家 庭 用 太 陽 エ ネ ル ギ ー 装 置 の 原 理 と 設 計

家 庭 用 太 陽 エ ネ ル ギ ー 装 置 の 原 理 と 設 計

海野和三郎，湯浅学

近 畿 大 学 理 工 学 総 合 研 究 所 ， 干 5 7 7 東 大 阪 市 小 若 江 3 ‑ 4 ‑ 1 ( R e c e i v e d  Decemher 1 7 ，  1 9 9 6 )  

Principle and Design of a  Solar Energy Device  f o r  Individual Houses 

Wasaburo Unno and Manabu Yuasa 

K i n k i  U n i v e r s i t y ，  f j α c u l t y  0 1  B i o ‑ S c i e n c e   α nd T e c h n o l o g y   Kowakae ，  H i g a s h i ‑ O s a k a ，  Osaka 5 7 7 ，  Japan 

Abstract 

Principle of a porous solar‑pond is  described by me^組 sof elementary physical picture and  is  applied to design a solar energy device of practical use in individual houses.  The device is  composed of upper nonconvective water layer of 19 cm thick and of lower semi‑transparent sponge  layer above the adiabatic hot‑water tank.  The upper layer is  filled with transparent cells of 10  cm cube of which inside is  divided into 25 vertical parallel spaces of 2mm thick sep紅 atedeach  other by 24 vertical transp^ぽentco回eframes of 2 m m  thick with紅eaof 10 cm squむecovered on  both sides with transp紅entmembrane

， 

forming altogrther nonconvective water layer maintaining  temperature gradient subject to heat conduction.  The semi‑仕 組sparentsponge layer of 5 cm  thick is  to absorb solar radiation and also to maintain temperature gradient in the lower part.  Convection is  prohibiもedin both layers.  Solar radiation enters through the upper transp^ぽent layer and is absorbed in the sponge layer.  The device is  very simple but efficient and economical  for supplying hot water and for warming houses in winter. It will be one of the most useful tools  to encourage people to live without fossil fuels and to overcome the future energy crisis. 

Key words: Solar Energy

， 

Convection Stabilization

， 

Multi‑Membrane U^凶t

1  概 説

太 陽 エ ネ ル ギ ー 装 置 は 水 の 類 希 な 性 質 を 利 用 す る

[ 1 ， 3 ] 0

水 は 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 大 部 分 を 担 う 可 視 先 に 対 し 透 明 で 、 熱 放 射 の 赤 外 光 に 対 し て は 殆 ど 完 全 に 不 透 明 な の で 、 水 底 で 吸 収 さ れ た 太 陽 エ ネ ル ギ ー は 対 流 と 熱 伝 導 で 外 ヘ 逃 げ る 。 も し 対 流 を 阻 止 す る 工 夫 を し て や る と 、 熱 伝 導 度 は 小 さ い (κ=1.6 x 10‑⁷m²/s)ので、 10cm以 上 の 深 さ の 水 の 層 は 絶 好 の 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 集 熱 蓄 熱 装 置 と な る 。 熱 伝 導 時 間

c f 2 /

κは 17時 間 以 上 に な る か ら で あ る 。 装 置 の 設 計 に 必 要 な そ の 他 の 水 の 性 質 と しては、比熱の大きいこと (C=4.2X 10³Jkg‑¹K‑¹  ) 、 熱 膨 張 係 数α=6.3X 1Q‑⁴K‑¹、 運 動 粘 性 係 数

(ν = 

3 . 7  

X 10‑⁷ m2 S‑l)、 密 度 (ρ= 1Q³kg m‑³  )などである。 1m²の 面 積 で 深 さ 10cmの水を 50度 上 昇 さ せ る 熱 量 は 約 210x10⁵Jとなるから、

