JP2012142531A - 色収差平面展開集光型太陽光利用装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高倍率で集光した時の太陽電池の熱の放熱を良くし、製造装置の大型化を招くことなく製造でき、安価でエネルギ変換効率の高い集光型太陽電池を提供する。
【解決手段】太陽光を集光レンズで集光すると波長毎の屈折率の違いにより色収差が発生する。分光プリズムで分光することで色収差範囲を平面展開できる。太陽電池では個々の太陽電池素子のバンドギャップに対応する当該波長帯の色収差範囲を平面展開し当該色収差範囲に太陽電池素子を配置する。この方法により積層することなしに多種類のバンドギヤツプの太陽電池ができる。
【選択図】図１
【解決手段】太陽光を集光レンズで集光すると波長毎の屈折率の違いにより色収差が発生する。分光プリズムで分光することで色収差範囲を平面展開できる。太陽電池では個々の太陽電池素子のバンドギャップに対応する当該波長帯の色収差範囲を平面展開し当該色収差範囲に太陽電池素子を配置する。この方法により積層することなしに多種類のバンドギヤツプの太陽電池ができる。
【選択図】図１
Description
本発明は色収差平面展開集光式太陽光利用装置に関するものである。
太陽電池は太陽光を有用な電気エネルギに変換する事が出来る。
太陽電池の光電流出力は半導体材料によって吸収される異なるエネルギ及び波長の光子の総数を増大させることにより増大することができる。太陽光のスペクトルは３０Åから約２２０Åの波長領域に分布し、これらはエネルギに換算して約４．２ｅｖから約０．５９ｅｖに相当する。太陽電池で吸収される太陽光のスペクトル領域は半導体材料のバンドギヤツプエネルギの大きさで決定される。従来、太陽電池は約１．４５ｅｖのバンドギヤツプエネルギを持つガリウム砒素または約１．１ｅＶのバンドギヤツプエネルギのシリコン等の単結晶材料で製作されていた。バンドギヤツプエネルギ以下のエネルギの太陽光は半導体材料で吸収されず、太陽電池の光電流出力に寄与しない。
ガリウム砒素、単結晶シリコンのような半導体材料を太陽電池に共に用いて太陽エネルギの電気エネルギへの総変換効率向上を計ったこともあるが、異なる半導体材料を同一の太陽電池に使用することには問題があった。異なる半導体材料を用いて太陽電池を製作する問題１の解法は第１の材料の太陽電池上に適当な波長の光を反射し、吸収されない光を第２の半導体材料の太陽電池に透過するフィルタを使用することであった。第２の解法はアルミニウム・ガリウム砒素、ガリウム砒素、ガリウム燐のように互いにエピタキシヤル成長させ得る異なるハンドギヤツプの半導体材料を使用することであった。これら２つの構造は漠然と直列接合型太陽電池と呼ばれて来た。第３の案は異なるバンドギヤツプエネルギの太陽電池を個々に作り、それを直列に接続して積層する方法である。これらの３つの方法はいずれも複雑、高価または装置の大型化といった欠点を有している。
また高集光時の発熱を抑える事も重要である。
太陽電池の光電流出力は半導体材料によって吸収される異なるエネルギ及び波長の光子の総数を増大させることにより増大することができる。太陽光のスペクトルは３０Åから約２２０Åの波長領域に分布し、これらはエネルギに換算して約４．２ｅｖから約０．５９ｅｖに相当する。太陽電池で吸収される太陽光のスペクトル領域は半導体材料のバンドギヤツプエネルギの大きさで決定される。従来、太陽電池は約１．４５ｅｖのバンドギヤツプエネルギを持つガリウム砒素または約１．１ｅＶのバンドギヤツプエネルギのシリコン等の単結晶材料で製作されていた。バンドギヤツプエネルギ以下のエネルギの太陽光は半導体材料で吸収されず、太陽電池の光電流出力に寄与しない。
ガリウム砒素、単結晶シリコンのような半導体材料を太陽電池に共に用いて太陽エネルギの電気エネルギへの総変換効率向上を計ったこともあるが、異なる半導体材料を同一の太陽電池に使用することには問題があった。異なる半導体材料を用いて太陽電池を製作する問題１の解法は第１の材料の太陽電池上に適当な波長の光を反射し、吸収されない光を第２の半導体材料の太陽電池に透過するフィルタを使用することであった。第２の解法はアルミニウム・ガリウム砒素、ガリウム砒素、ガリウム燐のように互いにエピタキシヤル成長させ得る異なるハンドギヤツプの半導体材料を使用することであった。これら２つの構造は漠然と直列接合型太陽電池と呼ばれて来た。第３の案は異なるバンドギヤツプエネルギの太陽電池を個々に作り、それを直列に接続して積層する方法である。これらの３つの方法はいずれも複雑、高価または装置の大型化といった欠点を有している。
