JP2011129626A - Reflected light utilization type solar light module system - Google Patents
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Abstract
Description
現在日本国内はもとより海外でも太陽光発電装置及び太陽熱温水器(太陽光集熱装置)が注目されてきており、石油資源の消費削減、地球温暖化防止、石油資源関連部材の価格高騰の抑制、その他の地球環境的要請乃至は社会的ニーズに合った装置システムとして伸張が期待されている。しかしながらその市場規模は何れも日本国内の家庭用としても年間10万台程度の販売規模で推移してきた。一方ガス・石油給湯装置が400万台規模であり家庭用エアコンが700万台規模であるものと比べ極めてニッチェであり、市場規模は未だ小さい。政府の地球環境改善への緊急投資による補助金が頼りの情勢である。 At present, solar power generators and solar water heaters (solar heat collectors) are attracting attention not only in Japan but also overseas, reducing consumption of petroleum resources, preventing global warming, suppressing the rise in prices of petroleum resource-related components, Expansion is expected as a device system that meets other global environmental requirements and social needs. However, the market scale has been on the order of 100,000 units a year for home use in Japan. On the other hand, there are 4 million units of gas / oil hot water supply units and 7 million units of home air conditioners. The government is relying on subsidies from emergency investments to improve the global environment.
単独機能の太陽光発電装置又は太陽熱温水器自体の市場規模が伸びない理由はその装置への投資価格に対し出力効果が不十分であるためである。即ち初期投資を回収する期間(PBT)が10年以上と長期、即ち家庭用太陽光発電装置では投資の回収に30年もかかったり、逆に太陽熱温水器の耐用年数が10年以下であるなどの問題点が存在するからである。
エネルギー効率の点では、太陽光発電装置に照射される太陽光エネルギーが電力へ変換される変換効率(ECR)は実用化されている装置で12〜14%程度であり、残りのエネルギー量88〜86%は利用できていない。これがエネルギー供給装置として大面積の装置を必要とし、発電された電力コストが商用電力で得られるコストである23円/KWhの2倍近く即ち40円/KWh程度の高価格になってしまい、前述した初期投資の回収期間は30年程度に長期化し、普及が進まない主な原因となっている。このため発電セル自体の変換効率(ECR)の向上のための新しい技術開発が期待されている。
例えば家庭用の3KWの太陽光発電装置では通常30平方メーターの受光面積が必要であり、そのため設置スペース上の制約が大きいばかりでなく、実際の据付工事が極めて大変な作業を伴う事も価格アップ要因であり、且つ普及拡大を妨げている要因である。
その結果、商用の系統電力が日本国内で現在23円/KW程度であるのに対し太陽電池単独の場合の出力電力価格はその寿命を20〜25年と想定すると40円/KWh程度となってしまい、このためにその普及が進んでいない。
The reason why the market scale of the single-function solar power generation device or the solar water heater itself does not increase is that the output effect is insufficient for the investment price of the device. That is, the period for collecting the initial investment (PBT) is as long as 10 years or more, that is, it takes 30 years to recover the investment in a solar power generation device for home use, or conversely, the service life of the solar water heater is 10 years or less. This is because there are problems.
In terms of energy efficiency, the conversion efficiency (ECR) in which solar energy irradiated to the photovoltaic power generation device is converted into electric power is about 12 to 14% in a device in practical use, and the remaining energy amount 88 to 86% are not available. This requires a large-area device as an energy supply device, and the generated power cost is nearly twice as high as 23 yen / KWh, which is the cost obtained with commercial power, that is, about 40 yen / KWh. The initial investment payback period has been extended to about 30 years, which is the main reason for the lack of progress. For this reason, new technology development for improving the conversion efficiency (ECR) of the power generation cell itself is expected.
For example, a 3KW solar power generation system for home use usually requires a light receiving area of 30 square meters, which not only imposes great restrictions on installation space, but also increases the price of actual installation work that is extremely difficult. It is a factor and a factor that hinders the spread.
As a result, while the commercial grid power is currently about 23 yen / KW in Japan, the output power price for a solar cell alone is about 40 yen / KWh, assuming that the lifetime is 20 to 25 years. For this reason, its spread has not progressed.
従って、これらの課題解消を目指して、太陽光発電装置についても最近の研究開発は目覚しいものがある。シリコン結晶のセルを用いたものでも多結晶化、シリコン結晶の薄板化、結晶事体の発電特性向上や結晶表面の受光特性改善などの研究が進展している。
またシリコンアモルファスをガラス面乃至はプラスチックフィルム面に形成したもの乃至はそれをシリコン結晶と積層させてECRを向上させたものも出現している。また銅やインヂュームなどシリコンと異なった材質をセル材料としてガラス基板に極薄で蒸着させたものもシリコン基盤セルの代替として資源不足を回避するものも有望である。セルの電極基板としてアルミニウム薄板を用いた方式の太陽電池も商品化されてきている。これは1mm程度の直径の小さな球状のシリコンを多数のすり鉢状の壺を形成したアルミニウムの基板のこのすり鉢状の穴の中に埋め込んだ構造で、このすり鉢状の穴の表面が球状シリコンに集光させる光反射機能を有し、また電極の機能を有している。
即ち発電セルの基板としてシリコンそのもの、ガラス板、樹脂板、アルミ板など多くの種類のものがある。
Therefore, recent research and development on solar power generators has been remarkable with the aim of solving these problems. Research is also progressing on the use of silicon crystal cells, such as polycrystallization, thinning of silicon crystals, improvement of power generation characteristics of crystal bodies and improvement of light reception characteristics of crystal surfaces.
In addition, a silicon amorphous material formed on a glass surface or a plastic film surface or a material obtained by laminating the silicon amorphous material with a silicon crystal has been improved. In addition, a material that is made of a material different from silicon such as copper or indium and deposited on a glass substrate as a cell material is also promising as an alternative to a silicon-based cell to avoid resource shortage. Solar cells using a thin aluminum plate as the cell electrode substrate have also been commercialized. This is a structure in which small spherical silicon with a diameter of about 1 mm is embedded in the mortar-shaped holes of an aluminum substrate on which a large number of mortar-shaped ridges are formed, and the surface of the mortar-shaped holes gathers in the spherical silicon. It has the function of reflecting light and has the function of an electrode.
In other words, there are many types of substrates for power generation cells such as silicon itself, glass plates, resin plates, and aluminum plates.
本発明者は既にこれらの発電セルを用いてさらに太陽光エネルギーを有効に利用するための太陽光モジュールの構造に関する発明を提案済みであり、民生用、特に家庭用、業務用、さらには工業用に使われるものとして、太陽光を受けて発電と温熱供給とを同時に行う太陽光エネルギー複合利用モジュール(以下太陽光コジェネレイションモジュールまたは太陽光電熱モジュールと呼ぶ)として提案してきた。
数十年前から、同じ受光体で電力と温熱を得ることができる太陽光電熱モジュールの研究及び開発が検討されてきている。即ち発電セルの背面にヒートシンクとしての金属板を設置し、その金属板と一体化された配管や媒体通路に水や冷媒を通じて発電セルで生じた温熱を収集するものである。この方式によれば太陽光発電装置と太陽熱温水器を別々に設置したものに比べて全体の受光面積が小型化でき、コストダウンと同時に設置スペースの削減という二つの基本効果が達成でき、また装置の設置工事も簡略化できる。さらに発電セルを強制的に冷却する事により発電セルの温度を低下させることができ、発電セルの発電効果が向上されるという利点が生じる。また家庭や店舗で用いた場合に電力と給湯用温熱や暖房用温熱が同時に得られるという利点がある。
以上の技術分野が目指す太陽光電熱モジュールの出力電力は市販の商用電力より低い価格即ち20円/KWh程度の価格を実現できるという大いなる効果が報告されている。
The present inventor has already proposed an invention relating to the structure of a solar module for effectively using solar energy using these power generation cells, and is intended for consumer use, particularly home use, business use, and industrial use. Has been proposed as a solar energy combined use module (hereinafter referred to as a solar cogeneration module or a solar electric heating module) that receives sunlight and simultaneously generates power and supplies heat.
Research and development of solar electric heating modules that can obtain electric power and heat with the same photoreceptor have been studied for several decades. That is, a metal plate as a heat sink is installed on the back surface of the power generation cell, and the heat generated in the power generation cell is collected through water and refrigerant in a pipe and a medium passage integrated with the metal plate. According to this method, the overall light receiving area can be reduced compared to the solar power generator and solar water heater installed separately, and the two basic effects of cost reduction and installation space reduction can be achieved. The installation work can be simplified. Furthermore, by forcibly cooling the power generation cell, the temperature of the power generation cell can be lowered, and the power generation effect of the power generation cell is improved. In addition, when used in homes and stores, there is an advantage that electric power, hot water heating temperature and heating temperature can be obtained at the same time.
