JP2017200457A - 太陽熱暖房施設 - Google Patents

Abstract

【課題】低廉な運転費でハウス型育苗設備等の断熱室の空気の温度を十分に高めることを可能にする手段を提供する。【解決手段】育苗施設１は、断熱性の仕切部材２ａ、２ｂで仕切られ育苗装置５を収容する育苗室２と、太陽光発電パネル１３と、発光ダイオード６と、集光装置１４と、熱媒加熱装置１５と、熱交換器２２とを有する。太陽光発電パネル１３は、生成した電気エネルギを発光ダイオード６に供給する。発光ダイオード６は、育苗装置５に収容された苗に光を照射する。集光装置１４は、集光ミラー２６と、太陽光が集光される位置に配置された集熱パイプ２７とを有する。熱媒加熱装置１５は、熱媒貯槽１６と、熱媒貯槽内の熱媒を集熱パイプ２７に供給して該集熱パイプ内を流通させ熱媒貯槽１６に還流させる熱媒循環機構とを有する。熱交換器２２は、熱媒と育苗室内の空気との間で熱交換を行わせる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光によって加熱された熱媒で断熱室内の空気を加熱する一方、太陽光発電パネルから電力が供給される発光ダイオードで断熱室内に光を照射するように構成された太陽熱暖房施設に関するものであり、とくには太陽光によって加熱された熱媒で育苗室内の空気を加熱する一方、太陽光発電パネルから電力が供給される発光ダイオードで育苗室内の育苗装置に収容された苗に光を照射するように構成された育苗施設に関するものである。

従来、気温が比較的低い時期における野菜や草本性果物などの農作物の苗の育成には、透明材料からなる仕切部材により外部と仕切られた温室やビニールハウスなどといったハウス型育苗設備が用いられている。このようなハウス型育苗設備では、仕切部材を透過して設備内に入射される太陽光により設備内の空気の温度が高められ、苗の成長が促進される。

しかしながら、透明材料からなる仕切部材を用いたハウス型育苗設備では、設備内の空気の温度が天候によって左右されるので、日照が十分でない場合は苗の成長が十分に促進されないといった問題がある。そこで、暖房装置を付設して設備内の空気の温度を高めるようにしたハウス型育苗設備が種々提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１０−０５２１７５号公報 特開２００９−１９５２２７号公報 特開２０１５−１２３０６９号公報

このように暖房装置が付設されたハウス型育苗設備では、例えば灯油等の燃料の燃焼によって生成される熱で設備内の空気を加熱するようにしているので、燃料費その他の比較的高額の運転費が必要となるといった問題がある。なお、このような問題は、ハウス型育苗設備以外の暖房及び内部照明を必要とする種々の暖房施設についても生じる。本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、低廉な運転費でもって、ハウス型育苗設備等の暖房及び内部照明を必要とする暖房施設内の空気の温度を十分に高めることを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る太陽熱暖房施設は、断熱室と、太陽光発電パネルと、発光ダイオードと、集光装置と、熱媒加熱装置と、熱交換器とを備えている。ここで、断熱室は、断熱材で形成された仕切部材又は断熱材が取り付けられた仕切部材によって上部及び側部が外部と仕切られている。太陽光発電パネルは、断熱室外に配置され、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する。発光ダイオードは、断熱室内に配置され、太陽光発電パネルから電気エネルギが供給されて断熱室内に光を照射する。集光装置は、断熱室外に配置され、太陽光を集光する集光ミラーと、集光ミラーによって太陽光が集光される位置に配置された集熱パイプとを有する。熱媒加熱装置は、液体の熱媒を貯留する熱媒貯槽と、熱媒貯槽内の熱媒を、集熱パイプに供給して該集熱パイプ内を流通させ熱媒貯槽に還流させる熱媒循環機構とを有する。熱交換器は、育苗室内に配置され、熱媒加熱装置によって加熱された熱媒と育苗室内の空気との間で熱交換を行わせる。

