JP5250740B2 - 発電併用給湯システム - Google Patents

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Description

本発明は、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を得る発電併用給湯システムに関する。
太陽エネルギーは最も身近なエネルギーであり、太陽熱を利用した温水器や太陽光を利用した太陽電池等として従来から用いられている（例えば、下記特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照）。太陽熱を利用した給湯システムは、低コスト・省エネルギーで温水を得ることができ、また、太陽電池を用いた発電では、クリーンなエネルギーにより電力を得ることができる。
しかし、太陽熱を利用した給湯システムでは、主に晴天の夏期の給湯には充分に使用できるが、曇天や冬期には補助熱源が不可欠となっていた。また、晴天の夏期には地域によっては回収した熱が給湯だけでは余ることもあり、エネルギーロスになる場合も生じていた。このように、太陽熱を利用した給湯システムは、天候や季節により給湯が不安定になる虞があり、費用に対する効果が充分には得られず、天候や季節に左右されずに安定したエネルギー利用が望まれているのが現状である。
また、太陽電池を用いた発電は、太陽電池の材料（シリコン）の価格に大きく依存する技術であり、受熱量が多大であるにもかかわらずコストが大幅に嵩み、充分に普及していないのが現状である。
特開２００７−１６２９６９号公報 特開２００６−３４９３２９号公報 特開２００７−２３４７９５号公報
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を得る発電併用給湯システムを提供し、天候や季節に拘わらず自然エネルギーを熱や電力として安定して利用できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電併用給湯システムは、環境の熱及び外部熱源により媒体を昇温させる昇温手段と、前記媒体を膨張させて電力を得る発電手段と、前記発電手段で膨張されて仕事を終えた前記媒体の熱により温水を得る給湯手段とを備え、前記環境の熱は、太陽熱であり、前記外部熱源は、燃料の燃焼熱を熱源とする機器であり、前記昇温手段は、前記太陽熱を集めて昇温媒体を昇温させる太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で昇温された前記昇温媒体、及び、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器で加熱された熱媒体が循環されると共に、前記媒体が循環され、前記昇温媒体及び前記熱媒体との間で熱交換されて前記媒体を昇温する蓄熱タンクとからなり、前記給湯手段には、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器で加熱された熱媒体が循環され、前記給湯手段の温水の水温が低下した時に、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器が使用されて給湯手段の温度が一定の範囲に保持されることを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、環境の熱及び外部熱源の熱エネルギーを発電手段での電力と給湯手段での給湯に回収することができ、発電手段と給湯手段のバランスを取ることにより、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を安定して得ることができる。この結果、天候や季節に拘わらず自然エネルギーを熱や電力として安定して利用することができる。
また、太陽熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を安定して得ることができる。
また、太陽熱により昇温された昇温媒体と、発電及び給湯用の媒体との熱交換により、自然エネルギーを電力と給湯手段での給湯に回収することができる。
また、燃料の燃焼熱を熱源とする機器である外部熱源を安定して確保することができる。