It is reported that the output power of the solar electric heating module aimed at in the above technical field can be realized at a price lower than that of commercial power, that is, about 20 yen / KWh.
太陽電池と異なり、太陽光電熱モジュールでは集熱機能を持たせるために、セルとヒートシンクの周囲は出来る限り断熱性能の高い材料構造を用いている。この温熱を利用するため、冷却媒体(一般には水、不凍液)をモジュール発電セルの背面に配置した冷却体に導通させて発電セルを冷却しながら集熱し、その温熱を給湯や暖房に利用することが可能である。 Unlike solar cells, solar electric modules use a material structure with as high a thermal insulation performance as possible around the cell and the heat sink in order to provide a heat collecting function. In order to use this heat, a cooling medium (generally water, antifreeze) is conducted to the cooling body placed on the back of the module power generation cell to collect heat while cooling the power generation cell, and that heat is used for hot water supply and heating. Is possible.
本発明の技術は上記の太陽光電熱モジュールを用いてそのエネルギー変換効率
をさらに改善、向上させる技術に関し、その技術をさらに太陽電池モジュールの発電効率の改善向上に寄与させようとするものである。
太陽光電熱モジュールの特性は。
1、光照射エネルギーを電力と温熱に変換する上での高い変換効率
電力:10〜15%(太陽電池と同等乃至はより優れた発電特性)
温熱:40%以上(太陽熱温水器と同等な効率)
トータルエネルギー:53〜%程度(最高効率の達成)
以上の変換効率を達成している。
2、コスト目標:太陽電池モジュールに対しコストアップ25%以下のコストを達成
3、太陽電池と同等の運転寿命:20年以上(修理、メンテナンスを含め)を達成
4、以上により太陽光電熱モジュールの出力電力価格として前述した様に商用系統電力価格と同程度、即ち24円/KWhを達成している。
しかしながら、今後この太陽光電熱モジュール乃至は太陽電池モジュールが現在のエアコンやガス給湯機の様に広く普及させるにはさらに一層の性能の向上、コストの低減が必要となる。
The technology of the present invention relates to a technology for further improving and improving the energy conversion efficiency using the above-described solar electric heating module, and intends to further contribute to the improvement of the power generation efficiency of the solar cell module.
What are the characteristics of solar thermal modules?
1. High conversion efficiency power for converting light irradiation energy into electric power and heat: 10-15% (equivalent to or better than solar cell power generation characteristics)
Heat: 40% or more (equivalent to solar water heater)
Total energy: about 53-% (achieving maximum efficiency)
The above conversion efficiency is achieved.
2. Cost target: Achieve a cost increase of 25% or less compared to the solar cell module. 3. Operating life equivalent to the solar cell: Achieve 20 years or more (including repair and maintenance). As described above, the output power price is equivalent to the commercial power price, that is, 24 yen / KWh.
However, further improvements in performance and cost reduction are required in order for this solar electric module or solar cell module to be widely used in the future, such as current air conditioners and gas water heaters.
そこで、本発明では太陽光電熱モジュール乃至は太陽電池モジュールの設置面積を削減しても充分な発電及び温熱出力を確保するための広く共通に使える技術について提示する。
それは集光式であるのに拘わらず太陽光追尾を必要としない経済性に優れた方式が特徴である
即ち、モジュールの外側に張り出した光反射板を設けてモジュールの受光面に光を集光させてモジュール面積当たりの特性を向上させるのは勿論、システムのコスト対出力エネルギー比の改善する技術を提示しようとするものである。この方式の効果を具体的な商品化を実現するための幾つかの重要課題について解決する技術について提示するものである。
Therefore, in the present invention, a technique that can be widely used in common to secure sufficient power generation and thermal output even when the installation area of the solar electric heating module or the solar cell module is reduced will be presented.
Although it is a condensing type, it is characterized by an economical method that does not require solar tracking, that is, a light reflecting plate that protrudes outside the module is provided to collect light on the light receiving surface of the module In addition to improving the characteristics per module area, the present invention intends to provide a technique for improving the cost-to-output energy ratio of the system. This paper presents a technology that solves some important issues for realizing the commercialization of the effects of this method.
従来太陽電池モジュールとその応用システムについて集光による特性の画期的な改善についての研究、開発、特許出願が実施されてきている。しかしながら前述した様に集光による発電セルの温度の上昇による特性への悪影響など重要な技術課題について完成されたレベルの技術情報が見られない。以下散発的な技術情報が見られるので、背景技術としてここで紹介する。 Conventionally, research, development, and patent applications have been conducted on ground-breaking improvement of characteristics by condensing solar cell modules and their application systems. However, as described above, there is no technical information at a completed level on important technical issues such as adverse effects on characteristics due to temperature rise of the power generation cell due to light collection. Since sporadic technical information can be seen below, it is introduced here as background technology.
その中で特許文献1は集熱特性を向上させるために巧みに反射板を用いて集光による集熱を実現する優れたアイデアである。しかも集光用反射板の傾斜取り付け角度を最適にするというアイデア、上面のガラスカバーに断熱特性を持たせて特性を向上させるというアイデアが提示されている、しかしながらここで提示されている反射板利用の集光の技術はモジュール内部に反射板を設けた改善に過ぎず、モジュールの外部に反射板を設けて集光させ、モジュールを拡大せずに大幅な特性の改善を実現する本発明の方式の範疇外である。この範囲の改善技術は多く見られるが本発明の対象外の技術である。また、反射板の傾斜角度を最適に設定するという説明はあるが、実際に現地に設置した状態での最適な設定は本発明で目指す方向であり、ここでは述べられていない。 Among them, Patent Document 1 is an excellent idea for realizing heat collection by condensing by skillfully using a reflector in order to improve heat collection characteristics. In addition, the idea of optimizing the tilting angle of the reflector for condensing light and the idea of improving the characteristics by giving heat insulation to the glass cover on the upper surface are presented, however, using the reflectors presented here The condensing technology is merely an improvement in which a reflector is provided inside the module, and the method of the present invention realizes a significant improvement in characteristics without enlarging the module by providing a reflector outside the module to collect light. It is out of category. Although many improvements in this range are seen, the techniques are outside the scope of the present invention. Further, although there is an explanation that the inclination angle of the reflecting plate is optimally set, the optimal setting in a state where the reflector is actually installed is the direction aimed by the present invention and is not described here.
特許文献2はリニアレンズを用いた集光方式である。この方式は現在商品化されているレンズ集光方式が太陽光追尾装置を必要であるのに比べ、固定設置で済むという点で極めてユニークである。本発明で取り扱う反射板とリニアレンズを用いた集光方式は固定型の集光方式のうち、集光特性に優れていると考えられる。レンズは太陽光モジュールの寸法より大きくまた通常の集光レンズ方式と異なり、太陽光モジュールの小型化を図ることができないという欠点はあるが特性向上への効果は十分に期待できる。課題はレンズと反射板のコストである。
さらには装置全体が立体的になり大きくなるのも実用性の点で課題として残る。
Patent Document 2 is a light condensing method using a linear lens. This method is extremely unique in that it can be fixedly installed, compared with the lens focusing method that is currently commercialized, which requires a solar tracking device. The condensing method using the reflector and the linear lens handled in the present invention is considered to be excellent in the condensing characteristic among the fixed condensing methods. The lens is larger than the size of the solar module and, unlike the normal condensing lens system, there is a drawback that the solar module cannot be miniaturized, but the effect of improving the characteristics can be sufficiently expected. The problem is the cost of the lens and reflector.
Furthermore, the fact that the entire apparatus becomes three-dimensional and becomes large remains as a problem in terms of practicality.
特許文献3は太陽光モジュールの外部に反射集光機構が設置されており、モジュールに集光している。この集光による特性向上の効果は十分期待できそうである。しかしながら、集光によって太陽光モジュールが高温度になるため、太陽電池モジュールには適さないし、太陽光の照射角度に対する集光特性を最適化するという概念と技術が不十分である。さらには建物の屋根などに設置する装置としては屋根の傾斜と照射角度の問題があると同時に装置の立体的な形態は実用的とは言えない。
以上、詳細を説明してきたが、従来の技術では商品化を達成するには多くの課題が残されている事がわかる。それは本発明の対象の太陽光モジュールでは大きな面積の多数枚数のモジュールから成るためこれを屋根の上等に設置する上での設置容易性とサービス性が重要であり、且つ太陽光モジュールの特性を向上させるためにその外部の太陽光照射を簡単な構造により実現させるめの集光技術がが確立されなければならない。
In Patent Document 3, a reflection condensing mechanism is installed outside the solar module, and the light is condensed on the module. It seems that the effect of improving the characteristics by this light collection can be expected sufficiently. However, since the solar module becomes high temperature due to condensing, it is not suitable for the solar cell module, and the concept and technique of optimizing the condensing characteristic with respect to the irradiation angle of sunlight is insufficient. Furthermore, as a device installed on the roof of a building, there are problems of the inclination of the roof and the irradiation angle, and at the same time, the three-dimensional form of the device is not practical.
