JP5195947B2 - 太陽熱利用給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱利用給湯装置に関する。

下記特許文献１には、太陽光発電パネルを冷却する装置を冷凍サイクルの蒸発器として構成し、太陽熱を熱源にヒートポンプを駆動させ、冷凍サイクルの凝縮器より温熱を供給する太陽光ヒートポンプシステムが開示されている。このシステムでは、蒸発器の蒸発温度を４０〜６０℃に制御し、太陽光発電パネルでの結露を抑制し、太陽光発電パネルの信頼性を確保している。

特開２００８−１５７４８３号公報

特許文献１の発明のように、太陽光発電パネルの熱をヒートポンプで回収するようにした場合、ヒートポンプを駆動する圧縮機の消費電力が生じる。そのため、太陽光発電パネルの熱源温度が高く、太陽光発電パネルで水を直接加熱することが可能である場合には、余分な消費電力が発生することとなり、装置の運転効率が低下する。また、太陽光発電パネルからより多くの熱量を得ようとした場合、太陽光発電パネルを冷却する冷却媒体の温度はできるだけ低いことが望ましいが、特許文献１の発明では、ヒートポンプを駆動するため、蒸発温度を低く運転することになり、多くの熱量を得ようとするとヒートポンプの運転効率が低下する。このため、更に多くの消費電力を要するようになり、装置の運転効率が更に低下するという問題もある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、太陽エネルギーを高効率に利用して発電および給湯を行うことができるとともに、信頼性に優れた太陽熱利用給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽熱利用給湯装置は、負荷側に供給する湯を貯える貯湯タンクと、太陽光発電パネルと、太陽光発電パネルを冷却するパネル冷却装置と、貯湯タンク内から取り出した水をパネル冷却装置に送る往き流路と、該水が太陽光発電パネルの熱を受け取ることによって生成された湯を貯湯タンクに戻す戻り流路とを有する循環回路と、パネル冷却装置から流出した湯の一部を往き流路に注入可能なバイパス流路と、パネル冷却装置に流入する水の温度を検出する入水温度検出手段と、外気の露点温度を取得する露点温度取得手段と、入水温度検出手段により検出される入水温度が、露点温度取得手段により取得された露点温度以上となるように、バイパス流路を流れる湯の流量を調整する流量調整手段と、を備える。

本発明によれば、太陽光発電パネルの熱を直接的に利用して湯を生成することができる。このため、ヒートポンプを介在させる場合と異なり、圧縮機の消費電力が発生しないので、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。また、パネル冷却装置に供給される水の温度を外気の露点温度以上とすることができるので、太陽光発電パネルに結露が生ずることを確実に防止することができる。このため、結露による太陽光発電パネルの絶縁の低下や材料劣化による長期信頼性の低下を確実に防止することができる。更に、太陽光発電パネルは、パネル温度が低いほど発電効率が上昇するので、パネル冷却装置による冷却で太陽光発電パネルの温度を低下させることで、太陽光発電パネルでの発電量を増加させることができる。これらのことから、本発明によれば、太陽エネルギーを高効率に利用して発電および給湯を行うことができるとともに、装置の信頼性を向上することができる。

本発明の実施の形態１の太陽熱利用給湯装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１において制御装置が三方弁の開度を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２の太陽熱利用給湯装置を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の太陽熱利用給湯装置を示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の太陽熱利用給湯装置（以下、単に「給湯装置」と称する）は、貯湯タンク１と、ポンプ２と、パネル冷却装置３と、太陽光発電パネル４と、三方弁５とを有している。パネル冷却装置３は、太陽光発電パネル４の裏面に接触するように配置されており、発電時に高温となる太陽光発電パネル４から熱を奪い、太陽光発電パネル４を冷却することができる。

貯湯タンク１の下部と、パネル冷却装置３の入口との間は、往き流路１０により接続されている。送水を行うためのポンプ２は、この往き流路１０の途中に設けられている。パネル冷却装置３の出口と、三方弁５との間は、戻り流路１１により接続されている。三方弁５と、貯湯タンク１の上部との間は、戻り流路１２により接続されている。更に、三方弁５と、ポンプ２の上流側の往き流路１０との間は、バイパス流路１３により接続されている。

