JP6161493B2

JP6161493B2 - 太陽エネルギー利用システム

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Publication number: JP6161493B2
Application number: JP2013203975A
Authority: JP
Inventors: 達一郎田代
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015068581A

Description

本発明は、建物の傾斜屋根などに設置される太陽光発電モジュールなどの太陽エネルギー利用装置を用いたシステムに関するものである。

従来、太陽エネルギー利用装置として太陽光発電を行うための太陽光発電モジュールや、温水を作るための太陽熱集熱モジュールが屋根上に設置されている。これらの太陽エネルギー利用装置の建物屋根や壁などへの設置は近年より注目を集めており、関連する技術も公開されている。

例えば、特許文献１では、太陽電池モジュールと、太陽光・熱ハイブリッドモジュールといった二つの種類のモジュールを複数配置する構造について開示している。

特開２００１−３２４７８号公報

ところで、近年の太陽光発電モジュールの普及が広まる中、この太陽光発電モジュールと太陽熱集熱モジュールの二種類のモジュールを屋根に設置し、電気と温水の両方を作製するシステムが提案されている。

太陽熱集熱モジュールは、太陽光発電モジュールと比較してより以前から広く用いられているものであるが、太陽光発電モジュールと同時に屋根上などに設置する場合には、可能な限り効率のよい集熱を実現することが課題となる。

すなわち、単純に太陽光発電モジュールと、太陽熱集熱モジュールを無造作に並べて配置するのではなく、太陽熱集熱モジュールの集熱効率に鑑みた設置構造が求められるものである。

本発明は以上の問題に鑑み、太陽光発電モジュールと太陽熱集熱モジュールの二種類のモジュールを設置する場合において、太陽熱集熱モジュールの集熱効率を考慮した新規な太陽エネルギー利用システムを提案するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

本発明は、太陽光発電モジュールが低位置側、太陽熱集熱モジュールが高位置側となるように並設され、前記太陽光発電モジュールの周囲で温度が高められた空気の熱を、前記太陽熱集熱モジュールにて集熱する、太陽エネルギー利用システムであって、前記太陽熱集熱モジュールの集熱ユニットは、前記集熱ユニットの上方に配置される透光性を有する板材と、前記集熱ユニットの外周部を取り囲むように配置される四周枠状の支持フレームと、によって囲まれる空間内に配置され、前記太陽光発電モジュール及び前記太陽熱集熱モジュールは、横桟部材により支持され、前記横桟部材と屋根材の間には隙間が設けられ、前記太陽光発電モジュールの下方と、前記太陽熱集熱モジュールの下方に連続する通気層が形成される、太陽エネルギー利用システムである。

本発明において、前記横桟部材は、当該横桟部材と直交する方向に設けられた縦桟部材に支持される。

本発明において、太陽光発電モジュールは、太陽熱集熱モジュールの集熱ユニットの支持フレームと同構造の支持フレームに支持される。

本発明において、通気層には、低位置側の前記太陽光発電モジュールから高位置側の前記太陽熱集熱モジュールに向かう配列方向に伸びる壁部が配置される。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、請求項１に記載の発明においては、太陽熱集熱モジュールの集熱効率を高めることができる。また、太陽光発電モジュールの周囲の熱が太陽熱集熱モジュールにて集熱されて逃がされるため、太陽光発電モジュールの周囲の温度低下をもたらすことができ、太陽光発電モジュールの発電効率を高めることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明においては、太陽光発電モジュールの下方の通気層の空気が、対流によって太陽熱集熱モジュールの下方へと移動し、この移動した空気によって太陽熱集熱モジュールの裏面側から太陽熱集熱モジュールを暖めることができる。このようにして、太陽熱集熱モジュールの表面側に直接的に与えられる日射熱に加え、太陽熱集熱モジュールの裏面側についても温められることから、太陽熱集熱モジュールについて高い集熱効率を実現できることになる。

また、請求項３に記載の発明においては、集熱ユニットの表面側にてひとたび集熱された熱は、上方へと再放出され難くなることから、集熱ユニット（太陽熱集熱モジュール）における受熱の効率を高くできる。

