JP2005241148A - 太陽光利用ヒートポンプシステム、およびその稼働制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池温度の均温化と圧縮機への液冷媒の流入防止とを両立させた発電効率と熱エネルギーまで含んだエネルギー利用効率の高い太陽光利用ヒートポンプシステムを実現する。
【解決手段】複数の太陽電池セルが配置されている太陽電池パネル１と、太陽電池パネル１が太陽光から受けた熱を集熱する太陽光熱交換器３と、太陽光熱交換器３で集熱した熱を放熱する第１の放熱手段４とを有し、太陽光熱交換器３および第１の放熱手段４の間を、潜熱蓄熱材が封入されたカプセルおよび所定温度範囲で固化しない作動流体で形成されているスラリー状の熱媒体が循環する太陽熱回収サイクルと、圧縮機６と、第１の放熱手段４が放熱する熱を吸収する蒸発器４と、膨張機構８と、放熱器７とを有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクルとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電と太陽熱集熱とを行う太陽光発電モジュールと、ヒートポンプ手段とを組み合わせた、太陽光利用ヒートポンプシステムおよびその稼働制御方法に関するものである。例えば、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ手段を利用し、給湯・暖房等の温水を使用する各種用途に適用可能な、太陽光利用ヒートポンプシステムおよびその稼働制御方法に関するものである。

従来、太陽光を利用する給湯・暖房装置では、太陽光熱集熱器の表面に太陽電池を配設し（以下太陽光発電モジュールと記す）、この太陽光発電モジュールによって集めた熱を、水または不凍液等の作動流体を用いて搬送する顕熱による熱搬送の形態を採っており、さらには搬送した熱を一旦蓄熱（貯湯）槽に蓄熱し、給湯または暖房の熱源として利用するといった構成となっている。しかし、このような構成の給湯・暖房装置においては、蓄熱（貯湯）槽の温度状態によって太陽光発電モジュールの温度が上昇し、これによって太陽電池自身の温度も上昇するため、発電効率が低下するといった課題が存在していた。

この課題を解決するために、ヒートポンプで用いられているフロン冷媒等の作動流体を、太陽光発電モジュール部に循環させ、太陽電池の温度を低く保つような提案が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の太陽光利用ヒートポンプシステムを示すものである。図６において、太陽光利用ヒートポンプ給湯回路を用いた給湯運転及び太陽光利用ヒートポンプ暖房回路を用いた暖房運転時には、太陽光発電モジュール２２が吸熱の役割をする熱交換器として働くために、冷媒温度が第一電子膨張弁３１の作動によって大気温度以下に設定される。そのため、太陽光発電モジュール２２における太陽電池２３の配設部以外の部分より取り込まれる太陽熱、太陽電池２３からの排熱、熱交換部におけるフィン３７を介して得られる大気熱を集熱することができ、得られた熱量を再び大気に放熱することなく全て暖房あるいは給湯のための熱として利用することでシステムの効率を高くすることができる。さらに、太陽電池２３は低温の冷媒によって冷却されるために、太陽電池２３自身の発電効率も高めることができるといった特徴を有している。

また他の従来例としては、給湯と太陽電池の冷却を別サイクルとして、太陽電池からの排熱を蒸発器で集熱し、凝縮器からの排熱を給湯または暖房運転時の加熱源とするといった提案もなされている（例えば、特許文献２参照）。

図７は、特許文献２に記載された従来の太陽光利用ヒートポンプシステムを示すものである。図７に示されるように、太陽電池パネル４４の背面に分離して設けられた蒸発器４５が太陽電池パネル４４からの熱を吸収することによって太陽電池パネル４４が冷却され、凝縮器４９において循環ポンプ５２によって搬送される水へと熱を放出させることで、貯水タンク５３にお湯を溜め、給湯または暖房用途に用いるというものである。さらに本従来例では、蒸発器４５の太陽電池パネル４４とは反対面にモーター４７によって駆動される送風手段４６を設けることで、太陽電池パネル４４の冷却を促進させながら蒸発器４５への集熱量を増やし、さらには太陽電池パネル４４の冷却時に結露を起こさせないといった特徴を有している。

さらに、ヒートポンプ装置の冷媒として従来用いられてきたハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）冷媒やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒が、オゾン層の破壊あるいは地球温暖化といった地球規模での環境破壊を引き起こすために、これらの代替として自然界に存在する炭化水素や二酸化炭素などの自然冷媒の使用が提案されている。
特開平５−６６０６５号公報 特開２００２−３３３２１７号公報

しかしながら、図６に示した上記特許文献１の太陽光利用ヒートポンプシステムにおいては、太陽光熱の集熱は給湯又は暖房用途での運転時に限定されており、例えば夏季の冷房運転時では太陽電池２３の温度も上昇し、発電効率が低下するといった課題が存在した。

