JP4926284B1 - 太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱媒体による圧力を低減する構造であって軽量化が可能であるとともに、太陽電池パネルとの間で高い熱伝導性を保持することができる太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラムを提供する。
【解決手段】 所定の傾斜角度で配置される太陽電池パネル２と、太陽電池パネル２の裏面に設けられるパネルであって、熱媒体を流通させる複数本の流通路３１が縦方向に向けて並列に配置されているとともに、それら各流通路３１の下端を流入口３１ａとして熱媒体の注入口３５に連通させ、各流通路３１の上端を流出口３１ｂとして熱媒体の排出口３４に連通させて構成された太陽電池用集熱・加熱パネル３と、注入口３５に熱媒体を注入して各流通路３１内に下方から上方へ熱媒体を流通させて排出口３４から排出させる循環ポンプ４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池パネルから熱を集めて太陽電池パネル自体を冷却することにより発電効率を高めるとともに、集熱した熱を有効利用し、さらには太陽電池パネル表面に積もった雪を融かすことも可能な太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラムに関するものである。

従来、太陽電池パネルから集熱して発電効率を高めるとともに、集熱した熱を有効利用する技術が提案されている。例えば、特開２０１０−１２３９０７号公報には、太陽電池パネルの裏面にタンクや蛇行状の伝熱管を設け、該タンクや該伝熱管に水を流し、この水によって太陽電池パネルの熱を回収する太陽電池が開示されている（特許文献１）。

特開２０１０−１２３９０７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明において、太陽電池パネルの裏面にタンクを設ける場合、当該タンクには高い水圧がかかる。このため、高強度な金属製のタンクでなければ、水圧に耐えられず破損してしまうおそれがある。一方、金属製のタンクは重量が重いため、太陽電池パネルの重量およびタンク内を流す水の重量を合わせると、総重量が極めて大きくなる。このため、特に一般家庭の屋根上等に設置する場合には不向きである。また、金属は導電性が高いため、太陽電池パネルから漏電した場合、感電事故が発生するおそれもある。

一方、太陽電池パネルの裏面に伝熱管を設ける場合、伝熱管は断面円形である上、蛇行させて配管するため、太陽電池パネルの裏面に接触する面積が著しく小さい。このため、太陽電池パネルの裏面から伝熱管へ熱伝導し難く、十分な集熱効果が期待できないという問題がある。

さらに、特許文献１では、水出口にエアー抜きを設ける構成が開示されている（図８）。しかしながら、この構成では、水出口のエアー抜きに至るまでは、水と一緒に空気が太陽電池パネルの裏面を流れることとなる。このため、当該空気によって、太陽電池パネルからタンクまたは伝熱管への熱伝導が阻害されてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、熱媒体による圧力を低減する構造であって軽量化が可能であるとともに、太陽電池パネルとの間で高い熱伝導性を保持することができる太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラムを提供することを目的としている。

本発明に係る太陽光発電システムは、所定の傾斜角度で配置される太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの裏面に設けられるパネルであって、２枚の薄板の間に多数の仕切壁を等間隔に配置して直線状に構成されているとともに横断面形状が矩形状に形成され、熱媒体を流通させる複数本の流通路が縦方向に向けて並列に配置されており、それら各流通路の下端を流入口として前記熱媒体の注入口に連通させ、前記各流通路の上端を流出口として前記熱媒体の排出口に連通させて構成された太陽電池用集熱・加熱パネルと、前記注入口に前記熱媒体を注入して前記各流通路内に下方から上方へ前記熱媒体を流通させて前記排出口から排出させる循環ポンプとを有する。

また、本発明の一態様として、前記太陽電池用集熱・加熱パネルの各流通路は、前記流入口へ流入される前記熱媒体を一旦貯留する注入側貯留空間を介在させて前記注入口と連通されているとともに、前記流出口から流出される前記熱媒体を一旦貯留する排出側貯留空間を介在させて前記排出口と連通されており、複数の太陽電池パネルが上下に並べて配置されているとともに、下側の太陽電池用集熱・加熱パネルに連通された排出口と、上側の太陽電池用集熱・加熱パネルに連通された注入口とが連結されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、前記太陽電池用集熱・加熱パネルの上下端部に設けられるスポンジパッキンと、このスポンジパッキンを狭持して締め付ける狭持フレームと、この狭持フレームを前記太陽電池パネルのフレームに固定する固定金具とを有していてもよい。

また、本発明の一態様として、前記太陽電池用集熱・加熱パネルは絶縁性材料で形成されていてもよい。

さらに、本発明の一態様として、前記太陽電池用集熱・加熱パネルのパネル温度から前記循環ポンプへ戻される熱媒体の熱媒体温度を減算して求められる温度差が所定値以上の場合、前記循環ポンプを運転させ、前記温度差が所定値以下の場合、前記循環ポンプを停止させる制御装置を有していてもよい。

また、本発明の一態様として、外気温度が所定温度以下であって、かつ、前記太陽電池用集熱・加熱パネルのパネル温度から前記循環ポンプへ戻される熱媒体の熱媒体温度を減算して求められる温度差が所定値以下の場合、前記循環ポンプを停止させるとともに、前記太陽電池用集熱・加熱パネルの各流通路内から熱媒体を抜き落とす落水弁を開放する制御装置を有していてもよい。