また、請求項２に係る本発明の発電併用給湯システムは、請求項１に記載の発電併用給湯システムにおいて、前記昇温媒体は水であり、昇温されて加熱温水となった前記昇温媒体を貯留する貯留タンクを備え、前記貯留タンクに貯留された加熱温水が給湯手段に循環されて温水を得る熱源とされることを特徴とする。
請求項２に係る本発明では、温水を得るための間接熱源として昇温媒体を利用することができる。
また、請求項３に係る本発明の発電併用給湯システムは、請求項２に記載の発電併用給湯システムにおいて、前記加熱温水の一部を前記給湯手段で得られる前記温水に混合する混合手段を備えたことを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、混合手段により加熱温水の一部を温水に混合することで、温水を得るための直接熱源として昇温媒体を利用することができる。
また、請求項４に係る本発明の発電併用給湯システムは、請求項１に記載の発電併用給湯システムにおいて、前記昇温媒体は油であることを特徴とする。
請求項４に係る本発明では、昇温媒体の沸騰を抑制することができると共に、配管の錆び等を防止することができる。
また、前記油は食用油にすることが好ましい。
これにより、昇温媒体が食用油であるので、廃油処理等で環境に悪影響を与えることがない。
また、前記外部熱源は、外部機器の廃熱を熱源とすることも考えられる。
これにより、エネルギーを有効に利用することができる。
また、前記蓄熱手段には前記給湯手段で熱回収された前記媒体が昇圧手段により昇圧されて供給され、前記蓄熱手段は前記媒体を８５℃〜２００℃に昇温させ、前記発電手段では８５℃〜２００℃に昇温された前記媒体が膨張されることで電力が得られることが好ましい。
これにより、８５℃〜２００℃に昇温された媒体が膨張されて電力が得られ、排熱が７０℃〜４０℃にされて給湯の熱源とされる。発電手段としては、循環流式の小型ロータリー膨張機構を用いて８５℃〜２００℃に昇温された媒体を膨張して発電動力を得ることができる。
本発明の発電併用給湯システムは、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を得ることができ、天候や季節に拘わらず自然エネルギーを熱や電力として安定して利用することが可能になる。
本発明の第１実施形態例及び第２実施形態例を説明する。
図１に基づいて第１実施形態例を説明する。図１には本発明の第１実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統を示してある。
図１に示すように、太陽熱を集熱する熱機器としての太陽熱集熱器１が備えられ、太陽熱集熱器１では昇温媒体としての水が昇温されるようになっている（昇温手段）。太陽熱集熱器１は循環配管２により蓄熱手段としての蓄熱タンク３に接続され、太陽熱集熱器１で昇温された水（加熱温水）は循環ポンプ４の駆動により循環配管２を通って太陽熱集熱器１と蓄熱タンク３の間を循環する。
一方、市水（例えば、１５℃以下）が貯留される熱交換タンク５が備えられ、蓄熱タンク３と熱交換タンク５の間には媒体循環路６が設けられている。媒体循環路６には、例え
ば、フロン系ガスの媒体が充填され、熱交換タンク５で熱回収された媒体が昇圧手段としての昇圧ポンプ７により蓄熱タンク３側に圧送される。蓄熱タンク３には、循環配管２により太陽熱により昇温された温水（例えば、８５℃〜２００℃）が送られ、蓄熱タンク３では、媒体循環路６で送られた媒体が例えば、８５℃〜２００℃に加熱される。
加熱された媒体は、媒体循環路６により発電手段８に送られ、発電手段８で仕事を終えた媒体（例えば、５０℃）は媒体循環路６により熱交換タンク５に送られ、熱交換タンク５内の市水（〜１５℃）を温めて、中温貯湯タンク３１に送られる。中温貯湯タンク３１では、例えば、４０℃〜６０℃の媒体と熱交換タンク５からの市水とを熱交換し、例えば、４０℃〜６０℃の水を貯める機能を有している。中温貯湯タンク３１は、内部の水温が下降した時には後述する追焚き器１１を使用することで、例えば、４０℃〜６０℃の水温を保つようにしている。
中温貯湯タンク３１に貯められた水は、例えば、４０℃〜６０℃の給湯水とされる。発電手段８には、例えば、８５℃〜２００℃の媒体を膨張する膨張器９（例えば、循環流式小型スクロール膨張器）が備えられ、膨張器９の回転軸は発電機１０のローターに接続されている。
