JP2016079805A - 融雪装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】外部電源からの電力を加熱手段に供給するときにもコストを低減できる融雪装置を提供する。
【解決手段】所定の日照条件を満足する屋根の部位に配設された単結晶シリコン系太陽電池3と、それ以外の部分に配設されたアモルファスシリコン系太陽電池4と、屋根の積雪を検知する積雪センサ5と、積雪センサ5により積雪が検知されたときを除いて太陽電池3,4で得られた電力を外部回路9に供給し、積雪センサ5により積雪が検知されたときには外部電源10の電力を太陽電池3の導電体及び太陽電池4自体に供給する制御手段6とを備える。積雪センサ5により積雪が検知されたときには太陽電池4自体を融雪のための加熱手段とする構成とした。
【選択図】図6

Description

本発明は、融雪装置に関し、詳しくは住宅等の建築物の屋根の雪を溶かして積雪を防止する融雪装置に関する。
積雪地帯では、冬期に住宅等の建築物の屋根の積雪を除去する作業、いわゆる雪下ろしが欠かせないが、雪下ろしは屋根からの落下等の危険を伴う作業であり、特に年配者には重労働である。そこで、屋根に積もった雪を溶かし、雪下ろしを不要とするために融雪装置が種々提案されている。
従来、前記融雪装置として、本発明者により太陽電池と加熱手段としてのヒータとを組み合わせた装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1記載の融雪装置は、金属屋根材の表面にアモルファスシリコン系太陽電池を配設する一方、裏面に加熱手段としてのヒータを配設し、該ヒータを該アモルファスシリコン系太陽電池に電気的に接続したものである。
前記融雪装置に用いられるアモルファスシリコン系太陽電池は、ステンレスの薄板からなる基板上にアモルファスシリコン膜を積層したものであって、軽量であるので屋根全面に配設しても建築物の負担が少ない。また、前記アモルファスシリコン系太陽電池は、直線的な光電変換特性を備え、太陽光の照度が低い場合でも光電変換により電力を得ることができるという特性を備えている。
そこで、前記融雪装置によれば、降雪時にも前記アモルファスシリコン系太陽電池の発電により得られた電力を前記ヒータに供給することにより融雪を行うことができる。
特許第3418781号公報
しかしながら、前記従来の融雪装置では、アモルファスシリコン系太陽電池のみでは十分な電力を得られないことがあり、このような場合には、商用電源等の外部電源からの電力をヒータに供給しなければならないため、コストの増加が避けられないという不都合がある。
本発明は、かかる不都合を解消して、商用電源等の外部電源からの電力を加熱手段に供給することがあってもコストを低減することができる融雪装置を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、建築物の屋根に設置されて融雪を行う融雪装置であって、所定の日照条件を満足する屋根の部位に配設され、受光面側に導電体を備える第1の太陽電池と、所定の日照条件を満足しない屋根の部位に配設される第2の太陽電池と、該第1の太陽電池及び該第2の太陽電池の受光面への積雪を検知する積雪検知手段と、該積雪検知手段により該受光面への積雪が検知されたときを除いて該第1の太陽電池及び該第2の太陽電池で得られる電力を外部回路に供給し、該積雪検知手段により積雪が検知された場合には、該第1の太陽電池の該導電体を、これに外部電源から通電して第1の加熱手段として機能させ、かつ、該第2の太陽電池自体を、これに外部電源から通電して第2の加熱手段として機能させる制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明の融雪装置では、前記積雪検知手段により積雪を検知しない場合、前記制御手段は、前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池で得られた電力を外部回路に供給する。前記外部回路は、例えば、本発明の融雪装置が設置された建築物内の照明等の電気機器であり、その地域の電力会社に電力を売却(売電)する回路を含んでいてもよい。
一方、前記積雪検知手段により積雪を検知した場合、前記制御手段は、前記外部電源の電力を、前記第1の太陽電池の導電体及び前記第2の太陽電池に供給する。前記外部電源は、例えば、その地域の電力会社により供給される商用電源である。
前記第1の太陽電池の導電体は、外部電源の電力が供給されると、電流を熱に変換することができる。この結果、第1の太陽電池の導電体は、融雪のための第1の加熱手段として機能し、その発熱により第1の太陽電池に積もった雪を溶かすことができる。この場合、短時間で融雪が可能になる程度の熱量を得ることができる。また、この場合においても、第1の太陽電池自体は、発電を続行し、外部への電力の供給を継続することができる。
一方、前記第2の太陽電池は、外部電源の電力が供給されると、光電変換時とは逆の電流が流れるので、電流を熱に変換することができる。この結果、第2の太陽電池は、融雪のための第2の加熱手段として機能し、その発熱により第2の太陽電池に積もった雪を溶かすことができる。
上述のように、本発明の融雪装置では、前記積雪検知手段が積雪を検知しない場合、余剰の電力を売電することができる。従って、前記積雪検知手段が積雪を検知した場合に前記第1の太陽電池の導電体及び前記第2の太陽電池に供給される前記外部電源の電力の少なくとも一部を前記売電した電力により相殺することができ、商用電源等の外部電源の電力を該第1の太陽電池の導電体及び該第2の太陽電池に供給することがあってもコストを低減することができる。
また、本発明の融雪装置では、前記第2の太陽電池自体が第2の加熱手段として作用するので、特許文献1に記載の融雪装置において、金属屋根材の裏面に配設されるヒータを不要とすることができ、建築物の屋根に容易に配設することができる。
また、前記第1の太陽電池として、入射側の表面に比較的厚いガラス板を備えたものを採用した場合、これに外部電源の電力を供給して融雪用の加熱手段として機能させるものとすれば、まず該ガラス板を加熱しなければならない。このため、該ガラス板の表面を融雪が可能になる程度に加熱するために、長時間を要することがある。したがって、このような太陽電池を第1の太陽電池として採用する場合でも、上述の導電体による第1の加熱手段により、長時間を要することなく、融雪を行うことができる。
