JP6280663B1 - 宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、給湯も発電と同時にできるようにしたので、発電力は給湯で使用しなくとも全部売電収入にできることになり、合理性、経済性とともに大きく環境にプラスとなる宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムを提供することを目的とするものである。【解決手段】１）透明真空二重ガラス管の内部に、所望の長さの光発電手段および太陽光集熱手段を内蔵させたことを特徴とする宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。２）前記光発電手段が、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子から選ばれてなる請求項１に記載の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。【選択図】図３

Description

本発明は太陽光発電を行い、かつ熱エネルギーも同時に一体化して供給、貯湯し、高効率な熱電供給を可能とした宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムに関するものである。

従来の自然エネルギーによる発電としては、太陽光発電、風力発電、水力発電等があり、それぞれ特徴、長所、短所を持ち合わせている。
しかも、これらのシステムは電力を発生させるためにコストが高く、大掛かりな設備、施工工事を必要としていた。

一方、地熱、バイオマス発電は電気と熱とが得られる電熱供給であるが、地下水の利権問題、ダイオキシン排気の問題処理等もイニシャルコストを上昇させるものとして大きなデメリットを伴っている。

最近の太陽熱電供給方式としては特開２０１５−２１３３９５号公報（特許文献１参照）に記載された太陽電池パネルの冷却方法及び装置がある。
これは、自然対流のみにより、コンパクトかつ低コストの効率的な太陽電池を冷却する太陽電池パネルの冷却装置、および、回収した熱の利用システムを提供することを目的とするものであり、太陽電池パネルを冷却する太陽電池パネルの冷却装置であって、太陽電池パネルに接し、パネルの熱を回収し、管内の冷却用の熱媒体に自然対流を発生させるパネル冷却管と、冷却用の熱媒体を供給する熱媒体供給管と、冷却用の熱媒体が入れられたタンクが、一連に接続され、熱媒体が自然対流により循環する構成とされている。

このような、シリコン系のモジュールが発熱をして発電力効率が低下するのを防止すべくモジュール板の裏面へ熱交換パイプ等を取り付ける先行技術も、少しずつ市場には出現すると思われるが、これらは太陽光発電モジュールの表面に熱拡散防止策が行われていないため、集熱効率が大変少ないのである。
すなわち、従来の太陽光発電シリコンモジュールを利用してその発電過程の昇温熱、抵抗熱を裏面より集熱利用することは大変伝導放熱が多く、集熱、蓄熱利用に充分ではなく、手段、方法も合理性に欠けたものがほとんどである。

本発明者も実証実験をした結果を図９（ロガーグラフ参考図）に示す。従来のシリコン太陽光パネルの表面は高くても７０℃前後（ｃｈ５）であり、このモジュールの裏面の熱を収集したとしても、家庭用太陽熱ソーラー蓄熱タンク水３００Ｌを４０℃へ昇温させるには放熱ムダが多く容易ではないことを確認することできた。
また、太陽光発電用のソーラーパネルに用いられるシリコンは希少金属であり、また廃棄処分時にも前記ソーラーパネルは、有害物質の環境負荷が大きな問題になりつつある。

特開２０１５−２１３３９５号公報 特許第５６２５５５７号公報 特許第５５１５０５９号公報

本発明は従来の太陽光発電システムのように、昼間売電や蓄電した電力を夜間買電して給湯熱源として電力消費していたものを、給湯、貯湯も発電と同時にできるようにしたので、発電力は給湯で使用しなくとも全部売電収入にできることになり、合理性、経済性とともに大きく環境にプラスとなる宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムを提供することを目的とするものである。
より詳しくは、ガラス真空二重管の中で太陽光発電を行い、同時にシリコンやＣＩＧＳ（銅、インジウム、ガリウム、セレン等の合金属発電素子）、アモルファス（非結晶体、フレキシブル薄膜発電素子）発電素子等から出る熱を真空二重透明ガラス管の中で集熱してから蓄熱タンクに蓄積し、冷暖房や給湯にも利用することである。
すなわち、宇宙で本発明のシステムが回転しても、太陽光がどの方向からでも一定の面に照射される円筒状のガラス真空二重管を用いており、したがって地上の建築物を含め、世界中の宇宙ステーションや月面基地、火星基地等を含めて非常に広範囲に使用することができるシステムの開発を目的としている。
なお、本発明者が先に発明した真空管ソーラー集熱システム（特許第５６２５５５７号、特許文献２参照）による太陽光熱交換装置を利用することが望ましい。

