特許 6069780 熱流束計測システム、太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6069780

(24)【登録日】2017年1月13日

(45)【発行日】2017年2月1日

(54)【発明の名称】熱流束計測システム、太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 17/00 20060101AFI20170123BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20170123BHJP

【ＦＩ】

   G01K17/00 Z

   G01J1/02 U

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-195452(P2012-195452)

(22)【出願日】2012年9月5日

(65)【公開番号】特開2014-52221(P2014-52221A)

(43)【公開日】2014年3月20日

【審査請求日】2015年9月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】504224153

【氏名又は名称】国立大学法人 宮崎大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100116757

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 英雄

(74)【代理人】

【識別番号】100123216

【弁理士】

【氏名又は名称】高木 祐一

(74)【代理人】

【識別番号】100163212

【弁理士】

【氏名又は名称】溝渕 良一

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100156535

【弁理士】

【氏名又は名称】堅田 多恵子

(72)【発明者】

【氏名】長瀬 慶紀

(72)【発明者】

【氏名】友松 重樹

(72)【発明者】

【氏名】河村 隆介

【審査官】 平野 真樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２１１４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０７９４４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６１−２４０１７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ １／００−１９／００

Ｇ０１Ｊ １／００−１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

集光された光の熱流束を測定する熱流束計測システムにおいて、
熱電対を備える熱流束部と、
前記集光された光の光軸に基づいて前記熱流束部の計測位置を調整する調整部と、
前記熱流束部への光の入射を遮断する遮断部と、
を有し、
前記調整部は、前記熱流束部の計測位置における集光された光の集光径を調整することを特徴とする熱流束計測システム。

【請求項2】

前記熱流束部における熱吸収率から当該熱流束部で測定された熱流束の値を較正する較正部を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱流束計測システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の熱流束計測システムを備える太陽集光シミュレータシステムであって、
疑似太陽光を放射する疑似太陽光放射部と、
前記疑似太陽光放射部から放射された疑似太陽光を集光する集光部と、
を有することを特徴とする太陽集光シミュレータシステム。

【請求項4】

集光された光の熱流束を、熱電対を備える熱流束部で測定する熱流束計測方法において、
前記集光された光の光軸に基づいて前記熱流束部の計測位置を調整するとともに、前記熱流束部の計測位置における集光された光の集光径を調整し、
前記熱流束部への光の入射を所定の時間遮断し、
前記熱流束部で集光された光の熱流束を測定する、
ことを特徴とする熱流束計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽光又は太陽集光シミュレータによる疑似太陽光を熱流束計により計測する熱流束計測システム、太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現代の生活は大量のエネルギーを必要としている。今までは化石燃料や原子力に頼ってエネルギーを作り出していたが、地球温暖化や原発事故などの影響により、安全でクリーンな再生可能エネルギーに注目が集まっている。その中でも太陽エネルギーは膨大な量を誇っており、これからの技術開発に期待がかかっている。太陽エネルギーといえば太陽光発電のように光を直接電力に変換し利用する方法が一般的に知られているが、近年、光を集光し熱に変え、その熱を有効利用することへの関心が高まっている。この集光型太陽熱利用は日本のみならず世界中の国々で研究が盛んになっている。

【0003】

この種の集光型の太陽光集光装置は、太陽光を効率よく一点に集めて熱エネルギーに変えるものであり、例えば、ビームダウン型太陽集光装置が知られている。このような太陽光集光装置を利用するに際しては、太陽光をより効率的に集光し、それを受光する受光装置を最適化することが望まれている。受光装置を最適化するためには、太陽光集光装置の集光部の熱流束分布を計測して集光性能を評価することが重要となる。この場合、熱流束分布を計測する熱流束計としては、ガードン式放射計が一般に知られている（例えば、特許文献１参照）。このガードン式放射計は、高密度な光束の放射強度の計測が可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭５４−５６８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記ガードン式放射計は、定常状態における２点の温度差から熱流束を求める方法であり、時間平均的な放射強度しか計測することができないため、太陽光集光装置のように直達日射量が時々刻々変化するような条件において、瞬時の放射強度を計測することが難しい。また、ガードン式放射計は、水冷式の場合、一定温度の冷却水で常時通水する必要があり、これらの通水機構が必要となる。

【0006】

また、上述した太陽光集光装置を効率的に利用するために、実際の太陽光集光装置を設置する前に、この装置を模したシミュレータを製作し、様々な実験を行い、太陽光をより効率的に集光する方法を模索することも望まれている。このような太陽集光シミュレータシステムを利用する場合にも、そのシミュレータの集光部の熱流束分布を計測する計測システムが必要となる。

