JP2011103350A - 太陽光発電装置の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電装置を冷却することにより、光電変換効率（発電効率）を向上させることのできる太陽光発電装置の冷却装置を提供すること。
【解決手段】 太陽光を電気に変換する太陽光発電装置１の冷却装置４において、太陽光発電装置１の裏面に、自励振動型ヒートパイプの少なくとも一部分が熱伝達可能に接触して設けられ、太陽光発電装置１と自励振動型ヒートパイプとの間で熱交換するとともに、その熱交換によって自励振動型ヒートパイプに輸送された熱を自励振動型ヒートパイプの他の部分から大気中に放熱するように構成されていることを特徴とする。太陽光発電装置１に生じた熱を自励振動型ヒートパイプで熱輸送して大気中に放熱することにより、太陽光発電装置１を冷却でき、光電変換効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽光を電気に変換する太陽光発電装置の冷却装置に関するものである。

太陽光を電気に変換する太陽光発電装置は、一般的に、その光電変換効率が３０％以下であり、また、太陽光に含まれる熱線によって加熱されてその温度が上昇し、その熱によって光電変換効率（発電効率）がさらに低下させられることが知られている。そのため、光電変換効率を向上させるために、太陽光発電装置を冷却することが検討されている。この種の装置の一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された装置は、複数の太陽電池モジュール間をヒートパイプで接続し、日照障害のない太陽電池モジュールから、日照障害のある太陽電池モジュールに熱輸送することにより、太陽電池アレイ全体の温度分布を緩衝するように構成されている。

特開２０００−１７４３１９号公報

上述した特許文献１の発明によれば、日照障害のない太陽電池モジュールの温度が低下されるので、全体として発電効率を向上させることができる。しかしながら、特許文献１に記載された構成は、太陽電池アレイに温度分布が生じている場合に、その温度分布を緩衝して発電効率を向上させるものであり、すなわち、アレイ全体に日照がある場合には、太陽電池モジュールの温度上昇を抑制できず、この点で改良の余地があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、太陽光発電装置を冷却することにより、光電変換効率（発電効率）を向上させることのできる太陽光発電装置の冷却装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、太陽光を電気に変換する太陽光発電装置の冷却装置において、前記太陽光発電装置の裏面に、自励振動型ヒートパイプの少なくとも一方の部分が熱伝達可能に接触して設けられ、前記太陽光発電装置と前記自励振動型ヒートパイプとの間で熱交換するとともに、その熱交換によって前記自励振動型ヒートパイプに輸送された前記熱を前記自励振動型ヒートパイプの他方の部分から大気中に放熱するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記自励振動型ヒートパイプは、前記太陽光発電装置と前記自励振動型ヒートパイプとの間で熱交換する一方の部分と前記熱を大気中に放熱する他方の部分とを結ぶ直線の中央付近で折り曲げられてＵ字形状に形成され、そのＵ字形状に形成された前記自励振動型ヒートパイプの直線部分が前記太陽光発電装置に平行に設けられ、かつ前記一方の部分が、前記太陽光発電装置の裏面に熱伝達可能に接触して設けられるとともに、前記一方の部分と前記他方の部分との間に、複数の放熱フィンが張り渡されていることを特徴とする太陽光発電装置の冷却装置である。

請求項１の発明によれば、太陽光発電装置に生じた熱を自励振動型ヒートパイプによって熱輸送して、その熱を大気中に放熱するように構成されている。また、その自励振動型ヒートパイプは、太陽光発電装置の裏面に設けられている。そのため、発電のための日照を阻害せず、太陽光発電装置の冷却のためにエネルギを消費しない、いわゆるパッシブ型の冷却装置を構成することができる。また、太陽光発電装置に生じた熱を熱輸送して大気中に放熱することにより、太陽光発電装置を冷却でき、光電変換効率（発電効率）を向上させることができる。さらにまた、自励振動型ヒートパイプは、他のヒートパイプに比較して熱輸送能力が高く、他のヒートパイプを使用した場合に比較して、太陽光発電装置の冷却効率を向上させることができ、発電効率を向上させることができる。また、自励振動型ヒートパイプは、他の一般的なヒートパイプに比較して、作動液の設計自由度が高い。したがって、作動液に、水に比較して表面張力の低いブタンやＲ１３４ａなどを用いることができ、これにより他のヒートパイプを適用した場合に比較して、冷却装置の軽量化を図ることができる。そして、これにより太陽光発電装置の信頼性および寿命を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、自励振動型ヒートパイプはＵ字形状に形成され、そのＵ字形状に形成された自励振動型ヒートパイプの直線部分が太陽光発電装置に平行に設けられ、かつその一方の部分が太陽光発電装置に熱伝達可能に設けられるとともに、一方の部分と他方の部分との間に複数の放熱フィンが張り渡されている。自励振動型ヒートパイプをＵ字形状に形成することにより、自励振動型ヒートパイプに伝達された熱を大気中に放熱する他方の部分を、太陽光から遮蔽される太陽光発電装置の裏面に配置することができる。また、Ｕ字形状にすることにより、自励振動型ヒートパイプの長手方向の長さを短くでき、冷却装置を小型化することができる。また、一方の部分と他方の部分との間に、複数の放熱フィンが張り渡されているので、複数の放熱フィンによって自励振動型ヒートパイプを補強できる。さらにまた、自励振動型ヒートパイプに伝達された熱を、一方の部分および他方の部分の双方から複数の放熱フィンを介して大気中に放熱することができとともに、これにより、放熱性能を向上させることができる。

