JP2013242082A - ハイブリッド型電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、極力一般の商用電源を使用せずに、自前の電力で賄うことができ、しかも防災対策の面からも高評価できるハイブリッド型電力供給システムを提供することを目的とする。
【解決手段】内部が真空とされたガラス管中に熱媒用管と集熱板とを設けて形成された集熱管を複数並設して構成され、集熱部と、太陽熱温水器と、電熱ヒーターと、風力発電機及び／または太陽光発電機と、風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力が充電される蓄電池と、風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力の送出先をコントロールするコントローラと、雨水を浄水して貯留する防災用雨水貯蔵タンクと、太陽熱温水器により生成された温熱水の熱エネルギーを利用して蓄熱する蓄熱槽とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱温水器、風力発電機および太陽光発電機などを併用したハイブリッド型電力供給システムに関するものである。

従来より、太陽光による熱を利用して温熱水を生成するいわゆる太陽熱温水器は、一般に知られており、また電力節電要請の趣旨にも添うため、よく利用されている。そして、近年でのエコ節電を奨励する時流によって風力発電機や太陽光発電機の利用度も年々向上してきている。

ここで、まず、太陽熱温水器の従来構成の概略を説明すると、いわゆるガラス管の外周に集熱材料を塗布して、集熱管とし、この集熱管を複数並設すると共に、並設した複数の集熱管で太陽熱を吸収して、前記集熱管内の水を熱し、先端側に連通部を設けて、集熱管内と連通した貯湯タンク内の水との間で、温水と冷水の重力差を利用して前記貯湯タンク内の水を循環させ、最終的に温熱水を生成するものである。

しかしながら、前記従来の太陽熱温水器では、前記貯湯タンク内の水によって熱交換を行うために熱交換効率が悪く、温熱水として使用するまで時間がかかるとの課題がある。

また、貯湯タンク内の水と集熱管内の水とが連通して直結しているため、温度が下がる夜間になると、集熱管が外気で冷やされ、熱が前記集熱管の箇所から逃げやすいとの課題もある。

さらに、前記貯湯タンク内には水圧をかけられないため、温熱水の送出口となる出口側の水圧は高圧とすることが出来ず、もっていわゆる従来の電力供給は高所に設置しておき、この高所からの落水方式で温熱水を送出して使用する使用方法を採っているのが現状である。

また、前述した複数の集熱管のうち、例えば、１つの集熱管が割れてしまうなどで1つの集熱管が破損すると、貯湯タンク内と複数個の集熱管内とは連通しているため、内部の水は前記の破損部分から全部漏れて使えなくなってしまったり、さらには従来型太陽熱温水器の長期間の使用では、集熱管の内部に大量の水垢が残り、そのため集熱効率が低下しまうが、その水垢の清除が難しいとの課題があった。

よって、近年では、いわゆる真空型電力供給が主流となってきている。ここでいわゆる真空型太陽熱温水器の構成の概略について説明すると、まず、集熱管には内部が真空に形成されたヒートパイプ型集熱管を使用する。

すなわち、貯湯タンク内と集熱管内とを連通させないタイプで、集熱管の端部を前記貯湯タンクの一端面に当接させ、その部分で、いわゆる間接的に貯湯タンク内の水を熱する構造としている。

すなわち、本発明で採用する太陽熱温水器では、真空に形成された集熱管が太陽エネルギーを効率よく集熱し、伝熱効率が高いヒートパイプの原理に基づく熱交換により水を熱する構造を採用する。

また、真空に形成された集熱管は、いわゆる魔法瓶の原理と同様で、太陽光の弱い冬場でも外気温に影響されにくく、貯湯タンク内の熱水を冷やすこともない。

そして、貯湯タンクは、水道管に直結できるためいわゆる高水圧が必要な給湯やシャワーなどにも利用可能となる。さらには、貯湯タンク内には空気が入らないため、生成した温熱水を衛生的に管理できる。

まず、真空に形成された集熱管内には熱溶媒（例えば熱媒液）が密閉封入されている。そして、この熱媒液が、太陽の日射エネルギーによって、ガラス管である集熱管の内面から例えばアルミ伝熱フィンへ、そしてヒートパイプ、さらには銅管内熱媒、すなわち熱媒液の順に伝熱し、最終的に熱媒液は、気化して蒸気となる。

蒸気となった熱媒液は、貯湯タンク内の水と熱交換され、凝縮(再度液化)する。このときの凝縮熱によって貯湯タンク内の水を加熱することになる。
この現象を順次繰り返し行うことで、貯湯タンク内の水が加熱されるのである。
大気圧100℃の水の持つエネルギーは約100(kcal/kg)に対して、大気圧100℃の蒸気の持つエネルギーは約540(kcal/kg)といわれており、水に戻るときに、蒸気の持つエネルギーを凝縮熱として放出し加熱する。よって、「蒸気」対「水」の熱伝達は、「水」対「水」の熱伝達に比較して、約５倍程度の熱伝達係数があり、もって非常に熱伝達効率がよく、前記銅管の伝熱面積が小さくても、貯湯タンク内を充分に加熱することが可能とされているのである。