Although the details have been described above, it can be seen that many problems remain to be achieved in the conventional technology. The solar module of the present invention is composed of a large number of modules with a large area, so installation ease and serviceability are important in installing this on the roof, etc., and the characteristics of the solar module are In order to improve it, a condensing technique for realizing the external sunlight irradiation with a simple structure must be established.
太陽光電熱モジュールは太陽電池の背面に冷却機構を設けてそこに冷却媒体としてプロピレングリコール水溶液などを流して冷却し、太陽電池の発電セルを冷却しながら集熱し、それをモジュールの外部まで運び、給湯や暖房に利用するものである。太陽光発電モジュールが発電する場合の太陽光エネルギーを電力に変換する効率は10〜15%であり、集熱による温熱への変換効率は40〜45%である。従って合わせて50〜60%の変換効率を獲得できる。本発明はこの変換効率を高めるために太陽光電熱モジュールの外部に集光板を設けて、モジュール面積当たり70%以上の変換効率を達成し、太陽光エネルギー利用システムの利用時の経済性を一層高めて普及を促そうとする狙いである。 The solar heat module is provided with a cooling mechanism on the back of the solar cell and cooled by flowing a propylene glycol aqueous solution or the like as a cooling medium there, collecting heat while cooling the power generation cell of the solar cell, carrying it to the outside of the module, It is used for hot water and heating. The efficiency of converting solar energy into electric power when the solar power generation module generates power is 10 to 15%, and the conversion efficiency to warm heat by collecting heat is 40 to 45%. Accordingly, a conversion efficiency of 50 to 60% can be obtained. In the present invention, in order to increase the conversion efficiency, a condensing plate is provided outside the solar electric heating module to achieve a conversion efficiency of 70% or more per module area, thereby further improving the economic efficiency when using the solar energy utilization system. It is an aim to promote popularization.
太陽光電熱モジュールの場合には発電セルは最適温度に冷却できるから太陽電池の様に集熱によって発電セルの温度が上昇してしまって、発電特性が低下してしまう欠点を根本的に回避できるものであり、これをたくみに利用して固定型の反射板を設けて平板型のモジュールの上面に集光させて発電特性と集熱特性の双方を向上させようとする技術である。
このためには集熱構造と方式、集熱板の形状、集熱板材料、集熱とモジュール温度制御などにつき集熱効果を最高度に発揮させるための技術を明確にしなければならない。
In the case of a photovoltaic module, the power generation cell can be cooled to the optimum temperature, so that it is possible to fundamentally avoid the disadvantage that the power generation cell temperature rises due to heat collection like a solar battery and the power generation characteristics deteriorate. This is a technique for improving both power generation characteristics and heat collection characteristics by providing a fixed reflector and condensing it on the upper surface of a flat module by utilizing this.
For this purpose, it is necessary to clarify the technology for maximizing the heat collecting effect with respect to the heat collecting structure and method, the shape of the heat collecting plate, the heat collecting plate material, the heat collecting and module temperature control, and the like.
一方、特別な冷却機能を持たないで、自然冷却に頼る太陽電池モジュールの場合、反射板で集光させるとセルの温度が上昇してしまい、発電特性が低下して、反射板を追加して集光させた効果は相殺されてしまう。これを防いで反射板の効果を100%発揮させるには太陽光電熱モジュールで適用される上記の各種技術に加えて、反射板自体によって温度上昇を防いで冷却させる技術が必要となる。
以上が本発明が解決しようとする課題である。
On the other hand, in the case of a solar cell module that does not have a special cooling function and relies on natural cooling, if the light is collected by the reflector, the temperature of the cell rises, the power generation characteristics deteriorate, and a reflector is added. The concentrated effect is canceled out. In order to prevent this and to exhibit the effect of the reflector 100%, in addition to the above-mentioned various techniques applied in the solar electric heating module, a technique for preventing the temperature rise by the reflector itself and cooling it is necessary.
The above is the problem to be solved by the present invention.
以上の課題を解決する手段を順次説明する。発明者は固定して設置された平板状の太陽光電熱モジュールが普及していくと予想している。その代表的な構造の断面詳細を図1に示す。 太陽電池のみではエネルギー変換効率が低すぎて大きな面積を必要とし、経済的に成立しずらいし、太陽熱温水器では変換効率は若干高くても出力する温熱の経済価値は低く、電力と同じKWエネルギーに比べ1/3程度の価値しか無く自然エネルギー装置の主役には成り難いと考えられ、それに対し電熱モジュールは1つのモジュールで発電させ、且つ温熱を出力させる事により、システムとして必要なモジュールの総面積を小型化でき、その結果、システム装置の経済性も優れているからである。 Means for solving the above problems will be sequentially described. The inventor expects that a flat-plate solar heating module fixedly installed will become widespread. The cross-sectional details of the typical structure are shown in FIG. The energy conversion efficiency of solar cells alone is too low and requires a large area, making it difficult to achieve economically. In solar water heaters, even if the conversion efficiency is slightly high, the economic value of the output heat is low, and the same KW as the power Compared to energy, it is only about 1/3 of the value of energy, and it is considered that it will not be the main role of a natural energy device. On the other hand, an electric heating module generates power with one module and outputs warm heat, so This is because the total area can be reduced, and as a result, the economic efficiency of the system device is excellent.
一方太陽光利用モジュールの出力を増加させる方式として検討されてきた集光方式はモジュール面積当たりの電力出力を増加させる事が可能であるが、太陽電池セルの温度を上昇させてしまうため、冷却装置を設置する必要があった。そこで、本発明はもともと冷却装置としての温熱回収装置を持った太陽光電熱モジュールについてさらにエネルギー変換効率を増加させる技術についてその詳細を提示している。請求項1では、北半球では南向きに傾斜させて設置される太陽光電熱モジュールの南北両端辺の外側に延長させた形状の反射板を設け、太陽光を反射させてモジュールの表面に集光させる方法を提示している。この時、重要な事は南北両方向に反射板を設置することと、その設置角度の設定である。図2はこの反射板を設置した太陽光電熱モジュールシステムの断面形状を示している On the other hand, the condensing method that has been studied as a method for increasing the output of the solar module can increase the power output per module area, but increases the temperature of the solar cell, so that the cooling device Needed to be installed. Therefore, the present invention originally provides details of a technique for further increasing the energy conversion efficiency of a solar electric heating module having a heat recovery device as a cooling device. In claim 1, in the northern hemisphere, a reflector having a shape extended to the outside of both north and south ends of the solar electric heating module installed to be inclined in the south direction is provided, and sunlight is reflected and condensed on the surface of the module. The method is presented. At this time, the important thing is to install reflectors in both the north and south directions and to set the installation angle. FIG. 2 shows a cross-sectional shape of a solar electric heating module system in which this reflector is installed.
図3は北緯35度の東京近郊で平屋根式の建物の屋上に10度南に傾斜した4段のモジュールアレイを設置した反射板付き太陽光電熱モジュールアレイシステムを示す。また図4はそのシステムの太陽光エネルギーから電力と温熱へ変換される効率を、反射板が無い場合を1.0とし平均の改善率を測定乃至は計算したものである。その結果から分かる通り、反射板の設置角度には最適角度が存在する。その角度よりも太陽光迎え角度が狭まると急激に変換効率は悪化する。また迎え角度を広げても反射板を設置しない状態まで変換効率は低下する。
また、反射板を南北の片方のみに設置した場合のその変換効率改善率は図4の改善度の30%程度しかない事が分かっている。それは反射された光のモジュール上面の分布が均一でなくなり、その影響があるからである。
FIG. 3 shows a solar photovoltaic module array system with a reflector in which a four-stage module array is installed on the rooftop of a flat roof type building near Tokyo at 35 degrees north latitude and is inclined 10 degrees south. FIG. 4 shows the efficiency of conversion from solar energy of the system to electric power and heat, and the average improvement rate is measured or calculated with 1.0 when there is no reflector. As can be seen from the result, there is an optimum angle for the installation angle of the reflector. When the sunlight incident angle becomes narrower than that angle, the conversion efficiency deteriorates rapidly. Moreover, even if the angle of attack is widened, the conversion efficiency is lowered to the state where the reflector is not installed.
Further, it is known that the conversion efficiency improvement rate when the reflector is installed only on one side of the north and south is only about 30% of the improvement degree of FIG. This is because the distribution of the reflected light on the upper surface of the module is not uniform and is affected.
