JP2006064203A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池モジュールにおける太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率及び太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換する変換効率を向上させる。
【解決手段】 太陽電池モジュール１０の構成を、熱交換器１１と、熱交換器１１の熱交換面１５上に設けられた熱伝導板１２と、熱伝導板１２上に設けられた太陽電池１３と、太陽電池１３の上方に設けられ、太陽光を太陽電池１３に集光する集光器１４とを含み、集光器１４が熱交換器１１の熱交換面１５を覆う面積をＳ１とし、熱伝導板１２が熱交換器の熱交換面１５を覆う面積をＳ２としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１が０．８以上１．４以下の範囲内である構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、より詳しくは、太陽光エネルギーを電気エネルギーと熱エネルギーとに高効率で変換する技術に関する。特に、集光型太陽電池モジュールに好適な発明である。

太陽光エネルギーを有効に利用するために、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池と、太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換する集熱器を組み合わせたハイブリッドシステムがいくつか開示されている。例えば、太陽電池の受光面の裏側に、太陽電池セルと平面形状が同じであり、内部に流通穴を有する冷却部を設け、流通穴に流動冷却媒体を通すことによって太陽電池セルの冷却を行う太陽電池モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、太陽電池の裏面に太陽熱集熱板が設けら、太陽熱集熱板の下に１本の冷却管を設置することで熱エネルギーを取り出す太陽電池モジュールが知られている（例えば、特許文献２参照）。

太陽電池のエネルギー変換効率は、一般的に、照射される太陽光の照度が大きければ高くなる。これを利用して、レンズ又は反射鏡によって太陽光を太陽電池に集光させて太陽電池のエネルギー変換効率を向上させる集光型太陽電池モジュールが知られている。しかし、集光された太陽光によって太陽電池の温度が上昇すれば、逆に、太陽電池のエネルギー変換効率が低下する。そこで、太陽電池の下に冷却液を流して太陽電池を冷却し、集光された太陽光による太陽電池の温度上昇に伴うエネルギー変換効率の低下を防ぐ集光型太陽電池が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この集光型太陽電池では、冷却液の温度上昇は抑制できるが、熱エネルギーの利用が困難である。

また、反射鏡で太陽光を集光し、集光した太陽光で集熱管を熱し、集熱管を透過した太陽光を太陽電池で電気エネルギーに変換することによって、熱エネルギーと電気エネルギーとを取り出す集光型太陽電池モジュールが知られている。しかし、太陽電池は、太陽光の照度が減少するとエネルギー変換効率が低下し、かつ照度の低下の割合よりも大きくエネルギー変換効率が低下するため、太陽電池に入射する前に集熱管を通過させると太陽電池の発熱量は大幅に減少する。
特開２００３―１１３７７１ 特開２０００―３５６４１７ 特開２００１―３３２７５７ 特開昭５２―９７４４１

太陽光を集光することによって、太陽電池の光電流は増加する。太陽電池のダイオード電流は電圧にのみ依存するために、光電流が増加するとダイオード漏れ電流の影響が低減し、太陽電池特性の曲線因子ＦＦと開放電圧が増加する。したがって、太陽電池のエネルギー変換効率は向上する。しかしながら、太陽光を集光すると太陽電池の温度が上昇し易くなり、太陽電池の温度が上昇すれば、エネルギー変換効率が大幅に低下することとなる。つまり、集光型太陽電池において太陽電池特性を向上させるためには、太陽電池の温度上昇を抑制することが重要となる。

一方、太陽電池の温度を上昇させる熱を熱エネルギーとして取り出せば、太陽光エネルギーを有効に利用することができる。つまり、太陽光エネルギーの総合的なエネルギー変換効率を向上させることができる。しかしながら、太陽電池部分のみの冷却では、太陽電池の温度上昇の抑制が不十分であり、太陽電池のエネルギー変換効率を低下させる原因となる。また、太陽電池又は太陽電池モジュールに冷却板等を設け、冷却板の下に１本の冷却管を配置しただけでは、太陽電池又は太陽電池モジュールの温度上昇を抑制できないだけでなく、熱エネルギーの取り出しが不十分となり、太陽光エネルギーの熱エネルギーへの変換効率も低下する。

