JP2005241079A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【目的】ヒートポンプ式の給湯手段より排気される低温の空気を蓄冷機能を有する太陽光発電モジュールに供給して蓄冷することで、日中太陽光発電モジュールの温度上昇による発電効率低下を防止する太陽光発電装置を提供する。
【構成】給湯手段１の貯湯運転時に給湯用ヒートポンプユニット２から排気される冷気で太陽光発電モジュール３３の冷却部４３を蓄冷するので、日中太陽光発電モジュール３３の温度が上昇するような状態になっても、蓄冷された冷却部４３が発電セル４０を冷やすので、太陽光発電モジュール３３の温度が上昇せず、温度上昇による発電効率の低下を防止できるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機の運転時に発生する冷気を利用して、気温上昇による発電効率低下を防止する太陽光発電装置に関するものである。

従来よりこの種の太陽光発電装置に於いては、半導体のＰＮ接合のように内部電場を有する素子に太陽光を照射し、それにより得られた光起電力を利用して電気エネルギーを得るもので、それに使用される太陽電池は一般的に厚さ４〜５ｍｍ程度の白板強化ガラスや透明樹脂板等に太陽電池セルと呼ばれる太陽光発電セル基板を複数接着してなるパネル状のものであり、又光起電力を発生する素子として単結晶又は多結晶のシリコンを主体としたものやアモルファスシリコンを主体としたものがある。

ところでこの太陽電池は、素子の基材により違いはあるが、一般に素子温度が高くなると発電効率が低下する特性があり、例えば単結晶のシリコン系で２０度における発電効率が約１６％位であるのに対し、素子温度が８０度位に上昇すると発電効率は約１０％位に低下し、発電される電気量としては、２０度の時の約６０％位に低下するものである。

そこで、パネル状の太陽電池の裏側に太陽電池と同形状で内部に流通穴を有する冷却部を設け、この流通穴に水道水や燃料油、アンモニア、メタノール等の液体、空気、窒素ガス等の気体を通すことで太陽電池を冷却して発電効率の低下を防止するものがある。（例えば特許文献１参照）
特開２００２−８９８８０号公報

ところでこの従来のものでは、パネル状の太陽電池が発電している日中に、パネル状の太陽電池を冷却する流動冷却媒体を循環装置にて循環させるため、たとえ太陽電池の発電効率低下を防止しても循環装置を動かすために消費される電力分は結果として発電効率が下がってしまうものであった。

又真夏の日中では気温が高い上に日射が強いのでパネル状の太陽電池も高温となり、その高温となった太陽電池を適温まで冷却するには、流動冷却媒体をより低温にする必要があった。

この発明はこの点に着目し上記課題を解決するため、請求項１では特にその構成を、光起電力効果を有するデバイスからなる発電セルと、該発電セルの受光面の裏側に当接して設けた蓄冷機能を有する冷却部と、該冷却部の発電セルとの当接面以外を覆うように設けた断熱機能を有する断熱部とからなる太陽光発電モジュールを備えた太陽光発電装置に於いて、前記冷却部には冷却冷媒が通過する冷却管が設けられているものである。

又本発明の請求項２に係る太陽光発電装置では、特にその構成を、請求項１に於いて、前記冷却管は冷却部内に蛇行して設けられていると共に、前記冷却管には給湯用ヒートポンプユニットを有する給湯手段の貯湯運転時に排気される冷気を冷却媒体として通気させるものである。

又本発明の請求項３に係る太陽光発電装置では、特にその構成を、請求項２に於いて、前記給湯手段の給湯用ヒートポンプユニットは二酸化炭素を媒体とすると共に、前記給湯手段の貯湯運転時に排気され冷却管を通過した冷気を建物の屋根裏空間に送気するものである。

この発明の請求項１によれば、光起電力効果を有するデバイスからなる発電セルと、該発電セルの受光面の裏側に当接して設けた蓄冷機能を有する冷却部と、該冷却部の発電セルとの当接面以外を覆うように設けた断熱機能を有する断熱部とからなる太陽光発電モジュールを備えた太陽光発電装置に於いて、前記冷却部には冷却冷媒が通過する冷却管が設けられているものである。

