JP2017221007A - 太陽電池パネル - Google Patents

Abstract

【課題】太陽エネルギーの有効利用、集熱方法のローコスト化と集熱効率向上させることができる太陽電池パネルを提供すること。
【解決手段】太陽電池パネル本体の背面部に形成された面的冷媒空間と、前記面的冷媒空間内に配置された金網とを設ける。前記面的冷媒空間に冷媒を供給する給水口と、前記面的冷媒空間から冷媒を排出する排水口と、を備え、金網を伝熱管代わりに用いるハイブリッド型太陽電池パネルを構成する。またこれらを複数並べたソーラーシステムとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルの太陽熱による温度上昇を防ぎ、太陽電池パネルの発電効率の向上する技術に関する。

一般に、太陽電池は、その受光面に太陽光を受けて、発電することになる。太陽電池は、太陽光を受け続けると温度が１℃上昇するごとに、発電効率が０．４５％低下する。

そこで、太陽電池パネル背面に取り付けた伝熱管に水等の冷却媒体を通流させることにより、パネルの冷却と太陽熱の集熱を行う構成としたシステムが、ハイブリッド型の太陽電池パネルとして知られている。図８に示すように、従来の太陽電池パネル本体１と、その背面側に蛇行するように冷媒管３を引き回し、集熱パネル本体２を配置した構成が一般的である。また、図９には太陽電池パネルの裏面側に設けた端子盤をよけるため、冷媒管３の一部を変形させた構造が示されている。

通水管に水を通して冷媒とする集熱方法（通水管タイプ）が、特許文献１および２に開示されている。
通水管タイプでは通水管の周囲と管から離れた部分では温度の差が生じ、均一な集熱ができない。
また、配管の製作および配置に手間がかかる。

特開２０１４−１０９４１９号公報 特開平１１−１９３９６３号公報

本発明は、太陽電池パネル本体の温度上昇を抑制し、太陽電池の発電効率を向上させることを目的とする。

本発明は、太陽電池パネルの背面に面的冷媒空間が配置されており、金網が当該面的冷媒空間に配置されていることを特徴としている。
前記面的冷媒空間内には、その下部に冷媒を供給する給水口を設け、上部に冷媒を排出する排出口が設けられていて前記面的冷媒空間内を冷媒が流れることを特徴としている。

前記金網は太陽電池パネル本体背面側に当接されていることを特徴としている。
前記面的冷媒空間は、太陽電池パネルの背面部に一つの空間として形成されていることを特徴としている。

前記金網は、図６に示すように、太陽電池パネル本体に付随する端子箱部分を切除してなることを特徴としている。
前記金網は、熱伝導率の高い材料（例えば、金属は熱伝導率が高く、銅は３８７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、アルミニウムは２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ））等の熱伝導体からなることを特徴としている。

太陽電池パネル本体の温度上昇を抑制し、太陽電池の発電効率を向上させることができる。
太陽エネルギーの利用効率を比較すると、集熱効率は蛇行する冷媒管による太陽電池パネル（従来技術）が約２０％に対し本発明技術は約４０％、発電効率は従来技術が５〜１０％程度に対し本発明技術は１０〜１５％程度である。
通水管タイプでは通水管の周囲と管から離れた部分では温度の差が生じ、均一な集熱ができないため、発電効率が低くなるばかりか、太陽光セルの寿命にも影響を与えている。

本発明による太陽電池パネルは、細かい金網が太陽電池パネルに点として接して集熱することから、背面全体として面的に集熱できることから、各太陽光セルの発電効率に偏りが生じない。

本発明は、水の断面流速をほぼ０．０１ｍ／秒程度にしている。面的冷媒空間２２の流速が微速であるほど圧力損失が小さいことが判明しており、０．０１ｍ／秒の流速ではほぼ圧力損失が出ない。したがって、ポンプの容量を低減することが可能になる。

蛇行する冷媒管による太陽電池パネルと比較すると、本発明は、さらなる利点として、金網が当該面的冷媒空間に配置された簡単な構造なので、集熱部分の製作にかかる手間が少ない。

