JP2013131757A - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽発電効果を向上させることのできる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】太陽電池モジュールは、太陽熱収集器と、太陽電池チップパネルと、冷却パイプラインシステムとを含む。太陽熱収集器は、第１光学表面と、第２光学表面とを有し、光が第１光学表面から太陽熱収集器に入射してから、収集された後に第２光学表面から出射する。太陽電池チップパネルは、第２光学表面から出射した光を受け取る受光面を有する。太陽電池チップパネルは、光の中の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む。冷却パイプラインシステムは、水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、光が吸熱体を介して太陽電池チップパネルの受光面に出射して、吸熱体の中を流動する水が特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する。
【選択図】図１
【解決手段】太陽電池モジュールは、太陽熱収集器と、太陽電池チップパネルと、冷却パイプラインシステムとを含む。太陽熱収集器は、第１光学表面と、第２光学表面とを有し、光が第１光学表面から太陽熱収集器に入射してから、収集された後に第２光学表面から出射する。太陽電池チップパネルは、第２光学表面から出射した光を受け取る受光面を有する。太陽電池チップパネルは、光の中の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む。冷却パイプラインシステムは、水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、光が吸熱体を介して太陽電池チップパネルの受光面に出射して、吸熱体の中を流動する水が特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する。
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池（solar cell）モジュールに関するものであり、特に、発電効率を向上させた太陽電池モジュールに関するものである。
グローバル化の現代において、新興エネルギー源および省エネルギーグリーン化技術の使用が、人々の注目を集めている。これらのエネルギー源のうち、太陽エネルギーは、汚染のない無尽蔵なエネルギーである。そのため、化石燃料から生じる汚染やエネルギー不足等の問題に直面した時、太陽エネルギー発電に関連する光電変換および省エネルギーの技術が一番の関心となる。太陽電池を使用することによって、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるため、太陽電池は、太陽エネルギーの利用における現開発の焦点となっている。
高価な太陽電池のコストを下げるため、多くの専門家は太陽熱収集器（solar collector）の研究を始めた。しかしながら、太陽電池を使用すると、太陽電池の温度を急速に上げ、その代わりに発電効果を下げる。また、シリコンベース材料で作られた一般の太陽電池チップは、光電変換効率に限度があるため、太陽電池チップに照射された太陽光のほとんどが無駄になる。太陽電池チップに照射された太陽光の大部分は電気に変換されないため、太陽電池チップによって変換できない波長の光は、太陽電池チップで熱に変わる。そのため、太陽電池チップが過熱し、それによって発電効率が下がるのである。
本発明は、太陽チップの放熱と熱循環の再利用を同時に達成することによって、太陽発電効果を向上させることのできる太陽電池モジュールを提供する。
本発明は、太陽熱収集器と、太陽電池チップパネルと、冷却パイプラインシステムとを含む太陽電池モジュールを提供する。太陽熱収集器は、第１光学表面と、第２光学表面とを有し、光が第１光学表面から太陽熱収集器に入射してから、収集された後に第２光学表面から出射する。太陽電池チップパネルは、第２光学表面から出射した光を受け取る受光面を有する。太陽電池チップパネルは、光の中の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む。冷却パイプラインシステムは、水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、光が吸熱体を介して太陽電池チップパネルの受光面に出射して、吸熱体の中を流動する水が特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体は、太陽熱収集器の第２光学表面と太陽電池チップパネルの受光面の間に配置されるため、光は、吸熱体を通過した後に第２光学表面から受光面へ出射する。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体は、太陽熱収集器の第２光学表面と受光面の間の空間の外側に配置されるため、光は、吸熱体を通過した後に第１光学表面に入射する。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体は、太陽熱収集器の第１光学表面の同じ側の平面に配置される。
本発明の１つの実施形態中、平面は、受光面に対して垂直であり、且つ第１光学表面に対して平行である。
