JP2010232531A

JP2010232531A - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP2010232531A
Application number: JP2009080165A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Fujita; 俊憲藤田; Toshihiko Maemura; 俊彦前村; Shinji Urano; 進司浦野; Masahiko Katakura; 正彦片倉; Konosuke Oku; 幸之介奥
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】集光型太陽光発電装置において、太陽電池を水冷式の冷却構造で効率的に冷却し、かつ、太陽電池により昇温された熱媒を積極的に利用して、総合的に高効率な集光型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】複数の太陽電池で構成した太陽電池モジュール２と、前記太陽電池モジュール２を冷却する熱媒ｈを循環する冷却室９と、前記太陽電池モジュール２に太陽光Lを集光する集光装置を有した集光型太陽光発電装置において、前記太陽電池モジュール２の外縁に前記熱媒ｈを太陽光Lで加熱する加熱部４を設け、前記加熱部４に前記熱媒ｈが循環する通熱媒管１０を設置し、前記通熱媒管１０を、熱媒ｈの熱を利用して海水ｓを淡水化する海水淡水化装置３に連結した。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型太陽光発電プラント等で使用する、太陽光集光型の太陽電池を用いた太陽光発電装置に関するものである。

近年、環境問題への取組みから、太陽電池による太陽光発電が注目されている。この太陽光発電のコストを下げるために、コスト高の原因となっている太陽電池の使用量を減らした集光型太陽光発電装置が提案されている。集光型太陽光発電装置は、レンズや鏡等で構成した集光装置を利用して集光した太陽光を、太陽電池に照射する構造により、太陽電池の使用量を減らし、コストの低減を実現している。他方で、集光型太陽光発電装置では集光を行うため、通常のものと比べ単位面積当たりの熱エネルギーが何百倍にもなり、この温度上昇により発電出力が低下するという問題を有している。なお、一般的には１℃の温度上昇で、発電効率が０．４〜０．５％低下するといわれている。

これに対して、この冷却構造として、太陽電池にファン等で空気を送り、冷却する空冷型冷却装置（例えば特許文献１参照）や、太陽電池と冷却水を接触させ冷却する水冷型冷却装置（例えば特許文献２参照）が提案されている。

空冷型冷却装置は、熱媒となる流体や、ポンプ等の設置が不要となるため、コストを抑えることができる。また、水冷型冷却装置は、太陽電池に冷却水等を接触させて冷却するため、高い冷却効率を実現することができる。

特開２００２−１７０９７４号公報特開平９−２１３９８０号公報

しかしながら、集光型太陽光発電装置の更なるコストダウンの要求により、現在の集光倍率は約５００倍に達しており、空冷型冷却装置では冷却が不可能な状況になっている。つまり、太陽電池素子の耐熱温度は１２０℃であり、この温度以下に冷却するためには極めて大きなヒートシンクを設置する必要があり、実用的ではなくなってしまう。

ここで、太陽電池素子の温度上昇により、太陽電池の寿命は短くなり、同時に出力低下が発生する。また、水冷型冷却装置では、ポンプ等を作動させる動力が必要となるため、太陽光発電装置全体としての発電効率が低下する等の問題を有している。特に、集光型太陽光発電装置を多数設置し、大規模な発電プラント等を建設する場合、この水冷型冷却装置のために必要となる動力が莫大なエネルギー量となり、発電効率が著しく低下してしまう問題がある。

そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、集光型太陽光発電装置において、太陽電池を水冷式の冷却構造で効率的に冷却し、かつ、太陽電池により昇温された熱媒を積極的に利用して、総合的に高効率な集光型太陽光発電装置を提供することにある。

なお、太陽電池を複数枚直並列接続して必要な電圧と電流を得られるように構成したも
のを太陽電池モジュールと呼び、太陽電池モジュールを複数枚直並列接続したもの太陽電池アレイと呼ぶ。この両者は規模のみが違うため、以下、太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール及び太陽電池アレイの両方を示すこととする。

上記の目的を達成するための本発明に係る集光型太陽光発電装置は、複数の太陽電池で構成した太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールを冷却する熱媒を循環する冷却室と、前記太陽電池モジュールに太陽光を集光する集光装置を有した集光型太陽光発電装置において、前記太陽電池モジュールの外縁に前記熱媒を太陽光で加熱する加熱部を設け、前記加熱部に前記熱媒が循環する通熱媒管を設置し、前記通熱媒管を、熱媒の熱を利用して海水を淡水化する海水淡水化装置に連結したことを特徴とする。

