JP2009520375A - 入射放射の選択的集中を備えた光起電力デバイス及び生産設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、入射太陽放射を直流に変換するための複数の光起電力パネル３と、少なくとも１つの反射表面２と、太陽光線の出所の方向の方位及び／又は迎角に関する電気機械追跡システム７を有する支持体５によって支持されたフレーム４に配置された入射太陽放射を集中するための反射焦点要素８とを含む種類の光起電力デバイス１及び対応する生産設備に関し、前記反射焦点要素８は、前記反射焦点要素によって前記光起電力パネル３に反射される入射放射へのシャッタ手段を前記反射焦点要素８上にさらに備える。

Description

本発明は、入射放射の選択的集中を備えた光起電力デバイス及び前記デバイスが繰返し型モジュールの重要部分である生産設備に関する。

本発明は、主要源としての太陽放射の使用による電気エネルギー生産の分野に関する。

研究及び産業の両方に関して、現在、入射放射の集中を備えた光起電力変換システムは、世界的規模で大きな注目を受けるに値する再生可能エネルギーの開発の分野の一代表であることが知られている。

この技術への大きな関心の理由は、全照射時間中に生産されたエネルギーの増加と実際に有用である日射時間数の増加との組合せ効果のために総生産コスト（実質的には、生産されたキロワット時のコスト）が低減することに関係する。

これらのシステムは、高い値の直射太陽放射を特徴とする施設用地に設置された場合最良の利点を示すことは明らかである。

現在知られているシステムは様々な範疇に分類することができる。

現在の光起電力用途の大部分は、生産設備の非常に単純な機能及び形状を特徴とする。実際には、固定点の方へ向けられ、固定支持表面によって固定位置に支持された平面パネルによってそれらは構成される。好ましくは、これらのパネルは正午の太陽の通過点の方に向けられ、すなわち、夜明けの方位の位置と日没の方位の位置との間の中間位置に配置される方位、及び夏至の正午の太陽の高さと冬至の正午の太陽の高さとの間の中間位置に配置される高さの点の方に向けられる。実際には、日中の間最も長い時間太陽光線によって照射することができる場所が選ばれ、さらに、日中の間の太陽光線とパネル表面との入射角の結果の最小化が探される。しかし、より多くの場合、パネルの位置は、パネルの支持体として好都合に使用することができる既存の建築要素又は自然要素の向いている方向及び角度などの外部要因に依存する。この種の生産設備の例は、ビルディングの壁及び屋根を覆うパネルによって構成される。

第２の種類の用途（特に大きい生産設備に適用される）は、単に方位で（東西の追跡）及び方位と仰角の両方で空の太陽の経路中の太陽を追跡することが可能な構造によって支持されている光起電力パネルを備える。追跡のそのような構造の目的は、明らかに、パネルと太陽光線の出所の方向との位置調整に由来する入射太陽エネルギーを最大化することによって、生産された電気エネルギーの量を最大化することである。

最後に、さらなる種類の用途（現在まで実際には高温熱力学生産設備にのみ適用されている）では、入射光線の太陽集中も備えており、すなわち、光電池は１つ又は複数の集中ミラーの焦点に対応して配置された要素によって構成される。この解決策により、自然の値の数百倍に等しい入射太陽放射の集中値を達成することができる。太陽放射のそのような値に関連した高温により特別な光電池の使用が強いられる。太陽エネルギーの電気エネルギーへの変換の高い収率を特徴とするそのようなセルは市販の単結晶又は多結晶シリコン・セルと大きく異なる。

その結果として、この最後の種類の用途が放射の集中のない用途よりもはるかに有利になる場合でさえ、他方では実現するのが困難であり、高いコストを必要とすることになる。

最後に、高い変換収率の利益を得ている「従来の」単結晶又は多結晶シリコン光電池でさえ集中化太陽放射にさらすことが可能であるが、限定条件でセルを使用するために一連の技術的問題が前もって解決されなければならない。

