JP2013206998A - 流体制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電モジュールの発電力を向上させる目的で流体を流したけれど、流体費が高くかえって損をしてしまったというトラブルを回避する流体制御システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電モジュール１０の受光面に流体を流す流出部３と、流出部３による流出を制御する制御部２とを有する流体制御システム１において、制御部２は流出部３が流体を流す場合の発電の増加額を予測計算し、流体を流すための動力費と流体代の合計の流体費を予測計算し、発電の増加額が流体費よりも低いときは流出部３の流出を止めさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電モジュールに流水させる流体制御システムに関するものである。

太陽光発電モジュールを用いた太陽光発電システムでは、太陽光のエネルギーのすべてが電気エネルギーに変換されるわけではなく、その多くが熱となり太陽光発電モジュール自体の温度を上昇させてしまう。更に、夏季では直射日光によって太陽光発電モジュールの表面温度がかなりの高温（例７０℃から８０℃）まで上昇してしまうことが多い。

そのため、太陽光発電モジュールを構成する太陽電池の温度が上昇し、光―電気変換効率が低下することになる。

また、潮風による塩の結晶、鳥の糞、冬場の凍結および積雪、黄砂、埃等の異物が太陽光発電モジュールの受光面に付着した場合には、部分陰となり発電効率が低下する。

そこで、太陽光発電モジュールの表面温度が上昇した場合には太陽光発電モジュールを冷却し温度低下を行うことが提案された。その冷却方法としては、一般的に水冷にて行う方法が知られている。

その先行技術として、例えば、特許文献１に記載されている冷却装置では、水槽内に太陽電池素子を配置して冷却を行っている。また、太陽光の受光面への異物の除去に対してはワイパーを設けてその除去を行っている。ところが、特許文献１に記載されている先行技術では、同文献の図１に示されているように太陽電池素子を水槽内に配置する必要があり、その水槽を屋根の上に設置するには装置全体が大型化になり、設置コストや屋根の強度、設置スペースの確保ができないという問題を生じた。また、太陽光の受光面に配置されたワイパー自身が部分陰の原因となり、更に太陽光発電モジュール全面へのワイパー設置は装置として大型化による設置上の制限が生じる事となる。

また、特許文献２に記載されている冷却装置では、傾斜した太陽光発電モジュールの上端に給水タンクを設け、太陽光発電モジュールの温度が上昇すると、給水口が開いて太陽光発電モジュールの受光面に散水して冷却を行うようにしている。ところが、特許文献２に記載されている先行技術では、前記特許文献１と同様に太陽光発電モジュールの上方に給水タンクを別途設ける必要があり、太陽光発電モジュールの配置場所以外に給水タンクを設置する場所も必要となるため、設置上の制限を生じていた。

また、特許文献３に記載されている冷却装置では、貯水槽から毛管現象により伝わってきた水を太陽光発電モジュールの裏面に供給することにより冷却を行っている。ところが、特許文献３に記載されている先行技術では、太陽光発電モジュールの裏面を冷却しているため、屋根材との間に空間が必要となり、太陽光発電モジュールを屋根材と一体的に設置するのが困難である。また、長時間流水しなければならないので、多くの流水や電力が必要であるのが問題である。

そこで、特許文献４に記載されている冷却装置では、散水管に開けられた複数の孔から太陽光発電モジュールの受光面に水を滴下し、滴下した水の気化熱により冷却を行うようにしている。

実開平１−１２３１６３号公報 特開平８−１９５５０３号公報 特開平５−２９９６８５号公報 特開２００４−２５９７９７号公報

特許文献１〜特許文献４に記載されている先行技術では、長時間冷却しなければならないので、多くの流水が必要である。また、特許文献４のように揚水ポンプを使用する場合は多くの電力も必要である。このように冷却のための費用が膨大という問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明は、冷却による発電の増加額よりも冷却代が高くなるときがあることに着眼したものであり、本発明の目的は、太陽光発電モジュールの発電力を向上させる目的で流水させたけれど、流水費が高くかえって損をしてしまったというトラブルを回避する流体制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の流体制御システムは、太陽光発電モジュールの受光面に流体を流す流出部と、該流出部による流出を制御する制御部とを有し、前記制御部は前記流出部が流体を流す場合の発電の増加額を予測計算し、流体を流すための動力費と流体代の合計の流体費を予測計算し、前記発電の増加額が前記流体費よりも低いときは前記流出部の流出を止めさせることを特徴とする。