本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムは、透明真空二重ガラス管の内部に収納可能な長さの光発電手段および太陽光集熱手段を内蔵させた宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムであって、前記光発電手段は前記透明真空二重ガラス管内周に沿って、太陽光集熱手段と接触することなく間隔を置いて円筒型に配置して発電をするとともに、その内側に配置した前記太陽光集熱手段は外管および内管からなる熱交換パイプを備え、外管内を通過して昇温した熱交換媒体はその先端で折り返して内管を通過して蓄熱タンクに送り込むとともに、該蓄熱タンクで冷却された熱交換媒体は、再度前記熱交換パイプに戻すようになっていることを特徴とするものである。

本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいて、前記光発電手段が、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子、フィルム型の太陽電池から選ばれてなることをも特徴とするものである。

本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいて、前記光発電手段および前記熱交換パイプが、光発電手段は前記透明真空二重ガラス管の内面に張設してあり、熱交換パイプは、前記真空二重透明ガラス管の端部にそれと直角方向に給液管および気水体の送出管を配置しておき、前記給液管の適宜位置の前記真空二重透明ガラス管側の壁面には前記外管用のやや大きな取付孔が、またその反対側の壁面には内管用の貫通孔が配設するとともに、前記気水体の送出管の前記真空二重透明ガラス管側の壁面には前記内管用の取付孔が配設してあり、前記給液管の前記真空二重透明ガラス管側の壁面に設けた取付孔に前記外管の末端を取り付けて前記真空二重透明ガラス管内に挿通して固定し、さらに前記気水体の送出管の取付孔に前記内管の末端を取り付けて、前記給液管の貫通孔から前記外管内に挿通して固定することにより、前記真空二重透明ガラス管の内部に収納して一体化したものである。

本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいて、前記宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムが、太陽光に当てるだけで地球大気内、宇宙（星を含む）圏内で、電力と熱エネルギーを同時に得られるようにしたことをも特徴とするものである。

以上のように、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子を、透明ガラス真空二重管内に円筒型に適在配置して発電をし、その過程で発生する昇温熱、抵抗熱のほとんどを真空管内より放熱拡散しない状態とするとともに、透明ガラス真空二重管内に熱交換パイプを挿入して吸熱させ、完全に無駄なく熱交換集熱循環を円滑に行うようにしたことで合理的、画期的に解決したのである。
すなわち、本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいては透明ガラス真空二重管は従来の平板シリコン発電体と異なり、太陽光線に対してほとんどの方向角度に最適な角度になる合理的な丸円筒型であるので、最適集光角度で多くの集光線を得られることになり、地球上のみならず宇宙空間でも場所や施工方法の選択は不要であるという大きな構造的特徴を有するのである。

本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムの実施の形態を示す概略平面図である。 本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおける真空二重管部位の要部を示す概略正面図である。 本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおける真空二重管部位の要部を示し、使用前の段階の概略断面図である。 本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおける真空二重管部位の要部を示し、使用段階の概略断面図である。 その概略斜視図である。 その概略切断斜視図である。 本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおける真空二重管部位を連結した状態を示す概略切断斜視図である。 その概略切断斜視図である。 本発明装置と従来装置における温度変化を示すロガーグラフである。 本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムの第２の実施の形態を示す概略展開図である。 丸めた状態の概略上面図である。

以下本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムを図面に基いて詳細に説明する。
本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムの１実施例を示す図１ないし図８において、本実施例の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムは、透明真空二重ガラス管１１の内部に、所定の長さの光発電手段１２および太陽光集熱手段２１を内蔵させたものである。
そして、透明真空二重ガラス管１１は、それぞれ筒状の真空用外管１１ａおよび真空用内管１１ｂを微細な間隔で二重に配設したものであり、必要に応じて適宜位置に間隔を保つためのスペーサ（図示せず）を配置し、真空用外管１１ａと真空用内管１１ｂとの間の空気を脱気して真空状態としたものである。

