JP2010107101A - ソーラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の導入コストの上昇を抑制しつつ商用電源の電力消費が少なくランニングコストの小さいソーラーシステムを提供する。
【解決手段】太陽熱集熱器に太陽電池を併設してなるソーラーシステムにおいて、該システムに備えられた電気負荷についてそれぞれの用途に応じて、上記太陽電池のみを駆動電源とする第１負荷と、上記太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類する。そして、第１負荷には太陽電池３から直接電力を供給し、第２負荷には太陽電池３の余剰電力に応じて電源切換装置４１が太陽電池又は商用電源の一方を選んで電力供給を行う。なお、第１負荷の選定にあたっては、大型の太陽電池３が必要とならない範囲に止める。
【選択図】 図３

Description

この発明はソーラーシステムに関し、より詳細には、太陽熱集熱器で加熱された熱媒を熱源として蓄熱槽内の湯水を加熱・昇温させて給湯用に使用したり、太陽熱集熱器で加熱された熱媒を暖房用の熱源として使用するソーラーシステムに関する。

従来、この種のソーラーシステムは、太陽熱集熱器で加熱・昇温された熱媒を熱交換器に循環させるための太陽熱循環回路と、該太陽熱循環回路内で熱媒を強制循環させるための循環ポンプ（集熱ポンプ）とを備えている。

給湯用の温水は、上記太陽熱循環回路を循環する熱媒を利用して蓄熱槽（貯湯タンク）内の湯水を直接的（蓄熱槽内に熱交換器を配置する内部熱交方式）または間接的（蓄熱槽に湯水加熱用の循環回路を別途設けてこの湯水加熱用の循環回路に上記熱交換器を配置する外部熱交方式）に加熱・昇温させることによって生成し、蓄熱槽内の温水を用いて給湯を行う。一方、暖房については、上記太陽熱循環回路を循環する熱媒を用いて暖房用熱媒の循環回路（暖房循環回路）内にある暖房用熱媒を加熱・昇温させ、暖房用熱媒を暖房器具に供給するように構成している。

ところで、このように構成されたソーラーシステムにおいては、上記太陽熱集熱器に太陽電池を併設し、この太陽電池で得られる電力を集熱ポンプや蓄熱槽に設けられる温度センサの駆動電力として用いることにより商用電力の消費を少なくすることが提案されている（特許文献１参照）。

実開平５−８７４６１号公報

しかしながら、このような従来のソーラーシステムにおいては、以下のような問題があり、その改善が望まれていた。

すなわち、上述したような構成のソーラーシステムにおいては、蓄熱槽内の湯水の温度が給湯設定温度よりも低かったり、太陽熱集熱器で加熱・昇温された熱媒の温度が暖房用熱媒の加熱に必要な温度よりも低かった場合には所定の給湯運転や暖房運転を行えなくなることから、そのような場合に備えて、この種のソーラーシステムの多くは、給湯用の湯水や暖房用熱媒を所望の温度まで加熱・昇温させるための補助熱源機を備えている。

補助熱源機にはガスやオイルを燃料とする燃焼加熱式の熱源機が好適に使用されるところ、このような補助熱源機を備えることにより、この種のソーラーシステムには燃料供給部や燃焼部などに多くの電気負荷（たとえば、燃料供給用の電磁弁や燃焼用の送風ファンなど）が備えられることから、補助熱源機を備えていないソーラーシステムに比して電力消費量が大きくなってしまうという問題がある。

一方、太陽熱集熱器に併設される太陽電池は、主に集熱ポンプの駆動電源として利用されるものであるから、発電量がたとえば５〜１０Ｗ程度の小型ソーラーパネルが用いられている。そのため、このような小型の太陽電池で補助熱源機の電気負荷の電力すべてを賄うことは困難である一方、補助熱源機の電力負荷の電力消費のすべてを賄うため太陽電池の発電量を増加させようとすると、勢い太陽電池が大型化するとともに太陽電池の設置にかかるコストが高額になってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、太陽電池の導入コストの上昇を抑制しつつ商用電源の電力消費が少なくランニングコストの小さいソーラーシステムを提供することを目的とする。特に、本発明では補助熱源機を備えたソーラーシステムに適したソーラーシステムを提供する。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係るソーラーシステムは、太陽熱集熱器に太陽電池を併設したソーラーシステムであって、複数の電気負荷を備えたものにおいて、上記複数の電気負荷は、それらの用途に応じて、上記太陽電池のみを駆動電源とする第１負荷と、上記太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類されていることを特徴とする。

すなわち、このソーラーシステムでは、ソーラーシステムに備えられる電気負荷が、それぞれその用途に応じて、太陽電池のみを駆動電源とする第１負荷と、太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類されることから、太陽電池で発電された電力は優先的に第１負荷に供給するように構成される。そして、第１負荷で消費されずに余った余剰電力があるときには、その余剰電力が第２負荷に供給される。第２負荷は太陽電池又は商用電源を駆動電源とすることから、太陽電池からの電力供給があればそれを駆動電力として用い、余剰電力が不足しており太陽電池からの電力供給が受けられない場合には商用電源を駆動電源として商用電源から電力供給を受けるように構成される。これにより、太陽電池で発電された電力は、余剰電力が生じないように第１負荷及び第２負荷によって消費されることになり、太陽電池の発電量相当分だけ商用電源の電力消費を抑制することができる。その一方で、ソーラーシステムの品質や安全に関わる電気負荷については商用電源のみを駆動電源とする第３負荷に分類しておくことにより安定した電力供給が行なわれるので、ソーラーシステムの性能が太陽電池の発電量によって影響を受けることが防止される。つまり、本発明では、ソーラーシステムの品質を低下させることなく商用電源の電力消費を抑制することができる。

