JP2010034108A - 太陽電池パネルの冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水供給用のポンプの消費電力を最小限に抑えつつ太陽電池パネルの冷却を十分に行って発電効率の向上を実現する。
【解決手段】供給された水を太陽電池パネル１のパネル面上へ散水するヘッダ２と、雨水貯留槽５と、雨水貯留槽５からヘッダ２へ水を供給するポンプ３と、太陽電池パネル１の発電電力の一部を使用してポンプ３を所定のデューティ比で間欠的に運転する制御器６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は太陽電池パネルの簡易かつ効率的な冷却を行う冷却装置および冷却方法に関する。

太陽電池はその温度が上昇するほど発電効率が低下することが知られている。例えば、多結晶系太陽電池ではその表面温度が１℃上昇する毎に発電効率は０．５％低下する。そこで、例えば特許文献１には、太陽電池パネルの上部に***を多数設けた水道管の一端を位置させ、外気温が一定値以上に上昇した場合に電磁弁を開いて、上記***より水道水をパネル表面上へ散水するようにした冷却装置が提案されている。
特開平７−３８１３１

上記従来の冷却装置は、太陽電池パネルへの散水によって太陽電池を冷却する点で、太陽電池パネル内に冷却水路を設ける場合等に較べてパネル構造の複雑化を避けることができるという利点があるが、家屋の屋根等に設置される太陽電池パネルまで水道配管を行う必要がある上に水道水を無駄に使用するという問題がある。そこで、雨水貯留槽等に貯留された水をポンプで太陽電池パネル上へ散水することが考えられるが、ポンプの電力消費が、冷却による太陽電池発電量の増加分を上回るおそれがある。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、水供給用のポンプの消費電力を最小限に抑えつつ太陽電池パネルの冷却を十分に行って発電効率の向上を実現した太陽電池パネルの冷却装置とその冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明の太陽電池パネルの冷却装置は、供給された水を太陽電池パネル（１）のパネル面上へ散水する散水器（２）と、水貯留槽（５）と、前記水貯留槽（５）から前記散水器（２）へ水を供給するポンプ（３）と、太陽電池パネル（１）の発電電力の一部を使用して前記ポンプ（３）を所定のデューティ比で間欠的に運転する駆動手段（６）とを備える。この場合、前記ポンプ（３）を運転間隔６０秒〜３００秒で５秒〜２０秒間運転するのが効果的である。

本第１発明においては、太陽電池パネルの冷却に使用する水を水貯留槽からポンプで供給しているから、水道水を無駄に使用することがない。そして、水供給用のポンプを所定のデューティ比で間欠運転するようにしたから、ポンプ停止中のパネル面上の水の気化熱によって太陽電池パネルが効率的に冷却されて発電効率が向上するとともに、ポンプの消費電力を太陽電池パネルの発電増加量より小さく抑えることができる。

本第２発明では、前記水貯留槽はパネル面上へ散水された水のうちの余剰なものを回収し貯留するものである。本第２発明においては、水を循環させることによってその有効利用を図ることができる。

本第３発明の太陽電池パネルの冷却方法は、貯留した水を、太陽電池パネル（１）の発電電力の一部を使用するポンプ（３）によって前記太陽電池パネル（１）のパネル表面へ散水するようにし、かつ前記ポンプを所定のデューティ比で間欠的に運転することを特徴とする。本第３発明によっても本第１発明と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の太陽電池パネルの冷却装置および冷却方法によれば、水供給用のポンプの消費電力を最小限に抑えつつ太陽電池パネルの冷却を十分に行って発電効率の向上を実現することができる。

図１には本発明の冷却装置の構成を示す。図１において、太陽電池パネル１が架台１１によって家屋の屋根上等に傾斜支持されており、その上辺にはこれに沿って散水器としての閉鎖筒状のヘッダ２が設置されている。ヘッダ２の前側周面にはその長手方向へ一定間隔で多数の給水孔２１が設けられている。ヘッダ２の一端には水供給ホース３１が連結されており、当該ホース３１は水循環ポンプ（以下、単にポンプという）３の吐出口に至っている。ポンプ３は一般市販のバスポンプをバッテリ４からの直流電源駆動に改造して使用することができる。太陽電池パネル１の下方には雨水貯留槽５が設けられ、上記ポンプ３は実際には雨水貯留槽５内に設置されている。ポンプ３には後述する間欠運転を可能にする駆動手段としての制御器６を介してバッテリ４から電源が供給されている。なお、バッテリ４は家屋の電気負荷に接続されるとともに、図略の充電線によって太陽電池パネル１の発電出力によって充電されている。