本発明の１つの実施形態中、光電変換材料は、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含み、光電変換材料がシリコンベース材料である時、特定のスペクトル帯は、３００ｎｍ〜１１０７ｎｍである。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体の材料は、特定のスペクトル帯の光を透過させることのできる材料である。
本発明の１つの実施形態中、冷却パイプラインシステムは、第１チャネルと、第２チャネルと、貯蔵タンクとを含む。第１チャネルは、太陽電池チップパネルの受光面から反対方向に面した側に配置される。第２チャネルは、吸熱体に接続され、且つ第１チャネルに接続される。貯蔵タンクは、第１チャネルおよび第２チャネルに接続されて、ループを形成する。第１温度を有する水が順番に第１チャネル、第２チャネルおよび吸熱体を介して貯蔵タンクから流出した後、水は、貯蔵タンクに再流入して、第１温度よりも高い第２温度を有する。第１チャネルの材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい材料を含む。１つの実施形態において、第１チャネルは、銅パイプ等の金属パイプを含む。貯蔵タンクは、温度が上昇した後に水を貯蔵する断熱貯蔵タンクである。
本発明の１つの実施形態中、冷却パイプラインシステムは、さらに、水流動の動力を供給するポンプを含む。
本発明の１つの実施形態中、第１光学表面の面積は、第２光学表面の面積よりも大きい。
本発明の１つの実施形態中、第１光学表面は、第２光学表面に隣接する。
本発明は、太陽熱収集器と、太陽電池チップパネルと、光フィルタインターフェースと、冷却パイプラインシステムとを含む別の太陽電池モジュールを提供する。太陽熱収集器は、第１光学表面と、第２光学表面と、第３光学表面とを含み、光が第１光学表面から太陽熱収集器に入射してから、収集された後に第２光学表面から出射する。太陽電池チップパネルは、第２光学表面から出射した光を受け取る受光面を有する。太陽電池チップパネルは、光の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む。光フィルタインターフェースは、第３光学表面に配置され、特定のスペクトル帯を超えた光が第３光学表面を透過できるようにする。冷却パイプラインシステムは、水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、光フィルタインターフェースが第３光学表面と吸熱体の間に配置され、吸熱体の中を流動する水が特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する。
本発明の１つの実施形態中、光フィルタインターフェースは、コートフィルム（coated film）または複数のミクロ構造を含む。
本発明の１つの実施形態中、太陽電池モジュールは、さらに、光フィルタインターフェースと吸熱体の間に配置された熱伝導プレートを含む。熱伝導プレートは、例えば、黒塗りプレート（black coated plate）である。１つの実施形態において、熱伝導プレートの材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい材料を含む。１つの実施形態において、熱伝導プレートの材料は、金属プレートを含む。
本発明の１つの実施形態中、光電変換材料は、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含み、光電変換材料がシリコンベース材料である時、特定のスペクトル帯は、３００ｎｍ〜１１０７ｎｍである。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体は、複数のチャネルを含む。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体の材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい材料を含む。
本発明の１つの実施形態中、吸熱体は、銅等の金属を含む。
本発明の１つの実施形態中、冷却パイプラインシステムは、第１チャネルと、第２チャネルと、貯蔵タンクとを含む。第１チャネルは、太陽電池チップパネルの受光面から反対方向に面した側に配置される。第２チャネルは、吸熱体に接続され、且つ第１チャネルに接続される。貯蔵タンクは、第１チャネルおよび第２チャネルに接続されて、ループを形成する。第１温度を有する水が順番に第１チャネル、第２チャネルおよび吸熱体を介して貯蔵タンクから流出した後、水は、貯蔵タンクに再流入して、第１温度よりも高い第２温度を有する。第１チャネルの材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい材料を含む。１つの実施形態において、第１チャネルは、銅パイプ等の金属パイプを含む。貯蔵タンクは、温度が上昇した後に水を貯蔵する断熱貯蔵タンクである。
本発明の１つの実施形態中、冷却パイプラインシステムは、さらに、水流動の動力を供給するポンプを含む。
本発明の１つの実施形態中、第１光学表面の面積および第３光学表面の面積は、第２光学表面の面積よりも大きい。
本発明の１つの実施形態中、第１光学表面は、第２光学表面に隣接し、第２光学表面は、第３光学表面に隣接し、第１光学表面および第３光学表面は、互いに向かい合って配置される。
本発明の実施形態の太陽電池モジュールは、冷却パイプラインシステムの吸熱体の中を流動する水を利用して、光電変換材料によって吸収できない特定のスペクトル帯を超えたエネルギーを吸収し、このエネルギーが水に伝達することによって、水の温度を上昇させる。そのため、太陽電池チップパネルの温度が下がることにより太陽電池チップの発電効果を上げるだけでなく、同時に、熱循環を再利用することもできる。
