JP2012177541A - Solar light cogeneration system - Google Patents
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Abstract
Description
現在日本国内はもとより海外でも太陽光発電装置及び太陽熱温水器(太陽光集熱装置)が注目されてきており、石油資源の消費削減、地球温暖化防止、石油資源関連部材の価格高騰の抑制、その他の地球環境的要請乃至は社会的ニーズに合った装置システムとして伸張が期待されている。しかしながらその市場規模は何れも日本国内の家庭用としても年間10万台の販売規模に満たない。一方ガス・石油給湯装置が400万台規模であり家庭用エアコンが700万台規模であるものと比べ極めてニッチェであり、市場規模は未だ小さい。このためガス石油を消費しないその省エネルギー性、地球温暖化防止効果、都心のヒートアイランド削減などの優位性は充分な効果をあげていない。
本発明の技術が適用される技術分野は民生用特に家庭用、業務用、さらには工業用に使われる太陽光を利用したエネルギー供給システム装置に関する分野である。その装置は太陽光を受けて発電と温熱供給とを行う太陽光利用装置(以下太陽光コジェネレイション装置と呼ぶ)と、その太陽光発電セルを支持する背面基板をヒートシンクとして利用し、これにより集熱される太陽光温熱を冷却配管などに伝える方式を組み合わせたシステムである。これにより現在の単独機能の太陽光発電装置及び太陽熱温水器の市場分野を大きく拡大進展させることが期待される。
At present, solar power generators and solar water heaters (solar heat collectors) are attracting attention not only in Japan but also overseas, reducing consumption of petroleum resources, preventing global warming, suppressing the rise in prices of petroleum resource-related components, Expansion is expected as a device system that meets other global environmental requirements and social needs. However, the scale of the market is less than 100,000 units sold every year for home use in Japan. On the other hand, there are 4 million units of gas / oil hot water supply units and 7 million units of home air conditioners. For this reason, the advantages such as energy saving without gas oil consumption, the effect of preventing global warming, and the reduction of heat island in the city center have not been sufficiently effective.
The technical field to which the technology of the present invention is applied is a field relating to energy supply system devices using sunlight used for consumer use, particularly home use, business use, and industrial use. The device uses a solar power generation device (hereinafter referred to as a solar cogeneration device) that generates power and supplies heat by receiving sunlight, and a back substrate that supports the solar power generation cell as a heat sink. It is a system that combines a method for transmitting heated solar heat to a cooling pipe. As a result, it is expected that the market fields of the current single-function solar power generation apparatus and solar water heater will be greatly expanded.
単独機能の太陽光発電装置と太陽熱温水器の市場規模が伸びない理由はその装置への投資価格に対し出力効果が不十分であるためである。即ち初期投資を回収する期間(PBT)が7年〜30年であり、家庭用太陽電池では投資の回収に30年もかかる場合があるためである。
さらに太陽光発電装置では広い受光面積が必要で、このため設置可能な場所が限定されることもその大きな要因となっている。例えば家庭用の3KWの太陽光発電装置では通常30平方メーターの受光面積が必要であり、そのため設置スペース上の制約が大きいばかりでなく、実際の据付工事が極めて大変な作業を伴う事も価格アップ要因であり、且つ又
普及拡大を妨げている要因である。
他方、太陽光温水器の場合は以上の課題は決定的では無いが、寒冷地の水の凍結の問題があり且つそのエネルギー出力の使い途が温水に限られており、その他多くの種類のエネルギー用途を賄えない点も広く普及する事を妨げている。
またエネルギー効率の点でも太陽光発電装置に照射される太陽光エネルギーが電力へ変換される変換効率(ECR)は実用化されている装置で14%程度であり、その他86%は利用できていない状況にあり、発電セル自体のECRの向上が期待され、多くの研究機関、企業が検討を進めている状況にある。今後の商品の普及拡大にはこの技術進歩に大きな期待が寄せられている。
The reason why the market scale of single-function solar power generation devices and solar water heaters does not increase is that the output effect is insufficient for the investment price of the devices. That is, the period (PBT) for recovering the initial investment is 7 to 30 years, and it may take 30 years for the investment to be recovered in the solar cell for home use.
Furthermore, the photovoltaic power generation apparatus requires a large light receiving area, and this limits the place where it can be installed. For example, a 3KW solar power generation system for home use usually requires a light receiving area of 30 square meters, which not only imposes great restrictions on installation space, but also increases the price of actual installation work that is extremely difficult. It is a factor and also a factor that prevents the spread of the spread.
On the other hand, in the case of solar water heaters, the above issues are not definitive, but there is a problem of freezing water in cold regions and the use of its energy output is limited to hot water, and many other types of energy applications The fact that it is not possible to cover is also hindering widespread use.
In terms of energy efficiency, the conversion efficiency (ECR) for converting the solar energy irradiated to the solar power generation device into electric power is about 14% in a device in practical use, and the other 86% is not available. The situation is so high that the ECR of the power generation cell itself is expected to be improved, and many research institutions and companies are studying. There are great expectations for this technological advancement in the future expansion of products.
そこで、数十年前から、同じ受光面で電力と温熱を得ることができる太陽光コジェネレイション装置の研究及び開発が検討されてきている。即ち発電セルの背面にヒートシンクとしての金属板を設置し、その金属板と一体化された配管に水や冷媒を通じて発電セルで生じた温熱を収集するものである。この方式によれば太陽光発電装置と太陽熱温水器を別々に設置したものに比べて全体の受光面積が小型化でき、コストダウンと同時に設置スペースの削減という二つの基本効果が達成でき、また装置の設置工事も簡略化できる。さらに発電セルを強制的に冷却する事により発電セルの温度を低下させることができ、発電セルの発電効果が改善されるという利点が生じる。また家庭や店舗で用いた場合に電力と給湯用温熱と暖房用温熱が同時に得られるという利点がある。しかしながら数十年来の技術研究を経た現在でもこの方式は具体的な商品の形で市場で実現されていない。 Therefore, research and development of a solar cogeneration apparatus that can obtain electric power and heat on the same light receiving surface have been studied for several decades. That is, a metal plate as a heat sink is installed on the back surface of the power generation cell, and the heat generated in the power generation cell is collected through water or a refrigerant in a pipe integrated with the metal plate. According to this method, the overall light receiving area can be reduced compared to the solar power generator and solar water heater installed separately, and the two basic effects of cost reduction and installation space reduction can be achieved. The installation work can be simplified. Furthermore, by forcibly cooling the power generation cell, the temperature of the power generation cell can be lowered, and the power generation effect of the power generation cell is improved. In addition, when used in a home or store, there is an advantage that electric power, hot water heating temperature, and heating temperature can be obtained simultaneously. However, even after several decades of technical research, this method has not been realized in the market in the form of concrete products.
本発明が実現しようとしている技術はこの太陽光から電力と温熱の双方を同時に発生させる太陽光コジェネレイション装置を実用的な形で実現するための構造、材料、方式に関するものである。太陽光コジェネレイション装置の技術面の狙いは単位受光面積あたりのエネルギー変換効率(TCR:トータルコンバージョンレシオ)を単一機能である太陽光発電装置の電気エネルギー変換効率(ECR)や太陽光温水器の熱エネルギー変換効率(HCR)の値に比べて大幅に向上させる事にある。 The technology to be realized by the present invention relates to a structure, a material, and a system for realizing a solar cogeneration apparatus that generates both electric power and heat from sunlight simultaneously in a practical form. The technical aim of the solar cogeneration system is to convert the energy conversion efficiency (TCR: total conversion ratio) per unit light-receiving area into a single function of the electrical energy conversion efficiency (ECR) of the solar power generation system and the solar water heater. The purpose is to greatly improve the thermal energy conversion efficiency (HCR).
太陽光発電装置の最近の研究開発は目覚しいものがある。シリコン結晶のセルを用いたものでも多結晶化、シリコン結晶の薄板化、結晶事体の発電特性向上や結晶表面の受光特性改善などの研究が進展している。またシリコンアモルファスをガラス面乃至はプラスチックフィルム面に形成したもの乃至はそれをシリコン結晶と積層させてECRを向上させたものも今後の期待である。このアモルファスを建材用窓ガラス上に形成してビルなどの窓材として用いて窓が発電するようにしたものも実用化されている。また銅やインヂュームなどシリコンと異なった材質をセル材料として用いてECRを向上させたり、シリコン材料の代替として材料不足を回避するものも有望である。本発明の太陽光コジェネレイション装置に関わる発明はこれらの太陽光発電装置そのもの乃至はその改善品及びその技術を利用して太陽光コジェネレイション装置として仕上げるための技術分野に関するものである。 Recent research and development of solar power generation equipment is remarkable. Research is also progressing on the use of silicon crystal cells, such as polycrystallization, thinning of silicon crystals, improvement of power generation characteristics of crystal bodies and improvement of light reception characteristics of crystal surfaces. In the future, a silicon amorphous material formed on a glass surface or a plastic film surface or a material obtained by laminating it with a silicon crystal to improve the ECR is also expected. A material in which this amorphous is formed on a window glass for building materials and used as a window material for a building or the like so that the window generates electricity has been put into practical use. In addition, a material different from silicon, such as copper or indium, is used as a cell material to improve ECR, or a material that avoids material shortage as a substitute for silicon material is promising. The invention relating to the solar cogeneration apparatus of the present invention relates to a technical field for finishing the solar power generation apparatus itself or an improved product thereof and the technology as a solar cogeneration apparatus.
以上の様な実用上もエネルギー効率上も効果の高い太陽光コジェネレイション装置が実用化されていない理由は多々ある。それは太陽光発電モジュールと集熱装置としての冷却配管の構成が未熟で据付を含めた実用性があるものが開発できていない事がまづ挙げられる。さらには集熱する目的を満たすためモジュールの構造は外界と断熱構造にすることにより変換効率は高くなるが、このため集熱装置が作動していない時は太陽光によりセル及びセル周囲が100℃程度の高温度に晒されることになる。この耐熱性のあるセル及びその周囲構造が完成されていない事も理由の一つである。更にはシリコンなどの発電セルと金属製のヒートシンクは伝熱性の高い密着構造にする必要があるため、その線膨張係数の違いを吸収できずに発電セルが破壊し易い事も理由の一つである。また、発電量と集熱量が実際に設置され利用される家庭や店舗の電力及び温熱量の利用比率にあった太陽光コジェネレイション装置をサイトサイトに適したコジェネレイション装置として商品化し、用意することは実用上難しくコスト上昇要因になり勝ちな事も理由といえる。 There are many reasons why solar cogeneration devices that are highly effective in practical use and energy efficiency have not been put into practical use. This is because the configuration of the solar power generation module and the cooling pipe as the heat collecting device is immature and the practical use including installation has not been developed. Furthermore, in order to meet the purpose of collecting heat, the module structure has an external structure and a heat insulation structure, so that the conversion efficiency is increased. It will be exposed to high temperature. One of the reasons is that the heat-resistant cell and its surrounding structure are not completed. Furthermore, the power generation cell such as silicon and the heat sink made of metal need to have a close contact structure with high heat conductivity, so one of the reasons is that the power generation cell is easily destroyed without being able to absorb the difference in coefficient of linear expansion. is there. In addition, commercialize and prepare solar cogeneration equipment suitable for the site site that is suitable for the power and heat usage ratio of households and stores where power generation and heat collection are actually installed and used. The reason for this is that it is difficult to use in practice and is a cause of cost increase.
こうした背景の中で、太陽光発電装置から同時に熱を得るための太陽光コジェネレイション装置の技術は多くの研究や開発がされて来ている。その中で特許文献1は集熱パネルの表面に太陽電池を設ける方式の太陽光コジェネレイション装置を用い、その発電電力でヒートポンプを作動させている。 Against this background, many researches and developments have been made on the technology of the solar cogeneration device for simultaneously obtaining heat from the solar power generation device. Among them, Patent Document 1 uses a solar cogeneration apparatus in which a solar cell is provided on the surface of a heat collecting panel, and operates a heat pump with the generated power.
特許文献2は太陽電池を表面に装着した熱交換器をヒートポンプ装置で冷却して電池セルの温度を下げて電池セルのエネルギー変換効率であるECRを向上させている。
特許文献3も太陽光集熱器における集熱を低温度で行いその収集熱を低温度蓄熱槽に蓄熱することにより太陽電池の温度を低温度に保ち発電効率を向上させたものである。
In Patent Document 2, a heat exchanger having a solar battery mounted on its surface is cooled by a heat pump device to lower the temperature of the battery cell, thereby improving ECR, which is the energy conversion efficiency of the battery cell.
Patent Document 3 also improves the power generation efficiency by keeping the temperature of the solar cell at a low temperature by collecting heat in the solar heat collector at a low temperature and storing the collected heat in a low-temperature heat storage tank.
特許文献4は太陽光発電セルの背面に集熱体を設けこの集熱体に冷却用集熱管を取り付ける構造方式に関する技術を提示している。特許文献5は太陽光発電セルの裏面の熱伝導板からヒートポンプの配管へと伝熱させる技術についての発明である。こうした方式の熱特性のシュミレーション分析を行った技術報告が非特許文献1に見られる。 Patent Document 4 proposes a technique related to a structural method in which a heat collecting body is provided on the back surface of a photovoltaic power generation cell and a cooling heat collecting tube is attached to the heat collecting body. Patent document 5 is invention about the technique of transferring heat from the heat conductive board of the back surface of a photovoltaic power generation cell to piping of a heat pump. Non-patent document 1 shows a technical report on the simulation analysis of the thermal characteristics of such a method.
特許文献6には別方式の太陽光コジェネレイション方式が提示されている。窓などのガラスにシースルー状態の太陽電池セルを設置し、そこを通過した太陽光をその奥に設けた熱媒配管を有する集熱板に照射させて温熱を得る方式の太陽光コジェネレイション装置である。
本発明で取り上げる太陽光コジェネレイション装置の最大の狙いはコンパクトでコスト効果の高いシステムであるから、電気エネルギー変換効率(ECR)の高い発電セルを用い。発電効率の高い装置に仕上げる事を最優先としている。このためECRの低いシースルー型発電セルは採用できない。対象とする方式は発電セルをヒートシンク基板上に設置して発電セルで発生する温熱を直接ヒートシンク基板へと伝熱させて集熱する構造の方式であり、特許文献6の方式は採用できない。
Patent Document 6 proposes another type of solar cogeneration method. A solar cogeneration system that installs a see-through solar cell on a glass such as a window and irradiates the sunlight that has passed through it onto a heat collecting plate with a heat-medium pipe installed behind it. is there.
Since the biggest aim of the solar cogeneration apparatus taken up in the present invention is a compact and cost-effective system, a power generation cell with high electrical energy conversion efficiency (ECR) is used. The top priority is to create a device with high power generation efficiency. For this reason, a see-through power generation cell with a low ECR cannot be adopted. The target method is a method of collecting power by installing a power generation cell on a heat sink substrate and transferring the heat generated in the power generation cell directly to the heat sink substrate, and the method of Patent Document 6 cannot be adopted.
太陽光コジェネレイション装置は太陽光発電装置と違い生じた温熱を放散させること無く集熱して熱を利用しようとするものであるから、装置の周囲は断熱構造を採用する。電池セルの上面は空気空間を介して上面ガラスを設けるし、集熱用のヒートシンク基板の下面は断熱材乃至は真空パネルなどの断熱層を設ける。熱の収集は冷却配管内に収集用媒体を循環させる事により行い、集熱と同時に発電セルを冷却する。装置停止時にこの熱収集用媒体を循環させない時間帯は装置全体は太陽光の照射を受けて温度が上昇する。特許文献7にはこの場合に上述した空気空間を空気が循環して冷却を行うことが出来る様に換気口を設け、それを開閉する技術が提示されている。
特許文献8に見られるように太陽光熱発電装置のセル表面乃至は放熱面に光の波長選択吸収特性を付与する微細加工技術がある。
Since the solar cogeneration apparatus collects heat without dissipating the generated heat unlike the photovoltaic power generation apparatus and uses the heat, a heat insulating structure is adopted around the apparatus. An upper surface glass is provided on the upper surface of the battery cell via an air space, and a heat insulating layer such as a heat insulating material or a vacuum panel is provided on the lower surface of the heat collecting heat sink substrate. Heat is collected by circulating a collection medium in the cooling pipe, and the power generation cell is cooled simultaneously with the heat collection. During the time period when the heat collecting medium is not circulated when the apparatus is stopped, the entire apparatus is irradiated with sunlight and the temperature rises. Patent Document 7 proposes a technique for providing a ventilation port so that air can be circulated through the above-described air space and cooling it in this case, and opening and closing it.
As can be seen in Patent Document 8, there is a fine processing technique for imparting light wavelength selective absorption characteristics to the cell surface or the heat radiating surface of a solar thermal power generation apparatus.
以上に示した技術は太陽光コジェネレイション装置実現のための開発活動から出現したものと推定されるが、装置そのものは市場に商品の形で出現していない。この理由はいくつかあるが、最大のものは、商用電力エネルギー価格並みの価格効果のある方式乃至は装置が実現できていないためと考えられる。それは実際に装置を設置する工事を実用的に行える方式と構成を持った装置が開発されていない事及び装置の構成が複雑でコストが実用的なレベルに収まっていない事などが原因である。技術面では熱回収効果不足、耐熱温度、熱歪吸収などの問題が明確になっていないと考えられる。このような実際に商品化する上で課題解決に必要な技術は以上に示した背景技術には見つけることができない。
以上の内容を検討課題としてまとめると以下のように整理される。即ち太陽光コジェネレイション装置を家庭用や店舗用など、限られたスペースに設置する商品価値の高い商品として実用化する為に必要となる技術的な課題は以下のような項目が存在する。
(1)太陽光発電セルを金属製のヒートシンク基板上に配置して、発電セルに生じる太陽光温熱をヒートシンク基板に伝熱させてそれを集熱する方式の太陽光コジェネレイション装置において有効な総エネルギー変換効率(TCR)を確保する方式と構成の明確化。
(2)同上、エネルギー変換効率と変換量をさらに向上させる工夫と方式の明確化。
(3)上記方式の太陽光コジェネレイション装置の実際の設置工事特性を実用的な容易なレベルに向上させるため、発電モジュールと冷却媒体回路を分割しておき、現場で伝熱可能に固定する方式と構成の明確化及びそれを実現する為の固定の方式と構造の明確化。
The above contents can be summarized as follows. That is, there are the following technical problems that are necessary for putting the solar cogeneration apparatus into a commercial product with a high commercial value that is installed in a limited space such as a home or a store.
