JP2009091894A - 屋根支持エネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】屋根に支持される再生可能な代替エネルギー変換システムを提供する。
【解決手段】屋根支持エネルギー変換システム１０は、複数の太陽エネルギー変換タイル組立体とを備える。太陽エネルギー変換タイル組立体は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電タイル組立体１００、および太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するサーマルタイル組立体を選択的に備えることができる。また、エネルギー変換システム１０には、屋根構造１４から流れ落ちる雨の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電システム２００と、移動する空気の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力エネルギー変換システム３００とを組み込むことができる。これらからの電気エネルギーを受けるエネルギー管理システム２０は、バッテリーを組み込んでおり、さらに生成されたエネルギーを公共配電網に転送することを可能にする接続システム３０を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の屋根支持エネルギー変換システムに関し、特に、屋根に支持される再生可能なつまり代替エネルギー変換システムに関する。

車両エンジンおよび発電所などのエネルギー変換デバイス・システムに動力を供給するために化石燃料を使用することによって生じる潜在的な環境・経済・文化の危険性が、よく報告されている。これらの危険性を低減あるいは回避するために、ある人たちは、原子力の利用の増加を主張する。しかしながら、この案には、放射性廃棄物の安全な保管に関する他のジレンマが生じる。さらに、原子力発電所は、その副生成物が核兵器の製造に用いられるおそれがあるため、多くの人々および国々によって反対される。

地熱エネルギープラント、風力発電所、大規模なソーラーアレイなどのクリーンな代替エネルギー源および／またはエネルギー変換システムに基づいた発電所を開発する試みがなされている。しかしながら、これらのシステムの多くは、ある地理的な場所においてのみ商業的に実行可能であり、比較的大きな資本投資を要するという制約を抱えている。

本発明の一の態様にかかる屋根支持エネルギー変換システムは、屋根枠構造と、複数の太陽エネルギー変換タイルとを備える。それぞれの太陽エネルギー変換タイルは、屋根枠構造の少なくとも一部に固定されるベースタイルと、対応するベースタイルに取り付けられる１つあるいはそれ以上のカバータイルとを有する。ベースタイルは、隣接した端に沿って互いに係合しシール構造を形成するように構成され、実質的に防水であるクラッディングを屋根構造の一部に形成する。

複数の太陽エネルギー変換タイルは、（ａ）太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の光起電力タイル、あるいは（ｂ）太陽エネルギーを熱エネルギーに変換する複数のサーマルタイル、あるいは（ｃ）少なくとも１つの光起電力タイルと少なくとも１つのサーマルタイルとの組合せのいずれかを備えることができる。ベースタイルは、断熱機能を屋根枠構造に提供するように構成するあるいはそうでなくて形成することができる。

屋根枠構造は、上方向に互いに向かって収束する少なくとも２つの傾斜辺を有する勾配屋根枠構造を備えることができる。

光起電タイルおよびサーマルタイルの両方のカバータイルは、実質的に同一の外観であるそれぞれの露出面を有するように形成することができる。この方法では、光起電タイルおよびサーマルタイルは、屋根枠構造に固定されたときに視覚的に同じ外観を有する。

エネルギー変換システムは、屋根の一部から流れ落ちる雨水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される水力発電システムをさらに備えることができる。水力発電システムは、１つあるいはそれ以上の樋と、１つあるいはそれ以上の縦樋と、１つあるいはそれ以上の水力タービンとを備えることができる。樋および縦樋は、屋根枠構造の一部から流れ落ちる雨水を集めるように配置され、これにより、その１つのあるいは各水力タービンを駆動するための水の流れが生じる。１つあるいはそれ以上縦樋の上端部に貯水部を配置して、これにより、関連するタービンへの水のフローを調整することも想定される。屋根にわたって斜めに配置されて樋へと延びる１つあるいはそれ以上の屋根水路を提供することもできる。水力発電システムは、雨水を集めてエネルギー変換システム全体にあるいは建物の水系システムに用いるために、貯蔵タンクをさらに備えることもできる。

エネルギー変換システムは、屋根枠構造によって支持される１つあるいはそれ以上の風力タービンを有する風力エネルギー変換システムをさらに備えることができる。１つあるいはそれ以上の風力タービンは、移動する空気塊の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。この態様においては、風力システムは、カウリングまたは副屋根をさらに備えることができる。カウリングまたは副屋根は、１つあるいはそれ以上の風力タービンを覆っており、これにより、屋根枠構造とともに、屋根枠構造へと上へ流れて１つあるいはそれ以上の風力タービンを通るように移動する空気を誘導する風のトンネルが形成される。風力タービンは、屋根枠構造の尾根に沿って装着することができる。

エネルギー変換システムは、太陽エネルギー変換タイル、水力発電システムおよび風力エネルギー変換システムから電気エネルギーを受けて管理するエネルギー管理システムをさらに備えることができる。さらに、エネルギー管理システムは、電力公共配電網への接続を備えることができ、エネルギー変換システムと公共配電網との間の電気エネルギーの二方向の流れを管理するように構成することができる。より詳細には、エネルギー管理システムは、電気エネルギー蓄積装置を備えることができる。エネルギー管理システムは、電力蓄積装置が満充電状態にあるとき、電気エネルギーを公共配電網に供給するように構成されており、また、電力蓄積装置が閾値より低い充電レベルにあるとき、公共配電網を電力蓄積装置に接続する。エネルギー管理システムは、エネルギー入力の安全性を測定し、コントロールし、保証し、かつ、電力供給を反転させて電力蓄積装置から交流電流を提供する装置をさらに備えることができる。

