JP2013179138A

JP2013179138A - 太陽光発電装置及びそれを備える太陽光発電システム

Info

Publication number: JP2013179138A
Application number: JP2012041538A
Authority: JP
Inventors: Kiminao Kitamura; 公直北村; Toyohiko Shiga; 豊彦志賀
Original assignee: ACT21 TOKYO KK; ACT21-TOKYO KK
Current assignee: ACT21 TOKYO KK; ACT21-TOKYO KK
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】高温時の発電効率の低下を抑制し、複数段式屋上設置ソーラー、複数段式メガソーラー、ソーラールーバー、建物のダブルスキン構造等に適用し得る太陽光発電装置及びそれを備える太陽光発電システムの提供。
【解決手段】内部に液体２を貯留し得る構造の箱体２０と、箱体２０の外表面の少なくとも一部に設けられたシート状太陽電池１０と、を備え、箱体２０には液体の注入口３１と排出口３２とが設けられ、箱体２０の外表面２０ａに設けられたシート状太陽電池１０が平面、凸面、凹面または波型曲面を構成する、太陽光発電装置１、ならびに、この太陽光発電装置を、羽板として用いる、太陽光発電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽光発電装置及びそれを備える太陽光発電システムに関する。

近時、環境意識の高まりに伴い、建物の屋根や外壁等へ設置可能なソーラーシステムが提供されている。太陽電池モジュールとして、発電効率が低いアモルファスタイプ以外に、高効率のＣＩＧＳタイプ（グローバルソーラー）や、球状シリコンタイプ（ＣＶ２１）などが開発されており、今後も有機ＥＬ太陽電池等のコストパフォーマンスに優れた新たなシート状ソーラーが開発され市場に出てくる状勢である。軽い、薄い、曲がるという特徴を活かした製品開発が待たれている。

ところで、冷却装置がない一般的な太陽電池製品では、高温になると発電効率が落ちてしまうという欠点があった。この解消のために、外部から散水冷却するという概念や実施例はあったが、散水した水は廃棄されてしまいランニングコストが高くなり、また、太陽光発電モジュールを均一に冷却することが困難であった。特許文献１には、受光面に汚れが付着した場合に、速やかに受光面を洗浄できる太陽電池装置として、太陽電池素子のバイパス回路の作動に応じて太陽電池の受光表面に流体を供給する洗浄手段を備えるものが開示されている。特許文献２には、太陽光エネルギーから電気エネルギーを簡単に効率良く得られる太陽電池パネル一体型水タンクとして、壁面にアモルファス太陽電池パネルが取付けられている、太陽電池パネル一体型水タンクが開示されている。特許文献３には、太陽光を曲面鏡の方向へ反射させる平面鏡を備えたヘリオスタットと、その平面鏡からの反射光を集熱管上へ集光させる曲面鏡と、熱輸送媒体を内部に含む集熱菅を有し、真空ガラス管内に曲面鏡と集熱菅を配置した集熱体を複数本並列に並べて集熱器を構成し、その集熱器の裏側に散乱透過板と太陽電池パネルを設けた太陽熱発電装置が開示されている。特許文献４には、太陽熱による加熱及びこれによる発電効率の低下や電池寿命の短縮を防止できるとともに、太陽光エネルギーの利用率を高めるための装置として、平板状の支持板と、その上側に設置された太陽電池パネルと、前記支持板と太陽電池パネルとの間に形成される集熱部と、集熱部の内部や近傍で支持板側の集熱部の外側に通水管を配置した太陽電池装置が開示されている。

特開平１０−３０８５２３号公報特開平７−１３７７８８号公報特開昭５９−１１９１３５号公報特開平８−２２２７５２号公報

上述のことを鑑みて、本発明は、屋外に設置する太陽電池において高温時の発電効率の低下を抑制し、複数段式屋上設置ソーラー、複数段式メガソーラー、ソーラールーバー等に適用でき、さらには、太陽光エネルギーのみならず、太陽熱エネルギーを有効に活用し得る装置であって、遮熱・液体冷却機能を有する外壁や屋根として高効率の遮熱対策外皮であるダブルスキンを安価かつ容易に設置し得る装置としての太陽光発電装置及びそれを備える太陽光発電システムの提供を目的とする。

