JP4531490B2 - 太陽光熱複合利用システム、その運転制御方法、プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光熱、及び大気熱等自然エネルギ−利用の、太陽光熱複合利用システムおよびその運転制御方法に関するものである。

一般に太陽電池の発電効率は温度上昇とともに低下する。そのため、従来から、太陽電池を冷却し、発電効率の低下を抑制する技術が多く提案されている。

例えば、特許文献１にあるように太陽電池を循環水ポンプ等の冷却装置で冷却する方法や、特許文献２にあるように電気式集熱機器を用いて太陽電池から集熱する方法などが提案されている。

ここで、電気式集熱機器とは、電気が入力されると、外部を熱源として集熱する機器のことを表し、例えば、ヒ−トポンプのように熱源温度の変化によってその効率が変化するものや、熱媒循環装置を具備した電気温水器などを含む。なお、電気式集熱機器により集熱された熱は、給湯や冷暖房等の熱需要に供給することが可能である。
特開平１０−２０１２６８号公報 特開平５−６６０６５号公報

しかしながら、特許文献１の従来の運転制御方法では、電気式集熱機器の効率が温度依存性を持つ場合については考慮されておらず、その能力を最大限まで活かせていなかった。

また、特許文献２の従来の運転制御方法でも、太陽電池と電気式集熱機器を組み合わせることによる消費電力低減量が考慮されておらず、その能力を最大限まで活かせていなかった。

また、電気式集熱機器により集熱した熱を給湯や冷暖房に使用する為に、一旦蓄熱手段を用いて蓄熱容器に蓄熱する場合がある。しかし、太陽電池および太陽電池以外の熱源から選択的に集熱できる構成の電気式集熱機器の場合、太陽電池以外の熱源から集熱する場合と太陽電池から集熱する場合の消費電力量の差が小さい場合においても積極的に集熱が行われてしまう。その結果、消費電力を低減でき、より効率的に集熱できる、上記消費電力量の差がより大きいと予想される場合に、蓄熱容器の容量の都合上、集熱できる熱量が限られてしまう場合があった。

その為、予想よりも消費電力量を低減させることが出来ず、二酸化炭素排出量の低減が出来ていないという課題を有していた。

なお、上記の消費電力量の差とは、任意の時間中に、電気式集熱機器を用いて太陽電池から集熱する場合と太陽電池以外の熱源から集熱する場合とにおける太陽電池の発電量の差と、太陽電池以外の熱源から集熱する場合と太陽電池から集熱する場合とにおける電気式集熱機器に供給される電力量の差との和を表している。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、消費電力量を低減し、二酸化炭素排出量の更なる低減を可能とする、太陽光熱複合利用システム及びその運転制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
太陽電池と、
前記太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルと、
前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルと、
前記第１の集熱手段または前記第２の集熱手段のいずれかを用いて集熱するように切り替える集熱切替手段と、
前記集熱切替手段の切り替えを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１の集熱手段を用いて所定の熱量を集熱させる場合の、前記太陽電池で発電される発電量から前記第１の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じた第１の余剰電力量Ｐ_r1を算出し、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の、前記太陽電池で発電される発電量から前記第２の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じた第２の余剰電力量Ｐ_r2を算出し、
前記制御部は、Ｐ _r1 ≧Ｐ _r2 の場合、前記第１の集熱サイクルを用いて前記太陽電池から集熱するように前記集熱切替手段の切り替えを制御し、Ｐ _r1 ＜Ｐ _r2 の場合、前記第２の集熱サイクルを用いて前記太陽電池以外の熱源から集熱するように前記集熱切替手段の切り替えを制御する、太陽光熱複合利用システムである。

第２の本発明は、
太陽電池と、
前記太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルと、
前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルと、
前記第１の集熱手段または前記第２の集熱手段のいずれかを用いて集熱するように切り替える集熱切替手段と、
前記集熱切替手段の切り替えを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第１の集熱手段を用いて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量を減じて発電量の差Ｐ_sdを算出し、および／または、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記第２の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量から、前記第１の集熱手段を用いて前記所定の熱量を集熱させる場合の前記第１の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じて供給電力量の差Ｐ_hdを算出し、
前記制御部は、前記発電量の差Ｐ _sd と前記供給電力量の差Ｐ _hd とを加算し、その加算した値が予め設定された切替設定値Ｐ _set よりも大きくなった場合に、前記第１の集熱手段を用いて集熱させるように前記集熱切替手段を制御する、太陽光熱複合利用システムである。

