太陽光発電装置
【課題】太陽光と太陽熱を活用して太陽電池の発電効率を向上できるとともに、給湯のための水の加温及び暖房のための空気の加温を可能に太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】屋根２２０２の上面に配置される太陽電池パネル１２と、太陽電池パネル１２の裏面に該裏面の全域が覆られるように設けられ太陽電池パネル１２を冷却するとともに太陽熱により加温される流体を生成する冷却・加温用チャンバー１４と、屋根２２０２の上面と冷却・加温用チャンバー１４との間に設けられた第１断熱材１６と、第１断熱材１６の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部１８０２及び冷却・加温用チャンバー１４を収容保持するチャンバー収容部１８０４を有する外装ケース１８とを備える構成にした。
【解決手段】屋根２２０２の上面に配置される太陽電池パネル１２と、太陽電池パネル１２の裏面に該裏面の全域が覆られるように設けられ太陽電池パネル１２を冷却するとともに太陽熱により加温される流体を生成する冷却・加温用チャンバー１４と、屋根２２０２の上面と冷却・加温用チャンバー１４との間に設けられた第１断熱材１６と、第１断熱材１６の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部１８０２及び冷却・加温用チャンバー１４を収容保持するチャンバー収容部１８０４を有する外装ケース１８とを備える構成にした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温熱源回収型のハイブリッド式太陽光発電装置に関し、さらに詳しくは、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して発電や給湯のための水及び暖房のための空気の加温と屋根の遮熱を可能にした太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光と太陽熱を同時に活用して発電や給湯、暖房用のエネルギーを供給できる家庭用エネルギーシステムとして太陽光発電温水装置が知られている（特許文献１または２参照）。
この種の装置は、高温による性能低下がないようにした太陽電池パネルのエネルギー変換効率を高めながら、温水の熱エネルギーと電気エネルギー両方の形態でエネルギー変換できるものである。
【０００３】
以下、従来の太陽光発電温水装置について図７乃至図９を参照して説明する。
従来の太陽光発電温水装置１００は、図７及び図８に示すように、太陽電池パネル１０２と、この太陽電池パネル１０２の裏面に積層状態に設けられた太陽熱温水パネル１０４とから構成されている。
このような太陽光発電温水装置１００は、建築物１０６の屋根１０８の上面に断熱材１１０を介して設置されている。また、屋根１０８の裏面には断熱材１１２が設けられている。
【０００４】
上記のように構成された太陽光発電温水装置１００において、太陽熱温水パネル１０４に水道水などの冷水を流すことにより、太陽電池パネル１０２の温度が高温にならないように冷却する。これにより、太陽電池の温度による性能劣化及び起電力の低下をなくし、太陽電池の電力エネルギー変換効率を向上させ、同時に太陽熱温水パネル１０４の冷水を加温し温水として有効利用できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−５５４７９号公報
【特許文献２】特開２０００−２４１０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の太陽光発電温水装置１００は、冬期のように太陽電池パネル１０２の温度が高くならない時期では太陽熱温水パネル１０４の冷水の温度上昇が見込めない。また、放射冷却が強くなる季節では、太陽熱温水パネル１０４内の水が凍らないようにするために太陽熱温水パネル内の水を抜く必要がある。
【０００７】
既存の建築物１０６の屋根１０８上面に太陽光発電温水装置１００を設置した場合、太陽熱温水パネル１０４と屋根１０８との間に介在された断熱材１１０は温水を作ることが目的であるため、屋根１０８を通して建築物の屋根裏に侵入する熱量が多くなる。特に、太陽電池パネル１０２及び太陽熱温水パネル１０４を保持する外装フレームにはアルミなどの金属が用いられることが多いため、外装フレームが熱橋となり、太陽電池パネル１０２を通過した熱流束が直接屋根面に到達しやすくなる。
【０００８】
また、従来の太陽光発電温水装置１００は、太陽電池パネルのコストが高いため、太陽光が照射される屋根全面が覆われるように太陽電池パネルを設置することを想定していないため、従来における太陽光発電温水装置の設置面積は屋根面積の半分以下となっている。さらに、従来の太陽光発電温水装置における太陽熱利用部分の断熱も十分な性能を有していないのが現状である。
これに対して、近年は、太陽電池パネルの低価格化により、１つの建築物における太陽電池パネルの設置面積が増加している。また、建築物に課せられるＣＯ２削減目標が大きくなるため，建築物の高断熱工法が積極的に導入されている。
【０００９】
図７に示す従来の太陽光発電温水装置１００と日射量Ｑ（Ｗ）との間には次の式（１）に示す関係がある。
Ｑ＝ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４＋ｑ５・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
但しｑ１：反射した日射のエネルギー（Ｗ）
ｑ２：太陽電池パネルで発電した電気エネルギー（Ｗ）
ｑ３：太陽熱温水パネルにおける温水上昇分の熱量（Ｗ）
ｑ４：断熱材で遮断した熱量（Ｗ）
ｑ５：屋根裏に到達した熱量（Ｗ）
である。
【００１０】
一方、図８に示すように、建築物１０６の屋根１０８に対する太陽電池パネル１０２の設置面積が拡大された場合、日射量が不足する冬期では、太陽熱温水パネルの水温の上昇は見込めないため、太陽エネルギーの主な利用は電気エネルギー分となる。例えば、図８及び図９に示すように、建築物（住宅）１０６の屋根１０８裏面に断熱材１１２が施されている場合、外気から屋根裏空間までの伝熱抵抗が増えるため、冬期の昼間に屋根裏空間の気温の上昇は小さくなる。
【００１１】
