(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽光利用発電セルのエネルギー変換効率が１５％前後の状態の現在、何れの設置サイトに置いてもその必要な総受光面積が大きく、設置スペース、エネルギー単価等の点に於いて石油やガスを用いたエネルギー装置に比し実用的な不利は否めない。そこで電力と同時に温熱を獲得して、エネルギー補足効率を倍以上に高める事ができるようにする。【解決手段】太陽光エネルギーを取り込んで利用する装置の発電セルにおいて、電力と温熱をコジェネレイションさせる事により高いエネルギー変換効率で出力させ、常に変動するその温熱出力を直接受け取って且つ需要者が必要な温度と熱量の温熱へと効率よく転換するためのヒートポンプを開発して全体をシステム化し、もって獲得エネルギー単位当たりの受光必要面積及び単価の半減を実現して太陽光利用装置の投資効果を高め装置の普及を加速する。【選択図】図１
2008157483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該太陽光コジェネレイション装置におけるモジュール内の複数の発電セルを支持する支持基板と該ヒートポンプユニットを構成する冷凍サイクルのセル冷却配管とを、少なくとも二つ以上の複数の前記支持基板を連続する一本の該セル冷却配管で受け持たせた構成で相互に伝熱関係に固定し、夫々の前記発電セルで発生した温熱を該セル冷却配管を通じて前期ヒートポンプユニットで集熱し処理する事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項２】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該太陽光コジェネレイション装置の各モジュールの発電セルを支持して且つ冷却する金属製の支持基板と該ヒートポンプユニット内の冷凍サイクルを構成する金属製のセル冷却配管とを該支持基板の発電セルを支持する部分から外側に延長された部分で相互に伝熱関係に固定して、前記発電セルで発生した温熱を該支持基板を通じて前期ヒートポンプユニットで冷却し集熱する様に構成した事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項３】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該太陽光コジェネレイション装置の各モジュール内の発電セルを支持し且つ冷却する金属製の支持基板と該ヒートポンプユニットの金属製のセル冷却配管とを両者が面で接する様に円弧状または半円弧状形状に該支持基板を成型した接合部分で螺子締め又はボルト止め乃至はバネによる圧接などの機械的方法により締め付けて両者を強く面接触させる様にして相互に固定する事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項４】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該太陽光コジェネレイション装置の各モジュール内の発電セルを支持して且つ冷却する金属製の支持基板と該ヒートポンプユニットの金属製のセル冷却配管とを相互に伝熱関係に固定したシステムにおいて、該セル冷却配管の直線状乃至はほぼ直線状に形成した部分を長方形の該支持基板の長尺の辺の方向にその軸心方向を合わせて配置して伝熱関係に固定した事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項５】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて該太陽光コジェネレイション装置の各モジュール内で発電セルを支持且つ冷却する金属製の支持基板と該ヒートポンプユニットの金属製のセル冷却配管とを相互に伝熱関係に固定したシステムにおいて、各モジュール内の前記発電セルを上面に支持した大略平板形状の前記支持基板の形状を、傾斜肉厚を持った平板乃至は伝熱促進用のリブを下面に立てた平板乃至は多数本の平行な穴状の管路に液媒体を封入した多数本のヒートパイプを内部に有した平板とした事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項６】
前期太陽光ヒートポンプシステムを設置場所に設置する時に、多数のモジュールから成る前期太陽光コジェネレイション装置を設置する場所に設置した後に、前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルに連なる前記セル冷却配管を固定対象である複数の前記モジュールに渡って配置し、当該モジュールの複数の前記各支持基板に伝熱関係に順次固定する事を特徴とした請求項１、２、３、４、６の何れか一項に記載の太陽光ヒートポンプシステムを設置する方法。
【請求項７】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該太陽光コジェネレイション装置の各モジュール内の発電セルを支持且つ冷却する金属製の支持基板と該ヒートポンプユニットの金属製のセル冷却配管とを伝熱関係に固定したシステムに於いて、該ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを駆動する圧縮機としてインバータで駆動される回転数可変型の圧縮機を用い、前記発電セルの温度乃至は前記支持基板の温度乃至は前記セル冷却配管の温度乃至は該セル冷却配管内で蒸発する冷媒の温度など及び乃至は前期発電セルの発電量等が代表する太陽光照射量と、前記システムに需要側から要求される温熱量と、運転時刻の少なくともこれら三つの情報を参照する事により圧縮機の回転数をその時点における最適値に設定させて運転する事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項８】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力として供給するシステムにおいて、該ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを駆動する圧縮機としてインバータで駆動される回転数可変型圧縮機を用い、太陽光の日射量が充分多く前記太陽光コジェネレイション装置の発電セル乃至は該発電セルの支持基板乃至は該支持基板から熱を受け取るセル冷却配管乃至は該セル冷却配管内で蒸発する冷媒の温度が高くなるほど乃至は前期発電セルの発電電力量が多くなるほど、前記回転数可変型圧縮機を駆動するインバータ出力電力の周波数に対する電圧値乃至は電力値の設定範囲のうち低い設定値を選定した事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項９】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力
として供給するシステムにおいて、該ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを構成する圧縮機にインバータで駆動される回転数可変型圧縮機及び凝縮した冷媒を野流量を制御する冷媒制御機構に開度制御が可能な冷媒膨張弁などの膨張機構を用い、太陽光の日射量が充分多く前記太陽光コジェネレイション装置の発電セル乃至は該発電セルの支持基板乃至は該支持基板から熱を受け取るセル冷却配管乃至は該セル冷却配管内で蒸発する冷媒の温度が特定の温度より高い時乃至は前期発電セルの発電電力量が特定の電力量より多い時に、前記冷媒制御機構に設けた前記膨張機構に対し別の追加膨張機構を開通乃至はバイパス回路を開放させる等の方法により前記膨張機構の開度の範囲より大きな開度になるような回路を導通させたことを特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１０】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力
として供給するシステムにおいて、該ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを構成する熱交換装置として少なくとも前記モジュールの発電セルを冷却するセル冷却配管と、屋外空気と熱交換する空気熱交換器と、該ヒートポンプユニットから冷熱を出力する為の冷却用熱交換器の三つを設け、そこから選択してそれを蒸発器として作動させ、そこから得られた熱量を該ヒートポンプユニットの該冷凍サイクルを構成する凝縮器において温熱として出力させるように構成し制御した事を特徴とした太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１１】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせた前記システムにおいて、前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクル回路の冷媒の流れを四方切り替え弁等の冷媒制御弁により切り替える事により、前記発電セルの前記支持基板と伝熱関係に固定した前記セル冷却配管を、温熱を回収する運転の時には蒸発器となるように、及び温熱を放熱する運転の時には凝縮器となるように冷凍サイクルを切り替えて作動させる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９の何れか一項に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１２】
前記太陽光コジェネレイション装置の上面の表面部材に積雪乃至は氷が付着して前記太陽光照射量が十分あるのに前記温熱発生量乃至は発電量が十分でないと判断され時及びその他によりそれが必要と判断された時は、前記支持基板を通して前記受光発電セル更にはその表面部材を加熱しながら放熱して該表面部材に積もった雪乃至は氷を融解させるべく前記セル冷却配管部分を凝縮器として作動させ、同時に前記冷凍サイクル内の大気熱源熱交換器を蒸発器として作動させる事を特徴とした請求項１１に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１３】
前記太陽光コジェネレイション装置から冷却乃至は冷房を出力させて運転する時に、冷熱蓄熱槽内に設置した熱交換器乃至は室内空気と熱交換関係に設置した前記冷凍サイクル内の空気熱交換器を蒸発器として作動させ、同時に前記支持基板を通して前記受光発電セル更にはその表面部材を加熱しながら大気側に向けて輻射放熱させるべく前記セル冷却配管を凝縮器として作動させた事を特徴とした請求項１１に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１４】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力
として供給するシステムにおいて、前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクル中の熱交換器を蓄熱槽内に設け該冷凍サイクルの冷媒と該蓄熱槽内に設けた４６℃〜５８℃の範囲に融解温度を持つ潜熱蓄熱材とを熱交換させて該潜熱蓄熱材に蓄熱させる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１の何れか１項に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１５】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力
として供給するシステムにおいて、該ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの圧縮機にインバータで駆動される回転数可変型圧縮機及び冷媒膨張弁などからなる冷媒制御機構を用いて、太陽光の日射量が多い時にも、太陽光の日射量が少ない時にも該圧縮機の回転数と冷媒制御機構の開度を調整して該ヒートポンプユニットの出力側冷媒の凝縮温度を出力側の熱利用装置としての蓄熱装置に組み込まれた潜熱蓄熱材の融解温度より２℃〜１２℃高い温度の範囲内に保たれる様に制御する事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１４の何れか１項に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１６】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせ、電力と温熱を出力
