、より効率良く熱媒体を加熱、昇温させることができる。なお、本発明において、室温とは、２５℃のことをいうこととする。
【００１０】
請求項２に記載の集熱管において、上記コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体（以下、結晶性無機材とも称す。）と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物（以下、非晶質無機材料とも称す。）とを含む赤外線黒体塗料組成物からなることが好ましい。このような組成を有するコーティング層は、本体部との密着性に優れ、本体部が高温状態となっても、剥離しにくいものとなる。
【００１１】
請求項３に記載の集熱管において、上記コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍであることが好ましい。このような厚みを有するコーティング層であれば、コーティング液（コーティング材料）を本体部の外側表面に塗布することにより、比較的容易に均一な厚みのコーティング層を形成することができる。
【００１２】
請求項４に記載の集熱管において、上記コーティング層は、上記本体部の外側表面全体に形成されていることが好ましい。このような構成であると、伝熱効率を高めるとともに、熱の放熱をより確実に低減できる。
【００１３】
請求項５に記載の集熱管において、上記遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、上記無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスであることが好ましい。このような構成であると、黒色で本体部との密着性に優れたコーティング層を有する集熱管とすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の集熱管において、上記コーティング層の熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましい。
【００１５】
請求項７に記載の集熱管において、上記コーティング層と上記集熱管の本体部との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００１６】
請求項８に記載の集熱管において、上記集熱管の本体部は、ガラス管であることが好ましい。
【００１７】
請求項９に記載の集熱器は、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した太陽光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱器であって、
上記集熱器は、集熱管と、上記集熱管に収容された熱媒体とを備え、上記集熱管は、上記した本発明のいずれかの集熱管であることを特徴とする。
本発明に係る集熱器は、上記した本発明に係る集熱管を用いているので、伝熱効率を高めることができ、これにより集熱管内に収容された熱媒体に効率的に熱を伝えて、熱媒体をより早く、確実に所望の温度へ加熱することができる。
【００１８】
請求項１０に記載の集光型太陽熱発電システムは、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した太陽光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、上記熱を利用して水蒸気を発生させ、上記水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う集光型太陽熱発電システムであって、上記集熱器は、上記した本発明の集熱器であることを特徴とする。
本発明に係る集光型太陽熱発電システムは、上記した本発明に係る集熱器を用いているので、太陽光をより効率的に集熱器に吸収及び蓄熱することができ、発電効率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る集熱管を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムを模式的に示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示した集光型太陽熱発電システムを構成する集熱器を説明するための斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した集熱器のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第一実施形態）
以下、本発明の一実施形態である第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る集熱管の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る集熱管１００は、本体部１０１と、その外側表面に形成されたコーティング層１０２とを備える。
図１は、集熱管１００の構造をわかり易く説明するために、本体部１０１とコーティング層１０２の位置をずらしており、厳密には、本体部１０１の外側表面全体にコーティング層１０２が形成されている。
【００２１】
本体部１０１は、横長の形状であって、内部に熱媒体を収容できるように構成されている。具体的には、円管形状又は楕円管形状等の管である。
本体部１０１の材料は、石英ガラス等のガラスである。
本体部１０１のサイズは、特に限定されるものではなく、用途に応じて所望の形状、サイズ等を適宜選択できる。一例としては、直径（外径）１ｃｍ〜９０ｃｍのガラス管が挙げられる。直径（外径）が１ｃｍ未満では、熱媒体を収容するのに充分な容積がなく、ガラス管の直径が９０ｃｍを超えるものは、ガラス管の温度が均一になりにくく、ガラス管の各部分の温度の不均一性に起因して破壊され易くなる。
【００２２】
コーティング層１０２は、本体部１０１の外側表面全体に形成されている。本体部１０１の外側表面とは、太陽光の反射光が照射される部分である。
【００２３】
コーティング層１０２は、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であることが好ましく、０．９２〜０．９８であることがより好ましい。
波長１〜１５μｍの領域は、いわゆる近赤外線と遠赤外線領域であり、大きな熱を発生しやすい領域である。この放射率が０．７０未満であると、充分な伝熱効率を得ることができず、この放射率が０．９８を超えるものは作製が難しい。そのため、放射率が０．７０〜０．９８であると、反射光によるコーティング層１０２から本体部１０１内部への伝熱効率を高めることができる。
放射率の測定は、コーティング層１０２の外側表面について測定を行っても良く、測定試料を別途調整して測定しても良い。放射率の測定方法としては、既知の分光光度法による測定を用いることができる。
【００２４】
なお、コーティング層１０２が形成されていないガラス管の室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．５６である。
また、物体からの単位面積あたりの放射伝熱速度は、ステファン・ボルツマンの法則に従い、物体の温度の４乗と物体の放射率との積に比例する。したがって、放射率が高い程、伝熱速度（熱伝導率）が高いと考えることができる。
本実施形態に係るコーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましく、１．２〜２．８Ｗ／ｍＫがより好ましく、１．２〜２．０Ｗ／ｍＫがさらに好ましい。
【００２５】
コーティング層１０２の色は、黒色であるため、太陽光の反射光を低減させ、太陽光を効率良く吸収できる。
【００２６】
黒色のコーティング層１０２としては、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体（結晶性無機材）と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物（非晶質無機材料）とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるものが挙げられる。
遷移元素の酸化物とは、例えば、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、なかでも二酸化マンガンが特に望ましい。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。このような遷移金属の酸化物は、赤外線領域における放射率が高いため、放射率の高いコーティング層１０２を形成することができる。
【００２７】
軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物としては、低融点高膨張ガラスが好ましく、具体的には、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種が好ましい。
これらの低融点高膨張ガラスは、融解させて本体部１０１の外側表面に塗布して加熱焼成処理する際に本体部１０１とのなじみ（密着性）が良いため、本体部１０１の外側表面に容易にしかも強固にコーティング層１０２を形成することができる。
無機化合物の軟化温度が４００℃未満では、コーティング層１０２を形成した後、集熱管１００の本体部１０１の温度が高くなるとコーティング層１０２が流動し易くなって剥がれ落ちやすくなり、一方、無機化合物の軟化温度が１０００℃を超えると、コーティング層１０２の材料を融解させて本体部１０１の外側表面に塗布するのが難しくなる。
【００２８】
なお、コーティング層１０２を構成する材料のうち、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が、０．７５〜０．９８である遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体及び室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．６５〜０．９６である軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物を用いてコーティング層１０２を形成した場合には、コーティング層１０２の放射率を０．７０〜０．９８の範囲内とすることができる。
【００２９】
また、コーティング層１０２を構成する材料のうち、遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体の熱膨張係数は８×１０−６〜９×１０−６／℃と低く、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物の熱膨張係数は８×１０−６〜２５×１０−６／℃と高いため、上記赤外線放射体と上記無機化合物との配合比を調整することによりコーティング層１０２の熱膨張係数を制御することができる。ガラスからなる本体部１０１の熱膨張率は、例えば、５×１０−７／℃であるため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比とを調整することにより、コーティング層１０２とガラスからなる本体部１０１との熱膨張係数を近づけることができ、両者の密着力を向上させることができる。
コーティング層１０２の望ましい熱膨張率は本体部１０１を構成する金属材料との組み合わせによって異なるが、コーティング層１０２と集熱管１００の本体部１０１との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００３０】
