JP2002081758A

JP2002081758A - ハイブリッド太陽光利用システム

Info

Publication number: JP2002081758A
Application number: JP2000271521A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Mitsuhata; 共久光畑; Yasushi Oka; 裕史岡
Original assignee: Koatec KK
Current assignee: Koatec KK
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2002-03-22

Abstract

(57)【要約】【課題】空気を熱媒として用いながら各パネルの熱交
換効率を個々に十分なものとしたHBシステムを提供す
る。【解決手段】太陽光による発電と集熱とを図るHBコレ
クタ１と、このHBコレクタ１から戻される熱媒の熱交換
器２とを接続して構成するHBシステムにおいて、HBコレ
クタ１は熱媒である空気の流路を有するパネル本体の本
体表面に太陽電池セル４を並べてなり、各パネル本体は
本体外周側面及びこの本体内部に取り付けた複数枚の仕
切りによって熱媒である空気の流路を蛇行させ、各パネ
ル本体の流路相互を接続したHBシステムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建物の屋根等に設
置した光/熱ハイブリッドコレクタ(以下HBコレクタ)に
より、太陽光による発電と集熱とを図るハイブリッド太
陽光利用システム(以下HBシステム)に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、次世代エネルギーとして、無尽蔵
に存在し、かつ現在利用があまり進んでいない自然エネ
ルギーに注目が集まっている。中でも、例えば太陽光に
ついては、旧来の太陽光発電と太陽熱利用とを一体的に
取り扱うHBコレクタを用いたHBシステムの開発が盛んで
ある。このHBシステムは、表面に配した太陽電池セルの
冷却を兼ねて太陽電池セル裏面に熱媒を循環させ、太陽
熱を集熱した熱媒を熱源として、給湯や暖房に利用する
構成が基本となる。

【０００３】例えば、特開平10-002617号「太陽熱を利
用した空気集熱装置、及び太陽光を受光するガラス板の
支持構造」には、上部から順に太陽光を受光するガラス
板、空気通路、黒色の金属製波板、底板、断熱材からな
る箱体を形成した箱体を複数連結して大型の集熱パネル
(HBコレクタ)を形成し、この集熱パネルに空気の取り入
れ口と温気を室内に導くダクトを設けて、空気集熱装置
(HBシステム)としている。また、特開平11-173678号
「光熱ハイブリッドモジュールを備えた屋根パネル、屋
根ユニット及びユニット建物並びに該ユニット建物の組
立方法」には、予め工場にて、屋根パネルの本体の表面
に太陽光から直接電力を取り出すための太陽電池セルと
太陽光から熱エネルギーを取り出すための集熱板とを一
体化した光熱ハイブリッドモジュール(HBコレクタ)を取
り付ける技術を開示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】HBシステムは、これか
ら将来を睨んでの新しいエネルギー利用形態として期待
されており、一層の普及を図るためには、特開平11-173
678号の屋根パネルよりも特開平10-002617号のようにHB
コレクタを別体で製造し、既存家屋に取り付けられる構
成が好ましい。ここで、HBコレクタに使用する熱媒とし
て、水(液体)又は空気(気体)のいずれを用いるかが重要
となる。一般に、熱交換効率を考えた場合、比熱の高い
水が好ましいが、水が漏れ出さないようにする水密性が
難しかったり、屋根に重量物を循環させることが好まし
くないことから、空気を熱媒とするほうがよい。この点
からも、特開平10-002617号が好ましいことが分かる。