さらには、給湯又は暖房運転時において、循環する冷媒量が単位時間当たりに受け取る熱量と太陽光発電モジュール２２が単位時間当たりに供給する熱量とが不適切な場合には、冷媒が太陽光発電モジュール２２との間で熱交換を行う早期の段階で全て気化してしまい、太陽光発電モジュール２２を通過している間に過加熱されて太陽電池２３自身の温度を上昇させ発電効率を低下させるといった課題や、太陽光発電モジュール２２から集熱した後も冷媒が全て気化されず、気液２相流の冷媒として圧縮機２７に戻ることで圧縮機２７の耐久性の低下や破損へと繋がるといった課題を有していた。

また、太陽光発電モジュール２２において、置かれている温度が異なる太陽電池を並列に接続すると、最大電力が大きく内部インピーダンスが小さいパネルに近い発電電圧となってしまい、最大電力が小さい太陽電池からは最大電力よりも小さな電力しか得ることができず、システム全体としての発電効率は低下してしまうといった課題が存在した。

また、図７に示した上記特許文献２の太陽光利用ヒートポンプシステムにおいては、送風手段４６によって伝達される太陽電池パネル４４からの熱量が気体を介しての間接的な熱移動であり、太陽電池パネル４４の速やかな冷却（低温化）を行うことが難しく、蒸発器４５で受け取る吸熱量が少ない場合には、ヒートポンプサイクルを循環する冷媒が蒸発器４５を通過している間に十分気化されず、一部液化したままの気液２相流からなる冷媒が圧縮機４８へと戻ることで圧縮機４８の耐久性の低下や破損へと繋がるといった課題を有していた。

また、気液２相流からなる冷媒が圧縮機に流入するという課題は、特に二酸化炭素を冷媒として用いる場合には、作動圧力も高く液密度も大きいために、従来のＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒使用時と比較して圧縮機の耐久性に与える悪影響は甚大なものとなってしまう。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプサイクルにおける圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを可能とした、太陽光利用ヒートポンプシステムおよびその稼働制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
複数の太陽電池セルが配置されている太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルが太陽光から受けた熱を集熱する太陽光熱交換器と、前記太陽光熱交換器で集熱した熱を放熱する第１の放熱手段とを有し、前記太陽光熱交換器および前記第１の放熱手段の間を、潜熱蓄熱材が封入されたカプセルおよび所定温度範囲で固化しない作動流体で形成されているスラリー状の熱媒体が循環する太陽熱回収サイクル装置と、
圧縮機と、前記第１の放熱手段が放熱する熱を吸収する蒸発器と、膨張機構と、放熱器とを有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクル装置とを備えた、太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第２の本発明は、
前記太陽熱回収サイクル装置の有する前記第１の放熱手段と、前記ヒートポンプサイクル装置の有する前記蒸発器は、熱交換器を構成している、第１の本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第３の本発明は、
さらに、前記放熱器が放熱する熱エネルギーを貯蔵する蓄熱装置を備えた、第１または第２の本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第４の本発明は、
さらに、前記太陽熱回収サイクル装置は、循環する前記熱媒体の熱を放熱する第２の放熱手段を有する、第１乃至第３のいずれかの本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第５の本発明は、
さらに、前記太陽熱回収サイクル装置は、循環する前記熱媒体を加熱する加熱手段を有する、第１乃至第４のいずれかの本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第６の本発明は、
前記潜熱蓄熱材は、２５℃以上３５℃以下の範囲で相変化を起こす、第１乃至第５のいずれかの本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第７の本発明は、
さらに、前記ヒートポンプサイクル装置を循環する前記冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段を有し、
前記冷媒流量制御手段は、前記太陽電池パネルの発電量に基づいて太陽光による集熱量を算出し、前記蒸発器で吸収される集熱量が、前記太陽光熱交換器で集熱される集熱量よりも少なくなるように、前記冷媒の流量を制御する、第１乃至第６のいずれかの本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第８の本発明は、
前記冷媒流量制御手段は、
前記太陽光熱交換器に流入する前記熱媒体の温度が、前記潜熱蓄熱材が固体と液体の２相状態における温度である所定温度よりも低い場合には、前記冷媒の循環流量を減らし、
前記太陽光熱交換器に流入する前記熱媒体の温度が、前記所定温度よりも高い場合には、前記冷媒の循環流量を増やすように制御する、第７の本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムである。

第９の本発明は、
第１乃至第８のいずれかの本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムの、稼働制御方法であって、
前記潜熱蓄熱材が、前記太陽光熱交換器に流入する部分および前記太陽光熱交換器から流出する部分のいずれにおいても、固体と液体の２相状態になるように前記冷媒の循環流量を制御する、太陽光利用ヒートポンプシステムの稼働制御方法である。

