JPH07269959A - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 定常運転時のポンプ動力源を太陽電池とする
太陽熱集熱装置で、動力源にかかる費用を低減する。 【構成】 太陽熱によって流体を加熱する集熱器１と、
集熱器１に接続されて前記流体を通過させる循環配管５
と、該配管５に接続され前記流体を貯溜する流体槽２
と、流体槽２と集熱器１とを高揚程ポンプ７と低揚程ポ
ンプ８を介して接続して前記流体を通過させるポンプ配
管６と、低揚程ポンプ８の動力源をなす太陽電池３と、
高揚程ポンプ７の動力源をなす商用交流電源１１とを含
んで太陽熱集熱装置を構成し、循環配管５の流体槽２へ
の接続部に配置されて循環配管５内の流れの有無を検知
するフロースイッチ１３Ａと、フロースイッチ１３Ａの
出力に基づいて太陽電池３と商用交流電源のいずれか一
方のみを対応するポンプに接続する切り替えスイッチ１
３とを設けた。 【効果】 太陽電池は低揚程のポンプのみを駆動するの
で小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽熱集熱装置に係
り、特に太陽熱を集熱する流体を循環させる循環ポンプ
の動力源として太陽電池を使用する太陽熱集熱装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】太陽熱を集熱する熱媒体を循環させるポ
ンプの動力源として太陽電池を使用する太陽熱集熱装置
として、特開昭５９−１８０２３８号公報に記載のもの
がある。図５は上記公報に記載された装置の構成を示
し、集熱器１において集熱する熱媒体はポンプＰに駆動
されて、蓄熱槽２と前記集熱器１の間を循環する。ポン
プＰの動力源として二次電池４と太陽電池３とが配置さ
れ、ポンプＰの起動時には二次電池４と太陽電池３とが
並列接続されてポンプＰに結合され、起動からあらかじ
め設定された時間が経過したら二次電池４が切り離され
るようになっている。

【０００３】太陽熱集熱装置の配管は屋根上等の外気に
曝される場所に配置されることが多いため、寒冷時の夜
間には配管中の熱媒体の凍結を避けるために熱媒体を蓄
熱槽内に回収して配管を空にし、集熱時にポンプにより
熱媒体を配管に満たして循環させるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなシステムに
おいては、ポンプは空の配管に熱媒体を満たすために、
システムの配管高さ、つまり、ポンプの位置から熱媒体
が循環する最高の位置までの高さよりも十分高い締切り
揚程を必要とする。通常、約５〜７ｍの締切り揚程が必
要となる。一方、ポンプが起動され、熱媒体が配管内を
満たして循環し始めると、ポンプに要求される揚程は、
１ｍ弱になるため、ポンプ起動時にくらべ、かなり小さ
な能力（消費電力）のポンプで熱媒体を循環させること
が可能となる。すなわち、起動時と定常運転時では、ポ
ンプに要求される揚程の差が大きく、また一般にポンプ
の起動時には定格電流の２〜３倍の電流が必要とされ
る。この差をカバーするために、前記公報記載の装置で
は、起動時に電力を追加するための二次電池４を設けて
太陽電池３に並列に接続して動力源とし、定常運転状態
では、太陽電池３のみを動力源とする運転が行われる。

【０００５】すなわち、上記従来技術の装置では、高い
揚程のポンプを使用するために、定常運転時に動力源と
なる太陽電池としても容量の大きい、すなわち面積の大
きいものが必要となるのみならず、起動時の電力追加の
ために二次電池が必要であり、コストの増加を招いてい
た。

【０００６】本発明の課題は、定常運転時のポンプ動力
源を太陽電池とする太陽熱集熱装置において、動力源に
かかる費用を低減するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、太陽熱に
よって流体を加熱する集熱器と、該集熱器に接続されて
前記流体を通過させる配管と、該配管に接続され前記流
体を貯溜する流体槽と、該流体槽と前記集熱器とを循環
ポンプを介して接続し前記流体を通過させるポンプ配管
と、前記循環ポンプの動力源をなす太陽電池と、前記循
環ポンプの補助動力源とを含んでなる太陽熱集熱装置に
おいて、前記循環ポンプは２台のポンプからなり、前記
太陽電池は締切り揚程の低いポンプに、前記補助動力源
は締切り揚程の高いポンプに、それぞれ接続され、前記
補助動力源は商用交流電源であり、前記太陽電池と前記
補助動力源のいずれか一方のみから電力を供給する切り
替え手段が設けられていることを特徴とする太陽熱集熱
装置によって達成される。

