JP2011249654A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広大な建設用地を必要とせず発電効率が低下しない太陽光発電装置が要求されている。
【解決手段】太陽光発電装置１は、上部に採光用開口部４を有して有底筒状に形成された竪筒本体２と、竪筒本体２の内周壁面２Ａに取り付けられた太陽電池モジュール９と、竪筒本体２の採光用開口部４に設けられて太陽光ＳＬを太陽電池モジュール９に導く導光部３とを備えた構成にしてある。また、竪筒本体２の底部に、太陽光ＳＬを太陽電池モジュール９に向けて反射する第１反射鏡６を配備したものである。そして、竪筒本体２の内周壁面２Ａに、太陽光ＳＬを太陽電池モジュール９に向けて反射する第２反射鏡７，８を配備したものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽光を受光して発電する太陽電池モジュールを利用した太陽光発電装置に関するものである。

現在利用されている太陽光発電装置は、建物の屋根、外壁、平地などに並べた太陽電池モジュールで太陽光を直に受けて発電する「直達光方式」が主流となっている。この種の太陽光発電装置としては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られており、多数の太陽電池モジュールが地上に並べられてアレイ状に配置されている。一方で、レンズや集光鏡などを利用して太陽電池モジュールに強い光を当てる集光型発電装置も普及しつつある。

特開２０１０−１０３５２４号公報

ところで、上記した文献１記載の太陽光発電装置は、太陽電池モジュールを地上に並べて配置しているため、工業用として多数の太陽電池モジュールを用いた大型装置を建設する場合は広大な面積の用地を必要とする。このような広大な用地を、電力需要の多い都市部で確保することは困難であるから、遠隔地に建設せざるを得ない。そこで、上記の太陽光発電装置を遠隔地に建設すると、都市部までの送電設備に多大なコストがかかったり、送電による電力ドロップが多くなったり、あるいは太陽電池モジュールが野外に剥き出しで設置されることにより台風、突風などの天災被害を受ける確率が高くなったり、太陽電池モジュールが太陽熱で昇温して発電効率が低下したりすることが考えられる。一方で、太陽電池モジュールの耐用年数は２０年程度とされている。これは、太陽電池モジュールが、紫外線の強い直射日光や風雨に晒されるためである。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、広大な建設用地を必要とせず発電効率を低下させず直達光方式の装置よりも耐用年数を大きく延ばせる太陽光発電装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る太陽光発電装置は、上部に採光用開口部を有して有底筒状に形成された竪筒本体と、竪筒本体の内周壁面に取り付けられた太陽電池モジュールと、竪筒本体の採光用開口部に設けられて太陽光を竪筒本体内に導く導光手段とを備えた構成にしてある。

また、前記構成において、竪筒本体の底部に、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第１反射鏡を配備したものである。

そして、前記した各構成において、竪筒本体の内周壁面に、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第２反射鏡を配備したものである。

本発明に係る太陽光発電装置によれば、導光手段が竪筒本体の採光用開口部に設けられているので、太陽光を竪筒本体内に導き太陽電池モジュールに照射させることができる。この太陽電池モジュールは竪筒本体の内周壁面に取り付けられるので、竪筒本体の内周壁面に上下方向に並べて配置することができる。これにより、竪筒本体の高さ方向により多くの太陽電池モジュールを使用できる。従って、竪筒本体の設置面積は少なくて済み、狭い面積の用地でも設置することができる。その結果、本発明の太陽光発電装置は都市部でも建設可能である。また、太陽電池モジュールは竪筒本体内に配備されていて、直射日光が太陽電池モジュールに当らないから昇温による発電効率の低下を招かず、風雨による天災も被らない。併せて、直射日光や風雨による劣化がないことから、太陽電池モジュールの寿命を延命させることができる。

また、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第１反射鏡を竪筒本体の底部に配備したものでは、導光手段により竪筒本体内に導かれて竪筒本体底部に到達した太陽光が、第１反射鏡で反射して内周壁面の太陽電池モジュールに導かれる。従って、竪筒本体内部で光を拡散反射させて増幅させることができ、増幅した光で太陽電池モジュールに効率よく発電させることができる。

