JP2005142373A

JP2005142373A - 集光型太陽光発電装置

Info

Publication number: JP2005142373A
Application number: JP2003377621A
Authority: JP
Inventors: Kenji Araki; 建次荒木; Michio Kondo; 道雄近藤; Hisafumi Uozumi; 久文魚住
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【目的】太陽光発電装置の日陰となる部分においても一般的な植物で緑化可能な太陽光の照射量が得られる集光型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】太陽光を集光するための集光板３０と、その集光板３０の裏側に所定の間隔を隔てて固設された支持板３２と、その支持板３２上の集光位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セル３４とを備えた集光型太陽光発電装置１０において、集光板３０により散乱された散乱光を厚み方向に透過させるための光透過部５８が支持板３２上の複数の太陽電池セル３４間に設けられていることから、その光透過部５８を通して集光板３０を透過した散乱光が集光型太陽光発電装置１０の裏面側へ通過させられるので、その集光型太陽光発電装置１０の日陰となる部分においても一般的な植物で緑化可能な太陽光の照射量が得られ、集光型太陽光発電装置１０の設置面内においても、緑化に適した植物による緑化が十分に可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、集光レンズにより太陽光を太陽電池セル上に集光する形式の集光型太陽光発電装置に関し、特に、集光型太陽光発電装置を通して未利用の太陽光を通過させることによりその集光型太陽光発電装置直下に植栽されている植物の生育を良好とする技術に関するものである。

シリコンウエハなどから成る太陽電池セルをパネル内に敷き詰めたパネル型太陽光発電装置や、複数の集光レンズを用いて太陽光を集光するための複数の集光レンズを備えた集光板と、該集光板の裏側に所定の間隔を隔てて固設された支持板と、該支持板上の前記複数の集光レンズによりそれぞれ集光された太陽光を受ける位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電装置が知られている。パネル型太陽光発電装置は、発電効率はそれほど高くはないものの比較的薄型に構成されることから、住宅などの建築物の屋根根面に配設されている。また、集光型太陽光発電装置は、追尾装置によって集光位置を常時太陽電池セル上に維持すると太陽光エネルギに対する高い発電効率が得られるため、利用価値の低い空地や建築物の壁面、屋上などにおいて多く設置することが期待されている。たとえば、特許文献１、特許文献２に示される集光型太陽光発電装置がそれである。

米国特許第５１１８３６１号米国特許第５１２５９８３号

ところで、近年では、地球温暖化対策、都市のヒートアイランド現象の抑制対策、或いはビルの壁面や屋上面の温度低下対策として緑化が推進され、上記太陽光発電装置の設置場所にも植物を植栽することが望まれている。

しかし、上記太陽光発電装置の設置場所にも植物を植栽しようとする場合、その太陽光発電装置の日陰となる部分は日光が制限され、そこに植栽可能な植物は日陰に強い性質の種類に制限されるので、その太陽光発電装置の日陰となる部分は緑化が比較的困難であった。たとえば、土の厚みを少なくしなければならないために乾燥しやすい建築物の屋上などの面積を緑化する場合には、乾燥に強い性質と日陰に強い性質とを備えた種類の植物が必要となるが、そのような植物を自然界から探すことは困難であり、極めて制限されるのが実情である。このため、緑化面積の割合が法によって義務づけられている都市では、緑化面積を確保するために太陽光発電に適した建築物の屋上が太陽光発電に十分に利用できないという問題があった。このような不都合は、上記太陽光発電装置が大型とされるほど顕著となる。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、太陽光発電装置の日陰となる部分においても一般的な植物で緑化可能な太陽光の照射量が得られる集光型太陽光発電装置を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、集光型太陽光発電装置において、フレネルレンズにより太陽電池セル上に集光される光は太陽光の全部ではなく、フレネルレンズを透過した太陽光の一部が散乱光としてその太陽電池セルの位置から外れた場所に比較的多く照射されていることを見いだした。本発明はそのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、太陽光を集光するための複数の集光レンズを有する集光板と、その集光板の裏側に所定の間隔を隔てて固設された支持板と、その支持板上の前記複数の集光レンズによりそれぞれ集光された太陽光を受ける位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電装置において、前記集光板により散乱された散乱光を厚み方向に透過させるための光透過部を前記支持板上の複数の太陽電池セル間に設けたことにある。