これにより日中気温が上昇し、又直射日光により太陽光発電モジュールの温度が上昇するような状態になっても、光起電力効果を有するデバイスにより形成され受光することにより発電する発電セルの受光面の裏側に当接している冷却部が冷却冷媒が通過することで蓄冷されているので、蓄冷されている冷却部が発電セルを冷やし、太陽光発電モジュールの温度を上昇させず、温度上昇による発電効率の低下を防止できるものである。

又前記構成による請求項２記載の太陽光発電装置によれば、請求項１に於いて、前記冷却管は冷却部内に蛇行して設けられていると共に、前記冷却管には給湯用ヒートポンプユニットを有する給湯手段の貯湯運転時に排気される冷気を冷却媒体として通気させるものである。

これにより発電セルの受光面の裏側に当接している冷却部全体を均一に蓄冷して発電セル全体を温度むらなく冷却でき、更に冷却部を冷却する冷却媒体を給湯用ヒートポンプユニットを有する給湯手段の貯湯運転時に排気される冷気とすることで冷却部を冷却するするために電力を消費することなく、経済的に冷却部を冷却することができるものである。

又前記構成による請求項３記載の太陽光発電装置によれば、請求項２に於いて、前記給湯手段の給湯用ヒートポンプユニットは二酸化炭素を媒体とすると共に、前記給湯手段の貯湯運転時に排気され冷却管を通過した冷気を建物の屋根裏空間に送気するものである。

これにより媒体としてフロン等を使用する従来のヒートポンプユニットと比べて二酸化炭素を媒体として使用する給湯用ヒートポンプユニットは、外気からより熱を回収する、つまり熱が回収されて排気される冷気の温度がフロン等を使用する従来のヒートポンプユニットと比べて低いので、その排気される冷気で太陽光発電モジュールの冷却部により蓄冷できるものである。

更に冷却部を通過した冷気を建物の屋根裏空間に送気することにより、冷却部を通過した冷気は冷却部で蓄冷されることで温度が上昇するが、まだ外気温度よりもが温度が低いので、建物の屋根裏空間を外気温度より低くすることができ、日中気温が上昇し、又直射日光により屋根が加熱されても屋根裏空間の温度が低いために屋根表面の温度も上がりにくく、それにより太陽光発電モジュールの温度上昇をさまたげることができるものである。

次に、この発明に係る太陽光発電装置を、図面に示された一実施例で説明する。
１は給湯手段で、冷媒に自然冷媒である二酸化炭素を使用した給湯用ヒートポンプユニット２と、該給湯用ヒートポンプユニット２で熱交換により加熱された高温水を貯湯するタンクユニット３からなるものである。

前記給湯用ヒートポンプユニット２は、冷媒である二酸化炭素を圧縮する圧縮器４と、該圧縮器４により高温となった冷媒と給水との間で熱交換して給水を加熱する水加熱用熱交換器５と、該水加熱用熱交換器５で給水を加熱した冷媒を膨張させる膨張弁６と、該膨張弁６にて低温となった冷媒と外気との間で熱交換して冷媒に吸熱させる空気用熱交換器７とにより冷凍サイクルを構成するもので、前記水加熱用熱交換器５には、入水口８からポンプ９により送られた水が流入して熱交換した後、出水口１０から送り出すものであり、又空気用熱交換器７には、空気取り入れ口１１からファン１２により送風された外気が流入して熱交換した後、空気排気口１３から排気されるものである。

