JP3711382B2

JP3711382B2 - Hybrid solar temperature converter

Info

Publication number: JP3711382B2
Application number: JP2001194207A
Authority: JP
Inventors: 雅継天野; 忠良田中; 元昭木村; 俊作中内
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003014316A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池を冷却して出力を向上させるばかりでなく、冷却で得られた低圧蒸気から熱を回収し、高温熱利用を可能にする装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の温水器を図１に示す。図１において、１は太陽熱吸収面であり、２は温水タンクである。この図１が示すように、単に、温水タンク２やパイプ３等を設け、温水を通過させ、配管により給湯する方法が主流であった。これは、きわめて簡単であるが、給湯温度は、その日の日照に左右され、高々６０℃程度の温度しか得ることができない。
【０００３】
また、太陽電池においては、その温度制御が難しく、素子の温度上昇により、性能の低下を引き起こす難点があり、従来の空気冷却式をもってしても、日射条件に合わせた素子の温度を維持することは不可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の温水器では、日射が十分でないとき、高温が得られず、利用価値の低い装置となってしまうが、本発明の課題は、閉ループ内の体積（圧力）調整を行なうことで、日射に左右されず利用価値の高い温水を得るとともに、本体の熱絶縁を必要としないで効率の良い熱収集が可能とする太陽熱温度変換装置を実現することである。
【０００５】
さらに、本発明は、太陽電池を冷却し、温度制御を行うことで、太陽電池の最適性能の温度を維持すると共に、モジュール化したハイブリット型とすることにより利用拡大を図り、さらに、回収した熱の多目的利用を可能にし、太陽エネルギーの多用化、省エネルギー化を図ることが可能なハイブリッド型太陽熱温度変換装置を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、太陽電池を併設したハイブリット型の太陽熱集熱器を減圧した閉じた系に設置し、作動流体を媒体にして太陽熱で加熱された太陽電池を作動流体の蒸発で冷却し、得られた低圧の蒸気を圧縮して昇温し、昇温した高温を熱利用すると共に、太陽電池の冷却により発電性能向上を行うことを特徴とするハイブリット型太陽熱温度変換装置を提供する。
【０００７】
さらに、本発明は上記課題を解決するために、太陽熱集熱器、圧縮機、熱交換器及び蒸発器を、作動流体が循環する閉じた系内に設けて成るハイブリット型太陽熱温度変換装置において、上記太陽熱集熱器は、その外表面に太陽電池を配設するとともに、作動流体を通過させることにより、加熱された太陽電池を冷却するものであり、上記熱交換器は、上記太陽熱集熱器において加温され、さらに上記圧縮機で圧縮され液体となった作動流体の熱を利用するものであることを特徴とするハイブリット型太陽熱温度変換装置を提供する。
【０００８】
上記太陽熱集熱器は、その入口及び出口に夫々逆止弁が付設されていることを特徴とする。
【０００９】
上記太陽熱集熱器の出口側にバイパス管を設け、このバイパス管の開閉により上記閉じられた系内の体積を変えることによって、上記逆止弁により区切られた上記太陽熱集熱器内の内圧を外気温度より低い温度の飽和蒸気圧になるように調節することにより、気温の変化に応じて太陽吸収面の温度を調節可能とすることを特徴とする。
【００１０】
上記圧縮機の動力源は、上記太陽電池の電力を利用することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るハイブリッド型太陽熱温度変換装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。本発明は、太陽熱温水器で高温の熱を得るとともに、太陽電池の性能維持を図るものであり、電力供給と温水供給の両方を可能とするハイブリッド型太陽熱温度変換装置である。
【００１２】
即ち、本発明は太陽電池を併用した太陽熱集熱器において、太陽電池の電力を用いて、太陽熱エネルギーを高い温度領域に変換し、熱エネルギーをより利用価値の高いものにする。また、太陽熱集熱器は水の蒸発により太陽電池を冷却し、太陽電池を最適温度に保つことができる。
【００１３】
図２は、本発明に係るハイブリッド型太陽熱温度変換装置の第１の実施例の構成を説明する図である。ハイブリッド型太陽熱温度変換装置４は、作動媒体が循環する系（閉ループ）５が設けられている。作動媒体は、本実施例では水を利用する。６は太陽熱集熱器であり、入口側、出口側において２つの逆止弁７、８が設けられている。この太陽熱集熱器６の外表面が太陽熱吸収面９となって機能し、この太陽熱吸収面９には太陽電池１０が貼り付けてある。
【００１４】
