JP3690602B2 - 空気式ソーラーシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術野】
本発明は、太陽エネルギーを利用するものとして、太陽熱で温められる空気を空気熱媒としてこれによって暖房・加温などを行う空気式ソーラーシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保全・公害防止・エネルギー問題などから、自然エネルギー、取り分け太陽エネルギーの利用が叫ばれながら実質的な普及が思うようには進んでいない状況である。そのなかにあって、近年は太陽電池の普及が進みつつあり、太陽エネルギーから電力を得る方法が洗練されていく傾向にある。一方、需要の割合が電力より多い熱利用の分野においては太陽エネルギーの利用技術の普及が進まない。
【０００３】
技術開発の状況は、1980年代前半の石油危機直後に最盛期を迎え、その後は停滞していると言える。
【０００４】
太陽熱利用のものとして、比較的普及している水式ソーラーシステムは、凍結防止・水漏れ防止・耐用年数を長くするなどの改善課題に応え切れていない。
【０００５】
一方、空気式（パッシブ）ソーラーシステムは、凍結・水漏れの心配がないことから寒冷地を含む広い地域への普及に適しているものの、空気の容積比熱は水の0.3/1000であり、集熱量を確保するために多くの送風量が必要となり、比較的多くの高価な電気エネルギーを消費することになる。
【０００６】
また、建物の暖房に利用するソーラーシステムにあっては、災害などの停電時にはソーラーシステムの運転も停止してしまうという問題がある。停電時であっても、何らかの方法で送風装置を運転し、暖房を機能させることができれば、国や場所を問わず、災害時・難民キャンプなどに利用することが可能となる。
【０００７】
このように、太陽エネルギーの熱利用の技術開発と普及の促進、停電時でも運転できる自立運転の技術開発、という課題がある。そこで、停電時であってもファンを自立運転できる方法として太陽電池の利用があげられる。
【０００８】
例えば、United States Patent No.5,849,107の特許公報では、まず、従来の技術の説明として、日本の特許の公告48299/1991号がはきれいなクリーンエネルギー・ソースを利用するために空気式ソーラーシステムを提示することが挙げられ、このような空気式ソーラーシステムでは、太陽熱が屋根板表面を使うことによって集められて、床加熱、温水供給、などのために利用されることが述べられている。図26に示すように金属の屋根葺き用の屋根板１が太陽熱を受けることによってより暖かくなり、空気は軒先の空気取り入れ口２を通して、屋根板１下の空気流路３を屋根勾配に沿ってゆっくり流れその間に加熱される。
【０００９】
そして、過熱された空気は、送風ファン４でエアダクト５を通して床の下で作り上げられるスペース６に供給され、そこから室内７を暖房する。なお、屋根板直下の空気流路３とエアダクトは、熱が逃げるのを妨げるために断熱材８により形成される。
【００１０】
そして、このUnited States Patent No.5,849,107の特許公報では前記のパッシブソーラーシステムで送風ファンの駆動で既存のきれいなエネルギー源として太陽電のセルを使う方法が提案され、太陽のセルモジュールが屋根を構成するものとして提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような暖房または加温などに利用する従来の太陽電池を利用した集熱装置では、太陽電池と蓄電池の併用が主であり、その内容としては、太陽電池での発電電力をすべて交流電源に変換して電力供給を行う場合や、太陽電池を直接の電源とするのに電源電圧の安定のためおよび、太陽電池の発電がない夜間の運転や制御電源について補助電源として蓄電池を使用する場合などである。
【００１２】
しかし、一般に多く使われる鉛式蓄電池は、耐久性が悪く、また、環境に悪い影響をもつ物質含むことから出来る限り使用したくないものである。
【００１３】
しかも、蓄電池を補助電源として、太陽電池の発電電圧が低下すると、補助電源に切り替える方法、または補助電源で電圧安定をはかるなどでは、部品構成が複雑であり、太陽電池の発電電力を最後まで有効に使用できないおそれがある。
【００１４】
一方、太陽電池を利用して集熱を行うのに、これが水式ソーラーシステムとして水を搬送するポンプを使用する場合や空気式（パッシブ）ソーラーシステムとして空気を搬送するファンを使用する場合でも、ともに、流量を調整する電気的な制御は考慮されていない。特に小型・家庭用の機器においては皆無と言える。
【００１５】
その理由は、主に水式ソーラーシステムのように、集熱部と密閉の蓄熱槽を集熱用熱媒で循環することによって熱交換するソーラーシステムにおいては、循環流量が多いほどに集熱システム効率が向上することから、流量調整の必要がないためである。空気式においても砕石利用などの半密閉蓄熱槽と循環して熱交換する場合などにおいては、前記と同様のことが言える。
【００１６】
もうひとつの理由に、一般に思われている太陽電池で駆動するポンプやファンの風量特性に盲点があるためである。太陽電池の発電量が日射量に比例することから、夏は風量が多くなり集熱温度上昇が小さくなり、冬は風量が少なくなり集熱温度上昇が大きくなると思われている。この盲点は、先に述べたように従来の集熱システムにおいて流量調整の必要性が低かったことがあげられる。
【００１７】
実際の太陽電池の発電特性は、夏に発電量、特に発電電圧が大きく低下する。このことから、太陽電池で駆動するポンプやファンは夏に流量が低下し、集熱温度の上昇が大きくなってしまう。このような盲点は、太陽電池が一般に25℃基準で定格性能が表示され、夏の最高太陽電池温度が70〜80℃と基準25℃との温度差が大きいこと、冬は最高太陽電池温度が10〜40℃程度と基準25℃に近い温度であることから生じる。
【００１８】
一般に夏に多い送風量、冬に少ない風量が要求されるソーラーシステムにおいて、単純に太陽電池で駆動する送風装置の風量特性は要求される風量とは逆転する状況となってしまう。
【００１９】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、太陽電池の有効活用を図るとともに、蓄電池を使用しないですむような配慮ができ、しかも、太陽電池で発電する電源を主とする送風ファンを夏は集熱温度が高くなりすぎないように、また、冬は要求する集熱温度が得られるように適切に調整運転できる空気式ソーラーシステムを提供することにある。
【００２０】
【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、第１に、太陽熱により空気を加熱する集熱部と、この集熱部の空気熱媒を送風する送風ファンによる空気式ソーラーシステムにおいて、送風ファンは、風量範囲が概ね 100〜2000m３/hの大きい規模のものであり、太陽電池で発電する直流電源で駆動し、冬の風量は電気的な自動制御により絞り込んで暖房または加温に適した集熱温度に調整することを要旨とするものである。
【００２１】
第２に、電気的な制御は、温度センサーにより集熱空気温度を検知し、制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から比例制御の大きさを信号としてファン駆動モーターコントローラーのＩＣへ出力すること、第３に、ファンによる送風路には動作電源を切ってもギアロックなどで固定されるダンパーを設けること、第４に、書き換え可能である不揮発メモリにより設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを保持する制御部品を構成すること、第５に、太陽電池を電源とする最適な運転電圧より低い電圧に調整された補助電源装置を電気逆流止め用整流素子を介して混合電源とすることを要旨とするものである。
【００２２】
第６に、太陽熱により空気を加熱する集熱部は屋根または壁などに設け、この太陽熱集熱部に集熱用のダクトを連通させ、さらに、集熱用のダクトは、集熱用のダクトの側へ逆流防止を行う逆流防止ダンパーと、室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトとの連通を切り換える流路切換えダンパーと、これら逆流防止ダンパーと流路切換えダンパーとの間に設ける送風ファンを配設したハンドリングボックスに接続させ、ハンドリングボックスに前記の流出側に室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトを接続したことを要旨とするものである。
【００２３】
請求項１記載の本発明によれば、空気式ソーラーシステムの運転において、まず、太陽電池を使用して太陽電池で発電した電源を用いることにより、再生可能な自然エネルギーの依存率を高めることができ、遠隔地・停電時・災害時において自立運転することにより、最低限の暖房環境を確保するなど、生命やものを危険や不具合から守ることに役立つことができる。
【００２４】