上記の集光型太陽光発電装置において、前記加熱部の太陽光の受光面に、焦点を有する放物柱面の回路を形成し、前記焦点上の前記通熱媒管を配置したことを特徴とする。

上記の集光型太陽光発電装置において、前記熱媒に赤外線吸収剤を添加したことを特徴とする。

上記の集光型太陽光発電装置において、前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ多数の細孔を有する多孔質体を設置していることを特徴とする。

または、前述の集光型太陽光発電装置において、前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ底面から天井面に達する多数の柱状体を設置していることを特徴とする。

または、前述の集光型太陽光発電装置において、前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ底面又は天井面に多数の突起状体を設置したことを特徴とする。

または、前述の集光型太陽光発電装置において、前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ帯状又は糸状物が絡み合った繊維状体を充填したことを特徴とする。

上記の集光型太陽光発電装置において、前記冷却室の内部に、１つあるいは複数の仕切板を設置したことを特徴とする。

上記の集光型太陽光発電装置において、前記冷却水室を光透過性の部材で構成し、かつ、前記太陽電池モジュールの受光面側に設置し、さらに、前記冷却室の内部に、入射した太陽光を前記冷却室内部に反射する赤外線反射剤を塗布する、又は、入射した太陽光を前記冷却室内部に反射する赤外線反射剤を、前記冷却室を形成する壁面の少なくともいずれか１箇所に混入したことを特徴とする。

本発明に係る集光型太陽光発電装置によれば、太陽電池を水冷式の冷却構造で効率的に冷却し、かつ、太陽電池により昇温された熱媒を積極的に利用して、総合的に高効率な集光型太陽光発電装置を提供することができる。即ち、太陽電池モジュールを冷却した熱媒を、加熱部で太陽光を利用して更に積極的に加熱し、この熱媒の熱エネルギーを利用して海水の淡水化を行う構成により、熱媒の熱エネルギーを利用することができ、集光型太陽光発電装置の発電効率を向上することが可能になる。なお、従来は、熱媒の熱エネルギーは比較的小さく、利用することが困難であったため、廃棄されていた。

更に、加熱部に照射された太陽光を、熱媒の循環する通熱媒管に集光する構成により、冷却室で加熱された熱媒を、更に積極加熱し、海水淡水化装置における造水効率を向上す
ることができる。また、熱媒に赤外線吸収剤を添加する構成により、加熱部における熱媒の温度上昇量を向上することができる。

更に、冷却室内に高伝導率の部材を配置することで、太陽電池モジュールの冷却効率を高め、同時に、熱媒を効率的に加熱することが可能になる。

更に、冷却室内に仕切板を設置する構成により、冷却室内を流れる熱媒の態様を制御することができるため、冷却室から熱媒への熱伝導率を最適にすることができる。また、仕切板を高熱伝導率の部材で構成して、伝熱量を増加することもできる。

更に、冷却室を光透過性の部材で構成し、かつ、太陽電池モジュールの受光面側に設置し、冷却室に赤外線反射剤を塗布、又は混入した冷却室の壁面を使用する構成により、冷却室内の熱媒を積極的に加熱することができる。

本発明に係る実施の形態の太陽光発電装置を示す図である。太陽電池モジュールと加熱部を示す図である。太陽電池モジュールと加熱部の側面を示す図である。加熱部の断面を示す図である。冷却室の構造を示す図である。冷却室の構造を示す図である。冷却室の構造を示す図である。冷却室の構造を示す図である。冷却室の透視図を示している。

以下、本発明に係る実施の形態の太陽光発電装置について、図面を参照しながら説明する。図１に集光型太陽光発電装置１を示す。集光型太陽光発電装置１は、複数の太陽電池で構成した太陽電池モジュール２と、その背面に設置した、太陽電池モジュール２を冷却する熱媒ｈを循環する冷却室９と、太陽電池モジュール２に太陽光を集光する集光装置（図示しない）を有しており、太陽電池モジュール２の外縁に、熱媒ｈを太陽光Lで加熱する加熱部４を設け、加熱部４に熱媒ｈが循環する通熱媒管１０を設置し、通熱媒管１０を海水淡水化装置３に連結している。

太陽電池モジュール２は、太陽５からの太陽光Lを受けて発電を行う。太陽電池モジュ
ール２に設冷却室９を設置しており、冷却室９内をポンプ１７により循環している熱媒ｈは、海水淡水化装置３の熱交換部８に送られる。