請求項1で提示した様に、本発明では南北方向に反射板を設置することを提示している。東西方向にも反射板を設置して全外周囲に反射板を設けることを検討したが、東西方向では固定角度の反射板による集光は効果が生じないことが分かっている。太陽光の直射光は朝方及び夕方は東西方向から入射する。その展開角度は180度に渡るため、反射板の迎え角は180度に開いた状態の反射板となる。これでは反射光はモジュール表面に導かれないので、迎え角は180度より狭くすることが前提となる。その場合その迎え角を90度程度に狭くすれば反射光はモジュール表面にガイドされるが、その角度より外れたところから入射する散乱光は反射板の背面を照射することとなり、却ってモジュールへの入射する射光量は減少してしまうからである。 As presented in claim 1, in the present invention, it is suggested to install a reflector in the north-south direction. Although it was considered to install reflectors in the east-west direction and to provide reflectors all around the periphery, it has been found that in the east-west direction, light collection by a fixed-angle reflector does not produce any effect. Direct sunlight is incident from the east-west direction in the morning and evening. Since the unfolded angle is 180 degrees, the angle of attack of the reflecting plate is a reflecting plate opened at 180 degrees. In this case, since the reflected light is not guided to the module surface, it is assumed that the angle of attack is narrower than 180 degrees. In that case, if the angle of attack is reduced to about 90 degrees, the reflected light is guided to the surface of the module, but the scattered light incident from outside the angle will irradiate the back surface of the reflector, on the contrary to the module. This is because the amount of incident incident light decreases.
従って実用的には反射板をモジュールを南北方向に延長させた状態に設置することが前提となる。この反射板はほぼ平坦の反射面を持ち、その横幅はモジュールの横幅寸法より大きくする必要がある。東西に傾いた方向からの入射光を反射板で捉えてモジュール表面にガイドする効果を持たせるためである。次に反射板の反射特性が充分高い事が必要である。バフ仕上げなどにより金属の表面に光沢度処理をする事により反射率を高め、その上で酸化防止の透明塗料を塗布することも、高い反射率の確保とその特性を長期に渡って維持することに有効である。他の方法として、平坦な樹脂にアルミニウムを蒸着させて光沢アルミ反射面を確保する方法も有効である。現在、照明器具の反射板、自動車ヘッドライトの反射板形成などの技術を流用する。反射率として80%以上の反射面を確保することが前提となる。 Therefore, practically, it is assumed that the reflector is installed with the module extended in the north-south direction. This reflecting plate has a substantially flat reflecting surface, and its width needs to be larger than the width of the module. This is because the incident light from the direction tilted east and west is captured by the reflector and guided to the module surface. Next, it is necessary that the reflection characteristics of the reflector are sufficiently high. Applying a gloss treatment to the metal surface by buffing, etc. to increase the reflectivity, and then applying an anti-oxidation transparent paint on it ensures high reflectivity and maintains its properties over a long period of time. It is effective for. As another method, a method of securing a glossy aluminum reflecting surface by depositing aluminum on a flat resin is also effective. At present, technologies such as reflectors for lighting fixtures and reflectors for automobile headlights are used. It is assumed that a reflecting surface with a reflectance of 80% or more is secured.
次に反射面の設置角度についての技術が重要となる。図2に見られる様に二枚の反射板の太陽光側迎え角範囲(開き角)は太陽光をより多く捉えるためには広角である事が望ましい。しかしながら反射板に捉えた太陽光をモジュール表面に向けて反射させるにはその迎え角範囲を広げる事は得策ではない。この最適値の評価選定はモジュールアレイシステムの設置場所の緯度(地球上の南北方向位置)によって影響を受ける。また夏は太陽は鉛直方向(天頂に近い真上方向)からの入射光量が増え、冬は北半球では南の水平方向に近い方向からの入射光量が増える。太陽の直射方向角度の夏冬での差は太陽光回帰線緯度の角度である23度26分の二倍、即ち、約46.5度である。 Next, the technology regarding the installation angle of the reflecting surface becomes important. As seen in FIG. 2, the sunlight side attack angle range (opening angle) of the two reflectors is desirably a wide angle in order to capture more sunlight. However, it is not a good idea to widen the range of angles of attack in order to reflect sunlight captured by the reflector toward the module surface. The evaluation and selection of the optimum value is affected by the latitude (position in the north-south direction on the earth) where the module array system is installed. In summer, the amount of incident light from the vertical direction (directly above the zenith) increases in the sun, and in winter, the amount of incident light from the direction close to the horizontal direction in the south increases in the northern hemisphere. The difference between the direct sunlight direction angle in summer and winter is twice the angle of the solar recurrence line latitude of 23 degrees 26 minutes, that is, about 46.5 degrees.
そこで、発明者は二枚の集光用反射板の迎え角(広がり角)をこの46.5度を基準に
し、その中央の角度をシステムの設置している緯度だけ天頂より南方向(南半球では着た方向)に傾斜させて、計算による評価を行った。これを纏めたものを図4に示す。即ち二枚ノン反射板の広がり角度を46.5度に設定した場合のモジュールシステムのモジュール面積を基準にして計算したエネルギー変換効率を示している。このデータの算定条件はモジュールのトータル面積を50%に削減して設置しそのモジュール間に反射板を最適状態になる様に設置したもので、その状況は図3の様に示される。
Therefore, the inventor made the angle of attack (spreading angle) of the two light collecting reflectors 46.5 degrees as a reference, and the central angle was south of the zenith by the latitude where the system was installed (in the southern hemisphere). It was tilted in the wearing direction) and evaluated by calculation. A summary of this is shown in FIG. That is, the energy conversion efficiency calculated based on the module area of the module system when the spread angle of the two non-reflecting plates is set to 46.5 degrees is shown. The calculation condition of this data is that the total area of the module is reduced to 50% and the reflector is installed between the modules so as to be in an optimum state, and the situation is shown in FIG.
迎え角を30度狭くした場合は変換効率は反射板無い場合より悪化してしまい、30度広げた場合にも殆どその効果は失われることがわかる。即ちマイナス30度からプラス30度の範囲に変換効率を最大化する最適状態が存在する。その最適角度はモジュール面積の設定により異なり、モジュール面積率が100%に近い、即ち反射板の面積がゼロに近いほど狭い迎え角が良く、その逆で、大きな反射板を使う時は広い迎え角が良い、それはモジュールの設置角度によっても影響を受ける。 It can be seen that when the angle of attack is narrowed by 30 degrees, the conversion efficiency is worse than when there is no reflector, and the effect is almost lost even when the angle of attack is widened by 30 degrees. That is, there exists an optimum state in which the conversion efficiency is maximized in the range of minus 30 degrees to plus 30 degrees. The optimum angle varies depending on the setting of the module area. The closer the module area ratio is to 100%, that is, the closer the reflector area is to zero, the better the narrow angle of attack, and vice versa when using a large reflector. But it is also affected by the installation angle of the module.
総合的には請求項1に規定した様に北側の反射板角度は鉛直面(水平と直角面)からその地点の緯度マイナス23.3度(即ち東京であれば鉛直面から35度マイナス23.3度=11.7度南へ傾斜した角度)プラスマイナス15度(範囲として30度)、南側の反射板角度は鉛直面(水平と直角面)からその地点の緯度プラス23.3度(即ち東京であれば鉛直面から35度プラス23.3度=58.3度南へ傾斜した角度)プラスマイナス15度の間の角度に設置することが望ましい。
ここで、反射板を片方の一枚にした場合はその設定すべき角度の最適値の選定はいろいろな意味で影響要素が増えてしまい、設定が出来難いと云えるし、変換効率を高める効果も限定的になる。
以上述べて来た反射板ありの場合のモジュールのエネルギー変換効率とは、出力エネルギーを反射板無しの時のモジュール面積に照射する太陽光エネルギー量で除した見かけの数値である。従ってモジュール面積を減少させて、モジュール間に反射板を設置する手段が変換効率を向上させるための有力な方策となる。
Overall, as defined in claim 1, the reflector angle on the north side is the latitude minus 23.3 degrees of the point from the vertical plane (horizontal and perpendicular planes) (that is, 35 degrees minus 23.23 from the vertical plane in Tokyo). 3 degrees = 11.7 degrees tilted south) plus or minus 15 degrees (30 degrees as a range), the reflector angle on the south side is the latitude of the point plus 23.3 degrees from the vertical plane (horizontal and perpendicular planes) (ie In the case of Tokyo, it is desirable to install at an angle between 35 degrees plus 23.3 degrees = 58.3 degrees south of the vertical plane) plus or minus 15 degrees.
Here, if one reflector is used, the selection of the optimum value for the angle to be set increases the influence factors in various ways, making it difficult to set, and increasing the conversion efficiency. Also become limited.
The energy conversion efficiency of the module with the reflector described above is an apparent numerical value obtained by dividing the output energy by the amount of solar energy applied to the module area without the reflector. Therefore, a means for reducing the module area and installing a reflector between the modules is an effective measure for improving the conversion efficiency.
