JP5798928B2 - ソーラー・エネルギー・モジュール - Google Patents
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Description
(a)断熱要素(太陽光に対し透過性を有し赤外線に対し透過性が低く)と、(b)吸収要素(前記断熱要素を透過した太陽光を吸収し)と、(c)封止包囲体(前記吸収要素と関連して配置され)と、(d)前記封止包囲体内の可変部分(前記封止包囲体内に封止されたガスの温度変化に応じて前記封止包囲体内のガスが入る容積を変え)とを有する。
その結果、前記太陽光は、前記断熱要素を通過し、前記吸収要素で吸収され、前記封止されたガスが加熱されると、前記可変部分は容積を増加させ、前記封止されたガスの圧力を許容値内に維持する。前記封止包囲体内の圧力は、外部環境と平衡状態にある。
一実施例においては、前記可変部分は、伸縮するシーリング要素で形成される。前記シーリング要素は、前記断熱要素と前記吸収要素とを接続する。前記伸縮するシーリング要素が伸びることにより、前記封止されたガスの容積が増加する。
一実施例においては、前記封止包囲体は、一定容量要素と、拡張可能室と、それ等の間を繋ぐ接続ダクトとを有する。前記一定容量要素内に封止されたガスが加熱されると、前記ガスは、一定容量要素から拡張可能室に移り、前記封止包囲体内に封止されたガスの圧力を、一定の範囲内に維持する。
一実施例においては、前記太陽エネルギー・モジュールは、太陽光に対し高い透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い構造物を有する。前記構造物は、複数の透明な包囲体を含む絶縁物と、前記包囲体内に配置される断熱ビーズの層と、細長いセルのアレイと、を有する。
一実施例においては、太陽光を熱エネルギーに変換するソーラー・エネルギー・モジュールは、(a)断熱要素(太陽光に対し高い透過性を有し赤外線に対し透過性が低く、太陽光に対し透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い構造物を有し、前記構造物は、複数の透明な包囲体を含む絶縁物と、前記包囲体内に配置される断熱ビーズの層と、細長いセルのアレイとから構成され)と、(b)吸収表面(前記断熱要素を透過した太陽光を吸収し)と、(c)流体パイプ(前記断熱要素を透過した太陽光を吸収し、記太陽光の吸収は、前記吸収表面に熱的に結合され、太陽光への露光により行われ)と、(d)空気ダクト(前記吸収表面と前記流体パイプの少なくとも一方に熱的に結合され)とを有する。これにより、太陽光は、前記断熱要素を貫通し、前記吸収表面で吸収される。前記吸収表面が、前記流体パイプ内の水と前記空気ダクト内を流れる空気を暖める。
一実施例においては、熱蓄積体を更に有し、前記熱蓄積体は、前記吸収表面と前記流体パイプの少なくとも一方に熱的に結合される。
一実施例においては、前記ソーラー・エネルギー・モジュールにより生成された熱は、ビルの壁に熱的に結合され、これにより、前記ビルの壁を温め、この温められた壁が前記壁の内側を温める。
一実施例においては、前記空気ダクトは、複数の空気弁を有する。前記ソーラー・エネルギー・モジュールは、前記空気ダクト内の空気の流れを調整するコントローラを有する。前記コントローラは、前記ソーラー・エネルギー・モジュールからの熱流を最適化プログラムに従って調整し、前記最適化プログラムは、複数のソースから入力情報を受領し、前記複数のソースは、ビルのパラメータをモニタするセンサと、前記ソーラー・エネルギー・モジュールのパラメータをモニタするセンサと、環境センサと、人間の入力とからなる複数のソースの内の少なくとも1つのソースを含む。
図1−3に、太陽光を熱エネルギーに変換するソーラー・エネルギー・モジュール5を示す。このソーラー・モジュール5は壁10に取り付けられる。太陽光は、鉄を少量含有するガラス・プレート15と断熱パネル20を透過して、封止包囲体22内のガス空間に入り、更に、低放射ガラス・プレート25と吸収プレート30に入射する。吸収プレート30は、蓄積された熱を、他の要素(例、ウォーター・パイプと熱蓄積体とエアダクト等)に伝熱する。鉄を少量含有するガラス・プレートである低放射ガラス・プレート25は、赤外線放射が低く、赤外線波長範囲において、大気への放射損失を低減する。市販されている低−EガラスはPilkington K Glass (TM:登録商標)である。吸収プレート30は壁10からスペーサ33で若干離れている。
