JP2005127694A - 蓄熱式ソーラーパネル、ソーラーシステム、蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム、および蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法 - Google Patents

蓄熱式ソーラーパネル、ソーラーシステム、蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム、および蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均一化の両立、および蓄熱槽の小型化を実現した、エネルギー効率が高い蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムを提供すること。
【解決手段】圧縮機5、放熱器7、膨張弁9および蒸発器4で構成されるヒートポンプサイクルと、太陽電池パネル25、太陽電池パネル25の裏面側に配置された、蒸発器4および所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部2を有するハイブリッドコレクター1と、放熱器7で生成された熱を貯蔵する蓄熱槽13とを備え、蒸発器4は太陽電池パネル25の熱が潜熱蓄熱部2を介して伝わるように配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、太陽熱を蓄熱する手段を備えた蓄熱式ソーラーパネル、ソーラーシステム、および、ヒートポンプ手段を用いた太陽光熱利用のソーラーヒートポンプシステム、その運転方法に関する。例えば、太陽熱の蓄熱手段を有する蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムに関する。
従来の蓄熱式ソーラーパネルでは、図14に示すように太陽電池パネル61の裏面に潜熱蓄熱材65を設けることによって、熱容量を増加させ、太陽電池パネル61の温度上昇を抑制する構成がある(例えば、特許文献1参照)。
また、従来、太陽光熱を利用する冷暖房給湯機では、太陽光熱集熱器の表面に太陽電池を配設し、この集熱器で集めた熱を温水、または不凍液等の作動流体を用いて熱搬送する顕熱熱搬送形態を取っており、この搬送された熱を一旦蓄熱槽に蓄熱し、給湯または暖房の熱源として利用する構造となっている。
ところが、このような構造の冷暖房給湯機では、蓄熱槽の温度状態によって太陽光熱集熱器の温度が上昇し、このため太陽電池の温度も上昇して、発電効率が低下するという課題を有していた。この課題を解決するため、ヒートポンプのフロン冷媒等の作動流体を太陽光熱集熱器に循環させて、太陽電池の温度を低く保つようにしたソーラーヒートポンプシステムがある(例えば、特許文献2参照)。
図15は、特許文献2に記載されたソーラーヒートポンプシステムを示す図である。図15において、ソーラーヒートポンプ給湯回路およびソーラーヒートポンプ暖房回路の運転時には、ハイブリッドコレクター1が熱交換器構成になっており、その冷媒温度が第1膨張弁9の作動によって大気温度以下に作用する。その結果、太陽電池パネル25が配設されている以外の部分から入射する太陽熱、さらに太陽電池パネル25の排熱、フィン16を通しての大気熱をも集熱し、一旦得られた熱量を大気へ放熱することなく、全て暖房給湯加熱として利用することとなり、システム効率が高くなる。また、太陽電池パネル25は、低温の冷媒によって冷却されるため、太陽電池パネル25の発電効率が高くなるという特徴が得られる。
しかし、上記特許文献2の冷暖房給湯機では、太陽光熱の集熱は給湯または暖房用途に限定されている。このため、夏季の冷房運転時には、太陽電池パネル25の温度も上昇して、発電効率が低下するという課題を有していた。また、暖房運転時にも、暖房負荷と太陽熱集熱量の不整合により、太陽電池パネル25の温度も上昇して発電効率が低下する、あるいは太陽光熱を有効利用できないという課題を有していた。この課題を解決するため、用途や負荷に応じて、ヒートポンプの放熱器と蒸発器を切り替えて機能させるようにしたソーラーヒートポンプシステムがある(例えば、特許文献3参照)。
図16は、特許文献3に記載されたソーラーヒートポンプシステムを示す図である。図16において、第1電磁弁8、第2電磁弁32の開閉、第1膨張弁9、第2膨張弁11を各々制御することにより、太陽光熱のみ、空気熱のみ、あるいは太陽光熱と空気熱の両方を熱源とするモードで運転することができる。
また、暖房運転時または蓄熱槽13への蓄熱時に、ハイブリッドコレクター1のみ、室外熱交換器60のみ、あるいはハイブリッドコレクター1と室外熱交換器60の両方を蒸発器として切り替えて機能させることができる。この結果、例えば暖房運転時において、ハイブリッドコレクター1での蒸発熱量が室内熱交換器3で要求される凝縮熱量に比較して不足する場合でも、太陽光熱を有効利用することができる。
また、冷房運転時にハイブリッドコレクター1と室内熱交換器3を蒸発器として機能させるとともに、室外熱交換器60のみ、あるいは室外熱交換器60と蓄熱槽加熱手段7の両方を凝縮器として切り替えて機能させることが可能となる。このため、太陽光熱による余剰熱を蓄熱槽13に蓄えて太陽光熱を有効に利用するとともに、太陽電池パネルの温度上昇を抑制することができる。
さらに、ヒートポンプ装置の冷媒として従来使われてきたHCFC冷媒(分子中に塩素、水素、フッ素、炭素の各原子を含む)や、HFC冷媒(分子中に水素、フッ素、炭素の各原子を含む)が、オゾン層破壊あるいは地球温暖化に直接的に影響するとして、これらの代替として自然界に存在する炭化水素や二酸化炭素などの自然冷媒への転換が提案されている。
特開昭57-155055号公報(例えば、第1図) 特開平5-66065号公報(例えば、第1図) 特開2000-171105号公報(例えば、第4−9頁、第5図)
しかしながら、特許文献1に記載された蓄熱式ソーラーパネルの構成では、太陽熱による集熱量に対して太陽電池パネル61を十分冷却できる量の潜熱蓄熱材65を設ける必要があった。つまり、太陽電池パネル61を冷却する能力は、潜熱蓄熱材65の量に依存し、太陽電池パネル61を効率的に冷却できなかった。
また、自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプ装置では、蒸発器出口側の冷媒の過熱度が変動して液圧縮が発生すると、作動圧力が高く液密度も大きいため、従来のHCFC冷媒やHFC冷媒を用いる場合と比較して、圧縮機の耐久性に与える影響は甚大である。
また、温度が異なる太陽電池パネルを並列に接続すると、最大電力が大きく内部インピーダンスが小さいパネルに近い発電電圧となり、最大電力が小さいパネルからは最大電力よりも小さい電力しか取り出せず、システム全体の発電効率は低下してしまう。
また、図16に示した特許文献3に記載されたソーラーヒートポンプシステムの構成では、冷房運転時においては、ハイブリッドコレクター1と室内熱交換器3との両方を蒸発器として並列に機能させ、暖房運転および/または給湯運転時においては、ハイブリッドコレクター1での蒸発熱量が過剰に得られる場合には、ハイブリッドコレクター1のみを蒸発器として機能させている。しかし、日射量や外気温度は変化するため、常には圧縮機5への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均一化とを両立できないという課題があった。