海水淡水化装置３は、蒸発凝縮型であり、海水タンク６から供給される海水ｓを、熱交換部８で７０℃以上（望ましくは７０〜９０℃）に加熱し、加熱した海水ｓを水滴化し、自らの保有するエネルギーによって蒸発させ、凝集部１８で常温の海水ｓ（例えば２０℃）との温度差により凝集し、凝集して得られた水２を、水タンク７に送り、残りの排水ｄを排出する構成を有している。なお、凝集部１８で利用された常温の海水ｓは、６０℃以上に加熱されており、温海水タンク１９に貯蔵した後、他の用途に利用することができる。

従来の水冷型冷却装置の熱媒では温度が低かったため、海水淡水化装置３で、海水ｓを十分に加熱することができなかったが、上記の集光型太陽光発電装置１では、加熱部４を設け、太陽熱のエネルギーも積極的に利用し、熱媒ｈを加熱する構成により、効率的な海水淡水化を行うことが可能となり、その結果、エネルギー効率の高い集光型太陽光発電装
置１を実現することができる。

図２に、太陽電池モジュール２と加熱部４の平面図を示しており、加熱部４の表面に形成した回路１１の内部に通熱媒管１０を設置し、通熱媒管１０を通過する熱媒ｈを、太陽光Lにより加熱する構成を有している。

なお、図２では回路１１を、中心部から外周に向かい放射状に形成しているが、本発明はこの形状に限定されず、例えば回路１１を１系統として、太陽電池モジュール２の周囲を周回するように構成してもよく、熱媒ｈを十分に加熱できる形状に任意に設計することができる。

図３に、太陽電池モジュール２と加熱部４の側面図を示しており、太陽電池モジュール２の背面に冷却室９を設置し、冷却室９で太陽電池モジュール２から熱を受け取った熱媒ｈは、加熱部４に設置された通熱媒管１０で更に太陽光ｓの赤外線を吸収し、７０〜９０℃程度の高温となる。図３に示す矢印は、熱媒ｈの流れる方向を示している。

ここで、冷却室９を、太陽電池モジュール２の背面に設置しているが、光透過性を有する部材で構成した冷却室９であれば、受光面に設置することもできる。光透過性を有する部材とは、例えば、透明な合成樹脂や、ガラス等を使用することができる。なお、冷却室９における熱媒供給口２４及び熱媒排出口２５の設置位置は、冷却室９内の熱媒ｈの流路により適切に設定することができる。

図４に、加熱部４の拡大断面図を示しており、加熱部４を回路１１の内部に通熱媒管１０を設置し、回路１１は、焦点を有する放物柱面１２で形成されている。この放物柱面１２は、焦点Fを有する曲壁で形成され、焦点Ｆに通熱媒管１０を設置する構成により、太陽光Ｌの反射光を熱媒ｈに集光することができ、熱媒ｈを効率的に加熱することができる。

なお、放物柱面１２は、太陽光Lの反射率が高い、例えば鏡等の部材で構成してもよく
、熱媒ｈの加熱効率を更に向上することができる。また、熱媒ｈ中に、赤外線吸収剤を混入する構成としてもよく、熱媒ｈを積極的に加熱することができる。

ここで、赤外線吸収剤は、例えば、フタロシアニン、リモニウム、酸化チタン、カーボンブラック等を使用することができ、熱媒に分散剤と共に混入して使用する。特に、赤外線吸収剤が有機物質である場合は、太陽光の紫外線によって劣化するため、紫外線反射材（酸化チタン、酸化亜鉛等）を同時に熱媒に混入してもよく、また、紫外線吸収剤が無機物質である場合は、光透過性に劣るため、熱媒の量に対する混入量を少なくする必要がある。

図５に、本発明の実施の形態の１つである冷却室９Ａの断面図を示しており、冷却室９Ａを、太陽電池モジュール２の背面２３に設置しているが、前述したように、太陽電池モジュール２の受光面２２に設置してもよい。なお、太陽電池モジュール２の受光面２２側に設置する冷却室は、光透過性の部材で構成する必要がある。

水冷室９Ａの内部に、高伝熱性を有し、かつ多数の細孔を有する多孔質体１６を配置しており、この細孔を熱媒ｈが流れるように構成している。この構成により、太陽電池モジュール２で発生する熱を、多孔質体１６に伝達し、更に多孔質体１６から熱媒ｈに効率的に伝達することができる。そのため、太陽電池モジュール２の冷却効率を向上して、同時に、熱媒ｈの加熱効率も向上することができる。

