JP2007064535A

JP2007064535A - 風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システム

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Publication number: JP2007064535A
Application number: JP2005249466A
Authority: JP
Inventors: Isamu Suzuki; 勇鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】変電・送電線網等の風力利用設備普及阻害問題を解消し、低コスト・高効率で風力を熱に変換して蓄熱し、この熱を熱需要家サイトに分散供給可能な風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムを提供する。
【解決手段】風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱する蓄熱システム５としては、風車１と、風車１の回転エネルギーを熱エネルギーに変換する風力熱変換装置２と、内部に潜熱蓄熱材を備えた蓄熱タンク４とを有し、前記風力熱変換装置２において加熱された熱媒体により蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材を加熱して蓄熱する構成を備えたものとし、この蓄熱された潜熱蓄熱材の一部を潜熱蓄熱材輸送コンテナ車６により熱需要家サイト１０に運搬し、この潜熱蓄熱材に蓄熱された熱を、熱需要家サイトの熱利用システム９に、熱交換器８を介して供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱し、この蓄熱された熱を、熱需要家サイトに分配して供給する風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムに関する。

風力エネルギーは、風向・風速の変動により安定したエネルギー供給の難しさはあるものの、潜在的には資源が広範に賦存し、無尽蔵かつクリーンなエネルギーであり、国策としてもその利用が積極的に推進されている（非特許文献１参照。）

前記非特許文献１によれば、経済産業省では、1976年以降2000年までサンシャイン計画(1993年度からはニューサンシャイン計画)において風力発電システムの技術開発、1981〜1986年度まで三宅島で100kW級風力発電プラントの研究、1990〜1998年度まで大型発電システムの技術開発、1999年度から離島用風力発電システム等の技術開発を実施している。
また、我が国の風力発電の導入実績は、2004年3月末現在で735基超、出力約67.7万kWとなっている。これまで、そのほとんどは電力会社、地方公共団体、国等が試験研究用あるいはデモンストレーションとして設置したものであったが1992年の電力会社による余剰電力購入制度及び1993年の系統連系技術要件ガイドラインの整備により、近年、発電電力を電力会社に売ることが可能となったため、売電事業を目的として設置されたものも増加している。
一方、世界第1位のドイツにおける風力発電の導入実績は約1,461万kW、第2位のアメリカは約635万kW（いずれも2003年末時点）で、我が国に比して相当大きな導入量となっており、一層の導入拡大を目指した政策的支援が行われている。

さらに、前記非特許文献１は、「我が国における風力発電の導入における最大の課題は、普及が進んでいる欧米諸国に比べ大気の乱れが大きく、設備利用率等に起因する高い発電コストである。経済産業省では、こうした状況に鑑み、1995年度から「風力開発フィールドテスト事業（現行、風力発電フィールドテスト事業）」を創設し、風力発電の有望地域において風況精査を実施するとともに風力発電設備を設置・運転を行い、データ収集等の調査研究事業を実施している。」旨を記載している。

ところで、我が国における風力発電の普及の阻害要因に関して検討すると、前記設備利用率等に起因する高い発電コストの問題以外に、下記のような問題があると考えられる。

即ち、風力発電を行なって系統連系の下で風力エネルギーを利用するためには、その地域条件として、変電設備、送電線網等が近くに存在するか、もしくは容易に造成できることが必要であり、一般的に、風況の比較的良い山岳地等では、送電線網が脆弱である。従って、北海道や東北地方他わが国の多くの地域では、基本的に普及し難い要因を抱えていると考えられる。

また、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電の場合、風車の回転数を、例えば歯車などの増速機で1800rpmまで増速し、発電機で電力に変換するので、風車を含む風力発電機本体の重量が増大すると共に、輸送・組み立てコストを含む風力発電機本体コストが大となる問題もある。さらに、風力エネルギーの電気エネルギーへの変換効率は約４０％程度といわれており、風力エネルギーのかなりの割合が利用されずに変換ロスとして放出されている状況にある。これらの問題も、前記送電線網等の問題とは別の普及阻害要因と考えられる。

なお、下記非特許文献２については、本願発明のベースとなる一部の要件に関わる技術を開示するものであり、説明の便宜上、後述する。

資源エネルギー庁、"エネルギー・資源を取り巻く情勢＿新エネルギー"、[online]、［平成１７年８月２９日検索］、インターネット＜URL:http://www.enecho.meti.go.jp/energy/newenergy/ne...> "栗本鐵工所潜熱蓄熱搬送システムトランスヒートコンテナ"、[online]、［平成１７年８月２９日検索］、インターネット＜URL:http://www.kurimoto.co.jp/j09/trans#heat.htm

この発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、変電・送電線網等の風力利用装置普及阻害問題を解消し、低コスト・高効率で風力を熱に変換して蓄熱し、この熱を熱需要家サイトに分散供給可能な風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムを提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明の風力熱変換による熱供給方法では、風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材に蓄熱し、この蓄熱された潜熱蓄熱材の一部を熱需要家サイトに運搬し、この潜熱蓄熱材に蓄熱された熱を、前記熱需要家サイトの熱利用システムに、熱交換器を介して供給することを特徴とする（請求項１）。また、前記請求項１の発明において、熱需要家サイトの熱利用システムは、給湯設備、暖房設備または吸収式冷凍機を用いた冷房設備の内の少なくとも１つを含むこととする（請求項２）。