このように構成された本発明によれば、前記支持板上の複数の太陽電池セル間に設けられた光透過部を通して、前記集光板により散乱された散乱光がその支持板の裏面側すなわち集光型太陽光発電装置の裏面側へ通過させられるので、その集光型太陽光発電装置の日陰となる部分においても一般的な植物で緑化可能な太陽光の照射量が得られる。

ここで、好適には、前記集光板は、複数個のドーム型フレネルレンズの少なくとも一部が相互に結合されたものである。このようにすれば、ドーム型フレネルレンズが用いられることにより焦点距離が短くされるので、集光型太陽光発電装置の厚み寸法が小さくされ、軽量且つ小型化される。

また、好適には、前記支持板に設けられた光透過部は、厚み方向に貫通するように形成された複数個の貫通穴である。この貫通穴は、好適には、支持板が太陽電池セルを支持するために必要な面積以外の場所に可及的に大きくなる形状に形成される。このようにすれば、この支持板の裏側に位置して本来であれば日陰となる部分が、その貫通穴を通過する太陽光によって照射され、比較的多くの日照量が得られる。また、複数個の貫通穴が形成された支持板は一層軽量化されるので、集光型太陽光発電装置が軽量となり、それに設けられる追尾装置が小型化可能となる。

また、好適には、前記１個の太陽電池セルが載置された基台と、その基台から所定距離上方に離隔した位置にそれぞれ設けられ、その１個の太陽電池セルの真上に位置する部分に貫通穴が形成された遮光板と、その遮光板に支持され、該貫通穴を通過した太陽光の強度を均等化して前記太陽電池セルの受光面に導くホモジナイザとを備えた発電モジュールが、前記支持板上に複数個配置されている。このようにすれば、前記集光板により集光された太陽光のうち、太陽電池セルに入射されて発電のために利用される太陽光以外の光は遮光板により反射されるので、太陽電池セルの温度上昇が好適に防止される。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例である集光型太陽光発電装置１０が太陽光追尾装置１２に装着された状態を示す斜視図である。この太陽光追尾装置１２は、集光型太陽光発電装置１０を常時太陽に向かうように位置させるものであって、地軸に対して平行となるように水平面に対して所定角度θ即ち緯度に相当する角度だけ傾斜させられた傾斜軸心Ｃ周りに回転可能に設けられ、且つ減速機付きの追尾モータ１４によってその傾斜軸心Ｃまわりに回動角度が変化させられる傾斜梁１６と、その傾斜梁１６の中間部において水平な軸心Ｈまわりに回転可能に設けられ、且つ減速機付きの高度修正モータ１８によってその水平軸心Ｈまわりに回動角度が変化させられる一対の受板２０とを備えている。この集光型太陽光発電装置１０は、高さ（厚さ）に対して十分に大きい短辺および長辺を有する長手箱状を成し、その一対の受板２０の上にそれぞれ載置された状態でそれに固定されている。

上記太陽光追尾装置１２は図示しない太陽光センサおよび制御装置を備えており、その制御装置は、太陽光センサからの信号に基づいて太陽の位置を算出し、集光型太陽光発電装置１０がその太陽に向かうようにすなわち集光型太陽光発電装置１０の受光面が太陽光に対して常時直角となるように追尾モータ１４および高度修正モータ１８を駆動する。地球の自転に対応する日の出から日の入りまでの太陽の動きを追尾する制御は専ら追尾モータ１４により行われるが、地球の公転に対応する太陽高度の変化に対する制御は専ら高度修正モータ１８により行われる。

