(57)【要約】      （修正有）【課題】光発電パネルを冷却して発電効率を高めることができ、かつ補助熱源なしに高温の温水を貯湯タンクに溜めることができるソーラー発電給湯システムを提供する。【解決手段】光発電パネル１０、集熱マット２０、ヒートポンプ３０、貯湯タンク４０、低温循環ライン５０、高温循環ライン６０、給水ライン７０、及び貯湯ライン８０を備える。集熱マット２０は、光発電パネル１０の裏面に取付けられ、給水１と循環水２が流れる配管２２を有する。ヒートポンプ３０は、凝縮器３４及び蒸発器３８を有し、熱媒体４を循環する。低温循環ライン５０は、集熱マット２０と蒸発器３８との間で循環水２を循環し、集熱マット２０を冷却する。高温循環ライン６０は、貯湯タンク４０と凝縮器３４との間で貯湯３を循環し、貯湯３を加熱する。貯湯ライン８０は、集熱マット２０で加熱された給水１を貯湯タンク４０又は高温循環ライン６０に供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光で発電する光発電パネルと、
該光発電パネルの裏面に取付けられ、給水と循環水が流れる流路を有し、前記光発電パネルを冷却する集熱マットと、
圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器を有し、内部を熱媒体が循環するヒートポンプと、
貯湯を内部に保有する貯湯タンクと、
前記集熱マットと前記蒸発器との間で前記循環水を循環し、前記集熱マットを冷却する低温循環ラインと、
前記貯湯タンクと前記凝縮器との間で前記貯湯を循環し、前記貯湯を加熱する高温循環ラインと、
前記集熱マットに前記給水を供給する給水ラインと、
前記集熱マットで加熱された前記給水を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに供給する貯湯ラインと、を備えるソーラー発電給湯システム。
【請求項２】
前記低温循環ライン、前記高温循環ライン、又は前記給水ラインの流量を制御する制御装置を備える、請求項１に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記蒸発器に流入する前記循環水の温度が所定の温度範囲になるように、前記低温循環ラインの流量を制御する、請求項２に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記凝縮器から流出する前記貯湯の温度が所定の温度範囲になるように、前記高温循環ラインの流量を制御する、請求項２に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記集熱マットで加熱された前記給水の温度に基づき、前記給水の供給先を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに切り替える、請求項２に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項６】
前記集熱マットは、前記光発電パネルの裏面に近接して配置され前記給水又は前記循環水が内部を流れる配管と、
前記裏面と前記配管の外周面とに連続して密着する金属箔と、
前記金属箔及び前記配管の背面を囲み、外部への放熱を抑制する保温材と、を有する、請求項１に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項７】
前記配管は、前記給水及び前記循環水が流れる共通伝熱管であり、
前記集熱マットは、前記給水と前記循環水を合流させて前記共通伝熱管に流入させる合流管と、前記共通伝熱管から流出した混合水を前記給水と前記循環水に分岐する分岐管と、を有する、請求項６に記載のソーラー発電給湯システム。
【請求項８】
前記配管は、前記給水が独立して流れる給水伝熱管と、前記循環水が独立して流れる循環水伝熱管と、を有する、請求項６に記載のソーラー発電給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電パネルとヒートポンプを用いたソーラー発電給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電パネル（以下、「光発電パネル」）を用いた発電装置は、例えば特許文献１に開示されている。
また、光発電パネルとヒートポンプを用いたシステムは、例えば特許文献２に開示されている。
【０００３】