なお、この電気負荷の分類にあたっては、上記第１負荷に分類される電気負荷を集熱ポンプのように一定の限られた電気負荷に限定することで、大型の（発電量の大きい）太陽電池を用いることなく本発明のソーラーシステムを実施することができる。すなわち、太陽電池として大型の太陽電池を用いればその分だけ商用電源の電力消費を抑えることができるが、それではシステム全体の大幅なコスト上昇を招くので、本発明の実施にあたっては、第１負荷に分類される電気負荷の消費電力があまり大きくならないように（たとえば、数Ｗ程度に納まるように）第１負荷を設定し、発電量が数Ｗ乃至十数Ｗ程度の小型の太陽電池を使用するのが好ましい。このように、第１負荷の消費電力を制限することにより、従来からソーラーシステムに使用されていた太陽電池と同程度（あるいは、大幅なコストアップを伴わないやや大きめの）太陽電池を用いつつ商用電源の電力消費を抑制することができるようになる。

本発明の請求項２に係るソーラーシステムは、上記第２負荷に分類される電気負荷として複数の電気負荷が備えられ、それら第２負荷に分類される複数の電気負荷の間には、上記太陽電池による電力供給を優先的に行うための優先順位が設定されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項２に係るソーラーシステムでは、第２負荷同士の間に太陽電池による電力供給を行う優先順位が設定され、この優先順位に従って優先順位が高い電気負荷から順に優先的に太陽電池からの電力供給が行なわれる。したがって、この請求項２に係るソーラーシステムでは、太陽電池による発電での余剰電力の電力量に応じて優先順位の高い電気負荷には太陽電池から電力供給が行われ、余剰電力が不足し太陽電池から電力供給を受けられない優先順位の低い電気負荷には商用電源から電力供給が行なわれる。そのため、この請求項２に係るソーラーシステムによれば、太陽電池による発電量に第１負荷では消費しきれない余剰電力が生じた場合でも、当該余剰電力は複数の第２負荷によって不具合なく消費されるので、太陽電池の電力を無駄なく使用でき、その分商用電源の電力消費の抑制効果を向上させることができる。

本発明の請求項３に係るソーラーシステムは、請求項２に記載のソーラーシステムにおいて、上記第２負荷には、少なくとも、蓄熱槽内の水を加熱するための循環回路に備えられる貯湯ポンプと、暖房用熱媒を循環させるための暖房循環回路に備えられる暖房ポンプと、風呂追焚用の風呂追焚循環回路に備えられる風呂ポンプとが備えられ、上記風呂ポンプは、上記貯湯ポンプまたは上記暖房ポンプの少なくともいずれか１つに対して上記優先順位が低く設定されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項３に係るソーラーシステムは、請求項２に係るソーラーシステムの好適な実施態様を示すものであって、この実施態様では、上記第２負荷として、貯湯ポンプと暖房ポンプと風呂ポンプとが備えられ、これらのうちの風呂ポンプについての優先順位が上記貯湯ポンプまたは暖房ポンプのいずれか一方よりも低く設定される。つまり、風呂追焚用の風呂ポンプは、日照のない夜間に使用されることが多いため太陽電池による電力供給には不向きであるとともに、貯湯ポンプや暖房ポンプに比して電力消費の大きい大能力のポンプが使用されることから太陽電池の余剰電力でこれを賄おうとすると勢い太陽電池の大型化を招くことになり易いので、太陽電池の電力を使用する優先順位を低く設定している。

本発明の請求項４に係るソーラーシステムは、請求項１に記載のソーラーシステムにおいて、太陽熱集熱用の熱媒を循環させる第１循環回路と、その第１循環回路の熱媒を強制循環させる集熱ポンプと、蓄熱槽の水を外部に取り出して循環させる第２循環回路と、その第２循環回路の水を強制循環させる貯湯ポンプと、上記第１循環回路を流れる熱媒と上記第２循環回路を流れる水との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備え、上記集熱ポンプが上記第１負荷に、上記貯湯ポンプが上記第２負荷に分類され、上記太陽熱集熱器と上記蓄熱槽の温度差が所定値以上の場合に、上記集熱ポンプを作動させるとともに、上記太陽電池の出力状態を検出する出力検知手段の検知状態に基づいて、上記太陽電池からの電力供給が可能であると判断された場合は、上記貯湯ポンプにも上記太陽電池からの電力を供給することを特徴とする。

すなわち、この請求項４に係るソーラーシステムでは、太陽電池の出力状態を検出する出力検知手段が備えられる。そして、太陽熱集熱器と蓄熱槽との温度差が所定値以上ある場合には集熱ポンプを作動させて太陽熱集熱用の熱媒を第１循環回路内で強制循環させる。そして、その際、出力検知手段の検知状態に基づいて、太陽電池から第２負荷への電力供給が可能であるか（換言すれば、第１負荷とされる集熱ポンプに電力を供給した状態で第２負荷とされる貯湯ポンプに供給するだけの十分な余剰電力があるか）を判断し、電力供給が可能であると判断された場合には、第２負荷である貯湯ポンプに太陽電池からの電力を供給する。つまり、この請求項４に係るソーラーシステムによれば、太陽電池に余剰電力があれば当該余剰電力が貯湯ポンプの駆動電源として用いられることになるので、蓄熱槽の沸き上げに要する電力を太陽電池で賄うことが可能になる。

