JPH10238866A

JPH10238866A - 太陽エネルギー収集装置

Info

Publication number: JPH10238866A
Application number: JP9078783A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Shoda; 英介正田; Shunsaku Nakauchi; 俊作中内
Original assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Kokusai Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1998-09-08

Abstract

(57)【要約】従来の太陽エネルギー収集装置は、太陽光発電装置と太
陽熱収集装置に別れていて単位面積当たりのエネルギー
収集効率が悪かった。【解決手段】太陽熱収集装置としての吸熱板上に太陽
電池を置き、太陽電池によって電気エネルギーに変換さ
れなかった太陽エネルギーを熱エネルギーとして回収し
単位面積当たりのエネルギー収集装効率をあげ且つ太陽
電池の温度を下げ太陽電池の変換効率をあげる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽エネルギーを電
気の形で利用する装置と、熱の形で利用する装置とを結
合した太陽エネルギー収集装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の太陽エネルギー収集装置では、太
陽電池による太陽光を電気に変えて利用する太陽光発電
装置と、太陽光を熱エネルギーに変えて利用する太陽熱
収集装置とが別個に存在していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】太陽光発電装置はエネ
ルギーとして良質な電気エネルギーを得ることが出来る
が、エネルギー変換効率は悪く１５％程度である。一方
太陽熱収集装置はエネルギー変換効率は良くて、真空式
の高級な太陽熱収集装置では効率は６０％以上を期待出
来るが、得られるエネルギーの質は電気に比較すると悪
く冷暖房とお風呂位にしか利用出来ない。

【０００４】この両者を同じ場所で一体化して、太陽エ
ネルギーを先ず太陽電池で発電に利用し、次に電気エネ
ルギーに転換出来なかった太陽エネルギーを、熱エネル
ギーの形で回収して太陽エネルギー収集装置の単位面積
当たりの太陽エネルギーの収集効率を向上させる。それ
と同時に太陽光で暖められた太陽電池の温度を、熱エネ
ルギーとして利用して太陽電池の温度上昇を抑制して、
温度上昇による太陽電池の効率の低下を防止する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、太陽エネ
ルギーを電気エネルギーに変換するための太陽電池を有
する太陽光発電装置と太陽エネルギーを熱エネルギーに
変換する吸熱板を有する太陽熱収集装置とを、吸熱板の
上に太陽電池を配置することによって一体化することで
ある。これによって、電気エネルギーと熱エネルギーを
同時に得ることが出来て、単位面積当たりの太陽エネル
ギー利用効率を高めることができる。

【０００６】太陽電池と吸熱板との間の機械的結合の手
段は使用する太陽電池によって次の２種類の何れかを選
ぶ。太陽電池が太陽光を反射或いは透過させずに殆ど吸
収するタイプのものである場合は、電気エネルギーに変
換されなかった太陽エネルギーは熱エネルギーの形態で
太陽電池を暖める。このような場合は、太陽電池と吸熱
板との機械的結合を、この両者間の熱伝導が良好になる
ように、出来るだけ密にする。例えばこの両者を厚さの
薄い接着剤で結合する。この手段によって、太陽電池の
吸収した熱エネルギーは効率良く吸熱板に伝えられる。
このようにして本発明の太陽エネルギー収集装置は太陽
エネルギーを電気と熱の二つのエネルギー形態に変換し
て効率良く利用できる。

【０００７】また太陽電池は吸熱板を暖めることによっ
て、熱エネルギーを放出して太陽電池自身の温度を下げ
ることができる。太陽電池は温度が低い程効率が良いの
で太陽電池の温度を下げることは太陽電池の効率向上に
役立つ。一方太陽電池から熱エネルギーを貰った吸熱板
はその熱を発電以外の目的、例えば冷水を温水に変える
等の目的に使用される。このようにして太陽エネルギー
の大半は有効に利用される。

【０００８】太陽電池が透明な場合、所謂シースルー
タイプの場合は、発電に利用されなかった太陽光は太陽
電池を通過して吸熱板に行き、そこで熱エネルギーとし
て利用されるようになる。この場合は、太陽光によって
暖められた吸熱板の熱が、直接太陽電池に伝わらないよ
うに太陽電池と吸熱板の間に空間を設ける。

【０００９】第２の発明は、太陽光のエネルギーを効率
良く吸収し、且つ温度の上がった吸熱板から遠赤外線の
形で外部に無駄に放射されるエネルギーを減らすため
に、太陽光のエネルギーの大半を占める可視光は吸収す
るが、暖められた太陽電池或いは吸熱板から放射される
遠赤外線は抑制する、選択吸収膜を利用することであ
る。