【0007】

そこで本発明は、直達日射量が時々刻々変化するような条件において熱流束を計測することが可能な、太陽光集光装置又は太陽集光シミュレータシステムにおける熱流束を計測する熱流束計測システム、その太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、本発明の熱流束計測システムは、
集光された光の熱流束を計測する熱流束計測システムにおいて、
熱電対を備える熱流束部と、
前記集光された光の光軸に基づいて前記熱流束部の計測位置を調整する調整部と、
前記熱流束部への光の入射を遮断する遮断部と、
を有し、
前記調整部は、前記熱流束部の計測位置における集光された光の集光径を調整することを特徴とする。
この特徴によれば、調整部で、集光された光の光軸に基づいて熱流束部の計測位置を調整することができ、集光された光の熱流束を、熱電対を備える熱流束部で計測することができる。調整部としては、熱流束部で計測する集光された光の集光径の中心位置に、集光された光の光軸が合うように位置合わせを行うことで調整する。これにより、集光された光の集光径内の各計測位置において、それぞれ熱流束をより高精度に計測することができる。また、遮断部では、熱流束部への光の入射を遮断することができる。このため、光の光軸を調整した際に、熱流束部の表面温度が上昇して熱流束の値が正確に計測できなくなることを防ぎ、所定時間光の入射を遮断して、熱流束部の表面温度を照射前の温度まで下げてから、その後、光を入射させることで瞬時の熱流束を計測することができ、高い時間分解能で、熱流束の値をより正確に計測することができる。遮断部としては、例えば、遮蔽板などにより熱流束部への光の入射を遮断するようにしてもよいし、光が入射しない方向へ熱流束部または熱流束センサを移動させることで光の入射を遮断するようにしてもよい。また、太陽集光シミュレータシステムにおいては、疑似太陽光放射部による光の放射出力の停止スイッチなどで光の放射を停止させるようにして光の入射を遮断するようにしてもよい。さらに、調整部は、熱流束部の計測位置を所望の位置に移動させるように調整するようにしてもよい。
また、この特徴によれば、調整部により、熱流束部の位置における集光された光の集光径を調整することで、所望の集光径について、熱流束を計測することができる。この場合、調整部としては、集光された光の入射位置から熱流束部の配置位置までの距離を調整することで、光の集光径を調整することができる。

【0010】

本発明の熱流束計測システムは、
前記熱流束部における熱吸収率から熱流束の値を較正する較正部を備えることを特徴とする。
この特徴によれば、較正部で、熱流束部における熱吸収率から熱流束の値を較正することができる。例えば、熱流束部の計測値をデータロガーに記録しておき、記録した計測値から、熱流束部のセンサの表面における熱吸収率を考慮して熱流束の値を較正することができる。熱流束部で計測する集光された光の集光径の中心位置に、集光された光の光軸が合うように調整することで、より正確に較正することができる。

【0011】

本発明の太陽集光シミュレータシステムは、
上述した熱流束計測システムを備える太陽集光シミュレータシステムであって、
疑似太陽光を放射する疑似太陽光放射部と、
前記疑似太陽光放射部から放射された疑似太陽光を集光する集光部と、
を有することを特徴とする。
この特徴によれば、太陽集光シミュレータシステムにおいて、疑似太陽光放射部で疑似太陽光を放射し、集光部で、疑似太陽光放射部から放射された疑似太陽光を集光することができ、その集光された光の熱流束を熱流束計測システムで計測することができる。

【0012】

本発明の熱流束計測方法は、
集光された光の熱流束を、熱電対を備える熱流束部で計測する熱流束計測方法において、
前記集光された光の光軸に基づいて前記熱流束部の計測位置を調整するとともに、前記熱流束部の計測位置における集光された光の集光径を調整し、
前記熱流束部への光の入射を所定の時間遮断し、
前記熱流束部で集光された光の熱流束を計測することを特徴とする。
この特徴によれば、集光された光の光軸に基づいて熱流束部の計測位置を調整することができ、集光された光の熱流束を、熱電対を備える熱流束部で計測することができる。この場合の光軸の調整方法としては、熱流束部で計測する集光された光の集光径の中心位置に、集光された光の光軸が合うように位置合わせを行うことで調整する。これにより、集光された光の集光径内の各計測位置において、それぞれ熱流束を計測することができる。また、熱流束部への光の入射を遮断することで、光の光軸を調整した際に、熱流束部の表面温度が上昇して熱流束の値が正確に計測できなくなることを防ぎ、所定時間光の入射を遮断して、熱流束部の表面温度を照射前の温度まで下げてから、その後、光を入射させることで瞬時の熱流束を計測することができ、熱流束の値をより正確に計測することができる。遮断方法は、例えば、遮蔽板などにより熱流束部への光の入射を遮断するようにしてもよいし、光が入射しない方向へ熱流束部または熱流束センサを移動させることで光の入射を遮断するようにしてもよい。また、太陽集光シミュレータシステムにおいては、疑似太陽光放射部による光の放射出力の停止スイッチなどで光の放射を停止させるようにして光の入射を遮断するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例における熱流束計測システムの構成図である。

