JP4981589B2 - Solar power generation / heat collection combined use device - Google Patents

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Description

本発明は、太陽電池を含む太陽光発電・集熱複合利用装置に関する。   The present invention relates to a combined solar power generation / heat collection device including a solar battery.
地球温暖化防止を目的として、二酸化炭素の排出量を抑制するために自然エネルギを有効利用することが検討されてきており、既に太陽熱温水器や太陽電池が商品化されている。
この太陽電池のうち結晶シリコン系は、温度上昇に伴いバンドギャップが小さくなるために発電効率が低下することが知られており、特に夏季には発電効率の低下が著しい。このため、下記特許文献1、2に記載されているように、太陽電池が太陽熱集熱器の集熱面に熱的に接続して設けられた発電・集熱複合モジュールと、これと分離して設けられた貯湯タンクとを有する太陽熱利用給湯装置において、給湯対象の水、または給湯対象の水との間で熱交換を行う不凍液等の熱媒体を太陽電池の裏面側に循環させることにより太陽電池を冷却し、発電効率の低下を抑制することが行われている。
このとき、太陽電池を冷却する水等を循環させる経路として2つの循環経路がある。1つは、太陽熱集熱器と貯湯タンクとの間に水等を循環させる経路(以下、集熱経路という)である。もう1つは、太陽熱集熱器と大気放熱器(ラジエータ)との間に水等を循環させる経路(以下、放熱経路という)である。
これら2つの経路の切換は以下のようにして行われる。先ず、集熱経路を通して熱媒体を循環させることにより給湯装置の運転を開始する。太陽熱集熱器出口における水等の温度と貯湯タンクにおける水等の温度とを監視し、両者の差が所定値以下に低下したとき、または貯湯タンク内の水等の温度が所定値以上に上昇したときに、循環経路を集熱経路から放熱経路に切換える。
特開昭56−168059号公報 特開平11−37570号公報
For the purpose of preventing global warming, effective use of natural energy has been studied in order to suppress carbon dioxide emissions, and solar water heaters and solar cells have already been commercialized.
Of these solar cells, the crystalline silicon type is known to have a reduced power generation efficiency because the band gap becomes smaller as the temperature rises. For this reason, as described in Patent Documents 1 and 2 below, the power generation / heat collection composite module in which the solar cell is thermally connected to the heat collection surface of the solar heat collector is separated from the module. In a solar hot water supply apparatus having a hot water storage tank provided in a solar cell, a heat medium such as an antifreeze liquid that exchanges heat with water to be supplied with hot water or water to be supplied with hot water is circulated to the back side of the solar cell. A battery is cooled to suppress a decrease in power generation efficiency.
At this time, there are two circulation paths as paths for circulating water or the like for cooling the solar cell. One is a path (hereinafter referred to as a heat collection path) for circulating water or the like between the solar heat collector and the hot water storage tank. The other is a path for circulating water or the like (hereinafter referred to as a heat dissipation path) between the solar heat collector and the atmospheric heat radiator (radiator).
Switching between these two paths is performed as follows. First, the operation of the hot water supply apparatus is started by circulating the heat medium through the heat collection path. Monitor the temperature of water at the outlet of the solar heat collector and the temperature of water in the hot water storage tank, and when the difference between the two drops below the specified value, or the temperature of the water in the hot water storage tank rises above the specified value When this happens, the circulation path is switched from the heat collection path to the heat dissipation path.
Japanese Patent Laid-Open No. 56-168059 JP-A-11-37570
上述したとおり、従来の太陽光発電・集熱複合利用装置は、太陽熱集熱器出口における水等の温度と貯湯タンクにおける水等の温度との差が所定値以下に低下したとき等に水等の循環経路を集熱経路から放熱経路に切換えるものとしている。しかしながら、このような循環経路の切換制御では、貯湯タンク内の温度がかなり高温になるまで集熱経路での運転を行うことになり、太陽電池を効果的に冷却することができなくなって、発電効率の低下を効果的に抑制することができないという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、太陽電池と太陽熱集熱器とを一体化してなる発電・集熱複合モジュールを使用したシステムにおける発電効率を最大化することができる太陽光発電・集熱複合利用装置を提供することを目的としている。
As described above, the conventional solar power generation / heat collection combined use device is configured such that when the difference between the temperature of the water at the outlet of the solar heat collector and the temperature of the water at the hot water storage tank falls below a predetermined value, the water etc. The circulation path is switched from the heat collection path to the heat dissipation path. However, in such switching control of the circulation path, the operation in the heat collection path is performed until the temperature in the hot water storage tank becomes considerably high, and it becomes impossible to cool the solar cell effectively. There is a problem that the decrease in efficiency cannot be effectively suppressed.
The present invention has been made in view of the above problems, and solar power generation capable of maximizing power generation efficiency in a system using a power generation / heat collection composite module in which a solar cell and a solar heat collector are integrated.・ The purpose is to provide a combined heat collection device.
上記課題を解決するために、本発明の太陽光発電・集熱複合利用装置は、
太陽光熱を集熱して熱媒体を加熱する太陽熱集熱器と、
前記太陽熱集熱器の表面に熱的に接続して設けられた太陽電池と、
熱媒体を貯留する熱媒体貯留槽と、
前記太陽熱集熱器と前記熱媒体貯留槽との間に熱媒体を循環させる集熱管路と、
前記太陽熱集熱器にて加熱された熱媒体から熱を大気中に放熱させる大気放熱器と、
前記太陽熱集熱器と前記大気放熱器との間に熱媒体を循環させる放熱管路と、
前記太陽電池の出力を検出する太陽電池出力検出手段と、
前記太陽電池の温度を検出する太陽電池温度検出手段と、
前記熱媒体貯留槽内の熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段と、
大気の温度を検出する大気温度検出手段と、
前記太陽電池出力検出手段の検出値と、前記太陽電池温度検出手段の検出値と、前記熱媒体温度検出手段の検出値とに基づいて、前記集熱管路を通して熱媒体を循環させることにより見込まれる前記太陽電池の発電量の増加量を演算する集熱時発電増加量演算手段と、
前記集熱時発電増加量演算手段により演算された発電量の増加量から前記集熱管路を通して熱媒体を循環させるのに要する電力量を減算し、その差を集熱時実質増加発電量として算出する集熱時実質増加発電量算出手段と、
前記太陽電池出力検出手段の検出値と、前記太陽電池温度検出手段の検出値と、前記大気温度検出手段の検出値とに基づいて、前記放熱管路を通して熱媒体を循環させることにより見込まれる前記太陽電池の発電量の増加量を演算する放熱時発電増加量演算手段と、
前記放熱時発電増加量演算手段により演算された発電量の増加量から前記放熱管路を通して熱媒体を循環させるのに要する電力量を減算し、その差を放熱時実質増加発電量として算出する放熱時実質増加発電量算出手段と、
前記算出された集熱時実質増加発電量と放熱時実質増加発電量とを比較して、前記集熱管路と前記放熱管路のいずれの循環経路を選択して熱媒体を循環させるかを決定する管路選択手段と、
前記管路選択手段の選択結果にしたがって、熱媒体の循環経路を前記集熱管路と前記放熱管路との間で切り換える切換手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the solar power generation / heat collection combined utilization device of the present invention is
A solar collector that collects solar heat and heats the heat medium;
A solar cell provided thermally connected to the surface of the solar heat collector;
A heat medium storage tank for storing the heat medium;
A heat collecting conduit for circulating a heat medium between the solar heat collector and the heat medium storage tank;
An atmospheric radiator that radiates heat from the heat medium heated by the solar heat collector to the atmosphere;
A heat radiating conduit for circulating a heat medium between the solar heat collector and the atmospheric heat radiator;
Solar cell output detecting means for detecting the output of the solar cell;
Solar cell temperature detecting means for detecting the temperature of the solar cell;
A heat medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat medium in the heat medium storage tank;
Atmospheric temperature detection means for detecting the temperature of the atmosphere;
Based on the detection value of the solar cell output detection means, the detection value of the solar cell temperature detection means, and the detection value of the heat medium temperature detection means, the heat medium is expected to circulate through the heat collecting pipe. A heat collection power generation increase calculating means for calculating the power generation increase of the solar cell;
The amount of power required to circulate the heat medium through the heat collecting pipe is subtracted from the amount of increase in power generation calculated by the power generation increase amount calculation means at the time of heat collection, and the difference is calculated as the power increase at the time of heat collection. Means for calculating the actual increased power generation amount during heat collection;
Based on the detection value of the solar cell output detection means, the detection value of the solar cell temperature detection means, and the detection value of the atmospheric temperature detection means, the heat medium is expected to circulate through the heat radiating conduit. A heat dissipation power generation increase calculation means for calculating the increase in power generation of the solar cell,
Subtracting the amount of power required to circulate the heat medium through the heat radiating pipe from the amount of increase in power generation calculated by the power generation increase during heat dissipation calculation means, and calculating the difference as the power increase during heat dissipation Means for calculating the actual increase in power generation time,
Compare the calculated actual power generation amount at the time of heat collection with the actual increase power generation amount at the time of heat dissipation, and determine which circulation path of the heat collection pipe line or the heat radiation pipe line to circulate the heat medium. Pipeline selection means to
Switching means for switching the circulation path of the heat medium between the heat collecting pipe and the heat radiating pipe according to the selection result of the pipe selection means.
