(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率の妨げとなっていた熱を取り除き、太陽電池モジュールの裏側で、太陽熱を利用して温水製造できる軽量で安価な熱電ハイブリット太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】受光面のカバーガラス１１から入光した光の内、可視光線は発電素子１０により電気変換され、集熱部である樹脂ホース１を通過した赤外線は、モジュール裏面の遠赤外線放射材料９により反射され、遠赤外線となり、樹脂ホースの吸収、放射により、内部に流れる水分子に吸収され、水分子の共鳴自己摩擦により温水を製造する【選択図】図３
2019221042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（A)スーパーストレート構造からなる太陽電池モジュールの受光面のガラスに対しての裏面側に（B)長さが５ｍ以上３００ｍ以下の渦巻き状で、プレート状の遠赤外線放射率が８０％から９９％の材料からなる樹脂ホースを取り付け、（C)遠外線放射率が１％から１５％である材料からなるプレートを（B)の裏側に対し全面覆うことによりなる軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュール
【請求項２】
樹脂ホースの内径が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である特許請求第１項の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュール
【請求項３】
単位平米当たり１５ｋｇ以下である特許請求１項記載の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュール
【請求項４】
渦巻き状巻き樹脂ホースプレートの裏面に採用する材料がアルミニウムからなる請求項第１項の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュール
【請求項５】
エチレン・ノルボルネンランダム共重合体フィルムがカバーガラスと発電素子の間に適用してある市販の太陽電池モジュールをベースとした特許請求項第１項の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュール
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
太陽電池モジュールは、太陽光を電気に変換するものであり、太陽熱温水器は、パネルで受けた太陽の輻射熱を冷媒に伝え、温水として貯蔵し、活用するものである。
本発明は、太陽光スペクトルの内、可視光線を電気に変換し、赤外光線で温水を同時に製造するハイブリット太陽電池モジュールに関する。加えて、軽量かつ安価であり、長期間に亘り、メンテナンスフリーの軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールを提供する。
【背景技術】
【０００２】
太陽の輻射熱で温まった集熱部の熱を熱伝導により水に伝え温水を製造する機器は、太陽熱温水器として古くから製造、販売されている。太陽熱温水器には、平板型と真空管型の２通りある。平板型は簡便な構造であり、製造コストが抑えられ、太陽熱温水器の普及に大きく貢献した。しかし、平板型の太陽熱集熱器では、構造そのものに起因して、寒冷な気象条件下の使用において、放熱により、集熱効率が低下し、温水が得られないという問題がある。また、集熱器の傾斜角度を屋根傾斜よりも大きくする必要があり、この設置角度では、住居外観が悪くなり、そのため普及の妨げになっている。
【０００３】
真空管型集熱器は、集熱部の熱損失を真空状態にすることによってゼロに近づけており、冬場でも８０℃以上の温水を容易に製造することができる。しかし、真空を保持するガラス管は、冬場の凍結で割れることがあり、その対策として、断熱材の多用と熱シール構造確立のため、高価となり、また、製品重量が重く、屋根設置工事代金がかさむ問題がある。
【０００４】
太陽熱温水器では、日中に製造した温水を貯蔵するタンクが必要である。タンク一体型は安価であるが、平米当たり、約３００kgの重量となり、木造建築物では設置安全性の問題になることが指摘されている。一方、熱媒の強制循環方式は、タンク分離できるので、重量の問題は解消されるが、温水製造のシステム化により経済性が損なわれる問題があった。
【０００５】
こうした中、太陽光パネルの表面で発電し、裏面側で温水を製造する、所謂、熱・電ハイブリット太陽電池モジュールの開発が１９７０年代から行われている。太陽電池は、太陽光を受けて、発電するが、一方、パネル温度の上昇に伴い、１℃の温度上昇あたり、約０．５％程度の発電効率低下することが知られている。そこで、裏面を水道水などで冷やすことによって、発電効率向上を狙い、併せて、「温水」を利用することによって、太陽光利用効率の向上を狙った製品である。
