太陽光エアコン

ソーラーエアコン、または「太陽光発電エアコン」とは、太陽エネルギーを利用したエアコン（冷房）システムのことを指します。

これは、パッシブソーラー設計、太陽熱エネルギー変換、そして太陽光発電（太陽光から電力への変換）を通じて実現できます。 2007年米国エネルギー独立安全保障法[ 1 ]により、2008年から2012年にかけて、新たな太陽熱空調研究開発プログラムへの資金が確保されました。このプログラムでは、複数の新技術革新と大量生産による規模の経済性の開発と実証が期待されています。

歴史

19世紀後半、吸収冷却に最も一般的に使用されていた流体は、アンモニア水でした。今日では、臭化リチウムと水の組み合わせも一般的に使用されています。膨張/凝縮管システムの一方の端は加熱され、もう一方の端は氷を生成できるほど冷やされます。19世紀後半には、天然ガスが熱源として最初に使用されました。今日では、プロパンがRV用吸収式冷凍機に使用されています。温水式太陽熱エネルギー集熱器は、現代の「フリーエネルギー」熱源としても利用可能です。1976年にアメリカ航空宇宙局（NASA）が後援した報告書では、太陽エネルギーシステムの空調への応用について調査が行われました。議論された技術には、太陽光発電（吸収サイクルと熱機関／ランキンサイクル）と太陽熱関連（ヒートポンプ）の両方が含まれており、関連文献の広範な参考文献も掲載されています。[ 2 ]

太陽光発電（PV）による太陽熱冷却

太陽光発電は、間接的に太陽光を利用してエアコンに電力を供給するか、あるいは現在ではエアコンに直接電力を供給することができます。エアコン用の間接的な太陽光発電は、家全体または建物全体の太陽光発電で構成され、従来はほとんどのユーザーにとって電力網へのネットメータリングも意味していました。この場合、太陽光は交流（AC）に変換され、エアコンを含む家屋や建物内の家電製品を稼働させます。この方法の利点は、エアコンが太陽光に対応するために特別な電子機器を必要としないため、簡単に導入できることです。欠点は、これらのエアコンのSEER値が通常14以下であり、供給される太陽光はエアコンに到達する前に、 DC（直流）太陽光からACへの電力変換によっていくらか損失が生じることです。もう1つの欠点は、電力網がダウンするとこれらのエアコンが稼働できないことです。これは、ネットメータリングされた家屋や建物が実質的に電力網上のノードであるため、電力会社は電力網がダウンしたときに機能していない電力網への逆給電を防ぐ必要があるためです。そして今、エアコンは多くの家電製品（テレビやパソコンなど）と同様に直流電源で稼働し始めています。そのため、建物全体に太陽光発電システムを設置するには、まず交流に変換し、その後再び直流に整流する必要があり、効率がさらに悪化します。

オフグリッド太陽光発電システムは、バッテリーを使用して家屋全体または建物全体に電力を供給します。このようなシステムでは、電圧コントローラーを使用してバッテリーの充電を管理し、バッテリーの電力を逆変換して家屋や建物に交流電力を供給します。系統連系やネットメーターがないため、嵐などの災害で系統電力が停止した後でも稼働できます。ただし、遠隔地にある家電製品に電力を供給するには、太陽光パネルとバッテリーからの電力を逆変換によって直流から交流に変換する必要があります。

