ハイブリッド発電システム
【課題】簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池７と、太陽電池パネル３１と、貯湯タンク１を備えるとともに、貯湯タンク１と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器３２を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４および３６を設ける。これにより、貯湯タンク１の水を用いて太陽電池パネル３１を冷却することで、夏期等においても太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンク１の水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。
【解決手段】燃料電池７と、太陽電池パネル３１と、貯湯タンク１を備えるとともに、貯湯タンク１と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器３２を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４および３６を設ける。これにより、貯湯タンク１の水を用いて太陽電池パネル３１を冷却することで、夏期等においても太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンク１の水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と太陽電池を用いて発電を行うとともに、これらの排熱を回収利用して温水を生成するハイブリッド発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成する燃料電池は、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないため、クリーンな発電装置として期待されている。特に、燃料電池の発電時に発生する排熱も回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。そして、燃料電池の排熱を回収利用する方法としては、熱回収用の熱交換器を用いて、貯湯タンクの水を加熱し、温水として利用するのが一般的である。
【０００３】
一方、太陽電池を用いて太陽光から光電変換により直接電気エネルギーを生成する太陽光発電システムも、二酸化炭素の排出がないクリーンな発電装置として、家庭用を中心に近年普及が進んでいる。
【０００４】
このような太陽光発電システムと燃料電池コージェネレーションシステムの双方を家庭に設置し、省エネ性のより一層高いハイブリッド発電システムとして複合的に活用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、太陽光による発電は主に日中の電力供給に利用し、燃料電池は日中の太陽電池の補完および夜間の電力供給に加え、燃料電池の排熱を回収することによって得られた温水を給湯や風呂・暖房に利用することが多い。
【０００５】
図７に示すように、従来のハイブリッド発電システムは、例えば、太陽電池パネル３１、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２から構成される。太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、一般に、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【０００６】
また、ハイブリッド発電システムには、図７に示すように、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３で順次環状に連接することにより、熱回収経路が形成されている。一方、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【０００７】
燃料電池７が発電時に発生する排熱は、冷却水に回収される。この冷却水は、冷却水循環ポンプ５により、熱回収用熱交換器４に搬送され、ここで貯湯タンク１からの水が加熱される。貯湯タンク１内の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路８を循環し、熱回収用熱交換器４で燃料電池７の冷却水などにより加熱されて、再び貯湯タンク１に貯えられる。
【０００８】
なお、ハイブリッド発電システムは、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯と
が、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３４１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、例えば、夏期等においては、太陽電池パネルの表面温度が上がるため、太陽電池素子の光から電気へのエネルギー変換効率が下がり、省エネ性が低下するという課題がある。また、燃料電池の排熱のみで温水の生成を行うため、燃料電池発電に対して太陽光発電の利用比率が高くなると、家庭の給湯負荷に対して十分な湯量が確保できない可能性があるという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明のハイブリッド発電システムは、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。
【００１３】
これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構成で、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図３】本発明の実施の形態３におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態４におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図５】本発明の実施の形態５におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図６】本発明の実施の形態６におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図７】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えたハイブリッド発電システムであって、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を
抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、太陽電池パネルの発電電力量を検出し、検出された発電電力量が所定値よりも小さいときは、パネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽電池パネルの発電電力量が小さく、太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明において、太陽電池パネルの表面温度を検出し、検出された表面温度が所定値よりも低いときは、パネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽電池パネルの表面温度が低く、太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００１９】
第４の発明は、第１の発明において、パネル熱交換器の入口および出口の水温を検出し、その検出された温度差が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、パネル熱交換器の入出口の水温を比較することで、容易に、太陽熱を有効に利用できるか否かを判断できる。万一、太陽熱を有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００２０】
第５の発明は、第１の発明において、パネル熱交換器からの熱回収後の温水と貯湯タンクからの水とを所定温度に調整する混合弁を設け、熱回収用熱交換器に流入する水の温度を所定温度以下に制御するものである。これにより、燃料電池の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、省エネかつ信頼性の向上を図ることができる。
