JP2013157428A - 光発電パネル - Google Patents

Abstract

【課題】朝方や夕暮れなど太陽高度が低くなる時間帯においても反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率を高める。
【解決手段】互いに間隔をあけて面状に配列した光発電ユニットＢ群の裏面側に反射板２を配置し、光発電モジュール６の表面側領域には直接の入射光を入射させるとともに、裏面側領域には光発電モジュールどうし間の間隙空間ｓから入射し反射板２で反射した反射光を入射させる光発電パネルＡである。光発電ユニットＢの各々は、フィルム状の基板６ａに複数の光発電素子６ｂが集積化された光発電モジュール６と、この光発電モジュールをその外部から覆う透明外管７と、光発電モジュールから延出され透明外管の外部へ取り出された発電電力用のリード線１０とを有する。特徴は、さらに、光発電ユニットＢにおける光発電モジュール６において、その高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状に構成されている点にある。
【選択図】図５

Description

本発明は、光発電ユニットの複数個を互いに適当間隔をあけて面状に配列し、それら光発電ユニット群の裏面側に反射板を配置し、光発電モジュールの表面側領域には直接の入射光を入射させるとともに、光発電モジュールの裏面側領域には隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から入射し反射板で反射した反射光を入射させる方式の光発電パネルにかかわり、詳しくは、朝方や夕暮れなど太陽高度が低くなる時間帯においても反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率を高める技術に関する。

光発電パネルについての従来技術の一般的な考え方は、その光発電モジュールを平板状に展開するというものであったが、近時では、光発電モジュールを円筒状（真円状）に構成する方式が開発されるに至っている。フィルム状で円筒状の基板に複数の光発電素子が集積化された円筒状の光発電モジュールは、通常の平板状の光発電モジュールと違って、軽量性に優れているだけでなく、有効な発電のための光の入射方向に関して制約が緩和されていて広い範囲から光を入射させることができることから、発電効率の向上が認められている。太陽が移動して光の入射方向が変化しても、その時々の光線束と円筒形との相関関係がほぼ一定の関係に保たれることから発電効率があまり変化せず、また移動する太陽を追尾する必要がなくて設備が簡素化されるという利点があるとされている。さらに、発電に利用するのは太陽からの直接光だけでなく、隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から入射し反射板で反射した反射光を光発電モジュールの裏面側領域に入射させて、発電に利用することができる。

図１８を用いて反射板からの反射光を発電に利用することに関して説明する。図において、２１は光発電モジュール、２２は透明外管、２３は反射板である。ここで透明外管２２を二点鎖線の細線で表しているのは、反射板２３からの反射光を光発電モジュール２１の裏面側領域で利用することに関して透明外管２２は直接には関係しないとみなしているからである。

隣接する光発電モジュール２１，２１間の間隙空間ｓを通過して反射板２３に達した太陽光は反射板２３で反射して光発電モジュール２１の裏面側領域に入射する。詳しくは次のとおりである。入射領域Ｒ１と入射領域Ｒ２とは、構成要素単位当たりでの太陽光線束の全体を表している。入射領域Ｒ１では太陽光は光発電モジュール２１の表面側領域にダイレクトに入射するもので、光発電モジュール２１の１８０°範囲（中心角π）に入射し光電効果によって発電に供される。入射領域Ｒ２では太陽光は隣接する光発電モジュール２１，２１間の間隙空間ｓを通り、反射板２３で反射される。入射領域Ｒ２は、第１の入射領域Ｒ２ａと第２の入射領域Ｒ２ｂとの２つの領域に分かれる。第１の入射領域Ｒ２ａでは反射光は隣の間隙空間ｓを通ってそのまま外部へ出て行き、発電に供されることはない。第２の入射領域Ｒ２ｂでは反射光は光発電モジュール６の裏面側領域に入射し発電に供される。発電に供される入射領域Ｒ１および第２の入射領域Ｒ２ｂは、その表記をパターンの塗りつぶしで強調している。発電に供されない第１の入射領域Ｒ２ａはパターンの塗りつぶしは行わず、白色のままとしている。光発電モジュール２１における光電変換範囲は、中心角πの範囲と中心角αの範囲とを合わせた範囲になる。この場合、光発電モジュール２１の裏面側領域でも太陽光の入射による光発電作用が利用されている。

特開平１１−３０７７９１号公報 特開２０１０−１７１２７７号公報 特開２００９−５３２８７０号公報 特開２０１０−５１７３２０号公報 特開２００３−３４７５７４号公報

上記構成の光発電パネルにおいて、光電変換範囲は太陽光の入射角度の変化に応じて変化し、太陽が傾いて入射角度が減少するにつれて光電変換範囲も減少する。図１９は入射角度が図１８の状態から減少して太陽光の光線束が隣接する２つの光発電モジュール２１，２１の共通接線Ｌ０に対応する入射角度となった状態を示す。この状態では、反射板２３からの反射光による発電への寄与はゼロとなっており、光電変換範囲は中心角πの範囲のみである。図１９の状態からさらに太陽が傾いて入射角度が減少すると、光電変換範囲は中心角π未満の範囲へと減少する。