すなわち、図９に示すように、屋根１０８の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間に到達する熱量ｑ５Ａ及び屋根１０８の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間の温度θ５Ａと、図８に示すように、屋根１０８の上面に従来の太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の屋根裏空間に到達する熱量ｑ５Ｂ及び屋根１０８の上面に従来の太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の屋根裏空間の温度θ５Ｂとの間には次式（２）、（３）に示す関係がある。
ｑ５Ａ＞ｑ５Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
θ５Ａ＞θ５Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
この式（２）、（３）からも明らかなように、屋根１０８の上面に太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の冬期の昼間に屋根裏空間の気温は、太陽光発電温水装置が設置されていない場合に比べて小さくなる。このことは、太陽熱温水パネル１０２の冷水の温度上昇が見込めないほか、太陽熱温水パネル１０２内の水を抜いて、太陽熱温水パネル１０２内が凍結しないようにしておく必要があるからである。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して太陽電池の発電効率を向上するとともに、給湯のための水の加温及び暖房のための空気の加温を可能にし、併せて屋根の遮熱効果を向上できる太陽光発電装置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】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明は、太陽光発電装置であって、建築物の屋根の上面に配置される太陽電池パネルと、前記屋根の上面と対向する前記太陽電池パネルの裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により前記太陽電池パネルを冷却するとともに太陽熱及び前記太陽電池パネルからの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバーが形成されたチャンバー部と、前記屋根の上面と前記チャンバー部との間に設けられた第１断熱材と、前記屋根の上面に設置され、前記第１断熱材の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部及び前記チャンバー部を収容するチャンバー収容部を有する外装ケースとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の太陽光発電装置によれば、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して太陽電池の発電効率を向上できるとともに、給湯のための水の加温及び暖房のための空気の加温を可能になり、併せて屋根の遮熱効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる太陽光発電装置の一部を拡大して示す縦断側面図である。
【図２】本発明にかかる太陽光発電装置の一部を切欠いて示す平面図である。
【図３】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の夏季における太陽光発電装置の運用方法を示す説明図である。
【図４】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における太陽光発電装置の運用方法を示す説明図である。
【図５】本発明にかかる太陽光発電装置が建築物の屋根の上面に設置されていない場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図６】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図７】従来の太陽光発電装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図８】従来の太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図９】従来の太陽光発電装置が建築物の屋根の上面に設置されていない場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明にかかる太陽光発電装置の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
太陽光発電装置１０は、図１及び図２に示すように、太陽電池パネル１２、冷却・加温用のチャンバー部１４、第１断熱材１６、外装ケース１８、第２断熱材２０などを含んで構成さる。
【００１７】
太陽電池パネル１２は、複数の太陽電池モジュール１２０２を縦横に平板状に配列することにより構成される。この太陽電池パネル１２は、建築物２２の日射方向に向けて傾斜する屋根２２０２の上面に配置される。また、各太陽電池モジュール１２０２の裏面には、太陽電池モジュール１２０２ごとにその裏面温度を検出する温度センサー１２０４がそれぞれ設けられている。
【００１８】
上記チャンバー部１４は、屋根２２０２の上面と対向する太陽電池パネル１２の裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により太陽電池パネル１２を冷却するとともに太陽熱及び太陽電池パネル１２からの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバー１４１０を有している。この冷却・加温用チャンバー１４１０は内部が空洞で平盤な直方体形状を呈し、熱伝導率の高いアルミ等の材料で構成される。
また、冷却・加温用チャンバー１４１０内には、その左側壁から右側壁方向および右側壁から左側壁方向に延在する複数の隔壁１４０８を、図２に示すように、冷却・加温用チャンバー１４の下端に設けられた流体吸入口１４０２から上端に設けられた流体流出口１４０４に向けて一定の間隔で平行に配列することで流体通路１４０６が形成されている。
【００１９】
上記太陽光発電装置１０を夏季に運用する場合は、図３に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２に流量調整バルブ２４を介して水道管３２が接続される。そして、チャンバー部１４の流体流出口１４０４には、チャンバー部１４で太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温された温水を建築物２２外に設置された電気温水器（ヒートポンプを利用したエコキュート）２６に供給する温水供給管２８が接続される。温水供給管２８は建築物２２の屋根２２０２の裏面側に形成された屋根裏空間２２０４を通して電気温水器２６に向け配管されている。さらに、流量調整バルブ２４は、各温度センサー１２０４で検出された温度情報に基づいて流量調整バルブ２４の開度を調整する制御部３０に接続されている。制御部３０の電源には太陽電池パネル１２から発生する電力が使用される。