第１０の本発明は、
第７または第８の本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムの、前記冷媒流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。

第１１の本発明は、
第１０の本発明のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータで利用可能な記録媒体である。

本発明により、ヒートポンプサイクルにおける圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池温度の均一化とを可能とした、太陽光利用ヒートポンプシステムおよびその稼働制御方法を提供することができる。

以下、本発明における太陽光利用ヒートポンプシステムの実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図である。本実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムは、太陽熱回収サイクル装置とヒートポンプサイクル装置とを備えている。

太陽電池パネル１、太陽熱集熱器２、太陽熱集熱器２の熱を吸熱するための熱交換器３、太陽熱集熱器２から吸熱した熱エネルギーをヒートポンプサイクルで用いられる冷媒へと移動させるための熱交換器４、熱媒体を流すために用いられる第一ポンプ５により、太陽熱回収サイクルを構成している。太陽電池パネル１には、複数の太陽電池セルが配置されている。これらの太陽熱回収サイクルを構成している構成要素を合わせて、太陽熱回収サイクル装置という。

なお、図１の太陽熱回収サイクルに示す矢印は、スラリー状の熱媒体の流れを示している。太陽熱回収サイクルを流通する熱媒体には、カプセル内に封入された潜熱蓄熱材と水あるいはブラインから構成されるスラリー状の熱媒体を使用している。熱媒体を形成している水あるいはブラインは、本実施の形態１の太陽熱回収サイクルで作動する温度範囲内で固化しない液体であり、本発明の、所定温度範囲で固化しない作動流体の一例である。

そして、熱交換器４、圧縮機６、凝縮器の役割を担う熱交換器７、キャピラリーチューブや電子膨張弁等の膨張機構８により、ヒートポンプサイクルを構成している。これらのヒートポンプサイクルを構成している構成要素を合わせて、ヒートポンプサイクル装置という。なお、図１のヒートポンプサイクルに示す矢印は、冷媒の流れを示している。本実施の形態１では、冷媒として、従来のＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒に比べて熱伝導性の優れた二酸化炭素を使用している。

なお、熱交換器３は、本発明の太陽光熱交換器の一例である。また、熱交換器４は、本発明の第１の放熱手段と蒸発器の機能を兼ね備えた熱交換器の一例である。また、熱交換器７は、本発明のヒートポンプサイクルの放熱器の一例である。

本実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムは、これらの太陽熱回収サイクル、ヒートポンプサイクルと、直流交流変換装置９、インバーター１０、水を送り出す第二ポンプ１１、蓄熱装置１２、第三ポンプ１３により構成されている。

次に、本実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムの動作について説明する。

太陽光の照射や太陽電池での発電によって、太陽電池パネル１は加熱され温度が上昇する。ここで、熱エネルギーは太陽電池パネル１の背面に取り付けられた太陽熱集熱器２によって太陽電池パネル１の表面から太陽熱集熱器２側へと移動する。ここでさらに、太陽熱集熱器２は熱交換器３と接していることにより、移動してきた熱エネルギーが、熱交換器３の内部を流れる、カプセル内に封入された潜熱蓄熱材と水あるいはブラインから構成されるスラリー状の熱媒体側へと移動することとなる。この際、カプセル内に封入された潜熱蓄熱材は、固相から液相への相変化による潜熱エネルギーとして吸熱している。

スラリー状の熱媒体は、第一ポンプ５によって配管内を循環し、熱交換器４において放熱する。熱交換器４で太陽熱回収サイクルから放熱されたエネルギーは、ヒートポンプサイクルを流れる冷媒が吸収することとなる。

ヒートポンプサイクルにおいては、圧縮機６から放出された高温高圧ガス冷媒は熱交換器７において凝縮されることにより熱エネルギーを放出し、液冷媒となる。この液冷媒が膨張機構８を経ることにより減圧され、一部蒸発する冷媒もあるがほぼ液冷媒のまま熱交換器４へと移動し、スラリー状の熱媒体が放熱したエネルギーを吸熱して気化し、ガス冷媒の状態で再び圧縮機６へと戻る。

さらに本実施の形態１においては、太陽電池パネル１で発電した電気を直流交流変換装置９によって交流電圧へと変換し、一部は売却し、残りはインバーター１０を用いて圧縮機６の駆動に用いている。

また、本実施の形態１において給湯あるいは暖房に用いる温水は、以下の経路を経ることによって生成される。すなわち、第二ポンプ１１を用いて蓄熱装置１２から温度の低い水を汲み上げ、熱交換器７を通過する際に冷媒凝縮時に発生する熱エネルギーを吸熱することで温水状態とし、再び蓄熱装置１２へと戻している。さらに第三ポンプ１３を用いて蓄熱装置１２上部の温水を汲み上げ、取り出し口付近にて低温の水を加えることにより適当な温度の温水を得ることができる。