このような状況で、光電変換範囲を増やして反射光による発電への寄与率を増すためには、光発電モジュール２１，２１の隣接間隔を拡大すればよい。しかし、その場合に必要な隣接間隔の拡大量は、入射角度が小さいことから過大なものになりがちで、装置（光発電パネル）の大型化が余儀なくされ、抜本的な解決策とはならない。

本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、朝方や夕暮れなどの時間帯において太陽高度が相当に低くなって太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率を高めることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明は次の手段を講じる。本発明の技術ポイントは、フィルム状の光発電モジュールの断面形状につき、一般的でありふれた考え方の円筒状（真円状）ではなく、高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状に構成したことを特徴としている。本発明による光発電パネルは、その構成要素として、複数の光発電ユニットと反射板とを有している。各光発電ユニットは、フィルム状で断面閉曲面の光発電モジュールと透明外管とリード線をもち、次のように構成されている。光発電モジュールは、フィルム状の基板に複数の光発電素子が集積化されたものとして構成されている。透明外管は光発電モジュールをその外部から覆うものとして構成されている。リード線は、光発電モジュールで発生する発電電力を外部へ取り出すもので、光発電モジュールから延出され透明外管の外部へ取り出されている。

光発電モジュールと透明外管とリード線を構成要素とする断面閉曲面の光発電ユニットは、その複数個が互いに適当間隔をあけて面状に配列されている。それら光発電ユニット群の裏面側に適当間隔をおいて反射板が配置されている。光発電ユニットに対する太陽光の入射の態様に関しては、光発電ユニットに対する直接の入射光が光発電モジュールの表面側領域に入射し、隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から入射した太陽光は反射板で反射し、その反射光が光発電モジュールの裏面側領域に入射するように構成されている。本発明にあっては、上記した構成に加えて、光発電ユニットにおけるフィルム状で断面閉曲面の光発電モジュールの形状に関して、その高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状に構成している。

ここで「扁平形状」とは、透明外管に収容される光発電モジュールが、単一のもので、かつ円筒形を押し潰したような扁平な筒状（扁平筒状）に構成されている場合のほか、透明外管に収容される光発電モジュールとして、断面積がより小さな筒状（その形状は任意）のモジュール素材の複数個を適当間隔あけて（間隔をあけなくても可）配列してあって、それら並べられた複数のモジュール素材の包絡線（もっぱら外周領域を結ぶ線）が結果的に扁平筒状となっている場合を含む。

以上のように、光発電モジュールの形態がフィルム状でかつ扁平形状である点に本発明の大きな特徴がある。

光発電モジュールの断面形状が真円の円筒形であれば、その高さ寸法は幅寸法と同じである。入射上手側に位置する光発電モジュールの表面側領域への入射光線の接線が入射下手側に位置する光発電モジュールの裏面側領域への入射光線の接線と共通となる入射角度を想定する。この共通接線のときの入射角度は、発電に利用し得る最小入射角である。図１を用いて説明する。図１（ａ）に示すように、入射上手側に位置する光発電モジュール２１の表面側領域での接点Ｑ１は比較的高い位置にある。入射下手側に位置する光発電モジュール２１の裏面側領域での接点Ｑ２は比較的低い位置にある。これに対して、図１（ｂ）に示すように、本発明のように扁平形状（扁平筒状）の光発電モジュール６を用いる場合、光発電モジュール６の隣接間隔は同じとして、入射上手側に位置する扁平形状の光発電モジュール６の表面側領域での接点Ｐ１は、水平中心線Ｘ０を基準にして、真円状の光発電モジュール２１の表面側領域での接点Ｑ１より低い位置に来る。また、入射下手側に位置する扁平形状の光発電モジュール６の裏面側領域での接点Ｐ２は、水平中心線Ｘ０を基準にして、真円状の光発電モジュール２１の裏面側領域での接点Ｑ２より高い位置に来る。以上の結果、隣接する扁平形状の光発電モジュール６，６どうし間の間隙空間ｓには、反射板２に到達する光線束が生じることになる。

ところで、この間隙空間ｓを通過して反射板２に達する光線束を発電に利用するためには、光線束の入射角度、間隔空間ｓ、反射板の高さなどのパラメーターを考慮する必要がある。以下にその説明をする。反射板２の高さ位置を扁平形状の光発電モジュール６に対してより接近させる（図１（ｂ）の上向きの太い矢印参照）。すなわち、図２（ａ）に拡大して示すように、接点Ｐ１を通った光線について反射板２での反射光がもう１つの接点Ｐ２を通るときが最も光電変換範囲が広くなる。このように扁平形状の光発電モジュール６に対して接近させた反射板２の高さ位置のとき、接点Ｐ２を通ったのち反射板２から反射された光線は、入射下手側に位置する扁平形状の光発電モジュール６の裏面側領域のもう１つの接点Ｐ３を通ることになる。

