JP6466667B2

JP6466667B2 - 太陽熱利用システム

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Publication number: JP6466667B2
Application number: JP2014173079A
Authority: JP
Inventors: 高橋　惇; 惇高橋
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016048138A

Description

本発明は、太陽熱利用システムに関する。

近年、再生可能エネルギーの一つである太陽熱を利用する太陽熱利用システムの開発が盛んに行われている。太陽熱利用システムとしては、例えば、水などの熱媒を、集熱器、貯湯槽（蓄熱槽）等が接続された循環路内を循環させ、集熱器において太陽熱を利用して熱媒を加熱し、貯湯槽に貯留されている貯留水を熱媒で加熱するシステム等が挙げられる。

特開昭５７−１８４８５３号公報特開２００４−２０５１８３号公報特開２００１−１５３３７７号公報特許第３４７８７１５号

光起電力効果を利用して光エネルギーを電力に変換する太陽電池は、太陽熱によって発電素子の温度が上昇する。発電素子の温度上昇は内部抵抗の増加に繋がり、発電効率の低下を招く虞がある。そのため、太陽電池の発電効率を高く維持するために、発電素子を冷却する必要がある。

一方、集熱器で加熱された熱媒または当該熱媒との熱交換によって温められた貯湯槽の貯留水は、種々の熱利用設備に供給されて利用されるが、熱需要の種別ごとに要求される温度レベルが異なる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされてものであって、その目的は、太陽電池を効率的に冷却しつつ、温度レベルの異なる太陽熱利用を可能とする太陽熱利用システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽熱利用システムは、太陽電池から得た熱を利用して加熱した熱媒の熱を、温度成層型の貯湯槽に貯留されている貯留水と熱交換させる際、温度範囲が相対的に高温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させた後の熱媒を温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させることとした。

より詳しくは、本発明に係る太陽熱利用システムは、熱媒が循環する循環路と、前記循環路に接続され、太陽電池から得た熱を利用して前記熱媒を加熱する集熱器と、前記熱媒と熱交換するための水を貯留すると共に、貯留水の温度範囲が相互に異なる複数の温度成層部が内部に形成される温度成層型の貯湯槽と、前記循環路に接続され、前記集熱器において加熱された前記熱媒と前記貯留水との間で熱交換させることで該貯留水を温める熱交換装置と、を備え、前記熱交換装置は、温度範囲が相対的に高温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させた後の熱媒を、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させることを特徴とする。

本発明によれば、貯留水の温度範囲が相互に異なる複数の温度成層を貯湯槽に形成しつつ、循環路を循環する熱媒を十分に冷却することができる。従って、集熱器において太陽電池を効率的に冷却することができ、太陽電池の発電効率を高く維持することができる。また、本発明における貯湯槽には、複数の温度成層部が形成されているため、要求される温度レベルが異なる熱需要に所望の温度の温水を供給することができる。以上より、太陽電池を効率的に冷却しつつ、温度レベルの異なる太陽熱利用を可能とする太陽熱利用システムを提供することができる。

ここで、前記熱交換装置は、前記貯湯槽の外部に設置される熱交換器と、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水を前記熱交換器に移送する移送管と、前記熱交換器において前記熱媒と熱交換した後の貯留水を温度範囲が相対的に高温の温度成層部に供給する供給管と、を含んでいてもよい。このように、熱交換器を貯湯槽の外部に設置することで、熱交換器の運用変更、交換熱量の変更に対してフレキシブルに対応でき、また、設計容易性も優れるという利点もある。従って、既存の貯湯槽を改造して本発明に係る温度成層型の貯湯槽を容易に製作できるという利点もある。

また、本発明において、前記貯湯槽は、隣接する前記温度成層部の境界を部分的に仕切る仕切り部材を有していてもよい。このように構成することで、隣接する温度成層部同士における貯留水の混ざり合いを、より一段と起こりにくくすることが可能となる。

また、本発明において、前記集熱器の内部には前記熱媒を流す内部流路が形成されており、前記内部流路は、互いに並列配置されると共に蛇行状の平面パターンで配置された複数の孔を含んでいてもよい。このように構成することで、太陽電池から受熱する受熱面積を広げることができる。これにより、太陽光の受光によって加熱された太陽電池の排熱を集熱器においてより効率的に奪うことができる。その結果、太陽電池を効率的に冷却することができる。

また、本発明に係る太陽熱利用システムは、更に、前記貯湯槽に併設されるボイラと、前記貯湯槽において、温度範囲が最も低い前記温度成層部に貯留されている貯留水を前記ボイラに供給する供給手段と、前記ボイラで加熱した後の貯留水を、温度範囲が最も高い前記温度成層部に給湯する給湯手段と、を備えていてもよい。上記構成によれば、ボイラへの給水を予熱した形で供給できる。ここで、ボイラへの給水温度が高いほどボイラにおける燃料の消費量を少なくすることができる。従って、上記構成によれば、上水を直接ボイラに供給する場合に比べて、ボイラの加熱負荷を低減することができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、太陽電池の発電素子を効率的に冷却しつつ、温度レベルの異なる太陽熱利用を可能とする太陽熱利用システムを提供することができる。

