JP2009167665A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】建物の外観を悪化させずに多くの太陽電池を建物の窓ガラスに安全に且つ簡単に設置することができ、太陽光発電を効果的に実施し、建物の外観を彩ることも可能となる太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】この太陽光発電装置は、建物の窓ガラスにフィルム状の色素増感太陽電池１を室内側から透明接着剤を用いて貼り付け、色素増感太陽電池１の正電極２、負電極３の端子部に電線８を接続し、電線８を建物の室内側に配線して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の窓面に色素増感太陽電池を貼着するなどして設置する太陽光発電装置に関する。

近年、地球温暖化問題が深刻化し、温暖化の原因となる炭酸ガスの発生を抑えるために、化石燃料をエネルギー源として使用する火力発電所に変えて或いは発電所の発電を補助するために、各種の事業者の建物や個人住宅において、太陽電池を使用する動きが顕著となっている。このため、個人住宅や各種事業所の建物において、太陽電池の普及が積極的に取り組まれており、下記特許文献１に記載されるように、建物の窓ガラスの内側に、太陽電池を取り付け、窓に差し込む光を太陽電池に取り込んで発電させ、その電力を建物内の電気機器の電源として使用する技術が提案されている。
特開平７−１５８９１７号公報

しかし、従来のこの種の建物の外壁や窓ガラスに付属して設置される太陽電池は、通常、アモルファスシリコン層や結晶性シリコン層などのシリコン基板を有した構造であり、この種の太陽電池は、その構造上、裏面側の電極にステンレスなどの金属板を、基板を覆うように配設しているため、光の透過性は殆どゼロである。

このため、アモルファスシリコン層、結晶性シリコン層などのシリコン系太陽電池を建物の窓ガラスに貼り付けて使用すると、室内に窓ガラスからの採光が遮断される。このため、建物の外側面に多くのガラス面を持った建物においては、ガラス面からの採光が得られないという理由で、太陽電池の設置が制限され、太陽光発電を拡大し或いは普及させることが難しくなっている。

また、一般に使用されているシリコン系太陽電池は、太陽光を入射させる入射面を透明電極により覆っているが、反入射面にはステンレスなどの金属板が他方の電極として配設され、さらに光の受光量を上げるために、反入射側の金属板電極は、一般に黒色系に塗装されている。

このため、この種のシリコン系太陽電池を入射面側から見ると、略黒色を呈して、建物の外壁にこのようなシリコン系太陽電池を貼着した場合、建物の外観が黒色系となり、建物の外観が本来の建物の外観から大きく変わり、建物の外観が悪化するという課題があった。

また、シリコン系太陽電池は、比較的軽量なアモルファスシリコン太陽電池であっても、太陽電池パネルのフレームが強固に形成されているため、そのパネルの厚さはある程度の厚みを持つことになり、窓ガラスに太陽電池パネルを直接貼り付けて使用した場合、窓ガラスにかなりの荷重がかかる。このため、この種の太陽電池パネルを窓ガラスに直接貼着すると、安全性の確保が難しく、太陽電池は窓ガラス以外の屋根や屋上に設置して使用することが通常となっている。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、建物の外観を悪化させずに多くの太陽電池を建物の窓ガラスに安全に且つ簡単に設置することができ、太陽光発電を効果的に実施し、建物の外観を彩ることも可能となる太陽光発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光発電装置は、建物の窓ガラスにフィルム状の色素増感太陽電池を室内側から透明接着剤を用いて貼り付け、該色素増感太陽電池の電極に電線を接続し、該電線を建物の室内側に配線したことを特徴とする。

ここで、色素増感太陽電池は、一方の透明フィルムの内側面に透明の負電極を形成し、負電極の上に酸化チタン層を形成すると共に、酸化チタン層に任意の色の色素を含侵させ、他方の透明フィルムの内側面に透明の正電極を形成し、正電極を負電極の酸化チタン層に合わせるように両透明フィルムを重ね合わせ、ヨウ素を含む電解質溶液を両透明フィルムの重ね合わせ面の内側に充填して構成することができる。

このような太陽光発電装置は、ビルディングの窓ガラスや個人住宅の窓ガラスに、フィルム状の色素増感太陽電池を、その室内側から透明接着剤を用いて貼着し、色素増感太陽電池の電極に接続された電線は室内側に配線して使用される。軽量なフィルム状の色素増感太陽電池を使用するため、各種のビルディングの窓ガラスや個人住宅の窓ガラスに対し、荷重による安全性など何の問題もなく簡単に貼り付けて太陽光発電を行うことができる。