コーティング層１０２中の結晶性無機材の配合比率は、上述のとおり熱膨張係数の制御との関係で決定することができるが、その望ましい下限は１０重量％、より望ましい下限は３０重量％であり、望ましい上限は９０重量％、より望ましい上限は７０重量％である。結晶性無機材の配合比率が１０重量％未満であると放射率を充分に高めることができず、高温での放熱性が低下してしまい、また、結晶性無機材の配合比率が９０重量％を超えると集熱管１００の本体部１０１との密着性が低下するためである。
【００３１】
上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましい。上記熱伝導率は、細線加熱法、熱線法、レーザーフラッシュ法等の既知の測定方法によって測定することができる。
しかしながら、コーティング層１０２を集熱管１００の本体部１０１に形成した状態で熱伝導率を測定すると、本体部を含んだ集熱管１００全体の熱伝導率を測定することとなり、コーティング層１０２自体の熱伝導率を測定することができないので、その測定試料は別途調製する必要がある。
上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が、０．１Ｗ／ｍＫ未満では、コーティング層１０２の熱伝導率が低すぎて熱媒体に良好に熱を伝達することができず、一方、上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が、２．８Ｗ／ｍＫを超える場合は、コーティング層１０２を形成することが困難となる。
【００３２】
具体的には、結晶性無機材と非晶質無機材を所定の割合で粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製する。
この固形物を、各測定方法に適した形状に加工することにより、既知の測定方法によって熱伝導率を測定することができる。
【００３３】
室温（２５℃）での熱伝導率が、０．５〜２．８Ｗ／ｍＫである結晶性無機材としての遷移金属の酸化物、及び室温（２５℃）での熱伝導率が０．１〜１．２Ｗ／ｍＫである非晶質無機材としての低融点高膨張ガラスを用いて、コーティング層１０２を調製した場合には、コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率を０．１〜２．８Ｗ／ｍＫとすることができる。
【００３４】
本発明の集熱管において、コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであると、コーティング層１０２から本体部１０１を経て熱媒体に熱が伝導伝熱される速度を速くすることができる。伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ未満のコーティング層１０２とすることは、上記したコーティング材料の組成では困難である。
【００３５】
コーティング層１０２の厚みは、特に限定されるものではないが、０．２〜５０μｍであることが好ましく、０．２〜１．５μｍであることがより好ましい。コーティング層１０２の厚みが０．２μｍ未満であると、集熱管１００の外側表面における太陽光の反射防止効果が低くなる傾向にあり、コーティング層１０２の厚みが５０μｍを超えると、均一な厚みのコーティング層１０２の形成が難しくなる。また、コーティング層１０２の厚みは、厚いと作製コストの上昇につながるため、薄い方が好ましい。
【００３６】
以下、本実施形態の集熱管の製造方法について説明する。
まず、コーティング層１０２を形成するためのコーティング液（コーティング材料）を調製する。
コーティング液の調製は、上記した結晶性無機材及び非晶質無機材を湿式混合することで行う。具体的には、結晶性無機材の粉末と、非晶質無機材の粉末とをそれぞれ所定の粒度、形状等になるように調製し、各粉末を所定の配合比率で乾式混合して混合粉末を調製し、さらに水を加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリーを調製する。混合粉末と水との配合比は、特に限定されるものでないが、混合粉末１００重量部に対して、水１００重量部程度が望ましい。本体部１０１への塗布を行うために適度な粘度とする必要があるためである。また、必要によっては、有機溶剤を使用してもよい。
【００３７】
続いて、調整したコーティング液を、本体部１０１の外側表面全体に塗布する。コーティング液の本体部１０１への塗布方法は、均一な厚みのコーティング層１０２が得られるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、スプレーコート、カーテンコート、ディッピング、転写、ハケ塗り等の方法により行うことができる。
【００３８】
次に、塗布したコーティング液を乾燥させて、焼成することにより厚さ０．２〜５０μｍのコーティング層を形成する。焼成温度は、コーティング層１０２と本体部１０１との密着性が高まるような温度設定とする。これにより、本実施形態に係る集熱管１００が得られる。
【００３９】
以下、本実施形態の集熱管の作用効果について列挙する。
（１）本実施形態の集熱管においては、外側表面に室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層が形成されているので、太陽光の反射光による熱を集熱管の内部へ効率良く伝熱することができる。したがって、集光型の太陽熱発電に用いられる集熱器に用いると、集熱管に収容された熱媒体をより効率よく加熱できる集熱管となる。
【００４０】
（２）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、黒色であるので、太陽光の反射光の吸収を高めてより太陽光の伝熱効率を高めることができる集熱管となる。
【００４１】
（３）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるので、集熱管の本体部との密着性に優れ、集熱管が高温状態となっても、集熱管の本体部から剥離しにくい集熱管となる。
【００４２】
（４）本実施形態の集熱管では、コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍであるので、コーティング液（コーティング材料）を本体部の外側表面に均一に塗布することができ、所望の厚みのコーティング層が形成された集熱管とすることができる。
【００４３】
（５）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、集熱管の外側表面全体に形成されているので、より伝熱効率を高めることができるとともに、熱の放熱を抑制できる。
【００４４】
（６）本実施形態の集熱管では、コーティング層を形成する遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスであるので、本体部との密着性に優れたコーティング層を有する集熱管となる。
【００４５】
以下、本発明の第一実施形態をより具体的に開示した実施例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
本体部１０１として、石英ガラスからなるガラス管を用いた。ガラス管は、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの円筒を長さ１００ｍｍに切断したものである。
【００４７】
（コーティング層の形成）
次に、結晶性無機材料としてＭｎＯ２粉末６５ｗｔ％、ＣｕＯ粉末５ｗｔ％と、非晶質無機材料としてＢａＯ−ＳｉＯ２ガラス粉末３０ｗｔ％を乾式混合して混合粉末を調製し、混合粉末１００重量部に対して水を１００重量部加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリー（コーティング材料）を調製した。
【００４８】
このスラリーを、上記ガラス管の外面表面に向けてスプレーコートすることによって塗布する塗布工程を行った。
その後、スプレーコートにより塗布層が形成された上記ガラス管を、１００℃で２時間乾燥した後、空気中７００℃で１時間加熱焼成する焼成工程を行ってコーティング層１０２を形成し、これによって集熱管１００を作製した。
形成したコーティング層１０２について、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率を分光光度計（測定装置：Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ製：ｓｙｓｔｅｍ２００型）によって測定した。また、形成したコーティング層１０２の厚みを測定した。コーティング層１０２の厚みは、ガラス管を切断し、切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定することにより行った。
得られたコーティング層１０２の放射率及び厚みの結果を表１に示す。
【００４９】
なお、上記スラリーの調製に際し、上記組成の結晶性無機材と非晶質無機材とを粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製して、熱伝導率λを迅速熱伝導率計（京都電子工業製：ＱＴＭ−５００）により測定した。また、熱膨張係数αを室温（２５℃）から１００℃の範囲についてＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）装置（リガク製：ＴＭＡ８３１０）により測定した。得られたスラリーの熱伝導率λ及び熱膨張係数αの結果を表１に示す。
【００５０】
（昇温時間の評価）
集熱管１００を、パナソニック製でＲＰＳ−５００ＷＢ、１００Ｖ、１５０Ｗのスポット写真用ランプを４つ用いてサンプル表面より５０ｍｍの距離から加熱し、室温（２５℃）から１００℃に到達するまでの昇温時間を測定した。昇温時間の測定結果を表１に示した。
【００５１】
（コーティング層１０２の密着性の評価）
集熱管１００を電気炉を用いて８００℃まで上昇させ、自然放冷により室温（２５℃）まで冷却する工程を１サイクルとして、１０サイクルの繰り返し試験を行い、繰り返し試験後にコーティング層１０２が本体部１０１から剥がれているか否かを目視で観察した。コーティング層１０２の密着性の評価結果（剥がれの有無）を表１に示した。
【００５２】
（実施例２〜７）
コーティング層１０２の材料として、非晶質無機材料の割合、結晶材料の種類をそれぞれ表１に示す通りとした。すなわち、実施例２では、ＭｎＯ２、Ｆｅ３Ｏ４を３０ｗｔ％、実施例３では、ＭｎＯ２、ＣｕＯを７０ｗｔ％、実施例４では、ＭｎＯ２、Ｆｅ３Ｏ４を１０ｗｔ％、実施例５では、ムライトを３０ｗｔ％、実施例６では、ＭｎＯ２、ＣｕＯを９０ｗｔ％、実施例７では、Ａｌ２Ｏ３を３０ｗｔ％とした。これらの材料を用いて実施例１と同様にして集熱管１００の作製を行った。
ここで、結晶材料の割合は、表１に示す非晶質無機材料の割合を１００％から除いた割合とし、結晶材料が２種の材料よりなる場合、その組成はそれぞれＭｎＯ２：ＣｕＯ＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％、ＭｎＯ２：Ｆｅ３Ｏ４＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％とした。
各実施例においては、実施例１と同様にしてコーティング層１０２の、熱伝導率λ、熱膨張係数α、放射率及び厚みを測定した。その結果を表１に示した。
また、各実施例においては、スラリーをスプレーコートする条件を変更して、表１に示すコーティング層厚みとなるように、塗布工程を行った。
【００５３】
各実施例においては、実施例１と同様にそれぞれの昇温時間の測定及びコーティング層１０２の密着性の評価（剥がれの有無）の評価を行った。
本体部１０１及びコーティング層１０２の組成を表１に示す。また、その評価結果を合わせて表１に示す。
【００５４】
（比較例１）
ガラス管にコーティング層を形成しない他は実施例１と同様にして、ガラス管を作製した。
実施例１と同様に昇温時間の測定を行った。
