JP4029056B2 - ソーラシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽熱のエネルギー有効利用に係わり、特にポンプアップと蒸発器等の熱交換器を介しての太陽熱の加熱により、熱エネルギーをＣＯ２、ＮＨ３、空気、炭化水素等の作動流体の液状及び超臨界の形成の過程において冷温熱と給湯の供給を可能とさせ、発電、冷温熱の供給を同時に可能とする太陽熱の熱エネルギーの有効利用を図る低沸点作動流体の使用による液化閉サイクル備えたソーラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽熱を利用したエネルギー変換装置に関し作動流体を高圧ガスに変換後発電機用タービンを駆動する発明がなされている。（例えば特許文献１参照。）
このシステムでは曇り日及び夜間に発電することが不可能でありシステム効率が悪く、電力を安定的に供給することができない問題があった。
その上、このシステムで利用されるタービンはタービンハウジングとタービンブレード間の空隙が大きく、未利用の高速作動流体がタービンブレード間の空隙より流出し、タービン流量当たりの出力、熱効率が低いという問題があった。
【０００３】
上記従来の太陽熱発電システムに見られた、不安定な電力供給の問題、システム効率の要改善等の問題点の解決を図るとともに、コンパクト化を図った太陽熱発電システムに関する提案がされている。（例えば特許文献２参照。）
上記提案は、図５に見るように、クローズドシステム５２内に、メチルアルコールとアンモニアとの低沸点の混合有機溶媒系作動流体を封入し、１７５℃で４０ａｔｍ、２１５℃で１００ａｔｍ、２６０℃で２６０ａｔｍの高圧蒸気を形成している。
クローズドシステム５２内には前記高圧蒸気を発生させるための蒸発器５４を配置して該蒸発器５４内には蓄熱剤５７を内蔵する。前記蒸発器５４に内蔵する蓄熱剤５７を加熱するために、ソーラコレクタ５１が設けられるとともに補助加熱装置５５を設け、蓄熱剤５７を補助的に加熱できるように構成し、曇天や夜間等の時間帯においても省エネルギーで安定的に電力を供給できるようにしている。
前記蒸発器５４で発生した高圧蒸気５２ａは調圧弁５３ｃを介して蒸気タービン５０に供給され発電機５０ａを駆動する。前記蒸気タービン５０の排気は凝縮器５３及び昇圧ポンプ５３ａからなる冷却手段５８により冷却液化される。
なお前記凝縮器５３には冷却水ポンプを介して冷却水５３ｂが供給され、該冷却水は冷却塔５６で２０〜３５℃まで冷却される。
そして液相の作動流体は前記昇圧ポンプ５３ａを経て蒸発器５４に送給される。
【０００４】
一方太陽熱の有効利用により吸着式冷凍装置の効率化も行なわれている。（例えば特許文献３参照。）
上記提案は、昼間太陽熱を利用し、固体吸着剤を用いた蓄熱冷房を行い、ピーク電力カットに寄与するとともに熱効率的にも他のヒートポンプその他の冷凍装置に比し遜色のない太陽熱利用吸着式蓄熱型冷凍装置の提供を目的としたものである。
上記提案では図６に見るように、吸着剤６１を充填した吸着反応器６０と、再生時には前記吸着剤の加熱により吸着剤より脱着した冷媒蒸気を凝縮器６９を経由して冷媒液として貯蔵し、吸着時には前記冷媒液を自己蒸発させる蒸発器６２と、冷媒液の自己蒸発により発生する冷熱に対し冷熱負荷を形成する熱交換器６５とからなり、
再生時に、吸着反応器６０内に内蔵する吸着剤６１より冷媒を脱着させる加熱用の太陽熱集熱器６６と、吸着剤より脱着した冷媒蒸気を排気する真空ポンプ６８と、前記脱着した冷媒蒸気を凝縮する前記凝縮器６９とを設け、
前記太陽熱集熱器６６より吸着反応器６０への温水供給と真空ポンプ６３の吸引量を適宜変化させて、温度スイングと圧力スイング方式とを併用した再生工程と、
吸着時に、吸着剤の発熱を押さえる冷却水生成用のラジエータ６４その他の熱交換手段と、吸着反応器６０と蒸発器６２との間に介装され、吸着時に蒸発器６２内の冷媒液に自己蒸発作用を解放することにより誘起させる蒸気バルブ６７とを設け、
前記再生工程終了後前記蒸気バルブ６７の遮断状態を継続した後、吸着工程時に該蒸気バルブ６７を解放して冷媒蒸気を吸着反応器６０側に導き、該冷媒蒸気の吸着による発熱をラジエータ６４その他の熱交換手段より押さえながら吸着を行う吸着工程とを備え、前記蓄熱状態を挟んで再生工程と吸着工程との交互繰り返しを行う冷凍サイクルを形成させたものである。
【０００５】
また、上記太陽熱を利用した吸着式冷凍装置の効率化には、吸着式冷凍機に蒸気圧縮式冷凍機を組み合わせたことにより効率化を可能とした提案もある。（例えば特許文献４参照。）
上記提案は、太陽熱で作動する吸着式冷凍機の冷凍能力を蒸気圧縮式冷凍機の吐出側冷媒の冷却に利用して前記蒸気圧縮式冷凍機の冷凍能力の効率化に貢献する構成にしている。
【０００６】
また、タービンの駆動により発電を行い、該タービンからの高温排熱を熱源として二重効用吸収サイクルよりなる吸収式冷凍サイクルを作動させるとともに、別途設けた太陽熱利用手段を、前記吸収式冷凍サイクルの低再生器の加熱用熱源として太陽熱を供給し、前記吸収式冷凍サイクルを温熱供給用に運転する場合の温熱源に使用する構成を持つハイブリッド吸収式電力冷温熱供給装置が提案されている。（例えば特許文献５参照。）
上記提案は、図７に示すように、空気圧縮機７５とガスタービン７２からなるマイクロガスタービン７１で発電機７６を駆動して発電を行うとともに、前記ガスタービン７２からの排ガスを熱源として高圧再生器８１に導入して吸収式冷温水機８０を駆動し、冷温熱を発生させる。
吸収式冷温水機８０は、高圧再生器８１と低圧再生器８２で冷媒蒸気Ａの発生と吸収液の濃縮とを行い、低圧再生器８２から発生する冷媒蒸気Ａは前記ガスタービン７２で駆動される冷媒圧縮機７８で圧縮されてから高圧再生器８１の加熱源として利用される。
また、太陽パネル９２から太陽熱温水なども加熱源として有効に利用し、総合的な成績係数の向上を図っている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５２４７７９６号明細書
【特許文献２】
特開２０００−１１０５１５公報
【特許文献３】
特開平８−３０３９０１号公報
【特許文献４】
特開平１１−２２３４１４号公報
【特許文献５】
特開２００１−０９９５２０公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の先行技術に見るに、
ａ、先行文献２の提案においては、
蒸発器５４を含むクローズドシステム５２内に封入した低沸点混合作動流体をコレクタにより集熱された太陽熱により加熱して、高圧蒸気５２ｂを形成させ、該高圧蒸気により蒸気タービン５０を介して発電を行い、排気蒸気は凝縮器５３を含む冷却手段により冷却液化後ポンプアップされ、蒸発器５４へ還流される構成にしている。
なお、この場合は曇天等に対応するため補助加熱装置５５を付設している。
ｂ、前記先行文献３の提案においては、
使用した吸着式冷凍機の再生時に、太陽熱集熱器６６より得られた６０℃以上の温水を吸着剤に適用し、ＴＰＳＡ方式（圧力スイングと温度スイングの併用）による再生方式を使用し、吸着時には冷媒蒸気の吸着による発熱を冷却水により防止するよう切り換え制御する構成にしている。
ｃ、また、前記先行文献４の提案においては、
太陽熱により作動する吸着式冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機の組合せにより、冷凍機の能率向上を図ったもので、吸着式冷凍機の冷熱を蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器冷却用冷熱源に使用して圧縮機の圧縮仕事の縮小と成績係数の向上を図っている。
ｄ、また、先行文献５の提案においては、
吸収式冷凍機に、発電用マイクロガスタービンの排熱と太陽熱パネルよりの熱エネルギーの併用により、総合的成績係数の向上を図っている。
【０００９】
