JP2010161231A - 太陽電池パネルおよび太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュールの表面に付着した液体が、太陽電池モジュールの表面上で蒸発する割合を増やし、効率よく太陽電池の冷却を行なうことができる、太陽電池パネルおよび太陽電池システムを提供する。
【解決手段】太陽電池と、太陽電池の受光面側に設けられる透光性板材２とを備える。太陽電池パネルの外表面となる、透光性板材２の上面の少なくとも一部に、複数の凸部３が形成される。この凸部３は、透光性板材２の上面に付着した液体が透光性板材２上を流動する際の流動経路を長くして、透光性板材２と液体との接触面積および接触時間を増やすように設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池パネルおよび太陽光発電システムに関するものである。

太陽電池は、太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換するデバイスであり、一般に、シリコン、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅおよびＧａＡｓなどの半導体材料で構成されている。これらの半導体としての特性から太陽電池は、太陽電池の温度が上昇すると出力電圧が低下するため、発電能力が損なわれる。

太陽電池を冷却することによって発電能力を維持することは可能であるが、現在普及している太陽光発電システムにおいては、積極的な冷却は行なわれておらず、自然の風による空冷が期待されているだけである。

そこで、太陽電池を積極的に冷却する太陽光発電装置を開示した先行文献として、特許文献１がある。特許文献１に開示された太陽光発電装置では、太陽電池の表面を光触媒が担持された板ガラスにより覆っている。さらに、太陽電池モジュールの表面にその表面積１ｍ²当たり１時間に２Ｌ以下の水を散水して湿潤させる水供給手段を設けている。このような構成にすることにより、親水性の光触媒表面からの水の気化熱を利用して、太陽電池の温度上昇を抑制している。

特許第３７５１０１３号公報

特許文献１に開示された太陽光発電装置では、水供給手段により太陽電池モジュールの表面に散水し、その散水された水の気化熱を利用して太陽電池の冷却を行なっている。一般に、太陽電池モジュールは傾斜して設置されるため、太陽電池モジュールの表面に散水された水は、その傾斜により太陽電池モジュールの表面をほとんど蒸発することなく流れ出てしまう。そのため、気化熱による冷却が十分に行なわれず、太陽電池の発電能力が低下してしまう。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、太陽電池モジュールの表面に付着した液体が、太陽電池モジュールの表面上で蒸発する割合を増やし、効率よく太陽電池の冷却を行なうことができる、太陽電池パネルおよび太陽電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る太陽電池パネルは、太陽電池と、太陽電池の受光面側に設けられる透光性板材とを備える。太陽電池パネルの外表面となる、透光性板材の上面の少なくとも一部に、複数の凸部が形成される。この凸部は、透光性板材の上面に付着した液体が透光性板材上を流動する際の流動経路を長くして、透光性板材と液体との接触面積および接触時間を増やすように設けられる。

太陽電池パネルをこのような構成にすることにより、透光性板材の上面に付着した液体が透光性板材の上面において蒸発する割合を増やすことができる。そのため、透光性板材から奪われる蒸発熱が増加するため、太陽電池の冷却をより効率的に行なうことができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、上記凸部は、平面的に見て、長手方向を有するように形成されてもよい。このようにすることにより、液体が透光性板材上を凸部の長手方向の側面に沿って流動することにより、液体が流動する長さをより延長することができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、上記凸部が設けられることにより透光性板材の上面に形成される流動経路が、蛇行するように形成されてもよい。このようにすることにより、液体が透光性板材の上面を流動する流動経路が長くなるため、透光性板材と液体との接触面積および接触時間を増やすことができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、透光性板材が型板ガラスで構成され、上記凸部が透光性板材と一体で形成されてもよい。このようにすることにより、凸部は透光性板材と同等の対候性および透光性を有するため、太陽電池パネルとしての耐久性を確保するとともに安定した発電を行なうことができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、透光性板材の上面と上記凸部の外表面とが、これらの境界において、鈍角をなし、または、湾曲面をなして連続するようにしてもよい。このようにすることにより、透光性板材の上面に積もった砂や埃を排出しやすくすることができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、透光性板材および凸部の表面に親水性材料が塗布されるようにしてもよい。このようにすることにより、液体の表面張力を低下させて、液体が透光性板材の上面を凸部の側面に沿って流出しやすくすることができる。