前記光発電手段１２としては、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子から選ばれたものであることが望ましく、この薄膜ないし薄板状の光発電手段１２は前記透明真空二重ガラス管１１の筒状の真空用内管１１ｂの内面に張設してある。もちろん、フィルム型太陽電池（色素増感型）等を用いてもよい。
図において、１３は光発電手段１２の上端に取り付けたリード線１４の端子、１５は光発電手段１２の下端に取り付けたリード線１６の端子であり、それぞれ光発電手段１２の発電によって得られた電力を別途配設した充電器等に送電するためのものである。

次に、前記太陽光集熱手段２１は、前記光発電手段１２において生じる熱を冷却と同時に熱交換媒体によって吸熱する装置を備えている。
すなわち、前記太陽光集熱手段２１は、前記透明真空二重ガラス管１１内に前記光発電手段１２と併設した熱交換パイプ２２を内在させ、該熱交換パイプ２２内部に液体、フロンガス、クロロフロロカーボンガスに類する熱交換媒体を流通させて、前記光発電手段１２による太陽光発電と熱交換パイプ２２による集熱とを同時に行うようにしたものである。
なお、２２ａは熱交換パイプ２２の外管、２２ｂは熱交換パイプ２２の内管であり、外管２２ａ内を通過して昇温した熱交換媒体はその先端で折り返して内管２２ｂを通過して後述する蓄熱タンク２６に送り込まれるのである。
さらには、前記光発電手段１２および前記熱交換パイプ２２が、前記真空二重透明ガラス管１１の内部に収納して一体化してある。このように、前記真空二重透明ガラス管１１内に前記光発電手段１２および前記熱交換パイプ２２を内蔵させたユニット化部材２３は、図１に示すように複数本のユニット化部材２３を並置するように設置してカバーホルダ２４に内蔵させてある。

図２ないし図７に前記真空二重透明ガラス管１１内に前記光発電手段１２および前記熱交換パイプ２２を内蔵させたユニット化部材２３の詳細を示す。
すなわち、前記真空二重透明ガラス管１１の端部にそれと直角方向に給液管２２ｃおよび気水体の送出管２２ｄを配置しておき、前記給液管２２ｃの適宜位置の前記真空二重透明ガラス管１１側の壁面には前記外管２２ａ用のやや大きな取付孔２２ｅが、またその反対側の壁面には内管２２ｂ用の貫通孔２２ｆが配設されている。さらに、前記気水体の送出管２２ｄの前記真空二重透明ガラス管１１側の壁面には前記内管２２ｂ用の取付孔２２ｇが配設されている。
そして、前記給液管２２ｃの前記真空二重透明ガラス管１１側の壁面に設けた取付孔２２ｅに前記外管２２ａの末端を取り付けて前記真空二重透明ガラス管１１内に挿通して固定し、さらに前記気水体の送出管２２ｄの取付孔２２ｇに前記内管２２ｂの末端を取り付けて、前記給液管２２ｃの貫通孔２２ｆから前記外管２２ａ内に挿通し固定すれば組み付けは完了する。

以下にこのように構成した前記真空二重透明ガラス管１１内に前記光発電手段１２および前記熱交換パイプ２２を内蔵させたユニット化部材２３の使用状態を、図１に基いて説明する。
まず、前記給液管２２ｃから前記真空二重透明ガラス管１１内に配設された外管２２ａ内に熱交換媒体を送り込むと、前記真空二重透明ガラス管１１内は太陽光によって昇温した状態にあり、前記外管２２ａ内で昇温した熱交換媒体は気水体となる。その後、熱交換媒体は前記外管２２ａの先端で折り返し、前記内管２２ｂの開口端部から前記内管２２ｂ内を経由して送出管２２ｄから集熱パイプ２５を介して蓄熱タンク２６に送り込む。もちろん、蓄熱タンク２６で冷却された熱交換媒体は、給水弁２７を介して前記透明真空二重ガラス管１１の端部から前記熱交換パイプ２２に戻される。
２８は透明二重真空管ガラス１１内に収めたアモルファス発電素子による光発電の直流電力をインバータ型パワーコンディショナ（またはバッテリー）で、このインバータ型パワーコンディショナ２８を経由して電力会社の系統電線へ売電する。