そこで、本発明では、集光型太陽電池において、太陽電池の温度上昇を抑制するとともに、集光に伴い増加する太陽電池に与えられる熱エネルギーを有効に取り出すことによって、太陽光エネルギーを電気エネルギーと熱エネルギーとに高い効率で変換する太陽電池モジュールを提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池モジュールは、熱交換器と、熱交換器の熱交換面上に設けられた熱伝導板と、熱伝導板上に設けられた太陽電池と、太陽電池の上方に設けられ、太陽光を太陽電池に集光する集光器とを含む太陽電池モジュールであって、集光器が熱交換器の熱交換面を覆う面積をＳ１とし、熱伝導板が熱交換器の熱交換面を覆う面積をＳ２としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１が、０．８以上１．４以下の範囲内であることを特徴とする。この構成の太陽電池モジュールを、以下においては太陽電池モジュールＡとも称する。

また、上記の課題を解決するために、本発明に係る太陽電池モジュールは、複数の貫通孔を有する熱交換器と、熱交換器の熱交換面上に設けられた複数の太陽電池と、複数の太陽電池の上方に設けられ、複数の太陽電池の各々に太陽光を集光する複数の集光器とを含む太陽電池モジュールであって、複数の集光器が熱交換器の熱交換面を覆う総面積をＳ３とし、冷却器の熱交換面の面積をＳ４としたとき、面積比Ｓ４／Ｓ３が、０．８以上１．４以下の範囲内であることを特徴とする。この構成の太陽電池モジュールを、以下においては太陽電池モジュールＢとも称する。

本発明に係る太陽電池モジュールＡであれば、集光された太陽光から太陽電池に与えられる熱エネルギーを熱伝導板及び熱交換器を介して速く取り出すことにより、太陽電池の温度上昇を抑制し、かつ太陽電池に与えられた熱エネルギーを高効率で取り出すことができる。したがって、太陽電池のエネルギー変換効率の低下を防止することができ、かつ太陽電池モジュールの総合的なエネルギー変換効率を向上させることができる。

また、本発明に係る太陽電池モジュールＢであれば、集光された太陽光から太陽電池に与えられる熱エネルギーを、熱交換器を介して速く取り出すことにより、太陽電池の温度上昇を抑制し、かつ太陽電池に与えられる熱エネルギーを高効率で取り出すことができる。したがって、太陽電池のエネルギー変換効率の低下を防止することができ、かつ太陽電池モジュールの総合的なエネルギー変換効率を向上させることができる。

本発明の太陽電池モジュールＡは、上述のように、太陽電池（太陽電池セル）と、集光器と、熱伝導板と、熱交換器とを含み、集光器が熱交換器を覆う面積Ｓ１（以下においては、集光器の面積とも称する）に対する熱伝導板が熱交換器を覆う面積Ｓ２（以下においては、熱伝導板の面積とも称する）の面積比Ｓ２／Ｓ１が、０．８以上１．４以下を満たしている。ここで、集光器の面積Ｓ１は、熱交換器の熱交換面の法線方向に沿って、集光器を熱交換面に投影した面積である。同様に、熱伝導板の面積Ｓ２は、その法線方向に沿って、熱伝導板を熱交換面に投影した面積である。

一般的には、太陽電池モジュールには、複数の太陽電池が設けられる。この場合、本発明の太陽電池モジュールＡとしては、１つの熱交換器上に設けられた複数の熱伝導板と、複数の熱伝導板上に１つずつ設けられた複数の太陽電池と、複数の太陽電池の上方に１つずつ設けられた複数の集光器とを含む構成とすることができる。また、熱伝導板を複数の太陽電池の各々に対して設ける場合のみならず、少なくとも２つの太陽電池に共通な熱伝導板を少なくとも２つ設けてもよいし、複数の太陽電池の全てに共通な１つの熱伝導板を設けてもよい。

