JP5626323B2 - 太陽光熱ハイブリッドパネル及びソーラーシステム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光による発電及び集熱が可能な太陽光熱ハイブリッドパネル、及び当該太陽光熱ハイブリッドパネルを用いたソーラーシステムに関する。

従来技術として、太陽光発電パネルに取付けた伝熱管に水、不凍液等の冷却媒体を流通させることにより、パネルの冷却と太陽熱の集熱とを行う構成とした太陽光熱ハイブリッドパネルが知られている。従来技術では、冷却媒体が伝熱管を流通しつつ、パネルを冷却して昇温するので、冷却媒体とパネルとの温度差は、伝熱管の入口側の方が出口側よりも大きくなり、パネルの冷却能力も入口側の方が高くなる傾向がある。この傾向下では、伝熱管の入口側に近い太陽電池セルと、出口側に近い太陽電池セルとの間に温度ばらつきが生じるので、これらのセルの発電効率及び最適発電電圧にも差異が生じ、発電ロスが発生し易くなる。

この問題を解決するために、例えば特許文献１に記載された従来技術では、伝熱管を流れる冷却媒体と太陽光発電パネルとの間の熱抵抗が、伝熱管の入口側から出口側に向けて小さくなるように構成している。より具体的に述べると、伝熱管の入口側では、伝熱管の間隔を大きくして配管密度を低くし、出口側では、伝熱管の間隔を小さくして配管密度を高くするように構成している。

国際公開第２００６／０１９０９１号

上述した特許文献１の従来技術では、太陽光発電パネルの温度が冷却媒体との熱交換のみにより決定されるものとしている。しかしながら、太陽光発電パネルは、冷却媒体だけでなく、太陽光の入射面側に存在する空気にも放熱しており、この空気に対する放熱の割合は、例えばパネルが受取る全太陽エネルギの２０％程度にも達する。従って、太陽光発電パネルの温度は、冷却媒体及び空気への放熱量によって決定される。一方、入射面側の空気の温度には、太陽光発電パネルの設置状況によって温度分布が生じ易い。即ち、例えば太陽光発電パネルを一般家庭のように傾斜した屋根に設置した場合には、パネルからの熱を受けた空気が温められて上昇気流となり、この上昇気流が上方に移動しながらパネルの熱を受けるので、空気の温度はパネルの上端部に近いほど高温となる。

従って、冷却媒体との熱交換を考慮しなければ、太陽電池セルの温度はパネルの上部側で高温となり、パネルの下部側で相対的に低温となるので、各太陽電池セルの間には、周囲の空気の温度状況に応じて温度ばらつきが生じることになる。特許文献１の従来技術では、このように空気の温度状況により各太陽電池セルの間に温度ばらつきが生じるという現象が考慮されていない。このため、冷却媒体との熱交換のみを考慮して太陽電池セルの温度分布を均等化しようとしても、これを容易に実現することができず、発電ロスが生じるという問題がある。

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、周囲の空気の温度分布及び冷却媒体の温度変化に対応して伝熱管の配置を適切に設定することができ、発電量を向上させることが可能な太陽光熱ハイブリッドパネル及びソーラーシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光熱ハイブリッドパネルは、太陽光を受けて発電する複数個の太陽電池セルが表面側に並べて配置され、各太陽電池セルを裏面側から冷却することが可能な矩形状の太陽光発電パネルと、太陽光発電パネルの外形に対応する矩形の一辺に沿って伸長し、外部の冷却媒体供給源と接続される第１のヘッダー配管と、矩形のうち一辺と対向する他辺に沿って第１のヘッダー配管と平行に伸長し、冷却媒体供給源と接続される第２のヘッダー配管と、第１，第２のヘッダー配管を長さ方向の複数個所で連結する複数の配管であって、太陽光発電パネルの裏面に沿って互いに平行に配置され、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を各ヘッダー配管の間に流通させる複数本の伝熱管と、を備え、太陽光発電パネルを第１のヘッダー配管が第２のヘッダー配管よりも上方に位置するように建物の屋根に沿って傾斜させ、冷却媒体が第１のヘッダー配管から第２のヘッダー配管に向けて流通する発電優先流路と、冷却媒体が第２のヘッダー配管から第１のヘッダー配管に向けて流通する集熱優先流路との間で冷却媒体の流路を切換えることが可能な流路切換手段を備えたものである。

本発明によれば、周囲の空気の温度分布及び冷却媒体の温度変化に対応して伝熱管の配置を適切に設定することができる。そして、太陽光熱ハイブリッドパネルの発電ロスを低減し、その発電量を向上させることができ、冷却効率及び発電効率が高いソーラーシステムを実現することができる。

本発明の実施の形態１による太陽光熱ハイブリッドパネルを分解した状態で示す分解斜視図である。 図１中に示す伝熱管の配置パターンの一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１による太陽光熱ハイブリッドパネルを用いたソーラーシステムを示す構成図である。 冷却媒体による冷却が行われない場合の太陽電池セル及び空気の温度を示す特性線図である。 太陽光熱ハイブリッドパネルの上方から下方に向けて冷却媒体を流通させた場合の太陽電池セル及び空気の温度を示す特性線図である。 太陽光熱ハイブリッドパネルの下方から上方に向けて冷却媒体を流通させた場合の太陽電池セル及び空気の温度を示す特性線図である。 本発明の実施の形態２において、太陽光熱ハイブリッドパネルの伝熱管を波形状に屈曲させた状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態２において、太陽光熱ハイブリッドパネルの伝熱管を矩形状に屈曲させた状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態２において、１本の伝熱管を水平方向に蛇行するように屈曲させた場合を示す参考図である。 本発明の実施の形態３による太陽光熱ハイブリッドパネルを示す平面図である。 本発明の実施の形態４によるソーラーシステムを示す構成図である。