(1) The total effective in a solar cogeneration system of a type in which a solar power generation cell is arranged on a metal heat sink substrate, and the solar heat generated in the power generation cell is transferred to the heat sink substrate to collect it. Clarification of methods and configurations to ensure energy conversion efficiency (TCR).
(2) Same as above, clarification of devices and methods for further improving energy conversion efficiency and conversion amount.
(3) In order to improve the actual installation characteristics of the solar cogeneration system of the above method to a practical and easy level, the power generation module and the cooling medium circuit are divided and fixed so that heat can be transferred on site. And clarification of the structure and clarification of the fixing method and structure for realizing it.
(4)多数のモジュールからなる太陽光コジェネレイションシステムを現地に設置する場合に全体の設置工事を簡略化してかつ工事の品質を確保できる設置方法の明確化。
(5)太陽光コジェネレイション装置の発電セル、その周囲の材料、ヒートシンク基板などは装置全体を放熱を抑えた断熱構造を採用するため、冷却媒体が作動しないときは発電セルの周囲の最大温度が上昇する。太陽光発電装置が80℃程度であるのに対し100℃〜110℃程度に達する事も考えられる。このときに備えて耐熱材料乃至は冷却方式の採用など温度上昇への対応策の明確化が課題である。
(6)太陽光コジェネレイション装置の発電セルはシリコン結晶、乃至はアモルファスなど小さな熱膨張係数の材質からなり、一方金属製のヒートシンク基板は一般に線膨張係数が大なものが多い。特に集熱特性の点で望ましい熱伝導率の高い金属である銅、アルミニウム及びその合金は線膨張係数が大きい。従って発電セルとヒートシンク基板を伝熱し易い様にできるだけ密着した構造で尚且つ夏冬に渡る広範囲の温度変化により生じる熱歪を吸収できる構造乃至は材料の最適化が必要である。
(7)発電電力と温熱の双方を消費する現地の消費モードに合わせて双方の出力割合を設定できる太陽光コジェネレイションシステムの方式の明確化。
(8)本システムの投資効果をさらに高めるための、発電電力と温熱出力を利用する以外に、太陽光コジェネレイション装置をプラス機能で利用する新機能とその方法の実現。
などである。
(4) Clarification of the installation method that can simplify the overall installation work and ensure the quality of the work when installing a solar cogeneration system consisting of many modules on-site.
(5) The solar cell cogeneration system power generation cell, its surrounding materials, heat sink substrate, etc. adopt a heat insulating structure that suppresses heat dissipation throughout the device, so when the cooling medium does not operate, the maximum temperature around the power generation cell is To rise. It is conceivable that the solar power generation device reaches about 100 ° C. to 110 ° C. while it is about 80 ° C. In preparation for this, it is a challenge to clarify countermeasures against temperature rise, such as the use of heat-resistant materials or cooling systems.
(6) The power generation cell of the solar cogeneration apparatus is made of a material having a small thermal expansion coefficient such as silicon crystal or amorphous, while metal heat sink substrates generally have a large linear expansion coefficient. In particular, copper, aluminum, and alloys thereof, which are desirable metals with high thermal conductivity in terms of heat collection characteristics, have a large linear expansion coefficient. Therefore, it is necessary to optimize the structure or material that has a structure in which the power generation cell and the heat sink substrate are closely attached as much as possible so that heat can be transferred and that can absorb thermal strain caused by a wide range of temperature changes over summer and winter.
(7) Clarification of solar cogeneration system method that can set the output ratio of both according to the local consumption mode that consumes both generated power and heat.
(8) Realization of new functions and methods that use solar cogeneration equipment as a plus function in addition to using generated power and thermal output to further increase the investment effect of this system.
Etc.
以上が本発明が解決しようとしている具体的な技術課題である。これらを総合して、家庭用や店舗用の限られたスペースに設置する為の商品システムとしての技術的課題は次の三つに集約される。即ち1、太陽光コジェネレイション装置としてユーザーが必要とする全エネルギー量を賄う事ができ、且つその受光面積をできるだけ小さくし、設置面積に制約のある家庭用、民生用、においても設置出来るようにし、かつ設置工事性を向上させて、太陽光エネルギー利用の普及促進の基盤を整える。2、発電モジュール受光面積と温熱収集モジュール受光面積を同一面積として一体化した(コジェネレイション)形で受光面積当たりのエネルギー変換効率を太陽光発電のみの場合に比べ倍以上に増加させてコストパフォーマンスを向上させ、設備投資に対する実益効果を増大させる。3、厳しい作動条件に対し、簡単で確実な構成と作動により高い品質と長期の信頼性を確保できるシステムを実現して太陽光エネルギー利用装置の民生用分野での普及促進を計る。この大きな三つの商品目標課題を達成するために上記の八つの具体的な技術課題を明確にした。 The above is a specific technical problem to be solved by the present invention. By combining these, technical issues as a product system for installation in a limited space for home use and stores are summarized in the following three. That is, as a solar cogeneration device, it can cover the total amount of energy required by the user, and its light receiving area should be as small as possible so that it can be installed in home and consumer applications where the installation area is limited. In addition, improve the installation workability and prepare a foundation for promoting the use of solar energy. 2. The power conversion module light receiving area and the heat collection module light receiving area are integrated into the same area (cogeneration), and the energy conversion efficiency per light receiving area is more than doubled compared to the case of photovoltaic power generation alone, thereby improving cost performance. Improve the profitable effect on capital investment. 3. Realize a system that can ensure high quality and long-term reliability by simple and reliable configuration and operation under severe operating conditions, and promote the spread of solar energy utilization equipment in the consumer field. In order to achieve these three major product target issues, the above eight specific technical issues were clarified.
前述した8項目の技術課題を全て解消する事が上記の商品システムの三つの目標課題を達成する近道である。したがって本明細書はこの8項目につき解決手段を明示していく。民生用の太陽光発電装置乃至は太陽光コジェネレイション装置は通常は屋根の上など作業環境が厳しいところに設置される。しかも現在の太陽光発電装置では実用的に有効なエネルギー量を取得するためには大きな受光面積を必要とする。例えば家庭用では平均的な装置の全受光面積は25平方メートル以上であり、装置は10〜20枚程度のモジュールに分割され、夫々のモジュール内の発電セルで発電された電力を夫々のセルからモジュールそして全体の統合された送電回路にまとめて出力する。 Eliminating all of the eight technical problems described above is a shortcut to achieving the three target problems of the product system. Therefore, the present specification will clarify the solving means for these eight items. A consumer-use solar power generation device or a solar cogeneration device is usually installed in a severe working environment such as on a roof. In addition, the current photovoltaic power generation apparatus requires a large light receiving area in order to obtain a practically effective energy amount. For example, in the home use, the total light receiving area of an average device is 25 square meters or more, the device is divided into about 10 to 20 modules, and the power generated by the power generation cells in each module is converted into modules from each cell. Then, the output is collectively output to the entire integrated power transmission circuit.
トータルの取得エネルギーの総和を同一とするならば、その集光面積は太陽光コジェネレイション装置の場合、太陽光発電のみの装置に比べて約3分の1以下の面積規模でほぼ同等のエネルギー量が取得できる。それは太陽光発電では電気エネルギー変換効率(ECR)が全受光エネルギーの13〜5%であるのに対し太陽光コジェネレイション装置では本発明に記載した技術を取り込んだ装置を実現すれば発電電力と温熱出力を合わせてその4倍に近いエネルギー出力が取得でき、その結果総合エネルギー取得効率(TCR)は50%以上にも達すると期待されるからである。 If the total sum of the total acquired energy is the same, the condensing area of the solar cogeneration system is almost equal to the amount of energy with an area scale of about one-third or less compared to the system with only solar power generation. Can be obtained. In solar power generation, the electrical energy conversion efficiency (ECR) is 13 to 5% of the total received energy, whereas in the solar cogeneration system, if the device incorporating the technology described in the present invention is realized, the generated power and heat This is because an energy output close to four times that of the output can be obtained, and as a result, the total energy acquisition efficiency (TCR) is expected to reach 50% or more.
従って家庭用コジェネレイション装置の場合、全受光面積は10〜15平方メートル程度に小型化しても実用的な効果を満たすことができるが、その場合でも製造、運搬及び設置工事上の都合により4〜15枚程度の多数枚数のモジュールに分割して構成する事になる。これらのモジュールで発生する温熱を集熱するため、今まではは冷却管を取り付け済みのモジュールを屋根の上などに設置した後に該モジュールに設けた冷却管を順次接続して行く工程が必要であった。これは多くの接続箇所からの水乃至は冷媒などの冷却媒体のリーク不良が発生し易いし、接続工事そのものが屋根の上などの足場の悪いところの作業になるため過酷な作業となり設置工事費を高くする大きな要素になってしまうという欠点があった。 Therefore, in the case of a household cogeneration apparatus, the total light receiving area can satisfy a practical effect even if it is downsized to about 10 to 15 square meters. It is divided into a large number of modules of about one. In order to collect the heat generated by these modules, it has been necessary to connect the cooling pipes provided in the modules in order after installing the modules with cooling pipes installed on the roof. there were. This is because water or coolant from a large number of connection points is likely to leak, and the connection work itself is a poor work such as on the roof. There was a drawback that it would be a big factor to raise.
太陽光コジェネレイションの構成方式として検討されている方式の内、最近研究されている方式の太陽光を光学的に集中させる方式はエネルギー取得の点では優れるが大規模な集光装置は家庭や店舗には適しないし、コストの面でも難しい。また発電セルをシースルーにして発電部分と集熱部分とを分離した方式も技術面にはコジェネレイションに適す方式であるが、コストが高くなる事と合わせ、シースルーの発電セル自体の電気エネルギー変換効率(ECR)が低く、大面積の受光面が必要になる事からビルの窓ガラス面の利用などには適すが家庭用、店舗用には適さないと考えられる。 Among the methods that are being considered as a configuration method for solar cogeneration, the method of optically concentrating the sunlight that has been studied recently is excellent in terms of energy acquisition, but large-scale concentrators are used in homes and stores. It is not suitable for and difficult in terms of cost. In addition, the method of separating the power generation part and the heat collection part with the power generation cell as the see-through is also a method suitable for cogeneration in terms of technology, but together with the increase in cost, the electrical energy conversion efficiency of the see-through power generation cell itself Since (ECR) is low and a light-receiving surface with a large area is required, it is suitable for use on the window glass surface of a building, but is not suitable for home use and store use.
本発明が対象としている装置の方式は発電セルを金属製のヒートシンク基板上に機械的に直接乃至は間接に密着させた状態で設置し、発電セルで発生する温熱を周囲に放熱させずにそのヒートシンク基板に伝熱させて集熱させる方式を前提としており、その熱をさらに集める集熱配管はできる限り接続箇所を減らして信頼性を高め、且つ据付の工事を簡略化する方式を目指している。
従って前述した様な八つの項目が技術的な課題となるわけである。以上が、本発明で対象とする太陽光コジェネレイション装置の全体構成の概要である。
The system of the device targeted by the present invention is to install a power generation cell in a state where it is mechanically or indirectly in close contact with a metal heat sink substrate, so that the heat generated in the power generation cell is not dissipated to the surroundings. It is premised on the method of collecting heat by transferring heat to the heat sink substrate, and the heat collecting pipe that collects the heat further aims to reduce the number of connection points as much as possible to improve reliability and simplify the installation work. .
Therefore, the eight items as described above are technical issues. The above is the outline of the overall configuration of the solar cogeneration apparatus targeted by the present invention.
対象としている発電モジュールは上面カバーとなる硬質ガラス板、大気への放熱を防ぐための真空層乃至は空気層、発電セル表面に結露やセルの劣化を防ぐためのEVAなどによるシール層、発電セル層、発電セルと金属製ヒートシンク基板の間を接合し且つ電気的に絶縁し且つ両者の線膨張率の違いによる歪を吸収するための薄膜層、温熱を受け取る金属製ヒートシンク基板、さらに放熱を防ぐための断熱材層によって積層された平板状のもの(発電モジュール)の周囲をアルミなどでできたモジュール枠体などで囲って構成する。このモジュール構成に於いて課題1の性能(TCR)を高めるには発電セルで生じた温熱をヒートシンク基板に伝えるために薄膜層の伝熱性を高める事が重要である。そのためにその材質を熱伝導性に優れたものにして出来る限り薄くする事が前提となる。 The target power generation module is a hard glass plate as the top cover, a vacuum layer or air layer to prevent heat dissipation to the atmosphere, a sealing layer by EVA etc. to prevent condensation and cell deterioration on the power generation cell surface, power generation cell Layer, a thin film layer for joining and electrically insulating the power generation cell and the metal heat sink substrate and absorbing distortion due to the difference in linear expansion coefficient between them, a metal heat sink substrate for receiving the heat, and further preventing heat dissipation A flat plate (power generation module) laminated with a heat insulating material layer is surrounded by a module frame made of aluminum or the like. In order to improve the performance (TCR) of the problem 1 in this module configuration, it is important to increase the heat transfer property of the thin film layer in order to transmit the heat generated in the power generation cell to the heat sink substrate. Therefore, it is premised that the material should be as thin as possible by making it excellent in thermal conductivity.
本発明が対象としている太陽光コジェネレイショ装置では発電セルと金属製のヒートシンク基板の間は常に電気的に絶縁され、発電セルとヒートシンク基板の間の広範囲な温度変化による熱歪の相対差によって発電セルが破壊されたり電気回路が破断されるなどの不具合が防止され、日射量の高い時に冷却が停止されて温度が上昇した場合でも充分な耐熱性があるという三つの要素を満たしている事が必要がある。
ここで、性能面の検証として薄膜層の伝熱抵抗を計算してみる。前記薄膜層が樹脂でその平均厚さが1.0mmの場合のその薄膜層によって生じる両者間の平均温度差は以下の様に計算される。発生する温度差は熱量を熱伝導率で除したものである。即ち薄膜層の樹脂の熱伝導率0.3Wm/℃と仮定、単位面積当たりの発生熱量を太陽光1000W/平方メーターの40%と想定し400W/平方メーター、樹脂厚さ0.001mの場合生じる温度差は400*0.001/0.3となり、即ち約1.3℃となる。これはヒートシンクの平均温度に対して発電セルの温度は1.3℃高い温度の状態で集熱が行われる事を意味している。
In the solar cogeneration apparatus to which the present invention is directed, the power generation cell and the metal heat sink substrate are always electrically insulated, and power generation is performed by the relative difference in thermal strain caused by a wide range of temperature changes between the power generation cell and the heat sink substrate. Failures such as cell breakage and electrical circuit breakage are prevented, and the three elements of sufficient heat resistance are met even when the temperature rises when cooling is stopped when the amount of solar radiation is high. There is a need.
Here, the heat transfer resistance of the thin film layer is calculated as a performance verification. When the thin film layer is a resin and the average thickness is 1.0 mm, the average temperature difference between the two is calculated as follows. The generated temperature difference is the amount of heat divided by the thermal conductivity. That is, it is assumed that the thermal conductivity of the resin of the thin film layer is 0.3 Wm / ° C., the amount of heat generated per unit area is 40% of sunlight 1000 W / square meter, 400 W / square meter, and the resin thickness is 0.001 m. The temperature difference is 400 * 0.001 / 0.3, that is, about 1.3 ° C. This means that heat collection is performed in a state where the temperature of the power generation cell is 1.3 ° C. higher than the average temperature of the heat sink.
さらにこの温度差に増加する要素は発電セルとヒートシンク基板における薄膜層側の表面の酸化、汚れ、気泡の混入などがあり、この温度差1.3℃は実際は3℃程度に拡大すると計算される。この3℃に更にヒートシンクから冷却配管への伝熱、冷却管から蓄熱槽更には給湯管への伝熱を含めて装置全体として各種熱交換乃至は伝熱損失の発生温度差は10℃を超えることが推定されている。これはユーザーが利用する温水の温度が48℃の時は発電セルの温度は58℃まで太陽光によって熱せられる必要があり、太陽光の利用効率さらには装置からの放熱ロスを考慮すると、実用上この10℃の温度差は装置全体としての許容最大限と看做しているわけである。 Furthermore, factors that increase the temperature difference include oxidation of the surface on the thin film layer side of the power generation cell and the heat sink substrate, contamination, and air bubbles, and the temperature difference of 1.3 ° C. is actually calculated to increase to about 3 ° C. . In addition to the heat transfer from the heat sink to the cooling pipe, the heat transfer from the cooling pipe to the heat storage tank, and further to the hot water supply pipe, the temperature difference of various heat exchanges or heat transfer losses exceeds 10 ° C. It is estimated. This is because when the temperature of hot water used by the user is 48 ° C, the temperature of the power generation cell needs to be heated by sunlight up to 58 ° C. In consideration of the utilization efficiency of sunlight and the heat dissipation loss from the equipment, it is practical. This temperature difference of 10 ° C. is regarded as the maximum allowable for the entire apparatus.
次に上記薄膜層について考慮しなければならない課題は前述したように、技術課題(5)(6)にあげた耐熱性と線膨張率の違いからくる相対歪をどの様に吸収させるかというものである。太陽光発電の場合は上記薄膜層を充分に肉厚とし、且つ自然放熱により最高温度を低く抑える事が可能であり、発電セルの材質の線膨張係数に近い線膨張係数の材料をヒートシンク基板に用いる事も可能である事などによりその歪を小さくできたからこの様な問題は重要ではなかった。しかしながら太陽光コジェネレイション装置の場合は前述したように性能面から薄膜層は1mm以下に薄くすることが望ましく、またヒートシンク基板も伝熱性能上の理由から金属が選定される。特に伝熱特性に優れた金属ほど線膨張係数(ラムダ)は大きい。常温付近の線膨張係数はアルミニウム24ミクロンm/m℃、銅16.5、鉄12.2、ガラス10.0、硬質ガラス3.5、シリコン3.0等の値であり発電セルに多用されるシリコン結晶に比べアルミニウムのそれは約7倍であり、温度変化による伸縮が大きく相対歪が大きく生じることがわかる。 Next, as mentioned above, the problem to be considered for the thin film layer is how to absorb the relative strain resulting from the difference between the heat resistance and the linear expansion coefficient mentioned in the technical problems (5) and (6). It is. In the case of photovoltaic power generation, the thin film layer can be made sufficiently thick and the maximum temperature can be kept low by natural heat dissipation. A material with a linear expansion coefficient close to the linear expansion coefficient of the power generation cell material is applied to the heat sink substrate. Such a problem was not important because the distortion could be reduced by the fact that it could be used. However, in the case of a solar cogeneration apparatus, as described above, it is desirable that the thin film layer is thinned to 1 mm or less from the viewpoint of performance, and a metal is also selected for the heat sink substrate for heat transfer performance reasons. In particular, the coefficient of linear expansion (lambda) is greater for metals with better heat transfer characteristics. The linear expansion coefficient near room temperature is a value of aluminum 24 microns m / m ° C, copper 16.5, iron 12.2, glass 10.0, hard glass 3.5, silicon 3.0, etc. Compared to silicon crystal, aluminum is about 7 times that of silicon crystal, indicating that the expansion and contraction due to temperature change is large and the relative strain is large.