貯湯タンク１は、温度成層を形成しながら貯湯を行い、上部側の高温の湯と、下部側の低温の水とを、混じり合わないように貯留することができる。水道等の水源の水を供給する給水端Ａは、給水流路１４を介して貯湯タンク１の下部に接続されている。貯湯タンク１の上部と出湯端Ｂとは、給湯流路１５を介して接続されている。負荷側の要求に応じて、貯湯タンク１内の上部に貯えられた湯が給湯流路１５を通って出湯端Ｂへ出湯されると、これと同時に、給水端Ａから給水流路１４を通って送られた水が貯湯タンク１の下部に流入する。

ポンプ２が作動すると、貯湯タンク１の下部から水が取り出され、この取り出された水が往き流路１０を通ってパネル冷却装置３に流入する。太陽光発電パネル４は、発電時に受光することにより加熱され、高温（例えば７０℃程度）となる。この太陽光発電パネル４の熱が、パネル冷却装置３を通る水に伝熱することにより、この水の温度が上昇する。本明細書では、便宜上、パネル冷却装置３で加熱されて温度が上昇した水を「湯」と称する。この湯は、パネル冷却装置３から流出し、戻り流路１１、三方弁５、戻り流路１２を経て、貯湯タンク１の上部に流入し、貯留される。太陽光発電パネル４は、パネル冷却装置３を通る水に熱を奪われることにより、冷却される。

三方弁５は、パネル冷却装置３から流出した湯の一部をバイパス流路１３に分岐させることができる。三方弁５は、各流路の弁開度が連続的に変更可能な構成となっており、戻り流路１２へ流す湯の流量と、バイパス流路１３へ流す湯の流量との比を連続的に変更可能である。三方弁５で分岐した湯は、バイパス流路１３を通って、ポンプ２の上流側の往き流路１０を流れる水と合流する。このような構成により、ポンプ２からパネル冷却装置３に供給される水の温度は、バイパス流路１３から合流する湯の量に応じて、上昇する。すなわち、バイパス流路１３を流れる湯の流量が増加するほど、パネル冷却装置３に供給される水の温度が高くなる。

本実施形態の給湯装置は、パネル冷却装置３に供給される水の温度を検出する温度センサ６ａ（入水温度検出手段）と、外気温度を検出する温度センサ６ｂ（外気温度検出手段）と、パネル冷却装置３を出て貯湯タンク１に流入する湯の温度を検出する温度センサ６ｃ（戻り温度検出手段）と、貯湯タンク１上部に滞留する湯の温度を検出する温度センサ６ｄ（貯湯温度検出手段）と、制御装置７とを備えている。制御装置７は、温度センサ６ａ〜６ｄで検出された情報等に基づき、三方弁５の開度を制御する。

図２は、制御装置７が三方弁５の開度を制御するために実行するルーチンのフローチャートである。制御装置７は、本ルーチンを所定時間毎に繰り返し実行する。本ルーチンによれば、まず、温度センサ６ｂにより外気温度を計測する（ステップＳ１）。続いて、この計測された外気温度に基づいて、外気の露点温度（以下、単に「露点温度」と称する）を算出する（ステップＳ２）。露点温度の算出には、湿度の情報が必要となるが、本実施形態では湿度の変動の小さい環境を想定し、湿度は予め設定された固定値とする。

続いて、ステップＳ２で算出された露点温度Ｔｄと、温度センサ６ａにより検出される、パネル冷却装置３に流入する水の温度（以下、「パネル入水温度」と略称することがある。）Ｔｗとを比較する（ステップＳ３）。その比較の結果、パネル入水温度Ｔｗが露点温度Ｔｄより低い場合には、バイパス流路１３に流れる湯の流量が増加するように、三方弁５の開度を、バイパス流路１３側に開口する開度が大きくなる方向に補正する（ステップＳ４）。また、パネル入水温度Ｔｗが露点温度Ｔｄより高く、且つ、両者の温度差が所定温度差ΔＴより大きい場合には、バイパス流路１３に流れる湯の流量が減少するように、三方弁５の開度を、バイパス流路１３側に開口する開度が小さくなる方向に補正する。一方、パネル入水温度Ｔｗが露点温度Ｔｄよりも高く、且つ、両者の温度差が所定温度差ΔＴ以下の場合（すなわち、Ｔｄ≦Ｔｗ≦Ｔｄ＋ΔＴの場合）には、三方弁５の開度を現在の開度に維持する（ステップＳ６）。なお、所定温度差ΔＴは、例えば３〜５℃程度に設定される。