また、本発明の流体制御システムは、前記太陽光発電モジュールの温度を検出する温度検出部と、前記太陽光発電モジュールへの照度を検出する照度検出部を備え、前記制御部は前記太陽光発電モジュールの温度と照度に対する発電力のデータと、流体による前記太陽光発電モジュールの温度低下の時間データを記憶し、前記制御部は前記温度検出部が検出した温度と、前記照度検出部が検出した照度を用いて前記太陽光発電モジュールが前記検出温度から所定の温度まで低下するのに要する時間と発電の増加額を予測計算し、また、その時間の前記流体費を予測計算することが好ましい。

また、本発明の流体制御システムは、前記制御部は照度が閾値未満であれば前記流出部を止めさせることが好ましい。

また、本発明の流体制御システムは、降雨を検知する雨検知部を設け、前記制御部は降雨であれば前記流出部を止めさせることが好ましい。

また、本発明の流体制御システムは、雪を検知する雪検知部を設け、前記制御部は雪を検知すれば前記流出部を出させることが好ましい。

本発明の請求項１による構成では、制御部は流出部が流体を流す場合の発電の増加額を予測計算し、流体を流すための流体代と動力費の流体費を予測計算し、発電の増加額が合計額よりも低いときは流出部の流出を止めさせるので、太陽光発電モジュールの発電力を向上させる目的で流体を流させたけれど、流体費が高くてかえって損をしてしまったというトラブルを回避することができる。

また、本発明の請求項２による構成では、制御部は太陽光発電モジュールの温度と照度に対する発電力のデータと、流体による太陽光発電モジュールの温度低下の時間データを記憶し、制御部は温度検出部が検出した温度と、照度検出部が検出した照度を用いて太陽光発電モジュールが検出温度から所定の温度まで低下するのに要する時間と発電の増加額を予測計算する。このように、発電力を検出する手段を有していなくても、発電の増加額を予測計算できるので安価な構成となる。

また、本発明の請求項３による構成では、制御部は照度が閾値未満であれば前記流出部を止めさせるので、もし、流す状態で照度が閾値未満になったときは太陽光発電モジュール１０の出力が停止されるので、このときに流体が継続することを回避することができる。

また、本発明の請求項４による構成では、降雨であれば雨によって太陽光発電モジュールが冷却されるので、制御部は降雨であれば流出部を止めさせ、流体費を削減することができる。

また、本発明の請求項５による構成では、制御部は雪を検知すれば発電の増加額が流体費よりも低くても前記流出部を出めさせるので、冷却機能のみでなく、除雪・融雪としても機能することができる。これにより、発電の増加額が流体費よりも低くても太陽光発電モジュールへの入光を遮る雪を流体で解かして、発電の増加額を増加させることができる。

本発明の流体制御システムの要部の構成を示すブロック図である。 屋根に施工された本発明の側面図である。 屋根に施工された本発明の斜視図である。 本発明の流出部と制御部の要部を示す図である。 本発明の種々の照度における温度−発電量のグラフである。 本発明の流水による太陽光発電モジュールの冷却温度を示すグラフである。 本発明の制御部の主要な動作を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。但し、以下に示す実施例は、本発明の技術的思想を具体化するための流体制御システムを例示するものであって本発明の技術的範囲を特定するものでない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって定められるものである。

本発明の流体制御システムは太陽光発電モジュールへの流水を制御するシステムである。図1を用いて太陽光発電モジュール１０の概要と本発明の流体制御システム１の要部を説明する。