上記したように、太陽熱の収熱による熱エネルギーの有効的利用に係わる従来例では、太陽熱の有効利用に吸着式冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機の組合せによる方法や、吸収式冷凍機と発電用ガスタービンと太陽熱の併用により前記吸収式冷凍機の効率向上を図ったものの中で、前記ａ項記載の提案において閉サイクルを使用し、太陽熱から得られた熱エネルギーの有効利用に対する段階的処理が見られるが、十分とは言えない状況にある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、
液状及び超臨界、近超臨界、臨界未満の低沸点作動流体を使用して、太陽熱により高温超臨界圧流体を形成させ、該高温超臨界圧流体の断熱膨張による低圧ガスの形成、低圧ガスの冷却についで行う液化への熱サイクルを形成する過程で、発電と冷温熱と給湯の同時供給を可能とする効率的ソーラシステムの提供を目的としたものである。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
そこで、本発明は、臨界未満の作動流体を、ポンプアップ部においてポンプアップして高圧作動流体（超臨界状態も含む）とし、該高圧作動流体を太陽熱加熱装置により加熱（実質的に流体の蒸発により一層高温超臨界化する）させて高温超臨界圧流体を生成させ、該高温超臨界圧流体を膨張タービンを介して断熱膨張を行なわせ、該断熱膨張により前記臨界点以下の二相流ガス体の低温域まで圧力降下させ低圧ガスを形成し、
前記低圧ガスは冷凍機による冷却過程で冷熱源と温熱原を形成させるとともに、
前記冷却により降温した低温ガスを給湯器を含む液化熱源を介して臨界未満の作動流体を形成させ、ポンプアップ部へ還流させる閉回路を形成したことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の第１の発明は、太陽熱のエネルギー利用のための有効な手段としてなされたもので、
ａ、臨界未満の作動流体をポンプアップ部においてポンプアップして高圧作動流体としたものを太陽熱の収受媒体に使用して、更にこれを太陽熱加熱装置により加熱（実質的に流体の蒸発により高温超臨界化する）させて液体でもなく気体でもない高い均質相を持つ超臨界領域で作動する高温超臨界圧流体の生成を可能とするものである。
ｂ、そして臨界点以上の領域では運動のエネルギーが優越し、気液相移転のない超臨界領域での膨張タービンの駆動を可能とするのみならず、膨張タービンを介して高温超臨界圧流体を断熱膨張を行なわせしめるために、該断熱膨張により前記臨界点以下の二相流ガス体の低温域まで圧力降下させ低圧ガスを形成する。
ｃ、前記低圧ガスは低圧のもとに例えば吸収式冷凍機等による冷却サイクル過程で冷熱源と温熱源を形成させ、更に前記冷却により降温した低温ガスを液化熱源（例えば給湯器）を介して液化及び臨界未満の状態の作動流体を形成させ、ポンプアップ部へ還流させる液化熱サイクルを形成させる。
ｄ、なお、前記断熱膨張により降圧する低圧ガスのガス圧は、該ガス体の液化に使用する液化温度に対応する当該低沸点作動流体の液化飽和蒸気圧に対応する構成にしてある。
例えば、前記液化に使用する冷却水の温度をｔ℃とし、該温度の当該低沸点作動流体の飽和蒸気圧に対応する構成にする。
ｅ、そして上記過程を経由して、発電と冷熱利用と温熱利用、給湯の供給を同時に可能とし多様なエネルギー利用を行うようにしたものである。
ｆ、なお、前記超臨界領域においては、分子間距離の連続的変化が可能であるので、密度の関数としてあらわせる溶解力・イオン積・誘電率の平衡性の制御が可能であり、又、拡散速度・熱伝導度・粘性等の輸送物性の制御が可能である。
【００１３】
また、本発明のソーラシステムの第２の発明は、前記作動流体がＣＯ ２ 作動流体であることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の第２の発明は、前記第１の発明における作動流体に、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が零で、地球温暖化係数（ＧＷＰ）もフロン系冷媒の千分一以下であり、毒性、可燃性、腐食性がなく、熱的にも安定である不活性のＣＯ２ガスを使用するようにしたもので、臨界温度は３１．０５℃で臨界圧力は７２．８Ｋｇ／ｃｍ２である。
なお、前記断熱膨張により得られる低圧ガスの圧力は下記のようにして設定する。
ａ、前記低温熱源により１２℃の水道水を使用した場合、前記冷却水の温度に近い略１２℃に対応するＣＯ２の飽和蒸気圧５０Ｋｇｆ／ｃｍ２相当の圧力が要求される。
ｂ、また、前記低温熱源に別途用意した冷熱源（例えば後記する熱回収器の吸収式冷凍機より供給しても良い）を使用して０℃の液化ＣＯ２を得るようにしても良く、この場合は断熱膨張の結果得られる低圧ＣＯ２ガスのガス圧は０℃に対応する飽和蒸気圧３５Ｋｇｆ／ｃｍ２相当の圧力に設定する必要がある。
【００１５】
また、前記第２の発明のソーラシステムにおける、
前記液化ＣＯ２作動流体は、環境温度に合わせ、ＨＣ（炭化水素）媒体を混入し液化飽和蒸気圧を低くする構成が好ましい。
【００１６】
上記発明により、太陽熱の集熱量の変化に対応して飽和蒸気圧の低いＨＣ媒体をＣＯ２媒体へ適宜混入してソーラシステムの効率維持を図る構成にしている。
【００１７】
そして、本発明の前記液化熱源は、低温ガスを液化する際に発生する潜熱利用して水道水若しくは冷水を加温する給湯器である構成が好ましい。
【００１８】
上記発明は、前記断熱膨張により、臨界圧より低い低温に降圧させた低温ガス体に対し、冷却液化するべく前記膨張タービンの後段に設けた前記熱回収器に含まれる前記液化低温熱源の構成を記載したもので、この場合には、一般に使用される水道水を使用し、季節及び昼夜、場所によっても水温に変化があるがこの場合約１２℃の冷却水を使用することにしている。
この場合は、前記低温ガス体の圧力はＣＯ２ガスの場合約５０Ｋｇｆ／ｃｍ２になる。（図３のＣＯ２Ｔ−Ｓ線図参照）
【００１９】
そしてまた、本発明のソーラシステムの前記液化熱源は、別途設けた冷熱源により冷熱を供給する構成が好ましい。
【００２０】
上記発明は、前記断熱膨張により、臨界圧より低い低温に降圧させた低温ガス体に対し、前記膨張タービンの後段に設けた前記熱回収器に含まれる前記液化低温熱源の構成を記載したもので、この場合には前記別途設けた冷熱源より冷熱の供給をうけて液化させてもよく、例えば０℃の冷却水の供給を可能にした場合は低圧ガスの圧力をＣＯ２ガスの場合、約３５Ｋｇｆ／ｃｍ２まで下げることができ、（図３のＣＯ２Ｔ−Ｓ線図参照）収熱効率を上げることができる。
【００２１】
そしてまた、前記本発明のソーラシステムの第１及び第２の発明における、
前記太陽熱加熱装置は、真空管太陽熱集熱器により間接加熱する構成が好ましい。
【００２２】
上記発明は、太陽熱加熱装置の構成に付き記載したもので、真空管式太陽熱集熱システムでは、真空円筒ガラス管内に集熱パイプを封入した集熱管（コレクタ）を円筒放物形鏡面の焦点に配設し、該コレクタに熱媒体を循環させ、循環する該熱媒体より前記蒸発器の内蔵する熱交換器を介して、前記低沸点作動流体の超臨界圧流体に効率的に熱を加え高温超臨界圧流体を形成させる構成にしてある。
【００２３】
また、本発明のソーラシステムの第１及び第２の発明における、
前記熱回収器は、前記膨張タービンの下流に直列状に設けた吸収式冷凍機と前記液化低温熱源を使用する給湯器とよりなる構成が好ましい。
【００２４】
上記発明は、前記膨張タービンの下流側後段に設け、前記膨張タービンにより臨界圧以下の低圧に降圧された低圧ガスより残余の熱を収奪して前記低沸点作動流体を液化する前記熱回収器の構成について記載したもので、高温排熱で作動する吸収式冷凍機を前段に設け、その後段に前記液化低温熱源より冷却水の供給を受け前記吸収式冷凍機を経由して更に低温になった低圧ガスを冷却液化させ、液化液を形成する給湯器より構成する。
なお、前記断熱膨張により、前記高温超臨界圧流体の圧力は、前記液化低温熱源により液化される際の液化飽和蒸気圧力と同等の圧力を持つ低圧ガスのガス圧まで降圧される。
【００２５】