その評価結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１から明らかなように、実施例１〜７で作製した集熱管は、室温（２５℃）から１００℃までの昇温時間が１５５〜２０５秒となり、比較例１の昇温時間２５０秒に比べて短いことがわかる。そのため、実施例１〜７は、昇温時間が短く、短時間で所望の温度とすることができる。これは、実施例１〜７の集熱管は、コーティング層により吸熱性が良いためと考えられる。また、実施例１〜７の放射率は０．９２〜０．９８と比較例１の０．５６に比べて高いため、実施例１〜７の集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、コーティング層１０２から放熱して、本体部１０１に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができると考えられる。
比較例１は、昇温時間が２５０秒と長く、所望の温度とするのに時間がかかる。また、放射率が０．５６と低く、金属管自体の温度が高くなっているため、この集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、熱伝導性に劣り、金属管内に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができないと考えられる。
【００５７】
（第二実施形態）
以下、本発明の一実施形態である第二実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の第一実施形態に係る集熱管において、集熱管１００の本体部が金属で構成された集熱管について説明する。なお、本体部以外の構成は、本発明の第一実施形態と同じであるので、ここでは、本体部を中心に説明する。
【００５８】
本実施形態において、集熱管１００の本体部１０１を構成する金属としては、鋼、鉄、銅等の金属、インコネル、ハステロイ、インバー等のニッケル基合金、ステンレス等の合金等を使用することができる。これらの金属材料は熱伝導率が高いため、集熱管の本体部として使用した場合には、収容された熱媒体への伝導伝熱速度を速くすることができ、所定温度までの昇温時間を短縮することができる。
【００５９】
また、これらの金属材料は耐熱性が高いため、５００〜１０００℃の温度領域で好適に使用することができる。集光型太陽熱発電での使用を考慮すると、５００℃未満では、太陽光を吸収した際の温度が充分に高いとは言えず、１０００℃を超えると、金属材料の耐久性に問題が生じる。
また、これらの金属材料を集熱管１００の本体部１０１とすることにより、本発明の集熱管１００を耐熱衝撃性、加工性、機械的特性等に優れた比較的安価な集熱管とすることができる。
【００６０】
なお、これらの集熱管の厚さは０．２〜１０ｍｍが好ましく、０．４〜４ｍｍがさらに好ましい。
集熱管１００の厚みが０．２ｍｍ未満であると集光型太陽熱発電の集熱管として使用するには、強度が不足し、集熱管１００の厚みが１０ｍｍを超えると金属材料の熱容量が大きくなりすぎるため、収容した熱媒体の昇温に要する時間が長くなる。
【００６１】
集熱管１００の外側表面に形成されるコーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００℃〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるので、コーティング層は、集熱管１００の本体部１０１との密着性に優れ、集熱管が高温状態となっても、本体部１０１から剥離しにくい集熱管となる。無機化合物の軟化温度が４００℃未満では、コーティング層１０２を形成した後、集熱管１００の本体部１０１の温度が高くなるとコーティング層１０２が流動し易くなり、剥がれ落ちやすくなり、一方、無機化合物の軟化温度が１０００℃を超えると、コーティングを融解させて外側表面に塗布するのが難しくなる。
【００６２】
なお、コーティング層１０２を構成する材料のうち、遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体の熱膨張係数は８×１０−６〜９×１０−６／℃と低く、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物の熱膨張係数は８×１０−６〜２５×１０−６／℃と高いため、上記赤外線放射体と上記無機化合物との配合比を調整することによりコーティング層１０２の熱膨張係数を制御することができる。金属からなる本体部１０１、例えばステンレスの熱膨張率は１×１０−５〜１８×１０−６／℃であるため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比とを調整することにより、コーティング層１０２と金属材料からなる本体部１０１との熱膨張係数を近づけることができ、コーティング層１０２と本体部１０１との密着力を向上させることができる。
コーティング層の望ましい熱膨張率は本体部１０１を構成する金属材料との組み合わせによって異なるが、コーティング層１０２と集熱管１００（本体部１０１の金属材料）との熱膨張率の差が１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、金属材料からなる集熱管１００の本体部１０１の外側表面にコーティング層１０２を形成するに先立って、集熱管１００の本体部１０１の表面処理を行うことが望ましい。集熱管１００の本体部の表面処理は、本体部上の不純物を除去する工程である。表面処理方法は、特に限定されるものでなく、一般的な洗浄方法を使用することができる。例えば、アルコール溶媒中で超音波洗浄する方法、酸を用いた洗浄方法等を挙げることができる。
【００６４】
また、集熱管１００の本体部１０１の外側表面にコーティング層１０２を形成した後には、本体部１０１を焼成してコーティング層１０２を本体部１０１上に定着させることが好ましい。
【００６５】
以下、本発明の第二実施形態に係る集熱管の作用効果について列挙する。
本実施形態においては、本発明の第一実施形態の（１）〜（６）の作用効果を奏するほか、下記の効果を奏する。
【００６６】
（７）本実施形態の集熱管では、本体部が金属で形成されているので、強度の高い集熱管が得られる。
【００６７】
以下に、本発明の第二実施形態をより具体的に開示した実施例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例８〜１５）
金属材料にて形成された本体部１０１を用いて、実施例１〜７と同様にして集熱管１００を作製した。そしてそれ以外は、実施例１と同様にして、コーティング層１０２の各種物性を測定した。さらに、実施例１と同様にして、それぞれの昇温時間の測定及びコーティング層１０２の密着性の評価（剥がれの有無）の評価を行った。
本体部１０１及びコーティング層１０２の組成を表２に示す。また、その評価結果を合わせて表２に示す。
【００６８】
なお本体部１０１は、室温（２５℃）における熱伝導率（λ）が２５Ｗ／ｍＫ、室温（２５℃）から１００℃の範囲で測定した熱膨張係数（α）が１０．４×１０−６／℃であるＳＵＳ４３０材であって、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの円筒を長さ１００ｍｍに切断したものを用いた。
また、本体部１０１は、アルコール溶媒中で超音波洗浄して、その後にサンドブラスト処理することによって、その外側表面を洗浄及び粗化する表面処理工程を行った。
サンドブラスト処理は、♯６００のＳｉＣ砥粒を用いて１０分間行った。
ここで、表面処理工程後の本体部の外側表面のＲｚＪＩＳを測定したところ、１．５μｍであった。
【００６９】
（比較例２）
実施例８と同様の金属材料を用いて形成された本体部１０１に、コーティング層を形成しなかった。この本体部１０１のみからなる集熱管を用いて、実施例１と同様にして、昇温時間の測定を行った。
本体部１０１の組成及び評価結果を表２に示す。
【００７０】
【表２】
【００７１】
表２から明らかなように、実施例８〜１５で作製した集熱管は、昇温時間が１５５〜２０５秒と、比較例２の２５０秒という昇温時間に比べて短いことがわかる。これは、実施例８〜１５の集熱管は、コーティング層により吸熱性が良いためと考えられる。また、実施例８〜１５は、放射率が０．９２〜０．９８と比較例２の０．３０に比べて高いため、実施例８〜１５の集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、コーティング層１０２から放熱して、本体部１０１に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができると考えられる。
比較例２は、昇温時間が２５０秒と長く、所望の温度とするのに時間がかかる。また、放射率が０．５６と低く、金属管自体の温度が高くなっているため、この集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、熱伝導性に劣り、金属管内に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができないと考えられる。
【００７２】
（第三実施形態）
以下、本発明の集光型太陽熱発電システムの一実施形態である第三実施形態について説明する。
本実施形態に係る集光型太陽熱発電システムでは、集熱器として、本発明の第一実施形態に係る集熱管が用いられている。また、集光型太陽熱発電システムとしては、トラフ型の太陽熱発電システムを例に挙げて説明する。
【００７３】
図２は、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムを模式的に示す説明図である。図３（ａ）は、図２に示した集光型太陽熱発電システムを構成する集熱器を説明するための斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した集熱器のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００７４】
図２に示す集光型太陽熱発電システム２００は、複数の反射鏡２１０を介して集熱器２２０に太陽熱を集め、この熱を利用して水蒸気発生器２３０で水蒸気を発生させ、これにより蒸気タービン２４０を駆動して発電を行うように構成されている。
本実施形態に係る集光型太陽熱発電システムは、熱媒体を循環させる熱媒体循環領域Ａと、水蒸気を循環させるための水蒸気循環領域Ｂの２つの領域に大別される。
【００７５】
まず、熱媒体循環領域Ａについて説明する。
熱媒体循環領域Ａには、複数の反射鏡２１０及び集熱器２２０が設けられている。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、反射鏡２１０は、断面が略円弧状に形成された横長の形状であり、縦方向（長手方向）及び横方向に複数配置されている。長手方向に配置された反射鏡２１０は、共通の軸（図示せず）で連結されており、反射面の中央部、すなわち焦線上に配置された集熱器２２０に太陽光３１０の反射光３１１が当たるように調整されている。また、太陽が地平線を移動するにつれて、追跡用モータ（図示せず）で軸を回転させて太陽の軌道を追いかけるよう構成されている。
【００７６】
集熱器２２０は、図３（ｂ）に示すように、本発明の第一実施形態に係る集熱管１００内に熱媒体２２１を収容したものである。熱媒体２２１は、太陽光３１０の熱を吸収する熱伝導油（オイル）である。
【００７７】
図２に示すように、複数の反射鏡２１０によって太陽光３１０が集光され、集熱器２２０に集光された太陽光の熱が蓄えられると、加熱された熱媒体２２１は、配管２５１を通って再熱器２９２及び過熱器２６０に熱を供給しつつ、さらに水蒸気発生器２３０へと供給される。
水蒸気発生器２３０では、熱媒体２２１から供給された熱により水蒸気が発生し、後述する水蒸気循環領域Ｂでの動作が行われる。
