JP2013227923A

JP2013227923A - 太陽熱集熱器を利用した発電システム

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Publication number: JP2013227923A
Application number: JP2012100554A
Authority: JP
Inventors: Homei Kyo; 放鳴共
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: JP5984481B2

Abstract

【課題】太陽熱集熱器によって得られる熱エネルギーの有効活用を企図するための発電システムを提供する。
【解決手段】直列に接続され、熱媒体を貯留するための複数基の貯槽（１２）と、各貯槽にそれぞれ接続された１又は複数基の太陽熱集熱器（１４）とを備え、貯槽のうち最端部に位置する貯槽が、発電機（２０）に接続されたタービン（１８）又は蒸気エンジンに、第１管路（２２）を介して接続されており、太陽熱集熱器において収集された熱エネルギーによって加温され、貯槽に貯留された熱媒体をタービン又は蒸気エンジンに供給することにより、発電を行うように構成されていることを特徴とする発電システム（１０）が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、太陽熱集熱器を利用した発電システムに関する。より詳細には、本発明は、太陽熱集熱器によって得られた熱エネルギーの有効活用を可能にする発電システムに関する。

太陽の熱エネルギーを有効に活用する装置として、太陽熱集熱器が知られている。太陽熱集熱器は一般的に、家屋の屋根に設置した集熱器で太陽エネルギーを取得し、取得した太陽エネルギーで熱媒体を加温することによって得られる熱を融雪、暖房、風呂、ロードヒーティング、ビニルハウスなどの種々の用途に活用するものであり、二酸化炭素の排出等のない、環境に優しいエネルギー取得方法であるため、一般家庭においても普及が進んでいる。

本発明は、太陽熱集熱器によって得られる熱エネルギーの有効活用を企図するために開発されたものであって、太陽熱集熱器を利用した発電システムを提供することを目的としている。

本願請求項１に記載の発電システムは、直列に接続され、熱媒体を貯留するための複数基の貯槽と、各貯槽にそれぞれ接続された１又は複数基の太陽熱集熱器とを備え、前記貯槽のうち最端部に位置する貯槽が、発電機に接続されたタービン又は蒸気エンジンに、第１管路を介して接続されており、前記太陽熱集熱器において収集された熱エネルギーによって加温され、前記貯槽に貯留された熱媒体を前記タービン又は前記蒸気エンジンに供給することにより、発電を行うように構成されていることを特徴とするものである。

本願請求項２に記載の発電システムは、前記請求項１のシステムにおいて、前記各貯槽に、貯槽に貯留された熱媒体を加熱及び加圧するための加熱手段及び加圧手段が設置されていることを特徴とするものである。

本願請求項３に記載の発電システムは、前記請求項１又は２のシステムにおいて、前記タービン又は前記蒸気エンジンと、前記タービン又は前記蒸気エンジンに接続された太陽熱集熱器と反対側の最端部に位置する太陽熱集熱器とが、第２管路によって接続されていることを特徴とするものである。

本発明の発電システムによれば、複数の貯槽を直列に接続して、蒸気又は高温高圧の温水を得ることにより、クリーンエネルギーで発電を行うことが可能になる。本発明の発電システムでは、貯槽が直列に配置されているため、熱媒体を効率的に加温することが可能になる。本発明の発電システムは、構造が簡単であるため、製造コストが廉価であり、故障が少なく、維持管理も低コストで行うことができる。

本発明の好ましい実施の形態に係る発電システムの全体を概略的に示した模式図である。図１の発電システムに使用される太陽熱集熱器の一例を示した図である。１基の貯槽に６基の太陽熱集熱器が接続されている例を示した斜視図である。

次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る太陽熱集熱器を利用した発電システム（以下、単に「発電システム」という）について説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る発電システムの全体を模式的に示した図である。図１において全体として参照符号１０で示される本発明の好ましい実施の形態に係る発電システムは、直列に接続され、熱媒体を貯留するための複数基（図１では、３基）の貯槽１２と、各貯槽１２にそれぞれ接続された１又は複数基（図１では、２基）の太陽熱集熱器１４とを備えている。

