(57)【要約】【課題】屋根の中央の広い領域を利用することができない状況であっても、高い運転効率を確保できる太陽熱利用装置を提供する。【解決手段】太陽熱利用装置１０１は、建物の屋根１の稜線または縁に沿って配置されるための複数の真空管式太陽熱集熱器を含む集熱器群２０と、日射条件の季節による変化または１日の中での時間帯による変化によって、集熱器群２０の状態を調整するための制御部３１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の屋根の稜線または縁に沿って配置されるための複数の真空管式太陽熱集熱器を含む集熱器群と、
日射条件の季節による変化または１日の中での時間帯による変化によって、前記集熱器群の状態を調整するための制御部とを備える、太陽熱利用装置。
【請求項２】
前記集熱器群は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器を含む複数の集熱器小群に分類することができ、
前記制御部は、前記集熱器小群の各々を流れる熱媒の流量を変化させるための流量制御部を含む、請求項１に記載の太陽熱利用装置。
【請求項３】
前記集熱器群に含まれる前記複数の真空管式太陽熱集熱器の各々は、真空管と、前記真空管を取り囲む樋状に形成されて前記真空管と平行に延在する集光板とを備える、請求項１または２に記載の太陽熱利用装置。
【請求項４】
前記集光板は前記真空管を中心に回転可能な状態で支持されている、請求項３に記載の太陽熱利用装置。
【請求項５】
前記真空管を中心に前記集光板を回転させるための駆動部を備える、請求項４に記載の太陽熱利用装置。
【請求項６】
日射強度を検知して出力するための日射強度検知部を備え、
前記制御部は、前記日射強度検知部の出力に応じて、前記駆動部により前記集光板の姿勢を変化させるための集光板制御部を備える、請求項５に記載の太陽熱利用装置。
【請求項７】
日射強度を検知して出力するための日射強度検知部を備え、
前記流量制御部は、前記日射強度検知部の出力に応じて、前記流量を変化させるためのものである、請求項２に記載の太陽熱利用装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記日射強度検知部の出力に応じて、前記駆動部により前記集光板の姿勢を変化させるための集光板制御部を備える、請求項７に記載の太陽熱利用装置。
【請求項９】
前記集熱器群は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器を含む複数の集熱器小群に分類することができ、
前記集熱器群に含まれる前記真空管式太陽熱集熱器の各々は、真空管と、前記真空管を取り囲む樋状に形成されて前記真空管と平行に延在する集光板と、前記真空管を中心に前記集光板を回転させるための駆動部とを備え、
前記複数の集熱器小群のうち、季節による日射の変化の方向と交わる方向に延在する集熱器小群においては前記駆動部を用いて前記集光板を回転させることによって前記真空管に与えられる太陽熱を増大させるための集光板制御部を備える、請求項１に記載の太陽熱利用装置。
【請求項１０】
前記集熱器群は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器を含む複数の集熱器小群に分類することができ、
前記集熱器群に含まれる前記真空管式太陽熱集熱器の各々は、真空管と、前記真空管を取り囲む樋状に形成されて前記真空管と平行に延在する集光板と、前記真空管を中心に前記集光板を回転させるための駆動部とを備え、
前記複数の集熱器小群のうち、１日の中での時間帯による日射の変化の方向と交わる方向に延在する集熱器小群においては前記駆動部を用いて前記集光板の姿勢を変化させることによって前記真空管に与えられる太陽熱を増大させるための集光板制御部を備える、請求項１に記載の太陽熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱利用装置に関する。特に真空管式の集熱器を用いた太陽熱利用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーである太陽光や太陽熱を利用したエネルギー変換システムの研究・開発が行われている。これらのシステムに用いられる太陽電池や太陽熱集熱器は、特開平１１−１４１６３号公報（特許文献１）や特開平８−１６５７７０号公報（特許文献２）に記載されているように、通常、建物の屋根面の中央の広い領域に設置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１４１６３号公報