実際には、一方では、この種の解決策は光電池が最適照射値で動作するのを可能にするが、他方では、過度の集中により、例えば日中の中間の時間の間、同じセルの電気機械的限界、特に機能温度の上限及び短絡電流の限界を超過することがある。

この状況が生じるのを避けるために、この種の用途は、システムが光電池上の入射太陽放射を連続的に制御するのを可能にして、これらの限界を超えるのを避けることができる、すなわち瞬時値が使用された光電池の最大許容値よりも少し低いことになる解決策を準備すべきである。

実際には、日中の間光電池の収率を最大にするために、露光システムは太陽照射状態の変化に適応することができるべきである。

この状況において、光電池上の入射太陽放射の追跡及び集中の両方が可能である生産設備用に、太陽放射が光電池に達する前に太陽放射を予備処理することによる革新的解決策を提供する目的の本発明による解決策が提案される。

これら及び他の結果は、本発明により、光電池上に収集及び集中される太陽放射の制御・変換デバイスを導入することによって、従来技術による解決策の組合せを構成し、そのような組合せが必然的に引き起こす欠点を克服する光起電力デバイス及び生産設備を提案することによって達成される。

さらに特に、本発明によるデバイスは、太陽放射の変換の以下の続いて起こる工程の太陽光線の出所の方向の追跡のための電気機械システムと、反射及び収集された太陽放射の光学処理のための反射器／集中装置で製作されたシステムと、入射太陽放射を直流に変換するためのシリコンなどの半導体材料で製作されるセル上の複数の光起電力パネルと、直流電力を低電圧交流電力（３８０ボルト、５０Ｈｚ）に変換するための固体インバータと、変圧器と、保護部材と、生産された電気エネルギーの配電網への管理された移送のための測定機器とを備える。

したがって本発明の第１の具体的な目的は、入射太陽放射を直流に変換するための複数の光起電力パネルと、少なくとも１つの反射表面と、太陽光線の出所の方向の方位及び／又は迎角に関する電気機械追跡システム（７）を有する支持体によって支持されたフレーム上に配置された入射太陽放射を集中するための反射焦点要素とを含む種類の光起電力デバイスであって、前記反射焦点要素が前記光起電力パネルの方に反射される入射放射へのシャッタ手段をさらに備える光起電力デバイスを提供することである。

好ましくは、本発明によれば、入射放射への前記シャッタ手段は、太陽放射に対して様々な度合いの不透明度及び／又は太陽放射の様々な波長に対して様々な特性の透明度を備え、様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する区域を構成する前記反射焦点要素の１つ又は複数の表面によって構成することができ、前記反射焦点要素は必要に応じて様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する区域を随時入射放射にさらすように回転することができる。

好ましくは、本発明によれば、様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する前記区域は、随意にプラスチック材料で製作されたフィルム上に支持された、アルミニウム及び／又は金属酸化物に基づいた被覆を前記反射焦点要素上に塗布することによって実現される。

特に、本発明によれば、様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する前記区域は、０．４ｎｍと０．８ｎｍとの間に含まれる波長の放射の様々な度合いのフィルタ作用を有する。

したがって、そのような被覆層は、金属堆積パラメータに応じて、高い又は低い度合いの可視光の通過だけでなく高い又は低い度合いのＵＶ放射又は赤外放射の反射を可能にする。

本発明によれば、機械的研磨処理にかけられ、その後最終パラボラ形状に冷間成形され、続いて透明アクリル塗料よって被覆されるアルミニウム層によって前記反射表面は実現される。

常に、本発明によれば、前記反射焦点要素はガラスで製作される。

好ましくは、本発明によれば、前記反射焦点要素はプリズムによって構成され、その各面は様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有するように処理される。

より好ましくは、本発明によれば、前記プリズムの各面上に、アルミニウム及び／又は金属酸化物に基づいた様々な被覆を支持するプラスチックフィルムで製作された中間層と、前記面との接着のための内部接着層と、外部保護層とによって構成される様々な薄層状被覆が塗布される。