特許文献１の「太陽エネルギーを利用した発電装置」では、太陽光発電セル（光発電パネル）の受光面の裏側に、光発電パネルと略同形状で内部に流通穴を有する冷却部を設け、冷却部の流通穴に流動冷却媒体を通すことにより光発電パネルを冷却する。この冷却により、光発電パネルの温度上昇を抑制して発電効率の向上を図っている。
【０００４】
特許文献２の「太陽エネルギー利用システム」は、光発電パネルを冷却する第１熱交換器と、第１熱交換器に接続されたヒートポンプと、第１熱交換器とヒートポンプとの間で熱媒を循環させる循環ポンプと、循環ポンプの流量を変更する流量制御部とを備える。これにより太陽エネルギーの利用効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１３７７１号公報
【特許文献２】特開２０１３−８３３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、例えば流動冷却媒体として低温（２０〜３０℃）の水道水を用いることにより、光発電パネルの温度上昇を抑制して発電効率を高めることができる。
しかし、この場合、光発電パネルで加熱された水道水の温度は天候に左右され、例えば最高でも５０〜６０℃にすぎない。そのため、住居内の必要量を保有するには、大型の貯湯タンクが不可欠であった。
【０００７】
特許文献２では、ヒートポンプにより給水を加熱するので、貯湯タンクに高温（例えば７０〜８０℃）の温水を溜めることができる。
しかし特許文献２では、熱媒として水又は不凍液を用いた場合、この熱媒が、第１熱交換器とヒートポンプの蒸発器との間で循環するので、蒸発器で冷却後の熱媒温度が高い（例えば３０〜４０℃）。そのため、特許文献１と比較して光発電パネルの冷却能力が低く、発電効率もその分低くなる。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、光発電パネルを冷却して発電効率を高めることができ、かつ補助熱源なしに高温（例えば７０〜８０℃）の温水を貯湯タンクに溜めることができるソーラー発電給湯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】
【０００９】
本発明によれば、太陽光で発電する光発電パネルと、
該光発電パネルの裏面に取付けられ、給水と循環水が流れる流路を有し、前記光発電パネルを冷却する集熱マットと、
圧縮機、凝縮器、膨張器、及び蒸発器を有し、内部を熱媒体が循環するヒートポンプと、
貯湯を内部に保有する貯湯タンクと、
前記集熱マットと前記蒸発器との間で前記循環水を循環し、前記集熱マットを冷却する低温循環ラインと、
前記貯湯タンクと前記凝縮器との間で前記貯湯を循環し、前記貯湯を加熱する高温循環ラインと、
前記集熱マットに前記給水を供給する給水ラインと、
前記集熱マットで加熱された前記給水を前記貯湯タンク又は前記高温循環ラインに供給する貯湯ラインと、を備えるソーラー発電給湯システムが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、集熱マットが給水と循環水が流れる流路を有するので、冷却用の循環水温度が高い場合でも、給水として低温（２０〜３０℃）の水道水を用いることにより、光発電パネルを循環水温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
【００１１】
また、集熱マットで加熱された給水は、温水（例えば５０〜６０℃）として貯湯ラインにより貯湯タンク又は高温循環ラインに供給されるので、貯湯タンクに保有する温水の温度を予め高めることができる。
【００１２】
さらに、ヒートポンプは、集熱マットで加熱された循環水（例えば３０〜４０℃）を熱源として、貯湯タンクと凝縮器との間で循環する貯湯（例えば５０〜６０℃）を加熱するので、貯湯を補助熱源なしに高温（例えば７０〜８０℃）まで加熱することができる。
【００１３】
従って高温（例えば７０〜８０℃）の貯湯を貯湯タンクに溜めることができるので、住居内で必要量を保有するための貯湯タンクを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるソーラー発電給湯システムの全体概念図である。
【図２】本発明によるソーラー発電給湯システムの全体構成図である。
【図３】ヒートポンプにおける伝熱長さと温度との関係を示す模式図である。
【図４】集熱マットの第１実施形態図である。
【図５】集熱マットの第２実施形態図である。
