JP2006228965A

JP2006228965A - 立体的多面構造を有する太陽電池アレイ

Info

Publication number: JP2006228965A
Application number: JP2005040828A
Authority: JP
Inventors: Shiro Mitsunari; 史郎光成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31
Also published as: DE602006016884D1; EP1693900B1; US20060180194A1; AU2006200449A1; EP1693900A1

Abstract

【課題】設置面積あたりの発電量を増加させた太陽電池アレイを提供することを目的とする。
【解決手段】従来、太陽電池アレイにおいて平面的に並べられていた太陽電池パネルを立体的に構成し、（１）一つの太陽電池パネル表面で反射された光を再び他の太陽電池パネルで受光すると同時に、（２）設置面積あたりの受光面の面積を増やし、より多くの散乱日射を有効に受光することにより、設置面積あたりの発電量を増加させた太陽電池アレイを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、設置面積あたりの発電量を改善した太陽電池アレイに関する。

これまでクリーンな太陽光エネルギーを利用して発電する太陽光発電システムが知られており、太陽光発電システムは、ビルの屋上や家屋の屋根に設置されていた。建築物等に設置される一般的な太陽光発電システムとしては、太陽電池アレイを挙げることができる。太陽電池アレイとは、一般に、複数の太陽電池セルを組み合わせた太陽電池パネル（モジュール）を、必要な発電容量に合わせて複数枚組み合わせ、固定した架台に取り付けたものをいう。従来の太陽電池アレイにおいては、複数枚の太陽電池パネルが平面的に組み合わされていたため、太陽電池アレイの受光面の面積は、太陽電池アレイの設置可能面積にほぼ等しかった。しかし、建築物等において、太陽電池アレイの設置可能な場所は限られているため、設置面積あたりの発電量をできるだけ増加させることが求められていた。

上記、従来の技術的課題に鑑み、本発明は、設置面積あたりの発電量を増加させた太陽電池アレイを提供することを目的とする。

一般的な太陽電池パネルは、直列に結線された複数の太陽電池セルが透明な充填剤の中に封入され、その表面に太陽電池セルの破損等を防止するためのガラス等のフロントカバーが設けられた構造を有するため、太陽電池パネルに入射する太陽光の一部は、上記フロントカバーの表面で反射されてしまい、これまで、入射光エネルギーのうち反射分を発電に利用することができなかった。このフロントカバー表面における反射による入射光エネルギーの損失は、太陽光の入射角が大きいほど大きくなる傾向にあるため、特に朝夕の太陽の高度の低い時間帯の入射光エネルギーの反射損失が大きかった。

一方、地表に到達する太陽光には、直接地表に到達する直達日射以外に、大気中で散乱、反射を繰り返して地表に到達する散乱日射があるため、陰になっている部分にも散乱日射の一部が到達しており、たとえば、方位真北を向き太陽を背にして地表面に垂直に立っている平面の単位面積あたりの年間積算日射量は、地表面の日射量の約３分の１ほどであることが分かっていた。

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、本発明は、太陽電池アレイにおいて、従来、平面的に並べられていた太陽電池パネルを立体的に構成することにより、（１）一つの太陽電池パネル表面で反射された光を再び他の太陽電池パネルで受光すること、および（２）設置面積あたりの受光面の面積を増やして、より多くの散乱日射を有効に受光することが可能となり、太陽電池アレイの設置面積あたりの発電量がトータルで増加する点に着目してなされたものである。

すなわち、本願の請求項１の発明によれば、立体多面構造を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池アレイは、
太陽電池を備える底面受光面と、前記底面受光面に垂直に立設され、太陽電池を備える複数の垂直受光面とを備え、前記複数の垂直受光面は、両面に太陽電池が配置され、かつ、互いに平行に並設された太陽電池アレイが提供される。

また、本願の請求項２の発明によれば、前記垂直受光面は、２つの太陽電池パネルが隣接して形成されており、前記太陽電池の出力ケーブルは、互いに重なり合わないように異なる位置に配置される、請求項１に記載の太陽電池アレイが提供される。

