JP6712287B2

JP6712287B2 - 太陽光利用パネル

Info

Publication number: JP6712287B2
Application number: JP2018032581A
Authority: JP
Inventors: 仲濱秀斉
Original assignee: 株式会社ハイブリッド太陽電池研究所
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019148364A

Description

太陽電池パネルは、太陽光を電気に変換するものであり、太陽熱温水器は、パネルで受けた太陽の輻射熱を冷媒に伝え、温水として貯蔵し、活用するものである。
本発明は、太陽光スペクトルの内、可視光線を電気に変換し、赤外光線で温水を同時に製造する太陽光利用パネルに関する。加えて、軽量かつ安価であり、長期間に亘り、メンテナンスフリーの太陽熱パネルおよび太陽熱・光ハイブリットパネルに関する製品を提供する。

太陽の輻射熱で温水を製造する機器は、太陽熱温水器として古くから製造、販売されている。太陽熱温水器には、平板型と真空管型の２通りある。平板型は簡便な構造であり、製造コストが抑えられ、太陽熱温水器の普及に大きく貢献した。しかし、平板型の太陽熱集熱器では、構造そのものに起因して、寒冷な気象条件下の使用において、集熱効率が低下し、温水が得られないという問題がある。また、集熱器の傾斜角度を屋根傾斜よりも大きくする必要があり、この設置角度では、住居外観が悪くなり、そのため普及の妨げになっている。
真空管型集熱器は、集熱部の熱損失を真空状態にすることによってゼロに近づけており、冬場でも８０℃以上の温水を容易に製造することができる。しかし、真空を保持するガラス管は、冬場の凍結で割れることがあり、その対策として、断熱材の多用と熱シール構造確立のため、高価となり、また、製品重量が重く、屋根設置工事代金がかさむ問題がある。
太陽熱温水器では、日中に製造した温水を貯蔵するタンクが必要である。タンク一体型は安価であるが、平米当たり、約３００kgの重量となり、木造建築物では設置安全性の問題になることが指摘されている。一方、熱媒の強制循環方式は、タンク分離できるので、重量の問題は解消されるが、温水製造システムが高コストとなる問題があった。
こうした中、太陽光パネルの表面で発電し、裏面側で温水を製造する、所謂、熱・電ハイブリット太陽電池モジュールの開発が１９７０年代から行われている。太陽電池は、太陽光を受けて、発電するが、一方、パネル温度の上昇に伴い、１℃の温度上昇あたり、約０．５％程度の発電効率低下することが知られている。そこで、裏面を水道水などで冷やすことによって、発電効率向上を狙い、併せて、「温水」を利用することによって、太陽光利用効率の向上を狙った製品である。
この熱・電ハイブリット太陽電池モジュールには、太陽電池モジュールと太陽熱温水器を組み合わせた形式と受光面側に太陽電池パネル、そのモジュールの裏面側にガラスを用い、その中間に架橋ポリエチレン樹脂管を挟んだモジュール一体型の２通りある。前者は、太陽の輻射熱で高温になった表面の熱を熱伝導良好な銅管に伝えることで温水を得る方式である。後者は、ガラスとガラスに囲まれた構造で、所謂、温室効果により、温水を得るものである。

