太陽熱暖房システム
背景
太陽はわずか1秒で、米国で1年間に消費されるすべての電力によって生成されるエネルギーの1300万倍を放出します。太陽のエネルギーの100万分の1だけが地球に到達しますが、このわずかな量は、私たちの惑星全体のエネルギー要件を満たすのに十分すぎるでしょう。化石燃料や原子力からエネルギーを引き出すシステムと比較した場合、太陽からエネルギーを抽出することは比較的困難であるため、広範なエネルギー源としての開発が妨げられています。しかし、小規模で多くの実験プロジェクトでは、太陽エネルギーは電気と熱の両方を生成するのに非常に効果的であることが証明されています。
太陽エネルギーは、宇宙衛星での継続的な発電の必要性が米国のベル研究所で太陽電池の開発を生み出した1950年代に電気目的で最初に探求されました。しかし、今日でも、最高のシリコン太陽電池は、わずか18％の効率で太陽光を電力に変換します。それでも、実験は太陽で生成された電気を利用して大成功を収めています。太陽光発電に焦点を当てた目立つプロジェクトの1つは、毎年恒例の国際的な太陽光発電自動車レースです。
太陽エネルギーはより効果的であることが証明されており、水と暖房および冷房システムの両方でより広く利用されています。給湯器として、太陽エネルギーはプールを加熱するために最も一般的に使用されます。暖房には、主に2種類のシステムが使用されます。パッシブソーラー暖房システムは、南向きの大きな窓（北半球）から建物に直接太陽エネルギーを取り入れ、内部のスペース（直接ゲインと呼ばれ、温室効果とも呼ばれます）または壁を通して直接暖房します。または、太陽放射を吸収し、結果として生じる熱を蓄え、建物に熱を伝達する屋根（これは間接利得として知られています）。パッシブシステムは、建物の一部ではないが、独自の独立したチャンバーに含まれている吸収体と貯蔵コンポーネント（岩盤など）を利用することもできます。これは、分離ゲインシステムとして知られています。
アクティブソーラー暖房システムは、水または空気を使用して、建物の屋根の南向き側（北半球）に取り付けられたコレクターから岩盤または水タンクに熱を輸送します。蓄熱された熱は、岩盤と空気を伝達流体として利用する場合は直接部屋に入れるか、太陽エネルギーが最初に水を加熱するときにファンコイルユニットを介して入れることができます。次に、熱はコイルを介して伝達され、空気を加熱します。冷却システムは、夜間の空気と凝縮を利用して建物内の空気を冷却するパッシブシステムとアクティブシステムにも分けられます。
さまざまなタイプのソーラーコレクターパネルを使用でき、加熱または冷却される施設のタイプに適しています。平板コレクター、ガラスの上部と上部と下部に平行に走るパイプを含む吸熱性の黒い底を備えた大きくて平らな箱は、家庭での使用に最適です。反射材でできており、トラフやボウルのような形をした濃縮コレクターは、産業用途に最適です。
歴史
太陽は時間の初めから熱源として機能してきましたが、最も早い記録は 
人間が構築した太陽熱収集システムの使用は、スイスの科学者Horace deSaussureが初歩的なコレクターを開発した1776年にさかのぼります。一般に「ホットボックス」と呼ばれます。天文学者のジョン・ハーシェル卿は、1830年代のアフリカへの遠征中にホットボックスを使用して食品を調理し、その後、調理や水蒸留の目的で太陽熱エネルギーを使用することがアフリカの特定の地域で一般的になりました。
1800年代後半の初期のアメリカ開拓者は、日中の移動中に黒い鍋やフライパンを使用して水を加熱し、太陽エネルギーを使用して水を加熱することを普及させました。このアイデアは、給湯用の燃料を輸入しなければならなかった国の地域で広く使用されました。たとえば、1897年には、カリフォルニア州パサデナの住宅の30％近くが太陽熱温水器を利用していました。
太陽エネルギーは次の世紀を通して適度に使用され続けましたが、1970年代のエネルギーと石油の危機の間に人気が急上昇しました。太陽エネルギーの使用は、エネルギー危機が収まるにつれて次第に減少しましたが、化石燃料の燃焼と原子力の使用によって引き起こされる環境と公衆衛生の危険性に対する人々の認識が高まるにつれて、1990年代に再び人気が高まりました。
原材料
太陽熱暖房システムには多くの種類があるため、それらの製造に使用できる原材料は多種多様です。このエントリでは、基本的な住宅用パッシブシステムと基本的な住宅用アクティブシステムに焦点を当てます。
パッシブソーラー暖房システムには、2枚のガラスで覆われたスチール製の吸収板で作られた黒い平板コレクターパネルと、防湿層として機能するアルミホイルが面したグラスファイバー断熱材またはポリウレタンフォームで作られた断熱パッドが必要です。システムは、木、亜鉛メッキ鋼、またはアルミニウムで作られた浅い箱に含まれています。このシステムには通常、乾燥した小石や岩が入った蓄熱箱も必要です。このユニットは、建物が十分に加熱されると熱を蓄えます。さらに、このシステムには、差動サーモスタット、熱レベル、つまり室温を手動で制御できる電子システム、および接続ダクト、エアフィルター、ブロワー、自動ダンパーで構成される空気処理モジュールが必要です。
