JP2012069720A - 反射光利用冷却型太陽光モジュールシステム - Google Patents

Abstract

【課題】設置面積を削減し、装置全体のコストを低減しながら放熱効果が高くエネルギー変換効率を改善、向上した太陽光モジュールシステムを提供する。
【解決手段】太陽光モジュールの南側位置に平板の反射板を設け該モジュール表面に向けて集光させる集光システムにおいて、発電セルを冷却しその温熱を利用する太陽光電熱モジュール乃至は空冷の太陽電池モジュールを用いて、セルの温度上昇を防ぎながら発電特性及び乃至は温熱収集特性を上昇させ、効率的に出力の増加を図る。
【選択図】図５

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。

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額に対し出力経済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。

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。

本発明者は既に、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。

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。

本発明の技術は上記の太陽光電熱モジュール等の冷却機能を伴った太陽光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次の様である。
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
電力変換効率：１０〜１５％（太陽電池と同等乃至はより優れた発電特性）
温熱変換効率：４０％以上（太陽熱温水器と同等な効率）
トータルエネルギー変換効率：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。

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。
それは反射板を用いた集光式である。しかも通常の集公式の様に太陽光追尾を必要としないため、経済性に優れた方式であることが特徴である
即ち、太陽光の反射板を太陽光を受ける屋根面や地表面に広く設置し、その反射光を受光面をほぼ鉛直に設置した太陽光電熱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ものである。これにより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。

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改善についての研究、開発、特許出願が種々実施されてきている。しかしながら集光による発電セルの温度が上昇することによる発電特性の低下、発電セルの温度上昇によるホットスポット不良の増加などの問題があり、通常の太陽電池を集光によりその性能を向上させる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。

その中で特許文献１は発電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発電量増加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や発電モジュールとの相対的な配置と寸法を最適にするというアイデアと技術が提示されている。

しかしながら、発電量の増加を目指して反射板を設けるという基本的なアイデアは現実には次の様な課題を抱えていると考えられる。
１、
集光によりセルの温度が上昇し発電量の増加が抑えられるため、反射板を設置してコストの増加によって経済的な効果が実現出来にくい。同様にセルの温度の上昇は日陰によるホットスポット不良を増幅させるからシステムの品質信頼性の悪化を招きかねない。
２、
さらに季節の変化により太陽光の入射角度は大きく変化するから、ある季節に合わせた反射板の設置角度は他の季節には適さない角度となり、反射光の５０％以上が発電体の受光面からハヅレてしまうという問題がある。

従って、特許文献１に提示された技術を実用化する上では、さらに幾つかの解決すべき課題があると考えられる。

特開２００２−０２６３６３号公報

太陽電池の場合は、集光によって受光量を増して発電量を増加させようとすれば、発電セルの温度が上昇してしまって、発電効率が低下してしまう欠点がある。また、レンズなどによる集光発電方式では太陽光の直射方向を追跡して方向を合わせる装置、いわゆるトラッキング装置が必要で、高額で巨大な装置とならざるを得ないという欠点がある。
そこで本発明では、これらの欠点を回避して、トラッキング機構も不要で、かつ集光した分だけ発電量を向上させるための簡単で経済的なシステムを実現させる技術について提案している。このためには液媒体による冷却機構を持った太陽光電熱モジュール乃至は周囲空気への放熱を向上させた空冷式発電モジュールを用い、発電セルの温度上昇を防ぐ方法が有効であるが、それでも集光機構、冷却機構、駆動機構を持ったこのシステムは複雑でコスト増加乃至は製品の信頼性及び品質の低下などの課題に満ちている。これらの課題を解決できる方式、構造及び材料についてその技術を確立する必要がある。

