太陽熱集熱器

太陽熱集熱器は太陽光を吸収して熱を集めます。「太陽熱集熱器」という用語は、一般的に太陽熱温水加熱装置を指しますが、太陽熱放散トラフや太陽熱タワーなどの大規模な発電設備や、太陽熱調理器や太陽熱エアヒーターなどの非温水加熱装置を指すこともあります。^[1]

太陽熱コレクターには、非集光型と集光型があります。非集光型コレクターでは、開口部面積 (つまり、太陽放射を受ける面積) は、吸収面積 (つまり、放射を吸収する面積) とほぼ同じです。このようなシステムの一般的な例としては、太陽光の吸収を最大化するために暗い色で塗装された金属板があります。次に、プレートに取り付けられたパイプ内を流れる 作動流体(通常は水またはグリコール)でプレートを冷却することで、エネルギーが収集されます。

集光型集熱器の開口部は、吸収器の領域よりもはるかに大きい。開口部は通常、吸収器（ほとんどの場合、作動流体を運ぶパイプ）に焦点を合わせる鏡の形をしている。 ^[2]日中の太陽の動きにより、集光型集熱器には何らかの形の太陽追跡システムが必要になることが多く、このため「アクティブ」集熱器と呼ばれることもある。

非集光型集熱器は、通常、住宅、工業、商業ビルの暖房に使用され、一方、集光型太陽光発電所の集光型集熱器は、熱伝達流体を加熱して発電機に接続されたタービンを駆動することで発電します。^[3]

平板型および真空管型の太陽熱集熱器は、主に暖房、家庭用給湯、または吸収式冷凍機による冷却用の熱を集めるために使用されます。太陽熱温水パネルとは対照的に、循環流体を使用して熱を別の貯水槽に移します。建物の屋根用に設計された最初の太陽熱集熱器は、ウィリアム・H・ゴットルによって特許取得され、「建物の屋根用太陽熱集熱器および放熱器」と呼ばれていました。^[4]

真空平板型太陽熱集熱器は比較的最近の技術革新であり、100℃（212℉）を超える温度が必要とされる産業用太陽熱冷却（SHIC）や太陽熱空調（SAC）に使用できます。 ^{[5] [6]}これらの非集光型集熱器は拡散光と直接光の両方を収集し、流体として水の代わりに 蒸気を利用できます。

平板型コレクターは、ヨーロッパで最も一般的な太陽熱技術です。^[7]これらは、(1) 筐体と、(2) 流体循環通路を備えた暗色の吸収プレート、および (3) 太陽エネルギーを筐体内に伝達するための透明カバーで構成されています。筐体の側面と背面は、通常、周囲への熱損失を減らすために断熱されています。熱伝達流体は、吸収器の流体通路を循環し、太陽熱コレクターから熱を取り除きます。熱帯および亜熱帯気候での循環流体は通常、水です。凍結の可能性がある気候では、水の代わりに、または水と混合して、自動車の不凍液に似た熱伝達流体を使用できます。熱伝達流体を使用する場合、通常、熱交換器を使用して、太陽熱コレクター流体から温水貯蔵タンクに熱を伝達します。最も一般的な吸収器の設計は、銅管と高伝導性金属シート (銅またはアルミニウム) を結合したものです。吸収器アセンブリの太陽に面した側には、太陽エネルギーの吸収を高めるために暗色のコーティングが施されています。一般的な吸収体コーティングは黒のエナメル塗料です。

高性能のソーラーコレクターの設計では、透明カバーは太陽光発電パネルの場合と同様に、酸化鉄含有量が少ない強化ソーダ石灰ガラスです。ガラスには、透明性をさらに高めるために、点描模様や1つまたは2つの反射防止コーティングが施されている場合もあります。吸収体コーティングは、通常、選択的コーティングです。選択的とは、電磁スペクトルの可視部分での高い吸収と赤外線での低い放射率を組み合わせた特殊な光学特性を持つことを意味します。これにより選択表面が形成され、吸収体からの黒体エネルギー放射が低減し、性能が向上します。選択的コーティングへの損傷を軽減するために、パイプを吸収体シートにレーザー溶接または超音波溶接することができます。選択的コーティングは通常、ロールツーロールプロセスで大きなコイルに結合する前に塗布されます。