本発明の請求項５に係るソーラーシステムは、請求項１から４のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、上記第３負荷には、少なくともソーラーシステムの制御部と給湯用の出湯混合弁とが含まれることを特徴とする。

すなわち、この請求項５に係るソーラーシステムでは、少なくとも、ソーラーシステムの制御を司る制御部と湯水を混合して給湯用の温水を生成する出湯混合弁については、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷に分類されるので、これらは商用電源から安定した電力供給を受けることになる。したがって、たとえば、給湯運転中に制御部が電力不足に陥って出湯混合弁の制御が乱れたり、電力不足で出湯混合弁が動作不能に陥ることが防止され、安全かつ安定した給湯運転を実現することができる。

本発明の請求項６に係る給湯システムは、請求項１から５のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記ソーラーシステムが補助熱源機を備え、この補助熱源機に備えられる各種電気負荷が上記第１乃至第３負荷のいずれかに分類されていることを特徴とする。

すなわち、この請求項６に係るソーラーシステムには補助熱源機が備えられていることから、蓄熱槽内の湯水の温度が給湯設定温度よりも低かったり、太陽熱集熱器で加熱・昇温された熱媒の温度が暖房用熱媒の加熱に必要な温度よりも低いような場合においても、補助熱源機によって給湯用の湯水や暖房用熱媒を所望の温度まで加熱・昇温させることができるので、安定した給湯や暖房運転を行うことができる。

しかも、この補助熱源機に備えられる各種電気負荷が上記第１負荷乃至第３負荷のいずれかに分類されることにより、太陽電池の余剰電力を補助熱源機側の駆動電源としても利用できるので、補助熱源機の追加に伴う商用電源の電力消費の増加を抑制することが可能になる。

本発明のソーラーシステムによれば、ソーラーシステムに備えられる電気負荷がその用途に応じて、太陽電池のみを駆動電源とする第１負荷と、太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類されることから、太陽電池で発電された電力は優先的に第１負荷に供給され、該第１負荷で消費されずに余った余剰電力は第２負荷の駆動電源として利用されるので、太陽電池で発電された電力を無駄なく消費することができ、これにより商用電源の電力消費を抑制することができる。またその際、品質や安全に関わる電気負荷は第３負荷に分類しておくことにより、ソーラーシステムの品質を損ねることなく本発明を実施することができる。

また、この電気負荷の分類にあたっては、上記第１負荷に分類される電気負荷を一定の限られた電気負荷に限定することによって、従来使用されていた太陽電池と同程度の大きさの太陽電池を用いつつ商用電源の電力消費を抑制することができ、システム全体のコスト上昇を伴わずに本発明を適用できる。

また、第２負荷に分類される電気負荷として複数の電気負荷が備えられ、第２負荷同士の間に太陽電池による電力供給を優先的に行う優先順位を設定しておくことで、太陽電池による発電量に第１負荷では消費しきれない余剰電力が生じた場合でも、当該余剰電力は複数の第２負荷によって不具合なく消費されることになるので、太陽電池の電力を余すことなく無駄なく使用でき、商用電源の電力消費の抑制効果を向上させることができる。

しかも、本発明のソーラーシステムは、補助熱源機を備えることにより安定した給湯や暖房運転を行うことができるようになるとともに、この補助熱源機に備えられる各種電気負荷についても上記第１負荷乃至第３負荷のいずれかに分類しておくことにより、補助熱源機の追加に伴う消費電力増加分の一部を太陽電池によって賄うことができるようになり、商用電源の電力消費の増加を抑制することが可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るソーラーシステムの一例を示す概略構成図である。この図１に示すソーラーシステム１は、太陽熱集熱器２に太陽電池３を併設してなるソーラーシステムであって、図示しない商用電源とともに上記太陽電池３を駆動電力源として構成されている（詳細は後述する）。

また、この図１に示すソーラーシステム１は、太陽熱を利用して、給湯と暖房の二つの機能が実現されるように構成されたソーラーシステムであって、これらの機能に関して補助熱源機５を備えている。つまり、この図１に示すソーラーシステム１は、太陽熱集熱器２で回収される太陽熱を利用するための機能部品を備えたシステム本体４に補助熱源機５が備えられた補助熱源機付のソーラーシステムを示している。

上記システム本体４は、太陽熱集熱器２で回収される太陽熱をシステム本体４に取り込むための太陽熱循環回路（第１循環回路）Ａと、蓄熱槽６内に収容された水を加熱するための沸上循環回路（第２循環回路）Ｂと、上記太陽熱循環回路Ａを循環する熱媒を利用して暖房用熱媒を加熱するための暖房加熱循環回路Ｃと、暖房用熱媒を循環させるための暖房循環回路Ｄと、風呂追焚用の風呂追焚循環回路Ｅとを備えている。

より詳細には、上記太陽熱循環回路Ａは、システム本体４の外部に設けられる太陽熱集熱器２で加熱・昇温される太陽熱集熱用の熱媒を循環させるための循環回路であって、この循環回路Ａには熱媒を強制循環させる集熱ポンプ７が備えられており、この集熱ポンプ７を駆動することにより、太陽熱集熱器２で加熱・昇温された熱媒が三方弁８、熱交換器９、リザーブタンク１０を介して太陽熱集熱器２に循環するように構成されている。なお、集熱ポンプ７は直流電源を駆動電源とする循環ポンプで構成され、後述するように、本実施形態では太陽電池３を主たる駆動電源としている。

