JP2006086313A - 太陽電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 屋外、屋内を問わずに発電システムを設置することができるとともに、気象条件や時間帯に左右されることなく、安定して発電を行うことの可能な太陽光発電システムの提供。
【解決手段】 太陽電池モジュール、及び該太陽電池モジュールに対して発電用の光を照射する照射板パネルを備えた発電手段１０と、光ファイバー２６によって照射板パネルと接続され、屋外又は屋内にて集光した自然光を照射板パネルに伝送する太陽光集光手段１２と、照射板パネルと光ファイバー２６によって接続され、ランプ、ＬＥＤ等による人工光を生成する人工光発生手段１４と、この人工光発生手段１４によって生成された人工光を、太陽光集光手段１２によって集光された自然光と重畳させた合成光として、照射板パネルに伝送する太陽光・人工光重畳手段１６とを備えてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池発電システムに係わり、特に人工光と太陽光とを併用して太陽電池による発電を行う発電システムに関する。

近年、環境保護、省エネルギーなどの観点から、太陽電池による発電量が着実に増加している。太陽電池による発電を行う場合は、パネル状に形成された太陽電池モジュールを、住宅の屋根などの屋外に設置するのが一般的である。しかしながら、太陽電池モジュールで所定の発電量を確保するためには、太陽電池モジュールのパネル面積も大きくしなければならず、結果的に多くの太陽電池の設置スペースが必要となる。一方で、屋根などの設置スペースの大きさには限界があるとともに、太陽電池の重さによる住宅全体の高重心化、美観の悪化、太陽電池モジュールに汚れが付着した場合は発電効率が低下するなど、多くの問題点がある。

このような問題点を解決するため、特開2004-214423号公報記載の太陽光発電システムが提案されている。この太陽光発電システムは、太陽光の集光装置と、太陽電池に光を反射して発電を行う光電装置とを備え、集光装置によって集光された太陽光を光ファイバーケーブルによって光電装置へ伝送することにより、発電を行うようにしている。これにより、太陽電池モジュールは、屋根などの屋外に設置する必要がなく、発電システムの設置場所の自由度が大幅に向上するとされている。
特開2004-214423号公報

しかしながら、特開2004-214423号公報に記載されている太陽光発電システムでは、発電可能な時間帯が昼間時に限られるとともに、晴天を要するなどの日照条件に左右されやすく、安定した発電量を確保することができないという問題点があった。従って、結局補助的な電源としてしか使用できず、安定的な電源として活用するには課題も多い。

本発明は、このような諸事情に対処するために提案されたものであって、屋外、屋内を問わずに発電システムを設置することができるとともに、気象条件や時間帯に左右されることなく、安定して発電を行うことの可能な太陽光発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、太陽電池セルが配列された太陽電池モジュール、及び該太陽電池モジュールに対して発電用の光を照射する照射板パネルを備えた発電手段と、伝送経路によって前記照射板パネルと接続され、屋外又は屋内にて集光した自然光を前記照射板パネルに該伝送経路を介して伝送する太陽光集光手段と、前記照射板パネルと伝送経路によって接続され、ランプ、ＬＥＤ等による人工光を生成する人工光発生手段と、前記人工光発生手段によって生成された人工光を、前記太陽光集光手段によって集光された自然光と重畳させた合成光として、該合成光を前記照射板パネルに伝送する太陽光・人工光重畳手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１において、前記太陽電池モジュールの出力電圧を計測する出力電圧検出手段を設けるともに、前記人工光発生手段は該出力電圧検出手段によって計測された太陽電池モジュールの出力電圧の値に基づいて人工光の発光量を制御し、該人工光と、前記照射板パネルに対して前記太陽光集光手段から伝送される光とを重畳してなる合成光が一定範囲の輝度値となるようにして、前記太陽電池モジュールによる発電量を一定範囲に維持するようにしたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記太陽電池モジュール及び照射板パネルからなる発電手段は、収納ボックス内に格納されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３において、前記発電手段の照射板パネルは、太陽電池モジュールに対して間隔を隔てた分離構造、又は密着した一体構造であるとともに、前記太陽電池モジュールは前面及び後面に受光面が形成されており、少なくとも１枚の太陽電池モジュールを少なくとも２枚の照射板パネルによってサンドイッチして、太陽電池モジュールの前面及び後面に前記２枚の照射板パネルから光を照射するようにしたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３において、前記発電手段の照射板パネルは、太陽電池モジュールに対して間隔を隔てた分離構造、又は密着した一体構造であるとともに、前記太陽電池モジュールは、受光面が前面及び後面となるように２枚の太陽電池によって一体化されており、この一体化された少なくとも１枚の太陽電池モジュールを少なくとも２枚の照射板パネルによってサンドイッチして、前面及び後面に位置するそれぞれの受光面に前記２枚の照射板パネルから光を照射するようにしたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５において、前記照射板パネルには、太陽電池モジュールに対して発電効率の高い照射角度となるように、光を拡散して照射する拡散板が取り付けられていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６において、屋外の明るさを検出する日照検出手段を備え、該日照検出手段によって検出される屋外の明るさが一定値未満となったときには、前記照射板パネルに伝送される光を前記人工光発生手段の人工光と、前記太陽光集光手段の自然光との合成光に切り替えるとともに、屋外の明るさが一定値以上となったときは、前記照射板パネルに伝送される光を、前記太陽光集光手段によって集光された自然光に切り替えるようにしたことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７において、前記太陽光・人工光重畳手段には、前記太陽光集光手段への光漏れを防止する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする。

