JP2010502022A - ソーラー設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のソーラー設備の経済性を持続的に保証されるように改良する。
【解決手段】 本発明は水平に対して傾いて調整された太陽光発電ソーラーモジュール（１）の装置を有するソーラー設備にして、上記ソーラーモジュールが照射面（２）で太陽へ向けられているソーラー設備に関しており、上記課題は上記ソーラー設備が、ソーラーモジュール（１）の照射面（２）に形成され環境に対して開放して流れる特には水からなる液体フィルム（４）をもたらすために設けられているフロー設備（３）を有する、ことにより解決される。

Description

本発明は請求項１の前提部分の特徴を有するソーラー設備に関するものである。

太陽光発電ソーラーモジュールを有するソーラー設備は、太陽光が入射する状態で、電気エネルギーを発生する。上記電気エネルギーは直接消費者又は公共の送電網へ提供することが出来る。太陽光エネルギーは確かに無料で利用できるが、しかしながら、今日既知の太陽光発電ソーラーモジュールの低い効率は高い投資コスト及び保全費用を要する。それは太陽光発電ソーラー設備の経済性を制限する。特に、地理学的及び気象学的に制限され限られた日照時間のみが利用可能である高緯度では、比較的大きな、コストの大きいソーラー設備が、所望の平均的な電気エネルギーを獲得するために、必要とされている。

効率を高めるため、そしてそれによりコストを下げるため、多数の対策が知られている。例えば、限定された大きさのソーラーモジュールを、水平方向及び垂直方向に向きを変えることや太陽の位置に追従させることが出来る。これにより、ソーラーモジュールの照射面上へ、太陽光照射の少なくとも近似的に直角な入射が保証される。

しかしながら、風負荷及びその他の影響が、回動可能に設計されるソーラーモジュールの大きさを制限する。例えば建物の屋根の上の大面積の設備の場合、南の方角へ傾けられた屋根勾配がソーラーモジュールの組み立てのために利用される。水平方向に対して傾斜した調整は、少なくとも平均して所望の垂直な照射から過度にはずれない太陽光照射をもたらす。

電流効率の対するその他の制限因子として、モジュール温度の上昇の際の効率損失が知られている。それゆえ、従来技術から知られている複数の装置では、水を循環することによるソーラーモジュールの能動冷却が提案される。ソーラーモジュールの背面又は内部に冷却コイルが配設されており、上記冷却コイルには水が還流され、そして、上記冷却コイルは効率を高めるためにソーラーモジュールの駆動温度を下げる。更に、ソーラーモジュールの照射面が透明なプレートにより覆われている装置も知られている。透明なプレートとソーラーモジュールの間には冷却水が通流される。しかしながらこの際冷却効果は特に、太陽光線がソーラーモジュールへ衝突する前に冷却水の層を通過して突き進まなければならないことにより、制限されている。太陽光線の一部は、一方ではソーラーセル内へのエネルギー入力を減少すること、又、他方では冷却水を追加的に温めることによって、吸収される。

全ての既知の太陽光発電ソーラー設備において共通していることは、上記設備が天候にさらされており、それにより表面の汚れ及び磨耗が生じることである。効率を維持するためには、大きな労力を要するソーラーモジュールの表面の定期的なクリーニングが不可欠である。しかしながら、綿密にクリーニングした場合でも、環境条件による表面劣化は甘受されなければならない。上記表面劣化は時間経過とともに効率を低下させ、それにより、ソーラー設備の経済性を低下させる。

本発明の課題は、従来のソーラー設備を、その経済性が持続的に保証されるように、改良することである。

上記課題は、請求項１に記載の特徴を有するソーラー設備によって解決される。

ソーラー設備がフロー設備を有することが提案される。上記フロー設備は、ソーラーモジュールの照射面上に形成され、環境に対して開放した流動性のある、特に水からなる、液体フィルムをもたらすために、設けられている。ガラスカバー又はそれに類似のものを放棄した状態で、流動性の液体フィルムが薄層としてソーラーモジュールの照射面を覆い、汚れが付着することを防ぐ。埃又はそれに類似のものは、液体フィルムのよって運び去られる。埃っぽい風又はその他の環境条件は、液体フィルムを用いてソーラーモジュールの照射面から遮断され、それにより表面劣化が防がれる。それだけでなく、透明なカバーを放棄することは、光の透過性を高める。液体フィルムはソーラーモジュールに対して冷却的に作用する。それは開放した液体フィルムのある程度大きく特徴付けられた揮発速度（蒸発率）により蒸発冷却の形で促進される。全体として、ソーラー設備の効率及びそれに伴う経済性は明らかに向上し、高いレベルで持続的に保証される。