【０００８】前記循環ポンプを構成する２台のポンプ
は、互いに並列に接続された方が好ましいが、直列に接
続してもよい。

【０００９】電力供給の切り替え手段は、循環配管に流
体が充満したことを検知して切り替え信号を出力する検
出手段や、ポンプ起動後の経過時間をカウントしてあら
かじめ設定された時間後に切り替え信号を出力するタイ
マーを含んで構成し、切り替え信号に基づいて補助動力
源から太陽電池に切り替えるように動作させる。

【００１０】

【作用】循環配管が空になっている循環ポンプ起動時に
は、太陽電池に接続されている締切り揚程の低いポンプ
には電力は供給されず、締切り揚程の大きいポンプに商
用交流電源から電力が供給される。したがって、循環配
管に流体を満たすのに必要な高い圧力の流体が締切り揚
程の大きいポンプから送り出される。循環配管に流体が
充満すると、起動時点での高い揚程は不要になり、ポン
プに電力を供給する電力源は、補助動力源から太陽電池
に切り替えられ、流体を駆動するポンプは締切り揚程の
高いポンプから締切り揚程の低いポンプに変わる。

【００１１】２台のポンプが互いに並列に接続されてい
る場合、流体は常にいずれか一方のポンプのみを流れる
が、２台のポンプが直列に接続されている場合、流体は
運転されているポンプに駆動されて停止しているポンプ
を通って流れることになる。

【００１２】循環配管に流体が充満したことを検知して
切り替え信号を出力する検出手段や、ポンプ起動後の経
過時間をカウントしてあらかじめ設定された時間後に切
り替え信号を出力するタイマーを設ければ、締切り揚程
の高いポンプから締切り揚程の低いポンプに自動的に切
り替えることができる。

【００１３】

【実施例】図１乃至図３を参照して本発明の第１に実施
例を説明する。図１に示す実施例は、太陽熱によって流
体を加熱する集熱器１と、該集熱器に接続されて前記流
体を通過させる循環配管５と、該循環配管５に接続され
前記流体を貯溜する流体槽２と、該流体槽２と前記集熱
器１とを循環ポンプ７，８を介して接続し前記流体を通
過させるポンプ配管６と、前記循環配管が流体槽２に接
続された個所に配置されたフロースイッチ１３Ａと、図
示されていない太陽電池３とを含んで構成されている。
流体槽２は、集熱器１，循環配管５、及びポンプ配管６
内の流体が当該流体槽２内に回収された状態（ポンプ配
管６内の液面と流体槽２内の液面が同じ高さ）で自由液
面を有し、集熱器１，循環配管５、及びポンプ配管６内
に流体が充満された状態で流体槽２内の液面とフロース
イッチ１３Ａの間隔が１ｍ弱になる大きさにしてある。
本実施例では流体は水である。

【００１４】循環ポンプは、締切り揚程が約１０ｍの高
揚程ポンプ７と、締切り揚程が約１ｍの低揚程ポンプ８
が互いに並列に接続されて構成され、高揚程ポンプ７の
出口には逆止弁９が、低揚程ポンプ８の出口には逆止弁
１０が、それぞれ配置されている。逆止弁９，１０の下
流側で二つの逆止弁に接続された配管が一つに合流して
集熱器１に接続されている。高揚程ポンプ７も、低揚程
ポンプ８も、渦巻ポンプである。

【００１５】図４に前記高揚程ポンプ７と低揚程ポンプ
８の制御系統図を示す。高揚程ポンプ７には主スイッチ
１４を介して補助動力源であるＡＣ１００Ｖの商用交流
電源１１が接続され、低揚程ポンプ８には同様に前記主
スイッチ１４を介して太陽電池３が接続されている。商
用交流電源１１と高揚程ポンプ７を接続する電源線１５
と、太陽電池３と低揚程ポンプ８を接続する電源線１６
には、切り替え手段として、連動して動作する切り替え
スイッチ１３が介装されており、該切り替えスイッチは
商用交流電源１１と高揚程ポンプ７もしくは太陽電池３
と低揚程ポンプ８のいずれか一方のみを接続するように
なっている。また、切り替えスイッチ１３は図示されな
いリレーで作動され、該リレーの非励磁で図示の接続状
態になり、励磁で太陽電池３が低揚程ポンプ８に接続さ
れ商用交流電源１１と高揚程ポンプ７の接続が断たれる
ようになっている。そして、前記フロースイッチ１３Ａ
が出力する切り替え信号で前記リレーが励磁状態になる
ようにしてある。つまり、切り替え手段は、切り替えス
イッチ１３、フロースイッチ１３Ａ及び図示されていな
いリレーを含んで構成されている。フロースイッチ１３
Ａは流体の流れを検出したら信号（切り替え信号）を出
力する。

