JP6383564B2 - Solar energy utilization system - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光を受けて水を分解する触媒を用いて、人工的に水の分解(人工光合成)を行う太陽エネルギー利用システムの技術に関する。 The present invention relates to a technology for a solar energy utilization system that artificially decomposes water (artificial photosynthesis) using a catalyst that decomposes water by receiving sunlight.
従来、光合成細菌を用いて水素を発生させる技術は公知となっている。例えば、特許文献1に記載の如くである。 Conventionally, a technique for generating hydrogen using a photosynthetic bacterium has been publicly known. For example, as described in Patent Document 1.
特許文献1には、光合成細菌を用いたソーラーバイオエネルギー変換装置が記載されている。当該ソーラーバイオエネルギー変換装置では、光合成細菌が太陽光を受けて水素を発生させる。当該水素は燃料として用いることができる。また当該水素を燃料電池に供給して発電することもできる。 Patent Document 1 describes a solar bioenergy conversion device using photosynthetic bacteria. In the solar bioenergy conversion device, photosynthetic bacteria receive sunlight to generate hydrogen. The hydrogen can be used as a fuel. The hydrogen can also be supplied to the fuel cell to generate electricity.
また近年、太陽光を利用して水素等のエネルギー源を得る技術としては、太陽光を受けて水を分解する触媒を用いて、人工的に水の分解(人工光合成)を行う人工光合成装置が知られている。当該人工光合成装置においては、触媒に太陽光を照射することで、水を分解して水素を得ることができる。 Also, in recent years, as a technology for obtaining an energy source such as hydrogen using sunlight, an artificial photosynthesis device that artificially decomposes water (artificial photosynthesis) using a catalyst that decomposes water by receiving sunlight. Are known. In the artificial photosynthesizing apparatus, hydrogen can be obtained by decomposing water by irradiating the catalyst with sunlight.
しかしながら、一般的にこのような人工光合成装置は太陽エネルギーの変換効率が低く、太陽エネルギーの変換効率の向上が望まれている。 However, in general, such an artificial photosynthesis device has low solar energy conversion efficiency, and improvement of solar energy conversion efficiency is desired.
本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、太陽光を受けて水を分解する触媒を有する人工光合成装置を含む太陽エネルギー利用システムにおいて、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることが可能な太陽エネルギー利用システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above situation, and the problem to be solved is a solar energy utilization system including an artificial photosynthesis device having a catalyst that decomposes water upon receiving sunlight. The object is to provide a solar energy utilization system capable of improving the conversion efficiency.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
即ち、請求項1においては、太陽光を受けて水を分解する触媒を有する人工光合成装置と、前記人工光合成装置との間で熱交換可能な熱交換装置と、熱媒体を貯溜することで熱を蓄える蓄熱装置と、前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで熱を伝達する熱媒体循環装置と、前記人工光合成装置の温度を検出する第一温度検出手段と、前記蓄熱装置の温度を検出する第二温度検出手段と、前記人工光合成装置の温度が第一目標温度未満であり、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度未満である場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記蓄熱装置の熱を前記人工光合成装置へと伝達する第一制御を行う制御装置と、を具備し、前記制御装置は、前記人工光合成装置が太陽光を受けることができない時刻に前記第一制御を行う場合には、前記人工光合成装置の温度が前記第一目標温度になるために必要な必要熱量を算出し、前記必要熱量を前記蓄熱装置から前記人工光合成装置へと伝達させるのに要する所要時間を算出し、現在時刻から、前記人工光合成装置が太陽光を受けることが可能になると予測される時刻までの時間が前記所要時間以下になった場合にのみ、前記第一制御を行うものである。 That is, in claim 1, an artificial photosynthesis device having a catalyst that decomposes water by receiving sunlight, a heat exchange device that can exchange heat between the artificial photosynthesis device, and a heat medium to store heat A heat storage device that stores heat, a heat medium circulation device that transfers heat by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device, and a first temperature detection means that detects the temperature of the artificial photosynthesis device The second temperature detecting means for detecting the temperature of the heat storage device, the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the first target temperature, and the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the temperature of the heat storage device, A control device that performs a first control for transferring heat of the heat storage device to the artificial photosynthesis device by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device by the heat medium circulation device; comprising, the control When performing the first control at a time when the artificial photosynthetic apparatus cannot receive sunlight, the device calculates the amount of heat necessary for the temperature of the artificial photosynthesizer to reach the first target temperature. , Calculating the time required to transmit the necessary heat amount from the heat storage device to the artificial photosynthesis device, and from the current time to the time when the artificial photosynthesis device is predicted to be able to receive sunlight The first control is performed only when the time falls below the required time .
請求項2においては、前記制御装置は、前記人工光合成装置の温度が第二目標温度より高く、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記人工光合成装置の熱を前記蓄熱装置へと伝達する第二制御を行うものである。 According to a second aspect of the present invention, when the temperature of the artificial photosynthesis device is higher than a second target temperature and the temperature of the artificial photosynthesis device is higher than the temperature of the heat storage device, the control device is The second control for transferring the heat of the artificial photosynthesis device to the heat storage device is performed by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device .
請求項3においては、前記第二目標温度は、前記第一目標温度よりも高い値に設定されるものである。 In the present invention, the second target temperature is set to a value higher than the first target temperature .
請求項4においては、前記制御装置は、前記第一目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記第一目標温度の値として前記蓄熱装置の温度を用いるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, when the first target temperature is higher than the temperature of the heat storage device, the control device uses the temperature of the heat storage device as a value of the first target temperature .
請求項5においては、太陽光を受けて水を分解する触媒を有する人工光合成装置と、前記人工光合成装置との間で熱交換可能な熱交換装置と、熱媒体を貯溜することで熱を蓄える蓄熱装置と、前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで熱を伝達する熱媒体循環装置と、前記人工光合成装置の温度を検出する第一温度検出手段と、前記蓄熱装置の温度を検出する第二温度検出手段と、前記人工光合成装置の温度が第一目標温度未満であり、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度未満である場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記蓄熱装置の熱を前記人工光合成装置へと伝達する第一制御を行う制御装置と、を具備し、前記制御装置は、前記第一目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記第一目標温度の値として前記蓄熱装置の温度を用いるものである。 According to claim 5, heat is stored by storing an artificial photosynthesis device having a catalyst that decomposes water by receiving sunlight, a heat exchange device that can exchange heat between the artificial photosynthesis device, and a heat medium. A heat storage device, a heat medium circulation device that transfers heat by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device, first temperature detection means that detects the temperature of the artificial photosynthesis device, and The second temperature detecting means for detecting the temperature of the heat storage device, and the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the first target temperature, and the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the temperature of the heat storage device, the heat A controller that performs a first control to transmit heat of the heat storage device to the artificial photosynthesis device by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device by a medium circulation device. The control device If the first target temperature is higher than the temperature of the heat storage device, it is to use a temperature of the heat storage device as the value of the first target temperature.
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。 As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
請求項1においては、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、熱交換装置と蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、人工光合成装置の温度を調整することができる。人工光合成装置の温度を、触媒の反応速度が高くなる温度領域に調整することで、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、人工光合成装置の熱を蓄熱装置に蓄えることができ、当該熱を任意の目的で使用することで、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
また、人工光合成装置の温度が第一目標温度未満である場合には、蓄熱装置の熱を人工光合成装置へと伝達し、人工光合成装置の温度を上昇させることができる。この際、第一目標温度の値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近に設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
また、人工光合成装置が太陽光を受けることが可能になると予測される時刻に合わせて人工光合成装置の温度を第一目標温度まで上昇させることができる。これによって、人工光合成装置が太陽光を受け始めた時点から、水の分解を効率良く行うことができる。
In Claim 1, the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, the temperature of the artificial photosynthesis device can be adjusted by circulating the heat medium between the heat exchange device and the heat storage device. The conversion efficiency of solar energy can be improved by adjusting the temperature of the artificial photosynthesis device to a temperature range where the reaction rate of the catalyst is increased. Moreover, the heat | fever of an artificial photosynthesis apparatus can be stored in a thermal storage apparatus, and the conversion efficiency of solar energy can be improved more by using the said heat | fever for arbitrary purposes.