次に、蓄電池を使用しないことから、耐久性を高めることができる。一般的な商用電力を電源とする装置において、特に太陽電池など不安定な電力を電源とする装置においては、ダンパーなどの切替機器の動作保持、運転の設定や制御の情報保持、ファンなど起動に比較的大きい電力を蓄えるなどのために、蓄電装置を設けることが一般的な方法である。しかしながら、鉛電池などの蓄電装置は寿命が短く、蓄電性能の劣化低減のために充電電圧に制御管理を要し、環境中に廃棄できない材料で構成されているなど、改善されるべき課題が少なくなく、このような心配はなくなる。
【００２５】
さらに、太陽電池で発電する電源を主とするファンに、電気的な制御により夏は強く、冬は弱めるように送風量を調整する装置とすることで、夏は集熱温度が高くなりすぎないように、冬は要求する集熱温度に調整することができる。
【００２６】
特に、加温対象空間に対して比較的開放的な蓄熱体、または、蓄熱体を持たない場合、または、対象空間に直接熱空気を吹き出す空気流れ、または外気を導入する室内押し込みの空気式ソーラーシステムにおいては、集熱温度が対象空間に与える影響が大きいことから、要求の集熱温度にするために送風量の調整が必要となり、前記調整が効果ある。
【００２７】
請求項２記載の本発明によれば、前記作用に加えて、電気的な制御として好適なものである。
【００２８】
請求項３記載の本発明によれば、動作電源を切ってもギアロックなど固定されるダンパーと組み合わせた装置にすることで、太陽電池の発電がないときに対して、蓄電池を利用しないでもダンパーを固定することができ、意図しない空気流れによる熱損失を防止するなど、自立運転に適切な運転制御が可能となる。
【００２９】
請求項４記載の本発明によれば、書き換え可能である不揮発メモリの使用で、設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを電源供給が切れた場合でも、蓄電池なしにその内容を保持することができ、しかも適宜変更でき、環境に応じた適切な制御が可能である。
【００３０】
請求項５記載の本発明によれば、日射量が少ないとき、または、夜間に運転するときに使用する一般的な電源供給は、太陽電池の発電がある設定以下になったときに、商用電力の系統と混合して電力供給することができる。
【００３１】
このようにして、太陽電池を電源とする最適な運転電圧より低い電圧に調整された補助電源装置を電気逆流止め用整流素子を介して組み合わせることで、太陽電池で発電したほとんどの電力を有効に使用しながら、適当な電圧レベルで底支えする補助電源を組み合わせることが可能となる。日射量の少ないとき、日射のない夜間において、ある程度の風量で運転制御することができる。
【００３２】
請求項６記載の本発明によれば、ソーラーシステムハウスとして実現できる。
【００３３】
【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は本発明の空気式ソーラーシステムの第１実施形態を示す説明図、図２は同上第２実施形態を示す説明図で、図中10は太陽熱により空気を加熱する集熱部である。
【００３４】
図示の例では、集熱部10は太陽熱で加熱される金属製のプレート11または日射を透す透過体（例えばガラスと金属プレートの組み合わせで断熱空気層を構成するもの）と端部を空気取り入れ口２を端部に設けた空気流路３とからなるものとし、全体としてパネルタイプもしくはボックスタイプの場合や、前記従来例で示したように屋根に組み込むタイプの場合などがあり、後述するが、屋根に組み込む場合では金属製のプレート11は屋根板であり、空気取り入れ口２は軒先に形成され、空気流路３は屋根板直下の屋根勾配を有するものである。
【００３５】
ソーラーシステムとしては、集熱部10の他に集熱部10の空気熱媒を送風する送風ファン４と、この送風ファン４を途中に設け、空気流路３の流出口12と集熱した空気の利用を行う対象空間13とを結ぶエアダクト５とからなる。
【００３６】
図２は第２実施形態として、空気流路３の端部の空気取り入れ口２と対象空間13とはリターン空気ダクト24で結ぶものとする。
【００３７】
前記送風ファン４は、これを風量範囲が概ね100 〜2000m３/hの規模のものであり、太陽電池14を設置し、この太陽電池14で発電する直流電源で駆動するものとした。
【００３８】
図中15は太陽電池14での電流を送風ファン４や電動ダンパー18を送る際の制御を行う比例制御部で、これにはマイコンが使用されるが、この比例制御部15には空気流路３またはエアダクト５に設置する温度センサー16が接続される。
【００３９】
このようにして比例制御部15による送風ファン４の電気的な制御は、図３、図８にも示すが、温度センサー16により空気流路３またはエアダクト５における集熱空気温度を検知し、マイコン26による比例制御部15の制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から比例制御の大きさを信号として送風ファン４のファン駆動直流モーター４ａのコントローラー（ＰＷＭ制御）23のＩＣへ出力することによる。
【００４０】
比例制御部15には、書き換え可能である不揮発メモリ17を接続し、この不揮発メモリ17をもって比例制御部15の設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを保持する制御部品を構成するものとした。図８において、27はマイコン26に対して設定等を行うリモコン（リモートコントローラー）、29は電源関連部品、30は各種入出力部分である。
【００４１】
電動ダンパー18は送風ファン４による送風路に設置され逆流防止または流れ方向の制御を行うものであり、図５に示すように、ダンパーモーター18で回転駆動される羽根体19による。この電動ダンパー18は動作電源を切ってもギアロックなどでその状態が固定されるものとする。
【００４２】
また、前記太陽電池14は、上述のように送風ファン４や電動ダンパー18の電源として用いられるが、図４に示すように比例制御部15の電源としても用いる。さらに、商用ＡＣ電源20に接続されたＡＣ／ＤＣ変換装置21を補助電源装置としてこの太陽電池14に並列接続し、電気逆流防止を行うものとして、ダイオード等による整流素子22を回路中に配設して前記補助電源装置は太陽電池14を電源とする運転電圧より低い電圧に調整されたものとした。このようにして送風ファン４や電動ダンパー16や比例制御部15は太陽電池14と商用ＡＣ電源20とを混合電源とする。
【００４３】
次に動作について説明する。図１の第１実施形態の場合は、空気取り入れ口２から集熱部10の空気流路３に入る空気（外気）は太陽熱で加熱される金属製のプレート11で加熱され、温風として送風ファン４により対象空間13に直接または間接的に吹き出す。
【００４４】
図２の第２実施形態の場合は、太陽熱で加熱される金属製のプレート11で加熱され、温風として送風ファン４により対象空間13に直接または間接的に吹き出された対象空間13の空気はリターン空気としてリターン空気ダクト24により空気流路３に戻され、再可熱され、対象空間13に戻される。
【００４５】
本発明は前記第１実施形態、第２実施形態ともに、送風ファン４の冬の風量は電気的な制御により絞り込んで暖房または加温に適した集熱温度に調整するものである。
【００４６】
先に、太陽電池14による太陽電池発電での日射特性について説明する。図10に示すように一般的な標準条件である太陽電池25℃のとき、太陽電池の発電特性は、日射量に比例して主に電流が変化し、電圧の変化は比較的小さい。
【００４７】
次に、太陽電池14による太陽電池発電での温度特性について説明すると、図11に示すように太陽電池は温度が高くなると発電電圧が低下する。図11に示すように太陽電池の温度が75℃の電圧は、標準条件25℃に比べて85％程度まで低下する。
【００４８】
一方、太陽電池14により駆動される送風ファン４の風量特性は、一例として、図12に示すように、ファンの風量は入力電圧に比例する。太陽電池の温度が高くなる夏は入力電圧が低下し、ファンの最大風量（最大運転点）も低下する。集熱空気の温度が対象空間に大きく影響する冬の暖房の太陽熱利用においては、夏の最大運転点より絞り込んだ風量が最適となる。
【００４９】
そこで、集熱風量を集熱空気温度に比例して制御する。図13に示すように、集熱空気温度が30℃以上で集熱運転開始、40〜60℃の範囲で比例して風量が多くなり、60℃以上で風量100 ％で風量が制御される。
【００５０】
一般に集熱面の集熱特性は、外気温が低くなり太陽高度が低くなる冬は集熱温度が上がりにくく、一方、外気温が高くなり太陽高度が高くなる夏は集熱温度が上がりやすい。従って、ここで説明する風量比例制御を入れることにより、冬は風量を絞り込む制御がかかり集熱温度を持ち上げることが自動的に行われるようになる。
【００５１】
図14〜図21は太陽電池14により駆動される送風ファン４の運転性状の例を示すもので、特に、１年間の典型的な気象条件である冬と夏について、太陽電池駆動集熱ファンの運転性状を示す。
【００５２】
冬の快晴日では日射量と太陽電池温度は、図14に示すように日射量は典型的な快晴パターンでは、冬は外気温が低いので太陽電池の温度はそれほど高くならず、標準条件25℃との差は小さい。