また、本発明の融雪装置において、前記積雪検知手段としては、積雪の検知が可能なものであればどのような手段を用いてもよいが、例えば、前記受光面の所定領域の画像を撮像し、該画像を解析することにより該受光面への積雪を検知した場合、検知信号を発生するものを用いることができる。
また、本発明の融雪装置において、前記制御手段は、前記積雪検知手段の検知信号により前記受光面の積雪の有無を判定する判定手段を備え、該判定手段の判定に基づいて、前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池で得られた電力の外部回路への供給と、外部電源の電力の該第1の太陽電池の前記導電体及び該第2の太陽電池への供給とを切り換えるものであることが好ましい。
本発明の融雪装置は、前記制御手段が前記判定手段を備える場合には、まず、前記判定手段が前記積雪検知手段の検知信号により積雪の有無を判定する。次いで、前記判定手段により積雪無しと判定された場合、前記制御手段は、前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池で得られた電力を外部回路に供給する。一方、前記判定手段により積雪有りと判定された場合、前記制御手段は、前記外部電源の電力を、前記第1の太陽電池の導電体及び前記第2の太陽電池に供給する。
本発明の融雪装置において、前記積雪検知手段は、前記受光面の所定領域を観察対象とし、該所定領域のコントラスト値を計測する画像センサと、該所定領域を観察対象とし、該所定領域までの距離を測定する距離センサとを備え、該画像センサにより得られる該所定領域のコントラスト値及び該距離センサにより得られる該所定領域までの距離値に基づいて該受光面の積雪の有無を検知するものであってもよい。
この場合、前記判定手段は、前記画像センサにより得られるコントラスト値が無積雪時のコントラスト値から積雪時のコントラスト値に変化し、かつ前記距離センサにより得られる距離値が該距離センサと前記所定領域における前記受光面との距離を所定値以上下回った場合に積雪が有る旨を示す検知信号を出力する。
また、該画像センサにより得られるコントラスト値が無積雪時のコントラスト値から積雪時のコントラスト値に変化したが、該距離センサにより得られる距離値が該距離センサと該受光面との距離を所定値以上下回らない場合には、所定時間の経過後に該画像センサにより得られるコントラスト値が積雪時のコントラスト値を維持していれば、該検知信号を出力する。
かかる場合として、霜が屋根に発生している場合が想定される。かかる場合には、積雪がある場合と同様に、検知信号に基づき、加熱手段を作用させて霜を溶かすことにより、第1の太陽電池及び第2の太陽電池の発電能力を維持することができる。
前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池は、補強のためにその外縁に枠体(フレーム)を備えることがあるが、該枠体は直接に加熱する手段を備えていないので、積雪の際には着雪が生じやすい。前記枠体に一旦着雪が生じると、該着雪は経時的に増大し、前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池に入射する太陽光の一部を遮蔽し、光電変換効率を低減させることがある。
そこで、本発明の融雪装置において、前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池がその外縁に枠体を備えるときに、該枠体に対する着雪を防止する着雪防止部材を備えることが好ましい。本発明の融雪装置は、前記着雪防止部材を備えることにより、前記枠体に着雪することを防止することができるので、前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池の光電変換効率が低減することを阻止することができる。
本発明の融雪装置において、前記着雪防止部材は、例えば、少なくとも前記枠体の一部を覆い、前記枠体上に降る雪を前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池の表面に案内する傘部材と、1つの太陽電池の枠体と隣接する他の太陽電池の枠体との間に配設されて該傘部材を支持する支持部材とを備えることが好ましい。
前記着雪防止部材は、前記支持部材に支持される前記傘部材により、少なくとも前記枠体の一部を覆うことができ、該傘部材に覆われた該枠体に対する着雪を防止することができる。また、前記傘部材は、前記枠体上に降る雪を前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池の表面に案内することにより溶かすことができる。
本発明の融雪装置において、前記第1の太陽電池として、単結晶シリコン系太陽電池を使用し、前記第2の太陽電池として、アモルファスシリコン系太陽電池を使用するのが好ましい。
ここで、単結晶シリコン系太陽電池は、太陽光の照度が高い場合には優れた光電変換特性を示し、大きな電力を得ることができる半面、太陽光の照度が低い場合には急激に光電変換特性が低下する。一方、アモルファスシリコン系太陽電池は、前述のように、直線的な光電変換特性を備え、太陽光の照度が低い場合でも光電変換により電力を得ることができる。
したがって、建築物の屋根の直接日照を得られる部分の少なくとも一部に単結晶シリコン系太陽電池を配設する一方、それ以外の部分にアモルファスシリコン系太陽電池を配設するのが好ましい。
前記単結晶シリコン系太陽電池は、太陽光の照度が高い場合には優れた光電変換特性を示すので、前記積雪検知手段が積雪を検知しない場合、特に夏期には大きな電力を得ることができる。したがって、建築物内の照明等の電気機器に供給した余剰の電力を売電することができる。