Further, when the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the first target temperature, the heat of the heat storage device can be transmitted to the artificial photosynthesis device, and the temperature of the artificial photosynthesis device can be raised. At this time, by setting the value of the first target temperature in the vicinity of the lower limit value of the temperature region in which the reaction rate of the catalyst becomes high, the reaction rate of the catalyst can be increased, and as a result, the conversion efficiency of solar energy is improved. be able to.
Moreover, the temperature of the artificial photosynthesis apparatus can be raised to the first target temperature in accordance with the time when the artificial photosynthesis apparatus is expected to receive sunlight. Thus, water can be efficiently decomposed from the time when the artificial photosynthesis device starts receiving sunlight.
請求項2においては、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、人工光合成装置の温度が第二目標温度より高い場合には、人工光合成装置の熱を蓄熱装置へと伝達し、人工光合成装置の温度を下げることができる。この際、第二目標温度の値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の上限値付近に設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、蓄熱装置へと伝達された熱を任意の目的に利用することができ、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
In Claim 2 , the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, when the temperature of the artificial photosynthesis device is higher than the second target temperature, the heat of the artificial photosynthesis device can be transferred to the heat storage device, and the temperature of the artificial photosynthesis device can be lowered. At this time, by setting the value of the second target temperature in the vicinity of the upper limit value of the temperature range in which the reaction rate of the catalyst becomes high, the reaction rate of the catalyst can be increased, and thus the conversion efficiency of solar energy is improved. be able to. Moreover, the heat transmitted to the heat storage device can be used for any purpose, and the conversion efficiency of solar energy can be further improved.
請求項3においては、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、人工光合成装置の温度を第一目標温度以上かつ第二目標温度以下に調整することができる。この際、第一目標温度及び第二目標温度の値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近及び上限値付近にそれぞれ設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、蓄熱装置へと伝達された熱を任意の目的に利用することができ、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
In Claim 3 , the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, the temperature of the artificial photosynthesis device can be adjusted to be not lower than the first target temperature and not higher than the second target temperature. At this time, by setting the values of the first target temperature and the second target temperature in the vicinity of the lower limit value and the upper limit value of the temperature region where the reaction rate of the catalyst becomes high, respectively, the reaction rate of the catalyst can be increased, As a result, the conversion efficiency of solar energy can be improved. Moreover, the heat transmitted to the heat storage device can be used for any purpose, and the conversion efficiency of solar energy can be further improved.
請求項4においては、人工光合成装置の温度を第一目標温度まで上昇させることができない場合には、当該人工光合成装置の温度を可能な限り(すなわち、蓄熱装置の温度まで)上昇させることができる。これによって、可能な限り太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。 In claim 4 , when the temperature of the artificial photosynthesis device cannot be raised to the first target temperature, the temperature of the artificial photosynthesis device can be raised as much as possible (that is, to the temperature of the heat storage device). . Thereby, the conversion efficiency of solar energy can be improved as much as possible.
請求項5においては、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、熱交換装置と蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、人工光合成装置の温度を調整することができる。人工光合成装置の温度を、触媒の反応速度が高くなる温度領域に調整することで、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、人工光合成装置の熱を蓄熱装置に蓄えることができ、当該熱を任意の目的で使用することで、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
また、人工光合成装置の温度が第一目標温度未満である場合には、蓄熱装置の熱を人工光合成装置へと伝達し、人工光合成装置の温度を上昇させることができる。この際、第一目標温度の値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近に設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
また、人工光合成装置の温度を第一目標温度まで上昇させることができない場合には、当該人工光合成装置の温度を可能な限り(すなわち、蓄熱装置の温度まで)上昇させることができる。これによって、可能な限り太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
In Claim 5 , the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, the temperature of the artificial photosynthesis device can be adjusted by circulating the heat medium between the heat exchange device and the heat storage device. The conversion efficiency of solar energy can be improved by adjusting the temperature of the artificial photosynthesis device to a temperature range where the reaction rate of the catalyst is increased. Moreover, the heat | fever of an artificial photosynthesis apparatus can be stored in a thermal storage apparatus, and the conversion efficiency of solar energy can be improved more by using the said heat | fever for arbitrary purposes.
Further, when the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the first target temperature, the heat of the heat storage device can be transmitted to the artificial photosynthesis device, and the temperature of the artificial photosynthesis device can be raised. At this time, by setting the value of the first target temperature in the vicinity of the lower limit value of the temperature region in which the reaction rate of the catalyst becomes high, the reaction rate of the catalyst can be increased, and as a result, the conversion efficiency of solar energy is improved. be able to.
When the temperature of the artificial photosynthesis device cannot be raised to the first target temperature, the temperature of the artificial photosynthesis device can be raised as much as possible (that is, to the temperature of the heat storage device). Thereby, the conversion efficiency of solar energy can be improved as much as possible.
まず、図1を用いて、本実施形態に係る太陽エネルギー利用システム1について説明する。