本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。
一般的に、全ての波長の光エネルギーを電気エネルギーに変換できる訳ではなく、太陽電池に入射した太陽エネルギーの大部分は無駄になり、使えない熱になる。光電効果を発生させることのできる波長の太陽光は、太陽電池チップ材料のバンドギャップ（band gap）と関連する。つまり、光電変換材料のバンドギャップを超えたエネルギーが太陽電池チップによって電気に変換されないだけでなく、このエネルギーによってチップの温度が上昇し、それによって太陽電池の発電効率が下がるのである。例えば、ポリシリコン太陽電池が波長１１０７ｎｍを超えた太陽光の太陽エネルギーを電気に変換できないだけでなく、ポリシリコン太陽電池の発電効率も下がるのである。
したがって、本発明の実施形態が提供する太陽電池モジュールは、太陽電池チップ材料のバンドギャップを超えた波長の太陽光のエネルギーを吸収することによって、チップ温度を下げるとともに、発電効率を上げ、それによって、太陽光の収集後にチップが過熱する問題を軽減することができる。さらに、太陽電池チップによって電気に変換できない波長の太陽光を吸収した後、エネルギーが水に伝達して、温水を提供する。そのため、本発明の実施形態が提供する太陽電池モジュールは、全ての太陽スペクトルのエネルギーを効率的に利用し、そのエネルギーを電気および熱に変換することによって、省エネルギーの効果を達成することができる。
添付の図面を参照して、以下に、実施形態を用いて本発明を説明する。しかしながら、本発明は、多種の異なる形式で実施することが可能であり、ここで説明した実施形態に限定される意図はない。参照図面において説明に使用した用語、例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「前」、「後」等は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。わかりやすくするため、図面における各層のサイズおよび相対サイズは、誇張されて描かれている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの概略的斜視図である。図２は、ポリシリコン太陽電池の吸収スペクトル図である。図３は、太陽スペクトル図である。図４は、水の吸収スペクトル図である。
図１を参照すると、太陽電池モジュール１００は、太陽熱収集器１１０と、太陽電池チップパネル１２０と、冷却パイプラインシステム１３０とを含む。
太陽熱収集器１１０は、第１光学表面１１２と、第２光学表面１１４とを含み、光Ｌが第１光学表面から太陽熱収集器１１０に入射してから、収集された後に第２光学表面１１４から出射する。第１光学表面１１２は、例えば、第２光学表面１１４に隣接する。第１光学表面１１２の面積は、例えば、第２光学表面１１４の面積よりも大きい。太陽熱収集器１１０は、例えば、ロールツーロール方式（roll-to-roll）の超精密加工で製造されたナノスケールの偏向フィルムであり、光Ｌを所望の角度に効果的に偏向することによって、光収集効率を上げることができる。
太陽電池チップパネル１２０は、太陽熱収集器１１０の第２光学表面１１４から出射した光Ｌを受け取る受光面１２２を有する。太陽熱収集器１１０を使用することによって、単位面積毎の光エネルギー収集率を増加させることができる。そのため、太陽電池チップパネル１２０は、太陽熱収集器１１０から偏向された光Ｌを効果的に受け取ることができ、それによって、太陽電池チップの面積およびコストを減らすことができる。例えば、太陽電池チップパネル１２０は、直列または並列に接続された複数の太陽電池チップによって形成される。各太陽電池チップは、基板と、基板の上方に配置された前面電極（front contact）および裏面電極（back contact）と、２つの電極の間に配置された光電変換材料とを含む。光電変換材料は、光Ｌ中の特定のスペクトル帯を吸収し、光エネルギーを電気に変換する活動層として用いられる。１つの実施形態において、室温での光電変換材料（例えば、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコン）のバンドギャップは、約１．１２ｅＶである。さらに、本発明は、太陽電池チップパネル１２０の種類、構造または構成要素を特に限定せず、当技術分野における技術者であれば必要に応じて調整可能であるため、ここでは説明を省略する。
冷却パイプラインシステム１３０は、水が中を流動できるようにし、例えば、直列に接続された吸熱体１３２、第１チャネル１３４、第２チャネル１３６および貯蔵タンク１３８を含む。
吸熱体１３２は、第２チャネル１３６に接続され、吸熱体１３２の中を流動する水は、光電変換材料が吸収できる特定のスペクトル帯を超えた光を吸収することができる。１つの実施形態において、吸熱体１３２は、太陽熱収集器１１０の第２光学表面１１４と太陽電池チップパネル１２０の受光面１２２の間に配置される。その結果、光Ｌは、吸熱体１３２を通過した後、第２光学表面１１４から受光面１２２に出射する。吸熱体１３２および第２チャネル１３６は、例えば、一体化形成により接続される。図１に示すように、吸熱体１３２は、例えば、第２チャネル１３６の一部である。つまり、吸熱体１３２は、第２光学表面１１４と受光面１２２の間に配置された第２チャネル１３６の部分セグメントであってもよい。吸熱体１３２は、例えば、透明ガラス、プラスチッキまたはアクリル等の特定のスペクトル帯の光を透過することのできる材料で作られる。