【特許文献２】特開平８−１６５７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽光や太陽熱の利用システムが普及するにつれ、１つの建物に多種類のシステムを並行して導入する場合が生じうる。その場合、それらのシステムの設置箇所の棲み分けが問題となる。たとえば、既にいずれかの種類のシステムが設置されている建物に別の種類のシステムを付加すべき場合、既存のシステムを避けるように別のシステムを設置しようとしても、既存のシステムによって屋根の有効な部分が占有されており、新たに設置することができないという事態が生じうる。あるいは、仮に設置できたとしても、後から付加したシステムは不利な箇所に設置せざるを得ず、高い運転効率で運用することができないという事態が生じうる。
【０００５】
そこで、本発明は、屋根の中央の広い領域を利用することができない状況であっても、高い運転効率を確保できるような太陽熱利用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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に基づく太陽熱利用装置は、建物の屋根の稜線または縁に沿って配置されるための複数の真空管式太陽熱集熱器を含む集熱器群と、日射条件の季節による変化または１日の中での時間帯による変化によって、前記集熱器群の状態を調整するための制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、日射条件の変化に応じて、制御部が集熱器群の状態を調整するので、効率良く運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置の平面図である。
【図２】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置に含まれる１つの集熱器小群の平面図である。
【図３】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置に含まれる集熱器群だけを抽出したところの平面図である。
【図４】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置に含まれる集熱器群に属する１つの集熱器の斜視図である。
【図５】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置に熱媒流通のための導管と制御入出力の構成例の説明図である。
【図６】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置に含まれる制御部の構成例の説明図である。
【図７】本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置の変形例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明では、前述した課題の解決のため、太陽熱集熱器のひとつの方式として広く知られている真空管式太陽熱集熱器を、屋根などの面上ではなく稜線や縁に沿って配置し、熱媒を真空管内に流す経路および流量、集熱板の角度を日射状況に対して最適になるように制御する。集熱板の角度調整については季節による日射の変化、および１日の中の時間経過による日射の変化に対応できるように行なう。
【００１０】
（実施の形態１）
（構成）
図１〜図３を参照して、本発明に基づく実施の形態１における太陽熱利用装置について説明する。図１にこの太陽熱利用装置１０１が屋根１に設置された状態の全体の平面図を示し、図２には太陽熱利用装置１０１の一部分を示す。図３には太陽熱利用装置１０１に含まれる真空管式太陽熱集熱器３だけを抽出した様子を示す。
【００１１】
図１に示した例では一般的な寄棟造りの屋根１の４つの面のうち広い１つの面に太陽光発電ユニット２が既に設置されている。太陽光発電ユニット２の周囲を取り囲む稜線および縁の部分に複数の真空管式太陽熱集熱器３（以下「集熱器３」ともいう。）が配置されている。配置された複数の集熱器３は、一定数ごとにブロック分けされている。図１に示した例では、４個の集熱器３を１つのブロックとして合計５ブロックが配置されている。図２に示すようにブロック１つ分の集熱器３の集まりを「集熱器小群」と呼ぶものとする。この例では１つの集熱器小群には４個の集熱器３が含まれる。複数のブロックにわたる複数の集熱器３の全体の集まりを「集熱器群」と呼ぶものとする。図３に見えている全体が集熱器群２０に相当する。集熱器群２０には、集熱器小群２１，２２，２３，２４，２５が含まれる。
【００１２】
本実施の形態における太陽熱利用装置１０１は、建物の屋根１の稜線または縁に沿って配置されるための複数の真空管式太陽熱集熱器３を含む集熱器群２０と、日射条件の季節による変化または１日の中での時間帯による変化によって、集熱器群２０の状態を調整するための制御部３１とを備える。集熱器群２０と制御部３１との接続は概念的に示したものであって、このとおりとは限らない。図１では制御部３１の設置場所は概念的に示されているのであって、図示したとおりとは限らない。図１では、太陽熱利用装置１０１を表示する際に屋根１も表示されているが、屋根１自体は太陽熱利用装置１０１には含まれない。