上記の様に太陽光コジェネレイション装置では広範囲な温度変化に応じて発電セルとヒートシンク基板の相対的な熱歪によって発電セルが破壊されたり電気回路が破断されるなどの不具合を防止する工夫が装備されている必要がある。この課題に有効な多くの施策があり、例えば両者の材料の夫々の線膨張係数が近い材質を選ぶ、ヒートシンク基板上の各発電セルの面積を小さく分割し歪量を小さな値とする、薄膜層の材質を軟質材とし歪を吸収し易くする、両者の相対歪によるズレを滑らせる構造とする等の方法が効果的である。 As mentioned above, the solar cogeneration system is equipped with devices to prevent problems such as the power generation cell being destroyed or the electric circuit being broken due to the relative thermal strain between the power generation cell and the heat sink substrate in response to a wide range of temperature changes. Need to be. There are many effective measures for this problem. For example, a thin film layer that selects materials having similar linear expansion coefficients of both materials, divides the area of each power generation cell on the heat sink substrate, and reduces the strain amount. It is effective to use a soft material to make the material easy to absorb the strain, or to make a structure that slides due to the relative strain between the two.
薄膜層の材質を軟質材とする施策では、例えばポリウレタン樹脂乃至はエチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)乃至はエチレンメチルメタクリレート共重合樹脂(EMMA)など成型後や固形化後も軟質性を有する樹脂材料や天然ゴム、クロロプレンゴム、エティレンプロピレンゴムなどのゴム材料は、上記の両者間の歪を吸収する上で一定の効果がある。実機では上述したそれ以外の歪吸収方法との組み合わせでの採用が考慮されるべきであるが、金属製のヒートシンク基板上に軟質性の樹脂を用いて電気絶縁性と温度歪の吸収を図ることは極めて有効である。特にデュロメータ硬さのタイプDの値が45以下の材料ならば温度範囲マイナス20℃〜プラス90℃に変化した場合の温度歪を吸収する上で1mmの厚さを持った軟質材料の緩衝層による効果は充分であることがわかっている。 In the measure to make the material of the thin film layer a soft material, for example, a polyurethane resin or an ethylene vinyl acetate copolymer resin (EVA) or an ethylene methyl methacrylate copolymer resin (EMMA) such as a resin having flexibility even after being molded or solidified. Rubber materials such as materials, natural rubber, chloroprene rubber, and ethylene propylene rubber have a certain effect in absorbing the strain between them. Although it should be taken into consideration in combination with other strain absorption methods described above in the actual machine, it is intended to absorb electrical insulation and temperature strain using a soft resin on a metal heat sink substrate. Is extremely effective. In particular, if the value of the durometer hardness type D is 45 or less, it is based on a soft material buffer layer having a thickness of 1 mm for absorbing the temperature strain when the temperature range is changed from minus 20 ° C. to plus 90 ° C. The effect is known to be sufficient.
一方耐熱性について考察すれば、本発明の対象としている太陽光コジェネレイション装置では温熱を余すところ無く集熱するため発電セルやヒートシンク基板などからの放熱損失を最小化すべく空気層や底部の断熱部材層は十分な断熱効果になるように構造や材質が設定される。また発電セルの受光面には光の波長により輻射特性が変る選択吸収特性を持たせて表面からの放熱損失量を最小化するように工夫している。この結果、装置は受けた太陽光による温熱のほとんどをヒートシンク基板を通じて冷却配管へと伝えることが出来、TCRで示される熱取得効率が向上するわけである。通常発電セルの温度は56℃、冷却配管は53℃程度を目安に運転制御される。この状態では通常の太陽光発電装置の発電セルの夏場の作動温度よりも低温度の状態で運転されることになる。 On the other hand, considering the heat resistance, the solar cogeneration apparatus that is the subject of the present invention collects heat without leaving excessive heat, so the heat insulation member of the air layer and the bottom part is minimized in order to minimize the heat dissipation loss from the power generation cell, heat sink substrate, etc. The structure and material of the layer are set so as to provide a sufficient heat insulating effect. In addition, the light receiving surface of the power generation cell is devised so as to minimize the amount of heat radiation loss from the surface by having a selective absorption characteristic in which the radiation characteristic changes depending on the wavelength of light. As a result, the apparatus can transfer most of the heat generated by the received sunlight to the cooling pipe through the heat sink substrate, and the heat acquisition efficiency indicated by the TCR is improved. Usually, the temperature of the power generation cell is controlled at 56 ° C., and the cooling pipe is controlled at about 53 ° C. as a guide. In this state, the system is operated at a temperature lower than the summer operating temperature of the power generation cell of a normal solar power generation device.
しかしながら、装置の運転を停止されて冷却配管の冷却用の媒体の流れが停止している時には発電セル周囲部分は温度上昇が避けられず、運転地域の環境温度や太陽光の照射具合によっては100℃を超えるまで温度が高くなる事が避けられない。特許文献7では換気口を開閉して温度制御する技術が提示されている。この方法以外に、発電セルなどの温度の上昇を検知して冷却媒体を強制的に循環させる方法も有効な方法である。 However, when the operation of the apparatus is stopped and the flow of the cooling medium in the cooling pipe is stopped, the temperature around the power generation cell is inevitably increased. Depending on the environmental temperature in the operation area and the degree of sunlight irradiation, 100 It is inevitable that the temperature will rise until it exceeds ℃. Patent Document 7 proposes a technique for controlling the temperature by opening and closing a ventilation port. In addition to this method, a method of forcibly circulating the cooling medium by detecting an increase in temperature of the power generation cell or the like is also an effective method.
現在太陽光発電装置で定番で使われているEVAは軟質性に優れている(上記のタイプDの値が45以下の特性は可能である)が融解温度は80℃近辺のものが多く、本発明の薄膜層は100℃近辺に温度上昇するためそのまま利用できない。そこで酢酸の成分量を減らして融解温度を100℃以上とする事で採用が可能となる。この材料には光透過性は全く必要がなくEVAの様に透明な樹脂でなくて有色でも構わないから、必要な成形性、電気的絶縁性、耐熱性などを考慮して多くの候補材料樹脂乃至はゴムから最適なものを選定できる。しかしながら発電セルの上面をコーティングする材料は光透過性が必要であるから耐熱性のEVA乃至はEMMAを用いた場合には上下の樹脂同士の相互の親和性が必要となる。何故なら発電モジュールには多数の発電セルをマウントするためモジュール同士の間は裏表の樹脂同士が接触する構造となるからである。 EVA, which is currently used as a standard in photovoltaic power generation devices, is excellent in softness (the above-mentioned type D value is 45 or less), but the melting temperature is often around 80 ° C. The thin film layer of the invention cannot be used as it is because it rises in the vicinity of 100 ° C. Therefore, it can be adopted by reducing the component amount of acetic acid and setting the melting temperature to 100 ° C. or higher. Since this material does not need light transmission at all and may be colored instead of transparent resin like EVA, many candidate material resins in consideration of necessary moldability, electrical insulation, heat resistance, etc. Or the most suitable one can be selected from rubber. However, since the material for coating the upper surface of the power generation cell needs to be light transmissive, when the heat resistant EVA or EMMA is used, the upper and lower resins need to have mutual affinity. This is because a large number of power generation cells are mounted on the power generation module, so that the front and back resins come into contact with each other between the modules.
薄膜層の厚さを決定する要因は上記の様な歪吸収性、電気絶縁性、耐熱性、強度などが重要であるが、実際は発電セルとヒートシンク基板の間に薄い樹脂膜をサンドイッチした状態で熱圧着する工程を考えた時、発電セルの凸部や混入したゴミなどにより樹脂膜が破損することを防止する事を考慮する事も重要である。即ちこの樹脂膜の最小厚さは上記の歪吸収効果とこの破損の可能性回避、発電セル形状との馴染みなどを考慮して決定されるのが実用的である。発電セルに凸凹形状がある結晶型シリコンを用いた場合はこの凸凹形状をカバーすべく通常その肉厚は0.8〜1.0mmを選定する。フィルム面上に形成されたシリコンアモルファスを発電セルとして用いた場合で上記の熱歪対応策を十分に取り込んだ場合は、発電セルのフィルムが平坦である等の優位点を生かして薄膜層に用いる樹脂膜は0.8mm以下の薄膜が選定可能である。 The factors that determine the thickness of the thin film layer are strain absorption, electrical insulation, heat resistance, and strength as described above, but in reality, a thin resin film is sandwiched between the power generation cell and the heat sink substrate. When considering the process of thermocompression bonding, it is also important to consider preventing the resin film from being damaged by the convex portion of the power generation cell or mixed dust. In other words, the minimum thickness of the resin film is practically determined in consideration of the above-described strain absorption effect, avoidance of the possibility of breakage, familiarity with the shape of the power generation cell, and the like. When crystalline silicon having an uneven shape is used in the power generation cell, the thickness is usually selected to be 0.8 to 1.0 mm to cover the uneven shape. When silicon amorphous formed on the film surface is used as a power generation cell and the above heat distortion countermeasures are fully incorporated, the film of the power generation cell is used for the thin film layer by taking advantage of its flatness. As the resin film, a thin film of 0.8 mm or less can be selected.
ここで所定の耐電圧機能とは通常使用状態での漏電防止の観点から発電セルのラインと金属製ヒートシンク間の耐電圧強度は400〜2000ボルト程度を考慮すべきであり、絶縁機能としての規制限度の許容リーク電流は1ミリアンペア以下のレベルであるが実際の規制数値は機器の仕様要求により設定される。実際は発電セルの上面は湿気やごみからセルを保護するために前述した様に保護シールを被服させることになる。これには光透過性が重要でEVA乃至はEMMAを用いる。この場合電気絶縁性や歪吸収性は必要がなく、光透過性と発電セル表面への接着信頼性によって選定する。 Here, the predetermined withstand voltage function means that the withstand voltage strength between the line of the power generation cell and the metal heat sink should be about 400 to 2000 volts from the viewpoint of preventing leakage in a normal use state. The limit allowable leakage current is a level of 1 milliampere or less, but the actual regulation value is set according to the specification requirement of the device. Actually, the upper surface of the power generation cell is covered with a protective seal as described above to protect the cell from moisture and dust. For this, light transmission is important, and EVA or EMMA is used. In this case, there is no need for electrical insulation and strain absorption, and the selection is made according to light transmission and reliability of adhesion to the power generation cell surface.
太陽光発電装置では、発電セルと背面基板の間の層の材料としてEVAが用いられ、EVA自体をホットメルト機能即ち接着剤機能を持たせており、運転時の最高温度および工場の処理工程温度からその融解温度は80℃程度のものが用いられる。これと同程度の材質を太陽光コジェネレイション装置に使うためには発電セルないしは金属製のヒートシンク基板の積層体部分の温度を80℃程度以上には上昇させないようにする温度上昇防止機構を別途追加する事が必要である。その機構としては、その温度を検知して危険温度まで上昇した時に、例えば前述した様に特許文献7に示される様な換気冷却口を開口して冷却する、乃至は通風ファンを強制運転させる、乃至は冷却媒体回路に放熱器を追加設置しておいて冷却媒体を強制循環させて金属製のヒートシンク基板を冷却するなど幾つかの方法がある。 In the photovoltaic power generation apparatus, EVA is used as a material for a layer between the power generation cell and the back substrate, and EVA itself has a hot melt function, that is, an adhesive function, and the maximum temperature during operation and the processing temperature of the factory. Therefore, a melting temperature of about 80 ° C. is used. In order to use the same level of materials for solar cogeneration equipment, a temperature rise prevention mechanism has been added to prevent the temperature of the power generation cell or metal heat sink substrate from rising above 80 ° C. It is necessary to do. As its mechanism, when the temperature is detected and rises to a dangerous temperature, for example, as described above, a ventilation cooling port as shown in Patent Document 7 is opened and cooled, or a ventilation fan is forcibly operated. Alternatively, there are several methods such as additionally installing a radiator in the cooling medium circuit and forcibly circulating the cooling medium to cool the metal heat sink substrate.
しかしながらこれらの追加機能はコスト増加要因になるため発電セルの材質と薄膜層に用いる材料の耐熱性を向上させる方法が実用的である。この場合は薄膜層の材質の融解温度は100℃以上かそれに近いものを選定する。100℃以上の融解温度又はそれに相応する温度を持つ耐熱材料候補は酢酸ビニル成分を少なくしたEVA、メチルメタクリレート成分を少なくしたEMMA、ポリウレタン、シリコーンゴム、エティレンプロピレンゴム、クロロプレンゴムなどがある。いづれもホットメルトとして用いるかシート状のものを耐熱接着剤で接着するか等の加工方法をとる。 However, since these additional functions increase costs, a method for improving the heat resistance of the material of the power generation cell and the material used for the thin film layer is practical. In this case, the melting temperature of the material of the thin film layer is selected to be 100 ° C. or higher. Possible heat-resistant materials having a melting temperature of 100 ° C. or higher or a temperature corresponding thereto include EVA having a reduced vinyl acetate component, EMMA having a reduced methyl methacrylate component, polyurethane, silicone rubber, ethylene propylene rubber, chloroprene rubber and the like. Either method is used as a hot melt or a processing method such as bonding a sheet-like material with a heat-resistant adhesive.
耐熱性に関する別の技術として、発電セルの線膨張係数と近い線膨張係数を持った固体の平板に発電セルを接着乃至は接合させる事によりその周囲の温度が大きく変動してヒートシンク基板に大きな熱歪が発生しても、発電セルがその固体の平板に支持されているから発電セルに生じる熱歪の差によるストレスは小さく、破壊や断線が生じにくい。例えばシリコン結晶(線膨張係数2.7マイクロm/m℃)の発電セルの場合であればアルミナを固めた平板(線膨張係数7.7マイクロm/m℃)乃至はガラス板(線膨張係数3.5〜10マイクロm/m℃)など、それに近い小さな線膨張係数を持った材料を薄い平板にしてその上に発電セルを接合させることにより、発電セルはヒートシンク基板(アルミ板であれば線膨張係数は24マイクロm/m℃)との間の熱歪の差の影響をあまり受けなくて済むわけである。 As another technology related to heat resistance, the temperature of the surroundings fluctuates greatly by adhering or bonding the power generation cell to a solid flat plate having a linear expansion coefficient close to that of the power generation cell. Even if strain occurs, the power generation cell is supported by the solid flat plate, so that the stress due to the difference in thermal strain generated in the power generation cell is small, and breakage and disconnection are unlikely to occur. For example, in the case of a power generation cell of silicon crystal (linear expansion coefficient: 2.7 μm / m ° C.), a flat plate (linear expansion coefficient: 7.7 μm / m ° C.) or glass plate (linear expansion coefficient) made of alumina solidified. The power generation cell is made of a heat sink substrate (if it is an aluminum plate) by joining a power generation cell on a thin flat plate made of a material having a small linear expansion coefficient such as 3.5 to 10 μm / m ° C. The coefficient of linear expansion is less affected by the difference in thermal strain with respect to 24 μm / m ° C.).
今後、各種の発電セルが実用化されてきてもその線膨張係数に近い固体平板を用いて発電セルを支持する方式は熱歪の吸収策として有効である。この両者の接合は接着剤乃至はホットメルト樹脂などが用いられるが、何れにしても接合面、及びこの固体平板を合わせた厚さは伝熱促進の意味から極めて薄い事が要求される。ヒートシンク基板はアルミニウムやヒートパイプを裏面に設けた鉄板などが利用されるが、この線膨張係数は大きいので、この固体平板との間を埋める材質は薄肉で且つ熱歪を吸収できるだけの柔軟性がある事が要求される。 In the future, even if various power generation cells are put into practical use, a method of supporting a power generation cell using a solid flat plate having a coefficient of linear expansion is effective as a measure for absorbing thermal strain. An adhesive or hot-melt resin is used for the bonding between the two, but in any case, the combined surface and the combined thickness of the solid flat plates are required to be extremely thin in order to promote heat transfer. The heat sink substrate is made of aluminum or an iron plate with a heat pipe on the back, but since this linear expansion coefficient is large, the material that fills the space between the solid flat plates is thin and flexible enough to absorb thermal strain. Something is required.
軟質の樹脂やゴムがこの材質に該当する。例えばEVA、EMMA(エチレンメチルメタ栗レート共重合樹脂)、ポリウレタン樹脂、天然ゴム(ただし熱に弱い)、シリコンゴム、クロロプレンゴムなどが候補材料である。これらの材料はホットメルト効果があればそれを直接に加熱接合させれば良いし、そうでなければシート材にして接着剤で貼り付けることになる。その樹脂やゴムの層の厚さは伝熱特性確保の意味から1mm以下であることが望ましい。
さらに前述した固体の平板の熱伝導が悪ければこの厚さはさらに薄くすることが必要になる。この点ではガラス板やアルミナを固めた平板の場合は熱伝導はそれほど悪くないので、この1mmという厚さの規準はそのままでも良いと考えられる。
Soft resin and rubber correspond to this material. For example, EVA, EMMA (ethylene methyl methacrylate copolymer resin), polyurethane resin, natural rubber (however sensitive to heat), silicon rubber, chloroprene rubber and the like are candidate materials. If these materials have a hot melt effect, they may be directly heat-bonded, otherwise they will be made into sheet materials and attached with an adhesive. The thickness of the resin or rubber layer is preferably 1 mm or less from the viewpoint of ensuring heat transfer characteristics.