太陽光利用として、特開１９９８−０５４０７４号公報には、太陽熱温水器として、安価な製品を提供することを目的として、貯湯槽を兼ねる集熱パイプを蛇行状にして、取り付け金具に平面的でパネル状に組み立てる発明を開示している。特開２００７−２１９００８号公報は、限られた日照で効率が高く、ローコストの太陽熱温水器を提供する発明を開示している。特開２０１２−１１５５１６号公報は、集熱管を利用したタイプの太陽熱温水器をさらに発展させたものであり、太陽熱温水器と共に、風力発電機や太陽光発電機を併設し、これらの発電電力を無駄なく、太陽熱温水器に使用できるシステムを構築し、太陽熱温水器からの温熱水を安価なコストで供給できるハイブリッド型太陽熱温水器システムを提供することを目的としている。集熱間を複数並設して、太陽熱温水器と、電熱ヒーターと、電熱ヒーターの稼働を制御するコントローラと、蓄電池を備え、コントローラは、風力発電機の発電電力を電熱ヒーター側に切り替えて温熱水部内の温熱水を熱し、風力発電機からの発電電力及び／または蓄電池からの電力を電熱ヒーターに送出し、該電熱ヒーターが温熱水部内の温熱水を熱することを特徴とする。 JP20150029594 は、太陽電池モジュールに簡単な部材を追加するだけで、太陽光発電と同時に温水の供給を行うことができるハイブリッド太陽電池モジュールの発明を開示している。 JP２０１７０８５７６０には、太陽電池モジュールの裏側に液体が通過する樹脂製パイプを一体的に結合した高効率な太陽熱光ハイブリッドモジュールとして、太陽光の受光面側及び反受光面側にガラスを設け、温水製造部と発電部を備えた構成の発明が開示されている。

太陽光エネルギーを高い効率で、有用な電気や温水に変換することが可能で、パネル製造原価が安価でる。さらに軽量であるが由、設置作業も容易であるため、発電及び温水製造システムの経済性が高い太陽光利用パネルを提供する。

上記課題を解決するための手段は以下の通りである。本発明の太陽光利用パネルは、通常、太陽電池モジュールメーカで生産することができる。本発明のパネル構成部材は、太陽電池市場で調達できるものであり、安価である。
本発明の課題を解決するために、遠赤外線放射率が８０％から９９％である材料からなる樹脂ホースを内蔵し、太陽光受光面側の材料は遠赤外線放射率：８０％から９９％であるプレートとパネルの裏面側は遠赤外線放射率が１％から１５％である材料からなるプレートからなる太陽光利用パネルであって、裏面側には、ガラスを適用しないことである。幅が６０ｃｍを超えるガラスは、３ｍｍより薄い場合は、大きく湾曲し、その状態が長く続くと破損する危険性がある。また、ガラス素材を適用することは、モジュールの重量が重くなり、また、脆い素材のため、設置作業中に破損する可能性がある。よって、本発明の課題を解決するためには、モジュールの裏面側には、ガラスを適用しないで高効率な集熱性を発揮するパネル構造を検討した。鋭意検討の結果、パネル裏面側にアルミニウムやステンレス、鉄板などの遠赤外線を反射する金属素材を採用するとガラスに較べ極めて良好な温水を得ることができることを見出した。
受光面側のプレートがガラスと太陽電池充填材、太陽電池発電素子、太陽電池充填材および太陽電池用バックシートを積層してなる太陽電池パネルである太陽光利用パネルは、パネル表面で発電し、パネル裏面側で温水を製造する、所謂、熱・電ハイブリット太陽光パネルである。内蔵する樹脂ホースの内管直径が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、２ｍｍより細い場合は、詰りの問題や凍結の問題が発生することもあるため、好ましくない。また、１０ｍｍを超えると樹脂ホースの曲げ強度が強いため、パネル内で長尺で巻くことが難しくなるため、好ましくない。好ましくは、３ｍｍ以上７ｍｍ以下、更に好ましくは、４ｍｍから６ｍｍである。樹脂ホース長は、３メートル以上１００メートル以下である。３メートルよりも短いと有用な温水を製造することができない、１００メートルを超えると樹脂ホース巻き加工費が高くなるため、安価な製品を生産することができない。好ましくは１０メートル以上７０メートル以下である。集熱する樹脂ホースは、遠赤外線放射率８０％から９９％である材料で、その中でも架橋ポリエチレン材料とポリブテン材料が適している。
本発明の太陽光利用パネルの単位面積当たり重量は、１７ｋｇ以下であり、好ましくは、１６ｋｇ以下である。さらに好ましくは、１５ｋｇ以下である。１７ｋｇ以下であれば、通常の太陽光モジュールの工事と同様に取り扱える。パネル設置コスト、運搬コスト、メンテコストなど、すべてに亘、システムのコスト低減に繋がる。
本発明のモジュールで適用する樹脂ホースは、受光面側プレートと裏面側プレートの両面に対し、化学接着している必要はなく、物理的に押さえつけられた状態においても、温水を製造することができる。
樹脂ホースの出入り口の一方は、太陽光利用パネルの側面側で、他方は、その中央部である。樹脂ホースの巻き工程が簡略化され、安価に生産できる。また、一方向の巻き方により、樹脂ホースへの巻きの機械的ストレスが軽減され、長期に亘り水漏れの心配がないので好ましい。