水蒸気発生器２３０を通過した熱媒体２２１は、温度が下がった状態となっているため、配管２５３に設けられた循環ポンプ２７１によって再び集熱器２２０へと供給され、上記処理が繰り替えされる。このように熱媒体２２１は、集熱器２２０と水蒸気発生器２３０との間を循環するものである。
【００７８】
なお、再熱器２９２は、熱媒体２２１の日中の温度変動を抑制するためのものである。
再熱器２９２には、蓄熱器（図示せず）が備えられており、上記のように熱媒体２２１から供給された熱を蓄熱器に蓄熱する。蓄熱された熱は、例えば、日没後に温度低下した熱媒体２２１の過熱に用いられる。このように再熱器２９２によってある程度過熱された状態で集熱器２２０に熱媒体２２１が供給されると、日の出後の熱媒体循環領域Ａにおける動作を迅速に立ち上げることができる。
【００７９】
次に、水蒸気循環領域Ｂについて説明する。
上記のように、加熱された熱媒体２２１により水蒸気発生器２３０に熱が供給されると、熱媒体２２１と熱交換した水が水蒸気となる。この水蒸気は飽和状態であり、配管２５４を通って過熱器２６０に供給される。過熱器２６０において飽和状態の水蒸気はさらに過熱され、より温度の高い過熱水蒸気となる。過熱水蒸気は、配管２５５を通って蒸気タービン２４０に供給され、蒸気タービン２４０を駆動する。これにより発電機２８０が稼働して発電が行われる。
【００８０】
蒸気タービン２４０を通過した水蒸気は、配管２５６を通ってコンデンサ２９０を備えた冷却塔２９１に導かれて復水した後、配管２５７を通って、循環ポンプ２７２により予熱器２３１及び水蒸気発生器２３０へと供給される。また、必要に応じて一部の水は、循環ポンプ２７３により配管２５８を通って、補助ボイラ４１０へと供給され、加熱された後、配管２５９を通って蒸気タービン２４０へと供給される。
【００８１】
補助ボイラ４１０は、蓄熱器４１１を介して、上記した熱媒体循環領域Ａの配管２５１と接続されている。太陽光により温められた熱媒体２２１は、その一部が配管２５１から蓄熱器４１１へと供給され、過剰な熱は蓄熱器４１１で蓄えられる。蓄熱器４１１に熱を供給した熱媒体２２１は、再び上記した熱媒体循環領域Ａへ戻り、上記と同様の動作を繰り返す。
蓄熱器４１１で蓄えられた熱は、日没後、雨天、曇天等には、熱媒体循環領域Ａからの水蒸気の供給がなくなることから、このような状態となったときに補助ボイラ４１０に熱を供給して、蒸気タービン２４０に配管２５９を介して水蒸気を供給するように構成されている。
なお、本発明の第一実施形態の集熱管を用いた集光型太陽熱発電システムについて説明を行ったが、本発明の第二実施形態の集熱管を用いても同様の効果が得られる。
【００８２】
以下、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムの作用効果について列挙する。
（１）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、本発明の第一実施形態に係る集熱管が集熱器として用いられているので、照射された太陽光を、効率よく熱に変換することができ、効率よく発電を行うことが出来る。
【００８３】
（２）従来のトラフ型太陽熱発電では、熱媒体は４００℃程度に加熱されていたが、本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、本発明の第一実施形態に係る集熱管を用いた集熱器２２０を用いているため、熱媒体２２１を５００℃程度にまで加熱することが可能となる。
【００８４】
（３）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、蓄熱器と接続された補助ボイラが設けられているので、夜間の発電も可能となる。
【００８５】
（４）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいて、補助ボイラは、天然ガスなどの燃料を用いて水蒸気を発生させることもできるため、曇天時などにおいても発電を行うことができ、安定して電力を供給できる。
【００８６】
（その他の実施形態）
【００８７】
本発明の第一、第二実施形態では、コーティング層１０２は、本体部１０１の外側表面全体に形成されていたが、コーティング層１０２は、反射光が照射される少なくとも本体部１０１の外側表面の一部に形成されていればよい。
【００８８】
本体部１０１は、多層構造であってもよい。一例としては、真空二重管型の本体部が挙げられる。真空二重管型の本体部は、２重構造であり、外側に配置される外管内に熱媒体が収容される内管が挿入され、外管と内管との間が真空状態に保たれたものである。真空二重管型とすることで、熱媒体に蓄熱した熱の放熱を抑制できる。
【００８９】
また、図２に示した集光型太陽熱発電システムは、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムの一例であって、発電システムを構成する部材等は図２に示すものに限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定できる。例えば、図２に示す集光型太陽熱発電システムには、再熱器、過熱器、蓄熱器等を複数設けてもよい。また、補助ボイラ４１０は必ずしも必要ではなく、循環ポンプ２７１、２７２、２７３の数、配置位置等も適宜変更可能である。
また、本発明の第三実施形態では、水蒸気循環領域Ｂにおいて、蓄熱器を備えた補助ボイラを有する例を挙げて説明したが、蓄熱器と補助ボイラとが別々に設けられた構成としてもよい。蓄熱器における蓄熱材は、特に限定されるものではないが、例えば、砂、溶融塩等を用いることができる。
【００９０】
また、本発明の第三実施形態では、トラフ型の集光型太陽熱発電システムについて説明したが、本発明の第一、第二実施形態に係る集熱管は、その他の集光型太陽熱発電システムにも適用できる。その他の集光型太陽熱発電システムとしては、フレネル型、タワー型、パラボラ・ディッシュ型の集光型太陽熱発電システム又はトラフ型の集光型太陽熱発電システムと火力発電とを結合した、ＩＳＣＣＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる発電システムにも適用できる。すなわち、反射鏡と集熱管とを用いた集光型太陽熱発電システムであれば、他の型式の集光型太陽熱発電システムにも適用することができる。
【００９１】
本発明の第三実施形態では、熱媒体としてオイルを用いた例を挙げて説明したが、熱媒体としては、オイルだけでなく、水、低粘度の有機溶媒、水蒸気、空気、又は、アルゴン等も適用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１００ 集熱管
１０１ 本体部
１０２ コーティング層
２００ 集光型太陽熱発電システム
２１０ 反射鏡
２２０ 集熱器
２２１ 熱媒体
２３０ 水蒸気発生器
２３１ 予熱器
２４０ 蒸気タービン
２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、２５６、２５７、２５８、２５９ 配管
２６０ 過熱器
２７１、２７２、２７３ 循環ポンプ
２８０ 発電機
２９０ コンデンサ
２９１ 冷却塔
２９２ 再熱器
３１０ 太陽光
３１１ 反射光
４１０ 補助ボイラ
Ａ 熱媒体循環領域
Ｂ 水蒸気循環領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽を利用した発電方法として、集光型太陽熱発電が知られている。集光型太陽熱発電は、一般に、太陽光を集光して熱へと変換し、この熱により熱媒体を加熱して、これにより製造した蒸気を利用して蒸気タービンを回して発電するものである。このような集光型太陽熱発電は、発電中に温室効果ガスを出さないうえ、蓄熱することで曇天や夜間でも発電できることから、その開発が進められている。
集光型太陽熱発電の方式としては、トラフ型、フレネル型、タワー型、パラボラ・ディッシュ型等が知られている。以下、トラフ型の太陽熱発電を例に挙げて説明する。
【０００３】
トラフ型の太陽熱発電は、断面が略円弧状に形成された横長の反射鏡（トラフ）を介して太陽熱を集める方式である（例えば、特許文献１参照。）。反射鏡の中央部には、反射鏡の軸方向（複数の反射鏡の凹部を結んだ方向）に沿ってガラス管等の集熱管が配置されており、集熱管内には、オイル等の熱媒体が入っている。反射鏡の反射面は、太陽の方に傾けて配置され、集熱管に向けて太陽光を集光して、集光した熱で集熱管に入っている熱媒体を加熱するように、その位置が調整される。また、反射鏡には、モータで軸を回転させることにより、太陽が移動しても反射面が太陽の方向に向き続けることができるように構成されているものもある。加熱された集熱管内の熱媒体は、蒸気タービンに供給され、蒸気タービンを回す事で発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３９３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
トラフ型の太陽熱発電において効率的に発電を行う為には、集光した熱を集熱管内の熱媒体に効率的に吸収させる必要がある。しかしながら、トラフ型の太陽熱発電では、反射鏡で集光した光が集熱管を通る際、散乱又は反射が生じて熱損失が大きくという問題がある。そのため、集熱管内の熱媒体の最高温度は４００℃程度であり、より高い温度に加熱できることが望まれている。
【０００６】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、熱効率を高めて、集熱管内に収容された熱媒体をより高い温度に加熱できる集熱管、集熱器及び集光型太陽熱発電システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、熱効率の高いトラフ型の太陽熱発電について種々検討し、熱効率が悪くなる一因は、集熱管の外側表面で生じる太陽光の反射、又は、集熱管による太陽光の散乱にあることに着目した。そして、熱媒体を収容している集熱管の外側表面の反射、又は、集熱管による散乱を大きく低減させ、集熱管自体に太陽熱を吸収させ、熱を吸収した集熱管から熱媒体に効率良く熱を伝達することにより、発電に必要な熱量を効率良く得る事ができることを見いだし、本発明に到達したものである。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の集熱管は、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、上記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外側表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする。
【０００９】
上記集熱管は、本体部の外側表面に形成された室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層を有するので、太陽光の反射又は散乱が大きく低減し、効率的に太陽光を吸収し、熱に変換することができる。また、本体部の外側表面をコーティング層で覆うことで、集光された太陽光の熱の放熱を低減することもできる。さらに、加熱され、充分に昇温した本体部の熱を効率よく、熱媒体に伝達することができ、集光された太陽光によって熱媒体が直接に加熱される従来の集熱管に比べて、より効率良く熱媒体を加熱、昇温させることができる。なお、本発明において、室温とは、２５℃のことをいうこととする。
【００１０】
請求項２に記載の集熱管において、上記コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体（以下、結晶性無機材とも称す。）と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物（以下、非晶質無機材料とも称す。）とを含む赤外線黒体塗料組成物からなることが好ましい。このような組成を有するコーティング層は、本体部との密着性に優れ、本体部が高温状態となっても、剥離しにくいものとなる。