さらに、本発明の請求項３の発明によれば、前記複数の垂直受光面は、前記底面受光面上に井桁構造として配置される、太陽電池アレイが提供される。

本発明によれば、従来、発電に寄与することがなかった、太陽電池パネルのフロントカバーの表面で反射した光が、再び他の太陽電池パネルに入射することにより、上記反射光を発電に供することが可能となると同時に、より多くの散乱日射を発電に供することが可能となるため、太陽電池アレイの設置面積あたりの発電量が増加する。

また、本発明の特定の実施の形態では、太陽電池アレイが自動車などの移動体に設置される場合において、移動体から見た太陽光の入射方向が、その移動に伴い変化する場合であっても、太陽電池アレイの移動体の設置面積あたりの発電量が増加する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の太陽電池アレイ１を家屋の屋根２０に設置する場合の概略図である。図１では、本発明の太陽電池アレイ１は、家屋の屋根上において底面受光面が真南に向くようにして設置されている。また、本発明の太陽電池アレイ１は、より詳細には後述するように、垂直受光面を備えていて、垂直受光面が東西方向に面するように配置されている。本発明の太陽電池アレイ１は、日中は、南方向からの太陽光を、主として底面受光面が受光する。また、本発明の太陽電池アレイ１は、太陽光の入射角度が大きな朝・夕などの場合には、垂直受光面が主として太陽光を受光して発電を行っている。

図２は、本発明の太陽電池アレイ１の第１の実施の形態を示した図である。本発明の太陽電池アレイ１は、設置方位を、底面受光面が主に南に固定して用いられる住宅用などの固定用途に適用されることを想定して構成されている。したがって、太陽電池アレイ１の受光面には、太陽電池が構成されており、本発明の太陽電池アレイ１の受光面は、朝方および夕方の東西方向からの太陽光が直接入射する垂直受光面と、昼間の方位南からの太陽光が直接入射する底面受光面とから構成されている。図２（ａ）は、太陽電池アレイ１の斜視図であり、図２（ｂ）は、太陽電池アレイ１をＸ−Ｘ線に沿って切断した場合の断面図である。太陽電池アレイ１は、支持体６と、保護ガラス３０と、太陽電池パネルとから構成されており、太陽電池パネルは、一つの底面パネル５と、複数の垂直パネル２とを含む。図２（ｂ）が示すように、垂直パネル２は、底面パネル５に対し垂直に立設されており、かつ、互いに平行に、垂直パネル２の高さ方向の長さと同じ間隔を開けて並設されている。また、支持体６の受光面側には、水分やほこりなどから受光面を守るため、保護ガラス３０が設けられている。垂直パネルは、片面に太陽電池を備えた太陽電池パネルを２枚、太陽電池を有しない面を貼り合わせるなどにより形成されている。また、貼り合わせて形成される垂直パネルの厚さをできるだけ薄くするように、出力ケーブル８は、垂直パネルの位置的にずれた位置に配置されている。

図３（ａ）は、両面に受光面を有する垂直パネルを与える場合の実施の形態を示している。図３（ａ）に示すように、２枚の垂直パネル２は、互いの裏側面を合わせるように接合されている。また、図３（ｂ）は、後述する井桁型太陽電池アレイにおける、両面に受光面を有する垂直パネルを与える場合の実施の形態を示している。図３（ｂ）に示すように、２枚の垂直パネル１４および１５は、互いの裏側面を合わせるように接合されている。また、図３（ｂ）は、２枚の垂直パネル１４および１５が、貼り合わせて形成される垂直パネルの厚さをできるだけ薄くするように、出力ケーブル８は、垂直パネルの位置的にずれた位置に配置されており、かつ、井桁を組むための切り込みに係らない位置に配置されている態様を示している。

図４は、複数の垂直パネル２を底面パネル５に対して取り付ける場合の実施の形態を示した図である。図３（ａ）に示すように、２枚の垂直パネル２が互いの裏側面を合わせるように接合されて両面に受光面を有する一組の垂直パネルとなった後、上述した複数の垂直パネルは、底面パネル５に対し垂直となるように立設されている。また、支持体６の両脇においては、１枚の垂直パネル２が受光面を内側に向けて底面パネル５に垂直に立設されている。また、各垂直パネルは、互いに平行になるように並設されており、各垂直パネルの間は、垂直パネルの高さ方向の長さに等しい間隔が設けられている。なお、垂直パネルの立設には、公知の接着材を適宜に選択して使用することができる。