隣接する光発電モジュール６，６どうし間の間隔を小さくすると、図２（ｂ）のようになる。光電変換範囲は図２（ａ）より減少するが、光発電モジュール６の裏面側領域で反射光による発電が行われる効果は確保されている。

さらに図３のように、反射板２を光発電モジュール６群の配列面に接近させる（上方変位）。光電変換範囲は同じであるが、光発電パネルが厚さ方向でコンパクト化されるメリットも出てくる。

前記の光発電モジュールは、フィルム状の基板に複数の光発電素子が集積化されたものを扁平形状に構成したものである。その光発電素子は、いわゆる太陽電池のように、光を入射し、入射した光のエネルギーを光電変換により電気エネルギーに変換して発電を行うものであり、特にその種類・形態を問うものではない。光については、可視光に限定するものではなく、広く任意の波長の電磁波を意味するものとする。光発電素子としては、いわゆる薄膜太陽電池、特にはフレキシブル太陽電池が好ましい。フレキシブル太陽電池の例としては、ＣＩＧＳ（銅‐インジウム‐ガリウム‐セレン）太陽電池、色素増感太陽電池（ＤＳＣ）が好ましいがその種類は問わない。特に、フレキシブル太陽電池をロール・ツー・ロール方式で作製する場合は、フィルム状の光発電モジュールを長尺な連続シートに作成でき、そのシートを一定長さにカットした上で扁平形状（扁平筒状）に成形することが可能であるから、生産性向上の観点で好ましいといえる。さらに、製造方法に工夫をすれば、シート状に作られたフィルムを扁平形状に形成するのではなく、最初から扁平形状（扁平筒状）に製作された基板（扁平筒状基板）の上に成膜して光発電素子を構成するのでもよい。

なお、太陽電池については「電池」という言葉が使われてはいるが、ここでは、「電荷を蓄積する機能を有するもの」として扱うのではなく、一般的な解釈のとおり「発電する機能を有するもの」として扱うこととする。

「フィルム状」というときは、通常はフレキシブル性（可撓性）をもつものをいうが、必ずしもフレキシブル性をもつとは限らない。ある程度の弾力性、剛性をもつものであってもよい。シート状でフレキシブル性をもつものであっても扁平形状に形成すれば、弾力性や剛性が生じる場合があるからである。

扁平形状の光発電モジュールの外周を透明外管で覆う理由は、扁平形状の光発電モジュールに対する外部環境の影響を透明外管によって保護することにある。保護性能については、外気に含まれる水分、各種の活性分子（酸素分子、水分子）、イオン、汚染物質などとの化学的・物理的反応（結合）の抑制や、防水性の確保が図られる。

透明外管については、通常はガラス管で構成するが、ガラス管のみに限定するものではなく、透明性があり耐熱性、耐紫外線性および強度に優れたものであればプラスチック（エンジニアリングプラスチック）であってもよい。

透明外管の形状については、その内部に扁平形状ないし扁平筒状の光発電モジュールを収納できるものであればどのような形状でも構わない。光発電モジュールと相似形の扁平筒状の透明外管を用いることができるが、生産性やコスト面を考慮すると円筒型形状を用いるのが好ましいといえる。

扁平形状の光発電モジュールの外周を透明外管で覆うことに関し、本発明にあっては、単に透明外管で扁平形状の光発電モジュールを外部環境から保護するだけにとどまらず、透明外管から扁平形状の光発電モジュールへの熱伝導の防止のために、透明外管の内周面と光発電モジュールの外周面との間に適当なスペースを確保することも可能である。つまり、扁平形状の光発電モジュールを透明外管内に、透明外管との間に熱伝導防止のためのスペースを確保する状態で収納しておく。光を直接受けるために高温となりがちな透明外管から扁平形状の光発電モジュールへの熱伝導ができるだけ抑制されるように、透明外管との接触面積および扁平形状の光発電モジュールとの接触面積ができるだけ小さいほうが好ましい。

本発明にあっては、上記のように、光発電モジュールとして扁平形状のものを用いることから軽量性確保・光入射方向の制約緩和のメリットを享受しつつ、扁平形状の光発電モジュールの外周を透明外管で覆ってあること、および、扁平形状の光発電モジュールの外周面と透明外管の内周面との間にスペースを確保していることが相まって、外気に含まれる水分、各種の活性分子（酸素分子、水分子）、イオン、汚染物質など外部環境から扁平形状の光発電モジュールを保護し（透明外管での被覆による）、かつ透明外管から扁平形状の光発電モジュールへの熱伝導を確実に抑制することを通じて、トータルとして、発電効率の向上を達成することができる。

