JP5075916B2

JP5075916B2 - 太陽熱利用システム

Info

Publication number: JP5075916B2
Application number: JP2009536007A
Authority: JP
Inventors: 勝重中村
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: WO2009044622A1; JPWO2009044622A1

Description

本発明は、原水を予熱する太陽熱利用システムに関するものである。

現在、大気汚染や地球温暖化などの環境問題に対応するため、二酸化炭素を出さないクリーンエネルギーとして、太陽熱を利用した発電方法が各種提案されている。また、地球規模で、飲料、灌漑、畜産などに利用可能な淡水量が減少しているという報告もあり、海水や地下水（塩分などの不純物含む）の原水から蒸発法により淡水を製造する際にも、太陽熱エネルギーが使用されている。原水を逆浸透膜に通して淡水を製造する場合は、その逆浸透膜に原水を通すための圧力は、太陽エネルギーにより原水を蒸発させその蒸気により駆動するポンプにより得ている。いずれの場合も、太陽熱の利用は、各種の反射ミラーを利用して太陽光を集光させ、その集光部における高熱を利用して行われている。例えば、日本国特許公開公報特開２００５−８７８２１号公報に開示されているように、太陽光を反射ミラーで集光する方式を採用している。

しかしながら、このような従来の技術にあっては、太陽光を利用して発電や淡水製造を行う場合、地表に無尽蔵に降り注ぐ太陽光のうち、反射ミラーで集光した部分の太陽光しか利用しないため、より大きな熱量を得るには、反射ミラーの数を増やしたり、反射ミラーを大型にする必要があり、コスト的な負担が大きい。

課題を解決するための手段
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、反射ミラーを増設したり、大型化することするに比べて、有利なコストで太陽熱の有効利用を図ることができる太陽熱利用システムを提供することができる。

本発明の技術的側面によれば、太陽熱利用システムは、塩分その他の不純物を含む原水を、反射ミラーにより集光した太陽光の熱で蒸発させ、その蒸発させた水蒸気を利用して、発電又は淡水製造の少なくとも一方を行う太陽熱利用装置を有する太陽熱利用システムであって、前記太陽熱利用装置に供給される原水を、前記反射ミラーで集光しない日射の太陽光を利用して予め加熱する予熱装置を具備し、前記予熱装置は所定幅を有する長尺筒状の通水パイプが幅方向に複数並べた状態で地面に設置されて前記太陽熱利用装置に供給される前記原水の水路を規定し、前記通水パイプが太陽光および地面から受ける太陽熱により内部を通過する原水を加熱するように構成されることを特徴とする。

本発明の別の技術的側面によれば、前記通水パイプが扁平断面形状であって実質的に太陽光が照射される面と実質的に地面に向く面とを有する形状であることを特徴とする。

図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽熱利用システムを示す全体斜視図。図２は、通水パイプを示す平面図。図３は、太陽熱利用装置の内部構造を示す概略図。図４は、地面に設置された予熱装置を示す断面図。図５は、通水パイプを示す断面図。図６は、本発明の第２実施形態に係る通水パイプを示す断面図。図７は、本発明の第３実施形態に係る通水パイプを示す断面図。図８は、本発明の第４実施形態に係る通水パイプを示す断面図。図９は、本発明の第５実施形態に係る通水パイプを示す平面図。図１０は、通水パイプを示す斜視図。図１１は、通水パイプを示す分解斜視図。図１２は、図１０中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う通水パイプの断面図。図１３は、図１０中矢示ＳＢ−ＳＢ線に沿う通水パイプの断面図。

（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明の第１実施形態を示す図である。この実施形態では、北半球の低緯度の日射量の多い砂漠地帯を例にしており、地面Ｇは砂で形成されている。

反射ミラー１は３基設置されている。反射ミラー１は、複数の平面鏡状のミラー体を凹面状に配置したヘリオスタット構造で、やや南寄りを通る太陽Ｓに追従して向きを変え、常に地面に対して位置固定された一点に向けて太陽光Ｌを反射するようになっている。ミラー体はそれ自身が凹面鏡であっても良い。

