JP4980304B2 - ソーラーハウス - Google Patents

Description

本発明は、太陽エネルギーを有効に活用する建造物の機構に関する。

自然エネルギーを有効に活用することにより住宅の快適性や省エネルギー性を向上する技術が知られている。特に、太陽エネルギーを利用して発電、給湯などを行うソーラーハウスが知られている。このような自然エネルギーを利用した住宅は、ＣＯ_２排出量の削減など環境への負荷を低減する効果を有する点で望ましい。

特許文献１は、太陽エネルギーを利用したソーラーシステムハウスの一例を示す。このソーラーシステムハウスは、屋根に設けられた太陽熱集熱部と、この太陽熱集熱部に連通する集熱用のダクトと、集熱用のダクトに接続されたハンドリングボックスとを備える。このハンドリングボックスの内部には、集熱用のダクトの側へ逆流防止を行う逆流防止ダンパーと、立下りダクトおよび外へ開口する排気ダクトとの連通を切り換える流路切換えダンパーと、これら逆流防止ダンパーと流路切換えダンパーとの間に設ける集熱用ファンが配設される。ハンドリングボックスの集熱用ファンの駆動モータはＤＣ（直流）モータを使用し、太陽電池およびこの太陽電池に接続する蓄電池が電源として接続される。

参考例として特許文献２、特許文献３を挙げる。
特開２００２−２３５９５５号公報 特開平９−１８４２０９号公報 特許第２６９９３０１号公報

太陽エネルギーをより高い効率で利用することのできるソーラーハウスが望まれる。
また、簡易な手段でソーラーハウスの効率を向上させる技術が望まれる。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるソーラーハウスは、パッシブソーラーシステムと太陽光発電を組み合わせたハイブリッドシステムを備える。

本発明によるソーラーハウスは、屋根（２）の上面に対して所定の幅の隙間を介して配置され、上面との間に空気の流路（６）を形成する太陽電池パネル（４）を備える。流路（６）は軒側において外気と連通する。ソーラーハウスは更に、流路（６）に配置され、軒線と直交する長手方向を有する整流部材（３２）と、流路（６）の棟側の端部に接続され空気を蓄積する集熱チャンバ（１２）と、集熱チャンバ（１２）と床下（２４）とを接続する立ち下りダクト（２０）とを備える。

本発明によるソーラーハウスにおいて、太陽電池パネル（４）として、シリコン系、または化合物半導体系の太陽電池を使用することができる。太陽電池パネル（４）は、非晶質半導体の発電層と微結晶質半導体の発電層とが積層されたタンデム型であることが特に望ましい。

本発明によるソーラーハウスは、更に、流路（６）を上流とし、集熱チャンバ（１２）、立下りダクト（２０）を介して床下（２４）を下流とする空気経路内の空気を下流側に送る送風機（１０、１９）と、太陽電池パネル（４）が生成した電力を当該ソーラーハウスで使用される機器と送風機とに供給する配線系統とを備えることが望ましい。

本発明によるソーラーハウスは、更に、流路（６）を上流とし、集熱チャンバ（１２）、立下りダクト（２０）を介して床下（２４）を下流とする空気経路内の空気を下流側に送る送風機（１０、１９）と、太陽電池パネル（４）が生成した電力を、当該ソーラーハウスに交流電流を供給する公衆電源と同じ特性に変換して公衆電源と連係させる電力変換部とを備える。送風機（１０、１９）を駆動する電力を生成する他の太陽電池パネル（３４）を追加することも望ましい。

本発明によるソーラーハウスは、更に、流路（６）から集熱チャンバ（１２）に流入する空気の流量を可変的に調整する流量調整部材（３６）を備えることが望ましい。

本発明によるソーラーハウスは、更に、上面との間に空気が流れる集熱ボックス流路を形成する透明部材を有し太陽電池パネル（４）に対して棟側に設けられる集熱ボックス（３８）を備えることが望ましい。この場合、集熱チャンバ（１２）は集熱ボックス流路を介して流路（６）に接続される。

本発明によるソーラーハウスは、更に、当該ソーラーハウスの最上部に配置され、透明部材によって囲われた内部空間を有し、外部の大気と連通する開口部を有するソーラーベンチレーションボックス（１６）を備えることが望ましい。この場合、集熱チャンバ（１２）とソーラーベンチレーションボックスの内部空間は開閉可能な弁（１５）を介して接続される。

