JP2011080724A

JP2011080724A - 太陽エネルギー利用システム

Info

Publication number: JP2011080724A
Application number: JP2009234782A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shimizu; 真清水; Takeji Watanabe; 竹司渡辺
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】中温沸き上げを少なくし、貯湯するためのシステム効率を向上した太陽エネルギー利用システムを提供すること。
【解決手段】圧縮機１６、放熱器１７、減圧手段１８、蒸発器１９からなる冷媒回路２０と、前記放熱器１７で加熱した温水を貯湯する貯湯タンク１５と、太陽熱集熱器１０と、前記太陽熱集熱器１０に接続した太陽電池１１を備えた発電集熱手段１２と、前記太陽熱集熱器１０で受熱した熱を前記貯湯タンク１５内の湯水に放熱する太陽熱放熱器１３とを備え、前記貯湯タンク１５内の中間温度域の湯と前記蒸発器１９内を流れる冷媒とを熱交換する構成としたことを特徴とする太陽エネルギー利用システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光や太陽熱、また大気熱を利用した給湯システムや空調システムに関するものである。

従来、この種のシステムは以下に示されるものがある。

タンク循環水回路と、太陽熱循環回路と、ヒートポンプ回路と、それらが熱交換可能になるよう３つの熱交換器と、温度センサと、制御手段とを備え、太陽熱循環回路にて集熱が多く、ヒートポンプ回路の圧縮機を駆動させなくても十分に貯湯できる熱量が太陽電池パネルから得られる場合は、圧縮機の駆動を止めるよう構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１７０６９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されている構成では、太陽熱循環回路での集熱量が十分にない場合、貯湯タンク内の水は、例えば３０℃程度の中温水となり、この中温水を沸き上げる必要がある。しかしながら、ヒートポンプの性能特性として中温沸き上げは非常に効率が低いという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、中温沸き上げを少なくし、貯湯するためのシステム効率を向上した太陽エネルギー利用システムを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の太陽エネルギーシステムは、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器からなる冷媒回路と、前記放熱器で加熱した温水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器に接続した太陽電池を備えた発電集熱手段と、前記太陽熱集熱器で受熱した熱を前記貯湯タンク内の湯水に放熱する太陽熱放熱器とを備え、前記貯湯タンク内の中間温度域の湯と前記蒸発器内を流れる冷媒とを熱交換する構成としたことを特徴とするもので、中温沸き上げを少なくし、貯湯するためのシステム効率を向上した太陽エネルギー利用システムを提供することができる。

本発明によれば、中温沸き上げを少なくし、貯湯するためのシステム効率を向上した太陽エネルギー利用システムを提供できる。

本発明の実施の形態１における太陽エネルギー利用システムの概略構成図（ａ）同太陽エネルギー利用システムの発電集熱手段の側面図（ｂ）同太陽エネルギー利用システムの発電集熱手段の斜視図

第１の発明は、圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器からなる冷媒回路と、前記放熱器で加熱した温水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器に接続した太陽電池を備えた発電集熱手段と、前記太陽熱集熱器で受熱した熱を前記貯湯タンク内の湯水に放熱する太陽熱放熱器とを備え、前記貯湯タンク内の中間温度域の湯と前記蒸発器内を流れる冷媒とを熱交換する構成としたことを特徴とする太陽エネルギー利用システムで、中温沸き上げを少なくし、貯湯するためのシステム効率を向上した太陽エネルギー利用システムを提供することができる。

第２の発明は、蒸発器の空気の流れ方向の下流に送風手段を設けたことを特徴とするもので、太陽電池を冷却し発電効率を向上させるとともに、太陽熱と大気熱を利用した効率のよい冷媒回路とすることができる。

第３の発明は、蒸発器内を流れる冷媒と熱交換する湯水には、貯湯タンク内の太陽熱放熱器の配設位置近傍、もしくは、それ以上高い位置に貯湯された湯水を利用する構成としたことを特徴とするもので、太陽電池を冷却し発電効率を向上させるとともに、中温水を効率よく利用することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における太陽エネルギー利用システムの概略構成図を示すもので、図２は太陽エネルギー利用システムの発電集熱手段の側面図および斜視図である。

図１において、１０は太陽熱集熱器、１１は太陽電池であり、太陽熱集熱器１０と太陽熱集熱器に接続した太陽電池１１で１２の発電集熱手段を構成している。１３は太陽熱集熱器１０で得た熱を放熱する太陽熱放熱器で、太陽熱集熱器１０、太陽電池１１、太陽熱放熱器１３で１４の太陽熱回路を構成している。１５は集熱した熱を貯める貯湯タンクである。