好ましい実施例では、均質な液体フィルムを形成するための手段が、特に、液体フィルム中の界面活性剤及び／または照射面の表面構造化の形で、設けられる。界面活性剤、及び／または、さめ肌構造化或いはロータス効果構造化（ハス効果構造化）は、水滴又は流れの単独の先端部が形成されることを防ぐ。非常に薄く、光の透過性が非常に高い液体フィルムをもたらすことが出来る。上記液体フィルムはソーラーモジュールを全面的に絶え間なく覆う。

合目的な実施では、複数のソーラーモジュールは共に、持続性で透明なフィルム（Folienbahn）によって覆われている。それは、閉じられた液密な表面をもたらす。その外側表面上を液体フィルム(Fluessigkeitsfilm)が流れる。フィルムは、液体フィルムに対するソーラーモジュールの密閉の他に、表面のスムージングをもたらす。ソーラーモジュールの滑らかさ及び密閉性に関して、表面処理のための追加的な措置を放棄することが出来る。上記装置は構造が簡潔でそして効果が大きい。

好ましい実施では、ソーラーモジュールの装置の上縁の領域には、少なくとも近似的に閉じたフラットノズルの列が、液体フィルムを形成するための液体のために配設されている。フラットノズルから出る際、液体は既に少なくとも近似的に所望の流れる液体フィルムの形状を有する。液体流のための追加的な分配措置或いは交替措置（切替措置）を放棄することが出来る。

ソーラーモジュールの装置の下縁の領域には、有利には液体フィルムの液体のための収容溝が設けられている。そこで集められた液体を、特に閉じた液体循環に供給すること及び上部ノズルへ向かってポンプにより送出することが出来る。水或いは液体の消費量は、蒸発による損失又はそれに類似のものの補償に制限される。

有利には、閉じた液体循環内には、特に液体フィルムの液体を選択的に冷却又は過熱するための熱交換機が配設されている。強い太陽光が入射する場合及びそれに付随してソーラーモジュールが熱せられる場合、液体フィルムの蒸発冷却（Verdunstungskaelte）は、熱交換機を用いた追加的な冷却によって促進される。冷たい環境条件では、特に冬では、逆に液体循環の加熱を行うことが出来る。上記加熱は少なくとも、加熱された液体フィルムがソーラー設備を雪及び氷のない状態で維持する程度の強さで、特徴付けられている。単なる不凍機能だけでなく、設備が晴れた寒い日においても適切な電気出力を供給することで保証されている。

有利な実施形態では、熱交換機の２次循環は水を含んでおり、その際上記２次循環の水は、特にはプールの形態の、熱リザーバとして利用される貯水槽を通って、案内されている。太陽光が十分に照射する場合、本発明に従うソーラー設備は、電気エネルギーに加えて熱エネルギーも生み出す。上記熱エネルギーはフロー循環から取り出され、貯水槽に保存される。例えばプールにおいて与えられるように、貯水槽内の水量が十分に多い場合、大きな熱量を保存することが出来る。この熱量を、例えば水道水（生活用水、工業用水）による任意の利用に供給したり、又は、温水プールにとしての利用のために供給したり出来る。特に、保存された熱量は、寒い日に本発明に係る設備を氷のない状態で維持するために適している。

効率を更に高めるために、有利にはソーラーモジュールの装置の角度を水平に対して調整する手段が設けられている。上記手段は特に、ニューマチックシリンダ又は液圧シリンダ、スピンドルドライブ又はそれに類似の形態をしている。水平に対して傾斜角度を調節するだけで、太陽位置での追従をもたらすことが出来る。上記追従は、垂直入射に対する平均的な角度誤差を減らす。四季に起因する太陽位置の変動を補うことが出来る。水平方向の移行を放棄した状態では、特に建物の屋根を覆うのに適した、大面積設備を作り上げることも出来る。

ソーラー面が非常に大きい場合でも風負荷又はそれに類似のものに対して十分な頑丈さを保証するために、合目的には、ヒンジ装置が第１の建物縁の領域にそれに沿って配設されている。その際、角度を調節するための手段は反対側に存する第２の建物縁の領域に設けられている。これは一方では傾斜調整を可能にし、他方では使用可能な屋根面の大面積の利用を可能にする。ここで、有利には、建物の屋根は片流れ屋根として設計されており、その屋根面は太陽側に向かって傾けられている。この際、少なくともほぼ建物の全敷地、又は、それどころか、対応する突出部を用いてさらにより大きな面が、ソーラーモジュールにより覆われる。これは、投資コストが得ようと努められるソーラー面に不足比例（unterproportional）して増加するという事実を、説明する。使用可能な建物の敷地面積は最大限に利用されており、それによって装置の経済性は高められている。

