WO2021002145A1 - 太陽光発電システム用の冷却システム - Google Patents

Abstract

太陽光発電システムが有する発電素子の効率的な冷却を可能にするとともに、冷却によって発電素子から回収された熱の効率的な再利用を可能とすることができる冷却システムを提供する。太陽光発電システムが有する発電素子（１１）を冷却する冷却システム（１０）であって、フロン類からなる冷却用冷媒が循環する循環経路（１２）と、冷却用冷媒を循環経路（１２）内において循環させる冷媒ポンプ（１３）と、冷媒ポンプ（１３）の下流側であって、循環経路（１２）において蒸発器として機能する発電素子（１１）の上流側に設けられた流量調節弁（１４）と、発電素子（１１）との間で熱交換された冷却用冷媒から熱を回収する熱交換器（１５）と、を有する。

Description

太陽光発電システム用の冷却システム

　本発明は、太陽光発電システムが有する発電素子を冷却する冷却システムに関する。

　近年、環境問題への取り組みが盛んに行われており、自然エネルギーの活用が注目されている。自然エネルギーである太陽光を電力に変換する発電方式である太陽光発電システムにおいて、発電効率を高くするために、レンズや鏡などを利用して集光倍率を大きくすることが行われている。

　発電素子の大きさをそのままに集光倍率を高めると省コストが図れるが、発電素子の温度が高くなり焼損等の不具合の発生が懸念される。

　そこで、特に集光型の太陽光発電システムにおいては、発電素子を冷却することが必要となる。その際、発電素子の冷却効率が、太陽光発電システムの発電効率に影響するため、効率的な冷却システムが求められる。

　従来、発電素子の冷却システムとして、空冷や水冷によるものが提案されている。しかし、空冷式の冷却システムは、回収した熱の再利用が困難である。

　水冷式の冷却システムは、冷却性能を高めるためには、冷媒としての大量の水と、これを冷却する大型の熱交換器が必要となる。そのため、冷却システム自体が大型で複雑な構造となり、コスト増につながるという問題があった。

　なお、本発明の従来技術となる上述した冷却システムについて適当な先行技術文献が発見できなかったため、特許文献等の先行技術文献は示さない。

　本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、太陽光発電システムが有する発電素子の効率的な冷却を可能にするとともに、冷却によって発電素子から回収された熱の効率的な再利用を可能とすることができる冷却システムを提供することを目的とする。

　上述の目的を達成するための本発明に係る冷却システムの特徴構成は、太陽光発電システムが有する発電素子を冷却する冷却システムであって、冷却用冷媒が循環する循環経路と、前記冷却用冷媒を前記循環経路内において循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプの下流側であって、前記循環経路内において蒸発器として機能する前記発電素子の上流側に設けられた流量調節弁と、前記発電素子との間で熱交換された前記冷却用冷媒から熱を回収する熱交換器と、を有する点にある。

　上述の構成によると、太陽光から発電した際に発電素子に生じる熱を冷却用冷媒と熱交換させて熱交換器によって回収することによって、太陽光による発電のみならず熱を得ることができるため総合的なエネルギー変換率を向上させることができる。

　ところで、発電素子は低温に冷却されるほど発電効率は高くなる。しかし、発電素子を冷却した後の冷却用冷媒の有する熱を回収する観点からは、発電素子の冷却後の冷却用冷媒の温度は高いほうが好ましい。したがって、発電量と熱回収量とを最大化することが重要である。

　なお、従来のような水冷式の冷却システムにおいては、大気圧下において水の沸点は１００℃であるため、冷却用冷媒としての水は１００℃以下である必要があり、したがって発電素子の冷却後であっても水の温度が１００℃以下である必要がある。

　本発明に係る冷却システムにおいては、直膨式が採用されており、蒸発潜熱によって冷却を行うことができるため、従来の空冷や水冷のような顕熱によって冷却を行うものに比べて冷却効率が優れ、したがって必要な冷却用冷媒の量を少なくすることができる。