【００１３】
方向９１は季節による日射の変化の方向を表し、方向９２は１日の中での時間帯による日射の変化の方向を表す。この方向９１，９２はあくまで一例である。この例では、屋根１の長手方向がたまたま１日の中での時間帯による日射の変化の方向９２と一致しているが、本発明を実施する上では、屋根１の形、寸法比率、延在方向は図示した例に限定されない。
【００１４】
（作用・効果）
本実施の形態における太陽熱利用装置１０１では、集熱器群２０は屋根１の面の中央ではなく稜線または縁に沿って配置されるものであるので、既存のシステムとは棲み分けができている。稜線または縁に沿って配置した場合、従来であれば、日照条件が悪くなりがちであったが、本実施の形態における太陽熱利用装置１０１では、日射条件の変化に応じて、制御部３１が集熱器群２０の状態を調整するので、効率良く運転することができる。
【００１５】
本実施の形態では、既存の太陽光発電システムの動作に影響を及ぼさずに後付けで、運転効率の低下を抑えた太陽熱利用システムを設置することができる。また、太陽光発電システムと太陽熱利用システムとを１つの屋根に同時に設置することも容易に行なうことができる。本実施の形態では、既存設備を有効に利用することができる。
【００１６】
好ましくは、集熱器群２０は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器３を含む複数の集熱器小群２１，２２，２３，２４，２５に分類することができ、制御部３１は、集熱器小群２１，２２，２３，２４，２５の各々を流れる熱媒の流量を変化させるための流量制御部３２を含む。この構成を採用することにより、熱媒の流量を操作することによって、集熱器群の制御を円滑に行なうことができる。
【００１７】
集熱器群２０に含まれる１つの集熱器３の構造を図４に示す。１本の真空管４に対して集光板支持体５を介して樋状の集光板６が配置されている。集光板６は太陽熱を真空管４に集めるよう取り付けられている。集光板支持体５は真空管４を軸として回転可能な構造である。駆動部７に接続された回転体８の動作によって集光板支持体５は回転することができる。真空管４から熱媒用の導管１０が外部に引き出され、熱交換装置（図示せず）との間で熱媒の流通が行われる。導管１０は真空管４の両側で他の真空管４の導管１０と相互に接続できるような構造を備える。太陽熱利用装置１０１には、日射強度を検知するための手段として、たとえば小型の太陽電池１１が備わっている。太陽電池１１は、集熱器３に対する日射強度を発電量によって出力する。この例では、集光板６の１つの隅に日射強度検知手段としての太陽電池１１を配置しているが、全ての真空管式太陽熱集熱器３に１つずつ太陽電池１１を配置する必要はなく、同一の集熱器小群に属する複数の集熱器３に対して共通の１つの太陽電池１１を割り当てるなどの方法によって簡略化することも可能である。
【００１８】
逆に、１つの集熱器３に対して複数の太陽電池１１を設置してもよい。１つの集熱器３に対して複数の太陽電池１１を設置する際には、それぞれ異なる向きに設置してもよい。互いに異なる向きに複数の太陽電池１１が設置されていれば、各向きの太陽電池１１の発電量を比較することによって、いずれの向きからの日射強度が最も強いかを判断することができるので、集熱器群の状態を効率良く調整することができる。
【００１９】
以上のように、好ましくは、太陽熱利用装置１０１において、集熱器群２０に含まれる複数の真空管式太陽熱集熱器３の各々は、真空管４と、真空管４を取り囲む樋状に形成されて真空管４と平行に延在する集光板６とを備える。この構成を採用することにより、集光板によって太陽光を真空管に集中させることができ、真空管は効率良く集熱することができる。
【００２０】
さらに、図４を参照して上述したように、集光板６は真空管４を中心に回転可能な状態で支持されていることが好ましい。この構成を採用することにより、後述するように太陽光の入射角度の変化に対応することができるからである。
【００２１】
さらに、上述したように、真空管４を中心に集光板６を回転させるための駆動部７を備えることが好ましい。駆動部７は、たとえばモータであってよい。この構成を採用することにより、太陽光の入射角度の変化に対応するための回転が容易となるからである。駆動部７によって回転させられる回転体８の外周には、集光板６に回転を伝達するための歯が形成されていてもよい。集光板６の外表面のうち回転体８に当接する部分には回転体８と噛み合うための凹凸が形成されていてもよい。
【００２２】
（入射角度の変化）
太陽光は、季節や時間帯によってその入射角度が変化するため、集熱器で得られる熱量も変化する。また、建物の屋根が太陽光に対して正対していない場合も考えられる。状況に応じて最適な集熱を行なうために、集熱器の集光板を回転させて角度を調整する。角度調整は設置の状態に応じて集熱器小群単位で行なう。