集光型太陽電池では、集光器の面積Ｓ１と太陽電池が熱交換面を覆う面積（以下においては、太陽電池の面積とも称する）との面積比でほぼ集光率が決まる。つまり、所望の集光率に応じて、集光器の面積Ｓ１が決定される。熱交換器上において、太陽電池の設けられた領域以外は太陽電池のエネルギー変換効率に直接的な影響を与えないため、冷却板を集光器とほぼ同じ面積まで拡大しても太陽電池のエネルギー変換効率は低下しない。熱伝導板の面積を拡大すると、太陽電池に吸収された熱エネルギーを熱伝導板の全体に素早く拡散でき、また、熱伝導板と熱交換器の熱交換面との有効熱交換面積（接触面積）を拡大できるため、高効率で、その熱エネルギーを熱交換器で取り出すことができる。つまり、太陽電池の温度上昇を良好に抑制できる。

しかし、複数の太陽電池を熱交換器上に形成する場合、隣接する複数の太陽電池を電気的に絶縁するために所定の面積が必要である。また、複数の太陽電池を熱交換器上に形成する場合、複数の集光器を連結するために所定の面積が必要である。面積比Ｓ２／Ｓ１が０．８未満であれば、熱交換器上において、集光器の下方に熱伝導板が形成されていない領域が大きくなり、太陽電池の温度上昇を抑制する効果が低下する。また、面積比Ｓ２／Ｓ１が１．４を越えて大きければ、熱交換器の上方に集光器が形成されていない領域が大きくなり、太陽電池モジュールの有効受光面の面積が減少することになる。つまり、太陽電池モジュールにおける光エネルギーを電気エネルギーに変換する単位面積あたりのエネルギー変換効率が低下する。したがって、太陽電池モジュールＡでは、集光器の面積Ｓ１に対する熱伝導板の面積Ｓ２の面積比Ｓ２／Ｓ１が０．８以上１．４以下を満たす構成とする。これにより、光エネルギーを電気エネルギーに変換する単位面積あたりのエネルギー効率の低減、及び、太陽電池の温度上昇に伴うエネルギー変換効率の低減を抑制でき、かつ、太陽電池に吸収された熱エネルギーを高効率で取り出すことができる。つまり、太陽光エネルギーを電気エネルギーと熱エネルギーとに高効率で変換することができる。

本発明の太陽電池モジュールＡでは、隣接する太陽電池の絶縁性を確保するために、隣接する熱伝導板間、太陽電池と熱伝導板との間又は熱伝導板と熱交換器との間に電気絶縁材料からなる絶縁層を更に設けてもよい。また、太陽電池モジュールＡの熱交換器は、熱転送媒体を通す少なくとも１つの貫通孔を有していてもよい。この場合、太陽電池から取り出された熱エネルギーは熱転送媒体を介して輸送される。また、熱交換器に複数の貫通孔を形成すれば、太陽電池から取り出された熱エネルギーを更に効率よく輸送することができる。更に、太陽電池モジュールの全面において、熱エネルギーの取り出し効率を均一化することができる。

本発明の太陽電池モジュールＢは、上述のように、複数の太陽電池（太陽電池セル）と、複数の集光器と、熱交換器とを含み、複数の集光器が熱交換器の熱交換面を覆う総面積（複数の集光器の総面積とも称する）をＳ３とし、熱交換器の熱交換面の面積（以下において熱交換器の面積とも称する）をＳ４としたとき、面積比Ｓ４／Ｓ３が０．８以上１．４以下を満たしている。ここで、総面積Ｓ３は、熱交換器の熱交換面の法線方向に沿って、複数の集光器の各々を熱交換面に投影した各面積の総和である。

太陽電池モジュールＢでは、熱転送媒体を通す複数本の貫通孔が設けられており、太陽電池に与えたれた熱エネルギーを高効率で取り出すことができる。また、１本の貫通孔に熱転送媒体（冷却媒体）を通した場合では、熱転送媒体の流量速度によって、取り出す熱エネルギー量が大きく左右されるが、複数本の貫通孔に熱転送媒体を通せば、太陽電池から取り出せる熱エネルギーの流量速度の変化に対する依存性を低減できる。また、太陽電池モジュールＢの全面において、複数の太陽電池と熱交換器との熱交換が均一に行える。

