JP2649906B2 - 太陽熱集熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽熱の利用シス
テムで使用する太陽熱集熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】住宅の南側に大きな開口部を取って冬の
日射を大量に取入れ、夏にはその一部を開け放って通風
を図ることは古くから行われていることである。これを
一歩進めて、居室の外側にサンルームを作り、これを温
室としてここから居室へ温められた空気を取入れること
も行われている。これを合理的に推進させ、方位に限定
されず、太陽光により集熱した空気を効果的に利用でき
るソーラーシステムハウスを出願人は先に提案し、出願
した。特願昭61-311485 号（特開昭63-165633 号公
報）、特願昭62-234666 号（特開昭64-75858号公報）が
それである。

【０００３】図16についてその概略を説明すると、太陽
熱集熱部として、カラー鉄板等の金属製屋根板１の直下
に屋根勾配を有する空気流路２を形成し、この空気流路
２の一端は軒先等（小屋裏の場合もある）に外気取入口
３として開口し、他端は断熱材による集熱ボックスとし
ての棟ダクト４に連通させる。

【０００４】図17に太陽熱集熱部を更に詳細に説明する
と、カラー鉄板等の金属製屋根板１の直下に形成する屋
根勾配を有する空気流路２の下側面はグラスウール等を
敷き詰めた断熱層22として構成し、また、屋根の一部は
ガラス23で覆うようにした。このガラス23は外部風が強
い場合などにこの風が金属製屋根板１が太陽熱で加熱さ
れるのを冷却により阻害するのを防止する。

【０００５】内部に逆流防止ダンパー６、ファン７及び
流路切換えダンパー８を設け、該流路切換えダンパー８
の流出側の一方は排気ダクト９により屋外に開口するハ
ンドリングボックス５を屋根裏空間である小屋裏22に設
置し、このハンドリングボックス５の逆流防止ダンパー
の流入側を前記棟ダクト４に連通させ、流路切換えダン
パー８の流出側の一方を立下りダクト10の上端に連結す
る。立下りダクト10の下端は蓄熱・放熱部としての蓄熱
土間コンクリート11と床パネル12との間の空気流通空間
13に開口し、該空気流通空間13から室内への床吹出口14
を設けた。

【０００６】なお、前記のごとくハンドリングボックス
５の逆流防止ダンパー６の流入側は棟ダクト４に接続さ
れるが、この逆流防止ダンパー６の流入側は天井等で室
内に開口する循環用ダクト19にも接続され、該逆流防止
ダンパー６はこの棟ダクト４側と循環用ダクト19側との
流路を切り換える流路切換えダンパーとして構成する。
また、この循環用ダクト19が開口する吸込口20を設ける
部屋はこれが２階であれば、前記室内への床吹出口14を
設けた床パネル12がある１階に部屋とは吹き抜け構造と
して空気が自由に流れるようにすることが望ましい。

【０００７】ハンドリングボックス５内で、逆流防止ダ
ンパー６とファン７との間にお湯とりコイル15を設け、
このお湯とりコイル15は循環配管16で貯湯槽17と連結
し、該貯湯槽17には、追焚き用の給湯ボイラー18を途中
へ設けて、風呂や洗面所、台所へとつながる給湯配管21
を接続する。

【０００８】このようにして、太陽光で加熱された金属
板である屋根板１が、空気流路２へ入った外気を温め、
この温められた空気は屋根勾配に沿って上昇する。そし
て、この加熱空気は棟ダクト４に集められてからファン
７によりハンドリングボックス５に入り、ハンドリング
ボックス５から立下りダクト10内を流下し、蓄熱土間コ
ンクリート11と床パネル12との間の空気流通空間13へ入
る。この空気流通空間13では加熱空気が床パネル12を介
して直接床面下を温めるのと、蓄熱土間コンクリート11
に蓄熱させるのと、床吹出口14から温風として直接室内
へ吹出されるのとの３通りの暖房作用を行う。

【０００９】一方、お湯とりコイル15で、ここに循環配
管16を介して貯湯槽17から送り込まれる水が加熱され、
湯として貯湯槽17へ蓄えられ、さらにここから必要に応
じて追焚き用の給湯ボイラー18で再加熱されて給湯配管
から各所へ給湯される。