本発明の融雪装置が設置される建築物の一例を示す斜視図。 本発明の融雪装置が設置される建築物の方向を説明する平面図。 本発明の融雪装置の設置状態を示す説明図。 本発明の融雪装置に用いられる単結晶シリコン系太陽電池及びアモルファスシリコン系太陽電池における入射光の照度と光電変換効率との関係を示すグラフ。 本発明の融雪装置に用いられる単結晶シリコン系太陽電池の構成を示す模式的断面図。 本発明の融雪装置に用いられる制御手段のブロック図。 (A)は本発明の融雪装置に用いられる着雪防止部材の一構成例を示す模式的断面図、(B)は他の構成例を示す模式的断面図。 本発明の融雪装置のブロック配線図である。 本発明の融雪装置の積雪センサにおける処理手順を示すフローチャートである。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
本実施形態の融雪装置は、例えば図1に示す住宅用家屋1のように、山型の斜面を形成する屋根2a、2bを備える建築物に用いられる。家屋1は、地域や地形にもよるが、多くの場合に南側に面して建てられており、山型の斜面を形成する屋根2aが南側、屋根2bが北側になっている。
ここで、家屋1が南側に面するとは、屋根2aが正確に南方向を向いている必要はない。図2に示すように、家屋1の中心Oから真北を0°、真南を180°とすると、実線で示す家屋1は屋根2aが正確に180°方向を向いているが、例えば、屋根2aが仮想線で示す家屋1のように、真南に対して図の左右45°、即ち135°〜225°の方向を向いていてもよい。
本実施形態の融雪装置は、屋根2a、2bにおける所定の日照条件を満足する部位に配設され、受光面側に後述の導電体を備える第1の太陽電池と、屋根2a、2bにおける所定の日照条件を満足しない部位に配設される第2の太陽電池とを備える。所定の日照条件は、例えば、融雪を要する時期における日照時間に基づいて定めることができる。
第1の太陽電池として使用される太陽電池は、発電性能の高さを優先して選択される。第2の太陽電池として使用される太陽電池は、第1の太陽電池より発電性能は劣るが日中の日照時間が短い屋根の部位や太陽光の入射角が不利な屋根の部位に配置した場合でも、安定した発電性能が得られることを優先して選択される。
本実施形態では、第1の太陽電池として、単結晶シリコン系太陽電池が用いられる。第2の太陽電池としては、アモルファスシリコン系太陽電池が用いられる。
第1の太陽電池は、屋根2a、2bのうちの太陽光発電に有利な部位に配置される。これにより、所定の発電能力を確保した上で、屋根2a、2bの残りの部位に第2の太陽電池が設置される。
例えば、図3に示すように、家屋1の南側に面し、直接日照が得られる屋根2aの中央部に第1の太陽電池としての単結晶シリコン系太陽電池3が配置される。それ以外の部分、即ち屋根2aの残りの部分と、北側に面する屋根2bの全面に、第2の太陽電池としてのアモルファスシリコン系太陽電池4が配置される。
図4に示すように、単結晶シリコン系太陽電池(単結晶太陽光パネル)3は、太陽光の照度が高い場合には優れた光電変換特性を示し、大きな電力を得ることができる半面、太陽光の照度が低い場合には急激に光電変換特性が低下する。そこで、単結晶シリコン系太陽電池3は、家屋1の南側に面し、直接日照を得られる屋根2aの中央部に配設されていることが好ましい。
また、図4に示すように、アモルファスシリコン系太陽電池(a−Si太陽光パネル)4は、直線的な光電変換特性を備え、単結晶シリコン系太陽電池3の光電変換効率が低下する太陽光の照度が低い場合でも光電変換により電力を得ることができる。そこで、アモルファスシリコン系太陽電池4は、家屋1の北側に面し、直接日照を得られないことが多い屋根2bの全面と、南側に面する屋根2aの単結晶シリコン系太陽電池(単結晶太陽光パネル)3の両側とに配設されていることが好ましい。
単結晶シリコン系太陽電池3は、図5に示すように、プラスチック、セラミック等からなる絶縁性の基材11上に形成された半導体基板12と、半導体基板12上に形成された単結晶シリコンからなる光電変換層13と、光電変換層13上に配設された保護ガラス14とからなり、外縁部には補強のためのフレーム15を備えている。フレーム15はアルミニウム系金属からなる断面視コ字状の部材であり、単結晶シリコン系太陽電池3の四周の外縁部の表裏及び端面を被覆するように設けられている。
光電変換層13は単結晶シリコンからなるpn接合を含み、入射面側の表面に図示しない透明電極を備えている。また、半導体基板12は光電変換層13と反対側の表面に裏面電極を備えている。
この結果、単結晶シリコン系太陽電池3は、保護ガラス14から入射する太陽光を光電変換層13で光電変換し、得られた電力を前記透明電極及び裏面電極から取り出すことができる。また、単結晶シリコン系太陽電池3の前記透明電極は、電流を熱に変換することができる導電体であり、これに商用電源等の外部電源の電力を供給することにより、融雪のための第1の加熱手段として機能させることができる。
本実施形態では、このような透明電極として、保護ガラス14に埋設された透明導電体16が用いられる。透明導電体16が埋設された保護ガラス14は、例えば、日本板硝子株式会社から入手することができる。
尚、本実施形態では、保護ガラス14の内部に透明導電体16を埋設する場合について説明しているが、透明導電体16は保護ガラス14の表裏いずれかの表面に配設されていてもよい。
アモルファスシリコン系太陽電池4は、光電変換層13がアモルファスシリコンからなるpn接合を含み、保護ガラス14の内部に透明導電体16を埋設されていないことに加え、単結晶シリコン系太陽電池3よりも薄く形成されていることを除いて、図5に示す単結晶シリコン系太陽電池3と同一の構成を備えている。
単結晶シリコン系太陽電池3及びアモルファスシリコン系太陽電池4は、例えば、平面視したときに、幅985mm、長さ1482mmの短冊状とすることができる。このようにすることにより、複数の単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4をそれぞれ長さ方向に沿って並列に配設することができ、屋根2a,2bの形状や面積によらず容易に設置することができる。
本実施形態の融雪装置は、図6に示すように、さらに屋根のいずれかに設けられた積雪検知手段としての積雪センサ5と、制御手段6とを備え、制御手段6は判定手段7と切替手段8とを備えている。