ここで、蓄熱装置１２内には水のみを貯めておいてもよく、また、潜熱蓄熱材が封入されたカプセルを一部充填させ、顕熱だけではなく潜熱としても蓄熱させた状態であっても構わない。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図である。図１に示した実施の形態１の構成に、第一切り替えスイッチ１４、第二切り替えスイッチ１５、スイッチ１６、蓄電装置１７を加えた構成である。図１に示した実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。本実施の形態２の説明においては、実施の形態１と同じ機能の部分は省略し、新たな機能の点についてのみ説明する。

太陽電池によって発電された電気は直流であり、第一切り替えスイッチ１４によって蓄電装置１７へと通電された場合には、充電モードとなり、夜間や太陽光発電が十分に行えない際に圧縮機６を駆動させるための補助電源として利用することが可能となる。その際には、スイッチ１６を通電させる状態とした後、直流交流変換装置９を通して交流電圧に変換し、第二切り替えスイッチ１５を経由した後、インバーター１０を用いて圧縮機６を駆動させ、給湯や暖房を行うための温水をつくることができる。

また、充電しない場合には、太陽光発電によって得られた電気は直流交流変換装置９を通して交流電圧に変換された後、第二切り替えスイッチ１５の切り替えにより、直接電力会社等に売電される、あるいはインバーター１０を用いて圧縮機６を運転させて温水をつくることができる。

本実施の形態２の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、蓄電装置１７をシステム内に設けていることにより、外部の電源を用いることなく十分な発電量が得られている場合には、太陽光によって発電した電気を用いてヒートポンプサイクルを稼動させることが可能となり、省エネルギーのシステムとすることができる。

さらに、夜間時のような太陽光が得られない場合や太陽光が弱い条件下においても、蓄電装置１７に充電した電気を用いることでヒートポンプサイクルを稼動することが可能となる。

つまり、太陽光発電が十分に行われている際に発電した電気を充電しながら、ヒートポンプシステムの圧縮機６を稼動させて省エネルギー効果を発現させることや、夜間や太陽光発電が十分行えない条件下においてもヒートポンプシステムを稼動させ、給湯や暖房機能を発揮することが可能となる。ここで、蓄電装置１７としては、鉛蓄電池等の充放電可能な２次電池やキャパシタが挙げられるが、特に限定されるものではない。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図である。図１に示した実施の形態１の構成に、余剰熱放熱器１８、ファン１９を加えた構成である。図１に示した実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。本実施の形態３の説明においては、実施の形態１と同じ機能の部分は省略し、新たな機能の点についてのみ説明する。

本実施の形態３の太陽光利用ヒートポンプシステムが稼動し、蓄熱装置１２に温水が貯まってしまった場合には、ヒートポンプサイクルの冷媒循環量を低下させ温水が貯められる速度を低下させなければならない。この際に、熱交換器４において太陽熱回収サイクルからの熱吸収量が低下することで、スラリー状の熱媒体は余剰の熱エネルギーを保持した状態で再び熱交換器３に流入し、太陽電池パネル１の冷却が不十分なものとなってしまう。

ここで、熱交換器４と熱交換器３の間に余剰熱放熱器１８を設置したことにより、熱交換器３で吸収しきれなかった熱媒体の熱エネルギーを余剰熱放熱器１８で放出することによって、熱交換器３による太陽電池パネル１の冷却を十分に行うことができる。さらに、その際にファン１９を用いることで、スラリー状の熱媒体が有している余剰熱を調整しながら放出することが可能となる。なお、余剰熱交換器１８は、本発明の第２の放熱手段の一例である。

本実施の形態３の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、蓄熱装置１２の温水が一杯になった際には、ヒートポンプサイクルにおける蒸発器と兼用している熱交換器４での太陽熱回収サイクル側からの放熱を抑制し、熱交換器４以外の放熱器である余剰熱放熱器１８を主に用いて放熱することが可能となり、スラリー状の熱媒体の循環量を変更することなく太陽電池パネル１の冷却を十分に行うことが可能となる。

（実施の形態4）
図４は、本発明の第４の実施の形態における太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図である。図１に示した実施の形態１の構成に、加熱手段２０と冷媒流量制御手段６０を加えた構成である。図１に示した実施の形態１の太陽光利用ヒートポンプシステムと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。本実施の形態４の説明においては、実施の形態１と同じ機能の部分は省略し、新たな機能の点についてのみ説明する。

本実施の形態４では、カプセル中に封入された潜熱蓄熱材が、カプセルを分散させた溶媒と共にスラリー状の熱媒体として配管内を移動する際に、太陽熱集熱器２から熱エネルギーを吸熱するための熱交換器３に流入する手前で、加熱手段２０によって配管と共に加熱され、カプセルの中で固液２相の状態の潜熱蓄熱材となっている。固液２相の状態の潜熱蓄熱材とすることによって熱交換器３より吸熱する際にも全て潜熱として取り込まれ、熱媒体の温度が変化しないために太陽電池パネル１の温度を一定に保ち、発電効率の低下を抑制することができる。