透明外管の形状は生産性やコスト面から扁平形状の光発電モジュールを収納できる大きさの円筒形状が好ましいと言えるが、必ずしも似ていなくてもよく、あるいはまったく似ていなくても構わない。要は、扁平形状の光発電モジュールの外周を透明外管で覆うことにより、扁平形状の光発電モジュールを外気などの外部環境から保護するのであれば、原則どのような形態でもよい。透明外管は、光をできるだけ多く取り込めるように、その透明度ができるだけ高いものが好ましいと言える。ただし、必ずしも無色透明である必要はなく、例えば琥珀色など有色透明であっても構わない。

扁平形状の光発電モジュールは、透明外管で覆われて保護されている一方、この光発電モジュールで発電した電力を透明外管の外部に取り出す必要がある。そこで、扁平形状の光発電モジュールの発電層を両側から挟み込む表面電極（上部電極）と裏面電極（下部電極）とから引き出されたリード線を透明外管に対してその内側から外側へと通線してある。リード線にはアノード側のリード線とカソード側のリード線とがあるが、これら２つのリード線の通線箇所は、透明外管の管軸方向の両側部分でもよいし、あるいはいずれか一側にまとめてもよい。

以上をまとめると、本発明による光発電パネルの構成は、光発電ユニットの複数個を互いに適当間隔をあけて面状に配列し、それら光発電ユニット群の裏面側に反射板を配置し、前記光発電モジュールの表面側領域には直接の入射光を入射させるとともに、前記光発電モジュールの裏面側領域には隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から入射し前記反射板で反射した反射光を入射させる光発電パネルであって、前記光発電ユニットの各々は、フィルム状の基板に複数の光発電素子が集積化された光発電モジュールと、この光発電モジュールをその外部から覆う透明外管と、前記光発電モジュールから延出され前記透明外管の外部へ取り出された発電電力用のリード線とを有するものとして構成され、さらに、前記光発電ユニットにおける前記光発電モジュールは、その高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状に構成されているものである。

本発明の上記構成による作用は次のとおりである。

光発電ユニットにおけるフィルム状の光発電モジュールについて、その高さ寸法を幅寸法よりも小さい扁平形状に構成してあるので、次のような利点をもたらす。すなわち、朝方や夕暮れなどの時間帯において太陽高度が相当に低くなって太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から反射板に向けて太陽光を入射させることができる。なぜなら、入射上手側に位置する扁平形状の光発電モジュールの表面側領域に対する入射光線の接点が真円状の光発電モジュールでの接点より低い位置に来、入射下手側に位置する扁平形状の光発電モジュールの裏面側領域に対する入射光線の接点が真円状の光発電モジュールでの接点より高い位置に来る結果、隣接する扁平形状の光発電モジュールどうし間の間隙空間には反射板に到達する光線束の通り道ができることになる。その結果として、太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率を向上させることができる。

上記の構成において、透明外管の内部に扁平筒状の光発電モジュールを１つだけ収納することに代えて、断面積がより小さなモジュール素材を適当間隔をあけて複数個並べた構成の光発電モジュールとしてもよい。

また、前記の扁平形状の光発電モジュールと透明外管との相対的位置関係については、同軸状に配置されているのが好ましいが、それのみに限定する必要はなく、非同軸状に配置しても構わない。

本発明によれば、光発電ユニットにおけるフィルム状の光発電モジュールの形態として高さ寸法を幅寸法よりも小さい扁平形状に構成してあるので、朝方や夕暮れなどの時間帯において太陽高度が相当に低くなって太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から反射板に向けて太陽光を入射させることができる。その結果、太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率を向上させることができる。

併せて、光発電モジュールをフィルム状として軽量性確保・光入射方向の制約緩和を享受しつつ、扁平形状の光発電モジュールの外周を透明外管で覆ってあるので、水分、活性分子（酸素分子、水分子）、イオン、汚染物質など外部環境から扁平形状の光発電モジュールを保護し、また、透明外管の内周面と光発電モジュールの外周面との間に適当なスペースを確保する構造にした場合は透明外管から扁平形状の光発電モジュールへの熱伝導を確実に抑制することを通じて、トータルとして発電効率の著しい向上を達成することができる。

