JP2010505049A - 太陽エネルギー収集装置 - Google Patents

Abstract

透明前面（２３）を含み、および入射太陽放射を吸収するように構成した熱吸収体（２７）を支持する、透明なポリカーボネート本体部（２１）を含んで成る、太陽エネルギー収集装置（２０）を提供する。熱吸収体（２７）は、流体コネクタ（２８）を介して循環流体システムに熱を伝導し、加えて吸収体（２７）上に取り付けられ、および電気コネクタ（２５、２６）によって電気ハーネスに接続される、太陽電池要素（２４）の温度を調節する。ポリカーボネート本体部（２１）は、標準的なタイルの一部を置換するように標準的なタイル屋根構造体と係合する相補的な縁の対になるプロファイル（３２、３３）を有し、補強部材ネジ（２９）によって屋根補強部材に通常固定される。

Description

背景
本発明は、太陽エネルギーを収集する装置、その装置を含むエネルギーシステム、およびその装置を利用して太陽エネルギーを収集する方法に関する。本発明は、（限定するわけではないが）家庭用および産業用の使用に対して、屋根に取り付けられる太陽エネルギー収集システムという特定の用途を有し、目的を説明するために、この用途に関して、本発明を更に詳細に説明する。本発明は、太陽エネルギーを収集する他の方法およびシステム（壁に設置するシステムおよび地面に設置する“広大な（ｂｒｏａｄ ａｃｒｅ）”システムを含む）における用途もあり得る。

先行技術
先行技術の装置に関する以下の例は、単なる公知の知識であり、当該技術分野における共通の一般的な知識の一部を成すものではない。

住居のような構造体の屋根の上に設置されるもの、太陽電池を介して太陽エネルギーを収集し、それを別の形態のエネルギーに変換して、湯水、電気などを供給するものを含め、広く多様な太陽エネルギーシステムが存在する。

多くのソーラーシステム設置屋根が、先行技術にて開示されている。一般的に太陽電池モジュールは、個々の太陽電池を相互接続して、相互接続した電池をラミネートして一体化した太陽電池モジュールにすることによって形成される。より詳細には、モジュールは、通常ポリマーまたはガラス材料で作られる堅く透明なカバー層、ならびにカバー材料および複数の相互接続した太陽電池に接着する透明な前方封止材を含んで成る。モジュールは、また、透明またはどのような色であってもよい後方封止材、モジュールの後方表面を保護する堅いバックスキン（ｂａｃｋｓｋｉｎ、裏側層）、モジュールの縁を覆う保護シール、およびシールを覆うアルミニウムで作られた周辺フレームを有して成る。フレームは、前方カバーがガラスで作られるとき、モジュールの縁を保護する。

フレームを取り付ける前に、モジュールを熱および圧力下でラミネートする。これらの条件が封止材料層を溶融し、隣り合う表面に結合させ、文字通り太陽電池を“封入する”。結晶シリコン太陽電池は通常もろいため、屋外での使用に際し、モジュールが機械的応力に晒されるとき、封止材は太陽電池を保護し、破壊を減らす役割を果たす。上記の説明から理解できるように、モジュールはかなり複雑な構造を有する。

もう１つの例では、米国特許第５，９８６，２０３号は太陽電池屋根瓦（またはタイル）およびその製造方法を開示している。その特許は前方支持層、透明封止材層、複数の相互接続した太陽電池およびバックスキン層を含んで成る太陽電池屋根瓦を開示している。前方支持層は光透過性材料で形成され、第１および第２表面を有する。透明封止材層を前方支持層の第２表面と隣り合うように配置する。相互接続した太陽電池は、透明封止材層と隣り合って配置される第１表面を有する。バックスキン層は、相互接続した太陽電池の第２表面と隣り合って配置される第１表面を有し、バックスキン層の一部が前方支持層の第１表面の周囲を包み込んで、接触して境界領域を形成する。

アモルファスシリコン太陽電池モジュールに対して、成形した熱可塑性材料のポリマーフレームが広く用いられる。射出成形反応を用いてよく、アモルファスシリコンモジュールの周囲にポリウレタンフレームを成形する。このようにして作られたモジュールは、アルミニウムフレームを用いて一般的に展開される５０〜８０ワットサイズ以上ではなく、小さい（例えば、５〜１０ワットサイズ）傾向がある。金型のコスト上昇および一体の取り付け穴を有する得られたポリマーフレームの強度限界のため、モジュールは小型化する傾向がある。

結晶シリコンモジュールにとって、バックスキン材料は一般的に非常にコストがかかる。広く用いられるバックスキン材料は２つあり、どちらも高価になる。最もよく使用される材料はテドラー（Ｔｅｄｌａｒ、商標登録）（ポリエステル／エチレンビニルアセテートのラミネート）であり、その他に広く用いられるバックスキン材料はガラスである。更に２つの材料層がモジュールの太陽電池とバックスキンとの間に配置され、製造コストを更に上げている。透明封止材と同じ材料（例えば、エチレンビニルアセテート）の後方シートを用いてよい。