図１は、実施形態１に係る太陽熱利用システムの概略構成を示す図である。図２は、実施形態１に係る太陽光発電システムの概略構成を示す図である。図３は、実施形態１に係る集熱ユニットの概略構成を示す図である。図４は、実施形態１に係る集熱器の側面図である。図５は、実施形態１に係る集熱器の平面図である。図６は、実施形態１に係る集熱器における内部流路の配置パターンを説明する図である。図７は、図６に示すＡ−Ａ'矢視断面図である。図８は、図６に示すＢ−Ｂ'矢視断面図である。図９は、実施形態１に係る集熱器の内部流路の変形例を示す図である（１）。図１０は、実施形態１に係る集熱器の内部流路の変形例を示す図である（２）。図１１は、実施形態２に係る太陽熱利用システムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して例示的に詳しく説明する。なお、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る太陽熱利用システム１００の概略構成を示す図である。太陽熱利用システム１００は、太陽光発電システム２００の太陽電池２１０から得た熱を利用して加熱した湯を蓄える貯湯システムである。太陽熱利用システム１００は、集熱ユニット３００、温度成層型貯湯槽（以下、単に「貯湯槽」という）４００等を備えている。また、太陽光発電システム２００は、例えば集光型の太陽光発電システムであり、図２に示すように太陽電池２１０および集光ミラー２２０等を備える。太陽電池２１０は、例えば複数の発電素子（Photovoltaic(PV)素子）をモジュール化して構成されている。太陽電池２１０の発電素子は、光起電力効果を利用して光エネルギーを直接電力に変換する素子である。太陽光が集光ミラー２２０によって太陽電池２１０に集光されることで、高効率な太陽光発電を行うことができる。太陽光発電システム２００は、例えば上述した太陽電池２１０、およびその太陽電池２１０に太陽光を集める集光ミラー２２０のセットを複数基備えている。また、太陽光発電システム２００は、太陽位置に応じて集光ミラー２２０の姿勢を可変とする駆動集光型の太陽光発電システムであってもよい。また、集光ミラー２２０の形状は、種々の形状を採用することができる。

ここで、太陽電池２１０は、発電素子をモジュール化したものであり、太陽熱によって温度が上昇する。太陽電池２１０（発電素子）の温度上昇は内部抵抗の増加に繋がり、発電効率の低下を招く虞がある。そこで、本実施形態に係る太陽熱利用システム１では、太陽光によって加熱された太陽電池２１０の熱を集熱ユニット３００によって奪い、太陽電池２１０を冷却するようにしている。これにより、太陽光発電システム２００における太陽電池２１０の発電効率を高く維持することができる。そして、太陽熱利用システム１は、集熱ユニット３００によって太陽電池２１０の冷却排熱として取得した熱を利用して貯湯槽４００に貯留（貯蔵）されている貯留水（湯）を加熱し、温水の形態で蓄熱する。

以下、太陽熱利用システム１の詳細について説明する。太陽熱利用システム１は、上述した貯湯槽４００、集熱ユニット３００の他、熱媒が循環する環状の循環用配管１１０（循環路）、循環ポンプ１２０、熱交換装置５００等を備えている。貯湯槽４００は、温度成層によるシングルタワー蓄熱方式を採用する密閉型の貯湯槽であり、蓄熱および放熱を１基の槽で行う方式を採用している。貯湯槽４００の内部には熱媒と熱交換を行うことによって温められた温水が貯留されている。なお、本実施形態において、熱媒に水（冷却水）を用いるようにしているが、これに限られず種々の公知の熱媒を用いることができる。

図３は、実施形態１に係る集熱ユニット３００の概略構成を示す図である。集熱ユニット３００は、太陽電池２１０に設置される集熱器３１０と、各集熱器３１０を連結すると
共に各集熱器３１０に熱媒を分配する熱媒分配管３２０を備えている。集熱器３１０は、太陽電池２１０にそれぞれ取り付けられており、熱媒を流す冷却ジャケットを内部に有している。本実施形態では、図２に示す太陽電池２１０の各々に対して、図３に示す集熱器３１０がそれぞれ取り付けられている。また、図３に示す熱媒分配管３２０は、例えば地面に敷設されており、太陽電池２１０の近傍で当該太陽電池２１０の高さまで立ち上げられている。熱媒分配管３２０として、例えば可撓性を有する合成ゴムのチューブを用いる態様が一例と挙げられる。図３に示す例では、１０基の集熱器３１０を熱媒分配管３２０によって連結している。但し、集熱器３１０を連結する数は自由に変更することができ、また、単一の集熱器３１０を循環用配管１１０に接続してもよい。この場合、熱媒分配管３２０を配設せず、集熱器３１０を直接循環用配管１１０に接続するとよい。

