JP4148325B1 - Solar cogeneration system - Google Patents
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Abstract
【課題】
太陽光発電は次世代のエネルギー供給源として期待の星である。しかしながら発電セルのエネルギー変換効率が15%前後である現在、何れの設置サイトに置いても必要な受光面積が大きくなり、設置スペースやエネルギー単価等の点に於いて石油、ガスを用いたエネルギー装置に比し実用的な不利は否めない。そこで電力と同時に温熱を獲得するコジェネレイション方式が有望であるがこれを製品として具体化する上で多くの課題がある。
【解決手段】
冬季の厳寒期に発電セルの上面から輻射と熱伝導により散逸される温熱ロスの低減策、発電セルで発生する温熱を収集する機構の簡素化と高性能化、さらには冬季の厳寒期でも確実に作動する凍結の無い構造と材料システムにつき技術策を提示し、太陽光を利用した電力と温熱のコジェネレイション装置の商品化の方向を提示した。
【選択図】 図3【Task】
Solar power generation is a promising star as a next-generation energy source. However, since the energy conversion efficiency of the power generation cell is around 15%, the required light receiving area becomes large at any installation site, and energy equipment using oil and gas in terms of installation space and energy unit price. Compared to the practical disadvantages. Therefore, a cogeneration method that acquires heat at the same time as electric power is promising, but there are many problems in realizing this as a product.
[Solution]
Measures to reduce thermal loss that is dissipated from the upper surface of the power generation cell due to radiation and heat conduction in the severe cold season in winter, simplification and high performance of the mechanism for collecting the heat generated in the power generation cell, and even in the severe cold season in winter The technical measures were proposed for the structure and material system without freezing, and the direction of commercialization of solar power generation and thermal cogeneration equipment was presented.
[Selection] Figure 3
Description
現在日本国内はもとより海外でも太陽光発電装置及び太陽熱温水器(太陽光集熱装置)が注目されてきており、石油資源の消費削減、地球温暖化防止、石油資源関連部材の価格高騰の抑制、その他の地球環境的要請乃至は社会的ニーズに合った装置システムとして伸張が期待されている。しかしながらその市場規模は何れも日本国内の家庭用としても年間10万台の販売規模に満たない。一方ガス・石油給湯装置が400万台規模であり家庭用エアコンが700万台規模であるものと比べ極めてニッチェであり、市場規模は未だ小さい。このためガス石油を消費しないその省エネルギー性、地球温暖化防止効果、都心のヒートアイランド削減などの優位性は充分な効果をあげていない。
本発明の技術が適用される技術分野は民生用特に家庭用、業務用、さらには工業用に使われる太陽光を利用したエネルギー供給システム装置に関する分野である。その装置は太陽光を受けて発電と温熱供給とを行う太陽光利用装置(以下太陽光コジェネレイション装置と呼ぶ)と、その太陽光発電セルを支持する背面基板をヒートシンクとして利用し、これにより集熱される太陽光温熱を冷却配管などに伝える方式を組み合わせたシステムである。これにより現在の単独機能の太陽光発電装置及び太陽熱温水器の市場分野を大きく拡大進展させることが期待される。
At present, solar power generators and solar water heaters (solar heat collectors) are attracting attention not only in Japan but also overseas, reducing consumption of petroleum resources, preventing global warming, suppressing the rise in prices of petroleum resource-related components, Expansion is expected as a device system that meets other global environmental requirements and social needs. However, the scale of the market is less than 100,000 units sold every year for home use in Japan. On the other hand, there are 4 million units of gas / oil hot water supply units and 7 million units of home air conditioners. For this reason, the advantages such as energy saving without gas oil consumption, the effect of preventing global warming, and the reduction of heat island in the city center have not been sufficiently effective.
The technical field to which the technology of the present invention is applied is a field relating to energy supply system devices using sunlight used for consumer use, particularly home use, business use, and industrial use. The device uses a solar power generation device (hereinafter referred to as a solar cogeneration device) that generates power and supplies heat by receiving sunlight, and a back substrate that supports the solar power generation cell as a heat sink. It is a system that combines a method for transmitting heated solar heat to a cooling pipe. As a result, it is expected that the market fields of the current single-function solar power generation apparatus and solar water heater will be greatly expanded.
単独機能の太陽光発電装置と太陽熱温水器の市場規模が伸びない理由はその装置への投資価格に対し出力効果が不十分であるためである。即ち初期投資を回収する期間(PBT)が7年〜30年と長期であり、家庭用太陽電池では投資の回収に30年もかかる場合があるためである。
さらに太陽光発電装置では広い受光面積が必要で、このため装置が大型化し設置可能な場所が限定されることもその大きな要因となっている。例えば家庭用の3KWの太陽光発電装置では通常30平方メーターの受光面積が必要であり、そのため設置スペース上の制約が大きいばかりでなく、実際の据付工事が極めて大変な作業を伴う事も価格アップ要因であり、且つ又普及拡大を妨げている要因である。
他方、太陽光温水器の場合は以上の課題は決定的では無いが、冬季には外気温度の低下に伴い出力温水の温度が40℃程度まで低下してしまい風呂などに利用するにはガス乃至は電気を利用しての追い炊き装置が必要となる。また、寒冷地に於いては水の凍結の問題がある。また、そのエネルギー出力が温水に限られており、消費者のその他多くの種類のエネルギー用途を賄えない点などが広く普及する事を妨げていると考えられる。
またエネルギー効率の点では、太陽光発電装置に照射される太陽光エネルギーが電力へ変換される変換効率(ECR)は実用化されている装置で14%程度であり、その他86%は利用できていない状況にあり、これが大面積の装置を必要とし、発電された電力コストが商用電力で得られるコストの2倍以上に達する主要な原因となっている。このため発電セル自体のECRの向上が期待されている。
The reason why the market size of single-function solar power generation devices and solar water heaters does not increase is that the output effect is insufficient for the investment price of the devices. That is, the period (PBT) for recovering the initial investment is as long as 7 to 30 years, and it may take 30 years for the investment to be recovered in a solar cell for home use.
Furthermore, the photovoltaic power generation apparatus requires a large light receiving area, which is why the apparatus is large and the places where it can be installed are limited. For example, a 3KW solar power generation system for home use usually requires a light receiving area of 30 square meters, which not only imposes great restrictions on installation space, but also increases the price of actual installation work that is extremely difficult. It is a factor and also a factor that prevents the spread of the spread.
On the other hand, in the case of a solar water heater, the above problems are not decisive. However, in winter, the temperature of the output hot water decreases to about 40 ° C. due to a decrease in the outside air temperature. Requires a cooking device using electricity. In cold regions, there is a problem of water freezing. Moreover, the energy output is limited to hot water, and it is considered that the point that it cannot cover many other types of energy usage by consumers is preventing the widespread use.
In terms of energy efficiency, the conversion efficiency (ECR) for converting the solar energy irradiated to the solar power generation device into electric power is about 14% in the device that has been put into practical use, and the other 86% is available. This is a major reason for the need for large-area devices, and that the generated power costs are more than double the costs obtained with commercial power. For this reason, improvement in ECR of the power generation cell itself is expected.
一方、数十年前から、同じ受光面で電力と温熱を得ることができる太陽光コジェネレイション装置の研究及び開発が検討されてきている。即ち発電セルの背面にヒートシンクとしての金属板を設置し、その金属板と一体化された配管に水や冷媒を通じて発電セルで生じた温熱を収集するものである。この方式によれば太陽光発電装置と太陽熱温水器を別々に設置したものに比べて全体の受光面積が小型化でき、コストダウンと同時に設置スペースの削減という二つの基本効果が達成でき、また装置の設置工事も簡略化できる。さらに発電セルを強制的に冷却する事により発電セルの温度を低下させることができ、発電セルの発電効果が改善されるという利点が生じる。また家庭や店舗で用いた場合に電力と給湯用温熱と暖房用温熱が同時に得られるという利点がある。しかしながら数十年来の技術研究を経た現在でもこの方式は具体的な商品の形で市場で実現されていない。 On the other hand, research and development of a solar cogeneration apparatus that can obtain electric power and heat on the same light receiving surface have been studied for several decades. That is, a metal plate as a heat sink is installed on the back surface of the power generation cell, and the heat generated in the power generation cell is collected through water or a refrigerant in a pipe integrated with the metal plate. According to this method, the overall light receiving area can be reduced compared to the solar power generator and solar water heater installed separately, and the two basic effects of cost reduction and installation space reduction can be achieved. The installation work can be simplified. Furthermore, by forcibly cooling the power generation cell, the temperature of the power generation cell can be lowered, and the power generation effect of the power generation cell is improved. In addition, when used in a home or store, there is an advantage that electric power, hot water heating temperature, and heating temperature can be obtained simultaneously. However, even after several decades of technical research, this method has not been realized in the market in the form of concrete products.
本発明が実現しようとしている技術はこの太陽光から電力と温熱の双方を同時に発生させる太陽光コジェネレイション装置を実用的な形で実現するための構造、材料、方式に関するものである。太陽光コジェネレイション装置の技術面の狙いは単位受光面積あたりのエネルギー変換効率(TCR:トータルコンバージョンレシオ)を単一機能である太陽光発電装置の電気エネルギー変換効率(ECR)や太陽光温水器の熱エネルギー変換効率(HCR)の値に比べて大幅に向上させる事にある。 The technology to be realized by the present invention relates to a structure, a material, and a system for realizing a solar cogeneration apparatus that generates both electric power and heat from sunlight simultaneously in a practical form. The technical aim of the solar cogeneration system is to convert the energy conversion efficiency (TCR: total conversion ratio) per unit light-receiving area into a single function of the electrical energy conversion efficiency (ECR) of the solar power generation system and the solar water heater. The purpose is to greatly improve the thermal energy conversion efficiency (HCR).
他方、太陽光発電装置の最近の研究開発は目覚しいものがある。シリコン結晶のセルを用いたものでも多結晶化、シリコン結晶の薄板化、結晶事体の発電特性向上や結晶表面の受光特性改善などの研究が進展している。またシリコンアモルファスをガラス面乃至はプラスチックフィルム面に形成したもの乃至はそれをシリコン結晶と積層させてECRを向上させたものも今後の期待である。このアモルファスを建材用窓ガラス上に形成してビルなどの窓材として用いて窓が発電するようにしたものも実用化されている。また銅やインヂュームなどシリコンと異なった材質をセル材料として用いてシリコンの使用量を削減させ、シリコン材料の代替として材料不足を回避するものも有望である。本発明の太陽光コジェネレイション装置に関わる技術はこれらの太陽光発電装置そのもの乃至はその改善品及びその技術を利用して太陽光コジェネレイション装置として仕上げるための技術分野に関するものである。 On the other hand, recent research and development of solar power generation devices is remarkable. Research is also progressing on the use of silicon crystal cells, such as polycrystallization, thinning of silicon crystals, improvement of power generation characteristics of crystal bodies and improvement of light reception characteristics of crystal surfaces. In the future, a silicon amorphous material formed on a glass surface or a plastic film surface or a material obtained by laminating it with a silicon crystal to improve the ECR is also expected. A material in which this amorphous is formed on a window glass for building materials and used as a window material for a building or the like so that the window generates electricity has been put into practical use. In addition, it is promising to use a material different from silicon, such as copper or indium, as a cell material to reduce the amount of silicon used and to avoid material shortage as an alternative to silicon material. The technology relating to the solar cogeneration apparatus of the present invention relates to a technical field for finishing the solar power generation apparatus itself or an improved product thereof and using the technique as a solar cogeneration apparatus.
以上の様な実用上もエネルギー効率上も効果が高いと想定される太陽光コジェネレイション装置が実用化されていない理由は多々あリ、太陽光発電モジュールと集熱装置としての機構の構成が未熟で高効率で耐久性があり実用性があるものが開発できていないためであるが、その主な技術的な要因は
1、冬季の様に外界が低温度の時に発電セルからの放熱、特に輻射放熱ロスが多く、さら に降雪による性能低下を含めて冬季にはTCRが著しく低下する。
2、冷却媒体に水を用いた通常の方式では冬季には凍結不良となるし、空気を媒体とした 場合、広い受光面積から集熱させるには総合的な熱効率収支が悪化してしまう。
3、集熱するために、モジュールは外界と断熱する構造となる。これにより変換効率TC Rを高くする方式をとることになるが、集熱装置が故障などで作動していない時はセル 及びセル周囲が100℃程度の高温度に晒され、耐久性の問題が生じやすい。
などが主な理由であり、現在も解決がされていない。
There are many reasons why solar cogeneration equipment, which is expected to be highly effective in practical use and energy efficiency, has not been put into practical use. The structure of the photovoltaic power generation module and the heat collecting device is immature. The reason for this is that a high-efficiency, durable and practical product has not been developed. The main technical factor is 1. Heat dissipation from the power generation cell when the external environment is low, such as in winter, There is a lot of radiation heat dissipation loss, and the TCR significantly decreases in winter, including performance degradation due to snowfall.
2. The normal method using water as the cooling medium will cause freezing failure in winter, and if air is used as the medium, the overall thermal efficiency balance will deteriorate to collect heat from a large light receiving area.
3. To collect heat, the module is insulated from the outside. As a result, the conversion efficiency TCR is increased. However, when the heat collector is not operating due to a failure or the like, the cell and the cell periphery are exposed to a high temperature of about 100 ° C. Prone to occur.
This is the main reason and has not been resolved.
こうした背景の中で、太陽光発電装置から同時に熱を得るための太陽光コジェネレイション装置の技術は多くの研究や開発がされて来ている。その中で特許文献1は集熱パネルの表面に太陽電池を設ける方式の太陽光コジェネレイション装置を用い、その発電電力でヒートポンプを作動させている。 Against this background, many researches and developments have been made on the technology of the solar cogeneration device for simultaneously obtaining heat from the solar power generation device. Among them, Patent Document 1 uses a solar cogeneration apparatus in which a solar cell is provided on the surface of a heat collecting panel, and operates a heat pump with the generated power.
特許文献2は太陽電池を表面に装着した熱交換器をヒートポンプ装置で冷却して電池セルの温度を下げて電池セルのエネルギー変換効率であるECRを向上させている。
特許文献3も太陽光集熱器における集熱を低温度で行いその収集熱を低温度蓄熱槽に蓄熱することにより太陽電池の温度を低温度に保ち発電効率を向上させたものである。
In Patent Document 2, a heat exchanger having a solar battery mounted on its surface is cooled by a heat pump device to lower the temperature of the battery cell, thereby improving ECR, which is the energy conversion efficiency of the battery cell.