また、１６は圧縮機、１７は放熱器、１８は減圧手段、１９は蒸発器であり、２０の冷媒回路を構成している。また、２１は給湯熱交換器であり、放熱器１７と熱交換関係を有する。給湯熱交換器２１および貯湯タンク１５から２２の給湯回路を構成している。また、２３は冷媒回路２０の蒸発器１９と熱交換関係を有する貯湯熱交換器で、貯湯タンク１５と貯湯熱交換器２３で２４の貯湯熱利用回路を構成している。

２５は回路判断手段で、太陽電池１１を冷却し発電効率を向上させるとともに、貯湯タンク１５の水を沸き上げるため、圧縮機１６の無駄な駆動を少なし、また、中温沸き上げを少なくするよう太陽熱回路１４、冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱利用回路２４の少なくとも一つ以上を選択判断し運転させる。また、２６は給湯ポンプ、２７は集熱ポンプ、２８は貯湯ポンプであり、これらポンプにより冷媒や水を循環させる。２９は配管である。

以上のように構成された太陽エネルギー利用システムについて、以下その動作を説明する。

発電集熱手段１２は、太陽の光や熱が得られるよう、例えば、屋根に設置する。なお、発電集熱手段１２の設置は、屋根ではなく、例えばベランダや壁など、太陽の光や熱が得られるところであれば、何ら限定しない。

太陽熱集熱器１０と太陽熱放熱器１３は配管で接続されており、冷媒として、例えば不凍液を使用する。また、冷媒を循環させるため集熱ポンプを接続する。なお、不凍液ではなくＨＦＣ冷媒を使う等、太陽熱を集熱できるものであれば、冷媒は何ら限定しない。また、例えば暖められた冷媒と冷えた冷媒の密度差で自然に循環させる等、冷媒が循環するものであれば、ポンプでなくとも循環技術については何ら限定しない。

太陽熱集熱器１０は、例えば図２のように、太陽電池１１の裏側に密着されており、太陽の光や熱によって太陽電池１１が暖められることにより、太陽熱集熱器１０で不凍液が太陽電池１１の熱を奪い暖められる、すなわち集熱する。太陽電池１１は太陽の光によって発電を行うが、太陽熱集熱器１０にて、太陽電池１１は裏側から熱を奪われ冷却されるため、発電効率が向上する。

暖められた不凍液は集熱ポンプ２７により太陽熱回路１４内を循環し、太陽熱放熱器１３に到達すると、貯湯タンク１５にある水に熱交換、すなわち太陽熱を放熱し、貯湯タンクにある水は暖められ、不凍液は冷やされる。冷えた不凍液は、太陽熱集熱器１０にて再び暖められる。このように太陽熱の集熱が十分に得られる場合、太陽熱回路１４で、この過程を繰り返すことにより、貯湯タンク１５にある水は高温に沸き上げられる。

貯湯タンク１５は、高温のお湯として蓄熱する。高温のお湯は、例えば給湯としてお風呂で利用、床暖房等に利用、また、温水を利用した温風暖房などに利用する。なお、貯湯タンク１５は、水以外でも、蓄熱可能なものであれば、何ら限定しない。

次に冷媒回路２０および給湯回路２２について説明する。

冷媒回路２０は、圧縮機１６、放熱器１７、減圧手段１８、蒸発器１９が配管で接続されており、冷媒として、例えばＨＦＣ冷媒を使う。なお、ＣＯ２冷媒を使う等、何ら限定しない。

蒸発器１９は、空気が通過することにより大気熱を得て、配管を流れるＨＦＣ冷媒を加熱する。加熱されたＨＦＣ冷媒は蒸発ガス化し、圧縮機１６へ流入する。そして高温高圧ガスとなったＨＦＣ冷媒は放熱器１７へ流入する。給湯回路２２は、貯湯タンク１５と給湯熱交換器２１が配管で接続されており、貯湯タンク１５にある水が給湯ポンプ２６で循環されている。

給湯熱交換器２１は放熱器１７と熱交換関係を有しており、給湯熱交換器２１内の水は温められるとともに、放熱器１７内のＨＦＣ冷媒は熱を奪われ冷やされる。熱を奪われた放熱器１７内の冷媒は凝縮液化し、さらに減圧手段１８で減圧され冷えたＨＦＣ冷媒として蒸発器１９に流入し、空気が通過することにより、大気熱を得て、再度加熱され蒸発ガス化する。また、給湯熱交換器２１内の温められた水は、貯湯タンク１５に貯められる。

このように雨や曇りの天候や夜の太陽が照らない時間など、太陽熱の集熱ができない場合は、冷媒回路２０および給湯回路２２で、この過程を繰り返すことにより、貯湯タンク１５にある水は高温に沸き上げられる。

