(57)【要約】【課題】太陽電池パネルの温度ムラが抑制される太陽エネルギー複合利用システム、および該システムにおける太陽電池パネルの冷却方法を提供すること。【解決手段】太陽エネルギー複合利用システム１０は、太陽電池パネル１１と、その背面に沿って取り付けられた密閉された配管３２と、配管３２内を流れる冷媒３３との熱交換により湯を生成する給湯器３１とを備えている。冷媒３３は、水からなる第１冷媒と、第１冷媒よりも沸点が低く、第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを混合してなる非共沸流体である。日照時に太陽電池パネル１１から冷媒３３に入力される熱により、冷媒３３の温度は第２冷媒の沸点に達する。また、太陽電池パネル１１から冷媒３３に入力される熱の量は、第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの背面に沿って取り付けられた密閉された配管と、前記配管内を流れる冷媒との熱交換により湯を生成する給湯器とを備えた太陽エネルギー複合利用システムであって、
前記冷媒が、水からなる第１冷媒と、前記第１冷媒よりも沸点が低く、該第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを混合してなる非共沸流体であり、
日照時に前記太陽電池パネルから前記冷媒に入力される熱により、前記冷媒の温度が前記第２冷媒の沸点に達し、
前記熱の量が前記第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さい
ことを特徴とする太陽エネルギー複合利用システム。
【請求項２】
前記第２冷媒が、ジエチルエーテル、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー複合利用システム。
【請求項３】
太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの背面に沿って取り付けられた密閉された配管と、前記配管内を流れる冷媒との熱交換により湯を生成する給湯器とを備えた太陽エネルギー複合利用システムにおいて、前記太陽電池パネルを冷却する冷却方法であって、
日照時に前記太陽電池パネルから前記冷媒に入力される熱の量を見積もる工程と、
前記冷媒として、水からなる第１冷媒と、前記第１冷媒よりも沸点が低く、該第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを、前記熱の量が前記第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さくなるような比率で混合してなる非共沸流体を用意する工程と、
を含み、
前記熱によって前記冷媒の温度を前記第２冷媒の沸点まで上昇させて該第２冷媒を沸騰させることにより、前記太陽電池パネルから前記冷媒への潜熱輸送を起こさせることを特徴とする冷却方法。
【請求項４】
前記第２冷媒が、ジエチルエーテル、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の冷媒であることを特徴とする請求項３に記載の冷却方法。
【請求項５】
発熱体と、前記発熱体に沿って取り付けられた密閉された配管と、前記配管内を流れる冷媒との熱交換により湯を生成する給湯器とを備えた熱回収システムであって、
前記冷媒が、水からなる第１冷媒と、前記第１冷媒よりも沸点が低く、該第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを混合してなる非共沸流体であり、
前記発熱体から前記冷媒に入力される熱により、前記冷媒の温度が前記第２冷媒の沸点に達し、
前記熱の量が前記第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さい
ことを特徴とする熱回収システム。
【請求項６】
前記第２冷媒が、ジエチルエーテル、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の冷媒であることを特徴とする請求項５に記載の熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽エネルギーを利用した発電および給湯が可能な太陽エネルギー複合利用システムおよび該システムにおける太陽電池パネルの冷却方法、並びに、太陽集熱器等の発熱体の熱を回収する熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽エネルギーを利用した発電および給湯が可能な太陽エネルギー複合利用システムが知られている（例えば、非特許文献１参照）。図８に示すように、この太陽エネルギー複合利用システム１０’は、発電システム２０と給湯システム３０’とを備えている。
【０００３】
発電システム２０は、住宅の屋根等に設置された太陽電池パネル１１と、パワーコンディショナ、分電盤等を有する分電部２１とを含んでいる。分電部２１は、太陽電池パネル１１が発電した電力および商用系統１２から供給される商用電力の一方または両方を各種電気機器２２ａ，２２ｂ，２２ｃに供給する。また、分電部２１は、太陽電池パネル１１が発電した電力の余剰分を商用系統１２に逆潮流（売電）することもできる。