【００１０】太陽電池自身が吸熱板の一部を形成してい
る場合は、太陽電池の表面に選択吸収膜を形成する。こ
のようにすると暖められた太陽電池から外部に遠赤外線
の放射の形でエネルギーが失われるのを防ぐことができ
る。

【００１１】シースルーの太陽電池を用いる場合は、吸
熱板は太陽に対して太陽電池の後方に一定の空間を隔て
て設けられるから、この場合の選択吸収膜は太陽電池の
表面ではなくて吸熱板の上に形成する。このようにする
と、太陽光のエネルギーによって高温になった吸熱板か
ら発する遠赤外線の放射が選択吸収膜で抑制されるの
で、太陽電池が吸熱板からの遠赤外線の放射で温度が上
がるのを防ぐことができる。そのようにしないと太陽電
池の温度が上昇して折角のシースルーの効用がなくな
る。

【００１２】第３の発明は、選択フィルターを用いるこ
とである。太陽電池が吸熱板の一部を形成している場合
は、選択吸収膜の代わりに、太陽光のエネルギーの大半
を含んでいる可視光線部分を透過し、太陽電池から放射
される遠赤外線部分を反射する選択フィルターを太陽電
池の前面、即ち太陽電池と太陽との間に設ける。このよ
うにしても選択吸収膜を太陽電池の表面に形成するのと
同じ効果を得ることができる。

【００１３】第４の発明は、空気の対流、熱伝導によっ
て無駄に失われるエネルギーを無くするために、太陽電
池と吸熱板を透明な窓をもっているケース内に収め、こ
のケース内を真空にすることである。これによって、吸
熱板等から熱が、空気によって外部空間に無駄に逃げる
ことがなくなる。又シースルーの太陽電池を使用する場
合、吸熱板と太陽電池との間に僅かに、例えば１ミリメ
ートル位の空間を設けるだけで、温度の上がった吸熱板
から太陽電池に空気によって熱が伝えられることを完全
に阻止できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図面に従って本発明の詳細を説明
する。図１で１は太陽電池、２は吸熱板、３は熱媒体を
通すパイプ、４は筐体、５は熱絶縁体で、（ａ）は正面
図、（ｂ）は断面図である。太陽電池１は吸熱板２の近
傍に太陽に向けて、太陽と吸熱板２の間に設けられる。
吸熱板２には熱伝導の良い材料で造られたパイプ３が吸
熱板２に密着して取り付けられている。

【００１５】パイプ３の中には熱エネルギーを運ぶため
の、水または油のような液体の熱媒体が入っている。筐
体４は、上面が解放されているか、或いは透明な窓で覆
われているか、何れにせよ太陽光が自由に入射できるよ
うに作られている。

【００１６】太陽光は先ず太陽電池１に達してそこで発
電する。この発電によって入射した太陽エネルギーの約
１５％が電気エネルギーに変換される。得られた電気エ
ネルギーは電線を通して外部に運ばれる。電気エネルギ
ーに変換されなかった残りのエネルギーは太陽電池１ま
たは吸熱板２に吸収されて熱エネルギーに変換される。
太陽電池１に吸収された熱エネルギーは吸熱板２に伝え
られる。ついで吸熱板２からパイプ３に伝えられ、パイ
プ３内の熱媒体によって筺体４の外部に運ばれる。太陽
電池１は熱媒体に熱をとられるから、その温度は、その
分低下する。

【００１７】熱絶縁体５は吸熱板２から底部に逃げる熱
を遮断する。パイプ３の中を流れる熱媒体は吸熱板２の
熱を吸収しながら温度を上昇させる。従ってパイプ３の
入口の熱媒体の温度は低く、出口での温度は高い。従っ
て太陽電池１の内、パイプ３の入口近くに位置するもの
は特に冷却効果が大きく高効率で使用できる。

【００１８】図２は本発明の他の実施態様を示す図で、
２１は吸熱板２に接してその背後に設けられた水タンク
であって、水タンク２１内の水は吸熱板２によって暖め
られて温水となる。夏季には６０℃程度に迄温度が上昇
する。この場合水の温度が上昇する迄は水は太陽電池１
の冷却剤として働き太陽電池１の効率向上に役立つ。

