JP2013527592A - 光起電力ヒーター - Google Patents

Abstract

本発明は光電池アレイ、１つ以上の発熱体、および前記光電池アレイの最大電力点に追従するように構成され、前記発熱体に最大電力をまとめて提供するように構成された最大電力点追従回路を含む。

【選択図】 図１

Description

本発明は太陽エネルギーの分野に関する。特に詳しくは変化する入射、日射条件について最大電力で加熱する光起電力アレイに関する。

非電気的な、太陽熱暖房パネル（ｓｏｌａｒ−ｈｅａｔｉｎｇ ｐａｎｅｌｓ）において、水が放射太陽エネルギーを吸収しながら加熱管中を流れることで加熱されることは知られており、水が管中を自由に流れることはパネルの適切な性能にとって不可欠である。周辺気温が水の凝固点を下回る寒冷な気候では、管中の水が凍結し、その結果加熱管を破裂させる可能性がある。したがって、厳寒な天候条件において動作する丈夫な太陽加熱システムの必要性がある。

特許文献１は、電力伝送効率を最大にするように負荷抵抗または光起電力アレイの電力発生特性を調節するように構成された光起電力アレイ上に動作する電気的な太陽熱システムを開示している。最大電力点の点を伴う抵抗に近似するための特定の発熱素子、又は素子の組合せを関与させるスイッチング回路によって、負荷抵抗は変えられる。その欠点は、各々の負荷抵抗素子が、最大電力点を伴う目標抵抗を達成するのを略不可能にする、別々の抵抗を有しており、結果としてパネルが太陽電力を生成できる最大電力点でヒーターは動作せず、その結果貴重な太陽電力を浪費してしまうことである。さらに、必要とされる複数の発熱素子は資本費用および維持費用を増やす。

米国特許第５，２９３，４４７号

したがって、所与の日射条件について最大電力で、標準的な「市販の」電気ヒーターに電力を与えられる光電池アレイのニーズがある。

本発明は変化する入射日射量に応答する光起電力加熱システムである。本発明の教示によると、入射日射強度の変動に応答する光起電力ヒーターが提供され、当該光起電力ヒーターは、（ａ）光電池アレイ；（ｂ）少なくとも１つの主要な発熱素子；および（ｃ）光電池アレイの最大電力点に追従し、少なくとも１つの発熱素子にまとめて最大電力を提供するように構成された最大電力点追従制御回路を含む。

本発明のさらなる特徴によると、前記システムはまた、例えば水、油または空気などの媒体を含み、そこでは少なくとも１つの発熱素子が前記媒体を加熱するために少なくとも部分的に浸漬する。

本発明のさらなる特徴によると、前記システムはまた、前記発熱素子を電力グリッドに可逆的に接続させて、前記光電池アレイから前記発熱素子を、可逆的に接続を断つように構成されたスイッチ機構を含む。

本発明の更なる特徴によると、前記システムはまた、補助発熱素子（ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）；およびグリッドスイッチを含み、少なくとも１つの主要な発熱素子によって加熱を補助するために前記グリッドスイッチは前記補助発熱素子を電力グリッドに可逆的に連結させるように構成される。

本発明のさらなる特徴によると、前記システムはまた、前記グリッドスイッチと動作的に結合した変換スイッチを含み、前記変換スイッチは前記補助発熱素子が電力グリッドに連結される場合に前記主要な発熱素子を最大電力点追従回路から可逆的に接続を断つように構成され、その結果光起電力のヒーターを従来のヒーターに変換する。

本発明の教示によると、光起電力加熱の方法が提供され、当該光起電力加熱の方法は、（ａ）光電池アレイの最大電力点に追従する工程；および（ｂ）略最大電力で発熱素子を駆動する工程を含む。

本発明のさらなる特徴によると、前記方法はまた媒体中の少なくとも一部の発熱素子を媒体を加熱するために浸漬する工程を含む。

本発明の教示によると、ハイブリッド加熱システムが提供され、当該ハイブリッド加熱システムは（ａ）加熱される媒体；（ｂ）少なくとも部分的に媒体に没入する太陽電力の発熱素子；（ｃ）前記太陽電力の発熱素子に動作的に接続され、そして（ｉ）光電池アレイおよび（ｉｉ）最大電力点に追従するように、そして前記太陽電力の発熱素子に電力を提供するように構成された最大電力点追従回路、を含む光起電発電システムを含み、前記ハイブリッド加熱システムは(ｄ)少なくとも部分的に前記媒体に没入するグリッド電力の発熱素子;および(ｅ)グリッド電力の発熱素子を電力グリッドに可逆的に接続するためのグリッドスイッチを含む。

