JP2015213395A - 太陽電池パネルの冷却方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然対流のみにより、コンパクトかつ低コストの効率的な太陽電池を冷却する太陽電池パネルの冷却装置、および、回収した熱の利用システムを提供する。
【解決手段】太陽電池パネル６を冷却する太陽電池パネルの冷却装置であって、太陽電池パネル６に接し、パネルの熱を回収し、管内の冷却用の熱媒体に自然対流を発生させるパネル冷却管２，３と、冷却用の熱媒体を供給する熱媒体供給管４，５と、冷却用の熱媒体が入れられたタンク１が、一連に接続され、熱媒体が自然対流により循環する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルの冷却方法及び装置に関する。

日本のエネルギー事情において、化石燃料の枯渇や原子力発電所の稼働停止などの影響で再生可能エネルギーの利用が期待されている。その中でも太陽電池パネルを用いた太陽光発電は、一般家庭やメガ太陽電池発電施設などで利用されつつあり、新たなエネルギー源として注目されている。なお、一般家庭において太陽光発電を導入した場合、助成金の支援のみならず、発電した電気を電力会社が買い取る制度があり、普及を促進している。しかしながら、太陽光発電に用いる太陽光電池パネルは温度が上昇するにつれて１℃あたり０．４%の電気変換効率が低下するといった問題点を有している。このため、日差しの強い夏の方が春や秋に比べ発電量が低下するといったことが生じている。この問題を解消するため、温度依存性の少ない化合物系の太陽電池パネルの低価格化を目指した取り組みや、従来型の温度依存性の強い太陽電池パネルに冷却装置を取り付けて冷却するといったものがある。

従来の冷却方法としては、太陽光発電モジュールと太陽熱集熱ユニットが一体化され、ポンプ駆動により熱媒が循環する方法が開示されている（特許文献1）。また既存の太陽電池パネルの裏面に熱回収装置を取り付け、熱媒を循環させ、冷却と熱回収を行う装置が開示されている（特許文献２）。これらの方法は、いずれも熱媒を循環させるためのポンプ等の機械設備を必要とし、電源等の付帯設備が必要となる。

特開2003-185724公報 特開2013-213651公報

本発明は、自然対流のみにより、コンパクトかつ低コストの効率的な太陽電池を冷却する太陽電池パネルの冷却装置、および、回収した熱の利用システムを提供することを目的とする。

本発明は、太陽電池パネルを冷却する太陽電池パネルの冷却装置であって、太陽電池パネルに接し、パネルの熱を回収し、管内の冷却用の熱媒体に自然対流を発生させるパネル冷却管と、冷却用の熱媒体を供給する熱媒体供給管と、冷却用の熱媒体が入れられたタンクが、一連に接続され、熱媒体が自然対流により循環する構成としている。
また端部で接続された冷却管と熱媒体供給管が、傾斜した太陽電池パネルの傾斜方向に対し垂直に、複数組、並列に配置され、傾斜面の上部に設置された冷却用の熱媒体が入れられたタンクに接続される。熱媒体供給管は、熱媒タンクの直下で複数方向に分岐し、さらに細い供給管に分岐する構成であり、前記パネル冷却管は、細い冷却管から太い管に集合し、熱媒タンクに返送される構成としている。

熱媒体が入れられたタンクは、熱媒体の補充管と、温まった熱媒体の排出管と、熱媒体の温度管理装置を備え、補充管は外部から、さらに熱媒体が供給されるよう接続されており、排出管は別に設置する貯蔵タンクに接続されている。

温度管理装置は、前記熱媒体が入れられたタンクの上部および下部に設置され、タンク下部の温度センサが温められた熱媒体の液量を検知し、排出管の弁が開かれ、熱媒体の補充と排出が行われ、タンク上部の温度センサにより冷たい熱媒体の補充を検知し、排出弁を閉じる。