貯蔵剤として水を利用するアクティブな住宅用太陽熱暖房システムには、1枚または2枚のガラスまたは透明なプラスチックと黒い金属管で構成された平板コレクターとグラスファイバーボードまたは同様の断熱材で作られた断熱パッドが必要です。このシステムには、ウォーターポンプ、貯蔵タンク、熱交換コイル、補助ヒーター、ファン、フィルター、および制御バルブも必要です。岩石を保管材料として使用する場合は、断熱ビン 
を使用してそれらを収容する必要があり、明らかに、ウォーターポンプとコイルは必要ありません。
すべての太陽熱暖房システムは、コーキング、アルミニウムサイディング、およびクロージャーストリップを使用します。これらのストリップは、ゴム、塗料、および木材でできている可能性があります。
製造
プロセス
コレクター
- 1平板コレクターは、コレクターの両端に大きなベーキングパンに似た浅い板金マニホールドパンを取り付け、パンを屋根または壁の垂木に固定することにより、傾斜した屋根または垂直壁のいずれかに取り付けられます。 。次に、マニホルドパンの上端の周りにコーキングをたっぷりと適用します。次に、屋根または壁に外装が取り付けられ、すべての継ぎ目がかしめられます。被覆にはマニホールドスロットが刻まれており、被覆の周囲にブロッキングが固定されています。
- 2アブソーバープレートはシースの上に取り付けられ、外側のマニホールドブロッキングまで伸びています。端は、通常ゴムとコーキングで作られた端部閉鎖ストリップで密封されています。上端と下端もかしめられています。
- 3つのバテンがアブソーバーOプレートに固定され、屋根に1層のガラス、または壁に2層のガラスで構成されるグレージングシステムが取り付けられています。
- コレクターの周囲に4本のアルミグレージングバーが取り付けられています。
空気処理および制御システム
- 5パッシブシステムでは、エアハンドリングシステムは、コレクターと居住空間の間に設置されたダクトと、ファンおよびファンを作動させるための手動制御のみで構成されます。隔離されたゲインシステムには、独立した貯蔵チャンバーと、チャンバーに出入りするダクトも含まれます。
- 6アクティブなシステムでは、過剰な熱を蓄えるために岩や水を保持する貯蔵ビンが必要です。オンオフダンパー付きのダクトは、コレクターから家まで、コレクターから収納棚まで、収納棚から家まで走って設置されています。 2つのファンが取り付けられています。
ストレージ
- 7岩石保管システムは、幅1〜5インチ（2.5〜12.7 cm）の小さな岩で満たされた断熱ビンで構成されています。ビンの両端にあるダクト接続を介して空気を吹き込むのを容易にするために、岩の間には十分なスペースがあります。
- 8貯水システムは岩石貯蔵システムに似ており、岩ではなく水を使用します。
品質管理
住宅用太陽熱暖房システムの場合、漏れを検出するために発煙弾を使用して、エンドクロージャーの適合性とコレクターのコーキングの適切性をテストできます。スモークテストは、グレージングの前に実施されます。
未来
太陽熱および太陽エネルギーを利用した生活用および商業用ユニットのプロトタイプがさらに開発されるにつれて、このエネルギー源は、実験以上の熱および電気源に成長するという深刻な兆候を示しています。環境および天然資源グループは、米国エネルギー省およびいくつかの国際組織と協力して、太陽熱および電力へのより広範な依存を推進し続け、この供給源の新しく革新的な用途を継続的に開発しています。エネルギーの。エネルギー省の太陽エネルギー研究施設内での作業は太陽光発電に焦点を当てていますが、建物自体は太陽エネルギーの成功の証です。建物の革新的な窓のある階段のようなデザインは、直射日光の照明と暖房を可能にし、太陽エネルギーへの依存がどれほど成功するか、そしてそのような依存が将来どのように普及するかを示す例です。
American Solar Energy Societyは、毎年恒例のソーラーホームツアーで太陽エネルギーの実用性を示しています。組織はまた、太陽エネルギー問題に関する立法の進展についてメンバーに投稿し続けています。たとえば、1996年7月、この組織は再生可能エネルギーの資金調達法の可決を求めるロビー活動に積極的に取り組みました。現在までそのような法律は制定されていませんが、そのような法案の導入は、少なくとも一部の国会議員の間で太陽エネルギー問題に関心があることを示しています。国際太陽エネルギー協会は、世界レベルで同様の問題に関心を持っており、世界中で太陽エネルギーへの依存度を高めるために活動しています。
製造プロセス