JP2003322405A - 夜間電力を使用する蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力料金を少なくしながら夜間の温水不足を
極減する。 【解決手段】 夜間電力を利用する蓄熱装置は、夜間電
力の電気エネルギーで水を加熱する電気加熱装置１と、
この電気加熱装置１で加熱された水を太陽熱のエネルギ
ーで加熱する太陽熱温水機２と、日射量等の気象データ
ーから、翌日に太陽熱温水機２が水を加熱する太陽エネ
ルギー加熱量を演算すると共に、演算される太陽エネル
ギー加熱量から電気加熱装置１が水を加熱する時間帯を
制御して電力エネルギー加熱量を調整する制御演算回路
３とを備える。制御演算回路３は、太陽エネルギー加熱
量を演算し、演算した太陽エネルギー加熱量が大きくな
るにしたがって、電気加熱装置１が水を加熱する時間帯
を短縮して、電気加熱装置１が水を加熱する電力エネル
ギー加熱量を減少させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、夜間電力と太陽エ
ネルギーの両方で水を加熱して蓄熱する蓄熱装置に関す
る。本明細書において「夜間電力」とは、昼間の電力に
比較して電力料金を安く設定している夜間の時間帯にお
ける電力を意味するものとする。

【０００２】

【従来の技術】電力料金の安価な夜間電力で水を加熱し
て蓄熱する装置は、非常に経済的である。また、発電所
の利用効率も高くできる特長がある。それは、現在主力
となっている火力発電や原子力発電が、夜間の電力消費
が著しく少なくなる時間帯においても、出力をあまり小
さく制御できないからである。このため、夜間電力で水
を加熱する蓄熱装置が種々の用途で利用されている。た
だ、電力で水を加熱する装置は、いかに電力料金を安価
にできても、電気エネルギーを消費するかぎりランニン
グコストを著しく低減することはできない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、太陽エ
ネルギーを利用する蓄熱装置は、無尽蔵である太陽エネ
ルギーを有効利用するので、夜間電力に比較してランニ
ングコストを極減できる特長がある。さらに、太陽エネ
ルギーの蓄熱装置は、火力発電や原子力発電のように原
油や核物質を消費しないので、極めてクリーンにできる
特長も実現できる。ただ、この種の蓄熱装置は、太陽か
ら放射されるエネルギーを熱源として水を加熱するの
で、雨や曇の日には充分に水を加熱できない。雲が太陽
エネルギーを吸収して、地上に到達する太陽エネルギー
を著しく少なくするからである。したがって、太陽エネ
ルギーで水を加熱する蓄熱装置は、その日の日射量によ
って、水を加熱できる熱量が大幅に変動する欠点があ
る。このため、太陽エネルギーで水を加熱し、加熱され
た温水を熱源として使用すると、天気の悪い日に熱エネ
ルギーが不足する弊害が発生する。

【０００４】とくに、太陽エネルギーで加熱して蓄熱さ
れる温水は、風呂等に多く使用されるので、太陽エネル
ギーで水を充分に加熱できないと、その日の夜間には風
呂に有効に利用できない欠点がある。この欠点は、夜間
電力で最小量の水を加熱した後、太陽エネルギーでさら
に水を加熱する装置で少なくできる。ただ、この装置
は、より便利に使用するためには、太陽エネルギーに比
較して夜間電力で加熱する割合を多くする必要がある。
太陽エネルギーで加熱される温水量が、その日の天候に
左右されるのに対して、夜間電力による温水量は天候に
左右されず一定量となるからである。夜間電力で蓄える
温水量を多くするほど、天候に関係なく、夜間に温水が
不足する弊害を少なくできる。ただ、夜間電力は電力を
消費するので、温水量を多くするほど、電力料金が高く
なって不経済になる欠点がある。この欠点を解消するた
めに、夜間電力による加熱量を少なくして太陽エネルギ
ーの割合を多くすると、経済的ではあるが、夜間に温水
が不足する確率が高くなって便利に使用できなくなって
しまう。このため、電力料金を少なくすることと、夜間
に温水が不足することは互いに相反する特性であって、
電力料金を少なくしながら、夜間の温水不足を少なくす
ることは原理的に到底に実現できない。

