JP2013117327A

JP2013117327A - 超軽量型太陽エネルギー利用システム

Info

Publication number: JP2013117327A
Application number: JP2011263966A
Authority: JP
Inventors: Jitsuzo Matsumoto; 實藏松本
Original assignee: FUJI PUREAMU KK
Current assignee: FUJI PUREAMU KK
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-13

Abstract

【課題】太陽電池セルの冷却をできるだけ均一に行えるとともに、セルの冷却を十分に行うために熱媒体を低温状態としても、太陽エネルギーで加熱して給湯等を行う熱交換器側に供給して期待する熱交換を行うことのできる超軽量型太陽エネルギー利用システムを提供すること。
【解決手段】複数の太陽電池セル１５をアレイ状に配して構成される太陽電池モジュール１０と、当該太陽電池モジュール１０の裏面側に位置する冷却用配管２２及び当該冷却用配管２２に連なる集熱用配管２３とを含む集熱装置１１と、前記配管内を流れる熱媒体を介して熱交換を行う熱交換器１２とを備えて太陽エネルギー利用システムが構成される。冷却用配管２２は、太陽電池セル１５の下面側に位置する一方、集熱用配管２３は太陽電池セル１５のアレイ間に配置されている。また、冷却用配管２２と集熱用配管２３は横断面形状が楕円形状とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は超軽量型太陽エネルギー利用システムに係り、特に、太陽電池モジュールと集熱装置とを一体化させることで、発電の他、給湯等を行うための熱交換を可能とした超軽量型太陽エネルギー利用システムに関する。

従来より、自然エネルギーである太陽熱を利用して水を湯温に暖める集熱装置（集熱パネル）が存在し、また、最近では、化石燃料の消費抑制並びに環境保護等の観点から、太陽電池モジュールの普遍的拡大が要請されつつある。
これらは、建物の屋根に設置することが通常であるため、同時に設置しようとすると、設置面積が広く要求されるという制約を伴う。
そこで、太陽電池モジュールの裏面（下面）側に集熱することのできる構成を備えたシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）
このようなシステムは、図３に示されるように、太陽電池セル４０を上下方向に直列に配置した太陽電池モジュール４１と、当該太陽電池モジュール４１の裏面側を通過する冷却用配管４２と、この冷却用配管４２の上流側（図３中下部側）に位置する分配管４３と、下流側（同図中上部側）に位置する集水管４５と、これら分配管４３の入口側及び集水管４５の出口側との間に設けられた図示しない熱交換装置とを備えて構成されている。

特開２００４−２５１５４９号公報

しかしながら、上記システムにあっては、分配管４３から各冷却用配管４２に流れる熱媒体が上流側から下流側に向かって各セル４０を順次冷却するが、下流側のセル４０に近づくにつれて冷却効率が低下することとなる。これにより、冷却用配管４２の下流側が熱くなりすぎて当該冷却用配管４２からセル４０側に伝熱し、セル４０の温度上昇によって発電効率が減少する、という不都合を招来する。
また、一般的に、セル４０は直列に接続されており、性能の悪いセルに他のセルが影響を受けることから、モジュールの出力向上を得るためには、セル４０をできるだけ均一に冷却する必要がある。
従って、熱媒体の流量や流速を制御し、冷却用配管４２の下流側まで冷たい温度を保てるようにすれば、各セル４０をできるだけ均一に冷却でき、前述した性能低下要因を回避することができる。
しかしながら、この場合には、冷却用配管４２を通って熱交換器側に供給される熱媒体が低い温度となってしまい、結果として、集熱装置側の機能を十分に発揮できなくなる、という反射的不利益を招来することとなる。

［発明の目的］
本発明の目的は、上述した不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、太陽電池セルの冷却をできるだけ均一に行えるとともに、セルを十分に冷却するために低い温度となっている熱媒体でも、太陽エネルギーで加熱して給湯等を行う熱交換器側に供給でき、当該熱交換器側で期待する熱交換を行うことのできる超軽量型太陽エネルギー利用システムを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は特許請求の範囲記載の構成を採用したものである。具体的には、複数の太陽電池セルがアレイ状に配して構成された太陽電池モジュールと、当該太陽電池セルの裏面側で前記アレイに沿って延在するとともに内部を熱媒体が循環する冷却用配管を有する集熱装置と、前記熱媒体との熱交換を行う熱交換器とを備えた超軽量型太陽エネルギー利用システムにおいて、
前記集熱装置は集熱用配管を含み、当該集熱用配管は、冷却用配管の下流端側に連なって前記太陽電池セルのアレイ間に配置される、という構成を採っている。