そして、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第２反射鏡を竪筒本体の内周壁面に配備したものでは、導光手段により竪筒本体内に導かれた太陽光はもとより第１反射鏡で反射した太陽光も、第２反射鏡で反射して内周壁面の太陽電池モジュールに導かれる。従って、竪筒本体内部で光をよりいっそう拡散反射させて増幅させることができ、増幅した光で太陽電池モジュールにいっそう効率よく発電させることができる。

本発明の一実施形態に係る太陽光発電装置の外観図である。 前記太陽光発電装置の正断面図である。 前記太陽光発電装置の側断面図である。 図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 前記太陽光発電装置の概略電気回路図である。 本発明の別の実施形態に係る太陽光発電装置の正断面図である。 図６におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。図１は本発明の一実施形態に係る太陽光発電装置の外観図、図２は前記太陽光発電装置の正断面図、図３は前記太陽光発電装置の側断面図、図４は図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
各図において、この実施形態に係る太陽光発電装置１は集光反射型の装置であり、例えば鉄筋コンクリートなどで形成された有底円筒状の竪筒本体２と、竪筒本体２の上面に開口した採光用開口部４の上方位置に設けられた導光部（導光手段）３とから主に構成されている。

竪筒本体２の内周面はその全面にわたり断熱材５（竪筒本体２の一部分）で被覆されている。この断熱材５の被覆層により、竪筒本体２の外周面から吸収された太陽熱が遮断され、竪筒本体２の内部空間にほとんど届かないようになっている。竪筒本体２の底面には、凸面鏡である第１反射鏡６が配備されている。第１反射鏡６の表面には無数の凹面ディンプルが形成されていて、光を様々な方向に散乱させるようになっている。断熱材５の内周面２Ａ（竪筒本体２の内周壁面）には、円周方向に沿う第２反射鏡７が上下複数個所に配備されるとともに、上下方向に沿う第２反射鏡８が周方向複数個所に配備されている。これらの第２反射鏡７，８の表面にも無数の凹面ディンプルが形成されている。そして、断熱材５の内周面２Ａにおける第２反射鏡７，８の配備されていない部位は、無数の汎用太陽電池セル（図示省略）を接続して成る太陽電池モジュール９，９，９，・・・が多数貼り付けられて覆われている。また、竪筒本体２内で昇温した空気を本体外に排気するための換気扇３２が竪筒本体２内に配備されている。

前記した導光部３は、円盤リング状に形成された基台１０と、基台１０の下面に軸受１２を介して回動自在に枢支された複数の車輪１１，１１，・・・と、車輪１１駆動用として基台１０に配備されたモータ１４と、基台１０の上面に左右一対で立設された支持フレーム１６，１６と、左右の支持フレーム１６，１６に架け渡されて回動自在に枢支された枢支軸１７，１７，１７と、各枢支軸１７に取り付けられた反射鏡１８，１８，・・・とを備えている。モータ１４の駆動軸１３は、少なくともひとつの車輪１１の枢支軸に連結されている。そして、太陽光ＳＬを少しでも逃さぬように、反射鏡１８，１８，・・・の左右側方および背方を囲む周囲フレーム１５が基台１０の上面に立設されている。この周囲フレーム１５の内周壁面を鏡面にしておくと、なおさら好ましい。一方、竪筒本体２の上面には、車輪１１，１１，・・・が乗って走行する周回レール２８が設置されている。

次に、太陽光発電装置１の電気回路構成を図５に示す。この電気回路構成は公知の回路であり、それぞれ並列接続された太陽電池モジュール９，９，９，・・・と、コンデンサ２２と、昇圧回路２１と、蓄電池２７とを備えて構成されている。昇圧回路２１は、コンデンサ２６、インダクタンス２３、スイッチ素子２４、およびダイオード２５から構成されている。蓄電池２７には、電源負荷として、モータ１４、モータ２０、制御装置１９、換気扇３２、およびその他の外部負荷３５が並列接続されている。制御装置１９はＣＰＵを中心として構成されクロックやメモリ（いずれも図示省略）を併設している。メモリには、日時に対応した太陽の高度および経度の係るデータ、太陽の高度および経度に対応して太陽光ＳＬを竪筒本体２内に導くための反射鏡１８の仰角データ、基台１０の水平回転角度データ、太陽追尾用プログラムデータなどが予め記憶されている。