吸収装置の配管構成には次のものがあります。

• ハープ: 低圧サーモサイフォンおよびポンプシステムで使用される、下部パイプライザーと上部コレクションパイプを備えた伝統的な設計。
• サーペンタイン: 可変流量システムで温度を最大化するが総エネルギー収量を最大化しない 1 本の連続した S 字型パイプ。コンパクトな家庭用太陽熱温水システム (空間暖房の役割なし) で使用されます。
• 浸水型:熱伝達を改善する広い循環ゾーンを形成するために成形された2 枚の金属シートで構成されています。
• 境界層: 境界層での吸収を可能にする透明シートと不透明シートの複数の層で構成されています。エネルギーは境界層で吸収されるため、吸収された熱が循環する液体に蓄積される前に材料を通して伝導されるコレクターよりも熱変換が効率的になる可能性があります。^{[引用が必要]}

ガラス側でも熱損失を減らすためにハニカム構造を利用した平板型集熱器も市販されている。ほとんどの平板型集熱器の寿命は25年以上である。^[要出典]。

真空管コレクターは、世界で最も一般的な太陽熱技術です。^{[7]これらのコレクターは}、ガラス管を使用して吸収体を高真空で囲み、大気圧に効果的に耐えます。吸収体を囲む真空により、対流と伝導による熱損失が大幅に減少し、エネルギー変換効率が向上します。吸収体は、平板コレクターの場合のように金属製の場合もあれば、2 番目の同心ガラス管 (「シドニー チューブ」) の場合もあります。熱伝達流体は、各管に出入りするか、管内に達するヒート パイプと接触することができます。後者の場合、ヒート パイプは、管に対して横向きに配置された「マニホールド」と呼ばれる熱交換器内の流体に熱を伝達します。^[要出典]マニホールドは断熱材 (グラスウール) で包まれ、サポートへの固定にも使用される保護用の金属またはプラスチックケースで覆われています。

ガラス金属真空管は、平板と同じ平らなまたは湾曲した金属吸収シートで作られています。これらのシートはパイプまたはヒートパイプに接合されて「フィン」を作り、単一のホウケイ酸ガラス管の中に配置されます。このような管の内側と外側の表面に反射防止コーティングを施して透明性を向上させることができます。選択コーティングと反射防止コーティング（内側の管表面）は、真空が失われるまで劣化しません。^[8]ただし、各真空管の片側または両側に高真空気密のガラス金属シールが必要です。このシールは、コレクターの稼働中毎日、周囲温度と流体温度の間で循環され、時間の経過とともに故障につながる可能性があります。

ガラス-ガラス真空管は、2 本のホウケイ酸ガラス管を一端または両端で融合して作られています (真空ボトルやデュワー瓶に似ています)。吸収フィンは大気圧で内管内に配置されます。ガラス-ガラス管は非常に信頼性の高い密閉性を備えていますが、2 層のガラスにより吸収体に届く太陽光の量が減少します。これを避けるために、選択コーティングを内ホウケイ酸管 (高真空側) に蒸着することができますが、この場合、熱は内管の伝導率の低いガラスの厚さを流れなければなりません。さらに、水分が内管内の非真空領域に入り込み、特に異種材料で作られている場合は吸収体の腐食を引き起こす可能性があります (ガルバニック腐食)。

通常、バリウムフラッシュゲッターポンプは、チューブ間の高真空ギャップ内に蒸発され、内部圧力を長時間にわたって安定させます。

真空管内部で発生する可能性のある高温により、熱衝撃や過熱を防ぐために特別な設計が必要になる場合があります。真空管コレクターの中には、ヒートパイプにより熱一方向弁として機能するものもあります。これにより、安全機能として機能する固有の最大動作温度が与えられます。 ^[9]真空管コレクターには、チューブの背面に低集中反射板を備え、CPCコレクターを実現することもできます。^[10]

これら 2 つの技術の支持者の間では長年論争が続いています。その一部は、吸収領域が不連続な真空管コレクターの構造に関係している可能性があります。屋根の上に並べた真空管コレクターは、個々のチューブの間に空間があり、各チューブと内部の吸収体の間には真空ギャップがあり、屋根上の設置面積のほんの一部しかカバーしません。真空管を平板コレクターと屋根の占有面積 (総面積) に基づいて比較すると、吸収体または開口部の面積を比較した場合とは異なる結論に達する可能性があります。ISO 9806 規格の最近の改訂版^[11]では、太陽熱コレクターの効率は総面積で測定する必要があるとされており、直接比較すると、真空管コレクターよりも平板コレクターが有利になる可能性があります。