本発明のさらなる特徴によると、前記ハイブリッド加熱システムはまた（ｆ）予め定められた温度よりも媒体の温度が低い各種のときに前記グリッドスイッチを始動させるように構成されたタイマー作動型サーモスタットを含み、その結果所望の温度を得るために太陽電力の発熱素子によって前記媒体の加熱を自動的に増加させる。

本発明の光起電力加熱システムのブロック図である。 １０００Ｗ／ｍ^２の日射量で動作する光起電力アレイについてのＩ−Ｖ曲線と電力−電圧曲線の組合せである。 ６００Ｗ／ｍ^２の日射量で動作する光起電力アレイについてのＩ−Ｖ曲線と電力−電圧曲線の組み合わせである。 本発明において使用されるＭＰＰＴ回路の例示的なトポロジーである。 電気グリッドへ連結するためのスイッチング機構を含む図１の光起電力加熱システムのブロック図である。 光起電発電システムおよび電気グリッド上で同時に動作する光起電力システムのブロック図である。 従来の電気グリッド加熱システムに変換可能な光起電力加熱システムのブロック図である。 タイマー−サーモスタットに適合する従来の電気グリッド加熱システムへ変換可能な光起電力加熱システムのブロック図である。 家屋内に配置されたラジエーターに電力を与えるように構成された光起電力加熱システムの説明図である。

本発明は、ほんの一例として添付の図面によって本明細書に記載される。
本発明は変化する入射日射量に応答する光起電力加熱システムである。具体的には、前記光起電力加熱システムは、任意の所与の入射日射量について光電池アレイの最大電力を抵抗発熱素子にダイナミックに送達する。本発明による方法の原理および動作は、図面および付随する記載への参照によってよりよく理解され得る。

図へ移ると、図１は、光起電力（ＰＶ）アレイ（２）と、ＰＶアレイ（２）から任意の所与の日射量で可能な限りの最大電力を抽出するための、そして最大電力点を伴う電圧を、タンク（１）の中に含まれる媒体（１ａ）中に浸漬する抵抗ヒーター（２１）を駆動する駆動電圧に変換するための、最大電力点追従（ＭＰＴＴ）回路（３）と、を含む全体を（２０）と示される光起電力加熱システムの限定されない、好ましい実施形態を描写している。通常、前記媒体は水であるが、前記媒体は、システム（２０）の企図される適用に応じて空気または油のような異なる流体でもあり得る。発熱素子（２１）の複数を有する実施形態において、ＰＶアレイ（２）から受け取る電気は前記発熱素子（２１）の中に分布し、その結果全ての前記発熱素子（２１）は一緒にまとめてアレイ（２）によって電力を与えられる。

図２は、１０００Ｗ／ｍ^２の入射日射量で動作する例示的な光電池アレイについてのＩ−Ｖ曲線Ａ、およびＰ−Ｖ曲線Ｂを描写しており、そこでは最大電力点はＰ−Ｖ曲線Ａ上の点Ｐ_ｍａｘによって示されている。このアレイの対応する動作点はＩ−Ｖ曲線Ｂ上のＯ_ｍａｘによって示されている。Ｖ_ｍａｘは５９ボルトでありＩ_ｍａｘは２２アンペア、そして前記日射強度１０００Ｗ／ｍ^２でのＰＶアレイから導かれる最大電力はＰＭ＝５９×２２＝１２９８Ｗである。入射放射強度が変化するにつれて、入射日射強度が６００Ｗ／ｍ^２へと変化した図３によって示されるように、ＭＰＰＴ回路（３）は変更された最大電力を有する新しい動作電圧および電流へと収束する。変更された最大電力は、今度は点Ｐ−ＶチャートＡ’上の点Ｐ’_ｍａｘによって示される。このアレイの動作点はＩ−Ｖ曲線Ｂ’上の点Ｏ’_ｍａｘによって示され；Ｖ’_ｍａｘは４９ボルトであり、Ｉ’_ｍａｘは約１３．５アンペアであり、このことは６００Ｗ／ｍ^２の日射強度でのＰＶアレイから導かれる最大電力がＰ’Ｍ＝４９×１３．５＝６６１．５Ｗであることを導く。

