JP6324630B2 - 太陽エネルギ集熱吸着複合管及び該太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床及び該太陽エネルギ集熱吸着複合床によって構成される冷熱温熱供給システム - Google Patents
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Description
本発明は太陽エネルギ利用技術に関し、より詳細には太陽エネルギ集熱吸着複合管及び該太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床及び該太陽エネルギ集熱吸着複合床によって構成される冷熱温熱供給システムに関する。
１９７０年代以降、石油危機の影響を受け、多くの国で再生可能エネルギに対する支持が強化された。太陽エネルギ技術は飛躍的進歩を遂げ、研究領域は拡大を続け、複合パラボラ集光集熱器、真空管集熱器、アモルファスシリコン太陽電池、太陽エネルギ熱発電、水の光分解による水素製造等、多くの重要な成果が得られた。国連は、１９９２年に、ブラジルにおいて「国連環境開発会議」を開催し、「環境と開発に関するリオ宣言」、「アジェンダ２１」等の一連の重要な文書が会議を通過した。それ以降、世界の太陽エネルギ利用は、太陽エネルギ利用が世界の持続可能な発展及び環境保護と緊密に結びつきながら科学技術の成果を重視して生産力に転化し、太陽エネルギ産業を発展させ太陽エネルギの利用領域と規模を拡大させるという新たな発展期に入った。中国における最近１０年の太陽エネルギ利用の発展は迅速であり、分野もまた拡大している。しかし、太陽エネルギ利用は発電と熱供給に限られており、太陽エネルギ利用分野での開発には大きな期待が寄せられている。
本発明が解決しようとする課題は、「太陽エネルギ集熱吸着複合管」と太陽エネルギ吸着複合床およびそれによって構成される冷熱温熱供給システムを提供することである。加熱と冷却の二つの機能を備え、単位集熱面積を利用して、昼間の水加熱と夜間の水冷却運転または一日中継続した冷熱温熱供給を実現する。システムに継続的冷却が要求される場合には、２組のシステムを設置し、交互に運転すればよい。その内の１組が脱着状態であるときに他の１組が吸着状態であるようにする。
上記の課題を解決するため、本発明が提供するのは、両端が開口した太陽エネルギ真空管と、太陽エネルギ真空管内に同軸状に順に設けられた外層金属管および内層金属管とを含み、前記太陽エネルギ真空管と外層金属管との間に水通路が形成され、前記外層金属管と内層金属管との間に固体の吸着剤が配置されて外層金属管の外側の水と熱交換を行い、前記内層金属管上には複数の貫通孔が設けられ、内層金属管は吸着質の導入に用いられ、吸着質は前記吸着剤と作動媒体対を構成して吸着と脱着を実現し、放熱、吸熱過程を完成することを特徴とする、太陽エネルギ集熱吸着複合管である。
好適には、前記内層金属管上の貫通孔の孔径が１〜２ｍｍである。
好適には、前記吸着質と前記吸着剤で構成される作動媒体対が気体の吸着質と固体の吸着剤で構成される作動媒体対である。
好適には、前記吸着質と前記吸着剤で構成される作動媒体対がメタノール−活性炭またはアンモニア−活性炭である。
本発明が提供するのはまた、前記太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床であって、下側ヘッダ、上側ヘッダ、および前記下側ヘッダと上側ヘッダと連通する太陽エネルギ集熱吸着複合管を含み、前記下側ヘッダおよび上側ヘッダはいずれもケーシングと内套管によって構成され、ケーシングと内套管の間が水ヘッダとなり、内套管が吸着質ヘッダとなり、前記下側ヘッダと上側ヘッダの水ヘッダが各太陽エネルギ集熱吸着複合管の水通路を介して連通し、下側ヘッダと上側ヘッダの吸着質ヘッダが各太陽エネルギ集熱吸着複合管の内層金属管を介して連通することを特徴とする、太陽エネルギ集熱吸着複合床を提供する。好適には、一つの吸着床は１５〜２０本の複合管によって構成される。