又前記タンクユニット３は、給湯手段１が運転して貯湯する時、給湯用ヒートポンプユニット２の出水口１０から送り出された高温水が上方から流入すると共に、上方から流入する高温水よりも温度の低い水が下方から給湯用ヒートポンプユニット２の入水口８に流出し、又給湯手段１が給湯する時、接続されている水道管１４から温度の低い水道水が下方から流入すると共に、上方から高温水が流出する貯湯タンク１５と、給湯手段１が給湯する時、貯湯タンク１５からの高温水と低温である水道水とを混合して商社が設定した温度の温水を給湯する給湯混合弁１６とを備えたものである。

１７は空調手段で、フロン系冷媒を使用した空調用ヒートポンプユニット１８と、居間や寝室などの室内に設けられ、前記空調用ヒートポンプユニット１８とは空調用配管１９にて接続され、前記空調用ヒートポンプユニット１８で冷却された冷媒と室内の空気との間で熱交換して室内の空気を冷やす空気調和機２０とを備えるものである。

前記空調用ヒートポンプユニット１８は、空気調和機２０から流れてくる常温低圧で気体のフロン系冷媒を圧縮して高温高圧の気体にする圧縮機２１と、該圧縮機２１からの高温高圧気体のフロン系冷媒を凝縮して放熱させ、フロン系冷媒を常温高圧の液体にする凝縮器２２と、該凝縮器２２で液化されたフロン系冷媒を急激に減圧して低温低圧の液体にする膨張弁２３と、フロン系冷媒の流れを逆にすることで冷房運転と暖房運転とを切り替える切替弁２４と、給気口２５から空気を取り入れて凝縮器２２での放熱を吸熱した後、その空気を排気口２６から外気に排気する送風機２７とを備えたものである。

又前記空気調和機２０は、空調用ヒートポンプユニット１８の膨張弁２３を通過して低温低圧の液体となったフロン系冷媒を蒸発させて、その蒸発潜熱分の熱をフロン系冷媒に吸熱させ常温低圧の気体にする蒸発器２８と、室内空気取入口２９から取り入れた室内空気を前記蒸発器２８で吸熱されて低温になった後、室内空気吹出口３０から室内に吹き出させる空気調和機用ファン３１を備えたものである。

３２は屋根の上に設置された太陽光発電システムで、太陽光を受光して発電する太陽光発電モジュール３３と、該太陽光発電モジュール３３からの配線を一つにまとめるための箱状のもので、点検や保守時に使用する開閉器や避雷素子、又太陽光発電モジュール３３に電流が逆流しないようにする逆流防止機器などを内蔵した接続箱３４と、太陽光発電モジュール３３から発電される直流電力を交流電力に変換し、又停電時に非常用として稼働するための自立運転機能を備えたパワーコンディショナ３５と、太陽光発電モジュール３３から発電される家庭内の機器に分配したり又電力会社に売電したり、逆に電力会社から買電した電力を家庭内の機器に分配する分電盤３６と、電力会社に売電した電力量を表示する売電用電力量計３７と、電力会社から買電した電力量を表示する買電用電力量計３８と、太陽光発電モジュール３３の温度を検知するモジュール温度センサ３９とからなるものである。

更に前記太陽光発電モジュール３３は、単結晶又は多結晶シリコンやアモルファス等光起電力効果を有するデバイスにより所望の厚みを有し略四辺形に形成された発電セル４０と、該発電セル４０の受光面４１の表面を覆うカバー強化ガラス４２と、発電セル４０の受光面４１の裏側に当接し、発電セル４０とほぼ同形状で蓄冷材からなる冷却部４３と、該冷却部４３の背面と当接している発電セル４０と冷却部４３の側面、つまり発電セル４０の受光面４１以外を覆うように設けた断熱材から成る断熱部４４とからなり、更に前記冷却部４３内には冷却部４３全体を均一に冷却するため冷却部４３内を蛇行するように設けられた冷却管４５が設けられ、この冷却管４５の冷却媒体の流出側は一端が屋根裏空間に位置している冷気吹出口４６と接続し、冷却媒体の流入側は給湯用ヒートポンプユニット２の空気排気口１３からの排冷気を切替弁４７の切替動作により冷却媒体として冷却部４３に送気する送冷管４８と接続されているものである。