アモルファスおよび結晶シリコンモジュールはどちらも、バックスキン材料の上に取り付けられる接合ボックスを含み、そこからすべての外部電気接続がなされる。

モジュールを取り付ける際の労働集約的作業は、ソーラー電気のトータルコストを非常に高め得る。モジュールは組み立て用のネジ、ナットおよびボルトによってアルミニウムフレーム上の適切な取り付け穴に取り付けられる。しかしながら、太陽電池モジュールは他に電源が何もない遠隔地域にしばしば設置される。そのため、取り付け作業は、しばしば難しく、やっかいで、交通の便が悪い場所（例えば、荒涼な地形または屋根の頂上）においてハードウェアを取り付けることを含む。前記の議論から、太陽電池モジュールの製造はコストがかかり過ぎる傾向があり、また労働力も非常にかかり過ぎるので、コスト競争力のある太陽エネルギーを実現できないことが明らかである。先行技術は屋根タイルとして利用できる低コスト太陽電池モジュールを教示している。

米国特許第６，２９４，７２４号は、太陽電池要素、その太陽電池要素の受光表面側に設けた前表面部材、およびその太陽電池要素の裏表面側に設けた裏表面部材を含んで成る、太陽電池モジュールおよび発電装置について開示している。その前表面部材および裏表面部材は、取り外せる状態で接続されている。少なくとも前表面部材および太陽電池要素は密接する、または前表面部材は太陽電池要素と密接する固体層と密接する。

先行技術装置の他の例として、米国特許第６，４５３，６２９号は、発電用の太陽電池モジュールを有して成る屋根材を開示している。太陽光発電を行なう屋根材は、屋根上に斜めに設置される屋根材主本体部、および主本体部に固定される太陽電池モジュールを含んで成る。屋根材主本体部は、上に開いた凹部を有して成る。太陽電池モジュールは凹部に収納されて、固定される。屋根材主本体部は、軒側縁部を有する。この縁部は複数の排水溝を有する。各排水溝は軒側縁部の上方部と交差し、凹部に通じている。各排水溝の底面のレベルは、凹部の底面のレベル以下である。この構造を用いると、凹部に入った雨水は排水溝を介して排出される。雨水は軒側縁部の上方表面側を屋根タイルの傾き方向に沿って下方へ流れていくことで排水される。

太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池モジュールが知られている。建築用屋根材として使用され、屋根タイルの上に取り付けられるそのようなモジュールを用いる技術は、例えば日本特許出願公開第１０−８８７４１号公報、同第１０−１１５０５１号公報、および同第１０−３２５２１６号公報に開示されている。太陽電池モジュールは、接着剤で屋根材主本体部に直接接着することによって、屋根材主本体部に固定される。第２の固定方法は日本特許出願公開第１１−１９９９号公報に開示されている。屋根材主本体部は凹部を有し、太陽電池モジュールは接着剤で凹部の底面に接着され、太陽電池モジュールと凹部の内側周囲面との間にある隙間は、コーキング材で充填される。

そのような方法が抱える問題は、接着剤またはコーキング材料が簡単に劣化することであり、例えば太陽に晒されてその温度が上昇する、または風および雨に晒される屋根上の環境では特にそうである。もし、接着剤またはコーキング材料が劣化してひびを生じたら、雨水または埃がひびを通って、屋根タイル主本体部と太陽電池モジュールの間の隙間に入る可能性がある。

日本特許出願公開第１０−８８７４１号公報は、太陽電池モジュールがシンプルな屋根タイルの凹部に収容され、屋根タイルの反対側へ通じる貫通孔がシンプルな屋根タイルの軒側縁に形成される配置を開示する。

日本特許出願公開第１０−１１５０５１号公報にて開示される屋根タイルでは、太陽電池モジュールは凹部に収容される。この屋根タイルの軒側縁部の上側表面は、太陽電池モジュールの上側表面との間にほとんど段差を生じることなく、面一になるように形成される。左側および右側縁部では、屋根タイルの上側表面が太陽電池モジュールの上側表面から突出す。この先行技術には、雨水がスムーズに屋根タイル表面上を流れて、屋根タイルの凹部に入った雨水を排出するアレンジメントが記載されている。

現在の一体化太陽電池解決法によって用いられる一般的な方法は、ＰＶパネルに合うように周囲のタイルを切り取り、設置物を防水処理するために雨押えを取り付けることである。この方法は見た目が美しくないだけでなく、追加の作業および技術力を必要とし、完成させるためには人件費および材料費の両方が増える。

本発明
文脈が反対のことを意味していない限り、用語“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）” とその派生語は、非限定的に解釈すべきである。

一つの要旨において、本発明は、広くは太陽エネルギー収集装置に存し、その装置は、太陽エネルギーを収集する熱吸収体を支持する本体部、前記の本体部を基材と係合させるマウント（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）、および前記の熱吸収体を他の太陽エネルギー収集装置と機能するように一体化させて、太陽エネルギー収集システムを形成するように選択されたコネクタを含む。

基材は、屋根構造体または同等のものであってよい。例えば、本体部は、タイル張り（または瓦葺）屋根構造体の標準的なタイル（または瓦）と一体化するように構成されてよい。別の態様では、本体部は、屋根構造体または同等のものの上に取り付けられるように構成されてよい。本体部は、存在する屋根構造体の上に取り付けられてよい。更に別の態様では、本体部は、少なくとも一部において屋根クラッド（屋根仕上げ材）を置き換えてよい。