最近では、真の太陽光発電による太陽光発電エアコンヒートポンプが開発されました。 このようなユニットは DC 電源を使用して動作するため、太陽光発電パネルで生成される固有の DC 電源を利用できます。 このユニットのミニスプリットバージョンの 1 つは、48 V DC 電源バスと 48 V バッテリーアレイ、通常は 4 x 12 V バッテリーを直列に接続します (例: Hotspot Energy )。 ただし、家全体のバッテリーシステムとは異なり、これらのバッテリーはエアコンのみを稼働させます。 これらのシステムの利点は、十分な太陽光およびバッテリー容量があれば、夜間や曇りのときにも動作できることです。 別のミニスプリットバージョンでは、ソーラーパネルをユニットの外側部分に直接接続でき、310 V DC 電源バスを使用し、オプションの 120 V プラグインバックアップグリッド電源 ( Airspool ) を提供して、利用可能な太陽光発電の不足を補うことができます。これらのインバーター DC エアコンの利点は低コストですが、欠点はプラグインしないと太陽光発電なしでは動作しないことです。 これらのシステムは両方とも、非常に少ない稼働電力で高効率の可変速 DC モーターとコンプレッサーを備えた可変冷媒フロー技術を使用しており、エアコンに加えて暖房も提供します。 3 番目のタイプのユニットは、通常は商業用の大規模な建物で使用でき、グリッドとバッテリー バックアップの両方とオプションのネット メータリングを提供します。 2 つの小型ユニットと同様に、これらのユニットはVRFですが、それらとは異なり、建物の一部で暖房を実行し、別の部分でエアコンを実行するオプションがあります。これは、建物のさまざまなエリアに配置された 1 つの屋外 / 凝縮ユニットと複数の屋内 / 蒸発ユニットを使用して、特定のユーザーのニーズに基づいてエリアを調整します。

太陽光発電は地熱技術と組み合わせることもできます。効率的な地熱空調システムには、より小型で安価な太陽光発電システムが必要です。高品質の地熱ヒートポンプ設備は、 SEERが20（±）の範囲になります。29kW（100,000BTU/h）のSEER20エアコンは、運転中に5kW未満しか必要としません。

SEERが20を超える、コンプレッサーを使わない新しい電気式空調システムも市場に登場しています。新型の相変化間接蒸発冷却器は、ファンと給水のみを使用して建物を冷却するため、室内の湿度を高めることはありません（ネバダ州ラスベガスのマッカラン空港など）。相対湿度が45%未満の乾燥した気候（米国本土の約40%）では、間接蒸発冷却器はSEERが20を超え、最大でSEER 40を達成できます。29kW（100,000 BTU/h）の間接蒸発冷却器では、循環ファンに必要な太陽光発電（および給水）のみが必要です。

より安価な部分発電型太陽光発電システムは、空調（およびその他の用途）のために電力網から毎月購入する電力量を削減（ゼロにはなりません）することができます。米国では州政府による太陽光発電1ワットあたり2.50ドルから5.00ドルの補助金により、太陽光発電による電力の償却コストは1kWhあたり0.15ドル未満になる可能性があります。これは、電力会社の電気料金が現在0.15ドル以上である一部の地域では、現在費用対効果の高い方法です。空調が不要なときに発電された余剰電力は、多くの地域で電力網に売電できるため、年間の正味電力購入量を削減またはゼロにすることができます。（ゼロエネルギービルを参照）

優れたエネルギー効率は、新築時に設計することも、既存の建物に後付けすることも可能です。 1977年に米国エネルギー省が設立されて以来、省エネルギー支援プログラムにより、低所得者向け住宅550万戸の冷暖房負荷が平均31%削減されました。しかし、アメリカの1億棟の建物は依然として耐候性の向上を必要としています。従来の建設方法に不注意なままでは、入居当初から耐候性対策が必要となる非効率な新築建物が依然として生産されています。

地熱冷却

アース・シェルターやアース・クーリング・チューブは、地中の温度を利用することで、従来の空調設備の必要性を軽減、あるいはなくすことができます。多くの人々が居住する多くの気候において、アース・シェルターやアース・クーリング・チューブは、夏の不快な熱の蓄積を大幅に軽減し、建物内部の熱を排出するのにも役立ちます。建設コストは高くなりますが、従来の空調設備のコストを削減、あるいはなくすことができます。

地中冷却管は、周囲の地表温度が人間の快適温度域に近づく高温多湿の熱帯環境では費用対効果が低くなります。太陽熱煙突や太陽光発電ファンを使用することで、不要な熱を排出し、周囲の地表温度を通過した冷たく除湿された空気を吸い込むことができます。湿度と結露の制御は重要な設計課題です。