また冷却管は太陽電池パネルに密接できるよう平滑な面を有する。

太陽電池パネルと冷却管の間に、太陽電池パネルの熱を伝える集熱板を設けてもよい。

冷却管と、熱媒体供給管の間に、回収した熱を遮断するための断熱材を設けてもよい。

また全体として、太陽電池パネルの冷却装置と、熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を循環させる水熱交換器と、その水熱交換器の熱媒体と給湯用の水を熱交換して給湯機器に給湯する貯湯槽を備えた集熱システムとしてもよい。

別の態様では、太陽電池パネルの冷却装置と、熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を、さらに太陽熱により昇温させる昇温装置を備えた集熱システムとすることもできる。

また太陽電池パネルの冷却装置と、熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を、さらにヒートポンプにより昇温させる昇温装置を備えた集熱システムとすることもできる。

本発明の装置の概略を示す。 冷却水導入部の拡大図を示す。 貯湯システムの構成、および運転工程を示す。 建屋に設置した場合の構成例を示す。 加熱板表面（Ａ）、裏面（Ｂ）の除熱量を示す。 表面（Ａ）、裏面（Ｂ）の平均熱流束と温度差の関係を示す。

パネルに取り付ける冷却装置は概略図を図１に示す。冷却水及び冷却時で発生した温水を貯蔵するための熱媒タンクは、容量がおよそ１０リットル程度で温水と温度の低い冷却水が分かれるように縦長の構造となっている。この熱媒タンクにパネル冷却管を取り付ける。このパネル冷却管は、パネル背面に設置しパネルの熱を奪い自然対流を発生させる区間となる。また断熱材をはさみ冷却水を供給させる冷却水供給用として熱媒体供給管がある。これらの管は装置下部で接続されている。この２本の管とタンクで冷却水が循環し、太陽電池パネルが冷却される。タンクひとつでパネル２枚分のパネル冷却管を取り付けることができる。パネルサイズは１枚当たり縦1500mm、横700mmのサイズを想定している。この装置の使用によって、パネル温度を外気温以下にまで下げることができる。外気温の条件によっては、３０℃の温度低下が見込まれ、その時の電気変換効率は１２％の上昇となる。

図２に示すように冷却管はタンクからは管径２０mm程度といった太い管をのばし、分岐し、冷却水がうまく循環するように適当な角度をつける。ここで太い管を用いるのは循環に必要な流量を確保するためである。横に伸びた管から、さらに分岐させ管径５mm程度の細い管を延ばしていく。管径が太くなり過ぎない最適な径にすることで最も効率のよい冷却が可能となる。

本システムが稼働するとパネルの熱によって冷却水の温度が上昇し、効率が低くなる問題がある。この問題の対処法として、図３に示すような熱媒タンクに冷却水補充管・温水排出管・温水温度管理装置を取り付ける。冷却水補充管は直接水道と接続されており、温水排出管は屋内に設置する温水貯蔵タンクにつながっている。温水温度管理装置によってタンク内の温水生成具合を熱電対といった温度センサで管理する。温度センサは２つ使用し、一方は温水がどれだけたまったかを調べ、一方は冷却水がどれだけ補充されたかを調べるものである。

熱媒タンクは(A)タンク下部の温度センサが温水の貯蓄量に反応し温水排出管の弁が開く工程と、(B)冷却水の補充と温水の排出が行われる工程と、(C)タンク上部の温度センサによる冷却水の補充に反応し排出弁を閉じる工程により、以降(A)〜(C)を繰り返し、冷却水温度を低い温度で保ち効率のいい動作を実現する。

温度センサや排出弁の稼働に必要な電力は、太陽電池パネルからの電力で賄うことができ、外部電源のいらないものとなる。

図４は貯湯システム構成である。冷却時に生成された温水は配管を通り温水貯蔵タンクへと送られ、ここから温水を取り出し給湯として使用していく。しかし、気温の低い時期は、温水温度が給湯として用いるには低過ぎる場合が考えられる。太陽電池パネルの冷却で生成された温水の温度が低い場合は、図４(A)に示すような太陽熱温水器と組み合わせて再加熱し、必要な温度にまで上昇して利用する。太陽電池パネルが設置された建物が平屋などの一階建ての場合は図４(B)に示すような自然冷媒ヒートポンプ給湯機と組み合わせることで再加熱できる。