之れを 500W/m²の 太 陽 光 で 温 め る と 約42

，

000秒 すなわち 12時 間 弱 か か る 計 算 に な る 。 下 半 分 で よ ければ

6

時 間 、 こ れ は 熱 伝 導 時 間 の 約

1 / 3

だから、

熱 伝 導 に よ る ロ ス は そ れ ほ ど 大 き く は な い 。 ロ ス を 減 ら す に は 、 水 深 を 深 く す れ ば 良 い が 、 集 熱 時 間 が 何 回 も か か る し 、 大 型 に し て 周 囲 と の 断 熱 を 完 全 に し な く て は な ら な い 。 家 庭 用 に は 上 述 の よ うに昼間だけの集熱で、 2割 く ら い の ロ ス は 我 慢 す る こ と に し て 、 昼 間 だ け 働 か せ て あ と は 断 熱 槽

‑69‑

に蓄熱するタイプが実際的であろう。

2  対流阻止の原理

問 題 は 対 流 限 止 で あ る 。 対 涜 が 定 常 に な る 条 件 は 浮 カ と 粘 性 カ が 釣 り 合 っ た 状 態 で あ る 。 粘 性 カ が 勝 て ば 対 流 は 治 ま り 、 逆 に 浮 力 が 勝 て ば 対 流 は 一 層 盛 ん に な る 。 対 流 阻 止 の 条 件

[ 1

，

2 ]

を出すに は 、 遅 い 対 流 が 定 常 に 保 た れ れ ば よ い か ら 非 線 型 効 果 は 一 応 無 視 し て よ い 。 単 位 質 量 当 り の 浮 力 は

α

T'g (重カ加速度 g

=  0 . 9 8 m / s 2

，温度超過

T ' )

で あ る . 之 れ に 対 す る

z ‑

方 向 の 粘 性 カ は

ν k

²

w

(対 流 禍 の 波 数

k

，

z ‑

速 度

w)

で あ る が ， 浮 カ は 禍 の 横 運 動 を つ く る 圧 力 超 過 も つ く ら な く て は い け な い の で ， こ の 粘 性 カ の 約

2

倍を必要とする.即ち，

2 ν

k²

w  = α

gT'が 定 常 対 流 の 条 件 で あ る . 一 方 ， 温 度 の 定 常 は 温 度 勾 配

F

を

z ‑

速 度 wで 毎 秒

sw

度 上 昇 す る の を 熱 伝 導 κ

k

²

T '

で 定 温 に 保 つ 条 件 κ

k

²

T '  

= 

s

ωが 成 立 た な く て は な ら な い .

2

つの条 件を両立させて，

2 κ ν k

⁴ 

= α

sgと い う 定 常 対 流 の 条 件 を 得 る . こ の 条 件 を 境 に 安 定 と 不 安 定 と が 分 かれること

( e x c h a n g eo f   s t a b i l i t y   [ 2 ] )

