JP2015075311A - Solar heat utilization system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽熱を利用した熱サイフォンの原理により発電と熱交換とを行う太陽熱利用システムに関する。 The present invention relates to a solar heat utilization system that performs power generation and heat exchange according to the principle of a thermosyphon utilizing solar heat.
太陽熱を利用して発電を行うシステムが知られている。既知の太陽熱発電システムとしては、例えば反射鏡等で太陽光を集中させて媒体を加熱し、発電機により発電を行うものが知られている。このような方式の太陽熱発電システムは、水、オイル、溶融塩等の媒体を例えば200度以上などの高温まで加熱し、その熱で発電機を駆動し発電する。したがって、太陽光から得られる熱を伝搬するための媒体と、発電機を駆動するための媒体の2種類の媒体を利用することから、バイナリー発電と呼ばれる。 Systems that generate power using solar heat are known. As a known solar thermal power generation system, for example, a system in which sunlight is concentrated by a reflecting mirror or the like to heat a medium and generate power by a generator is known. Such a solar thermal power generation system heats a medium such as water, oil, or a molten salt to a high temperature such as 200 ° C. or more and drives the generator with the heat to generate electric power. Therefore, it is called binary power generation because it uses two types of media: a medium for propagating heat obtained from sunlight and a medium for driving the generator.
このような太陽熱発電システムは、太陽光を集中させて媒体を加熱する構造を有することから、太陽光が強く恒常的に日照がある地域、すなわち低緯度で降水が少ない地域、例えば砂漠などに、太陽光を効率よく集めるための広い敷地に建設されることが好ましい。
すなわち、従来の太陽熱発電システムは大規模なものであり、例えば一般家庭に設置できるような小規模なものについては想定されていなかった。
Such a solar thermal power generation system has a structure that heats the medium by concentrating sunlight, so that it is in a region where sunlight is strong and there is constant sunshine, that is, a region with low precipitation at low latitude, such as a desert, It is preferably constructed on a large site for collecting sunlight efficiently.
That is, the conventional solar thermal power generation system is large-scale, and for example, a small-scale one that can be installed in a general household has not been assumed.
一方、太陽熱を利用してエネルギーを得る小規模なものとして、例えば特許文献1に開示されるような、ソーラーシステムや太陽熱温水器と呼ばれるものがある。
太陽熱温水器は、例えばポンプなどの動力を使用して屋根の上など日当たりの良い場所に水を移動させ、太陽熱によって水を加熱し、加熱後に落下させた高温の水により熱交換を行い、暖房や給湯などの形で太陽熱を利用する。
On the other hand, as a small-scale device that obtains energy by using solar heat, there is a solar system or a solar water heater as disclosed in Patent Document 1, for example.
Solar water heaters use power such as pumps to move water to sunny places such as on the roof, heat the water with solar heat, exchange heat with hot water dropped after heating, and heating Solar heat is used in the form of water and hot water.
上述したように、一般家庭などでも利用可能な、小規模な太陽熱エネルギーの利用システムとして、熱交換を用いたソーラーシステムや太陽熱温水器が存在した。しかし、これらには、暖房や給湯などの限定された形態でしかエネルギー利用ができない、というデメリットがある。
このため、一般家庭などでも利用可能な小規模なシステムで、太陽熱を利用して、熱交換だけでなく、発電を行うことが要望されている。
As described above, there have been solar systems and solar water heaters using heat exchange as small-scale solar thermal energy utilization systems that can be used in ordinary homes. However, these have a demerit that energy can be used only in limited forms such as heating and hot water supply.
For this reason, there is a demand for not only heat exchange but also power generation using solar heat in a small-scale system that can be used even in ordinary homes.
小規模なシステムで、太陽熱を利用して、発電を行おうとすると、強い日照や広大な敷地などがなくても発電が可能であること、発電機などの構造を簡略化して設備導入費や運転費用を軽減させる必要があること、など、複数の課題が存在する。
以上のことから、本発明は、小規模かつ構造が簡単であり、熱交換だけでなく発電が可能な太陽熱利用システムを提供することを目的とする。
In a small system, using solar heat to generate electricity, it is possible to generate electricity without strong sunshine or a large site, simplifying the structure of the generator, etc. There are multiple issues such as the need to reduce costs.
In light of the above, an object of the present invention is to provide a solar heat utilization system that is small in size and simple in structure and capable of generating electricity as well as heat exchange.