単なる具体例としての本発明の実施の態様を、添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる屋根支持エネルギー変換システムを組込んだ建物の断面図である。 図２は、図１に示した建物の部分的な側面図である。 図３は、図１および図２に示した屋根支持エネルギー変換システムに組み込まれた光起電タイル組立体のベースタイルの断面図である。 図４は、図３に示したベースタイルの上面立面図である。 図５は、光起電タイル組立体に組み込まれたカバータイルの断面図である。 図６は、図５に示したカバースタイルの上面立面図である。 図７は、光起電タイル組立体の横方向断面図である。 図８は、光起電タイル組立体の交差方向断面図である。 図９は、光起電タイル組立体に組み込まれた電気接続ポストの概略図である。 図１０は、光起電タイル組立体に組み込まれた電気接続チューブの斜視図である。 図１１は、図１０に示したチューブの平面図である。 図１２は、図１０および図１１に示したチューブの断面図である。 図１３は、図５および図６に示したカバータイルの一部の断面図である。 図１４は、図１および図２に示した屋根支持エネルギー変換システムに組み込まれた水力発電システムの実施形態の概略図である。 図１５は、図１４に示した水力発電システムに組み込まれた縦樋の上面立面図である。 図１６は、水力発電システムの側面立面図である。 図１７は、図１および図２に示した屋根支持エネルギー変換システムに組み込まれた風力エネルギー変換システムの端面図である。 図１８は、図１７に示したシステムの部分的な側面図である。

図１および図２に示されるように、屋根１３を有する家１２などの建物のための屋根支持エネルギー変換システム１０は、屋根枠構造１４と、複数の太陽エネルギー変換タイル組立体とを備える。各タイル組立体は、屋根枠構造１４の少なくとも一部に固定されるベースタイルと、対応するベースタイルに取り付け可能な１つあるいはそれ以上のカバータイルとを備える。ベースタイルは、隣接した端に沿って互いに係合しシール構造を形成するように構成され、これにより、実質的に防水であるクラッディングが、ベースタイルが固定される屋根構造の一部に形成されている。以下により詳細に説明する通り、タイル組立体は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する光起電力（ＰＶ）タイル組立体１００、および太陽エネルギーを熱エネルギーに変換するサーマルタイル組立体（図示せず）から選択可能である。サーマルタイルは、水が流れるパイプを備えることができ、これにより、タイルは、太陽放射を吸収してパイプを流れる水を加熱する。両方のタイプのタイルは、同様な全体構造および構成のベースタイルを有する。それぞれのカバータイルは、同じ形状、構成および外観を有することが想定されており、したがって、同じ屋根枠構造１４にともに配置されたとき、視覚的に区別できない。しかしながら、太陽エネルギーを電気と熱に変換する異なる役目に対応するために、カバータイルの構造は、ＰＶタイルとサーマルタイルとでは異なることになる。異なる実施形態において、システム１０は、ＰＶタイルのみあるいはサーマルタイルのみのいずれかを組込むこともできる。しかし、より効率的な実施形態においては、ＰＶタイルとサーマルタイルとの両方の組合せを備えることになると考えられる。

システム１０がＰＶタイルとサーマルタイルとの両方を備える場合、ＰＶタイルを屋根１３の上部に配置することが想定される。この場合、ＰＶタイルは、風により冷却され、より多く露光するという利点を享受し、その結果、電力生成の効率の最適化が促進される。システム１０がＰＶタイルのみを組込んでいる場合には、当然に、これらのタイルを屋根１３の全露出エリアにわたって配置することができ、あるいは、使用するＰＶタイルの数が限られている場合には、こうしたタイルを、上述の通り、屋根１３の上部に配置する必要がある。

ＰＶタイル組立体１００は、後でより詳細に説明する。

エネルギー変換システム１０は、また、屋根構造１４から流れ落ちる雨水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される水力発電システム２００を組み込むことができる。水力発電システム２００は、以下に詳細に説明する。

さらに、システム１０は、また、移動する空気（つまり風）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する風力エネルギー変換システム３００を組み込むこともできる。

エネルギー変換システム１０は、さらに、エネルギー管理システム２０を有している。エネルギー管理システム２０は、ケーブル２２を介してＰＶタイル１００によって生成された電気エネルギーを受け、ケーブル２４を介して水力発電所のシステム２００によって生成された電気エネルギーを受け、ケーブル２６を介して風力エネルギー変換システム３００によって生成された電気エネルギーを受ける。エネルギー管理システム２０は、それぞれのエネルギー変換組立体およびシステム１００，２００，３００からの出力電流を提供する電気ケーブルを差し込むことができる複数の入力用ジャック２８を有することが想定される。エネルギー管理システム２０は、それぞれのエネルギー変換システムによって生成された電力を蓄積する充電式バッテリーなどの電気エネルギー蓄積デバイスを組み込むことができる。また、エネルギー管理システム２０は、公共配電網に接続されるケーブル３２を有する接続システム３０と、バッテリーと公共配電網との間の電力の二方向の流れを管理するコントローラとを備えることができる。この方法では、システム１０は、例えば、バッテリーが満充電されているときには、電力を公共配電網に与えることができ、バッテリーにおける充電レベルが所定のレベルより低いときには、公共配電網から電力を取り込むことができる。当然ながら、エネルギー管理システムは、直流を交流に、また、交流を直流に変換するコンバーターおよびインバーターを備えることになり、これにより、第一に、バッテリーに蓄積させるのに交流から直流への変換が必要な場合、エネルギー変換システムによって生成された電流のタイプを変換し、そして第二に、バッテリーから公共配電網に、あるいはコンセントおよび一般的に交流で動作する建物内の器具に、電力を転送することができる。