Further, if the heat conduction of the above-described solid flat plate is poor, this thickness needs to be further reduced. In this respect, since the heat conduction is not so bad in the case of a glass plate or a flat plate made of alumina, it is considered that the thickness standard of 1 mm may be left as it is.
薄膜層を構成する材質として樹脂やゴムなどのシート乃至はフィルムを用いる方法も有効である。このシート乃至はフィルムを発電セルの裏面及び金属製のヒートシンク基板の上面に接着する事により薄膜層の一部を構成させるもので、この方法によればこのシート材乃至はフィルム材は耐熱性とし100℃以上の融解温度をもった材質を使用し、それを常温乃至は80℃程度のホットメルトにより接着する事が可能である。これによりシート乃至はフィルムは耐熱性を有し、接合には高温度の工程を必要としないという利点がある。さらに100℃に近い環境でも上記のシート乃至はフィルムは融解しないので薄膜層の寸法を維持し易いという利点がある。 A method of using a sheet or film of resin or rubber as a material constituting the thin film layer is also effective. A part of the thin film layer is formed by adhering the sheet or film to the back surface of the power generation cell and the upper surface of the metal heat sink substrate. According to this method, the sheet material or film material is made heat resistant. It is possible to use a material having a melting temperature of 100 ° C. or higher and adhere it by hot melt at room temperature or about 80 ° C. This has the advantage that the sheet or film has heat resistance and does not require a high-temperature process for bonding. Further, since the sheet or film does not melt even in an environment close to 100 ° C., there is an advantage that the dimensions of the thin film layer can be easily maintained.
発電セルは前述したように多くの方式が開発され、多くの種類の材質が使われている。そこにはシリコン結晶やガラス基板のように100℃程度の温度には充分な耐熱性を有している。しかしながらシリコンアモルファスや合金の金属薄膜を樹脂フィルムに蒸着させた構造のものではフィルム層の耐熱性さらには薄膜の伸縮性が不十分な場合がある。またシリコン結晶の発電セルの間を連結する電気リードが温度変化により断裂が生じるなどの不具合が生じる可能性もある。 As described above, many types of power generation cells have been developed, and many types of materials are used. It has sufficient heat resistance at a temperature of about 100 ° C. like a silicon crystal or a glass substrate. However, in a structure in which a metal thin film of silicon amorphous or alloy is vapor-deposited on a resin film, the heat resistance of the film layer and the stretchability of the thin film may be insufficient. In addition, there is a possibility that problems such as breakage of the electrical leads connecting the silicon crystal power generation cells due to temperature changes may occur.
発電セルの選定は、まづは耐熱性の確認を行いたい。プラスチック部材が使われているか否か、使われているならばその耐熱性、融解温度は充分高温か?について確認を行い、太陽光コジェネレイション装置として必要な最高温度に対して充分な耐熱性を有しているか否かが問題となる。プラスチック部材のみでなく発電セル全体が少なくとも太陽光コジェネレイション装置に使われる場合は通常は100℃以上の温度環境で問題が生じないかどうかがポイントである。問題ありの場合は他の発電セルに変更するか、太陽光コジェネレイション装置の冷却機構を設置する事を考えなければならない。 When selecting a power generation cell, we want to check its heat resistance first. Whether or not plastic parts are used, and if they are used, is their heat resistance and melting temperature sufficiently high? Whether or not it has sufficient heat resistance with respect to the maximum temperature required as a solar cogeneration apparatus becomes a problem. When not only the plastic member but also the entire power generation cell is used in at least a solar cogeneration system, it is usually important that the problem does not occur in a temperature environment of 100 ° C. or higher. If there is a problem, you must consider switching to another power generation cell or installing a cooling mechanism for solar cogeneration equipment.
装置のほとんど全ての材料が耐熱であることが前提で、その上でさらに太陽光コジェネレイション装置として前述した通り、100℃以上の所定温度に所定時間晒した後に正規の発電特性を有しているか否かを確認する必要がある。この評価は装置として作動させる必要があり発電セル単体では充分な評価が行えない。特に実際の設置状態での評価確認が必要であり、最も厳しい評価となる設置状態で評価するのが前提である。通常設置面は傾斜面が多いが垂直面も評価範囲に含まれる。電気エネルギー変換効率ECRは例えば多結晶シリコンの場合には13〜16%といった数値である事が多いが、ここではこの高温度保持後の評価で同等のECRが得られることが要求される。 Assuming that almost all materials of the device are heat-resistant, and as described above as a solar cogeneration device, does it have proper power generation characteristics after being exposed to a predetermined temperature of 100 ° C or higher for a predetermined time? It is necessary to confirm whether or not. This evaluation needs to be operated as a device, and the power generation cell alone cannot be sufficiently evaluated. In particular, it is necessary to check the evaluation in the actual installation state, and it is assumed that the evaluation is performed in the installation state that is the most severe evaluation. Normally, the installation surface has many inclined surfaces, but the vertical surface is also included in the evaluation range. The electrical energy conversion efficiency ECR is often a numerical value such as 13 to 16% in the case of polycrystalline silicon, for example, but here, it is required that an equivalent ECR is obtained in the evaluation after the high temperature holding.
発電セルと金属製ヒートシンク基板の間に生じる熱歪を吸収する機構に関する技術である。発電セルがシリコン結晶乃至はアモルファスである場合の線膨張係数と金属性ヒートシンク基板に使われる熱伝導性の良い金属のそれとは大きな違いがある。特に最も伝熱特性と材料価格の点でヒートシンク基板として有望なアルミニウムとは10倍に近い係数の違いがある。 This is a technique related to a mechanism for absorbing thermal strain generated between a power generation cell and a metal heat sink substrate. There is a significant difference between the coefficient of linear expansion when the power generation cell is made of silicon crystal or amorphous material and that of a metal with good thermal conductivity used for the metal heat sink substrate. In particular, there is a difference in coefficient nearly 10 times that of aluminum, which is most promising as a heat sink substrate, in terms of heat transfer characteristics and material cost.
線膨張係数の大きなアルミニウムを用いたヒートシンク基板に線膨張係数の小さなシリコン結晶を用いた発電セルの組み合わせでは薄膜層に軟質のホットメルト樹脂で接着した方式では大きな温度変化によりシリコンセルや電気リードが破断したりする危険があり、この接合面を摺動させて歪を殆ど吸収する方式は極めて有効である。接合面はプラスチックフィルムやシート及びアルミなどの金属平面などは変形が少なく平坦面を維持できるもので構成させる必要がある。この平坦面の接合を補助する意味で接合面には耐熱グリスを塗って置くのも有効である。さらに必要な事はこの接合面を常に接合した状態に保つための機構が必要な事である。そこで発電セルと薄膜層及び金属製のヒートシンク基板を複数個所貫通させた留め金でその積層体の厚さを保持させる方法などが採用される。発電セルとヒートシンク基板を圧接させるためにバネを留め金に加えた構造は接合面の維持に更に有効である。 In the combination of a power generation cell using a silicon crystal with a low linear expansion coefficient on a heat sink substrate using aluminum with a high linear expansion coefficient, a silicon cell or electrical lead is caused by a large temperature change in a method in which a thin hot-melt resin is bonded to a thin film layer. There is a risk of breakage, and a method of absorbing most of the strain by sliding the joint surface is extremely effective. It is necessary that the bonding surface be made of a plastic film, a sheet, and a metal flat surface such as aluminum that can be kept flat with little deformation. In order to assist the joining of the flat surfaces, it is also effective to apply heat-resistant grease on the joining surfaces. What is further required is a mechanism for keeping the joint surfaces in a joined state at all times. Therefore, a method of maintaining the thickness of the laminated body with a clasp that penetrates a plurality of power generation cells, thin film layers, and metal heat sink substrates, is employed. A structure in which a spring is added to the clasp to press-contact the power generation cell and the heat sink substrate is more effective for maintaining the joint surface.
留め金の変わりに小さなループを持った固定バンドを用いても良い。これと同等の効果を発揮させるために、発電セルを金属製のヒートシンク基板に押し付ける方式も有効である。発電モジュールの表面部材は硬質ガラスを用いるので、このガラスを利用してガラスと発電セルの間に複数の支柱を設置して常に発電セルをヒートシンク基板に押し付けても良い。支柱の形状は制約はあるが、少なくとも弾性効果を持たせたものが発電セルを押さえつける上で効果的と考えられる。 A fixed band with a small loop may be used instead of the clasp. In order to exhibit the same effect, it is also effective to press the power generation cell against a metal heat sink substrate. Since the surface member of the power generation module uses hard glass, a plurality of support columns may be installed between the glass and the power generation cell using this glass, and the power generation cell may always be pressed against the heat sink substrate. Although there are restrictions on the shape of the column, it is considered that at least an elastic effect is effective in pressing down the power generation cell.
太陽光コジェネレイション装置は熱の放散を少なくするために上面のガラス板の下に断熱用の空気層乃至は真空パネル層を設ける。その厚さは5mmから20mm程度が選定される。従ってその下の積層体の発電セルの上面はその空気層乃至は真空パネル層に接しており発電セルの表面への結露を防止するためにはこの空気層乃至は真空パネル層更にはその発電セルとの接する面は外界の空気とは密閉構造とする必要がある。完全密閉構造でない場合は発電セルの表面にはEVAなどの透明なホットメルト樹脂で被覆して皮膜層とすることが必要である。太陽光発電で用いるEVAより15℃から30℃高い融解温度を有したEVAを用いて100℃程度の高温度に耐えるようにする必要がある。この皮膜層の表面部材として硬質ガラス乃至はEVAシートを追加して積層体の平坦度の精度を向上させ製造工程を安定させる方法も採用される。 The solar cogeneration apparatus is provided with an air layer or a vacuum panel layer for heat insulation under a glass plate on the upper surface in order to reduce heat dissipation. The thickness is selected from about 5 mm to 20 mm. Therefore, the upper surface of the power generation cell of the laminated body is in contact with the air layer or the vacuum panel layer, and in order to prevent condensation on the surface of the power generation cell, the air layer or the vacuum panel layer and further the power generation cell. The surface in contact with the air needs to be sealed from the outside air. If the structure is not completely sealed, it is necessary to coat the surface of the power generation cell with a transparent hot melt resin such as EVA to form a coating layer. It is necessary to withstand a high temperature of about 100 ° C. using EVA having a melting temperature 15 ° C. to 30 ° C. higher than EVA used in solar power generation. A method of adding a hard glass or EVA sheet as the surface member of the coating layer to improve the accuracy of the flatness of the laminate and stabilizing the manufacturing process is also employed.
ヒートシンク基板には伝熱特性即ちエネルギー回収効率の点では熱伝導性の高いアルミニウムや銅を用い、必要によってはそれにヒートパイプを追加してさらに伝熱特性を向上させる方法が有効である事は公知である。一方熱伝導性の良いこれらの金属は何れも熱による線膨張係数が大きい。ヒートシンク基板に鉄板やステンレス板を利用する方法も提案されており、その方がその線膨張係数が小さく発電セルのシリコン結晶などのそれに近い値である事から熱歪を低減させる事ができる点では有利である。 It is well known that heat sinks are made of aluminum or copper, which has high thermal conductivity in terms of heat transfer characteristics, that is, energy recovery efficiency, and if necessary, a heat pipe can be added to improve the heat transfer characteristics. It is. On the other hand, any of these metals having good thermal conductivity has a large coefficient of linear expansion due to heat. A method using an iron plate or stainless steel plate as a heat sink substrate has also been proposed, and its thermal expansion can be reduced because its linear expansion coefficient is small and it is close to that of silicon crystals of power generation cells. It is advantageous.
二枚のアルミ板を重ね合わせて間に管路を形成する所謂ロールボンド方式はこのヒートシンクに適しており、ヒートパイプ用にその管路を利用して熱伝導性を高めることができる。一列に並んだ穴を持った外形が平板状のアルミニウムの押し出し成型管もほぼ同等の特性を得ることができる。但しこの場合はヒートパイプの方向は一方向となる。また、アルミニウムの平板の裏側にアルミ管をロー付けしてヒートパイプを設置する方式も実用性がある。何れの場合も発電セル側が平坦面で積層体を形成し易い事が重要である。
この方式は材料が線膨張係数の大きなアルミニウムであるから熱歪を緩和させる方式との組み合わせが必須となる。
A so-called roll bond method in which a pipe line is formed by overlapping two aluminum plates is suitable for this heat sink, and heat conductivity can be increased by using the pipe line for a heat pipe. An aluminum extruded tube having a flat outer shape with holes arranged in a row can obtain substantially the same characteristics. However, in this case, the direction of the heat pipe is one direction. Another practical method is to install a heat pipe by brazing an aluminum tube to the back of an aluminum flat plate. In any case, it is important that the power generation cell side is flat and easy to form a laminate.
Since this material is aluminum having a large linear expansion coefficient, a combination with a method for reducing thermal strain is essential.
太陽光利用装置は通常は屋根の上など、設置が困難な場所に設置する。従ってその大きさと重量及び運搬のし易さ、設置工事のし易さなどが重要である。太陽光コジェネレイション装置を冷却配管から分離した状態で運搬設置を行い、設置後に冷却配管を取り付ける方式を実現するための技術が必要である。装置に冷却配管を取り付けておいて設置する従来のやり方では装置の重量が増すこと、設置後に沢山の装置間に渡って冷却配管を連結していく工事が大変であると共に、配管の連結部の信頼性が問題となる事が多く、20年、30年の間に冷却媒体である水乃至は冷媒などがリークすることは極力避けなければならない。何故ならリーク箇所の特定もその修理も極めて大変な作業を伴うからである。最も良いのは屋根上などでロー付けや配管接続などの作業は行わず地上でそれらを行う方式が望ましい。これを実施事例で説明する。 Solar-powered devices are usually installed in places that are difficult to install, such as on the roof. Therefore, its size and weight, ease of transportation, ease of installation work, etc. are important. A technology is required to realize a system in which the solar cogeneration device is transported and installed in a state where it is separated from the cooling pipe and the cooling pipe is attached after the installation. The conventional method of installing the cooling pipes after installing the cooling pipes on the equipment increases the weight of the equipment, and the construction of connecting the cooling pipes between many equipments after installation is difficult. Reliability often becomes a problem, and it is necessary to avoid leakage of water or refrigerant as a cooling medium in 20 or 30 years as much as possible. This is because the location of the leak and the repair thereof are extremely difficult. The best way is to do the work on the ground, not on the roof etc. This will be described in an implementation example.
このため一本の連続した冷却配管を使用する方法を考えると、装置を設置した後に装置の下面にこの配管を伝熱可能に取り付ける方法は多くの問題がある。まづ、一本の配管を沢山の装置の下面にレイアウトして配置させるには極めてフレキシブルな配管が必要で例えば信頼性の高い通常の銅管などではその作業は難しい。また装置との固定は屋根との狭い隙間の作業となりしっかりと固定することは難しく、装置の設置場所と方法に制約となる。そこでヒートシンク基板の端面乃至は端部乃至は発電モジュールを設置したモジュール部分から更に外部へ延長させた部分を設け、そこを熱出力部分として予め銅配管を固定し易い形状構造に加工しておく方法がある。この装置を設置した後に一本の銅パイプを各熱出力部分に固定できる形状に成型して、それを宛がって固定するという方法が実際の商品として可能性の高い方法である。 For this reason, considering the method of using a single continuous cooling pipe, there are many problems in the method of attaching this pipe to the lower surface of the apparatus so that heat can be transferred after the apparatus is installed. First, in order to lay out and arrange a single pipe on the lower surface of many apparatuses, extremely flexible pipes are required. For example, a highly reliable ordinary copper pipe is difficult. In addition, fixing with the apparatus is a work of a narrow gap with the roof, and it is difficult to fix it firmly, which restricts the installation place and method of the apparatus. Therefore, a method of providing an end surface of the heat sink substrate or an end portion or a portion extended from the module portion where the power generation module is installed to the outside, and processing the shape into a shape structure that can easily fix the copper pipe in advance as a heat output portion. There is. After installing this apparatus, a method of molding a single copper pipe into a shape that can be fixed to each heat output portion, and then fixing it to the heat output portion is a highly probable method as an actual product.
勿論冷却配管は銅管でなくても良いが、その外周とヒートシンク基板の熱出力部分を接触させて締め付けることにより充分な伝熱が行える様な材質であり寸法である必要がある。さらにこの熱出力部分は四角いヒートシンク基板の一辺のほぼ全長に渡って設けられている事が望ましい。冷却管との接触面積を最大限確保し、冷却配管の配置形成が容易で、両者の固定する作業が容易である事を実現するためである。折り返した冷却配管をヒートシンク基板の2辺や3辺に渡って固定させる方式では作業性が悪いし、ヒートシンク基板の一辺の一部(例えば半分程度)に固定するのでは接触面積が不足する可能性が高いからである。隣り合うモジュールのヒートシンク基板に連続的に配管を設置する上での合理的なやり方と言える。 Of course, the cooling pipe does not have to be a copper pipe, but it needs to be of a material and dimension that can perform sufficient heat transfer by bringing the outer periphery of the cooling pipe into contact with the heat output portion of the heat sink substrate and tightening it. Further, it is desirable that the heat output portion is provided over almost the entire length of one side of the square heat sink substrate. This is because the maximum contact area with the cooling pipe is ensured, the cooling pipes are easily arranged and formed, and the work of fixing them is easy. Fixing the folded cooling piping over two or three sides of the heat sink board is not workable, and fixing to a part of the heat sink board (for example, about half) may result in insufficient contact area. Because it is expensive. It can be said that it is a reasonable way to continuously install piping on the heat sink substrate of adjacent modules.
