(57)【要約】【課題】熱媒体の温度を適温に維持する集熱システムを提供する。【解決手段】集熱システムＳは、熱媒体が通流する熱媒体流路ｐ１を有し、太陽熱を集熱する集熱器２と、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を循環させるための集熱用流路（配管ｋ１〜ｋ４、伝熱管ｈ１）と、集熱用流路を介して熱媒体を循環させるポンプ４と、熱媒体の熱を消費する温水槽３と、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を冷却して熱媒体流路ｐ１に戻すための冷却用流路（配管ｋ５，ｋ６、伝熱管ｈ２）と、熱媒体を冷却する冷却器６と、熱媒体を温水槽３及び冷却器６のいずれに通流させるかを切り替える切替弁７と、熱媒体の温度を検出する温度センサ８と、ポンプ４及び切替弁７を制御する制御装置９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が通流する熱媒体流路を有し、太陽熱を集熱して熱媒体に熱を与える集熱器と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱媒体流路に戻して循環させるための集熱用流路と、
前記集熱用流路に設置され、前記集熱用流路を介して熱媒体を循環させるポンプと、
前記集熱用流路に設置され、熱媒体の熱を消費する熱負荷装置と、
上流端及び下流端が前記集熱用流路に接続され、前記熱媒体流路から流出する熱媒体を冷却して前記熱媒体流路に戻すための冷却用流路と、
前記冷却用流路に設置され、熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱負荷装置及び前記冷却器のいずれに通流させるかを切り替える切替弁と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、
前記ポンプ及び前記切替弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第１温度検出器の検出値が所定の集熱開始温度に達した場合、前記ポンプを駆動するとともに、熱媒体が前記集熱用流路を介して循環し前記冷却器を迂回するように前記切替弁を制御して集熱運転を開始する集熱運転処理部と、
前記第１温度検出器の検出値が、前記集熱開始温度よりも高い冷却開始温度に達した場合、前記ポンプを停止するとともに、熱媒体が前記冷却用流路を介して循環し前記集熱器を迂回するように前記切替弁を制御して冷却運転を開始する冷却運転処理部と、を有すること
を特徴とする集熱システム。
【請求項２】
熱媒体が通流する熱媒体流路を有し、太陽熱を集熱して熱媒体に熱を与える集熱器と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱媒体流路に戻して循環させるための集熱用流路と、
前記集熱用流路に設置され、前記集熱用流路を介して熱媒体を循環させるポンプと、
前記集熱用流路に設置され、熱媒体の熱を消費する熱負荷装置と、
上流端及び下流端が前記集熱用流路に接続され、前記熱媒体流路から流出する熱媒体を冷却して前記熱媒体流路に戻すための冷却用流路と、
前記冷却用流路に設置され、熱媒体を冷却する冷却器と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱負荷装置及び前記冷却器のいずれに通流させるかを切り替える切替弁と、
前記熱媒体流路から流出する熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、
前記熱負荷装置に貯留される消費用の熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と、
前記ポンプ及び前記切替弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記第１温度検出器の検出値が前記第２温度検出器の検出値よりも高くなった場合、前記ポンプを駆動するとともに、熱媒体が前記集熱用流路を介して循環し前記冷却器を迂回するように前記切替弁を制御して集熱運転を開始する集熱運転処理部と、
前記集熱運転中に前記第１温度検出器の検出値が所定の冷却開始温度に達した場合、前記ポンプを停止するとともに、熱媒体が前記冷却用流路を介して循環し前記集熱器を迂回するように前記切替弁を制御して冷却運転を開始する冷却運転処理部と、を有すること
を特徴とする集熱システム。
【請求項３】
前記冷却用流路は、前記冷却器内に配置される伝熱管を有し、
前記冷却器は、前記冷却運転中、前記制御装置からの指令に応じて前記伝熱管に外気を送る冷却ファンを有し、
前記伝熱管の上流端は、前記伝熱管の下流端よりも上方に配置され、
前記熱媒体流路の上流端は、前記熱媒体流路の下流端よりも下方に配置されること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集熱システム。
【請求項４】
前記制御装置からの指令に応じて前記ポンプを駆動するインバータを備え、
前記制御装置は、
前記集熱運転中、前記第１温度検出器の検出値が高いほど、前記ポンプの流量が大きくなるように前記インバータを制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集熱システム。
【請求項５】