平板型コレクターは、ガラス側に断熱材がないため、通常、真空管型よりも環境に多くの熱を失います。真空管型コレクターは、管を離して配置する必要があるため、本質的に平板型よりも吸収体と総面積の比率が低くなります（通常、60～80% 少ない）。いくつかの欧州企業が真空管型コレクター（主にガラス金属型）を製造していますが、真空管市場は中国のメーカーが独占しており、一部の企業は 15～30 年以上の実績があります。2 つの設計の長期信頼性に違いがあるという明白な証拠はありません。ただし、真空管技術（特にガラス金属シールとヒートパイプを備えた新しいタイプ）は、依然として競争力のある寿命を実証する必要があります。真空管のモジュール性は、拡張性とメンテナンスの点で有利です。たとえば、1 つのヒートパイプ管の真空が失われた場合、最小限の労力で簡単に交換できます。

ほとんどの気候では、平板型集熱器は一般に真空管型よりも費用対効果が高い。^[14]しかし、真空管型集熱器は低温の周囲温度に適しており、太陽放射照度が低い状況でもうまく機能し、年間を通じてより一貫して熱を提供する。 非釉薬平板型集熱器は、スイミングプールの水を加熱するための好ましい装置である。 非釉薬集熱器は、熱帯または亜熱帯環境で家庭用の温水を周囲温度より 20 °C (36 °F) 未満加熱する必要がある場合に適している可能性がある。 真空管型集熱器は空気抵抗が少ないため、風の強い場所の屋根への設置が簡単になる可能性がある。 管の間に隙間があるために雪が集熱器を通り抜けることができ、積雪状態での生産量の損失を最小限に抑えることができるが、管からの放射熱がないため、積もった雪が効果的に落ちないこともある。 平板型集熱器の方が掃除が簡単かもしれない。 外観や設置のしやすさなどの他の特性はより主観的であり、比較が難しい。

真空平板型太陽熱集熱器は、平板型と真空管型の両方の利点を兼ね備えています。ガラスと金属でできた平らな容器の中に、大面積の金属板吸収体を高真空で囲んでいます。非集光型太陽熱集熱器の中で最も高いエネルギー変換効率を発揮しますが、^[15]製造には高度な技術が必要です。内部の真空度が低い平板型集熱器と混同しないでください。高真空断熱材を使用した最初の集熱器はCERNで開発されましたが、^[16]スイスの TVP SOLAR SA は 2012 年に Solar Keymark 認定の集熱器を商品化した最初の企業でした。^[17]

真空平板型太陽熱集熱器には、ガラス板を金属エンベロープの残りの部分に接合するためのガラス金属シールと、大気圧に抗してその板を支える内部構造の両方が必要である。吸収体は、そのような構造に対応するためにセグメント化するか、適切な穴を開ける必要がある。すべての部品の接合は高真空気密でなければならず、ガス放出を防ぐために蒸気圧の低い材料のみを使用できる。ガラス金属シール技術は、金属化ガラス^[18]またはガラス化金属^{[19]のいずれかをベースにすることができ、集熱器のタイプを定義する。真空管型集熱器とは異なり、}非蒸発性ゲッター(NEG) ポンプを使用して、内部圧力を経時的に安定に保つ。このゲッターポンプ技術には、日光にさらされることでその場でいくらか再生できるという利点がある。真空平板型太陽熱集熱器は、太陽熱空調用に研究され、小型太陽熱集光器と比較されている。^[20]

これらのコレクターは、金属コレクターの代替品です。これらは完全にポリマー製の場合もあれば、シリコンゴム製の凍結耐性水路の前に金属プレートが含まれている場合もあります。ポリマーは柔軟性があるため凍結に強く、不凍液の代わりに普通の水を使用できます。そのため、効率を低下させる熱交換器を必要とせず、既存の水タンクに直接配管することができます。熱交換器を使わずに済むため、循環システムのスイッチを入れるのにそれほど高温になる必要がなくなり、ポリマー製であろうとなかろうと、このような直接循環パネルは、特に太陽放射レベルが低い場合に、より効率的になります。初期の選択的にコーティングされたポリマーコレクターの中には、停滞温度がポリマーの融点を超える可能性があるため、断熱すると過熱する問題がありました。^{[21] [22]例えば、}ポリプロピレンの融点は160℃（320℉）であるが、断熱集熱器のよどみ点温度は、制御戦略を使用しない場合、180℃（356℉）を超える可能性がある。このため、ポリプロピレンは、選択コーティングされたガラス張りの太陽熱集熱器にはあまり使用されていない。高温シリコーン（250℃（482℉）以上で融解する）などのポリマーがますます使用されるようになっている。ポリプロピレン以外のポリマーベースのガラス張りの太陽熱集熱器の中には、よどみ点温度を150℃（302℉）以下に下げるために、選択コーティングではなくマットブラックコーティングされているものもある。