さらに、本発明の一態様として、積雪防止用の屋根が設けられており積雪を検知するための積雪検知用太陽電池と、この積雪検知用太陽電池の発電電力が所定値以上であって、かつ、前記太陽電池パネルの発電電力が所定値以下の場合、前記循環ポンプを運転させる制御装置とを有していてもよい。

本発明に係る太陽光発電プログラムは、請求項３または請求項４に記載の制御装置であるコンピュータを機能させる。

本発明によれば、熱媒体による圧力を低減する構造であって軽量化が可能であるとともに、太陽電池パネルとの間で高い熱伝導性を保持することができる。

本発明に係る太陽光発電システムの一実施形態を示す全体構成図である。 本実施形態の太陽電池用集熱・加熱パネルを裏面に取り付けた太陽電池パネルを示す背面図である。 図２の中央横断面図およびその一部拡大図である。 図２の一点鎖線領域を示す拡大図である。 図４の５Ａ−５Ａ線における断面図である。 本実施形態の太陽光発電システムにおける制御装置を示すブロック図である。 本実施形態の太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラムにより実行される処理を示すフローチャート図である。 本実施例１における実測結果およびシミュレーション結果を示すグラフである。 本実施例２における実測結果およびシミュレーション結果を示すグラフである。

以下、本発明に係る太陽光発電システムおよび太陽光発電プログラムの実施形態について図面を用いて説明する。

本実施形態では、本願発明者が発明した特許第４５１４８２７号に記載の太陽軌道追尾式発電システムに、本発明に係る太陽光発電システムを適用した例について説明する。なお、特許第４５１４８２７号に係る構成についての説明は省略する。

本実施形態の太陽光発電システム１は、図１に示すように、主として、複数枚の太陽電池パネル２と、これら各太陽電池パネル２の裏面に設けられる太陽電池用集熱・加熱パネル３と、これら各太陽電池用集熱・加熱パネル３に熱媒体を循環させる循環ポンプ４と、当該熱媒体と熱交換するための貯湯槽５と、前記貯湯槽５で温められたお湯を給水するための給水ポンプ６と、前記太陽電池用集熱・加熱パネル３内から熱媒体を抜き落とす落水弁７と、前記循環ポンプ４や前記落水弁７等を制御する制御装置８とを有している。以下、各構成について説明する。

太陽電池パネル２は、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。本実施形態において、太陽電池パネル２は、複数枚の太陽電池（セル）を直列または並列に接続して全体として略長方形のパネル状に構成されている。そして、図１に示すように、上下に並べて配置された３枚の太陽電池パネル２を１組としてフレーム（図示せず）に保持させ、これを横方向に３組並べて配置している。

なお、本実施形態では、上述したように、太陽電池パネル２を太陽軌道に追尾させる太陽軌道追尾式発電システムに適用しているが、この構成に限定されるものではない。すなわち、所定の傾斜角度で配置される太陽電池パネル２を使用するものであれば、屋根の上に固定設置された太陽電池パネル２を備えた一般的な発電システムに適用することもできる。

太陽電池用集熱・加熱パネル３は、太陽電池パネル２から集熱する役割および太陽電池パネル２を加熱する役割を果たすものである。具体的には、図２および図３に示すように、太陽電池用集熱・加熱パネル３は、太陽電池パネル２の裏面に設けられるパネルであって、熱媒体を流通させる複数本の流通路３１が縦方向に向けて並列に配置されている。

本実施形態では、図３に示すように、各流通路３１は、２枚の薄板の間に多数の仕切壁を略等間隔に配置して略直線状に構成されている。また、各流通路３１の上下端部は開口されており、下端は熱媒体の流入口３１ａとして機能し、上端は熱媒体の流出口３１ｂとして機能するようになっている。太陽電池用集熱・加熱パネル３は、図２に示すように、太陽電池パネル２の上下方向と、各流通路３１の流れ方向とが略一致する状態で取り付けられる。このため、後述するように、各流通路３１内に下方から上方へ向けて熱媒体を流通させると、空気の混入が抑制される。

また、太陽電池用集熱・加熱パネル３の上下端部には、図２および図４に示すように、スポンジパッキン３２によって密閉された注入側貯留空間３３ａおよび排出側貯留空間３３ｂが形成されている。注入側貯留空間３３ａは、流入口３１ａへ流入される熱媒体を一旦貯留し、各流通路３１へ熱媒体を均等に流入させるためのものである。また、排出側貯留空間３３ｂは、流出口３１ｂから流出される熱媒体を一旦貯留し、各流通路３１から熱媒体を均等に流出させるためのものである。

本実施形態において、各流通路３１は、注入側貯留空間３３ａを介在させて、熱媒体を他の太陽電池用集熱・加熱パネル３や循環ポンプ４から注入する注入口３５と連通されている。一方、各流通路は、図５に示すように、排出側貯留空間３３ｂを介在させて、熱媒体を他の太陽電池用集熱・加熱パネル３や貯湯槽５へ排出する排出口３４と連通されている。

