(57)【要約】【課題】潜熱蓄熱材の相変化によって蓄熱部が変形しても安定した熱回収性能を発揮できる太陽エネルギー利用装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の太陽エネルギー利用装置は、蓄熱材を略平面状の外形を持つ容器に収め太陽熱を受けて加熱される蓄熱部２と、蓄熱部２容器の下部に接触した柔軟な金属平板からなる伝熱部３と、伝熱部３に密着して設けられ内部に熱媒体が流れる流路４と、流路４に熱媒体を流すための移送手段５と、伝熱部３と流路４を外部から断熱する断熱材７と、伝熱部３の下部に接して設けられ下端で断熱材７に接して荷重を支えるばね性を有する支持手段６とを備え、支持手段６が伝熱部３を蓄熱部２に押さえつける力を発揮して伝熱部３を蓄熱部２に合わせて変形させるようにしたことにより、蓄熱部２が変形しても伝熱部３との密着状態を維持して熱回収性能が安定して発揮されるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱材を略平面状の外形を持つ容器に収め太陽熱を受けて加熱される蓄熱部と、前記蓄熱部容器の下部に接触した柔軟な金属平板からなる伝熱部と、前記伝熱部に密着して設けられ内部に熱媒体が流れる流路と、前記流路に前記熱媒体を流すための移送手段と、前記伝熱部と前記流路を外部から断熱する断熱材と、前記伝熱部の下部に接して設けられ下端で前記断熱材に接して荷重を支えるばね性を持つ支持手段とを備え、前記支持手段が前記伝熱部を前記蓄熱部に押さえつける力を発揮して前記伝熱部を前記蓄熱部に合わせて変形させるようにした太陽エネルギー利用装置。
【請求項２】
支持手段は、複数の部位で上部の荷重を支持するように設けられ、各々にかかる荷重に応じて各々の支持する伝熱部に異なる押し付け力を発揮するようにした請求項１項記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項３】
支持手段は、流路および伝熱部よりも熱伝導率の低い材料で作られ、前記流路および前記伝熱部が断熱材に接触しないように支持することを特徴とした請求項１または２のいずれか１項記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項４】
支持手段は、伝熱部に長辺方向の二端で接し、一端で前記伝熱部に固定され、他の一端は前記伝熱部の表面を滑るように可動に設けられた請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項５】
支持手段は、複数設けられ長辺方向が異なる様々な方向に向くように設置された請求項４記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項６】
伝熱部は、複数の伝熱小片から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項７】
流路は、複数の伝熱小片の分割部で柔軟に可動な可動部を持ち、流路方向に柔軟性を有する請求項６記載の太陽エネルギー利用装置。
【請求項８】
個々の伝熱小片の面積を蓄熱部の蓄熱材の充填厚みに基づいて変更したことを特徴とする請求項６記載の太陽エネルギー利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱材を用いて太陽熱を蓄熱する太陽エネルギー利用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
住宅の省エネルギーおよびＣＯ２発生量削減のために自然エネルギーを一般住宅で活用しようとする風潮が高まっている。このようなニーズにこたえるものとして、太陽光発電装置と太陽熱集熱装置の両方の機能を一体化したハイブリッド式太陽エネルギー利用装置が提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載の太陽エネルギー利用装置（図７）は、太陽光発電モジュール１０１の下面に潜熱蓄熱材を充填した蓄熱部１０２を密着して配置して、蓄熱部１０２の内部に熱媒体の流路である熱交換部１０３を設け、蓄熱部１０２全体が断熱材１０６により覆われたものである（特許文献１）。
【０００４】
太陽光発電モジュール１０１に日光が照射されると、１０数％の太陽光エネルギーは発電素子により電気エネルギーに変換されるが、残りの熱は発電素子の温度を上昇させる。一般に、太陽光発電素子は温度が高いほど発電効率が低下するという課題を有する。その点、ハイブリッド式太陽エネルギー利用装置の場合は、潜熱蓄熱材が発電素子の熱を奪って発電効率を維持する。加えて、蓄熱部１０２に蓄えられた熱は、家庭内で熱が必要な時点で熱交換部１０３によって回収されて熱利用機器に供給される。