吸収プレート30は、暗い不透明な物質、例えば太陽エネルギーの分野では公知の選択的にコーティングした金属で形成される。
断熱パネル20は、太陽光に対し透過性を有し、赤外線に対し低い透過率しか有さない。この種の断熱(パネル)層は、特許文献1−5に開示されている。構成要素の一例は、複数の透明な包囲体と、この包囲体内に配置された絶縁ビーズ(insulative beads )の層と、細長いセルのアレイを含む。
一般的なハニカム材料は、Polycarbonate(PC),Polymethyl methaxrylate(PMMA),Cellulose triacetate(CTA)、ガラス、或いはガラスに類似の光学特性と伝熱特性を有する材料である。ハニカム構造のホールは、鉄含有ガラス・プレート15の方向を向いている。
このようなハニカム構造の寸法は、直径が3−12mmで、壁の厚さが0.05−0.2mmで、アスペクト比が3−15である。断面が丸くない場合には、3−12mmに類似の大きさである。
図4a、4bにおいて、太陽エネルギー・モジュール100は、太陽光に対し透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い断熱パネル20と、太陽光を吸収する吸収表面30と、前記吸収表面30に熱的に結合されたウォーター・パイプ106と、前記吸収プレート30と、ウォーター・パイプ106と直接熱的に接触している空気加熱ダクト110とを有する。
別の構成として、新たな空気による空間加熱モードにおいては、空気弁131,135が開いた状態にあり、他の全ての弁は閉じた状態にある。同様に、空気は、部屋から自然の排気口としての空気加熱ダクト110で取り出される。これは、空気弁132,136を開いた状態にし、他の全ての弁を閉じた状態で、行われる。
壁を加熱するモードにおいては、空気弁133と134は、開いた状態であり他の全ての空気弁は閉じたままである。従って、空気加熱ダクト110と伝熱ダクト115は、接続され、熱い空気が2つのダクト内を循環する。これは天然の熱サイフォン現象である。かくして、熱エネルギーは、吸収プレート30から伝熱ダクト115に隣接する壁10に移る。壁10は、熱蓄積装置として機能し、熱を熱伝導により室内に移す。
図8に包囲体の内部から外部に熱を移送する方法を示す。ヒート・パイプ455はシールされたパイプから構成される。このヒート・パイプは、熱い端部と冷たい端部の両端は、高い伝熱性の材料製例えば銅、アルミで形成される。ヒート・パイプ蒸発ボリューム460は、流体で所定圧に充填される。この流体の一例は、水或いはエタノールであり、これ等は一部液状で一部ガス状である。熱は、ヒート・パイプ455により凝縮蓄積体450に移送される。この凝縮蓄積体(heat pipe condensation bulb )450は、ソーラー・エネルギー・モジュールの外部にある。熱は、液体の凝縮による潜在熱として、離れた場所にあるアプリケーションに放出される。他の相変化材料も同様の構成で用いることができる。
図9において、利用できる加熱手段と好ましいアプリケーションにマッチさせるために、コントローラ500は、複数のセンサからデータを受領する。ソーラ・モジュール・センサ515は、太陽エネルギー・モジュール100内の様々な場所の温度を測定し、且つ太陽エネルギー・モジュール100に入る太陽光を測定する。温度センサ520は、ビルの部屋或いはホールの温度を測定する。環境センサ525は、大気温度と風速を測定する。
プロセッサ540は、最適プログラム内に、好ましい加熱対象の複数のリストを有する利用可能なデータをインストールする。その後、プロセッサ540は、加熱手段に対し適宜のフローパターンと加熱プランをデザインし、適切な指令を、空気弁131−146に、更に流れ強化装置510に対し、発する。例えば、ウォーター・パイプ106からの温水を制御するポンプに、或いは蓄熱装置205からの熱を制御するポンプに、適切な指令を発行する。
一実施例においては、コントローラ500は、作業員545により、作業員インターフェース547を介して制御される。
一実施例においては、コントローラ500は、複数のインターフェース530,517,522,527を有し、それぞれ、空気弁131−146と、流れ強化装置510と、ソーラ・モジュール・センサ515と、温度センサ520と、環境センサ525とのインターフェースを実行する。
図10に、太陽エネルギー・モジュール100からの温風と温水を用いてビルを温める方法600のフローチャートを示す。太陽エネルギー・モジュール100が熱を複数の加熱手段に与える。