として供給するシステムにおいて、太陽光によって前記発電セルで発生した温熱を受けとって前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを通じて出力させた温熱を蓄熱装置に一旦蓄熱し、更に他の時間帯に、該蓄熱された温熱を蒸発器を加熱する熱源として利用して前記ヒートポンプユニット乃至は他のヒートポンプユニットにより更に高温度の温熱をつくり乃至は該蓄熱された温熱を大気熱源などの他の熱源を蒸発器を加熱する熱源として利用した前記ヒートポンプユニット乃至は他のヒートポンプユニットにより更に加熱して高温度にして前記温熱蓄熱装置乃至は他の温熱蓄熱装置乃至は温熱需要のある装置などに供給乃至は蓄熱する事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１４、１５の何れか１項に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【請求項１７】
前記ヒートポンプユニットの前記冷凍サイクルを一体の材料乃至は機械的な固定乃至は溶接やロー付けなどの金属接合によって閉回路に構成し、且つその全てを屋外に設置し、その循環冷媒として自然冷媒であるプロパン又はイソブタンなどのCH冷媒乃至はアンモニアを用いる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６の何れか１項に記載の太陽光ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術が適用される技術分野は民生用特に家庭用、業務用乃至は工業用に使われる太陽光を利用したエネルギー供給システム装置に関する分野である。その装置は太陽光を受けて発電と温熱供給とを行う太陽光コジェネレイション装置と、その太陽光発電セルを支持する背面基板を通して集熱される太陽光温熱を利用するために、その太陽光発電又は商用電源ラインの電力により作動するヒートポンプユニットを組み合わせたシステムである。このシステムで扱う温熱は従来の太陽光温水器の様に水道水を加熱して給湯を行うのみでなく、その出力温熱を、熱負荷量のより大きな冷暖房用乃至は冷凍用のバックアップ熱量乃至は一部ではあるが工業プロセス処理用の熱量としても利用しようとするものであり、太陽光をエネルギー源にした出力である温熱を直接に乃至はその出力を一旦蓄熱槽に蓄熱させてそれが利用者に必要になった時に空調や給湯などの形で出力させる方法などがとられている。ここでは太陽光コジェネレイションとは太陽光の照射を表面に受けて発電する発電セルの背面に温熱収集用の基板を取り付けて同一の発電セルから発電と同時に温熱を取り出す、即ち発電と温熱収集の双方をコジェネレイションするという意味で使用している。
【０００２】
太陽光コジェネレイション装置とはこの複数の発電セルと複数の支持基板などからなるモジュールを複数個組み合わせて完成させ、一つの利用サイトに設置される装置を意味する。他方太陽光の発電と温熱発生のハイブリッド装置という表現は、一つの装置で、発電と温熱収集の機能が一体に組み込まれた複合機能を持つ装置という意味で使っている。従って必ずしもコジェネレイションするセルを使っていなくても良く、この二つの言葉はここでは厳密には異なった意味で使っている。
空調、給湯、冷凍の分野では現在多種多様のエネルギー源の機器、システムが実用化されてきている。 事例を挙げると、電力駆動冷凍サイクルを利用した空調機器（エアコン）及び冷凍機器や給湯機器（ヒーポン給湯）、ガス石油を燃焼させて熱源とした暖房機器及び給湯機器や燃焼機器、ガス石油をエンジン駆動用燃料とした発電機や空調機器(ＧＨＰ)、太陽熱を熱源とした給湯機器（太陽熱温水器）など等である。特に近年、省エネルギー又は地球環境を重視するために機器のエネルギー効率の向上、自然エネルギーの活用のための新しい技術、機器、システムの検討が各方面で大規模に進められてきている。またエネルギー供給の社会インフラの特性から昼間電力の利用を抑えて夜間電力を利用するための技術や新らしい機器が開発され、実用化されて来ている。
【０００３】
他方電力利用方式からガス石油燃焼を利用した方式、又はその逆への転換するための新しい技術、機器が開発され、実用化されて来ている。
太陽光を利用する空調と給湯の分野では、太陽光を風呂の温水の加熱に用いる太陽熱温水器、太陽光を建物内の暖房などに利用するための例えばパッシブソーラーハウスなどの太陽熱利用、または太陽光を利用した発電とそのための例えばソーラーセルやモジュール技術、電力制御技術などが進展し実用化されてきている。最近では太陽熱と太陽光を一緒に取り出す為のコジェネレイションソーラー技術などが研究対象として取り上げられて検討されてきている。それは受光面に受ける太陽光の全エネルギーの利用効率を高めるためには発電セルにおける発電量と同時に発生する発熱量の双方を同時に捉えて利用する事ができ、合計のエネルギー変換効率を発電のみのエネルギー変換効率の約１３％程度と温熱エネルギー変換効率の約２０％程度の双方の和として約３３％に限りなく近づける事ができるという効果がある。
【０００４】
即ち合計で３０％を超えるエネルギー変換率が得られ、この結果、得られた電力と温熱を利用側でオンタイムに無駄なく利用する事ができれば、利用側で必要な合計エネルギーを一定とすればそれを捕捉するために必要な太陽光利用装置の受光面積を太陽光発電のみの場合に比べ半分以下に小さくでき、その結果装置のコスト低減、工事の簡易化、設置スペース制約の解消など実用的に大きな効果を産むものである。しかしながら現在の所、多くの研究が進められ特許提案なども多くの申請がなされているが、実用化レベルで電力と温熱を得るコジェネレイション方式が商品化された形跡はない。それには幾つかの理由がある。その最大の理由は、一般の家庭乃至は店舗では発電に必要な実用的な発電セルの面積は熱収集に必要な実用的な受光面積の３〜４倍であるという違いがあるためである。それは、収集された温熱が利用側の要望に対しその熱量、温度、時間帯の点で一致しないため暖房用などに利用しにくく、従来は消費する水自体に蓄熱する温水器という方式のみしか有効な使い道が実現できないという問題があったことも原因の一つである（非特許文献１参照）。
【０００５】
これを解消するにはコジェネレイションによる出力温熱エネルギー獲得量と出力温熱の温度を安定させ、暖房やその他の温熱需要にも利用することが出来るようにするための蓄熱方式などの実用化技術の開発が必要である。また、冷房も行うことができるようにシステムを発展させる技術との複合化も求められる。二つ目の理由は発電セルの温度制御に関する課題である。発電セルの温度が４０℃以上に高温に成ると発電効率は下がるし、４０℃以下の低温度ではその温熱を暖房などにそのまま有効に利用しにくくなるというジレンマがある。三つ目の理由としては、その広大な受光面積の発電セルを均一に安定して冷却して熱を取り出すための構造的な技術も具体化されていないことがあげられる。更に四つ目の理由としては従来は冷却媒体としては空気乃至は水などが検討されてきているが、顕熱利用の熱運搬であることから出口での温度差を保つため、大流量媒体が必要となり、その流動の為のファン乃至はポンプ動力の電力消費量が無視できない程大きくならざるを得ないという問題があった
【０００６】
さらにこの場合、空気などの冷却媒体から更に実際の利用媒体へと熱移転させるための仕組みも装置を大型化させ複雑化させ、その具体化もコストを含めて確立された実用化技術は見られない。その結果、総体的に述べれば太陽光を発電と温熱の双方の利用を両立させる所謂コジェネレイション型の太陽光装置は商品化レベルでは実現されていないのである。本発明はこのコジェネレイション型を実用化するための多岐にわたる技術分野に関し、その取得温熱を暖房など高レベルの温熱としての利用を可能にする技術に関するものであり、これにより発電セル面積の全体を利用して得られる多量の温熱を暖房や冷凍、給湯などに利用して活用することを可能にし、装置全体の投資対取得エネルギー量の比即ち投資効率を高めて該装置の普及を促す事が目的である。
【０００７】
そのための未解決課題を明確にし、それを解消するためにはまずヒートポンプユニットとのシステム化が有効な方法であることを提示した。その上でこのシステムを商品化して普及させるための現在未解決の多くの課題を明示しその解決施策と実用化に必要な技術を明確にするものである。  ヒートポンプにより冷媒で直接に集熱することによる利点は次の様な点である。即ち、使用するプロパン等の作動冷媒の凍結温度は極めて低温度であり極寒期でも凍結の心配が無く安定して作動できる。さらに冷媒圧力を制御する事が容易でその蒸発温度を極めて高い精度で制御できるため太陽光受光発電セルの温度制御を簡単に高い精度で行える。この温度制御は太陽光発電セルの複数のモジュールに渡る広い面積にわたって均一に制御できるとともに、太陽光の受光量の変化即ち発生する熱量の変化に追随してヒートポンプの冷却能力を変化させて追随させながら行う事ができる。
【０００８】
この結果、発電セルの太陽光発電に最適な温度条件をどの様なときにも最適に設定が可能である。さらには、ヒートポンプの出力側の温熱の温度と熱需要量に的確に対応する事もその冷凍サイクルを制御する事により最適な状態に制御できる。例えば太陽光の照射量が少ないときには冷凍サイクルのヒートポンプ仕事を増加させて出力温度を十分高い温度に保ったり、太陽光の照射量がさらに減少した時には冷凍サイクルの構成を切り替えて例えば大気を熱源とした運転に切り替える事も可能である。従ってその温熱出力は給湯のみでなく安定した温熱を必要とする暖房その他の分野、例えば工業用のプロセス加熱制御装置などへも展開できるものである。また、必要により冷凍サイクルを切り替えることによりその出力として冷却と加熱の双方の機能を利用できるようにすることもできる。
【０００９】
この結果温水器用の熱源としてのみでは無く、冷暖房、融雪、温泉水の加熱、前述した工業用プロセス加熱など、広範囲の熱エネルギーの需要に利用でき、発電セルの発電に必要なセル面積の全体を利用してコジェネレイション装置として利用することにより多量の温熱を出力させてもそれを活用する事ができるという実用上に優れた効果を得ることができる。冷凍サイクルの作動媒体は冷媒であり、熱量授受は冷媒の蒸発または凝縮の潜熱により行われ、水などの様に顕熱利用によって出入り口に温度差を生じることが無く、その結果熱交換特性が優れている。且つ冷媒は圧縮機で作動され循環するため、冷媒流動に要するポンプは不要でありそのための電力消費も必要無い。以上の様な優位点からシステムのエネルギー効率が高い等、極めて高性能で実用的なシステムを実現するための条件を備えている。従って本発明が提示しようとするものは太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせて一つのシステムとして太陽光エネルギーを発電と温熱発生の二つを全発電セル面積を最適な形で利用して、高い効率で同時に出力させる事ができる実用的なシステムを実現するための技術分野についてである。
【背景技術】
【００１０】
太陽光発電装置から同時に熱を得るためのコジェネレイションの技術は多くの研究がされて来ている。その中でヒートポンプを利用する技術も研究され、試作され、評価試験をされ、技術報告乃至は特許出願されてきている。しかしながら商品化されて販売されるに至っていない。それは商品化に必要な具体的なかつ実現可能なレベルの技術が未開発であるからである。現在公開されている技術を背景技術として以下に提示したい。この分野の文献として、特許文献１は太陽電池をヒートポンプサイクルの直接膨張型熱交換器の表面に設置したものであり、特許文献２は太陽電池を不凍液で冷却して蓄えた熱をヒートポンプで高温化して有効に利用するものである。
【００１１】
特許文献３は熱媒体と伝熱関係にある伝熱板に太陽電池を敷設し太陽電池で発生する熱を回収して蓄熱し、逆に必要により熱媒体で太陽電池を加熱して融雪する技術を提示している。またこの加熱源としてヒートポンプの出力熱を利用する事も示している。特許文献４は太陽光ハイブリッドパネルにヒートポンプの直膨型熱交換器を配設し、日射量の多いときはハイブリッドパネルを、また不足の時は大気熱熱交換器を蒸発器として作動させることを提示している。特許文献５は太陽電池パネルを通風冷却しこの熱をヒートポンプの蒸発器に空気を介して伝える様にして、蒸発器で直接冷却した為に太陽電池パネルに結露が生じることを防止するとともにヒートポンプに使われている圧縮機を能力可変型としてその能力を蒸発器に流入する冷却空気の温度で制御する技術を示している。
【００１２】
特許文献６は集熱パネルの背面に集熱管を保持するための保持部材に関する技術を提示している。また非特許文献１にはすでに市場で実証テストを行っているハイブリッド太陽光システムの事例紹介があるが温熱の利用は温水器乃至はパッシブ暖房に限られ、太陽光集熱セルの面積の限られた一部を温熱の集熱に利用しているに過ぎないことが知れる。冷却媒体は空気乃至は水であり、ヒートポンプユニットとのシステム化は行っていない。
以上の文献に代表される太陽光ハイブリッド装置を利用するシステム、特にヒートポンプを組み合わせたシステムに関する現在の背景技術は細切れ的な個々アイデアが存在するレベルであり全体を鳥瞰すると、このシステムの商品化と実用化には多くの視点の新しい技術分野の進展が必要であると考えられる。