【００１９】本発明の太陽エネルギー収集装置は、太陽
電池の表面で反射された太陽光等を除いて太陽光のエネ
ルギーの殆ど全部を電気或いは熱の形で収集する。但し
一旦吸収されたエネルギーのうち、電気エネルギーはそ
の殆どを外部に損失なしに持ち出せるが、熱エネルギー
は伝導や放射によって一部が利用されずに外部に損失と
して逃げる。それでも電気と熱を別々に収集するより遥
かに単位面積当たりのエネルギー収集効率は優れてい
る。更に上述のように太陽電池の温度を、単独に使用し
ているときより下げて使用できるので、太陽電池の効率
を向上させて使用できる長所も有する。

【００２０】図２のものでは、水タンク２１内の水の温
度が水の対流等によってタンク２１内の全域に亙ってほ
ぼ一定になると思われるので、この場合は太陽電池１は
場所的ではなく、時間的にその冷却効果を期待すること
になる。例えば午前中は水温があまり上がらないと予想
されるから、その間は太陽電池１の水による冷却効果が
期待出来る。

【００２１】太陽電池１には、太陽光の殆どを吸収する
タイプのものと、透明度の高いシースルータイプのもの
がある。前者は太陽光のもつエネルギーの殆どを、電気
と熱のエネルギーに転換する。従って太陽光のもとでは
その温度は上昇する。一方太陽電池１は温度が上がると
効率が低下するから、太陽電池１の吸収した熱エネルギ
ーは出来るだけ効率良く外部に吐き出した方が良い。そ
の方法の一例を図３に示す。図３で３１は接着剤であ
る。

【００２２】図３で前者即ち太陽光のもつエネルギーの
殆どを、電気と熱のエネルギーに転換するタイプの太陽
電池１は、吸熱板２に効率良く熱を伝えるために、吸熱
板２の上に密着して設置する。その最も好ましい形は、
図３に示したように、太陽電池１を微小な間隔を隔てて
吸熱板２に接着剤３１を使って密着させることである。

【００２３】図３に示したように少量の接着材３１を介
して太陽電池１を吸熱板２に接着する方法が、両者間の
熱伝導を良好にする良い方法である。この方法によって
太陽電池１の得た熱は効率よく吸熱板２に伝えられる。
換言するとそれだけ太陽電池１の温度上昇は抑制され
る。一方後者即ちシースルータイプのものは、太陽電池
１の吸収する太陽光は少なく、その相当部分は太陽電池
１を透過してしまう。

【００２４】図４はにシースルータイプの太陽電池１に
対する温度上昇抑制方法の例を示す図である。図４で４
１は空間で、４２は太陽電池１の支持体である。図４で
太陽光のエネルギーの内１５％前後のものは太陽電池１
によって電気エネルギーに変換される。変換されなかっ
たエネルギーの大半は、太陽電池１の背後の吸熱板２に
到達して熱エネルギーに変換される。

【００２５】この場合は、太陽光のエネルギーを吸収し
て温度の上がった吸熱板２から太陽電池１に熱伝わって
太陽電池１の温度が上昇しないように、太陽電池１吸熱
板２との間に空間４１を設ける。そうするとこの空間に
ある空気によって吸熱板２から太陽電池１に熱の伝わる
量は、接着剤３１でこの両者が結合されているときより
遙かに少ない。換言すると空間４１を置くことによって
太陽電池１の温度の上昇を押さえることができる。それ
によって太陽電池１の効率を高く保てる。

【００２６】支持体４２は光の透過を許すもの、例えば
透明なフィルム等で作る。

【００２７】他の発明は選択吸収膜を利用する事であ
る。図５はその利用方法の１例を示す。図５で５１は選
択吸収膜である。選択吸収膜５１は太陽光のエネルギー
の殆どを含む可視光線のエネルギーは吸収するが、暖め
られた吸熱板２から放射される遠赤外線の放射は抑制す
る性質をもっている膜である。温度の上がった吸熱板２
等から外部に逃げる無駄な熱のルートは、空気の対流と
伝導によるものと遠赤外線の放射によるものとの二つで
あるが、吸熱板２の温度が１００℃以下ではこの両者は
ほぼ同じ位である。従ってこの損失ルートの一つである
遠赤外線による放射損失を防ぐことは、太陽エネルギー
収集装置としての効率を上げるのには大事なことであ
る。選択吸収膜５１によってこのことが達成される。こ
の場合も太陽光を吸収する不透明のタイプの太陽電池１
と太陽光を殆ど透過させる透明タイプの太陽電池１と
で、対策は二つに分かれる。