したがって、吸熱体１３２の中を流動する水は、収集された後に出射する太陽光Ｌの太陽電池チップパネル１２０によって吸収できない波長のエネルギーを吸収することができる。一方、残留光Ｌ’は、太陽電池チップパネル１２０の中に入射して電気を生成する。そのため、太陽光Ｌのうち熱を生成する部分の波長は、太陽電池チップパネル１２０に入射する前に、吸熱体１３２の中を流動する水によって吸収される。その結果、太陽電池チップパネル１２０の温度を効果的に下げることができ、且つ発電効率を上げることができる。
上述したように、第１チャネル１３４は、太陽電池チップパネル１２０の受光面１２２から反対方向に面した側、例えば、太陽電池チップパネル１２０の下方に配置される。例えば、第１チャネル１３４を太陽電池チップパネル１２０の後方に密接に取り付けるか、あるいは、熱伝導率の高い放熱グリース（thermal grease）を第１チャネル１３４と太陽電池チップパネル１２０の間に充填することによって、第１チャネル１３４の中の比較的低温の水を効果的に利用して、太陽電池チップパネル１２０の過剰な熱を吸収することができる。第１チャネル１３４の材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい高熱伝導率係数の材料を含む。１つの実施形態において、第１チャネル１３４は、例えば、銅パイプ等の金属パイプを含む。第２チャネル１３６は、第１チャネル１３４に接続される。本実施形態において、吸熱体１３２および第２チャネル１３６は、例えば、一体化形成され、第２チャネル１３６の材料は、吸熱体１３２の材料と同じであってもよい。貯蔵タンク１３８は、第１チャネル１３４および第２チャネル１３６に接続されて、ループを形成する。貯蔵タンク１３８は、例えば、温度上昇後に水を貯蔵する断熱液体貯蔵タンクである。
注意すべきこととして、第１温度を有する水が順番に第１チャネル１３４、第２チャネル１３６および吸熱体１３２を介して貯蔵タンク１３８から流動方向Ｄに流出した後、水は、貯蔵タンク１３８に再流入して、第１温度よりも高い第２温度を有する。例えば、冷却パイプラインシステム１３０は、さらに、水流動の動力を供給するポンプ１４０を含み、比較的低温の水が貯蔵タンク１３８の出口１３８ａから第１チャネル１３４に流入するように導く。したがって、水は、流動方向Ｄに沿って、第１チャネル１３４、第２チャネル１３６および吸熱体１３２の中を流動する。先に第１チャネル１３４の中に水を流動させて太陽電池チップパネル１２０の残留熱を吸収してから、吸熱体１３２の中に水を流動させて光電変換材料が吸収できる特定のスペクトル帯範囲を超える波長の太陽光からのエネルギーを吸収することによって、この過程において、水が加熱され、水の温度が上昇するため、熱が吸収されて温度が上昇した水が、流動方向Ｄに沿って入口１３８ｂから貯蔵タンク１３８に流入する。
言及すべきこととして、太陽電池チップパネル１２０において、光電変換材料が吸収できる特定のスペクトル帯は、一般的に、光電変換材料の特性によって決まる。つまり、全ての波長の光エネルギーが電気に変換される訳ではないため、太陽電池に入射する太陽光の大部分は無駄になり、使えない熱になる。太陽電池チップが光電効果を発生させることのできる太陽光の波長は、太陽電池チップの材料のバンドギャップと関連する。例えば、光電変換材料がシリコンベース材料である時、材料のバンドギャップは、室温で約１．１２ｅＶであり、吸収できる特定のスペクトル帯は、３００ｎｍ〜１１０７ｎｍの間である。図２を参照すると、ポリシリコン太陽電池が１１０７ｎｍの波長を超えるエネルギーを電気に変換するのは困難である。さらに、１１０７ｎｍよりも長い波長の太陽スペクトルエネルギーは、代わりに、ポリシリコン太陽電池の温度を上昇させ、それによって、ポリシリコン太陽電池の発電効率を下げる。図３に示すように、太陽スペクトル図において、１１０７ｎｍよりも長い波長の太陽スペクトルエネルギーは、太陽スペクトルエネルギー全体の約２０％を占めるため、シリコンベース太陽電池の温度を上昇させ、発電効率を下げる。
注意すべきこととして、図４を参照すると、水は、１０００ｎｍよりも長い波長の光に対して高い吸収係数を有しており、１１０７ｎｍよりも長い波長の光に対しては特に好適な吸収係数を有する。そのため、直列接続された冷却パイプラインシステム１３０を使用することによって、第１チャネル１３４に水を流動させてチップの熱を運び去るだけでなく、吸熱体１３２に水を流動させることによって電気に変換できない太陽スペクトルの太陽スペクトルエネルギーを吸収し、水に伝達することができる。したがって、太陽電池チップパネル１２０の温度を制御することができ、それによって、太陽電池チップパネル１２０の発電効率を効果的に上げることができる。
さらに、１１０７ｎｍ以上の波長を吸収することのできないシリコンベースの光電変換材料を選択した時、冷却パイプラインシステム１３０の中を循環する吸熱液体として水を使用し、直列接続されたパイプラインの中を水が流動して熱および赤外線を吸収した後、水の温度が上昇し、その水が断熱貯蔵タンク１３８の中に収集される。そのため、貯蔵タンク１３８は、中に貯蔵した温水を住人が直接使用できるように提供することができる。したがって、太陽電池モジュール１００が太陽電池チップパネル１２０の低温および高効率の操作条件を維持できるだけでなく、同時に、さらに熱循環によって残留熱を再利用することができる。そのため、太陽電池モジュール１００は、光エネルギーおよび太陽の熱を有効利用することができる。したがって、本実施形態が提供する太陽電池モジュールは、全ての太陽スペクトルのエネルギーを有効利用し、そのエネルギーを電気と熱に変換することによって、省エネルギーの効果を達成することができる。