前記集熱器に固定され、太陽光が照射されることで発電する太陽光発電パネルを備えること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を集熱する集熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
暖房や給湯を行うための熱源として太陽熱を利用する技術が知られている。
例えば、特許文献１には、太陽光発電パネルと、熱媒流路を有する太陽熱吸収パネルと、太陽光集光パネルと、を重ね合わせてパネル設置手段に設置する構成について記載されている。なお、前記した熱媒流路を通流する熱媒体は太陽熱によって加熱され、加熱された熱媒体は給湯機等の熱源として用いられる。
【０００３】
また、特許文献２には、太陽熱集熱器と、この太陽光集熱器に往復各一本の循環配管で接続される貯湯槽と、前記した循環配管のいずれかに設置される循環ポンプと、循環配管の一方を高温側、他方を低温側として装着される熱発電素子と、を備える太陽熱温水器について記載されている。なお、前記した各循環配管の温度差によって熱発電素子が発電し、その発電電力によって循環ポンプが駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４９５７７号公報
【特許文献２】特開平９−１０５５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、給湯機等の熱需要は、その使用状況によって大きく変動する。例えば、特許文献１に記載の太陽熱吸収パネルによって単位時間当たりに大きな熱量を吸収できたとしても、吸収した熱量よりも給湯機側の熱需要のほうが小さいことがある。このような状況が続くと熱媒体の温度が上昇し、熱媒体が変質（劣化）したり、パネル設置手段の各器具に不具合を生じたりする可能性がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載の技術でも、貯湯槽側の熱需要が、太陽光集熱器の集熱量よりも小さくなることがあり得る。このような状況が続くと、貯湯槽に貯留された作動流体（熱媒体）の温度が上昇して各循環配管の温度差が小さくなり、熱発電素子の発電電力も小さくなって循環ポンプが停止する可能性がある。その結果、前記したように、作動流体の変質（劣化）等を招く可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、熱媒体の温度を適温に維持する集熱システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明に係る集熱システムは、熱媒体が通流する熱媒体流路を有し、太陽熱を集熱して熱媒体に熱を与える集熱器と、前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱媒体流路に戻して循環させるための集熱用流路と、前記集熱用流路に設置され、前記集熱用流路を介して熱媒体を循環させるポンプと、前記集熱用流路に設置され、熱媒体の熱を消費する熱負荷装置と、上流端及び下流端が前記集熱用流路に接続され、前記熱媒体流路から流出する熱媒体を冷却して前記熱媒体流路に戻すための冷却用流路と、前記冷却用流路に設置され、熱媒体を冷却する冷却器と、前記熱媒体流路から流出する熱媒体を、前記熱負荷装置及び前記冷却器のいずれに通流させるかを切り替える切替弁と、前記熱媒体流路から流出する熱媒体の温度を検出する第１温度検出器と、前記ポンプ及び前記切替弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第１温度検出器の検出値が所定の集熱開始温度に達した場合、前記ポンプを駆動するとともに、熱媒体が前記集熱用流路を介して循環し前記冷却器を迂回するように前記切替弁を制御して集熱運転を開始する集熱運転処理部と、前記第１温度検出器の検出値が、前記集熱開始温度よりも高い冷却開始温度に達した場合、前記ポンプを停止するとともに、熱媒体が前記冷却用流路を介して循環し前記集熱器を迂回するように前記切替弁を制御して冷却運転を開始する冷却運転処理部と、を有することを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱媒体の温度を適温に維持する集熱システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る集熱システムの構成図である。
【図２】制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】熱媒体流路から流出する熱媒体の温度変化と、集熱運転及び冷却運転と、の関係を示すグラフである。
【図４】集熱運転時における熱媒体の流れを示す説明図である。
【図５】冷却運転時における熱媒体の流れを示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る集熱システムの構成図である。
【図７】制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態に係る集熱システムの構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る集熱システムの構成図である。
【図１０】熱媒体流路から流出する熱媒体の温度と、ポンプが有するモータの回転速度と、の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
≪第１実施形態≫
＜集熱システムの構成＞