【００１１】
請求項３に記載の集熱管において、上記コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍであることが好ましい。このような厚みを有するコーティング層であれば、コーティング液（コーティング材料）を本体部の外側表面に塗布することにより、比較的容易に均一な厚みのコーティング層を形成することができる。
【００１２】
請求項４に記載の集熱管において、上記コーティング層は、上記本体部の外側表面全体に形成されていることが好ましい。このような構成であると、伝熱効率を高めるとともに、熱の放熱をより確実に低減できる。
【００１３】
請求項５に記載の集熱管において、上記遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、上記無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスであることが好ましい。このような構成であると、黒色で本体部との密着性に優れたコーティング層を有する集熱管とすることができる。
【００１４】
請求項６に記載の集熱管において、上記コーティング層の熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましい。
【００１５】
請求項７に記載の集熱管において、上記コーティング層と上記集熱管の本体部との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００１６】
請求項８に記載の集熱管において、上記集熱管の本体部は、ガラス管であることが好ましい。
【００１７】
請求項９に記載の集熱器は、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した太陽光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱器であって、
上記集熱器は、集熱管と、上記集熱管に収容された熱媒体とを備え、上記集熱管は、上記した本発明のいずれかの集熱管であることを特徴とする。
本発明に係る集熱器は、上記した本発明に係る集熱管を用いているので、伝熱効率を高めることができ、これにより集熱管内に収容された熱媒体に効率的に熱を伝えて、熱媒体をより早く、確実に所望の温度へ加熱することができる。
【００１８】
請求項１０に記載の集光型太陽熱発電システムは、反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した太陽光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、上記熱を利用して水蒸気を発生させ、上記水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う集光型太陽熱発電システムであって、上記集熱器は、上記した本発明の集熱器であることを特徴とする。
本発明に係る集光型太陽熱発電システムは、上記した本発明に係る集熱器を用いているので、太陽光をより効率的に集熱器に吸収及び蓄熱することができ、発電効率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態に係る集熱管を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムを模式的に示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示した集光型太陽熱発電システムを構成する集熱器を説明するための斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した集熱器のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第一実施形態）
以下、本発明の一実施形態である第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る集熱管の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る集熱管１００は、本体部１０１と、その外側表面に形成されたコーティング層１０２とを備える。
図１は、集熱管１００の構造をわかり易く説明するために、本体部１０１とコーティング層１０２の位置をずらしており、厳密には、本体部１０１の外側表面全体にコーティング層１０２が形成されている。
【００２１】
本体部１０１は、横長の形状であって、内部に熱媒体を収容できるように構成されている。具体的には、円管形状又は楕円管形状等の管である。
本体部１０１の材料は、石英ガラス等のガラスである。
本体部１０１のサイズは、特に限定されるものではなく、用途に応じて所望の形状、サイズ等を適宜選択できる。一例としては、直径（外径）１ｃｍ〜９０ｃｍのガラス管が挙げられる。直径（外径）が１ｃｍ未満では、熱媒体を収容するのに充分な容積がなく、ガラス管の直径が９０ｃｍを超えるものは、ガラス管の温度が均一になりにくく、ガラス管の各部分の温度の不均一性に起因して破壊され易くなる。
【００２２】
コーティング層１０２は、本体部１０１の外側表面全体に形成されている。本体部１０１の外側表面とは、太陽光の反射光が照射される部分である。
【００２３】
コーティング層１０２は、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であることが好ましく、０．９２〜０．９８であることがより好ましい。
波長１〜１５μｍの領域は、いわゆる近赤外線と遠赤外線領域であり、大きな熱を発生しやすい領域である。この放射率が０．７０未満であると、充分な伝熱効率を得ることができず、この放射率が０．９８を超えるものは作製が難しい。そのため、放射率が０．７０〜０．９８であると、反射光によるコーティング層１０２から本体部１０１内部への伝熱効率を高めることができる。
放射率の測定は、コーティング層１０２の外側表面について測定を行っても良く、測定試料を別途調整して測定しても良い。放射率の測定方法としては、既知の分光光度法による測定を用いることができる。
【００２４】
なお、コーティング層１０２が形成されていないガラス管の室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率は、０．５６である。
また、物体からの単位面積あたりの放射伝熱速度は、ステファン・ボルツマンの法則に従い、物体の温度の４乗と物体の放射率との積に比例する。したがって、放射率が高い程、伝熱速度（熱伝導率）が高いと考えることができる。
本実施形態に係るコーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましく、１．２〜２．８Ｗ／ｍＫがより好ましく、１．２〜２．０Ｗ／ｍＫがさらに好ましい。
【００２５】
コーティング層１０２の色は、黒色であるため、太陽光の反射光を低減させ、太陽光を効率良く吸収できる。
【００２６】
黒色のコーティング層１０２としては、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体（結晶性無機材）と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物（非晶質無機材料）とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるものが挙げられる。
遷移元素の酸化物とは、例えば、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、なかでも二酸化マンガンが特に望ましい。これらは、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。このような遷移金属の酸化物は、赤外線領域における放射率が高いため、放射率の高いコーティング層１０２を形成することができる。
【００２７】
軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物としては、低融点高膨張ガラスが好ましく、具体的には、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種が好ましい。
これらの低融点高膨張ガラスは、融解させて本体部１０１の外側表面に塗布して加熱焼成処理する際に本体部１０１とのなじみ（密着性）が良いため、本体部１０１の外側表面に容易にしかも強固にコーティング層１０２を形成することができる。
無機化合物の軟化温度が４００℃未満では、コーティング層１０２を形成した後、集熱管１００の本体部１０１の温度が高くなるとコーティング層１０２が流動し易くなって剥がれ落ちやすくなり、一方、無機化合物の軟化温度が１０００℃を超えると、コーティング層１０２の材料を融解させて本体部１０１の外側表面に塗布するのが難しくなる。
【００２８】
なお、コーティング層１０２を構成する材料のうち、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が、０．７５〜０．９８である遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体及び室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．６５〜０．９６である軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物を用いてコーティング層１０２を形成した場合には、コーティング層１０２の放射率を０．７０〜０．９８の範囲内とすることができる。
【００２９】
また、コーティング層１０２を構成する材料のうち、遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体の熱膨張係数は８×１０−６〜９×１０−６／℃と低く、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物の熱膨張係数は８×１０−６〜２５×１０−６／℃と高いため、上記赤外線放射体と上記無機化合物との配合比を調整することによりコーティング層１０２の熱膨張係数を制御することができる。ガラスからなる本体部１０１の熱膨張率は、例えば、５×１０−７／℃であるため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比とを調整することにより、コーティング層１０２とガラスからなる本体部１０１との熱膨張係数を近づけることができ、両者の密着力を向上させることができる。
コーティング層１０２の望ましい熱膨張率は本体部１０１を構成する金属材料との組み合わせによって異なるが、コーティング層１０２と集熱管１００の本体部１０１との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００３０】
コーティング層１０２中の結晶性無機材の配合比率は、上述のとおり熱膨張係数の制御との関係で決定することができるが、その望ましい下限は１０重量％、より望ましい下限は３０重量％であり、望ましい上限は９０重量％、より望ましい上限は７０重量％である。結晶性無機材の配合比率が１０重量％未満であると放射率を充分に高めることができず、高温での放熱性が低下してしまい、また、結晶性無機材の配合比率が９０重量％を超えると集熱管１００の本体部１０１との密着性が低下するためである。
【００３１】
上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであることが好ましい。上記熱伝導率は、細線加熱法、熱線法、レーザーフラッシュ法等の既知の測定方法によって測定することができる。