水平方向に対するソーラーモジュールの装置の角度は有利には２０°以上９０°以下の範囲で調整可能である。中央ヨーロッパの緯度では、角度範囲は合目的には２５°以上４５°以下の範囲にある。これは、所望の太陽光照射角度と、例えば風負荷又はそれに類似のものといった構造上の見地の間の、適度な折り合いとして明らかになった。それだけでなく、およそ２０°から２５°の下限の枢動角度はソーラー設備の下部を開放空間のままにする。上記開放空間を設備コンポーネントのため、並びに、メンテナンス作業或いは修理作業のために、利用することが出来る。

本発明の実施例は以下において図を用いてより詳細に記載される。

片流れ屋根、及び、フロー設備を備える取付けられた太陽光発電ソーラー設備、を有する家の斜視概略図である。 フロー設備の水循環の細部、及び、熱リザーバの蓄熱のための２次循環の細部、を有する図１に従う装置の側面図である。

図１は、建物１８の斜視概略図を示す。その屋根１７は図示される実施例の場合は片流れ屋根として設計されている。切妻屋根又はそれに類似のものもまた合目的でありえる。建物１８は北半球にある。片流れ屋根１７の屋根面は少なくとも近似的に南に向かい日中の日差しに対して調整されている。これに相応して、南半球では北に向かう調整が想定されるべきである。片流れ屋根１７には、方位に対する同様の調整とともに、支持体構造２２が配設されている。上記支持体構造はその底面では少なくとも近似的に片流れ屋根１７の屋根面に適合する。

支持体構造２２はソーラー設備の一部であり、支持体構造２２の平面に配設された複数の太陽光発電ソーラーモジュール１を支持する。上記モジュールはそれらの側では互いに相互接続されたソーラーセル３１を含んでいる。支持体構造２２を用いて建物１８の屋根１７上に取付けられる、ソーラーモジュール１の装置は、水平に対して角度αで傾けられている。上記角度αは、以下でより詳細に記載する方法で、下限角度α_１から上限角度α_２の角度範囲で調節可能である。それにより、ソーラーモジュール１の照射面２は、少なくとも日中運転の大部分で太陽に向けられている。

ソーラー設備はフロー設備３を有する。上記フロー設備は、ソーラーモジュール１の照射面２に形成され、環境に対して開放して流れる液体フィルム４をもたらすために設けられている。液体フィルム４を形成するために、図示された実施例では水が選ばれている。上記水にはその流れを均一にするために界面活性剤が混合されている。液体フィルム４は、示唆されて示された閉じた液体循環１１の一部である。ソーラーモジュール１の装置の上縁７の範囲では、少なくとも近似的に閉じられたフラットノズル８の列が配設されている。フラットノズル８から、界面活性剤を有した水が、ソーラーモジュール１の照射面２上へ運ばれる。ソーラーモジュール１の照射面２を完全に覆い、重力の影響でソーラーモジュール１の装置の下縁９の方向へ流れる液体フィルム４が形成される。そこでは液体フィルム４の水は収容溝を用いて収容され、閉じた液体循環１１に関してフラットノズル８へ戻される。

液体フィルム４は環境に対して開放されており、それゆえ覆われていない。埃やそれに類似もののような、環境からもたらされる汚れは、液体フィルム４を用いて収容溝１０へ運び去られ、また、それを例えば非図示のフィルターによって、閉じた液体循環１１からフィルター除去することが出来る。同時に液体フィルム４は、磨耗性の環境条件に対し、太陽光発電ソーラーセル３１を有するソーラーモジュール１のための保護機能を実行する。それだけでなく、液体フィルム４を環境に対して開放して形成することは、液体フィルム４を冷却する揮発速度をもたらす。閉じた液体循環１１には更に示唆されて示された熱交換器１２が設けられている。上記熱交換器は同様に水或いは液体フィルム４の冷却をもたらす。冷却された液体フィルム４はソーラーセル３１を冷却し、それによりそれらの電気的効率を向上させる。