凍結の可能性がある地域では、柔軟なポリマーを使用することで凍結耐性（繰り返し凍結してもひび割れない能力）を実現できます。英国では 1999 年からこの目的でシリコンゴム製のパイプが使用されています。従来の金属製コレクターは凍結による損傷を受けやすいため、水が入っている場合は、凍結が予想される前に重力で完全に排水されるように慎重に配管する必要があります。そうしないとひび割れが発生します。多くの金属製コレクターは、密閉された熱交換器システムの一部として設置されています。飲料水がコレクターに直接流れるのではなく、水とプロピレングリコールなどの不凍液の混合物が使用されます。熱交換液は、混合物中のプロピレングリコールの割合に応じて、地域によって決定された危険温度まで凍結による損傷を防ぎます。グリコールを使用すると、水の熱容量がわずかに低下しますが、余分な熱交換器を追加すると、低照度でのシステムのパフォーマンスが低下する可能性があります。^[要出典]

プールまたは素焼きのコレクターは、透明なカバーのない平板コレクターのシンプルな形式です。通常、ポリプロピレン、EPDM ゴム、またはシリコンゴムが吸収体として使用されます。プールの加熱に使用され、必要な出力温度が周囲温度に近い場合 (つまり、外が暖かい場合) に非常にうまく機能します。周囲温度が低くなると、これらのコレクターの効果は低下します。^{[引用が必要]}

ソーラーボウルは、パラボラ皿と同様に動作する太陽熱集熱器の一種ですが、固定受信機付きの追尾パラボラ鏡を使用する代わりに、追尾受信機付きの固定球面鏡を使用しています。これにより効率は低下しますが、構築と運用が安価になります。設計者はこれを固定鏡分散焦点太陽光発電システムと呼んでいます。その開発の主な理由は、パラボラ皿システムのように太陽を追跡するために大きな鏡を動かすコストを排除することでした。^[23]

固定された放物面鏡は、空を横切る太陽のさまざまな形の像を作ります。鏡が太陽に直接向けられているときのみ、光は 1 点に焦点を合わせます。これが、放物面皿システムが太陽を追跡する理由です。固定された球面鏡は、太陽の位置に関係なく、光を同じ場所に焦点を合わせます。ただし、光は 1 点に向けられるのではなく、鏡の表面から半径の半分までの線 (球の中心と太陽を通る線に沿って) に分散されます。^{[引用が必要]}

太陽が空を移動すると、固定集光器の開口部が変化する。これにより、捕らえられる太陽光の量が変化し、いわゆる正弦波効果が発生する。ソーラーボウル設計の支持者は、追尾型放物面鏡に比べて全体的な出力が低下するが、システムコストが低いことで相殺されると主張している。^[23]

球面反射鏡の焦点線に集中した太陽光は、追跡受信機を使用して収集されます。この受信機は焦点線を中心に回転し、通常はバランスが取れています。受信機は、熱伝達用の流体を運ぶパイプ、または光を直接電気に変換する光電池で構成されます。

ソーラーボウルの設計は、エドウィン・オヘアが率いるテキサス工科大学の電気工学部が5MWeの発電所を開発するプロジェクトから生まれた。ソーラーボウルは、テキサス州クロスビートンの町にパイロット施設として建設された。^[23]ボウルの直径は65フィート（20メートル）で、コストと収量の関係を最適化するために15度の角度で傾けられた（33度であれば収量が最大になる）。半球の縁は60度に「トリミング」され、最大開口部は3,318平方フィート（308.3m2）になった^。このパイロットボウルは、ピーク10kWの電力を生産した。^[要出典]

直径 15 メートル (49 フィート) のオーロヴィル ソーラー ボウルは、1979 年から 1982 年にかけてタタ エネルギー研究所が行った 3.5 メートル (11 フィート) のボウルの以前のテストから開発されました。そのテストでは、調理用の蒸気を生成するためにソーラー ボウルが使用されることが示されました。ソーラー ボウルとキッチンを建設する本格的なプロジェクトは 1996 年から実行され、2001 年までに完全に稼働しました。^{[引用が必要]}