以上のような運転動作を行うことで、本給湯装置によれば、以下のような効果を得ることができる。まず、太陽光発電パネル４の熱を直接的に利用して湯を生成することができる。このため、ヒートポンプを介在させる場合と異なり、圧縮機が必要ない。それゆえ、圧縮機の消費電力が発生しないので、全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

また、パネル冷却装置３に供給される水の温度を外気の露点温度以上とすることができる。そのため、太陽光発電パネル４に結露が生ずることを確実に防止することができる。太陽光発電パネル４の表面に結露が生じると、絶縁の低下や材料劣化による長期信頼性の低下の懸念がある。したがって、結露が確実に防止できることで、これらの信頼性上の問題を回避でき、信頼性を高めることができる。

更に、太陽光発電パネル４は、パネル温度が低いほど発電効率が上昇するという特性を持つ。本給湯装置によれば、パネル冷却装置３による冷却で太陽光発電パネル４の温度を低下させることができるので、太陽光発電パネル４での発電量を増加させることができる。よって、全体としてのエネルギー効率を更に高めることができる。

特に、上記の運転動作では、パネル冷却装置３に供給される水の温度を、露点温度と、露点温度よりΔＴ高い温度との間に維持することができる。このため、パネル冷却装置３に供給される水の温度を、太陽光発電パネル４に結露を生じさせない範囲で、なるべく低い温度に保つことができる。パネル冷却装置３では、太陽光発電パネル４と水との間で熱交換がなされ、太陽光発電パネル４の冷却と、水の加熱がなされるが、その際の熱交換量は、両者の温度差が大きいほど増加できる。従って、上記の運転動作によれば、太陽光発電パネル４に結露を生じさせない範囲で、なるべく多くの熱交換量を得ることができ、給湯装置としての運転効率を高めることができる。また、太陽光発電パネル４の温度をより低下させることができるので、発電効率を更に向上させることができる。

また、本実施形態では、湿度は予め設定された固定値であるものとし、外気温度に基づいて露点温度を容易に算出することができる。ただし、本発明では、このような方法に限らず、外気の湿度に関する情報を取得し、その湿度情報も加味して露点温度を求めても良い。湿度情報を取得する方法としては、例えば、湿度を検出する湿度センサを設ける方法や、あるいは、太陽光発電パネル４の発電量より日射量を推算し、晴天、曇天、雨天の状況を判別し、その状態より湿度を推定する方法などが挙げられる。また、本発明では、例えば静電容量式露点計などの露点検出手段により露点温度を直接に検出したり、あるいは、気象台などで観測された湿度や露点温度に関する情報を通信で取得するようにしてもよい。

また、パネル冷却装置３での水への加熱量は、天候に応じて変化する。例えば、一時的に曇天となった場合などは、加熱量が減少し、パネル冷却装置３から流出する湯の温度が、貯湯タンク１上部の貯湯温度より低くなる場合がある。この場合、パネル冷却装置３からの湯が貯湯タンク１上部の湯と混合することで、貯湯タンク１上部の貯湯温度が低下し、貯湯熱量が減少する可能性がある。このような事態を避けるため、制御装置７により、貯湯タンク１上部の貯湯温度を検出する温度センサ６ｄの検出値と、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度を検出する温度センサ６ｃの検出値とを比較し、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度が貯湯タンク１上部の貯湯温度と比べて所定温度差以上低い場合には、三方弁５の開度を制御し、バイパス流路１３に流れる湯の流量を増加させるように制御してもよい。このように運転すると、パネル冷却装置３に供給される水の温度が上昇する。その結果、パネル冷却装置３から流出する湯の温度が上昇するので、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度を、貯湯タンク１上部の貯湯温度と同等程度に高めることができる。このため、貯湯熱量が減少することを確実に回避できるので、より効率の高い装置の運転が実現される。