つまり、例えば、８５℃〜２００℃の媒体が膨張器９で膨張されて回転動力が得られ、膨張器９の回転動力が発電機１０に伝えられて発電が行なわれ、電力（例えば、７００Ｗ）が回収される。膨張器９で仕事を終えた媒体は、例えば、５０℃の排気となって媒体循環路６により熱交換タンク５に送られ、給湯水の熱源とされる（給湯手段）。
また、燃料（例えば、都市ガス、プロパンガス、白灯油等）の燃焼により熱媒体を加熱する外部熱源としての追焚き器１１が備えられ、追焚き器１１で加熱された熱媒体が蓄熱タンク３を循環するようになっている。
追炊き器１１としては、予め所定場所に設置される機器や携帯型のコンロ等の簡易加熱機器を適用することが可能である。
蓄熱タンク３では、太陽熱により昇温された温水（例えば、８５℃〜２００℃）及び追焚き器１１で加熱された熱媒体により、媒体循環路６の媒体が例えば、８５℃〜２００℃に加熱される。更に、追焚き器１１で加熱された熱媒体は熱交換タンク５を循環し、給湯水の熱源とされる。
上記構成の発電併用給湯システムでは、蓄熱タンク３が、例えば、８５℃〜２００℃の媒体を貯める機能と熱交換の機能を有し、熱交換タンク５が、例えば、４０℃〜６０℃の媒体と、例えば、１５℃以下の市水を熱交換する機能を有している。また、中温貯湯タンク３１が、例えば、４０℃〜６０℃の媒体と熱交換タンク５からの市水とを熱交換する機能と、例えば、４０℃〜６０℃の水（給湯水）を貯める機能を有している。また、熱交換タンク５が、例えば、４０℃〜６０℃の水を貯める機能を有している。熱交換タンク５内の水温が低下した場合には、追焚き器１１を補助的に使用することで、熱交換タンク５内の水温が、例えば、４０℃〜６０℃に保たれる。
上述した発電併用給湯システムにおける給湯及び発電の作用を説明する。
太陽熱集熱器１では太陽熱により昇温媒体が昇温され、昇温された温水（例えば、８５℃〜２００℃）が循環配管２により蓄熱タンク３に送られる。蓄熱タンク３で熱回収された温水（例えば、８５℃〜２００℃）は循環ポンプ４により太陽熱集熱器１に戻される。また、追焚き器１１で加熱された熱媒体が蓄熱タンク３を循環して熱回収される。
蓄熱タンク３では昇温媒体（加熱温水）及び熱媒体の熱により媒体が昇温され（例えば、８５℃〜２００℃）、昇温された媒体が膨張器９で膨張されて発電機１０で発電が行なわれる。膨張器９の排気（媒体）は媒体循環路６から熱交換タンク５に送られて熱回収され、昇圧ポンプ７で昇圧されて媒体循環路６で蓄熱タンク３に送られて再び昇温される。熱交換タンク５では、膨張器９の排気（媒体）は媒体循環路６から送られる排気（媒体）及び追焚き器１１からの熱媒体により、市水が加温されて給湯用の湯にされる。
このため、太陽熱を用いて給湯を行なうと同時に、昇温された媒体の膨張による動力で発電によって電力を得ることができ、天候や季節に拘わらず自然エネルギーである太陽熱を熱や電力として安定して利用することが可能になる。
つまり、太陽熱集熱器１と追焚き器１１で得られる熱により安定して給湯のための温水を得ることができる。そして、この時に得られる、例えば、８５℃〜２００℃の媒体で膨張器９を作動させて発電を行い、補器（循環ポンプ４、昇圧ポンプ７）の動力に加えて夏期の冷房の動力等に電力を活用することができる。このため、天候や季節に拘わらず、エネルギーを通年にわたり有効に活用することができる。
この結果、太陽熱を主なエネルギー源にして追焚き器１１を補助的に運用することにより、給湯を安定して行なうことができると共に補器や連携するエアコン等に電力を自己消費することができ、非系統連携独立型のシステムとして簡略化された安定したシステムとすることができる。しかも、主なエネルギー源が太陽熱であるため、ＣＯ２の排出量を限りなくゼロに近づけることができ、大幅なＣＯ２削減を可能にした家庭用システムとすることが可能になる。
また、膨張器９として、例えば、循環流式小型ロータリー膨張器を用いたことにより、量産化されている安価な空調機器用の機械部品の転用が容易になり、大幅なコスト低減が図れる。
尚、第１実施形態例では中温貯湯タンク３１を用いて熱交換タンク５からの水を給湯水として貯める例を挙げて説明したが、気候や地域の違いに基づき、循環する媒体の温度や市水の温度により熱交換タンク５で十分な温度（例えば、４０℃〜６０℃）の給湯水が得られることができれば、図２の第２実施形態例に示すように、中温貯湯タンク３１を省略した構成とすることも可能である。
本発明の第３実施形態例、第４実施形態例を説明する。