加熱手段は、空気加熱ダクト110と蓄熱装置205とを有する。加熱手段からの熱の流れは、制御手段である空気弁131−136と流れ強化装置510により調整される。
ビルの温度を監視する方法600は、ビル内の各位置の温度をモニタするステップ610と、加熱手段の温度を監視するステップ620と、監視された温度と加熱最適化目標に従って加熱プランをデザインするステップ630と、加熱プランのアプリケーションに対し制御手段にコマンドを送るステップ640とを有する。
10 壁
15 鉄含有ガラス・プレート
20 断熱パネル
22 封止包囲体
23 一定容量要素
24 封止されたガス包囲体
25 低放射ガラス・プレート
28 層
30 吸収プレート
33 スペーサ
35 シーリング要素
40 貫通形状
45 スペーサ
70 ソーラー・モジュール
75 拡張可能室
95 フレキシブル室
97 換気口
100 太陽エネルギー・モジュール
106 ウォーター・パイプ
110 ダクト
115 伝熱ダクト
120 絶縁材料
131−136 空気弁
141−146 空気ベント
200 ソーラー・モジュール
205 蓄熱装置
230 非伝熱性絶縁物
400 ソーラー・モジュール
405 断熱部材
410,420 断熱層
415 拡張アルミ・バッグ
455 ヒート・パイプ
450 凝縮蓄積体
460 ヒート・パイプ蒸発ボリューム
500 ソーラ・モジュール・コントローラ
510 流れ強化装置
515 ソーラ・モジュール・センサ
517 ソーラ・モジュール・センサ・インターフェース
520 ビルのセンサ
522 ビルのセンサ・インターフェース
525 環境センサ
527 環境センサ・インターフェース
530 ソーラー・モジュール・インターフェース
540 プロセッサ
545 作業員
547 作業員・インターフェース
530、517,522,527 インターフェース
図10
600 熱をビルに供給する方法
610 ビルの温度を監視する
620 加熱手段の温度を監視する
630 最適化された加熱プランをデザインする
640 制御手段に指示を与える
Claims (12)
- 太陽光を熱エネルギーに変換するソーラー・エネルギー・モジュールにおいて、
(a)前記断熱要素(20)は、太陽光に対し透過性を有し赤外線に対し透過性が低い断熱要素(20)と、
(b)その内側に包囲されたガスに利用可能な容積を有する封止された包囲体と、
(c)前記断熱要素(20)を介して伝達された太陽光を吸収するための吸収要素(30)であって、前記封止包囲体の内側にあり、前記包囲されたガスと熱接触してなる吸収要素(30)と、
(d)可変部分と、
を備え、
前記可変部分は、
(i)前記封止された包囲体の内側の固定された一定量要素(23)と、
(ii)前記封止された包囲体の外側の拡張可能室(75)と、
(iii)前記一定容量要素(23)と拡張可能室(75)との間の包囲されたガスの流を可能にするように構成された接続ダクト(80)と
を含み、
前記一定量要素内で包囲されたガスを加熱すると、ガスが前記一定量要素から前記拡張可能室に流れ、前記拡張可能室が前記包囲されたガスに利用可能な容積を増加するように変化し、前記封止された包囲体の内部温度を減少させ、前記ソーラー・エネルギー・モジュールの構造的な許容値内に前記包囲されたガスの圧力を維持してなる
ソーラー・エネルギー・モジュール。 - 前記封止包囲体(22)内の圧力は、外部環境と平衡状態にあることを特徴とする請求項1記載の太陽エンルギー・モジュール。
- 換気口(97)を有するフレキシブル室(95)が、封止されたガス包囲体(24)内に収納され、
前記フレキシブル室(95)の外部エンベロープは、前記封止されたガス包囲体(24)の内部エンベロープの可変部分となり、
前記封止されたガスが温まると、ガス圧が上昇し、前記フレキシブル室(95)により包囲された容積が減少し、前記ガスは、前記フレキシブル室(95)から換気口(97)を介して放出され、
これにより、前記封止されたガスの容積が増加し、前記ガス圧を許容値内に維持する
ことを特徴とする請求項1記載のソーラー・エネルギー・モジュール。 - 前記太陽エネルギー・モジュール(100)は、太陽光に対し高い透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い構造物(20)を有し、
前記構造物(20)は、
(i)複数の透明な包囲体を含む絶縁物と、
