JP2010223439A - 太陽熱利用蒸気発生システムとそれを利用した太陽熱利用吸収冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱を用いた高効率かつ安価な蒸気発生システムを得る。また、その蒸気発生システムが発生する中圧蒸気の持つ熱を高い効率で利用できるようにした太陽熱利用吸収冷凍機を得る。
【解決手段】太陽熱利用蒸気発生システムＡは、太陽熱集熱器１と、太陽熱集熱器１から得られる温水から低圧蒸気を製造する低圧蒸気発生装置（例えば、フラッシュタンク）２と、低圧蒸気発生装置２が発生した低圧蒸気を吸引蒸気としより圧力の高い蒸気を吐出する蒸気昇圧装置（例えば、スチームエゼクター）３とを備える。太陽熱利用吸収冷凍機は、蒸気昇圧装置３が吐出する中圧蒸気の持つ熱を、希溶液からの冷媒蒸発のための熱源として利用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽熱を利用した蒸気発生システム、および該蒸気発生システムが発生する蒸気の持つ熱を再生器での熱源として利用するようにした太陽熱利用吸収冷凍機に関する。

太陽エネルギーから太陽熱集熱器を介して蒸気（例えば１５０℃）を得る技術は広く知られており、例えば、特許文献１あるいは２に記載されている。また、太陽エネルギーを利用して冷熱を得る手段として、太陽熱集熱器と吸収冷凍機とを組み合わせた装置が特許文献３に記載されている。

特開昭５８−４９８６１号公報 特開２００１−２０１１８７号公報 特開平１１−２５７７７７号公報

従来の太陽熱を利用した装置において、一般に、集熱器は、その特性上、取り出し温度が上がるほど集熱効率が低下してしまうため、従来用いられている太陽熱集熱器は、集光機構の改善や高真空断熱の採用等により効率低下を抑制する機構となっており、装置として極めて複雑かつ高価なものとなっている。集熱効率は、例えば９０℃取り出しの場合で４０％程度であるものの、１５０℃取り出しでは２５％程度と低い値となる。

また、従来提案されている太陽熱を利用した吸収冷凍機は、太陽熱集熱器から取り出した蒸気や高温水を、そのまま吸収冷凍機における一重効用サイクル（９０℃取り出しの場合）あるいは二重効用サイクル（１５０℃取り出しの場合）の駆動エネルギーの一部として利用するようにしている。しかし、一重効用サイクルではＣＯＰは０．８程度、二重効用サイクルではＣＯＰは１．５程度と、集熱器で高い集熱効率を保とうとすると吸収冷凍機のＣＯＰが低く、逆に吸収冷凍機のＣＯＰを高く利用しようとすると集熱器の集熱効率が低下してしまう。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、太陽熱を用いた高効率かつ安価な蒸気発生システムと、該蒸気発生システムが発生する中圧蒸気の持つ熱を高い効率で利用できるようにした太陽熱利用吸収冷凍機を開示することを課題とする。

本発明による太陽熱利用蒸気発生システムは、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器から得られる温水から低圧蒸気を製造する低圧蒸気発生装置と、前記低圧蒸気発生装置が発生した低圧蒸気を吸引蒸気とし、より圧力の高い中圧蒸気を吐出する蒸気昇圧装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明による太陽熱利用吸収冷凍機は、上記の太陽熱利用蒸気発生システムと、吸収器、再生器、凝縮器および蒸発器を少なくとも有する吸収冷凍機とを備え、前記太陽熱利用蒸気発生システムが吐出する中圧蒸気の持つ熱を冷媒再生のための熱源として利用することを特徴とする。

本発明による太陽熱利用蒸気発生システムは、太陽熱集熱器から得られる温水から低圧蒸気を製造する低圧蒸気発生装置に加えて、前記低圧蒸気を吸引蒸気とし、より圧力の高い中圧蒸気を吐出する蒸気昇圧装置を備える。そのために、集熱器からは高効率で低圧蒸気を製造し、低圧蒸気を蒸気昇圧装置により昇圧することで、特別な集光器や高真空断熱設備等を伴わない太陽熱集熱器から得た温水であっても、太陽熱利用蒸気発生システムとしては、高い効率で所望の中圧蒸気を吐出することが可能となる。

