JP3884627B2 - 太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を受光して電力に変換する複数の太陽電池パネルが屋根面に縦横に配列された太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来より、環境や生態系に悪影響を与えないクリーンなエネルギーとして太陽エネルギーが知られている。太陽エネルギーを利用するに当たり、太陽の光を電気に変換する太陽電池が利用されている。このような太陽電池を家庭でも利用できるようにするために、屋根面に太陽電池が設置された太陽電池付屋根が知られている。
太陽電池付屋根に設置される太陽電池は、水による漏電や短絡等の事故を未然に防止する必要があり、太陽電池であるソーラーセルを平板状の完全防水ケースの内部に収めて太陽電池パネルとして設置されている。この太陽電池パネルは、一枚で所定の電圧および電力が得られるように、所定枚数のソーラーセルを有するものとなっている（特開平１０−１４０７７０号公報等参照）。
【０００３】
ここで、降雪地帯等で雪が降り、その雪が太陽電池付屋根に積もると、太陽電池パネルは太陽の光を受光することができないため、発電することができない。この状態は、雪が止んでも太陽電池付屋根に積もった雪が融けるまで続く。このため、屋根面上に散水器や電熱シートを設置して太陽電池付屋根に積もった雪を強制的に融かすことが行われている。
しかし、屋根面上に散水器や電熱シートを設置すると、その分太陽電池パネルの設置枚数が少なくなり、太陽電池付屋根の発電効率が低下することから、近年では、太陽電池パネル自体に電圧を印加し、当該太陽電池パネルを発熱させて太陽電池付屋根に積もった雪を融かす技術が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、太陽電池パネルを発熱させて太陽電池付屋根に積もった雪を融かしている間は、発電することができず、特に、太陽電池パネルに印加する電圧を止める作業は手動で行うので、既に太陽電池付屋根に雪がないにも関わらず、太陽電池パネルを発熱させている場合があり、融雪効率および発電効率が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、融雪効率および発電効率を向上させることが可能な太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図面を参照して説明すると、太陽光を受光して電力に変換する複数の太陽電池パネル１１が屋根面２Ａに縦横に配列された太陽電池付屋根２の融雪装置２０であって、太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加する電源部（例えばインバータ１４）と、太陽電池パネル１１に所定の電圧が印加された際の当該太陽電池パネル１１に流れる電流値を検出する電流検出部２２と、この電流検出部２２で検出された電流値が予め設定された設定電流値となった場合に、電源部による電圧の印加を停止する電源制御部２３とを備え、電源制御部２３は、表面温度が０℃近傍とされた前記太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる電流電圧特性データベースを備えるとともに、当該電流電圧特性データベースに基づいて前記設定電流値を設定することを特徴とする。
ここで、電源部としては、例えば、太陽電池パネルで発電した直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を出力するインバータが、交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を出力することも可能な双方向インバータであれば、この双方向インバータを採用してもよいし、このインバータとは別に融雪装置を構成する専用のものを採用してもよい。
また、所定の電圧を印加した際の太陽電池パネルに流れる電流値は、表面温度が０℃近傍（具体的には、−５℃〜＋５℃が好ましく、より好ましくは−３℃〜＋３℃、さらにより好ましくは−２℃〜＋２℃である。）とされた太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる値であることが好ましい。また、設定電流値としては、太陽電池パネルの表面温度が０℃近傍（具体的には、−５℃〜＋５℃が好ましく、より好ましくは−３℃〜＋３℃、さらにより好ましくは−２℃〜＋２℃である。）から外れた温度になった場合に流れる電流値が採用できる。
【０００７】
つまり、太陽電池パネルは、温度によって内部抵抗が変化するようになっており、電圧が一定であれば、当該太陽電池パネルに流れる電流が温度によって変化する。