本発明の太陽光発電・集熱複合利用装置においては、冷媒を圧縮して高温・高圧にする圧縮機と、前記圧縮された冷媒と前記熱媒体貯留槽からの熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換が行われた冷媒を膨張させて減圧する膨張手段と、前記膨張された冷媒と大気との間で熱交換を行い冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に設けられ前記熱媒体貯留槽からの熱媒体と前記蒸発された熱媒体との間で熱交換を行って冷媒温度を上昇させる副熱交換器とを有するヒートポンプ装置を備えることが好ましい。   In the solar power generation / heat collection combined utilization apparatus of the present invention, heat exchange is performed between the compressor that compresses the refrigerant to high temperature and high pressure, and the compressed refrigerant and the heat medium from the heat medium storage tank. A heat exchanger for performing the heat exchange, expansion means for expanding and depressurizing the refrigerant subjected to the heat exchange, an evaporator for performing heat exchange between the expanded refrigerant and the atmosphere, and evaporating the refrigerant, and the evaporation A heat pump device provided between the compressor and the compressor, and having a sub-heat exchanger that raises the refrigerant temperature by exchanging heat between the heat medium from the heat medium storage tank and the evaporated heat medium It is preferable to provide.
また、本発明の太陽光発電・集熱複合利用装置においては、前記熱媒体貯留槽内部に熱媒体の温度成層が形成されており、前記熱媒体温度検出手段が前記温度成層の低温度層における熱媒体の温度を熱媒体温度として検出するとともに、
前記検出された熱媒体温度が所望温度よりも高いときは前記温度成層の中間温度層から熱媒体を取り出して利用に供する一方、
前記検出された熱媒体温度が所望温度よりも低いときは前記温度成層の高温度層から熱媒体を取り出して利用に供するのが好ましい。
Moreover, in the solar power generation / heat collection combined utilization apparatus of the present invention, the temperature stratification of the heat medium is formed inside the heat medium storage tank, and the heat medium temperature detecting means is in the low temperature layer of the temperature stratification. While detecting the temperature of the heat medium as the heat medium temperature,
When the detected heat medium temperature is higher than a desired temperature, the heat medium is taken out from the intermediate temperature layer of the temperature stratification and used for use,
When the detected heat medium temperature is lower than a desired temperature, it is preferable to take out the heat medium from the high temperature layer of the temperature stratification and use it.
本発明によれば、太陽熱集熱器と熱媒体貯留槽との間に熱媒体を循環させる循環経路と、太陽熱集熱器と大気放熱器との間に熱媒体を循環させる循環経路のいずれに熱媒体を循環させれば太陽電池の発電効率がより向上するかが判断され、その判断結果にしたがって熱媒体がいずれかの経路で循環される。したがって、太陽電池と太陽熱集熱器とを一体化してなる発電・集熱複合モジュールを使用したシステムにおける発電効率を最大化することができる。   According to the present invention, either the circulation path for circulating the heat medium between the solar heat collector and the heat medium storage tank, or the circulation path for circulating the heat medium between the solar heat collector and the atmospheric radiator. It is determined whether the power generation efficiency of the solar cell is further improved if the heat medium is circulated, and the heat medium is circulated through one of the paths according to the determination result. Therefore, the power generation efficiency in the system using the power generation / heat collection composite module in which the solar cell and the solar heat collector are integrated can be maximized.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段については、詳細な説明を省略する。
(実施の形態1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, detailed descriptions of known means that have been widely employed are omitted.
(Embodiment 1)
図1に、本発明の一実施形態に係る太陽光発電・集熱複合利用装置が適用されたソーラーシステム1の概略構成を示す。
ソーラーシステム1は、太陽熱集熱器2とその集熱面2aに熱的に接続して設けられた太陽電池3とを含む発電・集熱複合モジュール4と、太陽熱集熱器2で加熱され給湯される熱媒体としての水を貯留する貯湯タンク(熱媒体貯留槽)5と、太陽熱集熱器2にて太陽電池3の熱を奪った水から大気中に熱を放熱させる大気放熱器6とを主要構成要素として備えている。
ここで、太陽熱集熱器2と貯湯タンク5とは集熱管路7により接続されており、この集熱管路7を通して太陽熱集熱器2と貯湯タンク5との間で水が循環される。また、太陽熱集熱器2と大気放熱器6とは放熱管路8により接続されており、この放熱管路8を通して太陽熱集熱器2と大気放熱器6との間で水が循環される。
また、ソーラーシステム1は、集熱管路7と放熱管路8のいずれに水を循環させるかを選択し、この選択結果にしたがって循環経路を切り替える等の処理を行う第1制御部9と、給湯時のソーラーシステム1の動作を制御する第2制御部51と、ソーラーシステム1における給湯温度を設定するための温度コントローラ52とを備えている。この他、ソーラーシステム1は、太陽電池3の出力(起電力)を検出する太陽電池出力検出手段D1と、太陽電池3の温度を検出する太陽電池温度検出手段D2と、貯湯タンク5内の水の温度を検出する熱媒体温度検出手段D3と、大気放熱器6の周囲に設けられ、大気の温度を検出する大気温度検出手段D4と、第1制御部9が上記循環経路の選択・切り換えの処理を行う際に参照する各種情報を蓄積するデータ蓄積部D5とを備えている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a solar system 1 to which a combined photovoltaic power generation / heat collection device according to an embodiment of the present invention is applied.
The solar system 1 includes a power generation / heat collection composite module 4 including a solar heat collector 2 and a solar cell 3 provided in thermal connection with the heat collection surface 2a, and a hot water supply heated by the solar heat collector 2. A hot water storage tank (heat medium storage tank) 5 for storing water as a heat medium, and an atmospheric radiator 6 for radiating heat into the atmosphere from the water deprived of the solar cell 3 by the solar heat collector 2; As a main component.
Here, the solar heat collector 2 and the hot water storage tank 5 are connected by a heat collecting pipe 7, and water is circulated between the solar heat collector 2 and the hot water storage tank 5 through the heat collecting pipe 7. Further, the solar heat collector 2 and the atmospheric heat radiator 6 are connected by a heat radiation pipe 8, and water is circulated between the solar heat collector 2 and the atmospheric heat radiator 6 through the heat radiation pipe 8.
Further, the solar system 1 selects which of the heat collection pipe line 7 and the heat radiation pipe line 8 is to circulate water, and performs a process such as switching the circulation path according to the selection result, and a hot water supply A second controller 51 for controlling the operation of the solar system 1 at the time, and a temperature controller 52 for setting a hot water supply temperature in the solar system 1. In addition, the solar system 1 includes a solar cell output detection unit D1 that detects the output (electromotive force) of the solar cell 3, a solar cell temperature detection unit D2 that detects the temperature of the solar cell 3, and water in the hot water storage tank 5. The heat medium temperature detecting means D3 for detecting the temperature of the air, the air temperature detecting means D4 provided around the air radiator 6 for detecting the air temperature, and the first control unit 9 for selecting / switching the circulation path. A data storage unit D5 that stores various types of information to be referred to when processing is performed.
ここで、太陽熱集熱器2は、その内部で水が太陽光熱により加熱される例えば平板型の集熱器であり、水と直接的に接触して水を加熱する集熱面2aを有している。また、この集熱面2aと熱的に接続するようにして太陽電池3が設けられており、太陽電池3が受けた太陽光熱が集熱面2aに伝達されるようになっている。
太陽電池3は、太陽光を受光する受光面3aを有しており、その受光量に応じた電気を発電する。本実施形態では、太陽電池3として例えば多結晶シリコン型の太陽電池を用いるものとしている。多結晶シリコン型の太陽電池は、コストと性能のバランスが良い反面、エネルギーギャップが小さく温度上昇による発電量の低下が比較的大きい。したがって、太陽熱集熱器2の集熱面2aを介してより多くの熱量が太陽電池3から水に放熱されて、太陽電池3がより効果的に冷却されるように水の循環経路を切り替えることによって、太陽電池3の発電効率を大幅に向上させることが可能である。
Here, the solar heat collector 2 is, for example, a flat plate heat collector in which water is heated by solar heat, and has a heat collecting surface 2a that directly contacts water and heats the water. ing. Further, a solar cell 3 is provided so as to be thermally connected to the heat collecting surface 2a, and the solar heat received by the solar cell 3 is transmitted to the heat collecting surface 2a.
The solar cell 3 has a light receiving surface 3a that receives sunlight, and generates electricity according to the amount of received light. In the present embodiment, for example, a polycrystalline silicon type solar cell is used as the solar cell 3. Polycrystalline silicon solar cells have a good balance between cost and performance, but have a small energy gap and a relatively large decrease in power generation due to temperature rise. Therefore, the water circulation path is switched so that a larger amount of heat is radiated from the solar cell 3 to the water via the heat collecting surface 2a of the solar heat collector 2 and the solar cell 3 is cooled more effectively. Thus, the power generation efficiency of the solar cell 3 can be greatly improved.