本発明の太陽熱利用システムは、減圧下において太陽光の熱により液体を加熱し気化させる集熱器と、前記集熱器において気化した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器と、水車と、当該水車の回転軸に直結された発電機とを有し、前記凝縮器から流出した液体により前記水車を回転させ、当該水車の回転により発電を行う水車発電ユニットと、前記水車発電ユニットから排出された液体と他の媒質との熱交換を行う熱交換器と、前記集熱器と、前記凝縮器と、前記水車発電ユニットと、前記熱交換器と、を互いに接続して閉鎖系を構成するパイプと、前記閉鎖系内を減圧する減圧器と、を有し、前記熱交換器から排出された前記液体が、前記凝縮器に流入して、前記蒸気を前記凝縮のために冷却し、前記凝縮器から排出された前記液体が、前記集熱器に流入する。 The solar heat utilization system of the present invention includes a heat collector that heats and vaporizes a liquid by the heat of sunlight under reduced pressure, a condenser that condenses and vaporizes vapor vaporized in the heat collector, a water wheel, and the water wheel. A turbine directly connected to the rotating shaft of the turbine, and a water turbine power generation unit that rotates the water turbine by the liquid flowing out of the condenser and generates power by the rotation of the water turbine, and the liquid discharged from the water turbine power generation unit A heat exchanger that exchanges heat with the other medium, the heat collector, the condenser, the water turbine power generation unit, and the heat exchanger connected to each other to form a closed system, A pressure reducer for reducing the pressure in the closed system, and the liquid discharged from the heat exchanger flows into the condenser to cool the vapor for the condensation, and the condenser The liquid discharged from the And it flows into the heat sink.
本発明によれば、熱交換と発電が可能である。 According to the present invention, heat exchange and power generation are possible.
以下、本発明の太陽熱利用システムの実施形態について説明する。
図1に示す太陽熱利用システム100は、本発明の太陽熱利用システムの好ましい実施形態の1つである。
Hereinafter, embodiments of the solar heat utilization system of the present invention will be described.
A solar heat utilization system 100 shown in FIG. 1 is one of the preferred embodiments of the solar heat utilization system of the present invention.
<太陽熱利用システム100の構成>
図1に示すように、太陽熱利用システム100は、パイプ1、集熱器2、凝縮器3、液だめ4、減圧器5、水車発電ユニット6、熱交換器7を有する。
図1に示す太陽熱利用システム100では、太陽の熱エネルギーを集めて液体を加熱して気化し、蒸気を発生させる集熱器2、蒸気を液化させる凝縮器3、液化した液体を溜める液だめ4、流れる液体により水車を回し発電する水車発電ユニット6、液体により熱交換を行う熱交換器7を互いにパイプ1でつなぎ、閉鎖系を構築する。本実施形態では、一般家庭に平易に利用できる液体として、例えば、水道水(以下水)を想定している。
<Configuration of solar heat utilization system 100>
As shown in FIG. 1, the solar heat utilization system 100 includes a pipe 1, a
In the solar heat utilization system 100 shown in FIG. 1, the solar heat energy is collected and the liquid is heated and vaporized, the
集熱器2は、太陽熱を収集して水を加熱する。
集熱器2が加熱する水は、後述するように、熱交換器7における熱交換により冷却され、凝縮器3を通過して流入した水である。
集熱器2は、例えば銅パイプを複数貼りあわせた集熱板を有し、集熱板に十分な太陽光が照射されると、銅パイプ内を流れる水が次第に暖められる。
ここで、後述するように、太陽熱利用システム100の閉鎖系内は、減圧器5により減圧がなされており、集熱器2における太陽熱による加熱で水が沸騰し水蒸気が発生するように設計されている。
The
The water heated by the
The
Here, as will be described later, the inside of the closed system of the solar heat utilization system 100 is depressurized by the
凝縮器3は、外管31の内部に、外管31と比較して細い内管32を通した、二重管構造を有する。内管32には集熱器2において発生した水蒸気を通し、外管31には熱交換器7により低温となった水を通す。このような二重管構造により、内管32を通る水蒸気は、外管31内の水により冷却されて液化する。
凝縮器3において液化した水は、系内の減圧により下げられた沸点付近の温度を有する温水である。この温水は、パイプ1を通じて流出する。
The
The water liquefied in the
液だめ4は、例えば銅板等を張り合わせた液体貯蔵容器である。液だめ4には、凝縮器3から流出した、沸点付近の水を一時的に溜めておくことができる。ここで、液だめ4に溜められている水の水温が下がらないように、液だめ4の周囲に保温用の断熱材などを配置してもよい。
The liquid reservoir 4 is a liquid storage container in which, for example, a copper plate or the like is bonded. In the liquid reservoir 4, water near the boiling point that has flowed out of the
また、液だめ4には、真空チャンバ51および真空ポンプ52からなる減圧器5に通じる吸引口41が設けられている。吸引口41と真空チャンバ51との間および、真空チャンバ51と真空ポンプ52との間には逆流を防止するバルブが設けられている。このように、真空チャンバ51および真空ポンプ52により、太陽熱利用システム100の閉鎖系内の圧力を減圧することができるように構成されている。
液だめ4は、その内部が全て水で充填されるのではなく、上部に空間が構成されていることが好ましい。空間は真空であることが好ましい。そして、吸引口41はこの空間に接するように配置され、水が吸引口41に触れることがないように設計されている。
In addition, the liquid reservoir 4 is provided with a
It is preferable that the liquid reservoir 4 is not filled entirely with water, but a space is formed in the upper part. The space is preferably a vacuum. The
減圧器5は、真空チャンバ51および真空ポンプ52により、閉鎖系内の圧力を減圧する。上述したように、この減圧器5による減圧により、集熱器2において加熱された水が摂氏100度未満の低温で沸騰する。このため、減圧器5により減圧される閉鎖系内の圧力は、集熱器2において太陽熱により水を何度まで加熱可能か、によって決定する。
The
凝縮器3を流出した温水は、パイプ1を通じて水車発電ユニット6を通過し、熱交換器7へと到達する。
水車発電ユニット6は、例えば樹脂などの絶縁パイプ61内に、水車62、マグネット63を有するロータ64を回転可能に固定し、絶縁パイプ61の外側に設置したコイル65により発電を行うものである。
水車発電ユニット6の構成の一例を図2に示す。
The hot water flowing out of the
The water turbine power generation unit 6 is a unit in which a
An example of the configuration of the water turbine power generation unit 6 is shown in FIG.
