(57)【要約】【課題】太陽熱を利用するソーラーシステムにおいて、効率向上と運転費の低減を両立させるとともに、メンテナンス性を向上させる。【解決手段】ソーラーシステムは、その表面に太陽電池パネル２を設置し、太陽熱や太陽電池パネル２からの排熱等を集熱して、その内部に貯蔵した第１の熱媒体に蓄熱する太陽熱集熱部１、この太陽熱集熱部１などを介して第１の熱媒体を循環させる循環ポンプ３、制御弁４、及び第１の熱媒体の蓄熱を第２の熱媒体に熱交換させる熱交換器５などからなる集熱サイクルと、第１の熱媒体の蓄熱で第２の熱媒体の冷媒を蒸発させる熱交換器５、圧縮機６、膨張弁７、及び放熱器８などからなるヒートポンプサイクルとを備えて、昼間に太陽熱等を第１の熱媒体に蓄え、電力料金の安い夜間に第１の熱媒体を循環させてその蓄熱で冷媒を蒸発させることにより、ヒートポンプサイクルの効率向上と運転費の低減を図るものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内蔵する第１の熱媒体に太陽熱等を集熱して蓄熱する太陽熱集熱部と、前記第１の熱媒体と第２の熱媒体との間の熱交換を行う熱交換器とを備え、所定時間帯における前記第１の熱媒体の循環動力が、前記所定時間帯以外の時間帯における前記第１の熱媒体の循環動力より大きいことを特徴とするソーラーシステム。
【請求項２】
前記第１の熱媒体に、前記太陽熱集熱部が到達する最高温度以下の温度で相変化する物質を含有し、前記物質がいずれの状態でも前記第１の熱媒体が流動性を有することを特徴とする請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項３】
前記第１の熱媒体に、相変化温度が異なる複数の前記物質を含有することを特徴とする請求項２に記載のソーラーシステム。
【請求項４】
前記物質を、受熱時に固相から液相に相変化する材料としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のソーラーシステム。
【請求項５】
前記物質を媒体中に分散したことを特徴とする請求項２に記載のソーラーシステム。
【請求項６】
前記物質が、固相、液相いずれの状態においても前記媒体より小さい密度であることを特徴とする請求項５に記載のソーラーシステム。
【請求項７】
前記太陽熱集熱部を第１層と第２層の２層構造とし、前記第１層を太陽電池パネルに隣接させて設け、前記第１の熱媒体を前記物質の含有率が異なる低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段を設け、前記第１層に前記低含有率熱媒体を貯蔵し、前記第２層に前記高含有率熱媒体を貯蔵することを特徴とする請求項５に記載のソーラーシステム。
【請求項８】
前記第１の熱媒体の一部を分離貯蔵する貯蔵容器と、前記第１の熱媒体を前記物質の含有率が異なる２つの低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段とを設け、前記貯蔵容器に前記低含有率熱媒体を貯蔵し、前記太陽熱集熱部に前記高含有率熱媒体を貯蔵することを特徴とする請求項５に記載のソーラーシステム。
【請求項９】
前記太陽熱集熱部の表面に太陽電池パネルを設置したことを特徴とする請求項１から請求項６、および請求項８のいずれかに記載のソーラーシステム。
【請求項１０】
前記第２の熱媒体として冷媒を用い、前記熱交換器をヒートポンプサイクルの蒸発器としたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のソーラーシステム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記所定時間帯以外の時間帯に、前記第１の熱媒体の循環を停止することを特徴とするソーラーシステムの運転方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記所定時間帯以外の時間帯に、前記第１の熱媒体の少なくとも一部を循環することを特徴とするソーラーシステムの運転方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、電力料金の安価な前記所定時間帯に、前記第１の熱媒体を循環することを特徴とするソーラーシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用するソーラーシステムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽エネルギーをより有効利用できるシステムの構築を目的としてソーラーシステムの開発が進められている。このソーラーシステムとしては、特許文献１に、蒸発器要素の熱交換器の表面に太陽電池を配設し、熱交換器内を流れる冷媒温度を大気温度よりも低い条件に設定し、効率向上を図るソーラーヒートポンプ暖冷房給湯機が開示されている。図５は、特許文献１に記載された従来のソーラーシステムを示す構成図である。
