JP2023036300A

JP2023036300A - 太陽電池用熱交換器及びこの太陽電池用熱交換器を備えた太陽電池、並びに熱交換システム

Info

Publication number: JP2023036300A
Application number: JP2021143282A
Authority: JP
Inventors: 喜代美今; Kiyomi Kon
Original assignee: Riviera Co Ltd
Current assignee: Riviera Co Ltd
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2023-03-14

Abstract

【課題】太陽電池セルの冷却や、太陽電池の表面側の積雪の除去等を効率的に行うことができる。【解決手段】太陽電池セル１ａの少なくとも一部を表面側から覆う形状であって、流体注入口２ｄ１と流体排出口２ｄ２の間に流体流通路Ｓを有する中空状に形成され、太陽光を流体流通路Ｓに透過させて太陽電池セル１ａに照射する透光部を有し、流体注入口２ｄ１から注入される透明又は透光性の熱媒体流体が流体排出口２ｄ２から排出されるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池セルと熱交換を行う太陽電池用熱交換器、及びこの太陽電池用熱交換器を備えた太陽電池、並びに熱交換システムに関するものである。

従来、この種の発明には、例えば特許文献１に記載されるように、太陽電池と、太陽電池の裏側に設けられた集（放）熱管とを備え、前記集（放）熱管に熱媒体流体を流通させるようにした屋根融雪兼用太陽エネルギー収集装置がある。
そして、この従来技術には、太陽電池の温度上昇を抑え変換効率を高く維持しつつ同時に熱エネルギーを収集し、積雪があった場合にはこれを融解除去する点について記載がある。

特開平０８－９４１８９号公報特開２０２１－８５６１６号公報

しかしながら、上記従来技術では、パネル状の太陽電池の裏側に、集（放）熱管を設けているため、例えば、集（放）熱管の冷熱により太陽電池を冷却しようとした場合、太陽電池裏面側の電子回路は電気配線や、支持パネル等に冷熱を奪われてしまい、太陽電池セルを効率よく冷却できない場合がある。
また、太陽電池の表面側に積雪した雪を、集（放）熱管の温熱により融雪除去しようとした場合にも、温熱が太陽電池の表面側に効率的に伝達せずに、融雪に時間がかかる場合がある。

このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
太陽電池セルの少なくとも一部を表面側から覆う形状であって、流体注入口と流体排出口の間に流体流通路を有する中空状に形成され、太陽光を前記流体流通路に透過させて前記太陽電池セルに照射する透光部を有し、前記流体注入口から注入される透明又は透光性の熱媒体流体が前記流体排出口から排出されるようにしたことを特徴とする太陽電池用熱交換器。

本発明は、以上説明したように構成されているので、太陽電池セルの冷却や、太陽電池の表面側の積雪の除去等を効率的に行うことができる。

本発明に係る太陽電池用熱交換器の一例を示す斜視図である。同太陽電池用熱交換器を示す平面図である。同太陽電池用熱交換器を具備した太陽電池の一例を示す側面図であり、要部を切欠して内部構造を示している。本発明に係る太陽電池用熱交換器の他例を示す斜視図である。

本実施の形態では、以下の特徴を開示している。
第１の特徴は、太陽電池用熱交換器であって、太陽電池セルの少なくとも一部を表面側から覆う形状であって、流体注入口と流体排出口の間に流体流通路を有する中空状に形成され、太陽光を前記流体流通路に透過させて前記太陽電池セルに照射する透光部を有し、前記流体注入口から注入される透明又は透光性の熱媒体流体が前記流体排出口から排出されるようにした（図１～図４参照）。

第２の特徴は、太陽電池セルの表面に沿う中空板状に形成されている（図１～図４参照）。

第３の特徴は、太陽電池セルの表面に沿う裏側板部と、前記裏側板部に対し厚さ方向に間隔を置いた表側板部とを備え、前記裏側板部と前記表側板部は、前記透光部を構成するとともに、これらの間に前記流体流通路を形成している（図１～図４参照）。

第４の特徴は、前記熱媒体流体として、前記太陽電池セルの温度よりも低い温度の流体を用いる。

第５の特徴は、前記熱媒体流体として、積雪の温度よりも高い温度の流体を用いる。

第６の特徴として、上記太陽電池用熱交換器を太陽電池セルの表面側に一体的に具備して太陽電池を構成した（図３参照）。

第７の特徴は、上記太陽電池用熱交換器又は上記太陽電池を用いた熱交換システムであって、前記流体排出口から排出される熱媒体流体について熱交換した後に前記流体注入口へ戻す熱交換流路を具備している（図１参照）。