また、この図16に示すシステムの構成では、暖房運転時において、ハイブリッドコレクター1での蒸発熱量が室内熱交換器3で要求される凝縮熱量に比較して大きい場合には蓄熱槽13に蓄熱を行っているため、家庭内での熱需要量以上の大きい蓄熱槽13を要するという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、太陽電池パネルを効率的に冷却できる蓄熱式ソーラーパネル、およびソーラーシステムを提供することを目的とする。また、別の本発明は、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均一化の両立を実現し、エネルギー効率が高い蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。また、別の本発明は、蓄熱槽の小型化を実現した蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、第1の本発明は、
太陽電池パネルと、
前記太陽電池パネルの裏面に接して配置され、その内部を複数の蓄熱室に分割する1以上の仕切り板を有し、潜熱蓄熱材料が前記複数の蓄熱室のそれぞれに内蔵された蓄熱容器と、
前記複数の蓄熱室のそれぞれの内部を通るように配置され、その内部を熱媒体が流通する複数の媒体流路とを備えた蓄熱式ソーラーパネルである。
第2の本発明は、
地面に対して傾斜して設置されており、
前記蓄熱容器は、実質上直方体形状をしており、
前記仕切り板は、前記蓄熱容器の傾斜している側面に対して実質上直交し、かつ前記太陽電池パネル側の面に実質上垂直の向きに、前記蓄熱容器の内面に接して設けられている、第1の本発明の蓄熱式ソーラーパネルである。
第3の本発明は、
前記複数の媒体流路のそれぞれは、前記それぞれの蓄熱室の地面から遠い側に配置されている、第1の本発明の蓄熱式ソーラーパネルである。
第4の本発明は、
前記複数の媒体流路は、蓄熱式ソーラーパネルの外部で一つの媒体流路が分岐したものであり、それぞれの内部を前記熱媒体が並列に流通するようになっている、第1の本発明の蓄熱式ソーラーパネルである。
第5の本発明は、
第1の本発明のソーラーパネルと、
太陽電池パネルの発電出力を検出する発電出力検出手段と、
潜熱蓄熱材料の温度を検出する蓄熱材料温度検出手段と、
熱媒体の流量を制御する流量制御弁と、
前記太陽電池パネルの発電出力が所定出力以上であって、かつ前記潜熱蓄熱材料の温度が融点以上の場合に、前記流量制御弁を開くように制御する制御手段とを備えたソーラーシステムである。
第6の本発明は、
前記蓄熱材料温度検出手段は、複数の蓄熱室のうちの地面から最も遠い蓄熱室の、地面から遠い側の角部に設けられている、第5の本発明のソーラーシステムである。
第7の本発明は、
さらに、ヒートポンプ回路を備え、
前記熱媒体は前記ヒートポンプ回路の冷媒である、第5の本発明のソーラーシステムである。
第8の本発明は、
前記熱媒体の温度は、前記潜熱蓄熱材料の過冷却温度以上でかつ融点未満になるように制御される、第7の本発明のソーラーシステムである。
第9の本発明は、
圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器で構成されるヒートポンプサイクルと、
太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、前記蒸発器および所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部を有するハイブリッドコレクターと、
前記放熱器で生成された熱を貯蔵する蓄熱槽とを備え、
前記蒸発器は、前記太陽電池パネルの熱が前記潜熱蓄熱部を介して伝わるように配置されている蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第10の本発明は、
前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
前記蒸発器は、前記潜熱蓄熱部の前記太陽電池パネルと接している面とは反対側の面に接して、または前記潜熱蓄熱部の内部に配置されている、第9の本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第11の本発明は、
圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器で構成されるヒートポンプサイクルと、
太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部、および前記潜熱蓄熱部と熱媒体が熱交換する熱交換器を有するハイブリッドコレクターと、
前記放熱器で生成された熱を貯蔵する蓄熱槽とを備え、
前記熱交換器は、前記太陽電池パネルの熱が前記潜熱蓄熱部を介して伝わるように配置されており、
前記蒸発器は、前記熱交換器で加熱された前記熱媒体を熱源として利用する蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第12の本発明は、
前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
前記熱交換器は、前記潜熱蓄熱部の前記太陽電池パネルと接している面とは反対側の面に接して、または前記潜熱蓄熱部の内部に配置されている、第11の本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第13の本発明は、
前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
前記潜熱蓄熱部は、前記熱交換器を兼ねている、第11の本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第14の本発明は、
前記潜熱蓄熱部は、前記潜熱蓄熱材料が充填された複数の蓄熱容器を有する、第9乃至第13のいずれかの本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第15の本発明は、
前記複数の蓄熱容器は、前記潜熱蓄熱部内の所定の位置に固定され、熱媒体と接触して熱交換を行う、第14の本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第16の本発明は、
さらに、前記ハイブリッドコレクターは、前記潜熱蓄熱材より熱伝導率が高い伝熱シートを有し、
前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの熱が前記伝熱シートを介して伝わるように配置されている、第9乃至第15のいずれかの本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第17の本発明は、
さらに、前記ヒートポンプサイクルは、室外放熱手段を有し、
前記室外放熱手段は、蓄熱運転時に前記蓄熱槽が最大蓄熱容量に達する際または達した際に放熱する、第9乃至第16のいずれかの本発明の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムである。
第18の本発明は、
太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部を有するハイブリッドコレクターを備えた蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法であって、
前記潜熱蓄熱部の温度が前記潜熱蓄熱材料の相変化温度以下となるように、かつ前記潜熱蓄熱部の熱を利用する蒸発器から液体状の冷媒が流出しないように、冷媒循環量を制御する、蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法である。