【０００４】
一方、給湯システム３０’は、発電システム２０の構成要素でもある太陽電池パネル１１と、太陽電池パネル１１の背面に沿って取り付けられた密閉された配管３２と、配管３２に接続された給湯器３１とを含んでいる。配管３２内には、冷媒３３’が充填されている。給湯器３１は、冷媒３３’との熱交換によって生成した湯３４Ｈを風呂等の各種水回り設備３５ａ，３５ｂ，３５ｃに供給する。冷媒３３’としては、通常、不凍液が使用される。
【０００５】
なお、符号３３Ｌ’は、太陽電池パネル１１から入力される熱によって加熱される前（給湯器３１における熱交換によって冷却された後）の比較的低温の冷媒３３’を示し、符号３３Ｈ’は、太陽電池パネル１１から入力される熱によって加熱された後（給湯器３１における熱交換によって冷却される前）の比較的高温の冷媒３３’を示す。また、符号３４Ｌは、給湯器３１における熱交換によって温められる前の水３４を示し、符号３４Ｈは、給湯器３１における熱交換によって温められた後の水３４（湯）を示す。
【０００６】
この太陽エネルギー複合利用システム１０’によれば、配管３２内を循環する冷媒３３’によって太陽電池パネル１１の熱が回収されて該太陽電池パネル１１が冷却されるので、冷媒３３’を循環させない場合に比べて、太陽電池パネル１１の発電効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“住宅用太陽エネルギー複合利用システム「矢崎ハイブリッドソーラーシステム」”、［ｏｎｌｉｎｅ］、矢崎エナジーシステム株式会社、［平成２８年１２月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://solar.yazaki-group.com/product/hybridsolar.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の太陽エネルギー複合利用システム１０’では、太陽電池パネル１１の背面を通流する際に冷媒３３’が徐々に加熱されていくので、太陽電池パネル１１に温度ムラが生じる。また、太陽電池パネル１１は、温度ムラが生じると、高温部分に引きずられて全体の発電効率が低下するという性質を有している。したがって、従来の太陽エネルギー複合利用システム１０’における太陽電池パネル１１は、本来の発電効率を発揮できていなかった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、太陽電池パネルの温度ムラが抑制される太陽エネルギー複合利用システム、および該システムにおける太陽電池パネルの冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る太陽エネルギー複合利用システムは、太陽電池パネルと、太陽電池パネルの背面に沿って取り付けられた密閉された配管と、この配管内を流れる冷媒との熱交換により湯を生成する給湯器とを備えたシステムであって、
（ａ）冷媒が、水からなる第１冷媒と、第１冷媒よりも沸点が低く、第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを混合してなる非共沸流体であり、
（ｂ）日照時に太陽電池パネルから冷媒に入力される熱により冷媒の温度が第２冷媒の沸点に達し、
（ｃ）上記熱の量が第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さい、
ことを特徴とする。
【００１１】
上記太陽エネルギー複合利用システムでは、第２冷媒として、例えば、ジエチルエーテル、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の冷媒を使用することができる。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る冷却方法は、太陽電池パネルと、太陽電池パネルの背面に沿って取り付けられた密閉された配管と、配管内を流れる冷媒との熱交換により湯を生成する給湯器とを備えた太陽エネルギー複合利用システムにおいて、太陽電池パネルを冷却する方法であって、
（ａ）日照時に太陽電池パネルから冷媒に入力される熱の量を見積もる工程と、
（ｂ）冷媒として、水からなる第１冷媒と、第１冷媒よりも沸点が低く、第１冷媒に実質的に溶解しない第２冷媒とを、上記熱の量が第２冷媒の蒸発潜熱の量よりも小さくなるような比率で混合してなる非共沸流体を用意する工程とを含み、
（ｃ）上記熱によって冷媒の温度を第２冷媒の沸点まで上昇させて該第２冷媒を沸騰させることにより、太陽電池パネルから冷媒への潜熱輸送を起こさせることを特徴とする。
【００１３】