本発明による太陽熱利用吸収冷凍機は、上記の太陽熱利用蒸気発生システムが吐出する中圧蒸気の持つ熱を、吸収冷凍機における冷媒再生のための熱源として利用する。そのために、吸収冷凍機のシステム全体として高い効率を達成することができる。なお、本発明による太陽熱利用吸収冷凍機において、吸収冷凍機は、従来知られた、吸収器、再生器、凝縮器および蒸発器を少なくとも有する吸収冷凍機を基本的に用いることができる。一重効用サイクル、二重効用サイクル、あるいは三重効用サイクルのいずれのものであってもよい。

本発明によれば、高効率かつ安価な太陽熱利用蒸気発生システムが得られる。さらに、高い効率を備えた太陽熱利用吸収冷凍機が得られる。

図１（ａ）は本発明による太陽熱利用蒸気発生システムの一実施の形態を示す図であり、図１（ｂ）はそこでの蒸気昇圧装置のいくつかの具体例を示す図である。 本発明による太陽熱利用吸収冷凍機の一例を示すブロック図であり、二重効用サイクルの場合の例である。 本発明による太陽熱利用吸収冷凍機の他の例を示すブロック図であり、三重効用サイクルの場合の例である。

以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づき説明する。

図１（ａ）に示す太陽熱利用蒸気発生システムＡおいて、１は従来知られた太陽熱集熱器であり、市販のものであってよい。２は、本発明での低圧蒸気発生装置の一例としてのフラッシュタンクであり、フラッシュタンク２も従来知られたものであってよい。フラッシュタンク２に給水された水が、フラッシュタンク２から太陽熱集熱器１に送られ、そこから得られる温水（太陽熱温水）をフラッシュタンク２で自己蒸発させることにより、低圧蒸気を得る。望ましくは、低圧蒸気の圧力は、０．１ＭＰａ（Ｇ）程度である。

フラッシュタンク２で発生した低圧蒸気は、吸引蒸気として蒸気昇圧装置３に送られる。蒸気昇圧装置３は、従来知られた手段により、吸引した蒸気をより圧力の高い蒸気に変換し、中圧蒸気として吐出する。その吐出蒸気は、例えば、蒸気利用側である適宜の蒸気ヘッダ等へ送られて、暖房や工場プロセスに用いることができる。さらに、吸収冷凍機へ送られて、吸収冷凍機での冷房サイクルに利用される。蒸気利用側が何であるかによっても変動するが、吐出蒸気としての中圧蒸気の圧力は、例えば０．５ＭＰａ（Ｇ）程度である。

図１（ｂ）に基づき、蒸気昇圧装置３の具体例を説明する。（ｂ１）は蒸気昇圧装置３がスチームエゼクター３Ａの場合の例である。スチームエゼクター３Ａにはボイラからの蒸気が駆動蒸気として送り込まれ、低圧蒸気である前記吸引蒸気は所要圧に昇圧した中圧の吐出蒸気として吐出される。

（ｂ２）は蒸気昇圧装置３が蒸気タービンコンプレッサ３Ｂの場合の例である。蒸気タービンコンプレッサ３Ｂにはボイラからの蒸気が駆動蒸気として送り込まれタービンを駆動する。タービンに送り込まれた低圧蒸気である吸引蒸気は、タービンから得られる回転力により所要圧に昇圧され、中圧の吐出蒸気として吐出される。

（ｂ３）は蒸気昇圧装置３が電気式コンプレッサ３Ｃの場合の例である。電気式コンプレッサ３Ｃは電力により駆動するモータＭを駆動源として持ち、電気式コンプレッサ３Ｃに送り込まれた低圧蒸気である吸引蒸気は、モータから得られる回転力により所要圧に昇圧され、中圧の吐出蒸気として吐出される。

（ｂ４）は蒸気昇圧装置３がエンジン駆動コンプレッサ３Ｄの場合の例である。エンジン駆動コンプレッサ３Ｄは、例えば都市ガスやガソリン、重油を燃料とするエンジンを駆動源として持ち、エンジン駆動コンプレッサ３Ｄに送り込まれた低圧蒸気である吸引蒸気は、エンジンから得られる回転力により所要圧に昇圧され、中圧の吐出蒸気として吐出される。