次に貯湯熱利用回路２４について説明する。

貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるには太陽熱の集熱が不足する場合、太陽熱回路１４での過程を繰り返すことにより、貯湯タンク１５にある水は、例えば３０℃程度の中温に沸き上げられる。貯湯熱利用回路２４は、貯湯タンク１５と貯湯熱交換器２３が
配管で接続されており、貯湯タンク１５にある中温水が貯湯ポンプ２８で循環されている。

貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるため、冷媒回路２０で、前述と同様の冷媒回路すなわちヒートポンプの過程を繰り返すが、貯湯熱交換器２３と熱交換関係を有する蒸発器１９は、貯湯熱利用回路２４により、中温水が流れる貯湯熱交換器２３の熱を利用し、例えば、冬季において、大気熱である外気温が２℃、中温水が３０℃のように、大気熱より高い温度を得て、配管を流れるＨＦＣ冷媒をより高い温度で加熱する。

より高く加熱されたＨＦＣ冷媒は蒸発ガス化し、圧縮機１６へ流入する。そして高温高圧ガスとなったＨＦＣ冷媒は放熱器１７へ流入していく。また、蒸発器１９によって熱を奪われた貯湯熱交換器２３内の中温水は低温の水、例えば１５℃程度の水となり、貯湯タンク１５に戻る。冷媒回路２０では、前述と同様にこの１５℃程度の低温水をヒートポンプで沸き上げる。

このように晴れや曇りの天候により、貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるには太陽熱の集熱が不足する場合、貯湯熱利用回路２４、冷媒回路２０および給湯回路２２で、この過程を繰り返すことにより、太陽熱を利用しながら、高効率で貯湯タンク１５にある中温水は高温に沸き上げられる。

回路判断手段２５では、上記のように、太陽熱の集熱状況にあわせて、圧縮機１６の無駄な駆動を少なし、また、中温沸き上げを少なくするよう太陽熱回路１４、冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱利用回路２４の少なくとも一つ以上を選択判断し運転させる。

なお、太陽熱の集熱状況の推測について、例えば、太陽熱集熱温度が４５℃以上の場合は集熱が十分に得られている。太陽熱集熱温度が３０℃以上４５℃未満の場合は、晴れや曇りの天候により、貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるには太陽熱の集熱が不足している。太陽熱集熱温度が３０℃未満の場合は、雨や曇りの天候や夜の太陽が照らない時間で太陽熱の集熱ができない。

以上のように、太陽熱集熱器温度から推測するなど、集熱状態がわかれば何ら限定しない。

以上のように、太陽電池を冷却し発電効率を向上させるとともに、無駄な圧縮機の駆動を少なくすることができる。また、中温沸き上げを少なくすることができる。すなわち、貯湯するためのシステム効率を向上することができる。

３０はファンで、蒸発器１９は大気熱も利用可能な熱交換器とし、蒸発器１９の空気の流れ方向の下流に設けたファン３０と、上流方向には貯湯熱交換器２３、を備えた構成とする。

貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるため、冷媒回路２０で、前述と同様の冷媒回路すなわちヒートポンプの過程を繰り返すが、貯湯熱交換器２３と熱交換関係を有する蒸発器１９は、大気熱も利用可能な熱交換器とするとともに、蒸発器１９の空気の流れ方向の下流に設けたファン３０と、上流方向には貯湯熱交換器２３とすることにより、貯湯熱利用回路２４により、中温水が流れる貯湯熱交換器２３の熱に加えて、大気熱を利用することができる。

例えば、夏季において、大気熱である外気温が３５℃、中温水が３０℃のように、中温
水より高い大気熱を得て、配管を流れるＨＦＣ冷媒をさらに高い温度で加熱する。さらに高く加熱されたＨＦＣ冷媒は蒸発ガス化し、圧縮機１６へ流入する。そして高温高圧ガスとなったＨＦＣ冷媒は放熱器１７へ流入していく。

このように晴れや曇りの天候により、貯湯タンク１５にある水を高温に沸き上げるには太陽熱の集熱が不足する場合、貯湯熱利用回路２４、冷媒回路２０および給湯回路２２で、蒸発器１９は大気熱も利用可能な熱交換器とし、蒸発器１９の空気の流れ方向の下流に設けたファン３０と、上流方向には貯湯熱交換器２３、とした構成により、この過程を繰り返すことにより、太陽熱と大気熱の両者を利用しながら、高効率で貯湯タンク１５にある中温水は高温に沸き上げられる。

