(57)【要約】太陽エネルギーの利用効率を向上した太陽電池システムとさらに熱エネルギーを回収する熱電気複合型太陽電池システムを提供する。受光面１ａにおいて太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する太陽電池パネル１と、内部に蛇行細孔が設けられ、冷媒流体が封入されてなる、あるいは、扁平な形状、薄い形状、さらには薄膜形状などのプレート状構造体を有し、一方の端部側のプレート状構造体の表面が太陽電池パネルの受光面の裏面に貼りあわされ、太陽電池パネル１で発生した熱Ｈを一方の端部２ａから受け取って他方の端部２ｂへ伝導するヒートパイプ２と、ヒートパイプ２を伝導する熱を他方の端部２ｂ側から受け取る温水生成部などの熱放散部３とを有する構成とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する太陽電池パネルと、
プレート状構造体を有し、一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に貼りあわされ、前記太陽電池パネルで発生した熱を前記一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導するヒートパイプと、
前記ヒートパイプを伝導する熱を前記他方の端部側から受け取る熱放散部と
を有する太陽電池システム。
【請求項２】
前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に前記プレート状構造体の前記一方の端部と前記他方の端部間を複数回往復する蛇行細孔が設けられ、前記蛇行細孔内に冷媒流体が封入されてなる
請求項１に記載の太陽電池システム。
【請求項３】
前記蛇行細孔内において前記冷媒流体の液相部と気相部が交互に存在する状態で封入されている
請求項２に記載の太陽電池システム。
【請求項４】
前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に可動な状態で、ウィック、耐圧構造物および作動液が封入されてなる
請求項１に記載の太陽電池システム。
【請求項５】
前記太陽電池パネルの前記裏面と前記ヒートパイプが熱伝導性接着剤で貼りあわされている
請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池システム。
【請求項６】
前記一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に銅板を介して貼りあわされている
請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池システム。
【請求項７】
前記太陽電池パネルの前記裏面が複数の領域に区分され、前記領域のそれぞれにおいて複数の前記ヒートパイプが前記銅板を介して貼りあわされており、
前記ヒートパイプと前記銅板の貼り合わせ面積は前記領域の面積より小さい
請求項６に記載の太陽電池システム。
【請求項８】
前記太陽電池パネルの前記裏面と前記銅板、および／または、前記銅板と前記ヒートパイプが、熱伝導性接着剤で貼りあわされている
請求項６または７に記載の太陽電池システム。
【請求項９】
受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する太陽電池パネルと、
プレート状構造体を有し、一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に貼りあわされ、前記太陽電池パネルで発生した熱を前記一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導するヒートパイプと、
内部に水を貯留し、前記水に前記ヒートパイプの前記他方側の端部が浸漬してなり、前記ヒートパイプを伝導する熱を前記他方の端部側から前記水に伝導して前記水を加温して温水を得る温水生成部と
を有する熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１０】
前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に前記プレート状構造体の前記一方の端部と前記他方の端部間を複数回往復する蛇行細孔が設けられ、前記蛇行細孔内に冷媒流体が封入されてなる
請求項９に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１１】
前記蛇行細孔内において前記冷媒流体の液相部と気相部が交互に存在する状態で封入されている
請求項１０に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１２】
前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に、ウィック、耐圧構造物および冷媒流体が封入されてなる
請求項９に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１３】
前記太陽電池パネルの前記裏面と前記ヒートパイプが熱伝導性接着剤で貼りあわされている
請求項９〜１２のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１４】
前記一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に、銅板を介して貼りあわされている
請求項９〜１３のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１５】
前記太陽電池パネルの前記裏面が複数の領域に区分され、前記領域のそれぞれにおいて複数の前記ヒートパイプが前記銅板を介して貼りあわされており、