太陽電池モジュールＢであれば、面積比Ｓ４／Ｓ３が０．８以上１．４以下を満たすことで、太陽電池モジュールＡと同様な効果が得られる。更に、太陽電池モジュールＢの全面において、均一に熱エネルギーを取りだすことができる。

太陽電池モジュールＢでは、更に均一に熱エネルギーを取り出すために、熱交換器と複数の太陽電池との間に、複数の太陽電池に共通の熱伝導板が更に設けられてもよい。この場合、太陽電池モジュールＢでは、隣接する太陽電池の絶縁性を確保するために、隣接する熱伝導板間、太陽電池と熱伝導板との間又は熱伝導板と熱交換器との間に電気絶縁材料からなる絶縁層を更に設けてもよい。

本発明の太陽電池モジュールＡ及びＢでは、太陽電池が、Ｓｉ系太陽電池、ＧａＡｓ系太陽電池、ＣｕＩｎＳｅ₂系太陽電池又はＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂系太陽電池であることが好ましい。太陽光を太陽電池に集光させることによって、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率（光・電気変換効率）が向上するからである。ここで、Ｓｉ系太陽電池とは、Ｓｉ（シリコン）を含有する光吸収層を備えた太陽電池である。なお、Ｓｉ系太陽電池が積層型（タンデム型）光吸収層を備えた太陽電池である場合には、積層型光吸収層の少なくとも１層にＳｉが含まれていればよい。同様に、ＧａＡｓ系太陽電池、ＣｕＩｎＳｅ₂系太陽電池及びＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂系太陽電池は、それぞれ、Ｇａ（ガリウム）及びＡｓ（砒素）を含有する光吸収層、Ｃｕ（銅）、Ｉｎ（インジウム）及びＳｅ（セレン）を含む光吸収層、及び、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ（ガリウム）及びＳｅ（セレン）を含む光吸収層を備えた太陽電池である。

本発明の太陽電池モジュールＡでは、集光器が、凸レンズ、フレネルレンズ、又は、凸レンズとフレネルレンズとを有する組み合わせレンズであることが好ましい。このようなレンズであれば、５００倍程度までの集光率で太陽光を集光できるからである。

本発明の太陽電池モジュールＡでは、熱伝導板が、アルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含むことが好ましい。熱伝導板の熱伝導率が高くなるため、太陽電池に与えられた熱エネルギーを効率的に拡散することができ、太陽電池の冷却効率が高くなるからである。また、熱転送媒体を流す熱交換器での熱エネルギーの取り出し効率を向上させることができる。熱エネルギーの取り出し効率を更に向上させるためには、熱交換器がアルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含むことが好ましい。

本発明の太陽電池モジュールＡでは、熱交換器が熱輸送媒体を有し、熱輸送媒体が水又はＣＯ₂を含むことが好ましい。熱輸送媒体として水又はＣＯ₂を用いた場合、熱エネルギーの交換効率と熱エネルギーの輸送効率を向上できるからである。つまり、熱交換器において、熱エネルギーの回収を高効率で行うことができる。水は、安全で安価であり、かつ蓄熱効率が高いため、熱輸送媒体として好ましい。また、ＣＯ₂は圧縮等による超臨界状態で用いることによって高い熱交換効率を得ることができるため、熱輸送媒体として好ましい。

本発明の太陽電池モジュールＡでは、太陽電池と熱伝導板とが、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合されていることが好ましい。この構成によれば、太陽電池と熱伝導板との密着性を向上させることができる。これにより、太陽電池の温度の上昇と下降とのサイクル変化による太陽電池の剥がれ等を防止することができる。また、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤の熱伝導性は他の一般的な接着剤に比べて高いために、太陽電池と熱伝導板との間の熱伝導性が劣化することを抑制できる。また、熱伝導板と熱交換器とを接着剤によって固定する場合には、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合されていることが好ましい。

また、本発明の太陽電池モジュールＢでは、複数の集光器の各々が、凸レンズ、フレネルレンズ又は凸レンズとフレネルレンズとを有する組み合わせレンズであることが好ましい。このようなレンズであれば、５００倍程度までの集光率で太陽光を集光できるからである。