本発明により、太陽電池パネルを効率的に冷却できる蓄熱式ソーラーパネル、およびソーラーシステムを提供することができる。また、別の本発明により、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均一化の両立を実現し、エネルギー効率が高い蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムおよびその運転方法を提供することができる。また、別の本発明により、蓄熱槽の小型化を実現した蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1〜図4は、本発明の実施の形態1におけるソーラーヒートポンプシステムの構成図である。これらの図を主として参照しながら、本実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムの構成について説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
図1〜図4は、本実施の形態1におけるソーラーヒートポンプシステムの、各々、蓄熱運転、暖房運転、暖房+蓄熱運転、冷房運転時のヒートポンプサイクル構成図である。また、図5は、各運転時における、四方弁、三方弁、電磁弁の動作状態を示している。
図1〜図4において、1は、冷媒熱交換器4上に積層した潜熱蓄熱部2の表面に太陽電池パネル25(ここでは結晶系シリコンを使用)を配設したハイブリッドコレクターである。3は室内熱交換器、5は圧縮機、7は蓄熱槽加熱手段、9は第1膨張弁、11は第2膨張弁であり、本実施の形態1のヒートポンプサイクルは、これらから構成される。
なお、冷媒熱交換器4は本発明の蒸発器の一例であり、室内熱交換器3および蓄熱槽加熱手段7は本発明の放熱器の一例である。
ここで、図1〜図4において、実線矢印で示す太線の部分は冷媒の流れを表している。また、圧縮機5の運転の電源には、日射量がある場合は少なくともハイブリッドコレクター1の太陽電池パネル25で発電した電力を、また日射量がない場合は商用電力を用いている。
次に、本実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムの、定常運転時の動作について説明する。
(1)蓄熱運転
蓄熱運転動作について、図1を用いて説明する。
この運転モードでは、図5に示すように、第1四方弁6を6A、第2三方弁33を33A、第3三方弁35を35Aの方向に切り替え、第1電磁弁8を閉、第2電磁弁32を開とし、ハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4を蒸発器、蓄熱槽加熱手段7を放熱器として、ヒートポンプサイクルを構成する。
このヒートポンプサイクルにおいて、冷媒(二酸化炭素)は、圧縮機5で圧縮されて高温高圧の状態となり、蓄熱槽加熱手段7で給湯用途の水と熱交換して、この水を加熱することにより冷媒は冷却される。また、加熱された水(お湯)は蓄熱槽13に貯湯される。
次に、冷媒は、第1膨張弁9で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器であるハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4に流入する。このとき、ハイブリッドコレクター1の上流近傍に設置された第1温度センサ39で検出される冷媒の温度が、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度より低温(5℃以上低温となるのが、好ましい)となるように、第1膨張弁9の開度が制御される。
さらに冷媒は、潜熱蓄熱部2を介して、冷媒熱交換器4で太陽熱と熱交換して加熱され、再び圧縮機5に吸入される。
(2)暖房運転・暖房+蓄熱運転
次に、暖房運転動作について、図2を用いて説明する。
この運転モードでは、図5に示すように、第1四方弁6を6A、第1三方弁31を31A、第2三方弁33を33A、第3三方弁35を35Aの方向に切り替え、第1電磁弁8を開、第2電磁弁32を閉とし、ハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4を蒸発器、室内熱交換器3を放熱器として、ヒートポンプサイクルを構成する。
このヒートポンプサイクルにおいて、冷媒(二酸化炭素)は、圧縮機5で圧縮されて高温高圧の状態となり、室内熱交換器3で暖房用途の空気と熱交換して、この空気を加熱することにより冷却される。また、加熱された空気は室内に吹き出される。
次に、冷媒は、第1膨張弁9で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器であるハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4に流入する。このとき、ハイブリッドコレクター1の上流近傍に設置された第1温度センサ39で検出される冷媒の温度が、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度より低温(5℃以上低温となるのが、好ましい)となるように、第1膨張弁9の開度が制御される。
さらに冷媒は、潜熱蓄熱部2を介して、冷媒熱交換器4で太陽熱と熱交換して加熱され、再び圧縮機5に吸入される。
なお、日射量が大きく、ハイブリッドコレクター1での集熱量が室内熱交換器3での暖房負荷を上回る場合、最初は固体から液体への相変化を利用して、潜熱蓄熱部2において蓄熱が行われる。その後、潜熱蓄熱部2に設置された第2温度センサ40により、潜熱蓄熱部2の温度が相変化温度以上になったことを検知すると、第1膨張弁9の開度を制御して冷媒循環量を増加させ、暖房+蓄熱運転に切り替えられる。
この暖房+蓄熱運転動作について、図3を用いて説明する。
この運転モードでは、図5に示すように、第1四方弁6を6A、第1三方弁31を31A、第2三方弁33を33A、第3三方弁35を35Aの方向に切り替え、第1電磁弁8を開、第2電磁弁32を開とし、ハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4を蒸発器、室内熱交換器3と蓄熱槽加熱手段7を放熱器として、ヒートポンプサイクルを構成する。
このヒートポンプサイクルにおいて、冷媒(二酸化炭素)は、圧縮機5で圧縮されて高温高圧の状態となり、室内熱交換器3で暖房用途の空気と熱交換して、この空気を加熱することにより冷却される。また、加熱された空気は室内に吹き出される。また、蓄熱槽加熱手段7で、冷媒が保有する暖房負荷以上の余剰熱と給湯用途の水とが熱交換され、加熱された水(お湯)は蓄熱槽13に貯湯される。
次に、冷媒は、第1膨張弁9で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器であるハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4に流入する。このとき、ハイブリッドコレクター1の上流近傍に設置された第1温度センサ39で検出される冷媒の温度が、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度より低温(5℃以上低温となるのが、好ましい)となるように、第1膨張弁9の開度が制御される。
さらに冷媒は、潜熱蓄熱部2を介して、冷媒熱交換器4で太陽熱と熱交換して加熱され、再び圧縮機5に吸入される。
なお、このヒートポンプサイクルに室外放熱手段を備えて、暖房+蓄熱運転時に蓄熱槽13が最大蓄熱容量に達した場合には、この室外放熱手段を放熱器として機能させても良い。
(3)冷房運転
次に、冷房運転動作について、図4を用いて説明する。