第３の本発明は、
前記第２の集熱手段の熱源は、大気熱である、第１または第２の本発明の太陽光熱複合利用システムである。

第４の本発明は、
前記第１の集熱サイクルおよび前記第２の集熱サイクルは、ヒートポンプサイクルであり、
前記第１の集熱手段および前記第２の集熱手段は、前記ヒートポンプサイクルの蒸発器である、第１または第２の本発明の太陽光熱複合利用システムである。

第５の本発明は、
前記ヒートポンプサイクルは、
前記第１の集熱手段における冷媒温度を検出する第１の蒸発器冷媒温度検出手段と、
前記第２の集熱手段における冷媒温度を検出する第２の蒸発器冷媒温度検出手段と、
膨張弁の開度を調節する膨張弁開度調節手段とを有し、
前記膨張弁開度調節手段は、前記第１の蒸発器冷媒温度検出手段または前記第２の蒸発器冷媒温度検出手段で検出された冷媒温度が、冷媒の臨界温度を超えないように、前記膨張弁の開度を調節する、第４の本発明の太陽光熱複合利用システムである。

第６の本発明は、
前記太陽電池の発電量Ｐ_s0を検出する太陽電池発電量検出手段と、
前記太陽電池の温度Ｔ_p0を検出する太陽電池温度検出手段と、
外気温度Ｔ_aを検出する外気温度検出手段と、
前記太陽電池以外の熱源の温度Ｔ_hを検出する熱源温度検出手段と、
前記発電量Ｐ_s0、前記太陽電池の温度Ｔ_p0、前記外気温度Ｔ_aに基づいて、任意の太陽電池温度Ｔ_pに対応する前記太陽電池の発電量Ｐ_sを演算する太陽電池発電量演算手段と、
前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の供給電力量と、前記第１の集熱手段を用いて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量との差を演算する供給電力量差演算手段とを備えた、第２の本発明の太陽光熱複合利用システムである。
第７の本発明は、
太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルを稼働させて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記第1の集熱サイクルを稼動させるための供給電力量を減じた第１の余剰電力量Ｐ _r1 を算出するステップと、
前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から前記第２の集熱サイクルを稼動させるための供給電力を減じた第２の余剰電力量Ｐ _r2 を算出するステップと、
Ｐ _r1 ≧Ｐ _r2 の場合、前記第１の集熱サイクルを用いて前記太陽電池から集熱し、Ｐ _r1 ＜Ｐ _r2 の場合、前記第２の集熱サイクルを用いて前記太陽電池以外の熱源から集熱するように制御するステップとを備えた、太陽光熱複合利用システムの運転制御方法である。

第８の本発明は、
太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルを稼働させて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量を減じて、発電量の差Ｐ_sdを算出するステップと、
前記第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量から、前記第１の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量を減じて、供給電力量の差Ｐ_hdを算出するステップと、
前記発電量の差Ｐ_sd と前記供給電力量の差Ｐ_hd とを加算し、その加算した値が予め設定された切替設定値Ｐ _set よりも大きくなった場合に、前記第１の集熱サイクルを稼働させるように制御するステップとを備えた、太陽光熱複合利用システムの運転制御方法である。

第９の本発明は、
第１または第２の本発明の、前記集熱切替手段の切り替えを制御する前記制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

第１０の本発明は、
第９の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータで利用可能な記録媒体である。

本発明により、消費電力量を低減し、二酸化炭素排出量の更なる低減を可能とする、太陽光熱複合利用システム及びその運転制御方法を提供できる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の実施の形態１の太陽光熱複合利用システムを示す構成図である。図１は、大気から集熱する場合の構成を示し、図２は、太陽電池から集熱する場合の構成を示している。

本実施の形態１の太陽光熱複合利用システムは、太陽電池１および大気を熱源とするヒ−トポンプサイクル１３と、太陽電池１で発電した電力をヒ−トポンプサイクル１３の圧縮機４、家庭内電力機器１１、商用電力系統１２の少なくともいずれかに供給する電力供給手段を備えている。