そしてまた、前記熱回収器を構成する吸収式冷凍機は、前記低圧ガスを導入する管路にバイパス配管と調整弁を設け、駆動源を形成する前記低圧ガスの導入量を調整し、冷熱と温熱の発生量を加減する構成が好ましい。
【００２６】
上記発明は、前記吸収式冷凍機と給湯器を備えた熱回収器において、前記吸収式冷凍機と前記給湯器への低温ガスの導入量を調整し、前記吸収式冷凍機による冷温熱出力と給湯器による温熱の各発生量を加減する構成としてある。
【００２７】
そして、前記液化熱源は液化用冷却水の供給を受け、低圧液化液を形成する給湯器により構成したことを特徴とする。
【００２８】
上記発明は、前記熱回収器の別の構成について記載したもので、この場合給湯器単独の構成として、前記液化低温熱源により液化用冷却水の供給を受け、低圧液化液を形成する構成にしてある。
【００２９】
そして、また、本発明のソーラシステムの第１の発明における、
前記低沸点作動流体はＣＯ ２ のみならず、ＮＨ３、空気、炭化水素系の自然冷媒を用いてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明のソーラシステムの概略の構成を示すブロック図で、図２は図１の熱サイクルにＣＯ２媒体を使用した場合を示す系統図で、図３は図２の状態変化をＴ−Ｓ線図で示した図で、図４は図２の別の実施例を示す図である。
【００３１】
本発明のソーラシステムの概略構成は、図１に示すブロック図に見るように、
ポンプアップ部１１と、蒸発器１０と、膨張タービン１２と、熱回収器１３とよりなり、
ポンプアップ部１１で液状及び臨界未満の低沸点作動流体をポンプアップして超臨界圧流体となし、該超臨界圧流体を太陽熱１０ａにより真空管集熱器１０ｂ、蒸発器１０とを介して加熱して、高温超臨界圧流体を生成する。
生成された高温超臨界圧流体は、下流に配設した膨張タービン１２により太陽熱エネルギーの一部を発電機１２ａを介して電力源１２ｂを形成するとともに、臨界圧以下の低圧ガスに降圧形成される。降圧された低圧ガスは、残余の太陽熱エネルギーを下流に配設した熱回収器１３により回収させるとともに低圧ガスを液化及び超臨界、近超臨界、臨界未満の作動流体で形成して、前記ポンプアップ部１１へ還流して熱サイクルを構成する。
【００３２】
上記蒸発器１０には真空管集熱器１０ｂが付設され、上記真空管集熱器１０ｂは、図示していない真空円筒ガラス管内に集熱パイプを封入した集熱管（コレクタ）を円筒放物形鏡面の焦点に配設し、該コレクタに熱媒体を循環させ、循環する該熱媒体より蒸発器１０に内蔵する熱交換器で前記低沸点作動流体を効率的に加熱して、高温超臨界圧流体を形成させる構成にしてある。
【００３３】
又、膨張タービン１２は、断熱膨張により前記高温超臨界圧流体を臨界圧以下の圧力に降下させるとともに、その際発生する機械力により発電機１２ａを駆動させ電力源１２ｂを形成してエネルギーの有効利用を可能にしている。
なお、上記断熱膨張による降圧により臨界圧以下の低圧ガスを形成しているが、該低圧ガスの圧力は、後記する下流に配設した熱回収器１３の給湯器１５で生成される液化作動流体の液化温度に対応する飽和蒸気圧に相応するもので、例えば低沸点作動流体としてＣＯ２媒体を使用した場合、
上記給湯器１５に水道水等を原水とした１２℃の冷却水を使用した場合は、１２℃の液化ＣＯ２が形成され、液化飽和蒸気圧は５０Ｋｇｆ／ｃｍ２になる（図３のＴ−Ｓ線図参照）ため、前記降圧する低圧ガスの圧力は５０Ｋｇｆ／ｃｍ２に設定される。
また、前記給湯器に使用する冷却水を、別途設けた冷熱源により供給することもできる。例えば０℃の冷却水を使用した場合は０℃の液化ＣＯ２が形成され、液化飽和蒸気圧は３５Ｋｇｆ／ｃｍ２になり（図３のＴ−Ｓ線図参照）、前記低圧ガスのガス圧は３５Ｋｇｆ／ｃｍ２に設定されエネルギー利用効率を上げることになる。
【００３４】
次に前記熱回収器１３は、前記膨張タービン１２で臨界圧以下に降圧された低圧ガスの残余の熱エネルギーを収奪して液化低温ガス（液化作動流体）を形成する、吸収式冷凍機１４とその後段に設けた液化用の給湯器１５とより構成する。
そして、前記吸収式冷凍機１４は、前記膨張タービン１２からの排気ガスである低圧ガスにより加熱駆動され、内蔵する蒸発器に冷熱源１４ａを形成させ、同じく内蔵する凝縮器に温熱源１４ｂを形成させている。
【００３５】
なお、前記膨張タービン１２の出口と給湯器１５との間には、図示していないバイパス管路を持つ吸収式冷凍機１４を設け、該バイパス管路に流量調整弁を設け膨張タービン１２からの低圧ガスの吸収式冷凍機１４と給湯器１５への導入量を調整し、吸収式冷凍機１４の冷熱源１４ａの冷熱出力と給湯器１５による給湯源１５ａの温熱出力を加減する構成にしてある。
【００３６】
また、前記給湯器１５は、低温熱源１６より、例えば水道水を原水として使用するかまたは別途用意した冷熱源により形成された冷水よりなる冷却水１６ａを使用して給湯器１５の出口より液化及び超臨界、近超臨界、臨界未満の作動流体を吐出して前記ポンプアップ部１１へ還流させ閉回路を形成するとともに、前記冷却水１６ａは加熱され給湯水として使用できる構成にしてある。
則ち、上記熱サイクルの閉回路を形成することにより、電力源１２ｂ、冷熱源１４ａ、温熱源１４ｂ、給湯源１５ａの同時形成を可能としている。
【００３７】
上記図１における本発明のソーラシステムに使用する作動流体には、ＣＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ、炭化水素系の自然冷媒を使用しても良い。
【００３８】
図２には、図１に示す本発明のソーラシステムにＣＯ２媒体を使用した場合の状態変化の状況を示してある。
則ち、図２に見るように、ポンプアップ部１１で、下流より還流してきたＣＯ２の液化作動流体２０ｅは、昇圧してＣＯ２超臨界圧流体２０ａを形成し、
ついで、蒸発器１０で内蔵する真空管集熱器１０ｂを介して加熱され１００Ｋｇｆ／ｃｍ２、３００℃のＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂを形成し、
ついで、膨張タービン１２で断熱膨張により５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、２５２℃の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成し、
ついで、吸収式冷凍機１４を加熱駆動させた後降温して５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、７７℃の低圧ＣＯ２低温ガス２０ｄを形成し、
ついで、給湯器１５で１２℃の冷却水により冷却され、５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、１２℃の液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体２０ｅ）を形成し、ポンプアップ部１１へ還流して熱的閉回路を形成する。
【００３９】
なお、上記状態変化により、膨張タービン１２では発電機１２ａを介して６．５ＫＷの電力源１２ｂを形成し、分電盤１２ｃを経由して地域配電設備への給電とシステム内の給電をする。
また、吸収式冷凍機１４においては、冷熱源１４ａにより７℃の冷水を得ている。
また、給湯器１５では、７７℃の給湯源１５ａを形成する。
【００４０】
なお、液化低温熱源１６では、水道水を原水として１２℃の冷却水を使用して前記５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、１２℃の液化ＣＯ２を得るようにし、
又は、別途用意した冷熱源により０℃の冷却水を使用して、３５Ｋｇｆ／ｃｍ２、０℃の液化ＣＯ２を得る構成にしてある。
【００４１】
前記図２に示すＣＯ２媒体を使用したソーラシステムにおいて、曇天や、冬期に太陽の日射量が少ない等の環境温度の変化に対応して、ＣＯ２媒体にＨＣ（炭化水素）媒体を混入させ、液化飽和蒸気圧を低くして対処する構成にしても良い。
【００４２】
図３には、図２のＣＯ２媒体使用の本発明のソーラシステムの熱サイクルの状態変化をＴ−Ｓ線図で示してある。図に見るように、