また、建物の室内側に貼着した色素増感太陽電池の電極に、室内側に配線した電線が接続されるため、雨や風などによる太陽電池や電線の接続部分の劣化などの悪影響を受けにくく、簡単な設置に関わらず長期間に渡り太陽光発電を行うことができる。また、特に窓ガラス面の多いビルディングでは、非常に多くの（大面積の）色素増感太陽電池を、それらの窓ガラスに貼り付けて設置することができ、これにより、多くの電力を発電することができる。

さらに、色素増感太陽電池は、透明フィルム、透明電極、透光性の酸化チタン層を用いて構成され、太陽光により励起されて電子を放出する色素が酸化チタン層に含浸される。そして、色素にはシアン、マゼンタ、黄色などの三原色の色素を任意に混合しまたは単独で使用することができ、この色素の色が太陽電池の外観に現れる。このため、ビルディングや個人住宅の窓ガラスを、そこに貼着した太陽電池の色素により、カラフルに彩ることができる。また、色素増感太陽電池は、太陽光を透過させて室内に太陽光を取り込むことができるため、太陽電池の窓ガラスへの貼着にも拘わらず、太陽光による室内の採光を効果的に行うことができる。

色素増感太陽電池で発電された電力は、蓄電部に一旦充電され、ビルディングや個人住宅の直流の電気機器に対しては、そのまま直流電源として使用することができる。また、ビルディングや個人住宅の交流電気機器に対しては、直流・交流変換器により交流に変換して室内の電源線に供給し、室内の電気機器の電源として使用することができる。このため、商用電力の使用量を大幅に減少させることができ、さらに太陽光発電により発電した電力に余剰分が生じた場合、その余剰電力を電力会社に売却して、経済的に使用することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の太陽光発電装置の全体構成図を示し、図２は色素増感太陽電池１の断面説明図を示している。この太陽光発電装置は、図１、２に示すように、ビルディング或いは個人住宅などの建物の窓ガラス９に、フィルム状の色素増感太陽電池１を、室内側から透明接着剤を用いて貼り付け、色素増感太陽電池１の正電極２と負電極３の端子部に電線８を接続し、電線８を建物の室内側に配線して構成される。

図１のように、複数の窓ガラス９がある場合、各窓ガラス９に色素増感太陽電池１を貼り付け、それらの電極の端子部に接続された電線８を並列に接続し、充電制御回路１０にそれらの電線８を接続するようになっている。なお、この色素増感太陽電池１は、１個の太陽電池セルから形成することができるが、出力電圧、出力電流の調整のために、複数の太陽電池セルを直列または並列接続して配置し、複数の太陽電池セルにより１個の太陽電池モジュールを構成し、これを色素増感太陽電池１とすることもできる。

色素増感太陽電池１は、図２に示すように、一方の透明フィルム７の内側面に負電極３となる透明電極を形成し、その負電極３の内側面に酸化チタン層４を形成すると共に、酸化チタン層４に任意の色の色素６を含浸させる。さらに、他方の透明フィルム７の内側面に正電極２となる透明電極を形成し、他方の透明フィルム７の正電極２を、一方の透明フィルム７の負電極３の酸化チタン層４に重ね合わせ、ヨウ素を含む電解質溶液を重ね合わせ面の内側に充填して構成される。

具体的には、色素増感太陽電池１の製造時、先ず、一方の透明フィルム７の内側面に、負電極３として透明電極（例えばＩＴＯ、ＦＴＯ膜）を形成する。次に、その負電極３上に酸化チタン（二酸化チタン）層４を形成する。酸化チタン層４は、酸化チタンを水熱合成し、それを負電極３上に塗布し、それを焼成炉に入れて加熱し、所定の厚さに焼き付けて形成する。酸化チタン層４は焼き付けにより多孔質状に形成される。次に、酸化チタン層４を焼き付けた負電極３側の透明フィルム７を、任意の色の色素を溶かした色素溶液にどぶ付けし、色素６を酸化チタン層４に含浸させる。色素６には、シアン、マゼンタ、黄色などの三原色の色素を任意に混合しまたは単独で使用し、任意の色の色素を使用することができる。

次に、他方の透明フィルム７の内側面に、正電極２として透明電極（例えばＩＴＯ、ＦＴＯ膜）を形成し、その透明フィルム７の正電極２を、上記一方の透明フィルム７の負電極３の酸化チタン層４に合わせるように重ね合わせ、２枚の透明フィルム７，７の縁部を、注入用縁部を除き、エポキシ系樹脂などの透明接着剤により密封接着する。このとき、内側に電解質溶液を注入するための僅かな空間を内側に形成するように、或いは酸化チタン層４に正電極２を接触させて重ね合わせ、両透明フィルム７，７の縁部を密封接着する。

