JP2004327594A

JP2004327594A - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP2004327594A
Application number: JP2003118376A
Authority: JP
Inventors: Koji Koito; 小糸康志; Hideaki Imura; 井村英昭
Original assignee: Kumamoto Technology and Industry Foundation
Current assignee: Kumamoto Technology and Industry Foundation
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】太陽電池パネルの温度を確実に制御し、それにより発電効率を高く維持できる太陽光発電装置を提供すること、及び、エネルギーロスの少ない太陽光発電装置を提供すること。
【解決手段】太陽電池パネルの受光面の裏側にヒートパイプが配設されてなり、該ヒートパイプの液貯蔵部と蒸発部とが開閉弁を有する気体連結管と、液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁が設けられた液体供給管との、２本の管で連結されていることを特徴とする太陽光発電装置。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池パネル近傍に設置したヒートパイプにより太陽電池が効率的に作動する温度に制御を行う太陽光発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するため半導体による太陽電池が利用され、広く用いられるようになっている。
【０００３】
現在最も普及しているシリコン系の太陽電池の出力は、日射量だけでなく電池の温度にも依存する。すなわち、その温度が上昇すると発電量が低下する性質がある。夏季には電池の温度は６０℃以上になり、日射量が多いにもかかわらず出力はそれほど増加しない。この対策として、従来から太陽電池パネルを冷却し、発電量の低下を抑制すると共に、その耐久性を向上させることを目的として、次のような様々な提案がなされている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−８３８８１号
【特許文献２】特開平９−１８６３５３号
【特許文献３】特開２０００−１０１１１６号
【特許文献４】特開２００１−１５６３２３号
【０００５】
特許文献１には、裏側に冷却水を通したパイプを取り付けた構造の太陽電池が提案されている。しかし、冷却水による熱除去効果はさほど大きくなく、真夏時には太陽電池の温度が５０℃を超えて上昇するのを阻止することができない。
【０００６】
太陽電池パネルを冷却するために、水等の蒸発潜熱を利用した、いわゆるヒートパイプを用いた装置も、上記特許文献２〜４に記載されているように公知である。一口にヒートパイプと言っても、用途により様々な形状、構造のものが存在する。ヒートパイプでは、特に熱媒体をどのようにして循環させるかが重要である。しかし、これらの文献に記載されているヒートパイプの構造は、太陽電池パネル冷却用として充分満足できるものではない。
【０００７】
例えば、特許文献２には、太陽電池パネルの背面に設けたヒートパイプから放熱部材に熱を伝達しやすいようにした太陽電池モジュールが提案されている。しかし、この文献では、ヒートパイプの具体的な構造について記載されていない。
【０００８】
特許文献３には、ヒートパイプをペルチエ冷却器で冷却する装置が開示されている。しかし、この文献で開示されているヒートパイプは、別の太陽電池パネルのエネルギーにより熱媒体を循環させる構造であるため、エネルギー効率の向上には繋がらない。
【０００９】
