Solar hot water system/ja
太陽熱温水器は、豊富な太陽熱エネルギーを利用して水を加熱し、目的の用途に利用するアクティブおよびパッシブな太陽技術を指します。
これは、電気抵抗加熱や燃料燃焼とは異なり、エネルギー変換を必要としないため、水を加熱する最も効率的な方法の1つです（エネルギー/廃棄物の観点から）。これは、熱エネルギーをある場所から別の場所へ単純に転送して集中させるものです。（ Wikipedia：熱伝達を参照してください。）この技術の効率性のもう1つの例は、太陽エネルギーで動作することです。太陽エネルギーは無料で、使用する技術とそのコストと効率にのみ依存します。言い換えると、エネルギーは無料で、収集、変換、および貯蔵デバイスのみがシステムのコストに寄与します。そうは言っても、太陽熱エネルギーの主な欠点は、太陽が見える場所/時間にのみ利用できることです。
太陽の光に当てた庭のホースからお湯が滴り落ちるのを感じたことがあるなら、太陽熱温水器の働きを体験したことになります。
本質的に、太陽熱温水システムは、太陽熱集熱器、断熱性の高い貯蔵容器、および流体媒体（場合によっては水自体）を介して集熱器から容器に熱を伝達するシステムで構成されています。
コンテンツ
アプリケーション
世界中で家庭用、商業用、工業用の温水を使用するアプリケーションが無数に存在するため、太陽熱技術をこの水の加熱に適用する機会があります。
今日、市場は変化しており、ガスと電気を使用して水を加熱することに伴う経済的コストと環境的コストの両方が、太陽熱温水システムのようなより効率的で低コストのシステムによって改善されています。
背景
太陽熱温水器は新しい現象ではありません。米国では 1920 年代頃まで広く使用されていましたが、その後、信頼性の高い化石燃料システムに取って代わられました。
温水は、適切な技術の分野ではほとんど応用がなく、先進国でのみ得られる贅沢品であると考える人もいます。この問題に関するある文献[要検証]では、「第三世界」で必要な温水は、家と水を同時に暖める木材などの燃料を使用して加熱できると示唆しています。このような否定は、次の 2 つの点で危険です。
- まず、適切な技術は、廃棄物を減らし、天然資源の利用効率を高めることを目的としています。木材は確かに水と家を暖めるものですが、多くの貧困国では利用できない天然資源でもあります。一方、太陽はどこにでも存在し、私たちが使用するかどうかに関係なくエネルギーを発しています。第三世界の国々では、換気の不備や調理時の火による過剰な煙が原因で肺疾患で亡くなる女性や子供が多くいますが、実際には、これがエイズや飢餓よりも死因の第 1 位になる傾向があります。
- 第二に、お湯が必要な場所では、費用対効果の高い方法で、地域の資源によって設定されたパラメータ内でお湯を得る方法があることが不可欠です。この技術が普及すれば、従来の給湯方法に関連する地域のエコロジカル フットプリントを大幅に削減できる可能性があります。
太陽からのエネルギー
太陽放射は1平方メートルあたり1366ワット（W/m 2 ）の割合で地球の上層大気に到達します。[1] 地図Aは、太陽エネルギーが緯度によってどのように変化するかを示しています。
大気中を移動する間に、入射する太陽放射（日射）の6％が反射され、16％が吸収され、赤道でのピーク放射照度は1,020 W/m²になります。平均的な大気の状態（雲、ほこり、汚染物質）により、反射によって日射がさらに20％、吸収によって3％減少します。大気の状態は、地球の表面に到達する日射量を減らすだけでなく、入射光を拡散させてスペクトルを変えることで日射の質にも影響を与えます。[2]
地図 C は、1991 年から 1993 年にかけて収集された衛星データから計算された平均全球放射照度を示しています。たとえば、北米では、地上レベルでの年間平均日射量は (夜間や曇りの期間を含む) 125 ～ 375 W/m² (3 ～ 9 kWh/m²/日) です。[3]これは利用可能な電力を表しており、供給される電力ではありません。現在、太陽光発電パネルは入射太陽光の約 15% を電気に変換します。したがって、米国本土のソーラーパネルは平均して 19 ～ 56 W/m²、つまり 0.45 ～ 1.35 kWh/m²/日を供給します。[4]
右側の地図Cの黒い円は、8%の効率の太陽光パネルで覆われた場合、 2003年の世界の総一次エネルギー供給量よりもわずかに多くのエネルギーを電気の形で生産する土地の例です。 [5]平均日射量と電力は地域規模での太陽光発電の可能性についての洞察を提供しますが、特定の場所の可能性については、地域に関連する条件が最も重要です。
地球の大気圏を通過した後、太陽エネルギーのほとんどは可視光線と赤外線の形で現れます。植物は太陽エネルギーを利用して光合成により化学エネルギーを作り出します。人間は定期的にこのエネルギーを木材や化石燃料を燃やしたり、単に植物を食べたりして利用していますが、植物や化石燃料を使わずにこのエネルギーを利用する方法を見つけたらどうなるか想像してみてください。
