JP2020063890A - ソーラー発電給湯システム - Google Patents

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Abstract

【課題】光発電パネルを冷却して発電効率を高めることができ、かつ補助熱源なしに高温の温水を貯湯タンクに溜めることができるソーラー発電給湯システムを提供する。【解決手段】光発電パネル10、集熱マット20、ヒートポンプ30、貯湯タンク40、低温循環ライン50、高温循環ライン60、給水ライン70、及び貯湯ライン80を備える。集熱マット20は、光発電パネル10の裏面に取付けられ、給水1と循環水2が流れる配管22を有する。ヒートポンプ30は、凝縮器34及び蒸発器38を有し、熱媒体4を循環する。低温循環ライン50は、集熱マット20と蒸発器38との間で循環水2を循環し、集熱マット20を冷却する。高温循環ライン60は、貯湯タンク40と凝縮器34との間で貯湯3を循環し、貯湯3を加熱する。貯湯ライン80は、集熱マット20で加熱された給水1を貯湯タンク40又は高温循環ライン60に供給する。【選択図】図2

Description

本発明は、太陽光発電パネルとヒートポンプを用いたソーラー発電給湯システムに関する。
太陽光発電パネル(以下、「光発電パネル」)を用いた発電装置は、例えば特許文献1に開示されている。
また、光発電パネルとヒートポンプを用いたシステムは、例えば特許文献2に開示されている。
特許文献1の「太陽エネルギーを利用した発電装置」では、太陽光発電セル(光発電パネル)の受光面の裏側に、光発電パネルと略同形状で内部に流通穴を有する冷却部を設け、冷却部の流通穴に流動冷却媒体を通すことにより光発電パネルを冷却する。この冷却により、光発電パネルの温度上昇を抑制して発電効率の向上を図っている。
特許文献2の「太陽エネルギー利用システム」は、光発電パネルを冷却する第1熱交換器と、第1熱交換器に接続されたヒートポンプと、第1熱交換器とヒートポンプとの間で熱媒を循環させる循環ポンプと、循環ポンプの流量を変更する流量制御部とを備える。これにより太陽エネルギーの利用効率の向上を図っている。
特開2003−113771号公報 特開2013−83397号公報
特許文献1では、例えば流動冷却媒体として低温(20〜30℃)の水道水を用いることにより、光発電パネルの温度上昇を抑制して発電効率を高めることができる。
しかし、この場合、光発電パネルで加熱された水道水の温度は天候に左右され、例えば最高でも50〜60℃にすぎない。そのため、住居内の必要量を保有するには、大型の貯湯タンクが不可欠であった。
特許文献2では、ヒートポンプにより給水を加熱するので、貯湯タンクに高温(例えば70〜80℃)の温水を溜めることができる。
しかし特許文献2では、熱媒として水又は不凍液を用いた場合、この熱媒が、第1熱交換器とヒートポンプの蒸発器との間で循環するので、蒸発器で冷却後の熱媒温度が高い(例えば30〜40℃)。そのため、特許文献1と比較して光発電パネルの冷却能力が低く、発電効率もその分低くなる。
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、光発電パネルを冷却して発電効率を高めることができ、かつ補助熱源なしに高温(例えば70〜80℃)の温水を貯湯タンクに溜めることができるソーラー発電給湯システムを提供することにある。
本発明によれば、太陽光で発電する光発電パネルと、
該光発電パネルの裏面に取付けられ、給水と循環水が流れる流路を有し、前記光発電パネルを冷却する集熱マットと、
圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器を有し、内部を熱媒体が循環するヒートポンプと、
貯湯を内部に保有する貯湯タンクと、
前記集熱マットと前記蒸発器との間で前記循環水を循環し、前記集熱マットを冷却する低温循環ラインと、
前記貯湯タンクと前記凝縮器との間で前記貯湯を循環し、前記貯湯を加熱する高温循環ラインと、
前記集熱マットに前記給水を供給する給水ラインと、