さらに、本発明の風力熱変換による蓄熱システムとしては、風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱するシステムにおいて、風車と、風車の回転エネルギーを熱エネルギーに変換する風力熱変換装置と、内部に潜熱蓄熱材を備えた蓄熱タンクとを有し、前記風力熱変換装置において加熱された熱媒体により前記蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材を加熱して蓄熱する構成を備えたことを特徴とする（請求項３）。

また、前記請求項３の発明の実施態様としては、下記請求項４ないし５の発明が好ましい。即ち、前記請求項３に記載のものにおいて、前記風力熱変換装置は、風車の回転力により往復動する油圧ピストンと、油圧ピストンの圧縮熱を熱媒体に伝達する手段とを備えたものとする（請求項４）。さらに、前記請求項３または４に記載のものにおいて、前記蓄熱タンクは、複数のタンクに分割され、分割された各タンクはそれぞれ融点の異なる潜熱蓄熱材を備えたものとする（請求項５）。
上記請求項１ないし５の発明の構成およびその作用効果等については、相互に関連する内容を含むので、後述する本発明を実施するための最良の形態の項で詳述する。

本発明によれば、低コスト・高効率で風力を熱に変換して潜熱蓄熱材に蓄熱し、この熱を熱需要家サイトに運搬し、熱交換器を介して必要に応じて分散供給可能な、風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムを提供することができる。また、風力を熱に変換する場合には送電線網が脆弱な地域であっても導入し易いので、上記方法やシステムは、風力エネルギー利用の普及向上や地域振興への寄与が期待できる。

本発明の実施形態について、図１および図２に基づき以下に述べる。図１は本発明の実施形態に係る風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムの模式的概念図であり、図２は本発明に関わる低温用潜熱蓄熱材の説明図である。

図１において、１は風車、２は風力熱変換装置、３は熱媒体循環ライン、４は蓄熱タンク、５は風力熱変換による蓄熱システム、６は潜熱蓄熱材輸送コンテナ車、７は蓄熱器、８は熱交換器、９は熱利用システム、１０は熱需要家サイトである。以下に、各部材の構成および機能等の詳細を述べる。

風力熱変換による蓄熱システム５は、前述のように、少なくとも１基の風車１と、風車１の回転エネルギーを熱エネルギーに変換する風力熱変換装置２と、内部に潜熱蓄熱材を備えた蓄熱タンク４とを有し、前記風力熱変換装置２において加熱された熱媒体により、熱媒体循環ライン３および図示しない熱媒体循環ポンプを介して、蓄熱タンク４内の潜熱蓄熱材を加熱して蓄熱する構成を備える。

前記風力熱変換装置２は、図示を省略しているが、例えば、風車の回転力により油圧ピストンを往復動させ、前記油圧ピストンの圧縮熱を熱媒体（例えば水）に伝達して熱に変換する。なお、前記油圧ピストンは空圧ピストンであってもよいし、熱媒体は水以外に熱媒油を使用することもできる。

上記のような風力熱変換装置の場合、風車の回転力を風力発電機のように例えば1800rpmまで増速する必要はなく、例えば20rpm程度の低速でもよいので、風車および風力熱変換装置を含む本体は、風力発電機本体に比べて軽量かつ低コストとなる。また風力発電機に比較してエネルギーロスが極めて少なく、風力エネルギーは高効率で熱エネルギーに変換できる。さらに、風力発電の場合には、出力の質を高度にするために制御設備が複雑となるのに対して、風力熱変換の場合には風車が回転していれば全て熱エネルギーに変換できるので、設備が簡略化されかつトータル効率が高い利点がある。

さらに、風力発電機に比較してヤード造成（含む道路）が容易であり、かつメンテナンスも容易であるので、送電線網が脆弱な地域であっても導入し易くかつトータルコストが低減できる。従って、本発明によれば、風力エネルギー利用の普及向上が期待できる。

次に、潜熱蓄熱材を備えた蓄熱タンク４について述べる。潜熱蓄熱材の特徴は、その融点で固体が液体に相変化する際の潜熱を利用して蓄熱する（熱を取り出す際には、前記と逆の液体から固体への相変化を利用する）ので、蓄熱密度が大きいこと、一定温度の熱が取り出せることである。

潜熱蓄熱材としては、温度レベルに応じて多くの種類のものが知られているが、高温用潜熱蓄熱材として有望な材料は、高密度ポリエチレン（最高融点１３５℃）、ペンタエリトリトール（転位点１８８℃）を除き、ほとんどが溶融塩である。また、冷暖房や給湯を対象とする場合には、図２の低温用潜熱蓄熱材の説明図に示すように、各種の無機水和塩やパラフィン等の有機物が有望といわれている。吸収式冷凍機を使用する冷房の場合には、例えば１４０℃程度の熱源を必要とするので、前記高温用潜熱蓄熱材を用いる必要がある。なお、図２は、日本機械学会編「機械工学便覧」（1989年10月15日初版発行）より引用したものである。