反射ミラー１の南側には、反射ミラー１から離れた位置に太陽熱利用装置２が設置されており、この太陽熱利用装置２の一点に向けて、３基の反射ミラー１で反射された太陽光Ｌはこの一点に集光する。

図３に、太陽熱利用装置２の構造を示す。反射ミラー１で反射された太陽光Ｌは、太陽熱利用装置２の蒸気発生部３に集光されている。蒸気発生部３には、後述する予熱装置４で加熱された原水Ｗが供給され、内部が加熱されて水蒸気が発生する。蒸気発生部３に供給される原水Ｗとしては、塩分その他の不純物を含む海水や地下水である。蒸気を発生して濃縮された原水Ｗは、蒸気発生部３内の原水Ｗの液面を一定に保つように、蒸気発生部３から排出される。

なお、本発明において原水Ｗは蒸発法により淡水を製造する前の所与の水であって海水、地下水、湧水を含み塩分などの不純物を含んでもよい。
蒸気発生部３で発生した水蒸気はタービン５を回転させる。タービン５の回転は発電機６に伝達され、発電機６が発電をする。発電機６で発電された電気Ｅは、バッテリー等の外部電源に供給される。

タービン５を回転させた水蒸気は凝縮部７に供給される。凝縮部７の内部には冷却コイル８が設けられている。この冷却コイル８には、予熱装置４に通されていない原水Ｗが循環される。従って、タービン５を経た水蒸気をここで冷却して淡水Ｐにすることができる。ここで、製造された淡水Ｐは、いったん貯水槽９に溜められている。

次に、反射ミラー１と太陽熱利用装置２の間の地面Ｇに設置された予熱装置４について説明する。予熱装置４は原水Ｗの水路を規定する複数の通水パイプ１０から構成されている。通水パイプ１０は、熱伝導性の良いアルミ金属による押出成形品で、所定の幅（例えば１０〜２０ｃｍ）Ａを有する扁平断面形状で、且つ長手方向Ｙに所定の長さ（例えば４ｍ）を有する長尺筒形状をしている。通水パイプ１０の側面の太陽光が照射される側（以下、上面側という。）には黒色塗装１１が施されている。

通水パイプ１０は１２本を一群として所定の間隔（例えば１０〜２０ｃｍ）Ｂをあけて幅方向Ｘに並べた状態で地面Ｇに設置されており、各通水パイプ１０の側面の上面側の反対側（以下、下面側という。）は地面Ｇの表面に単に置かれた状態で接している。通水パイプ１０の下面側を地面Ｇに接触させるだけなので設置作業が容易である。

この実施形態では、通水パイプ１０の幅Ａと、配列間隔Ｂを等しく設定した。各群の通水パイプ１０は、その長手方向両端部がそれぞれ連結され、直列に連結された状態となっている。尚、この実施形態の図面では、構造を明瞭に表すため、通水パイプ１０の幅Ａや間隔Ｂを実際よりも大きめに図示している。

幅方向Ｘに並んだ１群の通水パイプ１０が、長手方向Ｙに３群並んでいる。３群の通水パイプ１０は、それぞれ、群としての入口と出口が連通管１２により接続されており、全体が直列に連結されて一本の水路を構成する。従って、一端の供給管１３より供給された原水Ｗは、すべての通水パイプ１０内を通過して、他端の排出管１４より排出される。

反射ミラー１と太陽熱利用装置２との間の地面Ｇは、本来、太陽光を遮蔽してはならないためデッドスペースであり今まで有効利用されていなかった。このスペースに照射する太陽光は反射ミラーで集光しないため、このスペースを利用して予熱装置４を設置したものである。