本発明の太陽電池モジュールＢでは、熱交換器が、アルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含むことが好ましい。熱交換器の熱伝導率が高くなるため、太陽電池に与えられた熱エネルギーを効率的に拡散することができ、太陽電池の冷却効率が高くなるからである。また、熱転送媒体を流す熱交換器での熱エネルギーの取り出し効率を向上させることができる。太陽電池モジュールＢが熱伝導板を更に含む場合には、熱伝導板はアルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含むことが好ましい。

本発明の太陽電池モジュールＢでは、熱交換器が複数の貫通孔に充填された熱輸送媒体を有し、熱輸送媒体が水又はＣＯ₂を含むことが好ましい。熱輸送媒体として水又はＣＯ₂を用いた場合、熱エネルギーの交換効率と熱エネルギーの輸送効率を向上できる、つまり、熱交換器において、熱エネルギーの回収を高効率で行うことができるからである。

本発明の太陽電池モジュールＢでは、太陽電池と熱交換器とが、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合されていることが好ましい。太陽電池と熱交換器との密着性を向上させることができるからである。また、太陽電池と熱交換器との間の熱伝導性が劣化することを抑制できるからである。太陽電池モジュールＢが熱伝導板を更に有する場合には、太陽電池と熱伝導板とハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合すること及び熱伝導板と熱交換器とをハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合することが好ましい。

（実施の形態１）
実施の形態１では、太陽電池モジュールＡの構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、太陽電池モジュールＡの構成の一例を表す模式的な断面図である。

図１に示された太陽電池モジュール１０は、熱交換器１１と、冷却板（熱伝導板）１２と、太陽電池１３と、フレネルレンズ（集光器）１４とを含む。

熱交換器１１は、冷却媒体（熱輸送媒体）の通る複数の冷却管（貫通孔）（図示せず）を内部に有している。なお、熱交換器１１は、冷却板１２を介して太陽電池１３に与えられる熱エネルギーを取り出せる限りにおいて、公知のいかなる構成の熱交換器であってもよい。

冷却板１２としては、アルミニウム板や銅板やカーボンシート等の熱伝導性の高い部材を用いる。なお、冷却板１２と熱交換器１１とは、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む熱伝導性の高い接着剤で接合する。

太陽電池１３としては、例えば、単結晶Ｓｉを光吸収層とする太陽電池、多結晶Ｓｉを光吸収層とする太陽電池と、ｐｉｎ構造のアモルファスＳｉ及びｐｉｎ構造の薄膜多結晶Ｓｉを光吸収層とするサブストレイト形のタンデム型（積層型）太陽電池と、ＧａＡｓをベースとした３元化合物の光吸収層、４元化合物の光吸収層及び５元化合物の光吸収層からなるタンデム型（積層型）太陽電池と、ＣｕＩｎＳｅ₂（ＣＩＳ）を光吸収層とする太陽電池と、Ｃｕ(Ｉｎ,Ｇａ)Ｓｅ₂（ＣＩＧＳ）を光吸収層とする太陽電池とが挙げられる。なお、ＧａＡｓをベースとした３元化合物とは、Ｇａと、Ａｓと、Ｉｎ、Ｐ（リン）、Ｎ（窒素）よりなる元素群から選択される１種の元素とを含む化合物である。同様に、ＧａＡｓをベースとした４元化合物及び５元化合物とは、それぞれ、Ｇａと、Ａｓと、その元素群から選択される２種及び３種の元素を含む化合物である。

