ソーラーエアコン

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、および光電変換（太陽光から電気へ）を通じて実現できます。 2007年の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、複数の新しい技術革新と}大量生産 の規模の経済性を開発し実証する新しい太陽熱空調研究開発プログラムに資金が投入されました。

19 世紀後半、吸収冷却に最もよく使われた液体は、アンモニアと水の溶液でした。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/凝縮パイプのシステムの一方の端は加熱され、もう一方の端は氷を作るのに十分なほど冷やされます。もともと、19 世紀後半には天然ガスが熱源として使用されていました。今日では、プロパンがレクリエーション ビークルの吸収式チラー冷蔵庫で使用されています。温水太陽熱エネルギー コレクターも、現代の「フリー エネルギー」熱源として使用できます。1976 年に米国航空宇宙局 (NASA) が後援したレポートでは、空調の太陽エネルギー システムの用途について調査しました。議論された技術には、太陽エネルギー (吸収サイクルと熱エンジン/ランキン サイクル) と太陽関連 (ヒート ポンプ) の両方が含まれ、関連文献の広範な参考文献も含まれています。^[2]

太陽光発電は、間接的に太陽光でエアコンに電力を供給することも、現在では直接エアコンに電力を供給することもできます。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、グリッド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、エアコンを含む家や建物内の電化製品を稼働させます。この利点は、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、簡単に実装できることです。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することです。もう 1 つの欠点は、グリッドがダウンするとこれらのエアコンが動作しないことです。これは、ネットメータリングされた家や建物は事実上グリッド上のノードであり、電力会社はグリッドがダウンしたときに機能していないグリッドに電力を逆流させないようにする必要があるためです。そして現在、エアコンは多くの家電製品（テレビ、コンピューターなど）と同様に直流電源で稼働し始めています。そのため、このようなユニットの建物全体の太陽光発電は交流に変換し、その後直流に整流し直す必要があり、さらに非効率性が増大しています。

オフグリッド ソーラー アレイは、代わりにバッテリーを使用して、家全体または建物全体に太陽光を供給します。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反転して家や建物に交流電流を供給します。グリッド タイドまたはネット メーターではないため、嵐やその他のイベントでグリッド電力がダウンした後でも動作できます。ただし、電力は、ここでも、太陽光パネルとバッテリーからの DC から AC に反転変換して、機器にリモートで電力を供給する必要があります。

最近では、真の太陽光発電式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直流電源を使用して動作するため、太陽光発電パネルによって生成される固有の直流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、48V 直流電源バスと 48V バッテリーアレイ (通常は 4 x 12V バッテリーを直列に接続) を採用しています (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、十分な太陽光とバッテリー容量があれば、夜間や曇りの日でも稼働できることです。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、310V 直流電源バスを使用し、オプションで 120V プラグインバックアップグリッド電源 (Airspool) を提供して、太陽光発電の不足を補います。これらのインバーター DC エアコンの利点は低コストである一方、欠点は、電源に接続しないと太陽光なしでは動作できないことです。これらのシステムは両方とも、可変冷媒流量技術を使用しており、高効率の可変速 DC モーターとコンプレッサーにより動作電力をほとんど必要とせず、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の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。^{[引用が必要]} 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稼働させ、別の部分でエアコンを稼働させるオプションがあり、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そのエリアを調整します。^{[引用が必要]}

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、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では、 SEERが 20 (±) の範囲になります。29 kW (100,000 BTU/h) の SEER 20 エアコンは、動作中に 5 kW 未満しか必要としません。

また、SEER が 20 を超える新しい非コンプレッサーベースの電気空調システムも市場に出回っています。相変化間接蒸発冷却器の新しいバージョンは、ファンと給水のみを使用して建物を冷却し、余分な室内湿度を加えません (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 20 を超え、最大 SEER 40 を達成できます。29 kW (100,000 BTU/h) の間接蒸発冷却器には、循環ファン (および給水) 用の十分な太陽光発電電力のみが必要です。