貯湯タンク5は、その上部、中間部及び下部にそれぞれ上部水出口21、中間部水出入り口22及び下部水出口23が設けられるとともに、その内部には、いわゆる温度成層が形成されている。すなわち、貯湯タンク5内部では、下部より上部に向かうほどに水の温度が高くなっている。ここで、貯湯タンク5の下部の温度(下部水出口23付近の温度)T2(後掲の式2参照)が熱媒体温度として熱媒体温度検出手段D3により常時測定されており、その測定値が第1制御部9に入力されている。
また、貯湯タンク5の下部には、給湯などにより水量が減少したときに水道配管61を介して水を補給するための水補給口67が設けられている。
The hot water storage tank 5 is provided with an upper water outlet 21, an intermediate water outlet 22 and a lower water outlet 23 at the upper part, middle part and lower part, respectively, and so-called temperature stratification is formed therein. That is, in the hot water storage tank 5, the temperature of water increases from the lower part toward the upper part. Here, the temperature of the lower part of the hot water storage tank 5 (the temperature near the lower water outlet 23) T2 (refer to Equation 2 below) is constantly measured by the heat medium temperature detecting means D3 as the heat medium temperature, and the measured value is Input to the first control unit 9.
A water replenishing port 67 for replenishing water via a water pipe 61 when the amount of water decreases due to hot water supply or the like is provided at the lower part of the hot water storage tank 5.
大気放熱器6は、水により効果的に太陽電池3を冷却して、その発電能力の低下を抑制することができるように、貯湯タンク5とは別経路で太陽熱集熱器2から送られてくる水の熱を大気中に放出する。   The atmospheric radiator 6 is sent from the solar heat collector 2 through a different path from the hot water storage tank 5 so that the solar battery 3 can be effectively cooled by water and the decrease in power generation capacity can be suppressed. The heat of coming water is released into the atmosphere.
集熱管路7は太陽熱集熱器2と貯湯タンク5との間で水を循環させるための管路であり、太陽熱集熱器2の水出口32と第1三方弁33とを接続する第1配管34、第1三方弁33と貯湯タンク5の中間部水出入り口22とを接続する第2配管35、貯湯タンク5の下部水出口23と第2三方弁36とを接続する第3配管37、第2三方弁36と第1ポンプ38とを接続する第4配管39、及び第1ポンプ38と太陽熱集熱器2の水入り口40とを接続する第5配管41から構成されている。集熱管路7においては、第1ポンプ38により水の循環が行われる。
ここで、集熱管路7による水の循環は、太陽熱集熱器2により加熱された水を貯湯タンク5の中間部水出入り口22から貯湯タンク5内部に取り入れる一方、貯湯タンク5の下部水出口23より比較的低温の水を貯湯タンク5から取り出して太陽熱集熱器2に戻すようにして行われる。これにより、貯湯タンク5内の水が効果的に昇温されていく。
The heat collection pipe 7 is a pipe for circulating water between the solar heat collector 2 and the hot water storage tank 5, and is a first pipe that connects the water outlet 32 of the solar heat collector 2 and the first three-way valve 33. A pipe 34, a second pipe 35 that connects the first three-way valve 33 and the intermediate water inlet / outlet port 22 of the hot water tank 5, a third pipe 37 that connects the lower water outlet 23 of the hot water tank 5 and the second three-way valve 36, It consists of a fourth pipe 39 connecting the second three-way valve 36 and the first pump 38 and a fifth pipe 41 connecting the first pump 38 and the water inlet 40 of the solar heat collector 2. In the heat collecting pipe 7, water is circulated by the first pump 38.
Here, the circulation of the water through the heat collecting pipe 7 takes water heated by the solar heat collector 2 into the hot water storage tank 5 from the intermediate water inlet / outlet port 22 of the hot water storage tank 5, while the lower water outlet 23 of the hot water storage tank 5. The relatively low temperature water is taken out from the hot water storage tank 5 and returned to the solar heat collector 2. Thereby, the temperature in the hot water storage tank 5 is effectively raised.
放熱管路8は太陽熱集熱器2と大気放熱器6との間で水を循環させるための管路であり、上述した第1配管34、第1三方弁33と大気放熱器6とを接続する第6配管42、大気放熱器6と第2三方弁36とを接続する第7配管43、上記第4配管39、及び上記第5配管41から構成されている。放熱管路8においても第1ポンプ38により水の循環が行われる。   The heat radiation pipe 8 is a pipe for circulating water between the solar heat collector 2 and the atmospheric heat radiator 6, and connects the first pipe 34, the first three-way valve 33 and the atmospheric heat radiator 6 described above. The sixth pipe 42, the seventh pipe 43 connecting the atmospheric radiator 6 and the second three-way valve 36, the fourth pipe 39, and the fifth pipe 41. In the heat radiating pipe 8, water is also circulated by the first pump 38.
第1制御部9は、集熱管路7と放熱管路8のいずれかを通して水を循環させるときにその循環経路を選択し、その選択結果に応じた循環を行うように、第1ポンプ38の運転制御と第1三方弁33及び第2三方弁36の切換制御を行う。この制御の具体的処理内容については後で詳説する。   The first control unit 9 selects the circulation path when water is circulated through either the heat collection pipe line 7 or the heat radiation pipe line 8, and performs the circulation according to the selection result of the first pump 38. Operation control and switching control of the first three-way valve 33 and the second three-way valve 36 are performed. The specific processing contents of this control will be described in detail later.
また、ソーラーシステム1は、給湯する水の温度が所望温度に達しないとき等に大気中の潜熱を吸収して水を加熱するためのヒートポンプ装置10をも備えている。ヒートポンプ装置10は、冷媒を圧縮して高温、高圧にする圧縮器11と、貯湯タンク5から送られてくる水に高温となった冷媒の熱を放出する放熱器12と、水を加熱した後の冷媒を膨張させて減圧する膨張手段13と、減圧して低温となった冷媒を大気により加温して蒸発させる蒸発器14と、蒸発器14において蒸発した冷媒を貯湯タンク5からの水により加熱する副熱交換器15と、これら各部を接続する閉管路である冷媒の通り道としての冷媒循環管路16とを有している。   The solar system 1 also includes a heat pump device 10 for heating the water by absorbing the latent heat in the atmosphere when the temperature of the hot water supplied does not reach the desired temperature. The heat pump device 10 compresses the refrigerant to a high temperature and a high pressure, the radiator 12 that releases the heat of the refrigerant that has reached a high temperature to the water sent from the hot water storage tank 5, and the water after heating Expansion means 13 for expanding and reducing the pressure of the refrigerant, an evaporator 14 for heating and evaporating the refrigerant that has been reduced in temperature by the atmosphere, and the refrigerant evaporated in the evaporator 14 by water from the hot water storage tank 5 The auxiliary heat exchanger 15 for heating and a refrigerant circulation line 16 as a refrigerant passage which is a closed pipe line connecting these parts are provided.
ここで、副熱交換器15には、貯湯タンク5の下部水出口23と第2三方弁36とを接続する第6配管37、及びこの第6配管37の中途で枝分かれした第7配管64を通して貯湯タンク5の低温層部からの水が供給される。副熱交換器15にて熱交換が行われて低温化した水は第8配管65を通して貯湯タンク5側に戻される。第8配管65は、上記第7配管64との枝分かれ位置より貯湯タンク5に近い位置で上記第6配管37から枝分かれした配管である。また、第8配管65の中途からヒートポンプ装置10の放熱器12に水を送るための第9配管71が枝分かれしている。副熱交換器15にて低温化された水は、貯湯タンク5の下部水出口23から直接送られてくる水と混合されて、第9配管71を通して放熱器12に送られる。ここで、第9配管71の中途には第2ポンプ56が設けられており、第2ポンプ56の出力により貯湯タンク5と放熱器12及び副熱交換器15との間の水の循環が行われる。
また、第8配管65には、絞り弁55が設けられており、副熱交換器15への水の循環量は絞り弁55の開度により調整される。
Here, the auxiliary heat exchanger 15 passes through a sixth pipe 37 connecting the lower water outlet 23 of the hot water storage tank 5 and the second three-way valve 36, and a seventh pipe 64 branched in the middle of the sixth pipe 37. Water from the low temperature layer of the hot water storage tank 5 is supplied. The water that has undergone heat exchange in the auxiliary heat exchanger 15 and has been lowered in temperature is returned to the hot water storage tank 5 side through the eighth pipe 65. The eighth pipe 65 is a pipe branched from the sixth pipe 37 at a position closer to the hot water storage tank 5 than a branch position with the seventh pipe 64. Further, a ninth pipe 71 for feeding water from the middle of the eighth pipe 65 to the radiator 12 of the heat pump apparatus 10 is branched. The water whose temperature has been lowered in the auxiliary heat exchanger 15 is mixed with the water directly sent from the lower water outlet 23 of the hot water storage tank 5 and sent to the radiator 12 through the ninth pipe 71. Here, a second pump 56 is provided in the middle of the ninth pipe 71, and water is circulated between the hot water storage tank 5, the radiator 12 and the auxiliary heat exchanger 15 by the output of the second pump 56. Is called.
Further, the eighth pipe 65 is provided with a throttle valve 55, and the amount of water circulation to the auxiliary heat exchanger 15 is adjusted by the opening degree of the throttle valve 55.