本発明者らの鋭意検討の結果、以下の特徴を有する本発明を完成した。
（１）内部に液体を貯留し得る構造の箱体と、箱体の外表面の少なくとも一部に設けられたシート状太陽電池と、を備え、箱体には液体の注入口と排出口とが設けられ、箱体の外表面に設けられたシート状太陽電池が平面、凸面、凹面または波型曲面を構成する、太陽光発電装置。
（２）箱体は箱体内部にさらに配管を有し、前記配管は箱体外部から液体又は気体を取り入れて箱体内部に貯留し得る液体とは混ざらずに箱体外部へと排出し得るよう構成されている（１）の太陽光発電装置。
（３）さらに給湯器を備え、上記配管から排出される液体が給湯器へ供給されるよう構成されている（２）の太陽光発電装置。
（４）上記管内に融雪するに足る程度の高温の気体を通すことができ、箱体の外表面及びその近傍に付着する雪を融かすことができる融雪機能が構成されてなる（２）又は（３）の太陽光発電装置。
（５）枠体と、枠体に隙間をあけて平行に組まれた複数の羽板とを備え、羽板は（１）〜（４）のいずれかの太陽光発電装置からなり、１つの箱体の排出口から他の１つの箱体の注入口へと液体または気体が移動し得るように連結されている太陽光発電システム。
（６）建物の外壁と略平行に設けられ、ダブルスキン構造を構成する（５）の太陽光発電システム。
（７）さらに排気ファンを備え、排気ファンはシート状太陽電池により得られる電力で駆動して、ダブルスキン層内の空気を上方向に流動させるよう構成されている（６）の太陽光発電システム。

本発明によれば、太陽電池と液体との間には箱体を構成する板のみが存在するので、太陽電池裏面の全面を液体で冷やすことができ、高い冷却効率が期待される。箱体には液体を注入、排出することができるので必要に応じて冷たい液体を供給できる。箱体の材質は軽量化が可能であり、また、冷却能力を重視して液体の量を増やしたり、逆に、軽量性を重視して液体の量を減らしたり、など、種々の目的に適合した運用が可能となる。
上述の内部配管を備える好適態様では、内部配管に冷たい液体・気体を流すことで箱体内の液体を介して太陽電池の冷却を促進させることができる。内部配管を通って温まった水は給湯器を介してシャワーや風呂等に使うことができる。このとき、箱体内が汚れていたとしても、内部配管内を水道水基準にて清浄にしておけば、水質基準を満足することができる。また、積雪地域などにおいては、上記内部配管内に温水や蒸気等の高温の気体を通水・通気させることで、「融雪装置付き太陽光発電システム」を構成することができる。季節毎に、内部配管に冷水・冷気と温水・上記とを切り替えて流すことにより、太陽光発電装置の冷却機構と融雪機構とを使い分けることができる。箱体内に貯留する液体は不凍液であってもよい。
本発明の別の好適態様によれば、複数の太陽光発電装置を組み合わせてルーバーを構築することができ、冷却用の液体を一つの箱体から次の箱体へと順々に送ることができる。このとき、建物の外壁に略平行にダブルスキンを構成するように箱体を配置することにより、太陽光発電と建物内の冷却機能との両立が可能になる。ダブルスキン層内の空気を流動させる排気ファンを備える態様では、太陽電池のみで排気ファンを駆動して冷房負荷低減効果を増し、節電を実現することができ、とりわけ、真夏の電力逼迫ピーク時に節電効果を増す。建物内および太陽電池の両方に対して冷却効果がある。

本発明による太陽光発電装置の一例の断面模式図および斜視分解図である。本発明による太陽光発電装置の一例の模式斜視図である。本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図である。本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図である。本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図である。本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図である。本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図である。本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図である。

以下、図面を適宜参照しながら本発明を詳述する。但し、本発明は図示された態様に限定されるわけでなく、また、図面においては発明の特徴的な部分を強調して表現することがあるので、図面各部において縮尺の正確性は必ずしも担保されていない。