前記切替弁４７は、給湯用ヒートポンプユニット２の空気排気口１３からの排冷気を大気排気する排気管４９と冷却部４３に送気する送冷管４８とが接続され、切替動作により給湯用ヒートポンプユニット２の空気排気口１３からの排冷気を排気管４９から大気排気するか、送冷管４８から冷却部４３に送気するものである。

５０は屋根裏給排気装置で、熱交換機能及び電動開閉機能を備え、正転にて建物の屋根裏空間内の空気を屋外に排気し、逆転にて屋外から屋根裏空間内に給気を行うもので、建物は内断熱工法や外断熱工法により高気密高断熱化されており、屋根裏、居室、天井裏、床下空間とそれぞれ断熱化、気密化されているものである。

５１は空調助開閉弁で、屋根裏と屋根裏の下の居室、その居室と下の階の天井裏、天井裏と天井裏の下の居室、その居室と床下空間との境界となる部分にそれぞれ設けられ、全ての空調助開閉弁５１を開放すれば天井裏から床下空間まで通気状態になるものである。

５２は屋内に設けられている操作盤で、給湯手段１の貯湯運転スイッチ（図示せず）や空調手段１７の空調運転スイッチ（図示せず）、太陽光発電モジュール３３の蓄冷運転スイッチ（図示せず）、屋根裏給排気装置４９の自動・手動運転スイッチ（図示せず）、空調助開閉弁５１の自動・手動開閉スイッチ（図示せず）等の各種スイッチが設けられた操作部５３と、前記各運転を制御する制御部５４とを備え、前記操作盤５２と給湯手段１、空調手段１７、太陽光発電システム３２、切替弁４７、屋根裏給排気装置５０とは、それぞれ操作盤用信号線５５にて接続されているものである。

次に本発明一実施例の動作について説明する。
図５は本実施例を説明する太陽光発電装置の給湯手段１が貯湯運転を行うことで発生する冷排気で太陽光発電モジュール３３に蓄冷する蓄冷運転のフローチャート図で、まず制御部５４は、給湯手段１の貯湯運転が開始されたか確認し（Ｓ１）、次に蓄冷運転スイッチがＯＮになっているか確認する。（Ｓ２）

そして（Ｓ２）で、蓄冷運転スイッチがＯＮになっている場合、貯湯運転により給湯手段１の給湯用ヒートポンプユニット２から排気される低温の空気で、太陽光発電モジュール３３内の冷却部４３に蓄冷する蓄冷運転を開始する。（Ｓ３）

そして次に屋根裏給排気装置５０の屋根裏空間内の排気運転を開始し（Ｓ４）、次に給湯用ヒートポンプユニット２の空気排気口１３と送冷管４８とが通気状態となるように切替弁４７を動作する。（Ｓ５）

それにより給湯手段１が貯湯運転を行うことで給湯用ヒートポンプユニット２から発生する排冷気が、空気排気口１３から切替弁４７、送冷管４８を通過し、太陽光発電モジュール３３内の冷却部４３を構成する蓄冷材を冷やすことで蓄冷する。

そして冷却部４３を通過した排冷気は、多少温度が上がるがまだ屋外の空気温度より低いので、送冷管４８の一端である冷気吹出口４６から屋根裏空間内に給気され、屋根裏給排気装置５０の排気運転により屋根裏空間内の空気が排気されていることにより屋根裏空間内の空気が排冷気に入れ替わって、屋根裏空間内の温度が低くなるものである。

そして次に給湯手段１の貯湯運転が停止されたか確認し（Ｓ６）、貯湯運転が停止されたのを確認したら、屋根裏給排気装置５０の排気運転を停止し（Ｓ７）、そして次に給湯用ヒートポンプユニット２の空気排気口１３と排気管４９とが通気状態となるように切替弁４７を動作し（Ｓ８）、蓄冷運転を終了するものである。（Ｓ９）