図５は、本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールの概略的斜視図である。注意すべきこととして、図１と同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、これらの構成要素の説明を省略する。
図５を参照すると、本実施形態において、図５の太陽電池モジュール２００を構成する主要構成要素は、図１の太陽電池モジュール１００とほぼ同じであるが、これら２つの太陽電池モジュールの相違点は、主に、吸熱体の位置および形式にある。１つの実施形態において、冷却パイプラインシステム２３０の吸熱体２３２は、第２チャネル１３６に接続される。さらに、吸熱体２３２は、太陽熱収集器１１０の第１光学表面１１２の第２光学表面１１４と受光面１２２の間の空間の外側に配置されるため、光Ｌは、吸熱体２３２を通過した後、第１光学表面１１２に入射する。吸熱体２３２は、例えば、太陽熱収集器１１０の第１光学表面１１２の同じ側の平面に配置される。平面は、例えば、受光面１２２に対して垂直で、且つ第１光学表面１１２に対して平行であり、例えば、第１光学の前方にある。つまり、吸熱体２３２は、例えば、フロントマスクとして太陽熱収集器１１０の第１光学表面１１２の前面に配置される。吸熱体２３２は、例えば、透明ガラス、プラスチックまたはアクリル等の特定のスペクトル帯の光を透過することのできる材料で作られる。吸熱体２３２および第２チャネル１３６は、一体化形成によって接続するか、あるいは、それぞれ異なる材料を使用して取り付けすことができるが、本発明はこれらに特に限定されない。
具体的に説明すると、太陽光Ｌが、まず、フロントマスクとして用いる吸熱体２３２を通過し、光電変換材料によって吸収できない特定のスペクトル帯を超えた波長の太陽光からのエネルギーを吸熱体２３２の水に伝達する。そして、吸熱体２３２を透過する残留光Ｌ’が第１光学表面１１２から太陽熱収集器１１０に入射し、太陽電池チップパネル１２０の受光面１２２に収集された後に第２光学表面１１４から出射することによって、光電変換プロセスによって電気が生成される。
図５の実施形態は、パネル本体の全体を流動する水を吸熱体２３２として構成する場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されない。別の実施形態において、吸熱体２３２は、複数の接続チャネルによって形成された大面積水循環パイプラインであってもよく、太陽光Ｌが先に吸熱体２３２を透過してから太陽熱収集器１１０に入射すればよい。
図６Ａは、本発明の第３実施形態に係る太陽電池モジュールの概略的斜視図であり、図６Ｂは、別の角度からの太陽電池モジュールの部分的斜視組み立て図であり、図７は、実例に係るロングパスフィルタ（longpass filter）の透過曲線図である。注意すべきこととして、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、図１と同じ構成要素には同じ参照符号を使用し、それらの構成要素の説明は省略する。
図６Ａを参照すると、本実施形態において、図６Ａの太陽電池モジュール３００を構成する主要構成要素は、図１の太陽電池モジュール１００とほぼ同じであるが、これら２つの太陽電池モジュールの相違点は、主に、太陽電池モジュール１００が吸熱体１３２の中を流動する水を直接使用して、光電変換材料が吸収できる特定のスペクトル帯を超えた波長の太陽光からのエネルギーを吸収するのに対し、太陽電池モジュール３００は、まず、光フィルタインターフェース３４０を使用して特定のスペクトル帯を超える波長をフィルタリングし、それから、冷却パイプラインシステム３３０の吸熱体３３２を流動する水を使用して吸熱を行うことである。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、太陽電池モジュール３００は、太陽熱収集器１１０と、太陽電池チップパネル１２０と、光フィルタインターフェース３４０と、冷却パイプラインシステム３３０とを含む。太陽熱収集器１１０は、第１光学表面１１２と、第２光学表面１１４と、第３光学表面１１６とを有する。第１光学表面１１２は、例えば、第２光学表面１１４に隣接する。第２光学表面１１４は、例えば、第３光学表面１１６に隣接する。第１光学表面１１２および第３光学表面１１６は、例えば、互いに向かい合って配置される。例えば、第３光学表面１１６は、第１光学表面１１２の反対側に配置される。つまり、光Ｌは、太陽熱収集器１１０の対向する後部を介して入射する。さらに、第１光学表面１１２の面積および第３光学表面１１６の面積は、例えば、第２光学表面１１４の面積よりも大きい。
光フィルタインターフェース３４０は、太陽熱収集器１１０の第３光学表面１１６に配置される。光フィルタインターフェース３４０は、特定のスペクトル帯を超えた光が第３光学表面１１６を透過できるようにする。つまり、光フィルタインターフェース３４０は、例えば、光電変換材料によって吸収できない太陽スペクトルの波長に対する反射防止設計を有する。１つの実施形態において、光フィルタインターフェース３４０は、第３光学表面１１６に形成されたコートフィルムであってもよく、コートフィルムは、例えば、任意の方法で沈積された金属フィルムまたは非金属フィルムである。別の実施形態において、光フィルタインターフェース３４０は、第３光学表面１１６に形成された複数のミクロ構造であってもよく、ミクロ構造は、例えば、蛾の眼（moth-eye）構造等の任意の形状のナノ構造である。