JP2020162258A - 太陽光発電パネル冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電パネルは温度により影響が出ることが知られている。特に夏場は太陽の放射熱とセル自体の電流発熱により発電量が大幅に低下する。これは半導体の性質に基づく温度特性によるものである。そこでセルの温度を下げ発電効率を上げる効率的手法はないだろうか。【解決手段】地下水や湧き水などを、ポンプによる汲み上げまたは高低差の利用で、太陽光発電パネルが設置される架台に水管を設置し、架台を直接冷やす。架台が熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属を含むとき、架台を通して表面ガラスを冷却することにより、全体のセルを冷却できる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電パネル冷却システムに関する。

自然エネルギーを利用した発電方法の１つである太陽光発電は、パネル温度の上昇により発電量が低下する、という特徴を有する。太陽光発電におけるパネル温度の上昇の一因は、直射日光である。直射日光は、可視光線のみならず、近赤外線を含む赤外線を含むため、熱吸収によりパネル温度を上昇させる。よって、当該熱吸収の防止もしくはパネル冷却が、発電量の向上の観点において、有効となる。

特許文献１に記載の発明によると、窓ガラスに設置される太陽光発電フィルムであって、窓ガラスに接着される接着面となる粘着層を有するプラスチックフィルムと、プラスチックフィルムの裏面側に設置され、導電性高分子中に金属粉末が分散した構成を備える第１の電極と、キャリア濃度が１．０×１０＾２２／ｃｍ＾３以上の導電性金属酸化物で構成される第２の電極と、第１の電極および第２の電極の間に配置された光電変換層と、第２の電極の表面を覆う絶縁層と、を備えることを、特徴としている。しかしながら、太陽光発電パネルに係る赤外線の感度は、太陽光発電パネルに含まれる半導体材料によって異なる。例えば、非晶質シリコンに係る赤外線の感度と比べて、単結晶および多結晶シリコンに係る赤外線の感度は高い。そのため、赤外線を遮断または反射させることは、太陽光発電パネルの発電量向上の観点において、必ずしも有効ではない。

パネル表面への散水は、パネル温度を低下させる有効なパネル冷却方法として知られている。非特許文献１に記載の報告によると、外気温２５℃、日射強度１０００Ｗ／ｍ＾２の環境において、噴霧器（ＥＳＤ―５０、２５０ｃｃ）による傾斜角３０度のパネル表面への散水を行った場合、当該噴霧器による散水を行っていない場合と比較して、太陽光発電パネルの開放電圧および最大発電電力が、それぞれ、１４％および１６％、上昇している。このとき、パネル温度（セル温度）が約３０℃、低下している。

特許文献２に記載の発明によると、家屋の屋根や屋根に設置した太陽光発電パネル装置に四季を通して散水できるように構成し、冷却効果と洗浄及び消雪ができるオールシーズン型の散水装置が、報告されている。しかしながら、散水を利用した太陽光発電パネル冷却システムでは、散水により発生する水垢の除去方法を検討する必要がある（非特許文献１）。パネル表面への散水により生じる気化熱を利用した放熱効果に基づく冷却システムは、当該散水によりパネル表面に係る光線の透過性が損なわれる、という欠点を有する。特許文献２に記載の発明では、散水に利用される水道水などに含まれるミネラル分が、水垢として太陽光発電パネルに付着し、当該透過性に悪影響を及ぼす。そのため、パネル温度を下げることはできるが、結果として、発電量が損なわれる恐れがある。

特許第６０７２５８６号公報 特開２０１６―８９４９１号公報

山岸航他，"建築的手法による太陽光発電パネルの発電出力向上のための研究開発"，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集（平成１８年），ｐｐ．６９９―７０２，（２００６）．

前述したとおり、太陽光発電は、パネル温度の上昇により発電量が低下する。特に夏場は、直射日光によるパネル温度の上昇が顕著となり、発電量が大幅に低下する。そのため、パネル温度を下げ発電量を向上する、冷却システムが要される。