本体部は、吸収体を囲む透明前面を含んでよい。透明なポリカーボネート、アクリルまたは強化ガラスを用いて本体部を形成してよく、材料の最終選定は耐久性、透明度／紫外線安定性、曇り抵抗性および衝撃強靱性に基づいて行なう。透明な屋根クラッドおよび透明な天窓の用途として使用する際、例えばポリカーボネートは優れた材料であることが分かっており、波形の屋根板のような製品が太陽および風雨に絶えず晒される中、透明性および強靱性を維持する。従って、好ましい材料はポリカーボネートである。この材料は可撓性を有するため、設置業者が要素の中央部分を踏むような偶発事故が起きて、本体部が極端な荷重を受ける場合、要素の本体部はいずれのソーラー構成部品であっても壊れるより外へ飛び出るように筐体を形成できる。このことは、購入者を高額な交換部品から救い、設置業者が屋根クラッドを通り抜けて落下することを防ぐことを可能にする。ソーラー要素の本体部への据え付けは、簡単に 「スナップイン・スナップフィット」嵌めによってよい。

レンズおよび／または反射器を用いて、太陽光線の角度に対する変化に対応し、および／または集光器として機能できる。これらを、本体部の外側透明前面の中に組み入れる、またはそこに付け加えてよい。例えば前面は、プリズム部またはレンズ部のような一体化した集光要素を組み入れてよい。これらは使用に際して、前面の傾斜が緯度方向へ動くように構成してよい。屋根の傾斜が所定の緯度で、集光器にとって望ましい角度に近い場合、傾きに対して配置された一定のレンズ断面に対して、レンズ状集光器を配列させることは、集光器が日中の最も長い時間有効であることを意味する。前面は、反射を減らすように処理した外側表面を有してよい。前面内側表面は、反射性の内側表面であってよい。

本体部は、構造体の表面に対向して取り外し可能に係合する第１表面、および光線を集める第２の露出した集熱表面を有してよく、第１表面および第２表面は一緒に内部空間を規定する。本体部は、第１縁沿いの対になるプロファイルおよび対向する第２縁沿いの対応する対になるプロファイルを含んでよい。第１縁沿いの対になるプロファイルは雄プロファイルでよく、第２端沿いの対になるプロファイルは雌プロファイルであってよい。

マウントを、屋根タイルに取り付けるように適応させてよい。装置がタイル状要素の形態をとるとき、設置業者は、スチールおよびポリカーボネートの屋根クラッドを設置するために使用される屋根用ネジを用いてよく、各タイル要素を屋根補強部材に固定する。本発明に基づくポリカーボネートタイル要素は、１ｋｇと小さくでき、常套のコンクリートタイルよりもはるかに軽い。屋根用ネジを使用して固定してよく、屋根の表面上で強風が吹いてタイル要素が持ち上がることを防ぐ。

広帯域の太陽放射を吸収するように、熱吸収体を構成してよい。即ち、吸収体は熱力学的な黒体に近づくことが好ましい。熱吸収体は、温水槽のような蓄熱体の中の離れた熱交換器を有する回路のクーラント（熱的媒体）循環アレイを含んで成る吸収板を含んで成ってよい。システム圧力は、コネクタなどの仕様を減らすために制限されることが好ましく、この目的を達成するために、システムは吸収体の上にある蓄熱体と共に動作する、サーモサイフォンであることが好ましい。別の態様では、容積式システムが必要であり、これは最小圧力で作動し、漏出の危険を和らげることが好ましい。しかしながら、もし漏出が起こるならば、ウォーターシステムは、風雨に対する標準タイルをバックアップする屋根下見板／防湿層の上に設置されている。圧力または上部空間の流量をモニターすることで、漏出を検出できる。

熱吸収体を、ＰＶセルのような太陽電池要素と連結させることができる。熱吸収体を、入射太陽放射を吸収し、コネクタを介して循環流体システムに熱を伝えるように、適応させることができ、吸収体の上に太陽電池要素を取り付け、太陽電池要素の温度を調整する。太陽電池要素の光活性部と熱吸収体との間の界面は、少なくとも実質的に太陽電池要素の吸収バンド幅にわたって、太陽放射を反射するように選択できる。

本体部は、吸収体および太陽電池セルの両方を包囲する透明前面を含んでよい。別の態様では、前面は太陽電池要素によって本質的に閉じてよい。太陽エネルギー収集要素は、前記の本体部内に環境的に封止されてよい。熱サイクル応力および入射した太陽光の無駄な反射を減らすために、封止されたアッセンブリの本体部内の空所は最小化してよい。

１つの態様によると、すべての種類のＰＶ材料（単結晶、多結晶およびアモルファス）およびそれらの各基材の場合、空隙のクリアランスは、例えば４ミリであってよい。

太陽電池要素は、熱吸収体と一体化可能であり、それによって温度調節される、いずれの太陽電池要素でできていてもよい。例えば、太陽電池要素を、反射基材上に設けられる薄膜材料から選択してよい。太陽電池要素を、熱吸収体に熱的に密接に結合させることが好ましい。例えば、タイル状本体部は、２．５Ｖ〜７．６ボルトで８〜１０ワットを生み出すように直列に配線された、例えば４つの１２５ミリ多結晶ＰＶセルを支持してよい。