実施の形態１．
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。なお、本明細書で使用する各図においては、共通する要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。図１は、本発明の実施の形態１による太陽光熱ハイブリッドパネルを分解した状態で示す分解斜視図である。本実施の形態の太陽光熱ハイブリッドパネル１は、ガラス基板２、太陽光発電パネル３、太陽電池セル４、放熱板５、ヘッダー配管６，７及び伝熱管８を備えている。

太陽光発電パネル３は、太陽光を受けて発電する複数個の太陽電池セル４をモジュール基板の表面側に並べて配置したもので、太陽光発電モジュールとして構成されている。太陽電池セル４は、単結晶または多結晶のシリコン、アモルファスシリコン等からなる発電部に電極を接続したもので、モジュール基板上にエチレン酢酸ビニル共重合体樹脂等を用いて封止されている。また、太陽光発電パネル３は、例えば横方向の寸法が１８００ｍｍ、縦方向の寸法が１０００ｍｍ程度の矩形状をなす平板として形成され、その表面側には、太陽光の入射面を保護するガラス基板２が重ね合わせた状態で配置されている。

また、太陽光発電パネル３の裏面、即ち、太陽光の入射面と反対側の面には、放熱板５が重ね合わせた状態で配置されている。放熱板５は、鉄、アルミ等の金属材料、または樹脂材料により平板状に形成され、太陽光発電パネル３に密着して接着されている。これにより、放熱板５は、太陽光発電パネル３の裏面側を保護しつつ、太陽光発電時に発生する熱を裏面側に伝導し易くして、太陽光発電パネル３の放熱性を確保している。太陽電池セル４は、放熱板５を介して太陽光発電パネル３の裏面側から冷却することができる。放熱板５の裏面には、第１のヘッダー配管６、第２のヘッダー配管７及び複数本の伝熱管８からなるパネル冷却部が重ね合わせた状態で配置されている。

ここで、ヘッダー配管６，７は、各伝熱管８を長さ方向の両側で連結して一体化すると共に、各伝熱管８に冷却媒体を均等に分配するための配管である。第１のヘッダー配管６は、太陽光発電パネル３の外形に対応する矩形の一辺に沿って直線状に伸長している。また、第２のヘッダー配管７は、前記矩形のうち前記一辺と対向する他辺に沿って直線状に伸長し、各伝熱管８を挟んでヘッダー配管６と対向すると共に、ヘッダー配管６と平行に配置されている。これらのヘッダー配管６，７は、例えば伝熱管８よりも内径が大きな配管を用いて形成され、多数の伝熱管８に分配される冷却媒体の流量を均等化するように構成されている。また、ヘッダー配管６，７には、後述の放熱器１１及び熱回収交換器１３により構成される冷却媒体供給源が接続され、図１中の矢示方向に冷却媒体が流通する。

伝熱管８は、太陽光発電パネル３の冷却及び集熱を行うための配管であり、例えば内径が６．３５ｍｍ〜１２．７ｍｍ程度の円筒管により構成されている。そして、複数本の伝熱管８は、太陽光発電パネル３の裏面に沿って平面状に配置されている。即ち、各伝熱管８は、ヘッダー配管６，７の長さ方向（＝伸長方向）に一定の間隔をもって配置されると共に、ヘッダー配管６，７の長さ方向と直交する方向に沿って互いに平行に伸長している。なお、各伝熱管８は、放熱板５に接触させた状態で配置し、放熱板５を介して太陽光発電パネル３の裏面と熱的に接続する構成としてもよいが、小さな隙間を挟んで放熱板５と対面する構成としてもよい。

また、各伝熱管８の端部側は、それぞれヘッダー配管６，７に挿入された状態でロウ付け等の手段により固定されている。これにより、各伝熱管８は、ヘッダー配管６，７を長さ方向の複数個所で連結及び接続し、前記冷却媒体供給源から供給される冷却媒体をヘッダー配管６，７の間に流通させるように構成されている。なお、図１では、ヘッダー配管６，７の長さ方向に５枚の太陽電池セル４を並べて配置し、これらの太陽電池セル４と重なり合う位置に１５本の伝熱管８を配置した場合を例示している。

次に、図１及び図２を参照して、太陽電池セル４と伝熱管８との位置関係について説明する。図２は、図１中に示す伝熱管の配置パターンの一例を示す説明図である。本実施の形態では、個々の太陽電池セル４の裏面にそれぞれ、少なくとも１本の伝熱管８を配置する構成としている。好ましくは、個々の太陽電池セル４の裏面にそれぞれ複数本の伝熱管８を配置し、これら複数本の伝熱管８は、平面視において太陽電池セル４の面積を等分割することにより得られる複数個の領域の中心位置をそれぞれ通過するように配置してもよい。即ち、各伝熱管８は、個々の太陽電池セル４の裏面に均等に配置され、太陽電池セル４の各部の温度が可能な限り均等となるように冷却する。

図２に示す具体例で説明すると、個々の太陽電池セル４の裏面には、３本の伝熱管８が配置されており、これらの伝熱管８は、平面視において太陽電池セル４の面積を水平方向に３等分することにより得られる３個の領域４ａ，４ｂ，４ｃの中心位置をそれぞれ通過するように配置されている。なお、平面視とは、太陽光発電パネル３及び太陽電池セル４をその表面と垂直な方向からみた状態を意味している。また、水平方向とは、太陽光発電パネル３の横方向、即ち、ヘッダー配管６，７の長さ方向を意味している。

また、本実施の形態では、個々の太陽電池セル４の裏面に配置する伝熱管８の本数を各太陽電池セル４間で等しくする構成としている。具体例では、図２に示すように、太陽電池セル４の裏面に３本の伝熱管８が配置されており、この配置状態が全ての太陽電池セル４に適用されている。

