(57)【要約】【課題】小規模かつ構造が簡単であり、熱交換だけでなく発電が可能な太陽熱利用システムを提供することができる。【解決手段】  太陽熱により水を加熱し水蒸気を発生させる集熱器２と、発生した水蒸気を冷却し沸点付近の水温を有する温水に戻す凝縮器３と、液だめ４と、系内の減圧を行う減圧器５と、凝縮器３から流出する沸点付近の温水と別の媒体との間で熱交換を行う熱交換器７と、これらの各構成を接続するパイプ１と、により閉鎖系を構築し、集熱器２において発生した水蒸気の浮力により系内の水を循環させるとともに、系内を循環する水の運動エネルギーおよび、凝縮器３から熱交換器７までの高低差を利用した位置エネルギーにより水車発電ユニット６を回転させ発電を行う。【選択図】図１
2015075311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧下において太陽光の熱により液体を加熱し気化させる集熱器と、
前記集熱器において気化した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器と、
水車と、当該水車の回転軸に直結された発電機とを有し、前記凝縮器から流出した液体により前記水車を回転させ、当該水車の回転により発電を行う水車発電ユニットと、
前記水車発電ユニットから排出された液体と他の媒質との熱交換を行う熱交換器と、
前記集熱器と、前記凝縮器と、前記水車発電ユニットと、前記熱交換器と、を互いに接続して閉鎖系を構成するパイプと、
前記閉鎖系内を減圧する減圧器と、
を有し、
前記熱交換器から排出された前記液体が、前記凝縮器に流入して、前記蒸気を前記凝縮のために冷却し、
前記凝縮器から排出された前記液体が、前記集熱器に流入する
ように構成されている太陽熱利用システム。
【請求項２】
前記凝縮器の流出口は、前記熱交換器の流入口より、所定の高低差だけ高所に位置し、
前記水車発電ユニットの前記水車は、前記凝縮器の流出口から前記熱交換器の流入口の間に配置される
請求項１に記載の太陽熱利用システム。
【請求項３】
前記凝縮器から流出した液体を溜め、前記水車発電ユニットに前記液体を供給する液だめ
をさらに有する請求項１または２に記載の太陽熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用した熱サイフォンの原理により発電と熱交換とを行う太陽熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱を利用して発電を行うシステムが知られている。既知の太陽熱発電システムとしては、例えば反射鏡等で太陽光を集中させて媒体を加熱し、発電機により発電を行うものが知られている。このような方式の太陽熱発電システムは、水、オイル、溶融塩等の媒体を例えば２００度以上などの高温まで加熱し、その熱で発電機を駆動し発電する。したがって、太陽光から得られる熱を伝搬するための媒体と、発電機を駆動するための媒体の２種類の媒体を利用することから、バイナリー発電と呼ばれる。
【０００３】
このような太陽熱発電システムは、太陽光を集中させて媒体を加熱する構造を有することから、太陽光が強く恒常的に日照がある地域、すなわち低緯度で降水が少ない地域、例えば砂漠などに、太陽光を効率よく集めるための広い敷地に建設されることが好ましい。
すなわち、従来の太陽熱発電システムは大規模なものであり、例えば一般家庭に設置できるような小規模なものについては想定されていなかった。
【０００４】
一方、太陽熱を利用してエネルギーを得る小規模なものとして、例えば特許文献１に開示されるような、ソーラーシステムや太陽熱温水器と呼ばれるものがある。
太陽熱温水器は、例えばポンプなどの動力を使用して屋根の上など日当たりの良い場所に水を移動させ、太陽熱によって水を加熱し、加熱後に落下させた高温の水により熱交換を行い、暖房や給湯などの形で太陽熱を利用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０８２３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、一般家庭などでも利用可能な、小規模な太陽熱エネルギーの利用システムとして、熱交換を用いたソーラーシステムや太陽熱温水器が存在した。しかし、これらには、暖房や給湯などの限定された形態でしかエネルギー利用ができない、というデメリットがある。