本発明に係る太陽電池パネルにおいて、親水性材料が酸化アルミニウムを主成分とするようにしてもよい。このようにすることにより、透光性板材の上面にカルシウムが固着することを防ぐことができる。

本発明によれば、太陽電池パネルの外表面となる、透光性板材の上面に複数の凸部が形成されているため、透光性板材の上面に付着した液体が流動する際の流動経路を長くすることができる。そのため、透光性板材と液体との接触面積および接触時間を増やすことができ、透光性板材の上面で蒸発する液体の量が多くなる。その結果、透光性板材から奪われる蒸発熱により太陽電池の冷却を効率よく行なうことができる。

本発明の実施の形態１に係る太陽電池パネルの外観を示す、斜視図である。 同実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図である。 図２のIII−III線矢印方向から見た、一部断面図である。 同実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図である。 (Ａ)は、同実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図であり、(Ｂ)は、透光性板材の上面に形成される流動経路を示す、一部拡大平面図である。 同実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、一部断面図である。 同実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、一部断面図である。 本発明の実施の形態２に係る、散水装置を備える太陽電池パネルを示す、斜視図である。 (Ａ)，(Ｂ)は、図８のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た、一部断面図である。

以下、この発明に基づいた実施の形態における太陽電池パネルについて、図を参照しながら説明する。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る太陽電池パネルの外観を示す、斜視図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る太陽電池パネル１０は、太陽電池１と太陽電池１の受光面側に設けられる透光性板材２とを備えている。太陽電池パネル１０は、通常、家屋の屋根などに取付けられるため、傾斜して設置される。そのため、太陽電池パネル１０の表面に付着した水は、傾斜により透光性板材２の上面を直線上に流れ落ちる。

太陽電池パネル１０は、日光の当たる場所に設置されるため、日中の太陽電池１の受光面側の温度はかなりの高温に達する。太陽電池１は、半導体で構成されているため、太陽電池１自体が高温になると発電効率が低下する。そのため、太陽電池パネル１０を含む太陽光発電システムでは、太陽電池パネル１０の外表面に散水を行なう散水装置を備えるものもある。

太陽電池パネル１０の外表面に散水された水は、透光性板材２の上面において蒸発することにより、透光性板材２から蒸発熱を奪って太陽電池１を冷却する。しかし、太陽電池パネル１０の外表面となる透光性板材２の表面が平滑な面で形成されている場合、散水された水は傾斜により透光性板材２の上面からほとんど蒸発することなく流出してしまう。

図２は、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図である。図３は、図２のIII−III線矢印方向から見た、一部断面図である。図２，３に示すように、本実施の形態に係る太陽電池パネル１０の外表面となる、透光性板材２の上面の少なくとも一部に、複数の凸部３が形成されている。この凸部３は、透光性板材２の上面に付着した水などの液体が透光性板材２上を流動する際の流動経路を長くして、透光性板材２とこの液体との接触面積および接触時間を増やすように設けられている。

透光性板材２の上面に凸部３を形成することにより、透光性板材２の上面に付着した液体が、平面的に見て、透光性板材２の上面を直線的に流動して外部に流出することを避けることができる。つまり、凸部３により液体が外部に流出するまでの流動経路が長くなり、透光性板材２との接触面積および接触時間が増加して、透光性板材２の上面および凸部３の側面で蒸発する液体の割合を増やすことができる。そのため、透光性板材２から奪われる蒸発熱が増加するため、太陽電池１の冷却をより効率的に行なうことができる。

凸部３の形状は、円柱、円錐および直方体など様々な形状で形成してもよいが、たとえば、図２，３に示すように、複数の円柱形状の凸部３を透光性板材２の上面の少なくとも一部に配置することにより、水などの液体の流動経路を長くすることができる。さらに、透光性板材２の上面に砂または埃が付着した場合でも、凸部３の外周が円形であるため砂または埃が溜まりにくく外部に排出されやすいため、好適である。

透光性板材２と水などの液体との接触面積を多く確保するため、透光性板材２を平面的に見て、凸部３の１つあたりの面積は、２５ｍｍ²以下であることが好ましい。また、単位面積あたりに透光性板材２の上面に形成される凸部３の個数は、できるだけ多い方が好ましい。凸部３は、たとえば、直径を２ｍｍ、高さを１ｍｍ、隣り合う凸部同士の間隔を２ｃｍとして形成されてもよい。

