太陽エネルギ利用システム
【課題】太陽エネルギの利用効率を従来よりも向上させた太陽エネルギ利用システムを提供する。
【解決手段】太陽電池１を備え、太陽電池１により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池１を冷却する第１熱交換器２と、第１熱交換器２に接続されたヒートポンプ３と、第１熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒を循環させる循環ポンプ４と、循環ポンプ４による流量を変更する流量制御部５を備えている、又は、太陽電池１を備え、太陽電池１により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池１を冷却する第１熱交換器２と、第１熱交換器２に接続された第２熱交換器３ｅと、第１熱交換器２と第２熱交換器３ｅとの間で熱媒を循環させる循環ポンプ４と、循環ポンプ４による流量を変更する流量制御部５を備えている、ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【解決手段】太陽電池１を備え、太陽電池１により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池１を冷却する第１熱交換器２と、第１熱交換器２に接続されたヒートポンプ３と、第１熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒を循環させる循環ポンプ４と、循環ポンプ４による流量を変更する流量制御部５を備えている、又は、太陽電池１を備え、太陽電池１により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、太陽電池１を冷却する第１熱交換器２と、第１熱交換器２に接続された第２熱交換器３ｅと、第１熱交換器２と第２熱交換器３ｅとの間で熱媒を循環させる循環ポンプ４と、循環ポンプ４による流量を変更する流量制御部５を備えている、ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギ利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に依存しない自然エネルギの利用が注目されている。例えば、水の加熱に際し、太陽光を利用する技術がある。このような技術として、例えば特許文献１には、太陽電池に接続された水集熱器及び液体熱媒導管により、太陽光を利用する技術が開示されている。また、特許文献２には、ヒートポンプの直接膨張型熱交換器の表面に太陽電池に装着し、太陽光を暖房給湯加熱用エネルギとして利用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−６６０６５号公報
【特許文献２】特開平７−２５３２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献に開示された技術には次の課題がある。
システムを構成する各手段を駆動させるため、駆動電力が必要となる。この電力は、システムの運転条件に拠っては、大きなものとなる。そのため、運転条件に拠っては電力消費量が増加し、太陽電池による発電量以上の電力が消費されることがある。その結果、太陽エネルギの利用効率が低下することがある。また、発電された電力以上の電力が消費されなくても、開示されたシステムではエネルギ効率が依然として不十分である。
【０００５】
本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、太陽エネルギの利用効率を従来よりも向上させた太陽エネルギ利用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、熱交換器とヒートポンプ若しくは別の熱交換器と循環ポンプとを少なくとも備え、熱媒循環量を制御することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【０００７】
太陽エネルギの利用効率を従来よりも向上させた太陽エネルギ利用システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【図２】熱交換器２に供給される熱媒温度に対する回収熱量及び太陽電池１による発電量を示す図である。
【図３】太陽エネルギ利用システム１００における制御を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［１．第１実施形態］
＜構成＞
図１に示すように、太陽エネルギ利用システム１００は、太陽電池１と、太陽電池の裏面（太陽光照射面の逆側面）に密着（・近接）して設けられた熱交換器２と、ヒートポンプ３と、インバータ（ＩＮＶ）制御されるポンプ４と、を備える。そして、熱交換器２とヒートポンプ３とは配管を介して接続され、この配管を通じて熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒が循環するようになっている。なお、図１中の矢印は、冷媒、熱媒及び水（被加熱媒体）の通流方向を示している。
【００１０】
さらに、太陽エネルギ利用システム１００は、熱媒の循環を制御する演算制御部５を備える。詳細は後記するが、具体的には、演算制御部５は、エネルギ利用システム１００における消費電力と太陽電池１の発電量とを計算する。そして、演算制御部５は、この計算結果に基づいてポンプ４を制御することで、熱媒の循環流量を制御する。
【００１１】
他にも、太陽エネルギ利用システム１００は、太陽電池１の電流を測定する電流センサ６１及び電圧を測定する電圧センサ６２、ヒートポンプ３から排出される熱媒の温度を測定する温度センサ７１、熱交換器２から排出される熱媒の温度を測定する温度センサ７２、外部の温度（外気温）を測定する温度センサ７９、並びに、熱交換器２から排出される熱媒の流量を測定する流量センサ９１を備える。
【００１２】
また、太陽エネルギ利用システム１００は、ヒートポンプ３で加熱される水を供給、並びに加熱された水を貯蔵する系を備える。具体的には、太陽エネルギ利用システム１００は、インバータ制御されるポンプ３３、ヒートポンプ３に供給される水の流量を測定する流量センサ９３、ヒートポンプ３に供給される水の温度を測定する温度センサ７３、ヒートポンプ３から排出される水（即ち、加熱された水）の温度を測定する温度センサ７４、ヒートポンプ３から排出された水を貯蔵する給湯タンク１３を備える。
【００１３】
以下、各手段を詳細に説明する。
【００１４】
太陽電池１は、太陽光が有するエネルギを電力に変換し、電力として外部へ供給するものである。本実施形態においては、得られた電力は図示しない外部負荷へ供給される。さらには、本実施形態において、得られた電力は、太陽エネルギ利用システム１００を構成する各手段（例えばヒートポンプ３、ポンプ４等）を駆動する電力としても用いられる。
【００１５】
熱交換器２は、太陽電池１を冷却するものである。具体的には、熱交換器１に対して温度の低い熱媒を通流させることで、太陽電池１の有する熱を熱媒に伝達し、太陽電池１の温度が低下する。なお、熱交換器２から排出された熱媒（太陽電池１からの熱が伝達された熱媒）は、後記するヒートポンプ３に供給される。なお、熱媒は、水（低温下でも凍結しない設備を別途設けることが好ましい）、不凍液等であってもよい。また、二酸化炭素等のガスであってもよい。
【００１６】
ヒートポンプ３は、熱交換器２から排出された熱媒が供給されるものである。ヒートポンプ３は、図１に示すように、蒸発器３ａと、圧縮器３ｂと、凝縮器３ｃと、膨張弁３ｄと、を備える。熱媒は、蒸発器３ａに供給される。そして、ヒートポンプ３内を、冷媒が図１に示す方向で通流する。一方、ヒートポンプ３に供給される水は、凝縮器３ｃに供給される。