（ソーラーシステムの構成）
次に、図３を参照して、太陽光熱ハイブリッドパネル１を用いたソーラーシステムについて説明する。図３は、本発明の実施の形態１による太陽光熱ハイブリッドパネルを用いたソーラーシステムを示す構成図である。本実施の形態では、６個の太陽光熱ハイブリッドパネル１を住宅１６の屋根１７の傾斜面に沿って設置した場合を例示している。この場合、太陽光熱ハイブリッドパネル１は、太陽光発電パネル３の縦方向（図１中の上下方向）が屋根１７の傾斜方向と一致するように配置され、かつ、第１のヘッダー配管６が第２のヘッダー配管８よりも上方に位置するように配置される。また、６個の太陽光熱ハイブリッドパネル１は、水平方向に並んだ３個の太陽光熱ハイブリッドパネル１が直列に接続されて１組となり、さらに、屋根１７の傾斜方向に並んだ２組の太陽光熱ハイブリッドパネル１が並列に接続されている。なお、図３では、伝熱管８の図示を省略している。

また、本実施の形態のソーラーシステムは、供給ポンプ９、三方弁１０、放熱器１１、放熱器ファン１２、熱回収熱交換器１３、貯湯タンク１４及び循環ポンプ１５を備えている。ソーラーシステムにおける冷却媒体の流路は、供給ポンプ９、第１のヘッダー配管６、伝熱管７、第２のヘッダー配管８、三方弁１０、熱回収熱交換器１３及び循環ポンプ１５を他の配管等を用いて環状に接続することにより構成されている。ここで、供給ポンプ９は、各太陽光熱ハイブリッドパネル１に冷却媒体を供給するもので、インバータ等により回転数が連続的に変更可能となっている。これにより、供給ポンプ９は、冷却媒体の供給量を任意に調整することができる。

三方弁１０は、太陽光熱ハイブリッドパネル１から流出した冷却媒体の還流先を放熱器１１及び熱回収熱交換器１３に切換えるものである。なお、三方弁１０は、弁開度を連続的に調整可能な電磁弁等により構成され、放熱器１１と熱回収熱交換器１３に流れる冷却媒体の流量比を任意に調整することができる。なお、冷却媒体としては、例えば水、プロピレングリコール等のブラインが用いられる。放熱器１１は、例えばプレートフィン熱交換器により構成され、放熱器１１に送風する放熱器ファン１２を備えている。そして、太陽光熱ハイブリッドパネル１を冷却することにより高温となったブラインの放熱及び冷却を促進するものである。

熱回収熱交換器１３は、例えばプレート熱交換器、二重管熱交換器等により構成され、高温のブラインと貯湯タンク１４内の湯水との間で熱交換することにより当該湯水を加熱するものである。貯湯タンク１４は、密閉型の貯湯タンクにより構成され、熱回収熱交換器１３により加熱された温水を貯留するものである。貯湯タンク１４の出湯端Ｂから温水が流出すると、その分の市水が給水端Ａから貯湯タンク１４に供給される。循環ポンプ１５は、貯湯タンク１４と熱回収熱交換器１３との間で温水を循環させるもので、その回転数は、供給ポンプ９と同様にインバータ制御される。

（太陽光熱ハイブリッドパネルの動作）
次に、本実施の形態による太陽光熱ハイブリッドパネル１の集熱動作について説明する。まず、太陽光熱ハイブリッドパネル１に太陽光が入射すると、太陽電池セル４では、入射した太陽エネルギの一部（１０〜１５％程度）が電気に変換される。この電気は、図示しない電極及び配線等を介して住宅１６の受電設備に供給される。また、入射した太陽エネルギの他の一部（１０〜２０％）は反射され、残りの一部（６０〜７０％程度）は熱として太陽電池セル４に吸収される。そして、太陽電池セル４で生じた熱のうち２／３程度は、太陽光発電パネル３の下方に配置された放熱板５及び伝熱管８を介して伝導管８内の冷却媒体に伝導する。また、太陽電池セル４で生じた残りの熱は、太陽光発電パネル３の上方に配置されたガラス基板を介して周囲の空気に放熱される。

（ソーラーシステムの動作）
次に、太陽光熱ハイブリッドパネル１内で冷却媒体が吸収した熱の集熱動作について説明する。冷却媒体は、太陽光熱ハイブリッドパネル１内で熱を吸収することにより４０〜５０℃程度に昇温した後に、供給ポンプ９の作動により搬送され、三方弁１０を介して熱回収熱交換器１３に流入する。熱回収熱交換器１３では、循環ポンプ１５の作動により貯湯タンク１４との間で循環する市水と熱交換する。市水の温度は５〜２０℃程度の低温であるため、冷却媒体の熱は市水に伝導し、冷却媒体は２０〜３０℃程度の低温まで冷却される。この冷却媒体は、供給ポンプ９の作動により太陽光熱ハイブリッドパネル１に再び供給され、当該パネル１を冷却する。一方、冷却媒体との熱交換により加熱された市水は、４０〜５０℃程度の温水となり、出湯端Ｂから外部の給湯対象に給湯される。

また、貯湯タンク１４では、深夜に当日の給湯が全て終了した時点でタンク内の温水が使い切られ、給水端Ａから供給された低温水のみが貯留された状態となる。次に、翌日の日中となり、太陽光が太陽光熱ハイブリッドパネル１に入射し、冷却媒体が太陽熱により加熱されるようになると、循環ポンプ１５が作動し、貯湯タンク１４の下部に滞留する低温水を熱回収熱交換器１３に流入させる。この低温水は、熱回収熱交換器１３により高温の冷却媒体と熱交換して高温の温水となり、貯湯タンク１４の上部に戻される。この結果、貯湯タンク１４の内部では、高温水が上部に滞留し、給水端Ａから供給された低温水が下部に滞留する温度成層が生じる。そして、熱回収熱交換器１３の作動時間、即ち、積算熱交換量が増加するにつれて、貯湯タンク１４に滞留する高温水の比率が増加する。

