JP2019085989A

JP2019085989A - 温室効果ガスによる発電・発熱・放熱防止

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Publication number: JP2019085989A
Application number: JP2017225196A
Authority: JP
Inventors: 水野　博; Hiroshi Mizuno; 博水野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-06-06

Abstract

【課題】地上で膨大に発生していながら、充分に活用されなかった赤外線を、エネルギの流出を抑え高温を作るために利用する方法を提供する。【解決手段】高濃度の温室効果ガスを密閉し太陽光を受光させて、赤外線を滞留させ、高温状態を作り出し、高温により発電、発熱（暖房、温水化など）などの創エネルギや省エネルギ（放熱防止）を行う。【選択図】図５

Description

本発明は、温室効果ガスにより創エネルギや省エネルギをするための方法に関するものである。

近年、原子力発電廃止や地球環境保護や資源節約の観点から、自然エネルギの活用が望まれている。
太陽光発電は、その中でも重要なものとして、位置付けられている。これは、光電効果により発電するものであるが、以下の問題が有る。
問題１：一定波長以下の光でしか発電できない。（シリコン結晶では、１．１４５μｍ）
問題２：夜間発電不可。時間変動、天候変動、季節変動大。
問題３：高温になり過ぎると、半導体のため出力低下。
問題４：受光面が雪に覆われてしまうと発電できない。
問題５：海上では塩による太陽光パネルの劣化懸念が有り、現在は検討段階である。
以上から、全光エネルギに対する効率や面積効率は高くはなく、設置場所の制約も有る。太陽熱発電は、日光を集め、高温により液を蒸発させ、タービンを回転させる。蓄熱すれば、夜間でも発電可能とされる。鏡を用いて集光するというのが主流で、後述のものなどが出願されている。しかしながら、大出力を得るためには、広大な面積と強い直射日光、大掛かりな設備が必要とされ、海外では低緯度地域で実用化された例も少なからず有るが、日本では実用化する段階には至っていない。また集めた熱も半分以上が周囲に放出されて発電に活用されていないとも言われている。

特開２０１２−０４２０９３号

本発明は従来の太陽光発電や太陽熱発電等の諸問題を解決し、実用性の高い発電システム及び創エネルギや省エネルギのための機器を提供するものである。

削減が叫ばれている温室効果ガスであるが、エネルギの流出を抑え高温を作るために活用する。温室効果ガスとしては、大気中での濃度との関係も有り、ＣＯ_２が特に、問題視されているが、多種多様な物が有る。フロン類などでは、ＣＯ_２の１万倍以上の効果が有るとされる物も少なくない。しかも気体により、赤外線の吸収波長帯は、ＣＯ_２（１５μｍ）メタン（７．６μｍ）の様に、まちまちである。両者の狭間にある８〜１４μｍに吸収されにくい「大気の窓」と言われる帯域が有る。オゾン（９．６μｍ）、フロン類に、その帯域の物は有るが、大気中では微量のために、「大気の窓」ができる。（図１参照）
この事は、この帯域を中心に、各波長ごとに吸収し易い温室効果ガスを異常高濃度に配合すれば、高温が作れる事を示している。

それは物体温度（Ｔ）と最大エネルギを持つ輻射の波長λ_ｍの積が一定というウイーンの変位則からも、裏付けられる。例えば以下の様になる。
Ｔ λ_ｍ
−５０℃（２２３°Ｋ）１３．０μｍ
０℃（２７３°Ｋ）１０．６μｍ
１５℃（２８８°Ｋ）１０．１μｍ
５０℃（３２３°Ｋ）８．８６μｍ
１００℃（２７３°Ｋ）７．７７μｍ
このことは、「地球表面を含めた、地上の大多数の物体は、『大気の窓』の領域の波長を最大エネルギとする光放出を常時行っている。そして大部分は、そのまま宇宙へ放出されている。」事を示している。

太陽の表面温度は６０００℃程度とされ、０，５μｍの緑色前後にλ_ｍを持ち、大気圏外では、約１．３７ｋＷ／ｍ^２（太陽定数）のエネルギを有するとされる。地球全体で概略的に考えると、以下の様に概算される。
大気での吸収や散乱などで、地表に達するのは、地球全体で４７％である。ただしこれは快晴の日に垂直に照射された場合である。
１．３７ × ０．４７＝０．６４４ＫＷ／ｍ^２・・・・（１）
地球を完全な球とみなし、半径ｒとすると、（１）式の光束面積は、πｒ^２、一方地球の表面積は、４πｒ^２、即ち１日でみれば、平均値は、１／４に減る。
０．６４４ × １／４＝０．１６ＫＷ／ｍ^２・・・・（２）
太陽光発電の効率を２０％とする。
０．１６ × ０．２＝０．０３２ＫＷ／ｍ^２・・・・（３）
現在、実用化されている物は、ＭＡＸで０．１ＫＷ／ｍ^２（快晴時で垂直受光時）程度であり、平均値では、この水準と推定される。