次に、重ね合わせた２枚の透明フィルム７，７の内側に、電解質溶液を注入する。電解質溶液にはヨウ素とヨウ化物の混合溶液を使用する。電解質溶液を透明フィルム７，７の内側に注入し、図２のように、内部空間に電解質溶液を充填した状態で、注入口を密閉する。そして、正電極２と負電極３の端部に銀ペーストを塗布すると共に、それらの端部に端子部を取り付け、色素増感太陽電池１が形成される。

上記のように形成された色素増感太陽電池１は、酸化チタン層４を内部に有しているが、酸化チタン層４は多孔質で且つ極めて薄い薄膜で形成されるため、太陽光を充分に透過させることができ、透光性の良好な太陽電池とすることができる。また、酸化チタン層４に色素６が含浸され、酸化チタンは基本的に白色系であることから、その色素６がほぼ太陽電池の外観色となる。このため、シアン、マゼンタ、黄色などの三原色の色素を任意に混合し、使用する色素の色を選択することにより、各種の色の色素増感太陽電池１の製造が可能となる。

このような色素増感太陽電池１は、図１に示すように、ビルディングや個人住宅のような各種の建物の窓ガラス９に、その室内側から透明接着剤を用いて接着する。各窓ガラス９に貼着された各色素増感太陽電池１は、その正電極２と負電極３の端子部にリード線が接続され、各リード線を含む電線８により各色素増感太陽電池１は相互に並列または直列接続される。リード線を含む電線８の延設部分は室内側に配線され、当該電線８の端部が充電制御回路１０の入力側に接続される。

なお、図１では、各色素増感太陽電池１を電線８により並列接続した状態を示しているが、個々の色素増感太陽電池１の定格出力電圧が低く、全体として高い出力電圧を取り出したい場合などでは、数個の色素増感太陽電池１を直列接続し、さらにそれらの直列ユニットを並列接続して、所望の出力電圧を取り出し、或いは所望の出力電流を取り出すことができる。充電制御回路１０は、各色素増感太陽電池１から有効な直流電力を入力した場合、その電力を蓄電部１１に定電圧の充電電流として供給し、充電させる。また、充電制御回路１０は、蓄電部１１の端子電圧を監視し、蓄電部１１の端子電圧が定格電圧以上に上昇したとき、充電電流を停止して過充電を防止する。

色素増感太陽電池１で発電された電力は、蓄電部１１に一旦充電され、ビルディングや個人住宅の直流の電気機器に対しては、そのまま直流電源として使用することができるが、蓄電部１１にはそこから出力される直流を交流に変換する直流・交流変換器１２が接続される。直流・交流変換器１２は、蓄電部１１から出力される直流を交流に変換して、交流電力を出力し、ビルディングや個人住宅の交流電気機器に対して、交流に変換した交流電力を室内の電源線に供給し、室内の電気機器の電源として使用するようになっている。

つまり、直流・交流変換器１２は、蓄電部１１の端子電圧が定格電圧に達しているとき、その電圧の直流を、商用交流電源の定格交流電圧まで昇圧し交流に変換する。なお、直流・交流変換器１２には、過放電制御回路が設けられ、蓄電部１１の端子電圧が所定の電圧より低下した場合、放電を停止して蓄電部１１の過放電を防止するようになっている。そして、その交流電力を室内の交流電気機器に電源として供給し、或いは商用交流電源側に供給することにより、電力会社に対し太陽電池で発電した電力を売電する。

上記のように、本発明の太陽光発電装置によれば、色素増感太陽電池１の色素６の色を任意の色とし、色素増感太陽電池１の外観を任意の色とすることができるため、例えば、南側一面に多数の窓ガラス９を縦横に配置したビルディングの場合、各窓ガラス９に貼着する色素増感太陽電池１の色を変え、ビルディングの例えば南面全体で、絵文字や絵柄などを作り出すことができる。つまり、背景となる色をひとつの色の色素増感太陽電池１で表現し、その中に文字や絵柄を別の色の色素増感太陽電池１で表現して、文字、絵文字、絵柄などをビルディングの窓ガラス面に創作することができる。

また、このようなビルディングの窓ガラス９面に貼着した各種の色の色素増感太陽電池１は、美しい色の外観を呈し、外側から美しく見ることができるため、広告媒体としても使用でき、さらに各種のＮＧＯ，ＮＰＯ団体などの活動をアピールする媒体などとしても、有効に利用することができる。

なお、上記実施形態では、色素増感太陽電池１を窓ガラス９に貼着したが、色素増感太陽電池１を窓ガラス９の室内側の窓枠内に、懸吊させた形態で設置することもできる。この場合、例えば、伸縮可能な伸縮棒を窓ガラス９の室内側の窓枠内に水平に固定し、色素増感太陽電池１の上端部を挟持する挟持部を伸縮棒の一部に取り付け、その挟持部に色素増感太陽電池１の上端部を挟持させて吊下げた状態として配設することもできる。