ヒ−トポンプサイクル１３は、蒸発器２および蒸発器２０の２つの蒸発器を備えており、２つの三方弁２１、２２により冷媒の流路が切り替えられ、蒸発器２または蒸発器２０のいずれかで集熱されるようになっている。図１に示すように、蒸発器２は、太陽電池１の熱を集熱するように設けられている。一方、蒸発器２０は、大気からの熱を集熱する。

なお、太陽電池１としては、結晶系シリコン太陽電池を用いており、ヒ−トポンプサイクル１３は、冷媒として二酸化炭素を用いている。

図１は、大気を熱源として集熱する構成を示しており、この場合、ヒ−トポンプサイクル１３の冷媒は、圧縮機４、凝縮器３、膨張弁５、三方弁２１、蒸発器２０、三方弁２２の順に流れる。なお、大気からの熱が、本発明の太陽電池以外の熱源の一例である。

一方、図２は、太陽電池１を熱源として集熱する構成を示しており、この場合、ヒ−トポンプサイクル１３の冷媒は、圧縮機４、凝縮器３、膨張弁５、三方弁２１、蒸発器２、三方弁２２の順に流れ、太陽電池１を冷却する。

なお、蒸発器２および蒸発器２０が、それぞれ、本発明の第１の集熱手段および第２の集熱手段の一例である。また、図２に示す蒸発器２を経由するヒートポンプサイクル１３のサイクルが、本発明の第１の集熱サイクルの一例であり、図１に示す蒸発器２０を経由するヒートポンプサイクル１３のサイクルが、本発明の第２の集熱サイクルの一例である。また、三方弁２１、２２が、本発明の集熱切替手段の一例である。

そして、図１、図２のいずれの場合も、集熱された熱は、凝縮器３で放熱され蓄熱槽７に蓄熱される。蓄熱槽７に蓄熱された熱は、給湯等の熱需要８に用いることができる。

一方、太陽電池１で発電された電力はインバ−タ９に供給され、インバ−タ９において、太陽電池発電量Ｐ_s0（ｋＷｈ）が検出される。そして、インバ−タ９から、コントロ−ラ１０を介して、家庭内電力機器１１、商用電力系統１２、及びヒ−トポンプサイクル１３の圧縮機４に、太陽電池１で発電された電力が供給される。なお、ヒートポンプサイクル１３の圧縮機４には商用電力系統１２からの電力を供給することも可能である。

また、外気温度Ｔ_a（℃）を検出する外気温度検出手段１４、および太陽電池温度Ｔ_p0（℃）を検出する太陽電池温度検出手段１５が備えられている。

コントロ−ラ１０は、任意の太陽電池温度Ｔ_p（℃）に対応する発電量を算出する太陽電池発電量演算手段と、太陽電池１から集熱される熱量を算出する太陽熱集熱量演算手段と、太陽電池１から放熱される熱量を算出する太陽電池放熱量演算手段とを有する演算部を備えている。また、コントローラ１０は、ヒ−トポンプサイクル１３の圧縮機４へ電力を供給する電力供給部を備えている。そして、コントローラ１０は、三方弁２１、２２を制御して、ヒートポンプサイクル１３の冷媒の流路を切り替える。

なお、コントローラ１０は、本発明の制御部の一例であり、算出する値を一旦格納するためのメモリを備えている。

次に、本実施の形態１の太陽光熱複合利用システムの運転制御方法について説明する。

まず、インバータ９により、時刻ｔ₀から任意の時間Δｔの間における太陽電池発電量Ｐ_s0が検出される。また、太陽電池温度検出手段１５および外気温度検出手段１４により、時刻ｔ₀における太陽電池温度Ｔ_p0および外気温度Ｔ_aが検出される。

コントローラ１０において、検出された太陽電池発電量Ｐ_s0および太陽電池温度Ｔ_p0と、太陽電池受光部面積Ｓ（ｍ^２）および太陽電池発電効率η_ps0（％）から、日射量Ｇ（ｋＷｈ／ｍ^２）が演算される。そして、日射量Ｇと太陽電池１の集熱効率η_qs0（％）より、太陽電池１への太陽熱集熱量Ｑ_s（ｋＷｈ）が演算される。また、太陽電池温度Ｔ_p0、外気温度Ｔ_aより太陽電池１から大気への放熱量Ｑ_a（ｋＷｈ）が演算される。