特許文献４のヒートパイプは、ウィックと呼ばれる細管を用い、毛細管作用によりヒートパイプ作動室の底部に貯留されている一次冷却媒体としての熱媒体を上昇させる方法を用いているが、この方法では太陽電池パネルの温度が上昇して熱媒体の蒸発が進むと、毛細管作用により蒸発室に供給される熱媒体が追い付かず、太陽電池パネルが充分に冷却されない恐れがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来提案されている技術における問題を解決することを目的としている。本発明は、太陽電池パネルの温度を確実に制御し、それにより発電効率を高く維持できる太陽光発電装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、エネルギーロスの少ない太陽光発電装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、太陽電池パネルの受光面の裏側にヒートパイプが配設されてなり、該ヒートパイプは熱媒体が蒸発する蒸発部、熱媒体を移送する蒸気管、蒸気管により移送された熱媒体が凝縮する凝縮部、凝縮された熱媒体を移送する液体管、移送された熱媒体が貯液される液貯蔵部、更に液貯蔵部と蒸発部とが開閉弁を有する気体連結管と、液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁が設けられた液体供給管との、２本の管で連結されていることにより、ループ状に形成されていることを特徴とする太陽光発電装置である。
【００１２】
液貯蔵部は、蒸発部より高い位置に設けられている。
【００１３】
開閉弁は、電磁弁であることが好ましい。
【００１４】
熱媒体は、アンモニア水溶液であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図面に沿って説明する。図１は本発明の第１実施例を示す。図１において、１は太陽電池パネル、２はヒートパイプ、３は太陽電池パネルの表面の保護板、４は発電素子、５は充填剤、６はヒートパイプの蒸発部、７は蒸気管、８は凝縮部、９は液体管、１０は液貯蔵部、１１は気体連結管、１２は液体供給管、１３は開閉弁、１４は液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁、１５はインターコネクタである。
【００１６】
本発明の太陽光発電装置は、図１に示したように、主として太陽電池パネル１とヒートパイプ２とから形成されている。まず、太陽電池パネルにつき説明する。
【００１７】
本発明の太陽光発電装置における太陽電池パネルは、その一例を図１に示したように、例えば、外部表面を保護する保護板、発電素子、発電素子同士を電気的に結合するインターコネクタ等から形成されている。
【００１８】
太陽電池パネルの表面保護板としては、透明性、耐衝撃性と耐傷付性が優れた透明な素材、例えば強化ガラス板等を用いることができる。
【００１９】
太陽電池パネルの光電変換を行う発電素子としては、通常シリコンの材質の素子が使用される。このシリコンは、多結晶シリコンタイプでも単結晶シリコンタイプでもよい。
【００２０】
充填剤は、太陽電池パネルを衝撃から保護すると同時にパネルに耐水性を付与する役割がある。このような充填剤としては、例えば透明性、耐衝撃性、耐オゾン性および耐候性に優れたエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）や、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）や、シリコーン樹脂などが用いられる。なかでも、作業性やコスト面で優れているＥＶＡが好ましい。
【００２１】
各発電素子間を、直列もしくは並列に接続するためのリード線は、インターコネクタと呼ばれる。インターコネクタとしては、銅、アルミニウム等の線を用いることができる。
【００２２】
次にヒートパイプ部について説明する。本発明の太陽光発電装置では、特定構造のヒートパイプを用いる。該ヒートパイプは、図１に示したように、蒸発部、蒸気管、凝縮部、液体管、液貯蔵部を含む閉ループ状に形成され、更に液貯蔵部と蒸発部とが開閉弁を有する気体連結管と、液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁が設けられた液体供給管との、２本の管で連結されている。ヒートパイプの内部は熱媒体の液および蒸気が存在するようにされている。
【００２３】