次に、蒸気昇圧装置３からの吐出蒸気が吸収冷凍機に送られて利用される場合、すなわち、前記太陽熱利用蒸気発生システムＡを利用した太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１について説明する。図２は、二重効用システムを構成する太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１のブロック図であり、よく知られているように、吸収器４、高温再生器５Ａ、低温再生器５Ｃ、凝縮器６、蒸発器７を備え、さらに、高温熱交換器８と低温熱交換器９を備える。これら各装置の具体的な構成や機能はよく知られており、説明は省略する。

本発明による二重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１では、さらに、太陽熱利用蒸気発生システムＡの蒸気昇圧装置３から吐出される中圧蒸気が熱源として導入される太陽熱高温再生器５１Ａと、前記太陽熱高温再生器５１Ａを通過した前記中圧蒸気が熱源として導入される太陽熱低温再生器５１Ｃとを備え、また、前記太陽熱高温再生器５１Ａを通過した前記中圧蒸気が熱源として導入される太陽熱溶液熱交換器１０を備える。

この二重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１において、冷媒を吸収して濃度が下がり吸収能力が低下した希溶液は、吸収器４から低温熱交換器９および太陽熱溶液熱交換器１０および高温熱交換器８を通って、前記した太陽熱高温再生器５１Ａに送られる。そこで太陽熱利用蒸気発生システムＡの蒸気昇圧装置３から吐出される中圧蒸気の熱により加熱され、希溶液中の冷媒が蒸発分離される。蒸発した冷媒は低温再生器５Ｃを通過して凝縮器６へ送られる。

冷媒を蒸発分離した溶液は、太陽熱高温再生器５１Ａから高温再生器５Ａに送られ、そこで、従来の吸収冷凍機と同様に、燃焼ガスもしくは蒸気である外部熱により、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。高温再生器５Ａで蒸発した冷媒は低温再生器５Ｃを通過して凝縮器６へ送られる。

溶液は、さらに、高温再生器５Ａから高温熱交換器８を介して、前記した太陽熱低温再生器５１Ｃに送られる。そこには、前記したように、太陽熱高温再生器５１Ａを通過した前記中圧蒸気が熱源として導入されており、その熱を利用して、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。太陽熱低温再生器５１Ｃで蒸発した冷媒は凝縮器６へ送られる。

太陽熱低温再生器５１Ｃで冷媒を蒸発分離した後の溶液は、さらに低温再生器５Ｃに送られ、そこで、従来の吸収冷凍機と同様、低温再生器５Ｃを通過する冷媒蒸気の持つ熱により、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。低温再生器５Ｃで蒸発した冷媒は凝縮器６へ送られる。

低温再生器５Ｃで最終的に冷媒を蒸発分離して高濃度になった濃溶液は、低温熱交換器９を通って熱交換を行った後、吸収器４内に滴下される。また、凝縮器６で凝縮した冷媒は、高真空下にある蒸発器７内に送られ、冷媒液が蒸発する際の気化熱で、冷水を作る。

なお、図示はされていないが、吸収器４からの希溶液が流れるラインが、太陽熱高温再生器５１Ａに連通するラインと太陽熱低温再生器５１Ｃ側に連通するラインとに分岐する「パラレルフロー」タイプや、吸収器４からの希溶液が太陽熱低温再生器５１Ｃを経由してから太陽熱高温再生器５１Ａ側に向かう「リバースフロー」タイプに構成することも可能である。

上記のように、本発明による二重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１では、高温再生器５Ａの外部加熱源として、燃焼ガスもしくは蒸気が用いられるのに加えて、前記太陽熱利用蒸気発生システムＡの蒸気昇圧装置３から吐出される中圧蒸気の熱を補助熱源として用いることにより、高い効率で太陽エネルギーを冷熱へ変換させることができる。

図３は、三重効用システムを構成する太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ２のブロック図である。三重効用吸収冷凍機それ自体は、よく知られてものであり、高温再生器と低温再生器に加えて、さらに中温再生器を用いることで、効率をさらに高めるようにしている。なお、以下の説明では、図２に基づき説明した二重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１と、構造的に異なる点のみを中心に説明し、二重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ１と同じ機能を果たす部材には同じ符号を付して、説明は省略する。

