JP2015524042A - 太陽電池アレイフィールドおよび真空太陽熱パネル - Google Patents

Abstract

【課題】改良された構成を有する太陽電池アレイフィールドおよび真空太陽熱パネルを提供する。【解決手段】太陽電池アレイフィールドは、複数の真空太陽熱パネルと、低温入口と高温出口とを接続する少なくとも１つの循環経路を有し、熱伝達流体を循環させる流体回路と、を備え、循環経路は、複数の真空太陽熱パネルを順次横断する往路と、往路の下流に接続され、複数の真空太陽熱パネルを往路とは逆の順序で横断する復路とを含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、太陽電池アレイフィールド、および、このような太陽電池アレイフィールドに用いられるのに特に適した真空太陽熱パネルに関する。

周知の通り、真空太陽熱パネルは、可視太陽放射を透過する少なくとも１つのガラスプレートを有する真空気密エンベロープを備える。真空気密エンベロープ内には、吸熱プレートと、この吸熱プレートに接続されたエンベロープを貫通する管とが配置されている。

そして、前面プレートから真空エンベロープに入射した太陽放射が吸熱プレートによって収集され、熱に変換される。変換された熱は、管に流入する熱伝達流体へと伝達される。

真空太陽熱パネルは、一般的に、太陽電池アレイフィールドを形成する外部配管によって互いに接続される。太陽電池アレイフィールド内には、真空太陽熱パネルごとの内部配管を介し、入口から出口まで熱伝達流体を循環させるためのポンプ手段が設けられている。熱伝達流体は、パネルの吸熱プレートによって次第に加熱されることにより、アレイフィールドの入口と出口との間に温度差が生じていく。太陽熱を利用するために、この温度差を外部負荷（すなわち吸熱サイクルの冷却装置）に与える。

パネルのタイプによって、２つの異なる配管方法が用いられる。本願と同一出願人による特許文献１に記載されている蛇行タイプの真空太陽熱パネルは、図１に示されるように、直並列の配管が必要である。実際には、蛇行タイプのパネルを通過する熱伝達流体の比較的高い圧力が降下した場合、揚程を許容レベルに保つために上記のような配管方法を採る必要がある。

特許文献２に記載された直列タイプの真空太陽熱パネルは、熱伝達流体における圧力がさらに低下する。これらのパネルは、図２に示されるように、単純に直列に接続されうる。直列タイプのパネルは、複数の個別の管を有するので、隣接するパネル同士を接続する複数の外部管も必要であることに留意されたい。

上記の先行特許文献１および２のいずれも、図１および２に示されるように、外部管がかなりの長さで延在する。熱損失を減らすためには、管の周りを熱伝導率の低い厚い層で覆うかまたはくるむことによりしっかり断熱することが必要である。

適用温度が中温（１００℃〜２００℃）の場合、熱伝達流体の熱損失が増大するので、このような断熱材が特に重要になる。さらに、このような適用温度では、配管の表面温度が高くなるので、利用可能な断熱材の選択肢が少なくなる。選択肢はほとんどグラスファイバーしかなくなると言ってよい。

太陽熱を利用した空冷用途の典型的な例では、太陽電池アレイフィールドに入るときの熱伝達流体の温度は１６５℃であり、出るときの温度は１８０℃である。このような条件の下で熱損失を１７Ｗ／ｍに維持するには、外部管全体を覆う厚さ１００ｍｍのグラスファイバー断熱材が必要である。さらに、グラスファイバー中の透湿は、グラスファイバーの熱伝導率に強く影響を及ぼしうる。柔らかい素材の場合には機械的負荷または衝撃から保護する必要がある。グラスファイバーをアルミニウムで外側から被覆するのが一般的であるが、管そのままの状態に比べて費用がかかる。

したがって、断熱材自体およびその維持にかかるコストを考慮すると、外部管が長いことは、従来知られている太陽電池アレイフィールドの重大な欠点であるといえる。

欧州特許第２２８３２８２号 国際公開公報第２０１０／００３６５３号 国際公開公報第２００８／０００２８１号

本発明の技術的課題は、熱損失および外部管コストを低減する効率のよい太陽電池アレイフィールドを提供することである。上記技術的課題を解決するために、太陽電池アレイフィールドが提供される。太陽電池アレイフィールドは、複数の真空太陽熱パネルと、低温入口と高温出口とを接続する少なくとも１つの循環経路を有し、熱伝達流体を循環させる流体回路と、を備え、循環経路は、複数の真空太陽熱パネルを順次横断する往路と、往路の下流に接続され、複数の真空太陽熱パネルを往路とは逆の順序で横断する復路とを含む。