通水パイプ１０内を通過する原水Ｗは、通水パイプ１０を通過する間に、通水パイプ１０の表面が受ける太陽熱（放射熱）により加熱される。反射ミラー１の周辺の広範囲に降り注ぐ太陽光Ｌを利用して加熱するため、十分な量の熱量が得られる。通水パイプ１０が扁平断面形状のため、原水Ｗを効果的に加熱することができる。また、通水パイプ１０の表面には黒色塗装１１が施されているため、太陽熱を効果的に吸収することができる。

更に、砂漠地帯など、地面Ｇが大変に高温になる地域では、通水パイプ１０の下面が地面Ｇと接触することで、通水パイプ１０は、太陽光Ｌの放射熱により加熱される上面だけでなく、太陽光に由来する伝導熱および放射熱によって地面Ｇと接触した下面からも加熱されることになり、原水Ｗの効果的な加熱を行うことができる。特に、隣接する通水パイプ１０の間に間隔Ｂが設けられているため、この間隔Ｂ部分に太陽光Ｌが照射されて、地面Ｇが高温になる。

予熱装置４で加熱された原水Ｗは、前述のように、太陽熱利用装置２へ供給され、反射ミラー１で集光した高熱の太陽光Ｌにより更に加熱され、水蒸気を発生する。太陽熱利用装置２では、反射ミラー１で集光した太陽光Ｌにより、足りない分の熱量を供給するだけで済むため、反射ミラー１を増設したり、大型化する必要がない。反射ミラー１を増設したり、それぞれを大型化する場合に比べて、予熱装置４を設けた方がコストの面で有利となる。特に、成形が容易な長尺筒状の通水パイプ１０を利用するため、コストの面で大変に有利である
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施例を示す図である。尚、本実施形態以降の実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

この実施形態では、通水パイプ１０の下部を地面Ｇに埋設した状態で設置したものである。このようにすることにより、通水パイプ１０と地面Ｇとの接触面積が増し、砂漠地帯など、地面Ｇが大変に高温になる地域では、通水パイプ１０は、太陽光Ｌの放射熱により直接加熱される上面だけでなく、地面Ｇと接触した下部全体が地面Ｇからの伝導熱および放射熱によって太陽光により二次的に加熱されることになるため、原水Ｗのより効果的な加熱を行うことができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施例を示す図である。この実施形態では、通水パイプ１５の下面から下向きに脚部１６を形成した。脚部１６の下端はベース１７になっており、このベース１７ごと、脚部１６の下端を地面Ｇに埋設することにより、通水パイプ１５を地面Ｇからｈだけ浮いた状態で安定支持することができる。

このようにすることにより、地面Ｇの砂などが通水パイプ１５の上面に付着しにくくなり、通水パイプ１５を太陽光Ｌにより上面から確実に加熱することができる。また、砂漠地帯など、日射量が大変に多い地域では、地面Ｇで反射された太陽光Ｌが通水パイプ１５の下側にも当たり、反射した太陽光Ｌの放射熱により通水パイプ１５を下面側からも加熱することが可能となる。

なお、第１実施例乃至第３実施例において、太陽の日周運動（黄道面）との位置関係に応じて通水パイプ１０，１５の上面を地面Ｇに対して南側に傾斜配置してもよい。この場合には通水パイプの一部を地面に埋設したり、一部を脚部で支持することができる。これにより太陽光Ｌをより効率よく通水パイプに取り入れることができる。また、地面Ｇの砂などが通水パイプの上面により付着しにくくなる。なお、傾斜方向は通水パイプの長手方向Ｙであっても幅方向Ｘであってもよい。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施例を示す図である。この実施形態では、通水パイプ１８を丸パイプ状にして、内面に複数のリブ１９を長手方向に沿って形成した。通水パイプ１８の表面には黒色塗装１１が施されている。この通水パイプ１８はアルミ金属による押出成形で製造される。この通水パイプ１８を地面Ｇの表面に設置した。通水パイプ１８が丸パイプ状のため、成形が容易で、コストの面で更に有利である。内面にリブ１９が形成されているため、通水パイプ１８と原水Ｗとの接触面積が増し、通水パイプ１８と原水Ｗとの熱交換が促進されて、通水パイプ１８の表面に受ける太陽熱により、内部の原水Ｗを加熱し易くなる。