本発明の光発電パネルの構成の理解に供する概念説明図（その１） 本発明の光発電パネルの構成の理解に供する概念説明図（その２） 本発明の光発電パネルの構成の理解に供する概念説明図（その３） 本発明の実施の形態における光発電パネルの構成を示す概略の上面図 本発明の実施の形態における光発電パネルの構成を示す概略の側面断面図 本発明の実施の形態における光発電ユニットの構造を示す斜視図 本発明の実施の形態における光発電ユニットの構成を示す概略の正面断面図 本発明の実施の形態における光発電デバイスの構成を示す概略の側面断面図 本発明の実施の形態におけるフィルム状の基板の展開図 本発明の実施の形態における光発電モジュールの構造を示す斜視図 本発明の実施の形態における光発電パネルの作用説明図（その１） 本発明の実施の形態における光発電パネルの作用説明図（その２） 本発明の実施の形態における光発電パネルの作用説明図（その３） 本発明の実施の形態における光発電パネルの寸法関係の説明図（その１） 本発明の実施の形態における光発電パネルの寸法関係の説明図（その２） 本発明の実施の形態における光発電パネルの寸法関係の説明図（その３） 本発明の他の実施の形態の光発電デバイスの断面図 本発明に対する比較例の光発電パネルの説明図（その１） 本発明に対する比較例の光発電パネルの説明図（その２）

上記した構成の本発明の光発電パネルは、次のような形態においてさらに有利に展開することが可能である。

透明外管については、ガラス管以外のものとして、機械部品や構造材料などの工業用途で用いられるエンジニアリングプラスチック（エンプラ）で構成してもよい。透明なエンジニアリングプラスチックとしては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などがある。

あるいは、透明外管については、新しい形態の柔軟透明フィルムであって、スメクタイト、バーミキュライト、膨潤性マイカなどを含有する粘土に対して、その層間に存在する陽イオンをリチウムイオンと交換した透明性と耐熱性があるリチウム交換粘土膜で構成してもよい。

前記の光発電素子の発電方式については、ＣＩＧＳ（銅‐インジウム‐ガリウム‐セレン）型、色素増感型以外で、アモルファス型、微結晶シリコン型、ＣＩＳ（銅‐インジウム‐セレン）型、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）型、ＨＩＴ（Heterojunction with Intrinsic thin layer）型（両面入射型を含む）、有機薄膜型、量子ドット型、化合物薄膜型、球状型、タンデム型などがある。

前記のリード線を透明外管に支持する構造としては、透明外管に一体的にステムを形成し、そのステムにリード線を保持させる構造が好ましい。この場合に、透明外管とステムとは同一のガラス材とし、両者をともに溶融し一体化すればよい。

扁平形状の光発電モジュールが存在する透明外管の内部空間において、析出してくる活性分子（酸素分子、水分子）、イオンなどの不純物粒子を吸収し捕捉するためのゲッタを内在させているのが好ましい。ゲッタの活性化により、透明外管の真空排気後に残留したり、使用中に発生してくるＨ₂Ｏ、Ｏ₂ 、Ｈ₂ 、Ｎ₂ 、ＣＯ等のガスを吸着、除去するため、これらの不純物粒子との反応によって光発電モジュールが劣化するのを抑制し、その寿命の長期化が期待できる。ゲッタの材料としては、ジルコニウムやチタン等を主成分とする合金がある。具体的には、Ｚｒ−Ａｌ合金、Ｚｒ−Ｆｅ合金、Ｚｒ−Ｎｉ合金、Ｚｒ−Ｎｂ−Ｆｅ合金、Ｚｒ−Ｔｉ−Ｆｅ合金、Ｚｒ−Ｖ−Ｆｅ合金などがある。

以下、本発明にかかわる光発電パネルの実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。

図４は本発明の実施の形態における光発電パネルＡの構成を示す平面図、図５は図４の側面での断面図であり、（ａ）は構造を示し、（ｂ）は太陽光入射・反射の様子を示す。

光発電パネルＡは、複数の光発電ユニットＢ…と矩形のフレーム１と反射板２とを組み付けて構成される。矩形のフレーム１は、横方向に沿って平行に対向する一対の横フレーム１ａ，１ａと縦方向に沿って平行に対向する一対の縦フレーム１ｂ，１ｂとを矩形状に結合したものである。この縦フレーム１ｂ，１ｂには、その内側面に細長い電極板３，３が取り付けられている。矩形のフレーム１の底面に反射板２が架設されている。この反射板２は矩形のフレーム１の全面にわたる広さをもっている。その矩形のフレーム１の一対の縦フレーム１ｂ，１ｂ間にわたって複数の光発電ユニットＢ…が互いに適当間隔を隔てる状態で平行に架け渡されている。光発電ユニットＢ…は、その最低部が反射板２から適当距離上方に離間する状態で架け渡されている。各光発電ユニットＢは両端にソケット４，４を有し、そのソケット４，４において光発電ユニットＢは縦フレーム１ｂ，１ｂに載置され、固定されている。各ソケット４，４における電極５，５は縦フレーム１ｂ，１ｂに取り付けた細長い電極板３，３に電気的に接続されている。以上のようにして、複数の光発電ユニットＢ…および反射板２が矩形のフレーム１に連結固定され、光発電パネルＡを構成している。