ヒートパイプの材質としては、機械的強度があり、かつ熱伝導率が高い材質、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属を挙げることができる。
【００２４】
ヒートパイプの蒸発部は、太陽電池パネルの受光面の裏側に設けられた、好ましくは箱状、筒状または半筒状の形状の構造物である。この蒸発部には熱媒体が貯液されている。太陽光で加熱された太陽電池パネルから伝達される熱を、熱媒体は顕熱もしくは蒸発潜熱として吸熱するため、蒸発部の温度は沸点以上の温度とならず、従って太陽電池パネルの温度を所定温度に制御することができる。
【００２５】
本発明の太陽光発電装置で熱媒体として好ましく使用できる熱媒体は、ヒートパイプ内で２０〜４０℃に沸点を有する液体、例えば、アンモニア水等を用いることができる。アンモニア水の沸点は、濃度と圧力により変動するため、その組成は、目的、装置により調整することが好ましい。このような熱媒体をヒートパイプに封入しておくことにより、太陽光により太陽電池パネルが加熱され、それに伴って蒸発部周囲が加熱されて熱媒体が沸点を超える温度に達すると、熱媒体は蒸発し、その潜熱によって吸熱するので、太陽電池パネル１の温度上昇を抑制することができる。
【００２６】
本発明で用いるヒートパイプ内の熱媒体の動きを、図２と図３を用いて説明する。図２において、蒸発部６で気化した熱媒体は、蒸気管７を経て凝縮部８に移送され、凝縮部で液化される。凝縮部では、海水、河川水、地下水等の低温源を活用する方法、あるいは、冷媒、例えば、冷却水を好ましくは向流に流すことにより、熱媒体を凝縮点以下の温度に冷却する。凝縮部は、熱媒体が冷却されやすいように、例えば、いくつかの細管を束ねた構造としていてもよい。凝縮部で冷却に用いた水は、温水として風呂、洗面、食器洗浄、あるいは融雪等に用いてもよい。
【００２７】
凝縮部で液化された熱媒体は、液体管９を経て液貯蔵部１０に到達する。液貯蔵部は熱媒体を一時的に貯蔵する役割をもつ。液貯蔵部では、熱媒体が逆流しないように、液体管の先端部が液貯蔵部の液面より高い位置とすることが好ましい。また、液貯蔵部に貯蔵された熱媒体を蒸発部に戻しやすいように液貯蔵部の高さは蒸発部のそれより高くしておく。液体管には熱媒体が液貯蔵部から凝縮部に逆流しないよう液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁１４が設けられていてもよい。
【００２８】
液貯蔵部１０と蒸発部６とは気体連結管１１と液体供給管１２との２本の管で連結されている。気体連結管は液貯蔵部と蒸発部の気相同士を連結している。一方、液体供給管は液貯蔵部と蒸発部の液相同士を連結するよう構成されている。気体連結管には開閉弁が、液体供給管には液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁が設けられている。
【００２９】
気体連結管１１には開閉弁１３が設けられており、弁の作用により液貯蔵部１０と蒸発部６の気相部を連結させたり、遮断したりする。開閉弁としては、例えば電磁弁が好ましい。
【００３０】
液体供給管１２には液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁１４が設けられており、液体は液貯蔵部から蒸発部にしか流れないようにされている。上記の作用をする弁としては、例えばチェック弁が知られている。
【００３１】
本発明の装置では、開閉弁１３の開閉動作により熱媒体を蒸発部に戻すことができる。この操作について説明する。図２に示したように、定常状態においては、開閉弁１３は閉鎖されている。図２において、蒸発部に着目すると、太陽光で加熱された熱が太陽電池パネルからヒートパイプの蒸発部６に伝達されてくる。蒸発部６に貯蔵されている熱媒体の液は蒸発し、蒸気管７を通り、凝縮部８で液化する。液化した熱媒体は液体管９を経由して、液貯蔵部１０に到達し、この部分で貯められる。このとき気体連結管１１の開閉弁１３は「閉」にしておく。蒸発部では熱媒体が気化されているため、内部の圧力が液貯蔵部の圧力より高い。従って、液貯蔵部の熱媒体の液体は蒸発部の方には流れない。蒸発部の熱媒体の液体もチェック弁により液貯蔵部には流れない。
【００３２】