本発明の太陽光利用パネルは、外観は太陽電池モジュールと同等であり、また、屋根の傾斜に沿って設置しても温水が得られるため、建物外観との調和が良好である。受光面のガラスから入光した光の内、可視光線は、シリコンセルにより、電気変換できる。パネル内部を通過した赤外線は、太陽光利用パネルの裏面のプレートにより、内部で反射され、遠赤外線量が増し、樹脂ポースに吸収、放射により、水分子に吸収され、水分子の共鳴自己摩擦により温水となる。
パネル裏面側にガラスは不採用であり、そのため、太陽光利用パネルは軽量であり、屋上への設置作業が容易である。
集熱ホースが樹脂材料であるため、耐凍結破裂性に優れており、また、腐食による水漏れリスクが低く、メンテナンスコストが安価であり、経済性が極めて高い。また、本発明の課題である軽量化を併せて達成する。
本発明の太陽光利用パネルからなる温水システムは、数枚から数十枚を直列に繋ぐことによって、受光面側プレート表面温度までの温水が得られる。また、水量は、本パネルを並列に繋ぐことによって、期待する水量を得ることができる。
本発明の太陽光利用パネルの設置は、太陽光発電の既存技術を水平展開により行うことができるので、発電、温水製造のシステムを安価に構築することができる。

図１：本発明の実施形態による太陽光利用パネルの構造である。１：受光面側プレート、２：裏面側プレート。３：樹脂ホース、４：パネルスペーサー図２：本発明の実施形態による太陽光利用パネル構造で、樹脂ホースの後ろ側に断熱材を配置し、裏面側プレートで押さえつける構造である。図３：本発明の実施形態による太陽光り利用パネルで、受光面が太陽電池パネルである構造である。７：太陽電池パネル（ガラス/充填材/結晶系シリコンセル/充填材/バックシート）、図４：本発明の実施形態による太陽光利用パネル構造を裏面方向からの透視図である。３−１：樹脂ホースの出入り口ー１、３−２：樹脂ホースの出入り口ー２、８：アルミチャンネルフレーム図３：本発明の実施形態による太陽光利用パネルで、受光面が太陽電池パネルの構造である。７：太陽電池パネル（ガラス/充填材/結晶系シリコンセル/充填材/バックシート）図４：本発明の実施形態による太陽光利用パネル構造の裏面からの形態図である。３−１：樹脂ホースの出入り口ー１、３−２：樹脂ホースの出入り口ー２、

遠赤外線放射率：８０％以上９９％材料
受光面側プレート：太陽電池用白板ガラス：厚み；３．２ｍｍ：遠赤外線放射率：８８.１％、三菱化学社製アクリルシート：遠赤外線放射率：厚み；１ｍｍ：８８.１％、三菱ガス化学社製ポリカーボネート：厚み；２ｍｍ：遠赤外線放射率：９０.１％、
接着層材料：三井化学製ミラストマー（登録商標）遠赤外線放射率：９２％、信越化学工業製室温硬化型シリコーン（RTV)：遠赤外線放射率：８９％
裏面側プレート：遠赤外線放射率１％以上１５％材料
アルミニウム合金板：厚み；１．５ｍｍ）：遠赤外線放射率：３.６％、鉄プレート：厚み；２．０ｍｍ；遠赤外線放射率＜１％、ステンレス（SUS430）：板；厚み：２.０ｍｍ：遠赤外線放射率：７.５％