【００１７】
冷媒は、蒸発器３ａで熱媒から熱を受け取った後、圧縮器３ｂで圧縮される。これにより、冷媒は高温高圧の状態になる。そして、高温高圧の冷媒は凝縮器３ｃで冷却される。即ち、高温高圧の冷媒が有する熱は、ヒートポンプ３（凝縮器３ｃ）に供給される水に伝達される。これにより、加熱された水（湯）が得られる。得られた湯は給湯タンク１３に貯蔵される。一方、冷却された冷媒は、膨張弁３ｄにより膨張し、低温低圧の状態になる。その後、冷媒は再び蒸発器３ａに供給される。
【００１８】
なお、本実施形態においては、使用に適した温度の湯を貯蔵するため、温度センサ７４により測定される温度が４５℃になるように、ヒートポンプ３が制御される。
【００１９】
ポンプ４は、熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒を循環させるものである。また、ポンプ４により、熱媒の循環量が変更される。ポンプ４はインバータ制御されるものであり、熱媒流量の多いときには速い回転速度で運転する。一方、熱媒流量が少ないときには遅い回転速度で運転する。このようなインバータ制御されるポンプを用いることで、流量に応じて回転速度を変化させることができる。これにより、熱媒流量が少ないときにポンプ４の回転速度を抑え、消費電力を削減することができる。
【００２０】
演算制御部５は、各センサ（電圧センサ、電圧センサ、温度センサ、流量センサ等）、各ポンプ及び各手段（熱交換器２等）に対し、図示しない電気信号線を介して接続されている。そして、演算制御部５は、各センサや各ポンプ等からの情報（電気信号）を受け取って演算（計算）し、演算の結果に基づいて各ポンプや各手段の動作を制御する。
【００２１】
演算制御部５は、ポンプ４を制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部としての一形態である。即ち、演算制御部５は、各センサ、各ポンプ及び各手段とに接続され、電気信号を授受する通信部５ａと、熱交換器２内を通流させる熱媒量を決定する最適出力演算部５ｂと、太陽電池１の発電量及び太陽エネルギ利用システム１００での消費電力量をシミュレート（計算）するシミュレーション部５ｃと、各ポンプの回転速度（即ち、インバータ周波数）を制御する制御部５ｄと、を備えている。演算制御部５による具体的な制御は後記する。
【００２２】
演算制御部５は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備えて構成される。
【００２３】
また、温度センサ７１，７２，７３，７４，７９、流量センサ９１，９３、電流センサ６１、電圧センサ６２及びポンプ４，３３としてはいずれも、任意の装置や手段を用いることができる。
【００２４】
＜制御＞
はじめに、太陽電池１の特性について説明する。
図２に示すように、熱交換器２の入口での熱媒温度が上昇すると、太陽電池１の発電量及び熱媒への回収熱量が低下する。より具体的には、入口温度が上昇すると、太陽電池１が十分に冷却されず、太陽電池１の温度が高くなる。そのため、太陽電池１の効率が落ち、発電量が低下する。さらに、入口温度が上昇すると、太陽電池１の温度（表面温度）が高くなる。そのため、太陽電池１表面からの外気への放熱量が上昇するため、太陽電池１の背面に備えられる熱交換器２の回収熱量が低下する。
【００２５】
次に、図３を参照しながら、太陽エネルギ利用システム１００における演算制御部５による制御を説明する。演算制御部５は、太陽エネルギ利用システム１００における消費電力ができるだけ小さく、しかも太陽電池１の発電量ができるだけ大きくなるように、熱交換器２に供給される熱媒の流量を制御する。即ち、太陽エネルギ利用システム１００における、発電量と消費電力との差分が最も大きくなるように、熱交換器２への熱媒の供給流量を制御する。以下、具体的に説明する。
【００２６】
まず、演算制御部５の最適出力演算部５ｂに、太陽電池１が設置される場所の緯度及び経度等の位置情報が入力される（ステップＳ１０１）。この位置情報として、図示しないキーボード等の入力装置等を用いて位置情報が記録された電子ファイルを作成し、その電子ファイルに記録した値が入力される。さらに、シミュレーション開始時刻が入力される。そして、最適出力演算部５ｂは、電流センサ６１、電圧センサ６２、各温度センサ及び各流量センサから測定値を取得する。
【００２７】
そして、最適出力演算部５ｂは、測定された太陽電池１の電流値及び電圧値から、太陽電池１による発電量を計算する（ステップＳ１０２）。計算された発電量は現実の発電量である。なお、太陽電池１は、図示しない二次電池に接続されている。即ち、太陽電池１により発電された電力は二次電池に充電される。これにより、太陽電池１で電流が流れる。
【００２８】
そして、最適出力演算部５ｂは、計算された発電量に基づき、太陽電池１の表面の温度を計算する（ステップＳ１０３）。ここで、表面温度は、太陽電池１の発電量と熱交換器２に供給及び排出される熱媒の温度とに関する所定の式（熱バランス、伝熱特性）に基づき、計算される。
【００２９】
即ち、最適出力演算部５ｂは、温度センサ７１，７２及び流量センサ９１により、熱交換器２で熱媒が受け取った熱量（即ち、太陽電池１及び熱交換器２間での熱交換量）を計算する。具体的には、温度センサ７１により熱交換器２の入口での熱媒温度（即ち、ヒートポンプ３（具体的には前記の蒸発器３ａ）から排出された熱媒の温度）が測定される。また、温度センサ７２により熱交換器２の出口での熱媒温度（即ち、ヒートポンプ３に供給される熱媒の温度）が測定される。そして、熱交換器２での入口及び出口の熱媒温度の差分を算出し、この差分と流量センサ９１により測定される熱媒流量とにより、熱交換器２で熱媒が受け取った熱量が計算される。
【００３０】
そして、計算して得られた熱量、温度センサ７９で測定された外気温、熱交換器２の伝熱特性、系内の熱バランス等を考慮し、太陽電池１の表面温度を計算する。なお、ステップＳ１０３においては表面温度以外にも、太陽電池１から外気（即ち系外）への放熱量、熱交換器２から外気への放熱量等も併せて計算される。
【００３１】
その後、最適出力演算部５ｂは、ステップＳ１０１において入力された緯度、経度、時刻等に基づき太陽の軌道を計算し、太陽の高度及び方位角を計算する。そして、ステップＳ１０２で計算された発電量とステップＳ１０３で計算された表面温度とにより、太陽電池１への日射量が計算される（ステップＳ１０４）。この日射量は、太陽電池１の温度−効率特性を反映する所定の式に基づき計算される。
【００３２】
以上の計算を行って発電量、表面温度及び日射量等を求めた後、最適出力演算部５ｂは、熱交換器２に供給される熱媒の供給量を設定する（ステップＳ１０５）。即ち、ポンプ４による流量値が設定される。なお、本実施形態における初期流量は、ポンプ４で変更可能な最大の流量とする。
【００３３】
次に、シミュレーション部５ｃが、以下の制御（ステップＳ１０６〜ステップＳ１１１）を行う。
【００３４】
はじめに、シミュレーション部５ｃに、熱媒の温度が入力される。この際の入力は、前記のステップＳ１０１の入力方法と同様の方法が用いられる。ただし、本実施形態においては、温度センサ７９で測定される外気温が熱媒温度（熱交換器２の出口温度）として設定される（ステップＳ１０６）。
【００３５】
そして、設定された熱媒温度とステップＳ１０５で設定された熱媒流量とに基づき、ポンプ４の消費電力が計算される（ステップＳ１０７）。さらに、流量センサ９３に基づいて同様にして、ポンプ３３の消費電力も計算される（ステップＳ１０７）。なお、これらの計算に際しては、予め計算された、各ポンプにおける流量と消費電力との関係に基づいて行われる。
【００３６】
