JP2005226978A - 太陽光発電集熱システム - Google Patents

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Abstract

【課題】設置面積が増大することなく、低コストで発電及び集熱を行うことができ、太陽エネルギーの利用効率を向上することのできる太陽光発電集熱システムを提供する。
【解決手段】屋根面42に複数の太陽光発電モジュール6が配設され、これら太陽光発電モジュール6の上方に透光性部材8が少なくとも太陽光発電モジュール6の上方を覆うようにして設けられ、この透光性部材8と屋根面42との間には空気流通層S3が形成されている。そして、この空気流通層S3には、床下11に配置されて熱を蓄える蓄熱手段12に連結する伝熱手段13が接続されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、太陽エネルギーを利用して、発電と集熱の両方を行うことのできる太陽光発電集熱システムに関する。
太陽エネルギーの利用方法として、一般に、太陽光を太陽電池を用いて電気に変換する場合と、太陽熱を利用する場合とがある。例えば、前者の場合には、住宅の屋根の上面に複数の太陽電池モジュールを設置し、この太陽電池モジュールの太陽電池によって発電した直流の電力をインバータで交流に変換することによって、照明や空調等の電力として利用する場合(特許文献1参照)がある。また、後者の場合には、屋根に太陽エネルギーを集熱する集熱部材で覆った熱伝導性の優れた金属板等を設置し、その下方又は上方に暖められた空気が流通する空気流通層を備え、空気流通層に居住空間に空気を循環させるダクト等の空気流通系が設けられ、集熱した太陽熱を直接暖房として利用する場合(特許文献2参照)がある。
特開2001−81981号公報 特開平11−223354号公報
しかしながら、上述の場合、電気としての利用(発電)又は熱としての利用(集熱)のいずれかであるため、太陽エネルギーの利用効率の向上が要求されている。
すなわち、例えば、上記特許文献1に記載されているように発電として利用した場合に得られた電気を、特許文献2に記載されているように熱として利用する場合には、太陽光から変換された電気を再び熱に変換する必要があるためエネルギー利用効率が悪いという問題がある。また、集熱と発電の両方を行うためには、それぞれ別個の装置を設ける必要があるため、設置面積の増大及びコスト高を招くという問題もある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、設置面積が増大することなく、低コストで、発電及び集熱を行うことができ、太陽エネルギーの利用効率を向上することのできる太陽光発電集熱システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、例えば、図2〜図5に示すように、屋根面42に複数の太陽光発電モジュール6が配設され、これら太陽光発電モジュール6の上方に透光性部材8が少なくとも前記太陽光発電モジュール6の上方を覆うようにして設けられ、前記透光性部材8と前記屋根面42との間には空気流通層S3が形成されており、
この空気流通層S3には、床下11に配置されて熱を蓄える蓄熱手段12に連結する伝熱手段13が接続されていることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、屋根面42に配設された複数の太陽光発電モジュール6によって、太陽光を電気(電力)に変換することができ、建物1で消費する電力を賄うことができるため、電力の自給自足を行うことができる。
また、太陽光発電モジュール6の上方に透光性部材8が少なくとも太陽光発電モジュール6の上方を覆うようにして設けられ、透光性部材8と屋根面42との間に空気流通層S3が形成され、さらに、空気流通層S3には床下11の蓄熱手段12に連結する伝熱手段13が接続されているので、太陽熱が透光性部材8を透光して空気流通層S3内の空気に伝達されることによって、その空気が加熱されて、さらに伝熱手段13を介して蓄熱手段12で蓄熱される。その結果、蓄熱手段12に蓄熱された熱を床暖房に利用できるとともに、暖房機器等に使用される電力を削減することが可能となる。