は証明され て い る の で ， 時 間 変 動 を 入 れ た 議 論 を す る 必 要 は

3  太 陽 熱 温 水 器 の 設 計

以 上 の 議 論 を ふ ま え て 家 庭 用 太 陽 熱 温 水 装 置 を殻計する.外気より

5 0

度 高 い 温 水 を

1

日

2 5 0 k g  

つ く る 設 計 で あ る 。 ま ず ， 縦 横 l O

cm

厚さ

2mm

の 回 の 字 ま た は 囲 の 字 形 の 透 明 プ ラ ス チ ッ ク 枠 を 1，

2 2 5

枚 用 意 す る 。 両 面 に 透 明 ビ ニ ー ル 膜 を 張 り ，

2 5

枚 重 ね て 立 て 10

cm

立 方 の 体 積 の 箱 型 ユ ニ ッ ト を作る.これを

7x7

合 計

4 9

個 碁 盤 目 状 に 並 ペ る . 膜 の 面 が 隣 合 っ た ユ ニ ッ ト で お 互 い に 垂 直 に 並 べ るo

7x7

ユ ニ ッ ト の 下 に 板 状 の 透 明 ス ポ ン ジ を 重 ねて

4cm

ほ ど の 厚 さ の 蓄 熱 水 層 と し 、 そ の 最 下 層 は 黒 色 の 光 吸 収 層 に す る . ス ポ ン ジ は 完 全 に は 透 明 で な い の で 、 太 陽 光 は 蓄 熱 水 槽 で す で に か な り 吸 収 さ れ る が 、 残 り は 光 吸 収 層 で 完 全 に 吸 収 さ れ る . 最 上 部 に 透 明 プ ラ ス チ ッ ク 格 子 板 を の せ ( 給 水 に は そ の 上 か ら 一 機 に 散 水 ) 、 全 体 を 厚 手 の 丈 夫 な 透 明 ビ ニ ー ル 袋 に つ め て 水 を 満 た せ ば ほ ぽ 出 来 上 が り で あ る 。 後 は ， 蓄 熱 水 槽 か ら 熱 水 を 断 熱 タ ン ク に 取 り 出 す よ う に 温 度 セ ン サ ー っ き の 給 湯 ホ ー ス を つ け る こ と と 、 自 動 的 に 最 上 部 か ら 水 を 補 給 す る 装 置 を つ け る だ け で よ い . 対 涜 の 限 止 を し な い 普 通 の 太 陽 温 水 器 と 比 べ る と 熱 効 率 は 恐 ら

ない。

い ま ， 横 d，高さ d，厚さ

b(b<<d)

の 透 明 枠 に 透 明 ビ ニ ー ル 膜 を 張 っ た 薄 い 隙 聞 に 対 涜 渦 を 作 る と ， そ の

z ‑

速 度 は 近 似 的 に

ω =  v  s i n [ ( π / d ) x ]   s i n [ ( π / d ) z ]   s i n [ ( π / b ) y ]  

と書ける.膜を張った枠を奥行き方向に重ねたもの が対流阻止の装置である(膜を縦に張るのは太陽光 が 膜 で 反 射 さ れ て も 反 射 光 が 下 ヘ 行 く よ う に す る ため)。膜の上 (y

=  n

め で は 速 度 ゼ ロ で あ る 。 上 の 条 件 式 中 の

k ²

はこの場合

k ² =  π/ ( b ) 2 ( 1  

_+2b2/~)

となる .

( b

² /~)を 1 に比べて無視すると，対流阻 止 の 条 件 式 は

b

⁴

<  2 π 4 ( κ ν / α

sg)である .sとし て

5 0 0

度 /

m 

(1

0  cm

で

5 0

度 ) を 採 用 す る と ， 膜 と 膜 の 聞 の 間 隠 は

2

.4

mm

以 下 に す る 必 要 が あ る 。 速 度 の 非 線 型 効 果 は 締 巴 て 運 動 量 と 温 度 の 輸 送 す な わ ち 粘 性 と 熱 伝 導 を 増 や す 方 向 に 働 く と 考 え ら れ る か ら ， 対 涜 の 抑 止 に な る で あ ろ う

く

2

倍 以 上 で あ ろ う 。 表 面 水 温 が 低 く 保 た れ る か ら 表 面 か ら の 熱 放 射 と 蒸 発 熱 に よ る ロ ス が 少 な い か ら で あ る 。 心 配 な 事 は 、 ユ ニ ッ ト の 側 面 に 陳 聞 が あ る と 対 涜 が 隙 間 を ぬ っ て 起 り 、 表 面 に 温 湯 が 拡 が る 事 で あ る . 表 面 の 温 度 が 上 が っ た 分 は 表 面 か ら の 熱 損 失 と な る か ら 、 側 面 の 隙 間 が 残 ら な い よ う に ス ポ ン ジ で 完 全 に 埋 め て お く 必 要 が あ る 。

別 の タ イ プ の 設 計 も あ る 。 対 流 阻 止 の 上 層 部 を 真 水 で は な く て 、 下 ほ ど 漕 い 塩 水 と す る 従 来 の 塩 度 勾 配 ソ ー ラ ー ポ ン ド 型

[ 1

，

5 ]