そして、ヒートポンプ３の消費電力も計算される（ステップＳ１０８）。即ち、シミュレーション部５ｃは、予め設定されたヒートポンプ３の特性に基づき、ヒートポンプ３の消費電力及びヒートポンプ３内の蒸発器３ａでの熱媒の出口温度を計算する。
【００３７】
また、この計算に際して、ヒートポンプ３内の凝縮器３ｃの入口温度、出口温度、流量、蒸発器３ａの入口温度及び流量がパラメータとして用いられる。なお、ヒートポンプ３内の凝縮器３ｃの入口温度、出口温度及び流量は、それぞれ温度センサ７３，７４及び流量センサ９３による測定値を用いる。さらに、蒸発器３ａの熱媒の流量は、ステップＳ１０５で設定した値（２回目の計算以降は、ステップＳ１１３で設定した値）、蒸発器３ａの熱媒の入口温度は、ステップＳ１０６により設定された熱交換器２の出口温度の値（２回目の計算以降は、ステップＳ１０９により計算された熱交換器２の出口温度の値）である。
【００３８】
以上のステップＳ１０７で求められたポンプ４，３３の消費電力と、ステップＳ１０８で求められたヒートポンプ３の消費電力とに基づき、シミュレーション部５ｃは、太陽電池１の発電量並びに太陽電池１と熱交換器２との熱バランスを計算する（ステップＳ１０９）。まず、太陽電池１の表面温度が計算される。具体的な計算方法は、ステップＳ１０３において説明した方法と同様である。そして、熱バランスの計算により、熱交換器２の出口温度、つまりヒートポンプ３の蒸発器３ａの熱媒の入口温度が計算される。なお、計算される表面温度は、ステップＳ１０５で設定された熱媒流量（２回目の計算以降は、ステップＳ１１３で設定した熱媒流量）における推算値である。さらに、太陽電池１の表面温度から、太陽電池１の温度−効率特性を反映する所定の式に基づき太陽電池１の発電量が計算される。
【００３９】
また、この計算に際し、日射量、外気温度、太陽電池１の発電量、熱媒体の入口温度、流量がパラメータとして用いられる。日射量はステップＳ１０４で計算した値、外気温度は温度センサ７９の計測値が用いられる。また、太陽電池１の発電量はステップＳ１０２で計算された値（２回目の計算以降は、前回このステップＳ１０９で計算された値）が用いられる。さらに、熱媒の熱交換器２の入口温度は、ステップＳ１０８で計算されたヒートポンプ３の蒸発器３ａの熱媒の出口温度が用いられ、熱媒の流量は、ステップＳ１０５で設定された値（２回目以降はステップＳ１１３で設定された値）が用いられる。ステップＳ１０９で計算（推算）された熱媒の熱交換器２の出口温度は、図示しない記憶部に記憶される。
【００４０】
計算された熱媒の熱交換器２の出口温度が記憶される一方、シミュレーション部５ｃは、既に記憶されている前回の計算時の熱媒の熱交換器２の出口温度と今回計算された値とを比較（判定）する（ステップＳ１１０）。なお、初回計算時には比較対象が存在しないため、判定は行われない。具体的には、シミュレーション部５ｃは、記憶された前回の値と今回計算された値が予め決めた値（例えば０．１℃以下）よりも小さいか否か（収束したか否か）を判定する。
【００４１】
この収束判定の結果、収束していないと判断した場合（ステップＳ１１０のＮｏ方向）、ステップＳ１０７〜ステップＳ１１０を再度行って、再び収束判定を行う。そして、収束したと判断した場合（ステップＳ１１０のＹｅｓ方向）、ステップＳ１１１に進む。そして、計算された発電量とステップＳ１０７，Ｓ１０８で計算した消費電力との差分を計算し、図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ１１１）。なお、この差分は、ステップＳ１０５で設定された流量とともに記憶される。ちなみに、熱媒の熱交換器２の出口温度（推算値）が収束すると、熱交換器２の入口温度（推算値）も収束する。
【００４２】
最適出力演算部５ｂは、ステップＳ１０５で設定された流量が、ポンプ４の設定可能な最低流量であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。本実施形態においては、ステップＳ１０５では、運転開始時には最大流量で設定している。従って、１回目の計算後にはステップＳ１１２のＮｏ方向に進む。そして、熱媒の流量が所定の刻み幅分減少させて（ステップＳ１１３）、減少後の流量が改めて設定される（ステップＳ１０５）。その後、ステップＳ１０６〜Ｓ１１２が繰り返される。
【００４３】
ステップＳ１１２において、ステップＳ１０５で設定された流量が最低流量である場合、ステップＳ１１２のＹｅｓ方向に進む。そして、最適演算出力部５ｂは、シミュレーション部５ｃにより記憶された差分の値を全て比較する（ステップＳ１１４）。比較後、最適演算出力部５ｂは、差分が最も小さくなる、即ち、外部へ取り出し可能な電力が最も大きくなるときの流量を抽出し、外部へ出力する（ステップＳ１１５）。なお、この外部への出力は、例えばディスプレイに表示されるようにしてもよく、制御部５ｄに直接伝達されてポンプ４が制御されるようにしてもよい。この実施形態では、この外部への出力は、制御部５ｄに直接伝達されてポンプ４が制御される。
【００４４】
＜効果＞
以上の太陽エネルギ利用システム１００に拠れば、日射量、ポンプ及びヒートポンプの消費電力、太陽電池１表面から外部への放熱等の複雑な要素で決定される供給可能な電力を、最大限外部へ取り出すことができる。そのため、太陽エネルギのより効率のよい利用を図ることができる。
【００４５】
なお、前記の説明においては、熱媒の循環を主に説明したが、ポンプ３３により制御される水の流れ（ヒートポンプ３への給水）は特に制限されない。従って、給湯タンク１３に貯蔵される水の温度や貯蔵量が所望のものになるように、ポンプ３３等を適宜制御すればよい。
【００４６】
［２．第２実施形態］
次に、図４を参照して、太陽エネルギ利用システム２００の構成を説明する。図１の太陽エネルギ利用システム１００と同様のものを示すものは同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
太陽エネルギ利用システム２００は、ヒートポンプ３に代えて熱交換器３ｅを備えている。太陽エネルギ利用システムの設置場所が、例えば熱帯地区等の１年を通じて暑い場所等の場合、熱交換器２に供給される熱媒の温度が１年を通じて高くなる。そのため、熱交換器３ｅで太陽熱を水に対して直接伝達することで水を十分に加熱することができ、ヒートポンプを設ける必要が無い。従って、ヒートポンプよりも消費電力の少ない熱交換器を用いることで、太陽エネルギ利用システム２００での消費電力を抑えることができる。
【００４８】
また、太陽電池１の冷却を促し太陽電池１での発電効率を上昇させる観点から、熱交換器３ｅから排出された熱媒は図示しない冷却器により冷却され、この冷却された熱媒が熱交換器２に供給されるように構成してもよい。この際、冷却器による冷却ではなく、自然放熱による冷却（即ち放熱）としてもよい。
【００４９】
なお、太陽エネルギ利用システム２００においても、図３に示すフローと同様にして制御を行うことができる。
【００５０】
［３．第３実施形態］
次に、図５を参照して、太陽エネルギ利用システム３００の構成を説明する。図１の太陽エネルギ利用システム１００と同様のものを示すものは同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。なお、図５において、給湯タンク１３は紙面の都合上横長の形態となっているが、実際には縦長（鉛直方向に長い）形態となっている。
【００５１】
太陽エネルギ利用システム３００においては、各位置の温度を測定する温度センサ７３〜７８，８１〜８４が備えられている。さらに、各位置の水又は熱媒の流量を制御する、インバータ制御のポンプ３２〜３７が備えられている。そして、各位置の流量を測定する流量センサ９２〜９７が備えられている。これらは全て図１で説明したものと同じ機能を有するものであるため、説明を省略する。
【００５２】