図2(a)は、ロータ64の構造の一例を示す図である。
ロータ64は、円筒の端部に水車62を設け、円筒の中央部付近にマグネット63を貼り付けた構造を有する。このような円筒形のロータ64が絶縁パイプ61内に回転可能に固定されている。絶縁パイプ61内を水が流れてくると、円筒の水車62側から水が流入し、反対側へと流出する。この時、流れる水により水車が回転するので、ロータ64全体が回転することになる。
FIG. 2A is a diagram illustrating an example of the structure of the
The
ロータ64において、マグネット63は、その円筒の半周がS極、残りの半周がN極となるように貼り付けられた2極の永久磁石である。図2(b)に示すように、マグネット63に近接した絶縁パイプ61外に、コイル65が複数設置されている。したがって、マグネット63を含むロータ64の回転により、コイル65において誘導起電力が発生する。コイル65において発電された電力は、コイル65に接続された導線により外部へ取り出され、利用される。
In the
なお、本実施形態の太陽熱利用システム100の水車発電ユニット6は、上述したように水により水車62と同調して回転させられるマグネット63と、コイル65とにより、電磁誘導による発電を行うものである。このため、太陽熱利用システム100の流路は基本的に上述した銅パイプなどのパイプ1により構成されているが、水車発電ユニット6の近傍のみ、樹脂などの絶縁体を用いた絶縁パイプ61により流路が構成されている。水車発電ユニット6内を通過する水は、上述したように沸点付近の水温を有する温水であるため、絶縁パイプ61は高温に耐性がある物質で構成されることが好ましい。
In addition, the water turbine power generation unit 6 of the solar heat utilization system 100 of the present embodiment performs power generation by electromagnetic induction by the
水車発電ユニット6から排出された温水は、パイプ1を通じて熱交換器7へと流入する。
熱交換器7は、外管71の内部に、外管71と比較して細い内管72を通した、二重管構造を有する。上述した凝縮器3から流出した温水は、パイプ1を通じて後述する水車発電ユニット6を回転させた後、沸点付近の高温を保ったまま、熱交換器7まで到達する。この温水が、熱交換器7の内管72内を通過する。外管71内には閉鎖系外から別途供給される冷却用媒体、例えば水道水(以下冷却水)が流れており、内管72内を流れる温水との熱交換が行われる。
ここで、太陽熱利用システム100の系内の温水から、冷却水へと熱が伝達されるので、この熱を例えば暖房や給湯などの用途に使用することができる。
Hot water discharged from the water turbine power generation unit 6 flows into the
The
Here, since heat is transferred from the hot water in the solar heat utilization system 100 to the cooling water, this heat can be used for applications such as heating and hot water supply.
熱交換器7において熱交換が行われ、熱交換器7に流入した温水は、熱交換器7から流出する際には冷却されて冷水となっている。熱交換器7から流出した冷水は、図1に示すように凝縮器3の外管31内を通過する。ここで、外管31内を通過する冷水は、内管32と接し、内管32内の水蒸気を冷却して液化する。すなわち、凝縮器3においても熱交換が行われている。
凝縮器3において水蒸気を冷却した冷水は、集熱器2に戻る。集熱器2に戻った水は、太陽熱により再度加熱され、沸騰して気化する。
このように、本実施形態の太陽熱利用システム100では、閉鎖系内の水を循環させ、集熱器2、凝縮器3、熱交換器7の間で熱交換を行うサイクルを構成している。
Heat exchange is performed in the
The cold water that has cooled the water vapor in the
Thus, in the solar-heat utilization system 100 of this embodiment, the cycle which circulates the water in a closed system and performs heat exchange between the
<各構成の具体例>
以下、上記説明した太陽熱利用システム100の各構成の具体例について説明する。
例えば、パイプ1は、例えば外径22.2mm、内径20.0mmの銅管で構成される。
凝縮器3の流出口から液だめ4および水車発電ユニット6を経由して熱交換器7に至るまでを流れている水は、上述したように沸点付近の水温を有する温水である。太陽熱利用システム100における熱交換サイクルの効率を上げるためには、パイプ1を流れる途中で水温が失われることは好ましくない。このため、パイプ1の周囲に断熱材などを配置してもよい。
<Specific examples of each configuration>
Hereinafter, specific examples of each configuration of the solar heat utilization system 100 described above will be described.