貯湯タンク１４の高温水の比率が増加し、低温水が存在しなくなると、熱回収熱交換器１３では、冷却媒体を十分に冷却することができなくなる。この場合、高温の冷却媒体を太陽光熱ハイブリッドパネル１に供給すると、発電効率が低下することになるので、この状態を回避するために三方弁１０の開度を変更し、冷却媒体を放熱器１１に流通させる。放熱器１１では、１０〜３０℃程度である周囲の空気と、冷却媒体とが熱交換し、冷却媒体の温度が２０〜３５℃程度に低下する。温度が低下した冷却媒体は、供給ポンプ９の作動により太陽光熱ハイブリッドパネル１に供給され、当該パネル１を冷却する。

（太陽光熱ハイブリッドパネルの温度変化）
次に、図４を参照して、太陽光熱ハイブリッドパネル１の太陽電池セル４、周囲空気及び冷却媒体の温度変化について説明する。図４は、冷却媒体による冷却が行われない場合の太陽電池セル及び空気の温度を示す特性線図である。この図において、横軸は上下方向の位置を表し、縦軸は温度を表している。また、図中の点線は、太陽光熱ハイブリッドパネル１の周囲の空気温度を表し、実線は太陽電池セル４の温度を表している。

太陽光熱ハイブリッドパネル１の周囲の空気は、当該パネルからの熱を受けて昇温する。このため、パネル１の設置場所が傾斜した屋根１７である場合には、太陽光熱ハイブリッドパネル１からの熱を受けた空気は温められ上昇気流となり、当該パネル１の太陽光入射面を下方から上方に向けて移動する。この空気は、移動中にもパネルから熱を受けるので、図４中の点線に示すように、上方に移動するほど高温となる。

一方、太陽電池セル４は、冷却媒体による冷却が存在しないので、入射した太陽エネルギに対応する熱を全て周囲の空気に対して放熱する。太陽光熱ハイブリッドパネル１の各部の放熱量はほぼ同一となるので、太陽電池セル４の温度は、図４中の実線に示すように、周囲の空気温度よりも一定温度だけ高い状態となり、太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方でより高温となる。

（冷却媒体の流通方向とパネルの温度変化）
次に、図５及び図６は、冷却媒体による冷却が行われた場合の太陽電池セル及び空気の温度を示す特性線図である。図５は、冷却媒体が太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方から下方に向けて流れる場合の温度変化を示し、図６は、冷却媒体が下方から上方に向けて流れる場合の温度変化を示している。冷却媒体の温度は、図５中の一点鎖線に示すように、太陽光熱ハイブリッドパネル１に流入する上方位置で最も低く、伝熱管７を流通する間に太陽電池セル４との熱交換により上昇するので、下方に移動するにつれて高温となる。

一方、図５中の細い実線は、冷却媒体による冷却が行われない場合の太陽電池セル４の温度変化を示すもので、図４中の実線に相当するものである。太陽電池セル４と冷却媒体との温度差は、冷却がない場合の太陽電池セル４の温度変化と、冷却媒体の温度変化とを合成したものであり、太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方ほど大きく、下方ほど小さくなる。そして、この温度差が大きいほど、両者の熱交換量は増加するので、冷却媒体による太陽電池セル４の冷却量は、パネル１の上方ほど増加することになる。この結果、太陽電池セル４の温度は、上方ほど大きく低下することになり、この温度特性は、冷却がない場合の温度特性（前記細い実線）を緩和するように作用する。

従って、冷却媒体により冷却される場合の太陽電池セル４の温度特性は、図５中の太い実線に示すように、前記細い実線と比較して上下方向での温度変化（勾配）が抑制されたものとなる。太陽光熱ハイブリッドパネル１の各部において、太陽電池セル４の温度差を抑制することができる。このように、冷却媒体を太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方から下方に向けて、即ち、第１のヘッダー配管６から第２のヘッダー配管７に向けて流通させれば、太陽光熱ハイブリッドパネル１の各部に配置された各太陽電池セル４の温度分布をほぼ均等に揃えることができる。

一方、冷却媒体を太陽光熱ハイブリッドパネル１の下方から上方に向けて流通させた場合には、図６中の一点鎖線に示すように、冷却媒体の温度がパネル１の下方から上方に向けて上昇する。この結果、太陽電池セル４と冷却媒体との温度差、即ち、太陽電池セル４の冷却量は、太陽光熱ハイブリッドパネル１の各部でほぼ一定となるので、太陽電池セル４の温度は、パネル１の各部でほぼ均等に低下する。しかし、太陽光熱ハイブリッドパネル１の周囲の空気は、前述したように、図６中の点線に示す温度特性を有しており、この温度特性が太陽電池セル４の温度に与える影響は解消されていない。この結果、太陽電池セル４の温度は、図６中の実線に示すように、太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方ほど高温となり、発電ロスを解消するのは難しい。従って、パネル１の発電ロスを解消して発電量を増加させるには、冷却媒体をパネル１の上方から下方に向けて流通させることにより、各太陽電池セル４の温度を均等化するのが好ましい。

