JP2012202645A

JP2012202645A - 太陽熱蓄熱システム

Info

Publication number: JP2012202645A
Application number: JP2011069215A
Authority: JP
Inventors: Katsura Nanbu; 桂南部; Hiroaki Kurihara; 裕明栗原; Tatsuo Nakayama; 達雄中山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】電力を使うことなく、季節によって変化する蓄熱量に合わせてケミカルヒートポンプの蓄熱完了を検知して自動的に開閉バルブを閉操作することを目的とする。
【解決手段】太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材５を収納する反応器１と、化学蓄熱材５から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器２と、反応器１と凝縮器２とを接続し気体成分を導通する接続管３と、接続管の導通を開閉する開閉バルブ４とから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を所定の保持強度で支持する支持手段７と、蓄熱の進行に応じて凝縮器２に近い位置に太陽熱集熱器の重心が移動して支持手段７にかかる応力が所定の保持強度を超えた際に太陽熱集熱器の傾きが変化することにより開閉バルブ４を閉鎖する閉鎖手段９とからなり、日射量の多い季節では少ない季節よりも閉鎖手段９の作動タイミングが早くなるように支持手段７の保持強度を調整するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学蓄熱材を用いて太陽熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システムに関するものである。

ガスや電気のインフラが整っていない地域では練炭や薪が調理および暖房燃料として使われていて、その熱効率の悪さや燃料となる樹木の伐採が問題になっている。そうした問題を解決するために太陽熱を集光して加熱利用する太陽熱調理器の導入が図られたが、早朝や夕方の調理や夜間の暖房に用いることができないため必ずしも導入量は多くない。太陽熱を一般家庭需要に用いる上では、日照時間帯から熱利用時間帯まで蓄熱することが技術的に必要である。

特許文献１や特許文献２などに示されるケミカルヒートポンプは、放熱ロスがない点および熱利用の際に冷熱が同時に得られる点において有望な技術である。図５は従来技術によるケミカルヒートポンプの一例を示す。反応器１と凝縮器２は接続管３で接続され気密に構成されて内部は数ｋＰａオーダーの低圧に保たれる。接続管３の途中に設けられた開閉バルブ４は接続管３の開閉をおこなう。反応器１の中には硫酸カルシウム１／２水和物などの化学蓄熱材５が収納される。反応器１は太陽熱などにより加熱されて、化学蓄熱材５は反応式（１）により脱水蓄熱する。

ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ_１→ＣａＳＯ_４＋１／２Ｈ_２Ｏ（ｇ）・・・（１）
ただし、Ｑ_１は加熱量
気化した水蒸気は凝縮器２で冷却液化される。気圧差により水蒸気の移動は連続しておこり、凝縮器２内に貯留される。反応器１からの水蒸気発生が低下した時点で開閉バルブ４が閉じられる。熱利用時は、開閉バルブ４を開けた状態で凝縮器２から水蒸気が発生して反応器１内の無水化した化学蓄熱材５と反応式（２）により水和発熱する。

ＣａＳＯ_４＋１／２Ｈ_２Ｏ（ｇ）→ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ_２・・・（２）
ただし、Ｑ_２は発熱量

特開２００８−１１１５９２号公報特開２００９−０１９８６６号公報

上記前述の技術を太陽熱の蓄熱用途に利用する際は、開閉バルブ４を閉じるタイミングを正しく判定して閉じる操作をおこなう点に困難がある。蓄熱過程が完了するまでに通常数時間要し、かつ完了のタイミングは季節によって異なり、かつ使用日の気温や全天日射量、風速により左右される。太陽の南中時間後に、開閉バルブを閉じるタイミングを大きく過ぎると反応式（２）による発熱反応が発生して蓄熱量が低下してしまう。

加えて、使用者は数時間に及ぶ蓄熱過程中、太陽熱集熱装置の近辺にとどまるとは限らないため、蓄熱完了のタイミングが検知できたとしても開閉バルブ４を閉じる操作をタイミングにあわせておこなうことにも課題がある。