また、上記太陽光発電装置１０を冬季に運用する場合は、図４に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２は大気に開放され、流体流出口１４０４は建築物２２の屋根裏空間２２０４に連通される。
【００２０】
第１断熱材１６は、チャンバー部１４から屋根２２０２への熱伝導を低減するもので、平板状を呈し、屋根２２０２の上面とチャンバー部１４との間に設けられている。
外装ケース１８は、断熱性能の高い材質から構成されるもので、第１断熱材１６の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部１８０２及びチャンバー部１４を収容するチャンバー収容部１８０４を有している。そして、この外装ケース１８を屋根２２０２の上面に直接取り付けることで、太陽光発電装置１０が屋根２２０２の上面に設置されるように構成されている。
また、太陽光発電装置１０が配設される屋根２２０２の裏面及び該屋根２２０２と反対の屋根２２０２の裏面に第２断熱材２８が設けられている。
【００２１】
上記のように構成された太陽光発電装置１０を夏季に運用する場合について、図３を参照して説明する。
この場合は、図３に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２に流量調整バルブ２４を介して水道管３２（特許請求の範囲に記載した給水管に相当する）を接続する。さらに、チャンバー部１４の流体流出口１４０４に温水供給管２８を接続する。この状態で、流量調整バルブ２４で流量調整された水道水をチャンバー部１４内に送り込む。水道水で満たされたチャンバー部１４内の水道水はチャンバー部１４の流体通路１４０６を流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４へ移動する間に太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温される。そして、加温された水道水は温水供給管２８を通して電気温水器２６に供給される。または図示省略した周知の温水タンクに供給され貯溜される。この場合、チャンバー部１４で加温された水道水の温度は４０〜６０℃である。
【００２２】
一方、太陽光が太陽電池パネル１２に照射されることで太陽電池パネル１２から発生する電力は、図示省略した周知の充放電制御部を介して図示省略の蓄電池に充電される。また、蓄電池の電力は上記充放電制御部及び図示省略のＤＣ／ＡＣインバータもしくはＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気温水器２６または図示省略の負荷に給電される。電気温水器２６はチャンバー部１４で加温された水道水を８０〜９５℃に加熱し、浴室等の給湯場所に供給される。
【００２３】
各太陽電池モジュール１２０２ごとに、それぞれの温度センサー１２０４で検出された太陽電池モジュール１２０２の裏面温度は制御部３０に取り込まれる。制御部３０では各温度センサー１２０４で検出された温度の平均値を求め、この平均値に基に流量調整バルブ２４の開度を制御部３０により制御し、太陽電池パネル１２の発電効率が均一になるようにチャンバー部１４に流入される水道水の流量を調整する。
【００２４】
次に、日射量が不足する太陽光発電装置１０を冬季に運用する場合について、図４を参照して説明する。
この場合は、図４に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２が大気に開放され、流体流出口１４０４は建築物２２の屋根裏空間２２０４に連通される。また、給水用の水導管３２は、チャンバー部１４からの加温空気が流体吸入口１４０２を通して流入される建築物２２の屋根裏空間２２０４を通して電気温水器２６に配管されている。この状態で、チャンバー部１４に充満している空気が太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温されると、その温度上昇に伴う自然対流によってチャンバー部１４の流体通路１４０６を流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４へ移動する。そして、加温された空気は流体吸入口１４０２から屋根裏空間２２０４内に流出され、屋根裏空間２２０４内を暖める。これにより、水導管３２内を流れる水道水は屋根裏空間２２０４内の加温空気によって加温され、電気温水器２６に供給される。
【００２５】
次に、本実施例に示す太陽光発電装置１０と日射量Ｑ（Ｗ）との関係について説明する。日射量Ｑ（Ｗ）と太陽光発電装置１０との間には次の式（４）に示す関係がある。
Ｑ＝ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４＋ｑ５＋ｑ６・・・・・・・・・・・・・・・（４）
但しｑ１：反射した日射のエネルギー（Ｗ）
ｑ２：太陽電池パネルで発電した電気エネルギー（Ｗ）
ｑ３：冷却・加温用チャンバーにおける温水（空気温度）の上昇分の熱量（Ｗ）
ｑ４：第１断熱材で遮断した熱量（Ｗ）
ｑ５：屋根裏に到達した熱量（Ｗ）
ｑ６：外装ケースで遮断した熱量（Ｗ）
である。この（４）式から明らかなように、外装ケース１８を設けることによって、太陽光発電装置１０から屋根に到達する遮断熱量を大きくできる。これにより、給湯用水の加温や暖房用温風の加温温度を高めることができる。
【００２６】
また、日射量が不足する太陽光発電装置１０の冬季運用時において、チャンバー部１４に自然対流で容易に流動する空気を用いることにより、太陽電池パネル１２の冷却と温風の生成が可能になる。
例えば、図５に示すように、屋根２２の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間２２０４に到達する熱量ｑ５Ａ及び屋根２２の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間２２０４の温度θ５Ａと、図６に示すように、屋根２２の上面に太陽光発電装置１０が設置されている場合の屋根裏空間２２０４に到達する熱量ｑ５Ｃ及び屋根２２の上面に太陽光発電装置１０が設置されている場合の屋根裏空間２２０４の温度θ５Ｃとの間には次式（５）、（６）に示す関係がある。