本発明の目的は、真空パネル自体に循環経路の復路を設けることにより、断熱される外部配管を著しく縮小することである。

好適には、復路は、往路の下流端で往路と直接接続されてよい。

流体回路は、低温入口から出る第１の主管、および、高温出口へと達する第２の主管と、循環経路の１つの往路および復路を定義する複数の分岐と、を有し、往路は第１の主管から出て、復路は、第２の主管に達する。

好適には、往路および復路は、真空太陽熱パネルを長手方向に横切る。このことは、標準的な矩形パネルでは、矩形の短辺の一方から他方へと経路が延びることを意味する。

熱伝達流体を流体回路内で循環させる一般的なポンプ手段を備えてよい。

真空太陽熱パネルのぞれぞれの内部には、吸熱手段に熱的に接続された少なくとも１つの送り管および少なくとも１つの戻り管が設けられ、循環経路の往路は、送り管を含み、復路は、戻り管を含む。

吸熱手段は、送り管と直接接続する第１の部分と、戻り管と直接接続する第２の部分とを含み、第１の部分と第２の部分との間の熱伝導率を低下させるべく、第１の部分と第２の部分との間に長手方向スリットが形成される。これらのスリットは、吸熱手段の機械的剛性を損なうことなく、熱伝達流体を異なる温度で流通させる送り管または戻り管に接続される２つの機能的部分の熱的な接続を解除するのに適している。

特許文献３に開示されるように、従来技術では、吸熱手段に別々の領域が設けられることにより、個々の吸熱手段の有効面が縮小するにともないパネル全体としての効率が低下している。

真空太陽熱パネルのそれぞれは、複数の送り管および複数の戻り管を有し、複数の送り管はすべて共通の第１の入口および共通の第１の出口に接続され、戻り管はすべて共通の第２の入口および共通の第２の出口に接続されてよい。

この構成により、循環経路が横断する２つの連続するパネル間の外部接続に必要な管は１本ですむので、配管系の熱損失および断熱材の量を大幅に削減できる。

上記技術的課題を解決するために、真空太陽熱パネルが提供される。真空太陽熱パネルは、太陽放射を透過する少なくとも１つの前面プレートを有する真空気密エンベロープと、第１の部分と第２の部分とを含み、真空気密エンベロープ内に封入される吸熱プレートと、吸熱プレートの第１の部分に熱的に接続され、真空気密エンベロープの外側に開口する第１の入口および第１の出口に接続された少なくとも１つの送り管と、吸熱プレートの第２の部分に熱的に接続され、真空気密エンベロープの外側に開口する第２の入口および第２の出口に接続された少なくとも１つの戻り管と、第１の部分と第２の部分との間に設けられた吸熱プレートの熱伝導率を局所的に低下させる手段と、を備える。

本発明は、吸熱手段の横方向の熱伝導率を低下させることにより、その上に設けられた管の第１の部分と第２の部分との間の温度差を維持することを目的とする。言い換えれば、１つの吸熱プレートによって２つの部分の熱的接続を妨げる。このようなパネルは、先に述べたような太陽電池アレイフィールドの構成にしたがって接続されるのに適する。

熱伝導率を局所的に低下させる手段は、好ましくは、吸熱プレートの表面に形成された複数の孔および／またはスリットであってよい。しかしながら、当業者の常識の範囲内であれば異なる手段が用いられてよい。例えば、断熱材料片によってパネルの熱伝導性部分を２つに分離してよい。

上述のように、パネル内で２つの物理的に分離したプレートを用いるのではなく、単一の吸熱プレートを２つの部分に熱的に分離することが好ましい。１つには、単一の吸熱プレートのほうが剛性およびパネル全体の機械的強度に優れている。２つには、物理的に分離した２つの吸熱パネル間の隙間の領域は熱収集に用いることができないので、装置の効率を低下させる。