この運転モードでは、図5に示すように、第1四方弁6を6B、第1三方弁31を31B、第2三方弁33を33B、第3三方弁35を35Bの方向に切り替え、第1電磁弁8を開、第2電磁弁32を閉とし、ハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4と室内熱交換器3とを蒸発器、蓄熱槽加熱手段7を放熱器として、ヒートポンプサイクルを構成する。
このヒートポンプサイクルにおいて、冷媒(二酸化炭素)は、圧縮機5で圧縮されて高温高圧の状態となり、蓄熱槽加熱手段7で給湯用途の水と熱交換して、この水を加熱することにより冷却される。また、加熱された水(お湯)は蓄熱槽13に貯湯される。
次に、冷媒は分流された後、第1膨張弁9で減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器であるハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4に流入する。このとき、ハイブリッドコレクター1の上流近傍に設置された第1温度センサ39で検出する冷媒の温度が、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度より低温(5℃以上低温となるのが、好ましい)となるように、第1膨張弁9の開度が制御される。
また冷媒は、潜熱蓄熱部2を介して、冷媒熱交換器4で太陽熱と熱交換して加熱され、再び圧縮機5に吸入される。
さらに、もう一方の分流された冷媒は、第2膨張弁11でも同様に減圧されて、低温低圧の状態となり、蒸発器である室内熱交換器3に流入し、空気と熱交換して加熱され、再び圧縮機5に吸入される。一方、ここで冷却された空気は、冷房用途として室内に吹き出される。
なお、(1)〜(3)の運転時に、冷媒の温度が超臨界温度31℃以上になると、蒸発器での熱交換特性が著しく低下する。従って、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度を31℃以下にする必要があるので、ここでは潜熱蓄熱部2を構成する潜熱蓄熱材料として、相変化温度が29.9℃である塩化カルシウム6水和塩を用いている。
本実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムは、冷媒熱交換器4に接するように潜熱蓄熱部2を設けたことで、太陽電池パネル25の温度の均一化と圧縮機5への液冷媒の流入防止とを両立させている。
ここで、本実施の形態1の構成により、このような効果が得られる原理について説明する。図10は、本実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクター1の各部の温度分布を示している。
図10(a)は、冷媒熱交換器4内を流通する冷媒の温度分布を示している。冷媒熱交換器4の入口からは、気体・液体2相の状態の冷媒が流入する。冷媒熱交換器4内を進むにしたがって冷媒は加熱され、液体部分が蒸発して気体に変化していく。全て気体となった状態の冷媒は、さらに加熱されて温度が上昇していく。従って、冷媒熱交換器4内を流通する冷媒は、冷媒熱交換器4の入口から出口の間で、図10(a)に示すような温度分布となる。
潜熱蓄熱部2が設けられておらず、太陽電池パネル25と冷媒熱交換器4が直接熱交換する構成の従来のソーラーヒートポンプシステムの場合には、太陽電池パネル25の温度分布は、冷媒熱交換器4と直接接しているため、図10(a)と同様の温度変化をもつ温度分布となる。つまり、冷媒熱交換器4の出口部分に向けて上昇するような温度分布となり、太陽電池パネル25の温度は不均一となる。この場合、太陽電池パネル25の温度を均一化させるために、図10(a)に示す冷媒熱交換器4の温度分布が均一になるように冷媒の循環量を調節すると、冷媒熱交換器4から液体状の冷媒が流出してしまう。
図10(b)は、本実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクター1の各部の温度分布を示している。太陽電池パネル25の熱は、潜熱蓄熱部2により蓄熱され、冷媒は潜熱蓄熱部2からの熱によって加熱される。
ここで、潜熱蓄熱部2は、相変化温度以下になるように第一膨張弁9の開度が制御されてヒートポンプサイクルの冷媒の循環量が調節されるので、冷媒熱交換器4の出口付近においても相変化温度以上に温度が上昇することなく、冷媒熱交換器4の入口から出口まで一定の温度となる。従って、太陽電池パネル25は冷媒熱交換器4の表面に配設されているので、太陽電池パネル25の温度も図10(b)に示すように一定温度に保たれるとともに均一化される。
一方、冷媒は潜熱蓄熱部2からの熱によって加熱され、冷媒熱交換器4の出口付近では気体状態となり、液体状の冷媒が流出することがなく、圧縮機5への液冷媒の流入も防止できる。
なお、潜熱蓄熱部2には、そのソーラーヒートポンプシステムにおけるハイブリッドコレクター1の集熱量、冷媒循環量に対して温度制御ができる蓄熱量を有する容量の潜熱蓄熱材を使用する。
上記の効果が得られるハイブリッドコレクター1の構成例を図9に示す。図9(a)は、図1〜図4に示した本実施の形態1の構成であり、潜熱蓄熱部2は、太陽電池パネル25と冷媒熱交換器4の間に配置されている。図9(b)は、冷媒熱交換器4の裏面側に潜熱蓄熱部2が配置されている構成である。図9(c)は、潜熱蓄熱部2が冷媒熱交換器4の内部に配置されている構成である。
太陽電池パネル25から潜熱蓄熱部2へ伝熱が行われる構造であれば、図9(b)のような構成であっても、潜熱蓄熱部2が冷媒熱交換器4と接しているので同様の効果が得られる。さらに、太陽電池パネル25の熱が効率よく潜熱蓄熱部2に蓄熱されその熱が冷媒熱交換器4に伝熱される構成、例えば図9(a)、図9(c)のような構成であればより大きな効果が得られる。なお、図9に示す各構成はハイブリッドコレクター1の構成の一例であり、冷媒熱交換器4と接している潜熱蓄熱部2を備えていれば、これ以外の構成であってもよい。
また、本実施の形態1の構成で、ヒートポンプサイクルにさらに室外放熱手段を備え、蓄熱運転時に蓄熱槽13が最大蓄熱容量に達した場合に、室外放熱手段を放熱器として機能させるようにしても良い。この場合には、家庭内での熱需要量以上の余剰熱を放熱できるため、蓄熱槽13をより小型化することができる。
なお、本発明のヒートポンプサイクルは、本実施の形態1のヒートポンプサイクルに限定されるものではない。ハイブリッドコレクター1の冷媒熱交換器4を蒸発器として機能させ、また冷房運転時には、室内熱交換器3を蒸発器として機能させるとともに、室内熱交換器3が冷媒熱交換器4と並列に配置された構成のヒートポンプサイクルであれば、上記と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態1では、太陽電池パネル25として結晶系シリコンを使用しているが、アモルファスシリコン、CIS等の化合物を使用しても良く、半導体を用いているものであれば、上記と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態1では、ヒートポンプサイクルに使用する冷媒として二酸化炭素を使用しているが、HCFC、HFC、または炭化水素、アンモニア等の自然冷媒を使用しても良く、これらを使用した場合においても上記と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態1では、所定温度で固体から液体に相変化する潜熱蓄熱材料として塩化カルシウム6水和塩を使用しているが、無機塩類の硝酸リチウム3水和塩や有機系のn−オクタデカン等のノルマルパラフィンを使用しても良く、これらを使用した場合においても上記と同様の効果が得られる。