本発明によれば、太陽光発電装置は、箱体とシート状太陽電池とを備える。シート状太陽電池は箱体の外表面の少なくとも一部に設けられる。図１は、本発明による太陽光発電装置の一例の断面模式図（図１（Ａ））および斜視分解図（図１（Ｂ））である。図１（Ａ）ではシート状太陽電池の描写を省略している。太陽光発電装置１における箱体２０はその内部に液体２を貯留し得るような構造を有する。箱体２０には液体の注入口３１および排出口３２とが備えられる。図１（Ａ）の形態では、注入口３１は箱体２０の底部付近にまで達し、かつ、排出口３２が箱体２０の上部付近に設けられているため、底部を下方向にして箱体２０を設置すると、注入口３１から供給される液体２は底部から上部を経て排出口３２からオーバーフローによって排出される。注入口３１、排出口３２に連結してもよいパイプ類等は金属、樹脂、ゴム等の他、液体流通可能な材質や機構のものであれば如何なるものから構成されていてもよい。

本発明によれば、高温になっても発電効率が低下しにくい太陽光発電装置が得られる。この太陽光発電装置１は簡単な構造であるため、少ない部材で安価に提供できる。貯留する液体等は循環することも可能であり、使い捨てにしなければ、少ない液体量で機能させられるのでライフサイクルコスト（水道代等）も安くて済む。散水により太陽光発電モジュール冷却する場合とは異なり、本発明によれば、シート状太陽電池１０を均一に冷却することが可能である。箱体１０は薄くすることが可能であり、その場合、シート状太陽電池１０は箱体１０を構成する薄い板のみを介して水等の液体と熱交換することになるので、冷却効率が高い。貯留する液体の量は調節してもよく、例えば、太陽光発電装置１全体の軽量化を重視するのであれば、貯留液体を減らすことも可能である。

液体２については、例えば、通水した水は廃棄してもよいし、貯水等に使ってもよい。建物の地下水槽等の水を発電体表面付近の温度センサーに連動してポンプで循環させてもよい。この場合、大幅に節水が可能となり、少量の水とエネルギーにより太陽光発電装置１の高温時の発電効率低下を防ぐことができる。熱交換器を使って、高温になった水を冷却してもよい。温まった水を熱源や給湯として利用してもよい。地下水揚水により地中熱を利用する形態であってもよい。

図１（Ｂ）では注入口および排出口の描写を省略している。図１（Ｂ）の形態では、箱体２０の一つの外表面が凹面２０ａを構成しており、そこにシート状太陽電池１０が設けられている。シート状太陽電池１０は、箱体２０の外表面形状に追随し得る程度の柔軟性があればよく、そのようなシート状太陽電池は例えば、アルミ基板上に成形した六角形のカップの底に１ミリ程度のシリコン球を埋め込んでなるマイクロ集光型球状シリコン太陽電池などとして、容易に入手可能である。

箱体２０に設けられたシート状太陽電池１０は平面、凸面、凹面または波型曲面を構成する。図２は本発明による太陽光発電装置の一例の模式斜視図である。図２でも注入口および排出口の描写を省略している。図２の形態では、箱体２０の外表面の一部は凸面を構成しており、その凸面に追随するようにシート状太陽電池１０を設けることにより、凸面を呈するシート状太陽電池１０が構成される。この場合、太陽光５の高度が変わっても発電効率が高い面が存在する可能性が高いので、平面状のものよりも発電量が多くなる可能性がある。

他方、図１にて示したように、シート状太陽電池１０が凹面を構成する場合は、太陽高度が変わっても発電効率が高い面があるので平面のものよりも発電量が多くなる可能性がある。また、凹曲面内で太陽光が乱反射するので、多くのエネルギーを得られる可能性がある。シート状太陽電池１０は凸面および凹面に限らず、平面であってもよいし、波型曲面であってもよい。

箱体２０へのシート状太陽電池１０の敷設は従来公知の方法を適宜参照することができる。例えば、シート状太陽電池１０と箱体２０を構成する金属板・樹脂板等とを接着固定してもよいし、シート状太陽電池１０の端部をビス貫通固定したり、シート状太陽電池１０の端部を板状体で挟みこんだりして固定してもよいし、これらを併用してもよい。