なお、以下の説明では、比較的温度の低い水を「水」、比較的温度の高い水を「湯」と記載するが、水と湯は温度の違い以外に実質的な差異はない。
First, the solar energy utilization system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
In the following description, water having a relatively low temperature is described as “water”, and water having a relatively high temperature is described as “hot water”. However, there is no substantial difference between water and hot water other than the difference in temperature.
太陽エネルギー利用システム1は、太陽光を受けて得られる太陽エネルギーを利用するためのものである。太陽エネルギー利用システム1は、主として人工光合成装置10、第一熱交換装置20、蓄熱装置30、熱媒体循環装置40、第一温度センサ50、第二温度センサ60及び制御装置70を具備する。
The solar energy utilization system 1 is for utilizing solar energy obtained by receiving sunlight. The solar energy utilization system 1 mainly includes an
人工光合成装置10は、太陽光を受けて水を分解する触媒を有し、太陽光を受けて人工的に水の分解(人工光合成)を行うものである。ここで、「人工光合成」とは、水と光(本実施形態においては、特に太陽光)を用いて、人工的に水素及び酸素等のエネルギー源を発生させるものである。人工光合成装置10は、日当たりの良い場所に設置される。人工光合成装置10は、主として筐体11及び当該筐体11内に収容された触媒等を具備する。
The
筐体11は、広い面で太陽光を受けることができるように、上下方向の厚さに対して前後方向及び左右方向の幅が広い直方体状(略平板状)に形成される。筐体11は、内部に水を貯溜することが可能な空間を有する箱状に形成される。筐体11の上面は、太陽光を透過する材料(例えば、ガラス等)により形成される。筐体11の側面は、断熱材により覆われる。筐体11の底面は、熱伝導性の高い材料(例えば、ステンレス等)により形成される。筐体11には供給管路11a及び排出管路11bが接続される。
The
供給管路11aを介して、外部から筐体11内へと水が供給される。また、人工光合成により発生した水素及び酸素は、排出管路11bを介して筐体11内から外部へと排出される。当該排出管路11bから排出された水素及び酸素は、エネルギー源(燃料等)として利用することができる。人工光合成により水が分解された場合には、当該分解された水の分だけ供給管路11aから新たな水が供給される。
Water is supplied from the outside into the
筐体11内に収容される触媒は、太陽光を受けて水を分解するもの(光触媒)である。前記触媒は、筐体11内に貯溜された水を分解し、水素及び酸素を発生させることができる。本実施形態においては、前記触媒として生体触媒(例えば、光化学系2・ヒドロゲナーゼ等)が用いられる。
The catalyst accommodated in the
第一熱交換装置20は、人工光合成装置10との間で熱交換を行うものである。第一熱交換装置20は、直方体状(略平板状)に形成される。第一熱交換装置20は、人工光合成装置10の筐体11の底面全域と接するように配置される。第一熱交換装置20の周囲の面(人工光合成装置10と接する面以外の面)は断熱材によって覆われる。第一熱交換装置20内には、不凍液が流通可能な金属製の配管(不図示)が設けられる。第一熱交換装置20は、人工光合成装置10の筐体11(より詳細には、筐体11内の水)又は当該第一熱交換装置20内を流通する不凍液のうち、温度が高い方から低い方へと熱を移動させることができる。
The first
蓄熱装置30は、熱媒体(本実施形態においては、水(湯))を貯溜することで熱を蓄えるものである。蓄熱装置30は、主として蓄熱タンク31及び第二熱交換装置32を具備する。
The
蓄熱タンク31は、内部に水(湯)を貯溜することが可能な空間を有する箱状に形成される。蓄熱タンク31は、温められた水(湯)を貯溜することで、熱を蓄えることができる。蓄熱タンク31には、供給管路31a及び排出管路31bが接続される。
The
供給管路31aを介して、外部から蓄熱タンク31内へと水(上水)が供給される。また、外部の給湯需要(例えば、住宅の浴室等)からの要求に応じて、蓄熱タンク31内の温められた水(湯)が排出管路31bを介して当該給湯需要へと供給される。
Water (clean water) is supplied from the outside into the
第二熱交換装置32は、蓄熱タンク31との間で熱交換を行うものである。第二熱交換装置32は、蓄熱タンク31の内部に設けられる。第二熱交換装置32内には、不凍液が流通可能な配管(不図示)が設けられる。第二熱交換装置32は、蓄熱タンク31内の水(湯)又は当該第二熱交換装置32内を流通する不凍液のうち、温度が高い方から低い方へと熱を移動させることができる。
The second
熱媒体循環装置40は、第一熱交換装置20と蓄熱タンク31との間で熱媒体を循環させるものである。熱媒体循環装置40は、主として往管路41、復管路42及びポンプ43を具備する。
The heat medium circulation device 40 circulates the heat medium between the first
往管路41は、第一熱交換装置20と第二熱交換装置32とを連通するものである。往管路41の周囲は断熱材によって覆われる。往管路41の一端は、第二熱交換装置32(より詳細には、第二熱交換装置32内に設けられた配管の一端)に接続される。往管路41の他端は、第一熱交換装置20(より詳細には、第一熱交換装置20内に設けられた配管の一端)に接続される。
The outgoing line 41 communicates the first
復管路42は、第一熱交換装置20と第二熱交換装置32とを、往管路41とは異なる経路を介して連通するものである。復管路42の周囲は断熱材によって覆われる。往管路41の一端は、第一熱交換装置20(より詳細には、第一熱交換装置20内に設けられた配管の他端)に接続される。往管路41の他端は、第二熱交換装置32(より詳細には、第二熱交換装置32内に設けられた配管の他端)に接続される。
The
ポンプ43は、不凍液を圧送するためのものである。ポンプ43は往管路41の中途部に設けられる。ポンプ43を駆動させることによって、往管路41内の不凍液を圧送し、当該往管路41、第一熱交換装置20、復管路42及び第二熱交換装置32の順に循環させることができる。
The pump 43 is for pumping the antifreeze liquid. The pump 43 is provided in the middle part of the outgoing line 41. By driving the pump 43, the antifreeze liquid in the forward line 41 can be pumped and circulated in the order of the forward line 41, the first
第一温度センサ50は、人工光合成装置10の温度を検出するためのものである。第一温度センサ50は、人工光合成装置10の筐体11内に設けられる。第一温度センサ50は、人工光合成装置10(より具体的には、筐体11内に貯溜された水)の温度を検出することができる。
The
第二温度センサ60は、蓄熱装置30の温度を検出するためのものである。第二温度センサ60は、蓄熱タンク31内に設けられる。第二温度センサ60は、蓄熱装置30(より具体的には、蓄熱タンク31内に貯溜された水(湯))の温度を検出することができる。
The
制御装置70は、太陽エネルギー利用システム1の動作を制御するものである。制御装置70は、主としてCPU等の演算処理装置、RAMやROM等の記憶装置、I/O等の入出力装置、並びにモニター等の表示装置等により構成される。制御装置70には、太陽エネルギー利用システム1の動作を制御するための種々の情報やプログラム等が予め記憶される。
The
制御装置70は第一温度センサ50に接続され、人工光合成装置10の温度に関する信号を受信することができる。
制御装置70は第二温度センサ60に接続され、蓄熱タンク31の温度に関する信号を受信することができる。
制御装置70はポンプ43に接続され、当該ポンプ43の動作を制御することができる。
The
The
The
以下では、上述の如く構成された太陽エネルギー利用システム1の基本的な動作について説明する。 Below, basic operation | movement of the solar energy utilization system 1 comprised as mentioned above is demonstrated.
太陽エネルギー利用システム1において、人工光合成装置10の筐体11に太陽光が照射されると、当該筐体11内の触媒によって人工光合成(水の分解)が行われる。供給管路10aを介して筐体11内へと供給された水は、当該筐体11内の触媒によって水素及び酸素に分解される。当該水素及び酸素は、排出管路11bを介して排出される。当該水素及び酸素は、エネルギー源として利用することができる。
In the solar energy utilization system 1, when sunlight is irradiated on the
また、制御装置70によってポンプ43が駆動されると、不凍液が往管路41、第一熱交換装置20、復管路42及び第二熱交換装置32の順に循環される。
Further, when the pump 43 is driven by the
この際、人工光合成装置10の温度(筐体11内の水の温度)が蓄熱装置30の温度(蓄熱タンク31内の水(湯)の温度)よりも高い場合には、当該人工光合成装置10の熱(太陽熱)が不凍液を介して蓄熱タンク31へと移動する。これによって、蓄熱タンク31内の水(湯)が温められ、当該蓄熱タンク31に太陽熱を蓄えることができる。当該温められた水(湯)は、排出管路31bを介して給湯需要へと供給することができる。このようにして、給湯需要において太陽熱を利用することができる。
At this time, if the temperature of the artificial photosynthesis device 10 (the temperature of the water in the housing 11) is higher than the temperature of the heat storage device 30 (the temperature of the water (hot water) in the heat storage tank 31), the
一方、人工光合成装置10の温度が蓄熱装置30の温度よりも低い場合には、当該蓄熱装置30の熱が不凍液を介して人工光合成装置10へと移動する。これによって、人工光合成装置10が温められる。この場合、蓄熱装置30が人工光合成装置10へ供給される熱の源(熱源)となる。
On the other hand, when the temperature of the
ここで、人工光合成装置10に用いられる生体触媒の特性について説明する。
Here, the characteristics of the biocatalyst used in the
図2に示すように、有機系の生体触媒には、反応速度(水を分解する速度)が比較的高くなる温度領域が存在する。具体的には、図2に示した例では、人工光合成装置10(筐体11内の水)の温度(人工光合成装置温度)TpがT1からT2までの間(T1<T2)で、触媒の反応速度が高くなる。従って、人工光合成装置温度Tpを、T1からT2までの間の値になるように調整することで、太陽エネルギーの変換効率を向上させることができる。 As shown in FIG. 2, the organic biocatalyst has a temperature region in which the reaction rate (rate for decomposing water) is relatively high. Specifically, in the example shown in FIG. 2, the temperature (artificial photosynthesis device temperature) Tp of the artificial photosynthesis device 10 (water in the casing 11) is between T1 and T2 (T1 <T2), and the catalyst The reaction rate is increased. Therefore, the conversion efficiency of solar energy can be improved by adjusting the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp to a value between T1 and T2.