図１に示されたように、フレネルレンズ１４を集光器として用いる。フレネルレンズ１４は、ガラス又はプラスチック等の有機材料を用いて形成することができる。

冷却板１２の面積Ｓ２は、フレネルレンズ１４の面積Ｓ１の０.８〜１.４倍の範囲内である。例えば、太陽電池１３の面積を１ｃｍ²として、フレネルレンズの面積Ｓ１を５００ｃｍ²（約５００倍集光）とした場合、冷却板１２の面積Ｓ２は４００〜７００ｃｍ²の範囲内とする。冷却板１２は金属で構成されるため、複数の太陽電池１３間を直列接続する場合には、隣接する冷却板１２間の絶縁が必要となる。フレネルレンズ１４の面積Ｓ１に対し、太陽電池１３の絶縁に要する面積として２.５〜５ｃｍ²を確保する。また、フレネルレンズ１４を敷設する際に要する連結部分の面積として１２〜２５ｃｍ²を確保する。フレネルレンズ１４の連結部分の面積が、太陽電池１３の絶縁に要する面積より大きいことから、フレネルレンズ１４を最も密に配設した場合、冷却板１２の面積Ｓ２は最大５２５ｃｍ²となる。また、太陽電池１３の温度上昇を良好に抑制するに、冷却板１２の面積Ｓ２は、４００ｃｍ²以上とする。なお、フレネルレンズ１４の敷設方法や太陽電池１３の接続方法で冷却板１２の面積は異なってくるため、面積比Ｓ２／Ｓ１は、０.８〜１.４倍の範囲内で最適化されることが好ましい。

上記においては、集光器として図１に示されたようなフレネルレンズ１４を用いた場合について説明したが、ガラスやプラスチック等の有機材料を用いて形成された凸形レンズや凸形にフレネル加工したレンズを集光器として用いることもできる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、太陽電池モジュールＢの構成の一例について、図２を参照しながら説明する。図２は、太陽電池モジュールＢの構成の一例を表す模式的な断面図である。

図２に示された太陽電池モジュール２０は、冷却媒体を通す複数の冷却管２２を有する冷却器（熱交換器）２１と、太陽電池２３と、フレネルレンズ（集光器）１４とを含む。

冷却器２１の材質としては、アルミニウムや銅やカーボンを主成分とすることが好ましい。

太陽電池２３としては、上記の実施の形態１で説明したような種々の太陽電池を用いることができる。

集光器としては、上記の実施の形態１の場合と同様にフレネルレンズ２４を用いる。

冷却器２１の面積Ｓ４は、複数のフレネルレンズ２４の総面積Ｓ３の０.８〜１.４倍の範囲内とする。例えば、太陽電池モジュール２０に取り付けた複数のフレネルレンズ２４の総面積Ｓ３を６０００ｃｍ²とした場合、冷却器の面積は４８００〜８４００ｃｍ²の範囲内とする。なお、この場合、フレネルレンズ２４の総面積Ｓ３及び冷却器２１の面積Ｓ４の大きい方にフレーム等の面積を加算した面積が太陽電池モジュール２０の面積となる。

上記においては、集光器として図２に示されたようなフレネルレンズ２４を用いた場合について説明したが、ガラスやプラスチック等の有機材料を用いて形成された凸形レンズや凸形にフレネル加工したレンズを集光器として用いることもできる。

実施例１においては、上記の実施の形態１に係る太陽電池モジュールＡの一例について具体的に説明する。なお、本実施例１の太陽電池モジュールの構成は、図１に示された太陽電池モジュール１０の構成と同一であるため、便宜的に図１を参照しながら説明する。

本実施例１の太陽電池モジュール１０は、熱交換器１１として、冷却媒体を流す複数の冷却管（図示せず）を有する構造体を用いた。冷却板１２としては、厚さが２ｍｍであり、面積が５００ｃｍ²であるアルミニウム板を用いた。

太陽電池１３としては、Ｇｅ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合形太陽電池を用いた。太陽電池１３は、冷却板１２の上にハンダ付けによって固定した。なお、太陽電池１３を冷却板１２に固定した後に、全面をエポキシ樹脂で被覆している。ＡＭ（エアマス）が１.５であり、光強度が１００ｍＷ/ｃｍ²の疑似太陽光（集光なし）に対する太陽電池１３のエネルギー変換効率は２８％であった。

また、集光器としては、面積が５００ｃｍ²であるフレネルレンズ１４を用いた。太陽電池１３とフレネルレンズ１４とは、集光率が５００倍となるように配設した。

熱交換器１１における冷却管に、冷却媒体としてＣＯ₂冷媒を流した状態で、ＡＭ（エアマス）が１.５であり、強度が１００ｍＷ/ｃｍ²の疑似太陽光（集光あり）を照射して太陽電池モジュール１０の特性を測定した。太陽電池モジュール１０における太陽電池１３のエネルギー変換効率は３３％であった。また、本実施例１の太陽電池モジュールに対して、ＣＯ₂冷媒による熱変換特性としてＣＯＰ２が得られた。