図５に示すソーラーシステムにおいて、ソーラーヒートポンプ給湯回路（圧縮機２１、第一四方弁２２、冷媒水熱交換器２３、第一電磁弁２４、第一電子膨張弁２５、ハイブリッドコレクター２６、及び第二四方弁２７）、ソーラーヒートポンプ暖房回路（圧縮機２１、第一四方弁２２、室内熱交換器手段２８、第二電子膨張弁２９、第一電子膨張弁２５、ハイブリッドコレクター２６、及び第二四方弁２７）の運転時には、ハイブリッドコレクター２６が熱交換器構成になっているため、その冷媒温度が第一電子膨張弁２５の作動によって大気温度以下に作用し、この結果、太陽電池３１の配設以外の部分から入射する太陽熱、さらに太陽電池３１の排熱、フィン３２を通しての大気熱をも集熱し、一旦得られた熱量を大気へ放熱することなく、すべて暖房給湯加熱として利用することとなり、この結果、システム効率が高くなる。また、太陽電池３１は、低温の冷媒によって冷却されるため、太陽電池３１の光電変換効率がさらに大きくなる。
また、特許文献２には、集熱モジュールが所定の温度以下で相転移する潜熱蓄熱材を有する太陽エネルギー利用装置が開示されている。図６は、特許文献２に記載された他の従来のソーラーシステムを示す構成図である。
図６に示すソーラーシステムにおいて、ハイブリッドモジュールは太陽エネルギーを受け、発電モジュールの発電セル３５で発電し、集熱モジュールの集熱板３６において発電セル３５の排熱と発電セル３５がない部分で受けた太陽エネルギーによる熱が集熱モジュール内の熱媒流路３７に充填された液体熱媒と集熱板３６の裏面に設置された潜熱蓄熱材３８に蓄熱される。このため、夏期など日射量が多く外気温度も高い時期に発電セル３５の発電効率を下げず、発電セル３５自体を傷める危険性もない温度に維持しつつ集熱できる。
【特許文献１】特開平５−６６０６５号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−１０８４６７号公報（第３−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記ハイブリッドコレクター２６の熱交換器をソーラーヒートポンプ暖房及び給湯回路の蒸発器として作用させるソーラーシステムでは、太陽電池３１を冷却せずに発電を行った場合よりも発電効率が高くなると同時に、大気から集熱した場合よりソーラーヒートポンプ暖房及び給湯回路のヒートポンプ効率（ＣＯＰ）も向上するため、両者の効率を合わせたシステム効率が高くなる。
しかし、本ソーラーシステムでは、冷却機能を有する熱媒体が冷媒であり蓄熱能力のない構成であるので、太陽熱等の蓄熱時以外の時間帯にその熱を利用することができない、特に、安価な夜間電力を使って蓄熱しその熱をヒートポンプシステムに利用し、ランニングコストを下げることができないという課題があった。
一方、集熱モジュールに潜熱蓄熱材３８を有するソーラーシステムでは、その潜熱蓄熱材３８に太陽エネルギーを蓄熱することはできるが、潜熱蓄熱材３８が集熱モジュールに充填される構成であるので、相分離等の劣化が生じた潜熱蓄熱材３８の交換等のメンテナンスが困難であるという課題があった。そして、集熱モジュールが屋根に設置されている場合であれば、屋根上でのメンテナンス作業になること、また耐久的に問題のない発電モジュールも一旦取り外す必要があること等、蓄熱機能を有する熱媒体のメンテナンス性に問題があった。
【０００４】
したがって本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ランニングコストが安価でメンテナンス性に優れたソーラーシステムとその運転方法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】
【０００５】
請求項１記載の本発明のソーラーシステムは、内蔵する第１の熱媒体に太陽熱等を集熱して蓄熱する太陽熱集熱部と、前記第１の熱媒体と第２の熱媒体との間の熱交換を行う熱交換器とを備え、所定時間帯における前記第１の熱媒体の循環動力が、前記所定時間帯以外の時間帯における前記第１の熱媒体の循環動力より大きいことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のソーラーシステムにおいて、前記第１の熱媒体に、前記太陽熱集熱部が到達する最高温度以下の温度で相変化する物質を含有し、前記物質がいずれの状態でも前記第１の熱媒体が流動性を有することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２記載のソーラーシステムにおいて、前記第１の熱媒体に、相変化温度が異なる複数の前記物質を含有することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２または請求項３のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記物質を、受熱時に固相から液相に相変化する材料としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載のソーラーシステムにおいて、前記物質を媒体中に分散したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のソーラーシステムにおいて、前記物質が、固相、液相いずれの状態においても前記媒体より小さい密度であることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５に記載のソーラーシステムにおいて、前記太陽熱集熱部を第１層と第２層の２層構造とし、前記第１層を太陽電池パネルに隣接させて設け、前記第１の熱媒体を前記物質の含有率が異なる低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段を設け、前記第１層に前記低含有率熱媒体を貯蔵し、前記第２層に前記高含有率熱媒体を貯蔵することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項５に記載のソーラーシステムにおいて、前記第１の熱媒体の一部を分離貯蔵する貯蔵容器と、前記第１の熱媒体を前記物質の含有率が異なる２つの低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段とを設け、前記貯蔵容器に前記低含有率熱媒体を貯蔵し、前記太陽熱集熱部に前記高含有率熱媒体を貯蔵することを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１から請求項６、および請求項８に記載のソーラーシステムにおいて、前記太陽熱集熱部の表面に太陽電池パネルを設置したことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記第２の熱媒体として冷媒を用い、前記熱交換器をヒートポンプサイクルの蒸発器としたことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明のソーラーシステムの運転方法は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記所定時間帯以外の時間帯に、前記第１の熱媒体の循環を停止することを特徴とする。
請求項１２記載の本発明のソーラーシステムの運転方法は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、前記所定時間帯以外の時間帯に、前記第１の熱媒体の少なくとも一部を循環することを特徴とする。
請求項１３記載の本発明のソーラーシステムの運転方法は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のソーラーシステムにおいて、電力料金の安価な前記所定時間帯に、前記第１の熱媒体を循環することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のソーラーシステムとその運転方法によれば、安価なランニングコストと良好なメンテナンス性を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるソーラーシステムは、所定時間帯における第１の熱媒体の循環動力が、所定時間帯以外の時間帯における第１の熱媒体の循環動力より大きいものである。本実施の形態によれば、例えば、夜間の所定時間帯における第１の熱媒体の循環により、第１の熱媒体の蓄熱を夜間に利用することが可能となり、ランニングコストを安価にするとともに、循環によって第１の熱媒体を例えば屋根上から回収することができ、熱媒体のメンテナンス性を優れたものにすることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、第１の熱媒体に、太陽熱集熱部が到達する最高温度以下の温度で相変化する物質を含有し、物質がいずれの状態でも第１の熱媒体が流動性を有するものである。本実施の形態によれば、第１の熱媒体の熱容量が大きくなり、太陽熱集熱部における蓄熱特性を向上させる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、第１の熱媒体に、相変化温度が異なる複数の物質を含有するものである。本実施の形態によれば、例えば季節による外気温変化への応答性がよくなる。
本発明の第４の実施の形態は、第２または第３の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、物質を、受熱時に固相から液相に相変化する材料としたものである。本実施の形態によれば、太陽熱集熱部内での固相から液相への変化は、容積変化が小さく、且つ圧力変動や流動抵抗を低減するので、太陽熱集熱部の容積を小型化することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第２の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、物質を媒体中に分散したものである。本実施の形態によれば、第１の熱媒体の伝熱特性が均一化され、その伝熱効率が向上する。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、物質が、固相、液相いずれの状態においても媒体より小さい密度である。本実施の形態によれば、太陽熱集熱部内で第１の熱媒体の自然対流が発生し、太陽熱集熱部における伝熱効率の向上が図られる。