＜具体的実施態様＞
次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る太陽電池用熱交換器を備えた熱交換システムＡの一例を示す。
この熱交換システムＡは、建物の屋根等に敷設され固定されたパネル状の太陽電池１と、この太陽電池１における太陽電池セル１ａを表面側から覆う太陽電池用熱交換器２と、太陽電池用熱交換器２の流体排出口２ｄ２から排出される一次熱媒体流体について熱交換した後に流体注入口２ｄ１へ戻す熱交換流路３とを具備する。

太陽電池１は、矩形板状の基板に多数の太陽電池セル１ａを格子状に配設し、その表面を保護ガラスによって覆うとともに周囲をフレームで支持するようにして構成される。太陽電池セル１ａの裏側には、複数の太陽電池セル１ａ間を電気的に接続する電気配線や、各種電子回路、出力用の電力電線等が設けられる。
この太陽電池１は、多数の太陽電池セル１ａによって発生した電力を、前記電力電線を介して外部出力するものであり、太陽光発電パネル等を含むものである。

太陽電池用熱交換器２は、複数の太陽電池セル１ａの少なくとも一部（図示例によれば全部）を表面側から覆う形状であって、流体注入口２ｄ１と流体排出口２ｄ２の間に流体流通路Ｓを有する中空状に形成され、太陽光を流体流通路Ｓに透過させて太陽電池セル１ａに照射する透光部Ｘを有し、流体注入口２ｄ１から注入される透明又は透光性の一次熱媒体流体が流体排出口２ｄ２から排出されるようにしている。

詳細に説明すれば、図示例の太陽電池用熱交換器２は、複数の太陽電池セル１ａの表面に沿う裏側板部２ａと、裏側板部２ａに対し厚さ方向に間隔を置いた表側板部２ｂと、これら裏側板部２ａ及び表側板部２ｂの全周を覆う周壁部２ｃと、周壁部２ｃに設けられた流体注入口２ｄ１及び流体排出口２ｄ２とを備える。

裏側板部２ａ及び表側板部２ｂは、透光部Ｘを構成し、これらの間に、流体注入口２ｄ１及び流体排出口２ｄ２に連通する流体流通路Ｓを形成している。

裏側板部２ａと表側板部２ｂの各々は、例えば、ポリカーボネート板やアクリル板等の硬質材料から矩形平板状に形成される。
これら裏側板部２ａ及び表側板部２ｂは、本実施態様の好ましい一例によれば、透明の材料から形成されるが、他例としては、色付き透明や、半透明等の透光性の材料から形成することも可能である。
裏側板部２ａと表側板部２ｂは、その全面にわたる範囲が、太陽光を透過可能な透光部Ｘになっている。

裏側板部２ａは、太陽電池セル１ａ表面に沿うようにして太陽電池セル１ａと略平行に配設されるとともに、太陽電池１の最表面側を構成する部材（例えば、保護ガラスや透明カバー等）に対し、接触又は近接するように重ね合わせられる。

周壁部２ｃは、裏側板部２ａ及び表側板部２ｂの四辺側を接続している四枚の板状部材である。これら周壁部２ｃ、裏側板部２ａ及び表側板部２ｂは、一体の中空板状（別表現をすれば、薄肉な矩形箱状）に構成される（図１参照）。
この周壁部２ｃは、裏側板部２ａ及び表側板部２ｂと同様の透明の硬質材料から形成してもよいし、有色の硬質材料から形成してもよい。

流体注入口２ｄ１と流体排出口２ｄ２は、それぞれ、円筒状の管材であり、その内部空間を、裏側板部２ａと表側板部２ｂの間の空間（流体流通路Ｓ）に連通するようにして、周壁部２ｃに接続される。
流体注入口２ｄ１は、周壁部２ｃの一方（図示例によれば左側）の側面における上端寄りに位置する。流体排出口２ｄ２は、同周壁部２ｃの他方（図示例によれば右側）の側面における下端側に位置する。

熱交換流路３は、流体排出口２ｄ２と流体注入口２ｄ１の間を配管で接続して循環流路を形成するとともに、この循環流路中に、第一の貯溜部２３と、熱交換器２４と、第二の貯溜部２５と、ポンプ２６とを具備している。

前記循環流路を循環する前記一次熱媒体流体は、透明または透光性の防食不凍液であり、ブライン等と呼称される場合もある。この一次熱媒体流体には、例えばエチレングリコール等を主成分としたブライン不凍液を用いればよいが、水やその他の液体を用いることも可能である。
この一次熱媒体流体は、太陽電池用熱交換器２を太陽電池１の冷却に用いる場合、太陽電池セル１ａの温度よりも低い温度の流体を用いる。
また、この一次熱媒体流体は、太陽電池用熱交換器２を融雪に用いる場合、積雪の温度よりも高い温度の流体を用いる。
この一次熱媒体流体は、太陽電池用熱交換器２内の空間Ｓを、略満水状態で流通する。