【００１３】
即ち受光発電セルで発生した太陽熱をヒートポンプ冷媒に伝えるための機構と構造、特に広い面積の多数のモジュールに渡ってヒートポンプ回路を行渡らせて構成するための機構と方法、さらには効率が良くかつ現場で実現性のあるヒートポンプユニットに発電セルの発熱量を集熱する機構と方法、発電セルで発生する温熱の変動する熱量乃至は温度に追従する集熱方法及び制御方法、屋根上でこのシステム全体をなるだけ簡単に設置工事するための最適な機構と構造公示方法の実現などが必要である。更にはヒートポンプの冷凍サイクルの構成とその制御方法、及び冷凍サイクルでの温熱の出力方法等の具体化などが実現されていない。以上のように、個々の要素の具体化、要素間の関わりの具体化、総合して全体システムを如何に構成、作動させるかについての情報および技術は見付けられない。
従って、太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせた全体システムを実現し、太陽光エネルギーにつき発電と温熱利用のコジェネレイションシステムを実用的に利用できるシステムとする方法、背景技術についても見つけることが出来ない。
【特許文献１】特開平０５−６６０６５号公報
【特許文献２】特開平０７−２３４０２０号公報
【特許文献３】特開平１１−２７４５４３号広報
【特許文献４】特開２０００−１７１１０５号公報
【特許文献５】特開２００３−５００５６号公報
【特許文献６】特開２００３−３１４９０３号公報
【非特許文献１】新太陽エネルギー利用ハンドブック  日本太陽エネルギー学会  第５章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上の内容を検討課題としてまとめると以下のように整理される。即ちコジェネレイション太陽光装置とヒートポンプユニットを組み合わせたシステムを実現し、全体のシステムを実用化する事に関する技術的な課題は
（１）多くの枚数からなる太陽光モジュール全体とその発電セルで生じる発生熱を受け取るヒートポンプユニットのセル冷却配管との配管レイアウト及び取り付け固定の具体的な構造とその間の効率の高い伝熱機構。及びヒートポンプユニットのセル冷却配管の長期的なガスリークを最小限に抑える具体的な施策の実現。
（２）現地における設置及び工事を簡略化できる信頼性の高い構造、方式の具体化。
（３）発電と温熱の双方を利用して高いエネルギー効率を具体化する施策。即ち利用者がこのシステムに投資をして得る事ができる効果の最大化を実現する方法。
（４）そのために、太陽光発電セルの温度の最適化制御と最適な温度の温熱出力を同時に実現するための具体的施策の実現。
（５） 太陽光照射量の昼夜、気候による変化を吸収できるようにヒートポンプユニット
を作動させて必要とされる温熱を出力させるための具体的な施策の実現。
（６）温熱出力を給湯以外の暖房にも利用できるようにその熱量と温度を安定させ、さらに全体システムとして冷房も可能な方式へのシステム化を実現する。
（７）本システムの投資効果をさらに高めるための、発電電力と温熱出力を利用する以外に、太陽光コジェネレイション装置をプラス機能で利用する新機能とその方法の実現。
などである。
【００１５】
以上が本発明が解決しようとしている具体的な技術課題である。これらを総合した商品システムとしての課題と達成目標は次の三つに集約される。即ち発電モジュール受光面と温熱収集モジュール受光面を一体化し、コジェネレイションの形で発電と温熱を収集させ、受光面積当たりのエネルギー変換効率を太陽光発電のみの場合に比べ倍以上に増加させてユーザーが必要とする全エネルギー量を賄う事を可能とし、且つその受光面積を小さくして設置面積に制約のある家庭用、民生用、工業用においても設置出来るようにする。簡単で確実な構成と作動により高い品質と長期の信頼性を確保でき、実際の設置工事性に優れたシステムを開発する。以上をベースにシステムの設置に要する投資額に対する発電と温熱によるエネルギー取得効果の見合ったシステムを実現する。この大きな三つの商品目標課題を達成し、もって太陽光エネルギー利用装置の普及促進を計る。そのために上記の七つの具体的な技術課題を明確にした。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述した７項目の技術課題を全て解消する事が商品システムの三つの目標課題を達成する近道である。したがって本明細書はこの７項目につき解決手段を明示していく。太陽光発電装置乃至は太陽光コジェネレイション装置は通常は屋根の上など作業環境が厳しいところに設置される。しかも現在の技術では相応のエネルギーを取得するためには大きな受光面積を必要とする。例えば家庭用では平均的な装置の全受光面積は２５平方メートル程度であり、装置は１０〜５０枚程度のモジュールに分割され夫々のモジュール内の発電セルで発電された電力を夫々の送電回路から統合された回路にまとめて出力する。コジェネレイション装置の場合はトータルの取得エネルギーの総和を同一とするならばその集光面積は約２分の１以下の規模でほぼ同等のエネルギー取得効果が得られる。それは太陽光発電ではエネルギー変換効率が全受光エネルギーの１３〜１５％であるのに対しコジェネレイション装置では本発明の技術施策を取り込んで実現すれば発電電力と温熱を合わせて２倍以上のエネルギーの総和が取得でき、そのエネルギー取得効率は３３％以上にも達すると期待されるからである。
【００１７】
従って家庭用コジェネレイション装置の全受光面積は８〜１２平方メートル程度に小型化できるが、その場合でも製造、運搬及び設置工事上の都合により４〜２４枚程度の多数枚数のモジュールに分割して構成する事になる。これらのモジュールで発生する温熱を集熱するため通常は該モジュールを空冷乃至は水冷により冷却し、温度上昇した空気乃至は温水を集めてその熱を利用する方式が採られていた。この方法では技術分野で前述した説明にあるように給湯以外の高機能の商品を実現する上で多くの課題があり、本発明ではヒートポンプを用いて冷媒の蒸発により該モジュールの発電セルを冷却し集熱する方法を基準に必要な技術を展開している。空冷や水冷の方式の課題としては前述の繰り返しになるが次の様な項目になる。受光セルの温度を精度良く制御できず、最適な温度域に制御できないし、空気と水の温度変化にともなって発電セルに温度分布が生じる。この結果発電セルを十分冷却できない部分と温度が下がり過ぎる部分が生じ易く、その表面に結露を生じセルの絶縁の低下さらには材料劣化による長期信頼性を損ねる問題もあった。
【００１８】
さらに、収集した熱量は空気と水の温度を上昇させるが、太陽光の照射量その他の変動によりその温度上昇は大きく変化し、その熱量を利用する上で大きな制約になっている。例えば太陽光の照射量が極めて少ないときには収集熱量はほとんどゼロとなり、全体のシステムを作動させるために他の熱源装置を補完的に備えてこれに切り替えなければならない等の課題があった。これらの課題の克服は実用機器では容易では無く、このため従来はこの温熱の利用は温熱の温度がばらついても利用し易いバックアップ電気ヒータつき温水器に多用されていた。そのためその利用分野が制約され、且つ発電に利用されるセルの面積は電力制御装置への投資を生かす観点から大能力仕様に設定されている。それに比べて温水器利用のための集熱に必要な面積は三分の一以下で十分な事が多く、面積的なミスマッチが生じている事などが太陽光コジェネレイション装置の実用化が進展しなかった理由の一つであると考えられる。
【００１９】
本発明のヒートポンプにより太陽光発生温熱を集熱し、同時にヒートポンプにより最適な温度の温熱を出力する方式は前述した様にこれらの課題を払拭する上で大きな効果があり、その温冷熱出力は温水器のみでなく、冷暖房さらには冷凍、冷却、熱供給、融雪などへの展開利用が可能であり、発電セルの全面積を熱収集を兼ねたコジェネレイション可能な構造に利用することが容易になるわけである。実用上は太陽光コジェネレイション装置を構成する全モジュールの７０％以上が実際に発電セルと冷却基板で構成されたコジェネレイションセルで構成することが望ましいという検討結果がある。これが５０％以下では残りの５０％以上が発電のみのモジュールとなり、全体のエネルギー取得効率の向上及び設備投資に対するエネルギー取得効果の向上という二つの目標が達成し難くなるからである。基本的には全部のモジュールがコジェネレイション機能をもった１００％コジェネレイション装置であるとして以下議論を進める。
【００２０】
発電セルにおける発生熱をヒートポンプの蒸発冷媒に伝熱させるやり方は次の様な構造を基本に考えている。発電セルのシートをアルミニュー板の表面に絶縁効果のある接着剤乃至は充填材を介して貼り付けて支持させる。該アルミニウム板を発電セルの支持基板とし、モジュールの外周枠により該支持基板を囲う形を骨格の構造とし、モジュールの上面には外周枠及びスペーサーを介して硬質ガラス板を固定する。モジュールの下面には断熱を兼ねた底面断熱部材をアルミニウム製の該支持基板の下面に密着し外周枠に囲まれた状態で設置され、これによりモジュールは全体が構成される。発電セルの上面の硬質ガラスとの間の空隙と底面断熱部材は発電セル全体を密閉構造にする機能があり、生じた温熱を逃がさずに保持するための効果を有する。その温熱はアルミニウム支持基板に伝わり外周枠の一片から外側に延長されたアルミニウム支持基板と伝熱関係に固定されたヒートポンプユニットのセル冷却配管へと伝熱される。発電セルの発電出力端子は外周枠を貫通してモジュールの外側へ導かれ、各モジュールの出力端子は統合されて太陽光コジェネレイション装置の電力出力となる。
【００２１】
これらの全モジュールの温度を均一にしかも全体として効率よく集熱するために本発明はヒートポンプユニットの回路であるセル冷却配管に置ける冷媒の蒸発を利用する。蒸発冷媒の温度は全体の管路を通してほぼ同一に保たれる。セル冷却配管は通常は銅管でその内部を流通して蒸発する冷媒はＨＣ冷媒としてのプロパン、自然冷媒のアンモニア乃至は二酸化炭素などであり、完全に密閉シールされた強度があって長期的に信頼度の高いセル冷却配管の設置が必要である。またセル冷却配管の総全長が長くなるとコストが増加するのみでなく封入冷媒量が増加してしまい、ヒートポンプユニットの冷凍サイクルの性能低下、信頼性低下、起動時の性能の立ち上がりスピードの劣化などの問題が生じるため、この点も最大の配慮が必要である。
【００２２】
多数のモジュールを連ねてセル冷却配管とを伝熱関係に設置する方法には大きく分けて二つの方式がある。一つは各モジュールには設置場所に持ち込む以前に工場乃至は地上でモジュールの支持基板を冷却するセル冷却配管を支持基板と伝熱関係に固定しておいて設置場所に搬入してから各モジュールの配管同士を連結配管で繋いで接続していく方法である。この方法の問題点はセル冷却配管の接続が屋根上等、作業環境の悪い所で行わなければならず、またロー付け接合にしても、ナット等による機械的締め付けにより行う方法にしても作業が大変であり、冷媒リークを補償するための品質確保、さらには接合箇所の長期的信頼性などの問題があり、此処では採用できない。
【００２３】
いま一つの方式は各モジュールを設置場所に設置後に、連続する一本のセル冷却配管を多数のモジュールに渡って配設する方式であり、大きな装置ではこれを幾つか集合させて完成させる方式である。即ちモジュール毎にセル冷却配管を連結して繋ぎ合わせる事をしない方式である。この方式の利点は配管の接続箇所を最小限に減少でき、従って現場の作業負荷の低減、品質不良による冷媒リーク発生の低減、及び長期的乃至は季節変化による温度変化や積雪荷重などのストレスによる各モジュール間の位置ズレによる冷媒リーク不良発生の防止などに効果がある。しかしながらセル冷却配管を支持基板に伝熱関係に固定する作業が現場作業のために制約が多く、長期的にその伝熱特性を保つ点でリスクや課題がある。具体的には、この方式では、モジュールは屋根上などに屋根上面と僅かな隙間で、乃至は全く隙間なく設置ずみの状態でセル冷却配管を複数のモジュールに渡って連続して配置させる方式である事から、このモジュールの支持基板の背面部分（屋根との隙間）にセル冷却配管を宛がって取り付ける事は実際上不可能であるなど種々の制約があり、ここに大きな課題がある訳である。
【００２４】
しかしながら前述した利点と課題を考慮し本発明では構造面では後者の方式を基本にその課題解消の為の技術を提示していく。何故なら前者の方式ではモジュール間で分断されたセル冷却配管を現地で接続する方式であるため長期的な冷媒のリーク不良のリスクを低減する事は実際上大きなハンデイを背負っていると認識しているからである。後者の連続配管方式の基本的な構成要件を請求項１に示す。この発明は太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせる上で絶対的に必須な要件では無いが、実用上で欠くことのできない重要な技術として提示している。複数のモジュールを組み合わせて構成され、設置される太陽光コジェネレイション装置の温熱を受け取るセル冷却配管を連続した一本乃至は少数の本数の銅パイプで構成させて現地での配管接続箇所を減らして据付工事の工数を少なくして設置工事費を低減させ、且つ冷媒リークの危険箇所を減少させるという重要な効果を発揮する。