【００１６】電源線１６に、低揚程ポンプ８と並列に接
続されたコンデンサ１２は、低揚程ポンプ８の起動時の
電流を補充するためのもので、切り替えスイッチ１３が
動作して太陽電池３が低揚程ポンプに接続されたとき、
ポンプに流れる電流を一時的に貯めて起動時に必要な電
流を補充する。

【００１７】以下、上記構成の装置の動作を説明する。
二つのポンプがいずれも停止しているとする。二つのポ
ンプが停止している状態では循環配管５のフロースイッ
チ１３Ａの位置では配管内には流体はなく、フロースイ
ッチ１３Ａは切り替え信号を出力していない。したがっ
て切り替えスイッチ１３は図示の状態になっている。ま
た、主スイッチ１４もオフとなっている。この状態で太
陽熱集熱装置全体の制御部（図示省略）から起動信号が
出されると、この起動信号により、主スイッチ１４が投
入され、高揚程ポンプ７に商用交流電源１１から電力が
供給される。この電力により高揚程ポンプ７が回転し、
流体槽２内の流体が該ポンプ７により、ポンプ配管６、
集熱器１及び循環配管５に順次送りこまれる。

【００１８】循環配管５の下端、フロースイッチ１３Ａ
の設置部まで流体がながれてくると、フロースイッチ１
３Ａがその流れを検出し、切り替え信号を出力する。こ
の状態では、ポンプの出側はポンプから集熱器を含む配
管系統の最高位置まで及び該最高位置からフロースイッ
チ１３Ａの設置部まで流体が満たされ、吸い込み側には
流体槽２内の液面高さの押し込み圧がかかる。つまり、
配管系統の最高位置からフロースイッチ１３Ａの設置部
までの高さは、ポンプに対して吐出揚程を差し引くよう
に働くから、この状態での実質的な必要揚程は、フロー
スイッチ１３Ａの設置部から流体槽２内の液面位置まで
の高さとなる。もちろん配管中の摩擦による圧力ロスは
あるが、この場合相対的には無視できる。

【００１９】さて、この切り替え信号によって図示され
ていないリレーが励磁される。この励磁により、切り替
えスイッチ１３が動作し、商用交流電源１１と高揚程ポ
ンプ７の接続が断たれて高揚程ポンプ７が停止するが、
太陽電池３が低揚程ポンプ８に接続されて流体の循環は
維持される。

【００２０】この状態で前記制御部から停止信号が出さ
れると、主スイッチ１４がオフとなり、低揚程ポンプ８
は停止し、循環配管５内の流体が流体槽２内に流れ落
ち、フロースイッチ設置部の管内が空になる。その結
果、フロースイッチ１３Ａから切り替え信号が出力され
なくなり、切り替えスイッチ１３を駆動するリレーが非
励磁となって切り替えスイッチ１３は図４に示された状
態に復帰する。但しこの状態では、主スイッチ１４がオ
フとなっているので、いずれのポンプも運転されない。

【００２１】低揚程ポンプ８は、締切り揚程が１ｍ弱で
あるため、従来技術におけるポンプ（締切り揚程が５〜
７ｍのポンプ）の半分以下の能力（消費電力）で運転が
可能である。つまり、１日を通して運転されるポンプ
（本実施例における低揚程ポンプ８）の能力が流体の循
環開始時に使用されるポンプの半分以下であることによ
り、ポンプの駆動に必要な太陽電池の面積も半分以下で
よく、設備全体の小型化、コストの低減が可能となる。
また、循環開始用の高揚程ポンプと定常運転用の低揚程
ポンプの２台を設けねばならないが、循環開始時に要求
される補助動力源として商用の交流電源を用いたので、
インバータや二次電池等の余分の設備が不要であり、そ
れらの保守も必要なくなってシステム全体として簡略化
された。

【００２２】図２に本発明の第２の実施例を示す。本実
施例は、上記第１の実施例における逆止弁９，１０を除
き、その代わりに、図２に示すように、高揚程ポンプ７
と低揚程ポンプ８の上流側のポンプ配管６の分岐部に三
方弁１７を設けたものである。三方弁１７は、前記切り
替えスイッチ１３によるポンプの切り替えに連動してそ
の出側が高揚程ポンプ７と低揚程ポンプ８のいずれかに
接続されるように構成された電磁弁である。本実施例に
よれば、ポンプ出側に逆止弁がないので、ポンプが停止
すると、ポンプ配管６内の流体は容易に流体槽２に還流
し、ポンプ配管中の流体を流体槽２に回収するのが容易
である他、逆止弁による圧力損がないので低揚程ポンプ
の能力を小さくできる。