点Ａで液化した圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度２８５ｋ（１２℃）の液化ＣＯ２（２０ｅ）はポンプアップ部１１に導入され断熱圧縮され点Ｂで圧力１００Ｋｇｆ／ｃｍ２のＣＯ２超臨界圧力流体２０ａを形成する。
ついで、蒸発器１０により加熱され１００Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線に沿って点Ｃで圧力１００Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５７５ｋ（３００℃）のＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂを形成する。
ついで、膨張タービン１２により断熱圧縮して点Ｄで圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５２５ｋ（２５２℃）の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成する。
ついで、上記ＣＯ２低圧ガス２０ｃは吸収式冷凍機１４を加熱駆動させ、点Ｅで圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線に沿い降温して温度３５０ｋ（７７℃）の低圧ＣＯ２低温ガス２０ｄを形成する。
ついで、給湯器１５で１２℃の冷却水により冷却され、点Ｆで飽和蒸気となり、点Ａで液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体２０ｅ）を形成して液化サイクルを形成する。
【００４３】
なお、液化用冷却水として液化低温熱源に別途用意した冷熱源を介して０℃の冷却水を使用する場合は、前記ＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂは点Ｃより断熱膨張をして、０℃の液化飽和蒸気圧３５Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線上の点Ｇまで降圧して圧力３５Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５００ｋ（２２０℃）の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成する。爾後前記３５Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧ラインに沿って熱回収器１３による熱回収が行なわれ、点Ｈで０℃の飽和蒸気となり、点Ｊで液化し、ポンプアップ部１１へ還流する。
【００４４】
図４には、図２の別の実施例を示してあり、図に見るように図２の熱回収器１３において吸収式冷凍器１４を省き給湯器１５のみで構成した場合を示している。
【００４５】
以下に低沸点作動流体にＣＯ２媒体を使用した図２に示すソーラシステムについての概略の熱清算を示す。
ａ、ソーラ
真空管集熱器の設備面積（水平）、単位面積１００ｍ２
真空管集熱器効率６０％、日射エネルギー密度１ｋｗ／ｍ２として
Ｑｉｎ＝１ｋｗ×１００ｍ２×０．６＝６０ｋｗ
液化温度ｔ℃、１００Ｋｇｆ／ｃｍ２のＣＯ２媒体を３００℃まで太陽熱により加熱する。
真空管集熱器設備面積の単位面積１００ｍ２当たりのＣＯ２の質量速度ｉｎ （Ｋｇ／ｓ）は、
ｔ＝１２℃の冷却水使用の場合；
ｉｎ１２℃＝Ｑｉｎ／（ｈ３００℃−ｈ１２℃）＝６０／（１０５０−６００）＝０．１３ｋｇ／ｓ
ｔ＝ ０℃の冷却水使用の場合；
ｉｎ ０℃＝Ｑｉｎ／（ｈ３００℃−ｈ０℃）＝６０／（１０５０−５５０）＝０．１２ｋｇ／ｓ
ｂ、膨張タービンの出力
Ｗｏｕｔ（タービン出力）；タービン効率６０％の場合のＣＯ２タービンによる出力
ｂ−１ ；１２℃の冷却水使用の場合
Ｗｏｕｔ＝ｉｎ１２℃（ｈ３００℃−ｈ２５２℃）＝６．５ｋｊ／ｓ＝６．５ｋｗ
発電効率 ηｐ ＝６．５／１００＝６．５％（１２℃冷却水）
ｂ−２ ； ０℃の冷却水使用の場合
Ｗｏｕｔ＝ｉｎ０℃ （ｈ３００℃−ｈ２３０℃）＝８．４ｋｊ／ｓ＝８．４ｋｗ
発電効率 ηｐ ＝８．４／１００＝８．４％
ｃ、吸収式冷凍機
２５２℃のタービン背圧を吸収式冷凍機の熱源として７７℃まで使う。
冷凍機での回収熱量Ｑａｂｓ＝ｉｎ（ｈ２５２℃−ｈ７７℃）＝０．１３（１０００−８００）
＝２６ ｋｗ
給湯器
７７℃の吸収式冷凍機の排ガスを給湯器で１２℃の冷却水で液化する。
給湯器での回収熱量Ｑｗａｔｅｒ＝ｉｎ（ｈ７７℃−ｈ１２℃）＝０．１３（８００−６００）
＝２６ ｋｗ
ｄ、上記熱概算に見るように、集熱効率を８０％、タービン効率を８０％にすると、ηｐは１０．２％になり、その値は太陽電池の値に近くなる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により下記効果を奏する。
ａ、液状及び臨界未満の低沸点作動流体を使用して、太陽熱により高温超臨界圧流体を形成し、該高温超臨界圧流体の断熱膨張により低圧ガスを形成し、さらにその低圧ガスの冷却についで行う液化の熱サイクルを形成する過程で、発電と冷温熱と給湯の多様なエネルギー同時供給を可能にしている。
特に前記高温超臨界圧流体の形成により低沸点作動流体の温度を高く保持することができ、熱サイクルの効率の向上を図ることができる。また超臨界圧流体を膨張タービンに使用することにより高効率のタービン運転を可能にしている。
ｂ、また、低沸点作動流体にＣＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏの自然冷媒の使用によりオゾン破壊係数や、地球温暖化係数を零にして、地球球環境保護に役立つとともに、エネルギー利用効率を高めることができる。
ｃ、また、ＣＯ２媒体を使用した本発明のソーラシステムにおいて、ＨＣ（炭化水素）の適宜混入により液化飽和蒸気圧を低く構成することにより環境温度に適合した運転をすることができる。
ｄ、また、低圧ガスの液化に低温の例えば０℃の冷却水の使用によりエネルギー利用効率を高くすることができる。
ｅ、また、熱回収器に吸収式冷凍機と給湯器を直列状に配設し、前記吸収式冷凍機に調節弁付きバイパスを設ける構成にしてあるため、環境温度（曇天、冬期等）の変化に対応した好適な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のソーラシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】 図１の熱サイクルにＣＯ２媒体を使用した場合を示す系統図である。
【図３】 図２の状態変化をＴ−Ｓ線図で示したグラフ図である。
【図４】 図２の別の実施例を示す概要図である。
【図５】 従来の太陽熱発電システムの概略構成を示す概要図である。
【図６】 従来の太陽熱利用吸着式蓄熱型冷凍装置の概略構成を示す概要図である。
【図７】 従来のハイブリッド吸収式電力冷温熱供給装置の概略構成を示す概要図である。
【符号の説明】
１０ 蒸発器
１０ａ 太陽熱
１０ｂ 真空管集熱器
１１ ポンプアップ部
１２ 膨張タービン
１２ａ 発電機
１２ｂ 電力源
１３ 熱回収器
１４ 吸収式冷凍機
１４ａ 冷熱源
１４ｂ 温熱源
１５ 給湯器
１５ａ 給湯源
１６ 液化低温熱源
２０ａ ＣＯ２超臨界圧流体
２０ｂ ＣＯ２高温超臨界圧流体
２０ｃ 低圧ＣＯ２ガス
２０ｄ 低圧ＣＯ２低温ガス
２０ｅ 液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽熱のエネルギー有効利用に係わり、特にポンプアップと蒸発器等の熱交換器を介しての太陽熱の加熱により、熱エネルギーをＣＯ２、ＮＨ３、空気、炭化水素等の作動流体の液状及び超臨界の形成の過程において冷温熱と給湯の供給を可能とさせ、発電、冷温熱の供給を同時に可能とする太陽熱の熱エネルギーの有効利用を図る低沸点作動流体の使用による液化閉サイクル備えたソーラシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、太陽熱を利用したエネルギー変換装置に関し作動流体を高圧ガスに変換後発電機用タービンを駆動する発明がなされている。（例えば特許文献１参照。）