この場合、伸縮棒が色素増感太陽電池１の水平支持棒となり、電線８はその伸縮棒（水平支持棒）の内部に配線し、挟持部を通して色素増感太陽電池１の端子部に電線８を接続することにより、電線８を室内側で殆ど露出させずに、配線することができる。伸縮可能な伸縮棒は、窓ガラス９の室内側の窓枠内に、簡単に水平固定することができるため、色素増感太陽電池１を簡便に窓ガラス９に対し装着することができる。また、伸縮棒は窓枠に対し容易に着脱できるため、色素増感太陽電池１も容易に着脱することが可能となる。

また、太陽電池の積算発電量、発電電力、売電電力量、買電電力量などをモニタリングしてディスプレイに表示する電力モニタ装置を設けることもでき、また、各色素増感太陽電池１の端子部に、その端子電圧などを測定するセンサ配線を接続し、各色素増感太陽電池１の運転状況をモニタリングすることもできる。さらに、それらのモニタリングデータを、例えば電話回線を通してモニタサービスステーションなどに送信し、太陽光発電装置の運転状況を常時監視することもできる。

以上説明したように、この太陽光発電装置によれば、軽量でフィルム状の色素増感太陽電池１を使用するため、接着剤によりガラス面に簡単に貼着することができ、ビルディングの窓ガラス９や個人住宅の窓ガラス９に、その室内側から透明接着剤を用いて貼着して簡便に使用することができる。また、軽量でフィルム状の色素増感太陽電池１は、窓ガラス９に貼着した場合でも、地震などの災害時に、荷重による破損などが生じにくく、安全に太陽光発電を行うことができる。

また、建物の室内側に貼着した色素増感太陽電池１の電極の端子部に、室内側に配線した電線８が接続され、電線８も建物の室内側に配線されるため、雨や風などによる太陽電池の端子部や電線８の接続部分の劣化などの悪影響を受けにくく、簡単な設置形態に関わらず、長期間に渡り太陽光発電を行うことができる。また、窓ガラス面の多いビルディングでは、非常に多くの（大面積の）色素増感太陽電池１を、それらの窓ガラス９に貼り付けて設置することができ、これにより、従来、屋上などにのみ太陽電池を設置していたビルディングの発電装置に比べ、より多くの電力を発電することができる。

さらに、色素増感太陽電池１は、その外観を任意の色とすることができるため、ビルディングや個人住宅の窓ガラス９を、任意に決めた太陽電池の色素により、カラフルに彩ることができ、多くの枚数の窓ガラス９を配置しているビルディングでは、各窓ガラス９に貼着する色素増感太陽電池１の色を変えることによって、ビルディングの窓ガラス面に、文字、絵文字、絵柄などを表現して付すことができ、それを広告媒体などとして使用することができる。

また、色素増感太陽電池１は、太陽光を透過させて室内に太陽光を取り込むことができるため、太陽電池の窓ガラス９への貼着にも拘わらず、太陽光による室内の採光を効果的に行い、太陽電池を窓ガラス９に貼着することの弊害を低減することができる。

さらに、色素増感太陽電池１で発電された電力は、蓄電部１１に一旦充電され、ビルディングや個人住宅の直流の電気機器に対しては、そのまま直流電源として使用することができ、ビルディングや個人住宅内の交流電気機器に対しては、直流・交流変換器１２により交流に変換して室内の電源線に供給され、室内の電気機器の電源として使用することができる。このため、送電による電力のロスを最小とし、また発電した電力に余剰分が生じた場合、その余剰電力を電力会社に売電して、経済的に使用することができる。

本発明の一実施形態を示す太陽光発電装置の全体構成図である。 色素増感太陽電池の断面説明図である。

符号の説明

１ 色素増感太陽電池
２ 正電極
３ 負電極
４ 酸化チタン層
６ 色素
７ 透明フィルム
８ 電線
９ 窓ガラス
１０ 充電制御回路
１１ 蓄電部
１２ 直流・交流変換器

Claims (2)

1. 建物の窓ガラスにフィルム状の色素増感太陽電池を室内側から透明接着剤を用いて貼り付け、該色素増感太陽電池の電極に電線を接続し、該電線を建物の室内側に配線したことを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記色素増感太陽電池は、一方の透明フィルムの内側面に透明の負電極が形成され、該負電極上に酸化チタン層が形成されると共に、該酸化チタン層に任意の色の色素が含侵され、他方の透明フィルムの内側面に透明の正電極が形成され、該正電極を該負電極の酸化チタン層に合わせるように該両透明フィルムが重ね合わせられ、ヨウ素を含む電解質溶液が該両透明フィルムの内側に充填されていることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
   

Images