JP2011129848A - 集光型太陽光発電モジュール - Google Patents
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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
【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、201 p.17−18 2007年
R&D News kansai 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。
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。
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。
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
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