例えば、早朝や冬季においては、人工光合成装置温度Tpは低くなるため、当該人工光合成装置10を温めることが望ましい。また、日中(昼間)は太陽光によって人工光合成装置10が温められて人工光合成装置温度Tpが高くなるため、当該人工光合成装置10の温度を下げることが望ましい。
For example, in the early morning or winter, the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp is low, so it is desirable to warm the
以上のことから、本実施形態に係る太陽エネルギー利用システム1では、制御装置70によって、人工光合成装置温度Tpを調整するための制御が行われる。以下では、当該制御装置70による制御について具体的に説明する。
From the above, in the solar energy utilization system 1 according to the present embodiment, the
制御装置70による制御は、大きく4つの制御に分類される。具体的には、制御装置70による制御は、プレヒート時間決定制御(図3のステップS101からステップS104まで)、プレヒート実行制御(図4のステップS201からステップS204まで)、昇温制御(図4のステップS401からステップS403まで)及び集熱制御(図4のステップS501からステップS503まで)に分類される。
Control by the
ここで、「プレヒート」とは、人工光合成装置10が太陽光を受けることが可能になる(例えば、日の出の時刻になる、天気が曇りや雨から晴れに変わる、等)前に、当該人工光合成装置10の温度を予め上昇させることを意味する。
Here, “preheat” refers to the artificial photosynthesis before the
制御装置70は、上記プレヒート時間決定制御(図3に示す制御)を所定時間毎に行う。本実施形態においては、制御装置70は、午前0時から1時間毎に上記制御を行うものとする。すなわち、制御装置70は、午前0時、午前1時、午前2時・・・の各時刻に上記プレヒート時間決定制御を行う。以下では、制御装置70が上記プレヒート時間決定制御を行う各時刻を、単に「制御時刻」と称する。
一方、制御装置70は、上記プレヒート実行制御、昇温制御及び集熱制御(図4に示す制御)を上記制御時刻に限らず随時行う。
The
On the other hand, the
なお制御装置70は、原則的には、人工光合成装置温度TpがT1からT2までの間の値(すなわち、触媒の反応速度が比較的高くなる温度)となるように調整を行う。従って、制御装置70は初期状態において、目標下限温度TL(目標となる人工光合成装置温度Tpの下限値)としてT1、目標上限温度TH(目標となる人工光合成装置温度Tpの上限値)としてT2をそれぞれ設定する。なお、T1及びT2の値は触媒によって定まるものであるため、目標下限温度TL及び目標上限温度THの値も触媒に応じて適宜定められる。
In principle, the
まず、図3を用いて、制御装置70によるプレヒート時間決定制御について説明する。制御装置70は、現在時刻が制御時刻(例えば、午前0時)になった場合、当該プレヒート時間決定制御を開始する。
First, the preheat time determination control by the
ステップS101において、制御装置70は、熱源温度TSが目標下限温度TLより低いか否かを判定する。
ここで、「熱源温度TS」とは、蓄熱装置30の温度を意味する。
制御装置70は、熱源温度TSが目標下限温度TLより低いと判定した場合、ステップS102に移行する。
制御装置70は、熱源温度TSが目標下限温度TL以上であると判定した場合、ステップS103に移行する。
In step S101, the
Here, “heat source temperature TS” means the temperature of the
When it is determined that the heat source temperature TS is lower than the target lower limit temperature TL, the
When it is determined that the heat source temperature TS is equal to or higher than the target lower limit temperature TL, the
ステップS102において、制御装置70は、目標下限温度TLの値として熱源温度TSを代入する。すなわち、制御装置70は、目標下限温度TLとして、T1ではなく熱源温度TSの値を用いる。
制御装置70は、当該ステップS102の処理を行った後、ステップS103に移行する。
In step S102, the
After performing the process of step S102, the
ステップS103において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpを目標下限温度TLまで上昇させるために、当該人工光合成装置10へと供給する必要がある熱量(必要熱量)QNを算出する。
必要熱量QNは、「必要熱量QN=(目標下限温度TL−人工光合成装置温度Tp)×人工光合成装置水量V×比熱C」の数式を用いて算出することができる。
In step S103, the
The required heat quantity QN can be calculated using a mathematical formula of “necessary heat quantity QN = (target lower limit temperature TL−artificial photosynthesis apparatus temperature Tp) × artificial photosynthesis apparatus water quantity V × specific heat C”.
ここで、「人工光合成装置水量V」は、人工光合成装置10(筐体11)内の水の総量である。
また、「比熱C」は、人工光合成装置10内の水の比熱である。
人工光合成装置水量V及び比熱Cの値は太陽エネルギー利用システム1の構成から予め分かっており、制御装置70に記憶されている。
Here, the “artificial photosynthesis device water amount V” is the total amount of water in the artificial photosynthesis device 10 (housing 11).
The “specific heat C” is the specific heat of water in the
The values of the artificial photosynthesis device water volume V and specific heat C are known in advance from the configuration of the solar energy utilization system 1 and are stored in the
制御装置70は、当該ステップS103の処理を行った後、ステップS104に移行する。
After performing the process of step S103, the
ステップS104において、制御装置70は、人工光合成装置10への熱の供給を開始する時刻(供給開始時刻)HPを算出する。
供給開始時刻HPは、「供給開始時刻HP=受光開始時刻HS−必要時間WN」の数式を用いて算出することができる。
In step S104, the
The supply start time HP can be calculated using a formula of “supply start time HP = light reception start time HS−required time WN”.
ここで、「受光開始時刻HS」は、人工光合成装置10が太陽光を受けることが可能になると予測される時刻である。受光開始時刻HSは、本実施形態においては日の出の時刻(日照予定時刻)であり、人工光合成装置10に太陽光が照射され始める時刻である。日照予定時刻(例えば、予め予測された日の出の時刻等)は、予め制御装置70に記憶されている。
Here, the “light reception start time HS” is a time at which the artificial
また、「必要時間WN」は、必要熱量QNを蓄熱装置30から人工光合成装置10へと供給するのに要する時間である。必要時間WNは、「必要時間WN=必要熱量QN/(熱源温度TS−人工光合成装置温度Tp)/流量R/比熱C」の数式を用いて算出することができる。
The “necessary time WN” is the time required to supply the necessary heat quantity QN from the
ここで、「流量R」は、ポンプ43によって圧送される不凍液の流量である。 Here, the “flow rate R” is the flow rate of the antifreeze liquid pumped by the pump 43.