図５には、垂直パネル２のより詳細な構成を示す。図５（ａ）は、垂直パネル２の太陽電池が構成された受光面を示す。垂直パネル２の受光面側には、図示しない複数の太陽電池セルが透明な充填剤の中に封入され、その表面には、フロントカバーが設けられている。ただし、本発明においては、封入される太陽電池セルの種類およびフロントカバーの種類について特に限定するものではない。たとえば、太陽電池セルについては、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよびアモルファスシリコンなどシリコン系のセルや、シリコン以外の化合物材料を用いたセルなど公知の太陽電池セルを、使用環境に合わせて適宜に選択することができる。またフロントカバーについても、白板強化ガラスや透光性フィルムなど、光透過率が高く機械強度に優れた公知の素材を、使用環境に合わせて適宜に選択することができる。

図５（ｂ）は、垂直パネル２の裏側面を示す。垂直パネル２の裏側面には、端子箱７が着設され、端子箱７には２本の出力ケーブル８が接続されており、出力ケーブル８の先端には防水コネクター９が装着されている。図５（ｃ）は、垂直パネル２の側面図である。図５（ｃ）が示すように、端子箱７は、垂直パネルの高さ方向上部に突出して着設されている。端子箱７が、垂直パネルの高さ方向上部に着設されていることにより、図３（ａ）に示すように、２枚の垂直パネル２が、互いの裏側面を合わせるように接合された場合に、それぞれの端子箱７が重なり合わない工夫がなされている。

底面パネル５の受光面および裏側面は、上記の垂直パネル２と同じ構造を備える。本実施形態においては、底面パネル５に１枚の太陽電池パネルを採用しているが、別の実施形態においては、複数の太陽電池パネルを平面状に
に並べて構成してもよい。

図６は、各太陽電池パネルの配線の態様を示す。図６において、図示する矢印のＡ方向に受光面を向けて立設された垂直パネル２を垂直パネル２Ａとし、図示する矢印のＢ方向に受光面を向けて立設された垂直パネル２を垂直パネル２Ｂとした場合、底面パネル５、垂直パネル２Ａおよび垂直パネル２Ｂに入射する太陽光の光エネルギー量はそれぞれ異なる。この理由は、ある時点において、各パネルの直達日射に対する傾斜角が異なるため、各パネルが受ける直達日射光の量が異なり、また同時に各パネルが受ける反射光の量も異なるからである。したがって、各パネルの電気の出力量も異なることになる。このため、各パネルを、受光面が向いている方向ごとにグループ分けし、上記グループごとに配線したのち、上記グループごとに別々の変圧器を経てから蓄電装置に接続する必要がある。

図６が示すように、垂直パネル２Ａの各防水コネクター９に接続ケーブル１１が配線され、垂直パネル２Ｂの各防水コネクター９に接続ケーブル１２が配線される。グループごとに配線がなされた各パネルは、支持体６に取り付けられ、接続ケーブル１１、接続ケーブル１２、および底面パネル５の出力ケーブル８のそれぞれのコネクターは一カ所に集められ、支持体６に設けられたコネクター用開口部３に嵌着される。最後に、図示しない支持体６の受光面側に保護ガラス３０が設置される。

図７は、本発明の太陽電池アレイ１３の第２の実施形態を示す。太陽電池アレイ１３は、自動車などの移動体に設置されることを想定して構成されている。太陽電池アレイ１３が自動車などの移動体に設置された場合、移動体から見た太陽光の入射方向はその移動に伴い変化する。したがって、太陽電池アレイ１３は、あらゆる方向から入射してくる太陽光を有効に受光しうるように、垂直パネルの受光面が、図示する矢印のＡ、Ｂ、ＣおよびＤの異なる４つの方向を向いて構成されている。