地熱ヒートポンプは、地中温度を利用して暖房と冷房のSEER（平均熱効率）を向上させます。深井戸から水を循環させ、地中温度を抽出します。通常、1トンあたり毎分8リットル（2米ガロン）の水を抽出します。初期のシステムでは、このような「オープンループ」システムが最も一般的でしたが、水質によってはヒートポンプのコイルが損傷し、機器の寿命が短くなることがありました。もう一つの方法はクローズドループシステムで、ループ状のチューブを井戸（複数可）に通したり、芝生の溝に掘ったりして、中間流体を冷却します。井戸を使用する場合は、地中への熱伝導性を高めるため、ベントナイトグラウトなどのグラウト材で埋め戻します。[ 3 ]

かつては、プロピレングリコールとエチレングリコール（車のラジエーターに使用）の50/50混合液が主流でした。プロピレングリコールはエチレングリコールとは異なり、毒性がないためです。しかし、プロピレングリコールは粘性が高く、最終的にはループ内の部品を詰まらせてしまうため、現在では使用されなくなりました。現在、最も一般的なトランスファーエージェントは、水とエチルアルコール（エタノール）の混合液です。

地表温度は夏の最高気温よりもはるかに低く、冬の最低気温よりもはるかに高くなります。水の熱伝導率は空気の25倍であるため、外気ヒートポンプ（冬季の外気温低下時に効果が低下する）よりもはるかに効率的です。

同じタイプの地熱井戸はヒートポンプなしでも使用できますが、その効果は大幅に低下します。地中温度の水を、車のラジエーターのような覆いのあるラジエーターを通して汲み上げます。ラジエーターに空気を吹き込むことで、コンプレッサー式エアコンなしで冷却します。太陽光発電パネルが水ポンプとファン用の電力を発電するため、従来のエアコンの光熱費は発生しません。このコンセプトは、設置場所の地中温度が人間の温熱快適域（熱帯地方を除く）を下回っている限り、費用対効果に優れています。

乾燥剤を使用した太陽光オープンループ空調

一般的な固体乾燥剤（シリカゲルやゼオライトなど）または液体乾燥剤（臭化リチウム／塩化リチウムなど）に空気を通すことで、空気中の水分を吸収し、効率的な機械的冷却サイクルまたは蒸発冷却サイクルを実現できます。その後、乾燥剤は太陽熱エネルギーを利用して再生され、除湿されます。これは、費用対効果が高く、エネルギー消費量が少なく、継続的に繰り返されるサイクルです。[ 4 ]太陽光発電システムは、低エネルギーの空気循環ファンと、乾燥剤を充填した大きなディスクをゆっくりと回転させるモーターに電力を供給することができます。

エネルギー回収換気システムは、エネルギー損失を最小限に抑えながら住宅の換気を制御する方法を提供します。空気は「エンタルピーホイール」（多くの場合シリカゲルを使用）を通過し、排気される暖かい室内の空気から新鮮な（しかし冷たい）給気へ熱を移動させることで、冬季の換気空気の加熱コストを削減します。夏季には、室内の空気がより暖かい給気を冷却することで、換気冷却コストを削減します。[ 5 ]この低エネルギーのファンとモーターによる換気システムは、太陽光発電によって費用対効果の高い電力を供給でき、ソーラーチムニーからの自然対流排気を強化します。下向きの入気流は強制対流（移流） となります。

塩化カルシウムのような乾燥剤を水と混ぜて循環式の滝を作り、太陽熱エネルギーを使って液体を再生し、PVで動く低速水ポンプで液体を循環させて部屋を除湿することができます。[ 6 ]