太陽光発電モジュール１０は発電素子を収納した複数個の発電ユニット（後述）を平面上に連結した所定の大きさの構造体である。この太陽光発電モジュール１０の受光面は透明な耐熱ガラスにより覆われている。発電ユニットのそれぞれは定められた仕様に基づいて所定数を直列接続、あるいは並列接続し定格電圧、定格電流を得るようにしている。この太陽光発電モジュール１０は図２及び図３で後述するが家屋の屋根やビル等の屋上、あるいは平地等に設置され、太陽光を最も受光しやすい角度となるべく設置されている。

本発明の流体制御システム１は制御部２、流出部３、温度検出部４、照度検出部５、雨検知部６、第１雪検知部７と第２雪検知部８からなる。制御部２は記憶部２ａを備え、記憶部２ａに記憶されているプログラムにしたがって流出部３を制御する。記憶部２ａには制御部２が演算を行うための一時的な記憶を行い、また、制御部２が制御を行うために必要なデータが記憶されている。この必要なデータとして、記憶部２ａには、単位電力量の電力料金、単位水道使用量の水道料金、流出部の単位時間の流量（流速）、太陽光発電モジュール１０への照度の閾値（照度の閾値は太陽光発電モジュールの仕様により異なる。）や、太陽光発電モジュール１０の第一の閾値温度（例：４０度）と第二の閾値温度（例：３０度）や、図５、図６のグラフデータなどが記憶されている。

流出部３は制御部２の制御により太陽光発電モジュール１０の受光面に強制的に所定の一定の流量で水道水を流す。この流出部３は太陽光発電モジュール１０の最上部に設置され、太陽光発電モジュール１０の横幅方向の全域に亘って流水するように構成されている。

温度検出部４は太陽光発電モジュール１０を構成している構造体の最上部から最下部まで直線的に配置した発電ユニットのそれぞれに設けられている。これらの温度検出部４はそれぞれの発電ユニットの検出温度を電気的レベルの変化として制御部２に出力する。この出力信号は太陽光発電モジュール１０の温度が十分な能力を発揮できる範囲か否かを判定するための入力信号となる。

照度検出部５は太陽光発電モジュール１０への照度がどの程度のものかを検出して制御部２に出力する。この照度検出部４は、太陽光発電モジュール１０の一部の領域を構成している最上部から最下部まで直線的に配置した複数個の発電ユニットのうちの一つの発電ユニット、あるいは全ての発電ユニットに取り付けた照度センサー（後述）から構成しており、検出照度を電気的レベル変化として出力する。この出力信号は太陽光発電モジュール１０が発電可能となる照度に達しているか否かを判定するための入力信号となる。なお、図示しないが、照度検出部５への受光が雪で妨げられないような対策が照度検出部５に施されている。たとえば、流水や温風やヒータなどで雪を除去できるようになっている。

雨検知部６は図３に示すように太陽光発電モジュール１０の近傍に配設され、約５０ｃｍ^２のシートレーザービームを通過する雨の遮断率から粒径と落下速度などの情報から降雨の有無や降雨量などを検知する。ここでは、雨検知部６は降雨を検出して制御部２に出力する。第１雪検知部７、８は図３に示すように太陽光発電モジュール１０の近傍に配設され、赤外線の反射により、降雪や白くなっているかまたはどこまで積もっているかの積雪を検知する。ここでは、第１雪検知部７は太陽光発電モジュール１０の積雪が１０ｃｍに達したか否かを検知して制御部２に出力し、第２雪検知部８は太陽光発電モジュール１０に積雪があるか否かを検知して制御部２に出力する。

図２〜図４を用いて太陽光発電モジュール１０の概要と本発明の流体制御システム１の要部を説明する。太陽光発電モジュール１０は、図２及び図３に示すように、屋根Ｙの棟側から下部の庇側に向かって縦（直線）方向に３個、横方向に９個の合計２７個の発電ユニットＡ１、Ａ２、Ａ３,Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３により構成されている。

