JP2010190455A

JP2010190455A - 太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置

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Publication number: JP2010190455A
Application number: JP2009033458A
Authority: JP
Inventors: Katsuhito Kizara; 且人木皿; Takuaki Suzuki; 拓明鈴木; Masayuki Shinno; 正之新野; Kazuyuki Suzuki; 一行鈴木; Toichiro Ishikawa; 東一郎石川; Toshikazu Yano; 歳和矢野; Ryuta Ibuki; 竜太伊吹
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP5515059B2

Abstract

【課題】コージェネレーションとして発電と給湯を効率良く行うことにより太陽光のエネルギー利用効率を高める。
【解決手段】太陽光熱複合発電システム１０とCO₂冷媒ヒートポンプシステム３０を冷却水循環システム２０を介して融合させることで、コージェネレーションシステムとして発電と給湯をまかなうことができる。つまり、熱電素子１４および太陽電池１５が発電した電力は蓄電され、上記ヒートポンプシステム３０の駆動用エネルギー源として利用される一方、熱電素子１４および太陽電池１５からの廃熱は冷却水によって回収され、更に上記ヒートポンプシステム３０において二酸化炭素冷媒により再回収され、ここでお湯を生成する加熱源として利用される。上記ヒートポンプシステム３０に放熱した冷却水は、低温となり再び給水タンク２２へ戻る。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置、特にコージェネレーションとして発電と給湯を効率良く行うことにより太陽光のエネルギー利用効率を高めた太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置に関するものである。

金属や半導体等の導電体の両端に温度差を与えると電力が発生する現象、いわゆる「ゼーベック効果」を利用した熱電発電モジュールと、半導体pn接合の「光起電力効果」を利用して発電する太陽電池モジュールとの、これら２つの発電モジュールを利用して電力を発生する太陽光熱複合発電システムが注目されている。太陽光熱複合発電システムは、フレネルレンズで集めた太陽光を波長選択ミラーによって可視光線と赤外線とに分光し、可視光線を太陽電池モジュールに供する一方、太陽電池モジュールにとっては無効である赤外線を熱電発電モジュールに供することにより太陽電池と熱電素子の双方によって発電することが最大の特徴である。このように、太陽光熱複合発電システムは可視光線と赤外線の両方の光エネルギーを用いて発電するため、従来の太陽光発電システムに比較して約２倍の発電能力を備えている。また、太陽光熱複合発電システムは外部電力あるいは化石燃料の供給を受けることなく、太陽光のみを利用して発電することが可能であるため、砂漠地帯のように、豊富な太陽エネルギーが得られるが、電力や燃料の供給を十分に受けることが難しい地域において好適に運用することが可能である。
ところで、最近環境にやさしいと注目されている燃料電池は、燃料である水素分子と空気中の酸素分子とが化学反応することにより水と電気を生成する発電装置である。燃料電池に使用される水素分子は都市ガス、LPGや灯油等から製造されている。また、燃料電池は発電する際に（反応）熱も同時に発生する。従って、燃料電池の反応熱を冷却水によって回収し、その熱によって水道水を予め予熱し貯水した上で、水素を製造する際に発生する燃焼ガスの廃熱を二酸化炭素ヒートポンプによって回収し、その回収熱によってその貯水しておいた予熱水を更に加熱して高温水を製造するハイブリッド給湯システムが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
また、太陽電池が放熱する廃熱を同じく冷却水によって回収し、更にヒートポンプによって水の加熱源として利用する一方、そのヒートポンプの圧縮機（コンプレッサ）を駆動する電力を、太陽電池が発電した電力から供給するように構成された太陽光熱複合利用システムが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００５−３３７５１６号公報特開２００６−６４２８４号公報

上記ハイブリッド給湯装置では、ヒートポンプシステムは蒸発器、圧縮機、熱交換器および膨張タービンから構成され、膨張タービンによって駆動される発電機の電力は商用電源に回生され圧縮機を駆動する電動機の電力源として利用される。しかしながら、発電機の電力が回生されるとはいえ、やはり圧縮機を駆動するためには商用電源は必要であり、その商用電源がなければ、圧縮機を駆動することはできなくなる。従って、商用電源がない砂漠地帯等においては、上記ハイブリッド給湯装置は機能しないという問題がある。
ところで、上記太陽光熱複合利用システムに見られるように、圧縮機を駆動するための電動機の電力源を発電システム（太陽電池）から供給することにより、砂漠等の電力や燃料の供給に乏しい地域においても、上記ハイブリッド給湯装置は運用することが可能となる。
しかし、太陽電池は発電能力が低いという問題が存在する。
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題は、コージェネレーションとして発電と給湯を効率良く行うことにより太陽光のエネルギー利用効率を高めた太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置を提供することである。