したがって、このように発電と集熱とを同時に行うことができるため、太陽エネルギーの利用効率の向上を図ることができる。
また、従来のように発電と集熱の両方を行うためにそれぞれ別個の装置を設ける必要もないので、その設置面積の増大を防ぐことができ、しかもコスト削減を図ることができる。
また、太陽光発電モジュール6はその表面が透光性を有するガラス等によって覆われていることから、空気流通層S3の空気は、直接屋根面42で吸収させて集熱した場合に比して、熱が屋根面42に吸収されずに集熱率が高くなる。
請求項2の発明は、例えば、図2〜図4に示すように、請求項1に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記複数の太陽光発電モジュール6は、前記屋根面42の上方に設けられていることを特徴とする。
請求項2の発明によれば、複数の太陽光発電モジュール6は、屋根面42の上方に設けられているので、太陽光発電モジュール6は直接屋根面42に接することなく、屋根面42と太陽光発電モジュール6との間(隙間S1)にも空気が流通することとなる。そのため、乱流が生じ易くなり、その結果、空気流通層S3の空気との熱伝達が促進されることとなり、蓄熱手段12に熱を吸収させ易く、熱効率に優れる。
請求項3の発明は、例えば、図3に示すように、請求項1又は2に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記伝熱手段13は、前記屋根4の棟5側において前記空気流通層S3に接続されていることを特徴とする。
請求項3の発明によれば、伝熱手段13は、屋根4の棟5側において空気流通層S3に接続されているので、空気流通層S3内で加熱された空気を屋根4の棟5側からそのまま伝熱手段13に伝達することができる。つまり、温度の高い空気は屋根4の棟5側に上昇し易いことから、伝熱手段13を棟5側に設けた方が軒先側に設ける場合よりも集熱率が高くなるため好ましい。
請求項4の発明は、例えば、図2に示すように、請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記透光性部材8は、前記屋根面42に所定間隔に複数設けられた支持レール10に支持されていることを特徴とする。
請求項4の発明によれば、透光性部材8は屋根面42に所定間隔に複数設けられた支持レール10に支持されているので、透光性部材8を屋根面42に容易かつ確実に設置することができる。すなわち、例えば、屋根面42に太陽光発電モジュール6のみが設けられた既存の太陽光発電集熱システムであっても、その屋根面42に支持レール10を設けて、支持レール10に透光性部材8を支持させることによって、既存の太陽光発電集熱システムを利用して容易に本発明の太陽光発電集熱システムとすることができる。
請求項5の発明は、例えば、図5に示すように、請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記蓄熱手段12は、潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材であり、所定間隔に複数段設けられていることを特徴とする。
請求項5の発明によれば、蓄熱手段12は潜熱蓄熱材であるので、蓄熱容量を比較的大きくすることができ、また、蓄熱温度が安定するので蓄熱効果を高めることができる。
本発明に係る太陽光発電集熱システムによれば、屋根面に配設された複数の太陽光発電モジュールによって、太陽光を電気(電力)に変換することができ、建物で消費する電力を賄うことができる。
また、太陽熱が透光性部材を透光して空気流通層内の空気に伝達されることによって、その空気が加熱され、さらに伝熱手段を介して蓄熱手段で蓄熱される。その結果、蓄熱された熱を床暖房に利用できるとともに電力を削減することができる。
したがって、このように発電と集熱とを同時に行うことができるため、太陽エネルギーの利用効率の向上を図ることができる。また、発電と集熱の両方を行うことができるので、それぞれ別個の装置を設ける必要もなく、その設置面積の増大を防ぐことができ、しかもコスト削減を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本発明に係る太陽光発電集熱システムが採用された建物の外観斜視図、図2は、図1におけるX−X断面図、図3は、図1におけるY−Y断面図、図4は、図3の要部拡大図、図5は、床下構造を示す側断面図である。