上述のように、請求項１記載の発明によれば、太陽電池モジュールに対して、発電用の光を照射板パネルから照射するようにしているので、太陽電池に直接太陽光を照射する場合と比較し、太陽電池の温度上昇を抑制することができるので、発電効率を低下させることがない。

上述のように、請求項２に記載の発明によれば、太陽電池モジュールの出力電圧を計測する出力電圧検出手段を設け、計測される太陽電池モジュールの出力電圧の値に基づいて人工光の発光量を制御して、太陽光集光手段から伝送される光とを重畳してなる合成光が一定範囲の輝度値となるようにし、この合成光を利用して発電を行うようにしている。このため、太陽電池モジュールによる発電量を一定範囲に維持することができ、安定した発電が可能となる。

上述のように、請求項３記載の発明によれば、太陽電池モジュール及び照射板パネルを収納ボックス内に格納しているので、太陽電池モジュールを屋根などの屋外に設置する必要がないため設置箇所の自由度に優れているとともに、積雪や汚れ、天候などの影響を回避して、発電を安定的に行うことできる。

上述のように、請求項４記載の発明によれば、太陽電池モジュールの前面及び後面に受光面が形成し、この１枚の太陽電池モジュールに対し２枚の照射板パネルによって光を照射するため、太陽電池の設置スペースの節減に効果があり、且つ太陽電池の性能を十分に活用した効率のよい発電が可能となる。

上述のように、請求項５記載の発明によれば、太陽電池モジュールを、２枚の太陽電池を利用して受光面が前面及び後面となるように一体化して構成するとともに、照射板パネルを１枚の太陽電池モジュールに対して２枚設置している。これにより、太陽電池モジュールの両面に光を照射することができるため、少ないスペースを最大限に活用して発電を行うことができる。

上述のように、請求項６記載の発明によれば、太陽電池モジュールに光を照射する照射板パネルに、発電効率の高い照射角度となるように、光を拡散して照射する拡散板を取り付けているので、発電効率を大幅に向上させることが可能となる。

上述のように、請求項７記載の発明によれば、屋外の明るさを検出する日照検出手段によって検出される屋外の明るさが一定値未満となったときに、照射板パネルに伝送される光を人工光発生手段の人工光と自然光との合成光に切り替えるとともに、屋外の明るさが一定値以上となったときは、照射板パネルに伝送される光を太陽光集光手段によって集光された自然光に切り替えるようにしている。これにより、太陽電池モジュールに照射される光を一定範囲に収めることができ、システム全体で、安定した発電を行うことが可能である。

上述のように、請求項８記載の発明によれば、太陽光と人工光とを重畳する太陽光・人工光重畳手段に、太陽光集光手段への光漏れを防止する遮蔽手段が設けているので、夜間など人工光のみによって発電を行う場合に、人工光の漏れを防止して無駄なく発電を行うことができる。

以下、本発明に係る太陽電池発電システムの好適な実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る太陽電池発電システムの回路構成を示すブロック図、図２は発電手段の概略構成を示した模式図、図３は太陽電池モジュールと照射板パネルの配置状況を示す概略斜視図、図４は太陽電池モジュールと照射板パネルの概略断面図である。