コートフィルムの特定の種類またはミクロ構造の造形サイズを選択することによって、特定の波長範囲に対する光フィルタインターフェース３４０の反射防止特性を調整することができる。したがって、光フィルタインターフェース３４０は、光電変換材料によって吸収できる波長の光を反射することができ、光電変換材料によって吸収できない波長の光のみが太陽熱収集器１１０を透過できるようにする。図７に示すように、光フィルタインターフェース３４０は、例えば、ロングパスフィルタであり、ロングパスフィルタは、８００ｎｍよりも短い波長に対して透過率が０％であるため、８００ｎｍより長い波長のみがロングパスフィルタを透過することができる。さらに、１０００ｎｍよりも長い波長の光は、好適な透過率（約６０％以上）を有するため、１１０７ｎｍよりも長い波長の光は、さらに好適な透過率を有する。そのため、ロングパスフィルタを使用して、波長の長い光をフィルタリングすることができる。
さらに、冷却パイプラインシステム３３０の吸熱体３３２は、第２チャネル１３６に接続され、光フィルタインターフェース３４０は、第３光学表面１１６と冷却パイプラインシステム３３０の吸熱体３３２の間に配置される。そのため、吸熱体３３２の中を流動する水は、光フィルタインターフェース３４０を透過する光を吸収することができる。また、熱伝導プレート３５０を光フィルタインターフェース３４０と吸熱体３３２の間に配置して、フィルタリングされて光フィルタインターフェース３４０を透過する波長の光からのエネルギーを効果的に吸収してもよい。さらに、この吸収されたエネルギーは、吸熱体３３２の中を流動する水の中に均一に伝達することができる。１つの実施形態において、吸熱体３３２は、例えば、熱伝導プレート３５０に分配され、互いに接続して大面積水循環パイプラインを形成する複数のチャネルを含む。別の実施形態において、吸熱体３３２は、図５に示した全体のパネル本体であってもよいが、本発明はこれに限定されない。吸熱体３３２の材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい高熱伝導率係数の材料を含む。１つの実施形態において、吸熱体３３２は、例えば、銅パイプ等の金属パイプを含む。熱伝導プレート３５０は、例えば、黒塗りプレートである。１つの実施形態において、熱伝導プレート３５０の材料は、熱伝導係数が３５Ｗ／ｍＫよりも大きい高熱伝導率係数の材料を含む。１つの実施形態において、熱伝導プレート３５０の材料は、金属プレートを含む。
具体的に説明すると、光Ｌが太陽熱収集器１１０に入射した後、且つ光Ｌが太陽電池チップパネル１２０を出射する前に、光フィルタインターフェース３４０を使用して、まず、光電変換材料によって吸収できる特定のスペクトル帯を超えた光をフィルタリングする。さらに、光Ｌが太陽熱収集器１１０および光フィルタインターフェース３４０を透過して、冷却パイプラインシステム３３０の吸熱体３３２に到達する。したがって、吸熱体３３２の中を流動する水は、光電変換材料が吸収できない波長の光からのエネルギーを吸収することができる。残留光Ｌ’は、光フィルタインターフェース３４０によって反射し、太陽熱収集器１１０に継続して収集された後、Ｌ’が太陽電池チップパネル１２０に入射することによって、電気が生成される。残留光Ｌ’のチップの温度を上昇させる部分の波長のエネルギーは、太陽電池チップパネル１２０に入射する前に光フィルタインターフェース３４０によってフィルタリングされるため、太陽電池チップパネル１２０は、低温且つ高効率を維持することができる。
［実験例］
以下に実験例を挙げ、本発明の実施形態の太陽電池モジュールが上述した効果を達成できることを証明する。実験例のデータ結果は、冷却パイプラインシステムおよび電気ヒーターを使用して、太陽電池チップパネルの冷却をシミュレートしたものである。実験例は、単に、本発明の実施形態の太陽電池モジュールがチップの温度を下げ、熱エネルギーを冷却パイプラインシステムに伝達して冷水を加熱できることを説明したものであり、本発明の範囲を限定する意図はない。図８は、電気ヒーターを使用して太陽電池パネルの加熱をシミュレーションした本発明の実験例で使用した冷却パイプラインシステムである。
図８に示すように、冷却パイプラインシステム４０２は、直列に接続され、ループシステムを形成する銅パイプチャネル４０４と、５リットル貯蔵タンク４０６とを含む。電気ヒーター４０８は、チャネル４０４の一部に配置されるため、チャネル４０４は、電気ヒーター４０８の下方に配置され、図１の太陽電池チップパネル１２０をシミュレートする。電気ヒーター４０８は、寸法が１０ｍｍ×２９０ｍｍ、熱源電力が約３１．６９Ｗであり、電気ヒーター４０８は、５５℃以下になるよう温度制御される。
本実験例において、冷却パイプラインシステム４０２は、さらに、水流動の動力を供給するポンプ４１２を含む。ポンプ４１２は、貯蔵タンク４０６からの水が流動方向Ｄ１に沿ってチャネル４０４に流入するよう導くために使用される。さらに、水は、電気ヒーター４０８の下方を流動して熱を吸収し、それから、貯蔵タンク４０６の中を循環する。使用したポンプ電力は１．１Ｗであり、このポンプは、水が直径６ｍｍのチャネル４０４の中を流動率５．５ｍｌ／ｓｅｃで流動するよう駆動することができる。下記の表１に示した実験結果は、６時間継続的に試験を行った後の結果である。さらに、異なる時間点において、チャネル４０４の水が電気ヒーター４０８の中を流動する前の入口４１０ａの水温、チャネル４０４の水が電気ヒーター４０８の中を流動した後の出口４１０ｂの水温、および貯蔵タンク４０６の水温を測定し、且つ水の熱吸収量および熱損失量を計算する。熱損失量は、下記の式で定義される。
［数式１］