この特性を利用し、所定の電圧を印加した際、電流値が、表面温度が０℃近傍とされた太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる値であれば、太陽電池パネル上に雪が積もっていると判断され、これにより、融雪運転が継続される。
一方、所定の電圧を印加した際、電流値が太陽電池パネルの表面温度が０℃近傍から外れた温度になった場合に流れる設定電流値であれば、表面温度が０℃近傍ではない状態、言い換えると、太陽電池パネル上に雪がない状態と判断され、これにより、融雪運転が停止する。
【０００８】
このような本発明によれば、太陽電池パネルに流れる電流値によって当該太陽電池パネル上の積雪状態を判断することができ、太陽電池パネル上に積もっていた雪がなくなると、自動的に太陽電池パネルへの電圧の印加を停止することが可能となるので、既に太陽電池付屋根に雪がないにも関わらず、太陽電池パネルを発熱させていることがなく、これにより、融雪効率および発電効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
以上において、前述の融雪装置２０は、太陽電池パネル１１を発電状態にする発電制御が行えるようになっており、電源制御部２３は、電源部による電圧印加の停止後、太陽電池パネル１１の発電制御に切り替えることが望ましい。
このようにすれば、太陽電池パネルへの電圧の印加を停止した後、自動的に太陽電池パネルを発電状態にすることが可能となるので、融雪状態から発電状態に切り替える際の時間等のロスをほとんどなくすことが可能となり、これにより、融雪効率および発電効率を一層向上させることが可能となる。
【００１０】
また、前述の融雪装置２０は、設定時刻に応じて動作切替を行うためのタイマ２４を有し、電源制御部２３は、タイマ２４によって、電源部の制御を自動的に行うことが好ましい。
このようにすれば、太陽電池付屋根の融雪運転の開始および終了を自動的に行うことが可能となるうえ、発電制御を行うことで、融雪運転と発電運転の自動切替運転を行うことが可能となるので、融雪効率および発電効率をより一層向上させることが可能となる。
【００１１】
本発明は、前記のような装置だけでなく、太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、太陽電池パネル１１に所定の電圧が印加された際の当該太陽電池パネル１１に流れる電流を検出する電流検出工程と、この電流検出工程で検出された電流が予め設定された設定電流値となった場合に、電圧印加工程を停止する電源制御工程とを備え、前記電源制御工程は、表面温度が０℃近傍とされた前記太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる電流電圧特性データベースに基づいて前記設定電流値を設定することを特徴とする太陽電池付屋根２の融雪制御方法としても成立し、同様な作用効果を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る住宅１が示されている。
この住宅１は、降雪地帯に建てられ、太陽光を複数の太陽電池パネル１１（後述）で受光し、当該受光した太陽光から電力を得るための太陽光発電装置１０と、この太陽電池パネル１１上に積もった雪を融かすための融雪装置２０とを備えている。
【００１３】
詳しくは、太陽光発電装置１０は、太陽光で発電する太陽電池であるソーラーセルを平板状の完全防水ケースの内部に収めた太陽電池パネル１１により、太陽光を電気に変換して利用するものである。
この太陽光発電装置１０は、住宅１の勾配屋根２の屋根面２Ａに配置された複数の太陽電池パネル１１と、各太陽電池パネル１１からの出力をまとめる接続器であるターミナルボックス１２と、このターミナルボックス１２でまとめられた電気を直流から交流に変換するインバータ１４とを含んで構成されている。これにより、勾配屋根２は太陽電池付屋根とされている。
従って、各太陽電池パネル１１で変換された直流電力は、ターミナルボックス１２でまとめられ、インバータ１４に出力される。そして、インバータ１４に入力された直流電力は、交流電力に変換され、分電盤１５を介して住宅１内の図示しない照明設備や空調装置等の設備機器に供給される。
【００１４】
融雪装置２０は、太陽電池パネル１１上に積もった雪を融かす融雪運転を行うものであり、電源部である前述のインバータ１４と、融雪コントローラ部２０Ａとを備えて構成されている。つまり、インバータ１４は、前述の各太陽電池パネル１１で変換された直流電力を交流電力に変換して分電盤１５等に出力可能であるとともに、住宅１で利用されている交流電力を直流電力に変換して太陽電池パネル１１に出力することが可能な双方向インバータである。
【００１５】