太陽エネルギ利用システム３００では、熱交換器２から排出された熱媒を高温熱媒タンク１１にいったん貯蔵する。そして、貯蔵された熱媒は分岐して、ヒートポンプ１４，１６及び熱交換器１５に供給される。そして、ヒートポンプ１４，１６及び熱交換器１５で水に対して熱を供給した後、低温熱媒タンク１２に貯蔵される。その後、低温熱媒タンクに貯蔵された熱媒は、再び熱交換器２に供給される。
なお、ヒートポンプ１４，１６は、図１に示すヒートポンプ３と同様の構成を備える。従って、ヒートポンプ１４，１６についての説明は省略する。
【００５３】
本実施形態でも、ヒートポンプ１４及び熱交換器１５のいずれにおいても、排出される水の温度（温度センサ７４，７６で測定される温度）が４５℃となるように設定されている。従って、高温熱媒タンク１１内の熱媒温度が４６℃以上である場合、この熱媒は熱交換器１５に供給される。このような場合とは、例えば温度センサ７９により測定される外気温が高い場合（例えば夏季、設置場所が熱帯地区等）である。一方、４６℃未満である場合には、ヒートポンプ１４に供給される。このように、高温熱媒タンク１１内の温度に応じてヒートポンプ１４に供給されるか熱交換器１５に供給されるかを選択することで、無駄なエネルギ消費を避けつつも、確実に水を加熱することができる。熱媒供給先の選択は、ポンプ３２，３４を制御することで行われる。
【００５４】
即ち、熱媒の温度が所定値（前記の例では４６℃）以上である場合には熱媒の温度を上昇させる必要が無いため、熱媒は熱交換器１５に供給されればよい。一方、熱媒の温度が所定値未満であり、水を加熱する（前記の例では４５℃まで）ための熱量が不足する場合には、熱媒はヒートポンプ１４に供給される。このように、熱媒を熱交換器２から排出される熱媒の温度に応じてヒートポンプ１４又は熱交換器１５に供給されるようにすることで、ヒートポンプ１４の消費電力を削減することができる。従って、エネルギ効率のより良い太陽エネルギ利用システムを提供することができる。
【００５５】
ただし、水の熱交換器１５の出口の温度を４５℃に制御するには、熱媒の流量を調整する必要がある。そこで、熱交換器１５から排出される水の温度を測定する温度センサ７６とポンプ３４とに、ＰＩＤ制御器１１０が電気信号線を介して接続されている。
【００５６】
このように、温度センサ７６により排出水の温度を測定しながらポンプ３４を制御することで、４５℃に水を加熱することができる。即ち、温度センサ７６により測定される温度が４５℃よりも低い場合にはポンプ３４を制御して熱媒流量を多くすればよいし、温度が４５℃よりも高い場合には熱媒流量を少なくする制御をポンプ３４に対して行えばよい。これにより、水の温度が４５℃となるように確実に水を加熱することができる。
【００５７】
また、太陽エネルギ利用システム３００においては、熱媒はヒートポンプ１６にも供給される。そして、この熱媒の通流方向に対して対向する方向に、水等の流体が通流している。そのため、ヒートポンプ１６においても、ヒートポンプ１４と同様に熱交換が行われ、ファンコイルユニット１７に伝熱された熱媒が供給される。これにより、ファンコイルユニット１７から温風が排出される。即ち、太陽エネルギ利用システム３００に拠れば、太陽光を利用した外部への電力供給、給湯及び暖房の３つを同時に行うことができる。
【００５８】
なお、ヒートポンプ１４及び熱交換器１５に供給される水の温度や流量については特に制限されず、前記した太陽エネルギ利用システム１００と同様に設定すればよい。また、各ポンプ、熱交換器２，１５、及びヒートポンプ１４，１６等の制御は、図３を参照して説明した太陽エネルギ利用システム１００の制御と同様にして行えばよい。
【００５９】
［４．変更例］
図５を示しながら説明した第３実施形態においては、ＰＩＤ制御器１１０を熱交換器１５についての制御に用いたが、ヒートポンプ１４或いはヒートポンプ１６の制御に用いてもよい。また、このようなＰＩＤ制御器１１０は、図１に示す第１実施形態や図４に示す第２実施形態であっても同様に設けてもよい。さらには、排出される水の温度ではなく、供給される水の温度に応じて制御してもよい。これらのようにしても同様の効果を奏する。即ち、水等の加熱対象の流体の温度に応じて、熱媒の供給量（供給流量）を制御するようにしてもよい。
【００６０】
また、ＰＩＤ制御以外のフィードバック制御、或いは、フィードフォワード制御等の制御も適宜行うことができる。
【００６１】
さらに、本実施形態において、ポンプ４による流量制御をインバータによる回転制御で行うこととしたが、インバータではなく、通常のポンプとダンパや流量調整弁とを設け、ダンパの開度や流量調整弁の開度等で変化させるようにしてもよい。このような場合も、「循環ポンプによる流量（循環量）の制御」に相当する。
【符号の説明】
【００６２】
１ 太陽電池
２ 熱交換器（第１熱交換器）
３ ヒートポンプ
３ｅ 熱交換器（第２熱交換器）
４ ポンプ（インバータ制御されるポンプ；循環ポンプ）
５ 演算制御部（流量制御部）
１４ ヒートポンプ（一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちの一方）
１５ 熱交換器（一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちの一方）
１６ ヒートポンプ
１００ 太陽エネルギ利用システム
２００ 太陽エネルギ利用システム
３００ 太陽エネルギ利用システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギ利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料に依存しない自然エネルギの利用が注目されている。例えば、水の加熱に際し、太陽光を利用する技術がある。このような技術として、例えば特許文献１には、太陽電池に接続された水集熱器及び液体熱媒導管により、太陽光を利用する技術が開示されている。また、特許文献２には、ヒートポンプの直接膨張型熱交換器の表面に太陽電池に装着し、太陽光を暖房給湯加熱用エネルギとして利用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−６６０６５号公報
【特許文献２】特開平７−２５３２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献に開示された技術には次の課題がある。
システムを構成する各手段を駆動させるため、駆動電力が必要となる。この電力は、システムの運転条件に拠っては、大きなものとなる。そのため、運転条件に拠っては電力消費量が増加し、太陽電池による発電量以上の電力が消費されることがある。その結果、太陽エネルギの利用効率が低下することがある。また、発電された電力以上の電力が消費されなくても、開示されたシステムではエネルギ効率が依然として不十分である。
【０００５】
本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、太陽エネルギの利用効率を従来よりも向上させた太陽エネルギ利用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、熱交換器とヒートポンプ若しくは別の熱交換器と循環ポンプとを少なくとも備え、熱媒循環量を制御することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【０００７】
太陽エネルギの利用効率を従来よりも向上させた太陽エネルギ利用システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【図２】熱交換器２に供給される熱媒温度に対する回収熱量及び太陽電池１による発電量を示す図である。