【図６】集熱マットの第３実施形態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明によるソーラー発電給湯システム１００の全体概念図である。
この図において、ソーラー発電給湯システム１００は、光発電パネル１０、集熱マット２０、ヒートポンプ３０、及び貯湯タンク４０を備える。
【００１７】
光発電パネル１０は、太陽光が有するエネルギーで発電する。得られた電力は、外部へ供給しても、ソーラー発電給湯システム１００を構成するポンプ等を駆動するために用いてもよい。
【００１８】
集熱マット２０は、光発電パネル１０の裏面に密着して取付けられ、光発電パネル１０を冷却する。この取り付けは、例えば接着剤を用いた貼り付けによるのがよい。
ヒートポンプ３０は、光発電パネル１０で加熱された循環水２を熱源として貯湯タンク４０の貯湯３を加熱する。
貯湯タンク４０は、貯湯３を内部に保有する。この貯湯３は、例えば住宅内の用途（バス、キッチン、暖房など）に用いられる。
【００１９】
図２は、本発明によるソーラー発電給湯システム１００の全体構成図である。
この図において、ヒートポンプ３０は、圧縮機３２、凝縮器３４、膨張器３６、及び蒸発器３８を有し、内部を熱媒体４が循環する。
熱媒体４の循環経路を図中にａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａで示す。凝縮器３４における凝縮温度ＴＨは、例えば９０〜１００℃、蒸発器３８における蒸発温度ＴＬは、例えば３０〜４０℃に設定されている。
ａ→ｂで、熱媒体４は断熱圧縮され圧力がＰＬからＰＨまで蒸気温度がＴＬからＴＨまで上昇する。ｂ→ｃで、熱媒体４は圧力ＰＨのまま等温冷却され液化する。ｃ→ｄで、熱媒体４は断熱膨張し圧力がＰＨからＰＬまで蒸気温度がＴＨからＴＬまで下降する。ｄ→ａで、熱媒体４は圧力ＰＬのまま等温加熱され気化する。
この構成により、凝縮温度ＴＨと蒸発温度ＴＬを維持し、蒸発器３８で循環水２を冷却し、凝縮器３４で貯湯３を加熱することができる。
【００２０】
図３は、ヒートポンプ３０における伝熱長さと温度との関係を示す模式図である。
この図において、熱源入口温度は、光発電パネル１０で加熱された循環水２の温度（例えば５０〜６０℃）である。また、利用温度は、ヒートポンプ３０で加熱された温水温度（例えば７０〜８０℃）である。
この場合、蒸発温度ＴＬは、熱源入口温度より低く、例えば３０〜４０℃である。また、凝縮温度ＴＨは、利用温度より高く、例えば９０〜１００℃である。
ヒートポンプ３０の熱媒体４は、上述した条件を満たす必要があり、周知の作動媒体（例えばＲ−１１，Ｒ−１２、等）から選択される。
【００２１】
なお、ヒートポンプ３０は上述した例に限定されず、その他の形式のヒートポンプであってもよい。
【００２２】
図２において、集熱マット２０は、給水１と循環水２が流れる流路（配管２２）を有する。
また、この図において、ソーラー発電給湯システム１００は、さらに、低温循環ライン５０、高温循環ライン６０、給水ライン７０、及び貯湯ライン８０を備える。
【００２３】
低温循環ライン５０は、低温循環ポンプ５２を有し、集熱マット２０と蒸発器３８との間で循環水２を循環し、集熱マット２０を冷却する。この場合、集熱マット２０で加熱された循環水２を蒸発器３８に供給し、蒸発器３８で冷却された循環水２を集熱マット２０に再供給する。
【００２４】
高温循環ライン６０は、高温循環ポンプ６２を有し、貯湯タンク４０と凝縮器３４との間で貯湯３を循環し、貯湯３を加熱する。この場合、貯湯タンク４０から貯湯３を凝縮器３４に供給し、凝縮器３４で加熱された貯湯３を貯湯タンク４０に戻す。
【００２５】
給水ライン７０は、集熱マット２０に給水１を供給する。給水１は、例えば低温（２０〜３０℃）の水道水であるのがよい。
この構成により、冷却後の循環水温度が高い場合（例えば３０〜４０℃）でも、給水１として低温（２０〜３０℃）の水道水を用いることにより、光発電パネル１０を循環水２の温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
【００２６】
貯湯ライン８０は、集熱マット２０で加熱された給水１を貯湯タンク４０に供給する。
この構成により、集熱マット２０で加熱された給水１（以下、「加熱水１ａ」）は、例えば５０〜６０℃の温水として貯湯タンク４０に供給されるので、貯湯タンク４０に保有する貯湯３の温度を予め高めることができる。
【００２７】