融雪運転時のインバータ１４は、前記各太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加するものであり、このインバータ１４から太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加することにより、当該太陽電池パネル１１が発熱するようになっている。
ここで、太陽電池パネル１１は、温度によって内部抵抗が変化するようになっており、電圧が一定であれば、当該太陽電池パネル１１に流れる電流が温度によって変化する。具体的には、図２に示されるように、太陽電池パネル１１の表面温度が約０℃の場合、曲線Ａのような電圧電流特性を示し、同様に、表面温度が約５℃の場合、曲線Ｂのような電圧電流特性を示し、表面温度が約−５℃の場合、曲線Ｃのような電圧電流特性を示す。なお、本実施形態では、インバータ１４から出力される所定の電圧は、太陽電池パネル１枚当たり３０〜３５（Ｖ）に設定されている。
【００１６】
融雪コントローラ部２０Ａは、電流検出部２２と、電源制御部２３と、タイマ２４とを備えて構成されている。
電流検出部２２は、インバータ１４から太陽電池パネル１１に所定の電圧が印加された際の、当該インバータ１４に流れる電流値を検出するものであり、検出した電流値は、逐次電源制御部２３に出力する。
【００１７】
電源制御部２３は、図２に示されるグラフをデータベース化した電圧電流特性データベースが内蔵されており、この電圧電流データベースや、電流検出部２２から入力された電流値、後述するタイマ２４等によって、インバータ１４の制御および発電制御を行うものである。
具体的には、電源制御部２３は、電流検出部２２から入力された電流値が、インバータ１４から太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加した際、表面温度が０℃近傍（具体的には、−５℃〜＋５℃が好ましく、より好ましくは−３℃〜＋３℃、さらにより好ましくは−２℃〜＋２℃）から外れた温度になった場合に流れる設定電流値（図２の領域Ｐ１の電流値）であれば、太陽電池パネル１１上に雪がない状態と判断し、インバータ１４による電圧の印加を停止する。
そして、電源制御部２３は、インバータ１４による電圧の印加を停止した後、太陽光発電装置１０に、インバータ１４停止信号および太陽電池パネル１１の発電制御開始信号を出力する（図示略）。つまり、インバータ１４の変換および出力方向を逆にし、当該インバータ１４を各太陽電池パネル１１で変換された直流電力を交流電力に変換して分電盤１５等に出力可能な状態にする。これにより、太陽電池パネル１１を発電状態にする発電制御が自動的に行われるようになっている。
【００１８】
一方、電源制御部２３は、電流検出部２２から入力された電流値が、インバータ１４から太陽電池パネル１１に所定の電圧を印加した際、表面温度が０℃近傍（具体的には、−５℃〜＋５℃が好ましく、より好ましくは−３℃〜＋３℃、さらにより好ましくは−２℃〜＋２℃）とされた場合に流れる電流値（図２の領域Ｐ２の電流値）であれば、太陽電池パネル１１上に雪が積もっている状態と判断し、インバータ１４による電圧の印加を継続させておくようになっている。
【００１９】
タイマ２４は、設定時刻に応じて動作切替を行うものであり、電源制御部２３に接続されている。
このタイマ２４は、融雪運転の開始時刻のみ、または開始時刻および終了時刻が設定されている。つまり、開始時刻が来ると、タイマ２４は、電源制御部２３に開始信号を出力し、当該電源制御部２３は、この開始信号に基づいてインバータ１４による電圧の印加を開始させる。一方、終了時刻が来ると、タイマ２４は、電源制御部２３に終了信号を出力し、当該電源制御部２３は、この終了信号に基づいてインバータ１４による電圧の印加を停止する。なお、タイマ２４の設定時間が開始時刻のみの場合は、電流検出部２２から電源制御部２３に入力された電流値が、前述の設定電流値となった場合に、インバータ１４による電圧の印加が自動的に停止する。
ここで、タイマ２４に設定されている開始時刻および終了時刻は、日が昇り、太陽電池パネル１１上に積もった雪が融けやすくなるとともに、太陽光発電装置１０で発電するに至っていない太陽光の強度とされた時間帯が好ましく、具体的には、朝７時〜９時頃に設定するのがよい。言い換えれば、この時間帯の２時間程度の融雪運転で太陽電池パネル１１上に積もった雪を融かすことが可能となっている。また、落雪防止等により、屋根２上に雪を積もらせたくない場合は、ある時間毎に融雪運転を行う方法もある。この場合も、融雪運転は、電流検出部２２で検出された電流値によって制御される。
【００２０】
次に、太陽電池付屋根２の融雪制御手順を、図３のフローチャートに従って説明する。
ここで、この住宅１は、昼間、太陽光発電装置１０で発電を行い、夜中に、屋根２の太陽電池パネル１１上に雪が積もった状態とする。