制御装置70は、当該ステップS104の処理を行った後、ステップS201(図4参照)に移行する。
After performing the process of step S104, the
次に、図4を用いて、制御装置70によるプレヒート実行制御について説明する。
Next, preheating execution control by the
ステップS104から移行したステップS201において、制御装置70は、現在時刻がプレヒート時間帯に含まれるか否かを判定する。
ここで、前記「プレヒート時間帯」とは、具体的には、人工光合成装置10が太陽光を受けることができない時刻(本実施形態においては、日没の時刻から日の出の時刻まで)であって、供給開始時刻HPから受光開始時刻HSまでの時間帯である。すなわち制御装置70は、現在時刻から受光開始時刻HSまでの時間が必要時間WN(ステップS104参照)未満であるか否かを判定することになる。なお、日没の時刻は、予め制御装置70に記憶されている。
制御装置70は、現在時刻が前記プレヒート時間帯に含まれると判定した場合、ステップS202に移行する。
制御装置70は、現在時刻が前記プレヒート時間帯に含まれないと判定した場合、ステップS301に移行する。
In step S201 transferred from step S104, the
Here, the “preheat time zone” specifically refers to a time at which the
When it is determined that the current time is included in the preheat time zone, the
When it is determined that the current time is not included in the preheat time zone, the
ステップS202において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満であるか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満であると判定した場合、ステップS203に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL以上であると判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S202, the
When the
When determining that the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp is equal to or higher than the target lower limit temperature TL, the
ステップS203において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満であるか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満であると判定した場合、ステップS204に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS以上であると判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S203, the
When the
When the
ステップS204において、制御装置70は、ポンプ43を駆動させることにより、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと供給する。以下、具体的に説明する。
In step S <b> 204, the
ポンプ43が駆動されると、不凍液が往管路41、第一熱交換装置20、復管路42及び第二熱交換装置32の順に循環する。この際、人工光合成装置温度Tpは熱源温度TSよりも低いため(ステップS203参照)、蓄熱装置30の熱が不凍液を介して第一熱交換装置20へと供給され、さらに当該第一熱交換装置20から人工光合成装置10へと供給される。
When the pump 43 is driven, the antifreeze liquid circulates in the order of the outgoing pipe 41, the first
制御装置70は、当該ステップS204の処理を行った後、ステップS601に移行する。
After performing the processing of step S204, the
ステップS201から移行したステップS301において、制御装置70は、現在時刻が日の出の時刻(受光開始時刻HS)から日没の時刻までの時間帯に含まれるか否かを判定する。すなわち、制御装置70は、現在時刻が人工光合成装置10が太陽光を受けることが可能な時間であるか否かを判定する。
制御装置70は、現在時刻が日の出の時刻から日没の時刻までの時間帯に含まれると判定した場合、ステップS401に移行する。
制御装置70は、現在時刻が日の出の時刻から日没の時刻までの時間帯に含まれないと判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S301 transferred from step S201, the
When it is determined that the current time is included in the time zone from the sunrise time to the sunset time, the
When the
次に、制御装置70による昇温制御について説明する。
Next, temperature increase control by the
ステップS401において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満であるか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満であると判定した場合、ステップS402に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL以上であると判定した場合、ステップS501に移行する。
In step S401, the
When determining that the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp is lower than the target lower limit temperature TL, the
When the
ステップS402において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満であるか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満であると判定した場合、ステップS403に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS以上であると判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S402, the
When the
When the
ステップS403において、制御装置70は、ポンプ43を駆動させることにより、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと供給する。以下、具体的に説明する。
In step S <b> 403, the
ポンプ43が駆動されると、不凍液が往管路41、第一熱交換装置20、復管路42及び第二熱交換装置32の順に循環する。この際、人工光合成装置温度Tpは熱源温度TSよりも低いため(ステップS401参照)、蓄熱装置30の熱が不凍液を介して第一熱交換装置20へと供給され、さらに当該第一熱交換装置20から人工光合成装置10へと供給される。
When the pump 43 is driven, the antifreeze liquid circulates in the order of the outgoing pipe 41, the first
制御装置70は、当該ステップS403の処理を行った後、ステップS601に移行する。
After performing the process of step S403, the
次に、制御装置70による集熱制御について説明する。
Next, heat collection control by the
ステップS401から移行したステップS501において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度THより高いか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度THより高いと判定した場合、ステップS502に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度TH以下であると判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S501 transferred from step S401, the
If the
When determining that the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp is equal to or lower than the target upper limit temperature TH, the
ステップS502において、制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TSより高いか否かを判定する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TSより高いと判定した場合、ステップS503に移行する。
制御装置70は、人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS以下であると判定した場合、ステップS601に移行する。
In step S502, the
If the
When the
ステップS503において、制御装置70は、ポンプ43を駆動させることにより、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30へと供給する。以下、具体的に説明する。
In step S <b> 503, the
ポンプ43が駆動されると、不凍液が往管路41、第一熱交換装置20、復管路42及び第二熱交換装置32の順に循環する。この際、人工光合成装置温度Tpは熱源温度TSよりも高いため(ステップS502参照)、人工光合成装置10の熱が第一熱交換装置20へと供給され、さらに当該第一熱交換装置20から不凍液を介して蓄熱装置30へと供給される。
When the pump 43 is driven, the antifreeze liquid circulates in the order of the outgoing pipe 41, the first
制御装置70は、当該ステップS503の処理を行った後、ステップS601に移行する。
After performing the process of step S503, the
ステップS601において、制御装置70は、現在時刻が次の制御時刻に達したか否かを判定する。
制御装置70は、現在時刻が次の制御時刻に達したと判定した場合、ステップS101に移行する。
制御装置70は、現在時刻が次の制御時刻に達していないと判定した場合、ステップS201に移行する。
例えば、制御装置70は、午前0時に前記プレヒート時間決定制御(図3参照)を開始した場合、午前1時までは、ステップS601からステップS201に移行し、プレヒート実行制御、昇温制御及び集熱制御を繰り返し、午前1時になった時点で、制御装置70はステップS601からステップS101(図3参照)に移行する。
In step S601, the
When it is determined that the current time has reached the next control time, the
When determining that the current time has not reached the next control time, the
For example, when the
このように制御装置70は、プレヒート時間決定制御において、目標下限温度TL及び人工光合成装置温度Tpから必要熱量QNを算出し(ステップS103)、当該必要熱量QNを用いて供給開始時刻HPを算出する(ステップS104)。このように算出された供給開始時刻HPからプレヒート(人工光合成装置10への熱の供給)を開始することで、受光開始時刻HSになるまでに人工光合成装置10の温度を目標下限温度TL以上まで上昇させることができる。
Thus, in the preheat time determination control, the
またこの際、制御装置70は、熱源温度TSが目標下限温度TLより低い場合には(ステップS101)、目標下限温度TLの値として熱源温度TSを用いる(ステップS102)。このように、熱源温度TSが目標下限温度TLより低い場合には、人工光合成装置温度Tpは最大でも熱源温度TSまでしか上昇させることができないため、制御装置70は目標下限温度TLとして熱源温度TSの値を用いる。
At this time, if the heat source temperature TS is lower than the target lower limit temperature TL (step S101), the
また制御装置70は、プレヒート実行制御において、現在時刻が前記プレヒート時間帯に含まれており(ステップS201)、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満かつ熱源温度TS未満である場合(ステップS202及びステップS203)、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと供給する(ステップS204)。
Further, in the preheat execution control, the
このように制御装置70は、前記プレヒート時間帯において蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと供給することで、受光開始時刻HSになるタイミングに合わせて、当該人工光合成装置温度Tpを目標下限温度TLまで上昇させることができる。これによって、人工光合成装置10は受光開始時刻HSになった時点から効率良く人工光合成を行うことができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率を向上させることができる。
In this way, the
また制御装置70は、日の出から日没までの時間帯において(ステップS301)、適宜昇温制御又は集熱制御を行う。
In addition, the
具体的には、制御装置70は、昇温制御において、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満かつ熱源温度TS未満である場合(ステップS401及びステップS402)、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと供給する(ステップS403)。
Specifically, in the temperature rise control, the
このように制御装置70は、日の出から日没までの時間帯において、人工光合成装置温度Tpが低い場合には、当該人工光合成装置温度Tpを上昇させることができる。これによって、人工光合成装置10は効率良く人工光合成を行うことができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率を向上させることができる。
As described above, the
また制御装置70は、集熱制御において、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度TH以上かつ熱源温度TS以上である場合(ステップS501及びステップS502)、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30へと供給する(ステップS503)。
In addition, in the heat collection control, the
このように制御装置70は、日の出から日没までの時間帯において、太陽光を受けて人工光合成装置温度Tpが高くなった場合には、人工光合成装置10の熱(太陽熱)を集めて蓄熱装置30へと供給することで、当該人工光合成装置温度Tpを下げることができる。これによって、人工光合成装置10は効率良く人工光合成を行うことができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率を向上させることができる。
As described above, in the time zone from sunrise to sunset, the
また、当該人工光合成装置10の熱(太陽熱)は蓄熱装置30(蓄熱タンク31)へと蓄えられ、任意の目的で使用することができる。このように、太陽熱の余剰分を利用することができるため、太陽エネルギーの変換効率をさらに向上させることができる。さらに、このようにして蓄熱装置30に蓄えられた太陽熱を、プレヒート実行制御(ステップS204参照)において人工光合成装置10へと供給する熱として利用することもできるため、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
Moreover, the heat (solar heat) of the
以上の如く、本実施形態に係る太陽エネルギー利用システム1は、太陽光を受けて水を分解する触媒を有する人工光合成装置10と、人工光合成装置10との間で熱交換可能な第一熱交換装置20(熱交換装置)と、水(熱媒体)を貯溜することで熱を蓄える蓄熱装置30と、第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で不凍液(熱媒体)を循環させることで熱を伝達する熱媒体循環装置40と、を具備するものである。
As described above, the solar energy utilization system 1 according to the present embodiment is the first heat exchange capable of heat exchange between the
このように構成することにより、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で不凍液を循環させることで、人工光合成装置10の温度(人工光合成装置温度Tp)を調整することができる。人工光合成装置温度Tpを、触媒の反応速度が高くなる温度領域に調整することで、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30に蓄えることができ、当該熱を任意の目的で使用することで、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
By comprising in this way, the conversion efficiency of solar energy can be improved.