本発明の第７の実施の形態は、第５の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、太陽熱集熱部を第１層と第２層の２層構造とし、第１層を太陽電池パネルに隣接させて設け、第１の熱媒体を物質の含有率が異なる低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段を設け、第１層に低含有率熱媒体を貯蔵し、第２層に高含有率熱媒体を貯蔵するものである。本実施の形態によれば、太陽熱集熱部内で第１の熱媒体の自然対流が発生し、太陽熱集熱部における伝熱効率の向上が図られる。
本発明の第８の実施の形態は、第５の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、第１の熱媒体の一部を分離貯蔵する貯蔵容器と、第１の熱媒体を物質の含有率が異なる２つの低含有率熱媒体と高含有率熱媒体とに分離する含有率調整手段とを設け、貯蔵容器に低含有率熱媒体を貯蔵し、太陽熱集熱部に高含有率熱媒体を貯蔵するものである。本実施の形態によれば、太陽熱集熱部内に貯蔵する熱媒体の重量を低減し、太陽熱集熱部の設置による住宅への負荷を軽減することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第１から第６、及び第８の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、太陽熱集熱部の表面に太陽電池パネルを設置したものである。本実施の形態によれば、太陽電池パネルの低温化により発電効率が向上し、ランニングコストを安価にすることができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１から第９の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、第２の熱媒体として冷媒を用い、熱交換器をヒートポンプサイクルの蒸発器としたものである。本実施の形態によれば、ヒートポンプ効率が向上し、ランニングコストを安価にすることができる。
本発明の第１１の実施の形態によるソーラーシステムの運転方法は、第１から第１０の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、所定時間帯以外の時間帯に、第１の熱媒体の循環を停止するものである。本実施の形態によれば、第１の熱媒体の循環に電力等を使用しないので、ランニングコストをより一層安価にすることができる。
本発明の第１２の実施の形態によるソーラーシステムの運転方法は、第１から第１０の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、所定時間帯以外の時間帯に、第１の熱媒体の少なくとも一部を循環するものである。本実施の形態によれば、ランニングコストを安価にするとともに、第１の熱媒体の自然循環により太陽電池パネルの低温化による発電効率の向上を図ることができる。
本発明の第１３の実施の形態によるソーラーシステムの運転方法は、第１から第１０の実施の形態によるソーラーシステムにおいて、電力料金の安価な所定時間帯に、第１の熱媒体を循環するものである。本実施の形態によれば、ランニングコストを一段と安価にすることができる。
【実施例１】
【０００８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施例におけるソーラーシステムの構成図である。
図１に示す本実施例のソーラーシステムは、集熱サイクルと、ヒートポンプサイクルと、給湯手段とから構成される。第１の熱媒体が循環する集熱サイクルは、その表面に太陽電池パネル２を設置し、太陽熱や太陽電池パネル２からの排熱等を集熱してその内部に貯蔵している第１の熱媒体に蓄熱する太陽熱集熱部１と、第１の熱媒体の流れを制御する制御弁４と、第１の熱媒体の蓄熱を第２の熱媒体に熱交換させる熱交換器５と、太陽熱集熱部１などを経由して第１の熱媒体を循環させる循環ポンプ３とで構成している。
また、第２の熱媒体が循環するヒートポンプサイクルは、太陽熱集熱部１で集熱して第１の熱媒体に蓄えた熱で第２の熱媒体としての冷媒を蒸発させる熱交換器５と、圧縮機６と、放熱器８と、膨張弁７とで構成している。さらに、給湯手段は、給湯用の水を加熱する放熱器８と、その加熱された湯を貯蔵する蓄熱槽９とで構成している。
ここでは、太陽電池パネル２として結晶シリコン太陽電池、第１の熱媒体として所定温度で固相−液相間を相変化する相変化材料（例えば、オクタデカン）を充填した微小なカプセルを水に分散したスラリー、第２の熱媒体として冷媒（例えば、二酸化炭素）を、それぞれ用いている。なお、上記所定温度とは、太陽熱集熱部１の集熱温度範囲内の温度、言い換えれば、太陽熱集熱部１が到達する最高温度以下の温度である。
【０００９】
次に、本実施例のソーラーシステムの動作について説明する。ソーラーシステムの動作には、深夜時間帯における電力料金が昼間時間帯より安価な電力料金体系を採用している。