太陽光発電システムは、太陽光発電パネルのみならず、架台を含むパネル周辺の構造を備え、それらは熱接続される。そのため、パネル以外においても、パネル冷却のための熱交換を行える余地が残されている。架台などの周辺の構造を用いた熱交換であれば、パネル交換時に熱交換のための調整を省ける場合があるため、太陽光発電システムの運用コストを抑えることができる。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、太陽光パネルの温度を下げ、太陽光発電量を向上することを、解決すべき課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、太陽光発電パネル冷却システムであって、少なくとも縦材、横材および脚柱材を備える、架台と、架台の少なくとも一部と熱接続する、パネルと、架台の少なくとも一部と熱接続する、水管網と、水管網と接続し、水管網への水輸送を行う、給水系統と、を備える。本発明によると、パネルの熱を架台に逃し、直射日光を回避できる水管網による熱交換を実施できる。

本発明の好ましい形態では、水管網は、１の水管からなる。本発明によると、水管網の配置を単純化できる。

本発明の好ましい形態では、水管網は、少なくとも縦材および横材のそれぞれと、並設される。本発明によると、架台における水管網の配置を最適化できる。

本発明の好ましい形態では、給水系統は、自然流下による地表水の水輸送を行う。本発明によると、パネル冷却のための水輸送を、消費電力ゼロで実現できる。

本発明の好ましい形態では、給水系統は、揚水装置による地下水の水輸送を行う。本発明によると、季節によらず温度が一定となる地下水を用いることで、効率的な冷却に寄与できる。

本発明によると、太陽光パネルの温度を下げ、太陽光発電量を向上することができる。
また、地下水や湧き水などを、ポンプによる汲み上げまたは高低差の利用で、太陽光発電パネルが設置される架台に水管を設置し、架台を直接冷やす。架台が熱伝導率の高いアルミニウムなどの金属を含むとき、架台を通して表面ガラスを冷却することにより、全体のセルを冷却できる。

本発明の実施形態に係る水管網および架台の正面斜視図および背面斜視図の例図である。 本発明の実施形態に係る水管網、架台および結束具の拡大図と、水管網、架台および水管支持具の拡大図と、の例図である。 本発明の実施形態に係る水管網および架台の背面図の例図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係るシステムについて説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明を以下の実施形態に限定するものではなく、様々な構成を採用できる。

システムは、架台２０と、パネル１０と、水管網４０と、給水系統５０と、を備える。

パネル１０は、熱源を有する。パネル１０は、直射日光に起因し高温になった表面ガラスを有する。システムにおける熱の伝播経路は、主として、パネル１０および架台２０間、および、架台２０および水管網４０間において、形成される。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示す通り、架台２０は、パネル１０を支持する。架台２０およびパネル１０のそれぞれの少なくとも一部は、熱接続される。本実施形態における熱接続は、大気を介さない熱の伝播経路が形成されるような接続を指す。

架台２０は、前後方向１００に所定間隔毎に互いに平行に配設される横材２３と、横材２３と直交し横材２３を下面側から支持する縦材２４とを設ける。横材２３および縦材２４は、平面格子状に組み合わされる。

架台２０は、縦材２４の下面に固定自在に設置され縦材２４の長さ方向に可動する上部連接具と、上部連接具に設置され縦材２４の長さ方向に対して回動自在である脚柱材２１と、基礎３０の上端に固定自在に設置され脚柱材２１の設置に用いられる下部連接具とを設ける。

１以上の脚柱材２１は、前後方向１００および左右方向に所定間隔毎に互いに平行に配設される。このとき、縦材２４は、前後方向１００に配設された１以上の脚柱材２１のそれぞれと、上部連接具を介して連接する。なお、脚柱材２１の延伸方向は、上下方向２００である。異なる長さを有する脚柱材２１が前後方向１００に配設されることで、架台２０が支持するパネル１０に対し傾斜角が付与される。

架台２０は、前後方向１００に配設された脚柱材２１間に配設される斜桁材２２を備える。斜桁材２２は、上部連接具および下部連接具のそれぞれに回動自在に設置される。

脚柱材２１、斜桁材２２、上部連接具および下部連接具のそれぞれは、図示しないが、取付孔と、取付孔と締結する取付ボルトと、取付ボルトと締結する取付ナットと、を有する。脚柱材２１ならびに斜桁材２２は、取付孔、取付ボルトおよび取付ナットの一体化により、設置される。