また高集光時の発熱を抑える事も重要である。
シャープ技報 第９３号 ｐ４９〜５３ｐ ２００５年１２月
集光型太陽電池のエネルルギ変換効率の向上が望まれている。
単一の太陽電池素材例えばシリコン太陽電池では太陽光スペクトルの一部しか電気エネルギーに変換出来ない。この問題の解決の為に多接合構造が提案されている。
現在最高で３接合である。
この方法は複雑、高価で製造装置の大型化を招いている。
また高集光時の放熱を良くして発熱をおさえる。
単一の太陽電池素材例えばシリコン太陽電池では太陽光スペクトルの一部しか電気エネルギーに変換出来ない。この問題の解決の為に多接合構造が提案されている。
現在最高で３接合である。
この方法は複雑、高価で製造装置の大型化を招いている。
また高集光時の放熱を良くして発熱をおさえる。
本目的を達成する為の太陽光を集光して発電する集光型太陽電池であって、
太陽光を追尾する追尾装置と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とするものである。
太陽電池とは太陽電池素子集合体に保護する樹脂、ガラス部材等を加えたものである。
太陽電池素子はｐ型半導体、ｎ型半導体、電極、基板からできているものである。
集光型太陽電池素子を載置する基板に必要な要件は太陽電池素子の発熱の放熱性能すなわち熱伝導性と、太陽電池の出力の電気配線との絶縁性である。
熱伝導性の高い金属は好適には銅またはアルミである。
銅板にダイヤモンド膜を成膜する。
好適には成膜方法はＣＶＤ法である。ＣＶＤ法により接着材を使用する事なく金属板に絶縁放熱層のダイヤモンド層またはダイヤモンドライクカーボン層が形成できる。
ダイヤモンドは絶縁体であり、熱伝導率は２０００ｗ／ｍｋである。
太陽電池素子とダイヤモンド膜との接着は好適には電気伝導性エポキシ樹脂を使用する。
この構造で太陽電池基板の発熱がおさえられる。
太陽光を追尾する追尾装置と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とするものである。
太陽電池とは太陽電池素子集合体に保護する樹脂、ガラス部材等を加えたものである。
太陽電池素子はｐ型半導体、ｎ型半導体、電極、基板からできているものである。
集光型太陽電池素子を載置する基板に必要な要件は太陽電池素子の発熱の放熱性能すなわち熱伝導性と、太陽電池の出力の電気配線との絶縁性である。
熱伝導性の高い金属は好適には銅またはアルミである。
銅板にダイヤモンド膜を成膜する。
好適には成膜方法はＣＶＤ法である。ＣＶＤ法により接着材を使用する事なく金属板に絶縁放熱層のダイヤモンド層またはダイヤモンドライクカーボン層が形成できる。
ダイヤモンドは絶縁体であり、熱伝導率は２０００ｗ／ｍｋである。
太陽電池素子とダイヤモンド膜との接着は好適には電気伝導性エポキシ樹脂を使用する。
この構造で太陽電池基板の発熱がおさえられる。
また更に前記集光レンズで集光された太陽光を受光する筒型反射鏡とを備える事を特徴とするものである。
筒型反射鏡は追尾の誤差を吸収したり色収差を修正するものである。
受光面が広く出光面が狭くなっている。集光倍率の調整も可能である。
好適には六角形である。
筒型反射鏡は追尾の誤差を吸収したり色収差を修正するものである。
受光面が広く出光面が狭くなっている。集光倍率の調整も可能である。
好適には六角形である。
また更に前記集光レンズによる波長帯毎の色収差範囲を平面展開する分光プリズムと、
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とするものである。
集光レンズは、フレネルレンズ、凸レンズである。
集光レンズで集光すると太陽光の波長の違いで屈折率が変化し色収差が発生する。
屈折率は集光レンズの材質毎に固有のものである。
屈折率は波長が短いほど大きくなる。
この色収差は軸上で発生し、平面としては重なっている。
太陽光色収差を分光プリズムを使用して平面展開する。
太陽光の波長毎の屈折率の違いを利用して分光プリズムで色収差範囲を平面展開する。