【図2】（ａ）実施例における熱流束計測システムを備える太陽集光シミュレータシステムの概略図と、（ｂ）そのＡ−Ａ断面矢視図である。

【図3】実施例における熱流束センサの構成図である。

【図4】太陽集光シミュレータ集光部の計測位置を示す説明図である。

【図5】実施例における太陽光計測時の熱流束計表面の温度変化を示す図である。

【図6】実施例における太陽光計測時の表面熱流束の算出結果を示す図である。

【図7】実施例における太陽集光シミュレータ中心部計測時の熱流束計表面の温度変化を示す図である。

【図8】実施例における太陽集光シミュレータ中心部の熱流束の算出結果を示す図である。

【図9】実施例における太陽シミュレータ集光部の熱流束分布の簡略図を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明に係る熱流束計測システム、太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

【実施例】

【0015】

実施例に係る熱流束計測システム、太陽集光シミュレータシステムおよび熱流束計測方法につき、図１から図９を参照して説明する。図１は、実施例における熱流束計測システムの構成図を示し、図２（ａ）は、実施例における熱流束計測システムを備える太陽集光シミュレータシステムの概略図と、（ｂ）そのＡ−Ａ断面矢視図を示している。図３は、実施例における熱流束センサの構成図を示している。図４は、太陽集光シミュレータシステムの計測位置を示す説明図であり、図５〜図９は、実施例における各種計測値を示した図である。

【0016】

図１において、本実施例における熱流束計測システム１９は、集光された光の熱流束を計測するものであって、熱電対からなる熱流束センサ２８、二本の計測線のアース線２９及び素線３０を備える熱流束部２２と、集光された光の光軸に基づいて熱流束部２２の計測位置を調整する調整部２１と、熱流束部２２への光の入射を遮断する遮断部のシャッタ３４とを少なくとも有する。また、熱流束計測システム１９は、太陽光を入射して収集する入射部２３を有し、入射部２３には、太陽光を収集する集光レンズ３３と、その集光レンズ３３を保持するレンズホルダ３２とを備える。調整部２１は、集光された光の光軸に基づいて熱流束部２２の計測位置を調整する光軸調整土台２４及び角度調整土台２５と、熱流束部２２の配置位置における集光された光の集光径を調整するための熱流束部２２をスライドさせるセンサスライド部材２７と、入射部２３を光軸調整土台２４上でスライドさせるレンズスライド部材２６と、熱流束センサ２８を移動させる移動機構２０とを備える。なお、センサスライド部材２７とレンズスライド部材２６とは、図１においては、スライド方向を示しているが、熱流束部２２の下部または入射部２３の下部において光軸調整土台２４上をそれぞれスライドさせて移動させるような機構を備えている。また、熱流束計測システム１９は、制御部３１を有することができ、制御部３１は、熱流束部２２で計測した計測値を記憶する記憶手段としてのデータロガーのメモリと、熱流束部２２における熱吸収率から当該熱流束部２２で計測された熱流束の値を較正する較正部としてのＣＰＵとを少なくとも備える。制御部３１としては、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。

【0017】

入射部２３の集光レンズ３３としては、太陽光の波長域の９０％を透過する波長特性を備えるようなレンズを利用することで、太陽からの放射エネルギーを大きく損なうことなく集光でき、例えば、φ７４．０ｍｍぐらいの大きさで、材質は硼珪酸ガラスのＢＫ７等を利用することができる。また、ビームダウン型太陽集光装置等の太陽光集光装置を利用する場合には、入射部２３に集光レンズ３３及びレンズホルダ３２を備えず、ビームダウン型太陽集光装置で集光された太陽光をそのまま入射して、集光された光の光軸が合うように位置合わせを行い、熱流束部２２で計測するようにしてもよい。遮断部としては、シャッタ３４により、熱流束部２２への光の入射を遮断しているが、これ以外に、熱流束計測システム１９全体を覆うような構成にしてもよく、熱流束部２２への光の入射を遮断するような構成であればよい。また、遮断部としては、光が入射しない方向へ熱流束部２２または熱流束センサ２８を移動させることで光の入射を遮断するようにしてもよい。