しかしながら、コーティング層１０２を集熱管１００の本体部１０１に形成した状態で熱伝導率を測定すると、本体部を含んだ集熱管１００全体の熱伝導率を測定することとなり、コーティング層１０２自体の熱伝導率を測定することができないので、その測定試料は別途調製する必要がある。
上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が、０．１Ｗ／ｍＫ未満では、コーティング層１０２の熱伝導率が低すぎて熱媒体に良好に熱を伝達することができず、一方、上記コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が、２．８Ｗ／ｍＫを超える場合は、コーティング層１０２を形成することが困難となる。
【００３２】
具体的には、結晶性無機材と非晶質無機材を所定の割合で粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製する。
この固形物を、各測定方法に適した形状に加工することにより、既知の測定方法によって熱伝導率を測定することができる。
【００３３】
室温（２５℃）での熱伝導率が、０．５〜２．８Ｗ／ｍＫである結晶性無機材としての遷移金属の酸化物、及び室温（２５℃）での熱伝導率が０．１〜１．２Ｗ／ｍＫである非晶質無機材としての低融点高膨張ガラスを用いて、コーティング層１０２を調製した場合には、コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率を０．１〜２．８Ｗ／ｍＫとすることができる。
【００３４】
本発明の集熱管において、コーティング層１０２の室温（２５℃）での熱伝導率が０．１〜２．８Ｗ／ｍＫであると、コーティング層１０２から本体部１０１を経て熱媒体に熱が伝導伝熱される速度を速くすることができる。伝導率が０．１Ｗ／ｍＫ未満のコーティング層１０２とすることは、上記したコーティング材料の組成では困難である。
【００３５】
コーティング層１０２の厚みは、特に限定されるものではないが、０．２〜５０μｍであることが好ましく、０．２〜１．５μｍであることがより好ましい。コーティング層１０２の厚みが０．２μｍ未満であると、集熱管１００の外側表面における太陽光の反射防止効果が低くなる傾向にあり、コーティング層１０２の厚みが５０μｍを超えると、均一な厚みのコーティング層１０２の形成が難しくなる。また、コーティング層１０２の厚みは、厚いと作製コストの上昇につながるため、薄い方が好ましい。
【００３６】
以下、本実施形態の集熱管の製造方法について説明する。
まず、コーティング層１０２を形成するためのコーティング液（コーティング材料）を調製する。
コーティング液の調製は、上記した結晶性無機材及び非晶質無機材を湿式混合することで行う。具体的には、結晶性無機材の粉末と、非晶質無機材の粉末とをそれぞれ所定の粒度、形状等になるように調製し、各粉末を所定の配合比率で乾式混合して混合粉末を調製し、さらに水を加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリーを調製する。混合粉末と水との配合比は、特に限定されるものでないが、混合粉末１００重量部に対して、水１００重量部程度が望ましい。本体部１０１への塗布を行うために適度な粘度とする必要があるためである。また、必要によっては、有機溶剤を使用してもよい。
【００３７】
続いて、調整したコーティング液を、本体部１０１の外側表面全体に塗布する。コーティング液の本体部１０１への塗布方法は、均一な厚みのコーティング層１０２が得られるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、スプレーコート、カーテンコート、ディッピング、転写、ハケ塗り等の方法により行うことができる。
【００３８】
次に、塗布したコーティング液を乾燥させて、焼成することにより厚さ０．２〜５０μｍのコーティング層を形成する。焼成温度は、コーティング層１０２と本体部１０１との密着性が高まるような温度設定とする。これにより、本実施形態に係る集熱管１００が得られる。
【００３９】
以下、本実施形態の集熱管の作用効果について列挙する。
（１）本実施形態の集熱管においては、外側表面に室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層が形成されているので、太陽光の反射光による熱を集熱管の内部へ効率良く伝熱することができる。したがって、集光型の太陽熱発電に用いられる集熱器に用いると、集熱管に収容された熱媒体をより効率よく加熱できる集熱管となる。
【００４０】
（２）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、黒色であるので、太陽光の反射光の吸収を高めてより太陽光の伝熱効率を高めることができる集熱管となる。
【００４１】
（３）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるので、集熱管の本体部との密着性に優れ、集熱管が高温状態となっても、集熱管の本体部から剥離しにくい集熱管となる。
【００４２】
（４）本実施形態の集熱管では、コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍであるので、コーティング液（コーティング材料）を本体部の外側表面に均一に塗布することができ、所望の厚みのコーティング層が形成された集熱管とすることができる。
【００４３】
（５）本実施形態の集熱管では、コーティング層は、集熱管の外側表面全体に形成されているので、より伝熱効率を高めることができるとともに、熱の放熱を抑制できる。
【００４４】
（６）本実施形態の集熱管では、コーティング層を形成する遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスであるので、本体部との密着性に優れたコーティング層を有する集熱管となる。
【００４５】
以下、本発明の第一実施形態をより具体的に開示した実施例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００４６】
（実施例１）
本体部１０１として、石英ガラスからなるガラス管を用いた。ガラス管は、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの円筒を長さ１００ｍｍに切断したものである。
【００４７】
（コーティング層の形成）
次に、結晶性無機材料としてＭｎＯ２粉末６５ｗｔ％、ＣｕＯ粉末５ｗｔ％と、非晶質無機材料としてＢａＯ−ＳｉＯ２ガラス粉末３０ｗｔ％を乾式混合して混合粉末を調製し、混合粉末１００重量部に対して水を１００重量部加えて、ボールミルで湿式混合することによりスラリー（コーティング材料）を調製した。
【００４８】
このスラリーを、上記ガラス管の外面表面に向けてスプレーコートすることによって塗布する塗布工程を行った。
その後、スプレーコートにより塗布層が形成された上記ガラス管を、１００℃で２時間乾燥した後、空気中７００℃で１時間加熱焼成する焼成工程を行ってコーティング層１０２を形成し、これによって集熱管１００を作製した。
形成したコーティング層１０２について、室温（２５℃）での波長１〜１５μｍにおける放射率を分光光度計（測定装置：Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ製：ｓｙｓｔｅｍ２００型）によって測定した。また、形成したコーティング層１０２の厚みを測定した。コーティング層１０２の厚みは、ガラス管を切断し、切断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定することにより行った。
得られたコーティング層１０２の放射率及び厚みの結果を表１に示す。
【００４９】
なお、上記スラリーの調製に際し、上記組成の結晶性無機材と非晶質無機材とを粉砕混合し、次に、非晶質無機材の融点以上の温度に加熱して非晶質無機材を融解させた状態で混錬し、冷却固化して固形物を作製して、熱伝導率λを迅速熱伝導率計（京都電子工業製：ＱＴＭ−５００）により測定した。また、熱膨張係数αを室温（２５℃）から１００℃の範囲についてＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）装置（リガク製：ＴＭＡ８３１０）により測定した。得られたスラリーの熱伝導率λ及び熱膨張係数αの結果を表１に示す。
【００５０】
（昇温時間の評価）
集熱管１００を、パナソニック製でＲＰＳ−５００ＷＢ、１００Ｖ、１５０Ｗのスポット写真用ランプを４つ用いてサンプル表面より５０ｍｍの距離から加熱し、室温（２５℃）から１００℃に到達するまでの昇温時間を測定した。昇温時間の測定結果を表１に示した。
【００５１】
（コーティング層１０２の密着性の評価）
集熱管１００を電気炉を用いて８００℃まで上昇させ、自然放冷により室温（２５℃）まで冷却する工程を１サイクルとして、１０サイクルの繰り返し試験を行い、繰り返し試験後にコーティング層１０２が本体部１０１から剥がれているか否かを目視で観察した。コーティング層１０２の密着性の評価結果（剥がれの有無）を表１に示した。
【００５２】
（実施例２〜７）
コーティング層１０２の材料として、非晶質無機材料の割合、結晶材料の種類をそれぞれ表１に示す通りとした。すなわち、実施例２では、ＭｎＯ２、Ｆｅ３Ｏ４を３０ｗｔ％、実施例３では、ＭｎＯ２、ＣｕＯを７０ｗｔ％、実施例４では、ＭｎＯ２、Ｆｅ３Ｏ４を１０ｗｔ％、実施例５では、ムライトを３０ｗｔ％、実施例６では、ＭｎＯ２、ＣｕＯを９０ｗｔ％、実施例７では、Ａｌ２Ｏ３を３０ｗｔ％とした。これらの材料を用いて実施例１と同様にして集熱管１００の作製を行った。
ここで、結晶材料の割合は、表１に示す非晶質無機材料の割合を１００％から除いた割合とし、結晶材料が２種の材料よりなる場合、その組成はそれぞれＭｎＯ２：ＣｕＯ＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％、ＭｎＯ２：Ｆｅ３Ｏ４＝６５ｗｔ％：５ｗｔ％とした。
各実施例においては、実施例１と同様にしてコーティング層１０２の、熱伝導率λ、熱膨張係数α、放射率及び厚みを測定した。その結果を表１に示した。
また、各実施例においては、スラリーをスプレーコートする条件を変更して、表１に示すコーティング層厚みとなるように、塗布工程を行った。
【００５３】
各実施例においては、実施例１と同様にそれぞれの昇温時間の測定及びコーティング層１０２の密着性の評価（剥がれの有無）の評価を行った。
本体部１０１及びコーティング層１０２の組成を表１に示す。また、その評価結果を合わせて表１に示す。
【００５４】
（比較例１）
ガラス管にコーティング層を形成しない他は実施例１と同様にして、ガラス管を作製した。
実施例１と同様に昇温時間の測定を行った。
その評価結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
表１から明らかなように、実施例１〜７で作製した集熱管は、室温（２５℃）から１００℃までの昇温時間が１５５〜２０５秒となり、比較例１の昇温時間２５０秒に比べて短いことがわかる。そのため、実施例１〜７は、昇温時間が短く、短時間で所望の温度とすることができる。これは、実施例１〜７の集熱管は、コーティング層により吸熱性が良いためと考えられる。また、実施例１〜７の放射率は０．９２〜０．９８と比較例１の０．５６に比べて高いため、実施例１〜７の集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、コーティング層１０２から放熱して、本体部１０１に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができると考えられる。