均一な液体フィルム４を形成するためのその他の手段として、更に、示唆されて示される照射面２の表面構造化５が想定される。これは図示された実施例では、閉じた液密なしかしながら光透過性のフィルム６の外側に適用されている。それは例えばさめ肌構造化及びロータス効果構造化で設計されていてもよい。また、それは非常に薄い形成の場合でも液体フィルムが裂けることを避ける。フィルム６は図示された実施例では全面で全てのソーラーモジュール１を覆う。例えば互いに溶接された又は貼り付けられており、そしてソーラーモジュール１の装置を全面で覆う、複数の細いフィルム６の装置もまた合目的であり得る。フィルム６はソーラーモジュール１へ直接載っており、その外側で上から下へと流れる液体フィルム４をソーラーモジュール１から隔てている。

図２は、図１の建物１８の概略側面図を示している。同一の部材には同一の符号が与えられている。ソーラーモジュール１のための支持体構造２２は、ヒンジ装置１９を用いて第１の建物縁２０に枢動可能に固定されている。ヒンジ装置１９の枢動軸は第１の建物縁２０に沿って延びている。第１の建物縁２０は、斜めに傾いた片流れ屋根１７の下端領域に存する。しかしながら、ヒンジ装置１９は敷居３２を用いて片流れ屋根１７の屋根面に対して持ち上げられている。反対側に存する、片流れ屋根１７の上部領域の第２の建物縁２１は、水平に対するソーラーモジュール１の装置の角度αを調整するための手段１５を支持する。上記手段１５は、図示された実施例では、液圧シリンダ１６として形成されている。ニューマチックシリンダ（空気圧シリンダ）、スピンドルドライブ又はそれに類似のものもまた合目的であり得る。液圧シリンダ１６の上端は、支持体構造２２の割り当てられた縁に固定されている。液圧シリンダ１６の出入りによって、支持体構造２２はその上に固定させているソーラーモジュール１も含めてヒンジ装置１９の枢動軸の周りで枢動される。その際調節される水平に対するソーラーモジュール１の装置の角度αは、有利には２０°以上９０°以下の範囲で調節可能である。図示される実施例では、上記角度範囲は、下限角度α_１が２５°、上限角度α_２が４５°の間で限定されて調節可能である。

敷居３２及び液圧シリンダ１６の最短長さにより、支持体構造２２と片流れ屋根１７の間には、中間空間が残る。上記中間空間は、フロー設備３のシステムコンポーネント並びにメンテナンス作業及び修理作業のために利用することが出来る。

図２の側面図からは、パイプライン２３が収容溝１０から始まり、熱交換機１２を通って案内されており、そして、分配器２４で終端することが見て取れる。分配器２４からはフレキシブルなチューブライン２６が始まる。上記チューブラインは個々のフラットノズル８（図１）へ流入する。熱交換機１２の下流には、ポンプ２５が配設されている。上記ポンプは収容溝１０で集められた液体を熱交換機１２を有するパイプライン２３を通過して運び、そして、フラットノズルへポンプ送出する。そこで流れ出る液体は液体フィルム４を形成する。上記液体フィルムは、ソーラーモジュール１の照射面２上で重力の影響下で下方へと流れ、そして、再び収容溝１０にて閉じた液体循環１１の形成下で集められる。

熱交換機１２は、液体フィルム４の液体を選択的に冷却又は過熱するために設けられている。この際、２次循環１３が熱交換機１２を通って貫流されており、そこでは水が循環されている。２次循環１３の一部は、内部に水のストック３０を有する貯水槽１４並びに供給ライン２８及びリターンライン２９である。供給ライン２８にはポンプ２７が配設されている。上記ポンプは水のストック３０から水を吸上げ、熱交換機１２を通ってポンプ送出し、リターンライン２９を介して水のストック３０へ戻し運ぶ。熱交換機１２内では、フロー設備３の閉じた液体循環１１と２次循環１３の水の間で、熱変換が行われる。