潜熱蓄熱熱交換の方法には、大きく分けてパッシブな方法とアクティブな方法とがある。パッシブな方法とは、潜熱蓄熱材と熱媒体が伝熱面を介して熱交換する方法であり、アクティブな方法とは、伝熱面を介さずに熱媒体と潜熱蓄熱材とを直接接触熱交換させたり、伝熱面に析出した固相をかき取ったりして、いわゆるアクティブに熱交換を起こさせる方法である。

また、前記蓄熱タンク４は、複数のタンクに分割し、分割した各タンクにはそれぞれ融点の異なる潜熱蓄熱材を備えたものとすることもできる。これにより、熱需要家サイトの熱利用システムにおける温度レベルに応じて、適正な蓄熱温度の潜熱蓄熱材を熱需要家サイトに供給できる効果がある。なお、複数のタンクは、かならずしも、融点の異なる潜熱蓄熱材を備えたものである必要はない。このように単に分割することにより、小容量単位に分割蓄熱が可能となるので、風力が弱い状態が続いても、早期に利用できる蓄熱レベルとすることができる効果がある。

次に、蓄熱タンク４内の潜熱蓄熱材に蓄熱した熱を、熱需要家サイトに供給する方法について述べる。図１において、蓄熱タンク４内に蓄熱された潜熱蓄熱材の一部は、潜熱蓄熱材輸送コンテナ車６により熱需要家サイト１０に運搬され、この潜熱蓄熱材に蓄熱された熱は、熱需要家サイト１０の熱利用システム９に、熱交換器７を介して供給される。前記熱利用システム９としては、給湯設備、暖房設備、吸収式冷凍機を用いた冷房設備やその他特殊な熱利用設備がある。

ところで、前述のように、潜熱蓄熱材をコンテナ車で輸送して熱需要家サイトに熱を供給する技術に関しては、例えば「トランスヒートコンテナ」と呼称される技術が、前記非特許文献２に記載されている。この「トランスヒートコンテナ」と呼称される技術は、ドイツの環境コンサルタント会社プロジェクト・マネジメント・コンサルタンツ社により、低温廃熱の利用技術として開発された技術で、日本においては、三機工業、三洋電機、栗本鐵工所等が技術導入により実用化を図っている技術である。

非特許文献２によれば、「トランスヒートコンテナとは、これまで下水汚泥焼却施設や廃棄物焼却施設などで再利用されずに捨てられていた低温の廃熱（２００℃以下）を、潜熱蓄熱材（ＰＣＭ：Phase Change Material）に効率よく回収・貯蔵し、コンテナ車で運搬して離れた施設の熱エネルギーとして供給する技術であり、未利用エネルギーを効率的に活用することでＣＯ₂を大幅に削減することができる。」旨、記載されている。

本願発明の熱供給方法は、本願発明に係る前記風力熱変換による蓄熱システムに、潜熱蓄熱材をコンテナ車で輸送して熱需要家サイトに熱を供給する技術を組み合わせて、風力熱変換による熱供給方法を提供するもので、風力エネルギーを高効率かつ低コストで熱エネルギーに変換して潜熱蓄熱材に蓄熱し、この熱を熱需要家にコンテナ車で運搬して分散利用可能とし、もって自然エネルギーとしての風力エネルギー利用の普及向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る風力熱変換による熱供給方法及び蓄熱システムの模式的概念図。本発明に関わる低温用潜熱蓄熱材の説明図。

符号の説明

１：風車、２：風力熱変換装置、３：熱媒体循環ライン、４：蓄熱タンク、５：風力熱変換による蓄熱システム、６：潜熱蓄熱材輸送コンテナ車、７：蓄熱器、８：熱交換器、９：熱利用システム、１０：熱需要家サイト。

Claims

風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材に蓄熱し、この蓄熱された潜熱蓄熱材の一部を熱需要家サイトに運搬し、この潜熱蓄熱材に蓄熱された熱を、前記熱需要家サイトの熱利用システムに、熱交換器を介して供給することを特徴とする風力熱変換による熱供給方法。
前記熱需要家サイトの熱利用システムは、給湯設備、暖房設備または吸収式冷凍機を用いた冷房設備の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の風力熱変換による熱供給方法。
風力エネルギーを熱エネルギーに変換して蓄熱するシステムにおいて、風車と、風車の回転エネルギーを熱エネルギーに変換する風力熱変換装置と、内部に潜熱蓄熱材を備えた蓄熱タンクとを有し、前記風力熱変換装置において加熱された熱媒体により前記蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材を加熱して蓄熱する構成を備えたことを特徴とする風力熱変換による蓄熱システム。
前記風力熱変換装置は、風車の回転力により往復動する油圧ピストンと、油圧ピストンの圧縮熱を熱媒体に伝達する手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の風力熱変換による蓄熱システム。
前記蓄熱タンクは、複数のタンクに分割され、分割された各タンクはそれぞれ融点の異なる潜熱蓄熱材を備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の風力熱変換による蓄熱システム。