JP5350744B2

JP5350744B2 - 太陽光発電集熱システム

Info

Publication number: JP5350744B2
Application number: JP2008269486A
Authority: JP
Inventors: 勇太田
Original assignee: Misawa Homes Co Ltd
Current assignee: Misawa Homes Co Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP2010096468A

Description

本発明は、太陽エネルギーを利用して、発電と集熱の両方を行うことのできる太陽光発電集熱システムに関する。

太陽エネルギーを利用して、発電と集熱の両方を行うことのできる太陽光発電集熱システムの一例として、特許文献１に記載のものが知られている。
この太陽光発電集熱システムは、屋根面に複数の太陽光発電モジュールが配設され、これら太陽光発電モジュールの上方に透光性部材が少なくとも前記太陽光発電モジュールの上方を覆うようにして設けられ、前記透光性部材と前記屋根面との間に、空気流通層が形成され、この空気流通層に、床下に配置されて熱を蓄える蓄熱手段に連結する伝熱手段が接続されているものである。

このような太陽光発電集熱システムでは、屋根面に配設された太陽光発電モジュールによって、太陽光を電気（電力）に変換することができ、建物で消費する電力を賄うことができるため、電力の自給自足を行うことができる。
また、太陽光発電モジュールの上方に透光性部材が少なくとも太陽光発電モジュールの上方を覆うようにして設けられ、透光性部材と屋根面との間に空気流通層が形成され、さらに、空気流通層には床下の蓄熱手段に連結する伝熱手段が接続されているので、太陽熱が透光性部材を透光して空気流通層内の空気に伝達されることによって、その空気が加熱されて、さらに伝熱手段を介して蓄熱手段で蓄熱される。その結果、蓄熱手段に蓄熱された熱を床暖房に利用できるとともに、暖房機器等に使用される電力を削減することが可能となる。
したがって、このように発電と集熱とを同時に行うことができるため、太陽エネルギーの利用効率の向上を図ることができる。
特開２００５−２２６９７８号公報

ところが、前記従来の太陽光発電集熱システムでは、屋根面に太陽光発電モジュールを配設したうえで、これら太陽光発電モジュールの上方に透光性部材を太陽光発電モジュールの上方を覆うようにして設けているので、太陽光発電モジュールと透光性部材の双方の設置作業が必要となり、施工に手間がかかるとともに、空気流通層を形成するために、透光性部材が必要となり、その分部品点数が増えるという課題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、施工が容易でかつ部品点数を軽減できる太陽光発電集熱システムを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、建物１の屋根面４２に、シースルー型太陽光発電モジュール８とＰＶセルがない透明ガラスモジュール８ａとが前記屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で、かつ屋根４の傾斜方向に設けられており、
前記シースルー型太陽光発電モジュール８と前記透明ガラスモジュール８ａのうち、棟近傍に設置されるものは前記透明ガラスモジュール８ａとされており、
前記空気流通層Ｓには、建物１内に配置されて熱を蓄える蓄熱手段１２に連結する伝熱手段１３が接続されており、
前記伝熱手段１３は、前記屋根４の棟側において前記空気流通層Ｓに接続されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、建物１の屋根面４２に、シースルー型太陽光発電モジュール８が前記屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で設けられているので、空気流通層Ｓを形成するための従来のような透光性部材を必要としない。
したがって、シースルー型太陽光発電モジュール８の設置作業だけで、太陽光発電モジュール８の設置とともに、空気流通層Ｓを形成できる。したがって、施工が容易となるとともに、透光性部材が不要となるので、その分部品点数を軽減できる。

また、伝熱手段１３は、屋根４の棟側において空気流通層Ｓに接続されているので、空気流通層Ｓ内で加熱された空気を屋根４の棟側からそのまま伝熱手段１３に伝達することができる。つまり、温度の高い空気は屋根４の棟側に上昇し易いことから、伝熱手段１３を棟側に設けた方が軒先側に設ける場合よりも集熱率が高くなるため好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記屋根面４２には、屋根４の軒先から棟に向けて延在する支持レール１０が棟方向に所定間隔で複数設けられ、これら支持レール１０によって前記シースルー型太陽光発電モジュー８ルが支持されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、シースルー型太陽光発電モジュール８が屋根面４２に設けられた支持レール１０によって支持されているので、シースルー型太陽光発電モジュール８を屋根面４２に該屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で容易かつ確実に設置することができる。
また、屋根４の軒先から棟に向けて延在する支持レール１０が棟方向に所定間隔で複数設けられているので、伝熱手段１３が屋根の棟側において空気流通層Ｓに接続されている場合に、空気流通層Ｓ内で加熱された空気が支持レール１０の延在方向に沿ってスムーズに流れて、伝熱手段１３に至る。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記蓄熱手段１２は、潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材であり、所定間隔に複数段設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、蓄熱手段１２が潜熱蓄熱材であるので、蓄熱容量を比較的大きくすることができ、また、蓄熱温度が安定するので蓄熱効果を高めることができる。

