JP5087633B2 - 太陽熱利用システム及びそれを用いた植物栽培、家畜飼育方法 - Google Patents

太陽熱利用システム及びそれを用いた植物栽培、家畜飼育方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽熱利用システム及びそれを用いた植物栽培、家畜飼育方法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から、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を、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。
また、太陽光を集光するための反射ミラーの日陰部分を利用することにより、砂漠地帯など日射量が多い地帯でも、植物栽培や家畜飼育が可能となる。つまり、太陽の移動に伴って、日陰部分が移動することにより、地面が受ける日射量を制限し、地面からの水分の蒸発量及び植物の葉面から蒸散量を制限することで、植物栽培が可能になり、また、日射量を制限することにより、家畜が弱るのを防止でき、家畜の飼育も可能となる。太陽熱により製造した淡水を、この植物栽培や家畜飼育に用いれば、更に好適である。例えば、日本国特許公開公報特開2006−125700号公報に開示されているように、太陽光を集光するための反射ミラーで日陰部分をつくり、植物栽培や家畜飼育をしている。
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。
また、反射ミラーの日陰部分を利用して、植物栽培や家畜飼育をする場合も、十分な効果を得るには、どうしても、反射ミラーを大型にする必要があり、やはりコスト的な負担が大きい。また、反射ミラーの日陰部分を利用する場合は、地面にムラができ、均一な日射量の制限が行えず、植物栽培や家畜飼育する場合に最適とは言えない。
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と、それを用いてコスト的に有利で且つ好適な植物栽培や家畜飼育を行うことができる植物栽培、家畜飼育方法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、前記太陽熱利用装置に供給される原水の水路を規定する複数の通水パイプを有し、前記通水パイプが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、各前記通水パイプは所定幅の長尺筒形状を有し、地面から所定高さ位置において所定間隔をあけて幅方向に複数配置されて下部空間を画成し、その長手方向は太陽の日周運動方向と交差する方向を向き、前記下部空間には前記複数の通水パイプにより太陽光が遮断される遮光領域と前記所定間隔を通過した太陽光が照射する照射領域とが形成されて日周運動に伴って移動することを特徴とする。
本発明の別の技術的側面によれば、植物栽培方法は、前項に記載した太陽熱利用システムを用いたものであって、太陽の移動に伴って移動する地面の遮光領域及び照射領域を用いることにより地面が受ける日射量を制限して、地面で植物の栽培を行うことを特徴とする。
本発明の別の技術的側面によれば、家畜飼育方法は、前項に記載した太陽熱利用システムを用いたものであって、太陽の移動に伴って移動する地面の遮光領域及び照射領域を用いることにより地面が受ける日射量を制限して、地面で家畜を飼育す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、植物の栽培方法を示す予熱装置の断面図。 図5は、地面に形成される遮光領域と照射領域を示す予熱装置の断面図。 図6は、太陽の移動に伴って移動する遮光領域を示す断面図。 図7は、通水パイプを示す断面図。 図8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9は、本発明の第3実施形態に係る家畜の飼育方法を予熱装置の断面図。 図10は、本発明の第4実施形態に係る通水パイプを示す平面図。 図11は、通水パイプを示す斜視図。 図12は、通水パイプを示す分解斜視図。 図13は、図11中矢示SA−SA線に沿う通水パイプの断面図。 図14は、図11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7は、本発明の第1実施形態を示す図である。北半球側では太陽Sは南側にあり、日周運動方向Dに沿って東から西へ向けて移動する。
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、太陽Sに追従して向きを変え、常に決めら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が集光する。
図2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、内部で加熱されて、ここで水蒸気を発生する。蒸気発生部3に供給される原水W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で発電をする。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に通さない冷たいままの原水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。
<予熱装置>
次に、反射ミラー1と太陽熱利用装置2の間の領域を利用して設置された予熱装置4について説明する。予熱装置4は、地面Gから所定高さ(例えば2m20cm)に支持され原水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製で、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の下面中央には、通水パイプ10の長手方向Yに沿って断面半円状の別の通路を形成する散水部12が連続形成されている。散水部12には複数の散水孔13が形成されている。この散水部12には、前記貯水槽9に溜められた淡水Pが必要に応じて図示せぬポンプにより送られるようになっている。
通水パイプ10は12本を一群として所定の配列間隔(例えば10〜20cm)Bをあけて幅方向Xに並べた状態で、支柱14により支持されている。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、直列に連結されて1本の水路を規定する。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。通水パイプ10は、幅方向Xが太陽Sの日周運動方向Dと実質的に一致しており、長手方向Yが日周運動方向Dに対して直角θをなしている(図2参照)。