また、この際に、熱回収サイクルにおける熱交換器４から熱交換器３までの配管を断熱材にて被覆することも、潜熱蓄熱材を固液２相の状態で維持させるために有効である。これにより、カプセルに封入された潜熱蓄熱材が配管中を移動していく際に、自然冷却により全て固化されることを抑制し、一部液化した状態を保ちながら太陽電池パネル１の冷却を行うことが可能となり、太陽電池パネル１の均温化を実現することができる。

なお、実施の形態１〜４における、太陽電池パネル１の温度を均温化するためのスラリー状の熱媒体を循環させる制御方法としては、太陽熱集熱器２における最大集熱量よりも、熱交換器３において潜熱蓄熱材が吸熱するエネルギー量が大きくなるように行えばよい。 より具体的には、太陽熱集熱器２での最大集熱量が、最大日射量（１ｋＷ／ｍ^２）×太陽電池の発電効率（２３％と仮定）×設置面積、で表されることから、設置面積を一定値にした後、設置面積から予測される最大集熱量＜融解熱×最大循環量、となっていれば太陽電池パネル１を一定温度にて冷却することができる。またここで、太陽電池の発電量は発熱量とほぼ比例関係にあることから、発電量を検出してスラリー状の熱媒体の循環量を決定しても、同様に太陽電池パネル１を一定温度にて冷却することができる。

さらに、ヒートポンプサイクルにおける冷媒循環量においても、熱交換器４においてスラリー状の熱媒体が太陽熱集熱器２から吸熱した熱エネルギー量よりも冷媒が吸熱する熱エネルギー量が小さい場合には、潜熱蓄熱材は完全に固化されずに固液２相の状態で存在することになり、その状態にて太陽熱集熱器２と接している熱交換器３に流入した場合に、潜熱として吸熱されるため熱媒体の温度上昇が無く、吸熱を行いつつ太陽電池パネル１を均一の温度に維持することができる。

本実施の形態４の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、冷媒流量制御手段６０が、太陽電池パネル１の発電量に基づいて太陽光による集熱量を算出し、ヒートポンプサイクルで熱交換器４で吸収される集熱量が太陽光による集熱量よりも少なくなるように、圧縮機６を制御して冷媒流量を調整するようになっている。冷媒流量制御手段６０は、どのような方法で実現してもよく、例えば、本太陽光利用ヒートポンプシステムに組み込まれるマイコンで実現してもよいし、汎用のコンピュータで制御するようにしてもよい。

本実施の形態４の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、太陽熱回収サイクルの配管中をスラリー状の熱媒体が流れる際に、カプセルに封入された潜熱蓄熱材の一部を液相のまま残しておくことができ、太陽熱集熱器２から吸熱を行う際に顕熱で熱移動が行われずに潜熱による熱移動のみで太陽光電池パネル１の冷却を行うことが可能となり、太陽電池パネル１の均温化を実現することができる。

さらに、太陽電池パネル１の発電量を検出した後、検出した発電量より集熱量を予測し、太陽熱回収サイクルとヒートポンプサイクルとの間で共有されている熱交換器４において、ヒートポンプサイクル側への熱移動量が常に太陽熱集熱器２における集熱量よりも小さくなるようにヒートポンプサイクルにおける冷媒循環量を制御しているので、太陽熱回収サイクルを流れるスラリー状の熱媒体中のカプセルに封入された潜熱蓄熱材が全て固化するまで冷却されずに固液混合相の状態が維持される。そして、スラリー状の熱媒体は、太陽熱回収サイクルを循環し太陽熱集熱器２との間で熱交換を行う際にも顕熱領域を経ることがないことから、太陽熱集熱器２から熱を吸収しつつも常に熱媒体の温度を一定に保つことで、太陽電池パネル１の均温化を可能とすることができる。

つまり、カプセル内に封入された潜熱蓄熱材が有する内部エネルギーが全てヒートポンプサイクル中の冷媒へと移動することが無くなり、カプセル中の潜熱蓄熱材は完全に固化することなく、固液２相が共存する状態で保持されることとなる。そして、この固液２相が共存する状態にて太陽熱集熱器２からの熱を吸熱することで、熱が顕熱としてではなく潜熱として取り込まれるために熱媒体の温度変化が起こることはなく、太陽電池パネル１の均温化が可能となる。