　また、直膨式は、適当な冷却用冷媒を選定することで冷却用冷媒の温度を１００℃以上とすることも可能であり、熱回収量を増やすことができるため熱交換効率が高く、したがって熱交換器の小型化が可能となる。このため、フロン類からなる冷却用冷媒を用いた冷却システムは、冷却用冷媒が空気や水である冷却システムに比べて、省スペース化が可能となる。

　なお、冷却システムとしては、冷却用冷媒が、蒸発器として機能する発電素子、圧縮機、熱交換器として機能する凝縮器、膨張弁、と循環して再び発電素子へと至る構成も考えられる。しかし、本発明に係る冷却システムにおいては、冷却用冷媒が、蒸発器として機能する発電素子、熱交換器として機能する凝縮器、冷媒ポンプ、流量調節弁、と循環して再び発電素子へと至る構成を採用することができるため、同じ凝縮温度であっても、循環経路に圧縮機を有する構成に比べて、蒸発温度を高くすることができる。

　すなわち、凝縮温度を調節することによって、太陽光発電システムの発電効率が良好となる冷却温度（蒸発温度）を達成することができる。

　蒸発温度の調節が可能となるため、発電素子から回収された排熱の利用を考慮した際に、冷却用冷媒が空気や水の場合に比べて、排熱の温度の制御幅を広くすることができる。したがって、回収された排熱の利用方法が広い。

　また、排熱の温度の制御幅が広いことから、冷却システムは、発電の効率化を優先させる、熱回収の効率化を優先させる、発電量及び熱回収量の最大化を優先させる、といったように太陽光から得られるエネルギーの利用方法を自在に制御することができる。

　本発明においては、前記熱交換器は、前記冷却用冷媒と、当該冷却システム外の系における水、空気又は冷媒との間で熱交換可能に構成されていると好適である。

　上述の構成によると、凝縮器を通過する冷却用冷媒と、当該冷却システム外の系における水、空気又は冷媒との間で熱交換をすることによって、当該冷却システム外の系における水、空気又は冷媒を加熱し利用することができる。

　本発明においては、前記熱交換器が凝縮器であると好適である。

　上述の構成によると、冷却用冷媒が循環経路を蒸発器として機能する発電素子、凝縮器、冷媒ポンプ、流量調節弁、と循環して再び発電素子へと至る冷却システムとすることができる。

　本発明においては、当該冷却システム外の系は、空調空間から吸引した空気を外部へ排出する排気系と、外部から吸引した空気を除湿して前記空調空間に供給する給気系と、前記排気系及び前記給気系を横断して配置される除湿ロータと、を備え、前記除湿ロータによって、前記給気系において除湿対象の空気から水分を吸収し、前記排気系において放出することを繰り返すことによって、前記空調空間には除湿された空気が供給されるように構成されたデシカント空調システムであって、前記排気系は、前記除湿ロータの上流側に第一プレヒータ及び第二プレヒータを備え、前記給気系は、前記除湿ロータの上流側にプレクーラを備えるとともに、前記除湿ロータの下流側に少なくとも第一アフタクーラを備え、前記冷媒としての空調用冷媒が循環する空調システム用循環経路と、前記空調システム用循環経路内において循環する前記空調用冷媒を圧縮する圧縮機と、前記空調用冷媒の熱と前記冷却用冷媒の熱とを熱交換することによって、前記空調用冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器の下流側に設けられた膨張弁と、を有し、前記プレクーラ又は前記第一アフタクーラの少なくともいずれかは、前記膨張弁の下流側に設けられた、空調システム用蒸発器として機能するように構成されたデシカント空調システムから構成され、前記第二プレヒータが前記熱交換器として機能し、前記発電素子との間で熱交換された前記冷却用冷媒と、前記第二プレヒータを通過する空気との間で熱交換可能に構成され、前記第二プレヒータとの間で熱交換を終えた前記冷却用冷媒は、前記空調システム用蒸発器から前記圧縮機へと至る前記空調用冷媒との間で熱交換可能に構成され、前記空調用冷媒との間で熱交換を終えた前記冷却用冷媒は、前記凝縮器との間で熱交換可能に構成されていると好適である。

　上述の構成によると、発電素子の冷却で回収した排熱によって第二プレヒータを通過する空気を加熱することできる。したがって、デシカント空調システムの除湿ロータの乾燥のために必要なエネルギーを補うことができる。