電力を使うことなく、季節によって変化する蓄熱量に合わせてケミカルヒートポンプの蓄熱完了を検知して自動的に開閉バルブを閉操作することを目的とする。

本発明の太陽熱蓄熱システムは、太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を所定の保持強度で支持する支持手段と、蓄熱の進行に応じて前記支持手段を支点に前記凝縮器側の重量が増加して前記支持手段にかかる応力が前記所定の保持強度を超えた際に前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、日射量の多い季節では少ない季節よりも前記閉鎖手段の作動タイミングが早くなるように前記支持手段の保持強度を調整するようにしたものである。

その結果、季節によって変化する太陽熱の蓄熱量に合わせて蓄熱完了を検知して自動的に開閉バルブを閉操作することができる。逆反応発生による損失を防止して目的の蓄熱量を確保することができる。

本発明の実施の形態１における太陽熱蓄熱システムの断面図本発明の実施の形態１における太陽熱蓄熱システムの見取り図本発明の実施の形態１における加熱台の断面図本発明の実施の形態２における開閉バルブと閉鎖手段の見取り図従来のケミカルヒートポンプ装置の断面図

第１の発明は、太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を所定の保持強度で支持する支持手段と、蓄熱の進行に応じて前記凝縮器に近い位置に前記太陽熱集熱器の重心が移動して前記支持手段にかかる応力が前記所定の保持強度を超えた際に前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、日射量の多い季節では少ない季節よりも前記閉鎖手段の作動タイミングが早くなるように前記支持手段の保持強度を調整するようにした太陽熱蓄熱システムである。日射量の多い季節では少ない季節よりも蓄熱量が多くなると予測されるので、季節に応じて適切な蓄熱完了タイミングで開閉バルブが自動的に閉じるようになる。

第２の発明は、特に、第１の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、太陽熱蓄熱器は支持手段との接点に回転運動の軸となる回転軸を有し、前記回転軸と前記支持手段との摩擦が季節によって異なるようにしたものである。

第３の発明は、特に第２の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、地面に対する設置角が可変に設けられ太陽光を反射して反応器表面に集光する集光手段を有し、回転軸と支持手段との摩擦は前記集光手段の傾きに連動して変化するようにしたものである。

第４の発明は、特に、第２または第３のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、回転軸は、保持手段と接する接触面の摩擦係数が部位によって漸次的に変化するように設けられたものである。

第５の発明は、特に、第４の発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、回転軸は、保持手段との接触面のうち回転の中心を軸に４５度の範囲で摩擦係数が漸次的に変化するように設けたものである。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の太陽熱蓄熱システムにおいて、支持手段を支点に蓄熱器側の重量を可変にした重量可変手段が設けられ、日射量の多い季節では少ない季節よりも重量を重くするようにしたものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における太陽熱蓄熱システムの断面図を示すものである。

図１において、反応器１は化学蓄熱材５を収納する容器であり、凝縮器２と中空の接続管３によって接続される。接続管３の途中には接続管３の導通を開閉する開閉バルブ４が設けられる。これらの構成要素からなる太陽熱蓄熱器は気密に設けられ、内部は数ｋＰａオーダーに減圧されている。反応器１を上下２方から囲むように略放物面からなる集光手段６が配置される。集光手段６は、通常放物面を南向きに配置して太陽光を反射集光して反応器１の側面に集光する。支持手段７は、接続管３に設けられた回転軸８を支持して、反応器１と集光手段６との相対的な位置関係を保持する。また、太陽熱蓄熱器の傾きが一点鎖線イからロに傾いた際に、開閉バルブ４の一部に物理的に当たる位置に閉鎖手段９が配置される。

蓄熱開始時に太陽熱蓄熱器は、鉛直方向（一点鎖線ロ）から角度θだけ傾いた状態で支持手段７によって保持される。角度θは、南中時の太陽の角度Ａ０から次式で定められる。

θ＝９０度−Ａ０・・・（３）
また、集光手段６の両端をむすぶ一点鎖線ハが一点鎖線イと直行するように、集光手段６は配置される。これは太陽の南中時に反応器１が１日で最大の日射熱を受けるようにした角度である。