熱損失量＝（（電気ヒーターの電力−水の温度が上昇している間に単位時間内に吸収された熱量）／電気ヒーターの電力）×１００％
熱損失量＝（（電気ヒーターの電力−水の温度が上昇している間に単位時間内に吸収された熱量）／電気ヒーターの電力）×１００％
表１のデータに示されているように、６時間継続的に試験を行った後、冷却パイプラインシステム４０２は、５リットル貯蔵タンク４０６の中の水温を２５．４℃から４２℃に上げることができる。さらに、電気ヒーター４０８は、熱源が６時間継続的に３１．６９Ｗの熱を供給した状況で、依然として４８℃以下の温度を維持することができる。また、表１の実験データは、冷却パイプラインシステム４０２が電気ヒーター４０８からの熱を冷却水に効果的に変換できることを証明することができる。さらに、熱変換効率は、平均で７０％以上に達することができ、熱変換効率は、下記の式で定義される。
［数式２］
熱変換効率＝１００％−熱損失量
熱変換効率＝１００％−熱損失量
さらに、図８に示した同システムを使用して、異なる組の実験パラメータで同様に水温を測定し、且つ水の熱吸収量および熱損失量を計算する。実験パラメータおよびデータ結果を表２に示す。実験パラメータにおける変化は、異なる電気ヒーター４０８の熱源電力およびチャネル４０４における水質量の流量である。
図２のデータに示されているように、１０組の異なる熱源電力と水流量の異なる実験条件において、冷却パイプラインシステム４０２は、電気ヒーター４０８からの熱を冷却水に効果的に変換することができ、熱変換効率は、平均で８０％以上に達することができる。
以上の実験結果によって証明されるように、冷却パイプラインシステムは、熱源の過熱を効果的に防止することができるため、太陽電池チップの高温の問題を軽減し、その発電効率を上げることができる。同時に、熱を冷却水に変換し、それによって冷却水を加熱する機能を達成することができる。
以上のように、上述した実施形態の太陽電池モジュールは、太陽光が太陽電池チップパネルに入射する前に、冷却パイプラインシステムの吸熱体の中を流動する水を利用して、太陽スペクトルにおいて光電変換材料が電気に変換できない波長エネルギーを吸収するため、太陽光を収集した後の太陽チップの過熱を軽減し、発電効率を上げることができる。そのため、冷却パイプラインシステム等の能動的放熱モジュールを使用することによって、太陽電池チップパネルの過熱を防止するだけでなく、太陽チップの全体的発電を増やすこともできる。さらに、太陽チップの放熱プロセスによって、冷却パイプラインシステムの水温を上げ、過剰な太陽熱エネルギーが加熱水の機能に変換される。したがって、太陽電池モジュールが太陽電池チップの低温および高効率の操作条件を維持できるだけでなく、同時に、残留熱をさらに熱エネルギー循環で再利用することができるため、太陽の光エネルギーおよび熱を効果的に利用することができる。
以上のごとく、この発明を実施形態により開示したが、もとより、この発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、この発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。
本技術分野は、太陽チップの放熱および熱循環の再利用を同時に達成し、それによって、太陽発電効率を上げることのできる太陽電池モジュールに関する。
１００、２００、３００ 太陽電池モジュール
１１０ 太陽熱収集器
１１２ 第１光学表面
１１４ 第２光学表面
１１６ 第３光学表面
１２０ 太陽電池チップパネル
１２２ 受光面
１３０、２３０、３３０、４０２ 冷却パイプラインシステム
１３２、２３２、３３２ 吸熱体
１３４ 第１チャネル
１３６ 第２チャネル
１３８、４０６ 貯蔵タンク
１３８ａ、４１０ｂ 出口
１３８ｂ、４１０ａ 入口
１４０、４１２ ポンプ
３４０ 光フィルタインターフェース
３５０ 熱伝導プレート
４０４ チャネル
４０８ 電気ヒーター
Ｄ、Ｄ１ 流動方向
Ｌ、Ｌ’ 光
１１０ 太陽熱収集器
１１２ 第１光学表面
１１４ 第２光学表面
１１６ 第３光学表面
１２０ 太陽電池チップパネル
１２２ 受光面
１３０、２３０、３３０、４０２ 冷却パイプラインシステム
１３２、２３２、３３２ 吸熱体
１３４ 第１チャネル
１３６ 第２チャネル
１３８、４０６ 貯蔵タンク
１３８ａ、４１０ｂ 出口
１３８ｂ、４１０ａ 入口
１４０、４１２ ポンプ
３４０ 光フィルタインターフェース
３５０ 熱伝導プレート
４０４ チャネル
４０８ 電気ヒーター
Ｄ、Ｄ１ 流動方向
Ｌ、Ｌ’ 光
Claims (20)
- 第１光学表面および第２光学表面を含み、光が前記第１光学表面から前記太陽熱収集器に入射してから、収集された後に前記第２光学表面から出射する太陽熱収集器と、
前記第２光学表面から出射した前記光を受け取る受光面を有し、前記光の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む太陽電池チップパネルと、
水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、前記光が前記吸熱体を介して前記太陽電池チップパネルの前記受光面に出射し、前記吸熱体の中を流動する前記水が前記特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する冷却パイプラインシステムと