前記集熱マットで加熱された前記給水を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに供給する貯湯ラインと、を備えるソーラー発電給湯システムが提供される。
本発明によれば、集熱マットが給水と循環水が流れる流路を有するので、冷却用の循環水温度が高い場合でも、給水として低温(20〜30℃)の水道水を用いることにより、光発電パネルを循環水温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
また、集熱マットで加熱された給水は、温水(例えば50〜60℃)として貯湯ラインにより貯湯タンク又は高温循環ラインに供給されるので、貯湯タンクに保有する温水の温度を予め高めることができる。
さらに、ヒートポンプは、集熱マットで加熱された循環水(例えば30〜40℃)を熱源として、貯湯タンクと凝縮器との間で循環する貯湯(例えば50〜60℃)を加熱するので、貯湯を補助熱源なしに高温(例えば70〜80℃)まで加熱することができる。
従って高温(例えば70〜80℃)の貯湯を貯湯タンクに溜めることができるので、住居内で必要量を保有するための貯湯タンクを小型化できる。
本発明によるソーラー発電給湯システムの全体概念図である。 本発明によるソーラー発電給湯システムの全体構成図である。 ヒートポンプにおける伝熱長さと温度との関係を示す模式図である。 集熱マットの第1実施形態図である。 集熱マットの第2実施形態図である。 集熱マットの第3実施形態図である。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図1は、本発明によるソーラー発電給湯システム100の全体概念図である。
この図において、ソーラー発電給湯システム100は、光発電パネル10、集熱マット20、ヒートポンプ30、及び貯湯タンク40を備える。
光発電パネル10は、太陽光が有するエネルギーで発電する。得られた電力は、外部へ供給しても、ソーラー発電給湯システム100を構成するポンプ等を駆動するために用いてもよい。
集熱マット20は、光発電パネル10の裏面に密着して取付けられ、光発電パネル10を冷却する。この取り付けは、例えば接着剤を用いた貼り付けによるのがよい。
ヒートポンプ30は、光発電パネル10で加熱された循環水2を熱源として貯湯タンク40の貯湯3を加熱する。
貯湯タンク40は、貯湯3を内部に保有する。この貯湯3は、例えば住宅内の用途(バス、キッチン、暖房など)に用いられる。
図2は、本発明によるソーラー発電給湯システム100の全体構成図である。
この図において、ヒートポンプ30は、圧縮機32、凝縮器34、膨張器36、及び蒸発器38を有し、内部を熱媒体4が循環する。
熱媒体4の循環経路を図中にa→b→c→d→aで示す。凝縮器34における凝縮温度THは、例えば90〜100℃、蒸発器38における蒸発温度TLは、例えば30〜40℃に設定されている。
a→bで、熱媒体4は断熱圧縮され圧力がPLからPHまで蒸気温度がTLからTHまで上昇する。b→cで、熱媒体4は圧力PHのまま等温冷却され液化する。c→dで、熱媒体4は断熱膨張し圧力がPHからPLまで蒸気温度がTHからTLまで下降する。d→aで、熱媒体4は圧力PLのまま等温加熱され気化する。
この構成により、凝縮温度THと蒸発温度TLを維持し、蒸発器38で循環水2を冷却し、凝縮器34で貯湯3を加熱することができる。
図3は、ヒートポンプ30における伝熱長さと温度との関係を示す模式図である。
この図において、熱源入口温度は、光発電パネル10で加熱された循環水2の温度(例えば50〜60℃)である。また、利用温度は、ヒートポンプ30で加熱された温水温度(例えば70〜80℃)である。
この場合、蒸発温度TLは、熱源入口温度より低く、例えば30〜40℃である。また、凝縮温度THは、利用温度より高く、例えば90〜100℃である。
ヒートポンプ30の熱媒体4は、上述した条件を満たす必要があり、周知の作動媒体(例えばR−11,R−12、等)から選択される。
なお、ヒートポンプ30は上述した例に限定されず、その他の形式のヒートポンプであってもよい。
