BTEソーラーフラットプレートコレクター：効率的な低温太陽熱システムのためのコンポーネント、テクノロジー、アプリケーション

低温太陽熱利用の基本構成要素

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。太陽熱システムにおいて、太陽光を集光せずに熱を熱伝達媒体に伝達する非集光型部品です。平板型太陽熱集熱器は、主に吸熱器、透明カバー、断熱層、外殻で構成されています。吸熱器は基本的に平板です。平板型太陽熱集熱器の作動中、太陽光は透明カバーを通過して吸熱器に照射され、吸熱器で吸収されて熱エネルギーに変換されます。この熱は吸熱器内の熱伝達媒体に伝達され、その温度を上昇させることで、集熱器から有用なエネルギー出力が得られます。

コンポーネントと機能

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となっています。家庭用給湯器、プール暖房器、工業用給湯器、ビル暖房、空調など、様々な用途に広く使用されています。平板型太陽熱集熱器は、主に吸熱板、透明カバー、断熱層、外殻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用いた給湯器であり、平板型太陽熱温水器シス​​テムは、平板型太陽熱集熱器を用いた給湯システムです。

シンプルな構造、大きな熱吸収面積、高い耐圧性、長い耐用年数、損傷に対する耐性、建築統合の容易さを特徴としています。

熱吸収板

これは平板型太陽熱集熱器内の部品で、太陽光を吸収して熱伝達媒体に熱を伝達します。本質的には平板です。 

構造

平板状の吸熱プレートは、通常、チューブとヘッダーが配置されています。チューブは吸熱プレートの縦方向に配置され、流体の流路を形成します。ヘッダーは、吸熱プレートの上下端で複数のチューブを横方向に接続し、流体の流路を形成する部品です。吸熱プレートは、銅、アルミニウム合金、銅アルミニウム複合材、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、プラスチック、ゴムなど、様々な材料で製造できます。構造タイプには以下のものがあります。

1. 管板型：管と平板を所定の方法で接合して吸熱帯を形成し、これを上下のヘッダーに溶接して吸熱板を形成します。国内外で最も一般的に使用されているタイプです。

2. フィンチューブ型：金属管の両側にフィンを取り付けた吸熱板を、ダイ押し出し・引抜加工により成形します。この吸熱板を上下のヘッダーに溶接することで吸熱板を形成します。

3. 平箱型：吸熱板は2枚の金属板を金型で打ち抜き加工し、溶接して形成します。スネーク型：金属管を蛇状に曲げ、平板に溶接して吸熱板を形成します。この構造は海外で広く採用されています。

太陽光吸収コーティング

太陽放射の吸収を最大限にして熱に変換するには、吸収体を太陽光吸収コーティングと呼ばれる暗いコーティングで覆う必要があります。

太陽光吸収コーティングは、非選択型と選択型の2つのカテゴリーに分けられます。非選択型コーティングは、光学特性が放射線の波長に依存しません。一方、選択型コーティングは、光学特性が放射線の波長によって大きく変化します。

選択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ます。これらの方法で作製された選択吸収コーティングのほとんどは、0.90を超える太陽光吸収比（SAR）を達成できますが、達成可能な放射率の範囲は大きく異なります。放射率性能の観点から、これらの方法の中で優れている順に、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、スプレー法が挙げられます。もちろん、各方法には特定の放射率範囲があり、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します。

材料

TP2銅はヘッダーや枝管に使用されます。TP2銅リン脱酸銅は、溶解によって生成される高純度の原料です。溶融銅中に発生した酸素を酸素親和性のリン（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、高温での水素脆化も抑制されます。特徴と用途：酸素含有量が極めて低く、純度が高く、導電性、熱伝導性に優れ、延性に優れ、通気性が低く、水素脆化がほとんどまたは全くありません。また、加工性、溶接性、耐食性、耐寒性にも優れています。