図１に示されるように、本実施形態の太陽電池発電システムは、発電手段１０と、太陽光集光手段１２と、人工光発生手段１４と、太陽光・人工光重畳手段１６等とを備えて構成されている。
図２及び図３に示されるように、発電手段１０は、シリコン系などの太陽電池セル１８，１８・・が複数配列された太陽電池モジュール１９、及び該太陽電池モジュール１９に対して発電用の光を照射する照射板パネル２２を備え、これらの太陽電池モジュール１９及び照射板パネル２２は、収納ボックス２３に格納されている。

発電手段１０は、１枚の太陽電池モジュール１９を、２枚の照射板パネル２２によってサンドイッチした構造となっており、１枚の太陽電池モジュール１９に対して両面から光を照射することにより、発電を効率よく行えるようになっている。このため、太陽電池モジュール１９に対して、照射板パネル２２は、１枚多いことが必要である。太陽電池モジュール１９には、その前面及び後面に受光面が形成され、両側から光を照射することによって、太陽電池の性能を最大限に活用した発電を、省スペースで行うことが可能になっている。このような両面から、光を受光して発電することができる太陽電池モジュールとしては、前面及び後面に受光面を設けたものの他、近年開発された透過型のセルを持つ太陽電池が挙げられる。

なお、図４に示されるように、太陽電池モジュール２０は、２枚の太陽電池２０Ａ，２０Ｂを、それぞれの受光面が前面及び後面に位置するように、背面同士を突き合わせ接合して一体化したものでもよい。この場合、それぞれの太陽電池２０Ａ、２０Ｂの受光面に対して、２枚の照射板パネル２２から光を照射する。
なお、図４に示される例では、３枚の太陽電池モジュール２０に対して、照射板パネル２２が４枚となっている。太陽電池モジュール１９，２０の数は、本実施形態には限定されず、複数のものも含まれる。

照射板パネル２２は、後述する光ファイバーから送られてくる光を太陽電池モジュール１９，２０に対して、光を均一に照射することが可能なパネル状に形成されており、例えば合成樹脂、アクリル系、ガラス系などの材質で構成されている。また、図３及び図４に示されるように、照射板パネル２２には、その太陽電池モジュール１９，２０への対向面に拡散板２４が取り付けられており、この拡散板２４は、照射板パネル２２から太陽電池モジュール１９，２０へ照射される光を、発電効率が高くなる照射角で、且つ均一な光となるように導くレンズとしての機能がある。なお、図４では、太陽電池モジュール２０に対して、照射板パネル２２が、拡散板２４を介して密着しているが、これに限らず、図２及び図３に示されるように所定の間隔を隔てて配置してもよい。

図１に示される太陽光集光手段１２は、光ファイバー２６によって照射板パネル２２と接続され、屋外などに設置されて太陽光を集光するように構成され、例えば複数のレンズを用いて効率よく太陽光を集光し、光ファイバー２６から伝送するようになっている。人工光発生手段１４は、内蔵された図示しないランプ、ＬＥＤ等によって人工光を生成し、この人工光を、太陽光・人工光重畳手段１６によって、前述した太陽光集光手段１２により集光された自然光と重畳させた（重ねた）合成光として、照射板パネル２２に光ファイバー２６から伝送する。なお、ランプには、ナトリウムランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプなど、各種のランプが含まれる。また、太陽光・人工光重畳手段１６には、夜間や、人工光の使用時に光ファイバー２６から、太陽光集光手段１２へ光が漏れるのを防止する図示しない遮蔽手段（シャッターなど）が設けられている。

人工光発生手段１４には、人工光・太陽光切替手段２８が設けられており、この人工光・太陽光切替手段２８は、日照検出手段３０によって検出される屋外の明るさに応じて、照射板パネル２２に伝送される光を、太陽光集光手段１２によって集光された自然光、又は自然光と人工光との合成光、人工光のみに切り替えるようになっている。
具体的には、日照検出手段３０によって検出された屋外の明るさが一定値未満となったときは、照射板パネル２２に伝送される光を人工光発生手段１４を駆動して、人工光と自然光との合成光、或いは人工光のみに切り替える。或いは、屋外の明るさが一定値以上となったときは、照射板パネル２２に伝送される光を、太陽光集光手段１２によって集光された自然光に切り替える。
日照検出手段３０は、例えば、ＣｄＳセルを使用した光電効果を利用した光センサであり、一定輝度以上の光が当たった場合に電気抵抗が減少することで、流れる電流が増加してバイメタルを暖めて接点を開き、人工光発生手段１４のランプ、ＬＥＤ等を消灯させるようになっている。一方、光が当たらなくなると、バイメタルが冷却されて接点を閉じ、人工光発生手段１４のランプ等を点灯させる。勿論、日照検出手段３０は、ＣｄＳセル利用のものに限定されず、トランジスタを利用したセンサなどでもよい。