1)まず、タイマ２４は、設定されている開始時間になると、電源制御部２３に開始信号を出力する（処理Ｓ１）。
2)電源制御部２３は、タイマ２４からの開始信号が入力されると、インバータ１４によって太陽電池パネル１１への電圧の印加を開始させる（処理Ｓ２）。なお、電圧印加開始時点では、電流値が設定電流値となる場合があるので、開始後一定の時間は、当該電流値が設定電流値であっても融雪運転を行うように制御するようになっている。
3)電流検出部２２は、インバータ１４によって印可された電圧に応じて、太陽電池パネル１１に流れる電流値を検出する（処理Ｓ３）。
【００２１】
4)電源制御部２３は、電流検出部２２で検出された検出電流が、図２に示される領域Ｐ１の電流値、つまり設定電流値であれば（処理Ｓ４）、太陽電池パネル１１上に雪がない状態と判断し、インバータ１４による電圧の印加を停止し（処理Ｓ５）、この後、太陽光発電装置１０に、インバータ１４停止信号および太陽電池パネル１１の発電制御開始信号を出力する（処理Ｓ６）。太陽光発電装置１０は、この信号を受けて、発電を開始する。
5)一方、電源制御部２３は、電流検出部２２で検出された検出電流が、図２に示される領域Ｐ２の電流値である場合で（処理Ｓ４）、電源制御部２３にタイマ２４からの終了信号が入力していなければ（処理Ｓ７）、太陽電池パネル１１上に雪が積もっている状態と判断し、インバータ１４による電圧の印加を継続させ、引き続き電流検出部２２で電流を検出する。
6)電源制御部２３にタイマ２４からの終了信号が入力したら（処理Ｓ７）、当該電源制御部２３は、インバータ１４による電圧の印加を停止し（処理Ｓ５）、この後、太陽光発電装置１０に、インバータ１４停止信号および太陽電池パネル１１の発電制御開始信号を出力する（処理Ｓ６）。
このようにして、太陽電池付屋根２の融雪制御を行う。
【００２２】
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、インバータ１４と、電流検出部２２と、電源制御部２３とを備えた融雪装置２０を用いたので、太陽電池パネル１１に流れる電流値によって当該太陽電池パネル１１上の積雪状態を判断することができ、太陽電池パネル１１上に積もっていた雪がなくなると、自動的に太陽電池パネル１１への電圧の印加を停止することができる。このため、既に太陽電池付屋根２に雪がないにも関わらず、太陽電池パネル１１を発熱させていることがなく、融雪効率および発電効率を向上させることができる。
【００２３】
また、電源制御部２３は、インバータ１４による太陽電池パネル１１への電圧の印加を停止した後、自動的に太陽電池パネル１１を発電状態にすることができるので、融雪状態から発電状態に切り替える際の時間等のロスをほとんどなくすことができ、これにより、融雪効率および発電効率を一層向上させることができる。
【００２４】
さらに、融雪装置２０は、タイマを有しているので、太陽電池付屋根２の融雪運転の開始および終了を自動的に行うことができるうえ、発電制御を行うことで、融雪運転と発電運転の自動切替運転を行うことができる。これにより、融雪効率および発電効率をより一層向上させることができる。
【００２５】
また、融雪装置２０の電源部として、太陽光発電装置１０のインバータ１４を利用するようにしたので、融雪装置２０を住宅に取り付ける際は、融雪コントローラ部２０Ａのみ取り付ければよく、これにより、融雪装置の取付作業を容易に行うことができる。
【００２６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、融雪装置は、タイマを備えていたが、これに限らず、例えば、融雪運転の開始および終了を作業者が手動で行えば、なくてもよい。
【００２７】
また、前記実施形態では、融雪装置は、太陽光発電装置の発電制御が行えるようになっていたが、これに限らず、例えば、融雪運転が終了した後、作業者が手動で太陽光発電装置の発電制御を行えば、融雪装置にその機能がなくてもよい。
【００２９】
また、インバータによる所定の電圧としては、前記実施形態に記載した数値に限らず、実施に当たって適宜決めればよい。
【００３０】
さらに、前記実施形態では、融雪装置の電源部として、太陽光発電装置のインバータを利用したが、これに限らず、例えば、図４に示されるように、融雪装置を構成する専用の電源部２１を別途用意してもよい。このようにすれば、通常の太陽光発電装置を有する既存の住宅にも取り付けることができ、融雪装置の利用範囲を広げることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法によれば、次のような効果がある。