太陽熱集熱器が乾燥剤冷却システムに入力エネルギーを供給するアクティブソーラークーリング。除湿サイクルと再生サイクルの両方において、乾燥剤を含浸させた媒体に空気を吹き込む市販のシステムがいくつか存在する。太陽熱は再生サイクルに動力を供給する方法の一つである。理論的には、充填塔を用いて空気と液体乾燥剤の向流を形成できるが、市販の装置では通常採用されていない。空気を予熱することで乾燥剤の再生効率が大幅に向上することが分かっている。充填塔は、適切な充填材を使用することで圧力損失を低減できれば、除湿器／再生器として良好な結果をもたらす。[ 7 ]

パッシブソーラークーリング

このタイプの冷房では、太陽熱エネルギーは直接的に冷房環境を作り出すために利用されたり、直接的な冷却プロセスを駆動したりすることはありません。ソーラービルディングの設計は、夏季における建物への熱伝達速度を低下させ、不要な熱の除去を改善することを目的としています。そのためには、熱伝達のメカニズム、すなわち熱伝導、対流熱伝達、そして主に太陽からの 熱放射について十分な理解が必要です。

例えば、夏場に屋根裏の温度が外気温のピークよりも高くなるのは、断熱設計が不十分な兆候です。クールルーフやルーフグリーンの設置により、夏場の屋根表面温度を40℃程度下げることができ、この現象を大幅に軽減、あるいは解消できます。また、屋根下の放射遮蔽とエアギャップにより、太陽熱で熱せられた屋根材からの下向きの放射熱を約97%遮断できます。

パッシブソーラークーリングは、既存の建物を改修するよりも、新築の方がはるかに容易に実現できます。パッシブソーラークーリングには、多くの設計上の要件が伴います。これは、暑い気候におけるゼロエネルギービルの設計において重要な要素です。

太陽光閉ループ吸収冷却

閉ループ空調では、一般的に水ベースの吸収に次の材料が使用されます。

  • アンモニア
  • 臭化リチウム
  • 塩化リチウム
  • シリカゲル
  • ゼオライト

水ベースのシステムの代替として、活性炭入りのメタノールを使用する方法がある。[ 8 ]

アクティブソーラークーリングは、太陽熱集熱器を用いて太陽エネルギーを熱駆動型チラー（通常は吸着式または吸収式チラー）に供給する。[ 9 ]太陽エネルギーは吸収式チラーの発電機に熱を供給する流体を加熱し、その熱を集熱器に再循環させる。発電機に供給された熱は冷却サイクルを駆動し、冷水を生成する。生成された冷水は、大規模な商業施設や産業施設の冷却に利用される。

太陽熱エネルギーは、夏には効率的に冷房に利用でき、冬には家庭用給湯器や建物の暖房にも利用できます。様々な太陽熱冷房システムの設計では、単一、二重、または三重の吸収冷却サイクルが採用されています。サイクル数が多いほど、効率が高くなります。吸収式冷凍機は、コンプレッサー式冷凍機よりも騒音と振動が少ないですが、設備投資は比較的高額です。[ 10 ]

効率的な吸収式冷凍機は、通常、少なくとも 190 °F (88 °C) の水を必要とします。一般的な安価な平板型太陽熱集熱器では、約 160 °F (71 °C) の水しか生成しません。高温の平板型、集光型 (CSP)、または真空管型集熱器では、必要な高温の移送流体を生成します。大規模な設備では、世界中で技術的および経済的に成功しているプロジェクトがいくつか稼働しており、その例として、リスボンのCaixa Geral de Depósitos本社の 1,579 平方メートル (17,000 平方フィート) の太陽熱集熱器と 545 kW の冷却出力を持つプロジェクトや、中国青島のオリンピック セーリング村のプロジェクトなどがあります。2011 年には、シンガポールに新しく建設されたユナイテッド ワールド カレッジの最大出力プラント(1,500 kW) が稼働する予定です。

これらのプロジェクトは、200°F（93°C）以上の温度用に特別に開発された平板型太陽熱集熱器（二重ガラス、背面断熱の強化などを特徴とする）が効果的で費用効率が高いことを示しています。[ 11 ]水を190°F（88°C）以上に加熱できる場合は、水を貯蔵して太陽が照っていないときに使用することができます。

