JP2005512007A - 換気用空気を加熱するための太陽熱集熱器パネル - Google Patents

Abstract

太陽とは別の方向に面するバックパネルの従来の断熱材が、透過性バックパネルと透過性吸熱器手段との間の間隔により代替されて、バックパネルを通して太陽エネルギーパネルの内部に流入する熱対流空気流が温度勾配に抗して反対方向の対流熱損失を防止するようにする、空気を加熱するための太陽熱集熱器パネルが開示される。バックパネルはまた、吸熱器手段からの放熱損失を低減する。さらに、太陽エネルギーパネルを通る空気の流れが停止する場合、対流-断熱はもはや有効ではなくなり、太陽エネルギーパネル内に設置され、太陽光により電気を生成する光電池パネルは、従来の断熱式太陽熱集熱器パネルにおける有害な高停滞温度にさらされることがない。

Description

本発明は、太陽とは別の方向に面するバックパネルの従来の断熱材が、温度勾配に抗して透過性バックパネルを通して太陽エネルギーパネルの内部に流入する熱対流空気流により代替される、空気の加熱により熱エネルギーを集める太陽熱集熱器パネルに関する。

さらに、太陽熱集熱器パネルを通る空気流が停止する場合、対流による断熱 (convection-insulation)はもはや有効ではなくなり、太陽熱集熱器パネル内に設置され、太陽光により電気を生成する光電池パネルは、従来の断熱式太陽熱集熱器パネルにおける有害な高停滞温度（high stagnation temperature）にさらされることがない。

［背景］
家庭内使用または空間加熱用に水を加熱するための太陽熱集熱器パネルは、当該技術分野では既知であるが、換気および空間加熱に直接用いられるか、あるいは熱交換器に熱を伝える媒体として用いる、空気を加熱するための太陽熱集熱器パネルも知られている。

フランス特許出願ＦＲ２５０００３６は、透明フロントパネルと、後壁が断熱されている吸熱バックパネルと、当該フロントパネルおよび当該バックパネル間の通路であって、当該通路へ冷たい空気が流入することができるようにする、底部にある入口開口部、およびバックパネルを通ることによって加熱された空気を出すための、上部にある出口開口部、を有する通路とを備える、典型的で単純な太陽熱集熱器パネルを示している。フロントパネルとは別の方向に面するバックパネルの後壁は、熱流が吸熱バックパネルから流入し太陽熱集熱器パネルから流出するのを防止するよう断熱されている。

米国特許第ＵＳ ４，０５４，１２４号は、穿孔した吸熱器パネルが透明フロントパネルと断熱バックパネルとの間に挿入されている、より精巧な太陽熱集熱器パネルを開示している。入口空気流は、太陽熱集熱器パネルの側面からフロントパネルと吸熱器パネルとの間の空間に穿孔を通して流れ、その空間にて空気が加熱されて集熱器パネルと断熱バックパネルとの間の空間から出る。それにより、ＦＲ２５０００３６の開示に比して、よりいっそう高い、空気および吸熱器間の熱伝導係数が得られる。

ＵＳ ４，２６２，６５７では、そこを通って流れる空気を加熱する透過性吸熱器パネルの特徴を用いた、より多くの変形形態の太陽熱集熱器パネルが開示されている。太陽熱集熱器パネルの後壁が太陽熱パネルの熱効率を高めるよう断熱されていることが、変形形態の共通の特徴である。

空気を加熱するための太陽熱集熱器パネルと、透明フロントパネルの後ろおよび集熱器パネルの前に配置された光電池パネルとの組み合わせが、ＧＢ ２ ２１４ ７１０に開示されている。集熱器プレートは、外部に対し断熱され、光電池パネルと集熱器パネルとの間の透明パネルが、両パネルに平行な空気流を分離して、それぞれ、光電池パネルを冷却し、集熱器パネルから熱を引き出すようになっている。

本発明の目的は、太陽熱集熱器パネルの製造を単純化するとともに副次的に太陽熱集熱器パネル内に配置された光電池パネルの冷却の確実性を高める構造を有する太陽熱集熱器パネルを提供することにある。