Patent Document 3 also improves the power generation efficiency by keeping the temperature of the solar cell at a low temperature by collecting heat in the solar heat collector at a low temperature and storing the collected heat in a low-temperature heat storage tank.
特許文献4は太陽光発電セルの背面に集熱体を設けこの集熱体に冷却用集熱管を取り付ける構造方式に関する技術を提示している。特許文献5は太陽光発電セルの裏面の熱伝導板からヒートポンプの配管へと伝熱させる技術についての発明である。こうした方式の熱特性のシュミレーション分析を行った技術報告が非特許文献1に見られる。 Patent Document 4 proposes a technique related to a structural method in which a heat collecting body is provided on the back surface of a photovoltaic power generation cell and a cooling heat collecting tube is attached to the heat collecting body. Patent document 5 is invention about the technique of transferring heat from the heat conductive board of the back surface of a photovoltaic power generation cell to piping of a heat pump. Non-patent document 1 shows a technical report on the simulation analysis of the thermal characteristics of such a method.
特許文献6には別方式の太陽光コジェネレイション方式が提示されている。窓などのガラスにシースルー状態の太陽電池セルを設置し、そこを通過した太陽光をその奥に設けた熱媒配管を有する集熱板に照射させて温熱を得る方式の太陽光コジェネレイション装置である。
本発明で取り上げる太陽光コジェネレイション装置の最大の狙いはコンパクトでコスト効果の高いシステムであるから、電気エネルギー変換効率(ECR)の高い発電セルを用い。発電効率の高い装置に仕上げる事を最優先としている。このためECRの低いシースルー型発電セルは採用できない。対象とする方式は発電セルをヒートシンク基板上に設置して発電セルで発生する温熱を直接ヒートシンク基板へと伝熱させて集熱する構造の方式であり、特許文献6の方式は採用できない。
Patent Document 6 proposes another type of solar cogeneration method. A solar cogeneration system that installs a see-through solar cell on a glass such as a window and irradiates the sunlight that has passed through it onto a heat collecting plate with a heat-medium pipe installed behind it. is there.
Since the biggest aim of the solar cogeneration apparatus taken up in the present invention is a compact and cost-effective system, a power generation cell with high electrical energy conversion efficiency (ECR) is used. The top priority is to create a device with high power generation efficiency. For this reason, a see-through power generation cell with a low ECR cannot be adopted. The target method is a method of collecting power by installing a power generation cell on a heat sink substrate and transferring the heat generated in the power generation cell directly to the heat sink substrate, and the method of Patent Document 6 cannot be adopted.
太陽光コジェネレイション装置は太陽光発電装置と違い生じた温熱を放散させること無く集熱して熱を利用しようとするものであるから、装置の周囲は断熱構造を採用する。電池セルの上面は空気空間を断熱層とし、その上に上面ガラスを設ける。集熱用のヒートシンク平板の下面は断熱材乃至は真空パネルなどの断熱層を設ける。熱の収集は冷却配管内に収集用媒体を循環させる事により行い、集熱と同時に発電セルを冷却する。装置停止時にこの熱収集用媒体を循環させない時間帯は装置全体は太陽光の照射を受けて温度が上昇する。特許文献7にはこの場合に上述した空気空間を空気が循環して冷却を行うことが出来る様に換気口を設け、それを開閉する技術が提示されている。
特許文献8に見られるように太陽光熱発電装置のセル表面乃至は放熱面に光の波長選択吸収特性を付与する微細加工技術がある。
Since the solar cogeneration apparatus collects heat without dissipating the generated heat unlike the photovoltaic power generation apparatus and uses the heat, a heat insulating structure is adopted around the apparatus. The upper surface of the battery cell has an air space as a heat insulating layer, and an upper surface glass is provided thereon. A heat insulating layer such as a heat insulating material or a vacuum panel is provided on the lower surface of the heat sink flat plate for collecting heat. Heat is collected by circulating a collection medium in the cooling pipe, and the power generation cell is cooled simultaneously with the heat collection. During the time period when the heat collecting medium is not circulated when the apparatus is stopped, the entire apparatus is irradiated with sunlight and the temperature rises. Patent Document 7 proposes a technique for providing a ventilation port so that air can be circulated through the above-described air space and cooling it in this case, and opening and closing it.
As can be seen in Patent Document 8, there is a fine processing technique for imparting light wavelength selective absorption characteristics to the cell surface or the heat radiating surface of a solar thermal power generation apparatus.
以上に示した技術は太陽光コジェネレイション装置実現のための開発活動から出現したものと推定されるが、装置そのものは市場に商品の形で出現していない。この理由はいくつかあるが、最大のものは、商用電力エネルギー価格並みの価格効果のある方式乃至は装置が実現できていないためと考えられる。それは冬季の低い外界温度で効果的に作動でき、且つ設置する工事を実用的に行える方式と構成を持った装置が開発されていない事及びその結果として装置の構成が複雑でコストが実用的なレベルに収まっていない事が原因であると考えられる。技術面では熱放散が増加する事による熱回収効果不足、耐熱温度、熱歪吸収、部材の耐低温度特性が不十分、、などの問題の解決方法が明確になっていないと考えられる。このような実際に商品化する上で課題解決に必要な技術は以上に示した背景技術の中には見つけることができない。
以上の内容を検討課題としてまとめるとその重要なものは以下のように整理される。即ち太陽光コジェネレイション装置を家庭用や店舗用など、限られたスペースに設置する商品価値の高い商品として実用化する為に必要となる技術的な課題は以下のような項目が存在する。
(1)外界温度がゼロ℃以下で有効な総エネルギー変換効率(TCR)を確保する方式と 構成の明確化。
(2)外界温度がゼロ℃以下で安定して運転でき、凍結の心配の無い方式の確立。
(3)上記方式の太陽光コジェネレイション装置の実際の設置工事特性を実用的な容易な レベルに向上させる方式と構成の明確化。
Summarizing the above contents as considerations, the important ones are organized as follows. That is, there are the following technical problems that are necessary for putting the solar cogeneration apparatus into a commercial product with a high commercial value that is installed in a limited space such as a home or a store.
(1) Clarification of the system and configuration to ensure effective total energy conversion efficiency (TCR) when the external temperature is below 0 ℃.
(2) Establishment of a system that can be stably operated at an ambient temperature of 0 ° C or less and is free from the risk of freezing.
(3) Clarification of the method and configuration to improve the actual installation characteristics of the solar cogeneration system of the above method to a practical and easy level.
などである。特に(1)の課題に示したように、太陽光発電装置の様に広い面積を利用した装置を兼用して太陽光温熱をも収集させるコジェネレイション装置に於いては、この広い面積の集熱装置から外界への放熱を如何に低減させるかという事が最大の検討課題となる。 Etc. In particular, as shown in the problem (1), in the case of a cogeneration system that collects solar heat using a device that uses a large area, such as a solar power generation device, this large area of heat collection How to reduce the heat radiation from the device to the outside world is the biggest consideration.
以上が本発明が解決しようとしている具体的な技術課題である。その中で冬季の厳寒期に発電セルから低温の外界に輻射及び伝熱により放熱する熱ロスを如何に低減できるかが最大の課題である。 The above is a specific technical problem to be solved by the present invention. Among them, the biggest issue is how to reduce the heat loss that is radiated from the power generation cell to the low-temperature external environment by radiation and heat transfer in the severe cold season of winter.
前述した3項目の技術課題を全て解消する事が上記の商品システムの三つの目標課題を達成する近道である。したがって本明細書はこの3項目につき多くの解決手段を明示していく。民生用の太陽光発電装置乃至は太陽光コジェネレイション装置は通常は屋根の上など作動環境が厳しいところに設置される。しかも現在の太陽光発電装置では実用的に有効なエネルギー量を取得するためには大きな受光面積を必要とする。例えば家庭用では平均的な装置の全受光面積は25平方メートル以上であり、装置は10〜20枚程度のモジュールに分割され、夫々のモジュール内の発電セルで発電された電力を夫々のセルからモジュールそして全体の統合された送電回路にまとめて出力する。 Eliminating all the three technical issues mentioned above is a shortcut for achieving the three target issues of the product system. Therefore, the present specification clearly shows many solutions for these three items. Consumer-use solar power generation devices or solar cogeneration devices are usually installed in places with severe operating environments such as on the roof. In addition, the current photovoltaic power generation apparatus requires a large light receiving area in order to obtain a practically effective energy amount. For example, in the home use, the total light receiving area of an average device is 25 square meters or more, the device is divided into about 10 to 20 modules, and the power generated by the power generation cells in each module is converted into modules from each cell. Then, the output is collectively output to the entire integrated power transmission circuit.
トータルの取得エネルギーの総和を同一とするならば、その集光面積は太陽光コジェネレイション装置の場合、太陽光発電のみの装置に比べて約3分の1以下の面積規模でほぼ同等のエネルギー量が取得できる。それは太陽光発電では電気エネルギー変換効率(ECR)が全受光エネルギーの13〜5%であるのに対し太陽光コジェネレイション装置では本発明に記載した技術を取り込んだ装置を実現すれば発電電力と温熱出力を合わせてその3〜4倍に近いエネルギー出力が取得でき、その結果総合エネルギー取得効率(TCR)は50%以上にも達すると期待されるからである。 If the total sum of the total acquired energy is the same, the condensing area of the solar cogeneration system is almost equal to the amount of energy with an area scale of about one-third or less compared to the system with only solar power generation. Can be obtained. In solar power generation, the electrical energy conversion efficiency (ECR) is 13 to 5% of the total received energy, whereas in the solar cogeneration system, if the device incorporating the technology described in the present invention is realized, the generated power and heat This is because an energy output close to 3 to 4 times that of the output can be acquired, and as a result, the total energy acquisition efficiency (TCR) is expected to reach 50% or more.
本発明が対象としている装置の方式は発電セルを金属製のヒートシンク平板上に直接乃至は間接に密着させた状態で設置し、発電セルで発生する温熱を周囲に放熱させずにそのヒートシンク平板に伝熱させて集熱させる方式を前提としている。
従って家庭用コジェネレイション装置の場合、単独の太陽電池方式に比べて全受光面積は10〜15平方メートル程度に小型化しても実用的な効果を満たすことができるが、その場合でも従来の太陽熱温水器の受光面積が4〜6平方メートルであるのに較べ大面積である事は否めない。特に冬季で外界温度がゼロ℃以下になると放熱ロスが増えて出力温熱は40℃程度まで低下してしまう。この場合風呂用の温水を得るにはガス乃至は電気で追い炊きする必要が生じるし、潜熱蓄熱方式とのシステム化を考え他場合、50℃以上に蓄熱槽の潜熱蓄熱材の融解温度を設定する通常のシステムでは蓄熱不能に陥ってしまうことになる。
The method of the apparatus targeted by the present invention is to install a power generation cell in a state of being in direct or indirect contact with a metal heat sink plate, and to dissipate the heat generated in the power generation cell to the heat sink plate without dissipating it to the surroundings. It is premised on the method of collecting heat and collecting heat.
Therefore, in the case of a home cogeneration device, the total light receiving area can be reduced to about 10 to 15 square meters compared to a single solar cell system, but it can satisfy practical effects, but even in that case, the conventional solar water heater It is undeniable that the light receiving area is large compared to 4 to 6 square meters. In particular, in the winter season, when the external temperature falls below zero degrees Celsius, the heat dissipation loss increases and the output temperature decreases to about 40 degrees Celsius. In this case, in order to obtain hot water for bathing, it is necessary to reheat with gas or electricity, and in consideration of systematization with the latent heat storage method, the melting temperature of the latent heat storage material of the heat storage tank is set to 50 ° C or higher. In a normal system, it will be impossible to store heat.
一方、現在太陽光コジェネレイションの構成方式として検討されている方式の内、最近研究されている方式の一つである太陽光を光学的に集中させる方式は外気が低温度の時でもエネルギー取得の点では優れるが大規模な集光装置は家庭や店舗には適しないし、コストの面でも難しい。また発電セルをシースルーにして発電部分と集熱部分とを分離した構造の方式も技術面にはコジェネレイションに適す方式であるが、コストが高くなる事と合わせ、シースルーの発電セル自体の電気エネルギー変換効率(ECR)が低く、大面積の受光面が必要になる事からビルの窓ガラス面の利用などには適すが家庭用、店舗用には適さないと考えられる。 On the other hand, among the methods currently being studied as a configuration method for solar cogeneration, a method for optically concentrating sunlight, which is one of the recently studied methods, is capable of acquiring energy even when the outside air is at a low temperature. Although excellent in terms, a large-scale condensing device is not suitable for homes and stores and is difficult in terms of cost. In addition, the structure of the structure where the power generation cell is made see-through and the power generation part and the heat collection part are separated is also a method suitable for cogeneration in terms of technology. Since conversion efficiency (ECR) is low and a light-receiving surface having a large area is required, it is suitable for use on a window glass surface of a building, but not suitable for home use or store use.
前述の課題を打開するには太陽光コジェネレイション装置から散逸される熱ロスを低減させて55℃程度の実用的に有効な温度まで加熱できる様にするか、又は40℃程度の低温度で蓄熱して暖房などに利用するシステムとするか、またはヒートポンプ装置により追い炊き効果を持たせたシステムにするかなどの方策があり、実用的にはこれらの方策を組み合わせて最適なシステムを実現する事となる。そこでここでは、先ずはこれらの考え方の前提として装置からの放熱ロスを低減させ、且つゼロ℃以下の低温の外界温度条件でも有効に作動できる太陽光コジェネレイション装置とその温熱出力を取り出す方式に関して必要な課題解決策である各請求項に記載の技術について順次説明する。 To overcome the above-mentioned problems, heat loss dissipated from the solar cogeneration system can be reduced so that it can be heated to a practically effective temperature of about 55 ° C, or heat can be stored at a low temperature of about 40 ° C. There are measures such as whether the system is used for heating, etc., or a system that has a cooking effect with a heat pump device, and practically, an optimal system must be realized by combining these measures. It becomes. Therefore, here, as a premise of these ideas, first of all, it is necessary for a solar cogeneration device that can reduce heat dissipation loss from the device and that can operate effectively even at low ambient temperature conditions of zero degrees C or less, and a method for extracting its thermal output. The technology described in each claim, which is a simple solution to the problem, will be described sequentially.