利用可能な太陽エネルギーが平均的な場所では、平板コレクターのサイズは、1 日の温水使用量 1 リットルあたり約 1.2 ～ 2.4 平方デシメートルになります。

この技術の主な用途は、温水需要がエネルギー料金に大きな影響を与える住宅です。これは通常、大家族がいる状況、または洗濯物の頻繁な洗濯により温水需要が過剰になる状況を意味します。商業用途には、コインランドリー、洗車場、軍のランドリー施設、飲食店などがあります。建物がオフグリッドにある場合、または公共電力が頻繁に停電する場合、この技術は空間暖房にも使用できます。太陽熱温水システムは、運用コストの高い温水システムを備えた施設、または大量の温水を必要とするランドリーやキッチンなどの業務で最も費用対効果が高い可能性があります。非釉薬の液体コレクターは、プールの水を加熱するために一般的に使用されますが、大規模な水の予熱にも適用できます。使用可能なコレクター領域に比べて負荷が大きい場合、温水の大部分は、プールの温度よりも低い低温で行うことができます。この場合、非釉薬のコレクターは市場で適切な選択肢として定着しています。これらの集熱器は高温に耐える必要がないため、プラスチックやゴムなどの安価な材料を使用することができます。多くの非ガラス集熱器はポリプロピレン製であり、晴れた夜に気温が44°F（7°C）を下回ると凍結による損傷を避けるために完全に排水する必要があります。^[24]非ガラス集熱器は柔軟性があり、吸収器内で水が凍結しても耐えられるという利点があります。凍結の懸念は、水が満たされた配管と集熱器のマニホールドが凍結状態にある場合だけです。非ガラス太陽熱温水システムは、太陽放射が不十分な場合はいつでも、貯水タンクに「排水」するように設置する必要があります。非ガラスシステムでは熱衝撃の懸念はありません。太陽エネルギーが始まった当初からプールの暖房によく使用されていた非ガラス太陽熱集熱器は、不凍液や熱交換器を必要とせずにプールの水を直接加熱します。温水太陽熱システムでは、汚染の可能性があるため、また非ガラス集熱器の場合は、太陽熱作動流体 (水) と負荷 (加圧された冷たい市水) の圧力差があるため、熱交換器が必要です。ブリティッシュコロンビア州リッチモンドの Minoru Aquatic Center にあるような大規模な非ガラス太陽熱温水器は、真空管または箱型でガラス張りの集熱器システムよりも低い温度で動作します。より大きくて高価な熱交換器が必要になりますが、通気口付き貯蔵タンクや断熱されていないプラスチック PVC 配管など、その他のすべてのコンポーネントにより、高温コレクター タイプと比較して、この代替手段のコストが大幅に削減されます。温水を加熱する場合、実際には冷たい水を温かい水に、温かい水を熱い水に加熱します。高温コレクターを使用して温かい水を熱い水に加熱できるのと同様に、釉薬をかけていないコレクターを使用して冷たい水を温かい水に効率的に加熱できます。^{[引用が必要]}

シンプルな太陽熱空気コレクターは、吸収材（選択的表面を持つ場合もある）で構成され、太陽からの放射を捕らえ、この熱エネルギーを伝導熱伝達によって空気に伝達します。この加熱された空気は、建物のスペースまたはプロセス領域にダクトで送られ、そこで加熱された空気は空間暖房またはプロセス暖房のニーズに使用されます。従来の強制空気炉と同様に機能する太陽熱空気システムは、エネルギー収集表面上で空気を循環させ、太陽の熱エネルギーを吸収し、それと接触する空気をダクトで送ることで熱を提供します。シンプルで効果的なコレクターは、さまざまな空調およびプロセス用途向けに作成できます。^{[引用が必要]}

多くの用途で太陽熱空気熱技術を利用して、化石燃料などの従来の熱源の使用による二酸化炭素排出量を削減し、熱エネルギーを生成する持続可能な手段を作り出すことができます。空間暖房、温室シーズンの延長、換気補給空気の予熱、またはプロセス熱などの用途は、太陽熱空気熱装置で対処できます。「ソーラーコジェネレーション」の分野では、太陽熱技術を太陽光発電 (PV) と組み合わせて、PV コレクターから熱を取り除き、PV パネルを冷却して電気性能を向上させると同時に、空間暖房のために空気を温めることで、システムの効率を高めます。^[要出典]

住宅や商業施設の暖房には、太陽熱空気加熱パネルを使用することができます。この構成では、建物の外壁または屋外から空気を吸い込み、それをコレクターに通します。コレクターでは、空気が吸収体からの伝導によって暖められ、その後、受動的な手段またはファンの助けを借りて、居住空間または作業空間に供給されます。このタイプのシステムの先駆者は、ジョージ・ロフです。彼は 1945 年にコロラド州ボルダーの住宅に太陽熱空気加熱システムを構築しました。彼は後に、熱を蓄えるために砂利床を組み込みました。^{[引用が必要]}

商業施設、工業施設、公共施設のほとんどの建物では、規制要件を満たすために換気、新鮮な空気、または補給空気が必要です。適切に設計されたガラス張りでない蒸散空気コレクターまたはエアヒーターを通して空気を引き込むことで、太陽熱で温められた新鮮な空気が日中の運転中に暖房負荷を軽減できます。現在、蒸散コレクターが熱回収換気装置に入る新鮮な空気を予熱して HRV の霜取り時間を短縮するアプリケーションが多数導入されています。換気と温度が高いほど、投資回収時間は短くなります。^[要出典]