図２に示す、樹脂ホースの裏側に発泡ポリスチレン、架橋発泡ポリエチレン、発泡ポリエチレン、発泡ウレタンなどの断熱材を介して押し付けてもよい。
受光面側プレートに太陽電池パネルを用いることができる。太陽光スペクトルの内、可視光線を取り入れる必要があるため、ガラス、アクリルシート、フッ素樹脂シート、ポリカーボネート樹脂シートを採用できる。好ましくは、太陽電池用白板ガラスである。
太陽光利用パネルの受光面側プレートが太陽電池パネルの場合は、太陽光利用パネルの表面で発電し、同時に樹脂ホースに通水することによって、パネル内部で温水を製造する熱電ハイブリットパネルであり、図３に示す。
受光面側から入光した赤外線は、受光面側で輻射熱となり、パネル内部に遠赤外線が放出される。パネル内部の樹脂ホースは、この遠赤外線を吸収し、水分子の吸収へと繋げる。内部の遠赤外線は、パネル裏面側のプレートで反射され、本パネル内でハンチングを繰り返しながら、水分子の共鳴波長である約３０ミクロンの遠赤外線波長となり、更に効率よく、温水を製造することができる。
裏面側のプレートは、受光面側プレートと同サイズでも良いし、パネルに内蔵する樹脂ホースを覆い被る程度の大きさでもよい。

樹脂ホースは、外周から内部に向かって巻かれていることを特長とし、樹脂ホースに長期間に亘り、不自然な曲げストレスの加わらない巻き形状であることが好ましい。そうでない場合は、破水の原因となるため好ましくない。

太陽光利用モジュールの製造方法
遠赤外線放射率８０％以上、９９％以下のプレートと遠赤外線放射率１５％以下のプレートに挟まれた遠赤外線放射率８０％以上、９９％以下の樹脂ホースからなる太陽光利用パネルを図１に示す。パネルスペーサーは、アルミチャンネルなどの金属や樹脂製チャンネルを用いることができる。パネルスペーサーとそれぞれ接する面は、予め穴を設け、ステンレスネジなどで固定しても良いし、液状シリコーンで化学接着してもよい。
パネルスペーサーの厚みは、樹脂ホースの直径と同等かそれよりも若干薄くてもよい。

本発明の太陽光利用パネルは、既存の太陽熱温水器や太陽熱・ハイブリットモジュールに較べ、軽量であることが特長であり、そのことがすべてのコスト低減に大きく貢献する。パネルの構造体として受光面側にはガラス素材を好んで適用するが、発明の構成部材で構築されたパネルの重量は、単位平米当たり１７ｋｇ以下、好ましくは、１６ｋｇ以下、さらに好ましくは、１５ｋｇ以下である。

以下に、実施例により、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１：本発明の太陽光利用パネルの構造を図１に示す。受光面側プレート１：厚み３．２ｍｍ、縦：１６００ｍｍ、横：８０５ｍｍサイズの太陽電池用白板ガラス、裏面側プレート２：厚み１．５ｍｍ、縦：１０００ｍｍ、横：８０５ｍｍのアルミニウム合金（A5052)プレート、および、パネルスペーサー４：パネル縦スペーサー（高さ：採用ホース直径、幅：３０ｍｍ、肉厚：１．０ｍｍ、長さ：１６００ｍｍ）、パネル横スペーサー（高さ：ホース直径、幅：３０ｍｍ、肉厚：1.0ｍｍ、長さ：７４５ｍｍ）を用いて太陽光利用パネルを組み立てた。適用したガラスおよびアルミプレートとパネルスペーサーとの接触部分は、信越化学工業社製一液型RTVシリコーンシーラント(KE-441-W)を用いて化学接着した。シリコーンの硬化期間は1週間放置した。イノアック住環境(株)社製：内径５ｍｍの５A架橋ポリエチレン管を直径：１００ｍｍの木製円盤（厚み：１０ｍｍ）に巻きつけて、直径：７３０ｍｍの本発明の太陽光利用パネル用集熱ホースの巻き部材を作製した。集熱樹脂ホース巻き部材は、受光面側プレート：ガラスと裏面側プレート：アルミプレートの両プレートで物理的に挟んで、固定した。
パネル外側の出入り口３−１部から水道水を通水し、出入り口３−２から温水を採取して、集熱性能を評価した。