本実施の形態によれば、上記構成を採用することにより、次のような作用効果を得ることができる。まず、太陽光熱ハイブリッドパネル１の伝熱管８は、個々の太陽電池セル４の裏面にそれぞれ、少なくとも１本ずつ配置する構成としている。これにより、各伝熱管８を流通する冷却媒体を用いて、太陽光熱ハイブリッドパネル１に搭載された全ての太陽電池セル４をそれぞれ均等に冷却することができる。ここで、仮に一部の太陽電池セル４の裏面に伝熱管８が配置されていない場合でも、放熱板５を介して各太陽電池セル４の冷却は可能である。しかし、この場合には、伝熱管８の配置の有無及び伝熱管８との距離に応じて各太陽電池セル４の冷却量にばらつきが生じるので、太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方から下方に向けて冷却媒体を流通させたとしても、太陽電池セル４間に温度ばらつきが生じ、発電ロスが生じる。これに対し、本実施の形態では、個々の太陽電池セル４の裏面にそれぞれ伝熱管８を配置することにより、太陽電池セル４間の温度ばらつきを抑制し、発電ロスを低減して発電量を増加させることができる。

特に、本実施の形態では、各太陽電池セル４の裏面にそれぞれ複数本（例えば３本）の伝熱管８を配置し、これらの伝熱管８を、太陽電池セル４の面積を等分割して得られた複数の領域４ａ，４ｂ，４ｃの中心位置をそれぞれ通過するように配置している。また、各太陽電池セル４の裏面に配置する伝熱管８の本数を各太陽電池セル４間で等しくする構成としている。これにより、１個の太陽電池セル４の各部分を複数本の電熱管８によりそれぞれ均等に冷却することができ、各太陽電池セル４の内部の温度分布を一様にすることができる。しかも、この冷却状態を各太陽電池セル４の間で揃えることができ、各太陽電池セル４を高い冷却効率で均等に冷却することができる。ここで、太陽電池セル４の内部の温度分布を均等化することを考慮すると、各太陽電池セル４の裏面に配置する伝熱管８の本数は多いほどよいが、その分だけ配管コストも増加する。このため、具体例としては、１個の太陽電池セル４の裏面に、例えば２〜５本程度の伝熱管８を配置するのが好ましい。但し、本発明は、伝熱管８をこれらの本数に限定するものではない。

また、本実施の形態では、太陽光熱ハイブリッドパネル１のパネル冷却部を、第１，第２のヘッダー配管６，７と、これらのヘッダー配管６，７の間に接続される複数の伝熱管８とにより構成している。これにより、複数個の太陽電池セル４の裏面にそれぞれ複数本の伝熱管８を配置するような複雑な配管構成であっても、この配管構成を３種類の直線状の配管であるヘッダー配管６，７及び伝熱管８により実現することができる。即ち、パネル冷却部の部品点数を抑制することができ、また、何種類もの配管を複雑に組合わせたり、配管を湾曲及び屈曲させる作業等が不要となるので、組立作業の簡略化及びコストダウンを促進することができる。また、ヘッダー配管６，７の長さ方向の各部に接続する伝熱管８同士の間隔を変更するだけで、太陽電池セル４の個数に応じて配管構成を容易に最適化することができる。

さらに、本実施の形態では、ヘッダー配管６，７の内径を各伝熱管８よりも大きく形成しているので、例えば第１のヘッダー配管６から多数の伝熱管８に冷却媒体を分配する場合、及び多数の伝熱管８から第２のヘッダー配管７に冷却媒体を集約する場合において、各伝熱管８を流通する冷却媒体の流量を均等化することができる。即ち、ヘッダー配管６，７の内径を大きくすることで、上述した伝熱管８の均等配置との相乗効果により、全ての太陽電池セル４に対する冷却媒体の流れを均等化することができる。

一方、本実施の形態では、太陽電池セル４と伝熱管８とを上述のように配置した上で、太陽光熱ハイブリッドパネル１を屋根の傾斜面に沿って配置することにより、第１のヘッダー配管６が第２のヘッダー配管７よりも上方に配置し、冷却媒体を少なくとも第１のヘッダー配管６から第２のヘッダー配管７に向けて流通させる構成としている。この構成によれば、前述したように、太陽電池セル４の上下方向の位置の違いにより生じる温度差を抑制し、太陽光熱ハイブリッドパネル１の各部において、各太陽電池セル４の温度分布をほぼ均等に揃えることができる。これにより、各太陽電池セル４間の温度差、即ち、発電効率及び最適発電電圧のばらつきを抑制することができる。

以上詳述した通り、本実施の形態によれば、太陽電池セル４の配置、周囲の空気の温度分布及び冷却媒体の温度変化に対応して、伝熱管８の配置を適切に設定することができる。この伝熱管８の適切な配置は、ヘッダー配管６，７間に複数の伝熱管８を接続するという構成を採用することで容易に実現することができる。従って、太陽光熱ハイブリッドパネル１の発電ロスを低減し、その発電量を向上させることができ、冷却効率及び発電効率が高いソーラーシステムを実現することができる。

実施の形態２．
次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、本発明の実施の形態２において、太陽光熱ハイブリッドパネル１の伝熱管８を波形状に屈曲させた状態を示す平面図であり、図８は、伝熱管８を矩形状に屈曲させた状態を示す平面図である。これらの図に示すように、本実施の形態による複数本の伝熱管８′，８″は、前記実施の形態１とほぼ同様に、ヘッダー配管６，７よりも内径が小さい配管を用いて構成され、ヘッダー配管６，７の長さ方向に一定の間隔をもって互いに平行に伸長している。しかし、各伝熱管８′は、例えば波形状に蛇行するように屈曲して形成され、各伝熱管８″は、矩形状またはクランク形状に蛇行するように屈曲して形成されている。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、伝熱管８′，８″を蛇行するように屈曲させることにより、ヘッダー配管６，７の間の一定の距離に対する伝熱管８′，８″の長さ寸法を増加させることができ、実施の形態１と比較して１本の伝熱管８′，８″により冷却が可能となる範囲を拡大することができる。これにより、一定の冷却効果を得るのに必要な伝熱管８′，８″の本数を削減することができるので、ヘッダー配管６，７と伝熱管８′，８″との組立加工を簡素化し、コストダウンを促進することができる。