また、ポンプ２の流量については、一定速で運転させてもよいし、あるいは温度状況に応じてインバータなどにより回転数を変化させ、流量を制御してもよい。例えば、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度が貯湯タンク１上部の貯湯温度よりも低い場合に、ポンプ２の流量を低下させる制御を行ってもよい。これにより、パネル冷却装置３での熱交換による水の温度上昇幅が大きくなるので、パネル冷却装置３から流出して貯湯タンク１に流入する湯の温度が上昇する。その結果、貯湯タンク１の貯湯温度の低下を確実に抑制し、より効率の高い装置の運転が実現される。

一方、パネル冷却装置３から流出する湯の温度が過度に高い場合、水に含まれるカルシウムの析出などによるスケールが発生し、流路が閉塞しやすくなる可能性がある。そこで、パネル冷却装置３から流出する湯の温度が高温（例えば８０℃以上）である場合に、ポンプ２の流量を増加させる制御を行ってもよい。これにより、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度が低下し、その結果、スケールの生成量を抑制し、流路の閉塞を回避することで、より信頼性の高い装置の運転を行うことができる。

なお、太陽光発電パネル４の結露については、水による冷却だけでなく、周囲の空気温度の低下によっても生じる可能性がある。そこで、夜間など昼間の発電中の時間以外にも、ポンプ２を駆動し、露点温度以上の水を供給することで、パネル冷却装置３の温度を露点温度以上に維持する運転を行ってもよい。これにより、太陽光発電パネル４の結露を抑制し、信頼性を高める運転を行うことができる。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

前述した実施の形態１では、貯湯タンク１の下部に水の取り出し口を一箇所設けている。これに対し、図３に示すように、本実施形態では、上下方向に位置を異ならせた複数箇所の取り出し口１６を貯湯タンク１に設けるとともに、各取り出し口１６に対応して開閉弁８をそれぞれ設けている。このような構成において、制御装置７が各開閉弁８の開閉を選択することにより、任意の取り出し口１６から水を取り出して、パネル冷却装置３に供給することができる。貯湯タンク１内部では、温度成層が形成されるため、取り出し口１６の位置が高いほど、取り出される水の温度が高くなる。このため、本実施形態では、水を取り出す位置を複数の取り出し口１６から選択することにより、取り出される水の温度を選択することができる。これにより、以下のような利点がある。

貯湯タンク１の下部の水温が極めて低いようなときには、貯湯タンク１の下部の取り出し口１６から取り出した水をパネル冷却装置３に供給している場合に、バイパス流路１３を流れる湯の流量が最大となるように三方弁５の開度を制御しても、パネル冷却装置３に供給される水の温度が露点温度未満となる場合が考えられる。そのような場合に、本実施形態の装置では、温度センサ６ａにより検出されるパネル入水温度に基づいて制御装置７が各開閉弁８の開閉を選択することにより、水の取り出し位置を、上方の取り出し口１６に切り換えることができる。この切り換えにより、取り出される水の温度が上昇するため、パネル冷却装置３に供給される水の温度を露点温度以上にすることができる。このため、太陽光発電パネル４に結露が生ずることを確実に防止することができる。

また、装置の運転開始時などは、装置各部の温度が低く、より結露が生じやすい運転となる可能性がある。そこで、装置の運転開始時は、貯湯タンク１上部の取り出し口１６から水を取り出し、パネル冷却装置３に供給される水の温度が結露を回避できる温度となっていることを確認してから、取り出し口１６を下方側のものに順次切り換えていくようにしてもよい。このような運転を行うことで、装置の運転開始時など、装置各部の温度が低い場合においても、結露をより確実に抑制し、信頼性を高める運転を行うことができる。

