JP2011129848A

JP2011129848A - 集光型太陽光発電モジュール

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Publication number: JP2011129848A
Application number: JP2009299444A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakamura; 忠中村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】従来の一軸追尾式の集光型太陽光発電装置に比べ、年間を通じ遊休状態となる光発電素子がなく受光する光が均一であり、しかも、安価な一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュールの提供。
【解決手段】線焦点を有する太陽光集光手段と、当該集光手段と平行に細長い太陽電池を配設してなる一軸追尾式の集光型太陽光発電装置において、焦点近傍に設置される太陽電池の受光面の長さを焦光手段の長手方向の長さよりやや短くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、一軸追尾式の線集光型太陽光発電装置に係り、更に詳しくは、従来の一軸追尾式の集光型太陽光発電装置に比べ、年間を通じ太陽電池の各部分で受光する光が均一であり、しかも、安価な一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュールに関する。

光発電素子を用いる太陽光発電システムの一つとして、太陽光集光機構を特に設けることなく、光発電素子を並べた太陽電池を設置し、直接太陽光を受けて発電する固定型が一般家庭に普及しつつある。しかしながら、固定型の太陽光発電システムは、高価である太陽電池の面積当りの発電量が少なく、発電コストの点で課題を残す。

これに対し、小面積の太陽電池で大きな発電量を得ることを可能とするものとして、かまぼこ状の細長い凸レンズや、断面が放物線状である樋型の反射鏡を用いて太陽光を直線状に集光する集光型太陽光発電システム（例えば、非特許文献１参照）、更には、当該集光型太陽光発電システムに、一日の太陽の動きを追尾する機構を付加した一軸追尾式の集光型太陽光発電システム（非特許文献２参照）が近年注目されている。

ＫＥＣ情報ＮＯ、２０１ｐ．１７−１８２００７年Ｒ＆ＤＮｅｗｓｋａｎｓａｉ特集号ｐ．３６−３７

従来の反射集光型太陽光発電システムにあっては、発電効率向上の為、太陽電池を反射鏡等の焦点近傍に配置しているため、反射鏡等の焦点距離に相当する大きなスペースを必要とする装置となる。又、前述の一軸追尾式の集光型太陽光発電システムは季節による太陽高度の変化への対応がなされていない為、高価な光発電素子の一部が季節によっては遊休状態となりコストパフォーンスの点で不満を残す。光発電素子の遊休状態を解消し、年間を通じた発電効率を高めるものとして、一日の太陽の動きを追尾する機構に加え、季節による太陽光高度の変化を追尾する機構を有する二軸追尾式の反射集光型太陽光発電システムも考えられている。しかしながら、二軸追尾式のそれは追尾機構が複雑となり更なるコストアップにつながる。

本発明は、従来の一軸追尾式の集光型太陽光発電装置に比べ、年間を通じ遊休状態となる光発電素子がなく、太陽電池の各部分で受光する光が均一であり、しかも、安価な一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュールの提供を目的とする。

本発明者は、集光型太陽光発電システムにおける集光手段として知られている断面が放物線状の樋型、或いはかまぼこ状の細長い凸レンズの集光面に平行して細長い太陽電池を配設してなる一軸追尾式の集光型太陽光発電装置において、集光手段の焦点近傍に設置する太陽電池の受光面の長さを集光手段の長手方向の長さよりやや短くすれば上記目的を達成し得ることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、請求項１に係る本発明は、線焦点を有する太陽集光手段と、当該集光手段と平行に細長い太陽電池を配設してなる一軸追尾式の集光型太陽光発電装置において、焦点近傍に設置される太陽電池の受光面の長さが、集光手段の長手方向の長さよりやや短いことを特徴とする一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュールを特徴とする。

請求項２に係る本発明は、太陽電池の受光面の長さ（Ｌ２）が、下記数式１で表されるサイズである請求項１に記載の一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュールを特徴とする。