【００２５】
請求項２には支持基板を、発電セルのモジュールの一辺の外側に延長させた開放部分を設けてその部分でセル冷却配管と伝熱関係に固定するという実用化技術を示している。この方式によって複数の乃至は全てのモジュール設置後にセル冷却配管をその太陽光コジェネレイション装置の上部から配設しても容易に支持基板との相互固定位置を合わせ込む事が容易で、両者を固定させる作業が容易となり、請求項１に提示したようなモジュール間に連続したセル冷却配管をモジュールの一辺の外側に延長された支持基板に沿わせて配置し且つ伝熱関係に固定することができるようにするもので、システム全体の配置構造面の重要技術である。
【００２６】
請求項３はその両者を固定するやり方についての発明である。これは請求項２と必ずしも連携させるべき技術では無いが、同時に採用すればより大きな効果が見込める。屋根の上等で支持基板とセル冷却配管とをその多くの箇所で熔接乃至はロー付けなどで固定乃至は接続する作業を行うのは通常傾斜している屋根上面であればその作業負荷、作業安全、作業品質の点でも問題が多い、ましてやそこが垂直に近い建物壁面などではなお更である。固定する目的は両者を伝熱関係に密着させて周囲を断熱し、長期に渡ってそれを保ち且つ風雨に晒されてもその機能が劣化しないようにする事である。通常、セル冷却配管は銅のパイプであるからアルミ製の支持基板の発電モジュールからはみ出た部分で直線的に銅パイプを包み込んで双方を面で密着させることが出来るような形状に予め加工しておき、そこにセル冷却配管を宛がってから接着剤乃至は充填材等を布設した上で機械的な方法により支持基板を締め付けて同パイプを損傷させる事無く相互に強固に固定させる。請求項５にあるように支持基板に多穴式のアルミ押し出し成型品を用い、その穴状の管路に３０％容積で液状のブタンガスを封入してヒートパイプとした場合にもその端部を押しつぶして平板となし、さらに内面をセル冷却配管が密着するように形成することにより同じ効果を得られる。
【００２７】
この密着面には接着剤乃至は充填材などが塗布されることが望ましく、固定に必要な支持基板を締め付けるための金具や冶具も用意される。また図示はしていないが、この固定部分全体を覆って外界と断熱し、かつ大気や風雨から保護するためのカバーが取り付けられる。これらの作業は支持基板の背面にセル冷却配管を宛がって固定するという従来の事例に見られた技術の場合は複数のモジュールが密接して設置された後にその下部にもぐってセル冷却配管を固定することが必要で、これが可能な設置事例は稀である。建物の屋根の上に設置する場合はほとんどそれが可能である事は少なく、また太陽光コジェネレイション装置を屋根瓦上面に密着させて設置したり、瓦を兼用して屋根材として組み込んだ方法の場合はその固定方法は採用できない。この課題を解決するのが請求項２、３の発明である。
【００２８】
請求項２では支持基板を発電セルのモジュールの外部まで延長させた部分でセル冷却配管と伝熱関係に固定する技術を示している。この場合、支持基板であるアルミ板内を伝熱してその熱がセル冷却配管内の冷媒へと流れる。このアルミ製の支持基板の中の伝熱を促進するためにアルミ基板は伝熱に有効な十分な厚さを持っている必要がある。それは熱伝導性の優れたアルミの場合でも伝熱により温度差が生じるため支持基板上の発電セルの温度とセル冷却配管内の冷媒の蒸発温度に数度の温度差が生じ、その温度差は全体のシステムのエネルギー効率に多大の影響を与える。そこで請求項４は直線のセル冷却配管を支持基板に宛がった場合、この温度差を最小にする為に、両者の接触固定部分の長さを最大化する方法を提示している。
【００２９】
即ち、多く見られる長方形の面形状のモジュール及びその支持基板の長尺の一辺方向にセル冷却配管を配置することである。請求項２に示した様にモジュールの外周に配置する場合についてその効果を以下の様に考察する。例えばモジュールの辺の長さが長尺の辺が短尺の辺に対し２対１の長方形で、長尺辺にセル冷却配管を宛がった場合は短尺辺に宛がった場合に比べて同じ厚さのアルミ製支持基板内で伝熱によって生じる温度差は約４分の１になる事がわかっている。それは伝熱方向の長さが２分の１で、伝熱断面積増加による支持基板断面の熱流束が半分になる事から生じる効果である。温度差の絶対値とその重要度はモジュールの面積にもよるがこの温度差は支持基板の厚さが関係し、温度差を少なくするにはその厚さを増やす必要があり、その場合材料コストの上昇、装置の重量増加にもろに繋がる。
【００３０】
従ってアルミの支持基板の材料使用量を減じる策として請求項４は有効である。実際にはこの場合はセル冷却配管の長さが長くなりセル冷却配管を固定する部分のアルミ材料も増加するため総合的な材料削減効果は前例の四分の一に対しその約半分と推量される。もちろん支持基板の材料厚さを伝熱方向の上流側では薄肉にしたり、下流側の厚さを増さずにリブを設けて伝熱を促進する等の方法により全体のアルミ材料の使用量の削減を図る方法が他にありこの技術を請求項５に示す。  例えばセル冷却配管と固定される部分近傍のアルミ板圧は４ｍｍとし、その反対部分先端の肉厚は０．５ｍｍとし、その間を連続的乃至は段階的に厚さの変化する支持基板が実例である。この場合全体が３．０ｍｍの支持基板とほぼ同程度で約３℃程度の温度差が生じるという事例である。即ちセル冷却配管近傍とその反対部分のアルミ支持基板先端との温度差が３℃で済み、全体の性能向上に寄与する。
【００３１】
この場合傾斜肉厚方式のため平均肉厚は２．２５ｍｍであり、全体が３．０ｍｍと一定の肉厚の平板構造に対し、約７５％のアルミニウム材料費で同等の性能を得ることができるわけである。請求項４の効果と合わせると事例の試算では７５％と５０％の積となり、約３７．５％の材料使用量で済む計算になる。更に伝熱特性を飛躍的に向上させるための方法として、横並びに多くの平行の穴を内部に持った全体が平板状のアルミ製の多穴管式押し出し成型品を用いてその各管路を内部に水乃至はブタンガスなどの液体を封入したヒートパイプとなした支持基板を用い、ヒートパイプ効果により伝熱特性を高めると同時にアルミ使用量を削減することは極めて有効であり、前述した材料削減の数値はさらに数十％レベルで向上できる。この場合、セル冷却配管との固定部分は前述した通りである。しかしながら、いかなる構造の支持基板が採用される場合にも請求項４に記した技術施策は基本施策として有効である。
【００３２】
以上の説明からも容易に知れるが、太陽光コジェネレイション装置とセル冷却配管を実際に屋根上などに設置するときの工事手順を請求項６に示した。優れた工事手順は実際に手際よく高い信頼性を持って設置工事を完遂させる上で重要である。通常の設置工事では太陽光コジェネレイション装置の各モジュールが屋上等のその所定場所に設置され、一方ヒートポンプユニットも地上のその所定場所に設置される。その後にセル冷却配管を各モジュールの支持基板における固定するべき場所に合わせてその形状を形成して配置する。一方セル冷却配管の出入り口部分をヒートポンプユニットのセル冷却配管接続部分に宛がって接続できるように配置させる。
【００３３】
そしてその後にセル冷却配管と各モジュールの支持基板とを順次固定し、それと同時にまたは前後してセル冷却配管の出入り口をヒートポンプユニットのセル冷却配管接続部分に接続させて冷凍サイクルを完成させる。セル冷却配管はシステムが小規模の場合は一本であるが、大きなシステムでは複数本を並列に乃至は直列に連結して用いられる。いずれの場合にも一本のセル冷却配管が太陽光コジェネレイション装置の複数のモジュールを連ねて配置され固定されるのでセル冷却配管の連結部分の数は最少となる。従って請求項６ではこれらの工事手順において最も作業性と工事品質に影響する重要で守るべき工事手順として複数のモジュールが設置された後にその複数のモジュールを連ねてセル冷却配管を配置して固定するという工事手順に関する技術を提示している。
【００３４】
ヒートポンプの現場における配管工事においては、ロー付け乃至は機械的な締め込みにより配管同士乃至は継ぎ手が連結される。その際には接続強度の確保、冷媒リーク発生の防止、ごみや水分の配管内への浸入防止などに経験に裏付けされた工事技術と細心の注意が必要である。それと同時に良好な作業環境の確保、作業量の削減、工具及び装置の適正化及び信頼あるリークチェック検出装置などの確保が必要であり、最も難度の高い工事の一つと考えられる。従って請求項６に示した工事手順は至極当然な手順の様に見えるが請求項１〜５の何れのシステムにおいても必要となる重要な工事手順である。これを違えて逆の手順では工事の作業性は著しく低下するし、完成度の高い設置工事を成立し得ない重要な技術であると考える。
【００３５】
請求項７、８、９は太陽光コジェネレイション装置から電力と同時に温熱を取り出すために必要な根幹の技術に関し、これらはこの太陽光コジェネレイション装置をエネルギー取得の点で有効に作動させることを可能にする技術であると言える。太陽光コジェネレイション装置から電力と温熱を同時に取り出す時に考慮しなければならないいくつかの重要な問題点乃至は課題がある。その一つは発電セル乃至はその支持基板従ってそれを冷却するセル冷却配管の冷媒の温度を如何に最適な温度に、且つ精度良く、且つ全モジュールに渡って均一に制御するかが発電特性と温熱量発生特性の双方を高める為に必要である。
【００３６】
自然放熱が良好な構造の発電セルが太陽光を受けて発電した場合、そのセルの温度は真夏では７０℃〜８５℃という高温度になりセルの発電特性は著しく低下する。発電特性評価の基準となるセルの作動温度条件は２５℃に冷却された状態で発電効率を評価することが多く、上記の様な高温度では２５℃の評価基準温度の場合に比べ３０％も発電効率即ち太陽光エネルギー変換効率が低減してしまうことがある。他方温熱の方は暖房に利用する場合も、給湯に利用する場合もその温水の温度は５０℃以上で供給される事が望ましい。他方、セル温度が高温度になるほど従来の自然放熱型の発電セルとモジュールの構造では太陽光を受光して生じた温熱量はモジュール表面から大気側へと輻射と熱伝導により散逸してしまいヒートポンプユニットにより回収できる熱量は少なくなる。
【００３７】
これらの要素を勘案し、請求項５に示した様に発電セルの上部に空隙乃至は真空空間を設けて熱の放散を防止し、発電セルの下面は支持基板に密着させて温熱を良好に伝え、さらに支持基板の下部は断熱構造として、太陽光で生じた温熱を途中で逃がさずにヒートポンプユニットへ伝熱されるように周囲の熱損失を防ぐ事が重要である。さらに発電セルの特性で重視されるべきは太陽光エネルギー変換効率であるが、この点ではコジェネレイション装置に利用される発電セルは次の特性が重視される。一つはセルのシート自体として表面で受光して生じた温熱が背面に良好に伝熱し易いという特性が重要である。またセル表面における輻射放熱の少ないシート材料の表面特性が望まれる。セル表面で受光した太陽光を反射することなく多くのエネルギーが発電と温熱発生という形で変換されると同時に、昇温したセル表面からの輻射放熱が少ないという所謂輻射選択膜的な表面特性のセルで表面から背面への熱伝導性に優れた材料のセルシートが望まれる。
【００３８】
一方、外気温度や太陽光の照射量、また利用者側の電力ニーズと温熱量ニーズの状態や時間帯などの要因を考慮しつつヒートポンプユニットを最適な状態に運転制御させる必要がある。この要請に対応するためのヒートポンプユニットはその内部で多くの構成部品や制御因子を調整することになるが、その制御因子のうち特に重要な構成部品に関するものが三つある。その一つは圧縮機の冷凍能力を決定する圧縮機回転数、即ち圧縮機を駆動するモータの回転数の制御、その二つはそのモータに印加される駆動用電力の出力量でありそれを決定するものは電力の印加電圧である。その三つは圧縮機と対を成した形でヒートポンプユニットの冷凍サイクル全体、特に冷媒の流量を調整する役割を勤める冷媒制御用の膨張弁の開度制御である。
【００３９】
このヒートポンプユニットはその内部の冷凍サイクル構成部品の制御に関し主として次の四つの出力特性を調整しつつ運転される。その一つは上記発電セルの支持基板に固定されたセル冷却配管の蒸発冷媒温度である。その二つはそれと対を成す出力側の凝縮冷媒温度で、給湯や暖房などの熱源となる温熱側の冷媒温度である。その三つ目は処理する温熱の量である。四つ目が駆動用の電気入力に対する温熱出力の比で求められるエネルギー効率であり、この効率は一般にＣＯＰと表現される。次に実際の運転条件を追いながら以上の構成部品の働きとその結果について概説したい。
【００４０】