For example, the pipe 1 is composed of a copper tube having an outer diameter of 22.2 mm and an inner diameter of 20.0 mm, for example.
The water flowing from the outlet of the
集熱器2は、例えば断面10mm×10mm、長さ1920mmの銅パイプ8本を貼りあわせて作成した集熱板を有する。集熱板の大きさは、例えば1980mm×980mmとした。この集熱板の面積は1.94平方メートルである。
このような構成を有する集熱器2を、例えば神奈川県において、水平面との角度50度で南向きに設置したところ、集熱器2内の水を摂氏約60度から約80度まで加熱することができた。
The
When the
凝縮器3は、例えば外径38.1mmの外管内に22.2mmの内管を入れて構成した。
凝縮器3の長さは、内管32を通る水蒸気を外管31内の水により完全に液化でき、かつ、液化後の水温をできるだけ下げないような長さであることが好ましい。本実施形態では、例えば1110mmとした。
The
The length of the
凝縮器3は、図1に示すように、集熱器2までの配管も含めて水平面から例えば約10度の角度で傾斜しており、集熱器2で発生した水蒸気が内管32内を無理なく上昇するような構造を有する。
As shown in FIG. 1, the
液だめ4は、例えば外径104.8mm、内径99.2mm、長さ500mm程度の大きさとした。
減圧器5による減圧により、閉鎖系内をどこまで減圧するかは、上述したように、集熱器2において水を何度まで加熱可能かによって決定する。
例えば、上述したように集熱器2において摂氏80度まで水を加熱可能である場合は、例えば、水の沸点が摂氏80度となる約47kPa(約0.47気圧)まで減圧する。一方、日射量が小さい地域など、集熱器2において摂氏60度までしか水を加熱できない場合は、例えば、水の沸点が摂氏60度となる約20kPa(約0.2気圧)まで減圧する。
The liquid reservoir 4 has a size of, for example, an outer diameter of 104.8 mm, an inner diameter of 99.2 mm, and a length of about 500 mm.
The extent to which the inside of the closed system is decompressed by the decompression by the
For example, when water can be heated to 80 degrees Celsius in the
熱交換器7は、例えば外径67.2mmの外管内に22.2mmの内管を入れて構成した。熱交換器7の長さは、流入した温水を十分に冷却できるだけの長さであることが好ましい。本実施形態では、例えば熱交換器7の長さは例えば1000mmとした。
The
なお、本実施形態の太陽熱利用システム100を、例えば一般家庭で使用することを考えると、集熱器2、凝縮器3、液だめ4および減圧器5は屋根の上などの高所に設置され、反対に熱交換器7は地上付近あるいは地下などの低所に設置されることが想定される。
本実施形態の太陽熱利用システム100では、凝縮器3の流出口と、熱交換器7の流入口との高低差を約4000mm設けた。このような配置により、凝縮器3から流出した水の流速は、熱交換器7に到達するまでにその位置エネルギーにより加速される。これにより、水車発電ユニット6の水車62を回転するための水の流速が上がり、発電効率が高くなることが期待される。
In consideration of using the solar heat utilization system 100 of the present embodiment in a general household, for example, the
In the solar heat utilization system 100 of this embodiment, the height difference between the outlet of the
<太陽熱利用システム100の動作原理>
次に、太陽熱利用システム100の動作原理について説明する。
上記説明したように、集熱器2、凝縮器3、液だめ4、熱交換器7は、パイプ1により互いに接続され、閉鎖系を構築する。閉鎖系内には液体として十分な量の水道水(水)が封入される。
閉鎖系内の水は、減圧器5により減圧されており、減圧により集熱器2で加熱された水が沸騰して水蒸気を発生するように構成されている。
<Operation Principle of Solar Heat Utilization System 100>
Next, the operation principle of the solar heat utilization system 100 will be described.