In other words, the temperature of the artificial photosynthesis device 10 (artificial photosynthesis device temperature Tp) can be adjusted by circulating the antifreeze liquid between the first
また、太陽エネルギー利用システム1は、人工光合成装置温度Tp(人工光合成装置10の温度)を検出する第一温度センサ50(第一温度検出手段)と、熱源温度TS(蓄熱装置30の温度)を検出する第二温度センサ60(第二温度検出手段)と、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL(第一目標温度)未満であり、かつ人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満である場合に、熱媒体循環装置40によって第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で熱媒体を循環させることで、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと伝達するプレヒート実行制御及び昇温制御(第一制御)を行う制御装置70と、をさらに具備するものである。
The solar energy utilization system 1 also includes a first temperature sensor 50 (first temperature detection means) that detects an artificial photosynthesis device temperature Tp (temperature of the artificial photosynthesis device 10) and a heat source temperature TS (temperature of the heat storage device 30). When the detected second temperature sensor 60 (second temperature detection means), the artificial photosynthetic device temperature Tp is lower than the target lower limit temperature TL (first target temperature), and the artificial photosynthesizer temperature Tp is lower than the heat source temperature TS In addition, the heat medium circulation device 40 circulates the heat medium between the first
このように構成することにより、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満である場合には、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと伝達し、人工光合成装置温度Tpを上昇させることができる。この際、目標下限温度TLの値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近に設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
By comprising in this way, the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, when the artificial photosynthesis device temperature Tp is lower than the target lower limit temperature TL, the heat of the
また、太陽エネルギー利用システム1は、人工光合成装置温度Tpを検出する第一温度センサ50と、熱源温度TSを検出する第二温度センサ60と、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度TH(第二目標温度)より高く、かつ人工光合成装置温度Tpが熱源温度TSより高い場合に、熱媒体循環装置40によって第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で熱媒体を循環させることで、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30へと伝達する集熱制御(第二制御)を行う制御装置70と、をさらに具備するものである。
Further, the solar energy utilization system 1 includes a
このように構成することにより、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、人工光合成装置温度Tpが目標上限温度THより高い場合には、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30へと伝達し、人工光合成装置温度Tpを下げることができる。この際、目標上限温度THの値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の上限値付近に設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、蓄熱装置30へと伝達された熱を任意の目的に利用することができ、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
By comprising in this way, the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, when the artificial photosynthesis device temperature Tp is higher than the target upper limit temperature TH, the heat of the
また、太陽エネルギー利用システム1は、人工光合成装置温度Tpを検出する第一温度センサ50と、熱源温度TSを検出する第二温度センサ60と、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TL未満であり、かつ人工光合成装置温度Tpが熱源温度TS未満である場合に、熱媒体循環装置40によって第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で熱媒体を循環させることで、蓄熱装置30の熱を人工光合成装置10へと伝達するプレヒート実行制御及び昇温制御を行うと共に、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TLよりも高い値に設定された目標上限温度THより高く、かつ人工光合成装置温度Tpが熱源温度TSより高い場合に、熱媒体循環装置40によって第一熱交換装置20と蓄熱装置30との間で熱媒体を循環させることで、人工光合成装置10の熱を蓄熱装置30へと伝達する集熱制御を行う制御装置70と、をさらに具備するものである。
In the solar energy utilization system 1, the
このように構成することにより、太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。
すなわち、人工光合成装置温度Tpを目標下限温度TL以上かつ目標上限温度TH以下に調整することができる。この際、目標下限温度TL及び目標上限温度THの値を、触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近及び上限値付近にそれぞれ設定することによって、触媒の反応速度を高めることができ、ひいては太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。また、蓄熱装置30へと伝達された熱を任意の目的に利用することができ、太陽エネルギーの変換効率をより向上させることができる。
By comprising in this way, the conversion efficiency of solar energy can be improved.
That is, the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp can be adjusted to be equal to or higher than the target lower limit temperature TL and lower than the target upper limit temperature TH. At this time, the reaction rate of the catalyst can be increased by setting the values of the target lower limit temperature TL and the target upper limit temperature TH in the vicinity of the lower limit value and the upper limit value in the temperature region where the reaction rate of the catalyst is increased, As a result, the conversion efficiency of solar energy can be improved. Moreover, the heat transmitted to the
また、制御装置70は、人工光合成装置10が太陽光を受けることができない時刻(日没の時刻から日の出の時刻まで)に前記第一制御を行う場合には、人工光合成装置温度Tpが目標下限温度TLになるために必要な必要熱量QNを算出し、必要熱量QNを蓄熱装置30から人工光合成装置10へと伝達させるのに要する必要時間WN(所要時間)を算出し、現在時刻から、受光開始時刻HS(人工光合成装置10が太陽光を受けることが可能になると予測される時刻)までの時間が必要時間WN以下になった場合にのみ、プレヒート実行制御を行うものである。
Further, when the
このように構成することにより、受光開始時刻HSに合わせて人工光合成装置温度Tpを目標下限温度TLまで上昇させることができる。これによって、人工光合成装置10が太陽光を受け始めた時点から、水の分解を効率良く行うことができる。
With this configuration, the artificial photosynthetic apparatus temperature Tp can be raised to the target lower limit temperature TL in accordance with the light reception start time HS. Thereby, water can be efficiently decomposed from the time when the
また、制御装置70は、目標下限温度TLが熱源温度TSより高い場合、目標下限温度TLの値として熱源温度TSを用いるものである。
Further, when the target lower limit temperature TL is higher than the heat source temperature TS, the
このように構成することにより、人工光合成装置温度Tpを目標下限温度TLまで上昇させることができない場合には、当該人工光合成装置温度Tpを可能な限り(すなわち、熱源温度TSまで)上昇させることができる。これによって、可能な限り太陽エネルギーの変換効率の向上を図ることができる。 With this configuration, when the artificial photosynthesis device temperature Tp cannot be raised to the target lower limit temperature TL, the artificial photosynthesis device temperature Tp can be raised as much as possible (that is, to the heat source temperature TS). it can. Thereby, the conversion efficiency of solar energy can be improved as much as possible.
また、人工光合成装置10の筐体11の側面や、熱媒体循環装置40の往管路41及び復管路42の周囲は、断熱材によって覆われる。
このように構成することにより、熱の損失を抑制することができ、冬場の水や不凍液等の温度低下の抑制等を図ることができる。
Further, the side surface of the
By comprising in this way, the loss of heat can be suppressed and the suppression of the temperature drop of winter water, antifreeze, etc. can be aimed at.
また、太陽エネルギー利用システム1においては、人工光合成装置10及び第一熱交換装置20によって太陽熱を集熱し、蓄熱装置30に当該太陽熱を蓄えるシステム(太陽熱温水システム)が構築されている。このように、簡素な太陽熱温水システムを用いて、人工光合成装置10の温度を調整することができるため、その他の特殊な機器を用いる必要が無く、コストの削減を図ることができる。
In the solar energy utilization system 1, a system (solar heat water system) is constructed in which solar heat is collected by the
なお、第一熱交換装置20は、本発明に係る熱交換装置の実施の一形態である。
また、水(湯)及び不凍液は、本発明に係る熱媒体の実施の一形態である。
また、第一温度センサ50は、本発明に係る第一温度検出手段の実施の一形態である。
また、第二温度センサ60は、第二温度検出手段の実施の一形態である。
また、目標下限温度TLは、本発明に係る第一目標温度の実施の一形態である。
また、制御装置70が行うプレヒート実行制御及び昇温制御は、本発明に係る第一制御の実施の一形態である。
また、目標上限温度THは、本発明に係る第二目標温度の実施の一形態である。
また、制御装置70が行う集熱制御は、本発明に係る第二制御の実施の一形態である。
また、必要時間WNは、本発明にかかる所要時間の実施の一形態である。
The first
Moreover, water (hot water) and antifreeze are one embodiment of the heat medium according to the present invention.