図３に基づいて第３実施形態例を説明する。図３には本発明の第３実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統を示してある。図３に示した発電併用給湯システムは、図１に示した第１実施形態例に対し、貯留タンクを設けて太陽熱集熱器１で昇温された昇温媒体としての水（加熱温水）が貯留できるようにされている。このため、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図３に示すように、循環ポンプ４の上流側には貯留タンク１５が備えられ、貯留タンク１５には循環配管２から分岐する第２循環配管１６が接続されている。つまり、太陽熱集熱器１で昇温され蓄熱タンク３で熱回収された加熱温水の一部が貯留タンク１５に貯められるようになっている。また、貯留タンク１５には中温貯湯タンク３１との間で加熱温水を循環させる温水配管１７が設けられ、温水配管１７には温水循環ポンプ１８が設けられている。
第３実施形態例に係る発電併用給湯システムでは、太陽熱集熱器１で昇温され蓄熱タンク３で熱回収された加熱温水（例えば、９０℃〜１１０℃）の一部が貯留タンク１５に貯められる。曇や雨で太陽光が使用できない時、温水循環ポンプ１８を駆動して温水配管１７に加熱温水を流通させ、中温貯湯タンク３１との間で加熱温水を循環させる。これにより、熱交換タンク５からの市水との間で熱交換されて中温貯湯タンク３１内の水温が、例えば、４０℃〜６０℃に保たれる。このため、天候に拘わらずに給湯を安定して実施することが可能になる。
尚、温水配管１７を流通する加熱温水の一部を給湯の湯に直接混合し（混合手段）、直接熱回収をして給湯温度を維持することも可能である。
また、第３実施形態例では中温貯湯タンク３１を用いて熱交換タンク５からの水を給湯水として貯めると共に、貯留タンク１５に貯められた加熱温水により給湯水を加温する例を挙げて説明したが、気候や地域の違いに基づき、循環する媒体の温度や市水の温度により熱交換タンク５で十分な温度（例えば、４０℃〜６０℃）の給湯水が得られることができれば、図４の第４実施形態例に示すように、中温貯湯タンク３１を省略した構成とすることも可能である。この場合、貯留タンク１５に貯められた加熱温水は熱交換タンク５との間を循環させる。
本発明の参考例を説明する。
図５、図６には本発明の参考例に係る発電併用給湯システムの概略系統を示してある。
図５に示した発電併用給湯システムは、図１に示した第１実施形態例に対し、追焚き器１１を省略し、外部からの廃熱（熱源）を蓄熱タンク３及び熱交換タンク５に循環させるようにしたものである。このため、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
図５に示すように、外部熱源としての外部機器からの廃熱、例えば、工場からの廃熱や、焼却施設からの廃熱等を蓄熱タンク３及び熱交換タンク５に循環させる廃熱循環路２１が設けられている。尚、廃熱循環路２１の熱源は、都市ガス、プロパンガス、白灯油等の燃料を用いた専用の機器とすることも可能である。
廃熱循環路２１に廃熱を循環させることにより、蓄熱タンク３における昇温媒体及び媒体の昇温、及び、熱交換タンク５における中温貯湯タンク３１に送られる水の温度の維持が実施される。このため、通常は利用されずに環境に放出される廃熱を有効に利用することができる。
尚、図５に示した発電併用給湯システムに対し、図３に示した、貯留タンク１５、第２循環配管１６、温水配管１７、温水循環ポンプ１８を設けることも可能である。
また、図５に示した例では中温貯湯タンク３１を用いて熱交換タンク５からの水を給湯水として貯める例を挙げて説明したが、気候や地域の違いに基づき、循環する媒体の温度や市水の温度により熱交換タンク５で十分な温度（例えば、４０℃〜６０℃）の給湯水が得られることができれば、図６の例に示すように、中温貯湯タンク３１を省略した構成とすることも可能である。
図１、図２に示した実施形態例、及び、図５、図６に示した参考例において、循環配管２を循環させる昇温媒体として水（加熱温水）を用いた例を挙げて説明したが、昇温媒体として油を用いることが可能である。昇温媒体として油を用いることで、１００℃以上の高温とされた場合であっても昇温媒体が沸騰することがなく、昇温媒体を安定して運用することが可能になる。また、循環配管２の錆びに対する対応を考慮する必要がなくなる。
更に、油として食用油を適用することが可能である。昇温媒体の油として食用油を用いることで、廃油の処理に際して環境に影響を与えることがない。
