ソーラーバイオトイレの実用化研究
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山城迫（北見工業大学工学部電気電子工学科）

佐々木 正史 （北見工業大学工学部機械システム工学科）
遠藤登

竹内偉

く北見工業大学工学部機械システム工学科）
く株式会社シオン）

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1． 緒菅
オガクズと腸内菌を活用したいわゆるバイオトイレが道内企業（正和電工／／旭Jl怖）の手で開発され、イベント会場などでの脚寺トイレとして実証試除こ供され好評である。バイオトイレの構造図を図1［1コに示す8これは便槽内のオガクズと汚物とを携拝するだけで、汚物自身が保有する腸内細菌の好気性活動を促し分解するもので、適正な温度と酸素濃度を維持すれば特別な処理や添加物が一軒不要である。
一方山岳地域とりわけ大雪山風立公熟こおいて近年登山者の汚物に★≡ ■． ㌻．；滋 琵芝苦群㌣ E箋茸；ヨ 侮 ＋◆＋ 声く 山川＋号

よる汚染が深刻化している。バイオトイレの挽まその対策のひとつと目されるが、擬陣および加戯二電力を要することから給電インフラの無い山岳堀戒での薫訴訟ま困難であった。これをソーラーエネルギーで自立

穐こ賄うことを目的とし、世界こ類を見ないrソーラーバイオトイレ」を試作十実証するプロジ箪クトが平成14年（2002年）感こ適内企業の細こよって立ち上げられた。本学は電気電子工学科と機械システム工学科が共同でソ㌦うーエネルギーシステムの基本設計を担当した。
本報ではソーラーバイオトイレのエネルギーシステムの設計および大雪山系トムうウシ山登山口における設置状況の概略を報告する。
尚、本案証試験は∴化海道 環境生活部「山のトイレ試験設置調査薬軌の｝曙として㈱シオンがプロジェクトを推進し、正和電エ鮒、陽気窒クリエート工業聞ちの劇茄こよって施工されたものである。

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斐阿1ノVオトイ磯2．ソーラーバイオトイレのシステム椴当初、バイオトイレの要求竜力を全て太陽電池（以下PVと略記）パネルで賄うことを想定してソーラーエネルギーシステムの検討を実施したところ、トイレ小屋に比して不釣合いに過大なPVパネル面積が必要であることが分った。そこでバイオトイレに必要な熱負荷を太陽熱で補うシステムに変更して再度検討を行ったが、所要熟負荷は予想錮こ大きく集熱パネルとPVパネルを合わせた面積はPVパネル単独の時とさほど変わらないという結果となった。従ってソーラーパネル面積を現実的な大きさにするには、PVパネルと集熱パネルを一一薇のパネルに複合化したハイブリッドソーラーパネルを通用するほかないという結論に達した。

−51−

ハイブリッドソーラーパネルは積水化学工業によって世界で初めて商品化され［2〕、パネル面積当りのエネルギー利用率を飛躍的に高める有効な手段として注目されている。ハイブリッドソーラーパネルの構造を図2に示す。
集熱バわレほ製作の便：邑上平板型となっており、革冷鴫の冬期間の集熱性能に難があるが、登山客が集中する6月から9月にかけての季節であれば商品化仕様そのままで適用可能と判断した。ハイブリッドソーラーパネルを利用したソーラーバイオトイレのシステムを図3に示す。電力負荷（潔搾モーター、換気プロア、解明など）は、PVバわレの発電電力をインバータによりAClOOVに変換して賄われる。余剰電力は釦穀バッテリーに蓄電され、夜間や農天日の電力に供される。熱負荷はバイオトイレ筐体のジャケットに温水を循環させて稽内を加温する部分のみであり、蓄熱タンクに集無パネルからの太陽熱を直接（紫衣換串を介さず）受熱する。集熱ノくネルおよび蓄熱タンクの熱媒体は環境に配慮し、上水とした。集熟パネル温度と蓄熱タンク水温の差が設定値〈約30C）以＿出こなると受勲運転を開始する差戯1牌を行し＼バイオトイレ反応槽温匿が設定値（約40℃）以下になると筐体ジャケットへの温水循環を行う制御とした。夜間や曇天日の熱量は蓄熱タンク内の温水のみによって購われる。

図2

ノイブジッドソーラ
ー「′くネ／嘲幣達㌫rr脚丈等奉麿［ヨ風雲3．ソーラーシウlテムの基本設計
エネルギー収支の検討に必要な気象条件につ

明晰ト
暮内灯

いては、現地における観測データが無いため、

入口打日射量については新得町（標高178m）の月平′→J′′

均日射量を、気温に関しては標高を重視して様／一′蠣㌣平（540m）のデータから現地の条件を推定し

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←・ 腎荘i腹匡∃料・プl

た。天候については山岳地堺寺有の傾向を把握醐すべきであり、現地近くのトムうウシ温泉においてヒアリングを試みたがデータを得るには到恥．器髪らなかった。

図3

自立型のソーラーエネルギーシステムの規模；

紺脚−酬

ソーラーヅくイオトイレのシステふ蝋露

は、この天候パターンが決定的に支配する。すなわち曇天によるエネルギー不足を晴天日にどれだけ貯めこんでおくかによって、必要なパネル面積、バッテリー量、蓄熱タンク容量が大きく変わってしまう。シ
ステム設計においてほ晴天と曇天の種々のパターンについて検討を行ったが、最終的には9月末の比較的低い外気温の時、1日晴天の後2日曇天が続いても必要なエネルギーが賄えることを目標とした。これは晴天比率の問題ではなく、バッテリーおよび蓄熱タンクの最大容量を決定するものであって、連続して何日晴天が続こうとも2日を越えて曇天が続くとエネルギー収支（特にバッテリー）が苦しくなることを意味する。このようなリスクを含みつつ、1日の晴天があればその後2日間の曇天を

