効率的な太陽熱システムのためのBTE太陽熱平板型集熱器

低温太陽熱利用の基本部品

平板型太陽熱集熱器は、低温太陽熱利用に不可欠な部品です。これらは太陽熱システムにおいて、太陽放射を受け取り熱媒体に熱を伝える非集光型部品です。平板型太陽熱集熱器は主に、吸熱板、透明カバー、断熱層、外枠で構成されています。吸熱板は基本的に平板です。平板型太陽熱集熱器が稼働する際、太陽放射は透明カバーを通過して吸熱板に投影され、吸収されて熱エネルギーに変換されます。この熱は吸熱板内の熱媒体に伝達され、その温度を上昇させ、集熱器から有効エネルギー出力を提供します。

部品と特徴

平板型太陽熱集熱器は、低温太陽熱利用に欠かせない構成部品であり、長年にわたり世界の太陽エネルギー市場をリードする製品です。家庭用給湯、プール加熱、産業用給湯、建築物暖房、空調など、幅広い用途で利用されています。平板型太陽熱集熱器は主に、吸熱板、透明カバー、断熱層、外枠で構成されています。平板型太陽熱温水器は平板型太陽熱集熱器を採用した給湯器であり、平板型太陽熱給湯システムは平板型太陽熱集熱器を用いた温水システムです。

構造が簡単で、吸熱面積が広く、耐圧性が高く、使用寿命が長く、破損に強く、建築との一体化が容易です。

吸熱板

これは平板型太陽熱集熱器内で太陽放射を吸収し、熱を熱媒体に伝達する部品です。基本的には平板です。

構造

平板型の吸熱板は通常、管とヘッダーで構成されています。管は吸熱板上に縦方向に配置され、流体の流路を形成します。ヘッダーは吸熱板の上下端で複数の管を横方向に接続する部品であり、流体の流路を形成します。吸熱板は銅、アルミニウム合金、銅アルミ複合材、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、プラスチック、ゴムなど様々な材料で作ることができます。構造タイプには以下があります：

1. 管板式：管と平板を特定の方法で接続して吸熱ストリップを形成し、それを上下のヘッダーに溶接して吸熱板とします。これは国内外で最も一般的に使用されるタイプです。

2. フィンチューブタイプ：金属管の両側にフィン付きの吸熱ストリップをダイス押出しと引き抜き加工で形成します。このストリップを上下のヘッダーに溶接して吸熱板を構成します。

3. フラットボックスタイプ：2枚の別々の金属板をダイススタンピングで成形し、溶接して吸熱板を形成します。スネークタイプ：金属管を蛇行状に曲げ、平板に溶接して吸熱板とします。この構造タイプは海外で広く使用されています。

太陽熱吸収コーティング

太陽放射の吸収を最大化し熱に変換するため、吸収体には暗色のコーティング、すなわち太陽熱吸収コーティングを施す必要があります。

太陽吸収コーティングは、非選択性と選択性の2つのカテゴリに分類できます。非選択性コーティングは、その光学特性が放射の波長に依存しないものです；選択性コーティングは、その光学特性が放射の波長によって大きく変化するものです。

選択的吸収コーティングは、スプレー法、化学法、電気化学法、真空蒸着法、マグネトロンスパッタリング法など、様々な方法で作製できる。これらの方法で作製された選択的吸収コーティングの多くは、太陽光吸収率（SAR）が0.90以上に達するが、達成可能な放射率の範囲は大きく異なる。放射率性能の観点から見ると、これらの方法の優劣順位は、マグネトロンスパッタリング法、真空蒸着法、電気化学法、化学法、スプレー法となる。もちろん、各方法には特定の放射率値の範囲があり、コーティングの実際の放射率は、コーティング作製プロセスの最適化の程度に依存する。

材料

TP2銅はヘッダーや分岐管に使用されます。TP2銅リン脱酸銅は、溶解により製造される高純度原料です。溶銅中に発生する酸素を酸素親和性の高いリン(P)で脱酸し、酸素含有量を100ppm以下に低減します。これにより、延性、耐食性、熱伝導性、溶接性、加工性が向上し、高温での水素脆化にも耐性を持ちます。特性と用途：極めて低い酸素含有量、高純度、優れた電気伝導性と熱伝導性、優れた延性、低い通気性、水素脆化がほとんどまたは全くないこと。また、優れた加工性、溶接性、耐食性、耐寒性を備えています。

透明カバープレート

透明カバープレートは、平板型集熱器において吸熱板を覆う透明（または半透明）の板状部品です。主な機能は3つあります。第一に、太陽放射を透過させて吸熱板に導くこと、第二に、吸熱板をほこりや雨、雪から保護すること、第三に、温室効果を生み出し、吸熱板の温度が上昇した際に対流や放射によって周囲の環境に熱を逃がすのを防ぐことです。