【００２８】図５は前者の不透明タイプの太陽電池の場
合の利用方法を示す。図５において、太陽光によって温
度の上昇した太陽電池１或いは吸熱板２からの無駄な熱
損失の一つは、温度の上がった吸熱板２等から周囲に向
かって行われる遠赤外線の放射によって起こる。例えば
吸熱板２の温度が７０℃のときは周囲温度３０℃の筐体
４に対して行われる放射損失は、この両者の放射率がと
もに０．９としたときには、毎平方センチメートル当り
約２７ｍＷになり、毎平方センチメートル当り６０〜７
０ｍＷと推定される入射太陽エネルギーに対して、無視
できない損失となる。それ故、この損失を防ぐために選
択吸収膜５１を利用する。

【００２９】太陽熱収集用に開発された選択吸収膜５１
は、太陽光の大半のエネルギーの存在する可視光と波長
２ミクロン以下の近赤外線の領域ではその殆どを吸収
し、１００℃以下位の吸熱板２等からの遠赤外線に対し
てはその放射のほぼ９０％を抑制する。換言すれば、遠
赤外線の放射率は０．１位になる。

【００３０】それ故太陽電池１の上または吸熱板２の上
に選択吸収膜５１を形成すると、太陽光のエネルギーは
効率よく吸収するが、吸熱板２自身が放射するエネルギ
ーは抑制される。商用化されている選択吸収膜５１の遠
赤外線領域での放射率は一般的には０．１位であるか
ら、前述の例の場合、７０℃の吸熱板２が３０℃の周囲
に放射する量は、毎平方センチメートル当り３ｍＷ位に
なる。放射に関して言えば、選択吸収膜５１を採用する
ことによって、７０℃の吸熱板２が恰も３５℃の吸熱板
２のように振る舞うということである。

【００３１】図６はシースルータイプの太陽電池１に対
する選択吸収膜５１の利用方法を示す図である。図６の
場合太陽電池１は一定の空間を置いて吸熱板２と対して
いる。太陽光は太陽電池１を通過するときに発電作用で
電気を起こし、そのエネルギーの１５％前後を失いその
残りのうち大部分は太陽電池１を透過し吸熱板２に達し
て、ここで吸収されて熱エネルギーになる。

【００３２】太陽エネルギーによって温度の上昇した吸
熱板２から太陽電池１に放射によって熱が伝えられない
ように、この場合は図５の場合と違って選択吸収膜５１
は太陽電池１の上には設けられず、吸熱板２の上に形成
される。それによって、吸熱板２は発電に利用されなか
った太陽エネルギーを吸収し温度を上げる。

【００３３】温度の上がった吸熱板２から外部に無駄に
エネルギーを逃がさない目的と、同時に吸熱板２から太
陽電池１へ放射による伝熱が行われ太陽電池１の温度が
上がることを防いで、太陽電池１の温度上昇による効率
低下を防ぐ目的をもって、選択吸収膜５１が吸熱板２の
上に形成される。これによって、吸熱板２の温度が高温
になっても、放射に関しては、上述の例のように、吸熱
板２は恰も低温であるかのように振る舞う。そして太陽
電池１の温度上昇はそれだけ抑制され効率の低下は防止
される。

【００３４】図７は他の発明である選択フィルターの利
用方法を示す。図７で７１は選択フィルターである。選
択フィルター７１は太陽光のエネルギーの大半を占める
可視光は通過させ、温度の上がった吸熱板２等から放射
される遠赤外線は反射すると言う性質を持つものであ
る。この方法は、太陽光の大半を吸収する不透明タイプ
の太陽電池１を使用した時に利用できる。

【００３５】不透明タイプの太陽電池１に対してこのよ
うな選択フィルター７１を利用すると、太陽電池１の上
に選択吸収膜５１を形成するのと殆ど同じ効果を発揮で
きる。しかし透明タイプの太陽電池１を使う場合は、図
６の場合の吸熱板２の上に選択吸収膜５１を形成する場
合より劣る。何故ならこの場合吸収したエネルギーを外
部に放射によって逃がすことを防ぐ点では、図６の選択
吸収膜５１と同じ作用をもつが、吸熱板２から太陽電池
１への放射による熱の伝達を防ぐことはできないからで
ある。