また、本実施形態では、制御装置７により、貯湯タンク１上部の貯湯温度を検出する温度センサ６ｄの検出値と、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度を検出する温度センサ６ｃの検出値とを比較し、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度が貯湯タンク１上部の貯湯温度と比べて所定温度差以上低い場合には、水を取り出す取り出し口１６を上方側のものに切り換えるように制御してもよい。この制御により、パネル冷却装置３に供給される水の温度が上昇するので、パネル冷却装置３から流出する湯の温度が上昇する。その結果、貯湯タンク１上部に流入する湯の温度を、貯湯タンク１上部の貯湯温度と同等程度に高めることができる。このため、貯湯熱量が減少することを確実に回避できるので、より効率の高い装置の運転が実現される。

なお、以上説明した実施の形態では、貯湯タンク１は温度成層を形成しながら貯湯を行い、上部に湯が、下部に低温の水が貯留されるとして説明したが、本発明では、貯湯タンク各部の温度が均一になるように沸き上げる循環加温方式の貯湯タンクを用いてもよい。また、貯湯タンク内の温度が所定温度以上（例えば結露を回避可能とする３０℃以上）となるまでは、前述した循環加温方式で沸き上げ、それ以降は温度成層を形成しながら貯湯する一過式の沸き上げを行ってもよい。このような運転を行った場合、貯湯タンク１からパネル冷却装置３に供給される水の温度は基本的に結露を回避可能な温度となるので、前述した装置の起動時や夜間の運転であっても、取り出し口１６を変更することなく露点温度以上の水を供給できるので、貯湯タンク１からの取り出し口１６を１個に集約することができ、より低コストの装置とすることができる。

１ 貯湯タンク
２ ポンプ
３ パネル冷却装置
４ 太陽光発電パネル
５ 三方弁
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 温度センサ
７ 制御装置
８ 開閉弁
１０ 往き流路
１１，１２ 戻り流路
１３ バイパス流路
１４ 給水流路
１５ 給湯流路
１６ 取り出し口

Claims (5)

1. 負荷側に供給する湯を貯える貯湯タンクと、
   太陽光発電パネルと、
   前記太陽光発電パネルを冷却するパネル冷却装置と、
   前記貯湯タンク内から取り出した水を前記パネル冷却装置に送る往き流路と、該水が前記太陽光発電パネルの熱を受け取ることによって生成された湯を前記貯湯タンクに戻す戻り流路とを有する循環回路と、
   前記パネル冷却装置から流出した前記湯の一部を前記往き流路に注入可能なバイパス流路と、
   前記パネル冷却装置に流入する水の温度を検出する入水温度検出手段と、
   外気の露点温度を取得する露点温度取得手段と、
   前記入水温度検出手段により検出される入水温度が、前記露点温度取得手段により取得された露点温度以上となるように、前記バイパス流路を流れる湯の流量を調整する流量調整手段と、
   を備える太陽熱利用給湯装置。
2. 前記流量調整手段は、前記入水温度が、前記露点温度と、前記露点温度より所定温度差だけ高い温度との間の範囲に入るように、前記バイパス流路を流れる湯の流量を調整する請求項１記載の太陽熱利用給湯装置。
3. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
   前記露点温度取得手段は、前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記露点温度を算出する請求項１または２記載の太陽熱利用給湯装置。
4. 前記貯湯タンクには、前記パネル冷却装置に送る水を取り出し可能な取り出し口が高さの異なる複数の箇所に設けられており、
   前記入水温度検出手段により検出される入水温度に応じて、前記パネル冷却装置に送る水を取り出す位置を前記複数の取り出し口のうちから選択する取り出し位置選択手段を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の太陽熱利用給湯装置。
5. 前記戻り流路から前記貯湯タンクに流入する湯の温度を検出する戻り温度検出手段と、
   前記貯湯タンクの上部に貯えられている湯の温度を検出する貯湯温度検出手段と、
   前記戻り温度検出手段により検出される戻り温度と、前記貯湯温度検出手段により検出される貯湯温度とに基づいて、前記バイパス流路を流れる湯の流量を調整する第２の流量調整手段と、
   を備える請求項１乃至４の何れか１項記載の太陽熱利用給湯装置。

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