【００５３】
冬での太陽電池電圧は図15に示すように、太陽電池14の温度は標準25℃条件に近いので、発電電圧も定格発電電圧に近い状態となる。また、冬での風量制御を行わない場合は、図16に示すように風量は大きくて夏より多い運転状態となる。また、風量制御を行う場合は集熱温度が下がりすぎないように風量を絞り込むように制御する。
【００５４】
図17に示すように、冬での風量制御無しの集熱温度は、過大な風量となり、暖房用空気温度として低くなりすぎることがある。特に図１に示すような外気を導入するソーラーシステムにおいては吸い込み空気が外気温であり、集熱温度が低くなる。さらに太陽電池やシステム関連機器の長期劣化分を見込んで余裕ある太陽電池を選定することから、太陽電池14が新しいときはさらに風量が多くなり、集熱温度はさらに低下する。一方、風量制御有りの集熱温度は、集熱温度に比例して風量が絞り込まれ、暖房用として使いやすい温度まで持ち上げようとするように制御される。
【００５５】
夏は外気温が高く、一般的な太陽電池設置角度へ入射する日射量も多くなり、太陽電池の温度は高くなる。図18に示すように、太陽電池の温度は70〜80℃に達する。太陽電池の標準条件25℃との差は冬より大きい。また、夏での太陽電池14の電圧は、図19に示すように太陽電池14の温度が標準条件25℃より大幅に高くなることから、最高発電電圧は低い状況となる。
【００５６】
このように、夏は太陽電池14の温度が高いために最大風量は冬より小さくなる。通常ソーラーシステムとしての太陽電池駆動集熱システムは必要風量が最も多くなる夏の条件で設計される。従って、図20に示すように、昼前後における風量制御の有り無しの風量の違いはない。風量制御有りの風量は、 100％風量まで集熱温度が上がりきらない朝方と夕方に風量が絞り込まれる。
【００５７】
夏でのこのような風量制御の有無と集熱温度について見ると、図21に示すように風量の絞り込みがかかる朝方と夕方において、風量制御有りの集熱温度が少し持ち上がり、例えば給湯用熱交換量が多くできるなどのメリットがある。
【００５８】
前記のごとく太陽電池14で駆動する送風ファン４の風量制御は、次のように行う。図３に示すように、太陽電池14の発電電力は直流モーター４ａのコントローラー23を介して直流モーター４ａに供給される。
【００５９】
温度センサー16により集熱温度を検知し、コントローラー23の制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から風量比例制御の大きさを信号として直流モーターコントローラーのＩＣへ出力する。直流モーターコントローラーへ入力された信号の大きさに応じて、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により直流モーター４ａへの実質電圧を変化させてファン風量を比例制御する。制御された風量により変化した集熱温度を制御用メイン回路へ繰り返しフィードバックして要求温度へ向けて風量を比例制御していく。
【００６０】
図３に示した直流モーター４ａのコントローラー23のＰＷＭ制御により出力されるモーターへの電源電圧波形を図22に示す。
＜ａ＞夏は太陽電 池の温度が標準条件25℃より大幅に高く発電電圧が低下するので、電源波形の高さが低くなる。
＜ｂ＞冬は太陽電池の温度は標準条件25℃に概ね近く発電電圧は標準程度となる。夏の条件で選定され太陽電池は発電電圧が高く、風量が多めとなる。
＜ｃ＞冬に多めの風量を比例制御により絞り込むときはＰＷＭ制御により電圧パルス幅を狭くして、直流モーター４ａへ供給する実質電圧を下げる。
【００６１】
以上のように本発明は、夜間には天気の悪いときに電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっても蓄電池を省略することを実現できるものであるが、以下のそのための付随する工夫について説明する。
【００６２】
次に送風ファン４の近くに取り付けられた電動ダンパー16については、図６に示すように電動ダンパー16がきちんと固定されている状況では、一般にはダンパーモーター18ａに常時通電し常時モータートルクを掛けることによってダンパーを固定する。
【００６３】
太陽電池を利用する多くの場合は、夜間も通してダンパーに常時通電するために通常は蓄電池を利用するが、蓄電池を利用しない場合は、ギアロック機構のないダンパーモーターで電源が切れた場合、図７に示すようにダンパーが緩んでしまい、例えば冬に室内の暖気が外へ逃げたり、屋外の冷気が入り込んだりすることになる。本発明ではギアロック機構をもつダンパーモーター18ａと組み合わせることにより、太陽電池駆動であるにもかかわらず蓄電池の省略を実現した。
【００６４】
また、図８に示すように、前記のごとくユーザーがリモコン27で設定している内容・制御指標となる温度センサー検知内容・制御判断内容・故障履歴などを随時記録する場所として書き換え可能不揮発メモリ17を利用することによって、夜間には電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっても蓄電池を省略することを実現した。なお、従来は、図９に示すように、揮発メモリ28を使用し、また、夜間に電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっては蓄電池25によって常時最低限必要な電力を賄っていた。
【００６５】
太陽電池14の発電がない夜間に運転を行う場合について準備している補助電源については、電源回路としてはＤＣ電源装置と太陽電池を電気の逆流を防止するダイオードを介して混合するシンプルな構成で効率よく太陽電池電力が利用できるものである。
【００６６】
本実施形態では、補助のＤＣ電源装置の調整電圧は、太陽電池駆動ファンの最適運転電圧より低めの電圧15Ｖ程度で設定した。日射量の多いときの運転時は太陽電池から電力が供給される。日射量の少ないとき、太陽電池の温度が高くて発電電圧が低下している場合であっても、太陽電池の開放電圧が15Ｖ程度を越える限り、太陽電池の発電電力を混合しながら効率よく使用することが可能となる。例えば図10と図11から開放電圧は20Ｖ以上となり、太陽電池の発電電力を捨てることなく利用できる。同時に補助のＤＣ電源装置により電源電圧の底支えができる。
【００６７】
図23は本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムを示すもので、太陽熱の集熱部10は金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路３を形成し、空気流路３の下側は断熱材で遮蔽し、また、この空気流路３の一方の端は軒先等に空気取入れ口２として開口した。さらに空気流路３の他方の端は屋根の高い部分に位置させて流出口12とし、これにエアダクト５を接続し、集熟ダクトとしての棟ダクト35を介在させてハンドリングボックス31に接続する。なお、太陽熱の集熱部10は屋根以外では壁などに設けることも可能である。
【００６８】
このハンドリングボックス31は、内部に逆流防止ダンパー32、送風ファン４及び流路切換えダンパー33を設けたボックスである。そして、ハンドリングボックス31の流路切換えダンパー33の流出側の一方は排気ダクト34により屋外に開口する。また、ハンドリングボックス31の逆流防止ダンパー32の流入側がエアダクト５をを介して前記棟ダクト35に連通される。
【００６９】
前記ハンドリングボックス31の流路切換えダンパー33のの流出側の他の一方を立下りダクト36の上端に連結する。立下りダクト36の下端は床下蓄熱体としての土間コンクリ−ト37と床パネル38との間の空気流通空間39に開口した。
【００７０】
ハンドリングボックス31の内部またはハンドリングボックス31と棟ダクト35の間にお場とりコイル40を設け、このお湯とりコイル40は循環配管41で貯湯槽42および循環ポンプ43と連結し、該貯湯槽42には、追焚き用の給湯ボイラー44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45を接続する。
【００７１】
太陽電池14は、一例として太陽熱集熱部10である屋根に設置される。
【００７２】
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３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35に集められてから送風ファン４によりハンドリングボックス31に入り、ハンドリングボックス31から立下りダクト36内に流下し、蓄熱土間コンクリート37と床パネル38との間の空気流通空間39へ入る。
この空気流通空間39では加熱空気が床パネル38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37に蓄熱させるのと床吹出口46から温風として直接室内へ吹出させるのとの３通りの暖房作用を行う。
【００７３】