本発明により、太陽エネルギーをより高い効率で利用することのできるソーラーハウスが提供される。また、簡易な手段でソーラーハウスの効率を向上させる技術が提供される。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本実施の形態におけるソーラーハウスでは、タンデム型太陽電池が用いられる。タンデム型太陽電池は、非晶質半導体により形成された太陽光発電層と、微結晶半導体により形成された太陽光発電層が積層されることにより形成される。タンデム型太陽電池は、比較的低コストだが、以下に説明するように高いコストパフォーマンスを有する。

図１は、典型的なタンデム型太陽電池が発電に利用する電磁波の波長を説明するための図である。薄膜系（非晶質）の発電層は、比較的短い波長領域の太陽光を利用して電力を生成する。それに対して、微結晶系の発電層は、より長い波長をピークとする波長領域の太陽光を利用して電力を生成する。タンデム型の太陽電池は、これらが積層されているために、ある程度以上に長波長の領域を除いて、太陽エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することができる。

しかし、ある程度長波長の領域（図１で９００ｎｍ付近の領域）では、一般的なタンデム型太陽電池によって太陽エネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換することは難しい。本実施の形態においては、この長波長領域の太陽エネルギーを有効に利用する手段を設けることにより、高効率なソーラーハウスが実現される。

図２は、本実施の形態におけるソーラーハウスの断面図である。ソーラーハウスは、傾斜した屋根を形成する屋根材２を備える。屋根材２の上に、太陽電池４が設置される。太陽電池４は、屋根材２の上面に対して所定の幅の隙間を介して配置される。太陽電池４は、パネル状のタンデム型太陽電池モジュールが所定の発電領域内に敷き詰められたものである。その発電領域は、たとえば屋根の軒付近まで延長する。より望ましくは、発電領域は、南側に下がるように傾斜する南向きの屋根の軒と集熱チャンバとの間の領域の大部分を覆う。太陽電池４が生成する電力は、配線系統と、商用電源と連係するための電力変換装置などを介して、居住空間３０などに供給される。

屋根材２の上面と太陽電池４の下面との間の隙間により、空気が流れる空気流路６が形成される。空気流路６は、軒線方向の端部において閉じている。空気流路６の軒側の端部には空気導入口８が形成される。空気導入口８の軒線方向の延長は、少なくとも発電領域の軒線方向の延長と同じ程度であることが望ましい。空気導入口８には、鳥の侵入を妨げる防鳥網が設置される。

空気流路６は、棟側において集熱チャンバ１２に接続される。集熱チャンバ１２は、ソーラーハウスの屋根の棟付近において、空気流路６から供給される空気をバッファするための空間を形成する。集熱チャンバ１２は熱交換器１４に直接またはダクトにより接続される。集熱チャンバ１２に集められた空気の熱の一部は、熱交換器１４を介して水を加熱する等の目的に利用することができる。

集熱チャンバ１２の上に、すなわちソーラーハウスの頂上付近に、ソーラーベンチレーションボックス１６が設置される。ソーラーベンチレーションボックス１６は、空気を蓄積する内部空間を有する。その内部空間は、切替弁１５を介して集熱チャンバ１２と接続される。また、強制排気用ファン１０はソーラーベンチレーションボックス１６の自然換気力が弱い場合に使用する。ソーラーベンチレーションボックス１６は、床面側に断熱材が敷かれ、床面以外は枠とその枠によって支持される透明部材（ガラス板）によって形成される温室であり、太陽エネルギーを効率的に内部空間の空気の熱エネルギーに変換する。

ソーラーベンチレーションボックス１６は、外部の大気に連通する開口１７を有する。ソーラーベンチレーションボックス１６は更に、居住空間３０の内部と連通する空気導入経路を有する。この空気導入経路として専用のダクトを設けてもよい。

集熱チャンバ１２は、切替弁１８を介して立下りダクト２０に接続される。立下りダクト２０は、鉛直方向に延設されるダクトであり、集熱チャンバ１２と床下２４とを接続する。屋根の空気流路６から集熱チャンバ１２に空気を集め、その空気を立下りダクト２０を介して床下２４に導くために、適切な場所にファン１９が設置される。

床下２４は、ソーラーハウスの居住空間３０の床の下に形成される空間である。床下２４は、その底部がコンクリートの床など蓄熱容量の大きい部材により形成される。床下２４には更に、蓄熱容量の大きい蓄熱材２６が配置される。床下２４に蓄積された空気は、床２２に設けられた通風口２８を介して居住空間３０に供給される。