以下、本発明に係る一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュール（以下、本発明の太陽光発電モジュールと称する）について添付図面を参照しつつ説明する。本発明で用いる集光手段は横断面が放物線である浅い樋型状の凹面鏡、或いは、かまぼこ状の細長い凸レンズ等の直線状焦点を有するものである。本発明の太陽光発電モジュールは、集光手段の長手方向の長さよりやや短いサイズの細長い形状の太陽電池を、集光手段と平行に、集光手段に面して配置し、集光された太陽光を受光・発電する。実際には、本発明の太陽光発電モジュールを地軸と平行に設置し、この地軸に平行な軸を中心に東から西へモジュール（装置）全体を回転させることで一日の太陽の動きを追尾（一軸追尾）して、太陽光を効率よく利用する。

図１は本発明の太陽光発電モジュールの概念を示す横断面図である。反射鏡Ｍは放物線の頂点Ｏを含み左右対称の樋型凹面鏡であり、図の上方から太陽光が照射されると光線は焦点Ｆに収束する。太陽電池Ｅはこの焦点の近傍に、反射鏡と平行に設置される。

反射鏡の幅ｄ１と太陽電池の幅ｄ２の比ｄ１／ｄ２が理論的な集光倍率である。太陽電池Ｅが焦点に近いほど、ｄ２を小さくでき、集光倍率が大きくなる。太陽の一日の動きに対する追尾は、例えば反射鏡の中心Ｏを通る地軸に平行な軸のまわりに、装置を回転させることにより達成される。

図２は太陽の日周運動追尾の説明図である。朝６時には反射鏡の中心は東の水平方向を向く。春分、秋分の日の出の時間である。正午にはいうまでもなく真上（真南）を向き、夕方６時には真西を向く。ここで、時間は日本の標準時間といったものではなく、その土地で太陽が南中したときを正午とする、その土地の絶対時間である。北半球では夏の朝６時には太陽はすでに昇っているが、６時の反射鏡の向きは季節を問わず同じでよい。６時より前の太陽光も利用したい場合は、反射鏡を下向きの角度から追尾を始め、日没時には夕方６時過ぎまで追尾してもよい。日没まで追尾したのち、反射鏡は夜の間に翌日のスタート位置まで戻される。地軸に平行な回転軸は、Ｏに限らず、ＯとＦを結ぶ中心線上ならどこでもよいが、装置の重心に近いところが望ましい。また、それ以外の回転方法を適用することも可能である。

図３は本発明の太陽光発電モジュールの縦断面図である。図３をもって、季節による太陽高度の変化への対応を説明する。Ｍは樋型反射鏡の中心線、Ｆは線状焦点であるが太陽電池Ｅはモデル的にこの位置にあるとする（実際はこれよりやや反射鏡に近い位置、或いは遠い位置になる）。ＭとＦは平行で、かつ地軸に対しても平行である。すなわち、水平面に対する角度αはその地点の緯度と等しくなる（南半球ではαはマイナスとなる）。春分、秋分には、太陽光は反射面に垂直に入射し、反射して焦点Ｆに集まる。それに対して、夏至には、太陽光はこの垂直な線より北へ２３度２６分傾いた角度βで入射し、南へ同じ角度傾いた方向へ反射する。冬至にはこれとまった逆になる。ここで、βは太陽の周りを回る地球の公転面に対する地軸の傾きであり、北回帰線の緯度と同じである。

この装置を、太陽高度の季節変化に追随して上下（南北）に角度を変えることは、装置が大きくなると非常に困難なことが予想される。しかも、１日の太陽の動きに同時に追随するには複雑な制御が必要になり、現実的ではない。ここで重要なのは、反射鏡の長さＬ１（Ａ〜Ｂ）と太陽電池（焦点の位置）の長さ（ａ〜ｂ）が同じであると、夏至にはｂ〜ｓの部分、冬至にはａ〜ｗの部分に反射光が当たらないことである。春分、秋分を除いてその他の季節は、程度の差はあるがこの部分で受光する光は他の部分より少なくなり、その結果この部分での発電量が低下することになる。このように、線焦点の両端部は季節により受光量が著しく変わるが、それを除いたｗ〜ｓの区間（Ｌ２）は、どの季節も均等に反射光を受光することができる。すなわち、反射面Ｌ１に対し、受光部をそれより短いＬ２、即ち、下記数式１で表される長さとすれば季節による太陽高度の変化にかかわらず、太陽電池の各部分で常に均一な発電が可能となる。