これにより冷媒に自然冷媒である二酸化炭素を使用した給湯用ヒートポンプユニット２で熱交換して水道水を加熱して高温水を貯湯する給湯手段１は、電力会社と契約して電気料金が安くなる深夜の時間帯に貯湯運転を行うので、その深夜の貯湯運転時に給湯用ヒートポンプユニット２から排気される冷気により、太陽光発電モジュール３３内の冷却部４３の蓄冷材が冷やされて蓄冷するものである。

それにより日中気温が上昇し、又直射日光により太陽光発電モジュール３３の温度が上昇するような状態になっても、光起電力効果を有するデバイスにより形成され受光することにより発電する発電セル４０の受光面４１の裏側に当接していて深夜に充分蓄冷された冷却部４３が発電セル４０を冷やすので、太陽光発電モジュール３３の温度が上昇せず、温度上昇による発電効率の低下を防止できるものである。

又深夜の時間帯に貯湯運転により発生し、太陽光発電モジュール３３内の冷却部４３の蓄冷材を冷やした後の排冷気は、屋根裏空間内に供給されて屋根裏空間内の温度を低くしているので、日中気温が上昇し、又直射日光により屋根の温度が上昇するような状態になっても、屋根裏空間の温度が低いので、室内の温度が上昇するのを防止すると共に、屋根が熱くなるのを防止するので、屋根からの熱により太陽光発電モジュール３３の温度が上昇するのを防止して温度上昇による発電効率の低下を防止できるものである。

次に、この発明に係る太陽光発電装置の他の実施例を説明する。
図６は切替弁４７と太陽光発電モジュール３３の途中の送冷管４８に屋根裏切替弁５６を設け、更に冷気を屋根裏切替弁５６から直接屋根裏空間に供給する屋根裏給冷気管５７とを設けたものである。

これにより蓄冷運転においてモジュール温度センサ３９により検知する太陽光発電モジュール３３の温度が所定温度まで低下した時、屋根裏切替弁５６を動作させて給湯用ヒートポンプユニット２から発生する排冷気を屋根裏給冷気管５７を介して直接屋根裏空間に供給するものである。

それにより常に給湯用ヒートポンプユニット２から発生する排冷気を太陽光発電モジュール３３の冷却部４３を通過した後屋根裏空間に供給する場合に比べ、屋根裏空間の温度を効率よく低くすることができ、従って日中気温が上昇し、又直射日光により屋根の温度が上昇するような状態になっても、室内の温度が上昇するのをより抑えると共に、屋根からの熱により太陽光発電モジュール３３の温度が上昇するのをより抑えて、温度上昇による発電効率の低下を防止できるものである。

本発明一実施形態を付した太陽光発電装置の実施形態を示す概略図。 同構成図。 本発明に用いる給湯手段を示す構成図。 本発明に用いる空調手段を示す構成図。 同蓄冷運転のフローチャート図。 本発明のその他の実施形態を付した太陽光発電装置の概略図。

符号の説明

３３ 太陽光発電モジュール
４０ 発電セル
４３ 冷却部
４４ 断熱部１７
４５ 冷却管１８

Claims (3)

1. 光起電力効果を有するデバイスからなる発電セルと、該発電セルの受光面の裏側に当接して設けた蓄冷機能を有する冷却部と、該冷却部の発電セルとの当接面以外を覆うように設けた断熱機能を有する断熱部とからなる太陽光発電モジュールを備えた太陽光発電装置に於いて、前記冷却部には冷却冷媒が通過する冷却管が設けられていることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記冷却管は冷却部内に蛇行して設けられていると共に、前記冷却管には給湯用ヒートポンプユニットを有する給湯手段の貯湯運転時に排気される冷気を冷却媒体として通気させることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
3. 前記給湯手段の給湯用ヒートポンプユニットは二酸化炭素を媒体とすると共に、前記給湯手段の貯湯運転時に排気され冷却管を通過した冷気を建物の屋根裏空間に送気することを特徴とする請求項２記載の太陽光発電装置。

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