本発明による太陽熱集熱器パネルは、空気透過性があり、フロントパネルにより覆われている領域の大部分にわたって周囲に通じているバックパネルと、フロントパネルとバックパネルとの間に延在するとともにそれらから離間している空気透過性吸熱器手段と、フロントパネルと吸熱器手段との間から太陽熱集熱器パネルの外部に延出する空気出口開口部とを備える。これによって、空気は、温度勾配に抗してバックパネルを通して太陽熱集熱器パネルへ流入し、空気流が存在している間、断熱材の代替となる。空気流は、太陽熱集熱器パネルから、吸熱材手段を介して換気および空間加熱（例えば、別荘、ヨット、キャビン、収納コンテナ、地下貯蔵室、家畜小屋、およびトレーラー用）に用いられる出口開口部から出る。本発明の他の利点および特定の好適な実施形態は以下の説明に開示される。

透過性バックパネルと透過性吸熱器手段との間の空間は、太陽熱集熱器パネルが動作する際に断熱材として作用し、したがって、岩綿製パネルのような、当該技術分野に用いられる断熱材の代替となる。より冷たいバックパネルからより暖かい吸熱器手段まで略均一に分配された空気流は、温度勾配に反対の方向を有し、吸熱器手段からの対流熱損失を防止する。吸熱器手段からの赤外線スペクトルの放射による熱損失はバックパネルにより効果的に低減され、バックパネルは、吸熱器手段に放射の一部を反射し、熱エネルギーとして残りの部分を吸収し、この熱エネルギーは、周囲から透過性バックパネルを通して流れる冷たい空気により太陽熱集熱器パネルに戻される。

バックパネルにわたる空気流の圧力低下は、太陽熱集熱器パネルが及ぶ領域にわたって空気流分布の均一性を促進させる。このことは、１つの共通の空気入口を有するとともに空気が概ね高速度である従来の太陽熱集熱器パネルとは対照的に、広領域に及ぶ太陽熱集熱器パネルまたは互いに結合したより多くの太陽熱集熱器パネルの場合であっても、太陽熱集熱器パネルの大部分（出口に近い領域は例外となる可能性がある）において、空気流速度が概ね低いという利点を提供する。低速度とは、圧力損失および騒音発生が低いことを意味し、太陽熱集熱器パネルへの空気の取り込み時の、すなわちバックパネルの後側における低い空気速度では、より大きくより重量のある粒子が低い空気速度により加速を受けにくいため、小さな塵粒子のみが空気流により太陽熱集熱器パネル中へ運ばれるというさらなる効果を有する。したがって、太陽熱集熱器パネルから排出される換気用空気に関して空気洗浄効果も得られるため、換気用空気のろ過は少なくて済むか、または余計なものとなり得る。太陽熱集熱器パネル、特に透過性部分、および考えら得るフィルタが塵埃に晒されることが少なくなり、したがって、太陽熱集熱器パネルのメンテナンスおよび洗浄の必要が少なくて済む。

本発明による太陽熱集熱器パネルの構成の他の利点は、その構成により、太陽熱集熱器パネルを通る空気流が停止する場合に光電池パネルが過度に加熱を被る危険性が低減されるため、内部に光電池パネルが配置されるのに特に適しているという点である。バックパネルから吸熱手段へ向かう空気流が停止すると、空気流の断熱作用もまた停止し、熱は吸熱器手段から自然対流および放熱によりバックパネルを通して出るため、従来の断熱材を有する太陽熱集熱器パネルから既知の１２０°Ｃを上回る停滞温度による過度の加熱を回避することができる。