「太陽光透過性の高いガラス板などを上面カバーとし、その下に空気層からなる上部断熱層、その下に発電セルと金属製のヒートシンク平板を積層したコジェネレイションコア、さらにその下に下部断熱層を順次接合させて全体を平板状に構成させ、前記上部断熱層内に、即ち前記上面カバー下面と前記発電セル上面の間の適宜位置に太陽光透過性の高い薄膜乃至は薄板からなる少なくとも一枚の平面状の遮蔽部材を設置して前記発電セルからの放熱ロスを低減させ、同時に前記ヒートシンク平板に接合された冷却配管に連通される冷却媒体を制御して前記発電セル乃至は前記ヒートシンク平板の温度を制御した事を特徴と
する太陽光コジェネレイション装置(以下「Aの記載」という。)」は、この様な全体構成の太陽光コジェネレイション装置における重要課題であるところのTCRの確保に貢献させる技術の発明である。発電セルに太陽光が入射されて発電するとともに温熱を発生させる。この温熱は上部断熱層を通して上面のガラス板に伝わり大気へと散逸される。システムの標準的な運転条件として発電セル温度を55℃に制御し、外界温度が0℃のときに、この散逸熱量は空気層の厚さが20mmの場合、太陽光の全照射エネルギー量である一平米面積辺り1KWの内の約8%と算定される。上記Aの記載の遮蔽部材を設置する事により空気層内の空気自然対流を少なくしてその散逸熱量を5%程度まで低減させる効果を期待している。
`` A cogeneration core with a glass plate with high sunlight transmission, etc. as the top cover, an upper thermal insulation layer below it, a power generation cell and a metal heat sink flat plate below it, and a lower thermal insulation below it The layers are joined together in order to form a flat plate as a whole, and at least in the upper heat insulating layer, that is, at an appropriate position between the lower surface of the upper surface cover and the upper surface of the power generation cell A single flat shielding member is installed to reduce heat loss from the power generation cell, and at the same time, a cooling medium connected to a cooling pipe joined to the heat sink plate is controlled to control the power generation cell or the heat sink. Characterized by controlling the temperature of the flat plate
The solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “Description of A”) ”is an invention of a technology that contributes to securing TCR, which is an important issue in the solar cogeneration apparatus having such an overall configuration. Sunlight enters the power generation cell to generate electricity and generate heat. This heat is transmitted to the glass plate on the upper surface through the upper heat insulating layer and dissipated to the atmosphere. As a standard operating condition of the system, when the power generation cell temperature is controlled to 55 ° C. and the external temperature is 0 ° C., this dissipated heat amount is the total irradiation energy amount of sunlight when the air layer thickness is 20 mm. It is calculated as about 8% of 1KW per square meter. By installing the shielding member described in A above, the effect of reducing the natural heat convection in the air layer and reducing the amount of dissipated heat to about 5% is expected.
この効果を充分に発揮させるには、先ず遮蔽部材が太陽光を充分透過させる特性を有する事が必要である。太陽光温水器などでは同様な効果を狙ってガラス板と受光面の間にこの様な遮蔽部材を設置する事がある。無色透明な薄膜である厚さ0.2mm程度の2フッ化エティレン製のシートが用いられる事が多い。この結果、発電セル温度は上昇するから
この温度を制御して利用側に便利な温度に調整する必要がある。風呂用の温水を得るならセル温度を55℃以上に上げて、ヒートシンク平板から冷却配管、冷却媒体を通して蓄熱装置には50℃程度の温熱を蓄熱する。暖房用でも床暖房ならばその温度は40℃〜50℃の範囲に制御するのが効果的な場合が多い。
In order to fully exhibit this effect, it is first necessary that the shielding member has a characteristic of sufficiently transmitting sunlight. In a solar water heater or the like, such a shielding member may be installed between the glass plate and the light receiving surface for the same effect. A sheet made of ethylene fluoride having a thickness of about 0.2 mm, which is a colorless and transparent thin film, is often used. As a result, since the power generation cell temperature rises, it is necessary to control this temperature and adjust it to a temperature convenient for the user side. To obtain hot water for bathing, the cell temperature is raised to 55 ° C. or higher, and the heat storage device stores heat of about 50 ° C. through the cooling pipe and the cooling medium. Even for heating, if it is floor heating, it is often effective to control the temperature within the range of 40 ° C to 50 ° C.
前述した散逸熱量を減少させる効果を狙った遮蔽部材は通常は薄膜状の樹脂フィルム乃至は樹脂平板を用いるから、それを支えて適正な位置に保持するために遮蔽部材を保持するための保持体が必要となる。この保持体はメッシュ乃至は細い枠体等で構成する。その場合に太陽光の発電セルへの照射を妨げる事が心配される。「上記Aの記載の太陽光コジェネレイション装置に於いて、前記上面カバーと前記発電セルの間に太陽光遮蔽面積率が1%以下の金属乃至は樹脂製のメッシュ乃至は枠体に支持させて平面状に設置させた事を特徴とした遮蔽部材とその遮蔽部材支持体(以下「Bの記載」という。)」はその遮蔽部材支持体を極めて細いメッシュ乃至は枠体で構成させ照射太陽光を反射させない様にする事が重要となる。照射を妨げる面積遮蔽率を1.0%以下にするには極めて細い例えば0.5mm以下の細径のメッシュか枠体を100mmピッチの升目で構成させる構造である。遮蔽率1.0%以下であれば散逸熱量の低減効果は有効であるが、実際には面積遮蔽率は0.5%以下を狙う事が望ましい。 Since the shielding member aiming at the effect of reducing the amount of heat dissipated as described above usually uses a thin resin film or resin flat plate, a holding body for holding the shielding member to support it and hold it in an appropriate position. Is required. This holding body is composed of a mesh or a thin frame. In that case, there is a concern that the irradiation of solar power generation cells may be hindered. “In the solar cogeneration apparatus according to A above, a metal or resin mesh or frame having a sunlight shielding area ratio of 1% or less is supported between the upper surface cover and the power generation cell. The shielding member and its shielding member support (hereinafter referred to as “B”), which is characterized by being installed in a flat shape, is composed of a very thin mesh or frame body and irradiated sunlight. It is important not to reflect the light. In order to reduce the area shielding rate that hinders irradiation to 1.0% or less, it is a structure in which a very fine mesh or frame having a diameter of 0.5 mm or less, for example, is formed with 100 mm pitch grids. If the shielding rate is 1.0% or less, the effect of reducing the amount of dissipated heat is effective, but it is actually desirable to aim for an area shielding rate of 0.5% or less.
前記照射部材は空気の対流を阻害して発電セル表面から外界への伝熱ロスを減らすことを目的としている。さらにこの遮蔽部材に光選択反射特性を持たせる事により、発電セル表面から外界への輻射放熱を低減させる効果を持たせることにより大きな熱ロスの低減が図れる。太陽光光線の波長スペクトルは1.5ミクロンメーター以下の波長に分布している。一方55℃程度に制御される発電セルからの輻射スペクトルは2ミクロンメーター以上の長波長領域にある。そこで遮蔽部材を樹脂薄膜で極めて薄膜の異種樹脂層を組み合わせて組成させた薄膜により2ミクロンメーターより長波長の輻射光線を反射させることによりその目的は達成される。「遮蔽部材は、太陽光を透過させ同時に発電セル表面からの輻射光を反射させる目的のために、太陽光の持つ0.3〜1.5ミクロンメーターの範囲の短かい波長域において高い光透過特性を持ち、一方55℃付近の温度の黒体からの輻射光の持つ2ミクロンメーター以上の長い波長域において光反射特性を有する選択反射特性を持った事を特徴とした、上記Aの記載の太陽光コジェネレイション装置(以下「Cの記載」という。)」はこの選択反射特性を持った部材を遮蔽部材として用いる事を提示している。 The irradiation member is intended to reduce heat transfer loss from the power generation cell surface to the outside world by inhibiting air convection. Further, by providing the shielding member with a light selective reflection characteristic, it is possible to reduce a large heat loss by giving an effect of reducing radiation heat radiation from the surface of the power generation cell to the outside. The wavelength spectrum of sunlight is distributed at a wavelength of 1.5 microns or less. On the other hand, the radiation spectrum from the power generation cell controlled at about 55 ° C. is in the long wavelength region of 2 μm or more. Therefore, the object is achieved by reflecting radiation light having a wavelength longer than 2 micrometers by a thin film composed of a resin thin film and a combination of extremely thin different resin layers. “The shielding member has high light transmission in the short wavelength range of 0.3 to 1.5 μm, which sunlight has for the purpose of transmitting sunlight and reflecting radiation from the power cell surface at the same time. As described above in A, characterized in that it has a selective reflection characteristic having a light reflection characteristic in a long wavelength region of 2 microns or more possessed by a radiant light from a black body having a temperature around 55 ° C. The solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “C”) proposes to use a member having this selective reflection characteristic as a shielding member.
従来遮蔽部材として透明で太陽光透過性が高く、太陽光による劣化の少ない材質として2フッ化エティレン薄膜を用いる事が推奨されている。上記の様な選択反射特性を持たせた薄膜の候補としてもエティレン系樹脂の多層組み合わせが有力である。例えばエチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)乃至はエチレンメチルメタクリレート共重合樹脂(EMMA)などである。 Conventionally, it has been recommended to use an ethylene difluoride thin film as a material which is transparent as a shielding member and has high sunlight permeability and is less deteriorated by sunlight. As a thin film candidate having the selective reflection characteristics as described above, a multilayer combination of ethylene-based resins is promising. For example, ethylene vinyl acetate copolymer resin (EVA) or ethylene methyl methacrylate copolymer resin (EMMA).
同じ効果を上面のガラス板に持たせる事も有力な候補技術である。ガラス平板の表面に透明な金属膜を蒸着乃至はスパッタリングにより薄く皮膜化させることにより波長選択的な反射特性を得る事ができることはすでに実用化されて久しい。ITO皮膜や酸化錫皮膜を適正な薄膜状に被膜化させるものである。本発明に於いては従来の皮膜の仕様とは大きく異なり、その選択効果特性として2ミクロンメーター以上の波長の輻射光を反射させる効果を得るものであり、選択波長領域が長い波長なので薄膜の特性上から従来実用化されているものに対して若干厚肉の皮膜となる。「太陽光透過性の高いガラス板を上面カバーとし 、その下に空気層からなる上部断熱層、発電セルと金属製のヒートシンク基板を積層したコジェネレイションコア、さらにその下に下部断熱層を順次接合させて平板状に構成させた太陽光モジュールに於いて、太陽光を透過させ同時に発電セル表面からの輻射光を反射させる目的のために、太陽光の持つ0.3〜1.5ミクロンメーターの範囲の短い波長域において高い光透過特性を持ち一方55℃付近の温度の黒体からの輻射光の持つ2ミクロンメーター以上の長い波長域の光に対し光反射特性を有する選択反射特性を持たせる為に、前記ガラス板の下面に透明の薄膜を被膜させた事を特徴とした太陽光コジェネレイション装置(以下「Dの記載」という。)」ではこの光選択特性を有するガラス板を利用した太陽光コジェネレイション装置についての技術を提示している。 Giving the same effect to the glass plate on the top surface is another promising candidate technology. It has been long before it has been put into practical use that a wavelength-selective reflection characteristic can be obtained by depositing a transparent metal film on the surface of a glass flat plate by vapor deposition or sputtering. An ITO film or a tin oxide film is formed into an appropriate thin film. In the present invention, the specification of the thin film is greatly different from that of the conventional film, and as a selective effect characteristic, an effect of reflecting radiation light having a wavelength of 2 μm or more is obtained. From the top, the film is slightly thicker than that which has been put to practical use. “A glass plate with high sunlight permeability is used as the top cover, an upper heat insulation layer consisting of an air layer underneath, a cogeneration core with a power generation cell and a metal heat sink substrate laminated, and a lower heat insulation layer underneath are sequentially joined. In the solar module configured in a flat plate shape, for the purpose of transmitting sunlight and reflecting radiation light from the surface of the power generation cell at the same time, the solar module has a 0.3 to 1.5 micron meter. High light transmission characteristics in a short wavelength range, while providing selective reflection characteristics having light reflection characteristics for light in a long wavelength range of 2 microns or more possessed by radiation from a black body having a temperature around 55 ° C. Therefore, the solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “D”) having a transparent thin film coated on the lower surface of the glass plate has this light selective property . The technology about the solar cogeneration system using the glass plate is presented.
太陽光発電装置の発電セルの表面から反射乃至は輻射される輻射光を反射させることにより発電セルへの照射光を増加させ、その結果発電量を増加させる効果を狙った技術を「太陽光透過性の高いガラス板などを上面カバーとし、その下に空気層、更にその下に発電セルを設けて全体を平板状に構成させ、且つ前記発電セルを部分的に取り除いた太陽光モジュールに於いて、前記空気層内に、即ち前記上面カバー下面と前記発電セル上面の間に、発電セルを取り除いた部分に照射する太陽光を発電セル上面へと反射させるための光反射板を設置した事を特徴とする太陽光発電装置(以下「Eの記載」という。)」に提示した。太陽光反射板を温水器モジュールの上端部に取り付けた太陽熱温水器は多くの家庭の屋根などで見受ける事ができる。この方法は同一のモジュール面積でもより大きなモジュール面積の太陽熱温水器と同等の効果を期待したものである。太陽光発電でも同様な効果を産むことが期待される。しかしながらモジュールの上部のガラス板外にこのような反射板を取り付けた場合、多くのモジュールを並べて構成する太陽光発電装置のシステムではその反射板の日陰に隣の発電モジュールを取り付けてしまう問題がある。この場合隣のモジュールはその日陰になる面積だけ隙間を空けて設置しなければならなくなる。 The technology aiming at the effect of increasing the amount of power generated by reflecting the radiant light reflected or radiated from the surface of the power generation cell of the solar power generation device and, as a result, increasing the amount of power generation is “Sunlight transmission” In a solar module in which a high-performance glass plate or the like is used as an upper surface cover, an air layer is provided below it, and a power generation cell is further provided therebelow to form a flat plate as a whole, and the power generation cell is partially removed. In addition, a light reflecting plate is installed in the air layer, that is, between the lower surface of the upper surface cover and the upper surface of the power generation cell, to reflect the sunlight irradiated to the portion where the power generation cell is removed to the upper surface of the power generation cell. It was presented in the featured photovoltaic power generation apparatus (hereinafter referred to as “description of E”) . A solar water heater with a solar reflector attached to the upper end of the water heater module can be found on the roof of many homes. This method is expected to have the same effect as a solar water heater having a larger module area even with the same module area. Solar power generation is expected to produce the same effect. However, when such a reflector is attached to the outside of the glass plate at the top of the module, there is a problem in that the adjacent power generation module is attached to the shade of the reflector in the system of the solar power generation apparatus configured by arranging many modules side by side. . In this case, the adjacent module must be installed with a gap in the shaded area.