水のストック３０は水道水（生活用水、工業用水）のストックでよい。図示される実施例では、貯水槽１４は水のストック３０のためのその貯蔵体積が１００ｍ^３以上あるプールである。強い太陽光入射を伴う温暖な環境条件下では、ソーラーモジュール１は照射の影響で熱くなる。その上を流れる液体フィルム４による熱変換を介して、液体フィルム４が熱くなる間に、ソーラーモジュール１は冷却される。液体フィルム４の水に保存された熱エネルギーは、熱交換機１２を用いて、２次循環１３の水へ移される。それにより、熱リザーバとして利用される水のストック３０は駆動温度に熱せられる。凍結リスクを伴う冷たい天候条件がソーラーモジュール１及び液体フィルム４の十分な加熱を導かない場合、熱交換機１２を、閉じた液体循環１１を加熱するために、逆に用いることも出来る。液体循環１１内での凍結を避けるため、並びに、ソーラーモジュール１を氷又は雪のない状態とするために、暖かい水を水のストック３０より熱交換機１２を通ってポンプで送出することが出来る。それによって、液体循環１１の冷たい水及びそれによる液体フィルム４は、十分な程度に熱せられる。補助的に、パイプライン２３、チューブライン２６並びにフロー設備３のその他のコンポーネントを、追加の過熱装置で熱すること、及び、凍結に対し保護することは、合目的であり得る。液体循環１１の液体を不凍剤とともに装備することもまた合目的であり得る。

水のストック３０からの熱エネルギーの選択的な供給（チャージ）又は取り出しは、確かに温度の変動を導く。しかし、例えばプールの場合に与えられるような十分に大きな体積では、そして、適切な断熱保護を用いて、上記水のストック３０内での温度変動をわずかに維持することが可能であり、それは少なくとも近似的に外部加熱装置なしでのプール営業のための年間を通しての利用が可能なほどである。

１ ソーラーモジュール
２ 照射面
３ フロー設備
４ 液体フィルム

Claims (12)

1. 水平に対して傾いて調整された太陽光発電ソーラーモジュール（１）の装置を有するソーラー設備にして、上記ソーラーモジュールが照射面（２）で太陽へ向けられているソーラー設備において、
   上記ソーラー設備がフロー設備（３）を有し、上記フロー設備がソーラーモジュール（１）の照射面（２）に形成され環境に対して開放して流れる特には水からなる液体フィルム（４）をもたらすために設けられていることを特徴とするソーラー設備。
2. 請求項１に記載のソーラー設備において、
   均一な液体フィルム（４）を形成するための手段が、特には液体フィルム（４）中の界面活性剤及び／または照射面（２）の表面構造化（５）の形で設けられていることを特徴とするソーラー設備。
3. 請求項１又は２に記載のソーラー設備おいて、
   複数のソーラーモジュール（１）が共に、持続性の透明なフィルム（６）によって覆われていることを特徴とするソーラー設備。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のソーラー設備において、
   ソーラーモジュール（１）の装置の上縁（７）の領域に、液体のためのフラットノズル（８）の少なくとも近似的に閉じた列が、液体フィルム（４）を形成するために、配設されていることを特徴とするソーラー設備。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のソーラー設備において、
   ソーラーモジュール（１）の装置の下縁（９）の領域に、液体フィルム（４）の液体用の収容溝（１０）が設けられていることを特徴とするソーラー設備。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のソーラー設備において、
   液体フィルム（４）が閉じた液体循環（１１）の一部であることを特徴とするソーラー設備。
7. 請求項６に記載のソーラー設備において、
   閉じた液体循環（１１）に、特に液体フィルム（４）の液体を選択的に冷却又は加熱するための熱交換機（１２）が配設されていることを特徴とするソーラー設備。
8. 請求項７に記載のソーラー設備において、
   熱交換機（１２）の２次循環（１３）が水を含んでおり、その際２次循環（１３）の水が熱リザーバとして利用される貯水槽（１４）を通って、特にプールの形態をした貯水槽を通って、案内されることを特徴とするソーラー設備。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のソーラー設備において、
   水平に対してソーラーモジュール（１）の装置の角度（α）を調整するための手段（１５）が、特にはニューマチックシリンダ又は液圧シリンダ（１６）、スピンドルドライブ又はそれに類似の形態で、設けられていることを特徴とするソーラー設備。
10. 請求項９に記載のソーラー設備において、
    ソーラーモジュール（１）の装置が建物（１８）の屋根（１７）に取付けられており、その際ヒンジ装置（１９）が第１の建物縁（２０）の領域にそれに沿って配設されており、また、角度（α）を調整するための手段（１５）が向かい側に存する第２の建物縁（２１）の領域に設けられていることを特徴とするソーラー設備。
11. 請求項９又は１０に記載のソーラー設備において、
    ソーラーモジュール（１）の装置が建物（１８）の片流れ屋根に取付けられていることを特徴とするソーラー設備。
12. 請求項９から１１のいずれか一項に記載のソーラー設備において、
    ソーラーモジュール（１）の装置の水平に対する角度（α）が、２０°以上９０°以下、好ましくは２５°以上４５°以下の範囲で調整可能であることを特徴とするソーラー設備。
    

Images