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15により接続されており、全体が直列に連結されて供給管16と排出管17を結ぶ水路を構成する。従って、一端の供給管16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17より排出される。
反射ミラー1と太陽熱利用装置2との間のスペースは、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1で集光しないため、そ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の上面側には黒色塗装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。
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。
<下部空間>
予熱装置4を構成する通水パイプ10は、所定間隔Bをあけて幅方向Xに複数並べた状態で地面Gから所定高さに支持されている。その結果、通水パイプ10の配列により規定される仮想面により下部空間Uが画成される。したがって、下部空間Uに面する地面Gには、通水パイプ10により太陽光Lが遮られる遮光領域aと、通水パイプ10の間の所定間隔Bを通過した太陽光Lにより照らされる照射領域bが交互に形成される。しかも、その通水パイプ10の長手方向Yが太陽Sの日周運動方向Dと実質的に直交しているため、図6に示すように、地面Gに形成される遮光領域aと照射領域bは太陽の移動に伴って移動する。従って、地面Gが受ける日射量をムラなく制御することができる。この実施形態では、通水パイプ10の幅Aと間隔Bを等しくしたため、地面Gが受ける約50%の日射量が制限される。尚、通水パイプ10の長手方向Yと日周運動方向Dとは直交である必要はなく、下部空間U内に日照運動と共に移動する遮光領域aと照射領域bが形成できれば良いため、2つの方向が交差していれば良い。
このように、地面Gが受ける日射量を制限することができるため、赤道直下等の日射量が多い地域においても地面Gに野菜などの植物18を栽培することができる。すなわち、地面Gからの水分の蒸発量及び植物18の葉面から蒸散量を制限することで、植物栽培が可能になる。また、通水パイプ10の下面には長手方向Yに沿って散水部12が一体的に形成されているため、植物18の栽培に必要な淡水Pを、必要に応じて、散水部12から地面Gに自動で水撒きすることもできる。尚、淡水Pの散水用の散水部12とは別に、農薬散布通路や肥料散布通路を通水パイプ10の下面に形成し、そこから農薬や肥料等を自動散布しても良い。
以上説明したように、地面Gへの日射量の制限を、予熱装置4の通水パイプ10を利用して行い、従来のように反射ミラー1を利用することはないため、反射ミラー1を大型化する必要がなく、コスト的に有利である。また、反射ミラー1を利用する場合よりも、広範囲の地面Gでの植物栽培が可能となる。
(第2実施形態)
図8は、本発明の第2実施例を示す図である。この実施形態では、通水パイプ19を丸パイプ状にして、内面に複数のリブ20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19はアルミ金属による押出成形で製造される。通水パイプ19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20が形成されているため、通水パイプ19と原水Wとの接触面積が増し、通水パイプ19と原水Wとの熱交換が促進されて、通水パイプ19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3実施形態)
図9は、本発明の第3実施例を示す図である。尚、本実施形態は、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。
本実施例は、通水パイプ10により下部空間Uが画成され、牧草などの植物21の栽培と、それを餌とする牛やヤギなどの家畜22の飼育をする例を示すものである。また、植物栽培や家畜飼育する地面gは、一般面Gよりも低くて、地面gの周囲に傾斜面23が形成されている。
この実施形態によれば、予熱装置4の通水パイプ10で日射量を制限するため、先の実施形態で説明したように、牧草などの植物21の栽培が可能であり、同時に、家畜22が強い日射を受けることがないため、家畜22が弱ることを防止することができ、家畜22の飼育も可能となる。
植物21の栽培と、家畜22の飼育に必要な淡水は、先の実施形態で説明した太陽熱利用装置により製造することができ、家畜22の餌は、栽培した植物21を利用することができるため、自給自足システムを確立できる。更に、家畜22を飼育する地面gの周囲には傾斜面23があるため、家畜22が逃げるのを防止できる。尚、家畜22は牛やヤギに限定されず、家禽類なども含まれる。
(第4実施形態)
図10〜図14は、本発明の第4実施例を示す図である。この実施形態に係る予熱装置30では、通水パイプ24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24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25で形成されている。このパイプ本体25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25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25の上面には黒色塗装11が施されている。
パイプ本体25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25の両端部にはタンク部26がそれぞれ取付けられる。
タンク部26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27で塞いでいる。蓋27は溶接によりタンク部26の両端に取付けられる。