温度検出部４は、図２及び図３に示すように、それぞれの発電ユニットＡ１、Ａ２、Ａ３,Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の裏面に温度センサー４Ａ１、４Ａ２、４Ａ３,４Ｂ１、４Ｂ２、４Ｂ３・・・４Ｉ１、４Ｉ２、４Ｉ３を取り付けたものである。その取り付け位置が裏面であるので、温度センサー４Ａ１、４Ａ２、４Ａ３,４Ｂ１、４Ｂ２、４Ｂ３・・・４Ｉ１、４Ｉ２、４Ｉ３やその配線が受光面への入光を遮ることがない。この温度センサー４Ａ１、４Ａ２、４Ａ３,４Ｂ１、４Ｂ２、４Ｂ３・・・４Ｉ１、４Ｉ２、４Ｉ３のそれぞれは、個別に制御部２に入力され、これにより制御部２は太陽光発電モジュール１０の各所の温度情報を得ることができ、太陽光発電モジュール１０の各所の温度に応じた流水の制御を行うことができる。

照度検出部５は、図３に示すように、太陽光発電モジュール１０の最も右側に位置して上下方向に配置された３つの発電ユニットのうちの例えば上部の発電ユニットＡ１の外面に照度センサーＳを取り付けて太陽光の照度を検出する。

このように一つの発電ユニットに一つの照度センサーＳを取り付ける場合は、単に、太陽光の照度の程度を検出するには十分である。しかし、太陽光の照度検出の精度を上げ太陽光の照度を詳細、且つ信頼性を高めるためには上下方向に配置された３つの発電ユニットのそれぞれに取り付けるようにすればよい。

このような具体例は、例えば、太陽光発電モジュール１０を設置する屋根Ｙが隣接する家屋や樹木などにより部分的に発電ユニットが陰になる場合が想定される。

図４に示すように、流出部３は水道水を通水する配水管３ａと、該排水管に連結し太陽光発電モジュール１０の横方向の幅の範囲に延びる流水管３ｂと、配水管３ａに設けられた電磁バルブ３ｃを有している。電磁バルブ３ｃは制御部２の制御により流出部３からの流水の開放、遮断を行う。流水管３ｂには、図４に示すように、太陽光発電モジュールに向けて放水する複数の出水孔３ｄが横一列に並べて穿設され、この出水孔３ｄからこの太陽光発電モジュール１０に向けて水が放水される。

図５は太陽光発電モジュール１０への種々の照度における、太陽光発電モジュール１０の温度に対する太陽光発電モジュール１０の発電量を示すグラフである。照度が低くなると発電量が小さくなり、温度が高くなると発電量が小さくなる。このグラフは制御部２の記憶部２ａに、例えば、記憶容量が少なくてすむ最小二乗法の係数で記憶される。図６は太陽光発電モジュール１０が流出部３の流水によって冷却されるときの温度降下を示すグラフである。詳細は後述するが、制御部２は太陽光発電モジュール１０の温度が４０℃を超えると、３０℃になるまで流水させる。このグラフも制御部２の記憶部２ａに、例えば、記憶容量が少なくてすむ最小二乗法の係数で記憶される。

次に図７のフローチャートを用いて制御部２の主要な動作を説明する。制御部２はあらかじめ変数Ｗを記憶部２ａに記憶させる。変数Ｗ＝０は制御部２が流出部３の電磁バルブ３ｃを閉鎖させて止水することを示し、変数Ｗ＝０は制御部２が電磁バルブ３ｃを開放させて出水することを示す。制御部２は変数Ｗの初期値を０にする（ステップＳ１）。