図2において、集熱マット20は、給水1と循環水2が流れる流路(配管22)を有する。
また、この図において、ソーラー発電給湯システム100は、さらに、低温循環ライン50、高温循環ライン60、給水ライン70、及び貯湯ライン80を備える。
低温循環ライン50は、低温循環ポンプ52を有し、集熱マット20と蒸発器38との間で循環水2を循環し、集熱マット20を冷却する。この場合、集熱マット20で加熱された循環水2を蒸発器38に供給し、蒸発器38で冷却された循環水2を集熱マット20に再供給する。
高温循環ライン60は、高温循環ポンプ62を有し、貯湯タンク40と凝縮器34との間で貯湯3を循環し、貯湯3を加熱する。この場合、貯湯タンク40から貯湯3を凝縮器34に供給し、凝縮器34で加熱された貯湯3を貯湯タンク40に戻す。
給水ライン70は、集熱マット20に給水1を供給する。給水1は、例えば低温(20〜30℃)の水道水であるのがよい。
この構成により、冷却後の循環水温度が高い場合(例えば30〜40℃)でも、給水1として低温(20〜30℃)の水道水を用いることにより、光発電パネル10を循環水2の温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
貯湯ライン80は、集熱マット20で加熱された給水1を貯湯タンク40に供給する。
この構成により、集熱マット20で加熱された給水1(以下、「加熱水1a」)は、例えば50〜60℃の温水として貯湯タンク40に供給されるので、貯湯タンク40に保有する貯湯3の温度を予め高めることができる。
図2において、貯湯ライン80は、その下流側に貯湯分岐ライン82を有する。貯湯分岐ライン82は、集熱マット20で加熱された給水1(加熱水1a)を高温循環ライン60の上流側に直接供給する
貯湯ライン80と貯湯分岐ライン82にはその分岐箇所に流量調節弁80a,82aを備えるのがよい。
この構成により、集熱マット20で加熱された加熱水1a(例えば50〜60℃)の一部又は全部を高温循環ライン60に直接供給し、貯湯タンク40に供給する前の温水(加熱水1a)を補助熱源なしに高温(例えば70〜80℃)まで加熱することができる。
図2において、ソーラー発電給湯システム100は、さらに制御装置90を備える。制御装置90は、例えばコンピュータ(PC)であり、低温循環ライン50、高温循環ライン60、又は給水ライン70の流量を制御する。
低温循環ライン50、高温循環ライン60、給水ライン70、及び貯湯ライン80には、図示しない温度センサが設けられている。
制御装置90は、蒸発器38に流入する循環水2の温度が所定の温度範囲(例えば50〜60℃)になるように、低温循環ライン50の流量を制御する。
この構成により、太陽光のエネルギーの増減に応じて、低温循環ライン50の流量を制御し、加熱後の循環水2の温度を所定の温度範囲に維持することができる。なお、太陽光のエネルギーが小さく(例えば、夜間)、循環水2の温度を所定温度以上(例えば40℃以上)に維持できない場合には、循環水2の循環を停止するのがよい。
また制御装置90は、凝縮器34から流出する貯湯3の温度が所定の温度範囲(例えば70〜80℃)になるように、高温循環ライン60の流量を制御する。
この構成により、太陽光のエネルギーの増減に応じて、高温循環ライン60の流量を制御し、加熱後の貯湯3の温度を所定の温度範囲に維持することができる。なお、太陽光のエネルギーが小さく(例えば、夜間)、凝縮器34から流出する貯湯3の温度を所定温度以上(例えば60℃以上)に維持できない場合には、貯湯3の循環を停止するのがよい。
制御装置90は、低温循環ライン50及び高温循環ライン60の循環(作動)が停止する場合には、ヒートポンプ30の運転を停止することが好ましい。この停止により、ヒートポンプ30の運転動力を節減し、システムのエネルギー効率を高めることができる。
制御装置90は、また集熱マット20で加熱された給水1(加熱水1a)の温度に基づき、給水1(加熱水1a)の供給先を貯湯タンク40又は高温循環ライン60に切り替える。