と、ある種のポリ マ ー を 混 ぜ て 粘 性 を 高 め 、 多 層 膜 の 聞 の 間 隔 を 大 き く で き る 多 賀 式

[ 5 ]

の 粘 性 多 層 膜 型 で あ る 。 い ず れ の 場 合 も 上 部 と 蓄 熱 の 下 層 部 を 透 明 防 水 膜 で 区 切 る か 、 下 層 部 か ら 熱 交 換 方 式 で 真 水 を 通 し た ヒ ー ト パ イ プ で 熱 を 抜 き 取 る 必 要 が あ る 。 塩 度 勾 配 を 使 う と き は 、 装 置 を 傾 け て 太 陽 に 向 け る よ う な こ と は 出 来 な い し 、 塩 度 勾 配 が 拡 散 し た と き に 塩 水 を 一 部 換 え な く て は な ら な い 。 多 層 膜 を 必 要 と し な い 簡 便 さ が あ る が 、 小 規 模 な ら 塩 害 の 問 題 は な い に し て も 塩 水 処 理 は 面 倒 で あ る .

‑70‑

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太 陽 熱 温 水 器 設 計 図 概 要

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第 l図

〈 正 面 図 )

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4  将 来 エ ネ ル ギ ー 問 題 に む け て

太 陽 電 池 の エ ネ ル ギ ー 効 率 は 理 論 債 が に す べ き で あ ろ う 。 各 家 庭 の 給 湯 暖 房 が と こ で 考 23.8%[5]0実 際 に は 約 20%あ る い は そ れ 以 下 で あ えた装置によってごく簡単に自前で行えるならば、

る . そ れ に 比 べ て 太 陽 熱 温 水 装 置 の エ ネ ル ギ ー 効 人 類 は 化 石 燃 料 の 枯 渇 と 環 境 破 壊 の 脅 威 か ら か な 率は50%を こ え る こ と は 容 易 で 、 水 深 を 探 く す れ り の 程 度 解 放 さ れ ， 実 感 と し て 未 来 に 希 望 を も っ ぱ 原 理 的 に は 90%を 越 え る 。 た だ し 、 電 気 や 仕 事 こ と も 可 能 に な る で あ ろ う 。 バ イ オ マ ス 、 太 陽 電 に す る に は 排 熱 利 用 を し な い 限 り 原 理 的 に そ の 6 池 、 地 熱 海 洋 発 電 と も ど も 太 陽 熱 温 水 装 置 が 将 来 分の l程 度 以 下 に 下 が る の で 、 電 気 を つ く る の は エ ネ ル ギ ー の 主 体 的 役 割 を 担 う と と に な ろ う [3]0 太 陽 電 池 に ま か せ 、 あ く ま で 熱 と し て の 利 用 を 主

本研究は、一部京都フォーラムの助成と、 1995年 度 日 本 私 学 振 興 財 団 な ら び に 近 畿 大 学 環 境 科 学 研究所の助成金を受けて行った。

References 

[1]  W.Unno and M.Taga， 

P h y s i c s  0 1

α

P o r o u s  S o l a r  Pond ， 

Jpn.J .Appl.Phys. 32， 1327^・1333，1993. [2]  W.Unno， Y.Osaki， H.Ando， H.Saio， and H.Shibahashi， 

N o n r a d i

α

1  O s c i l l

α

t i o n s  0 1  S

如 何 Univ.of

Tokyo Press

， 

1^・420

，

1989. 

[3]海 野 和 三 郎 :

r

将 来 エ ネ ル ギ ー と 環 境 の 物 理 学j、 日 本 物 理 学 会 誌 :51，No.10， 727^・733，1996.  [4]  M.Taga， T.Matsumoto， and T.Ochi， 

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b i l i z e d  S o l a r  Pond ， 

Solar 

Energy， 45， No.6， 315^明324，1990. 

[5]宮 本 健 郎 :

r

エ ネ ル ギ ー 工 学 入 門j、培風館、 19960

円ノ 山

ウi