As described above, the
The water in the closed system is decompressed by the
本実施形態の太陽熱利用システム100では、集熱器2は水を摂氏約80度まで加熱することができるとする。
集熱器2において発生した水蒸気は、100度1気圧で水に比べて体積が1650倍にも膨張する。このため、水蒸気はその膨張圧により、集熱器2を流出して凝縮器3へと到達する。この水蒸気の膨張圧が本発明の太陽熱利用システム100の閉鎖系において水が循環するための駆動力となる。
凝縮器3において、水蒸気は冷却されて液化し、沸点付近の水温、すなわち摂氏約80度の温水に相転移する。
In the solar heat utilization system 100 of this embodiment, it is assumed that the
The water vapor generated in the
In the
凝縮器3から流れ出る温水は、パイプ1内を流れて熱交換器7へと流入する。
ここで、本実施形態の太陽熱利用システム100では、凝縮器3の流出口と熱交換器7の流入口とは高低差を約4000mm設けている。このため、集熱器2における水蒸気の膨張圧と、高低差による落下のエネルギーにより、水がパイプ1内を勢い良く流れることになる。
凝縮器3の流出口と熱交換器7の流入口との間の水の落下経路に水車発電ユニット6を設け、水の勢いにより水車62を回転させて発電を行う。
Hot water flowing out of the
Here, in the solar heat utilization system 100 of the present embodiment, a difference in height between the outlet of the
A turbine power generation unit 6 is provided in the water dropping path between the outlet of the
水車発電ユニット6において水車を回転させた水は、その運動エネルギーを一部失うものの、その沸点付近の水温はあまり失われない。
そこで、熱交換器7において、内管72内を流れる沸点付近の温水を、外管71内の冷却水により冷却することで、熱交換を行う。冷却後の系内の水温は、例えば摂氏約25度程度とする。冷却された水は、集熱器2において発生した水蒸気の膨張圧に起因する駆動力によりパイプ1内を上昇し、凝縮器3の外管31内を通過して再度集熱器2において加熱される。ここで、凝縮器3の外管31内を通過するとき、凝縮器3の内管32内の水蒸気を冷却し、水に凝縮する。
Although the water which rotated the water wheel in the water turbine power generation unit 6 loses a part of its kinetic energy, the water temperature near its boiling point is not lost much.
Therefore, in the
このように、本実施形態の太陽熱利用システム100は、加熱側である集熱器2で太陽熱により水を蒸発させて水蒸気を発生し、冷却側である凝縮器3において水蒸気を液化するとともに、集熱器2において発生する水蒸気の膨張圧と、凝縮器3の流出口と熱交換器7の流入口との高低差に起因する落下のエネルギーとを駆動力として、凝縮器3において液化した沸点付近の温水を冷却側である熱交換器7まで移動させ、熱交換器7において沸点付近の水を冷却水で冷却することにより大量の熱を輸送する、熱サイフォン式ヒートパイプである。そして、水の移動に使われる駆動力を水車発電ユニット6で回転力に変換し、発電を行うものである。
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム100では、太陽熱を利用して、熱交換により熱エネルギーと、発電による電気エネルギーとの両方を得ることができる。
As described above, the solar heat utilization system 100 of the present embodiment generates water vapor by evaporating water by solar heat in the
That is, in the solar heat utilization system 100 of this embodiment, both solar energy can be used to obtain both thermal energy and electric energy from power generation through heat exchange.
なお、上記説明した動作原理は、本実施形態の太陽熱利用システム100の理想的挙動であって、実際にはエネルギーロスが発生する可能性がある。
以下では、本発明の太陽熱利用システムにおいて、エネルギーロスに対処するための他の実施形態について説明する。
Note that the operation principle described above is an ideal behavior of the solar heat utilization system 100 of the present embodiment, and an energy loss may actually occur.
Below, in the solar-heat utilization system of this invention, other embodiment for coping with an energy loss is described.