図１は、第１実施形態に係る集熱システムの構成図である。
集熱システムＳは、太陽光発電を行う際に得られる太陽熱を給湯の熱源として利用するシステムである。
なお、図１において紙面の上下方向は、各構成の鉛直方向における位置関係を模式的に表している。例えば、太陽光発電パネル１、集熱器２、及び冷却器６は建物の屋上に設置され、温水槽３は建物の屋内（又は地上）に設置されている。
【００１２】
集熱システムＳは、太陽光発電パネル１と、集熱器２と、温水槽３と、ポンプ４と、膨張タンク５と、冷却器６と、切替弁７と、配管ｋ１〜ｋ６，ｗ１，ｗ２と、伝熱管ｈ１，ｈ２と、温度センサ８と、制御装置９と、を備えている。
【００１３】
太陽光発電パネル１は、太陽光の光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池（図示せず）を有し、太陽光が照射されることで発電する。図１に示す例では、太陽光が良好に照射されるように、水平面から所定角度だけ傾斜した状態で太陽光発電パネル１が設置されている。なお、太陽光発電パネル１として、太陽を追尾するように向きを調整するものを用いてもよい。
【００１４】
太陽光発電パネル１には、直流／交流変換等を行うパワーコンディショナ（図示せず）が電気的に接続されている。このパワーコンディショナによって変換された電力は、負荷（図示せず）への電力供給や蓄電池（図示せず）の充電に用いられる。
【００１５】
集熱器２は、太陽熱を集熱して熱媒体に熱を与えるものであり、太陽光発電パネル１の背面に設置されている。
集熱器２は、熱媒体（例えば、水）を通流させるための熱媒体流路ｐ１を有している。なお、図１では熱媒体流路ｐ１を簡略化して図示したが、例えば、流入口Ｆ１から流入した熱媒体が複数に分流し、さらに太陽熱によって昇温した熱媒体が合流して流出口Ｆ２から流出するように熱媒体流路ｐ１が形成されている。また、熱媒体流路ｐ１の流入口Ｆ１（上流端）は、流出口Ｆ２（下流端）よりも下方に配置されている。
【００１６】
太陽光発電パネル１と、その背面に設置される集熱器２と、は互いに重ね合わされた状態で固定されている。なお、太陽光発電パネル１と集熱器２とを固定するための器具（四角枠状の枠体、パッキン等）については、図示を省略した。
【００１７】
温水槽３は、給湯のための温水を貯留するものであり、その内部に伝熱管ｈ１が配置されている。図１に示すように、熱媒体流路ｐ１の流出口Ｆ２と、伝熱管ｈ１の流入口Ｆ３と、は配管ｋ１，ｋ２を介して接続されている。伝熱管ｈ１の流出口Ｆ４と、熱媒体流路ｐ１の流入口Ｆ１と、は配管ｋ３，ｋ４を介して接続されている。
なお、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を熱媒体流路ｐ１に戻して循環させるための「集熱用流路」は、配管ｋ１，ｋ２、伝熱管ｈ１、及び配管ｋ３，ｋ４を含んで構成される（図４の矢印を参照）。
【００１８】
伝熱管ｈ１は、温水槽３に貯留された湯水に浸されおり、伝熱管ｈ１を通流する比較的高温の熱媒体から温水槽３内の湯水に放熱するようになっている。
温水槽３の下部には、給水源（図示せず）から給水を行うための給水管ｗ１が接続され、温水槽３の上部には、給湯を行うための給湯管ｗ２が接続されている。
なお、熱媒体の熱を消費する「熱負荷装置」は、温水槽３と、給水管ｗ１と、給湯管ｗ２と、を含んで構成される。
【００１９】
ちなみに、給水管ｗ１の下流端、及び給湯管ｗ２の上流端が温水槽３内で開口している構成であってもよいし、給水管ｗ１と給湯管ｗ２とが伝熱管（図示せず）を介して接続された構成であってもよい。
その他、温水槽３又は給湯管ｗ２には、温水を所定の目標温度まで加熱するためのボイラ（図示せず）が設置されている。
【００２０】
ポンプ４は、集熱器２で吸熱した熱媒体を温水槽３に送り込み、温水槽３で放熱した熱媒体を集熱器２に戻して循環させるためのものであり、配管ｋ３に設置されている。
膨張タンク５は、温度上昇に伴う熱媒体の膨張を吸収するための容器であり、配管ｋ３においてポンプ４の吸込側に接続されている。
【００２１】
冷却器６は、集熱器２で昇温した熱媒体を冷却するものであり、その内部に伝熱管ｈ２が配置されている。この伝熱管ｈ２の流入口Ｆ５（上流端）は、流出口Ｆ６（下流端）よりも上方に配置されている。また、冷却器６は、制御装置９からの指令に応じて伝熱管ｈ２に外気を送り込む冷却ファン６ａを有している。
なお、ポンプ４、冷却ファン６ａのうち一方又は両方を太陽光発電パネル１の発電電力で駆動するようにしてもよい。
【００２２】
図１に示すように、熱媒体流路ｐ１の流出口Ｆ２と、伝熱管ｈ２の流入口Ｆ５と、は配管ｋ１，ｋ５を介して接続されている。伝熱管ｈ２の流出口Ｆ６と、熱媒体流路ｐ１の流入口Ｆ１と、は配管ｋ６，ｋ４を介して接続されている。
なお、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を冷却して熱媒体流路ｐ１に戻すための「冷却用流路」は、配管ｋ１，ｋ５、伝熱管ｈ２、及び配管ｋ６，ｋ４を含んで構成される（図５の矢印を参照）。この冷却用流路の上流端Ｆ７及び下流端Ｆ８は、前記した集熱用流路（配管ｋ１〜ｋ４を含む）に接続されている。
【００２３】
切替弁７は、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を、温水槽３及び冷却器６のいずれに通流させるかを切り替える二方弁であり、配管ｋ６に設置されている。なお、切替弁７の開閉と、熱媒体が循環する流路との関係については後記する。