【００３６】選択吸収膜５１の性質は前述のように可視
光の領域ではその光の持つエネルギーの大半を吸収する
が、赤外光の領域では吸収が悪くなる。換言すれば、赤
外光は反射する。従って選択吸収膜を利用する場合は、
それと組み合わせて使用する太陽電池には、その感度の
良い領域が波長の短い領域にある型のものを使用するの
が良い。換言すると赤色の所に高感度領域があるものよ
り、青色の所に高感度領域があるものを使用するほうが
望ましい。選択フィルターを利用する場合も同じ理由で
青色の所に最大感度のある型のものを使用するのが良
い。

【００３７】図８は効率を上げるための他の発明を示
す。図８で８１は密閉筐体で、８２は透明な材料で作ら
れた窓で、８３は吸熱板２を支持する柱である。

【００３８】太陽エネルギーで暖められた吸熱板２から
の熱の無駄な逃げ道は前述のように放射によるものと、
周囲の空気の対流と伝導によるものとである。１００℃
以下の範囲ではこの両者にあまり大きい差はない。換言
すればどちらのルートを遮断するのも同じ位重要であ
る。空気による損失を無くするのは、太陽電池１と吸熱
板２とを一体化したものを密閉容器に入れて容器内を真
空にすることによって実現できる。それ故筐体８１内を
真空に保つようにする。

【００３９】シースルータイプの太陽電池１の場合は特
に有効である。図８で太陽電池１と吸熱板２との間の空
間は僅か１ｍｍ位でも、真空にすれば空気による伝熱は
完全に防げる。図９は真空と選択吸収膜５１の両者を同
時に採用した場合の一例で、上述のような理由から最も
効率の良い太陽エネルギー収集装置を得ることが出来
る。この場合は真夏は勿論、真冬でも吸熱板２の温度を
１００℃以上に上げることは容易である。従って暖房を
行えるだけでなく、吸収型冷房機によって効率良く冷房
を行うこともできる。

【００４０】

【発明の効果】本発明により、太陽エネルギー収集装置
の単位面積当たりの吸収エネルギーの増大が得られ、電
気エネルギーと熱エネルギーの二つの形のエネルギーが
同時に得られ、熱エネルギーによる冷暖房と電気エネル
ギーによる照明等の両方の利用分野に効率よく太陽エネ
ルギーが利用出来てその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施形態を示す正面図、（ｂ）同じく断面図である。

【図２】本発明のための実施形態を示す断面図

【図３】太陽電池と吸熱板との結合方法を示す断面

【図４】太陽電池と吸熱板との他の結合方法を示す断面
図

【図５】選択吸収膜を利用した本発明の太陽エネルギー
収集装置

【図６】選択吸収膜の他の実施形態を示す図

【図７】選択フィルターを利用した他の実施形態を示す
図

【図８】真空を利用した実施形態を示す図

【図９】選択吸収膜と真空を利用した実施形態を示す図

【符号の説明】

１太陽電池２吸熱板３パイプ４筐体５１選択吸収膜７１選択フィルター８１密閉筺体８２透明窓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽エネルギーを変換して熱エネルギー
に変える吸熱板と太陽エネルギーを変換して電気エネル
ギーに変える太陽電池とを一体として構成したことを特
徴とする太陽エネルギー収集装置。
【請求項２】太陽電池を吸熱板に密着して取り付けた
ことをを特徴とする請求項１の太陽エネルギー収集装
置。
【請求項３】太陽電池と吸熱板との間に熱絶縁のため
の空間を設けたことを特徴とする請求項１の太陽エネル
ギー収集装置
【請求項４】太陽電池の表面に選択吸収膜を形成した
ことを特徴とする請求項２の太陽エネルギー収集装置。
【請求項５】吸熱板の表面に選択吸収膜を形成したこ
とを特徴とする請求項３の太陽エネルギー収集装置。
【請求項６】太陽電池の前面に可視光を通過させ赤外
線を反射する選択フィルターを設けたことを特徴とする
請求項２の太陽エネルギー収集装置
【請求項７】吸熱板と太陽電池とからなる部分を透明
の窓をもつケースに入れて、ケース内を真空にしたこと
を特徴とする請求項１の太陽エネルギー収集装置。
【請求項８】吸熱板の表面に選択吸収膜を形成したこ
とを特徴とする請求項７の太陽エネルギー収集装置。
【請求項９】太陽電池或いは吸熱板の上に選択吸収膜
を形成し、吸熱板と太陽電池とからなる部分を透明の窓
をもつ密閉筐体に入れて、密閉筺体内を真空にしたこと
を特徴とする請求項１の太陽エネルギー収集装置。