さらに、本発明によれば、前記光起電力デバイスは、直流電力を低電圧交流電力に変換するための固体インバータと、変圧器と、保護部材と、生産された電気エネルギーの配電網への管理された移送のための測定機器とをさらに含む。

さらに、本発明の第２の具体的な目的は、先に記載された１つ又は複数の光起電力デバイスによって構成され、単一回路を形成するように互いに連結され、モニタ及び管理のための自動電子システムを含む光起電力生産設備を提供することである。

次に、本発明が、好ましい一実施例により、特に添付の図面の図を参照しながら限定ではなく例示のために説明される。

図１〜４を参照すれば、本発明による光起電力デバイスは全体として参照番号１によって参照され、太陽光線の出所の方向の追跡のための電気機械システム７を備えた基部６上に在る支持体５によって支持されたフレーム４上に配置された反射表面２及び複数の光起電力パネル３によって構成される。光起電力デバイス１は、反射表面２によって反射された放射を収集し、説明の中で後でより詳細に示される適切な光学処理をその放射に施し、入射太陽放射を直流に変換するための光起電力パネル３にその放射を導く任務を有する反射焦点要素８をさらに含む。このデバイスは、図示されていないが機能を必要とする他のデバイス、特に、直流電力を低電圧交流電力（３８０ボルト、５０Ｈｚ）に変換するための固体インバータと、変圧器と、保護部材と、生産された電気エネルギーの配電網への管理された移送のための測定機器とをさらに含む。

本発明による生産設備は、単一回路を形成するように互いに連結された１つ又は複数の光起電力デバイス１によって構成される。

全生産設備は自動監視システムによってモニタし制御することができる。

特に、本発明のデバイスの様々な構成要素を分析することによって、太陽光線の出所の方向を追跡するための電気機械のシステム７は、デバイス１のフレーム４、したがって反射表面２及び光起電力パネル３を方位及び迎角の両方について方向づけることができるようにする。移動は、局所プログラマブル論理制御回路（ＰＬＣ）によって制御された電気機械アクチュエータによって与えられる。基準信号はＰＬＣのメモリに記憶される。

さらに、適切な振動センサによって示された信号により、風の速度が事前に定めた閾値を超える場合、電気機械システム７はデバイスを安全位置に置くことができる。

フレーム４は剛性であり、例えば、互いに溶接された管によって構成することができる。そのような場合、本体全体を実現する非常によい方法は、不活性雰囲気連続ワイヤ潜アーク溶接によって実現することができる。そのような種類の溶接は、溶接継手（Ｚ＝１）の機械工効率の予測可能性及び幾何学的公称値に対して与えられる寸法許容差限界の事項を共に保証する。

さらに完成した構造が保護塗装サイクルにかけられるのはよい規則である。例えば、フレーム４の構造は、標準ＩＳＯ８５０１−１：１９８８に従った圧縮空気Ｓａ２−１／２級を用い、２５〜３０μｍのサンドブラスト・プロファイルを有するサンドブラストと、少なくとも７５μｍの乾燥膜の最終厚さを得るための耐蝕プライマ（亜鉛の豊富なケイ酸エチルなど）の被覆の塗布と、乾燥状態で少なくとも４０μｍの最終厚さを有する第２の中間層を形成するためのクロロゴム塗料の被覆の引き続いた塗布とを行うサイクルを受けることができる。少なくとも４０μｍの最終乾燥厚さを有する外部層を形成するためのアルキド変性クロロゴム塗料の最終塗布。したがって、塗料の乾燥多層膜の最終厚さは少なくとも１５５μｍに等しくなるはずである。

フレーム４上の光起電力パネル３の静止部は、例えば溶接プロファイルで製作された金属要素によって固定され、一方、反射／集中要素の支持体は形成された心出しによって構成される。

パネルと太陽光線の出所の方向との一定の位置調整は２つの関節連結の支持体５が在ることよって可能になり、第１の関節連結９は水平回転軸を有し、第２の関節連結１０は垂直回転軸を有する。