光起電タイル組立体１００
添付図面の図３から図１３に示されるように、光起電タイル組立体（以下、単に「組立体」という）１００の実施形態は、少なくとも１つの（この特定の実施形態においては、４つの）固体領域１１４を有するベースタイル１１２を備える。固体領域１１４には、釘あるいはネジなど機械的な留め具が打ち込まれ、これにより、ベースタイル１１２が屋根構造など基礎的な構造に固定される。固体領域にはあらかじめドリルされていないすなわち機械的な留め具のための孔が形成されていないことが想定されており、したがって、組み付けを行う人は留め具に最適な場所を選択することができる。しかしながら、この実施形態の変形例においては、１つあるいはそれ以上のそのような孔を形成することができる。

組立体１００は、太陽エネルギーを電気に変換する光電池１１８をそれぞれ有する１つあるいはそれ以上のカバータイル１１６をさらに備える。電池１１８は、正負出力ターミナル１２０ａ，１２０ｂそれぞれで（以下、まとめて「出力ターミナル１２０」という）利用可能となる電流を生成する。

カバータイル１１６には、２つの形態が設けられている。カバータイル１１６の第１の形態では、出力ターミナル１２０を有する表面領域の一部を除いたタイル１１６のほぼ全表面領域に電池１１８が配置される。カバータイル１１６の第２の形態では、出力ターミナル１２０のすぐ下の表面領域の約３分の１がブランク（つまり光電池１１８のない）として残されており、したがって、タイル１１６の表面エリアの下部約３分の２のみに電池１１８が形成されている。タイル組立体１００の以下詳細説明通り、カバータイル１１６はカバータイル１１６の第１の形態により表面領域の３分の１ずつオーバーラップしている。カバータイル１１６の第１の形態は最上部であって完全に露出されており、下にあるタイル１１６は第２の形態であってその表面領域の３分の１がカバーされた状態となっている。

カバータイル１１６は、電気接続ポスト（以下、単に「ポスト」という）１２２によって、対応するベースタイル１１２に電気的にかつ機械的に連結される。ポスト１２２は、ベースタイル１１２内に支持されるとともに、カバータイル１１６のそれぞれの出力ターミナル１２０と接触して電気接続を提供する第１端部１２４を有する。さらに、第１端部１２４はカバータイル１１６を貫通しており、これにより、カバータイルがベースタイル１１２に機械的に取り付けられている。特に図８を参照して以下により詳細に説明する通り、各ポスト１２２は、電気接続チューブ１２８に電気的に連結される第２端部１２６を有する。電気接続チューブ１２８は、エネルギー管理システム２０にカバータイル１１６を電気的に連結することを容易にする。

組立体１００の部品により詳細に注目して見れば、ベースタイル１１２は、典型的には、平面的でほぼ連続的な上面１３０を有する正方形の板に構成される。上面１３０の連続性は、その表面１３０の平面に垂直な方向にその表面１３０を貫通している複数のポスト１２２が並んでいる部分によってのみ阻害されている。この実施形態において、複数のポスト１２２は、２つの平行線上に配置されている。以下にさらに説明する通り、防水シールは、ポスト１２２が表面１３０を貫通しているポスト１２２の回りに形成されている。

ベースタイル１１２の下側１３２には、下側１３２を多くの別々のセクションに区分けする複数の壁あるいはリブが形成されている。この特定の実施形態において、ベースタイル１１２の４つのコーナーのそれぞれは、固体材料から形成されており、これにより、釘あるいはネジなど機械的な留め具を打ち込み可能な固体部１１４が形成されている。１組の平行な壁１３４は、ベース１１２の対向する側面１３６，１３８間に延びており、部分的に固体部１１４の境界を形成している。ベースは、複数のさらなる壁１４０をさらに備える。さらなる壁１４０は、壁１３４に対して垂直に延びており、固体部１１４のそれぞれの側面と結合されている。壁１４０は、ベースタイル１１２のそれぞれの近傍の側面１４２，１４４と、それに最も近い壁１３４との間に延びている。この構成によって、ベース１１２の下側１３２には、側面１４２，１４４に隣接する区分室１４６と、より大きい中央区分室１４８とが形成される。

区分室１４６，１４８は、何も入っていない空間として残すことができる。しかしながら、区分室１４６が断熱材を有すること、また、区分室１４８がバッテリー１５０などの電力蓄積手段を任意選択的に有し、空間１４８の残りスペースを絶縁材で満たすことができることも想定される。バッテリー１５０が備えられていない場合、区分室全体を断熱材で満たすことができる。いずれの場合も、断熱材を有するベースタイル１１２あるいはそうでなくて断熱材から形成されたベースタイル１１２は、断熱機能を果たすことができる。また、壁１３４，１４０には、接続チューブ１２８を取り付ける長く延設される凹部を設けることができる。各チューブは、チューブが取り付けられる壁１３４，１４０の凹部の長さと等しい長さである。

