JP2012204710A - 集光太陽電池ユニット及びその設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の冷却効率が悪く、集光率が高い場合に温度上昇で太陽電池が劣化する恐れがあった。
【解決手段】太陽電池ユニット４は、１つまたは複数の放物面形状の曲面で構成される反射板３と、放物面の軸方向に固定された太陽電池固定板５と、太陽電池固定板５の両面に固定された太陽電池１と、太陽電池固定板５の内部に冷媒配管２とを備え、反射板３は上側が大きく下側が小さい非対称形状として構成する。また、太陽電池ユニット４は放物面が鉛直方向になるような向きに、また放物面の軸が集光太陽電池パネル底面の法線と平行にならない向きに設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射板を用いた集光太陽電池ユニットに関するものである。

地球温暖化対策として太陽光発電が世界的に急速な増加している。太陽光発電は一般に半導体の光起電力を利用した太陽電池パネルと、生じた電力を調整するパワーコンディショナーを用いたシステムが主流である。

太陽電池は、平均的な発電効率が１０数％と低く、しかも温度が高くなると発電効率が低下する温度依存性があり、日射量が多いときに発電効率が低くなる。そのため冷却機構を組込んだ太陽電池や、冷却に伴い回収された熱媒体流路も利用するハイブリッドシステムも提案されている。

また太陽電池本体はシリコンを用いた半導体素子のものがほとんどであり、高価であるため、できるだけその薄くするなど使用量を少なくして低価格化を図る取組がなされている。

また、集光することにより、受光する太陽電池の面積を小さくすることにより、集光型の太陽光発電システムも開発されている。

集光型太陽電池では、集光により発電効率が向上するという報告があり、発電量も多くなるという相乗効果が期待される（例えば、非特許文献１参照）。

集光はレンズを用いるものと反射板を用いるものがあり、反射式では放物面や２つの放物面を組合せたＣＰＣ（複合パラボラ反射鏡）と呼ばれる形状の反射板を用いられる。放物面の中心軸方向からの光は１点に集光することができるが、それ以外の角度から入射した光は１点には集光しないため、さまざまな角度から入射する光を効率よく受けるには受光面にある程度幅を持たせることが必要になる。

太陽エネルギーの利用率を高めるために、太陽光発電と太陽熱利用を同時に行うハイブリッドパネルも提案されており、集光して発電と熱利用も行うものも、様々な集光の形状のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

太陽電池はできるだけ太陽光の入射量が多くなるように、南向きまたは南向きに近い向きの屋根に設置される。太陽電池パネルは屋根に設置した場合できるだけ一体感がある方が好まれるため、また風の影響を小さくするために数ｃｍ程度の薄い板状のものが一般的である。したがってできるだけ厚さを大きくしないで集光できる構造が望ましい。

特開２００２−２８９２１２号公報

「集光型化合物太陽電池」シャープ技報第９３号、２００５年１２月

しかしながら上記特許文献１では、集光率を高くすると太陽電池の冷却が不足し、高温により太陽電池が破損する恐れがある。また、反射板と太陽電池を含む構造の設置の向きに関しては、記述されていない。

本発明は、上記課題を解決し、冷却効果が高く破損の恐れを低減するとともに、大きな発電量を得られる太陽光発電システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の集光型太陽電池は、反射板の放物面の軸方向に設置された太陽電池固定板の両側に太陽電池を設置し、前記太陽電池固定板の内部に冷媒配管を設けるものである。

また、集光板の放物面で上下角を集光するように、放物面が鉛直方向になるように設置するものである。

これにより、より広い日射の入射角度範囲の光を太陽電池に集光することができる集光太陽電池ユニットを提供することができる。

本発明の集光太陽電池ユニットは、両面に太陽電池を設置した太陽電池固定板の内部に冷媒配管を設けることにより、太陽電池の冷却効率を高めるものであり、さらに集光のための反射板の放物面で上下方向の角度を集光するような向きに設置するものであり。これにより集光効率が高く、かつ集光による温度上昇で太陽電池の破損することを防止できる集光太陽電池ユニットを提供することができる。

本発明の実施の形態１における集光太陽電池ユニットの概略図 本発明の実施の形態２における集光太陽電池ユニットの集光状況の概略図 本発明の実施の形態３における集光太陽電池ユニットの設置方法の概略図 本発明の実施の形態４における集光太陽電池ユニットの設置方法の概略図 本発明の実施の形態５における集光太陽電池ユニットの設置方法の概略図 本発明の実施の形態６における集光太陽電池ユニットの概略図 太陽電池パネルに入射する太陽光の入射範囲の概略図

第１の発明は、１つまたは複数の放物面形状の曲面で構成される反射板と、放物面の軸方向に固定された太陽電池固定板と前記太陽電池固定板の両面に固定された太陽電池と前記太陽電池固定板の内部に設置された冷媒配管を備えるものであり、この構成により、太陽電池を効率よく冷却することができ、温度上昇により破損する恐れを低減することができる。

第２の発明は、前記反射板が、上側が大きく下側が小さい非対称形状であることを特徴とするものであり、これにより、太陽高度が高い場合にも、太陽光をすべて反射板で受けることができ、発電量を多くすることができる。