なお、各太陽電池用集熱・加熱パネル３の上下端部は、図４および図５に示すように、スポンジパッキン３２を狭持する狭持フレーム３６で締め付けられている。また、この狭持フレーム３６が、略くの字形状の固定金具３７によって太陽電池パネル２のフレームに固定されている。しかしながら、この構成に限定されるものではなく、太陽電池パネル２の裏面に設けられていればどのような取り付け方法を採用してもよい。

なお、本実施形態では、３枚の太陽電池パネル２が上下に並べて配置されている。そこで、流通経路を単純化し、各太陽電池用集熱・加熱パネル３の集熱・加熱効率を高めるため、下側の太陽電池用集熱・加熱パネル３に連通された排出口３４と、上側の太陽電池用集熱・加熱パネル３に連通された注入口３５とが連結されている。

具体的には、図１に示すように、下段の太陽電池パネル２に取り付けた太陽電池用集熱・加熱パネル３の注入口３５は、循環ポンプ４に接続されている。また、当該下段の太陽電池用集熱・加熱パネル３の排出口３４は、中段の太陽電池用集熱・加熱パネル３の注入口３５と接続されている。さらに、当該中段の太陽電池用集熱・加熱パネル３の排出口３４は、上段の太陽電池用集熱・加熱パネル３の注入口３５と接続されている。そして、当該上段の太陽電池用集熱・加熱パネル３の排出口３４は、集水トラップ９へ繋がるように配管されている。

以上の構成により、循環ポンプ４から供給された熱媒体は注入口３５から注入され、各太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内を下方から上方へと流れた後、排出口３４から排出され、集水トラップ９を介して貯湯槽５へと戻されるようになっている。一方、循環ポンプ４が停止した状態では、重力によって熱媒体が落水し、循環ポンプ４側へ逆流するようになっている。

なお、太陽電池用集熱・加熱パネル３の構成は、上記構成に限定されるものではなく、複数本の流通路３１が縦方向に向けて並列に配置されていればよい。また、本実施形態では、熱媒体の凍結を防止するため不凍液を使用しているが、温暖な地域では水等を使用してもよい。さらに、本実施形態では、感電事故を防止する観点から、太陽電池用集熱・加熱パネル３を絶縁性の高いポリカーボネートで形成しているが、その他の軽量な絶縁性材料でもよい。

循環ポンプ４は、太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内に、下方から上方へ向けて熱媒体を流通させるものである。また、貯湯槽５は、各流通路３１を循環された熱媒体と熱交換するものである。本実施形態では、図１に示すように、貯湯槽５の内部には、水道水が貯留されているとともに、集水トラップ９で集められた熱媒体を回収するクッションタンク５１が設けられている。また、クッションタンク５１には、貯湯槽５内において熱媒体と水道水とを熱交換させるための蛇行状の熱交換パイプ５２が接続されており、その熱交換パイプ５２の出口が循環ポンプ４へ接続されている。

給水ポンプ６は、貯湯槽５で温められたお湯を給水するためのものである。本実施形態では、図１に示すように、貯湯槽５のお湯が給水ポンプ６へと供給されるように配管されており、そのお湯が当該給水ポンプ６によって、給湯器やお風呂へと給水されるようになっている。なお、お風呂へ直接給水したお湯の温度が低めの場合、別途、給湯器で追い炊きして使用してもよい。

落水弁７は、太陽電池用集熱・加熱パネル３内から熱媒体を抜き落とす役割と、熱媒体が循環ポンプ４へ逆流するのを防止する役割とを果たすものである。本実施形態において、落水弁７は、図１に示すように、循環ポンプ４と各太陽電池用集熱・加熱パネル３との間の配管経路上に設けられている。また、落水弁７は、熱媒体を流通させる開放状態と、熱媒体の流通を阻止する閉鎖状態とを制御装置８によって制御可能に構成されている。

制御装置８は、循環ポンプ４や落水弁７を制御して、熱媒体の循環や抜き落としを行わせるものである。本実施形態において、制御装置８は、プログラマブルコントローラやパーソナルコンピュータ等のコンピュータから構成されており、図６に示すように、主として、本実施形態の太陽光発電プログラム１ａや各種のデータ等を記憶する記憶手段８１と、各種のデータを取得して演算処理する演算処理手段８２とから構成されている。以下、各構成手段についてより詳細に説明する。

記憶手段８１は、ＲＯＭ（Read Only memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリ等から構成されており、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段８２が演算処理を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。本実施形態において、記憶手段８１は、図１に示すように、主として、プログラム記憶部８１１と、集熱条件記憶部８１２と、落水条件記憶部８１３と、積雪条件記憶部８１４とを有している。

プログラム記憶部８１１には、本実施形態の太陽光発電システム１を制御するための太陽光発電プログラム１ａがインストールされている。そして、演算処理手段８２が、太陽光発電プログラム１ａを実行することにより、後述する各構成部として制御装置８（コンピュータ）を機能させるようになっている。

集熱条件記憶部８１２は、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって集熱するのに好適な集熱条件を記憶するものである。本実施形態では、効率的に集熱させるため、太陽電池用集熱・加熱パネル３のパネル温度と、循環ポンプ４へ戻される熱媒体の熱媒体温度との温度差を用いて集熱条件を設定している。