熱吸収体は、ＰＶセルの裏に取り付けられる熱交換器として機能できる。これの利点は、ＰＶセルによって生み出される廃熱が更なる熱エネルギー源となることである。このようにして電池から出る熱を取り込むことは、電池が最も効率であるより低い温度で、電池が作動することを可能にする。電池製造業者は、一般的に２５〜３０℃の温度における電池の電源出力を評価する。実際のところ、抵抗熱および熱吸収の組み合わせの理由によって、大部分の電池はこれ以上の温度で充分に作動し、フルポテンシャルまで作動することはない。ＰＶセルおよび熱吸収体／熱交換器を熱的に一体化させることは、電池が比較的一定の温度で作動することを意味する。例えば、温水システムに熱を伝えるクーラントを温めるために、廃抵抗熱およびＰＶ吸収熱を使用することによって、家庭用温水を温めるために必要とされる電力を減少させることによって、利益を得ることができる。熱吸収体に対するＰＶセルの遮蔽効果が改善される。

従って、太陽電池要素は、熱吸収体と熱的に密接に結合されることが好ましい。太陽電池要素の光活性部と熱吸収体との間の界面は、少なくとも実質的に太陽電池要素の吸収バンド幅にわたって、太陽放射を反射するように選択されることが好ましい。これによって、光活性材料は入射時に材料を通り抜けてきた充分なエネルギーの反射光子と相互作用できる。

要素のモジュール特性は、広範囲な太陽電池技術（多または単結晶太陽電池（ＰＶ）；アモルファスＰＶ；銀電池ＰＶ；および化学染料人工光合成（ダイソル、ｄｙｅｓｏｌ）など）を使用する選択肢を与える。これは、要素が使用者に最新のソーラーエネルギーの選択肢を常に与え、製造者に簡単にアップデートできる基本骨格を提供することを確実にする。

本発明の特定の態様において、装置は、現存のタイルプロファイルに合致するように構成した取り外し可能なタイル要素を含み、タイル要素などと共に太陽エネルギー電池アレイを形成する。これらの態様は、ソーラータイル要素の取り外し可能な装置を用いる、構造体の表面における太陽光発電方法に相当する。取り外し可能なソーラータイル要素は、内部空間を規定するポリカーボネート本体部を含んでよく、その空間の中に少なくとも１つの太陽電池、熱吸収体、ならびに関連する電気コネクタおよびウォーターコネクタを設置する。

要素は主本体部を有するクラッド要素であってよく、主本体部は構造体の表面に対向して取り外し可能に係合する第１表面、および光線を集める露出した第２の集熱上面を有し、第１表面および第２表面は一緒に内部空間を規定する。内部空間は、少なくとも１つの太陽電池セル、第１縁沿いの対になるプロファイルおよび対向する第２縁沿いの対応する対になるプロファイルを更に含んで成るタイルマウントまたはクラッドを含む。クラッド要素は隣り合う屋根タイルと係合してよく、クラッド要素の上面が屋根タイルプロファイルを延ばす。クラッド要素は、波形または他のクラッドシートプロファイルに合致できるプロファイルを有してよい。

ソーラー活性部材を、本体部を形成するポリカーボネートの対向するシート間に挟んでよい。別の態様では、ソーラー活性部材を、ポリカーボネートシートの表面に積層してよい。

複数のソーラー要素を組み合わせて、現存の屋根を覆うクラッドを形成してよい。一体化要素は、太陽光集光器に加えて、新しいまたは改良した設置物を変更することなく、屋根の第２クラッドを提供する。要素は容易に現存の屋根に設置され、少なくとも１つの隣り合う要素と連結するだけで、第２クラッドおよび太陽集光器を形成できる。要素は、新規または現存の屋根構造体上に容易に設置される。従って、設置コストを下げ、家主が要素を例えばタイル屋根に設置することを可能にする。

太陽エネルギー収集システムは、上記の複数の太陽エネルギー収集装置を含んでよい。太陽エネルギー収集システムは、太陽電池セルを含む太陽エネルギー収集装置で形成されてよく、そこでの接続は並列電気接続を含む。任意の適切な手段により、要素をケーブルハーネスに電気的に並列に接続してよい。例えば、要素をスナップイン電気コネクタによって、電気的に並列に接続してよい。直列に接続した前記の太陽エネルギー収集装置群の間で、並列接続を形成してよい。ハーネス電圧が想定ＰＶセル電圧よりも高くなるように選択され、導体のサイズを小さくするおよび／またはより高電圧な蓄電システムを供給するときは、特にそうである。

もう１つの要旨では、本発明は、広くは組み立てた状態で複数のソーラー要素を含む太陽エネルギー収集システムに存し、各要素は、本体部（入射太陽放射を吸収するようにした熱吸収体要素を支持する）、太陽電池要素（吸収体上に取り付けられる）、吸収体（他の前記のソーラー要素の吸収体と同様に、太陽電池要素の温度を調節し、循環流体アレイに熱を伝える）、太陽電池要素の光活性部と熱吸収体との間にある界面（少なくとも実質的に太陽電池要素の吸収バンド幅にわたって、太陽放射を反射するように選択される）によって特徴づけられる。