１１は圧縮機で、太陽電池１０の電力で駆動する。１２は熱交換器で外部と熱交換する。太陽熱吸収面９で加熱された媒体は、圧縮機１１により圧縮され、熱交換器１２で熱交換により外部に熱を与える。膨張弁１３乃至膨張部１４において膨張することによって媒体は蒸気になる。熱交換器１２及び膨張部１４で熱交換される外部の冷媒（空気、水等）は、熱交換用共通配管１７から分岐し熱交換用配管１９が、弁１８、１８を介して、熱交換器１２及び膨張部１４に配設され熱交換可能としている。
【００１５】
太陽熱集熱器６の出口側には容積調整流路が設けられている。この容積調整流路は通常の管路１５を有するとともに、管路１５に対して、開閉弁１６を有する１又は２以上バイパス管路１５’が設けられている。この開閉弁１６を選択的に開閉することにより系５内の容積を変え、太陽熱集熱器６の内圧を、外気温度（周囲温度）より低い温度の飽和蒸気圧になるように調節し、これによって気温の変化に応じて太陽吸収面の温度を調節することができる。
【００１６】
このような構成のハイブリッド型太陽熱温度変換装置の作用を図３のＰ−Ｖ線図により説明する。○印を付した番号は、図２中の符号の付与された構成に対応する。圧縮機１１において容積が一定の下で圧縮され、動力仕事を熱に変えて作動ガスの温度をＴｃから昇温する。昇温した作動流体は、熱交換器１２において等圧の下で熱交換を行い温度がＴｈに降下する。この熱交換器１２において、弁１８及び熱交換用配管１９を選択的に開閉して、冬季における暖房、給湯等に供せられる。
【００１７】
作動流体は、熱交換器１２から、膨張弁１３乃至膨張部１４に流れ、そこで膨張し圧力が下降し、この際生じた冷熱が夏期の冷房の用に供される。さらに作動流体は逆止弁７を通り、太陽電池９の貼り付いた太陽熱集熱器１０において、太陽電池９を冷却し太陽電池の温度をＴｃに保つようにすることができる。
【００１８】
太陽熱集熱器６の出口側から出た作動流体は、容積調整流路及び逆止弁８を通り圧縮機１１に再度、流入する。
【００１９】
図４は、第２の実施例を示す図である。この第２の実施例は、図２に示す第１の実施例とほぼ同様の構成を有し、太陽熱集熱器６、圧縮機１１、熱交換器１２、膨張弁１３及び膨張部１４が閉ループ５内に設けられているが、この実施例２では、内部の体積を連続的に変化させるアキュミュレータ１７が閉ループ内に設けられている構成を特徴とするものである。
【００２０】
以上第１及び第２の実施例により本発明を説明したが、これらの実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係るハイブリッド型太陽熱温度変換装置は以上の構成であるから、次のような効果が生じる。日射量が少ない時は十分な温度が得られず、熱エネルギーとして利用することが難しい。しかし、本発明によれば、太陽電池の温度制御が可能になるだけでなく、常時高温度の熱が得られ、本体の熱絶縁を必要としないために効率の良い熱収集が可能であり、太陽熱エネルギーをより利用価値の高いものにできる。
【００２２】
また、太陽電池と一体化したモジュールを製作することで太陽電池を冷却してそのの性能向上と利用価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施例を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施例を説明するためのＰ−Ｖ線図である。
【図４】本発明の第２の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
５閉じた系（閉ループ）
６太陽熱集熱器
７、８逆止弁
９太陽熱吸収面
１０太陽電池
１１圧縮機
１２熱交換器
１３膨張弁
１４膨張部
１５容積調整路
１５’ バイパス管
１６開閉弁
１７熱交換用共通配管
１８弁
１９熱交換用配管
２０アキュミュレータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus that not only improves the output by cooling a solar cell, but also recovers heat from the low-pressure steam obtained by cooling to enable utilization of high-temperature heat.
[0002]
[Prior art]
A conventional water heater is shown in FIG. In FIG. 1, 1 is a solar heat absorption surface, and 2 is a hot water tank. As shown in FIG. 1, a method of simply providing a hot water tank 2, a pipe 3 and the like, allowing hot water to pass through, and supplying hot water by piping has been the mainstream. This is very simple, but the hot water supply temperature depends on the sunshine of the day, and only a temperature of about 60 ° C. can be obtained at most.