【図３】太陽エネルギ利用システム１００における制御を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【図５】第３実施形態に係る太陽エネルギ利用システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［１．第１実施形態］
＜構成＞
図１に示すように、太陽エネルギ利用システム１００は、太陽電池１と、太陽電池の裏面（太陽光照射面の逆側面）に密着（・近接）して設けられた熱交換器２と、ヒートポンプ３と、インバータ（ＩＮＶ）制御されるポンプ４と、を備える。そして、熱交換器２とヒートポンプ３とは配管を介して接続され、この配管を通じて熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒が循環するようになっている。なお、図１中の矢印は、冷媒、熱媒及び水（被加熱媒体）の通流方向を示している。
【００１０】
さらに、太陽エネルギ利用システム１００は、熱媒の循環を制御する演算制御部５を備える。詳細は後記するが、具体的には、演算制御部５は、エネルギ利用システム１００における消費電力と太陽電池１の発電量とを計算する。そして、演算制御部５は、この計算結果に基づいてポンプ４を制御することで、熱媒の循環流量を制御する。
【００１１】
他にも、太陽エネルギ利用システム１００は、太陽電池１の電流を測定する電流センサ６１及び電圧を測定する電圧センサ６２、ヒートポンプ３から排出される熱媒の温度を測定する温度センサ７１、熱交換器２から排出される熱媒の温度を測定する温度センサ７２、外部の温度（外気温）を測定する温度センサ７９、並びに、熱交換器２から排出される熱媒の流量を測定する流量センサ９１を備える。
【００１２】
また、太陽エネルギ利用システム１００は、ヒートポンプ３で加熱される水を供給、並びに加熱された水を貯蔵する系を備える。具体的には、太陽エネルギ利用システム１００は、インバータ制御されるポンプ３３、ヒートポンプ３に供給される水の流量を測定する流量センサ９３、ヒートポンプ３に供給される水の温度を測定する温度センサ７３、ヒートポンプ３から排出される水（即ち、加熱された水）の温度を測定する温度センサ７４、ヒートポンプ３から排出された水を貯蔵する給湯タンク１３を備える。
【００１３】
以下、各手段を詳細に説明する。
【００１４】
太陽電池１は、太陽光が有するエネルギを電力に変換し、電力として外部へ供給するものである。本実施形態においては、得られた電力は図示しない外部負荷へ供給される。さらには、本実施形態において、得られた電力は、太陽エネルギ利用システム１００を構成する各手段（例えばヒートポンプ３、ポンプ４等）を駆動する電力としても用いられる。
【００１５】
熱交換器２は、太陽電池１を冷却するものである。具体的には、熱交換器１に対して温度の低い熱媒を通流させることで、太陽電池１の有する熱を熱媒に伝達し、太陽電池１の温度が低下する。なお、熱交換器２から排出された熱媒（太陽電池１からの熱が伝達された熱媒）は、後記するヒートポンプ３に供給される。なお、熱媒は、水（低温下でも凍結しない設備を別途設けることが好ましい）、不凍液等であってもよい。また、二酸化炭素等のガスであってもよい。
【００１６】
ヒートポンプ３は、熱交換器２から排出された熱媒が供給されるものである。ヒートポンプ３は、図１に示すように、蒸発器３ａと、圧縮器３ｂと、凝縮器３ｃと、膨張弁３ｄと、を備える。熱媒は、蒸発器３ａに供給される。そして、ヒートポンプ３内を、冷媒が図１に示す方向で通流する。一方、ヒートポンプ３に供給される水は、凝縮器３ｃに供給される。
【００１７】
冷媒は、蒸発器３ａで熱媒から熱を受け取った後、圧縮器３ｂで圧縮される。これにより、冷媒は高温高圧の状態になる。そして、高温高圧の冷媒は凝縮器３ｃで冷却される。即ち、高温高圧の冷媒が有する熱は、ヒートポンプ３（凝縮器３ｃ）に供給される水に伝達される。これにより、加熱された水（湯）が得られる。得られた湯は給湯タンク１３に貯蔵される。一方、冷却された冷媒は、膨張弁３ｄにより膨張し、低温低圧の状態になる。その後、冷媒は再び蒸発器３ａに供給される。
【００１８】
なお、本実施形態においては、使用に適した温度の湯を貯蔵するため、温度センサ７４により測定される温度が４５℃になるように、ヒートポンプ３が制御される。
【００１９】
ポンプ４は、熱交換器２とヒートポンプ３との間で熱媒を循環させるものである。また、ポンプ４により、熱媒の循環量が変更される。ポンプ４はインバータ制御されるものであり、熱媒流量の多いときには速い回転速度で運転する。一方、熱媒流量が少ないときには遅い回転速度で運転する。このようなインバータ制御されるポンプを用いることで、流量に応じて回転速度を変化させることができる。これにより、熱媒流量が少ないときにポンプ４の回転速度を抑え、消費電力を削減することができる。
【００２０】
演算制御部５は、各センサ（電圧センサ、電圧センサ、温度センサ、流量センサ等）、各ポンプ及び各手段（熱交換器２等）に対し、図示しない電気信号線を介して接続されている。そして、演算制御部５は、各センサや各ポンプ等からの情報（電気信号）を受け取って演算（計算）し、演算の結果に基づいて各ポンプや各手段の動作を制御する。
【００２１】
演算制御部５は、ポンプ４を制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部としての一形態である。即ち、演算制御部５は、各センサ、各ポンプ及び各手段とに接続され、電気信号を授受する通信部５ａと、熱交換器２内を通流させる熱媒量を決定する最適出力演算部５ｂと、太陽電池１の発電量及び太陽エネルギ利用システム１００での消費電力量をシミュレート（計算）するシミュレーション部５ｃと、各ポンプの回転速度（即ち、インバータ周波数）を制御する制御部５ｄと、を備えている。演算制御部５による具体的な制御は後記する。
【００２２】
演算制御部５は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等を備えて構成される。
【００２３】
また、温度センサ７１，７２，７３，７４，７９、流量センサ９１，９３、電流センサ６１、電圧センサ６２及びポンプ４，３３としてはいずれも、任意の装置や手段を用いることができる。
【００２４】
＜制御＞
はじめに、太陽電池１の特性について説明する。
図２に示すように、熱交換器２の入口での熱媒温度が上昇すると、太陽電池１の発電量及び熱媒への回収熱量が低下する。より具体的には、入口温度が上昇すると、太陽電池１が十分に冷却されず、太陽電池１の温度が高くなる。そのため、太陽電池１の効率が落ち、発電量が低下する。さらに、入口温度が上昇すると、太陽電池１の温度（表面温度）が高くなる。そのため、太陽電池１表面からの外気への放熱量が上昇するため、太陽電池１の背面に備えられる熱交換器２の回収熱量が低下する。
【００２５】
次に、図３を参照しながら、太陽エネルギ利用システム１００における演算制御部５による制御を説明する。演算制御部５は、太陽エネルギ利用システム１００における消費電力ができるだけ小さく、しかも太陽電池１の発電量ができるだけ大きくなるように、熱交換器２に供給される熱媒の流量を制御する。即ち、太陽エネルギ利用システム１００における、発電量と消費電力との差分が最も大きくなるように、熱交換器２への熱媒の供給流量を制御する。以下、具体的に説明する。
【００２６】
まず、演算制御部５の最適出力演算部５ｂに、太陽電池１が設置される場所の緯度及び経度等の位置情報が入力される（ステップＳ１０１）。この位置情報として、図示しないキーボード等の入力装置等を用いて位置情報が記録された電子ファイルを作成し、その電子ファイルに記録した値が入力される。さらに、シミュレーション開始時刻が入力される。そして、最適出力演算部５ｂは、電流センサ６１、電圧センサ６２、各温度センサ及び各流量センサから測定値を取得する。
【００２７】