地球は物理でいう黒体として作用し、地表からは、赤外線をλ_ｍとする放出がなされる。その一部は、温室効果ガスにより、吸収されるとともに、放出して地表にもどされる。冬に発生する放射冷却現象は、雲や大気中の水蒸気が少ない時に発生するが、夜間でも赤外線を放出している事と温室効果ガスの増加による気温上昇を示している。地球温暖化問題では、「吸収する赤外線に対し、ＣＯ_２は既に充分な量に達しているために、これ以上ＣＯ_２が増えても温暖化しない。」という説が有るが同意できない。
温室効果ガスは、吸収した赤外線を分子全周にわたり放出する。地表側に戻される確率と宇宙側に行く確率は半々である。５０％を透過し、５０％を反射するハーフミラーの様な物である。図２左側は、放射された全ての赤外線を過不足無く飽和した温室効果ガスが吸収したモデルである。地表からの赤外線はハーフミラーに吸収されるが、半分は宇宙側に行く。図２右側は過剰な状態のモデルである。地表からの赤外線がそのまま素通りし、宇宙側に出ていく確率は１／８である。これ以外にも、３段目、地表側→２段目、宇宙側→３段目、宇宙側の様に、色々なルートは有る。しかし図２左側に比べ、地表側に戻されたり、域内に留まったりする赤外線エネルギは多くなり、高温化するのは明らかである。また超高温化させたいのなら、１００％吸収できる水準ではなく、その数倍の温室効果ガスの分子数が必要である。
図２右側のモデルの参考になるのが金星である。
地表気圧９０気圧
大気の９７％がＣＯ_２
地表温度４７７℃
温室効果が無いと仮定した場合の上記の推定値 −４６℃
温室効果５２３℃
より太陽に近い水星を凌ぐ、太陽系で一番熱い惑星となっている。赤外光を１００％吸収する「ハーフミラーに似た半減域」が多段に連続して存在すると考えられる。

「半減域」にするために、膨大な温室効果ガスが必要か？という問題が有るが、ガス次第である。オゾン層のオゾン量は、地表で１気圧、０℃に換算すれば、わずか３ｍｍ程度とされる。そのオゾンが赤外線を吸収する状態が図１に示されている。まさに約３ｍｍ相当で半減している。この影響は温暖化された効果全体の６％にもなると言われている。フロン類も同様に３ｍｍで赤外線を半減ならば、３０ｍｍ有れば、１０段状態である。フロン類の中にはＣＯ_２と比較し、１１７００倍とされるＨＦＣや２３９００倍とされるＳＦ_６の様に温室効果が突出して高い物も有り、更に少量で済む可能性も有る。

この事はＣＯ_２でも説明できる。大気のほぼ９０％は、上空１５ｋｍ以内に存在するとされ、ＣＯ_２濃度は、０．０３％程度であるから、この領域を全て１気圧と仮定すると、１気圧、濃度１００％では、４．５ｍである。（同様にして、濃度０．０００１８％のメタンでは、２７ｍｍとなる。）実際には、高度１５ｋｍごとに気圧は１／１０になるとされる。（標高３７７６ｍの富士山で０．６２気圧前後、標高８８６８ｍのエベレストで、０．３気圧前後）。４．５ｍの半数前後が予想される。それ位の総量でも、図１では半減以上している。温室効果が１万倍のガスならば、僅か０．４５ｍｍ以下の厚さの量で済む事になる。

また金星、地球ともに地表温度が有る程度一定なのは、地表が受け取るエネルギと放出するエネルギがほぼ同等だからである。地表が受け取るエネルギは、太陽からの直射日光のエネルギと温室効果ガスにより戻されたエネルギの総和である。即ち以下の様になる。
地表からの放出エネルギ＞太陽からの直射日光のエネルギ
地表からの放出エネルギは、前述の地表に届くエネルギ４７％の２．４倍、太陽定数１００％も越える１１４％とされる。地表での面積当たりでは、
１．３７ ×１／４ × １．１４＝０．３９ＫＷ／ｍ^２・・・・（４）
即ち地表に入力されるエネルギは、太陽光以上に温室効果ガスによる戻り赤外線が多い事を意味する。（２）式、（３）式との比較から太陽光発電以上の可能性を秘めている事が分かる。これは地球全体の平均値であり、好条件の地で、総変換効率２５％前後で、平均０．１ＫＷ／ｍ^２になったと仮定する。５０ｍ四方では、２５０ＫＷである。駐車場程度の面積が有れば、村や島水準の電力が賄える。