モジュールの面積と反射板の面積の割合の最適解も大変複雑な要素がある。両者の面積が同じ場合、反射板の反射率を80%、反射光のモジュール表面照射率を70%、モジュール表面での有効率(反射板を経ない入射光と反射板からの反射光が、モジュール表面から反射されない率の比を70%)とすると、総合効率は約40%となる。その場合総合変換効率は反射板無しの場合と比較して1.0プラス1.0*0.4=1.4となる。即ち反射板により40%変換効率が増加する。同じモジュール面積で比較するなら40%出力が増すことになる。反射板設置による投資額の増加を15%と仮定すると、投資対効果は40マイナス15=25%となる。即ち反射板無しのシステムに比べ25%の利得が得られることとなる。 The optimal solution for the ratio of the module area to the reflector area is also very complex. When both areas are the same, the reflectance of the reflector is 80%, the module surface irradiation rate of the reflected light is 70%, the effective rate on the module surface (incident light that does not pass through the reflector and the reflected light from the reflector are If the ratio of the ratio not reflected from the module surface is 70%), the total efficiency is about 40%. In that case, the total conversion efficiency is 1.0 plus 1.0 * 0.4 = 1.4 compared to the case without the reflector. That is, the reflection plate increases the conversion efficiency by 40%. When compared with the same module area, the output will increase by 40%. Assuming that the increase in the investment amount due to the installation of the reflector is 15%, the return on investment is 40 minus 15 = 25%. That is, a gain of 25% is obtained compared to a system without a reflector.
請求項3では反射板の面積について推奨される範囲を提示している。反射板面積をモジュール面積に対し1.4倍を超えると上記の反射光がモジュール表面をヒットする照射率
が著しく低減するし、反射板面積をモジュール面積の60%以下にした場合は、変換効率の向上は20%程度となり投資額の増加である12%程度を差し引くと8%以下の改善効果しか期待できない。従って推奨する反射板面積はモジュール総面積の0.6〜1.4倍の間で設定することが有効となる。
Claim 3 presents a recommended range for the area of the reflector. If the reflector area exceeds 1.4 times the module area, the irradiation rate at which the reflected light hits the module surface will be significantly reduced. If the reflector area is 60% or less of the module area, conversion efficiency will be reduced. The improvement is about 20%, and if the investment amount of about 12% is subtracted, only an improvement effect of 8% or less can be expected. Therefore, it is effective to set the recommended reflector area between 0.6 and 1.4 times the total module area.
反射板の効果をより有効にするにはモジュールの南北方向の辺の長さを小さくして設置する反射板の面積をあまり大きくしない事が実用的である。反射板が大きいと外観と見栄えを悪くし、台風などの強風に晒される強度や耐久性も重点課題となる。従ってモジュールの南北方向の長さを短い辺とし、その分東西の寸法を広げて所要の発電、温熱収集面積を確保することが実用的である。
さらに反射板は正午以外の時間帯には東西から入射する太陽光を有効にモジュール表面にガイドするには反射板の横幅をモジュールの東西幅より広くすることが実用的である。請求項2ではこの実用上の技術について提示している。
In order to make the effect of the reflector more effective, it is practical not to increase the area of the reflector to be installed by reducing the length of the side in the north-south direction of the module. If the reflector is large, the appearance and appearance deteriorate, and the strength and durability exposed to strong winds such as typhoons are also important issues. Therefore, it is practical to secure the required power generation and thermal collection area by making the module in the north-south direction short and extending the east-west dimension accordingly.
Further, in order to effectively guide sunlight incident from the east and west to the module surface in a time zone other than noon, it is practical to make the reflector wider than the east-west width of the module. Claim 2 presents this practical technique.
反射板に要求される機能の主なものは外観デザイン、光反射特性、台風などに対する強度、信頼性などである。優れた光反射特性は金属の表面の特性を利用することが重要であり、アルミニウム、ステンレス鉄鋼、銀、銅などがその候補材料となる。コストと製造性からアルミニウム薄板、アルミニウム蒸着樹脂、SUS薄板などが候補となる。その特性は薄板状で軽量ではあるが強度が低い事である。従って図3に示した様に反射板は折り曲げて三角形の二辺を構成し、支持部材などと一緒に三角形の断面を持った強度部材に仕上げることが実用的である事が分かる。屋根の上などに設置する時の作業性、屋根の耐加重強度の点で、反射板を薄板状に構成させることは重要であり、その薄板構造の反射板の強度を確保する上で三角形形状の2面に反射面を設けることは極めて実用的で合理的な技術である。 The main functions required for the reflector are appearance design, light reflection characteristics, strength against typhoons, and reliability. For excellent light reflection characteristics, it is important to use the characteristics of the metal surface, and aluminum, stainless steel, silver, copper, and the like are candidate materials. Aluminum sheet, aluminum vapor deposition resin, SUS sheet, etc. are candidates for cost and manufacturability. Its characteristics are that it is thin and lightweight, but its strength is low. Therefore, as shown in FIG. 3, it can be seen that it is practical to fold the reflector to form two sides of the triangle and to finish the strength member having a triangular cross section together with the support member and the like. In terms of workability when installing on a roof, etc., and the load-bearing strength of the roof, it is important to configure the reflector in a thin plate shape, and in order to ensure the strength of the reflector of the thin plate structure, a triangular shape It is an extremely practical and rational technique to provide reflective surfaces on the two surfaces.
反射板で集光させてモジュールへの照射光量を増加させる事によりモジュールは発電量と温熱発生量が増える。これにより発電セルを含むモジュールの温度は上昇しようとする。
温度上昇により発電セルの発電量の温度傾斜特性により発電量は減少してしまうため、モジュールの温度制御が重要となる。高い温熱の温度が必要な時と、高い発電量が必要な時とモジュールの温度を変えるべく制御することが望ましい。例えば発電重視の時はモジュールとセルの温度を50℃程度に、温熱の温度を高めたい時は60℃程度に制御することはシステム総合として極めて高い商品性を実現する事になる。
By increasing the amount of light applied to the module by condensing it with the reflector, the module generates more power and generates more heat. As a result, the temperature of the module including the power generation cell tends to rise.
Since the power generation amount decreases due to the temperature gradient characteristic of the power generation amount of the power generation cell due to the temperature rise, the temperature control of the module is important. It is desirable to control the temperature of the module to change when a high heat temperature is required and when a high power generation amount is required. For example, when emphasizing power generation, controlling the temperature of the module and the cell to about 50 ° C., and controlling the temperature of the heat to about 60 ° C. to increase the temperature of the heat will realize extremely high commerciality as a whole system.
モジュールが太陽光電熱モジュールではなくて単機能の太陽電池のときは、冷却機能が無いため前述の制御が出来ない。そこで請求項6はこれまで述べてきた反射板によって直に太陽電池のセルを冷却させる技術を提示している。図5に示す様に反射板はアルミ板で構成されており反射面は反射機能が施されている。この反射板は太陽電池の下面の半分まで延長された構造で、発電セルの基板はこのアルミ板と密着され発電セルの発生熱は基板を通してアルミ板へと伝わり反射板へと伝熱され、アルミ板表面特に切り起された放熱フィン部から外気へと放熱される。この構造により反射板によりモジュールに照射される太陽光量は増えて発電量が増えてもその温度はむしろ低下する。その事により更に発電量は増加するという
効果を発揮する。
When the module is not a solar electric heating module but a single-function solar cell, the aforementioned control cannot be performed because there is no cooling function. Accordingly, claim 6 presents a technique for directly cooling the cells of the solar battery by the reflector described above. As shown in FIG. 5, the reflecting plate is made of an aluminum plate, and the reflecting surface has a reflecting function. This reflector has a structure that extends to half of the lower surface of the solar battery. Heat is radiated from the radiating fins that are cut and raised, especially to the outside. With this structure, even if the amount of sunlight irradiated to the module by the reflector increases and the amount of power generation increases, the temperature rather decreases. As a result, the power generation amount is further increased.
反射板から延長された反射板は図5で分かるとおり、モジュールの底面部の真ん中近くまで延長されているが、そこで分離されている。これはこのアルミ板の温度変化による熱膨張歪が発電セルにもろに伝わって破損させることを防止するものである。モジュールの基板は発電セルと熱膨張係数が近い材質を用いている。例えば発電セルが結晶シリコンであるならば、その極めて小さな膨張係数にあわせて、実用可能な金属の中で最も膨張係数の小さな鉄板を用いている。外気への熱を放熱させるために図で示される様に随所に放熱フィンが切り起されている。このため反射板の反射面は別ピースの高反射特性を処理したアルミ薄板をその面に貼り付けている。 As can be seen in FIG. 5, the reflector extended from the reflector extends to near the middle of the bottom surface of the module, but is separated there. This prevents the thermal expansion strain due to the temperature change of the aluminum plate from being transmitted to the power generation cell and damaged. The module substrate is made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the power generation cell. For example, if the power generation cell is made of crystalline silicon, an iron plate having the smallest expansion coefficient among practical metals is used in accordance with its extremely small expansion coefficient. In order to dissipate heat to the outside air, radiating fins are cut and raised as shown in the figure. For this reason, the reflecting surface of the reflecting plate is affixed to the surface of an aluminum thin plate that has been processed with the high reflection characteristics of another piece.