透明カバープレート

透明カバープレートは、平板型集熱器の吸収プレートを覆う透明（または半透明）の板状の部品です。主な機能は3つあります。1つ目は、太陽光を透過して吸収プレートに導くこと、2つ目は、吸収プレートを埃、雨、雪から保護すること、3つ目は、温室効果を生み出し、温度上昇時に吸収プレートが対流や放射によって周囲に熱を放散するのを防ぐことです。 

材料

ガラスには主に板ガラスとグラスファイバーの2種類があり、現在では国内外で板ガラスの方が広く使用されています。

板ガラスは、赤外線透過率と熱伝導率が低く、耐候性に優れています。しかし、板ガラスの場合、太陽光透過率と衝撃強度は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料は、厚さ3〜5mmの板ガラス、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、雹や衝撃に強く、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、低鉄ガラスまたは高透明ガラスとも呼ばれます。FRPシート（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、衝撃強度が高いですが、FRPシートの場合、赤外線透過率と耐候性という2つの問題に注意する必要があります。 FRPシートの単色透過率対波長曲線は、単色透過率が2pm以内で高い値を示すだけでなく、2.5pm以上でも高い値を示すことを示しています。そのため、FRPシートの太陽光透過率は一般的に0.88を超えていますが、赤外線透過率も板ガラスよりもはるかに高くなっています。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、無機材料である板ガラスとは全く比較になりません。FRPシートは、集熱器のカバープレートとしてはあまり使用されておらず、現在は一部の低価格帯製品にのみ使用されています。

絶縁層

絶縁層は、吸収体からの熱が伝導によって周囲環境に失われるのを防ぐコレクタ内のコンポーネントです。断熱層の材質としては、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挙げられます。現在最もよく使わ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、平板型ソーラーコレクターの効率を向上させる新しいタイプの断熱材です。メーカーによる採用が徐々に進んでいます。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、その他の添加剤など、様々な物質と科学的な配合で発泡・硬化させて作られる、独立気泡の硬質発泡プラスチックです。

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. 熱伝導率が0.03W/m・K未満と優れた断熱性能を持っています。

2. 高い動作温度。フェノールフォームは、-200℃～160℃（過渡温度250℃まで許容）の温度範囲で、収縮することなく長期間動作できます。

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を維持し、太陽光を遮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時間以上炎を貫通することなく耐え、煙や有害ガスを発生しません。裸火にさらされると、フェノールフォームは表面に構造炭素層を形成し、垂れ、反り、溶融を防ぎます。燃焼後は、表面に構造炭素のグラファイト層を形成し、フォーム内部の構造を効果的に保護します。

5. 環境に優しい。フッ素フリーの発泡技術と繊維不使用により、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、集熱器の動作温度、使用場所の気候条件などの要因に基づいて決定する必要があります。一般的なルールとして、材料の熱伝導率が高いほど、集熱器の動作温度が高いほど、また使用場所の温度が低いほど、断熱層を厚くする必要があります。一般的に、底面断熱層の厚さは30～50mm、側面断熱層の厚さはほぼ同じです。

ハウジング

ハウジングは、集熱器内の吸収体、透明カバー、および絶縁層を保護し、固定します。ハウジングの機能に応じて、一定の強度と剛性、優れた密閉性と耐腐食性、そして美しい外観が求められます。 

ハウジングの材質には、アルミニウム合金、ステンレス鋼、炭素鋼、プラスチック、グラスファイバーなどがあります。ハウジングの密閉性を高めるため、一部の製品では炭素鋼を用いたワンショット圧縮成形法を採用しています。現在、平板型コレクターのハウジング（フレーム）には、アルミニウム合金と炭素鋼がワンショット圧縮成形法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は一般的に使用されています。6063シリーズアルミニウム合金は、建物のアルミ製ドア、窓、カーテンウォールのフレームに広く使用されています。高い耐風性、組立性、耐腐食性、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の要件をはるかに上回っています。