図３に示す三重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ２では、高温再生器５Ａと低温再生器５Ｃに加えて、その中間温度で冷媒の蒸発分離を行う中温再生器５Ｂを備え、また中温熱交換器１１を備える。そして、ここでは、前記した太陽熱高温再生器５１Ａを用いずに、太陽熱中温再生器５１Ｂを採用している。

三重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ２において、太陽熱利用蒸気発生システムＡの蒸気昇圧装置３から吐出される中圧蒸気は、前記太陽熱中温再生器５１Ｂの熱源として送られ、さらに、前記太陽熱中温再生器５１Ｂを通過した前記中圧蒸気は、前記太陽熱低温再生機５１Ｃおよび太陽熱溶液熱交換器１０の熱源として送られる。

この三重効用太陽熱利用吸収冷凍機Ｂ２において、冷媒を吸収して濃度が下がり吸収能力が低下した希溶液は、吸収器４から低温熱交換器９、太陽熱溶液熱交換器１０、中温熱交換器１１および高温熱交換器８を通って、高温再生器５Ａに送られ、そこで、従来の吸収冷凍機と同様に、燃焼ガスもしくは蒸気である外部熱により、冷媒の蒸発分離が進行する。高温再生器５Ａで蒸発した冷媒は中温再生器５Ｂと低温再生器５Ｃを通過して凝縮器６へ送られる。

高温再生器５Ａで一部の冷媒を蒸発分離した溶液は、高温熱交換器８を通って前記した太陽熱中温再生器５１Ｂに送られる。太陽熱高温再生器５１Ｂには、太陽熱利用蒸気発生システムＡの蒸気昇圧装置３から吐出される中圧蒸気が熱源として導入されており、その熱により、溶液からさらに冷媒の蒸発分離が行われる。蒸発した冷媒は必要に応じて設けられるドレン熱交換器１３を通過して凝縮器６へ送られる。

溶液は、太陽熱中温再生器５１Ｂから中温再生器５Ｂに送られ、そこを通過する高温再生器５Ａからの冷媒蒸気の持つ熱により、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。中温再生器５Ｂで蒸発した冷媒は、ドレン熱交換器１３を通過して凝縮器６へ送られる。

中温再生器５Ｂからの溶液は、中温熱交換器１１を介して、前記した太陽熱低温再生器５１Ｃに送られる。そこには、前記したように、太陽熱中温再生器５１Ｂを通過した前記中圧蒸気が熱源として導入されており、その熱を利用して、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。太陽熱低温再生器５１Ｃで蒸発した冷媒は凝縮器６へ送られる。

太陽熱低温再生器５１Ｃで一部の冷媒を蒸発分離した後の溶液は、さらに低温再生器５Ｃに送られ、そこで、従来の吸収冷凍機と同様、低温再生器５Ｃを通過する冷媒蒸気の持つ熱により、さらに冷媒の蒸発分離が進行する。低温再生器５Ｃで蒸発した冷媒は凝縮器６へ送られる。

低温再生器５Ｃで最終的に冷媒を蒸発分離して高濃度となった濃溶液は、ドレン熱交換器１３と低温熱交換器９を通って熱交換を行った後、吸収器４内に滴下される。また、凝縮器６で凝縮した冷媒は、高真空下にある蒸発器７内に送られ、冷媒液が蒸発する際の気化熱で、冷水を作る。

なお、図示はされていないが、吸収器４からの希溶液が流れるラインが、高温再生器５Ａに連通するラインと太陽熱中温再生器５１Ｂに連通するラインと太陽熱低温再生器５１Ｃ側に連通するラインとに分岐する「パラレルフロー」タイプや、吸収器４からの希溶液が太陽熱低温再生器５１Ｃを経由してから太陽熱中温再生器５１Ｂ側に向かい、さらに高温再生器５Ａへと向かう「リバースフロー」タイプに構成することも可能である。