【０００６】
この熱・電ハイブリット太陽電池モジュールには、太陽電池モジュールと太陽熱温水器を組み合わせた形式と受光面側に太陽電池パネル、そのモジュールの裏面側にガラスを用い、その中間に架橋ポリエチレン樹脂管を挟むことによるモジュール一体型の２通りある。前者は、太陽の輻射熱で高温になった表面の熱を熱伝導良好な銅管に伝えることで温水を得る方式である。後者は、ガラスとガラスに囲まれた構造で、所謂、温室効果により、温水を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】太陽光利用として、特開１９９８−０５４０７４号公報には、太陽熱温水器として、安価な製品を提供することを目的として、貯湯槽を兼ねる集熱パイプを蛇行状にして、取り付け金具に平面的でパネル状に組み立てる発明を開示している。
【特許文献２】特開２００７−２１９００８号公報は、限られた日照で効率が高く、ローコストの太陽熱温水器を提供する発明を開示している。
【特許文献３】特開２０１２−１１５５１６号公報は、集熱管を利用したタイプの太陽熱温水器をさらに発展させたものであり、太陽熱温水器と共に、風力発電機や太陽光発電機を併設し、これらの発電電力を無駄なく、太陽熱温水器に使用できるシステムを構築し、太陽熱温水器からの温熱水を安価なコストで供給できるハイブリッド型太陽熱温水器システムを提供することを目的としている。  集熱間を複数並設して、太陽熱温水器と、電熱ヒーターと、電熱ヒーターの稼働を制御するコントローラと、蓄電池を備え、コントローラは、風力発電機の発電電力を電熱ヒーター側に切り替えて温熱水部内の温熱水を熱し、風力発電機からの発電電力及び／または蓄電池からの電力を電熱ヒーターに送出し、該電熱ヒーターが温熱水部内の温熱水を熱することを特徴とする。
【特許文献４】JP20150029594 は、太陽電池モジュールに簡単な部材を追加するだけで、太陽光発電と同時に温水の供給を行うことができるハイブリッド太陽電池モジュールの発明を開示している。
【特許文献５】JP２０１７０８５７６０には、太陽電池モジュールの裏側に液体が通過する樹脂製パイプを一体的に結合した高効率な太陽熱光ハイブリッド太陽電池モジュールとして、太陽光の受光面側及び反受光面側にガラスを設け、温水製造部と発電部を備えた構成の発明が開示されている。一旦取り込んだ光を温室効果により、樹脂管内に流れる水を温水に変えることができる。しかし、ガラス/ガラス両面構造のモジュールのため、重量が非常に重く、また、ガラス部とアルミフレーム部との接触部に傷が入りやすく、割れることが多々あった。また、一体成型方式のハイブリット太陽電池モジュールは、ラミネータ工程でシリコンセル割れの危険性を含んでおり、ロバスト性に欠くものであった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
太陽光エネルギーを高い効率で、有用な電気や温水に同時に変換することが可能であり、かつ、軽量で、モジュール製造原価の安価で、軽量な熱電ハイブリット太陽電池モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段は以下の通りである。本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、既に生産された太陽電池モジュールを２次加工することにより得られるものであり、通常、太陽電池モジュールメーカで生産することに加え、別の場所にでも生産することができる。
本発明の課題を解決するために、遠赤外線放射率が８０％から９９％である材料からなる樹脂ホースを太陽電池モジュールのバック―トに貼り付け、あるいは押さえ付け、その裏側に遠赤外線放射率が１％から１５％であるプレート状材料で全面覆うことによる軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールを発明した。
本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、重量の重いガラスを適用することなく、高効率な集熱性を発揮するパネル構造を鋭意検討の結果、モジュールの裏面側に光沢のあるアルミニウムやステンレス、鉄板などの遠赤外線を反射する金属素材を採用することによって、ガラス適用の構造に較べ、極めて良好な温水を得ることができることを発見した。なお、モジュール内の遠赤外線を反射させることのみが必要であり、雨、風の当たるプレートの外装側は樹脂などで塗装されていても構わない。
【００１０】