太陽熱空気は、洗濯物、農作物（茶、トウモロコシ、コーヒーなど）の乾燥、その他の乾燥用途などのプロセス用途にも使用されます。太陽熱集熱器で加熱された空気を乾燥対象物に通すことで、材料の水分含有量を効率的に減らすことができます。^[要出典]

太陽炉によって高温のプロセス熱を生成することができます。

コレクターは、一般的に、空気ダクト方式によって次の 3 つのタイプに分類されます。

• スルーパスコレクター
• フロントパス
• バックパス
• フロントパスコレクターとバックパスコレクターの組み合わせ

コレクターは外面によっても分類できます。

• 艶をかけられた
• 素焼きの

スルーパス構成は、あらゆるソーラー技術の中で最も高い効率を提供し、吸収体の片側にダクトで送られた空気は、穴のあいた素材を通過し、素材の伝導特性と移動する空気の対流特性によって加熱されます。スルーパス吸収体は、最も表面積が大きいため、比較的高い伝導熱伝達率が得られますが、圧力降下が著しいため、より大きなファン電力が必要になる場合があります。また、吸収体の特定の素材は、長年太陽放射にさらされると劣化し、空気の質と性能にさらに問題が生じる可能性があります。

バックパス、フロントパス、および組み合わせタイプの構成では、空気は吸収器の背面、前面、または両側に向けられ、戻りから供給ダクト ヘッダーまで加熱されます。吸収器の両側に空気を通すと伝導熱伝達の表面積が広くなりますが、吸収器の前面に空気を通すことでほこり (汚れ) の問題が発生する可能性があり、太陽光の吸収量が制限されて吸収器の効率が低下します。寒冷な気候では、ガラスの横を通過する空気によってさらに熱損失が大きくなり、コレクターの全体的なパフォーマンスが低下します。

ガラス張りのシステムは通常、透明なトップシートと断熱された側面および背面パネルを備えており、周囲の空気への熱損失を最小限に抑えます。最新のパネルの吸収板は、 93% を超える吸収率を持つことができます。ガラス張りのソーラーコレクター (通常、空間暖房に使用される再循環型)。空気は通常、吸収板の前面または背面に沿って通過し、そこから熱を直接除去します。加熱された空気は、空間暖房や乾燥などの用途に直接分配するか、後で使用するために保存できます。ガラス張りの太陽熱空気暖房パネルの回収期間は、交換する燃料に応じて 9 ～ 15 年未満です。

非ガラス システム、または蒸散空気システムは、商業、工業、農業、およびプロセス アプリケーションで補給空気または換気空気を加熱するために使用されています。これらは、吸収板で構成されており、空気は吸収板を横切ったり通過したりして、吸収板から熱を奪います。非透明なガラス材料は安価で、予想される回収期間が短縮されます。蒸散コレクターは、コレクター表面が風雨にさらされ、透明でなく、密閉されていないことが多いため、「非ガラス」と見なされます。

「非ガラス製空気集熱器」という用語は、上部にガラスや窓ガラスのない金属吸収体で構成された太陽熱空気加熱システムを指します。市販されている非ガラス製集熱器の最も一般的なタイプは、蒸散型太陽熱集熱器です。この技術はこれらの政府機関によって広範に監視されており、カナダ天然資源省は蒸散型太陽熱集熱器によるエネルギー節約をモデル化する実現可能性ツール RETScreen™ を開発しました。それ以来、数千の蒸散型太陽熱集熱器システムが、世界中の国々のさまざまな商業、工業、公共施設、農業、およびプロセス用途に設置されてきました。この技術はもともと、換気要件が高く、天井の熱が層状化し、建物が負圧になることが多い製造工場や組立工場などの工業用途で主に使用されていました。建物に再生可能エネルギーシステムを導入する動きが強まる中、太陽光発電や太陽熱温水器に比べて、エネルギー生産量が高く（最大 750 ピーク熱ワット/平方メートル）、太陽光変換率が高く（最大 90%）、資本コストが低いことから、蒸散型太陽熱集熱器が建物全体に使われるようになりました。

太陽熱空気暖房は、建物やプロセス熱用途の空気を加熱または調整するために使用される再生可能エネルギー暖房技術です。これは通常、すべての太陽技術の中で最も費用対効果が高く、特に大規模な用途では、暖房気候における建物エネルギーの最大の用途である空間暖房と産業プロセス暖房に対応します。これらはガラス張りまたはガラス張りではありません。