次に、光発電ユニットＢの構造について説明する。図６は光発電ユニットＢの斜視図、図７は光発電ユニットの正面での断面図、図８は光発電ユニットの側面での断面図である。図において、６は扁平形状の好適例である扁平筒状の光発電モジュール、７は扁平筒状の光発電モジュール６をその外部から覆う扁平筒状の透明外管（ガラス管）、８は透明外管７の内周面と光発電モジュール６の外周面との間に確保したスペース、９はスペース８を確保する状態で透明外管７に光発電モジュール６を支持させるモジュールサポート、１０は扁平筒状の光発電モジュール６による発電電力を透明外管７の外部へ取り出すリード線である。また、７ａはリード線１０を透明外管７に支持させるために透明外管７と一体的に形成されたステム、１１は微量ガス吸着性をもつゲッタである。以上の構成をもって光発電デバイスＣが構成されている。

光発電ユニットＢは、光発電デバイスＣにおける透明外管７の両端部にソケット４，４を被着したものである。この光発電ユニットＢにおいては、ステム７ａから延出されたリード線１０がソケット４に通線され、さらにソケット４の外端部に形成した電極５に接続されている。なお、平行な鎖線は、全体が長くて紙面に表現できないため途中部分を省略していることを意味している。透明外管７の寸法関係については、長径が５ｍｍ〜１０ｃｍ程度、長さが１０ｃｍ〜２０ｍ程度である。

扁平筒状の光発電モジュール６の発電態様は、ＣＩＧＳ（銅‐インジウム‐ガリウム‐セレン）型や色素増感型など任意であり、それぞれの態様に応じた集積構造、配線構造をもつが、概して、図９に示すフィルム状の基板６ａに複数の光発電素子６ｂが集積化したものを図１０のように扁平筒状に成形したものである。なお、図９において破線は、繰り返しのパターンの一部を省略していることを意味している。

フィルム状の基板６ａに複数の光発電素子６ｂが集積化したものは、ロール・ツー・ロール方式によって非常に長尺なものが作製され、それを一定寸法ごとの単位に切り分けたものが図９に示す平板なフィルム状のものとなる。さらに、扁平筒状に成形したのが図１０に示す光発電モジュール６である。光発電素子６ｂの複数個が軸方向に整列され互いに並列接続されたものを光発電素子列６Ｂとすると、この光発電素子列６Ｂが周方向に並列配置され、周方向で隣接する光発電素子列６Ｂ，６Ｂどうしが直列接続線６ｃを介して互いに接続されている。そして、これらの光発電素子６ｂの直並列接続回路における高電位側接続線６ｄの軸方向一側でフィルム状の基板６ａの端縁にリード端子６ｅが形成され、同じく光発電素子６ｂの直並列接続回路における低電位側接続線６ｆの軸方向他側でフィルム状の基板６ａの端縁にリード端子６ｇが形成され、各リード端子６ｅ，６ｇにリード線１０，１０が接続される。なお、図１０では個々の光発電素子６ｂについては図示を省略している。光発電モジュール６を扁平筒状に固定化する手段は任意であり、端縁突き合わせ接合、端縁辺重ね合わせ接合、突起・孔嵌合構造のほか、別途用意した円筒基体の外周面への貼り付けなどでもよい。なお、図１０に示す光発電モジュール６の構成は一例であり、他の任意の形態をとることができる。例えば、高電位側のリード端子６ｅと低電位側のリード端子６ｇとを同じ側に配置してもよい。この場合に、高電位側のリード線１０は低電位側のリード線１０と同じステム７ａから外部へ引き出されることになる。

図６、図７、図８に戻って説明を続けると、扁平筒状の光発電モジュール６を透明外管７に対して内装するのに、光発電モジュール６の外周面と透明外管７の内周面との間にスペース８が確保されるようにして内装している。ここでは、周方向の複数箇所において、光発電モジュール６の外周面と透明外管７の内周面との間に、軸方向（長手方向）に沿って細長いモジュールサポート９を介在させることでスペース８を確保するようにしている。図示のモジュールサポート９は軸方向のほぼ全長にわたるものであるが、長手方向で複数に分かれた状態の小片状の断熱性に優れたサポート部材の組み合わせとするのが好ましい。モジュールサポート９は、扁平筒状の光発電モジュール６を、それとほぼ相似形の扁平筒状の透明外管７に対して同軸状に支持し、両者間に扁平筒状のスペース８を確保する。そして、スペース８を真空引きして高度な減圧状態にする。

扁平筒状の光発電モジュール６の外周を透明外管７で覆ってあるので、扁平筒状の光発電モジュール６が水分、活性分子（酸素分子、水分子）、イオン、汚染物質など外部環境に直接に晒されることがなく、扁平筒状の光発電モジュール６を外部環境から保護できるので、発電効率を高く維持することができる。