具体的には、前記パネル温度から前記熱媒体温度を減算して求められる温度差が、所定の運転開始温度差を超えた場合、循環ポンプ４を運転させ、所定の運転停止温度差よりも小さい場合、循環ポンプ４を停止させるように設定する。つまり、集熱条件として、上述した運転開始温度差および運転停止温度差が記憶されている。なお、図１に示すように、前記パネル温度を測定するパネル温度センサＴ１は、太陽電池用集熱・加熱パネル３の表面に設けられ、前記熱媒体温度を測定する熱媒体温度センサＴ２は、貯湯槽５から循環ポンプ４へ至る配管経路上に設けられている。

また、本実施形態では、循環ポンプ４の運転エネルギーと、太陽電池用集熱・加熱パネル３による集熱エネルギーとを考慮して、運転開始温度差を１０℃に設定し、運転停止温度差を５℃に設定している。前記温度差が５℃以下の場合には、集熱エネルギーがほとんど得られない一方で、運転エネルギーが消費されてしまうからである。なお、運転開始温度差は、外気温度に応じて適宜変更してもよい。

なお、集熱条件は、上記条件に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、集熱動作の効率性を考慮して、パネル温度から熱媒体温度を減算して求められる温度差を基準としているが、単純に、パネル温度が熱媒体温度よりも高いときに循環ポンプ４を駆動し、パネル温度が熱媒体温度よりも低いときに循環ポンプ４を停止させるようにしてもよい。ただし、この条件下では、集熱効果があまり期待できない状態でも循環ポンプ４を運転させるため、エネルギーを無駄に消費してしまうおそれがある。

落水条件記憶部８１３は、太陽電池用集熱・加熱パネル３内から熱媒体を抜き落とすための落水条件を記憶するものである。本実施形態では、熱媒体の凍結を防止するために、図示しない外気温度センサが設けられている。そして、当該外気温度センサが検知した外気温度が所定温度以下であって、かつ、前記パネル温度から前記熱媒体温度を減算して求められる温度差が所定値以下である場合を、熱媒体が凍結するおそれがある条件としている。したがって、第１の落水条件として、外気温度の閾値および前記温度差の閾値を記憶している。

また、本実施形態では、太陽光による発電が行われない夜間の間も、太陽電池用集熱・加熱パネル３内から熱媒体を抜き落とすようになっている。したがって、第２の落水条件としては、夜間に相当する時間帯を記憶するようになっている。

積雪条件記憶部８１４は、太陽電池パネル２の表面に積雪があるか否かを判定するための積雪条件を記憶するものである。本実施形態では、積雪の有無を検知するため、図１に示すように、積雪検知用太陽電池１０が設けられている。この積雪検知用太陽電池１０は、その表面に積雪するのを防止するため、太陽電池パネル２よりも小サイズであり、積雪防止用の屋根１１が設けられている。この構成により、積雪条件として、積雪検知用太陽電池１０の発電電力が所定値以上であって、かつ、太陽電池パネル２の発電電力が所定値以下の場合、太陽電池パネル２の表面に積雪があるものとして、循環ポンプ４を運転させるように設定されている。これにより太陽電池用集熱・加熱パネル３の流通路３１を流通するお湯の温度によって太陽電池パネル２の積雪を融かすようになっている。

具体的には、積雪検知用太陽電池１０がほぼ最大に発電している場合、太陽光が届いており集熱に好適な気象条件といえる。その一方で、太陽電池パネル２の発電量が低い場合、積雪によって太陽光が遮られているものと考えられる。したがって、本実施形態の積雪条件は、積雪検知用太陽電池１０の発電電力と比較する値として、積雪検知用太陽電池１０のほぼ最大の発電電力値が記憶されている。また、太陽電池パネル２の発電電力と比較する値として、太陽電池パネル２の最大発電電力値に対して約１０〜２０％の電力値が記憶されている。

なお、積雪条件は、上記条件に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、レーザー光等によって積雪を感知できる積雪センサを設け、この積雪センサからの信号を受信したときに、循環ポンプ４を運転させるように設定してもよい。

演算処理手段８２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されており、記憶手段８１にインストールされた太陽光発電プログラム１ａを実行することにより、図６に示すように、センサ温度監視部８２１と、運転開始判定部８２２と、運転停止判定部８２３と、落水条件判定部８２４と、積雪条件判定部８２５として制御装置８を機能させるようになっている。以下、各構成部についてより詳細に説明する。

センサ温度監視部８２１は、パネル温度センサＴ１および熱媒体温度センサＴ２の各検知温度を監視するものである。具体的には、センサ温度監視部８２１は、パネル温度センサＴ１からパネル温度を取得するとともに、熱媒体温度センサＴ２から熱媒体温度を取得する。そして、パネル温度が熱媒体温度よりも高い状態であるか否かを監視するようになっている。

運転開始判定部８２２は、循環ポンプ４の運転を開始させるか否かを判定するものである。具体的には、運転開始判定部８２２は、前記パネル温度から前記熱媒体温度を減算して求められる温度差と、集熱条件記憶部８１２に記憶されている運転開始温度差とを比較する。この比較の結果、当該温度差が運転開始温度差を超えた場合、循環ポンプ４に運転開始信号を出力する。また、本実施形態では、落水弁７が設けられているため、運転開始判定部８２２は、落水弁７を開放させるための開放信号を出力する。

