••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••特集Ⅰ
低密度熱エネルギー利用技術の新たな展開

低密度熱エネルギー技術
プラスチック簡易コレクターとその応用事例
Low density thermal energy technology
Simple plastic collector and its application example
藤本治生 *
はじめに一般家庭のエネルギー需要の半分以上は給湯と暖房の低温熱（42℃前後）である．
しかし，太陽光パネルが屋根を占拠した今日，昔ながらの太陽熱温水器は勢いを失い，生活に必用な低温熱でさえ原子力や石炭火力由来の電気やガス，石油等の化石燃料に依存している．
Y 社製の太陽熱温水器ユーザーの自分としては太陽光発電の 2 倍以上の効率で故障する事もなく，

図1

黙々と温水を供給してくれる素晴らしい機器が何故もっと使われないのか？という疑問を抱いていた．

一般家庭でのエネルギー消費割合（1）

会の執筆をお引き受けした．

その答えは 2 代目の温水器取り付け工事の際，分低密度エネルギー技術を発展・普及させるか？

かった．

NPO エスコットでは次の二つの理念を立てた．

工務店を通しての機種選定，メーカーへの発注ま①エネルギー技術の解る化と市民化

ではスムーズに進んだ．しかし，そこから先，工事原子力発電では運転する企業でさえその仕組みをを請け負う職人がいない様で 1 か月以上待たされ完全に理解出来ていなかったと思われる．

た．

気候変動対策の時間が残されていない今日，最先そして，解ったのは古い温水器の撤去と新しい温端や高効率でなければ…というよりは出来る事を水器の取り付け工事があまりにも過酷で，特定の職素早く行う事が重要だと考える．

人以外に出来る下請けが無かったのだ．

一般の人が理解し，施工，修理ができる市民エネ

エネルギー変換効率や IoT や AI を導入した高度な制御システムも重要である．

ルギーを提供する．
②身近にある素材と少しの汗で結果を出す．

だが（現場の）ヒトにやさしい，もっと言うならホームセンターやネット経由での部品を調達し自自分でできる再エネ技術が提供できればグラフに占らの手を使っての組み立てる．DIY 化こそがエめる給湯と暖房エネルギーの大幅な削減につながる

ネルギー，環境問題解決の近道ではないか？

ものと考える．

少子高齢化，労働者不足の現在，お金を払い “ 誰

パリ協定によらずとも今後，農林水産業から工場，か（公共団体等を含む）” に何かを頼る他人任せ

オフィスに至るすべての低温熱需要に於いては太陽の思考パターンは変える必要がある．

熱エネルギー導入が必要になると考えられる．

上記，理念をベースにエスコットが開発した簡単

その際，現在，キットで販売しているプラスチッ
ク簡易コレクターが役に立てるのではないかと期待し，学者でもない素人が由緒ある太陽エネルギー学
Vol.45. No.3

かつ安価な太陽熱コレクターと多様な応用例につい*NPO 法人エスコット－ 19 －

理事長

太陽エネルギー藤本治生：

1.1て説明する．

製作

タイトルにある様にプラスチックと簡易が合わさ再生可能エネルギー事業としての日本各地での起ると “ 安かろう，悪かろう ” という製品イメージと業を目指すエスコットとしては製造，施工，使用，なるかと思う．

修理，更に廃棄に至る全過程でのデータをマニュア受光面に使われている “ プラスチック ” はエンジルに反映させる試み開始した．

ニアリング・プラスチックと呼ばれるポリカーボネートである．
その主な用途は後述するようにジェット機，新幹線の窓，防弾ガラスから農業ハウスまで幅広い．耐候性に優れ 1，2 年の直射日光では壊れない．
事実，寒冷地（群馬県高崎市の苗農家）での使用に於いては他社製の太陽熱温水器が凍結水漏れを起こしたにも拘らずプラスチック製簡易コレクターは問題なかったとの報告があった．

図2

また，ここで言う“簡易”とは高校生レベルの手中空ハモニカ構造における採熱原理

先の器用さと科学的知見，日曜大工レベルの工具があれば誰でも製作できる．
自分用に数枚製作しコツをつかんだ後は周辺地域を巻き込んだ創エネビジネスとして開業して頂ける事を理想としている．
その為の詳細な製作マニュアルが用意され，同時に多様な相談にも随時対応している．
数年前に導入した茨城県内の農業法人では農閑期の外国人スタッフの仕事としていた．
地方創生，農業活性化，雇用創出等の社会課題と連携しながら普及させたいと考えている．