太陽熱集熱器１４としては、家屋の屋根上に配置される、通常の自然循環式のものを使用してよい。すなわち、太陽熱集熱器１４は、太陽の熱エネルギー（集熱エネルギー）により水を加温するパネル状の集熱部１４ａを有し、集熱部１４ａからの集熱エネルギーにより加温された温水を貯槽１２に供給するようになっている。

図２は、太陽熱集熱器１４の一例を模式的に示した斜視図である。図２において、参照符号１４ａ１、１４ａ２、１４ａ３は、第１ヘッダー流路、第２ヘッダー流路、第１ヘッダー流路と第２ヘッダー流路とを連結する連結流路をそれぞれ示している。また、参照符号１４ａ４、１４ａ５は、第１ヘッダー流路１４ａ１と貯槽１２とを連結する連結流路、第２ヘッダー流路１４ａ２と貯槽１２とを連結する連結流路を示している。集熱部１４ａは、表面が透光性材料で形成されたケース１４ｂに収納されている。なお、太陽熱集熱器１４は、図２に示される型式のものに限定されず、他の型式のものを採用してもよい。

発電システム１０はまた、各貯槽１２を直列に接続する接続配管１６ａ、１６ｂを備えている。すなわち、図１において、最も左側に位置する貯槽（以下「第１貯槽」という）１２と真中に位置する貯槽（以下「第２貯槽」という）１２が第１接続配管１６ａによって接続されており、第２貯槽１２と最も右側に位置する貯槽（以下「第３貯槽」という）１２が第２接続配管１６ｂによって接続されている。

好ましくは、接続配管１６ａ、１６ｂには、弁１６ａ１、１６ｂ１がそれぞれ配置されており、接続配管１６ａ、１６ｂの流体連通を遮断できるようになっている。

また、好ましくは、各貯槽１２には、貯槽１２に貯留された熱媒体を加熱及び加圧するための加熱手段及び加圧手段（いずれも図示せず）が設置されている。加熱手段及び加圧手段は、公知の型式のものを使用してよい。

発電システム１０はまた、タービン１８を備えており、タービン１８には、発電機２０が連結されている。なお、タービン１８および発電機２０は、通常の型式のものを使用してよい。

発電システム１０はさらに、第３貯槽１２とタービン１８を連結する第１管路２２と、タービン１６と第１貯槽１２とを連結する第２管路２４とを備えている。なお、第１管路２２には、第３貯槽１２とタービン１６との流体連通を遮断する弁２２ａが配置されており、第２管路２４には、水を強制的に循環させるためのポンプ２４ａが設けられている。

以上のように構成された発電システム１０の作動の１つの態様について説明する。第１貯槽１２に接続された太陽熱集熱器１４において集熱エネルギーにより水が加温されて温水が得られ、貯槽１２に貯留される（水の温度がＴ₀ からＴ₁ になったものとする）。この状態で弁１６ａ１と弁２２ａを閉鎖すると、第２貯槽１２および第３貯槽１２が閉鎖状態になり、第２貯槽１２および第３貯槽１２に接続された太陽熱集熱器１４では、太陽熱エネルギーを更に吸収して温水の温度が上昇する（温水の温度がＴ₁ からＴ₂ になったものとする）。この状態で弁１６ｂ１と弁２２ａを閉鎖すると、第３貯槽１２が閉鎖状態になり、第３貯槽１２に接続された太陽熱集熱器１４では、太陽熱エネルギーを更に吸収して温水の温度が上昇する（温水の温度がＴ₂ からＴ₃ になったものとする）。しかる後、弁２２ａを開放して、温度Ｔ₃ の温水又は蒸気をタービン１８に供給して発電機２０を作動させ発電を行う。そして、発電された電力を公知の態様で送電したり蓄電したりすることによって所望の用途に使用する。上記温度において、Ｔ₀ ＜Ｔ₁ ＜Ｔ₂ ＜Ｔ₃ が成り立つ。なお、貯槽１２に加熱手段及び加圧手段が設置されている場合には、貯槽１２内を加熱及び加圧することにより、より効率的に温水を加温することができる。