太陽電池の長さＬ２を基準にすれば、下記数式２のように反射鏡の長さＬ１をそれより若干長くすることである。

本発明にあっては、反射鏡で集光された太陽光を全て利用することは原理的に不可能であるが、そのロスをできるだけ小さく、利用効率をできるだけ大きく（１に近づける）することが出来る。ここで、利用効率εは太陽電池の長さと反射鏡の長さの比Ｌ２／Ｌ１である。これを大きくするには、反射鏡の長さＬ１に対する放物線の焦点距離ｆ（ｅとほぼ等しい）の比をできるだけ小さくすることである。図３を幾何学的に解析すると、ｆがＬ１の１／１０であれば、利用効率εはおよそ０．９１となる。１／２０なら０・９６であり、この水準であれば実用上問題はない。

図４は本発明のモジュールの横方向の断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸の交点Ｏを通る放物線が反射鏡の断面、この放物線焦点ＦはＯからｆの距離にある。太陽光がこの図の上方からＹ軸に平行に入射すると、反射光は焦点Ｆに集まる。今、ＦからＸ軸と平行に２ｆ離れた点Ｇに入射した光は、水平に反射してＦに向う。太陽電池はＦ近傍に設置され、Ｘ軸と平行な平面であるから、点Ｇからの反射光は太陽電池に当らず、発電に寄与しない。すなわち、放物線反射鏡の横幅（ｄ１／２、左右対称の半分）は最大でも２ｆ未満である。しかし、２ｆ以内の位置であっても、Ｇに近い反射面からの反射光は、太陽電池の面に対し浅い角度での入射となる。その場合、入射光は太陽電池の表面で大部分反射してしまい、光発電に有効に使われない恐れがある。したがって、厳密な境界ではないが、太陽電池への反射光の入射角はおよそ４５度以上、反射鏡の横幅（ｄ１／２）はおよそ０．８ｆ以内であることが望ましい。入射角が大きいほど太陽電池表面での反射が少なく太陽光利用率は上がるが、その分反射鏡の幅が狭くなり、モジュール当りの受光面積が少なくなり、一定の電力を得ようとするとモジュール数が多くなる。最適値はこれらの得失を評価して決められる。

次に、複数のユニットを平行に並べて設置する方式について説明する（ここで、モジュール１単位をユニットと呼ぶ）。図５は、例として３ユニットを並べた断面である。全体で幅（ｄ１）２ｍの範囲の太陽光を集光する場合を考えてみる。幅２ｍの樋型反射鏡の場合、前記の０．８ｆが１ｍであるから、反射鏡Ｍの中心Ｏから焦点Ｆまでの距離ｆは１．２５ｍとなる。これに対し、３ユニットを並べた場合は、１ユニットの全幅ｄ１は０．６７ｍ、焦点距離ｆは１／３のおよそ０．４２ｍとなる。もし、ユニット（反射鏡）の長さＬ１がどちらも同じであれば、前に説明したとおり、ｆ／Ｌ１が小さい方がＬ２／Ｌ１をより１に近くすることができるので、３ユニット並べた方が季節による太陽高度変化に対する装置の効率を高くできる。いくつのユニットを並べるかは、装置の複雑さと、得られる効率向上との比較で決められる。複数ユニットを平行に並べた場合の太陽の日周運動への追尾は、単独モジュールの場合と同様に、複数ユニット全体を地軸と平行な軸の回りに回転させることで、達成できる。