（実施の形態５）
図５は、本発明の第５の実施の形態における太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図である。図３に示した実施の形態３の構成に、温度検知部２１と冷媒流量制御手段６１を加えた構成である。図３に示した実施の形態３の太陽光利用ヒートポンプシステムと同じ構成部分については、同じ符号を用いている。本実施の形態５の説明においては、実施の形態３と同じ機能の部分は省略し、新たな機能の点についてのみ説明する。

本実施の形態５では、温度検知部２１が、熱交換器３の熱媒体流入部と流出部にそれぞれ設置されている。スラリー状の熱媒体において潜熱吸収が行われている条件では、太陽熱集熱器２から吸熱している間も相変化が行われる温度近傍で一定値（以降所定値と記述する）となっている。太陽電池パネル１の温度を均一にしようとする際には上記条件であることが望ましく、カプセルに封入されている潜熱蓄熱材が固液２相の状態で熱交換器３を通過していくことでこの条件を満たすことが可能となる。

そのため、熱交換器３の流入（上流）側で所定の温度以下であった場合には、ヒートポンプサイクルでの冷媒循環量を減らすことによってスラリー状の熱媒体から吸熱する熱エネルギー量を減らすように制御することで熱媒体温度を高める。また逆に、熱交換器３の流出（下流）側で所定の温度以上であった場合には、ヒートポンプサイクルの冷媒循環量を増やすように制御して運転を行うことで、スラリー状の熱媒体が熱交換器３を通過する際には常に潜熱蓄熱材を固液２相の状態にすることができ、吸熱を行いつつ太陽電池パネル１の均温化を図ることができる。

本実施の形態５の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、冷媒流量制御手段６１が、温度検知部２１で検出された温度に基づき、ヒートポンプサイクルで必要な冷媒流量を算出し、その算出した冷媒流量となるように、圧縮機６を制御するようになっている。冷媒流量制御手段６１は、どのような方法で実現してもよく、例えば、本太陽光利用ヒートポンプシステムに組み込まれたマイコンで実現してもよいし、汎用のコンピュータで制御するようにしてもよい。

本実施の形態５の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、太陽熱集熱器２より熱エネルギーを吸収するための熱交換器３においては常にスラリー状の熱媒体中の潜熱蓄熱材を固液２相状態に維持することができ、潜熱のみを用いた熱エネルギーの吸放熱現象であることから太陽電池パネル１を均一な温度とすることができる。

各実施の形態の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、太陽熱集熱器２からの熱を吸熱する熱交換器３において、作動流体による顕熱量だけでなく、カプセル中に封入された潜熱蓄熱材が固相から液相へと相変化する際に吸収する潜熱量も含めた吸熱が可能となることで、速やかな太陽電池パネル１の冷却が可能となる。

また、太陽熱集熱器２からの熱量を潜熱として吸熱している際には、熱媒体の温度上昇は無く温度が一定となることで、作動流体と潜熱蓄熱材を封入したカプセルとからなるスラリー状の熱媒体の温度が上昇することが無いために、熱交換器３内部における熱媒体の流れ方向に対する温度が一定となり、太陽電池パネル１の温度を均一に保つことが可能となる。

ここで、潜熱蓄熱材を封入するカプセルのサイズは特に限定するものではないが、潜熱蓄熱材への熱搬送が速やかに行われ、かつカプセルが分散された作動流体の撹拌効果を高めて太陽熱集熱器２からスラリー状の熱媒体への熱搬送を促進させるために、粒径１〜１００μmのマイクロカプセルであることが好ましい。

ここで、蓄熱材のカプセル化手段としては、例えば、二次エマルジョン液を有機溶媒の沸点以上に過熱して蒸発させる二次エマルジョン法や、潜熱蓄熱材の表面に熱可塑性樹脂を噴霧し乾燥して被覆を形成させる方法や、有機系潜熱蓄熱材を吸収させた骨材を熱可塑性樹脂を含む液中に分散させ熱可塑性樹脂膜を形成させる方法などの、従来の方法を用いることができる。また、カプセルの膜材としてはガラス転移温度が夏の最高外気温よりも高い４５℃以上の樹脂材料が好ましい。また、上記蓄熱材料が封入されたマイクロカプセルをスラリーとして分散させる媒体としては水またはエチレングリコール等のブラインが好ましい。

さらに、ヒートポンプサイクルと太陽熱回収サイクルを分けたことによって、太陽電池パネル１の温度が変動した際にも、ヒートポンプサイクルの冷媒が、蒸発器としての熱交換器４を通過した後も気液２相流とならないように独立して制御することが可能になった。

つまり、太陽熱回収サイクルにおける放熱部とヒートポンプサイクルの吸熱部を共通した熱交換器４を用いながら両サイクルを分離させることにより、太陽熱回収サイクルからの放熱量が変動した際にもヒートポンプサイクルの冷媒循環量を独立して制御しながら簡便に液冷媒が圧縮機６に流入しない運転を行うことが可能となる。