［本発明の簡単な説明］
したがって、本発明は、単一または二重のガラスパネルまたは透明プラスチック材料からなるパネルのような少なくとも１つの透明または半透明のフロントパネルと、バックパネルと、フロントパネルとバックパネルとの間に延在するとともにそれらから離間している空気透過性吸熱器手段と、太陽熱集熱器パネルの外部に延出する空気出口開口部とを備える太陽熱集熱器パネルに関し、この太陽熱集熱器パネルは、バックパネルが空気透過性があり、フロントパネルにより覆われている領域の大部分、好ましくは少なくとも７５％にわたって周囲に通じており、空気出口開口部がフロントパネルと吸熱器手段とにより囲われている容積から延出するという点で、既知の当該技術分野に比して新規である。

吸熱器手段およびバックパネルの空気透過性は、好ましくは略均一であり、フロントパネル上の太陽光に起因して対流による空気流が太陽熱集熱器パネルを通ることを可能にする程度である。略均一な空気透過性は、例えば均一に分布した穿孔を有するシート材料により、あるいは織布または不織布により得ることができる。

フロントパネル、吸熱器手段、およびバックパネルは、好適な実施形態において略平行に配置されている。フロントパネルと吸熱器手段との間の間隔は、光電池パネルがその間隔に配置される場合、好ましくは２〜１５ｃｍ（最大）の範囲であり、より好ましくは３〜１０ｃｍの範囲であり、最も好ましくは４〜７ｃｍの範囲である。吸熱器手段とバックパネルとの間の間隔は、好ましくは０．５〜５ｃｍの範囲、より好ましくは１〜３ｃｍの範囲である。

フロントパネルを通して出る放射による、吸熱器手段からの熱損失を低減することが有利である。フロントパネルは、特に５〜２５μｍの範囲の波長（この場合、熱のエネルギーの大部分が吸熱器手段から放熱されるが、太陽光のエネルギーの大部分はより低い波長にて見られる）の赤外線範囲の放射の反射を高めるコーティング層を吸熱器手段に面する内側面に有してもよい。

他の解決策は、短い波長の太陽光（ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）に対するよりも、吸熱器手段からの長い波長の赤外線に対してあまり透過性がないプラスチック材料からフロントパネルを製造することである。

別法としてまたは付加的に、放熱トラップを適用して、フロントパネルを通した赤外線による、吸熱器手段からの熱損失を低減するようにしてもよい。このようなトラップ、およびフロントパネルを通した再放熱による熱損失を制限する他の手段は、例えばＵＳ ４，２６２，６５７に説明され、開示されている。

吸熱器手段は、例えば、フェルト、または織布または打抜スクリーン、または穿孔プレート材料のような細孔性の暗色または黒色の繊維マットとすることができる。吸熱器手段は特に、プレートを通る空気流用に８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲の互いの間隔を有して配置された、０．７〜３ｍｍの範囲の全体的な直径または水力直径の開口部が画定されているプレート材料からつくられる。吸熱器手段の材料は、好ましくはアルミニウムからなる、０．４〜４ｍｍ、好ましくは０．７〜３ｍｍの範囲の厚さの穿孔金属プレートであることが好ましいが、例えば鋼プレートを用いることもできる。フロントパネルに面する吸熱器手段の側面は、好ましくは暗色または黒色のマットであり、太陽の放射スペクトルの吸収係数α、すなわち太陽熱吸収率α_ｓは高く、好ましくは０．６５〜１の範囲であり、最も好ましくは０．８〜１の範囲であるようになっている。バックパネルに面する吸熱器手段の側面は、バックパネルからの放熱、主として反射を可能な限り多く吸収するのと同様の特性を有することも好ましい。

同様に、バックパネルは、８〜２０ｍｍの範囲の互いの間隔を有して配置された、０．７〜３ｍｍの範囲の全体的な直径の開口部が画定されているプレート材料からなることができる。バックパネルの透過性は、空気流の均一な分布を促進するようにそれが延びる範囲にわたって略均一であるものとする。バックパネルは、好ましくはアルミニウムからなる、例えば０．４〜４ｍｍ、好ましくは０．７〜３ｍｍの範囲の厚さの穿孔金属プレートであることが好ましいが、鋼、各種プラスチック材料および合板のような他の材料も代替的に用いてもよい。吸熱器手段に面するバックプレートの側面は、好ましくは白色または明色であり、反射面を有し、０．６５〜１の範囲、好ましくは０．８〜１の範囲である赤外線の反射係数ρを有するようになっている。吸熱器手段からの赤外線は、特に５〜２５μｍの範囲の波長（この場合、熱のエネルギーの大部分が吸熱器手段から放射され、上記反射係数は主としてこの範囲の波長用に与えられる）を有する。

