JP2013008786A - 太陽エネルギ利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】
太陽電池を有する太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池を効果的に冷却するとともに、太陽電池で発生した熱を効果的に利用できるようにする。
【解決手段】
太陽エネルギ利用システムは、太陽電池１０を備える。太陽電池の受光面の反対面に、太陽電池で発生する熱を集熱する集熱装置１２を設ける。集熱装置は、集熱板３０とシール手段３２と支持板４０とを積層した積層構造となっている。集熱板の熱伝導度は、シール手段および支持板の熱伝導度よりも高くなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は太陽エネルギ利用システムに係り、特に太陽エネルギを利用して発電するのに好適な太陽エネルギ利用システムに関する。

従来の太陽エネルギ利用システムの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の太陽電池ユニットおよび太陽電池冷却システムでは、太陽電池モジュールを安定に冷却するとともに、太陽電池モジュールで発生する熱を回収するために、太陽電池モジュールを保持するホルダが、冷媒のための複数の冷媒流路を有している。また、各冷媒流路に連なる複数の流入口及び複数の流出口を有している。

従来の太陽エネルギ利用システムの他の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の太陽電池冷却熱回収装置では、太陽電池を固定する表面板に近接してウィックを設け、波型の伝熱板によりヒートパイプ作動室と、二次冷却室に分割している。そして、ヒートパイプ作動室に水等の作動媒体を入れて密封し、作動室内の飽和圧力を太陽電池の作動効率が最も高い温度付近の飽和圧力に設定する。二次冷却室には水を循環させ、伝熱板を介してヒートパイプからの熱を受熱し、温水として排出し外部で利用している。

特開２０００−１１４５７４号公報 特開２００１−１５６３２３号公報

太陽電池の発電量は、太陽電池本体の温度が上昇すると低下する。そのため、特許文献１に記載の太陽電池では、冷媒流路を有するモジュールホルダを太陽電池の裏面に取り付け、冷媒の冷力で太陽電池を冷却している。さらに太陽電池から回収した熱を、再利用して、エネルギの有効活用を図っている。しかしながらこの公報に記載の太陽電池では、太陽電池で発生する熱を吸収するためのホルダが、均一材質の１種類の部材で構成されているので、熱回収が十分に行えないおそれがあった。すなわち、熱吸収部材であるホルダの熱伝導度が高いと、太陽電池で発生した熱がホルダから冷媒流路内の冷媒に伝わらずに、ホルダの太陽電池と接する面と反対面から放熱する。そのため、熱エネルギ回収におけるロスが増大する。これとは逆に太陽電池で発生する熱の吸収部材であるホルダの熱伝導度が低いと、太陽電池で発生した熱がホルダに伝わりにくくなり、この場合も熱エネルギの回収が低下する。

また、特許文献２に記載の太陽電池の冷却熱回収装置でも、太陽電池を固定する函体を１種類の材質のもので構成してあるので、上記特許文献１に記載のものと同様に、函体の熱伝導度が高ければウィックや波形の伝熱板に伝熱する前に函体での伝熱により外部へ熱が放散する。これとは逆に函体の熱伝導度が低ければ、ウィックや伝熱板へ伝達される熱量が低下する。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、太陽電池を有する太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池を効果的に冷却するとともに、太陽電池で発生した熱を効果的に利用できるようにすることにある。これにより、太陽エネルギ利用システムの信頼性の向上と効率の向上を両立させることも目的とする。

上記目的を達成する本発明の特徴は、太陽電池を備えた太陽エネルギ利用システムにおいて、前記太陽電池の受光面と反対面にこの太陽電池で発生する熱を集熱する集熱装置を設け、この集熱装置は、集熱板とシール手段と支持板とを積層した積層構造となっており、前記集熱板の熱伝導度を前記シール手段および前記支持板の熱伝導度よりも高くしたことにある。