タンク部26はパイプ本体25の両端において、パイプ本体25の幅方向に向けて配置され、そのパイプ本体25側の側面には連結口28が開口形成されている。この連結口28はパイプ本体25の断面形状に相応し、連結口28内にパイプ本体25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24は、パイプ本体25の両端にタンク部26がそれぞれ接合された状態で形成されている。図10に示すように、複数の通水パイプ24は、そのタンク部26同士が、タンク部26部分において互いに連通管29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24に対して、供給管16から原水Wが供給される。供給管16から供給された原水Wは、各通水パイプ24において一方のタンク部26からパイプ本体25を通過して他方のタンク部26に至り、そこから別の通水パイプ24へと次々と送られる。そして最終的に排出管17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24を通過する間に、通水パイプ24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24が、簡単な形状のパイプ本体25及びタンク部26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4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、24を全て直列に連結して供給管16と排出管17を1本の水路で結ぶ例を示したが、複数の通水パイプ10、24を並列に連結して供給管16と排出管17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の幅Aと間隔Bを等しくて、地面G、gが受ける日射量を約50%に制限する例を示したが、これに限定されず、この通水パイプ10の幅Aと間隔Bの比率による日射の制限割合は、設置される地域の日射量と、栽培する植物の種類、飼育する家畜の種類に合わせて、最適のものが選択される。
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。
また、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。
更に、予熱装置を構成する通水パイプが、所定間隔をあけて幅方向に複数並べられた状態で、地面から所定高さ位置に支持されているため、地面には、通水パイプにより太陽光が遮られる遮光領域と、通水パイプの間の所定間隔を通過した太陽光により照らされる照射領域が形成される。しかも、その通水パイプの長手方向が太陽の日周運動方向と相違しているため、地面に形成される遮光領域と照射領域は太陽の移動に伴って移動する。従って、地面が受ける日射量を均一の制御することができ、地面からの水分の蒸発量及び植物の葉面から蒸散量を制限することで、植物栽培が可能になり、また、家畜が強い日射を避けることができるため、家畜の飼育も可能となる。太陽熱により製造した淡水を、植物栽培や家畜飼育に用いれば、更に好適である。植物栽培や家畜飼育をする場合も、反射ミラーを大型化する必要がなく、予熱装置の通水パイプを利用して行うことができるため、コスト的に有利であると共に、地面における日射量の制限を均一に行うことができるため、植物栽培及び家畜飼育にとって好適である。
更に、予熱装置の通水パイプにより地面に遮光領域及び照射領域が形成されるため、砂漠地帯など日射量が多い地帯でも、日射量を制限することができ、植物栽培が可能となる。従来のように反射ミラーで遮光領域と照射領域を形成する場合に比べて、地面における日射量の制限を均一に行うことができるため、植物栽培とって好適である。
更に、地面の上方に位置する通水パイプの下面に、淡水を地面に撒く散水部を設けたため、その散水部から植物栽培に必要な水を地面に供給することができ、散水作業が容易になる。
更に、予熱装置の通水パイプにより地面に遮光領域及び照射領域が形成されるため、砂漠地帯など日射量が多い地帯でも、日射量を制限することができ、家畜飼育が可能となる。従来のように反射ミラーで遮光領域と照射領域を形成する場合に比べて、地面における日射量の制限を均一に行うことができるため、家畜の飼育が可能となる。
更に、通水パイプの下方の地面で栽培した植物を餌にして家畜を飼育するため、家畜への餌の供給が不要となり、自給自足システムを確立できる。
(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2007−257817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 (6)

  1. 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、前記太陽熱利用装置に供給される原水の水路を規定する複数の通水パイプを有し、前記通水パイプが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、
    各前記通水パイプは所定幅の長尺筒形状を有し、地面から所定高さ位置において所定間隔をあけて幅方向に複数配置されて下部空間を画成し、その長手方向は太陽の日周運動方向と交差する方向を向き、
    前記下部空間には前記複数の通水パイプにより太陽光が遮断される遮光領域と前記所定間隔を通過した太陽光が照射する照射領域とが形成されて日周運動に伴って移動することを特徴とする太陽熱利用システム。
  2. 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記載の太陽熱利用システム。
  3. 請求項1又は請求項2記載の太陽熱利用システムを用いた植物栽培方法であって、
    太陽の移動に伴って移動する地面の遮光領域及び照射領域を用いることにより地面が受ける日射量を制限して、地面で植物の栽培を行うことを特徴とする太陽熱利用システムを用いた植物栽培方法。
  4. 通水パイプの下面に淡水を地面に散水する散水部を設け、太陽熱利用装置で製造した淡水を該散水部に供給可能にしたことを特徴とする請求項3記載の太陽熱利用システムを用いた植物栽培方法。
  5. 請求項1又は請求項2記載の太陽熱利用システムを用いた家畜飼育方法であって、
    太陽の移動に伴って移動する地面の遮光領域及び照射領域を用いることにより地面が受ける日射量を制限して、地面で家畜を飼育することを特徴とする太陽熱利用システムを用いた家畜飼育方法。
  6. 請求項5記載の太陽熱利用システムを用いた家畜飼育方法であって、
    太陽の移動に伴って移動する地面の遮光領域及び照射領域を用いることにより地面が受ける日射量を制限して、地面で植物の栽培を行い、
    その植物を家畜の餌して飼育することを特徴とする太陽熱利用システムを用いた家畜飼育方法。
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