請求項７は圧縮機の能力とセル冷却配管の冷媒温度制御に関する技術である。ヒートポンプでは圧縮機の回転数を可変型にしてその冷凍能力を可変させ、且つその他の内部制御部品を適正に制御すれば蒸発器としてのセル冷却配管の蒸発冷媒温度を極めて精度良く制御できる。セル冷却配管を十分太くして流れる冷媒の圧力降下を少なくしてやる事により全モジュールのセル冷却配管全長に渡ってその蒸発冷媒温度をプラスマイナス２℃内の精度で作動させる事も十分可能である。従って空冷や水冷の装置に比べ発電セルの温度を全体に渡ってより高い精度で制御できる。この技術が本発明のシステムの熱収集装置としてヒートポンプユニットを用いる理由の一つである。
【００４１】
ヒートポンプの出力として５０℃〜５８℃程度の温熱を確保して給湯や暖房に利用する事を前提として考えると、その発電セル冷却のセル冷却配管の冷媒蒸発温度は５８℃より２〜３℃高い温度で十分でありそれ以上の高温度に上昇させる必要はないがその温度以下では高温度が望ましい。一方、セルの表面に結露することを防ぐにはその冷媒蒸発温度をむやみに下げる事は危険である。さらにセルの発電効率の温度特性からみてその効率を高く保つためにはその温度を設定する必要があり、通常のセルでは４０℃程度の温度域では発電効率は良好に保たれる。従ってこれらの基本的な考察により発電セルの温度は４０℃〜６０℃の範囲でその時点の最適運転状態となるようにヒートポンプシステムを制御することが要点となる。上記の温度制御の対象はセル自体の温度であるが、それは支持基板の温度、セル冷却配管の温度、冷媒の温度の何れか乃至はその複数が代表しても良い。これらの温度間には３〜７℃程度の若干の温度差がある。
【００４２】
発電セルから温熱を取り出さずに大陽の照射に任せて放置したときのセルの温度はセルモジュールの放熱特性即ちその構造によって決まるが、コジェネレイション装置では十分な断熱を施しているから夏の日射量が多いときにはセル温度は１００℃程度まで高くなる。従ってこの日射量の場合はセル温度をこの温度に調整した場合は温熱収集量はゼロであり、その温度より低い温度にセル温度を冷却した時にその温度差にほぼ比例して温熱収集量は増加する。一方前述したように過度にセル温度を冷却していくと表面に結露するから結露する温度より高い温度で制御する必要がある。一方ヒートポンプの圧縮機を駆動する場合このセル温度を低温度に冷却するほどその圧縮機が消費する電力量が増加する。
【００４３】
従って請求項７ではヒートポンプユニットの圧縮機を制御する上でその回転数の設定のために少なくとも三つのデータを用いる事が優れたシステム運転に必要である事を提示している。それは前述した通りの発電セル周り乃至はセル冷却配管の蒸発冷媒などの温度データその他から知れる太陽光の照射量レベルと全体のシステムを運転する上で消費される電力のその時間に置ける価格とその時点で必要とされる温熱量という三つの情報が不可欠である。まず、この内、出力温熱量の必要性即ち必要とされる温熱量が十分か否かが最重要データであり、出力側、即ち温熱蓄熱槽の蓄熱必要熱量乃至は暖房負荷乃至は工場のプロセス熱源必要量などこの装置の出力温熱が利用される負荷側の現在及び今後に必要となる熱量がゼロから最大値までの間でどのレベルであるか特定することが必要である。その負荷が設定された範囲の最大値であれば圧縮機の回転数は最大回転数に設定され、ゼロであれば停止される。
【００４４】
即ち出力温熱量と圧縮機の回転数は密接な関係があり、必要とされる負荷の温熱要求量は利用者側の温熱量の使用量によって左右され、使用量が多くて温熱が不足している場合は温熱負荷は増加しそれに従って圧縮機は高い回転数での運転が要求される関係にある。しかしながら深夜電力が優遇された電力料金体系で運転されている場合などは、日中の時間において発電セル周囲の温度が低く即ち太陽光の照射量が少ないときは負荷の温熱要求量が多くても圧縮機の回転数は低く制御したほうが良い。それは回転数を高めて温熱要求量を確保する場合には圧縮仕事が増加してしまい、圧縮機の駆動電力量が増加してしまう事と、電力料金体系において昼間時間の電力が高価に設定されているからである。更には発電セルを冷却し過ぎて表面に結露が発生する事を防止する意味もある。電力料金体系が夜間電力が昼間電力に対し安価に設定された契約の電力を利用する場合、夜間電力時間帯における大気熱源のヒートポンプ運転の方が照射量の少ない太陽光からの温熱を利用し昼間時間帯に高価な電力を利用したヒートポンプ運転よりも、得られる温熱量と消費電力コストの比で評価される効率、即ちＣＯＰが高いからである。
【００４５】
反対に、太陽光照射量が十分で発電セルの温度が高いときはヒートポンプユニットの蒸発温度は高くなり出力側の凝縮温度に近い温度になるため圧縮機の圧縮仕事量は小さくなる。蒸発温度が凝縮温度に近づけば圧縮仕事量はほぼゼロとなり圧縮機の仕事量は冷媒を循環させるポンプとしてのわずかな仕事量程度となる。この場合には温熱必要量が小さいときでもそれが全くゼロになるまで圧縮機は消費電力の少ないポンプ機能として運転される。例えば出力側の蓄熱槽などにフルに蓄熱する迄この制御が採用される。これは深夜電力を利用した大気熱源のヒートポンプ運転よりも圧縮機をポンプとして運転する昼間時間の電力料金が同一温熱出力当たりで安いからである。以上の二つのケースの中間の場合、即ち発電セルの温度が３５℃〜４５℃程度であるときは出力側の温熱負荷の大小により圧縮機の回転数は調整制御される。
【００４６】
即ち温熱の需要が多く、太陽光照射時間が終わる時間に近ければ回転数を上げて温熱出力を増加させるし、需要が小さい、または太陽光照射が更に継続するような時間帯であれば回転数を無理やり上げずに圧縮機動力を抑えて丁度良い温熱出力を継続させるなど、システムの運転状態により調整選択される。即ちシステムが運転されている時間帯が昼なのか夜なのか、昼でもこれから太陽光の照射量が増える午前中なのか、既に照射のピークが過ぎた午後なのかによって圧縮機の回転数に代表される運転モード設定は制御される。これにより太陽光照射を有効に利用し、昼間電力の使用量を抑えて単価の安い夜間電力量を選択して利用することにより自然エネルギーと深夜電力をミックスさせて有効に活用して総合的に動力費の安い運転制御方式が実現できる。この意味で運転している時刻によりシステムの運転内容を変化乃至は選択させる制御は重要である。
【００４７】
発電された電力は電力系統に逆潮流されて昼間時間帯の単価の高い電力価格ベースに売電される。一方ヒートポンプを作動させる電力は昼電力をなるべく消費せずに単価の安い夜間電力を利用する様に制御される。従って電力系統に売電される発電電力と電力系統から買電によりヒートポンプユニット作動に使われる電力の総量が同じ程度になるように発電モジュール総面積を設定した場合には電気代の総合収支は利用者側に大幅にプラスとなる。即ち太陽光ヒートポンプシステムは利益を生じる事となる。この利益は燃料コストを賄った上での利益でありこのシステムの初期投資を数十年で償却できることにつながる。
【００４８】
以上の全体の制御について発電効率を含めて分析すると以下の様になる。即ち、発電セル温度自体は高温度の５５℃を保つように制御される時はその発電効率は２５℃基準時に比べ１０％程度低下するが、冷却無しで９０℃程度に温度上昇した場合よりはその発電効率は１０〜２０％向上する。一方支持基板を冷却するセル冷却配管の冷媒温度を低めである３３℃を保つように制御した時はセルの発電効率は望ましい状態に近づくが、５０℃以上の温熱を出力するためにヒートポンプユニットの圧縮機の能力をあげなくてはならなくなる事、即ちその回転数を増して仕事量を増加させる事が必要となり、そのために太陽光温熱エネルギー発生量と同程度の圧縮機駆動用電力エネルギー消費量となるかもしれない事を覚悟しなければならない。  即ち太陽光発電と温熱発生のバランスをとりながら発生温熱を有効な温度の温熱に転換しつつ運転する事が求められており、ヒートポンプユニットはそれを実現する機能を備えている。この様な機能は単純な空気冷却乃至は水冷却の方式では実現できず、出力温熱について安定した温度で出力できないし、適正な出力温度に制御するには新たな調整装置を追加することが必要になり実用的ではないし、最適なエネルギー効率になるように調整しながら運転することはほとんど不可能になる。
【００４９】
即ち太陽光コジェネレイション装置の温熱を広範囲に且つ有効に利用するための温熱処理用の装置としてはヒートポンプユニットを活用した方式以外では実現が難しいと云える。請求項８は太陽光の照射量が十分に多く発電セルの温度も上昇する場合に対応するための新しい技術である。十分な量の温熱が得られセル温度が５０℃〜６０℃と高温度に達する状態の時は、その温熱出力はヒートポンプユニットによって温度上昇させないでもそのまま暖房や給湯の温熱として利用できる。この時のヒートポンプユニットの冷凍サイクルの冷媒蒸発温度は４８℃以上となり、出力側の冷媒凝縮温度は５５℃程度に制御される。即ちこのときのヒートポンプで昇温させるべき温度差は７℃程度と極めて少なくなり冷凍サイクルの圧縮比は１．２〜１．３程度と通常の運転時の圧縮比３．０〜６．０程度と比べて極めて小さな圧縮比となる。このときは処理熱量が多いため圧縮機の回転数は比較的高くなるがその仕事量は極めて小さくなり、これに合わせて駆動モータの出力を小さな出力に制御してモータの消費電力を抑える事が望ましい。このような低圧縮比の運転条件は通常の空調機器に使われる圧縮機には発生しない条件である。
【００５０】
具体的には例えば、１分当たり３０００回転で圧縮機を作動させるための印加電力は５２ヘルツで１５０ボルトである場合を考える。これを前述したような同一回転数で最小の出力で駆動しようとする場合の印加電力としては例えば５２ヘルツで低電圧の４０ボルトに設定した電力とする。この場合のモータの出力は１５０ボルトの場合に比べ１０分の１程度に小さくなり、負荷となる圧縮機の必要な駆動動力に合わせて小さな出力になることで、電力消費量もほぼ１０分の１に低減させる事ができるわけである。圧縮機駆動のための電力はインバータにより周波数のみでなく電圧も独立して制御して調整することができる。このため太陽光の照射量が増加するほど前述した様に圧縮機の仕事量が減少するのに合わせて圧縮機を駆動するモータの出力を少なくすべくその印加電力の電圧値を低くし、圧縮するというより冷媒を循環させるためのポンプ動力として小さなモータ出力で作動させることが重要となる。インバータの出力電力の電圧はＰＭＷ方式ではパルスの時間幅により、ＰＡＭ方式ではパルスの電圧高さを制御する事により調整される。
【００５１】
このように十分な太陽光照射に対応して圧縮機とその駆動電力を制御する時には冷凍サイクルの冷媒回路も特定の制御を行う必要がある。この代表の制御技術として主回路の冷媒膨張機構である膨張弁に関する制御を請求項９に提示している。上記の様に圧縮機の冷媒圧縮比が小さくなると冷媒の流量と圧縮比を制御するため冷媒膨張機構を通常の方法で制御させることが難しくなる。膨張弁による膨張機構は通常はその下流の蒸発器において冷媒が蒸発を完了し、蒸発器の出口で若干のスーパーヒートが生じている状態になるようにそのノズル部分の開度を調節することにより冷媒の流量を制御する。その場合の制御信号は蒸発温度と蒸発器出口冷媒の温度との差、即ち加熱度などが利用される事が多く、乃至はこの加熱度を制御するための代替データを用いることもある。
【００５２】
しかしながら前述の様に冷媒の圧縮比を極端に小さくする事が必要となった時、即ち圧縮機は流体ポンプの様な機能で作動する時には、膨張機構の方もそれに合わせて膨張弁は膨張機能を出来るだけ少なくなるように全開状態になるが、それでもノズル部分による冷媒の圧力損失が少なからず存在し、過剰絞り状態となる。従ってこの場合に備えて膨張弁にはバイパス回路とその開閉用の２方向制御弁などを設けておき、これを開状態にして冷媒の絞りを殆ど無くして冷媒を自由に流れる状態にする事が必要になる。それでも回路構成する前後の配管内で生じる冷媒の流動圧力損失が発生するので、それらの配管構成と形状寸法を最初から適正に設定することが必要になる。この為に該当する制御弁のノヅル口径や接続配管の内径寸法を適正な寸法に設定する方法がとられる。
【００５３】
この太陽光ヒートポンプシステムからの出力は太陽光発電セルで発生する電力およびヒートポンプの凝縮器における温熱出力及び蒸発器における冷熱出力の３種類である。請求項１０は凝縮器における温熱出力を安定して出力させるために熱量収集を行うもとの熱源に熱交換関係に設けられた各種蒸発器を効率的に選択して利用するための技術である。太陽光の照射量が十分あるときは太陽光モジュールの発電セルで発生する温熱を支持基板に伝熱関係に固定したセル冷却配管を蒸発器として作動させて熱収集する。太陽光照射量がほとんど無くなり、大気を熱源とした方が熱利得が大きいと判断された時には冷凍サイクルを切り替えて大気熱源熱交換器を蒸発器として作動させる。しかしながらヒートポンプの出力として冷却効果により冷房、冷却などを行いながらその排熱を利用したいときにはヒートポンプ冷凍サイクルに設けた冷却用熱交換器を蒸発器として作動させる方式を選択する。この３種類の蒸発器を適正に選択しながらこのヒートポンプの凝縮器における温熱出力は常に最適な温熱量と最適な温熱温度で出力される様に制御される。冷却用熱交換器は冷水槽の中に設けられたり、冷熱蓄熱材と伝熱関係に設けられたり、或いは冷房のための屋内空気と熱交換する熱交換器として設けられているものである。