まず、昼間時間帯は、循環ポンプ３を停止し、制御弁４を閉止した状態で、太陽熱集熱部１内にスラリーを貯蔵している。太陽からの日射エネルギーは、一部は太陽電池パネル２で電力に変換され、一部は太陽熱集熱部１内でスラリーに集熱される。ここで、集熱された太陽熱等は、スラリー中の相変化材料が固体から液体に相変化して蓄熱される。一方、太陽電池パネル２における出力電力は、インバータ（図示せず）で直流から交流に変換され、他の電力系統に接続して売電することができる。
続いて、昼間時間帯より電力料金が安価な深夜時間帯になると、制御弁４を開放して、循環ポンプ３を運転し、スラリーの循環を開始する。同時にヒートポンプサイクルの運転も開始すると、膨張弁７で減圧された冷媒は、熱交換器５において昼間時間帯に太陽熱を集熱したスラリーから吸熱して蒸発し、圧縮機６で高温・高圧となり、放熱器８で放熱して給湯用の水を加熱する。ここで、相変化材料の蓄熱は、スラリー中の相変化材料が液体から固体に相変化し、冷媒の蒸発に利用される。
一方、加熱された湯は蓄熱槽９に貯蔵される。このとき、循環ポンプ３の運転は、蓄熱槽９における蓄熱量が所定熱量以上になると停止され、制御弁４を閉止した状態で、再びスラリーは太陽熱集熱部１内に貯蔵される。
【００１０】
本実施例のソーラーシステムの構成により、昼間時間帯には、太陽熱集熱部１とこの太陽熱集熱部１に貯蔵されるスラリーの分だけ熱容量（熱を吸収できる容量）が増加することから、このときの太陽電池パネル２の温度は、太陽電池パネル２を単独で設置した場合より低下するため、発電効率は上昇する。また、これに伴って増加した発電量分は全て昼間時間帯に売電され、相当金額が収入となるため、光熱費の削減効果が得られる。
また、深夜時間帯には、昼間時に外気温度等より高温の太陽熱を集熱したスラリーを被吸熱源（冷媒への放熱源）として、ヒートポンプサイクルを運転することから、ヒートポンプサイクルを単独で設置した場合より、そのヒートポンプ効率（ＣＯＰ）が向上するため、光熱費の削減効果が得られる。
このように、昼間にスラリーの循環を停止（または、微小量のスラリーを循環）してこのスラリーに蓄熱し、夜間にスラリーを循環させてその蓄熱を利用することを可能とする本実施例のソーラーシステムの集熱サイクル構成とその運転方法により、効率の向上と光熱費の削減を両立することができる。
即ち、従来のように昼間時間帯に太陽電池パネル２での発電時に同時にヒートポンプサイクルを運転する場合には、太陽電池パネル２とヒートポンプサイクルをそれぞれ単独で設置した場合よりも効率は向上したものの、昼間時間帯と深夜時間帯との電力料金の価格差を利用できないことから、光熱費が増加するという問題が解消し、ソーラーシステムのランニングコストを一段と安価にすることができる。
さらに、本実施例の構成では、スラリーを循環可能とすることでメンテナンス性を向上することができる。即ち、本構成と同様の発電効率向上効果を得るために、太陽電池パネル２の裏面に相変化材料を設置した従来の構成においては、相変化材料のメンテナンスが実質上不可能であったが、本実施例は、スラリー中の相変化材料を循環することによって手元で得ることが可能な構成であり、劣化した相変化材料の交換作業等を屋根上で行うことがなく、また太陽電池パネル２を取り外すこともなく、ソーラーシステムのメンテナンスを容易に行うことができる。
【００１１】
なお、本実施例では、昼間に循環ポンプ３を停止させて、スラリーの循環を完全に停止する構成としているが、太陽電池パネル２を低温化することによって増加した発電量相当以下の入力範囲内であれば、完全に停止させずに、スラリーを微小流量で循環させる構成としても、上記と同様の効果が得られる。また、このスラリー微小量循環構成であれば、太陽熱集熱部１内にスラリーの強制対流が形成されるため、スラリー（即ち、相変化材料）への集熱効率が上昇し、且つ太陽電池パネル２の温度が均一に低温化されるため、発電効率も上昇するという効果が得られる。
また、本実施例では、箱形状の太陽熱集熱部１を太陽電池パネル２の裏面に設置した構成となっているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、いかなる形状のものでも良く、即ち必要集熱量を貯蔵できるだけのスラリーを貯蔵できる空間がある構成の太陽熱集熱部１であれば良く、上記と同様の効果が得られるものである。
また、太陽熱集熱部１の製造方法についても、ロー付け、溶接、ロールボンド等の圧着手段等、いずれの方法を用いても良く、相変化材料の固相と液相の相変化を利用しているため、太陽熱集熱部１内部の容積変化や圧力上昇が極めて小さいことから、簡易な方法での製造が可能である。なお、例えば、瓦等の熱容量の大きい材料で太陽熱集熱部１を構成して建材一体型とした場合には、スラリー等の第１の熱媒体を太陽熱集熱部１に必ずしも貯蔵しなくても、上記と同様の効果が得られるものである。この建材一体型は、容易に実現できる構成であり、瓦等のほかに太陽熱集熱部１を別途設置する場合と比較して、イニシャルコストの増加が少ないという効果が得られる。
【００１２】
