JPH10321890A

JPH10321890A - 太陽電池冷却システム

Info

Publication number: JPH10321890A
Application number: JP9125490A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishimura; 厚司西村; Toshiji Yoshikawa; 利次吉川; Tatsuya Uchida; 達也内田; Akira Shinozaki; 明篠崎; Hirofumi Ishida; 浩文石田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1997-05-15
Filing date: 1997-05-15
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池パネルの温度上昇による出力の安定
性や変換効率等の低下を防止するための太陽電池冷却シ
ステムを提供する。【解決手段】太陽電池パネル(1)の裏面に金属製の密
閉可能な冷却ボックス(2)を密着させ、その冷却ボック
スの太陽電池パネル裏面に密着した冷却ボックスの接す
る面の内側に多孔質の金属板(3)を設け、冷媒(6)を封入
するとともに、金属製の冷却ボックスの太陽電池パネル
に接しない面の外側にフィン(5)を設けた太陽電池冷却
システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池冷却シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、太陽エネルギ利用装置の研究開発
が盛んに行われており、熱エネルギに変換して利用する
太陽熱給湯システムや冷暖房システム、電気エネルギに
直接変換して利用する太陽電池、さらに、太陽熱により
蒸気を発生させてタービンを動かし間接的に電気エネル
ギに変換する太陽光発電などが実用化されている。太陽
エネルギは無尽蔵でクリーンなことから、地球環境保護
の面でさらに積極的な利用が求められている。

【０００３】従来の太陽電池は、ガラス−ガラスあるい
はガラス−樹脂板でサンドイツチされた構造、またはガ
ラス−フィルムラミネートの構造を採っている。従来の
太陽電池の基本的な構造を図３に示す。所定の数の太陽
電池素子７をメラミン樹脂等の樹脂基板８に接着剤で固
定し、この基板８を中枠９に固定、設置するとともに、
上面を透明なアクリル樹脂あるいは透明ガラスの透明カ
バー１０で覆い、下面を鋼板等の底板１１で覆ってい
る。さらに、これらをアルミニウム等の外枠１２に収納
し、透明カバー１０と外枠１２、底板１１と外枠１２を
それぞれパッキング（図示せず）を介して固定し、内部
の気密性を保っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この太陽電池が吸収す
る太陽光波長は、太陽光ピーク波長よりやや長い波長域
であり、さらに変換効率が高い波長域は狭い。そのた
め、太陽電池に入射した太陽光の内、電気に変換されな
かった分は熱の形で吸収され、太陽電池を昇温させる。
一般に太陽電池は使用状態における雰囲気温度、湿度に
大きく影響され、特に高温においては出力安定性低下や
変換効率低下が発生する。従来の構造での放熱機構は、
太陽電池パネルの表面および裏面からの放射と大気への
自然対流によるものだけであり、放熱が十分でないため
上記の出力安定性低下や変換効率低下などの問題があっ
た。また、近年、太陽光吸収効率及び変換効率の高い太
陽電池が開発されているが、吸収効率が向上した分だけ
温度上昇も大きくなり、結果的には従来と同程度の出力
しか得られないという問題が発生している。

【０００５】本発明は、かかる問題点の解決を図ろうと
するもので、冷却能力の優れた冷却機能を備えた変換効
率の高い太陽電池の太陽電池冷却システムを提供するも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、太陽電池パネ
ルの裏面に金属製の密閉可能な冷却ボックスを密着さ
せ、その冷却ボックスの太陽電池パネル裏面に密着した
冷却ボックスの接する面の内側に多孔質の金属板を設
け、冷媒を封入するとともに、金属製の冷却ボックスの
太陽電池パネルに接しない面の外側にフィンを設けた太
陽電池冷却システムである。また、本発明は、この多孔
質の金属板の開孔率が１５〜４０％、表面孔数が２０〜
４０個／ｍｍ²、孔径が８０〜１２０μｍであると好ま
しいものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、具体的には、一つの内
壁表面に多孔質の金属板を設け、少なくとも多孔質の金
属板を設けた面に対抗する面の外側にフィンを設けた金
属製の密閉可能な箱に冷媒を封入して冷却ボックスと
し、その冷却ボックスを太陽電池パネルの裏面に、裏面
と多孔質の金属板を接着した面の外面が合わさるように
密着させることにより構成される太陽電池冷却システム
である。この冷却ボックスの大きさは任意であり、大き
な太陽電池パネルと同等の大きさの冷却ボックスを１個
設けてもよいし、小さな冷却ボックスを太陽電池パネル
裏面に複数個設けてもよい。