透光性板材２の上面に形成される凸部３の高さが低過ぎる場合、水などの液体が容易に凸部３を乗り越えて流動することができるため、液体の流動経路を有効に変化させることができない。一方、凸部３の高さが高過ぎる場合、凸部３の内部を日光が透過する際に光の吸収が起きるなどにより、太陽電池１への光の入射が妨げられる恐れがある。よって、凸部３の高さは、１００μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。

図４は、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図である。図４に示すように、透光性板材２の上面に形成される凸部４は、平面的に見て、長手方向を有するように形成されてもよい。凸部４を長手方向を有するように形成することにより、水などの液体が透光性板材２上を凸部３の長手方向の側面に沿って流動することにより、流動経路をより延長することができる。

液体の流動経路が長くなると、液体が透光性板材２に付着してから外部に流出するまでの間の、液体と透光性板材２との接触面積および接触時間も長くなるため、透光性板材２の上面および凸部４の側面で蒸発する液体の割合を増加させることができる。その結果、透光性板材２から奪われる蒸発熱が増加するため、太陽電池１の冷却がより効率的に行なわれる。

凸部４の長手方向は、太陽電池パネルが傾斜して配置される場合には、その傾斜方向に対して、垂直となるように設けられるのが好ましい。このようにすることにより、液体の透光性板材２の上面における流動経路を大きく変化させてより長くすることができる。よって、さらに効率よく太陽電池パネルを冷却することができるため、冷却に用いる液体の量を削減することができる。

図５(Ａ)は、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、平面図であり、(Ｂ)は、透光性板材の上面に形成される流動経路を示す、一部拡大平面図である。図５(Ａ)，(Ｂ)に示すように、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材２は、凸部７が設けられることにより透光性板材２の上面に形成される流動経路が、蛇行するように形成されてもよい。図５(Ｂ)において、流動経路を破線の矢印で示している。

凸部７が蛇行するように形成される場合、水は一つの凸部７の側面に沿って流動した後、次の凸部７の側面に沿ってさらに流動していく。図５に示すように、透光性板材２の上面全体に凸部７が形成されている場合には、太陽電池パネルのほぼ全面を水などの液体が流動することになる。

この場合にも、凸部７の長手方向は、太陽電池パネルが傾斜して配置される場合には、その傾斜方向に対して、垂直となるように設けられるのが好ましい。さらに好ましいのは、図５(Ｂ)に示すように、流動経路が傾斜方向側に１°から５°程度傾いている方がより好ましい。図５(Ｂ)において、傾斜方向を紙面の上方から下方として示している。仮に、流動経路を傾けない場合には、汚れや砂埃が凸部７の側面に堆積してしまう恐れがあるのに対し、１°から５°程度傾けることによって砂埃が流れ落ちやすくすることができる。凸部７は、たとえば、幅を２ｍｍ、長さを９０ｃｍ、高さを１ｍｍ、隣り合う凸部７同士の間隔を約４ｃｍとして形成されてもよい。

このように透光性板材２の上面に凸部７を形成することにより、水などの液体が透光性板材２の上面を流動する流動経路が長くなるため、透光性板材２と液体との接触面積および接触時間を増やすことができる。その結果、太陽電池パネルの表面から蒸発する水の量は、透光性板材２の上面に凸部を設けない場合と比較して、数倍から数十倍に増加する。よって、少量の水によって効果的に太陽電池パネルを冷却することが可能となるためより好適である。

図６，７は、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材を示す、一部断面図である。図６に示すように、本実施の形態に係る太陽電池パネル１０の透光性板材２の上面と凸部５の外表面とが、これらの境界において、鈍角をなして連続するようにしてもよい。また、図７に示すように、透光性板材２の上面と凸部６の外表面とが、これらの境界において、湾曲面をなして連続するようにしてもよい。

透光性板材２と凸部との境界の外表面側には、汚れまたは砂埃が蓄積しやすいが、図６，７に示すように、鈍角または湾曲面をなして境界がつながるようにすると引っ掛かりがないため、汚れまたは砂埃が排出されやすい。透光性板材２の上面が清浄に保たれることにより、太陽電池１に入射する光が減少することを防ぐことができ、発電能力を維持することができる。凸部は、図６に示すように三角形の形状、または図７に示すように丸みを帯びた台形の形状、あるいはそれ以外の形状を有していてもよい。凸部は、たとえば、幅を２ｍｍ、長さを１５ｃｍ、高さを１ｍｍ、隣り合う凸部同士の間隔を約４ｃｍとして形成されてもよい。