【００２１】
第６の発明は、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路に熱回収用熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。さらに、燃料電池による発電が停止している場合は、熱回収用熱交換器への流入を回避し、貯湯水の放熱によるエネルギーロスや、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００２２】
第７の発明は、第６の発明において、パネル熱交換器の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。
夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器をバイパスする太陽電池パネル側の経路に切り換える。これにより、システムの安定運転を維持できるとともに、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができるため、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の構成と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００２６】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００２７】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００２８】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００２９】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００３０】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、パネル熱交換器３２を迂回するバイパス配管３５が設けられ、さらに、パネル熱交換器３２およびバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６が設けられている。各々のパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６は、例えば、電
磁弁で構成され、通常発電時は、パネル切換手段３４を開放し、バイパス切換手段３６を閉塞した状態とする。また、電力変換装置２４には、太陽電池パネル３１の発電電力量を検出する電力計２５が設けられている。
【００３１】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。
【００３２】
本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００３３】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。よって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００３４】
さらに、電力計２５により検出される太陽電池パネル３１による発電電力量が所定値よりも小さいときは、パネル切換手段３４を閉塞し、バイパス切換手段３６を開放することで、貯湯水の経路をパネル熱交換器３２のバイパス経路に切り換える。夜間や雨天・曇天時のような日照量が少ない時は、太陽光による発電量はきわめて小さくなる。このような太陽光による発電、ひいては太陽熱による貯湯を十分有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切換え、燃料電池７の排熱のみを利用する経路に切り換える。こうすることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。すなわち、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００３５】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００３７】
図２に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１の表面温度を検出する表面温度検出手段２６を備え、太陽電池パネル３１の表面温度が所定値よりも低いときは、貯湯水経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切り換えるように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３８】
太陽電池パネル３１の表面温度が比較的低い場合は、発電効率の顕著な低下は見られない。また、パネル熱交換器３２による太陽熱の回収量も限定される。特に、冬期の外気温が低い場合は、貯湯タンク１からの貯湯水を放熱させ、かえって冷却させてしまう場合も想定される。本実施の形態では、太陽電池パネル３１の表面温度が所定値よりも低い、例えば、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽光や太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切換え、
燃料電池７の排熱のみを利用する経路に切り換える。こうすることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。したがって、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００３９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、パネル熱交換器３２の入口および出口の水温を検出する熱交入口温度検出手段２７および熱交出口温度検出手段２８を備え、これらで検出される温度の差が所定値よりも小さいときは、貯湯水経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切り換えるように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
パネル熱交換器３２の入出口の水温を比較することで、容易に、パネル熱交換器３２により太陽熱を十分回収できたか否かを直接判断することができる。万一、太陽熱を有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器３２をバイパスする燃料電池７側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。したがって、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００４２】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４３】
図４に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、熱回収用熱交換器４に流入する水温を検出する給水温度検出手段３８を設けるとともに、パネル熱交換器３２からの熱回収後の温水と貯湯タンク１からの水とを所定温度に調整する混合弁３７を設け、熱回収用熱交換器４に流入する水の温度を所定温度以下に制御するように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４４】
燃料電池７において安定した発電性能を確保するためには、冷却水により燃料電池７を一定温度に保持することが必要である。本実施の形態によれば、混合弁３７を用いて、パネル熱交換器３２で加熱された温水に、貯湯タンク１からの水を混合させ、熱回収用熱交換器４に流入する水温を一定の温度に調整することができる。したがって、燃料電池７の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、システムの省エネ性と信頼性の向上を図ることができる。
【００４５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４６】
図５に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００４７】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は