ロサンゼルスのアーネスト・E・デブス地域公園内のオーデュボン環境センターには太陽熱空調設備の一例があるが[ 12 ] [ 13 ] 、稼働開始後すぐに故障し、現在はメンテナンスが行われていない。サザン・カリフォルニア・ガス社（ザ・ガス・カンパニー）も、カリフォルニア州ダウニーのエネルギー資源センター（ERC）で太陽熱冷却システムの実用性をテストしている。ERCの屋上にはSopogy社とCogenra社のソーラーコレクターが設置されており、建物の空調システムに冷却効果をもたらしている。[ 14 ]アラブ首長国連邦のマスダール・シティも、 Sopogy社のパラボリックトラフコレクター、[ 15 ] Mirroxx社のフレネルアレイ、TVP Solar社の高真空太陽熱パネルを使用した二重効果吸収冷却プラントをテストしている。 [ 16 ]

フロリダ州ダベンポートにあるフェデックス・グラウンドの仕分け施設では、太陽熱空調システムを使用して、積み込みドアに駐車しているトラックトレーラーに冷気を送り込んでいます。[ 17 ]

吸収冷凍機は150年もの間（電球が発明される以前から）、氷を作るために使用されてきました。[ 18 ]この氷は貯蔵され、「氷電池」として太陽が照っていないときに冷房に使用することができます。これは、1995年に日本のホテルニューオータニ東京で行われた事例に似ています。 [ 19 ]氷を利用した熱エネルギー貯蔵の性能計算のための数学モデルは、パブリックドメインで入手可能です。[ 20 ]

ISAACソーラー製氷機は、間欠的な太陽光アンモニア水吸収サイクルです。ISAACは、コンパクトで効率的な設計のパラボリックトラフ型ソーラーコレクターを使用し、燃料や電力を必要とせず、可動部品も使用せずに氷を生成します。[ 21 ]

集光集熱器を利用した太陽熱冷却システム

太陽熱冷却システムに集光集熱器を採用する主な理由は、二重/三重効果チラーとの組み合わせによる高効率空調と、プロセス熱や蒸気と組み合わせて産業エンドユーザーにサービスを提供する太陽熱冷凍である。[ 22 ]

産業用途に関しては、近年のいくつかの研究で、地球上のさまざまな地域（例えば、地中海地域[ 23 ] 、中央アメリカ[ 24 ]）で冷凍（0℃以下の温度）の潜在性が高いことが強調されています。しかし、これはアンモニア/水吸収冷凍機で実現できますが、発電機において120～180℃の高温入熱を必要とするため、この温度範囲を満たすには集光型太陽熱集熱器を使用する必要があります。さらに、多くの産業用途ではプロセスに冷却と蒸気の両方が必要であり、集光型太陽熱集熱器は、その利用を最大限に高めるという点で非常に有利です。

ゼロエネルギービル

ゼロエネルギービルの目標には、年間の純エネルギー料金を大幅に削減、あるいはゼロにできる持続可能なグリーンビルディング技術が含まれます。究極の目標は、電力会社への接続を必要としない、完全にオフグリッドな自立型ビルの実現です。冷房日数の増加が求められる暑い気候では、最先端のソーラー空調がますます重要な成功要因となるでしょう。