このシステムでは曇り日及び夜間に発電することが不可能でありシステム効率が悪く、電力を安定的に供給することができない問題があった。
その上、このシステムで利用されるタービンはタービンハウジングとタービンブレード間の空隙が大きく、未利用の高速作動流体がタービンブレード間の空隙より流出し、タービン流量当たりの出力、熱効率が低いという問題があった。
【０００３】
上記従来の太陽熱発電システムに見られた、不安定な電力供給の問題、システム効率の要改善等の問題点の解決を図るとともに、コンパクト化を図った太陽熱発電システムに関する提案がされている。（例えば特許文献２参照。）
上記提案は、図５に見るように、クローズドシステム５２内に、メチルアルコールとアンモニアとの低沸点の混合有機溶媒系作動流体を封入し、１７５℃で４０ａｔｍ、２１５℃で１００ａｔｍ、２６０℃で２６０ａｔｍの高圧蒸気を形成している。
クローズドシステム５２内には前記高圧蒸気を発生させるための蒸発器５４を配置して該蒸発器５４内には蓄熱剤５７を内蔵する。前記蒸発器５４に内蔵する蓄熱剤５７を加熱するために、ソーラコレクタ５１が設けられるとともに補助加熱装置５５を設け、蓄熱剤５７を補助的に加熱できるように構成し、曇天や夜間等の時間帯においても省エネルギーで安定的に電力を供給できるようにしている。
前記蒸発器５４で発生した高圧蒸気５２ａは調圧弁５３ｃを介して蒸気タービン５０に供給され発電機５０ａを駆動する。前記蒸気タービン５０の排気は凝縮器５３及び昇圧ポンプ５３ａからなる冷却手段５８により冷却液化される。
なお前記凝縮器５３には冷却水ポンプを介して冷却水５３ｂが供給され、該冷却水は冷却塔５６で２０〜３５℃まで冷却される。
そして液相の作動流体は前記昇圧ポンプ５３ａを経て蒸発器５４に送給される。
【０００４】
一方太陽熱の有効利用により吸着式冷凍装置の効率化も行なわれている。（例えば特許文献３参照。）
上記提案は、昼間太陽熱を利用し、固体吸着剤を用いた蓄熱冷房を行い、ピーク電力カットに寄与するとともに熱効率的にも他のヒートポンプその他の冷凍装置に比し遜色のない太陽熱利用吸着式蓄熱型冷凍装置の提供を目的としたものである。
上記提案では図６に見るように、吸着剤６１を充填した吸着反応器６０と、再生時には前記吸着剤の加熱により吸着剤より脱着した冷媒蒸気を凝縮器６９を経由して冷媒液として貯蔵し、吸着時には前記冷媒液を自己蒸発させる蒸発器６２と、冷媒液の自己蒸発により発生する冷熱に対し冷熱負荷を形成する熱交換器６５とからなり、
再生時に、吸着反応器６０内に内蔵する吸着剤６１より冷媒を脱着させる加熱用の太陽熱集熱器６６と、吸着剤より脱着した冷媒蒸気を排気する真空ポンプ６８と、前記脱着した冷媒蒸気を凝縮する前記凝縮器６９とを設け、
前記太陽熱集熱器６６より吸着反応器６０への温水供給と真空ポンプ６３の吸引量を適宜変化させて、温度スイングと圧力スイング方式とを併用した再生工程と、
吸着時に、吸着剤の発熱を押さえる冷却水生成用のラジエータ６４その他の熱交換手段と、吸着反応器６０と蒸発器６２との間に介装され、吸着時に蒸発器６２内の冷媒液に自己蒸発作用を解放することにより誘起させる蒸気バルブ６７とを設け、
前記再生工程終了後前記蒸気バルブ６７の遮断状態を継続した後、吸着工程時に該蒸気バルブ６７を解放して冷媒蒸気を吸着反応器６０側に導き、該冷媒蒸気の吸着による発熱をラジエータ６４その他の熱交換手段より押さえながら吸着を行う吸着工程とを備え、前記蓄熱状態を挟んで再生工程と吸着工程との交互繰り返しを行う冷凍サイクルを形成させたものである。
【０００５】
また、上記太陽熱を利用した吸着式冷凍装置の効率化には、吸着式冷凍機に蒸気圧縮式冷凍機を組み合わせたことにより効率化を可能とした提案もある。（例えば特許文献４参照。）
上記提案は、太陽熱で作動する吸着式冷凍機の冷凍能力を蒸気圧縮式冷凍機の吐出側冷媒の冷却に利用して前記蒸気圧縮式冷凍機の冷凍能力の効率化に貢献する構成にしている。
【０００６】
また、タービンの駆動により発電を行い、該タービンからの高温排熱を熱源として二重効用吸収サイクルよりなる吸収式冷凍サイクルを作動させるとともに、別途設けた太陽熱利用手段を、前記吸収式冷凍サイクルの低再生器の加熱用熱源として太陽熱を供給し、前記吸収式冷凍サイクルを温熱供給用に運転する場合の温熱源に使用する構成を持つハイブリッド吸収式電力冷温熱供給装置が提案されている。（例えば特許文献５参照。）
上記提案は、図７に示すように、空気圧縮機７５とガスタービン７２からなるマイクロガスタービン７１で発電機７６を駆動して発電を行うとともに、前記ガスタービン７２からの排ガスを熱源として高圧再生器８１に導入して吸収式冷温水機８０を駆動し、冷温熱を発生させる。
吸収式冷温水機８０は、高圧再生器８１と低圧再生器８２で冷媒蒸気Ａの発生と吸収液の濃縮とを行い、低圧再生器８２から発生する冷媒蒸気Ａは前記ガスタービン７２で駆動される冷媒圧縮機７８で圧縮されてから高圧再生器８１の加熱源として利用される。
また、太陽パネル９２から太陽熱温水なども加熱源として有効に利用し、総合的な成績係数の向上を図っている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５２４７７９６号明細書
【特許文献２】
特開２０００−１１０５１５公報
【特許文献３】
特開平８−３０３９０１号公報
【特許文献４】
特開平１１−２２３４１４号公報
【特許文献５】
特開２００１−０９９５２０公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の先行技術に見るに、
ａ、先行文献２の提案においては、
蒸発器５４を含むクローズドシステム５２内に封入した低沸点混合作動流体をコレクタにより集熱された太陽熱により加熱して、高圧蒸気５２ｂを形成させ、該高圧蒸気により蒸気タービン５０を介して発電を行い、排気蒸気は凝縮器５３を含む冷却手段により冷却液化後ポンプアップされ、蒸発器５４へ還流される構成にしている。
なお、この場合は曇天等に対応するため補助加熱装置５５を付設している。
ｂ、前記先行文献３の提案においては、
使用した吸着式冷凍機の再生時に、太陽熱集熱器６６より得られた６０℃以上の温水を吸着剤に適用し、ＴＰＳＡ方式（圧力スイングと温度スイングの併用）による再生方式を使用し、吸着時には冷媒蒸気の吸着による発熱を冷却水により防止するよう切り換え制御する構成にしている。
ｃ、また、前記先行文献４の提案においては、
太陽熱により作動する吸着式冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機の組合せにより、冷凍機の能率向上を図ったもので、吸着式冷凍機の冷熱を蒸気圧縮式冷凍機の凝縮器冷却用冷熱源に使用して圧縮機の圧縮仕事の縮小と成績係数の向上を図っている。
ｄ、また、先行文献５の提案においては、
吸収式冷凍機に、発電用マイクロガスタービンの排熱と太陽熱パネルよりの熱エネルギーの併用により、総合的成績係数の向上を図っている。
【０００９】
上記したように、太陽熱の収熱による熱エネルギーの有効的利用に係わる従来例では、太陽熱の有効利用に吸着式冷凍機と蒸気圧縮式冷凍機の組合せによる方法や、吸収式冷凍機と発電用ガスタービンと太陽熱の併用により前記吸収式冷凍機の効率向上を図ったものの中で、前記ａ項記載の提案において閉サイクルを使用し、太陽熱から得られた熱エネルギーの有効利用に対する段階的処理が見られるが、十分とは言えない状況にある。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、
液状及び超臨界、近超臨界、臨界未満の低沸点作動流体を使用して、太陽熱により高温超臨界圧流体を形成させ、該高温超臨界圧流体の断熱膨張による低圧ガスの形成、低圧ガスの冷却についで行う液化への熱サイクルを形成する過程で、発電と冷温熱と給湯の同時供給を可能とする効率的ソーラシステムの提供を目的としたものである。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