また、本実施例の第１の熱媒体として、相変化材料を微小なカプセルに充填したものを水に分散したスラリーを用いているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
また、相変化材料としてオクタデカンを用いているが、硫酸ナトリウム１０水塩、塩化カルシウム６水塩等を用いた物質でも良く、システム構成や第２の熱媒体の種類に応じて、融点と融解熱から判断して物質を選択すれば良い。
また、カプセル化をせず、相変化材料をそのまま媒体に分散させたものでも良いし、媒体も水に限定されるものではなく、密度を調整し、相変化材料の可溶性に問題がなければ他の媒体を用いても良い。このような相変化する物質を媒体中に分散した第１の熱媒体の構成により、第１の熱媒体の伝熱特性を均一化し、即ち太陽熱集熱部における伝熱効率を高めて、ランニングコストの低減に結び付けることができる。
さらに、相変化材料としてオクタデカンを単独で用いているが、例えばヘキサデカン等の融点の異なる相変化材料をオクタデカンに混合して使用しても良い。即ち、第１の熱媒体は、相変化温度が異なる複数の相変化する物質を含有する構成でも良く、夏季にはオクタデカンの相変化により、また冬季にはヘキサデカンの相変化により、太陽電池パネル２の温度上昇が抑制され、季節毎の外気温の変化に対する対応性は良好となるという効果が得られる。
【００１３】
また、第１の熱媒体として、相変化材料等からなるスラリーではなく、水、不凍液、オイル等を単独で用いても上記と同様の効果が得られるものである。ただし、太陽電池パネル２の低温化は、第１の熱媒体の熱容量が大きいほど効果が大きいため、第１の熱媒体が太陽熱集熱部１の集熱温度範囲内において、相変化を起こす物質を含んでいる方が、より大きな効果が得られる。さらに、屋根上に設置することの多い太陽熱集熱部１が容積の確保や耐圧性の確保の点から大型化するのを防止するためには、相変化は固相と液相間で行われることが好ましい。
また、太陽電池パネル２としては結晶シリコン太陽電池を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、アモルファスシリコン等の薄膜シリコン太陽電池やＣＩＳ等の化合物系太陽電池を用いても良く、太陽電池パネル２の発電効率が温度依存性を有するものであれば、上記と同様の効果が得られるものである。
さらに、必ずしも太陽電池パネル２を設置しなくても良く、太陽熱集熱部１のみを設置してスラリーの蓄熱をヒートポンプサイクルに利用した場合においても、ヒートポンプサイクルを単独設置した場合と比較して、上記と同様に光熱費削減とメンテナンス性向上の効果が得られるものである。
【００１４】
また、本実施例では、ヒートポンプサイクルの冷媒として二酸化炭素を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ＨＦＣ等の冷媒を用いても、上記実施例と同様の効果が得られるものである。ただし、冷媒として二酸化炭素を用いる場合には、太陽熱集熱部１での集熱温度範囲内において、冷媒が超臨界状態に達する可能性があることから、ヒートポンプサイクル運転時に膨張弁７の開度を制御する等の制御を行う必要がある。
また、本実施例では、第１の熱媒体を循環し、その蓄熱源を熱交換器５で第２の熱媒体の冷媒に伝えて、ヒートポンプサイクルの蒸発熱源として用いる構成としているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、費用のかからない太陽エネルギーを利用して太陽熱集熱部１で蓄熱した第１の熱媒体を循環し、そのまま貯蔵、利用する構成（例えば、給湯や暖房システム）、もしくは第１の熱媒体を電気ヒータ等で昇温して更に蓄熱した後、貯蔵、利用する構成や方法等を用いても良く、上記と同様に光熱費削減（即ち、ソーラーシステムの運転費の低減）とメンテナンス性向上の効果が得られるものである。
さらに、ヒートポンプサイクルの放熱器８から出力する熱源を給湯用の水の加熱に利用しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、暖房用の熱源や、吸収式、及び吸着式ヒートポンプによる冷房用の熱源として利用する構成としても良く、上記と同様の効果が得られるものである。
【実施例２】
【００１５】
第２の実施例のソーラーシステムは、第１の実施例と基本構成は同じであるが、スラリー中の相変化材料の密度が、固相と液相のいずれの状態においても、水よりも小さい物質を用いている点が異なり、この点を中心に説明する。
図２は、本発明の第２の実施例におけるソーラーシステムの太陽熱集熱部の構成とその内部におけるスラリー流れを表す図である。
図２に示す本実施例のソーラーシステムでは、第１の実施例の集熱システムに、第１の熱媒体としてのスラリーに、水よりも小さい密度の相変化材料を用いることにより、スラリーを、相変化材料の含有率が高い高含有率スラリー１０と含有率が低い低含有率スラリー１１とに分離して、太陽熱集熱部１に貯蔵する構成となっている。
【００１６】
次に、本実施例のソーラーシステムの動作について説明する。