比較例１は、昇温時間が２５０秒と長く、所望の温度とするのに時間がかかる。また、放射率が０．５６と低く、金属管自体の温度が高くなっているため、この集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、熱伝導性に劣り、金属管内に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができないと考えられる。
【００５７】
（第二実施形態）
以下、本発明の一実施形態である第二実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の第一実施形態に係る集熱管において、集熱管１００の本体部が金属で構成された集熱管について説明する。なお、本体部以外の構成は、本発明の第一実施形態と同じであるので、ここでは、本体部を中心に説明する。
【００５８】
本実施形態において、集熱管１００の本体部１０１を構成する金属としては、鋼、鉄、銅等の金属、インコネル、ハステロイ、インバー等のニッケル基合金、ステンレス等の合金等を使用することができる。これらの金属材料は熱伝導率が高いため、集熱管の本体部として使用した場合には、収容された熱媒体への伝導伝熱速度を速くすることができ、所定温度までの昇温時間を短縮することができる。
【００５９】
また、これらの金属材料は耐熱性が高いため、５００〜１０００℃の温度領域で好適に使用することができる。集光型太陽熱発電での使用を考慮すると、５００℃未満では、太陽光を吸収した際の温度が充分に高いとは言えず、１０００℃を超えると、金属材料の耐久性に問題が生じる。
また、これらの金属材料を集熱管１００の本体部１０１とすることにより、本発明の集熱管１００を耐熱衝撃性、加工性、機械的特性等に優れた比較的安価な集熱管とすることができる。
【００６０】
なお、これらの集熱管の厚さは０．２〜１０ｍｍが好ましく、０．４〜４ｍｍがさらに好ましい。
集熱管１００の厚みが０．２ｍｍ未満であると集光型太陽熱発電の集熱管として使用するには、強度が不足し、集熱管１００の厚みが１０ｍｍを超えると金属材料の熱容量が大きくなりすぎるため、収容した熱媒体の昇温に要する時間が長くなる。
【００６１】
集熱管１００の外側表面に形成されるコーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００℃〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなるので、コーティング層は、集熱管１００の本体部１０１との密着性に優れ、集熱管が高温状態となっても、本体部１０１から剥離しにくい集熱管となる。無機化合物の軟化温度が４００℃未満では、コーティング層１０２を形成した後、集熱管１００の本体部１０１の温度が高くなるとコーティング層１０２が流動し易くなり、剥がれ落ちやすくなり、一方、無機化合物の軟化温度が１０００℃を超えると、コーティングを融解させて外側表面に塗布するのが難しくなる。
【００６２】
なお、コーティング層１０２を構成する材料のうち、遷移金属の酸化物を主成分とする赤外線放射体の熱膨張係数は８×１０−６〜９×１０−６／℃と低く、軟化温度が４００〜１０００℃である無機化合物の熱膨張係数は８×１０−６〜２５×１０−６／℃と高いため、上記赤外線放射体と上記無機化合物との配合比を調整することによりコーティング層１０２の熱膨張係数を制御することができる。金属からなる本体部１０１、例えばステンレスの熱膨張率は１×１０−５〜１８×１０−６／℃であるため、上記結晶性無機材と上記非晶質無機材との配合比とを調整することにより、コーティング層１０２と金属材料からなる本体部１０１との熱膨張係数を近づけることができ、コーティング層１０２と本体部１０１との密着力を向上させることができる。
コーティング層の望ましい熱膨張率は本体部１０１を構成する金属材料との組み合わせによって異なるが、コーティング層１０２と集熱管１００（本体部１０１の金属材料）との熱膨張率の差が１×１０−５／℃以下であることが好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、金属材料からなる集熱管１００の本体部１０１の外側表面にコーティング層１０２を形成するに先立って、集熱管１００の本体部１０１の表面処理を行うことが望ましい。集熱管１００の本体部の表面処理は、本体部上の不純物を除去する工程である。表面処理方法は、特に限定されるものでなく、一般的な洗浄方法を使用することができる。例えば、アルコール溶媒中で超音波洗浄する方法、酸を用いた洗浄方法等を挙げることができる。
【００６４】
また、集熱管１００の本体部１０１の外側表面にコーティング層１０２を形成した後には、本体部１０１を焼成してコーティング層１０２を本体部１０１上に定着させることが好ましい。
【００６５】
以下、本発明の第二実施形態に係る集熱管の作用効果について列挙する。
本実施形態においては、本発明の第一実施形態の（１）〜（６）の作用効果を奏するほか、下記の効果を奏する。
【００６６】
（７）本実施形態の集熱管では、本体部が金属で形成されているので、強度の高い集熱管が得られる。
【００６７】
以下に、本発明の第二実施形態をより具体的に開示した実施例を示すが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例８〜１５）
金属材料にて形成された本体部１０１を用いて、実施例１〜７と同様にして集熱管１００を作製した。そしてそれ以外は、実施例１と同様にして、コーティング層１０２の各種物性を測定した。さらに、実施例１と同様にして、それぞれの昇温時間の測定及びコーティング層１０２の密着性の評価（剥がれの有無）の評価を行った。
本体部１０１及びコーティング層１０２の組成を表２に示す。また、その評価結果を合わせて表２に示す。
【００６８】
なお本体部１０１は、室温（２５℃）における熱伝導率（λ）が２５Ｗ／ｍＫ、室温（２５℃）から１００℃の範囲で測定した熱膨張係数（α）が１０．４×１０−６／℃であるＳＵＳ４３０材であって、厚み２ｍｍ、直径１００ｍｍの円筒を長さ１００ｍｍに切断したものを用いた。
また、本体部１０１は、アルコール溶媒中で超音波洗浄して、その後にサンドブラスト処理することによって、その外側表面を洗浄及び粗化する表面処理工程を行った。
サンドブラスト処理は、♯６００のＳｉＣ砥粒を用いて１０分間行った。
ここで、表面処理工程後の本体部の外側表面のＲｚＪＩＳを測定したところ、１．５μｍであった。
【００６９】
（比較例２）
実施例８と同様の金属材料を用いて形成された本体部１０１に、コーティング層を形成しなかった。この本体部１０１のみからなる集熱管を用いて、実施例１と同様にして、昇温時間の測定を行った。
本体部１０１の組成及び評価結果を表２に示す。
【００７０】
【表２】
【００７１】
表２から明らかなように、実施例８〜１５で作製した集熱管は、昇温時間が１５５〜２０５秒と、比較例２の２５０秒という昇温時間に比べて短いことがわかる。これは、実施例８〜１５の集熱管は、コーティング層により吸熱性が良いためと考えられる。また、実施例８〜１５は、放射率が０．９２〜０．９８と比較例２の０．３０に比べて高いため、実施例８〜１５の集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、コーティング層１０２から放熱して、本体部１０１に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができると考えられる。
比較例２は、昇温時間が２５０秒と長く、所望の温度とするのに時間がかかる。また、放射率が０．５６と低く、金属管自体の温度が高くなっているため、この集熱管を太陽熱発電の集熱器として使用した場合には、熱伝導性に劣り、金属管内に収容された熱媒体に効率良く熱を伝えることができないと考えられる。
【００７２】
（第三実施形態）
以下、本発明の集光型太陽熱発電システムの一実施形態である第三実施形態について説明する。
本実施形態に係る集光型太陽熱発電システムでは、集熱器として、本発明の第一実施形態に係る集熱管が用いられている。また、集光型太陽熱発電システムとしては、トラフ型の太陽熱発電システムを例に挙げて説明する。
【００７３】
図２は、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムを模式的に示す説明図である。図３（ａ）は、図２に示した集光型太陽熱発電システムを構成する集熱器を説明するための斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した集熱器のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００７４】
図２に示す集光型太陽熱発電システム２００は、複数の反射鏡２１０を介して集熱器２２０に太陽熱を集め、この熱を利用して水蒸気発生器２３０で水蒸気を発生させ、これにより蒸気タービン２４０を駆動して発電を行うように構成されている。
本実施形態に係る集光型太陽熱発電システムは、熱媒体を循環させる熱媒体循環領域Ａと、水蒸気を循環させるための水蒸気循環領域Ｂの２つの領域に大別される。
【００７５】
まず、熱媒体循環領域Ａについて説明する。
熱媒体循環領域Ａには、複数の反射鏡２１０及び集熱器２２０が設けられている。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、反射鏡２１０は、断面が略円弧状に形成された横長の形状であり、縦方向（長手方向）及び横方向に複数配置されている。長手方向に配置された反射鏡２１０は、共通の軸（図示せず）で連結されており、反射面の中央部、すなわち焦線上に配置された集熱器２２０に太陽光３１０の反射光３１１が当たるように調整されている。また、太陽が地平線を移動するにつれて、追跡用モータ（図示せず）で軸を回転させて太陽の軌道を追いかけるよう構成されている。
【００７６】
集熱器２２０は、図３（ｂ）に示すように、本発明の第一実施形態に係る集熱管１００内に熱媒体２２１を収容したものである。熱媒体２２１は、太陽光３１０の熱を吸収する熱伝導油（オイル）である。
【００７７】
図２に示すように、複数の反射鏡２１０によって太陽光３１０が集光され、集熱器２２０に集光された太陽光の熱が蓄えられると、加熱された熱媒体２２１は、配管２５１を通って再熱器２９２及び過熱器２６０に熱を供給しつつ、さらに水蒸気発生器２３０へと供給される。
水蒸気発生器２３０では、熱媒体２２１から供給された熱により水蒸気が発生し、後述する水蒸気循環領域Ｂでの動作が行われる。
水蒸気発生器２３０を通過した熱媒体２２１は、温度が下がった状態となっているため、配管２５３に設けられた循環ポンプ２７１によって再び集熱器２２０へと供給され、上記処理が繰り替えされる。このように熱媒体２２１は、集熱器２２０と水蒸気発生器２３０との間を循環するものである。
【００７８】
なお、再熱器２９２は、熱媒体２２１の日中の温度変動を抑制するためのものである。
再熱器２９２には、蓄熱器（図示せず）が備えられており、上記のように熱媒体２２１から供給された熱を蓄熱器に蓄熱する。蓄熱された熱は、例えば、日没後に温度低下した熱媒体２２１の過熱に用いられる。このように再熱器２９２によってある程度過熱された状態で集熱器２２０に熱媒体２２１が供給されると、日の出後の熱媒体循環領域Ａにおける動作を迅速に立ち上げることができる。
【００７９】
次に、水蒸気循環領域Ｂについて説明する。
上記のように、加熱された熱媒体２２１により水蒸気発生器２３０に熱が供給されると、熱媒体２２１と熱交換した水が水蒸気となる。この水蒸気は飽和状態であり、配管２５４を通って過熱器２６０に供給される。過熱器２６０において飽和状態の水蒸気はさらに過熱され、より温度の高い過熱水蒸気となる。過熱水蒸気は、配管２５５を通って蒸気タービン２４０に供給され、蒸気タービン２４０を駆動する。これにより発電機２８０が稼働して発電が行われる。