図４で述べたように、放物線型反射鏡の点Ｇ近傍に照射された太陽光は、ほぼ水平に反射して焦点Ｆへ向かうため、Ｆの近傍に水平に設置した平面太陽電池には当らず、発電に寄与しない。これを改善するためには、太陽電池断面が平面ではなく、半円形或いは多角形の一部とすればよい。図６に三つの例を示すが、必ずしもこれに限らない。ａは半円形、ｂはＶ字型、ｃはコの字型であるが、ｃ型では反射光がやや上方からきた場合も利用できる。このような太陽電池を用いることにより、放物線のより広い範囲を反射面として利用することが可能となる。このことは、反射光が厳密に線焦点に集光しなくとも、多少の誤差を許容したり、反射鏡の作りやすさや強度の問題での選択範囲を広くする利点がある。ただし、本発明の一つの目的は、集光率を上げることにより、より少ない面積の太陽電池で所要の発電量を得ることにあるので、太陽電池の構造をいたずらに複雑にして、その結果面積が増えることになるのは避けねばならない。

本発明は、反射型ばかりでなく、同様に線焦点を形成するかまぼこ型凸レンズ、或いはこれと同様の効果を有する縦長のフレネルレンズによる集光方式にも応用可能である。図７にレンズ集光の場合の横断面図を示す。太陽電池Ｅはレンズの焦点Ｆ近傍に、レンズと平行に、レンズの中心方向に向けて設置する。この場合、装置を地軸と平行に設置して、地軸と平行な軸を中心として回転させて一日の太陽の動きに追随させ得ることは言うまでもない。季節変動に対しても、レンズより太陽電池をやや短くすれば、太陽高度が変化しても、常に均一な発電を可能にすることができる。

図８は集光手段がレンズである場合の本発明を説明する概念図である。長さＡ〜Ｂの集光レンズＬを水平面に対し南北に地軸と平行な角度αで配設した時の、縦方向の断面図である。夏至には太陽光はレンズＬに垂直な線より北へ２３度２６分傾いた角度βで入射し、冬至にはそれと対称に南へ２３度２６分傾いた角度で入射する。したがって、線焦点のｗ〜ｓ間は季節によらず太陽光が焦点を結ぶことになる。太陽電池を線焦点ｗ〜ｓの近傍に置いた場合、年間の太陽光捕集率εはｗ〜ｓの長さＬ２と、レンズＬの長さＬ１の比Ｌ２／Ｌ１となる。この効率を上げるには、レンズの長さＬ１に対する焦点距離ｆの長さを、相対的に小さくすることである。この関係は線焦点を有する反射鏡の場合と同じである。

発明の効果

本発明の太陽光発電モジュールは、モジュールを地軸に平行な軸の周囲に毎日回転させる一軸追尾機構のみで、季節による太陽高度変化への追尾を不要とする。この為、本発明の太陽光発電モジュールによれば、装置全体が極めて単純化され、小規模発電から大規模発電までに適用可能な、安価な太陽光発電装置の提供を可能とする。

本発明の一軸追尾式の反射集光型太陽光発電モジュールを説明する概念図太陽の日周運動追尾の説明図本発明の一軸追尾式の反射集光型太陽光発電モジュールの縦方向の断面図本発明の一軸追尾式の反射集光型太陽光発電モジュールの横方向の断面図本発明の太陽光発電モジュールを３ユニット並べた断面図太陽電池の配置例の概念略図本発明のレンズ集光型太陽光発電モジュールの横断面図本発明のレンズ集光型太陽光発電を説明する概念図

Ｅ・・・太陽電池受光面、Ｍ・・・集光手段（反射鏡）、Ｌ・・・集光手段（凸レンズ）、ｅ・・・集光手段から太陽電池受光面までの距離、Ｆ・・・線焦点、ｆ・・・集光手段から焦点までの距離、Ｌ１・・・集光手段の長手方向の長さ、ｄ１・・・集光手段の横幅、Ｌ２・・・太陽電池の長手方向の長さ、ｄ２・・・太陽電池の横幅

Claims

線焦点を有する太陽光集光手段と、当該集光手段と平行に細長い太陽電池を配設してなる一軸追尾式の集光型太陽光発電装置において、焦点近傍に設置される太陽電池の受光面の長さが、集光手段の長手方向の長さよりやや短いことを特徴とする一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュール。
太陽電池の受光面の長さ（Ｌ２）が、下記数式１で表されるサイズである請求項１に記載の一軸追尾式の集光型太陽光発電モジュール。