図２において、貯湯ライン８０は、その下流側に貯湯分岐ライン８２を有する。貯湯分岐ライン８２は、集熱マット２０で加熱された給水１（加熱水１ａ）を高温循環ライン６０の上流側に直接供給する
貯湯ライン８０と貯湯分岐ライン８２にはその分岐箇所に流量調節弁８０ａ，８２ａを備えるのがよい。
この構成により、集熱マット２０で加熱された加熱水１ａ（例えば５０〜６０℃）の一部又は全部を高温循環ライン６０に直接供給し、貯湯タンク４０に供給する前の温水（加熱水１ａ）を補助熱源なしに高温（例えば７０〜８０℃）まで加熱することができる。
【００２８】
図２において、ソーラー発電給湯システム１００は、さらに制御装置９０を備える。制御装置９０は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、低温循環ライン５０、高温循環ライン６０、又は給水ライン７０の流量を制御する。
低温循環ライン５０、高温循環ライン６０、給水ライン７０、及び貯湯ライン８０には、図示しない温度センサが設けられている。
【００２９】
制御装置９０は、蒸発器３８に流入する循環水２の温度が所定の温度範囲（例えば５０〜６０℃）になるように、低温循環ライン５０の流量を制御する。
この構成により、太陽光のエネルギーの増減に応じて、低温循環ライン５０の流量を制御し、加熱後の循環水２の温度を所定の温度範囲に維持することができる。なお、太陽光のエネルギーが小さく（例えば、夜間）、循環水２の温度を所定温度以上（例えば４０℃以上）に維持できない場合には、循環水２の循環を停止するのがよい。
【００３０】
また制御装置９０は、凝縮器３４から流出する貯湯３の温度が所定の温度範囲（例えば７０〜８０℃）になるように、高温循環ライン６０の流量を制御する。
この構成により、太陽光のエネルギーの増減に応じて、高温循環ライン６０の流量を制御し、加熱後の貯湯３の温度を所定の温度範囲に維持することができる。なお、太陽光のエネルギーが小さく（例えば、夜間）、凝縮器３４から流出する貯湯３の温度を所定温度以上（例えば６０℃以上）に維持できない場合には、貯湯３の循環を停止するのがよい。
【００３１】
制御装置９０は、低温循環ライン５０及び高温循環ライン６０の循環（作動）が停止する場合には、ヒートポンプ３０の運転を停止することが好ましい。この停止により、ヒートポンプ３０の運転動力を節減し、システムのエネルギー効率を高めることができる。
【００３２】
制御装置９０は、また集熱マット２０で加熱された給水１（加熱水１ａ）の温度に基づき、給水１（加熱水１ａ）の供給先を貯湯タンク４０又は高温循環ライン６０に切り替える。
例えば、集熱マット２０で加熱された加熱水１ａの温度が低いときに、高温循環ライン６０に切り替えることのより、貯湯タンク４０に供給する前の温水（加熱水１ａ）を補助熱源なしに高温（例えば７０〜８０℃）まで加熱することができる。
【００３３】
図４は、集熱マット２０の第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は、光発電パネル１０の裏面模式図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００３４】
図４（Ａ）において、集熱マット２０は、給水１及び循環水２が内部を流れる配管２２（この例では共通伝熱管２２Ａ）を有する。共通伝熱管２２Ａは、この例では、光発電パネル１０の裏面に近接して配置され、同一面内を単一の流入口から単一の流出口まで給水１及び循環水２が流れる単一の伝熱管である。伝熱管は、熱伝導率の高い金属製又は樹脂製であるのがよい。
【００３５】
図４（Ｂ）において、集熱マット２０は、さらに光発電パネル１０の裏面と配管２２の外周面とに連続して密着する金属箔２４と、金属箔２４及び配管２２の背面を囲み、外部への放熱を抑制する保温材２６と、を有する。
配管２２は金属箔２４に外周面全体が密着している。保温材２６は、外気温度（例えば−２０℃〜５０℃）の温度範囲で保温性能の高い保温材（例えば、発泡スチロール）であるのがよい。
この構成により、太陽光で加熱された光発電パネル１０の熱を金属箔２４と配管２２を介して給水１及び循環水２に伝熱することで、光発電パネル１０を効率的に冷却することができる。
【００３６】
図４（Ａ）において、集熱マット２０は、給水１と循環水２を合流させて共通伝熱管２２Ａに流入させる合流管２７と、共通伝熱管２２Ａから流出した混合水を給水１と循環水２に分岐する分岐管２８と、を有する。