素材

主に2種類あります。平板ガラスとガラス繊維です。現在、国内外でより広く使用されているのは平板ガラスです。

平板ガラスは、赤外線透過率が低く、熱伝導率が低く、耐候性に優れています。しかし、太陽光透過率と耐衝撃性は平板ガラスの2つの重要な考慮事項です。現在、最も一般的に使用されている透明カバー材は、厚さ3～5mmの平板ガラス、超透明低鉄強化ガラス、または超透明低鉄テクスチャー強化ガラスです。これらのガラスは透過率が高く、雹や衝撃に耐え、安全で信頼性があります。一般的なガラスの厚さは3.2mmと4.0mmです。超透明ガラスは、超透明低鉄ガラスの一種であり、低鉄ガラスまたは高透過率ガラスとも呼ばれます。FRPシート（すなわちガラス繊維強化プラスチックシート）は、太陽光透過率が高く、熱伝導率が低く、耐衝撃性が高いです。しかし、FRPシートの場合、赤外線透過率と耐候性は注意が必要な2つの問題です。FRPシートの単色透過率対波長曲線は、単色透過率が2pm以内で高い値を持つだけでなく、2.5pm以上でも高い値を持つことを示しています。したがって、FRPシートの太陽光透過率は一般的に0.88以上ですが、その赤外線透過率も平板ガラスよりもはるかに高くなります。FRPシートは、高結合エネルギー樹脂とゲルコートを使用することで、紫外線による損傷の程度を軽減できます。しかし、FRPシートの耐用年数は、無機材料である平板ガラスと決して比較できません。FRPシートはコレクターのカバープレートとしてほとんど使用されておらず、現在は一部の低価格製品にのみ使用されています。

断熱層

断熱層は、集熱器内で吸収体からの熱が周囲環境への伝導によって失われるのを防ぐ部品です。断熱層に使用される材料には、ロックウール、グラスウール、ポリウレタン、ポリスチレンなどがあります。現在最も一般的に使用されているのはグラスウールです。

高効率断熱材

フェノールフォーム（PF）は、平板型太陽熱集熱器の効率を向上させることができる新しいタイプの断熱材であり、徐々にメーカーに採用されつつあります。フェノールフォームは、フェノール樹脂を乳化剤、発泡剤、硬化剤などの添加物と科学的な配合で発泡・硬化させた独立気泡の硬質フォームプラスチックです。

フェノールフォームの特性は以下のようにまとめられます。

1. 優れた断熱性能を有し、熱伝導率は0.03 W/m·K未満です。

2. 高い動作温度。フェノールフォームは、-200°Cから160°Cの温度範囲で長時間動作可能であり（250°Cの一時的な温度も許容）、収縮することはありません。

3. 優れた耐候性。長期間高温にさらされても、優れた断熱性能を維持し、太陽放射を遮る可能性のある揮発性物質を放出しません。

4. 不燃性。フェノールフォーム（厚さ100mm）は、1時間以上炎に耐え、貫通されることなく、煙や有害ガスを発生しません。直火にさらされると、フェノールフォームは表面に構造炭素層を形成し、滴下、カール、溶融を防ぎます。燃焼後、表面に構造炭素のグラファイト層が形成され、フォームの内部構造を効果的に保護します。

5. 環境に優しい。フロンフリーの発泡技術を使用し、繊維を含まないため、国内外の環境基準を満たしています。

厚さ

断熱層の厚さは、使用する材料、集熱器の運転温度、使用地域の気候条件などの要因に基づいて決定されるべきである。一般的なルールとして、材料の熱伝導率が高いほど、集熱器の運転温度が高いほど、使用地域の温度が低いほど、断熱層は厚くする必要がある。一般的に、底部の断熱層は30～50mmの厚さで、側面の断熱層もほぼ同じ厚さである。

ハウジング

ハウジングは、集熱器内の吸収体、透明カバー、断熱層を保護し固定する。その機能に応じて、ハウジングには一定の強度と剛性、良好な密閉性と耐食性、そして美観が求められる。

ハウジングに使用される材料には、アルミニウム合金、ステンレス鋼、炭素鋼、プラスチック、ガラス繊維が含まれます。ハウジングの密閉性を向上させるため、一部の製品では炭素鋼を用いた一回圧縮成形プロセスが採用されています。現在、平板型集熱器のハウジング（フレーム）に最も一般的に使用される材料はアルミニウム合金と炭素鋼であり、一回圧縮成形プロセスで成形されています。

アルミニウム合金：6063T5アルミニウム合金プロファイルが一般的に使用されています。6063系アルミニウム合金は、建築物のアルミニウム製ドア、窓、カーテンウォールのフレームに広く利用されています。高い耐風圧性、組立性能、耐食性、装飾性を確保するため、アルミニウム合金プロファイルに対する総合的な性能要件は工業用プロファイルをはるかに上回ります。