前記ヒートパイプと前記銅板の貼り合わせ面積は前記領域の面積より小さい
請求項１４に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１６】
前記太陽電池パネルの前記裏面と前記銅板、および／または、前記銅板と前記ヒートパイプが、熱伝導性接着剤で貼りあわされている
請求項１４または１５に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１７】
前記ヒートパイプの前記他方側の端部に、前記水への熱伝導効率を高める放熱促進体が形成されている
請求項９〜１６のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１８】
前記温水生成部から温水が供給される湯浴を有する
請求項９〜１７のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項１９】
前記温水生成部がタンク状である
請求項９〜１８のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項２０】
前記温水生成部がパイプ状である
請求項９〜１８のいずれかに記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【請求項２１】
前記太陽電池パネルが水平面に対して角度を有する斜面に沿って配置され、
前記太陽電池パネルの上記斜面に沿って傾きをもって配置された辺において、前記温水生成部が前記ヒートパイプを介して前記太陽電池パネルに接続するように設けられている
請求項２０に記載の熱電気複合型太陽電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池システムおよび熱電気複合型太陽電池システムに関し、特に、電気変換効率を向上した太陽電池システムと、電気エネルギーに加えて熱エネルギーを回収する熱電気複合型太陽電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球規模の環境破壊が進み、環境保全のための自然エネルギーを活用する必要性が増している。現在の民生用エネルギーは、その大部分が電力である。その電力エネルギーの供給源は、火力や原子力などの発電であり、直接および間接的に地球環境に多くの悪影響を及ぼしている。【０００３】
自然エネルギーを利用した各種の発電システムの中でも、太陽電池は最も普及している発電システムである。
太陽電池の長所は、無尽蔵にある太陽エネルギーと初期投資以外には必要のない優れたメンテナンス性およびその発電寿命が長いことなどが挙げられる。しかしながら、太陽エネルギーが無料で無尽蔵であると言っても太陽電池自体を製作するためには、多くのエネルギーを必要とする。従って、太陽エネルギーをなるべく効率よく電気にまたは有効なエネルギーに変換することは、エネルギー問題の解決や環境保全の観点から重要なことと考えられる。【０００４】
太陽電池は、その表面温度の上昇に伴って発電力が低下することが知られている。太陽電池の発電効率自体は、太陽電池を冷却して高い発電効率を目指したとしても１５％程度が限界値である。即ち、太陽電池では、太陽エネルギーの８５％は有効なエネルギーとして使用できていない。
しかも、上記の有効に利用できていない８５％の太陽エネルギーは、熱として太陽電池パネルを暖めてしまう。パネルの温度上昇が発電効率を悪化させる現在の太陽電池では、利用できていないエネルギーが発電効率の悪化に拍車をかけている。
そのため、発電効率の向上を目的として、太陽電池の温度を冷却する研究が行われている。【０００５】
一方、昔から多くの家庭で使用されてきた太陽熱温水器は、比較的簡単な設備で太陽エネルギーから入浴用の湯などを得ることができる。太陽熱温水器では、太陽から供給される太陽エネルギーの約４０％を温水として回収することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、冷却機構を備えることで従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる太陽電池システムと、太陽電池による電気エネルギーとしての利用効率の向上に加えてさらに冷却機構から熱エネルギーを回収することができる熱電気複合型太陽電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の太陽電池システムは、受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する太陽電池パネルと、プレート状構造体を有し、一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に貼りあわされ、前記太陽電池パネルで発生した熱を前記一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導するヒートパイプと、前記ヒートパイプを伝導する熱を前記他方の端部側から受け取る熱放散部とを有する。【０００８】
上記の本発明の太陽電池システムは、太陽電池パネルと、ヒートパイプと、熱放散部とを有する。
太陽電池パネルは、受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する。
ヒートパイプは、熱媒体の蒸気流を通す中心部の外周部に凝縮した液体を通すパイプ状構造を有する従来のヒートパイプとは異なり、プレート状構造体を有し、一方の端部側のプレート状構造体の表面が太陽電池パネルの受光面の裏面に貼りあわされており、太陽電池パネルで発生した熱を一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導する。