特に、関節連結、すなわち水平軸関節連結９及び垂直軸関節連結１０は共に共軸スリーブの周りに造られたピボット及び平面スラスト・ブロック軸受によって構成される。前記スリーブ及びベアリングの構造材料はガラス繊維を載せたテフロン（登録商標）である。そのような解決策は、主に運動学（ｋｉｎｅｍａｔｉｓｍｓ）の準静的機能条件を考慮して採用された。実際には、仰角が６０°の完全回転の場合、そのような移動が約６時間の期間に行われなければならない。約１０分ごとの指示動作によって、それは各移動当たり２．５六十進法度（ｓｅｘａｇｅｓｉｍａｌ ｄｅｇｒｅｅ）及び毎秒数センチメートルの接触速度を意味する。同じ状況が方位の追跡動作に適用され、１０時間の期間における１５０°の全日平均及び１０分ごとの動作の場合、それは各移動当たり５六十進法度未満の単位幅を意味する。

前記ベアリングにより、いかなる半径方向応力、軸方向応力、及び転倒モーメントも基部に移ることができる。そのような応力は、デバイスの重み及びときどきデバイスにぶつかる風の作用の両方に起因するものである。

基部６に関して、施設用地への影響（永久変形に関して）を低減するために、図を参照しながら示された好ましい実施例により選ばれた基礎地盤の種類は鉄筋コンクリートで製作された厚板である。

地盤保護の論理に従って、基礎地盤受台はいかなる掘削もなしに地盤に打設される。

入射太陽放射の集中が言及されたが、集中はパラボラ曲げを有する特定の反射表面２によって得られることが既に述べられた。このようにして得られた放射は、反射表面２によって構成されたパラボラの幾何学的焦点に非常に近い位置に配置された反射焦点要素８によって光電池３上に分配される。反射表面２は、太陽光線の方向に常に調整されるように光起電力パネルの表面の法線に対して平行であり、フレーム４と一体化された軸をもつパラボラ・プロファイルを与える。したがって、太陽放射はパラボラの幾何学的焦点の近くに配置された反射表面に集中され、ここから光起電力パネル３の表面の方に反射される。

光電池に反射され分配される放射の値は周囲の値の２倍を超える（正確な値は、本発明のデバイスの好ましい実施例によれば、１：２．３の集中比、すなわち、追加収集の反射表面２の２．３ｍ^２当たり太陽に直接さらされる光電池３の１ｍ^２である）。最終的に、光電池が受ける太陽放射は瞬間放射強度の約３倍に等しい。

明らかに、そのような比は、設置用地の緯度に生産設備を完全に適応させるように変更されなければならない。

光電池によって生産された電気エネルギーは入射太陽エネルギーの値に比例した結果になる。

本発明のデバイスの最高性能を達成するために、図１〜４に示された実施例によれば、機械的研磨処理にかけられ、その後最終パラボラ形状に冷間成形されるアルミニウム層によって反射表面２は実現される。反射表面は最終的に透明なアクリル塗料で被覆される。焦点要素８は、全反射値及び赤外／可視／ＵＶ比によるものの両方を制御するための薄層状要素が前もって塗布されたガラスで製作される。

最大太陽放射の時間に対応して、直接照射と反射集中放射との組合せ結果が光電池の最大設計動作値を超えることがある。この場合、直接の影響はシリコン・セルの温度の増加及び生産される電気エネルギーのその後の急激な減少になるであろう。

これが生じるのを避けるために、本発明の光起電力デバイスでは、自動動作機構がシャッタ手段の動作によって光電池３上の入射太陽放射を遮ることができる。この機構の制御信号は、単一のモジュールによって随時生成される電力データを、メモリに常駐するマトリクスに記憶されたもの及び使用される光電池の特性、すなわち光電池の瞬間動作温度によって評価された全て（ｉｌ ｔｕｔｔｏ）のものとＰＬＣ比較することによって起動される。