横材２３および縦材２４のそれぞれは、図示しないが、上面中央部に、全長に亘り一定の幅および深さを有する凹溝を、設ける。

横材２３および縦材２４のそれぞれは、側面の少なくとも１つにおいて、凹溝を設けてよい。また、脚柱材２１および斜桁材２２は、片側面または両側面において、凹溝を設けてよい。

横材２３および縦材２４のそれぞれは、図示しないが、凹溝の上部に、水平に突出し一定の幅を有する上部突片を、全長に亘り設ける。

横材２３および縦材２４のそれぞれは、図示しないが、下面端部に、上方に向けてその一部が屈折し一定幅を有する下部突片を、全長に亘り設ける。

架台２０は、図示しないが、横材２３および縦材２４を挟着するための縦横固定具を設ける。

縦横固定具は、図示しないが、横材２３の下部突片および縦材２４の上部突片を締結する第１の挟着片と、第１の挟着孔に締結される第１の挟着ボルトと、第１の挟着ボルトと締結する第１の挟着ナットと、を備える。

架台２０は、図示しないが、パネル１０を横材２３に固定するためのパネル１０固定具を設ける。

パネル１０固定具は、図示しないが、横材２３の端部上面およびパネル１０の端部を締結する第２の挟着片と、第２の挟着孔に締結される第２の挟着ボルトと、第２の挟着ボルトと締結する第２の挟着ナットと、を備える。第２の挟着片の少なくとも一部は、横材２３の上部突片と当接する。

架台２０は、図示しないが、一方の端部が地中に設置されもう一方の端部が架台２０と接続されるアース線を、設ける。

架台２０の各部材は、押出成形されたアルミニウム材であり、腐食防止を目的とした表面処理が行われてよい。

２以上の横材２３は、図示しないが、横材２３の延伸方向に対し連結具を介して締結される。

２以上のパネル１０は、好ましくは、空隙を排しながら架台２０に設置される。

架台２０は、各部材間において、熱伝導体が挿入されてよい。これにより、架台２０における熱抵抗を低減できる。

熱伝導体は、例として、鉛などの可撓性を有する高熱伝導率金属材料からなる平面体や、グリースなどの潤滑剤が挙げられる。

グリースは、銀、銅、アルミニウム、金属酸化物、カーボン、炭化物を含むフィラーが添加されてよい。

架台２０が設置される基礎３０は、好ましくは、スクリュー杭であり、その一部が地中に設置される。これにより、架台２０および地中間において熱の伝播経路が形成される。

本実施形態では、熱源としての電力変換装置が脚柱材２１の少なくとも一部に設置されてもよい。電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換し、一般交流負荷または既存の電力系統に対し交流電力を供給する。このとき、架台２０は、パネル１０に加えて電力変換装置が設けられてもよい。

図２（ａ）に示す通り、結束具６１は、水管網４０を架台２０の一部に設置する。

結束具６１は、好ましくは、可撓性を有する結束バンドである。結束バンドの材料に、制限はない。

１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２のいずれかと、水管網４０と、に連接する結束具６１の数量に、制限はない。

図２（ｂ）に示す通り、水管網４０は、水管支持具６２を介して、架台２０の少なくとも一部と連接する構成としてよい。

水管支持具６２は、好ましくは、アルミニウム合金のような高熱伝導率金属材料を含む。

水管支持具６２は、１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２のいずれかに設けられた水管支持孔と、水管支持ボルトと、水管支持ナットとの一体化により、１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２のいずれかに固定自在に締結される。

１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２のいずれかに接着される水管支持具６２の数量に、制限はない。

図２（ｃ）に示す通り、水管網４０は、横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２の少なくとも１つに備えられる凹溝に設置されてよい。このとき、水管の径は、当該凹溝の溝深さを超えても超えなくともよい。