また、前記蓄熱タンク２６の機能を説明すると、該蓄熱タンク２６には冷温水チラー３１が付設されている。そしてこの冷温水チラー３１にはエアコンディショナーのファンコイル３２が例えば設定温度を７℃とした冷水用給排水パイプ３３および温水用給排水パイプ３４を介して連結されている。
したがって、エアコンディショナーのファンコイル３２から適宜の冷風あるいは温風を送出させることができる。
図において、３５は前記蓄熱タンク２６への補給用給水パイプ、３６は前記冷温水チラー３１に付設した給湯パイプである。

以上のように、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子、フィルム型の太陽電池等から選ばれた前記光発電手段１２を、透明真空二重ガラス管１１内に円筒型に適在配置して発電をする。またその過程で発生する昇温熱、抵抗熱はほとんどが透明真空二重ガラス管１１内より放熱拡散することはない。
しかも、透明真空二重ガラス管１１内に前記熱交換パイプ２２を挿入して吸熱させ、完全に無駄なく熱交換かつ集熱循環を円滑に行うようにしてあり、合理的、画期的に前記従来例の課題を解決したのである。

以上のようにして完成した宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムは、例えば外径５２ミリ、内径４２ミリ、長さ１８００ミリの真空二重ガラス管の透明タイプを使用したものとすることができる。
内部に所定の長さの光発電手段１２および太陽光集熱手段２１を内蔵させた透明真空二重ガラス管１１の１本のみを使用して３５Ｖの電圧と５Ｗの出力、内部温度約１１０℃前後（図９のロガーグラフ参考、太陽光の強さ、大気・空中湿度にもよる）の温度が確認できたので、従来のシリコン光パネルの裏面の温度が７０℃前後（図９のロガーグラフ参考、５ＣＨ）であるのと比較すると、大幅に効率が向上した合理的な熱電併給システムを提供することが可能であることを確認した。

すなわち、本実施例の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいては、使用する透明真空二重ガラス管１１が従来の平板なシリコン製の発電体と異なって、太陽光線に対してほとんどの方向角度に最適な角度になる合理的な円筒型であるので、最適集光角度で多くの集光線を得られることになり、地球上のみならず宇宙空間でも発電することができ、場所や施工方法の選択は不要であるという大きな構造的特徴を有するのである。

本実施例の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいて、高温度の湯水の確保および蓄熱を可能とする手段は、アモルファス発電素子等からなる光発電手段１２の抵抗熱が、透明真空二重ガラス管１１内部で熱交換パイプ２２に湯水の昇温エネルギーとして、外気との対流と伝導放熱のないスムースな熱交換を可能にしたものであり、したがって従来の平板パネルより大きな改良手段となった。
このことは、熱電エネルギーの有効効率アップであり、従来のシリコン製の平板システムの半分以下の施設面積でも同等以上の太陽熱電供給を可能とするので、イニシャルコストの低下、工期短縮等の相乗効果を発生する。
そのことは普及を早めることとなることはもちろん、輸入が必要な化石燃料、ＬＮＧ、ガス、石油、石炭等におけるわが国の輸出入のバランス改善にもつながるので、わが国の財政安定にも大いに貢献すると確信する。

次に、図１０は本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムの第２の実施の形態を示す概略展開図、図１１は丸めた状態の概略上面図である。
すなわち、図１０に示すように、本実施例の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムにおいても、透明真空二重ガラス管４１は、それぞれ筒状の真空用外管４１ａおよび真空用内管４１ｂを微細な間隔で二重に配設したものであり、前記真空用外管４１ａと真空用内管４１ｂとの間の空気を脱気して真空状態としたものである。

そして、所定の長さの給液管４２ｃの前記真空二重透明ガラス管４１側の壁面に設けた取付孔４２ｅに、前記透明真空二重ガラス管４１内に設置した外管４２ａの末端を取り付けて前記真空二重透明ガラス管４１内に挿通して固定し、さらに前記気水体の送出管４２ｄの取付孔４２ｇに内管４２ｂの末端を取り付けて、前記給液管４２ｃの貫通孔４２ｆから前記外管４２ａ内に挿通し固定すれば組み付けは完了する。
前記所定の長さの給液管４２ｃの各々は蛇腹管（ベローズ管）等のフレキシブル管４３を介して連結されており、また前記透明真空二重ガラス管４１の上端もそれぞれ連結ベルト４４等を介して連結されている。
したがって、本実施例の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムは、図１１に示すようにぐるぐる巻きにして丸めることができ、また宇宙空間で広げて使用することができる。