ここで、上記太陽熱集熱器２は、日射による太陽熱を利用して熱媒を加熱・昇温させる周知の構成よりなる集熱器が用いられる。この太陽熱集熱器２は、屋上など日当たりのよい適所に配設される。上記三方弁８は、太陽熱循環回路Ａを循環する熱媒の一部を暖房加熱循環回路Ｃに導入できるように設けられた弁装置であって、暖房用熱媒を加熱するときにはこの三方弁８の暖房加熱循環回路Ｃ側を開いて暖房加熱循環回路Ｃにも熱媒が供給されるように構成されている。

上記熱交換器９は、上記蓄熱槽６内の水を沸き上げたり沸き増したりするために用いられる液液熱交換器であって、太陽熱循環回路Ａはこの熱交換器９の一次側に接続されている。リザーブタンク１０は熱媒の膨張の吸収やガス抜き等のために設けられた大気開放式のタンクである。なお、このリザーブタンク１０としては密閉式のタンクを用いることも可能である。

上記沸上循環回路Ｂは、蓄熱槽６内に収容された水を加熱するための循環回路であって、蓄熱槽６の水を蓄熱槽外部に取り出して循環させるように構成されている。具体的には、この循環回路Ｂには貯湯ポンプ１１が備えられており、この貯湯ポンプ１１を駆動することにより、蓄熱槽６の底部に貯留する低温の水が沸上往き管１２を介して吸い出されて上記熱交換器９の２次側に導入され、この熱交換器９で加熱・昇温されて沸上戻り管１３を介して蓄熱槽６の上部に導入されるように構成されている。なお、この貯湯ポンプ１１として、本実施形態では交流電源を駆動電源とする循環ポンプが用いられている。

ここで、蓄熱槽６は、内部に給湯用の温水を貯留するための貯湯タンクで構成される。この貯湯タンクとしては、たとえば、タンク内に温度成層を形成させつつ温水を貯湯する公知の態様の貯湯タンクが好適に用いられる。なお、図示しないが、この蓄熱槽６には、その高さ方向に複数の温度センサが備えられており、これらの温度センサが蓄熱槽６内の湯水の温度を検知する検知手段として用いられている。

この蓄熱槽６の頂部および底部には、上記沸上往き管１２、沸上戻り管１３等と接続するための接続部（頂部には頂部接続部１４、底部には底部接続部１５）が設けられており、これら接続部１４，１５を介して蓄熱槽６への湯水の流入出が行われるようにされている。

具体的には、頂部接続部１４には、上記沸上戻り管１３の他に蓄熱槽６に貯留されている温水を混合弁（給湯用の出湯混合弁）１６の温水導入側に導入するための混合弁湯側流路１７が接続されている。一方、底部接続部１５には、上記沸上往き管１２の他に水源に接続された給水管１８から分岐された給水流路１９が接続されている。なお、給水管１８は上記給水流路１９と混合弁水側流路２０とに分岐されており、混合弁水側流路２０が上記混合弁１６の水導入側に接続されている。

そして、混合弁１６の温水出力側が給湯往き管２１に接続され、補助熱源機５の給湯用入水部５１ａに接続されている。なお、図において、給水管１８と給湯往き管２１との間のバイパス流路２２に配設されているのは高温出湯監視弁２３である。この高温出湯監視弁２３は、混合弁１６からの出湯温度が所定値を超えたときに給水管１８から給湯往き管２１に水を導入して補助熱源機５に流入する温水の温度を下げるために設けられている。

上記暖房加熱循環回路Ｃは、太陽熱循環回路Ａを循環する熱媒を利用して暖房用熱媒を加熱するための循環回路であって、この循環回路Ｃには暖房用の液液熱交換器２５が備えられている。具体的には、この暖房加熱循環回路Ｃは、上記三方弁８から導入される熱媒を熱交換器２５を介して再び太陽熱循環回路Ａに戻すように構成されており、上記液液熱交換器２５の１次側にこの暖房加熱循環回路Ｃが接続されている。なお、この暖房加熱循環回路Ｃにおける熱媒の強制循環は上記集熱ポンプ７を駆動させることにより行われる。

上記暖房循環回路Ｄは、上記暖房用の液液熱交換器２５で加熱される暖房用熱媒を暖房端末に供給するための循環回路であって、本実施形態では、この暖房循環回路Ｄとして、高温暖房端末Ｈａへの循環回路と低温暖房端末Ｈｂへの循環回路の２系統の循環回路が設けられている。具体的には、システム本体４には、上記高温暖房端末Ｈａおよび低温暖房端末Ｈｂで放熱した暖房用熱媒を取り込むための暖房戻り管２６が設けられており、この暖房戻り管２６から戻ってくる暖房用熱媒が上記液液熱交換器２５の２次側に導入されるように構成されるとともに、液液熱交換器２５で加熱・昇温された暖房用熱媒が暖房往き管２７を介して補助熱源機５の暖房用入水部５２ａに接続されて、補助熱源機５を介して高温暖房端末Ｈａ及び低温暖房端末Ｈｂに暖房用熱媒が供給される。

なお、ここで、上記高温暖房端末Ｈａとしては、たとえば、浴室暖房装置やファンコンベクタなど高温（具体的には８０℃程度）の熱媒で駆動する暖房端末が用いられる。一方、低温暖房端末Ｈｂとしては、たとえば、床暖房装置のように高温暖房端末Ｈａに比して低温（具体的には４０℃程度）の熱媒で駆動する暖房端末が用いられる。

上記風呂追焚循環回路Ｅは、補助熱源機５を用いて風呂Ｆの追い焚きをする際に用いられる循環回路である。図１ではこの風呂追焚循環回路Ｅをシステム本体４内に取り込んだ状態を示したが、風呂Ｆの追い焚きは太陽熱を利用するものではないので、この風呂追焚循環回路Ｅはシステム本体４内に取り込まずに補助熱源機５に直接接続されていてもよい。

