JP6622655B2 - 自然換気システムおよび建屋 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、太陽光パネルに対して霧状の水を噴霧すること、好ましくはこの太陽光パネルの裏面に霧状の水を噴霧することが記載されている。つまり、特許文献1に記載の技術は、太陽光パネルが有する熱によって太陽光パネルに付着した霧状の水が気化する際の気化熱を利用して太陽光パネルを冷却し、発電効率の低下を抑制している。
なお、太陽電池を設置したユーザーや設置を検討しているユーザーは、太陽光パネルに対してなるべく太陽光発電を行って欲しいという要望や発電量を多くしたいという要望を持っている。また、これらのユーザーの中には環境意識やコスト意識が高く、空調に消費するエネルギーを軽減するために自然エネルギーを利用した自然換気システムを望む者もいる。
図1は、一実施形態に係る自然換気システムを説明する概略説明図である。図2は、一実施形態に係る自然換気システムを説明する概略断面図である。
図1および図2に示すように、本実施形態に係る自然換気システム100は、光透過型太陽電池200と、切替機構300と、通流経路110と、を備えている。
この自然換気システム100は、いわゆるソーラーチムニーと同様の原理により建屋の屋内の換気を行う。一般的に、ソーラーチムニーは、建屋の中に煙突のような垂直方向の空気の通り道(チムニーシャフト)をつくり、上下の温度差、屋内外の温度差による煙突効果を利用し、上昇気流(温度差による密度流)を発生させ、その誘引効果により自然換気を行う。なお、上下の温度差とは、排気口から排気される排気の温度と吸気口から取り込まれる吸気空気の温度との差をいう。
ここで、独立した自然換気システムとは、角筒形や円筒形の筒体の表面の少なくとも一部を光透過型太陽電池200とし、これと所定の間隔をあけて切替機構300を設け、これらの間を通流経路110としたものを一つの構造体として作製したものをいう。独立した自然換気システムは、既に立てられている建屋(例えば、施設園芸設備、養殖設備)に対して後付けできるようにしたものである。従って、この自然換気システムを建屋108に設置する場合は、通流経路110に吸気用ダクトを接続するなどして建屋108の屋内に吸気口102を設けるのが好ましい。このような吸気用ダクトとして、例えば、蛇腹ダクトが挙げられる。
光透過型太陽電池200は、太陽光が照射されることにより発電を行う。本実施形態で用いることのできる光透過型太陽電池200は太陽光の一部を透過するものであればよく、太陽電池の材料や製法によって何ら制限は受けない。このような光透過型太陽電池200としては、例えば、有機薄膜太陽電池、結晶シリコン太陽電池モジュールの一部に採光用の隙間を空けた結晶シリコン光採光太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池の受光面にスクライブによって採光隙間を空けた透過型アモルファスシリコン太陽電池などが挙げられる。
第1に、他の太陽電池のように光受光機能を有する部分を取り除いて光透過型太陽電池200を実現するものではなく、薄膜の膜厚を制御して透過率を制御するため、発電と光透過のバランスを任意の割合で制御できる。
第2に、薄膜型であるため、本実施形態に係る自然換気システム100に容易に導入できる。
第3に、有機薄膜の吸収波長域を制御できるため、透過させる太陽光の波長領域を任意に選択でき、透過した太陽光の利用手段を拡大することができる。
図1および図2に示すように、切替機構300は、光透過型太陽電池200よりも太陽から遠い位置に設けられている。つまり、図1および図2に示すように、切替機構300は、建屋108の屋根面108aに設けられている場合は光透過型太陽電池200の下方に、所定の間隔をあけて設置されている。なお、切替機構300が建屋108の外壁面108bに設けられている場合は、切替機構300は、内壁側に所定の間隔をあけて設置されている(図1および図2において図示せず)。
このようにして配置されている切替機構300は、光透過型太陽電池200を透過した太陽光を反射する反射部301および光透過型太陽電池200を透過した太陽光を吸収する吸収部302を切り替える。
図4および図6に示すように、切替機構300は、例えば、固定部303と、ヒンジHにより当該固定部303に対して揺動自在に取り付けられた揺動部304と、で構成することができる。つまり、固定部303は、図6に示すように、反射部301となる領域Aと吸収部302となる領域Bとが交互に設けられている。揺動部304は、一方の面を反射部301とし、他方の面を吸収部302としている。そして、図6に示すように、切替機構300を切り替えたときに一方の面全体が反射部301となり、他方の面全体が吸収部302となるように、固定部303の反射部301となる領域Aと吸収部302となる領域Bとの境界に、ヒンジHを介して揺動部304を揺動自在に取り付けている。
図7および図8に示す切替機構300は、反射部301と吸収部302とを連続して形成し、これを一方のロール310で巻き出しつつ他方のロール310で巻き取る構成としたものである。
日射量が十分にあり、太陽光の直達成分が多い場合は、図7に示すように、ロール310を回転させて(切り替えて)反射部301を光透過型太陽電池200(図7において図示せず)の下方に配置する。このようにすると、太陽光発電により多くのエネルギーを振り分けることができる。
