JP2007107182A - 光発電屋根材 - Google Patents

Abstract

【課題】積雪などの天候によって発電効率が損なわれない光発電屋根材を提供する。
【解決手段】光起電力効果を発揮する光発電パネル４と、光反射面からなる仕切壁６により側方が囲まれていると共に上方および下方が開口している複数の区画室７が隣接して形成されており、光発電パネル４の受光側に配置された枠体８と、光発電パネル４および枠体８を収納するための凹室２が形成されたベース体３と、凹室２内にベース体３または枠体８と接触して配置され、管内に熱媒体を流通させる導管１０と、凹室２を閉じるように設けられた透光性の蓋部材９と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池を組み込んだ屋根材に関する。

従来の太陽光発電装置は、多数の太陽電池が同一平面上に並設された平板型ソーラーパネルを、瓦など通常の屋根材を取り付けた上に載せて使用していた。従って、通常の屋根材の施工にかかるコストと手間が余分であると共に、美観を損ね、かつ、台風や強風の際に飛ばされる心配もあった。そこで、屋根材自体に光発電パネルを埋め込んで見栄えをよくし、施工の手間を省いてコストを低減することができる屋根材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１-６２５５号公報

しかし、特許文献１に示すような屋根材は、見栄えをよくするものの屋根材の表面が積雪により覆われた際、光発電パネルに入射する太陽光が遮られて充分な光発電が行なわれないため、多雪地域には普及できないのが実情であった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するものであって、その目的は、積雪など天候によって発電効率が損なわれない光発電屋根材を提供することにある。

上記課題を解決可能な本発明の光発電屋根材は、光起電力効果を発揮する光発電パネルと、光反射面からなる仕切壁により側方が囲まれていると共に上方および下方が開口している複数の区画室が隣接して形成されており、前記光発電パネルの受光側に配置された枠体と、前記光発電パネルおよび前記枠体を収納するための凹室が形成されたベース体と、前記凹室内に前記ベース体または前記枠体と接触して配置され、管内に熱媒体を流通させる導管と、前記凹室を閉じるように設けられた透光性の蓋部材と、を備えたことを特徴とするものである。
ここでいう「光発電パネル」とは、光起電力効果を発揮する光電素子を備えたパネルを意味する。

また本発明は、上記の光発電屋根材において、前記区画室の開口端は、略正六角形状に形成されていることを特徴とするものである。

また本発明は、上記の光発電屋根材において、前記導管は、当該光発電屋根材が並設された際、隣接する当該光発電屋根材の導管と接続し得るジョイント部材が、その端部に設けられていることを特徴とするものである。

また本発明は、上記の光発電屋根材において、前記ベース体は、略矩形状に形成されていると共に、その一辺側に、当該光発電屋根材が並設された際、隣接する当該光発電屋根材の対辺側上に重なるよう段状に形成された延設部を備えており、前記導管は、当該延設部に配置されていることを特徴とするものである。

また本発明は、上記の光発電屋根材において、前記蓋部材の内面は、その少なくとも一部に、外部からの光を透過させる一方で前記凹室内からの光を反射する鏡面加工が施されていることを特徴とするものである。

本発明の光発電屋根材によれば、光反射面を有した仕切壁により複数の区画室が形成された枠体を設け、それによる光反射を利用して光発電パネルに集光するようにしたので、効率よく発電することができる。さらに、管内に熱媒体を流通させる導管を備えるようにしたので、導管に温水などを流通させることで融雪効果を高めることができ、冬季の発電効率を高めることができる。

本発明の光発電屋根材の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は光発電屋根材の斜視図、図２は光発電屋根材の分解斜視図、図３は光発電屋根材の平面図、図４は光発電屋根材の側断面図、図５は光発電屋根材の要部断面図である。
本発明の光発電屋根材１は、図１または図２に示す如く、凹室２が形成されたベース体３と、凹室２に収納され、かつ光起電力効果を発揮する光発電パネル４と、光発電パネル４の表面を覆う透明な保護カバー５と、光反射面からなる仕切壁６により複数の区画室７が形成され、保護カバー５の上側に配置される枠体８と、凹室２を閉じるように設けられる透光性を有する蓋部材９と、枠体８と接触して配置されると共に凹室２外部まで延び、管内に熱媒体を流通させる導管１０と、を備えて構成されている。