図1に示す建物1は、基礎2上に構築された建物本体3と、この建物本体3の上に形成された屋根4とを備えたものである。屋根4は、複数の屋根パネル41が桁方向に配列されてなり、屋根パネル41は、図2に示すように框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体41aを構成し、枠体41aの上面に野地板等の面材41bが設けられてなる。そして、屋根パネル41が複数配列されることによって、棟5の両側に棟5から軒先に向かって下り勾配を有する屋根面42が形成されている。
これら棟5の両側に形成された屋根面42のうちの片側の屋根面42(野地板41a)の上方で、該屋根面42に略平行となるように傾斜して複数の太陽光発電モジュール6(図2、図3参照)が縦横に所定間隔に配設されている。これによって、屋根面42と太陽光発電モジュール6との間には隙間S1が形成され、後述するように空気が流通可能となっている。
図2〜図4に示すように、太陽光発電モジュール6は、太陽光で発電する平板状の太陽電池を強化ガラスでラミネートし耐候性を持たせたものである。また、太陽光発電モジュール6の周縁には、該周縁を囲む四角枠状のフレーム7が設けられている。
フレーム7は、屋根4の傾斜方向に沿って左右に配置される一対の縦枠部7Aと、これら縦枠部7Aの上下端部を接続し、かつ、屋根4の桁方向に沿って配置される上枠部7B及び下枠部7Cとを備えている。これら縦枠部7A、上枠部7B及び下枠部7Cは、長尺部材であって、その内周面に太陽光発電モジュール6が嵌め込まれる一対の突出片71A、71B、71Cが設けられている。また、縦枠部7Aは、屋根面42にビスB1により固定される固定片72Aを備えている。
なお、これら複数の太陽光発電モジュール6から出力された電気は、図示しない接続器であるターミナルボックスにまとめられて、このターミナルボックスでまとめられた電気はインバータで直流から交流に変換され、これによって太陽光が電気に変換されて利用されるようになっている。
また、各太陽光発電モジュール6の上方には、透光性部材8が少なくとも太陽光発電モジュール6の上方を覆うように設けられている。これによって、透光性部材8と屋根面42との間、すなわち、太陽光発電モジュール6と透光性部材8との間の隙間S2及び前記隙間S1を有する空気流通層S3が形成されており、後述するように空気が相互に流通可能となっている。
透光性部材8としては、例えば透光性の良好なガラス等が挙げられ、平板状で、太陽光発電モジュール6を被覆するよう太陽光発電モジュール6よりも大きく形成されている。透光性部材8の周縁には、該周縁を囲む四角枠状のフレーム9が設けられている。
フレーム9は、屋根4の傾斜方向に沿って左右に配置される一対の縦枠部9Aと、これら縦枠部9Aの上下端部を接続し、かつ、屋根4の桁方向に沿って配置される上枠部9B及び下枠部9Cとを備えている。これら縦枠部9A、上枠部9B及び下枠部9Cによって透光性部材8の防水及び補強がなされ、透光性部材8の下方に位置する太陽光発電モジュール6が雨水による漏電や短絡等の事故の防止、及び、太陽光発電モジュール6の表面を保護できるようになっている。
上枠部9Bは、図4に示すように、アルミニウムの押出成形等により一体成形された長尺部材であって、断面四角筒状の枠本体91Bと、この枠本体91Bの上部から屋根4の傾斜方向に沿って斜め上方に設けられた断面略L字型の当接片92B(なお、図4では図面の関係上、当接片92Bは左方向に延びている)とを備えている。また、枠本体91Bの下部には、透光性部材8が嵌め込まれる一対の突出片93Bが設けられている。
下枠部9Cは、図4に示すように、アルミニウムの押出成形等により一体成形された長尺部材であって、断面L字型の筒状の枠本体91Cと、この枠本体91Cの下部から屋根4の傾斜方向に沿って斜め下方へ突出した鍔部92C(なお、図4では図面の関係上、鍔部92Cは右方向に突出している)と、この鍔部92Cの下面から下方へ垂れ下がる水切部93Cと、この水切部93Cの中間部分と枠本体91Cの側面とを連結する中間連結部94Cとを備えている。また、枠本体91Cの上部には、透光性部材8が嵌め込まれる一対の突出片95Cが設けられている。