【００５４】
太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプユニットを組み合わせた本発明のシステムにおいて、発電セルの支持基板と伝熱関係に設けたセル冷却配管は通常は上記の様に蒸発器として作動させるが、請求項１１ではこれを凝縮器にして放熱器として作動させる技術を提示している。即ち請求項１３に示す様に夏の夕方の冷房運転において前述したヒートポンプユニットの出力を冷熱としたときには、発電セルとその支持基板を放熱装置として利用するために支持基板と伝熱関係にあるセル冷却配管を凝縮器として作動させることができる。この場合発電セルの上面から陽が落ちた大空に向けて放熱することによる冷却効果は極めて有効で、例えば空冷用送風機付ののフィンチューブ凝縮器による放熱に比べて５〜１０℃もその凝縮温度を低下させて運転できることがあり、その場合は圧縮機の消費電力を少なくできる。
【００５５】
また、請求項１２に示すように冬季に太陽光コジェネレイション装置の表面硬質ガラスが積雪で覆われた場合は、やはりこのセル冷却配管を凝縮器として放熱させ、上面に積もった雪を溶融して除雪させるもので、この場合の蒸発器の熱源としては冷凍サイクル内の大気熱交換器による大気熱を利用するものである。乃至はその融雪運転以前に蓄えた温熱蓄熱槽内の熱量を利用するやり方もあるが、エネルギーの利用効率の点で推奨できないが積雪量が多い時等に利用する事ができる。以上の様にヒートポンプユニットの冷凍サイクルの冷媒の流れを切り替えて発電セルの支持基板と伝熱関係に設けたセル冷却配管を通常運転時の蒸発器と上記運転時の凝縮器とに適宜切り替えて運転させることにより前述した様な全く異なった機能の運転を実現させることができるわけである。言い換えれば発電セルの表面は太陽光を受光した場合の熱吸収と、開放された大気乃至は積雪された雪への放熱の双方の機能を極めて大きな表面積を通して高い効率で行わせることが出来るわけで、これをヒートポンプユニットの冷凍サイクルを切り替えるだけで簡単に利用できるわけである。この切り替えは冷媒の四方切り替え弁などをオン乃至はオフさせて冷媒の流れを切り替える方法などにより容易に行うことができる。
【００５６】
この融雪の技術発明として請求項１２に提示した内容を詳細に説明する。本発明の装置の表面は硬質ガラスでカバーされており、風雨から装置を保護し、太陽光を透過させ且つ伝熱を阻止して発電セルからの放熱を防ぐ機能を担っている。冬季にはこの表面に積雪乃至は氷結が生じると太陽光照射が十分でも発電や発熱量は低下してしまうし、積雪の多い地域では屋根強度や落雪に対する安全の観点などから除雪作業が必要になる。太陽光コジェネレイション装置の表面部材に積雪乃至は氷が付着して前記太陽光照射量が十分あるのに前記温熱発生量乃至は発電量が十分でないと判断するための方法は例えば表面部材の硬質ガラスの上面の一定距離上部に発光ランプを設け、表面部材の内側の発電セル表面などに受光素子を設置しておき、発電ランプを照射させてその光の受光素子への到達量を検知する方法などがあり、公知技術で比較的簡単に実現して設置できる。
【００５７】
他方、前述した様に、ヒートポンプユニットの出力を冷熱としそれを用いて冷却、冷房運転させる場合があり、発電セルとその支持基板を放熱器として作動させ、セル冷却配管を凝縮気として作動させる場合についての発明である請求項１３について詳細に説明する。前述した様に太陽光コジェネレイション装置の表面から自然放熱させる効果は空気熱交換器を利用して強制通風により大気に放熱する場合と比べて利点と欠点があるが、少なくとも強制通風の為の送風ファンを作動させる必要が無いことからその作動モータの消費電力消費の削減効果、および送風騒音や高温度の排熱送風によって近隣の家に迷惑を掛けないで済む等の利点がある。放熱特性の点では実機の設計によって何れが優位かが決まるが、両方を同時に凝縮器にして放熱させれば全体の放熱特性は著しく向上し、凝縮温度を下げる事が可能で、圧縮機の動力源としての電力の削減に繋がる。この結果極めてエネルギー効率の高い冷却運転ないしは冷房運転が実現できる。
【００５８】
ヒートポンプユニットからの出力は安定して利用できる温度の温熱である。給湯や暖房に利用するには５０℃程度で安定して供給される温熱が望ましい。不定期に得ることができる太陽光温熱を、利用側に適した温度と時間に供給するにはヒートポンプによる最適な出力温度に調整する機能とそれを蓄熱しておいて利用する時間に供給するための蓄熱機能の二つの機能が必要である。また蓄熱された温熱を給湯のみではなく暖房にも有効に利用するには大量の熱量を蓄熱する蓄熱槽が必要であり、そのために容積あたりの有効蓄熱量の多い方式が必要で例えば潜熱蓄熱材を用いた蓄熱方式が採用され、蓄熱材にはパラフィンなど固体と液体に相変化する蓄熱材が利用される。潜熱蓄熱材は固体状態になるため流動させることができないので蓄熱槽内に固定状態に設置して、ヒートポンプの冷凍サイクルの冷媒をその蓄熱槽内の熱交換器に導入させて該潜熱蓄熱材と熱交換させる方式を採用し、且つその潜熱蓄熱材の融解温度を適正な値に設定することが必要である。ここで重要な事は潜熱蓄熱材と熱交換器を蓄熱槽内に設置しておいてヒートポンプユニットの冷凍サイクルをそこに延長して導通させる方式が容易に実現できる事であり、この構成が蓄熱槽容積の小型化、冷媒以外の循環用熱媒体を用いた場合に必要となる循環ポンプが不要になるなどの大きな実用的な効果を生む。
【００５９】
この潜熱蓄熱材の融解温度を低温度例えば４６℃程度に設定すれば、太陽光照射量が十分でなくて発電セルの温度を５０℃程度にしか加熱出来ないときでもその温熱をヒートポンプユニットの冷凍サイクルの圧縮比を高めることなく、即ち圧縮機の駆動電力を最小にした状態で上記温熱を集熱し運搬し蓄熱することができる。しかしながらこの場合蓄熱温度が４６℃より若干低くなるためその熱を利用する上で一工夫が必要であり、５０℃での給湯には若干の再加熱が必要であり、そうでないならば例えば暖房装置の放熱面積を広く設定する対応策が必要になる。このため下限温度として４６℃以下では他の熱源が必要となる場合が多くなることから装置の総合効率の点でこの温度より高い温度で蓄熱する事が望まれる。この場合でも、発電セルの温度が例えば４０℃までしか上昇しないような太陽光照射量が少ない状態での運転の時はヒートポンプユニットの冷凍サイクルの圧縮比は若干高くなり、圧縮機の仕事量は増加するが、回転数可変型の圧縮機を用いたヒートポンプユニットの効果によりその出力温度は確保できる。
【００６０】
この潜熱蓄熱材の融解温度を高温度、例えば５８℃程以上に設定すれば、太陽光照射量が例え十分であっても発電セルの温度はシステムの運転時には６０℃以上になる事が少なく５０℃前後である事を考えると、その場合ヒートポンプの冷凍サイクルに圧縮比を発生させてこの８℃の温度差分を加熱する必要が生じる。この場合は圧縮機を駆動する電力消費量の増加をきたし、自然エネルギーである太陽光のみを利用して温熱の獲得をするという事が出来なくなる事を意味し、エネルギー総合効率の低下を意味する。そればかりでなく発電セルの温度上昇にともなって発電セル自体の発電効率も低下してしまい、コジェネレイションが目指してきた発電セルを冷却する事による発電効率向上という目的も阻害されてくる。以上のように潜熱蓄熱材の融解温度の設定は本発明システムによって得られる温熱の利用のし易さ、エネルギー効率、発電セルの発電効率などに大きな影響がある。  この温度の設定はこのシステム設計の根幹の選択因子であり、このシステムを利用した装置の実用化設計時に考慮されて設定すべき重要な要素であり、これを請求項１４に提示した。
【００６１】
温熱蓄熱槽を用いる場合の蓄熱温度の選択は以上の様にシステム全体の特性を決める上で重要である。利用する温熱の温度はその利用モードなどにより異なり、暖房では、床暖房の場合３５℃〜５０℃の温熱が適しているし、ファンコイルユニットの送風暖房用には４６℃〜５８℃の温熱が適している。給湯では、風呂の場合４６℃〜５８℃の温熱が使い易いし、厨房様の場合５５℃以上が望まれる。一方ヒートポンプユニットの作動条件から評価すると圧縮機及びその潤滑オイルの長期信頼性から上限の出力温度を７０℃以下に抑えたいという技術的な基準を考慮する必要がある。請求項１４に提示した４６℃〜５８℃の設定は、以上の要請乃至は基準を満たすという意味でシステムの設計指針として取り上げるべき重要な数値設定である。
【００６２】
一方、以上の様に考えて構成されたヒートポンプユニットと潜熱蓄熱の関係を実際に実現するためのヒートポンプユニットの凝縮温度に関する技術を請求項１５に示した。太陽光で得られる温熱はその温度、熱量、発生時間の何れもが不安定であるが、その中で温度と熱量の不安定についてはヒートポンプユニットを利用して安定な温熱の出力に転換させる事が必要である。この為には能力が調整できる回転数可変型の圧縮機と圧縮機と連携して冷媒圧縮比を制御できる冷媒流量制御機構による制御が不可欠である。冷媒流量制御機構の最も簡単なものは膨張弁であるが、本発明のシステム用としてはより複雑で制御範囲の広い冷媒制御機構が望ましい。圧縮比を設定して凝縮温度を制御する場合、出力の受け取り手となる潜熱蓄熱材の融解温度に対して効率良く放熱できる凝縮温度を設定するという設計思想が重要である。蓄熱槽内部に設けた熱交換器を通して凝縮冷媒の熱を潜熱蓄熱材に伝熱するため蓄熱材の融解温度に対し冷媒の凝縮温度を２〜１２℃高い範囲で固定された温度範囲内に設定し制御する事が望ましい。その理由は二つあり、一つはこの融解温度は製品が決まれば固定される値であり、変動する目標に比べ複雑な全体の制御システムを簡略化できる事で商品化の点で極めて重要である。
【００６３】
いまひとつの理由は実用的な設計要素である  即ち、熱交換器の容量を大きくしシステムのエネルギー効率を高めようとする場合には蓄熱材の相変化を促すに足る温度差として最低２℃の温度差が必要である。熱交換器の容量を小型化乃至はその容量に比して大能力を処理しようとする場合は実用的な温度差として最大１２℃を選択することを推奨する。
この温度差より高い温度の領域で運転する事はシステムのエネルギー効率悪化への影響が大きく推奨できない。また凝縮温度の実機制御での精度は２〜３℃の誤差及び変動を考えると制御範囲は若干の余裕度が必要であり、したがって大半の運転モードとして前述の温度の範囲での温度差をドライブ源にした作動モードの実現を目指すべきであると考えられる。蓄熱材を選定すればその材料に特有な相変化温度は決まるから凝縮温度としての制御目標温度が決まるため、全体の複雑になりがちな制御システムを構築する作業が極めて簡略化できる事もこの技術の大きな利点である。
【００６４】
請求項１６は太陽光コジェネレイション装置から出力される温熱の温度と熱量が不安定
である事を前提としてその課題を克服するための実用的な手段を示している。例えば冷房用の冷熱を蓄熱する為に２５℃の融解温度の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽と高温の温熱を蓄熱する５２℃の融解温度の潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽の二つの蓄熱槽を備えたシステムで、冬季に双方を温熱蓄熱槽として用いる場合がこの典型的な事例である。冬季に太陽光の出力温熱温度が３０℃程度と低い場合、この温熱を冷熱蓄熱槽に蓄熱する。この時ヒートポンプユニットは請求項８に示した様に、冷媒による熱運搬装置として作動し前記出力温熱は３０℃のまま乃至は１〜２℃程度温度上昇し、その熱が冷熱蓄熱槽に２５℃で蓄熱される。
【００６５】
この熱は優遇された価格の時間帯の電力、例えば深夜電力が供給される時間にその電力を蒸発器を加熱する熱源として利用して再度ヒートポンプ装置の冷凍サイクルを作動させて例えば５８℃の温熱をつくり５２℃の融解温度を持つ潜熱蓄熱材の温熱蓄熱槽に蓄熱させる。この５２℃で蓄熱された温熱は容易に給湯乃至は暖房に利用可能である。蓄熱槽が一つの場合はこの様にうまく二つの融解温度の潜熱蓄熱が利用できないが、その場合は昼間に前述した方法で顕熱蓄熱し、この温熱を夜間に大気熱源を蒸発器の熱源として作動させたヒートポンプにより潜熱蓄熱できる温度まで再加熱して同じ蓄熱槽に潜熱常態で蓄熱する方法がとられる。
【００６６】
いづれの方式も、太陽光から出力される温熱の温度が最初から十分高温度であり、例えば４８℃以上の場合は当然最初からヒートポンプにより５５℃以上にヒートアップして５２℃の融解温度を持つ潜熱蓄熱材の蓄熱槽に蓄熱することになる。しかしながら４８℃よりはるか定温の温熱しか出力されない時は上記の様な温度の違う２ステップの蓄熱が有効となる。従って、太陽光からの温熱の出力温度によってその時の電力でヒートアップするか、又はそれをいったん蓄熱してその後の優遇された価格の電力によってヒートアップするかを選択し、トータルのエネルギー効率乃至は電力コストを最適に構成する事を狙うものである。