図３は、本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。箱体２０の形状は特に限定なく、図示されるようなフィン２１を有する形状であってもよく、これにより、冷却効率のさらなる向上が期待される。図面における矢印６ａ〜６ｄは液体の流動を概念的に示している。

図４は、本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。図示された態様では、複数の太陽光発電装置１が連結している。このように連結した太陽光発電装置１を順番に高低差を付けて配置し、最上位の箱体２０に注入パイプを通して水道水等を注水すると上位の箱体２０から水が溢れ、排水パイプを通して下方の箱体に流れて行く。この構造を複数個組み合わせて設置することで複数個の太陽光発電装置１を同時に冷却することが可能になる。

図４の形態では、箱体２０の内部にさらに配管４０が設けられている。配管４０は、箱体２０の外部から液体又は気体を取り入れて、箱体２０の内部に貯留し得る液体２とは混ざらずに、箱体２０の内部を通って、箱体２０の外部へと排出し得るよう構成されている。矢印６ａおよび６ｂは箱体２０内部における液体２の流動をあらわし、矢印７ａ〜７ｃは配管４０内の液体・気体の流動をあらわす。この形態では、液体２が上から下へと流れることで、下の方ほど高温になりやすいのに対して、配管４０内の液体・気体は下から上へと流すことにより、温度の上がった液体２を効率よく冷却することができる。図４とは異なり、配管４０内の液体・気体を箱体２０内の液体２と同方向に流動させてもよい。

配管４０に冷たい液体を流すことで箱体２０内の液体２を介してシート状太陽電池の冷却を促進させることができる。箱体２０内の水は溜めたままでもよいし、循環させてもよい。場合によっては、箱体２０内に液体を溜めなくてもよい。

本発明の別の好適態様では、配管４０内に温水や蒸気等の高温の液体・気体を通水・通気させて、積雪地域における「融雪装置付き太陽光発電システム」を構成してもよい。このときの液体・気体の温度は、箱体２０の表面やその近傍にある雪を融かし得る温度が挙げられる。あるいは、季節毎に、配管４０に冷水・冷気と温水・上記を切り替えて通すことにより、太陽光発電装置の冷却機構と融雪機構とを使い分けることも可能である。なお、箱体２０内には不凍液を貯留してもよい。

図５は、本発明による太陽光発電装置の一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。この態様では、最も上に描写されている太陽光発電装置１については、配管４０から排出される液体が給湯器５０へ供給されるよう構成されている。矢印６ａは、箱体２０内の液体２の流動を模式的にあらわす。矢印７ａ〜７ｄは、配管４０内の液体の流動を模式的にあらわす。図５の態様では、複数の太陽光発電装置１の箱体２０内に設けられた配管４０を通った液体は温められて、給湯器５０へと至る。このように温くなった水をシャワーや風呂等に使うことができる。このとき、箱体２０内が汚れていたとしても、配管４０内を水道水基準にて清浄にしておけば、水質基準を満足することができる。

図６は、本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。この太陽光発電システムでは、枠体６０に、隙間をあけて太陽光発電装置１が平行に組まれている。個々の太陽光発電装置１は羽板として作用する。ここで、１つの箱体２０の排出口（図示省略）から他の１つの箱体２０の注入口（図示省略）へと液体または気体が移動し得るように連結されており、矢印６ａ〜６ｄは、そのような液体または気体の流動を模式的にあらわす。符号５の矢印は、太陽光をあらわす。

図６のような構成により、ソーラールーバーを構築することができ、冷却用の液体を一つの箱体から次の箱体へと順々に送ることができる。羽板としての太陽光発電装置１は枠体６０に対して角度調節可能に取り付けられていてもよい。図６の形態は、箱体２０の凹面に設けたシート状太陽電池（図示省略）が太陽光５に対して正面近くに向けることを重視した配置である。