運転停止判定部８２３は、循環ポンプ４の運転を停止させるか否かを判定するものである。具体的には、運転停止判定部８２３は、前記パネル温度から前記熱媒体温度を減算して求められる温度差と、集熱条件記憶部８１２に記憶されている運転開始温度差とを比較する。この比較の結果、当該温度差が運転開始温度差未満になった場合、循環ポンプ４に運転停止信号を出力する。また、本実施形態では、熱媒体の逆流を防止するため、運転停止判定部８２３は、落水弁７を閉鎖するための閉鎖信号を出力する。

落水条件判定部８２４は、太陽電池用集熱・加熱パネル３内から熱媒体を抜き落とすか否かを判定するものである。具体的には、落水条件判定部８２４は、制御装置８内の内部時計による現在時刻と、落水条件記憶部８１３に記憶されている落水条件とを比較する。そして、現在時刻が夜間に相当する時間帯であれば、落水弁７に開放信号を出力する。

また、夜間に相当する時間帯でなくとも、落水条件判定部８２４は、外気温度センサが検知した外気温度と、落水条件記憶部８１３に記憶されている閾値とを比較するとともに、前記パネル温度から前記熱媒体温度を減算して求められる温度差と、集熱条件記憶部８１２に記憶されている閾値とを比較する。そして、外気温度が所定温度以下であって、かつ、前記温度差が所定値以下である場合、落水弁７に開放信号を出力する。

積雪条件判定部８２５は、太陽電池パネル２の表面に積雪があるか否かを判定するものである。具体的には、積雪条件判定部８２５は、積雪検知用太陽電池１０および太陽電池パネル２の各発電電力と、積雪条件記憶部８１４に記憶されている各電力値とを比較する。そして、積雪検知用太陽電池１０の発電電力が所定値以上であって、かつ、太陽電池パネル２の発電電力が所定値以下の場合、積雪条件判定部８２５は、循環ポンプ４に運転開始信号を出力するとともに、落水弁７へ開放信号を出力する。

つぎに、本発明に係る太陽光発電プログラム１ａによって実行される太陽光発電システム１の作用について説明する。

まず、本実施形態の太陽光発電システム１を用いて発電する場合、太陽電池パネル２の裏面に太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けた後、日当たりのよい場所に設置する。このとき、太陽電池パネル２は、太陽光との関係上、所定の傾斜角度で配置されるため、太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１の流れ方向が、太陽電池パネル２の上下方向と略一致するように取り付ける。

また、本実施形態では、太陽電池用集熱・加熱パネル３が絶縁性材料であるため、太陽電池パネル２から漏電した場合でも、感電事故の発生を防止する。

つぎに、図７に示すように、太陽光発電プログラム１ａによって太陽光発電システム１の動作を開始させる。なお、本実施形態の太陽光発電プログラム１ａは、集熱条件、落水条件および積雪条件を常に監視しており、いずれかの条件に該当する場合、当該条件に対応する動作を実行させるようになっている。

まず、センサ温度監視部８２１は、パネル温度が熱媒体温度よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定の結果、パネル温度が熱媒体温度よりも高い場合のみ（ステップＳ１：ＹＥＳ）、太陽電池用集熱・加熱パネル３で集熱するための前提条件を満たすものとして、処理をステップＳ２へと進める。

つぎに、運転開始判定部８２２が、パネル温度から熱媒体温度を減算して求められる温度差が、運転開始温度差よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定の結果、当該温度差が運転開始温度差よりも高い場合のみ（ステップＳ２：ＹＥＳ）、運転開始判定部８２２は、循環ポンプ４に運転開始信号を出力するとともに（ステップＳ３）、落水弁７に開放信号を出力する（ステップＳ４）。

これにより、循環ポンプ４が運転を開始するとともに落水弁７が開放されるため、循環ポンプ４から吐出された熱媒体は、落水弁７を介して太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１へと供給されて循環する。このとき、熱媒体は、温度上昇した太陽電池パネル２から集熱して冷却するため、太陽電池パネル２の発電効率を上昇させる。また、集熱した熱媒体は、貯湯槽５へ戻されて水温を上昇させるため、エネルギー回収効率が向上する。

また、太陽電池用集熱・加熱パネル３は、構造上、複数本の細い流通路３１から構成されるため、大きな流量を確保しつつ、各流通路３１にかかる熱媒体からの圧力を低減する。このため、太陽電池用集熱・加熱パネル３は、比重の高い金属製ではなく、軽量な樹脂材料等で形成することが可能となる。このため、本実施形態のように、複数枚の太陽電池パネル２からなる太陽軌道追尾式発電システムに適用する場合であっても、総重量がそれほど増大せず、一般家庭の屋根上等にも無理なく設置される。

さらに、太陽電池用集熱・加熱パネル３は、複数本の流通路３１が並列されてなり、流通路３１の横断面形状が矩形状に形成されているため、太陽電池パネル２の裏面と接触する面積が大きい。このため、太陽電池パネル２の裏面から太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内の熱媒体に対して大量の熱伝導が行われ、集熱効果が向上する。