大気中に既にばら撒かれた、あるいは廃棄冷蔵庫や廃棄エアコンから、ばらまかれるであろうＣＦＣやＨＣＦＣなどのフロン類を回収して使えば、地球温暖化の防止やオゾン層再生、省資源、原子力発電所の削減にもつながる。
また通常の大気であっても、密閉状態の狭空間であれば、高温が得られる事も簡易実験で確認された。これは、夏の晴れた日に自動車内が４０°Ｃ以上になる事が有るという事実からも、理解されるであろう。
更に光を集中的に集めれば、より高温が得られる。
この様な視点から、以下の発明がなされた。

赤外線エネルギを豊富に持ちながら宇宙空間に廃棄されていた「大気の窓」域を中心に、対象温室効果ガスを通常の大気よりも高濃度で密閉された容器内に収納し、受光することで、赤外線を滞留させ、高温状態を作り出す。高温により発電、発熱（暖房、温水化など）などの創エネルギを行う。また外部への放熱防止に用いる事も可能である。これが請求項１である。

請求項１により作り出した高温部分に熱電素子を接し、低温部分との温度差により発電する。これが請求項２である。

請求項１により作り出した高温部で媒体を気化させ、風車を回し発電し、低温部で媒体を液体に戻す。これが請求項３である。

以上の発明により、膨大に有りながら充分に活用されていなかった赤外線エネルギが、有効利用できるようになる。夜間でも赤外線の放射や戻りは有り、発電も可能である。晴れていない時には、もどり赤外線が増える作用も有り、天候変動も太陽光発電より少ない。立地条件的制約も少なく、海上でも可能である。高温化の原理は、発電以外にも、創エネルギ、省エネルギに応用できる。

以下、図面を参照して説明する。図３は熱電素子による実施例の概要を示すものである。日光は透明体３を通過するが、可視光線を中心とするため、温室効果ガス層２での損失は少なく、金属黒体４に吸収される。透明体３からは、もどり赤外線も流入するが、大部分は大気中の水蒸気やＣＯ_２によるものである。温室効果ガス層中の水蒸気やＣＯ_２は赤外線を透明体３を通し外に出す作用もする。そこで大気中よりも低濃度にする事で、もどり赤外線の大分部も金属黒体４に達し、これを昇温させる。金属黒体４は「大気の窓」域の赤外線を中心に表面積比が大きい温室効果ガス層２側に多くが放出される。水蒸気やＣＯ_２により吸収される波長領域の赤外線も放出されるが少量になる。
太陽の向きで方向が定まる日光と違い、もどり赤外線の進行方向は、まちまちである。入射量を多くするために、透明体３の外側を適度な曲率を持たせたレンズ形状とする事もできる。逆に透明体３の内側にも、反射させ易い曲率を付けることで、赤外線を入り易く出にくい状態にさせる事も可能である。同じ目的で、透明体３の表面を、外側は滑らかに、内側を粗くしても良い。温室効果ガス層２は、フロン類やメタン等の各種の温室効果ガスが非常に高濃度・高気圧に封入され、大量発生した「大気の窓」領域を中心に赤外線流出を抑制する。オゾンは周囲の物を酸化させて、酸素になってしまう。また酸素を高濃度化させても、酸素をオゾン化させる帯域の紫外線は、オゾン層で消費され、地表にはほとんど届いていない。このため、吸収帯が近い他の温室効果ガスで代用する。この様にして温室効果ガス層２、金属黒体４を高温化する。
低温側金属５との間に温度差が発生するが、熱電素子９が形成されており、ゼーベック効果により発電される。夜間でも大気圏の温室効果ガスによる戻り赤外線の流入も有り、温度差が有る限り発電可能である。
赤外線と熱の流出防止のため、金属鏡体６と断熱プラスチック７が取り付けられている。

図４に示す様に、地球に比して、太陽は巨大であり、赤道付近の暑い地域も、高緯度地や高山地域も日光エネルギの量は大差が無い。従って、日光に対し適切な角度に設置すれば、低温地域の方が、温度差が大きくなり、発電量も増加する。ある意味、寒さがエネルギ源になっている。
また高緯度地域の方が、高さ方向を有効に使え、地上の単位面積当たりでは、発電効率が増す。更に高緯度地域や高山地域は、一般に風が強く風力発電と併用することで、送電網なども共用化でき、費用対効果を改善できる。
発光源は太陽に限らず、地表や他の赤外線発光体でも良い。例えば、人は１００Ｗの電球と同等とされる。教室や駅の構内などの人の密集地に設置すれば、放出赤外線の一部は戻されて暖房となり、一部は発電に利用される。

