JP2011117597A - パイプ及び該パイプを備えた温水システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】円筒状のパイプ本体15と、該パイプ本体の外周面に設けられたシート状の有機光電変換素子20とを具備する、パイプ10は、温水システム、建築物に利用できる。
【選択図】図1
Description
〔1〕円筒状のパイプ本体と、該パイプ本体の外周面に設けられたシート状の有機光電変換素子とを具備する、パイプ。
〔2〕前記有機光電変換素子の受光面に、集光層がさらに設けられている、上記〔1〕に記載のパイプ。
〔3〕前記有機光電変換素子と前記パイプ本体の外周面との間に伝熱層が設けられている、上記〔1〕または〔2〕に記載のパイプ。
〔4〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプを備える温水システム。
〔5〕貯水槽と、太陽熱集熱器と、配管とを備える温水システムであって、
前記配管のうちの一部又は全部が、上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプにより構成されている温水システム。
〔6〕流体を加温する太陽熱集熱器と、前記流体と水との間で熱交換を行う熱交換部を有する貯水槽と、前記太陽熱集熱器と前記貯水槽との間で流体を循環させる循環ポンプと、前記流体を配送する配管とを備え、
前記流体を配送する配管のうちの一部又は全部が、上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプにより構成されている温水システム。
〔7〕電気温水器と太陽電池モジュールと配管とを備える温水システムであって、
前記配管のうちの一部又は全部が、上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプにより構成されており、
前記太陽光発電モジュールおよび前記パイプの双方またはいずれか一方が、前記電熱温水器に電力供給可能なように電気的に接続されている、
温水システム。
〔8〕前記太陽光発電モジュールに生じる熱を吸収し該太陽光発電モジュールを冷却する水を巡回させる水冷ユニットを備え、前記太陽発電モジュールから熱を吸収した水が前記電気温水器に供給されるように接続された配管を備える、上記〔7〕に記載の温水システム。
〔9〕前記水冷ユニットから前記電気温水器に至る配管のうちの一部又は全部が、請求項1に記載のパイプにより構成されている、上記〔8〕に記載の温水システム。
〔10〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプを備える建築物。
〔11〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のパイプを備える流体昇温器。
図1に第1実施形態のパイプ10を示す。パイプ10は、円筒状のパイプ本体15の外周面にシート状有機光電変換素子20が設けられて構成されている。
次に、有機光電変換素子について説明する。有機光電変換素子は一対の電極と、有機化合物を含む活性層とを備える。通常、活性層は一対の電極の間に配置される。本発明において用いられる光電変換素子において、活性層は受光することにより活性化されて電気的なエネルギーを生じる機能を有する層である。
有機光電変換素子は、通常、基板上に形成される。本発明における有機光電変換素子はシート状であって、円筒状の部材(パイプ本体)の外周に沿って巻き付けることができるように変形可能である必要がある。したがって、有機光電変換素子に基板を設ける場合、その基板は、その主面に電極を形成し得るものであって、基板上に素子を構成する層を形成する際に化学的に変化しないものであり、且つ、円筒状の部材(パイプ本体)の外周に沿って巻き付けることができるように変形可能なものが用いられる。基板の材料としては、例えば、プラスチック、高分子フィルム、シリコン等が挙げられる。不透明な基板の場合には、反対の電極(すなわち、基板から遠い方の電極)が透明又は半透明であることが好ましい。また、有機光電変換素子に基板を設ける場合、基板の厚みは、好ましくは10μm〜5000μm、より好ましくは50μm〜3000μmである。
有機光電変換素子は、光が入射する受光領域を有し、受光領域から活性層に至るまでの間に介在する層は、発電に必要な波長の入射光を透過させことができるように構成される。そのため、通常、一対の電極のうち少なくとも一方は、透明又は半透明の電極材料により形成されることが好ましい。透明又は半透明の電極としては、例えば、導電性の金属酸化物膜、半透明の金属薄膜等を用い得る。透明又は半透明の電極材料の具体例としては、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、及びそれらの複合体であるインジウム・スズ・オキサイド(ITO)、インジウム・亜鉛・オキサイド(IZO)、NESA等、金、白金、銀、銅等が挙げられ、これらのうちでもITO、インジウム・亜鉛・オキサイド、酸化スズが好ましい。