なお、太陽光熱ハイブリッドパネル１の冷却構造としては、図９に示すように、例えばヘッダー配管６，７を廃止して１本の伝熱管１００のみを使用し、この伝熱管１００を、太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方から下方に蛇行するように屈曲させて配置する構成も考えられる。図９は、本発明の実施の形態２において、１本の伝熱管を水平方向に蛇行するように屈曲させた場合を示す参考図である。太陽光熱ハイブリッドパネル１の上方ほど冷却され易いことを考慮すると、上記構成によれば、図６に示す温度特性が生じるようにパネル１の下方から上方に向けて冷却媒体を流す場合と比較して、各太陽電池セル４間の温度差を減少させ、発電ロスの低減効果を得ることができる。しかし、この場合には、太陽光熱ハイブリッドパネル１の水平方向で冷却媒体の温度差が生じるので、発電ロスを完全に解消するのは困難である。このような水平方向の温度差を回避するためには、例えば個々の高さ位置毎に冷却媒体の温度が水平方向で一様になるように構成することが好ましい。具体的には、例えば図１、図７、図８に示すような伝熱管８，８′，８″を水平方向に平行に数１０ｃｍまたはそれ以下の間隔で配置し、水平方向において太陽電池セル４の温度を均等化するのが好ましい。

また、前記実施の形態１，２では、伝熱管８，８′，８″を円筒管により構成する場合を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば矩形、長円形及び楕円形の断面形状を有する配管（以下、扁平管と称する）を伝熱管８，８′，８″として用いる構成としてもよい。伝熱管が扁平管である場合には、円筒管の場合と比較して、伝熱管と放熱板５との間の接触面積または対向面積が増加するので、太陽電池セル４の冷却性能を向上させることができる。また、円筒状の伝熱管と太陽電池セル４とが最近接状態で対向する部分は直線状となるのに対し、扁平な伝熱管と太陽電池セル４とは、一定の面積において最近接状態で対向する。従って、扁平な伝熱管を用いた場合には、太陽電池セル４の内部の冷却量を一定の面積にわたって均等化し、太陽電池セル４内の温度分布の一様化を促進することができる。

実施の形態３．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図１０は、本発明の実施の形態３による太陽光熱ハイブリッドパネルを示す平面図である。本実施の形態による太陽光熱ハイブリッドパネル１′は、流路切換手段としての流入切換弁１８と流出切換弁１９とを備えている。流入切換弁１８と流出切換弁１９とは、例えば電磁駆動式の三方弁により構成されている。なお、図１０では、伝熱管８の図示を省略している。また、以下の説明では、太陽光熱ハイブリッドパネル１′の適用対象として、前記図３に示すソーラーシステムを例示するものとする。

流入切換弁１８に設けられた２つの流出ポートは、ヘッダー配管６，７の一端側にそれぞれ接続されている。また、流入切換弁１８の流入ポートは、前述の冷却媒体供給源（図３中に示す放熱器１１及び熱回収交換器１３）の供給側に接続されており、具体的には、供給ポンプ９の吐出側に接続されている。そして、流入切換弁１８は、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を第１のヘッダー配管６に流入させる第１の流路Ｐと、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を第２のヘッダー配管７に流入させる第２の流路Ｑの何れかを選択し、冷却媒体が流入する配管をヘッダー配管６，７の何れかに切換えるように構成されている。

一方、流出切換弁１９に設けられた２つの流入ポートは、ヘッダー配管６，７の他端側にそれぞれ接続されている。また、流出切換弁１９の流出ポートは、前記冷却媒体供給源の還流側に接続されており、具体的には、三方弁１０の流入ポートに接続されている。そして、流出切換弁１９は、第１のヘッダー配管６から流出した冷却媒体を冷却媒体供給源に還流させる第１の流路Ｒと、第２のヘッダー配管７から流出した冷却媒体を冷却媒体供給源に還流させる第２の流路Ｓの何れかを選択し、冷却媒体が流出する配管をヘッダー配管６，７の何れかに切換えるように構成されている。

これにより、流入切換弁１８により流路Ｐを選択して流出切換弁１９により流路Ｓを選択した場合には、冷却媒体が第１のヘッダー配管６から各伝熱管８を経由して第２のヘッダー配管７に向けて流通する発電優先流路が構成される。一方、流入切換弁１８により流路Ｑを選択して流出切換弁１９により流路Ｒを選択した場合には、冷却媒体が第２のヘッダー配管７から各伝熱管８を経由して第１のヘッダー配管６に向けて流通する集熱優先流路が構成される。

次に、本実施の形態による太陽光熱ハイブリッドパネル１′を用いたソーラーシステムの運転制御について説明する。この運転制御は、ソーラーシステムに搭載された制御装置により実現される。まず、例えば日照時間帯であったり、貯湯タンク１４の残湯量が十分である等の理由により、発電を優先的に実行する場合には、流入切換弁１８及び流出切換弁１９により発電優先流路が構成される。これにより、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体は、第１のヘッダー配管６から第２のヘッダー配管７に向けて流通し、各伝熱管８を上方から下方に向けて流通する。これにより、前述したように、太陽光熱ハイブリッドパネル１′の各太陽電池セル４を均等に効率よく冷却し、パネル１′の発電量を向上させることができる。

一方、貯湯タンク１４の残湯量が少なかったり、残湯の温度が低い等の理由により、集熱を優先的に実行したい場合には、流入切換弁１８及び流出切換弁１９により集熱優先流路が構成される。これにより、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体は、第２のヘッダー配管７から第１のヘッダー配管６に向けて流通し、各伝熱管８を下方から上方に向けて流通する。この場合、太陽光熱ハイブリッドパネル１′の各部の温度変化は、前記図６に示すようになり、冷却媒体が上方から下方に向けて流れる場合と比較して、太陽電池セル４と冷却媒体との温度差が均等となる。従って、集熱優先流路の使用時には、熱交換を効率よく実行することができ、熱交換による太陽熱の収集量を増加させることができる。

