熱電併給発電のための太陽光発電熱（PVT）システム：技術と実装

概要：太陽光発電熱利用技術（PVT）は、発電と同時に太陽光パネルの廃熱を回収します。この技術は、太陽熱と発電の融合を実現するだけでなく、パネルの温度を低下させることで発電効率を向上させます。特に、季節ごとの蓄熱に利用できる低温廃熱蓄熱技術と組み合わせることで、将来の応用に大きな期待が寄せられています。

太陽光発電技術は非常に成熟しており、広く利用されており、有望な用途が期待されています。しかし、その効率はわずか20%程度に過ぎず、かなりの量の太陽エネルギーが環境に失われています。

太陽光発電がなければ、太陽熱はすべて環境に放出されます。比較すると、20%の効率で十分です。また、太陽光パネルは熱を集中させる性質があり、最大50～60℃の温度に達します。この集中した熱は、太陽光発電の効率を低下させ、パネルの寿命を縮め、パネルに悪影響を及ぼします。制御不能な方法で環境に放出された熱は、再利用に適していません。

暖房などの分野では低炭素エネルギー源が不足しています。熱の生成には一次エネルギーの消費が必要ですが、これには大量のエネルギーが消費され、コストがかかり、大量の炭素排出が発生します。太陽光発電パネルで集めた熱を再利用することで、パネルの損傷を軽減し、発電効率を向上させ、ゼロカーボンの熱源を提供することができ、有望な用途が期待できます。太陽光発電プロジェクトの増加に伴い、この熱量も非常に多くなります。

太陽光発電熱技術（PVT）は、太陽光発電の廃熱を回収し、太陽熱発電を実現します。

PVTは、太陽光発電モジュールとヒートシンクの2つの部品で構成されています。太陽光発電モジュールは、太陽電池用ガラス、EVAフィルム、太陽電池、バックシートなどを含む従来の技術に基づいています。ヒートシンクは、熱吸収層、伝熱管、断熱材で構成されています。これら2つの部品を組み立て、フレームやジャンクションボックスなどの外部部品を取り付けることで、PVTが構成されます。

PVTシステムには、液冷式と空冷式の2種類があります。液冷式では通常、冷却剤として水を使用しますが、寒冷地では不凍液を使用する場合もあります。構造は上図の通りです。空冷式では、下図に示すように、ガス（通常は空気）を使用します。この2つの製品は用途が異なります。

空冷式PVTは冷却流路が広く、ガス流量を制御することで出口温度を調整します。本製品から発生する熱風は過熱されており、高温乾燥に適さない農産物や食品などの直接乾燥熱源として、また、空気熱源ヒートポンプの低温熱源として高温熱を発生させるという2つの用途に利用できます。

水冷式PVTの冷却管は一般的に細い管です。プレート面全体の冷却効果を確保するためには、伝熱管と伝熱プレートをしっかりと一体化させ、より優れた熱回収効果を得る必要があります。水冷式PVTの出口水温は低く、直接使用することは困難です。通常はヒートポンプと併用する必要があります。

ヒートポンプ付きPVTパネルシステム

一般的に、PVT テクノロジの一般的な適用シナリオは次のとおりです。

（1）乾燥工程：空冷式PVTを用いて過熱空気を発生させ、乾燥物から水分を除去します。乾燥空気の温度が低いため、品質に影響を与えません。一般的に、農作物や食品の乾燥など、高い品質が求められる分野で使用されます。

（2）分散暖房：PVT +ヒートポンプは、暖房用の温水、生活用給湯などを生成するために使用されます。従来の空気熱源ヒートポンプルートと比較して、PVT +ヒートポンププロセスのパラメータ最適化範囲が大きく、経済性が非常に優れています。

（3）季節間集中暖房：これは将来PVT技術を大規模に応用するシナリオであり、特に農村暖房など、広大な空間の利点を持つ用途に適しています。農村暖房システムは利用可能な廃熱が少ないため、空気熱ヒートポンプを直接使用すると大きなエネルギーを消費します。広大な農村空間を活用し、屋上PVTシステムは太陽光を集め、地中パイプはオフシーズンに土壌に熱を蓄えます。そして、ヒートポンプは地中熱を冬季暖房に利用します。これにより、低温の廃熱を季節を超えて蓄えることができ、ヒートポンプの廃熱温度を上昇させ、運用コストを大幅に削減できます。

まとめると、PVTは太陽光発電技術の低コストな改良として、太陽光発電技術を強力に補完する技術です。乾燥、生活給湯、季節間暖房など、適切な廃熱利用方法が利用可能であれば、PVT技術はシステム効率を大幅に向上させ、運用コストを削減することができ、将来的な発展の可能性を秘めています。