循環流体アレイは、任意の適切な手段によって、各要素からの流体接続部を含んでよい。流体循環システムに接続する熱吸収体は、一般的に入口接続部および出口接続部を有する。これらは各要素から、熱サイフォンヘッダーの温および冷側それぞれにつながる２本チューブへの流体接続部であってよい。２本チューブを貫くように適応した自己封止・貫通コネクタで流体接続部を形成してよい。循環流体システムは、熱量が大きな熱交換液の使用を含んでよい。液体は、水性、油性またはグリコール性液体を含む、任意の適切なものであってよい。

別の要旨において、広くは、本発明は、組み立てた状態で複数の太陽エネルギー収集装置を含んで成る太陽エネルギー収集システムに存し、各熱吸収体要素が、他の太陽エネルギー収集装置の吸収体と同様に、コネクタを介して循環流体アレイに熱を伝える。

更に別の要旨において、本発明は、太陽エネルギー収集装置に存し、これは、
入射太陽放射を吸収し、流体コネクタを介して循環流体システムに熱を伝え、および前記の吸収体の上に取り付けられる太陽電池要素の温度を調整するように、構成した熱吸収体を支持する本体部であって、吸収体および太陽電池セルを囲む透明前面を含む本体部、
前記の本体部上にあり、標準タイル屋根構造体に係合して標準的なタイルの一部を置換する相補的な縁の対になるプロファイル、ならびに
電気ハーネスに接続可能な電気コネクタ、
を含む。

電気接続は、スナップイン電気コネクタのような簡易設置手段によって、ケーブルハーネスに並列であってよい。そのようなコネクタの例は自動車用コネクタで、２極コネクタ・スナップコネクタである。循環流体システムは、熱サイフォンヘッダーの温および冷側それぞれに接続する２本チューブを含んでよい。電気および循環流体接続部は、物理的に単一のコネクタに組み込まれてよい。２本チューブを貫通するように適応した自己封止・貫通コネクタで、流体接続部を形成してよい。循環流体システムおよび電気ハーネスはそれぞれ、複数の他の太陽エネルギー収集装置に接続可能であってよく、太陽エネルギー収集システムを形成する。

本発明の態様は、ケーシング材料、裏板材料、ＰＶセル反射材料、封止材の屈折率、流体温度および流量調節に関して最適化することができ、種々の太陽条件にわたって、ＰＶ電気出力の最大値および総エネルギー（熱およびソーラーＰＶの合計）の最大値の両方をもたらす。放射太陽エネルギーの収集を、可視スペクトル、特に赤と緑との間のスペクトルにて優れた透過特性を有するケーシング材料、基材から太陽電池材料を通り抜けて光線が反射するような内部反射を生じる、内側の反射材料を有する反射を減らすように処理した外側表面を用いて、最適化できる。ソーラーＰＶ電気エネルギー収集を、基材上の反射材料と共に、薄膜電池技術を用いることによって、最適化できる。電池基材のベースの適当な部材を、冷却ジャケットおよびダークなジャケットカラーに密接に熱的に結合させることによって、総熱エネルギー収集を最適化できる。まずは電池材料からクーラントへの、次に温水槽貯留ユニットへの熱伝達を、最大化するクーラント温度を選択することによって、熱伝達を最適化できる。

要素は完全にモジュール式であってよく、顧客の電力および温水の需要に従って、屋外において最小限の技術で、簡単に組み立てることができる。各要素を密封ユニットとして作ってよく、２つの電気導体および２つの流体パイプ接続部を取り付けてよい。個々の要素の出力電圧に応じて、対の導体ケーブルおよび各接続点におけるスナップイン電気コネクタを用いることによって（列毎に１つのケーブル）、要素を並列接続でき、次に要素を、順にインバータまたは蓄電池充電システムへの最終電路に並列接続してよい。資格を持った熟練工を必要としないように、接続体は簡単なスナップイン（スナップで留める）タイプのアッセンブリでよく、低い電圧で作動してよい。

流体接続は、電気接続と同様であってよい。“温”および“冷”パイプは２本チューブの導管に接続してよく、この導管は屋根構造体頂部に物理的に近く位置する温流体ヘッダーに至る“温”および“冷”管へ順に接続する。ヘッダーから、“温”および“冷”パイプは順に、温水槽ユニットおよびそれに関連する熱交換器につながってよい。並列接続を用いることによって、電気的および流体的なデザインを複雑にすることなく、顧客のニーズおよび予算に合うように任意の数の要素を選択できる。

要素をクーラント流体および電気接続体と完全に一体化してよく、すべてを完全に密封して、最大限の寿命と信頼性を確保し、外部ケーシング／ＰＶセル／基材／冷却ジャケットを完全な単一ユニットとして設計して製造する。内部部品（ＰＶセルおよびクーラントジャケット）を外部ケーシングで完全に囲んでよく、上記のように、外部ケーシングは上側表面は透明でよいが、下側は必ずしもそうでなくてもよい。２つの電気リードおよび流体チューブだけはケーシングから外に突出す必要がある。水分が入らないように、また、現場で要素に不測の変更を防止するために、製造時にケーシングを完全に封止してよい。