このため、一般家庭などでも利用可能な小規模なシステムで、太陽熱を利用して、熱交換だけでなく、発電を行うことが要望されている。
【０００７】
小規模なシステムで、太陽熱を利用して、発電を行おうとすると、強い日照や広大な敷地などがなくても発電が可能であること、発電機などの構造を簡略化して設備導入費や運転費用を軽減させる必要があること、など、複数の課題が存在する。
以上のことから、本発明は、小規模かつ構造が簡単であり、熱交換だけでなく発電が可能な太陽熱利用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の太陽熱利用システムは、減圧下において太陽光の熱により液体を加熱し気化させる集熱器と、前記集熱器において気化した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器と、水車と、当該水車の回転軸に直結された発電機とを有し、前記凝縮器から流出した液体により前記水車を回転させ、当該水車の回転により発電を行う水車発電ユニットと、前記水車発電ユニットから排出された液体と他の媒質との熱交換を行う熱交換器と、前記集熱器と、前記凝縮器と、前記水車発電ユニットと、前記熱交換器と、を互いに接続して閉鎖系を構成するパイプと、前記閉鎖系内を減圧する減圧器と、を有し、前記熱交換器から排出された前記液体が、前記凝縮器に流入して、前記蒸気を前記凝縮のために冷却し、前記凝縮器から排出された前記液体が、前記集熱器に流入する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換と発電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態の太陽熱利用システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、本実施形態の太陽熱利用システムの水車発電ユニットの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の太陽熱利用システムの実施形態について説明する。
図１に示す太陽熱利用システム１００は、本発明の太陽熱利用システムの好ましい実施形態の１つである。
【００１２】
＜太陽熱利用システム１００の構成＞
図１に示すように、太陽熱利用システム１００は、パイプ１、集熱器２、凝縮器３、液だめ４、減圧器５、水車発電ユニット６、熱交換器７を有する。
図１に示す太陽熱利用システム１００では、太陽の熱エネルギーを集めて液体を加熱して気化し、蒸気を発生させる集熱器２、蒸気を液化させる凝縮器３、液化した液体を溜める液だめ４、流れる液体により水車を回し発電する水車発電ユニット６、液体により熱交換を行う熱交換器７を互いにパイプ１でつなぎ、閉鎖系を構築する。本実施形態では、一般家庭に平易に利用できる液体として、例えば、水道水（以下水）を想定している。
【００１３】
集熱器２は、太陽熱を収集して水を加熱する。
集熱器２が加熱する水は、後述するように、熱交換器７における熱交換により冷却され、凝縮器３を通過して流入した水である。
集熱器２は、例えば銅パイプを複数貼りあわせた集熱板を有し、集熱板に十分な太陽光が照射されると、銅パイプ内を流れる水が次第に暖められる。
ここで、後述するように、太陽熱利用システム１００の閉鎖系内は、減圧器５により減圧がなされており、集熱器２における太陽熱による加熱で水が沸騰し水蒸気が発生するように設計されている。
【００１４】
凝縮器３は、外管３１の内部に、外管３１と比較して細い内管３２を通した、二重管構造を有する。内管３２には集熱器２において発生した水蒸気を通し、外管３１には熱交換器７により低温となった水を通す。このような二重管構造により、内管３２を通る水蒸気は、外管３１内の水により冷却されて液化する。
凝縮器３において液化した水は、系内の減圧により下げられた沸点付近の温度を有する温水である。この温水は、パイプ１を通じて流出する。
【００１５】
液だめ４は、例えば銅板等を張り合わせた液体貯蔵容器である。液だめ４には、凝縮器３から流出した、沸点付近の水を一時的に溜めておくことができる。ここで、液だめ４に溜められている水の水温が下がらないように、液だめ４の周囲に保温用の断熱材などを配置してもよい。