本発明が提供するのはまた、前記太陽エネルギ集熱吸着複合床によって構成される冷熱温熱供給システムであって、１または２以上の互いに並列に設置された太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床、吸着質循環サブシステム、水循環サブシステム、および各システムまたは装置を接続する配管および配管上に設置された水ポンプ、バルブを含み、前記吸着質循環サブシステムは、順に接続された凝縮器、蓄液タンクおよび蒸発器を含み、凝縮器の作動媒体入口は前記太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床の上側ヘッダの吸着質ヘッダと連通し、蒸発器の作動媒体出口は前記太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床の下側ヘッダの吸着質ヘッダと連通し、前記水循環サブシステムは、蓄温水タンク、冷水タンクおよび蓄冷水タンクを含み、前記蓄温水タンクの水出口、冷水タンクの水出口および太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床の下側ヘッドの水ヘッダは互いに連通し、前記蓄温水タンクの水入口、冷水タンクの水入口、および太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床の上側ヘッダの水ヘッダは互いに連通し、前記蓄冷水タンク、冷水タンクおよび蒸発器は、任意の二つの間の熱交換を実現するために水循環配管を介して互いに連通し、前記蓄温水タンクと蓄冷水タンクは、ユーザに対する制御可能な冷熱供給または温熱供給を実現するために、それぞれユーザと接続されることを特徴とする、冷熱温熱供給システムを提供する。
従来の太陽エネルギ集熱管技術と比較し、本発明の太陽エネルギ集熱吸着複合管は、真空管における集熱と同時に冷却機能も備えている。つまり、昼間には太陽エネルギが真空管を介して複合管中の吸着剤に熱を伝えることで蓄熱が実現し、吸着材が熱を受けて昇温した後には吸着質と熱交換を行って吸着剤を脱着させ、脱着後の吸着質は、冷却後に蒸発器内に貯留され、夜間には、冷水システムから供給される水によって吸着剤の温度を低下させ、降温後の吸着剤は吸着質と熱交換を行って吸着質を吸着し、このとき蒸発器内において進行する吸着質の蒸発冷却過程によって冷熱量が生成される。システムは、吸着質循環サブシステムと水循環サブシステムによって、太陽エネルギ集熱吸着複合床の集熱、吸着、蓄熱および回収と冷却の機能を実現できる。太陽エネルギのエネルギ利用効率を向上させることができる。本発明の統合されたシステムは、温熱供給と冷熱供給の２組の配管系統を備え、その内の冷水循環部分は革新的であり、太陽エネルギ吸着冷却時の放熱の問題を解決すると同時に吸着熱を回収できる。一日中連続した冷熱温熱供給が必要な場合には、二組のサイズの等しいシステムを設置し、一組が吸着状態にあるときに他の一組が脱着状態にあるようにすることが必要である。昼間の太陽輻射のある時には、吸着過程には太陽輻射を遮るための遮光カーテンを使用することが必要である。この時、吸着床は一定の角度で輻射されることが必要であり、吸着床の上面を遮光カーテンで覆い、遮光カーテンは吸着床の両側のレール上に取り付ける。モータの回転によって遮光カーテンの上下滑動が駆動され、これにより、遮蔽および曝露の運転状態が得られ、吸着および脱着過程が実現する。本発明の統合されたシステムは、温熱供給と冷熱供給の二組の配管系統を備え、その内の冷水循環部分は革新的であり、太陽エネルギ吸着冷却時の放熱の問題を解決すると同時に吸着熱を回収できる。
以下、図面を参照し、本発明の具体的実施形態について更に詳述する。
図２に示すように、本発明の提供する太陽エネルギ集熱吸着複合管１．２は、集熱保温機能を有し両端が開口する太陽エネルギ真空管１．２．１と、その内側に順次同軸状に設けられた外層金属管１．２．２および内層金属管１．２．３とを備えている。外層金属管１．２．２および内層金属管１．２．３はいずれも熱伝導性の良好な金属で製造されることが好ましい。太陽エネルギ真空管１．２．１と外層金属管１．２．２の間には水通路が形成され、使用時には、水を加熱して直接ユーザの使用に供することができる。外層金属管１．２．２と内層金属管１．２．３の間には固体の吸着剤１．２．４が設けられ、外層金属管１．２．２の外側の水と熱交換し、吸着剤１．２．４の脱着が実現する。内層金属管１．２．３には銅管を用いることができ、管上には多くの直径約１〜２ｍｍの貫通孔が設けられている。内層金属管１．２．３は吸着質の導入に使用され、吸着質は、前記吸着剤１．２．４と作動媒体対を構成し、吸着質の吸着と脱着によって放熱、吸熱過程が完成する。１〜２ｍｍの開口は主に作動媒体対の吸着脱着効率を考慮して設計される。実験により、開口を１〜２ｍｍにすると、吸着剤１．２．４の吸着質に対する吸着を促進すると同時に脱着時の脱着速度を有効に制御でき、脱着熱の持続的放出を保証できることがわかった。