そしてこの特徴において、前記集熱板と前記支持板との間に冷却液流路を形成するのが望ましく、板状の前記シール手段の内部をくり抜いた形状とすることにより、前記冷却液流路が形成されていてもよく、前記シール手段の形状が、枠にこの枠の内部に延びる複数の直線状の整流部材を付加して一体形状としたものであってもよい。また、前記集熱板の前記太陽電池との接触面とは反対面に、長手方向に延びる複数の溝または突起を形成してもよく、前記支持板が前記シール手段と接触する面とは反対面に、枠状のスペーサおよび平板状の第２の支持板を積層配置し、前記スペーサの枠状内部に空気の断熱空間を形成してもよい。さらに、前記太陽電池に接する前記集熱板の表面を絶縁処理することが望ましい。

本発明によれば、太陽電池を冷却する冷却手段が、太陽電池接触側で熱伝導度が高く、太陽電池接触面と反対面側で熱伝導度が低いので、冷却手段内の冷媒へ太陽電池で発生した熱が効果的に伝熱され、太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池を効果的に冷却できるとともに、太陽電池で発生した熱を効果的に利用できる。また、太陽エネルギ利用システムの信頼性の向上と効率の向上が両立する。

本発明に係る太陽エネルギ利用システムの一実施例のシステム図である。 太陽電池温度と発電量の関係を説明する図である。 図１に示した太陽エネルギ利用システムが有する集熱装置の縦断面図である。 図３に示した集熱装置の分解斜視図である。 集熱装置の部分拡大断面図であり、集熱板の他の実施例を示す図である。 図３に示した集熱装置が有するシール材の平面図である。 シール手段の変形例の平面図である。 集熱装置の他の実施例の分解斜視図である。

以下、本発明に係る太陽エネルギ利用システムおよびそれに用いる集熱装置のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、太陽エネルギ利用システム１００の一実施例のシステム図である。建物の屋上や家屋の屋根、日照面等には、太陽光発電に用いる太陽電池１０が設けられている。太陽電池１０に入射する太陽光１８は、太陽電池１０で電気エネルギに変換されて発電し、電源として利用される。それとともに、太陽電池１０に入射された太陽光１８の一部は熱エネルギとなって発熱し、太陽電池１０の温度を上昇させる。

ところで、図２に示すように、太陽電池１０の温度Ｔ（℃）と発電量Ｐ（ｋＷ）の間にはほぼ線形の関係がある。すなわち、太陽電池１０の温度Ｔ（℃）が上昇すればするほど、太陽電池１０の発電量Ｐ（ｋＷ）は減少する。したがって、太陽電池１０の発電量を確保するためには、太陽電池１０の温度を所定温度以下にする必要がある。そこで本発明では、太陽光１８による太陽電池１０の温度上昇を防止するために、太陽電池１０の背面側に、太陽電池１０の受光面と同程度の大きさの集熱装置１２を取り付けている。

集熱装置１２は、水または冷媒で冷却する冷却装置であり、熱源設備２２に冷却液供給配管１６および冷却液戻り配管１４を介して接続されている。冷却液供給配管１６の途中には、ポンプが設けられており、冷却液を集熱装置１２に給液する。

熱源設備２２は、最も簡単には液−液型の熱交換器である。または、吸収式冷凍機等の冷凍設備であってもよい。熱源設備２２には、配管により温水槽２４が接続されている。集熱装置１２で集熱または吸熱した冷却液または冷媒は冷却液戻り配管１４から熱源設備２２に導かれ、暖房・給湯用冷水配管２８から導かれた冷水と熱源設備２２で熱交換する。熱源設備２２で熱交換して温度上昇して温水となった水は、温水槽２４に貯槽された後、暖房・給湯用温水配管２６から需要元に送られる。一方、熱源設備２２で暖房・給湯用冷水配管２８から導かれた冷水と熱交換し温度低下した冷却液または冷媒は、ポンプ２０により冷却液供給配管１６から再び集熱装置１２に送られる。以後、集熱装置１２と熱源装置２２との間を循環する。