ｑ５Ａ＞ｑ５Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
θ５Ａ＜θ５Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
【００２７】
上記式（５）、（６）からも明らかなように、温風を生成する際の外気に面する屋根２２上面の伝熱抵抗は、本実施例に示す太陽光発電装置１０の方が従来のものより小さくなる。このことは、本実施例に示す太陽光発電装置１０を屋根２２に設置した場合、屋根裏空間２２０４に到達する熱量が小さくなるものの、生成される温風の温度を高くすることができる。例えば、チャンバー部１４に導入された空気を２０〜４０℃程度に加温することが可能になる。これにより、チャンバー部１４が凍結されるのを未然に防止することが可能になる。また、温風を屋根裏空間に送ることで，屋根裏空間の気温は屋根材のみの場合に比べて高温にできるほか、昼間に屋根裏空間を暖めた場合、夜間の放射冷却により屋根裏空間が冷える割合を、何も設置しない場合に比べて小さくなる。
【００２８】
このような本実施例に示す太陽光発電装置１０によれば、以下に示す効果が得られる。
ａ）太陽電池パネルの発電効率の向上と建築物の屋根面への日射遮熱を図ることができる。
ｂ）チャンバー部１４が熱伝導率の高いアルミ等の材料で構成されるため、日射量が少なくても、太陽電池パネル１２からチャンバー部１４へ熱が伝わりやすくなり、太陽電池パネル１２の冷却と温水の生成及び温風の生成を容易に実現することができる。
ｃ）冬期は日射量が少なく、太陽電池パネル１２の裏面温度が低くなる場合は、チャンバー部１４に水の代わりに空気を自然対流で流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４に向け流すことにより、冬期の温度上昇は、水に比べ空気の方が高くなる。この場合の空気の密度（約１ｋｇ／ｍ3）は水の密度（約１０００ｋｇ／ｍ3）より小さいため、空気の加温温度を高くできる。
ｄ）チャンバー部１４に水を供給するのに必要な電気エネルギーに比べて空気をチャンバー部１４に供給する場合の電気エネルギーを小さくできるため、冬期に本実施例に示す太陽光発電装置１０の稼動に必要な電気エネルギーは全体で小さくなる。
ｅ）チャンバー部１４からの温風の供給で加温される屋根裏空間に電気温水器への給水管を配置し、この給水管を通して加温された水を電気温水器に供給するようにしたので、熱交換の効率を高めることなり，消費電力量が抑えることができる。
ｆ）第１断熱材１６を収容し、かつチャンバー部１４を収容保持する外装ケース１８は断熱性能の高い材料から構成されているため、第１断熱材１６への湿気の侵入を防ぐことができるとともに、熱橋部を小さくでき、建築物の屋根に到達する熱流束を小さくすることができる。
ｇ）太陽電池パネル１２の裏面にチャンバー部１４が積層状態に設けられているので、太陽電池パネル１２を構成する複数の太陽電池モジュール１２０２の発電効率に差が生じるが、各太陽電池モジュール毎にその裏面に温度センサー１２０４を設け、この各温度センサー１２０４で検出した温度に基づいて、チャンバー部１４内を流動する水または空気の流量を調整するようにしたので、太陽電池パネル１２全体の発電量が最大限とすることを目的として、太陽電池パネル１２の発電効率が概ね均一にすることができる。
ｈ）屋根２２０２の裏面に第２断熱材２０を設けることにより、太陽熱及び太陽光発電装置１０からの伝熱効率が低減され、屋根２２０２の断熱効果を向上できる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…太陽光発電装置、１２…太陽電池パネル、１２０２…太陽電池モジュール、１２０４…温度センサー、１４…チャンバー部、１４０２…流体吸入口、１４０４…流体流出口、１４０６…流体通路、１４０８…隔壁、１４１０…冷却・加温用チャンバー、１６…第１断熱材、１８…外装ケース、１８０２…断熱材収容部、１８０４…チャンバー収容部、２０…第２断熱材、２２…建築物、２２０２…屋根、２２０４…屋根裏空間、２４…流量調整バルブ、２６…電気温水器、２８…温水供給管、３０…制御部、３２…水道管。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温熱源回収型のハイブリッド式太陽光発電装置に関し、さらに詳しくは、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して発電や給湯のための水及び暖房のための空気の加温と屋根の遮熱を可能にした太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光と太陽熱を同時に活用して発電や給湯、暖房用のエネルギーを供給できる家庭用エネルギーシステムとして太陽光発電温水装置が知られている（特許文献１または２参照）。
この種の装置は、高温による性能低下がないようにした太陽電池パネルのエネルギー変換効率を高めながら、温水の熱エネルギーと電気エネルギー両方の形態でエネルギー変換できるものである。
【０００３】
以下、従来の太陽光発電温水装置について図７乃至図９を参照して説明する。
従来の太陽光発電温水装置１００は、図７及び図８に示すように、太陽電池パネル１０２と、この太陽電池パネル１０２の裏面に積層状態に設けられた太陽熱温水パネル１０４とから構成されている。
このような太陽光発電温水装置１００は、建築物１０６の屋根１０８の上面に断熱材１１０を介して設置されている。また、屋根１０８の裏面には断熱材１１２が設けられている。
【０００４】
上記のように構成された太陽光発電温水装置１００において、太陽熱温水パネル１０４に水道水などの冷水を流すことにより、太陽電池パネル１０２の温度が高温にならないように冷却する。これにより、太陽電池の温度による性能劣化及び起電力の低下をなくし、太陽電池の電力エネルギー変換効率を向上させ、同時に太陽熱温水パネル１０４の冷水を加温し温水として有効利用できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−５５４７９号公報
【特許文献２】特開２０００−２４１０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の太陽光発電温水装置１００は、冬期のように太陽電池パネル１０２の温度が高くならない時期では太陽熱温水パネル１０４の冷水の温度上昇が見込めない。また、放射冷却が強くなる季節では、太陽熱温水パネル１０４内の水が凍らないようにするために太陽熱温水パネル内の水を抜く必要がある。