本発明に係る太陽熱暖房施設において、断熱室はその内部空間に育苗装置を収容する育苗室であってもよく、この場合発光ダイオードは、育苗装置に収容又は積載された苗に光を照射するように構成されていてもよい。

本発明に係る太陽熱暖房施設（例えば、育苗施設）において、集光ミラーは集熱パイプが伸びる方向に伸びている（長手となっている）のが好ましく、この場合、集光ミラーの太陽光反射面は該集光ミラーが伸びる方向（集光ミラーの長手方向）と垂直な断面における形状が放物線であるのが好ましく、集熱パイプは放物線の焦点に対応する位置に配置されているのが好ましい。また、本発明に係る太陽熱暖房施設は、集光ミラーの太陽光反射面が太陽に対向するように、地表に対する太陽の相対的な位置に応じて集光ミラーの姿勢を制御する集光ミラー姿勢制御装置を備えているのが好ましい。

本発明に係る太陽熱暖房施設において、熱交換器は、その一部が熱媒貯槽内の熱媒に浸漬されその内部を伝熱媒体が循環して流れる伝熱管を有していて、該熱交換器内で伝熱管内を流れる伝熱媒体と育苗室内の空気との間で熱交換が行われるように構成されているのが好ましい。また、熱交換器は、熱媒貯槽内の熱媒が供給され、該熱交換器内で熱媒と育苗室内の空気との間で熱交換が行われるように構成してもよい。

本発明に係る太陽熱暖房施設においては、太陽光により加熱され高温となった熱媒で断熱室内の空気を加熱するので、灯油等の有料の燃料を必要としない。そして、断熱室は、断熱材で形成された仕切部材又は断熱材が取り付けられた仕切部材によって外部と仕切られているので、断熱室から外部への熱の逸失を非常に小さくすることができる。具体的には、例えば太陽熱暖房施設が育苗施設である場合、太陽光により加熱され高温となった熱媒で育苗室内の空気を加熱するので、灯油等の有料の燃料を必要としない。そして、育苗室は、断熱材で形成された仕切部材又は断熱材が取り付けられた仕切部材によって外部と仕切られているので、育苗室から外部への熱の逸失を非常に小さくすることができる。このため、低廉な運転費で育苗室内の空気の温度を十分に高めて、寒冷期における苗の成長を促進することができる。なお、育苗室内へは太陽光は入射されないが、発光ダイオードによって育苗装置に収容ないしは積載されている苗に、その成長に必要な光を照射することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る育苗施設（太陽熱暖房施設）の模式的な立面断面図である。 図２は、図１に示す育苗施設を構成する集光装置の模式的な立面断面図である。 図３は、図２に示す集光装置をその長手方向と垂直な面で切断した模式的な断面図である。 図４は、図２に示す集光装置の集光ミラー姿勢制御装置の模式的な立面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。なお、以下では、太陽熱暖房施設が育苗施設である場合を一例として本発明の実施形態を説明するが、本発明の対象は以下で説明するような育苗施設に限定されるわけではなく、暖房及び内部照明を必要とする種々の施設にも同様に適用することができるのはもちろんである。

図１及び図２に示すように、本発明に係る育苗施設１には育苗室２が設けられ、この育苗室２は、その天井ないしは屋根をなす上部仕切部材２ａと、その周壁をなす側部仕切部材２ｂと、床部２ｃとを有している。かくして、育苗室２内には、上部仕切部材２ａと側部仕切部材２ｂと、床部２ｃとによって、外部とは仕切られた内部空間３が形成されている。なお、上部仕切部材２ａ及び側部仕切部材２ｂは不透明であるので、内部空間３には太陽光は入射されない。

上部仕切部材２ａ及び側部仕切部材２ｂは、それぞれ断熱材（例えば、発砲スチロール）が取り付けられたパネルで形成され、育苗室２の外部と内部空間３との間でほとんど熱移動が生じないようになっている。すなわち、内部空間３内の空気は、上部仕切部材２ａ及び側部仕切部材２ｂによってほぼ完全に保温されるようになっている。断熱材は、例えば、パネルの内面に張り付けたり、内側パネルと外側パネルの間にサンドイッチ状に挿入したりすることにより取り付けることができる。なお、上部仕切部材２ａ及び側部仕切部材２ｂを、適度な強度及び耐候性を有するは断熱材からなるパネルで形成してもよい。