、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００４８】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００４９】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００５０】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００５１】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、熱回収用熱交換器４を迂回するバイパス経路４１が設けられ、さらに、熱回収用熱交換器４およびバイパス経路４１への通水を切り換える熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３が設けられている。各々の熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３は、例えば、電磁弁で構成され、通常発電時は、熱交換器切換手段４２を開放し、バイパス切換手段４３を閉塞した状態とする。また、パネル熱交換器３２の出口側には、貯湯水の温度を検出する熱交出口温度検出手段４４が設けられている。
【００５２】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。
【００５３】
本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００５４】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。よって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、燃料電池７による発電が停止している場合において、熱
回収用熱交換器４への高温の貯湯水の流入を回避することができる。これによれば、常温の熱回収用熱交換器４を高温の貯湯水が流れるときに起こるような放熱ロスを回避することができる。また、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制することができる。
【００５６】
さらに、パネル熱交換器３２の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器４をバイパスする経路４１に切り換えるものである。夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器３２により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器３２の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池７の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池７を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器４をバイパスする経路に切り換える。これにより、システムの安定運転を維持できるとともに、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができるため、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００５７】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００５８】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００５９】
図６に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００６０】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００６１】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００６２】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００６３】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００６４】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、パネル熱交換器３２を迂回するバイパス経路と、熱回収用熱交換器４を迂回するバイパス経路４１が設けられている。さらに、パネル熱交換器３２およびバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６、熱回収用熱交換器４およびバイパス経路４１への通水を切り換える熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３が設けられている。各々のパネル切換手段３４、バイパス切換手段３６、熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３は、例えば、電磁弁で構成され、通常時は、パネル切換手段３４および熱交換器切換手段４２を開放し、バイパス切換手段３６および４３を閉塞した状態とする。また、パネル熱交換器３２の出口側には、貯湯水の温度を検出する熱交出口温度検出手段４４が設けられている。さらに、熱回収用熱交換器４の入口側には、流入する水温を検出する給水温度検出手段３８が設けられるとともに、パネル熱交換器３２からの熱回収後の温水と貯湯タンク１からの水とを所定温度に調整する混合弁３７が設けられている。
【００６５】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００６６】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器４をバイパスする経路４１に切り換えることができる。夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器３２により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器３２の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池７の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池７を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器４をバイパスする経路に切り換える。これにより、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができる。
【００６８】
さらに、本実施の形態によれば、混合弁３７を用いて、パネル熱交換器３２で加熱された温水に、貯湯タンク１からの水を混合させ、熱回収用熱交換器４に流入する水温を一定の温度に調整することができる。これによれば、パネル熱交換器３２の出口水温が高い場合においても、燃料電池７の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、システムの省エネ性と信頼性の向上を図ることができる。
【００６９】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、各熱交換器をバイパスする経路を切り換える手段として、例えば、電磁弁方式のパネル切換手段３４、バイパス切換手段３６、熱交換器切換手段４２
を設けるものとしたが、混合弁３７が複数流路の流体を混合する機能だけではなく、流路を切り換える機能を有する場合は、これらを省略し、混合弁３７のみで代用する構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、簡単な構成で効率の向上が図られ、高い省エネ性が要望されるハイブリッド発電システムなどの技術分野に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 貯湯タンク
２ 貯湯循環ポンプ
３ 熱回収配管
４ 熱回収用熱交換器
５ 冷却水循環ポンプ
６ 冷却水配管
７ 燃料電池
９ 給水入口管
１０ 減圧弁
１１ 第１給水管
１２ 第２給水管
１３ 出湯管
１４、３７ 混合弁
１５ 給湯出口管
２１ 燃料電池ユニット
２２ 貯湯ユニット