【０００５】本発明は、この難しい問題を解決すること
を目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、互
いに矛盾する特性である電力料金を少なくしながら夜間
の温水不足を極減できる夜間電力を使用する蓄熱装置を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の夜間電力を利用
する蓄熱装置は、夜間電力の電気エネルギーで水を加熱
する電気加熱装置１と、この電気加熱装置１で加熱され
た水を太陽熱のエネルギーで加熱する太陽熱温水機２
と、日射量等の気象データーから、翌日に太陽熱温水機
２が水を加熱する太陽エネルギー加熱量を演算すると共
に、演算される太陽エネルギー加熱量から電気加熱装置
１が水を加熱する時間帯を制御して電力エネルギー加熱
量を調整する制御演算回路３とを備える。制御演算回路
３は、太陽エネルギー加熱量を演算し、演算した太陽エ
ネルギー加熱量が大きくなるにしたがって、電気加熱装
置１が水を加熱する時間帯を短縮して、電気加熱装置１
が水を加熱する電力エネルギー加熱量を減少させてい
る。

【０００７】制御演算回路３は、日射量と気圧を含む気
象データーから翌日の太陽エネルギー加熱量を演算する
ことができる。さらに、制御演算回路３は、翌日の太陽
エネルギー加熱量を演算すると共に、気象データーから
翌日に要求される需要エネルギーを演算し、演算される
翌日の太陽エネルギー加熱量と需要エネルギーから、電
気加熱装置１が水を加熱する時間帯を制御して電力エネ
ルギー加熱量を調整することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明
の技術思想を具体化するための蓄熱装置を例示するもの
であって、本発明は蓄熱装置を下記のものに特定しな
い。

【０００９】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決す
るための手段の欄」に示される部材に付記している。た
だ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に
特定するものでは決してない。

【００１０】図１に示す蓄熱装置は、夜間電力の電気エ
ネルギーで水を加熱する電気加熱装置１と、この電気加
熱装置１で加熱された水を太陽熱のエネルギーで加熱す
る太陽熱温水機２と、日射量等の気象データーから、翌
日に太陽熱温水機２が水を加熱する太陽エネルギー加熱
量を演算すると共に、演算される太陽エネルギー加熱量
から電気加熱装置１が水を加熱する時間帯を制御して電
力エネルギー加熱量を調整する制御演算回路３とを備え
る。

【００１１】電気加熱装置１は、蓄熱槽４の内部に設け
た電気ヒータ５と、この電気ヒータ５の通電を制御する
スイッチング回路６とを備える。図の電気加熱装置１
は、電気ヒータ５に通電し、電気ヒータ５のジュール熱
で蓄熱槽４の水を加熱する。電気加熱装置１が水を加熱
する電力エネルギー加熱量は、電気ヒータ５をオンにす
る時間に比例する。したがって、電気ヒータ５のオン時
間の長さで電力エネルギー加熱量を調整できる。この構
造の電気加熱装置１は、構造を簡単にして故障を少なく
できる。電気ヒータ５の通電がスイッチング回路６で制
御されて、電力エネルギー加熱量が制御される。

【００１２】電気加熱装置は、電気ヒータに代わって、
ヒートポンプ式の加熱装置を使用して、蓄熱槽の水を加
熱することもできる。ヒートポンプ式の加熱装置は、図
示しないが、モーターに駆動されて気体状の冷媒を加圧
する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して
液化させる凝縮器と、凝縮器で液化された冷媒を気化さ
せるエバポレーターと、エバポレーターと凝縮器との間
に連結されて冷媒の循環量を制御する膨張弁とを備え
る。冷媒は、コンプレッサー→凝縮器→膨張弁→エバポ
レーター→コンプレッサーを循環する。凝縮器は冷媒を
液化させるので気化熱を受け取って発熱し、エバポレー
ターは冷媒を気化させるので気化熱を奪って冷却する。
したがって、凝縮器を蓄熱槽に入れると水を加熱する。
エバポレーターを外部に配置すると外気から熱を吸熱す
る。この発熱する熱交換器を蓄熱槽に配置して、蓄熱槽
の水を加熱する。ヒートポンプ式の加熱装置は、電気ヒ
ータに比較して少ない電力で効率よく水を加温できる。
さらに、ヒートポンプ式の加熱装置は、コンプレッサー
を回転させるモーターの回転を制御して、電力エネルギ
ー加熱量を制御できる。この電気加熱装置は、コンプレ
ッサーを駆動する時間に比例して、電力エネルギー加熱
量を増加できる。したがって、コンプレッサーを運転す
る時間帯を制御して電力エネルギー加熱量を調整する。