例えば、集熱マット20で加熱された加熱水1aの温度が低いときに、高温循環ライン60に切り替えることのより、貯湯タンク40に供給する前の温水(加熱水1a)を補助熱源なしに高温(例えば70〜80℃)まで加熱することができる。
図4は、集熱マット20の第1実施形態図である。この図において、(A)は、光発電パネル10の裏面模式図、(B)は(A)のB−B断面図である。
図4(A)において、集熱マット20は、給水1及び循環水2が内部を流れる配管22(この例では共通伝熱管22A)を有する。共通伝熱管22Aは、この例では、光発電パネル10の裏面に近接して配置され、同一面内を単一の流入口から単一の流出口まで給水1及び循環水2が流れる単一の伝熱管である。伝熱管は、熱伝導率の高い金属製又は樹脂製であるのがよい。
図4(B)において、集熱マット20は、さらに光発電パネル10の裏面と配管22の外周面とに連続して密着する金属箔24と、金属箔24及び配管22の背面を囲み、外部への放熱を抑制する保温材26と、を有する。
配管22は金属箔24に外周面全体が密着している。保温材26は、外気温度(例えば−20℃〜50℃)の温度範囲で保温性能の高い保温材(例えば、発泡スチロール)であるのがよい。
この構成により、太陽光で加熱された光発電パネル10の熱を金属箔24と配管22を介して給水1及び循環水2に伝熱することで、光発電パネル10を効率的に冷却することができる。
図4(A)において、集熱マット20は、給水1と循環水2を合流させて共通伝熱管22Aに流入させる合流管27と、共通伝熱管22Aから流出した混合水を給水1と循環水2に分岐する分岐管28と、を有する。
この構成により、合流管27により、給水1と循環水2を合流させて共通伝熱管22Aに流入させることができ、分岐管28により、共通伝熱管22Aから流出した混合水を加熱された給水1(すなわち加熱水1a)と循環水2に分岐することができる。
図5は、集熱マット20の第2実施形態図である。この図において、(A)は、光発電パネル10の裏面模式図、(B)は(A)のB−B断面図である。
図5(A)において、合流管27は、傾斜した集熱マット20の下部に水平に設けられ、その両端から、給水1と循環水2がそれぞれ流入する。また分岐管28は、傾斜した集熱マット20の上部に水平に設けられ、その両端から、給水1と循環水2がそれぞれ流出する。共通伝熱管22Aは、この例では複数の直管であり、合流管27と分岐管28を連通し、互いに間隔を隔てて位置する。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
この構成によっても、合流管27により、給水1と循環水2を合流させて共通伝熱管22Aに流入させることができ、分岐管28により、共通伝熱管22Aから流出した混合水を加熱された給水1(すなわち加熱水1a)と循環水2に分岐することができる。
図6は、集熱マット20の第3実施形態図である。この図において、(A)は、光発電パネル10の裏面模式図、(B)は(A)のB−B断面図である。
図6(A)(B)において、配管22は、給水1が独立して流れる給水伝熱管22Bと、循環水2が独立して流れる循環水伝熱管22Cと、を有する。
この例で、循環水伝熱管22Cは、光発電パネル10の裏面に近接し、複数の流入口から複数の流出口までそれぞれ循環水2が独立して流れる。
また、給水伝熱管22Bは、循環水伝熱管22Cの裏面に近接し、複数の流入口から複数の流出口までそれぞれ給水1が独立して流れる。
なお、給水伝熱管22Bと循環水伝熱管22Cを同一の平面内に独立して設けてもよい。
この構成により、給水1と循環水2の混合を防止し、それぞれを独立に制御することができる。
上述した本発明の実施形態によれば、集熱マット20が給水1と循環水2が流れる流路を有する。これにより、冷却用の循環水温度が高い場合でも、例えば給水1として低温(20〜30℃)の水道水を用いることにより、光発電パネル10を循環水温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
また、集熱マット20で加熱された給水1は、温水(例えば50〜60℃)として貯湯ライン80により貯湯タンク40又は高温循環ライン60に供給されるので、貯湯タンク40に保有する貯湯3の温度を予め高めることができる。