システムのコストおよび経済性を考慮すると、反射集光の効果が発電出力と温熱出力の双方に有効に働く固定設置型太陽光電熱モジュールとの組み合わせが有効であるが、従来この組み合わせを成立させる詳細な技術の提案は無く、このシステムの技術は完成されていない。
集熱板と反射板の相対的な位置と構成、集熱板材料、モジュール温度及び発電セル温度の制御などにつき集光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。
太陽光電熱モジュールが発電及び温熱出力する場合、太陽光エネルギーを電力に変換する効率は通常１０〜１５％程度であり一方、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さらに高めるために太陽光電熱モジュールと集光板を組み合わせて、モジュール面積当たりの太陽光照射エネルギーの１００％以上の出力を効率よく経済的に達成させる技術を明確化して。これにより一定の出力の装置に用いる太陽光電熱モジュールの使用面積を減らすことにより装置全体のコストを低減し、もって実使用時の運転経済性を一層高めて普及を促そうとする狙いである。

同様に、周囲空気の自然対流及び放射による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、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集光による効果を十分に発揮させるには周囲空気で効率よく冷却できる放熱効果を持った太陽電池モジュールが必要である。そこで発明者はその冷却方法と構造に関する経済的に有効な技術を明確化し具体化しようとするものである。
以上が本発明が解決しようとする課題である。

以上の課題を解決する手段を順次説明する。発明者は今後、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。また、太陽熱温水器では変換効率は若干高いが、出力する温熱自体の経済価値は低く、電力と同じＫＷエネルギーに比べ１／３程度の経済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る。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。

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では北緯３５度の日本を代表事例に北半球の世界各国で利用できる反射光を有効利用するためのシステムの構成に関する技術について提示している。
即ち太陽光モジュールに固定して設置した平板状の太陽光電熱モジュールを用い、そのモジュールの受光面は南に向いてほぼ鉛直に設置した方式であり、その南側に固定して設置した簡単な構造の反射板による反射光を受光面に受ける方式である。この簡単なシステムによる反射光を用いて有効に出力量を増加させた電力出力と温熱出力の双方を取得できるという極めて大きな効果を得られる。

図１の場合は集光式では無い太陽光電熱モジュールの設置事例で、太陽光を直接受けて発電し温熱出力するため受光面は太陽光方向に向け、その地点の北緯緯度の角度だけ南向きに起こした角度で設置される。
請求項１はモジュール周囲の屋根や屋上、地面に照射される太陽光を反射板で受光面に集光させることによりその集光分だけ、発電量と温熱収集量を増加させるものである。請求項１の代表事例は図５に示されるが、図では反射光の表面の設置角度は水平から北向きに１５度立ち上げた角度である。北緯３５度の日本では冬季の太陽光の高度は正午で３２度、太陽光発電効果が始まる午前１０時で１８度である。従って反射面を１５度で設置してあるから、午前１０時には直射光は直接モジュールの受光面に入射する。正午には３２度の高度で直射光は入射し、約６０％が反射面を通して、残りの４０％は直接モジュールに受光面に入射する。

この事例でその重要性がわかる通り、請求項１で提示する技術は反射面の設置角度の範囲である。その角度はモジュール受光面に向けて北向きに傾斜した角度であり、その角度は最大でもその地点の冬の正午の太陽光高度である９０度マイナス北緯緯度マイナス２３度である。東京では北緯緯度は３５度であるからこの値は３２度である。この角度を超えて北向きの反射面には冬季には全く反射面には直射光は入射しない。従ってこの角度が最大角度となる。しかしながらこの角度では冬季には反射面がモジュール受光面に影をつくり入射光を遮ることとなる。従って請求項１では最大角度を６７度マイナス北緯緯度より７度水辺方向となる６０度マイナス北緯緯度と設定して提示している。