第一の貯溜部２３は、流体導入口と流体排出口を有するタンク状に構成され、流体排出口２ｄ２側から導入される一次熱媒体流体を一時貯溜した後、熱交換器２４へ流通させる。
この第一の貯溜部２３によれば、熱交換器２４へ流通する一次熱媒体流体の流量を略一定に維持することができる。

熱交換器２４は、一次熱媒体流体を流通する一次側流路２４ａと、二次熱媒体流体を流通する二次側流路２４ｂとをそれぞれ独立した流路として備え、一次熱媒体流体と二次熱媒体流体の熱交換を行う。この熱交換器２４には、例えば、周知のシェルアンドチューブ式熱交換器やプレート式熱交換器等を用いればよい。

熱交換器２４の一次側流路２４ａを通過した一次熱媒体流体は、第二の貯溜部２５に流入する。
第二の貯溜部２５は、流体導入口と流体排出口を有するタンク状に構成され、熱交換器２４側の配管から導入される一次熱媒体流体を一時貯溜した後、吐出する。そして、この第二の貯溜部２５から吐出される一次熱媒体流体は、ポンプ２６及び配管等より流体注入口２ｄ１へ強制搬送される。
この第二の貯溜部２５によれば、熱交換器２４によって熱交換された熱媒体流体を、略一定な流量に維持して流体注入口２ｄ１へ戻すことができる。

熱交換器２４の二次側流路２４ｂを流れる二次熱媒体流体は、例えば、特許文献２記載の熱利用装置によって地下水と熱交換した熱媒体流体とすることが可能である。
このようにすれば、夏場は、比較的温度の低い地下水により二次熱媒体流体を冷却し、さらにこの二次媒体流体により、太陽電池用熱交換器２を流れる一次媒体流体を冷却することができる。
また、冬場は、比較的温度の高い地下水により二次熱媒体流体を加熱し、さらに、この二次媒体流体により、太陽電池用熱交換器２を流れる一次媒体流体を加熱して、太陽電池用熱交換器２上の積雪を融かすことができる。

なお、他例としては、二次熱媒体流体を水とし、そのまま温水として用いたり、さらに加熱して給湯用給水として用いたり、他の利用側機器（例えば、図示しないヒートポンプ機器等）の熱源として用いたりすることが可能である。
また、二次熱媒体流体は、図示しない貯溜タンク等に蓄えておき、必要に応じて利用することも可能である。

よって、上記構成の太陽電池用熱交換器２及び熱交換システムＡによれば、太陽光は、透光性の表側板部２ｂ、一次熱媒体流体、及び裏側板部２ａ等を透過して、複数の太陽電池セル１ａを照射する。このため、太陽電池１による電力を得ることができる。
しかも、流体流通路Ｓを流れる一次熱媒体流体を冷水とすれば、この冷水による冷熱を、裏側板部２ａ等を介して太陽電池セル１ａに熱伝達することができ、このことにより、太陽電池セル１ａを効率的に冷却でき、ひいては、太陽電池セル１ａの温度上昇による変換効率の低下を抑制して、効率的な太陽光発電を行うことができる。

また、冬場等に太陽電池用熱交換器２上に積雪や結露水の凍結等があった場合には、流体流通路Ｓに一次熱媒体流体としての温水を流して、太陽電池用熱交換器２上の雪や氷等を効率的に溶かすことができ、ひいては、太陽電池用熱交換器２上の氷雪等により太陽光が遮られて太陽電池セル１ａに達しないようなことを防ぐことができる。

また、太陽熱や太陽電池セル１ａの熱を太陽電池用熱交換器２によって集めることができ、これらの熱を、熱交換流路３に流通させて熱利用することができる。

また、上記構成の太陽電池用熱交換器２は、既設の太陽電池１に対し、太陽電池用熱交換器２を、容易に後付けすることができ、施工性に優れている。

＜変形例＞
以下に示す変形例は、上記実施態様の一部を変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、略同様の部分には同一の符号を付けて詳細説明を省略する。

上記熱交換システムＡは、先に設置された太陽電池１の上面に太陽電池用熱交換器２を後付けすることを想定しているが、他例としては、上記構成の太陽電池用熱交換器２を、予め、太陽電池セルの表面側に一体的に接続して太陽電池を構成することも可能である。

図３に示す太陽電池Ｂは、上記構成の太陽電池１の表面に、太陽電池用熱交換器２を重ね合わせて接続してなり、冷却機能付きの太陽電池である。
この太陽電池Ｂにおいて、太陽電池１と太陽電池用熱交換器２は、略同じ大きさの平面視矩形状に形成される。

太陽電池１と太陽電池用熱交換器２を接続する手段は、ねじ止めや、溶接、接着等とすればよい。この接続手段は、太陽電池セル１ａを避けた位置（例えば、端部枠側等）に設けられる。