積雪センサ5は、例えば、カメラなどで得られた画像を解析することにより積雪を検知する。すなわち、カメラなどからの画像情報に基づき、環境光、照射光に対する受光面の所定領域のコントラスト値を抽出し、それらの値と、検知する受光面の所定領域の非積雪時におけるコントラスト値とを比較することによりその画像情報を白色及び黒色へ2値化し、その白色及び黒色の割合により積雪が有るか無いかを判別する。
積雪センサ5は、カメラなどで得られた画像を解析することによりコントラスト値を計測する画像センサを有する。本発明で使用する画像センサは、環境光(周辺光量)に対する受光面の所定領域のコントラスト値を計測する。画像センサは、夜は遠赤外ライトで該所定領域を照射し、その反射光を受光して該所定領域のコントラスト値を計測する。積雪センサ5は、画像センサにより得られるコントラスト値に基づいて、積雪が有るか無いかを判別することができる。
また、積雪センサ5として、屋根2a,2b上の単結晶シリコン系太陽電池3及びアモルファスシリコン系太陽電池4における受光面の所定領域、すなわち積雪の有無を検出するのに適当な領域を観察対象とする画像センサ及び距離センサで構成したものを用いることもできる。この場合、積雪センサ5は、積雪の無い状態から積雪の有る状態に至ったかどうかを、図9に示すような処理手順で判定する。ただし、この処理では、屋根2a,2bは黒色又はこれに近い色であることを想定している。
すなわち、図9の処理を開始すると、判定手段7は、まず、画像センサの出力に基づき、ステップS1において観察領域のコントラスト値から白色(積雪有)であると判定できるまで待機する。ただし、ここでは、白色に近い場合も白色であると判定する。白色であるかどうかは、例えば、画像センサにより得られる該受光面の所定領域におけるコントラスト値の平均値が所定値以上であるかどうかに基づいて判定することができる。
ステップS1において白色であると判定した場合には、ステップS2において、距離センサの出力が積雪の有ることを示しているかどうかを判定する。この判定は、例えば、距離センサの出力に基づく距離値が、積雪が無い場合に距離センサで予め取得した測定値(初期値)Dに対し、所定値以上の差異を有する(所定値以上下回る)かどうかに基づいて行うことができる。換言すれば、距離センサにより得られる該受光面の所定領域までの距離値が、初期値Dを所定値以上下回ったかどうかに基づいて行うことができる。
積雪の無い旨を判定した場合には、ステップS3において、ステップS1で白色に変化したと判定してから図示を省略したタイマが所定の時間、例えば数秒〜数分を計時してから再度、画像センサの出力が白色である(積雪時のコントラストを維持している)かどうかを判定する。白色でないと判定した場合には、ステップS1に戻る。
ステップS2において積雪が有る旨の判定をした場合、及びステップS3において再度白色である旨の判定をした場合には、ステップS4において、切替手段8に対して積雪が有ることを示す積雪信号Sの出力を開始(オン)し、図9の処理を終了する。
ここで、ステップS1で白色であると判定し、かつステップS2で積雪が無いと判定した場合にも積雪信号Sを出力することがあるのは、かかる場合として、霜が屋根2a,2bに発生している場合が想定されるからである。かかる場合には、積雪がある場合と同様に、後述のように、積雪信号Sに基づき、加熱手段を作用させて霜を溶かすことにより、単結晶シリコン系太陽電池3及びアモルファスシリコン系太陽電池4の発電能力を維持することができる。
また、ステップ3において時間を置いて再度白色か否かを判定するようにしたのは、誤って霜が発生していると判定するのを極力回避するためである。
一方、判定手段7が、図9の処理で積雪信号Sを出力した後、積雪の無い状態に戻ったかどうは、例えば、画像センサにより得られるコントラスト値の平均値が所定値以下となり、かつ距離センサによる距離値が積雪の無い場合の測定値Dになったかどうかにより判定することができる。積雪の無い状態に戻ったと判定した場合には、判定手段7は、積雪信号Sの出力を停止(オフ)する。
制御手段6は、判定手段7により積雪無しと判定されたとき(積雪信号Sがオフの場合)には、単結晶シリコン系太陽電池3で得られる電力は、切替手段8を介さずに外部回路9に供給する。一方、アモルファスシリコン系太陽電池4で得られる電力は切替手段8を介して外部回路9に供給する。外部回路9は家屋1の照明等の電気機器に給電するための回路と、売電のための回路とを備えている。そこで、本実施形態の融雪装置では、単結晶シリコン系太陽電池3及びアモルファスシリコン系太陽電池4で得られた電力を家屋1の照明等の電気機器に給電して余剰のあるときは、その余剰分を売電することができる。
また、制御手段6は、判定手段7により積雪有りと判定されたとき(積雪信号Sがオンの場合)には、外部電源10の電力を、切替手段8を介して、単結晶シリコン系太陽電池3の透明導電体(ヒーター)16及びアモルファスシリコン系太陽電池4に供給する。
この結果、単結晶シリコン系太陽電池3の透明導電体16は、それに流れる電流が熱に変換されることにより第1の加熱手段として機能し、単結晶シリコン系太陽電池3の受光面の融雪又は霜が除去(以下、単に「融雪」という。)される。
一方、アモルファスシリコン系太陽電池4は、光電変換時とは逆の電流が流れて熱に変換されることにより、それ自体が第2の加熱手段として機能し、受光面の融雪が行われることになる。
外部電源10としては、その地域の電力会社から供給される電力を用いることができるが、この場合、融雪のための電力によるコスト増が見込まれる。しかし、本実施形態の融雪装置では、積雪が無いときに売電した電力により、融雪のための電力を相殺することができるので、コストを低減することができる。
この結果、本実施形態の融雪装置によれば、年間を通してみれば、売電により融雪のための費用を賄うことが期待され、消費者の購入意欲を向上させることができる。
また、複数の単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4を前述のように長さ方向に沿って並列に配設するときには、その1つおきに2系統の回路を設け、各回路に間欠通電するようにしてもよく、使用電力量を1/2にすることができる。2系統の回路に間欠通電する手段は、それ自体公知の手段を用いることができる。