ここで、ヒートポンプサイクルの冷媒として、臨界温度がより高いHCFC、HFC、炭化水素、アンモニア等を使用する場合には、伝熱特性の観点からは、冷媒の臨界温度に応じた潜熱蓄熱材料を選定しても良い。しかし、太陽電池パネル25の低温化による発電量向上の観点からは、上述した塩化カルシウム6水和塩、硝酸リチウム3水和塩、n−オクタデカン等の室温近傍の相変化温度を有する潜熱蓄熱材料を選定すると、より高い効果が得られる。
また、本実施の形態1では、蓄熱槽13として、お湯を貯める貯湯式を使用しているが、水酸化ストロンチウム8水和塩等の潜熱蓄熱材料、2−プロパノールの脱水素反応等の有機化学反応、吸着材の脱水反応等の無機化学反応等を利用する化学蓄熱システムとしても良く、これらの反応を利用した場合においても上記と同様の効果が得られる。
以上、本実施の形態1について説明してきたが、圧縮機5、第1膨張弁9、第2膨張弁11、室内熱交換器3、冷媒熱交換器4、第1四方弁6、第1三方弁31、第2三方弁33、第3三方弁35、第1電磁弁8、第2電磁弁32、第1温度センサ39、第2温度センサ40、電力検出器42等については、実現手段を限定するものではなく、公知の手段を用いることができる。
また、太陽電池パネル25で発電された電力は、全量ヒートポンプサイクルの圧縮機5に供給することに限定されるものではない。余剰電力は、別途設置した蓄電装置に蓄えても良く、また電力会社と系統連携して売電を行っても良い。
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2におけるソーラーヒートポンプシステムの蓄熱運転時の構成図を示している。また、図7は、本実施の形態2におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクター1の構成図を示している。これらの図を主として参照しながら、本実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムの構成および動作について説明する。図6〜図7において、図1〜図4と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
本実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムの構成および動作は、実施の形態1のソーラーヒートポンプシステムの構成および動作と類似している。そこで、本実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムの構成および動作の説明については、主として実施の形態1と異なる点について説明する。
図6において、4は冷媒熱交換器、5は圧縮機、7は蓄熱槽加熱手段、9は第1膨張弁であり、本実施の形態2のヒートポンプサイクルは、これらから構成される。ここで、図6中の実線矢印で示す太線部分は冷媒の流れを表す。
なお、冷媒熱交換器4は本発明の蒸発器の一例であり、蓄熱槽加熱手段7は本発明の放熱器の一例である。
1は、太陽電池パネル25(ここでは結晶系シリコンを使用)の裏面に潜熱蓄熱部2を設け、太陽電池パネル25と潜熱蓄熱部2の間に伝熱シート41を敷設した構成のハイブリッドコレクターである。また、43は循環ポンプであり、これらと冷媒熱交換器4から、本実施の形態2の熱媒体(ここでは空気を使用)サイクルが構成される。ここで、図6中の破線矢印で示す太線部分は熱媒体の流れを表す。
圧縮機5の運転の電源には、日射量がある場合は少なくともハイブリッドコレクター1の太陽電池パネル25で発電した電力を、また日射量がない場合には商用電力を用いている。
次に、本実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムの動作について説明する。
(1)蓄熱運転
蓄熱運転動作について、図6を用いて説明する。
図6のヒートポンプサイクルにおいて、冷媒(二酸化炭素)は、圧縮機5で圧縮されて高温高圧の状態となり、蓄熱槽加熱手段7で給湯用途の水と熱交換して、この水を加熱することにより冷媒は冷却される。また、加熱された水(お湯)は蓄熱槽13に貯湯される。
次に、冷媒は、第1膨張弁9で減圧されて低温低圧の状態となり、蒸発器として機能する冷媒熱交換器4に流入する。このとき、冷媒熱交換器4の上流近傍に設置されている第1温度センサ39で検出された冷媒の温度が、ハイブリッドコレクター1の潜熱蓄熱部2の相変化温度より低温(5℃以上低温となるのが、好ましい)となるように、第1膨張弁9の開度が制御される。
一方、太陽熱は、太陽電池パネル25、伝熱シート41を介して、潜熱蓄熱部2に伝熱され、ここから熱媒体に伝熱が行われる。また、この加熱された熱媒体は、続いて冷媒熱交換器4に流入する。ここで、熱媒体は、冷媒の蒸発潜熱の熱源として吸熱され、低温となる。この低温となった熱媒体は、循環ポンプ43により、再度潜熱蓄熱部2に流入する。
図7を用いて、このヒートポンプサイクルのうちの、ハイブリッドコレクター1の詳細構成について説明する。ハイブリッドコレクター1は、太陽電池パネル25の裏面に、潜熱蓄熱部2を設け、太陽電池パネル25と潜熱蓄熱部2の間に、潜熱蓄熱材51(ここでは塩化カルシウム6水和塩を使用)よりも熱伝導率が高い材料(ここではカーボンを使用)で構成される伝熱シート41を敷設した構成である。
また、潜熱蓄熱部2は、潜熱蓄熱材51を充填した蓄熱容器50(ここではプラスチックを使用)を内設した構成である。ここで、蓄熱容器50は、球状の形状をしており、伝熱シート41に接触するとともに、隣接する蓄熱容器50同士が接触することにより、位置固定される構成となっている。
このハイブリッドコレクター1において、熱媒体は、図7の右上から流入し、潜熱蓄熱部2内の蓄熱容器50との間の空隙を流通し、左下に流出する構成となっている。そして、蓄熱容器50と熱媒体の接触により、潜熱蓄熱材51との熱交換が行われる。
ここで、潜熱蓄熱部2が相変化温度以下になるように第1膨張弁9によって冷媒の循環量が調整されるので、潜熱蓄熱部2は、一定温度(潜熱蓄熱部2の相変化温度)に保たれることになる。
そして、伝熱シート41の蓄熱容器50と接触している部分から潜熱蓄熱材51への熱伝導よりも速い速度で、伝熱シート41の蓄熱容器50と接触していない部分から接触している部分に向かう熱伝導が行われるので、太陽電池パネル25の温度の均一化が図られる。
以上のように、本実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムは、太陽電池パネル25の裏面に、所定温度で相変化する潜熱蓄熱材51を内設した潜熱蓄熱部2が配設されたハイブリッドコレクター1を備えている。そして、潜熱蓄熱部2に熱媒体との熱交換機能を持たせ、潜熱蓄熱部2で加熱された熱媒体を冷媒熱交換器4の熱源として利用する構成としている。これにより、蒸発器として機能する冷媒熱交換器4で冷媒を過熱状態にしても、太陽電池パネル25の温度の均一化と圧縮機5への液冷媒の流入防止とを両立することができる。
単に潜熱蓄熱部2に潜熱蓄熱材を充填させた構成の場合には、融解領域になると密度差により固体と液体の分離が生じる。これに対し、本実施の形態2の構成では、潜熱蓄熱部2は潜熱蓄熱材51を充填した複数の蓄熱容器50を備えた構成としているので、潜熱蓄熱部2内において潜熱蓄熱材51が固体と液体に分離することがなく、伝熱量にムラが生じることを抑制できる。これによって、伝熱シート41を介して接している太陽電池パネル25の温度を均一化することができる。
また、本実施の形態2の構成では、蓄熱容器50は、潜熱蓄熱部2内で位置固定されるとともに、熱媒体が直接蓄熱容器50と接触して熱交換を行うことにより、太陽電池パネル25の温度を均一化することができるとともに、高い伝熱効率を実現することができる。