（第５実施形態）
図９〜図１３は、本発明の第５実施例を示す図である。この実施形態に係る予熱装置２６では、通水パイプ２０を簡略で安価に製造できる構造にしたものである。

通水パイプ２０の主要部は、長手方向で同一の長方形状を有する扁平な角パイプ状のパイプ本体２１で形成されている。このパイプ本体２１は、先の実施形態と同様にアルミ金属による押出成形品である。すなわち、最初に長く形成されたパイプを必要な長さにカットしたものである。したがって、パイプ本体２１は押出成形品でなく、プレス成形品でも良い。単なる筒形状品のため安価である。パイプ本体２１の上面には黒色塗装１１が施されている。

パイプ本体２１の両端部は単にカットされた状態のため、端末から内部空間が露出した状態になっている。そのため、パイプ本体２１の両端部にはタンク部２２がそれぞれ取付けられる。

タンク部２２は、通常の断面円形のストレート管を所定の長さにカットしたものを基本としている。そのカットしたストレート管の両端を円形金属板である蓋２３で塞いでいる。蓋２３は溶接によりタンク部２２の両端に取付けられる。

タンク部２２はパイプ本体２１の両端において、パイプ本体２１の幅方向に向けて配置され、そのパイプ本体２１側の側面には連結口２４が開口形成されている。この連結口２４はパイプ本体２１の断面形状に相応し、連結口２４内にパイプ本体２１の両端を差し込んだ状態で両者は溶接により結合される。

このように通水パイプ２０は、パイプ本体２１の両端にタンク部２２がそれぞれ接合された状態で形成されている。図９に示すように、複数の通水パイプ２０は、そのタンク部２２同士が、タンク部２２部分において互いに連通管２５により直列に連結される。そして、互いに連結された通水パイプ２０に対して、供給管１３から原水Ｗが供給される。供給管１３から供給された原水Ｗは、各通水パイプ２０において一方のタンク部２２からパイプ本体２１を通過して他方のタンク部２２に至り、そこから別の通水パイプ２０へと次々と送られる。そして最終的に排出管１４から排出される構造は先の実施形態と同様である。原水Ｗは多数の通水パイプ２０を通過する間に、通水パイプ２０の表面が受ける太陽熱（放射熱）により加熱される。

この実施形態によれば、通水パイプ２０が、簡単な形状のパイプ本体２１及びタンク部２２から形成されているため、全体を安価に製造することができる。

以上の第１〜図５実施形態では、反射ミラー１の集光ターゲットである太陽熱利用装置２を地面Ｇに固定し、そして、そこへ集光させるように反射ミラー１の焦点距離を長く設定し、反射ミラー１を太陽Ｓに合わせて移動させることにより、反射ミラー１で反射した太陽光Ｌを太陽熱利用装置２に集光させるようにした。さらに、例えば、反射ミラー１の焦点距離を短くし、発電や淡水製造のために必要な加熱部をその焦点位置に合致させた状態で反射ミラー１自体に支持し、集光ターゲットである加熱部を太陽Ｓに合わせて移動する反射ミラー１と一体的に動かしても良い。

また、複数の通水パイプ１０、２０を全て直列に連結して供給管１３と排出管１４を１本の水路で結ぶ例を示したが、複数の通水パイプ１０、２０を並列に連結して供給管１３と排出管１４を複数の水路で結ぶ構成としても良い。