図４は最大電力点に追従し、前記最大電力点に伴う電圧を、抵抗ヒーター（２１）を駆動する駆動電圧へと変換するように構成されたＭＰＰＴ回路（３）の例示的なトポロジーを描写している。ＭＰＰＴ回路（３）ＰＶアレイ（２）の出力電圧および電流を測定するように構成されたプロセッサ（３０）に動作的に繋がれたスイッチ（３３）を含む。限定されない例示的な実施形態において、プロセッサ（３０）は、パルス−幅変調によってスイッチ（３３）のデューティサイクルを変化させることで、ＭＰＰＴ回路（３）をＰＶアレイ（２）の最大電力出力に伴う動作電圧および電流へと収束させる。スイッチ（３３）はプロセッサ（３０）によって決定されるレートおよびデューティサイクルでオン、およびオフにされ、それにより抵抗ヒーター（２１）を駆動させる平均駆動電圧を決定する。固定抵抗の抵抗ヒーター（２１）はＰ_{ｈｅａｔｅｒ}＝Ｖ_{ｈｅａｔｅｒ} ^２／Ｒ_{ｈｅａｔｅｒ}に従って出力電力を決定する。出力電力（Ｐ_{ｈｅａｔｅｒ}）は、Ｐ_ＰＶ＝Ｖ_ＰＶＩ_ＰＶに従うＰＶ動作電圧および電流によって定義されるように、ＰＶアレイ（２）によってヒーター（２１）に提供される入力電力（Ｐ_ＰＶ）と等しい。そのためにＭＰＰＴ回路（３）の入力インピーダンスは、Ｖ_ＰＶ＝Ｉ_ＰＶＲ_ＰＶ→Ｒ_ＰＶ＝Ｖ_ＰＶ／Ｉ_ＰＶに従って定義されるか、Ｉ−Ｖダイアグラムに置き換えて、最大電力点についてそれぞれ直線ＣおよびＣ’として図２および図３に示されるようなＩ_ＰＶ／Ｖ_ＰＶ＝１／Ｒ_ＰＶに従って定義される。前記出力電圧Ｖ_ＰＶおよび電流Ｉ_ＰＶはスイッチ（３３）の様々なデューティサイクルで測定され、最も高い結果または電力Ｐ_ｍａｘまでは、以前に使用されたデューティサイクルでのＰＶアレイＩＶの結果の以前に蓄積された値によって決定され、および比較される、それらの結果はプロセッサ（３０）によって識別される。一旦、最大電力Ｐ_ｍａｘおよび、それに伴うＶ_ｍａｘとＩ_ｍａｘが識別されると、Ｖ_ｍａｘは変圧器（３１）によってＶ_{ｈｅａｔｅｒ}へと変換される。制限されない、例示的な実施形態において、５０〜６０ボルトのＰＶ電圧は９５％の効率での１６０のオーダーでのボルトの電圧へと変換される。上記の電力方程式を使用すると、図２の動作点Ｏ_ｍａｘで２０オームの抵抗ヒーターは約１６０２／２０＝１２８５ワットの電力を出力することになる。最大電力点を決定し、略最大電力を送達するように構成された任意の回路は本発明の範囲に含まれることを理解されたい。図４で図示されるＭＰＰＴ回路（３）は、本発明に適切な１つのＭＰＰＴ回路の単純な例に過ぎない。多くの他の形態のＭＰＰＴ回路（３）が適切であり、それは当業者にとって明白であろう。

典型的なＰＶアレイは８００ワットを生成するための４つのパネルか、或いは１２００ワットを生成するための６つのパネルを含んでいるが；しかしながら、全ての形態のＰＶアレイおよび構成もまた本発明の範囲内に含まれている。

図５はＰＶ加熱を増強するために補助ＡＣグリッド加熱を提供する実施形態を描写している。発熱素子（２１）はＰＶ発電システム（２２）およびグリッド電源（５）の両方で動作的である。全体的な加熱の間、スイッチング機構（４）は、ＰＶ発電システム（２２）を発熱素子（２１）に接続し、発熱素子（２１）をグリッド電源（５）から接続を断つデフォルト状態を呈する。短い加熱が要求される間、スイッチング機構（４）はＰＶ発電システム（２２）の接続を断ち、グリッドＡＣ電源（５）を接続する。本システムにおいて使用される全ての発熱素子が、ＰＶ発電システム（２２）か或いはグリッドＡＣ電源（５）によって供給される電圧で好都合に加熱するための８００〜３０００ワットの間で定格された標準的な「市販の」モデルである。スイッチング機構（４）は主導のスイッチ、またはタイマー起動型（ｔｉｍｅｒ−ａｃｔｕａｔｅｄ）スイッチ、またはタイマー起動型サーモスタットとして実施される。任意の数の浸漬可能な発熱素子を有する加熱タンクもまた本発明の範囲内に含まれることをさらに理解されたい。

限定されない好ましい実施形態において、図６は、グリッドＡＣ電源（５）に接続された補助ヒーター（７）を追加した図５のシステムと本質的に同一のシステムを描写している。上に記載される様々なスイッチング方法において、補助ヒーター（７）はグリッドスイッチ（１０）によってグリッドＡＣ電源に接続されるか、または接続を断たれる。代替的に、ＰＶ加熱と並行の補助加熱もまた本発明の範囲内に含まれることは理解されたい。さらに、図７に示されるように本発明の範囲は、ＰＶ発電システム（２２）から主要な発熱素子（２１）を完全に接続を断つように構成された変換スイッチ（４ａ）を含み、その結果、水加熱器（１）を従来のＡＣグリッド電力ヒーターへと変換する。ＤＣ電気グリッドもまた本発明の範囲内に含まれることは理解されたい。ＰＶまたはグリッド電力を使用する任意の実施形態が、本明細書について同時に、または代替的に、のどちらかでハイブリッドヒーターであると考えられることには留意されたい。