２５ 電力計
３１ 太陽電池パネル
３２ パネル熱交換器
３４ パネル切換手段
３５ バイパス配管
３６、４３ バイパス切換手段
４２ 熱交換器切換手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と太陽電池を用いて発電を行うとともに、これらの排熱を回収利用して温水を生成するハイブリッド発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成する燃料電池は、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないため、クリーンな発電装置として期待されている。特に、燃料電池の発電時に発生する排熱も回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。そして、燃料電池の排熱を回収利用する方法としては、熱回収用の熱交換器を用いて、貯湯タンクの水を加熱し、温水として利用するのが一般的である。
【０００３】
一方、太陽電池を用いて太陽光から光電変換により直接電気エネルギーを生成する太陽光発電システムも、二酸化炭素の排出がないクリーンな発電装置として、家庭用を中心に近年普及が進んでいる。
【０００４】
このような太陽光発電システムと燃料電池コージェネレーションシステムの双方を家庭に設置し、省エネ性のより一層高いハイブリッド発電システムとして複合的に活用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、太陽光による発電は主に日中の電力供給に利用し、燃料電池は日中の太陽電池の補完および夜間の電力供給に加え、燃料電池の排熱を回収することによって得られた温水を給湯や風呂・暖房に利用することが多い。
【０００５】
図７に示すように、従来のハイブリッド発電システムは、例えば、太陽電池パネル３１、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２から構成される。太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、一般に、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【０００６】
また、ハイブリッド発電システムには、図７に示すように、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３で順次環状に連接することにより、熱回収経路が形成されている。一方、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【０００７】
燃料電池７が発電時に発生する排熱は、冷却水に回収される。この冷却水は、冷却水循環ポンプ５により、熱回収用熱交換器４に搬送され、ここで貯湯タンク１からの水が加熱される。貯湯タンク１内の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路８を循環し、熱回収用熱交換器４で燃料電池７の冷却水などにより加熱されて、再び貯湯タンク１に貯えられる。
【０００８】
なお、ハイブリッド発電システムは、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯と
が、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３４１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、例えば、夏期等においては、太陽電池パネルの表面温度が上がるため、太陽電池素子の光から電気へのエネルギー変換効率が下がり、省エネ性が低下するという課題がある。また、燃料電池の排熱のみで温水の生成を行うため、燃料電池発電に対して太陽光発電の利用比率が高くなると、家庭の給湯負荷に対して十分な湯量が確保できない可能性があるという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明のハイブリッド発電システムは、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。
【００１３】
これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構成で、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図３】本発明の実施の形態３におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態４におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図５】本発明の実施の形態５におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図６】本発明の実施の形態６におけるハイブリッド発電システムの構成図
【図７】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えたハイブリッド発電システムであって、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路にパネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を
抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、太陽電池パネルの発電電力量を検出し、検出された発電電力量が所定値よりも小さいときは、パネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽電池パネルの発電電力量が小さく、太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明において、太陽電池パネルの表面温度を検出し、検出された表面温度が所定値よりも低いときは、パネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽電池パネルの表面温度が低く、太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００１９】
第４の発明は、第１の発明において、パネル熱交換器の入口および出口の水温を検出し、その検出された温度差が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。これにより、パネル熱交換器の入出口の水温を比較することで、容易に、太陽熱を有効に利用できるか否かを判断できる。万一、太陽熱を有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器をバイパスする燃料電池側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００２０】
第５の発明は、第１の発明において、パネル熱交換器からの熱回収後の温水と貯湯タンクからの水とを所定温度に調整する混合弁を設け、熱回収用熱交換器に流入する水の温度を所定温度以下に制御するものである。これにより、燃料電池の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、省エネかつ信頼性の向上を図ることができる。
【００２１】
第６の発明は、燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、貯湯タンクと、太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、熱回収経路に熱回収用熱交換器を迂回するバイパス経路と、このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けた構成を有する。これにより、貯湯タンクの水を用いて太陽電池パネルを冷却することで、夏期等においても、太陽電池パネルの表面温度の上昇を抑制することできるため、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。また、太陽熱を回収し貯湯タンクの水を加熱することで、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することができる。さらに、燃料電池による発電が停止している場合は、熱回収用熱交換器への流入を回避し、貯湯水の放熱によるエネルギーロスや、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制することができる。したがって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００２２】