そして、最適出力演算部５ｂは、測定された太陽電池１の電流値及び電圧値から、太陽電池１による発電量を計算する（ステップＳ１０２）。計算された発電量は現実の発電量である。なお、太陽電池１は、図示しない二次電池に接続されている。即ち、太陽電池１により発電された電力は二次電池に充電される。これにより、太陽電池１で電流が流れる。
【００２８】
そして、最適出力演算部５ｂは、計算された発電量に基づき、太陽電池１の表面の温度を計算する（ステップＳ１０３）。ここで、表面温度は、太陽電池１の発電量と熱交換器２に供給及び排出される熱媒の温度とに関する所定の式（熱バランス、伝熱特性）に基づき、計算される。
【００２９】
即ち、最適出力演算部５ｂは、温度センサ７１，７２及び流量センサ９１により、熱交換器２で熱媒が受け取った熱量（即ち、太陽電池１及び熱交換器２間での熱交換量）を計算する。具体的には、温度センサ７１により熱交換器２の入口での熱媒温度（即ち、ヒートポンプ３（具体的には前記の蒸発器３ａ）から排出された熱媒の温度）が測定される。また、温度センサ７２により熱交換器２の出口での熱媒温度（即ち、ヒートポンプ３に供給される熱媒の温度）が測定される。そして、熱交換器２での入口及び出口の熱媒温度の差分を算出し、この差分と流量センサ９１により測定される熱媒流量とにより、熱交換器２で熱媒が受け取った熱量が計算される。
【００３０】
そして、計算して得られた熱量、温度センサ７９で測定された外気温、熱交換器２の伝熱特性、系内の熱バランス等を考慮し、太陽電池１の表面温度を計算する。なお、ステップＳ１０３においては表面温度以外にも、太陽電池１から外気（即ち系外）への放熱量、熱交換器２から外気への放熱量等も併せて計算される。
【００３１】
その後、最適出力演算部５ｂは、ステップＳ１０１において入力された緯度、経度、時刻等に基づき太陽の軌道を計算し、太陽の高度及び方位角を計算する。そして、ステップＳ１０２で計算された発電量とステップＳ１０３で計算された表面温度とにより、太陽電池１への日射量が計算される（ステップＳ１０４）。この日射量は、太陽電池１の温度−効率特性を反映する所定の式に基づき計算される。
【００３２】
以上の計算を行って発電量、表面温度及び日射量等を求めた後、最適出力演算部５ｂは、熱交換器２に供給される熱媒の供給量を設定する（ステップＳ１０５）。即ち、ポンプ４による流量値が設定される。なお、本実施形態における初期流量は、ポンプ４で変更可能な最大の流量とする。
【００３３】
次に、シミュレーション部５ｃが、以下の制御（ステップＳ１０６〜ステップＳ１１１）を行う。
【００３４】
はじめに、シミュレーション部５ｃに、熱媒の温度が入力される。この際の入力は、前記のステップＳ１０１の入力方法と同様の方法が用いられる。ただし、本実施形態においては、温度センサ７９で測定される外気温が熱媒温度（熱交換器２の出口温度）として設定される（ステップＳ１０６）。
【００３５】
そして、設定された熱媒温度とステップＳ１０５で設定された熱媒流量とに基づき、ポンプ４の消費電力が計算される（ステップＳ１０７）。さらに、流量センサ９３に基づいて同様にして、ポンプ３３の消費電力も計算される（ステップＳ１０７）。なお、これらの計算に際しては、予め計算された、各ポンプにおける流量と消費電力との関係に基づいて行われる。
【００３６】
そして、ヒートポンプ３の消費電力も計算される（ステップＳ１０８）。即ち、シミュレーション部５ｃは、予め設定されたヒートポンプ３の特性に基づき、ヒートポンプ３の消費電力及びヒートポンプ３内の蒸発器３ａでの熱媒の出口温度を計算する。
【００３７】
また、この計算に際して、ヒートポンプ３内の凝縮器３ｃの入口温度、出口温度、流量、蒸発器３ａの入口温度及び流量がパラメータとして用いられる。なお、ヒートポンプ３内の凝縮器３ｃの入口温度、出口温度及び流量は、それぞれ温度センサ７３，７４及び流量センサ９３による測定値を用いる。さらに、蒸発器３ａの熱媒の流量は、ステップＳ１０５で設定した値（２回目の計算以降は、ステップＳ１１３で設定した値）、蒸発器３ａの熱媒の入口温度は、ステップＳ１０６により設定された熱交換器２の出口温度の値（２回目の計算以降は、ステップＳ１０９により計算された熱交換器２の出口温度の値）である。
【００３８】
以上のステップＳ１０７で求められたポンプ４，３３の消費電力と、ステップＳ１０８で求められたヒートポンプ３の消費電力とに基づき、シミュレーション部５ｃは、太陽電池１の発電量並びに太陽電池１と熱交換器２との熱バランスを計算する（ステップＳ１０９）。まず、太陽電池１の表面温度が計算される。具体的な計算方法は、ステップＳ１０３において説明した方法と同様である。そして、熱バランスの計算により、熱交換器２の出口温度、つまりヒートポンプ３の蒸発器３ａの熱媒の入口温度が計算される。なお、計算される表面温度は、ステップＳ１０５で設定された熱媒流量（２回目の計算以降は、ステップＳ１１３で設定した熱媒流量）における推算値である。さらに、太陽電池１の表面温度から、太陽電池１の温度−効率特性を反映する所定の式に基づき太陽電池１の発電量が計算される。
【００３９】
また、この計算に際し、日射量、外気温度、太陽電池１の発電量、熱媒体の入口温度、流量がパラメータとして用いられる。日射量はステップＳ１０４で計算した値、外気温度は温度センサ７９の計測値が用いられる。また、太陽電池１の発電量はステップＳ１０２で計算された値（２回目の計算以降は、前回このステップＳ１０９で計算された値）が用いられる。さらに、熱媒の熱交換器２の入口温度は、ステップＳ１０８で計算されたヒートポンプ３の蒸発器３ａの熱媒の出口温度が用いられ、熱媒の流量は、ステップＳ１０５で設定された値（２回目以降はステップＳ１１３で設定された値）が用いられる。ステップＳ１０９で計算（推算）された熱媒の熱交換器２の出口温度は、図示しない記憶部に記憶される。
【００４０】
計算された熱媒の熱交換器２の出口温度が記憶される一方、シミュレーション部５ｃは、既に記憶されている前回の計算時の熱媒の熱交換器２の出口温度と今回計算された値とを比較（判定）する（ステップＳ１１０）。なお、初回計算時には比較対象が存在しないため、判定は行われない。具体的には、シミュレーション部５ｃは、記憶された前回の値と今回計算された値が予め決めた値（例えば０．１℃以下）よりも小さいか否か（収束したか否か）を判定する。
【００４１】
この収束判定の結果、収束していないと判断した場合（ステップＳ１１０のＮｏ方向）、ステップＳ１０７〜ステップＳ１１０を再度行って、再び収束判定を行う。そして、収束したと判断した場合（ステップＳ１１０のＹｅｓ方向）、ステップＳ１１１に進む。そして、計算された発電量とステップＳ１０７，Ｓ１０８で計算した消費電力との差分を計算し、図示しない記憶部に記憶する（ステップＳ１１１）。なお、この差分は、ステップＳ１０５で設定された流量とともに記憶される。ちなみに、熱媒の熱交換器２の出口温度（推算値）が収束すると、熱交換器２の入口温度（推算値）も収束する。
【００４２】
最適出力演算部５ｂは、ステップＳ１０５で設定された流量が、ポンプ４の設定可能な最低流量であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。本実施形態においては、ステップＳ１０５では、運転開始時には最大流量で設定している。従って、１回目の計算後にはステップＳ１１２のＮｏ方向に進む。そして、熱媒の流量が所定の刻み幅分減少させて（ステップＳ１１３）、減少後の流量が改めて設定される（ステップＳ１０５）。その後、ステップＳ１０６〜Ｓ１１２が繰り返される。
【００４３】