ここで、「プレート状」とは扁平な形状、薄い形状、さらには薄膜形状などを示す。また、「貼り合わせ」とは、直接または間接に密着させることを意味する。単なる押圧による機械的密着、溶接あるいは接着剤による密着などを示す。
熱放散部は、ヒートパイプを伝導する熱を他方の端部側から受け取る。【０００９】
上記の本発明の太陽電池システムは、好適には、前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に前記プレート状構造体の前記一方の端部と前記他方の端部間を複数回往復する蛇行細孔が設けられ、前記蛇行細孔内に冷媒流体が封入されてなり、さらに好適には、前記蛇行細孔内において前記冷媒流体の液相部と気相部が交互に存在する状態で封入されている。
あるいは好適には、前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に可動な状態で、ウィック、耐圧構造物および作動液が封入されてなる。
また、好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面と前記ヒートパイプが熱伝導性接着剤で貼りあわされている。【００１０】
上記の本発明の太陽電池システムは、好適には、前記一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に銅板を介して貼りあわされている。
さらに好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面が複数の領域に区分され、前記領域のそれぞれにおいて複数の前記ヒートパイプが前記銅板を介して貼りあわされており、前記ヒートパイプと前記銅板の貼り合わせ面積は前記領域の面積より小さい。
またさらに好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面と前記銅板、および／または、前記銅板と前記ヒートパイプが、熱伝導性接着剤で貼りあわされている。【００１１】
また、本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する太陽電池パネルと、プレート状構造体を有し、一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に貼りあわされ、前記太陽電池パネルで発生した熱を前記一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導するヒートパイプと、内部に水を貯留し、前記水に前記ヒートパイプの前記他方側の端部が浸漬してなり、前記ヒートパイプを伝導する熱を前記他方の端部側から前記水に伝導して前記水を加温して温水を得る温水生成部とを有する。
温水生成部と太陽電池パネルが完全に独立していることから、浸水のおそれがなく、さらに熱媒体として水ばかりでなく、他の流体の使用も可能である。【００１２】
上記の本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、太陽電池パネルと、ヒートパイプと、温水生成部とを有する。
太陽電池パネルは、受光面において太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部に供給する。
ヒートパイプは、熱媒体の蒸気流を通す中心部の外周部に凝縮した液体を通す２重構造を有する従来のヒートパイプとは異なり、プレート状構造体を有し、一方の端部側のプレート状構造体の表面が太陽電池パネルの受光面の裏面に貼りあわされており、太陽電池パネルで発生した熱を一方の端部から受け取って他方の端部へ伝導する。
温水生成部は、内部に熱媒体として水を貯留し、内部の水にヒートパイプの他方側の端部が浸漬した構成であり、ヒートパイプを伝導する熱を他方の端部側から水に伝導し、水を加温して温水を得る。【００１３】
上記の本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、好適には、前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に前記プレート状構造体の前記一方の端部と前記他方の端部間を複数回往復する蛇行細孔が設けられ、前記蛇行細孔内に冷媒流体が封入されてなり、さらに好適には、前記蛇行細孔内において前記冷媒流体の液相部と気相部が交互に存在する状態で封入されている。
あるいは好適には、前記ヒートパイプは、プレート状構造体の内部に可動な状態で、ウィック、耐圧構造物および作動液が封入されてなる。
また、好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面と前記ヒートパイプが熱伝導性接着剤で貼りあわされている。【００１４】
上記の本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、好適には、前記一方の端部側の前記プレート状構造体の表面が前記太陽電池パネルの前記受光面の裏面に、銅板を介して貼りあわされている。
さらに好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面が複数の領域に区分され、前記領域のそれぞれにおいて複数の前記ヒートパイプが前記銅板を介して貼りあわされており、前記ヒートパイプと前記銅板の貼り合わせ面積は前記領域の面積より小さい。
またさらに好適には、前記太陽電池パネルの前記裏面と前記銅板、および／または、前記銅板と前記ヒートパイプが、熱伝導性接着剤で貼りあわされている。【００１５】