図２は上記集光型太陽光発電装置１０の側方からを示す斜視図であり、図３はその一部を拡大して示す図であり、図４はその集光型太陽光発電装置１０の裏面の一部を示す図である。これらの図２、図３、および図４に示される集光型太陽光発電装置１０は、内部の構成を示すためにその側板２２が取り外されている。この集光型太陽光発電装置１０は、太陽光を集光するための複数個（本実施例では３６個）の集光レンズ２８を有する集光板３０と、その集光板３０の裏側に所定の間隔を隔てて平行に固設された支持板３２と、その支持板３２上の上記複数個の集光レンズ２８によりそれぞれ集光された太陽光を受ける位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セル３４とを備えている。なお、上記支持板３２の裏面の外周縁には、補強板３８が固定されている。

上記複数個の集光レンズ２８は、図５に示すように、球面状の表面と階段状の環状段差を有する凹凸状の裏面とから成る所謂ドーム型フレネルレンズからそれぞれ構成されており、たとえばアクリル樹脂などの光学的性質に優れた樹脂材料が射出成形などの型成形によって形成されることにより相互に一体的に構成されている。集光板３０は、そのように一体的に構成された複数個の集光レンズ２８が矩形のレンズ固定枠３６内に固定されることにより構成されている。

支持板３２は、上記レンズ固定枠３６と同様の大きさの長方形状を有するとともに、好ましくはアルミニウム合金、銅合金などの熱電導性の高い金属板から構成され、連結柱３７を介してそのレンズ固定枠３０と互いに平行となるように相互に連結されている。この支持板３２には、集光レンズ２８によって集光された太陽光により発電するための複数個の発電モジュール４０が各集光レンズ２８の集光位置すなわち直下に複数個配設されている。図５に示されるように、この発電モジュール４０は、支持板３２に密着状態で固定され且つ前記太陽電池セル３４が中央部に載置された金属製の基台（座板）４２と、基台４２に立設された４本の支柱４４を介してその基台４２から所定距離上方に離隔した位置に設けられ、その太陽電池セル３４の真上に位置する部分に貫通穴４６が形成された遮光板４８と、その遮光板４８に支持され、その貫通穴４６を通過した太陽光の強度を均等化して太陽電池セル３４の上面である受光面に導くホモジナイザ５０とを備えている。

上記遮光板４８は、発電のために集光レンズ２８によって集光された太陽光のみを太陽電池セル３４へ向かって通過させる一方で、発電に利用できない光を遮光して太陽電池セル３４の付近の温度上昇を緩和するためのものである。また、上記ホモジナイザ５０は、貫通穴４６付近から太陽電池セル３４側に向かうに従って断面積が小さくなる角錐状を成し、側面における反射を繰り返しつつ太陽電池セル３４側に向かう過程で断面積内の光エネルギの強度分布を均等化させる機能を備えている。このホモジナイザ５０は、内面が反射面である金属板から成る角錐状の筒、或いは光学ガラスなどにより構成される。

上記太陽電池セル３４は、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合、たとえば底部接合層、中間部接合層、及び上部接合層が順次積層された多接合型構造を備えたものであり、底部接合層、中間部接合層、及び上部接合層にそれぞれ設けられているｐｎ接合は、電気的に直列に接続されるとともに、中心波長が相互に異なる吸収波長帯を備えており、例えば波長３００〜６００（ｎｍ）の青色光を上部接合層が、波長６００〜１０００（ｎｍ）の黄色光を中間部接合層が、波長１０００〜１８００（ｎｍ）の赤色光を底部接合層がそれぞれ吸収することにより、太陽光の波長帯のうち吸収波長帯を広域として高い変換効率が得られるようになっている。

図５に示すように、前記太陽電池セル３４は、その下面全体に半田づけされたテープ状の第１リード電極５２と、その上面の端部に半田づけされたテープ状の第２リード電極５４とを備え、カーボン、ガラス繊維、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）粉、及び金属粉のうち少なくともひとつを含む充填剤すなわち熱伝導性を高めるためのフィラを分散させた合成樹脂から成る接着層５６に少なくともその一部、好適にはその全体が埋設された状態で固定されることにより前記基台４２の中央部に固設されている。上記太陽電池セル３４は、その第１リード電極５２および第２リード電極５４を用いて相互に直列接続され、高い出力電圧が得られるようになっている。