上記Eの記載に提示した技術は太陽光発電装置に於いて、カバーガラスと発電セルの間に空気層の空間を設け、さらに発電セルを分離して隙間を空けて設置し、その隙間に照射される太陽光を発電セルに反射させる光反射板を設けたものである。この効果は発電セルをモジュールの全面に渡って隙間無く設置する通常の発電セルに対し発電セルの使用量を削減し、全体のコストを低減させる効果を有している。この反射板の高さ方向の寸法を収めるためにカバーガラスと発電セルの間に空間を設けるためモジュールの厚さが増してしまうという欠点があるため、その寸法は慎重に最適値を検討しなければならない。 The technology presented in E above is a solar power generation device in which an air space is provided between the cover glass and the power generation cell, and the power generation cell is separated and installed with a gap between them, and the gap is irradiated. A light reflection plate is provided for reflecting the generated sunlight to the power generation cell. This effect has the effect of reducing the amount of power generation cells used compared to a normal power generation cell in which the power generation cells are installed over the entire surface of the module without any gaps, thereby reducing the overall cost. Since there is a drawback that the thickness of the module increases because a space is provided between the cover glass and the power generation cell to accommodate the height dimension of this reflector, the optimum value must be carefully examined for the dimension. I must.
太陽光コジェネレイション装置の場合はその効果はより顕著である。発電セルの表面からの輻射による熱の放散を軽減させる効果があるからである。この方式を請求項2に提示した。太陽光モジュールの上部断熱層内に反射板を設けることにより集中的に小面積の発電セルを照射してその温度を高める事ができるわけである。また発電セル表面積が減少している分だけそこからの外界への輻射量は減少し、熱の放散ロスが減少できる。物体からの輻射量は表面状態とその温度が同じならその面積に比例するからである。 In the case of a solar cogeneration apparatus, the effect is more remarkable. This is because there is an effect of reducing heat dissipation due to radiation from the surface of the power generation cell. This scheme is presented in claim 2 . By providing a reflector in the upper heat insulating layer of the solar module, the temperature can be increased by irradiating a small-sized power generation cell intensively. Moreover, the amount of radiation to the outside from the power generation cell surface area is reduced, and heat dissipation loss can be reduced. This is because the amount of radiation from an object is proportional to the area if the surface state and temperature are the same.
光反射板は「断面形状が略三角形で発電セル表面乃至は該発電セルと連なる平面に該三角形の一辺が接する乃至は相対する様に、且つ他の二辺は上面カバーの方向へと立ち上げた様に配置させ、入射した太陽光を効率よく発電セル表面に向けて反射させるために表面を金属メッキなどによって鏡の様な高い光反射特性を持たせた事を特徴とした請求項2、「Eの記載」の何れか一項に記載の装置に用いた光反射板(以下「Fの記載」という)」と「上記Fの記載に記載した前記光反射板を用いた事を特徴とする請求項2乃至は「Eの記載」の太陽光発電装置乃至は太陽光コジェネレイション装置(以下「Gの記載」という。)」に示した様に断面形状を大略三角形の長い棒状とし、その三角形の一辺を、発電セルが帯状に約50%縮小された平面に接して設置し、太陽光を全て発電セルに向けて反射させて「発電セルを帯状に取り除き、該取り除いた部分にその底辺位置が一致する様に上記Fの記載の前記光反射板を設置し、発電セル部分へと太陽光を反射させる事を特徴とした請求項2ないしは上記Eの記載に記載の太陽光発電装置乃至は太陽光コジェネレイション装置(以下「Hの記載」という。)」に示した帯状(縞状に約50%の面積を持つ)に設置された発電セルに照射させる構成が実用的である。
この場合発電セルの単位表面積(1平米)あたり1KWの太陽光照射エネルギーの全てを0.5平米の発電セルに照射させることができる。発電セルの温度はヒートシンクの冷却を制御して例えば55℃という発電セル縮小前に較べ同じ温度に保つ。この結果半分の発電セル面積で同等の発電量を得る事が可能である。と同時に発電セルからの輻射による放射エネルギーロスが200W(一平米当たり)程度減少させる事ができ、その結果ヒートシンク側に得られる出力温熱は350W程度を期待できる事となる。
The light reflector is “a cross-sectional shape is substantially triangular, and the power generation cell surface or a plane connected to the power generation cell is in contact with or opposite to one side of the triangle, and the other two sides are raised toward the top cover. The surface is provided with a high light reflection characteristic like a mirror by metal plating or the like in order to efficiently reflect the incident sunlight toward the power generation cell surface. The light reflecting plate used in the apparatus according to any one of “Description of E” (hereinafter referred to as “Description of F”) and “The light reflecting plate described in F above” are used. A solar power generation apparatus or solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “G description”) according to claim 2 or “description E” has a long triangular cross-section, and the triangle On one side, the power generation cell was reduced to about 50% in a band shape Installed in contact with the surface and reflected all the sunlight toward the power generation cell, "removing the power generation cell in a strip shape, the light reflecting plate described in F above so that the position of the bottom of the cell matches the removed portion. The solar power generation device or solar cogeneration device according to claim 2 or claim E (hereinafter referred to as “Description of H”), wherein the solar power generation device is installed and reflects sunlight toward the power generation cell portion. It is practical to irradiate a power generation cell installed in a band shape (having an area of about 50% in a stripe shape) shown in FIG.
In this case, it is possible to irradiate the power generation cell of 0.5 sqm with all of the solar irradiation energy of 1 kW per unit surface area (1 m2) of the power generation cell. The temperature of the power generation cell is controlled at the same temperature as before the reduction of the power generation cell, for example, 55 ° C. by controlling the cooling of the heat sink. As a result, it is possible to obtain the same amount of power generation with half the power generation cell area. At the same time, the radiant energy loss due to radiation from the power generation cell can be reduced by about 200 W (per square meter), and as a result, the output heat obtained on the heat sink side can be expected to be about 350 W.
この場合、より具体的に説明すれば、後述する実施例にも有るように1.0メーター四方のモジュールで屋根に設置した時の屋根の傾斜に対し水平状に帯状の多数の発電セルを配置する(幅20mm長さ1mの発電セルが25本、セル間の幅も20mm)。反射板の底面の幅はこのセル間の幅に合わせて20mmとしその高さは上部ガラス板と発電セルの間の空間の隙間高さ40mmより若干小さな寸法とする。断面三角形の光反射板の両反射面で太陽光を反射して幅20mmの発電セルに照射させる。 In this case, more specifically, a number of strip-shaped power generation cells are arranged horizontally with respect to the inclination of the roof when the module is installed on the roof with a 1.0 meter square module as will be described later. (25 power generation cells with a width of 20 mm and a length of 1 m, and the width between the cells is also 20 mm). The width of the bottom surface of the reflection plate is set to 20 mm in accordance with the width between the cells, and the height is slightly smaller than the gap height of 40 mm between the upper glass plate and the power generation cell. Sunlight is reflected by both reflecting surfaces of the light reflecting plate having a triangular cross section and irradiated to a power generation cell having a width of 20 mm.
発電セルは隙間無く全面に渡って設置した場合には請求項1に記載した反射板が有効である。これは上記Fの記載した反射板を発電セル面から一定寸法だけ浮かせて設置したものであり、具体的には上記の寸法の反射板では8〜13mm程度浮かせるのが有効である。入射する太陽光は反射板の2面で反射されその一部は反射板の底面の一辺に対抗する陰となる発電セル面へと照射される。結果的には全発電セル面の全面に渡って平均的に照射され、発電セルで発電と発熱を行う。一方55℃程度に制御された発電セルの表面からそれに見合った熱線が輻射される。その約50%程度は反射板の鏡面状の下面により反射され再び発電セルへと照射される。 When the power generation cell is installed over the entire surface without a gap, the reflector according to claim 1 is effective. In this case, the reflector described in F above is installed with a certain dimension floating from the surface of the power generation cell. Specifically, it is effective to lift the reflector of the above dimensions by about 8 to 13 mm. Incident sunlight is reflected by the two surfaces of the reflector, and a part of the sunlight is irradiated to the power generation cell surface which is a shadow against one side of the bottom surface of the reflector. As a result, the entire surface of the power generation cell is irradiated on average, and the power generation cell generates power and generates heat. On the other hand, heat rays corresponding to the surface of the power generation cell controlled to about 55 ° C. are radiated. About 50% of the light is reflected by the mirror-like lower surface of the reflecting plate and irradiated again to the power generation cell.
この結果、発電セルから外界への輻射とそれによる放熱ロスが低減され、逆に発電セルの発電量は僅かだが増加させる事ができる。それ以上に放熱ロスの低減効果が大きく、それにより全体のエネルギー変換効率としてのTCRを増加させる事が出来る。これは外界の温度がゼロ℃以下に下がり、輻射放熱ロスが増加する冬季にその効果は著しい。この効果は前述した通りヒートシンクの無い太陽光発電装置に於いても有効であるがその効果量は発電セルの発電特性によって変化する。即ち波長の長い遠赤外輻射に対しても発電効果の高い発電セルではその効果は大きく現れる。 As a result, radiation from the power generation cell to the outside and heat dissipation loss caused thereby are reduced, and conversely, the power generation amount of the power generation cell can be slightly increased. In addition, the effect of reducing the heat dissipation loss is great, whereby the TCR as the overall energy conversion efficiency can be increased. This effect is remarkable in winter when the external temperature drops below zero degrees Celsius and radiation heat dissipation loss increases. This effect is effective even in a solar power generation apparatus without a heat sink as described above, but the effect amount varies depending on the power generation characteristics of the power generation cell. In other words, the effect of a power generation cell having a high power generation effect even for far-infrared radiation having a long wavelength is significant.
光反射板がこのような例えば断面三角形の立方体ではなく平板状のものでも同様な効果を持たせる事が可能であり請求項3に提示した。この反射板の事例として実施例に示した様にその表面を小さな階段状にしてカバーガラスからの太陽光は発電セル側に反射させ、発電セル側からの輻射光は発電セル側に反射させる効果を持たせたものである。例えば、小さな三角形を上下に幾つか重ね合わせて階段状にしたものでその外表面は発電セル側は発電セル面に向かい合うように反射板の中央線に対し直角に、カバーガラス側は反射板の中央線に対し若干の傾斜を持たせた並行となる形状にしたものが考えられる。この平板状光反射板の両面ともにこのような形状になっている。その平板状光反射板の断面形状は全体としては平板であるが微細にみれば上トンガリ形状の三角形を重ねた構成であり。ガラス板側からの光は発電セル方向に反射させ、発電セルからの光は夫々の三角形の下面で発電セル側に反射される訳である。 Light reflector presented in this example are possible to have same effects those plate-shaped rather than a cube of triangular section Claim 3. As an example of this reflector, as shown in the embodiment, the surface is made into a small step shape, the sunlight from the cover glass is reflected to the power generation cell side, and the radiation light from the power generation cell side is reflected to the power generation cell side It is something that has For example, several small triangles are stacked on top and bottom to form a staircase. Its outer surface is perpendicular to the center line of the reflector so that the power generation cell side faces the power generation cell surface, and the cover glass side is the reflection plate. A parallel shape with a slight inclination with respect to the center line can be considered. Both surfaces of the flat light reflection plate have such a shape. The cross-sectional shape of the flat light reflection plate is a flat plate as a whole, but if viewed finely, it has a configuration in which upper triangular shapes are stacked. The light from the glass plate side is reflected in the direction of the power generation cell, and the light from the power generation cell is reflected to the power generation cell side by the lower surface of each triangle.
この場合、反射板表面にこのような微細な形状を形成したものや、同表面に薄膜状に樹脂を被覆させ、太陽光スペクトルは反射させ、遠赤外スペクトルは反射させない、即ち吸収する事により温熱に代えるなどの効果を持たせたものも有効である。後者のものでは輻射光を外界へ放射させないからモジュールからの輻射ロスを軽減させ、同時に反射板を加熱して温度上昇させ、その結果発電セルからの伝熱量を低減させ熱ロスを低減させる効果に繋がるわけである。このとき、さらに上記Aの記載、Cの記載、Bの記載に記載した遮蔽部材との併用がその効果を増加させる。 In this case, by forming such a fine shape on the reflecting plate surface, or coating the surface with a resin in a thin film shape, reflecting the sunlight spectrum, not reflecting the far infrared spectrum, that is, by absorbing it. It is also effective to have an effect such as replacing heat. The latter does not emit radiation light to the outside world, reducing the radiation loss from the module, and at the same time heating the reflector to raise the temperature, resulting in the effect of reducing the heat transfer from the power generation cell and reducing the heat loss. It is connected. At this time, the combined use with the shielding member described in the description of A, the description of C, and the description of B further increases the effect.
前述した光反射板は太陽光モジュールの受光面全体に渡って適正な位置に適正な角度で配設する必要がある。「本体材料としてプラスチックなど熱伝導性の小さな材料を用いて多数の反射板を一体に構成乃至は成型し、該反射板の表面を金属メッキした薄い金属皮膜などにより鏡面状にした事を特徴とした請求項1に記載された太陽光コジェネレイション装置に使用される光反射板乃至は請求項3、上記Fの記載の何れか一項に記載の光反射板(以下「Iの記載」という。)」はこれを実現するために一体成型の樹脂でつくったもので、一体の構成であるとともに、発泡材としてその熱容量を小さくし且つ熱絶縁特性を高めたものである。その表面は美麗な平坦面でクロムメッキなどにより鏡面状にしたものが有効である。光反射板と発電セルの相対位置はその効果を発揮させる上で極めて重要であるから、発電セル、カバーガラス、遮蔽部材などと精度良く組み合わされて、相対位置設定が安定して確保できるように樹脂成型した光反射板及びその外周部の形状を工夫し、活用する事が実際的である。 The light reflecting plate described above needs to be disposed at an appropriate position and at an appropriate angle over the entire light receiving surface of the solar module. “The main body material is made of a material with a small thermal conductivity, such as plastic, and a large number of reflectors are integrally formed or molded, and the surface of the reflector is mirror-like with a thin metal film plated with metal. The light reflecting plate used in the solar cogeneration apparatus according to claim 1 or the light reflecting plate according to any one of claims 3 and F (hereinafter referred to as “description of I”). “)” Is made of an integrally molded resin to realize this, and has an integral structure, and has a reduced heat capacity and improved thermal insulation characteristics as a foamed material. It is effective to use a beautiful flat surface with a mirror surface such as chromium plating. Since the relative position of the light reflector and the power generation cell is extremely important for exerting its effect, the relative position setting can be secured stably by combining with the power generation cell, cover glass, shielding member, etc. with high accuracy. It is practical to devise and utilize the resin-reflected light reflector and the shape of its outer periphery.