本発明の太陽熱蓄熱システムの設置場所における緯度をＡｌとすると、夏至の日のθ（θｓ）および冬至の日のθ（θｗ）は、次のように表される。

θｓ＝Ａｌ＋２２．５・・・（４）
θｗ＝Ａｌ−２２．５・・・（５）
ただし、２２．５度は地軸の傾きを表す。

図２は回転軸８の詳細を示す断面図である。一点破線イは接続管３の導通方向を示す。回転軸８が支持手段７に接触する円周面のうち、弧ニホは冬至の日の設置角度において接触する部分を示す。また、弧ヘトは夏至の日の設置角度において接触する部分を示す。弧ニホと弧ヘトのなす角（弧ヘニに相当）は、地軸の傾きの２倍である４５度である。弧ヘニで示す回転軸８の円周面は、ニからヘにかけて摩擦係数が漸次的に大きくなるように設けられる。

化学蓄熱材５としては硫酸カルシウム水和物、塩化カルシウム水和物、水酸化マグネシ
ウム、水酸化カルシウムなどを用いることが可能である。いずれも式（１）と同様に、蓄熱に伴って水蒸気を揮発する物質である。以下、硫酸カルシウム１／２水和物を例に説明する。

硫酸カルシウム１／２水和物は１００数十℃の加熱により式（１）の脱水蓄熱反応をおこなう。また、開閉バルブ４を開けた状態で凝縮器２が周囲の熱を奪うことで式（２）の水和発熱反応をおこなって１００℃以上の発熱が可能である。その際、凝縮器は最大−２０℃まで冷却が可能である。

式（２）における発熱量Ｑ_２は１６．８ｋＪ／ｍｏｌである。本実施の形態の熱利用方法を中火相当（７００Ｗ）の加熱調理６０分とすると、必要な発熱量は約２．５ｋＪであり、必要な硫酸カルシウム１／２水和物は少なくとも２２ｋｇである。硫酸カルシウムは、水蒸気と反応しやすいように内部に中空な通気部を設けた形態で、反応器１内に収納される。

集光手段６は線イおよび線ハを含む面ニと直交する方向に寸法を大きく設けて、図３に示すように長手方向に複数の太陽熱蓄熱器１０をセットすることができる。なるべく長手方向の寸法を大きく取り、長手方向に多数の太陽熱蓄熱器１０をセットすることによって、朝夕のように面ニから外れた斜め方向からの日射を受光できる太陽熱蓄熱器１０の数を増やして全体としての太陽熱利用効率を高めることができる。ただし、その場合でも東端や西端に近い位置はそれぞれ朝日と夕日の受光率が低くなるので利用を避けたほうが良い。

集光手段６の最低必要面積は、必要な加熱量（単位ｋＪ）を全天日射量（単位ｋＪ／ｍ^２）で除することによって大まかに求められる。反応式（１）と（２）の反応損失や反応器１表面の放熱ロスを考慮すると、反応器ひとつあたりの必要加熱量は上記の例の場合発熱量２．５ｋＪの倍程度を見積もる。

集光手段６は比較的小面積の開口部１１を有し、風を受けても開口部１１で風圧を逃がすことができる。その結果、風を受けても集光手段６、太陽熱蓄熱器１０、閉鎖手段９の相対的位置関係が影響されにくいように設けられている。

太陽熱蓄熱器１０は、開閉バルブ４が開かれた状態で角度θに傾斜した状態で支持手段７にセットされる。この状態では支持手段７を支点に、反応器１と凝縮器２の重量はおよそつりあった状態である。反応器１の側面は、集光手段６によって集光された太陽光の輻射熱により１００数十度で加熱され、その熱は伝導伝熱によって化学蓄熱材５を加熱する。２２ｋｇの硫酸カルシウム１／２水和物を含む化学蓄熱材５は、蓄熱の進行とともに水蒸気を発生する。水蒸気は接続管３を通じて太陽熱蓄熱器１０の内部に充満する。凝縮器２は、集光手段６の陰になって日射を受けず、かつフィンを有して他の部位よりも放熱性が高いために太陽熱蓄熱器１０全体の中で最も温度が低い。そのため、水蒸気は凝縮器２内で液化凝縮する。２２ｋｇの硫酸カルシウム１／２水和物からは最大１．４ｋｇの水が気化し、凝縮器で液化する。その結果、支持手段７を支点として反応器１側よりも凝縮器２側が重くなり、太陽熱蓄熱器１０は一点鎖線イから一点鎖線ロに傾きが変化する。その際に、開閉バルブ４の一部が閉鎖手段９に接触し、運動モーメントによる力で開閉バルブ４が閉じられる。