本発明によれば、建物の屋根面に、シースルー型太陽光発電モジュールが前記屋根面との間に空気流通層を介在させた状態で設けられているので、シースルー型太陽光発電モジュールの設置作業だけで、太陽光発電モジュールの設置とともに、空気流通層を形成できる。したがって、施工が容易となるとともに、透光性部材が不要となるので、その分部品点数を軽減できる。

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。
図１は、本発明に係る太陽光発電集熱システムを備えた建物の外観斜視図、図２は図１におけるＸ−Ｘ断面図、図３は図１におけるＹ−Ｙ断面図、図４は図３の要部拡大図、図５は床下構造を示す側断面図である。
図１に示す建物１は、基礎２上に構築された建物本体３と、この建物本体３の上に形成された屋根４とを備えたものである。屋根４は、複数の屋根パネル４１が桁方向に配列されてなり、屋根パネル４１は、図２に示すように框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体４１aを構成し、枠体４１aの上面に野地板等の面材４１bが設けられてなる。そして、屋根パネル４１が複数配列されることによって、棟５の両側に棟５から軒先に向かって下り勾配を有する屋根面４２が形成されている。

これら棟５の両側に形成された屋根面４２のうちの片側の屋根面４２には、複数のシースルー型太陽光発電モジュール８が前記屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で設けられている。
シースルー型太陽光発電モジュール８は、矩形薄板状をなすものであり、単結晶シリコンのＰＶセルを強化ガラス（上面）と透明バックシート（下面）との間に、ＥＶＡ樹脂を使って封入したものであり、ＰＶセルとＰＶセルとの間に照射された太陽光が透明バックシートを透過することによって、採光性を確保するようになっている。

上記のようなシースルー型太陽光発電モジュール８（以下、太陽光発電モジュール８と略称する。）の周縁部には、該周縁部を囲む四角枠状のフレーム９が設けられている。
フレーム９は、屋根４の傾斜方向に沿って左右に配置される一対の縦枠部９Ａと、これら縦枠部９Ａの上下端部を接続し、かつ、屋根４の桁方向に沿って配置される上枠部９Ｂ及び下枠部９Ｃとを備えている。これら縦枠部９Ａ、上枠部９Ｂ及び下枠部９Ｃによって太陽光発電モジュール８の防水及び補強がなされている。

上枠部９Ｂは、図４に示すように、アルミニウムの押出成形等により一体成形された長尺部材であって、断面四角筒状の枠本体９１Ｂと、この枠本体９１Ｂの上部から屋根４の傾斜方向に沿って斜め上方に設けられた断面略Ｌ字型の当接片９２Ｂ（なお、図４では図面の関係上、当接片９２Ｂは左方向に延びている）とを備えている。また、枠本体９１Ｂの下部には、太陽光発電モジュール８が嵌め込まれる一対の突出片９３Ｂが設けられている。

下枠部９Ｃは、図４に示すように、アルミニウムの押出成形等により一体成形された長尺部材であって、断面Ｌ字型の筒状の枠本体９１Ｃと、この枠本体９１Ｃの下部から屋根４の傾斜方向に沿って斜め下方へ突出した鍔部９２Ｃ（なお、図４では図面の関係上、鍔部９２Ｃは右方向に突出している）と、この鍔部９２Ｃの下面から下方へ垂れ下がる水切部９３Ｃと、この水切部９３Ｃの中間部分と枠本体９１Ｃの側面とを連結する中間連結部９４Ｃとを備えている。また、枠本体９１Ｃの上部には、太陽光発電モジュール８が嵌め込まれる一対の突出片９５Ｃが設けられている。