一方、縦枠部9Aは、図2に示すように、断面略L字型の長尺部材であって、屋根4の傾斜方向に沿って左右に配置される一対の縦枠部9Aは、屋根面42上に取り付けられる支持レール10にそれぞれ固定される。各縦枠部9Aは、その上部に上述した上枠部9B及び下枠部9Cと同様の透光性部材8が嵌め込まれる一対の突出片91Aと、支持レール10に固定される固定片92Aとを備えている。また、左右に配置される一対の縦枠部9Aは、その上面に開口Kが形成され、該開口Kにはカバー部材93AがビスB2により取り付けられるようになっている。
支持レール10は、図2に示すように、内部が中空で縦枠部9Aの固定片92Aを受けてビスB3で固定される縦枠受部101と、この縦枠受部101を支持し、屋根面42上にビスB4で固定される縦枠支持部102とを備えている。縦枠受部101の長手方向に沿った両端には、透光性部材8及びカバー部材93Aとの間から万が一侵入してきた雨水等が屋根面42上に落ちることを防ぐ止水部103が形成されている。
したがって、上述のように構成された太陽光発電モジュール6、透光性部材8は以下のように屋根面42に取り付けられている。
太陽光発電モジュール6は、その周縁が縦枠部7A、上枠部7B及び下枠部7Cの一対の突出片71A、71B、71C内に嵌め込まれることによってフレーム7が取り付けられている。また、図2に示すように、屋根面42上には防火対策を兼ねた防火用鋼板422が敷設されており、この防火用鋼板422上に調整材421を介して縦枠部71Aの固定片72AがビスB1により固定されることによって、太陽光発電モジュール6が屋根面42の上方に配置されている。ここで、屋根面42と太陽光発電モジュール6との間には隙間S1が形成され、空気が流通可能となっている。
また、透光性部材8は、その周縁が縦枠部9A、上枠部9B及び下枠部9Cの一対の突出片91A、93B、95C内に嵌め込まれることによってフレーム9が取り付けられている。また、図2に示すように、屋根面42上には、支持レール10がその縦枠支持部102がビスB4で固定されることによって取り付けられており、この支持レール102に縦枠部9Aが支持されることによって透光性部材8が取り付けられている。
具体的には、上下方向に互いに隣接する透光性部材8は、図3及び図4に示すように、下方に配置される透光性部材8の上枠部9Bと上方に配置される透光性部材8の下枠部9Cとにおいて、下枠部9Cの鍔部92Cが上枠部9Bの枠本体91Bの上面に当接するとともに、上枠部9Bの当接片92Bが下枠部9Cの枠本体91Cの側面に当接することによって、互いに遊嵌している。
また、左右方向に互いに隣接する透光性部材8は、右側に配置される透光性部材8の縦枠部9Aと左側に配置される透光性部材8の縦枠部9Aとにおいて、支持レール10の縦枠受部101に各縦枠部9Aの固定片92AがビスB3でそれぞれ固定されている。さらに、これら両縦枠部9Aの上面に形成された開口Kには、ビスB2によりカバー部材93Aが取り付けられている。つまり、左右に隣接する透光性部材8どうしの間に、カバー部材93Aが配置されている。
このようにして透光性部材8が、少なくとも太陽光発電モジュール6の上方を覆うように配置され、これによって太陽光発電モジュール6と透光性部材8との間には隙間S2が形成され、空気が流通可能となっている。
また、上下に隣接する太陽光発電モジュール6どうしは所定間隔をあけて配置され、フレーム9と屋根面42との間の空間により、隙間S1と隙間S2とが互いに連通しているので、空気が隙間S1と隙間S2との間で流通可能となっている。このように、透光性部材8と屋根面42との間に、隙間S1と隙間S2とを有する空気流通層S3が形成されている。
さらに、空気流通層S3は、透光性部材8の軒先側に取り付けられた面戸46の隙間423と、屋根面42の棟5側に形成されて屋根裏に通じる屋内開口部424とに連通している。また、屋内開口部424には、建物1内に配されて後述する床下11に配置された蓄熱手段12(図4参照)に連通する伝熱手段13が接続されている。
