JP2013221651A - 熱発電及び給湯装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】例えば一般家庭でも設置か可能な規模かつ、低コストとすることができる熱発電及び給湯装置を提供する。
【解決手段】熱発電及び給湯装置1の熱発電機5を冷却する放熱循環機構11が、貯湯槽8に供給される市水に対して予備加熱を行う熱交換器14を備え、熱発電機5で発生した熱を利用して貯湯槽8に供給される市水を加熱する。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽熱を利用して発電を行うとともに、その熱を利用して給湯も行うことができる熱発電及び給湯装置に関する。
近年、自然エネルギーを利用した発電として、太陽光や太陽熱を利用した発電システムが提案されている。
特許文献1には、広範囲に反射鏡を設置してタワー先端の集光部にエネルギーを集め、集光部に集められた熱エネルギーによって反応性の高い化学物質を製造したり、タービンを利用して電気エネルギーを得ることが記載されている。
特許文献2には、太陽光発電や太陽熱発電などの自然エネルギー発電装置に蓄電装置を組み合せた構成が記載されている。特許文献1は、自然エネルギーで得られた電力をバッテリ等の蓄電装置に蓄える構成となっている。
特許文献3には、太陽光と太陽熱を利用したハイブリッド発電システムについて記載されている。特許文献3は、太陽電池パネルと熱発電装置が組み合わされて一の構造体として構成されており、発電された電力を蓄電池に蓄えることができる構成となっている。
特開2010−38370号公報 特開2007−124846号公報 特開2007−81097号公報
特許文献1に記載された太陽熱を利用するシステムでは、エネルギー利用効率は高いものの、得られる温度も1000℃以上の高温であり、また、システム自体も大規模であるために、高コストとなってしまい、一般家庭に設置することは事実上不可能である。
特許文献2、3に記載された自然エネルギー(太陽光、太陽熱)を利用するシステムでは、蓄電池を利用して、自然エネルギーの貯蔵を行っているが、例えば、既存のリチウムイオン電池などではこの種のシステムに十分な容量を持たせようとすると高価となってしまう。また、太陽光、太陽熱発電は昼間のみの発電であるため、深い充放電を繰り返すことに起因するバッテリ負荷が大きいという問題がある。
そこで、本発明は、例えば一般家庭でも設置か可能な規模かつ、低コストとすることができる熱発電及び給湯装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するためになされた請求項1に記載の発明は、太陽熱を集熱する集熱手段と、前記集熱手段が集熱した熱を蓄積する蓄熱手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により発電する熱発電手段と、前記熱発電手段を冷却する冷却手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により所望の温度の湯水を生成する給湯手段と、を備えた熱発電及び給湯装置であって、前記冷却手段が、前記給湯手段に供給される市水に対して予備加熱を行う予備加熱手段を備えていることを特徴とする熱発電及び給湯装置である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記冷却手段が、前記予備加熱手段による予備加熱を行うか否かを切り替える切替手段を備えていることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記予備加熱手段が、熱交換器で構成されていることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の発明において、前記集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、前記複数の反射板には、前記太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて前記集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の発明において、前記集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えているものである。
請求項1に記載の発明によれば、熱発電手段を冷却する冷却手段が、給湯手段に供給される市水に対して予め加熱を行う予備加熱手段を備えているので、熱発電手段で発生した熱を利用して給湯手段に供給される市水を予め加熱することができるため、発電時に発生する廃熱を利用することで、高効率を維持したまま低温運用を実現でき、大規模とならないため、低コストに一般家庭への設置が可能となる。
請求項2に記載の発明によれば、冷却手段が、予備加熱手段を使用するか否かを切り替える切替手段を備えているので、給湯手段が満水時などは予備過熱手段を利用しないで冷却のみを行うようにすることができる。