【０００８】本発明の多孔質の金属板は、太陽電池パネ
ルから冷媒への伝熱を促進させるためのものであり、開
孔率が１５〜４０％、表面孔数が２０〜４０個／ｍ
ｍ²、穴径が８０〜１２０μｍの範囲にあることが好ま
しい。開孔率が１５％未満、表面孔数が２０個／ｍｍ²
未満、穴径が８０μｍ未満では、多孔質の金属板の冷媒
保水量が少なく、部分的に伝熱に寄与しない領域が発生
し伝熱量が低下するため好ましくない。また、開孔率が
４０％、表面孔数が４０個／ｍｍ²、穴径が１２０μｍ
を超えると、多孔質の金属板の１つ１つの空隙が大きく
なり、各空隙内に保持された冷媒への伝熱量が低下する
ため好ましくない。本発明では、多孔質の金属板の厚み
は、１〜４ｍｍとするのが、冷媒が多孔質の金属板を毛
管作用や冷媒蒸発による吸引作用により染み込み全体に
移動し、蒸発するのに適する。

【０００９】本発明の太陽電池冷却システムの冷却ボッ
クス２における熱の移動と冷媒の移動を図２に示す。太
陽電池パネル１で発生した熱は、底板から冷却ボックス
２の内部の多孔質の金属板３に伝わる。ここで、多孔質
の金属板３に染み込んだ冷媒に熱が伝わり冷媒はその熱
を蒸発潜熱として吸収し、蒸気となって多孔質の金属板
３から放熱フィン５を設けた面へ移動する。蒸気はここ
で凝縮し、液体に戻ると同時に放熱フィン５を設けた面
に熱を移動する。放熱フィン５を設けた面に移動した熱
は、放熱フィン５を介して大気に放熱される。一方、液
体に戻った冷媒は、再び毛管作用により多孔質の金属板
３に吸収され、上記現象を繰り返し、太陽電池パネルの
熱を大気に放出する。これにより太陽電池の温度が低下
し、出力が安定し、変換効率が向上する。

【００１０】本発明の多孔質の金属板は、例えば、三次
元網目構造体の骨格表面を有するウレタンフォーム等の
連続気泡構造を有する発泡性の樹脂、または、加熱して
焼失する例えば樹脂でできた不織布、織布等を用い、厚
みが最終的に１〜４ｍｍとなるようにその厚さを選択す
る。この三次元網目構造体の骨格表面に金属粉体の付着
が容易にでき、そこから金属粉体が剥離するのを防止す
るために粘着性を付与する。粘着性は、アクリル系、ゴ
ム系等の粘着剤溶液またはフェノール樹脂、エポキシ樹
脂、フラン樹脂等の接着性の樹脂溶液を三次元網目構造
体に塗布することにより付与される。骨格表面に粘着性
を付与した後、金属粉体中で三次元網目構造体を揺動さ
せたり、構造体に金属粉体を吹き付ける等の方法によ
り、骨格表面に粉体を付着させる。これにより乾燥状態
の粉体を直接網目構造体の表面に付着させることができ
る。金属粉体を付着させた後、さらに粘着性を付与して
粉体を付着させることを繰返し行っても良い。金属粉体
の粒径は、網目構造体表面に付着可能な範囲であれば良
く、通常０．０１〜１００μｍの範囲にあることが望ま
しい。粉体の形状は特に制限されるものでなく、粒径分
布は大きな粒子の隙間を小さな粒子が埋めるような密に
充填できるような分布であるとその後の焼結に有利とな
る。粉体には、目的により他の金属あるいは金属合金を
同一粉中にあるいは別の粉体として混ぜても良い。

【００１１】本発明で使用する金属あるいは金属合金と
しては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、チタ
ン、クロム、亜鉛、錫、マンガン、タングステン、コバ
ルト等の金属粉やその金属と他の元素との化合物、例え
ば、酸化物、硫化物、ハロゲン化物等、また、その金属
と他の金属との合金である。これらの金属粉体は、不活
性もしくは還元性雰囲気で加熱によりそれぞれ単独に、
または、混合体として容易に焼結する性質を利用するこ
とで、三次元網目構造の金属焼結体を得るもので、さら
にこの多孔質の金属板は、単一孔径のみならず孔径の異
なる複数層の多孔質の金属板とすることもできる。