より安価な部分発電型太陽光発電システムにより、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できます（ただし、完全になくすことはできません） 。米国州政府の太陽光発電ワットあたり 2.50 ～ 5.00 ドルの補助金により、PV 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、現在コスト効率に優れています。空調が不要なときに発電される余剰の PV 電力は、多くの場所で電力網に販売できるため、年間の純電力購入要件を削減またはなくすことができます。（ゼロエネルギー ビルを参照）

優れたエネルギー効率は、新築時に設計できます (または既存の建物に後付けできます)。米国エネルギー省が 1977 年に設立されて以来、同省の耐候性支援プログラムにより、低所得者向けの低価格住宅 550 万戸の暖房と冷房の負荷が平均 31% 削減されました。米国の 1 億棟の建物は、依然として耐候性の改善を必要としています。従来の建設方法に不注意なため、入居時に耐候性対策が必要な非効率な新築建物が今も建設されています。

アース シェルターまたはアース クーリング チューブは、地球の周囲温度を利用して、従来の空調設備の必要性を軽減または排除することができます。大多数の人々が住む多くの気候では、アース シェルターまたはアース クーリング チューブは、望ましくない夏の熱の蓄積を大幅に軽減し、建物の内部から熱を取り除くのに役立ちます。アース シェルターまたはアース クーリング チューブは、建設コストを増加させますが、従来の空調設備のコストを軽減または排除します。

地球冷却チューブは、周囲の地球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。太陽熱煙突または太陽光発電ファンを使用して、不要な熱を排出し、周囲の地球温度の表面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、設計上の重要な問題です。

地熱ヒートポンプは、周囲の地温を利用して、暖房と冷房の SEER を向上させます。深井戸は、通常、1 メートル トンあたり毎分 8 リットル (2 米ガロン) の水で、水を循環させて周囲の地温を抽出します。これらの「オープン ループ」システムは、初期のシステムでは最も一般的でしたが、水質によってヒートポンプのコイルが損傷し、機器の寿命が短くなる可能性がありました。別の方法は、中間流体を冷却するために、ループ状のチューブを井戸または芝生の溝に通すクローズド ループ システムです。井戸を使用する場合は、地面への熱伝導性を高めるために、ベントナイト グラウトまたは別のグラウト材料で埋め戻します。^[3]

過去には、プロピレングリコールの 50/50 混合物が液体として好まれていました。これは、エチレングリコール (自動車のラジエーターで使用) とは異なり、無毒であるためです。プロピレングリコールは粘性があり、最終的にはループ内の一部の部品を詰まらせるため、あまり好まれなくなりました。今日^{[いつ? ]}、最も一般的な転写剤は、水とエチルアルコール (エタノール) の混合物です。

周囲の地温は、夏の最高気温よりはるかに低く、冬の最低気温よりはるかに高くなります。水の熱伝導率は空気の 25 倍なので、外気ヒートポンプよりもはるかに効率的です (外気ヒートポンプは、冬に外気温が下がると効果が低下します)。

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、効果は大幅に減少します。周囲の地温の水を覆いのあるラジエーター (自動車のラジエーターのような) に送り込みます。ラジエーターに空気を吹き付けると、コンプレッサー ベースのエアコンなしで冷却されます。太陽光発電パネルが水ポンプとファン用の電力を生成し、従来のエアコンの光熱費をなくします。このコンセプトは、周囲の地温が人間の温熱快適ゾーン (熱帯ではない) を下回っている場所であれば、費用対効果に優れています。

空気を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）に通して空気から水分を吸収し、効率的な機械的または蒸発冷却サイクルを可能にします。その後、乾燥剤は太陽熱エネルギーを使用して再生され、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除湿されます。^[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、乾燥剤で満たされ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し、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の換気システムは}、太陽光発電によって費用対効果の高い電力を供給でき、太陽熱煙突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）になります。

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の湿度を下げることができます。^[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冷却。除湿と再生サイクルの両方で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あります。太陽熱は再生サイクルに電力を供給する方法の 1 つです。理論上は充填塔を使用して空気と液体乾燥剤の逆流を形成できますが、市販の機械では通常使用されていません。空気を予熱すると乾燥剤の再生が大幅に促進されることが示されています。充填塔は、適切な充填材を使用して圧力損失を減らすことができれば、除湿器/再生器として優れた結果をもたらします。^[7]