最近の懸念事項は地球の暗化です。これは汚染の影響で地表に届く太陽光が減っている現象です。これは汚染粒子と地球温暖化に複雑に絡み合っており、地球規模の気候変動の問題として懸念されていますが、太陽エネルギーの減少が現在および将来的に起こり得るため、太陽光発電の推進者にとっても懸念事項となっています。(1961年から1990年の間に海面で利用できる太陽エネルギーは約4%減少しました)これは主に雲から宇宙への反射が増加することによって生じています。[6]
- 注: Wikipedia の内容はこのセクションにのみ適用されます。
種類
太陽熱温水システムは、太陽の太陽エネルギーを水に変えるように設計されています。特定の状況に最も効率的で効果的な太陽熱温水システムを見つけるのは、困難な作業です。最適なシステム構成を選択するには、考慮すべき重要な要素がいくつかあります。これらの要素には、主に太陽放射量、気候、建設、設置、材料費、システムの場所とアクセス性、加熱が必要な水の量、温水の使用頻度、電気の可用性、材料の可用性、建設のスキルレベルが含まれます。
以下のシステムの分類は、2 つのシステムからなる 3 つのグループと、1 つの固有システムからなる 1 つのグループに分かれています。これらの 4 つの主なグループは次のとおりです。
任意のシステムは、各グループから 1 つの特性を使用します。たとえば、システムは、熱交換器を使用しないアクティブなオープン ループ システムである場合があります。または、別の例として、システムは、熱交換器を使用するパッシブなクローズド ループ システムである場合があります。一部のシステムは他のシステムよりもはるかに簡単に作成でき、ツールと構築に関する基本的な知識を持つ人であれば、機能的なシステムを簡単に作成できます。独自のシステムを作成したい場合は、この複雑さのばらつきが、どのタイプのシステムを選択するかに影響します。
コストも別の要素であり、各システム構成にはさまざまなコストと利点が伴います。特定のシステムのコストは、国や地域によって大きく異なります。特定のタイプの機器を使用する特定の構成は、特定の状況では他の構成よりも効率的です。次の情報では、温水ソーラーコレクターを構築するさまざまな方法について詳しく説明します。
このページの最後には、さまざまなタイプのコレクターと、さまざまな一般的な太陽熱温水システムの例も示されています。
このページでは、太陽熱で水を温めるために使用されているさまざまなシステムについて説明します。太陽熱温水器のより一般的な説明については、太陽熱温水器のページをご覧ください。
シンプルなシステム
非常にシンプルなソーラーシャワーは、日当たりの良い地域で効果的で、直射日光の当たる場所に吊るした水を満たした黒い袋を使用します。
非常にシンプルな「システム」は、太陽の光にさらされたホースやパイプに水を流し、それを熱サイフォン配置の貯蔵容器に接続することで考案できます。熱サイフォンは、加熱された水がその上にある冷たい水を押しのけ、加熱された水が上昇し続けることができる限り、上昇し続けます。パイプ/ホースに空気が存在することはできません。空気があると動きが止まってしまいます。また、ホースから貯蔵容器まで最低でも約 4 フィート (1.2 メートル) 上昇する必要があります。ループを設定して、容器からホースへ、そしてホースから容器へ水を循環させ、加熱プロセスを継続することができます。冷水は底から汲み上げられ、ホースを通って循環し、容器の上部近くに戻ります。サイフォンが壊れていない限り (空気が存在する限り)、水を容器から汲み上げたり排出したりして使用できます。これはシンプルなオープン ループ システムであり、水がシステムに入り、使用するためにシステムから取り出されます。
もう一つのタイプはバッチヒーターとも呼ばれ、サーモサイフォンを使用して大量の水を加熱しますが、太陽エネルギーを吸収するために構築されたソーラーコレクターを使用します。その制限は、タンクがコレクターの上にあることです。コレクターは屋根または太陽にさらされるエリアにあります。そのため、温水を使用場所までパイプで送る必要があり、熱損失が発生します。バッチヒーターを使用した特別な公共太陽熱温水システムも提案されています。
より洗練されたシステム
より洗練されたシステムも存在し、中にはオープン ループ システム(既存の給湯器または他の容器を利用する) を採用しているものもあります。太陽光の下でポンプと電源を備えたソーラー コレクターが動作し、既存の給湯器を補助または代替します。水は給湯器タンクから露出したコレクターに循環し、再びタンクに戻ります。これにより、水は循環し続け、加熱されます。このシステムでは、外部電源を必要とせずに、太陽光発電の低容量循環ポンプを使用できます。効率が高く、コレクターが大きく、タンクの貯蔵容量が小さいほど、水はより速く加熱されます。動作時間が長いほど、水はより熱くなり、熱損失が水温と同程度になります。このオープン ループ システムは、凍結温度がないかまれな気候では非常にうまく機能します。凍結する可能性のあるシステム部分から水を排出する排水口を備えたシステムを使用して、より寒冷な気候でも機能します。排水口は手動で操作することも、サーモスタットで自動的に制御することもできます。このタイプのシステムは、既存の従来の給湯器を補助したり、置き換えたりするために広く使用できます。