また、組立体１００は、隣接したタイル組立体間の防水連結を提供するタイル連結システムを備える。本実施形態において、連結システムは、ベースタイル１１２の隣り合った辺１３８，１４４に沿って延びている、横方向に延設される舌状部１５２を備える。各舌状部１５２には、長く延設されるゴムシール１５４がさらに配置されている。また、タイル連結システムは、ベースタイル１１２の隣り合った辺１３６，１４２に沿って長く延びている相補状の溝１５６を備える。舌状部１５２，溝１５６を設けることによって、タイル組立体１００を、４つの辺すべてにおいて、他の同じタイル組立体１００に防水して接続することができる。

図７、図８および図９に特に示されるように、各ポスト１２２は、第１端部１２４にゴムグロメット１５８の態様のエンドキャップを収容する開口部を有するチューブの形態であることがわかる。エンドキャップあるいはグロメット１５８はゴムなど弾性材料から形成され、そして、端部１２４に締り嵌めおよび接着剤の使用の一方あるいは両方によって保持される。ポスト１２２は、それ自体が鋼あるいはステンレス鋼などの導電性材料で形成されており、そして、そのポスト２２には、１組の軸方向に間隔を開けて配置された周方向の溝あるいは凹部１６０が形成されている。導電性スプリング１６２は、端部１２６に電気的かつ機械的に連結されている。

凹部１６０は、ポスト１２２が挿入されるベースタイル１１２に形成された孔に形成された、対応する凸状部を収容する。これにより、各ポスト１２２とベースタイル１１２との間の防水シールを提供する構成が得られる。より具体的には、ポスト１２２はベースタイル１１２の対応する孔に押し込まれ、これにより、端部１２４が表面１３０から突出してカバータイル１１６との接続を容易にするとともに、端部１２６が、壁１３４に形成された凹部へと突出してそれぞれの接続チューブ１２８との連結が可能になる。

図８、図１０、図１１および図１２に、電気接続チューブ１２８の特性をより詳細に示す。チューブは、それぞれのポスト１２２の第２端部１２６と係合し電気接続を提供する開口部１６４を備える。各開口部１６４は、長手スロット１６６を備える。本実施形態において、長手スロット１６６は、複数の第２スロット１６８とともにチューブ１２８の全長さにわたって延びている。複数の第２スロット１６８は、長手スロット１６６から延びている。第２スロット１６８は、円周方向に延びる第１長さの部分１７０と、軸方向に延びる第２長さの部分１７２とを備える。第２長さの部分１７２は、円形部１７４で終端する。

電気エンドコネクタ１７６，１７８は接続チューブ１２８の各軸方向端部に配置されており、これにより、隣接するチューブ１２８間の端部・端部電気接続が可能になる。この点に関して、エンドコネクタ１７６はスプリング荷重すなわちスプリング付勢の雄プラグの形態とすることができ、また、エンドコネクタ１７８は雌ソケットの形態とすることができる。雄プラグ１７６は、ＰＶタイルの取り付けの際に、その対応するチューブ１２８の隣接する端部と略同じ面に後退でき、そして、その後スプリングの作用によって対応する雌ソケット１７８へと押し込まれる。第１導電体１８０は、エンドコネクタ１７８の１つをエンドコネクタ１７６の１つに接続し、そしてまた第２スロット１６８のグループとの電気的な連結を提供する。同様に、第２導電体１８２は、他のエンドコネクタ１７６〜１７８と第２スロット１６８の第２のグループとの間の電気接続を提供する。より具体的には、導電体１８０，１８２は、ＰＶ電池１１８の正負ターミナル１２０ａ，１２０ｂと電気的に接続されている交互のスロット１６８との電気接続を提供する。こうして、要するに、各ＰＶ電池１１８の正ターミナル１２０ａは導電体１８０と電気的に連結されるとともに、各ＰＶ電池１１８の負ターミナル１２０ｂは導電体１８２と電気的に接続されている。

チューブ１２８の軸方向端部のそれぞれは、隣接するチューブとの機械的連結を容易にするように形成することができる。典型的には、これは隣接したチューブ１２８間の締り嵌めあるいは「カチッと嵌合する接続」によってなされる。

ベースタイル１１２がグロメット１５８のパックと一緒にパックで提供され、カバータイル１１６が別のパックで提供されることが想定される。

タイル組立体１００を屋根枠構造１４に組み付けるには、（グロメット１５８のない）ポスト１２２がベースタイル１１２に形成された対応する孔に挿入される。この結果、端部１２４は表面１３０を越えて突出し、端部１２６は、壁１３４，１４０に形成された凹部あるいは溝へと突出する。次に、釘を固体部１１４を貫通するよう打ちつけることにより個々のベースタイル１１２が屋根構造に取り付けられる。その後、各接続チューブ１２８が壁１３４，１４０の凹部に配置される。このとき、ポスト１２２の端部１２６はスロット１６６内に位置し、第２スロット１６８と並んだ状態となる。その後、チューブは回転されてスライドされ、これにより、チューブが定位置にロックされる。このとき、ポスト１２２の端部１２６がそれぞれの円形部分１７４に係合され、スプリング１６２が円形部１７４の下面を押圧して対応する導電体１８０あるいは１８２との電気接触が容易となる状態になる。