育苗室２の床部２ｃの上には、複数の養生装置４（１つのみ図示）が配設され、各養生装置４内に、車輪５ａを備えた可動式の育苗装置５を収容することができるようになっている。養生装置４には、複数（多数）の発光ダイオード６（ＬＥＤ）と、給水装置７から水が供給される複数の散水具８とが配設されている。ここで、発光ダイオード６は、育苗装置５の複数の棚部９に載置された野菜や草本性果物などの苗（図示せず）に、その成長に必要な光を照射する。また、散水具８は、棚部９に載置された苗に適量の水を散布する。なお、このような発光ダイオード６及び散水具８の具体的な構成は、例えば本願出願人に係る特許文献３（特開２０１５−１２３０６９号公報）に詳細に開示されているように一般に知られているので、本明細書ではその詳しい説明は省略する。

育苗室２の上部仕切部材２ａの上側には架台１１が配設され、この架台１１の傾斜部１２には、太陽光エネルギを電気エネルギに変換することにより電力を生成する太陽光発電パネル１３が配設されている。この太陽光発電パネル１３で生成された電力の一部は導線（図示）を介して育苗室２内において養生装置４に配設された発光ダイオード６に供給され、残部（余剰の電力）は導線（図示せず）を介して蓄電池（図示せず）に蓄えられる。太陽光発電パネル１３が電力を生成しないとき（例えば夜間）、あるいは太陽光発電パネル１３の電力生成量が発光ダイオード６の全電力消費量より少ないとき（例えば、夕暮れ時）には、蓄電池に蓄えられた電力が導線（図示せず）を介して発光ダイオード６に供給される。したがって、育苗装置５に収容ないしは積載された苗には、常に適量の光が照射される。

また、架台１１の傾斜部１２には、太陽光エネルギで高温の熱媒を生成するための集光装置１４が配設されている。この集光装置１４のケーシング２５内には、太陽光を集光するための複数の集光ミラー２６と、各集光ミラー２６において太陽光が集光される位置に配置された集熱パイプ２７とが配設されている。なお、ケーシング２５の開口部は、耐熱性のガラス板２８により閉じられている。

さらに、育苗施設１には、集光装置１４を利用して、液体の熱媒を加熱して高温状態にする熱媒加熱装置１５が設けられている。この熱媒加熱装置１５は、熱媒を貯留する熱媒貯槽１６と、熱媒貯槽１６内の熱媒を集熱パイプ２７に供給して該集熱パイプ２７内を流通させ熱媒貯槽１６に還流させる熱媒循環機構とを備えている。この熱媒循環機構は、熱媒ポンプ１７と、熱媒ポンプ１７から吐出された熱媒を集熱パイプ２７に供給し、かつ熱媒貯槽１６に還流させる熱媒通路１８とを備えている。この熱媒加熱装置１５において、熱媒貯槽１６及び熱媒通路１８は、高温の熱媒が有する熱エネルギの外部への逸失を防止するため、断熱材（図示せず）によって被覆されている。なお、熱媒貯槽１６には、該熱媒貯槽１６に対して適宜に熱媒を給排するための熱媒給排通路１９と、熱媒貯槽１６内の圧力を大気圧に維持するためのベント通路２０とが付設されている。

一方、育苗室２内には、熱媒貯槽１６に貯留されている高温の熱媒を利用して、育苗室２内の空気を加熱する熱交換器２２が配設されている。この熱交換器２２には、その内部を伝熱媒体が循環して流れる伝熱管２１が設けられ、この伝熱管２１の一部はコイル状に形成され、このコイル状の部分２１ａは熱媒貯槽１６内の高温の熱媒に浸漬されている。このため、伝熱管２１内を流れる伝熱媒体は、熱媒貯槽１６内の高温の熱媒によって加熱されて高温となる。なお、熱交換器２２は、熱媒貯槽１６内の熱媒が供給され、該熱交換器２２内で熱媒と育苗室２内の空気との間で熱交換が行われるように構成してもよい。