さらに、図７に示すように、本実施の形態に係る太陽電池パネルの透光性板材２は、型板ガラスで構成され、凸部６が透光性板材２と一体で形成されるようにしてもよい。一般に、透光性板材２として強化ガラスが使用される。この強化ガラスの上面に凸部として透明な有機系の部材を貼り付ける場合には、強化ガラスと有機系の部材との界面で光が全反射して太陽電池に入射する光が減少することがある。また、紫外線によって有機系の部材が光劣化を起こして透明度が低下し、太陽電池に入射する光が減少する恐れもある。

強化ガラスは、長期間の屋外暴露に対して安定して透明度を有するため、凸部を透光性板材２と一体の型板ガラスで形成することにより、太陽電池パネルの発電能力を長期間安定して維持することができる。なお、様々な断面形状を有する型板ガラスは、ガラスメーカにより販売されているため入手容易である。

本実施の形態に係る太陽電池パネルにおいて、透光性板材２および凸部の表面に親水性材料が塗布されてもよい。このようにした場合、液体の表面張力を低下させて、液体が凸部を乗り越えて、平面的に見て直線的に流下するのではなく、透光性板材２の上面を凸部の側面に沿って流下しやすくすることができる。

その結果、液体が太陽電池パネルの上面と接触する時間を長くすることができるとともに、液体が太陽電池パネルの上面において空気と接触する面積を増加させることができる。よって、太陽電池パネルの上面で蒸発する液体の量を増やすことができ、少量の液体で効率的に太陽電池を冷却することが可能になる。親水性材料として、たとえば、ＴｉＯ₂，ＭｇＯ，ＭｎＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｎＯおよびこれらを一定の比率で混合した無機材料などを使用することができる。

さらに、親水性材料が酸化アルミニウムを主成分とするようにしてもよい。親水性材料としてよく使用される酸化チタンは、３ｅＶ程度のバンドギャップを有するため紫外線により光触媒として作用する。そのため、カルシウムを含む液体と酸化チタンとが接すると、カルシウムを還元して太陽電池パネル上に固着させてしまう。カルシウムが固着すると太陽電池パネルの表面の透明度が損なわれ、太陽電池に入射する光が減少するため、太陽電池パネルの発電能力が低下することになる。

一方、酸化アルミニウムは、完全な絶縁体であるため光触媒作用を示さず、太陽電池パネルの上面にカルシウムが固着することはない。よって、太陽電池パネルに入射する光の量を維持して、発電能力が低下することを防ぐことができる。酸化アルミニウムを主成分とした親水性材料として、たとえば、８５％のＡｌ₂Ｏ₃，１０％のＺｎＯ，５％ＴｉＯ₂で構成される材料を使用してもよい。

実施の形態２
図８は、本発明の実施の形態２に係る、散水装置を備える太陽電池パネルを示す、斜視図である。図９(Ａ)，(Ｂ)は、図８のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た、一部断面図である。太陽電池パネルの外表面に散水する散水装置を備える太陽光発電システムによっても、太陽電池パネルの冷却を効率よく行なえるため、安定した発電を行なうことができる。なお、散水装置を備えない場合には、自然の滝または段差を有する水路などに太陽電池パネルを配置することにより、水などの液体を太陽電池のパネル上面に供給するようにしてもよい。

図８に示すように、太陽光発電システムは、家屋の屋根の上などに設置され、太陽電池１および透光性板材２を含む太陽電池パネル１０が複数配置されて構成される。隣り合う太陽電池パネル１０同士の間に縦桟１５および横桟１６が配置される。縦桟１５を屋根の上面にねじなどで固定し、その縦桟１５の上面に横桟１６を固定金具、または、ねじなどにより固定するようにしてもよい。

太陽電池パネル１０は、まず、最下段にある横桟１６の左端に１枚目の太陽電池パネル１０が取り付けられる。次に、２枚目の太陽電池パネル１０がその右隣りに取付けられる。１枚目の太陽電池パネル１０のプラスの出力ケーブルと、２枚目の太陽電池パネル１０のマイナスの出力ケーブルとが接続される。