なお、人工光と、自然光との切り替えは、日照検出手段３０による検出結果に加えて、出力電圧検出手段３２による検出結果を利用してもよい。即ち、図１に示されるように、太陽電池モジュール２０の出力配線３１には、その出力電圧を検出する出力電圧検出手段３２が接続されており、出力電圧検出手段３２によって検出された太陽電池モジュール２０の出力電圧が一定値未満となったときには、太陽光集光手段１２による自然光が減少したと判断し、照射板パネル２２に伝送される光を人工光発生手段１４による人工光と自然光との合成光、或いは人工光のみに切り替える。このとき、人工光発生手段１４から供給される人工光の明るさは、内蔵されているランプ、ＬＥＤ等をサイリスタ制御して連続的に変更することが可能である。
一方、出力電圧検出手段３２によって検出された太陽電池モジュール２０の出力電圧が一定値以上で、且つ日照検出手段３０によって検出された屋外の明るさが一定値以上となったときは、自然光が増加したと判断し、照射板パネル２２に伝送される光を、太陽光集光手段１２によって集光された自然光に切り替える。
このように、自然光と人工光とを、屋外の日照条件、太陽電池モジュール２０の発電状況に応じて切り替えることにより、一定の発電量を確保することができ、結果的に安定した発電を行うことが可能となる。

太陽電池出力配線３１には、チャージコントローラ３４を介して、予備電源としてのバッテリー３６が接続されており、晴天時などは発電手段１０によって発電された電力が充電され、一定の蓄電量を維持するようになっている。また、バッテリー３６は、人工光発生手段１４にも接続され、システムを駆動させる際に発電手段１０による発電が安定化するまで人工光発生手段１４に電源を供給する。また、バッテリー３６は、夜間など自然光による発電不能時に、電力を人工光発生手段１４に供給し、システム全体として一定の発電量を維持する役割もある。発電手段１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＡＣインバーター３８を介して交流に変換されて利用される。或いは、発電手段１０によって発電された直流の電力を、交流に変換することなく、そのまま利用してもよい。

以上説明したように、本実施形態の太陽電池発電システムによれば、太陽電池モジュール２０、照射板パネル２２を含む発電手段１０を収納ボックス２３に収納しているので、屋外、屋内を問わず、どのような場所にも設置することが可能となる。
また、夜間、天候を問わず、常に一定の発電量を確保することができる利点がある。

なお、図１に示されるように、太陽光集光手段１２、バッテリー３６及び日照検出手段３０以外の人工光発生手段１４、太陽光・人工光重畳手段１６、人工光・太陽光切替手段２８、出力電圧検出手段３２、チャージコントローラ３４、ＤＣ／ＡＣインバーター３８は、一回路として１チップ上に構成するようにしてもよい。
また、照射板パネル２２の一部にＬＥＤ等の発光素子を埋め込んで、人工光を光ファイバー２６で伝送せずに、直接発光させて太陽電池モジュールに照射するようにしてもよい。この場合、自然光は照射板パネル２２のＬＥＤ等が埋め込まれていない領域から太陽電池モジュールに照射される。

或いは、図５及び図６に示されるように、自然光を一切用いることなく、ＬＥＤまたは、ランプによる人工光を利用して発電システムを構成することも可能である。この場合、照射板パネル４０，４０にＬＥＤまたはランプ等の発光部４１をその全面に設け、各照射板パネル４０，４０の発光部４１から太陽電池モジュール２０の各太陽電池２０Ａ，２０Ｂに人工光を照射して発電を行う発電手段５０を備えている。
照射板パネル４０のＬＥＤ、またはランプ等の発光部４１には、発光用電源ユニット４２が電源入力配線４４を介して接続され、この発光用電源ユニット４２は、出力電圧検出手段３２から検出される太陽電池の電圧に基づいて、ＬＥＤ、またはランプの発光量を制御する調光機能がある。また、バッテリー３６が接続され、このバッテリー３６は、休止状態からシステムを駆動させる際の電源などとして使用される。また、バッテリー３６は、太陽電池モジュール２０による発電を安定化させる他、深夜電力などの余剰電力を利用して一定の電力量が充電されており、照射板パネル４０を発光させる電力が不足した場合に、バッテリー３６に蓄えられている電力を予備として使用する。これによれば、余剰電力などを利用しながら、太陽電池モジュール２０による一定量の発電を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、太陽電池モジュールを収納ボックス内に格納し、この収納ボックス内で太陽電池による発電を行うようにしたので、屋外、屋内を問わずにシステムを設置することができるとともに、気象条件や時間帯に左右されることなく、安定した太陽電池による発電が可能となる。