ポンプ３が起動すると、雨水貯留槽５からヘッダ２へ水が供給されて給水孔２１から太陽電池パネル１のパネル面上へ散水される。散水された水はパネル面上を下降しつつ拡がって薄い水膜を形成し、余剰の水は再び雨水貯留槽５内へ落下して回収される。ポンプ３の運転が停止すると散水は中止され、水膜から水分が蒸発してこの際の気化熱によって太陽電池パネル１が冷却される。水の気化熱を利用するから冷却が効率的に行われて太陽電池パネル１の発電量が増大する。ポンプ３の運転は制御器６の出力によって間欠的に行われるから、連続運転に比してポンプ３の消費電力が小さく抑えられる。ここで、ポンプ運転の間隔、すなわち水冷間隔Ｔとポンプ運転時間、すなわち水冷時間ｔは図２に示すような関係にある。一般的に、日本本州の夏季においては、水冷間隔Ｔは１８０秒程度、水冷時間ｔは５秒間程度とするのが最も効果的である。これはデューティ比ｔ／Ｔにして約０．０２８である。春季や秋季は、水冷間隔Ｔは３６０秒程度、水冷時間ｔは５秒間程度、すなわちデューティ比にして約０．０１４で行うのが良い。また、冬季は外気温が十分低くなるからポンプ運転は停止しても良い。総じて、太陽電池パネル１の周囲環境に応じて、水冷間隔Ｔは６０秒〜３００秒の範囲で適宜選択し、また水冷時間ｔは、太陽電池パネル１を例えば２〜４枚直列にしかつ多数（１０〜５０枚）並列にした場合を考慮すると５〜２０秒の範囲で適宜選択すると良い。なお上記デューティ比を外気温に応じて連続的に変更するようにしても良い。

図３には、本発明の冷却装置の、ポンプ３の間欠運転の最適値を求めるための装置構成を示す。本実施例では冷却装置を設けた太陽電池パネル１と冷却装置を設けない太陽電池パネル７を並設して、両者の温度をそれぞれパネル裏面に固定したデジタル温度計で測定した。なお、太陽電池パネル１，７としては表１に示すようなものを使用し、両パネル１，７で特性に殆ど差異が無いことを確認した。ポンプ３としては、バスポンプ（株式会社工進製ＫＰ−２５）をバッテリ４のＤＣ１２Ｖ電源で直接作動するように改造して使用した。ポンプ３の定格電力は１２．０Ｖ×１．５Ａ＝１８Ｗである。なお、ポンプ３の運転と停止はこれに付属した電源器（図示略）のスイッチで手動にて行った。また、各太陽電池パネル１，７のＩ−Ｖ特性を得るために、電圧計８１、電流計８２、可変抵抗（スライド抵抗）８３を準備して、測定時には図３に示す回路を各太陽電池パネル１，７の出力端子に接続した。なお、図１と同じ部材には同一符号を付して説明を省略する。

外気温が３３〜３８℃、平均風速２ｍ／ｓ以下で、太陽電池パネル１，７の温度が５０℃以上になった状態で、太陽電池パネル１を連続水冷した場合のパネル温度の変化を図４の線Ｘで示す。これによると太陽電池パネル１の温度は水冷開始直後から低下し始め、１０分程度で３６℃付近の温度で安定した。この時の、水冷していない太陽電池パネル７（図４の線Ｙ）との温度差は１５．３℃であった。

一方、水冷間隔Ｔを３０秒、水冷時間ｔを１０秒に設定して太陽電池パネル１を間欠水冷した場合の、当該パネル１の温度変化を図５の線Ｘで示す。なお、図中の線Ｙは水冷していない太陽電池パネル７の温度変化であり、また図中の太縦線は水冷を行った時間を示す。このような間欠水冷においても１０分程度で温度が安定し、１５．９℃の温度差が得られた。また、温度の低下速度は、図４に示した連続水冷よりも間欠水冷の方が早い。これより、太陽電池パネル１の温度を下げるには、連続水冷方式よりも、気化熱による冷却効果を利用する間欠水冷方式の方が効果的であることが分かる。しかし、この場合の水冷パターンでのポンプ３の平均使用電力は、１８Ｗ(ポンプ定格電力)×１０秒(水冷時間)/３０秒 (水冷間隔)＝６．０Ｗ(平均使用電力)と未だ大きい。

ところで、水冷を停止すると、図６に示すように、２０分程度で太陽電池パネル１の温度（図の線Ｘ）は太陽電池パネル７の温度（図の線Ｙ）と同程度まで上昇する。この場合、温度が上昇し始めるのは、水冷を停止してから３分（１８０秒）程度経過してからである。したがって、ポンプ間欠運転における水冷間隔Ｔの最大値は３分程度と推定される。そこで、水冷間隔Ｔを大きくすることにより、ポンプの平均使用電力を減らすことを考えた。このため、水冷間隔Ｔを３０秒以外に、６０秒、１２０秒、１８０秒、３００秒と設定し、水冷時間ｔを１０秒として、冷却効果に差があるか否かを調べた。これを図７〜図１０に示す。なお、各図中、線Ｘ、線Ｙはそれぞれ太陽電池パネル１，７の温度変化である。Ｔ＝６０秒、１２０秒、１８０秒（図７〜図９）では、Ｔ＝３０秒（図５）の時と同様、すべて１０分以内に１０〜２０℃の温度差が得られた。しかし、Ｔ＝３００秒 (図１０)では、温度は下がるものの、ポンプ３を止めてから約３分程度で温度が上昇し始め、その後水冷を始めたところでまた温度が低下する、というように太陽電池パネル１の温度が安定しない。以上の実験結果より、予想通りＴ＝１８０秒が最適であることが分かった。