ベース体３は、図１および図２に示す如く、略矩形状に形成されていると共にその一辺側に、光発電屋根材１が並設された際、隣接する光発電屋根材１の他辺側上に重なるよう段状に形成された延設部１１を有している。ベース体３はゴム製であり、衝撃吸収機能を兼ね備えて内部に収納された光発電パネル４を保護すると共に、隣接する光発電屋根材１と密着させやすく、かつ、凹室内部に対する防塵・防水機能を有している。また、延設部１１が隣接する光発電屋根材１の上に重なった際、その光発電屋根材１の蓋部材９を傷つけることもない。なお、ベース体３には、光発電パネル４の配線処理孔及び固定釘用の取付孔（いずれも不図示）が設けられている。

導管１０は、銅パイプ等の熱伝導性の高い材料からなり、図１に示す如く、延設部１１の側壁を貫通して設けられている。その端部には、光発電屋根材１を屋根に並設した際、隣接する光発電屋根材１の導管１０の端部と連結するための、フレキシブルかつ着脱自在のジョイント部材２３が設けられている。

枠体８は、所定の厚みを有したアルミ等の高熱伝導性金属からなっており、図１〜図３に示す如く各区画室７の開口端の形状を略正六角形としてハニカム状に形成されている。枠体８は更に、図５に示す如く区画室７を形成する仕切壁６の表面に光反射加工が施されている（光反射加工部Ｈ）。枠体８は更に、図１および図２に示す如く、凹室２内に収納された際、光発電パネル４の上方のみならず、延設部１１まで至るよう屈曲して形成され、延設部１１に設けられた導管１０と接触せしめられている。この構成により、光発電屋根材１の強度が保たれると共に導管１０が安定保持される。更に、導管１０と熱交換可能に接続されたハニカム状の枠体８が、所謂放熱フィンの役割を果たす事ができ、熱交換機能と光発電機能とを備えた屋根材１とすることができる。

光発電パネル４は、図５に示す如く、合成樹脂又はガラス等からなる基板１２の上面に板状の太陽電池１３が面接触するように配置されていると共に、太陽電池１３の表面を保護するように透明のカバー板１４で被覆して構成されている。
そして、隣り合う光発電屋根材１における光発電パネル４はそれぞれ、コネクタジョイント２６によって安定した状態で電気的に接続される。本実施例では、コネクタジョイント２６は雌雄の防水コネクタジョイントとなっている。コネクタジョイント２６は、図４に示す如く、延設部１１を段状に形成している傾斜面の裏面側に設けられ、隣り合う光発電屋根材１が重なり合った際形成される側面視三角形状の隙間に位置するように配線されている。

太陽電池１３は公知のものであり、ホウ素等のアクセプタを含み「＋」（正孔）をもつ「Ｐ型半導体」と、ホスフィル、ヒ素等のドナーを含み「−」（電子）をもつ「Ｎ型半導体」の光起電力層とを積層して形成され、一般的に、ＰＮ接合をもつ半導体に光が入射することで「Ｐ型半導体」と「Ｎ型半導体」の間に起電力が生じるように構成されている。太陽電池１３の材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファス、単結晶化合物（ＧａＡｓ系）、多結晶化合物（ＣｄＳ、ＣｄＴｅ等）等が挙げられる。

蓋部材９は、図４に示す如く、区画室７の中央に対応する箇所がそれぞれ盛り上がった凸レンズ状に形成されており、光を効率よく光発電パネル４に集光させるようになっている。蓋部材９はさらに、区画室７に対応する内面に、銀メッキ或いはアルミ蒸着等から形成された透光性の光反射膜によってハーフミラー化する鏡面加工が施されている（鏡面加工部Ｋ）。すなわち、蓋部材９の鏡面加工部Ｋは、外部からの光を透過させる一方で、凹室２内からの光を反射させるようになっている。
本実施形態において、鏡面加工は、図３及び図５に示す如く、区画室７の中央部に対応する部位を除き、仕切壁６に沿って所定幅（ここでは、区画室７の開口幅の１／３程度）に亘って施されている。
従って、本実施形態では、蓋部材９を介して区画室７内に入った光は、光発電パネル４に直接入射するほか、仕切壁６の光反射加工部Ｈで反射したりしながら、光発電パネル４へ入射する。更に、このとき光発電パネル４に入射しなかった光は、蓋部材９の鏡面加工部Ｋで再度反射したのち、光発電パネル４に入射する。このため、光発電パネル４への集光率（照射率）を格段に高めることができる。