また、ヒ−トポンプサイクル１３を用いて太陽電池１から集熱する場合の、ヒ−トポンプサイクル１３への供給電力量Ｐ_h1（ｋＷｈ）、及び太陽電池温度Ｔ_p0から求めたヒートポンプサイクル１３のＣＯＰη_h0より、ヒートポンプサイクル１３による太陽電池１からの集熱量Ｑ_h（ｋＷｈ）が演算される。

一方、ヒートポンプサイクル１３を用いて、大気を熱源とする蒸発器２０を用いて集熱する場合に、熱量Ｑ_hだけ集熱するのに必要な供給電力量Ｐ_h2（ｋＷｈ）も、外気温度Ｔ_aから求めたヒートポンプサイクル１３のＣＯＰη_haより演算される。

太陽電池１への太陽熱集熱量Ｑ_s、太陽電池１から大気への放熱量Ｑ_a、太陽電池１から集熱した場合のヒートポンプサイクル１３による太陽電池１からの集熱量Ｑ_h、太陽電池１の熱容量Ｃ_p（ｋＷｈ／℃）より、ヒートポンプサイクル１３を用いて、太陽電池１から集熱する場合と大気熱から集熱する場合における、任意の時間Δｔ後の太陽電池１の温度Ｔ_p1（℃）、Ｔ_p2（℃）がそれぞれ演算され、任意の時間Δｔの間における太陽電池発電量Ｐ_s1（ｋＷｈ）、Ｐ_s2（ｋＷｈ）がそれぞれ演算される。

以上より、時刻ｔ₀から任意の時間Δｔの間に、ヒートポンプサイクル１３を用いて太陽電池１から集熱させた場合の余剰電力量Ｐ_r1（ｋＷｈ）、および大気から集熱させた場合の余剰電力量Ｐ_r2（ｋＷｈ）は、それぞれ以下のように算出される。

Ｐ_r1 ＝ Ｐ_s1 − Ｐ_h1
Ｐ_r2 ＝ Ｐ_s2 − Ｐ_h2
ここで、余剰電力量とは、太陽電池１による発電量から、ヒートポンプサイクル１３を稼働させるための圧縮機４に供給する供給電力量を減じた電力量である。つまり、余剰電力量が大きいほど、実質的な発電量が大きい、または、別途圧縮機４に供給する電力量が少なくてすむと言える。

余剰電力量Ｐ_r1および余剰電力量Ｐ_r2は、同じ集熱量に対して算出された値なので、これらの数値が大きいほど、熱と電気を合わせた総合的なエネルギー量が大きいと言える。

コントローラ１０は、余剰電力量Ｐ_r1および余剰電力量Ｐ_r2の値に基づいて、集熱手段に蒸発器２を用いるか蒸発器２０を用いるかを判断し、三方弁２１、２２を制御してヒートポンプサイクル１３の冷媒の流路を切り替える。

例えば、総合的なエネルギー量が最も効率よくなるように制御するのであれば、Ｐ_r1≧Ｐ_r2の場合には、蒸発器２に冷媒が流れるように制御して太陽電池１から集熱させるようにし、Ｐ_r1＜Ｐ_r2の場合には、蒸発器２０に冷媒が流れるように制御して大気から集熱させるようにすればよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の太陽光熱複合利用システムは、実施の形態１と同じ構成であり、その構成図は、図１および図２に示す通りである。

本実施の形態２の太陽光熱複合利用システムは、実施の形態１とは、コントローラ１０における演算方法および制御方法のみが異なる。実施の形態１と全く同じ構成なので、構成の説明は省略する。

本実施の形態２の太陽光熱複合利用システムの運転制御方法について、以下に説明する。

図３は、本実施の形態２における太陽光熱複合利用システムの運転制御方法を表したフローチャートである。

まず、インバータ９により、時刻ｔ₀から任意の時間Δｔの間における太陽電池発電量Ｐ_s0（ｋＷｈ）が検出される。また、太陽電池温度検出手段１５および外気温度検出手段１４により、時刻ｔ₀における太陽電池温度Ｔ_p0（℃）及び外気温度Ｔ_a（℃）が検出される。