放熱器12にて冷媒により加熱されて高温化した水は貯湯タンク5の上部に設けられた水戻り口66に第10配管68を通して戻される。ここで、第2ポンプ56及び圧縮器11の運転制御は、第2制御部51が、温度コントローラ52による給湯設定温度と熱媒体温度検出手段D3の検出温度とを比較して、熱媒体温度検出手段D3の検出温度が給湯設定温度よりも所定温度以上低いときに第2ポンプ56及び圧縮器11を起動するようにして行われる。   The water heated by the refrigerant in the radiator 12 and heated to a high temperature is returned to the water return port 66 provided in the upper part of the hot water storage tank 5 through the tenth pipe 68. Here, in the operation control of the second pump 56 and the compressor 11, the second control unit 51 compares the hot water supply set temperature by the temperature controller 52 with the detected temperature of the heat medium temperature detecting means D <b> 3 to detect the heat medium temperature. The second pump 56 and the compressor 11 are activated when the detected temperature of the means D3 is lower than the hot water supply set temperature by a predetermined temperature or more.
以上のように、ヒートポンプ装置10の副熱交換器15にて、貯湯タンク5の下部水出口23から取出した水により冷媒を加熱するものとすることによって、蒸発器14からの冷媒圧力を上昇させて放熱器12側の冷媒圧力との差を小さくすることができる。これにより、圧縮器11への電気入力量を低減させることが可能となり、ヒートポンプ装置10のCOP(成績係数)を向上させることができる。   As described above, the refrigerant pressure from the evaporator 14 is increased by heating the refrigerant with the water taken out from the lower water outlet 23 of the hot water storage tank 5 in the auxiliary heat exchanger 15 of the heat pump device 10. Thus, the difference from the refrigerant pressure on the radiator 12 side can be reduced. Thereby, it becomes possible to reduce the electric input amount to the compressor 11, and to improve the COP (coefficient of performance) of the heat pump apparatus 10.
以下に、係る構成のソーラーシステム1の動作を説明する。
初めに、図2のフローチャートを参照して、日射のある昼間のソーラーシステム1の動作を説明する。なお、図2の符号S1、S2、・・・はステップ番号を表している。
先ず、太陽電池出力検出手段D1により太陽電池3の出力(起電力)P1が検出されて、その検出値が第1制御部9に入力され(S1)、太陽電池温度検出手段D2により太陽電池3の温度T1が検出されて、その検出値が同じく第1制御部9に入力される(S2)。
次に、熱媒体温度検出手段D3により貯湯タンク5下部の温度T2が検出されてその検出値が熱媒体温度(温度成層の低温度層の水温)として第1制御部9に入力され(S3)、これら入力された検出値P1、T1及びT2に基づいて集熱時実質増加発電量ΔW1を演算する際に参照される所定の情報(具体的には、下記Δt、F1、ρ1、Cp1、α1及びR1の各値である)がデータ蓄積部D5から第1制御部9に入力される(S4)。
Below, operation | movement of the solar system 1 of the said structure is demonstrated.
First, the operation of the daytime solar system 1 with solar radiation will be described with reference to the flowchart of FIG. In FIG. 2, reference numerals S1, S2,... Represent step numbers.
First, the output (electromotive force) P1 of the solar cell 3 is detected by the solar cell output detection means D1, and the detected value is input to the first controller 9 (S1), and the solar cell 3 is detected by the solar cell temperature detection means D2. The temperature T1 is detected, and the detected value is similarly input to the first controller 9 (S2).
Next, the temperature T2 below the hot water storage tank 5 is detected by the heat medium temperature detecting means D3, and the detected value is input to the first control unit 9 as the heat medium temperature (the water temperature of the low temperature layer of the temperature stratification) (S3). , Predetermined information (specifically, Δt, F1, ρ1, Cp1, α1 below) that is referred to when calculating the actual power generation amount ΔW1 during heat collection based on the input detection values P1, T1, and T2. And R1) are input from the data storage unit D5 to the first control unit 9 (S4).
ここで、集熱時実質増加発電量ΔW1とは、集熱管路7を通して水を循環させることにより太陽熱集熱器2内の水の温度が低下して太陽電池3の冷却効率が上昇し、これにより実質的に増加することが期待される太陽電池3の発電量の増加量である。すなわち、集熱時実質増加発電量ΔW1は、下記式1に示すように、集熱管路7を通して水を循環させることにより見込まれる所定時間Δt経過後の太陽電池3の発電量の増加量(以下、推定発電増加量という)ΔP1から集熱管路7を通して水を循環させるのに要する第1ポンプ38の消費電力量(集熱管路7を通して水を循環させる場合の第1ポンプ38の電気入力Wp1と上記所定時間Δtとの積(=Wp1×Δt)として算出される)を減算することにより求められる値である。
ΔW1=ΔP1−Wp1×Δt (1)
推定発電増加量ΔP1のより具体的な算出方法は以下の通りである。すなわち、下記式2、3を連立させて、所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定温度T4及び太陽熱集熱器2の水出口32における水の推定温度T5を算出する。
(T4−T1)/Δt=α1×{(T4+T1)/2−(T5+T2)/2}×R1 (2)
F1×ρ1×Cp1×(T5−T2)=α1×{(T4+T1)/2−(T5+T2)/2}×R1 (3)
ただし、F1:熱媒体(水)の流量、ρ1:熱媒体(水)の密度、Cp1:比熱、α1:太陽熱集熱器2の熱伝達率、R1:太陽熱集熱器2の集熱面2aの面積(伝熱面積)、である。
Here, the actual power generation amount ΔW1 at the time of heat collection means that the temperature of the water in the solar heat collector 2 is lowered by circulating water through the heat collection pipe 7, and the cooling efficiency of the solar cell 3 is increased. This is an increase in the amount of power generation of the solar cell 3 that is expected to increase substantially. That is, the actual power generation amount ΔW1 at the time of heat collection is an increase amount of the power generation amount of the solar cell 3 after elapse of a predetermined time Δt expected by circulating water through the heat collection pipe line 7 as shown in the following formula (1). The amount of power consumed by the first pump 38 required to circulate water through the heat collection pipe 7 from ΔP1 (referred to as an estimated power generation increase amount) and the electric input Wp1 of the first pump 38 when water is circulated through the heat collection pipe 7 This is a value obtained by subtracting the product (= Wp1 × Δt) with the predetermined time Δt.
ΔW1 = ΔP1−Wp1 × Δt (1)
A more specific method for calculating the estimated power generation increase ΔP1 is as follows. That is, the following formulas 2 and 3 are combined to calculate the estimated temperature T4 of the solar cell 3 and the estimated temperature T5 of the water at the water outlet 32 of the solar heat collector 2 after a predetermined time Δt has elapsed.
(T4−T1) / Δt = α1 × {(T4 + T1) / 2− (T5 + T2) / 2} × R1 (2)
F1 * [rho] 1 * Cp1 * (T5-T2) = [alpha] 1 * {(T4 + T1) / 2- (T5 + T2) / 2} * R1 (3)
Where F1: heat medium (water) flow rate, ρ1: heat medium (water) density, Cp1: specific heat, α1: heat transfer coefficient of the solar heat collector 2, R1: heat collecting surface 2a of the solar heat collector 2 Area (heat transfer area).
次に、上記算出された太陽電池3の推定温度T4及び水の推定温度T5を下記式4に代入して所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定発電増加量ΔP1を算出する。
ΔP1=P1×{f(T4)−f(T1)}×Δt (4)
ただし、関数fは、図3に示すような太陽電池3の発電量の温度依存性についての関数であり、データ蓄積部D5には太陽電池3の温度が摂氏25度であるときの出力を基準(100%)とする太陽電池3の相対的な出力が電池温度を変数とするテーブルデータとして蓄積されている。すなわち、f(T4)は、所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定温度T4に対応する太陽電池3の相対出力を示し、f(T1)は、現時点の太陽電池3の温度T1に対応する太陽電池3の相対出力を示している。
Next, the calculated estimated temperature T4 of the solar cell 3 and the estimated temperature T5 of water are substituted into the following equation 4 to calculate the estimated power generation increase ΔP1 of the solar cell 3 after a predetermined time Δt has elapsed.
ΔP1 = P1 × {f (T4) −f (T1)} × Δt (4)
However, the function f is a function regarding the temperature dependence of the power generation amount of the solar cell 3 as shown in FIG. 3, and the data storage unit D5 uses the output when the temperature of the solar cell 3 is 25 degrees Celsius as a reference. The relative output of the solar cell 3 (100%) is stored as table data with the battery temperature as a variable. That is, f (T4) indicates the relative output of the solar cell 3 corresponding to the estimated temperature T4 of the solar cell 3 after the predetermined time Δt has elapsed, and f (T1) corresponds to the current temperature T1 of the solar cell 3. The relative output of the solar cell 3 is shown.