いったん設置されると、インバータおよび送電系へ配線するために、電気技術者が必要とされる。

現代の屋根構造体をより広く覆うことができるように、ポリカーボネート要素を、屋根の山および谷状に切り込んでもよい。別の態様では、要素を、一体化した天窓のアレイを提供するように用いてよい。

本発明の態様は、コンクリートタイルを含む、様々な種類および銘柄の屋根タイルプロファイルを有する、様々な屋根のレイアウトに合うように、要素を構成してよい。補強部材の垂直方向寸法および水平方向の重なりの変動は、‘レイアウトのずれ（ｌａｙｏｕｔ ｃｒｅｅｐ）’をもたらす。それは、幾つかのタイルのスペースを覆うことができる要素から形成するより大きなパネルは、既存のレイアウトに挿入されたとき、整列しない累積誤差のためであろうことを意味する。また、このずれは、同じコンクリートタイルプロファイルの、様々な製造業者の種類によるわずかな相違によって起こることがあり、これは、各パネルがぴったり適合することを可能にするスナップオフ・アレンジメントを用いずに、普遍的な解決を困難にする。相違するプロファイルが隣り合って存在するとき、タイル補強部材上に生じる各プロファイルの上下の重複高さが異なり、その結果、正確に適合することはできない。

本発明の態様は、太陽エネルギー設備の人件費を下げることができる。本発明の様態は、既存のタイルプロファイル形状と継ぎ目なく合わさる、屋根タイルに適合する取り外し可能な要素を提供できる。

本発明の態様は、要素が設置され、さもなければ、水平および垂直方向の重なりによって生まれるであろう累積誤差を許容する、タイルの寸法に合致する太陽電池を提供できる。それによって、ぴったり合致し、要素が既存の屋根タイルのレイアウトに正確に追従する。

非限定的な好ましい態様に基づいて、添付図を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明の１つの態様に基づいて、太陽電池要素のアレイを用いる典型的な太陽エネルギー設備の配置を示す。

図２は、１つの態様に基づく、ソーラー要素アッセンブリの分解図を示す。

図３は、図２のソーラー要素アッセンブリの底面からの分解図を示す。

図４は、本発明の典型的な封止されたアッセンブリの断面図である。

図５は、本発明に基づく、ソーラーアレイの電力接続の概略図である。

図６は、本発明に基づく、ソーラーアレイの循環流体接続の概略図である。

図７は、図６のアレイで使用される、典型的な流体接続ポリマーチューブの断面図である。

実施態様の詳細
図１に示すアレンジメントは、屋根２を有する住居１を含み、屋根２はその上に太陽光４を受けるＰＶ／熱太陽電池要素のアレイ３を有する。アレイ３を、要素６、７、８および９の組（セット）を含む拡大構成図５に示す。給水器１０は、給水管１２を介して冷水源を熱交換器１１に供給する。交換器１１は、クーラントライン１３を介して、要素６、７、８および９にクーラントを供給する。要素６および７は要素８および９と並列に接続する。クーラントライン１３は過給されたクーラントを熱交換器に戻す。熱交換器は水を温め、住居１で消費するために、ライン１４を介して温水を温水槽１５に供給する。これまでに説明してきたシステムは、示された態様の中で要素６、７、８および９が、既存のタイル屋根に適合させられることを除き、温水を製造する既知のソーラーシステムと類似している。

電源側では、住居１には通常、幹線ＡＣ送電系統（発電所１６ならびに、一般的な計器および回路ブレーカー／主スイッチアッセンブリを含んで成るスイッチアッセンブリ１７によって象徴的に表される）によって供給される。しかしながら、スイッチアッセンブリ１７は、アレイ要素６、７、８および９からのＰＶ発電電流によって充電されるように構成された蓄電池を含む、ＤＣ−ＡＣインバータアッセンブリ１８からの入力を有する。インバータアッセンブリ１８は、並列回路１９によって、個々のアレイ要素６、７、８および９の負荷電圧で電流を受け入れるように構成される。温水槽１５は、必要な場合、ケーブル３０を介する主電流によって、押し上げられる。インバータアッセンブリ１８は、充分に蓄電され、家庭での需要が減ったとき、アレイ要素６、７、８および９の出力を感知し、同相で幹線電圧のＡＣを、スイッチングアッセンブリ１７および供給ライン３１を介して、送電系統（グリッド）１６に戻すスイッチ手段を含む。

図２は、好ましい態様に基づくソーラー要素アッセンブリの分解図を示す。ソーラー要素２０は、内側表面２２および外側表面２３を有するハウジング２１を含んで成る。そのハウジングは内部空間を規定し、内部空間は太陽電池セル２４を受容して保持する。電池２４は、ソーラー要素２０への接続回路を与える、ＤＣ接続ワイヤー２５および２６を含む。アッセンブリ２０は、更にポリマー熱交換器２７およびポリマーチューブ２８を含む。アッセンブリは、各要素が単一の補強部材ネジ２９によって、屋根補強部材に固定されて、屋根構造体と一体化することを可能にする側面プロファイル３２、３３を有する。図３は、対応する数字を有する図２の底面からの図または反転図を表す。