【０００７】
既存の建築物１０６の屋根１０８上面に太陽光発電温水装置１００を設置した場合、太陽熱温水パネル１０４と屋根１０８との間に介在された断熱材１１０は温水を作ることが目的であるため、屋根１０８を通して建築物の屋根裏に侵入する熱量が多くなる。特に、太陽電池パネル１０２及び太陽熱温水パネル１０４を保持する外装フレームにはアルミなどの金属が用いられることが多いため、外装フレームが熱橋となり、太陽電池パネル１０２を通過した熱流束が直接屋根面に到達しやすくなる。
【０００８】
また、従来の太陽光発電温水装置１００は、太陽電池パネルのコストが高いため、太陽光が照射される屋根全面が覆われるように太陽電池パネルを設置することを想定していないため、従来における太陽光発電温水装置の設置面積は屋根面積の半分以下となっている。さらに、従来の太陽光発電温水装置における太陽熱利用部分の断熱も十分な性能を有していないのが現状である。
これに対して、近年は、太陽電池パネルの低価格化により、１つの建築物における太陽電池パネルの設置面積が増加している。また、建築物に課せられるＣＯ２削減目標が大きくなるため，建築物の高断熱工法が積極的に導入されている。
【０００９】
図７に示す従来の太陽光発電温水装置１００と日射量Ｑ（Ｗ）との間には次の式（１）に示す関係がある。
Ｑ＝ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４＋ｑ５・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
但しｑ１：反射した日射のエネルギー（Ｗ）
ｑ２：太陽電池パネルで発電した電気エネルギー（Ｗ）
ｑ３：太陽熱温水パネルにおける温水上昇分の熱量（Ｗ）
ｑ４：断熱材で遮断した熱量（Ｗ）
ｑ５：屋根裏に到達した熱量（Ｗ）
である。
【００１０】
一方、図８に示すように、建築物１０６の屋根１０８に対する太陽電池パネル１０２の設置面積が拡大された場合、日射量が不足する冬期では、太陽熱温水パネルの水温の上昇は見込めないため、太陽エネルギーの主な利用は電気エネルギー分となる。例えば、図８及び図９に示すように、建築物（住宅）１０６の屋根１０８裏面に断熱材１１２が施されている場合、外気から屋根裏空間までの伝熱抵抗が増えるため、冬期の昼間に屋根裏空間の気温の上昇は小さくなる。
【００１１】
すなわち、図９に示すように、屋根１０８の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間に到達する熱量ｑ５Ａ及び屋根１０８の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間の温度θ５Ａと、図８に示すように、屋根１０８の上面に従来の太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の屋根裏空間に到達する熱量ｑ５Ｂ及び屋根１０８の上面に従来の太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の屋根裏空間の温度θ５Ｂとの間には次式（２）、（３）に示す関係がある。
ｑ５Ａ＞ｑ５Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
θ５Ａ＞θ５Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
この式（２）、（３）からも明らかなように、屋根１０８の上面に太陽光発電温水装置１００が設置されている場合の冬期の昼間に屋根裏空間の気温は、太陽光発電温水装置が設置されていない場合に比べて小さくなる。このことは、太陽熱温水パネル１０２の冷水の温度上昇が見込めないほか、太陽熱温水パネル１０２内の水を抜いて、太陽熱温水パネル１０２内が凍結しないようにしておく必要があるからである。
【００１２】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して太陽電池の発電効率を向上するとともに、給湯のための水の加温及び暖房のための空気の加温を可能にし、併せて屋根の遮熱効果を向上できる太陽光発電装置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】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明は、太陽光発電装置であって、建築物の屋根の上面に配置される太陽電池パネルと、前記屋根の上面と対向する前記太陽電池パネルの裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により前記太陽電池パネルを冷却するとともに太陽熱及び前記太陽電池パネルからの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバーが形成されたチャンバー部と、前記屋根の上面と前記チャンバー部との間に設けられた第１断熱材と、前記屋根の上面に設置され、前記第１断熱材の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部及び前記チャンバー部を収容するチャンバー収容部を有する外装ケースとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の太陽光発電装置によれば、建築物の屋根に照射される太陽光と太陽熱を活用して太陽電池の発電効率を向上できるとともに、給湯のための水の加温及び暖房のための空気の加温を可能になり、併せて屋根の遮熱効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる太陽光発電装置の一部を拡大して示す縦断側面図である。
【図２】本発明にかかる太陽光発電装置の一部を切欠いて示す平面図である。
【図３】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の夏季における太陽光発電装置の運用方法を示す説明図である。
【図４】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における太陽光発電装置の運用方法を示す説明図である。
【図５】本発明にかかる太陽光発電装置が建築物の屋根の上面に設置されていない場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図６】本発明にかかる太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図７】従来の太陽光発電装置の一部を拡大して示す断面図である。