第３の発明は前記集反射板の放物面により上下角方向の集光を行うような向きに設置するものであり、この構成により、太陽光を効率よく太陽電池に集光することができる。

第４の発明は、前記集光太陽電池ユニットの前記反射板の反射面の軸と前記集光太陽電
池パネルの設置面の線が平行ではなく、一定の角度を持たせて設置するものであり、これにより、太陽光をより効率よく太陽電池に集光することができる。

第５の発明は、複数の前記集光太陽電池ユニットの前記反射板の反射面の軸の角度が互いに平行になるように設置するものであり、これにより曲面など、どのような形状の設置面に設置する場合でもすべての集光太陽電池ユニットで効率よく発電することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における集光太陽電池ユニットの構成を示すものである。図１（Ａ）は全体の概略形状、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の矢印の方向から見た形状を示している。また図１（Ｃ）は２つの放物面から構成されたＣＰＣ形状の反射板を用いたものを示している。

１ａ〜１ｆは太陽電池、２は冷媒配管、３は反射板、５は太陽電池固定板、２０ａ、２０ｂは反射板３の反射面の放物面の軸である。

反射板３の形状は放物面であり、反射板３の放物面の軸の向きに太陽電池固定板５が固定されており、太陽電池固定板５の両面には太陽電池１が、内部には冷媒配管２が設置されている。

冷媒配管２を流れる冷媒としては水やヒートポンプ用いられる冷媒など、流動性のある液体・気体であればよいが、できるだけ比熱が大きく、粘性の小さいものが望ましい。

コスト低減や集光による発電効率の向上のためには、できるだけ集光率（太陽電池の面積に対する反射板の開口面積の比率）を大きくして太陽電池１の面積を小さくすることが重要であるが、集光率を高めるほど太陽電池１の温度上昇が大きくなるため、破損する危険性が高まる。

以上のように構成された集光太陽電池ユニットでは、太陽電池１の裏側に冷媒配管が設置されており流れており、この間の熱伝導距離が短いので効率よく太陽電池１を冷却することができる。

また、冷却によって太陽電池から回収された熱も多くなるので、温水を生成するなど熱電併給システムとする場合の熱回収効率も高くすることができる。

なお、本実施の形態では太陽電池固定板と反射板が接合されているが、互いの位置関係が同様であれば、離れていても同様の効果が得られる。

また、反射板の形状は放物面のものを用いているが２つの放物面を合わせたものでも同様の効果が得られる。

また、本実施の形態では丸い断面形状の冷媒配管２本が太陽電池の裏面に配置されているが、本数が異なっていても、また断面形状が矩形など異なる形状であっても同様の効果を得ることができる。

さらに、冷媒配管をヒートポンプに組み込んで、集光太陽電池パネル部分を冷却すれば、太陽電池をより低温に冷却することができ、太陽電池の発電効率を高めることができる
。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における集光太陽電池ユニットの集光の状態を示すものである図２（Ａ）は放物面の軸に対して平行な光と角度を持った光の集光状態を、図２（Ｂ）は集光太陽電池ユニットの１ａ〜１ｅは太陽電池素子である。

図２（Ａ）のように、放物面の軸に対して平行に入射する光は太陽電池１の表面に集光するが、放物面の軸に対して大きな角度で入射すると、太陽電池１で受光できない方向へ反射する光もある。これは２つの放物面を合わせたＣＰＣでも同様である。このように放物面形状で広い角度範囲からの入射光を集めるのは困難である。

しかし、図２（Ｂ）にように、放物面の軸方向からの角度さえ大きくなければ、反射板の長手方向には広い角度範囲からの入射光を太陽電池に向けて反射することができる。

一方、集光すべき日射の光源である太陽の位置は以下のようになる。図７は点Ｏに集光太陽電池ユニットを南向きに設置した場合の受光すべき日射の角度の範囲を示すものである。

Ｐ２〜４を通る弧は夏至の太陽が移動する軌跡を、Ｐ６〜８を通る弧は冬至の太陽が移動する軌跡を示しており、Ｐ３が夏至の南中の位置で年間を通じてもっとも高い太陽高度の位置で、東京の場合で約７８．５°になる。

Ｐ１、Ｐ８、Ｐ６、Ｐ５を通る弧は近隣の建物などにより日射がさえぎられるため、水平から一定の仰角以上しか受光できないことを示している。Ｐ１、Ｐ２を通る弧とＰ４、Ｐ５を通る弧は集光太陽電池ユニットで受光可能な水平方向の角度範囲を示しており、両方の円の間の方位角は１８０°より小さな角度になる。

集光太陽電池ユニットで受光すべき日射の範囲はＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８で囲まれた領域であり、この領域の上下方向の角度は太陽の最高高度である夏至の南中高度から水平よりやや上までの角度であり、水平方向の角度は１８０°よりは小さいが少なくとも９０°以上あるので、水平方向の角度の方が大きい。

したがって、反射板３ａ〜３ｄの放物面が鉛直になるような向きに配置することにより、広い角度範囲からの入射光を太陽電池１で受光させることができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の第３の実施の形態における集光太陽電池ユニットの設置方法を示すものである。