その後、このプロセスが、次の隣接するベースタイル１１２に対して繰り返される。次の隣接するベースタイル１１２は、ポスト１２２が挿入された後に、先に配置されているベースタイル１１２に向かって押され、これにより、一方のベースタイルの舌状部１５２が他方のベースタイル１１２の溝１５６に収容される。隣接するタイルにおける接続チューブ１２８の取り付けに際し、１つのチューブの雄プラグ１７６は後退可能であり、隣接するベースタイル１１２の接続チューブ１２８は定位置へと回転される。その後、プラグ１７６は、先に配置された隣接するタイルのチューブ１２８と正しく整列したとき、雌ソケット１７８と嵌合して雌ソケット１７８内へと延びることになる。

ことによるとよりシンプルな組み付けプロセスでは、ベースタイル１１２を、屋根枠構造１４に固定する前に、ポスト１２２および接続チューブ１２８を備えるように組み立てられることもできる。このようなプロセスでは、次のタイル１１２が配置されると、組み付けを行う人は、次のタイル１１２を屋根枠構造１４に固定する前に、舌状部１５２を溝１５６と係合するとともに雄プラグ１７６を雌ソケット１７８と係合するだけでよい。

ベースタイル１１２が定位置に配置されて固定されると、端部１２４をカバータイル１１６に形成された対応する孔を貫通するよう押し込んだ後にグロメット１５８をポスト１２２の端部１２４に押し込むことによって、カバータイル１１６が、対応するベースタイル１１２に簡単に留められる。これらの孔は、カバータイル１１６の出力ターミナル１２０に対応する。隣接するチューブの１つのコネクタ１７８に対して１つのチューブのコネクタ１７６がと連結されるという特長によって、接続するチューブ１２８それぞれの対向する端部が互いに電気的接続にあると、電気接続がタイル組立体１００の各列に沿って連続的に提供される。その後、壁１７０（図３参照）に形成された凹部に取り付けられた同様のチューブコネクタ１２８を用いることによって、電気接続を隣接する行にも提供することができる。組立体１００からの電流は、電源管理システム２０にケーブル２２を介して接続される。

カバータイル１１６は、伝統的な屋根板あるいはタイル屋根として約３分の１ずつ互いに垂直方向にオーバーラップするように寸法付けられ構成されており、これにより、１つのタイルの下部は、垂直方向に隣接しており下側にあるタイルの上部にオーバーラップしている。さらに、特定のベースタイル１１２上の最も下側にあるカバータイル１１６の下部は垂直方向に隣接しており、下側にあるベースタイル１１２上の最も上側にあるカバータイル１１６にオーバーラップすることになる。また、カバータイル１１６は、防水材料から形成されることになる。したがって、このように配置されたカバータイル１１６は、要するに、屋根１３の第２防水層と、さらなる断熱とを提供することになる。

図７および図８に示すように、各タイルの下部は、下側にあるカバータイル１１６のグロメット１５８のライン上に載置されクッションが付けられている。さらに、カバータイル１１６を取り付ける場合、隣接するカバータイル１１６間に従来のタイルクリップあるいはフック１１７を挿入することもできる。そのタイルクリップあるいはフック１１７は、上側にあるタイル１１６の下端部に引っ掛かり、隣接する下側にあるタイルの上端部に引っ掛かる。

ＰＶ電池１１８は、従来の構造とすることができる。しかしながら、効率を向上させるために、図１３に示すＰＶ電池１１８を用いることができる。ＰＶ電池１１８は、異なる周波数の光を吸収する光起電力材料の複数の層１８４ａ，１８４ｂを備える。ここでは、一方向ミラーフィルム１８６が電池１１８の一方の側に配置される。一方向ミラーフィルム１８６には入ってきた光が入射し、一方向ミラーフィルム１８６は層１８４ａの上方に配置されている。このとき、層１８４ｂより下方の層に反射板１８８が配置されており、その反射鏡８８は一方向ミラーフィルム１８６に面している。この方法では、一方向方法ミラー１８６を通過して電池１１８内へと入っていく光は、光起電力層１８４ａ，１８４ｂを通過しながら一方向ミラー１８６と反射面１８８との間で繰り返し反射される。光起電力層１８４ａ，１８４ｂ間に光学的に透明な分離層１９０を配置することもできる。さらに、電池１１８の対向する両方の側に、保護フィルムあるいは層１９１ａ，１９１ｂが、ミラーフィルム１８６および反射板１８８にそれぞれ隣接して配置される。

水力発電システム２００
添付図面の図１４から図１６には、家１２の屋根１３から流れ落ちる水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電システム２００の実施形態を示す。システム２００は、タービン２１６と、少なくとも１つの縦樋２２０とを備える。タービン２１６は、ロータ２１８と、ロータ２１８によって駆動される発電機２１９とを備える。少なくとも１つの縦樋２２０は、屋根１３から流れ落ちる水を受ける上端部２２２を有する。縦樋２２０は、上端部２２２からそれぞれの出口２２６ａ，２２６ｂ（以下、まとめて「出口２２６」という）へと延びる水路２２４ａ，２２４ｂ（以下、まとめて「水路２２４」という）を備える。それぞれの出口２２６は、ロータ２１８を同じ方向に回転をさせるために、それぞれの出口２２６から流れてくる水をロータ２１８上に誘導するように配置される。本明細書において以下により詳細に説明するように、水路２２４は、さらに、水路２２４ａが水路２２４ｂへとオーバーフローするように構成されている。