図中の符号３０は、システム本体４の制御部を示している。この制御部３０は、システム本体４の各部の動作制御ならびにシステム本体４と補助熱源機５とを連動させる制御を行うための制御装置であり、制御用の各種プログラムやデータを備えたマイコンを有して構成されており、補助熱源機５の制御部５６と通信接続されている。すなわち、この制御部３０は、システム本体４の各部に配設された各種センサ類（図示せず）からの検知信号や、後述する補助熱源機５の制御部５６から与えられる制御信号等に基づいてソーラーシステム１の各部や補助熱源機５の動作を制御し、給湯運転や暖房運転を行うように構成されている。

ここで、これら給湯・暖房運転に関する制御の詳細は、一般的な補助熱源機付きのソーラーシステムと同様である。具体的には、たとえば、給湯運転に関しては、上記補助熱源機５の制御部５６から与えられる給湯設定温度の情報に基づいて上記混合弁１６の湯水混合比率を設定したり、混合弁１６の湯水混合比率の調整では給湯設定温度での出湯ができない場合には補助熱源機５に対して加熱運転を指示するように構成される。また、太陽熱集熱器２（太陽熱集熱器２を流れる熱媒）と蓄熱槽６の温度差が所定値以上（ただし、太陽熱集熱器２の温度＞蓄熱槽６内の湯水の温度）になると、上記集熱ポンプ７を作動させて太陽熱循環回路Ａ内で熱媒を循環させるとともに、貯湯ポンプ１１を作動させて蓄熱槽６内の湯水を熱交換器９で加熱・昇温させる動作（沸き上げ・沸き増し動作）を行うように構成される。なお、沸き上げ・沸き増し動作は、太陽熱集熱器２と蓄熱槽６の温度差が所定値未満になると集熱ポンプ７および貯湯ポンプ１１を停止させて終了する。

一方、暖房運転に関しては、高温・低温の各暖房端末Ｈａ，Ｈｂのコントローラ（図示せず）からの暖房要求を受け付けると、太陽熱集熱器２（太陽熱集熱器２を流れる熱媒）と暖房用熱媒の温度差が所定値以上（ただし、太陽熱集熱器２の温度＞暖房用熱媒の温度）であれば、三方弁８の暖房加熱循環回路Ｃ側を導通させるとともに集熱ポンプ７を作動させて暖房加熱循環回路Ｃ側に熱媒を供給し、さらに、補助熱源機５に対して暖房ポンプ５４を作動させる制御信号を送信するように構成される。また、その際、太陽熱集熱器２と暖房用熱媒の温度差が所定値未満であれば、補助熱源機５に対して暖房循環回路Ｄの加熱運転を指示するように構成される。

なお、本実施形態に示すソーラーシステムにおいては、このシステム本体４の制御部３０は、上述した給湯・暖房運転の制御に加えて、後述する継電器４０（図３参照）に対する接点の開閉制御を行うようにも構成されている。

一方、上記補助熱源機５は、蓄熱槽６内の温水の温度が給湯設定温度よりも低かったり、太陽熱集熱器２で加熱・昇温された熱媒の温度が暖房用熱媒の加熱に必要な温度よりも低かったりするような場合に、給湯用の温水や暖房用熱媒を所定の温度まで加熱・昇温させるために設けられた加熱装置であって、本実施形態では、この補助熱源機５としてガスまたはオイルを燃料とする周知の態様からなる燃焼式の熱源機が使用される。

図示の補助熱源機５は、給湯、暖房、風呂追い焚きの各機能を備えた給湯暖房熱源機で構成され、給湯用の湯水の出入口として給湯用入水部５１ａ及び給湯用出水部５１ｂと、暖房用熱媒の出入口として暖房用入水部５２ａ及び暖房用出水部５２ｂと、風呂追焚用の湯水の出入口として追焚用入水部５３ａ及び追焚用出水部５３ｂとを備えている。

具体的には、この補助熱源機５は、給湯用入水部５１ａと給湯用出水部５１ｂの間に図示しない給湯用の加熱手段を備えており、上記給湯往き管２１から給湯用入水部５１ａに供給される湯水を給湯用の加熱手段によって加熱・昇温させて、給湯出水部５１ｂから給湯管２８を介してカランなどの先栓（図示せず）に供給できるように構成されている。また、暖房用入水部５２ａと暖房用出水部５２ｂの間にも図示しない暖房用の加熱手段が備えられ、上記暖房往き管２７から暖房用入水部５２ａに供給される暖房用熱媒を暖房用の加熱手段によって加熱・昇温させて、高温暖房端末Ｈａには高温往き管２９ａ、低温暖房端末Ｈｂには低温暖房往き管２９ｂを介して各暖房端末Ｈａ，Ｈｂに供給できるように構成されている。さらに、風呂追焚用入水部５３ａと風呂追焚用出水部５３ｂの間にも図示しない風呂追焚用の加熱手段が備えられ、風呂Ｆから供給される湯水を風呂追焚用の加熱手段によって加熱・昇温させて風呂Ｆに戻せるように構成されている。

これに関連して、本実施形態では、補助熱源機５の内部に暖房循環回路Ｄにおいて暖房用熱媒を循環させるための暖房ポンプ５４が備えられるとともに、風呂追焚循環回路Ｅにおいて風呂Ｆの湯水を循環させるための風呂ポンプ５５が備えられている。なお、本実施形態では、これら暖房ポンプ５４および風呂ポンプ５５には、交流電源を駆動電源とする循環ポンプが使用される。