夏季の特性を重視するには反射面の角度を６０度マイナス北緯緯度に近い角度とし、夏場の出力を増加させる。温熱を使って冷房を行う場合には、反射面をこの付近の角度に設置することが有効であることが実証試験でわかっている。
一方、冬の特性を重視するには反射面は水平に近い角度である１０度程度に設定することが有効である。特に冬の温熱出力を確保し、その温度を高めるにはこの程度の角度が適正である。
太陽電池の場合と異なり温熱も出力する太陽光電熱モジュールを用いた場合、その温熱出力を利用者のニーズに合わせることが重要であり、利用者がその温熱を給湯、暖房、冷房、乾燥などに利用する優先度が重要であるからであり、請求項１に示した技術がこれを実現する。一方、年間を通して反射光を有効利用する技術は請求項６に示した。
太陽光モジュールの設置角度は受光面を南側にむけ、その受光面の角度が鉛直方向に対しプラスマイナス２０度の角度の範囲であれば、その特性、構造に大きな差は生じない。従ってこの範囲で設置する建物との取り合い、概観、暴風時の安全性や騒音などを考慮して設置することができる。

請求項２に示した様に、太陽光電熱モジュールの場合、その発電セルの温度を検地してそれを冷却媒体の流量や温度によって容易に制御できるから、反射集光量を如何に増大させても、実際に太陽光の状態が如何に変化しても、モジュールの温度を最適な状態に調整することができる。この温度制御は温熱出力の使い道、利用者の要望、モジュールの安定運転などの視点で決定される。
従って、固定式の太陽光電熱モジュールとその南側に固定して設置した反射集光板の組み合わせシステムを適正に設置し、適正に温度制御を行うのみで、極めて高性能な電力と温熱の供給システムを提供できるものであり、従来の、太陽光の直射方向を追随制御するなどの複雑な機構は不要であり、また発電セルを冷却するためだけの冷却機構は不要であり、極めて実用的なシステムが提供できるものである。

請求項３では太陽光モジュールを周囲の空気で冷却するための工夫をした太陽電池モジュールを使う技術を提示している。モジュールの背面に放熱を助長するためには背面の表面積を増大させることが有効であり、そのための構造体を背面に設置するという技術である。この太陽光モジュールでは、反射光を利用した集光システムによって温度上昇した分だけ放熱により冷却することにより発電特性の低下や、温度上昇による信頼性の低下を防止してシステムとして完成させるものである。

請求項４ではその為の具体的なモジュールの方式と構造及び該表面積増加構造体としてのアルミニウム板による放熱フィンを設置する製造方法の技術を提示している。通常の太陽電池の構造の背面にアルミニウム板複合体を配置して高温度で真空状態でのラミネーション接合を行うもので、接合用樹脂は通常の太陽電池の各層の間を接合させるＥＶＡシートなどの熱応答性硬化樹脂シートを用いてアルミニウム複合体も同時に接合して組たる。
アルミニウム複合体とは例えば図４に示される部品番号５１〜５４及び６１〜６４から構成される冷却フィン複合体であり、通常は数十枚のアルミフィンを重ね合わせたもので
図４ではその表面積の約三分の一が接合面であり、残りの約三分の二は接合されないで、後に曲げ起こされて図４のＡ図に示す様に放熱用のフィンとなることが示されている。

ここで技術的に問題となるのはアルミフィンと発電セル及び上面カバーガラスとの線膨張係数の違いである。この違いはラミネーション加工温度である１５０℃もの高温度から、寒冷地での冬季の外気温度であるマイナス１０℃もの温度範囲にモジュール全体がさらされた時、１メーター当たりアルミフィンは３．８ｍｍ、上面ガラスは０．５ｍｍの寸法変化が生じその差は３．２ｍｍとなるから、これを吸収することが出来ずに接合樹脂の剥離や、発電セルとその接続回路部材の破損が生じるなど品質上の不具合に繋がる恐れがある。従って、アルミフィンの接合される部分の長さを短くする、乃至はその長さの部分に切り込みを入れるなどの工夫を装することが必要である。長さの設定は接合樹脂ＥＶＡの厚さにもよるが１００〜２００ｍｍ程度を目安とする。

