- 発行日 2024年10月1日
- 最終変更日 2024年10月1日
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太陽熱温水器
太陽熱は、日本において家庭規模で広く利用されている再生可能エネルギー技術のひとつであり、熱の脱炭素化において今なお重要な役割を果たしています。本記事では、太陽熱パネルについて、その概要、仕組み、利点、および欠点を検証します。
ソリューションエンジニア、デビッド・カーマイケルによるレビュー（2024年5月）
太陽熱パネルは、二酸化炭素を排出せずに水を安価に加熱する方法として、太陽光発電とともに、近年、気候変動対策の分野で注目を集めています。この技術について、その利点と欠点を詳しく見ていきましょう。
太陽熱温水器とは?
太陽熱とは何でしょうか？まず、太陽光発電と太陽熱発電の違いを理解することが重要です。太陽光発電パネルは太陽光を電気に変換しますが、太陽熱発電パネルは太陽光から熱を吸収します。
太陽熱システムには、屋根に取り付けられた太陽熱温水パネルや管状のソーラーコレクターが使用されます。これらのシステムは、太陽のエネルギーから熱を集めて水を温めます。
太陽熱温水器
太陽熱温水器とは何でしょうか？太陽熱システムは、日本のように雨や曇りがちで天候が変わりやすい地域でも、企業やその他の商業施設が必要とする大量の温水を供給することができます。これらのシステムでは、暖房の一部を賄うことも可能ですが、通常は必要とされる暖房の総量のほんの一部にとどまります。
したがって、太陽熱温水パネルの主な利点は温水の供給であり、大量の温水を必要とする企業にとって、太陽熱温水暖房システムの設置は費用対効果が高いと言えます。
ソーラーコレクター
太陽熱集熱器には、平面型太陽熱パネルや真空管式太陽熱集熱器などがあります。これらの装置は、太陽のエネルギーを集めて水を温めます。
平面型集光板
平板型ソーラーコレクターは、通常、黒く塗装された銅またはアルミニウム製の大きな板で、太陽エネルギーを吸収する熱交換器です。このエネルギーは、お湯を沸かすために使用されます。平板型ソーラーコレクターはシンプルで低コストであり、屋根への設置も簡単です。
真空管式ソーラーコレクターは、密閉されたガラス管で構成されています。これらの管はフレームに平行に並べられ、屋根に設置されます。管が円筒形であるため、太陽光は常に垂直に当たります。このため、真空管式ソーラーコレクター（真空管式コレクターとも呼ばれます）は、日照が少ない場合や冬季の条件下では、平面型コレクターよりも効率的です。
太陽熱温水器の仕組は?
では、太陽熱温水器はどのように機能するのでしょうか？いずれのタイプのソーラーコレクターも太陽のエネルギーを利用して水を温めますが、その仕組みは若干異なります。
平板型ソーラーコレクターは、熱伝達流体（通常はグリコール溶液または水）を入れた銅管が特徴です。これらの銅管は、黒色のアルミニウムまたは銅製の吸収板に固定されています。吸収板の温度が上昇すると、熱が管を通じて伝導し、管内の水が温められます。この水は、建物の温水タンクにポンプで送られます。
真空管式コレクターは、水を直接加熱しません。各真空管ソーラーコレクターは、2本の管で構成されており、これらの管は耐熱ガラス製です。太陽光を容易に透過し、太陽エネルギーを吸収しつつ、熱損失を抑えます。平板型コレクターとは異なり、管によって水が直接加熱されることはありません。代わりに、管は真空を形成し、断熱材として機能することで熱損失を大幅に抑えます。チューブには熱伝導流体を封入したヒートパイプが内蔵されており、熱交換器を流れる冷水を加熱する間接的なメカニズムを使用して、タンクに供給します。
太陽熱温水器のメリット
太陽エネルギーは無償で無限に再生可能なエネルギーであり、温室効果ガスの排出も発生しません。太陽熱エネルギーを利用することで、電気代やガス代の節約につながり、環境への貢献も可能です。最新のシステムは、どんな気候でも機能し、冬場の厳しい環境や日照時間が比較的短い場所でも利用できます。夏場には、家庭で必要な温水のすべて、またはほぼすべてを供給できます。また、太陽熱パネルは設置が簡単で、メンテナンスもほとんど必要ありません。
太陽熱システムは屋根に設置するだけでなく、地面に設置したり、建物に組み込むことも可能です。太陽熱システムは、化石燃料への依存を減らすだけでなく、水冷式発電への依存を減らすことで水資源を節約し、産業規模での利用も可能です。
太陽熱温水器の短所
太陽熱温水器にはいくつかの欠点があります。太陽熱システムに利用可能な太陽エネルギーの量は季節によって変化するため、通常は太陽熱システムに加えて、不足分を補うための従来のボイラーや浸漬ヒーターが必要となります。例えば、冬場には太陽熱システムで必要な温水の5分の1しか生産できない場合があります。
太陽熱パネルを屋根に設置するには、建築許可が必要な場合もあります。また、コンビネーションボイラーを設置している住宅では、太陽熱温水器の設置（および設置スペースの確保）も必要となります。
一般的に使用されている各種ソーラーコレクターにも欠点があります。平板型コレクターは安価で設置が容易ですが、真空管式ソーラーコレクターに比べると効率がかなり劣ります。一方、真空管式コレクターの太陽熱温水器は、家庭での使用には高価すぎる場合があり、そのため商業用や産業用に適していると言えるでしょう。
産業用太陽熱温水器
ソーラーパネルや太陽熱発電は、光熱費や二酸化炭素排出量を削減したいと考えている消費者だけが関心を持っているわけではありません。太陽熱パネルは、産業用熱源としても利用できます。例えば、産業用や公共事業規模では、集光型太陽熱発電技術が用いられます。この技術では、屋根の上に設置されたソーラーコレクターの巨大版のように、ミラーを使って太陽光をレシーバーと熱媒体に集めます。
このタイプの太陽熱技術は、化学産業など、高温を必要とする産業において非常に有用です。また、この熱はタービンを駆動させたり、電気を生成したりするのにも利用できます。
太陽熱温水器の未来
太陽熱温水器は、世界経済の脱炭素化とカーボンニュートラルの達成に貢献する技術の一つに過ぎません。日本でも、太陽熱システムの普及は重要な役割を果たすと期待されています。国際エネルギー機関（IEA）によると、2020年には約2億5,000万世帯が太陽熱を利用した温水暖房を導入しており、これが世界的な潮流となっています。
日本でも政府の支援や補助金制度により、太陽熱システムの設置が推進されています。特に新築住宅では、ソーラーコレクターが設計段階で取り入れられるケースが増えつつあります。また、太陽熱温水器と太陽光発電パネルを組み合わせ、温水と電力の両方を供給できる技術も登場しており、日本でも今後さらに注目される可能性があります。
太陽熱温水器の未来は非常に明るく、日本においてもこれからのエネルギーソリューションの一環として広がりを見せるでしょう。
また、太陽光発電システムを導入する際には、過充電を防ぐために太陽電池充電コントローラーが重要です。こちらのラインナップをご確認ください。