第７の発明は、第６の発明において、パネル熱交換器の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器をバイパスする経路に切り換えるものである。
夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器をバイパスする太陽電池パネル側の経路に切り換える。これにより、システムの安定運転を維持できるとともに、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができるため、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した従来の構成と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００２６】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００２７】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００２８】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００２９】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００３０】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、パネル熱交換器３２を迂回するバイパス配管３５が設けられ、さらに、パネル熱交換器３２およびバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６が設けられている。各々のパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６は、例えば、電
磁弁で構成され、通常発電時は、パネル切換手段３４を開放し、バイパス切換手段３６を閉塞した状態とする。また、電力変換装置２４には、太陽電池パネル３１の発電電力量を検出する電力計２５が設けられている。
【００３１】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。
【００３２】
本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００３３】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。よって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００３４】
さらに、電力計２５により検出される太陽電池パネル３１による発電電力量が所定値よりも小さいときは、パネル切換手段３４を閉塞し、バイパス切換手段３６を開放することで、貯湯水の経路をパネル熱交換器３２のバイパス経路に切り換える。夜間や雨天・曇天時のような日照量が少ない時は、太陽光による発電量はきわめて小さくなる。このような太陽光による発電、ひいては太陽熱による貯湯を十分有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切換え、燃料電池７の排熱のみを利用する経路に切り換える。こうすることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。すなわち、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００３５】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００３６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００３７】
図２に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１の表面温度を検出する表面温度検出手段２６を備え、太陽電池パネル３１の表面温度が所定値よりも低いときは、貯湯水経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切り換えるように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００３８】
太陽電池パネル３１の表面温度が比較的低い場合は、発電効率の顕著な低下は見られない。また、パネル熱交換器３２による太陽熱の回収量も限定される。特に、冬期の外気温が低い場合は、貯湯タンク１からの貯湯水を放熱させ、かえって冷却させてしまう場合も想定される。本実施の形態では、太陽電池パネル３１の表面温度が所定値よりも低い、例えば、冬期や夜間、日照量が少ない時のように、太陽光や太陽熱を有効に回収利用できないと判断される場合は、熱回収経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切換え、
燃料電池７の排熱のみを利用する経路に切り換える。こうすることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。したがって、システムの消費電力を低減することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００３９】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、パネル熱交換器３２の入口および出口の水温を検出する熱交入口温度検出手段２７および熱交出口温度検出手段２８を備え、これらで検出される温度の差が所定値よりも小さいときは、貯湯水経路をパネル熱交換器３２をバイパスする経路に切り換えるように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４１】
パネル熱交換器３２の入出口の水温を比較することで、容易に、パネル熱交換器３２により太陽熱を十分回収できたか否かを直接判断することができる。万一、太陽熱を有効に利用できないと判断される場合は、熱回収経路を、パネル熱交換器３２をバイパスする燃料電池７側の経路のみに切り換えることで、貯湯水の循環に必要な貯湯循環ポンプ２の動力を抑制することができる。したがって、システムの消費電力を低減することができ、同様に一層の省エネ化を図ることができる。
【００４２】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４３】
図４に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、熱回収用熱交換器４に流入する水温を検出する給水温度検出手段３８を設けるとともに、パネル熱交換器３２からの熱回収後の温水と貯湯タンク１からの水とを所定温度に調整する混合弁３７を設け、熱回収用熱交換器４に流入する水の温度を所定温度以下に制御するように構成した点で、実施の形態１とは異なる。なお、本実施の形態のハイブリッド発電システムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４４】
燃料電池７において安定した発電性能を確保するためには、冷却水により燃料電池７を一定温度に保持することが必要である。本実施の形態によれば、混合弁３７を用いて、パネル熱交換器３２で加熱された温水に、貯湯タンク１からの水を混合させ、熱回収用熱交換器４に流入する水温を一定の温度に調整することができる。したがって、燃料電池７の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、システムの省エネ性と信頼性の向上を図ることができる。
【００４５】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００４６】
図５に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００４７】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管３により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は