一方、日射量が十分ではなく、太陽光の直達成分が少ない場合は、図8に示すようにロール310を回転させて(切り替えて)吸収部302を光透過型太陽電池200(図8において図示せず)の下方に配置する。このようにすると、太陽光の熱エネルギーが効率良く得られ、自然換気を効率良く行うことができる。
なお、図4から図8に示した切替機構300の切り替え動力としてはいずれも電動モータなどの任意のアクチュエーターまたはユーザーの手動などが挙げられる。また、図4から図8に示した切替機構300の場合、必要に応じて切替機構300の下方に断熱材を設けてもよい。このようにすると、夏季間など暑い時期に切替機構300から放射される熱を室内に伝達し難くすることができる。
これとは反対に、日射量が十分ではなく、太陽光の直達成分が少ない場合(発電量<総電力消費量の場合)に切替機構300を反射部301に切り替えることができる。これは、例えば、自然換気や各種ファンなどを回して強制的な換気を行う必要がなく、太陽光発電による発電量を少しでも多くしたい場合に有効である。
図1および図2に示すように、通流経路110は、光透過型太陽電池200と切替機構300との間を吸気空気103が通流する経路である。通流経路110は、吸気口102が屋内に開口するように設けられ、排気口106が屋外に開口するように設けられているのが好ましい。さらに、吸気口102が排気口106よりも低い位置に設けられているのが好ましい。このようにすると、前記した煙突効果や上昇気流による誘引効果がより確実に得られ、自然換気をより効率的に行うことができる。なお、本実施形態においてはこれに限定されるものではない。例えば、吸気口102を屋外に設けるとともに排気口106を屋内に設けることができる。また、例えば、吸気口102を屋内の一の部屋に設けるとともに、排気口106を屋内の他の部屋に設けることができる。
本実施形態においては、吸気空気103の通流速度を増大させ、換気機能を高めるための加工を施すのが好ましい。このような加工としては、例えば、図9に示すように、室内に開口する吸気口102の上方、すなわち、吸気口102の直上に経路の幅寸法を狭める狭窄部111aを設けることが挙げられる。また、同図に示すように、通流経路110における吸気空気103が流入する入口(光透過型太陽電池200と切替機構300の間における吸気空気103が流入する入口)に経路の幅寸法を狭める狭窄部111bを設けることが挙げられる。狭窄部111a、111bは、吸気口102から狭窄部111a、111bの出口に向けて開口寸法が漸減する形状、例えば、断面形状を三角形や半円形などとするのが好ましい。このようにすると、最も開口寸法が狭い部分を通過した際に吸気空気103の通流速度を確実に増大させることができる。
本実施形態においては、図10に示すように、屋外の空気(外気)を取り込む外気取込口112を通流経路110と連通する軒先や軒下に設けるのが好ましい。なお、図10では外気取込口112を通流経路110と連通する軒先に設けた様子を示している。前記したように、自然換気システム100による自然換気は、屋内から取り込んだ吸気空気103と排気107の温度差によって機能する。従って、冬季間等の外気の温度が十分低い場合には外気取込口112を開放して外気を取り込むことによって吸気空気103の温度を下げることができる。そのため、太陽熱であたためられる吸気空気103の温度差が増大し、自然換気をより効率的に行うことができるようになる。
本実施形態においては、図11に示すように、外気を強制的に取り入れる換気ファン113を通流経路110と連通する軒先や軒下に設けるのが好ましい。なお、図11では換気ファン113を通流経路110と連通する軒先に設けた様子を示している。換気ファン113を設けると屋外の空気をより多く取り込むことができる。従って、前記同様、冬季間等の外気の温度が十分低い場合に、当該換気ファン113を駆動させることによって吸気空気103の温度をさらに下げることができる。そのため、太陽熱であたためられる吸気空気103の温度差が増大し、自然換気をさらに効率的に行うことができるようになる。なお、換気ファン113の給電は、光透過型太陽電池200から行うのが好ましい。換気ファン113は、外気取込口112に隣接して設置することができる(図示せず)。このようにすると、平時は外気取込口112で外気を取り込み、外気を多く取り込む必要が生じたときだけ換気ファン113を駆動させるという運用を行うことができる。
図12に示すように、本実施形態は、建屋108が躯体蓄熱方式の暖房補助熱機構600を備えている。この暖房補助熱機構600は、ファン601と、熱ダクト602と、躯体603と、を備えている。
ファン601は、排気口106の一部に設けられており、通流経路110であたためられた空気を熱ダクト602に送る役割を担っている。この場合、通流経路110であたためられた空気(排気107)を熱ダクト602に効率良く送るため、排気口106をいわゆる排気口カバー(図示せず)などで閉塞するのが好ましい。
熱ダクト602は、ファン601と躯体603との間に設けられている。熱ダクト602は、ファン601から送られてきたあたたかい空気を躯体603に送る役割を担っている。
躯体603は、いわゆる基礎スラブ(コンクリートスラブ)である。