【図８】従来の太陽光発電装置を建築物の屋根の上面に設置した場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【図９】従来の太陽光発電装置が建築物の屋根の上面に設置されていない場合の冬季における屋根裏空間の気温上昇を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明にかかる太陽光発電装置の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
太陽光発電装置１０は、図１及び図２に示すように、太陽電池パネル１２、冷却・加温用のチャンバー部１４、第１断熱材１６、外装ケース１８、第２断熱材２０などを含んで構成さる。
【００１７】
太陽電池パネル１２は、複数の太陽電池モジュール１２０２を縦横に平板状に配列することにより構成される。この太陽電池パネル１２は、建築物２２の日射方向に向けて傾斜する屋根２２０２の上面に配置される。また、各太陽電池モジュール１２０２の裏面には、太陽電池モジュール１２０２ごとにその裏面温度を検出する温度センサー１２０４がそれぞれ設けられている。
【００１８】
上記チャンバー部１４は、屋根２２０２の上面と対向する太陽電池パネル１２の裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により太陽電池パネル１２を冷却するとともに太陽熱及び太陽電池パネル１２からの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバー１４１０を有している。この冷却・加温用チャンバー１４１０は内部が空洞で平盤な直方体形状を呈し、熱伝導率の高いアルミ等の材料で構成される。
また、冷却・加温用チャンバー１４１０内には、その左側壁から右側壁方向および右側壁から左側壁方向に延在する複数の隔壁１４０８を、図２に示すように、冷却・加温用チャンバー１４の下端に設けられた流体吸入口１４０２から上端に設けられた流体流出口１４０４に向けて一定の間隔で平行に配列することで流体通路１４０６が形成されている。
【００１９】
上記太陽光発電装置１０を夏季に運用する場合は、図３に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２に流量調整バルブ２４を介して水道管３２が接続される。そして、チャンバー部１４の流体流出口１４０４には、チャンバー部１４で太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温された温水を建築物２２外に設置された電気温水器（ヒートポンプを利用したエコキュート）２６に供給する温水供給管２８が接続される。温水供給管２８は建築物２２の屋根２２０２の裏面側に形成された屋根裏空間２２０４を通して電気温水器２６に向け配管されている。さらに、流量調整バルブ２４は、各温度センサー１２０４で検出された温度情報に基づいて流量調整バルブ２４の開度を調整する制御部３０に接続されている。制御部３０の電源には太陽電池パネル１２から発生する電力が使用される。
また、上記太陽光発電装置１０を冬季に運用する場合は、図４に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２は大気に開放され、流体流出口１４０４は建築物２２の屋根裏空間２２０４に連通される。
【００２０】
第１断熱材１６は、チャンバー部１４から屋根２２０２への熱伝導を低減するもので、平板状を呈し、屋根２２０２の上面とチャンバー部１４との間に設けられている。
外装ケース１８は、断熱性能の高い材質から構成されるもので、第１断熱材１６の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部１８０２及びチャンバー部１４を収容するチャンバー収容部１８０４を有している。そして、この外装ケース１８を屋根２２０２の上面に直接取り付けることで、太陽光発電装置１０が屋根２２０２の上面に設置されるように構成されている。
また、太陽光発電装置１０が配設される屋根２２０２の裏面及び該屋根２２０２と反対の屋根２２０２の裏面に第２断熱材２８が設けられている。
【００２１】
上記のように構成された太陽光発電装置１０を夏季に運用する場合について、図３を参照して説明する。
この場合は、図３に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２に流量調整バルブ２４を介して水道管３２（特許請求の範囲に記載した給水管に相当する）を接続する。さらに、チャンバー部１４の流体流出口１４０４に温水供給管２８を接続する。この状態で、流量調整バルブ２４で流量調整された水道水をチャンバー部１４内に送り込む。水道水で満たされたチャンバー部１４内の水道水はチャンバー部１４の流体通路１４０６を流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４へ移動する間に太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温される。そして、加温された水道水は温水供給管２８を通して電気温水器２６に供給される。または図示省略した周知の温水タンクに供給され貯溜される。この場合、チャンバー部１４で加温された水道水の温度は４０〜６０℃である。
【００２２】
一方、太陽光が太陽電池パネル１２に照射されることで太陽電池パネル１２から発生する電力は、図示省略した周知の充放電制御部を介して図示省略の蓄電池に充電される。また、蓄電池の電力は上記充放電制御部及び図示省略のＤＣ／ＡＣインバータもしくはＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気温水器２６または図示省略の負荷に給電される。電気温水器２６はチャンバー部１４で加温された水道水を８０〜９５℃に加熱し、浴室等の給湯場所に供給される。
【００２３】
各太陽電池モジュール１２０２ごとに、それぞれの温度センサー１２０４で検出された太陽電池モジュール１２０２の裏面温度は制御部３０に取り込まれる。制御部３０では各温度センサー１２０４で検出された温度の平均値を求め、この平均値に基に流量調整バルブ２４の開度を制御部３０により制御し、太陽電池パネル１２の発電効率が均一になるようにチャンバー部１４に流入される水道水の流量を調整する。
【００２４】
次に、日射量が不足する太陽光発電装置１０を冬季に運用する場合について、図４を参照して説明する。