、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管６で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００４８】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００４９】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００５０】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００５１】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、熱回収用熱交換器４を迂回するバイパス経路４１が設けられ、さらに、熱回収用熱交換器４およびバイパス経路４１への通水を切り換える熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３が設けられている。各々の熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３は、例えば、電磁弁で構成され、通常発電時は、熱交換器切換手段４２を開放し、バイパス切換手段４３を閉塞した状態とする。また、パネル熱交換器３２の出口側には、貯湯水の温度を検出する熱交出口温度検出手段４４が設けられている。
【００５２】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。
【００５３】
本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００５４】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。よって、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性や信頼性に優れたハイブリッド発電システムを実現できる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、燃料電池７による発電が停止している場合において、熱
回収用熱交換器４への高温の貯湯水の流入を回避することができる。これによれば、常温の熱回収用熱交換器４を高温の貯湯水が流れるときに起こるような放熱ロスを回避することができる。また、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制することができる。
【００５６】
さらに、パネル熱交換器３２の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器４をバイパスする経路４１に切り換えるものである。夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器３２により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器３２の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池７の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池７を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器４をバイパスする経路に切り換える。これにより、システムの安定運転を維持できるとともに、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができるため、より一層の省エネ化を図ることができる。
【００５７】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００５８】
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６におけるハイブリッド発電システムの構成図である。
【００５９】
図６に示すように、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、太陽電池パネル３１と、燃料電池７および熱回収用熱交換器４を収納する燃料電池ユニット２１と、貯湯タンク１を収納する貯湯ユニット２２と、電力変換装置２４から構成されている。
【００６０】
そして、貯湯タンク１と、貯湯循環ポンプ２と、太陽電池パネル３１を冷却するパネル熱交換器３２と、燃料電池７の発電時などの排熱を回収する熱回収用熱交換器４とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路が形成されている。パネル熱交換器３２は、例えば、太陽電池パネル３１の背面に設けられ、太陽電池パネル３１全体またはその一部を冷却できるように、太陽電池パネル３１に貯湯水の流れる管路を密着させた構成を有する熱交換器である。また、燃料電池７と、冷却水循環ポンプ５と、熱回収用熱交換器４とを冷却水配管で順次環状に連接することにより、冷却水経路が形成されている。
【００６１】
一方、太陽電池パネル３１および燃料電池７の発電により得られる電力は、電力変換装置２４において、昇圧や整流、直流から交流への変換が行われ、家庭用の電力として供される。
【００６２】
貯湯タンク１下部の水は、貯湯循環ポンプ２により熱回収経路を循環して、パネル熱交換器３２で太陽電池パネル３１の太陽熱で加熱され、さらに熱回収用熱交換器４で燃料電池７の排熱を吸収した冷却水などにより加熱され、温水となって貯湯タンク１の上部に戻る。燃料電池７で発電とともに発生する排熱は、冷却水経路中の冷却水に回収され、冷却水循環ポンプ５により熱回収用熱交換器４に搬送されて、貯湯タンク１からの水を加熱する。
【００６３】
なお、貯湯タンク１への給水や貯湯タンク１から外部への給湯を行うために、給水入口管９、減圧弁１０、第１給水管１１および第２給水管１２、出湯管１３、混合弁１４、給湯出口管１５を備えている。そして、貯湯タンク１への給水は、一般の上水管に接続された給水入口管９から、減圧弁１０、第１給水管１１を経由して行われる。また、貯湯タンク１からの給湯は、給水入口管９、減圧弁１０、第２給水管１２を経由して供給された水と、貯湯タンク１の上部から出湯管１３を経由して出湯された湯とが、混合弁１４で適温に混合され、給湯出口管１５を介して外部に供給される。
【００６４】
ここで、本実施の形態のハイブリッド発電システムでは、熱回収経路の途中に、パネル熱交換器３２を迂回するバイパス経路と、熱回収用熱交換器４を迂回するバイパス経路４１が設けられている。さらに、パネル熱交換器３２およびバイパス経路への通水を切り換えるパネル切換手段３４およびバイパス切換手段３６、熱回収用熱交換器４およびバイパス経路４１への通水を切り換える熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３が設けられている。各々のパネル切換手段３４、バイパス切換手段３６、熱交換器切換手段４２およびバイパス切換手段４３は、例えば、電磁弁で構成され、通常時は、パネル切換手段３４および熱交換器切換手段４２を開放し、バイパス切換手段３６および４３を閉塞した状態とする。また、パネル熱交換器３２の出口側には、貯湯水の温度を検出する熱交出口温度検出手段４４が設けられている。さらに、熱回収用熱交換器４の入口側には、流入する水温を検出する給水温度検出手段３８が設けられるとともに、パネル熱交換器３２からの熱回収後の温水と貯湯タンク１からの水とを所定温度に調整する混合弁３７が設けられている。
【００６５】
太陽電池は、一般に、その表面温度が上昇すると発電効率が低下する。特に、夏期のように、日射量が多く外気温が高い場合において、発電効率が低下する傾向にある。夏期の昼間時は、冷房使用による電力負荷が大きいため、年間を通して、最も多くの電力量が必要となる。このような期間に、システムの発電効率が低下することは、省エネ性を確保するためには好ましくない。本実施の形態によれば、貯湯タンク１の水を用いて、パネル熱交換器３２を介して太陽電池パネル３１を冷却することで、太陽電池パネル３１の表面温度の上昇を抑制し、太陽光による発電効率の向上を図ることができる。
【００６６】