【００１０】ところで、夏季等高温時で暖房の必要のな
い季節では屋根板１で温められた加熱空気は全部外気に
放出して捨てることが必要となる。その場合は流路切換
えダンパー８で流出側の一方である立下りダクト10側を
閉塞し、流出側の他の一方である排気ダクト９側を開放
すれば、ハンドリングボックス５から加熱空気は排気ダ
クト９を介して屋外へ捨てられる。なお、加熱空気はハ
ンドリングボックス５を通ることでお湯とりコイル15の
加熱は行うので、夏季等高温時でも太陽熱利用で湯が得
られることは確保できる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般に太陽熱をより大
きく集熱するには、集熱面積を増やすか、太陽光の直達
日射をより直角に受光するか、また集熱板からより大き
な熱を熱交換できるようにするかどうかが必要になる。

【００１２】前記図16、図17の例では、屋根板１を集熱
板とするものであるが、集熱面積を増やすことは建物面
積に制約されコストアップの要因になり、さらに、太陽
光を直角に受光することは、集熱面が設計の制約や美観
上からくる屋根勾配に大きく依存するために、冬季の太
陽高度が低い地域においては、集熱効率が大きく低下す
ることが問題であった。

【００１３】また、図16、図17に示すソーラーシステム
ハウスでは、集熱は太陽の光で行う省エネルギーシステ
ムであるが、ファン７の駆動やダンパーの開閉制御に電
気を消耗する。この電気を太陽電池による太陽光発電で
賄うようにすれば、より太陽エネルギーを有効利用した
省エネルギーシステムのものとなる。

【００１４】しかし、太陽電池の設置場所としては一番
太陽光を受け易い屋根の上を選択するとこの太陽電池が
屋根板１を温める太陽光を遮ることになり、折角の集熱
作用を阻害してしまう。

【００１５】一方、地上その他に太陽電池を設置するの
ではスペースの確保が困難であり、また、架台の設置工
事などのコストも付加される。さらに、太陽電池は屋外
に直接設置するため、紫外線や大気汚染物質から保護す
る必要があり、ガラスや透光樹脂層で被覆しなければな
らず、コストアップの要因となっている。

【００１６】本発明の目的は前記従来例の不都合を解消
するもので、太陽光をなるべく直角に受光するようにし
て集熱効率を向上させることができる太陽熱集熱装置を
提供することにある。また、太陽電池の特別な設置場所
も必要なく、しかも太陽電池を紫外線や大気汚染物質か
ら保護でき、しかも、太陽光による屋根板の加熱を阻害
することもなく、また、太陽電池の設置工事にかかる費
用を省くことができ、高所作業である屋根工事を簡素化
し、ユニットを設置するだけで簡単に施工が可能となる
太陽熱集熱装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、周囲を枠組み、底板を設けたケースで、また
上面開放部を天板としてのガラス等の透光板で閉塞した
密閉偏平箱型ケースのユニットであり、内部の四周囲お
よび底部をグラスウール等の断熱材で囲撓して集熱箱と
し、該ユニットの前後方向の一端付近で底板に空気取入
れ口を設け、また、同じく前後方向の一端付近で側方に
空気の排出口を形成し、さらに排出口に連通させてダク
トを設け、透光板の下に集熱板を配置し、集熱板と断熱
材との間に通気層を設ける太陽熱集熱装置において、底
部の断熱材上にユニットの前後方向にフラットバーを配
置し、このフラットバーの上にアングル状の支持金物を
立ち上げ、下部が垂直、上部が傾斜する折り曲げバーか
らなり、下部の一部を水平に切り起こしてフラットバー
の上への止め板とした抵抗板を、フラットバーに対して
直交するように掛け渡すことでユニットの幅方向に配置
し、また、ユニットの前後方向では適宜の間隔で並べ、
鋼板からなり、空気流れ方向に対し、上昇する傾斜板
と、その端が下降するように折れ曲がる端板からなる形
状を連続的に繰り返す階段状の凹凸に形成した集熱板の
下向の端板を前記支持金物に重ねて固定することで複数
枚が階段状に連続性を保つように配設し、通気層に面す
る集熱板の表面に空気流れ方向を長さ方向とする金属等
のフィンを設け、アモルファスシリコン太陽電池の上面
に充填材を介して樹脂コーティングとしてのフッ素系樹
脂を積層させて太陽電池モジュールとして集熱板を形成
することで集熱板の一部または全部を太陽電池で構成し
たこと、および、太陽電池で構成した集熱板の一部は下
流部に配置することを要旨とするものである。

【００１８】本発明によれば、例えば屋根に設置した場
合、集熱板が空気流れ方向に対し、傾斜して上昇する部
分が多く占めるので、屋根勾配よりも傾斜が急になり、
より太陽光に直交するために大きな集熱が得られること
になる。