上記の本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、好適には、前記ヒートパイプの前記他方側の端部に、前記水への熱伝導効率を高める放熱促進体が形成されている。
あるいは好適には、前記温水生成部から温水が供給される湯浴を有する。【００１６】
また、好適には、温水生成部がタンク状である。
あるいは、好適には、前記温水生成部がパイプ状であり、さらに好適には、前記太陽電池パネルが水平面に対して角度を有する斜面に沿って配置され、前記太陽電池パネルの上記斜面に沿って傾きをもって配置された辺において、前記温水生成部が前記ヒートパイプを介して前記太陽電池パネルに接続するように設けられている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の太陽電池システムは、太陽電池パネルの裏面に熱輸送性に優れたヒートパイプを配しており、太陽電池パネルの温度を冷却して電気変換効率を改善することにより、従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる。【００１８】
本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、太陽電池パネルの裏面に熱輸送性に優れたヒートパイプを配しており、太陽電池パネルの温度を冷却して電気変換効率を改善することに加えて、太陽電池パネルからの熱エネルギーを回収することができ、従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る太陽電池システムの模式構成図である。
【図２】図２Ａは本発明の第１および第２実施形態の太陽電池システムを構成するヒートパイプの一例の模式斜視図であり、図２Ｂは構成を分解して示す模式図である。
【図３】図３は本発明の実施形態で用いられている自励振動式ヒートパイプの熱輸送の動作原理を示す模式図である。
【図４】図４Ａは本発明の第１および第２実施形態の太陽電池システムを構成する太陽電池パネルの受光面の裏面側の一例の平面図であり、図４Ｂは図４Ａ中のＡ−Ａ’における断面図である。
【図５】図５は本発明の第２実施形態に係る熱電気複合型太陽電池システムの模式構成図である。
【図６】図６は実施例２の実験結果を示すグラフである。
【図７】図７は実施例３の実験結果を示すグラフである。
【図８】図８は実施例４の実験結果を示すグラフである。
【図９】図９Ａは本発明の第３実施形態に係る太陽電池システムに用いられるヒートパイプの構成を分解して示す模式図であり、図９Ｂはヒートパイプの構成および熱輸送の動作を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第４実施形態に係る熱電気複合型太陽電池システムの模式構成図である。
【図１１】図１１は本発明の第４実施形態に係る熱電気複合型太陽電池システムの要部の模式断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１…太陽電池パネル
１ａ…受光面
２…ヒートパイプ
２ａ，２ｂ…ヒートパイプの端部
３…熱放散部
４…外部端子
５…銅板
２０…中板
２０ａ…打ち抜き開口部
２１，２２…表板
２３…蛇行細孔
２４…冷媒流体
２４L…液相部
２４G…気相部
２５…受熱部
２６…放熱部
３０…温水生成部
３１…水
３２…断熱材
３３…放熱促進体
３４ａ…温水供給管
３４ｂ…戻り管
３５…湯浴
３６…循環ポンプ
３７ａ…流量調節コック
３７ｂ…ドレインコック
３８…薬剤添加部
４０…コンテナ
４１…ウィック
４２…耐圧構造物
４３…受熱部
４４…蒸気
４５…凝縮部
４６…作動液
５０…屋根
Ｈ…熱
ＨＳ…熱源
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本実施の形態に係る太陽電池システムおよび熱電気複合型太陽電池システムについて、図面を参照して説明する。【００２２】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る太陽電池システムの模式構成図である。
本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネル１と、ヒートパイプ２と、熱放散部３とを有する。
太陽電池パネル１は、受光面１ａにおいて太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部端子４などから外部に供給する。【００２３】
ヒートパイプ２は、図２Ａの模式斜視図に示すように、プレート状構造体の内部に、熱の伝導方向Ｄに沿って、プレート状構造体の一方の端部２ａと他方の端部２ｂ間を複数回往復する蛇行細孔が設けられており、この蛇行細孔内に冷媒流体が封入された構成である。蛇行細孔は、ループ状の一繋がりの細孔を蛇行させて配置させたものである。
例えば、図２Ａの模式斜視図およびそれを分解して示す図２Ｂの模式図のように、金属などの熱伝導性材料からなる３枚の板（２０，２１，２２）が積層されて、プレート状構造体が構成されている。このプレート状構造体において、中板２０には打ち抜き開口部２０ａが設けられ、この中板２０の表裏面に２枚の表板（２１，２２）が貼りあわされており、このようにしてプレート状構造体の内部に、中板２０の打ち抜き開口部２０ａの内壁面と表板（２１，２２）の表面とから、プレート状構造体の一方の端部２ａと他方の端部２ｂ間を複数回往復（図面上は２往復）するレイアウトで、蛇行細孔が構成されている。蛇行細孔の太さ（直径または１辺）は、例えば１ｍｍ程度である。
また、上記の蛇行細孔内には、例えば、Ｒ１３４ａなどの代替フロン、アルコールあるいはその他の揮発性流体からなる冷媒流体が、冷媒流体の液相部と気相部が交互に存在する状態で、封入されている。【００２４】