すなわち、請求項１、４に記載の太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法によれば、太陽電池パネルに流れる電流値によって当該太陽電池パネル上の積雪状態を判断することができ、太陽電池パネル上に積もっていた雪がなくなると、自動的に太陽電池パネルへの電圧の印加を停止することができるので、既に太陽電池付屋根に雪がないにも関わらず、太陽電池パネルを発熱させていることがなく、これにより、融雪効率および発電効率を向上させることができる。
【００３２】
また、請求項２、５に記載の太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法によれば、太陽電池パネルへの電圧の印加を停止した後、自動的に太陽電池パネルを発電状態にすることができるので、融雪状態から発電状態に切り替える際の時間等のロスをほとんどなくすことができ、これにより、融雪効率および発電効率を一層向上させることができる。
【００３３】
さらに、請求項３、６に記載の太陽電池付屋根の融雪装置および融雪制御方法によれば、太陽電池付屋根の融雪運転の開始および終了を自動的に行うことができるうえ、発電制御を行うことで、融雪運転と発電運転の自動切替運転を行うことができるので、融雪効率および発電効率をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における住宅を示す概略構成図である。
【図２】前記実施形態における太陽電池パネルの電圧電流特性を示す図である。
【図３】前記実施形態における融雪運転の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の変形例であって、住宅を示す概略構成図である。
【符号の説明】
２ 屋根
２Ａ 屋根面
１１ 太陽電池パネル
２０ 融雪装置
２１ 電源部
２２ 電流検出部
２３ 電源制御部
２４ タイマ

Claims (6)

1. 太陽光を受光して電力に変換する複数の太陽電池パネルが屋根面に縦横に配列された太陽電池付屋根の融雪装置であって、
   前記太陽電池パネルに所定の電圧を印加する電源部と、
   前記太陽電池パネルに所定の電圧が印加された際の当該太陽電池パネルに流れる電流値を検出する電流検出部と、
   この電流検出部で検出された電流値が予め設定された設定電流値となった場合に、前記電源部による電圧の印加を停止する電源制御部とを備え、
   前記電源制御部は、表面温度が０℃近傍とされた前記太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる電流電圧特性データベースを備えるとともに、当該電流電圧特性データベースに基づいて前記設定電流値を設定することを特徴とする太陽電池付屋根の融雪装置。
2. 請求項１に記載の太陽電池付屋根の融雪装置において、
   前記太陽電池パネルを発電状態にする発電制御が行えるようになっており、
   前記電源制御部は、前記電源部による電圧印加の停止後、前記太陽電池パネルの発電制御に切り替えることを特徴とする太陽電池付屋根の融雪装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽電池付屋根の融雪装置において、
   設定時刻に応じて動作切替を行うためのタイマを有し、
   前記電源制御部は、前記タイマによって、前記電源部の制御を自動的に行うことを特徴とする太陽電池付屋根の融雪装置。
4. 太陽光を受光して電力に変換する複数の太陽電池パネルが屋根面に縦横に配列された太陽電池付屋根の融雪制御方法であって、
   前記太陽電池パネルに所定の電圧を印加する電圧印加工程と、
   前記太陽電池パネルに所定の電圧が印加された際の当該太陽電池パネルに流れる電流を検出する電流検出工程と、
   この電流検出工程で検出された電流が予め設定された設定電流値となった場合に、前記電圧印加工程を停止する電源制御工程とを備え、
   前記電源制御工程は、表面温度が０℃近傍とされた前記太陽電池パネルの電圧電流特性から得られる電流電圧特性データベースに基づいて前記設定電流値を設定することを特徴とする太陽電池付屋根の融雪制御方法。
5. 請求項４に記載の太陽電池付屋根の融雪制御方法において、
   前記太陽電池パネルを発電状態にする発電制御を行うために、前記電源制御工程によって前記電圧印加工程の停止後、前記太陽電池パネルの発電制御に切り替える発電制御工程を備えていることを特徴とする太陽電池付屋根の融雪制御方法。
6. 請求項４または請求項５に記載の太陽電池付屋根の融雪制御方法において、
   前記電源制御工程は、設定時刻に応じて動作切替を行うタイマによって、自動的に行われることを特徴とする太陽電池付屋根の融雪制御方法。

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