コントローラ１０において、検出された太陽電池発電量Ｐ_s0および太陽電池温度Ｔ_p0と、太陽電池受光部面積Ｓ（ｍ^２）および太陽電池発電効率η_ps0（％）から、日射量Ｇ（ｋＷｈ／ｍ^２）が演算される。そして、日射量Ｇと太陽電池１の集熱効率η_qs0（％）より、太陽電池１への太陽熱集熱量Ｑ_s（ｋＷｈ）が演算される。また、太陽電池温度Ｔ_p0、外気温度Ｔ_aより太陽電池１から大気への放熱量Ｑ_a（ｋＷｈ）が演算される。

また、ヒ−トポンプサイクル１３を用いて太陽電池１から集熱する場合の、ヒ−トポンプサイクル１３への供給電力量Ｐ_h1（ｋＷｈ）、及び太陽電池温度Ｔ_p0から求めたヒートポンプサイクル１３のＣＯＰη_h0より、ヒートポンプサイクル１３による太陽電池１からの集熱量Ｑ_h（ｋＷｈ）が演算される。

一方、ヒートポンプサイクル１３を用いて、大気を熱源とする蒸発器２０を用いて集熱する場合に、熱量Ｑ_hだけ集熱するのに必要な供給電力量Ｐ_h2（ｋＷｈ）も、外気温度Ｔ_aから求めたヒートポンプサイクル１３のＣＯＰη_haより演算される。

太陽電池１への太陽熱集熱量Ｑ_s、太陽電池１から大気への放熱量Ｑ_a、太陽電池１から集熱した場合のヒートポンプサイクル１３による太陽電池１からの集熱量Ｑ_h、太陽電池１の熱容量Ｃ_p（ｋＷｈ／℃）より、ヒートポンプサイクル１３を用いて、太陽電池１から集熱する場合と大気熱から集熱する場合における、任意の時間Δｔ後の太陽電池１の温度Ｔ_p1（℃）、Ｔ_p2（℃）がそれぞれ演算され、任意の時間Δｔの間における太陽電池発電量Ｐ_s1（ｋＷｈ）、Ｐ_s2（ｋＷｈ）がそれぞれ演算される。

以上より、時刻ｔ₀から任意の時間Δｔの間に、ヒートポンプサイクル１３により、太陽電池１から集熱する場合と大気熱から集熱する場合での太陽電池発電量の差Ｐ_sd（ｋＷｈ）、及び大気熱から集熱する場合と太陽電池１から集熱する場合とのヒートポンプサイクル１３への供給電力量の差Ｐ_hd（ｋＷｈ）が、それぞれ以下のように算出される。

Ｐ_sd ＝ Ｐ_s1 − Ｐ_s2
Ｐ_hd ＝ Ｐ_h2 − Ｐ_h1
ここで、太陽電池１から集熱する場合と大気熱から集熱する場合とを判別する為の設定値Ｐ_set（ｋＷｈ）を、太陽電池発電量、太陽電池温度、外気温度がそれぞれＰ_sset（ｋＷｈ）、Ｔ_pset（℃）、Ｔ_aset（℃）の基準状態において太陽電池１から集熱した場合と大気熱から集熱した場合における太陽電池発電量の差Ｐ_sdset（ｋＷｈ）と、大気熱から集熱した場合と太陽電池１から集熱した場合におけるヒートポンプサイクル供給電力量の差Ｐ_hdset（ｋＷｈ）の和とする。

なお、上記の基準状態は、季節毎や地域毎における太陽電池発電量、太陽電池温度、外気温度の平均データから設定される状態であってもよいし、使用者により任意に設定される状態であってもよい。

図４は、本実施の形態２の太陽光熱複合利用システムの制御方法を用いた場合の、消費電力量差（Ｐ_sd＋Ｐ_hd）の経時変化の一例を示している。例えば、図４では、（Ｐ_sd＋Ｐ_hd）≧Ｐ_setの場合には、ヒートポンプサイクル１３により太陽電池１から集熱されるように三方弁２１、２２を制御し、（Ｐ_sd＋Ｐ_hd）＜Ｐ_setの場合には、大気からの熱を集熱するように三方弁２１、２２を制御している。