そこで、本発明は、臨界未満の作動流体を、ポンプアップ部においてポンプアップして高圧作動流体（超臨界状態も含む）とし、該高圧作動流体を太陽熱加熱装置により加熱（実質的に流体の蒸発により一層高温超臨界化する）させて高温超臨界圧流体を生成させ、該高温超臨界圧流体を膨張タービンを介して断熱膨張を行なわせ、該断熱膨張により前記臨界点以下の二相流ガス体の低温域まで圧力降下させ低圧ガスを形成し、
前記低圧ガスは冷凍機による冷却過程で冷熱源と温熱原を形成させるとともに、
前記冷却により降温した低温ガスを給湯器を含む液化熱源を介して臨界未満の作動流体を形成させ、ポンプアップ部へ還流させる閉回路を形成したことを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の第１の発明は、太陽熱のエネルギー利用のための有効な手段としてなされたもので、
ａ、臨界未満の作動流体をポンプアップ部においてポンプアップして高圧作動流体としたものを太陽熱の収受媒体に使用して、更にこれを太陽熱加熱装置により加熱（実質的に流体の蒸発により高温超臨界化する）させて液体でもなく気体でもない高い均質相を持つ超臨界領域で作動する高温超臨界圧流体の生成を可能とするものである。
ｂ、そして臨界点以上の領域では運動のエネルギーが優越し、気液相移転のない超臨界領域での膨張タービンの駆動を可能とするのみならず、膨張タービンを介して高温超臨界圧流体を断熱膨張を行なわせしめるために、該断熱膨張により前記臨界点以下の二相流ガス体の低温域まで圧力降下させ低圧ガスを形成する。
ｃ、前記低圧ガスは低圧のもとに例えば吸収式冷凍機等による冷却サイクル過程で冷熱源と温熱源を形成させ、更に前記冷却により降温した低温ガスを液化熱源（例えば給湯器）を介して液化及び臨界未満の状態の作動流体を形成させ、ポンプアップ部へ還流させる液化熱サイクルを形成させる。
ｄ、なお、前記断熱膨張により降圧する低圧ガスのガス圧は、該ガス体の液化に使用する液化温度に対応する当該低沸点作動流体の液化飽和蒸気圧に対応する構成にしてある。
例えば、前記液化に使用する冷却水の温度をｔ℃とし、該温度の当該低沸点作動流体の飽和蒸気圧に対応する構成にする。
ｅ、そして上記過程を経由して、発電と冷熱利用と温熱利用、給湯の供給を同時に可能とし多様なエネルギー利用を行うようにしたものである。
ｆ、なお、前記超臨界領域においては、分子間距離の連続的変化が可能であるので、密度の関数としてあらわせる溶解力・イオン積・誘電率の平衡性の制御が可能であり、又、拡散速度・熱伝導度・粘性等の輸送物性の制御が可能である。
【００１３】
また、本発明のソーラシステムの第２の発明は、前記作動流体がＣＯ ２ 作動流体であることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の第２の発明は、前記第１の発明における作動流体に、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が零で、地球温暖化係数（ＧＷＰ）もフロン系冷媒の千分一以下であり、毒性、可燃性、腐食性がなく、熱的にも安定である不活性のＣＯ２ガスを使用するようにしたもので、臨界温度は３１．０５℃で臨界圧力は７２．８Ｋｇ／ｃｍ２である。
なお、前記断熱膨張により得られる低圧ガスの圧力は下記のようにして設定する。
ａ、前記低温熱源により１２℃の水道水を使用した場合、前記冷却水の温度に近い略１２℃に対応するＣＯ２の飽和蒸気圧５０Ｋｇｆ／ｃｍ２相当の圧力が要求される。
ｂ、また、前記低温熱源に別途用意した冷熱源（例えば後記する熱回収器の吸収式冷凍機より供給しても良い）を使用して０℃の液化ＣＯ２を得るようにしても良く、この場合は断熱膨張の結果得られる低圧ＣＯ２ガスのガス圧は０℃に対応する飽和蒸気圧３５Ｋｇｆ／ｃｍ２相当の圧力に設定する必要がある。
【００１５】
また、前記第２の発明のソーラシステムにおける、
前記液化ＣＯ２作動流体は、環境温度に合わせ、ＨＣ（炭化水素）媒体を混入し液化飽和蒸気圧を低くする構成が好ましい。
【００１６】
上記発明により、太陽熱の集熱量の変化に対応して飽和蒸気圧の低いＨＣ媒体をＣＯ２媒体へ適宜混入してソーラシステムの効率維持を図る構成にしている。
【００１７】
そして、本発明の前記液化熱源は、低温ガスを液化する際に発生する潜熱利用して水道水若しくは冷水を加温する給湯器である構成が好ましい。
【００１８】
上記発明は、前記断熱膨張により、臨界圧より低い低温に降圧させた低温ガス体に対し、冷却液化するべく前記膨張タービンの後段に設けた前記熱回収器に含まれる前記液化低温熱源の構成を記載したもので、この場合には、一般に使用される水道水を使用し、季節及び昼夜、場所によっても水温に変化があるがこの場合約１２℃の冷却水を使用することにしている。
この場合は、前記低温ガス体の圧力はＣＯ２ガスの場合約５０Ｋｇｆ／ｃｍ２になる。（図３のＣＯ２Ｔ−Ｓ線図参照）
【００１９】
そしてまた、本発明のソーラシステムの前記液化熱源は、別途設けた冷熱源により冷熱を供給する構成が好ましい。
【００２０】
上記発明は、前記断熱膨張により、臨界圧より低い低温に降圧させた低温ガス体に対し、前記膨張タービンの後段に設けた前記熱回収器に含まれる前記液化低温熱源の構成を記載したもので、この場合には前記別途設けた冷熱源より冷熱の供給をうけて液化させてもよく、例えば０℃の冷却水の供給を可能にした場合は低圧ガスの圧力をＣＯ２ガスの場合、約３５Ｋｇｆ／ｃｍ２まで下げることができ、（図３のＣＯ２Ｔ−Ｓ線図参照）収熱効率を上げることができる。
【００２１】
そしてまた、前記本発明のソーラシステムの第１及び第２の発明における、
前記太陽熱加熱装置は、真空管太陽熱集熱器により間接加熱する構成が好ましい。
【００２２】
上記発明は、太陽熱加熱装置の構成に付き記載したもので、真空管式太陽熱集熱システムでは、真空円筒ガラス管内に集熱パイプを封入した集熱管（コレクタ）を円筒放物形鏡面の焦点に配設し、該コレクタに熱媒体を循環させ、循環する該熱媒体より前記蒸発器の内蔵する熱交換器を介して、前記低沸点作動流体の超臨界圧流体に効率的に熱を加え高温超臨界圧流体を形成させる構成にしてある。
【００２３】
また、本発明のソーラシステムの第１及び第２の発明における、
前記熱回収器は、前記膨張タービンの下流に直列状に設けた吸収式冷凍機と前記液化低温熱源を使用する給湯器とよりなる構成が好ましい。
【００２４】
上記発明は、前記膨張タービンの下流側後段に設け、前記膨張タービンにより臨界圧以下の低圧に降圧された低圧ガスより残余の熱を収奪して前記低沸点作動流体を液化する前記熱回収器の構成について記載したもので、高温排熱で作動する吸収式冷凍機を前段に設け、その後段に前記液化低温熱源より冷却水の供給を受け前記吸収式冷凍機を経由して更に低温になった低圧ガスを冷却液化させ、液化液を形成する給湯器より構成する。
なお、前記断熱膨張により、前記高温超臨界圧流体の圧力は、前記液化低温熱源により液化される際の液化飽和蒸気圧力と同等の圧力を持つ低圧ガスのガス圧まで降圧される。
【００２５】
そしてまた、前記熱回収器を構成する吸収式冷凍機は、前記低圧ガスを導入する管路にバイパス配管と調整弁を設け、駆動源を形成する前記低圧ガスの導入量を調整し、冷熱と温熱の発生量を加減する構成が好ましい。
【００２６】
上記発明は、前記吸収式冷凍機と給湯器を備えた熱回収器において、前記吸収式冷凍機と前記給湯器への低温ガスの導入量を調整し、前記吸収式冷凍機による冷温熱出力と給湯器による温熱の各発生量を加減する構成としてある。
【００２７】
そして、前記液化熱源は液化用冷却水の供給を受け、低圧液化液を形成する給湯器により構成したことを特徴とする。
【００２８】
上記発明は、前記熱回収器の別の構成について記載したもので、この場合給湯器単独の構成として、前記液化低温熱源により液化用冷却水の供給を受け、低圧液化液を形成する構成にしてある。
【００２９】
そして、また、本発明のソーラシステムの第１の発明における、