次に、ステップS6にて大気温度検出手段D4により検出された大気温度T3が第1制御部9に入力され、前記ステップS1、S2にて入力された検出値P1、T1及びステップS6にて入力された検出値T3に基づいて放熱時実質増加発電量ΔW2を演算する際に参照される所定の情報(具体的には、前掲したΔt、F1、ρ1、Cp1、α1及び下記R2の各値である)がデータ蓄積部D5から第1制御部9に入力される(S7)。   Next, the atmospheric temperature T3 detected by the atmospheric temperature detection means D4 in step S6 is input to the first controller 9, and input in the detection values P1 and T1 input in the steps S1 and S2 and in step S6. Predetermined information to be referred to when calculating the actual heat generation amount ΔW2 at the time of heat release based on the detected value T3 (specifically, Δt, F1, ρ1, Cp1, α1 and R2 below) Is input from the data storage unit D5 to the first control unit 9 (S7).
ここで、放熱時実質増加発電量ΔW2とは、放熱管路8を通して水を循環させることにより太陽熱集熱器2内の水の温度が低下し、これにより実質的に増加することが期待される太陽電池3の発電量の増加量である。すなわち、放熱時実質増加発電量ΔW2は、下記式5に示すように、放熱管路8を通して水を循環させることにより見込まれる所定時間Δt経過後の太陽電池3の発電量の増加量(推定発電増加量という)ΔP2から放熱管路8を通して水を循環させるのに要する第1ポンプ38の消費電力量(放熱管路8を通して水を循環させる場合の第1ポンプ38の電気入力Wp2と上記所定時間Δtとの積(=Wp2×Δt)として算出される)を減算することにより求められる値である。
ΔW2=ΔP2−Wp2×Δt (5)
推定発電増加量ΔP2のより具体的な算出方法は以下の通りである。すなわち、下記式6、7、8を連立させて、所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定温度T14、太陽熱集熱器2の水出口32における水の推定温度T15及び太陽熱集熱器2の水入り口40における水の推定温度T16を算出する。
(T14−T1)/Δt=α1×{(T14+T1)/2−(T16+T15)/2}×R1 (6)
F2×ρ1×Cp1×(T15−T16)=α1×{(T14+T1)/2−(T15+T16)/2}×R1 (7)
F2×ρ1×Cp1×(T16−T15)=α2×{T3−(T15+T16)/2}×R2 (8)
ただし、R2:太陽熱集熱器2の集熱面2aの面積(伝熱面積)、である。
次に、上記算出された各推定温度T14、T15、T16を下記式9に代入して所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定発電増加量ΔP2を算出する。
ΔP2=P1×{f(T14)−f(T1)}×Δt (9)
ここで、上述したとおり、f(T14)は、所定時間Δt経過後の太陽電池3の推定温度T14に対応する相対出力を示し、f(T1)は、現時点の太陽電池3の温度T1に対応する相対出力を示している。
Here, the substantially increased power generation amount ΔW2 at the time of heat dissipation is expected to increase substantially due to a decrease in the temperature of the water in the solar heat collector 2 by circulating water through the heat dissipation pipe 8. This is an increase in the amount of power generated by the solar cell 3. That is, the actual increase in power generation amount ΔW2 at the time of heat dissipation is the increase in power generation amount of the solar cell 3 after the elapse of a predetermined time Δt expected by circulating water through the heat radiation pipe 8 (estimated power generation) The amount of power consumed by the first pump 38 required to circulate water through the heat radiating pipe 8 from ΔP2 (increase amount) (the electric input Wp2 of the first pump 38 when water is circulated through the heat radiating pipe 8 and the predetermined time) This is a value obtained by subtracting the product of Δt (calculated as Wp2 × Δt).
ΔW2 = ΔP2−Wp2 × Δt (5)
A more specific calculation method of the estimated power generation increase amount ΔP2 is as follows. That is, the following formulas 6, 7, and 8 are combined, and the estimated temperature T14 of the solar cell 3 after the lapse of the predetermined time Δt, the estimated temperature T15 of the water at the water outlet 32 of the solar heat collector 2, and the solar heat collector 2 An estimated temperature T16 of water at the water inlet 40 is calculated.
(T14−T1) / Δt = α1 × {(T14 + T1) / 2− (T16 + T15) / 2} × R1 (6)
F2 × ρ1 × Cp1 × (T15−T16) = α1 × {(T14 + T1) / 2− (T15 + T16) / 2} × R1 (7)
F2 * [rho] 1 * Cp1 * (T16-T15) = [alpha] 2 * {T3- (T15 + T16) / 2} * R2 (8)
Here, R2 is the area (heat transfer area) of the heat collecting surface 2a of the solar heat collector 2.
Next, the calculated estimated temperatures T14, T15, and T16 are substituted into the following equation 9 to calculate the estimated power generation increase ΔP2 of the solar cell 3 after a predetermined time Δt has elapsed.
ΔP2 = P1 × {f (T14) −f (T1)} × Δt (9)
Here, as described above, f (T14) represents the relative output corresponding to the estimated temperature T14 of the solar cell 3 after the lapse of the predetermined time Δt, and f (T1) corresponds to the current temperature T1 of the solar cell 3. Indicates relative output.
次に、ステップS9にて、上記ステップS5にて算出された集熱時実質増加発電量ΔW1とステップS8にて算出された放熱時実質増加発電量ΔW2のいずれかが零以上であるかを判定する。ここで、上記ΔW1値及びΔW2値の両方が負であれば、集熱管路7及び放熱管路8のいずれの管路を通して水を循環させても発電量の実質的な増加は期待できず水の循環は行わないものとして上記ステップS1に戻る一方、上記ΔW1値及びΔW2値のいずれかが零以上であれば次のステップS10に進む。   Next, in step S9, it is determined whether any one of the heat collection actual increase power generation amount ΔW1 calculated in step S5 and the heat dissipation substantial increase power generation amount ΔW2 calculated in step S8 is zero or more. To do. Here, if both the ΔW1 value and the ΔW2 value are negative, no substantial increase in power generation can be expected even if water is circulated through any of the heat collecting pipe 7 and the heat radiating pipe 8. The process returns to step S1 assuming that no circulation is performed. On the other hand, if either the ΔW1 value or the ΔW2 value is zero or more, the process proceeds to the next step S10.
ステップS10ではΔW1値からΔW2値を減算し、次のステップS11にてその差(ΔW1−ΔW2)が零以上であるかを判定する。上記差(ΔW1−ΔW2)が零以上であれば集熱管路7を通して水を循環させた方が発電量のより大きな増加が期待できるものとして集熱管路7を選択し、集熱管路7を通して水を循環させるように第1三方弁33及び第2三方弁36の切換制御を行い(S12)、処理を終了する。一方、上記差(ΔW1−ΔW2)が負であれば放熱管路8を通して水を循環させた方が発電量のより大きな増加が期待できるものとして放熱管路8を選択し、放熱管路8を通して水を循環させるように第1三方弁33及び第2三方弁36の切換制御を行い(S13)、処理を終了する。   In step S10, the ΔW2 value is subtracted from the ΔW1 value, and in the next step S11, it is determined whether or not the difference (ΔW1−ΔW2) is greater than or equal to zero. If the above difference (ΔW1−ΔW2) is greater than or equal to zero, the heat collection pipe 7 is selected as a larger increase in power generation can be expected when water is circulated through the heat collection pipe 7. Is switched so that the first three-way valve 33 and the second three-way valve 36 are circulated (S12), and the process is terminated. On the other hand, if the difference (ΔW 1 −ΔW 2) is negative, the heat radiating pipe 8 is selected as a result that water can be circulated through the heat radiating pipe 8 and a larger increase in power generation can be expected. Switching control of the first three-way valve 33 and the second three-way valve 36 is performed so as to circulate water (S13), and the process is terminated.
第1制御部9は、上記ステップS1〜S13の手順を上記所定時間Δtの間隔で繰り返し実行する。これにより、水の循環経路を集熱管路7と放熱管路8との間で適時に切り換えて、太陽電池3の発電量の実質的な増加量が常に最大となるように制御することが可能となる。   The first control unit 9 repeatedly executes the steps S1 to S13 at intervals of the predetermined time Δt. As a result, the water circulation path can be switched between the heat collection pipe line 7 and the heat radiation pipe line 8 at a timely time, so that the substantial increase in the power generation amount of the solar cell 3 can always be controlled to the maximum. It becomes.
次に、ソーラーシステム1の給湯時の動作を説明する。
給湯時には、第2制御部51が、温度コントローラ52により設定された給湯の設定温度(所望温度)Tsから熱媒体温度検出手段D3により検出された水の温度(上記T2)を減算して、その差(Ts−T2)を算出する。第2制御部51は、上記差(Ts−T2)が正の場合、つまり水温の検出値が設定温度に達しないときには、水を貯湯タンク5内で比較的温度の高い上部水出口21から取り出して利用に供するように制御を行う。すなわち、上部水出口21からの水が上部水出口21と第3三方弁54とを接続する第11配管63及び給湯管72を通して給湯栓53の方に流れるように第3三方弁54を切り換える。上部水出口21からの水は図示しない水道管からの水と混合されて温度調整が行われた後に給湯栓53から給湯される。
一方、上記差(Ts−T2)が零以下の場合、つまり水温の検出値が設定温度よりも高いときには、水を上部水出口21よりも温度の低い中間部水出入り口22から取り出して利用に供するように制御を行う。すなわち、中間部水出入り口22からの水が、第2配管35から枝分かれした第12配管62及び給湯管72を通して給湯栓53の方に流れるように第3三方弁54を切り換える。中間部水出入り口22からの水は図示しない水道管からの水と混合されて温度調整が行われた後に給湯栓53から給湯される。
Next, the operation at the time of hot water supply of the solar system 1 will be described.