なお、Ｐ_setは、Ｐ_sdset又はＰ_hdsetの少なくともどちらか一方の値であっても良いし、Ｐ_setと比較するのは、Ｐ_sd又はＰ_hdの少なくともどちらか一方の値であっても良い。

なお、Ｐ_sset、Ｔ_pset、Ｔ_asetの値は、給湯等の熱需要８や、日射量Ｇや外気温度Ｔ_a等の天候条件によって変化させる。例えば、蓄熱手段として貯湯方法を用いる場合には、貯湯容器内の蓄熱量を少なくとも貯湯量と貯湯温度から検出する蓄熱量検出手段を備え、貯湯容器内の蓄熱量が少ない場合や熱需要８が大きい場合にはＰ_setの値が小さくなるように変化させて集熱を促進し、逆に貯湯容器内の蓄熱量が多い場合や熱需要８が少ない場合にはＰ_setの値が大きくなるように変化させて高効率での集熱を選択的に行わせる。なお、熱需要８は、貯湯量の減少速度検出手段と貯湯温度低下速度検出手段の少なくともどちらか一方により検出される。

また、日射量の一定時間当りの変化量が小さい場合には、Ｐ_setの値が小さくなるように変化させて集熱を促進し、逆に日射量の一定時間当たりの変化量が大きい場合には、Ｐ_setの値が大きくなるように変化させて高効率での集熱を選択的に行わせることも可能である。

なお、ヒ−トポンプサイクル１３への供給電力量Ｐ_h1、Ｐ_h2の値は、任意の時間Δｔの間にヒ−トポンプサイクル１３に供給可能な最大の電力量Ｐ_hmax以下の範囲を対象として演算される。

なお、ヒ−トポンプサイクル１３の蒸発器２および蒸発器２０における冷媒温度Ｔ_cが冷媒の臨界温度Ｔ_cri（℃）を超えないように、膨張弁開度調節手段により、膨張弁６の開度は自動的に調整される。

本実施の形態２の太陽光熱複合利用システムの運転制御方法によれば、ヒートポンプサイクル１３を用いて大気熱から集熱する場合と太陽電池１から集熱する場合での消費電力量差が大きい場合に選択的に太陽電池１からの集熱を行うため、太陽電池１の発電量が増加し、ヒートポンプサイクル１３を稼動させる為に必要な供給電力量を大気熱から集熱する場合より大幅に低減させることができるため、従来の太陽光熱複合利用システムと比較して、消費電力量を低減させることが出来る。その結果として、二酸化炭素排出量を低減させることができる。

また、本実施の形態２においては、基準状態において大気熱から集熱する場合と太陽電池１から集熱する場合との消費電力量差を設定値として、ヒートポンプサイクル１３への供給電力量の制御に用いているが、基準状態における太陽電池温度Ｔ_pset、外気温度Ｔ_aset、発電量Ｐ_ssetの少なくともいずれか一つの値を供給電力量の制御に用いることもできる。

なお、各実施の形態においては、太陽電池温度検出手段１５による検出値を演算に用いているが、必ずしも太陽電池温度検出手段１５による検出値を用いる必要はなく、太陽電池発電量Ｐ_s0などから推測される太陽電池温度を用いることも可能である。

また、各実施の形態においては、圧縮機４、膨張弁５、凝縮器３を共通に用い、蒸発器２と蒸発器２０を切り替えて使用する構成のヒートポンプサイクル１３を用いたが、太陽電池１からの集熱手段と太陽電池１以外の熱源からの集熱手段を備え、それらの集熱手段を切り替えて使用できる構成であれば、どのような構成であってもよい。例えば、全く異なる２つのヒートポンプサイクルを切り替えて使用するような構成であってもよい。

また、各実施の形態においては、２つの蒸発器２と蒸発器２０を切り替えて使用する構成としたが、３つ以上の蒸発器を切り替えて使用する構成であっても、本発明を適用できる。

また、各実施の形態においては、ヒートポンプサイクル１３を用いて太陽電池１以外から集熱を行う場合の熱源として大気熱を用いているが、地熱や風呂排熱などの他の熱源を利用することもできる。

また、各実施の形態においては、太陽電池１との組合せにおいて、ヒ−トポンプサイクル１３を第１の集熱サイクルおよび第２の集熱サイクルとして用いているが、循環水ポンプを備えた電気温水器などの、その他の電気式集熱機器を第１の集熱サイクルおよび第２の集熱サイクルとして用いた場合にも同様に適用することができる。