アルミフィンの接合後にフィンの横から櫛型の冶具を差し込んで全ての枚数のフィンを一度に曲げ起こし加工をすることが可能である。
アルミフィンは放熱性能上で必要な最適な厚さを選定が可能であり、樹脂接合により強固にモジュールのバックシートに接合されるから、薄肉フィンを用いてコスト、重量、性能、は最適なバランス設計が可能であり、接合に要する費用も最小化が可能であるという優れた実用性がある。

請求項５は光反射板を太陽電池への集光のみでなく、太陽電池からの放熱に利用するための技術である。図６に見られる様に放熱構造体としての金属基板と光反射板とをアルミ板で構成し、且つその両者を連続的に形成するか、熱伝導可能な構造に構成したものである。太陽電池は金属基板により冷却され、その熱は太陽電池の３倍もの外表面積を持った光反射板へと伝わり、そこから外気へと放熱される。これにより太陽電池は冷却されて１０℃以上の温度降下が得られ、発電性能の向上が図れるものである。このとき、金属基板と光反射板の中間部の凹んだ部分に木の葉や埃が溜まって性能劣化を来たさない様に、モジュールの下の当該部分に穴を開けておくなどの細かい設計上の注意が必要である。

本発明による反射板は図５に示す様に架台の上などに固定して設置する。反射板の設置角度は前述した通りであるが、太陽光の日中最高高度は季節によって変わるため、反射光を太陽光モジュールの受光面に効率よく集光させるには、季節や時間帯による太陽光入射角度に応じて一部の反射板の角度を可変にして集光特性を向上させることが望ましい。請求項６では反射板全体の中で太陽光モジュールから離れた部分の設置角度を図５の様に数段階に調整する事は出力特性を高めるには極めて有効である。このとき、反射板全体の角度を調整するより図６の様に半分の反射板の角度を調整して、多くの反射光を太陽光モジュールに有効に照射させることが出来る事は太陽光の照射角度を変えてシュミレーションしてみればすぐに理解でき、一部反射板の角度を調整する方が装置全体のコストも低減できることは明白である。

反射板角度は図５では反射板全体の南北方向中間部で二分割し太陽光モジュールに遠い方を図のように季節及び時間帯に応じて設置角度を変化させ調整する。図でわかるとおり、冬は反射板は一枚の平坦な状態で全反射光を太陽光モジュールの受光面に万遍なく照射させる。夏は太陽高度が高くなるから反射光の半分はモジュールの上部空間を通過してしまう。これを全て受光面に照射させるために図の様に半分をより北向きに折り曲げてこの折り曲げた反射板全体でモジュール受光面全体に反射光を照射させる。

この反射板の構造と材料はシステム全体の特性とコストに影響する。請求項７はその材料としてアルミニウム板を用いその表面を光反射板に適した反射特性となる様に表面処理を行う技術を提示している。表面の反射特性はアルミ板の表面を磨いて高輝度反射面とし、その状態を長期に渡って維持するために透明なフィルムを貼り付ける乃至は塗料を塗装する方法である。鏡の様な表面特性を長期に渡って維持することができるのは勿論、軽量で加工性、設置性に優れ、かつ材料コスト及び製造コストの面で優れた反射板を提供することができる。ちなみにアルミ板の肉厚は０．５〜１．０ｍｍ反射板のモジュール構成は２平方メーター程度の大きさであり、これを多数枚数設置する。

この反射光利用型太陽光モジュールシステムは、学校やオフィスなどの建物の屋上、さらには大規模施設の駐車場の屋根、さらには小型の交通案内装置用電源などの分散型装置ばかりでなく、太陽電池を多数並べて設置するメガ発電所など、極めて広範囲の市場分野への利用が想定される。この分野で太陽電池セルの使用量の低減を実現することは勿論、その他の実用上の利点が想定される。 例えば通常の太陽電池を設置した場合、鳥の糞その他の汚物によるモジュール表面の汚れ、性能劣化、美観の損傷、清掃作業の費用増など多くの難点があるが、反射集光式では鉛直に設置されたモジュール表面の汚れの度合いは極めて少なく、また反射板は取り外し構造とすることにより清掃作業が容易であり、修理も容易である。また、集光方式により集熱量が増えるからその温熱の出力温度も容易に高温度に調整可能である。寒冷地での暖房給湯に適した温度に調整可能であるばかりでなく、
８０℃以上の温熱を得て、それを吸収式冷房機の熱源に利用することが可能になる。
本提案は、以上述べた様に集光式の多くの利点を簡単な構造と方式でかつ低コストで実現するための重要な技術について提示するものである。