At the time of hot water supply, the second control unit 51 subtracts the temperature (T2) of the water detected by the heat medium temperature detecting means D3 from the set temperature (desired temperature) Ts of the hot water set by the temperature controller 52, The difference (Ts−T2) is calculated. When the difference (Ts−T2) is positive, that is, when the detected value of the water temperature does not reach the set temperature, the second control unit 51 takes out water from the upper water outlet 21 having a relatively high temperature in the hot water storage tank 5. And control to use. That is, the third three-way valve 54 is switched so that the water from the upper water outlet 21 flows toward the hot water tap 53 through the eleventh pipe 63 and the hot water supply pipe 72 that connect the upper water outlet 21 and the third three-way valve 54. Water from the upper water outlet 21 is mixed with water from a water pipe (not shown) and the temperature is adjusted, and then hot water is supplied from the hot water tap 53.
On the other hand, when the difference (Ts−T2) is less than zero, that is, when the detected value of the water temperature is higher than the set temperature, water is taken out from the intermediate water inlet / outlet 22 having a temperature lower than that of the upper water outlet 21 and used. Control as follows. That is, the third three-way valve 54 is switched so that water from the intermediate water inlet / outlet port 22 flows toward the hot water tap 53 through the twelfth pipe 62 and the hot water supply pipe 72 branched from the second pipe 35. The water from the intermediate water inlet / outlet 22 is mixed with water from a water pipe (not shown) and the temperature is adjusted, and then hot water is supplied from the hot water tap 53.
給湯時に以上のような制御を行うことによって、貯湯タンク5内の水の温度が十分に高い場合には温度成層における高温度層ではなく中間温度層から水を取り出して利用に供するので、温度調整のために混合する水道水等の量を減少させることができ、水に蓄えられた熱量をより効率的に利用することが可能となる。
このように、本実施形態のソーラーシステム1では、太陽電池3の温度上昇による発電効率の低下をより効果的に抑制するために貯湯タンク5に貯蔵される水の温度を比較的低い温度に抑えるものとしている。このため、貯湯タンク5の中間層温度が温度コントローラ52による設定温度に達しない場合も多くなり、ヒートポンプ装置10を作動させて貯湯動作を行う機会も多くなる。したがって、貯湯タンク5内の水をヒートポンプ装置10の副熱交換器15における冷媒の加熱源として利用することも多くなるために、上述したCOP(成績係数)向上の効果も従来装置と比較してより顕著なものとすることが可能となる。
By controlling as described above at the time of hot water supply, when the temperature of the water in the hot water storage tank 5 is sufficiently high, the water is taken out from the intermediate temperature layer instead of the high temperature layer in the temperature stratification and used for temperature adjustment. Therefore, the amount of tap water or the like to be mixed can be reduced, and the amount of heat stored in the water can be used more efficiently.
Thus, in the solar system 1 of the present embodiment, the temperature of the water stored in the hot water storage tank 5 is suppressed to a relatively low temperature in order to more effectively suppress the decrease in power generation efficiency due to the temperature increase of the solar cell 3. It is supposed to be. For this reason, the intermediate layer temperature of the hot water storage tank 5 often does not reach the temperature set by the temperature controller 52, and the opportunity to perform the hot water storage operation by operating the heat pump device 10 also increases. Therefore, since the water in the hot water storage tank 5 is often used as a refrigerant heating source in the auxiliary heat exchanger 15 of the heat pump device 10, the above-described effect of improving the COP (coefficient of performance) is also compared with the conventional device. It becomes possible to make it more prominent.
(実施例)
以下、図4〜図8を参照して、本実施形態のソーラーシステム1における発電効率が従来装置よりどの程度向上するかを検証したシミュレーションの結果を説明する。図4は、発電効率向上の比較対象である従来装置としての太陽光発電・集熱複合利用装置の一例の構成図、図5は、この従来装置の動作を示すフローチャート、図6は、上記シミュレーションの基礎となる気象条件の一つである日射量の推移と太陽電池発電量の推移との相関を示すグラフ図、図7は、上記シミュレーションによる本実施形態のソーラーシステム1の発電効率の向上度及び貯留熱媒体温度の推移を示すグラフ図、図8は、上記シミュレーションによる従来装置の発電効率の向上度及び貯留熱媒体温度の推移を示すグラフ図である。
なお、図6においては、夏期、晴天時における日射量の推移が一例として示されており、この例では、太陽電池3の温度が摂氏25度であるときを基準(100%)として日射量が最大となる12時前後には無冷却であれば太陽電池3の出力が73%程度にまで低下することが示されている。
(Example)
Hereinafter, with reference to FIGS. 4-8, the result of the simulation which verified how much the electric power generation efficiency in the solar system 1 of this embodiment improves from a conventional apparatus is demonstrated. FIG. 4 is a configuration diagram of an example of a solar power generation / heat collection combined utilization device as a conventional device that is a comparison target of power generation efficiency improvement, FIG. 5 is a flowchart showing the operation of this conventional device, and FIG. FIG. 7 is a graph showing the correlation between the change in the amount of solar radiation and the change in the amount of solar cell power generation, which is one of the weather conditions that are the basis of the above, and FIG. 7 is the degree of improvement in the power generation efficiency of the solar system 1 of the present embodiment by the above simulation. FIG. 8 is a graph showing the degree of improvement in power generation efficiency of the conventional apparatus and the transition of the stored heat medium temperature according to the simulation.
In FIG. 6, the transition of the amount of solar radiation in summer and in fine weather is shown as an example. In this example, the amount of solar radiation is based on the reference (100%) when the temperature of the solar cell 3 is 25 degrees Celsius. It is shown that the output of the solar cell 3 is reduced to about 73% if there is no cooling around 12:00 which is the maximum.
図4に示すように、上記シミュレーションにおける比較対象としての従来装置100は、太陽熱集熱器101、太陽電池102、集熱器熱媒体温度検出手段103、貯湯タンク104、貯湯タンク熱媒体温度検出手段105、大気放熱器106、集熱管路107、及び放熱管路108を備えたものである。なお、この従来装置100は、ソーラーシステム1のヒートポンプ装置10に相当する要素を有していない。   As shown in FIG. 4, the conventional apparatus 100 as a comparison target in the simulation includes a solar heat collector 101, a solar cell 102, a heat collector heat medium temperature detecting means 103, a hot water storage tank 104, and a hot water tank heat medium temperature detecting means. 105, an air radiator 106, a heat collecting pipe 107, and a heat radiating pipe 108. The conventional device 100 does not have an element corresponding to the heat pump device 10 of the solar system 1.
図5に示すように、上記従来装置100においては、集熱器熱媒体温度検出手段103により太陽熱集熱器101出口の熱媒体温度T21が検出され(S21)、貯湯タンク熱媒体温度検出手段105により貯湯タンク104内の水の温度T22が検出される(S22)。上記温度T21から温度T22が減算されてその差(T21−T22)が算出され(S23)、算出された差(T21−T22)が設定温度差ΔTよりも大きいかが判定される(S24)。上記差(T21−T22)が設定温度差ΔTよりも大きければ集熱管路106を通して水が循環される(S25)一方、上記差(T21−T22)が設定温度差ΔT以下であれば放熱管路107を通して水が循環される(S26)。   As shown in FIG. 5, in the conventional apparatus 100, the heat collector temperature detection means 103 detects the heat medium temperature T21 at the outlet of the solar heat collector 101 (S21), and the hot water storage tank heat medium temperature detection means 105 is detected. Thus, the temperature T22 of the water in the hot water storage tank 104 is detected (S22). The temperature T22 is subtracted from the temperature T21 to calculate the difference (T21-T22) (S23), and it is determined whether the calculated difference (T21-T22) is larger than the set temperature difference ΔT (S24). If the difference (T21-T22) is larger than the set temperature difference ΔT, water is circulated through the heat collecting pipe 106 (S25), whereas if the difference (T21-T22) is less than the set temperature difference ΔT, the heat radiation pipe Water is circulated through 107 (S26).
下記表1に、本実施例のシミュレーションにおける上記従来装置100及び本実施形態のソーラーシステム1の諸元を示す。
Table 1 below shows specifications of the conventional device 100 and the solar system 1 of the present embodiment in the simulation of the present example.