<第2の実施形態>
凝縮器3において、集熱器2で発生した水蒸気をすべて凝縮できない場合が考えられる。
このような場合、水蒸気が例えば液だめ4などに溜まり、太陽熱利用システム100の系内の圧力が次第に上昇してしまう。これに伴って水の沸点も上昇し、集熱器2において十分な水蒸気が発生しなくなってしまうため、水蒸気の膨張圧が不十分となり、水の駆動力が下がるので水車発電ユニット6による発電効率が落ちる。
<Second Embodiment>
It is conceivable that the
In such a case, water vapor accumulates in, for example, the liquid reservoir 4 and the pressure in the solar heat utilization system 100 gradually increases. Along with this, the boiling point of water also rises, and sufficient water vapor is not generated in the
あるいは、凝縮器3において、水蒸気を冷却して液化するだけでなく、液化した温水からもさらに水温を奪ってしまい、水温が下がってしまう場合が考えられる。
このような場合は、熱交換器7における熱交換の効率が下がってしまう。
Alternatively, in the
In such a case, the efficiency of heat exchange in the
このような不利益は、凝縮器3において、水蒸気を液化させるために必要な熱である潜熱のみを奪うことが難しいことに起因する。
このような不利益に対処するには、例えば凝縮器3の外管31の長さを適宜変更すればよい。
集熱器2において集められる太陽熱は、日射量に依存する。このため、日射量をモニタし、日射量により得られる熱量、および当該熱量により得られる水蒸気量を随時計算する。そして、水蒸気量に応じて凝縮器3の外管31の長さを調節することにより、できるだけ全ての水蒸気を液化し、なおかつ液化した水からできるだけ熱を奪わないような、最適な凝縮ができるものと考えられる。
Such a disadvantage results from the fact that it is difficult for the
In order to deal with such disadvantages, for example, the length of the
The solar heat collected in the
また、集熱器2で発生した水蒸気を全て水に凝縮できない場合の別の対処方法として、液だめ4の容量を増大させ、流入水蒸気による圧力上昇を分散させたり、液だめ4の空間部分を強制的に冷却することによって水蒸気を水に戻し、圧力上昇を防止したりすることによって閉鎖系内の水圧上昇を抑えたりしてもよい。
As another countermeasure when the water vapor generated in the
<第3の実施形態>
上述したように、太陽熱利用システム100の上記各構成とパイプ1により閉鎖系が構成されるが、完全に系内の圧力を保つことは難しく、次第に系内の水圧が上昇してしまう場合が考えられる。
このような場合、系内の水圧が上昇することにより沸点も上昇し、集熱器2において十分な量の水蒸気を得ることができなくなってしまう。
<Third Embodiment>
As described above, a closed system is configured by the above-described components of the solar heat utilization system 100 and the pipe 1, but it is difficult to maintain the pressure in the system completely, and the water pressure in the system may gradually increase. It is done.
In such a case, when the water pressure in the system rises, the boiling point also rises, and a sufficient amount of water vapor cannot be obtained in the
対処方法としては、例えば系内の圧力をモニタし、所定のしきい値を超えた場合に減圧器5を作動させて再減圧を行うことが考えられる。このようにすれば、系内の水圧を低く保つことができる。
As a coping method, for example, it is conceivable to monitor the pressure in the system and operate the
次に、太陽熱利用システム100における発電によって得られる電気エネルギーの量、あるいは効率を示す。
本実施形態の太陽熱利用システム100が太陽熱を利用した熱サイフォンであることは上記説明した。太陽熱利用システム100において、熱サイフォンが平衡状態で動作しているとすると、考慮するべきエネルギーは、集熱器2において取り込まれる熱エネルギー、熱交換器7により太陽熱利用システム100の外へ吐き出される熱エネルギー、水車発電ユニット6において発電される電気エネルギー、および上記第2及び第3実施形態において説明した例を含むエネルギーロス、である。
Next, the amount or efficiency of electric energy obtained by power generation in the solar heat utilization system 100 will be shown.
As described above, the solar heat utilization system 100 of the present embodiment is a thermosyphon utilizing solar heat. In the solar heat utilization system 100, assuming that the thermosyphon is operating in an equilibrium state, the energy to be considered is the heat energy taken in by the
集熱器2において取り込まれる熱エネルギーをQin、熱交換器7により太陽熱利用システム100の外へ吐き出される熱エネルギーをQex、水車発電ユニット6において発電される電気エネルギーをW、エネルギーロスをLoss、とする。
熱サイフォンに関するエネルギー保存則から、以下示す数式1が得られる。
The thermal energy taken in by the
The following formula 1 is obtained from the energy conservation law regarding the thermosyphon.
この数式1に基づき、太陽熱利用システム100から得られる最大の電気エネルギーWについて検討する。
太陽熱利用システム100におけるカルノー効率ηとすると、理論的に得られる最大のWはQexが以下の数式2に示す場合に得られる。
Based on Formula 1, the maximum electric energy W obtained from the solar heat utilization system 100 will be examined.
Assuming that the Carnot efficiency η in the solar heat utilization system 100 is given, the maximum theoretically obtained W is obtained when Q ex is expressed by the following
数式1及び2から、最大の電気エネルギーWは、以下の数式3により得られる。
From the
ここで、本実施形態の太陽熱利用システム100の作用温度範囲について、その最高温度を集熱器2の出口温度Tmax、最低温度を周囲温度Taとする。この場合の太陽熱利用システム100におけるカルノー効率は、以下の数式5で表される。
Here, the operation temperature range of the solar heating system 100 of the present embodiment, the outlet temperature T max of the
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム100において、理論上の最大効率は約15%、理論上の最大出力は約150Wとなる。 That is, in the solar heat utilization system 100 of this embodiment, the theoretical maximum efficiency is about 15% and the theoretical maximum output is about 150 W.
