特許 7504724 太陽熱利用システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-14

(45)【発行日】2024-06-24

(54)【発明の名称】太陽熱利用システム

(51)【国際特許分類】

   F24H 1/00 20220101AFI20240617BHJP

   F24H 1/18 20220101ALI20240617BHJP

   F24H 15/156 20220101ALI20240617BHJP

   F24H 15/215 20220101ALI20240617BHJP

   F24H 15/219 20220101ALI20240617BHJP

   F24H 15/238 20220101ALI20240617BHJP

   F24H 15/31 20220101ALI20240617BHJP

   F24S 60/30 20180101ALI20240617BHJP

   F24S 90/00 20180101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

F24H1/00 621E

F24H1/18 B

F24H15/156

F24H15/215

F24H15/219

F24H15/238

F24H15/31

F24S60/30 010

F24S90/00 300

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020142284

(22)【出願日】2020-08-26

(65)【公開番号】P2022038012

(43)【公開日】2022-03-10

【審査請求日】2023-07-14

(73)【特許権者】

【識別番号】501418498

【氏名又は名称】矢崎エナジーシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100115048

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】渥美 佑樹

【審査官】大谷 光司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１６４４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１４５２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８０９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１３０３２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｈ １／００ － １５／４９３

Ｆ２４Ｓ ６０／３０

Ｆ２４Ｓ ９０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

太陽光を受光する集熱器と、前記集熱器で加熱された熱媒を導入して蓄熱する蓄熱槽と、を有する蓄熱部を複数有し、
前記蓄熱槽毎に設けられ、対応する前記蓄熱槽への給水量又は対応する前記蓄熱槽からの給湯量を制御する制御弁と、
前記蓄熱槽毎の太陽熱利用熱量を算出する算出部と、
前記蓄熱槽毎に算出された前記太陽熱利用熱量に基づいて前記制御弁毎の開度を決定する制御部と、
を更に有することを特徴とする太陽熱利用システム。

【請求項2】

前記制御部は、算出された前記太陽熱利用熱量に比例した流量となるように前記制御弁毎の開度を決定することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用システム。

【請求項3】

前記制御部は、予め定めた前記制御弁の最大開度と、予め定めた前記制御弁の最小開度と、前記制御弁の数と、に基づいて各々の前記制御弁の開度を決定することを特徴とする請求項１に記載の太陽熱利用システム。

【請求項4】

前記制御部は、前日の前記太陽熱利用熱量に基づいて前記制御弁毎の開度を決定することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の太陽熱利用システム。

【請求項5】

前記蓄熱槽毎に設けられ、対応する前記蓄熱槽への給水温度を検出する給水温度検出部と、
前記蓄熱槽毎に設けられ、対応する前記蓄熱槽からの給湯温度を検出する給湯温度検出部と、
前記蓄熱槽毎に設けられ、対応する前記蓄熱槽からの給湯量を検出する給湯量検出部と、を有し、
前記算出部は、前記給水温度検出部の検出結果と、前記給湯温度検出部の検出結果と、前記給湯量検出部の検出結果と、に基づいて前記蓄熱槽毎の前記太陽熱利用熱量を算出する、
ことを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の太陽熱利用システム。

【請求項6】

前記制御弁は比例制御弁であることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項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、集熱器で集熱された太陽熱を蓄熱する蓄熱槽を複数有する太陽熱利用システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、太陽熱集熱装置に対して熱媒を供給し、太陽光の受光する集熱器において加熱された熱媒を利用して蓄熱槽の冷水を加熱し、加熱により得られた温水を外部に供給する太陽熱利用システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－８１７３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した太陽熱利用システムを複数連結し、得られた温水を外部に供給することも行われている。この場合、複数の太陽熱利用システムそれぞれの集熱器の設置状況により集熱量がシステム毎に同一でなくなるため、蓄熱槽の蓄熱量にばらつきが発生し、システム全体として太陽熱を有効に利用することができない。

【0005】

そこで、本発明は、上記のような問題点に鑑み、熱利用効率を向上させることができる太陽熱利用システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するためになされた発明は、太陽光を受光する集熱器と、前記集熱器で加熱された熱媒を導入して蓄熱する蓄熱槽と、を有する蓄熱部を複数有し、前記蓄熱槽毎に設けられ、対応する前記蓄熱槽への給水量又は対応する前記蓄熱槽からの給湯量を制御する制御弁と、前記蓄熱槽毎の太陽熱利用熱量を算出する算出部と、前記蓄熱槽毎に算出された前記太陽熱利用熱量に基づいて前記制御弁毎の開度を決定する制御部と、を更に有することを特徴とする太陽熱利用システムである。