図３は上記のヒートパイプの熱輸送の動作原理を示す模式図である。
上記の構成のプレート型のヒートパイプ２は、いわゆる自励振動式のヒートパイプであり、熱媒体の蒸気流を通す中心部の外周部に凝縮した液体を通す構造を有する方式のヒートパイプとは異なる。
ヒートパイプの蛇行細孔２３内に、冷媒流体２４の液相部２４Lと気相部２４Gが交互に存在する状態で封入されている。プレート状構造体の一方の端部２ａである受熱部２５において熱Ｈが吸収されると、この熱量により蛇行細孔２３内に断続的に冷媒流体の蒸気泡が発生し、温度と蒸気圧の上昇をもたらす。
一方、他方の端部２ｂである放熱部２６においては、熱Ｈを放散して、冷却作用により蒸気泡の温度降下と圧力の低下が起こる。受熱部２５と放熱部２６の間の圧力差により、蛇行細孔内に交互に閉塞している気相と液相が同時に放熱部側へと移動する。
このとき、気相の移動ＤGにより潜熱の輸送が起こり、液相には自励振動ＶLが発生して顕熱の輸送が起こり、気相部と液相部が同時に移動することで潜熱と顕熱の両熱輸送が行われ、速やかで効率的に熱が輸送される。
本実施形態の太陽電池システムに最適なヒートパイプを実現するためには、上記の冷媒流体について最適な冷媒の種類や充填量（充填圧力）を選択し、さらに、最適な蛇行細孔の蛇行パターンをレイアウトすることが重要である。【００２５】
上記の構成のヒートパイプ２の一方の端部２ａ側のプレート状構造体の表面が、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面に、例えばサーマルコンパウンド（金属粉入り接着剤）などの熱伝導性接着剤により貼りあわされており、太陽電池パネル１で発生した熱を一方の端部２ａから受け取って他方の端部２ｂへ伝導する。【００２６】
熱放散部３は、ヒートパイプ２を伝導する熱を他方の端部側から受け取る。ヒートパイプ２を伝導する熱Ｈを放散させる構成であればよく、例えば水冷装置や空冷装置などを用いることができる。【００２７】
図４Ａの太陽電池パネルの受光面の裏面側の平面図および図４Ａ中のＡ−Ａ’における断面図である図４Ｂに示すように、ヒートパイプ２の一方の端部２ａ側のプレート状構造体の表面と、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面とが、銅板５を介して貼りあわされていることができる。
この場合、太陽電池パネル１の裏面が複数の領域に区分され、これらの領域のそれぞれにおいて複数のヒートパイプ２が銅板５を介して貼りあわされており、ヒートパイプ２と銅板５の貼り合わせ面積は太陽電池パネル１の裏面の区分された各領域の面積より小さい構成とすることが好ましい。銅板は集熱効果が高いので、銅板を介することで、太陽電池パネルの裏面全面にヒートパイプを貼り合わせなくても十分効率的に太陽電池パネルの熱放散を行うことができる。
また、熱放散の効率を高めるために、上記の構成において、太陽電池パネル１の裏面と銅板５、および／または、銅板５とヒートパイプ２が、例えばサーマルコンパウンド（金属粉入り接着剤）などの熱伝導性接着剤により貼りあわされていることが好ましい。【００２８】
また、上記の銅板とヒートパイプを一体化すること、即ち、銅板の内部に蛇行細孔を設けて、この中に冷媒流体を封入する構成とすることもできる。これにより、装置の軽量化を実現できる。【００２９】
上記の本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネルの裏面に熱輸送性に優れた自励振動式のヒートパイプを配しており、これによって、太陽電池パネルの温度を冷却して電気変換効率を例えば４０％改善することができ、従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる。これにより、エネルギー資源の有効活用を図ることができ、地球環境の保全に貢献することが可能である。
この場合、プレート型のヒートパイプを用いることにより、ヒートパイプを太陽電池パネルに密着させて太陽電池セルを支えるフレームに埋め込んで設置することが可能なため、プレート構造の自励振動式ヒートパイプは伝熱性能の面からも構造的な面からも有利となる。【００３０】
第２実施形態
図５は本実施形態に係る熱電気複合型太陽電池システムの模式構成図である。
本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネル１と、ヒートパイプ２と、熱放散部３であるタンク状の温水生成部３０とを有する。
太陽電池パネル１とヒートパイプ２については、第１実施形態と同様の構成である。【００３１】
太陽電池パネル１は、受光面１ａにおいて太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部端子４などから外部に供給する。【００３２】
ヒートパイプ２は、プレート状構造体の内部にプレート状構造体の一方の端部２ａと他方の端部２ｂ間を複数回往復する蛇行細孔が設けられており、この蛇行細孔内に冷媒流体が封入された構成であり、いわゆる自励振動式のヒートパイプである。
上記のヒートパイプ２の一方の端部側のプレート状構造体の表面が、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面に、例えばサーマルコンパウンド（金属粉入り接着剤）などの熱伝導性接着剤により貼りあわされており、太陽電池パネル１で発生した熱を一方の端部２ａから受け取って他方の端部２ｂへ伝導する。
第１実施形態と同様、図５に示すように、ヒートパイプ２の一方の端部２ａ側のプレート状構造体の表面と、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面とが、銅板５を介して貼りあわされていてもよい。【００３３】