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、平板状の簡単な構造の固定式反射板による集光効果によって太陽光モジュールの高性能化が期待でき、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。
２、集光効果により、モジュールの面積を減少させてモジュールの外面からの放熱ロスを低減でき、且つ集熱される温熱の温度の調整範囲を拡大でき広範囲の熱需要に対応可能である。
３、集光により太陽光電熱モジュールシステムではモジュール面積当たりの発電量と温熱収集量の増加が期待でき、システムの経済性を高めることができる。
４、太陽電池の空冷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し、外気温度の高い熱帯地域での安定運転を保障できる。
５、反射光利用型太陽光モジュールシステムの具体的な設計、設置のガイド指針を提示できる。
６、以上の効果により太陽光利用システムとしての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。

太陽光電熱モジュールの従来型設置状態の構造断面図 本発明に利用する太陽光電熱モジュール断面構造図 空冷式太陽電池モジュールの概観図 空冷式太陽電池モジュールの冷却フィン設置説明図 本発明の太陽電池モジュールに反射板を設置したシステムの図 本発明の太陽電池モジュールに集光及び冷却する光反射板の図

以下、本発明の実施形態を、図１〜図６に基づいて説明する。

図１は従来、太陽光モジュール２０を屋根の上に固定設置した場合の断面構造図である。このモジュールは背面に冷却配管１０を設置して冷却媒体流路１１内を流れる冷却媒体としてのプロピレングリコール溶液により発電セル４を冷却して発電特性を高め、冷却して得た温熱を給湯や暖房に利用する。図２はそのモジュールの断面構造図である。受光した太陽光は発電セル４で発電し、同時に８０％程度が温熱に変わる。その温熱は上面カバーガラス１と背面断熱層２１で外部と断熱しているのでその５０％以上は冷却媒体流路１１を流れる冷却媒体によって吸収される。しかしてその温熱はモジュールの外部へと運ばれ、給湯や暖房に利用される。

図３は太陽電池である太陽光モジュール２０の受光面の背面に外気への放熱用の冷却フィン５１、５２を設けた冷却フィン付き空冷式太陽光発電モジュールの背面概観図を示す。フィン５１、５２は図４に示される様に冷却フィン接合樹脂をはさんで絶縁バックシート７０に接合されており、その全体の三分の二は図に見れる様に接合後にモジュールに対し９０度に曲げ起こして放熱フィンを形成している。 アルミフィンは図４のＢ図に示した状態で太陽電池モジュールと一緒にラミネーション接合される。その前に多数枚数のアルミ板を全て重ね合わせた状態とし、それらを順次三分の一を横にずらしていくと順次三分の一ずれた状態で重ね合わせたアルミニウム板複合体が完成する。その時にその全体の平面面積は太陽電池の平面面積に等しくなるように設定されている。

この上に冷却フィン接合樹脂９、さらに絶縁バックシート７０、さらにセル接合樹脂７、さらに発電セル４、さらにカバーガラス接合樹脂６、さらに上面カバーガラス１を重ねて
相互に密着させた状態で重ね、全体をラミネーション真空加熱槽内に設置する。それを約１５０℃に加熱して真空にすると、槽の上部に設置されたカバーシートが大気圧で全体を圧縮する。この結果各接合樹脂は溶融し、細部の空間に流れ込んで全てを密着状態で接合する。