ところで、近年、災害から生じた電力事情の変化に伴い、例えば小型の風力発電機や小型の太陽光発電機を前記太陽熱温水器とともに、たとえば個人的な家屋においても装備する傾向が高まっており、これらの発電機から得られた発電電力を極力自前の電力として利用し、いわゆる商用電力については、これをなるべく使用せずに節電し、もって極力地産地消の体制を図って商用電力の節電取り組みを行うことが提唱され、該提唱の輪の広がりが、にわかに注目を集めている。

また、近年では集合住宅においても個人住宅においても防災対策に取り組んだ住宅構成が徐々に浸透してきており、たとえば降水した雨水をそのまま消失させるのではなく、なるべく該雨水を防災用雨水貯蔵タンクなどに貯留しておき、その雨水を浄化剤で浄化した後、たとえばシャワーや風呂など飲料水以外の生活用水に使用するなどの工夫が住宅建設の際、あるいは建設後に装備されるようになってきている。

特開平０５−７９７０６号公報

かくして、本発明は、近年盛んに提唱されている商用電力についての節電対策のためのいわゆる地産地消型電力供給システム作りの一環として創案されたものであり、極力一般の商用電源を使用せずに、自前の電力で賄うことができ、しかも防災対策の面からも高評価できるハイブリッド型電力供給システムを提供することを目的とするものである。

本発明によるハイブリッド型電力供給システムは、
内部が真空とされたガラス管中に熱媒用管と集熱板とを設けて形成された集熱管を複数並設して構成され、太陽熱を集熱する集熱部と、該集熱部で集熱された太陽熱により、収納された水が温熱水化されて貯留される温熱水部と、により構成された太陽熱温水器と、
前記温熱水部内に挿入され、内部の温熱水を熱する電熱ヒーターと、
風力発電機及び／または太陽光発電機と、
前記風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力が充電される蓄電池と、
前記風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力の送出先をコントロールするコントローラと、
雨水を浄水して貯留する防災用雨水貯蔵タンクと、
前記太陽熱温水器により生成された温熱水の熱エネルギーを利用して蓄熱する蓄熱槽と、
を備えた、
ことを特徴とし、
または、
前記蓄熱槽で蓄熱された熱エネルギーは、パネルヒーターの電熱源として利用され、あるいは発電機としてのスターリングエンジンの動力源に利用される、
ことを特徴とし、
または、
前記コントローラは、前記防災用貯蔵タンク内の浄水を非常時に送出するポンプ、および太陽熱温水器４で温熱水が生成されたとき、該温熱水を蓄熱槽へ送出するポンプなどの作動電力を供給し、風力発電機や太陽光発電機が発電した発電電力を家庭用交流電力として室内の電化製品に電力供給できるよう構成した、
ことを特徴とするものである。

本発明によるハイブリッド型電力供給システムであれば、太陽熱温水器と共に、風力発電機や太陽光発電機、並びに蓄熱槽を併設して、これらの発電電力や熱エネルギーを無駄なく使用できるシステムを構築できると共に、例えば、寒冷地に設置され、太陽熱の取り込みが比較的不充分になりがちな地域にあっても、前記併設された各種発電機からの発電電力を例えば予備的に使用できて太陽熱温水器で温熱水を生成でき、もって、いかなる地域においても太陽熱温水器からの温熱水を安価なコストで供給できると共に、近年盛んに提唱されている商用電力節電のための電力供給システム作りの一環として、極力一般の商用電源を使用せずに、自前の電力で賄うことができ、しかも防災対策の面からも高評価できるシステムであるとの優れた効果を奏する。

本発明に係るハイブリッド型電力供給システムの概略構成を示す説明図である。 本発明によるハイブリッド型太陽熱温水器の概略構成を説明する説明図である。 本発明に係るハイブリッド型電力供給システムの概略構成を示すブロック図である。 従来の太陽熱温水器の概略構成を説明する説明図である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の概略構成を説明する説明図である。

符号１は、本発明による集熱管を示し、該集熱管１の詳細については図示していないが、内部が真空とされたガラス管中に熱媒液が封入された熱媒用管と集熱板とが設けられて形成されている。

そして、この集熱管１を複数本並設して太陽熱を集熱する集熱部２が構成される。

また、符号３は、集熱部２で集熱された太陽熱の熱により、収納された水が温熱水化されて貯留される貯湯タンクである温熱水部であり、本発明の太陽熱温水器４は、基本的に前記集熱部２と温熱水部３とにより構成される。