他にも自然冷媒ヒートポンプ給湯機の原理を利用すれば、生成された温水を２つに分け、一方の温水から熱を取り出し、もう一方の温水を再加熱できる。これを用いれば、気温の低い時期に自然冷媒ヒートポンプ給湯機を稼働させるよりも効率のいい装置となる。

太陽電池パネルを冷却することで電気変換効率を向上させることができる。状況によっては１２％程度の向上が期待でき、これにより発電量の増加が見込める。太陽電池パネルを冷却することで寿命を長くすることができる。冷却時に回収する熱を温水として利用できる。一般家庭では温水の生成に約30％のエネルギーを使用しているためこの効果は大きい。一般家庭などに設置されている太陽電池パネルすべてに適用できる。

数値解析手法
数値解析にはOpenFOAMを用いた。速度場・温度場・圧力場はOpenFOAM のサンプルプログラムにあるPimpleFoam を使用し時間発展にて求めた。以下にその中で用いられている基礎方程式を示す。なお，添字はEinstein の総和規約を適用する。
ただし，g1=g sin π/6， g2=g cos π/6

ここで、ν：動粘性係数，gj：重力加速度，β：体膨張率，α： 温度拡散率である。基礎方程式中の運動方程式の浮力項にはBoussinesq 近似が適用されている。なお、対流項の離散化には４ 次の風上差分を使用した。壁面にはno-slip 条件を与え。内部発熱はしないものとし、熱放射は無視した。

解析モデル
座標系は２ 次元直交座標系とした。なお、加熱板の水平方向をX 軸、垂直方向をY 軸とした。 計算領域の寸法は縦1130mm、横2625mm の矩形型とした。加熱板の長さは実験で使用する太陽電池パネル(SHARP 製ND-L3EJE)に合わせてL=1500mm とし、厚さは5mm とした。その傾斜角度は太陽電池パネルを設置する際に日本国内で一般的に用いられる角度の３０度とした。
計算格子は不等間隔格子を用い、加熱板の表面・裏面付近で密になるようにした。具体的には、Δx =5mm， Δy =0.5mm の初期格子からΔy を加熱板から離れるごとに倍率1.04 倍した大きさの格子を用いた。加熱板の側面では同様に，格子幅Δx =1mm，Δy =1mm の初期格子からΔx を倍率1.04 倍ずつ大きくした格子を用いている。全体の計算格子数は３７６×１９８ である。周囲の境界条件は対流流出境界条件を与え、加熱板は等温条件とした。今回の解析で設定した加熱板温度TW 及び外気温T∞は表１ の通りである。この温度は実験で確認されたパネル温度と外気温をもとにして、１１ 条件を行った。周囲の流体は空気とし、物性値の参照温度は膜温度とした。クーラン数は０．５ とし、時間間隔を自動計算させて解析を行った。

解析結果及び考察
太陽電池パネルからの伝熱量はパネルのサイズに依存するため、本実施例では平均熱流束にて評価を行った。

図５（Ａ）に加熱板表面からの平均熱流束、図５（Ｂ） に加熱板裏面からの平均熱流束の時間変化のグラフを示す。縦軸に平均熱流束，横軸に時間をとり、それぞれの条件でプロットとしたものである。図から、グラフは３ 種類に分けられることが分かる。なお、この同じ値を示している条件は、同じ温度差のものである。それぞれの条件での時間的変化についてはどの温度差でも共通しており、時間経過とともに平均熱流束はいったん低下した後に５ 秒付近で増加し、一定の値を取る。これは流体が加熱板によって暖められることで発生する自然対流により、加熱板よりやや離れた位置にある冷たい流体が流れ込み、伝熱量が回復するためである。加熱板裏面の平均熱流束も同様の傾向が見られる。以上より、加熱板温度と外気温の値が異なっても、温度差が同じであれば平均熱流束は等しく、その時間変化も同じであるといえる。