一方、お場とりコイル40で、ここに循環配管41を介して貯湯槽42から循環ポンプ43によって送り込まれる熱媒が加熱され、湯として貯湯槽42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44で再加熱されて給湯配管44から各所へ給湯される。
【００７４】
なお、前記蓄熱は土間コンクリート37の他に別途形成するもので行ってもよい。
【００７５】
図示のように立下りダクト36の下端は、床下空気流通空間39に開口する場合の他に、図24に示すように立下りダクト36の下端に設けた開口47により直接室内に開口するようにしてもよい。
【００７６】
前記のごとく、床下空気流通空間39から室内への床吹出口46を設けたものでは、床下に温かい空気を通すことで比較的低い温度で広い床面を暖め、その輻射熱を利用して、室内空気を過度に上げることなく暖房する「低温輻射暖房」を行うのに適する。通常の「温風暖房」は一室だけを間欠的に暖房し、室内の上下の温度差を作ってしまうが、「低温輻射暖房」ではそうした上下の大きな温度差や不快な空気の吹き出しはなく、しかも、床からの伝導熱で足元が暖かいことから、「頭寒足熱」の心地よい室内環境を実現できる。
【００７７】
また、図24に示すように立下りダクト36の下端を直接室内に開口する場合は、屋根で集熱し、空気を媒体にして取り込んだ熱をそのまま室内に放熱することで、特定の一室だけを短時間に間欠的に暖房することが可能となる。
【００７８】
なお、図25に示すように立下りダクト36の下端を床下空気流通空間39に開口する場合と直接室内に開口する場合とを併用することも可能である。
【００７９】
このようなソーラーシステムハウスでは、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り、その場合は流路切換えダンパー33で流出側の一方である立下りダクト36側を閉塞し、流出側の他の一方である排気ダクト34を開放すれば、ハンドリングボックス31から加熱空気は排気ダクト34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31を通ることでお湯とりコイル40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。
【００８０】
また、夏の夜間に送風ファン４を運転し、夜間の冷気を金属製屋根板１の直下の空気流路３に取り込み、屋根面からの放射冷却も作用させ、この空気を立下りダクト36を介して床下蓄熱体と床パネル38との間の空気流通空間に送り、床下蓄熱体としての土間コンクリート37に蓄冷させることもできる。
【００８１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の空気式ソーラーシステムは、電源として太陽電池で発電した電力を使用し、再生可能な自然エネルギーの依存率を高め、遠隔地・停電時・災害時において自立運転によって最低限の暖房環境を確保するなど、生命やモノを危険や不具合から守ることに役立つことができるものである。
【００８２】
また、蓄電池を使用しないですむような配慮ができ、しかも、太陽電池で発電する電源を主とする送風ファンを夏は集熱温度が高くなりすぎないように、また、冬は要求する集熱温度が得られるように適切に調整運転できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気式ソーラーシステムの第１実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の空気式ソーラーシステムの第２実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する送風ファンの制御回路図である。
【図４】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電源回路図である。
【図５】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの側面図である。
【図６】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの固定時の底面図である。
【図７】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの緩み状態を示す底面図である。
【図８】本発明の空気式ソーラーシステムの制御システムを示すブロック図である。
【図９】従来の空気式ソーラーシステムの制御システムを示すブロック図である。
【図１０】太陽電池発電の日射特性を示すグラフである。
【図１１】太陽電池発電の温度特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動の送風ファンの風量特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動の送風ファンの風量比例制御の説明図である。
【図１４】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の快晴日の日射量と太陽電池温度を示すグラフである。
【図１５】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の太陽電池電圧を示すグラフである。
【図１６】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の風量制御の有無と太陽電池駆動ファン風量を示すグラフである。
【図１７】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の風量制御の有無と集熱温度を示すグラフである。
【図１８】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の快晴日の日射量と太陽電池温度を示すグラフである。
【図１９】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の太陽電池電圧を示すグラフである。
【図２０】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の風量制御の有無と太陽電池駆動ファン風量を示すグラフである。
【図２１】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の風量制御の有無と集熱温度を示すグラフである。
【図２２】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動送風ファンの風雨量制御方法を示す波形図である。
【図２３】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの一例を示す説明図である。
【図２４】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの床部分の他例を示す説明図である。
【図２５】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの床部分のさらに別の例を示す説明図である。
【図２６】従来例としてのソーラーシステムハウスの概略図である。
【符号の説明】
１…屋根板 ２…空気取り入れ口
３…空気流路 ４…送風ファン
４ａ…直流モーター ５…エアダクト
６…スペース ７…室内
８…断熱材 10…集熱部
11…プレート 12…流出口
13…対象空間 14…太陽電池
15…比例制御部 16…温度センサー
17…不揮発メモリ 18…電動ダンパー
18ａ…ダンパーモーター 19…羽根体
20…商用ＡＣ電源 21…ＡＣ／ＤＣ変換装置
22…整流素子 23…コントローラー
24…リターン空気ダクト 25…蓄電池
26…マイコン 27…リモコン
28…揮発メモリ 29…電源関連部品
30…各種入出力部分 31…ハンドリングボックス
32…逆流防止ダンパー 33…流路切換えダンパー
34…排気ダクト 35…棟ダクト
36…立下りダクト 37…土間コンクリ−ト
38…床パネル 39…空気流通空間
40…お場とりコイル 41…循環配管
42…貯湯槽 43…循環ポンプ
44…給湯ボイラー 45…給湯配管
46…床吹出口 47…開口
【発明の属する技術野】
本発明は、太陽エネルギーを利用するものとして、太陽熱で温められる空気を空気熱媒としてこれによって暖房・加温などを行う空気式ソーラーシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保全・公害防止・エネルギー問題などから、自然エネルギー、取り分け太陽エネルギーの利用が叫ばれながら実質的な普及が思うようには進んでいない状況である。そのなかにあって、近年は太陽電池の普及が進みつつあり、太陽エネルギーから電力を得る方法が洗練されていく傾向にある。一方、需要の割合が電力より多い熱利用の分野においては太陽エネルギーの利用技術の普及が進まない。
【０００３】
技術開発の状況は、1980年代前半の石油危機直後に最盛期を迎え、その後は停滞していると言える。
【０００４】