【００８０】
蒸気タービン２４０を通過した水蒸気は、配管２５６を通ってコンデンサ２９０を備えた冷却塔２９１に導かれて復水した後、配管２５７を通って、循環ポンプ２７２により予熱器２３１及び水蒸気発生器２３０へと供給される。また、必要に応じて一部の水は、循環ポンプ２７３により配管２５８を通って、補助ボイラ４１０へと供給され、加熱された後、配管２５９を通って蒸気タービン２４０へと供給される。
【００８１】
補助ボイラ４１０は、蓄熱器４１１を介して、上記した熱媒体循環領域Ａの配管２５１と接続されている。太陽光により温められた熱媒体２２１は、その一部が配管２５１から蓄熱器４１１へと供給され、過剰な熱は蓄熱器４１１で蓄えられる。蓄熱器４１１に熱を供給した熱媒体２２１は、再び上記した熱媒体循環領域Ａへ戻り、上記と同様の動作を繰り返す。
蓄熱器４１１で蓄えられた熱は、日没後、雨天、曇天等には、熱媒体循環領域Ａからの水蒸気の供給がなくなることから、このような状態となったときに補助ボイラ４１０に熱を供給して、蒸気タービン２４０に配管２５９を介して水蒸気を供給するように構成されている。
なお、本発明の第一実施形態の集熱管を用いた集光型太陽熱発電システムについて説明を行ったが、本発明の第二実施形態の集熱管を用いても同様の効果が得られる。
【００８２】
以下、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムの作用効果について列挙する。
（１）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、本発明の第一実施形態に係る集熱管が集熱器として用いられているので、照射された太陽光を、効率よく熱に変換することができ、効率よく発電を行うことが出来る。
【００８３】
（２）従来のトラフ型太陽熱発電では、熱媒体は４００℃程度に加熱されていたが、本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、本発明の第一実施形態に係る集熱管を用いた集熱器２２０を用いているため、熱媒体２２１を５００℃程度にまで加熱することが可能となる。
【００８４】
（３）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいては、蓄熱器と接続された補助ボイラが設けられているので、夜間の発電も可能となる。
【００８５】
（４）本実施形態の集光型太陽熱発電システムにおいて、補助ボイラは、天然ガスなどの燃料を用いて水蒸気を発生させることもできるため、曇天時などにおいても発電を行うことができ、安定して電力を供給できる。
【００８６】
（その他の実施形態）
【００８７】
本発明の第一、第二実施形態では、コーティング層１０２は、本体部１０１の外側表面全体に形成されていたが、コーティング層１０２は、反射光が照射される少なくとも本体部１０１の外側表面の一部に形成されていればよい。
【００８８】
本体部１０１は、多層構造であってもよい。一例としては、真空二重管型の本体部が挙げられる。真空二重管型の本体部は、２重構造であり、外側に配置される外管内に熱媒体が収容される内管が挿入され、外管と内管との間が真空状態に保たれたものである。真空二重管型とすることで、熱媒体に蓄熱した熱の放熱を抑制できる。
【００８９】
また、図２に示した集光型太陽熱発電システムは、本発明の第三実施形態に係る集光型太陽熱発電システムの一例であって、発電システムを構成する部材等は図２に示すものに限定されるものではなく、必要に応じて適宜設定できる。例えば、図２に示す集光型太陽熱発電システムには、再熱器、過熱器、蓄熱器等を複数設けてもよい。また、補助ボイラ４１０は必ずしも必要ではなく、循環ポンプ２７１、２７２、２７３の数、配置位置等も適宜変更可能である。
また、本発明の第三実施形態では、水蒸気循環領域Ｂにおいて、蓄熱器を備えた補助ボイラを有する例を挙げて説明したが、蓄熱器と補助ボイラとが別々に設けられた構成としてもよい。蓄熱器における蓄熱材は、特に限定されるものではないが、例えば、砂、溶融塩等を用いることができる。
【００９０】
また、本発明の第三実施形態では、トラフ型の集光型太陽熱発電システムについて説明したが、本発明の第一、第二実施形態に係る集熱管は、その他の集光型太陽熱発電システムにも適用できる。その他の集光型太陽熱発電システムとしては、フレネル型、タワー型、パラボラ・ディッシュ型の集光型太陽熱発電システム又はトラフ型の集光型太陽熱発電システムと火力発電とを結合した、ＩＳＣＣＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる発電システムにも適用できる。すなわち、反射鏡と集熱管とを用いた集光型太陽熱発電システムであれば、他の型式の集光型太陽熱発電システムにも適用することができる。
【００９１】
本発明の第三実施形態では、熱媒体としてオイルを用いた例を挙げて説明したが、熱媒体としては、オイルだけでなく、水、低粘度の有機溶媒、水蒸気、空気、又は、アルゴン等も適用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１００ 集熱管
１０１ 本体部
１０２ コーティング層
２００ 集光型太陽熱発電システム
２１０ 反射鏡
２２０ 集熱器
２２１ 熱媒体
２３０ 水蒸気発生器
２３１ 予熱器
２４０ 蒸気タービン
２５１、２５２、２５３、２５４、２５５、２５６、２５７、２５８、２５９ 配管
２６０ 過熱器
２７１、２７２、２７３ 循環ポンプ
２８０ 発電機
２９０ コンデンサ
２９１ 冷却塔
２９２ 再熱器
３１０ 太陽光
３１１ 反射光
４１０ 補助ボイラ
Ａ 熱媒体循環領域
Ｂ 水蒸気循環領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、
該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外側表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする集熱管。
【請求項２】
前記コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００℃〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなる請求項１記載の集熱管。
【請求項３】
前記コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍである請求項１又は２記載の集熱管。
【請求項４】
前記コーティング層は、前記本体部の外側表面全体に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の集熱管。
【請求項５】
前記遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、
前記無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスである請求項２〜４のいずれかに記載の集熱管。
【請求項６】
前記コーティング層の熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫである請求項１〜５のいずれかに記載の集熱管。
【請求項７】
前記コーティング層と前記集熱管の本体部との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下である請求項１〜６のいずれかに記載の集熱管。
【請求項８】
前記集熱管の本体部は、ガラス管である請求項１〜７のいずれかに記載の集熱管。
【請求項９】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱器であって、
前記集熱器は、集熱管と、前記集熱管に収容された熱媒体とを備え、
前記集熱管は、請求項１〜８のいずれかに記載された集熱管であることを特徴とする集熱器。
【請求項１０】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して水蒸気を発生させ、前記水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う集光型太陽熱発電システムであって、
前記集熱器は、請求項９に記載の集熱器であることを特徴とする集光型太陽熱発電システム。
【請求項１】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器で熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱管であって、
該集熱管は、熱媒体を収容する本体部と、該本体部の外側表面に形成された室温での波長１〜１５μｍにおける放射率が０．７０〜０．９８であるコーティング層とを有することを特徴とする集熱管。
【請求項２】
前記コーティング層は、遷移元素の酸化物を主成分とする赤外線放射体と、軟化温度が４００℃〜１０００℃である無機化合物とを含む赤外線黒体塗料組成物からなる請求項１記載の集熱管。
【請求項３】
前記コーティング層の厚みは、０．２〜５０μｍである請求項１又は２記載の集熱管。
【請求項４】
前記コーティング層は、前記本体部の外側表面全体に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の集熱管。
【請求項５】
前記遷移元素の酸化物は、二酸化マンガン、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化銅及び酸化クロムから選ばれる少なくとも１種であり、
前記無機化合物は、アルミナ珪酸ガラス、ポタッシュ鉛ガラス、ソーダ鉛ガラス、ソーダ亜鉛ガラス、ソーダバリウムガラス、バリウムガラス、ボロンガラス、ストロンチウムガラス、高鉛ガラス及びポタッシュソーダ鉛ガラスから選ばれる少なくとも１種からなる低融点高膨張ガラスである請求項２〜４のいずれかに記載の集熱管。
【請求項６】
前記コーティング層の熱伝導率は、０．１〜２．８Ｗ／ｍＫである請求項１〜５のいずれかに記載の集熱管。
【請求項７】
前記コーティング層と前記集熱管の本体部との熱膨張率の差は、１×１０−５／℃以下である請求項１〜６のいずれかに記載の集熱管。
【請求項８】
前記集熱管の本体部は、ガラス管である請求項１〜７のいずれかに記載の集熱管。
【請求項９】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して発電を行う集光型太陽熱発電に用いられる集熱器であって、
前記集熱器は、集熱管と、前記集熱管に収容された熱媒体とを備え、
前記集熱管は、請求項１〜８のいずれかに記載された集熱管であることを特徴とする集熱器。
【請求項１０】
反射鏡を用いて太陽光を集光し、集光した光を集熱管を備えた集熱器にて熱へと変換し、前記熱を利用して水蒸気を発生させ、前記水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う集光型太陽熱発電システムであって、
前記集熱器は、請求項９に記載の集熱器であることを特徴とする集光型太陽熱発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−９３００５（Ｐ２０１２−９３００５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９０１０（Ｐ２０１０−２３９０１０）
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２５日（２０１０．１０．２５）
【出願人】（００００００１５８）イビデン株式会社 (856)
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