JP6383565B2 - 人工光合成システム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特開平６−３５０１１９号公報

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。

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。

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と共に、前記人工光合成装置の温度が前記目標温度より高く、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制御装置と、を具備し、前記第一制御と前記第二制御とは異なる時間帯に行われるものであり、前記制御装置は、次の前記第二制御が開始される所定の時刻になるまでに前記人工光合成装置の温度が前記目標温度以上となるように、前記第一制御の開始時刻を設定する第三制御を行うものである。

請求項２においては、前記第三制御は、前記人工光合成装置の温度が前記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、前記所定の時刻を、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に設定し、前記開始時刻を、前記所定の時刻より前記所要時間だけ前の時刻に設定するものであり、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おいて、現在時刻が、前記開始時刻から前記所定の時刻までの時間帯である場合にのみ、前記第一制御を行うものである。

請求項３においては、前記制御装置は、前記必要熱量の算出において、前記目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記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。

請求項４においては、前記人工光合成装置は、前記触媒として無機系の触媒を有するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

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、人工光合成装置の温度が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。また、人工光合成装置の温度が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することができる。このようにして、人工光合成装置の温度を目標温度になるように調整することができる。この際、目標温度の値を、触媒の反応速度が高くなる値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。

請求項２においては、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。

請求項３においては、人工光合成装置の温度を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。

請求項４においては、無機系の触媒を有する人工光合成装置に適した太陽エネルギー利用システムを提供することができる。

太陽エネルギー利用システムの全体的な構成を示した模式図。 無機系の触媒の特性を示した概略図。 プレヒート時間決定制御の処理を示したフローチャート。 プレヒート実行制御及び集熱制御の処理を示したフローチャート。 （ａ）人工光合成装置及び第一熱交換装置の第一変形例を示した図。（ｂ）同じく、第二変形例を示した図。（ｃ）同じく、第三変形例を示した図。

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。

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。

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。

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。

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。

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、前記触媒として無機系の触媒（例えば、タンタル酸ナトリウム等）が用いられる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、人工光合成装置１０に用いられる無機系の触媒の特性について説明する。

図２に示すように、無機系の触媒は、一般的に温度が高くなるにつれて反応速度（水を分解する速度）が高くなる。従って、人工光合成装置温度Ｔｐが可能な限り高く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。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。

一方、触媒の人工光合成による太陽エネルギーの変換効率自体はそれほど高いものではない。従って、触媒の人工光合成だけでなく、他の方法でも太陽エネルギーを利用することが望ましい。

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、人工光合成装置１０における人工光合成だけでなく、当該人工光合成装置１０の熱（太陽熱）を蓄熱装置３０に蓄えることで、太陽エネルギーを利用する構成としている。また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、太陽エネルギーの変換効率の向上を図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。

制御装置７０による制御は、大きく３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）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。

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。

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。

なお制御装置７０は、原則的には、人工光合成装置温度Ｔｐが目標温度ＴＡとなるように調整を行う。ここで、目標温度ＴＡの値は、触媒の反応速度がある程度高くなる温度に設定される。目標温度ＴＡの具体的な値は、触媒の種類や太陽エネルギー利用システム１の仕様等に応じて任意に定めることができる。

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。

ステップＳ１０１において、制御装置７０は、熱源温度ＴＳが目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ以上であると判定した場合、ステップＳ１０３に移行する。

ステップＳ１０２において、制御装置７０は、目標温度ＴＡ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、目標温度ＴＡとして、予め定められた目標温度ＴＡ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。

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を目標温度ＴＡ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＝（目標温度ＴＡ−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｓ５０１に移行する。

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が目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ以上であると判定した場合、ステップＳ６０１に移行する。

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。

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。

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。

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。

次に、制御装置７０による集熱制御について説明する。

ステップＳ２０１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が目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ以下であると判定した場合、ステップＳ６０１に移行する。

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。

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。

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。

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。

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。

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、目標温度ＴＡ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の温度を目標温度ＴＡまで上昇させることができる。