図４は本発明の典型的な密封されたアッセンブリを示し、ポリカーボネート本体部は裏面６１、側壁部６２および前面部６３を含み、密封空間を形成する。その密封空間の中には、ｎ型、ｐ型および裏面層（明瞭にするため寸法は誇張されている）を含んで成るＰＶセル６５と、熱的に密接に結合する熱吸収体６４が存在する。前面部６３の内側面６６は、コーティングによって比較的反射しやすくなっている。前面部６３の外側表面は、それと共に形成される一体化プリズム集光器６７を有する。セル６５の周囲の空隙部は、透明な封止材６８によって占められる。

図５は、複数のタイル状ソーラー要素７０を含むソーラーシステムの電力接続を示す。その各要素は、２極スナップインコネクタ７２で終端する２芯電気接続引き込み導線７１を有する。屋根補強部材は、スナップインコネクタ７２の絶縁貫通要素で係合するように構成された「８」の字の２芯ケーブル７３を支持する。更にコネクタ７４は各補強部材ケーブル７３を、７６にて蓄電池および／またはインバータに接続する中継ケーブル７５に接続する。

図６はソーラーシステムの循環流体接続を示す。そのソーラーシステムにおいて、各タイル状ソーラー要素７０は、熱いクーラント管末端部７７および冷たいクーラント管末端部８０を有して成る。それらは対であり、各々耐熱プラスチック製のダブルチューブマニフォールド８１のホットボアおよびコールドボアに接続する。接続は、末端部７７、８０の自己貫通性ターミナルによって行なわれる。循環は、ヘッダータンク８２へ／からという熱サイフォンによる。ヘッダータンク８２は、熱交換パイプ８３を介して離れた温水槽を温める。ダブルチューブマニフォールド８１は図７の断面図で示しており、断面は貫通接続がなされる平面８４、および確実に壁厚さが一定になるように正方形のボア８５を有する。貫通接続は、接続を維持するために、ダブルチューブマニフォールドの裏平面を引っ掛けるように構成した保持ラグを含む。

本明細書において記載され、また、添付されている請求項において規定される、本発明の概念および範囲から逸脱することなく、本明細書で広く記載される本発明に対して、多くの変更および修正をできることが、当業者には理解されるであろう。

広帯域の太陽放射を吸収するように、熱吸収体を構成してよい。即ち、吸収体は熱力学的な黒体に近づくことが好ましい。熱吸収体は、温水槽のような蓄熱体の中の離れた熱交換器を有する回路のクーラント（熱的媒体）循環アレイを含み吸収板を含んで成ってよい。システム圧力は、コネクタなどの仕様を減らすために制限されることが好ましく、この目的を達成するために、システムは吸収体の上にある蓄熱体と共に動作する、サーモサイフォンであることが好ましい。別の態様では、容積式システムが必要であり、これは最小圧力で作動し、漏出の危険を和らげることが好ましい。しかしながら、もし漏出が起こるならば、ウォーターシステムは、風雨に対する標準タイルをバックアップする屋根下見板／防湿層の上に設置されている。圧力または上部空間の流量をモニターすることで、漏出を検出できる。

要素のモジュール特性は、広範囲な太陽電池技術、例えば（銀電池を含む）多結晶または単結晶太陽電池（ＰＶ）要素、アモルファスＰＶ要素、および化学染料人工光合成（ダイソル（ＤＹＥＳＯＬ、商標登録）製品など）を使用する選択肢を与える。これは、要素が使用者に最新のソーラーエネルギーの選択肢を常に与え、製造者に簡単にアップデートできる基本骨格を提供することを確実にする。

一つの要旨において、本発明は、広くは太陽エネルギー収集装置に存し、成形したプラスチック吸収体本体を含んで成る、太陽エネルギーを収集する熱吸収体を支持する本体部、前記の熱吸収体に熱的に結合する太陽電池要素、前記の本体部を基材と係合させるマウント（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）、前記の熱吸収体を他の太陽エネルギー収集装置と機能するように一体化させて、ソーラー温水システムを形成するように選択されるコネクタ、および前記の太陽電池要素への電気コネクタを含み、前記の本体部は、吸収体および太陽電池要素の両方を囲む透明前面を含み、熱吸収体は広帯域太陽放射を熱的に吸収するよう構成される。

Claims (32)