【０００５】しかしながら、空気を熱媒とした場合、空
気の比熱が小さいため、熱交換効率が低いという問題が
発生する。空気を熱媒としたHBコレクタは、特開平10-0
02617号にも見られるように、パネルの一方から流入さ
せた空気を直線状にパネルの他方から流出させる構成と
なる。実際には、複数のパネルを直列に連結した１本の
長い流路に空気を循環させ、加熱するわけであるが、天
気が悪いときなど、十分に加熱されないことが起きう
る。また、流路全域での加熱は、各パネルでの加熱が不
十分であっても、全体として十分な加熱を図るという考
え方で、これではパネルの枚数によって熱媒の加熱温度
が増減してしまいかねない。そこで、空気を熱媒として
用いながら各パネルの熱交換効率を個々に十分なものと
し、HBシステム全体としての熱利用効率を高めるため、
パネル及び熱交換器での熱交換効率を高めることを目的
として、検討した。

【０００６】

【課題を解決するための手段】検討の結果開発したもの
が、太陽光による発電と集熱とを図るHBコレクタと、こ
のHBコレクタから戻される熱媒の熱交換器とを接続して
構成するHBシステムにおいて、HBコレクタは熱媒である
空気の流路を有するパネル本体の本体表面に太陽電池セ
ルを並べてなり、各パネル本体は本体外周側面及びこの
本体内部に取り付けた複数枚の仕切りによって熱媒であ
る空気の流路を蛇行させ、各パネル本体の流路相互を接
続したHBシステムである。

【０００７】本発明のHBシステムでは、熱交換効率が水
に対して相対的に低い空気を熱媒として用いるため、各
HBコレクタを構成するパネル内における空気の流路を蛇
行させ、(1)流路自体の全長を長くすると共に、(2)この
流路を空気が通過する時間を蛇行による時間的遅れを利
用して、より長くすることで、太陽光からの集熱に費や
せる時間を長く、パネル単位での熱交換効率を高める。
理想的には、本体外周側面及びこの本体底面に取り付け
た断熱材によって熱媒である空気の流路を本体表面を除
いて熱交換を遮断するとよい。この場合、流路を蛇行さ
せる仕切りを断熱材で構成してもよい。

【０００８】このパネルにおける熱交換効率の向上は、
単に空気の流路を長くする、蛇行させるだけではなく、
最初に流路へ送り込む空気の温度が十分に低いほど、よ
り効果的な太陽光の集熱が可能である。すなわち、太陽
光から集熱した熱エネルギーを効率良く熱交換器で回収
できる必要がある。そこで、本発明の熱交換器では、熱
媒である空気を流通させる熱交換パイプの内側面に空気
の流通方向に平行又は斜行するフィンを多数設けること
とした。フィンを多数設けることは、単純に単位時間に
通過する単位容積の空気に対して熱交換パイプの接触面
積を増加させるだけでなく、フィンが流通抵抗として働
き、空気と熱交換パイプとの接触時間を増加させる。通
常、熱交換パイプには、外側面にフィンを設けている
が、この場合、本発明の内側面には空気の流通方向のフ
ィンを、外側面に設けるフィンは空気の流通直交方向の
フィンをそれぞれ設けるとよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図を参照しながら説明する。図１は本発明を適用し
たHBシステムの構成例を示したシステムレイアウト図、
図２は本HBシステムに用いたHBコレクタ１の斜視図、図
３は同HBコレクタ１の側縁部の断面図、図４は同HBコレ
クタ１の分解斜視図、図５本HBシステムに用いた熱交換
器２の断面図、図６は同熱交換器２内に配した熱交換パ
イプ３の部分破断斜視図である。本発明のシステム構成
は、従来より見られる一般的なHBシステムの構成と大き
な違いはない。裏返せば、本発明は既存のHBシステムの
一部を交換する態様で利用することができ、適用範囲が
広い。

【００１０】本発明のHBシステムは、例えば家屋の屋根
の上に、図１に見られるように複数のHBコレクタ１を配
列し、各HBコレクタ１の太陽電池セル４を電力機構５
へ、同HBコレクタ１の空気の流路６(図２参照)を集熱機
構７へそれぞれ接続し、熱及び電気を利用する。電力機
構５は、太陽電池セル４からの電力を集約する接続箱
８、直流-交流変換を担うパワーコンディショナー９、
系統連係する分電盤10とから構成する。近年では、電気
を売ること(売電)が可能になっており、晴天時に必要以
上に発電できる場合等には、適宜分電盤10から電気を外
部へ送り出し、売ることが可能になっている。発電容量
は定格値で３kW/20〜40ｍ²程度である。