ヒートシンク基板の内部の伝熱をヒートパイプによって向上させたものである場合は熱発生部分であるモジュール部分から熱出力部分に渡って該ヒートパイプを設置して熱を効率よく伝える。この場合ヒートパイプの基本機能が有効に作動するには熱発生部分は熱出力部分より低い位置にある事が絶対条件である。従ってヒートシンク基板の熱出力部分の一辺が最上部となるように装置を設置する必要がある。ヒートパイプのパイプの中には水などが媒体としてチャージされており、下部で熱を受け取り水が蒸発して上部で凝縮して放熱するからである。装置が平坦に乃至は上下が逆に設置される場合はヒートパイプつきのヒートシンク基板を用いた装置を使用することはエネルギー回収効率を著しく損なう事となる。 In the case where the heat transfer inside the heat sink substrate is improved by a heat pipe, the heat pipe is installed from the module portion, which is a heat generating portion, to the heat output portion to efficiently transfer heat. In this case, in order for the basic function of the heat pipe to operate effectively, it is an absolute condition that the heat generation part is located lower than the heat output part. Therefore, it is necessary to install the apparatus so that one side of the heat output portion of the heat sink substrate is the top. This is because water or the like is charged as a medium in the pipe of the heat pipe, receives heat at the lower part, evaporates the water, condenses at the upper part and dissipates heat. When the apparatus is installed flat or upside down, using an apparatus using a heat sink substrate with a heat pipe significantly impairs energy recovery efficiency.
一本の冷却配管で多数の太陽光コジェネレイション装置を順次連通させて冷却を行う方式を提示している。この効果は設置作業の容易化、配管工事の信頼性向上ひいてはコストの低減に貢献するものである。一つのシステムを一本の配管でカバーする場合もあるが、大きなシステムでは2本以上必要な本数の配管で全体を連結させる方法がとられるが、何れにしろ幾つかのモジュールを一本の配管で賄うのが合理的である。また配管の分流箇所や接続箇所は地上で確認、作業できる位置にすることが望ましい。 A system is proposed in which a large number of solar cogeneration devices are sequentially communicated with one cooling pipe for cooling. This effect contributes to facilitating the installation work, improving the reliability of the piping work, and thus reducing the cost. In some cases, one system may be covered by one pipe, but in a large system, two or more pipes need to be connected together, but in any case several modules are connected to one pipe. It is reasonable to cover with. In addition, it is desirable that the branching points and connecting points of the pipes are located on the ground so that they can be confirmed and worked.
実際に多数のモジュールを屋根の上に設置し、各モジュール枠体の端面に開口している熱出出力部分に合わせて一本の銅パイプを形成し、予め嵌めあうように形成されている熱出力部分にこの銅パイプをはめ込んでネジで締め付けるという作業は実用的であり高い信頼性とコスト低減の実現に貢献できる。 A large number of modules are actually installed on the roof, and a single copper pipe is formed in accordance with the heat output part that opens at the end face of each module frame, and the heat is formed so that it fits in advance. The work of fitting this copper pipe into the output part and tightening with a screw is practical and can contribute to the realization of high reliability and cost reduction.
ヒートシンク基板に伝えられた太陽熱は冷却配管へ向けて流れる。この際の基板内の温度差を最小とし、且つ基板の金属材料の使用量を最小にするための技術を説明する。ヒートパイプを利用せずに金属材料の伝熱のみを利用する場合はその金属使用材料の量はコストと装置重量に繋がる重要項目である。冷却配管によって集熱する場合、冷却配管に近寄るほどヒートシンク基板内の伝熱量は増加するから、一定の厚さの金属板では効率が悪い。よって冷却配管に近い部分を漸次肉厚にする事が望ましい。例えばアルミニウムの金属板が1.2メーター四方の面積であり、一辺の端面に冷却配管を取り付ける場合、その肉厚は1.0〜4.0ミリメーター程度の傾斜肉厚に設計される事が考えられる。 Solar heat transmitted to the heat sink substrate flows toward the cooling pipe. A technique for minimizing the temperature difference in the substrate at this time and minimizing the amount of metal material used on the substrate will be described. When only heat transfer of a metal material is used without using a heat pipe, the amount of the metal use material is an important item that leads to cost and apparatus weight. When heat is collected by the cooling pipe, the heat transfer amount in the heat sink substrate increases as the distance to the cooling pipe increases, so that a metal plate having a certain thickness is inefficient. Therefore, it is desirable to gradually increase the thickness near the cooling pipe. For example, when an aluminum metal plate has an area of 1.2 meters square and a cooling pipe is attached to one end face, the wall thickness may be designed to be an inclined wall thickness of about 1.0 to 4.0 millimeters. Conceivable.
発電セルが太陽光を受けてそれを吸収し発電しつつセルの温度は上昇する。セルからは伝熱と輻射により熱放散され冷却されて熱バランスでその温度は決まる。太陽光発電の単一機能装置であるならばセルの表面の輻射率は温度波長によらずフラットで黒体の様に1.0の特性が望まれる。100℃近くに温度上昇した発電セル表面からも輻射により放熱してそれ以上の温度の上昇を抑える効果があるからである。一方通常の発電セルの性能温度特性は温度が上昇するほど発電効率が低下するから、発電を促進するためにも有効であるといえる。しかしながら太陽光コジェネレイション装置の場合は照射された太陽光を全て発電と温熱に変えて取り込む事が必要になるためできるだけ太陽光スペクトルでの輻射率(吸収率)が高く90%以上で、50℃以上の温度の黒体での輻射スペクトルに対しては輻射率が低い50%以下のセル表面特性が望まれる。 As the power generation cell receives sunlight and absorbs it to generate electricity, the temperature of the cell rises. The heat is dissipated from the cell by heat transfer and radiation, cooled, and the temperature is determined by the heat balance. If it is a single function device of photovoltaic power generation, the emissivity of the cell surface is flat regardless of the temperature wavelength, and a characteristic of 1.0 like a black body is desired. This is because the surface of the power generation cell whose temperature has risen to near 100 ° C. has an effect of radiating heat by radiation and suppressing further temperature rise. On the other hand, it can be said that the performance temperature characteristic of a normal power generation cell is effective for promoting power generation because the power generation efficiency decreases as the temperature increases. However, in the case of a solar cogeneration system, it is necessary to convert all of the irradiated sunlight into power generation and heat, so that the radiation rate (absorption rate) in the solar spectrum is as high as possible and is 90% or higher, 50 ° C. For the radiation spectrum of a black body at the above temperature, a cell surface characteristic of 50% or less with low emissivity is desired.
特に本発明では発電セルの温度をヒートシンク基板により56℃程度以下の温度に冷却しながら運転する。従ってこの温度の輻射波長スペクトルにおいて輻射率の低い特性を発電セルの表面に付与することができれば、太陽光を充分吸収した後に輻射放熱の少ない発電セルが得られる。この結果、太陽光による温熱を放散させないで高いトータルエネルギー変換効率(TCR)を実現し易い。56℃の温度の輻射波長スペクトルはプランクの法則から知れ、平均波長は約10ミクロンメーターである。この10ミクロンメーター前後の波長の輻射が少ない、輻射率の小さな発電セル表面であればこの効果は大きくなる。この輻射率を黒体(輻射率1.0)の50%以下の輻射率となるような、所謂選択吸収特性を有する発電セルを用いることが出来ればこれが実現できる。 In particular, in the present invention, the power generation cell is operated while being cooled to a temperature of about 56 ° C. or less by the heat sink substrate. Therefore, if a characteristic with a low emissivity can be imparted to the surface of the power generation cell in the radiation wavelength spectrum at this temperature, a power generation cell with little radiation heat dissipation can be obtained after sufficiently absorbing sunlight. As a result, it is easy to realize high total energy conversion efficiency (TCR) without dissipating the heat generated by sunlight. The radiation wavelength spectrum at a temperature of 56 ° C. is known from Planck's law, and the average wavelength is about 10 microns. This effect is increased if the surface of the power generation cell has a low radiation rate with a small radiation of about 10 microns. This can be realized if a power generation cell having a so-called selective absorption characteristic that makes this emissivity 50% or less of a black body (emissivity 1.0) can be used.
この50%の数値は厳密には設定できるものではないが、以下の様にして設定した。即ち黒体では太陽光輻射エネルギー(1000W/平方メーター)を受けて集熱できる熱量は装置平均で約その40%である(400W/平方メーター)。55℃の温度の物体表面からの放射エネルギーはステファンボルツマンの式から黒体で約66W、即ち太陽光熱量400Wに対しその17%であり、輻射係数が黒体の40%であればこの値は約7%となり26W/平方メーターである。そこでこのレベルの放射による熱ロス割合7%は入力熱量400Wに対し許容範囲との判断である。これに対し実際の選択吸収特性の実現性を加味して50%という輻射係数を目標値に設定した。これに対し理想的な選択吸収膜といわれるブラックニッケルが約10%となる特性であるから50%の輻射係数は実現可能であるとの判断である。 Although this 50% numerical value cannot be set strictly, it was set as follows. That is, the amount of heat that can be collected by receiving the solar radiation energy (1000 W / square meter) in the black body is about 40% (400 W / square meter) of the device average. The radiant energy from the surface of the object at a temperature of 55 ° C. is about 66 W in black body from Stefan Boltzmann's formula, that is, 17% of the solar heat amount of 400 W. If the radiation coefficient is 40% of black body, this value is That is about 7%, which is 26 W / square meter. Therefore, the heat loss ratio 7% due to this level of radiation is judged to be within the allowable range for the input heat quantity 400W. On the other hand, a radiation coefficient of 50% was set as a target value in consideration of the realization of actual selective absorption characteristics. On the other hand, since the characteristic of black nickel, which is said to be an ideal selective absorption film, is about 10%, it is judged that a radiation coefficient of 50% can be realized.
この選択吸収特性は発電セルの表面材質の特性で決まる。代表的な選択吸収特性のあるブラックニッケルは太陽光スペクトルに対し95%、55℃の物体からのスペクトルに対し10%程度となり理想の選択吸収特性を有するが、太陽光発電セルのセル材料で同等の選択吸収特性を得る事は材質の点から困難である。そこででは太陽光スペクトルと55℃黒体の輻射スペクトルの双方の谷間となる波長3〜4ミクロンメーターを境に3ミクロンメーター以下で100%黒体輻射であり4ミクロンメーター以上で小さな輻射係数となる表面特性をセル表面に付与することが有効である事を提示したい。これはある波長範囲の寸法をピッチとした微細な凸凹乃至は連続する穴構造をセル表面に付与、形成する事がその波長範囲の光を吸収乃至は輻射させる上で有効であるという以下の報告をベースとしている。 This selective absorption characteristic is determined by the characteristics of the surface material of the power generation cell. Black nickel, which has typical selective absorption characteristics, has an ideal selective absorption characteristic of 95% of the sunlight spectrum and about 10% of the spectrum from an object at 55 ° C. It is difficult to obtain the selective absorption characteristic of the material from the viewpoint of the material. Therefore, 100% black body radiation is obtained at a wavelength of 3 microns or less at a wavelength of 3 to 4 microns, which is a valley between both the sunlight spectrum and the radiation spectrum of a 55 ° C. black body, and a small radiation coefficient is obtained at 4 microns or more. I would like to show that it is effective to impart surface properties to the cell surface. The following reports indicate that it is effective to absorb or radiate light in the wavelength range by providing and forming a fine unevenness or continuous hole structure with a dimension in a certain wavelength range on the cell surface. Based on.
特許文献7には熱光起電力発電システムの太陽光受熱器に用いる選択吸収膜についての新技術が提示されている。この場合受熱器の温度は1500℃と高温度でありその温度の黒体の輻射スペクトルの波長範囲は1.2〜3ミクロンメーターである。一方吸収したい太陽光(5400℃)のスペクトルは1.2ミクロンメーターより小さな範囲となる。そのため選択吸収面に形成すべきキャビティーの径は1.2ミクロンメーターより小さな0.4ミクロンメーター程度の極めて小さなキャビティーが有効である。一方本発明は受熱板となる発電セルの温度は55℃程度でありその温度の黒体の輻射スペクトルは4〜15ミクロンメーターの範囲となる。 Patent Document 7 proposes a new technology for a selective absorption film used in a solar receiver of a thermophotovoltaic power generation system. In this case, the temperature of the heat receiver is as high as 1500 ° C., and the wavelength range of the radiation spectrum of the black body at that temperature is 1.2 to 3 μm. On the other hand, the spectrum of sunlight (5400 ° C.) to be absorbed is in a range smaller than 1.2 μm. Therefore, an extremely small cavity having a diameter of about 0.4 μm smaller than 1.2 μm is effective. On the other hand, in the present invention, the temperature of the power generation cell serving as the heat receiving plate is about 55 ° C., and the radiation spectrum of the black body at that temperature is in the range of 4 to 15 μm.
従ってこの55℃の物体から放射される光の波長範囲の輻射率を低下させる表面キャビティーの大きさは4〜15の範囲外の4ミクロンメーター以下の寸法となる。結果として0.3〜4.0ミクロンの範囲の微細寸法を単位寸法とした微細な連続する凸凹乃至は穴乃至は溝などからなる周期的な微細キャビティー構造が有効となるわけである。この微細構造は太陽光の吸収特性を黒体に近づけるという効果も有する。従って太陽光発電の発電セルにおいてもこれと同様な微細構造を付与している事例もある。ここで重要な事は4ミクロンメーター以下の微細構造を太陽光コジェネレイション装置の発電セルに用いた場合、太陽光の受光効率の向上とそれにより得た温熱を表面から輻射する損失低減の双方に効果がある事であり、その為には微細構造の単位寸法を4ミクロンメーター以下の製造し易い寸法の微細構造を選択することが出来るということを明確にした事である。この技術は太陽光コジェネレイション装置が最大の総合エネルギー変換効率(TCR)を得ることに有効である。 Accordingly, the size of the surface cavity that reduces the emissivity in the wavelength range of the light emitted from the 55 ° C. object is a size of 4 microns or less outside the range of 4-15. As a result, a periodic fine cavity structure composed of fine continuous irregularities, holes, grooves or the like having a fine dimension in the range of 0.3 to 4.0 microns as a unit dimension is effective. This fine structure also has an effect of bringing the absorption characteristic of sunlight closer to a black body. Therefore, there is a case where the same fine structure is given to the photovoltaic power generation cell. What is important here is that when a micro structure of 4 micrometer or less is used in a power generation cell of a solar cogeneration system, both the improvement of the light receiving efficiency of sunlight and the reduction of the loss of heat radiated from the surface are obtained. For this purpose, it is clarified that a fine structure having a unit size of fine structure of 4 μm or less and having a size that can be easily manufactured can be selected. This technology is effective in obtaining maximum total energy conversion efficiency (TCR) by the solar cogeneration system.
本発明になる太陽光コジェネレイション装置の発電セル上面への受光量を増加させるために発電モジュールの外側に太陽光を発電セル上に反射させるための反射板を取り付ける
事は有効である。熱出力部分をモジュールの一端乃至は外側に設けてそこに冷却配管を固定する場合はその作業スペースがある事が望ましい。このスペースに太陽光反射板を設置して総合エネルギー変換効率(TCR)を向上させる方法は実際的である。反射板を取り外し可能としておけば、そのスペースは発電モジュール及び出力電力リード及び冷却配管などの工事、修理、サービス用のスペースに利用することが可能となり性能向上と合わせてその効果は大きい。反射板の構造と位置さらに反射面の特性は、その反射光を一部の発電セルのみに集中させないように工夫する必要がある。例えば反射面は鏡面では無く散乱面とする事が望ましい。
In order to increase the amount of light received on the upper surface of the power generation cell of the solar cogeneration apparatus according to the present invention, it is effective to attach a reflector for reflecting sunlight on the power generation cell outside the power generation module. When the heat output portion is provided at one end or outside of the module and the cooling pipe is fixed thereto, it is desirable that there is a working space. A method for improving the total energy conversion efficiency (TCR) by installing a solar reflector in this space is practical. If the reflector can be removed, the space can be used for construction, repair, and service spaces such as the power generation module, the output power lead, and the cooling pipe, and the effect is great when the performance is improved. It is necessary to devise the structure and position of the reflecting plate and the characteristics of the reflecting surface so that the reflected light is not concentrated only on some power generation cells. For example, the reflecting surface is preferably a scattering surface rather than a mirror surface.
金属製のヒートシンク基板は伝熱性の高い材料である事が重要であるが、ヒートパイプを取り付けてヒートシンク基板内の伝熱を補う場合には、基板に鉄板や鋼板を使う事も有効である。それは鉄板の線膨張係数は12X10のマイナス6乗/℃でアルミニウムの半分以下であり、このため発電セルとの熱膨張差による歪は小さくなり、発電セルが熱歪で破壊されるなどの危険が少なくなるからである。特に鉄板は安価で加工しやすく銅パイプ製のヒートパイプを溶接接合する事も容易であるから製造面でもまたコストの面でも優位な場合がある。 It is important that the heat sink substrate made of metal is a material having high heat conductivity. However, when a heat pipe is attached to supplement heat transfer in the heat sink substrate, it is also effective to use an iron plate or a steel plate for the substrate. The iron plate has a linear expansion coefficient of 12X10 minus 6 / ° C, which is less than half that of aluminum. Therefore, distortion due to the difference in thermal expansion with the power generation cell is reduced, and there is a risk that the power generation cell will be destroyed by thermal strain. Because it will decrease. In particular, iron plates are cheap and easy to process, and it is also easy to weld and join copper pipe heat pipes, which may be advantageous both in terms of manufacturing and cost.
太陽光コジェネレイション装置のモジュール、従ってヒートシンク基板を長方形とするとその発電モジュール部も長方形となる。ヒートシンク基板から熱を受け取る冷却配管をそのヒートシンク基板に伝熱関係に固定する場合前述したようにその基板の熱出力部分をヒートシンク基板の長尺の一辺の全幅に広がる部分としてそれに冷却配管を固定する事が推奨される。何故ならヒートシンク基板内の短辺方向に熱が流れ冷却配管に流れ込む方が伝熱経路が短く温度降下が少なくて済むし、一方冷却配管は長尺の一辺をフルに使ってその熱を受け取るのでその部分の温度降下も少なくて済む。この結果エネルギー効率の向上に貢献できる。
一方冷却配管は各発電モジュールとの伝熱部分を蛇行させたりすること無く直管となるので成形性も取り付け性も優位である。
If the module of the solar cogeneration apparatus, and hence the heat sink substrate, is rectangular, the power generation module part is also rectangular. When fixing a cooling pipe that receives heat from a heat sink board to the heat sink board in a heat transfer relationship, as described above, fix the cooling pipe to the heat output part of the board as a part that extends over the entire width of one long side of the heat sink board. Things are recommended. Because heat flows in the short side direction in the heat sink board and flows into the cooling pipe, the heat transfer path is shorter and the temperature drop is less, while the cooling pipe uses the full length of one side to receive the heat. The temperature drop in that part can be reduced. As a result, energy efficiency can be improved.
