JP2006232940A - 蓄熱材及びこれを用いた太陽電池パネル - Google Patents

Abstract

【課題】夏期の冷却に適切な蓄熱材では、冬季には外気温が低いため融点が適切でなく十分な冷却効果が得られない。したがって、蓄熱材の発電効率向上効果が期待できないという課題があった。
【解決手段】保水量が臨界的に変化する臨界温度を有し、臨界温度の低温側より高温側で保水量の方が大きくなる高分子材料と、水に対する重量濃度が大きくなるに従って融点が高くなる水和物と、水とを有し、高分子材料の臨界温度は、水和物の融点と水和物に水を加えたものの融点との間の温度である、蓄熱材を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、機器の冷却に用いる蓄熱材に関する。また、当該蓄熱材を用いて冷却される機器、特に太陽電池パネルに関する。

種々の機器の冷却剤として、蓄熱材が提案されている。

ここで、蓄熱材とは、潜熱蓄熱材を意味する。潜熱蓄熱材は、固体が液体に相変化するのに必要な熱量（融解熱、潜熱）を吸収することを利用して、熱を蓄え、一方で、熱を奪った物質を冷却する能力を有するものである。これを利用することによって、物質の冷却ができる。

この原理を利用して、太陽電池パネルを冷却することが知られている。特許文献１には、太陽電池パネルを、蓄熱材を用いて冷却することにより、パネルの高温化による発電効率の低下や太陽電池セルの故障を防止する効果のあることが知られている。

特許文献１に記載の太陽電池パネルは、太陽電池セルと、太陽電池セルの裏面側に潜熱蓄熱材を充填した潜熱蓄熱材充填層とを備えている。太陽電池セルで太陽エネルギを受けることによって発電が行われ、発電とともに太陽電池セルの温度は上昇する。そして、温度の上昇した太陽電池セルから潜熱蓄熱材が熱を吸収することによって、太陽電池セルの冷却が行われる。又、潜熱蓄熱材としては、太陽電池セルを痛めない温度以下の所定の温度で相転移するものが用いられ、例えば酢酸ナトリウム三水和物を主体とするものが用いられている。
特開平１１−１０８４６７号公報

特許文献１に記載の潜熱蓄熱材は、融点が一定のものを用いている。最もパネルの冷却が必要である夏期においては、適当な融点の蓄熱材を用いることによりパネルの有効な冷却ができる。しかしながら、外気温は変動する。年間を通じてみると、特に冬季においては、外気温が低く、夏期の冷却に適切な蓄熱材では、冬季には融点が適切でないために十分な冷却効果が得られない。したがって、蓄熱材の発電効率向上効果が期待できないという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の蓄熱材は、
温度により保水量が変化する高分子材料と、
水に対する濃度によって融点が変化する水和物と、
水と
から構成されていることを特徴とする。

本発明の蓄熱材は、気温の変化に応じて融点が変化する。これによって、変化する環境温度に対応して、冷却性能を発揮できる蓄熱材を提供できる。

本発明の蓄熱材は、環境温度の変化に応じて融点が変化する。これによって、例えば、太陽電池パネルの冷却に用いた場合、外気温に応じて、融点が変化し、冬季のように外気温が低い場合にも太陽電池セルの冷却効果が大きく、高い発電効率を有する太陽電池パネルの提供が可能になる。

本発明の蓄熱材は、温度により保水量が変化する高分子材料と、水に対する濃度によって融点が変化する水和物と、水とから構成されている。この構成によって、環境温度の変化に伴って蓄熱材の融点が変化する原理について説明する。

まずは、水に対する濃度によって融点が変化する水和物について説明する。このような水和物の例としては、トリメチロールエタン・三水和物CH₃C(CH₂OH)₃・3H₂Oが挙げられる。化学構造式は、

である。図１は、この水和物が水溶液中で、水和物重量濃度によって融点が変化する様子を示している。図１では、この水和物の重量濃度が４０％から１００％に増加するのに伴い、融点が２２℃から３０℃まで単調に増加する。したがって、水溶液中において、水和物の濃度を変化させることができれば、蓄熱材の融点は変化する。

環境温度によって、水和物の水溶液中での濃度変化をおこすために、温度により保水量が変化する高分子材料を用いるのが有効である。このような高分子材料の例としては、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドがある。化学構造式は、

である。図２は、この高分子材料の保水量の温度依存性を示す。この高分子材料は、１７℃以下の低温においては、保水量はほとんど０であるが、１７℃で保水量が立ち上がり、２５℃（臨界温度）で保水量が１００ｇ／ｇに達する。ここで、高分子材料の温度を低温から次第に上昇させたときに、保水量の飽和する温度を臨界温度と定義する。このように、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは、温度上昇により保水量が変化する。このような、温度により保水量が変化する高分子材料を水溶液に加えることにより、温度により水溶液中の溶質（ここでは水和物）の濃度が変化することとなる。つまり、本発明の蓄熱材の温度が変化すると、高分子材料の保水量が変化し、水和物の濃度が変化することにより、蓄熱材の融点が変化する。