参照

注記

参考文献

  1. ^ 「2007年米国エネルギー独立安全保障法」 。 2016年1月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年12月23日閲覧。
  2. ^ Nash, JM; Harstad, AJ (1976年11月). 「太陽エネルギーの空調システムへの応用 (1976)」 NASA技術報告書サーバー. 2016年11月26日閲覧。
  3. ^ Maatouk, Chantal. 「地熱ヒートポンプシステム用グラウト混合物の熱伝導率向上」 . Purdue e-Pubs . Purdue大学. 2021年12月10日閲覧。
  4. ^ San, JY, Lavan, Z., Worek, WM, Jean-Baptiste Monnier, Franta, GE, Haggard, K., Glenn, BH, Kolar, WA, Howell, JR (1982). 「太陽光発電式デシカント冷却システムのエクセルギー分析」国際太陽エネルギー学会アメリカ支部紀要: 567-572
  5. ^ EERE消費者ガイド：エネルギー回収換気システム
  6. ^魅力的な建物除湿のための液体乾燥剤ウォーターフォール
  7. ^液体乾燥剤を用いた太陽熱空調用充填床式除湿器/再生器（Factor, HMおよびGrossman, G.、 Technion – Israel Institute of Technology）
  8. ^ 「太陽光発電エアコン」 machine-history.com . 2013年10月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月8日閲覧。
  9. ^ジョージ・OG・ロフ (1993).アクティブな太陽系。 MITプレス。 p. 682.ISBN​ 978-0-262-12167-5。
  10. ^オタニカー, トッド; テイラー, ロバート A.; フェラン, パトリック E. (2012). 「太陽熱冷房の展望 – 経済的・環境的評価」.太陽エネルギー. 86 (5): 1287– 1299. Bibcode : 2012SoEn...86.1287O . doi : 10.1016/j.solener.2012.01.020 .
  11. ^「太陽熱冷却」。 2011年7月6日アーカイブ、 Wayback Machine www.solid.at。2008年7月1日アクセス
  12. ^ Les Hamasaki (2007年3月4日). 「ロサンゼルスのデブスパーク・オーデュボン環境センターにおける10トンソーラーエアコン（6分間の動画）」YouTube . 2007年12月23日閲覧。
  13. ^グレゴリー・ライト、「ロサンゼルスの新オーデュボン・アーバン・ネイチャー・センターに太陽熱HVAC技術がデビュー」、EnergyPulse、2.3.04、2014年7月2日アクセス
  14. ^ 「SoCalGasが珍しいソーラーエアコンをテスト」ロサンゼルス・タイムズ、2012年5月25日。
  15. ^ 「アブダビ皇太子シェイク・モハメッド・ビン・ザイード・アル・ナヒヤーン殿下およびUAE軍副最高司令官がマスダールを訪問」ザウィヤ、2011年10月20日。 2011年10月25日閲覧。
  16. ^ 「マスダール・シティ、空調設備用TVPソーラー高真空フラット太陽熱パネルを試験中」（PDF）マスダール、2012年2月16日。 2012年1月16日閲覧。
  17. ^ 「太陽熱技術でトラックとチームメンバーの涼しさを保つ」 FedEx 、 2021年1月18日。 2021年12月19日閲覧。
  18. ^ギアロイド・フォーリー、ロバート・デヴォールト、リチャード・スウィートサー。「アメリカにおける吸収技術の将来」（PDF） 。米国エネルギー省エネルギー効率・再生可能エネルギー局（EERE）。 2007年11月28日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2007年11月8日閲覧。
  19. ^ 「氷冷システムで環境負荷軽減」ニューオータニニュース、ニューオータニ株式会社、2000年6月28日。 2007年11月8日閲覧。
  20. ^ 「EnergyPlus向け熱エネルギー貯蔵モデルの開発」（PDF） 2004年。 2012年2月11日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2008年4月6日閲覧。
  21. ^ 「ISAAC ソーラー製氷機」。
  22. ^ Ayadi, Osama; Aprile, Marcello; Motta, Mario (2012年1月1日). 「集光型太陽熱集熱器を利用した太陽熱冷却システム - 概要」 . Energy Procedia . 30 : 875–883 . Bibcode : 2012EnPro..30..875A . doi : 10.1016/j.egypro.2012.11.099 . ISSN 1876-6102 . 
  23. ^アヤディ、オサマ. 「太陽エネルギーでミルクを冷やす」(PDF) .
  24. ^ Pilatowsky, ISAAC; Scoccia, Rossano (2013). 「メキシコの食品産業における太陽熱冷却：ケーススタディ」 .応用熱工学. 50 (2): 1447. Bibcode : 2013AppTE..50.1447B . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2011.12.036 .
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