(57)【要約】【課題】貯水槽を利用した太陽光利用システムにおいて、より有効に太陽光を利用する。【解決手段】貯水槽２０の一部を湾曲面とすると、貯水槽に貯留された貯留水と、当該湾曲面とによって、集光レンズが構成される。この集光レンズによって太陽光を集光し、太陽電池３０に代表されるような光−電気エネルギー変換素子に照射すると、少ない受光面積によって大きな電気エネルギーを得ることが可能となる。このように構成された太陽光利用システムは、貯留水の気化潜熱によって貯水槽が設置されている建造物の温度上昇を防止できるとともに、当該変換素子によって得られた電気エネルギーを、従来消費されていたエネルギーの一部に代替することができ、極めて効率的に太陽光を利用することができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有する光透過性の貯水槽と、
前記凸状の球面部に受光面が対面するように設置され、受光した光を電気エネルギーに変換する変換素子と、
を具備することを特徴とする太陽光利用システム。
【請求項２】
前記貯水槽内の水量を一定に維持する水量維持手段を具備することを特徴とする請求項１記載の太陽光利用システム。
【請求項３】
前記貯水槽には、前記凸状の球面部が複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光利用システム。
【請求項４】
建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有する光透過性の貯水槽と、
前記凸状の球面部に受光面が対面するように設置され、受光した光を電気エネルギーに変換する変換素子と、
を具備することを特徴とする太陽光利用装置。
【請求項５】
建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有することを特徴とする光透過性の貯水槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を有効利用する太陽光利用システム、太陽光利用装置、及び貯水槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
限りある地球上の天然エネルギー資源に代わって、半無限的且つクリーンなエネルギー資源として太陽光が注目されている。太陽光の利用例としては、例えば、特許文献１に開示さるようなシステムがある。このシステムによると、建造物の屋上に設置された貯水槽内の貯留水が、太陽光によって熱せられ気化する際の気化潜熱によって建造物内の温度上昇が抑制される。このシステムによれば、経済的に大きな負担を生じさせることなく、建造物内の冷房に必要なエネルギーを節約することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３１２０１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術において、貯留水に与えられる太陽光のエネルギーは、貯留水の気化にしか利用されず、太陽光が持っているエネルギーの多くは利用されていなかった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされ、貯留水の気化潜熱を利用して建造物内の温度上昇を抑えることができ、かつ、その気化のために貯留水に与えられる太陽光のエネルギーを有効利用することのできる太陽光利用システム、太陽光利用装置及び貯水槽を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る太陽光利用システムは、建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有する光透過性の貯水槽と、前記凸状の球面部に受光面が対面するように設置され、受光した光を電気エネルギーに変換する変換素子とを具備することを特徴としている。
即ち、本発明は、貯水槽の一部を凸状の球面とすることによって、水が貯留された貯水槽が、一種の集光レンズとなることに着眼してなされたものである。集光された太陽光は、前記変換素子に照射される。従って、貯留水の気化潜熱によって建造物内部の温度上昇が防止されると同時に、集光された太陽光によって、効率よく電気エネルギーを生産することができ、太陽光の有効利用が可能となる。
【０００６】
また、本発明において、太陽光利用システムは、前記貯水槽内の水量を一定に維持する水量維持手段を具備していてもよい。このような太陽光利用システムによれば、貯留水が増減することによる太陽光の焦点変化が生じないから、安定した電気エネルギーを得ることができる。
また、本発明に係る太陽光利用システムにおいて、前記貯水槽には、前記凸状の球面部が複数形成されていてもよい。このような太陽光利用システムによれば、太陽光は複数箇所に集光される。従って、前記変換素子を配置する際の自由度が高まり、経済的な負荷が節減される。
また、本発明に係る太陽光利用装置は、建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有する光透過性の貯水槽と、前記凸状の球面部に受光面が対面するように設置され、受光した光を電気エネルギーに変換する変換素子と、を具備することを特徴とする。
また、本発明に係る貯水槽は、建造物の屋根、壁、又は屋上の、一部、又は全体を覆い、且つ太陽光を受光できる位置に設置されると共に、開口部と凸状の球面部とを有することを特徴とする光透過性の貯水槽である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