熱媒分配管３２０は、循環用配管１１０に接続される流入口３２１および流出口３２２を有している。貯湯槽４００に貯留されている貯留水との熱交換によって冷やされた熱媒が循環用配管１１０を通じて流入口３２１から流入することで低温の熱媒が熱媒分配管３２０に供給される。熱媒分配管３２０に供給された低温の熱媒は、熱媒分配管３２０に接続されている各集熱器３１０に分配される。そして、各集熱器３１０に分配された熱媒は、太陽電池２１０の排熱を奪うことで太陽電池２１０を冷却する。一方、太陽電池２１０の排熱を奪うことで加熱された熱媒は、熱媒分配管３２０の流出口３２２から循環用配管１１０に流出する。

図４は、実施形態１に係る集熱器３１０の側面図である。図５は、実施形態１に係る集熱器３１０の平面図である。集熱器３１０は、略直方体形状の外形を有し、内部に熱媒を流通させるための内部流路が形成されている。図５中の破線は、集熱器３１０の内部流路を表したものである。集熱器３１０は、図４中、符号３１０ａで示される設置面に太陽電池２１０が設置される。集熱器３１０の設置面３１０ａは、集光ミラー２２０によって集光される太陽光の方向を向いており、当該設置面３１０ａに太陽電池２１０が配置されることで、太陽電池２１０の発電素子に太陽光が照射されるようになっている。本実施形態では、集熱器３１０の内部流路を流れる熱媒と太陽電池２１０との熱交換が効率的に行われるよう、熱伝導性の両面接着テープや熱伝導性接着剤等を用いて太陽電池２１０の裏面を集熱器３１０の設置面３１０ａに接着している。なお、図５には、集熱器３１０における設置面３１０ａとは逆側の非設置面３１０ｂが示されている。

集熱器３１０には、熱媒分配管３２０から内部流路に熱媒を供給する熱媒入口３１１、および、内部流路から熱媒を熱媒分配管３２０に排出する熱媒出口３１２が設けられている。熱媒入口３１１は内部流路の上流端であり、熱媒出口３１２は内部流路の下流端である。熱媒分配管３２０を通じて各集熱器３１０に分配された熱媒は、熱媒入口３１１から内部流路に供給された後、太陽電池２１０側から伝導される排熱を奪いながら内部流路を流通する。そして、内部流路の下流端に位置する熱媒出口３１２から熱媒分配管３２０に熱媒が排出される。

図６は、実施形態１に係る集熱器３１０における内部流路３１３の配置パターンを説明する図である。具体的には、高さ方向中央部付近における集熱器３１０の平断面図である。また、図７は、図６に示すＡ−Ａ'矢視断面図である。図８は、図６に示すＢ−Ｂ'矢視断面図である。集熱器３１０の熱媒入口３１１から内部流路３１３に供給された熱媒は、図６に示すＡ→Ｂ→・・・→Ｔ→Ｕの順に通過して、熱媒出口３１２から熱媒分配管３２０に排出される。図６に示すＡは熱媒入口３１１に連通し、Ｕは熱媒出口３１２に連通している。また、図６に示す白抜き矢印は、内部流路３１３を熱媒が流れる方向を示したものである。

本実施形態において、集熱器３１０の内部流路３１３は、矩形断面を有する多数の矩形
孔を含んで構成されている。内部流路３１３における多数の矩形孔は互いに並列配置されており、且つ、蛇行状の平面パターンで配置されている。このように集熱器３１０の内部流路３１３を多数並列する孔構造とし、且つ、蛇行パターンとすることで太陽電池２１０からの受熱面積（伝熱面積）を広げることができる。これにより、太陽光の受光によって加熱された太陽電池２１０の排熱を、集熱ユニット３００の各集熱器３１０においてより多く奪い、取得することができる。その結果、太陽電池２１０を効率的に冷却することができる。

なお、図６に示す例では、内部流路３１３は、９本の矩形孔を並列配置し、この並列配置された９本の矩形孔の束を蛇行状に配置させているが、並列に配置する矩形孔の数は勿論変更することができる。また、集熱器３１０において、太陽電池２１０を設置しない方の非設置面および側面にはシリコーンゴム、テフロン（登録商標）ゴム等の断熱材が配設されている。なお、これらシリコーンゴム、テフロンゴム等は、熱架橋の形成の他、熱媒（冷却水）の内部漏水を防止すると同時に、筐体（図示せず）に集熱器３１０を固定している。なお、本実施形態においては、集熱器３１０における設置面３１０ａの中央側に設置面３１０ａよりも小さな外形を有する太陽電池２１０を配置してもよい。この場合、集熱器３１０における設置面３１０ａのうち、太陽電池２１０の周囲を上述した断熱材によって覆ってもよい。

また、本実施形態の集熱器３１０は、例えば、アルミニウムを押出成形することで内部流路３１３となる多数の矩形孔が形成された長尺部材を４５°斜めにカットし、そのカット面同士を接合することで製作できる。このように、アルミ押出成形材を無駄なくカットして使用することで、集熱器３１０をより安価に製造することができる。