さらに、ヒートポンプ30は、集熱マット20で加熱された循環水2(例えば30〜40℃)を熱源として、貯湯タンク40と凝縮器34との間で循環する貯湯3(例えば50〜60℃)を加熱する。これにより、貯湯タンク40に保有された貯湯3を補助熱源なしに高温(例えば70〜80℃)まで加熱することができる。
従って高温(例えば70〜80℃)の貯湯3を貯湯タンク40に溜めることができるので、住居内で必要量を保有するための貯湯タンク40を小型化できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
1 給水、2 循環水、3 貯湯、4 熱媒体、10 光発電パネル、
20 集熱マット、22 配管、22A 共通伝熱管、22B 給水伝熱管、
22C 循環水伝熱管、24 金属箔、26 保温材、27 合流管、
28 分岐管、30 ヒートポンプ、32 圧縮機、34 凝縮器、
36 膨張器、38 蒸発器、40 貯湯タンク、50 低温循環ライン、
52 低温循環ポンプ、60 高温循環ライン、62 高温循環ポンプ、
70 給水ライン、80 貯湯ライン、82 貯湯分岐ライン、
80a,82a 流量調節弁、90 制御装置、
100 ソーラー発電給湯システム

Claims (8)

  1. 太陽光で発電する光発電パネルと、
    該光発電パネルの裏面に取付けられ、給水と循環水が流れる流路を有し、前記光発電パネルを冷却する集熱マットと、
    圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器を有し、内部を熱媒体が循環するヒートポンプと、
    貯湯を内部に保有する貯湯タンクと、
    前記集熱マットと前記蒸発器との間で前記循環水を循環し、前記集熱マットを冷却する低温循環ラインと、
    前記貯湯タンクと前記凝縮器との間で前記貯湯を循環し、前記貯湯を加熱する高温循環ラインと、
    前記集熱マットに前記給水を供給する給水ラインと、
    前記集熱マットで加熱された前記給水を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに供給する貯湯ラインと、を備えるソーラー発電給湯システム。
  2. 前記低温循環ライン、前記高温循環ライン、又は前記給水ラインの流量を制御する制御装置を備える、請求項1に記載のソーラー発電給湯システム。
  3. 前記制御装置は、前記蒸発器に流入する前記循環水の温度が所定の温度範囲になるように、前記低温循環ラインの流量を制御する、請求項2に記載のソーラー発電給湯システム。
  4. 前記制御装置は、前記凝縮器から流出する前記貯湯の温度が所定の温度範囲になるように、前記高温循環ラインの流量を制御する、請求項2に記載のソーラー発電給湯システム。
  5. 前記制御装置は、前記集熱マットで加熱された前記給水の温度に基づき、前記給水の供給先を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに切り替える、請求項2に記載のソーラー発電給湯システム。
  6. 前記集熱マットは、前記光発電パネルの裏面に近接して配置され前記給水又は前記循環水が内部を流れる配管と、
    前記裏面と前記配管の外周面とに連続して密着する金属箔と、
    前記金属箔及び前記配管の背面を囲み、外部への放熱を抑制する保温材と、を有する、請求項1に記載のソーラー発電給湯システム。
  7. 前記配管は、前記給水及び前記循環水が流れる共通伝熱管であり、
    前記集熱マットは、前記給水と前記循環水を合流させて前記共通伝熱管に流入させる合流管と、前記共通伝熱管から流出した混合水を前記給水と前記循環水に分岐する分岐管と、を有する、請求項6に記載のソーラー発電給湯システム。
  8. 前記配管は、前記給水が独立して流れる給水伝熱管と、前記循環水が独立して流れる循環水伝熱管と、を有する、請求項6に記載のソーラー発電給湯システム。
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