本発明による太陽熱集熱器パネルの製造は、吸熱器手段とバックパネルに同様のプレート（例えば、上記に説明したのと同一の穿孔を有する穿孔アルミニウムプレート）を用いる場合に単純化される。しかしながら、２つのプレートの表面特性は、以前に述べた詳細点によって様々であることが好ましい。

吸熱器手段に金属プレートを用いる代わりに、繊維マット、特にフェルトのスクリーンを用いることが好ましく、これは、太陽光を可能な限り多く吸収するために暗色または黒色であるものとする。織布または不織布あるいは打抜布のような他のタイプの繊維マットを用いてもよい。低質量の吸熱器手段は、他の材料と比べ繊維マットを用いることによって得ることができ、断熱効果も、吸熱器手段とフロントパネルとの間の間隔からの熱がバックパネルを通して逃げることを防止するのに有利である。

好適な実施形態では、太陽熱集熱器パネルは、フロントパネルと吸熱器手段との間に配置された１つまたは複数の光電池パネルを備える。１つまたは複数の光電池パネルは、本発明の他の好適な実施形態では、空気を空気出口開口部から追い出すよう配設された換気口の駆動手段を通電することができる。

本発明はさらに、上記の記載による複数の太陽熱集熱器パネルを備える換気システムに関し、このシステムでは、太陽熱集熱器パネルの空気出口開口部は、太陽熱集熱器パネルからの空気流を共通の換気用ダクトから追い出すよう配設された換気口を有する共通の換気用ダクトに相互に接続される。

本発明の実施形態は、本発明を実施し得る方法を示すために包含される図面に示される。

［本発明の実施の形態の詳細な説明］
本発明の第１の実施形態による太陽熱集熱器パネル１は、図１において長手方向断面で示されており、アルミニウムフレーム２が、重量を低減するとともに断熱を高めるよう内部に細長いキャビティを画定している１０ｍｍのポリカーボネートプレートからなる透過性フロントパネル３、バックフェルトのスクリーンからなる吸熱器手段４、および吸熱器手段４に面するブランク側面が残されている同様の穿孔アルミニウムシートからなるバックパネル５を保持している。代替的な実施形態では、吸熱器手段４は、厚さが０．７ｍｍの穿孔アルミニウムシートからなり、両面が黒色に塗装されているか、または陽極酸化されている。太陽熱集熱器パネル１は、好ましくは図示のように垂直に配置され、太陽光の方向は、矢印Ａにより示されている。出口ダクト６は、加熱された空気がパネル１から（例えば室内の換気および暖めるために）用いられる場所へ流出する通路を形成するようにパネル１の上部に配置される。

太陽光（矢印Ａ）は、フロントパネル３を通して送られ、吸熱器手段４に到達し、その吸熱器手段において太陽光のエネルギーの８０％以上が吸収され、残りの部分は、フロントパネル３から外部へ反射する。吸収されたエネルギーにより吸熱器手段４の温度が例えば４０°〜９０°Ｃに上がる。これにより、吸熱器手段４が主として５〜２５μｍの範囲の赤外線として熱を放射する。バックパネル５のブランク面は、放射の約７０〜７５％を反射して吸熱器手段４に戻すが、残りの部分はバックパネル５によって吸収される。大部分に用いられているプラスチックタイプは吸熱器手段４からの長い波長の放射に対し不透過性であるため、フロントパネル３を介した再放熱によるわずかな熱損失が生じるにすぎない。