熱媒体が蓄熱容器50の壁面から直接伝熱されるので、仮に蓄熱容器50内で固体と液体との分離が生じようとしても、常に(液体の部分と熱媒体の温度差)>(固体の部分と熱媒体の温度差)となる。したがって、潜熱蓄熱材51からの熱媒体に対する伝熱量は、液体の部分からの方が大きくなるため、均質化されるように作用する。
なお、本発明のヒートポンプサイクルは、本実施の形態2のヒートポンプサイクルに限定されるものではなく、冷媒熱交換器4を蒸発器として機能させ、また冷房運転時には、室内熱交換器を備えて蒸発器として機能させるとともに、冷媒熱交換器4と並列に配置された構成のヒートポンプサイクルであれば、上記と同様の効果が得られるものである。
また、潜熱蓄熱部2は、本実施の形態2の構成に限定されるものではなく、固体から液体への相変化時に密度差による固体と液体の分離が生じない構成であれば、上記と同様の効果が得られるものである。
また、本実施の形態2では、潜熱蓄熱部2に内設する蓄熱容器50は、図7に示すような球状の形状としたが、潜熱蓄熱部2内に位置固定され、伝熱シート41に接触し、熱媒体が接触して流通できるような構成であればよい。
図8に、潜熱蓄熱部2における蓄熱容器50の別の構成例を示す。図8(a)の蓄熱容器は、直方体で潜熱蓄熱部2内に所定の間隔で固定されており、蓄熱容器と潜熱蓄熱部2の内側の空間を熱媒体が流通するようになっている。図8(b)の蓄熱容器は、円筒形で潜熱蓄熱部2の内側と隣接する蓄熱容器とに接することにより固定されており、蓄熱容器と潜熱蓄熱部2の内側の空間を熱媒体が流通するようになっている。上記の条件を満たす構成であれば、図8以外の構成であってもよい。
また、本実施の形態2では、太陽電池パネル25として結晶シリコン型を使用しているが、アモルファスシリコン型、CIS等の化合物型を使用しても良く、半導体を使用しているものであれば、上記と同様の効果が得られるものである。
また、本実施の形態2では、ヒートポンプサイクルに使用する冷媒として、二酸化炭素を使用しているが、HCFC、HFC、または炭化水素、アンモニア等の自然冷媒を使用しても良く、これらを使用した場合においても上記と同様の効果が得られるものである。
また、本実施の形態2では、所定温度で固体から液体に相変化する潜熱蓄熱材料として、塩化カルシウム6水和塩を使用しているが、無機塩類の硝酸リチウム3水和塩や有機系のn−オクタデカン等のノルマルパラフィンを使用しても良く、これらを使用した場合においても上記と同様の効果が得られるものである。
ここで、ヒートポンプサイクルの冷媒として、臨界温度がより高いHCFC、HFC、炭化水素、アンモニア等を使用する場合には、伝熱特性の観点からは、冷媒の臨界温度に応じた潜熱蓄熱材料を選定しても良い。しかし、太陽電池パネル25の低温化による発電量向上の観点からは、上述した塩化カルシウム6水和塩、硝酸リチウム3水和塩、n−オクタデカン等の室温近傍の相変化温度を有する潜熱蓄熱材料を選定すると、より高い効果が得られるものである。
また、本実施の形態2では、蓄熱槽13として、お湯を貯める貯湯式を使用しているが、水酸化ストロンチウム8水和塩等の潜熱蓄熱材料を使用するシステムや、有機化学反応、無機化学反応等を利用する化学蓄熱システムとしても良く、これらの反応を利用した場合においても上記と同様の効果が得られるものである。
また、本実施の形態2では、熱媒体として空気を使用しているが、水や不凍液等を用いても良く、これらを使用した場合においても上記と同様の効果が得られるものである。なお、熱媒体流路のメンテナンス性の向上を目的とする場合には、空気を熱媒体とする方が好ましい。一方、冷媒熱交換器4の小型化を目的とする場合には、水や不凍液等の液体を熱媒体とする方が好ましい。
また、本実施の形態2では、伝熱シート41としてカーボン材料を使用しているが、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材料を用いても良く、上記と同様の効果が得られるものである。また、潜熱蓄熱部2内の蓄熱容器50との間の空隙を小さくすれば、特に伝熱シート41を用いなくても上記と同様の効果が得られるものである。また、熱媒体として水や不凍液等の液体を使用する場合には、伝熱シート41を設置しなくても、より高い効果が得られる。
また、本実施の形態2では、蓄熱容器50の材料として、プラスチックを使用しているが、熱媒体や潜熱蓄熱材51と反応を生じない材料であれば良く、上記と同様の効果が得られるものである。なお、この条件を満足した上で、さらに高い熱伝導率を有する材料であれば、伝熱効率も高くなるため、より好ましい。
以上、本実施の形態2について説明してきたが、圧縮機5、第1膨張弁9、冷媒熱交換器4、第1温度センサ39等については、実現手段を限定するものではなく、公知の手段を用いることができる。
また、太陽電池パネル25で発電された電力は、全量ヒートポンプサイクルの圧縮機5に供給することに限定されるものではない。余剰電力は、別途設置した蓄電装置に蓄えても良く、また電力会社と系統連携して売電を行っても良い。
(実施の形態3)
図11、図12は、それぞれ、本発明の実施の形態3における蓄熱式ソーラーパネルの断面図、全体構成図を示している。また、図13は、本実施の形態3の蓄熱式ソーラーパネルを備えたソーラーシステムの構成図を示している。
図11、図12、図13において、本実施の形態3の蓄熱式ソーラーパネルは、太陽電池パネル71と、直方体形状の蓄熱容器72を備えている。また、蓄熱容器72は、仕切り板73により、複数の蓄熱室74に分割されている。図11に示すように、各仕切り板73は、蓄熱容器72の傾斜している側面に対して直交の向きで、太陽電池パネル71の面に対して垂直の向きに設けられている。そして、それぞれの蓄熱室74内には潜熱蓄熱材75が充填されている。
また、76は媒体の流路、77は温度検出手段、78は流量制御弁を示している。さらに、図13において、79は圧縮機、80は凝縮器、81は膨張手段を示しており、このソーラーシステムは、ヒートポンプ回路を構成している。媒体の流路76は、図11に示すように、各蓄熱室74内の上部、つまり地面に対して遠い側に偏って設けられている。
なお、温度検出手段77は、本発明の蓄熱材料温度検出手段の一例である。また、潜熱蓄熱材75は、本発明の潜熱蓄熱材料の一例である。また、媒体の流路76は、本発明の媒体流路の一例であり、媒体は、本発明の熱媒体の一例である。
なお、ここでは太陽電池パネル71として単結晶シリコン、潜熱蓄熱材75として硫酸ナトリウム・10水塩、媒体としてヒートポンプ回路の冷媒である二酸化炭素、温度検出手段77としてサーミスタを用いている。
まず、図11に示す蓄熱式ソーラーパネルについて、その動作を説明する。
日射強度が強くなり、太陽電池パネル71の温度が上昇し始めると、太陽電池パネル71の熱は、裏面に設けられた蓄熱容器72との接触面および仕切り板73から、各蓄熱室74内に充填された潜熱蓄熱材75に伝えられる。これによって、潜熱蓄熱材75の温度も上昇し、融点(ここでは、32℃)を超えた部分から融解し始める。なお、太陽電池パネル71の裏面とは、太陽に相対している側と反対側の面を指している。
潜熱蓄熱材75が融解し始めると、液相の密度は固相より小さいことから、液相の潜熱蓄熱材が蓄熱室74の上部に移動する。ここで、複数の蓄熱室74のうち地面から最も遠く位置する蓄熱室74の地面から遠い側の角の近傍に設けられた温度検出手段77の検出温度が潜熱蓄熱材75の融点以上に達することで、潜熱蓄熱材75が融解を開始したことが検出される。