なお、上記の例では、集熱器３１０の内部流路３１３を、矩形断面形状を有する矩形孔としたが、これには限定されない。図９および図１０は、本実施形態に係る集熱器３１０の内部流路３１３の変形例を示す図である。図９および図１０は、例えば図６に示す符号Ｄに対応する部分の内部流路３１３の断面を示している。図９に示す内部流路３１３は、図７に示した矩形孔をその高さ方向に複数の角孔に分割したものに等価である。また、図１０に示す内部流路３１３は、図９に示す角孔を丸孔に置き換えたものである。図１０に示す丸孔は引き抜き成形によって作製することができるため集熱器３１０の製造が容易なものとなる。また、集熱器３１０に係る内部流路３１３を丸孔とした場合、熱交換効率を計算し易いという利点もある。

次に、図１を参照して貯湯槽４００の詳細について説明する。貯湯槽４００は、その高さ方向に複数の温度成層部が形成されている。本実施形態では、貯湯槽４００の槽内における上部から第一温度成層部４１０、第二温度成層部４２０、第三温度成層部４３０、第四温度成層部４４０が形成されており、各温度成層部においては互いに貯留水の温度範囲（温度域）が異なっている。なお、図１に示すように、第四温度成層部４４０は、貯湯槽４００の底部に形成されている。

本実施形態では、第一温度成層部４１０の温度範囲が最も高温で、次に、第二温度成層部４２０の温度範囲が高い。そして、３番目に第三温度成層部４３０の温度範囲が高く、第四温度成層部４４０の温度範囲が最も低い温度に設定されている。このような温度成層は、加熱された水の比重および各層への温水循環による加熱条件等を調整することで形成される。

貯湯槽４００の槽内には、各温度成層部４１０〜４４０間を部分的（一部を除いて）に仕切る仕切り板４５０が設けられている。仕切り板４５０は、各温度成層部４１０〜４４０の境界位置に設けられており、上下に隣接（積層）する温度成層部同士の貯留水が対流
等によって混ざり合うことを抑制するために設置されている。図１に示す例では、仕切り板４５０が千鳥状に配置されている。

図１に示すように、貯湯槽４００の底部（下部）には上水道の水を給水する給水管４０１が接続されている。給水管４０１には給水ポンプ４０２が設けられており、この給水ポンプ４０２が作動することで給水管４０１から貯湯槽４００の第四温度成層部４４０への給水が行われる。また、貯湯槽４００の底部（下部）には、第四温度成層部４４０の温水を外部に出湯するための出湯口（図示せず）が設けられており、この出湯口に第一送り管４０３が接続されている。ここで、第一送り管４０３は、貯湯槽４００に併設された給湯ボイラ６００の給水口（図示せず）に接続されており、この第一送り管４０３を介して第四温度成層部４４０の温水が給湯ボイラ６００に供給される。給湯ボイラ６００は、灯油などの燃料を燃焼させることで水を加熱し、温水（湯）に換える熱源機器である。

更に、給水管４０１は、図１に示すように途中から給水分岐管４０４が分岐しており、給水分岐管４０４が上述した第一送り管４０３に接続されている。給水管４０１には、上水道の水を給水する対象を切り替える切替弁４０５が設けられている。切替弁４０５を、貯湯槽４００側に切り替えると貯湯槽４００の第四温度成層部４４０に上水道の水が供給され、給湯ボイラ６００側に切り替えると給水分岐管４０４を介して給湯ボイラ６００に上水道の水が給水される。

また、給湯ボイラ６００には、燃料の燃焼によって生成した温水を外部に出湯するための出湯口（図示せず）が設けられており、この出湯口に第一戻り管４０６が接続されている。第一戻り管４０６の他端は、貯湯槽４００の第一温度成層部４１０に接続されており、第一戻り管４０６には圧送ポンプ４０７が設けられている。圧送ポンプ４０７を作動させると、第一送り管４０３を経由して貯湯槽４００の第四温度成層部４４０に貯留されていた温水が給湯ボイラ６００に供給され、その温水が給湯ボイラ６００において加熱されると共に、第一戻り管４０６を介して貯湯槽４００の第一温度成層部４１０へと給湯される。本実施形態においては、第一送り管４０３が本発明における供給手段に相当し、第一戻り管４０６が給湯手段に相当する。

また、貯湯槽４００には、例えば給湯器等の給湯負荷７００が併設されている。貯湯槽４００の第一温度成層部４１０と給湯負荷７００とは、循環配管４０８によって接続されており、この循環配管４０８によって第一温度成層部４１０に貯留されている温水が給湯負荷７００に給湯される。循環配管４０８は、送り配管４０８ａと戻り配管４０８ｂとを含み、戻り配管４０８ｂに圧送ポンプ４０９が設けられている。圧送ポンプ４１０が作動すると、送り配管４０８ａによって貯湯槽４００の第一温度成層部４１０に貯留されている温水が給湯負荷７００に供給される。また、給湯負荷７００の不使用時には、給湯負荷７００に給湯された温水は、戻り配管４０８ｂによって再び貯湯槽４００の第一温度成層部４１０に戻される。