なお、図２あるいは図３に示した太陽熱利用吸収冷凍機Ｂにおいて、低冷房負荷時には、必要以上の外部蒸気や電気、燃料を入力することなく、太陽熱温水のみを熱源として、いわゆる一重効用サイクルとしての運転をすることもできる。すなわち、太陽熱温水を、直接、太陽熱低温再生器５１Ｃおよびまたは太陽熱溶液熱交換器１０へ投入し、一重効用サイクルとして吸収冷凍機を駆動させることもできる。

なお、システム効率の一例を、３つのシステムについて比較すると、次のようになる。
１．［太陽熱＋一重効用］の場合（従来例）、
集熱効率４０％（９０℃取り出し）×一重効用ＣＯＰ０．８＝システム効率３２％
２．［太陽熱＋二重効用］の場合（従来例）、
集熱効率２５％（１５０℃取り出し）×二重効用ＣＯＰ１．５＝システム効率３７．５％
３．［太陽熱＋エゼクター二重効用］の場合（本発明）、
集熱効率３５％（１２０℃取り出し）×エゼクター効率９０％×二重効用ＣＯＰ１．５＝システム効率４７．３％

すなわち、前記した特許文献３に記載の装置のように、太陽熱集熱器から取り出した温水を、そのまま吸収冷凍機に利用する場合に、得られる温水温度が９０℃程度である場合は、一重効用サイクルの吸収冷凍機の熱エネルギーとして利用するのが限度である。一重効用でのＣＯＰは、高くても０．８程度であり、システム効率は３２％程度が限度となる。

特別な設備を施した太陽熱集熱器を用いることにより、二重効用サイクルの吸収冷凍機の熱エネルギーとして利用することのできる１５０℃程度の蒸気を得ることができる。しかし、太陽熱集熱器の集熱効率が２５％程度と低くなり、二重効用でのＣＯＰが１．５程度と高いものの、システム効率３７．５％程度が限度となる。

本発明の太陽熱利用吸収冷凍機では、太陽熱集熱器から１２０℃程度の温水を集熱効率３５％程度で取得して低圧蒸気発生装置で低圧蒸気化し、それを例えばスチームエゼクターである蒸気昇圧装置によって昇圧することにより、二重効用サイクルの吸収冷凍機の熱エネルギーとして利用することのできる中圧蒸気を得るようにしている。そして、蒸気昇圧装置であるスチームエゼクター等の効率は９０％程度と高いことから、４７．３％と高いシステム効率を達成することができる。

Ａ…太陽熱利用蒸気発生システム、
１…太陽熱集熱器、
２…低圧蒸気発生装置の一例としてのフラッシュタンク、
３…蒸気昇圧装置、
３Ａ…スチームエゼクター、
３Ｂ…蒸気タービンコンプレッサ、
３Ｃ…電気式コンプレッサ、
３Ｄ…エンジン駆動コンプレッサ、
Ｂ…太陽熱利用吸収冷凍機、
Ｂ１…二重効用太陽熱利用吸収冷凍機
Ｂ２…三重効用太陽熱利用吸収冷凍機、
４…吸収器、
５Ａ…高温再生器、
５Ｂ…中温再生器、
５Ｃ…低温再生器、
５１Ａ…太陽熱高温再生器、
５１Ｂ…太陽熱中温再生器、
５１Ｃ…太陽熱低温再生器、
６…凝縮器、
７…蒸発器、
８…高温熱交換器、
９…低温熱交換器、
１０…太陽熱溶液熱交換器。

Claims (3)

1. 太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器から得られる温水から低圧蒸気を製造する低圧蒸気発生装置と、前記低圧蒸気発生装置が発生した低圧蒸気を吸引蒸気としより圧力の高い中圧蒸気を吐出する蒸気昇圧装置と、を備えることを特徴とする太陽熱利用蒸気発生システム。
2. 前記蒸気昇圧装置は、スチームエゼクター、蒸気タービンコンプレッサ、電気式コンプレッサ、またはエンジン駆動コンプレッサのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用蒸気発生システム。
3. 請求項１または２に記載の太陽熱利用蒸気発生システムと、吸収器、再生器、凝縮器および蒸発器を少なくとも有する吸収冷凍機とを備え、前記太陽熱利用蒸気発生システムが吐出する中圧蒸気の持つ熱を希溶液からの冷媒蒸発のための熱源として利用することを特徴とする太陽熱利用吸収冷凍機。

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