なお、単結晶シリコン系太陽電池3は、透明電極(透明導電体16)の他に、第1の発熱手段として機能させる専用の透明の導電体を有していてもよい。この場合、単結晶シリコン系太陽電池3は、専用の導電体を、これに外部から電力を供給して第1の加熱手段として機能させながら、並行して発電を行い、透明電極を経て外部に電力を供給することができる。
ところで、単結晶シリコン系太陽電池3及びアモルファスシリコン系太陽電池4は、その外縁部の周囲にフレーム15を備えている場合、フレーム15はそれ自体直接には加熱されない。この結果、フレーム15は単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4に比較して低温であり、積雪があるときには着雪が生じやすい。
前記着雪は一旦発生すると経時的に増大し、単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4に入射する太陽光の一部を遮蔽し、光電変換効率を低減させることがある。そこで、本実施形態の融雪装置は、単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4のフレーム15に対する着雪を防止する着雪防止部材17,18を備えている。
次に、図7を参照して、単結晶シリコン系太陽電池3の場合を例に着雪防止部材17,18について説明する。
着雪防止部材17は、図7(A)に示すように、複数の単結晶シリコン系太陽電池3が長さ方向に沿って並列に配設されているときに、隣り合う単結晶シリコン系太陽電池3,3の間に配設される。着雪防止部材17は、隣り合う単結晶シリコン系太陽電池3,3の間に配設される中空筒状の支持部材17aと、支持部材17aに支持されてその上端部に連設された山型の傘状部材17bとからなり、傘状部材17bにより単結晶シリコン系太陽電池3の長さ方向のフレーム15が覆われている。
着雪防止部材17によれば、傘状部材17b上に降った雪は、山型の傘状部材17bに案内されて、着雪防止部材17の両側の単結晶シリコン系太陽電池3,3の保護ガラス14上に滑り落ちる。このとき、保護ガラス14の表面は、例えば透明導電体16に供給される電力により加熱されているので、雪は保護ガラス14上で溶かされることとなり、着雪防止部材17が設けられている部分ではフレーム15に対する着雪を防止することができる。
着雪防止部材17は、長さ方向の端部は開口していてもよく、このような形状であるときにはゴム又は合成樹脂の押出成形により容易に形成することができる。
着雪防止部材18は、図7(B)に示すように、複数の単結晶シリコン系太陽電池3が長さ方向に沿って並列に配設されているときに、隣り合う単結晶シリコン系太陽電池3,3の一方のフレーム15の上端に連設された山型の傘状部材18aを備える。着雪防止部材18では、単結晶シリコン系太陽電池3の端面を被覆しているフレーム15の部分が傘状部材18aを支持する支持部材となっている。
傘状部材18aはフレーム15と同一材料によりフレーム15と一体的に形成されており、傘状部材18aにより単結晶シリコン系太陽電池3の長さ方向のフレーム15が覆われている。
着雪防止部材18によれば、傘状部材18a上に降った雪は、山型の傘状部材18aに案内されて、着雪防止部材18の両側の単結晶シリコン系太陽電池3,3の保護ガラス14上に滑り落ちる。従って、着雪防止部材18によれば、着雪防止部材17と同様にして、着雪防止部材18が設けられている部分でのフレーム15に対する着雪を防止することができる。
次に、図8を用いて融雪装置をより詳細に説明する。南側の屋根2aの中央部に配置される単結晶シリコン系太陽電池3(図3)は、図8に示すように、太陽電池モジュールをそれぞれ4個ずつ直列に接続した2系統の太陽電池モジュールアレイ20a及び20bを構成する。太陽電池モジュールアレイ20a及び20bは、上述の第1の各太陽電池モジュールに該当し、定格が200〜300Wのものである。したがって、太陽電池モジュールアレイ20a及び20bにより、合計800〜1200Wの電力が2系統得られる。
太陽電池モジュールアレイ20aを構成する各太陽電池モジュールは、導電膜コートガラスタイプのものであり、上述のように、保護ガラス14の表面に透明導電体16をコーティングして構成されたものである。太陽電池モジュールアレイ20bを構成する各太陽電池モジュールは、シートヒータ内蔵タイプのものであり、上述のように、保護ガラス14の内部に透明導電体16を埋設して構成されたものである(図5)。
したがって、太陽電池モジュールアレイ20a及び20bは、上述の第1の太陽電池に該当し、その透明導電体16は、後述のように外部電源から電力を供給することにより、上述の第1の加熱手段として機能する。
また、南側の屋根2aの残りの部分に配置されるアモルファスシリコン系太陽電池4は、太陽電池モジュールをそれぞれ8個ずつ直列に接続した2系統の太陽電池モジュールアレイ20c及び20dを構成する。各太陽電池モジュールは、定格が70〜105Wのものである。したがって、太陽電池モジュールアレイ20c及び20dにより、合計560〜840Wの電力が2系統得られる。
太陽電池モジュールアレイ20cは、後述のように、これに外部電源から電力を供給することにより、それ自体が上述の第2の加熱手段として機能するものであり、上述の第2の太陽電池に該当する。太陽電池モジュールアレイ20dは、第1の加熱手段としての導電体を有しておらず、かつそれ自身が第2の加熱手段として機能するものでもないため、第1の太陽電池及び第2の太陽電池のいずれにも該当しない。
太陽電池モジュールアレイ20c及び20dを南側の屋根2aの残りの部分にどのように配置するかは、配線のし易さ、日照の程度等に基づき、適宜定められる。その場合、例えば、残りの部分における所定の日照条件を満足する部位に対して優先的に、第2の加熱手段として機能させる太陽電池モジュールアレイ20cが配置され、他の部位に、第2の加熱手段として機能させない太陽電池モジュールアレイ20dが配置される。
また、北側の屋根2bに配置されるアモルファスシリコン系太陽電池4は、3系統の太陽電池モジュールアレイ20e、20f及び20gを構成する。太陽電池モジュールアレイ20eは、定格が70〜105Wの太陽電池モジュールを2個直列に接続して構成され、合計140〜210Wの電力を出力することができる。