図３に示す通り、水管網４０は、横材２３および縦材２４のそれぞれと並設される。図３は、前後方向１００からみた架台２０、基礎３０および水管網４０である。

水管網４０は、さらに、脚柱材２１および／または斜桁材２２と、基礎３０と、並設される。

水管網４０は、好ましくは、１の水管からなる。水管網４０は、好ましくは、異なる２以上の水管と、当該２以上の水管を接続するための水管中継器と、を含まない。

軌跡Ａは、縦材２４の両側面と、水管網４０と、が当接する場合の水管網４０の位置軌跡を示す。軌跡Ｂは、架台２０を構成する縦材２４の片側面と、水管網４０と、が当接する場合の水管網４０の位置軌跡を示す。

水管網４０は、２次元的および／または３次元的に、一筆書き図形を示す。

水管網４０は、１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２のいずれかにおける同一の片側面において、２度以上、並設されてよい。

水管網４０は、１の横材２３、縦材２４、脚柱材２１および斜桁材２２の少なくとも１つに設置されてよい。このとき、システムは、結束具６１および水管支持具６２を、含まなくてよい。

水管網４０の端部の１つは、給水系統５０または水源５１と接続しなくてよい。

給水系統５０は、水管網４０の少なくとも一方の端部および水源５１と接続され、水管網４０への水輸送を行う。本実施形態における水輸送は、架台２０との熱交換の効率化のために行われる。

水源５１は、好ましくは、地表水および／または地下水を含む。水源５１は、自然物に限らず、配水池のような人工物であってもよい。

給水系統５０は、自然流下による地表水の水輸送を、水管網４０に対し行う。地表水は、例として、湧水や、湖水や、川の水などである。

給水系統５０は、架台２０の位置より高所に在する水源５１と、接続される。このとき、水管網４０および給水系統５０は、１の水管からなってよい。

給水系統５０は、揚水装置による地下水の水輸送を、水管網４０に対し行う。地下水は、好ましくは、自由地下水などの不圧地下水である。

揚水装置は、一例として、インバータポンプである。

揚水装置は、パネル１０との電気的接続がなされ、少なくともパネル１０により得られた電力を、電力源とする。このとき、パネル１０および揚水装置は、直交流電流を変換するための電力変換装置を介する。

揚水装置は、水中ポンプ、有孔管、井戸用鞘管、吸上管、バルプ、逆流防止バルブおよび圧力計などを備えてよい。

架台２０は、架台２０の温度をモニタリングするための温度測定器を備えてよい。

温度測定器は、演算装置、主記憶装置、補助記憶装置、測定装置および通信装置を備える。

温度測定器は、パネル１０または架台２０の温度情報を給水系統５０または給水系統５０を制御するコンピュータ装置に送信する。

揚水装置は、温度情報に基づくフィードバック処理などにより、給水圧の調整を含む出力調整がなされてよい。

本発明の一実施形態では、架台の各部材は、中空構造を有するパイプ材であり、内部空間を有する。このとき、当該各部材は、当該内部空間が接続されるよう設置される。また、このとき、当該各部材は、水管及び水管網として機能する。なお、当該各部材の内部に形成される、内部空間の全体において水輸送が行われることは、勿論である。

本発明によると、太陽光発電パネルの温度を下げ、太陽光発電量を向上できる。

１０ パネル
２０ 架台
２１ 脚柱材
２２ 斜桁材
２３ 横材
２４ 縦材
３０ 基礎
４０ 水管網
５０ 給水系統
５１ 水源
６１ 結束具
６２ 水管支持具
１００ 前後方向
２００ 上下方向
Ａ、Ｂ 軌跡

Claims (5)

1. 太陽光発電パネル冷却システムであって、
   少なくとも縦材、横材および脚柱材を備える、架台と、
   前記架台の少なくとも一部と熱接続する、パネルと、
   前記架台の少なくとも一部と熱接続する、水管網と、
   前記水管網と接続し、前記水管網への水輸送を行う、給水系統と、を備える、
   太陽光発電パネル冷却システム。
2. 前記水管網は、１の水管からなる、
   請求項１記載の太陽光発電パネル冷却システム。
3. 前記水管網は、少なくとも前記縦材および横材のそれぞれと、並設される、
   請求項１または２記載の太陽光発電パネル冷却システム。
4. 前記給水系統は、自然流下による地表水の水輸送を行う、
   請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光発電パネル冷却システム。
5. 前記給水系統は、揚水装置による地下水の水輸送を行う、
   請求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電パネル冷却システム。