【００１２】三次元網目構造体の骨格表面に、金属また
は金属合金の粉体を付着させたものを金属板（冷却ボッ
クス）の表面に積層する。この際、単に積層しても良い
が、金属板表面に粉体を付着させたり、金属板表面ある
いは粉体付着三次元網目構造体の表面を水、有機溶剤、
金属塩を含む溶液等で濡らして積層すると得られる金属
焼結体と金属板の接着性が良好となり好ましい。金属塩
は、液体に溶解するものであれば良いが、三次元網目構
造体を構成する樹脂が分解除去される温度付近で酸化物
を形成するものが強度の向上効果が大きく好ましい。こ
のため、一般的な樹脂が分解する５００℃以下で酸化物
を生成する硝酸塩、酢酸塩、ぎ酸塩等の塩が好ましい。
金属塩の種類は粉体と同種の金属イオンを含有するもの
でも良いし、異種の金属イオンを含有しても良い。これ
らは、金属粉体付着三次元網目構造体に適用し、浸漬や
スプレーなどにより粉体を濡らし、乾燥させることによ
り粉体同士を凝集させることにより加熱中の強度維持や
得られる金属多孔質体層の強度を高めることができる。

【００１３】金属板表面に積層した粉体付着三次元網目
構造体の加熱は、樹脂の除去と金属粉体の焼結を目的と
したものである。加熱条件は、使用する樹脂及び金属粉
体の性状に応じて、処理温度、時間、雰囲気を適宜選択
する。樹脂に発泡樹脂を使用した場合には、樹脂の焼失
は酸化性雰囲気、金属粉体の焼結は還元性雰囲気となる
よう雰囲気を変えることが好ましい。以上のように形成
した多孔質の金属板は、密度が低いので、開孔率が１５
〜４０％、表面孔数が２０〜４０個／ｍｍ²、穴径が８
０〜１２０μｍとなるように厚さ方向に圧縮して、前記
の値の範囲となるようにする。これには、移動距離を制
御できるプレス機を用い、所定の厚みとなるように小さ
な圧縮速度で圧縮する方法により行うことができる。

【００１４】冷却ボックス２と放熱フィン５の材質は、
熱伝導率の高いものが望ましく、銅以外にアルミニウム
を用いてもよい。冷媒は、ＨＣＦ１３２ａ以外に冷凍機
で使用されているＨＦＣ１５２ａやＨＣＦＣ２２、ある
いは、水をもちいてもよい。水を冷媒として用いる場合
は、使用条件により酸化されやすい場含がある。この対
応策として、予め酸化しておく方法がある。即ち、ペル
オキソアンモニウムや過マンガン酸カリウム、過塩素酸
ソーダ等の溶液中で容易に酸化されるので、これらの処
理液により予め酸化させても良い。また、腐蝕に対応す
るため二酸化珪素を含んだ親水性塗料をコーティングす
ると濡れ性向上による伝熱性能の向上または維持が可能
である。以下実施例により本発明を具体的に説明する。

【００１５】

【実施例】三次元網目構造体として、厚さ３ｍｍのポリ
ウレタンフォーム（エバーライトＳＦ、（株）ブリジス
トン製商品名）を使用した。このポリウレタンフォーム
を下記の樹脂分８重量％のアクリル系の粘着剤溶液に浸
漬した後、余分な溶液をロールを通して除去し、ポリウ
レタンフォームの構造体表面に粘着性を付与した。アクリル系共重合体ＨＴＲ−６００ＬＢ（帝国化学産業（株）製商品名）５０重量部アクリル系共重合体Ｑ−１８５１（日本カーバイド工業（株）製商品名）５０重量部架橋剤コロネートＬ（日本ポリウレタン工業（株）製商品名）１重量部溶剤トルエン１１６１．５重量部これをさらに、１００℃で１０分間乾燥し、溶剤を除去
した後、平均粒径５μｍの銅粉中に構造体を挿入し揺動
させることにより付着させた。一方、冷却ボックスの一
部を形成する金属板として外寸法５００×５００ｍｍ、
厚み１ｍｍの銅板を使用し、その片面に銅粉を付着し、
その上に銅粉を付着したポリウレタンフォームの構造体
を重ねて積層した。そして、５００℃で１０分間大気雰
囲気中で加熱保持し、ポリウレタンフォームを分解除去
させた。ついで、９００℃で２０分間、水素ガスを流し
た還元性雰囲気中に保持した。これにより酸化銅が還元
され銅粉が焼結してポリウレタンフォームの三次元網目
構造を転写した形状をもつ三次元銅網目構造体である多
孔質の金属板付銅板を得た。多孔質の金属板となる金属
焼結体の厚みは２ｍｍで、空隙率は９５％であった。こ
の多孔質の金属板付銅板をプレス機のプレス盤に設置
し、室温で１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力でプレスした。金
属焼結体をプレスした後の厚みは、１ｍｍで開孔率２
６．５％、表面孔数３４個／ｍｍ²、穴径１００μｍで
あった。