＜集熱性評価＞
風速1m/s、日射強度：平米当たり、８５０Wにおいて、外気温７.５℃、水道水温度６.３℃、水流量８０L/ｈの条件で、パネル出口３−２部の温水温度を温度計で測定し、昇温度合い（出口温度ー水道水温度：６．３℃）を集熱性能（℃）とした。
＜パネル発電性能試験＞
風速1m/s、日射強度：平米当たり、８５０Wにおいて、外気温７.５℃の条件で、英弘精機社製IVチェッカーにて最大発電量Pmaxを計測した。
＜平米当たり重量＞
１００ｋｇまで計測可能な重量計にて、太陽光利用パネルの重量を計測し、単位平米面積当たりの重量を算出した。

実施例２：ガラス厚み３．２ｍｍからアクリルプレート２．０ｍｍ厚みとし、アルミプレート１．５ｍｍからステンレスプレート０．８ｍｍ厚み、架橋ポリエチレンの内径５．０ｍｍから７．０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。
実施例３：ガラス３．２ｍｍからポリカーボネートプレート２．０ｍｍ厚みとし、アルミプレート１．５ｍｍから鉄製プレート１．０ｍｍ厚み、架橋ポリエチレンの内径５．０ｍｍからブリヂストン社製：ポリブテンホース内径１０．０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。

実施例４：ガラス３．２ｍｍから太陽電池パネル（ネクストエナジー社製２０５W単結晶太陽電池モジュールからアルミフレームを取り外して太陽電池パネルを準備した）、架橋ポリエチレン内径５．０ｍｍからブリヂストン社製：ポリブテンホース内径１０.０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。
実施例５：アルミプレート１．５ｍｍ厚みをステンレスプレート０．８ｍｍ厚み、架橋ポリエチレン内径５．０ｍｍに変更した以外は、実施例４と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。

実施例６：アルミプレート１．５ｍｍ厚みを鉄製プレート１．０ｍｍ、架橋ポリエチレン内径７．０ｍｍに変更した以外は、実施例４と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。
実施例７：アルミプレート１．５ｍｍ厚みをステンレスプレート０．８ｍｍ、ポリブテン内径１０．０ｍｍに変更した以外は、実施例４と同様に本発明の太陽光利用パネルを作製した。

比較例１：アルミプレート１．５ｍｍ厚みから太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みに変更した以外は、実施例１と同様にパネルを作製した。
比較例２：裏面側プレート：太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みからアクリル樹脂プレート２．０ｍｍ厚みに変更し、架橋ポリエチレンホース内径５．０ｍｍから７．０ｍｍに変更した以外は、比較例１と同様にパネルを作製した。
比較例３：裏面側プレート：太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みからポリカーボネート樹脂プレート２．０ｍｍ厚みに変更し、架橋ポリエチレンホース内径５．０ｍｍからポリブテン樹脂ホース１０．０ｍｍに変更した以外は、比較例１と同様にパネルを作製した。

比較例４：裏面側プレート：太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みからポリカーボネート樹脂プレート２．０ｍｍ厚みに変更し、ポリカーボネート樹脂プレート上（パネル内部側）にアルミ箔１１ミクロンを積層し、架橋ポリエチレンホース内径５．０ｍｍからポリブテン樹脂ホース１０．０ｍｍに変更した以外は、比較例１と同様にパネルを作製した。
比較例５：受光面側プレート：太陽電池用白板ガラス３．２ｍｍ厚みから実施例４で採用の太陽電池パネルに変更し、集熱ホース：架橋ポリエチレンホース内径５．０ｍｍを７．０ｍｍに変更した以外は、比較例１と同様にパネルを作製した。
比較例６：裏面側プレート：太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みで、集熱ホース：架橋ポリエチレンホース内径７．０ｍｍを銅管内径３．０ｍｍ（肉厚０．１５ｍｍ）に変更した以外は、比較例５と同様にパネルを作製した。
比較例７：裏面プレート：太陽電池用白板ガラス２．５ｍｍ厚みからポリカーボネート樹脂プレート２．０ｍｍに変更し、集熱ホース：架橋ポリエチレンホース内径７．０ｍｍに変更した以外は、比較例５と同様にパネルを作製した。