次に、太陽熱利用システム１００における熱交換装置５００の詳細について説明する。熱交換装置５００は、第一熱交換器５１０〜第四熱交換器５４０を有している。熱交換装置５００は、第一熱交換器５１０〜第四熱交換器５４０において順次、循環用配管１１０を循環する熱媒（冷却水）の熱を段階的に取得する（奪う）。

図１に示すように、第一熱交換器５１０〜第四熱交換器５４０は、貯湯槽４００の外部に設置されている。第一熱交換器５１０には、第一移送管５１１、第一供給管５１２が接続されており、第一供給管５１２に圧送ポンプ５１３が設置されている。第二熱交換器５２０には、第二移送管５２１、第二供給管５２２が接続されており、第二供給管５２２に圧送ポンプ５２３が設置されている。第三熱交換器５３０には、第三移送管５３１、第三
供給管５３２が接続されており、第三供給管５３２に圧送ポンプ５３３が設置されている。第四熱交換器５４０は、給水管４０１に接続されている。

ここで、第一移送管５１１は貯湯槽４００の第二温度成層部４２０に接続されおり、第一供給管５１２は貯湯槽４００の第一温度成層部４１０に接続されている。第二移送管５２１は貯湯槽４００の第三温度成層部４３０に接続されおり、第二供給管５２２は貯湯槽４００の第二温度成層部４２０に接続されている。第三移送管５３１は貯湯槽４００の第四温度成層部４４０に接続されおり、第三供給管５３２は貯湯槽４００の第三温度成層部４３０に接続されている。

圧送ポンプ５１３が作動すると、貯湯槽４００の第二温度成層部４２０の温水が第一移送管５１１を通じて第一熱交換器５１０に移送され、第一熱交換器５１０において熱媒と熱交換を行った後、第一供給管５１２を通じて貯湯槽４００の第一温度成層部４１０に供給される。また、圧送ポンプ５２３が作動すると、貯湯槽４００の第三温度成層部４３０の温水が第二移送管５２１を通じて第二熱交換器５２０に移送され、第二熱交換器５２０において熱媒と熱交換を行った後、第二供給管５２２を通じて貯湯槽４００の第二温度成層部４２０に供給される。また、圧送ポンプ５３３が作動すると、貯湯槽４００の第四温度成層部４４０の温水が第三移送管５３１を通じて第三熱交換器５３０に移送され、第三熱交換器５３０において熱媒と熱交換を行った後、第三供給管５３２を通じて貯湯槽４００の第三温度成層部４３０に供給される。また、給水ポンプ４０２が作動すると、給水管４０１を通じて第四熱交換器５４０に供給された上水が第四熱交換器５４０において熱媒と熱交換を行った後、貯湯槽４００の第四温度成層部４４０に供給される。

図１に、循環用配管１１０を循環する熱媒（冷却水）の循環方向を矢印にて図示する。循環用配管１１０を循環する熱媒は、集熱ユニット３００（集熱器３１０）→第一熱交換器５１０→第二熱交換器５２０→第三熱交換器５３０→第四熱交換器５４０→集熱ユニット３００（集熱器３１０）→・・・の順に循環する。

ここで、貯湯槽４００の各温度成層部における貯留水の温度範囲は、第一温度成層部４１０が５５℃〜６５℃、第二温度成層部４２０が４５℃〜５５℃、第三温度成層部４３０が３５℃〜４５℃、第四温度成層部４４０が２０℃〜３５℃に設定されている。なお、ここでは便宜上、熱媒分配管３２０の流入口３２１に循環用配管１１０から供給される熱媒の温度を約４０℃とし、熱媒分配管３２０の流出口３２２から循環用配管１１０に排出される熱媒の温度を約８０℃とする。

各集熱器３１０において太陽電池２１０から回収した太陽熱、即ち太陽電池２１０から取得した熱を利用して約８０℃まで加熱された熱媒は、貯湯槽４００の第二温度成層部４２０から採取された４５℃〜５５℃の温水と第一熱交換器５１０において熱交換を行う。その結果、第二温度成層部４２０から採取された温水の温度が約６５℃まで上昇し、一方、熱媒の温度が約７０℃まで低下する。約７０℃まで冷却された熱媒は続いて循環用配管１１０によって第二熱交換器５２０に移送される。一方、第一熱交換器５１０において約６５℃まで加熱された温水は第一温度成層部４１０に移送され、第一温度成層部４１０に貯留される。

第二熱交換器５２０に移送された約７０℃の熱媒は、貯湯槽４００の第三温度成層部４３０から移送された３５℃〜４５℃の温水と第二熱交換器５２０において熱交換を行う。その結果、第三温度成層部４３０から移送された温水の温度が約５５℃まで上昇し、一方、熱媒の温度が約６０℃まで低下する。約６０℃まで冷却された熱媒は続いて循環用配管１１０によって第三熱交換器５３０に移送される。一方、第二熱交換器５２０において約５５℃まで加熱された温水は第二温度成層部４２０に移送され、第二温度成層部４２０に
貯留される。