このとき、図13に示す本実施の形態3のソーラーシステムにおいては、太陽電池パネル71の発電出力検出手段(ここでは、図示せず)が所定出力以上であれば、制御手段(ここでは、図示せず)が流量制御弁78を開いて、ヒートポンプ回路を構成する媒体の流路76に二酸化炭素を流し始める。そして、蓄熱室74の上部に移動した液相の潜熱蓄熱材は、媒体の流路76を流れる二酸化炭素との熱交換を行う。ここで、媒体の流路76は各蓄熱室74の上部に偏った位置に設けられているため、蓄熱室74の上部に存在する液相の潜熱蓄熱材を優先的に冷却することができる。
また、媒体の流路76を流れる二酸化炭素の温度は、膨張手段81の開度を調整することにより、潜熱蓄熱材75の過冷却温度以上、かつ融点未満に制御されており、二酸化炭素が液体から気体へと相変化するとともに、液相の潜熱蓄熱材は冷却されて過冷却状態になる。この冷却された部分の潜熱蓄熱材は密度が大きくなることから、蓄熱室74内で下降し、固相の潜熱蓄熱材と接触する。さらに、固相の潜熱蓄熱材を核として、発核が行われ凝固を開始する。
ここで、媒体の流路76は、図12に示すように、各蓄熱室74に流入する手前で分岐し、複数の蓄熱室74に対して並列に配置されているため、各々の蓄熱室74に流れる媒体の温度は同じであり、各々の蓄熱室74で上記と同様の現象が起こっている。
このように、仕切り板73が設けられた本実施の形態3の蓄熱式ソーラーパネルの構成によって、潜熱蓄熱材75が細かく分割されるため、蓄熱容器72内の潜熱蓄熱材75が液相と固相とに上下方向で2分されて太陽電池パネル71内に大きい温度差を生じさせることを抑制することができる。
また、潜熱蓄熱材75をそのまま蓄熱室74内に充填しているため、低コストで製造することができる。
さらに、実施の形態2で説明した図7に示すような構成では、潜熱蓄熱材が被覆部材で被覆されているのに対し、本実施の形態3の場合には、潜熱蓄熱材75が被覆部材で被覆されていないことから、潜熱蓄熱材75の蓄熱容量を全て利用することができ、蓄熱式ソーラーパネルを薄型化することができる。
また、太陽電池パネル71の熱は、潜熱蓄熱材75の厚み方向にも伝熱されることから、太陽電池パネル71に直接接触している部分以外まで加熱、融解させることができる。また、蓄熱室74内の上側に存在する液相の潜熱蓄熱材を優先的に冷却することから、潜熱蓄熱材75全体を均一に固相に保つことができる。さらに、複数の蓄熱室74に流れる媒体の温度差が生じないため、太陽電池パネル71の温度を均一化することができる。
また、本実施の形態3のソーラーシステムの構成によって、太陽電池パネル71の発電出力が大きく、温度の高いときに選択的に冷却するため、省エネルギーで太陽電池パネル71の発電効率を向上させることができる。また、潜熱蓄熱材75が融解を開始した時点ですぐに冷却を開始できる。また、冷媒の蒸発を利用して均一、かつ低温で冷却することから、太陽電池パネル71の温度を均一、かつ低温にすることができる。さらに、潜熱蓄熱材75の過冷却状態を利用して、密度差によって液相の潜熱蓄熱材を循環して均一に冷却することができる。
よって、低コストでの製造が可能であり、蓄熱式ソーラーパネルの厚みを薄くすることと、太陽電池パネル71の温度上昇を抑制することとを両立することができる、発電効率が高い蓄熱式ソーラーパネルおよびこれを用いたソーラーシステムを実現することができる。
なお、本実施の形態3では、太陽電池パネル71として単結晶シリコンを用いているが、これに限定されるものではなく、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、CIS等の化合物系太陽電池等を用いても、上記と同様の効果が得られるものである。ただし、アモルファスシリコンは温度に対する発電効率の変化幅が小さいため、他の太陽電池と比較してその効果は小さいものとなる。
また、潜熱蓄熱材75として硫酸ナトリウム・10水和塩を用いているが、これに限定されるものではなく、塩化カルシウム・6水和塩、オクタデカン等を用いても、上記と同様の効果が得られるものである。ただし、融点が昼間の大気温度より高温となる材料を選択する必要がある。
また、媒体としてヒートポンプ回路の冷媒である二酸化炭素を用いているが、これに限定されるものではなく、ヒートポンプ回路の冷媒であれば、HFC、炭化水素等を、2次冷媒であれば、水、不凍液、空気等を用いても、上記と同様の効果が得られるものである。
また、温度検出手段77としてサーミスタを用いているが、これに限定されるものではなく、熱電対等を用いても、上記と同様の効果が得られるものである。
さらに、図11では、仕切り板73は、蓄熱容器72の太陽電池パネル71と反対側の壁と接した構成としたが、太陽電池パネル71側の壁と接していればよく、蓄熱容器72の太陽電池パネル71と反対側の壁と仕切り板73とを切り離した構成としても、上記と同様の効果が得られるものである。
なお、本実施の形態3の構成の蓄熱式ソーラーパネルは、実施の形態1および実施の形態2のソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクター1として使用できるものである。
本発明にかかる蓄熱式ソーラーパネルおよびこれを用いたソーラーシステムは、低コスト、薄型のパネル構成で、高い発電効率を有する家庭用冷暖房給湯機等として有用である。また工業用加熱・冷却装置等の用途にも応用できる。
また、本発明にかかる蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムは、信頼性を確保しつつ、省スペース、かつ高いエネルギー効率を有し、家庭用冷暖房給湯機等として有用である。また工業用加熱・冷却装置等の用途にも応用できる。
本発明の実施の形態1におけるソーラーヒートポンプシステムの蓄熱運転時のヒートポンプサイクル構成図 本発明の実施の形態1における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの暖房運転時のヒートポンプサイクル構成図 本発明の実施の形態1における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの暖房+蓄熱運転時のヒートポンプサイクル構成図 本発明の実施の形態1における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの冷房運転時のヒートポンプサイクル構成図 本発明の実施の形態1における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの四方弁、三方弁、電磁弁の動作状態を示す図 本発明の実施の形態2における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの蓄熱運転時のヒートポンプサイクル構成図 本発明の実施の形態2における蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクターの構成図 (a)、(b)本発明の実施の形態2の潜熱蓄熱部における蓄熱容器の構成例を示す図 (a)、(b)、(c)本発明の実施の形態1のハイブリッドコレクターの構成例を示す図 (a)、(b)本発明におけるソーラーヒートポンプシステムのハイブリッドコレクターの温度分布を示す図 本発明の実施の形態3における蓄熱式ソーラーパネルの断面図 本発明の実施の形態3における蓄熱式ソーラーパネルの全体構成図 本発明の実施の形態3におけるソーラーシステムの構成図 従来の蓄熱式ソーラーパネル(特許文献1)の構成図 従来のソーラーヒートポンプシステム(特許文献2)の構成図 従来のソーラーヒートポンプシステム(特許文献3)の構成図
符号の説明
1 ハイブリッドコレクター
2 潜熱蓄熱部