このように構成した太陽エネルギ利用システム１００が備える集熱装置１２の詳細を、図３ないし図８を用いて説明する。図３に、集熱装置の一実施例を縦断面図で示す。上述したように、集熱装置１２は、太陽電池１０の背面部に、太陽電池１０に密着して取り付けられている。集熱装置１２は、太陽電池１０に密着して太陽電池１０で発生する熱を集熱する矩形平板状の集熱板３０と、この集熱板３０と所定間隔をおいて配置された矩形平板状の支持板４０と、集熱板３０と支持板４０との間隔を所定間隔に保つために集熱板３０と支持板４０間に配置された枠形状のシール手段３２とを備えている。

集熱板３０は、熱伝導度の高いアルミニウムや銅またはそれらの合金で構成されており、太陽電池１０と密着させることにより、熱伝導度の低下を防止している。ただし、電気的には太陽電池と絶縁するよう、その表面に絶縁処理をすることが望ましい。一方支持板４０は、集熱板１０に伝達された熱が外部に放熱されるのを防止するとともに、枠状のシール手段３２の枠内部に形成される空間を、集熱板１０とともに冷却液または冷媒の冷却液流路４６として形成する。

したがって支持板４０の材質は冷却液または冷媒の流動に支障なく、かつ熱伝導度の低いものが望ましく、ステンレス鋼やプラスチック材料が使用される。例えば、プラスチック材料としては、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂等を使用する。なお、支持板４０には、冷却液または冷媒を冷却液流路４６に導入するための貫通孔である供給孔４２と、冷却液流路４６から排出するための貫通孔である吐出孔４４とが形成されている。これらの孔４２、４４には、それぞれ冷却液供給配管４７および冷却液吐出配管４８が接続されている。

シール手段３２には、冷却液流路４６に導かれた冷却液または冷媒が外部に漏れるのを防止することが要求される。それとともに上述したように、シール手段３２は冷却液流路４６の高さを確保する部材である。また外周部は、外気に接するので放熱を避ける必要がある。これらの要求から、シール手段３２には金属の集熱板３０ともプラスチック材の支持板４０とも密着性に富むゴム等を用いる。なおゴム等を使用すれば、金型等に原材料を流し込む型成形で、容易にシール手段３２の形状が得られる。

図４に、上記集熱装置１２を分解斜視図で示す。図４で図示を省略したが、集熱板３０およびシール手段３２、支持板４０を積層した後、各部材の周縁部に設けたボルト孔にボルトを貫挿し、ナットで締結することにより集熱装置１２が形成される。なお、各部材間、すなわち集熱板３０とシール手段３２、シール手段３２と支持板４０間は、液体シール材やガスケット、O−リング等のいずれかのシール材を用いてシール性能を補強している。

本実施例によれば、集熱板に熱伝導度が高い材質を、支持板に熱伝導度が低い材質を使用し、集熱板で集熱した熱が支持板に直接伝わるのを防止して、シール手段の内部に形成した冷却液流路内を流通する冷却液に伝わるようにしたので、集熱装置に密着する太陽電池の温度上昇に起因する発電性能の低下を防止できる。また、集熱装置で集熱した熱を温水等に有効に利用でき、省エネとなる。

本発明に係る太陽エネルギ利用システム１００が備える集熱装置の他の実施例を、図５に示す。本実施例が上記実施例と異なるのは、集熱板３０を平板ではなく、冷却液４５が流れる冷却液流路４６側の面に、多数の突起部３１ａと溝部３１ｂを形成したことにある。突起部３１ａと溝部３１ｂの断面形状は、加工の容易さを考慮して矩形としている。突起部３１ａと溝部３１ｂを形成したので、冷却液４５が集熱板３０と接触する面積が増大し、集熱板３０から冷却液４５への熱伝達が促進される。本実施例では、集熱板３０の溝部３１ｂの断面形状を矩形としたが、必ずしも矩形である必要は無く、断面半円や三角形、または矩形と円弧の組み合わせ等、接触面積が増大するものであればよい。ただし、集熱板３０の冷却液流路４６側表面が奥部よりも広い方が、冷却液４５の流動が阻害されず望ましい。