温水生成部３０は、内部に例えば熱媒体として水３１を貯留し、内部の水３１にヒートパイプ２の他方側の端部が浸漬した構成である。
ヒートパイプ２を伝導する熱Ｈをヒートパイプ２の他方の端部側から水３１に伝導し、水３１を加温して温水を得る。【００３４】
太陽電池パネル１は、太陽光を効率的に受光するため、あるいは設置する屋根の傾きなどに合わせて所定の傾きをもって設置する必要があり、一方でタンク状の温水生成部３０は、タンクの形状によるが、例えば略直方体の形状の上面が水平になるように設置するものであり、この場合、太陽電池パネル１と温水生成部３０の間で熱輸送するヒートパイプ２は屈曲部を有することになる。本実施形態で用いるプレート状の自励振動式ヒートパイプは、その構造上いずれの箇所においてもある程度の角度まで折り曲げることが可能であり、太陽電池パネル１と温水生成部３０の間の熱輸送を効率的に行うことができる。【００３５】
水の加熱効果を高めるために、温水生成部３０の外周部は断熱材３２で被覆されていることが好ましい。
また、ヒートパイプ２の他方側の端部に、水３１への熱伝導効率を高める放熱フィンなどの放熱促進体３３が形成されていることが好ましい。【００３６】
温水生成部３０において加温されて得られた温水は、様々な用途に用いることができる。
例えば、温水生成部３０に接続された温水供給管３４ａを通して温水を湯浴３５に供給し、足湯あるいは全身用の浴槽として利用できる。必要に応じて湯浴３５から温水生成部３０に温水を戻す戻り管３４ｂを設け、循環ポンプ３６により温水を循環させてもよい。この場合、循環ポンプ３６の内部あるいは戻り管３４ｂに浄化フィルターや殺菌装置を設けて、温水を清浄な状態に保つことが好ましい。温水の供給量は、例えば温水供給管３４ａおよび戻り管３４ｂに設けた流量調節コック３７ａにより調節することができる。
また、必要に応じて温水供給管３４ａの中途部に入浴剤などの薬剤添加部３８を設けることもできる。
さらに、温水生成部３０に直接ドレインコック３７ｂを設けて、内部の水を排水することもできる。
また、温水の利用は足湯などの湯浴に限らず、厨房などへの給湯にも利用できる。
さらに、温水の温度が所望の温度より低い場合には、太陽電池パネルで得られた電力を利用して、所望の温度となるまで加温してもよい。【００３７】
上記の本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネルで発電し電力を取り出して利用でき、さらに、太陽電池パネルで発生する熱を温水生成部に伝導して温水を得て利用することができる、熱電気複合型の太陽電池システムである。
太陽電池パネルの裏面に熱輸送性に優れた自励振動式のヒートパイプを配しており、これによって、太陽電池パネルの温度を冷却して電気変換効率を例えば４０％改善することができ、従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる。
さらに、太陽電池パネルで発生する熱を効率的に回収して、温水にして給湯に利用することが可能であり、従来温水を得るために使用されてきた化石燃料等のエネルギー資源を節約することができる。
これにより、エネルギー資源の節約や有効活用を図ることができ、地球環境の保全に貢献することが可能である。
この場合、プレート型のヒートパイプを用いることにより、ヒートパイプを太陽電池パネルに密着させて太陽電池セルを支えるフレームに埋め込んで設置することが可能なため、プレート構造の自励振動式ヒートパイプは伝熱性能の面からも構造的な面からも有利となる。【００３８】
また、既に設置済みの太陽電池システムに関しても、太陽電池パネル裏面に自励振動式ヒートパイプを装着するだけの簡単な工事で、電気変換効率が約５０％程度上げることが可能であり、設備的に古くなって電気変換効率の低い太陽電池システムを、最新式の太陽電池とほぼ同じ発電性能にまで上昇させることも可能である。
さらに、給湯システムを併用することで既述のような熱・電気複合型太陽電池システムの構築により、エネルギーの自立供給が可能な住宅とすることもできる。【００３９】
（実施例１）
上記の第２実施形態に従って、熱電気複合型太陽電池システムを製作した。
即ち、市販の太陽電池パネルの受光面の裏面に、厚さ１．５ｍｍの銅板を介して、プレート状の自励振動式ヒートパイプとして、ヒートレーンプレート（ＴＳヒートロニクス社製）の一方の端部を貼り合わせた。このとき、太陽電池パネルとヒートパイプを貼り合わせる面の幅２倍の幅毎に太陽電池パネルの裏面を区分し、即ち、貼り合わせ面の面積の２倍毎に区分し、各領域の中央部にヒートパイプを貼り合わせた。
また、ヒートパイプの他方の端部には、図５に示す構成のタンク状の温水生成部を設けた。タンク中で水に浸漬される部分のヒートパイプの表面には、放熱促進体として放熱フィンを設けた。【００４０】
（実施例２）
上記の実施例１の熱電気複合型太陽電池システムの太陽電池パネルの受光面の裏面の温度を測定した。さらに、比較例としてヒートパイプを貼り合わせていない太陽電池パネルの裏面の温度も測定した。
図６は上記の実験結果を示すグラフである。図中、ｘは実施例の測定結果であり、ｙは比較例の測定結果である。横軸は時刻であり、縦軸は温度（Ｋ）である。
比較例（ｙ）では、１２時頃までは３３５Ｋ（約６２℃）付近であり、その後に３３０Ｋ（約５７℃）の温度を示した。一方、実施例（ｘ）では、１２時頃までは３２４Ｋ（約５１℃）付近であり、その後に３２２Ｋ（約４９℃）の温度を示した。このように、いずれの時刻においても実施例の方が太陽電池パネルの裏面温度が低くなっていた。
このように、自励振動式ヒートパイプを太陽電池パネルの裏面に貼り合わせることで、日射が強かった１２時頃までで約１１℃、やや日射が弱くなってきたその後の時刻で約８℃程度、太陽電池パネルの裏面温度を下げることができた。