【００２４】
温度センサ８（第１温度検出器）は、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体の温度を検出するセンサであり、熱媒体流路ｐ１の出口付近である配管ｋ１に設置されている。温度センサ８の検出値は、後記する制御装置９に入力される。
【００２５】
制御装置９は、温度センサ８の検出値に応じて、ポンプ４、冷却ファン６ａ、及び切替弁７を制御するものである。制御装置９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェースなどの電子回路（図示せず）を含んで構成され、設定されたプログラムに従って各種処理を実行する。
制御装置９は、集熱運転を実行する集熱運転処理部９ａと、冷却運転を実行する冷却運転処理部９ｂと、を有している。なお、「集熱運転」及び「冷却運転」については後記する。
【００２６】
＜制御装置の動作＞
図２は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。なお、図２に示す「ＳＴＡＲＴ」時において切替弁７は閉弁し、ポンプ４及び冷却ファン６ａは停止しているものとする。
ステップＳ１０１において制御装置９は、温度センサ８によって検出された熱媒体の温度Ｔmが所定の集熱開始温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。この集熱開始温度Ｔ１は、集熱運転を開始するか否かの判定基準となる閾値（例えば、６０℃）であり、予め設定されている。なお、「集熱運転」については、次のステップＳ１０２で説明する。
【００２７】
図３は、熱媒体流路から流出する熱媒体の温度変化と、集熱運転及び冷却運転と、の関係を示すグラフである。なお、図３の横軸は時刻であり、縦軸は温度センサ８によって検出される熱媒体の温度Ｔmである。図３に示す例では、熱媒体の温度Ｔmが時刻ｔ０から上昇し、時刻ｔ１において集熱開始温度Ｔ１に達している。
【００２８】
図２のステップＳ１０１で熱媒体の温度Ｔmが集熱開始温度Ｔ１以上である場合（Ｓ１０１→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ１０２に進む。一方、熱媒体の温度Ｔmが集熱開始温度Ｔ１未満である場合（Ｓ１０１→Ｎｏ）、制御装置９はステップＳ１０１の処理を繰り返す。
【００２９】
ステップＳ１０２において制御装置９は、集熱運転処理部９ａによって、切替弁７を閉弁した状態を維持しつつ、ポンプ４を駆動することで集熱運転を行う。ここで「集熱運転」とは、熱媒体が前記した集熱用流路（配管ｋ１〜ｋ４、伝熱管ｈ１）を介して循環し、冷却器６を迂回するように各機器を制御する運転である。
【００３０】
図４は、集熱運転時における熱媒体の流れを示す説明図である。集熱器２で昇温し熱媒体流路ｐ１から流出した熱媒体（例えば、７０℃）は、ポンプ４が駆動することで、配管ｋ１，ｋ２を介して伝熱管ｈ１に圧送される。伝熱管ｈ１を通流する高温の熱媒体は、温水槽３に貯留された温水に放熱する。温水に放熱した熱媒体は、配管ｋ３，ｋ４を介して再び熱媒体流路ｐ１に戻る。
一方、温水槽３に貯留された温水は、伝熱管ｈ１を通流する熱媒体から吸熱して昇温し、さらにボイラ（図示せず）によって所定の目標温度まで温められる。
【００３１】
再び、図２に戻って説明を続ける。ステップＳ１０３において制御装置９は、温度センサ８によって検出された熱媒体の温度Ｔmが所定の集熱停止温度Ｔ２未満であるか否かを判定する。この集熱停止温度Ｔ２は、集熱運転を停止するか否かの判定基準となる閾値（例えば、３０℃）であり、予め設定されている。
【００３２】
熱媒体の温度Ｔmが集熱停止温度Ｔ２未満である場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４において制御装置９は、切替弁７を閉弁した状態を維持しつつ、ポンプ４を停止する。
【００３３】
例えば、太陽光の照射量が小さく外気温度が低い場合、集熱器２から流出する熱媒体が集熱停止温度Ｔ２（例えば、３０℃）を下回ることがある（Ｓ１０３→Ｙｅｓ）。この場合、温水槽３内の湯水と熱媒体とを熱交換させると、温水槽３内の湯水を冷やしてしまう可能性が高いため、制御装置９はポンプ４を停止させて熱媒体の循環を止める（Ｓ１０４）。
ステップＳ１０４の処理を行った後、制御装置９の処理は「ＳＴＡＲＴ」に戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。
【００３４】
一方、ステップＳ１０３で熱媒体の温度Ｔmが集熱停止温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０３→Ｎｏ）、制御装置９の処理はステップＳ１０５に進む。
ステップＳ１０５において制御装置９は、温度センサ８によって検出された熱媒体の温度Ｔmが所定の冷却開始温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。この冷却開始温度Ｔ３は、冷却運転を開始するか否かの判定基準となる閾値（例えば、９０℃）であり、予め設定されている。なお、「冷却運転」については、次のステップＳ１０６で説明する。
【００３５】
例えば、昼間に集熱器２の集熱量が大きいものの、温水槽３（図示せず）側の熱需要が小さいことがある。そうすると、集熱器２側の熱供給が、温水槽３側の熱需要を上回るため、集熱運転中も熱媒体が昇温し続ける。図３に示す例では、時刻ｔ１〜ｔ２の集熱運転中も熱媒体の温度が上昇し、時刻ｔ２において冷却開始温度Ｔ３に達している。