一方、縦枠部９Ａは、図２に示すように、断面略Ｌ字型の長尺部材であって、屋根４の傾斜方向に沿って左右に配置される一対の縦枠部９Ａは、屋根面４２上に取り付けられる支持レール１０にそれぞれ固定される。各縦枠部９Ａは、その上部に上述した上枠部９Ｂ及び下枠部９Ｃと同様の透光性部材８が嵌め込まれる一対の突出片９１Ａと、支持レール１０に固定される固定片９２Ａとを備えている。また、左右に配置される一対の縦枠部９Ａは、その上面に開口Ｋが形成され、該開口Ｋにはカバー部材９３ＡがビスＢ２により取り付けられるようになっている。

周縁部に上記のようなフレーム９が設けられた太陽光発電モジュール８は支持レール１０によって屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で支持されている。
支持レール１０は、屋根面４２に屋根４の軒先から棟に向けて延在する長尺なものであり、該支持レール１０は、棟方向に所定間隔で複数設けられ、隣り合う支持レール１０，１０によって太陽光発電モジュール８が支持されている。
支持レール１０は、図２に示すように、内部が中空で縦枠部９Ａの固定片９２Ａを受けてビスＢ３で固定される縦枠受部１０１と、この縦枠受部１０１を支持し、屋根面４２上にビスＢ４で固定される縦枠支持部１０２とを備えている。縦枠受部１０１の長手方向に沿った両端には、太陽光発電モジュール８及びカバー部材９３Ａとの間から万が一侵入してきた雨水等が屋根面４２上に落ちることを防ぐ止水部１０３が形成されている。

上記のように構成された太陽光発電モジュール８は以下のように屋根面４２に取り付けられている。
すなわち、太陽光発電モジュール８には、その周縁部が縦枠部９Ａ、上枠部９Ｂ及び下枠部９Ｃの一対の突出片９１Ａ、９３Ｂ、９５Ｃ内に嵌め込まれることによってフレーム９が取り付けられている。また、図２に示すように、屋根面４２上には、支持レール１０がその縦枠支持部１０２がビスＢ４で固定されることによって取り付けられており、この支持レール１０２に縦枠部９Ａが支持されることによって太陽光発電モジュール８が取り付けられている。
具体的には、上下方向に互いに隣接する太陽光発電モジュール８は、図３及び図４に示すように、下方に配置される太陽光発電モジュール８の上枠部９Ｂと上方に配置される太陽光発電モジュール８の下枠部９Ｃとにおいて、下枠部９Ｃの鍔部９２Ｃが上枠部９Ｂの枠本体９１Ｂの上面に当接するとともに、上枠部９Ｂの当接片９２Ｂが下枠部９Ｃの枠本体９１Ｃの側面に当接することによって、互いに遊嵌している。
また、左右方向に互いに隣接する太陽光発電モジュール８は、右側に配置される太陽光発電モジュール８の縦枠部９Ａと左側に配置される太陽光発電モジュール８の縦枠部９Ａとにおいて、支持レール１０の縦枠受部１０１に各縦枠部９Ａの固定片９２ＡがビスＢ３でそれぞれ固定されている。さらに、これら両縦枠部９Ａの上面に形成された開口Ｋには、ビスＢ２によりカバー部材９３Ａが取り付けられている。つまり、左右に隣接する太陽光発電モジュール８どうしの間に、カバー部材９３Ａが配置されている。
このようにして太陽光発電モジュール８が、前記屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で設けられている。
なお、図１に示すように、太陽光発電モジュール８は屋根４の傾斜方向に複数枚設置されるが、棟近傍には、太陽光発電モジュール８に代えて、ＰＶセルがないことを除いて太陽光発電モジュール８と同様の構造の透明ガラスモジュール８ａが設置される。これによって、空気流通層Ｓの温度上昇と日照量向上を図ることができる。なお、透明ガラスモジュール８ａの納まりは、太陽光発電モジュール８と同様である。

また、空気流通層Ｓは、太陽光発電モジュール８の軒先側に取り付けられた面戸４６の隙間４２３と、屋根面４２の棟５側に形成されて屋根裏に通じる屋内開口部４２４とに連通している。また、屋内開口部４２４には、建物１内に配されて後述する床下１１に配置された蓄熱手段１２（図４参照）に連通する伝熱手段１３が接続されている。
ここで、伝熱手段１３を屋根面４２の棟５側に形成された屋内開口部４２４に接続したのは、空気流通層Ｓ内で加熱された空気を屋根４の棟５側からそのまま伝熱手段１３に伝達することができるためである。つまり、温度の高い空気は屋根４の棟５側に上昇し易いことから、伝熱手段１３を棟５側に設けた方が軒先側に設ける場合よりも集熱率が高くなるため好ましい。

