JP6038466B2

JP6038466B2 - 太陽電池パネルの冷却装置

Info

Publication number: JP6038466B2
Application number: JP2012051899A
Authority: JP
Inventors: 真武入部; 青山　剛士; 剛士青山
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP2013187403A

Description

本発明は、太陽電池パネルの出力低下を防止するための冷却装置に関する。

ヒートアイランド対策やＣＯ_２の削減のため、太陽電池パネルを用いた発電が普及してきている。しかし、太陽電池パネルは、その内部の太陽電池セルの温度が上昇すると発電効率が悪くなり、出力が低下してしまう。そのため、次に示すように、太陽電池パネルを冷却する種々の方法が提案されている。

特許文献１として示す特開２０１１−１４６４４２号公報には、太陽電池パネルの表裏面に水を噴射して冷却するシステムが開示されている。同様に、特許文献２として示す特開２０１１−１８１７７２号公報には、太陽電池パネルの表面に間歇的に雨水を供給して冷却するシステムが開示されている。

また、特許文献３として示す特開平５−２９９６８５号公報には、太陽電池パネルの裏面に毛管現象を利用して水を吸い上げる給液部材を配置して冷却するシステムが開示されている。同様に、特許文献４として示す特開昭６２−１０１０８６号公報には、太陽電池パネルの裏面に繊維状の冷却部材を配置して冷却するシステムが開示されている。また、特許文献５として示す特開２０００−２２１９３号公報には、太陽電池パネルの裏面に合繊繊維からなる冷却部材を配置して冷却するシステムが開示されている。さらに、非特許文献１として示す、株式会社LIXILニュースリリース「太陽電池冷却による発電効率向上を目的に新環境素材「保水セラミックス」の実証研究をスタート産官学共同で、再生可能エネルギー拡大のための研究開始」には、太陽電池パネルの裏面に保水セラミックスを配置して冷却するシステムが開示されている。

また、特許文献６として示す特開２００６−２３２９４０号公報には、太陽電池セルの裏面に蓄熱材を配置し、夜間に放熱して冷却された蓄熱材を利用して太陽電池セルを冷却する太陽電池パネルが開示されている。同様に、特許文献７として示す特開２００５−２４１０７９号公報には、発電セルの裏面に冷却管を備えた冷却部を設け、ヒートポンプユニットで発生した冷却媒体を冷却管に流すことにより、発電セルを冷却する太陽光発電装置が開示されている。

その他、非特許文献２として示す、「特別セミナー＆見学会先進的な次世代植物工場の紹介」（平成２３年１０月１２日公益社団法人日本冷凍空調学会近畿地区事業推進委員会）に記載されているように、太陽電池の裏面に緑化設備を置き、緑化設備で潜熱冷却された冷気が空調室外機の空調吸い込み口に取り込まれるようにしたシステムも知られている。

特開２０１１−１４６４４２号公報特開２０１１−１８１７７２号公報特開平５−２９９６８５号公報特開昭６２−１０１０８６号公報特開２０００−２２１９３号公報特開２００６−２３２９４０号公報特開２００５−２４１０７９号公報

株式会社LIXILニュースリリース「太陽電池冷却による発電効率向上を目的に新環境素材「保水セラミックス」の実証研究をスタート産官学共同で、再生可能エネルギー拡大のための研究開始」http://inax.lixil.co.jp/company/news/2011/060_eco_0325_782.html 特別セミナー＆見学会先進的な次世代植物工場の紹介（平成２３年１０月１２日公益社団法人日本冷凍空調学会近畿地区事業推進委員会）

しかしながら、特許文献１、２のように流水のみで太陽電池パネルを冷却するには大量の冷却水が必要となってしまう。また、大量の冷却水を太陽電池パネルの表面に散布すると、流れ落ちる量が多くなってパネル表面に冷却水が残留して光が乱反射し、発電効率の低下が起こる心配がある。また、雨水や工水を冷却水に利用した場合、パネル表面が汚れやすくなり、メンテナンス頻度が高くなってしまう。