本発明において、前記冷却用配管と集熱用配管は、上下幅よりも左右幅が大きい横断面形状を備えたものを採用することが好ましい。

また、前記冷却用配管と集熱用配管は、横断面が楕円形状に設けられ、その長軸が太陽電池セルと平行な面内に位置するように設けられる、という構成を採っている。

更に、前記冷却用配管は、前記アレイに沿って延びる溝を備えた断熱用通路内に配置される、という構成を採ることができる

また、前記太陽電池モジュールの表面側に空気層を形成することもできる。

更に、本発明は、内部を熱媒体が循環する集熱用配管をフレームの内側に配置して集熱装置を形成するとともに、前記集熱用配管の入口側と出口側との間に前記熱媒体との熱交換を行う熱交換器とを備えた超軽量型太陽エネルギー利用システムにおいて、
前記フレームの内周側に、所定間隔を隔てて相互に平行に配置された上下二枚のガラスを配置して上部空気層及び下部空間を形成し、下部空間内に断熱材を配置して当該断熱材の上面側に前記集熱用配管を配置する、という構成を採っている。

なお、本明細書において、「超軽量型」とは、太陽電池モジュールの単位面積当たりの重量が、従来タイプの約１／２程度について用いられる。

本発明によれば、冷却用配管の下流側に位置する太陽電池セルを十分に冷却できるように、熱媒体の流量や流速をコントロールしても、冷却用配管の下流側に接続された集熱用配管が太陽電池セルのアレイ間を延在するように構成されているので、各太陽電池セルをできるだけ均一に冷却できる一方、冷却用配管を通過した熱媒体の温度が低くても、太陽電池セルのアレイ間で集水管側に戻るときに、十分に加熱されるので、その後の熱交換を効率良く行うことができる。
つまり、本発明は、セルの冷却と、熱媒体の十分な加熱との相互に反する要請を同時に満足することが可能となる。
また、冷却用配管と集熱用配管が、相対的に左右幅が大きい断面形状、例えば、楕円形状とすることで、セルの冷却効果を高めることができるとともに、太陽熱を効率良く集熱することができる。
更に、冷却用配管を断熱用通路内に配置することで、冷却用配管及び集熱用配管の温度が相互に干渉しないようになる。つまり、冷却用配管は、集熱用配管の表面から放出される熱の影響を受けず、また、集熱用配管は、冷却用配管の表面から放出される冷気による影響を受けなくなる。
また、前記空気層を設けることで、太陽電池モジュールの表面からの放熱を抑制することができ、これにより、集熱効率を上げることができる。なお、空気層を設けても、太陽電池セルは、冷却用配管によって十分に冷却することが可能である。

本実施形態に係る太陽エネルギー利用システムの概略構成図。図１のＡ−Ａ線矢視断面図。従来の太陽エネルギー利用システムの不都合を説明するための説明図。

図１及び図２に示されるように、太陽エネルギー利用システムは、太陽電池モジュール１０と、集熱装置１１と、集熱装置１１に接続された熱交換器１２とを備えて構成されている。なお、図１及び図２は、太陽電池モジュール１０、集熱装置１１、熱交換器１２の構成を理解し易くする目的で示したにすぎず、一部の構成部品については厚みが強調され、また、小さく示したものも含む。従って、図示の状態は、システムを構成する装置各部の相対的な位置、大きさ、厚み等とは無関係に示されている。

前記太陽電池モジュール１０は、外部に図示しないコンバータ等、太陽光発電に必要となる周知の機器を含んで構成されている。この太陽電池モジュール１０は、平面視略方形をなし、その外周側が方形のフレーム１３の内周領域における中間高さ位置に支持され、当該フレーム１３が屋根等に敷設される架台に固定されることで太陽電池モジュール１０が設置可能となっている。ここで、本発明における太陽電池モジュール１０はフレーム１３を含んだ大きさが縦１４８２ｍｍ、横９８５ｍｍの採光型として構成されており、例えば、樹脂製シート又は薄板強化ガラスからなる受光面保護材１４と、中間に太陽電池セル１５を挟むＥＶＡ等の樹脂製封止材１６と、樹脂シート又は薄板ガラス等からなるバック部材１７を順次積層して構成されたものを利用することができる。この太陽電池モジュール１０は、本発明者による特願２０１１−１７７０６１号に提案されたものを採用することができる。因みに、この提案の太陽電池モジュールの重量は８．４５Ｋｇであり、従来タイプの太陽電池モジュールの重量１７Ｋｇに比べて超軽量と称することができる程度に軽いものである。なお、本実施形態における太陽電池セル１５は、図１中上下方向に直列に接続されている。