　第二プレヒータを通過する空気を加熱した後の冷却用冷媒と、デシカント空調システムが有する、前記プレクーラ又は前記第一アフタクーラの少なくともいずれかから圧縮機へと至る空調用冷媒との間で熱交換をさせることができるため、凝縮器を通過する空調用冷媒の冷却のための冷却用冷媒の温度を低くすることができる。

　本発明においては、前記デシカント空調システムは、前記除湿ロータと前記第一アフタクーラとの間に、第二アフタクーラを備え、前記第二アフタクーラを通過する空気は、前記流量調節弁から前記発電素子に至る前記冷却用冷媒との間で熱交換可能に構成されていると好適である。

　上述の構成によると、前記流量調節弁を通過した冷却用冷媒の熱によって、第二アフタクーラを通過する空気を冷却することができ、したがって、凝縮器から発電素子へと至る冷却用冷媒を加熱することができる。必要に応じて当該熱交換を行い、発電素子へと至る冷却用冷媒の温度を制御することによって、発電素子における蒸発温度の制御をすることができる。

　本発明においては、前記圧縮機から前記凝縮器へと至る前記空調用冷媒は、前記第一プレヒータを通過する空気との間で熱交換可能に構成されていると好適である。

　上述の構成によると、圧縮機で圧縮されて凝縮器へと至る空調用冷媒の熱によって第一プレヒータを通過する空気を加熱することできる。したがって、デシカント空調システムの除湿ロータの加熱のために必要なエネルギーを補うことができる。

図１は、本発明に係る冷却システムの説明図である。 図２は、図１の冷却システムのモリエル線図である。 図３は、別実施形態に係る冷却システムの説明図である。 図４は、別実施形態に係る冷却システムの説明図である。 図５は、別実施形態に係る冷却システムの説明図である。

　以下に、本発明に係る冷却システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。

　図１には、冷却システム１０が示されている。冷却システム１０は、太陽光発電システムが有する発電素子１１を冷却するためのものであって、例えばフロン類からなる冷却用冷媒が循環する循環経路１２と、冷却用冷媒を循環経路１２内において循環させる冷媒ポンプ１３と、冷媒ポンプ１３の下流側であって、発電素子１１の上流側に設けられた流量調節弁１４と、発電素子１１との間で熱交換された冷却用冷媒から熱を回収する熱交換器１５と、を有する。この系において発電素子１１は蒸発器として機能する。なお、冷却用冷媒はフロン類に限らず、水やアンモニア等の自然冷媒であってもよい。

　図２には、図１に示す冷却システム１０のモリエル線図が示されている。熱交換器１５において冷却用冷媒は液化され（ａ→ｂ）、その際、熱は外部に放出される。その後、冷却用冷媒は冷媒ポンプ１３により昇圧される（ｂ→ｃ）。その後、冷却用冷媒は、流量調節弁１４において液体のまま降圧される（ｃ→ｄ）。その後、冷却用冷媒は、発電素子１１において発電素子１１からの熱を吸収して蒸発し気化され（ｄ→ａ）、熱交換器１５に還流される。冷却用冷媒はこのように循環経路１２を循環する。

　本実施形態において、熱交換器１５は、凝縮器から構成され、循環経路１２を循環する冷却用冷媒と、冷却システム１０外の系における水、空気又は冷媒との間で熱交換可能に構成されている。

　例えば、図３に示すように、熱交換器１５は冷却用冷媒と、温水蓄熱槽２０の温水との間で熱交換をすることができる。昼間に発電素子１１から回収した熱によって温水蓄熱槽２０の水を温め、例えば夜間の暖房や給湯に利用することができる。したがって、暖房や給湯のエネルギーコスト削減が可能になる。

　また、図４に示すように、熱交換器１５は冷却用冷媒と、外気との間で熱交換をすることができる。発電素子１１から回収した熱によって空気を温め、例えば暖房や乾燥工程に利用することができる。電気ヒータなどを用いて行っていた暖房や乾燥工程のエネルギーコスト削減が可能になる。