この発明に係る冷却装置を適用した太陽光発電装置の断面図を模式的に示す図である。 この発明に係る太陽光発電装置の冷却装置の作用を説明するための模式図である。 この発明を適用できる太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。 一般的な形状の自励振動型ヒートパイプを模式的に示す図である。

つぎに、この発明をより具体的に説明する。図３に、この発明を適用できる太陽光発電装置１の構成例を模式的に示してある。太陽光発電装置１は、複数の太陽光発電セル２が基材３上に配設されるとともに、各太陽光発電セル２が電気的に直列または並列に接続されて構成されている。各太陽光発電セル２は、光電変換により太陽光を電気に変換する光電変換素子（図示せず）を備えており、その光電変換素子に太陽光を照射することにより太陽光を電気に変換するようになっている。また、太陽光には熱線が含まれているから、各光電変換素子（太陽光発電セル２）は、その熱線によって、もしくは熱線を吸収することによって不可避的に加熱される。

光電変換素子は従来知られている結晶系もしくはアモルファス系のいずれであってもよく、要は、太陽光を電気に変換するものであればよい。太陽光発電セル２を配設する基材３には、熱伝導性を備えたアルミニウムなどを適用することが好ましい。

図１に、この発明に係る冷却装置４を適用した太陽光発電装置１の断面図を模式的に示してある。図１において、複数の太陽光発電セル２を支持する基材３を挟んで、各太陽光発電セル２の裏面に、Ｕ字形状に形成された自励振動型ヒートパイプ（Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ；以下、ＰＨＰと記す。）５が設けられている。ＰＨＰ５は、従来一般的に知られているものであってよく、その蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間で、ループ状に形成された無端状のチューブが複数回、往復され、そのチューブの内部に作動液Ｌが封入されている。図４に、一般的な形状のＰＨＰ５を模式的に示してあり、ＰＨＰ５は、チューブ形状の細管が複数蛇行して形成されており、その長手方向の中央付近（図４に符号Ｃで示してある）で折り曲げられてＵ字形状に形成されている。すなわち、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとを結ぶ直線の中央付近で折り曲げられてＵ字形状に形成されている。そのＰＨＰ５は、一例として、厚み１．９ｍｍ、内径２．０ｍｍのアルミニウム製チューブによって形成されており、その内部に、作動液Ｌとしてブタンもしくはハイドロフルオロカーボン（Ｒ１３４ａ）が封入されている。なお、ＰＨＰ５を形成するアルミニウム製チューブは、適用条件に応じて、すなわち、耐久性や熱輸送量などを考慮して、その厚みや内径などを適宜変更してもよく、例えば厚み１．９ｍｍのアルミニウム製チューブの内径が２．５ｍｍもしくは３．０ｍｍであってもよい。

ＰＨＰ５は、前述したように、その長手方向の中央付近で、すなわち、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとを結ぶ直線の中央付近で折り曲げられてＵ字形状に形成されている。そして、その折り曲げられたＰＨＰ５の直線部分の長さが、図１に示したように、太陽光発電セル２の一辺の長さと同一もしくはほぼ同一になるように設計される。言い換えれば、折り曲げられたＰＨＰ５の全体が、太陽光発電セル２で隠れるように、ＰＨＰ５もしくは太陽光発電セル２の大きさが設計（調整）される。

そのＰＨＰ５の一方の部分における少なくとも一部分は、前述した基材３に熱伝達可能に設けられており、この基材３に接触する部分（蒸発部５ａ）で、太陽光発電セル２に生じた熱を奪うようになっている。すなわち、この基材３に接触するＰＨＰ５の一方の部分に蒸発部５ａが形成され、ここで、作動液Ｌが液相から気相に相変化し、蒸気化潜熱によってＰＨＰ５の他方の部分に熱を輸送するようになっている。