このように、発電優先流路と集熱優先流路とを状況に応じて使い分けることにより、太陽エネルギを電気及び熱として所望の形態で取得し、太陽エネルギを効率よく利用することができる。なお、発電優先流路と集熱優先流路との間における流路の切換制御は、上述したように、貯湯タンク１４の貯湯量及び貯湯温度に基いて実行してもよいが、以下のように実行してもよい。１例としては、１日当たりの発電量及び集熱量の目標値を予め設定しておき、これらの目標値に対する実際の発電量及び集熱量の充足率を算出する。そして、発電量と集熱量のうち充足率が小さい方を優先して補充するように、流路の切換制御を実行する。この切換制御では、発電量の充足率が集熱量の充足率よりも小さい場合に発電優先流路を選択し、集熱量の充足率の方が小さい場合に集熱優先流路を選択する。

また、日射量、外気温度等を含む天候情報に基いて、流路の切換制御を実行してもよい。具体的に述べると、例えば日射量が多いと予測される場合には、発電を優先的に実行しても、日射量が多い分だけ集熱量も十分に確保できると考えられるので、発電優先流路を選択する。また、外気温度が高い場合には、家庭で用いられる給湯等の熱使用負荷が減少することにより、必要な集熱量も減少する傾向がある。この場合には、発電を優先しても、必要な集熱量を容易に確保できると考えられるので、発電優先流路を選択する。これと逆に、外気温度が低い場合には、家庭の熱使用負荷が増加するので、必要な集熱量を安定して確保するために集熱優先流路を選択する。

さらには、ユーザにより予め設定することが可能な流露の切換時間、現在の時刻情報等に基いて、流路の切換制御を実行してもよい。具体例を挙げると、例えば１日のうちで発電優先流路と集熱優先流路をそれぞれ使用する使用時間を予め設定しておき、この設定に基いて流路を切換えてもよい。この場合、例えば発電量を多くしたい状況では、全時間の８０％で発電優先流路を使用し、残りの時間で集熱優先流路を使用する等のように、電気エネルギと熱エネルギのうち取得したいエネルギの大小に応じて各流路の使用時間を可変に設定してもよい。また、時刻情報に基いて流路を切換える方法としては、例えば日射量が増加する昼間は発電優先流路を選択し、日射量が減少する朝及び夕方には集熱優先流路を選択する方法を採用してもよい。

このように、太陽光発電パネルにおける発電量及び集熱量と、天候及び時刻情報と、予め設定することが可能な流路の切換時間とを含む複数のパラメータのうち、少なくとも１つのパラメータに基いて、発電優先流路と集熱優先流路とを適切に使い分けることができ、太陽エネルギを効率よく利用することができる。

また、本実施の形態によれば、前記実施の形態１とほぼ同様の作用効果に加えて、次の効果を得ることができる。太陽光熱ハイブリッドパネル１′には、流入切換弁１８と流出切換弁１９とを搭載したので、これらの切換弁１８，１９を太陽光熱ハイブリッドパネル１の外部に配置する場合と比較して配管の長さを短縮することができる。具体的に述べると、本実施の形態では、流入切換弁１８の位置で分岐して各ヘッダー配管６，７に接続される２本の配管の長さと、流出切換弁１９の位置で分岐して各ヘッダー配管６，７に接続される２本の配管の長さとを合計した分岐部分の配管長を短縮することができる。従って、配管構造を簡略化し、コストダウンを図ることができる。

実施の形態４．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図１１は、本発明の実施の形態４によるソーラーシステムを示す構成図である。本実施の形態では、太陽光熱ハイブリッドパネル１の外部に流路切換手段としての流入切換弁２０と流出切換弁２１とを配置している。なお、本実施の形態では、例えば６個の太陽光熱ハイブリッドパネル１が前記実施の形態１（図３）と同様の接続状態で屋根１７上に配置された場合を例示し、各太陽光熱ハイブリッドパネル１の伝熱管８は図示を省略している。

流入切換弁２０と流出切換弁２１とは、例えば電磁駆動式の三方弁により構成されている。そして、流入切換弁２０に設けられた２つの流出ポートは、各太陽光熱ハイブリッドパネル１の第１のヘッダー配管６の一端側及び第２のヘッダー配管７の他端側にそれぞれ接続され、流入切換弁２０の流入ポートは、供給ポンプ９の吐出側に接続されている。そして、流入切換弁２０は、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を第１のヘッダー配管６に流入させる第１の流路Ｐと、冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を第２のヘッダー配管７に流入させる第２の流路Ｑの何れかを選択し、冷却媒体が流入する配管をヘッダー配管６，７の何れかに切換えるように構成されている。

一方、流出切換弁２１に設けられた２つの流入ポートは、各太陽光熱ハイブリッドパネル１の第１のヘッダー配管６の一端側及び第２のヘッダー配管７の他端側にそれぞれ接続され、流出切換弁２１の流出ポートは、三方弁１０の流入ポートに接続されている。そして、流出切換弁２１は、第１のヘッダー配管６から流出した冷却媒体を冷却媒体供給源に還流させる第１の流路Ｒと、第２のヘッダー配管７から流出した冷却媒体を冷却媒体供給源に還流させる第２の流路Ｓの何れかを選択し、冷却媒体が流出する配管をヘッダー配管６，７の何れかに切換えるように構成されている。