また、本実施形態においては、建屋108の床下と躯体603の底面との間には、熱ダクト602と連通する所定の空間(床下空間)があるのが好ましい。このようにすると、熱ダクト602から送られてきたあたたかい空気が床下空間に溜まる結果、床をあたためることができる。従って、このような態様とすれば、通流経路110であたためられた空気暖房の補助熱として利用することができる。
図13に示すように、本実施形態は、建屋108が排気107の暖気を気体熱として直接利用する空調機構700を示している。これは、排気107の熱量があまり大きくない場合に好ましい態様である。つまり、この場合、躯体603(図12参照)に蓄熱しようとしても熱量が大きくないため非常に効率が悪く、空気暖房の補助熱として利用することが困難である。そのため、空調機構700では、自然換気されて得られた排気107に外気を予混合し、熱供給口702から屋内に取り込んで空気暖房として直接利用する。排気107と外気との予混合は、例えば、排気口106の一部において屋外と連通して設けられた吸気ファン701で行うのが好ましい。吸気ファン701は、熱供給口702から最も離れた排気口106の一端に設けるのが好ましい。図13に示す例では、吸気ファン701、排気口106、ファン601、熱ダクト602、熱供給口702の順に接続されている。空調機構700を作動させる場合、前記した暖房補助熱機構600と同様、排気口106を排気口カバー(図示せず)などで閉塞するのが好ましい。また、例えば、熱供給口702にはHEPAフィルター(High Efficiency Particulate Air Filter)などの空気清浄フィルターを設けると、屋内に取り込む空気が清浄になるため好ましい。
図14から図16は、切替機構の他の態様を示す概略説明図である。
図14から図16に示す切替機構400は、反射部401(図14)と吸収部402(図15)と透過部403(図16)とを連続して形成し、これを一方のロール410で巻き出しつつ他方のロール410で巻き取る構成としたものである。つまり、この切替機構400は、反射部401および吸収部402に加えて、さらに光透過型太陽電池200を透過した太陽光を透過する透過部403を備えたものである。透過部403を備えると、例えば、透過した太陽光で植物を栽培したり、動物を養殖したりすることができる。また、透過部403を備えると、屋内の照明が不要となる場合があり、消費電力を低減することも可能である。なお、反射部401は反射部301(図7参照)と同様であり、吸収部402は吸収部302(図8参照)と同様であるので説明を省略する。
図17から図19に示す切替機構500は、所定の寸法の複数の矩形(具体的には長方形)の板材511の一方の面に反射部501(図17)を形成し、他方の面に吸収部502(図18)を形成したものである。板材511は、相対する短辺の中間位置に軸部材(図示せず)を有しており、この軸部材により枠体510に回動自在に設けられている。
吸収部502は、板材511の一方の面を前記した吸収部302と同様に、黒色に塗装することによって具現できる。
吸収部502と光透過型太陽電池200とを対面させる場合は、切替機構500を切り替えて(板材511を回転させて)切替機構500の全面が吸収部502となるようにすればよい。
また、この態様において、切替機構500を切り替えて(板材511を回転させて)板材511を所定角度回転させ、太陽光が屋内に届くようにすることで、図19に示す透過部503を具現することができる。
例えば、よく晴れた直達成分の入射光が多く期待できる場合は切替機構400を反射部401に切り替える。また、薄曇りで通流経路110内の温度上昇は期待できるが、発電量はあまり期待できない場合は切替機構400を吸収部402に切り替える。そして、室内に日射を取り込みたい場合は、日射強度に依存せず切替機構400を透過部403に切り替える。本実施形態では、光透過型太陽電池200によって日射強度が緩和されるため、おおむね気象条件に依存せず、適切な日射取り込みが可能となる。なお、この切り替えは切替機構500にも同様に適用することができる。
本実施形態に係る建屋108は、図1および図2に示すように、前記した本実施形態に係る自然換気システム100を適用したものである。
建屋108は、屋根面108aおよび外壁面108bのうちの少なくとも一部に光透過型太陽電池200を設けている。建屋108は、光透過型太陽電池200よりも太陽から遠い位置に切替機構300を設けている。なお、建屋108は、切替機構300に替えて、透過部403を備えた切替機構400または透過部503を備えた切替機構500を設けたものとすることができる。
〔実施例1〕
図1から図6の構成に係る自然換気システム100およびこれを適用した建屋108について、晴天時に自然換気システム100を稼働させ、切替機構300を吸収部302で構成した際の排気口106付近の風速を計測した。その結果、排気口106付近の風速2.0m/sとなった。また、太陽光発電の発電量は20Wh/m2であった。
図1から図6の構成に係る自然換気システム100およびこれを適用した建屋108について、晴天時に自然換気システム100を稼働させ、切替機構300を反射部301で構成した際の排気口106付近の風速を計測した。その結果、排気口106付近の風速1.2m/sとなった。また、太陽光発電の発電量は35Wh/m2であった。