図６に、本発明の異なる実施の形態のである冷却室９Bを示しており、冷却室９Bを太陽電池モジュール２の背面２３に設置し、高伝熱性を有する柱状体１３を、水冷室９Bの天
井面２０と底面２１を結ぶように複数設置している。

図７に、本発明の異なる実施の形態のである冷却室９Cを示しており、冷却室９Cを太陽電池モジュール２の背面２３に設置し、高伝熱性を有する突起状体１４を、水冷室９Cの
天井面２０に複数設置している。なお、熱媒ｈを、冷却室９内に十分に供給している状態で循環することが望ましい。

図８に、本発明の異なる実施の形態である冷却室９Dを示しており、冷却室９Dを太陽電池モジュール２の受光面２２に設置し、冷却室９D内に高伝熱性を有する繊維状体１５を
充填している。この繊維状体１５は、例えば帯状、又は糸状物が絡み合って形成されており、望ましくは、繊維状体１５が底面２１に接触し、太陽電池モジュール２の熱が効率的に伝わるように設置する。また、冷却室９Dを太陽電池モジュール２の背面２３に設置し
た場合は、繊維状体１５は、冷却室９Dの天井面に接触するように配置することが望まし
い。

また、冷却室９を太陽電池モジュール２の受光面２２側に設置する場合は、冷却室９の底面や側壁に赤外線反射剤を塗布する構成として、冷却室９内の熱媒ｈを更に、効率的に加熱することができる。同様に、冷却室９を構成する底面や側壁等の部材を、赤外線反射剤を混入して形成した材料としても、同様の効果を得ることができる。

ここで、図８の一点鎖線は太陽光の赤外線成分Ｌ１の軌跡を示しており、赤外線成分Ｌ１は、冷却室９Ｄの底面２１または、太陽電池モジュール２の受光面２２に塗布した可視光透過性の赤外線反射塗料で反射している。

上記の冷却室の構造において、図５の多孔質体１６は、熱媒ｈへの伝熱効率がよいという特徴を有している。図７の突起状体１４は、多孔質体１６に比べると伝熱効率は低下するが、熱媒ｈの流速を上げることができるので、例えば、日中の温度が特に高くなる場合、熱媒ｈの流量を増加して、太陽電池モジュール２の冷却温度を下げることができる。

図９に、冷却室９内に仕切板２６を設置した様子を示しており、冷却室９内を流れる熱媒ｈの熱媒の態様を制御することができる。この構成により、冷却室９から熱媒ｈへの熱伝導率を最適にすることができる。

１集光型太陽光発電装置
２太陽電池モジュール
３海水淡水化装置
４加熱部
９冷却室
１０通熱媒管
１１回路
１２放物柱面
１３柱状体
１４突起状体
１５繊維状体
１６多孔質体

Claims

複数の太陽電池で構成した太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールを冷却する熱媒を循環する冷却室と、前記太陽電池モジュールに太陽光を集光する集光装置を有した集光型太陽光発電装置において、
前記太陽電池モジュールの外縁に前記熱媒を太陽光で加熱する加熱部を設け、前記加熱部に前記熱媒が循環する通熱媒管を設置し、前記通熱媒管を、熱媒の熱を利用して海水を淡水化する海水淡水化装置に連結したことを特徴とする集光型太陽光発電装置。
前記加熱部の太陽光の受光面に、焦点を有する放物柱面の回路を形成し、前記焦点上の前記通熱媒管を配置したことを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽光発電装置。
前記熱媒に赤外線吸収剤を添加したことを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ多数の細孔を有する多孔質体を設置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ底面から天井面に達する多数の柱状体を設置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ底面又は天井面に多数の突起状体を設置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却室の内部に、高伝熱性を有し、かつ帯状又は糸状物が絡み合った繊維状体を充填したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却室の内部に、１つあるいは複数の仕切板を設置したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。
前記冷却水室を光透過性の部材で構成し、かつ、前記太陽電池モジュールの受光面側に設置し、さらに、前記冷却室の内部に、入射した太陽光を前記冷却室内部に反射する赤外線反射剤を塗布する、又は、入射した太陽光を前記冷却室内部に反射する赤外線反射剤を、前記冷却室を形成する壁面のいずれかに混入したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の集光型太陽光発電装置。