図中５１、５２、５３、５４で示された冷却フィン１、２、３、４は全体のフィンの一部を示しているが、実際はそれらのフィン同士はアルミニウム板複合体を形成するときに、
図中６１、６２、６３、６４で示される冷却フィン貼り付けテープ１、２、３、４により図の様に相互に貼り付けられている。この貼り付け作業はＢ図の状態にする前に、隣り合わせのフィンをテープ貼り付けしてから捲り返してＢ図の様に仕上げている。ここでこの貼り付けテープはアルミ箔接着テープを用いている。この貼り付けテープにより隣り合う冷却フィンは相互に固定されかつラミネーション加工工程で溶解した接合樹脂が隣り合う冷却フィン同士の隙間に滲み出て接合してしまうことを防いでいる。

図中示していないが、この冷却アルミフィンは図４の奥行き方向に約２０センチメーター間隔でスリットが切られている。これはアルミの線膨張係数と発電セルの線膨張係数の違いによって、運転状態の温度が繰り返し変化することによる疲労破壊を防止するために
設けるものである。実質的に２０センチメーターのアルミ板の膨張を冷却フィン接合樹脂の柔軟性によって緩和するもので、この長さが長くなると緩和しきれないためである。冷却フィンが図４のＢ図の状態で発電モジュールと接合された後、夫々のフィンはＢ図の円弧矢印の方向に曲げ起こされてＡ図の状態となる。この状態の空冷式圧電モジュールの背面外観が図３である。

本発明による実施例を図５に示す。この事例の太陽光発電モジュール２０は図１、２に示した太陽光電熱モジュールでも良いし、図３に示した空冷式発電モジュールでも良い。光反射板９７は０．５ｔの薄板アルミ板の表面を研磨して高輝度高反射率面としその上に高ガスバリヤー性の透明フィルム乃至は透明樹脂塗装を行って９５％を超える高い反射特性を長期に渡って維持できるものである。太陽光モジュール２０はその受光面を真南に向けて鉛直に立てられて固定されている。光反射板９７は水平から１５度の角度で北方向に向けて下がる様に傾斜させて太陽光モジュールの南面に設置されている。光反射板９７の南北方向の長さは太陽光モジュール２０の高さの３倍に設定している

東京地区での冬の太陽光は南中高度３２度、９時の高度は１８度であるから、９時から１５時の太陽光有効照射時間帯では直射光８０、８１は全て光反射板によって太陽光モジュール２０の受光面方向に反射集光される。南中近傍の時間帯では南端近傍の光反射板からの反射光は太陽光モジュールの上方を素通りしてしまう。また１０：００乃至は３：００近くでは太陽光モジュール上端近傍への反射光は減少するが、直射太陽光がそれを補う。しかしながら太陽電池モジュールの発電特性は照射照度が最も少ないセルの発電電流に影響されて全体の発電量が低下してしまうため、９：００でも反射光が太陽光モジュールの上端を照射するように光反射板の南北方向の長さを十分長く設定しておくことが望ましい。

夏の太陽高度は南中時には７８度、９：００には５０度である。従って図中、光反射板９７の南側の半分程度の部分への直射光８２の反射光は太陽光モジュール２０の上方を無駄に通過してしまう。そこで、図中９９に示される様に南側の光反射板を南向き３５度に傾斜させたものであり、この場合は直射光８２は図の様に太陽光モジュールに照射される。この結果９：００の高度の太陽光の反射光も太陽光モジュール２０の全面を照射することが可能となる。
光反射板の丁度中間点で折り曲げてその傾斜角度を変える様にしたから、光反射板を駆動させるサーボモーターなどの駆動力装置は作動距離作動物重量の双方の点で小型化が可能である。