また、請求項４に記載の発明においては、太陽光発電モジュールの下方において温度上昇した空気を、横方向に逃がすことなく効果的に太陽熱集熱モジュールの下方に送り込むことができ、太陽熱集熱モジュールの集熱効率をより確実に向上させることができる。

本発明の一実施形態の全体概要を示す図。通気層を流れる空気について説明する図。（Ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図である。（Ｂ）は図２のＡ−Ａ線断面図における通気層について説明する図である。（Ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図である。（Ｂ）は図２のＣ−Ｃ線断面図である。（Ａ）は縦桟部材を用いた実施例について示す図である。（Ｂ）は縦桟部材を用いた実施例における通気層について説明する図である。（Ａ）は縦桟部材を用いた実施例における通気層について説明する図である。（Ｂ）は縦桟部材を用いた実施例における通気層について説明する図である。

図１は、本発明の一実施形態の全体概要を示すものである。
図１及び図２に示すごとく、本発明は、建物の屋根１の上に太陽エネルギー利用システム２が設置されるものについて適用されるものであり、太陽エネルギー利用システム２を構成する太陽エネルギー利用装置として、複数の太陽光発電モジュール３と複数の太陽熱集熱モジュール５が配置されている。

本実施形態では、４行×５列のレイアウトにおいて、屋根の傾斜の高いほうを水上側（棟側）、低いほうを水下側（軒側）とした場合に、最も水上側の行の左から２列目と３列目の計２つ升の部位に太陽熱集熱モジュール５が設置され、それ以外の升目の部位に太陽光発電モジュール３が設置されている。

図３（Ａ）は、図２のＡ−Ａ線断面について示すものであり、屋根材４の傾斜における水下側に太陽光発電モジュール３が配置され、太陽光発電モジュール３の水上側に太陽熱集熱モジュール５が配置されている。太陽光発電モジュール３と太陽熱集熱モジュール５は、互いに個別に機能するものであり、個別に稼動をさせながらメンテナンスの実施も可能とするなど、メンテナンス性に優れた構成となっている。

図３（Ａ）に示すごとく、本実施形態では、傾斜面を構成する屋根材４の上面に固定金具１１，１１が複数箇所に配置され、この固定金具１１，１１の上に横桟部材１２，１２が配置されている。固定金具１１は、横桟部材１２の長手方向の複数箇所に点在して配置されるものであり、横桟部材１２が長尺で構成される場合においても、横桟部材１２の下面１２ｄと屋根材４の表面４ａの間には、高さＨ１の隙間１７が確保されるようになっている。

水下側における二つの横桟部材１２，１２の間には、四本の長尺材を枠組みしてなる四周枠状の支持フレーム１３が架設されており、この支持フレーム１３に太陽光発電モジュール３が支持固定される。太陽光発電モジュール３は支持フレーム１３の上部に設置され、太陽光発電モジュール３の表面３ａ（上面）にて屋根面が構成される。

水上側における二つの横桟部材１２，１２の間には、四本の長尺材を枠組みしてなる四周枠状の支持フレーム１４が構成され、この支持フレーム１４で囲まれる空間内に太陽熱集熱モジュール５の集熱ユニット６が収容される。

集熱ユニット６は支持フレーム１４の上下方向中途部に設置され、集熱ユニット６の内部を流れる不凍液（冷媒）が日射Ｎに伴う周囲の熱を集熱（吸熱）し、集熱した不凍液と水とを図示せぬ貯湯タンクにて熱交換させることで温水が作製される。なお、太陽熱集熱モジュール５は、集熱ユニット６内で水が循環し熱交換が行なわれる構成であってもよい。また、水上側の支持フレーム１４は、水上側の支持フレーム１３と同一の構成としてもよい。また、横桟部材１２，１２の間には、太陽光発電モジュール３であっても、太陽熱集熱モジュール５であっても、どちらでも設置できるようになっている。

また、集熱ユニット６の上方の位置において、板状のガラス１６が支持フレーム１４に支持されており、ガラス１６の表面１６ａ（上面）にて屋根面が構成される。なお、ガラスを用いるほか、透光性を有する板材（例えば透光性樹脂）であって、断熱、防風の機能を有する板材を用いてもよい。