1．プラスチック簡易コレクター「ヒートルパネル」概要
開発のきっかけは黒色の段ボールプラスチックの図 3 パーツと組み合わせ
部品は右斜め上から左下にかけ
耐熱ノズル，耐熱止水板（表面），中空ポリカ受光板（上下の赤色部はシリコーン材），耐熱止水板（裏面）

空洞部に温度センサーを差し込み日射に当てたとこ
ろ外気温プラス 25℃程度まで温度上昇した事にある．
しかし，段ボールプラスチックは熱にも紫外線にも弱く，また熱せられる事で樹脂材特有の臭いを生じ，温風集熱器としての利用には不向きであった．
そこで，中空ハモニカ構造のポリカーボネート板（サイズ：1820x910x4.5mm，色：ブラウン）を用いての太陽熱温風回収器を製作した．裏面には前述の段ボールプラスチックを断熱材として用いた．この様な構成により，気温プラス 25℃（風量約 0.5m3/min）の温風を太陽電池で駆動する PC ファンで回収した．その後，空洞部に水を流すことに数年かけて成功した．
熱媒体としては水，空気の両方を使う事が出来る
プラスチック簡易コレクターを構成した．
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図 4 流水経路（液体の場合）＊温水取水口が右端より若干左よりにあるのはパネル内での偏流対策である．

－ 20 －

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低密度熱エネルギー技術

プラスチック簡易コレクターとその応用事例

以下，利点と欠点はである．

ユーザーはキットで購入し同封の製作マニュアル①利点（出展：ウィキペディア）に沿って作成する．
製作手順概要：透明性・耐衝撃性・耐熱性・難燃性・寸安定性な①上下断面にシリコーンを注入し防水する．

どにおいて，高い物性を示す．耐衝撃性は一般的②中空ポリカにカッターで切り水路を作る．

なガラスの 250 倍以上といわれる．

③水路を表裏両面から耐熱止水板で塞ぎ防水する．

エンジニアリング・プラスチックの中でも平均し④送水，取水，エア抜き，排水用の穴を開け，耐熱て高い物性を示す樹脂であり，かつ透明性をもつために光学用途にも使用でき，その物性に比べてノズルをシリコーンで接着する．
1.2

使用部品

安価であり，航空機・自動車など輸送機器，電気・電子光学・医療機器，防弾ガラスの材料などに広基本的な部品は以下 3 種類である．
① 受 光 部 は UV カ ッ ト 中 空 ポ リ カ

く用いられている．機械的強度も優れているので1820x910xt4.5mm，約 6㍑の水を保持．集熱使用力のかかるプラスチックねじで最も多く使われての場合，色はブラウンいる材料である．
②欠点（出展：ウィキペディア）②水路密閉用の耐熱止水板用ポリカ単板 2mm 厚

薬品耐久性はあまりよいとは言えない．特にアル③耐熱ノズル：ポリカーボネート製，ニップルにより市販ホース接続可

カリ剤，溶剤では劣化する．接着剤などの使用が基本部品の材質は全てポリカーボネート素材で防できない．
エステル結合を持つため，高温高湿度の環境下で水，接着は全てゴム状特性を有するアルコール性シリコーン（色：アンバー）で行う．
（クリアと記さは加水分解する．

れたオキシムタイプのシリコーンは強度不足とポリ引張強度を超える力をかけると，白化して透明度カーボネートの経年劣化をもたらすので使用不可．
）が著しく低下する．

※過去，製作過程において塩ビ素材の使用も行った

また，ポリカーボネートはビスフェノール -Aが 高温による変形，劣化が生じ，全ての素材を（BPA）の重合体で環境ホルモン作用が疑われる．

ポリカーボネートに統一した．

③欠点対策

1.3

工具

様々な接着剤を試用したが高温，高湿度，素材のフレキシビリティー等により強力な接着力だけで最低限必要な工具は以下の 3 つである．

なく，ゴム状特性，防水性，耐紫外線強度等が求①カッターナイフ（ネジによる固定式）＝中空ポリめられた．その結果，最終的にアルコール性シリカの水路加工コーン以外に接着方法がないことが判明した．

②電動ドリル＋φ 25mm ホルソー：耐熱止水板へ

また，加水分解の点に関しては中空ポリカパネルの穴開けの分子量が 2 万以上である事と高温とは言え最高③シリコンガン＝防水用，接着用シリコーン材押しでも 80℃程度である点から問題ないと考えられ出しる．