を含む太陽電池モジュール。 - 前記吸熱体が、前記光が前記吸熱体を通過した後に前記第２光学表面から前記受光面へ出射するように、前記太陽熱収集器の前記第２光学表面と前記太陽電池チップパネルの前記受光面の間に配置される請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記吸熱体が、前記光が前記吸熱体を通過した後に前記第１光学表面に入射するように、前記太陽熱収集器の前記第２光学表面と前記受光面の間の空間の外側に配置される請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記吸熱体が、前記太陽熱収集器の前記第１光学表面の同じ側の平面に配置された請求項３に記載の太陽電池モジュール。
- 前記平面が、前記受光面に対して垂直であり、且つ前記第１光学表面に対して平行である請求項４に記載の太陽電池モジュール。
- 前記光電変換材料が、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含み、前記光電変換材料がシリコンベース材料である時、前記特定のスペクトル帯が３００ｎｍ〜１１０７ｎｍである請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記吸熱体の材料が、前記特定のスペクトル帯の光を透過させることのできる材料である請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記冷却パイプラインシステムが、
前記太陽電池チップパネルの前記受光面から反対方向に面した側に配置された第１チャネルと、
前記吸熱体に接続され、且つ前記第１チャネルに接続された第２チャネルと、
前記第１チャネルおよび第２チャネルに接続され、ループを形成する貯蔵タンクと
を含み、第１温度を有する水が順番に前記第１チャネル、前記第２チャネルおよび前記吸熱体を介して前記貯蔵タンクから流出した後、前記水が前記貯蔵タンクに再流入して、前記第１温度よりも高い第２温度を有する請求項１に記載の太陽電池モジュール。 - 前記冷却パイプラインシステムが、さらに、前記水流動の動力を供給するポンプを含む請求項８に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第１光学表面の面積が、前記第２光学表面の面積よりも大きい請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第１光学表面が、前記第２光学表面に隣接する請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 第１光学表面、第２光学表面および第３光学表面を含み、光が前記第１光学表面から前記太陽熱収集器に入射してから、収集された後に前記第２光学表面から出射する太陽熱収集器と、
前記第２光学表面から出射した前記光を受け取る前記受光面を有し、前記光の特定のスペクトル帯を吸収して電気に変換する光電変換材料を含む太陽電池チップパネルと、
前記第３光学表面に配置され、前記特定のスペクトル帯を超えた光が前記第３光学表面を透過できるようにする光フィルタインターフェースと、
水が中を流動できるようにし、且つ吸熱体を含み、前記光フィルタインターフェースが前記第３光学表面と前記吸熱体の間に配置され、前記吸熱体の中を流動する水が前記特定のスペクトル帯を超えた光を吸収する冷却パイプラインシステムと
を含む太陽電池モジュール。 - 前記光フィルタインターフェースが、コートフィルムまたは複数のミクロ構造を含む請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記光フィルタインターフェースと前記吸熱体の間に配置された熱伝導プレートをさらに含み、前記熱伝導プレートが、黒塗りプレートである請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記光電変換材料が、単結晶シリコン、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンを含み、前記光電変換材料がシリコンベース材料である時、前記特定のスペクトル帯が３００ｎｍ〜１１０７ｎｍである請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記吸熱体が、複数のチャネルを含む請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記冷却パイプラインシステムが、
前記太陽電池チップパネルの前記受光面から反対方向に面した側に配置された第１チャネルと、
前記吸熱体に接続され、且つ前記第１チャネルに接続された第２チャネルと、
前記第１チャネルおよび前記第２チャネルに接続され、ループを形成する貯蔵タンクと
を含み、第１温度を有する水が順番に前記第１チャネル、前記第２チャネルおよび前記吸熱体を介して前記貯蔵タンクから流出した後、前記水が前記貯蔵タンクに再流入して、前記第１温度よりも高い第２温度を有する請求項１２に記載の太陽電池モジュール。 - 前記冷却パイプラインシステムが、さらに、前記水流動の動力を供給するポンプを含む請求項１７に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第１光学表面の面積および前記第３光学表面の面積が、前記第２光学表面の面積よりも大きい請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第１光学表面が前記第２光学表面に隣接し、前記第２光学表面が前記第３光学表面に隣接し、前記第１光学表面および前記第３光学表面が互いに向かい合って配置された請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
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