蓄熱材２６は、例えばコンクリート塊である。蓄熱材２６は、床下の空気循環及び温度分布の特性に合わせて容易に配置を変更できるように、各々が独立にキャスター付きの台車に乗せられた蓄熱材であることが望ましい。

図３は、ソーラーハウスの屋根を示す斜視図である。説明の便宜上、発電領域の太陽電池４の一部のモジュールが取り外された状態を図示している。空気流路６に整流板３２が設けられる。整流板３２は、空気流路６の空気の流れ方向が軒側から棟側に揃うように形成される。例えば整流板３２は、屋根の軒線に対して直交する方向を長手方向として延設され、屋根材２の上面と太陽電池４の下面との隙間の空間を軒線方向に複数の区画に仕切る部材である。

以上の構成を備えるソーラーハウスにおいて、夏の昼間、ソーラーハウスの外部の温度の低い空気が、空気導入口８から空気流路６に導入される。この導入は、空気流路６の内部の空気が太陽から供給される熱によって暖められることに基づく対流によって軒側から棟側に移動することによりソーラーベンチレーションボックスを介して自然循環的に行われる。追加的にファン１０を設置することによって空気導入口８から導入される空気量を増加させてもよい。

屋根に照射する太陽光線のエネルギーは、太陽電池４、３４によって電気エネルギーに変換される。このうち太陽電池３４の電気エネルギーは、ファン１０、１９を駆動するための電源に使用される。直流電源で駆動されるファン１０、１９を採用すると、必ずしも直流交流変換を行わずに太陽電池４の電力を用いてそれらを駆動することができる。この電気エネルギーは更に、所望の特性に電力変換されて居住者の利用に供される。典型的には商用電源と同じ特性の電力に変換されて商用電源と連係して使用される。

タンデム型の太陽電池４は、赤外線を中心とする波長領域の太陽光線の吸収量が少ない。そのため、赤外線を中心とする太陽光線のエネルギーを空気流路６に供給することが可能である。このエネルギーにより、空気流路６を流れる空気の温度が上昇する。温度が上昇した空気は、集熱チャンバ１２に供給される。

空気流路６には軒側の端部からソーラーハウス周辺の空気が連続的に供給される。この空気は、太陽電池４の下面を冷却する。そのため、太陽電池４の動作温度の上昇に起因する発電効率の低下が抑制される。

整流板３２により、流入する空気が屋根全体に均一に流れるようにする。特に軒側と棟側の温度差により発生する自然循環の流量が増加する。そのため、多量の暖められた空気を集熱チャンバ１２に供給することができる。また太陽電池４を冷却する効果が向上する。また軒側と棟側の温度差が小さいときであっても自然循環によって空気を棟側に導くことができる。

集熱チャンバ１２に蓄積された空気の熱は、熱交換器１４を介して水を加熱して温水を生成する。この温水は、給湯に用いられる。

集熱チャンバ１２内の空気は、ファン１９によって床下２４に供給される。床下２４に供給されたこの暖かい空気は、床下２４の底を形成するコンクリートと、床下２４に置かれた蓄熱材２６を暖め、床下２４に熱が蓄積される。この蓄積された熱は、床２２を暖める。床下２４の空気は、通風口２８を介して居住空間３０に供給されて居住空間３０を暖める。

ソーラーハウスは更に、ソーラーベンチレーションボックス１６の熱を床下に供給する機構を有することが望ましい。この場合、切替弁１５を切り替えることにより、ソーラーベンチレーションボックス１６の内部の温められた空気が立下りダクト２０を介して床下２４に供給され、さらに暖房効果を高める。

夏季の昼間には、空気導入口８から導入された外気は、空気流路６を通り、集熱チャンバ１２に供給される。集熱チャンバ１２と立下りダクト２０とを接続する切替弁１８は閉じられる。集熱チャンバ１２からは、暖められた空気が図示しない切替弁を開放することにより外気に放出される。また、強制排気用ファン１０はソーラーベンチレーションボックス１６の自然換気力が弱い場合に使用する。空気流路６の空気の流れによって、屋根材２の過熱が抑えられるため、居住空間３０に入り込む日射熱が減少する。