請求項7は以上に説明したモジュールシステムが適用し難い事例に対する技術の提示で、特に平坦な地面乃至はビルの屋上などの平坦面に南向きに傾斜させた多数のモジュールを設置する場合である。この場合には各モジュールはその地点の緯度角度(例えば東京では35度)だけ南向きに傾斜させて設置することが多い。この場合南北に隣接するモジュールは冬季に南側のモジュールの影が北側のモジュールへの照射を邪魔しないようにかなり
離れた位置に設置される事が多い。この場合高い水平位置にある南側のモジュールの北側の辺と低い位置にある北側のモジュールの南側の辺とを結ぶ平面を反射板とする方法が実用的である。この場合はモジュールと反射板の全体がジグザグに連なるように構成される。この場合は南側に位置するモジュールの北側からの反射板による集光は無くなるが、南側からの反射板による集光の効果は大きなものとなる。即ち夏にその効果は増大する事になる。
Claim 7 is a presentation of the technique for the case where the above-described module system is difficult to apply. In particular, it is a case where a large number of modules inclined in the south direction are installed on a flat surface such as a flat ground or a rooftop of a building. . In this case, each module is often installed with the inclination to the south by the latitude angle (for example, 35 degrees in Tokyo). In this case, the modules adjacent to the north and south are often installed at positions far away in winter so that the shadow of the module on the south side does not disturb the irradiation of the module on the north side. In this case, it is practical to use a reflecting plate as a plane connecting the north side of the south module at the high horizontal position and the south side of the north module at the low position. In this case, the entire module and the reflector are configured to be connected in a zigzag manner. In this case, light collection by the reflection plate from the north side of the module located on the south side is eliminated, but the light collection effect by the reflection plate from the south side is great. In other words, the effect will increase in summer.
図6にビルの屋上に設置した事例を示す。この図でわかる通り冬の条件を考慮すると南北に連なるモジュールは北側のモジュールを日陰にしないように一定の間隔を空けて設置せざるを得ない。従ってこの部分に反射板を設ける事が合理的である。従って南北に連なるモジュールを一枚の平らな反射板で連結するような構成となる。
請求項8はこの請求項7の状態に設置された太陽電池の事例に対する発明であり、請求項6のケースと同じになる。図5に示した様な太陽電池に対する冷却効果があり、集光による発電量の増加と冷却による発電量の増加の効果が期待できる。
Fig. 6 shows an example of installation on the roof of a building. As can be seen in this figure, considering the winter conditions, modules connected to the north and south must be installed at regular intervals so that the modules on the north side are not shaded. Therefore, it is reasonable to provide a reflector at this portion. Therefore, the modules connected to the north and south are connected by a single flat reflector.
Claim 8 is an invention for the case of the solar cell installed in the state of claim 7, and is the same as the case of claim 6. There is a cooling effect on the solar cell as shown in FIG. 5, and an effect of increasing the amount of power generation by condensing and increasing the amount of power generation by cooling can be expected.
以上の説明で分かる通り、本発明の効果は以下の様な項目となる。
1、集光により太陽光電熱モジュールシステムでは発電量と温熱収集量が増加できる。
2、太陽電池のシステムでは集光と冷却により発電量の増加が期待できる。
3、集光装置の具体的な設計、設置のガイド指針を提示できる。
4、平板状の簡単な構造の固定式反射板により集光効果が期待でき、反射板の設置に要する費用よりはるかに大きな経済効果が期待できる。
5、集光効果により集熱された温熱の温度が高くなり、且つモジュールの面積の減少によりモジュールの外面からの放熱ロスが低減できその効果は高まる。
6、以上の効果によりその経済効果を高める事が可能となり、自然エネルギーを利用する観点から、当該システムの実用化、普及が進展できる。
As can be seen from the above description, the effects of the present invention are as follows.
1. The solar power module system can increase the amount of power generation and the amount of heat collected by condensing light.
2. In the solar cell system, an increase in power generation can be expected by condensing and cooling.
3. Specific guides for the light condensing device can be presented.
4. A light-condensing effect can be expected from a fixed reflector having a flat plate-like structure, and an economic effect far greater than the cost required for installing the reflector can be expected.
5. The temperature of the heat collected by the light collecting effect becomes high, and the heat loss from the outer surface of the module can be reduced by reducing the area of the module, and the effect is enhanced.
6. The economic effect can be enhanced by the above effects, and the practical use and spread of the system can be promoted from the viewpoint of using natural energy.
以下、本発明の実施形態を、図1〜図6に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1、2、3、4は太陽光電熱モジュールに反射板を設置した事例を示す。太陽光電熱モジュール1は上面ガラス2の下層の空気層と断熱層8により断熱されているから発生熱量の大部分は冷却媒体用銅管6内を流れる冷却媒体であるプロピレングリコール水溶液により冷却される。従ってこの媒体の温度と循環量を制御すればモジュールの温度即ち発電セル4の温度は制御することができる。従って太陽光を多量に集光し、発電量と発熱量を増しても発電セルの温度を上昇させずに制御することが可能である。本実施例では構造基板5の温度を57℃、冷却媒体の平均温度を55℃を標準条件として制御している。それは出力温熱を給湯、暖房に利用する上で必要な温度から設定されている。 1, 2, 3, and 4 show examples in which a reflector is installed in a solar electric heating module. Since the solar electric heating module 1 is insulated by the air layer below the top glass 2 and the heat insulating layer 8, most of the generated heat is cooled by a propylene glycol aqueous solution which is a cooling medium flowing in the cooling medium copper tube 6. . Therefore, the temperature of the module, that is, the temperature of the power generation cell 4 can be controlled by controlling the temperature of the medium and the circulation amount. Therefore, it is possible to control without increasing the temperature of the power generation cell even if a large amount of sunlight is condensed and the power generation amount and the heat generation amount are increased. In this embodiment, the temperature of the structural substrate 5 is controlled to 57 ° C., and the average temperature of the cooling medium is controlled to 55 ° C. as standard conditions. It is set from the temperature required to use the output heat for hot water supply and heating.
そこで、図2の様にモジュールの南北方向の2辺の外側に延長して北側反射板102と南側反射板101を取り付けてそこに太陽光を反射させてモジュール1に集光させる。
太陽の直射光は例えば東京では春分と秋分の昼12時には天頂から南側35度(東京の北緯)水平方向に傾斜した方向から入射する。夏は35度マイナス23.3度(回帰線角度)即ち11.7度南側に傾斜した方向から入射する。冬は35度プラス23.3度即ち58.3度南側に傾斜した方向から入射する。
Therefore, as shown in FIG. 2, the north-side reflecting plate 102 and the south-side reflecting plate 101 are attached to the outside of the two sides in the north-south direction of the module, and sunlight is reflected there to be condensed on the module 1.
Direct sunlight from the sun, for example, enters Tokyo at 12 o'clock in the spring equinox and autumn equinox from a direction inclined in the horizontal direction 35 degrees south of the zenith (north latitude of Tokyo). In summer, the incident light enters from 35 degrees minus 23.3 degrees (regression line angle), that is, 11.7 degrees south. In winter, the incident light enters from the direction inclined to 35 degrees plus 23.3 degrees, or 58.3 degrees south.
そこで、反射板によってモジュールに集光させるにはまづ、この直射光がモジュールに入射するのを邪魔しない様にしている。このために本実施例では、反射板102は11.7度南に傾斜されて取り付けられている。また反射板101は58.3度南に傾斜されて取り付けられている。この場合の迎え角は標準迎え角である46.6度(23.3度の2倍)となっている。
この状態での年間の太陽光エネルギー変換効率は図4で示す標準迎え角での値であり、それは約1.4である。この設置角度を迎え角が少し狭める様にするとその値は急激に減少し、反射板が無い状態(変換効率1.0)より悪化してしまう。この設置角度を迎え角が広がるようにすると最後は変換効率は1.0に近付く。この迎え角の影響は朝晩及び春夏秋冬の太陽光入射角度の変化の影響の集積であり、その影響の算定は極めて複雑であり、説明が難しい。
Therefore, before the light is condensed on the module by the reflector, the direct light is prevented from entering the module. For this purpose, in the present embodiment, the reflector 102 is attached with an inclination of 11.7 degrees south. Further, the reflector 101 is attached with an inclination of 58.3 degrees south. The angle of attack in this case is 46.6 degrees (twice 23.3 degrees), which is the standard angle of attack.
The annual solar energy conversion efficiency in this state is a value at the standard angle of attack shown in FIG. 4, which is about 1.4. When the angle of attack is made slightly narrower, the value decreases sharply and becomes worse than the state where there is no reflector (conversion efficiency 1.0). If the angle of attack is widened, the conversion efficiency finally approaches 1.0. The effect of this angle of attack is the accumulation of the effects of changes in the incident angle of sunlight in the morning and evening and in the spring, summer, autumn and winter. The calculation of the effect is extremely complicated and difficult to explain.