夏の９：００や１０：００の太陽の方位は南では無くて殆ど東を向いた角度となるため、その光を反射させて太陽光モジュール２０に照射させるには光反射板９７は太陽光モジュール２０の東側に拡大し、大きな面積にしておく必要がある。当然２：００、３:００には西の方位となるから光反射板は東西に拡大して置く必要がある。そこで太陽光モジュールの高さを縮小し、横幅を拡大した横長型のアレイとすれば光反射板を東西に拡大に要する面積ロスや材料ロスを縮小することができるという利点がある。

この様に光反射板を用いて集光効果を狙うには、図２や図３に示した様な液冷乃至は空冷の冷却機構を備えた太陽光モジュールとの組み合わせが前提となる。図２の液冷の場合は請求項１に提示した様に図５の集光システムに於いては冷却液の流量と温度を調整することにより冷却液の出口温度、即ち温熱出力温度と太陽電池セル４の温度を調整する。この事例では通常の給湯運転では冷却液出口温度を５８℃として蓄熱槽温度を５５℃に保ち、給湯や暖房の温熱として利用する。夏場に温熱を冷房機用熱源として利用するときには吸収式冷凍機の作動温度を勘案して冷却液出口温度を８５℃に調整する、また温熱を利用しない又は温熱が余剰の時には冷却液出口温度４５℃程度まで下げることにより発電セルの温度を下げ、発電特性の向上を図る。この時には勿論冷却液から外気に放熱させるための熱交換器を作動させている。

ここで、太陽光モジュールの設置角度は図中の円弧矢印で示した様に鉛直から前後２０度の範囲内で設置することが望ましい。この角度の選定は、受光面の汚れ、設置場所スペース、光反射板の先端高さ、設置場所の外観などを考慮して選定される。
図６は別の事例であるが、これは請求項５の実施例である。太陽光モジュール２０の背面にはアルミ板を用いた金属基板８が設けてあり、そのアルミ板は光反射板９７と一体の一枚のアルミ板で構成されている。従って光反射板によって８１や８３の太陽光が反射集光されて太陽光モジュール２０に照射されるが、同時に太陽光モジュール２０は金属基板８によって冷却されその熱は光反射板へと伝熱し、外気へと放熱される。この結果発電セルの集光による温度上昇は金属基板を通して放熱されることにより抑えられる。その結果その発電能力は集光した分に比例して向上する。この事例では光反射板と冷却用金属基板を一枚の１ミリメーターの肉厚のアルミ板で一体に構成したからその伝熱性能は高く、十分に集光による発電能力向上効果は達成できている。

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。
この技術の利用可能性は
１、太陽光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太陽光利用装置の普及に貢献できる。
２、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可能性を開いた。
３、メガ発電所や野菜工場など、今後必要となる産業のエネルギーインフラを担えるための有力な手段として検討できる。
４、今後、住宅、店舗、農業、産業用などに必須なシステム装置として確立させ環境エネルギー産業を構成するように発展できる。

１ 上面カバーガラス
２ 断熱空気層
３ セル上面カバーフィルム
４ 発電セル
５ インターコネクター
６ カバーフィルム接合樹脂
７ セル接合樹脂
８ 金属基板
９ 冷却フィン接合樹脂
１０ 冷却配管
１１ 冷却媒体流路
１２ 冷却管カバー接合樹脂
１３ 冷却管カバー平坦部
１４ 冷却管カバー局面部
１８ 冷却管接合樹脂
２０ 太陽光モジュール
２１ 背面断熱層
５０ 冷却フィン複合体
５１ 冷却フィン１
５２ 冷却フィン２
５３ 冷却フィン３
５４ 冷却フィン４
６１ 冷却フィン貼り付けテープ１
６２ 冷却フィン貼り付けテープ２
６３ 冷却フィン貼り付けテープ３
６４ 冷却フィン貼り付けテープ４
７０ 絶縁バックシート
８０ 冬の太陽直射光１
８１ 冬の太陽直射光２
８２ 夏の太陽直射光１
８３ 夏の太陽直射光２
９７ 光反射板
９８ 分割光反射板中間期用
９９ 分割光反射板夏用
１０１光反射板架台
１０２設置場乃至は屋根