定常状態での伝熱量を検討するため、図６（Ａ）、（Ｂ） に伝熱開始から１０ 秒経過した時の平均熱流束と温度差の関係をプロットした。図からも分かるように、加熱板の表面と裏面で同じ値を示した。また、温度差の増加と共に平均熱流束が増大している。これらの値を最小二乗法近似し、以下の近似式を得た。


この近似式と解析結果との誤差はそれぞれ０．４％〜１％程度であり、比較的高い精度で伝熱量を見積もることができる。

１ 熱媒タンク
２ パネル冷却管（太）
３ パネル冷却管（細）
４ 熱媒供給管（太）
５ 熱媒供給管（細）
６ 太陽電池パネル
７ パネル冷却装置
８ 太陽熱温水器
９ 温水貯蔵タンク
１０ 温水貯蔵タンクおよび自然冷媒ヒートポンプ給湯機

Claims (11)

1. 太陽電池パネルを冷却する太陽電池パネルの冷却装置であって、
   太陽電池パネルに接し、パネルの熱を回収し、管内の冷却用の熱媒体に自然対流を発生させるパネル冷却管と、
   冷却用の熱媒体を供給する熱媒体供給管と、
   冷却用の熱媒体が入れられたタンクが、一連に接続され、熱媒体が自然対流により循環する構成とした太陽電池パネルの冷却装置。
2. 端部で接続された冷却管と熱媒体供給管が、傾斜した太陽電池パネルの傾斜方向に対し垂直に、複数組、並列に配置され、傾斜面の上部に設置された冷却用の熱媒体が入れられたタンクに接続されることを特徴した請求項１に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
3. 前記熱媒体供給管は、熱媒タンクの直下で複数方向に分岐し、さらに細い供給管に分岐する構成であり、前記パネル冷却管は、細い冷却管から太い管に集合し、熱媒タンクに返送される構成としていることを特徴した請求項１及び２に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
4. 前記熱媒体が入れられたタンクは、
   熱媒体の補充管と、
   温まった熱媒体の排出管と、
   熱媒体の温度管理装置を備え、
   補充管は外部から、さらに熱媒体が供給されるよう接続されており、排出管は別に設置する貯蔵タンクに接続されていることを特徴とする請求項１から３に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
5. 前記温度管理装置は、前記熱媒体が入れられたタンクの上部および下部に設置され、
   タンク下部の温度センサが温められた熱媒体の液量を検知し、排出管の弁が開かれ、
   熱媒体の補充と排出が行われ、
   タンク上部の温度センサにより冷たい熱媒体の補充を検知し、排出弁を閉じることを特徴とする請求項１から４に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
6. 前記冷却管は太陽電池パネルに密接できるよう平滑な面を有する請求項１から５に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
7. 太陽電池パネルと前記冷却管の間に、太陽電池パネルの熱を伝える集熱板を設けた請求項１から６に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
8. 前記冷却管と、熱媒体供給管の間に断熱材を設けた請求項１から７に記載の太陽電池パネルの冷却装置。
9. 請求項１から８に記載の太陽電池パネルの冷却装置と、
   前記熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を循環させる水熱交換器と、
   その水熱交換器の熱媒体と給湯用の水を熱交換して給湯機器に給湯する貯湯槽を備えた給湯装置。
10. 請求項１から８に記載の太陽電池パネルの冷却装置と、
    前記熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を、さらに太陽熱により昇温させる昇温装置を備えた集熱システム。
11. 請求項１から８に記載の太陽電池パネルの冷却装置と、
    前記熱媒体が入れられたタンクから排出された温められた熱媒体を、さらにヒートポンプにより昇温させる昇温装置を備えた集熱システム。