【００１３】太陽熱温水機２は、循環ポンプ８を介して
電気加熱装置１の蓄熱槽４に連結している。循環ポンプ
８は、昼間、すなわち太陽エネルギーが放出されている
時間帯に運転されて、蓄熱槽４の水を太陽熱温水機２に
循環させる。太陽熱温水機２は、電気加熱装置１が夜間
電力で加熱した水を太陽熱のエネルギーでさらに加熱す
る。太陽熱温水機２は、循環される水を太陽熱で効率よ
く加熱するために、屋外の日当たりの良い場所、たとえ
ば、屋根や屋上に南向きの姿勢で設置される。

【００１４】制御演算回路３は、毎日検出する気象デー
ターから翌日の日射量を演算し、演算した日射量から翌
日の太陽エネルギー加熱量を演算する。制御演算回路３
は、気象データーを検出するセンサー７を接続してい
る。センサー７は、日射量と気圧とを毎日検出して翌日
の日射量を演算する。さらに、制御演算回路３は、日射
量と気圧に加えて、温度と風速をも検出して、翌日の日
射量を演算することもできる。本発明は、センサーで検
出した気象データーから翌日の日射量を演算する方法を
特徴とするものでない。したがって、気象データーから
翌日の日射量を演算する方法を特定しない。この演算方
法は、現在すでに開発されている方法を利用できる。さ
らにこれから開発される全ての方法も利用することがで
きる。さらに、制御演算回路３は、センサー７から入力
される気象データー以外に、気象庁から発表される天気
予報や気象情報等を気象データーとして入力し、これら
の気象データーから翌日の日射量を演算し、演算した日
射量から翌日の太陽エネルギー加熱量を演算することも
できる。

【００１５】気象データーから日射量を演算する方法と
して、センサー７の過去の気象データーをパラメーター
として、日射量を演算する関数を求め、この関数に当日
の気象データーを入力して翌日の日射量を演算する。関
数の精度が、翌日の日射量の誤差を左右する。関数は、
過去の気象データー量が多いほど、翌日の日射量を高精
度に演算できる。したがって、できるかぎり長い過去の
気象データーを学習させて高精度な関数を求め、求めた
関数に当日の気象データーを入力して翌日の日射量を演
算する。

【００１６】制御演算回路３は、演算された日射量に基
づいて、翌日の太陽エネルギー加熱量を演算する。太陽
エネルギー加熱量は、日射量をパラメーターとして計算
される。太陽エネルギー加熱量は、日射量に比例して大
きくなるので、日射量に係数をかけて太陽エネルギー加
熱量を演算する。ただし、季節によって、日射量に対す
る太陽エネルギー加熱量は変化するので、日射量にかけ
る係数を季節により変化させることで、より正確に太陽
エネルギー加熱量を演算できる。この場合、夏期の係数
を冬期の係数に比較して大きくする。ただし、季節によ
って日射量にかける係数を変化させないで、日射量から
太陽エネルギー加熱量を演算することもできるのは言う
までもない。

【００１７】さらに、制御演算回路３は、図２に示すよ
うに、翌日の需要エネルギーと翌日の太陽エネルギー加
熱量から、電力エネルギー加熱量を計算する。電力エネ
ルギー加熱量は、演算された翌日の太陽エネルギー加熱
量を需要エネルギーから減算して計算される。翌日の太
陽エネルギー加熱量と電力エネルギー加熱量の加算値が
翌日の需要エネルギーとなるからである。翌日の需要エ
ネルギーは、用途によっては常に一定の値とする。たと
えば、家庭用の風呂等に温水を供給する蓄熱装置は、需
要エネルギーを毎日一定の値とする。ただし、蓄熱装置
の温水で暖房する場合等は、翌日の気象データーで需要
エネルギーを演算して変更する。この場合、翌日の日射
量を演算するのと同じように、過去の温度等の気象デー
ターをパラメーターとして翌日の需要エネルギーを演算
する関数を求め、この関数に基づいて、当日の気象デー
ターから翌日の需要エネルギーを演算する。

【００１８】電力エネルギー加熱量が演算されると、制
御演算回路３は、電気加熱装置１が水を加熱する時間帯
を制御して、夜間電力で水を加熱する電力エネルギー加
熱量を調整する。電力エネルギー加熱量は、電気加熱装
置１が水を加熱する時間に比例するので、制御演算回路
３は、計算された電力エネルギー加熱量が大きいほど、
電気加熱装置１が水を加熱する時間帯、すなわち電気加
熱装置１の動作時間を長くする。電気加熱装置１の動作
時間は、図３に示すようにスタート時間から終了時間ま
での時間帯となる。したがって、動作時間は、以下の
〜の方法で調整できる。 終了時間を一定にして、スタート時間のみを変更す
る。 スタート時間を一定にして終了時間のみを変更す
る。 スタート時間と終了時間の両方を変更する。