On the other hand, since the cooling pipe is a straight pipe without meandering the heat transfer portion with each power generation module, it has superior formability and mountability.
一方ヒートシンク基板にヒートパイプ機構を取り付けて伝熱を向上させたものではヒートシンク基板内の伝熱は良好であるので必ずしも短尺方向にヒートパイプを設定する必要は無い。むしろヒートパイプの長さを長くして本数を少なくする方がコスト上優位となる。この場合、ヒートパイプの端部となるヒートシンク基板の熱出力部分においてヒートパイプに直行させて冷却配管をヒートシンク基板に伝熱関係に固定する方法がとられる。 On the other hand, in the case where heat transfer is improved by attaching a heat pipe mechanism to the heat sink substrate, the heat transfer in the heat sink substrate is good, and therefore it is not always necessary to set the heat pipe in the short direction. Rather, increasing the length of the heat pipe and reducing the number of the heat pipes is advantageous in terms of cost. In this case, a method is adopted in which the cooling pipe is fixed to the heat sink substrate in a heat transfer relationship by directing to the heat pipe at the heat output portion of the heat sink substrate which is the end of the heat pipe.
ヒートシンク基板の背面からの熱ロスを低減させることは重要である。10ヶ以上の太陽光コジェネレイションモジュールをシステムとして屋根の上などに設置すれば、ヒートシンク基板の背面の総面積は大きなものとなるからその熱ロスは全体の熱効率に極めて大きな影響を持つ。さらにこの部分は十数年の間装置の底部として変形、錆、劣化などが無く強度も充分なものが要求される。さらに装置の軽量化という点からその材質と形状は極めて重要な要素となる。最近冷蔵庫の壁面などに利用される真空パックの断熱効果をここに活かし、尚且つ重量対強度の点で極めて優れたハニカム構造パネルを組み合わせた構造を以下に提示する。 It is important to reduce heat loss from the back surface of the heat sink substrate. If 10 or more solar cogeneration modules are installed on a roof or the like as a system, the total area of the back surface of the heat sink substrate becomes large, and the heat loss has a great influence on the overall thermal efficiency. Furthermore, this part is required to have sufficient strength as a bottom part of the apparatus for ten years without deformation, rust, deterioration and the like. In addition, the material and shape of the device are extremely important in terms of reducing the weight of the device. The following shows a structure in which a honeycomb structure panel, which has recently been utilized in the heat insulation effect of a vacuum pack used for the wall surface of a refrigerator, and is extremely excellent in terms of weight to strength, is combined.
真空断熱ブロックは最近では冷蔵庫などの壁面内に用いられ、その断熱効果は冷蔵庫の運転エネルギー効率向上と冷蔵庫壁面の薄型化による庫内容積向上に寄与している。しかしながらその壁面形成と強度は不十分で鉄板の外壁で構成された筐体の内部に取り付けている。この断熱ブロックを支持するものとして軽量で平板強度としては理想的なハニカムパネルをその下に置き組み合わせることにより目的を達成する。ハニカムコアは例えば1センチメーターの幅のアルミニウムの薄板を接着などで組み合わせて蜂の巣構造にしたもので、このコアを2枚のアルミニウムの薄板の間にサンドイッチして接着し全体が平板状の構造体を構成したものがハニカムパネルである。その平坦度、強度、軽さ、断熱性の4点で極めて優れた構造材である。ハニカムコアのアルミニウムの薄板に予め多数の穴を空けておけば更に全体の軽量化と2枚の薄板間の伝熱の低減を図ることができる。 Recently, the vacuum insulation block is used in the wall surface of a refrigerator or the like, and the heat insulation effect contributes to the improvement of the operation energy efficiency of the refrigerator and the improvement of the internal volume by making the refrigerator wall surface thinner. However, its wall formation and strength are inadequate, and it is attached to the inside of a casing composed of an outer wall of an iron plate. The object is achieved by placing a honeycomb panel underneath and combining it with an ideal honeycomb panel for supporting the heat insulation block. A honeycomb core is a honeycomb structure made by combining, for example, aluminum thin plates with a width of 1 centimeter by bonding, and the core is sandwiched between two aluminum thin plates and bonded together to form a flat plate-like structure. A honeycomb panel is constituted by the above. It is a structural material that is extremely excellent in terms of its flatness, strength, lightness, and heat insulation. If a large number of holes are made in advance in the aluminum thin plate of the honeycomb core, the overall weight can be reduced and the heat transfer between the two thin plates can be reduced.
平板状の断熱ブロックは内部は充填物質以外の大半の空間は真空である事が望ましいが、
不活性ガスを充填しても良い。ハニカムパネル平板に代わり同等の効果をもったプラスチックの発泡材を用いても良い。以上の積層構造は断熱ブロックをさらに断熱性のある平板上に
積層した構造であり、その断熱特性は極めて有効である。
It is desirable that the space inside the flat insulating block is mostly vacuum except for the filling material.
An inert gas may be filled. A plastic foam material having the same effect may be used instead of the honeycomb panel flat plate. The above laminated structure is a structure in which a heat insulating block is further laminated on a flat plate having heat insulating properties, and its heat insulating properties are extremely effective.
以上述べてきた太陽光コジェネレイション装置を多数組み合わせたシステムを実際に屋根の上等に設置する時の工事性はその商品性の中でも極めて重要な項目の一つである。即ち太陽光コジェネレイション装置を設置する数だけ設置場所に設置して固定し電気配線を施工する。ここまでは現在の太陽光発電装置とほぼ同様である。この後例えば銅配管を全部又は全体の何分の一の装置に渡って各装置の熱出力部分に固定できるようにその形状を成型する。この成型作業は地上で行えればその様に行うし、スペースその他の点で難しければ設置する場所、例えば屋根上で行う。熱出力部分はヒートシンク基板の一辺の端部乃至はその外部に延長した部分に設けてあり、そこには銅管などが嵌って簡単に取り付けられるように内側が半円環状に成型してあり、ネジにより締め付け可能になっている。 Workability when actually installing a system in which a large number of solar cogeneration devices described above are combined on a roof or the like is one of the most important items in the merchandise. In other words, the number of solar cogeneration devices to be installed is fixed and installed in the installation place, and electric wiring is performed. Up to this point, it is almost the same as the current photovoltaic power generation apparatus. After that, for example, the shape of the copper pipe is molded so that it can be fixed to the heat output portion of each apparatus over the whole or a fraction of the whole apparatus. If this molding work can be done on the ground, it will be done in that way, and if it is difficult in terms of space or other points, it will be done on the place where it is installed, for example on the roof. The heat output part is provided at the end of one side of the heat sink substrate or the part extended to the outside, and the inside is molded into a semi-annular shape so that a copper tube etc. can be fitted and attached easily, It can be tightened with screws.
従って銅配管は周囲には熱伝導グリースなどを塗って各ヒートシンク基板の各熱出力部分の当該取り付け部分に容易に取り付けることが可能である。その後にモジュール枠体開口部にカバーを取り付けてその枠大が完成され雨水進入防止のシールがされる。乃至は、当該取り付け部分を覆うモジュール枠体の外に取り付けられるカバー部材を取り付けてシールが完成される。最後に必要であれば、この配管取り付け部分である発電モジュール同士の間の空間の上部に太陽光反射板を設置する。その効果は太陽光補足量を増加させてエネルギー変換効率を増加させるものである。 Accordingly, the copper pipe can be easily attached to the attachment portion of each heat output portion of each heat sink substrate by applying thermal conductive grease or the like around it. After that, a cover is attached to the opening of the module frame body, the frame size is completed, and a rainwater ingress prevention seal is applied. Or the seal | sticker is completed by attaching the cover member attached outside the module frame which covers the said attachment part. Finally, if necessary, a solar reflector is installed in the upper part of the space between the power generation modules that are the pipe mounting portions. The effect is to increase the energy conversion efficiency by increasing the amount of supplemented sunlight.
冷却配管に温水や高温度媒体を連通させて太陽光コジェネレイション装置を加熱し、装置のガラスの上面に積もった雪を融雪する事は実用上極めて有効であり、既に検討がされている。この加熱機能を太陽光コジェネレイション装置に持たせるための方法を示している。ガラス面上の雪を温めて半融雪状になった時に雪はガラス面状をすべり落ちる。このときモジュール枠体の下辺部がガラス面より上部に突出しているとこの半ば融けた雪が滑り落ちることができない。従ってガラスの最下端部分はモジュール枠がその上面より突出しない構造にすることが重要である。 Heating the solar cogeneration system by connecting hot water or a high temperature medium to the cooling pipe to melt the snow accumulated on the upper surface of the glass of the apparatus is extremely effective in practice and has already been studied. The heating function shows a method for order to have the sunlight cogeneration ray Deployment apparatus. When the snow on the glass surface is warmed and becomes semi-melted, the snow slides down the glass surface. At this time, if the lower side of the module frame protrudes above the glass surface, the half-melted snow cannot slide down. Therefore, it is important that the lowermost portion of the glass has a structure in which the module frame does not protrude from the upper surface.
本発明の装置の実際の据付場所は家庭、店舗などが多く、出力である電力と温熱の消費量のモードは夫々異なる。例えば温熱の消費量の多い風呂店、床屋さんなどでは太陽光コジェネレイション装置と太陽熱温水装置を所用複数台を夫々設置して必要な温熱量を確保しかつ全体の装置システムのコストを低減させる。また温熱の消費量の少ないコンビニ店舗などでは太陽光発電装置の台数を増やして温熱出力を少なくして消費量とのマッチングをはかり全体の装置システムのコストを低減させる。この時に各種類の装置モジュールの寸法と取り付け方法、従って取り付けベースを標準化させることが望ましい。それにより簡単にシステム内の装置の種類の選択と設置工事が容易になるわけである。 The actual installation locations of the apparatus of the present invention are many at home, stores, etc., and the modes of power consumption and heat consumption are different. For example, in a bath shop or a barber shop that consumes a large amount of heat, a plurality of solar cogeneration devices and solar water heaters are installed to secure the necessary amount of heat and reduce the cost of the entire system. At convenience stores and other places where the consumption of heat is low, the number of solar power generation devices is increased to reduce the heat output and match the consumption to reduce the cost of the entire device system. At this time, it is desirable to standardize the dimensions and mounting methods of each type of device module, and thus the mounting base. This makes it easy to select the type of equipment in the system and to install it.
複数の太陽光コジェネレイション装置に渡って冷却配管を連通させて太陽光温熱を収集させそれを温水タンクの温水に放熱させる媒体の回路を考える。例えば媒体に水を使用すれば、熱交換量は水の温度変化をもたらすから最初の装置では低温度の温水はその次の装置に於いて更に温度上昇され、最後に高温度になって温水タンクに戻る。この温度差を少なくするには循環水量を増加させなければならず、従って循環ポンプの動力は増加する。また冷たい冷却水は発電セルの表面に結露を発生させる心配があり、また温まった冷却水は発電セルの温度を上昇させ、発電効率を低下させたり、装置からの放熱ロスを増大させるという不都合がある。 Consider a circuit of a medium that collects solar heat by connecting cooling pipes across multiple solar cogeneration systems and dissipates it to the hot water in the hot water tank. For example, if water is used as the medium, the amount of heat exchange causes the temperature of the water to change. In the first device, the low temperature hot water is further heated in the next device, and finally reaches a high temperature and becomes a hot water tank. Return to. In order to reduce this temperature difference, the amount of circulating water must be increased, and thus the power of the circulating pump is increased. In addition, cold cooling water may cause condensation on the surface of the power generation cell, and warm cooling water raises the temperature of the power generation cell, reducing power generation efficiency and increasing heat dissipation loss from the device. is there.
そこでこういった問題を解消するには蒸発潜熱によって温熱を吸収できる所謂冷媒を使用する事が行われる。例えばプロパンガス、ブタンガス、炭酸ガスなどが有力候補である。そこでこれら蒸発と凝縮により熱交換する冷媒は当然2相流となる。この気液2相流を安定して流すには複数の装置を複数の冷媒回路を用いる、所謂並列回路を極力排除して一本の直列回路とする事が望ましい。従って複数の装置に渡って一本の冷媒回路で構成させることが選択される。家庭用の太陽光コジェネレイション装置に使われる発電モジュールの大きさでは、少なくとも三つ以上の装置を一本の回路で分担させることが実用的である。 In order to solve these problems, a so-called refrigerant that can absorb warm heat by latent heat of vaporization is used. For example, propane gas, butane gas, carbon dioxide, etc. are strong candidates. Therefore, the refrigerant that exchanges heat by evaporation and condensation naturally has a two-phase flow. In order to flow the gas-liquid two-phase flow stably, it is desirable to eliminate a so-called parallel circuit using a plurality of refrigerant circuits as a plurality of devices and to make a single series circuit. Therefore, it is selected that a single refrigerant circuit is configured across a plurality of devices. In terms of the size of a power generation module used in a household solar cogeneration device, it is practical to share at least three or more devices with a single circuit.
家庭用、民生用分野で消費されるエネルギーを充分に賄え、環境に優しい装置システムを実現するために従来も多くの検討がなされて来た。その一つとして従来からも太陽光発電と太陽光温水器を一体化してエネルギー変換効率を大幅に高めたコジェネレイションシステムはその有力手段として長く検討されてきた。今回の広範な技術発明の効果はそのコジェネレイションシステムの実現に極めて高い見通しを与えることができたものであると考えられる。この内容は先に述べた様に以下の三つに纏める事ができる。 Many studies have been made in the past to realize a device system that can sufficiently supply energy consumed in the household and consumer fields and is environmentally friendly. As one of them, a cogeneration system that integrates photovoltaic power generation and a solar water heater to greatly improve energy conversion efficiency has long been studied as an effective means. The effects of this wide range of technical inventions are considered to have provided a very high prospect for the realization of the cogeneration system. The contents can be summarized into the following three as described above.
即ち、太陽光コジェネレイション装置としてユーザーが必要とする全エネルギー量を賄う事ができ、且つその受光面積をできるだけ小さくし、面積と工事性に制約のある家庭用、民生用、においても設置出来るようにして設置工事性を向上させる。同時に発電モジュール受光面積と温熱収集モジュール受光面積を同一面積として一体化した(コジェネレイション)の形で受光面積当たりのエネルギー変換効率を太陽光発電のみの場合に比べ倍以上に増加させ、設備投資に対するコストパフォーマンス効果を増大させる。さらに簡単で確実な構成と作動により高い品質と長期の信頼性を確保できるシステムを実現する。 In other words, it can cover the total amount of energy required by the user as a solar cogeneration system, and the light receiving area can be made as small as possible so that it can be installed in home and consumer applications where the area and workability are limited. To improve the installation workability. At the same time, the power conversion area of the power generation module and the heat collection module light reception area are integrated into the same area (cogeneration), and the energy conversion efficiency per light reception area is more than doubled compared to the case of solar power generation alone. Increase cost performance effect. In addition, a system that can ensure high quality and long-term reliability with a simple and reliable configuration and operation.
この三つの目標を実現するため、先に述べた8項目の技術課題に解決策を提示したものである。これらは太陽光エネルギー利用効率を著しく増大させ、化石燃料に匹敵するエネルギーコストと利便性で太陽光利用エネルギー装置を実現するための革新的な技術である。 これにより家庭用、民生用、工業用のエネルギー装置として電力と利用可能な温熱を供給でき、それを給湯や冷暖房その他に利用できる太陽光エネルギーシステムを実現し、自然エネルギーをフルに利用した民生用のエネルギーシステムの実現の道を拓いた。以上により今後推進されていくであろう化石燃料から自然エネルギー利用による再利用可能なエネルギー供給システムへの転換に向けて具体的な技術施策の道筋を与えることができたと考える。 In order to realize these three goals, solutions are presented to the eight technical problems described above. These are innovative technologies for significantly increasing the efficiency of solar energy utilization and realizing solar energy devices with energy costs and convenience comparable to fossil fuels. This makes it possible to supply electric power and available heat as an energy device for home use, consumer use, and industrial use, and realize a solar energy system that can be used for hot water supply, air conditioning, etc., and make full use of natural energy. Pioneered the way to realize energy systems. In this way, we believe that we were able to provide a path for specific technical measures to shift from fossil fuels, which will be promoted in the future, to reusable energy supply systems using natural energy.
以下、本発明の実施形態を、図1〜図6に基づいて説明する。
図1は家庭の屋根の上に設置した本発明による太陽光コジェネレイション装置の代表事例を概略の断面構造によって示している。図2は図1の装置を複数使った全体システムを屋根上に設置した場合のレイアウトを示している。図3は図1の装置の一部を拡大した断面構造を示している。図4は熱歪を吸収する上で図1と別の方式である摺動方式の太陽光コジェネレイション装置の断面構造を示している。図5は冷却配管の配置では図1と別の方式である分離方式の太陽光コジェネレイション装置の構造を示している。図6は本発明による太陽光コジェネレイション装置によって得られる電力と温熱を利用したシステム商品の事例を示したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a typical example of a solar cogeneration apparatus according to the present invention installed on a roof of a home with a schematic cross-sectional structure. FIG. 2 shows a layout when the entire system using a plurality of the devices of FIG. 1 is installed on the roof. FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional structure of a part of the apparatus of FIG. FIG. 4 shows a cross-sectional structure of a sliding-type solar cogeneration apparatus that is different from FIG. 1 in absorbing thermal strain. FIG. 5 shows the structure of a separation-type solar cogeneration apparatus that is different from FIG. 1 in the arrangement of cooling pipes. FIG. 6 shows an example of a system product using electric power and heat obtained by the solar cogeneration apparatus according to the present invention.