【０００５】
また、図８は図７と類似の太陽エネルギー利用装置で、熱交換部１０３が蓄熱部１０２の下部に密接して設けられたものである。実用化されている潜熱蓄熱材の多くは金属に対する腐食性があるため、図８に示すように蓄熱材は密封容器１０２に入れて、金属製の熱交換部１０３と直接接触しないようにすることが現実的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１０８４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の太陽エネルギー利用装置を実用する場合、現在実用化されている潜熱蓄熱材は融解／凝固の相変化に伴って体積が変化したり粒状の結晶が生じたりするために、熱交換部に対する接触面積が変化し、その結果熱回収の性能が安定しないという問題がある。多くの場合、凝固時にランダムにへこみやそりを生じて固化するので、凝固後に接触状態が悪くなる。相変化を繰り返すごとに熱回収速度が一定せず、熱利用上不便である。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、潜熱蓄熱材の相変化によって蓄熱部が変形しても安定した熱回収性能を発揮できる太陽エネルギー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】
【０００９】
本発明の太陽エネルギー利用装置は、蓄熱材を略平面状の外形を持つ容器に収め太陽熱を受けて加熱される蓄熱部と、前記蓄熱部容器の下部に接触した柔軟な金属平板からなる
伝熱部と、前記伝熱部の下部に密着して設けられ内部に熱媒体が流れる流路と、前記流路に前記熱媒体を流すための移送手段と、前記伝熱部と前記流路を外部から断熱する断熱材と、前記伝熱部の下部に接して設けられ下端で前記断熱材に接して荷重を支えるばね性を有する支持手段とを備え、前記伝熱部は前記蓄熱部が変形しても前記蓄熱部と密着を維持して熱回収性能を安定化するようにしたものである。
【００１０】
これによって、支持手段が柔軟な伝熱部を蓄熱部に押し付け力を発揮するので、蓄熱部の変形に合わせて伝熱部も変形する。
【発明の効果】
【００１１】
その結果、潜熱蓄熱材の相変化によって蓄熱部が変形しても安定した熱回収性能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における太陽エネルギー利用装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における支持手段の詳細図
【図３】本発明の実施の形態２における太陽エネルギー利用装置の下面図
【図４】本発明の実施の形態３における可動部の説明図
【図５】本発明の実施の形態３における太陽エネルギー利用装置の下面図
【図６】本発明の実施の形態３における太陽エネルギー利用装置の他の一例の下面図
【図７】従来の太陽エネルギー利用装置の断面図
【図８】従来の太陽エネルギー利用装置の類似装置の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、蓄熱材を略平面状の外形を持つ容器に収め太陽熱を受けて加熱される蓄熱部と、前記蓄熱部容器の下部に接触した柔軟な金属平板からなる伝熱部と、前記伝熱部に密着して設けられ内部に熱媒体が流れる流路と、前記流路に前記熱媒体を流すための移送手段と、前記伝熱部と前記流路を外部から断熱する断熱材と、前記伝熱部の下部に接して設けられ下端で前記断熱材に接して荷重を支えるばね性を持つ支持手段とを備え、前記支持手段が前記伝熱部を前記蓄熱部に押さえつける力を発揮して前記伝熱部を前記蓄熱部に合わせて変形させるようにした太陽エネルギー利用装置である。伝熱部が薄い金属板で構成されて柔軟性を有するために、支持手段の押し付け力によって蓄熱部の変形に合わせて伝熱部が変形して密着状態が維持される。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の太陽光利用システムにおいて、支持手段は、複数の部位で上部の荷重を支持するように設けられ、各々にかかる荷重に応じて各々の支持する伝熱部に異なる押し付け力を発揮するようにしたものである。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１の発明の太陽光利用システムにおいて、支持手段は複数設けられ、各々にかかる荷重に応じて各々の支持する伝熱部に異なる押し付け力を発揮するようにしたものである。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の太陽光利用システムにおいて、支持手段は、伝熱部に長辺方向の二端で接し、一端で前記伝熱部に固定され、他の一端は前記伝熱部の表面を滑るように可動に設けられたものである。