太陽熱利用のものとして、比較的普及している水式ソーラーシステムは、凍結防止・水漏れ防止・耐用年数を長くするなどの改善課題に応え切れていない。
【０００５】
一方、空気式（パッシブ）ソーラーシステムは、凍結・水漏れの心配がないことから寒冷地を含む広い地域への普及に適しているものの、空気の容積比熱は水の0.3/1000であり、集熱量を確保するために多くの送風量が必要となり、比較的多くの高価な電気エネルギーを消費することになる。
【０００６】
また、建物の暖房に利用するソーラーシステムにあっては、災害などの停電時にはソーラーシステムの運転も停止してしまうという問題がある。停電時であっても、何らかの方法で送風装置を運転し、暖房を機能させることができれば、国や場所を問わず、災害時・難民キャンプなどに利用することが可能となる。
【０００７】
このように、太陽エネルギーの熱利用の技術開発と普及の促進、停電時でも運転できる自立運転の技術開発、という課題がある。そこで、停電時であってもファンを自立運転できる方法として太陽電池の利用があげられる。
【０００８】
例えば、United States Patent No.5,849,107の特許公報では、まず、従来の技術の説明として、日本の特許の公告48299/1991号がはきれいなクリーンエネルギー・ソースを利用するために空気式ソーラーシステムを提示することが挙げられ、このような空気式ソーラーシステムでは、太陽熱が屋根板表面を使うことによって集められて、床加熱、温水供給、などのために利用されることが述べられている。図26に示すように金属の屋根葺き用の屋根板１が太陽熱を受けることによってより暖かくなり、空気は軒先の空気取り入れ口２を通して、屋根板１下の空気流路３を屋根勾配に沿ってゆっくり流れその間に加熱される。
【０００９】
そして、過熱された空気は、送風ファン４でエアダクト５を通して床の下で作り上げられるスペース６に供給され、そこから室内７を暖房する。なお、屋根板直下の空気流路３とエアダクトは、熱が逃げるのを妨げるために断熱材８により形成される。
【００１０】
そして、このUnited States Patent No.5,849,107の特許公報では前記のパッシブソーラーシステムで送風ファンの駆動で既存のきれいなエネルギー源として太陽電のセルを使う方法が提案され、太陽のセルモジュールが屋根を構成するものとして提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような暖房または加温などに利用する従来の太陽電池を利用した集熱装置では、太陽電池と蓄電池の併用が主であり、その内容としては、太陽電池での発電電力をすべて交流電源に変換して電力供給を行う場合や、太陽電池を直接の電源とするのに電源電圧の安定のためおよび、太陽電池の発電がない夜間の運転や制御電源について補助電源として蓄電池を使用する場合などである。
【００１２】
しかし、一般に多く使われる鉛式蓄電池は、耐久性が悪く、また、環境に悪い影響をもつ物質含むことから出来る限り使用したくないものである。
【００１３】
しかも、蓄電池を補助電源として、太陽電池の発電電圧が低下すると、補助電源に切り替える方法、または補助電源で電圧安定をはかるなどでは、部品構成が複雑であり、太陽電池の発電電力を最後まで有効に使用できないおそれがある。
【００１４】
一方、太陽電池を利用して集熱を行うのに、これが水式ソーラーシステムとして水を搬送するポンプを使用する場合や空気式（パッシブ）ソーラーシステムとして空気を搬送するファンを使用する場合でも、ともに、流量を調整する電気的な制御は考慮されていない。特に小型・家庭用の機器においては皆無と言える。
【００１５】
その理由は、主に水式ソーラーシステムのように、集熱部と密閉の蓄熱槽を集熱用熱媒で循環することによって熱交換するソーラーシステムにおいては、循環流量が多いほどに集熱システム効率が向上することから、流量調整の必要がないためである。空気式においても砕石利用などの半密閉蓄熱槽と循環して熱交換する場合などにおいては、前記と同様のことが言える。
【００１６】
もうひとつの理由に、一般に思われている太陽電池で駆動するポンプやファンの風量特性に盲点があるためである。太陽電池の発電量が日射量に比例することから、夏は風量が多くなり集熱温度上昇が小さくなり、冬は風量が少なくなり集熱温度上昇が大きくなると思われている。この盲点は、先に述べたように従来の集熱システムにおいて流量調整の必要性が低かったことがあげられる。
【００１７】
実際の太陽電池の発電特性は、夏に発電量、特に発電電圧が大きく低下する。このことから、太陽電池で駆動するポンプやファンは夏に流量が低下し、集熱温度の上昇が大きくなってしまう。このような盲点は、太陽電池が一般に25℃基準で定格性能が表示され、夏の最高太陽電池温度が70〜80℃と基準25℃との温度差が大きいこと、冬は最高太陽電池温度が10〜40℃程度と基準25℃に近い温度であることから生じる。
【００１８】
一般に夏に多い送風量、冬に少ない風量が要求されるソーラーシステムにおいて、単純に太陽電池で駆動する送風装置の風量特性は要求される風量とは逆転する状況となってしまう。
【００１９】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、太陽電池の有効活用を図るとともに、蓄電池を使用しないですむような配慮ができ、しかも、太陽電池で発電する電源を主とする送風ファンを夏は集熱温度が高くなりすぎないように、また、冬は要求する集熱温度が得られるように適切に調整運転できる空気式ソーラーシステムを提供することにある。
【００２０】
【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、第１に、太陽熱により空気を加熱する集熱部と、この集熱部の空気熱媒を送風する送風ファンによる空気式ソーラーシステムにおいて、送風ファンは、風量範囲が概ね 100〜2000m３/hの大きい規模のものであり、太陽電池で発電する直流電源で駆動し、冬の風量は電気的な自動制御により絞り込んで暖房または加温に適した集熱温度に調整することを要旨とするものである。
【００２１】
第２に、電気的な制御は、温度センサーにより集熱空気温度を検知し、制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から比例制御の大きさを信号としてファン駆動モーターコントローラーのＩＣへ出力すること、第３に、ファンによる送風路には動作電源を切ってもギアロックなどで固定されるダンパーを設けること、第４に、書き換え可能である不揮発メモリにより設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを保持する制御部品を構成すること、第５に、太陽電池を電源とする最適な運転電圧より低い電圧に調整された補助電源装置を電気逆流止め用整流素子を介して混合電源とすることを要旨とするものである。
【００２２】
第６に、太陽熱により空気を加熱する集熱部は屋根または壁などに設け、この太陽熱集熱部に集熱用のダクトを連通させ、さらに、集熱用のダクトは、集熱用のダクトの側へ逆流防止を行う逆流防止ダンパーと、室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトとの連通を切り換える流路切換えダンパーと、これら逆流防止ダンパーと流路切換えダンパーとの間に設ける送風ファンを配設したハンドリングボックスに接続させ、ハンドリングボックスに前記の流出側に室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトを接続したことを要旨とするものである。
【００２３】
請求項１記載の本発明によれば、空気式ソーラーシステムの運転において、まず、太陽電池を使用して太陽電池で発電した電源を用いることにより、再生可能な自然エネルギーの依存率を高めることができ、遠隔地・停電時・災害時において自立運転することにより、最低限の暖房環境を確保するなど、生命やものを危険や不具合から守ることに役立つことができる。
【００２４】
次に、蓄電池を使用しないことから、耐久性を高めることができる。一般的な商用電力を電源とする装置において、特に太陽電池など不安定な電力を電源とする装置においては、ダンパーなどの切替機器の動作保持、運転の設定や制御の情報保持、ファンなど起動に比較的大きい電力を蓄えるなどのために、蓄電装置を設けることが一般的な方法である。しかしながら、鉛電池などの蓄電装置は寿命が短く、蓄電性能の劣化低減のために充電電圧に制御管理を要し、環境中に廃棄できない材料で構成されているなど、改善されるべき課題が少なくなく、このような心配はなくなる。
【００２５】
さらに、太陽電池で発電する電源を主とするファンに、電気的な制御により夏は強く、冬は弱めるように送風量を調整する装置とすることで、夏は集熱温度が高くなりすぎないように、冬は要求する集熱温度に調整することができる。
【００２６】
特に、加温対象空間に対して比較的開放的な蓄熱体、または、蓄熱体を持たない場合、または、対象空間に直接熱空気を吹き出す空気流れ、または外気を導入する室内押し込みの空気式ソーラーシステムにおいては、集熱温度が対象空間に与える影響が大きいことから、要求の集熱温度にするために送風量の調整が必要となり、前記調整が効果ある。