また、透明外管７は光を直接受けるために高温となりがちであるが、高度減圧状態のスペース８が存在することと、スペース８内に存在するモジュールサポート９が断熱性で軸方向または周方向で複数に分かれたものであることとから、透明外管７から扁平筒状の光発電モジュール６への熱伝導が抑制される。光発電モジュール６が扁平なフィルム筒状でごく薄く、熱劣化を生じやすいものであるとしても、透明外管７からの熱伝導を抑制するので、その熱劣化を抑え、高い発電効率の確保を実現する。

モジュールサポート９によってスペース８を確保する状態で透明外管７に対して扁平筒状の光発電モジュール６を内装し、次いで、透明外管７の所定の箇所にゲッタ１１を配置し、接着等により固定する。このゲッタ１１は、透明外管７の内部空間において扁平筒状の光発電モジュール６から使用中に析出してくる活性分子（酸素分子、水分子）、イオンなどの不純物粒子を吸収し捕捉するものである。次いで、透明外管７の管軸方向両端部からリード線１０，１０を外部へ引き出した状態で、透明外管７を構成するガラス管の一部溶融によりステム７ａ，７ａを透明外管７に一体的に形成し、このステム７ａ，７ａをもってリード線１０，１０を保持させる。

上記のように構成された本実施の形態の光発電デバイスＣには次のような利点がある。すなわち、扁平筒状の光発電モジュール６を透明外管７で覆って外気などの外部環境から保護し、さらに、紫外線が直接に扁平筒状の光発電モジュール６に当たって光劣化するのを透明外管７が抑制するので、長期間にわたって本来の発電効率を持続する。また、透明外管７が直接の入射光のために温度上昇しても、スペース８と断熱性のモジュールサポート９の存在により、透明外管７から扁平筒状の光発電モジュール６への熱伝導は充分に抑制され、これも発電効率低下を抑制する。

上記において、透明外管７をガラス製とするときは、その構成素材として、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、ガラスセラミック、珪酸塩／溶融シリカガラス、ゲルマニウム／半導体ガラス、フッ化物ガラス、フリントガラス、ダイクロイックガラス、カルコゲニド／硫化物ガラス、セリーテドガラスなどをあげることができる。透明外管７をガラス管とする場合に、炭酸ナトリウムを添加すればＵＶ保護性（紫外線安定性）を増すことが可能となる。

あるいは、透明外管７の構成素材としては、ウレタンポリマー、アクリルポリマー、フルオロポリマー、シリコーン、シリコーンゲル、エポキシ、ポリアミド、ポリオレフィンなどでもよい。

あるいは、透明外管７の構成素材としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）、ペルフルオロアルコキシフルオロカーボン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ナイロンなどでもよい。

図１１は図１９の比較例に対する本発明での実施例状態を示す。両図で太陽光の入射角度は等しく、光発電ユニットの隣接間隔も等しい条件としている。図１９の場合は反射光が発電に全く寄与できていない入射角度である。同じ入射角度で、本実施例では扁平筒状の光発電モジュール６の裏面側領域において反射光を発電に利用できている。光発電モジュール６，６の隣接間隔Ｗ０および光発電モジュール６の裏面と反射板２との離間距離Ｈ０が光発電モジュール６の幅寸法Ｗおよび最小入射角θminに対して適正な関係をもつ場合、光発電モジュール６の裏面側領域のほぼ全領域において反射光を発電に利用することが可能となる。

図１２は光発電モジュール６，６の隣接間隔Ｗ０を図１１より減少させた状態を示す。反射光を発電に利用することが可能な光発電モジュール６の裏面側領域の割合は図１１よりも劣るが、それでも最小入射角θminに対して、光発電モジュール６の裏面側領域において反射光を発電に利用することが可能である。これは、比較例の図１９よりも優れた発電効率をもつ。

図１３は光発電モジュール６，６の隣接間隔Ｗ０を図１１と同じとし、太陽光の入射角度を図１１より大きくした場合を示す。この場合も、反射光を発電に利用することが可能な光発電モジュール６の裏面側領域の割合は図１１よりも劣る。しかし、入射角度がきつくなるので、発電効率は高く（発電効率は入射角度θの正弦成分sinθで効く）、したがって光電変換範囲が小さくても、希望の発電量を賄うことができる。本発明のポイントは、最小入射角のときに発電効率を高く維持することにある。

次に、寸法関係について説明する。

図１４は光発電モジュール６の形状を示す。その形状は、長方形の両端に半円をつないだ長円形とする。光発電モジュール６の幅をＤ、高さをＴとする。最小入射角θ（＝θmin）のときの接点での内接長方形ＭＮＯＰを考える。そして、各寸法を計算し、図１４に記入している。