【００１７】
第５の発明は、特に、第４の発明の太陽光利用システムにおいて、支持手段は、複数設けられ長辺方向が異なる様々な方向に向くように設置されたものである。
【００１８】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の太陽光利用システムにおいて、
伝熱部は、複数の伝熱小片から成ることを特徴とするものである。
【００１９】
第７の発明は、特に、第６の発明の太陽光利用システムにおいて、個々の伝熱小片の面積を蓄熱部の蓄熱材の充填厚みに基づいて変更したことを特徴とするものである。
【００２０】
第８の発明は、特に、第６の発明の太陽光利用システムにおいて、流路は、複数の伝熱小片の連結部で柔軟に可動な可動部を持ち、流路方向に柔軟性を有するようにしたものである。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における太陽エネルギー利用装置の断面図を示すものである。
【００２３】
図１において、太陽光発電モジュール１の裏面に密着して、潜熱蓄熱材が充填された蓄熱部２が配置される。蓄熱部２の下部に接して薄く柔軟性のある伝熱部３が配置される。伝熱部３の下面に熱媒体の流れる流路４が密着して設けられる。伝熱部３および流路４は銅やアルミなど熱伝導性の高い金属を材料として作られ、嵌合や溶着によって接着される。流路４の中には、ポンプなどの移送手段５によって熱媒体が流される。熱媒体としては水、エチレングリコール、シリコーンオイル、冷媒液、空気などが可能である。伝熱部３の下面に、ばね性を有して太陽光発電モジュール１、蓄熱部２、伝熱部３、流路４の荷重を支える支持手段６１、支持手段６２が設けられる。断熱材７が、蓄熱部２および伝熱部３の下面および側面を覆い、支持手段６からの荷重を受ける。
【００２４】
蓄熱部２はポリプロピレンなどの樹脂容器に潜熱蓄熱材を充填したものである。蓄熱材としては、硫酸ナトリウム１０水和物、酢酸ナトリウム３水和物、チオ硫酸ナトリウム５水和物、塩化カルシウム６水和物、炭素数の異なるパラフィンなどを主材料としたものが用いられる。いずれも固体／液体の相変化を用いる潜熱蓄熱材である。液体から固体への相変化の際に体積が減少したり場所によって凝固の速度がばらついたりするために、蓄熱部容器にへこみやそりが生じる。また、太陽エネルギー利用装置は通常屋根の上に傾斜して置かれるために、蓄熱材が融解した際に傾斜の下部に多く溜まりやすく、蓄熱部容器の下部にふくらみを生じやすい。
【００２５】
伝熱部３は、銅板の場合０．５〜１．２ｍｍ程度、アルミ板の場合０．３〜１．０ｍｍ程度の厚みで設けられ、装置の荷重を受けた支持手段６の押し付け力によってしなったり変形したりする程度に柔軟に設けられる。
【００２６】
支持手段６はステンレス鋼など板バネとしての材料特性がすぐれ、かつ伝熱部３に比べて熱伝導率の低い材料で作るのが適切である。
【００２７】
以上のように構成された太陽エネルギー利用装置の特徴的な部分について、以下その動作、作用を説明する。
【００２８】
図１に示した本実施形態による太陽光エネルギー装置は傾斜して設置されているために、傾斜の下部で蓄熱部２内の蓄熱材が溜まって当初の容器形状よりもふくらみを生じている（図２）。支持手段６１および支持手段６２は、太陽光発電モジュール１と蓄熱部２と伝熱部３と流路４の荷重を受けて断熱材７に接する。支持手段６はばね性を有して長辺方向に伸張可能なので、蓄熱部２の外形寸法が変化しても伝熱部３と断熱材７の間ですきま
を生じることなく荷重を支えることができる。同時に、伝熱部３を蓄熱部２に対して垂直方向に押さえつける役割を果たす。結果、柔軟な薄板状の伝熱部３は蓄熱部２の変形に合わせて変形し、密着状態を維持する。このように、蓄熱材を略平面状の外形を持つ容器に収め太陽熱を受けて加熱される蓄熱部２と、蓄熱部２容器の下部に接触した柔軟な金属平板からなる伝熱部３と、伝熱部３に密着して設けられ内部に熱媒体が流れる流路４と、流路４に熱媒体を流すための移送手段５と、伝熱部３と流路４を外部から断熱する断熱材７と、伝熱部３の下部に接して設けられ下端で断熱材７に接して荷重を支えるばね性を有する支持手段６とを備え、支持手段６が伝熱部３を蓄熱部２に押さえつける力を発揮して伝熱部３を蓄熱部２に合わせて変形させるようにしたことにより、蓄熱部２が変形しても伝熱部３との密着状態を維持して熱回収性能が安定して発揮されるようになる。