上側および下側固定リング２２１ａ，２２１ｂは、ロータ２１８が回転するとき、タービン２１６を縦樋２２０内で所定位置に保持する。また、上側および下側固定するリング２２１ａ，２２１ｂは、発電機２１９とエネルギー管理システム２０との間のケーブル２４を引き回すように用いることもできる。

システム２００は、屋根１３から水を受けてその水を縦樋２２０に誘導する樋２２８をさらに備える。水路２２４ａ，２２４ｂは、縦樋２２０に入った水が、まず水路２２４ａを通って流れそして出口２２６ａから流れ出てロータ２１８へと流れて発電機２１９を駆動するように構成される。しかしながら、ひどい大雨のときには、水路２２４ａは水路２２４ｂへとオーバーフローすることができる。その後、オーバーフローした水は、水路２２４ｂを通り出口２２６ｂを通って流れて、これにより、ロータ２１８を回し、その結果、発電機２１９をさらに駆動する。

水路２２４ａから水路２２４ｂへの水のオーバーフローは、次第に高さが増加しているそれぞれの上端を有する水路２２４の形成により促進され、その結果、一方の水路の、例えば水路２２４ａの上端からオーバーフローする水が、続いて隣接する水路２２４ｂに流れ込むことができる。この点に関して、水路２２４ａが上端２３０ａを有し、そして、水路２２４ｂが上端２３０ａより高い上端２３０ｂを有することが図１４からわかるであろう。こうして、水路２２４ａが水で満たされてオーバーフローする場合、そのオーバーフローは上端２３０ａを越えて流れ出て水路２２４ｂへと流れ込む。例えばさらに第３の水路を備える縦樋２２０の場合、水が第１水路２２４ａの上端２３０ａおよび第２水路２２４ｂの上端２３０ｂの両方からオーバーフローした後に、水は第３の水路に流れ込むことになろうことは理解されよう。

水路２２４ａを通る水の定常的な流れをコントロールするために、縦樋２２０の上端部２２２には水流調整貯水部２３２が設けられている。貯水部２３２は、水路２２４ａの上端２３０ａを含む垂直壁２３６と、下方へ傾斜する底板２３７と、壁２３６から間隔をあけて配置された第２垂直壁２３８とを備える。

貯水部２３２には、水路２２４ａへの２つの出口が設けられている。第１出口２３４は、壁２３８の底板２３７との接続部分近くに形成された開口あるいは一連の孔を備える。第１出口の上方に間隔をあけて配置される第２出口は、壁２３８の上端部の近くに形成される水平方向開口２４０である。開口２４０は、要するに、水路２２４ａへの余水路を構成する。このように、水が開口２４０よりも低い水位で貯水部に集められたとき、水は第１出口２３４を介して水路２２４ａへ流れ込む。出口２３４は、水頭が貯水部２３２内に含まれている場合には、水路２２４ａを下る水の流れが定常的に連続であるように寸法付けられる。雨水の量が十分に増加すれば、水はまず開口２４０を通って流れ、そして水路２２４ａに流れ込み、タービン２１６を駆動するさらなる圧力を与えることになる。もし貯水部２３２における水の水位が出口２３４から流れ出て開口２４０を通って流れる流速よりも十分に大きく増加したとき、水は次いで上端２３０ａからオーバーフローして第２水路２２４ｂを流れ下りることができる。

水路２２４は、同じかあるいは異なる水力径を有することができる。しかしながら、好ましい実施形態において、水路２２４ａは、水路２２４ｂより小さい水力径を有することができる。水路２２４ａの水力径、開口部２３４のサイズ、および貯水部２３２の容量の選択は、水路２２４ａを通る水の流れが一定であるように選択することができる。

縦樋２２０を通りロータ２１８を通って流れる水は、縦樋２２０の末尾部２４２を介して水タンク２４４へと流れることができる。水タンク２４４は、地上あるいは地下のいずれかに配置することができる。タンク２４４に雨水を貯めて、その雨水を庭の散水、屋外エリアの洗浄、洗濯機および食器洗い機などの非飲用用途を含む種々の目的に用いることができ、あるいは適切なフィルタを配置することによって飲み水に用いることもできる。さらに、タンク２４４の水を、太陽熱システムを通して汲み上げてシャワーおよび洗濯機など、建物１２内で用いる温水として提供することもできるし、あるいは加温する目的で放熱器を通して汲み上げることもできる。このような実施形態において、理想的には、タンク２４４からの水の汲み上げに、屋根１３上の太陽電池によって生成された電気を動力として利用することができる。タンク２４４には、オーバーフローバルブ２４６を設けることができる。オーバーフローバルブ２４６は、タンク２４４に対する水の圧力が所定レベルより大きい場合、過剰な水をタンク２４４から流出させるように開くように構成される。なお、所定レベルとは、縦樋２２０全体が水でいっぱいになる前に超えるであろうレベルである。

図１５には、水路２２４ａが要するに縦樋内にパイプを備えている場合の縦樋２２０の特定の構成を示す。樋２２８は、水路２２４ａの入口または開口に水を直接供給する。水路２２４ａは、水で完全にいっぱいになったとき、その水は水路２２４ｂへとオーバーフローすることができる。水路２２４ｂは、水路２２４ａの外側と、縦樋２２０を形成する外側のパイプ２４６の内側との間に縦樋２２０の領域を構成している。