実施形態に係る太陽電池パネルの分解断面斜視図である。 図２（１）は実施形態に係る本発明の側面断面図で同図（２）のＩ―Ｉ線断面図であり、図２（２）は太陽電池背面の集熱部分を示した平面図である。 図３（１）は集熱部分の図３（２）Ａ部の拡大断面図、同（２）は太陽電池パネルの同（３）のII−II面に沿う側面断面図、同（３）は太陽電池背面の集熱部分を示した平面図である。 図４は実施形態に係るソーラーシステムの正面断面図である。 従来のハイブリッド型太陽電池パネル（図５（１））と実施形態に係る本発明（図５（２））の計算モデルの説明図である。 図６（１）は実施形態に係る端子箱（右端）をよけた金網の形態を示す模式図、同（２）は他の実施形態を示す模式図である。 図７（１）は実施形態に係る集熱パネルの同（２）のIII―III線の側面断面図、同（２）は太陽電池背面の集熱部分を示した平面図である。 従来の太陽電池パネルを示すもので、同（１）は同（２）のIV―IV線の側面断面図、同（２）は太陽電池背面の集熱部分を示した平面図である。 図９は他の太陽電池パネル背面の端子箱を避けたハイブリット型太陽電池パネル集熱部分を示す構造を示す平面図である。

以下に、本発明に係るハイブリッド型太陽電池パネル、集熱パネルおよびソーラーシステムの実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は実施形態に係るハイブリッド型太陽電池パネルの分解斜視図であり、図２は実施形態に係るハイブリッド型太陽電池パネルの側面断面図、並びに太陽電池背面の集熱部分を示した平面図である。図示のように、ハイブリッド型太陽電池パネル１０は、表層部の太陽電池パネル本体１２と、その裏面側に配置された集熱パネル本体１４から構成されている。

太陽電池パネル本体１２は、太陽からの光エネルギー（光子）を使い、光起電力効果を応用して電気を発生させる。一般的には、ウェハーベースの結晶シリコンを使った結晶系太陽電池である。必要な電圧を確保するため、直列に太陽電池のセルを接続した太陽電池パネルを、さらに直列に接続する。結晶系太陽電池は高温になるほど発電効率が低下するため、太陽電池パネル本体はなるべく熱を持たないのが望ましいので、背面側に集熱パネル本体１４を設け、設置する際に背面から集熱できるようにしている。太陽電池パネル本体１２の構造は、図１、図２（１）、図３（１）、（２）に示しているように、複数の電池セルを縦横に並べて配置され、その表面部にガラス基板１６を配置している。

集熱パネル本体１４は、太陽電池背面から熱を奪うための金網２０と、これを収容する面的冷媒空間２２を形成する板２４とを主な構成要素としている。網体は金属等から構成すればよいが、例えばシリコンなどからの材料からでも作れる。このよう網体としては、ステンレスや鉄材料で作製したもので足りるが、望ましくは、銅、アルミニウムその他の高熱伝導率の材料から構成することがよい。また、実施例では、１ｍｍの線材を１０ｍｍ角のメッシュにした金網２０を採用している。メッシュの大きさは少なくとも、面的冷媒空間２２の媒体の流れを阻害しなければよい。この金網２０は、太陽電池パネル本体１２の裏面部に対して片面が密着するように、板２４によって押えられた形態で、面的冷媒空間２２に収容されている。すなわち、前記金網２０の片面は少なくとも面的冷媒空間２２における太陽電池パネル本体１２の背面側に当接されて、周囲をシール材２６によってシールされている。したがって、前記面的冷媒空間２２は、金網２０を挟着可能な薄くて狭い空間とされている。このような面的冷媒空間２２は、太陽電池パネル本体１２の裏面部、これと対向する板２４、並びにそれらの周囲に配置されるシール材２６によって構成され、それらの外面には断熱材２８が配置され、面的冷媒空間２２からの伝熱を遮断している。