【００２９】
図１に示した本実施形態による太陽光エネルギー装置は傾斜して設置されているために、支持手段６２よりも支持手段６１に大きな荷重がかかる。支持手段６１は支持手段６２よりも大きな上向きの反作用を蓄熱部２に与えるために、ふくらんだ下部（図２）は上部よりも強く押し付けられて、再度蓄熱材が融解した際に元の厚みに戻りやすい。何度か融解／凝固を繰り返すうちに、初期の厚みに近い厚みで安定する。蓄熱部２の厚みが空間的に不均一であると、太陽熱の伝熱速度にムラができて熱回収性能を不安定化する可能性があるため、蓄熱部２の厚みを均一に保持することは意義がある。このように、支持手段は、複数の部位で上部の荷重を支持するように設けられ、各々にかかる荷重に応じて各々の支持する伝熱部に異なる押し付け力を発揮するようにしたことにより、傾斜して設置した場合でも伝熱特性を空間的に均一化して熱回収性能を安定化することができる。
【００３０】
支持手段６は、蓄熱部２の放熱を防いで本装置の熱回収性能を高い水準に維持する効果もある。支持手段６がなければ、伝熱部３や流路４が断熱材７に直接接して、伝導伝熱により熱が奪われる。支持手段６を介することによって、断熱材７との接触面積がより小さくなり、かつ支持手段６は伝熱部３、流路４よりも熱伝導性が低いために、直接接する場合よりも約２桁放熱を小さくすることが可能である。このように、支持手段６は、流路４および伝熱部３よりも熱伝導率の低い材料で作られ、流路４および伝熱部３が断熱材７に接触しないように支持することにより、熱回収性能をより確実に発揮することができる。
【００３１】
支持手段６の詳細な構成を図２に示す。支持手段６１は、板ばね部６１ａの一端が固定部６１ｂによって伝熱部３に溶着されて固定されている。板ばね部６１ａのもう一端は、先端が球状に形成されたすべり部６１ｃである。すべり部６１ｃは伝熱部３の表面との摩擦が小さく、板ばね部６１ａの伸張によって表面を滑って移動可能である。すべり部６１ｃが伝熱部３の表面を移動しながら、伝熱部３に垂直な方向に押し付け力を発揮するためにすべり部６１ｃの移動軌跡に沿った伝熱部３の部位に対して密着性を確保することができる。伝熱部３と支持手段６が１箇所で接触する場合に比べて、より広い面で伝熱部３と蓄熱部２の密着性を確保可能である。
【００３２】
図２に示した以外に、上記の本質を応用して、すべり部６１ｃを回転体に設けたり複数に分岐させたりした応用形態とすることも可能である。
【００３３】
このように、支持手段６は、伝熱部３に長辺方向の二端で接し、一端で伝熱部３に固定され、他の一端は伝熱部３の表面を滑るように可動に設けることによって、伝熱部３と蓄熱部２の密着がより広い範囲で確保されるようになり、熱回収性能をより確実に発揮することが可能である。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における太陽エネルギー利用装置の下面図である。簡略のため太陽光発電モジュール１および断熱材７は省略している。本実施の形態は第１の実
施の形態と共通の部分が多いため、特徴的な部分のみを以下に説明する。
【００３５】
本実施の形態の太陽エネルギー利用装置は、実施の形態１と異なって伝熱部が複数の伝熱小片３１に分割され、各々の伝熱小片３１に一つの支持手段６が配置される。流路４は複数の形状固定された固定部と、二つの固定部の間に設けた可動部８から成る。可動部８は、各伝熱小片３１の端部に位置する。
【００３６】
蓄熱部２は、通常二つ以上の変曲点をもって変形することが多いために、一枚で構成された伝熱部で蓄熱部２の変形に対応しようとすると伝熱部は複数の変曲点を持って曲がりやすくしなければならないので厚みが薄くなりがちである。伝熱部が薄いほど単位面積当たりの伝熱性能が低いため、密着を確保することと伝熱部内の伝熱性能を確保することが相反することになる。この課題に対応するため、一枚の伝熱部の代わりにより小さなサイズの伝熱小片３１に分割すると、伝熱小片の厚みをより厚くしつつ蓄熱部２の局所的な変形に対応して密着することができる。理想的には、伝熱小片３１が蓄熱部２の変形の変曲点１つに対応して湾曲可能なように伝熱小片３１のサイズを決めることができれば、伝熱小片３１を最も厚くして密着性と伝熱性能の総和である熱回収性能が最大になる。