Moreover, the
Moreover, the
The target lower limit temperature TL is an embodiment of the first target temperature according to the present invention.
Further, the preheat execution control and the temperature rise control performed by the
The target upper limit temperature TH is an embodiment of the second target temperature according to the present invention.
The heat collection control performed by the
The required time WN is an embodiment of the required time according to the present invention.
なお、本実施形態においては、蓄熱装置30が貯溜する熱媒体として水(湯)を、熱媒体循環装置40が循環させる熱媒体として不凍液を、それぞれ例示して説明したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、熱媒体は、熱を伝達したり蓄えたりすることができるものであれば、限定するものではない。
In the present embodiment, water (hot water) is exemplified as the heat medium stored by the
また、本実施形態においては、蓄熱装置30の熱媒体(水)と熱媒体循環装置40の熱媒体(不凍液)との間で第二熱交換装置32によって熱交換を行う構成としたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、熱媒体循環装置40は、第二熱交換装置32を用いない構成とすることも可能である。この場合、往管路41及び復管路42が直接蓄熱装置30(蓄熱タンク31)に接続され、当該蓄熱装置30の熱媒体(水)が第一熱交換装置20との間で循環される。
In the present embodiment, the second
また、本実施形態においては、人工光合成装置10には外部から水が供給され、当該水が分解されるものとした。しかし、人工光合成装置10に供給される水は、純粋な水だけでなく、何らかの物質が水に溶解した液体(水溶液)であっても良い。
In the present embodiment, the
また、本実施形態においては、目標下限温度TLとしてT1、目標上限温度THとしてT2をそれぞれ設定したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、目標下限温度TL及び目標上限温度THは任意に設定することができる。例えば、目標下限温度TLをT1よりも若干高い温度に、目標上限温度THをT2よりも若干低い温度に設定することで、より確実に人工光合成装置温度Tpを触媒の反応速度が高くなる温度領域内に調整することができる。なお、触媒の反応速度を高めるために、目標下限温度TL及び目標上限温度THは、当該触媒の反応速度が高くなる温度領域の下限値付近及び上限値付近にそれぞれ設定することが望ましい。 In the present embodiment, T1 is set as the target lower limit temperature TL and T2 is set as the target upper limit temperature TH, but the present invention is not limited to this. That is, the target lower limit temperature TL and the target upper limit temperature TH can be arbitrarily set. For example, by setting the target lower limit temperature TL to a temperature slightly higher than T1 and the target upper limit temperature TH to a temperature slightly lower than T2, the temperature range in which the artificial photosynthesis apparatus temperature Tp is more reliably increased in the reaction rate of the catalyst. Can be adjusted in. In order to increase the reaction rate of the catalyst, it is desirable that the target lower limit temperature TL and the target upper limit temperature TH are set near the lower limit value and the upper limit value in the temperature region where the reaction rate of the catalyst increases.
また、本実施形態においては、各制御時刻(本実施形態においては、午前0時から1時間毎)にプレヒート時間決定制御(図3参照)を行うものとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、当該プレヒート時間決定制御は各制御時刻に毎回行わず、1日のうち決められた時刻に1回又は数回だけ行う構成とすることも可能である。 In the present embodiment, the preheat time determination control (see FIG. 3) is performed at each control time (in this embodiment, every hour from midnight), but the present invention is not limited to this. is not. For example, the preheat time determination control may not be performed every time at each control time, but may be configured to be performed only once or several times at a determined time of the day.
また、本実施形態においては、人工光合成装置10が太陽光を受けることが可能になる時刻(受光開始時刻HS)とは、日の出の時刻を意味するものとして説明を行ったが、本発明はこれに限るものではない。例えば、人工光合成装置10が太陽光を受けていたとしても、日射量が少ない場合には触媒が十分な人工光合成を行うことができない場合もある。そこで、人工光合成装置10に照射される太陽光の日射量が所定値以上となった時刻を、受光開始時刻HSと定めても良い。このように構成することにより、特に天気の悪い日(曇りの日など)であっても、効率良く人工光合成を行うことができる。
In the present embodiment, the time at which the artificial
また、受光開始時刻HSとして、天気が曇りや雨から晴れに変わる時刻を用いて、制御装置70による制御を行うことも可能である。この場合の受光開始時刻HSは、天気予報等に基づいて定めることが可能である。
Moreover, it is also possible to perform control by the
また、本実施形態においては、受光開始時刻HSは予め制御装置70に記憶されているものとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、制御装置70はインターネット等を介して常に最新の受光開始時刻HS(予測された日の出の時刻や、天気予報等)を取得する構成とすることも可能である。また、照度計等を用いて最近の受光開始時刻HSを学習し、当該学習結果に基づいて制御装置70自身が当日の受光開始時刻HSを予測する構成とすることも可能である。
In the present embodiment, the light reception start time HS is stored in the
また、本実施形態においては、有機系の生体触媒の特性として、所定の温度領域(T1からT2までの間)で反応速度が略一定となる例(図2参照)を示したが、生体触媒の特性は図2の例に限るものではない。例えば、所定の温度において反応速度が最大(ピーク)となる特性を有する生体触媒であっても良い。この場合、目標下限温度TLと目標上限温度THの間に反応速度が最大となる温度が含まれるように、当該目標下限温度TLと目標上限温度THの値を設定することが望ましい。 In this embodiment, an example (see FIG. 2) in which the reaction rate is substantially constant in a predetermined temperature range (between T1 and T2) is shown as the characteristic of the organic biocatalyst. The characteristics are not limited to the example of FIG. For example, it may be a biocatalyst having a characteristic that the reaction rate becomes maximum (peak) at a predetermined temperature. In this case, it is desirable to set the values of the target lower limit temperature TL and the target upper limit temperature TH so that the temperature at which the reaction rate is maximum is included between the target lower limit temperature TL and the target upper limit temperature TH.