このように構成された面的冷媒空間２２には、冷媒３０が給排されるようになっており、図１、２、３に示しているように、前記面的冷媒空間２２に冷媒３０を供給する給水口３２と、前記面的冷媒空間２２から冷媒３０を排水する排水口３４とによって行われる。給水口３２と排水口３４とがそれぞれ複数個所設けられ、面的冷媒空間２２内での冷媒３０の水流の停滞域が生じないようにしている。給水口３２、排水口３４の数が多いほど停滞域がなくなるが、実施形態では各２個設けてある。そして、複数の太陽電池パネル１０を連結する場合には、給水口３２が連通する給水ヘッダ３６、排水口３４が連通する排水ヘッダ３８にそれぞれ連絡するようにしている（図３参照）。この給水口３２を通じて面的冷媒空間２２内に冷媒３０が入り込み、また、同時に排水口３４から冷媒３０が流れ出るが、この断面流速をほぼ０．０１ｍ／秒程度にしている。面的冷媒空間２２の流速が微速であるほど圧力損失が小さいことが判明しており、０．０１ｍ／秒の流速ではほぼ圧力損失が出ない。したがって、ポンプの容量を低減することが可能になる。

このように構成されたハイブリッド型太陽電池パネル１０を用いてソーラーシステム４６を構築する場合には、図４に示された構造を採用すればよい。すなわち、太陽電池パネル本体１２とその背面部に集熱パネル本体１４を一体形成したハイブリッド型太陽電池パネル１０を形成し、このハイブリッド型太陽電池パネル１０を縦横に複数配置して構成される。もちろん、ハイブリッド型太陽電池パネル１０は、上述したように、前記太陽電池パネル本体１２の背面部に面的冷媒空間２２を配置し、この面的冷媒空間２２には太陽電池背面部に接する金網２０を設け、この金網２０を介して吸熱を可能とした構造となっている。この組合せは自由であり、任意のサイズに仕上げればよい。

そして、各々の給水口３２と排水口３４とを給水ヘッダ３６と排水ヘッダ３８により連絡して冷媒３０の循環路４０を形成し、この循環路４０に循環ポンプ４２と熱交換器４４を配置してソーラーシステム４６としている。循環ポンプ４２は、使用する冷媒３０を給水ヘッダ３６から給水口３２へ供給し、もって面的冷媒空間２２内で冷媒３０を加熱し、排水口３４から排水ヘッダ３８を通じて循環させる。太陽熱による冷媒３０の加熱作用は、直接的に面的冷媒空間２２内の冷媒３０を加熱するケースと、太陽電池に接する金網２０を介して放熱する熱で冷媒３０を加熱するケースとがある。この両者の加熱作用で、冷媒３０が吸熱され、これが熱交換器４４を通じて外部に出力される。すなわち、この熱を熱交換器４４によって２次冷媒を加熱し、畜熱槽４８に畜熱し、給湯など適宜利用される（図４参照）。

このようなソーラーシステム４６は、建屋の屋上（または屋根）にハイブリッド型太陽電池パネル１０またはそのユニットを南に向けて複数配列し、および建屋の壁面にハイブリッド型太陽電池パネル１０またはそのユニットを複数設置するのである。これらすべてのハイブリッド型太陽電池パネル１０またはそのユニットは、循環路を介して一次冷媒として循環させつつ、熱交換器４４を介して二次媒体の水などを加熱するようにすればよい。

上述のように構成されたハイブリッド型太陽電池パネル１０及びソーラーシステム４６では、製作に際して、イニシャルコストは、冷媒管を使用せず、太陽電池パネル本体１２の背面を板２４ならびにシール材２６で囲む薄い水層（冷媒層）が冷媒管に代わることと、集熱性能を向上させる金網２０も既成品を使用することから材料費用を抑制できる。更に、性能面では、従来技術の集熱作用は、太陽電池パネル本体１２の背面を貫流した太陽熱が冷媒管に放熱される流れで行われる。一方、本発明では、集熱作用は、太陽電池パネル本体１２を貫流した太陽熱が太陽電池パネル本体１２から直接冷媒３０に集熱される直接ルートと、太陽電池パネル本体１２から金網２０を通じて冷媒３０に集熱される金網ルートに大きく分かれて行われる。