一方、ＰＨＰ５の他方の部分は、蒸発部５ａに対向するように設けられており、作動液Ｌの蒸気化潜熱によって輸送された熱をホールドフィン（放熱フィン）６を介して大気中に放熱することにより、作動液を気相から液相に相変化するようになっている。すなわち、ＰＨＰ５の他方の部分に凝縮部５ｂが形成されている。

前述したホールドフィン６は、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間に、所定の間隔を開けて張り渡されており、蒸発部５ａおよび凝縮部５ｂの双方から熱が伝達されるようになっている。また、各ホールドフィン６は、所定の間隔を開けて張り渡されているので、この各ホールドフィン６の間に風が通ることにより、ＰＨＰ５に伝達された熱を大気中に放熱できるようになっている。したがって、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間に、所定の間隔を開けてホールドフィン６を張り渡すことにより、ＰＨＰ５の放熱性能を向上させることができるようになっている。また、ＰＨＰ５の蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間に複数のホールドフィン６が張り渡されているので、チューブ形状の細管が複数蛇行して形成されているＰＨＰ５を補強することができる。なお、このホールドフィン６は、熱伝導性を備えた薄板状の金属製材料によって形成されており、その金属製材料には、例えば、アルミニウムを用いることが好ましい。

図２は、前述した図１のように構成された太陽光発電装置１の冷却装置４の作用を説明するための模式図である。なお、図２に示す例は、前述した図１に示す構成の一部を変更したものであり、したがって図１に示す部分と同一の部分には図２に図１と同様の符号を付してその説明を省略する。

各太陽光発電セル２が日照を受けると、太陽光発電セル２は加熱され、太陽光発電セル２の温度が上昇する。そして、その熱は、基材３を介してＰＨＰ５の蒸発部５ａに伝達される。蒸発部５ａでは、その熱によって作動液Ｌが蒸気化され、蒸気化潜熱によって凝縮部５ｂに熱が輸送される。凝縮部５ｂに輸送された熱は、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間に、所定の間隔を開けて張り渡された複数のホールドフィン６に伝達され、その複数のホールドフィン６から大気中に放熱される。また、ホールドフィン６は、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間に張り渡されているので、蒸発部５ａからも直接大気中に放熱することができる。

したがって、太陽光発電セル２の裏面にＰＨＰ５を設けることにより、加熱された太陽光発電セル２の熱を大気中に放熱することができる。すなわち、太陽光発電セル２を冷却することができ、その結果、太陽光発電セル２の光電変換効率（発電効率）を向上させることができる。また、ＰＨＰ５は、その長手方向の中央付近で、すなわち、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとを結ぶ直線の中央付近で折り曲げられてＵ字形状に形成されるとともに、太陽光発電セル２の裏面に設けられている。そのため、ＰＨＰ５を太陽光発電セル２の裏面に収めることができ、発電のための日照を阻害しない。言い換えれば、太陽光発電セル２によって太陽光が遮蔽される位置にＰＨＰ５を収めることができる。したがって、日照を阻害せずに太陽光発電セル２を冷却することができる。また、太陽光発電セル２の冷却にエネルギを消費しないので、エネルギ消費のない冷却装置４とすることができ、発電した電力を全て出力することができる。さらにまた、作動液Ｌの蒸気化潜熱によって太陽光発電セル２の熱を輸送し、冷却するように構成されているので、冷却のための動力源を必要とする冷却装置に比較して、維持管理が不要もしくは低減された装置とすることができる。

ＰＨＰ５の作動原理を具体的に説明する。図４に、一般的な形状のＰＨＰ５を模式的に示してある。前述したように、ＰＨＰ５は、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの間で、ループ状に形成された無端状のチューブが複数回、往復されて形成されており、言い換えれば、複数蛇行して形成されており、そのチューブの内部に作動液Ｌが封入されている。蒸発部５ａに入熱されると、その内部に封入された作動液Ｌは、液相から気相に相変化する。すなわち、蒸発部５ａでは、断続的に作動液Ｌが蒸気化されて、蒸発部５ａの圧力が上昇する。そして、蒸気化した作動液は、蒸発部５ａにおいて気泡Ｖを形成し、その作動液の気泡Ｖは、液相の作動液Ｌが気相に相変化する場合に生じる圧力によって蒸発部５ａから圧し出される。

また、ループ形状のチューブの途中には、液相の作動液Ｌが液栓を形成している場合があり、この液栓は、前述した気泡Ｖの移動にともなって、すなわち、気泡Ｖに圧迫されて凝縮部５ｂに圧し進められる。この液栓が、蒸発部５ａの圧力によって凝縮部５ｂに圧し進められる場合に、液栓の一部は、チューブの内壁と気泡Ｖとの間を流動して蒸発部５ａに還流される。