蒸発部の熱媒体の液体の量が少なくなってきたら、図３のように開閉弁１３を「開」にする。その結果、高圧である蒸発部の蒸気が気体連結管を経て液貯蔵部に到達し、液貯蔵部を加圧する。このとき液貯蔵部を蒸発部より高い位置に置くことにより液貯蔵部に貯められていた熱媒体は液体供給管１２を経由して蒸発部に流入する。
【００３３】
かくして、開閉弁として用いる電磁弁を作動させるわずかの動力のみで熱媒体を蒸発部に戻すことができ、上述したヒートパイプ内での熱媒体の循環が再び始まる。このサイクルを繰り返す。
【００３４】
上記一連のサイクルの時間は蒸発部、蒸気管のサイズ、熱媒体の封入量、蒸発潜熱等により異なるが、好ましくは開閉弁１３を「閉」にした状態で３０分〜２時間、開閉弁１３を「開」にした状態で１〜１０分間程度とすることが好ましい。
【００３５】
なお、図１〜図３では太陽電池パネルが１個の場合につき説明したが、通常太陽光発電装置は複数個の太陽電池パネルから構成されている。このような場合、ヒートパイプの蒸発部を、図４、図５に示したように互いに連結された構造とすればよい。高さが同じ蒸発部同士を連結する場合、図４のように補助液体供給管１６と補助気体連結管１７とで連結すると、熱媒体の液面が均一でかつ蒸発部の蒸気の圧力が均一になるため好ましい。
【００３６】
一方、高さが異なる蒸発部同士を連結する場合、図５のように補助液体供給管１６として、上部の蒸発部の液オーバーフロー面と下部の蒸発部の頭頂部とを連結し、補助気体連結管１７として、蒸発部の頭頂部と蒸気管とを連結すると、各熱媒体の液面が均一でかつ蒸発部の蒸気の圧力が均一になるため好ましい。
【００３７】
各太陽電池パネル１の表面に太陽光が照射されると、透明な表面の保護板３と充填剤５を透過した太陽光エネルギーは各発電素子４によって受光される。そして、発電素子４によって受光された太陽光エネルギーは電気エネルギーに変換され、電圧が発生する。この電圧を電流として取出し、蓄電池に貯めるか、そのまま使用する。
【００３８】
【発明の効果】
上記のように、太陽電池パネルの冷却を特定の構造のヒートパイプにより行うことができるため、ヒートパイプが有する高い熱伝達特性を用いて、効率よい冷却を行うことができる。また、ヒートパイプ内の上記蒸発温度を、太陽電池パネルが最も発電効率の良い温度となるように設定することが出来るため、発電効率が向上する。また、熱媒体の循環を、開閉弁として用いる電磁弁を作動させるわずかの動力のみで行うことができるため、エネルギー効率の高いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の太陽光発電装置の一例を示した概要図である。
１太陽電池パネル
２ヒートパイプ
４発電素子
６蒸発部
７蒸気管
８凝縮部
９液体管
１０液貯蔵部
１１気体連結管
１２液体供給管
【図２】図２は、本発明の太陽光発電装置の１実施例において、弁の働きによるヒートパイプ内の熱媒体の動きを説明するための模式図である。
【図３】図３は、本発明の太陽光発電装置の１実施例において、弁の働きによるヒートパイプ内の熱媒体の動きを説明するための模式図である。
【図４】図４は、複数の蒸発部を連結した場合の補助液体供給管と補助気体連結管の位置関係を示した模式図である。
【図５】図５は、複数の蒸発部を連結した場合の補助液体供給管と補助気体連結管の位置関係を示した模式図である。

Claims

太陽電池パネルの受光面の裏側にヒートパイプが配設されてなり、該ヒートパイプは、熱媒体が蒸発する蒸発部、熱媒体を移送する蒸気管、蒸気管により移送された熱媒体が凝縮する凝縮部、凝縮された熱媒体を移送する液体管、移送された熱媒体が貯液される液貯蔵部、更に液貯蔵部と蒸発部とが開閉弁を有する気体連結管と、液が流れる方向によって流路抵抗が異なるように形成された流路制御弁が設けられた液体供給管との２本の管で連結されていることにより、ループ状に形成されていることを特徴とする太陽光発電装置。
液貯蔵部が、蒸発部より高い位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
開閉弁が、電磁弁であることを特徴とする請求項１〜２記載の太陽光発電装置。
熱媒体が、アンモニア水溶液であることを特徴とする請求項１〜３記載の太陽光発電装置。