まず、昼間時間帯は、循環ポンプ３を停止し、制御弁４を閉止した状態で、太陽熱集熱部１内にスラリーを貯蔵している。太陽からの日射エネルギーは、一部は太陽電池パネル２で電力に変換され、一部は太陽熱集熱部１内でスラリーに集熱される。このとき太陽熱集熱部１内は相変化材料（例えば、オクタデカンを使用）と水との密度差により、図２のように上方に相変化材料の含有率が高い高含有率スラリー１０が集まる。
これにより、太陽熱集熱部１とスラリーを合わせた熱容量は上方の方が大きくなり、このため太陽電池パネル２の上方が下方より低温になる。
一方、下方に集まる相変化材料の含有率が低い低含有率スラリー１１は、太陽電池パネル２と接触する側の面で加熱されて上方に向かう流れを形成し、上方にある高含有率スラリー１０と接触することで、熱を奪われて冷却され、太陽電池パネル２と接触しない側の面に沿って下方に向かう流れを形成する。以上のことから、太陽熱集熱部１内にスラリーの自然対流による循環流（図示の矢印流れ）が形成される。
【００１７】
本実施例のソーラーシステムの構成において、対流熱伝達により太陽熱集熱部１における集熱効率が上昇するとともに、この集熱効率を向上させるために動力を使用しないことから、太陽電池パネル２において増加した発電量分は全て売電され、相当金額が収入となるため、光熱費の削減効果が得られる。
また、本実施例では、第１の実施例のシステム構成を殆ど変更することなく、第１の熱媒体の種類を変更するのみの簡易な構成で、実現することができるという効果が得られる。
【００１８】
なお、本実施例の第１の熱媒体として、相変化材料を微小なカプセルに充填したものを水に分散したスラリーを用いているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
また、相変化材料としてオクタデカンを用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、システム構成や第２の熱媒体の種類に応じて、融点と融解熱と密度から判断して物質を選択すれば良い。
また、カプセル化をせず、相変化材料の相変化材料をそのまま媒体に分散させたものでも良いし、媒体も水に限定されるものではなく、密度を調整し、相変化材料の可溶性の問題がなければ他の媒体を用いても良い。
さらに、必ずしも太陽電池パネル２を設置しなくても良く、太陽熱集熱部１のみを設置した場合においても、ヒートポンプサイクルを単独設置した場合と比較して、上記と同様に光熱費削減とメンテナンス性向上の効果が得られるものである。
【実施例３】
【００１９】
第３の実施例のソーラーシステムは、第１の実施例と基本構成は同じであるが、太陽熱集熱部が２層になっている点、及び太陽熱集熱部に相変化材料の含有率が高いスラリーと含有率が低いスラリーとを分離して貯蔵するようにしている点が異なり、この点を中心に説明する。
図３は、本発明の第３の実施例におけるソーラーシステムの構成図である。
図３に示す本実施例のソーラーシステムでは、第１の実施例の集熱システム構成において、太陽電池パネル２に接触するように配設されて相変化材料の含有率が低いスラリー（即ち、低含有率熱媒体）を貯蔵する太陽熱集熱部第１層１２、及び太陽熱集熱部第１層１２に接触するように配設されて相変化材料の含有率が高いスラリー（即ち、高含有率熱媒体）を貯蔵する太陽熱集熱部第２層１３からなる太陽熱集熱部１ａと、含有率の低いスラリー及び高いスラリーに分けて貯蔵するための、スラリー中の相変化材料の含有率を調整する含有率調整手段１４とを備えている。
【００２０】
次に、本実施例のソーラーシステムの動作について説明する。
電力料金の安価な深夜時間帯に循環ポンプ３を運転し、蓄熱槽９内の蓄熱量が所定の熱量に達した時点で循環ポンプ３の運転を停止し、制御弁４を閉止し、スラリーを太陽熱集熱部１ａに貯蔵する。このとき、含有率調整手段１４では、スラリーを膜分離により相変化材料の含有率が高いスラリーと、相変化材料の含有率が低いスラリーとに分離し、含有率の低いスラリーを太陽熱集熱部第１層１２に、含有率の高いスラリーを太陽熱集熱部第２層１３に分けて貯蔵する。
また、昼間時間帯は循環ポンプ３を停止し、制御弁４を閉止した状態で、太陽熱集熱部第１層１２、及び太陽熱集熱部第２層１３内にスラリーを貯蔵している。太陽からの日射エネルギーは、一部は太陽電池パネル２で電力に変換され、一部は太陽熱集熱部１ａ内でスラリーに集熱される。
このとき、太陽熱集熱部第１層１２内の含有率の低いスラリーより、太陽熱集熱部第２層１３内の含有率の高いスラリーの方がその熱容量が大きいことから、太陽熱集熱部第１層１２内の太陽電池パネル２に接触している側１２ａの温度が、太陽熱集熱部第２層１３に接触している側１２ｂの温度よりも高くなり、このため太陽熱集熱部第１層１２内の太陽電池パネル２に接触している側１２ａで上昇流が形成され、太陽熱集熱部第２層１３に接触している側１２ｂで下降流が形成される。以上のことから、太陽熱集熱部第１層１２内にスラリーの自然対流による循環流が形成される。
本実施例のソーラーシステムの構成において、対流熱伝達により太陽熱集熱部１ａにおける集熱効率が上昇するとともに、効率を向上させる対流の形成に動力を使用していないことから、太陽電池パネル２において増加した発電量分は全て売電され、相当金額が収入となるため、光熱費の削減効果が得られる。