特に、特許文献１のように太陽電池パネルと屋根材（壁面）などの間へ冷却水を流す構造は、流路の通気が悪く、冷却水の蒸発が利用できないため、冷却効果が低くなってしまう。この場合、ファン等を用いて強制的に通気を行う方法も考えられるが、そうすると、冷却システムとして動力が必要となる。また、屋根材等の水の流路の底面に水漏れの対策を講じる必要がある。

また、特許文献３、４、５や非特許文献１のように太陽電池パネルの裏面に保水部材を設置するために、例えば、保水部材をパネル裏面へ貼りつける方法や、パネル裏面に保水部材を収納する容器を設置する方法が考えられる。しかし、保水部材をパネル裏面へ貼りつけた場合、保水部材の交換などのメンテナンスに労力がかかってしまう。また、パネル裏面の容器に保水部材を収納した場合、冷却効率の低下が生じやすくなる。

また、特許文献６、７のように蓄熱材や冷却管を利用して太陽電池パネルを冷却した場合、顕熱のみでの冷却となるため大容量の蓄熱材や冷却媒体が必要となり、蒸発潜熱を利用した冷却と比べて冷却能力が劣るといった欠点がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、冷却水の蒸発潜熱を利用して能力の高い冷却ができ、メンテナンス性にも優れた太陽電池パネルの冷却装置を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、太陽電池パネルの冷却装置であって、前記太陽電池パネルの下方に配置された冷却水槽と、前記冷却水槽内に配置され、前記冷却水槽に供給された冷却水を浸透させて保水する保水部材を備え、前記太陽電池パネルは傾斜して配置され、前記冷却水槽が複数の水槽部に分割され、前記各水槽部は、前記太陽電池パネルの傾斜に合わせてそれぞれ高さが異なって階段状に配置され、前記太陽電池パネルの下面と前記保水部材の上面との間に隙間が形成されていることにより、前記保水部材の表面で蒸発した冷却水の蒸発潜熱で前記隙間の空気が低温にされ、前記太陽電池パネルが冷却されることを特徴とする、太陽電池パネルの冷却装置が提供される。

この冷却装置において、複数に分割された前記各水槽部同士の間には、空隙部が前記各水槽部に対応して高さを変えて、前記太陽電池パネルの勾配に沿ってそれぞれ設けられていても良い。また、前記冷却水槽内の冷却水を前記太陽電池パネルに直接供給する給水路を有していても良い。

本発明によれば、保水部材の表面で蒸発した冷却水の蒸発潜熱により、太陽電池パネルの下面と保水部材の上面との隙間に存在している空気が低温にされ、当該低温にされた空気によって太陽電池パネルが冷却されるので、蒸発潜熱を利用した能力の高い冷却を行うことができる。また、保水部材は、太陽電池パネルから離れて設置されているので、太陽電池パネルとは無関係に保水部材の交換などを行うことができ、メンテナンス性に優れている。

本発明の実施の形態にかかる冷却装置の概略的な構成の説明図である。太陽電池パネルの下面に冷却フィンが取り付けられた、本発明の実施の形態にかかる冷却装置の概略的な構成の説明図である。太陽電池パネルから冷却水槽に水を流下させる排水路と、冷却水槽から太陽電池パネルに冷却水を供給する給水路が設けられた、本発明の実施の形態にかかる冷却装置の概略的な構成の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる冷却装置Ａにおいて、支柱１、２に支えられることにより、太陽電池パネル３が傾斜して設置されている。太陽電池パネル３の下方には、複数の水槽部５に分割された冷却水槽６が配置されている。各水槽部５は、太陽電池パネル３の傾斜に合わせて、それぞれ高さが異なって配置されており、図１に示した例では、図中左に向かって、次第に低くなるように（図中右に向かって、次第に高くなるように）、各水槽部５の高さが階段状に設定されている。