詳しくは図示していないが、熱交換器２２のハウジング２２ａ内では、伝熱管２１に多数の伝熱フィンが取り付けられている。そして、電動ファン（図示せず）により、伝熱フィンが取り付けられた伝熱管２１に空気が吹き付けられ、この空気は伝熱管２１内を流れる高温の熱媒体によって加熱され、熱交換器２２のハウジング２２ａの外部に送り出される。これにより、育苗室２内の空気が加熱され、苗の成長の促進に適した環境が生成される。

集光装置１４において、各集光ミラー２６及び各集熱パイプ２７は、いずれも全体としては細長い直線状の形状をもつものであり、架台１１の傾斜部１２に沿って傾斜して直下降して伸びるように配置されている。集光ミラー２６の凹状の太陽光反射面は、該集光ミラー２６が伸びる方向（すなわち、集熱パイプ２７が伸びる方向）と垂直な断面における形状が放物線であり、この放物線の焦点の位置に集熱パイプ２７が配置されている。つまり、集熱パイプ２７は、前記放物線の焦点の位置において、集光ミラー２６の凹状の太陽光反射面と対向するようにして、集光ミラー２７と平行に伸びている。

図３に示すように、晴天の昼間に集光ミラー２６を、太陽光反射面が太陽に真正面に対向するように位置決めしたときには、太陽光反射面に入射して反射された太陽光は、ほぼすべて集熱パイプ２７に照射される。したがって、集光ミラー２６の太陽光反射面に入射される光を、最大限に集熱パイプ２７に集光するには、日変化における地表に対する太陽の相対的な位置の変化に応じて、集光ミラー２６を、太陽光反射面が太陽に真正面に対向するように位置決めすることが必要である。なお、架台１１の傾斜部１２の傾斜角も、適宜に（例えば、１週間毎に）、太陽高度の季節変化に応じて、太陽光反射面が太陽に真正面に対向するように調整する必要がある。

そこで、図４に示すように、集光装置１４には、日変化に応じて、集光ミラー２６の太陽光反射面が太陽に対向するように、地表に対する太陽の相対的な位置に応じて集光ミラー２６の姿勢を制御する集光ミラー姿勢制御装置が設けられている。この集光ミラー制御装置は、集光ミラー駆動モータ３１（例えば、サーボモータ）と、集光ミラー駆動モータ３１と集光ミラー２６とに連結され、集光ミラー駆動モータ３１の回転ないしは回動に伴って、集光ミラー２６をその中心軸の回りに回転ないしは回動させるリンク機構３２とを有している。

そして、集光ミラー姿勢制御装置は、太陽光追尾センサ３５によって検出される日変化における太陽の位置に応じて、集光ミラー２６を、太陽光反射面が太陽に真正面に対向するように位置決めする。なお、なお、架台１１の傾斜部１２の傾斜角は、太陽高度の季節変化に応じて、適宜にマニュアル操作で、太陽光反射面が太陽に真正面にほぼ対向するように調整される。

他方、各集熱パイプ２７は熱伝導率の大きい金属材料（例えば、銅、アルミニウム等）で形成された直線状の細長いパイプであり、その外周面には、光（赤外線）の吸収率を高めるための、すなわち光の反射率を低減するための表面加工（例えば、耐熱性を有する黒色の材料膜の形成）が施されている。

このため、集光ミラー２６の太陽光反射面で反射された光（赤外線）の大部分は集熱パイプ２７によって吸収され、集熱パイプ２７は高温となる。そして、高温となった集熱パイプ２７によって該集熱パイプ２７内を流通する熱媒が加熱され、高温となる。このように、集熱パイプ２７内を流通して高温となった熱媒は熱媒貯槽に１６に貯留され、熱媒貯槽に１６に貯留されている高温の熱媒を利用して、前記のとおり、熱交換器２２によって育苗室２内の空気が加熱される。