以上説明したように、本実施形態の太陽熱利用システム100は、太陽熱により水を加熱し水蒸気を発生させる集熱器2と、発生した水蒸気を冷却し沸点付近の水温を有する温水に戻す凝縮器3と、液だめ4と、系内の減圧を行う減圧器5と、凝縮器3から流出する沸点付近の温水と別の媒体との間で熱交換を行う熱交換器7と、これらの各構成を接続するパイプ1と、により閉鎖系を構築し、集熱器2において発生した水蒸気の浮力により系内の水を循環させるとともに、系内を循環する水の運動エネルギーおよび、凝縮器3から熱交換器7までの高低差を利用した位置エネルギーにより水車発電ユニット6を回転させ発電を行う。
As described above, the solar heat utilization system 100 of this embodiment includes the
ここで、閉鎖系内の水は集熱器2において発生した水蒸気の浮力により循環するため、太陽熱が収集できる限り、系内の水を循環させるためのその他の動力が不要である。なお、集熱器2において水蒸気を発生させるために、系内の水圧を減圧器5により減圧しているが、この減圧は数十ワットの電力ですむ見込みである。太陽熱利用システム100を作動させて発電を行うときには系内の圧力を再度調節する必要があることもあるが、大した電力は必要ない。このため、太陽熱利用システム100の発電のための運転費用は、0かそれに近い値とすることができ、経済的である。
Here, since the water in the closed system circulates due to the buoyancy of water vapor generated in the
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム100では、太陽熱により水を高々摂氏80度程度まで加熱できれば継続的な発電が可能であるため、その設置場所がそれほど限定されない。上述したように、例えば日本の関東地方である神奈川県において、銅パイプを集めて作成した集熱板により摂氏約80度前後まで水を加熱可能であることは経験から実証されている。このため、例えばレンズや鏡などの大仰な集光設備も必要なく、少なくとも関東地方以南の地域では発電が可能であると考えられるので、一般家庭に本発明のような太陽熱発電設備を導入する際に最もネックになると思われる導入費を抑えることができる。
反対に、簡単な構造のレンズや鏡などを集熱器2に導入すれば、比較的日射量が少ない東北・北海道地方においても本実施形態の太陽熱利用システム100での発電に十分な太陽熱を収集することができると思われる。また、本実施形態の太陽熱利用システム100は、集熱器2の面積が精々2平方メートル、パイプ1の太さは精々20mmであり、省スペースであるため、設置スペースに余裕が無い一般家庭での導入も容易である。
That is, in the solar heat utilization system 100 of the present embodiment, if water can be heated up to about 80 degrees Celsius by solar heat, continuous power generation is possible, so the installation location is not so limited. As described above, it has been proven from experience that water can be heated to about 80 degrees Celsius by a heat collecting plate made by collecting copper pipes in Kanagawa Prefecture, for example, in the Kanto region of Japan. For this reason, there is no need for large concentrating facilities such as lenses and mirrors, and it is considered that power generation is possible at least in areas south of the Kanto region. The introduction cost that seems to be the biggest bottleneck can be reduced.
On the other hand, if a lens or mirror with a simple structure is introduced into the
また、導入費という観点から見れば、本実施形態の太陽熱利用システム100は、閉鎖系を構築する都合上、すべての構成を屋外に設置すればよく、屋内へのパイプ1の導入工事など、大仰な工事が必要ない。さらに、本実施形態の太陽熱利用システム100は、水を高々摂氏80度程度までしか加熱させないため、加熱した水を流す配管も特別なものを用意する必要はなく、只の銅パイプなどでよい。集熱器2も銅パイプの寄せ集めなど簡単な構造で十分な性能を得られる。このため、一般家庭でも十分導入可能なレベルまで導入費を抑えることが可能であると考えられる。
Also, from the viewpoint of introduction costs, the solar heat utilization system 100 of this embodiment may be installed outdoors for the convenience of constructing a closed system, such as construction of introducing the pipe 1 indoors. Construction is not necessary. Furthermore, since the solar heat utilization system 100 of the present embodiment only heats water up to about 80 degrees Celsius, it is not necessary to prepare a special pipe for flowing the heated water, and a copper pipe of firewood may be used. The
本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、並びに代替を行ってもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above.
That is, those skilled in the art may make various changes and substitutions regarding the components of the above-described embodiments within the technical scope of the present invention or an equivalent scope thereof.