これにより、流入切換弁２０により流路Ｐを選択して流出切換弁２１により流路Ｓを選択した場合には、冷却媒体が第１のヘッダー配管６から各伝熱管８を経由して第２のヘッダー配管７に向けて流通する発電優先流路が構成される。一方、流入切換弁２０により流路Ｑを選択して流出切換弁２１により流路Ｒを選択した場合には、冷却媒体が第２のヘッダー配管７から各伝熱管８を経由して第１のヘッダー配管６に向けて流通する集熱優先流路が構成される。なお、発電優先流路と集熱優先流路の使い分けについては、前記実施の形態３と同様に実行される。

このように構成される本実施の形態でも、前記実施の形態３とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、複数個の太陽光熱ハイブリッドパネル１の流路を一括して切換えることができるので、例えば実施の形態３とと比較して、切換弁２０，２１を構成する三方弁の個数をシステム全体として少なくすることができ、コストダウンを促進することができる。

なお、本発明では、前記実施の形態２に示した構成と、前記実施の形態３または４に示す構成とを組合わせてもよい。

１，１′ 太陽光熱ハイブリッドパネル，２ ガラス基板，３ 太陽光発電パネル，４ 太陽電池セル，５ 放熱板，６，７ ヘッダー配管，８，８′，８″ 伝熱管，９ 供給ポンプ，１０ 三方弁，１１ 放熱器（冷却媒体供給源），１２ 放熱器ファン，１３ 熱回収熱交換器（冷却媒体供給源），１４ 貯湯タンク，１５ 循環ポンプ，１６ 住宅，１７ 屋根，１８，２０ 流入切換弁（流路切換手段），１９，２１ 流出切換弁（流路切換手段）

Claims (9)

1. 太陽光を受けて発電する複数個の太陽電池セルが表面側に並べて配置され、前記各太陽電池セルを裏面側から冷却することが可能な矩形状の太陽光発電パネルと、
   前記太陽光発電パネルの外形に対応する矩形の一辺に沿って伸長し、外部の冷却媒体供給源と接続される第１のヘッダー配管と、
   前記矩形のうち前記一辺と対向する他辺に沿って前記第１のヘッダー配管と平行に伸長し、前記冷却媒体供給源と接続される第２のヘッダー配管と、
   前記第１，第２のヘッダー配管を長さ方向の複数個所で連結する複数の配管であって、前記太陽光発電パネルの裏面に沿って互いに平行に配置され、前記冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を前記各ヘッダー配管の間に流通させる複数本の伝熱管と、を備え、
   前記太陽光発電パネルを前記第１のヘッダー配管が前記第２のヘッダー配管よりも上方に位置するように建物の屋根に沿って傾斜させ、
   前記冷却媒体が前記第１のヘッダー配管から前記第２のヘッダー配管に向けて流通する発電優先流路と、前記冷却媒体が前記第２のヘッダー配管から前記第１のヘッダー配管に向けて流通する集熱優先流路との間で前記冷却媒体の流路を切換えることが可能な流路切換手段を備えた太陽光熱ハイブリッドパネル。
2. 前記複数個の太陽電池セルの裏面にそれぞれ、少なくとも１本の前記伝熱管を配置する構成としてなる請求項１に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
3. １個の前記太陽電池セルの裏面に配置する前記伝熱管の本数を前記各太陽電池セル間で等しくする構成としてなる請求項１または２に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
4. 前記複数個の太陽電池セルの裏面にそれぞれ複数本の前記伝熱管を配置し、
   前記複数本の伝熱管は、平面視において前記太陽電池セルの面積を等分割することにより得られる複数個の領域の中心位置をそれぞれ通過する構成としてなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
5. 前記第１，第２のヘッダー配管は、前記冷却媒体を前記各伝熱管に均等に流通させるために前記各伝熱管よりも内径が大きい配管を用いて構成してなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
6. 前記伝熱管は、波形状または矩形状に蛇行するように屈曲させる構成としてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
7. 前記流路切換手段は、
   前記冷却媒体供給源から前記冷却媒体が流入する配管を前記第１，第２のヘッダー配管の何れかに切換える流入切換弁と、
   前記冷却媒体が前記冷却媒体供給源に向けて流出する配管を前記第１，第２のヘッダー配管の何れかに切換える流出切換弁と、
   を備えてなる請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の太陽光熱ハイブリッドパネル。
8. 太陽光を受けて発電する複数個の太陽電池セルが表面側に並べて配置され、前記各太陽電池セルを裏面側から冷却することが可能な矩形状の太陽光発電パネルと、
   前記太陽光発電パネルの外形に対応する矩形の一辺に沿って伸長し、外部の冷却媒体供給源と接続される第１のヘッダー配管と、
   前記矩形のうち前記一辺と対向する他辺に沿って前記第１のヘッダー配管と平行に伸長し、前記冷却媒体供給源と接続される第２のヘッダー配管と、
   前記第１，第２のヘッダー配管を長さ方向の複数個所で連結する複数の配管であって、前記太陽光発電パネルの裏面に沿って互いに平行に配置され、前記冷却媒体供給源から供給される冷却媒体を前記各ヘッダー配管の間に流通させる複数本の伝熱管と、を備え、
   前記太陽光発電パネルを前記第１のヘッダー配管が前記第２のヘッダー配管よりも上方に位置するように建物の屋根に沿って傾斜させた太陽光熱ハイブリッドパネルと、
   前記冷却媒体が前記第１のヘッダー配管から前記第２のヘッダー配管に向けて流通する発電優先流路と、前記冷却媒体が前記第２のヘッダー配管から前記第１のヘッダー配管に向けて流通する集熱優先流路との間で前記冷却媒体の流路を切換えることが可能な流路切換手段と、
   を備えたソーラーシステム。
9. 前記太陽光発電パネルにおける発電量及び集熱量と、天候及び時刻情報と、予め設定することが可能な前記流路の切換時間とを含む複数のパラメータのうち、少なくとも１つのパラメータに基いて前記流路切換手段により前記冷却媒体の流路を切換える構成としてなる請求項８に記載のソーラーシステム。

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