第三熱交換器５３０に移送された約６０℃の熱媒は、貯湯槽４００の第四温度成層部４４０から移送された２５℃〜３５℃の温水と第三熱交換器５３０において熱交換を行う。その結果、第四温度成層部４４０から移送された温水の温度が約４５℃まで上昇し、一方、熱媒の温度が約５０℃まで低下する。約５０℃まで冷却された熱媒は続いて循環用配管１１０によって第四熱交換器５４０に移送される。一方、第三熱交換器５３０において約４５℃まで加熱された温水は第三温度成層部４３０に移送され、第三温度成層部４３０に貯留される。

第四熱交換器５４０に移送された約５０℃の熱媒は、給水管４０１によって第四熱交換器５４０に供給される上水と熱交換を行う。その結果、給水管４０１によって第四熱交換器５４０に供給された上水の温度が約３５℃まで上昇する。一方、熱媒は、第四熱交換器５４０において約４０℃まで温度が低下した後、循環用配管１１０によって集熱ユニット３００（集熱器３１０）に移送される。また、第四熱交換器５４０において約３５℃まで加熱された温水は第四温度成層部４３０に移送され、第四温度成層部４３０に貯留される。なお、上水の温度は、冬季１０℃以下、夏季に２５℃以上と季節によって変化する（通年平均として一般に２０℃が設計水温として使用される）。また、晴天時と雨天時とでは、太陽電池２１０の受熱量が異なるため、各熱交換器５１０〜５４０において熱交換を行った後の水温も異なる温度になる。例えば、第四熱交換器５４０において熱媒との熱交換を行った後に貯湯槽４００の第四温度成層部４４０に供給される水の温度は、晴天時に３５℃程度、雨天時に２０℃程度となる場合がある。

以上のように、本実施形態に係る太陽熱利用システム１００において、熱交換装置５００は、循環用配管１１０を循環する熱媒（冷却水）を、温度範囲が相対的に高温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換した後の熱媒を、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水と順次熱交換させる。これにより、貯留水の温度範囲が相互に異なる複数の温度成層を貯湯槽４００の高さ方向に形成しつつ、循環用配管１１０を循環する熱媒を十分に冷却することができる。従って、集熱ユニット３００において、太陽電池２１０を効率的に冷却することができ、太陽電池２１０の発電効率を高く維持することができる。また、上記構造の貯湯槽４００によれば、複数の温度成層部４１０〜４４０が形成されているため、要求される温度レベルが異なる熱需要に所望の温度の温水を供給することができる。

本実施形態の貯湯槽４００においては、第一温度成層部４１０に貯留されている高温（５５℃〜６５℃）の温水を給湯負荷７００に供給することで、太陽熱を利活用することができる。また、貯湯槽４００に併設されている給湯ボイラ６００には、第四温度成層部４３０に貯留されている比較的低温（２０℃〜３５℃）の温水が供給され、この温水が給湯ボイラ６００において加熱された後、第一温度成層部４１０に移送される。第一温度成層部４１０への給湯ボイラ６００による給湯は、例えば、第一温度成層部４１０から給湯負荷７００への給湯が行われることで第一温度成層部４１０の温度が低下した場合や、曇天や雨天時のように太陽熱の回収量が少ない場合に行われ、給湯ボイラ６００からの給湯によって熱需要に対応する。その際、本実施形態では、給湯ボイラ６００に、上水の温度よりも高い２０℃〜３５℃の温水を供給することができる。つまり、給湯ボイラ６００への給水を予熱した形で供給できる。ここで、給湯ボイラ６００への給水温度が高いほど、給湯ボイラ６００における燃料の消費量を少なくすることができる。従って、上水を直接給湯ボイラ６００に供給する場合に比べて、給湯ボイラ６００の加熱負荷を低減することができる。

また、本実施形態の太陽熱利用システム１００によれば、上記のように太陽電池２１０
からの排熱として太陽電池２１０からから熱を奪う集熱器３１０の伝熱面積を十分確保することができる。そのため、太陽電池２１０から熱を奪う前後における熱媒の温度差が大きく、しかも小型の集熱器３１０を提供することができる。

また、本実施形態の貯湯槽４００においては、各温度成層部４１０〜４４０の境界位置に仕切り板４５０が設置されているため、上下に隣接する温度成層部同士（第一温度成層部４１０と第二温度成層部４２０、第二温度成層部４２０と第三温度成層部４３０、第三温度成層部４３０と第四温度成層部４４０）の貯留水が対流等によって互いに混ざり合うことを抑制できる。従って、貯湯槽４００の高さが比較的小さくても、貯留水の温度範囲が相互に異なる温度成層部を好適に形成することができる。つまり、小容量でも温度成層の形成が可能な小型貯湯槽を提供できるという利点もある。