上記冷却方法では、第２冷媒として、例えば、ジエチルエーテル、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の冷媒を使用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、太陽電池パネルの温度ムラが抑制される太陽エネルギー複合利用システム、および該システムにおける太陽電池パネルの冷却方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る太陽エネルギー複合利用システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１のシステムに備えられた太陽電池パネルおよび配管の断面図である。
【図３】図１のシステムに備えられた太陽電池パネルおよび配管の平面図である。
【図４】冷媒に入力される熱の量と冷媒の温度の関係の一例を示すグラフである。
【図５】冷媒に入力される熱の量と冷媒の温度の関係の一例を示すグラフである。
【図６】図５の一部を拡大したグラフである。
【図７】本発明に係る熱回収システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図８】従来の太陽エネルギー複合利用システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る太陽エネルギー複合利用システム、および該システムにおける太陽電池パネルの冷却方法の一実施例について説明する。
【００１７】
図１に、本発明の実施例に係る太陽エネルギー複合利用システム１０を示す。同図に示すように、太陽エネルギー複合利用システム１０は、発電システム２０と給湯システム３０とを備えている。
【００１８】
発電システム２０は、住宅の屋根等に設置された太陽電池パネル１１と、パワーコンディショナ、分電盤等を有する分電部２１とを含んでいる。分電部２１は、太陽電池パネル１１が発電した電力および商用系統１２から供給される商用電力の一方または両方を各種電気機器２２ａ，２２ｂ，２２ｃに供給する。また、分電部２１は、太陽電池パネル１１が発電した電力の余剰分を商用系統１２に逆潮流（売電）することもできる。
【００１９】
一方、給湯システム３０は、発電システム２０の構成要素でもある太陽電池パネル１１と、太陽電池パネル１１の背面に沿って取り付けられた密閉された配管３２と、配管３２に接続された給湯器３１とを含んでいる。配管３２内には、冷媒３３が充填されている。また、給湯器３１は、冷媒３３との熱交換によって生成した湯３４Ｈを風呂等の各種水回り設備３５ａ，３５ｂ，３５ｃに供給する。
【００２０】
なお、符号３３Ｌは、太陽電池パネル１１から入力される熱によって加熱される前（給湯器３１における熱交換によって冷却された後）の比較的低温の冷媒３３を示し、符号３３Ｈは、太陽電池パネル１１から入力される熱によって加熱された後（給湯器３１における熱交換によって冷却される前）の比較的高温の冷媒３３を示す。また、符号３４Ｌは、給湯器３１における熱交換によって温められる前の水３４を示し、符号３４Ｈは、給湯器３１における熱交換によって温められた後の水３４（湯）を示す。
【００２１】
このように、本実施例の発電システム２０は、従来の太陽エネルギー複合利用システム１０’の発電システム２０と同一の構成を有している。一方、本実施例の給湯システム３０は、不凍液からなる冷媒３３’ではなく、冷媒３３が配管３２に充填されている点において従来の太陽エネルギー複合利用システム１０’の給湯システム３０’と相違している。冷媒３３については、後で詳細に説明する。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、太陽電池パネル１１は、主要部である半導体層４１と、その表面を保護する保護ガラス層４０と、半導体層４１を支持する非導電性の支持層４２と、これら３層（４０，４１，４２）の熱を面内に拡散させる第１金属層４３とを有している。そして、配管３２は、太陽電池パネル１１の背面に沿って取り付けられている。具体的には、本実施例では、アルミニウム製の配管３２がアルミニウム製の第１金属層４３の裏面側に一体的に形成されている。
【００２３】
太陽電池パネル１１は、図２（Ｂ）に示すように、断熱材４４と第２金属層４５とをさらに有していてもよい。この場合も、太陽電池パネル１１の中核をなすのは表面側の４層（４０，４１，４２，４３）であることから、配管３２は、太陽電池パネル１１の背面に沿って取り付けられていると言える。
【００２４】
図３に示すように、配管３２は、太陽電池パネル１１全体を冷却するために、太陽電池パネル１１の背面において蛇行している。なお、図２は、図３に示されている太陽電池パネル１１および配管３２のＡ−Ａ部分断面図である。
【００２５】
続いて、冷媒３３について説明する。
【００２６】
本発明では、冷媒３３として非共沸流体を使用する。非共沸流体とは、互いに溶解しない２以上の流体を混合したものであって、混合状態においてもそれぞれの流体が固有の露点および沸点を有するものをいう。本実施例では、第１冷媒としての水（沸点：１００℃）と、第２冷媒としてのジエチルエーテル（沸点３４．５℃）を予め定められた比率で混合したものを冷媒３３とした。
【００２７】