本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、既製品の太陽電池モジュールをベースに作成するものである。パネル表面側で発電し、パネル裏面側で温水を製造することができる。
太陽電池モジュールのバックシートに張り付ける樹脂ホースの内管直径は２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、２ｍｍより細い場合は、詰りの問題や凍結の問題が発生することもあるため好ましくない。また、１０ｍｍを超えると樹脂ホースの曲げ強度が強いため、モジュール内に収まるよう、長尺で巻くことが難しくなるため好ましくない。好ましくは、３ｍｍ以上７ｍｍ以下ある。樹脂ホース長は、５メートル以上３００メートル以下である。５メートルよりも短いと有用な温水を製造することができない、３００メートルを超えると樹脂ホース巻き加工費が高騰するため、安価な製品を生産することができない。好ましくは１０メートル以上１５０メートル以下である。さらに好ましくは、５メートルから３０メートルの樹脂ホースを２巻き以上１０巻きとし、それぞれを樹脂ホースで連結してなる集熱樹脂ホース構造が好ましい。樹脂ホース材料は、遠赤外線放射率；８０％から９９％である材料で、その中でも架橋ポリエチレン、ポリエチレン、ポリブテンが好ましい。
【００１１】
本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールの単位平米面積当たりの重量は、１６ｋｇ以下であり、好ましくは、１５ｋｇ以下である。１６ｋｇ以下であれば、通常の太陽光モジュールと同様の設置工事が可能であり、パネル設置コスト、運搬コスト、メンテコストなどのシステムのコストを増加させることはない。
【００１２】
本発明のモジュールに適用する樹脂ホースは、受光面側プレートと裏面側プレートの両面に対し、化学接着している必要はなく、物理的に押さえ付けられた状態においても、高効率で温水を製造することができる。
【００１３】
樹脂ホースの出入り口の一方は、本発明のモジュールの側面側で、他方は、その中央部である。本形状の場合は、樹脂ホースの巻き工程が簡略化され、安価に生産できる。また、一方向の巻き方により、樹脂ホースへの巻きの機械的ストレスが軽減され、長期に亘り水漏れの心配のない、渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートを得ることができるので好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、既製品の太陽電池モジュールをベースにその裏面に樹脂ホースからなる集熱部を後付して製品化するものであり、また、もともと太陽電池モジュールであるため、１５°から４０°の屋根傾斜に沿って設置され、その角度であっても、軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、複数枚連結することで、太陽電池モジュールの表面温度とほぼ同じ温水を得ることができる。そのため、これまで太陽熱温水器として問題であった建物外観との調和を図ることができる。
【００１５】
受光面のガラスから入光した光の内、可視光線はシリコンセルにより電気変換される。集熱部である樹脂ホースを通過した赤外線は、モジュール裏面の低遠赤外線放射率プレートにより反射され、波長が長くなり遠赤外線となり、樹脂ホースの吸収、放射により、内部に流れる水分子に吸収され、水分子の共鳴自己摩擦により温水を製造することができるものである。
本発明のモジュール裏面側には、ガラスは使用せず、そのため、本発明の熱電ハイブリットモジュールは軽量であり、屋上への設置作業が容易である。
集熱ホースが樹脂材料であるため、耐凍結破裂性に優れており、また、腐食による水漏れリスクはない。そのため、温水部のメンテナンスコストが安価であり、ランニングコストが極めて安価である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１：渦巻き状樹脂ホースプレート
【図２】太陽電池モジュールの受光面の裏側への渦巻き状樹脂ホースプレートのレイアップおよび樹脂ホースの接続
【図３】熱電ハイブリット太陽電池モジュールの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜太陽電池モジュール＞
ガラス/ガラスの両面構造の太陽電池モジュールを除く、市販されているすべての太陽電池モジュールを用いることができる。単結晶、多結晶、薄膜、タンデム型セル、ハーフセルタイプの太陽電池モジュールのバックシート側に集熱構造を設ける。
＜ 熱電ハイブリット太陽電池モジュール外装の裏面側プレート：遠赤外線放射率１％以上１５％材料＞