図６に、本発明に係るシール手段のいくつかの変形例を示す。図６（ａ）には、基準となるシール手段３２が示されている。支持板４０に形成した冷却液または冷媒の供給孔４２から供給された冷却液または冷媒は、同様に支持板４０に形成された冷却液または冷媒の吐出孔４４へ向けて流れる。したがって、冷却液または冷媒が集熱板３０と長い時間熱交換できるよう、冷却液または冷媒の供給孔４２と吐出孔４４を、冷却液流路４６の長手方向の端部近傍に対応する支持板４０の位置に設ける。

図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すシール手段３２ａ、３２ｂでは、冷却液流路内で冷却液または冷媒が流れる距離を長くするために、シール手段３２ａ、３２ｂの長手方向に延びる冷却液の流路分割部材３３ａまたは長手方向に直行する方向に複数入れ子状に流路分割部材３３ｂを形成している。

図６（ｂ）では、流路分割部材３３ａは、シール部材の短辺側の中央部であって、冷却液または冷媒の供給孔４２ａ側をシール部材３２ａの枠部と一体にしており、長手方向反対端部はシール部材３２ａの枠部と距離をおいて形成している。また、冷却液の供給孔４２ａは流路分割部材３３ａで分割された流路の一方側であってシール部材３２ａの枠部近傍に、吐出孔４４ａは長手方向位置が供給孔４２ａとほぼ同じ位置であって、流路分割部材３３ａにより分割された他の流路側に形成される。これにより、供給孔４２ａから吐出孔４４ａに向かうＵ字状の冷却液の流れ３５ａが形成され、冷却液が集熱板３０と接触する距離が長くなり、熱交換が促進される。

図６（ｃ）では、複数の流路分割部材３３ｂをシール手段３２ｂの枠部の一方の長辺から中央部に向けて一体に形成し、複数の流路分割部材３３ｂをシール手段３２ｂの枠部の他の長辺から中央部に向けて一体に形成する。その際、流路分割部材３３ｂの長手方向の位置は、シール手段３２ｂの一方の長辺側と他方の長辺側で互いに中間、好ましくは中央部になるようにする。また、流路分割部材３３ｂの短辺方向の長さは、短辺の長さの半分以上にする。冷却液の供給孔４２ｂおよび吐出孔４４ｂは、シール手段３２ｂの短辺近傍であって、互いに他の短辺側に形成する。これにより供給孔４２ｂから供給された冷却液または冷媒は、蛇行した流れ３５ｂ、３５ｃを形成するので、さらに集熱板３０との接触距離および時間を長くすることが可能になり、熱交換が促進される。

図７に、シール手段３２ｃの他の実施例を平面断面図、およびいくつかの断面図で示す。同図（ａ）は、同図（ｂ）のＤ−Ｄ’断面図であり、同図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ同図（ａ）のＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図、Ｃ−Ｃ’断面図である。本実施例では、冷却液または冷媒の供給孔４２ｃおよび吐出孔４４ｃが形成されるシール手段３２ｃの短辺側近傍に、それぞれヘッダ５０ａ、５０ｂを形成し、供給孔４２ｃ側ヘッダ５０ａと吐出孔側ヘッダ５０ｂとの間に細長い複数の流路を形成している。この流路は、シール手段３２ｃの表面に断面矩形の溝５２とランド５４を交互に形成して、得られている。本実施例によれば、流路面積が減少するが、冷却液または冷媒の流れが整流されるので流れの流速を制御することにより熱交換が促進される。