【００２３】
たとえば、季節によって太陽の高さは変化する。このような日射高さの季節変化は図１における方向９１に関して生じるので、調整のためには集熱器小群２１，２３，２４の集光板を回転させることが好ましい。太陽が低くなる季節には、集光板６は低いところから入射する太陽光を受けやすい姿勢とすればよく、太陽が高くなる季節には、集光板６は高いところから入射する太陽光を受けやすい姿勢とすればよい。
【００２４】
１日の中の時間帯によって太陽が存在する方角は変化する。このような日射方向の変化は図１における方向９２に関して生じるので、調整のためには集熱器小群２２，２５の集光板を回転させることが好ましい。
【００２５】
太陽熱利用装置１０１としては、日射強度を検知して出力するための日射強度検知部を備え、制御部３１は、日射強度検知部の出力に応じて、駆動部７により集光板６の姿勢を変化させるための集光板制御部３３を備えることが好ましい。日射強度検知部とは上述したようにたとえば太陽電池１１である。集光板制御部３３は、各集熱器における駆動部７の動作状況を制御する。このように、日射強度検知部の出力に応じて、駆動部７により集光板６の姿勢を変化させるための集光板制御部３３を備えていれば、太陽熱利用装置１０１は、実際の日射の入射状況に応じて集光板６を適切な姿勢に変化させることができるので、効率良く運転することができる。
【００２６】
（熱媒の流通）
集熱器群２０に属する複数の集熱器３は、それぞれ集熱の環境が異なるため、熱媒が常に一定に流通する状態では、日射の状況によってはシステム全体の集熱効率が下がるおそれがある。これを防止するために、各集熱器３に使用する熱媒の流通を調整することが好ましい。各ブロックへの熱媒流通のための導管と制御入出力の構成例を図５に示す。この例では、３つの集熱器３が１つのブロック２８となっている。「ブロック２８」は、上述の「集熱器小群」に相当する。この太陽熱利用装置には、＃１，＃２，＃３，…，＃ｎと番号が付された複数のブロック２８が配置されている。各ブロック２８にはそれぞれ熱媒用の導管１０ａ，１０ｂが接続されている。各ブロック２８からは日射量測定結果１４が出力される。各ブロック２８へは集光板制御信号１５が入力される。導管１０ａを経由して各ブロック２８へ熱媒が流入する。各ブロック２８の集熱器３の内部に備わる真空管４で太陽熱を得た熱媒は、導管１０ｂを経由してブロック２８から出て行き、図示しない熱交換部へと流れていく。熱交換部では、熱交換が行なわれる。
【００２７】
図５に示した集熱器３の各ブロック２８と接続する、制御部３１の構成例を図６に示す。各ブロック２８から出力される日射量測定結果１４を日射量比較部３４に取り込む。日射量比較部３４では受け取った日射量測定結果１４と予め設定されている基準値との比較が行なわれる。日射量比較部３４での比較は、基準値との比較の代わりに、受け取った複数の日射量測定結果１４の相互間の比較であってもよい。比較の結果は集光板制御部３３および流量制御部３２に送られる。比較の結果は、集光板制御部３３では集光板の角度調整のための信号に変換され、ブロック２８の数に応じた数の集光板制御信号１５が出力される。これらの集光板制御信号１５は各ブロック２８に分配接続される。また、流量制御部３２においては、比較の結果により各ブロックに流通する熱媒流量の調整が行われる。ブロック２８の数に応じた数の導管１０ａが用意され、それぞれブロック２８へと接続される。
【００２８】
一般に家屋の屋根材の稜線や縁の部分は、屋根の面部分とは別の部品で製作されることが多い。このような稜線や縁の部分に集熱器３を設置することによって屋根材との一体化が行ないやすい。本発明では、これまで南側の屋根面に主に設置されていた集熱器３を、南側以外の稜線あるいは縁の部分にも配置し、かつ調整可能とすることにより、今まで設置が難しかった建物、たとえば隣接した建物によって屋根の一部が日陰になるような建物であっても、集熱量を確保しやすくなる。
【００２９】
太陽熱利用装置としては、日射強度を検知して出力するための日射強度検知部を備え、流量制御部３２は、日射強度検知部の出力に応じて、集熱器小群２１，２２，２３，２４，２５の各々を流れる熱媒の流量を変化させるためのものであることが好ましい。日射強度検知部とは上述したようにたとえば太陽電池１１である。このように、日射強度検知部の出力に応じて、流量制御部３２が熱媒の流量を変化させることとすれば、太陽熱利用装置１０１は、各集熱器小群の実際の日射の入射状況に応じて、各集熱器小群への熱媒の流量を調整することができるので、たとえば多くの熱量が得られる集熱器小群には多くの流量を送り込むなどの措置により、全体として効率良く運転することができる。
【００３０】