そこで、集光レンズの前に分光プリズムを設置して波長帯毎に平面展開する。集光レンズと分光プリズムは分光プリズムの傾斜角度分ずれて配置する事になる。
フレネルレンズをアクリル樹脂として
焦点距離を１ｍに設定し波長４００ｎｍ、波長５２０ｎｍ波長１０００ｎｍの色収差はそれぞれ２０ｍｍ×６０ｍｍ，１０ｍｍ×５０ｍｍ，２０ｍｍ×５０ｍｍとなる。
４００ｎｍから１０００ｎｍの平面展開範囲は１６ｃｍとなり２ｃｍで８分割できる。
色収差平面展開範囲に波長帯毎に最適な太陽電池素子を配置すればよい。
これで太陽光のエネルギ使用効率が向上する。
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とするものである。
集光レンズは、フレネルレンズ、凸レンズである。
集光レンズで集光すると太陽光の波長の違いで屈折率が変化し色収差が発生する。
屈折率は集光レンズの材質毎に固有のものである。
屈折率は波長が短いほど大きくなる。
この色収差は軸上で発生し、平面としては重なっている。
太陽光色収差を分光プリズムを使用して平面展開する。
太陽光の波長毎の屈折率の違いを利用して分光プリズムで色収差範囲を平面展開する。
そこで、集光レンズの前に分光プリズムを設置して波長帯毎に平面展開する。集光レンズと分光プリズムは分光プリズムの傾斜角度分ずれて配置する事になる。
フレネルレンズをアクリル樹脂として
焦点距離を１ｍに設定し波長４００ｎｍ、波長５２０ｎｍ波長１０００ｎｍの色収差はそれぞれ２０ｍｍ×６０ｍｍ，１０ｍｍ×５０ｍｍ，２０ｍｍ×５０ｍｍとなる。
４００ｎｍから１０００ｎｍの平面展開範囲は１６ｃｍとなり２ｃｍで８分割できる。
色収差平面展開範囲に波長帯毎に最適な太陽電池素子を配置すればよい。
これで太陽光のエネルギ使用効率が向上する。
また更に集光型太陽電池装置外の低温定温部と、
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とするものである。
集光型太陽電池外低温定温部とは、地中、海等である。
砂漠でも地中温度は３０度以下、熱帯の海水温も３０度以下と考えてよいと思われる。
そこで熱伝導体を断熱したうえで、熱交換すると太陽電池素子を３０度以下に保持出来発電効率が低下しない。
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とするものである。
集光型太陽電池外低温定温部とは、地中、海等である。
砂漠でも地中温度は３０度以下、熱帯の海水温も３０度以下と考えてよいと思われる。
そこで熱伝導体を断熱したうえで、熱交換すると太陽電池素子を３０度以下に保持出来発電効率が低下しない。
また更に前記集光レンズをフレネルレンズとし、
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とするものである。
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とするものである。
また更に蓄電手段を備える事を特徴とするものである。
また更にＡＣ−ＤＣ変換装置を備える事を特徴とするものである。
また更に前記いずれかの集光型太陽電池を備えた事を特徴とする建築物である。
また本目的を達成する為の太陽光を集光して発電する集光方法であって、
太陽光を追尾する追尾方法と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とする方法である。
太陽光を追尾する追尾方法と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とする方法である。
また更に前記集光レンズで集光された太陽光を受光する筒型反射鏡とを備える事を特徴とする方法である。
また更に前記集光レンズによる波長帯毎の色収差範囲を平面展開する分光プリズムと、
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とする方法である。
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とする方法である。
また更に集光型太陽電池装置外の低温定温部と、
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とする方法である。
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とする方法である。