上述した実施形態において説明した、太陽熱利用システム100の各構成の大きさや管の太さ、集熱器2の取り付け角度、集熱器2における加熱温度、液だめ4の容積、減圧器5による減圧後の水圧、凝縮器3から熱交換器7までの高低差、熱交換器7における冷却後の水温など、全てのパラメータは本発明の好適な一実施形態に過ぎず、本発明はこれらのパラメータに限定されることはない。
The size of each component of the solar heat utilization system 100 and the thickness of the tube, the mounting angle of the
例えば、パイプの太さを太くすれば、水の流量が増えるので発電効率を上げることができる。
また、減圧器による減圧後の水圧を低くすれば、少ない日射量しか得られない時期や地方でも集熱器において十分な水蒸気量を得ることができ、閉鎖系内の水を駆動するのに十分な膨張圧を得ることができる。
さらに、上述した実施形態では、凝縮器3から熱交換器7までの高低差による重力も発電に使用する水の駆動力として利用しているが、上述したように、本発明では集熱器において発生する水蒸気の浮力を駆動力として閉鎖系内の水を循環させているため、例え凝縮器から熱交換器までの高低差がなくとも、十分な水の流量を得ることができ、発電が可能である。
また、熱交換器における冷却後の水温(本発明の第2の所定温度)を低くすれば、それだけ熱交換の効率を上げることができ、ひいては発電効率も向上する。
For example, if the thickness of the pipe is increased, the flow rate of water increases, so that the power generation efficiency can be increased.
In addition, if the water pressure after depressurization by the decompressor is lowered, a sufficient amount of water vapor can be obtained in the heat collector even at a time when only a small amount of solar radiation can be obtained or in the region, which is sufficient to drive the water in the closed system. Can be obtained.
Furthermore, in the embodiment described above, gravity due to the height difference from the
Moreover, if the water temperature after cooling in the heat exchanger (the second predetermined temperature of the present invention) is lowered, the efficiency of heat exchange can be increased accordingly, and the power generation efficiency is also improved.
100・・・太陽熱利用システム、1・・・パイプ、2・・・集熱器、3・・・凝縮器、31・・・外管、32・・・内管、4・・・液だめ、41・・・吸引口、5・・・減圧器、51・・・真空チャンバ、52・・・真空ポンプ、6・・・水車発電ユニット、61・・・絶縁パイプ、62・・・水車、63・・・マグネット、64・・・ロータ、65・・・コイル、7・・・熱交換器、71・・・外管、72・・・内管 100 ... Solar heat utilization system, 1 ... Pipe, 2 ... Heat collector, 3 ... Condenser, 31 ... Outer tube, 32 ... Inner tube, 4 ... Liquid reservoir, 41 ... suction port, 5 ... decompressor, 51 ... vacuum chamber, 52 ... vacuum pump, 6 ... turbine generator unit, 61 ... insulating pipe, 62 ... turbine, 63・ ・ ・ Magnet, 64 ... Rotor, 65 ... Coil, 7 ... Heat exchanger, 71 ... Outer tube, 72 ... Inner tube
Claims (3)
前記集熱器において気化した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器と、
水車と、当該水車の回転軸に直結された発電機とを有し、前記凝縮器から流出した液体により前記水車を回転させ、当該水車の回転により発電を行う水車発電ユニットと、
前記水車発電ユニットから排出された液体と他の媒質との熱交換を行う熱交換器と、
前記集熱器と、前記凝縮器と、前記水車発電ユニットと、前記熱交換器と、を互いに接続して閉鎖系を構成するパイプと、
前記閉鎖系内を減圧する減圧器と、
を有し、
前記熱交換器から排出された前記液体が、前記凝縮器に流入して、前記蒸気を前記凝縮のために冷却し、
前記凝縮器から排出された前記液体が、前記集熱器に流入する
ように構成されている太陽熱利用システム。 A heat collector that heats and vaporizes the liquid by the heat of sunlight under reduced pressure;
A condenser for condensing and liquefying the vaporized vapor in the heat collector;
A turbine and a generator directly connected to the rotating shaft of the turbine, the turbine being rotated by the liquid flowing out of the condenser, and generating electricity by rotating the turbine,
A heat exchanger for exchanging heat between the liquid discharged from the water turbine power generation unit and another medium;
A pipe constituting a closed system by connecting the heat collector, the condenser, the water turbine power generation unit, and the heat exchanger to each other;
A decompressor for decompressing the closed system;
Have
The liquid discharged from the heat exchanger flows into the condenser to cool the vapor for the condensation;
A solar heat utilization system configured such that the liquid discharged from the condenser flows into the heat collector.
前記水車発電ユニットの前記水車は、前記凝縮器の流出口から前記熱交換器の流入口の間に配置される
請求項1に記載の太陽熱利用システム。 The outlet of the condenser is located higher than the inlet of the heat exchanger by a predetermined height difference,
The solar heat utilization system according to claim 1, wherein the water turbine of the water turbine power generation unit is disposed between an outlet of the condenser and an inlet of the heat exchanger.
をさらに有する請求項1または2に記載の太陽熱利用システム。 The solar heat utilization system according to claim 1 or 2, further comprising a reservoir for storing the liquid flowing out of the condenser and supplying the liquid to the turbine power generation unit.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2020115060A (en) * | 2019-01-17 | 2020-07-30 | 株式会社タクマ | Cooling device and air conditioning system |
-
2013
- 2013-10-10 JP JP2013213123A patent/JP2015075311A/en active Pending
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