光電変換素子に含まれる活性層は、電子供与性化合物と電子受容性化合物とを含む。なお、電子供与性化合物および電子受容性化合物は、これらの化合物のエネルギー準位のエネルギーレベルから相対的に決定される。本発明においては活性層に含まれる電子共用性化合物および電子受容性化合物の双方、またはいずれか一方を構成する1つの材料として有機化合物が含まれる。
R3及びR4の組み合わせは、同一又は相異なり、R3、R4、R5、R6、R7及びR8は、水素基、ハロゲン基、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、1価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。R50は、水素基、ハロゲン基、アルキル基、アルキルオキシ基、アルキルチオ基、アリール基、アリールオキシ基、アリールチオ基、アリールアルキル基、アリールアルキルオキシ基、アリールアルキルチオ基、アシル基、アシルオキシ基、アミド基、酸イミド基、アミノ基、置換アミノ基、置換シリル基、置換シリルオキシ基、置換シリルチオ基、置換シリルアミノ基、1価の複素環基、複素環オキシ基、複素環チオ基、アリールアルケニル基、アリールアルキニル基、カルボキシル基又はシアノ基を表す。R51は、炭素数が6以上のアルキル基、炭素数が6以上のアルキルオキシ基、炭素数が6以上のアルキルチオ基、炭素数が6以上のアリール基、炭素数が6以上のアリールオキシ基、炭素数が6以上のアリールチオ基、炭素数が7以上のアリールアルキル基、炭素数が7以上のアリールアルキルオキシ基、炭素数が7以上のアリールアルキルチオ基、炭素数が6以上のアシル基又は炭素数が6以上のアシルオキシ基を表す。X1とAr2とは、Ar1に含まれる複素環の隣接位に結合し、C(R50)(R51)とAr1は、Ar2に含まれる複素環の隣接位に結合している。
活性層は、如何なる方法で製造してもよく、製造方法の例としては、有機化合物を含む溶液を用いた成膜方法、真空蒸着による成膜方法などが挙げられる。
光電変換効率を向上させるための手段として活性層以外の付加的な中間層を使用してもよい。中間層は、例えば、光電変換効率を向上させるなどの目的により設けられる。中間層を機能層としてみた場合、中間層の例としては、電荷輸送層(正孔輸送層または電子輸送層)、電荷ブロック層(正孔ブロック層または電子ブロック層)、およびバッファ層などが挙げられる。また、中間層として用いられる材料としては、フッ化リチウム(LiF)等のアルカリ金属、アルカリ土類金属のハロゲン化物、酸化物等を用いることができる。また、酸化チタン等無機半導体の微粒子、PEDOT(ポリ−3,4−エチレンジオキシチオフェン)などが挙げられる。
まず有機光電変換素子の基本的な層構成について、図3を参照しつつ説明する。図3に示す有効光電変換素子20は、第1電極32と第2電極52で構成される一対の電極と、一対の電極の間に配置された活性層40とを備えている。第1電極32および第2電極52は、いずれか一方が陽極となり、他方が陰極となる。どちらの電極が陽極または陰極となるかは任意に設計し得る。第1電極32と活性層40との間には第1中間層31が設けられている。第2電極52と活性層40との間には第2中間層51が設けられている。図3に示される層構成では、活性層40を単層としているが、上記でも説明したとおり、活性層40は、pnヘテロ接合型の2層からなる構成による活性層としてもよいし、バルクへテロ型の単層の構成による活性層としてもよい。第1中間層31および第2中間層51は任意の層であり、いずれか一方または双方を省略してもよい。また図3に示される層構成では各中間層を単層としているが、各中間層は複数の層により構成してもよい。
a)陽極/活性層/陰極
b)陽極/中間層/活性層/陰極
c)陽極/活性層/中間層/陰極
d)陽極/中間層/活性層/中間層/陰極
e)陽極/電子供給性層/電子受容性層/陰極
f)陽極/中間層/電子供給性層/電子受容性層/陰極
g)陽極/電子供給性層/電子受容性層/中間層/陰極
h)陽極/中間層/電子供給性層/電子受容性層/中間層/陰極
(ここで、記号「/」は、記号「/」を挟む層同士が隣接して積層されていることを示す。)
上記層構成は、陽極がパイプ本体15により近い側に設けられる形態、及び陰極がパイプ本体15により近い側に設けられる形態のいずれであってもよい。
封止層53は、その内側(パイプ本体15により近い側)に設けられた第2電極52や活性層40などの各層を外気から遮断する。封止層53としては、水、酸素などが不透過性の層とすることが好適である。