また、本実施形態においては、人工光合成装置10が備える触媒として、有機系の生体触媒を用いるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、本発明は触媒の種類を限定するものではなく、有機系のその他の触媒(例えば、ポルフィリン・フラーレン系等)や無機系の触媒(例えば、タンタル酸ナトリウム等)を用いることも可能である。
In the present embodiment, an organic biocatalyst is used as the catalyst provided in the
また、本発明に係る蓄熱装置の構成は、本実施形態において説明した蓄熱装置30に限るものではない。例えば蓄熱装置30として、燃料電池の排熱を蓄えるタンクを用いることも可能である。このように構成することによって、前記燃料電池の排熱を人工光合成装置10に供給して、人工光合成装置温度Tpを上昇させることができる。このように、太陽熱以外の熱も蓄熱装置に蓄える構成とすることが可能である。
Moreover, the structure of the heat storage apparatus which concerns on this invention is not restricted to the
また、本実施形態においては、制御装置70が行うプレヒート実行制御及び昇温制御において、蓄熱装置30からの熱を人工光合成装置10へと供給するものとしたが(図4のステップS204及びステップS403参照)、本発明はこれに限るものではない。例えば、蓄熱装置30に加えて(又は、蓄熱装置30に代えて)他の熱源(例えば、ガス給湯器等)からの熱を人工光合成装置10へと供給する構成とすることも可能である。
In the present embodiment, the heat from the
また、本実施形態においては、制御装置70が行う集熱制御において、人工光合成装置10からの熱を蓄熱装置30へと供給するものとしたが(図4のステップS503参照)、本発明はこれに限るものではない。例えば、人工光合成装置10からの熱を、蓄熱装置30に加えて(又は、蓄熱装置30に代えて)放熱装置(例えば、ラジエータ等)へと供給する構成とすることも可能である。
Further, in the present embodiment, in the heat collection control performed by the
また、本実施形態においては、人工光合成装置10(筐体11)及び第一熱交換装置20は、直方体状(略平板状)に形成されるものとしたが、本発明に係る人工光合成装置及び熱交換装置はこれに限るものではなく、任意の形状に形成することが可能である。以下では、人工光合成装置10及び第一熱交換装置20の変形例について説明する。
In the present embodiment, the artificial photosynthesis device 10 (housing 11) and the first
図5(a)には、人工光合成装置10及び第一熱交換装置20の第一変形例に係る人工光合成装置110及び第一熱交換装置120を示している。人工光合成装置110の筐体111は、円柱の中心部分が開口された略円筒状に形成される。また、第一熱交換装置120は円柱状に形成され、筐体111の内側(中心部分)に嵌め込まれる。このように構成された人工光合成装置110と第一熱交換装置120との間で熱交換を行うことができる。
FIG. 5A shows an
なお、第一変形例に係る人工光合成装置110と第一熱交換装置120の形状が逆になるように形成することも可能である。すなわち、第一熱交換装置120を略円筒状に形成し、円柱状に形成された人工光合成装置110を第一熱交換装置120の内側に嵌め込む構成とすることも可能である。
In addition, it is also possible to form the
図5(b)には、人工光合成装置10及び第一熱交換装置20の第二変形例に係る人工光合成装置210及び第一熱交換装置220を示している。人工光合成装置210の筐体211は、平板状の部材に山折りと谷折りとを交互に施したような形状(略蛇腹状)に形成される。また、第一熱交換装置220は配管によって形成される。第一熱交換装置220は、筐体211の表面と裏面とを交互に通過するように当該筐体211を貫通した状態で配置される。このように構成された人工光合成装置210と第一熱交換装置220との間で熱交換を行うことができる。
FIG. 5B shows an
図5(c)には、人工光合成装置10及び第一熱交換装置20の第三変形例に係る人工光合成装置310及び第一熱交換装置320を示している。人工光合成装置310の筐体311は、円柱状(管状)に形成される。また、第一熱交換装置320は配管によって形成される。第一熱交換装置320は、筐体311の外周に巻きつけられた状態で配置される。このように構成された人工光合成装置310と第一熱交換装置320との間で熱交換を行うことができる。
FIG. 5C shows an
1 太陽エネルギー利用システム
10 人工光合成装置
20 第一熱交換装置(熱交換装置)
30 蓄熱装置
40 熱媒体循環装置
50 第一温度センサ(第一温度検出手段)
60 第二温度センサ(第二温度検出手段)
70 制御装置
1 Solar
30 heat storage device 40 heat
60 Second temperature sensor (second temperature detection means)
70 Controller
Claims (5)
前記人工光合成装置との間で熱交換可能な熱交換装置と、
熱媒体を貯溜することで熱を蓄える蓄熱装置と、
前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで熱を伝達する熱媒体循環装置と、
前記人工光合成装置の温度を検出する第一温度検出手段と、
前記蓄熱装置の温度を検出する第二温度検出手段と、
前記人工光合成装置の温度が第一目標温度未満であり、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度未満である場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記蓄熱装置の熱を前記人工光合成装置へと伝達する第一制御を行う制御装置と、
を具備し、
前記制御装置は、
前記人工光合成装置が太陽光を受けることができない時刻に前記第一制御を行う場合には、
前記人工光合成装置の温度が前記第一目標温度になるために必要な必要熱量を算出し、
前記必要熱量を前記蓄熱装置から前記人工光合成装置へと伝達させるのに要する所要時間を算出し、
現在時刻から、前記人工光合成装置が太陽光を受けることが可能になると予測される時刻までの時間が前記所要時間以下になった場合にのみ、前記第一制御を行う、
太陽エネルギー利用システム。 An artificial photosynthesis device having a catalyst that decomposes water by receiving sunlight; and
A heat exchange device capable of exchanging heat with the artificial photosynthesis device;
A heat storage device that stores heat by storing a heat medium;
A heat medium circulation device that transfers heat by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device;
First temperature detecting means for detecting the temperature of the artificial photosynthesis device;
Second temperature detecting means for detecting the temperature of the heat storage device;
When the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than a first target temperature and the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the temperature of the heat storage device, the heat exchange device and the heat storage device A control device for performing a first control for transferring heat of the heat storage device to the artificial photosynthetic device by circulating a heat medium between them;
Equipped with,
The controller is
When performing the first control at a time when the artificial photosynthesis device cannot receive sunlight,
Calculate the necessary amount of heat necessary for the temperature of the artificial photosynthesis device to reach the first target temperature,
Calculate the time required to transfer the necessary heat amount from the heat storage device to the artificial photosynthesis device,
The first control is performed only when the time from the current time to the time when the artificial light synthesizer is predicted to be able to receive sunlight is equal to or shorter than the required time.
Solar energy utilization system.
前記人工光合成装置の温度が第二目標温度より高く、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記人工光合成装置の熱を前記蓄熱装置へと伝達する第二制御を行う、
請求項1に記載の太陽エネルギー利用システム。 The controller is
When the temperature of the artificial photosynthesis device is higher than a second target temperature and the temperature of the artificial photosynthesis device is higher than the temperature of the heat storage device, the heat medium circulation device causes the heat exchange device and the heat storage device to By circulating the heat medium, the second control of transferring the heat of the artificial photosynthesis device to the heat storage device is performed.
Solar energy utilization system according to 請 Motomeko 1.
前記第一目標温度よりも高い値に設定される請求項2に記載の太陽エネルギー利用システム。 The second target temperature is
Solar energy utilization system according to 請 Motomeko 2 is set to a value higher than the first target temperature.
前記第一目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記第一目標温度の値として前記蓄熱装置の温度を用いる、
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の太陽エネルギー利用システム。 The controller is
When the first target temperature is higher than the temperature of the heat storage device, the temperature of the heat storage device is used as the value of the first target temperature.
Solar energy utilization system as claimed in any one of up to claim 3 請 Motomeko 1.
前記人工光合成装置との間で熱交換可能な熱交換装置と、
熱媒体を貯溜することで熱を蓄える蓄熱装置と、
前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで熱を伝達する熱媒体循環装置と、
前記人工光合成装置の温度を検出する第一温度検出手段と、
前記蓄熱装置の温度を検出する第二温度検出手段と、
前記人工光合成装置の温度が第一目標温度未満であり、かつ前記人工光合成装置の温度が前記蓄熱装置の温度未満である場合に、前記熱媒体循環装置によって前記熱交換装置と前記蓄熱装置との間で熱媒体を循環させることで、前記蓄熱装置の熱を前記人工光合成装置へと伝達する第一制御を行う制御装置と、
を具備し、
前記制御装置は、
前記第一目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記第一目標温度の値として前記蓄熱装置の温度を用いる、
太陽エネルギー利用システム。 An artificial photosynthesis device having a catalyst that decomposes water by receiving sunlight; and
A heat exchange device capable of exchanging heat with the artificial photosynthesis device;
A heat storage device that stores heat by storing a heat medium;
A heat medium circulation device that transfers heat by circulating a heat medium between the heat exchange device and the heat storage device;
First temperature detecting means for detecting the temperature of the artificial photosynthesis device;
Second temperature detecting means for detecting the temperature of the heat storage device;
When the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than a first target temperature and the temperature of the artificial photosynthesis device is lower than the temperature of the heat storage device, the heat exchange device and the heat storage device A control device for performing a first control for transferring heat of the heat storage device to the artificial photosynthetic device by circulating a heat medium between them;
Comprising
The controller is
When the first target temperature is higher than the temperature of the heat storage device, the temperature of the heat storage device is used as the value of the first target temperature.
Solar energy utilization system.
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