図７は、本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。図７の配置では、建物の外壁７０に略平行に箱体が並ぶようになっており、ダブルスキン構造を構成している。矢印６ａ〜６ｃは箱体内の液体の流れを模式的にあらわし、矢印９ａ〜９ｃはダブルスキン層内の空気の流れを模式的にあらわす。従来のダブルスキン構造は、サッシや壁等で構成されるため、ダブルスキン層は上に行くほど空気が熱くなっていた。これに対して、図７の態様では、太陽光発電装置１の中には冷却用の液体があるので、ダブルスキン層内の空気の温度上昇を抑制することができ、遮熱性が高く熱負荷低減効果が高い外壁や屋根を提供できる。本発明によれば、太陽光発電システムは薄くて軽量な設計が可能なので、太陽光発電と遮熱性が高く熱負荷低減効果が高い複合機能を有するダブルスキン外壁やダブルスキン屋根を安価に提供できる。万一、配管接続部分等で漏水したとしても、ダブルスキンの場合、内壁が止水ラインになるので建物内部へ浸水する恐れはない。本発明の太陽光発電システムを屋外ルーバーとして使用する場合も同様に、建物内へ浸水する恐れはない。太陽光発電システムの一部が故障した場合には、故障した箱体のみを取り替えることが可能であり、メンテナンスがし易い。

ここで、羽板としての太陽光発電装置１が枠体６０に対して角度調節可能に取り付けられていれば、図６の態様のように発電効率優先のために太陽への向きを重視したり、図７の太陽のように冷房負荷低減優先のために、羽板を壁のように構成させることもできる。

図８は、本発明による太陽光発電システムの一例の模式断面図であり、注入口、排出口およびシート状太陽電池の描写を省略している。矢印６ａ〜６ｃは箱体内の液体の流れを模式的にあらわし、矢印９ａ〜９ｃはダブルスキン層内の空気の流れを模式的にあらわす。この太陽光発電システムには排気ファン８０が備えられている。排気ファンは好ましくはシート状太陽電池１により得られる電力で駆動して、ダブルスキン層内の空気を上方向（矢印９ａ〜９ｄ）に流動させるよう構成されている。このような構成により、外部からの電力供給なしに排気ファン８０を駆動して冷房負荷低減効果を増し、節電を実現する。とりわけ、真夏の電力逼迫ピーク時に節電効果を増す。この態様によれば、建物内およびシート状太陽電池の両方に対して冷却効果がある。

本発明によれば、簡便な構成、低廉なコストにて、太陽電池の冷却を行うことができ、太陽光発電の効率低下を抑制することができる。そのため、太陽光発電の分野への貢献が大である。さらに、建物内の冷却という分野においても、従来のダブルスキンよりも軽量でありかつ効率よく冷却を行うことができ、特に真夏の電力使用ピーク時における省電力が可能になる。

Claims

内部に液体を貯留し得る構造の箱体と、箱体の外表面の少なくとも一部に設けられたシート状太陽電池と、を備え、箱体には液体の注入口と排出口とが設けられ、箱体の外表面に設けられたシート状太陽電池が平面、凸面、凹面または波型曲面を構成する、太陽光発電装置。
箱体は箱体内部にさらに配管を有し、前記配管は箱体外部から液体又は気体を取り入れて箱体内部に貯留し得る液体とは混ざらずに箱体外部へと排出し得るよう構成されている請求項１記載の太陽光発電装置。
さらに給湯器を備え、上記配管から排出される液体が給湯器へ供給されるよう構成されている請求項２記載の太陽光発電装置。
上記管内に融雪するに足る程度の高温の気体を通すことができ、箱体の外表面及びその近傍に付着する雪を融かすことができる融雪機能が構成されてなる請求項２又は３記載の太陽光発電装置。
枠体と、枠体に隙間をあけて平行に組まれた複数の羽板とを備え、羽板は請求項１〜４のいずれかの太陽光発電装置からなり、１つの箱体の排出口から他の１つの箱体の注入口へと液体または気体が移動し得るように連結されている太陽光発電システム。
建物の外壁と略平行に設けられ、ダブルスキン構造を構成する請求項５記載の太陽光発電システム。
さらに排気ファンを備え、排気ファンはシート状太陽電池により得られる電力で駆動して、ダブルスキン層内の空気を上方向に流動させるよう構成されている請求項６記載の太陽光発電システム。