また、太陽熱回収サイクルの熱媒体を、蓄熱材をカプセルに封入したスラリー状としたことで、熱媒体の中で乱流状態が形成されやすく熱伝導を促進させる効果を有し、さらには従来のＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒に比べて熱伝導性の優れた二酸化炭素をヒートポンプサイクル側の冷媒としたことと併せて、太陽熱回収サイクルからの吸熱エネルギーを速やかにヒートポンプ側へと搬送することが可能となる。

また、ヒートポンプサイクルにおける冷媒として二酸化炭素を用いていることで、オゾン層破壊あるいは地球温暖化といった悪影響のないヒートポンプシステムを構築することが可能となる。さらには、二酸化炭素の冷媒は操作圧力が高く、液密度も高いことから圧縮機の信頼性確保が困難であったが、本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムによって構築することが可能となっている。

また、ヒートポンプサイクルに用いる冷媒はＨＣＦＣ、ＨＦＣ及び二酸化炭素や炭化水素等の自然冷媒が挙げられるが、熱交換能及び環境保護の観点より二酸化炭素が特に好ましい。二酸化炭素の冷媒がＨＣＦＣ冷媒やＨＦＣ冷媒に比べて熱搬送性にも優れていることで、太陽熱回収サイクルからの熱伝達を効率よく行うことが可能であり、さらには冷媒が流れる配管の径も細くすることが可能となる。

ここで、カプセル中に封入される潜熱蓄熱材としては、結晶水を含む無機化合物(無機水和物)、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪酸、エステル化合物等の有機化合物が挙げられるが、潜熱蓄熱材料が相変化を起こす温度域は、２５℃から３５℃の範囲であることが好ましい。

潜熱蓄熱材料が相変化を起こす温度域を２５℃以上とすることにより、夏の外気温度の平均最低温度である約２６℃の条件においても外気より太陽光発電モジュール（太陽電池パネル１、太陽熱集熱器２、熱交換器３で構成される部分）において集熱することが可能となり、太陽熱集熱器２よりスラリー状の熱媒体へと潜熱蓄熱材の効果を発現させながら熱搬送することが可能となる。

また、太陽熱回収サイクルからヒートポンプサイクルへの熱搬送を行う熱交換器４においても、潜熱蓄熱材料が相変化を起こす温度域を３５℃以下とすることにより、ヒートポンプサイクルの冷媒である二酸化炭素の臨界温度である３１℃以上にならないように容易に制御することが可能となり、冷媒の熱交換能力を維持することができる。

より具体的には、リン酸ナトリウム１２水和物、硫酸ナトリウム１０水和物、硝酸リチウム３水和物、塩化カルシウム６水和物等の無機水和物や、オクタデカン等のノルマルパラフィン類、カプリル酸等の脂肪酸類が好ましく、これらの化合物以外であっても相変化の温度が上記の範囲内であれば問題は無く、単一物質であっても複数の物質からなる混合物質であっても問題は無い。

以上に各実施の形態で説明したように、本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムを用いることにより、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均温化とを両立することが可能となり、システムの運転に対する信頼性が高く、かつ太陽電池の高い発電効率を有する太陽光利用ヒートポンプシステムを実現することができる。

なお、各実施の形態の太陽光利用ヒートポンプシステムでは、いずれも蓄熱装置１２を備える構成としたが、熱交換器７をその熱量を直接利用できるような暖房器具等とし、蓄熱装置１２を備えていない構成にしてもよい。このような構成にした場合でも、圧縮機への液冷媒の流入防止と太陽電池パネル温度の均温化とを両立する、という効果を得ることができる。

なお、本発明のプログラムは、上述した本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムの冷媒流量制御手段の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。

また、本発明の記録媒体は、上述した本発明の太陽光利用ヒートポンプシステムの冷媒流量制御手段の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムを担持した記録媒体であり、コンピュータにより読み取り可能かつ、読み取られた前記プログラムが前記コンピュータと協働して利用される記録媒体である。

また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。

また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。

また、上述した本発明のコンピュータは、ＣＰＵ等の純然たるハードウェアに限らず、ファームウェアや、ＯＳ、更に周辺機器を含むものであっても良い。

なお、以上説明した様に、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現しても良いし、ハードウェア的に実現しても良い。

本発明に関する太陽光利用ヒートポンプシステムおよびその稼働制御方法は、信頼性を確保しつつ高い発電効率と熱エネルギーをも含めたエネルギー効率を有し、家庭用給湯・暖房機器として有用である。また、工業用加熱装置等の用途にも応用が可能である。また、本発明に関する太陽光発電モジュールの構造をも含めた太陽熱回収サイクルは太陽熱の利用方法としても有用である。