図８はグリッドスイッチ（１０）が、使用者によって選択される時に起動されるように構成されたタイマー−サーモスタット（１０ａ）によって始動されるハイブリッドヒーターを描写している。起動すると、タイマー−サーモスタット（１０ａ）は媒体（１ａ）の温度を測り、その温度が現在の温度よりも低い場合、前記のように補助発熱素子（７）を電気グリッド（５）に連結させるためにグリッドスイッチ（１０）を始動させる。上に記載される任意の特徴のいかなる組合せが本発明の範囲内に含まれることは理解されたい。

図９は家屋内に配置されるラジエーター（２３）に電力を与えるように構成された本発明の追加的なシステムを描写している。本発明が任意の抵抗加熱デバイスに電力を与えることができることは理解されたい。本発明が非常に効率的であり、軽量であり、設置および管理するのに簡易であり、そして安価であることは留意されたい。上の記載は例示として果たすようにのみ意図されており、特許請求の範囲に定義されるように多くの他の実施形態が本発明の範囲内であり得ることは理解されるであろう。

Claims (11)

1. 入射日射強度の変動に反応する光起電力ヒーターであって、
   （ａ）光電池アレイと、
   （ｂ）少なくとも１つの主要な発熱素子と、および
   （ｃ）前記光電池アレイの最大電力点と、
   に追従するように、そして前記最大電力を前記少なくとも１つの発熱素子にまとめて提供するように構成された最大電力点追従回路、を含む光起電力ヒーター。
2. （ｄ）前記少なくとも１つの発熱素子が、前記媒体を加熱するために少なくとも部分的に浸漬される媒体、をさらに備える請求項１に記載の光起電力ヒーター。
3. 前記媒体が油、水、および空気から成る群から選択される媒体である、請求項２に記載の光起電力ヒーター。
4. （ｄ）前記発熱素子を電源グリッドに可逆的に接続し、前記光電池アレイから前記発熱素子を可逆的に接続を断つように構成されたスイッチ機構をさらに備える請求項１に記載の光起電力ヒーター。
5. （ｄ）補助発熱素子、および（ｅ）前記の少なくとも１つの主要な発熱素子によって加熱を補うために、前記補助発熱素子を電力グリッドへ可逆的に連結する、グリッドスイッチをさらに備える、請求項１に記載の光起電力ヒーター。
6. （ｆ）前記変換スイッチが、前記補助発熱素子が前記電力グリッドに連結される場合に、最大電力点追従回路から前記主要な発熱素子を、可逆的に接続を断ち、それによって前記光起電力ヒーターを従来のヒーターに変換するように、構成された前記グリッドスイッチと動作可能に結合した変換スイッチをさらに備える請求項５に記載の、光起動力ヒーター。
7. （ａ）光電池アレイの最大電力点に追従する工程と、および
   （ｂ）略前記最大電力で発熱素子を駆動する工程と、を含む光起電力加熱する方法。
8. （ｃ）媒体を加熱するために媒体中に少なくとも前記発熱素子の一部を浸漬する工程を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記媒体が油、水、および空気からなる群から選択される請求項８に記載の方法。
10. （ａ）加熱される媒体と、
    （ｂ）少なくとも部分的に没入した太陽電力の発熱素子と、
    （ｃ）前記太陽電力の発熱素子に動作可能に接続される、光起電発電システムを備えるハイブリッド加熱システムであって、前記光起電発電システムは、
    （ｉ）光電池アレイおよび（ｉｉ）前記アレイの最大電力点に追従するように構成されて、前記電力を前記太陽電力の発熱素子に提供するように構成された最大電力点追従回路、を含み、
    前記ハイブリッド加熱システムがさらに、
    （ｄ）前記媒体中に少なくとも部分的に没入しているグリッド電力の発熱素子と、および
    （ｅ）前記グリッド電力の発熱素子を電力グリッドに可逆的に接続するためのグリッドスイッチと、を備えてなるハイブリッド加熱システム。
11. 予め定められた温度よりも前記媒体の温度が低い選択可能な時点で前記グリッドスイッチを始動させるように構成されたタイマー作動型サーモスタットを含み、その結果所望の温度を得るために太陽電力の発熱素子によって前記媒体の過熱を自動的に増加させる、請求項１０に記載のハイブリッドヒーターである。