次に、本発明の発電システムの効果について検証する。
我が国の年間平均日射量は、１７５０時間／年であるといわれている。
単位面積当たりの日射量による発電量は１ｋＷ／m²であるが、受光面の傾斜による損失を３０％と仮定すると、単位面積当たりの日射量による発電量は、
１ｋＷ／m²×０．７＝０．７ｋＷ／m²
とすることができる。
従って、我が国の年間平均日射量によって得られる単位面積当たりの発電量は、
０．７ｋＷ／m²×１７５０時間＝１２２５ｋＷｈ／m²
となる。
これにより、１台の太陽熱集熱器により発電可能な単位面積当たりの年間発電量は、
２．４m²（集熱面積）×１２２５ｋＷｈ／m²＝２９４０ｋＷｈ
となる。
太陽熱集熱器の熱転換効率（実測値）が６１％であるので、１台の太陽熱集熱器により発電可能な単位面積当たりの年間発電量は、
２９４０ｋＷｈ×０．６１＝１７９３ｋＷｈ
となる。
一方、現時点で普及している太陽光発電システムの熱転換効率は、１０％程度であるといわれており、熱転換効率が２０％の高性能太陽光発電システムは、高価であるため、一般的には普及していない。また、太陽光パネルは、経年劣化により発電効率が低下していき、耐用年数も長くはない。
従って、熱転換効率が６１％の太陽熱集熱器は、熱転換効率が１０％の太陽光発電システムと比較して、６倍強の熱転換効率を有しており、そのうえ、太陽熱集熱器の耐用年数は、１５年以上であるといわれている。
これらの点を参酌すると、太陽熱集熱器を使用する本発明の発電システムは、既存の太陽光発電システムと比較して、コスト面及びシステムの構造面（システムの構造が簡単である）において有利であると考えられる。

本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

たとえば、前記実施の形態に示した太陽熱集熱器１４は例示的なものにすぎず、他の型式の集熱器を使用してもよい。また、前記実施の形態では、３基の貯槽１２が配置されているが、貯槽１２の配置基数を２基にしてもよく、或いは４基以上にしてもよい。また、前記実施の形態では、１基の貯槽１２にそれぞれ２基の太陽熱集熱器１４が接続されているが、１基の貯槽１２に３基以上の太陽熱集熱器１４を接続してもよい（図３には、１基の貯槽１２に６基の太陽熱集熱器１４が接続された例が示されている）。さらに、前記実施の形態では、熱媒体として水が使用されているが、水の代わりに、他の適当な流体（例えば、不凍液、空気など）を熱媒体として使用してもよい。

さらに、前記実施の形態では、タービン１８が用いられているが、タービン１８の代わりに蒸気エンジン等を用いてもよい。

１０発電システム
１２貯槽
１４太陽熱集熱器
１４ａ集熱部
１４ｂケース
１６ａ、１６ｂ接続配管
１８タービン
２０発電機
２２第１管路
２２ａ弁
２４第２管路
２４ａポンプ

Claims

太陽熱集熱器を利用した発電システムであって、
直列に接続され、熱媒体を貯留するための複数基の貯槽と、
各貯槽にそれぞれ接続された１又は複数基の太陽熱集熱器とを備え、
前記貯槽のうち最端部に位置する貯槽が、発電機に接続されたタービン又は蒸気エンジンに、第１管路を介して接続されており、
前記太陽熱集熱器において収集された熱エネルギーによって加温され、前記貯槽に貯留された熱媒体を前記タービン又は前記蒸気エンジンに供給することにより、発電を行うように構成されていることを特徴とする発電システム。
前記各貯槽には、貯槽に貯留された熱媒体を加熱及び加圧するための加熱手段及び加圧手段が設置されていることを特徴とする請求項１に記載された発電システム。
前記タービン又は前記蒸気エンジンと、前記タービン又は前記蒸気エンジンに接続された太陽熱集熱器と反対側の最端部に位置する太陽熱集熱器とが、第２管路によって接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載された発電システム。