　さらに、図５に示すように、熱交換器１５は冷却用冷媒と、デシカント空調システム１００との間で熱交換をすることができる。

　冷却システム１０とデシカント空調システム１００との間の熱交換の説明にあたり、まず、デシカント空調システム１００について説明する。

　デシカント空調システム１００は、空調空間１０１内の空気を排気するとともに、外気を除湿、冷却して空調空間１０１に供給するデシカント空調機１０２と、これを駆動する駆動システム１０３とを備えている。

　デシカント空調機１０２のハウジング１０４には、空調空間１０１から吸引した空気を外部へ排出する排気系１０５と、外部から吸引した空気を除湿して空調空間１０１に供給する給気系１０６と、排気系１０５及び給気系１０６を横断して配置される除湿ロータ１０７と、が備えられている。

　排気系１０５は、除湿ロータ１０７の下流側に排気ファン１０８を備えるとともに、除湿ロータ１０７の上流側に第一プレヒータ１０９、第二プレヒータ１１０及び加熱器１１１を備えている。給気系１０６は、除湿ロータ１０７の上流側にプレクーラ１１２を備えるとともに、除湿ロータ１０７の下流側に第一アフタクーラ１１３及び第二アフタクーラ１１４を備え、さらにプレクーラ１１２と除湿ロータ１０７との間に給気ファン１１５を備えている。

　除湿ロータ１０７は、給気系１０６において除湿対象の空気から吸収した水分を、排気系１０５において放出することを繰り返すことによって、空調空間１０１に供給される空気の除湿を行うように構成されている。

　このデシカント空調機１０２を駆動させる駆動システム１０３は、冷却システム１０外の系における冷媒としての空調用冷媒が循環する空調システム用循環経路１１６と、空調システム用循環経路１１６内において循環する空調用冷媒を圧縮する圧縮機１１７と、空調用冷媒の熱と冷却システム１０の冷却用冷媒の熱とを熱交換することによって空調用冷媒を凝縮する凝縮器１１８と、凝縮器１１８の下流側に設けられた膨張弁１１９と、を有している。なお、凝縮器１１８は、冷却システム１０における蒸発器としても機能する。

　発電素子１１において太陽光から吸収する熱量と、空調空間１０１の除湿負荷とのバランスによっては、空調用冷媒が凝縮器１１８で凝縮しきれない場合がある。このような場合のために凝縮器１１８と膨張弁１１９との間に補助的な凝縮器を設けてもよく、この補助的な凝縮器によって空調用冷媒の有する熱を系外に放熱することも可能である。

　プレクーラ１１２及び第一アフタクーラ１１３は、膨張弁１１９の下流側に設けられた、空調システム用蒸発器として機能する。

　以上のように構成された冷却システム１０とデシカント空調システム１００との間の熱交換の説明をする。

　冷却システム１０の発電素子１１との間で熱交換された冷却用冷媒は、第二プレヒータ１１０を通過する空気との間で熱交換可能に構成されている。したがって、第二プレヒータ１１０が、冷却システム１０における熱交換器１５として機能する。

　第二プレヒータ１１０との間で熱交換を終えた冷却用冷媒は、空調システム用循環経路１１６に備えられた熱交換器１２０において、プレクーラ１１２及び第一アフタクーラ１１３からそれぞれ圧縮機１１７へと至る空調用冷媒との間で熱交換可能に構成されている。

　冷却システム１０においては、熱交換器１２０によって空調用冷媒との間で熱交換を終えた冷却用冷媒が、冷媒ポンプ１３によって、流量調節弁１４を介して凝縮器１１８に供給される。凝縮器１１８において空調用冷媒との間で熱交換を終えた冷却用冷媒は、その後発電素子１１に供給され、冷却システム１０の発電素子１１との間で熱交換される。

　なお、循環経路１２は、流量調節弁１４から、凝縮器１１８を介して発電素子１１に至る経路の途中に分岐路１６を有し、分岐路１６を流れる冷却用冷媒と第二アフタクーラ１１４を通過する空気との間で熱交換可能に構成されている。なお、分岐路１６には、流量調節弁が設けられている。