図中の符号５６は、補助熱源機５の制御部を示しており、この制御部５６は、補助熱源機５の各部を制御するための制御装置であり、制御用の各種プログラムやデータを備えたマイコンを有して構成されている。そして、補助熱源機５の各部に配設された各種センサ類（図示せず）からの検知信号や、上述したシステム本体４の制御部３０から与えられる制御信号等に基づいて補助熱源機５の動作を制御し、上述した給湯運転や暖房運転が行われるように構成されている。

本実施形態では、この補助熱源機５の制御部５６に操作装置（リモコン）５７が設けられている。この操作装置５７はソーラーシステム１のリモコンを構成するもので、ソーラーシステム１に対する各種操作指令を入力するための操作部（図示せず）とソーラーシステム１の状態等を表示する表示部（図示せず）とを主要部として備えている。そして、この操作装置５７は、たとえば、台所や居間などユーザが利用しやすい適所に配設され、この操作装置５７を介して給湯設定温度の設定操作などが行えるようにされている。

上記太陽電池３は、ソーラーシステム１で消費される電力の一部を賄うために設けられた発電手段であって、この太陽電池３は日射に伴う光起電力を利用して発電を行う周知の態様の太陽電池で構成されている。そして、この太陽電池３も上記太陽熱集熱器２と同様に、屋上など日当たりのよい適所に配設される。

しかして、このように構成されたソーラーシステム１において、本発明ではソーラーシステム１に備えられる各種の電気負荷が、それぞれその用途に応じて、太陽電池３のみを駆動電源とする第１負荷と、太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類されている。

そして、第１負荷に分類された電気負荷に対しては太陽電池３のみから電力供給が行なわれるように構成される。また、第２負荷に分類された電気負荷に対しては、太陽電池３から第１負荷に対して電力供給をしたときに生じる余剰電力が供給されるように構成される。つまり、第２負荷は太陽電池３の発電量に余剰電力があるときに太陽電池３からの電力の供給を受けるように構成され、太陽電池３の発電量に余剰電力がなければ商用電源から電力供給を受けるように構成されている。また、その際に、第２負荷に分類される電気負荷が複数ある場合には、それら複数の電気負荷同士の間に、太陽電池３による電力供給を優先的に行うための優先順位が設定され、この優先順位に従って、優先順位の高い電気負荷から順に優先的に太陽電池３の余剰電力が供給されるように構成されている。

そのため、本発明を適用したソーラーシステム１においては、太陽電池３で発電された電力の殆どが第１負荷及び第２負荷に分類された電気負荷によって消費されるように電気負荷の分類分けを行うことで、太陽電池３の発電量相当分だけ商用電源の電力消費が抑制される。

なお、この電気負荷の分類にあたっては、後述するように、第１負荷に分類される電気負荷は集熱ポンプ７などの一定の電気負荷に限定するのが好ましく、それにより、大型の（発電量の大きい）太陽電池を用いることなく本発明を実施することができる。つまり、太陽電池３として発電量の多い大型の太陽電池を用いればその分だけ商用電源の電力消費も抑えられるが、大型の太陽電池は高価であり、また、その設置に係るコストも高額となることからシステムの導入コストが大幅に上昇するという問題を招くので、本発明の実施にあたっては、発電量が数Ｗ乃至は十数Ｗ程度の安価かつ施工容易な小型の太陽電池を用い、それに見合う範囲で（つまり、少なくとも太陽電池３の発電量を超えないように）上記第１負荷に分類される電気負荷を設定する。

これに対して、第３負荷に分類された電気負荷に対しては商用電源のみから電力供給が行われるように構成される。つまり、この第３負荷には天候などの日射の状況に左右されずに安定した電力供給が行なわれる。そのため、この第３負荷にはソーラーシステム１の品質や安全に影響を及ぼすおそれのある電気負荷が優先的に振り分けられるとともに、太陽電池３の発電量との関係で第１負荷や第２負荷に分類しなかった電気負荷は全てこの第３負荷に分類される。

図２は、電気負荷の分類分けの一例を示す説明図である。この図示例は、上述した手法に従って分類分けした一例を示すものであり、この図示例では、ソーラーシステム１のうち、集熱ポンプ７のみが上記第１負荷に分類され、貯湯ポンプ１１、暖房ポンプ５４及び風呂ポンプ５５が上記第２負荷に分類される。そして、この第２負荷同士の間では、上記風呂ポンプ５５は、貯湯ポンプ１１および暖房ポンプ５４に対して優先順位が低く設定されている。また、品質面や安全面を考慮して、少なくとも上記混合弁１６とシステム本体４の制御部３０及び補助熱源機５の制御部５６（操作装置５７も含む）は上記第３負荷に分類される。なお、その他の電気負荷はいずれも第３負荷に分類される。

ここで、集熱ポンプ７は、ソーラーシステム１の施工時や施工後のメンテナンス時における試運転（試験的に行う集熱ポンプ７の強制作動）のときのみ第２負荷に分類され、試運転後の通常の使用状態のときは第１負荷に分類される（図２参照）。これは、通常の使用状態（試運転時以外の状態）において集熱ポンプ７が作動するのは、日射による太陽熱によって太陽熱集熱器２の熱媒の温度が上昇している場合（つまり、太陽電池３での発電が可能な日射がある場合）に限られ、しかもその作動時間が比較的長時間となることから、通常の使用状態では太陽電池３による電力を優先的に使用し、商用電力の消費を抑制するためである。これに対して、試運転時において集熱ポンプ７を作動させる場合には必ずしも太陽電池３で発電を行うのに十分な日射があるとは限らないので、試運転時には集熱ポンプ７を第２負荷として分類し、太陽電池３の発電量が不足するときには商用電源で集熱ポンプ７を作動できるようにするためである。