請求項3に記載の発明によれば、予備加熱手段が、熱交換器で構成されているので、熱発電手段で発生した熱を利用して効率良く市水などを加熱することができる。
請求項4に記載の発明によれば、集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、複数の反射板には、太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられているので、常に太陽の向きに追従して反射板が駆動されて効率的に集熱体に太陽光を集めることができる。
請求項5に記載の発明によれば、集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えているので、リニアフレネルレンズにより、太陽の位置によらず太陽光を効率的に集熱体に集めることができる。また、集熱体に太陽熱を集熱するための駆動機構等が不要となるため、構成が単純となり低コストかつ耐久性に優れた構造を実現することができる。
本発明の第1の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置の構成図である。 図1に示された太陽熱パネルの斜視図である。 図2に示された太陽熱パネルの断面図である。 本発明の第2の実施形態にかかる太陽熱パネルの斜視図である。 図4に示された太陽熱パネルの断面図である。
(第1実施形態)
次に、本発明の第1の実施形態を図1ないし図3を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置の構成図である。
本発明の第1の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置1は、図1に示すように、太陽熱パネル2と、熱媒体循環部3と、蓄熱槽4と、熱発電機5と、パワーコンディショナー6と、貯湯槽8と、温調加熱部9と、加熱水管10と、放熱循環機構11と、放熱機12と、放熱ファン13と、熱交換器14と、市水供給部15と、予備加熱水供給部16と、を備えている。
集熱手段としての太陽熱パネル2は、図2に示すように、集熱体2aと、マイクロヘリオスタットアレイ2bと、を備えている。集熱体2aは、内部に溶融塩などの高熱でも変質しにくい媒体が封じ込められており、太陽熱を集熱し、熱媒体循環部3への運搬が行われる。なお、媒体は油などの液体や気体でもよい。
マイクロヘリオスタットアレイ2bは、図3に示したように複数の反射板であるミラー2b1がアレイ状、つまり、複数行×複数列に並べられており、各ミラー2b1には、ミラー2b1を駆動する駆動手段としての駆動部2b2を備えている。また、太陽熱パネル2は、一般住宅の屋根等に設置可能なサイズに形成されており、ミラー2b1も、勿論太陽熱パネル2に収容可能なサイズとなっている。また、ミラー2b1の数は、太陽熱パネル2のサイズや必要とするエネルギー密度等に応じて適宜決定すればよい。
各ミラー2b1は、太陽熱パネル2の周辺部に設けられた集熱体2aに向けて太陽光を反射するために姿勢、つまり、太陽に対する角度が制御されるが、その姿勢の制御は、例えば、以下に説明する周知のカレンダー式またはセンサー式或いは双方を組み合せた方式によって行えばよい。
カレンダー式は、ミラー2b1の座標、集熱体の座標、太陽の方向ベクトルからミラー2b1の方向ベクトルを計算し、その方向を向くように姿勢を制御する方法のうち、太陽の方向ベクトルを緯度、経度、時刻から計算によって求める方法である。この計算は太陽熱パネル2内に設けられた図示しないCPU等によってミラー2b1ごとに独立して行ってもよいし、複数のミラー2b1を一括して行ってもよい。
センサー式は、各ミラー2b1に備え付けられた図示しない反射光センサーによりミラー2b1の姿勢を制御する方法である。なお、反射光センサーはミラー2b1ごとに設けてもよいし、複数のミラー2b1をグループ化してグループごとに設けてもよい。
各ミラー2b1の制御は、CPUや反射光センサー等の情報を駆動部2b2が受信して集熱体2aに向かって太陽光を反射するようにミラー2b1を駆動する(ミラー2b1の角度を調整する)ことで行われる。即ち、カレンダー式ではCPUが太陽検出手段に相当し、センサー式では反射光センサーが太陽検出手段に相当する。
熱媒体循環部3は、後述する蓄熱槽4と太陽熱パネル2とを結ぶ配管とポンプ3aを備えている。熱媒体循環部3は、例えばシリコンオイル等の熱媒体をポンプ3aにより太陽熱パネル2と蓄熱槽4との間を循環させて、太陽熱パネル2で集めた熱を蓄熱槽4に伝達する。
蓄熱手段としての蓄熱槽4は、熱媒体循環部3によって伝達された熱を蓄積する。蓄積された熱は、必要に応じて後述する熱発電機5に供給する。
熱発電手段としての熱発電機5は、蓄熱槽4から供給された熱を利用して発電する発電機であり、例えば、熱を熱電素子に供給して発電する方式や、熱により発生した蒸気でタービンを回転させて発電する方式等の周知の方式を用いればよい。
パワーコンディショナー6は、熱発電機5で発電された直流電力を交流電力に変換してコンセントなどの負荷7に供給する。