【0018】

熱流束部２２の熱流束センサ２８は、単位時間、単位面積当たりの熱の移動量W/m^２を計測するものであり、本実施例における熱流束センサ２８は、表面が薄膜型熱電対となっており、表面の時間的な温度変化を計測できるようになっている。図３に実施例における熱流束センサの構成図を示す。図３において、熱流束センサ２８は、母材４５の表面４２と内部とにそれぞれ表面接点４３、内接点４４との２つの接点を備え、２組の熱電対が設けられている。２組の熱電対により熱流束計の表面温度、内部温度が求まる。速い応答性を確保するということから表面接点４３は、銅またはニッケルなどを電解メッキさせて薄膜に形成されている。母材４５は、Ｓ４５Ｃなどの機械構造用炭素鋼鋼材または銅とニッケルの合金などにより構成され、例えば、長さ１０．０ｍｍ、直径３．２ｍｍの垂直円柱とし、この母材４５に中心軸と平行で深さが異なる2つの穴４７、４８と、1つの貫通孔４６とを設けている。貫通孔４６は、母材４５のほぼ中心軸上に設けられ、例えば、直径０．７ｍｍの大きさとしておく。この貫通孔４６に、例えば直径０．６５ｍｍの素線３０を挿入させた後、これらをかしめることにより素線３０を母材４５に固定する。挿入する素線としては、銅、ニッケル等の導線を利用でき、母材４５の内部で導通しないように外周に絶縁処理を施しておく。固定後、素線３０の先端と母材４５の表面４２を揃え、電解メッキを表面に施すことで表面接点４３を形成している。穴４７としては、例えば、直径１．４ｍｍ、深さ５．０ｍｍの穴を設けておき、穴４７の底部と直径０．６５ｍｍの素線５０の先端を電気的に点溶接することで内接点４４を形成する。この素線５０は、例えば銅、ニッケル等の導線を用い、母材４５と絶縁させるためにセラミックなどの碍子４９で外周を覆っておく。溶接点以外では母材４５と電気的絶縁状態になるので、表面から深さ５．０ｍｍの位置での温度を計測することができる。アース線２９は、母材と同一素材または熱起電力が発生しないような直径０．６５ｍｍの素線を用い、穴４８に挿入させて表面接点４３と同様にかしめることで固定させておく。２本の素線３０、５０と母材４５とにより２組の熱電対を形成しているが、本実施例においては、素線５０と母材４５との熱電対は利用していないので、素線３０と母材４５との熱電対１組のみで熱流束センサ２８を構成することできる。また、制御部３１まで熱流束センサ２８の構成金属と同素材の素線を使用することで表面接点４３と内接点４４以外で起電力が発生するのを防止させることができる。二本の計測線となる素線３０及びアース線２９を制御部３１に接続させることで、表面温度変化を測定することができる。また、熱流束が小さい場合には、素線５０と母材４５との熱電対も利用するようにしてもよい。この場合、素線３０及びアース線２９に加えて、素線５０も制御部３１に接続させることで、表面温度変化を測定し、表面接点４３の温度と内接点４４の温度の差から熱流束を求めることができる。

【0019】

太陽光のエネルギーは太陽からの放射による熱エネルギーの移動であるので、この太陽からの放射エネルギーで熱流束部２２の熱流束計表面の薄膜型熱電対が加熱されることで、時間的な表面温度変化を計測することができる。時間的な温度変化がわかれば熱伝導方程式から導き出せる以下の数１式及び数２式により熱流束ｑを求めることができる。数１式に、一次元の非定常熱伝導方程式を示す。ここで、Tは温度、tは時間、aは母材４５の熱拡散率、xは母材４５におけるメッキ面４２からの位置（距離）を示している。半無限大の壁を仮定し、どの位置においても温度が時間について直線的に変化する、すなわち、温度の時間勾配kが一定であるとして数１式を解くと、母材めっき面であるx=0における時間tでの熱流束qは数２式のとおりとなる。ここで、t_iはt=0からi番目にあたる折れ線の接点までの時間であり、k_iはt_iとt_i+1との間の折れ線の勾配を示し、nは時間tまでのデータ数（折れ線の総接点数）を示す。また、λは母材４５の熱伝導率である。

【0020】

【数1】

【0021】

【数2】

【0022】

地面に設置される角度調整土台２５を移動させて熱流束部２２が太陽に向くように配置し、また、角度調整土台２５に対して、光軸調整土台２４の角度を調整することで、集光された太陽光の光軸に平行となるように角度を調整させることができる。また、集光レンズ３３を用いて太陽光を集光させる場合には、集光レンズ３３の位置をレンズスライド部材２６でスライドさせることで、集光レンズ３３をレンズホルダ３２ごと光軸方向に動かせるようにして、熱流束部２２で計測したい集光径になるように調整することができる。または、センサスライド部材２７により熱流束部２２をスライドさせることで、熱流束部２２で計測したい集光径になるように調整するようにしてもよい。さらに、熱流束部２２は、熱流束センサ２８を集光面においてＸ−Ｙ方向に移動させる移動機構２０を備え、後述するように熱流束部２２で計測したい集光径における原点から、Ｘ方向とＹ方向とに移動させて、各位置における熱流束を計測させることができる。これらの移動機構２０、熱流束センサ２８、センサスライド部材２７、レンズスライド部材２６、角度調整土台２５、光軸調整土台２４等による熱流束部２２の位置合わせの調整手段をまとめて調整部２１としている。