前記集熱装置１１は水等の熱媒体を利用して湯水を得るための装置であり、当該集熱装置１１は、図示の状態では、フレーム１３の下部領域において、前記太陽電池モジュール１０の裏面（下面）側に配置されている。この集熱装置１１は、図１中、最も下に位置する太陽電池セル１５とフレーム１３との間の空間内を横方向に延びる１本の分配管１９と、当該分配管１９と平行な１本の集水管２０と、分配管１９に連設されて各アレイに沿って延在する複数の冷却用配管２２と、当該冷却用配管２２の下流側（図１中最も上に位置する太陽電池セル１５側）から集水管２０との間を連結する複数の集熱用配管２３と、この集熱用配管２３と板状のバックフレーム２４（図２参照）との間に設けられた発泡スチロール等に例示される公知の断熱材２５と、前記冷却用配管２２を受容する断熱用通路２６と、太陽電池モジュール１０の表面側に形成された空気層２７と、集熱用配管２３の図２中上部側に接する位置に設けられたアルミニウム等の集熱板２８とを備えて構成されている。ここで、前記分配管１９、集水管２０、冷却用配管２２及び集熱用配管２３断熱用通路２６、集熱板２８は、前記バック部材１７と断熱材２５との間の空間Ｓ内に配置されている。
なお、前記集熱装置１１の上記構成部品、太陽電池モジュール１０は、図示しない支持具等を介してフレーム１３内の所定位置に支持されている。

前記冷却用配管２２及び集熱用配管２３は、特に限定されるものではないが、熱伝導率の高い金属、例えば、銅管によって構成されている。これら配管２２、２３は、横断面が楕円形状に設けられ、その長軸が太陽電池セル１５と平行な面内に位置する状態で配置されている。冷却用配管２２は、太陽電池モジュール１０のバック部材１７に接触する位置に配置されているとともに、各アレイを構成する太陽電池セル１５の中央直下位置を通過するように設けられ、これにより、太陽電池セル１５を効率的に冷却できるようになっている。

この一方、集熱用配管２３は、太陽電池セル１５のアレイ間において、前記断熱材２５の上面に設けられた凹部２５Ａ（図２拡大部参照）内に位置するように配置されている。また、集熱用配管２３は、前述したように、横断面形状が楕円形状であることで、例えば、円形の配管よりも広い受光領域を確保できることとなる。従って、集熱用配管２３内を流れる熱媒体は、太陽電池モジュール１０を透過する太陽光で効率的に加熱されて集水管２０側を介して熱交換器１２に供給されることとなる。

前記断熱用通路２６は、例えば、発泡樹脂等に例示される断熱材により構成されている。この断熱用通路２６は、太陽電池セル１５の各アレイに沿って延びる溝２６Ａを備えた断面略Ｕ字状に設けられ、当該溝２６Ａ内に冷却用配管２２を受容するようになっている。また、前記空気層２７は、太陽電池モジュール１０の受光面保護材１４と平行となる関係でガラス板２９をフレーム１３の上端部に支持させることによって構成されている。

前記熱交換器１２は、一端が分配管１９に連なるとともに他端が集水管２０に連なる熱交換管３０と、当該熱交換管３０を収容するタンク３１とを備えて構成されている。なお、熱交換器１２は、熱媒体を循環させるための図示しないポンプの他、タンク３１内の湯水を一定量維持する給排水機構や制御装置等を備えて構成されている。

本実施形態に係るシステムは、太陽電池モジュール１０により発電を行うことでき、その太陽熱で加熱した各太陽電池セル１５が冷却用配管２２内を流通する熱媒体で冷却される。この際、冷却用配管２２は、横断面形状が楕円形状とされていることで、熱交換面積を広く確保でき、各アレイにおける下流側の太陽電池セル１５に対しても冷却を十分に行うことができる。しかも、冷却用配管２２は、断熱用通路２６で覆われた状態となるため、集熱用配管２３の放熱に影響を受けることがなく、この点からも太陽電池セル１５の冷却を十分に行うことができる。