よって、育苗施設１においては、太陽光により加熱され高温となった熱媒を利用して育苗室２内の空気を加熱し、灯油等の有料の燃料を必要としない。そして、育苗室２は、断熱材で形成された仕切部材２ａ、２ｂ又は断熱材が取り付けられた仕切部材２ａ、２ｂによって外部と仕切られているので、育苗室２から外部への熱エネルギの逸失を非常に小さくすることができる。このため、低廉な運転費で育苗室２内の空気の温度を十分に高めて、寒冷期における苗の成長を促進することができる。また、発光ダイオード６によって育苗装置５に収容ないしは積載されている苗に、その成長に必要な光を照射することができる。

１ 育苗施設、２ 育苗室、２ａ 上部仕切部材、２ｂ 側部仕切部材、２ｃ 床部、３ 内部空間、４ 養生装置、５ 育苗装置、５ａ 車輪、６ 発光ダイオード、７ 給水装置、８ 散水具、９ 棚部、１１ 架台、１２ 傾斜部、１３ 太陽光発電パネル、１４ 集光装置、１５ 熱媒加熱装置、１６ 熱媒貯槽、１７ 熱媒ポンプ、１８ 熱媒通路、１９ 熱媒給排通路、２０ ベント通路、２１ 伝熱管、２１ａ 伝熱管のコイル状の部分、２２ 熱交換器、２２ａ ハウジング、２５ ケーシング、２６ 集光ミラー、２７ 集熱パイプ、２８ ガラス板、３１ 集光ミラー駆動モータ、３２ リンク機構、３５ 太陽光追尾センサ。

Claims (6)

1. 断熱材で形成された仕切部材又は断熱材が取り付けられた仕切部材によって上部及び側部が外部と仕切られた断熱室と、
   前記断熱室外に配置され、太陽光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電パネルと、
   前記断熱室内に配置され、前記太陽光発電パネルから電気エネルギが供給されて前記断熱室内に光を照射する発光ダイオードと、
   前記断熱室外に配置され、太陽光を集光する集光ミラーと、前記集光ミラーによって太陽光が集光される位置に配置された集熱パイプとを有する集光装置と、
   液体の熱媒を貯留する熱媒貯槽と、前記熱媒貯槽内の熱媒を、前記集熱パイプに供給して該集熱パイプ内を流通させ前記熱媒貯槽に還流させる熱媒循環機構とを有する熱媒加熱装置と、
   前記断熱室内に配置され、前記熱媒加熱装置によって加熱された熱媒と前記断熱室内の空気との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備えていることを特徴とする太陽熱暖房施設。
2. 前記断熱室は、その内部空間に育苗装置を収容する育苗室であり、
   前記発光ダイオードは、前記育苗装置に収容又は積載された苗に光を照射するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽熱暖房施設。
3. 前記集光ミラーは前記集熱パイプが伸びる方向に伸びていて、前記集光ミラーの太陽光反射面は、該集光ミラーが伸びる方向と垂直な断面における形状が放物線であり、
   前記集熱パイプは、前記放物線の焦点に対応する位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の太陽熱暖房施設。
4. 前記集光ミラーの太陽光反射面が太陽に対向するように、地表に対する太陽の相対的な位置に応じて前記集光ミラーの姿勢を制御する集光ミラー姿勢制御装置を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽熱暖房施設。
5. 前記熱交換器は、その一部が前記熱媒貯槽内の熱媒に浸漬されその内部を伝熱媒体が循環して流れる伝熱管を有していて、該熱交換器内で前記伝熱管内を流れる伝熱媒体と前記育苗室内の空気との間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽熱暖房施設。
6. 前記熱交換器は、前記熱媒貯槽内の熱媒が供給され、該熱交換器内で熱媒と前記暖房室内の空気との間で熱交換が行われるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽熱暖房施設。

Images