同様に、３枚目の太陽電池パネル１０が２枚目の太陽電池パネル１０の右隣に取付けられて接続され、４枚目の太陽電池パネルが下から２段目の横桟１６の右端に取付けられる。このように、順次、太陽電池パネル１０は電気的に直列に接続される。１枚目の太陽電池パネル１０のマイナスの出力ケーブルと、１２枚目の太陽電池パネル１０のプラスの出力ケーブルとは、延長ケーブル１２を通じて図示しないパワーコンディショナに接続される。

最上段の横桟１６には、散水装置８が散水装置固定金具９により固定される。また、最下段の横桟１６に、化粧カバー１４が取付けられる。散水装置８には給水配管１１が接続される。散水装置８として、たとえば、５ｃｍおきに散水用の孔が形成された市販のプラスチック製散水チューブを用いてもよい。

また、給水配管１１には図示しない電磁弁が設けられており、電磁弁はパワーコンディショナからの無線による信号を受信して動作する。パワーコンディショナは、太陽電池パネル１０の発電出力および太陽電池１の温度などを計測し、散水開始のタイミング、散水時間および散水量などを制御する。

電磁弁は、電圧を印加されなければ閉じているノーマルクローズの状態に設定され、散水時のみパワーコンディショナの信号を受けて開く。電磁弁が開くと図９(Ａ)に示すように、散水装置８から太陽電池パネルの外表面となる、透光性板材２および凸部６の上面に水が撒かれる。図９(Ｂ)に示すように、横桟１６の上方に、太陽電池パネル１０同士の間を水が途切れることなく流下できるように隙間を埋める、ゴムテープなどの充填材１３が設けられる。充填材１３として、たとえば、ブチルゴム製のテープを用いてもよい。

このようにすることにより、最上部に配置される太陽電池パネル１０から最下部に配置される太陽電池パネル１０まで、滞りなく水が流下するため全ての太陽電池パネル１０において冷却が行なわれる。また、パワーコンディショナにより好適な条件で太陽電池パネル１０に散水が行なわれるため、太陽光発電システムとして効率よく発電を行なうことができる。

太陽電池パネルは、１５５ｍｍ角で２００μｍの厚さの複数の太陽電池セルから構成されるようにしてもよい。また、太陽電池パネル１０には太陽電池１および透光性板材２以外の構成部材として、アルミニウム製の枠部材、エチレンビニルアセテートなどの封止樹脂、ポリエチレンテレフタラートなどから形成される裏面保護フィルム、エラストマーなどの透光性板材２と枠部材との間の緩衝材などがある。透光性板材２の周囲は、枠部材に保持されるため、凸部は形成されず平坦である。他の構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ 太陽電池、２ 透光性板材、３，４，５，６，７ 凸部、８ 散水装置、９ 散水装置固定金具、１０ 太陽電池パネル、１１ 給水配管、１２ 延長ケーブル、１３ 充填材、１４ 化粧カバー、１５ 縦桟、１６ 横桟。

Claims (8)

1. 太陽電池と、
   太陽電池の受光面側に設けられる透光性板材と
   を備える太陽電池パネルであって、
   前記太陽電池パネルの外表面となる、前記透光性板材の上面の少なくとも一部に、複数の凸部が形成され、
   前記凸部は、前記透光性板材の上面に付着した液体が前記透光性板材上を流動する際の流動経路を長くして、前記透光性板材と該液体との接触面積および接触時間を増やすように設けられる、太陽電池パネル。
2. 前記凸部は、平面的に見て、長手方向を有するように形成される、請求項１に記載の太陽電池パネル。
3. 前記凸部が設けられることにより前記透光性板材の上面に形成される前記流動経路が、蛇行するように形成される、請求項１または２に記載の太陽電池パネル。
4. 前記透光性板材が型板ガラスで構成され、前記凸部が前記透光性板材と一体で形成される、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池パネル。
5. 前記透光性板材の上面と前記凸部の外表面とが、これらの境界において、鈍角をなし、または、湾曲面をなして連続する、請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池パネル。
6. 前記透光性板材および前記凸部の表面に親水性材料が塗布される、請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池パネル。
7. 前記親水性材料が酸化アルミニウムを主成分とする、請求項６に記載の太陽電池パネル。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池パネルの外表面に散水する散水装置を備える、太陽光発電システム。

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