【発明の効果】

【0007】

以上説明したように本発明によれば、算出された太陽熱利用熱量に基づいて制御弁毎の開度を決定して、蓄熱槽への給水量や給湯量を調整することができる。したがって、蓄熱量の多い蓄積槽の給水量や給湯量を多くすることが可能となり、熱利用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態にかかる太陽熱利用システムの概略構成図である。

【図2】図１に示された太陽熱利用システムにおける太陽熱利用熱量算出動作のフローチャートである。

【図3】図１に示された太陽熱利用システムにおける比例制御弁の開度決定動作のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる太陽熱利用システム１００の概略構成図である。太陽熱利用システム１００は、蓄熱部１と、ストレージタンク６と、ボイラ７と、制御部８と、を備えている。図１では、蓄熱部１は、蓄熱部１１～１ｎのｎ個（複数）備えている。

【0010】

蓄熱部１は、給水配管６１及び給湯配管６２によって並列に連結（接続）されている。給水配管６１は、後述する蓄熱槽２に対して冷水等を供給する配管である。給湯配管６２は、蓄熱槽２から温水等が給湯される配管である。

【0011】

蓄熱部１は、蓄熱槽２と、集熱器３と、熱媒配管４と、循環ポンプ５と、給湯流量計Ｒと、給水温度センサＴａと、給湯温度センサＴｂと、比例制御弁Ｖと、を備えている。

【0012】

蓄熱槽２は、熱媒が保有する熱、すなわち、集熱器３で加熱された熱媒を導入して蓄熱したり、蓄熱した熱を温水として熱利用機器（不図示）に供給したりする。蓄熱槽２は、給水配管６１から供給された水等を内部に貯えるタンク等から構成されている。

【0013】

集熱器３は、太陽光を受光して、その太陽熱により熱媒を加熱する。集熱器３は、屋根などの日当たりのよい場所に設置されている。熱媒には例えば水を用いることができるが、不凍液やプロピレングリコール水溶液等であってもよい。

【0014】

熱媒配管４は、熱媒が流れる配管であり、集熱器３と蓄熱槽１との間を接続する集熱回路を構成する配管である。

【0015】

熱媒配管４には、熱媒を循環させる駆動源となる循環ポンプ５が設けられている。循環ポンプ５を起動させることで、集熱器３と蓄熱槽２との間で熱媒が循環する。この熱媒の循環を通じて、集熱器３により集熱された太陽熱が蓄熱槽２に蓄熱される。

【0016】

給湯流量計Ｒは、蓄熱槽２の給湯配管６２側（出口側）に設けられ、蓄熱槽２から給湯される温水の量を計測する。給水温度センサＴａは、蓄熱槽２の給水配管６１側（入口側）に設けられ、蓄熱槽２へ給水される冷水の温度を計測する。給湯温度センサＴｂは、蓄熱槽２の出口側に設けられ、蓄熱槽２から給湯される温水の温度を計測する。

【0017】

比例制御弁Ｖは、蓄熱槽２から給湯する温水の量を制限する弁である。比例制御弁Ｖは、給湯流量計Ｒより手前（蓄熱槽２側）に設けられている。比例制御弁Ｖは、周知のように、入力信号に比例した流量を出力として制御できる弁である。比例制御弁Ｖの開度は、制御部８によって決定される。

【0018】

図１では、蓄熱部１１が有する蓄熱槽２に符号２１、集熱器３に符号３１、熱媒配管４に符号４１、循環ポンプ５に符号５１、給湯流量計Ｒに符号Ｒ１、給水温度センサＴａに符号Ｔａ１、給湯温度センサＴｂに符号Ｔｂ１、比例制御弁Ｖに符号Ｖ１をそれぞれ付す。蓄熱部１２が有する蓄熱槽２に符号２２、集熱器３に符号３２、熱媒配管４に符号４２、循環ポンプ５に符号５２、給湯流量計Ｒに符号Ｒ２、給水温度センサＴａに符号Ｔａ２、給湯温度センサＴｂに符号Ｔｂ２、比例制御弁Ｖに符号Ｖ２をそれぞれ付す。蓄熱部１ｎが有する蓄熱槽２に符号２ｎ、集熱器３に符号３ｎ、熱媒配管４に符号４ｎ、循環ポンプ５に符号５ｎ、給湯流量計Ｒに符号Ｒｎ、給水温度センサＴａに符号Ｔａｎ、給湯温度センサＴｂに符号Ｔｂｎ、比例制御弁Ｖに符号Ｖｎをそれぞれ付す。以上の符号は、蓄熱部１１～１ｎを個別に識別して説明する際に用いる。

【0019】

ストレージタンク６は、給湯配管６２から送られてくる温水を貯蔵するためのタンクである。ボイラ７は、ストレージタンク６に貯蔵されている温水の温度が低い場合に加熱する補助ボイラである。ストレージタンク６に貯蔵された温水は必要に応じて熱利用機器に供給する。