図1に示した代表事例は太陽光コジェネレイション装置を6台組み合わせた太陽光コジェネレイションシステムの一つのコジェネレイション装置の断面を示している。一つの装置は従ってモジュールと呼ばれる。モジュールはモジュール枠体7で全体を支えて構成されたもので、そのモジュール枠体は据付用の縦桟、及び横桟により屋根に取り付けられている。太陽光13は上面ガラスカバー1と反射板8に受けて発電セル3に照射され、発電及び温熱を発生させるが、一部は反射されて外界に放散する。発電された電力は発電セル3内のリード回路(図示せず)を通りモジュール外部に導かれ、他の発電モジュールからのリードと合わされ、電力変換器を通して商用電力に合流できる電力モードに調整されて逆潮流される。この逆潮流された電力は電力会社が買い取り太陽光コジェネレイションシステムの所有者にその購入額が支払われる。 The representative example shown in FIG. 1 shows a cross section of one cogeneration device of a solar cogeneration system in which six solar cogeneration devices are combined. One device is therefore called a module. The module is configured to be supported by the module frame 7 as a whole, and the module frame is attached to the roof by a vertical beam for installation and a horizontal beam. The sunlight 13 is received by the top glass cover 1 and the reflector 8 and irradiated to the power generation cell 3 to generate power and heat, but a part of the sunlight 13 is reflected and diffused to the outside. The generated power passes through a lead circuit (not shown) in the power generation cell 3 and is led to the outside of the module, is combined with leads from other power generation modules, and is adjusted to a power mode that can be combined with commercial power through a power converter. Reverse tide. This reverse power flow is purchased by the power company and the purchase price is paid to the owner of the solar cogeneration system.
一方発電セル3に照射された太陽光のエネルギーの内、数十パーセントは温熱に変わり、それが発電セルの背面に配設されたヒートシンク基板4へと伝わり、さらに基板内をモジュール部分15から熱出力部分14へと流れ、冷却配管6へと伝わりその内部を流れる媒体に伝わりこれを加熱する。冷却媒体としてここではプロパンガスを用いており、この加熱によりプロパン液を蒸発させてガスに変える。発電セル3の上面には約1.5センチメーターの厚さの空気層2があり、ヒートシンク基板の背面には発泡ウレタン樹脂製の1.5センチメーターの厚さの断熱部材5が貼り付けられている。これにより発電セルとヒートシンク基板4との積層体から外部への熱の伝導を最小に抑えている。 On the other hand, several tens percent of the energy of sunlight irradiated to the power generation cell 3 is changed to heat, which is transmitted to the heat sink substrate 4 disposed on the back surface of the power generation cell, and further, heat is generated from the module portion 15 in the substrate. It flows to the output portion 14, is transmitted to the cooling pipe 6, is transmitted to the medium flowing through the inside thereof, and is heated. Here, propane gas is used as the cooling medium, and this heating evaporates the propane liquid to change it into gas. An air layer 2 having a thickness of about 1.5 centimeters is provided on the upper surface of the power generation cell 3, and a heat insulating member 5 having a thickness of 1.5 centimeters made of urethane foam is attached to the back surface of the heat sink substrate. ing. Thereby, conduction of heat from the laminated body of the power generation cell and the heat sink substrate 4 to the outside is minimized.
冷却配管内を流れるプロパンガスは図2の様に全ての太陽光コジェネ装置9のヒートシンク基板の温熱出力部分14を連続する一本の銅パイプの中を流れて全てのヒートシンク基板を冷却している。この間プロパンガスは気液混合状態で流れるのでその温度は全配管長に渡って殆ど同じである。従って発電セルの温度が下がりすぎて結露したり上がり過ぎて発電効率を無用に悪化させたり高温度により周辺材料を劣化させる危険が少ない。また冷却配管は途中で分流が無いから、何本にも分流した場合に液冷媒の分流がうまくいかなかったり、途中で液冷媒が滞留するなどの問題が無い。さらに大容量のシステムの場合は冷却配管内の冷媒の流動抵抗が大きくなるので複数本の冷却配管を用いて冷媒の分流を行わせる必要が生じる。 Propane gas flowing in the cooling pipe flows through one continuous copper pipe through the thermal output portion 14 of the heat sink substrate of all the solar cogeneration devices 9 as shown in FIG. 2 to cool all the heat sink substrates. . During this time, the propane gas flows in a gas-liquid mixed state, so the temperature is almost the same over the entire pipe length. Therefore, there is little risk that the temperature of the power generation cell is excessively lowered and dewed or excessively increased to unnecessarily deteriorate the power generation efficiency or to deteriorate the surrounding materials due to the high temperature. In addition, since there is no diversion in the middle of the cooling pipe, there is no problem that the diversion of the liquid refrigerant does not work well when the number of diversions is divided, or the liquid refrigerant stays in the middle. Further, in the case of a system with a large capacity, the flow resistance of the refrigerant in the cooling pipe becomes large, so that it is necessary to perform a refrigerant diversion using a plurality of cooling pipes.
この場合は分流をうまく行わせるための制度の高い分流器を用いたり、各冷却配管の長さを合わせこむ等の工夫が必要になる。従って出来る限り分流を少なくする事が重要である。複数のモジュールに渡って一本の冷却配管を配設し、できるだけ分流を少なくし、一方温熱を温熱タンク21に蓄熱する温水に放熱させる熱交換器(温熱タンク内に設置、図示せず)を循環回路に組み込んで簡単な冷媒循環回路を構成させる。勿論この冷媒を循環させるためにこの熱交換器の出口にプロパン液用の液ポンプ(図示せず)を設ける。この場合このポンプの動力は水を使った同様の冷却回路に比べて約半分以下で済むというデータがある。これは潜熱熱搬送であるため媒体の循環量が少なく且つ冷却配管と熱交換器などにおける流動抵抗が少なくなる為である。 In this case, it is necessary to devise a method such as using a high flow divider to make the flow division well, or adjusting the length of each cooling pipe. Therefore, it is important to reduce the diversion as much as possible. A heat exchanger (installed in the thermal tank, not shown) that disposes one cooling pipe across a plurality of modules, reduces the diversion as much as possible, and radiates heat to the hot water stored in the thermal tank 21. A simple refrigerant circulation circuit is constructed by incorporating it into the circulation circuit. Of course, in order to circulate the refrigerant, a liquid pump (not shown) for propane liquid is provided at the outlet of the heat exchanger. In this case, there is data that the power of this pump is less than about half that of a similar cooling circuit using water. This is because of the latent heat transfer, the circulation amount of the medium is small, and the flow resistance in the cooling pipe and the heat exchanger is reduced.
図2と図3から知れる様に、冷却配管6は太陽光コジェネレイション装置9のモジュールから分離できる構造になっている。即ち装置のモジュールは冷却配管を取り付けていない状態で従来の太陽光発電装置の様に屋根上に設置できるから工事が容易であり且つ請求項1で示したように各モジュールは太陽光発電装置、太陽光コジェネレイション装置、太陽光集熱装置のうち必要なものを選んでそれらを適正に組み合わせて設置することが容易となる。
冷却配管6の全長、直径はシステムの性能、工事性、品質、信頼性に大きな影響を与える。その意味で、前述した様に冷媒のリークを防ぎ工事性を高めるため接合部の少ない連続するパイプによる管路の構成とともに、ヒートシンク基板4の熱出力部分14をモジュールの端部に設けて分離できる様にしており、図3で示されている。
As can be seen from FIGS. 2 and 3, the cooling pipe 6 has a structure that can be separated from the module of the solar cogeneration apparatus 9. That is, since the module of the apparatus can be installed on the roof like the conventional solar power generator without the cooling pipe attached, the construction is easy and each module is a solar power generator, It becomes easy to select necessary components from the solar cogeneration device and the solar heat collecting device and to install them in an appropriate combination.
The overall length and diameter of the cooling pipe 6 have a great influence on the performance, workability, quality and reliability of the system. In that sense, as described above, in order to prevent refrigerant leakage and improve workability, it is possible to separate the heat output portion 14 of the heat sink substrate 4 by providing it at the end of the module together with the configuration of a pipe line with a continuous pipe with few joints This is shown in FIG.
モジュールを設置した後で、冷却配管を図2に示すように適正に配置させる。その上でモジュール枠体7の開口部17を開けるとヒートシンク基板熱出力部分がその内部にあり、そこに冷却配管を宛がってはめ込み、熱伝導グリースを塗りこんで固定金具18で締め付ける事によりヒートシンク基板と冷却配管は熱伝導が良好な状態で固定される。
以上の様なモジュールと冷却配管の全体の構成は現地において全体の装置を据付し工事完成させる上で極めて重要である。この事例の様に家庭の様に小さなシステムでも勿論、大きな業務用システム、例えばホテル、郊外レストラン、スーパー銭湯の様な比較的大きなシステムの場合は据付工事が容易であり信頼性の高い工事ができる事が一層要請されるからである。
After the module is installed, the cooling pipes are properly arranged as shown in FIG. Then, when the opening 17 of the module frame 7 is opened, the heat output portion of the heat sink substrate is located inside, and the cooling pipe is applied to the heat sink substrate. The heat conduction grease is applied, and the fixing bracket 18 is tightened. The heat sink substrate and the cooling pipe are fixed with good heat conduction.
The overall configuration of the module and the cooling pipe as described above is extremely important for installing the entire device and completing the construction on site. As in this case, a small system like a home or a large business system such as a hotel, a suburban restaurant, or a super public bath can be installed easily and highly reliable. This is because more things are required.
図2で知れる通り、冷却配管はヒートシンク基板の長い方の一辺に固定している。例えば受光モジュールが短辺が1mで長辺が2mの長方形の場合、同じ支持基板厚さの場合熱の流れる向きでそのヒートシンク基板内の温度差は4倍になる。従って全体のエネルギー変換効率(TCR)を高めるには短辺方向に熱を流し、冷却配管は図のように長手方向の一辺に配置させる事が重要である。図の事例では図には示していないが、ヒートシンク基板はアルミニウム製でそのプレートの肉厚は配管固定部近傍が4mm、その反対側が0.5mmになるように傾斜肉厚にしてある。これにより温熱を伝え易く且つ全体のアルミニウム材料使用量を減少させている。平均肉厚は2.2mmであり、短長片を反対にした場合は同じ伝熱特性を得るには平均肉厚はその4倍で8.8mmとなり、極めて多量のアルミニウムを使用しなければならず且つ重量が大きくなり屋根上まで発電モジュールを屋根上まで持ち上げる作業に悪影響を来たす。 As is known from FIG. 2, the cooling pipe is fixed to one side of the longer side of the heat sink substrate. For example, when the light receiving module is a rectangle having a short side of 1 m and a long side of 2 m, the temperature difference in the heat sink substrate is quadrupled in the direction of heat flow when the support substrate thickness is the same. Therefore, in order to increase the overall energy conversion efficiency (TCR), it is important to flow heat in the short side direction and arrange the cooling pipe on one side in the longitudinal direction as shown in the figure. In the case of the figure, although not shown in the figure, the heat sink substrate is made of aluminum, and the thickness of the plate is inclined so that the vicinity of the pipe fixing portion is 4 mm and the opposite side is 0.5 mm. This facilitates the transfer of heat and reduces the overall amount of aluminum material used. The average wall thickness is 2.2 mm. If the short and long pieces are reversed, the average wall thickness is 8.8 mm, which is four times that of the same heat transfer characteristics, and a very large amount of aluminum must be used. Therefore, the weight is increased and the operation of lifting the power generation module to the roof is adversely affected.
図4には、ヒートシンク基板4を鉄板としその伝熱性を補うためにヒートパイプ24を溶接した方式を示す。この場合はむしろ長短辺はその逆でも問題無い。何故ならヒートパイプ自体が極めて優れた伝熱特性を持つため長辺方向に付けてもその温度傾斜は小さい事と、逆にむしろヒートパイプの設置本数を少なくした方が、即ち長辺方向にヒートパイプを設置し短辺方向に冷却配管を設置したほうが全体の最適化とコスト低減が図れるからである。ヒートパイプ内の作動冷媒は水乃至は自然冷媒が用いられる。 FIG. 4 shows a system in which the heat sink substrate 4 is an iron plate and a heat pipe 24 is welded to supplement the heat conductivity. In this case, the longer and shorter sides can be reversed. This is because the heat pipe itself has extremely excellent heat transfer characteristics, so even if it is attached in the long side direction, the temperature gradient is small, and conversely, if the number of installed heat pipes is reduced, that is, heat is applied in the long side direction. This is because it is possible to optimize the whole and reduce the cost by installing the pipe and installing the cooling pipe in the short side direction. The working refrigerant in the heat pipe is water or natural refrigerant.
図3で発電セル周りの詳細の説明を行う。ここでは発電セル3はシリコン結晶をベースとした小面積の発電セル素子の複数個をハイブリッドに組み合わせてモジュールとしたもので、現在最も一般的に用いられている太陽光発電セル方式である。このセルの表面は約3ミクロン単位の凸凹がエッチングにより形成されており、その表面は太陽光を吸収しやすく、56℃の黒体輻射スペクトル(3ミクロンの波長は含まない長波長である)は輻射しにくい特性をもっているから太陽光は吸収し易く、輻射放熱ロスは少ない。太陽光照射により発電セルは加熱されるが冷却媒体であるプロパンガスの循環量を調整する事により、約56℃前後に制御されている。 The details around the power generation cell will be described with reference to FIG. Here, the power generation cell 3 is a module in which a plurality of power generation cell elements having a small area based on silicon crystal are combined in a hybrid, and is the most commonly used solar power generation cell system. The surface of the cell is formed by etching about 3 microns, and the surface is easy to absorb sunlight, and the black body radiation spectrum at 56 ° C (long wavelength not including 3 microns) is Sunlight is easy to absorb because it has a characteristic that is difficult to radiate, and there is little radiation heat loss. The power generation cell is heated by sunlight irradiation, but is controlled to about 56 ° C. by adjusting the circulation amount of propane gas as a cooling medium.
ここに用いられている積層体は最上面の被服層20が1.5mm厚さで融解点温度100℃のEVAホットメルト(酢酸ビニル含有量その他の調整により融解温度を確保)、その下に前述した発電セル3、その下の薄膜層19に1.0mm融解点温度100℃のEVAホットメルト、その下に平均肉厚2.2mmの前述のアルミ製のヒートシンク基板4からなっている。被服層はセル表面の結露、ごみの付着などを防止し発電セル3を確実に発電セル下面の薄膜層ホットメルトと接合させる効果も有する。 The laminate used here is EVA hot melt (the melting temperature is ensured by adjusting the vinyl acetate content and other adjustments) with the uppermost coating layer 20 having a thickness of 1.5 mm and a melting point temperature of 100 ° C. The power generation cell 3 is composed of an EVA hot melt having a melting point temperature of 100 ° C. in the thin film layer 19 below the power generation cell 3, and the aluminum heat sink substrate 4 having an average wall thickness of 2.2 mm below it. The coating layer also has an effect of preventing the condensation on the cell surface, the adhesion of dust, and the like, and reliably joining the power generation cell 3 to the thin film layer hot melt on the lower surface of the power generation cell.
薄膜層ホットメルトのEVAは電気絶縁性と耐電圧性を持ち、尚且つ太陽光温熱をヒートシンク基板4に伝熱するためにその厚さを極力薄く(1mm)している。且つ又冬の低温度と夏の高温度におけるその部分の温度環境範囲としてマイナス20〜プラス95℃の環境に耐える材料であり、その間の発電セル3とアルミ製のヒートシンク基板4の相対的熱歪によるストレスを吸収できる軟質の特性を有している。この事例の場合、発電セルのシリコン基板の辺長は20cm以下であり且つ電気リードは歪吸収ができる構造にしているため、ヒートシンク基板として線膨張係数の大きなアルミニウムであっても、歪の緩衝用に厚さ1mmと薄いEVAを用いてもその相対熱歪を吸収させる事ができるわけである。 Thin-film hot-melt EVA has electrical insulation and voltage resistance, and the thickness thereof is made as thin as possible (1 mm) in order to transfer solar heat to the heat sink substrate 4. In addition, it is a material that can withstand an environment of minus 20 to plus 95 ° C. as the temperature environment range of the part at the low temperature in winter and the high temperature in summer, and the relative thermal strain between the power generation cell 3 and the aluminum heat sink substrate 4 therebetween. It has a soft property that can absorb the stress caused by. In this case, the side length of the silicon substrate of the power generation cell is 20 cm or less and the electrical lead is structured to absorb strain. Therefore, even if aluminum having a large linear expansion coefficient is used as a heat sink substrate, it is used for buffering strain. Even if a thin EVA with a thickness of 1 mm is used, the relative thermal strain can be absorbed.
ところが、もっと辺長の大きな規模のシリコン基板や大面積アモルファス、その他線膨張係数が小さくて引っ張り歪に弱い発電セルを用いた場合には一層の歪吸収の工夫が必要になる。例えば薄膜層19の歪緩衝効果を高めるか、発電セル3を線膨張係数が小さいアルミナ等の固体の平板乃至はガラス板などに接合させたものを用いるか、ヒートシンク基板4そのものが線膨張係数の小さい鉄板などを用いることなどが有効となる。乃至はヒートシンクの温度が60〜80℃程度に達したら強制的に冷却する機構を設けるなどの対策が必要になるわけである。
この積層体と上面ガラス1の間のスペース支持の目的でプラスチック支柱16が使われ、ヒートシンク基板4の下面には発泡樹脂の断熱部材が接着されている。上面ガラス1とアルミのヒートシンク基板4を構造基板としてその外周をモジュール枠体7により固定してモジュール装置を構成している。以上の基本構成により、冷却配管6を取り付ける前の太陽光コジェネレイション装置としてのモジュールは、従来の太陽光発電装置と同等の構造、重量、設置構造を有し、その据付は太陽光発電装置、太陽光集熱装置と同等の工事性を持たせる事が構造上で容易であるという効果がある。同等の工事性により前述したような太陽光発電装置、太陽光集熱装置とミックスさせて顧客や建物に最適な組み合わせシステムを容易に提供できる。
However, if a silicon substrate having a larger side length, a large area amorphous, or other power generation cell having a small linear expansion coefficient and weak against tensile strain is used, it is necessary to further devise strain absorption. For example, the strain buffering effect of the thin film layer 19 is increased, the power generation cell 3 is joined to a solid flat plate or glass plate such as alumina having a small linear expansion coefficient, or the heat sink substrate 4 itself has a linear expansion coefficient. It is effective to use a small iron plate. Or, when the temperature of the heat sink reaches about 60 to 80 ° C., it is necessary to take measures such as providing a mechanism for forcibly cooling.