第１の入口および第２の出口は、真空気密エンベロープの第１の側に設けられ、第２の入口および第１の出口は、真空気密エンベロープの第２の側に設けられてよい。

吸熱プレートの第１の部分および第２の部分は、真空気密エンベロープの第１の側から第２の側へと長手方向に延びてよい。

好適には、熱伝導率を局所的に低下させる手段は、吸熱プレートの第１の部分と第２の部分とを分離する長手方向スリットを有してよい。

複数の送り管と複数の戻り管とをさらに備え、送り管のすべては、第１の入口および第１の出口に接続され、戻り管のすべては、第２の入口および第２の出口に接続されてよい。

このような配置によって、２つの連続するパネルが単一の管によって接続されることができる。

好適には、送り管および戻り管は、略平行である。

好適には、第１の入口、第２の入口、第１の出口、および、第２の出口は、真空気密エンベロープの背面プレートから突出するファンネルに収容されてよい。

さらなる特徴および利点は、例示目的であって限定を意図しない以下に添付の図面を参照し、以下に述べる好適な排他的でない本発明の実施形態から明らかになるであろう。

従来技術による第１の太陽電池アレイフィールドの概略を示す図である。 従来技術による第２の太陽電池アレイフィールドの概略を示す図である。 本発明による太陽電池アレイフィールドの概略を示す図である。 本発明による真空太陽熱パネルを下から見た透視図である。 図４の真空太陽熱パネルの内部構造を詳細に示す図である。 図４の真空太陽熱パネルの吸熱プレートおよび配管を示す透視図である。 図６の吸熱プレートの詳細を示す図である。

本発明をより理解すべく、図１および２に示された従来技術による太陽電池アレイフィールドについて簡単に説明する。

従来技術による太陽電池アレイフィールドは、複数の太陽熱パネル１ｍ、１ｓを横断する配管によって接続された低温入口１１ｍ、１１ｓと高温出口１２ｍ、１２ｓとを有する流体回路を含む。本発明によれば、パネルの外側にある管がパネルの内側にある管に接続されている場合は、流体回路またはその一部がパネルを横切ることになっている。その結果、回路を循環する熱伝達流体がパネルを通過することになる。流体回路内で熱伝達流体を循環させるポンプ手段（図示せず）が設けられ、収集された熱を用いるために入口１１ｍ、１１ｓと出口１２ｍ、１２ｓとの間に負荷が適用される。

図１に示された直並列の配管方法１００ｍでは、一般的に蛇行タイプの真空太陽熱パネル１ｍを備える流体回路は、複数の並列分岐を有し、これら並列分岐のそれぞれは、アレイの１行を形成する真空太陽熱パネルの一部のみを順次横切る。このような構成に必要な外部の配管は、相対的に長くなる。

図２の直列配管方法１００ｓでは、一般的に直列タイプの真空太陽熱パネル１ｓを備える流体回路の各分岐は、アレイの１本の行のすべてのパネルを横切る。流体回路における外部管全体の長さは短くなるが、直列タイプのパネルは、複数の入口と出口とを有するので、回路の各分岐において次のパネルと接続するために、対応する複数の外部管が必要になる。

図３は、本発明による太陽電池アレイフィールド１００の全体を示す。

太陽電池アレイフィールド１００は、低温入口１１および高温出口１２を有する流体回路１０を有し、この流体回路１０の内部には熱伝達流体を循環させるためのポンプ手段（図示せず）が設けられ、収集された熱を利用するためには、低温入口１１と高温出口１２との間に負荷を適用する必要がある。

第１の主管１３は、低温入口１１に接続され、第２の主管１４は、高温出口１２に接続される。第１の主管１３は、複数の分岐１５および１６によって第２の主管１４に接続される。各分岐は、熱伝達流体のための異なる循環経路を形成する。図３に示された簡略化した実施形態は、熱伝達流体が２つの分岐、すなわち２つの循環経路を利用できることを示している。

分岐は、行に配列された複数の真空太陽熱パネル１に達して横断する。特に、それぞれの分岐は、１つの行を構成するパネル全てを接続する。１つの分岐は、パネル１の行を順次横断する往路１５と、パネル１の同じ行を逆から順次横断する復路１６とを有する。往路１５と復路１６とはループ部分１７によって行の端部で接続される。

真空太陽熱パネル１は、太陽熱を透過する前面プレート（図示せず）で構成される真空気密エンベロープ５と、前面プレートを支持するための支持構造５０とを有する。

支持構造５０は、略矩形の背面プレート５１と、この背面プレート５１の周囲に起立する側壁５１ａ、および、側壁５１ａより長い側壁５１ｂとを有する。実質的に平らなガラス枠である前面プレートは、背面プレート５１と、側壁５１ａおよび５１ｂとにより形成される箱型構造を閉じる。