以上のように構成された太陽エネルギー利用装置の特徴的な部分について、図１，２を用いて以下その動作、作用を説明する。

夏至〜冬至にかけて日射量が減少するため予想される蓄熱量も夏至〜冬至にかけて減少
する。弧ヘニに相当する４５度の円周面はニからヘにかけて摩擦係数が漸次的に大きくなるように設けられる。その結果、回転軸８が支持手段７に接触する円周面のうち、冬至の日の設置時点において接触する部分弧ニホから、夏至の日の設置時点において接触する部分弧ヘトに向けて摩擦が漸次的に大きくなり、夏至の日に最も遅いタイミングで開閉バルブ４が閉じられる。

また、蓄熱された太陽熱を加熱調理に用いる際は、太陽熱蓄熱器１０を図３の加熱台にセットして使用者が開閉バルブ４を開く。その際、凝縮器２内の水は周囲の大気熱によって加熱されて気化し、接続管３を通じて反応器１内の化学蓄熱材５と反応して発熱する。反応器１の上部の平坦部分に加熱したい鍋などを置いて調理することが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２は、多くの部分で実施の形態１と共通であるので異なる部分のみ図４を用いて説明する。

回転軸８の円周面の摩擦係数はどの部分も一定に設けられる。凝縮器２は、重量可変手段１２を有し、夏至から冬至にかけて凝縮器側の重量を増やして設置する。その結果、夏至から冬至にかけて、凝縮器２内の凝縮水がより少ない量で太陽熱蓄熱器１０の傾きが変化して、開閉バルブ４が閉鎖される。

以上のように、本発明にかかる太陽熱蓄熱システムは、電気エネルギーを用いることなく蓄熱完了を判定してバルブ閉鎖をおこなうので、停電の際にも蓄熱過程を正常に完了することが求められる産業用廃熱蓄熱システム等での用途にも適用できる。

１反応器
２凝縮器
３接続管
４開閉バルブ
５化学蓄熱材
６集光手段
７支持手段
８回転軸
９閉鎖手段
１０太陽熱蓄熱器
１１開口部

Claims

太陽熱を蓄熱する化学蓄熱材を収納する反応器と、前記化学蓄熱材から放出された気体成分を液化して収納する凝縮器と、前記反応器と前記凝縮器とを接続し前記気体成分を導通する接続管と、前記接続管の導通を開閉する開閉バルブとから成り気密状態に構成される太陽熱蓄熱器を所定の保持強度で支持する支持手段と、蓄熱の進行に応じて前記凝縮器に近い位置に前記太陽熱集熱器の重心が移動して前記支持手段にかかる応力が前記所定の保持強度を超えた際に前記太陽熱集熱器の傾きが変化することにより前記開閉バルブを閉鎖する閉鎖手段とからなり、日射量の多い季節では少ない季節よりも前記閉鎖手段の作動タイミングが早くなるように前記支持手段の保持強度を調整するようにした太陽熱蓄熱システム。
太陽熱蓄熱器は支持手段との接点に回転運動の軸となる回転軸を有し、前記回転軸と前記支持手段との摩擦が季節によって異なるように設けた請求項１に記載の太陽熱蓄熱システム。
地面に対する設置角が可変に設けられ太陽光を反射して反応器表面に集光する集光手段を有し、回転軸と支持手段との摩擦は前記集光手段の傾きに連動して変化するようにした請求項２に記載の太陽熱蓄熱システム。
回転軸は、保持手段と接する接触面の摩擦係数が部位によって漸次的に変化するように設けられた請求項２または３に記載の太陽熱蓄熱システム。
回転軸は、保持手段との接触面のうち回転の中心を軸に４５度の範囲で摩擦係数が漸次的に変化するように設けられた請求項４に記載の太陽熱蓄熱システム。
支持手段を支点に蓄熱器側の重量を可変にした重量可変手段が設けられ、日射量の多い季節では少ない季節よりも重量を重くするようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。