また、貯湯ポンプ１１および暖房ポンプ５４を第２負荷に分類したのは、これらは日射の影響等によって太陽電池３の発電量が変動するなどしてその動作が一時的に不安定になったとしても給湯性能や暖房性能が大きく損なわれることがなく、その変化をユーザが体感することはないと考えられるからである。また、同じ第２負荷に分類される風呂ポンプ５５の優先順位をこれらに対して低く設定したのは、風呂追焚時に使用する風呂ポンプ５５が作動するのは主として日射のない夜間であり、しかもこの風呂ポンプ５５には通常大能力の（消費電力が多い）ポンプが使用されるからである。なお、このような理由から、この風呂ポンプ５５は、貯湯ポンプ１１または暖房ポンプ５４の少なくともいずれか１つに対して優先順位が低く設定されていればよい。特に、上記太陽熱循環回路Ａを循環する熱媒を利用して蓄熱槽６内の湯水を直接的に加熱する内部熱交方式を採用する場合、貯湯ポンプ１１は集熱ポンプ７によって兼用されるので、このような内部熱交方式の場合には、上記風呂ポンプ５５はその優先順位が暖房ポンプ５４よりも低く設定される。

さらに、混合弁１６とシステム本体４の制御部３０及び補助熱源機５の制御部５６を第３負荷に分類したのは、混合弁１６は給湯の品質に直接影響を与える部品であり、安定した制御が求められるからであり、また、制御部３０及び制御部５６はいずれも運転制御や各部の監視が常時求められるからである。

図３は、このような電気負荷の分類分けに応じて各電気負荷に電力を供給するための回路構成の一例を示す概念図である。この図３に示すように、太陽電池３のみを駆動電源とする第１負荷に分類される電気負荷（図示例では集熱ポンプ７）は、継電器４０を介して太陽電池３から直接電力供給を受けるように構成される。つまり、第１負荷に対しては、制御部３０が継電器４０の接点を制御（接点の開閉制御）することにより、太陽電池３からの電力が直接供給されるように構成される（なお、本実施形態では集熱ポンプ７はその試運転時には第２負荷に分類されるので、図示例のように後述する第２負荷と同様に電源切換装置４１を介して電力供給を受けることもできるように構成される（図中の鎖線参照））。

ここで、本実施形態では第１負荷に分類される集熱ポンプ７には直流電源を駆動電源とする循環ポンプが採用されているので、太陽電池３で発電された電力（直流）は、後述する第２負荷のようにインバータ４２を介することがないので、インバータによるロスがなく効率よく第１負荷に電力が供給される。なお、第１負荷として交流電源を駆動電源とする電気負荷を用いる場合には、インバータを介して太陽電池３からの電力を供給するように構成される。

これに対して、太陽電池３または商用電源ＣＰを駆動電源とする第２負荷については電源切換装置４１を介して太陽電池３または商用電源ＣＰから電力が供給されるように構成される。

具体的には、この電源切換装置４１には、商用電源ＣＰ側から所定の交流電源（たとえばＡＣ１００Ｖ）が供給されるとともに、太陽電池３側からもインバータ４２を介して商用電源ＣＰと同じ仕様の交流電源（たとえばＡＣ１００Ｖ）に変換された電力が供給される。なお、第１負荷に分類された電気負荷に対して太陽電池３から電力を供給しているときは、第１負荷で消費できなかった余剰電力がインバータ４２を介して供給される。

そして、この電源切換装置４１は、太陽電池３の出力状態（発電量）を検出する出力検知手段（図示せず）を備えており、この出力検出手段の検知状態に基づいて、第２負荷に分類された電気負荷（図示例では、貯湯ポンプ１１、暖房ポンプ５４及び風呂ポンプ５５）に対して、太陽電池３側からの電力と商用電源ＣＰ側からの電力とを切り替えて供給する。

すなわち、出力検出手段の検知状態に基づいて、第２負荷に対して太陽電池３からの電力供給が可能である（余剰電力がある）と判断した場合は、貯湯ポンプ１１などの第２負荷に対して太陽電池３側からの電力を供給する。その際、出力検出手段の検知状態（余剰電力の電力量）に応じて、優先順位の高い電気負荷から順に太陽電池３側の電力を供給し、余剰電力を分配できない優先順位の低い電気負荷（たとえば、風呂ポンプ５５）に対しては商用電力ＰＣ側からの電力を供給する。

なお、このように電源切換装置４１を介して電源の切り替えを行うように構成した場合、商用電源ＣＰ側への逆潮流が生じるおそれがあるので、本実施形態では、商用電源ＣＰ側に逆潮流防止装置４３と電流監視回路４４とを設け、逆潮流が発生すると逆潮流防止装置４３で電力を消費するように構成される。また、太陽電池３側には、余剰電力制御装置４５と蓄電池４６とを設けて、第１負荷や第２負荷で消費されない電力があるとき（たとえば、第１負荷及び第２負荷の双方が作動していないときなど）には、余剰電力制御装置４５がそれを検知して太陽電池３で発電された電力を蓄電池４６に蓄電させるように構成される。