前記吸着質と前記吸着剤１．２．４で構成される作動媒体対は、気体の吸着質と固体の吸着剤で構成される作動媒体対が好ましい。その利点として、熱分解温度の要求が高くなく、太陽エネルギに適合し、吸着熱分解量とＣＯＰ値が比較的高いことである。動力装置を追加で設ける必要がない。最適なのは、メタノール−活性炭またはアンモニア−活性炭であり、前記活性炭は、熱伝導性の良好な金属粉末（アルミニウム等）を加え、更に有機接着剤と混合後に内層金属管１．２．３の外壁上に接着してもよい。金属粉末の質量比は３０％未満である。
図１に示す通り、本発明が提供する太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床１は、下側ヘッダ１．１と上側ヘッダ１．３と、下側ヘッダ１．１及び上側ヘッダ１．３と連通する複数の太陽エネルギ集熱吸着複合管１．２を含む。下側ヘッダ１．１及び上側ヘッダ１．３はいずれもケーシングと内套管で構成され、ケーシングと内套管の間は水ヘッダとなり、内套管は吸着質ヘッダとなっている。下側ヘッダ１．１と上側ヘッダ１．３の水ヘッダは、各太陽エネルギ集熱吸着複合管１．２の水の通路を介して連通している。下側ヘッダ１．１と上側ヘッダ１．３の吸着質ヘッダは、各太陽エネルギ集熱吸着複合管１．２の内層金属管１．２．３を介して連通している。
図３に示すように、本発明の前記太陽エネルギ集熱吸着複合床１によって構成される冷熱温熱供給システムは、３つの互いに並列に設置された太陽エネルギ集熱吸着複合床１、吸着質循環サブシステム、水循環サブシステム、各システムまたは装置を接続する配管および配管上に設置された水ポンプ２．１〜２．６、バルブ１０．１〜１０．１０および真空バルブ１１．１〜１１．２を含む。吸着質循環サブシステムは、順に接続された凝縮器４、蓄液タンク５、蒸発器６を含み、凝縮器４の作動媒体入口は太陽エネルギ集熱吸着複合床１の上側ヘッダ１．３の吸着質ヘッダと連通し、蒸発器６の作動媒体出口は太陽エネルギ集熱吸着複合床１の下側ヘッダ１．１の吸着質ヘッダと連通している。水循環サブシステムは、蓄温水タンク３、冷水タンク８および蓄冷水タンク９を含む。蓄温水タンク３の水出口、冷水タンク８の水出口、及び太陽エネルギ集熱吸着複合床１の下側ヘッダ１．１の水ヘッダは互いに連通している。蓄温水タンク３の水入口、冷水タンク８の水入口、及び太陽エネルギ集熱吸着複合床１の上側ヘッダ１．３の水ヘッダは互いに連通している。蓄冷水タンク９、冷水タンク８及び蒸発器６は水循環配管を通じて互いに連通し、任意の２つの間の熱交換を可能にしている。さらに、蓄温水タンク３および蓄冷水タンク９はそれぞれユーザ７と接続し、蓄温水タンク３および蓄冷水タンク９は制御可能にユーザ７との熱交換を行い、温熱供給または冷熱供給を実現している。
該冷熱温熱供給システムの動作原理は以下の通りである。
１）温熱供給過程：昼間の太陽輻射がある時には、太陽エネルギ集熱吸着複合床１が太陽エネルギを吸収し、太陽エネルギ真空管１．２．１内の水温が上昇する。水温が設定温度に達すると、水ポンプ２．１を始動させ、バルブ１０．２、１０．３を開き、バルブ１０．１を閉じ、蓄温水タンク３の中の水を下側ヘッダ１．１を介して太陽エネルギ集熱吸着複合床１に導入し、加熱を経た後に上側ヘッダ１．３から導出し、蓄温水タンク３の中に戻して貯留する。
２）冷却過程：昼間の太陽輻射がある時には、前記の温熱供給過程と同時に、温水が外層金属管１．２．２を介して、メタノールを吸着し複合体を形成している吸着剤１．２．４に熱を伝達する。真空バルブ１１．１を開く。一般には吸着剤１．２．４の温度が６０〜７０℃に達すると吸着質のメタノールが脱着を開始し、温度が８５℃に達すると吸着質のメタノールが大量に脱着して出て来る。アンモニアが貫通孔を通じて内層金属管１．２．３に入り、更に上側ヘッダ１．３の内套管を経て凝縮器４に入り冷却される。液体メタノールは蓄液タンク５に入り、最終的に蒸発器６に入って吸着剤１．２．４の脱着が終了するまで貯留される。