　なお、圧縮機１１７から凝縮器１１８へと至る空調用冷媒は、第一プレヒータ１０９を通過する空気との間で熱交換可能に構成されている。

　なお、不図示であるが、デシカント空調システム１００は、冷却システム１０から必要な放熱量に応じて、上記構成以外の不図示の熱交換器を適宜有することができる。

　以上のように、太陽光発電システムが有する発電素子１１の効率的な冷却を可能にするとともに、冷却によって発電素子１１から回収された熱の効率的な再利用を可能とすることができるようになった。

　上述した実施形態は、いずれも本発明の一例であり、当該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲において適宜変更設計可能である。

１０　　：冷却システム
１１　　：発電素子
１２　　：循環経路
１３　　：冷媒ポンプ
１４　　：流量調節弁
１５　　：熱交換器
１００　：デシカント空調システム
１０１　：空調空間
１０５　：排気系
１０６　：給気系
１０７　：除湿ロータ
１０９　：第一プレヒータ
１１０　：第二プレヒータ
１１２　：プレクーラ
１１３　：第一アフタクーラ
１１４　：第二アフタクーラ
１１６　：空調システム用循環経路
１１７　：圧縮機
１１８　：凝縮器
１１９　：膨張弁
１２０　：熱交換器
 

Claims (6)

1. 　太陽光発電システムが有する発電素子を冷却する冷却システムであって、
   　冷却用冷媒が循環する循環経路と、
   　前記冷却用冷媒を前記循環経路内において循環させる冷媒ポンプと、
   　前記冷媒ポンプの下流側であって、前記循環経路内において蒸発器として機能する前記発電素子の上流側に設けられた流量調節弁と、
   　前記発電素子との間で熱交換された前記冷却用冷媒から熱を回収する熱交換器と、を有することを特徴とする冷却システム。
2. 　前記熱交換器は、前記冷却用冷媒と、当該冷却システム外の系における水、空気又は冷媒との間で熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 　前記熱交換器が凝縮器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 　当該冷却システム外の系は、
   　空調空間から吸引した空気を外部へ排出する排気系と、外部から吸引した空気を除湿して前記空調空間に供給する給気系と、前記排気系及び前記給気系を横断して配置される除湿ロータと、を備え、前記除湿ロータによって、前記給気系において除湿対象の空気から水分を吸収し、前記排気系において放出することを繰り返すことによって、前記空調空間には除湿された空気が供給されるように構成されたデシカント空調システムであって、
   　前記排気系は、前記除湿ロータの上流側に第一プレヒータ及び第二プレヒータを備え、
   　前記給気系は、前記除湿ロータの上流側にプレクーラを備えるとともに、前記除湿ロータの下流側に少なくとも第一アフタクーラを備え、
   　前記冷媒としての空調用冷媒が循環する空調システム用循環経路と、
   　前記空調システム用循環経路内において循環する前記空調用冷媒を圧縮する圧縮機と、
   　前記空調用冷媒の熱と前記冷却用冷媒の熱とを熱交換することによって、前記空調用冷媒を凝縮する凝縮器と、
   　前記凝縮器の下流側に設けられた膨張弁と、を有し、
   　前記プレクーラ又は前記第一アフタクーラの少なくともいずれかは、前記膨張弁の下流側に設けられた、空調システム用蒸発器として機能するように構成されたデシカント空調システムから構成され、
   　前記第二プレヒータが前記熱交換器として機能し、前記発電素子との間で熱交換された前記冷却用冷媒と、前記第二プレヒータを通過する空気との間で熱交換可能に構成され、
   　前記第二プレヒータとの間で熱交換を終えた前記冷却用冷媒は、前記空調システム用蒸発器から前記圧縮機へと至る前記空調用冷媒との間で熱交換可能に構成され、
   　前記空調用冷媒との間で熱交換を終えた前記冷却用冷媒は、前記凝縮器との間で熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
5. 　前記デシカント空調システムは、前記除湿ロータと前記第一アフタクーラとの間に、第二アフタクーラを備え、
   　前記第二アフタクーラを通過する空気は、前記流量調節弁から前記発電素子に至る前記冷却用冷媒との間で熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
6. 　前記圧縮機から前記凝縮器へと至る前記空調用冷媒は、前記第一プレヒータを通過する空気との間で熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の冷却システム。
    

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