なお、比較のために、熱交換器１１及び冷却板１２に代えて、従来の冷却器を用いた太陽電池モジュール（以下において、比較例１の太陽電池モジュールと称する）についても同一の条件で太陽電池モジュールの特性を測定した。比較例１の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池１３の冷却が不十分であり、太陽電池１３のエネルギー変換効率は３０％までしか向上しなかった。また、比較例１の太陽電池モジュールにおいては、ＣＯＰ１．２が得られた。

以上で説明したように、本実施例１の太陽電池モジュール１０では、太陽電池１３のエネルギー変換効率を向上させると共に、熱交換器１１における熱変換特性を向上させることができた。つまり、太陽光エネルギーを電気エネルギーと熱エネルギーとに高効率で変換することができた。

上記においては、太陽電池１３としてＧｅ基板を用いたＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合形太陽電池を用いた場合について説明したが、単結晶Ｓｉ太陽電池、多結晶Ｓｉ太陽電池、薄膜Ｓｉタンデム型太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池を太陽電池１３として用いても定性的に同一の結果が得られた。特に、ＣＩＧＳ太陽電池を用いた場合では、フレネルレンズ１４の集光率を５０倍に調整することによってもエネルギー変換効率が約５％向上した。ＣＩＧＳ太陽電池を用いた場合には、他の太陽電池を用いた場合よりも低集光率におけるエネルギー変換効率の向上が顕著であった。

上記においては、集光器としてフレネルレンズ１４を用いたが、ガラスやプラスチック等の有機材料を用いて形成された集光率が同一の凸形レンズや凸形にフレネル加工したレンズを集光器として用いても同等の結果が得られた。

実施例２においては、上記の実施の形態２に係る太陽電池モジュールＢの一例について具体的に説明する。なお、本実施例２の太陽電池モジュールの構成は、図１に示された太陽電池モジュール２０の構成と同一であるため、便宜的に図２を参照しながら説明する。

冷却器２１としては、面積が６０００ｃｍ²であり、アルミニウムを材料とした構造体を用いた。冷却媒体ＣＯ₂（熱輸送媒体）を流す４０本の貫通孔２２を平行に等間隔で形成した。

太陽電池２３としては、ＣＩＧＳ太陽電池を用いた。冷却器２１上には１００個の太陽電池２３を設け、各太陽電池２３は、エポキシ樹脂で冷却器２１に固定した。ＡＭが１.５であり、光強度が１００ｍＷ/ｃｍ²である疑似太陽光（集光なし）を照射した時の各太陽電池２３のエネルギー変換効率は１７％であった。

面積が４９ｃｍ²であるフレネルレンズ２４を集光器として用いた。なお、１００個の太陽電池２３に１つずつ対応させて１００個のフレネルレンズ２４が設けられている。また、集光率が約５０倍となるように、各太陽電池２３と各フレネルレンズ２４とは調整されている。この場合、１００個のフレネルレンズ１４の総面積Ｓ３は、４９００ｃｍ²であり、冷却器２１の面積Ｓ４は、フレネルレンズ１４の総面積Ｓ３の約１．２２倍であった。

冷却器２１における冷却管２２に、冷却媒体としてＣＯ₂冷媒を流した状態で、ＡＭ（エアマス）が１.５であり、光強度が１００ｍＷ/ｃｍ²の疑似太陽光（集光あり）を照射して太陽電池モジュール２０の特性を測定した。太陽電池モジュール２０における太陽電池２３のエネルギー変換効率は２２％であった。また、本実施例２の太陽電池モジュールにおいては、ＣＯ₂冷媒による熱変換の特性としてＣＯＰ２が得られた。