矢印Ｂで示すように、周囲からの空気が穿孔バックパネル５を通して引き込まれ、該バックパネルが冷却されて、吸熱器手段４から吸収された放熱がその冷却により太陽熱集熱器パネル１に運び戻されるようになっている。空気流は、バックパネル５と集熱器手段４との間の約２ｃｍ幅の間隔７を温度勾配に抗する方向に通過し、それによって、バックパネルから出る熱の対流を効果的に防止する。次に、空気流は、矢印Ｃで示すように吸熱器手段４を進み、空気が加熱されて矢印Ｄで示すように主として上方に、吸熱器手段４とフロントパネル３との間の約５ｃｍの間隔８内を、太陽熱集熱器パネル１の上部、好ましくは上端付近または上端に配置される出口ダクト６に向かって動き、矢印Ｅで示すように出る。被加熱空気は、間隔８内を上方にその浮揚により動き、図１の太陽熱集熱器パネル１を通る空気流は、自然対流によって追い出される。

図２は、本発明の第２の実施形態による太陽熱集熱器パネル１の長手方向断面を示し、光電池パネル９は、フロントパネル３と吸熱器手段４との間の間隔８に配置され、間隔１０は、吸熱器手段４に対し、光電池パネル９の裏面を通過する空気の流れを可能にする。光電池パネル９からの出力電力は、ファンを有する換気口１１（出口ダクト６に配置される）のモータに接続され、この実施形態では浮揚力と換気口１１とを組み合わせることにより空気流を追い出すようになっている。しかしながら、浮揚力は、換気口１１の効果に比してわずかな程度を有するにすぎず、第２の実施形態による太陽熱集熱器パネル１の動作には必要とされない。換気口１１は、空気流を追い出すのに十分であり、出口ダクト６は、第１の実施形態に必要とされるように太陽熱集熱器パネル１の上部に限らず、太陽熱集熱器パネルのあらゆる部分に配置されることができる。矢印Ｄで示す空気流は、光電池パネル９を冷却し、光電池パネル９の過度の加熱を防止し、空気流の量を増大させるとともに、図１の実施形態に比して、太陽熱集熱器パネル１の熱効率を増加させる。例えば換気口１１の誤作動、バックパネル５の穿孔の汚染、または出口ダクト６の下流に延びる換気用ダクト（図示せず）の遮断により空気流が停止または減少する場合、バックパネル５と吸熱器手段４との間の間隔の断熱作用が低減するかまたはなくなり、それに応じてバックパネル５による熱損失が増加することになるため、光電池パネル９の、過度の、破壊の可能性があるまたは寿命を縮める加熱が防止される。

第１の実施形態による、ならびに第２の実施形態による太陽熱集熱器パネル１は、特に粒子で汚染された環境での動作のための変形形態において、バックパネル５の外側面に取外し可能に取り付けられたフィルタシートを備え、入口空気流（矢印Ｂ）中の粒子の少なくとも一部が、太陽熱集熱器パネル１の内部に入る前に捕捉されることができるようになっている。取外し可能なフィルタシートは、定期的に交換することができるか、あるいは、洗浄するために取り外すことや太陽熱集熱器パネルに再取り付けすることができる。

２つの実施形態による太陽熱集熱器パネル１は、図３に例示するようにより広い領域にわたって延在してもよく、この図は、ともに接続されるとともに共通の出口ダクト６を有する、第１の実施形態による複数の太陽熱集熱器パネル１、１’、１’’を備えたパネル集合体１２を示している。空気流入が、広領域にわたって分布し、より高い空気速度（損失およびノイズを引き起こす）は、出口ダクト６付近にしか生じないため、一般的な空気速度は、底面に入口を有した、空気加熱用の既知のタイプの太陽熱集熱器パネルに比して低い。

図３の複数のパネル集合体１２を備える換気システムは図４に示され、ここでは、概略的に示された集合体１２の出口６は、内部に換気口１４が配設された共通の換気用ダクト１３に接続されて、矢印Ｆで示した共通の換気用空気流を生じさせるようになっている。太陽熱集熱器パネル１の１つまたは複数に配置された１つまたは複数の光電池パネル９は、換気口１５を駆動し得る。