ステップＳ１１２において、ステップＳ１０５で設定された流量が最低流量である場合、ステップＳ１１２のＹｅｓ方向に進む。そして、最適演算出力部５ｂは、シミュレーション部５ｃにより記憶された差分の値を全て比較する（ステップＳ１１４）。比較後、最適演算出力部５ｂは、差分が最も小さくなる、即ち、外部へ取り出し可能な電力が最も大きくなるときの流量を抽出し、外部へ出力する（ステップＳ１１５）。なお、この外部への出力は、例えばディスプレイに表示されるようにしてもよく、制御部５ｄに直接伝達されてポンプ４が制御されるようにしてもよい。この実施形態では、この外部への出力は、制御部５ｄに直接伝達されてポンプ４が制御される。
【００４４】
＜効果＞
以上の太陽エネルギ利用システム１００に拠れば、日射量、ポンプ及びヒートポンプの消費電力、太陽電池１表面から外部への放熱等の複雑な要素で決定される供給可能な電力を、最大限外部へ取り出すことができる。そのため、太陽エネルギのより効率のよい利用を図ることができる。
【００４５】
なお、前記の説明においては、熱媒の循環を主に説明したが、ポンプ３３により制御される水の流れ（ヒートポンプ３への給水）は特に制限されない。従って、給湯タンク１３に貯蔵される水の温度や貯蔵量が所望のものになるように、ポンプ３３等を適宜制御すればよい。
【００４６】
［２．第２実施形態］
次に、図４を参照して、太陽エネルギ利用システム２００の構成を説明する。図１の太陽エネルギ利用システム１００と同様のものを示すものは同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
太陽エネルギ利用システム２００は、ヒートポンプ３に代えて熱交換器３ｅを備えている。太陽エネルギ利用システムの設置場所が、例えば熱帯地区等の１年を通じて暑い場所等の場合、熱交換器２に供給される熱媒の温度が１年を通じて高くなる。そのため、熱交換器３ｅで太陽熱を水に対して直接伝達することで水を十分に加熱することができ、ヒートポンプを設ける必要が無い。従って、ヒートポンプよりも消費電力の少ない熱交換器を用いることで、太陽エネルギ利用システム２００での消費電力を抑えることができる。
【００４８】
また、太陽電池１の冷却を促し太陽電池１での発電効率を上昇させる観点から、熱交換器３ｅから排出された熱媒は図示しない冷却器により冷却され、この冷却された熱媒が熱交換器２に供給されるように構成してもよい。この際、冷却器による冷却ではなく、自然放熱による冷却（即ち放熱）としてもよい。
【００４９】
なお、太陽エネルギ利用システム２００においても、図３に示すフローと同様にして制御を行うことができる。
【００５０】
［３．第３実施形態］
次に、図５を参照して、太陽エネルギ利用システム３００の構成を説明する。図１の太陽エネルギ利用システム１００と同様のものを示すものは同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。なお、図５において、給湯タンク１３は紙面の都合上横長の形態となっているが、実際には縦長（鉛直方向に長い）形態となっている。
【００５１】
太陽エネルギ利用システム３００においては、各位置の温度を測定する温度センサ７３〜７８，８１〜８４が備えられている。さらに、各位置の水又は熱媒の流量を制御する、インバータ制御のポンプ３２〜３７が備えられている。そして、各位置の流量を測定する流量センサ９２〜９７が備えられている。これらは全て図１で説明したものと同じ機能を有するものであるため、説明を省略する。
【００５２】
太陽エネルギ利用システム３００では、熱交換器２から排出された熱媒を高温熱媒タンク１１にいったん貯蔵する。そして、貯蔵された熱媒は分岐して、ヒートポンプ１４，１６及び熱交換器１５に供給される。そして、ヒートポンプ１４，１６及び熱交換器１５で水に対して熱を供給した後、低温熱媒タンク１２に貯蔵される。その後、低温熱媒タンクに貯蔵された熱媒は、再び熱交換器２に供給される。
なお、ヒートポンプ１４，１６は、図１に示すヒートポンプ３と同様の構成を備える。従って、ヒートポンプ１４，１６についての説明は省略する。
【００５３】
本実施形態でも、ヒートポンプ１４及び熱交換器１５のいずれにおいても、排出される水の温度（温度センサ７４，７６で測定される温度）が４５℃となるように設定されている。従って、高温熱媒タンク１１内の熱媒温度が４６℃以上である場合、この熱媒は熱交換器１５に供給される。このような場合とは、例えば温度センサ７９により測定される外気温が高い場合（例えば夏季、設置場所が熱帯地区等）である。一方、４６℃未満である場合には、ヒートポンプ１４に供給される。このように、高温熱媒タンク１１内の温度に応じてヒートポンプ１４に供給されるか熱交換器１５に供給されるかを選択することで、無駄なエネルギ消費を避けつつも、確実に水を加熱することができる。熱媒供給先の選択は、ポンプ３２，３４を制御することで行われる。
【００５４】
即ち、熱媒の温度が所定値（前記の例では４６℃）以上である場合には熱媒の温度を上昇させる必要が無いため、熱媒は熱交換器１５に供給されればよい。一方、熱媒の温度が所定値未満であり、水を加熱する（前記の例では４５℃まで）ための熱量が不足する場合には、熱媒はヒートポンプ１４に供給される。このように、熱媒を熱交換器２から排出される熱媒の温度に応じてヒートポンプ１４又は熱交換器１５に供給されるようにすることで、ヒートポンプ１４の消費電力を削減することができる。従って、エネルギ効率のより良い太陽エネルギ利用システムを提供することができる。
【００５５】
ただし、水の熱交換器１５の出口の温度を４５℃に制御するには、熱媒の流量を調整する必要がある。そこで、熱交換器１５から排出される水の温度を測定する温度センサ７６とポンプ３４とに、ＰＩＤ制御器１１０が電気信号線を介して接続されている。
【００５６】
このように、温度センサ７６により排出水の温度を測定しながらポンプ３４を制御することで、４５℃に水を加熱することができる。即ち、温度センサ７６により測定される温度が４５℃よりも低い場合にはポンプ３４を制御して熱媒流量を多くすればよいし、温度が４５℃よりも高い場合には熱媒流量を少なくする制御をポンプ３４に対して行えばよい。これにより、水の温度が４５℃となるように確実に水を加熱することができる。
【００５７】
また、太陽エネルギ利用システム３００においては、熱媒はヒートポンプ１６にも供給される。そして、この熱媒の通流方向に対して対向する方向に、水等の流体が通流している。そのため、ヒートポンプ１６においても、ヒートポンプ１４と同様に熱交換が行われ、ファンコイルユニット１７に伝熱された熱媒が供給される。これにより、ファンコイルユニット１７から温風が排出される。即ち、太陽エネルギ利用システム３００に拠れば、太陽光を利用した外部への電力供給、給湯及び暖房の３つを同時に行うことができる。
【００５８】
なお、ヒートポンプ１４及び熱交換器１５に供給される水の温度や流量については特に制限されず、前記した太陽エネルギ利用システム１００と同様に設定すればよい。また、各ポンプ、熱交換器２，１５、及びヒートポンプ１４，１６等の制御は、図３を参照して説明した太陽エネルギ利用システム１００の制御と同様にして行えばよい。
【００５９】
［４．変更例］
図５を示しながら説明した第３実施形態においては、ＰＩＤ制御器１１０を熱交換器１５についての制御に用いたが、ヒートポンプ１４或いはヒートポンプ１６の制御に用いてもよい。また、このようなＰＩＤ制御器１１０は、図１に示す第１実施形態や図４に示す第２実施形態であっても同様に設けてもよい。さらには、排出される水の温度ではなく、供給される水の温度に応じて制御してもよい。これらのようにしても同様の効果を奏する。即ち、水等の加熱対象の流体の温度に応じて、熱媒の供給量（供給流量）を制御するようにしてもよい。
【００６０】
また、ＰＩＤ制御以外のフィードバック制御、或いは、フィードフォワード制御等の制御も適宜行うことができる。
【００６１】