その影響の算定は、実は太陽光電熱モジュール自体の設置角度によっても大きく変化する。図3には平坦なビルの屋上にモジュールを10度傾斜させた事例を示している。この場合には反射板101と102はその先端で折り曲げられた一体の板厚1.0mmのアルミ板を用いている。このアルミ板の表面は反射率向上のバフ加工が施されて防錆のため透明なフッ素系フィルムで密着カバーされている。モジュール支持106とシステム架台107を含めて反射板は三角形を形成しており、薄板のアルミ板ではあるが十分な強度を有し、例えば台風などに晒されても問題ない強度を有している。 The calculation of the effect varies greatly depending on the installation angle of the photovoltaic module itself. FIG. 3 shows an example in which the module is inclined 10 degrees on the roof of a flat building. In this case, the reflecting plates 101 and 102 are integrally formed aluminum plates having a thickness of 1.0 mm bent at their tips. The surface of the aluminum plate is buffed to improve reflectivity and is covered tightly with a transparent fluorine film for rust prevention. The reflector plate including the module support 106 and the system mount 107 has a triangular shape and is a thin aluminum plate, but has a sufficient strength, for example, a strength that is not problematic even when exposed to a typhoon or the like. .
図2は単品のモジュールを図にしているが、この場合には反射板101,102は大きな面積にすることは出来ない。台風に対する強度などの点で図3の場合より劣るからである。この場合反射板を単に小型化するのではなくて、モジュールの南北方向寸法を小さくして東西方向に長い形状にして反射板の突出高さを抑えるか、または反射板の背面部に押さえ部材を取り付けて断面が図3の様に三角形となる様に構成するのが実用的である。 FIG. 2 shows a single module. In this case, the reflectors 101 and 102 cannot have a large area. This is because it is inferior to the case of FIG. 3 in terms of strength against the typhoon. In this case, rather than simply reducing the size of the reflector, the size of the module in the north-south direction is reduced to make it longer in the east-west direction, or the protruding height of the reflector is suppressed, or a pressing member is provided on the back of the reflector. It is practical to install and configure the cross section to be a triangle as shown in FIG.
モジュールの面積に対し、図2は反射板の面積を1.2倍に、図3では1.6倍にして
設計している。この場合、モジュール1の見かけの太陽光ネルギー変換効率はその面積増加割合の40%程度が上乗せされるから図2では1.48倍、図3では1.64倍となると算定されるが、実際は反射板面積を1.0倍以上ではこの40%の数値は少しずつ頭打ち傾向となるから変換効率改善率は最大1.5倍程度と考えて設計する。見かけの変換効率とは直接入射する太陽光エネルギー(即ち反射板の無い状態での入力)に対しての実際の発電量プラス温熱出力量の和(反射板がある場合の出力)の比率である。反射板の大きさは変換効率のみでなく、強度信頼性、据付性、外観デザイン性、価格(含む据付費)など多くの評価要因があるのは勿論である。
In FIG. 2, the area of the reflector is designed to be 1.2 times that of the module, and in FIG. In this case, the apparent solar energy conversion efficiency of module 1 is calculated to be 1.48 times in FIG. 2 and 1.64 times in FIG. 3 because about 40% of the area increase rate is added. When the reflector area is 1.0 times or more, this 40% value gradually tends to peak, so the conversion efficiency improvement rate is designed to be about 1.5 times at maximum. Apparent conversion efficiency is the ratio of the actual power generation plus the sum of thermal output (output when there is a reflector) to the directly incident solar energy (that is, input without reflector). . Of course, the size of the reflector has not only conversion efficiency, but also many evaluation factors such as strength reliability, installation, appearance design, and price (including installation costs).
図5はモジュール1が冷却機能を持たない太陽電池の場合の事例である。この場合事例1の様な方法で集光してもその効果は半減する。即ち反射板面積をモジュール面積と同じにしても1.4倍の変換効率は得られないで1.2程度となってしまう。それは太陽電池セル4の温度が上昇してしまい発電特性の温度依存性から発電量が減少してしまうからである。1.2倍程度の変換効率向上度では反射板の設置費用が15〜20%増えるため、経済性の改善は殆ど無い。実施例2の図5では反射板の基板を板厚1.5mmのアルミ平板とし、その表面に反射用のアルミ蒸着フィルムを貼り付けてある。さらに基板のアルミ板を太陽電池の基板となるバックシート104の背面をカバーする様に太陽電池の背面まで延長してバックシートと接着している。さらにアルミ基板は図に示した様に切りお越し部を多数設けて図の様に切り起している。この切りお越し部分が放熱フィンとして外界空気に放熱を助長し、アルミ基板内の伝熱によりバックシートをさらには太陽電池セル4を冷却している。 FIG. 5 shows an example in the case where the module 1 is a solar cell having no cooling function. In this case, the effect is reduced by half even if the light is condensed by the method as in Case 1. In other words, even if the reflector area is the same as the module area, a conversion efficiency of 1.4 times cannot be obtained and becomes about 1.2. This is because the temperature of the solar battery cell 4 rises and the power generation amount decreases due to the temperature dependence of the power generation characteristics. With a conversion efficiency improvement of about 1.2 times, the installation cost of the reflector increases by 15 to 20%, so there is almost no improvement in economic efficiency. In FIG. 5 of Example 2, the substrate of the reflector is an aluminum flat plate having a thickness of 1.5 mm, and a reflective aluminum vapor deposition film is pasted on the surface thereof. Furthermore, the aluminum plate of the substrate is extended to the back surface of the solar cell so as to cover the back surface of the back sheet 104 that becomes the substrate of the solar cell, and is bonded to the back sheet. Furthermore, the aluminum substrate is cut and raised as shown in the figure by providing a number of cut-off portions as shown in the figure. This cut-off portion promotes heat dissipation to the outside air as a heat radiating fin, and the back sheet and further the solar battery cell 4 are cooled by heat transfer in the aluminum substrate.
反射板101,102は実施例1のそれとは形状も機能も若干異なるが、反射機能で集光してモジュールのエネルギー変換効率を向上させることを目的としている点、及び本発明の根幹を成す反射板の基本構成は同じ技術をベースとしている点で同一である。しかしながら太陽電池電熱モジュールでは電力と温熱の双方に対してその効果があり実用的な効果が高いこと、冷却機能を持たせる必要が無い点で実行には優位である。 The reflectors 101 and 102 are slightly different in shape and function from those of the first embodiment, but are intended to improve the energy conversion efficiency of the module by condensing with the reflection function, and the reflection that forms the basis of the present invention. The basic structure of the board is the same in that it is based on the same technology. However, the solar cell electric heating module has an effect on both electric power and heat, has a high practical effect, and is superior in execution because it does not need to have a cooling function.
図6は平坦な設置面であるビルの屋上に多数のモジュールを35度南側に傾斜させて設置し、南北に隣接するモジュール間を平坦な一枚の反射板で連結した構造にしている。これは設置面が平坦であるにも拘わらず、モジュールの傾斜角度を35度の様に大きくした場合、以上に述べて来た様なモジュールの南北に別々の反射板を設置すると北側に取り付けた反射板の先端が高い位置となり、前述した方法では結果としてモジュール面積に対し反射板の面積が大きくなり勝ちで、その全てはエネルギー変換効率の向上に結びつかないし、先端位置が高い為種々の問題を惹起する。例えば台風などへの強度確保が難しく、先端で風きり音が発生するなどである。 FIG. 6 shows a structure in which a large number of modules are installed on the rooftop of a building, which is a flat installation surface, inclined 35 degrees southward, and the modules adjacent to the north and south are connected by a single flat reflector. This is because even if the installation surface is flat, if the inclination angle of the module is increased to 35 degrees, a separate reflector is installed on the north side of the module as described above, and the module is attached to the north side. The tip of the reflector plate is at a high position, and as a result, the area of the reflector plate tends to increase with respect to the module area as a result, all of which do not lead to improvement in energy conversion efficiency, and the tip position is high, which causes various problems. Provoke. For example, it is difficult to ensure strength against typhoons, and wind noise is generated at the tip.
このケースでモジュールが太陽電池の場合も同様である。反射板の南北端は図5と同じように太陽電池20の背面までカバーしてセルを冷却するための図5と同じ機構が付いている。この結果、反射板102とモジュール20を含んだ三角形が形成され構造物として安定した構造となっているのがわかる。 The same applies when the module is a solar cell in this case. The same mechanism as in FIG. 5 is attached to the north and south ends of the reflector so as to cover the back of the solar cell 20 and cool the cells as in FIG. As a result, it can be seen that a triangle including the reflector 102 and the module 20 is formed, and the structure is stable.