一方、凝縮部５ｂでは、作動液Ｌの蒸気化潜熱によって輸送された熱が奪われて、すなわち、作動液が気相から液相に相変化して凝縮し、気泡Ｖの大きさが縮小したりして、圧力が低下する。

したがって、ＰＨＰ５は、蒸発部５ａと凝縮部５ｂとの圧力差により、自励的に圧力振動を発生するようになっている。そして、この圧力振動により、ループ状に形成された無端状のチューブに封入された気相および液相の作動液が、凝縮部５ｂに比較して圧力の高い蒸発部５ａから、圧力の低い凝縮部５ｂへ移動し、熱輸送がおこなわれる。また、ＰＨＰ５は、圧力振動により熱輸送をおこなうように構成されているので、従来のヒートパイプに比較して、重力の影響を受け難い。その結果、ＰＨＰ５は、いわゆるトップヒートモードで作動できるようになっている。

また、ＰＨＰ５は、毛管力によって作動液Ｌを還流させないので、水などに比較して、表面張力が低く、毛管作用が小さい熱媒体を作動液に用いることができる。その作動液には、例えば、ブタンもしくは代替フロンであるハイドロフルオロカーボン（Ｒ１３４ａ）などの熱媒体を用いることができる。これらの熱媒体は、銅もしくは鉄に比較して軽量なアルミニウムとの反応性が低い。そのため、これらの熱媒体を作動液に用いることにより、アルミニウムなどによってＰＨＰ５を形成することができる。その結果、軽量な冷却装置４を作製することができる。

したがって、この発明によれば、太陽光発電セル２の裏面に、その長手方向の中央付近（図４に符号Ｃで示してある。）で折り曲げられた自励振動型ヒートパイプを設けることにより、発電のための日照を阻害せずに太陽光発電セル２の熱を大気中に放熱して、冷却することができる。その結果、太陽光発電セル２の光電変換効率（発電効率）を向上させることができる。また、これにより太陽光発電セル２の信頼性および寿命を向上させることができる。ＰＨＰ５は、従来のヒートパイプに比較して、熱輸送能力が高いので、小型かつ軽量な太陽光発電装置１の冷却装置４を作成できる。

さらにまた、太陽光発電セル２の冷却にＰＨＰ５を用いているので、冷却装置４の配置もしくは設計の自由度を向上できる。より具体的には、ＰＨＰ５を用いることにより、トップヒートモードで作動でき、かつ軽量な冷却装置４を作製することができる。また、太陽光発電セル２の冷却に電力を必要としないので、エネルギ消費のない冷却装置４とすることができ、発電した電力を全て出力することができる。さらにまた、作動液Ｌの蒸気化潜熱によって太陽光発電セル２の熱を輸送し、冷却するように構成されているので、冷却のための動力源を必要とする冷却装置４に比較して、維持管理が不要もしくは低減された装置とすることができる。

なお、ＰＨＰ５に替わって、ループ型のヒートパイプを適用することができる。要は、太陽光発電セル２の冷却にエネルギを消費することがなく、いわゆるトップヒートモードでも作動するものであればよい。

１…太陽光発電装置、 ２…太陽光発電セル、 ４…冷却装置、 ５…自励振動型ヒートパイプ（ＰＨＰ）、 ５ａ…蒸発部、 ５ｂ…凝縮部、 ６…ホールドフィン。

Claims (2)

1. 太陽光を電気に変換する太陽光発電装置の冷却装置において、
   前記太陽光発電装置の裏面に、自励振動型ヒートパイプの少なくとも一方の部分が熱伝達可能に接触して設けられ、前記太陽光発電装置と前記自励振動型ヒートパイプとの間で熱交換するとともに、その熱交換によって前記自励振動型ヒートパイプに輸送された前記熱を前記自励振動型ヒートパイプの他方の部分から大気中に放熱するように構成されている
   ことを特徴とする太陽光発電装置の冷却装置。
2. 前記自励振動型ヒートパイプは、前記太陽光発電装置と前記自励振動型ヒートパイプとの間で熱交換する一方の部分と前記熱を大気中に放熱する他方の部分とを結ぶ直線の中央付近で折り曲げられてＵ字形状に形成され、そのＵ字形状に形成された前記自励振動型ヒートパイプの直線部分が前記太陽光発電装置に平行に設けられ、かつ前記一方の部分が、前記太陽光発電装置の裏面に熱伝達可能に接触して設けられるとともに、前記一方の部分と前記他方の部分との間に、複数の放熱フィンが張り渡されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置の冷却装置。

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