本発明の太陽光利用パネルは、太陽光スペクトルの内、可視光線および赤外線を利用して、電気や温水を効率よく製造できる。そのパネルの構成部材は積雪時などの大きな力が加わって変形しても裏面側にガラスを使用していないのでストレスクラックが発生しない。そのため、２０年以上の耐久性がある。本発明の太陽光利用パネル採用の樹脂ホースは、そのパネルに内包されているので、紫外線から保護されており、建築物の温水配管システムで使用されている樹脂ホースであり、２０年以上の実績と信頼性がある。また、本発明の太陽光利用パネルは、太陽電池モジュール製造工場で生産可能であり、太陽電池モジュールのアルミフレーム取り付け前の太陽電池パネルを受光面側プレートに採用した本発明の太陽光利用パネルは、パネル表面部で発電し、内蔵する樹脂委ホースで温水製造することのできるハイブリットタイプである。
特に、日中に大量の電気や温水を使用する集合住宅や住居、病院、老人ホーム、学校、ゴルフ場、一日温泉地などでは消費エネルギー削減に貢献し、地球環境に対しては、炭酸ガス削減におおいに貢献できる。

図１１：受光面側プレート、２：パネル裏面側プレート、３：集熱ホース、４：パネルスペーサー
図２５：断熱材
図３６：太陽電池パネル（ガラス；３．２ｍｍ厚み、EVA充填材；４５０ミクロン、結晶系シリコンセル、EVA充填材；４５０ミクロン、
太陽電池用バックシート；１２５ミクロン）
図４本発明の太陽光利用パネルの裏面側からの透視図、３−１：樹脂管の出入り口−１、３−２：樹脂管の出入り口−２

Claims

遠赤外線放射率が８０％から９９％の材料からなる太陽光受光面側の受光面側プレートと、遠赤外線放射率が１％から１５％の材料からなるパネル裏面側の裏面側プレートとを備え、
前記受光面側プレートの外縁と前記裏面側プレートの外縁との間にパネルスペーサーが配置されていることによって、前記受光面側プレートと前記裏面側プレートの間に空間が形成され、当該空間内に遠赤外線放射率が８０％から９９％の材料からなる樹脂ホースが内蔵されており、
前記パネルスペーサーの配置された状態における高さが、前記空間の高さと等しく構成されており、
前記パネルスペーサーの高さは、前記樹脂ホースの直径と等しく構成されており、
前記樹脂ホースは、前記受光面側プレートと前記裏面側プレートとによって物理的に挟まれた状態で固定されており、
前記空間内において、前記樹脂ホースの外周側には空隙が存在している太陽光利用パネル。
単位平米当たり１７ｋｇ以下である請求項１に記載の太陽光利用パネル。
内包する樹脂ホースの出入り口が、一方は、前記パネルの側面側であり、他方は前記パネルの中心部にある請求項１に記載の太陽光利用パネル。
前記受光面側プレートがガラス材料である請求項１に記載の太陽光利用パネル。
前記受光面側プレートと前記裏面側プレートの間に遠赤外線放射率８０％から９９％である断熱材を内包した請求項１に記載の太陽光利用パネル。
前記受光面側プレートがガラスと太陽電池充填材、太陽電池発電素子、太陽電池充填材および太陽電池用バックシートを積層してなる太陽電池パネルである請求項１に記載の太陽光利用パネル。