3 室内熱交換器
4 冷媒熱交換器
5 圧縮機
6 第1四方弁
7 蓄熱槽加熱手段
8 第1電磁弁
9 第1膨張弁
10 第2四方弁
11 第2膨張弁
12 第3膨張弁
13 蓄熱槽
14 循環ポンプ
16 フィン
17 第1ヘッダー管
18 第2ヘッダー管
19 第3ヘッダー管
25 太陽電池パネル
26 交直変換装置
27 蓄電池
28 インバータ
29 サイクル制御装置
30 電力供給制御装置
31 第1三方弁
32 第2電磁弁
33 第2三方弁
34 第3電磁弁
35 第3三方弁
36 第4電磁弁
37 第5電磁弁
38 第6電磁弁
39 第1温度センサ
40 第2温度センサ
41 伝熱シート
42 電力検出器
43 循環ポンプ
49 第2給湯経路
50 蓄熱容器
51 潜熱蓄熱材
71 太陽電池パネル
72 蓄熱容器
73 仕切り板
74 蓄熱室
75 潜熱蓄熱材
76 媒体の流路
77 温度検出手段
78 流量制御弁
79 圧縮機
80 凝縮器
81 膨張手段

Claims (18)

  1. 太陽電池パネルと、
    前記太陽電池パネルの裏面に接して配置され、その内部を複数の蓄熱室に分割する1以上の仕切り板を有し、潜熱蓄熱材料が前記複数の蓄熱室のそれぞれに内蔵された蓄熱容器と、
    前記複数の蓄熱室のそれぞれの内部を通るように配置され、その内部を熱媒体が流通する複数の媒体流路とを備えた蓄熱式ソーラーパネル。
  2. 地面に対して傾斜して設置されており、
    前記蓄熱容器は、実質上直方体形状をしており、
    前記仕切り板は、前記蓄熱容器の傾斜している側面に対して実質上直交し、かつ前記太陽電池パネル側の面に実質上垂直の向きに、前記蓄熱容器の内面に接して設けられている、請求項1に記載の蓄熱式ソーラーパネル。
  3. 前記複数の媒体流路のそれぞれは、前記それぞれの蓄熱室の地面から遠い側に配置されている、請求項1に記載の蓄熱式ソーラーパネル。
  4. 前記複数の媒体流路は、蓄熱式ソーラーパネルの外部で一つの媒体流路が分岐したものであり、それぞれの内部を前記熱媒体が並列に流通するようになっている、請求項1に記載の蓄熱式ソーラーパネル。
  5. 請求項1に記載のソーラーパネルと、
    太陽電池パネルの発電出力を検出する発電出力検出手段と、
    潜熱蓄熱材料の温度を検出する蓄熱材料温度検出手段と、
    熱媒体の流量を制御する流量制御弁と、
    前記太陽電池パネルの発電出力が所定出力以上であって、かつ前記潜熱蓄熱材料の温度が融点以上の場合に、前記流量制御弁を開くように制御する制御手段とを備えたソーラーシステム。
  6. 前記蓄熱材料温度検出手段は、複数の蓄熱室のうちの地面から最も遠い蓄熱室の、地面から遠い側の角部に設けられている、請求項5に記載のソーラーシステム。
  7. さらに、ヒートポンプ回路を備え、
    前記熱媒体は前記ヒートポンプ回路の冷媒である、請求項5に記載のソーラーシステム。
  8. 前記熱媒体の温度は、前記潜熱蓄熱材料の過冷却温度以上でかつ融点未満になるように制御される、請求項7に記載のソーラーシステム。
  9. 圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器で構成されるヒートポンプサイクルと、
    太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、前記蒸発器および所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部を有するハイブリッドコレクターと、
    前記放熱器で生成された熱を貯蔵する蓄熱槽とを備え、
    前記蒸発器は、前記太陽電池パネルの熱が前記潜熱蓄熱部を介して伝わるように配置されている蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  10. 前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
    前記蒸発器は、前記潜熱蓄熱部の前記太陽電池パネルと接している面とは反対側の面に接して、または前記潜熱蓄熱部の内部に配置されている、請求項9に記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  11. 圧縮機、放熱器、膨張弁および蒸発器で構成されるヒートポンプサイクルと、
    太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部、および前記潜熱蓄熱部と熱媒体が熱交換する熱交換器を有するハイブリッドコレクターと、
    前記放熱器で生成された熱を貯蔵する蓄熱槽とを備え、
    前記熱交換器は、前記太陽電池パネルの熱が前記潜熱蓄熱部を介して伝わるように配置されており、
    前記蒸発器は、前記熱交換器で加熱された前記熱媒体を熱源として利用する蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  12. 前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
    前記熱交換器は、前記潜熱蓄熱部の前記太陽電池パネルと接している面とは反対側の面に接して、または前記潜熱蓄熱部の内部に配置されている、請求項11に記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  13. 前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの裏面に接して配置されており、
    前記潜熱蓄熱部は、前記熱交換器を兼ねている、請求項11に記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  14. 前記潜熱蓄熱部は、前記潜熱蓄熱材料が充填された複数の蓄熱容器を有する、請求項9乃至13のいずれかに記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  15. 前記複数の蓄熱容器は、前記潜熱蓄熱部内の所定の位置に固定され、熱媒体と接触して熱交換を行う、請求項14に記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  16. さらに、前記ハイブリッドコレクターは、前記潜熱蓄熱材より熱伝導率が高い伝熱シートを有し、
    前記潜熱蓄熱部は、前記太陽電池パネルの熱が前記伝熱シートを介して伝わるように配置されている、請求項9乃至15のいずれかに記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  17. さらに、前記ヒートポンプサイクルは、室外放熱手段を有し、
    前記室外放熱手段は、蓄熱運転時に前記蓄熱槽が最大蓄熱容量に達する際または達した際に放熱する、請求項9乃至16のいずれかに記載の蓄熱式ソーラーヒートポンプシステム。
  18. 太陽電池パネル、前記太陽電池パネルの裏面側に配置された、所定温度で相変化する潜熱蓄熱材料が内設された潜熱蓄熱部を有するハイブリッドコレクターを備えた蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法であって、
    前記潜熱蓄熱部の温度が前記潜熱蓄熱材料の相変化温度以下となるように、かつ前記潜熱蓄熱部の熱を利用する蒸発器から液体状の冷媒が流出しないように、冷媒循環量を制御する、蓄熱式ソーラーヒートポンプシステムの運転方法。
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