夏季の夜間には、放射冷却により太陽電池４を載せた屋根の温度が下がる。空気導入口８から導入された外気は、空気流路６において冷却され、集熱チャンバ１２、立下りダクト２０を介して床下２４に供給される。そのため床下２４に冷熱が蓄えられる。

図４は、本実施の形態の変形例におけるソーラーハウスの屋根を示す断面図である。図５は対応する平面図（鉛直方向上側から見た図）である。この変形例においては、更に集熱ボックス３８が設けられる。集熱ボックス３８は、太陽電池４の発電領域の棟側（空気流路６における空気の主な流れ方向の下流側）に配置される。集熱ボックス３８においては、太陽電池４と概ね同一平面上に、太陽光に対して広い波長領域で透明な部材（ガラスなど）が配置される。その透明部材と屋根材２との間には、太陽電池４と屋根材２との間の空気流路６と接続する空気流路が形成される。集熱チャンバ１２は、集熱ボックス３８を介して、太陽電池４と屋根材２の隙間が形成する空気流路６に接続する。集熱チャンバ１２と集熱ボックス３８との間に、フランジによって整流板３６が設置される。整流板３６は、集熱チャンバ１２に流入する空気の流量を可変的に調整する流量調整部材である。空気流路６には図３に示されたものと同様の整流板３２が設置される。整流板３２は集熱ボックス３８の内部まで延設されることが望ましい。

本変形例においては更に、空気流路６を形成する太陽電池４の他に、図２のファン１０、１９に例示される、集熱チャンバ１２及び床下２４等に空気を供給するファンを駆動するための電力を生成する他の太陽電池３４が設置される。こうした用途のために図２に示された主たる太陽電池４の電力を用いることも可能であるが、別途太陽電池３４を設けることも好ましい。この場合、太陽電池４の生成する電力は商用電源と特性の同じ交流電力に変換されて、居住空間３０の空調や家庭電化製品などの電源として用いられる。一方、太陽電池３４は直流モーターによって駆動するファンの直流電源として使用される。このように電源を分けると、ソーラーハウスの自然エネルギーに基づく空気循環の自立性が向上する。

図６は、整流板３６の平面図（集熱ボックス３８と集熱チャンバ１２に対して固定された状態で鉛直方向の上から見た図）である。整流板３６は、基板と、その基板に対して垂直な軸４０のまわりに回転可能な整流羽根４０とを備える。基板は、屋根材２に対して平行に固定される。整流羽根４０は、棟線方向に複数並んで配置される。この整流羽根４０は、空気流路６から供給される空気によっては回転せず、手動で軸まわりの角度を調節できる程度の固さで軸４２に取り付けられる。

こうしたソーラーハウスは、整流板３６の整流羽根４０の軸４２まわりの角度を調節することにより、循環空気の流路の開度を調整することができる。その結果、集熱チャンバ１２に供給される循環空気の量を調整することができる。多量の循環空気が求められる場合は、整流板３６の開度が大きくなるように調整される。少量だがより温度の高い循環空気が求められる場合は、整流板３６の開度が小さくなるように調整される。このようにして、ソーラーハウスの設置されている環境の条件、季節変動、居住者のニーズに応じて循環空気を容易に調整することができる。

図７は、集熱チャンバ１２に蓄積された空気の熱を利用した給湯機構を示す。集熱チャンバ１２の内部空間に蓄積された暖かい空気は、ファン１９により熱交換器４４の高温側流路に供給される。熱交換器４４の低温側流路には、水などの熱媒体が供給される。その熱媒体は、第１タンク４６に設置される熱交換器５２の高温側流路に供給される。循環ポンプ５４によって第１タンク４６と熱交換器４４との間で循環する熱媒体は、一次循環系統を形成する。第１タンク４６の内部空間には、給水管５０から水が供給される。この水に、熱交換器５２を介して一次循環系統の熱媒体の熱が供給される。

第１タンク４６の内部空間の水は、外部からの電気信号に応答して開度が制御される電磁弁を介して、第２タンク４８に供給される。第２タンク４８は、ヒートポンプ給湯器のタンクである。居住者の操作やタイマ設定に応じて給湯機能の利用が開始された時点で、その開始に応答して電磁弁が制御されて第１タンク４６の温水が第２タンク４８に供給される。深夜電力利用時において第２タンク４６の水の温度が低い場合には、その温度に応答してヒートポンプが稼働し、第２タンク４８から供給される温水の温度が所定の温度範囲に自動的にキープされる。