また、各実施の形態においては、太陽電池１として結晶系シリコン太陽電池を用いているが、少なくとも発電効率に温度依存性がある太陽電池、例えば、アモルファスシリコン太陽電池やＣＩＳ太陽電池などを用いた場合にも同様に適用することができる。

また、各実施の形態においては、ヒ−トポンプサイクル１３として、二酸化炭素を冷媒とするヒ−トポンプサイクルを用いているが、例えばＨＦＣ等の他の冷媒を用いたヒートポンプサイクルの場合にも同様に適用することができる。

なお、本発明のプログラムは、上述した本発明の太陽光熱複合利用システムの制御部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

また、本発明の記録媒体は、上述した本発明の太陽光熱複合利用システムの制御部の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能かつ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協働して利用される記録媒体である。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれる。

また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明にかかる太陽光熱複合利用システムの運転制御方法を用いれば、大気熱から集熱する場合と太陽電池から集熱する場合とでの消費電力量差が設定値より大きい場合に選択的に太陽電池から集熱するため、二酸化炭素排出量の更なる低減手段として有用である。なお、発電効率が温度上昇とともに大きく低下する太陽電池においては、特に有用である。また、効率が温度上昇とともに大きく向上する電気式集熱機器においても、特に有用である。

なお、本運転制御方法は循環水ポンプ等を用いて一旦集めた熱を電気式集熱機器の熱源とする場合や、異なる種類の複数の電気式集熱機器同士を組合せて用いる場合にも適用することが可能である。

なお、集めた熱は給湯や暖房に使用することが可能である。また、本発明の太陽光熱複合利用システムを吸着式冷凍サイクルなどと組み合わせれば、集めた熱で冷房を行うことも可能である。なお、本運転制御方法は、太陽電池だけでなく、燃料電池などの発電手段と、電気式集熱機器を組み合わせたシステムの運転制御方法にも応用することが可能である。

本発明の実施の形態１における太陽光熱複合利用システムの構成図 本発明の実施の形態１における太陽光熱複合利用システムの構成図 本発明の実施の形態１におけるヒ−トポンプサイクル１３の運転制御方法のフロ−チャ−ト 本発明の実施の形態１におけるヒートポンプサイクル１３を用いて、大気熱から集熱する場合と太陽電池１から集熱する場合とにおける消費電力量の差と設定値の関係を示す図

符号の説明

１ 太陽電池
２、２０ 蒸発器
３ 凝縮器
４ 圧縮機
５ 膨張弁
６ 冷媒配管
７ 蓄熱槽
８ 熱需要
９ インバ−タ
１０ コントロ−ラ
１１ 家庭内電力機器
１２ 商用電力系統
１３ ヒ−トポンプサイクル
１４ 外気温度検出手段
１５ 太陽電池温度検出手段
２１、２２ 三方弁

Claims (10)