【００２１】
なお、本実施例では、含有率調整手段１４として膜による分離方法を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば相変化材料のカプセルの中に熱伝導特性を向上させるための金属繊維等を混合しておき、磁力によりカプセルを引き寄せることで分離する方法等、微小なエネルギーを加えて相変化材料を集合させる手段を用いても良く、上記と同様の効果が得られるものである。ただし、分離の際に要するエネルギーは、少ない程好ましい。
さらに、必ずしも太陽電池パネル２を設置しなくても良く、太陽熱集熱部１ａのみを設置した場合においても、ヒートポンプサイクルを単独設置した場合と比較して、上記と同様に光熱費削減とメンテナンス性向上の効果が得られるものである。
【実施例４】
【００２２】
第４の実施例のソーラーシステムは、第１の実施例と基本構成は同じであるが、相変化材料の含有率が高いスラリーと低いスラリーとを分離して、含有率が高いスラリーのみを太陽熱集熱部に貯蔵するようにしている点が異なり、この点を中心に説明する。
図４は、本発明の第４の実施例におけるソーラーシステムの構成図である。
図４に示す本実施例のソーラーシステムでは、第１の実施例の集熱システム構成において、相変化材料の含有率が高いスラリーを貯蔵する太陽熱集熱部１ｂと、スラリー中の相変化材料の含有率を調整する含有率調整手段１４と、相変化材料の含有率が低いスラリーを貯蔵する低含有率スラリー貯蔵容器１５とを備えている。
【００２３】
次に、本実施例のソーラーシステムの動作について説明する。
電力料金の安価な深夜時間帯に循環ポンプ３を運転し、太陽熱集熱部１ｂに貯蔵したスラリーと低含有率スラリー貯蔵容器１５に貯蔵したスラリーを混合させながら循環し、蓄熱槽９内の蓄熱量が所定の熱量に達した時点で運転を停止し、制御弁４を閉止し、スラリーを太陽熱集熱部１ｂに貯蔵する。このとき、含有率調整手段１４では、スラリーを膜分離により相変化材料の含有率が高いスラリーと低いスラリーに分離し、含有率が高いスラリーを太陽熱集熱部１ｂに貯蔵し、含有率が低いスラリーを低含有率スラリー貯蔵容器１５に貯蔵する。
本実施例のソーラーシステムの構成により、太陽電池パネル２の低温化を実現することができるため、第１から第３の実施例と同様に発電効率の向上に伴う光熱費の削減効果が得られるとともに、含有率調整でスラリー重量の抑制が可能であり、屋根上に貯蔵するスラリー重量を低減することができる。これにより、住宅の耐荷重性に対する制約が緩和されるため、ソーラーシステムを適用することができる住宅の範囲が広くなる。また、地震が発生した際等の安全性にも優れたものとなる。
【００２４】
なお、本実施例では、含有率調整手段１４として膜による分離方法を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば相変化材料のカプセルの中に熱伝導特性を向上させるための金属繊維等を混合しておき、磁力によりカプセルを引き寄せることで分離する方法等、微小なエネルギーを加えて相変化材料を集合させる手段を用いても良く、上記と同様の効果が得られるものである。ただし、分離の際に要するエネルギーは、少ない程好ましい。
さらに、必ずしも太陽電池パネル２を設置しなくても良く、太陽熱集熱部１ｂのみを設置した場合においても、ヒートポンプサイクルを単独設置した場合と比較して、上記と同様に光熱費削減とメンテナンス性向上の効果が得られるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明にかかるソーラーシステムは、高いエネルギー効率を有し、運転費も安く、またメンテナンス性も良好であり、家庭用冷暖房給湯機等として有用である。また工業用加熱・冷却装置等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施例におけるソーラーシステムの構成図
【図２】本発明の第２の実施例におけるソーラーシステムの太陽熱集熱部の構成とその内部におけるスラリー流れを表す図
【図３】本発明の第３の実施例におけるソーラーシステムの構成図
【図４】本発明の第４の実施例におけるソーラーシステムの構成図
【図５】従来のソーラーシステムの構成図
【図６】他の従来のソーラーシステムの構成図
【符号の説明】
【００２７】
１，１ａ，１ｂ      太陽熱集熱部
２    太陽電池パネル
３    循環ポンプ
４    制御弁
５    熱交換器
６    圧縮機
７    膨張弁
８    放熱器
９    蓄熱槽
１０    高含有率スラリー
１１    低含有率スラリー
１２    太陽熱集熱部第１層
１２ａ  太陽電池パネル２に接触している側
１２ｂ  太陽熱集熱部第２層１３に接触している側
１３    太陽熱集熱部第２層
１４    含有率調整手段
１５    低含有率スラリー貯蔵容器
【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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