パイプ本体15は、円筒状であること以外には特に制限はない。材料にも特に制限はなく、パイプ本体15内を流れることが予定される流体の種類などの条件に応じて適宜選択してよい。パイプ本体15としては、流体の配管として用いられる様々な部材を利用し得る。パイプ本体15の例としては、金属製パイプ、プラスチック製パイプ、木製パイプなどを挙げることができる。本発明のパイプ10は、パイプ本体15内を流れる流体を昇温する機能を有している。温水システムに本発明のパイプ10を利用することを想定すると、パイプ本体15としては、例えば、プラスチック製の円筒状部材などが好適である。
図5を参照して本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。第2実施形態では、パイプ本体15と第1電極32とが直接的に接するように層が構成されている。第1電極32は導電性材料で形成される。導電性材料には熱伝導性に優れているものも多い。したがって、パイプ本体15に対し第1電極32を密着させて設けることにより、シート状有機光電変換素子20からの熱をパイプ本体15内を流れる流体により効率よく伝えることができる。すなわち、第1電極32を伝熱層としても利用している。第2実施形態によれば、基板という部材を減らしてコストの低減および製造工程の簡略化が可能であると共に、集熱器としてのシート状有機光電変換素子をより効率的に利用し得る。
図6を参照して本発明の第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。第3実施形態では、パイプ本体15の外周の全周ではなく略半周にシート状光電変換素子20が設けられている。
すなわち、シート状光電有機変換素子は、良好な受光が可能な領域に応じて、パイプ本体15の一部に設けてもよい。
本実施形態のパイプ10は、パイプ本体15の外周面15aのうち、受光する部分のみにシート状有機光電変換素子20を設ける構成とすることができる。また本実施形態のパイプ10は、パイプ本体15の外周面15aのうち、受光する部分のうちの少なくとも一部にシート状有機光電変換素子20が設けられる構成としてもよい。
図7に本発明の第4実施形態の概要を示す。なお、第1実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。第4実施形態の温水システムでは、貯水槽60と、貯水槽60に連なる配管の一部として上記本発明のパイプ10とが設けられている。図7には、配管の一部を上記本発明のパイプ10とする構成の一例を示したが、配管の全部を上記本発明のパイプ10としてもよい。
パイプ10は、貯水槽60の上流であって、屋外の太陽光を受光可能な場所に設けられている。パイプ10は、貯水槽60への水の供給路であればよく、屋上部に設置されていてもよいし、地上部に設置されていてもよい。受光し得ない部分は、シート状有機光電変換素子20を設けていないパイプ本体15(以下、通常パイプという場合がある。)により配管されている。なお温水システムに用いられるパイプ10は、上記のようにパイプ本体15の外周面15aのうち、受光する部分のみにシート状有機光電変換素子20を設ける構成のみならず、パイプ本体15の外周面15aのうち、受光する部分のうちの少なくとも一部にシート状有機光電変換素子20が設けられる構成としてもよい。また受光し得ない部分を含めた外周面15aの全面にシート状有機光電変換素子20を設ける構成としてもよい(以下の温水システムの実施形態において同様である。)。
第4実施形態によれば、貯水槽60の上流で水を温めることが可能である。
図8に第5実施形態の概要を示す。なお、第4実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。第5実施形態では、太陽熱温水器に連なる配管の一部として、上記本発明のパイプ10を設けている。なお配管の全部を上記本発明のパイプ10としてもよい。
図9に第6実施形態の概要を示す。なお、第5実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。第6実施形態では、強制循環式の太陽熱温水器に連なる配管の一部として、上記本発明のパイプ10を設けている。図9には、配管の一部を上記本発明のパイプ10とする構成の一例を示したが、配管の全部を上記本発明のパイプ10としてもよい。
図10に第7実施形態の概要を示す。なお、第5実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。
第7実施形態では、第1貯水槽60Aおよび太陽熱の集熱板70を備えた太陽熱温水器と、第2貯水槽60Bとして電気温水器とを組み合わせた形態である。第1貯水槽60Aおよび集熱板70を備えた太陽熱温水器は、第5実施形態に示したものと同様である。該太陽熱温水器は、例えば建築物の屋上などの場所に設置され、直射日光を受光する。第1貯水槽60Aへの水を給水する配管の一部は、パイプ10U(10)により構成されており、加温された水が第1貯水槽60Aへ供給される。