図１は、典型的なタンデム型太陽電池が発電に利用する電磁波の波長を説明するための図である。 図２は、ソーラーハウスの断面図である。 図３は、ソーラーハウスの屋根を示す斜視図である。 図４は、ソーラーハウスの屋根を示す断面図である。 図５は、ソーラーハウスの屋根を示す平面図である。 図６は、整流板の平面図である。 図７は、給湯機構を示す。

符号の説明

２ 屋根材
４ 太陽電池
６ 空気流路
７ 導入口
８ 空気導入口
１０ ファン
１２ 集熱チャンバ
１４ 熱交換器
１６ ソーラーベンチレーションボックス
１７ 開口
１８ 切替弁
１９ ファン
２０ 立下りダクト
２２ 床
２４ 床下
２６ 蓄熱材
２８ 通風口
３０ 居住空間
３２ 整流板
３４ 太陽電池（ファン用）
３６ 整流板
３８ 集熱ボックス
４０ 整流羽根
４２ 軸
４４ 熱交換器
４６ 第１タンク
４８ 第２タンク
５０ 給水管
５２ 熱交換器
５４ 循環ポンプ

Claims (8)

1. 太陽電池パネルと、
   パッシブソーラーシステムとを具備し、
   前記太陽電池は、屋根の上面に対して所定の幅の隙間を介して配置され、前記上面との間に空気の流路を形成し、前記流路は軒側において外気と連通し、
   前記パッシブソーラーシステムは、
   前記流路に配置され、軒線と直交する方向を長手方向として延設される整流部材と、
   前記流路の棟側の端部に接続され空気を蓄積する集熱チャンバと、
   前記集熱チャンバと床下とを接続する立ち下りダクトとを備え、
   更に、当該ソーラーハウスの最上部に配置され、透明部材によって囲われた内部空間を有し、外部の大気と連通する開口部を有するソーラーベンチレーションボックスを具備し、
   前記集熱チャンバと前記ソーラーベンチレーションボックスの内部空間は開閉可能な弁を介して接続される
   ソーラーハウス。
2. 請求項１に記載されたソーラーハウスであって、
   前記太陽電池パネルは、非晶質半導体の発電層と微結晶質半導体の発電層とが積層されたタンデム、またはシリコン系または化合物半導体系である
   ソーラーハウス。
3. 請求項１または２に記載されたソーラーハウスであって、
   更に、前記流路を上流とし、前記集熱チャンバ、前記立下りダクトを介して前記床下を下流とする経路内の空気を下流側に送る送風機と、
   前記太陽電池パネルが生成した電力を当該ソーラーハウスで使用される機器と前記送風機とに供給する配線系統
   とを具備するソーラーハウス。
4. 請求項１または２に記載されたソーラーハウスであって、
   更に、前記流路を上流とし、前記集熱チャンバ、前記立下りダクトを介して前記床下を下流とする経路内の空気を下流側に送る送風機と、
   前記太陽電池パネルが生成した電力を、当該ソーラーハウスに交流電流を供給する公衆電源と同じ特性に変換して前記公衆電源と連係させる電力変換部と、
   前記送風機を駆動する電力を生成する他の太陽電池パネル
   とを具備するソーラーハウス。
5. 請求項１から４のいずれかに記載されたソーラーハウスであって、
   更に、前記流路から前記集熱チャンバに流入する空気の流量を可変的に調整する流量調整部材
   を具備するソーラーハウス。
6. 請求項１から５のいずれかに記載されたソーラーハウスであって、
   更に、前記上面との間に空気が流れる集熱ボックス流路を形成する透明部材を有し前記太陽電池パネルに対して棟側に設けられる集熱ボックスを具備し、
   前記集熱チャンバは前記集熱ボックス流路を介して前記流路に接続される
   ソーラーハウス。
7. 請求項１に記載されたソーラーハウスであって、
   更に、前記集熱チャンバと前記流路との間に設置され、前記流路から前記集熱チャンバに流入する空気の流量を可変的に調整する流量調整部材
   を具備するソーラーハウス。
8. 請求項７に記載されたソーラーハウスであって、
   前記整流部材は、前記流路を軒線方向に複数の区画に仕切り、
   前記流路の空気は、前記複数の区画の各々から前記集熱チャンバに流入する
   ソーラーハウス。

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