図３の２つの太陽熱集熱器パネル１の接続の詳細を図５に示し、ここでは、開いたアルミニウムプロファイル１６が、２つの太陽熱集熱器パネル１のフロントパネル３、３’、吸熱器手段４、４’、およびバックパネル５、５’を保持し、したがって、矢印Ｇで示すように、１つのパネル１’から隣の１への加熱された空気の流れを可能にする。バックパネル５と吸熱器手段４との間の間隔７の正確な大きさを維持するよう間隔部材１７が設けられている。

本発明の第１の実施形態による太陽熱集熱器パネルの長手方向断面を示す。 光電池パネルおよび換気口が太陽熱集熱器パネルに組み込まれている、本発明の第２の実施形態による太陽熱集熱器パネルの長手方向断面を示す。 ともに結合されるとともに共通の出口を有する、第１の実施形態による複数の太陽熱集熱器パネルを備えるパネル集合体を示す。 内部に換気口が配設されている共通の換気用ダクトに出口が接続されている、図３の複数のパネル集合体を備える換気システムを示す。 図３の２つの太陽熱集熱器パネルの接続をより詳細に示す。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの透明または半透明フロントパネル（３）と、
   バックパネル（５）と、
   前記フロントパネル（３）と前記バックパネル（５）との間に延在するとともにそれから離間している空気透過性がある吸熱器手段（４）と、
   前記太陽熱集熱器パネル（１）の外部に延出する空気出口開口部（６）と
   を備える、太陽熱集熱器パネル（１）であって、
   前記バックパネル（５）は、空気透過性があり、前記フロントパネル（３）により覆われている領域の大部分にわたって周囲に通じており、
   前記空気出口開口部（６）は、前記フロントパネル（３）と前記吸熱器手段（４）とにより囲われている容積（８）から延出することを特徴とする、太陽熱集熱器パネル。
2. １つまたは複数の光電池パネル（９）が、前記フロントパネル（３）と前記吸熱器手段（４）との間に配置される、請求項１に記載の太陽熱集熱器パネル。
3. 前記空気出口開口部（６）から空気を追い出すよう換気口（１１）が配設され、該換気口（１１）は、前記１つまたは複数の光電池パネル（９）によって通電される駆動手段によって駆動される、請求項２に記載の太陽熱集熱器パネル。
4. 前記バックパネル（５）は、８〜２０ｍｍの範囲の互いの間隔を有して配置された、０．７〜３ｍｍの範囲の全体的な直径の開口部が画定されているプレート材料からなる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
5. 前記バックパネル（５）は、好ましくはアルミニウムからなる、０．４〜４ｍｍの範囲の厚さの穿孔金属プレートである、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
6. 前記吸熱器手段（４）に面する側にある前記バックパネル（５）は、０．６５〜１の範囲、好ましくは０．８〜１の範囲の、赤外線の反射係数ρを有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
7. 前記吸熱器手段（４）は、８〜２０ｍｍの範囲の互いの間隔を有して配置された、０．７〜３ｍｍの範囲の全体的な直径の開口部が画定されているプレート材料からなる、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
8. 前記吸熱器手段（４）は、好ましくはアルミニウムからなる、０．４〜４ｍｍの範囲の厚さの穿孔金属プレートである、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
9. 前記吸熱器手段（４）は、フェルトのスクリーンのような繊維マットである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
10. 前記フロントパネル（３）に面する側にある前記吸熱器手段（４）は、０．６５〜１の範囲、好ましくは０．８〜１の範囲の、太陽光スペクトルの吸収係数αを有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の太陽熱集熱器パネル。
11. 前記太陽熱集熱器パネル（１）の前記空気出口開口部（６）は、前記太陽熱集熱器パネル（１）からの前記空気流を共通の換気用ダクト（１３）から追い出すよう配設された換気口（１４）を有する前記共通の換気用ダクト（１３）に相互に接続される、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の複数の太陽熱集熱器パネル（１）を備える換気システム。
    

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