【００１６】
また、液だめ４には、真空チャンバ５１および真空ポンプ５２からなる減圧器５に通じる吸引口４１が設けられている。吸引口４１と真空チャンバ５１との間および、真空チャンバ５１と真空ポンプ５２との間には逆流を防止するバルブが設けられている。このように、真空チャンバ５１および真空ポンプ５２により、太陽熱利用システム１００の閉鎖系内の圧力を減圧することができるように構成されている。
液だめ４は、その内部が全て水で充填されるのではなく、上部に空間が構成されていることが好ましい。空間は真空であることが好ましい。そして、吸引口４１はこの空間に接するように配置され、水が吸引口４１に触れることがないように設計されている。
【００１７】
減圧器５は、真空チャンバ５１および真空ポンプ５２により、閉鎖系内の圧力を減圧する。上述したように、この減圧器５による減圧により、集熱器２において加熱された水が摂氏１００度未満の低温で沸騰する。このため、減圧器５により減圧される閉鎖系内の圧力は、集熱器２において太陽熱により水を何度まで加熱可能か、によって決定する。
【００１８】
凝縮器３を流出した温水は、パイプ１を通じて水車発電ユニット６を通過し、熱交換器７へと到達する。
水車発電ユニット６は、例えば樹脂などの絶縁パイプ６１内に、水車６２、マグネット６３を有するロータ６４を回転可能に固定し、絶縁パイプ６１の外側に設置したコイル６５により発電を行うものである。
水車発電ユニット６の構成の一例を図２に示す。
【００１９】
図２（ａ）は、ロータ６４の構造の一例を示す図である。
ロータ６４は、円筒の端部に水車６２を設け、円筒の中央部付近にマグネット６３を貼り付けた構造を有する。このような円筒形のロータ６４が絶縁パイプ６１内に回転可能に固定されている。絶縁パイプ６１内を水が流れてくると、円筒の水車６２側から水が流入し、反対側へと流出する。この時、流れる水により水車が回転するので、ロータ６４全体が回転することになる。
【００２０】
ロータ６４において、マグネット６３は、その円筒の半周がＳ極、残りの半周がＮ極となるように貼り付けられた２極の永久磁石である。図２（ｂ）に示すように、マグネット６３に近接した絶縁パイプ６１外に、コイル６５が複数設置されている。したがって、マグネット６３を含むロータ６４の回転により、コイル６５において誘導起電力が発生する。コイル６５において発電された電力は、コイル６５に接続された導線により外部へ取り出され、利用される。
【００２１】
なお、本実施形態の太陽熱利用システム１００の水車発電ユニット６は、上述したように水により水車６２と同調して回転させられるマグネット６３と、コイル６５とにより、電磁誘導による発電を行うものである。このため、太陽熱利用システム１００の流路は基本的に上述した銅パイプなどのパイプ１により構成されているが、水車発電ユニット６の近傍のみ、樹脂などの絶縁体を用いた絶縁パイプ６１により流路が構成されている。水車発電ユニット６内を通過する水は、上述したように沸点付近の水温を有する温水であるため、絶縁パイプ６１は高温に耐性がある物質で構成されることが好ましい。
【００２２】
水車発電ユニット６から排出された温水は、パイプ１を通じて熱交換器７へと流入する。
熱交換器７は、外管７１の内部に、外管７１と比較して細い内管７２を通した、二重管構造を有する。上述した凝縮器３から流出した温水は、パイプ１を通じて後述する水車発電ユニット６を回転させた後、沸点付近の高温を保ったまま、熱交換器７まで到達する。この温水が、熱交換器７の内管７２内を通過する。外管７１内には閉鎖系外から別途供給される冷却用媒体、例えば水道水（以下冷却水）が流れており、内管７２内を流れる温水との熱交換が行われる。
ここで、太陽熱利用システム１００の系内の温水から、冷却水へと熱が伝達されるので、この熱を例えば暖房や給湯などの用途に使用することができる。
【００２３】
熱交換器７において熱交換が行われ、熱交換器７に流入した温水は、熱交換器７から流出する際には冷却されて冷水となっている。熱交換器７から流出した冷水は、図１に示すように凝縮器３の外管３１内を通過する。ここで、外管３１内を通過する冷水は、内管３２と接し、内管３２内の水蒸気を冷却して液化する。すなわち、凝縮器３においても熱交換が行われている。