このデータは比較的日射量の少ない冬季に行った実験結果であるが、太陽電池パネルがより高温になることが予想される夏期には、図に示した以上の冷却効果が顕れると予想される。【００４１】
（実施例３）
上記の実施例１の熱電気複合型太陽電池システムの太陽電池パネルの電気変換効率を測定した。また、比較例としてヒートパイプを貼り合わせていない太陽電池パネルと、さらに太陽電池パネルの裏面にプレート状構造ではない従来の一般的なヒートパイプを貼り合わせた場合についても、電気変換効率を測定した。
図７は上記の実験結果を示すグラフである。図中、ａ１〜ａ３はヒートパイプを貼り合わせていない比較例の結果、ｂ１〜ｂ３は実施例の結果、ｃ１〜ｃ３は従来のヒートパイプを貼り合わせた比較例の結果であり、それぞれの同時実験を３回行った結果である。縦軸は、ａ１〜ａ３の結果を１００としたときの電気変換効率（相対値）である。
上記の３回の実験は、日時や条件が異なるため、数値的にバラツキがあるデータとなっているが、３回の実験のいずれも自励振動式ヒートパイプを利用した実施例の結果（ｂ１〜ｂ３）の方が、従来のヒートパイプを用いた比較例の結果（ｃ１〜ｃ３）よりも高い電気変換効率を得ており、従来の一般的なヒートパイプを使用した場合の比較例の結果（ｃ１〜ｃ３）よりも、相対的に約４０％効率が向上しており、ヒートパイプを使用していない比較例の結果（ａ１〜ａ３）よりも、相対的に約５０％効率が向上している。【００４２】
（実施例４）
上記の実施例１の熱電気複合型太陽電池システムの電気エネルギーと熱エネルギーの総和での太陽光全体のエネルギーに対するエネルギー回収効率を測定した。また、比較例として、ヒートパイプを貼り合わせていない太陽電池システムについても、エネルギー回収効率を測定した。比較例では、熱回収システムがないので、電気変換効率がエネルギーとしての回収効率そのものとなり、実施例のエネルギー回収効率の向上分は、太陽電池パネルの冷却による電気変換効率の向上分と、熱エネルギーの回収による効率向上部の和となる。
図８は上記の実験結果を示すグラフである。図中、ｄ１〜ｄ６は実施例の結果、ｅ１〜ｅ６はヒートパイプを貼り合わせていない比較例の結果である。それぞれの異なる日に同時の実験を６回行った結果である。縦軸は太陽光全体のエネルギーに対するエネルギー回収効率（％）である。
図８からは、ヒートパイプを貼り合わせていない太陽電池では、１０％にも満たないエネルギー回収効率であったのに対して、実施例の場合は４０〜５０％程度のエネルギー回収効率を実現できた。【００４３】
第３実施形態
本実施形態は、上記の第１および第２実施形態の太陽電池システムにおいて、使用するヒートパイプを以下のように変更したものである。
図９Ａは本実施形態に係る太陽電池システムに用いられるヒートパイプの構成を分解して示す模式図であり、図９Ｂはヒートパイプの構成および熱輸送の動作を示す模式図である。
本実施形態で用いられるヒートパイプは、薄い金属箔で形成したプレート状構造体であるコンテナ４０の内部に可動な状態で、毛管力を発生させるためのウィック４１および耐圧構造物４２と、少量の作動液（例えば水、アルコールなどの潜熱の大きい液体）が封入され、空気を全て排出して密閉して形成されている。【００４４】
上記の構成のヒートパイプの受熱部４３は、太陽電池パネル１である熱源ＨＳに接しており、熱を受け取ると作動液の飽和蒸気圧が高まり、蒸発して、熱が液体の蒸発潜熱として吸収される。
作動液の蒸気４４はウィック間に設けられた空間において隅々まで拡散し、相対的に温度の低い部位である凝縮部４５において凝縮する。
凝縮した作動液４６はウィックに吸収され、重力や毛管力によって受熱部に還流する。
上記のような相変化を利用した作動液の循環が起こるため、極めて小さい温度差間で熱輸送が可能となる。また、ヒートパイプ内に封入する作動液を変えることで、多様な温度条件および熱輸送条件に対応することが可能である。【００４５】
本実施形態で用いられるヒートパイプは、ウィックおよび耐圧構造物が内部で可動であることから、屈曲時にひずみを吸収して座屈による空間の閉塞が起こらず、可撓性を有しており、本実施形態の太陽電池システムに用いる際に、容易に太陽電池パネルに貼り合わせることが可能で、また、太陽電池パネルと温水生成部などを接続するときに屈曲させることが容易である。【００４６】
上記の本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネルの裏面にプレート状のヒートパイプを配しており、これによって、太陽電池パネルの温度を冷却して電気変換効率を改善することができ、従来の太陽電池よりも太陽エネルギーの利用効率を向上させることができる。これにより、エネルギー資源の有効活用を図ることができ、地球環境の保全に貢献することが可能である。【００４７】
第４実施形態
図１０は本実施形態に係る熱電気複合型太陽電池システムの模式構成図であり、図１１は要部の模式断面図である。
本実施形態の太陽電池システムは、太陽電池パネル１と、ヒートパイプ２と、熱放散部３であるパイプ状の温水生成部３０とを有する。
太陽電池パネル１とヒートパイプ２については、第１実施形態と同様の構成である。【００４８】
太陽電池パネル１は、受光面１ａにおいて太陽光を受光し、光電変換により発生した電力を外部端子４からバッテリー６などに供給して蓄電する。【００４９】
ヒートパイプ２は、プレート状構造体の内部にプレート状構造体の一方の端部２ａと他方の端部２ｂ間を複数回往復する蛇行細孔が設けられており、この蛇行細孔内に冷媒流体が封入された構成であり、いわゆる自励振動式のヒートパイプである。