【００６７】
本発明のヒートポンプユニットの作動冷媒は現在の空調機器などに使われている冷媒で、フッ素を含んだ地球温暖化係数の高いいわゆるＨＦＣ冷媒では無く、地球温暖化係数の極めて微小なフッ素を含まないＨＣ冷媒などを用いる。また、本発明のシステムではヒートポンプユニットを中心に、太陽光コジェネレイション装置のセル冷却配管及び温冷熱蓄熱槽などに使われる温冷熱出力熱交換器などの範囲が冷媒の作動領域である。  従ってこれらのＨＣ冷媒は可燃性であるとか、毒性があるとかの欠点があるが、冷媒の作動領域が上記の様に屋外に限定して設置されることから一定の充填量以下であればその採用が許容されている。かつヒートポンプとしての作動効率がＨＦＣ冷媒と同等に優れ、かつ圧縮機などの冷凍サイクル部品を構成する上で技術的課題が小さく、採用しやすい材料である。冷媒自体は新しい技術を含んだものでは無いが、この太陽光エネルギーを利用した次世代の環境優位なシステムで、その冷凍サイクルを閉回路に構成し、且つ全体のシステムを屋外に設置構成した上でこの冷媒を採用するという点で新しい技術として提示したものである。
【発明の効果】
【００６８】
従来の太陽光利用の発電および温熱を出力するハイブリッド装置では出力温熱がその温度、熱量、出力時間の点で温水器以外の熱需要に利用できなかった。そのため、大きな面積の発電セルパネルと小さな面積の温熱収集パネルを組み合わせた方式で両パネルを隣接させて設置する方法などが検討されてきた。従って、全受光モジュールの発電セルで発電と温熱収集をさせる所謂真のコジェネレイションを行うシステムが実現できていなかった。それは、前述した様にその方式が温熱の需給関係上で有効でない事、と同時に実際の構成上でコジェネレイションを実現出来ない技術的な課題があったためである。
【００６９】
本発明では、まずその出力温熱が給湯用のみでなく冷暖房空調用、工業プロセス用などに利用され、更には大規模浴場、プールなどの熱源として利用できる様にエネルギー効率が高く、広い需要先で利用可能な温度域で出力できる様にするため、太陽光コジェネレイション装置とヒートポンプのシステム化を構想し、その実現のための技術を明確化した。この技術によりシステムを設置するサイトで消費される各種広範囲の温熱需要を賄う事を可能にし、実際に給湯のみにしか利用出来ない現在の太陽光温水器に比べて大幅にその需要の範囲を拡大した。この効果により前述した様に、大面積の発電セルを同時に温熱収集用に兼用した大量の温熱量を収集するコジェネレイション装置を実用化できる可能性を見出した。
【００７０】
提案したシステム全体の構成の中で、太陽光コジェネレイション装置からヒートポンプによって集熱を実現するための、信頼性が高く実用的な構造方式と方法を具体的に提示した。具体的には、太陽光コジェネレイション装置を構成する多くの数のモジュールから均一に且つどんな日照の時にも安定して集熱を行うことができる方法、および集熱した温熱を利用し易い温熱になるように調整及び転換し、より広い温熱の用途に活用出来るようにするためのヒートポンプの基幹技術を提示した。  またそのシステム全体の構造方式に関し、現地における設置及び工事を簡略化するための具体的な方法、構造、技術を提示した。
【００７１】
以上により、コジェネレイションできる受光モジュールの集合体で構成させた太陽光コジェネレイションシステムを実用上で有効なエネルギー収集装置として活用する方法を明確化した。その結果、システムの中の全体の受光モジュールの面積を利用して太陽光を発電と温熱収集に利用できるようになり、発電のみで１３〜１５％前後であった従来の太陽光発電のエネルギー変換効率を、温熱を含めて倍以上の効率まで高める事の可能性を明確にした。これにより、ユーザーがそのサイトで利用する全エネルギー消費量を賄うために必要な太陽光コジェネレイション装置の受光面積を全体として半減以上に縮小させる事が可能になり、従来は投資効果の点で及び設置スペース不足の点で多くのサイトで実用化できなかった民生用の太陽光エネルギー利用装置をその大半のサイトで設置可能なコンパクトな装置を実現し、今後の市場における普及拡大の道を拓いたと考えられる。別の表現をすれば、投資効果の点で１０年償却で考えたとき商用電力に比べ２〜３倍のエネルギーコストであった太陽光利用システムを商用電力並み乃至はそれ以下のエネルギーコストで実現し、且つ又設置スペースの点で太陽光パネルを設置できなかった地域や建物、即ち都会、マンション、小さな店舗などへの設置に道を拓き、太陽光利用システムとして今後急速に普及するための大きな課題を解決できたものと期待される。
【００７２】
以上を纏めれば、太陽光エネルギー変換効率を倍増させ、化石燃料を利用したシステムに匹敵乃至はそれ以上のエネルギーコスト優位性と利便性で太陽光利用エネルギー装置を実現するための多くの課題を解決した。  これにより家庭用、民生用、工業用のエネルギー装置として電力と利用しやすい温熱の双方を供給できそれを給湯や冷暖房その他に利用できる太陽光エネルギーシステムを実現し、太陽光エネルギーをフルに利用した民生用、工業用のエネルギーシステムの実現の道を拓いた。以上により今後推進されていくであろう化石燃料装置から太陽光エネルギー利用による再利用可能なエネルギー供給システムへの転換に向けて一つの具体的な道筋を与えることができたと考えられる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
以下、本発明の実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。
【００７４】
図１は家庭に設置した本発明の基本構想を利用した太陽光ヒートポンプシステム事例についての屋上の上面から見た全体図を、図２はその事例の受光モジュール２の詳細平面図と詳細断面図を、図３はこのシステムに用いられるヒートポンプユニットの冷凍サイクルと主な部品の冷媒系統図を示す。図４にはこの太陽光ヒートポンプシステムと商用電力及び蓄熱システムを組み合わせた冷暖房給湯システムとして一つの事例の全体構成を示した。  図１で示した様に設置した屋根スペース１の上に６個の受光モジュール２からなる太陽光コジェネレイション装置６が設置されている。各モジュールの詳細図２からわかる様に、発電セル１０で受けた太陽光はその表面のセルにおいて発電し且つ温熱を発生させ太陽光照射エネルギーの４０％弱を利用することができる。その他の６０％強の太陽光エネルギーは表面からの反射その他により散逸する。即ちエネルギー変換効率は４０％弱である
【００７５】
温熱は上面からの熱の逸散を抑えるため直ちに発電セルの背面に薄い絶縁材を介して密着してあるアルミプレート製の支持基板１２に吸収され、その支持基板配管固定部３へと流れセル冷却配管４に伝わり、そのセル冷却配管を通るプロパン冷媒を蒸発させる。この結果発電セルは適正な温度に冷却される。
支持基板１２と発電セル１０の間には電気的な絶縁材１１が薄膜状態に塗布され、発電セル１０を絶縁し電気的に隔離しているが、絶縁材１１は薄膜状態で発電セルとアルミ製の支持基板１２の間を密着させているから、温熱の伝熱を促進し、両者間の温度差を殆ど無くしている。支持基板１２の背面は十分な厚さの底面断熱部材１３が配設され、発電セルの上面は受光モジュールの全上面が密封状態になる様に硬質ガラス９でカバーされ、受光モジュール２の外側に突出された支持基板配管固定部３の周囲全体は図中では省略してあるが熱的に絶縁部材で包まれその外側は耐候性部材で覆われた構造となっている。
【００７６】
図１に示した構成は以下の様な事を可能にする。第一にセル冷却配管の接続箇所を最小限の出入り口の２箇所に減らすことにより冷媒リーク防止という最も重要な信頼性項目の達成を担っている。第二に太陽光コジェネレイション装置６の全体を設置した後にセル冷却配管の配置、組み込みを可能にして、屋根の上などでの実機の設置作業を実現し易いものとしている。図１に見られる様に連続する一本の銅管のセル冷却配管４を支持基板配管固定部３の位置に合致する形状に型成し、装置６を設置後にその上部から宛がって、図２に示された様に支持基板配管固定部３において支持基板１２と機械的に固定する。セル冷却配管４の出入り口部は図中では省略してあるが、ヒートポンプユニと５に設けた接続口と冷媒回路を形成する様に連結する。この連結方法は空調機器のヒートポンプ屋外機などで実用化されている方法と同じバルブを利用しても良い。セル冷却配管４の管路数は図１では１回路としたが、太陽光コジェネレイション装置の規模により複数本の並列回路にする事は勿論問題は無い。但しこの場合、配管の接続箇所が増えるという恨みはある。
【００７７】
この接続口固定箇所は地上に設置したヒートポンプユニット５の近傍で地上に近いところに配置し、屋根上での配管接続などの作業は避けて、接続の品質確保、作業の安全性を確保して行う事で万全を期すことができる。支持基板１２とセル冷却配管４の固定部分の作業性とその安全性及び固定後の信頼性は極めて重要である。この事例では図２に示す様に支持基板配管固定部分６は容易にセル冷却配管を収納してボルトで締め付けるだけでしっかりと相互に内面と外表面が接触して固定することが出来るように予め形成されている。この機械的な固定方法は設置作業の時にも重要な作業であるが、１０年〜５０年の長い使用期間において容易に修理交換ができるという点からも重要である。
【００７８】
アルミニウム製の支持基板１２は温熱をセル冷却配管まで伝熱させる役割を負っている。従ってその間で温度差が大きく生じないように伝熱に十分な断面積が得られる板厚である必要がある。受光モジュールが短辺が１ｍで長辺が２ｍの長方形の場合、同じ支持基板厚さの場合熱の流れる向きの選択の違いでその温度差は４倍の違いになる。従って短辺方向に熱を流し、支持基板配管固定部は図のように長手方向に配置させる事が重要である。例えば図の事例では図には示していないが、支持基板のアルミニウムプレートの肉厚は配管固定部近傍が４ｍｍ、その反対側が０．５ｍｍになるように傾斜肉厚にしてある。これにより温熱を伝え易く且つ全体のアルミニウム材料使用量を減少させている。平均肉厚は２．２ｍｍであり、短長片を反対にした場合は同じ伝熱特性即ち同じ温度落差で伝えられる同じ熱量を得るには平均肉厚はその４倍で８．８ｍｍとなり、極めて多量のアルミニウムを使用しなければならず且つ重量が大きくなりコスト増とともに屋根上まで発電モジュールを持ち上げる作業に大きく悪影響を来たす結果となる。支持基板配管固定部３のアルミニウムの板厚は２ｍｍで、内面にセル冷却配管をピッタリと収めることが出来るように半円弧状に型成してある。
【００７９】
図の方式とは違って、一枚の支持基板１２の両端に二つの支持基板配管固定部３を設置して温熱収集するように構成した場合は短い辺の方向にセル冷却配管を合わせて固定しなければならない。温熱は支持基板内をその両端に向かって流れるのであるから、実質的にその温熱が流れる方向の伝熱距離、即ち該辺長の二分の一の長さを一辺の長さと看做して、その長さが配管固定部３を設けた辺の長さに比べて短くなるようモジュール全体の寸法を設定する乃至はレイアウトを決定することが望ましい。以上の工夫により伝熱を受け持つ支持基板のアルミ材料の使用量即ちその肉厚を大幅に削減できる。支持基板の材料は伝熱特性と加工特性に優れたアルミニウムを用いているが、その材料コストの削減は重要である。この意味でその肉厚を更に薄くして全体を同一肉厚にしてその代わりに一定ピッチに直角に立てたリブにより伝熱を促進させる方法が採用される事もある。
【００８０】
セル冷却配管４の全長、直径はシステムの性能、工事性、品質、信頼性に大きな影響を与える。その意味で、冷媒のリークを防ぎ工事性を高めるため接合部の少ない連続するパイプによる管路の構成を図1に示すように簡略化し、支持基板配管固定部に置けるセル冷却配管の固定部分をモジュールの長辺方向に設置し、配管外形寸法を最適値に選定すること両者の接触面積を確保、全セル冷却配管内容積を小さくして封入冷媒量を削減する管路設計しており、図１の全体構成と図２の細部構造がこれらの管路構成の自由な最適化設計を可能にしている事を示しているわけである。図１、２の事例ではセル冷却配管１２は外径９．５２ｍｍの標準銅管を使用している。
以上の様な全体の構成は現地において全体の装置を据付し工事完成させる上で極めて重要である。家庭に用いる小さなシステムでは勿論、大きな業務用システム、例えばホテル、郊外レストラン、スーパー銭湯の様な比較的大きなシステムの場合は太陽光発電と太陽光温熱収集をコジェネレイションの形で実現する上では益々不可欠な構成と言える。
【００８１】