凝縮器３において水蒸気を冷却した冷水は、集熱器２に戻る。集熱器２に戻った水は、太陽熱により再度加熱され、沸騰して気化する。
このように、本実施形態の太陽熱利用システム１００では、閉鎖系内の水を循環させ、集熱器２、凝縮器３、熱交換器７の間で熱交換を行うサイクルを構成している。
【００２４】
＜各構成の具体例＞
以下、上記説明した太陽熱利用システム１００の各構成の具体例について説明する。
例えば、パイプ１は、例えば外径２２．２ｍｍ、内径２０．０ｍｍの銅管で構成される。
凝縮器３の流出口から液だめ４および水車発電ユニット６を経由して熱交換器７に至るまでを流れている水は、上述したように沸点付近の水温を有する温水である。太陽熱利用システム１００における熱交換サイクルの効率を上げるためには、パイプ１を流れる途中で水温が失われることは好ましくない。このため、パイプ１の周囲に断熱材などを配置してもよい。
【００２５】
集熱器２は、例えば断面１０ｍｍ×１０ｍｍ、長さ１９２０ｍｍの銅パイプ８本を貼りあわせて作成した集熱板を有する。集熱板の大きさは、例えば１９８０ｍｍ×９８０ｍｍとした。この集熱板の面積は１．９４平方メートルである。
このような構成を有する集熱器２を、例えば神奈川県において、水平面との角度５０度で南向きに設置したところ、集熱器２内の水を摂氏約６０度から約８０度まで加熱することができた。
【００２６】
凝縮器３は、例えば外径３８．１ｍｍの外管内に２２．２ｍｍの内管を入れて構成した。
凝縮器３の長さは、内管３２を通る水蒸気を外管３１内の水により完全に液化でき、かつ、液化後の水温をできるだけ下げないような長さであることが好ましい。本実施形態では、例えば１１１０ｍｍとした。
【００２７】
凝縮器３は、図１に示すように、集熱器２までの配管も含めて水平面から例えば約１０度の角度で傾斜しており、集熱器２で発生した水蒸気が内管３２内を無理なく上昇するような構造を有する。
【００２８】
液だめ４は、例えば外径１０４．８ｍｍ、内径９９．２ｍｍ、長さ５００ｍｍ程度の大きさとした。
減圧器５による減圧により、閉鎖系内をどこまで減圧するかは、上述したように、集熱器２において水を何度まで加熱可能かによって決定する。
例えば、上述したように集熱器２において摂氏８０度まで水を加熱可能である場合は、例えば、水の沸点が摂氏８０度となる約４７ｋＰａ（約０．４７気圧）まで減圧する。一方、日射量が小さい地域など、集熱器２において摂氏６０度までしか水を加熱できない場合は、例えば、水の沸点が摂氏６０度となる約２０ｋＰａ（約０．２気圧）まで減圧する。
【００２９】
熱交換器７は、例えば外径６７．２ｍｍの外管内に２２．２ｍｍの内管を入れて構成した。熱交換器７の長さは、流入した温水を十分に冷却できるだけの長さであることが好ましい。本実施形態では、例えば熱交換器７の長さは例えば１０００ｍｍとした。
【００３０】
なお、本実施形態の太陽熱利用システム１００を、例えば一般家庭で使用することを考えると、集熱器２、凝縮器３、液だめ４および減圧器５は屋根の上などの高所に設置され、反対に熱交換器７は地上付近あるいは地下などの低所に設置されることが想定される。
本実施形態の太陽熱利用システム１００では、凝縮器３の流出口と、熱交換器７の流入口との高低差を約４０００ｍｍ設けた。このような配置により、凝縮器３から流出した水の流速は、熱交換器７に到達するまでにその位置エネルギーにより加速される。これにより、水車発電ユニット６の水車６２を回転するための水の流速が上がり、発電効率が高くなることが期待される。
【００３１】
＜太陽熱利用システム１００の動作原理＞
次に、太陽熱利用システム１００の動作原理について説明する。
上記説明したように、集熱器２、凝縮器３、液だめ４、熱交換器７は、パイプ１により互いに接続され、閉鎖系を構築する。閉鎖系内には液体として十分な量の水道水（水）が封入される。
閉鎖系内の水は、減圧器５により減圧されており、減圧により集熱器２で加熱された水が沸騰して水蒸気を発生するように構成されている。
【００３２】
本実施形態の太陽熱利用システム１００では、集熱器２は水を摂氏約８０度まで加熱することができるとする。