次に、光発電屋根材１の組立てについて説明する。
まず、ベース体３の凹室２内に光発電パネル４を収納し、光発電パネル４の配線を処理する。このとき、ベース体３に光発電パネル４を係止する係止部（不図示）を設け、安定した状態で収納するのが好ましい。
次に、光発電パネル４の表面を保護カバー５で保護すると共に、ベース体３の延設部１１に導管１０を設置し、枠体８を導管１０と接触させて配置する。
最後に、蓋部材９を凹室２の開口に対応して取り付け、光発電パネル４を防水密封することで組立てが完了する。

このように構成された光発電屋根材１は、外部からの光を蓋部材９によって光発電パネル４に集光する一方、光反射加工部Ｈで反射させて更に集光するため、効率よく受光して光起電力を発揮することができる。
また、蓋部材９の内面に透光性を有する鏡面加工を枠体８の仕切壁６に沿って施したことにより、反射して区画室７から出射しようとする光を再度鏡面加工部Ｋで反射させて光発電パネル４に集光することができ、より効率よく光起電力を発揮することができる。さらに、区画室７の開口端の形状を正六角形にして枠体８をハニカム状にすることで、光発電屋根材１の強度を高めると共に、光の入射角に関係なく反射効率を高めることができる。

次に、光発電屋根材１の設置例について説明する。図６は光発電屋根材の設置例を示す概略斜視図である。
光発電屋根材１は、図６に示す如く、導管１０の軸が水平方向を向くように屋根の下地に固定釘により順次設置され、その都度光発電パネル４をコネクタジョイント２６により連結すると共に、導管１０がジョイント部材２３を介して連結されて設置されている。このとき、光発電屋根材１は、傾斜方向において延設部１１が隣接する光発電屋根材１上に重なるように、また水平方向において隣接する光発電屋根材１の側壁同士が当接するように設置されている。なお、上記側壁の当接部には、シリコン等からなるコーキング材を用いて防水加工を施すのが好ましい。
そして、屋根の水平方向端部に位置する光発電屋根材１における導管１０を、補助管１９により接続して導管全体が蛇行するよう連結し、連結された導管１０の始端及び終端はそれぞれ、ボイラー２５を備えた給水機２０に循環パイプ２１を介して接続される。なお、給水器２０は、積雪検知センサからの信号、タイマー装置からの信号、その他の制御信号、または手動により作動する。

上記のように構成した光発電屋根材１によれば、熱媒体を流通させ得る導管１０を具備するようにしたので、屋根に雪が積もって光発電の効率が悪くなったとしても、ボイラー２５により暖められた温水をポンプ（不図示）によって導管１０内に導き、循環させて光発電屋根材１が暖めることができるため、融雪して光発電の効率をよくすることができる。
さらに、導管１０が枠体８と熱交換可能に接続されているため、枠体８を介して温水の熱を伝導させることができ、屋根全体が暖められて融雪効果が高まり、常に効率よく光発電をすることができる。

また、光発電パネル４は高温になると発電量が低下してしまうため、夏場には導管１０に冷水を循環させることで光発電屋根材１を冷却して光発電効率を高めると共に、家屋自体を冷却し室内の温度上昇を抑えることができ、光熱費の低減を図ることができる。この場合、好ましくは循環パイプ２１の途中に冷水機を設けて、循環パイプ２１に冷水を循環させるのがよい。更にこのとき、冷水機の電源は光発電屋根材１によって発電された電力を使用するのが好ましい。

また、冬季の積雪のない時期などには、導管１０内を循環する水を太陽熱で温める給湯装置としての機能を果たすことができる。この場合、太陽熱により温められた導管１０内の温水を循環パイプ２１から分岐させて貯湯タンク等に貯留し、浴槽・台所等に供給する水を温めるのに用いてもよいし、直接供給してもよい。この場合、好ましくは導管１０内の湯温を計るセンサを設け、所定の温度に達すると循環パイプ２１に設けられた電磁弁が開放し、温められた湯が貯湯タンクに貯留されるように制御するのがよい。
この場合、光反射加工を施したハニカム状の枠体８によって、導管１０に太陽光を集光させることができ、太陽熱を効率よく利用することができる。

以上、具体例を例示しつつ、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
ベース体３は、廃タイヤの組成物をシリコン等と混練して形成してもよく、この場合、産業廃棄物問題となっている廃タイヤをリサイクル処理することができ、環境保全に寄与することができる。また、廃タイヤの組成物を主原料としたベース体３は蓄熱効果があるため、温水の熱を屋根全面一様に伝達することができ、効果的に融雪を行なうことができる。