【００１９】また、集熱板に太陽電池を用いることによ
り、集熱部の最外部には既に透光板があることから、太
陽電池の被覆も軽微でよく温風空気と発電が同時に得る
ことができる。また、通気層に面する集熱板の表面に金
属等のフィンを設けることにより、伝熱面積を増やしか
つ通気層内の空気を乱すことから平板よりも熱交換効率
を向上させることができる。

【００２０】さらに、ユニットとすることで、高所によ
る屋根工事を簡素化でき、迅速かつ簡単に設置できるの
で工費も低廉で作業の安全性も高い。また、設置場所も
自由に選定でき、ユニットとした場合にこれらを複数並
べて組み合わせるのに最適なものとなり、ダクト同士を
接続して一体性を持たせることができる。

【００２１】請求項２記載の本発明によれば、集熱板に
太陽電池を用いる場合は、集熱温度が極端に高くなると
発電効率が低下するので、下流部に用いることを優先さ
せた。この場合は集熱と同時に発電を行うので、比較的
発電効率の温度依存性の小さいアモリファスシリコン太
陽電池が適している。太陽電池を下流部に部分的に用い
た場合は、黒色鋼板よりも集熱効率が低下するので、上
流部により集熱効果の高い選択吸収板を用いることで集
熱量を補うこともできる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面について本発明の実施
の形態を詳細に説明する。図１〜図５は本発明の太陽熱
集熱装置の１実施形態を示すものである。

【００２３】図中24は周囲を枠組み、底板を設けた鉄板
製のケースで、また上面開放部を天板としてのガラス等
の透光板26で閉塞した密閉偏平箱型ケースのユニットで
あり、内部の四周囲および底部をグラスウール等の断熱
材25で囲撓して集熱箱とする。

【００２４】該ユニット24の前後方向の一端（前端部）
付近で底板に空気取入れ口30を設け、また、同じく前後
方向の一端（後端部）付近で側方に空気の排出口32を形
成し、さらにこの前後方向の一端（後端部）側方に幅方
向に延びるダクト34を設け、排出口32をこのダクト34に
連通させた。このダクト34はその左右端はユニット24の
幅よりも僅かに突出るものであり、端部には接合用フラ
ンジ34ａを形成し、また、内面は断熱材25で被覆して集
熱ボックス的なものとする。

【００２５】ユニット24内では透光板26の下方に集熱板
27を配置するが、この集熱板27は空気流れ方向に対し、
上昇する傾斜板27ａと、その端が下降するように折れ曲
がる端板27ｂからなる形状を連続的に繰り返す階段状の
凹凸に形成した。

【００２６】この集熱板27の形状は折曲げ間隔、すなわ
ち端板27ｂの相互の間隔を狭くすればするほど、より太
陽光に対し直交させることができる。この折曲げは必ず
しも直線的である必要はなく、空気流れを考慮し鋸状や
波状にすることができる。要は屋根面勾配に対しより角
度が大きくなるように成形すればよい。

【００２７】また、このように集熱板27を配置すること
で仕切られた上下の空隙は、上部空間を滞留空気層28と
し、下部空気層を通気層29として確保した。なお、図示
の例ではユニット24内の集熱板はこの階段状の凹凸に形
成した集熱板27のみとしたが、他の実施形態として平板
的な集熱板と集熱板27を組み合わせ、全集熱板の一部を
階段状の凹凸に形成した集熱板27で構成するようにして
もよい。

【００２８】先に部品について説明すると、図15は底部
の断熱材25上にユニット24の前後方向に配置するフラッ
トバー35であり、図14はこのフラットバー35の上に立ち
上げるアングル状の支持金物36である。また、図13は下
部が垂直、上部が傾斜する折り曲げバーからなる抵抗板
37で、これは下部の一部を水平に切り起こしてフラット
バー35の上への止め板としている。図15は上端を水平板
としたアルミ製アングルによるフィン38である。このフ
ィン38はアルミ以外の金属または合成樹脂でもよい。

【００２９】前記抵抗板37はフラットバー35に対して直
交するように掛け渡すことで、ユニット24の幅方向に配
置され、また、ユニット24の前後方向では適宜の間隔で
並ぶ。

【００３０】前記集熱板27は図11に示すように黒色塗装
した鋼板からなるものであるが、これは下向の端板27ｂ
を支持金物36に重ねて固定することでユニット24に収め
られ、傾斜板27ａはその先端の端板27ｂがあるのと反対
側の端部を上向きに折り曲げ、この折り曲げ部を前記支
持金物36に重ねることで複数枚が階段状に連続性を保つ
ようにできる。