上記のように構成された太陽光発電装置１の作用を次に説明する。
太陽光発電装置１の制御装置１９が保有する太陽追尾機能により、モータ１４，２０が駆動されて車輪１１および反射鏡１８が動作し、予め導光部３全体が水平回転してその時刻における所定の経度にされるとともに反射鏡１８，１８，１８，・・・が上下揺動してその時刻における所定の仰角にされる。これら所定の経度および仰角により、反射鏡１８，１８，・・・が太陽光ＳＬを反射し２次光線として採光用開口部４から竪筒本体２内に採光する。竪筒本体２内に採光された２次光線は、竪筒本体２の内周壁面２Ａの太陽電池モジュール９，９，９，・・・に直接導かれたり、竪筒本体２底部の第１反射鏡６で反射したり内周壁面２Ａの第２反射鏡７，８で反射したのち３次光線として太陽電池モジュール９，９，９，・・・に導かれたり、あるいは第１反射鏡６からの３次光線が第１反射鏡７，８で反射したのち４次光線として太陽電池モジュール９，９，９，・・・に導かれる。このように竪筒本体２内部で光を拡散反射させて増幅させることができ、竪筒本体２内はより明るく照らされる。そして、増幅した光で太陽電池モジュール９，９，９，・・・に効率よく発電させることができる。このような光の拡散反射に、第１反射鏡６および第２反射鏡７，８の凹面ディンプルが多大に寄与している。

前記のように動作する太陽光発電装置１は反射光を利用しているため、太陽光ＳＬを直に受ける「直達光方式」の装置よりも発電効率は落ちるが、広大な建設用地を必要とせず、電力使用量の多い都市部の小狭地であっても発電所として建設することが可能となる。因みに、遠隔地に太陽光発電装置を建設する場合は送電線網の施設等、装置以外の設備に多大な経費が必要となるが、この太陽光発電装置１は都市部またはその近隣地に建設できるから、装置以外の設備費を安く済ますことができる。また、竪筒本体２の高さを５０〜１００ｍ、あるいはそれ以上に高くすることにより太陽電池モジュール９の設置数を増やすことができ、これによって発電量を増やすことができる。

一方で、上記した直達光方式では太陽光とともに太陽熱も直に受けるため、夏場では６０〜８０℃と太陽電池モジュールが高温になって発電効率が落ちる。これに対し、太陽光発電装置１では竪筒本体２内に太陽電池モジュール９を配備しているため、太陽光ＳＬが太陽電池モジュール９に直に当らない。また、竪筒本体２の内面を断熱材５で被覆して断熱するとともに、内部温度を一定に保つために換気扇３２を配備して竪筒本体２内の温風を本体外に排出するようにしている。これらによって、周囲温度に起因した太陽電池モジュール９の発電効率の低下を生じさせることなく発電効率を一定以上に保つことができる。制御装置１９の太陽位置追尾機能を備えていることにより、年間を通して太陽の移動を追えるから、太陽電池モジュール９の発電効率を低下させずに済む。これに対し、上記の直達光方式では太陽電池モジュールが１つずつ地上に平面状に設置されるから、特に太陽電池モジュールの数が膨大な大規模アレイの場合は太陽追尾装置を取り付けることが極めて困難である。例え個々の太陽電池モジュールに太陽追尾装置を取り付けられたとしても、膨大な設備コストがかかることになる。また、太陽電池モジュール９は竪筒本体２内に配備されていて直射日光や風雨による劣化がないことから、太陽電池モジュール９の耐用年数を直達光方式の場合と比べて２倍程度まで延ばすことができる。因みに、工業的な設備であれば数百億円もの投資が必要となるが、この太陽光発電装置１であれば、通常の耐用年数である２０年程度で前記の投資が無に帰するということがなく、設備投資を十分に回収することができる。