さらに、本実施形態において、ポンプ４による流量制御をインバータによる回転制御で行うこととしたが、インバータではなく、通常のポンプとダンパや流量調整弁とを設け、ダンパの開度や流量調整弁の開度等で変化させるようにしてもよい。このような場合も、「循環ポンプによる流量（循環量）の制御」に相当する。
【符号の説明】
【００６２】
１ 太陽電池
２ 熱交換器（第１熱交換器）
３ ヒートポンプ
３ｅ 熱交換器（第２熱交換器）
４ ポンプ（インバータ制御されるポンプ；循環ポンプ）
５ 演算制御部（流量制御部）
１４ ヒートポンプ（一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちの一方）
１５ 熱交換器（一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちの一方）
１６ ヒートポンプ
１００ 太陽エネルギ利用システム
２００ 太陽エネルギ利用システム
３００ 太陽エネルギ利用システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池を備え、前記太陽電池により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、
前記太陽電池を冷却する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に接続されたヒートポンプと、
前記第１熱交換器と前記ヒートポンプとの間で熱媒を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部と、を備えている
ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【請求項２】
前記流量制御部は、循環する熱媒の流量を算出し、算出された流量となるように前記循環ポンプを制御する演算制御部であり、
前記演算制御部は、
前記太陽エネルギ利用システムにおける消費電力と前記太陽電池による発電量とを計算し、
計算された消費電力と発電量との差分が最も大きくなるように、前記循環ポンプによる熱媒の流量を制御することを特徴とする、請求項１の太陽エネルギ利用システム。
【請求項３】
太陽電池を備え、前記太陽電池により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、
前記太陽電池を冷却する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に接続された第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で熱媒を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部と、を備えている
ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【請求項４】
前記流量制御部は、循環する熱媒の流量を算出し、算出された流量となるように前記循環ポンプを制御する演算制御部であり、
前記演算制御部は、
前記太陽エネルギ利用システムにおける消費電力と前記太陽電池による発電量とを計算し、
計算された消費電力と発電量との差分が最も大きくなるように、前記循環ポンプによる熱媒の流量を制御することを特徴とする、請求項３の太陽エネルギ利用システム。
【請求項５】
前記演算制御部は、前記太陽電池から外気への放熱量と、前記太陽電池及び前記第１熱交換器間での熱交換量と、を計算する
ことを特徴とする、請求項２又は４に記載の太陽エネルギ利用システム。
【請求項６】
前記第１熱交換器に対して並列に接続される一組のヒートポンプ及び熱交換器を備え、
前記第１熱交換器から排出される熱媒の温度に応じて、前記一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちのいずれか一方に熱媒が供給される
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。
【請求項７】
熱媒による加熱対象の流体の温度に応じて、熱媒の流量が制御される
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。
【請求項１】
太陽電池を備え、前記太陽電池により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、
前記太陽電池を冷却する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に接続されたヒートポンプと、
前記第１熱交換器と前記ヒートポンプとの間で熱媒を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部と、を備えている
ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【請求項２】
前記流量制御部は、循環する熱媒の流量を算出し、算出された流量となるように前記循環ポンプを制御する演算制御部であり、
前記演算制御部は、
前記太陽エネルギ利用システムにおける消費電力と前記太陽電池による発電量とを計算し、
計算された消費電力と発電量との差分が最も大きくなるように、前記循環ポンプによる熱媒の流量を制御することを特徴とする、請求項１の太陽エネルギ利用システム。
【請求項３】
太陽電池を備え、前記太陽電池により電力を得る太陽エネルギ利用システムにおいて、
前記太陽電池を冷却する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に接続された第２熱交換器と、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で熱媒を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを制御して熱媒の循環量を変更する流量制御部と、を備えている
ことを特徴とする、太陽エネルギ利用システム。
【請求項４】
前記流量制御部は、循環する熱媒の流量を算出し、算出された流量となるように前記循環ポンプを制御する演算制御部であり、
前記演算制御部は、
前記太陽エネルギ利用システムにおける消費電力と前記太陽電池による発電量とを計算し、
計算された消費電力と発電量との差分が最も大きくなるように、前記循環ポンプによる熱媒の流量を制御することを特徴とする、請求項３の太陽エネルギ利用システム。
【請求項５】
前記演算制御部は、前記太陽電池から外気への放熱量と、前記太陽電池及び前記第１熱交換器間での熱交換量と、を計算する
ことを特徴とする、請求項２又は４に記載の太陽エネルギ利用システム。
【請求項６】
前記第１熱交換器に対して並列に接続される一組のヒートポンプ及び熱交換器を備え、
前記第１熱交換器から排出される熱媒の温度に応じて、前記一組のヒートポンプ及び熱交換器のうちのいずれか一方に熱媒が供給される
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。
【請求項７】
熱媒による加熱対象の流体の温度に応じて、熱媒の流量が制御される
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の太陽エネルギ利用システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８３３９７（Ｐ２０１３−８３３９７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３３６５（Ｐ２０１１−２２３３６５）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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