また、各太陽電池用集熱・加熱パネル３においては、熱媒体が各流通路３１内を下方から上方へ向けて流通する。このため、各流通路３１内では、熱媒体が空気を上方へ押し上げながら上昇するため、全ての太陽電池用集熱・加熱パネル３内に熱媒体が緊密に充填される。これにより、太陽電池パネル２から熱媒体への熱伝導が十分に行われ、集熱効率が向上する。

また、本実施形態では、注入側貯留空間３３ａが、注入口３５から注入された熱媒体を一旦貯留するため、各流通路３１の流入口３１ａへ熱媒体を均等に流入させる。また、排出側貯留空間３３ｂが、排出口３４から排出される前の熱媒体を一旦貯留し、各流通路３１の流出口３１ｂから熱媒体を均等に流出させる。このため、太陽電池用集熱・加熱パネル３内には、熱媒体が均質に行き渡り、集熱ムラや加熱ムラが防止される。

さらに、本実施形態では、３枚の太陽電池パネルが上下に並べて配置され、下方の太陽電池用集熱・加熱パネル３から上方の太陽電池用集熱・加熱パネル３に向けて熱媒体が流通するように連結されている。このため、流通経路が単純化し、循環ポンプへの負荷を低減するとともに、各太陽電池用集熱・加熱パネル３の集熱・加熱効率が向上する。

循環ポンプ４が運転されている間、運転停止判定部８２３は、パネル温度から熱媒体温度を減算して求められる温度差が運転開始温度差よりも小さくなったか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定の結果、当該温度差が運転開始温度差未満になった場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、運転停止判定部８２３は、循環ポンプ４に運転停止信号を出力するとともに（ステップＳ６）、落水弁７に閉鎖信号を出力する（ステップＳ７）。

これにより、循環ポンプ４が運転を停止するとともに落水弁７が閉鎖されるため、太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内に充填されている熱媒体が、そのまま各流通路３１内に保持される。このため、次回、循環ポンプ４を始動させる際には、熱媒体の循環を速やかに開始することが可能となる。

一方、循環ポンプ４が停止している間、落水条件判定部８２４が、落水条件に該当するか否かを監視する（ステップＳ８）。そして、落水条件に該当する場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、すなわち、夜間に相当する時間帯の場合、あるいは外気温度が所定温度以下であって、かつ、パネル温度から熱媒体温度を減算して求められる温度差が所定値以下である場合、落水弁７に開放信号を出力する（ステップＳ４）。

これにより、太陽電池パネル２の温度上昇が見込まれない夜間や、熱媒体が凍結してしまうおそれのある気象条件下においては、太陽電池用集熱・加熱パネル３内の熱媒体を開放された落水弁７から流下させて、貯湯槽５内のクッションタンク５１へと回収する。これにより、太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内で熱媒体が凍結してしまうのを防止する。

一方、落水条件に該当しない場合であっても（ステップＳ８：ＮＯ）、積雪条件判定部８２５が、太陽電池パネル２の表面に積雪があるか否かを判定する（ステップＳ９）。この判定の結果、太陽電池パネル２の表面に積雪があると判定された場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、つまり、積雪検知用太陽電池１０の発電電力が所定値以上であって、かつ、太陽電池パネル２の発電電力が所定値以下の場合、積雪条件判定部８２５が、循環ポンプ４に運転開始信号を出力するとともに（ステップＳ３）、落水弁７へ開放信号を出力する（ステップＳ４）。

これにより、循環ポンプ４が運転を開始するとともに落水弁７が開放されるため、循環ポンプ４から吐出された熱媒体は、落水弁７を介して太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１へと供給されて循環する。このとき、積雪がある気象条件下では、太陽電池用集熱・加熱パネル３内に充填されている熱媒体の温度よりも、貯湯槽５内のお湯の温度の方が高い状態にある。

このため、太陽電池用集熱・加熱パネル３から戻された熱媒体が貯湯槽５で温められた後、再び、太陽電池用集熱・加熱パネル３へと供給される。これにより、温かい熱媒体が太陽電池パネル２を裏面から加熱し、太陽電池パネル２の表面に積もった雪を融解する。したがって、積雪による太陽電池パネル２の発電効率の低下が防止される。

以上のような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．熱媒体による圧力を低減する構造を採用して軽量化でき、複数枚の太陽電池パネル２を用いた太陽光発電システム１にも適用することができる。
２．太陽電池用集熱・加熱パネル３の各流通路３１内に空気が混入するのを防止し、太陽電池パネル２との間で高い熱伝導性を保持することができる。
３．太陽電池用集熱・加熱パネル３を絶縁性材料で形成し、感電事故を防止することができる。
４．太陽電池パネル２から集熱するのに適した条件下で自動的に熱媒体を循環させ、集熱効率を向上することができる。
５．太陽電池パネル２の温度上昇が見込まれない夜間や、熱媒体が凍結するおそれのある気象条件下で自動的に熱媒体を抜き落とし、凍結を防止することができる。
６．太陽電池パネル２に積雪がある場合、自動的に熱媒体を循環させて融雪し、発電を確保および発電効率を向上することができる。