なお、本実施形態に係る貯湯槽４００は、第一熱交換器５１０に接続される第一供給管５１２が、第二温度成層部４２０側から第一温度成層部４１０側に向かって仕切り板４５０を貫通している。また、第二熱交換器５２０に接続される第二供給管５２２が、第三温度成層部４３０側から第二温度成層部４２０側に向かって仕切り板４５０を貫通している。また、第三熱交換器５３０に接続される第三供給管５３２が、第四温度成層部４４０側から第三温度成層部４３０側に向かって仕切り板４５０を貫通している。上記構造によれば、隣接する温度成層部同士における貯留水の混ざり合いを、より一段と起こりにくくすることが可能となる。また、本実施形態の熱交換装置５００によれば、熱交換器５１０〜５４０毎に、熱交換後の水を貯湯槽４００内に移送するための駆動源であるポンプを設けるようにしたので小型のポンプを適用することができる。これにより、ポンプの吐出流量を小さく調整することが容易になり、隣接する温度成層部同士における貯留水の混ざり合いを起こりにくくすることができる。

更に、本実施形態に係る熱交換装置５００は、貯湯槽４００の外部に設置される第一熱交換器５１０〜第四熱交換器５４０を含み、これらを用いて貯湯槽４００に貯留されている貯留水と循環用配管１１０を循環する熱媒とを順次熱交換する構成を採用した。このように、貯留水および熱媒に熱交換を行わせる熱交換器をいわゆる「外付け構造」とすることで、熱交換器の運用変更、交換熱量の変更に対してフレキシブルに対応できるという利点があり、また、設計容易性も優れるという利点もある。

また、上記のように循環用配管１１０を循環する熱媒から熱を取得する熱交換器を外付け構造とすることで、既存の貯湯槽を改造して本実施形態に係る貯湯槽４０を容易に製作できるという利点もある。例えば、電力負荷と熱負荷が既知の既存設備に太陽光発電システム２００と太陽熱利用システム１００とを追加する場合を考える。この場合、太陽光発電・太陽熱利用システムの容量設計において、最大電力（ｋW）、月平均電力（ｋW）、消費熱量、熱需要の形態種別（蒸気、温水、冷水等）が明確であり、最適な設備設計が可能となる。なお、月平均電力は、毎月の使用電力量（ｋWh/月）を運転時間ｈ/月で割った値である。

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において上記した実施形態には種々の変更を加えてもよい。例えば、図１に示す構成では、貯湯槽４００に給湯ボイラ６００を併設しているが、給湯ボイラ６００に代えて例えばヒートポンプ等、他の加熱装置を併設してもよい。貯湯槽４００における蓄熱を、太陽熱を利活用する側の形態種別（蒸気、温水、冷水等）に適合する熱源（例えば、ボイラ、高温ヒートポンプ、吸収・吸着冷凍機等）で変換することで、種々の熱需要を満たすことができる。なお、本実施形態における貯湯槽４００は密閉型の貯湯槽としているが、開放型の貯湯槽であってもよい。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について説明する。図１１は、実施形態２に係る太陽熱利用システム１００Ａの概略構成を示す図である。本実施形態に係る太陽熱利用システム１００Ａのうち、実施形態１に係る太陽熱利用システム１００と共通する構成については同じ符号を付すことで詳しい説明を省略する。太陽熱利用システム１００Ａの貯湯槽４００Ａは、実施形態１と同様に、上部から第一温度成層部４１０、第二温度成層部４２０、第三温度成層部４３０、第四温度成層部４４０が形成された温度成層型の貯湯槽である。また、貯湯槽４００Ａの内部には、各温度成層部４１０〜４４０間を部分的に遮断することで仕切る仕切り板４５０が設けられている。

本実施形態における熱交換装置は、貯湯槽４００Ａの内部に配置されたコイル状のコイル管５００Ａとして構成されている。コイル管５００Ａの上端および下端はそれぞれ、貯湯槽４００Ａの上面および底面を貫通して循環用配管１１０と接続されている。コイル管５００Ａは、貯湯槽４００の高さ方向に沿って配置されており、具体的には第一温度成層部４１０、第二温度成層部４２０、第三温度成層部４３０、第四温度成層部４４０を縦断するように配置されている。コイル管５００Ａのうち、貯湯槽４００の第一温度成層部４１０、第二温度成層部４２０、第三温度成層部４３０、第四温度成層部４４０の各領域に配置される部分をそれぞれ第一コイル部５１０Ａ、第二コイル部５２０Ａ、第三コイル部５３０Ａ、第四コイル部５４０Ａと呼ぶ。

図１１に、循環用配管１１０を循環する熱媒（冷却水）の循環方向を矢印にて図示する。集熱ユニット３００（集熱器３１０）から循環用配管１１０に流出した熱媒は、循環用配管１１０を経由してコイル管５００Ａに供給される。コイル管５００Ａに供給された熱媒は、貯湯槽４００Ａの上部から底部に向かって、即ち第一コイル部５１０Ａ、第二コイル部５２０Ａ、第三コイル部５３０Ａ、第四コイル部５４０Ａをこれらの順に通過する。そして、コイル管５００Ａの内部を熱媒が流れる際、コイル管５００Ａの外側における貯留水と熱媒の間で熱交換が行われる。つまり、循環用配管１１０を循環する熱媒の熱が貯湯槽４００Ａの貯留水に奪われる結果、熱媒が冷却されると共に貯留水が加熱される。