【００３６】
図２のステップＳ１０５で熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３以上である場合（Ｓ１０５→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ１０６に進む。一方、熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３未満である場合（Ｓ１０５→Ｎｏ）、制御装置９は集熱運転を継続する（Ｓ１０２）。
【００３７】
ステップＳ１０６において制御装置９は、冷却運転処理部９ｂによって、ポンプ４を停止し、切替弁７を開弁し、さらに冷却ファン６ａを駆動することで冷却運転を行う。ここで「冷却運転」とは、熱媒体が前記した冷却用流路（配管ｋ５、伝熱管ｈ２、配管ｋ６）を介して循環し、温水槽３を迂回するように各機器を制御する運転である。
【００３８】
図５は、冷却運転時における熱媒体の流れを示す説明図である。冷却器６内の伝熱管ｈ２を通流する熱媒体（例えば、９２℃）は、冷却ファン６ａから送り込まれる外気との熱交換によって放熱する。放熱によって冷却された熱媒体は、放熱前よりも相対的に密度が大きくなるとともに、重力によって伝熱管ｈ２内を流れ落ちる。
【００３９】
伝熱管ｈ２から流出した熱媒体は、配管ｋ６，ｋ４を介して集熱器２の熱媒体流路ｐ１に流入する。熱媒体流路ｐ１を通流する熱媒体は、太陽熱を吸熱する。吸熱によって昇温した熱媒体は、吸熱前よりも相対的に密度が小さくなるとともに、配管ｋ４，ｋ６を介して熱媒体流路ｐ１に向かう熱媒体によって押し上げられる。熱媒体流路ｐ１から流出した熱媒体は、配管ｋ１，ｋ５を介して再び冷却器６の伝熱管ｈ２に戻る。このようにして、熱媒体の密度差と、熱媒体に作用する重力と、によって熱媒体が自然循環する。
【００４０】
なお、熱媒体が水である場合、この水が沸騰して蒸発しないように冷却開始温度Ｔ３及び冷却ファン６ａの回転速度を設定することが好ましい。熱媒体である水が過剰に昇温して沸騰した場合、集熱器２の設置器具（パッキン等）に不具合が生じるおそれがあるからである。
【００４１】
また、制御装置９は、自然循環が継続するように（つまり、熱媒体の密度差が維持されるように）、冷却ファン６ａの回転速度を調整することが好ましい。例えば、配管ｋ６にも温度センサ（図示せず）を設置し、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体と、伝熱管ｈ２から流出する熱媒体と、の温度差が所定範囲内で維持されるように、制御装置９は冷却ファン６ａの回転速度を調整する。
【００４２】
再び、図２に戻って説明を続ける。ステップＳ１０７において制御装置９は、温度センサ８によって検出された熱媒体の温度Ｔmが所定の冷却停止温度Ｔ４未満であるか否かを判定する。この冷却停止温度Ｔ４は、冷却運転を停止するか否かの判定基準となる閾値（例えば、７０℃）であり、予め設定されている。
【００４３】
なお、冷却運転の実行／停止が頻繁に繰り返されるハンチングを防止するために、冷却停止温度Ｔ４は、冷却開始温度Ｔ３よりも低い温度に設定されている。図３に示す例では、時刻ｔ２〜ｔ３の冷却運転によって熱媒体の温度上昇が抑制され、時刻ｔ３において熱媒体の温度が冷却停止温度Ｔ４まで低下している。
また、図３に示すように、各閾値Ｔ１〜Ｔ４は、集熱停止温度Ｔ２＜集熱開始温度Ｔ１＜冷却停止温度Ｔ４＜冷却開始温度Ｔ３となるように設定されている。
【００４４】
図２のステップＳ１０７で熱媒体の温度Ｔmが冷却停止温度Ｔ４未満である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８において制御装置９は、切替弁７を閉弁し、冷却ファン６ａを停止した後、ステップＳ１０２において再び集熱運転を行う（図３の時刻ｔ３以後を参照）。
一方、熱媒体の温度が冷却停止温度Ｔ４以上である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、制御装置９は冷却運転を継続する（Ｓ１０６）。
なお、図２に示す一連の処理は、日の出から日没まで繰り返し実行される。
【００４５】
＜効果＞
本実施形態に係る集熱システムＳによれば、集熱器２からの熱供給が温水槽３側の熱需要を上回る状態が継続した場合でも、冷却器６によって熱媒体を冷却することで（Ｓ１０６）、熱媒体の過剰な昇温を抑制できる。したがって、熱媒体が高温になり過ぎて変質（劣化）したり、集熱器２の設置器具に不具合が生じたりすることを防止できる。
また、制御装置９は、温度センサ８の検出値と、各閾値Ｔ１〜Ｔ４と、の比較に基づいてポンプ４、冷却ファン６ａ、及び切替弁７を制御すればよく、複雑な制御を行うことなく熱媒体を適温に維持できる。
【００４６】
また、集熱器２を通流する熱媒体の温度が高くなり過ぎないようにすることで、太陽光発電パネル１の発電効率の低下を抑制できる。太陽光発電パネル１は、その温度が低いほど発電効率が高くなるという特性を有しているからである。
また、冷却運転を行う際に自然循環を利用するため、前記した冷却用流路に別のポンプ（図示せず）を設置する必要はなく、設備コスト及び電力コストを削減できる。
【００４７】
≪第２実施形態≫