この構成により、合流管２７により、給水１と循環水２を合流させて共通伝熱管２２Ａに流入させることができ、分岐管２８により、共通伝熱管２２Ａから流出した混合水を加熱された給水１（すなわち加熱水１ａ）と循環水２に分岐することができる。
【００３７】
図５は、集熱マット２０の第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は、光発電パネル１０の裏面模式図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００３８】
図５（Ａ）において、合流管２７は、傾斜した集熱マット２０の下部に水平に設けられ、その両端から、給水１と循環水２がそれぞれ流入する。また分岐管２８は、傾斜した集熱マット２０の上部に水平に設けられ、その両端から、給水１と循環水２がそれぞれ流出する。共通伝熱管２２Ａは、この例では複数の直管であり、合流管２７と分岐管２８を連通し、互いに間隔を隔てて位置する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。
この構成によっても、合流管２７により、給水１と循環水２を合流させて共通伝熱管２２Ａに流入させることができ、分岐管２８により、共通伝熱管２２Ａから流出した混合水を加熱された給水１（すなわち加熱水１ａ）と循環水２に分岐することができる。
【００３９】
図６は、集熱マット２０の第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は、光発電パネル１０の裏面模式図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００４０】
図６（Ａ）（Ｂ）において、配管２２は、給水１が独立して流れる給水伝熱管２２Ｂと、循環水２が独立して流れる循環水伝熱管２２Ｃと、を有する。
この例で、循環水伝熱管２２Ｃは、光発電パネル１０の裏面に近接し、複数の流入口から複数の流出口までそれぞれ循環水２が独立して流れる。
また、給水伝熱管２２Ｂは、循環水伝熱管２２Ｃの裏面に近接し、複数の流入口から複数の流出口までそれぞれ給水１が独立して流れる。
なお、給水伝熱管２２Ｂと循環水伝熱管２２Ｃを同一の平面内に独立して設けてもよい。
この構成により、給水１と循環水２の混合を防止し、それぞれを独立に制御することができる。
【００４１】
上述した本発明の実施形態によれば、集熱マット２０が給水１と循環水２が流れる流路を有する。これにより、冷却用の循環水温度が高い場合でも、例えば給水１として低温（２０〜３０℃）の水道水を用いることにより、光発電パネル１０を循環水温度以下まで冷却して発電効率を高めることができる。
【００４２】
また、集熱マット２０で加熱された給水１は、温水（例えば５０〜６０℃）として貯湯ライン８０により貯湯タンク４０又は高温循環ライン６０に供給されるので、貯湯タンク４０に保有する貯湯３の温度を予め高めることができる。
【００４３】
さらに、ヒートポンプ３０は、集熱マット２０で加熱された循環水２（例えば３０〜４０℃）を熱源として、貯湯タンク４０と凝縮器３４との間で循環する貯湯３（例えば５０〜６０℃）を加熱する。これにより、貯湯タンク４０に保有された貯湯３を補助熱源なしに高温（例えば７０〜８０℃）まで加熱することができる。
【００４４】
従って高温（例えば７０〜８０℃）の貯湯３を貯湯タンク４０に溜めることができるので、住居内で必要量を保有するための貯湯タンク４０を小型化できる。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１  給水、２  循環水、３  貯湯、４  熱媒体、１０  光発電パネル、
２０  集熱マット、２２  配管、２２Ａ  共通伝熱管、２２Ｂ  給水伝熱管、
２２Ｃ  循環水伝熱管、２４  金属箔、２６  保温材、２７  合流管、
２８  分岐管、３０  ヒートポンプ、３２  圧縮機、３４  凝縮器、
３６  膨張器、３８  蒸発器、４０  貯湯タンク、５０  低温循環ライン、
５２  低温循環ポンプ、６０  高温循環ライン、６２  高温循環ポンプ、
７０  給水ライン、８０  貯湯ライン、８２  貯湯分岐ライン、
８０ａ，８２ａ  流量調節弁、９０  制御装置、
１００  ソーラー発電給湯システム
【図１】
2020063890.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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