給湯手段としての貯湯槽8は、後述する熱交換器14で予め加熱された市水を貯めるとともに、後述する温調加熱部9によって貯められている湯水が一定温度に維持するように加熱される。即ち、蓄熱槽4に蓄積された熱により所望の温度の湯水が生成される。
温調加熱部9は、貯湯槽8と蓄熱槽4とを結ぶ配管とポンプ9aを備えている。温調加熱部9は、例えばシリコンオイル等の熱媒体をポンプ9aにより蓄熱槽4と貯湯槽8との間を循環させて、蓄熱槽8に蓄積された熱を貯湯槽8に伝達して一定温度を維持するように加熱する。また、温調加熱部9では、貯湯槽8の湯水を蓄熱槽4に循環させて加熱するようにしてもよい。
加熱水管10は、例えば住宅の浴槽、シャワー、等に加熱水(湯水)を供給するための配管とポンプ10aを備えている。
放熱循環機構11は、熱発電機5での発電時に発生する熱を放熱(冷却)するための冷却水などの放熱用循環媒体を後述する放熱機12や熱交換器14を介して循環させるための配管とポンプ11aと三方弁11bを備えている。ポンプ11aは、放熱用循環媒体を循環させるためのポンプである。
切替手段としての三方弁3bは、放熱用循環媒体を放熱機12と熱交換器14を介して循環させるか、熱交換器14のみを介して循環させるかを切り替える弁であり、熱交換器14を利用して市水を予め加熱する場合は、熱交換器14のみを介する配管に切り替え、熱交換器を利用しない場合は、放熱用循環媒体を放熱機12と熱交換器14を介する配管に切り替える。即ち、三方弁3bは、熱交換器14により予め加熱を行うか否かを切り替える。
放熱機12は、放熱循環機構11を循環する放熱用循環媒体の熱を大気中に放熱して冷却する。また、放熱機12に加えて放熱ファン13を使用して放熱用循環媒体を冷却してもよい。
予備加熱手段としての熱交換器14は、放熱循環機構11を循環する放熱用循環媒体と後述する市水供給部15から供給される市水との熱交換を行い市水を予め加熱(予備加熱)する。
即ち、放熱循環機構11と放熱循環機構11の配管が接続される放熱機12および熱交換器14で冷却手段を構成する。
市水供給部15は、外部から市水を熱発電及び給湯装置1に供給する。なお、市水とは、公営水道から供給される水に限らず井戸水等上述した住宅等で湯水として使用可能な熱発電及び給湯装置1の外部から供給される水を示す。
予備加熱水供給部16は、熱交換器14と貯湯槽8を結ぶ配管や弁16aを備え、熱交換器14で予備過熱された市水(予備加熱水)を貯湯槽8に供給する。弁16aは、貯湯槽8が満水の際に予備加熱水の供給を停止させる。
上述した構成の熱発電及び給湯装置1は、太陽熱パネル2で集めた熱を蓄熱槽4に蓄積する。蓄熱槽4には例えば150℃程度の熱が蓄積され、熱発電機5での発電に用いられる。発電された電力は、パワーコンディショナー6を介して負荷7に電力が供給される。一方、蓄熱槽4に蓄積された熱は、貯湯槽8に貯められている湯水の温調加熱にも用いられる。
熱発電機5では、発電に用いる熱電素子やタービン等に冷却が必要であり、そのための冷却水(放熱用循環媒体)を放熱循環機構11によって熱発電機5外の冷却装置へ循環させている。上述した構成では、貯湯槽8に湯水が満水になるまでは、熱交換器14を使用する。つまり、図1で、熱発電機5、三方弁11b、熱交換器14、ポンプ11a、熱発電機5の経路で放熱用循環媒体が循環するように三方弁を切り替える。この場合、放熱用循環媒体は熱交換器14で市水と熱交換がされることで冷却され、市水は熱交換された熱で加熱される。このように、市水は貯湯槽8で加熱される前に予備的に過熱され貯湯槽8に貯められる。
貯湯槽8が満水の場合は、弁16aを閉じて予備加熱水を貯湯槽8に貯めないようにするととともに、放熱機12を利用して放熱(冷却)を行いながら発電を継続する。つまり、図1で、熱発電機5、三方弁11b、放熱機12、熱交換器14、ポンプ11a、熱発電機5の経路で放熱用循環媒体が循環する。この際、熱交換器14は機能しないようにしてもよいし、放熱機12の放熱性能が十分でない場合は熱交換器14によって放熱機12や放熱ファン13の補助を行わせてもよい。
そして、貯湯槽8に貯められた湯水は、必要に応じて住宅の浴槽、シャワー、等に給湯される。
本実施形態によれば、熱発電機5を冷却する放熱循環機構11が、貯湯槽8に供給される市水に対して予備加熱を行う熱交換器14を備えているので、熱発電機5で発生した熱を利用して貯湯槽8に供給される市水を加熱することができるため、発電時に発生する廃熱を利用した所謂コージェネレーション構成により高効率を維持したまま低温運用を実現でき、大規模とならないため、低コストに一般家庭への設置が可能となる。
また、市水に対して予備加熱を行うので、温調加熱部9による加熱に要するエネルギーを低減することができ、蓄熱槽4に蓄積された、より多くの熱を発電に利用することができる。
また、発電は、蓄積された熱により行うため集熱が可能な日中に限らず夜間も継続して行うことができる。さらに、自家消費状態に応じて発電量を可変することで、よりインフラへの負荷を軽減することができる。