太陽熱利用装置としては、日射強度を検知して出力するための日射強度検知部を備え、流量制御部３２は、日射強度検知部の出力に応じて、集熱器小群２１，２２，２３，２４，２５の各々を流れる熱媒の流量を変化させるためのものであることに加えて、制御部３１が、日射強度検知部の出力に応じて、駆動部７により集光板６の姿勢を変化させるための集光板制御部３３を備えることが好ましい。この構成を採用することにより、各集熱器小群の実際の日射の入射状況に応じて、各集熱器小群への熱媒の流量を調整し、さらに、集光板６の姿勢を変化させることができるので、集熱器群に属する各集熱器小群の状態を最適な状態に近づけることができ、全体として効率良く運転することができる。
【００３１】
ここまでの話を整理すると、太陽熱利用装置１０１においては、集熱器群２０は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器３を含む複数の集熱器小群に分類することができ、集熱器群２０に含まれる真空管式太陽熱集熱器３の各々は、真空管４と、真空管４を取り囲む樋状に形成されて真空管４と平行に延在する集光板６と、真空管４を中心に集光板６を回転させるための駆動部７とを備え、かつ、複数の集熱器小群のうち、季節による日射の変化の方向９１と交わる方向に延在する集熱器小群２１，２３，２４においては駆動部７を用いて集光板６を回転させることによって真空管４に与えられる太陽熱を増大させるための集光板制御部３３を備えることが好ましい。
【００３２】
この構成を採用することにより、季節による日射の変化にもかかわらず集光板を適宜回転させて各集熱器の真空管になるべく多くの太陽熱を与えることができるので、全体として効率良く運転することができる。
【００３３】
あるいは、別の捉え方をすれば、太陽熱利用装置１０１においては、集熱器群２０は、互いに隣接して配置される１以上の真空管式太陽熱集熱器３を含む複数の集熱器小群に分類することができ、集熱器群２０に含まれる真空管式太陽熱集熱器３の各々は、真空管４と、真空管４を取り囲む樋状に形成されて真空管４と平行に延在する集光板６と、真空管４を中心に集光板６を回転させるための駆動部７とを備え、かつ、複数の集熱器小群のうち、１日の中での時間帯による日射の変化の方向９２と交わる方向に延在する集熱器小群２２，２５においては駆動部７を用いて集光板６の姿勢を変化させることによって真空管４に与えられる太陽熱を増大させるための集光板制御部３３を備えることが好ましい。
【００３４】
この構成を採用することにより、１日の中の時間帯による日射の変化にもかかわらず集光板を適宜回転させて各集熱器の真空管になるべく多くの太陽熱を与えることができるので、全体として効率良く運転することができる。
【００３５】
（変形例）
図７を参照して、本実施の形態における太陽熱利用装置の変形例である太陽熱利用装置１０２について説明する。この例では、屋根１ｅは上から見て六角形に見える変形屋根となっている。屋根１ｅの６つの面のうち広い１つの面の中央を覆うように太陽光発電ユニット２が既に設置されている。太陽熱利用装置１０２としては、すべての稜線および縁の部分に真空管式太陽熱集熱器３が配置されている。配置された集熱器は、一定数ごとにブロック分けされており、この場合は集熱器３個を１つのブロックとしている。図７に示した例では、合計１３のブロックが配置されている。個々のブロックは集熱器小群に相当する。各集熱器３は、図示したとおりの大きさでなくてもよい。集熱器、集熱器小群、集熱器群は、屋根などの建材との調和が図れるように製作されうるものである。
【００３６】
なお、上記各例では、屋根が寄棟造りである例を示したが、他の形式の屋根であってもよい。
【００３７】
上記各例では、個々の集熱器がいずれも同じ形状で同じ大きさのものと仮定して説明したが、１つの集熱器小群の中に、異なる形状の集熱器や大きさが異なる集熱器が混じっていてもよい。１つの集熱器群２０の中に条件の異なる集熱器小群が混じっていてもよい。
【００３８】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００３９】
１，１ｅ  屋根、２  太陽光発電ユニット、３  真空管式太陽熱集熱器（集熱器）、４  真空管、５  集光板支持体、６  集光板、７  駆動部、８  回転体、１０，１０ａ，１０ｂ  導管、１１  太陽電池、１４  日射量測定結果、１５  集光板制御信号、２０  集熱器群、２１，２２，２３，２４，２５  集熱器小群、２８  ブロック、３１  制御部、３２  流量制御部、３３  集光板制御部、３４  日射量比較部、９１  （季節による日射の変化の）方向、９２  （１日の中での時間帯による日射の変化の）方向、１０１，１０２  太陽熱利用装置。
【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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