アルミニウム合金板：厚み；１．５ｍｍ：遠赤外線放射率：３.６％、アルミ箔；厚み２０μｍ、鉄プレート：厚み；２．０ｍｍ；遠赤外線放射率＜１％、ステンレス（SUS430）：板；厚み：２.０ｍｍ：遠赤外線放射率：７.５％
【００１８】
図１に集熱機能を有する渦巻き状巻き樹脂ホースプレートを示す。直径１０ｃｍ、厚み１５ｍｍの木製の円盤に樹脂ホースを巻きつけることによって、渦巻き状の樹脂ホース巻きを得ることができる。樹脂管は、1本でも良いし、2本同時、あるいは4本同時に巻き取ってもよい。樹脂ホースがばらけないようにテープで固定するか、結束バンドで止めてもよい。
樹脂ホースの間には、物理的固定の目的で、架橋ゴムひもや熱可塑性エラストマーを用いることができる。樹脂ホースの巻き作業において、巻き取り作業性の向上となるので好ましい。
【００１９】
図２に太陽電池モジュールの裏面に渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートの取り付け位置および樹脂ホースの連結方法を示す。渦巻き状樹脂ホースプレートは、１個でも良いし２個でも良い。目安として、４８直太陽電池モジュールでは、１個か２個。６０直太陽電池モジュールでは、4個か６個。７２直モジュールでは、６個か8個が適当である。樹脂ホースの接続は、ニップルをもちいても良いし、フッ素やポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなど用いることができる。
その樹脂ホースの裏側に発泡ポリスチレン、架橋発泡ポリエチレン、発泡ポリエチレン、発泡ウレタンなどの断熱材を介して遠赤外線放射率の低いプレートで押し付けても、接着しても良い。
【００２０】
渦巻き状巻き樹脂ホースプレートと太陽電池モジュールのバックシートとを接着する場合は、シリコーン系、ウレタン系、アクリル系の市販の接着剤を用いることができる。
【００２１】
受光面側から入光した赤外線は、受光面側で輻射熱となり、パネル裏面部から輻射熱が放出される。太陽電池モジュールの裏面に取り付けた渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートは、この遠赤外線を吸収し、内在する水分子の吸収へと繋げる。モジュール内部の遠赤外線は、渦巻き状樹脂プレートの裏面側のプレート：遠赤外線放射率１％以上、１５％以下で反射され、太陽電池モジュールの裏面側との間で、電磁波のハンチングが起こり、水分子の共鳴波長である約３０μｍの遠赤外線波長で最も効率的に温水を製造することができる。その裏面側のプレートは、受光面側プレートと同サイズでも良いし、内蔵する樹脂ホースを覆い被せることのできる程度の大きさでもよい。
【００２２】
樹脂ホースは、外周から内部に向かって巻かれている、あるいは、内側から外側に向かって巻かれていることを特長とし、この巻き方式は、不自然な曲げストレスの加わらないため、長期間に亘り水漏れの心配は全くない。
電磁波を反射させる裏側プレートの厚みは１０μｍ以上であり、それより薄いと反射し難くなり、効率よく３０μｍの波長の電磁波をが発生しないため好ましくない。また、電磁波を反射させるプレート表面は、鏡面に近いほど良好で、平滑であることが好ましい。酸化などにより、遠赤外線放射率が大きくなり、反射し難くなるため、表面酸化防止の対策をすることが好ましい。
【００２３】
＜軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールの製造方法＞
市販の太陽電池モジュールの裏面に予め準備した渦巻き状巻き樹脂ホースプレートを遠赤外線放射率１％以上、１５％以下のプレートで全面覆いながら押し当て、あるいは接着し、あるいはネジなどで固定することにより、製造できる。
本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールは、既存太陽熱温水器およびハイブリット太陽電池モジュールに較べ軽量であることが特長であり、製品重量は、単位平米当たり１６ｋｇ以下、好ましくは、１５ｋｇ以下ある。
【実施例】
【００２４】
以下に、実施例により、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１：本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールの構造を図３に示す。Alpha Zeroth株式会社製Zeroth−６０BMの太陽電池モジュールを準備し、そのバックシート側に渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートを信越化学工業社製一液型RTVシリコーンシーラント(KE-441-W)を用いてバックシートと化学接着した。
渦巻き状巻き樹脂ホースプレートは、イノアック住環境(株)社製：内径５ｍｍの５A架橋ポリエチレン管を直径：１００ｍｍの木製円盤（厚み：１０ｍｍ）に巻きつけて、渦巻き状の直径：４１０ｍｍのプレートを準備した。
この渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートを６枚準備し、図2の様に配置し、それぞれは、真鍮製ニップル（５Aと５A接続）で連結した。接続樹脂ホースは、渦巻き状巻き樹脂ホースと同様を用いた。１．０ｍｍ厚みのアルミ板（JISA 1050P)を渦巻き状の直径：４１０ｍｍのプレートの裏側に押し当て、信越化学工業社製一液型RTVシリコーンシーラント(KE-441-W)にて、接着して本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールを得た。
【表１】
2019221042.tif 000003
【００２５】
実施例２は、樹脂ホースの内径を７ｍｍ（イノアック住環境(株)社製）を用いた以外は、実施例１と同様に行った。
実施例３は、非架橋ポリエチレンホース（イノアック住環境(株)社製）を用いた以外は、実施例１と同様に行った。
実施例４は、ブリヂストン社(株)製内径１０ｍｍのポリブテンホースを用いた以外は、実施例１と同様に行った。
実施例５は、渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートの裏側に１０ｍｍ厚みの発泡倍率３０倍のポリエチレンスポンジ（共ショウ社製）を
押し当て、その裏側に厚み２０μｍのアルミ箔を２枚重ねて敷き詰め、３ｍｍポリカーボネート樹脂（三菱化学(株)社製）ボードで押し当てて本発明の軽量熱電ハイブリット太陽電池モジュールを準備した以外は実施例１と同様に行った。
実施例６は、Alpha Zeroth社製Zeroth−７２BMの７２直多結晶をベースに本発明の熱電ハイブリット太陽電池モジュールを得た以外は、実施例１と同様に行った。
【００２６】
比較例１  渦巻き状巻き樹脂ホースのプレートの裏側に１０ｍｍ厚みの発泡倍率３０倍のポリエチレンスポンジ（共ショウ社製）を
押し当て、さらに３ｍｍポリカーボネート樹脂（三菱化学(株)社製）ボードで押し当ててたハイブリット太陽電池モジュールを準備した以外は実施例５と同様に行った。
【００２７】
＜集熱性評価＞
モジュール入り口：４−１部から水道水を通水し、出口：４−２から温水を採取して、集熱性能を評価した。
風速1m/s、日射強度：平米当たり、１０００Wにおいて、外気温１８．５℃、水道水温度１４.３℃、水流量６０L/ｈの条件で、パネル出口４−２部の温水温度を温度計で測定し、昇温度合い（出口温度ー水道水温度）を集熱性能（℃）とした。
＜パネル発電性能試験＞
風速1m/s、日射強度：平米当たり、１０００Wにおいて、外気温１８．５℃の条件で、英弘精機社製IVチェッカーにて最大発電量
Pmaxを計測した。
＜平米当たり重量＞
１００ｋｇまで計測可能な重量計にて、ハイブリット太陽電池モジュールの重量を計測し、単位平米面積当たりの重量を算出した。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のは、太陽光スペクトルの内、可視光線および赤外線を利用して、電気と温水を効率よく、同時に製造できる。そのパネルの構成部材は積雪時などの大きな力が加わって変形しても、裏面側にガラスを使用していないのでガラスにストレスクラックが発生しない。そのため、２０年以上の耐久性がある。
本発明の軽量ハイブリット太陽電池モジュール適用の樹脂ホースは、モジュール内に配置してあるので、太陽光の紫外線から保護されており、建築物の温水配管システムで使用されている樹脂ホースであり、２０年以上の実績と信頼性がある。
また、本発明の軽量ハイブリット太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール製造工場で生産可能であり、また、市販の太陽電池モジュールの後加工により製造することができるので、別の場所でも生産できる。
日中に大量の電気や温水を使用する集合住宅や住居、病院、老人ホーム、学校、ゴルフ場、一日温泉地などでは、電気のみならず温水も消費するので、本発明の軽量ハイブリット太陽電池モジュールは消費エネルギー削減に貢献し、地球環境に対しては、炭酸ガス削減に多いに貢献できる。
【符号の説明】
【００２９】
１：樹脂ホース、２：渦巻き状巻き樹脂ホースのプレート、３：ニップル、４：接続用樹脂ホース、４−１：水の入口、４−２：水の出口、５：アルミフレーム、６：バックシート、７：電気ケーブル、８：ジャンクションボックス、９：１〜１５％遠赤外線放射材料、１０：発電素子、１１：カバーガラス、１２：太陽電池モジュール
【図１】
2019221042.tif 000004
【図２】
2019221042.tif 000005
【図３】
2019221042.tif 000006