そして、複数個の集光レンズ２８の集光位置に発電モジュール４０がそれぞれ配設された支持板３２において、それら発電モジュール４０の間に位置する部分すなわち太陽電池セル３４の間に位置する部分には、可及的に大きな開口面積となるように厚み方向に貫通して形成された窓口すなわち貫通穴から成る光透過部５８が複数箇所設けられている。すなわち、支持板３２において、複数の発電モジュール４０が固定された領域と、それら複数の発電モジュール４０を支持するために必要とされる剛性を発生させるために発電モジュール４０の配列方向すなわち行方向および列方向に沿って複数の発電モジュール４０が固定された領域を相互に連結する長手状の領域とを除いて、複数の光透過部５８が形成されている。本実施例では、複数の発電モジュール４０が支持板３２の長辺および短辺に平行な方向に沿って縦横に且つ等間隔に配列されているので、支持板３２の端縁に位置するものを除いて、光透過部５８は四隅が除去された正方形状に形成されている。

以上のように構成された集光型太陽光発電装置１０では、太陽光追尾装置１２によって太陽光に対して直角となるように常時位置させられる結果、集光レンズ２８により集光された太陽光はその集光位置に位置させられた遮光板４８の中央部に設けられた貫通穴４６を通過した後にホモジナイザ５０により導かれ、太陽電池セル３４に入射させられる。これにより、高い変換効率で太陽光エネルギが電力に変換されて出力される。同時に、複数個の集光レンズ２８を透過した太陽光のうち、散乱させられた光は、支持板３２に形成された光透過部５８を通して集光型太陽光発電装置１０の裏面側へ通過させられ、その集光型太陽光発電装置１０の日陰となる領域に太陽光を供給する。本発明者等の実験によれば、地表面において６５４Ｗ／ｍ³の太陽光エネルギが照射されたとき、上記集光型太陽光発電装置１０の日陰となる領域では８０Ｗ／ｍ³の太陽光エネルギが得られた。すなわち、集光型太陽光発電装置１０が受けた太陽光エネルギのうち１２％強が通過して日陰領域に到達させられる。上記６５４Ｗ／ｍ³は全天日射時であり、そのときの集光型太陽光発電装置１０の日陰では光合成に最適と言われる１００Ｗ／ｍ³には少々足りないが、通常の植物でも十分生育可能な十分な日射量が得られるので、集光型太陽光発電装置１０が設置された設置面内においても、緑化に適した植物による緑化が十分に可能となる。

上述のように、本実施例によれば、太陽光を集光するための複数の集光レンズ２８を有する集光板３０と、その集光板３０の裏側に所定の間隔を隔てて固設された支持板３２と、その支持板３２上の複数の集光レンズ２８によりそれぞれ集光された太陽光を受ける位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セル３４とを備えた集光型太陽光発電装置１０において、集光板３０により散乱された散乱光を厚み方向に透過させるための光透過部５８が支持板３２上の複数の太陽電池セル３４間に設けられていることから、その光透過部５８を通して、集光板３０により散乱された散乱光がその支持板３２の裏面側すなわち集光型太陽光発電装置１０の裏面側へ通過させられるので、その集光型太陽光発電装置１０の日陰となる部分においても一般的な植物で緑化可能な太陽光の照射量が得られ、集光型太陽光発電装置１０の設置面内においても、緑化に適した植物による緑化が十分に可能となる。

また、本実施例によれば、集光板３０は、複数個のドーム型フレネルレンズで構成された集光レンズ２８の少なくとも一部が相互に結合されたものであることから、そのドーム型フレネルレンズが用いられることにより焦点距離が短くされるので、集光型太陽光発電装置１０の厚み寸法が小さくされ、軽量且つ小型化される。