また更に前記集光レンズをフレネルレンズとし、
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とする方法である。
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とする方法である。
また更に蓄電手段を備える事を特徴とする方法である。
更にＡＣ−ＤＣ変換装置を備える事を特徴とする方法である。
太陽光をレンズで集光する波長帯毎に色収差が発生する。
この色収差を分光プリズムで平面展開する。
太陽電池素子半導体を多接合せずに色収差を利用して平面配置する事で既存の基板が使用でき広い帯域の太陽光スペクトルを吸収することができる。
また多接合したものを平面展開する事を可能である。これにより
多数のバンドギヤツプの半導体を使用できる。
この色収差を分光プリズムで平面展開する。
太陽電池素子半導体を多接合せずに色収差を利用して平面配置する事で既存の基板が使用でき広い帯域の太陽光スペクトルを吸収することができる。
また多接合したものを平面展開する事を可能である。これにより
多数のバンドギヤツプの半導体を使用できる。
１．太陽光
２．分光用フレネルレンズ
３．集光用フレネルレンズ
４．集光面
５．基板（波長４００ｎｍ〜波長１０００ｎｍの光の集光面＋３ｃｍ）
６．波長４００ｎｍの光集光面
７．波長５２０ｎｍの光集光面
８．波長１０００ｎｍの光集光面
９．保護材
１０．ダイヤモンド
１１．銅版
１２．波長４００ｎｍの光集光筒型反射鏡
１３．波長５２０ｎｍの光集光筒型反射鏡
１４．波長１０００ｎｍの光集光筒型反射鏡
１５．太陽電池
１６．太陽電池素子
１７．太陽電池固定部
１８．追尾装置
１９．支持
２０．仰角回転部
２１．追尾装置水平回転軸
２２．ＡＣ−ＤＣ変換装置
２３．（ａ・ｂ）電気配線
２４．植物栽培地
ａ 波長４００ｎｍの光
ｂ．波長５２０ｎｍの光
ｃ．波長１０００ｎｍの光
ｄ．波長４００ｎｍ未満の紫外線領域
ｅ．波長４００ｎｍの像
ｆ．波長５２０ｎｍの像
ｇ．波長１０００ｎｍの像
ｈ．波長１０００ｎｍより大の赤外線領域
ｉ．波長４００ｎｍの領域２０×６０ｍｍ
ｊ．波長５２０ｎｍの領域１０×５０ｍｍ
ｋ．波長１０００ｎｍの領域２０×５０ｍｍ
ｌ．波長４００ｎｍと波長１０００ｎｍの大洋中心像の距離１０５ｍｍ
ｍ．基板の面（集光面＋３ｃｍ）
ｎ．筒型反射鏡に付ける基板の面
２．分光用フレネルレンズ
３．集光用フレネルレンズ
４．集光面
５．基板（波長４００ｎｍ〜波長１０００ｎｍの光の集光面＋３ｃｍ）
６．波長４００ｎｍの光集光面
７．波長５２０ｎｍの光集光面
８．波長１０００ｎｍの光集光面
９．保護材
１０．ダイヤモンド
１１．銅版
１２．波長４００ｎｍの光集光筒型反射鏡
１３．波長５２０ｎｍの光集光筒型反射鏡
１４．波長１０００ｎｍの光集光筒型反射鏡
１５．太陽電池
１６．太陽電池素子
１７．太陽電池固定部
１８．追尾装置
１９．支持
２０．仰角回転部
２１．追尾装置水平回転軸
２２．ＡＣ−ＤＣ変換装置
２３．（ａ・ｂ）電気配線
２４．植物栽培地
ａ 波長４００ｎｍの光
ｂ．波長５２０ｎｍの光
ｃ．波長１０００ｎｍの光
ｄ．波長４００ｎｍ未満の紫外線領域
ｅ．波長４００ｎｍの像
ｆ．波長５２０ｎｍの像
ｇ．波長１０００ｎｍの像
ｈ．波長１０００ｎｍより大の赤外線領域
ｉ．波長４００ｎｍの領域２０×６０ｍｍ
ｊ．波長５２０ｎｍの領域１０×５０ｍｍ
ｋ．波長１０００ｎｍの領域２０×５０ｍｍ
ｌ．波長４００ｎｍと波長１０００ｎｍの大洋中心像の距離１０５ｍｍ
ｍ．基板の面（集光面＋３ｃｍ）
ｎ．筒型反射鏡に付ける基板の面
Claims (15)
- 太陽光を集光して発電する集光型太陽電池であって、
太陽光を追尾する追尾装置と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とする集光型太陽電池 - 更に前記集光レンズで集光された太陽光を受光する筒型反射鏡とを備える事を特徴とする請求項１の集光型太陽電池。
- 更に前記集光レンズによる波長帯毎の色収差範囲を平面展開する分光プリズムと、
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とする請求項１又は２の集光型太陽電池 - 更に集光型太陽電池装置外の低温定温部と、