上記のヒートパイプ２の一方の端部側のプレート状構造体の表面が、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面に、例えばサーマルコンパウンド（金属粉入り接着剤）などの熱伝導性接着剤により貼りあわされており、太陽電池パネル１で発生した熱を一方の端部２ａから受け取って他方の端部２ｂへ伝導する。
第１及び第２実施形態と同様、図１１に示すように、ヒートパイプ２の一方の端部２ａ側のプレート状構造体の表面と、太陽電池パネル１の受光面１ａの裏面とが、銅板５を介して貼りあわされていてもよい。【００５０】
パイプ状の温水生成部３０は、内部に例えば熱媒体として水３１を貯留する樹脂パイプなどから構成され、細長い開口部が形成されてヒートパイプ２が挿入されており、内部の水３１にヒートパイプ２の他方側の端部が浸漬した構成である。樹脂パイプの開口部とヒートパイプの間隙はシール材で封止されている。パイプ状の温水生成部は、占有面積をより小さくできる。
ヒートパイプ２を伝導する熱Ｈをヒートパイプ２の他方の端部側から水３１に伝導し、水３１を加温して温水を得るものである。【００５１】
太陽電池パネル１は、太陽光を効率的に受光するため、例えば水平面に対して２０°程度の傾きをもって設置されることが好ましい。
本実施形態においては、屋根５０の傾きに合わせて、あるいは屋根の傾きから調整して所定の傾きをもって設置されている。従って、太陽電池パネル１は一辺が斜面上方に配置され、これに対向する辺が斜面下方に配置されており、残りの二辺は対向し、斜面に沿って傾きをもつように配置されている。
ここで、本実施形態において、温水生成部３０は、上記の斜面に沿って傾きをもって配置された辺において、ヒートパイプを介して太陽電池パネルに接続するように設けられている。
上記のように、より占有面積の小さいパイプ状の温水生成部としたことにより、太陽電池パネル１の斜面に沿って傾きをもって配置された辺側に接するように配置することが可能となり、温水生成部の占有面積をより小さくしたことで本熱電気複合型太陽電池システムを小型化でき、また、温水生成部からの水漏れが発生しても太陽電池パネルへの悪影響を最小限にとどめることが可能である。【００５２】
本実施形態において用いているヒートパイプは自励振動式であり、ヒートパイプの受熱側と放熱側の高さ関係がどのようなものであっても熱輸送可能であるが、より効率的に熱輸送するためには、水平面に対して受熱側より放熱側が高くなるように配置されることが好ましい。
本実施形態では、ヒートパイプの延伸方向が太陽電池パネル１の斜面上方または下方に配置された辺に平行に、即ち略水平に配置されており、このため受熱部と放熱部の高さが略等しくなっているが、ヒートパイプの延伸方向が太陽電池パネル１の斜面上方または下方に配置された辺に角度を持って交差し、太陽電池パネルの面内において斜めに配置することにより、受熱側より放熱側が高くなるように配置することができる。【００５３】
水の加熱効果を高めるために、温水生成部３０の外周部が不図示の断熱材で被覆されていることが好ましい。
また、ヒートパイプ２の他方側の端部に、水３１への熱伝導効率を高めるためのフィンまたは板状の放熱促進体３３が形成されていることが好ましい。【００５４】
温水生成部３０において加温されて得られた温水は、様々な用途に用いることができ、例えば、足湯あるいは全身用の浴槽として、あるいは厨房に供給する温水として利用することができる。
温水の供給量は、例えば温水供給管３４ａおよび戻り管３４ｂに設けた流量調節コック３７ａにより調節することができるとともに、この流量により温水生成部３０で受け取る受熱速度を調整できるので、温水の温度調節を行うことができる。【００５５】
例えば、循環ポンプ３６は、太陽電池パネル１からの電力で充電されたバッテリー６で駆動できる。
例えば充電している昼間に循環駆動し、夜間は休止するように設定できる。【００５６】
また、必要に応じて温水供給管３８の中途部に入浴剤などの薬剤添加部３８を設けることもできる。
本実施形態においても第３実施形態のヒートパイプを使用することができる。【００５７】
上記の本実施形態の太陽電池システムは、第２実施形態と同様に、太陽電池パネルで発電し電力を取り出して利用でき、さらに、太陽電池パネルで発生する熱を温水生成部に伝導して温水を得て利用することができる、熱電気複合型の太陽電池システムである。【００５８】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、従来の太陽電池以上に大きな発電量を蓄電し、自励振動式ヒートパイプによって収集した熱量を蓄熱することにより、電気および熱エネルギーの自立供給システム構築することも可能であり、災害時等でライフラインが停止した際の自立エネルギー供給システムを構築することも可能である。
また、システム自体は小型発電装置として構築が可能であるので、個別エネルギー供給システムとしても利用可能である。
熱放散部において熱を受け取る熱媒体としては水に限定されない。例えば空気、二酸化炭素、フロンガスなどの熱伝達ガスや水以外の液体などを使用でき、この熱媒体から再び水などに熱交換して温水として熱を利用することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の太陽電池システムは、太陽光を受光して発電するシステムに適用できる。
また、本発明の熱電気複合型太陽電池システムは、太陽光を受光して発電し、さらに太陽光から得られる熱エネルギーを回収して温水を生成し、浴槽やその他の給湯設備に利用できる、熱と電気を複合した発電システムに適用することができる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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