表1ソーラーシステム主要諸元
所要電力

3．OkWUd野

許容できるシステムの基本設計本吉異を表1に示す。イ旦し一日の所要熱量

3，3kWⅣd町

最大使用回数は百回に対応できるものとした。また、バッテリー容量は2日の曇天が終了した時点でバッテリーの放電深度D晴天1日＋曇天2日の場合所要PVパネル面積

迎rr遥ODが最大0．5となるように考慮した。熱損失は蓄熱タンクお所要バッヂノ容量

20kⅥ丑l

よび反応槽外壁について熱伝達モデルから求めたが、これらに所要熟コレクタ面積17n止

所要蓄熱タンク容量

350リ適ー

配管損失3％を加えても換気プロアによる反応槽内ガスの排気に伴う排熱量の方が圧倒的に大きくなる可能性があるという横言調吉異が得られた∴換気は連日24時間連続運転することがその主な要因であるが、換気に伴う熱損失の推定モデルには不確定な部分も多いため、実際のシステムでは蓄熱タンク内の容量−52−

平均室温

1げC

PV効率

川％

集熱効率15％

は800リッターと余裕を持たせた値になっている。尚、蓄熱タンクの外壁は厚さ100mmの断熱フォ｝ミング（吹き付け）を実施している。
4．ソーラー1バイオトイレの設置状況

トムラウシ山登山口に設置されたソーラーバイオトイレの外観図を図4く正面）および図5（背面）に示す。バイオトイレは男女別々に各「基づつ設置され、ソーラーエネルギーシステムはその双方のトイレのエネルギーを賄うため、ソーラーパネル、バッテリー、蓄熱タンクは十式である。ソーラーシステム機

械室に設置された鉛醸バッテリーを図6に、電力制御部を図7に、蓄熱タンクを図8に示す。
設置当時は天候が不順のため、バッテリーおよび蓄熱タンクのいずれも基準状態（満充電および40℃以上）に達するのに−一遇問以上を要した。その後システム媚軌こ稼働したが、途中一回だけ異常横紙こよる自動停止が発生した。全てのシステムに異常は認められず、落熟こ伴う瞬時異常が原因と考えられる。

しかし本システムは完全な無人運転であり、妄全を確保するため自動復帰機能は当面付与しないこととした。

本ソーラーバイオトイレは平成14年10月の積雪期を前に「旦運用を停止（蓄熱タンクより排水、PVパネルとバッテリーは檜喜訂犬態で過放電に対応）したが、その時点での延／司り用回数は、男子トイレ1619回、女子トイレ1383回であった。予想通り登山客とりわけ女性から多くの感謝の言葉が寄せられている由であった。

阿4ソーラーバイオトイレ舛畿征範囲5ソーラーヅVオトイレ外鶴館有：嶺拘き）

図7

電力制御盤

（チャージコントローラ、インバーターう

一53−

園8

薔熟タンクおよび繊離ポンプ

さ．赫曹
ハイブリットソーラーパネルを利用したバイオトイレのコンセプトを構築し、ソーラーエネルギーシス
テムの基本設計を本学家気電子工学科と機械システム工学科が共同で行った。その結無二基づいてソーラーバイオトイレを大雪山系トムラウシ山登山口に施工設置、平成14年7月から本格的にフィールドにおける実証試験を行った春吉果、以下の結論を得た。

（1）落菅によるものと思われるシステムの自動停止が「度あったが、これを除くとソーラーバイオトイ
レはシステムとして正常に機能し、特に電力や熱の不足による機能上の間鼠ま生じなかった。

く2）これにより自立式熟／電気ハイブリッドソーラーエネルギーシステムの設計手法の妥当性が立証された。
（3〉 自立式のソーラーシステムをコンパクトにまとめる上で、ハイブリッドソーラーパネルの有効性が実証された。

本ソーラーバイオトイレは平成15年も道路の冠雪が融解する6月から再運用を計画している。藩雪・強風・酷寒の中に放置されたソーラーエネルギーシステムの耐久状況を含め、さらなる詳細な運用データが蓄積されることが期待できる。
また、新島県巻町角田山においては㈱環境シーエスワンが同様のソーラーバイオトイレを設置、通年運転を試みる予定となっている。他の山岳地域からも大きな関心が寄せられており、ソーラーバイオトイレシステムが広く普及・展開することによって山岳の汚物汚染問題解決の「助となることを期待したい。

袖辞ハイブリッドソーラーパネルの製作・納入に当っては積水化学工業㈱の多大な配慮を頂いた。また日本電池㈱北海道支店にはバッテリーおよび電力制御磯路こ関する恐切な技術アドバイスを頂いた。ここに付記して謝意を表する。

参考文献（1）正和電工㈱カタログ．2002．3（2）松崎、加納、村田、太陽／風力エネルギー講演論文集、pp・155・158、（2000）（注；山城迫氏の許可を得て「北見工業大学工学部年報のWめ閲覧内容」より論文を転載）−54−