太陽電池モジュールアレイ20fは、定格が70〜105Wの太陽電池モジュールを2個直列に接続して構成され、合計140〜210Wの電力を出力することができる。太陽電池モジュールアレイ20gは、定格が70〜105Wの太陽電池モジュールを2個並列に配置して構成され、合計140〜210Wの電力を出力することができる。
太陽電池モジュールアレイ20e、20f及び20gは、後述のように、これに外部電源から電力を供給通することにより、それ自体が上述の第2の加熱手段として機能するものであり、上述の第2の太陽電池に該当する。
上述の制御手段6は、第1制御ユニット21、第2制御ユニット22、南側制御盤23及び北側制御盤24で構成される。第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22は、上述の制御手段6の判定手段7を構成しており、切替手段8は、後述する第1〜第4接点で構成される。
第1制御ユニット21は、太陽電池モジュールアレイ20e〜20gからの外部回路9(図6)への給電と、外部電源10(図6)からの太陽電池モジュールアレイ20e〜20gへの給電とを切り替える制御を行う。外部電源10からの給電は、南側制御盤23を経て行われる。
太陽電池モジュールアレイ20e〜20gから給電される外部回路9には、PVスキャナ25と、これに接続されたPVアナライザ26と、PVスキャナ25を経由して得られる電力に基づいて充電を行うための充電コントローラ27及びバッテリ28が含まれる。
なお、PVスキャナ25及びPVアナライザ26は、太陽電池モジュールアレイ20e〜20gのIV特性等を測定し、研究・開発に役立つデータを取得したり、正常に発電が行われているか等をチェックしたりするために用いられるものであり、直接的に発電力の向上や効率化を図るものではない。
第2制御ユニット22は、太陽電池モジュールアレイ20cからの外部回路9(図6)への給電と、外部電源10(図6)からの太陽電池モジュールアレイ20cへの給電とを切り替える制御を行う。太陽電池モジュールアレイ20cから給電される外部回路9には、商用電力系統への系統連系を行うためのパワーコンディショナ29が含まれる。
外部電源10からの給電は、南側制御盤23を経て行われる。パワーコンディショナ29から第2制御ユニット22に対し、連系中の電圧や電流に関する情報VIが供給される。
なお、太陽電池モジュールアレイ20a及び20bについては、上述のような切替え制御は行われず、常に外部回路9としてのPVスキャナ25等への給電のみが行われる。太陽電池モジュールアレイ20dについても、同様に、常に外部回路9としてのパワーコンディショナ29等への給電のみが行われる。
南側制御盤23は、外部電源10としての商用電源及び融雪電源からそれぞれ入力される単相AC200Vに基づき、各部への電力供給を行う。なお、この融雪電源は、契約により、午後4時から6時までの2時間、電力の供給が停止される。
太陽電池モジュールアレイ20a及び20bの透明導電体16に対しては、これらを上述の第1の加熱手段として機能させるための単相AC100Vが南側制御盤23から供給される。太陽電池モジュールアレイ20c、20e〜20gに対しては、これらを上述の第2の加熱手段として機能させるための単相AC200Vが南側制御盤23から供給される。
このAC200Vは、AC/DC変換器30a及び30bにより600Vで4Aの直流電力に変換され、太陽電池モジュールアレイ20gの各太陽電池モジュールに供給される。また、このAC200Vは、AC/DC変換器30c及び30dにより300Vで8Aの直流電力に変換され、太陽電池モジュールアレイ20e及び20fにそれぞれ供給される。
また、AC/DC変換器30cからは、太陽電池モジュールアレイ20cに対しても、300Vで8Aの直流電力が供給される。ただし、この供給を行う場合には、AC/DC変換器30cから太陽電池モジュールアレイ20fへの接続ケーブルが取り外される。
太陽電池モジュールアレイ20gの各太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールアレイ20e、20fと、AC/DC変換器30a〜30d及びPVスキャナ25との間には、太陽電池側からPVスキャナ側への給電と、AC/DC変換器側から太陽電池側への給電とを切り替えるための16個の接点が設けられる。
これらの接点は、太陽電池側からPVスキャナ側への給電を行うときに閉じられる8個の第1接点S1と、AC/DC変換器側から太陽電池側への給電を行うときに閉じられる8個の第2接点S2とで構成される。
これらの第1接点S1及び第2接点S2は、第1制御ユニット21からの開閉制御信号C1に応じて同時に開閉動作を行い、かつ、太陽電池モジュールアレイ20gの各太陽電池モジュール及び太陽電池モジュールアレイ20e、20f毎に、上記給電の切替えを行うことができるように構成される。
太陽電池モジュールアレイ20cと、AC/DC変換器30c及びパワーコンディショナ29との間には、太陽電池側からパワーコンディショナ側への給電と、AC/DC変換器側から太陽電池側への給電とを切り替えるための4個の接点が設けられる。
これらの接点は、太陽電池側からパワーコンディショナ側への給電が行われるときに閉じられる2個の第3接点S3と、AC/DC変換器側から太陽電池側への給電が行われるとき閉じられる2個の第4接点S4とで構成される。第3接点S3及び第4接点S4は、第2制御ユニット22からの開閉制御信号C2に応じて開閉し、上記給電の切替えを行うことができるように構成される。
また、南側制御盤23は、南側の屋根2aに設けられた南側融雪ヒータ33に単相AC100Vを供給するための電源を有するとともに、南側融雪ヒータ33に設けられた温度センサからの温度信号Tを参照することができる。北側制御盤24は、南側制御盤23と連係して北側の屋根2bに設けられた北側融雪ヒータ34に単相AC100Vを供給するための電源を備える。