伝熱手段１３としては、空気流通層Ｓで集熱された熱を伝達するものであれば良く、搬送ファンとダクトの組み合わせの他、例えば熱伝導率の大きなアルミニウムや銅等の金属製のパイプやダクト等が挙げられる。特に、パイプ内に揮発性の液体を封入した周知のヒートパイプが好適である。そして、この伝熱手段１３は、建物１を構成する後述する壁パネル１４及び床パネル１５を貫通して床下１１に配されている。

蓄熱手段１２としては、蓄熱容量を比較的大きくすることができ、蓄熱効果を高める点で、例えば潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材が好ましい。この潜熱蓄熱材とは、単体、共融混合物、又は凝固点降下物質の融解と凝固の潜熱によって蓄熱と放熱とが行われるものである。具体的には、硫酸ナトリウム１０水塩をポリプロピレン性の容器に充填したものや、パラフィンを特殊樹脂加工したアルミシートで封印したもの等を有効に用いることができる。このような蓄熱手段１２は、図５に示すように、床下１１に所定間隔で複数段設けられており、これら蓄熱手段１２に伝熱手段１３である搬送ファン・ダクト又はパイプがそれぞれ熱授受可能に連結されている。

ここで、図５に示す床下構造について説明すると、構築された基礎２の内側で地盤Ｇ上には防湿土間コンクリート２aが打設されており、基礎２の上端には台輪２１が敷き込まれ、台輪２１の上面のうちの内側半分に床パネル１５の端部、外側半分に半土台２２が設置されている。また、半土台２２及び床パネル１５の端部の上面に壁パネル１４が設置されている。台輪２１と半土台２２及び床パネル１５との間には気密性を確保するためのコーキング材２３が設けられている。

壁パネル１４は、框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体１４aを構成し、この枠体１４a内に軟質断熱材１４bが充填され、枠体１４aの両面に合板等の面材１４cが設けられてなる。軟質断熱材１４bとして
は、例えば、グラスウールやロックウール等が挙げられる。

床パネル１５は、框材を矩形枠状に組み立てるとともに、この矩形枠の内部に補強用の桟材を縦横に組み付けて枠体１５aを構成し、この枠体１５aの片面に合板等の面材１５b
が設けられてなる。また、床パネル１５内の外側端部と、床パネル１５の下面から基礎２の内面に沿って防湿土間コンクリート２aの上面までの間に断熱材１５１が設けられてい
る。
防湿土間コンクリート２aの上方には、上述の蓄熱手段１２が複数段配置されており、これら蓄熱手段１２に、壁パネル１４内及び床パネル１５内に配された前記伝熱手段１３が連結されている。
したがって、伝熱手段１３を介して蓄熱手段１２に蓄熱された熱が放熱することにより、各断熱材１５１によって断熱されて床暖房とすることができる。ここで、各断熱材１５１は、伝熱手段１３及び蓄熱手段１２以外への熱の拡散を防ぐことができ、暖房効果をより一層高めている。

なお、図３に示す屋根４の軒先側先端には、結合桁４３を介して桶４４が設けられており、屋根面４２の軒先先端から桶４４まで水切り４５が設けられている。
また、屋根４の棟５側の上端側は、屋根面４２上に横部材５１が取り付けられており、横部材５１上に棟換気金物５２aや棟包み５２b等で構成された棟役物５２で覆われている。

本実施の形態によれば、屋根面４２に配設された複数の太陽光発電モジュール８によって、太陽光を電気（電力）に変換することができ、建物１で消費する電力を賄うことができる。
また、太陽光発電モジュール８と屋根面４２との間に空気流通層Ｓが形成され、さらに、空気流通層Ｓには床下１１の蓄熱手段１２に連結する伝熱手段１３が接続されているので、太陽熱が太陽光発電モジュール８を透光して空気流通層Ｓの空気に伝達されることによって、その空気が加熱され、さらに伝熱手段１３を介して蓄熱手段１２で蓄熱される。その結果、蓄熱手段１２に蓄熱された熱を床暖房に利用できるとともに、暖房機器等に使用される電力を削減することが可能となる。
このように本発明の太陽光発電集熱システムでは、発電と集熱とを同時に行うことができるため、太陽エネルギーの利用効率の向上を図ることができる。また、発電と集熱の両方を行うために別個の装置を設ける必要もないので、その設置面積の増大を防ぐことができるとともにコスト削減を図ることができる。