(ii)前記包囲体内に配置される断熱ビーズの層と、
(iii)細長いセルのアレイと、
から構成される
ことを特徴とする請求項1記載のソーラー・エネルギー・モジュール。 - 流体パイプ(106)が、前記吸収要素(30)に熱的に結合されていることを特徴とする請求項1記載のソーラー・エネルギー・モジュール。
- 前記断熱要素(20)は、細長いセルを含み、
前記フレキシブルで透明な層(28)が、前記セルに配置され、
前記層(28)の両側の間の圧力差により、前記層(28)を局部的に伸ばし、圧力差を減らす
ことを特徴とする請求項1記載のソーラー・エネルギー・モジュール。 - 太陽光を熱エネルギーに変換するソーラー・エネルギー・モジュールにおいて、
(a)太陽光に対し透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い断熱要素(20)であって、該断熱要素(20)は太陽光に対し高い透過性があり熱赤外線に対し透過性が低い少なくとも1つの構造物を有し、該構造物は(i)複数の透明な包囲体を含む絶縁物と(ii)前記包囲体内に配置される断熱ビーズの層と(iii)細長いセルのアレイとを備えてなる断熱要素(20)と、
(b)封止された包囲体であって、該包囲体の内側に封止されたガスに利用可能な容積を有する封止された包囲体と、
(c)前記断熱要素(20)を介して伝達された太陽光を吸収するための吸収要素(30)であって、前記封止包囲体の内側にあり、前記包囲されたガスと熱接触してなる吸収要素(30)と、
(d)可変部分であって、該可変部分は、
(i)前記封止された包囲体の内側の固定された一定量要素(23)と、
(ii)前記封止された包囲体の外側の拡張可能室(75)と、
(iii)前記一定容量要素(23)と拡張可能室(75)との間の包囲されたガスの流を可能にするように構成された接続ダクト(80)と
を含む可変部分と、
(e)前記断熱要素によって伝達された太陽光を吸収する少なくとも1つの流体パイプ(106)であって、当該太陽光の吸収が吸収表面(30)に熱的に結合されること、及び当該太陽光に露出されることのうちの少なくとも1つによって起きる流体パイプ(106)と、
(f)前記吸収表面(30)と前記流体パイプ(106)の少なくとも一方に熱的に結合された空気ダクト(110)と、
を有してなるソーラー・エネルギー・モジュールであって、
これにより、太陽光は、前記断熱要素(20)を貫通し、前記吸収表面(30)で吸収され、
これにより、前記吸収表面(30)が、前記流体パイプ(106)内の水と前記空気ダクト(110)内を流れる空気を暖め、及び
これにより、前記一定量要素を内に包囲されたガスを暖め、ガスは前記一定量要素から前記拡張可能室へ流れ、前記拡張可能室が前記包囲されたガスに利用可能な容積を増加するように変化し、前記封止された包囲体の内部温度を減少させ、前記ソーラー・エネルギー・モジュールの構造的な許容値内に前記包囲されたガスの圧力を維持してなる
ことを特徴とするソーラー・エネルギー・モジュール。 - 熱蓄積体(205)を有し、
前記熱蓄積体(205)は、前記吸収表面(30)と前記流体パイプ(106)の少なくとも一方に熱的に結合される
ことを特徴とする請求項7記載のソーラー・エネルギー・モジュール。 - 前記ソーラー・エネルギー・モジュールにより生成された熱は、ビルの壁に熱的に結合され、
これにより、前記ビルの壁を温め、
この温められた壁が前記壁の内側を温める
ことを特徴とする請求項7記載のソーラー・エネルギー・モジュール。 - 前記空気ダクト(142,145)は、複数の空気弁(5−136)を有することを特徴とする請求項7記載のソーラー・エネルギー・モジュール。
- 前記ソーラー・エネルギー・モジュールは、前記空気ダクト(142,145)内の空気の流れを調整するコントローラ(500)を有することを特徴とする請求項7記載のソーラー・エネルギー・モジュール。
- 前記コントローラ(500)は、前記ソーラー・エネルギー・モジュールからの熱流を最適化プログラムに従って調整し、
前記最適化プログラムは、複数のソースから入力情報を受領し、
前記複数のソースは、ビルのパラメータをモニタするセンサと、前記ソーラー・エネルギー・モジュールのパラメータをモニタするセンサと、環境センサと、人間の入力とからなる複数のソースの内の少なくとも1つのソースを含む
ことを特徴とする請求項11記載のソーラー・エネルギー・モジュール。
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