光学過熱保護
あらゆる太陽熱集熱システムには、集熱器が安全動作温度の上限を超える平衡温度または停滞温度に達する潜在的なリスクがあります。そのため、光過熱防止のために様々な対策が講じられています。
よどみ温度は、停電、部品の故障、保守作業中、エネルギー貯蔵容量の制限、またはシステムからほとんどお湯が抽出されない期間など、熱伝達流体がコレクターを流れていない状態で放射量が多い状況で発生します。[ 1 ]より一般的には、よどみ温度は、太陽熱コレクターが吸収した太陽熱を熱伝達流体に適切に送ることができない状況であると考えられます。
高いよどみ点温度は、システムへの損傷に加え、集熱器材料にも制約を課します。これらの材料は、高いよどみ点温度にさらされている間も、さらされた後も重要な特性を維持しなければなりません。そのため、ソーラーコレクターは一般的に耐高温材料で作られています。これらの材料は通常、高価で重く、環境への影響も大きいです。[ 2 ]
ポリマー材料は、太陽熱集熱器のコスト削減と環境改善に大きく貢献し、様々な暖房用途における太陽エネルギーのより広範な利用に貢献する可能性があります。しかし、プラスチックの長期使用温度には限界があります。したがって、プラスチックを太陽光吸収器に応用する場合には、過熱保護を含む適切な設計が不可欠です。[ 3 ]実現可能な方法としては、光学的利得の低減（例えば、サーモトロピック層やエレクトロクロミック素子の使用）や、余剰の温水を排出することによるシステム損失の増加などが挙げられます。
この記事では、プリズムの形状と全反射現象を利用した、光ゲインを低減する代替手法を紹介します。
動作原理
スネルの法則によれば、光は媒質境界に入射角（θ）が臨界角（ θ c）よりも大きい場合、媒質から脱出することができず、この光学現象は全反射と呼ばれます。臨界角は以下のように計算できます。
屈折率が n = 1.59 のポリカーボネート媒体を屈折率が 1 に近い空気雰囲気に置くと、θ > θ (c,air) = 39° のときに全反射が発生します。
空気中に置かれた、頂角 α 1,2 =45° のポリカーボネート製プリズム構造を考えてみましょう。媒質境界に垂直入射した光線は、 θ in =45° > θ (c,air) =39° であるため、全反射します。水が存在する場合、 θ (c,water) =56.8° かつ θ in =45°< θ (c,water)であるため、入射光は単に屈折し、ポリカーボネート媒質を通過します。このように、水はスイッチング流体として機能します。理論的には、水はプリズム構造の屈折率に近い屈折率を持つ他の液体に置き換えることができ、スイッチング流体として機能します。
光スイッチは自己制御機構を備えている。受動状態では、スイッチは液体で満たされており、光はスイッチを通過して背後のシステムを加熱する。システムが加熱されると、光スイッチ内のスイッチング液体は蒸発し、プリズム構造は反射面として機能し始める。光はスイッチを通過しなくなり、システムの最高温度は液体の蒸発温度に制限される。[ 4 ]
角度依存性
光スイッチは、その形状上、入射光の角度に敏感です。プリズムの形状に応じて、典型的な日中の反射状態におけるスイッチの透過率は、特徴的な角度依存性を示します。この依存性は、プリズムの形状を入力変数とする様々な用途において、特定の透過率曲線を見つけるために利用できます。
アプリケーション
この光スイッチが開発された主な用途は、太陽熱集熱器の過熱保護です。[ 4 ]プリズム形状を集熱器のカバープレートに組み込むことで、蒸発による自己制御、または指定された最高温度に達した時点でスイッチから水を排出することで、集熱器の過熱を防止できます。温度制限により、集熱器にポリマー材料を使用することが可能になり、コストを大幅に削減し、市場への浸透率を高めることができます。
このスイッチのもう一つの用途は、住宅やオフィスビルの窓です。スイッチング液体によって建物への太陽光の入射量を制御することができます。太陽光の入射量を抑えることで、晴れた日の建物内の温度を下げることができます。
最後に、このスイッチは温室の屋根にも使用できます。温室の植物は、晴れた日にスイッチを反射状態にすることで、ダメージから守ることができます。現在、温室は夏の間、過度の日光から植物を守るためにチョーク層で覆われています。チョーク層の塗布には時間がかかり、環境にも悪影響を及ぼします。また、チョーク層を塗布すると、日照時間の少ない日にも日光が遮られてしまいます。光スイッチは、上記のスイッチング機構を用いることで、この問題を解決できる可能性があります。
温室内の温度は、一定数の屋根部分を反射状態に切り替えることで調節できます。また、屋根内部のスイッチング流体を循環させることで、温室内の熱を奪うこともできます。これらの冷却方法により、（屋根の）窓を閉めたまま、気候（相対湿度と上昇したCO2レベル）を最適かつ一定に保つことができます。
温室の屋根に充填されたスイッチング液は、太陽光スペクトルの特定の部分をフィルターとして利用することができます。水は、いわゆる「PAR」（光合成有効放射、植物が成長するために利用する光）を透過させ、「NIR」（近赤外線）を吸収します。スイッチング液に硫酸銅や粘土の微粒子を溶かすことで、吸収するNIR光の量を調整できます。これにより、最適な生育条件を選択することができます。
花などの温室作物の中には、夜間に人工光を用いて栽培されるものがあります。この人工光は、温室内環境にいわゆる光害を引き起こします。温室の屋根に適切に設計された光スイッチを設置すると、夜間に温室の屋根が光を反射し、人工光を温室内に閉じ込めます。また、屋根が効率的な鏡として機能するため、必要な照明の数が少なくなります。
参考文献
- ^ SJ Harrison、Q. Lin、LCS Mesquita. 太陽熱集熱器の積分停滞温度制御、SESCI 2004 カンファレンス ウォータールー大学 ウォータールー、オンタリオ州、カナダ 2004年8月21日～25日
- ^ M. Köhl他「太陽光発電用途におけるポリマーグレージング材料の耐久性」Solar Energy 79 (2005) 618–623.
- ^ GM Wallner、K. Resch、R. Hausner. 全ポリマー平板型集熱器の過熱防止のためのサーモトロピック層の特性と性能要件、Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) 614–620
- ^ a b M. Slaman, R. Griessen. ソーラーコレクターの過熱保護、Solar Energy 83 (2009) 982–987
外部リンク