図８に、本発明に係る集熱装置１２ｆの他の実施例を、分解斜視図で示す。本実施例が上記実施例と異なるのは、支持板からの放熱をさらに低減するために、上記実施例が備える支持板のさらに背面側に空気の断熱層を形成したことにある。空気の断熱層を形成するために、枠状のスペーサ６０を支持板４０ａに密着させて配置する。支持板４０ａには、冷却液の供給孔４２および吐出孔４４が形成されている。この供給孔４２および吐出孔４４に嵌合する冷却液供給配管４７ｂおよび冷却液吐出配管４８ｂが、第２の支持板４０ｂの上面に形成されている。第２の支持板４０ｂは、枠状のスペーサ６０の背面側に、スペーサ６０に密着して配置されている。なお、枠状のスペーサ６０は支持板４０ａ、４０ｂと気密になるよう、Ｏ−リングやガスケット、液状のシール材等でシールが補強されている。図示しないが、本実施例においても各部材の周縁部を、ボルトおよびナットで締結している。本実施例によれば、空気の断熱効果により、支持板からの放熱を上記実施例よりもさらに低減できる。

上記各実施例では、冷却液または冷媒として水を用いているが、冷却液は水に限るものではなく、クーラントやＲ４０７等の非共沸冷媒等も使用できる。また、上記他の実施例で示した空気の断熱層を有する集熱装置に用いるシール手段は上記実施例および変形例のいずれをも使用可能である。また、集熱板も平板の実施例のものに限らず、溝付きの実施例で示したものも使用できることは言うまでもない。

１０…太陽電池、１２…集熱装置、１４…冷却液戻り配管、１６…冷却液供給配管、１８…太陽、２０…ポンプ、２２…熱源設備、２４…温水槽、２６…暖房・給湯用温水配管、２８…暖房・給湯用冷水配管、３０…集熱板、３１ａ…突起部、３１ｂ…溝部、３２、３２ｃ…シール手段、３３ａ、３３ｂ…流路分割部材、３５ａ〜３５…冷却液の流れ、４０、４０ａ、４０ｂ…支持板、４２、４２ａ〜４２ｃ…供給孔、４４、４４ａ〜４４ｃ…吐出孔、４５…冷却液、４６…冷却液流路、４７ａ、４７ｂ…冷却液供給配管、４８ａ、４８ｂ…冷却液吐出配管、５０ａ…冷却液供給空間、５０ｂ…冷却液吐出空間、５２…溝、５４…ランド、５６…周囲部、５８…底板部、６０…スペーサ、１００…太陽エネルギ利用システム。

Claims (7)

1. 太陽電池を備えた太陽エネルギ利用システムにおいて、前記太陽電池の受光面と反対面にこの太陽電池で発生する熱を集熱する集熱装置を設け、この集熱装置は、集熱板とシール手段と支持板とを積層した積層構造となっており、前記集熱板の熱伝導度を前記シール手段および前記支持板の熱伝導度よりも高くしたことを特徴とする太陽エネルギ利用システム。
2. 前記集熱板と前記支持板との間に冷却液流路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギ利用システム。
3. 板状の前記シール手段の内部をくり抜いた形状とすることにより、前記冷却液流路が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽エネルギ利用システム。
4. 前記シール手段の形状が、枠にこの枠の内部に延びる複数の直線状の整流部材を付加して一体形状としたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽エネルギ利用システム。
5. 前記集熱板の前記太陽電池との接触面とは反対面に、長手方向に延びる複数の溝または突起を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽エネルギ利用システム。
6. 前記支持板が前記シール手段と接触する面とは反対面に、枠状のスペーサおよび平板状の第２の支持板を積層配置し、前記スペーサの枠状内部に空気の断熱空間を形成したことを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。
7. 前記太陽電池に接する前記集熱板の表面を絶縁処理したことを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。

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