1.4 ポリカーボネート（以後，ポリカと呼ぶ）
素材について

環境ホルモンへの対策としてポリカと人体との直主な用途は航空機や新幹線窓，カーポート，サン熱的利用の場合，熱交換器を介して行う事とした．

ルームの屋根材等の他，その強度により防弾ガラス接的な接触を避ける．

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が東京都の調査結果を利用しポリカカップで 95℃の熱湯を等にも，に利用されている．

図5（3）※ポリカーボネート樹脂技術研究会

図 6 ポリカ利用例（2）（出展：ウィキペディア）
写真左：F-22 のコックピット，写真右：温室耐熱ノズルとホースニップル取付写真－ 21 －太陽エネルギー藤本治生：

30 分入れたとき，BPA の溶出は平均 7.8ppb で許循環水用タンク（シスターン）は紫外線に強いビ

容摂取量 1 日当たり 2.5mg（体重 50㎏の成人）にル用雨トイ管を転用した．これにより屋外設置でも達するには約 3200 杯となる．

容易に劣化しない．また，断熱性を高める為，太さの異なる縦トイ管の間にウレタン製のマットを挿入

2．太陽熱温水システムとしての利用した．

太陽熱利用は受光パネル（コレクター）だけで使連結部の配管には試行錯誤の結果，十川産業（株）う事も出来ないではないが一般家庭の温水システムのスーパーウォーターホース SW13 を採用した．ことする場合，以下の様なシステム構成となる．のホースは熱，紫外線の両方に強く，市販の散水ホー

2.1

ス同様にニップル経由で連結しホースバンドで締め

浴槽用太陽熱温水システム

最も利用頻度が高く，効果的な利用法は浴槽の加温である．最近の浴槽は保温性に優れている．そこるだけで水漏れが無い．実際，メーカー担当者が考えている以上の高性能である．

で，浴槽の蓋等を改良し，保温性を高め蓄熱槽とした．これにより高価な保温タンクは不要となった．
また，熱交換部での雑菌（レジオネラ菌等）の繁

ここで，配管種別に経験した問題点を挙げてみると①市販散水用ホース：紫外線劣化以前に熱でつぶれ殖を押さえる為，剥き出しのステンレス製巻きフレキをφ 2.6mm 銅線で束ねた投げ込み式とした．

る．
②塩ビパイプ：凍結で割れや抜け発生，紫外線劣化

循 環 用 ポ ン プ に は 太 陽 電 池 で 駆 動 す る US
SOLAR PUMP（米国製）を採用する事で循環水量※耐熱接着剤の使用が重要③フレキ管（ステンレス製）：凍結で膨張，劣化，ナッを日射連動型とした．これにより制御システムが不要となった．現在使用している耐熱ソーラーポンプ

ト部から漏水④二層管：管が硬く取扱難い．メカニカル継手は朝，は低格 15W であるが，2W から回り始める．集熱

水漏れし，昼は止まる等の変則的な漏水発生パネルと同じ方向に設置する事で日の出と共に熱回2.2収を開始し，日没時には自動停止する．また，セラ①太陽熱コレクター：ヒートルパネル 2 枚（約 3.3m2）

ミックインペラーを用いたブラシレスモーター採用②熱交換器：フレキ管（10m 巻き）を銅線で結束で空運転検出，加熱対策，過負荷，過電圧に対する③ポンプ＋太陽電池：太陽電池駆動式耐熱ポンプ（保保護機能を有している．

全体構成

護機能付き）※この内，過電圧だけは自動復帰しない．対策とし※太陽電池 12W を用いる事で停電時でも使えるオてはソーラーセルの方向を日射を避ける方向に変える．また，リセットする際は太陽電池を布などフ・グリット・システムとなる．
④循環水用タンク（シスターン）：UV カット，2 層で 1，2 秒被い発電を遮断する．

式でウレタン製の断熱材入り⑤ 配 管 と 継 手 金 具： 十 川 産 業（ 株 ），SW13 と φ
14mm ホースニップルで連結
2.3

破損・劣化対策

これまでの主な破損原因と対処法について記す
る．
①凍結破損と対策凍結で問題となるのは外部設置されたポンプと受光部である中空ポリカ本体である．
表1

図7
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仕様書

太陽熱温水システム構成と写真－ 22 －

2019 年

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プラスチック簡易コレクターとその応用事例

図9 左 から温風用パネル，輻射冷房用パネル，水質浄化用パネルの実施状況図 8 凍結状況写真
左， 霜 が 張 っ た 状 態（ 千 葉 県 御 宿 町 上 布 施 試 験 場，2018.12．16），右 凍結試験用サンプルてはこの状況が年に何十回となく繰り返される．こ
うした膨張収縮を 5，6 年繰り返したことが原因であると推察される．
漏水発生に備えた対策としてポンプについては断熱材を巻くことで凍結破損を①漏水は受光パネルばかりからはではなく配管の接あるていど防止できる．