そして、以上の構成により、集熱ユニット６の上方には、ガラス１６と、四周枠を構成する支持フレーム１４の縦壁面１４ａによって囲まれた空気の抜け難い空気層２２が形成される。これにより、集熱ユニット６の表面側６ａにてひとたび集熱された熱は、空気層２２に留まって上方へと再放出され難くなり、集熱ユニット６（太陽熱集熱モジュール５）における受熱の効率を高いものとすることができる。

集熱ユニット６の下方には、支持フレーム１４の剛性を強化するための構造材１８が設けられている。構造材１８としては特に限定されるものではないが、例えば、鋼板や、パンチングメタルや、ブレースなどを利用することが考えられる。

以上の構成において、図３（Ｂ）に示すごとく、太陽光発電モジュール３と太陽熱集熱モジュール５の下方の隙間１７には、連続した通気層１９が形成されることとなっている。この通気層１９は、水下側の温度が高い空気を水上側へと対流させる空気の層を構成するものである。

そして、太陽光発電モジュール３の下方の隙間１７を通過する通気層１９の空気は、日射Ｎを受けて高温となった太陽光発電モジュール３からの輻射熱３３を集熱して温度上昇し、対流により水上側となる太陽熱集熱モジュール５の下方へと移動する。また、屋根材４が高温になっている場合には、通気層１９の空気は屋根材４から放出される熱３４を集熱し、通気層１９の空気の温度がより上昇することになる。

さらに、太陽熱集熱モジュール５の下方を通過する高温の通気層１９の空気の熱３５は、集熱ユニット６の裏面側６ｂに伝わり集熱ユニット６にて集熱される。また、太陽熱集熱モジュール５の下方において屋根材４から放出される熱３６も集熱ユニット６の裏側面６ｂに伝わり集熱される。

そして、集熱ユニット６の下方を通過する通気層１９の空気は、対流によって水上側へと移動し、隙間１７の外へと逃がされる。

以上のようにして、集熱ユニット６の表面側６ａでの集熱に加え、集熱ユニット６の裏面側６ｂでの通気層１９の集熱が行われることにより、集熱ユニット６の全体としての集熱効率（集熱容量）を高めることができる。

そして、このように集熱効率が高められることによって、集熱ユニット６の集熱面積を小さくしたとしても、従来と同等の熱量を得ることが可能となり、集熱ユニット６の軽量化、コンパクト化を図ることが可能となる。

また、集熱ユニット６の裏面側６ｂ（屋根材４側）での集熱が行えるため、例えば、雲がよく出現する晴天日などで日射量が少ない場合であっても、より多くの集熱が可能となる。

さらに、太陽光発電モジュール３が太陽熱集熱モジュール５よりも水下側に配置されることから、太陽光発電モジュール３の裏面側６ｂの隙間１７の熱を、対流により水上側へと逃がすことが可能となり、太陽光発電モジュール３の温度上昇を低減させることによる発電効率の向上が図られる。

ここで、図３（Ｂ）に示す本発明の配置構成とは逆に、水下側に太陽熱集熱モジュール５が配置され水上側に太陽光発電モジュール３が配置される場合には、太陽光発電モジュール３の下方の輻射熱３３や、屋根材４から放出される熱３４を集熱ユニット６での受熱に利用できなくなってしまう。

また、仮に図３（Ｂ）の配置構成とは逆に、水下側に太陽熱集熱モジュール５が配置され水上側に太陽光発電モジュール３が配置される場合には、通気層１９の対流により、水下側の温まった空気が水上側へと移動することになるため、水上側に配置される太陽光発電モジュール３が暖められてしまい、本発明と比較して発電効率が低下するといったデメリットが生じることになる。

さらに、従来の太陽熱集熱モジュール５は、集熱ユニット６の表側面の熱を下方に限りなく逃がさないようにするために、集熱ユニット６の下方に断熱材が敷設される構造であった。このため、集熱ユニット６の裏側面にて熱交換をする構成とはなっておらず、本発明のような断熱材が無い構成としつつ集熱ユニット６の裏側面６ｂで集熱するという構造、思想とはかけ離れたものとなっている。