[0003]
In addition, in solar cells, it is difficult to control the temperature, and there is a difficulty in causing a decrease in performance due to an increase in the temperature of the device. Was impossible.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional water heater, when the solar radiation is not sufficient, a high temperature cannot be obtained and the device becomes less useful. However, the problem of the present invention is to adjust the volume (pressure) in the closed loop. It is to realize a solar temperature conversion device that obtains hot water having high utility value regardless of the temperature and enables efficient heat collection without requiring thermal insulation of the main body.
[0005]
In addition, the present invention cools the solar cell and performs temperature control to maintain the temperature of the optimum performance of the solar cell, and to expand the use by making it a modular hybrid type, and further to recover the recovered heat It is possible to realize a hybrid solar temperature conversion device that enables multi-purpose use of solar energy, and can diversify solar energy and save energy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is to install a hybrid solar collector with a solar cell in a closed system where the pressure is reduced, and to use a solar cell heated by solar heat as a working fluid. A hybrid solar temperature converter characterized in that it cools by evaporation, compresses the obtained low-pressure vapor to raise its temperature, uses the elevated temperature as heat, and improves power generation performance by cooling the solar cell I will provide a.
[0007]
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a hybrid solar temperature converter comprising a solar heat collector, a compressor, a heat exchanger, and an evaporator provided in a closed system in which a working fluid circulates. The solar heat collector cools the heated solar cell by disposing a solar cell on its outer surface and allowing a working fluid to pass through. The heat exchanger is the solar heat collector. The hybrid solar temperature converter is characterized in that it uses the heat of the working fluid that has been heated and further compressed into a liquid by the compressor.
[0008]
The solar heat collector is characterized in that check valves are attached to the inlet and the outlet, respectively.
[0009]
By providing a bypass pipe on the outlet side of the solar heat collector and changing the volume in the closed system by opening and closing the bypass pipe, the internal pressure in the solar heat collector delimited by the check valve is reduced. By adjusting so that the saturated vapor pressure is lower than the outside air temperature, the temperature of the solar absorption surface can be adjusted in accordance with the change in the air temperature.
[0010]
The power source of the compressor uses the power of the solar cell.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a hybrid solar temperature converter according to the present invention will be described based on examples with reference to the drawings. The present invention is a hybrid solar temperature converter that obtains high-temperature heat with a solar water heater and maintains the performance of the solar cell, and enables both power supply and hot water supply.
[0012]
That is, the present invention uses a solar battery power to convert solar thermal energy into a high temperature region in a solar collector using a solar battery in combination, thereby making the thermal energy more useful. Also, the solar heat collector can cool the solar cell by evaporating water and keep the solar cell at the optimum temperature.
[0013]
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the first embodiment of the hybrid solar temperature converter according to the present invention. The hybrid solar temperature converter 4 is provided with a system (closed loop) 5 in which the working medium circulates. The working medium uses water in this embodiment. 6 is a solar heat collector, and two check valves 7 and 8 are provided on the inlet side and the outlet side. The outer surface of the solar heat collector 6 functions as a solar heat absorption surface 9, and a solar cell 10 is attached to the solar heat absorption surface 9.
[0014]
Reference numeral 11 denotes a compressor that is driven by the electric power of the solar cell 10. A heat exchanger 12 exchanges heat with the outside. The medium heated by the solar heat absorption surface 9 is compressed by the compressor 11, and heat is given to the outside by heat exchange by the heat exchanger 12. The medium becomes vapor by expanding in the expansion valve 13 to the expansion section 14. The external refrigerant (air, water, etc.) heat exchanged by the heat exchanger 12 and the expansion part 14 branches from the heat exchange common pipe 17, and the heat exchange pipe 19 exchanges heat via the valves 18 and 18. It is arrange | positioned at the container 12 and the expansion part 14, and heat exchange is possible.
[0015]
A volume adjustment flow path is provided on the outlet side of the solar heat collector 6. The volume adjusting flow path has a normal pipe line 15, and one or more bypass pipe lines 15 ′ having an opening / closing valve 16 are provided for the pipe line 15. By selectively opening and closing the on-off valve 16, the volume in the system 5 is changed, and the internal pressure of the solar heat collector 6 is adjusted to a saturated vapor pressure lower than the outside air temperature (ambient temperature). The temperature of the solar absorption surface can be adjusted according to changes in the air temperature.