ここで、伝熱手段13を屋根面42の棟5側に形成された屋内開口部424に接続したのは、空気流通層S3内で加熱された空気を屋根4の棟5側からそのまま伝熱手段13に伝達することができるためである。つまり、温度の高い空気は屋根4の棟5側に上昇し易いことから、伝熱手段13を棟5側に設けた方が軒先側に設ける場合よりも集熱率が高くなるため好ましい。
伝熱手段13としては、隙間S1や空気流通層S3で集熱された熱を伝達するものであれば良く、搬送ファンとダクトの組み合わせの他、例えば熱伝導率の大きなアルミニウムや銅等の金属製のパイプやダクト等が挙げられる。特に、パイプ内に揮発性の液体を封入した周知のヒートパイプが好適である。そして、この伝熱手段13は、建物1を構成する後述する壁パネル14及び床パネル15を貫通して床下11に配されている。
蓄熱手段12としては、蓄熱容量を比較的大きくすることができ、蓄熱効果を高める点で、例えば潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材が好ましい。この潜熱蓄熱材とは、単体、共融混合物、又は凝固点降下物質の融解と凝固の潜熱によって蓄熱と放熱とが行われるものである。具体的には、硫酸ナトリウム10水塩をポリプロピレン性の容器に充填したものや、パラフィンを特殊樹脂加工したアルミシートで封印したもの等を有効に用いることができる。
このような蓄熱手段12は、図5に示すように、床下11に所定間隔で複数段設けられており、これら蓄熱手段12に伝熱手段13である搬送ファン・ダクト又はパイプがそれぞれ熱授受可能に連結されている。
なお、図5に示す床下構造について説明すると、構築された基礎2の内側で地盤G上には防湿土間コンクリート2aが打設されており、基礎2の上端には台輪21が敷き込まれ、台輪21の上面のうちの内側半分に床パネル15の端部、外側半分に半土台22が設置されている。また、半土台22及び床パネル15の端部の上面に壁パネル14が設置されている。台輪21と半土台22及び床パネル15との間には気密性を確保するためのコーキング材23が設けられている。
壁パネル14は、框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体14aを構成し、この枠体14a内に軟質断熱材14bが充填され、枠体14aの両面に合板等の面材14cが設けられてなる。軟質断熱材14bとしては、例えば、グラスウールやロックウール等が挙げられる。
床パネル15は、框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体15aを構成し、この枠体15aの片面に合板等の面材15bが設けられてなる。また、床パネル15内の外側端部と、床パネル15の下面から基礎2の内面に沿って防湿土間コンクリート2aの上面までの間に断熱材151が設けられている。
防湿土間コンクリート2aの上方には、上述の蓄熱手段12が複数段配置されており、これら蓄熱手段12に、壁パネル14内及び床パネル15内に配された前記伝熱手段13が連結されている。
したがって、伝熱手段13を介して蓄熱手段12に蓄熱された熱が放熱することにより、上述の各断熱材151によって断熱されて床暖房とすることができる。ここで、各断熱材151は、伝熱手段13及び蓄熱手段12以外への熱の拡散を防ぐことができ、暖房効果をより一層高めている。
なお、図3に示す屋根4の軒先側先端には、結合桁43を介して桶44が設けられており、屋根面42の軒先先端から桶44まで水切り45が設けられている。
また、屋根4の棟5側の上端側は、屋根面42上に横部材51が取り付けられており、横部材51上に棟換気金物52aや棟包み52b等で構成された棟役物52で覆われている。
以上、本発明の実施の形態の太陽光発電集熱システムによれば、屋根面42に配設された複数の太陽光発電モジュール6によって、太陽光を電気(電力)に変換することができ、建物1で消費する電力を賄うことができる。
また、太陽光発電モジュール6の上方に、該上方を覆うようにして透光性部材8が設けられ、透光性部材8と屋根面42との間に空気流通層S3が形成され、さらに、空気流通層S3には床下11の蓄熱手段12に連結する伝熱手段13が接続されているので、太陽熱が透光性部材8を透光して空気流通層S3の空気に伝達されることによって、その空気が加熱され、さらに伝熱手段13を介して蓄熱手段12で蓄熱される。その結果、蓄熱手段12に蓄熱された熱を床暖房に利用できるとともに、暖房機器等に使用される電力を削減することが可能となる。