＜実施形態１＞
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る温度上昇防止システムの概略図である。同図において、建造物１０は、例えば一般家屋やビルなどに相当する。建造物１０の屋上には、貯水槽２０、及び太陽電池３０が設置されている。
貯水槽２０は、例えば透明なプラスチックなど、光透過性を有する部材で構成されており、一部が上空に向かって開口している。貯留水２１は、貯水槽２０内に貯留された水である。太陽電池３０は、受光面が受光した太陽光を電気エネルギーに変換し、直流電流として出力する機能を有する。
【０００９】
図２は、図１において矢印方向から当該システムの断面をみた図である。同図を用いて当該システムの詳細構成を説明する。
貯水槽２０は、建造物１０の屋上面に対し、一定の距離をおいて固定されている。また、貯水槽２０の下面は、半球状に湾曲している。貯水槽２０には、貯留水２１の貯水量を一定量に保つために、水を検知するセンサ２２、給排水管２３（いずれも図１では省略されている）が設置されている。ここで、給排水管２３は、建造物１０の給排水系（図示略）と接続されており、給水管２３ａ、及び排水管２３ｂによって構成されている。そして、給水管２３ａにより貯水槽２０への給水が行われ、貯水槽２０内の貯留水２１が一定量を超えると、センサ２２によって貯留水２１が検知され、排水管２３ｂによって適量が排水されるようになっている。貯水槽２０の上述した湾曲面と貯留水２１は、集光レンズとして機能する。
【００１０】
太陽電池３０は、建造物１０の屋上面に、貯水槽２０の下面に対向するように設置されている。また、太陽電池３０は、インバータ３１を介して、建造物１０内の空調を行うため空調機４０に接続されており、太陽電池３０によって生成された直流電流は、インバータ３１によって交流電流に変換されて、空調機４０の補助電源として使用される。
【００１１】
＜実施形態の動作＞
上記構成をもつ温度上昇防止システムの動作について説明する。当該システムは２つの機能を有している。第１の機能は、気化潜熱による温度上昇防止機能であり、第２の機能は、電気エネルギーの効率的な生産機能である。第１の機能については、従来技術の項において述べたとおりである。即ち、本実施形態によると、建造物１０の屋上に貯水槽２０が設置されており、貯留水２１が太陽光によって熱せられ気化する際の気化潜熱によって、建造物１０内の温度上昇が防止される。以下に、第２の機能について説明する。
図３は、貯水槽２０、及び貯留水２１によって太陽光が集光される様子を説明した図である。図３において、貯留水２１は水であるから、その屈折率は空気中のそれよりも大きい。このため、例えば、太陽光が、図示する方向Ａから、入射角Ａ’で貯留水２１の水面に入射したとすると、この入射した太陽光は、入射角Ａ’よりも小さな屈折角Ｂ’で図示する方向Ｂに進む。ここで、入射角とは、異なる媒質の境界面に対して立てた法線と、光の入射方向線とが作る角度のことを指し、屈折角は、同法線と屈折方向線とが作る角度のことを指す。尚、本発明によって得られる効果を顕著に示すために、屈折角Ｂ’は誇張して表示されている。
【００１２】
このようにして屈折した太陽光は、貯水槽２０の下面から再び空気中へ出射する。この際、貯水槽２０の下面が、貯留水２１の水面と平行であるならば、太陽光は屈折角Ａ’で再び方向Ａに出射するはずである。しかしながら、貯水槽２０の下面は、上述のように半球形状に湾曲しており、貯留水２１内を進んできた太陽光の、貯水槽２０の下面への入射角は、その場所によって異なっている。その入射角は、貯水槽の周辺部に近づくほど大きくなり、その結果、太陽光は、符号Ｃで示されるように集光された状態になる。太陽電池３０には、この集光された太陽光が照射されるのである。
【００１３】
太陽電池３０には、このように集光された太陽光が照射されるので、例えば、集光効果を有さない貯水槽の下部に設置された太陽電池と比較すると、同量の電気エネルギーを生産するために必要な受光面積を小さくすることができ、コストを大幅に抑制することが可能になる。
更には、こうして得られた電気エネルギーを、室内空調機４０の補助電源として使用することによって、室内空調機４０の運転にかかる経済的負荷を軽減し、資源の有効な利用を図ることができる。
【００１４】
＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態では、建造物の温度上昇が著しい夏期におおきな効果が得られたが、資源の有効利用の観点からいえば、他の時期にも大きな効果が得られることが望ましい。このような観点から、冬期にも、太陽光を有効に利用できる第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、上述の第１実施形態に係る効果が、貯留水２１の水温に影響されないことに着眼し、太陽光によって温められた貯留水を冬期の室内暖房に利用できるようにしたものである。
【００１５】
図４は、本発明の第２実施形態に係る太陽光利用システムの構成図である。上述の第１実施形態と重複する箇所については、同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態において、建造物１０の屋上に設置された貯水槽２０には、貯水槽２０に給水するための給水管５１の一端と、貯水槽２０から排水するための排水管５２の一端とが接続されている。尚、これら給排水管は、建造物１０の給排水系と接続されているが、図示を省略する。