図４に、水とジエチルエーテルの体積における混合比を３：７とした３４℃の冷媒３３に熱を入力したときの温度変化の一例を示す。同図に示すように、冷媒３３の温度変化には、第１領域、第２領域および第３領域がある。
【００２８】
水およびジエチルエーテルの両方が液体である第１領域においては、冷媒３３に入力される熱の量が増加すると、冷媒３３の温度は比較的急激に増加する。
【００２９】
冷媒３３の温度が３４．５℃を超えた第２領域においては、冷媒３３は、液体の水と沸騰中のジエチルエーテルとが混合した状態となる。この領域においては、入力される熱の多くがジエチルエーテルの蒸発潜熱となるため、冷媒３３の温度はほとんど増加しない。なお、冷媒３３の温度が僅かに増加するのは、水の温度が上昇するからである。
【００３０】
ジエチルエーテルが沸騰し始めてから、冷媒３３に入力された熱の量がジエチルエーテルの蒸発潜熱の量（一例として、５６６Ｗ）に達すると、ジエチルエーテルの全てが気体となり、冷媒３３は、液体の水と気体のジエチルエーテルとが混合した状態となる。この第３領域においては、第１領域と同様、入力される熱の量の増加に伴って冷媒３３の温度が比較的急激に増加する。
【００３１】
上記第２領域の幅（５６６Ｗ）は、図５に示すように、水とジエチルエーテルの混合比によって変化する。つまり、冷媒３３におけるジエチルエーテルの比率を上げると、第２領域の幅は広くなり、反対に、冷媒３３におけるジエチルエーテルの比率を下げると、第２領域の幅は狭くなる。なお、冷媒３３をジエチルエーテルのみで構成すると、第２領域の幅は狭くなる。
【００３２】
冷媒３３における水とジエチルエーテルの混合比は、実験またはシミュレーションで予め見積もっておいた、太陽電池パネル１１の背面を通流する間に太陽電池パネル１１から冷媒３３に入力される熱の量に基づいて決定すればよい。例えば、入力される熱の量が２４０Ｗであると見込まれる場合は、該２４０Ｗが第２領域の幅（すなわち、冷媒３３におけるジエチルエーテルの蒸発潜熱の量）を下回るように混合比を決定すればよい。つまり、１：９〜７：３の範囲内で混合比を決定すればよい（図６参照）。
【００３３】
これにより、太陽電池パネル１１の背面を通流する間、冷媒３３が第２領域の状態に維持され、太陽電池パネル１１に温度ムラが生じるのを抑制することができる。また、これにより、太陽電池パネル１１から冷媒３３への潜熱輸送を起こさせ、太陽電池パネル１１の冷却を促進させることができる。
【００３４】
なお、混合比を８：２や９：１にすると、太陽電池パネル１１の背面を通流する間にジエチルエーテルの全部が気体に変化して冷媒３３の温度が急激に増加するので、太陽電池パネル１１に温度ムラが生じてしまう。
【００３５】
以上、本発明に係る太陽エネルギー複合利用システムおよび冷却方法の実施例について説明してきたが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００３６】
例えば、冷媒は、ノルマルヘキサン、およびペンタンの群から選択された一の第２冷媒と第１冷媒としての水とを混合したものであってもよい。ただし、好適な混合比の範囲は、第２冷媒の種類によって変化する点に注意が必要である。
【００３７】
また、実施例に係る太陽エネルギー複合利用システムの一部は、「熱回収システム」として様々な分野で利用することもできる。図７に示すように、本発明に係る熱回収システム５０は、太陽エネルギー複合利用システム１０の給湯システム３０と同様の構成を有している。ただし、熱回収システム５０では、太陽電池パネル１１の代わりに備えられた発熱体５１に沿って配管３２が取り付けられている。この熱回収システム５０によれば、発熱体５１が発生させた熱、または発熱体５１において生じた熱を、冷媒３３への潜熱輸送により効率的に回収することができる。なお、発熱体５１の例としては、太陽集熱器があるが、これらには限定されない。発熱体５１は、冷媒３３に含まれる第２冷媒（ジエチルエーテル等）を沸騰させ得るものであればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０    太陽エネルギー複合利用システム
１１    太陽電池パネル
１２    商用系統
２０    発電システム
２１    分電部
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ    電気機器
３０    給湯システム
３１    給湯器
３２    配管
３３，３３Ｌ，３３Ｈ    冷媒
３４，３４Ｌ，３４Ｈ    水
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ    水回り設備
４０    保護ガラス層
４１    半導体層
４２    支持層
４３    第１金属層
４４    断熱材
４５    第２金属層
５０    熱回収システム
５１    発熱体
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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