図7に示すように、本実施形態のソーラーシステム1では、7時から12時前まで放熱管路8を通して水が循環される。これにより太陽熱集熱器2内部の水の温度が低く抑えられて、水の循環を行わない場合との比較で実質的に増加する太陽電池3の1平方メートルあたりの発電量の増加量(実質増加発電量、単位:Wh/m2・日)は日射量の増大と共に一貫して上昇していく。この間、貯湯タンク5内の水は循環されないので、その温度は低温(摂氏約25度)のままに保持される。
そして、日射量が最大となる12時前に水の循環経路が集熱管路7に切り替わると、その時点まで低温に保持された貯湯タンク5内の水により太陽電池3が冷却される。このため、ソーラーシステム1における12時の上記実質増加発電量は30(Wh/m2・日)近くまで跳ね上がる。このとき、貯湯タンク5内の水の温度は、13時前に循環経路が再び放熱管路8に切り替わるまでの間、摂氏約45度まで上昇する。
13時前に水の循環経路が集熱管路7から再び放熱管路8に切り替わると、貯湯タンク5内の水の温度上昇は停止し、そのまま摂氏約45度に保持される。一方、上記実質増加発電量は13時からは下記従来装置10におけると同様の推移で低下していく。
As shown in FIG. 7, in the solar system 1 of the present embodiment, water is circulated through the heat radiation pipe 8 from 7 o'clock to 12 o'clock. As a result, the temperature of the water inside the solar heat collector 2 is kept low, and the amount of power generation per square meter of the solar cell 3 that increases substantially compared with the case where water circulation is not performed (substantial increase) The amount of power generation (unit: Wh / m 2 · day) increases consistently with the increase in solar radiation. During this time, since the water in the hot water storage tank 5 is not circulated, the temperature is kept low (about 25 degrees Celsius).
And if the circulation path of water switches to the heat collection pipe line 7 before 12:00 when the amount of solar radiation becomes the maximum, the solar cell 3 will be cooled by the water in the hot water storage tank 5 hold | maintained at the low temperature until that time. For this reason, the substantially increased power generation amount at 12:00 in the solar system 1 jumps up to nearly 30 (Wh / m 2 · day). At this time, the temperature of the water in the hot water storage tank 5 rises to about 45 degrees Celsius until the circulation path is switched again to the heat radiation pipe 8 before 13:00.
If the water circulation path is switched from the heat collecting pipe 7 to the heat radiating pipe 8 before 13:00, the temperature rise of the water in the hot water storage tank 5 stops and is maintained at about 45 degrees Celsius. On the other hand, the substantially increased power generation amount decreases from 13:00 with the same transition as in the conventional apparatus 10 described below.
これに対して、図8に示すように、従来装置100では、7時から13時前まで集熱管路107を通して水が循環される。その間、貯湯タンク104内の熱媒体温度は一貫して上昇し、12時には摂氏約60度、13時には摂氏約65度に達する。このとき、上記実質増加発電量(単位:Wh/m2・日)は2〜11の範囲で推移する。特に、9時以降は太陽電池102を冷却する水が比較的高温となるために日射量の増大(図6参照)にもかかわらず上記実質増加発電量はあまり上昇せずに、日射量が最大となる12時にも11(Wh/m2・日)にとどまっている。
12時から13時の間に水の循環経路が集熱管路107から放熱管路108に切り替わると太陽電池102を冷却する水の温度が低下し、これにより、太陽電池の上記実質増加発電量は20(Wh/m2・日)近くまで跳ね上がる(13時)。その後、日射量の低下とともに上記実質増加発電量は18時まで一貫して減少していく。この間、貯湯タンク104内の水は循環されずに留められるため、その温度は摂氏約65度に保持される。
On the other hand, as shown in FIG. 8, in the conventional apparatus 100, water is circulated through the heat collecting pipe 107 from 7:00 to 13:00. Meanwhile, the temperature of the heat medium in the hot water storage tank 104 rises consistently, reaching about 60 degrees Celsius at 12:00 and about 65 degrees Celsius at 13:00. At this time, the substantially increased power generation amount (unit: Wh / m 2 · day) changes in the range of 2 to 11. In particular, after 9 o'clock, the water for cooling the solar cell 102 becomes relatively high temperature, so that the substantially increased power generation amount does not increase so much despite the increase in solar radiation amount (see Fig. 6), and the solar radiation amount is maximum. It remains at 11 (Wh / m 2 · day) even at 12:00.
When the water circulation path is switched from the heat collecting pipe 107 to the heat radiating pipe 108 between 12:00 and 13:00, the temperature of the water that cools the solar battery 102 is lowered, and thereby the substantially increased power generation amount of the solar battery is 20 ( Wh / m 2 · day) jumps to near (13:00). After that, the actual increased power generation amount decreases consistently until 18:00 as the amount of solar radiation decreases. During this time, since the water in the hot water storage tank 104 is kept without being circulated, the temperature is maintained at about 65 degrees Celsius.
このように、従来装置100においては、太陽電池102を冷却すべき水の温度が、日射量が多く最大の発電量を得ることができる12時前後の時間帯には既に摂氏約60度にまで上昇しており、そのような時間帯に太陽電池102を効果的に冷却することができない。このため、従来装置100においては発電効率を効果的に向上させることができない。これに対して、本実施形態のソーラーシステム1では、12時前後の時間帯までは、放熱管路8により水を循環させて太陽電池3を冷却して発電量の増大を図る一方で、日射量が最大となる12時前後の時間帯には、その時点まで低温に保持された貯湯タンク5内の水を用いて太陽電池3を冷却するようにしている。   Thus, in the conventional apparatus 100, the temperature of the water for cooling the solar cell 102 is already about 60 degrees Celsius in the time zone around 12:00 when the amount of solar radiation is large and the maximum power generation amount can be obtained. The solar cell 102 cannot be effectively cooled in such a time zone. For this reason, in the conventional apparatus 100, power generation efficiency cannot be improved effectively. On the other hand, in the solar system 1 of the present embodiment, until the time zone around 12:00, water is circulated through the heat radiating pipe 8 to cool the solar cell 3 while increasing the amount of generated power. In the time zone around 12:00 when the amount is maximum, the solar cell 3 is cooled using the water in the hot water storage tank 5 kept at a low temperature until that time.
このため、本実施形態のソーラーシステム1では、特に日射量の多い12時前後の時間帯において、従来装置よりも格段に高い発電効率の向上度を達成することが可能である。また、発電効率の向上度の1日の積算値についても、ソーラーシステム1ではその積算値が114Wh/m2であるのに対して従来装置100では94Wh/m2となり、従来装置100よりも約21%発電効率の向上度を高くすることが可能であるという結果が得られた。 For this reason, in the solar system 1 of this embodiment, it is possible to achieve a significantly higher power generation efficiency improvement than the conventional device, especially in the time zone around 12:00 where the amount of solar radiation is large. As for the integrated value of the daily increase of the power generation efficiency, the conventional apparatus 100, 94Wh / m 2 next whereas in the solar system 1 integrated value thereof is 114Wh / m 2, than the conventional apparatus 100 to about The result that it was possible to raise the improvement degree of 21% power generation efficiency was obtained.
一方、熱出力(水に蓄えられる熱エネルギ)については、1日の積算値がソーラーシステム1では231Wh/m2であるのに対して、従来装置100では469Wh/m2となり、上記発電効率の向上度と熱出力とを合算した総合エネルギー効率は、ソーラーシステム1の方が低くなる。しかしながら、家庭における電力、熱需要のバランスを考慮すると、従来装置100による熱出力は過剰であり、本実施形態のソーラーシステム1程度の熱出力で十分に家庭における熱需要をまかなうことは可能である。したがって、よりエクセルギーの高い発電出力についてより高い効率を有する本実施形態のソーラーシステム1の方が家庭での利用には適しているものといえる。 On the other hand, the heat output (heat energy stored in the water), to the integrated value of the day that is 231Wh / m 2 in the solar system 1, the conventional apparatus 100, 469Wh / m 2, and the above power generation efficiency The total energy efficiency obtained by adding the degree of improvement and the heat output is lower in the solar system 1. However, considering the balance between electric power and heat demand in the home, the heat output by the conventional device 100 is excessive, and it is possible to sufficiently meet the heat demand in the home with the heat output of the solar system 1 of this embodiment. . Therefore, it can be said that the solar system 1 of the present embodiment having higher efficiency with respect to the power generation output with higher exergy is more suitable for use at home.
以上、本発明を実施形態及び実施例により説明したが、本発明はこれに限られるものではなく種々改変が可能である。
例えば、実施形態では太陽熱集熱器2と、貯湯タンク5または大気放熱器6との間に利用対象の熱媒体(例えば水)を直接循環させるものとしたが、利用対象の熱媒体との間で熱交換を行うための熱媒体(例えば不凍液)を太陽熱集熱器2と、貯湯タンク5または大気放熱器6との間で循環させる場合にも本発明は適用できる。
As mentioned above, although this invention was demonstrated by embodiment and an Example, this invention is not restricted to this, A various change is possible.
For example, in the embodiment, the heat medium to be used (for example, water) is directly circulated between the solar heat collector 2 and the hot water storage tank 5 or the atmospheric radiator 6. The present invention can also be applied to the case where a heat medium (for example, antifreeze) for heat exchange is circulated between the solar heat collector 2 and the hot water storage tank 5 or the atmospheric radiator 6.
本発明にかかる太陽光発電・集熱装置は、家庭用発電システムから地域の分散型発電システムまで、太陽エネルギーを利用した高効率発電システムとして展開することができる。   The solar power generation and heat collecting apparatus according to the present invention can be developed as a high-efficiency power generation system using solar energy from a home power generation system to a regional distributed power generation system.