【００２７】
請求項２記載の本発明によれば、前記作用に加えて、電気的な制御として好適なものである。
【００２８】
請求項３記載の本発明によれば、動作電源を切ってもギアロックなど固定されるダンパーと組み合わせた装置にすることで、太陽電池の発電がないときに対して、蓄電池を利用しないでもダンパーを固定することができ、意図しない空気流れによる熱損失を防止するなど、自立運転に適切な運転制御が可能となる。
【００２９】
請求項４記載の本発明によれば、書き換え可能である不揮発メモリの使用で、設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを電源供給が切れた場合でも、蓄電池なしにその内容を保持することができ、しかも適宜変更でき、環境に応じた適切な制御が可能である。
【００３０】
請求項５記載の本発明によれば、日射量が少ないとき、または、夜間に運転するときに使用する一般的な電源供給は、太陽電池の発電がある設定以下になったときに、商用電力の系統と混合して電力供給することができる。
【００３１】
このようにして、太陽電池を電源とする最適な運転電圧より低い電圧に調整された補助電源装置を電気逆流止め用整流素子を介して組み合わせることで、太陽電池で発電したほとんどの電力を有効に使用しながら、適当な電圧レベルで底支えする補助電源を組み合わせることが可能となる。日射量の少ないとき、日射のない夜間において、ある程度の風量で運転制御することができる。
【００３２】
請求項６記載の本発明によれば、ソーラーシステムハウスとして実現できる。
【００３３】
【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は本発明の空気式ソーラーシステムの第１実施形態を示す説明図、図２は同上第２実施形態を示す説明図で、図中10は太陽熱により空気を加熱する集熱部である。
【００３４】
図示の例では、集熱部10は太陽熱で加熱される金属製のプレート11または日射を透す透過体（例えばガラスと金属プレートの組み合わせで断熱空気層を構成するもの）と端部を空気取り入れ口２を端部に設けた空気流路３とからなるものとし、全体としてパネルタイプもしくはボックスタイプの場合や、前記従来例で示したように屋根に組み込むタイプの場合などがあり、後述するが、屋根に組み込む場合では金属製のプレート11は屋根板であり、空気取り入れ口２は軒先に形成され、空気流路３は屋根板直下の屋根勾配を有するものである。
【００３５】
ソーラーシステムとしては、集熱部10の他に集熱部10の空気熱媒を送風する送風ファン４と、この送風ファン４を途中に設け、空気流路３の流出口12と集熱した空気の利用を行う対象空間13とを結ぶエアダクト５とからなる。
【００３６】
図２は第２実施形態として、空気流路３の端部の空気取り入れ口２と対象空間13とはリターン空気ダクト24で結ぶものとする。
【００３７】
前記送風ファン４は、これを風量範囲が概ね100 〜2000m３/hの規模のものであり、太陽電池14を設置し、この太陽電池14で発電する直流電源で駆動するものとした。
【００３８】
図中15は太陽電池14での電流を送風ファン４や電動ダンパー18を送る際の制御を行う比例制御部で、これにはマイコンが使用されるが、この比例制御部15には空気流路３またはエアダクト５に設置する温度センサー16が接続される。
【００３９】
このようにして比例制御部15による送風ファン４の電気的な制御は、図３、図８にも示すが、温度センサー16により空気流路３またはエアダクト５における集熱空気温度を検知し、マイコン26による比例制御部15の制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から比例制御の大きさを信号として送風ファン４のファン駆動直流モーター４ａのコントローラー（ＰＷＭ制御）23のＩＣへ出力することによる。
【００４０】
比例制御部15には、書き換え可能である不揮発メモリ17を接続し、この不揮発メモリ17をもって比例制御部15の設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを保持する制御部品を構成するものとした。図８において、27はマイコン26に対して設定等を行うリモコン（リモートコントローラー）、29は電源関連部品、30は各種入出力部分である。
【００４１】
電動ダンパー18は送風ファン４による送風路に設置され逆流防止または流れ方向の制御を行うものであり、図５に示すように、ダンパーモーター18で回転駆動される羽根体19による。この電動ダンパー18は動作電源を切ってもギアロックなどでその状態が固定されるものとする。
【００４２】
また、前記太陽電池14は、上述のように送風ファン４や電動ダンパー18の電源として用いられるが、図４に示すように比例制御部15の電源としても用いる。さらに、商用ＡＣ電源20に接続されたＡＣ／ＤＣ変換装置21を補助電源装置としてこの太陽電池14に並列接続し、電気逆流防止を行うものとして、ダイオード等による整流素子22を回路中に配設して前記補助電源装置は太陽電池14を電源とする運転電圧より低い電圧に調整されたものとした。このようにして送風ファン４や電動ダンパー16や比例制御部15は太陽電池14と商用ＡＣ電源20とを混合電源とする。
【００４３】
次に動作について説明する。図１の第１実施形態の場合は、空気取り入れ口２から集熱部10の空気流路３に入る空気（外気）は太陽熱で加熱される金属製のプレート11で加熱され、温風として送風ファン４により対象空間13に直接または間接的に吹き出す。
【００４４】
図２の第２実施形態の場合は、太陽熱で加熱される金属製のプレート11で加熱され、温風として送風ファン４により対象空間13に直接または間接的に吹き出された対象空間13の空気はリターン空気としてリターン空気ダクト24により空気流路３に戻され、再可熱され、対象空間13に戻される。
【００４５】
本発明は前記第１実施形態、第２実施形態ともに、送風ファン４の冬の風量は電気的な制御により絞り込んで暖房または加温に適した集熱温度に調整するものである。
【００４６】
先に、太陽電池14による太陽電池発電での日射特性について説明する。図10に示すように一般的な標準条件である太陽電池25℃のとき、太陽電池の発電特性は、日射量に比例して主に電流が変化し、電圧の変化は比較的小さい。
【００４７】
次に、太陽電池14による太陽電池発電での温度特性について説明すると、図11に示すように太陽電池は温度が高くなると発電電圧が低下する。図11に示すように太陽電池の温度が75℃の電圧は、標準条件25℃に比べて85％程度まで低下する。
【００４８】
一方、太陽電池14により駆動される送風ファン４の風量特性は、一例として、図12に示すように、ファンの風量は入力電圧に比例する。太陽電池の温度が高くなる夏は入力電圧が低下し、ファンの最大風量（最大運転点）も低下する。集熱空気の温度が対象空間に大きく影響する冬の暖房の太陽熱利用においては、夏の最大運転点より絞り込んだ風量が最適となる。
【００４９】
そこで、集熱風量を集熱空気温度に比例して制御する。図13に示すように、集熱空気温度が30℃以上で集熱運転開始、40〜60℃の範囲で比例して風量が多くなり、60℃以上で風量100 ％で風量が制御される。
【００５０】
一般に集熱面の集熱特性は、外気温が低くなり太陽高度が低くなる冬は集熱温度が上がりにくく、一方、外気温が高くなり太陽高度が高くなる夏は集熱温度が上がりやすい。従って、ここで説明する風量比例制御を入れることにより、冬は風量を絞り込む制御がかかり集熱温度を持ち上げることが自動的に行われるようになる。
【００５１】
図14〜図21は太陽電池14により駆動される送風ファン４の運転性状の例を示すもので、特に、１年間の典型的な気象条件である冬と夏について、太陽電池駆動集熱ファンの運転性状を示す。
【００５２】
冬の快晴日では日射量と太陽電池温度は、図14に示すように日射量は典型的な快晴パターンでは、冬は外気温が低いので太陽電池の温度はそれほど高くならず、標準条件25℃との差は小さい。
【００５３】
冬での太陽電池電圧は図15に示すように、太陽電池14の温度は標準25℃条件に近いので、発電電圧も定格発電電圧に近い状態となる。また、冬での風量制御を行わない場合は、図16に示すように風量は大きくて夏より多い運転状態となる。また、風量制御を行う場合は集熱温度が下がりすぎないように風量を絞り込むように制御する。
【００５４】
図17に示すように、冬での風量制御無しの集熱温度は、過大な風量となり、暖房用空気温度として低くなりすぎることがある。特に図１に示すような外気を導入するソーラーシステムにおいては吸い込み空気が外気温であり、集熱温度が低くなる。さらに太陽電池やシステム関連機器の長期劣化分を見込んで余裕ある太陽電池を選定することから、太陽電池14が新しいときはさらに風量が多くなり、集熱温度はさらに低下する。一方、風量制御有りの集熱温度は、集熱温度に比例して風量が絞り込まれ、暖房用として使いやすい温度まで持ち上げようとするように制御される。