図１５は図１１に対応している。すなわち、光発電モジュール６の裏面側領域の全領域に反射光が入射している。このときの各寸法を計算し、図１５に記入している。

図１４、図１５から、式（１）が成立し、そこから光発電モジュール６，６の隣接間隔Ｗ０を求めると、式（２）のようになる。この隣接間隔Ｗ０は、扁平筒状の光発電モジュール６の裏面側領域の全体で反射光を発電に利用できるクリティカルな値である。この値よりも大きくしても意味はないので、この値以下であればよいことになる。

図１６は光発電モジュール６の裏面側領域の全体の２分の１の範囲を反射光による発電に利用する場合を示す。このときの隣接間隔Ｗ０は式（３）によって求めることができる。

以上の検討結果より、光発電モジュール６の高さ寸法をＴ、隣接する光発電モジュール６，６どうし間の間隔をＷ０、光発電モジュールと反射板との離間寸法をＨ、最小入射角をθとして、光発電モジュールの隣接間隔Ｗ０を式（２）で求めた値以下でかつ式（３）で求めた値以上に設定する。このように設定すれば、反射光を光発電モジュール６の裏面側領域で発電に有効に利用することができる。

光発電ユニットＢの構成要素である光発電デバイスＣについては、図１７（ａ），（ｂ）のように構成してもよい。図１７（ａ）の場合、光発電モジュール６として、複数個の円筒状のモジュール素材６Ａ…を用い、複数の円筒状のモジュール素材６Ａ…を扁平筒状の透明外管７内に収納したものである。円筒状の円筒状のモジュール素材６Ａのそれぞれは透明外管７に対しモジュールサポート９を介して支持されている。複数のモジュール素材６Ａ…の包絡線（もっぱら外周領域を結ぶ線：二点鎖線参照）が結果的に扁平筒状となっている。また、複数個の円筒状のモジュール素材６Ａ…は扁平筒状の透明外管７内に収納せず、円筒状の透明外管に配置してもよい。

図１７（ｂ）の場合、透明外管７として円筒状のものを用いることとし、その円筒状の透明外管７の下部側に寄った位置に扁平筒状の光発電モジュール６を配置したものである。下部側に寄った位置とするのは、反射板との離間距離を小さくするためである。なお、このことにこだわらないのであれば、平板状の光発電モジュールと円筒状の透明外管とを中心合わせ状態で配置してもよい。

なお、反射板２の複数箇所に通孔を形成しておけば、雨水の排出に役立つとともに、反射板２にかかる風圧を緩和することにも役立つ。

本発明は、太陽電池などの光発電パネルにおいて、フィルム状の光発電モジュールとして高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状の光発電モジュールを用いることにより、太陽光の入射角度が相当に小さくなっても、隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から反射板に向けて太陽光を入射させて、反射光を利用しての光発電モジュールの裏面側領域での発電作用を確保し、もって発電効率の改善を図る技術として有用である。

Ａ 光発電パネル
Ｂ 光発電ユニット
Ｃ 光発電デバイス
１ 矩形のフレーム
２ 反射板
４ ソケット
６ 扁平筒状の光発電モジュール
６Ａ 筒状のモジュール素材
６ａ フィルム状の基板
６ｂ 光発電素子
７ 透明外管
８ スペース
９ モジュールサポート
１０ リード線

Claims (4)

1. 光発電ユニットの複数個を互いに適当間隔をあけて面状に配列し、それら光発電ユニット群の裏面側に反射板を配置し、前記光発電モジュールの表面側領域には直接の入射光を入射させるとともに、前記光発電モジュールの裏面側領域には隣接する光発電モジュールどうし間の間隙空間から入射し前記反射板で反射した反射光を入射させる光発電パネルであって、
   前記光発電ユニットの各々は、フィルム状の基板に複数の光発電素子が集積化された光発電モジュールと、この光発電モジュールをその外部から覆う透明外管と、前記光発電モジュールから延出され前記透明外管の外部へ取り出された発電電力用のリード線とを有するものとして構成され、
   さらに、前記光発電ユニットにおける前記光発電モジュールは、その高さ寸法が幅寸法よりも小さい扁平形状に構成されている光発電パネル。
2. 前記光発電モジュールについての前記扁平形状とは、前記透明外管に収容される前記光発電モジュールが単一のものであって、円筒形を押し潰した扁平筒状である請求項１に記載の光発電パネル。
3. 前記光発電モジュールについての前記扁平形状とは、前記透明外管に収容される前記光発電モジュールが断面積の小さな任意形状の筒状のモジュール素材の複数個を適当間隔あけて配列したものであって、それら並べられた複数のモジュール素材の包絡線が結果的に扁平筒状となっている請求項１に記載の光発電パネル。
4. 前記扁平形状の光発電モジュールと前記透明外管とは、同軸状に配置されている請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光発電パネル。

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