本発明の高分子材料に求められる条件として、保水量が臨界温度を境として急激に変化するものが望ましい。そして、高分子材料の保水量の変化が水和物の融点を変化させるためには、水和物の融点と、水和物に水を加えたものの融点との間に、高分子材料の臨界温度があることが必要である。

本発明の水和物としては、トリメチロールエタン等の有機物の水和物が最も適切である。その他の例としては、イオン化する水和物、例として硫酸ナトリウム・十水和物、酢酸ナトリウム・三水和物なども利用可能である。有機物の水和物は、保水量の変化を阻害しないため、イオン化する水和物よりも好ましい。ただし、イオン化する水和物は、蓄熱密度が大きい、過冷却状態が安定であるなどのメリットがある。

本発明の高分子材料としては、温度により親水性と疎水性が変化する材料が最も好ましい。例としては、N-イソプロピルアクリルアミドを主成分として用いたものである。この他にも、水素結合の解離により保水量が変化する材料、例えば、アクリル酸やアクリルアミド

など、または、イオン結合の変化を利用する材料を用いた場合も本発明は有効である。

次に、本発明の蓄熱材を機器の冷却に用いる場合について、太陽電池パネルの例を取って説明する。図３は、本発明の太陽電池パネルの断面構成図の一例を示すものである。

図３に示すように、単結晶Ｓｉやアモルファスなどによる光起電力効果を有するデバイスで作成された太陽電池セル２と、太陽電池セル２を冷却する冷却材である蓄熱材６を収容する蓄熱容器５を有している。この太陽電池セル２の表面側には太陽光を透過可能な、表面保護のためのガラス１が配置されており、太陽電池セル２と蓄熱容器５の間にはバックシート４が配置されている。又、太陽電池セル２は、ガラス１とバックシート４の間に、絶縁と防水効果を有する接着剤であるＥＶＡによって固定されている。

上記構成の太陽電池パネルでは、太陽光エネルギを受け太陽電池セル２で発電が行われる。そして、発電に伴って高温となった太陽電池セル２は、蓄熱材６によって冷却される。この蓄熱材６は、太陽電池セル２を痛めない温度以下で相転移する潜熱蓄熱材であり、一部が融解することによって蓄熱し、太陽電池セル２の温度上昇を防止する。

また、昼間、蓄熱材に蓄熱された熱は、夜間、外気温の低下に伴って放熱する。太陽電池パネルの表面積が大きいため、放熱量も大きい。夜間の放熱によって、翌日の昼間には再び冷却材として利用することが可能になる。尚、蓄熱材６に蓄熱された熱を利用する場合には、例えば、プロピレングリコール等の熱媒を蓄熱容器５内に流し、蓄熱材６からの熱伝導による熱回収を行うことが出来る。

ここで、本発明の太陽電池パネルは、融点が環境温度に応じて変化する蓄熱材を用いているので、冬季のように外気温が低い場合にも太陽電池セルの冷却効果が大きく、高い発電効率を有する。このことを、次に、より詳細に説明する。

まず、比較例として、融点一定の蓄熱材を用いた場合の太陽電池パネルについて説明する。図４は、蓄熱材として、融点一定の材料（例えばトリメチロールエタン・三水和物）を用いた場合の太陽電池パネルの温度変化を模式的に示す図である。図４で、ａは夏季（高温時）に蓄熱材を用いない場合の太陽電池パネルの温度変化を示し、同様に、ｂは、冬季（低温時）の場合を示す。又、ｃは高温時に融点一定の蓄熱材を用いた場合、ｄは低温時に融点一定の蓄熱材を用いた場合の太陽電池パネルの温度変化を示す。

図４において、ａ，ｂに示すように、蓄熱材を用いない場合には、高温時においても低温時においても、太陽電池パネルの温度は単調に増加する。これに対して、融点一定の蓄熱材を用いることにより、高温時において、ｃに示すように、パネル受熱量がＰの時に、パネル温度がＴ１からＴ３（蓄熱材の融点）まで下がる。これに対して、低温時には、ｄに示すように、パネル温度は、Ｔ２からＴ３までしか下がらない。すなわち、融点が一定の蓄熱材の場合には、パネル温度が低温時においては、冷却効果が小さく、発電効率向上効果が小さい。

これに対して、高温になると保水量が変化する高分子材料を添加した蓄熱材を用いた本発明の太陽電池パネルについてパネル温度の変化を図５のｅに示す。尚、図５に示す、ｂ、ｄは、図４と同じである。本発明の蓄熱材は、高温時には、融点が高く、低温時には融点が低いという特徴を有する。したがって、高温時には、比較例の蓄熱材と同様に融点が高いので、比較例の蓄熱材と同等の冷却効果を示す。また、本発明の蓄熱材は、低温時においては、融点が低くなるので、ｅに示すように、パネル受熱量がＰの状態において、Ｔ２からＴ４までパネル温度が低下する。すなわち、低温時においても高温時と同様のパネル冷却効果が確保され、低温時にも発電効率が上昇する。