以下、本発明に係る太陽光発電システム１および太陽光発電プログラム１ａの具体的な実施例について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の各実施例によって示される特徴に限定されるものではない。

＜固定設置式の太陽光発電システムに適用した例＞
本実施例１では、太陽電池パネル２を固定設置した固定設置式の太陽光発電システム１に、本発明を適用した場合の効果をシミュレーションした。具体的には、三菱電機株式会社製の太陽電池パネル２（ＰＶ−ＭＸ１９０ＨＸ：定格出力１９０Ｗ，定格温度２５℃）を９枚固定設置してなる太陽光発電システム１を用意した。

そして、太陽光の強いある一日において、外気温度、当該太陽光発電システム１による発電電力、および太陽電池パネル２の温度を実測した。また、各太陽電池パネル２に太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けた場合を想定し、熱媒体の冷却作用により太陽電池パネル２の最高温度が４０℃に保持された場合の発電電力をシミュレーションした。その結果を図８に示す。

図８に示すように、計測日は快晴で外気温度が３０℃前後を推移したため、太陽電池パネル２の温度が約７０℃まで上昇していた。このため、太陽電池パネル２の定格温度（２５℃）を超えた場合における発電効率の低下率を０．４％／１℃とすると、温度上昇によって発電効率が約１８％［＝（７０−２５）×０．４］低下することとなる。したがって、太陽電池パネル２の定格出力も約１５５．８Ｗ［＝１９０−１９０×０．１８］にまで低下してしまう。

一方、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２の最高温度を４０℃に保持した場合、温度上昇による発電効率の低下は６％［＝（４０−２５）×０．４］に抑えられ、太陽電池パネル２の定格出力も１７８．６Ｗ［＝１９０−１９０×０．０６］を維持することとなる。

また、太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けていない場合の実測値は、発電電力量が約９．３６３ｋＷであり、８６０ｋｃａｌ／１ｋＷとして熱量に換算すると、約８０５２ｋｃａｌであった。一方、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２の最高温度を４０℃に保持した場合、発電電力量が約１０．３６３ｋＷで、約８９１２ｋｃａｌであった。つまり、発電効率は、約１１０％も向上することが示された。

また、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって集熱されるエネルギーは、度重なる実験の結果、太陽電池パネル２の発電で得られるエネルギーの約１．４倍であることがわかっている。また、循環ポンプ４の電気使用量は、１ｋＷ（＝８６０ｋｃａｌ）／ｄａｙと推定される。したがって、太陽電池用集熱・加熱パネル３で集熱した場合のトータルの熱量は、約１９３２５ｋｃａｌ［８９１２＋８０５２×１．４−８６０］となり、太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けていない場合と比較して、エネルギー回収効率は約２４０％［＝（１９３２５／８０５２）×１００］にもなることが示された。

以上より、本実施例１によれば、固定設置式の太陽光発電システム１において、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２を冷却することにより、発電効率およびエネルギー回収効率が向上することが示された。

＜太陽軌道追尾式の太陽光発電システムに適用した例＞
本実施例２では、太陽電池パネル２を太陽光に追尾させる太陽軌道追尾式の太陽光発電システム１に、本発明を適用した場合の効果をシミュレーションした。具体的には、実施例１と同様の太陽電池パネル２を９枚用いて、上述した特許第４５１４８２７号に記載の太陽軌道追尾式発電システムと同様の太陽光発電システム１を用意した。

そして、実施例１の実験日と同日に、外気温度、当該太陽光発電システム１による発電電力、および太陽電池パネル２の温度を実測した。また、各太陽電池パネル２に太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けた場合を想定し、熱媒体の冷却作用により太陽電池パネル２の最高温度が５０℃に保持された場合の発電電力をシミュレーションした。その結果を図９に示す。

実施例１と同様、太陽電池パネル２の温度は約７０℃まで上昇していた。このため、太陽電池パネル２は、実施例１と同様、温度上昇によって発電効率が約１８％低下し、定格出力も約１５５．８Ｗにまで低下してしまう。

一方、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２の最高温度を５０℃に保持した場合、温度上昇による発電効率の低下は１０％［＝（５０−２５）×０．４］に抑えられ、太陽電池パネル２の定格出力も１７１Ｗ［＝１９０−１９０×０．１０］を維持することとなる。

また、太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けていない場合の実測値は、発電電力量が約１４．８９９ｋＷであり、熱量に換算すると約１２８１３ｋｃａｌであった。一方、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２の最高温度を５０℃に保持した場合、発電電力量が約１５．５４５ｋＷで、約１３３６９ｋｃａｌであった。つまり、発電効率は、約１０４％も向上することが示された。

また、実施例１と同様、太陽電池用集熱・加熱パネル３で集熱した場合のトータルの熱量は、約３０４４７ｋｃａｌ［１３３６９＋１２８１３×１．４−８６０］と計算され、太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けていない場合と比較して、エネルギー回収効率は約２３８％［＝（３０４４７／１２８１３）×１００］にもなることが示された。

以上より、本実施例２によれば、太陽軌道追尾式の太陽光発電システム１においても、太陽電池用集熱・加熱パネル３によって太陽電池パネル２を冷却することにより、発電効率およびエネルギー回収効率が向上することが示された。