以上が発電セル上面からカバーガラスを通して外界に散逸する輻射及び熱エネルギーを低減させる上で有効な技術について説明してきた。
さらにここでは発電セルで生じた熱を効率よく取り出して集熱して利用するための技術について述べて行く。
発電セルの構造は種々なものがあるが、何れにしても発電セルは金属製の基板の上に接合されて形成され、その基板を通じて熱を取り出す。発電セルにおいて発熱した熱はその上面と下面などから外界に放散される。夏の様に外界温度が35℃程度になると発電セルの温度は80℃近くまで温度上昇してセルの発電効率は低下する。また冬の様に外界温度がゼロ℃以下に下がると発電セルの温度は40℃以下になりその発電効率は高くなる。従って太陽光発電装置の構造は放熱冷却を優先させた設計が取られる。
The above has described a technique that is effective in reducing radiation and thermal energy that are dissipated from the upper surface of the power generation cell to the outside through the cover glass.
Furthermore, here, a technique for efficiently extracting and collecting the heat generated in the power generation cell will be described.
There are various structures of the power generation cell. In any case, the power generation cell is formed on a metal substrate, and heat is extracted through the substrate. The heat generated in the power generation cell is dissipated to the outside from its upper and lower surfaces. When the external temperature reaches about 35 ° C. as in summer, the temperature of the power generation cell rises to near 80 ° C., and the power generation efficiency of the cell decreases. Further, when the external temperature falls below zero ° C. as in winter, the temperature of the power generation cell becomes 40 ° C. or less, and the power generation efficiency increases. Accordingly, the structure of the solar power generation apparatus is designed with priority given to cooling by heat radiation.
太陽光コジェネレイションの場合は、太陽光モジュールから外界への熱放散を出来る限り低減させて太陽熱を確保し、それを強制的に収集して利用するもので、その構造は断熱と輻射低減を優先させた設計が図られる。同時にその熱を有効に取り出しかつその取り出した熱の温度をその熱を利用する側で利用し易い温度に制御する。装置からの放熱ロスを少なくするには発電セルの温度を低くする事が有効であり、その熱を利用する観点からはその熱出力温度を高くする事が望ましい訳である。 In the case of solar cogeneration, solar heat is secured by reducing the heat dissipation from the solar module to the outside as much as possible, and it is forcibly collected and used. Its structure prioritizes heat insulation and radiation reduction. The designed design is achieved. At the same time, the heat is effectively extracted, and the temperature of the extracted heat is controlled to a temperature that is easy to use on the side of using the heat. In order to reduce heat dissipation loss from the apparatus, it is effective to lower the temperature of the power generation cell. From the viewpoint of using the heat, it is desirable to increase the heat output temperature.
この相反する必要性を満たすには発電セルからその熱をできるだけ温度降下させないで取り出す事が有効である。これを実現するには発電セルを銅板やアルミ板などの熱伝導性に優れた金属平板上に設置しその金属平板の中乃至は背面に冷却水を通じて冷却する方法が考えられる。従来この方法により多くの企業、研究所などが具体化を検討してきている。
しかしながら、この方法では冬季の水の凍結に備えて不凍液を使用するため性能は低下する、さらには沢山のモジュールを屋根上等に設置した後に冷却水の循環する冷却管を結合する必要があり、作業の増加、水漏れの品質問題などがあり実現性に劣る。これを回避するために考えられる他の方式として空気で冷却する方式が使われているが、これではモジュールは大型化し、空気循環に必要な動力が大きくなり、且つ最終的な熱利用のために一端空気に伝えた熱を再度循環液媒体に伝えなおす必要がある。全体的にはコスト、性能面で実用性は無いと言える。そこで冷媒により熱を処理する方法である。しかしながら循環冷媒を発電セルの基板であるヒートシンク平板の背面に管路を設けて循環させる方式はコスト、施行性、接続部のリーク品質などの心配があり得策ではない。ここで推奨する技術は「太陽光透過性の高いガラス板などを上面カバーとし、その下に空気層からなる上部断熱層、その下に発電セルと金属製のヒートシンク平板を積層したコジェネレイションコア、さらにその下に下部断熱層を順次接合させて全体を平板状に構成させた太陽光モジュールに於いて、前記金属製のヒートシンク平板としてアルミニウムロールボンド製で内部に管路を持つ合わせ平板、乃至はアルミニウム押し出し成型による多穴管の管路付き平板、乃至は背面にヒートパイプ用管路を伝熱関係に取り付けたアルミニウム製乃至は銅製の平板を用い、前記管路内に水乃至はHFC乃至はHC乃至はCO2のガス及び液を封入し、該管路の軸方向を前記太陽光モジュールを設置する時に傾斜させる方向に合わせて設置させ、該ヒートパイプとヒートシンク平板の一部である熱出力部分で強制冷却させる事により、前記発電セルで生じた太陽熱を該熱出力部分において収集させた事を特徴とした太陽光コジェネレイション装置(以下「Jの記載」という。)」に提示した様にヒートシンク平板を薄い銅板乃至はアルミ板で構成してその背面にヒートパイプを設ける方法である。
In order to satisfy this conflicting need, it is effective to extract the heat from the power generation cell with as little temperature drop as possible. In order to realize this, a method is conceivable in which the power generation cell is installed on a metal plate having excellent thermal conductivity, such as a copper plate or an aluminum plate, and cooled through cooling water on or inside the metal plate. In the past, many companies, research institutes, etc. have been studying the implementation of this method.
However, in this method, since the antifreeze is used in preparation for freezing of water in winter, the performance deteriorates, and it is necessary to connect cooling pipes for circulating cooling water after installing many modules on the roof etc. It is inferior in feasibility due to increased work and quality problems of water leakage. Another method that can be considered to avoid this is to use air cooling, but this increases the size of the module, increases the power required for air circulation, and ultimately uses the heat. It is necessary to transfer the heat transferred to the air to the circulating fluid medium again. Overall, it can be said that there is no practicality in terms of cost and performance. Therefore, it is a method of treating heat with a refrigerant. However, a method of circulating a circulating refrigerant by providing a pipe line on the back surface of a heat sink plate that is a substrate of a power generation cell is not a possible measure because of concerns about cost, effectiveness, and leak quality of the connection portion. The technology recommended here is `` a cogeneration core in which a glass plate with high sunlight permeability is used as the top cover, an upper heat insulating layer consisting of an air layer underneath, a power generation cell and a metal heat sink flat plate underneath, In addition, in the solar module in which the lower heat insulating layer is sequentially joined below and the whole is formed in a flat plate shape, the metal heat sink flat plate made of aluminum roll bond and having a pipe line inside, or A flat plate with a multi-hole pipe formed by aluminum extrusion molding, or a flat plate made of aluminum or copper with a heat pipe line attached to the back side in a heat transfer relationship, and water or HFC or HC or CO2 gas and liquid are sealed, and the axial direction of the pipe line is set so as to be inclined when the solar module is installed. A solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “J”) is characterized in that solar heat generated in the power generation cell is collected in the heat output portion by forced cooling in the heat output portion which is a part of the top pipe and the heat sink plate. As described in “Description”)) , the heat sink flat plate is formed of a thin copper plate or an aluminum plate, and a heat pipe is provided on the back surface thereof.
そして、ヒートシンク平板の端部に置いて冷却配管を密着させて固定した構造である。
発電セルの温熱はヒートシンクに伝熱され、ヒートパイプに伝わりその中の冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒はヒートパイプの中を自然循環し冷却配管で冷却された熱出力部分へと流れそこで凝縮して液体となり再びヒートパイプの中を発電セル冷却部分へと戻りこれを繰り返す。冷媒を流動させる動力は伝熱される熱そのものでありポンプなどは不要である。しかして発電セルで発生した熱はヒートシンク平板の一端である熱出力部分へと集熱される。
And it is the structure where it put on the edge part of the heat sink flat plate, and the cooling piping was stuck and fixed.
The heat generated in the power generation cell is transferred to the heat sink and transferred to the heat pipe to evaporate the refrigerant therein. The evaporated refrigerant naturally circulates in the heat pipe and flows to the heat output portion cooled by the cooling pipe, where it condenses into a liquid and returns to the power generation cell cooling portion again through the heat pipe. The power that causes the refrigerant to flow is the heat itself that is transferred, and no pump is required. Thus, the heat generated in the power generation cell is collected into a heat output portion that is one end of the heat sink plate.
ここで、1KWの太陽光を受けて1平米の面積のヒートシンク平板で例えばアルミ板のみで構成しヒートパイプを用いない場合、58℃の発電セルから53℃の冷却配管へと300Wの熱の伝熱を確保するにはヒートシンク平板の厚さは100mmもの厚さが必要であるが、ヒートパイプを使えばヒートシンク平板が実用的な2mm程度の厚さでも同等な効果を得る事ができる。ヒートパイプに封入される冷媒は水を用いる事が多いが、ここでは外気がマイナス20℃に下がっても凍結しないようにプロパンなどのHC冷媒を用いる。これはHFC冷媒乃至はCO2冷媒でも良い。ヒートパイプ自体がこれら冷媒が夏の日照りの中での120℃での高い圧力に耐えることが可能で、マイナス30℃で凍結せず、且つ50℃近辺での作動における熱運搬性能が設定値を満たしていれば良い。 Here, when a heat sink plate having an area of 1 square meter and receiving only 1 KW of sunlight is composed of only an aluminum plate and no heat pipe is used, 300 W of heat is transferred from a 58 ° C. power generation cell to a 53 ° C. cooling pipe. In order to secure heat, the thickness of the heat sink flat plate needs to be as thick as 100 mm, but if a heat pipe is used, the same effect can be obtained even if the heat sink flat plate has a practical thickness of about 2 mm. Water is often used as the refrigerant sealed in the heat pipe, but here, HC refrigerant such as propane is used so that it does not freeze even when the outside air falls to minus 20 ° C. This may be an HFC refrigerant or a CO2 refrigerant. The heat pipe itself is capable of withstanding the high pressure at 120 ° C during the summer sunshine, and the heat transport performance in operation near 50 ° C is not frozen at minus 30 ° C. It only has to satisfy.
水は熱運搬特性に優れているので、凍結の心配の無い温暖地用には利用されるし、寒冷地でもエティレングリコール溶液などを混ぜた不凍液にして使用する事も可能である。ヒートパイプをヒートシンク平板に接合した場合、その熱出力部分は発電セルの範囲をその外側までヒートパイプ付きヒートシンク平板を延長させ、そこで冷却配管を伝熱関係に取り付ける。この部分が前述した熱出力部分となる。この部分におけるヒートパイプ内では冷媒が凝縮して放熱して液化する。従って相応の長さの凝縮部分が必要になる。例えば1平米の正方形モジュールではこのモジュールの外側に30センチメーター程度の熱出力部分が必要になるわけである。しかしながらこれでは熱出力部分だけ太陽光を受けるモジュールがその効果を発揮できず、デッドスペースとなる。太陽光コジェネレイションシステム全体としては所用面積が増加し、その分だけ屋根上に増加したスペースが必要となるし、コストも増加するという問題が生じる。 Since water has excellent heat transport properties, it can be used in warm regions where there is no risk of freezing, or it can be used as an antifreeze mixed with an ethylene glycol solution even in cold regions. When the heat pipe is joined to the heat sink plate, the heat output portion extends the heat sink plate with the heat pipe to the outside of the range of the power generation cell, and the cooling pipe is attached to the heat transfer relation there. This portion is the heat output portion described above. In this portion of the heat pipe, the refrigerant condenses, dissipates heat and liquefies. Therefore, a condensing part with a corresponding length is required. For example, a square module of 1 square meter requires a heat output portion of about 30 centimeters outside the module. However, in this case, the module that receives sunlight only in the heat output portion cannot exhibit the effect, and becomes a dead space. As the entire solar cogeneration system, the required area increases, and an increased space on the roof is required, and the cost also increases.
そこで、「前記金属製のヒートシンク平板の大部分を前記発電セルと接合した発電セル冷却部分とし、残りの部分をヒートシンク平板を冷却するための冷却媒体を連通した冷却配管と接合された熱出力部分とし、前記ヒートシンク平板と伝熱関係に接合した複数本のヒートパイプを前記発電セル冷却部分と前記熱出力部分にまたがって配置し、且つ全体の太陽光コジェネレイション装置を傾斜した屋根や垂直な外壁面に設置する時に前記熱出力部分を前記発電セル冷却部分より高い位置になるように乃至は水平に設置する構造とした太陽光コジェネレイション装置に於いて、前記冷却配管と前記ヒートシンク平板と前記ヒートパイプとを固定して相互の伝熱関係をより強化するために、前記発電セル冷却部分の一部と前記熱出力部分にまたがってアルミニウム乃至は銅製の伝熱促進用ブロック乃至は伝熱補強体を宛がって締め付けて、より効果の高い伝熱関係にした事を特徴とした太陽光コジェネレイション装置(以下「Kの記載」という。)」、「前記発電セル冷却部分の一部を前記熱出力部分とに兼用し、前記熱出力部分の発電セル部分からの出っ張りを無くした事を特徴とした上記Kの記載の太陽光コジェネレイション装置(以下、「Lの記載」という。)ではこの問題を解決するための技術を提示する。この効果はヒートシンクの熱出力部分の寸法とその所用面積を最小化乃至はゼロにするための技術である。後述する実施例では発電セル冷却部分の外側に連続して延長し熱出力部分を設け、そこで冷却配管と伝熱関係に固定している。この状態では例えば熱出力部分は10mm直径の冷却配管を固定するために100mm程度の延長部分を設ければ良いことになる。しかしながらこの場合100mm程度の長さのヒートパイプ部分で凝縮放熱させる事が必要となり、1000mmの長さの発電セル冷却部分の蒸発域の長さに比較し凝縮放熱域が短かすぎる事となりその部分の伝熱のための所用温度差が結果として大きくなる。即ち発電セルと冷却配管の間の温度差は例えば設計上5.0度に収めようとしたものでも8.0度程度に拡大し、温熱取得性能の劣化乃至は最終温熱出力温度の低下を招く恐れがある。 Therefore, “the heat output portion joined to the cooling pipe connected with the cooling medium for cooling the heat sink plate and the rest of the metal heat sink plate as the power generation cell cooling portion joined to the power generation cell. A plurality of heat pipes joined in a heat transfer relationship with the heat sink flat plate over the power generation cell cooling portion and the heat output portion, and the entire solar cogeneration device is arranged on a sloping roof or vertically outside. In a solar cogeneration apparatus having a structure in which the heat output portion is positioned higher than the power generation cell cooling portion or horizontally when installed on a wall surface, the cooling pipe, the heat sink plate, and the heat In order to fix the pipe and strengthen the mutual heat transfer relationship, a part of the cooling part of the power generation cell and the part of the heat output are straddled. A solar cogeneration system (hereinafter referred to as “K's”) characterized by having a heat transfer promotion block or a heat transfer reinforcement made of aluminum or copper and tightened to achieve a more effective heat transfer relationship. The description of K above, wherein a part of the cooling portion of the power generation cell is also used as the heat output portion, and the protrusion of the heat output portion from the power generation cell portion is eliminated. A solar cogeneration apparatus (hereinafter referred to as “L description”) presents a technique for solving this problem. This effect is a technique for minimizing or eliminating the size and the required area of the heat output portion of the heat sink. In an embodiment to be described later, a heat output portion is provided continuously extending outside the cooling portion of the power generation cell, and is fixed in a heat transfer relationship with the cooling pipe there. In this state, for example, the heat output portion may be provided with an extension portion of about 100 mm in order to fix the cooling pipe having a diameter of 10 mm. However, in this case, it is necessary to conduct heat dissipation through a heat pipe portion having a length of about 100 mm, and the condensation heat radiation region is too short compared to the length of the evaporation region in the cooling portion of the power generation cell having a length of 1000 mm. As a result, the required temperature difference for heat transfer increases. That is, even if the temperature difference between the power generation cell and the cooling pipe is designed to be within 5.0 degrees, for example, the temperature difference expands to about 8.0 degrees, leading to deterioration of the thermal acquisition performance or lowering of the final thermal output temperature. There is a fear.