また、通水パイプ１０、２０の幅Ａと間隔Ｂを等する例を示したが、間隔Ｂを無くして通水パイプ１０、２０を幅方向に隙間なく並べても良い。

発明の効果
本発明によれば、複数の通水パイプを幅方向に並べて予熱装置を構成し、その通水パイプ内に、太陽熱利用装置に供給される前の原水を通した。予熱装置の通水パイプには、反射ミラーで受光される以外の大量の太陽光が照射され、通水パイプの内部の原水はその太陽熱により加熱される。このように、反射ミラーの周辺に降り注ぐ太陽光を利用して、反射ミラーを利用する太陽熱利用装置に供給される前の原水を加熱するため、太陽熱利用装置では、反射ミラーで集光した太陽光により、足りない分の熱量を供給するだけで済む。そのため、太陽熱の有効利用を図ることができ、反射ミラーを増設したり、大型化する場合に比べて、コストの面で有利となる。特に、成形が容易な長尺筒状の通水パイプを利用するため、コストの面で大変に有利である。

また、通水パイプが扁平断面形状であるため、太陽光により内部の原水を効率良く加熱することができる。

更に、通水パイプの下面を地面に接触させるだけなので、設置作業が容易である。特に、砂漠地帯など、地面が大変に高温になる地域では、通水パイプの下面が地面と接触することで、通水パイプは、太陽光により加熱される上面だけでなく、地面と接触した下面からも加熱されることになるため、原水の効果的な加熱を行うことができる。

更に、通水パイプの下部を地面に埋設したため、通水パイプと地面との接触面積が増し、砂漠地帯など、地面が大変に高温になる地域では、通水パイプは、太陽光により加熱される上面だけでなく、地面と接触した下部全体が地面により加熱されることになり、原水の効果的な加熱を行うことができる。

更に、通水パイプを脚部により地面から若干浮かせた状態で地面に設置したため、地面の砂などが通水パイプの上面に付着しにくく、通水パイプを太陽光により上面から確実に加熱することができる。また、砂漠地帯など、日射量が大変に多い地域では、地面で反射された太陽光が通水パイプの下側に入り込み、反射した太陽光により通水パイプを下面側からも加熱することが可能となる。

更に、通水パイプがパイプ本体とタンク部とから成る構造で、パイプ本体とタンク部のそれぞれが簡略な筒形状を基本したものであるため、全体を簡略で且つ安価に製造することができる。

（米国指定）
本国際特許出願は米国指定に関し、２００７年１０月１日に出願された日本国特許出願第２００７−２５７８１３号（２００７年１０月１日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims

原水を、反射ミラーにより集光した太陽光の熱で蒸発させ、その蒸発させた水蒸気を利用して、発電又は淡水製造の少なくとも一方を行う太陽熱利用装置を有する太陽熱利用システムであって、
前記太陽熱利用装置に供給される原水を、前記反射ミラーで集光しない日射の太陽光を利用して予め加熱する予熱装置を具備し、
前記予熱装置は所定幅を有する長尺筒状の通水パイプが幅方向に複数並べた状態で前記反射ミラーと前記太陽熱利用装置との間の地面に設置されて前記太陽熱利用装置に供給される前記原水の水路を規定し、前記通水パイプが太陽光および地面から受ける太陽熱により内部を通過する原水を加熱するように構成されることを特徴とする太陽熱利用システム。
前記通水パイプが扁平断面形状であって実質的に太陽光が照射される面と実質的に地面に向く面とを有する形状であることを特徴とする請求項１記載の太陽熱利用システム。
前記通水パイプの下面の一部または全部を地面に接触させた状態で前記通水パイプが地面に設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽熱利用システム。
前記通水パイプの下部の一部または全部を地面に埋設した状態で、通水パイプが地面に設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽熱利用システム。
前記通水パイプの一部または全部を脚部により地面から浮かせた状態で、前記通水パイプが地面に設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の太陽熱利用システム。
前記通水パイプが、長手方向で同一の扁平断面形状を有する１つのパイプ本体と、長手方向で同一形状を有するストレート管の両端を塞いで形成した２つのタンク部とから構成され、
タンク部はパイプ本体の幅方向に向けて配置されると共に、タンク部におけるパイプ本体側の側面にパイプ本体の断面形状に相応する連結口が開口形成され、
該連結口にパイプ本体の両端部を差し込んで接続し、一方のタンク部から原水を供給して、他方のタンク部より原水を排出するようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱利用システム。