金網は太陽電池背面に部分的に接するため金網への熱移動は限定されるが、金網の熱伝導率と冷媒への放熱面積が大きいことで、本発明の技術の集熱効果は従来の技術より高くなる。

図５（１）に従来技術を、図５（２）に実施形態技術の計算モデルを示す。
太陽電池パネルと断熱材を除く集熱部分のイニシャルコスト、性能の具体例を示すと次のとおりである。

太陽電池パネル本体１２は共通とし、サイズは１ｍ×１ｍの外径寸法を有し、断熱材部分を除いた放熱板のサイズが０．９ｍ×０．９ｍとされている。従来技術の例では、内部に設けられている蛇行冷却管（配管径が１０ｍｍ）のピッチを０．２ｍとし、平行な直管部の長さを０．６ｍとしたものである。一方、実施形態では、断熱材の内側にシール材が取り付けられているので、開口面積は０．８ｍ×０．８ｍの矩形状とし、内部に金網（線径１ｍｍ、網目１０ｍｍ角）を入れている。

このような実施形態と従来技術をイニシャルコストと性能について比較した結果を以下に示す。
従来技術の冷媒管分離型のケースでは合計５〜７万円程度の費用が掛かり、また冷媒管一体型での金型や製作費で合計６０〜１２０万円程度の費用が掛かる。これに対して、本実施例では、金網（線径１ｍｍ、網目が１０ｍｍ角）やシール材等で合計２〜３万円程度のイニシャルコストで済むので非常に割安に実現できる。

また、放熱面積は従来に比して本実施形態の場合、従来技術の８倍となる。また、給水量１．０Ｌ/分の場合、放熱ロスがないと仮定した場合、本実施形態の放熱量は従来技術の約１．８倍となる。このように本実施形態では放熱面積も放熱量も格段に良くなる。

一方、本実施形態は、金網ルートと直接ルートが共存する状況であり、熱移動は２ルートで行われる。各ルートの熱移動に関する特徴は以下のとおりになる。
ａ）直接ルート (太陽電池パネル→冷媒)
冷媒の熱伝導率が小さく熱移動速度は遅い。
例）水は０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、空気は０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）
ｂ）金網ルート（太陽電池パネル→金網→冷媒）
１）金網の熱伝導率が大きいので熱移動速度は速い。
例）アルミは２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、水の４００倍、空気の１２０００倍
銅は３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、水の６５０倍、空気の１９５００倍
２）金網が太陽電池パネル本体に接する面積割合は小さい。
例）線径１ｍｍ、網目１０ｍｍ角で０．００６ｍ²／ｍ²、１ｍ角の太陽電池パネル本体の面積に対して約１／１６０
３）金網で冷媒との接触面積が増加し、冷媒への放熱が促進される。
例）線径１ｍｍ、網目１０ｍｍ角の金網の表面積は０．４ｍ^２／ｍ^２で、金網無しの表面積（１ｍ^２）に対し１．４倍

以上の特徴を踏まえ、金網ルートの熱移動速度は直接ルートより速いことを具体例で以下に示す。
例）線径１ｍｍ、網目１０ｍｍ角のアルミの網から水への熱移動速度
１）の例でアルミの熱伝導率が水の４００倍
２）の例で金網の太陽電池パネル接触面積が太陽電池パネルの約１／１６０
３）の例で太陽電池パネル本体の背面で金網無しに対し放熱面積比１．４倍
１）〜３）を掛け合わせて、４００×(１/１６０)×１．４＝３．５倍となり、金網ルートは直接ルートの３．５倍ほど熱移動が速い。したがって、放熱速度の点でも優れたものとなる。

ところで、太陽電池パネル本体１２に必要な端子箱５０を背面部に設ける必要がある。端子箱５０はパネル面の端部（図６（１））やパネル面の中央部（図６（２））に存在するケースがある。この実施形態に係るハイブリッド型太陽電池パネル１０では、この端子箱５０との干渉を避けるため、図６に示すように、該当箇所の金網２０をくり抜くだけで対応できる。したがって、各社各様の太陽電池パネル本体に適応することができる。これは冷媒管を用いた場合より、格段に優れたものとすることができる。
以上のことから理解できるように、本実施形態に係るハイブリッド型太陽電池パネル１０の有意性が分かる。