なお、比較のために、冷却器２１に代えて、従来の冷却器（図示せず）を用いた太陽電池モジュール（以下において、比較例２の太陽電池モジュールと称する）ついても同一の条件で太陽電池特性を測定した。比較例２の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池２３の冷却が不十分であり、太陽電池のエネルギー変換効率は２０％までしか向上しなかった。また、比較例２の太陽電池モジュールにおいては、ＣＯＰ１．２が得られた。

以上で説明したように、本実施例２の太陽電池モジュール２０では、太陽電池２３のエネルギー変換効率を向上させることができると共に、熱交換器２１における熱変換特性を向上させることができた。つまり、太陽光エネルギーを電気エネルギーと熱エネルギーとに高効率で変換することができた。

上記においては、冷却媒体としてＣＯ₂冷媒を用いたが、冷却媒体として水を用いても太陽電池２３のエネルギー変換効率を向上させると共に、熱交換器２１における熱変換特性を向上させることができた。

上記においては、集光器としてフレネルレンズ１４を用いたが、ガラスやプラスチック等の有機材料を用いて形成された集光率が同一の凸形レンズや凸形にフレネル加工したレンズを集光器として用いても同等の結果が得られた。

本発明は、太陽電池モジュールや太陽電池モジュールを用いた発電システムに対して、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率及び太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換する変換効率を向上させるために利用できる。

図１は、太陽電池モジュールＡの構成の一例を表す模式的な断面図である。 図２は、太陽電池モジュールＢの構成の一例を表す模式的な断面図である。

符号の説明

１０，２０ 太陽電池モジュール
１１ 熱交換器
１２ 冷却板（熱伝導板）
１３，２３ 太陽電池
１４，２４ フレネルレンズ
１５，２５ 熱交換面
２１ 冷却器（熱交換器）
２２ 冷却管（貫通孔）

Claims (11)

1. 熱交換器と、
   前記熱交換器の熱交換面上に設けられた熱伝導板と、
   前記熱伝導板上に設けられた太陽電池と、
   前記太陽電池の上方に設けられ、太陽光を前記太陽電池に集光する集光器とを含む太陽電池モジュールであって、
   前記集光器が前記熱交換器の前記熱交換面を覆う面積をＳ１とし、前記熱伝導板が前記熱交換器の前記熱交換面を覆う面積をＳ２としたとき、面積比Ｓ２／Ｓ１が、０．８以上１．４以下の範囲内であることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 複数の貫通孔を有する熱交換器と、
   前記熱交換器の熱交換面上に設けられた複数の太陽電池と、
   前記複数の太陽電池の上方に設けられ、前記複数の太陽電池の各々に太陽光を集光する複数の集光器とを含む太陽電池モジュールであって、
   前記複数の集光器が前記熱交換器の前記熱交換面を覆う総面積をＳ３とし、前記熱交換の熱交換面の面積をＳ４としたとき、面積比Ｓ４／Ｓ３が、０．８以上１．４以下の範囲内であることを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 前記太陽電池が、Ｓｉ系太陽電池、ＧａＡｓ系太陽電池、ＣｕＩｎＳｅ₂系太陽電池又はＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ₂系太陽電池である請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記集光器が、凸レンズ、フレネルレンズ、又は、凸レンズとフレネルレンズとを有する組み合わせレンズである請求項１に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記熱伝導板が、アルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含む請求項１に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記熱交換器が、熱輸送媒体を有し、
   前記熱輸送媒体が、水又はＣＯ₂を含む請求項１に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記太陽電池と前記熱伝導板とが、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記複数の集光器の各々が、凸レンズ、フレネルレンズ又は凸レンズとフレネルレンズとを有する組み合わせレンズである請求項２に記載の太陽電池モジュール。
9. 前記熱交換器が、アルミニウム、銅又はカーボンを主成分として含む請求項２に記載の太陽電池モジュール。
10. 前記熱交換器が、前記複数の貫通孔に充填された熱輸送媒体を有し、
    前記熱輸送媒体が、水又はＣＯ₂を含む請求項２に記載の太陽電池モジュール。
11. 前記太陽電池と前記熱交換器とが、ハンダ又はエポキシ樹脂を含む接着剤で接合されている請求項２に記載の太陽電池モジュール。

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