また、南側制御盤23は、第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22の駆動用の電源を有するとともに、積雪センサ5の出力に基づいて得られる積雪の有無や、温度信号Tにより得られる南側融雪ヒータ33の温度等の積雪情報SIを第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22に供給する。
第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22と南側制御盤23との間には、AC/DCコンバータ35が設けられる。南側制御盤23から、第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22に対し、それぞれAC/DCコンバータ35を介して駆動用の直流電力が供給される。
第1制御ユニット21には、PVスキャナ25に接続されたPVアナライザ26から最大電力量のデータPmaxが供給される。第2制御ユニット22には、パワーコンディショナ29から、電圧及び電流に関する情報VIが供給される。また、第2制御ユニット22には、太陽電池モジュールアレイ20b〜20dにそれぞれ設けられた熱電対からの信号TcをADコンバータ37によりデジタル化した温度データが供給される。第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22は、外部のネットワーク43との通信等を管理するサーバ39に接続される。
図8の構成において、第1制御ユニット21は、南側制御盤23から供給される積雪情報SIに基づき、積雪が無いと判定した場合には、開閉制御信号C1として、第1接点S1を閉じて第2接点S2を開く旨の信号を出力する。これにより、すべての第1接点S1が閉じてすべての第2接点S2が開いた状態となるので、太陽電池モジュールアレイ20e〜20gで生成される電力がPVスキャナ25に供給され、さらに充電コントローラ27を経てバッテリ28に蓄えられる。
このとき、第2制御ユニット22も、同じ積雪情報SIに基づいて積雪が無いと判定し、開閉制御信号C2として、第3接点S3を閉じて第4接点S4を開く旨の信号を出力する。これにより、すべての第3接点S3が閉じてすべての第4接点S4が開いた状態となるので、太陽電池モジュールアレイ20cで生成される電力が、パワーコンディショナ29に供給され、系統連系に供せられる。
また、このとき、南側制御盤23は、同じ積雪情報SIに基づき、積雪が無いと判定した場合には、太陽電池モジュールアレイ20a及び20bの透明導電体16への給電、及び南側融雪ヒータ33への給電は行わない。また、これに連携して、北側制御盤24は、北側融雪ヒータ34への給電は行わない。
一方、第1制御ユニット21は、南側制御盤23から供給される積雪情報SIに基づき、積雪が有ると判定した場合には、開閉制御信号C1として、第1接点S1を開いて第2接点S2を閉じる旨の信号を出力する。これにより、すべての第1接点S1が開いてすべての第2接点S2が閉じた状態となる。
このため、太陽電池モジュールアレイ20e〜20gからのPVスキャナ25への電力供給は停止し、この代わりに、南側制御盤23から供給されるAC200VをAC/DC変換器30a〜30dで変換した直流電力が太陽電池モジュールアレイ20e〜20gに供給される。これにより、太陽電池モジュールアレイ20e〜20gは、上述の第2の加熱手段として作用し、屋根2bに積もった雪を溶かす。
また、このとき、第2制御ユニット22も、同様に、積雪情報SIに基づき、開閉制御信号C2として、第3接点S3を開いて第4接点S4を閉じる旨の信号を出力する。これにより、すべての第3接点S3が開いてすべての第4接点S4が閉じた状態となる。
このため、太陽電池モジュールアレイ20cからのパワーコンディショナ29への電力供給は停止し、この代わりに、AC/DC変換器30cからの直流電力が太陽電池モジュールアレイ20cに供給される。これにより、太陽電池モジュールアレイ20cは、上述の第2の加熱手段として作用し、屋根2aに積もった雪を溶かす。
ただし、このように太陽電池モジュールアレイ20cを第2の加熱手段として作用させる場合には、太陽電池モジュールアレイ20cに十分な電力を供給するために、AC/DC変換器30cから太陽電池モジュールアレイ20fへの接続ケーブルが取り外される。
また、南側制御盤23は、同様の積雪情報SIに基づき、積雪が有ると判定した場合には、太陽電池モジュールアレイ20a及び20bの透明導電体16並びに南側融雪ヒータ33に対して給電を開始する。これにより、透明導電体16は第1の加熱手段として作用する。このとき、北側制御盤24は、南側制御盤23に連系して北側融雪ヒータ34への給電を開始する。
このようにして、屋根2a、2bに積もった雪は、第1の加熱手段、第2の加熱手段、南側融雪ヒータ33及び北側融雪ヒータ34の熱によって迅速に溶けてゆく。南側融雪ヒータ33に対する給電に際しては、南側融雪ヒータ33の温度センサからの温度信号Tに基づき、給電のタイミングや時間を調整するようにしてもよい。
太陽電池モジュールアレイ20c、20e〜20gを第2の加熱手段として作用させるタイミングや期間は、積雪情報SIに加え、各ADコンバータ37から得られる太陽電池モジュールアレイ20b〜20gの温度情報からの情報に基づいて調整することができる。
例えば、太陽電池モジュールアレイ20b〜20gの温度が高い場合や、日射量が多い場合には、当該タイミングを遅らせたり、第2の加熱手段を機能させずに南側融雪ヒータ33又は北側融雪ヒータ34による融雪機能のみを用いたりしてもよい。
このようにして太陽電池モジュールアレイ20c、20e〜20gが第2の加熱手段として作用し、積雪が無くなると、第1制御ユニット21及び第2制御ユニット22は、その旨を積雪情報SIに基づいて判定し、第1制御ユニット21は、開閉制御信号C1として、第1接点S1を閉じて第2接点S2を開く旨の信号を出力する。また、第2制御ユニット22は、開閉制御信号C2として、第3接点S3を閉じて第4接点S4を開く旨の信号を出力する。これにより、上述の太陽電池モジュールアレイ20e〜20gの電力をPVスキャナ25に供給し、太陽電池モジュールアレイ20cで生成される電力をパワーコンディショナ29に供給する状態に復帰する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、透明導電体16を第2の加熱手段として作用させるタイミングや期間は、積雪情報SIに加え、各ADコンバータ37から得られる温度情報からの情報に基づいて調整するようしてもよい。また、太陽電池3又は4を構成する太陽電池モジュールアレイや太陽電池モジュールの数や仕様は上記のものに限定されない。