加えて、従来の太陽熱集熱モジュール５において、集熱ユニット６の下方に断熱材が配置される構成において、例えば、住人が引っ越しなどで不在の場合に、貯湯タンクの水が無くなってしまう情況が生じたとする。この場合、集熱ユニット６内に熱が篭ってしまう構造であると、熱を外部にうまく逃がすことができず、集熱ユニット６内を循環する不凍液を不必要に熱し続けてしまうことで、いわゆる「空焚き」の情況が生じてしまうことになる。そして、不凍液の沸点まで温度上昇してしまい、配管や機器を破損させてしまうことにもなる。

この点に関し、本発明の構成であれば、集熱ユニット６の下方に断熱材が配置されないため、太陽熱集熱モジュール５内に不必要に熱を篭らせてしまうこともなく、いわゆる「空焚き」や、これに伴う配管や機器の破損といった被害発生を防止することができる。

以上のようにして本発明を実施することができる。
即ち、図１乃至図３（Ａ）（Ｂ）に示すごとく、太陽光発電モジュール３が低位置側、太陽熱集熱モジュール５が高位置側となるように並設され、太陽光発電モジュール３の周囲で温度が高められた空気の熱を、太陽熱集熱モジュール５にて集熱する、太陽エネルギー利用システムとする。

これにより、太陽熱集熱モジュール５の集熱効率を高めることができる。また、太陽光発電モジュール３の周囲の熱が太陽熱集熱モジュール５にて集熱されて逃がされるため、太陽光発電モジュール３の周囲の温度低下をもたらすことができ、太陽光発電モジュール３の発電効率を高めることが可能となる。

また、太陽光発電モジュール３の下方と、太陽熱集熱モジュール５の下方に連続する通気層１９が形成される、こととする。

これにより、太陽光発電モジュール３の下方の通気層１９の空気が、対流によって太陽熱集熱モジュール５の下方へと移動し、この移動した空気によって太陽熱集熱モジュール５の裏面側から太陽熱集熱モジュール５（集熱ユニット６）を暖めることができる。このようにして、太陽熱集熱モジュール５の表面側に直接的に与えられる日射熱に加え、太陽熱集熱モジュール５の裏面側についても温められることから、太陽熱集熱モジュール５について高い集熱効率を実現できることになる。

また、太陽熱集熱モジュール５の集熱ユニット６は、集熱ユニット６の上方に配置される透光性を有する板材（ガラス１６）と、集熱ユニット６の外周部を取り囲むように配置される四周枠状の支持フレーム１４の縦壁面１４ａと、によって囲まれる空間内に配置される、こととしている。

これにより、集熱ユニット６の表面側にてひとたび集熱された熱は、上方へと再放出され難くなることから、集熱ユニット６（太陽熱集熱モジュール５）における受熱の効率を高くできる。

さらに、図２及び図４（Ａ）（Ｂ）に示すごとく、通気層１９には、低位置側の太陽光発電モジュール３から高位置側の太陽熱集熱モジュール５に向かう配列方向Ｙ（図２）に伸びる壁部（化粧板材２６）が配置される、こととしている。

これにより、図２の流れＦに示すように、太陽光発電モジュール３の下方において温度上昇した空気を、横方向Ｘに逃がすことなく効果的に太陽熱集熱モジュール５の下方に送り込むことができ、太陽熱集熱モジュール５の集熱効率をより確実に向上させることができる。

本実施形態では、図４（Ａ）に示すように太陽光発電モジュール３の下方の隙間１７において、太陽光発電モジュール３のケラバ側端部（幅方向端部（妻側））に、それぞれ化粧板材２６が設けられ、通気層１９の幅方向（横方向Ｘ）の両側の部位が化粧板材２６によって閉じられた空間として構成される。

また、同様に、図４（Ｂ）に示すように太陽熱集熱モジュール５の下方の隙間１７において、太陽熱集熱モジュール５のケラバ側端部（幅方向端部）に、それぞれ化粧板材２６が設けられ、通気層１９の幅方向（横方向Ｘ）の両側の部位が化粧板材２６によって閉じられた空間として構成される。