【００３７】
図３の例について伝熱小片３１の配置方法を説明する。矢印イは装置を配置する場合の傾斜方向を示す。左側が下方とすると、図３の左側は容器の厚みよりも膨れやすく、右側は凹みやすいと予想される。そのため、伝熱部が左右のそれぞれ凸型と凹型に対応して変形しやすいように、左と右で分割してそれぞれ１列の伝熱小片３１に分けた。そのため、流路４も左１列と右１列をつなぐように、往復させて配置した。加えて、蓄熱部の左右それぞれの列内でもランダムに凹凸が生じる可能性があるため、予想される凹凸の平均波長の半分の大きさの伝熱小片３１に分割して配置した。このように、伝熱部を、複数の伝熱小片３１から構成することによって、密着性と伝熱性能を両立することが可能で、結果的に熱回収性能を高い水準で確保することができる。
【００３８】
流路４は、伝熱小片３１の柔軟性、湾曲性を妨げないように構成することが重要である。そのため、本実施の形態における流路４は比較的短い複数の形状固定した流路小片４１に分割して、各々の流路小片４１は伝熱小片３１の短辺方向に配置する。また、各々の流路小片４１の間は柔軟性を有する可動部８で接続する。図４は、本発明の実施の形態２における可動部の説明図である。図４では、説明を容易にするため蓄熱部２と伝熱小片３１は分離して描いているが実際には密着させる。可動部８は少なくとも矢印ロ方向に可動に設けられ、各々の伝熱小片３１が蓄熱部２の変形に合わせて可動に設けられる。このように流路４を、複数の伝熱小片３１の分割部で柔軟に可動な可動部を持ち、流路方向に柔軟性を有するように設けることによって、伝熱小片３１と蓄熱部２の密着性を確保することが可能である。
【００３９】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態２における太陽エネルギー利用装置の下面図である。簡略のため太陽光発電モジュール１および断熱材７は省略している。本実施の形態は第１の実施の形態と共通の部分が多いため、特徴的な部分のみを以下に説明する。
【００４０】
本実施の形態の太陽エネルギー利用装置は、実施の形態１と異なって伝熱部が複数の伝熱小片３１に分割され、各々の伝熱小片３１に複数の支持手段６が配置される。流路４は複数の形状固定された固定部と、二つの固定部の間に設けた可動部８から成る。可動部８は、各伝熱小片３１の端部に位置する。また、支持手段６の長辺方向が複数の方向に向くように配置されている。
【００４１】
蓄熱部２の変形のパターンは必ずしも正確に予測できず、ランダムに複数の方向に凹凸
が繰り返し現れる場合も多い。そのような場合でもなるべく広い面で密着を確保するため、支持手段６は長辺方向をランダムに複数の方向に向けて設けてある。このようにするとすべり部６１ｃの方向を向いて移動軌跡を描くため、蓄熱部２の凹凸がランダムな方向で現れた場合でも凹凸に合わせて押し付け力を発揮しやすい。このように、支持手段は、複数設けられ長辺方向が異なる様々な方向に向くように設置することにより、蓄熱部２と伝熱小片３１との密着性をより確実に確保できる。
【００４２】
図６は、本発明の実施の形態２における太陽エネルギー利用装置の他の一例の下面図である。本例は図４の例よりも蓄熱部２の蓄熱材充填量が厚い場合の伝熱小片３１の配置を示す。蓄熱材充填量がより厚いと融解／凝固に伴う変形や凹凸がより大きく生じやすいため、伝熱小片３１の面積をより小さく設ける方が蓄熱部２の変形に合わせて密着性を確保しやすい。このように、個々の伝熱小片の面積を蓄熱部の蓄熱材の充填厚みに基づいて変更することによって、蓄熱部２と伝熱小片３１との密着性をより確実に確保できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる太陽エネルギー利用装置は、変形の大きな潜熱蓄熱材と熱回収部との密着性を確保して熱回収性能を安定化するので、潜熱蓄熱材を用いて熱交換する需要がある工場やビル等での用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  太陽光発電モジュール
２  蓄熱部
３  伝熱部
４  流路
５  移送手段
６  支持手段
７  断熱材
８  可動部
【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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【図８】
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