閉ループ システムは、凍結したり低温になったりする気候に最適ですが、より高度であるため、より高価です。閉ループ システムでは、冷却剤 (通常はプロピレン グリコール) がコレクターを通って熱交換器に循環され、そこで吸収された熱が冷却剤から水に伝達されます。プロピレン グリコールははるかに低い温度でも液体のままであり、熱を吸収して水に伝達し続けます。プロピレン グリコールはシステム内にも残るため、「閉ループ」という名前が付けられています。熱交換器は、既存の給湯器タンクの外部にあるか、既存のタンクと交換されます。このシステムでは、PV 駆動の低容量循環ポンプも使用できます。
これらのシステムと関連技術は、基本的にコスト、洗練度、エネルギーの順に並べられています。シンプルなシステムは確かに「適切な技術」であり、最小限の投資で使用でき、ガイダンスがあれば、認識されている洗練度に関係なく、実質的にあらゆる文化で使用できます。オープンループ システムは、開発途上社会で元の構造のまま、または改造して使用できます。シンプルなシステムと同様に、設置の種類によってエネルギー コストや GHG を大幅に削減し、他のニーズに重点を置くことができます。クローズドループ システムはより高価であるため、より裕福な文化に限定されますが、その利点は他のシステムと同様です。1 人あたりのエネルギー使用量に基づくと、より高価なシステムの方が、他のシステムよりも化石燃料の使用を削減できる可能性があります。
現代の大量生産された真空管は、氷点下でも熱を集めます。管自体は大量生産に最適ですが、システムの残りの部分は製造においてより柔軟です。真空管は、真空密閉空間を使用してコレクター管を外部要素から分離します。太陽放射がこれらのコレクターによって吸収され熱に変換されると、真空バリアがこのエネルギーのほとんどが逃げるのを防ぎます。基本的に、この方法は魔法瓶と同じように機能します。外部環境への損失を防ぎながら捕捉した太陽放射を封じ込める能力により、真空管システムは、システム外部の温度が極寒であっても水を継続的に加熱できます。
太陽熱温水プール
太陽から得られるエネルギーは地球上の生命を動かし、維持しています。では、なぜプールを温めることができないのでしょうか?
プール... 信じられないほど焼けつくような暑い夏の日に、澄んだ冷たい水に飛び込むのを期待して肌がうずきます。このまさにその瞬間に触れることで、プールの掃除や手入れの面倒な作業は価値あるものになりますよね。焼けつくような日々がもう少し長く続いて、裏庭の熱帯風の楽園でのんびり過ごせたらいいのに。悲しいかな、季節は言うことを聞いてくれず、必然的に秋、冬、春があなたの大切なプールを襲い、タイル張りの骨まで冷やし、まったく使えなくなってしまいます。一年の大半は、あなたのプールは使われず、愛情も受けず、飼い主の帰りを待ちわびる犬のように、雪解けを待つ休眠中のラッパズイセンの球根のように、... 私たちが地球に苦しむために生まれてきたのではないのと同じように、私たちはみんな欲しいものを手に入れることができるはずです。化石燃料の経済的および環境的コストをかけずに温水プールを実現したいとお考えなら、太陽熱温水システムの広大な世界へようこそ。
関連プロジェクト
参考文献
- ↑ 太陽スペクトル: 標準空気質量ゼロNREL 再生可能資源データセンター
- ↑ 地球放射線予算NASA ラングレー研究センター
- ↑ ソーラーマップNREL: ダイナミックマップ、GIS データ、分析ツール
- ↑ us_pv_annual_may2004.jpg米国国立再生可能エネルギー研究所
- ↑ ホームページ国際エネルギー機関
- ↑ Liepert, BG (2002-05-02) 1961年から1990年にかけて米国および世界中で観測された地表太陽放射の減少GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS、VOL. 29、NO. 10、1421
参照
- 空間暖房システムのグリーンチューニング：水をそのまま加熱して使用するだけでなく、ラジエーターを通して循環させて、実質的に空間暖房システムを構築するためにも使用できます（ヒートポンプシステム#ヒートポンプシステムを実際に家に設置するも参照）。
- DIY太陽熱集熱器
外部リンク
論文全文
- BRIDGEMAN, AG による家庭用給湯用間接太陽熱ヒートポンプの実験分析
- Cruickshank, C. による太陽熱暖房用途向け層状マルチタンク蓄熱システムの評価
- カナダの住宅用途向け季節貯蔵機能付き中央太陽熱暖房プラント: ドレイク ランディング太陽熱コミュニティのケース スタディ、Wamboldt、J.
![[4]](#cite_note-us_pv_annual_may2004.jpg-4){kind=link}