以上の発明による技術は、人類が今後必要とする太陽光エネルギーを地上で利用できるエネルギーに変換するシステムを普及させる上で極めて重要で必要な基本技術である。
これを実用化して、
1、モジュール面積の小型化によりコスト低減し全ての建造物の屋根に設置し易くして装置の普及に貢献できる。
2、野菜工場など、今後必要となる一次産業のエネルギーインフラを担えるなど多くの業務用、産業用のエネルギー需要に対応できる。
3、装置システムは比較的簡単な構造方式であり、多くの事業者が参入し易く、装置の普及に貢献できる。
4、今後、住宅、店舗、農業などに必須なシステム装置として1つの産業を構成するように発展できる可能性が大きい。
The technology according to the above invention is a fundamental technology that is extremely important and necessary for disseminating a system that converts solar energy required by humanity into energy that can be used on the ground.
Practical use of this,
1. Reduced module area reduces costs and facilitates installation on the roofs of all buildings, contributing to the spread of equipment.
2. It can meet the energy demands of many industrial and industrial use, such as supporting the energy infrastructure of primary industries that will be needed in the future, such as vegetable factories.
3. The device system is a relatively simple structural method, and many companies can easily enter, contributing to the spread of the device.
4. In the future, there is a high possibility that it can be developed to constitute one industry as a system device indispensable for housing, stores, agriculture and the like.
1 太陽光電熱モジュール
2 上面カバーガラス
3 セル上面カバーフィルム
4 発電セル
5 構造基板
6 冷却媒体用銅管
7 配管カバー
8 断熱層
10 冷却配管
11 冷却媒体流路
20 太陽電池モジュール
50 夏の太陽直射光
51 冬の太陽直射光
100屋根
101南側光反射板
102北側光反射板
103切起こしフィン
106モジュール支持
107システム架台
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Photovoltaic module 2 Upper surface cover glass 3 Cell upper surface cover film 4 Power generation cell 5 Structure board 6 Copper tube for cooling medium 7 Piping cover 8 Thermal insulation layer 10 Cooling piping 11 Cooling medium flow path 20 Solar cell module 50 Summer direct sunlight 51 Winter direct sunlight 100 Roof 101 South side light reflector 102 North side light reflector 103 Cut and raised fin 106 Module support 107 System mount
Claims (8)
前記光反射板の表面は平板状で光反射特性に優れた金属面乃至は透明な表面処理層にカバーされた金属板乃至は樹脂板からなり、前記太陽光電熱モジュールの北側の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を鉛直の角度から、その地点の北緯緯度から23.3度をマイナスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち夏期の正午太陽光角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置し、南側の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を鉛直面の角度から、その地点の北緯緯度と23.3度をプラスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち冬季の正午太陽光角度)で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置したことを特徴とした反射光利用型太陽光モジュールシステム。 A rectangular flat solar power module that receives sunlight and outputs power and heat by using it on the top surface is installed in a fixed state by tilting it horizontally or south, and extends outward from the north and south sides, respectively. In the reflected light utilization type solar electric heating module system in which two light reflectors are installed at the position,
The surface of the light reflecting plate is a flat plate and is made of a metal surface or a resin plate covered with a transparent surface treatment layer having excellent light reflection characteristics, and is installed on one side of the north side of the solar electric heating module. The light reflector has a surface angle inclined from the vertical angle to the south by an angle minus 23.3 degrees from the north latitude of the point, that is, a summer noon sunlight angle or 15 Install the light reflector at an angle in the range of degrees, and tilt the surface of the light reflector installed on one side of the south side from the angle of the vertical plane to the south by an angle that is 23.3 degrees plus north latitude and latitude of the point. The reflected-light-use type solar module system, which is installed at an angle of about 15 degrees before or after that angle, that is, a noon sunlight angle in winter.
前記光反射板は表面が平板状で光反射特性に優れた金属面乃至は透明な表面処理層にカバーされた金属板乃至は樹脂板からなり、北側の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を鉛直の角度から、その地点の北緯緯度から23.3度をマイナスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち夏期の正午太陽光角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置し、南側の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を鉛直面の角度から、その地点の北緯緯度と23.3度をプラスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち冬季の正午太陽光角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置したことを特徴とした反射光利用型太陽光モジュールシステム。 A solar power module with a rectangular plate with a long side in the east and west that uses sunlight to output power and heat by receiving sunlight on the top surface is installed in a fixed state by tilting horizontally or south. In the reflected light utilization type solar module system in which two light reflectors having a width larger than the east-west width of the solar photovoltaic module in the previous period are installed at positions extended from the north and south sides to the outside,
The light reflecting plate is made of a metal surface or a resin plate covered with a transparent surface treatment layer or a metal surface having a flat plate surface and excellent light reflection characteristics, and the light reflecting plate installed on one side of the north side The angle of the surface is inclined from the vertical angle to the south by an angle minus 23.3 degrees from the north latitude of the point, that is, in the summer noon sunlight angle or in the range of 15 degrees around it. The light reflector installed on one side of the south side is inclined to the south by an angle that is 23.3 degrees plus the north latitude and latitude of the surface from the angle of the vertical plane, that is, in the winter season. A reflected light utilization type solar module system characterized by being installed at a noon sunlight angle or an angle in the range of 15 degrees before and after that.
前記光反射板の表面は平板状で光反射特性に優れた金属面乃至は透明な表面処理層にカバーされた金属板乃至は樹脂板からなり、前記太陽光電熱モジュールの北の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を、鉛直の角度からその地点の北緯緯度から23.3度をマイナスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち夏期の正午太陽光角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置し、南の一辺に設置した前記光反射板はその表面の角度を鉛直面の角度から、その地点の北緯緯度と23.3度をプラスした角度だけ南へ傾斜させた角度、即ち冬季の正午の太陽光角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置すると共に、前記太陽光電熱モジュールの面積に対し二枚の前記光反射板の総面積を0.6〜1.4倍になる様に設置し、且つ南北に隣接する複数の反射光利用型太陽光電熱モジュールの間の光反射板先端でそれらが連続する様に一体に構成したことを特徴とした反射光利用型太陽光モジュールシステム。 A plurality of square plate-like solar power modules that receive sunlight and output power and heat by using it on the top surface are installed in a fixed state by tilting horizontally or southward, respectively. In the reflected light utilization type solar electric heating module system in which two light reflectors are installed at the extended position,
The surface of the light reflecting plate is a flat plate-shaped metal surface or a metal plate or resin plate covered with a transparent surface treatment layer, which is excellent in light reflecting characteristics, and is installed on one side of the solar heating module. The angle of the surface of the light reflector is tilted to the south by an angle minus 23.3 degrees from the north latitude at the point from the vertical angle, that is, the noon sunlight angle in summer or 15 Installed at an angle in the range of degrees, the light reflector installed on one side of the south is inclined to the south by an angle that is 23.3 degrees plus the north latitude latitude of the point from the angle of the vertical plane of the light reflector The solar light angle at noon in winter or 15 degrees before and after that, and the total area of the two light reflectors is 0.6 with respect to the area of the solar heating module. Installed to be ~ 1.4 times, and south Reflected light utilizing photovoltaic module system characterized by being configured integrally as they are continuous with the light reflection plate tip between the plurality of reflected light utilize solar electric module adjacent.
前記光反射板の表面は平板状で光反射特性に優れた金属面乃至は透明な表面処理層にカバーされた金属板乃至は樹脂板からなり、前記光反射板はその表面の角度を、鉛直の角度からその地点の北緯緯度から23.3度をプラスした角度、即ち冬季の正午の太陽光照射角度で乃至はその前後15度の範囲の角度で設置すると共に、前記太陽光電熱モジュールの面積に対し前記光反射板の面積を0.8〜1.4倍になる様に設置したことを特徴とした反射光利用型太陽光モジュールシステム。 On the flat surface or the upper surface of a building, the solar panel receives a solar light and outputs electric power and heat to use it. Reflected light that is installed in a fixed state tilted only in the south direction, and has one flat light reflector with both sides of the adjacent north and south sides of the two solar electric modules adjacent to the north and south. In the utilization type solar electric heating module system,
The surface of the light reflecting plate is a flat metal plate or a metal plate or resin plate covered with a transparent surface treatment layer having excellent light reflecting characteristics, and the light reflecting plate has a vertical angle with respect to the surface. Is installed at an angle of 23.3 degrees from the north latitude latitude of the point, that is, a solar irradiation angle at noon in winter or a range of 15 degrees before and after that, and the area of the photovoltaic module On the other hand, the reflected light utilization type solar module system is characterized in that the area of the light reflecting plate is set to be 0.8 to 1.4 times.
Instead of the solar electric heating module, a solar cell module that outputs only electric power is used, the light reflecting plate is formed of an aluminum flat plate, and the light reflecting plate is extended to the back surface of the solar cell module. It is configured to be a condensing plate to the solar cell module and at the same time a cooling device by attaching it so as to be in a heat transfer relationship with a metal flat plate that becomes a substrate on which the power generation cells of the battery module are arranged. The reflected light utilization type solar module system according to claim 7.
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