本発明の実施の形態１にかかる太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図 本発明の実施の形態２にかかる太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図 本発明の実施の形態３にかかる太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図 本発明の実施の形態４にかかる太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図 本発明の実施の形態５にかかる太陽光利用ヒートポンプシステムの構成図 従来のソーラーヒートポンプシステム（特許文献１）の構成図 従来のソーラーヒートポンプシステム（特許文献２）の構成図

符号の説明

１ 太陽電池パネル
２ 太陽熱集熱器
３ 熱交換器
４ 熱交換器
５ 第一ポンプ
６ 圧縮機
７ 熱交換器
８ 膨張機構
９ 直流交流変換装置
１０ インバーター
１１ 第二ポンプ
１２ 蓄熱装置
１３ 第三ポンプ
１４ 第一切り替えスイッチ
１５ 第二切り替えスイッチ
１６ スイッチ
１７ 蓄電装置
１８ 余剰熱放熱器
１９ ファン
２０ 加熱手段
２１ 温度検知部
２２ 太陽光発電モジュール
２３ 太陽電池
２４ 貯湯水加熱手段
２５ 室内熱交換器手段
２６ 室外熱交換器手段
２７ 圧縮機
２８ 第一四方弁
２９ 冷媒水熱交換器
３０ 第一電磁弁
３１ 第一電子膨張弁
３２ 第二四方弁
３３ 第二電子膨張弁
３４ 第三電子膨張弁
３５ 貯湯槽
３６ 循環ポンプ
３７ フィン
３８ ヘッダー管
３９ 電力供給制御装置
４０ 蓄電池
４１ 交流直流変換装置
４２ インバーター
４３ サイクル制御装置
４４ 太陽電池パネル
４５ 蒸発器
４６ 送風手段
４７ モーター
４８ 圧縮機
４９ 凝縮器
５０ 絞り機構
５１ 運転制御手段
５２ 循環ポンプ
５３ 貯水タンク
５４ 空気の流れ
６０、６１ 冷媒流量制御手段

Claims (11)

1. 複数の太陽電池セルが配置されている太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルが太陽光から受けた熱を集熱する太陽光熱交換器と、前記太陽光熱交換器で集熱した熱を放熱する第１の放熱手段とを有し、前記太陽光熱交換器および前記第１の放熱手段の間を、潜熱蓄熱材が封入されたカプセルおよび所定温度範囲で固化しない作動流体で形成されているスラリー状の熱媒体が循環する太陽熱回収サイクル装置と、
   圧縮機と、前記第１の放熱手段が放熱する熱を吸収する蒸発器と、膨張機構と、放熱器とを有し、冷媒が流通するヒートポンプサイクル装置とを備えた、太陽光利用ヒートポンプシステム。
2. 前記太陽熱回収サイクル装置の有する前記第１の放熱手段と、前記ヒートポンプサイクル装置の有する前記蒸発器は、熱交換器を構成している、請求項１に記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
3. さらに、前記放熱器が放熱する熱エネルギーを貯蔵する蓄熱装置を備えた、請求項１または２に記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
4. さらに、前記太陽熱回収サイクル装置は、循環する前記熱媒体の熱を放熱する第２の放熱手段を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
5. さらに、前記太陽熱回収サイクル装置は、循環する前記熱媒体を加熱する加熱手段を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
6. 前記潜熱蓄熱材は、２５℃以上３５℃以下の範囲で相変化を起こす、請求項１乃至５のいずれかに記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
7. さらに、前記ヒートポンプサイクル装置を循環する前記冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段を有し、
   前記冷媒流量制御手段は、前記太陽電池パネルの発電量に基づいて太陽光による集熱量を算出し、前記蒸発器で吸収される集熱量が、前記太陽光熱交換器で集熱される集熱量よりも少なくなるように、前記冷媒の流量を制御する、請求項１乃至６のいずれかに記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
8. 前記冷媒流量制御手段は、
   前記太陽光熱交換器に流入する前記熱媒体の温度が、前記潜熱蓄熱材が固体と液体の２相状態における温度である所定温度よりも低い場合には、前記冷媒の循環流量を減らし、
   前記太陽光熱交換器に流入する前記熱媒体の温度が、前記所定温度よりも高い場合には、前記冷媒の循環流量を増やすように制御する、請求項７に記載の太陽光利用ヒートポンプシステム。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の太陽光利用ヒートポンプシステムの、稼働制御方法であって、
   前記潜熱蓄熱材が、前記太陽光熱交換器に流入する部分および前記太陽光熱交換器から流出する部分のいずれにおいても、固体と液体の２相状態になるように前記冷媒の循環流量を制御する、太陽光利用ヒートポンプシステムの稼働制御方法。
10. 請求項７または８に記載の太陽光利用ヒートポンプシステムの、前記冷媒流量制御手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムを担持した記録媒体であって、コンピュータで利用可能な記録媒体。

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