制御部２は第１雪検知部７からの出力により積雪が１０ｃｍ以上であるか否かを判定し（ステップＳ２）、積雪が１０ｃｍ以上であれば（ステップＳ２のＹｅｓ）ステップＳ７に処理をジャンプして出水させ、変数Ｗを１にし、ステップＳ２に戻る。制御部２は積雪が１０ｃｍ以上でなければ（ステップＳ２のＮｏ）、照度検出部５からの信号により照度が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。照度が所定の閾値以上であれば（ステップＳ３のＹｅｓ）、制御部２は温度検出部４からの信号により太陽光発電モジュール１０の温度が４０℃―１０℃×変数Ｗ以上か否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ３で照度が所定の閾値以上でなければ（ステップＳ３のＮｏ）、制御部２はステップＳ９に処理をジャンプして止水させ、変数Ｗを０にして、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ４において、「４０℃―１０℃×変数Ｗ以上」は止水状態であれば変数Ｗ＝０であるから温度が４０℃以上となり、出水状態であれば変数Ｗ＝１であるから温度が３０℃以上となる。太陽光発電モジュール１０の温度が４０℃―１０℃×変数Ｗ以上であれば（ステップＳ４のＹｅｓ）、制御部２は冷却した場合の流水費が冷却した場合の発電の増加額以下か否かを判定する（ステップＳ５）。太陽光発電モジュール１０の温度が４０℃―１０℃×変数Ｗ以上でなければ（ステップＳ４のＮｏ）、制御部２はステップＳ８に処理をジャンプして第２雪検知部８の出力から太陽光発電モジュール１０に雪があるか否かを判定する。

ステップＳにおいて、制御部２は流水費と発電の増加額を計算するために、まず、温度検出部４からの信号により太陽光発電モジュール１０の温度を得て、この温度が図６に示される太陽光発電モジュール１０の冷却データから所定の温度（ここでは３０℃）まで冷却されるのに要する時間を計算する。流出は一定の流速で流されるので、制御部２は冷却した場合の水道代を記憶部２ａの水道料金を用いて冷却時間から予測計算する。ここでは揚水ポンプなどの動力を使用していないので、流水費は水道代のみとなる。制御部２は照度検出部５から太陽光発電モジュール１０への照度を得て、この照度における温度−発電量の関係（図５参照）を抽出し、抽出した温度−発電量の関係と所定の温度までの冷却時間とから冷却した場合の発電の増加額を予測計算する。

このようにして求められた流水費が発電の増加額以下であれば（ステップＳ５のＹｅｓ）、制御部２は雨検知部６の出力から雨が降っているか否かを調べる（ステップＳ６）。流水費が発電の増加額以下でなければ（ステップＳ５のＮｏ）、制御部２はステップＳ８に処理をジャンプして第２雪検知部８の出力から太陽光発電モジュール１０に雪があるか否かを判定する。ステップＳ６で雨が降っていなければ（ステップＳ６のＮｏ）、制御部２は出水させ、変数Ｗを１にして（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻る。雨が降っていれば（ステップＳ６のＹｅｓ）、制御部２は止水させ、変数Ｗを０にして（ステップＳ９）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ８で太陽光発電モジュール１０に雪があれば（ステップＳ８のＹｅｓ）、制御部２は出水させ、変数Ｗを１にして（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻る。太陽光発電モジュール１０に雪がなければ（ステップＳ８のＮｏ）、制御部２は止水させ、変数Ｗを０にして（ステップＳ９）、ステップＳ２に戻る。

制御部２は上述のように制御を行うので、積雪が無く、降雨がなく、照度が閾値以上あり、且つ、予測の流水費が予測の発電の増加額以下のときは、太陽光発電モジュール１０が４０℃と超えると出水を開始し、出水により太陽光発電モジュール１０が３０℃まで下がると止水する。そして、止水により再び太陽光発電モジュール１０が４０℃と超えると出水を開始する、というように出水と止水を繰り返す。しかしながら、予測の流水費が予測の発電の増加額を越えたり、照度が閾値未満になったり、雨が降れば止水する。また、雪が積もれば出水する。

ステップＳ５に示すように、本発明は、太陽光発電モジュール１０を冷却するための流水費を予測計算し、冷却した場合の発電の増加額を予測計算して、予測の流水費が予測の発電の増加額を上回れば流水を行わない。このために、本発明は太陽光発電モジュール１０の発電力を向上させる目的で流水させたけれど、流水費が高くかえって損をしてしまったというトラブルを回避する効果がある。

また、上述の実施形態では、温検出部４と照度検出部５と記憶手段に記憶されているデータによって流水費と発電の増加額を予測計算している。このように、発電力を検出する手段を備えることなく予測計算しているので、構成が安価である。