上記目的を達成するための請求項１に記載の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置では、熱電素子と太陽電池から成る太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置であって、前記太陽光熱複合発電システムにおいて発生する廃熱は、先ず前記太陽光熱複合発電システムを冷却する冷却水循環システムによって回収され、次いで二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプシステムによって再回収され、その後に熱水を生成する加熱源として再利用され、且つ、前記太陽光熱複合発電システムが発電する電力は緩衝用電源に蓄電された後に、前記冷却水循環システムおよび前記ヒートポンプシステムの駆動用エネルギー源として利用されることを特徴とする。
上記太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置は、太陽光による発電と給湯を効率よく実現するため、太陽光熱複合発電システムと二酸化炭素冷媒ヒートポンプシステムを冷却水循環システムを介して融合させた装置である。そのため、先ず太陽光熱複合発電システムでは、太陽光を可視光と赤外光とに分光し、可視光は太陽電池に供給する一方、赤外光は熱電素子に供給するように構成されている。これにより、通常の太陽電池に比べ約２倍の発電能力を有し、その一部を二酸化炭素冷媒ヒートポンプシステムの駆動用エネルギー源として利用される。他方、太陽光熱複合発電システムから発生する廃熱は、冷却水を循環させる冷却水循環システムによって回収され、冷却水によって回収された廃熱は二酸化炭素冷媒ヒートポンプシステムによって再回収され、そのヒートポンプシステムにおいて水の加熱源として利用される。つまり、太陽エネルギーの一部は豊富な電気エネルギー（電力）に変換される一方、変換されない太陽エネルギーの一部は熱エネルギー（廃熱）として回収され、更にその変換した電力によって上記ヒートポンプシステムが駆動されて、廃熱から給湯を行うように構成されている。このように上記給湯装置によれば発電と給湯を効率良く行うことが可能となる。

請求項２に記載の太陽光熱複合発電システムでは、前記冷却水は前記ヒートポンプシステムに放熱した後は給水タンクに再び戻されると共に、前記加熱水は給湯タンクに貯水され、更に前記給水タンクと前記給湯タンクは温度調節弁を介して連結され前記冷却水の一部は前記給湯タンクの温度調整用に使用されることとした。
上記請求項２に記載の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置では、冷却水を給水タンクに再び戻すことにより、ヒートポンプシステムにおいて回収されなかった廃熱の一部を再利用することが可能となる。つまり、冷却水の一部は給水タンクと給湯タンクを連結する温度調節弁を介して（必要に応じ）加熱水に加えられ給湯温度調整用に利用される。これにより、冷却水と加熱水が直接に接触し、その結果、加熱水と冷却水との間で効率良く熱交換が行われ加熱水の温度を容易に下げることが可能となる。

本発明の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置によれば、太陽光熱複合発電システムと二酸化炭素冷媒ヒートポンプシステムを冷却水循環システムを介して融合させることで、太陽光を利用したコージェネレーションシステムとして発電と給湯を効率良く行うことが可能となる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置１００を示す構成説明図である。
この給湯装置１００は、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽光熱複合発電システム１０と、太陽光熱複合発電システム１０を冷却する冷却水循環システム２０と、その冷却水との間で熱交換を行いながら熱湯を供給するCO₂冷媒ヒートポンプシステム３０とを具備して構成されている。

太陽光熱複合発電システム１０は、太陽光を一点に集光するフレネルレンズ１１と、集光した太陽光を所定の方向へ光路を変更する反射鏡１２と、太陽光を赤外光と他の波長域の光（紫外線・可視光）とに分離する波長選択性ミラー１３と、赤外光を吸収して発電する熱電素子１４と、紫外線および可視光線を吸収して発電する太陽電池１５と、熱電素子１４および太陽電池１５が発生した電力を蓄電し、後述するポンプやコンプレッサに電力を供給する緩衝用電源１６とから成る。

冷却水循環システム２０は、水源から給水タンク２２へ冷却水を圧送する貯水用ポンプ２１と、冷却水を貯水する給水タンク２２と、給水タンク２２の冷却水を太陽光熱発電システム１０に流して循環させる流量調節用ポンプ２３と、冷却水が流れる冷却水ライン２４とから成る。