図１６を参照すれば、水力発電システム２００は、また、屋根１３の上部から樋２２８へ斜めに延びる１つあるいはそれ以上の屋根水路２４８を備えることができることがさらにわかるであろう。屋根水路２４８は、屋根１３を流れる雨水を樋２２８内の水の流れの方向に対して鋭角となる方向に流れるように誘導するように機能する。これにより、樋２２８内の水の運動量あるいは速度が向上し、これにより、水の運動エネルギーが増加する。貯水部２３２の状態および開口部２３４のサイズによっては、水に提供される運動エネルギーの増加により、タービンからの電気エネルギー出力をより大きくすることができる。

各タービン２１６によって生成された電気は、対応するケーブル２４を介して電源管理システム２０に供給される。

ここまでに水力発電システム２００の実施形態を詳細に説明したので、基本的な発明概念から逸脱することなく多くの変更・変形を行いうることは、該当する当業者には明らかであろう。例えば、システム２００は、２つの水路２２４ａ，２２４ｂに分離されている縦樋を示している。しかしながら、先述したように、縦樋２２０を２つよりも多い水路に分離することもできる。さらに、アルキメデススクリュー形態のロータ２１８が非常に効率的な態様を構成すると考えられているが、しかしながら、ホイールあるいはプロペラを用いることもできる。また、開口２４０として上述し図示した貯水部２３２の第２出口は、他の態様をとることもできる。例えば、壁２３８を、単純に開口２４０の底部と等しい高さで形成することができ、これにより、壁２３８の最上端は水が超えて流れる堰堤壁として機能する。さらなる変形においては、開口２４０を、壁２３８と同じ高さにある複数の孔と置き換えることもできる。

風力エネルギー変換システム３００
添付図面の図１７および図１８には、勾配屋根構造１４に加えて１つあるいはそれ以上の風力駆動タービン３１２と、カバー３１６とを備える建物１２の風力エネルギー変換システム３００の実施形態を示す。タービン３１２は勾配屋根構造１４に装着される。屋根構造は第１勾配を有する。カバー３１６は、勾配屋根構造１４上にタービン３１２の上方で支持されている。カバー３１６は、第１勾配より小さい、つまり勾配屋根構造１４の勾配より小さい第２勾配を有する。

勾配屋根構造１４は、互いに上方向に向かって収束する２つの傾斜辺３１８，３２０を有する。タービン３１２は、収束する辺３１８，３２０の間に形成された頂上領域３２２において構造１４に支持される。タービン３１２の装着のために開口された構造１４の尾根すなわち頂上領域３２２を除いて、屋根構造１４は、概ね従来の態様および構成であり、したがって、複数の小屋梁３２４を谷木、根太および心木（図示せず）とともに備えることになる。

カバー３１６は、屋根構造１４の上部３２６を覆っており、頂上領域３２２の対向する両側まで延びている。要するに、カバー３１６および屋根構造１４の上部３２６は、辺３１８，３２０を上に向かって流れる風Ｗをタービン３１２を通るように誘導する風のトンネル３２８を形成するすなわち風のトンネル３２８として機能する。

先述の通り、カバー３１６の勾配は屋根構造１４の勾配より小さく、これにより、カバー３１６と第１構造１４の上部３２６との間の垂直の距離Ｄは頂上領域３２２に向かうに従って短くなる。したがって、風のトンネル３２８は、頂上領域３２２に向かうに従って断面積が小さくなる。これにより、気圧が増加し、タービン３１２を通る空気の速度を高める効果がある。風のトンネル３２８の構成には、構造１４の対向する両側からの風をタービン３１２を通って流れるように誘導する効果があることは理解されよう。

タービン３１２は、それぞれ、風力ロータ３３０の回転軸を通る駆動シャフト３３２に連結された風力ロータ３３０を備える。駆動軸３３２、つまりプロペラ３３０の回転軸は、頂上領域３２２の長さのラインすなわち方向に対して垂直であるかあるいは交差している。このように、駆動シャフト３３２は、タービン３１２を通る空気の流れの方向と略平行である。

さらにタービン３１２を通る空気の流れを集束するために、システム３００は、それぞれのタービン３１２に対応するそれぞれのカウリング３３４をさらに備える。カウリング３３４は、それぞれ、梁３２４上方に延びている対応するタービン３１２の上部を囲んでおり、そして、屋根構造１４を上へと流れる空気をタービン３１２を通るように誘導する、対向する開口端部を両端に有している。カウリング３３４は、空気の流れを集束して風力ロータ３３０を横切らせるすなわち通すように空気力学的に理想的に形成・構成される。この点に関して、例えば、カウリング３３４の内部表面を、対向する両側の開口端部から風力ロータ３３０が回転する中央領域へと次第に先細りとなるように構成することができる。図１７および図１８からわかるように、各カウリングは、カバー３１６の内側表面と屋根構造１４の外側表面との間において垂直方向に延びている。

駆動シャフト３３２の対向する両端部は、それぞれ、電気を生成する発電機３３８に連結される。発電機３３８は、結果的に電源管理システム２０にケーブル２６を介して供給される同じ位相の電流を生成するように構成するあるいは駆動することができる。