次に、水冷時間ｔを短くすることにより，ポンプの平均使用電力を減らすことを試みた。Ｔ＝１８０秒、ｔ＝５秒で間欠水冷を行ったときの太陽電池パネル１の温度変化を図１１の線Ｘで示す。なお、図中、線Ｙは太陽電池パネル７の温度変化である。これによると、Ｔ＝１８０秒、ｔ＝１０秒の間欠水冷を行った場合（図９）と特徴的な差は無い。これより、水冷時間ｔは消費電力の少ない５秒で十分である。

表２には、水冷間隔Ｔと水冷時間ｔの組み合わせを変えた各間欠水冷方式における、温度差と、各温度差での理論上の出力増加分(温度差×1℃あたりの出力増加)、ポンプの平均使用電力(ポンプの定格電力×水冷時間/水冷間隔)、ポンプの平均使用電力を控除した正味の出力増加分を示す。これによると、太陽電池パネル１，７間の温度差が最大となり、太陽電池パネル１の発電量増加が最大となるのは、Ｔ＝６０秒、ｔ＝１０秒の時の７．６７Ｗであるあるが、この時のポンプ３の平均使用電力は３．００Ｗと大きいため、正味の電力増加は４．６７Ｗである。これに対して、Ｔ＝１８０秒、ｔ＝５秒の条件では、太陽電池パネル１の発電量増加は６．４４Ｗであるが、ポンプ３の平均使用電力が０．５０Ｗと小さいため、正味の発電量増加は５．９４Ｗと最大になる。なお、表２において、連続水冷では、正味の出力増加分はマイナスとなっており、ポンプの電力消費が、冷却による太陽電池発電量の増加分を上回っている。

図１２には、正味の発電量の増加が最大となるＴ＝１８０秒、ｔ＝５秒の間欠水冷方式で太陽電池パネル１を冷却した際の実際のＩ−Ｖ特性（図中の線Ｘ）を、冷却していない太陽電池パネル７のＩ−Ｖ特性（図中の線Ｙ）と比較して示す。この場合の太陽電池パネル１の最大電力点（ＭＰＰ）（図中のａ点）は７３．５Ｗであり、一方、太陽電池パネル７のＭＰＰ（図中のｂ点）は６７．５Ｗであった。ポンプ３の平均使用電力は、０．５Ｗであるから、発電量の発電効率の向上は下式（１）より８．１％となる。なお、この時の両太陽電池パネル１，７の温度差は１６．１℃であるから、発電効率の温度依存性は０．５％／℃である。
（７３．５Ｗ−０．５Ｗ）／６７．５Ｗ＝１０８．１（％）…（１）

本発明の一実施形態を示す冷却装置の概略斜視図である。 水冷間隔と水冷時間の関係を示す図である。 本発明の実施例における、ポンプ間欠運転の最適値を求めるための装置構成を示す概略斜視図である。 太陽電池パネルを連続水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 水冷停止後の太陽電池パネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 太陽電池パネルを間欠水冷した場合のパネル温度の経時変化を示す図である。 間欠水冷した太陽電池パネルのＩ−Ｖ特性を、水冷していない太陽電池パネルのＩ−Ｖ特性と比較した図である。

符号の説明

１…太陽電池パネル、２…ヘッダ（散水器）、３…水循環ポンプ（ポンプ）、４…バッテリ、５…雨水貯留槽（水貯留槽）、６…制御器（駆動手段）。

Claims (4)

1. 供給された水を太陽電池パネルのパネル面上へ散水する散水器と、水貯留槽と、前記水貯留槽から前記散水器へ水を供給するポンプと、太陽電池パネルの発電電力の一部を使用して前記ポンプを所定のデューティ比で間欠的に運転する駆動手段とを備える太陽電池パネルの冷却装置。
2. 前記水貯留槽はパネル面上へ散水された水のうちの余剰なものを回収し貯留するものである請求項１に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
3. 前記ポンプを運転間隔６０秒〜３００秒で５秒〜２０秒間運転する請求項１又は２に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
4. 貯留した水を、太陽電池パネルの発電電力の一部を使用するポンプによって前記太陽電池パネルのパネル表面へ散水するようにし、かつ前記ポンプを所定のデューティ比で間欠的に運転することを特徴とする太陽電池パネルの冷却方法。

Images