集熱器２において発生した水蒸気は、１００度１気圧で水に比べて体積が１６５０倍にも膨張する。このため、水蒸気はその膨張圧により、集熱器２を流出して凝縮器３へと到達する。この水蒸気の膨張圧が本発明の太陽熱利用システム１００の閉鎖系において水が循環するための駆動力となる。
凝縮器３において、水蒸気は冷却されて液化し、沸点付近の水温、すなわち摂氏約８０度の温水に相転移する。
【００３３】
凝縮器３から流れ出る温水は、パイプ１内を流れて熱交換器７へと流入する。
ここで、本実施形態の太陽熱利用システム１００では、凝縮器３の流出口と熱交換器７の流入口とは高低差を約４０００ｍｍ設けている。このため、集熱器２における水蒸気の膨張圧と、高低差による落下のエネルギーにより、水がパイプ１内を勢い良く流れることになる。
凝縮器３の流出口と熱交換器７の流入口との間の水の落下経路に水車発電ユニット６を設け、水の勢いにより水車６２を回転させて発電を行う。
【００３４】
水車発電ユニット６において水車を回転させた水は、その運動エネルギーを一部失うものの、その沸点付近の水温はあまり失われない。
そこで、熱交換器７において、内管７２内を流れる沸点付近の温水を、外管７１内の冷却水により冷却することで、熱交換を行う。冷却後の系内の水温は、例えば摂氏約２５度程度とする。冷却された水は、集熱器２において発生した水蒸気の膨張圧に起因する駆動力によりパイプ１内を上昇し、凝縮器３の外管３１内を通過して再度集熱器２において加熱される。ここで、凝縮器３の外管３１内を通過するとき、凝縮器３の内管３２内の水蒸気を冷却し、水に凝縮する。
【００３５】
このように、本実施形態の太陽熱利用システム１００は、加熱側である集熱器２で太陽熱により水を蒸発させて水蒸気を発生し、冷却側である凝縮器３において水蒸気を液化するとともに、集熱器２において発生する水蒸気の膨張圧と、凝縮器３の流出口と熱交換器７の流入口との高低差に起因する落下のエネルギーとを駆動力として、凝縮器３において液化した沸点付近の温水を冷却側である熱交換器７まで移動させ、熱交換器７において沸点付近の水を冷却水で冷却することにより大量の熱を輸送する、熱サイフォン式ヒートパイプである。そして、水の移動に使われる駆動力を水車発電ユニット６で回転力に変換し、発電を行うものである。
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム１００では、太陽熱を利用して、熱交換により熱エネルギーと、発電による電気エネルギーとの両方を得ることができる。
【００３６】
なお、上記説明した動作原理は、本実施形態の太陽熱利用システム１００の理想的挙動であって、実際にはエネルギーロスが発生する可能性がある。
以下では、本発明の太陽熱利用システムにおいて、エネルギーロスに対処するための他の実施形態について説明する。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
凝縮器３において、集熱器２で発生した水蒸気をすべて凝縮できない場合が考えられる。
このような場合、水蒸気が例えば液だめ４などに溜まり、太陽熱利用システム１００の系内の圧力が次第に上昇してしまう。これに伴って水の沸点も上昇し、集熱器２において十分な水蒸気が発生しなくなってしまうため、水蒸気の膨張圧が不十分となり、水の駆動力が下がるので水車発電ユニット６による発電効率が落ちる。
【００３８】
あるいは、凝縮器３において、水蒸気を冷却して液化するだけでなく、液化した温水からもさらに水温を奪ってしまい、水温が下がってしまう場合が考えられる。
このような場合は、熱交換器７における熱交換の効率が下がってしまう。
【００３９】
このような不利益は、凝縮器３において、水蒸気を液化させるために必要な熱である潜熱のみを奪うことが難しいことに起因する。
このような不利益に対処するには、例えば凝縮器３の外管３１の長さを適宜変更すればよい。
集熱器２において集められる太陽熱は、日射量に依存する。このため、日射量をモニタし、日射量により得られる熱量、および当該熱量により得られる水蒸気量を随時計算する。そして、水蒸気量に応じて凝縮器３の外管３１の長さを調節することにより、できるだけ全ての水蒸気を液化し、なおかつ液化した水からできるだけ熱を奪わないような、最適な凝縮ができるものと考えられる。
【００４０】