２０ａ〜２０ｄは集光太陽電池ユニットの反射面の軸であり、２２は設置面、２１ａ〜２１ｄは設置面の法線である。

図３（Ａ）では反射板は反射面の軸２０ａ〜２０ｄが設置面の法線２１ａ〜２１ｄとは平行ではなく一定の角度を持つように設置されており、図３（Ｂ）では反射面の軸２０ａ〜２０ｄが設置面の法線２１ａ〜２１ｄとは平行になっている。

太陽電池は家屋の屋根に設置されることが多いが、屋根の傾斜は２０〜３０°のものが多く、集光太陽電池ユニットを屋根に設置すると、設置面の法線は水平から６０〜７０°の角度となり、受光すべき日射の角度範囲のかなり上の方を向くことになる。

たとえば、東京の家の傾斜が２５°である屋根に設置した場合、設置面の法線は水平から６５°の角度となる。日射の入射角度は、最も低い朝夕の水平から少し上の角度から夏至の南中高度である７８．５°であるので、設置面の法線に対して上方向には１３．５°、下方向には５５°程度の範囲の日射を受けることになる。

したがって、図３（Ｂ）にように反射板を、放物面の軸が設置面２２の法線方向になるように設置したのでは、下の方からの日射がうまく太陽電池に集光できず、年間を通じての発電量が少なくなってしまう恐れがある。

放物面の軸が集光太陽電池パネルの底面の法線が２０°下向きの角をなしていると、日射の入射角度は放物面の軸に対して上側３３．５°、下側３５°の角度をなすことになり、上下均等に近い角度になり、より効果的に太陽電池に集光することができる。

また、集光太陽電池ユニットを壁面に設置した場合を図４に示す。この場合、反射板を、放物面の軸が設置面２２の法線方向になるように設置したのでは、放物面の軸が水平方向を向いてしまうので、太陽光は反射面の軸に対して上方向からのみ入射することになり、太陽電池に効率よく集光できない恐れがある。しかし、図５にように、反射板を、放物面の軸が、設置面（壁面）の法線方向に対して一定の角度を持つように設置されていれば太陽電池に効率よく集光でき、発電量を多くすることができる。

なお、本実施の形態では複数の集光太陽電池ユニットを並べて設置する場合について示したが、複数の集光太陽電池ユニットを内蔵したパネル構造にしても同様の効果を得ることができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態における集光太陽電池ユニットの設置方法の概略を示すものである。設置面２２が湾曲しており、反射板３ａ〜３ｄは放物面の軸がそれぞれの設置位置の設置面の法線方向に対して一定の角度になるのではなく、反射板３ａ〜３ｄの放物面の軸が互いに平行になるように設置されている。

太陽光は平行光線であるので、このように設置することにより、すべての集光太陽電池ユニットで効率よく発電することができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の第５の実施の形態における集光太陽電池ユニットの概略を示すものである。

図６（Ａ）では反射板３ａ〜３ｄは、上側が大きく下側が小さい非対称形状になっており、図６（Ｂ）では上下同じ対称な形状になっている。

図６（Ｂ）では、反射板３ｄの上側端部３１ａと反射板３ｃの下側端部３１ｂの間に反射板がない領域があり、太陽が高い角度にある場合の日射のすべてを反射板で受けることができないので、その分の太陽光は集光できないので、発電量が少なくなる。

これに対し、図６（Ａ）では反射板に隙間がなく、どのような太陽高であっても反射板で集光することができる。

なお、本実施の形態では複数の集光太陽電池ユニットが平面に設置されている場合について示したが、曲率をもった面に設置されている場合も同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる集光太陽電池は、冷却構造や反射板の構造、ユニットの設置方法によって発電量を多くすることを可能にするものであり、太陽熱を集光して利用するものであれば利用できる。

１ 太陽電池
１ａ〜ｅ 太陽電池素子
２ 冷媒配管
３ 反射板
４ 太陽電池ユニット
５ 太陽電池固定板
２０ａ〜ｄ 放物面の軸
２１ａ〜ｄ 設置面の法線

Claims (5)

1. １つまたは複数の放物面形状の曲面で構成される反射板と、放物面の軸方向に固定された太陽電池固定板と前記太陽電池固定板の両面に固定された太陽電池と前記太陽電池固定板の内部に設置された冷媒配管を備えた集光太陽電池ユニット。
2. 前記反射板は、上側が大きく下側が小さい非対称形状であることを特徴とする請求項１記載の集光太陽電池ユニット。
3. 請求項１または２記載の集光太陽電池ユニットに備わる反射板の放物面を、上下角方向の集光を行うような向きに配置したことを特徴とする集光太陽電池ユットの設置方法。
4. 請求項１または２記載の集光太陽電池ユニットに備わる反射板の軸と、集光太陽電池パネルの設置面の法線が平行ではないことを特徴とする集光太陽電池ユニットの設置方法。
5. 請求項１または２記載の集光太陽電池ユニットに備わる反射板の反射面の軸の角度が互いに平行であることを特徴とする集光太陽電池ユニットの設置方法。

Images