太陽が沈むかまたは昼間でも遮光カーテンで太陽エネルギの輻射エネルギが遮られた場合には、水循環サブシステムにおいて、太陽エネルギ集熱吸着複合床１内の水温が低下する。このような時にはバルブ１０．２、１０．４を閉め、バルブ１０．１、１０．３を開き、水ポンプ２．２を始動させて冷水タンク８から２０℃以下の冷水を抽出する。水は下側ヘッダ１．１を通って太陽エネルギ集熱吸着複合床１に入り、吸着剤１．２．４と熱交換を行う。吸着剤１．２．４の温度が低下し、吸着状態になると、吸着過程で放出された熱量が水に伝えられ、これにより水温が徐々に上昇する。加熱後の水は上側ヘッダ１．３から出て蓄温水タンク３の中に入り、こうして吸着熱は蓄温水タンク３によって回収される。これと同時に、吸着質循環サブシステムにおいては、吸着剤１．２．４の温度が４０〜５０℃まで低下すると、真空バルブ１１．２を開き、吸着剤１．２．４がメタノールの吸着を開始し、吸着剤１．２．４の温度が３０℃まで低下すると、吸着質のメタノールが大量に吸着し、同時に蒸発器６内のメタノール（冷媒）が蒸発して冷却を行い、冷媒の冷熱量を冷水に伝達し、蓄冷水タンク９に貯留する。これにより、ユーザ７に長時間にわたり冷熱供給することが可能になるとともに、蒸発器６または蓄冷水タンク９を利用して冷水タンク８の冷熱量を補充することができ、システムの正常な運転を保証できる。
以上をまとめると、蓄温水タンク３には、ユーザ７に温熱供給するための温水を貯留する機能と吸着熱の熱量を回収する機能の二つの機能があり、蓄冷水タンク９にも、ユーザ７に冷熱供給するための冷水を貯留する機能と冷水タンク８の冷熱量を補充する機能の二つの機能がある。冷水タンク８には、吸着放熱過程を促進する機能がある。
本発明の核心技術は、太陽エネルギ集熱吸着複合床中の太陽エネルギ真空管１．２．１、２層の金属管１．２．２、１．２．３、および吸着剤１．２．４の構成にある。太陽エネルギ集熱吸着複合管は、集熱、吸着、脱着の機能を有し、吸着質循環サブシステムと水循環サブシステムによって太陽エネルギ集熱吸着複合床の集熱、吸着、蓄熱と回収、および冷却機能を実現する。太陽エネルギのエネルギ使用効果を高め、占有面積と投資を節約し、エネルギ効率を向上させることができる。本発明の保護範囲は上記の実施形態には限定されない。本分野の技術者であれば、本発明の範囲と精神から脱離することなく、本発明に対し各種の改変および変形を行うことができる。例えば、本発明の作動媒体対の選択は、上記した活性炭−メタノール作動媒体対に限らず、アミン−活性炭作動媒体対等の、熱分解温度の要求が高くなく、太陽エネルギに適し、吸着熱分解量とＣＯＰ値が比較的高い作動媒体対であればよい。これに応じて、吸着質循環サブシステムの配管と装置を適当に調整する。太陽エネルギ集熱吸着複合床１中の太陽エネルギ集熱吸着複合管１．２の仕様と数、冷熱温熱供給システム中の太陽エネルギ集熱吸着複合床１の仕様と数等はいずれも実際の使用上の必要に応じて決定すればよい。これらの改変および変形が本発明の範囲および均等な技術範囲内に属する場合は、本発明はこれらの改変および変形も含むものとする。
１ 太陽エネルギ集熱吸着複合床
１．１ 下側ヘッダ
１．２ 太陽エネルギ集熱吸着複合管
１．２．１ 太陽エネルギ真空管
１．２．２ 外層金属管
１．２．３ 内層金属管
１．２．４ 吸着剤
１．３ 上側ヘッダ
２．１〜２．６ 水ポンプ
３ 蓄温水タンク
４ 凝縮器
５ 蓄液タンク
６ 蒸発器
７ ユーザ
８ 冷水タンク
９ 蓄冷水タンク
１０．１〜１０．１０ バルブ
１１．１〜１１．２ 真空バルブ
１．１ 下側ヘッダ
１．２ 太陽エネルギ集熱吸着複合管
１．２．１ 太陽エネルギ真空管
１．２．２ 外層金属管
１．２．３ 内層金属管
１．２．４ 吸着剤
１．３ 上側ヘッダ
２．１〜２．６ 水ポンプ
３ 蓄温水タンク
４ 凝縮器
５ 蓄液タンク
６ 蒸発器
７ ユーザ
８ 冷水タンク
９ 蓄冷水タンク
１０．１〜１０．１０ バルブ
１１．１〜１１．２ 真空バルブ
Claims (7)