また、上記実施形態において導管１０は、延設部１１の側壁３を貫通して配置されているが、形状および配置位置についてこれに限定されるものではなく、例えばベース体３全体に蛇行するように設けてもよい。蛇行するように設けた場合、熱交換機能をより高めることができる。

また、枠体８における区画室７の開口端の形状は、三角形または四角形等の多角形であってもよい。

また、光発電パネル４におけるコネクタジョイント２６は、隣り合う光発電屋根材１を重ねて配置した際、コネクタジョイント２６が互いに連結されるようにするのが好ましく、例えば、コネクタジョイント２６の一方を延設部１１の下面から下向きに突出して設け、他方を隣接する光発電屋根材１の蓋部材９上面における対応する位置から上向きに突出して設ければよい。
さらに、光発電パネル４における太陽電池１３は、「Ｐ型半導体」層と「Ｎ型半導体」層との間に分子レベルで接合する相互作用層を導入し、エネルギー交換効率を向上させるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、光発電パネル４をベース体３の凹室２の平坦部にのみ設けるようにしたが、枠体８が設けられている延設部１１及び延設部１１を形成する傾斜面にまで設けるようにしてもよい。

また、蓋部材９は、区画室７の中央に対応する箇所が凹んだ凹レンズ状として外部からの光を拡散させて入射せしめ、光反射加工部Ｈに反射させて光発電パネル４に集光するよう構成してもよい。

なお、保護カバー５、導管１０、枠体８、蓋部材９を予め一体モジュール化しておくことで作業性の向上を図ることができる。
また、光発電屋根材１は、段状の延設部１１を設けることなく平板状としてもよい。

また、図７に示す如く、導管１０の軸が屋根の傾斜方向を向くように光発電屋根材１を設置してもよい。
このとき、図８Ａに示す如く、水平方向においては延設部１１が隣接する光発電屋根材１上に重なるようにし、屋根の傾斜方向においては下列にある光発電屋根材１ｄと上列にある１ｕの側壁同士が当接するように光発電屋根材１を設置してもよいが、図８Ｂに示す如く、傾斜方向下列の光発電屋根材１ｄの上に、上列の光発電屋根材１ｕが重なるように配置してもよい。なお、図８Ｂに示す如く配置する場合は、屋根材同士が干渉しないよう、光発電屋根材の角部（図８Ｂの例では、延設部１１の角部２６ａとその対角に位置する角部２６ｂ）を切り欠いておくことが好ましい。またこのとき、導管１０は、図９に示す如く、下列の光発電屋根材１ｄにおける導管１０と接続し得るよう、クランク状に曲がった形状になされているのが好ましい。

光発電屋根材の斜視図である。 光発電屋根材の分解斜視図である。 光発電屋根材の平面図である。 光発電屋根材の断面図である。 光発電屋根材の要部断面図である。 光発電屋根材の設置例を示す概略斜視図である。 光発電屋根材の別の設置例を示す概略斜視図である。 光発電屋根材の並設例を示す概略斜視図である。 変形例における導管の接続状態を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 光発電屋根材
２ 凹室
３ ベース体
４ 光発電パネル
６ 仕切壁
７ 区画室
８ 枠体
９ 蓋部材
１０ 導管
１１ 延設部
２３ ジョイント部材
Ｈ 光反射加工部
Ｋ 鏡面加工部

Claims (5)

1. 光起電力効果を発揮する光発電パネルと、
   光反射面からなる仕切壁により側方が囲まれていると共に上方および下方が開口している複数の区画室が隣接して形成されており、前記光発電パネルの受光側に配置された枠体と、
   前記光発電パネルおよび前記枠体を収納するための凹室が形成されたベース体と、
   前記凹室内に前記ベース体または前記枠体と接触して配置され、管内に熱媒体を流通させる導管と、
   前記凹室を閉じるように設けられた透光性の蓋部材と、
   を備えたことを特徴とする光発電屋根材。
2. 前記区画室の開口端は、略正六角形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光発電屋根材。
3. 前記導管は、当該光発電屋根材が並設された際、隣接する当該光発電屋根材の導管と接続し得るジョイント部材が、その端部に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光発電屋根材。
4. 前記ベース体は、略矩形状に形成されていると共に、その一辺側に、当該光発電屋根材が並設された際、隣接する当該光発電屋根材の対辺側上に重なるよう段状に形成された延設部を備えており、
   前記導管は、当該延設部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光発電屋根材。
5. 前記蓋部材の内面は、その少なくとも一部に、外部からの光を透過させる一方で前記凹室内からの光を反射する鏡面加工が施されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光発電屋根材。

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