続部からも発生する．この様な場合，漏水量が少

受光部の中空ポリカは一般的な太陽熱温水器よりなく漏水場所の発見が難しい場合がある．
循環水に食品用着色剤（ブルー，黒系統）を入れる凍結に強い．

事で僅かな漏水を可視化できる．同時に着色媒体

東京近郊であれば循環水にグリセリンを入れる凝による集熱効果も期待できる．

固点降下法で対応できる．
しかし，寒冷地の場合，不凍液を用いるか氷結す②補修材料を用いて止水する．

る期間の使用を制限する等の対策も必要である．

提供しているキットには UV カットの補修用ポリカ辺が含まれている．

②経年劣化
プラスチック製コレクターで懸念されるのが中空③現時点では経験していないが，受光パネル経年劣ポリカ材料の劣化である．

化進行による漏水が 1 枚のパネルの複数個所で発2009 年のデモ機開発から現在に至るパネル破損

生するようになった場合，中空ポリカ板を交換す事例に関し以下の様な結論に至った．

る．
一般に家電などの場合，故障すると修理より新規購入が推奨される．しかし，資源を使い切る思想①熱媒体を空気とした温風回収の場合 10 年以上破と DIY 製作による構造把握があるので修理は問損しない．

題ではない．

②屋外設置の輻射冷房の場合，冬季は空にすれば長期間の使用が可能である．
③水質浄化での使用の場合，藻類が詰まり，内部の加圧洗浄が必要となるが長期間の利用が可能．
④太陽熱コレクターとしての使用する場合，5 ～ 6
年すると 1/5 ～ 1/7 程度の割合で中空ポリカ面にクラックが入り漏水する．当初，紫外線が原因であると考えたが殆どが冬季に発生する事とクラックが裏面でも起こる点から凍結が原因ではないか

図 10 台風の飛散物により穴の開いた 2 カ所を修理した状況と考えられる．
太陽熱コレクター利用では設置場所が屋根上が多く夜間の放射冷却の影響を受けやすい．
水を入れたサンプルを凍らせた場合，水の凍結膨張でポリカ表面は丸味を帯び，解凍後は元の平面形状に戻る．
実験ではマイナス 20℃での凍結・解凍試験を 5回行ったが漏水は生じなかった．しかし，地域によっ
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－ 23 －太陽エネルギー藤本治生：

表 2：劣化原因と対処法

破損原因

対処法

凍結による受光パネルに① 凝固点降下おけるクラック漏水

2.4

価格特性，DIY 作成，材料特性，軽量特性，高強度特性，広域平面形成特性，等に基づく応用事例

グリセリンについて述べる．

不凍液①太陽熱回収＊ハウス（苗農家）での補助熱源② 設置場所での対処

群馬県高崎市農業ハウス内に設置＊畜産排水処理場での脱窒菌活性用熱源③ 使用の停止

千葉県内畜産排水処理場

冬季は利用しない。
水撃作用による樹脂疲労＊山小屋での給湯用補助熱源① 太陽電池駆動ポンプを用いる。
② 減圧用の空気タンク

福島県田村市②輻射冷却＊ハウス天井設置，地下水による温室熱環境改善を送水口に付ける。
強風による飛散物衝突

茨城県水戸市① 受光側を透明中空ポ＊工場の採光屋根設置，地下水による熱線吸収リカでカバーする。

千葉県柏市② 近くに飛びそうなも＊研究室天井設置，水道利用による排熱と輻射冷のを置かない。
系全体の劣化

プラスチック簡易コレクターの応用事例

房① 水に中性洗剤等を加え膜を作り、流体摩擦を減らす。

千葉県柏市③バイオ・リアクター / 水質浄化
＊産油藻類培養事例② 農業ハウス等での利＊パーマカルチャーでの水質浄化事例（光合成に用では集熱パネルをよるエアレーションとパネル内面付着生物膜に含む全構成パーツをよる有機物分解