【0023】

熱流束部２２で計測された計測値は、移動機構２０によるＸ−Ｙ軸上の位置情報と共に制御部３１のデータロガーに記憶され、較正部により、後述するような較正がなされ、熱流束値が求められる。

【0024】

つぎに、図２を参照し、本実施例における熱流束計測システム１９を利用した一例として、太陽集光シミュレータシステムに適用した場合の構成を説明する。

【0025】

集光型太陽熱発電を利用する場合、実験段階から実際の太陽熱プラントを製作して研究を行うと莫大な時間と費用がかかってしまうため、太陽集光シミュレータシステムを用いることで、様々な実験を行い、太陽光をより効率的に集光する方法を模索することができる。本実施例における太陽集光シミュレータシステムでは、太陽光と似た波長特性を持つ光源を利用し、楕円鏡等の集光装置で集光することで疑似太陽光を集光した太陽集光シミュレータシステムを構成している。

【0026】

図２において、太陽集光シミュレータシステム３５は、上述した熱流束計測システム１９を変形した熱流束計測システム１９Ａを有し、さらに、疑似太陽光を放射する疑似太陽光放射部４１と、楕円鏡により、疑似太陽光放射部４１から放射された疑似太陽光を集光する集光部４０とを有する。疑似太陽光放射部４１は、例えば、キセノンショートアークランプを光源として疑似太陽光を放射する。このキセノンショートアークランプは、アーク放電により可視波長域において太陽光と酷似した波長特性を持つ光を照射することができる。実際のビームダウン式太陽集光設備の光路を再現するために、集光部４０としては楕円鏡を用いることができ、楕円鏡の鏡面には、分光反射率が平均的に高いアルミを蒸着させておくことで、波長域の広いキセノンショートアークランプの光もほぼ均一に反射することが可能となっている。

【0027】

熱流束計測システム１９Ａは、集光部４０で集光された光３９の熱流束を計測することができ、その構成としては、熱電対からなる熱流束センサ２８、二本の計測線のアース線２９及び素線３０を備える熱流束部２２と、集光された光の光軸に基づいて熱流束部２２の計測位置を調整する調整部２１と、熱流束部２２への光の入射を遮断する遮断部のシャッタ３４とを少なくとも有する。また、熱流束計測システム１９Ａの入射部２３としては、シャッタ３４を開放状態とさせることで構成できる。また、太陽集光シミュレータシステム３５における調整部２１としては、光軸調整をするための位置調整用穴あきアルミ板３８と、この位置調整用穴あきアルミ板３８の位置を調整する計測位置調整用アルミフレーム３６Ａと、熱流束センサ２８の配置位置を移動させる計測位置調整用アルミフレーム３６Ｂとを備える。位置調整用穴あきアルミ板３８は、後述するように、測定前に集光された光３９の光軸に基づいて熱流束部２２の計測位置を調整するために利用するものであり、計測位置調整用アルミフレーム３６Ａにより移動される。計測位置調整用アルミフレーム３６Ｂは、熱流束センサ２８を移動させる移動機構２０の一例を示しており、熱流束センサ２８を集光面においてＸ−Ｙ方向に移動させる。また、熱流束部２２で計測したい集光径になるように調整するため、熱流束部２２を上下方向（Ｚ方向）に移動させるスライド部材を備えることができる。また、熱流束計測システム１９Ａは、制御部３１を有することができ、制御部３１は、熱流束部２２で計測した計測値を記憶する記憶手段としてのデータロガーのメモリと、熱流束部２２における熱吸収率から当該熱流束部２２で計測された熱流束の値を較正する較正部としてのＣＰＵとを少なくとも備える。制御部３１としては、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。

【0028】

つぎに、上述した本実施例における熱流束計測システム１９及び太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおける熱流束の計測方法について説明する。ここで、熱流束計センサ２８は、その吸収率により、熱流束の計測値が実際の熱流束の値からずれてしまうため、本実施例においては、熱流束計測システム１９及び太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて同一の熱流束計センサ２８を用いて計測を行うことで、熱流束計センサ２８の吸収率を把握し、この吸収率を考慮した較正値を、以下に示すような手順にて求めている。実験条件としては、表１に示すように、熱流束計測システム１９及び太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて、同一の熱流束計センサ２８を用い、計測のサンプリング間隔を５ｍｓ、サンプリング数を１００００点、フィルタ（ＬＰＳ）５００Ｈｚとし、それぞれの制御部３１のデータロガーに計測値を記憶させている。