よって、図３に示す太陽電池Ｂによれば、建物の屋根や屋上、駐車場、空地、その他の平面や斜面等に敷設して、効率的に太陽光発電を行うことができる。

また、上述した熱交換システムＡにおいては、太陽電池用熱交換器２を、図４に示す太陽電池用熱交換器２’に置き換えることが可能である。
太陽電池用熱交換器２’は、上記構成の太陽電池用熱交換器２の内部に、複数の案内壁２ｅを付加して、これら案内壁２ｅによって流体注入口２ｄ１から流体排出口２ｄ２へ案内される流体流通路Ｓ’を蛇行状に形成したものである。

各案内壁２ｅは、左右方向へわたる長尺板状の部材であり、その長手方向の一端部を周壁部２ｃ内面に接続するとともに、他端部を周壁部２ｃ内面に対し離隔し、前記一端部と前記他端部の間の二つの辺部を、それぞれ裏側板部２ａ内面と表側板部２ｂ内面に接続している。
隣接する二つの案内壁２ｅは、図４に示すように、左右にずれて配置される。これによって、流体流通路Ｓ’が平面視略蛇行状に形成される。

よって、太陽電池用熱交換器２’によれば、一次熱媒体流体を蛇行状の流体流通路Ｓ’に流通させることで、一次熱媒体流体の熱を裏側板部２ａの全面にむらなく伝達することができ、ひいては複数の裏側板部２ａに対する熱伝達性能を向上することができる。

上記実施態様によれば、左右方向の一方側における上側に流体注入口２ｄ１を設け、他方側における下側に流体排出口２ｄ２を設けたが、他例としては、下側に流体注入口２ｄ１を設け上側に流体排出口２ｄ２を設けた態様や、流体注入口２ｄ１と流体排出口２ｄ２の両方を前記一方側又は前記他方側に設けた態様等とすることも可能である。

また、太陽電池用熱交換器２’内の流体流通路Ｓ’は、図示例では、上から下へ向かう蛇行状としたが、他例としては、下から上へ向かう蛇行状や、左右方向の一方から他方へ向かう蛇行状とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、太陽電池用熱交換器２，２’を中空板状に形成したが、他例としては、透明パイプを蛇行状に曲げた態様や、流体注入口２ｄ１から流入する一次熱媒体流体を分配管により複数の透明パイプに分配し、この後、これら複数の透明パイプの出口側を集合管により合流して流体排出口２ｄ２から吐出する態様等、図示例以外の態様とすることも可能である。

また、上記実施態様によれば、特に好ましい一例として、裏側板部２ａ及び表側板部２ｂの全範囲を透光部Ｘとしたが、他例としては、裏側板部２ａ及び表側板部２ｂの一部に、太陽光を透過させて太陽電池セル１ａへ照射する透光部Ｘを設け、他の部分を透光性でない構成とすることも可能である。

本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

１：太陽電池
１ａ：太陽電池セル
２：太陽電池用熱交換器
２ａ：裏側板部
２ｂ：表側板部
２ｃ：周壁部
２ｄ１：流体注入口
２ｄ２：流体排出口
３：熱交換流路
Ａ：熱交換システム
Ｂ：太陽電池
Ｘ：透光部

Claims

太陽電池セルの少なくとも一部を表面側から覆う形状であって、流体注入口と流体排出口の間に流体流通路を有する中空状に形成され、太陽光を前記流体流通路に透過させて前記太陽電池セルに照射する透光部を有し、前記流体注入口から注入される透明又は透光性の熱媒体流体が前記流体排出口から排出されるようにしたことを特徴とする太陽電池用熱交換器。
太陽電池セルの表面に沿う中空板状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池用熱交換器。
太陽電池セルの表面に沿う裏側板部と、前記裏側板部に対し厚さ方向に間隔を置いた表側板部とを備え、前記裏側板部と前記表側板部は、前記透光部を構成するとともに、これらの間に前記流体流通路を形成していることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池用熱交換器。
前記熱媒体流体として、前記太陽電池セルの温度よりも低い温度の流体を用いることを特徴とする請求項１～３何れか１項記載の太陽電池用熱交換器。
前記熱媒体流体として、積雪の温度よりも高い温度の流体を用いることを特徴とする請求項１～４何れか１項記載の太陽電池用熱交換器。
請求項１～５何れか１項記載の太陽電池用熱交換器を太陽電池セルの表面側に一体的に具備したことを特徴とする太陽電池。
請求項１～５何れか１項記載の太陽電池用熱交換器又は請求項６記載の太陽電池を用いた熱交換システムであって、前記流体排出口から排出される熱媒体流体について熱交換した後に前記流体注入口へ戻す熱交換流路を具備していることを特徴とする熱交換システム。