本発明の一実施形態に係る太陽電池発電システムの回路構成を示すブロック図である。 発電手段の概略構成を示した模式図である。 太陽電池モジュールと照射板パネルの配置状況を示す概略斜視図である。 太陽電池モジュールと照射板パネルの概略断面図である。 他の実施形態の太陽電池発電システムの回路構成を示すブロック図である。 同じく、他の実施形態における発電手段の概略構成を示した模式図である。

符号の説明

１０ 発電手段
１２ 太陽光集光手段
１４ 人工光発生手段
１６ 太陽光・人工光重畳手段
１８ 太陽電池セル
１９ ２０ 太陽電池モジュール
２０Ａ ２０Ｂ 太陽電池
２２ 照射板パネル
２３ 収納ボックス
２４ 拡散板
２６ 光ファイバー
２８ 人工光・太陽光切替手段
３０ 日照検出手段
３１ 太陽電池出力配線
３２ 出力電圧検出手段
３４ チャージコントローラ
３６ バッテリー（予備電源）
３８ ＤＣ／ＡＣインバーター

Claims (8)

1. 太陽電池セルが配列された太陽電池モジュール、及び該太陽電池モジュールに対して発電用の光を照射する照射板パネルを備えた発電手段と、
   光ファイバーによって前記照射板パネルと接続され、屋外又は屋内にて集光した自然光を前記照射板パネルに該光ファイバーを介して伝送する太陽光集光手段と、
   前記照射板パネルと光ファイバーによって接続され、ランプ、ＬＥＤ等による人工光を生成する人工光発生手段と、
   前記人工光発生手段によって生成された人工光を、前記太陽光集光手段によって集光された自然光と重畳させた合成光として、該合成光を前記照射板パネルに伝送する太陽光・人工光重畳手段とを備えたことを特徴とする太陽電池発電システム。
2. 前記太陽電池モジュールの出力電圧を計測する出力電圧検出手段を設けるともに、前記人工光発生手段は該出力電圧検出手段によって計測された太陽電池モジュールの出力電圧の値に基づいて人工光の発光量を制御し、該人工光と、前記照射板パネルに対して前記太陽光集光手段から伝送される光とを重畳してなる合成光が一定範囲の輝度値となるようにして、前記太陽電池モジュールによる発電量を一定範囲に維持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池発電システム。
3. 前記太陽電池モジュール及び照射板パネルからなる発電手段は、収納ボックス内に格納されていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の太陽電池発電システム。
4. 前記発電手段の照射板パネルは、太陽電池モジュールに対して間隔を隔てた分離構造、又は密着した一体構造であるとともに、
   前記太陽電池モジュールは前面及び後面に受光面が形成されており、少なくとも１枚の太陽電池モジュールを少なくとも２枚の照射板パネルによってサンドイッチして、太陽電池モジュールの前面及び後面に前記２枚の照射板パネルから光を照射するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の太陽電池発電システム。
5. 前記発電手段の照射板パネルは、太陽電池モジュールに対して間隔を隔てた分離構造、又は密着した一体構造であるとともに、
   前記太陽電池モジュールは、受光面が前面及び後面となるように２枚の太陽電池によって一体化されており、この一体化された少なくとも１枚の太陽電池モジュールを少なくとも２枚の照射板パネルによってサンドイッチして、前面及び後面に位置するそれぞれの受光面に前記２枚の照射板パネルから光を照射するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の太陽電池発電システム。
6. 前記照射板パネルには、太陽電池モジュールに対して発電効率の高い照射角度となるように、光を拡散して照射する拡散板が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の太陽電池発電システム。
7. 屋外の明るさを検出する日照検出手段を備え、該日照検出手段によって検出される屋外の明るさが一定値未満となったときには、前記照射板パネルに伝送される光を前記人工光発生手段の人工光と、前記太陽光集光手段の自然光との合成光に切り替えるとともに、屋外の明るさが一定値以上となったときは、前記照射板パネルに伝送される光を、前記太陽光集光手段によって集光された自然光に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１乃至６に記載の太陽電池発電システム。
8. 前記太陽光・人工光重畳手段には、前記太陽光集光手段への光漏れを防止する遮蔽手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７記載の太陽電池発電システム。