また、暖められた不凍液は集熱ポンプ２７により太陽熱回路１４内を循環し、太陽熱放熱器１３に到達すると、貯湯タンク１５にある水に熱交換、すなわち太陽熱を放熱し、貯湯タンクにある水は暖められ、不凍液は冷やされる。冷えた不凍液は、太陽熱集熱器１０にて再び暖められる。ここで、太陽熱放熱器１３に到達し、貯湯タンク１５にある水に熱交換する際、太陽熱放熱器１３より下部にある水は、暖まりにくい。すなわち、中温や高温水にはなりにくい。

そこで、貯湯熱利用回路水取り入れ部３１を、太陽熱放熱器の位置３２と同等もしくはそれ以上に高い位置に構成することにより、暖められた中温水を貯湯熱利用回路２４にて循環することができる。

３３は貯湯タンク水温度検出手段である。貯湯タンクの水の温度を検出する貯湯タンク水温度検出手段３３を設けることにより、より正確に太陽熱の集熱状況を検出することができる。

例えば、太陽熱回路１４を駆動中に、（１）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が上昇傾向であれば、引き続き太陽熱回路１４のみを駆動させる。（２）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が停滞または下降傾向で、かつ３０℃以上４５℃未満であれば冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱利用回路２４を駆動させる。（３）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が停滞または下降傾向で、かつ３０℃未満であれば冷媒回路２０および給湯回路２２を駆動させる。

以上のように、回路判断手段２５は貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号に基づき、太陽熱回路１４、冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱利用回路２４の少なくとも一つ以上を選択する。

ここで、上記貯湯タンクの水の温度を検出する貯湯タンク水温度検出手段３３に加え、外気温検出手段３４を設けることにより、大気熱および太陽熱の集熱状況にあわせて回路を選択することもできる。

例えば、（１）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が上昇傾向であれば、引き続き太陽熱回路１４のみを駆動させる。（２）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が停滞または下降傾向で、かつ外気温検出手段３４の出力信号より高い場合は、冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱利用回路２４を駆動させる。（３）貯湯タンク水温度検出手段３３の出力信号が停滞または下降傾向で、かつ外気温検出手段３４の出力信号より低い場合は、冷媒回路２０および給湯回路２２を駆動させる。

以上のように、回路判断手段２５は貯湯タンク水温度検出手段３３および外気温検出手段３４の出力信号に基づき、太陽熱回路１４、冷媒回路２０、給湯回路２２および貯湯熱
利用回路２４の少なくとも一つ以上を選択する。

以上のように、太陽電池を冷却し発電効率を向上させるとともに、圧縮機の無駄な駆動をさらに少なくすることができる。また、中温沸き上げをさらに少なくすることができる。すなわち、貯湯するためのシステム効率をより一層向上することができる。

本発明は、太陽の光と熱のエネルギーを利用するシステムであるとともに、太陽電池を冷却し発電効率をあげるものでもある。従って、太陽の光や熱の利用として、給湯システムや快適な室内環境をつくる温水暖房、床暖房等の空調システムにも展開が可能である。また、戸建て住宅や集合住宅などの一般住宅のみならず、非住宅などにも適用できる。また、発電効率を上げるための冷却システムとしても適用できる。また、太陽エネルギーを得るために屋根だけではなく、ベランダや壁などに設置することもできる。

１０太陽熱集熱器
１１太陽電池
１２発電集熱手段
１３太陽熱放熱器
１４太陽熱回路
１５貯湯タンク
１６圧縮機
１７放熱器
１８減圧手段
１９蒸発器
２０冷媒回路
２１給湯熱交換器
２２給湯回路
２３貯湯熱交換器
２４貯湯熱利用回路
２５回路判断手段
２６給湯ポンプ
２７集熱ポンプ
２８貯湯ポンプ
２９配管
３０ファン
３３貯湯タンク水温度検出手段
３４外気温検出手段

Claims

圧縮機、放熱器、減圧手段、蒸発器からなる冷媒回路と、前記放熱器で加熱した温水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器に接続した太陽電池を備えた発電集熱手段と、前記太陽熱集熱器で受熱した熱を前記貯湯タンク内の湯水に放熱する太陽熱放熱器とを備え、前記貯湯タンク内の中間温度域の湯と前記蒸発器内を流れる冷媒とを熱交換する構成としたことを特徴とする太陽エネルギー利用システム。
蒸発器の空気の流れ方向の下流に送風手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー利用システム。
蒸発器内を流れる冷媒と熱交換する湯水には、貯湯タンク内の太陽熱放熱器の配設位置近傍、もしくは、それ以上高い位置に貯湯された湯水を利用する構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽エネルギー利用システム。