本実施例では、本発明の蓄熱材について、環境温度に対して、融点が変化することを確認する。

本実施例においては、水和物重量濃度によって融点が変化する材料として、トリメチロールエタン・三水和物を用いる。トリメチロールエタン（和光純薬工業製、一級）１００重量部に対して、水４５重量部を加えて、６５℃の高温槽中で溶解させ、トリメチロールエタン・三水和物を形成した。

また、本実施例においては、高温になると保水量が増加する高分子材料として、アニオン性の感温性ゲル化材（１ｗｔ％）（興人製）を用いる。この感温性ゲル化材においては、１ｗｔ％は高分子材料（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）であり、残りの９９ｗｔ％は水である。この感温性ゲル化材の粘度の温度依存性を図６に示す。この感温性ゲル化材は、臨界温度である１７℃でゲル化を開始し、２５℃でゲル化を完了するものである。

本実施例では、トリメチロールエタン・三水和物１００重量部に対して、上記感温性ゲル化材１４１重量部を加えて、実施例１の蓄熱材を調整した。又、比較のために前記感温性ゲル化材を加える前のトリメチロールエタン・三水和物（比較例１）試料を用意した。

以上の実施例１の蓄熱材と、比較例１の試料について、以下の方法で、凝固温度を測定した。

まず、試料を、恒温槽中で６５℃に保持して、過冷却度を押さえるため若干結晶を残して融解させた。その後、実施例１の試料については、１８℃の水中で冷却して発核させて、凝固開始温度を測定した（１回目）。この後、１回目と同様に、６５℃に保持した後、５℃の水中で冷却して、凝固開始温度を測定した（２回目）。次に、繰り返し特性を確認するため、この実施例１の試料に、１回目、２回目の操作をくり返して凝固開始温度を測定した（３、４回目）。実施例１の試料の、１〜４回目の蓄熱材温度の時間変化を図７に示す。また、比較例１の試料に対しては、実施例１の２回目の操作と同じ操作を施して、凝固開始温度を測定した。図８に、その温度プロファイルを示す。また、この実験で求めた実施例１及び比較例１の試料の凝固開始温度を表１に示す。

表１より明らかなように、実施例１の蓄熱材は、冷却温度が１８℃のときより５℃の時の方が、凝固開始温度が低いことが分かる。また、比較例１の蓄熱材と比較すると、５℃（低温）で冷却した場合には、比較例１の場合よりも、凝固開始温度が低いことが分かる。また、この例では、２回くり返しても、再現性よく、低い凝固開始温度が得られている。

以上の説明より分かるように、本実施例の蓄熱材は、環境温度が高いときには、融点が上昇し、環境温度が低いときには融点が減少する。すなわち、本実施例の蓄熱材は、環境温度に応じて融点を変化させることが可能となっている。

尚、実施例１においては、感温性ゲル化剤に含まれる水の量は特に調整していないが、蓄熱材中の水の量は条件に応じて適宜増減させて用いることができる。

本発明にかかる蓄熱材は、環境温度に応じて融点を変化させることができ、例えば、環境温度に応じた機器の冷却に用いることができる。例えば、太陽電池パネルの冷却等に有効である。また、冷却用途に限らず、蓄熱温度可変型の蓄熱材としての応用も可能である。例えば、廃熱有効利用等の機器に応用できる。

トリメチロールエタン・三水和物の水溶液中における融点の重量濃度依存性を示す図 Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの保水量の温度依存性を示す図 本発明の実施の形態の太陽電池パネルの断面構成図 従来の太陽電池パネルにおけるパネル温度のパネル受熱量依存性を示す図 本発明の太陽電池パネルにおけるパネル温度のパネル受熱量依存性を示す図 実施例１の感温性ゲル化剤の粘度の温度依存性を示す図 実施例１の蓄熱材の温度の時間変化を示す図 比較例１の蓄熱材の温度の時間変化を示す図

符号の説明

１ ガラス
２ 太陽電池セル
３ ＥＶＡ
４ バックシート
５ 蓄熱容器
６ 蓄熱材

Claims (7)

1. 温度により保水量が変化する高分子材料と、
   水に対する濃度によって融点が変化する水和物と、
   水とを有する、蓄熱材。
2. 前記高分子材料は、保水量が臨界的に変化する臨界温度を有しており、
   前記水和物の融点と、前記水和物に前記水を加えたものの融点との間に、前記臨界温度がある、請求項１に記載の蓄熱材。
3. 前記高分子材料の保水量は、前記臨界温度の低温側より高温側で大きくなり、
   前記水和物の融点は、前記水和物の前記水に対する濃度が大きくなるに従って高くなる、請求項２に記載の蓄熱材。
4. 前記高分子材料が、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドを主成分とする、請求項１〜３のいずれかに記載の蓄熱材。
5. 前記水和物が、トリメチロールエタンの水和物である、請求項１〜４のいずれかに記載の蓄熱材。
6. 太陽電池セルと、前記太陽電池セルの温度上昇を抑制する役割を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の蓄熱材とを有する太陽電池パネル。
7. 太陽光が入射される側を表側として、前記太陽電池セルの裏側に設けられたバックシートと、
   前記バックシートの裏側に設けられた蓄熱容器とを有しており、
   前記蓄熱材は、前記蓄熱容器に封入されている、請求項６に記載の太陽電池パネル。

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