前記低沸点作動流体はＣＯ ２ のみならず、ＮＨ３、空気、炭化水素系の自然冷媒を用いてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明のソーラシステムの概略の構成を示すブロック図で、図２は図１の熱サイクルにＣＯ２媒体を使用した場合を示す系統図で、図３は図２の状態変化をＴ−Ｓ線図で示した図で、図４は図２の別の実施例を示す図である。
【００３１】
本発明のソーラシステムの概略構成は、図１に示すブロック図に見るように、
ポンプアップ部１１と、蒸発器１０と、膨張タービン１２と、熱回収器１３とよりなり、
ポンプアップ部１１で液状及び臨界未満の低沸点作動流体をポンプアップして超臨界圧流体となし、該超臨界圧流体を太陽熱１０ａにより真空管集熱器１０ｂ、蒸発器１０とを介して加熱して、高温超臨界圧流体を生成する。
生成された高温超臨界圧流体は、下流に配設した膨張タービン１２により太陽熱エネルギーの一部を発電機１２ａを介して電力源１２ｂを形成するとともに、臨界圧以下の低圧ガスに降圧形成される。降圧された低圧ガスは、残余の太陽熱エネルギーを下流に配設した熱回収器１３により回収させるとともに低圧ガスを液化及び超臨界、近超臨界、臨界未満の作動流体で形成して、前記ポンプアップ部１１へ還流して熱サイクルを構成する。
【００３２】
上記蒸発器１０には真空管集熱器１０ｂが付設され、上記真空管集熱器１０ｂは、図示していない真空円筒ガラス管内に集熱パイプを封入した集熱管（コレクタ）を円筒放物形鏡面の焦点に配設し、該コレクタに熱媒体を循環させ、循環する該熱媒体より蒸発器１０に内蔵する熱交換器で前記低沸点作動流体を効率的に加熱して、高温超臨界圧流体を形成させる構成にしてある。
【００３３】
又、膨張タービン１２は、断熱膨張により前記高温超臨界圧流体を臨界圧以下の圧力に降下させるとともに、その際発生する機械力により発電機１２ａを駆動させ電力源１２ｂを形成してエネルギーの有効利用を可能にしている。
なお、上記断熱膨張による降圧により臨界圧以下の低圧ガスを形成しているが、該低圧ガスの圧力は、後記する下流に配設した熱回収器１３の給湯器１５で生成される液化作動流体の液化温度に対応する飽和蒸気圧に相応するもので、例えば低沸点作動流体としてＣＯ２媒体を使用した場合、
上記給湯器１５に水道水等を原水とした１２℃の冷却水を使用した場合は、１２℃の液化ＣＯ２が形成され、液化飽和蒸気圧は５０Ｋｇｆ／ｃｍ２になる（図３のＴ−Ｓ線図参照）ため、前記降圧する低圧ガスの圧力は５０Ｋｇｆ／ｃｍ２に設定される。
また、前記給湯器に使用する冷却水を、別途設けた冷熱源により供給することもできる。例えば０℃の冷却水を使用した場合は０℃の液化ＣＯ２が形成され、液化飽和蒸気圧は３５Ｋｇｆ／ｃｍ２になり（図３のＴ−Ｓ線図参照）、前記低圧ガスのガス圧は３５Ｋｇｆ／ｃｍ２に設定されエネルギー利用効率を上げることになる。
【００３４】
次に前記熱回収器１３は、前記膨張タービン１２で臨界圧以下に降圧された低圧ガスの残余の熱エネルギーを収奪して液化低温ガス（液化作動流体）を形成する、吸収式冷凍機１４とその後段に設けた液化用の給湯器１５とより構成する。
そして、前記吸収式冷凍機１４は、前記膨張タービン１２からの排気ガスである低圧ガスにより加熱駆動され、内蔵する蒸発器に冷熱源１４ａを形成させ、同じく内蔵する凝縮器に温熱源１４ｂを形成させている。
【００３５】
なお、前記膨張タービン１２の出口と給湯器１５との間には、図示していないバイパス管路を持つ吸収式冷凍機１４を設け、該バイパス管路に流量調整弁を設け膨張タービン１２からの低圧ガスの吸収式冷凍機１４と給湯器１５への導入量を調整し、吸収式冷凍機１４の冷熱源１４ａの冷熱出力と給湯器１５による給湯源１５ａの温熱出力を加減する構成にしてある。
【００３６】
また、前記給湯器１５は、低温熱源１６より、例えば水道水を原水として使用するかまたは別途用意した冷熱源により形成された冷水よりなる冷却水１６ａを使用して給湯器１５の出口より液化及び超臨界、近超臨界、臨界未満の作動流体を吐出して前記ポンプアップ部１１へ還流させ閉回路を形成するとともに、前記冷却水１６ａは加熱され給湯水として使用できる構成にしてある。
則ち、上記熱サイクルの閉回路を形成することにより、電力源１２ｂ、冷熱源１４ａ、温熱源１４ｂ、給湯源１５ａの同時形成を可能としている。
【００３７】
上記図１における本発明のソーラシステムに使用する作動流体には、ＣＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ、炭化水素系の自然冷媒を使用しても良い。
【００３８】
図２には、図１に示す本発明のソーラシステムにＣＯ２媒体を使用した場合の状態変化の状況を示してある。
則ち、図２に見るように、ポンプアップ部１１で、下流より還流してきたＣＯ２の液化作動流体２０ｅは、昇圧してＣＯ２超臨界圧流体２０ａを形成し、
ついで、蒸発器１０で内蔵する真空管集熱器１０ｂを介して加熱され１００Ｋｇｆ／ｃｍ２、３００℃のＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂを形成し、
ついで、膨張タービン１２で断熱膨張により５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、２５２℃の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成し、
ついで、吸収式冷凍機１４を加熱駆動させた後降温して５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、７７℃の低圧ＣＯ２低温ガス２０ｄを形成し、
ついで、給湯器１５で１２℃の冷却水により冷却され、５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、１２℃の液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体２０ｅ）を形成し、ポンプアップ部１１へ還流して熱的閉回路を形成する。
【００３９】
なお、上記状態変化により、膨張タービン１２では発電機１２ａを介して６．５ＫＷの電力源１２ｂを形成し、分電盤１２ｃを経由して地域配電設備への給電とシステム内の給電をする。
また、吸収式冷凍機１４においては、冷熱源１４ａにより７℃の冷水を得ている。
また、給湯器１５では、７７℃の給湯源１５ａを形成する。
【００４０】
なお、液化低温熱源１６では、水道水を原水として１２℃の冷却水を使用して前記５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、１２℃の液化ＣＯ２を得るようにし、
又は、別途用意した冷熱源により０℃の冷却水を使用して、３５Ｋｇｆ／ｃｍ２、０℃の液化ＣＯ２を得る構成にしてある。
【００４１】
前記図２に示すＣＯ２媒体を使用したソーラシステムにおいて、曇天や、冬期に太陽の日射量が少ない等の環境温度の変化に対応して、ＣＯ２媒体にＨＣ（炭化水素）媒体を混入させ、液化飽和蒸気圧を低くして対処する構成にしても良い。
【００４２】
図３には、図２のＣＯ２媒体使用の本発明のソーラシステムの熱サイクルの状態変化をＴ−Ｓ線図で示してある。図に見るように、
点Ａで液化した圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度２８５ｋ（１２℃）の液化ＣＯ２（２０ｅ）はポンプアップ部１１に導入され断熱圧縮され点Ｂで圧力１００Ｋｇｆ／ｃｍ２のＣＯ２超臨界圧力流体２０ａを形成する。
ついで、蒸発器１０により加熱され１００Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線に沿って点Ｃで圧力１００Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５７５ｋ（３００℃）のＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂを形成する。