特許第５５１５０５９号（特許文献３参照）の太陽光熱複合発電システム（国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構、略称ＪＡＸＡ）を利用した給湯装置は前記ＪＡＸＡの静止衛星、月面基地、火星でのコロニー内におけるエネルギー送出装置であるが、ヒートポンプや太陽光パネルの複雑さ、システム容量、重量の大きさ、宇宙での組み立て作業の複雑さを伴うなど課題を多く含むものである。
他方本発明の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムは軽量で宇宙空間での設置、施工作業の圧倒的な利便性は、日本国はもとより世界中の宇宙開発産業に不可欠のアイテムとしても貢献、普及するものであることを確信する。

１１ 透明真空二重ガラス管
１１ａ 真空用外管
１１ｂ 真空用内管
１２ 光発電手段
１３ 端子
１４ リード線
１５ 端子
１６ リード線
２１ 太陽光集熱手段
２２ 熱交換パイプ
２２ａ 外管
２２ｂ 内管
２２ｃ 給液管
２２ｄ 送出管
２２ｅ 取付孔
２２ｆ 貫通孔
２２ｇ 取付孔
２３ ユニット化部材
２４ カバーホルダ
２５ 集熱パイプ
２６ 蓄熱タンク
２７ 給水弁
２８ パワーコンディショナ（またはバッテリー）
３１ 冷温水チラー
３２ エアコンディショナーのファンコイル
３３ 冷水用給排水パイプ
３４ 温水用給排水パイプ
３５ 補給用給水パイプ
３６ 給湯パイプ
４１ 透明真空二重ガラス管
４１ａ 真空用外管
４１ｂ 真空用内管
４２ａ 真空用外管
４２ｂ 真空用内管
４２ｃ 給液管
４２ｄ 送出管
４２ｅ 取付孔
４２ｆ 貫通孔
４２ｇ 取付孔
４３ フレキシブル管
４４ 連結ベルト

Claims (4)

1. 透明真空二重ガラス管の内部に収納可能な長さの光発電手段および太陽光集熱手段を内蔵させた宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システムであって、
   前記光発電手段は前記透明真空二重ガラス管内周に沿って、太陽光集熱手段と接触することなく間隔を置いて円筒型に配置して発電をするとともに、
   その内側に配置した前記太陽光集熱手段は外管および内管からなる熱交換パイプを備え、
   外管内を通過して昇温した熱交換媒体はその先端で折り返して内管を通過して蓄熱タンクに送り込むとともに、
   該蓄熱タンクで冷却された熱交換媒体は、再度前記熱交換パイプに戻すようになっていることを特徴とする宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。
2. 前記光発電手段が、フレキシブルアモルファス薄膜発電素子ないしフレキシブルＣＩＧＳ等金属化合物発電素子、フィルム型の太陽電池から選ばれてなる請求項１に記載の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。
3. 前記光発電手段および前記熱交換パイプが、光発電手段は前記透明真空二重ガラス管の内面に張設してあり、
   熱交換パイプは、前記真空二重透明ガラス管の端部にそれと直角方向に給液管および気水体の送出管を配置しておき、前記給液管の適宜位置の前記真空二重透明ガラス管側の壁面には前記外管用のやや大きな取付孔が、またその反対側の壁面には内管用の貫通孔が配設するとともに、前記気水体の送出管の前記真空二重透明ガラス管側の壁面には前記内管用の取付孔が配設してあり、前記給液管の前記真空二重透明ガラス管側の壁面に設けた取付孔に前記外管の末端を取り付けて前記真空二重透明ガラス管内に挿通して固定し、さらに前記気水体の送出管の取付孔に前記内管の末端を取り付けて、前記給液管の貫通孔から前記外管内に挿通して固定することにより、前記真空二重透明ガラス管の内部に収納して一体化してなることを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。
4. 前記太陽熱電供給ソーラーシステムが、太陽光に当てるだけで地球大気内、宇宙（星を含む）圏内で、電力と熱エネルギーを同時に得られるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の宇宙・地上共用型の真空管式太陽熱電併給システム。

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