【0029】

【表1】

【0030】

まず、熱流束計測システム１９において、実際の太陽光を集光して熱流束を計測する。この場合、熱流束計測システム１９において、午後２時頃に熱流束計センサ２８の表面が太陽に向くように角度調整土台２５を移動させて熱流束部２２が配置し、また、角度調整土台２５に対して、光軸調整土台２４の角度を調整することで、集光された太陽光の光軸に平行となるように角度を調整させ、熱流束計センサ２８全体に光があたっていることを目視にて確認し、集光レンズ３３の位置をレンズスライド部材２６でスライドさせ、熱流束部２２で計測したい集光径がφ１０．０ｍｍになるように調整する。その後、シャッタ３４により、熱流束部２２への光の入射を遮断し、熱流束計センサ２８の表面が照射前の温度になるまで待つ。約３０秒後、熱流束計センサ２８の表面が照射前の温度に戻ったことを確認する。ここまでの処理で計測前の光軸調整等の準備が完了する。その後、熱流束部２２で計測を行わせるために、ステップ状の温度変化となるように、計測開始から5秒間はシャッタ３４を閉じることにより入射光を遮り、その後シャッタ３４を開放して５秒間太陽光を照射し、それ以降は計測終了までシャッタ３４を閉じることにより入射光を遮る。その際に、シャッタ３４の開放と、制御部３１のデータロガーによる計測値の記憶開始と、図示しない時間計測時計とを同時にスタートさせて計測を行わせる。このようにして、熱流束計測システム１９において、実際の太陽光の熱流束を計測することができる。

【0031】

つぎに、太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいては、熱流束部２２で計測したい集光径になるように調整するため、熱流束部２２を上下方向（Ｚ方向）にスライド部材により移動させる。本実施例においては集光部４０の楕円鏡を用いて光を集光しているが、最も集光した場合でもφ３０ｍｍ程度の集光面となる。

【0032】

また、太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて計測を行う際には、疑似太陽光放射部４１の光軸が、熱流束センサ２８の集光面の中心位置（Ｘ−Ｙ方向の原点位置）となるように調整部２１により光軸調整を行う。この場合、疑似太陽光放射部４１のキセノンランプの電極位置（光軸位置）から糸を垂らし、計測位置調整用アルミフレーム３６Ａ及び計測位置調整用アルミフレーム３６Ｂにより計測位置調整用穴あきアルミ板３８の中心を糸が通るように移動させるとともに熱流束センサ２８をスライドさせて調整することで、熱流束センサ２８の集光面の中心位置に疑似太陽光放射部４１の光軸を合わせた。ここまでの処理で計測前の光軸調整等の準備が完了する。熱流束計表面の全体に疑似太陽光放射部４１の光を当てて計測させるため、計測位置調整用穴あきアルミ板３８は集光面から外れるように、集光路の外側に移動させておく。その後、熱流束部２２で計測を行わせるために、ステップ状の温度変化となるように、計測開始から5秒間はシャッタ３４を閉じることにより入射光を遮り、その後シャッタ３４を開放して５秒間疑似太陽光放射部４１を照射し、それ以降は計測終了までシャッタ３４を閉じることにより入射光を遮るようにして熱流束の計測を行う。熱流束の計測の際には、光軸を中心に同心円状にエネルギーの分布があることを予想し、図４に示すような１３点の計測を行う。この場合、計測位置調整用アルミフレーム３６Ｂにより、熱流束センサ２８を集光面において中心位置からＸ−Ｙ方向に移動させて、図４に示すような１３点の計測を行う。

【0033】

つぎに、熱流束計センサ２８の吸収率を求めるために、以下に示すパラメータを利用する。図５に太陽光計測時の表面温度変化を、図６に太陽光計測時の熱流束算出結果を示す。

【0034】

集光した光の倍率は、太陽光がφ７０ｍｍからφ１０ｍｍまで集光させているので倍率は４９倍とする。レンズの透過率は、使用している集光レンズ３３の波長透過特性から９０％とする。計測日時の直達日射量は、別途実測したデータから７４５Ｗ／ｍ^２であった（平成２４年１月２９日 １４：００頃）。算出された熱流束値は、図６より光を当てている５秒間の平均値である１８ｋＷ／ｍ２を熱流束の値とした。吸収率を０．５５と仮定し、これらの値から１ｓｏｌａｒあたりのエネルギーは、算出した結果数３式に示すような値となる。なお、１ｓｏｌａｒとは地表に届く太陽の放射エネルギーである。

【0035】

【数3】

【0036】

この結果と実測した直達日射量データの７４５Ｗ／ｍ^２とを比較すると、非常に近い値となったので、熱流束センサ２８表面の吸収率は仮定した０．５５を用いることができることとした。そして、熱流束の実測値を吸収率０．５５で割ることで補正値を算出する。なお、吸収率は、上記数２を変形し、実測したデータの７４５Ｗ／ｍ^２から逆算して求めてもよい。