また、積雪センサ5を南側及び北側の屋根2a、2bの両方に設けて、各屋根2a、2b毎に積雪の有無を判定し、この判定結果に基づいて、屋根2aの太陽電池モジュールアレイ20c又は屋根2bの太陽電池モジュールアレイ20e〜20gのいずれか又は双方を第2の加熱手段として作用させるようにしてもよい。また、同様の判定結果に応じて、第1の加熱手段や、南側融雪ヒータ33、北側融雪ヒータ34を機能させるかどうかを決定するようにしてもよい。
また、太陽電池モジュールアレイ20c、20e〜20gを第2の加熱手段として機能させ、太陽電池モジュールアレイ20a、20bの導電体を第1の加熱手段として機能させる場合に、各加熱手段の機能開始のタイミングや機能させるかどうか(機能させる加熱手段の組合せ)に差異を設けることも考えられる。この場合、どのような優先順位で各加熱手段を機能開始させ、又は機能させるかどうかの決定は、例えば、各加熱手段の太陽電池における受光面での日照時間や温度等に基づいて適宜行うことができる。
また、第1の太陽電池及び第2の太陽電池として、同種の太陽電池、例えば単結晶シリコン系太陽電池3又はアモルファスシリコン系太陽電池4を採用してもよい。
1…家屋、 2a,2b…屋根、 3…単結晶シリコン系太陽電池、 4…アモルファスシリコン系太陽電池、 5…積雪センサ(積雪検知手段)、 6…制御手段、 7…判定手段、 8…切替手段、 9…外部回路、 10…外部電源、 15…フレーム、 16…透明導電体、17,18…着雪防止部材。

Claims (9)

  1. 建築物の屋根に設置されて融雪を行う融雪装置であって、
    所定の日照条件を満足する屋根の部位に配設され、受光面側に導電体を備える第1の太陽電池と、
    所定の日照条件を満足しない屋根の部位に配設される第2の太陽電池と、
    該第1の太陽電池及び該第2の太陽電池の受光面への積雪を検知する積雪検知手段と、
    該積雪検知手段により該受光面への積雪が検知されたときを除いて該第1の太陽電池及び該第2の太陽電池で得られる電力を外部回路に供給し、該積雪検知手段により積雪が検知された場合には、該第1の太陽電池の該導電体を、これに外部電源から通電して第1の加熱手段として機能させ、かつ、該第2の太陽電池自体を、これに外部電源から通電して第2の加熱手段として機能させる制御手段とを備えることを特徴とする融雪装置。
  2. 請求項1記載の融雪装置において、前記積雪検知手段は、前記受光面の所定領域の画像を撮像し、該画像を解析することにより該受光面の積雪を検知した場合、検知信号を発生することを特徴とする融雪装置。
  3. 請求項1又2記載の融雪装置において、
    前記制御手段は、
    前記積雪検知手段の検知信号により前記受光面の積雪の有無を判定する判定手段を備え、
    該判定手段の判定に基づいて、前記第1の太陽電池及び前記第2の太陽電池で得られた電力の外部回路への供給と、外部電源の電力の該第1の太陽電池の前記導電体及び該第2の太陽電池への供給とを切り換えるものであることを特徴とする融雪装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項記載の融雪装置において、
    前記積雪検知手段は、
    前記受光面の所定領域を観察対象とし、該所定領域のコントラスト値を計測する画像センサと、
    該所定領域を観察対象とし、該所定領域までの距離を測定する距離センサとを備え、
    該画像センサにより得られる該所定領域のコントラスト値及び該距離センサにより得られる該所定領域までの距離値に基づいて該受光面の積雪の有無を検知するものであることを特徴とする融雪装置。
  5. 請求項4記載の融雪装置において、
    前記積雪検知手段は、
    前記画像センサにより得られるコントラスト値が無積雪時のコントラスト値から積雪時のコントラスト値に変化し、かつ前記距離センサにより得られる距離値が該距離センサと前記所定領域における前記受光面との距離を所定値以上下回った場合に積雪が有る旨を示す検知信号を出力し、
    該画像センサにより得られるコントラスト値が無積雪時のコントラスト値から積雪時のコントラスト値に変化したが、該距離センサにより得られる距離値が該距離センサと該受光面との距離を所定値以上下回らない場合には、所定時間の経過後に該画像センサにより得られるコントラスト値が積雪時のコントラスト値を維持していれば、該検知信号を出力するものであることを特徴とする融雪装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項記載の融雪装置において、前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池がその外縁に枠体を備えるときに、該枠体に対する着雪を防止する着雪防止部材を備えることを特徴とする融雪装置。
  7. 請求項6記載の融雪装置において、前記着雪防止部材は、少なくとも前記枠体の一部を覆い、前記枠体上に降る雪を前記第1の太陽電池又は前記第2の太陽電池の枠体の表面に案内する傘部材と、1つの太陽電池の枠体と隣接する他の太陽電池の枠体との間に配設されて該傘部材を支持する支持部材とを備えることを特徴とする融雪装置。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項記載の融雪装置において、前記第1の太陽電池は単結晶シリコン系太陽電池であることを特徴とする融雪装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項記載の融雪装置において、前記第2の太陽電池はアモルファスシリコン系太陽電池であることを特徴とする融雪装置。
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