これら水槽部５の右側上方には、給水トレイ１０が設けられている。そして、この給水トレイ１０から、最も高い位置にある水槽部５に冷却水ａが供給されている。冷却水ａには、上水のほか、工水なども利用される。こうして最も高い位置にある水槽部５に供給された冷却水ａが、次に高い位置に配置された水槽部５に供給され、以後同様にして、順次、次の高さ位置に配置された水槽部５に冷却水ａが供給されて、最下部に配置された最も左側の水槽部５まで冷却水ａが供給されている。こうして、給水トレイ１０から供給された冷却水ａが、複数の水槽部５全部に供給されている。

各水槽部５内には、保水部材１１が備えられている。保水部材１１は、例えば保水セラミックスや、ミズゴケ、砂ゴケなどの植物セル等、冷却水ａを浸透させて保水し、蒸発させる性質を有する材料からなる。上述のように、各水槽部５内に供給された冷却水ａは、各水槽部５内に配置された保水部材１１にそれぞれ浸透し、これにより、各水槽部５内の保水部材１１に冷却水ａが保水された状態となる。

太陽電池パネル３の下面と、各水槽部５内に配置された保水部材１１の上面との間には隙間１２が形成されている。外部（ここでは屋外開放空間）から支柱１、２の間を通ってこの隙間１２に空気ｂが流入し、また、隙間１２から外部に空気ｂが流出できるようになっている。

また、複数に分割された各水槽部５同士の間には、空隙部１５が各水槽部５に対応して高さを変えて太陽電池パネル３の勾配に沿ってそれぞれ設けられている。各水槽部５（冷却水槽６）の下方の（屋外開放空間から流入した）空気ｂが、これらの空隙部１５を通じて、隙間１２内に流入できるようになっている。

以上のように構成された冷却装置Ａにあっては、各水槽部５に配置された保水部材１１が冷却水ａを保水した状態となっているため、保水部材１１の表面で冷却水ａが蒸発し、この冷却水ａの蒸発潜熱によって、太陽電池パネル３と保水部材１１との隙間１２にある空気ｂが低温となる。そして、こうして低温となった空気ｂにより、太陽電池パネル３の冷却が行われる。これにより、太陽電池パネル３の温度上昇が回避され、出力低下が防止される。例えば、急速かつ強力な吸水性と適度な蒸発性をもつ保水セラミックなどの多孔質体の保水部材１１を各水槽部５に設置することにより、隙間１２にある空気ｂを低温にして、効果的に太陽電池パネル３を冷却することができる。

一方、太陽電池パネル３を冷却したことにより、太陽電池パネル３と保水部材１１との隙間１２にある空気ｂの温度が上昇する。しかしながら、こうして温度上昇した空気ｂは、比重が軽くなったことにより自然対流で太陽電池パネル３の下面に沿って隙間１２内を上昇し、隙間１２の右端から外部に空気ｂが流出する。また一方で、こうして隙間１２内から空気ｂが流出すると、それを補うように、隙間１２の左端や、各水槽部５同士の間に形成された空隙部１５を通じ、外部から隙間１２内に新鮮な低温の空気ｂが流入する。こうして、隙間１２内の空気ｂの温度上昇が回避される。そして、外部から隙間１２内に流入した新鮮な空気ｂにより、保水部材１１の表面において冷却水ａの蒸発が促進され、その蒸発潜熱によって、太陽電池パネル３と保水部材１１との隙間１２にある空気ｂが低温となる。そして、低温となった空気ｂにより、太陽電池パネル３の冷却が効率よく行われ、太陽電池パネル３の出力低下が防止される。

加えて、この冷却装置Ａによれば、太陽電池パネル３の下面から下方に離れて配置された各水槽部５内に保水部材１１が配置されているので、太陽電池パネル３とは無関係に保水部材１１の交換などを行うことができ、メンテナンス性に優れている。また、各水槽部５単位でトレイ方式で交換作業ができるので、冷却効果が高く、軽量でメンテナンス性の高いミズゴケやスナゴケなどの植物セルを保水部材１１として使用可能となる。植物セルは蒸発性能、保水性能が高いために冷却効果が高く、耐候性に優れ、一般的な保水セラミックスと比較して軽量であるために躯体・支持材のコストの面でも有利である、などの保水材料としてのメリットがある。さらに、太陽電池パネル３の下面から下方に離して水槽部５や保水部材１１を設置すれば良いので、既設の太陽光発電設備への追加設置が容易である。