一方、給水管５１の他端、及び排水管５２の他端は、熱源システム５０に接続されている。ヒートポンプ５３は、熱交換機であり、熱源システム５０に供給される水を熱源として、熱を汲み出すことができる。汲み出された熱は、空調機４０に供給されて、建造物１０内の暖房に利用される。
【００１６】
ここで、排水管５２の排水バルブ５２ａは、太陽光によって温められた貯留水２１を熱源システム５０に供給するように、その開閉が制御される。尚、その制御を行う装置については図示を省略する。そして、ヒートポンプ５３によって熱が汲み出された水は、フィルタ５４によって不要部を取り除かれた後、給水バルブ５１ａの開閉によって適宜給水管から貯水槽２０へ供給される。本実施形態では、このように貯留水を循環させているのである。そして、太陽電池３０によって得られる電気エネルギーは、第１実施形態と同様に空調機４０、及びヒートポンプ５３の補助電源として利用される。
【００１７】
本実施形態は、以上のように構成されているので、貯留水の気化潜熱によって建造物内の温度上昇を防止するとともに、太陽光によって温められた貯留水を熱源として利用することによって、効率的に室内を暖房することができる。また、第１実施形態と同様に、太陽電池によって得られた電気エネルギーを、空調機、及びヒートポンプの補助電源として利用することができ、経済的負荷が軽減される。従って、年間を通して非常に効率的に太陽光を利用することができ、エネルギー資源が更に有効利用される。
【００１８】
尚、本発明に係る太陽光利用システムにおいては、貯水槽と貯留水とで集光レンズを構成するから、新たに集光装置を設ける必要がなく、コストの上昇を抑制することができる。
尚、本発明に係る太陽光利用システムにおいて、貯水槽の、集光体を構成する面の形状は、上述の実施形態に限定されない。例えば、もっと曲率を大きくしても良い。その際、太陽光の集光状態は変化するから、太陽電池の配設面積、貯水槽の設置箇所を適切に決定すればよい。
尚、本発明に係る太陽光利用システムにおいて、太陽光を電気エネルギーに変換する素子は、太陽電池に限定される訳ではなく、当該変換が可能な素子であるならば代替可能である。
尚、本発明に係る太陽光利用システムにおいて、貯留水の水量は、一定水位に維持されていなくてもよい。その場合、水位の変化によって、太陽光の集光状態も変化するので、光−電気エネルギー変換素子による発電量は減少するが、水量に拘わらず太陽光は集光されるので、本発明に係る効果は担保される。それに加えて、水量を一定に維持する機構が不要となるので、設置上のコストが抑制される。
【００１９】
＜変形例＞
上述の実施形態において、貯水槽２０は、屋上の一部を覆うように設置されているが、設置箇所及び設置面積は、これに限定されるものではない。設置箇所は屋根でも壁面でも、太陽光を受光できるところならばよい。また、屋根又は壁面の全体を覆っていても一部を覆っていてもよい。
図５は、本発明の変形例に係り、建造物の壁面に沿ってパネル状の貯水槽を設けた太陽光利用システムを説明する構成図である。この図は、図２と同様に断面をみた構成となっている。当該システムによって、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、貯水槽２０を集光体として機能させるための湾曲面は、貯水槽下面ではなく、建造物の壁面にそって形成されるのが効率的である。そして、建造物１０の壁面にそって湾曲面が形成される場合には、太陽光は壁面に集光されるから、太陽電池３０はその湾曲面に沿って、壁面に設けられる。
【００２０】
上述の実施形態において、集光体、及び太陽電池は１つであったが、それらを複数設けることもできる。例えば、上述の第１実施形態において、貯水槽下面の形状を、複数の半球が並んでいる状態とすればよい。このように貯水槽の集光面を形成すると、太陽光は、貯水槽の下面の複数箇所に集光される。その複数の集光箇所に応じて複数の太陽電池を配置すれば、本発明に係る効果を得ることができる。このように太陽電池を設置すると、受光面積が小さくなって、総発電量が小さくなる場合がある。しかしながら、本変形例は、太陽光を集光しない場合と比較して、同一面積での発電量が大きいという効果を担保しつつ、経済的事情に応じて、適切に太陽電池の設置量を決定できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る太陽光利用システムの概観図。
【図２】同システムの詳細構成図。
【図３】同システムにおける太陽光の集光機能を説明する図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る太陽光利用システムの構成図。
【図５】本発明の変形例に係る太陽光利用システムの構成図。
【符号の説明】１０・・・建造物、２０・・・貯水槽、２１・・・貯留水、２２・・・センサ、２３・・・給排水管、２３ａ・・・給水管、２３ｂ・・・排水管、３０・・・太陽電池、３１・・・インバータ、４０・・・空調機、５０・・・熱源システム、５１・・・給水管、５１ａ・・・給水バルブ、５２・・・排水管、５２ａ・・・排水バルブ、５３・・・ヒートポンプ、５４・・・フィルタ。
【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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