図５は、海水との温度差を利用したものの概要を示す。原理は海洋温度差発電・太陽熱発電に代表されるバイナリ発電と同じである。海洋温度差発電では、高温水と低温水の２０〜３０℃の温度差を利用する。緯度２０°までの熱帯地方で水深１０００ｍ以上が必要とされる。
この実施例では、前述の実施例１と同様にして、温室効果ガス層２を高温にする。発生熱をヒートパイプ１０に代表される熱の良導体により、アンモニアに代表される低沸点媒体８に熱を送る。低沸点媒体は蒸発し、風車１１を回し、図示しない発電機により電磁誘導を起こし発電する。低沸点媒体８は放熱器１６を介し、海水により冷却され液化する。
夜間でも、蒸発できる熱容量が有れば発電可能であるし、実施例１と同様に、戻り赤外線も流入する。
熱帯の海に限らず、あらゆる水上で適用させる事ができる。むしろ寒流の沿岸とか山からの冷水が流れ込む地域の様に、気温と水温の差が大きい地域の方が適するとも言える。また深海から送水するための設備・エネルギが不要になる分、海洋温度差発電より低コストになる。浮体式洋上風力発電の浮力部との兼用も可能である。洋上太陽光発電の様な塩害懸念も少ない。

図６は、タワー型太陽熱発電に適用させた概念図である。低温部で冷却し液化する原理や、風車を回転させ発電させる原理は、実施例２と類似である。タワー１４の外は全周にわたり、温室効果ガスが高濃度に封入された透明容器１３が設置されている。反射鏡１５により集められた日光（可視光線が中心）は、減衰も少なく温室効果ガス層２内を透過する。タワー１４が光を吸収し黒体となる。赤外線を発するが、温室効果ガス層２に阻まれ、容易に外に出る事ができない。タワー１４は高温化し、熱は配管１２内の冷却・液化された低沸点媒体８に伝達され、蒸発を起こし発電する。戻り赤外線も寄与する。
従来方法に比して、より低温で狭い面積の場所での適用を可能にする。
高温化の原理は、発電に限らず温水の供給にも応用できる。

図４は、上側で太陽光発電し、下側でバイナリ発電させたものの概念図である。密閉性確保のため、温室効果ガスは、透明体３と容器１７を溶接した複数の小型の物に分散され、雨水や異物を避けるために、コンクリート１８内に設置されている。コンクリート１８は、日陰でも外部からの熱の出入りが有り、常時赤外線照射している。赤外線は、従来は大きな障害も無く外部に放出されていたが、温室効果ガス層２に流入すると容易に上方に抜ける事ができない。容器１７付近に達した赤外線も金属鏡体６により戻される。温室効果ガスには、赤外線を地表側に戻す作用も有るが、その一部は反射や再放出で、再び流入する。また実施例１同様に、曲率と表面粗さを設定する事で、赤外線が入り易く出にくい状態になっている。温室効果ガス層２は高温化し、発生熱はヒートパイプ１０や外部空気等を介して、低沸点媒体８に伝えられ、発電が行われる。赤外線や熱の外部流出を抑制するために、金属鏡体Ｂ１９と断熱プラスチック７が設置されている。
液化は水の有る所だけでなく、１０〜１４℃とされる地下などで空冷しても良い。また給湯設備と連結させ、補助的に水温上昇させ、省エネルギと兼ねる事もできる。
雪で太陽光側が埋まった場合でも、下部からの発電は可能である。また上側で風力発電させても良い。

地表からの赤外線放射及び温室効果ガスの影響を示す観測データである。温室効果ガスが飽和した状態と過剰に有る状態をモデル化した図である。実施例１に示す熱電素子により発電機の概念図である。図３に示す発電機を緯度の違う地域で用いた事を示す概念図である。水上でバイナリ発電させた事を示す概念図である。タワー型太陽熱発電に用いた概念図である。地表からの放出赤外線に対し適用させた概念図である。

１・・・発電機
２・・・温室効果ガス層
３・・・透明体
４・・・金属黒体
５・・・低温側金属
６・・・金属鏡体
７・・・断熱プラスチック
８・・・低沸点媒体
９・・・熱電素子
９１・・・Ｐ型熱電材料
９２・・・Ｎ型熱電材料
９３・・・電極
１０・・・ヒートパイプ
１１・・・風車
１２・・・配管
１３・・・透明容器
１４・・・タワー
１５・・・反射鏡
１６・・・放熱器
１７・・・容器
１８・・・架台
１９・・・金属鏡体Ｂ

Claims

複数の温室効果ガスを高濃度で密閉し、受光させる事により、創エネルギ（発電や発熱）や省エネルギ（放熱防止）させた事を特徴とした装置。
熱電素子により、低温部との温度差で発電したことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
媒体を高温部で気化し、低温部で液化させた事を特徴とする請求項１に記載の発電装置。