そこでその改善策として、発電セル冷却部分の一部と熱出力部分に跨った形で、ヒートシンク平板とヒートパイプをその下面から伝熱関係に支える100mm程度の厚肉のアルミ板製の伝熱促進ブロックを宛がって、冷却配管との伝熱を確保するように冷却配管固定金具との間で締め付けて固定する方法を提示している。これによれば伝熱促進ブロックの温度は冷却配管の温度に殆ど近い温度になるから、このブロックの宛がわれた範囲はヒートパイプは冷却されて凝縮放熱域となるし、同時にヒートシンクはこのブロックにより効果的に冷却される。この結果熱出力部分の発電セル冷却部分からの出っ張り寸法を小さくすることができる訳である。 Therefore, as an improvement measure, heat transfer enhancement made of a thick aluminum plate of about 100mm that supports the heat sink plate and heat pipe from the lower surface in a form that spans part of the cooling portion of the power generation cell and the heat output portion. A method is proposed in which a block is placed and fastened with a cooling pipe fixing bracket so as to secure heat transfer with the cooling pipe. According to this, since the temperature of the heat transfer acceleration block is close to the temperature of the cooling pipe, the heat pipe is cooled and becomes a condensed heat radiation area in the range assigned to this block, and at the same time the heat sink is To effectively cool. As a result, the protruding dimension of the heat output portion from the power generation cell cooling portion can be reduced.
さらにこの熱出力部分の発電セル冷却部分から外側への出っ張りを無くすには、上記の伝熱促進ブロックの発電セル冷却部分側の下側に冷却配管を伝熱関係に固定する方法が実用的である。具体的には上面から発電セル、ヒートシンク平板、それに固定されたヒートパイプ、さらにその下に厚肉の伝熱促進ブロック、更にその下側に冷却配管を冷却配管固定金具により固定する構造である。この場合全体を固定するボルトなどの金具はヒートシンク平板と冷却配管固定金具の間で全体を締め付けて固定する事になる。従ってこの固定用ボルトの上面はヒートシンク平板に埋め込まれた様にヒートシンク平板と面一の平面とし、その上に発電セルが接合された構造とする。 Furthermore, in order to eliminate the protrusion of the heat output part from the power generation cell cooling part to the outside, it is practical to fix the cooling pipe in a heat transfer relation below the power generation cell cooling part side of the heat transfer promotion block. is there. Specifically, the power generation cell, the heat sink flat plate, the heat pipe fixed thereto, a thick heat transfer promotion block below the power generation cell, and the cooling pipe is fixed to the lower side by a cooling pipe fixing bracket. In this case, a metal fitting such as a bolt for fixing the whole is fastened and fixed between the heat sink flat plate and the cooling pipe fixing metal fitting. Therefore, the upper surface of the fixing bolt is a flat surface that is flush with the heat sink plate as if embedded in the heat sink plate, and the power generation cell is joined to the flat surface.
この場合冷却配管は伝熱促進ブロックの下面に固定する構成となるが、必要に拠っては事前に伝熱促進ブロックの中に埋め込んでおいても良い。但しこの場合は冷却配管はモジュールと一緒に運ばれて設置されるから、その出入り口で連結配管と連結させる事が必要になり、工事性やリークの信頼性悪化を考えれば推奨できない。あくまで太陽光モジュールを設置した後で冷却配管を締め付けて固定する方法によりモジュール間を跨った一本の冷却配管を用いる方式が実用的である。 In this case, the cooling pipe is configured to be fixed to the lower surface of the heat transfer acceleration block, but may be embedded in the heat transfer acceleration block in advance if necessary. However, in this case, since the cooling pipe is carried along with the module and installed, it is necessary to connect the connecting pipe to the connecting pipe at the entrance and exit, and it is not recommended in view of the workability and the deterioration of the leak reliability. It is practical to use a single cooling pipe across the modules by a method of fastening and fixing the cooling pipe after the solar module is installed.
以上、太陽光の温熱を効率よく冷却配管に伝熱する各種技術について述べてきた。しかしながら太陽は雨の日は照らないし、曇りの日、さらには外気温度がマイナスとなる厳寒期にはロスが増えてそのエネルギー獲得効果は低下する。その結果温熱出力温度を実用的な52〜3℃とするとその熱エネルギー取得量は大幅に少なくなってしまう。このような実態でも効果的に太陽光エネルギーを獲得するには熱取得温度を下げる事が有効である。例えば52℃ではなくて40℃と設定して制御することで、その太陽光エ熱ネルギーは減らすことなく獲得する事ができる。特に厳寒期では発電セルの温度を高く制御すれば放散熱量が増加して獲得熱量は減少し、場合によってはゼロ近くなる。しかしながら発電セル温度を46℃程度で冷却配管及び冷却媒体の温度を40℃程度に制御することにより太陽光総エネルギー変換効率TCRは夏と同等なレベルを確保できるわけである。 As described above, various techniques for efficiently transferring the heat of sunlight to the cooling pipe have been described. However, the sun does not illuminate on rainy days, cloudy days, and even in severe cold periods when the outside air temperature is negative, the loss increases and the energy acquisition effect decreases. As a result, when the thermal output temperature is set to a practical 52 to 3 ° C., the amount of thermal energy acquired is greatly reduced. Even in such an actual situation, it is effective to lower the heat acquisition temperature in order to effectively acquire solar energy. For example, the solar heat energy can be obtained without being reduced by setting the temperature to 40 ° C. instead of 52 ° C. Particularly in the severe cold season, if the temperature of the power generation cell is controlled to be high, the amount of heat dissipated increases and the amount of heat gained decreases, and in some cases near zero. However, by controlling the temperature of the power generation cell to about 46 ° C. and the temperature of the cooling pipe and the cooling medium to about 40 ° C., the total solar energy conversion efficiency TCR can ensure the same level as in summer.
この為の改善方法としてシステム構成上のアイデアを「熱出力部分で冷却配管を連通する媒体に与えた熱出力を、該冷却配管をパラフィンなどの融解潜熱を持つ蓄熱材を利用した蓄熱槽に連通させて蓄熱させるシステムに於いて、融点温度を55℃プラスマイナス5℃の間と40℃プラスマイナス5℃の間に夫々持った蓄熱材を夫々利用した二つの蓄熱槽を備えた事を特徴とした太陽光コジェネレイションシステム(以下「Mの記載」という。)」に示し、実施例で後述する。太陽光の温熱利用側では消費の時間との時間差調整のため蓄熱槽を組み合わせる。特に低温度で大量の熱量を高いスペース効率で蓄熱するには潜熱材料を利用した蓄熱方式が効果的である。例えば55℃に融解温度のあるパラフィンを用いれば55℃の温熱を蓄熱する場合、水と比較して同一蓄熱槽で2.5倍程度以上の熱量を蓄熱できる。この状態でさらに前述したような低温度蓄熱をも可能にするシステムを実現する目的である。前述したような実態を踏まえて全体のシステムとして有効に太陽熱を利用するためには、定格温度の熱を貯める蓄熱槽とそれより低い温度の熱を貯める蓄熱槽の双方を組み合わせるアイデアである。例えば53℃の融解温度を持つパラフィンを用いた蓄熱槽と40℃のパラフィンを用いた蓄熱槽の双方を組み込んで、太陽光コジェネレイション装置の運転状態に対応して何れかの蓄熱槽を選択してその熱量を蓄熱する方式である。
As an improvement method for this purpose, the idea of the system configuration is “The heat output given to the medium that communicates the cooling pipe in the heat output part is communicated with the heat storage tank using the heat storage material having the latent heat of fusion such as paraffin. It is characterized by having two heat storage tanks using heat storage materials with melting point temperatures between 55 ° C plus or minus 5 ° C and 40 ° C plus or minus 5 ° C, respectively. The solar cogeneration system (hereinafter referred to as “description of M”) ” will be described later in the examples. On the solar heat usage side, a heat storage tank is combined to adjust the time difference from the consumption time. In particular, a heat storage system using a latent heat material is effective for storing a large amount of heat at a low temperature with high space efficiency. For example, when paraffin having a melting temperature of 55 ° C. is used, when heat of 55 ° C. is stored, the amount of heat about 2.5 times or more can be stored in the same heat storage tank as compared with water. It is an object to realize a system that enables low-temperature heat storage as described above in this state. In order to effectively use solar heat as a whole system based on the actual situation as described above, it is an idea to combine both a heat storage tank for storing heat at a rated temperature and a heat storage tank for storing heat at a lower temperature. For example, by incorporating both a heat storage tank using paraffin having a melting temperature of 53 ° C. and a heat storage tank using paraffin at 40 ° C., one of the heat storage tanks is selected in accordance with the operation state of the solar cogeneration system. This is a method of storing the amount of heat.
40℃の温熱は暖房装置用にそのまま用いたり、風呂用にはガス乃至はヒートポンプなどで追い炊きして利用する事が可能である。双方の蓄熱槽は勿論構造的には一体の蓄熱槽に組み込んでも若干の断熱層を設ければ問題なく、実用上有効である。冷却配管を連通する冷却媒体はプロパンなど凍結しない蒸発凝縮を伴う冷媒を利用する。またこの蓄熱にも凍結する事のないパラフィンなどの潜熱蓄熱材を利用する。前述したようにヒートシンクの冷却用のヒートパイプの媒体にも冷媒を利用する。以上のように全て蒸発潜熱又は融解潜熱を用いた伝熱、熱運搬システムで構成されるから、全体の熱効率の高い、厳寒期でも凍結の心配の無いシステムを構成するものである。 The heat of 40 ° C. can be used as it is for a heating device, or it can be used after being cooked with a gas or a heat pump for a bath. Of course, both heat storage tanks are structurally effective even if they are built into an integral heat storage tank, and if a few heat insulation layers are provided, there is no problem. As a cooling medium communicating with the cooling pipe, a refrigerant with evaporative condensation that does not freeze, such as propane, is used. In addition, a latent heat storage material such as paraffin that does not freeze is used for this heat storage. As described above, the refrigerant is also used for the medium of the heat pipe for cooling the heat sink. As described above, since it is composed of a heat transfer and heat transport system using latent heat of vaporization or latent heat of fusion, it constitutes a system with high overall thermal efficiency and no fear of freezing even in severe cold periods.
家庭用、民生用分野で消費されるエネルギーを充分に賄え、環境に優しい装置システムを実現するために従来も多くの検討がなされて来た。その一つとして従来からも太陽光発電と太陽光温水器を一体化してエネルギー変換効率を大幅に高めたコジェネレイションシステムはその有力手段として長く検討されてきた。今回の広範な技術発明の効果はそのコジェネレイションシステムの実現に極めて高い見通しを与えることができたものであると考えられる。この内容は先に述べた様に以下の三つに纏める事ができる。 Many studies have been made in the past to realize a device system that can sufficiently supply energy consumed in the household and consumer fields and is environmentally friendly. As one of them, a cogeneration system that integrates photovoltaic power generation and a solar water heater to greatly improve energy conversion efficiency has long been studied as an effective means. The effects of this wide range of technical inventions are considered to have provided a very high prospect for the realization of the cogeneration system. The contents can be summarized into the following three as described above.
即ち、発電モジュールに温熱収集効果を組み込み一体化したコジェネレイション装置を実現する。その受光面積当たりのエネルギー変換効率を太陽光発電のみの場合に比べ倍以上の効果を確保(ECR=15%、TCR=50%)し、その結果製品設置投資に対するコストパフォーマンス効果を増大させる。さらに厳冬期でも作動媒体の凍結を生じさせずに有効に作動する信頼性の高いシステムを実現する。 That is, a cogeneration apparatus in which the heat collection effect is incorporated into the power generation module and integrated is realized. As a result, the energy conversion efficiency per light receiving area is more than doubled compared to the case of only photovoltaic power generation (ECR = 15%, TCR = 50%), and as a result, the cost performance effect on the product installation investment is increased. Furthermore, a highly reliable system that operates effectively without causing freezing of the working medium even in the severe winter season is realized.
この三つの目標を実現するため、先に述べた3項目の技術課題に解決策を提示したものである。これらは太陽光エネルギー利用効率を著しく増大させ、化石燃料に匹敵するエネルギーコストと利便性で太陽光利用エネルギー装置を実現するための革新的な技術である。 これにより家庭用、民生用、事業用のエネルギー装置として電力と同時に利用可能な温熱を供給でき、それを給湯や冷暖房その他に利用できる太陽光エネルギーシステムを実現し、自然エネルギーをフルに利用した民生用のエネルギーシステムの実現の道を拓いた。以上により今後推進されていくであろう化石燃料から自然エネルギー利用による再利用可能なエネルギー供給システムへの転換に向けて貢献できる実用的な太陽光コジェネレイション装置実現のための具体的な技術施策を与えることができたと考える。 In order to realize these three goals, solutions are presented to the three technical issues mentioned above. These are innovative technologies for significantly increasing the efficiency of solar energy utilization and realizing solar energy devices with energy costs and convenience comparable to fossil fuels. This makes it possible to supply heat that can be used at the same time as electric power as an energy device for home use, consumer use, and business use, realizing a solar energy system that can be used for hot water supply, air conditioning, etc., and make full use of natural energy. Pioneered the way to realize energy systems. Specific technical measures for realizing practical solar cogeneration equipment that can contribute to the transition from fossil fuels that will be promoted in the future to renewable energy supply systems using natural energy I think I was able to give it.