この場合は、図４に示すように、チャンバー部１４の流体吸入口１４０２が大気に開放され、流体流出口１４０４は建築物２２の屋根裏空間２２０４に連通される。また、給水用の水導管３２は、チャンバー部１４からの加温空気が流体吸入口１４０２を通して流入される建築物２２の屋根裏空間２２０４を通して電気温水器２６に配管されている。この状態で、チャンバー部１４に充満している空気が太陽熱及び太陽電池パネル１２との交換熱により加温されると、その温度上昇に伴う自然対流によってチャンバー部１４の流体通路１４０６を流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４へ移動する。そして、加温された空気は流体吸入口１４０２から屋根裏空間２２０４内に流出され、屋根裏空間２２０４内を暖める。これにより、水導管３２内を流れる水道水は屋根裏空間２２０４内の加温空気によって加温され、電気温水器２６に供給される。
【００２５】
次に、本実施例に示す太陽光発電装置１０と日射量Ｑ（Ｗ）との関係について説明する。日射量Ｑ（Ｗ）と太陽光発電装置１０との間には次の式（４）に示す関係がある。
Ｑ＝ｑ１＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４＋ｑ５＋ｑ６・・・・・・・・・・・・・・・（４）
但しｑ１：反射した日射のエネルギー（Ｗ）
ｑ２：太陽電池パネルで発電した電気エネルギー（Ｗ）
ｑ３：冷却・加温用チャンバーにおける温水（空気温度）の上昇分の熱量（Ｗ）
ｑ４：第１断熱材で遮断した熱量（Ｗ）
ｑ５：屋根裏に到達した熱量（Ｗ）
ｑ６：外装ケースで遮断した熱量（Ｗ）
である。この（４）式から明らかなように、外装ケース１８を設けることによって、太陽光発電装置１０から屋根に到達する遮断熱量を大きくできる。これにより、給湯用水の加温や暖房用温風の加温温度を高めることができる。
【００２６】
また、日射量が不足する太陽光発電装置１０の冬季運用時において、チャンバー部１４に自然対流で容易に流動する空気を用いることにより、太陽電池パネル１２の冷却と温風の生成が可能になる。
例えば、図５に示すように、屋根２２の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間２２０４に到達する熱量ｑ５Ａ及び屋根２２の上面に何も設置されていない場合の屋根裏空間２２０４の温度θ５Ａと、図６に示すように、屋根２２の上面に太陽光発電装置１０が設置されている場合の屋根裏空間２２０４に到達する熱量ｑ５Ｃ及び屋根２２の上面に太陽光発電装置１０が設置されている場合の屋根裏空間２２０４の温度θ５Ｃとの間には次式（５）、（６）に示す関係がある。
ｑ５Ａ＞ｑ５Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
θ５Ａ＜θ５Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
【００２７】
上記式（５）、（６）からも明らかなように、温風を生成する際の外気に面する屋根２２上面の伝熱抵抗は、本実施例に示す太陽光発電装置１０の方が従来のものより小さくなる。このことは、本実施例に示す太陽光発電装置１０を屋根２２に設置した場合、屋根裏空間２２０４に到達する熱量が小さくなるものの、生成される温風の温度を高くすることができる。例えば、チャンバー部１４に導入された空気を２０〜４０℃程度に加温することが可能になる。これにより、チャンバー部１４が凍結されるのを未然に防止することが可能になる。また、温風を屋根裏空間に送ることで，屋根裏空間の気温は屋根材のみの場合に比べて高温にできるほか、昼間に屋根裏空間を暖めた場合、夜間の放射冷却により屋根裏空間が冷える割合を、何も設置しない場合に比べて小さくなる。
【００２８】
このような本実施例に示す太陽光発電装置１０によれば、以下に示す効果が得られる。
ａ）太陽電池パネルの発電効率の向上と建築物の屋根面への日射遮熱を図ることができる。
ｂ）チャンバー部１４が熱伝導率の高いアルミ等の材料で構成されるため、日射量が少なくても、太陽電池パネル１２からチャンバー部１４へ熱が伝わりやすくなり、太陽電池パネル１２の冷却と温水の生成及び温風の生成を容易に実現することができる。
ｃ）冬期は日射量が少なく、太陽電池パネル１２の裏面温度が低くなる場合は、チャンバー部１４に水の代わりに空気を自然対流で流体吸入口１４０２から流体流出口１４０４に向け流すことにより、冬期の温度上昇は、水に比べ空気の方が高くなる。この場合の空気の密度（約１ｋｇ／ｍ3）は水の密度（約１０００ｋｇ／ｍ3）より小さいため、空気の加温温度を高くできる。
ｄ）チャンバー部１４に水を供給するのに必要な電気エネルギーに比べて空気をチャンバー部１４に供給する場合の電気エネルギーを小さくできるため、冬期に本実施例に示す太陽光発電装置１０の稼動に必要な電気エネルギーは全体で小さくなる。
ｅ）チャンバー部１４からの温風の供給で加温される屋根裏空間に電気温水器への給水管を配置し、この給水管を通して加温された水を電気温水器に供給するようにしたので、熱交換の効率を高めることなり，消費電力量が抑えることができる。
ｆ）第１断熱材１６を収容し、かつチャンバー部１４を収容保持する外装ケース１８は断熱性能の高い材料から構成されているため、第１断熱材１６への湿気の侵入を防ぐことができるとともに、熱橋部を小さくでき、建築物の屋根に到達する熱流束を小さくすることができる。
ｇ）太陽電池パネル１２の裏面にチャンバー部１４が積層状態に設けられているので、太陽電池パネル１２を構成する複数の太陽電池モジュール１２０２の発電効率に差が生じるが、各太陽電池モジュール毎にその裏面に温度センサー１２０４を設け、この各温度センサー１２０４で検出した温度に基づいて、チャンバー部１４内を流動する水または空気の流量を調整するようにしたので、太陽電池パネル１２全体の発電量が最大限とすることを目的として、太陽電池パネル１２の発電効率が概ね均一にすることができる。
ｈ）屋根２２０２の裏面に第２断熱材２０を設けることにより、太陽熱及び太陽光発電装置１０からの伝熱効率が低減され、屋根２２０２の断熱効果を向上できる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…太陽光発電装置、１２…太陽電池パネル、１２０２…太陽電池モジュール、１２０４…温度センサー、１４…チャンバー部、１４０２…流体吸入口、１４０４…流体流出口、１４０６…流体通路、１４０８…隔壁、１４１０…冷却・加温用チャンバー、１６…第１断熱材、１８…外装ケース、１８０２…断熱材収容部、１８０４…チャンバー収容部、２０…第２断熱材、２２…建築物、２２０２…屋根、２２０４…屋根裏空間、２４…流量調整バルブ、２６…電気温水器、２８…温水供給管、３０…制御部、３２…水道管。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築物の屋根の上面に配置される太陽電池パネルと、