CO₂冷媒ヒートポンプシステム３０は、冷却水とCO₂冷媒との間で熱の授受を行う冷却水用熱交換器３１と、受熱したCO₂冷媒を凝縮するコンプレッサ３２と、凝縮されたCO₂冷媒と給水との間で熱交換を行う水加熱用熱交換器３３と、CO₂冷媒を膨張させる膨張弁３４と、熱湯を貯水する給湯タンク３５と、加熱された給水を給湯タンク３５へ戻す流量調節用ポンプ３６と、水源から給湯タンク３５へ水を圧送する貯水用ポンプ３７と、給湯温度を調整する制御弁３８と、給湯タンク３５へ冷却水の供給をオンオフする温度調節弁３９とから成る。

ここで、上記給湯装置１００の動作を説明する。先ず、太陽光熱複合発電システム１０では太陽光を用いて発電を行う。太陽光はフレネルレンズ１１によって反射鏡１２に集光される。反射鏡１２によって太陽光は波長選択性ミラー１３へと投射される。波長選択性ミラー１３は赤外光を透過させ、紫外光および可視光線を反射させる。赤外光は熱電素子１４を照射加熱し、同時に熱電素子１４において熱電効果による発電が起こる。紫外光・可視光線は太陽電池１５を照射し、太陽電池１５において光起電力効果によって発電が起こる。発電された電力は緩衝用電源１６に蓄えられ、貯水用ポンプ２１、流量調節用ポンプ２３、コンプレッサ３２、流量調節用ポンプ３６及び貯水用ポンプ３７の外部供給電力として使用される。貯水用ポンプ３７より供給される水は給湯タンク３５ヘと供給される。また、流量調節用ポンプ３６によって給湯タンク３５内の水は水加熱用熱交換器３３へと供給され、加熱される。加熱された水は給湯タンク３５ヘと戻され給湯用に貯湯される。温度調節弁３９により給湯タンク３５内の過熱を抑制する。そして制御弁３８により給湯温度を調節し、給湯口４０より給湯を行う。

冷却水用熱交換器３１において高温側の水により加熱された二酸化炭素冷媒はコンプレッサ３２により加圧される。加圧された二酸化炭素冷媒は水加熱用熱交換器３３へと流れ込み、水と熱交換を行い冷却される。冷却された二酸化炭素冷媒は膨張弁３４で減圧され、再び冷却水用熱交換器３１へと流れ込む。

貯水用ポンプ２１より供給された水は給水タンク２２に蓄えられる。流量調節用ポンプ２３により熱電素子１４と太陽電池１５の冷却のため冷却水が供給される。熱電素子１４と太陽電池１５を冷却し、加熱された冷却水は冷却水用熱交換器３１により二酸化炭素冷媒と熱交換を行い、冷却される。冷却された冷却水は再び給水タンク２２ヘ貯水される。

以上に示したように上記給湯装置１００の特徴は、冷却水循環システム２０を介して太陽光熱複合発電システム１０とCO₂冷媒ヒートポンプシステム３０との間で有効熱利用が行われ、湯温調節した給湯と豊富な電力の供給が可能となるシステムである。

本発明の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置は、家庭用または業務用の給湯装置として幅広く利用され得る。

本発明の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置を示す構成説明図である。

１０太陽光熱複合発電システム
１１フレネルレンズ
１２反射鏡
１３波長選択性ミラー
１４熱電素子
１５太陽電池
１６緩衝用電源
２０冷却水循環システム
２１貯水用ポンプ
２２給水タンク
２３流量調節用ポンプ
２４冷却水ライン
３０ CO₂冷媒ヒートポンプシステム３０
３１冷却水用熱交換器
３２コンプレッサ
３３水加熱用熱交換器
３４膨張弁
３５給湯タンク
３６流量調節用ポンプ
３７貯水用ポンプ
３８制御弁
３９温度調節弁
１００太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置

Claims

熱電素子と太陽電池から成る太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置であって、前記太陽光熱複合発電システムにおいて発生する廃熱は、先ず前記太陽光熱複合発電システムを冷却する冷却水循環システムによって回収され、次いで二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプシステムによって再回収され、その後に熱水を生成する加熱源として再利用され、且つ、前記太陽光熱複合発電システムが発電する電力は緩衝用電源に蓄電された後に、前記冷却水循環システムおよび前記ヒートポンプシステムの駆動用エネルギー源として利用されることを特徴とする太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置。
前記冷却水は前記ヒートポンプシステムに放熱した後は給水タンクに再び戻されると共に、前記加熱水は給湯タンクに貯水され、更に前記給水タンクと前記給湯タンクは温度調節弁を介して連結され前記冷却水の一部は前記給湯タンクの温度調整用に使用される請求項１に記載の太陽光熱複合発電システムを利用した給湯装置。