図７（ａ）は、太陽電池アレイ１３の斜視図であり、図７（ｂ）は、太陽電池アレイ１３をＹ−Ｙ線に沿って切断して示した断面図であり、図７（ｃ）は、太陽電池アレイ１３をＺ−Ｚ線に沿って切断して示した断面図である。太陽電池アレイ１３は、太陽電池パネルと、支持体６と、保護ガラス３０とから構成されており、上記太陽電池パネルは、一つの底面パネル５と、複数の垂直パネル１４および垂直パネル１５とを含む。図７（ｂ）は、上述した図３（ｂ）に示した２枚の垂直パネル１４および１５からなる、両面が受光面である垂直パネルが、それぞれの切り込みを底面パネル５側に向けて、底面パネル５に対し垂直に立設されている態様を示す。また、図７（ｃ）は、同様に両面が受光面である垂直パネルが、それぞれの切り込みを保護ガラス３０側に向けて、底面パネル５に対し垂直に立設されている態様を示す。

図８（ａ）は、垂直パネル１４の裏側面を示し、図８（ｂ）は、垂直パネル１５の裏側面を示す。垂直パネル１４および垂直パネル１５には、図７（ａ）に示す井桁構造を構成するための切り込みが設けられている。図３（ｂ）が示すように、垂直パネル１４と垂直パネル１５とが、互いの裏側面を合わせるように接合された場合、それぞれの端子箱７が重なり合わない様に、その着設位置を上下に振り分ける工夫がなされている。また、図示しない垂直パネル１４および垂直パネル１５の表面は、垂直パネル２と同じく受光面となっており、複数の太陽電池セルが透明な充填剤の中に封入され、その表面にはフロントカバーが設けられている。

図９は、複数の垂直パネル１４および１５を底面パネル５に対して取り付ける場合の実施の形態を示した図である。図３（ｂ）に示すように、２枚の垂直パネル１４および１５が互いの裏側面を合わせるように接合されて両面に受光面を有する一組の垂直パネルとなる。その後、上述した複数の垂直パネルのうち半分は、それぞれの切り込みを保護ガラス３０側に向けて、底面パネル５に対し垂直に立設されている。さらに後の半分は、それぞれの切り込みを底面パネル５側に向け、かつ、すでに立設されている垂直パネルの切り込みに対し組み合わせるようにして、底面パネル５に対し垂直に立設されることで井桁構造を構成している。なお、垂直パネルの立設には、公知の接着材を適宜に選択して使用することができる。

図１０は、各太陽電池パネルの配線の態様を示す。第一の実施形態と同じく、太陽電池パネルの受光面の方向ごとにグループ分けされ、図示する矢印Ｂ方向に受光面を持つ垂直パネル１４は、接続ケーブル１６に、図示する矢印Ａ方向に受光面を持つ垂直パネル１５は、接続ケーブル１７に、図示する矢印Ｄ方向に受光面を持つ垂直パネル１５は、接続ケーブル１８に、図示する矢印Ｃ方向に受光面を持つ垂直パネル１４は、接続ケーブル１９にそれぞれ接続される。グループごとに配線がなされた各パネルは、支持体６に取り付けられ、各ケーブルのコネクターは一カ所に集められ、支持体６に設けられたコネクター用開口部３に嵌着される。最後に、支持体６の受光面側に保護ガラス３０が設置される。

図１１は、本発明の太陽電池アレイを最も単純化した太陽電池アレイモデル４０に、太陽光が、入射角０°、１５°、３０°、４５°、６０°および７５°で入射する態様を示した概念図である。太陽電池アレイモデル４０は、高さ方向の長さの等しい３つの受光面からなり、一つの底面４０ｃに対し二つの垂直面４０ａおよび４０ｂが垂直に立設されている。このモデルとの対比でいえば、従来の平面構成の太陽電池アレイは、底面４０ｃのみを意味することになる。したがって、太陽電池アレイモデル４０は、従来の平面構成の太陽電池アレイと比較して、設置面積あたり３倍の受光面を備えていることがわかる。太陽電池アレイモデル４０の各受光面に入射した太陽光の一部は反射され、その反射光は、前記入射面に対し垂直に立設された最寄りの受光面に再び入射する。図１１の各太陽電池アレイモデル４０の中の点線が、その反射の態様を概念的に示す。下記の表１は、従来の平面構成の太陽電池アレイに対する本発明の太陽電池アレイモデル４０の、設置面積あたりの発電量の比の理論計算値を入射角度ごとに示す。ただし、本計算においては、太陽電池パネルからの直接反射を７５％、太陽電池パネルからの散乱光を１０％、太陽電池パネルの変換効率を１５％と仮定し、太陽電池パネルおよび外部からの散乱光は切り捨てた。