シャッタ手段は、様々な反射の度合いで区域を限定するように反射焦点要素８上に配置された、太陽放射の様々な度合いの不透明度（すなわち反射）を有するフィルムによって構成される。反射焦点要素８の回転によって、パラボラ要素から光電池までの光線経路に沿って、光電池上の入射太陽放射の量及び質を決定する可変反射をもつ表面を差し挟む。このようにして、太陽放射が、部分的な遮光がないことによって光電池の動作閾値を超える値に達する場合さえ光電池上に実際に入射する太陽放射の値は設計上限で阻止される（図示の実施例の場合、１４８９ワット／ｍ^２の設定値）。

本発明に従って光起電力デバイスに埋め込まれたセルの閾値動作値は光電池製造業者によって一般に公表されているもの（すなわち、１０００ワット／ｍ^２の定格放射）よりもかなり大きい。本発明によれば、実際には、温度がセルの閾値動作温度以下であるならば、光電池は１４００ワット／ｍ^２の放射で規則的に作動することができる。

図５は、事前に定めた入射放射値での温度に応じた予想される固有電圧／電流曲線を示す。光電池の動作温度が増加すると端子における電圧が減少することは明らかである。

図６は、温度の事前に定めた値での入射放射に応じた固有電圧／電流曲線を示す。この図は、光電池の放射が増加すると端子で供給される電流が増加することを示している。

したがって、特性曲線の傾向は、動作温度と短絡電流の２つの設計閾値によって実質的に集約することができる、電気機械限界に適合した放射の最大可能値に光電池をさらすことが好都合なことを説明している。

光電池上の入射太陽放射へのシャッタ手段は、本発明によれば、さらに別の特権を有する、すなわち光放射の様々な波長に対しての様々な「透明度」特性を有する。

この結果は、アルミニウムと、タイポロジ（ｔｙｐｏｌｏｇｙ）及び集中に関して異なる金属酸化物との薄い層が塗布されるプラスチックフィルムによって達成することができ、０．４ｎｍと０．８ｎｍとの間に含まれる波長を有する範囲のエネルギー量を低下させるように入射太陽放射を調整することができる。

実際には、この範囲内に含まれる波長をもつ放射については、分配されたエネルギーと光電池によって変換された、したがって有用なエネルギーとの比は、光電池によって実際に変換されたエネルギーの曲線と共に任意の波長の入射太陽放射の曲線を示す図７から明らかなように、特に好ましくないことが分かった。

１．５ｎｍより長い波長当たりの太陽放射の値の著しい減少も示されている図７によって示される傾向は、関係する物理現象を考慮して理解することができる。実際には、各単一フォトンのエネルギーが低すぎるので電子と原子核との間の結合を壊すことができないことがあり（１．５ｎｍよりも長いスペクトル波長）、それは入射フォトンがその作用によって光電池の端子で自由電子を利用できるようにすることができないという結果であり、又は、フォトン・エネルギーが電子−正孔対を生成するのに十分である場合、各単一フォトンのエネルギーが高すぎることがあり（０．４ｎｍと０．８ｎｍとの間に含まれるスペクトル波長）、したがって、電子を原子核から遊離させるのに必要なものを超えるエネルギーの量が熱として消散される。この第２の場合では、フォトンによる熱が光電池の温度上昇及びその結果の効率損失の原因の１つである。

選択的な遮光特性をもつフィルムを使用するのは、入口太陽エネルギーを完全に利用できるようにするためにこれらの波長のエネルギー量を低下させることを目的とする。

本発明による光起電力デバイスの利点は、特に引き出されたエネルギーの最大化に関しては自明である。最大放射の期間の間、集中と選択的フィルタの組合せ効果により、光電池は、実際の最上条件すなわちシリコン・セルの２つの物理的限界の一方、すなわちセルの温度又は循環電流の最大値を考慮した最大許容太陽放射のわずかに下で動作することができる。

さらに、得ることができる高い集中のために、本発明のデバイスは、限定された放射状態（曇天）で引き出されるエネルギーの最大化に特に有効である。

さらに、フィルタ処理用フィルムの選択作用の結果により、多量のエネルギーを有するスペクトル帯の消散の結果として生じる加熱を低減することが付け加えられなければならない。