また、建物１の屋根面４２に、太陽光発電モジュール８が屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で設けられているので、空気流通層Ｓを形成するための従来のような透光性部材を必要としない。
したがって、太陽光発電モジュール８の設置作業だけで、太陽光発電モジュール８の設置とともに、空気流通層Ｓを形成できる。したがって、施工が容易となるとともに、透光性部材が不要となるので、その分部品点数を軽減できる。
さらに、伝熱手段１３が、屋根４の棟側において空気流通層Ｓに接続されているので、空気流通層Ｓ内で加熱された空気を屋根４の棟側からそのまま伝熱手段１２に伝達することができる。つまり、温度の高い空気は屋根４の棟側に上昇し易いことから、伝熱手段１３を棟側に設けた方が軒先側に設ける場合よりも集熱率が高くなるため好ましい。

また、太陽光発電モジュール８は屋根面４２に設けられた支持レール１０によって支持されているので、太陽光発電モジュール８を屋根面４２に該屋根面４２との間に空気流通層Ｓを介在させた状態で容易かつ確実に設置することができる。
また、屋根４の軒先から棟に向けて延在する支持レール１０が棟方向に所定間隔で複数設けられており、伝熱手段１３が屋根の棟側において空気流通層Ｓに接続されているので、空気流通層Ｓ内で加熱された空気が支持レール１０の延在方向に沿ってスムーズに流れて、伝熱手段１３に至る。
また、蓄熱手段１４が潜熱蓄熱材であるので、蓄熱容量を比較的大きくすることができ、また、蓄熱温度が安定するので蓄熱効果を高めることができる。

なお、本実施の形態では、建物１として、壁パネル１４、床パネル１５を複数組み合わせたパネル工法による建物１を例に挙げたが、これに限らず、箱状に形成された建物ユニットを複数組み合わせたユニット式建物や、柱及び梁を建築現場で接合する在来工法からなる一般的な建物であっても構わない。
また、本実施の形態では、蓄熱手段１２を床下に設置したが、例えば、図６に示すように、建物の１階と２階との間に天井高が０．９〜１．４ｍ程度の収納空間Ｋがある場合、この収納空間Ｋに蓄熱手段１２を設置してもよい。この場合、空気流通層Ｓに開口する屋根開口部４２４に伝熱手段１３を接続し、この伝熱手段１３を壁パネル及や床パネルを貫通したうえで、収納空間Ｋに配して、蓄熱手段１２に接続すればよい。

本発明の実施の形態を示すためのもので、太陽光発電集熱システムを備えた建物の外観斜視図である。同、図１におけるＸ−Ｘ断面図である。同、図１におけるＹ−Ｙ断面図である。同、図３の要部拡大図である。同、床下構造を示す側断面図である。同、蓄熱手段を収納空間Ｋに設置した状態を示す建物の断面図である。

符号の説明

１建物
４屋根
５棟
８シースルー型太陽光発電モジュール
１０支持レール
１２蓄熱手段
１３伝熱手段
４２屋根面
Ｓ空気流通層

Claims

建物の屋根面に、シースルー型太陽光発電モジュールとＰＶセルがない透明ガラスモジュールとが前記屋根面との間に空気流通層を介在させた状態で、かつ屋根の傾斜方向に設けられており、
前記シースルー型太陽光発電モジュールと前記透明ガラスモジュールのうち、棟近傍に設置されるものは前記透明ガラスモジュールとされており、
前記空気流通層には、建物内に配置されて熱を蓄える蓄熱手段に連結する伝熱手段が接続されており、
前記伝熱手段は、前記屋根の棟側において前記空気流通層に接続されていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
請求項１に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記屋根面には、屋根の軒先から棟に向けて延在する支持レールが棟方向に所定間隔で複数設けられ、これら支持レールによって前記シースルー型太陽光発電モジュールが支持されていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。
請求項１または２に記載の太陽光発電集熱システムにおいて、
前記蓄熱手段は、潜熱を利用して蓄熱する潜熱蓄熱材であり、所定間隔に複数段設けられていることを特徴とする太陽光発電集熱システム。