ついで、膨張タービン１２により断熱圧縮して点Ｄで圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５２５ｋ（２５２℃）の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成する。
ついで、上記ＣＯ２低圧ガス２０ｃは吸収式冷凍機１４を加熱駆動させ、点Ｅで圧力５０Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線に沿い降温して温度３５０ｋ（７７℃）の低圧ＣＯ２低温ガス２０ｄを形成する。
ついで、給湯器１５で１２℃の冷却水により冷却され、点Ｆで飽和蒸気となり、点Ａで液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体２０ｅ）を形成して液化サイクルを形成する。
【００４３】
なお、液化用冷却水として液化低温熱源に別途用意した冷熱源を介して０℃の冷却水を使用する場合は、前記ＣＯ２高温超臨界圧流体２０ｂは点Ｃより断熱膨張をして、０℃の液化飽和蒸気圧３５Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧線上の点Ｇまで降圧して圧力３５Ｋｇｆ／ｃｍ２、温度５００ｋ（２２０℃）の低圧ＣＯ２ガス２０ｃを形成する。爾後前記３５Ｋｇｆ／ｃｍ２の等圧ラインに沿って熱回収器１３による熱回収が行なわれ、点Ｈで０℃の飽和蒸気となり、点Ｊで液化し、ポンプアップ部１１へ還流する。
【００４４】
図４には、図２の別の実施例を示してあり、図に見るように図２の熱回収器１３において吸収式冷凍器１４を省き給湯器１５のみで構成した場合を示している。
【００４５】
以下に低沸点作動流体にＣＯ２媒体を使用した図２に示すソーラシステムについての概略の熱清算を示す。
ａ、ソーラ
真空管集熱器の設備面積（水平）、単位面積１００ｍ２
真空管集熱器効率６０％、日射エネルギー密度１ｋｗ／ｍ２として
Ｑｉｎ＝１ｋｗ×１００ｍ２×０．６＝６０ｋｗ
液化温度ｔ℃、１００Ｋｇｆ／ｃｍ２のＣＯ２媒体を３００℃まで太陽熱により加熱する。
真空管集熱器設備面積の単位面積１００ｍ２当たりのＣＯ２の質量速度ｉｎ （Ｋｇ／ｓ）は、
ｔ＝１２℃の冷却水使用の場合；
ｉｎ１２℃＝Ｑｉｎ／（ｈ３００℃−ｈ１２℃）＝６０／（１０５０−６００）＝０．１３ｋｇ／ｓ
ｔ＝ ０℃の冷却水使用の場合；
ｉｎ ０℃＝Ｑｉｎ／（ｈ３００℃−ｈ０℃）＝６０／（１０５０−５５０）＝０．１２ｋｇ／ｓ
ｂ、膨張タービンの出力
Ｗｏｕｔ（タービン出力）；タービン効率６０％の場合のＣＯ２タービンによる出力
ｂ−１ ；１２℃の冷却水使用の場合
Ｗｏｕｔ＝ｉｎ１２℃（ｈ３００℃−ｈ２５２℃）＝６．５ｋｊ／ｓ＝６．５ｋｗ
発電効率 ηｐ ＝６．５／１００＝６．５％（１２℃冷却水）
ｂ−２ ； ０℃の冷却水使用の場合
Ｗｏｕｔ＝ｉｎ０℃ （ｈ３００℃−ｈ２３０℃）＝８．４ｋｊ／ｓ＝８．４ｋｗ
発電効率 ηｐ ＝８．４／１００＝８．４％
ｃ、吸収式冷凍機
２５２℃のタービン背圧を吸収式冷凍機の熱源として７７℃まで使う。
冷凍機での回収熱量Ｑａｂｓ＝ｉｎ（ｈ２５２℃−ｈ７７℃）＝０．１３（１０００−８００）
＝２６ ｋｗ
給湯器
７７℃の吸収式冷凍機の排ガスを給湯器で１２℃の冷却水で液化する。
給湯器での回収熱量Ｑｗａｔｅｒ＝ｉｎ（ｈ７７℃−ｈ１２℃）＝０．１３（８００−６００）
＝２６ ｋｗ
ｄ、上記熱概算に見るように、集熱効率を８０％、タービン効率を８０％にすると、ηｐは１０．２％になり、その値は太陽電池の値に近くなる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により下記効果を奏する。
ａ、液状及び臨界未満の低沸点作動流体を使用して、太陽熱により高温超臨界圧流体を形成し、該高温超臨界圧流体の断熱膨張により低圧ガスを形成し、さらにその低圧ガスの冷却についで行う液化の熱サイクルを形成する過程で、発電と冷温熱と給湯の多様なエネルギー同時供給を可能にしている。
特に前記高温超臨界圧流体の形成により低沸点作動流体の温度を高く保持することができ、熱サイクルの効率の向上を図ることができる。また超臨界圧流体を膨張タービンに使用することにより高効率のタービン運転を可能にしている。
ｂ、また、低沸点作動流体にＣＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏの自然冷媒の使用によりオゾン破壊係数や、地球温暖化係数を零にして、地球球環境保護に役立つとともに、エネルギー利用効率を高めることができる。
ｃ、また、ＣＯ２媒体を使用した本発明のソーラシステムにおいて、ＨＣ（炭化水素）の適宜混入により液化飽和蒸気圧を低く構成することにより環境温度に適合した運転をすることができる。
ｄ、また、低圧ガスの液化に低温の例えば０℃の冷却水の使用によりエネルギー利用効率を高くすることができる。
ｅ、また、熱回収器に吸収式冷凍機と給湯器を直列状に配設し、前記吸収式冷凍機に調節弁付きバイパスを設ける構成にしてあるため、環境温度（曇天、冬期等）の変化に対応した好適な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のソーラシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】 図１の熱サイクルにＣＯ２媒体を使用した場合を示す系統図である。
【図３】 図２の状態変化をＴ−Ｓ線図で示したグラフ図である。
【図４】 図２の別の実施例を示す概要図である。
【図５】 従来の太陽熱発電システムの概略構成を示す概要図である。
【図６】 従来の太陽熱利用吸着式蓄熱型冷凍装置の概略構成を示す概要図である。
【図７】 従来のハイブリッド吸収式電力冷温熱供給装置の概略構成を示す概要図である。
【符号の説明】
１０ 蒸発器
１０ａ 太陽熱
１０ｂ 真空管集熱器
１１ ポンプアップ部
１２ 膨張タービン
１２ａ 発電機
１２ｂ 電力源
１３ 熱回収器
１４ 吸収式冷凍機
１４ａ 冷熱源
１４ｂ 温熱源
１５ 給湯器
１５ａ 給湯源
１６ 液化低温熱源
２０ａ ＣＯ２超臨界圧流体
２０ｂ ＣＯ２高温超臨界圧流体
２０ｃ 低圧ＣＯ２ガス
２０ｄ 低圧ＣＯ２低温ガス
２０ｅ 液化ＣＯ２（ＣＯ２の液化作動流体）
Claims (7)
- 臨界未満の作動流体を、ポンプアップ部においてポンプアップして高圧作動流体とし、該高圧作動流体を太陽熱加熱装置により加熱させて高温超臨界圧流体を生成させ、
該高温超臨界圧流体を膨張タービンを介して断熱膨張を行なわせ、該断熱膨張により前記臨界点以下の二相流ガス体の低温域まで圧力降下させ低圧ガスを形成し、
前記低圧ガスは冷凍機による冷却過程で冷熱源と温熱原を形成させるとともに、
前記冷却により降温した低温ガスを給湯器を含む液化熱源を介して臨界未満の作動流体を形成させ、ポンプアップ部へ還流させる閉回路を形成したことを特徴とするソーラシステム。 - 前記作動流体がＣＯ ２ 作動流体であることを特徴とする請求項１記載のソーラシステム。
- 前記液化ＣＯ２作動流体は、環境温度に合わせＨＣ（炭化水素）媒体を混入させ、前記液化飽和蒸気圧を低く押さえる構成としたことを特徴とする請求項２記載のソーラシステム。
- 前記液化熱源は、低温ガスを液化する際に発生する潜熱利用して水道水若しくは冷水を加温する給湯器であることを特徴とする請求項１記載のソーラシステム。
- 前記太陽熱加熱装置は、真空管太陽熱集熱器により間接加熱する構成としたことを特徴とする請求項１記載のソーラシステム。
- 前記冷凍機は、前記膨張タービンの下流に直列状に設けた吸収式冷凍機で構成したことを特徴とする請求項１記載のソーラシステム。
- 前記吸収式冷凍機は、前記低圧ガスを導入する管路に、バイパス配管と調整弁を設け、前記吸収式冷凍機の駆動源を形成する前記低圧ガスの導入量を調整し、冷熱と温熱の発生量を加減する構成としたことを特徴とする請求項６記載のソーラシステム。
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