上述した発電併用給湯システムでは、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を得ることができ、天候や季節に拘わらず自然エネルギーを熱や電力として安定して利用することが可能になる。
ところで、国内のＣＯ２の排出量の内訳としては、運輸部門、産業部門及び民生部門に
大別することができる。ＣＯ２の総排出量における産業部門の排出量の割合は近年減少傾
向にあるが、民生部門における排出量の割合が増加傾向にあるのが実情である。本発明の発電併用給湯システムは、主なエネルギー源が太陽熱であるため、ＣＯ２の排出量を限りなくゼロに近づけることができ、大幅なＣＯ２削減を可能にした家庭用システムとなっている。
このため、本願発明の発電併用給湯システムを用いることにより、民生部門におけるＣＯ２を大幅に削減することができ、ＣＯ２の総排出量における民生部門における排出量の
割合を減少させることが可能になる。従って、国内のＣＯ２の排出量の削減に大きく貢献
することができる。しかも、消費エネルギーの半分以上を占める給湯、冷暖房の分野でエネルギー消費効率を高くすることができる。
本発明は、環境の熱を用いて給湯を行なうと同時に、系内の動力で発電による電力を得る発電併用給湯システムの産業分野で利用することができる。
本発明の第１実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統図である。 本発明の第２実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統図である。 本発明の第３実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統図である。 本発明の第４実施形態例に係る発電併用給湯システムの概略系統図である。 発電併用給湯システムの参考例の概略系統図である。 発電併用給湯システムの参考例の概略系統図である。
１ 太陽熱集熱器
２ 循環配管
３ 蓄熱タンク
４ 循環ポンプ
５ 熱交換タンク
６ 媒体循環路
７ 昇圧ポンプ
８ 発電手段
９ 膨張器
１０ 発電機
１１ 追焚き器
１５ 貯留タンク
１６ 第２循環配管
１７ 温水配管
１８ 温水循環ポンプ
３１ 中温貯湯タンク

Claims (4)

  1. 環境の熱及び外部熱源により媒体を昇温させる昇温手段と、
    前記媒体を膨張させて電力を得る発電手段と、
    前記発電手段で膨張されて仕事を終えた前記媒体の熱により温水を得る給湯手段とを備え、
    前記環境の熱は、太陽熱であり、
    前記外部熱源は、燃料の燃焼熱を熱源とする機器であり、
    前記昇温手段は、
    前記太陽熱を集めて昇温媒体を昇温させる太陽熱集熱器と、
    前記太陽熱集熱器で昇温された前記昇温媒体、及び、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器で加熱された熱媒体が循環されると共に、前記媒体が循環され、前記昇温媒体及び前記熱媒体との間で熱交換されて前記媒体を昇温する蓄熱タンクとからなり、
    前記給湯手段には、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器で加熱された熱媒体が循環され、前記給湯手段の温水の水温が低下した時に、前記燃料の燃焼熱を熱源とする機器が使用されて給湯手段の温度が一定の範囲に保持される
    ことを特徴とする発電併用給湯システム。
  2. 請求項１に記載の発電併用給湯システムにおいて、
    前記昇温媒体は水であり、昇温されて加熱温水となった前記昇温媒体を貯留する貯留タンクを備え、前記貯留タンクに貯留された加熱温水が給湯手段に循環されて温水を得る熱源とされる
    ことを特徴とする発電併用給湯システム。
  3. 請求項２に記載の発電併用給湯システムにおいて、
    前記加熱温水の一部を前記給湯手段で得られる前記温水に混合する混合手段を備えた
    ことを特徴とする発電併用給湯システム。
  4. 請求項１に記載の発電併用給湯システムにおいて、
    前記昇温媒体は油である
    ことを特徴とする発電併用給湯システム。
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