また、本実施例によれば、支持板３２に設けられた光透過部５８は、厚み方向に貫通するように形成された複数個の貫通穴から構成されるとともに、その支持板３２が太陽電池セル３４を支持するために必要な面積以外の場所に可及的に大きくなる形状に形成されるているので、この支持板３２の裏側に位置して本来であれば日陰となる部分が、その貫通穴を通過する太陽光によって照射され、比較的多くの日照量が得られる。

また、本実施例によれば、１個の太陽電池セル３４が載置された基台４２と、その基台４２から所定距離上方に離隔した位置にそれぞれ設けられ、その１個の太陽電池セル３４の真上に位置する部分に貫通穴４６が形成された遮光板４８と、その遮光板４８に支持され、その貫通穴４６を通過した太陽光の強度を均等化して太陽電池セル３４の受光面に導くホモジナイザ５０とを備えた発電モジュール４０が、支持板３２上に複数個配置されていることから、集光板３０により集光された太陽光のうち、太陽電池セル３４に入射されて発電のために利用される太陽光以外の光は遮光板４８により反射されるので、太陽電池セル３４の温度上昇が好適に防止される。

以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。

例えば、前述の実施例において、集光板３０には、複数個のドーム型フレネルレンズで構成された集光レンズ２８が備えられていたが、集光レンズ２８は必ずしもドーム型フレネルレンズでなくてもよく、凸レンズであってもよいし、ガラス製であってもよい。また、集光レンズ２８は相互に結合されていなくてもよく、個々の集光レンズ２８がレンズ固定枠３６内において固定されればよい。

また、前述の実施例において、発電モジュール４０は、必ずしも遮光板４８などを備えたものでなくてもよく、必要に応じて種々変更され得る。

また、前述の実施例において、光透過部５８の形状は必ずしも正方形でなくてもよく、その個数も必要に応じて種々変更され得る。また、その光透過部５８は貫通した穴でなくてもよく、ガラスが嵌め入れられていてもよいし、支持板３２が透光性の材料で構成されていてもよい。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

本発明の一実施例である集光型太陽光発電装置を備えた太陽光追尾装置を示す斜視図である。図１の集光型太陽光発電装置の構成を説明するために、側板を除去してその側方から示す斜視図である。図２の集光型太陽光発電装置の構成を詳しく説明するために、その一部を拡大して示す斜視図である。図１乃至３に示す集光型太陽光発電装置の裏面の一部を示す背面図である。図１乃至４に示す集光型太陽光発電装置の内部に複数配設された発電モジュールの発電作用を説明するために、そのうちの１つの発電モジュールを拡大して示す断面図である。

符号の説明

１０：集光型太陽光発電装置
２８：集光レンズ
３０：集光板
３２：支持板
３４：太陽電池セル
４０：発電モジュール
５８：光透過部

Claims

太陽光を集光するための複数の集光レンズを有する集光板と、該集光板の裏側に所定の間隔を隔てて固設された支持板と、該支持板上の前記複数の集光レンズによりそれぞれ集光された太陽光を受ける位置にそれぞれ配設された複数の太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電装置において、
前記集光板により散乱された散乱光を厚み方向に透過させるための光透過部を前記支持板上の複数の太陽電池セル間に設けたことを特徴とする集光型太陽光発電装置。
前記支持板に設けられた光透過部は、厚み方向に貫通するように形成された複数個の貫通穴である請求項１の集光型太陽光発電装置。
前記１個の太陽電池セルが載置された基台と、該基台から所定距離上方に離隔した位置にそれぞれ設けられ、該１個の太陽電池セルの真上に位置する部分に貫通穴が形成された遮光板と、該遮光板に支持され、該貫通穴を通過した太陽光の強度を均等化して前記太陽電池セルの受光面に導くホモジナイザとを備えた発電モジュールが、前記支持板上に複数個配置されている請求項１または２の集光型太陽光発電装置。