このタイプの冷却では、太陽熱エネルギーは冷たい環境を作り出すため、または直接冷却プロセスを実行するために直接使用されることはありません。代わりに、ソーラー ビルディングの設計は、夏に建物への熱伝達速度を遅くし、不要な熱の除去を改善することを目的としています。これには、熱伝導、対流熱伝達、および主に太陽からの 熱放射という熱伝達のメカニズムを十分に理解する必要があります。

たとえば、夏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 ルーフやグリーン ルーフを使用すると、この温度を大幅に下げたり、なくしたりすることができます。クールルーフやグリーン ルーフは、夏に屋根の表面温度を 70 °F (40 °C) 下げることができます。屋根の下に放射バリアと空気層を設けると、太陽によって熱せられた屋根の被覆材からの下向きの放射を約 97% 遮断できます。

パッシブ ソーラー クーリングは、既存の建物を改造するよりも、新築で実現する方がはるかに簡単です。パッシブ ソーラー クーリングには、多くの設計上の詳細事項が関係します。これは、暑い気候で ゼロ エネルギー ビルを設計する際の主要な要素です。

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、太陽熱コレクターを使用して、熱駆動チラー（通常は吸着または吸収チラー）に太陽エネルギーを供給します。^[9]太陽エネルギーは吸収チラーのジェネレーターに熱を供給する流体を加熱し、コレクターに再循環します。ジェネレーターに供給された熱は、冷水を生成する冷却サイクルを駆動します。生成された冷水は、大規模な商業および産業用冷却に使用されます。

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。さまざまな太陽熱冷却システムの設計では、単一、二重、または三重の反復吸収冷却サイクルが使用されています。サイクルが多いほど、効率が高くなります。吸収式冷凍機は、コンプレッサーベースの冷凍機よりも騒音と振動が少なく動作しますが、資本コストは比較的高くなります。^[10]

効率的な吸収式冷凍機には、通常、少なくとも 190 °F (88 °C) の水が必要です。一般的な安価な平板型太陽熱集熱器では、約 160 °F (71 °C) の水しか生成されません。高温の平板型、集熱型 (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する必要があります。大規模な設備では、世界中で技術的にも経済的にも成功しているプロジェクトがいくつかあり、たとえば、リスボンのCaixa Geral de Depósitos本社では 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 の冷却電力を備えており、また青島/中国のオリンピック セーリング ビレッジでは成功しています。2011 年には、シンガポールの新設ユナイテッド ワールド カレッジで最も強力なプラント(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、裏面断熱の強化など）が効果的でコスト効率に優れている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・デブス地域公園にある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されていない。^[要出典]南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とCogenra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のパラボリックトラフコレクター、^[15] Mirroxxのフレネルアレイ、TVP Solar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]

吸収式冷凍機は、150年もの間、氷を作るために使われてきました（電球が発明される前から）。^[18]この氷は貯蔵され、太陽が照っていないときに冷却用の「氷電池」として使用することができます。1995年に日本のホテルニューオータニ東京でそうでした。^[19]氷ベースの熱エネルギー貯蔵性能を計算するための数学モデルは、パブリックドメインで利用可能です。^[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て、燃料や電気を必要とせず、可動部品もなく氷を生成します。^[21]

太陽熱冷却システムに集光型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却です。^[22]

工業用途に関しては、近年のいくつかの研究では、地球上のさまざまな地域（地中海、^[23] 、中央アメリカ^[24]など）で冷凍（0℃以下の温度）の可能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/水吸収式冷凍機で達成できますが、発電機で高温の熱入力が必要であり、その範囲（120〜180℃）は集光型太陽熱集熱器でのみ満たすことができます。さらに、いくつかの工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、その使用が最大化されるという意味で非常に有利です。

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またはゼロにできる持続可能なグリーン ビル技術が含まれます。最大の成果は、電力会社に接続する必要のない、完全にオフグリッドの 自律型ビルです。冷房が必要な気温の高い気候では、最先端のソーラー空調がますます重要な成功要因になります。

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• 太陽熱による冷却：太陽熱空調への関心の高まり 2010 年 4 月 7 日にWayback Machineにアーカイブされました。