本願の発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば、他の実施形態においては、各垂直パネルと底面パネルとが接合されていなくてもよく、各垂直パネルと底面パネルとの間に、排水および通気のための隙間が設けられていてもよい。また、他の実施形態においては、各パネルは、必ずしも箱形の支持体の中に構設されていなくてもよく、排水および通気のための隙間を備えた骨格構造を有する支持体に緊止されることによって、互いが立体的に構成されていてもよい。また、他の実施形態においては、両面が受光面であるタイプの垂直パネルを用いてもよい。また、他の実施形態においては、宇宙空間など、水分やほこりの影響を受けない環境での使用を想定し、受光面側に保護ガラスが設けられなくてもよい。

太陽電池アレイ１が家屋の屋根２０に設置される態様を示した概略的斜視図。図２（ａ）は、太陽電池アレイ１の斜視図であり、図２（ｂ）は、太陽電池アレイ１をＸ−Ｘ線に沿って切断して示した断面図。図３（ａ）は、２枚の垂直パネル２が互いの裏側面を合わせて接合される態様を示した図であり、図３（ｂ）は、垂直パネル１４および垂直パネル１５が互いの裏側面を合わせて接合される態様を示した図。複数の垂直パネル２が底面パネル５に立設される態様を概念的に示した斜視図。図５（ａ）は、垂直パネル２の受光面を示す図であり、図５（ｂ）は、垂直パネル２の裏側面を示す図であり、図５（ｃ）は、垂直パネル２の側面図。接続ケーブル１１および１２が、各垂直パネルに接続される態様を示した図。図７（ａ）は、太陽電池アレイ１３の斜視図であり、図７（ｂ）は、太陽電池アレイ１３をＹ−Ｙ線に沿って切断して示した断面図であり、図７（ｃ）は、太陽電池アレイ１３をＺ−Ｚ線に沿って切断して示した断面図。図８（ａ）は、垂直パネル１４の裏側面を示す図であり、図８（ｂ）は、垂直パネル１５の裏側面を示す図。垂直パネル１４および垂直パネル１５が、底面パネル５に井桁状に立設される態様を概念的に示した斜視図。接続ケーブル１６、１７、１８および接続ケーブル１９が各垂直パネルに接続される態様を示した図。太陽電池アレイモデル４０に、太陽光が入射する態様を示した概念図。

符号の説明

１…太陽電池アレイ
２…垂直パネル
３…コネクター用開口部
５…底面パネル
６…支持体
７…端子箱
８…出力ケーブル
９…防水コネクター
１１…接続ケーブル
１２…接続ケーブル
１３…太陽電池アレイ
１４…垂直パネル
１５…垂直パネル
１６…接続ケーブル
１７…接続ケーブル
１８…接続ケーブル
１９…接続ケーブル
２０…屋根
３０…保護ガラス
４０…太陽電池アレイモデル
４０ａ…太陽電池アレイモデルの垂直面
４０ｂ…太陽電池アレイモデルの垂直面
４０ｃ…太陽電池アレイモデルの底面

Claims

立体多面構造を有する太陽電池アレイであって、前記太陽電池アレイは、
太陽電池を備える底面受光面と、
前記底面受光面に垂直に立設され、太陽電池を備える複数の垂直受光面とを備え、
前記複数の垂直受光面は、両面に太陽電池が配置され、かつ、互いに平行に並設された太陽電池アレイ。
前記垂直受光面は、２つの太陽電池パネルが隣接して形成されており、前記太陽電池の出力ケーブルは、互いに重なり合わないように異なる位置に配置される、請求項１に記載の太陽電池アレイ。
前記複数の垂直受光面は、前記底面受光面上に井桁構造として配置される、請求項１に記載の太陽電池アレイ。