尚、上記の実施形態では、竪筒が竪筒本体２だけの１筒式の太陽光発電装置１を例示したが、本発明はそれに限定されるものでない。例えば、図６および図７に示すように、竪筒本体２内に竪筒体２９を配備した２筒式の太陽光発電装置１ａ、あるいは３筒式以上の太陽光発電装置（図示省略）も本発明に含まれる。
太陽光発電装置１ａでは、円筒状の竪筒体２９が竪筒本体２の底面のほぼ中央部に立設されている。竪筒体２９の内周壁面には多数の太陽電池モジュール９Ａ，９Ａ，９Ａ，・・・が取り付けられ、竪筒体２９の外周壁面にも多数の太陽電池モジュール９Ａ，９Ａ，９Ａ，・・・が取り付けられている。竪筒体２９の上面開口は採光用開口４Ａとなっている。竪筒体２９内で竪筒本体２の底面上には、凹面ディンプルを有する凸面鏡である第１反射鏡３３が設置されている。竪筒体２９の外側で竪筒本体２の底面上には、凹面ディンプルを有する凸面鏡である複数の第１反射鏡３４，３４，３４，・・・が設置されている。そして、竪筒本体２の上下方向数箇所の位置および周方向数箇所の位置には、空気流通用の通気口３０，３０，３０，・・・が竪筒本体２を貫通して形成されている。竪筒体２９の上下方向数箇所の位置および周方向数箇所の位置にも、空気流通用の通気口３１，３１，３１，・・・が竪筒体２９を貫通して形成されている。これらの通気口３１，３２は太陽電池モジュール９，９間の継ぎ目部分または太陽電池モジュール９Ａ，９Ａ間の継ぎ目部分に形成される。

この太陽光発電装置１ａによれば、竪筒本体２内面の太陽電池モジュール９，９，９，・・・のみならず、竪筒体２９内面および竪筒体２９外面にも多数の太陽電池モジュール９Ａ，９Ａ，９Ａ，・・・を備えているので、前述した太陽光発電装置１と比べて装置設置面積が同じであっても、太陽電池モジュールを多く設置でき大容量の発電を行なうことができる。また、通気口３１，３２から外気を取り入れて竪筒本体２内および竪筒体２９内を冷却し、竪筒本体２内および竪筒体２９内の昇温を抑制することができる。これにより、太陽電池モジュール９，９Ａの発電効率を低下させることなく発電することができる。

また、上記の太陽光発電装置１，１ａでは竪筒本体２の外周壁面に何も設けていないが、竪筒本体２において太陽光を受け得る方位の外周壁面に、直達光方式としての太陽電池モジュールを貼り付けても構わない。これら竪筒本体２の外周壁面で太陽電池モジュールに受光させることによっても、電力量を更に増やすことができる。

そして、第１反射鏡６，３３，３４として凸面鏡で構成したものを例示したが、これらは平面鏡で構成してもよい。また、第１反射鏡６，３３，３４および第２反射鏡７，８の表面に無数の凹面ディンプルを形成したが、凹面ディンプルを省略し、これらの表面を平らな面で形成しても構わない。

１，１ａ 太陽光発電装置
２ 竪筒本体
２Ａ 内周面
３ 導光部（導光手段）
４，４Ａ 採光用開口
６，３３，３４ 第１反射鏡
７，８ 第２反射鏡
９，９Ａ 太陽電池モジュール
ＳＬ 太陽光

Claims (3)

1. 上部に採光用開口部を有して有底筒状に形成された竪筒本体と、
   竪筒本体の内周壁面に取り付けられた太陽電池モジュールと、
   竪筒本体の採光用開口部に設けられて太陽光を竪筒本体内に導く導光手段と、
   を備えて成ることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 竪筒本体の底部に、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第１反射鏡を配備した請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 竪筒本体の内周壁面に、太陽光を太陽電池モジュールに向けて反射する第２反射鏡を配備した請求項１または請求項２に記載の太陽光発電装置。

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