次に、図２に示す本発明の実施の形態にかかる冷却装置Ｂでは、太陽電池パネル３の下面に冷却フィン２０が取り付けられている。また、この冷却装置Ｂでは、複数の水槽部５に分割された冷却水槽６のさらに下方に、別の水槽２１が設けられており、この別の水槽２１内にも、冷却水ａを浸透させて保水する性質を有する保水部材２２が設けられている。また、この別の水槽２１には、複数の水槽部５を流れ落ちた余剰の冷却水ａが供給され、これにより、水槽２１内の保水部材２２も冷却水ａを保水した状態となっている。別の水槽２１の幅と奥行きは、設置されたすべての水槽部５を平面視において包含するだけの大きさを有する。換言すると、別の水槽２１は、各水槽部５の万一の水の溢れや飛散水の滴下を受け入れる寸法を有し、かつ、防水された屋上スラブの上に例えばパネル水槽として設置される。

この図２に示す冷却装置Ｂによれば、先に図１に示した冷却装置Ａと同様に、各水槽部５に配置された保水部材１１の表面で蒸発した冷却水ａの蒸発潜熱で低温となった空気ｂにより太陽電池パネル３が冷却され、出力低下が防止される。また、各水槽部５内に配置されている保水部材１１は、太陽電池パネル３とは無関係に交換などを行うことができ、メンテナンス性に優れている。

加えて、この図２に示す冷却装置Ｂによれば、太陽電池パネル３の下面に冷却フィン２０が取り付けられているので、蒸発潜熱で低温となった空気ｂとの熱交換が促進され、太陽電池パネル３の冷却効果を高めることができる。また、冷却水槽６の下方においても、水槽２１内の保水部材２２の表面において、蒸発潜熱を利用した冷却が行われ、こうして冷却された空気ｂが、各水槽部５同士の間を通じて隙間１２内に流入する。その結果、太陽電池パネル３と保水部材１１との隙間１２にある空気ｂがさらに低温となり、太陽電池パネル３をさらに効率よく冷却することができる。

次に、図３に示す本発明の実施の形態にかかる冷却装置Ｃでは、太陽電池パネル３の下方に、単一の冷却水槽３０が図２の水槽２１と同様の設置の仕方で配置されている。この冷却水槽３０内に冷却水ａが溜められており、また、冷却水槽３０内には、例えば保水セラミックスや、ミズゴケ、砂ゴケなどの植物セル等、冷却水ａを浸透させて保水する性質を有する材料からなる保水部材３１が設けられている。

太陽電池パネル３の下面と、冷却水槽３０内に配置された保水部材３１の上面との間には隙間３２が形成されている。外部からこの隙間３２に空気ｂが流入し、また、隙間３２から外部に空気ｂが流出できるようになっている。

この冷却装置Ｃでは、傾斜して設置された太陽電池パネル３の最下部から冷却水槽３０内に水（後述するように、雨水ｃあるいは冷却水ａ）を流下させる排水路３５と、冷却水槽３０内の冷却水ａを太陽電池パネル３の最上部に供給する給水路３６が設けられている。給水路３６には、冷却水ａを揚水するための送水ポンプ３７が設けられている。

この図３に示す冷却装置Ｃにあっては、雨天時に太陽電池パネル３の上面を流れ落ちた雨水ｃが、排水路３５を通じて冷却水槽３０内に供給されるので、雨水ｃを冷却水ａとして活用でき、経済性が高い。なお、雨水ｃでは足りない分は、工水などの冷却水ａを冷却水槽３０内に供給してまかなう。こうして冷却水槽３０内に溜められた冷却水ａ（雨水ｃを含む）が、冷却水槽３０内に配置された保水部材３１の表面で蒸発して、太陽電池パネル３と冷却水槽３０内の保水部材３１との間に形成された隙間３２の空気が蒸発潜熱で低温となるので、先に図１、２に示した冷却装置Ａ、Ｂと同様に、太陽電池パネル３が効果的に冷却され、出力低下が防止される。また、冷却水槽３０内に配置された保水部材３１は、太陽電池パネル３とは無関係に交換などを行うことができ、メンテナンス性に優れる。