【００５５】
夏は外気温が高く、一般的な太陽電池設置角度へ入射する日射量も多くなり、太陽電池の温度は高くなる。図18に示すように、太陽電池の温度は70〜80℃に達する。太陽電池の標準条件25℃との差は冬より大きい。また、夏での太陽電池14の電圧は、図19に示すように太陽電池14の温度が標準条件25℃より大幅に高くなることから、最高発電電圧は低い状況となる。
【００５６】
このように、夏は太陽電池14の温度が高いために最大風量は冬より小さくなる。通常ソーラーシステムとしての太陽電池駆動集熱システムは必要風量が最も多くなる夏の条件で設計される。従って、図20に示すように、昼前後における風量制御の有り無しの風量の違いはない。風量制御有りの風量は、 100％風量まで集熱温度が上がりきらない朝方と夕方に風量が絞り込まれる。
【００５７】
夏でのこのような風量制御の有無と集熱温度について見ると、図21に示すように風量の絞り込みがかかる朝方と夕方において、風量制御有りの集熱温度が少し持ち上がり、例えば給湯用熱交換量が多くできるなどのメリットがある。
【００５８】
前記のごとく太陽電池14で駆動する送風ファン４の風量制御は、次のように行う。図３に示すように、太陽電池14の発電電力は直流モーター４ａのコントローラー23を介して直流モーター４ａに供給される。
【００５９】
温度センサー16により集熱温度を検知し、コントローラー23の制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から風量比例制御の大きさを信号として直流モーターコントローラーのＩＣへ出力する。直流モーターコントローラーへ入力された信号の大きさに応じて、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により直流モーター４ａへの実質電圧を変化させてファン風量を比例制御する。制御された風量により変化した集熱温度を制御用メイン回路へ繰り返しフィードバックして要求温度へ向けて風量を比例制御していく。
【００６０】
図３に示した直流モーター４ａのコントローラー23のＰＷＭ制御により出力されるモーターへの電源電圧波形を図22に示す。
＜ａ＞夏は太陽電 池の温度が標準条件25℃より大幅に高く発電電圧が低下するので、電源波形の高さが低くなる。
＜ｂ＞冬は太陽電池の温度は標準条件25℃に概ね近く発電電圧は標準程度となる。夏の条件で選定され太陽電池は発電電圧が高く、風量が多めとなる。
＜ｃ＞冬に多めの風量を比例制御により絞り込むときはＰＷＭ制御により電圧パルス幅を狭くして、直流モーター４ａへ供給する実質電圧を下げる。
【００６１】
以上のように本発明は、夜間には天気の悪いときに電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっても蓄電池を省略することを実現できるものであるが、以下のそのための付随する工夫について説明する。
【００６２】
次に送風ファン４の近くに取り付けられた電動ダンパー16については、図６に示すように電動ダンパー16がきちんと固定されている状況では、一般にはダンパーモーター18ａに常時通電し常時モータートルクを掛けることによってダンパーを固定する。
【００６３】
太陽電池を利用する多くの場合は、夜間も通してダンパーに常時通電するために通常は蓄電池を利用するが、蓄電池を利用しない場合は、ギアロック機構のないダンパーモーターで電源が切れた場合、図７に示すようにダンパーが緩んでしまい、例えば冬に室内の暖気が外へ逃げたり、屋外の冷気が入り込んだりすることになる。本発明ではギアロック機構をもつダンパーモーター18ａと組み合わせることにより、太陽電池駆動であるにもかかわらず蓄電池の省略を実現した。
【００６４】
また、図８に示すように、前記のごとくユーザーがリモコン27で設定している内容・制御指標となる温度センサー検知内容・制御判断内容・故障履歴などを随時記録する場所として書き換え可能不揮発メモリ17を利用することによって、夜間には電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっても蓄電池を省略することを実現した。なお、従来は、図９に示すように、揮発メモリ28を使用し、また、夜間に電源供給できない太陽電池を利用するシステムにあっては蓄電池25によって常時最低限必要な電力を賄っていた。
【００６５】
太陽電池14の発電がない夜間に運転を行う場合について準備している補助電源については、電源回路としてはＤＣ電源装置と太陽電池を電気の逆流を防止するダイオードを介して混合するシンプルな構成で効率よく太陽電池電力が利用できるものである。
【００６６】
本実施形態では、補助のＤＣ電源装置の調整電圧は、太陽電池駆動ファンの最適運転電圧より低めの電圧15Ｖ程度で設定した。日射量の多いときの運転時は太陽電池から電力が供給される。日射量の少ないとき、太陽電池の温度が高くて発電電圧が低下している場合であっても、太陽電池の開放電圧が15Ｖ程度を越える限り、太陽電池の発電電力を混合しながら効率よく使用することが可能となる。例えば図10と図11から開放電圧は20Ｖ以上となり、太陽電池の発電電力を捨てることなく利用できる。同時に補助のＤＣ電源装置により電源電圧の底支えができる。
【００６７】
図23は本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムを示すもので、太陽熱の集熱部10は金属製屋根板１の直下に屋根勾配を有する空気流路３を形成し、空気流路３の下側は断熱材で遮蔽し、また、この空気流路３の一方の端は軒先等に空気取入れ口２として開口した。さらに空気流路３の他方の端は屋根の高い部分に位置させて流出口12とし、これにエアダクト５を接続し、集熟ダクトとしての棟ダクト35を介在させてハンドリングボックス31に接続する。なお、太陽熱の集熱部10は屋根以外では壁などに設けることも可能である。
【００６８】
このハンドリングボックス31は、内部に逆流防止ダンパー32、送風ファン４及び流路切換えダンパー33を設けたボックスである。そして、ハンドリングボックス31の流路切換えダンパー33の流出側の一方は排気ダクト34により屋外に開口する。また、ハンドリングボックス31の逆流防止ダンパー32の流入側がエアダクト５をを介して前記棟ダクト35に連通される。
【００６９】
前記ハンドリングボックス31の流路切換えダンパー33のの流出側の他の一方を立下りダクト36の上端に連結する。立下りダクト36の下端は床下蓄熱体としての土間コンクリ−ト37と床パネル38との間の空気流通空間39に開口した。
【００７０】
ハンドリングボックス31の内部またはハンドリングボックス31と棟ダクト35の間にお場とりコイル40を設け、このお湯とりコイル40は循環配管41で貯湯槽42および循環ポンプ43と連結し、該貯湯槽42には、追焚き用の給湯ボイラー44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45を接続する。
【００７１】
太陽電池14は、一例として太陽熱集熱部10である屋根に設置される。
【００７２】
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３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35に集められてから送風ファン４によりハンドリングボックス31に入り、ハンドリングボックス31から立下りダクト36内に流下し、蓄熱土間コンクリート37と床パネル38との間の空気流通空間39へ入る。
この空気流通空間39では加熱空気が床パネル38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37に蓄熱させるのと床吹出口46から温風として直接室内へ吹出させるのとの３通りの暖房作用を行う。
【００７３】
一方、お場とりコイル40で、ここに循環配管41を介して貯湯槽42から循環ポンプ43によって送り込まれる熱媒が加熱され、湯として貯湯槽42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44で再加熱されて給湯配管44から各所へ給湯される。
【００７４】
なお、前記蓄熱は土間コンクリート37の他に別途形成するもので行ってもよい。
【００７５】
図示のように立下りダクト36の下端は、床下空気流通空間39に開口する場合の他に、図24に示すように立下りダクト36の下端に設けた開口47により直接室内に開口するようにしてもよい。
【００７６】
前記のごとく、床下空気流通空間39から室内への床吹出口46を設けたものでは、床下に温かい空気を通すことで比較的低い温度で広い床面を暖め、その輻射熱を利用して、室内空気を過度に上げることなく暖房する「低温輻射暖房」を行うのに適する。通常の「温風暖房」は一室だけを間欠的に暖房し、室内の上下の温度差を作ってしまうが、「低温輻射暖房」ではそうした上下の大きな温度差や不快な空気の吹き出しはなく、しかも、床からの伝導熱で足元が暖かいことから、「頭寒足熱」の心地よい室内環境を実現できる。
【００７７】