次に、上記ハイブリッド型太陽電池パネル１０とは別に、集熱パネル単体として構成した場合について説明する。集熱パネル５２として使用する場合は、図７に示しているように、太陽電池パネル本体１２に代えてパネル表面に平板型・黒色の集熱面５４を設けた平板型集熱器として構成したものや、内部を真空にしたガラス管を用いた真空管型集熱器として構成したもの、あるいは凹面の反射板または凹面鏡のほかに平面反射板または鏡を凹面状に並べることにより集熱する集光型集熱器として構成することができる。いずれも集光された太陽光を利用して内部に金網２０を集熱面５４に当たるように板２４などで押え込んで、周縁部をシール材２６で内部に面的冷媒空間２２を形成している。外周囲は断熱材２８により熱を遮断する。

この集熱パネル５２を複数、縦横に並べ、図４に示したものと同様なソーラーシステムとして構成することで、従来と比べてローコストで集熱性能の高い集熱構造とすることができる。

以上説明したように、ハイブリッド型太陽電池パネル１０は、まず、太陽電池パネル本体１２の背面に金網２０を、金網２０の背面に板２４を配置する。金網２０の端部周囲の隙間はシール材２６で埋める。この配置によって、太陽電池パネル本体１２、板２４、金網２０との間に隙間が面的冷媒空間２２として形成される。この隙間を冷媒３０で満たし、太陽電池パネル本体１２の背面に貫流する太陽熱を冷媒３０に集熱させる。太陽電池パネル本体１２の受光面以外は断熱材で覆い、集熱ロスを抑制する。冷媒３０は停滞域を少なくするために給水口３２と排水口３４を図２に示すように複数配置するのである。そして、このようなハイブリッド型太陽電池パネルを用いて構成されたソーラーシステム４６を構成し、また、集熱パネル５２単体としての構成、更に、集熱パネル５２を縦横に配置して組み込んだシステムは、ローコストで集熱効率の良い優れたものとなる。

なお、上記実施形態では、金網２０の接するのは太陽電池パネルの背面としているが、これに限らず、放熱板の機能があるものも含まれる。また、板２４に代えて金属板などの材質の変更は自由である。

ハイブリッド型太陽電池パネルの製造、集熱パネルの製造、あるいはこれらを用いたソーラーシステムの製造に利用することができる。

１……太陽電池パネル本体、２……集熱パネル本体、３……冷媒管、４……断熱材、５……放熱板、６……端子箱、１０……ハイブリッド型太陽電池パネル、１２……太陽電池パネル本体、１４……集熱パネル本体、１６……ガラス基板、２０……金網、２２……面的冷媒空間、２４……板、２６……シール材、２８……断熱材、３０……冷媒、３２……給水口、３４……排水口、３６……給水ヘッダ、３８……排水ヘッダ、４０……循環路、４２……循環ポンプ、４４……熱交換器、４６……ソーラーシステム、４８……畜熱槽、５０……端子箱、５２……集熱パネル、５４……集熱面。

Claims (6)

1. 太陽電池パネルの背面に面的冷媒空間が配置されており、金網が当該面的冷媒空間に配置されていることを特徴とする太陽電池パネル。
2. 前記面的冷媒空間内には、その下部に冷媒を供給する給水口を設け、上部に冷媒を排出する排出口が設けられていて前記面的冷媒空間内を冷媒が流れることを特徴とする太陽電池パネル。
3. 前記金網は太陽電池パネル本体背面側に当接されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池パネル。
4. 前記面的冷媒空間は、太陽電池パネルの背面部に一つの空間として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池パネル。
5. 前記金網は太陽電池パネル本体に付随する端子箱部分を切除してなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池パネル。
6. 前記金網は、銅、アルミニウムその他の熱伝導率の高い材料等からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池パネル。
   

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