【００１１】集熱機構７は、熱交換器２において、太陽
熱で加熱された空気と水道水とを熱交換して温水を得る
構成である。全HBコレクタ１の空気の流路６は直列に接
続され、熱交換器２からの空気送出パイプ11に設けたフ
ァン12を用いて空気を循環させている。空気戻りパイプ
13と空気送出パイプ11は熱交換器２内で熱交換パイプ３
を介して連結しており、この熱交換パイプ３を内蔵した
断熱性缶体14内に導いた水道水を熱交換パイプ３によっ
て加熱する。缶体14は、加熱された温水の貯蓄槽を兼ね
る。熱交換器２へは減圧弁15を介在させた供給パイプ16
から給水する。水道水を加熱して得た温水には、混合弁
(動力弁)35を介して水道水を混合し、コントロールボッ
クス(図示略)の設定温度で蛇口20から出湯する。缶体14
内温度が前記設定温度より低い場合は、温水に混合弁
(動力弁)36を介して水道水を追加した後、給湯器21で加
温して設定温度の温水を蛇口20から出湯できるようにす
る。出湯系統の切換えは三方切換弁(動力弁)19により、
三方切換弁19及び混合弁35,36はコントロールボックス
により制御している。

【００１２】本例に用いたHBコレクタ１は、断熱材であ
る硬質ウレタンにより側面及び底面を構成するパネル本
体22に対し、図２に見られるように、本体表面に太陽電
池セル４を並べ、本体内に蛇行する空気の流路６を形成
している。蛇行する空気の流路６を形成する仕切り23
は、パネル本体22と同じ硬質ウレタンを用いている。具
体的には、図３及び図４に見られるような積層構造で、
表面側から太陽電池セル４を保護する強化ガラス24、太
陽電池セル４、太陽電池セル４を包み込むように位置拘
束する充填材(EVA)25、太陽電池セル４及び充填材25を
保護する耐候性フィルム26、パネル本体22及び仕切り23
を構成する硬質ウレタン、裏面保護の裏板27からなる。
また、パネル本体22外周には取付基礎を兼ねた保護枠28
を、強化ガラス24縁部には化粧ゴム29をそれぞれ取り付
けている。更に、耐候性フィルム26裏面に位置固定した
コネクタボックス35の出力リード線36は、パネル本体22
及び裏板27を貫通して外部へ引き出している。実際の設
置に際しては、設置用枠(図１参照)に対してこのHBコレ
クタ１を嵌め込む。

【００１３】本例のHBコレクタ１では、設置時に下方に
位置するパネル本体22の下縁に空気の流入口30、設置時
に上方に位置するパネル本体22の上縁に空気の流出口31
を設け、上昇方向に向けて左右に蛇行する空気の流路６
を構成している。HBコレクタ１相互は、互いの流入口30
と流出口31を結び、空気の流れを一経路にまとめてい
る。蛇行する空気の流路６の進行方向を上方に向けたの
は、加熱された空気が上昇することを妨げず、円滑に空
気が流れるようにするためである。加熱された空気は、
蛇行する流路６の各段32内でも少しずつ上昇しようとす
るので、各段32の幅はあまり狭くないことが望ましい。
このため、本例のパネル本体22が約縦1200mm×横800mm
であるのに対し、各段32の幅が20cm以上となるように仕
切り23の数を４枚としている。こうして蛇行した空気の
流路６は、単純にパネル本体22内へ空気を流し込む場合
に比べて流路全長を長くし、パネル本体22全域を利用し
た集熱を可能にすると共に、各HBコレクタ１における十
分な空気の加熱を可能にする。すなわち、それだけ集熱
効率を高めることができる。