＜固定式と太陽軌道追尾式との比較＞
本実施例３では、太陽電池パネル２を固定設置した場合と、太陽の軌道に追尾させた場合とにおけるエネルギー回収効率を比較した。

実施例１の結果より、固定設置式の太陽光発電システム１において、太陽電池用集熱・加熱パネル３で集熱した場合のトータルの熱量は、約１９３２５ｋｃａｌである。一方、実施例２の結果より、太陽軌道追尾式の太陽光発電システム１にいおて、太陽電池用集熱・加熱パネル３で集熱した場合のトータルの熱量は、約３０４４７ｋｃａｌである。したがって、本発明に係る太陽光発電システム１は、太陽軌道追尾式に適用した場合、固定設置式に適用した場合と比較して、約１．６倍（＝３０４４７／１９３２５）のエネルギー回収効率が得られることが示された。

以上より、本実施例３によれば、太陽電池パネル２を固定設置した場合と比較して、太陽電池パネル２を太陽の軌道に追尾させた場合、より多くの発電電力が得られることが示された。

なお、本発明に係る太陽光発電システム１およびその太陽光発電プログラム１ａは、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態では、図３に示すように、太陽電池用集熱・加熱パネル３が太陽電池パネルの裏面からわずかに離れているが、この構成に限定されるものではなく、接着剤や所定の押し付け具等によって、太陽電池パネルの裏面に密着させることで、熱伝導をより一層向上させることができる。

また、上述した本実施形態では、予め太陽電池用集熱・加熱パネル３を取り付けた太陽電池パネル２を使用しているが、この構成に限定されるものではなく、既存の太陽電池パネル２に、太陽電池用集熱・加熱パネル３を後から取り付けるようにしてもよい。

１ 太陽光発電システム
１ａ 太陽光発電プログラム
２ 太陽電池パネル
３ 太陽電池用集熱・加熱パネル
４ 循環ポンプ
５ 貯湯槽
６ 給水ポンプ
７ 落水弁
８ 制御装置
９ 集水トラップ
１０ 積雪検知用太陽電池
１１ 屋根
３１ 流通路
３１ａ 流入口
３１ｂ 流出口
３２ スポンジパッキン
３３ａ 注入側貯留空間
３３ｂ 排出側貯留空間
３４ 排出口
３５ 注入口
３６ 狭持フレーム
３７ 固定金具
５１ クッションタンク
５２ 熱交換パイプ
８１ 記憶手段
８２ 演算処理手段
８１１ プログラム記憶部
８１２ 集熱条件記憶部
８１３ 落水条件記憶部
８１４ 積雪条件記憶部
８２１ センサ温度監視部
８２２ 運転開始判定部
８２３ 運転停止判定部
８２４ 落水条件判定部
８２５ 積雪条件判定部
Ｔ１ パネル温度センサ
Ｔ２ 熱媒体温度センサ

Claims (4)

1. 所定の傾斜角度で配置される太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルの裏面に設けられるパネルであって、２枚の薄板の間に多数の仕切壁を等間隔に配置して直線状に構成されているとともに横断面形状が矩形状に形成されており熱媒体を流通させる複数本の流通路が縦方向に向けて並列に配置され、それら各流通路の下端を流入口として前記熱媒体の注入口に連通させ、前記各流通路の上端を流出口として前記熱媒体の排出口に連通させて構成された太陽電池用集熱・加熱パネルと、
   前記注入口に前記熱媒体を注入して前記各流通路内に下方から上方へ前記熱媒体を流通させて前記排出口から排出させる循環ポンプとを有し、
   前記太陽電池用集熱・加熱パネルの各流通路は、前記流入口へ流入される前記熱媒体を一旦貯留する注入側貯留空間を介在させて前記注入口と連通されているとともに、前記流出口から流出される前記熱媒体を一旦貯留する排出側貯留空間を介在させて前記排出口と連通されており、
   複数の太陽電池パネルが上下に並べて配置されているとともに、下側の太陽電池用集熱・加熱パネルに連通された排出口と、上側の太陽電池用集熱・加熱パネルに連通された注入口とが連結されており、
   前記太陽電池用集熱・加熱パネルの上下端部に設けられるスポンジパッキンと、このスポンジパッキンを狭持して締め付ける狭持フレームと、この狭持フレームを前記太陽電池パネルのフレームに固定する固定金具とを有している、太陽光発電システム。
2. 外気温度が所定温度以下であって、かつ、前記太陽電池用集熱・加熱パネルのパネル温度から前記循環ポンプへ戻される熱媒体の熱媒体温度を減算して求められる温度差が所定値以下の場合、前記循環ポンプを停止させるとともに、前記太陽電池用集熱・加熱パネルの各流通路内から熱媒体を抜き落とす落水弁を開放する制御装置を有している請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 積雪防止用の屋根が設けられた積雪を検知するための積雪検知用太陽電池と、この積雪検知用太陽電池の発電電力が所定値以上であって、かつ、前記太陽電池パネルの発電電力が所定値以下の場合、前記循環ポンプを運転させる制御装置とを有している請求項１または請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の制御装置であるコンピュータを機能させる太陽光発電プログラム。

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