背面プレート５１には、真空気密エンベロープ５の外側に突出する４つのファンネル５２が形成されている。これらのファンネル５２は、支持構造５０の対向する短い側壁５１ａに２つずつ配置されている。

図６および７に示された吸熱プレート２は、真空気密エンベロープ５内に封入されている、すなわち、前面プレートと背面プレート５１とに挟まれている。

この吸熱プレート２には、複数の貫通孔２３が形成され、前面プレートを支持する支柱（図示せず）がこれらの孔と交差する。

吸熱プレート２は、真空気密エンベロープ５と一致する略矩形に形成されている。吸熱プレート２は、長手方向に二等分にされる。それぞれを第１の部分２０および第２の部分２１として以下に示す。

吸熱プレート２の第１の部分２０および第２の部分２１は、吸熱プレート２の正中断面に沿って延びる複数の長手方向スリット２２によって分離される。図７に示すように、この長手方向スリット２２は、吸熱プレート２の正中断面上に形成された貫通孔２３と交互に配置されている。長手方向スリット２２と貫通孔２３とにより第１の部分２０と第２の部分２１との間で材料が分断される（不連続になる）。この不連続性により、吸熱プレート２の熱伝導率が局所的に低下するので、第１の部分２０と第２の部分２１とを異なる温度にしておくのは容易である。

真空太陽熱パネル１は、また、複数の送り管３および複数の戻り管４を有する。図には、それぞれ３本の送り管３および戻り管４が示されている。送り管３および戻り管４は、吸熱プレート２の裏側、すなわち、背面プレート５１に対向する面に直接取り付けられている。送り管３および戻り管４は、互いに平行であり、真空太陽熱パネル１の長手方向に延びて２つの対向する短辺にほぼ達する。

送り管３は、両端部で集束し、それぞれ第１の入口３１および第１の出口３２を形成する。戻り管４も同様に集束して第２の入口４１および第２の出口４２を形成する。これらの入口および出口３１、３２、４１、４２は、真空気密エンベロープ５の裏側に形成されたファンネル５２内に収容されている。

第１の入口３１および第２の出口４２は真空気密エンベロープ５の一方の側に設けられ、第２の入口４１および第１の出口３２は、真空気密エンベロープ５の他方の側に設けられていることに留意されたい。

これによって、熱伝達流体は、送り管３を所定の長手方向に流通し、戻り管４をその反対の長手方向に流通することになる。

真空太陽熱パネル１が太陽電池アレイフィールド１００に接続されている場合、第１の入口３１および第２の入口３２が往路１５の外部管に接続され、第２の入口４１および第２の出口４２は、復路１６の外部管に接続される。

したがって、送り管３は、往路１５の一部を形成し、戻り管４は、復路１６の一部を形成する。熱伝達流体が往路１５および復路１６を循環する間に次第に加熱された場合、戻り管４における流体の温度は、送り管３の流体の温度より高くなってくる。この温度差は、各行の１番目のパネルでは１５度になる。これらの送り管３および戻り管４は、吸熱プレート２の異なる２つの部分である第１の部分２０および第２の部分２１とそれぞれ熱をやりとりしているので、プレートの横方向の熱伝導率を制限するという明らかな利益をもたらす。

１００個のパネルで構成される太陽電池アレイフィールド、詳しくは、それぞれが２×１ｍの大きさのパネル２０個で構成される行を５つ有する太陽電池アレイフィールドを考えた場合、断熱された管の長さの全体的な縮小という点では、典型的な蛇行タイプおよび直列タイプのアレイ配置と比較した場合、それぞれ２７０ｍ、および、１００ｍ縮小した。

また、上記アレイ配置において、厚さ１００ｍｍのグラスファイバー断熱材を施した外部管の通常の熱損失が１７Ｗ／ｍだとすると、全体の熱損失は、それぞれ４．５ｋＷおよび１．７ｋＷ減少する。これは、１６５℃〜１８０℃で動作する太陽電池アレイフィールドの総ピーク電力の８％および３％にそれぞれ対応する。

上記研究結果には、可能性のある特定の要件を満たすべく、当業者によってさまざまな変更および修正が加えられうることは明らかであり、それらの全ては、添付の特許請求の範囲よって定義される本発明の保護範囲内に収まる。