図1から図6の構成に係る自然換気システム100およびこれを適用した建屋108について、実施例1の天候条件で自然換気システム100を稼働させ、外気取込口112に隣接して設置した換気ファン113に太陽光発電から給電し、駆動させた。そして、排気口106付近の風速を計測した結果、5.0m/sとなった。また、太陽光発電の発電量は20Wh/m2であった。
図12の構成に係る自然換気システム100およびこれを適用した建屋108について、実施例1の天候条件において、切替機構300を吸収部302で構成した自然換気システム100を稼働させた。なお、排気口106を排気口カバーで閉鎖し、躯体蓄熱機能を採用した。吸気口102付近の気流温度は17℃であったのに対し、排気口106付近の気流温度は26℃であった。また、躯体603の温度は23℃、床面の温度は21℃であった。吸気口102付近と排気口106付近の気流温度差が暖房補助として機能した。
太陽光利用型植物工場の西側壁面に沿って、建屋と独立する形で鉛直方向に本発明に係る自然換気システムを設置した(図示せず)。実施例1と同様の気象条件において、排気口106付近の風速は3.0m/sとなった。また、太陽光発電の発電量は35Wh/m2となった。
実施例1の構成および天候条件において、光透過型太陽電池200の代わりにフロートガラスを設置し、切替機構300を吸収部302で構成した結果、排気口106付近の風速は2.0m/sとなった。比較例1は、光透過型太陽電池を備えていないので、太陽光発電の発電量は0Wh/m2であった。
実施例2の構成および天候条件において、光透過型太陽電池200の代わりにフロートガラスを設置し、切替機構300を反射部301で構成した結果、排気口106付近の風速は0.7m/sとなった。比較例2は、光透過型太陽電池を備えていないので、太陽光発電の発電量は0Wh/m2であった。
102 吸気口
106 排気口
108 建屋
113 換気ファン
110 通流経路
200 光透過型太陽電池
300、400、500 切替機構
301 反射部
302 吸収部
403、503 透過部
Claims (11)
- 太陽光が照射されることにより発電を行う光透過型太陽電池と、
前記光透過型太陽電池よりも太陽から遠い位置に設けられ、前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を反射する反射部および前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を吸収する吸収部を切り替える切替機構と、
前記光透過型太陽電池と前記切替機構との間を通流媒体が通流する通流経路と、
を備えることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記切替機構が、前記光透過型太陽電池の発電量に基づいて前記反射部および前記吸収部を切り替えることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記切替機構が、さらに前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を透過する透過部を備えていることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項3において、
前記切替機構が、前記光透過型太陽電池の発電量に基づいて前記反射部、前記吸収部および前記透過部を切り替えることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記光透過型太陽電池が有機薄膜太陽電池であることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記通流経路の吸気口が屋内に開口して設けられ、前記通流経路の排気口が屋外に開口して設けられ、さらに、前記吸気口が前記排気口よりも低い位置に設けられていることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記通流経路が、前記光透過型太陽電池で発電した電気によって駆動し、外気を取り込む換気ファンを備えていることを特徴とする自然換気システム。 - 請求項1において、
前記通流経路が、前記通流経路を通流する間にあたためられた通流媒体の熱を蓄熱する蓄熱体と接続されていることを特徴とする自然換気システム。 - 屋根面および外壁面のうちの少なくとも一部に設けられ、太陽光が照射されることにより発電を行う光透過型太陽電池と、
前記光透過型太陽電池よりも太陽から遠い位置に設けられ、前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を反射する反射部および前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を吸収する吸収部を切り替える切替機構と、
前記光透過型太陽電池と前記切替機構との間を通流媒体が通流する通流経路と、
を備える自然換気システムを有することを特徴とする建屋。 - 請求項9において、
前記切替機構が、さらに前記光透過型太陽電池を透過した太陽光を透過する透過部を備えていることを特徴とする建屋。 - 請求項9において、
前記通流経路の吸気口が屋内に開口して設けられ、前記通流経路の排気口が屋外に開口して設けられ、さらに、前記吸気口よりも前記排気口の方が高い位置に設けられていることを特徴とする建屋。
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