また、図24に示すように立下りダクト36の下端を直接室内に開口する場合は、屋根で集熱し、空気を媒体にして取り込んだ熱をそのまま室内に放熱することで、特定の一室だけを短時間に間欠的に暖房することが可能となる。
【００７８】
なお、図25に示すように立下りダクト36の下端を床下空気流通空間39に開口する場合と直接室内に開口する場合とを併用することも可能である。
【００７９】
このようなソーラーシステムハウスでは、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り、その場合は流路切換えダンパー33で流出側の一方である立下りダクト36側を閉塞し、流出側の他の一方である排気ダクト34を開放すれば、ハンドリングボックス31から加熱空気は排気ダクト34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31を通ることでお湯とりコイル40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。
【００８０】
また、夏の夜間に送風ファン４を運転し、夜間の冷気を金属製屋根板１の直下の空気流路３に取り込み、屋根面からの放射冷却も作用させ、この空気を立下りダクト36を介して床下蓄熱体と床パネル38との間の空気流通空間に送り、床下蓄熱体としての土間コンクリート37に蓄冷させることもできる。
【００８１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の空気式ソーラーシステムは、電源として太陽電池で発電した電力を使用し、再生可能な自然エネルギーの依存率を高め、遠隔地・停電時・災害時において自立運転によって最低限の暖房環境を確保するなど、生命やモノを危険や不具合から守ることに役立つことができるものである。
【００８２】
また、蓄電池を使用しないですむような配慮ができ、しかも、太陽電池で発電する電源を主とする送風ファンを夏は集熱温度が高くなりすぎないように、また、冬は要求する集熱温度が得られるように適切に調整運転できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気式ソーラーシステムの第１実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の空気式ソーラーシステムの第２実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する送風ファンの制御回路図である。
【図４】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電源回路図である。
【図５】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの側面図である。
【図６】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの固定時の底面図である。
【図７】本発明の空気式ソーラーシステムで使用する電動ダンパーの緩み状態を示す底面図である。
【図８】本発明の空気式ソーラーシステムの制御システムを示すブロック図である。
【図９】従来の空気式ソーラーシステムの制御システムを示すブロック図である。
【図１０】太陽電池発電の日射特性を示すグラフである。
【図１１】太陽電池発電の温度特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動の送風ファンの風量特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動の送風ファンの風量比例制御の説明図である。
【図１４】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の快晴日の日射量と太陽電池温度を示すグラフである。
【図１５】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の太陽電池電圧を示すグラフである。
【図１６】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の風量制御の有無と太陽電池駆動ファン風量を示すグラフである。
【図１７】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、冬の風量制御の有無と集熱温度を示すグラフである。
【図１８】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の快晴日の日射量と太陽電池温度を示すグラフである。
【図１９】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の太陽電池電圧を示すグラフである。
【図２０】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の風量制御の有無と太陽電池駆動ファン風量を示すグラフである。
【図２１】太陽電池駆動送風ファンの運転性状で、夏の風量制御の有無と集熱温度を示すグラフである。
【図２２】本発明の空気式ソーラーシステムでの太陽電池駆動送風ファンの風雨量制御方法を示す波形図である。
【図２３】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの一例を示す説明図である。
【図２４】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの床部分の他例を示す説明図である。
【図２５】本発明の空気式ソーラーシステムを組み込んだソーラーシステムハウスの床部分のさらに別の例を示す説明図である。
【図２６】従来例としてのソーラーシステムハウスの概略図である。
【符号の説明】
１…屋根板 ２…空気取り入れ口
３…空気流路 ４…送風ファン
４ａ…直流モーター ５…エアダクト
６…スペース ７…室内
８…断熱材 10…集熱部
11…プレート 12…流出口
13…対象空間 14…太陽電池
15…比例制御部 16…温度センサー
17…不揮発メモリ 18…電動ダンパー
18ａ…ダンパーモーター 19…羽根体
20…商用ＡＣ電源 21…ＡＣ／ＤＣ変換装置
22…整流素子 23…コントローラー
24…リターン空気ダクト 25…蓄電池
26…マイコン 27…リモコン
28…揮発メモリ 29…電源関連部品
30…各種入出力部分 31…ハンドリングボックス
32…逆流防止ダンパー 33…流路切換えダンパー
34…排気ダクト 35…棟ダクト
36…立下りダクト 37…土間コンクリ−ト
38…床パネル 39…空気流通空間
40…お場とりコイル 41…循環配管
42…貯湯槽 43…循環ポンプ
44…給湯ボイラー 45…給湯配管
46…床吹出口 47…開口
Claims (6)
- 太陽熱により空気を加熱する集熱部と、この集熱部の空気熱媒を送風する送風ファンによる空気式ソーラーシステムにおいて、送風ファンは、風量範囲が概ね 100〜2000m３/hの大きい規模のものであり、太陽電池で発電する直流電源で駆動し、冬の風量は電気的な自動制御により絞り込んで暖房または加温に適した集熱温度に調整することを特徴とする空気式ソーラーシステム。
- 電気的な制御は、温度センサーにより集熱空気温度を検知し、制御用メイン回路内のＣＰＵにより、集熱温度と制御上の要求温度の差から比例制御の大きさを信号としてファン駆動モーターコントローラーのＩＣへ出力することによる請求項１記載の空気式ソーラーシステム。
- 送風ファンによる送風路には動作電源を切ってもギアロックなどで固定されるダンパーを設ける請求項１または請求項２記載の空気式ソーラーシステム。
- 書き換え可能である不揮発メモリにより設定内容・センサー検知内容・制御判断状況などを保持する制御部品を構成する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の空気式ソーラーシステム。
- 太陽電池を電源とする最適な運転電圧より低い電圧に調整された補助電源装置を電気逆流止め用整流素子を介して混合電源とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の空気式ソーラーシステム。
- 太陽熱により空気を加熱する集熱部は屋根または壁などに設け、この太陽熱集熱部に集熱用のダクトを連通させ、さらに、集熱用のダクトは、集熱用のダクトの側へ逆流防止を行う逆流防止ダンパーと、室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトとの連通を切り換える流路切換えダンパーと、これら逆流防止ダンパーと流路切換えダンパーとの間に設ける送風ファンを配設したハンドリングボックスに接続させ、ハンドリングボックスに前記の流出側に室内への送風を行う立下りダクトおよび外へ排気する排気ダクトを接続した請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の空気式ソーラーシステム。
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