以下、本発明の実施形態を、図1〜図6に基づいて説明する。
図1は太陽光コジェネレイション装置を使った家庭用、店舗用のライフラインシステム(LLS 電力、温熱を供給するシステム)の代表事例を示す。図2は家庭の屋根の上に設置した本発明による太陽光コジェネレイション装置の代表事例を概略の断面構造によって示している。図3は本発明の太陽光コジェネレイション装置の構造を示す断面図であるが周囲の細部構造(例えば断熱材、固定用金具)などは省略している。図4、5、6は光反射板1、2、3を夫々組み込んだ夫々の太陽光コジェネレイション装置の断面構造拡大図であるが、一部分の拡大図でありそれに連なる隣の部分は記載を省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a representative example of a lifeline system (system for supplying LLS power and heat) for homes and stores using a solar cogeneration apparatus. FIG. 2 shows a typical example of a solar cogeneration apparatus according to the present invention installed on a roof of a home by a schematic cross-sectional structure. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the solar cogeneration apparatus according to the present invention, but omits the surrounding detailed structure (for example, a heat insulating material and a fixing bracket). 4, 5, and 6 are enlarged views of the cross-sectional structure of the respective solar cogeneration devices incorporating the light reflecting plates 1, 2, and 3, respectively, but are enlarged views of a part thereof, and the description of the adjacent portions that are connected to them is omitted. is doing.
図1に示した代表事例は太陽光コジェネレイション装置であり、その特長は一つの太陽光コジェネレイション装置100によって電力と温熱を発生させ、電力はパワーコントローラー32を介して商用電力の送電線ライン33に逆潮流させて電力会社に売電している。
温熱は冷却管11を通して出力し冷却管切替弁28で選択されて55℃を境に高温度である場合は基本的には高温蓄熱槽31に設置された融解温度52℃のパラフィンを融解させる事により蓄熱している。低温度である場合は中温蓄熱槽30に設置された融解温度40℃のパラフィンを融解させる事により蓄熱している。高温蓄熱層31には水道水37が連通され、約50℃の温水になって給湯ライン38から屋内に供給される。
太陽光コジェネレイション装置で発電された電力は発電セル3内のリード回路(図示せず)を通りモジュール外部に導かれ、他の発電モジュールからのリードと合わされ、パワーコントローラ(電力変換器)を通して商用電力に合流できる電力モードに調整されて逆潮流される。この逆潮流された電力は電力会社が買い取り太陽光コジェネレイションシステムの所有者にその購入額が支払われる。
The typical example shown in FIG. 1 is a solar cogeneration apparatus, and its feature is that electric power and heat are generated by one solar cogeneration apparatus 100, and the electric power is transmitted through a power controller 32 to a commercial power transmission line 33. The power is sold back to the power company.
When the heat is output through the cooling pipe 11 and selected by the cooling pipe switching valve 28 and is at a high temperature around 55 ° C., the paraffin having a melting temperature of 52 ° C. installed in the high-temperature heat storage tank 31 is basically melted. Heat storage. When the temperature is low, heat is stored by melting paraffin having a melting temperature of 40 ° C. installed in the intermediate temperature heat storage tank 30. Tap water 37 is communicated with the high-temperature heat storage layer 31, becomes hot water of about 50 ° C., and is supplied indoors from the hot water supply line 38.
The electric power generated by the solar cogeneration system is led to the outside of the module through a lead circuit (not shown) in the power generation cell 3, and is combined with leads from other power generation modules, and commercialized through a power controller (power converter). The power is adjusted to the power mode that can be combined with the power, and the power is reversed. This reverse power flow is purchased by the power company and the purchase price is paid to the owner of the solar cogeneration system.
図2及び図3に示す如く、一方発電セル3は58℃程度に保たれ、そこに照射された太陽光の総エネルギーの内、40パーセント程度のエネルギーが発電セルの背面に配設されたヒートシンク平板5へと更にヒートパイプ伝熱管6内の液体のプロパン冷媒へと流れそれを蒸発させる。蒸発したプロパンガスはヒートパイプ内を上昇し熱出力部分43へと達しそこで凝縮し53℃程度の温熱を放出する。伝熱促進ブロック13が接触している部分では発電セルからの温熱は大半が直に伝熱促進ブロックに伝熱される。これとヒートパイプからの伝熱が合わさって主に伝熱促進ブロックを通じて冷却配管へと伝熱される。伝熱促進ブロック13は10.0mmの板厚のアルミニウム平板製のブロックで10本のヒートパイプ伝熱管6に嵌めあうように10本の溝が講じてあり、その部分の伝熱を保つと共に熱出力部分43では冷却配管固定金具12(2mm厚さのアルミ製)との間で、強固に締め付けて伝熱促進ブロック13及びヒートシンク平板5から冷却配管11への伝熱効果を高めている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the power generation cell 3 is maintained at about 58 ° C., and a heat sink in which about 40% of the total energy of sunlight irradiated thereon is disposed on the back surface of the power generation cell. It flows further to the flat plate 5 to the liquid propane refrigerant in the heat pipe heat transfer tube 6 to evaporate it. The evaporated propane gas rises in the heat pipe and reaches the heat output portion 43, where it condenses and releases warm heat of about 53 ° C. In the portion where the heat transfer promotion block 13 is in contact, most of the heat from the power generation cell is directly transferred to the heat transfer promotion block. This and the heat transfer from the heat pipe are combined and transferred to the cooling pipe mainly through the heat transfer acceleration block. The heat transfer acceleration block 13 is a block made of aluminum plate having a plate thickness of 10.0 mm, and has ten grooves so as to fit into the ten heat pipe heat transfer tubes 6. In the output portion 43, the heat transfer effect from the heat transfer promotion block 13 and the heat sink flat plate 5 to the cooling pipe 11 is enhanced by tightening firmly with the cooling pipe fixing bracket 12 (made of aluminum having a thickness of 2 mm).
図には示していない別案として、伝熱促進ブロックの下側に冷却配管を固定する事により、熱出力部分43を発電セル冷却部分の範囲に取り込んでしまう構成も可能であるが、この場合は冷却配管を後付け工事する時にその作業が大変になるが、熱出力部分という太陽光を利用できないデッドスペースをゼロにするという大きな効果を有するのでこれも有効な構成案である。
冷却配管内は図示してない冷媒ポンプにより作動される液冷媒が流れ、そこで53℃の温熱を受け取って蒸発し、循環して図1に示した蓄熱槽30乃至は31においてパラフィンを融解させてそこで凝縮して放熱しそこに蓄熱する。
As another plan not shown in the figure, it is possible to adopt a configuration in which the heat output portion 43 is taken into the range of the power generation cell cooling portion by fixing the cooling pipe below the heat transfer promotion block. Although the work becomes difficult when retrofitting cooling pipes, this is also an effective configuration plan because it has the great effect of eliminating the dead space where the sunlight cannot be used as the heat output part.
A liquid refrigerant operated by a refrigerant pump (not shown) flows in the cooling pipe, where 53 ° C. heat is received and evaporated, and circulated to melt paraffin in the heat storage tanks 30 to 31 shown in FIG. There, it condenses, dissipates heat and stores heat there.
発電セルで発生した温熱を周囲に散逸させることなくこの蓄熱槽に効果的に蓄えるためここで提示する技術を整理すると以下のようである。
1、ガラス板2と発電セル間に空気層を設けて断熱する
2、と共に、そこに遮蔽部材9を設けてこの空気の対流を防止する。
3、同時に遮蔽部材9は発電セル3からの輻射光を反射乃至は吸収する事によりガラス板2を通して外界に放散させない。
4、またヒートシンク平板5とヒートパイプ伝熱管6及び伝熱促進ブロック13及び冷媒循環型冷却パイプ11を通して温度降下を出来る限り少なくして蓄熱槽に熱を運搬する。
5、さらに下部断熱層は充分な厚さと材料選定及び内部に空気層形成したもので伝熱ロスを最小に抑えている。
The technology presented here is organized as follows to effectively store the heat generated in the power generation cell in this heat storage tank without dissipating it to the surroundings.
1. An air layer is provided between the glass plate 2 and the power generation cell 2 for heat insulation, and a shielding member 9 is provided there to prevent convection of the air.
3. At the same time, the shielding member 9 does not dissipate the radiation light from the power generation cell 3 to the outside through the glass plate 2 by reflecting or absorbing.
4. Heat is transferred to the heat storage tank through the heat sink flat plate 5, the heat pipe heat transfer tube 6, the heat transfer acceleration block 13, and the refrigerant circulation type cooling pipe 11 with a temperature drop as small as possible.
5. Furthermore, the lower heat insulating layer has a sufficient thickness, material selection, and an air layer formed inside to minimize heat transfer loss.
6、さらにモジュール枠体15の周囲には充分な厚さの断熱材(図示せず)を形成して放熱を防止している。
7、さらに発電セルからの輻射放熱を防止する新しい技術が最も効果的と考えられを図4、5、6に提示したもので後で説明する。
以上から解るとおり発電セル周りの全箇所の熱散逸の可能性に対してその低減に寄与できる技術策を実現すべく検討しているわけである。
さらに詳しく説明すると例えば、3項の遮蔽部材9は2フッ化エティレン製の薄膜をベースにその片面に更に薄膜の樹脂層を形成させた太陽光に対しては透過性の極めて高いものであるが、発電セルからの波長の長い(2ミクロンメーター以上)輻射光は反射乃至は吸収してしまいガラス板2から外界に散逸させない効果を有する。同時に空気層を上下に分割して空気の対流を阻害し発電セル3からガラス板2への伝熱を低減させるものである。
6. Further, a heat insulating material (not shown) having a sufficient thickness is formed around the module frame 15 to prevent heat radiation.
7. Further, a new technique for preventing radiation heat radiation from the power generation cell is considered to be most effective, and will be described later with reference to FIGS.
As can be seen from the above, the technical measures that can contribute to the reduction of the possibility of heat dissipation around the power generation cell are being studied.
More specifically, for example, the shielding member 9 of item 3 is extremely high in permeability to sunlight in which a thin resin layer is formed on one side of a thin film made of ethylene difluoride. The radiation light having a long wavelength (2 micrometer or more) from the power generation cell is reflected or absorbed and has an effect of not being dissipated from the glass plate 2 to the outside. At the same time, the air layer is vertically divided to inhibit air convection and reduce heat transfer from the power generation cell 3 to the glass plate 2.
その支持部材10は図3から知れる通り多数の断面形状が三角の細い横桟によって支えている。横桟による入射太陽光を反射してしまう損失を少なくするためその幅寸法は0.3mmでピッチは40mmである。従ってその面積占有率は1%以下で且つその断面は三角形であるから上面から照射される太陽光はこの横桟に当たっても発電セル方向に反射させるような形状と表面処理がなされている。このため入射太陽光の遮蔽率はほとんどゼロとなり太陽光コジェネレイション装置の性能低下への影響はほとんど無いといえる。
また、例えば5項の下部断熱層には内部に沢山の空気層空間(図中の白い長方形)を保有した発泡ウレタン樹脂製の25.0ミリメーターの厚さの断熱部材7が貼り付けられている。これにより発電セル3とヒートシンク基板5との積層体から外部への熱の伝導を最小に抑えている。
As is known from FIG. 3, the supporting member 10 is supported by a cross beam having a thin triangular cross section. The width dimension is 0.3 mm and the pitch is 40 mm in order to reduce the loss of reflection of incident sunlight by the horizontal rail. Therefore, the area occupancy is 1% or less, and the cross section is triangular. Therefore, the sunlight and the surface treatment are performed so that the sunlight irradiated from the upper surface is reflected in the direction of the power generation cell even when it hits the horizontal rail. For this reason, the shielding rate of incident sunlight is almost zero, and it can be said that there is almost no influence on the performance degradation of the solar cogeneration apparatus.
Further, for example, a heat insulating member 7 having a thickness of 25.0 millimeters made of urethane foam resin having a large amount of air layer space (white rectangle in the figure) inside is attached to the lower heat insulating layer of item 5. Yes. Thereby, conduction of heat from the laminated body of the power generation cell 3 and the heat sink substrate 5 to the outside is minimized.
一方、発電セル接着剤4はホットメルト樹脂(EVA)にアルミ粒子を混入させて伝熱特性を向上させた1.0mmのシート状のものとを0.1mmの電気絶縁用の樹脂シートを張り合わせたものである。これは接着後も弾性を維持してヒートシンク平板(アルミ2.0mm平板)の温度歪から発電セルの破壊を防止している。同時に、混入させたアルミ粒子は発電セルの発熱量のヒートシンク平板への伝熱を助けている。この接着剤による発電セルとヒートシンク平板間の温度差は平均約1.5℃程度に小さくするように設定している。さらに同時に上記電気絶縁樹脂シートは発電セル側に配置しており、発電セルとそのリードの電気絶縁性を保っている。 On the other hand, the power generation cell adhesive 4 is made by laminating a 0.1 mm sheet-like resin sheet for improving heat transfer by mixing aluminum particles into hot melt resin (EVA) with a 0.1 mm resin sheet for electrical insulation. It is a thing. This maintains elasticity even after bonding and prevents the power generation cell from being destroyed due to temperature distortion of the heat sink flat plate (aluminum 2.0 mm flat plate). At the same time, the mixed aluminum particles help heat transfer from the heat generating plate to the heat sink plate. The temperature difference between the power generation cell and the heat sink plate by this adhesive is set to be as small as about 1.5 ° C. on average. At the same time, the electrical insulating resin sheet is disposed on the power generation cell side, and the electrical insulation between the power generation cell and its leads is maintained.
冷却配管11内を流れるプロパンガスは図2の様に太陽光コジェネレイション装置100のヒートシンク平板5の熱出力部分43で蒸発して熱を吸収する。この冷却配管の工事性と工事上で接続箇所の無い連続パイプ(ここでは家庭用では9.52mm径の銅管)を用いる事ができるように熱出力部分は構造的に多くの工夫が取り込まれているわけである。 Propane gas flowing in the cooling pipe 11 evaporates and absorbs heat at the heat output portion 43 of the heat sink plate 5 of the solar cogeneration apparatus 100 as shown in FIG. The heat output part has a lot of ingenuity in its construction so that the workability of this cooling pipe and the continuous pipe with no connection point in construction can be used (here, a 9.52 mm diameter copper pipe for home use). That is why.