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とする請求項１〜３いずれかの集光型太陽電池 - 更に前記集光レンズをフレネルレンズとし、
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とする請求項１〜４いずれかの集光型太陽電池 - 更に蓄電手段を備える事を特徴とする請求項１〜５いずれかの集光型太陽電池
- 更にＡＣ−ＤＣ変換装置を備える事を特徴とする請求項１〜６いずれかの集光型太陽電池
- 更に前記請求項１〜７いずれかの集光型太陽電池を備えた事を特徴とする建築物
- 太陽光を集光して発電する集光方法であって、
太陽光を追尾する追尾方法と、
太陽光を集光する集光レンズと、
太陽電池素子が載置されるダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボンが成膜された熱伝導性の高い金属基板と、
前記金属基板上に太陽電池素子による発電力を出力する電気配線を備える事を特徴とする集光方法 - 更に前記集光レンズで集光された太陽光を受光する筒型反射鏡とを備える事を特徴とする請求項９の集光方法。
- 更に前記集光レンズによる波長帯毎の色収差範囲を平面展開する分光プリズムと、
前記分光プリズムで平面展開された波長帯毎色収差平面展開範囲に、
波長帯毎の最小光子エネルギ以下のバンドギャップの半導体の太陽電池素子を配置する事を特徴とする請求項９又は１０の集光方法 - 更に集光型太陽電池装置外の低温定温部と、
前記熱伝導性の高い金属基板と前記低温定温部と熱交換する熱伝導体と、
を備える事を特徴とする請求項９〜１１いずれかの集光方法 - 更に前記集光レンズをフレネルレンズとし、
前記分光プリズムをフレネルレンズとする事を特徴とする請求項９〜１２いずれかの集光方法 - 更に蓄電手段を備える事を特徴とする請求項９〜１３いずれかの集光方法
- 更にＡＣ−ＤＣ変換装置を備える事を特徴とする請求項９〜１４いずれかの集光方法
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011010256A JP2012142531A (ja) | 2011-01-04 | 2011-01-04 | 色収差平面展開集光型太陽光利用装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011010256A JP2012142531A (ja) | 2011-01-04 | 2011-01-04 | 色収差平面展開集光型太陽光利用装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012142531A true JP2012142531A (ja) | 2012-07-26 |
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ID=46678479
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011010256A Pending JP2012142531A (ja) | 2011-01-04 | 2011-01-04 | 色収差平面展開集光型太陽光利用装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2012142531A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11004995B2 (en) | 2016-10-14 | 2021-05-11 | Kaneka Corporation | Photovoltaic device |
-
2011
- 2011-01-04 JP JP2011010256A patent/JP2012142531A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11004995B2 (en) | 2016-10-14 | 2021-05-11 | Kaneka Corporation | Photovoltaic device |
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