前記屋根の上面と対向する前記太陽電池パネルの裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により前記太陽電池パネルを冷却するとともに太陽熱及び前記太陽電池パネルからの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバーが形成されたチャンバー部と、
前記屋根の上面と前記チャンバー部との間に設けられた第１断熱材と、
前記屋根の上面に設置され、前記第１断熱材の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部及び前記チャンバー部を収容するチャンバー収容部を有する外装ケースとを備える、
ことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
前記外装ケースは断熱性能の高い材質で構成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
【請求項３】
前記冷却・加温用チャンバーに供給される流体は、給湯に供される水もしくは外気であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記給湯に供される水は水道水であることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記冷却・加温用チャンバーに供給される流体は外気であり、前記外気は、自然対流により前記冷却・加温用チャンバーの一端部設けられた吸入口から前記冷却・加温用チャンバーに吸引され、前記太陽電池パネルを冷却し加温された後の空気は、前記冷却・加温用チャンバーの他端部に設けられた流出口から前記建築物の屋根の裏面側に形成された屋根裏空間に流出されることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記太陽電池パネルは複数の太陽電池モジュールを平板状に配列することにより構成され、前記各太陽電池モジュールごとに温度を検出する温度センサーが設けられ、前記各温度センサーで検出された温度に基づいて前記太陽電池パネルの発電効率が均一になるように前記冷却・加温用チャンバーを流動する流体の流量を調整することを特徴とする請求項１乃至５に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【請求項７】
前記建築物の屋根の裏面側に形成された屋根裏空間は、前記太陽電池パネルを冷却し加温された後の空気が流入されるように構成され、前記屋根裏空間に給水管が配置され、前記建築物内もしくは前記建築物外に配置された電気温水器に前記給水管を通して給水されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【請求項８】
前記屋根の裏面に第２断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【請求項１】
建築物の屋根の上面に配置される太陽電池パネルと、
前記屋根の上面と対向する前記太陽電池パネルの裏面に該裏面の全域に接して設けられ内部に流れる流体により前記太陽電池パネルを冷却するとともに太陽熱及び前記太陽電池パネルからの熱により前記流体が加温される冷却・加温用チャンバーが形成されたチャンバー部と、
前記屋根の上面と前記チャンバー部との間に設けられた第１断熱材と、
前記屋根の上面に設置され、前記第１断熱材の全表面が覆われるように収容する断熱材収容部及び前記チャンバー部を収容するチャンバー収容部を有する外装ケースとを備える、
ことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
前記外装ケースは断熱性能の高い材質で構成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
【請求項３】
前記冷却・加温用チャンバーに供給される流体は、給湯に供される水もしくは外気であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記給湯に供される水は水道水であることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記冷却・加温用チャンバーに供給される流体は外気であり、前記外気は、自然対流により前記冷却・加温用チャンバーの一端部設けられた吸入口から前記冷却・加温用チャンバーに吸引され、前記太陽電池パネルを冷却し加温された後の空気は、前記冷却・加温用チャンバーの他端部に設けられた流出口から前記建築物の屋根の裏面側に形成された屋根裏空間に流出されることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記太陽電池パネルは複数の太陽電池モジュールを平板状に配列することにより構成され、前記各太陽電池モジュールごとに温度を検出する温度センサーが設けられ、前記各温度センサーで検出された温度に基づいて前記太陽電池パネルの発電効率が均一になるように前記冷却・加温用チャンバーを流動する流体の流量を調整することを特徴とする請求項１乃至５に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【請求項７】
前記建築物の屋根の裏面側に形成された屋根裏空間は、前記太陽電池パネルを冷却し加温された後の空気が流入されるように構成され、前記屋根裏空間に給水管が配置され、前記建築物内もしくは前記建築物外に配置された電気温水器に前記給水管を通して給水されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【請求項８】
前記屋根の裏面に第２断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の太陽光発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１６５９２７（Ｐ２０１１−１６５９２７Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５０４（Ｐ２０１０−２７５０４）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（３０２０６０９２６）株式会社フジタ (285)
【Ｆターム（参考）】
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