また、集熱器２で発生した水蒸気を全て水に凝縮できない場合の別の対処方法として、液だめ４の容量を増大させ、流入水蒸気による圧力上昇を分散させたり、液だめ４の空間部分を強制的に冷却することによって水蒸気を水に戻し、圧力上昇を防止したりすることによって閉鎖系内の水圧上昇を抑えたりしてもよい。
【００４１】
＜第３の実施形態＞
上述したように、太陽熱利用システム１００の上記各構成とパイプ１により閉鎖系が構成されるが、完全に系内の圧力を保つことは難しく、次第に系内の水圧が上昇してしまう場合が考えられる。
このような場合、系内の水圧が上昇することにより沸点も上昇し、集熱器２において十分な量の水蒸気を得ることができなくなってしまう。
【００４２】
対処方法としては、例えば系内の圧力をモニタし、所定のしきい値を超えた場合に減圧器５を作動させて再減圧を行うことが考えられる。このようにすれば、系内の水圧を低く保つことができる。
【００４３】
次に、太陽熱利用システム１００における発電によって得られる電気エネルギーの量、あるいは効率を示す。
本実施形態の太陽熱利用システム１００が太陽熱を利用した熱サイフォンであることは上記説明した。太陽熱利用システム１００において、熱サイフォンが平衡状態で動作しているとすると、考慮するべきエネルギーは、集熱器２において取り込まれる熱エネルギー、熱交換器７により太陽熱利用システム１００の外へ吐き出される熱エネルギー、水車発電ユニット６において発電される電気エネルギー、および上記第２及び第３実施形態において説明した例を含むエネルギーロス、である。
【００４４】
集熱器２において取り込まれる熱エネルギーをＱｉｎ、熱交換器７により太陽熱利用システム１００の外へ吐き出される熱エネルギーをＱｅｘ、水車発電ユニット６において発電される電気エネルギーをＷ、エネルギーロスをＬｏｓｓ、とする。
熱サイフォンに関するエネルギー保存則から、以下示す数式１が得られる。
【００４５】
【数１】
2015075311.tif 000003
【００４６】
この数式１に基づき、太陽熱利用システム１００から得られる最大の電気エネルギーＷについて検討する。
太陽熱利用システム１００におけるカルノー効率ηとすると、理論的に得られる最大のＷはＱｅｘが以下の数式２に示す場合に得られる。
【００４７】
【数２】
2015075311.tif 000004
【００４８】
数式１及び２から、最大の電気エネルギーＷは、以下の数式３により得られる。
【００４９】
【数３】
2015075311.tif 000005
従って、
【００５０】
【数４】
2015075311.tif 000006
である。
【００５１】
ここで、本実施形態の太陽熱利用システム１００の作用温度範囲について、その最高温度を集熱器２の出口温度Ｔｍａｘ、最低温度を周囲温度Ｔａとする。この場合の太陽熱利用システム１００におけるカルノー効率は、以下の数式５で表される。
【００５２】
【数５】
2015075311.tif 000007
集熱器２の出口温度Ｔｍａｘを摂氏８０度、周囲温度Ｔａを摂氏２５度とすると、数式５よりカルノー効率ηは約０．１５である。実験により得られたＱｉｎの値が約１０００Ｗであったため、数式４により最大の電気エネルギーＷは１５０Ｗとなる。
【００５３】
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム１００において、理論上の最大効率は約１５％、理論上の最大出力は約１５０Ｗとなる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態の太陽熱利用システム１００は、太陽熱により水を加熱し水蒸気を発生させる集熱器２と、発生した水蒸気を冷却し沸点付近の水温を有する温水に戻す凝縮器３と、液だめ４と、系内の減圧を行う減圧器５と、凝縮器３から流出する沸点付近の温水と別の媒体との間で熱交換を行う熱交換器７と、これらの各構成を接続するパイプ１と、により閉鎖系を構築し、集熱器２において発生した水蒸気の浮力により系内の水を循環させるとともに、系内を循環する水の運動エネルギーおよび、凝縮器３から熱交換器７までの高低差を利用した位置エネルギーにより水車発電ユニット６を回転させ発電を行う。
【００５５】