図4は発電セル3からガラス板2を通して輻射によって熱放散される熱量を低減させる技術を示している。発電セルは飛び飛びの帯状に設置されておりその幅は20mm、そのピッチは40mmであるからセルの無い部分も20mm幅である。全モジュールに渡って断面が三角形の光反射板8が設置されている。この反射板8は全体を一体成型されたABS樹脂の表面をクロムメッキして鏡面の様になっている。その底面はセル面のセルの無い部分に薄い断熱材である支持部材29を介して接合されている。照射される太陽光1は殆ど全てが図に示される様に反射されて発電セルに照射される。その為に光反射板の取り付け角シータは最適角度に設定されている。その結果発電セルへの照射太陽光の密度は約2倍となる。発電量と照射光量の関係がリニアーな特性のある発電セルならば発電セルにおける発電量は発電セルの温度を同じに制御すれば、全面を発電セルとし反射板8の無い通常の装置と同じになる。 FIG. 4 shows a technique for reducing the amount of heat dissipated by radiation from the power generation cell 3 through the glass plate 2. The power generation cells are installed in the form of flying bands, the width is 20 mm, and the pitch is 40 mm, so the portion without cells is also 20 mm wide. A light reflection plate 8 having a triangular cross section is installed across all modules. The reflecting plate 8 has a mirror-like surface by chromium plating the surface of the ABS resin integrally molded. The bottom surface is joined to a cell-free portion of the cell surface via a support member 29 that is a thin heat insulating material. Almost all of the irradiated sunlight 1 is reflected and irradiated to the power generation cell as shown in the figure. Therefore, the mounting angle theta of the light reflector is set to the optimum angle. As a result, the density of sunlight irradiated to the power generation cell is approximately doubled. If the power generation cell has a linear characteristic between the power generation amount and the amount of irradiation light, the power generation amount in the power generation cell is the same as that of a normal device having the entire surface as a power generation cell and no reflector 8 if the temperature of the power generation cell is controlled to be the same. Become.
一方太陽光による温熱の発生量も発電セルの温度を同じとすれば通常の装置と同じになると考えられる。しかしながら発電セルからの外界への輻射による放射エネルギーは単位発電セル面積当たり同一となるから、その面積が半減した分だけ減少しその放射エネルギーの削減効果は、発電セルの温度を58℃に制御し、外界が0℃の厳寒期である場合、ステファンボルツマンの式をベースに計算すると約1KWの太陽光を受ける黒体である1平米受光面あたり180W程度の削減になると計算される。この値は極めて大きなもので、太陽光コジェネレイション装置の全エネルギー変換効率を18%近く高める効果を有していると算定される。 On the other hand, the amount of heat generated by sunlight is considered to be the same as that of a normal device if the temperature of the power generation cell is the same. However, since the radiation energy from the power generation cell to the outside world is the same per unit power generation cell area, the area is reduced by half and the effect of reducing the radiation energy is controlled by controlling the temperature of the power generation cell to 58 ° C. When the outside world is in the severe cold season of 0 ° C., the calculation based on the Stefan Boltzmann equation is calculated to reduce about 180 W per 1 square meter light-receiving surface, which is a black body that receives about 1 KW of sunlight. This value is extremely large and is calculated to have an effect of increasing the total energy conversion efficiency of the solar cogeneration system by nearly 18%.
この様に発電セルの面積を半減しても同等またはそれ以上の発電と温熱出力を得られる効果は太陽光コジェネレイション装置のみでは無く太陽電池の場合でも極めて大きいと考えられる。即ち発電セルを半減させる事によるコストが低減できるし、発電セルのシリコン乃至はインジュームなどの貴重な金属の使用量を減少させる事ができるからである。図から分かるとおり下部断熱材はその中に空白で示した空気層を設けてあるから伝熱特性に優れその分だけエネルギー変換効率TCRは向上するし、断熱材の材料費の削減が可能である Thus, even if the area of the power generation cell is halved, the effect of obtaining the same or higher power generation and thermal output is considered to be extremely large not only in the solar cogeneration apparatus but also in the case of a solar cell. That is, the cost of halving the power generation cell can be reduced, and the amount of valuable metal such as silicon or indium in the power generation cell can be reduced. As can be seen from the figure, the lower heat insulating material is provided with a blank air layer in it, so it has excellent heat transfer characteristics, and the energy conversion efficiency TCR is improved accordingly, and the material cost of the heat insulating material can be reduced.
図5ではこの断面が三角形の光反射板8の底辺を発電セル上面より10mmだけ浮かせたもので、この場合は発電セル面には100%の面積に発電セルを設置する。光反射板8のモジュールに対する取り付け角シータを最適角度に設定したから図4と同様に太陽光入射光はほぼ100%発電セル面に照射される。しかしながらその反射光と発電セル表面からの輻射光は反射板8の下面の反射面で約50%が反射されて発電セルに戻る事になる。
この結果、発電セル面での受光量が増加し発電量と発熱量は若干であるが増加する。さらに発電セルからの外界への輻射放散も妨げられるから外界への放熱ロスは低減される。
この効果は、太陽電池の場合にも同等な発電量の増加は若干であるが期待できる。
In FIG. 5, the bottom of the light reflecting plate 8 having a triangular cross section is lifted by 10 mm from the upper surface of the power generation cell. In this case, the power generation cell is installed in an area of 100% on the power generation cell surface. Since the mounting angle theta for the module of the light reflecting plate 8 is set to the optimum angle, the sunlight incident light is irradiated almost 100% on the surface of the power generation cell as in FIG. However, about 50% of the reflected light and the radiation light from the surface of the power generation cell are reflected by the reflection surface on the lower surface of the reflection plate 8 and return to the power generation cell.
As a result, the amount of light received on the power generation cell surface increases, and the power generation amount and the heat generation amount increase slightly. Furthermore, radiation dissipation from the power generation cell to the outside world is also hindered, so that heat radiation loss to the outside world is reduced.
This effect can be expected even in the case of a solar cell, although an increase in the amount of power generation equivalent is slight.
図6に示した反射板は大略平板であるが、細部は三角形断面のものを積み重ねた形状の反射板である。その効果は図5と同等であるが、反射板に新しいアイデアを盛り込む事が可能である。即ち単純な反射板ではなく、表面に光透過性の薄膜を蒸着する事により上部ガラスからの入射太陽光の短波長スペクトル光線は発電セルへと反射させ、発電セルから放射される長波長スペクトル輻射光線は反射させない乃至は発電セル方向へと反射させる機能を反射板の表面に付加することが可能である。この場合は図6に示した様な小さな三角形の積み重ねではなく全くの平板になる。 Although the reflecting plate shown in FIG. 6 is a substantially flat plate, the details are reflecting plates in the shape of stacked triangular sections. The effect is the same as in FIG. 5, but it is possible to incorporate new ideas into the reflector. In other words, instead of a simple reflector, a light-transmitting thin film is deposited on the surface, so that the short-wavelength spectrum light rays of the incident sunlight from the upper glass are reflected to the power generation cell and emitted from the power generation cell. It is possible to add a function of not reflecting the light beam or reflecting it in the direction of the power generation cell to the surface of the reflection plate. In this case, it is not a stack of small triangles as shown in FIG.
以上3種類の光反射板と発電セルとの構成を提示した。この反射板の効果は先に提示した遮蔽部材9との併用も夫々の効果の足し合わせにはならないが、それぞれの有効性は妨げないと考えられる。 The configuration of the three types of light reflectors and power generation cells has been presented above. The effect of this reflector is not combined with the previously presented shielding member 9, but the effectiveness of each is considered not to be hindered.
1 太陽光
2 ガラス板
3 発電セル
4 発電セル接合材
5 ヒートシンク平板
6 ヒートパイプ伝熱管
7 下部断熱層
8 太陽光モジュール光反射板
9 遮蔽部材
10 遮蔽部材指示部材
11 冷却配管
12 屋根冷却配管固定金具
13 伝熱促進ブロック
14 止めボルト
15 モジュール枠体
28 冷却管切替弁
29 反射板支持部材
30 中温蓄熱槽
31 高温蓄熱槽
32 パワーコントローラー
33 送電線ライン
34 高温媒体ライン
35 中温媒体ライン
37 水道水
38 給湯ライン
39 温水ライン
40 空調用ファンコイルユニット
41 床暖房壁面暖房パネル
42 発電セル冷却部分
43 熱出力部分
100太陽光コジェネレイション装置
101モジュール据付台
102据付アングル
103屋根
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sunlight 2 Glass plate 3 Power generation cell 4 Power generation cell bonding material 5 Heat sink flat plate 6 Heat pipe heat transfer tube 7 Lower heat insulation layer 8 Solar module light reflector 9 Shielding member 10 Shielding member indicating member 11 Cooling pipe 12 Roof cooling pipe fixing bracket DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Heat-transfer promotion block 14 Stop bolt 15 Module frame 28 Cooling pipe switching valve 29 Reflector support member 30 Medium temperature heat storage tank 31 High temperature heat storage tank 32 Power controller 33 Transmission line 34 High temperature medium line 35 Medium temperature medium line 37 Tap water 38 Hot water supply Line 39 Warm water line 40 Air-conditioning fan coil unit 41 Floor heating wall heating panel 42 Power generation cell cooling part 43 Heat output part 100 Solar cogeneration device 101 Module mounting base 102 Installation angle 103 Roof
Claims (4)
断面形状が略三角形の光反射板を前記発電セル表面に該三角形の一辺が相対する様に、且つ他の二辺は前記上面カバーの方向へと立ち上げた様に、且つ入射した太陽光を効率よく前記発電セル表面に向けて反射させるために全三辺の表面に光反射特性を持たせ、且つ前記光反射板の底部反射面を前記発電セル表面から所用寸法の隙間を持たせて浮かせて前記空気層内に配置させ、前記他の二辺の交わる前記光反射板の頂部が前記上面カバーに向かい、前記発電セルの上に位置する前記反射板は、間隔を設けて並設され、
前記発電セル表面からの輻射光は、前記光反射板の底部反射面で反射される
ことを特徴とした太陽光コジェネレイション装置。 And the upper surface cover sunlight permeable, an air layer under the top cover, a further sunlight cogeneration ray Deployment apparatus was constructed across provided power generation cell below it in the shape of a flat plate,
As the cross-sectional shape is one side of the triangle the light reflecting plate substantially triangular in the power generation cell surface is relatively, and as the other two sides is launched in the direction of the top cover, and the incident sunlight efficiency and good have light reflecting properties on the front surface of all three sides for reflecting toward the power generation cell surface, and to have a gap of Shoyo dimensions bottom reflective surface of the light reflector from the power generation cell surface The top of the light reflecting plate where the other two sides intersect is directed to the upper surface cover, and the reflecting plate located above the power generation cell is arranged in parallel with a gap. And
Radiation light from the surface of the power generation cell is reflected by the bottom reflection surface of the light reflection plate .
前記上部断熱層内に、前記上面カバー下面と前記発電セル上面の間に、前記発電セルを取り除いた部分に照射する太陽光を前記発電セル上面へと反射させる光反射板を複数設置し、前記光反射板は断面形状が略三角形で、該三角形の一辺が前記発電セルを取り除いた部分に位置し、該三角形の一辺は断熱材である支持部材を介して接合され、且つ前記三角形の他の二辺は前記上面カバーの方向へと立ち上げたものであり、前記他の二辺の交わる前記光反射板の頂部が前記上面カバーに向かっている
ことを特徴とする太陽光コジェネレイション装置。 And the upper surface cover sunlight permeable top heat insulating layer consisting of air layer beneath the top cover, the power generation cell and metallic cogeneration ray Deployment core heat sink substrate was laminated, the lower heat insulation layer are sequentially bonded thereunder more A solar cogeneration apparatus in which the whole is configured in a flat plate shape, and the power generation cell is partially removed,
Wherein the upper heat insulation layer, between the power generation cell top and the top cover lower surface, a plurality placed a light reflection plate for reflecting the sunlight irradiating the removal of the power generation cell section to the power generation cell top surface, the The light reflector has a substantially triangular cross-section, and one side of the triangle is located at a portion where the power generation cell is removed, one side of the triangle is joined via a support member that is a heat insulating material , and the other side of the triangle Two sides are raised in the direction of the upper surface cover, and the top of the light reflecting plate where the other two sides intersect is directed to the upper surface cover.
Solar cogeneration Rei Deployment apparatus, characterized in that.
前記上面カバーと前記発電セルとの間であって、間隔を設けて並設された複数の平板状の光反射板と、
この平板状の光反射板の対向するそれぞれの面に、前記上面カバーを通して入射される太陽光の短波長スペクトル光線は入射角と反射角が等しくなる状態で前記発電セル方向へと反射させ、前記発電セルから放射される長波長スペクトル輻射光線は反射させない乃至は前記発電セル方向へと反射させる機能を有するように薄膜が被覆され乃至は階段状の表面形状が形成されている
ことを特徴とした太陽光コジェネレイション装置。
A solar cogeneration device having a sunlight permeable upper surface cover , an air layer under the upper surface cover, and a power generation cell below the upper surface cover , and configured as a flat plate as a whole ,
A plurality of plate-like light reflecting plates arranged between the upper surface cover and the power generation cell at intervals, and
Short-wavelength spectral rays of sunlight incident on the opposing surfaces of the flat light reflector through the upper surface cover are reflected in the direction of the power generation cell in a state where the incident angle and the reflection angle are equal , long wavelength spectral radiant rays emitted from the power generation cell Le is to thin film is coated has a stepped surface shape is formed in this way or not reflected has a function of reflecting into the power generation cell direction
Solar cogeneration system characterized by that.
断面形状が略三角形の小さな光反射板を上下に同じ方向に重ね合わせた形状にすることにより表面形状を階段状としたもので、
この平板状の光反射板の三角形の前記小さな光反射板を一辺が前記発電セル表面の側に向かう様に、且つ他の二辺は前記上面カバーの方向へと立ち上げ、
前記発電セル表面からの輻射光は、前記平板状の光反射板のそれぞれの三角形の前記小さな光反射板の下面で前記発電セル側に反射させる
ことを特徴とした請求項3に記載の太陽光コジェネレイション装置。 The stepped surface shape of the flat light reflector is
The cross-sectional shape is a step shape with a surface shape made by overlapping a small light reflector with a substantially triangular shape in the same direction up and down,
One side of the small light reflection plate in the triangular shape of the flat plate-like light reflection plate is directed toward the power generation cell surface side, and the other two sides are raised toward the upper surface cover,
Radiation light from the surface of the power generation cell is reflected to the power generation cell side by the lower surface of the small light reflection plate of each triangular shape of the flat light reflection plate.
Sunlight cogeneration Ray Deployment apparatus according to claim 3 which is characterized in that.
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