なお、発電力を検出する手段を備えれば、発電効果のアップ率から発電の増加額を予測計算することができる。例えば、太陽光発電モジュール１０を１℃冷却すれば発電力が０．４％増加する。そこで、１０℃温度を下げるときは４％の発電力増加となるので、この発電力増加と、温度の検出と冷却特性から得られた冷却時間と、検出された発電力とから発電の増加額を予測計算することができる。なお、照度により発電効果のアップ率が変化するので、照度も検出する。

また、本発明はステップＳ３で照度が閾値未満であれば、予測の流水費が予測の発電の増加額以下であっても止水させる。これにより、もし、流水状態で照度が閾値未満になったときは太陽光発電モジュール１０の出力が停止されるので、このときに出水が継続することを回避することができる。

また、本発明はステップＳ６で雨が降れば、予測の流水費が予測の発電の増加額以下あっても止水させる。雨が降れば雨によって太陽光発電モジュールが冷却されるので、本発明は雨が降れば流出部を止水させ、流水費を削減することができる。

また、本発明はステップＳ２やステップＳ８で雪があれば、予測の流水費が予測の発電の増加額未満であっても出水させる。よって、本発明は冷却機能のみでなく、除雪・融雪としても機能することができる。これにより、発電の増加額が流水費よりも低くても太陽光発電モジュールへの入光を遮る雪を流水で解かして、発電の増加額を増加させることができる。大雪のときはステップＳ２で照度とは無関係に融雪し、小雪のときはステップＳ８で照度が閾値以上のとき融雪する。このように雪の量に応じて融雪するので効率的である。

上述の実施形態の流体制御システムは水道水を流すものであったので、流水費として水道代のみであった。本発明の流水費は水道代に限定するものではなく、他の流水費にも適用することができる。たとえば、地下水を揚力ポンプで流水させるときは揚力ポンプの動力費（電力代や燃料代）が流水費に入る。また、本発明は流体として水に限定するものはなく、空気のような流体に適応することができる。また、水と空気のように複数種類の流体を同時に流すことも可能である。

１：流体制御システム
２：制御部
２ａ：記憶部
３：流出部
３ａ：配水管
３ｂ：分岐管
３ｃ：電磁バルブ
３ｄ：出水孔
４：温度検出部
５：照度検出部
６：雨検知部
７：第１雪検知部
８：第２雪検知部
１０：太陽光発電モジュール
Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３：発電ユニット
４Ａ１、４Ａ２、４Ａ３・・・４Ｉ１、４Ｉ２、４Ｉ３：温度センサー

Claims (5)

1. 太陽光発電モジュールの受光面に流体を流す流出部と、該流出部による流出を制御する制御部とを有する流体制御システムにおいて、
   前記制御部は前記流出部が流体を流す場合の発電の増加額を予測計算し、流体を流すための動力費と流体代の合計の流体費を予測計算し、前記発電の増加額が前記流体費よりも低いときは前記流出部の流出を止めさせることを特徴とする流体制御システム。
2. 前記太陽光発電モジュールの温度を検出する温度検出部と、前記太陽光発電モジュールへの照度を検出する照度検出部を備え、前記制御部は前記太陽光発電モジュールの温度と照度に対する発電力のデータと、流体による前記太陽光発電モジュールの温度低下の時間データを記憶し、
   前記制御部は前記温度検出部が検出した温度と、前記照度検出部が検出した照度を用いて前記太陽光発電モジュールが前記検出温度から所定の温度まで低下するのに要する時間と発電の増加額を予測計算し、また、その時間の前記流体費を予測計算することを特徴とする請求項１に記載の流体制御システム。
3. 前記制御部は照度が閾値未満であれば前記流出部の流体を止めさせることを特徴とする請求項１に記載の流体制御システム。
4. 降雨を検知する雨検知部を設け、前記制御部は降雨であれば前記流出部を止めさせることを特徴とする請求項１に記載の流体制御システム。
5. 雪を検知する雪検知部を設け、前記制御部は雪を検知すれば前記発電の増加額が前記流体費よりも低くても前記流出部の流体を出させることを特徴とする請求項１に記載の流体制御システム。

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