[0016]
The operation of the hybrid solar temperature converter having such a configuration will be described with reference to the PV diagram of FIG. The numbers marked with “○” correspond to the components with the reference numerals in FIG. The compressor 11 is compressed under a constant volume, and the power work is changed to heat to raise the temperature of the working gas from Tc. The heated working fluid is subjected to heat exchange under equal pressure in the heat exchanger 12, and the temperature drops to Th. In the heat exchanger 12, the valve 18 and the heat exchanging pipe 19 are selectively opened and closed and used for heating, hot water supply and the like in winter.
[0017]
The working fluid flows from the heat exchanger 12 to the expansion valve 13 to the expansion section 14, where it expands and the pressure drops, and the generated cold heat is used for cooling in summer. Furthermore, the working fluid passes through the check valve 7 and in the solar heat collector 10 to which the solar cell 9 is attached, the solar cell 9 can be cooled to keep the temperature of the solar cell at Tc.
[0018]
The working fluid exiting from the outlet side of the solar heat collector 6 flows again into the compressor 11 through the volume adjustment flow path and the check valve 8.
[0019]
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment. The second embodiment has substantially the same configuration as that of the first embodiment shown in FIG. 2, and the solar heat collector 6, the compressor 11, the heat exchanger 12, the expansion valve 13 and the expansion portion 14 are closed loop. However, the second embodiment is characterized in that the accumulator 17 for continuously changing the internal volume is provided in the closed loop.
[0020]
Although the present invention has been described with reference to the first and second embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and it goes without saying that there are various embodiments within the scope of the technical matters described in the claims. .
[0021]
【The invention's effect】
Since the hybrid solar temperature converter according to the present invention has the above configuration, the following effects are produced. When the amount of solar radiation is small, a sufficient temperature cannot be obtained and it is difficult to use as heat energy. However, according to the present invention, not only can the temperature of the solar cell be controlled, but high temperature heat is always obtained, and efficient heat collection is possible because the main body does not require thermal insulation, Solar thermal energy can be made more valuable.
[0022]
Also, by producing a module integrated with the solar cell, the solar cell can be cooled to improve its performance and utility value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional example.
FIG. 2 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a PV diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
5 Closed system (closed loop)
6 Solar heat collectors 7 and 8 Check valve 9 Solar heat absorption surface 10 Solar cell 11 Compressor 12 Heat exchanger 13 Expansion valve 14 Expansion part 15 Volume adjustment path 15 'Bypass pipe 16 On-off valve 17 Common pipe 18 for heat exchange 19 Piping for heat exchange 20 Accumulator

Claims

A hybrid solar collector with a solar cell is installed in a closed system with reduced pressure, and the solar cell heated by solar heat using the working fluid as a medium is cooled by evaporation of the working fluid, and the resulting low-pressure steam Is a hybrid solar temperature conversion device that heats up and heats the heated high temperature and improves the power generation performance by cooling the solar cell ,
The solar heat collector is provided with check valves at its inlet and outlet, respectively.
By providing a bypass pipe on the outlet side of the solar heat collector and changing the volume in the closed system by opening and closing the bypass pipe, the internal pressure in the solar heat collector delimited by the check valve is reduced. A hybrid type solar thermal temperature conversion device characterized in that the temperature of the solar absorption surface can be adjusted according to a change in air temperature by adjusting the saturated vapor pressure to a temperature lower than the outside air temperature .

A hybrid solar temperature converter comprising a solar heat collector, a compressor, a heat exchanger, and an evaporator provided in a closed system in which a working fluid circulates, wherein the solar heat collector has a solar cell on its outer surface. And the heated solar cell is cooled by passing the working fluid that has become vapor in the evaporator, and the steam heat exchanger is heated in the solar heat collector, Furthermore, a hybrid solar temperature converter using the heat of the working fluid compressed into the liquid by the compressor ,
The solar heat collector is provided with check valves at its inlet and outlet, respectively.
By providing a bypass pipe on the outlet side of the solar heat collector and changing the volume in the closed system by opening and closing the bypass pipe, the internal pressure in the solar heat collector delimited by the check valve is reduced. A hybrid type solar thermal temperature conversion device characterized in that the temperature of the solar absorption surface can be adjusted according to a change in air temperature by adjusting the saturated vapor pressure to a temperature lower than the outside air temperature .