本発明の一実施形態に係る太陽光発電・集熱複合利用装置の構成図である。It is a block diagram of the solar power generation / heat collection combined utilization apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 上記実施形態装置における熱媒体循環経路の選択・切換の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of selection / switching of the thermal-medium circulation path | route in the said embodiment apparatus. 上記実施形態装置の太陽電池出力の温度依存性を表すグラフ図である。It is a graph showing the temperature dependence of the solar cell output of the said embodiment apparatus. 従来例における太陽光発電・集熱複合利用装置の構成図である。It is a block diagram of the solar power generation / heat collection combined utilization apparatus in a prior art example. 上記従来装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the said conventional apparatus. 夏季、晴天時の日射条件と太陽電池の相対出力変化との相関を示すグラフ図である。It is a graph which shows the correlation with the solar radiation conditions at the time of summer and fine weather, and the relative output change of a solar cell. 上記実施形態装置における発電効率の向上度と熱媒体温度に関するシミュレ ーション結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the simulation result regarding the improvement degree of electric power generation efficiency in the said embodiment apparatus, and a heat medium temperature. 上記従来装置における発電効率の向上度と熱媒体温度に関するシミュレーシ ョン結果を示すグラフ図である。It is a graph which shows the simulation result regarding the improvement degree of the power generation efficiency in the said conventional apparatus, and a heat medium temperature.
符号の説明Explanation of symbols
1 ソーラーシステム
2 太陽熱集熱器
3 太陽電池
5 貯湯タンク
6 大気放熱器
7 集熱管路
8 放熱管路
9 第1制御部
10 ヒートポンプ装置
11 圧縮機
12 放熱器
13 膨張手段
14 蒸発器
15 副熱交換器
33 第1三方弁
36 第2三方弁
51 第2制御部
52 温度コントローラ
54 第3三方弁
D1 太陽電池出力検出手段
D2 太陽電池温度検出手段
D3 熱媒体温度検出手段
D4 大気温度検出手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solar system 2 Solar heat collector 3 Solar cell 5 Hot water storage tank 6 Atmospheric radiator 7 Heat collection pipe 8 Heat radiation pipe 9 1st control part 10 Heat pump apparatus 11 Compressor 12 Radiator 13 Expansion means 14 Evaporator 15 Sub heat exchange Unit 33 First three-way valve 36 Second three-way valve 51 Second controller 52 Temperature controller 54 Third three-way valve D1 Solar cell output detection means D2 Solar cell temperature detection means D3 Heat medium temperature detection means D4 Atmospheric temperature detection means

Claims (3)

  1. 太陽光熱を集熱して熱媒体を加熱する太陽熱集熱器と、
    前記太陽熱集熱器の表面に熱的に接続して設けられた太陽電池と、
    熱媒体を貯留する熱媒体貯留槽と、
    前記太陽熱集熱器と前記熱媒体貯留槽との間に熱媒体を循環させる集熱管路と、
    前記太陽熱集熱器にて加熱された熱媒体から熱を大気中に放熱させる大気放熱器と、
    前記太陽熱集熱器と前記大気放熱器との間に熱媒体を循環させる放熱管路と、
    前記太陽電池の出力を検出する太陽電池出力検出手段と、
    前記太陽電池の温度を検出する太陽電池温度検出手段と、
    前記熱媒体貯留槽内の熱媒体の温度を検出する熱媒体温度検出手段と、
    大気の温度を検出する大気温度検出手段と、
    前記太陽電池出力検出手段の検出値と、前記太陽電池温度検出手段の検出値と、前記熱媒体温度検出手段の検出値とに基づいて、前記集熱管路を通して熱媒体を循環させることにより見込まれる前記太陽電池の発電量の増加量を演算する集熱時発電増加量演算手段と、
    前記集熱時発電増加量演算手段により演算された発電量の増加量から前記集熱管路を通して熱媒体を循環させるのに要する電力量を減算し、その差を集熱時実質増加発電量として算出する集熱時実質増加発電量算出手段と、
    前記太陽電池出力検出手段の検出値と、前記太陽電池温度検出手段の検出値と、前記大気温度検出手段の検出値とに基づいて、前記放熱管路を通して熱媒体を循環させることにより見込まれる前記太陽電池の発電量の増加量を演算する放熱時発電増加量演算手段と、
    前記放熱時発電増加量演算手段により演算された発電量の増加量から前記放熱管路を通して熱媒体を循環させるのに要する電力量を減算し、その差を放熱時実質増加発電量として算出する放熱時実質増加発電量算出手段と、
    前記算出された集熱時実質増加発電量と放熱時実質増加発電量とを比較して、前記集熱管路と前記放熱管路のいずれの循環経路を選択して熱媒体を循環させるかを決定する管路選択手段と、
    前記管路選択手段の選択結果にしたがって、熱媒体の循環経路を前記集熱管路と前記放熱管路との間で切り換える切換手段と、
    を備えたことを特徴とする太陽光発電・集熱複合利用装置。
    A solar collector that collects solar heat and heats the heat medium;
    A solar cell provided thermally connected to the surface of the solar heat collector;
    A heat medium storage tank for storing the heat medium;
    A heat collecting conduit for circulating a heat medium between the solar heat collector and the heat medium storage tank;
    An atmospheric radiator that radiates heat from the heat medium heated by the solar heat collector to the atmosphere;
    A heat radiating conduit for circulating a heat medium between the solar heat collector and the atmospheric heat radiator;
    Solar cell output detecting means for detecting the output of the solar cell;
    Solar cell temperature detecting means for detecting the temperature of the solar cell;
    A heat medium temperature detecting means for detecting the temperature of the heat medium in the heat medium storage tank;
    Atmospheric temperature detection means for detecting the temperature of the atmosphere;
    Based on the detection value of the solar cell output detection means, the detection value of the solar cell temperature detection means, and the detection value of the heat medium temperature detection means, the heat medium is expected to circulate through the heat collecting pipe. A heat collection power generation increase calculating means for calculating the power generation increase of the solar cell;
    The amount of power required to circulate the heat medium through the heat collecting pipe is subtracted from the amount of increase in power generation calculated by the power generation increase amount calculation means at the time of heat collection, and the difference is calculated as the power increase at the time of heat collection. Means for calculating the actual increased power generation amount during heat collection;
    Based on the detection value of the solar cell output detection means, the detection value of the solar cell temperature detection means, and the detection value of the atmospheric temperature detection means, the heat medium is expected to circulate through the heat radiating conduit. A heat dissipation power generation increase calculation means for calculating the increase in power generation of the solar cell,
    Subtracting the amount of power required to circulate the heat medium through the heat radiating pipe from the amount of increase in power generation calculated by the power generation increase during heat dissipation calculation means, and calculating the difference as the power increase during heat dissipation Means for calculating the actual increase in power generation time,
    Compare the calculated actual power generation amount at the time of heat collection with the actual increase power generation amount at the time of heat dissipation, and determine which circulation path of the heat collection pipe line or the heat radiation pipe line to circulate the heat medium. Pipeline selection means to
    Switching means for switching the circulation path of the heat medium between the heat collecting pipe and the heat radiating pipe according to the selection result of the pipe selection means;
    A solar power generation / heat collection combined utilization device characterized by comprising:
  2. 冷媒を圧縮して高温・高圧にする圧縮機と、前記圧縮された冷媒と前記熱媒体貯留槽からの熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換が行われた冷媒を膨張させて減圧する膨張手段と、前記膨張された冷媒と大気との間で熱交換を行い冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器と前記圧縮機との間に設けられ前記熱媒体貯留槽からの熱媒体と前記蒸発された熱媒体との間で熱交換を行って冷媒温度を上昇させる副熱交換器とを有するヒートポンプ装置を備えたことを特徴とする請求項1記載の太陽光発電・集熱複合利用装置。   A compressor that compresses the refrigerant to a high temperature and a high pressure, a heat exchanger that exchanges heat between the compressed refrigerant and the heat medium from the heat medium storage tank, and the refrigerant that has undergone the heat exchange Expansion means for expanding and reducing pressure, an evaporator for exchanging heat between the expanded refrigerant and the atmosphere to evaporate the refrigerant, and the heat medium storage provided between the evaporator and the compressor The solar light according to claim 1, further comprising a heat pump device having a sub heat exchanger that performs heat exchange between the heat medium from the tank and the evaporated heat medium to raise a refrigerant temperature. Combined power generation and heat collection equipment.
  3. 前記熱媒体貯留槽内部に熱媒体の温度成層が形成されており、前記熱媒体温度検出手段が前記温度成層の低温度層における熱媒体の温度を熱媒体温度として検出するとともに、
    前記検出された熱媒体温度が所望温度よりも高いときは前記温度成層の中間温度層から熱媒体を取り出して利用に供する一方、
    前記検出された熱媒体温度が所望温度よりも低いときは前記温度成層の高温度層から熱媒体を取り出して利用に供することを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光発電・集熱複合利用装置。
    A temperature stratification of the heat medium is formed inside the heat medium storage tank, and the heat medium temperature detecting means detects the temperature of the heat medium in the low temperature layer of the temperature stratification as the heat medium temperature,
    When the detected heat medium temperature is higher than a desired temperature, the heat medium is taken out from the intermediate temperature layer of the temperature stratification and used for use,
    3. The photovoltaic power generation and heat collection according to claim 1 or 2, wherein when the detected heat medium temperature is lower than a desired temperature, the heat medium is taken out from the high temperature layer of the temperature stratification and used. Multi-use device.
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