また、符号５は、前記太陽熱温水器４に併設された風力発電機であり、図示されているいわゆる垂直軸型風車６が風を受けて回転することにより発電電力が生成される。なお、ここでは場所を取らずに設置でき、比較的微風でも回転して効率的に発電する前記垂直軸型風車６を使用しているが、この風車に限定されるものではなく、ほかの構成からなる風車を使用しても構わないものである。

符号７は、太陽光発電機を示し、太陽光パネルで太陽光を受光し、発電電力が生成できるものとされている。当該太陽光発電機７についても、近年では急速に普及しており、本発明のシステムにおいても太陽熱温水器４に近接して設置されることが多い。

符号８はコントローラを示し、該コントローラ８は、場合によっては内設されているＡＣ／ＤＣ変換器９を介して、前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電した電力を蓄電池１０に随時送出できるよう構成されている。

なお、前記蓄電池１０がフル充電の状態になったときには、前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力を蓄電池１０に送出しても充電されない。 しかし、それは、折角発電した前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力が、全く無駄になってしまうことをも意味する。

従って、このような場合、コントローラ８を操作して、折角発電した前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力が無駄にならないよう、これら発電機からの発電電力を太陽熱温水器４側に送出するよう構成されているのである。すなわち、前記太陽熱温水器４の温熱水部３内には図示するように電熱ヒーター１３が取り付けられており、例えば、蓄電池１０がフル充電の状態になったときには、前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力を前記電熱ヒーター１３に使用するよう構成するのである。

しかして、これらの制御は前述したようにコントローラ８で行うものとなる。コントローラ８の構成につき図３を参照して説明すると、コントローラ８には前述したＡＣ／ＤＣ変換器９のほか、蓄電池１０からのフル充電状態を検出する検出信号１１を入力して蓄電池１０のフル充電状態を確認するフル充電状態確認部１２を有し、また前記フル充電状態確認部１２でフル充電状態確認がなされたとき、風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力の送出先を蓄電池１０側から前記電熱ヒーター１３側へ切り替える送出先切り替え部１４を有して構成されている。

例えば、強風時などのときは、垂直軸型風車６は急速に勢いよく回転し、これにより風力発電機５は強力に発電稼働して、大量の発電電力が蓄電池１０へ送出される。すると、蓄電池１０は直ちにフル充電状態となり、その後は風力発電機５側から発電電力が蓄電池１０側へ送出されても充電されずに、その風力発電機５側からの発電電力が無駄になってしまう事態が生ずる。

したがって、このときフル充電確認部１２は、蓄電池１０のフル充電状態を検知し、発電電力の送出先をスムーズに切り替えるべく、切り替え信号を送出先切り替え部１４に送り、該送出先切り替え部１４では、発電電力の送出先を速やかに蓄電池１０側から電熱ヒーター１３側に切り替えて発電電力を送出するものとなる。

すると、電熱ヒーター１３は太陽熱温水器４の温熱水部３内の温熱水を加熱する電力として使用されるものとなり、従来のように無駄に発電していた発電電力を全く無駄にすることがなく、有効に消費できるものとなる。
なお、符号１５は緊急状態確認部を示す。例えば、本発明にかかる太陽熱温水器４が大量に降雪する地域に設置されたときなど、太陽光が比較的少なくて太陽熱が多く獲得出来ない場合がある。

そのようなときに、温熱水部３に貯留されている温熱水部３の温度が所定の温度、例えば略摂氏３６度前後を下回っているときなど、緊急状態を報知する確認信号１６を送信するよう構成しておく。

そして、緊急状態確認部１５が当該確認信号１６、例えば略摂氏３６度前後を下回っているとの内容からなる確認信号１６を受信したとき、前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力を前記電熱ヒーター１３に切り替えて使用するよう送出先切り替え部１４に信号を送信するのである。

これにより、本発明による太陽熱温水器４が大量に降雪する地域など、太陽光が比較的少なくて太陽熱が多く獲得出来ない地域に設置された場合にあっても、間断なく所望する高温の温熱水を生成して提供できるものとなる。
なお、前記風力発電機５や太陽光発電機７からの発電電力でも高温の温熱水生成に足りない場合が想定されるが、そのような場合には、蓄電池１０からの電力を電熱ヒーター１３側に送出するように構成することもできる。

次に、符号１６は、防災用雨水貯蔵タンクを示し、例えば、屋根上に降雨した雨水を無駄にすることなく貯蔵し、浄水剤１７を介して浄水した後、非常時にシャワーや風呂用のお湯として使用できるようにしてある。