非ガラス製空気コレクターは、建物内の空気を再循環させる代わりに、周囲の（外の）空気を加熱します。蒸散型太陽熱コレクターは通常、冬の暖房期間に低い太陽角度を捉え、また雪からの太陽の反射を捉えるために壁に取り付けられ、コレクター面積の 1 平方フィートあたり 4 ～ 8 CFM（72 ～ 144 m3/h.m2）の流量で動作しているときに、最適なパフォーマンスと投資収益率を実現します。

蒸散型太陽熱集熱器の外面には、何千もの微細な穴があいており、熱の境界層を捕らえて外面パネルの後ろの空気キャビティに均一に引き込むことができます。この加熱された換気空気は、負圧下で建物の換気システムに引き込まれ、従来の方法または太陽熱ダクト システムを使用して分配されます。

蒸散コレクターに接続された HVAC システムに入る可能性のある熱い空気は、コレクターの上部に沿って空気出口が配置されており、コレクターが西向きの場合に特に顕著です。この問題に対処するために、Matrix Energy は、空気出口の位置が低く、穴あき空洞フレームを備えた蒸散コレクターの特許を取得しました。これにより、穴あき吸収装置の後ろの空気の乱流が増加し、性能が向上します。

この断面図は、MatrixAir 蒸散型ソーラーコレクターのコンポーネントと空気の流れを示しています。下部の空気取り入れ口は、夏季の運転中に HVAC システムへの加熱された空気の取り込みを軽減します。

カナダ天然資源省と NREL による広範囲なモニタリングにより、蒸散型太陽熱集熱器システムは従来の暖房負荷を 10 ～ 50% 削減し、RETScreen はシステム性能を正確に予測できることがわかっています。蒸散型太陽熱集熱器は雨よけとして機能し、建物外壁から逃げる熱損失を捕らえて集熱器の空気キャビティに集め、換気システムに戻します。太陽熱空気暖房システムはメンテナンスが不要で、予想寿命は 30 年以上です。

適切な南向きの壁がない場合や、その他の建築上の考慮事項がある場合には、無釉蒸散コレクターを屋根に取り付けることもできます。Matrix Energy Inc. は、南向き、東向き、または西向きのファサードが利用できない場所に設置するモジュール式の屋根取り付け型太陽熱空気加熱システムである「Delta」と呼ばれる屋根取り付け型製品の特許を取得しています。

各 10 フィート (3.05 m) のモジュールは、250 CFM (425 m3/h) の予熱された新鮮な空気を供給し、通常、年間 1100 kWh (4 GJ) のエネルギーを節約します。この独自の 2 段階のモジュール式屋根取り付け蒸散コレクターは、ほぼ 90% の効率で稼働し、各モジュールは 2 平方メートルのコレクターあたり 118 L/s を超える予熱された空気を供給します。最大 7 つのコレクターを 1 列に直列に接続できます。1 つの中央ダクトに沿って並列接続する列の数に制限はありません。通常、利用可能な屋根面積 1 平方フィートあたり 4 CFM の予熱された空気を生成します。

蒸散コレクターは、空気を 2 回加熱して送風温度を上げるように構成できるため、空間暖房用途や換気空気暖房に適しています。2 段階システムでは、第 1 段階は一般的なガラスなし蒸散コレクターで、第 2 段階はガラスで覆われた蒸散コレクターです。ガラスにより、第 1 段階からの加熱空気はすべて、第 2 段階の太陽熱暖房用の第 2 セットの蒸散コレクターに送られます。

このセクションで説明するパラボリックトラフ、ディッシュ、タワーは、ほとんどが太陽光発電所や研究目的で使用されています。パラボリックトラフは、いくつかの商用ソーラーエアコンシステムに使用されています。単純ではありますが、これらの太陽光集光器は理論上の最大集光からはかなり離れています。^{[25] [26]}たとえば、パラボリックトラフの集光は、同じ受容角、つまりシステムの全体的な許容範囲が同じ場合、理論上の最大値の約 1/3 です。理論上の最大値に近づくには、非結像光学系に基づくより精巧な集光器を使用する必要があります。^[25]太陽熱集熱器は、太陽光発電集熱器と組み合わせて使用​​​​して、熱と電力を組み合わせることもできます。^{[27] [28]}

このタイプのコレクターは、一般的に太陽光発電所で使用されます。トラフ型の放物面反射鏡を使用して、焦点に配置された絶縁チューブ (デュワー管) またはヒートパイプに太陽光を集中させます。ヒートパイプには、コレクターから発電所のボイラーに熱を伝達する冷却剤が含まれています。