A plastic support 16 is used for the purpose of supporting the space between the laminate and the upper glass 1, and a heat insulating member made of foamed resin is bonded to the lower surface of the heat sink substrate 4. The upper surface glass 1 and the aluminum heat sink substrate 4 are used as a structural substrate, and the outer periphery thereof is fixed by a module frame 7 to constitute a module device. With the above basic configuration, the module as a solar cogeneration device before mounting the cooling pipe 6 has the same structure, weight, and installation structure as a conventional solar power generation device. There is an effect that it is easy in terms of structure to have workability equivalent to that of a solar heat collecting device. Due to the equivalent workability, it is possible to easily provide an optimal combination system for customers and buildings by mixing with the solar power generation device and the solar heat collecting device as described above.
勿論、以上のようにモジュールを設置後に冷却配管6を取り付けるのが容易な事は既に述べたとおりである。このモジュールの冷却配管を取り付けた部分の上部スペースを利用して太陽光の反射板8を取り付けてある。この反射板の面積はモジュールの受光面積の15%に相当する大きさで、結果として受光面積あたりのトータルエネルギー変換効率(TCR)を向上させる効果を狙ったものであり、7〜8%の向上が期待できる。反射板表面は反射光を散乱させて反射させるようにスモーク状に処理した鏡面である。これにより反射光はモジュールの発電セルの全体を柔らかにカバーする。また反射板8側の隣のモジュールとの間は反射板がそのモジュールの受光面に日陰を作らないようにスペース(図示せず)が取られており、これが装置のサービススペースを兼ねている。 Of course, as described above, it is easy to attach the cooling pipe 6 after installing the module as described above. The solar reflector 8 is attached using the upper space of the part where the cooling pipe of this module is attached. The area of the reflecting plate is equivalent to 15% of the light receiving area of the module, and as a result, aims to improve the total energy conversion efficiency (TCR) per light receiving area, and is improved by 7 to 8%. Can be expected. The reflecting plate surface is a mirror surface processed in a smoke shape so that the reflected light is scattered and reflected. As a result, the reflected light softly covers the entire power generation cell of the module. Further, a space (not shown) is provided between the adjacent module on the reflection plate 8 side so that the reflection plate does not shade the light receiving surface of the module, and this also serves as a service space for the apparatus.
図4にはヒートシンク基板として別の方式を用いた事例の積層体の断面を示した。前述した様に、熱歪に弱い発電セルである場合には、先ず線膨張係数の小さな例えば鉄板などを用いたヒートシンク基板を用いなければならない。この場合、線膨張係数の小さな金属は大概、熱伝導が悪く、内部で大きな温度差を発生させるから発電セルと冷却配管の間に10℃などという大きな温度差を発生させ、コジェネレイション装置としてのエネルギー変換効率(TCR)を悪化させる。そこで図4に示した事例では1mmの厚さの鉄板に8mm直径の銅パイプからなるヒートパイプを20cm間隔で溶接して取り付けたものを用いる。この場合薄膜層(図3における19)にはEVAより柔らかで歪吸収に優れた例えばEMMA(エチレンメチルメタクリレート共重合樹脂)などを用いる事などを合わせて採用すると効果は高くなる。 FIG. 4 shows a cross section of an example of a laminated body using another method as a heat sink substrate. As described above, in the case of a power generation cell that is vulnerable to thermal strain, first, a heat sink substrate using, for example, an iron plate having a small linear expansion coefficient must be used. In this case, the metal with a small coefficient of linear expansion generally has poor heat conduction and generates a large temperature difference inside. Therefore, a large temperature difference such as 10 ° C. is generated between the power generation cell and the cooling pipe, and as a cogeneration device. Deteriorates energy conversion efficiency (TCR). Therefore, in the example shown in FIG. 4, a steel plate having a thickness of 1 mm and heat pipes made of 8 mm diameter copper pipes welded at intervals of 20 cm are used. In this case, if the thin film layer (19 in FIG. 3) is used together with, for example, EMMA (ethylene methyl methacrylate copolymer resin) which is softer than EVA and excellent in strain absorption, the effect is enhanced.
ヒートパイプ24の作動流体であるヒートパイプ媒体25は水である。この場合、発電モジュールは冷却配管6が取り付けられる辺を上部に配置して装置を設置し、ヒートパイプがヒートシンク基板内の上下方向の熱伝導を補助する方向にその軸を合わせて用いる事が必要条件となる。この様にしても発電セルが熱歪により破損したりその作動が不良になる場合に対応するための施策を図4に示している。これが第3の事例である。それは薄膜層19に関わるもので、図4に示したように発電セル3は固形の平坦な軟質の樹脂シート22に接合されている。場合によれば樹脂シート22にはさらに発電セルと線膨張係数の近いアルミナなどの金属板(図示せず)により補完されて硬い平坦面を保つ様に工夫されている。この樹脂シート22はヒートシンク基板4とは接合面23を介して接合されている。その接合面には熱伝導性のある耐熱グリースが塗布され、常に樹脂シート22とヒートシンク基板4は接合面23を介して相互に摺動できる様になっており耐熱グリースがその摺動を滑らかに行える様に助けている。 The heat pipe medium 25 that is the working fluid of the heat pipe 24 is water. In this case, the power generation module must be installed with the side to which the cooling pipe 6 is attached at the top, and the heat pipe must be used with its axis aligned in a direction that assists heat conduction in the vertical direction in the heat sink substrate. It becomes a condition. FIG. 4 shows a measure for dealing with the case where the power generation cell is damaged due to thermal strain or its operation becomes poor even in this way. This is the third case. This is related to the thin film layer 19, and the power generation cell 3 is joined to a solid, flat, soft resin sheet 22 as shown in FIG. 4. In some cases, the resin sheet 22 is further supplemented by a metal plate (not shown) such as alumina having a linear expansion coefficient close to that of the power generation cell so as to keep a hard flat surface. The resin sheet 22 is bonded to the heat sink substrate 4 via a bonding surface 23. A heat-resistant heat-resistant grease is applied to the joint surface, and the resin sheet 22 and the heat sink substrate 4 can always slide relative to each other via the joint surface 23. The heat-resistant grease makes the sliding smooth. I am helping you to do it.
接合面23が常に接合されて伝熱ができる状態を維持するために、この積層体を厚さ方向に結束する結束バンド26を設けた。これは積層体に設けた貫通穴を貫通し、ヒートシンク基板4と発電セル3の上の皮膜層20とを締め付けることにより前記の接合面23を接合した状態に維持させる目的のもので、一つの発電モジュールあたり1〜数十箇所に結束バンドを設ける。結束バンドは細いが強靭な樹脂で両端に設けた拡大部分乃至はナット状部分が積層体の厚さ方向の膨らみを防止し接合面を接合状態に維持する。必要により結束バンド26に伸縮効果を持たせて接合面を接合方向に常に押し付ける事も有効である。積層体に設けた結束バンド用の貫通穴は結束バンドより僅かに大きくしてあるので、接合面での摺動は妨げられない。勿論一つのモジュールに用いる多数の結束バンドは連結され一体化されて成型された樹脂でも良い。この場合、図3に見られるプラスチック支柱16と結束バンド26を一体化した樹脂で形成することは実用上の効果は大きい。結束バンド26を積層体に挿入した後にその先端に嵌め込んでネジ乃至は溶着で固定する部品としてのナット状のもの自体に積層体を結束軸方向に押す様に働くバネ効果を持たせる方法などは実用的である。 In order to maintain a state in which the bonding surface 23 is always bonded and heat transfer is possible, a binding band 26 for binding the laminated body in the thickness direction is provided. This is for the purpose of maintaining the joined surface 23 in a joined state by tightening the heat sink substrate 4 and the coating layer 20 on the power generation cell 3 through a through hole provided in the laminate. Bundling bands are provided at 1 to several tens of locations per power generation module. The binding band is a thin but strong resin, and the enlarged portions or nut-like portions provided at both ends prevent the laminate from bulging in the thickness direction and keep the joint surface in a joined state. If necessary, it is also effective to give the binding band 26 an expansion / contraction effect and always press the joining surface in the joining direction. Since the through hole for the binding band provided in the laminate is slightly larger than the binding band, sliding on the joint surface is not hindered. Of course, a number of binding bands used in one module may be a resin that is connected, integrated, and molded. In this case, forming the plastic support 16 and the binding band 26 shown in FIG. 3 with an integrated resin has a great practical effect. A method in which the binding band 26 is inserted into the laminated body and then fitted into the tip thereof, and a nut effect as a part to be fixed by screws or welding has a spring effect that acts to push the laminated body in the binding axial direction. Is practical.
冷却配管の構成についての別の案を図5に提示した。この方式はヒートシンク基板4の発電モジュール部15がモジュール枠体7の内部に収められ、温熱出力部14はモジュール枠体の外部まで延長されている構成である。この方式では冷却配管を温熱出力部14に固定するのは一層容易である。しかしながらヒートシンク基板4がモジュール枠体7を貫通して外に延長されているから、その部分の雨仕舞には工夫が必要となるし、温熱出力部には別のカバー(図示せず)により保護が必要になるので工事運搬の際の強度を考慮しておく必要がある。しかしながら沢山の発電モジュール装置を組み合わせ、冷却配管を太くして一本のパイプを利用しようとする場合には有効な構成である。 Another proposal for the configuration of the cooling piping is presented in FIG. In this system, the power generation module 15 of the heat sink substrate 4 is housed inside the module frame 7 and the thermal output unit 14 is extended to the outside of the module frame. In this method, it is easier to fix the cooling pipe to the thermal output unit 14. However, since the heat sink substrate 4 extends outside through the module frame body 7, it is necessary to devise a way to rain the portion, and the thermal output portion is protected by another cover (not shown). Therefore, it is necessary to consider the strength during construction transportation. However, this configuration is effective when a large number of power generation module devices are combined and the cooling pipe is thickened to use a single pipe.
太陽光コジェネレイションシステムの発電量と温熱量を利用者の要望にあわせて調整するにはまづ設置するモジュールの種類を調整する事である。熱エネルギー利用の少ない南国のコンビニエンスストアなどでは太陽光発電装置を多くし、太陽光コジェネレイション装置の少ないシステムとする。但し暖房負荷の大きな地域では太陽光コジェネレイション装置を増やすほうが良い。一方給湯負荷の大きな床屋などでは太陽光コジェネレイション装置を増やすことが適当である。一般の家庭では太陽光コジェネレイション装置を規準とし、暖房負荷の小さな且つ入浴の少ない家庭では太陽光発電装置の割合を増加させるのが望ましい。こうした調整がほとんど不要で、どの様な需要モードにも適応し易い高機能システム商品も可能であり、その概要を図6に示した。 In order to adjust the power generation and thermal energy of the solar cogeneration system according to the user's request, it is necessary to adjust the type of module to be installed. In convenience stores in southern countries that use less heat energy, the number of solar power generation devices will be increased, and the system will have fewer solar cogeneration devices. However, it is better to increase the number of solar cogeneration devices in areas with a large heating load. On the other hand, it is appropriate to increase the number of solar cogeneration devices in a barber shop where the hot water supply load is large. In general households, it is desirable to use a solar cogeneration system as a standard, and in a household with a small heating load and a small amount of bathing, it is desirable to increase the proportion of the photovoltaic power generation apparatus. Such an adjustment is almost unnecessary, and a high-function system product that can be easily adapted to any demand mode is also possible, and the outline thereof is shown in FIG.
本発明の技術を活かした太陽光コジェネレイション装置をシステムとして作動させる商品サービスの代表事例は既に述べた様に、電力出力は商用電力に逆潮流させ(売電し)、温熱を温熱タンク21に蓄熱して温水として給湯や暖房に利用するシステムである。しかしながらさらに高レベルの利用システムとして電力、暖冷房、給湯をフルに供給するフルシステムに組み込んで利用する事例を図6に示す。これは太陽光コジェネレイション装置(図では装置を一つのモジュールで表現しているが、実際は複数装置によるシステムである)の温熱出力をヒートポンプ装置28で最適状態で得られる様に調整して冷熱と温熱蓄熱槽30、31に蓄熱させてその熱を給湯ライン38、温冷水ライン39を通して冷暖房給湯に利用するもので、これは太陽光コジェネレイションシステムにヒートポンプ装置を加えたもので、請求項2に記載したとおり、次の効果が期待できる。 As described above, as a representative example of a product service that operates a solar cogeneration system utilizing the technology of the present invention as a system, the power output is reversely flowed (sold) into commercial power, and the heat is transferred to the heat tank 21. It is a system that stores heat and uses it as hot water for hot water supply or heating. However, FIG. 6 shows an example in which it is incorporated into a full system that fully supplies electric power, heating and cooling, and hot water as a higher level utilization system. This is adjusted by adjusting the thermal output of the solar cogeneration device (in the figure, the device is represented by a single module, but actually a system with multiple devices) so that it can be obtained in the optimum state by the heat pump device 28. The heat storage tanks 30 and 31 store heat, and the heat is used for air conditioning and hot water supply through the hot water supply line 38 and the hot and cold water line 39. This is a solar cogeneration system with a heat pump device added thereto. As described, the following effects can be expected.
1、発電セルの温度の最適制御(TCRの最大化を含む)。2、温冷熱蓄熱の蓄熱温度の最適制御。3、大気熱源ヒートポンプ運転による冷熱蓄熱が可能。4、冷熱運転の排熱を温熱蓄熱可能。5、エネルギー需要モードに合わせた電力、温熱、冷熱供給量の調整。6、太陽光不足の日にも大気熱源ヒートポンプで効率良い温熱確保。7、深夜電力の利用によるエネルギーコストの低減、などである。即ち、太陽光利用システムと大気熱源ヒートポンプシステムおよび商用電源の利用を複合させて、極めて合理的で顧客ニーズに合わせた運転を最高度に実現する事が可能になるわけである。このシステムによれば雨の日の分まで賄う様な大きな容量規模の太陽光コジェネレイションシステムを設置せずに済むし、年間需要エネルギー量の70〜80%を太陽光で賄い、雨、曇りの日には電力を利用した供給システムにする事で全体のシステムを最適にし、最もコンパクトなシステムを実現できると考えられている。 1. Optimal control of power generation cell temperature (including TCR maximization). 2. Optimal control of heat storage temperature for thermal storage. 3. Cold heat storage by atmospheric heat source heat pump operation is possible. 4. Thermal storage of exhaust heat from cold operation. 5. Adjustment of electric power, heat, and cold supply according to the energy demand mode. 6. Ensuring efficient heat with an atmospheric heat source heat pump even on days when sunlight is insufficient. 7. Reducing energy costs by using midnight power. In other words, it is possible to achieve a very rational operation at the highest level by combining the use of the solar power system, the atmospheric heat source heat pump system and the commercial power supply. According to this system, it is not necessary to install a large-scale solar cogeneration system that can cover up to rainy days, and 70-80% of the annual energy demand is covered by sunlight. It is thought that the most compact system can be realized by optimizing the whole system by using a power supply system on the day.
信頼性
太陽光コジェネレイション装置への期待は安定したエネルギーの供給の側面と長期使用による初期投資コストの吸収という二つの側面がある。従って長期使用の信頼性は極めて重要である。そのため本発明では発電セルに生じる熱歪ストレス、高温度環境、絶縁特性という技術側面を焦点とした課題の解決技術を提示した。また設置工事が容易になるような方式と構成と構造を提示した。何故なら工事性に問題のある装置システムは設置状態で信頼性の高いシステムとはならないと認識するからである。またエネルギー変換効率の向上のための幾つかの技術も提示した。それは商品の完成度という点で車の両輪であり、切り離す事ができないと考えるからである。
Expectations for a reliable solar cogeneration system have two aspects: a stable energy supply and absorption of initial investment costs due to long-term use. Therefore, the reliability of long-term use is extremely important. Therefore, in the present invention, a technique for solving the problems focusing on the technical aspects of thermal strain stress, high temperature environment, and insulation characteristics generated in the power generation cell is presented. In addition, a scheme, structure and structure that make installation work easier were presented. This is because it is recognized that an apparatus system having a problem in workability does not become a highly reliable system in the installed state. Some techniques for improving energy conversion efficiency were also presented. This is because it is both wheels of the car in terms of product completion and cannot be separated.
1 上面ガラスカバー
2 空気層
3 発電セル
4 ヒートシンク基板
5 断熱部材
6 冷却配管
7 モジュール枠体
8 反射板
9 太陽光コジェネレイション装置
10 据付け用縦桟
11 据付け用横桟
12 屋根
13 太陽光
14 ヒートシンク基板温熱出力部
15 ヒートシンク基板発電モジュール部
16 プラスチック支柱
17 モジュール枠体開口部
18 冷却配管固定金具
19 薄膜層
20 皮膜層
21 温熱タンク
22 樹脂プレート
23 接合面
24 ヒートパイプ
25 ヒートパイプ媒体
26 結束バンド
27 冷却配管固定ネジ
28 ヒートポンプ装置
29 送風ファン
30 冷熱蓄熱槽
31 温熱蓄熱槽
32 パワーコントローラー
33 送電線ライン
34 ヒートポンプ電源
35 冷却冷媒ライン
36 加熱冷媒ライン
37 水道水
38 給湯ライン
39 温冷水ライン
40 空調用ファンコイルユニット
41 床暖房壁面暖房パネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Upper surface glass cover 2 Air layer 3 Power generation cell 4 Heat sink board 5 Heat insulation member 6 Cooling piping 7 Module frame 8 Reflector 9 Solar cogeneration apparatus 10 Vertical beam 11 for installation Horizontal beam 12 for installation Roof 13 Sunlight 14 Heat sink board Thermal output unit 15 Heat sink substrate power generation module unit 16 Plastic support column 17 Module frame body opening 18 Cooling pipe fixing bracket 19 Thin film layer 20 Film layer 21 Thermal tank 22 Resin plate 23 Joining surface 24 Heat pipe 25 Heat pipe medium 26 Binding band 27 Cooling Piping fixing screw 28 Heat pump device 29 Blower fan 30 Cold heat storage tank 31 Thermal heat storage tank 32 Power controller 33 Transmission line 34 Heat pump power supply 35 Cooling refrigerant line 36 Heating refrigerant line 37 Tap water 38 Hot water supply line 39 Hot and cold water line 40 Fan coil unit 41 for air conditioning Floor heating wall heating panel
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Related Parent Applications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2015045190A1 (en) * | 2013-09-27 | 2015-04-02 | 会川鉄工株式会社 | Photovoltaic power generation device, and snow-melting method and cooling method therefor |
-
2012
- 2012-06-05 JP JP2012128180A patent/JP2012177541A/en active Pending
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