またこの際、制御装置７０は、熱源温度ＴＳが目標温度ＴＡより低い場合には（ステップＳ１０１）、目標温度ＴＡ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が目標温度ＴＡ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は目標温度ＴＡとして熱源温度ＴＳの値を用いる。

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が目標温度ＴＡ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）。

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を目標温度ＴＡ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。

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が目標温度ＴＡ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）。

このように制御装置７０は、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。当該太陽熱は蓄熱装置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、太陽光を人工光合成に用いるだけでなく、太陽熱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。

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、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が目標温度ＴＡ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（第一制御）を行うと共に、人工光合成装置温度Ｔｐが目標温度ＴＡ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、を具備するものである。

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が目標温度ＴＡ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。また、人工光合成装置温度Ｔｐが目標温度ＴＡより高い場合には、人工光合成装置１０の熱を蓄熱装置３０へと伝達することができる。このようにして、人工光合成装置温度Ｔｐを目標温度ＴＡになるように調整することができる。この際、目標温度ＴＡの値を、触媒の反応速度が高くなる値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。

また、制御装置７０は、人工光合成装置温度Ｔｐが目標温度ＴＡ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、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において、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。

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を目標温度ＴＡ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。

また、制御装置７０は、目標温度ＴＡが熱源温度ＴＳより高い場合、目標温度ＴＡの値として熱源温度ＴＳを用いるものである。

このように構成することにより、人工光合成装置温度Ｔｐを目標温度ＴＡ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。

また、人工光合成装置１０は、前記触媒として無機系の触媒を有するものである。

このように構成することにより、無機系の触媒を有する人工光合成装置１０に適した太陽エネルギー利用システム１を提供することができる。

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。

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。

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、目標温度ＴＡは、本発明に係る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は、本発明に係る第一制御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。

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。

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。

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。

また、本実施形態の制御（図４のステップＳ２０２及びステップＳ５０１参照）においては、制御装置７０は、目標温度ＴＡと人工光合成装置温度Ｔｐを比較するものとしたが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、ステップＳ２０２の処理において、制御装置７０は、人工光合成装置温度Ｔｐが、目標温度ＴＡから所定の値α（所定の値αは、目標温度ＴＡに比べて十分小さい値）を減算した値（ＴＡ−α）よりも小さいか否かを判定する構成とすることも可能である。
またステップＳ５０１の処理において、制御装置７０は、人工光合成装置温度Ｔｐが、目標温度ＴＡに所定の値αを加算した値（ＴＡ＋α）よりも大きいか否かを判定する構成とすることも可能である。
このように構成することにより、人工光合成装置温度Ｔｐと目標温度ＴＡとの値の差をある程度許容することができ、制御性を向上させることができる。

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。

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。

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。

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。

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、無機系の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、有機系の触媒（例えば、ポルフィリン・フラーレン系等）を用いることも可能である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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と共に、前記人工光合成装置の温度が前記目標温度より高く、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制御装置と、
   を具備し、
   前記第一制御と前記第二制御とは異なる時間帯に行われるものであり、
   前記制御装置は、
   次の前記第二制御が開始される所定の時刻になるまでに前記人工光合成装置の温度が前記目標温度以上となるように、前記第一制御の開始時刻を設定する第三制御を行う、
   人工光合成システム。
2. 前記第三制御は、
   前記人工光合成装置の温度が前記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、
   前記所定の時刻を、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に設定し、
   前記開始時刻を、前記所定の時刻より前記所要時間だけ前の時刻に設定するものであり、
   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おいて、現在時刻が、前記開始時刻から前記所定の時刻までの時間帯である場合にのみ、前記第一制御を行う、
   請求項１に記載の人工光合成システム。
3. 前記制御装置は、
   前記必要熱量の算出において、前記目標温度が前記蓄熱装置の温度より高い場合、前記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２に記載の人工光合成システム。
4. 前記人工光合成装置は、
   前記触媒として無機系の触媒を有する、
   請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の人工光合成システム。

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