タービン３１２を反対方向に通る風は、風力ロータ３３０を反対方向に回転させることは理解されよう。システム３００に組み込まれた発電機３３８のタイプによっては、プロペラ３３０の回転方向に関係なく発電機３３８によって生成された電流の位相を維持するが重要となる場合もある。このことは、シャフト３３２と発電機３３８との間にギヤボックスを配置することによって達成することができ、これにより、プロペラ３３０および駆動シャフト３３２の回転方向に関係なく発電機３３８のロータ（図示せず）の回転方向は同じままとすることができる。

吹き上げられてトンネル３２８を通る可能性がある水をすべて受ける樋３４０が、頂上領域３２２に沿ってタービン３１２の下方に延びるように配置されている。樋３４０を、水力発電システム２００の樋２２８へ配管することができる。

上記説明から、エネルギー変換システム１０の実施形態は、異なるサイズ、形状および建築方法の建物の屋根からパワーを生成可能な太陽放射、風および雨の１つあるいはそれ以上の再生可能エネルギー源を利用することが理解されよう。システム１０は、発電に対する「ミックス・アンド・マッチ」アプローチを可能にし、設計者／建築業者が、建物の位置ですぐに使えて効果のある条件に応じて最も効率的な特定のエネルギー変換システム／発電システムを選択することができる。

本願の特許請求の範囲および発明の説明において、明示された言葉あるいは言外の意味によってそれ以外となることが必要となる状況を除いて、「備える」、あるいは「備えている」などの変形は、包含的な意味で用いられている、つまり、記載された特徴が含まれることを特定しているのであって本発明の種々の態様にさらなる特徴が含まれることすなわち追加されることを排除するものではない。

Claims (14)

1. 屋根枠構造と、
   複数の太陽エネルギー変換タイルであって、前記屋根枠構造の少なくとも一部に固定されるベースタイルと、対応するベースタイルに取り付けられる１つあるいはそれ以上のカバータイルとを備えており、前記ベースタイルは、隣接した端に沿って互いにシールするように係合するように構成されて実質的に防水であるクラッディングを前記屋根構造の前記一部に形成する太陽エネルギー変換タイルと、
   を備える屋根支持エネルギー変換システム。
2. 前記エネルギー変換タイルは、（ａ）太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の光起電タイル、あるいは（ｂ）太陽エネルギーを熱エネルギーに変換する複数のサーマルタイル、あるいは（ｃ）少なくとも１つの光起電タイルと少なくとも１つのサーマルタイルとの組合せのいずれかを備えている、
   請求項１に記載のエネルギー変換システム。
3. 前記屋根枠構造は、互いに上方向に向かって収束する少なくとも２つの傾斜辺を備えている、
   請求項２に記載のエネルギー変換システム。
4. 前記複数の太陽エネルギー変換タイルは、少なくとも１つの光起電タイルと、少なくとも１つのサーマルタイルとを備えており、前記光起電タイルが前記サーマルタイルよりも高い位置で前記屋根構造の前記一部に固定されるようにタイルが配置されている、
   請求項３に記載のエネルギー変換システム。
5. 前記光起電タイルおよび前記サーマルタイルの両方のカバータイルが、実質的に同一の外観であるそれぞれの露出面を有するように形成されている、
   請求項２から４のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
6. 複数のカバータイルは、各ベースタイルに取り付けられており、前記カバータイルの少なくとも２つが互いにオーバーラップしている、
   請求項１から５のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
7. 前記ベースタイルは、断熱機能を前記屋根枠構造に提供するように形成されている、
   請求項１から６のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
8. 前記屋根の前記一部から流れ落ちる水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される水力発電システムをさらに備える、
   請求項１から７のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
9. 前記水力発電システムは、１つあるいはそれ以上の樋と、１つあるいはそれ以上の縦樋と、１つあるいはそれ以上の水力タービンとを備えており、
   前記樋および前記縦樋は、前記屋根枠構造の前記一部から流れ落ちる雨水を集めるように配置され、これにより、その１つのあるいは各水力タービンを駆動する水の流れが生じる、
   請求項８に記載のエネルギー変換システム。
10. 前記屋根枠構造によって支持され、移動する空気塊の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する１つあるいはそれ以上の風力タービンを有する風力エネルギー変換システムをさらに備える、
    請求項１から９のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
11. 前記風力システムは、前記屋根枠構造とともに、前記屋根枠構造へと上へ流れて前記１つあるいはそれ以上の風力タービンを通るように移動する空気を誘導する風のトンネルを形成するように、前記１つあるいはそれ以上の風力タービンを覆うカバーをさらに備えている、
    請求項１０に記載のエネルギー変換システム。
12. 前記太陽エネルギー変換タイル、水力発電システムおよび前記風力エネルギー変換システムから電気エネルギーを受けて管理するエネルギー管理システムをさらに備える、
    請求項１から１１のいずれかに記載のエネルギー変換システム。
13. 前記エネルギー管理システムは、電力公共配電網への接続を備えるとともに、前記エネルギー変換システムと前記公共配電網との間の電気エネルギーの二方向の流れを管理するように構成されている、
    請求項１２に記載のエネルギー変換システム。
14. 前記エネルギー管理システムは、電気エネルギー蓄積装置を備えており、前記エネルギー管理システムは、前記電力蓄積装置が満充電状態にあるとき、電気エネルギーを前記公共配電網に供給するように構成されており、また、前記電力蓄積装置が閾値より低い充電レベルにあるとき、前記公共配電網を前記電力蓄積装置に接続する、
    請求項１２または１３に記載のエネルギー変換システム。

Images