この場合、冷却用配管２２の下流側では、内部熱媒体の温度は低い状態を維持することになるが、集熱用配管２３が太陽電池セル１５間を通る配置となっていること、及び、集熱板２８に接する配置となっていることから、太陽熱の影響を効率よく受けながら集水管２０に流れることとなる。従って、冷却用配管２２の下流側を通過した直後の熱媒体が低い温度であっても、集熱用配管２３を流れる間に十分に加熱されて集水感２０に流れることとなり、当該加熱された熱媒体が熱交換器１２に供給されることとなる。

従って、熱交換器１２のタンク３１内の水を湯温に効率良く温めることができ、タンク３１内で吸熱された熱媒体を、分配管１９を介して冷却用配管２２に供給することで、以後、同様のサイクルを繰り返すことができる。

従って、本実施形態に係る太陽エネルギー利用システムによれば、太陽電池セルの冷却を確実に行って発電効率の低下要因を効果的に回避できる一方、熱交換器における効率的な熱交換を行うことができる、という従来にない優れた太陽エネルギー利用システムを提供することができる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。
すなわち、本発明は、主に特定の実施の形態に関して特に図示し、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上に述べた実施の形態に対し、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

例えば、前記実施形態における冷却用配管２２及び集熱用配管２３は、それらの横断面形状が楕円形状である場合を示したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、冷却用配管２２及び集熱用配管２３は、上下幅よりも左右幅が大きい横断面形状を備えていれば足りる。
また、集熱板２８を用いることに代えて、反射板を配置し、当該反射板で太陽光を集光して集熱用配管に反射させるように設けることでもよい。
更に、空気層２７は必ずしも設けなくてもよい。この場合、ガラス２９を設けることを要しない。

また、前記実施例では、熱交換器１２は給湯装置に利用されるものとしたが、暖房装置等に利用することもできる。

更に、前記実施形態における太陽電池モジュール１０を省略して集熱装置をフレーム１３内に設ける構成としてもよい。この場合、ガラス板２９の下方に中間ガラスを配置して前述した空気層２７と同様の空気層を設け、中間ガラスの下部空間内に、図２に示した断熱材２５を設けるとともに当該断熱材２５の上面側に集熱用配管２３と集熱板２８を設ける構成とすることができる。

１０太陽電池モジュール
１１集熱装置
１２熱交換器
１５太陽電池セル
２２冷却用配管
２３集熱用配管
２６断熱用通路
２６Ａ溝
２７空気層

Claims

複数の太陽電池セルがアレイ状に配して構成された太陽電池モジュールと、当該太陽電池セルの裏面側で前記アレイに沿って延在するとともに内部を熱媒体が循環する冷却用配管を有する集熱装置と、前記熱媒体との熱交換を行う熱交換器とを備えた超軽量型太陽エネルギー利用システムにおいて、
前記集熱装置は集熱用配管を含み、当該集熱用配管は、冷却用配管の下流端側に連なって前記太陽電池セルのアレイ間に配置されていることを特徴とする超軽量型太陽エネルギー利用システム。
冷却用配管と集熱用配管は、上下幅よりも左右幅が大きい横断面形状を備えていることを特徴とする請求項１記載の超軽量型太陽エネルギー利用システム。
前記冷却用配管と集熱用配管は、横断面が楕円形状に設けられ、その長軸が太陽電池セルと平行な面内に位置することを特徴とする請求項１記載の超軽量型太陽エネルギー利用システム。
前記冷却用配管は、前記アレイに沿って延びる溝を備えた断熱用通路内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の超軽量型太陽エネルギー利用システム。
前記太陽電池モジュールの表面側に空気層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の超軽量型太陽エネルギー利用システム。
内部を熱媒体が循環する集熱用配管をフレームの内側に配置して集熱装置を形成するとともに、前記集熱用配管の入口側と出口側との間に前記熱媒体との熱交換を行う熱交換器とを備えた超軽量型太陽エネルギー利用システムにおいて、
前記フレームの内周側に、所定間隔を隔てて相互に平行に配置された上下二枚のガラスを配置して上部空気層及び下部空間を形成し、下部空間内に断熱材を配置して当該断熱材の上面側に前記集熱用配管を配置したことを特徴とする超軽量型太陽エネルギー利用システム。