- 両端が開口した太陽エネルギ真空管（１．２．１）と、太陽エネルギ真空管（１．２．１）内に同軸状に順に設けられた外層金属管（１．２．２）および内層金属管（１．２．３）とを含み、前記太陽エネルギ真空管（１．２．１）と外層金属管（１．２．２）との間に水通路が形成され、前記外層金属管（１．２．２）と内層金属管（１．２．３）との間に固体の吸着剤（１．２．４）が配置されて外層金属管（１．２．２）の外側の水と熱交換を行い、前記内層金属管（１．２．３）上には複数の貫通孔が設けられ、内層金属管（１．２．３）は吸着質の導入に用いられ、吸着質は前記吸着剤（１．２．４）と作動媒体対を構成して吸着と脱着を実現し、放熱、吸熱過程を完成することを特徴とする、太陽エネルギ集熱吸着複合管（１．２）。
- 前記内層金属管（１．２．３）上の貫通孔の孔径が１〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管。
- 前記吸着質と前記吸着剤（１．２．４）で構成される作動媒体対が気体の吸着質と固体の吸着剤で構成される作動媒体対であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管。
- 前記吸着質と前記吸着剤（１．２．４）で構成される作動媒体対がメタノール−活性炭またはアンモニア−活性炭であることを特徴とする請求項３に記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床であって、
下側ヘッダ（１．１）、上側ヘッダ（１．３）、および前記下側ヘッダ（１．１）と上側ヘッダ（１．３）と連通する太陽エネルギ集熱吸着複合管（１．２）を含み、前記下側ヘッダ（１．１）および上側ヘッダ（１．３）はいずれもケーシングと内套管によって構成され、ケーシングと内套管の間が水ヘッダとなり、内套管が吸着質ヘッダとなり、前記下側ヘッダ（１．１）と上側ヘッダ（１．３）の水ヘッダが各太陽エネルギ集熱吸着複合管（１．２）の水通路を介して連通し、下側ヘッダ（１．１）と上側ヘッダ（１．３）の吸着質ヘッダが各太陽エネルギ集熱吸着複合管（１．２）の内層金属管（１．２）を介して連通することを特徴とする、太陽エネルギ集熱吸着複合床。 - 前記太陽エネルギ集熱吸着複合管（１．２）の数が１５〜２０本であることを特徴とする請求項５に記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床。
- 請求項５〜６に記載の太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床によって構成される冷熱温熱供給システムであって、
１または２以上の互いに並列に設置された太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床（１）、吸着質循環サブシステム、水循環サブシステム、および各システムまたは装置を接続する配管および配管上に設置された水ポンプ、バルブを含み、
前記吸着質循環サブシステムは、順に接続された凝縮器（４）、蓄液タンク（５）および蒸発器（６）を含み、凝縮器（４）の作動媒体入口は前記太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床（１）の上側ヘッダ（１．３）の吸着質ヘッダと連通し、蒸発器（６）の作動媒体出口は前記太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床（１）の下側ヘッダ（１．１）の吸着質ヘッダと連通し、
前記水循環サブシステムは、蓄温水タンク（３）、冷水タンク（３）および蓄冷水タンク（９）を含み、前記蓄温水タンク（３）の水出口、冷水タンク（３）の水出口および太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床（１）の下側ヘッド（１．１）の水ヘッダは互いに連通し、前記蓄温水タンク（３）の水入口、冷水タンク（８）の水入口、および太陽エネルギ集熱吸着複合管によって構成される太陽エネルギ集熱吸着複合床（１）の上側ヘッダ（１．３）の水ヘッダは互いに連通し、前記蓄冷水タンク（９）、冷水タンク（８）および蒸発器（６）は、任意の二つの間の熱交換を実現するために水循環配管を介して互いに連通し、前記蓄温水タンク（３）と蓄冷水タンク（９）は、ユーザ（７）に対する制御可能な冷熱供給または温熱供給を実現するために、それぞれユーザ（７）と接続されることを特徴とする、冷熱温熱供給システム。
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