屋内設置にする。

図 11
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太陽熱回収写真

図 12－ 24 －輻射冷房写真2019 年

低密度熱エネルギー技術

プラスチック簡易コレクターとその応用事例

図 16

図 13

色素入りパネル写真

藻類培養写真

図 17

図 18
図 14

スラブ面直置きと自動車通過時の写真
表3

光合成と生物膜による水質改善状況写真

曲面形成

設置場所と考えられる用途④その他＊熱電併給（ハイブリット）事例＊着色媒体事例＊曲面形成設置事例＊スラブ面直置き事例
軽自動車であれば上を通過しても潰れません．

図 15
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3 種類のハイブリット－ 25 －太陽エネルギー藤本治生：

図 19

図 20

冬季はパイプ内の水経由での土壌蓄熱

図 21

夏期は上部の暖気を吸引し気化熱冷却利用法イラスト（英文）3．土水蓄熱兼気化熱冷却装置
エスコットでは土水蓄熱と気化熱冷房の両方につかえる機器の試作を行った．
仕組みは土中に熱交換器とファンのついたVU125 の塩ビパイプを埋設する．
この埋設パイプに水を入れるがその際，上部に 3
図 22～ 4cm 程度の空間を残す．

全体，熱交換器，冷却用ファン

冬期の日中はハウス上部に設置されたパネルが集この装置は現在，モデルケースを探している．

熱，埋設パイプ内の水経由で周辺土壌を温め夜間に放熱する．
一方，冷却が必要な夏場はパネルによる集熱は行

4．おわりに中空ポリカを用いた製品開発にはこの他，中空窓

わず，ファンにより高温空気をパイプ内の水面とのガードとヘッドルームがある．いずれもエンジニア

接触過程で気化熱により冷やす．
パイプの中の水は周辺の土に熱を放散する．

リング・プラスチィックの強度や耐久性と中空ハモ冷やされた風は作物の下部に向けられ今度は葉かニカ構造の断熱性，防音性等を活かしたものである．
以下，簡単に触れておきたいと思う．

らの蒸散を促す．
また，質量のある CO2 は地面付近に滞留しやす①中空窓ガード（減災用）

い．従って，ここでの送風は CO2 拡散効果も期待

ガラス窓の断熱性は大幅に改善されたが物理的強できる．

度には依然，問題がある．

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図 25

図 23

プラスチック簡易コレクターとその応用事例

ヘ ッドルーム，実施例，内部状況（LED ライトを入れ暖かい状況で読書が可能）

特殊ボルトとガラス面取付，ポリカ取付柏市市役所
での実証試験中

図 26

効果に関するイラスト

図 27

図 24

使用手順

機能イラスト

関東地方の窓ガラスであれば風速 49 メートルが限界強度である．スーパー台風の上陸が予想される中，窓は気候変動期のアキレス腱であるといえ

図 28

ヘッドルーム内の湿度推移

る．
エスコットでは窓ガラス面にバネ入りのボルトをまた，窓割れリスクから人と資産をまもる WPP立て，中空ポリカをプラスし複層化する技術を開（Window Protection Project）を開始した．

発した．

写真と機能についてのイラストを御覧いただけれ

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太陽エネルギー藤本治生：の NPO，大学，起業家により改善，普及していくことを期待している．
参考文献
1 ）ソーラーシステム振興協会
2 ）ウィキペディア
図 293 ）ポリカーボネート樹脂技術研究会

周辺との温度比較

著者略歴
藤本治生（フジモト ハルオ）

ば理解できるものと考える．

放送大学大学院，環境システム科学卒②ヘッド・ルーム
睡眠時の省エネ機器として開発した．

業

代謝エネルギーの活用により室内暖房温度を下げ

1993 年，ソフト・エネルギー研究会
設立千葉県手賀沼における湖上農法技

光熱費の削減に繋がる．
また，呼吸による空間内絶対湿度の上昇によりの術開発アオコと超音波を用いた水環境改善装置「アど，肌の乾燥を押さえる事が出来る．

オコバスター」開発カバーする布の選択によってはアレルゲンや大気1997 年，省エネルギー輸送対策会議設立海上コン汚染物質の侵入を抑制できる．

テナのラウンド・ユースを提唱

NPO エスコットでは以上の様に中空ポリカを太2003 年，NPO エスコットに改名

陽熱回収，窓強化と断熱，睡眠時の省エネの 3 パ

2016 年，「ENERGY GLOBE AWARD」受賞

ターンで製品化した．

詳細情報：http://npo-escot.org

これらはいずれも気候変動対策に直結しおり，他

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