【0020】

制御部８は、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＣＰＵが行う処理のプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭと、各種のデータを格納するとともにＣＰＵの処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ等を有して構成されたマイクロコンピュータなどで構成されている。

【0021】

制御部８は、給湯流量計Ｒの計測量（検出結果）、給水温度センサＴａの計測値（検出結果）、及び給湯温度センサＴｂの計測値（検出結果）に基づいて蓄熱部１１～１ｎ毎の太陽熱利用熱量を算出する。即ち、制御部８は算出部として機能する。そして、各蓄熱部１１～１ｎの太陽熱利用熱量に基づいて比例制御弁Ｖ１～Ｖｎの開度を決定する。

【0022】

本実施形態では、制御部８は、太陽熱利用熱量の多い蓄熱槽２（蓄熱部１）の流量を多くすることでシステム全体の太陽熱利用熱量を多くするように比例制御弁Ｖ１～Ｖｎの開度を決定する。

【0023】

太陽熱利用熱量Ｑｓは、給湯流量計Ｒの計測量をｒ、給水温度センサＴａの計測値をｔａ、給湯温度センサＴｂの計測値をｔｂとすると、以下の（１）式により求めることができる。
Ｑｓ＝（ｔｂ－ｔａ）×ｒ・・・（１）

【0024】

ここで、本実施形態では、太陽熱利用熱量Ｑｓは、例えば１秒ごとのｒ、ｔａ、ｔｂに基づいて瞬時値を算出し、その２４時間分の積算値を算出して後述する比例制御弁Ｖの開度の決定に利用する。なお、瞬時値を算出する時間は１秒に限らず２秒等他の時間であってもよい。図２に太陽熱利用熱量Ｑｓの算出動作のフローチャートの例を示す。図２に示したフローチャートは制御部８で実行され、蓄熱部１毎に太陽熱利用熱量Ｑｓの積算が行われる。

【0025】

まず、給湯流量計Ｒの計測量ｒ、給水温度センサＴａの計測値ｔａ、給湯温度センサＴｂの計測値ｔｂを取得する（ステップＳ１１）。このｒ、ｔａ、ｔｂは、上述したように１秒毎の瞬時値である。次に、取得したｒ、ｔａ、ｔｂに基づいて（１）式により太陽熱利用熱量Ｑｓを算出する（ステップＳ１２）。このステップで算出される太陽熱利用熱量Ｑｓも瞬時値である。そして、算出された太陽熱利用熱量Ｑｓの瞬時値を積算する（ステップＳ１３）。

【0026】

次に、積算が２４時間経過したか否か判断する（ステップＳ１４）。２４時間経過しない場合は（ステップＳ１４；Ｎ）、ステップＳ１１に戻り太陽熱利用熱量Ｑｓの積算を継続する。一方、２４時間経過した場合は（ステップＳ１４；Ｙ）、積算値を前日分の太陽熱利用熱量として別途保存する（ステップＳ１５）。そして、積算値をリセットして（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻り次の２４時間分の積算を行う。

【0027】

本実施形態における比例制御弁Ｖの開度の決定方法を説明する。本実施形態では、各蓄熱部１１～１ｎの前日の太陽熱利用熱量を算出し、算出された太陽熱利用熱量の中で、最大の太陽熱利用熱量となる蓄熱部１の比例制御弁Ｖの開度を１００％とし、他の蓄熱部１については太陽熱利用熱量に比例した流量になるよう比例制御弁Ｖを制御する。

【0028】

例えば、蓄熱部１１の太陽熱利用熱量Ｑｓが１０、蓄熱部１２の太陽熱利用熱量Ｑｓが８、蓄熱部１ｎの太陽熱利用熱量が３とすると、蓄熱部１１の比例制御弁Ｖ１の開度は１００％となる。そして、蓄熱部１２の比例制御弁Ｖ２の開度は８０％となり、蓄熱部１ｎの比例制御弁Ｖｎの開度が３０％となる。

【0029】

また、上記の決定方法に限らず、予め定めた比例制御弁Ｖの最大開度と、予め定めた比例制御弁Ｖの最小開度と、比例制御弁Ｖの数と、に基づいて各々の比例制御弁Ｖの開度を決定してもよい。

【0030】

例えば、比例制御弁Ｖの最大弁開度を１００％、最小弁開度をＡ％とし、蓄熱部１の数（蓄熱槽２の数）の台数で案分して開度を決める。蓄熱部１の数（蓄熱槽２の数）をＮとすると、太陽熱利用熱量の多い順に番号を付けたときのＸ番目の弁開度をＢ％は次の（２）式で求めることができる。
Ｂ＝１００－（１００－Ａ）×（Ｘ－１）／（Ｎ－１）・・・（２）