不意の災害時には、水道や電気がストップすることがあり、そのような場合に備えて、普段から雨水などをそのまま流さず貯留しておくことが重要である。
本発明では、前述した防災用雨水貯蔵タンク１６を設置し、雨水を流さず、貯留して利用できるように構成した。

符号１９は蓄熱槽であり、該蓄熱槽１９は、太陽熱温水器４で生成された温熱水を使用し、この温熱水の熱エネルギーを取り出すものである。
そして、熱エネルギーが取り出された低温の温熱水は再び、太陽熱温水器４の温熱水部３に戻されて高温の温熱水となる。

ここで、蓄熱槽１９に蓄熱された熱エネルギーは，例えば住宅の床面などに敷設されるパネルヒーターの電熱源として利用されたり、あるいは第３の発電機として近年にわかに注目されているスターリングエンジンの動力源に利用され、前記熱エネルギーによって、たとえば前記スターリングエンジンを稼働させ、該スターリングエンジンによる発電電力の生成を行うこともできる。

図1において符号２０は、温水器コントローラを示し、該温水器コントローラ２０は、コントローラ８から操作用の電源を得て作動する。そして、前記防災用雨水貯蔵タンク１６で浄水された雨水を水道水と混合して風呂やシャワー側に送出する送出パイプにおける開閉弁２１の作動用電力や、太陽熱温水器４で生成された温熱水を蓄熱槽１９に送出する送出パイプの開閉弁２１用作動電力並びに太陽熱温水器４における温熱水部３の水位を検出する水位センサ２２の作動電力などの作動電力を送出し、温水器コントローラ２１ではこれら開閉弁２１や水位センサ２２を制御することとなる。

なお、コントローラ８では前記防災用貯蔵タンク１６に貯留されている浄水を非常時に水道水側へ送出したり、太陽熱温水器４で温熱水が生成されたとき、該温熱水を蓄熱槽１９へ送出するポンプなどを作動させる作動電力をも供給している。

さらに、コントローラ８は、図１から理解されるように、風力発電機５や太陽光発電機７が発電した発電電力を、たとえばＡＣ１００Ｖの家庭用交流電力として室内の電化製品に電力供給できるよう構成してある。そして、前記の風力発電機５や太陽光発電機７による発電電力では賄いきれない場合には、蓄電池１０から蓄電してある電力をも使用できるよう構成してある。この場合、蓄電池１０からの電力はＤＣ／ＡＣ変換器によりＤＣ／ＡＣ変換されて室内のＡＣ電源用電化製品に電力供給されるものとなる。ここで、室内の電化製品としては、電子レンジ、エアコン、ポット、炊飯器、洗濯機、ドライヤー、パソコンなど様々である。

１ 集熱管
２ 集熱部
３ 温熱水部
４ 電力供給
５ 風力発電機
６ 垂直軸型風車
７ 太陽光発電機
８ コントローラ
９ ＡＣ／ＤＣ変換器
１０ 蓄電池
１１ 検出信号
１２ フル充電状態確認部
１３ 電熱ヒーター
１４ 送出先切替部
１５ 緊急状態確認部
１６ 防災用雨水貯蔵タンク
１７ 浄水材
１８ 非常用ポンプ
１９ 蓄熱槽
２０ 温水器コントローラ
２１ 開閉弁
２２ 水位センサ

Claims (3)

1. 内部が真空とされたガラス管中に熱媒用管と集熱板とを設けて形成された集熱管を複数並設して構成され、太陽熱を集熱する集熱部と、該集熱部で集熱された太陽熱により、収納された水が温熱水化されて貯留される温熱水部と、により構成された太陽熱温水器と、
   前記温熱水部内に挿入され、内部の温熱水を加熱する電熱ヒーターと、
   風力発電機及び／または太陽光発電機と、
   前記風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力が充電される蓄電池と、
   前記風力発電機及び／または太陽光発電機により発電された発電電力の送出先をコントロールするコントローラと、
   雨水を浄水して貯留する防災用雨水貯蔵タンクと、
   前記太陽熱温水器により生成された温熱水の熱エネルギーを利用して蓄熱する蓄熱槽と、
   を備えた、
   ことを特徴とするハイブリッド型電力供給システム。
   
2. 前記蓄熱槽で蓄熱された熱エネルギーは、パネルヒーターの電熱源として利用され、あるいは発電機としてのスターリングエンジンの動力源に利用される、
   ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド型電力供給システム。
   
3. 前記コントローラは、前記防災用貯蔵タンク内の浄水を非常時に送出するポンプ、および太陽熱温水器で温熱水が生成されたとき、該温熱水を蓄熱槽へ送出するポンプなどの作動電力を供給し、風力発電機や太陽光発電機が発電した発電電力を家庭用交流電力として室内の電化製品に電力供給できるよう構成した、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のハイブリッド型電力供給システム。

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