図11に第8実施形態の概要を示す。なお、第7実施形態と同じ構成については図面に符合を付け、説明を省略する。
このように、太陽電池モジュール81における水冷ユニット83とパイプ10Dとを経由して電気温水器64に給水する系を設けることにより、電気温水器66における加温の負荷を軽減することができる。
スパッタ法により約150nmの膜厚のITO膜を成膜したPEN(ポリエチレンナフタレート)フィルム(基板)のITO膜をパターニングして、有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾燥させた。このパターニングされたITO膜を備えたPENフィルムに、紫外線オゾン(UV−O3)装置にてUV−O3処理を行った。
さらに流水パイプ(内部に流水を通してあるパイプ本体)に銅箔を介してフィルム状の有機薄膜太陽電池を貼り付けた。
スパッタ法により約150nmの膜厚のITO膜を成膜したPENフィルムのITO膜をパターニングして、有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾燥させた。このパターニングされたITO膜を備えたPENフィルムに、UV−O3装置にてUV−O3処理を行った。
スパッタ法により約150nmの膜厚のITO膜を成膜したPENフィルムのITO膜をパターニングして、有機溶媒、アルカリ洗剤、超純水で洗浄し、乾燥させた。このパターニングされたITO膜を備えたPENフィルムに、UV−O3装置にてUV−O3処理を行った。
さらに流水パイプに銅箔を介してフィルム状の有機薄膜太陽電池を貼り付けた。
実施例及び参考例において得られたフィルム状の有機薄膜太陽電池を貼り付けたパイプ(昇温パイプ)に、作製直後の有機薄膜太陽電池特性に対する30分後と60分後の光電変換効率保持率を測定した。特性測定はソーラシミュレーター(分光計器製、商品名:CEP−2000型、放射照度100mW/cm2)を用いて一定の光を照射し、発生する電流と電圧を測定し、光電変換効率を算出した。効率保持率は30分経過後、60分経過後に測定した光電変換効率を作製直後の光電変換効率で除して算出した。なお保持場所は屋外に日照下とした。結果を表1に示す。
15 パイプ本体
15a 外周面
15b 内周面
19 接着層
20 シート状有機光電変換素子
31 第1中間層
32 第1電極
35 第1基板
40 活性層
51 第2中間層
52 第2電極
53 封止層
55 第2基板(保護層、光学フィルム層)
55a 受光面
60 貯水槽
60A 第1貯水槽
60B 第2貯水槽
62 貯水槽(熱交換部付属)
63 熱交換部
64 流体槽
66 貯水槽(電気温水器)
70 集熱板(太陽熱集熱器)
80 太陽光利用ハイブリッド装置
81 太陽電池モジュール
83 水冷ユニット
Claims (11)
- 円筒状のパイプ本体と、該パイプ本体の外周面に設けられたシート状の有機光電変換素子とを具備する、パイプ。
- 前記有機光電変換素子の受光面に、集光層がさらに設けられている、請求項1に記載のパイプ。
- 前記有機光電変換素子と前記パイプ本体の外周面との間に伝熱層が設けられている、請求項1に記載のパイプ。
- 請求項1に記載のパイプを備える温水システム。
- 貯水槽と、太陽熱集熱器と、配管とを備える温水システムであって、
前記配管のうちの一部又は全部が、請求項1に記載のパイプにより構成されている温水システム。 - 流体を加温する太陽熱集熱器と、前記流体と水との間で熱交換を行う熱交換部を有する貯水槽と、前記太陽熱集熱器と前記貯水槽との間で流体を循環させる循環ポンプと、前記流体を配送する配管とを備え、
前記流体を配送する配管のうちの一部又は全部が、請求項1に記載のパイプにより構成されている温水システム。 - 電気温水器と太陽電池モジュールと配管とを備える温水システムであって、
前記配管のうちの一部又は全部が、請求項1に記載のパイプにより構成されており、
前記太陽光発電モジュールおよび前記パイプの双方またはいずれか一方が、前記電熱温水器に電力供給可能なように電気的に接続されている、
温水システム。 - 前記太陽光発電モジュールに生じる熱を吸収し該太陽光発電モジュールを冷却する水を巡回させる水冷ユニットを備え、前記太陽発電モジュールから熱を吸収した水が前記電気温水器に供給されるように接続された配管を備える、請求項7に記載の温水システム。
- 前記水冷ユニットから前記電気温水器に至る配管のうちの一部又は全部が、請求項1に記載のパイプにより構成されている、請求項8に記載の温水システム。
- 請求項1に記載のパイプを備える建築物。
- 請求項1に記載のパイプを備える流体昇温器。
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