【００１６】図１に本発明の太陽電池冷却システムの例
を示す。多孔質の金属板付銅板に凹状にプレス成形した
銅キヤップを多孔質の金属板が冷却ボックスの内側にな
るようにかぶせ、ろう付を行い密閉可能な冷却ボックス
を作製した。なお、多孔質の金属板付銅板と銅キャップ
の接続する部分は予め、多孔質の金属板をナイフ等で除
去した。この冷却ボックスの多孔質の金属板付銅板に対
抗する面の外側に銅製の放熱フィン５を取り付けた。取
り付け方法は、ろう付とネジ止めの場合の二通り行っ
た。ネジ止めで固定する場合は、ボックスと放熱フイン
５の間に熱伝導性のシリコーン樹脂を塗布した。この場
合、熱伝導性のフイルムを介在させることもできる。そ
して、図１に示すように、ボックスの別の面に冷媒封入
用のパイプをろう付し、冷媒封入口４とした。この冷媒
封入口４より、真空ポンプでボックス内を真空にした
後、冷媒として代替フロンＨＦＣ１３２ａを所定量封入
し、冷却ボックス２を得た。冷媒の封入量は、多孔質の
金属板３が毛管作用で冷媒を吸い上げ、さらに太陽電池
パネル１を傾斜させて設置した際に図１に示す如く冷却
ボックス２の下部に溜まって多孔質の金属板３の下端に
触れる位とする。さらに、この冷却ボックス２を多孔質
の金属板３を設けた面と太陽電池パネル１の底板とを熱
伝導性フィルムを介在して合わせてネジ止めし太陽電池
冷却システムを作製した。

【００１７】多孔質の金属板の代わりに表面に溝加工を
施した金属板を用いたもので、蒸発熱伝達率を比較する
と、多孔質の金属板を用いたものの方が１．５倍大きい
値を示した。以上のように、本発明の太陽電池冷却シス
テムを用いると、太陽電池パネルの熱を効率よく大気に
放出することが可能となり、出力安定性が向上し、さら
に変換効率も向上した。

【００１８】

【発明の効果】本発明の太陽電池冷却システムは、冷媒
の蒸発部に多孔質の金属板を用いているため、冷媒の吸
収力が大きく太陽電池パネル全体を均一に冷却すること
ができる。さらに、材質が金属で骨格が連続でつなっが
っているため熱伝導率が高く、冷媒への熱交換効率が高
くなる。そのため、太陽電池パネルの熱を効率よく大気
に放出することが可能となり、出力安定性が向上し、さ
らに変換効率も向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】本発明の太陽電池冷却システムの冷却ボック
スにおける熱と冷媒の流れを説明する図である。

【図３】従来の太陽電池システムの構造を示す図であ
る。

【符号の説明】

１．太陽電池パネル２．冷却ボックス３．多孔質の金属板４．冷媒封入口５．放熱フィン６．冷媒７．太陽電池素子８．樹脂基板９．中枠１０．透明カバー１１．底板１２．外枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者篠崎明茨城県下館市大字下江連1250番地日立化成工業株式会社結城工場内 (72)発明者石田浩文茨城県下館市大字下江連1250番地日立化成工業株式会社結城工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】太陽電池パネルの裏面に金属製の密閉可
能な冷却ボックスを密着させ、その冷却ボックスの太陽
電池パネル裏面に密着した冷却ボックスの接する面の内
側に多孔質の金属板を設け、冷媒を封入するとともに、
金属製の冷却ボックスの太陽電池パネルに接しない面の
外側にフィンを設けたことを特徴とする太陽電池冷却シ
ステム。
【請求項２】多孔質の金属板の開孔率が１５〜４０
％、表面孔数が２０〜４０個／ｍｍ²、孔径が８０〜１
２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の太陽
電池冷却システム。