【００１４】各HBコレクタ１を通過して加熱された空気
は、熱交換器２内の熱交換パイプ３を介して水道水へ熱
を受け渡す。本発明では、図５及び図６に見られるよう
に、比熱の低い空気から十分に水道水へと熱が与えられ
るように、熱交換パイプ３の内外側面それぞれにフィン
33,34を設けている。具体的には、空気の流路６に当た
る内側面には空気の流通方向に延びるフィン33を、水道
水が接する外側面には空気の流通直交方向に周回するフ
ィン34を設けている。内側面のフィン33は空気の流れを
妨げずに、空気に接する面積を大きくする。外側面のフ
ィン34は、空気の流通方向上下において熱勾配が生じる
ことを想定し、各フィン34内では空気の流通方向に熱勾
配のない熱交換が実施されるように、前後に断絶した周
回構造としている。こうした熱交換パイプ３の構造によ
り、熱媒として空気を用いながら、高い熱交換効率を実
現している。

【００１５】

【発明の効果】本発明により、熱媒として比熱は低いが
取扱いに優れた空気を用いながら、高い熱交換効率を達
成し、太陽エネルギー利用の観点から優れたHBシステム
を提供できるようになる。熱媒に空気を用いることは、
水漏れの心配がなくなったり、家屋の屋根に載せるHBコ
レクタの重量軽減の効果があるが、これまでは熱交換効
率の観点から水に劣るとされていた空気利用のHBシステ
ムでも、水に負けない集熱が可能となる。

【００１６】また、熱媒を問わず、HBコレクタでの集熱
(熱交換効率)を高めるには、HBコレクタに送り込む熱媒
の初期熱量が小さいほど好ましい。これは、熱交換器で
の熱交換効率が高いほど結果として集熱も良好になるこ
とを意味している。この点に関し、本発明は熱交換器の
主要部である熱交換パイプの構造を改良することで、十
分な水と空気との熱交換を実現するようにした。こうし
て、本発明は、集熱の高いHBコレクタと、熱交換効率に
優れた熱交換器とによって、HBシステムとしてのエネル
ギー利用性能を向上させる効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したHBシステムの構成例を示した
システムレイアウト図である。

【図２】本HBシステムに用いたHBコレクタの斜視図であ
る。

【図３】同HBコレクタの側縁部の断面図である。

【図４】同HBコレクタの分解斜視図である。

【図５】本HBシステムに用いた熱交換器の断面図であ
る。

【図６】同熱交換器内に配した熱交換パイプの部分破断
斜視図である。

【符号の説明】

１ HBコレクタ２熱交換器３熱交換パイプ４太陽電池セル５電力機構７集熱機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽光による発電と集熱とを図る光/熱
ハイブリッドコレクタと、該光/熱ハイブリッドコレク
タから戻される熱媒の熱交換器とを接続して構成するハ
イブリッド太陽光利用システムにおいて、光/熱ハイブ
リッドコレクタは熱媒である空気の流路を有するパネル
本体の本体表面に太陽電池セルを並べてなり、各パネル
本体は本体外周側面及び該本体内部に取り付けた複数枚
の仕切りによって熱媒である空気の流路を蛇行させ、各
パネル本体の流路相互を接続したことを特徴とするハイ
ブリッド太陽光利用システム。
【請求項２】各パネル本体は、本体外周側面及び該本
体底面に取り付けた断熱材によって熱媒である空気の流
路を本体表面を除いて熱交換を遮断した請求項１記載の
ハイブリッド太陽光利用システム。
【請求項３】熱交換器は、熱媒である空気を流通させ
る熱交換パイプの内側面に空気の流通方向に平行又は斜
行するフィンを多数設けた請求項１記載のハイブリッド
太陽光利用システム。