第２実施形態は、配管ｋ２，ｋ３（図６参照）が温水槽３内で開口している開放式のシステムである点と、温水槽３内に別の温度センサ１１（図６参照）を設置した点と、が第１実施形態とは異なるが、その他については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態とは異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００４８】
＜集熱システムの構成＞
図６は、第２実施形態に係る集熱システムの構成図である。図６に示す集熱システムＳは、配管ｋ２の下流端、及び、配管ｋ３の上流端が温水槽３内で開口している。このような開放式のシステムであるため、本実施形態では第１実施形態で説明した膨張タンク５（図１参照）が不要となる。
なお、本実施形態において、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体を熱媒体流路ｐ１に戻して循環させるための「集熱用流路」は、配管ｋ１，ｋ２、温水槽３内、及び配管ｋ３，ｋ４を含んで構成される。
【００４９】
二方弁１０ａは、配管ｋ２を介した熱媒体の通流を許容／遮断する弁であり、配管ｋ２に設置されている。二方弁１０ｂは、配管ｋ３を介した熱媒体の通流を許容／遮断する弁であり、配管ｋ３に設置されている。なお、二方弁１０ａ，１０ｂの開閉は、制御装置９からの指令に応じて実行される。
温度センサ１１（第２温度検出器）は、温水槽３に貯留されている温水（消費用の熱媒体）の温度を検出するセンサであり、温水槽３内に設置されている。この温度センサ１１の検出値は、制御装置９に入力される。
【００５０】
＜制御装置の動作＞
図７は、制御装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。
なお、図７に示す「ＳＴＡＲＴ」時において切替弁７は閉弁し、ポンプ４及び冷却ファン６ａは停止し、二方弁１０ａ，１０ｂは開弁しているものとする。
ステップＳ２０１において制御装置９は、温度センサ８によって検出された熱媒体の温度Ｔmが、温度センサ１１によって検出された温水の温度ＴKよりも高いか否かを判定する。つまり、制御装置９は、集熱器２から流出する熱媒体によって、温水槽３に貯留された温水を昇温可能か否かを判定する。
【００５１】
熱媒体の温度Ｔmが温水の温度ＴKよりも高い場合（Ｓ２０１→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ１０２に進む。一方、熱媒体の温度Ｔmが温水の温度ＴK以下である場合（Ｓ２０１→Ｎｏ）、制御装置９はステップＳ２０１の処理を繰り返す。
【００５２】
ステップＳ１０２で集熱運転処理部９ａによって集熱運転を開始した後、ステップＳ２０３において制御装置９は、熱媒体の温度Ｔmが温水の温度ＴK以下であるか否かを判定する。
熱媒体の温度Ｔmが温水の温度ＴK以下である場合（Ｓ２０３→Ｙｅｓ）、制御装置９はステップＳ１０４においてポンプ４を停止する。
【００５３】
なお、ステップＳ２０１で熱媒体の温度Ｔmが、温度（ＴK＋ΔＴα）よりも高いか否かを判定し、ステップＳ２０３で熱媒体の温度Ｔmが、温度（ＴK＋ΔＴβ）以下であるか否かを判定するようにしてもよい（ΔＴα＞ΔＴβ＞０）。これによって、ポンプ４の駆動／停止が頻繁に繰り返されるハンチングを防止できる。
【００５４】
一方、ステップＳ２０３で熱媒体の温度Ｔmが温水の温度ＴKよりも高い場合（Ｓ２０３→Ｎｏ）、ステップＳ１０５において制御装置９は、熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３（例えば、９０℃）以上であるか否かを判定する。つまり、制御装置９は、集熱運転中に熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３に達したか否かを判定する。熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３以上である場合（Ｓ１０５→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ２０６に進む。
【００５５】
ステップＳ２０６において制御装置９は、冷却運転処理部９ｂによって、ポンプ４を停止し、切替弁７を開弁し、冷却ファン６ａを駆動し、さらに二方弁１０ａ，１０ｂを閉弁することで冷却運転を行う。二方弁１０ａ，１０ｂを閉弁することで、冷却運転中に配管ｋ２，ｋ３を介して熱媒体が温水槽３に流れ落ちることを防止し、第１実施形態で説明した自然循環を継続できる。
【００５６】
ステップＳ１０７において制御装置９は、熱媒体の温度Ｔmが冷却停止温度Ｔ４未満であるか否かを判定する。熱媒体の温度Ｔmが冷却停止温度Ｔ４未満である場合（Ｓ１０７→Ｙｅｓ）、制御装置９の処理はステップＳ２０８に進む。
ステップＳ２０８において制御装置９は、切替弁７を閉弁し、冷却ファン６ａを停止し、二方弁１０ａ，１０ｂを開弁した後、ステップＳ１０２において再び集熱運転を行う。
一方、熱媒体の温度Ｔmが冷却停止温度Ｔ４以上である場合（Ｓ１０７→Ｎｏ）、制御装置９は冷却運転を継続する（Ｓ２０６）。
【００５７】
＜効果＞
本実施形態によれば、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体の温度Ｔmが、温水槽３に貯留された温水の温度ＴKよりも高い場合（Ｓ２０１→Ｙｅｓ）、制御装置９は集熱運転を開始する（Ｓ１０２）。このように温水槽３に貯留された温水の温度に応じて、集熱運転の実行／停止を柔軟に切り替えることで、集熱器２で得た熱エネルギを有効利用できる。