加えて、この図３に示す冷却装置Ｃによれば、保水部材３１の蒸発性能により冷却水ａの蒸発が促進され、蒸発で熱が奪われることによって冷却水ａの温度が低下し、冷却効果が向上する。この場合、冷却水槽の開放面積を大きくして保水部材３１の設置面積を大きくするほど冷却水ａの蒸発量が多くなって、より多くの熱が奪われることで、冷却水ａの温度を大きく低下させることができる。なお、単一の冷却水槽３０は仕切られた複数セルを有していてもよい。また、送水ポンプ３７を稼動させ、冷却水槽３０に溜められた低温の冷却水ａを給水路３６から太陽電池パネル３の最上部に供給して流下させることにより、太陽電池パネル３を冷却水ａで直接冷却することも可能である。これにより、蒸発潜熱による冷却と冷却水ａの接触による冷却の２つの効果が得られる。この場合、太陽電池パネル３に冷却水ａを供給する方式は、表面散水方式、パネル裏にパイプ等の冷却水ａの流路を設けてパネル裏面に直接冷却水ａを接触させる方式、パネル裏の保水材料に冷却水ａを浸透させる方式など、種々の方式を採用できる。パネル裏にパイプ等の冷却水ａの流路を設けてパネル裏面に直接冷却水ａを接触させる方式では、パネル裏面全面に流路を有した構成であっても、パイプ間からパネル裏面が露出した構成であってもよい。パネル裏面全面にパイプ（流路）を有した構成の場合でも、パイプが蒸発潜熱により冷却されることで、パイプ内を流れる冷却水が冷却されるので、パネル裏面を間接的に蒸発潜熱により冷却することができる。パイプ間からパネル裏面が露出した場合では、露出したパネル裏面とともにパイプが蒸発潜熱により冷却され、パイプ内を流れる冷却水を冷却できる。

以上、本発明の好適な実施の形態の一例を説明したが、本発明はここに示した形態に限定されない。例えば、保水部材１１、２２、３１には、保水セラミックスや植物セルの他、布、繊維、スポンジなど、冷却水ａを浸透させて保水する性質を有する種々の材料を利用できる。また、冷却水ａも、工水や上水に限られない。

本発明は、太陽光発電に有用である。

Ａ、Ｂ、Ｃ冷却装置
ａ冷却水
ｂ空気
ｃ雨水
１、２支柱
３太陽電池パネル
５水槽部
６冷却水槽
１０給水トレイ
１１保水部材
１２隙間
１５空隙部
２０冷却フィン
２１水槽
２２保水部材
３０冷却水槽
３１保水部材
３２隙間
３５排水路
３６給水路
３７送水ポンプ

Claims

太陽電池パネルの冷却装置であって、
前記太陽電池パネルの下方に配置された冷却水槽と、前記冷却水槽内に配置され、前記冷却水槽に供給された冷却水を浸透させて保水する保水部材を備え、
前記太陽電池パネルは傾斜して配置され、
前記冷却水槽が複数の水槽部に分割され、前記各水槽部は、前記太陽電池パネルの傾斜に合わせてそれぞれ高さが異なって階段状に配置され、
前記太陽電池パネルの下面と前記保水部材の上面との間に隙間が形成されていることにより、前記保水部材の表面で蒸発した冷却水の蒸発潜熱で前記隙間の空気が低温にされ、前記太陽電池パネルが冷却されることを特徴とする、太陽電池パネルの冷却装置。
複数に分割された前記各水槽部同士の間には、空隙部が前記各水槽部に対応して高さを変えて、前記太陽電池パネルの勾配に沿ってそれぞれ設けら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の冷却装置。
前記冷却水槽内の冷却水を前記太陽電池パネルに直接供給する給水路を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の太陽電池パネルの冷却装置。