一方、商用電源ＣＰのみを駆動電源とする第３負荷については、電源切換装置４１を介することなく商用電源ＣＰから直接電力が供給されるように構成される。なお、この第３負荷については、図示のように商用電源ＣＰから直接電力を供給するように構成することも可能であるが、たとえば、電源切換装置４１を介して商用電源ＣＰから電力を供給するように構成しておくことも可能である。つまり、この場合、電源切換装置４１は、第３負荷に分類された電気負荷に対して太陽電池３側からの電力を供給しないように設定される。

なお、上述した実施形態はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなくその範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、上述した実施形態では、補助熱源機５を備えたソーラーシステム１について説明したが、本発明は、複数の電気負荷を備えたソーラーシステムに適用されるものであるから、補助熱源機５を備えていないソーラーシステムにも適用可能である。また、同様に、暖房機能や風呂追焚機能を有さない補助熱源機５を備えたソーラーシステムにも適用可能である。さらには、暖房機能は補助熱源機５により実現するようにし、三方弁８と暖房加熱循環回路Ｃと熱交換器２５を備えない構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、システム本体４と補助熱源機５とを別ユニットとして構成した場合を示したが、これらを１つのユニット（筐体）に収容するように構成することも可能である。なお、その場合、システム本体４の制御部３０と補助熱源機５の制御部５６を１つの制御装置にまとめることも可能である。

また、上述した実施形態では、蓄熱槽６内の湯水の加熱・昇温に関して外部熱交方式を採用した場合について示したが、蓄熱槽６内にコイル状の熱交換器を配置するなどして太陽熱循環回路Ａを循環する熱媒を利用して蓄熱槽６内の湯水を直接的に加熱・昇温させる内部熱交方式のソーラーシステムにも本発明は適用可能である。さらに、蓄熱槽６内の水は上水に限定されず、他の熱媒とし、この熱媒の熱を一般給湯や暖房などの様々な熱負荷に供給するように構成することもできる。

また、上述した実施形態では、商用電源ＣＰ側に逆潮流防止装置４３を設けた場合を示したが、第１負荷、第２負荷で消費しきれない電力がある場合には、当該余剰電力を電力会社に売電できるような構成を採用することも可能である。

本発明に係るソーラーシステムの一例を示す概略構成図である。 同ソーラーシステムにおける電気負荷の分類分けの一例を示す説明図である。 同ソーラーシステムにおいて各電気負荷に電力を供給するための回路構成の一例を示す概念図である。

符号の説明

１ ソーラーシステム
２ 太陽熱集熱器
３ 太陽電池
４ システム本体
５ 補助熱源機
６ 蓄熱槽
７ 集熱ポンプ
９ 熱交換器
１１ 貯湯ポンプ
１６ 混合弁（給湯用の出湯混合弁）
１８ 給水管
２８ 給湯管
３０ 制御部
４１ 電源切換装置（出力検知手段）
５４ 暖房ポンプ
５５ 風呂ポンプ
５６ 補助熱源機の制御部
Ａ 太陽熱循環回路（第１循環回路）
Ｂ 沸上循環回路（第２循環回路）
Ｃ 暖房加熱循環回路
Ｄ 暖房循環回路
Ｅ 風呂追焚循環回路

Claims (6)

1. 太陽熱集熱器に太陽電池を併設したソーラーシステムであって、複数の電気負荷を備えたものにおいて、
   前記複数の電気負荷は、それらの用途に応じて、前記太陽電池のみを駆動電源とする第１負荷と、前記太陽電池又は商用電源を駆動電源とする第２負荷と、商用電源のみを駆動電源とする第３負荷とに分類されていることを特徴とするソーラーシステム。
2. 前記第２負荷に分類される電気負荷として複数の負荷が備えられ、それら第２負荷に分類される複数の電気負荷の間には、前記太陽電池による電力供給を優先的に行うための優先順位が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシステム。
3. 前記第２負荷には、少なくとも、蓄熱槽内の水を加熱するための循環回路に備えられる貯湯ポンプと、暖房用熱媒を循環させるための暖房循環回路に備えられる暖房ポンプと、風呂追焚用の風呂追焚循環回路に備えられる風呂ポンプとが備えられ、
   前記風呂ポンプは、前記貯湯ポンプまたは前記暖房ポンプの少なくともいずれか１つに対して前記優先順位が低く設定されていることを特徴とする請求項２に記載のソーラーシステム。
4. 太陽熱集熱用の熱媒を循環させる第１循環回路と、その第１循環回路の熱媒を強制循環させる集熱ポンプと、蓄熱槽の水を外部に取り出して循環させる第２循環回路と、その第２循環回路の水を強制循環させる貯湯ポンプと、前記第１循環回路を流れる熱媒と前記第２循環回路を流れる水との間で熱交換を行わせる熱交換器とを備えたソーラーシステムにおいて、
   前記集熱ポンプが前記第１負荷に、前記貯湯ポンプが前記第２負荷に分類され、
   前記太陽熱集熱器と前記蓄熱槽の温度差が所定値以上の場合に、前記集熱ポンプを作動させるとともに、
   前記太陽電池の出力状態を検出する出力検知手段の検知状態に基づいて、前記太陽電池からの電力供給が可能であると判断された場合は、前記貯湯ポンプにも前記太陽電池からの電力を供給することを特徴とする請求項１に記載のソーラーシステム。
5. 前記第３負荷には、少なくともソーラーシステムの制御部と給湯用の出湯混合弁とが含まれることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のソーラーシステム。
6. 前記ソーラーシステムが補助熱源機を備え、この補助熱源機に備えられる各種電気負荷が上記第１乃至第３負荷のいずれかに分類されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のソーラーシステム。

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