JP5389745B2 - 吸放熱システム - Google Patents

Description

本発明は、吸放熱システムに関する。

二酸化炭素を放出することのない太陽からの放射エネルギーを汎用的なエネルギーに変換して利用する場合がある。

例えば、太陽光発電は、所定の範囲に敷き詰められた太陽電池パネルにより発電を行う（例えば特許文献１参照）。
また、特許文献２に示すように、熱吸収パネルにより太陽熱を吸収し、吸収した太陽熱を利用して水を温める太陽熱温水器等がある。

また、二酸化炭素の放出を抑制することを目的として、建物の外面に沿って設置されたルーバー等により、太陽の照射熱による建物内の温度上昇を抑制し、冷房効率を向上させる場合がある。

特開２００３−０２０７６６号公報 特開２００５−２６５２５１号公報

ところが、従来の太陽熱を利用した技術は、パネルにより吸収された熱を積極的に放熱するものではなかったため、太陽熱を吸収したパネル自体が高温になることがあった。パネルが高温になると発電効率が低下するおそれがあった。

また、ルーバー等は、太陽光を反射して、室内の温度上昇を抑制するものの、反射された太陽熱により建物の周囲の温度が上昇してしまい、結果的に冷房効率が低下してしまうことが懸念されていた。

このような観点から、本発明は、太陽熱の吸収および大気への放熱を効率的に行うことを可能とした、吸放熱システムを提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の吸放熱システムは、断面Ｕ字状に形成された伝熱体と、前記伝熱体の底部に収容された冷媒管と、により構成された複数の吸放熱モジュールを、互いに連結することにより構成された吸放熱システムであって、前記吸放熱モジュール同士は、一方の吸放熱モジュールの開口部に、他方の吸放熱モジュールの底部が挿入されることにより連結されていることを特徴としている。

かかる吸放熱システムによれば、昼間は、太陽熱により温度が上昇する伝熱体と冷媒との温度差により、太陽熱を冷媒に移動させて、吸収することができる。冷媒により吸収した熱は、夜間の放射冷却や気温の低下に伴い放熱される。
また、熱伝導率の高い伝熱体を互いに連結しているため、連結部分においても吸熱をすることができる。

また、前記吸放熱システムにおいて、前記吸放熱モジュールの表面に太陽電池モジュールが設置されていれば、太陽熱の吸収とともに太陽光による発電が可能となる。

本発明の吸放熱システムによれば、太陽熱の吸収および大気への放熱を効率的に行うことが可能となる。

（ａ）および（ｂ）は本発明の実施の形態に係る吸放熱システムの使用状況を模式的に示す断面図である。 図１に示す吸放熱システムを構成する吸放熱モジュールを示す斜視図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、吸放熱システムの組み立て状況を段階的に示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態の吸放熱システムの変形例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態の吸放熱システムの他の変形例を示す断面図である。

本発明の実施形態の吸放熱システム１は、図１に示すように、複数の吸放熱モジュール２，２，…を互いに連結することにより構成されている。吸放熱モジュール２は、伝熱体３と、冷媒管４とにより構成されている。
なお、連結される吸放熱モジュール２の数は限定されるものではなく、設置面積等に応じて適宜設定することが可能である。

伝熱体３は、断面Ｕ字状に形成された金属板により構成されている。すなわち、伝熱体３は、間隔をあけて対向する一対の面板部３ｃ，３ｃと、面板部の一端同士をつなぐ半円筒状の底部３ａと、を備えている。

なお、伝熱体３を構成する材料は、熱伝導性に優れたものであれば限定されるものではない。また、伝熱体３を構成する金属板の肉厚は、設置した状態でたわむことのない強度を備えていれば限定されるものではないが、金属板内において蓄熱されることがないように、なるべく肉厚の薄いものが望ましい。

冷媒管４は、断面円形の金属管により構成されており、その内部を冷媒が流れている。
冷媒管４は、図示しない貯湯槽等に接続されている。そのため、伝熱体３から伝達された太陽熱は、冷媒管４を流れる冷媒を介して貯湯槽まで輸送される。

なお、冷媒管４を構成する材料は、熱伝導性に優れたものであれば限定されるものではない。また、冷媒管４は断面円形に限定されるものではない。また、冷媒管４を構成する金属管は、金属管自体により蓄熱されることがないように、なるべく肉厚が薄いものが望ましい。また、金属管の内径は、吸熱効率に応じて設定された冷媒の流量に対応して適宜設定すればよい。また、冷媒管４は、必ずしも貯湯槽に接続されている必要はない。

吸放熱モジュール２は、図２に示すように、伝熱体３を構成する金属板を冷媒管４に巻きつけるように加工することで、内側空間の底部３ａに冷媒管４が配設されたＵ字状を呈している。
冷媒管４は、底部３ａ側の外周面が、底部３ａの内面に当接している。冷媒管４の外周面のうち、底部３ａ側の半分は伝熱体３に当接し、他の半分は伝熱体３の内側空間に面している。

吸放熱システム１は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、隣り合う吸放熱モジュール２同士の底部３ａと開口部３ｂとを組み合わせることにより、連結されている。
つまり、一方の吸放熱モジュール２ａの開口部３ｂに、他方の吸放熱モジュール２ｂの底部３ａが挿入されるように、一方の吸放熱モジュール２ａを冷媒管４の端部側（図３では上方または下方）から滑り込ませることにより隣り合う吸放熱モジュール２同士を連結する。このとき、隣り合う吸放熱モジュール２同士は、互い伝熱体３同士が当接している。