パラボラ皿型集光器では、反射望遠鏡が星の光を集光するのと同じように、または皿型アンテナが電波を集光するのと同じように、1 つまたは複数のパラボラ皿が太陽エネルギーを 1 つの焦点に集中させます。この形状は、太陽炉や太陽光発電所 で使用できます。

放物線の形状は、皿の軸に平行な入射光線が皿のどこに当たっても焦点に向かって反射されることを意味します。太陽からの光は地球の表面にほぼ完全に平行に到達し、皿の軸は太陽を指すように配置されているため、ほぼすべての入射光が皿の焦点に向かって反射されます。このようなコレクターの損失のほとんどは、放物線形状の不完全さと不完全な反射によるものです。

大気散乱による損失は、一般的には最小限です。しかし、霞や霧の日には、光は大気を通してあらゆる方向に拡散し、パラボラアンテナの効率が大幅に低下します。パラボラアンテナスターリング発電所の設計では、ダイナモと結合したスターリングエンジンがパラボラアンテナの焦点に配置されます。これにより、焦点に集まったエネルギーが吸収され、電気に変換されます。

パワータワーは、ヘリオスタットと呼ばれる追跡ミラーに囲まれた大きなタワーです。これらのミラーは整列して太陽光をタワー上部の受信機に集光し、集められた熱は下の発電所に送られます。この設計は非常に高温になります。高温は、蒸気タービンなどの従来の方法や液体塩などの直接的な高温化学反応を使用した発電に適しています。^{[29]太陽光を集中させることで、現在のシステムは単純な太陽電池よりも優れた効率を得ることができます。高価な}太陽電池を使用するのではなく、比較的安価なミラーを使用することで、より広い領域をカバーできます。集中した光は、建物の照明などの用途のために、光ファイバーケーブルを介して適切な場所にリダイレクトできます。曇りや夜間の条件での発電のための熱貯蔵は、多くの場合、加熱された流体を地下タンクに貯蔵することによって実現できます。溶融塩は効果的に使用されています。液体金属などの他の作動流体も、その優れた熱特性のために提案されています。^[30]

しかし、集光システムでは、太陽光を集光器に集中させるために太陽の追跡が必要です。拡散光状態では十分な電力を供給できません。太陽電池は空が曇っていてもある程度の出力を提供できますが、拡散光はうまく集光できないため、曇り状態では集光システムからの電力出力は大幅に低下します。

太陽熱集熱器は、太陽放射を熱エネルギーに変換する熱交換器として機能する。^[31]従来の熱交換器とはいくつかの点で異なる。地球の表面に入射する太陽エネルギー束（放射照度）は、可変で比較的低い表面密度を持ち、集光システムがない場合でも通常は1100 W/m ^2を超えることはない。さらに、入射する太陽放射の波長は0.3～3μmで、ほとんどの放射面から放射される放射の波長よりも大幅に短い。^[31]

コレクターは入射する太陽放射を吸収し、それを熱エネルギーに変換します。この熱エネルギーは、コレクター内を循環する熱伝達流体に伝達されます。^[32]熱伝達流体は、特に強制循環システムでは、空気、水、油、またはグリコール（不凍液）を含む混合物です。^[32]濃縮システムでは、溶融塩などの相変化材料が使用される場合があります。^[33]熱伝達流体の熱エネルギーは、直接使用することも、後で使用するために保存することもできます。^[34]熱エネルギーの伝達は対流によって行われ、特定のシステムに応じて自然または強制のいずれかになります。^{[35] [36]}

• 太陽熱集熱器のISO試験方法^[37]
• EN 12975: 太陽熱システムおよびコンポーネント。太陽熱集熱器。
• EN 12976: 太陽熱システムおよびコンポーネント。工場で製造されたシステム。
• EN 12977: 太陽熱システムおよびコンポーネント。カスタムメイドのシステム。
• ソーラーキーマーク：^[38]太陽熱システムとコンポーネント。工場訪問を含む、より高度なEN 1297Xシリーズ認証。
• 国際規格協議会/ソーラーレーティング＆認証会社: ^[39]試験は独立した研究所によって行われ、通常は少なくとも6つのソーラーコレクターのサンプルグループから試験対象のコレクターが選択されます。
• ICC 901/ICC-SRCC™ 100: 太陽熱集熱器規格
• ICC 900/ICC-SRCC™ 300: 太陽熱システム規格
• ICC 902/APSP 902/ICC-SRCC™ 400: 太陽熱プールおよびスパ暖房システム規格

• カナダ政府の太陽光集熱器の評価
• クロスビートン記録目録
• 固定ミラー分散焦点ソーラーボウル上の太陽光発電セルの実現可能性