【００５８】
また、制御装置９は、冷却運転中に二方弁１０ａ，１０ｂを閉弁することで（Ｓ２０６）、熱媒体が配管ｋ２，ｋ３を介して温水槽３に流れ落ちることを防止し、第１実施形態で説明した自然循環を継続的に行うことができる。
【００５９】
≪第３実施形態≫
第３実施形態は、熱媒体の自然循環をアシストするためのポンプ１２（図８参照）を追加した点が第１実施形態（図１参照）とは異なるが、その他は第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００６０】
＜集熱システムの構成＞
図８は、第３実施形態に係る集熱システムの構成図である。
ポンプ１２は、冷却運転時に熱媒体の自然循環をアシストするためのポンプであり、配管ｋ６に設置されている。ポンプ１２は、第１実施形態で説明した冷却運転中（図５参照）、熱媒体が自然循環する向きに熱媒体を圧送できるように設置されている。
なお、ポンプ４の吐出側に、このポンプ４の駆動に伴う熱媒体の通流を許容し、逆向きの通流を禁止する逆止弁（図示せず）を設置することが好ましい。これによって、冷却運転時に集熱器２側の圧力損失が冷却器６側の圧力損失よりも小さいときに、配管ｋ２，ｋ３を介して熱媒体が逆流することを防止できる。
【００６１】
＜制御装置の動作＞
制御装置９は、集熱運転中（Ｓ１０２：図２参照）、集熱用のポンプ４を駆動するとともに、冷却用のポンプ１２を停止し、前記した集熱用流路を介して熱媒体を循環させる（図４参照）。
また、制御装置９は、冷却運転中（Ｓ１０６：図２参照）、集熱用のポンプ４を停止するとともに、冷却用のポンプ１２を駆動し、前記した冷却用流路を介して熱媒体を循環させる（図５参照）。なお、冷却ファン６ａ及び切替弁７の制御については第１実施形態と同様である。
【００６２】
ちなみに、配管ｋ５に流量センサ（図示せず）を設置し、この流量センサの検出値が所定範囲内で維持されるようにポンプ１２の運転／停止を行ったり、ポンプ１２の流量を調整したりしてもよい。
また、集熱器２及び冷却器６の鉛直方向における位置関係として、集熱器２を冷却器６の上方又は下方に設置してもよい。この場合でも、ポンプ１２を駆動することで熱媒体を循環させることができる。
【００６３】
＜効果＞
本実施形態によれば、冷却運転中において自然循環による熱媒体の流量が小さい場合でも、ポンプ１２を駆動することで熱媒体の循環流量を確保し、集熱器２で昇温した熱媒体を冷却し続けることができる。また、熱媒体の冷却を促進することで太陽光発電パネル１の温度を低下させ、その発電効率を高めることができる。
【００６４】
≪第４実施形態≫
第４実施形態は、集熱システムＳが、ポンプ４を駆動するためのインバータ１３（図９参照）を備え、ポンプ４の流量を可変にする点が第１実施形態とは異なるが、その他については第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
【００６５】
＜集熱システムの構成＞
図９は、第４実施形態に係る集熱システムの構成図である。
インバータ１３は、制御装置９から入力される指令に応じた周波数でポンプ４を駆動する。制御装置９は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に基づいてインバータ１３を制御する。
【００６６】
＜制御装置の動作＞
図１０は、熱媒体流路から流出する熱媒体の温度と、ポンプが有するモータの回転速度と、の関係を示す説明図である。なお、図１０に示す温度と回転速度との対応関係は予め設定され、制御装置９の記憶部（図示せず）に格納されている。
制御装置９は、集熱運転の実行中（Ｓ１０２：図２参照）、前記した対応関係（図１０参照）に基づいてインバータ１３を制御する。すなわち、制御装置９は、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体の温度Ｔmが高くなるほど、ポンプ４が有するモータ（図示せず）の回転速度を大きくする。
【００６７】
ポンプ４が有するモータ（図示せず）の回転速度を大きくすることで、前記した集熱用流路を循環する熱媒体の流量も大きくなる。したがって、伝熱管ｈ１を通流する熱媒体と、温水槽３内の温水と、の熱交換が促され、熱媒体の昇温が抑制される。
一方、ポンプ４が有するモータの回転速度を小さくすることで、前記した集熱用流路を循環する熱媒体の流量も小さくなる。したがって、伝熱管ｈ１を通流する熱媒体と、温水槽３内の温水と、の熱交換が抑制され、熱媒体の昇温が促される。
このような制御を行うことで、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体の温度変化を抑制しつつ（例えば、７０℃付近で維持しつつ）、集熱運転を継続できる。
【００６８】
なお、ポンプ４が有するモータ（図示せず）の回転速度を上限値まで上げた場合でも、温水槽３側の熱需要が小さいときには、熱媒体の温度Ｔmが冷却開始温度Ｔ３に達する可能性がある（Ｓ１０５→Ｙｅｓ：図２参照）。この場合、制御装置９はポンプ４を停止し、第１実施形態で説明した冷却運転に切り替える（Ｓ１０６：図２参照）。
また、ポンプ４が有するモータの回転速度を下限値まで下げた場合でも、太陽光が照射量が小さいときには、熱媒体の温度Ｔmが集熱停止温度Ｔ２未満になる可能性もある（Ｓ１０３→Ｙｅｓ：図２参照）。この場合、制御装置９はポンプ４を停止し（Ｓ１０４：図２参照）、集熱用流路を介した熱媒体の循環を止める。