【0031】

次に、上述した構成の太陽熱利用システム１００における比例制御弁の開度を決定して給湯流量を制御する動作について図３のフローチャートを参照して説明する。図３に示したフローチャートは制御部８で実行される。なお、図３のフローチャートは図２に示したフローチャートにより算出された前日の太陽熱利用熱量に基づいて当日の比例制御弁Ｖの開度を決定するものである。

【0032】

まず、各蓄熱部１の太陽熱利用熱量Ｑｓの積算値を取得する（ステップＳ２１）。このステップで取得するのは、図２のステップＳ１５で別途保存した値である。そして、（２）式により各比例制御弁Ｖ１～Ｖｎの開度を算出して決定する（ステップＳ２２）。開度の決定方法は上記した２つの方法のいずれでもよい。各蓄熱部１ごとに太陽熱利用熱量を取得するため、２つ目の方法で説明した各蓄熱部１について太陽熱利用熱量の多い順に番号を付けることは可能となっている。

【0033】

本実施形態によれば、太陽熱利用システム１００は、太陽光を受光する集熱器３と、集熱器３で加熱された熱媒を導入して蓄熱する蓄熱槽２と、を有する蓄熱部１を複数有している。さらに、蓄熱部１毎に設けられ、対応する蓄熱部１からの給湯量を制御する比例制御弁Ｖと、蓄熱部１毎の太陽熱利用熱量を算出し、蓄熱部１毎に算出された太陽熱利用熱量に基づいて比例制御弁Ｖ毎の開度を決定する制御部８と、を備えている。

【0034】

太陽熱利用システム１００が上記のように構成されることにより、算出された太陽熱利用熱量に基づいて比例制御弁Ｖ毎の開度を決定して、蓄熱部１（蓄熱槽２）からの給湯量を調整することができる。したがって、蓄熱量の多い蓄積部１（蓄熱槽２）の給水量や給湯量を多くすることが可能となり、太陽熱利用システム１００の熱利用効率を向上させることができる。

【0035】

また、給湯流量計Ｒ、給水温度センサＴａ、及び給湯温度センサＴｂを蓄熱部１（蓄熱槽２）毎に備え、制御部８は、給湯流量計Ｒの計測量ｒ、給水温度センサＴａの計測値ｔａ、及び給湯温度センサＴｂの計測値ｔｂに基づいて蓄熱槽２１～２ｎ毎の太陽熱利用熱量Ｑｓを算出している。このようにすることにより、太陽熱利用熱量Ｑｓは、給湯温度であるｔｂから給水温度であるｔａを差し引いた値と、給湯量であるｒと、の積によって算出することができ、複雑な式を用いずに太陽熱利用熱量Ｑｓを算出することができる。したがって、制御部８の処理負荷を軽減することができる。

【0036】

また、制御部８は、最大開度と最小開度と比例制御弁Ｖの数とに基づいて各々の比例制御弁Ｖの開度を決定しているので、最大開度と最小開度との間の開度で比例した流量にするように制御することができる。

【0037】

また、制御部８は、前日の太陽熱利用熱量Ｑｓに基づいて比例制御弁Ｖ毎の開度を決定するので、前日の実績に基づいて比例制御弁Ｖの開度を決定することができる。

【0038】

また、比例制御弁Ｖを用いているので、各比例制御弁Ｖの流量が比例関係となるように制御するのが容易となる。

【0039】

なお、上述した実施形態では、比例制御弁Ｖは蓄熱槽２からの給湯量を制御していたが、蓄熱槽２への給水量を制御するようにしてもよい。つまり、比例制御弁Ｖｎを蓄熱槽２の給水配管６１側（入口側）に設けてもよい。

【0040】

また、上述した実施形態では、前日の太陽熱利用熱量Ｑｓに基づいて比例制御弁Ｖ毎の開度を決定していたが、前日に限らず、開度を決定時の直近の２４時間等、開度を決定する前の時間帯であればよい。但し、太陽熱を利用するため、日の出から日の入りまでの時間帯を含むのが好ましい、また、２４時間に限らず昼間の１２時間等の時間帯であってもよい。

【0041】

また、制御部８を蓄熱槽２毎に有してもよい。その場合は親機と子機との識別設定を行い、蓄熱槽２毎に太陽熱利用熱量を算出し、親機と設定された制御部８にてそれぞれの太陽熱利用熱量に合わせた比例弁開度を決定して直接又は子機を介して各比例制御弁Ｖに指示するようにすればよい。

【0042】

また、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の太陽熱利用システムの構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

【符号の説明】

【0043】

１ 蓄熱部
２ 蓄熱槽
３ 集熱器
８ 制御部（算出部）
１００ 太陽熱利用システム
Ｖ 比例制御弁（制御弁）
Ｒ 給湯流量計（給湯量検出部）
Ｔａ 給水温度センサ（給水温度検出部）
Ｔｂ 給湯温度センサ（給湯温度検出部）

【図1】

【図2】

【図3】