【００２３】図３に本発明の第３の実施例を示す。第３
の実施例は、高揚程ポンプ７の吐出側が低揚程ポンプ８
の吸い込み側になるように、これら二つのポンプを直列
に接続したものである。本実施例においては、高揚程ポ
ンプ７の運転中は、該高揚程ポンプ７で加圧された流体
は停止している低揚程ポンプの羽根の間を通過して流
れ、逆に低揚程ポンプの運転中は、流体は高揚程ポンプ
７の羽根の間を通過して低揚程ポンプ８に吸い込まれ
る。本実施例によれば、ふたつのポンプが直列に配置さ
れるので狭い場所にポンプを配置することができ、装置
としての所要設置面積を小さくできる。ポンプ以外の構
成要素は前記第１の実施例と同じである。

【００２４】上記第１〜第３の実施例では、切り替え手
段の一部としてフロースイッチ１３Ａが用いられている
が、フロースイッチ１３Ａに代えて、高揚程ポンプ７起
動後の経過時間をカウントするタイマーを設け、所定の
時間が経過した時点で該タイマーから切り替え信号を出
力するようにしてもよい。但し、タイマーとすることに
よりシステムは簡略化されるが、実際に管内に流体が満
たされているかどうかには無関係に所定の時間が経過し
たら切り替え信号が出力されるので、なんらかの理由で
管内に流体が満たされないまま低揚程ポンプに切り替え
られると、低揚程ポンプに過負荷がかかる場合がある。
フロースイッチは実際にそこに流体の流れが生じて初め
て切り替え信号を出力するので、低揚程ポンプに過大な
揚程が要求されて過負荷が加わる恐れが少ない。

【００２５】また、流体の流れを検出するフロースイッ
チでなく、単に流体の有無を検知する流体センサを用い
ても同様な効果は期待できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、太陽電池を、定常運転
状態で要求される低揚程のポンプを運転するのに要する
大きさにすることができ、システム全体としてのコスト
を低減する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の要部構成を示す系統図
である。

【図２】本発明の第２の実施例の要部構成を示す系統図
である。

【図３】本発明の第３の実施例の要部構成を示す系統図
である。

【図４】本発明の第１の実施例のポンプの制御システム
を示す系統図である。

【図５】従来技術の例を示す系統図である。

【符号の説明】

１ 集熱器 ２ 流体槽 ３ 太陽電池 ４ 二次電池 ５ 循環配管 ６ ポンプ配管 ７ 高揚程ポンプ ８ 低揚程ポン
プ ９ 逆止弁 １０ 逆止弁 １１ 商用交流電源 １２ コンデン
サ １３ 切り替えスイッチ １３Ａ フロー
スイッチ １４ 主スイッチ １５ 電源線 １６ 電源線 １７ 三方弁

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽熱によって流体を加熱する集熱器
   と、該集熱器に接続されて前記流体を通過させる循環配
   管と、該循環配管に接続され前記流体を貯溜する流体槽
   と、該流体槽と前記集熱器とを循環ポンプを介して接続
   し前記流体を通過させるポンプ配管と、前記循環ポンプ
   の動力源をなす太陽電池と、前記循環ポンプの補助動力
   源とを含んでなる太陽熱集熱装置において、前記循環ポ
   ンプは締切り揚程の異なる２台のポンプからなり、前記
   太陽電池は締切り揚程の低いポンプに、前記補助動力源
   は締切り揚程の高いポンプに、それぞれ接続され、前記
   補助動力源は商用交流電源であり、前記太陽電池と前記
   補助動力源のいずれか一方のみから電力を供給する切り
   替え手段が設けられていることを特徴とする太陽熱集熱
   装置。
2. 【請求項２】 ２台のポンプが互いに並列に接続されて
   いることを特徴とする請求項１記載の太陽熱集熱装置。
3. 【請求項３】 ２台のポンプが直列に接続されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の太陽熱集熱装置。
4. 【請求項４】 切り替え手段が、前記循環配管が前記流
   体で満たされたことを検知して切り替え信号を出力する
   検出手段を含んでなり、該切り替え信号が出力されたと
   き、補助動力源からの電力供給から太陽電池からの電力
   供給に切り替えるように構成されていることを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。
5. 【請求項５】 切り替え手段が、前記締切り揚程の高い
   ポンプ起動後の経過時間をカウントし、あらかじめ設定
   された時間後に切り替え信号を出力するタイマーを含ん
   でなり、該切り替え信号が出力されたとき、補助動力源
   からの電力供給から太陽電池からの電力供給に切り替え
   るように構成されていることを特徴とする請求項１乃至
   ３のいずれかに記載の太陽熱集熱装置。