【0037】

上述した調整を行った後に、本実施例における熱流束計測システム１９及び太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて熱流束の計測を行い、その結果を、図５〜図９に示す。図５に、熱流束計測システム１９による太陽光計測時の熱流束計の表面の温度変化を示し、図６に、熱流束計測システム１９による太陽光計測時の熱流束の算出結果を示す。また、図７に、太陽集光シミュレータシステム３５の中心部の計測時の熱流束計表面の温度変化を示し、図８に、太陽集光シミュレータシステム３５の中心部の熱流束の算出結果を示す。また、図９に、太陽集光シミュレータシステム３５の熱流束分布の簡略図を示す。

【0038】

図５及び図７においては、制御部３１のデータロガーのメモリに記憶された時間に対する熱流束計の表面の温度変化を示しており、計測開始後、５秒〜１０秒までの５秒間に光を熱流束センサ２８に照射した場合の温度変化をグラフにしている。また、図６及び図８においては、図５及び図７で示された温度変化より、数１に示した数式より算出して求めた熱流束の算出結果をグラフ化したものである。また、図９は、図８に示す算出された熱流束値から、光を照射している５秒間の平均値の１の位を四捨五入し、集光径全体の分布として簡略化したものを示している。図９は、熱流束センサ２８で計測された表面温度変化から熱流束値を算出したものであり、上述した吸収率による較正をしていない。これを補正したものが太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａの熱流束値となる。１３点の計測箇所の熱流束値を較正した結果（補正値）を表２に示す。

【0039】

【表2】

【0040】

表２に示す補正値は１ｓｏｌａｒの値を１ｋＷ／ｍ^２とし、吸収率を０．５５とした場合の熱流束値である。つまり、熱流束センサ２８の中心位置は１８０ｓｏｌａｒ相当のエネルギーを有しているという結果となった。従って、この熱流束センサ２８を用いれば、直達日射の１８０倍以上の熱流束を測定することができる。

【0041】

本実施例における熱流束計測システム１９において、実際の太陽光の熱流束を計測した場合、太陽光では集光レンズ３３を用いて集光しており、集光レンズ３３の位置調整は目盛りを読んで行っている。目盛りの最少目盛りは０．５ｍｍであるので、±０．５ｍｍの誤差があることが考えられる。実際の計測で集光面がφ１０．０ｍｍであれば、レンズから熱流束計までの距離は１２８．６ｍｍであるが、既知の値である７４５Ｗ／ｍ２と較正して導いた吸収率０．５５を用いて、実際の集光レンズ３３から熱流束計までの距離を算出した場合、１２８．５ｍｍとなった。この差はわずか０．１ｍｍであり、誤差の範囲内であるので、今回の計測は妥当に行えたものといえ、また、本実施例における熱流束計測システム１９により、より正確な熱流束の測定を行えることがわかった。

【0042】

太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて計測をした場合、熱流束波形の波形形状のばらつきに基づく計測誤差と、光軸を中心に熱流束値が同心円状に小さくなるという予想に基づく設置誤差について考察する。前者については、シャッタ３４の開閉の切り替えの代わりに、疑似太陽光放射部４１のキセノンランプのオンオフを、チョッパ制御などを使用して電気的に一定間隔で切り替えるようにすることで、波形のばらつきを改善させることができる。また、疑似太陽光放射部４１のキセノンランプはアーク放電で光を発生させており計測中に、アークに揺らぎがあるため、揺らぎが生じないような他のランプを利用するようにしてもよい。また、外気の影響を受けないように、太陽集光シミュレータ３５の全体をカバーなどの遮断部材で覆うようにしてもよい。

【0043】

また、後者については、予想では計測箇所の中心が熱流束の最大値になるはずであったが結果は違っていたが、図９によれば、中心位置がずれているだけで、分布は同心円状に小さくなっていることがわかる。このため、中心位置が最大値となっていない理由は熱流束計の中心と太陽集光シミュレータの光軸を合わせることができていなかったためであると考えられる。この問題については、光軸調整する際に、キセノンランプの電極から糸を垂らす方法ではなく、太陽集光シミュレータ３５の計測位置調整用アルミフレーム３６Ａからの距離で熱流束計を調整することで改善することができる。

【0044】

以上、説明したように、本実施例における熱流束計測システム１９により、太陽光での表面熱流束の計測を行うことで、熱流束センサ２８の吸収率を求めることができる。すなわち、放射エネルギーを熱に変換し、表面の時間的な温度変化から表面熱流束を算出することで熱流束計表面の吸収率を較正することができ、熱流束を高精度に計測することができる。また、実際にビームダウン型太陽集光装置等の太陽光集光装置を利用する場合には、入射部２３に集光レンズ３３及びレンズホルダ３２を備えず、ビームダウン型太陽集光装置で集光された太陽光をそのまま入射して、集光された光の光軸が合うように位置合わせを行い、熱流束部２２で計測した場合にも、ここで求めた吸収率を利用することで、計測した値を較正することができる。