なお、化粧板材２６は、アルミや木材などからなる板材とするほか、ゴムなどの可撓性のあるシートにて構成してもよい。また、化粧板材２６は、太陽光発電モジュール３と太陽熱集熱モジュール５の部位に跨って連続する一枚の板材で構成することとするほか、太陽光発電モジュール３と太陽熱集熱モジュール５の部位においてそれぞれ個別に配置されるものとしてもよい。

また、図２に示すように、点線領域Ｍ１で示される範囲に化粧板材２６を配置することに加え、或いは、点線領域Ｍ１で示される範囲に化粧板材２６を配置することに代えて、点線領域Ｍ２で示される範囲に化粧板材２６を配置することとしてもよい。つまり、太陽光発電モジュール３の下方を通過して温度上昇した空気を、対流によって横方向に自由に逃がしてしまうのではなく、化粧板材２６でガイドすることで効率よく太陽熱集熱モジュール５の下方へと案内させるものであれば、化粧板材２６の配置については特に限定されるものではない。

また、以上の実施形態では、傾斜屋根面において低位置側に太陽光発電モジュール３を配置し、高位置側に太陽熱集熱モジュール５を配置して両者を並設する設置構造としたが、傾斜屋根面への設置のほかにも、例えば、略垂直な面を構成する壁面に二種類のモジュールを配置する構成において、壁面と各モジュールの間に通気層を確保することで、本発明を適用するといったことも可能である。

さらに、別の実施形態として、図５、及び、図６に示すように、屋根材４の上に横桟部材１２と直交する方向に長尺の縦桟部材４０を設けることとしてもよい。

この構成によれば、固定金具１１（図３（Ａ））の代わりに、縦桟部材４０にて横桟部材１２が支持されるとともに、化粧板材２６（図４（Ａ），（Ｂ））の代わりに、縦桟部材４０の壁面４２によって通気層１９の幅方向（横方向Ｘ）の両側の部位が閉じられた空間となるように構成してもよい。

このような長尺の縦桟部材４０によって横桟部材１２を支持する構成においても、図３、図４の各図で示される構成と同様の効果を得ることができる。

本発明の構成は、建物の屋根などに設置される太陽光発電モジュールと太陽熱集熱モジュールを組み合わせて配置する場合において、広く適用することができる。

１屋根
２太陽エネルギー利用装置
３太陽光発電モジュール
４屋根材
５太陽熱集熱モジュール
６集熱ユニット
１１固定金具
１２横桟部材
１３支持フレーム
１４支持フレーム
１６ガラス
１７隙間
１８構造材
１９通気層
２２空気層
２６化粧板材
３３輻射熱

Claims

太陽光発電モジュールが低位置側、太陽熱集熱モジュールが高位置側となるように並設され、前記太陽光発電モジュールの周囲で温度が高められた空気の熱を、前記太陽熱集熱モジュールにて集熱する、太陽エネルギー利用システムであって、
前記太陽熱集熱モジュールの集熱ユニットは、前記集熱ユニットの上方に配置される透光性を有する板材と、前記集熱ユニットの外周部を取り囲むように配置される四周枠状の支持フレームと、によって囲まれる空間内に配置され、
前記太陽光発電モジュール及び前記太陽熱集熱モジュールは、横桟部材により支持され、
前記横桟部材と屋根材の間には隙間が設けられ、前記太陽光発電モジュールの下方と、前記太陽熱集熱モジュールの下方に連続する通気層が形成される、
太陽エネルギー利用システム。
前記横桟部材は、前記横桟部材と直交する方向に設けられた縦桟部材に支持される請求項１に記載の太陽エネルギー利用システム。
前記太陽光発電モジュールは、前記太陽熱集熱モジュールの集熱ユニットの支持フレームと同構造の支持フレームに支持される請求項１又は２に記載の太陽エネルギー利用システム。
前記通気層には、低位置側の前記太陽光発電モジュールから高位置側の前記太陽熱集熱モジュールに向かう配列方向に伸びる壁部が配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー利用システム。