【００６９】
＜効果＞
本実施形態によれば、集熱運転の実行中、熱媒体流路ｐ１から流出する熱媒体の温度Ｔmに応じてポンプ４の流量を調整することで、熱媒体の温度変化を抑制しつつ集熱運転を継続できる。
また、熱媒体の温度Ｔmが比較的低い場合には（例えば、４０℃）、ポンプ４が有するモータの回転速度を小さくすることで、ポンプ４での無駄な電力消費を抑制できる。
【００７０】
≪変形例≫
以上、本発明に係る集熱システムＳについて各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第１実施形態では、集熱器２から流出する熱媒体の温度Ｔmが集熱停止温度Ｔ２以下となった場合（Ｓ１０３→Ｙｅｓ：図２参照）、集熱運転を停止する例について説明したが（Ｓ１０４：図２参照）、これに限らない。すなわち、温水槽３において熱媒体から温水に与えられる単位時間当たりの熱エネルギが、ポンプ４の駆動に要する電力を下回った場合、集熱運転を停止するようにしてもよい。これによって、集熱システムＳ全体の消費電力を低減できる。
ちなみに、温水槽３において熱媒体から温水に与えられるエネルギは、集熱器２から流出する熱媒体の温度Ｔm及び流量と、給水管ｗ１を介して供給される水の温度と、に基づいて求められる。
【００７１】
また、各実施形態では、熱媒体の流路を切り替える切替弁７（図１参照）が配管ｋ６に設置される構成について説明したが、これに限らない。例えば、この切替弁７に代えて配管ｋ２に二方弁（切替弁）を設置し、集熱運転時には当該二方弁を開弁し、冷却運転時には当該二方弁を閉弁するようにしてもよい。また、切替弁７に代えて、冷却用流路の上流端Ｆ７又は下流端Ｆ８に三方弁（切替弁）を設置してもよい。
【００７２】
また、各実施形態では、一台の集熱器２が温水槽３及び冷却器６に接続される構成について説明したが、これに限らない。例えば、並列接続又は直列接続された複数台の集熱器が温水槽３及び冷却器６に接続される構成でもよい。
また、各実施形態では、集熱器２に太陽光発電パネル１を設置する構成について説明したが、これに限らない。すなわち、集熱システムＳから太陽光発電パネル１を省略してもよい。当該構成において制御装置９の処理内容は、前記した各実施形態と同様である。
【００７３】
また、各実施形態では、太陽光発電パネル１、集熱器２、及び冷却器６が建物の屋上に設置され、冷却器６が建物の屋内（又は地上）に設置される場合について説明したが、各構成の位置関係（鉛直方向）を適宜変更してもよい。
また、各実施形態では、集熱器２を給湯を行うための熱源として用いる場合について説明したが、これに限らない。例えば、集熱器２を空調機の暖房運転を行う際の熱源として利用してもよいし、デシカント空調機が有する再生用ヒータ、吸収式冷凍機、吸着式冷凍機等の熱源として利用してもよい。
【００７４】
また、前記実施形態では、冷却器６が空冷式である場合について説明したが、これに代えて水冷式の冷却器を用いてもよい。また、冷却器６に代えて、開放式又は密閉式の冷却塔を用いてもよい。
また、各実施形態では、熱媒体が水である場合について説明したが、これに限らない。例えば、熱媒体としてエチレングリコール等の不凍液を用いてもよい。
【００７５】
また、前記各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせ、配管ｋ２，ｋ３に二方弁１０ａ，１０ｂ（図６参照）を設置した構成において、温度センサ８の検出値と閾値Ｔ１〜Ｔ４との比較に基づいて各機器を制御するようにしてもよい（図２参照）。
【００７６】
また、前記した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加える事も可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００７７】
また、前記した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、機構や構成は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての機構や構成を示しているとは限らない。
【符号の説明】
【００７８】
Ｓ  集熱システム
１  太陽光発電パネル
２  集熱器
３  温水槽（熱負荷装置）
４  ポンプ
５  膨張タンク
６  冷却器
６ａ  冷却ファン
７  切替弁
８  温度センサ（第１温度検出器）
９  制御装置
９ａ  集熱運転処理部
９ｂ  冷却運転処理部
１０ａ，１０ｂ  二方弁
１１  温度センサ（第２温度検出器）
１３  インバータ
ｐ１  熱媒体流路
ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４  配管（集熱用流路）
ｈ１  伝熱管（集熱用流路）
ｋ１，ｋ４，ｋ５，ｋ６  配管（冷却用流路）
ｈ２  伝熱管（冷却用流路）
ｗ１  給水管（熱負荷装置）
ｗ２  給湯管（熱負荷装置）
【図１】
2016003818.tif 000003
【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】
2016003818.tif 000009
【図８】
2016003818.tif 000010
【図９】
2016003818.tif 000011
【図１０】
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