ここで、閉鎖系内の水は集熱器２において発生した水蒸気の浮力により循環するため、太陽熱が収集できる限り、系内の水を循環させるためのその他の動力が不要である。なお、集熱器２において水蒸気を発生させるために、系内の水圧を減圧器５により減圧しているが、この減圧は数十ワットの電力ですむ見込みである。太陽熱利用システム１００を作動させて発電を行うときには系内の圧力を再度調節する必要があることもあるが、大した電力は必要ない。このため、太陽熱利用システム１００の発電のための運転費用は、０かそれに近い値とすることができ、経済的である。
【００５６】
すなわち、本実施形態の太陽熱利用システム１００では、太陽熱により水を高々摂氏８０度程度まで加熱できれば継続的な発電が可能であるため、その設置場所がそれほど限定されない。上述したように、例えば日本の関東地方である神奈川県において、銅パイプを集めて作成した集熱板により摂氏約８０度前後まで水を加熱可能であることは経験から実証されている。このため、例えばレンズや鏡などの大仰な集光設備も必要なく、少なくとも関東地方以南の地域では発電が可能であると考えられるので、一般家庭に本発明のような太陽熱発電設備を導入する際に最もネックになると思われる導入費を抑えることができる。
反対に、簡単な構造のレンズや鏡などを集熱器２に導入すれば、比較的日射量が少ない東北・北海道地方においても本実施形態の太陽熱利用システム１００での発電に十分な太陽熱を収集することができると思われる。また、本実施形態の太陽熱利用システム１００は、集熱器２の面積が精々２平方メートル、パイプ１の太さは精々２０ｍｍであり、省スペースであるため、設置スペースに余裕が無い一般家庭での導入も容易である。
【００５７】
また、導入費という観点から見れば、本実施形態の太陽熱利用システム１００は、閉鎖系を構築する都合上、すべての構成を屋外に設置すればよく、屋内へのパイプ１の導入工事など、大仰な工事が必要ない。さらに、本実施形態の太陽熱利用システム１００は、水を高々摂氏８０度程度までしか加熱させないため、加熱した水を流す配管も特別なものを用意する必要はなく、只の銅パイプなどでよい。集熱器２も銅パイプの寄せ集めなど簡単な構造で十分な性能を得られる。このため、一般家庭でも十分導入可能なレベルまで導入費を抑えることが可能であると考えられる。
【００５８】
本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、並びに代替を行ってもよい。
【００５９】
上述した実施形態において説明した、太陽熱利用システム１００の各構成の大きさや管の太さ、集熱器２の取り付け角度、集熱器２における加熱温度、液だめ４の容積、減圧器５による減圧後の水圧、凝縮器３から熱交換器７までの高低差、熱交換器７における冷却後の水温など、全てのパラメータは本発明の好適な一実施形態に過ぎず、本発明はこれらのパラメータに限定されることはない。
【００６０】
例えば、パイプの太さを太くすれば、水の流量が増えるので発電効率を上げることができる。
また、減圧器による減圧後の水圧を低くすれば、少ない日射量しか得られない時期や地方でも集熱器において十分な水蒸気量を得ることができ、閉鎖系内の水を駆動するのに十分な膨張圧を得ることができる。
さらに、上述した実施形態では、凝縮器３から熱交換器７までの高低差による重力も発電に使用する水の駆動力として利用しているが、上述したように、本発明では集熱器において発生する水蒸気の浮力を駆動力として閉鎖系内の水を循環させているため、例え凝縮器から熱交換器までの高低差がなくとも、十分な水の流量を得ることができ、発電が可能である。
また、熱交換器における冷却後の水温（本発明の第２の所定温度）を低くすれば、それだけ熱交換の効率を上げることができ、ひいては発電効率も向上する。
【符号の説明】
【００６１】
１００・・・太陽熱利用システム、１・・・パイプ、２・・・集熱器、３・・・凝縮器、３１・・・外管、３２・・・内管、４・・・液だめ、４１・・・吸引口、５・・・減圧器、５１・・・真空チャンバ、５２・・・真空ポンプ、６・・・水車発電ユニット、６１・・・絶縁パイプ、６２・・・水車、６３・・・マグネット、６４・・・ロータ、６５・・・コイル、７・・・熱交換器、７１・・・外管、７２・・・内管
【図１】
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【図２】
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