Claims (15)

1. 複数の真空太陽熱パネルと、
   低温入口と高温出口とを接続する少なくとも１つの循環経路を有し、熱伝達流体を循環させる流体回路と、
   を備える太陽電池アレイフィールドであって、
   前記循環経路は、前記複数の真空太陽熱パネルを順次横断する往路と、前記往路の下流に接続され、前記複数の真空太陽熱パネルを前記往路とは逆の順序で横断する復路とを含み、
   前記複数の真空太陽熱パネルのそれぞれにおいて、前記循環経路の前記往路および前記復路は、流体連通しない、
   太陽電池アレイフィールド。
2. 前記復路は、前記往路の下流端で前記往路と直接接続される、請求項１に記載の太陽電池アレイフィールド。
3. 前記流体回路は、
   前記低温入口から出る第１の主管、および、前記高温出口へと達する第２の主管と、
   前記循環経路の１つの前記往路および前記復路を形成する複数の分岐と、
   を有し、
   前記往路は前記第１の主管から出て、前記復路は、前記第２の主管に達する、請求項１または２に記載の太陽電池アレイフィールド。
4. 前記往路および前記復路は、前記真空太陽熱パネルを長手方向に横切る、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池アレイフィールド。
5. 前記熱伝達流体を前記流体回路内で循環させるポンプ手段をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池アレイフィールド。
6. 前記真空太陽熱パネルのぞれぞれの内部には、吸熱手段に熱的に接続された少なくとも１つの送り管および少なくとも１つの戻り管が設けられ、
   前記循環経路の前記往路は、前記送り管を含み、前記復路は、前記戻り管を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽電池アレイフィールド。
7. 前記吸熱手段は、前記送り管と直接接続する第１の部分と、前記戻り管と直接接続する第２の部分とを含み、前記第１の部分と前記第２の部分との間の熱伝導率を低下させるべく、前記第１の部分と前記第２の部分との間に長手方向スリットが形成される、請求項６に記載の太陽電池アレイフィールド。
8. 前記真空太陽熱パネルのそれぞれは、複数の送り管および複数の戻り管を有し、前記複数の送り管はすべて共通の第１の入口および共通の第１の出口に接続され、前記戻り管はすべて共通の第２の入口および共通の第２の出口に接続される、請求項６または７に記載の太陽電池アレイフィールド。
9. 太陽放射を透過する少なくとも１つの前面プレートを有する真空気密エンベロープと、
   第１の部分と第２の部分とを含み、前記真空気密エンベロープ内に封入される吸熱プレートと、
   前記吸熱プレートの前記第１の部分に熱的に接続され、前記真空気密エンベロープの外側に開口する第１の入口および第１の出口に接続された少なくとも１つの送り管と、
   前記吸熱プレートの前記第２の部分に熱的に接続され、前記真空気密エンベロープの外側に開口する第２の入口および第２の出口に接続された少なくとも１つの戻り管と、
   前記第１の部分と前記第２の部分との間に設けられた前記吸熱プレートの熱伝導率を局所的に低下させる手段と、
   を備える真空太陽熱パネル。
10. 前記第１の入口および前記第２の出口は、前記真空気密エンベロープの第１の側に設けられ、前記第２の入口および前記第１の出口は、前記真空気密エンベロープの第２の側に設けられる、請求項９に記載の真空太陽熱パネル。
11. 前記吸熱プレートの前記第１の部分および前記第２の部分は、前記真空気密エンベロープの前記第１の側から前記第２の側へと長手方向に延びる、請求項１０に記載の真空太陽熱パネル。
12. 前記熱伝導率を局所的に低下させる手段は、前記吸熱プレートの前記第１の部分と前記第２の部分とを分離する長手方向スリットを含む、請求項１１に記載の真空太陽熱パネル。
13. 複数の送り管と複数の戻り管とをさらに備え、前記送り管のすべては、前記第１の入口および前記第１の出口に接続され、前記戻り管のすべては、前記第２の入口および前記第２の出口に接続される、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の真空太陽熱パネル。
14. 前記送り管および前記戻り管は、略平行である、請求項１３に記載の真空太陽熱パネル。
15. 前記第１の入口、前記第２の入口、前記第１の出口、および、前記第２の出口は、前記真空気密エンベロープの背面プレートから突出するファンネルを有する、請求項１３または１４に記載の真空太陽熱パネル。

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