一方、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２により、太陽電池パネル３１の熱を回収し、貯湯タンク１の水を加熱することができる。すなわち、貯湯タンク１への貯湯のための熱源として、燃料電池７の排熱だけでなく、パネル熱交換器３２を介して、太陽熱を活用することができる。これによれば、家庭の給湯負荷に対して十分な熱量を確保することが可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、パネル熱交換器３２の出口水温を検出し、その温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器４をバイパスする経路４１に切り換えることができる。夏期の日中のように、外気温が高く日射量も多い場合は、パネル熱交換器３２により回収される熱量も大きくなり、パネル熱交換器３２の出口温度も高い温度を確保できる。一方で、貯湯水の温度が高くなると、燃料電池７の冷却に必要な温度を確保することができなくなる。このように、燃料電池７を十分冷却できないと判断される場合は、熱回収経路を、熱回収用熱交換器４をバイパスする経路に切り換える。これにより、貯湯水の循環に必要なポンプ動力を抑制し、システムの消費電力を低減することができる。
【００６８】
さらに、本実施の形態によれば、混合弁３７を用いて、パネル熱交換器３２で加熱された温水に、貯湯タンク１からの水を混合させ、熱回収用熱交換器４に流入する水温を一定の温度に調整することができる。これによれば、パネル熱交換器３２の出口水温が高い場合においても、燃料電池７の冷却に必要な貯湯水の温度を確保することができ、太陽光発電と燃料電池発電の運転を容易に両立させることができるため、システムの省エネ性と信頼性の向上を図ることができる。
【００６９】
上記で説明したように、本実施の形態によれば、簡単な構成で発電効率が高く、省エネ性と信頼性に優れたハイブリッド発電システムを提供できる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、各熱交換器をバイパスする経路を切り換える手段として、例えば、電磁弁方式のパネル切換手段３４、バイパス切換手段３６、熱交換器切換手段４２
を設けるものとしたが、混合弁３７が複数流路の流体を混合する機能だけではなく、流路を切り換える機能を有する場合は、これらを省略し、混合弁３７のみで代用する構成としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、簡単な構成で効率の向上が図られ、高い省エネ性が要望されるハイブリッド発電システムなどの技術分野に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１ 貯湯タンク
２ 貯湯循環ポンプ
３ 熱回収配管
４ 熱回収用熱交換器
５ 冷却水循環ポンプ
６ 冷却水配管
７ 燃料電池
９ 給水入口管
１０ 減圧弁
１１ 第１給水管
１２ 第２給水管
１３ 出湯管
１４、３７ 混合弁
１５ 給湯出口管
２１ 燃料電池ユニット
２２ 貯湯ユニット
２５ 電力計
３１ 太陽電池パネル
３２ パネル熱交換器
３４ パネル切換手段
３５ バイパス配管
３６、４３ バイパス切換手段
４２ 熱交換器切換手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、
前記貯湯タンクと、前記太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、前記燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、前記熱回収経路に前記パネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、
このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けたハイブリッド発電システム。
【請求項２】
太陽電池パネルの発電電力量を検出し、検出された発電電力量が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項３】
太陽電池パネルの表面温度を検出し、検出された表面温度が所定値よりも低いときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項４】
パネル熱交換器の入口および出口の水温を検出し、その検出された温度差が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項５】
パネル熱交換器からの熱回収後の温水と貯湯タンクからの水とを所定温度に調整する混合弁をさらに設け、熱回収用熱交換器に流入する水の温度を所定温度以下に制御する請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項６】
燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、
前記貯湯タンクと、前記太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、前記燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、前記熱回収経路に前記熱回収用熱交換器を迂回するバイパス経路と、
このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けたハイブリッド発電システム。
【請求項７】
パネル熱交換器の出口の水温を検出し、その検出された温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器をバイパスするバイパス経路に切り換える請求項６に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項１】
燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、
前記貯湯タンクと、前記太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、前記燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、前記熱回収経路に前記パネル熱交換器を迂回するバイパス経路と、
このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けたハイブリッド発電システム。
【請求項２】
太陽電池パネルの発電電力量を検出し、検出された発電電力量が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項３】
太陽電池パネルの表面温度を検出し、検出された表面温度が所定値よりも低いときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項４】
パネル熱交換器の入口および出口の水温を検出し、その検出された温度差が所定値よりも小さいときはパネル熱交換器をバイパスするバイパス経路に切換手段を切り換える請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項５】
パネル熱交換器からの熱回収後の温水と貯湯タンクからの水とを所定温度に調整する混合弁をさらに設け、熱回収用熱交換器に流入する水の温度を所定温度以下に制御する請求項１に記載のハイブリッド発電システム。
【請求項６】
燃料電池と、太陽電池パネルと、貯湯タンクを備えるとともに、
前記貯湯タンクと、前記太陽電池パネルを冷却するパネル熱交換器と、前記燃料電池の排熱を回収する熱回収用熱交換器とを熱回収配管により順次環状に連接した熱回収経路と、前記熱回収経路に前記熱回収用熱交換器を迂回するバイパス経路と、
このバイパス経路への通水を切り換える切換手段を設けたハイブリッド発電システム。
【請求項７】
パネル熱交換器の出口の水温を検出し、その検出された温度が所定値よりも高いときは熱回収用熱交換器をバイパスするバイパス経路に切り換える請求項６に記載のハイブリッド発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１５６０４０（Ｐ２０１２−１５６０４０Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４９４７（Ｐ２０１１−１４９４７）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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