【００１９】図３は、午後１０時に電気加熱装置１の駆
動をスタートさせて、午前４時に終了させて、動作時間
を６時間としている。

【００２０】本発明の制御演算回路３は、翌日の太陽エ
ネルギー加熱量を演算し、演算した太陽エネルギー加熱
量の大きさにより、電力エネルギー加熱量を計算し、計
算された電力エネルギー加熱量から電気加熱装置１の動
作時間を制御する。演算された翌日の太陽エネルギー加
熱量が大きくなると、電気加熱装置１が水を加熱する時
間帯である動作時間を短くして、電気加熱装置１が水を
加熱する電力エネルギー加熱量を少なくして、翌日には
所定の需要エネルギーとなるようにする。すなわち、図
４に示すように、日射量が変動して太陽エネルギー加熱
量が変動しても、その変動を電力エネルギー加熱量で補
正し、翌日には要求される需要エネルギーの温水だけ蓄
熱されるようにしている。

【００２１】

【発明の効果】本発明の夜間電力を使用する蓄熱装置
は、電力料金を少なくしながら夜間の温水不足を極減で
きる特長がある。それは、本発明の蓄熱装置が、日射量
等の気象データーから、翌日に太陽熱温水機が水を加熱
する太陽エネルギー加熱量を演算すると共に、この太陽
エネルギー加熱量に基づいて、電気加熱装置が水を加熱
する時間帯を制御して電力エネルギー加熱量を調整して
いるからである。この構造の蓄熱装置は、演算された翌
日の太陽エネルギー加熱量に応じて、夜間電力による加
熱量を最適な量に調整するので、夜間電力の消費を多く
して電力料金を高くなるのを防止できると共に、太陽エ
ネルギーによる加熱量が不足して、夜間に温水が不足す
るのを有効に防止できる。このように、本発明の蓄熱装
置は、電力エネルギーと太陽エネルギーとを極めて理想
的な状態で使用できるので、電力料金を少なくしなが
ら、夜間に温水不足を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる夜間電力を使用する
蓄熱装置の概略構成図

【図２】需要エネルギーと太陽エネルギー加熱量と電力
エネルギー加熱量との関係を示す図

【図３】電気加熱装置の動作時間帯の一例を示す図

【図４】日射量が変動して太陽エネルギー加熱量が変動
する状態を示すグラフ

【符号の説明】

１…電気加熱装置 ２…太陽熱温水機 ３…制御演算回路 ４…蓄熱槽 ５…電気ヒータ ６…スイッチング回路 ７…センサー ８…循環ポンプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 夜間電力の電気エネルギーで水を加熱す
   る電気加熱装置(1)と、この電気加熱装置(1)で加熱され
   た水を太陽熱のエネルギーで加熱する太陽熱温水機(2)
   と、日射量等の気象データーから、翌日に太陽熱温水機
   (2)が水を加熱する太陽エネルギー加熱量を演算すると
   共に、演算される太陽エネルギー加熱量から電気加熱装
   置(1)が水を加熱する時間帯を制御して電力エネルギー
   加熱量を調整する制御演算回路(3)とを備え、 制御演算回路(3)が、太陽エネルギー加熱量を演算し、
   演算した太陽エネルギー加熱量が大きくなるにしたがっ
   て、電気加熱装置(1)が水を加熱する時間帯を短縮し
   て、電気加熱装置(1)が水を加熱する電力エネルギー加
   熱量を減少させるようにしてなる夜間電力を利用する蓄
   熱装置。
2. 【請求項２】 制御演算回路(3)が、日射量と気圧を含
   む気象データーから翌日の太陽エネルギー加熱量を演算
   する請求項１に記載される夜間電力を利用する蓄熱装
   置。
3. 【請求項３】 制御演算回路(3)が、翌日の太陽エネル
   ギー加熱量を演算すると共に、さらに気象データーから
   翌日に要求される需要エネルギーを演算し、演算される
   翌日の太陽エネルギー加熱量と需要エネルギーから、電
   気加熱装置(1)が水を加熱する時間帯を制御して電力エ
   ネルギー加熱量を調整する請求項１に記載される夜間電
   力を利用する蓄熱装置。