Claims (7)

1. 全受光面から太陽光を受光できる様に発電セルを設置した太陽光モジュールを、その受光面を南側方向に向けて固定設置し、該太陽光モジュールの下辺から南側に延長させた位置に光反射板を設置した反射光利用型太陽光モジュールシステムに於いて、
   前記太陽光モジュールの受光面の角度を鉛直乃至は鉛直から前後２０度の範囲に設置し、前記光反射板をその表面の角度が前記太陽光電熱モジュールの受光面に向けて６０度マイナスその地点の北緯緯度の角度だけ北向きに傾けた角度と水平がなす範囲になる様に固定設置し、且つ前記太陽光モジュールを、発電セルからの電力のみで無く液媒体によってその背面を冷却して得られる温熱を給湯や暖房に利用する太陽光電熱モジュールを用い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。
2. 太陽電池セル組み立ての裏面に冷却媒体を連通させる流路体を設けそれらを相互に伝熱関係に接合させた構造の前記太陽光電熱モジュールに於いて、
   該太陽電池セルを冷却させる冷却媒体の温度や流量を制御して該太陽光電熱モジュールの発電セルの温度を調整させることを特徴とした請求項１に記載の反射光利用型太陽光モジュールシステム。
3. 太陽光モジュールを、その受光面を南側方向に向けて固定設置し、該太陽光モジュールの下辺から南側に延長させた位置に光反射板を設置した反射光利用型太陽光モジュールシステムに於いて、
   前記太陽光モジュールの受光面の角度を鉛直乃至は鉛直から前後２０度の範囲に設置し、前記光反射板をその表面の角度が前記太陽光電熱モジュールの受光面に向けて６０度マイナスその地点の北緯緯度の角度だけ北向きに傾けた角度と水平がなす範囲になる様に固定設置し、且つ前記太陽光モジュールを太陽光を受けて電力を出力させる発電セルを組み込んだ平板状のモジュールであって、その背面に周囲空気による自然対流と放射による放熱を増加させる為の放熱構造体を設置してその放熱により該発電セルを冷却する方式の空冷式太陽光発電モジュールと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。
4. 前記空冷式発電モジュールは、受光面のカバーガラス、その下に熱応答性樹脂シートの間にサンドイッチされた状態で太陽光発電セル組み立てを配置し、その下に電気絶縁性のバックシート、その下に熱応答性樹脂シート、さらにその下に前記放熱構造体として複数のアルミニウム板を重ね合わせて組み合わせた平板状のアルミニウム板複合体を順次重ね合わせた状態で、高温度且つ真空状態で全体を圧接させて前記熱応答性樹脂シートにより接合を完了させた後に、前記複数のアルミニウム板の一部を曲げ起こすことにより背面に複数の放熱フィンを突出させた空冷式太陽光発電モジュールを用いたことを特徴とする請求項３に記載の反射光利用型太陽光モジュールシステム。
5. 前記光反射板と前記放熱構造体とを熱伝導可能な構造とし、前記太陽光発電セルから前記放熱構造体を経て前記光反射板へと熱伝道させることにより、前記発電セルで発生した熱を前記光反射板から周囲空気へと放熱させて前記発電セルを冷却したことを特徴とした請求項３、４の何れか一項に記載の反射光利用型太陽光モジュールシステム。
6. 前記光反射板は、南北方向に複数に分割された分割光反射板によって構成し、季節乃至は時間帯による太陽光の照射角度の変化に合わせて、一部の該分割反射板の設置角度を変更調整したことを特長とする請求項１、２、３、４の何れか一項に記載の反射光利用型太陽光モジュールシステム。
7. 表面を高輝度処理加工を行い、更にその表面にガスバリヤー性のある透明な被覆乃至は塗装をしたアルミニウムの薄板を前記光反射板として用いたことを特長とする請求項１、２、３、４、５、６の何れか一項に記載の反射光利用型太陽光モジュールシステム。