しかも、屋根面42と太陽光発電モジュール6との間にも隙間S1が形成されているので、この隙間S1にも空気が流通することとなる。そのため、乱流が生じ易くなることから、空気流通層S3の空気との熱伝達が促進されることとなり、蓄熱手段12に熱を吸収させ易く、熱効率に優れる。
このように本発明の太陽光発電集熱システムでは、発電と集熱とを同時に行うことができるため、太陽エネルギーの利用効率の向上を図ることができる。また、発電と集熱の両方を行うために別個の装置を設ける必要もないので、その設置面積の増大を防ぐことができるとともにコスト削減を図ることができる。
さらに、太陽光発電モジュール6はその表面が透光性を有するガラスでラミネートされていることから、空気流通層S3の空気は、太陽光発電モジュール6が設けられておらず、直接屋根面42で吸収させて集熱した場合に比して、太陽光発電モジュール6の表面で吸収させて集熱した場合の方が、熱が屋根面42に吸収されずに集熱率が高くなる。
また、透光性部材8は屋根面42に所定間隔に複数設けられた支持レール10に支持されているので、透光性部材8を屋根面42に容易かつ確実に設置することができる。また、既存の太陽光発電集熱システムを利用して容易に本発明の太陽光発電集熱システムとすることができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なものとする。
例えば、太陽電池モジュール6のフレーム7、透光性部材8のフレーム9及び支持レール10等の構造は適宜変更しても構わない。
また、上記建物1としては、壁パネル14、床パネル15を複数組み合わせたパネル工法による建物1を例に挙げたが、これに限らず、箱状に形成された建物ユニットを複数組み合わせたユニット式建物や、柱及び梁を建築現場で接合する在来工法からなる一般的な建物であっても構わない。
本発明の実施の形態を示すためのもので、太陽光発電集熱システムが採用された建物の外観斜視図である。 同、図1におけるX−X断面図である。 同、図1におけるY−Y断面図である。 同、図3の要部拡大図である。 同、床下構造を示す側断面図である。
符号の説明
4 屋根
5 棟
6 太陽光発電モジュール
8 透光性部材
10 支持レール
11 床下
12 蓄熱手段
13 伝熱手段
42 屋根面
S3 空気流通層

Claims (5)

  1. 屋根面に複数の太陽光発電モジュールが配設され、これら太陽光発電モジュールの上方に透光性部材が少なくとも前記太陽光発電モジュールの上方を覆うようにして設けられ、前記透光性部材と前記屋根面との間には空気流通層が形成されており、
    この空気流通層には、床下に配置されて熱を蓄える蓄熱手段に連結する伝熱手段が接続されていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
  2. 請求項1に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
    前記複数の太陽光発電モジュールは、前記屋根面の上方に設けられていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
  3. 請求項1又は2に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
    前記伝熱手段は、前記屋根の棟側において前記空気流通層に接続されていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
    前記透光性部材は、前記屋根面に所定間隔に複数設けられた支持レールに支持されていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
    前記蓄熱手段は、潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材であり、所定間隔に複数段設けられていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
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