また、放熱循環機構11が、熱交換器14を使用するか否かを切り替える三方弁11bを備えているので、貯湯槽8が満水時などは熱交換器14を利用しないで冷却のみを行うようにすることができる。
また、太陽熱パネル2が、太陽の位置を検出するセンサーと、太陽光からの熱を集熱する集熱体2aと、集熱体2aに向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数のミラー2b1と、を備え、複数のミラー2b1には、センサーが検出した太陽の位置に基づいて集熱体2aに向かって太陽光を反射するように駆動する駆動部2b2がそれぞれ設けられているので、常に太陽の向きに追従してミラー2b1が駆動されて効率的に集熱体2aに太陽光を集めることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を図4および図5を参照して説明する。なお、前述した第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、太陽熱パネル2の構成が第1の実施形態と異なる。本実施形態の太陽熱パネル2´は、マイクロへリオスタットアレイ2bに代えてリニアフレネルレンズ2cを備えている。
リニアフレネルレンズ2cは、集熱体2aの前面(太陽光が入射する側)に位置付けられ、太陽光を集熱体2aに集中させる。リニアフレネルレンズ2cは、透明な板にノコギリ歯状の溝が形成されており、凸レンズを平面化した周知のレンズである。
上述した構成の太陽熱パネル2´は、図5に示したように、朝夕と昼間で太陽の揚角が変わっても集熱体2aに太陽光(太陽熱)を集中させることができる。
本実施形態によれば、太陽熱パネル2´が、太陽光からの熱を集熱する集熱体2aと、集熱体2aに向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズ2cと、を備えているので、リニアフレネルレンズ2cにより、太陽光を効率的に集熱体2aに集めることができる。また、駆動機構等が不要なため、構成が単純となり低コストかつ耐久性に優れた構造を実現することができる。
なお、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1 熱発電及び給湯装置
2、2´ 太陽熱パネル(集熱手段)
2a 集熱体
2b1 ミラー(反射板)
2b2 駆動部(駆動手段)
2c リニアフレネルレンズ
4 蓄熱槽(蓄熱手段)
5 熱発電機(熱発電手段)
8 貯湯槽(給湯手段)
11 放熱循環機構(冷却手段)
11b 三方弁(切替手段)
12 放熱機(冷却手段)
14 熱交換器(予備加熱手段)

Claims (5)

  1. 太陽熱を集熱する集熱手段と、前記集熱手段が集熱した熱を蓄積する蓄熱手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により発電する熱発電手段と、前記熱発電手段を冷却する冷却手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により所望の温度の湯水を生成する給湯手段と、を備えた熱発電及び給湯装置であって、
    前記冷却手段が、前記給湯手段に供給される市水に対して予め加熱を行う予備加熱手段を備えていることを特徴とする熱発電及び給湯装置。
  2. 前記冷却手段が、前記予備加熱手段により予め加熱を行うか否かを切り替える切替手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の熱発電及び給湯装置。
  3. 前記予備加熱手段が、熱交換器で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱発電及び給湯装置。
  4. 前記集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、
    前記複数の反射板には、前記太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて前記集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられている
    ことを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の熱発電及び給湯装置。
  5. 前記集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えていることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の熱発電及び給湯装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016074319A1 (zh) * 2014-11-10 2016-05-19 江苏创兰太阳能空调有限公司 一种太阳能中央空调
WO2017054232A1 (zh) * 2015-10-02 2017-04-06 魏晓敏 太阳能热水器

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