【００３１】また、集熱板27の通気層29に面する下面に
は水平板部分を接合板としてフィン38を空気流れ方向を
長さ方向とするようにして取付ける。このように集熱板
27に取付けるフィン38は、熱伝導率の大きいアルミ等の
金属片が適して、おり、その形状や取付け加工について
は空気流れを疎外しないようにする必要がある。

【００３２】ステンレス薄板の表面に電極やアモルファ
スシリコン薄膜を積層し、かつ、アモルファスシリコン
太陽電池の上面に充填材を介して樹脂コーティングとし
てのフッ素系樹脂を積層させて太陽電池モジュールとし
て集熱板27を形成するようにして、集熱板27の一部また
は全部を太陽電池39で構成する。

【００３３】このように集熱板27に太陽電池39を用いる
場合は、集熱温度が極端に高くなると発電効率が低下す
るので、下流部に用いることを優先させる。

【００３４】この場合は集熱と同時に発電を行うので、
比較的発電効率の温度依存性の小さいアモリファスシリ
コン太陽電池が適している。太陽電池を下流部に部分的
に用いた場合は、黒色鋼板よりも集熱効率が低下するの
で、上流部により集熱効果の高い選択吸収板を用いるこ
とで集熱量を補うこともできる。

【００３５】また、本実施形態では集熱板27で仕切られ
た滞留空気層28と通気層29とにおいて、下部の空気層の
みに流入空気を接触させているが、集熱板27に適宜空隙
をもたせ滞留空気層28も通気層とすることができる。こ
の場合、集熱板27の両面にフィン38を取付けることがで
きる。

【００３６】図６、図７に示すように密閉偏平箱型ケー
スのユニット24は屋根31等に透光板26の面が太陽光を受
け易いように適宜に傾斜させて設置する。ユニット24内
では集熱板27が傾斜板27ａとその端が下降するように折
れ曲がる端板27ｂからなる形状を連続的に繰り返す階段
状の凹凸に形成してあるので、この傾斜板27ａは図示の
ように太陽の日射に対して直角に近いものとすることが
できる。

【００３７】また、他の実施形態として図８に示すよう
に壁33の壁面に設置することができる。また、図９に示
すように架台40と組合わせ独立した集熱ユニットとして
地面や屋上等に設置することもできる。図８、図９の場
合は図６、図７の場合に対して集熱板27は反転させた形
状となっている。

【００３８】そして１台ではなく複数台を並列させる場
合は、図３、図４に示すように接合用フランジ34ａを介
してダクト34相互を接続して一本の長いダクトを構成す
るようにする。

【００３９】図16、図17のごときソーラシステムにおい
て、屋根の太陽熱集熱部に代えて前記ユニット24を屋根
に設置し、ダクト34を直接もしくは棟ダクト４を介して
ハンドリングボックス５に連通させる。

【００４０】日射があると太陽光で熱せられて集熱板27
は高温になろうとするが、ハンドリングボックス５のフ
ァン７の吸引力で外気は空気取入れ口30からユニット24
内に入り、集熱板27から熱を得て加熱空気となる。

【００４１】その際、空気は通気層29を階段状の凹凸に
形成した集熱板27の下面に沿って流れるが、抵抗板37の
風下側では乱気流的なものとして空気溜まりを生じさ
せ、このように滞留させた空気は金属板により十分時間
をかけて加熱され、また、透光板26下では滞留空気層28
が太陽光の直射熱で加熱されることも手伝ってより効果
的に熱せられる。なお、通気層29を流れる空気は一部は
そのまま流れ、残りは前記空気溜まりに溜まったあとで
徐々に流れていく。

【００４２】すなわち、抵抗板37により集熱板27に接す
る部分の流速を速くして、金属板表面の静止空気膜を引
き流して、金属板と空気の間の熱伝達を高めるととも
に、ガラス等の透光板26面下に滞留空気層28を作ること
によって、外気に向かう熱損失を減少させる効果を持っ
ている。

【００４３】太陽光で加熱された集熱板27のうちの太陽
電池39は太陽光発電を行い、その電力はハンドリングボ
ックス５のファン７の駆動や逆流防止ダンパー６や流路
切換えダンパー８の駆動、さらに、照明や冷房等の電源
としても利用することができる。

【００４４】特に、ファン７の駆動電源としてこのアモ
ルファスシリコン太陽電池39を用いた場合は、日射が強
い場合にファン７の駆動が強くなる等の自動制御が可能
となる。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明の太陽熱集熱装
置は、従来と比べて集熱効率を高めることができ、しか
も、ユニット化すれば高所作業である屋根工事を簡素化
し、簡単に施工が可能となるものである。