太陽光により発電セルで発生した温熱は以上説明したようにセル冷却配管４に伝熱され、この熱によりセル冷却配管内で蒸発したプロパンガスはヒートポンプユニット５に戻り図３に示すように圧縮機１６で圧縮され乃至はポンプアップされて適正な圧力のガスとなり温熱蓄熱槽７に送られ温熱熱交換器で凝縮しながら放熱し液化する。さらに膨張弁１８で膨張減圧され乃至はバイパス弁２４をほとんど減圧されずに通過し液ガス混合冷媒となり再びセル冷却配管４に戻り温熱を受けて蒸発し、これを繰り返す。このサイクルの冷媒の循環量と圧縮比は太陽光コジェネレイション装置における太陽光の照射量に合わせて各種の制御を実施している。  
【００８２】
即ち如何なる太陽光照射状態にも対応できる熱収集調整機能がヒートポンプユニットに求められるわけである。図３はそれを実現するための冷凍サイクルと重要部品の構成図である。太陽光の照射量は時間帯、気候、季節によってゼロから最大値までダイナミックに大きく変化する。しかしながらその温熱を利用する側は必要な時間帯が限られ、必要な温熱の量と温度も特定される。この矛盾を解消するために本発明ではヒートポンプユニットにより熱量と温度の調整を行い、商用電力、特に深夜電力の活用により熱量と利用時間の調整を行うことを前提としているわけで、本事例では、全ての作動を細かく説明することは省略するが、図３、図４にそれらの機能を実現した実際の商品事例の冷凍サイクルと装置システムの構成を示しており、以下概説する。
【００８３】
この技術を利用した冷暖房給湯システムの全体のシステム構成は図４に示す。太陽光発電の電力は発電出力電力線１１１から出力され発電出力制御装置１１２により電圧と周波数などが調整され商用電力系統線１１３に逆潮流される。この電力は広域電力会社に売電される。一方ヒートポンプユニット５の電力は商用電力系統線から供給されるが、昼間の電力単価の高い時間帯の電力の消費量を少なくし、夜間など電力単価の安い電力を優先して利用するようにヒートポンプユニットの運転を制御する事が全体システムのエネルギー費用を削減し、更にはエネルギー収支をプラスにする上で重要である。太陽光はコジェネレイションで利用し、太陽光と商用電力はハイブリッドに利用するというのが本発明のシステム基本理念である。
【００８４】
以上の理念、構想を実現するための重要技術を請求項７、８、１６に提示しているわけである。図４に示した冷暖房給湯システムの事例ではヒートポンプユニットの基本制御内容は、図には示していないが次の様なものである。即ち、圧縮機１６はインバータで制御される回転数可変型の圧縮機を用いその回転数を制御することにより冷凍サイクルの冷媒循環量を制御して処理熱量を制御している。基本的には太陽光コジェネレイション装置の受光量の多い時はその回転数をあげ、少ないときは下げて発生熱量にあわせて処理熱量を制御する。その発生熱量を検知する方法は種々な方法がある。例えば太陽光照射量を検知、太陽光コジェネレイション装置の発電量を検知、同装置の発電セル乃至は支持基板乃至はセル冷却配管などの温度を検知するなどであるが、図４の実施例では発電量を検知して太陽光照射量の情報を特定する方法により太陽光照射量を知って冷凍サイクルの圧縮機の回転数を制御している。
【００８５】
この実施例ではヒートポンプの温冷熱出力を温冷熱蓄熱槽７、８に蓄熱している。この蓄熱槽に蓄熱された熱量が十分であるか不足しているかによっても上記圧縮機の回転数の設定は調整される。温熱が十分蓄熱されている時は圧縮機の回転数を下げて温熱処理量を減らし、結果として発電セル１０及びセル冷却配管４の温度が高くなり冷凍サイクルの蒸発温度は放熱側の温熱出力熱交換器１９における凝縮温度に近づく。その結果図3におけるバイパス弁２４を開通して圧縮比は小さくなり、圧縮機の消費電力は大幅に低減する。
【００８６】
一方、運転している時間帯が商用電力の価格が優遇されている時間帯である深夜の電力を利用するときと優遇されていない時間帯の電力を利用する時では圧縮機の利用内容、主にその回転数と圧縮機モータへの印加電圧は異なった内容で制御される。深夜電力の時間帯ではフル運転してできるだけ蓄熱槽に最大限蓄熱させる様に制御するが、昼間電力の時間帯、特に太陽光照射がある時には電力の消費量をできるだけ抑えるため冷凍サイクルの蒸発温度を高める様に運転制御する。総合として昼間は電力使用量を抑えて且つ太陽光コジェネレイション装置の発電量を増やしそれを売電し、夜間は安価な商用電力をフルに活用すべくシステムを制御し、ヒートポンプユニットを運転する。このための最も効果的な方法がヒートポンプユニットの圧縮機を駆動するための電力仕様を制御調整することであり、この事例では請求項８に示した技術を利用している。
【００８７】
図３において、受光モジュール２に太陽光の照射量があるときは、商用電力系統線１１３からの電力を利用して圧縮機電源装置としてのインバータ装置（図示せず）を経由して圧縮機１６を駆動する。圧縮機１６からの吐出プロパンガスは四方切り替え弁１７により温熱蓄熱槽７内に設けた温熱出力熱交換器１９に振り向けられる。そこで凝縮し５２℃の融解温度を持つ潜熱蓄熱材（図示せず）を融解し蓄熱する。放熱し液化したプロパンは膨張弁１８で膨張し低温度の液冷媒になり太陽光コジェネレイション装置６に設けられたセル冷却配管４に送られ、そこで蒸発し太陽光の温熱を吸収する。このとき膨張弁は全ての受光モジュール２に渡ってセル冷却配管４内にプロパン液冷媒が行き渡る様に適正な絞り制御を行い、プロパン液冷媒の流量を調整し、冷媒圧縮比を調整する。
【００８８】
しかしながら晴れの日の午後の様に太陽光照射量が強いときは受光モジュール２の温度更にはセル冷却配管４のプロパン冷媒蒸発温度が高くなり（４５℃以上）蒸発圧力が高くなると膨張弁１８を全開に設定しても流量不足で、セル冷却配管４の途中で蒸発が完了し、いわゆるスーパーヒート状態となって大半の受光モジュール２を冷却できなくなってしまう。このような場合はバイパス弁２４を作動させて開状態とし、十分なプロパン液の流量を確保し、同時に圧縮機の圧縮比を減少させ、圧縮機の負荷を減少させる。一方圧縮機のモータに印加されるインバータ電源装置の出力電力の電圧は適正なレベルに低く調整され、その消費電力は大幅に削減される。即ち太陽光温熱は商用電力をあまり消費することなく蓄熱槽７に蓄熱することができる。この技術が請求項９に示されている。
【００８９】
ところが太陽光照射量がすくない時は、出力熱量と温度を確保するためには圧縮機をそれなりの圧縮比で作動させなくてはならないため、消費電力が増加するという恨みがある。その場合には圧縮機の吐出ガスを冷熱蓄熱槽８内の冷熱出力熱交換器２０に送り３０℃の融解温度の潜熱蓄熱材を融解しそこに蓄熱する。この圧縮機の圧縮比はもちろん十分に低く保たれるのでその駆動に用いる電力は上記と同様に大幅に削減される。この３０℃で蓄熱された温熱は、夜間に割安な深夜電力を用いてこの冷熱蓄熱槽８の３０℃の温熱を温熱蓄熱槽７にくみ上げる。この結果利用できる５２℃の温熱を最終的に温熱蓄熱槽７に蓄熱することができる。このときの圧縮機の消費電力は安価に設定された深夜電力を利用するから、太陽光発電で昼間に売電した電力よりはるかに安価な電気代で済み、差し引きの電気代は利用者が受け取り超過、即ちプラス収益となる。このための基礎技術は請求項１６に示されている。
【００９０】
太陽光照射量が殆ど無く、且つ温熱需要がある時には空気熱交換器Ｂ２２を利用してこれを蒸発器として選択して大気熱源のヒートポンプ運転を行うことになる（請求項１０参照）。この機能は年間を通じて安定して温熱出力を供給するという意味で重要である。これらのための冷凍サイクルの切り替えは各種切り替え弁２３、２５、２７を制御することにより設定することができる。以上に述べた太陽光利用、大気熱利用、深夜電力活用などの利用の選択は請求項７に示した技術を活用して制御されている。
【００９１】
一方冷房などの為に冷熱蓄熱槽に冷熱を蓄熱するときには、空気熱交換器Ａ乃至はセル冷却配管４を凝縮器とし、冷熱出力熱交換器２０が蒸発器になるように冷凍サイクルを切り替えて冷却運転を行う（請求項１１参照）。セル冷却配管４を凝縮器として機能させる時は夜間などで受光モジュールから大気空間に向けて放射冷却が効率よく行える場合である
（請求項１３参照）。  冷熱蓄熱運転の時に同時に温熱の蓄熱運転を行いたいときには温熱出力熱交換器１９を凝縮器として選択して冷熱と温熱を同時に出力させる。この場合は温冷熱出力エネルギーは倍加された熱量獲得評価となるのでエネルギー効率は高くなるが、太陽光からの発生温熱を利用する前述した基本方式の場合とを効率などを総合評価した上での選択になる。
【００９２】
以上の様にして温冷熱を蓄熱槽７、８に蓄熱し、その熱量を利用して図４に示すように給湯用配管１１７から給湯水を供給し、空調用熱媒体配管１１８から空調用の温冷熱を空調用の端末となるユニット１１９乃至はパネル１２０、１２１に供給する。空調用熱媒体は水乃至は細粒の蓄熱材を含んだスラリなどを用いる。図４のような温冷熱用の蓄熱槽を設ける方式ではなく、建物の床下や地下に温冷熱を蓄熱したり、温水槽を設けたりする方式も有効であるが、いづれの場合も熱の需給タイミングのズレを調整するために蓄熱機能を有するシステムが有効に機能することが前提である。
【００９３】
冬季に受光モジュール２の最上面の表面硬質ガラス９の上面には積雪なしは凍結などが生じ、太陽光照射が発電セルに到達しない場合が生じ、発電と温熱発生の双方が阻害される。この場合図３の冷凍サイクル中で空気熱交換器Ａ２１を蒸発器として大気から温熱を収集し、セル冷却配管を凝縮器としてそこで放熱させて、受光モジュールを加熱することにより前述した積雪や凍結を溶融させて水にして排水させる運転が可能である。この技術が請求項１２に示されている。この場合積雪量が多くて融雪しきれない場合は温熱出力熱交換器１９を蒸発器にして既に蓄熱した温熱を利用して冷凍サイクルを作動させて発電セルの温度を必要により４０℃程度まで上昇させ、積雪と凍結を排除させる運転も可能であり積雪の多い地域や寒冷地域では有効である。
【００９４】
温熱蓄熱槽７の蓄熱材は融解温度が５２℃のパラフィンを用いていおり、内部に該蓄熱材と熱交換関係に媒体が連通する熱交換器が設置され、その一部が温熱出力熱交換器１９に使われている。したがって床暖房、ファンコイルユニットの送風暖房、風呂用給湯、厨房用給湯などの温熱利用の媒体を前記熱交換器に連通させて温熱を利用することが可能である。融解温度が５２℃なので圧縮機１６の推奨される作動温度範囲を守ることも容易である。ちなみに本事例では５２℃に蓄熱するため冷媒の凝縮温度は５５℃〜５６℃程度に制御しており、圧縮機の吐出ガス温度は９０℃以下に抑えることが可能であり、圧縮機構部分と潤滑油の作動温度範囲を満たす事が出来る。この温度上昇値は勿論使用する冷媒により異なるがプロパン冷媒の場合は十分にこれを満たすことができる。
【００９５】
本発明のシステムではヒートポンプユニットを中心に、太陽光コジェネレイション装置のセル冷却配管４及び温冷熱蓄熱槽７、８などに使われる各種温冷熱出力熱交換器などは通常は勿論屋外に設置される。本システムではヒートポンプユニットのプロパン冷媒を屋内に導入する利用方法は採用しない。しかしながら特別に蓄熱槽などの出力装置を屋内に設置する場合には万が一冷媒漏洩の場合乃至は火災などに装置が晒された場合に備え、その空間と居住域との隔離性の確保、及び外気との換気などが使用許可条件となる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の基本構想を利用した太陽光ヒートポンプシステム事例の全体概要図
【図２】本発明の基本技術である支持基板とセル冷却配管との固定方法事例
【図３】本発明のヒートポンプ冷凍サイクルと太陽光発電セル基板の構成事例
【図４】本発明の太陽光ヒートポンプシステムを利用した冷暖房給湯システム事例
【符号の説明】
【００９７】
１    設置屋根スペース
２    受光モジュール
３    支持基板配管固定部
４    セル冷却配管
５    ヒートポンプユニット
６    太陽光コジェネレイション装置
７    温熱蓄熱槽
８    冷熱蓄熱槽
９    表面硬質ガラス
１０  発電セル
１１  絶縁材
１２  支持基板
１３  底面断熱部材
１４  セル冷却配管固定ボルト
１５  固定ボルトスペーサー
１６  圧縮機
１７  四方切り替え弁
１８  膨張弁
１９  温熱出力熱交換器
２０  冷熱出力熱交換器
２１  空気熱交換器Ａ
２２  空気熱交換器Ｂ
２３  温熱出力切り替え弁
２４  バイパス弁
２５  熱源切り替え弁
２６  受光モジュール枠
２７  温冷切り替え弁
１０５太陽光
１０８セル冷却配管出入り口配管
１０９温熱出力出入り口配管
１１０冷熱出力出入り口配管
１１１発電出力電力線
１１２発電出力制御装置
１１３商用電力系等線
１１４発電出力系統連携線
１１５ヒートポンプ動力用電力線
１１６水道水管
１１７給湯用配管
１１８空調用熱媒体用配管
１１９空調用ファンコイルユニット
１２０暖房用壁面パネル
１２１暖房用床面パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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