1. 太陽電池と、
   前記太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルと、
   前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルと、
   前記第１の集熱手段または前記第２の集熱手段のいずれかを用いて集熱するように切り替える集熱切替手段と、
   前記集熱切替手段の切り替えを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第１の集熱手段を用いて所定の熱量を集熱させる場合の、前記太陽電池で発電される発電量から前記第１の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じた第１の余剰電力量Ｐ_r1を算出し、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の、前記太陽電池で発電される発電量から前記第２の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じた第２の余剰電力量Ｐ_r2を算出し、
   前記制御部は、Ｐ _r1 ≧Ｐ _r2 の場合、前記第１の集熱サイクルを用いて前記太陽電池から集熱するように前記集熱切替手段の切り替えを制御し、Ｐ _r1 ＜Ｐ _r2 の場合、前記第２の集熱サイクルを用いて前記太陽電池以外の熱源から集熱するように前記集熱切替手段の切り替えを制御する、太陽光熱複合利用システム。
2. 太陽電池と、
   前記太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルと、
   前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルと、
   前記第１の集熱手段または前記第２の集熱手段のいずれかを用いて集熱するように切り替える集熱切替手段と、
   前記集熱切替手段の切り替えを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記第１の集熱手段を用いて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量を減じて発電量の差Ｐ_sdを算出し、および／または、前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記第２の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量から、前記第１の集熱手段を用いて前記所定の熱量を集熱させる場合の前記第１の集熱サイクルを稼働させるための供給電力量を減じて供給電力量の差Ｐ_hdを算出し、
   前記制御部は、前記発電量の差Ｐ _sd と前記供給電力量の差Ｐ _hd とを加算し、その加算した値が予め設定された切替設定値Ｐ _set よりも大きくなった場合に、前記第１の集熱手段を用いて集熱させるように前記集熱切替手段を制御する、太陽光熱複合利用システム。
3. 前記第２の集熱手段の熱源は、大気熱である、請求項１または２に記載の太陽光熱複合利用システム。
4. 前記第１の集熱サイクルおよび前記第２の集熱サイクルは、ヒートポンプサイクルであり、
   前記第１の集熱手段および前記第２の集熱手段は、前記ヒートポンプサイクルの蒸発器である、請求項１または２に記載の太陽光熱複合利用システム。
5. 前記ヒートポンプサイクルは、
   前記第１の集熱手段における冷媒温度を検出する第１の蒸発器冷媒温度検出手段と、
   前記第２の集熱手段における冷媒温度を検出する第２の蒸発器冷媒温度検出手段と、
   膨張弁の開度を調節する膨張弁開度調節手段とを有し、
   前記膨張弁開度調節手段は、前記第１の蒸発器冷媒温度検出手段または前記第２の蒸発器冷媒温度検出手段で検出された冷媒温度が、冷媒の臨界温度を超えないように、前記膨張弁の開度を調節する、請求項４に記載の太陽光熱複合利用システム。
6. 前記太陽電池の発電量Ｐ_s0を検出する太陽電池発電量検出手段と、
   前記太陽電池の温度Ｔ_p0を検出する太陽電池温度検出手段と、
   外気温度Ｔ_aを検出する外気温度検出手段と、
   前記太陽電池以外の熱源の温度Ｔ_hを検出する熱源温度検出手段と、
   前記発電量Ｐ_s0、前記太陽電池の温度Ｔ_p0、前記外気温度Ｔ_aに基づいて、任意の太陽電池温度Ｔ_pに対応する前記太陽電池の発電量Ｐ_sを演算する太陽電池発電量演算手段と、
   前記第２の集熱手段を用いて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の供給電力量と、前記第１の集熱手段を用いて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量との差を演算する供給電力量差演算手段とを備えた、請求項２に記載の太陽光熱複合利用システム。
7. 太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルを稼働させて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記第1の集熱サイクルを稼動させるための供給電力量を減じた第１の余剰電力量Ｐ _r1 を算出するステップと、
   前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から前記第２の集熱サイクルを稼動させるための供給電力を減じた第２の余剰電力量Ｐ _r2 を算出するステップと、
   Ｐ _r1 ≧Ｐ _r2 の場合、前記第１の集熱サイクルを用いて前記太陽電池から集熱し、Ｐ _r1 ＜Ｐ _r2 の場合、前記第２の集熱サイクルを用いて前記太陽電池以外の熱源から集熱するように制御するステップとを備えた、太陽光熱複合利用システムの運転制御方法。
8. 太陽電池から集熱する第１の集熱手段を有する第１の集熱サイクルを稼働させて所定の熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量から、前記太陽電池以外の熱源から集熱する第２の集熱手段を有する第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量と同じ熱量を集熱させる場合の前記太陽電池で発電される発電量を減じて、発電量の差Ｐ_sdを算出するステップと、
   前記第２の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量から、前記第１の集熱サイクルを稼働させて前記所定の熱量を集熱させる場合の供給電力量を減じて、供給電力量の差Ｐ_hdを算出するステップと、
   前記発電量の差Ｐ_sd と前記供給電力量の差Ｐ_hd とを加算し、その加算した値が予め設定された切替設定値Ｐ _set よりも大きくなった場合に、前記第１の集熱サイクルを稼働させるように制御するステップとを備えた、太陽光熱複合利用システムの運転制御方法。
9. 請求項１または２に記載の、前記集熱切替手段の切り替えを制御する前記制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
10. 請求項９に記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータで利用可能な記録媒体。

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