1. 太陽エネルギーを収集する熱吸収体を支持する本体部、前記の本体部を基材と係合するマウント、および前記の熱吸収体を他の太陽エネルギー収集装置と機能するように一体化して、太陽エネルギー収集システムを形成するよう選択されるコネクタを含む、太陽エネルギー収集装置。
2. 基材は屋根構造体である、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
3. 本体部はタイル屋根構造体の標準なタイルと一体化するように構成されている、請求項２に記載の太陽エネルギー収集装置。
4. 本体部は、屋根クラッド（屋根仕上げ材）を少なくとも部分的に置換する、請求項２に記載の太陽エネルギー収集装置。
5. 本体部は吸収体を囲む透明前面を含む、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
6. 透明前面が一体化集光要素を含む、請求項５に記載の太陽エネルギー収集装置。
7. 一体化集光要素が、使用する際に、前面の傾斜が経線方向へ動くように構成されたプリズム部またはレンズ部を含んで成る、請求項６に記載の太陽エネルギー収集装置。
8. 前面が、反射を減少させるように処理した外側表面および反射性内側表面のうち１つまたは両方を有する、請求項５に記載の太陽エネルギー収集装置。
9. 本体部が、構造体の表面に対向して取り外し可能に係合する第１表面、および光を集める露出した集熱表面である第２表面を有し、両面が内部空間を規定する、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
10. 本体部が、第１縁沿いの対になるプロファイルおよび対向する第２縁沿いの対応する対になるプロファイルを含む、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
11. 第１縁沿いの対になるプロファイルが雄プロファイルであり、第２縁沿いの対になるプロファイルが雌プロファイルである、請求項１０に記載の太陽エネルギー収集装置。
12. 対になるプロファイルが標準的な屋根タイルの対になるプロファイルである、請求項１１に記載の太陽エネルギー収集装置。
13. 熱吸収体が広帯域の太陽放射を吸収するように構成されている、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
14. 熱吸収体が、回路にクーラント循環アレイを含む吸収板および蓄熱体の離れた熱交換器を含む、請求項１３に記載の太陽エネルギー収集装置。
15. 熱吸収体が太陽電池要素と関係付けられている、請求項１に記載の太陽エネルギー収集装置。
16. 熱吸収体が入射太陽放射を吸収して、コネクタを介して循環流体システムに熱を伝達するように構成され、太陽電池要素が、その温度をコントロールするように、吸収体上に取り付けられる、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
17. 太陽電池要素の光活性部と熱吸収体との間の界面が、少なくとも実質的に太陽電池要素の吸収バンド幅にわたって、太陽放射を反射するように選択される、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
18. 本体部が、吸収体および太陽電池セルの両方を囲む透明前面を含む、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
19. 太陽エネルギー収集要素が前記の本体部内に環境的に密封される、請求項１８に記載の太陽エネルギー収集装置。
20. 本体部内部の空隙が最小限である、請求項１９に記載の太陽エネルギー収集装置。
21. 太陽電池要素が熱吸収体と密に熱的に結合している、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
22. 太陽電池要素が多結晶または単結晶太陽電池（ＰＶ）、アモルファスＰＶ、銀電池ＰＶ、および化学染料人工光合成（ダイソル）要素から選択される、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
23. 同様タイル要素と共に、太陽エネルギー電池アレイを形成する取り外し可能なタイル要素を含んで成る太陽エネルギー収集装置であって、取り外し可能なソーラータイル要素が、内部空間を規定するポリカーボネート本体部を含んで成り、その内部空間の中に前記の太陽電池要素として少なくとも１つの太陽電池、前記の熱吸収体、および関連する電気およびウォーターコネクタを収める、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
24. 構造体の表面に対向して取り外し可能に係合する第１表面、および光を集める露出集熱表面である上側の第２表面を有する、主本体部を有するクラッド要素を含んで成り、第１表面および第２表面は一緒に内部空間を規定し、内部空間は少なくとも１つの太陽電池セル、第１縁沿いの対になるプロファイルおよび対向する第２縁沿いの対応する対になるプロファイルを更に含んで成るタイルアタッチメントまたはクラッドを含む、請求項１５に記載の太陽エネルギー収集装置。
25. 請求項１〜２４のいずれか１つに記載の装置の相互接続アレイを含んで成る、太陽エネルギー収集システム。
26. 各熱吸収体が、熱サイフォンヘッダーを含む流体循環システムの温側および冷側のそれぞれへの流入接続部および流出接続部を有する、請求項２５に記載の太陽エネルギー収集システム。
27. 流体接続が、循環システムを構成する２本チューブ系を貫通するように構成した自己封止・貫通接続によって形成される、請求項２６に記載の太陽エネルギー収集システム。
28. アッセンブリ状態の複数の太陽エネルギー収集装置を含む太陽エネルギー収集システムであって、他の太陽エネルギー収集装置の吸収体と同様に、各熱吸収体要素がコネクタを介して熱を循環流体アレイに伝導する、太陽エネルギー収集システム。
29. アッセンブリ状態の複数のソーラー要素を含んで成る太陽エネルギー収集システムであって、各々の要素が入射太陽放射を吸収するように構成した熱吸収体要素を支持する本体部、吸収体上に取り付けられた太陽電池要素、吸収体は他の前記のソーラー要素の吸収体と同様に、太陽電池要素の温度を調節し、循環流体アレイに熱を伝達すること、太陽電池要素の光活性部と熱吸収体との間の界面が、少なくとも実質的に太陽電池要素の吸収バンド幅にわたって、太陽放射を反射するように選択されていることによって特徴づけられる、太陽エネルギー収集システム。
30. 入射太陽放射を吸収し、流体コネクタを介して循環流体システムに熱を伝導し、前記の吸収体に取り付けられる太陽電池要素の温度をコントロールするように構成した熱吸収体を支持し、吸収体および太陽電池セルを囲む透明前面を含む本体部、
    前記の本体部上にあり、標準タイルの一部を置換するように標準的なタイル屋根構造体と係合する相補的な縁の対になるプロファイル、および
    電気ハーネスに接続可能な電気コネクタ、
    を含む、太陽エネルギー収集装置。
31. 電気接続が、スナップイン電気コネクタによってケーブルハーネスに並列である、請求項３０に記載の太陽エネルギー収集システム。
32. 電気および循環流体接続部が単一の物理的なコネクタに一体化されている、請求項３０に記載の太陽エネルギー収集システム。

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