本発明が好ましい実施例により、限定ではなく例示のために説明されたが、変形及び／又は変更が、この理由のために、添付の特許請求の範囲に記載されたような関係する保護の範囲から逸脱することなく当業者によって行われ得ることが理解されなければならない。

最大仰角の位置における本発明による光起電力デバイスの側面図である。 最小迎角の位置における図１の光起電力デバイスの側面図である。 図１の光起電力デバイスの背面図である。 様々な入射太陽光線の経路を示す図１の光起電力デバイスの側面図である。 事前に定めた入射放射値での温度に応じた本発明の光起電力デバイスの固有電圧／電流曲線の図である。 事前に定めた温度での入射放射値に応じた固有電圧／電流曲線の図である。 波長に応じた入射太陽放射値のラインが、定められた波長値で光電池によって実際に変換されたエネルギー値のラインと比較されている図である。

Claims (13)

1. 入射太陽放射を直流に変換するための少なくとも光起電力パネル（３）と、少なくとも１つの反射表面（２）と、太陽光線の出所の方向の方位及び／又は迎角に関する電気機械追跡システム（７）を有する支持体（５）によって支持されたフレーム（４）に配置された前記入射太陽放射を集中するための反射焦点要素（８）とを含む種類の光起電力デバイス（１）であって、前記反射焦点要素（８）が前記光起電力パネル（３）の方に反射される入射放射へのシャッタ手段をさらに備えることを特徴とする光起電力デバイス（１）。
2. 前記入射放射への前記シャッタ手段が、前記太陽放射に対して様々な度合いの不透明度及び／又は前記太陽放射の様々な波長に対して様々な特性の透明度を備え、様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する区域を構成する前記反射焦点要素（８）の１つ又は複数の表面によって構成され、前記反射焦点要素（８）が必要に応じて様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する区域を随時前記入射放射にさらすように回転することができることを特徴とする請求項１に記載の光起電力デバイス（１）。
3. 様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する前記区域が、前記反射焦点要素（８）上にアルミニウム及び／又は金属酸化物に基づいた被覆を塗布することによって実現されることを特徴とする請求項２に記載の光起電力デバイス（１）。
4. アルミニウム及び／又は金属酸化物に基づいた前記被覆がプラスチック材料で製作されたフィルム上に支持されることを特徴とする請求項３に記載の光起電力デバイス（１）。
5. 様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有する前記区域が、０．４ｎｍと０．８ｎｍとの間に含まれる波長の放射の様々な度合いのフィルタ作用を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
6. 機械的研磨処理にかけられ、その後最終パラボラ形状に冷間成形されるアルミニウム層によって前記反射表面（２）が実現されることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
7. 前記反射表面（２）が透明なアクリル塗料によって被覆されることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
8. 前記反射焦点要素（８）がガラスで製作されることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
9. 前記反射焦点要素（８）がプリズムによって構成され、その各面が様々な度合いの不透明度及び／又は反射を有するように処理されることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
10. 前記プリズムの各面上に、アルミニウム及び／又は金属酸化物に基づいた様々な被覆を支持するプラスチックフィルムで製作された中間層と、前記面と接着するための内部接着層と、外部保護層とによって構成される様々な薄層状被覆が塗布されることを特徴とする請求項９に記載の光起電力デバイス（１）。
11. 直流電力を低電圧交流電力に変換するための固体インバータと、変圧器と、保護部材と、生産された電気エネルギーの配電網への管理された移送のための測定機器とをさらに含むことを特徴とする請求項１から１０までのいずれかに記載の光起電力デバイス（１）。
12. 請求項１から１１に記載されたような１つ又は複数の光起電力デバイスによって構成され、単一回路を形成するように互いに連結された光起電力生産設備。
13. モニタ及び管理のための自動電子システムを含むことを特徴とする請求項１２に記載の光起電力生産設備。

Images