【００４６】また、集熱と同時に発電も行え、太陽電池
の特別な設置場所も必要なく、本発明装置を施工するの
と同時に太陽電池の設置が完了するので太陽電池の設置
工事にかかる費用を省くことができ、しかも太陽電池を
紫外線や大気汚染物質から保護できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の太陽熱集熱装置の１実施形態を示す縦
断側面図である。

【図２】本発明の太陽熱集熱装置の１実施形態を示す要
部の縦断正面図である。

【図３】本発明の太陽熱集熱装置の複数の組み合わせを
示す平面図である。

【図４】本発明の太陽熱集熱装置の複数の組み合わせを
示す正面図である。

【図５】本発明の太陽熱集熱装置の１実施形態を示す部
分拡大縦断側面図である。

【図６】本発明の太陽熱集熱装置の第１設置例を示す側
面図である。

【図７】本発明の太陽熱集熱装置の第２設置例を示す側
面図である。

【図８】本発明の太陽熱集熱装置の第３設置例を示す側
面図である。

【図９】本発明の太陽熱集熱装置の第４設置例を示す側
面図である。

【図１０】太陽電池である集熱板の斜視図である。

【図１１】太陽電池でない集熱板の斜視図である。

【図１２】フラットバーの斜視図である。

【図１３】抵抗板の斜視図である。

【図１４】支持金物の斜視図である。

【図１５】フィンの斜視図である。

【図１６】ソーラーシステムハウスの従来例を示す縦断
側面図である。

【図１７】従来の太陽熱集熱部の縦断側面図である。

【符号の説明】

１…屋根板 ２…空気流路 ３…外気取入口 ４…棟ダクト ５…ハンドリングボックス ６…逆流防止ダ
ンパー ７…ファン ８…流路切換え
ダンパー ９…排気ダクト 10…立下りダク
ト 11…蓄熱土間コンクリート 12…床パネル 13…空気流通空間 14…床吹出口 15…お湯とりコイル 16…循環配管 17…貯湯槽 18…給湯ボイラ
ー 19…循環用ダクト 20…吸込口 21…給湯配管 22…断熱層 23…ガラス 24…ユニット 25…断熱材 26…透光板 27…集熱板 27ａ…傾斜板 27ｂ…端板 28…滞留空気層 29…通気層 30…空気取入れ口 31…屋根 32…排出口 33…壁 34…ダクト 34ａ…接合用フ
ランジ 35…フラットバー 36…支持金物 37…抵抗板 38…フィン 39…太陽電池 40…架台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−46375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−68751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−110843（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−156154（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−21443（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−54052（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−163866（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周囲を枠組み、底板を設けたケースで、
   また上面開放部を天板としてのガラス等の透光板で閉塞
   した密閉偏平箱型ケースのユニットであり、内部の四周
   囲および底部をグラスウール等の断熱材で囲撓して集熱
   箱とし、該ユニットの前後方向の一端付近で底板に空気
   取入れ口を設け、また、同じく前後方向の一端付近で側
   方に空気の排出口を形成し、さらに排出口に連通させて
   ダクトを設け、透光板の下に集熱板を配置し、集熱板と
   断熱材との間に通気層を設ける太陽熱集熱装置におい
   て、底部の断熱材上にユニットの前後方向にフラットバ
   ーを配置し、このフラットバーの上にアングル状の支持
   金物を立ち上げ、下部が垂直、上部が傾斜する折り曲げ
   バーからなり、下部の一部を水平に切り起こしてフラッ
   トバーの上への止め板とした抵抗板を、フラットバーに
   対して直交するように掛け渡すことでユニットの幅方向
   に配置し、また、ユニットの前後方向では適宜の間隔で
   並べ、鋼板からなり、空気流れ方向に対し、上昇する傾
   斜板と、その端が下降するように折れ曲がる端板からな
   る形状を連続的に繰り返す階段状の凹凸に形成した集熱
   板の下向の端板を前記支持金物に重ねて固定することで
   複数枚が階段状に連続性を保つように配設し、通気層に
   面する集熱板の表面に空気流れ方向を長さ方向とする金
   属等のフィンを設け、アモルファスシリコン太陽電池の
   上面に充填材を介して樹脂コーティングとしてのフッ素
   系樹脂を積層させて太陽電池モジュールとして集熱板を
   形成することで集熱板の一部または全部を太陽電池で構
   成したことを特徴とする太陽熱集熱装置。
2. 【請求項２】 太陽電池で構成した集熱板の一部は下流
   部に配置する請求項１記載の太陽熱集熱装置。