【0045】

また、本実施例における熱流束計測システム１９を太陽集光シミュレータシステムに適用して熱流束分布を計測することで、太陽集光シミュレータシステムの最も集光している部分は、太陽集光シミュレータシステムの疑似太陽光放射部４１の光軸を中心として同心円状に広がるにつれ放射エネルギーが小さくなるという分布があることが分かった。

【0046】

上述した実施例によれば、調整部２１で、集光された光の光軸に基づいて熱流束部２２の計測位置を調整することができ、集光された光の熱流束を、熱電対を備える熱流束部２２で計測することができる。調整部２１としては、熱流束部２２で計測する集光された光の集光径の中心位置に、集光された光の光軸が合うように位置合わせを行うことで調整する。これにより、集光された光の集光径内の各計測位置において、それぞれ熱流束をより高精度に計測することができる。また、シャッタ３４は、熱流束部２２への光の入射を遮断することができる。このため、光の光軸を調整した際に、熱流束部２２の表面温度が上昇して熱流束の値が正確に計測できなくなることを防ぎ、所定時間光の入射を遮断して、熱流束部２２の表面温度を照射前の温度まで下げてから、その後、光を入射させることで瞬時の熱流束を計測することができ、高い時間分解能で、熱流束の値をより正確に計測することができる。シャッタ３４としては、例えば、遮蔽板などにより熱流束部２２への光の入射を遮断するようにしてもよい。また、遮断部としては、光が入射しない方向へ熱流束部２２または熱流束センサ２８を移動させることで光の入射を遮断するようにしてもよい。また、シャッタ３４の代わりに、太陽集光シミュレータシステムにおいては、疑似太陽光放射部による光の放射出力の停止スイッチなどで光の放射を停止させるようにしてもよい。さらに、調整部２１は、熱流束部２２の計測位置を所望の位置に移動させるように移動機構２０により調整するようにしてもよい。

【0047】

また、調整部２１により、熱流束部２２の位置における集光された光の集光径を調整することで、所望の集光径について、熱流束を計測することができる。この場合、調整部２１としては、集光された光の入射位置から熱流束部２２の配置位置までの距離を調整することで、光の集光径を調整することができる。

【0048】

また、制御部３１の較正部で、熱流束部２２における熱吸収率から熱流束の値を較正することができる。例えば、熱流束部２２の計測値をデータロガーに記録しておき、記録した計測値から、熱流束部２２のセンサの表面における熱吸収率を考慮して熱流束の値を較正することができる。熱流束部２２で計測する集光された光の集光径の中心位置に、集光された光の光軸が合うように調整することで、より正確に較正することができる。

【0049】

太陽集光シミュレータシステムにおいて、疑似太陽光放射部で疑似太陽光を放射し、集光部で、疑似太陽光放射部から放射された疑似太陽光を集光することができ、その集光された光の熱流束を熱流束計測システムで計測することができる。

【0050】

以上、本発明の計測システムについて実施例に基づいて説明したが、本発明は、この実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変形を施したものも本発明の範囲に含まれる。

【0051】

制御部３１は、熱流束計測システム１９の内部に有するようにしているが、熱流束計測システム１９の外部に情報処理装置などを接続させて構成するようにしてもよい。

【0052】

調整部２１としては、熱流束部２２を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに移動させる移動機構の他に、入射部２３または集光部４０をＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれに移動させる移動機構などで構成してもよい。

【0053】

熱流束センサ２８は、上述した構成でなくてもよく、熱電対を備えて熱流束を測定できるものであればどのような構成でもよい。上述した実施例によれば、使用する熱流束センサがどのような構成であっても、本実施例における熱流束計測システム１９及び太陽集光シミュレータ３５の熱流束計測システム１９Ａにおいて熱流束の計測を行うことで、吸収率を求めることができる。

【0054】

また、本実施例における熱流束計測システム１９は、上述した太陽集光シミュレータ３５に用いる以外にも、他の用途にも利用することができ、例えば、医学、生理学上の熱流束の計測や、マイクロ気象学および地熱の移動研究、換気および冷凍、航空宇宙技術、物理特性の測定等にも利用することができる。

【符号の説明】

【0055】

１９、１９Ａ 熱流束計測システム
２０ 移動機構
２１ 調整部
２２ 熱流束部
２３ 入射部
２４ 光軸調整土台
２５ 角度調整土台
２６ レンズスライド部材
２７ センサスライド部材
２８ 熱流束センサ
２９ アース線
３０ 素線
３１ 制御部
３２ レンズホルダ
３３ 集光レンズ
３４ シャッタ
３５ 太陽集光シミュレータシステム
３６Ａ、３６Ｂ 計測位置調整用アルミフレーム
３８ 位置調整用穴あきアルミ板
３９ 集光された光
４０ 集光部
４１ 疑似太陽光放射部
４２ 表面
４３ 表面接点
４４ 内接点
４５ 母材
４６ 貫通孔
４７、４８ 穴
４９ 碍子
５０ 素線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】