各吸放熱モジュール２の冷媒管４は、図示しない本管に接続されており、この本管を介して貯湯槽に接続されている。
なお、吸放熱モジュール２は、冷媒管４の軸方向（図３において上下方向）に連結されていてもよい。この場合は、伝熱体３同士を当接させるとともに、冷媒管４同士を連結する必要がある。

以上、本実施形態の吸放熱システム１によれば、図１（ａ）に示すように、太陽光Ｓが照射されることにより、伝熱体３の温度が上昇し、高温となった伝熱体３の熱（太陽熱）は、冷媒との温度差により、冷媒管４方向に移動する。
太陽熱の移動（伝達）は、伝熱体３（金属板）を伝わって移動する熱伝導Ｈ１と、伝熱体３（吸放熱モジュール２）の内部空間を移動する熱対流Ｈ２と、により行われる。

冷媒管４に移動した太陽熱は、内部を流れる冷媒により吸熱される。
吸放熱システム１により吸熱することで、周囲の気温の上昇を抑えることが可能となる。これにより、冷房効率が向上し、二酸化炭素の排出量の低減化を図ることができる。

このとき、吸放熱モジュール２に照射された太陽光Ｓ（太陽熱）は、当該吸放熱モジュール２の底部３ａに配設された冷媒管４、または、開口部３ｂに連結された他の吸放熱モジュール２の冷媒管４へと伝達される。
吸放熱モジュール２同士は、互いの伝熱体３同士が連結（当接）されているため、吸放熱モジュール２同士の境界においても吸放熱（熱の伝達）が効率的に行われる。

図１（ｂ）に示すように、夜間の放射冷却や気温の低下に伴い、太陽熱が蓄熱された冷媒が外気温よりも高くなると、冷媒の熱が吸放熱システム１の表面から放熱Ｒされる。これにより、吸放熱システム１が冷却されて、その吸熱機能が復元されるので、昼間の効率的な吸熱作用が持続するようになる。
冷媒の熱は、伝熱体３（金属板）を伝わって移動する熱伝導Ｈ１と、伝熱体３（吸放熱間ジュール２）の内部空間を移動する熱対流Ｈ２と、により吸放熱システム１の表面に移動し、外気に放熱Ｒされる。

伝熱体３および冷媒管４は、熱伝導率の高い材質（金属）により構成されているため、吸熱時や放熱時の熱移動速度が速く、効率的に太陽熱（太陽光Ｓ）の吸収および蓄熱（余剰熱）の放熱Ｒをすることができる。

太陽熱（太陽光Ｓ）を吸収した冷媒は、冷媒管４を介して貯湯槽へと輸送されるため、冷媒により吸熱された太陽熱を湯沸し等に利用するなど、効率的に活用することができる。自然エネルギーの有効活用により、ＣＯ_２の排出量の低減化を図ることができる。

本実施形態の吸放熱システム１によれば、面積が１０００ｍ^２の範囲において南向きに傾斜角度３０°で設置した場合の発電所等のランニングコストの削減量は、約３２０万円／年で、ＣＯ_２の削減量は約１０ＣＯ_２−ｔ／年が見込まれる。なお、吸放熱システム１による熱エネルギーＥの回収率は３０％として試算している。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の各実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、図４（ａ）に示すように、吸放熱モジュール４の表面に太陽電池モジュール５を設置してもよい。このような吸放熱システム１によれば、太陽熱を吸収して気温の上昇を抑制するとともに、太陽光Ｓによる発電をすることができるので、太陽光エネルギーをより効率的に活用することが可能となる。
また、太陽電池モジュール５の背面に、吸放熱システム１が配置されているので、太陽電池モジュール５の温度上昇を抑制することができ、ひいては、太陽電池モジュール５の発電効率を向上させることができる。

また、吸放熱システム１の設置角度は、太陽光Ｓの照射方向に応じて適宜設定することが可能である。例えば、水平に設置されていてもよいし（図４（ａ）参照）、所定の角度により傾斜していてもよいし（図４（ｂ）参照）、垂直に設置されていてもよい。

また、図５（ａ）に示すように、吸放熱モジュール２同士の接続部に角度を持たせてもよいし、図５（ｂ）に示すように、面板部３ｃを曲面に成形してもよい。これにより、太陽光Ｓの照射方向の変化に対応することが可能となり、長時間にわたり、効率的に太陽熱を吸収することが可能となる。

吸放熱システム１の設置箇所は、限定されるものではなく、例えば、構造物の屋上、構造物の壁面等に沿って配設すればよい。

１ 吸放熱システム
２ 吸放熱モジュール
３ 伝熱体
３ａ 底部
３ｂ 開口部
４ 冷媒管
５ 太陽電池モジュール
Ｓ 太陽光

Claims (2)

1. 断面Ｕ字状に形成された伝熱体と、前記伝熱体の底部に収容された冷媒管と、により構成された複数の吸放熱モジュールを、互いに連結することにより構成された吸放熱システムであって、
   前記吸放熱モジュール同士は、一方の吸放熱モジュールの開口部に、他方の吸放熱モジュールの底部が挿入されることにより連結されていることを特徴とする、吸放熱システム。
2. 前記吸放熱モジュールの表面に太陽電池モジュールが設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の吸放熱システム。

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