より詳しくは、コイル管５００Ａに供給された熱媒は、まず、第一コイル部５１０Ａを流れる際に第一温度成層部４１０に貯留されている貯留水と熱交換を行う。そして、第一コイル部５１０Ａにおいて第一温度成層部４１０に貯留されている貯留水と熱交換をした後の熱媒が、次に、第二コイル部５２０Ａに移送され、第二温度成層部４２０に貯留されている貯留水との間で熱交換を行う。そして、第二コイル部５２０Ａにおいて第二温度成層部４２０に貯留されている貯留水と熱交換をした後の熱媒が第三コイル部５３０Ａに移送され、第三温度成層部４３０に貯留されている貯留水との間で熱交換を行う。そして、第三コイル部５３０Ａにおいて第三温度成層部４３０に貯留されている貯留水と熱交換をした後の熱媒が第四コイル部５４０Ａに移送され、第四温度成層部４４０に貯留されている貯留水と熱交換を行う。

以上のように、本実施形態におけるコイル管５００Ａにおいても、温度範囲が相対的に高温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させた後の熱媒を、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させるように構成されている。より具体的には、貯湯槽４００Ａにおける温度成層部４１０〜４４０のうち、貯留される貯留水の温度範囲が高い温度成層部から順に、コイル管５００Ａを流れる熱媒と貯留水とを熱交換を行うように構成されている。これによれば、実施形態１に係る貯湯槽４００と同様、貯留水の温度範囲が相互に異なる複数の温度成層を貯湯槽４００Ａの高さ方向に形成することで要求される温度レベルが異なる熱需要に幅広く太陽熱を利活用させることができる。しかも、循環用配管１１０を循環する熱媒を十分に冷却することができるため、集熱ユニット３００において太陽電池２１０を効率的に冷却することができ、太陽電池２１０の発電効率を高く維持することができる。

以上、実施形態に沿って本件に係る太陽熱利用システムについて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。また、上記実施形態について、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者にとって自明である。

１００・・・太陽熱利用システム
１１０・・・循環用配管
１２０・・・循環ポンプ
２００・・・太陽光発電装置
２１０・・・太陽電池
２２０・・・集光ミラー
３００・・・集熱ユニット
３１０・・・集熱器
３１３・・・内部流路
３２０・・・熱媒分配管
４００・・・貯湯槽
４１０、４２０、４３０、４４０・・・温度成層部
４５０・・・仕切り板
５００・・・熱交換装置
５１０、５２０、５３０、５４０・・・熱交換器
６００・・・給湯ボイラ
７００・・・給湯負荷

Claims

熱媒が循環する循環路と、
前記循環路に接続され、太陽電池から得た熱を利用して前記熱媒を加熱する集熱器と、
前記熱媒と熱交換するための水を貯留すると共に、貯留水の温度範囲が相互に異なる複数の温度成層部が内部に形成される温度成層型の貯湯槽と、
前記循環路に接続され、前記集熱器において加熱された前記熱媒と前記貯留水との間で熱交換させることで該貯留水を温める熱交換装置と、
を備え、
前記熱交換装置は、前記貯湯槽の外部に設置される熱交換器と、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水を前記熱交換器に移送する移送管と、前記熱交換器において前記熱媒と熱交換した後の貯留水を温度範囲が相対的に高温の温度成層部に供給する供給管と、を含み、温度範囲が相対的に高温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させた後の前記熱媒を、温度範囲が相対的に低温の温度成層部に貯留されている貯留水と熱交換させることを特徴とする太陽熱利用システム。
前記貯湯槽に上水を供給する給水管を備え、
前記給水管は、前記熱交換器に接続されており、
前記給水管を通じて前記熱交換器に供給された前記上水が該熱交換器において前記熱媒と熱交換した後、前記貯湯槽において温度範囲が最も低い前記温度成層部に供給される、
請求項１に記載の太陽熱利用システム。
前記貯湯槽は、隣接する前記温度成層部の境界を部分的に仕切る仕切り部材を有することを特徴とする
請求項１又は２に記載の太陽熱利用システム。
前記集熱器の内部には前記熱媒を流す内部流路が形成されており、
前記内部流路は、互いに並列配置されると共に蛇行状の平面パターンで配置された複数の孔を含んでいることを特徴とする
請求項１から３の何れか一項に記載の太陽熱利用システム。
前記貯湯槽に併設されるボイラと、
前記貯湯槽において、温度範囲が最も低い前記温度成層部に貯留されている貯留水を前記ボイラに供給する供給手段と、
前記ボイラで加熱した後の貯留水を、温度範囲が最も高い前記温度成層部に給湯する給湯手段と、
を備えることを特徴とする
請求項１から４の何れか一項に記載の太陽熱利用システム。