JP2014057094A - 太陽エネルギー捕集システム - Google Patents
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- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Abstract
【解決手段】放射線5、好ましくは太陽放射線を集中させるためのコレクター2、および放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させる、該コレクターを含むエネルギー捕集システム1。レンズに垂直に延びる焦点面を有する、該システム用のレンズ10も開示する。
【選択図】図1
Description
本発明はエネルギー捕集システムに関する。
光起電力セルを使用して、太陽から受ける光子放射線から電気を生成することは公知である。光起電力セルは、電気出力を最大にするために、パネルの実質的に面全体に広がる保護ガラス層の下の平面パネルに、アレイ状に取り付けることが好都合である。パネルは、パネルを絶えず太陽に向けさせるように、二軸追尾アセンブリに取り付けることができる。
・家庭用の現在のPVセルのコストは、出力効率に対して高すぎると考えられる。平均的な既存のパネルの場合、高効率のセルおよび太陽の追尾を用いても、太陽エネルギー約30%しか有用な出力に変換されない。
・各セルに入射する光の量は、例えば各セル上に点焦点集光レンズを用いることにより増大することができるが、そうすると、各セルの集光パネル全体で変動するエネルギー強度および/または温度上昇のため、PVセルが劣化するので、集中する太陽エネルギーの程度を制限する必要がある。
・比較的高エネルギーコンセントレータ配列体において、PVセルと共に拡大を使用することは、セルを能動的に冷却する必要があることを意味する。たとえPVセルから電気的に得られたエネルギーの量の4倍まで拡大することができたとしても(セルの効率によって異なる)、その結果得られる熱エネルギーは一般的に廃棄される。
・太陽パネルからの相対的に最大限の出力を達成するには、太陽を追尾する必要がある。例えば17%の効率で動作する光起電力セルによるパネルの電気出力は、例えば緯度37度の領域でそのような追尾アセンブリを使用して、平均60%増大することができ、セルの効率が事実上27%に向上する。しかし、追尾システムの装備は、機器のコスト、およびアセンブリを駆動するために必要となる寄生電力ドレインの結果、法外に高価になり得る。
・本発明者らは、追尾無しには、太陽光線の受光角度が長時間にわたって比較的低く、したがって生成される電力がずっと大きく低減されることに気付いた。
・本発明者らは、既存の追尾方式が多くの信頼性の問題を有することに気付いた。一つのそのような問題は、太陽を二次元で追尾しなければならないことである。寄生エネルギー損失は、工業および商業施設に要求される発電電力と比較して大きすぎると考えられる。
・本発明者らはまた、PVシステムには、特にそれが、電気エネルギーを供給するために必要となるだけでなく、太陽熱暖房システムとしても機能する5平方メートルを超える場合、比較的高い固定費があることも気付いた。この規模の太陽熱暖房システムは、実用のために十分な暖房エネルギーを生じることなく、コストおよび設備の大きさをかなり増大させる。
・より少数のセルの使用は、資本コストの低減をもたらす。
・より高温でのセルの動作は、太陽からのエネルギーを、PVセルにより電気エネルギーに変換することに加えて、有用な熱エネルギーに変換することを可能にし、捕集される太陽エネルギーの90%程度の総エネルギー変換出力をもたらす。
・フレネルレンズの使用は、PVセルアレイ全体にわたって入射放射線のより均等な集中をもたらす。
・焦点距離が比較的長い凹/凸レンズがおそらく使用される。
・フレネルレンズに垂直突出設計が採用され、PVセル全体にわたる強度の均等性をさらに確保しながら、通常のフレネル型レンズの利点が提供される。
・レンズに対して決定された倍率レベルは、システムによって加熱される任意の水の温度を家庭用の温度に調整することを可能にする。この水は、給水システムで家庭用温水を予熱するために使用することもできる。
・クレードルの寸法および反射性内面は、システムを単方向追尾のみにより作動させることを可能にする。
・比較的単純な追尾システムの使用により、信頼性が向上する。
・該システムは家庭の全エネルギー需要を提供するよう使用され、より費用効果の高い電気エネルギー生産に加え、有用な熱エネルギー生産の形で追加的なエネルギー変換を提供する。
本発明の一態様は、4つの要素すなわち、
・フレネルレンズ,
・PVセルアレイ付きの捕集クレードル、
・予熱された水を提供する冷却システム、および
・太陽追尾システム
を含む。
本発明およびその様々な局面:
・特別に設計されたフレネル型レンズを利用して、太陽の放射線を光起電力セルに集中させて電気エネルギーを生成する。
・壁で囲まれたクレードルの基部に少なくとも一つの帯片状に連なった光起電力セルを施す。帯片の長さは、世界におけるシステムの位置によって、その位置に対する太陽の回転の状態に関連して、決定される。クレードルの壁は、壁が追加光をセルに反射するおかげでエネルギー捕集が増大するように、かつ/または雲による太陽光の南北方向の変動および緯度における太陽の季節的な変動をオフセットするように、反射性であることが好ましい。これは最小限の光損失を可能にし、高効率のエネルギー捕集を維持する。
・冷却管をPVセルの背後およびクレードルの壁上に通すことにより、PVセルの受入れ可能な動作温度が維持され、システムの効率が向上する。
・冷却管によって捕集された熱エネルギーを使用して家庭用の水を予熱し、そのようにPVセルの電気変換の非効率性を利用し、熱エネルギーを捕集することによってシステムの効率を最大にする。
・東西軸上の太陽の移動を追尾して、太陽から高レベルのエネルギー収集を達成する。したがって、そうしなかった場合に南北軸上の太陽光の変動を追尾することから要求される寄生エネルギー損失は、回避される。
・システムは太陽から捕集されたエネルギーから、コンセントレータレンズ、クレードル、光起電力セル、および冷却管の使用を通して、熱および電気エネルギーを生成する。
・本発明の特定の局面の幾つかは、レンズ、捕集クレードル、家庭用温水システムへの給水源として光起電力セルを冷却することにより水の予熱を組み合わせること、および単軸追尾方法を利用する能力を含む。
・フレネル型レンズは太陽光線を集中させ、セル面積に対する出力効率を向上する。
・捕集クレードルは、システムの設置場所の地理学的緯度に従って適宜、南北の方向により大きい面を向けるために、その位置の緯度に適するように傾けられる。このようにしてクレードルは、光起電力セルの傾きを変えることなく高強度の日光が得られるように、北または南の方向からの太陽光線を捕集しかつ反射することができる。
・光起電力セルを冷却するために使用される水は、家庭用温水システムに予熱された水を提供するために、貯蔵タンクに巡回させることができる。
・光起電力セルが最も強い太陽光に向けられることを確実にするために、駆動システムは追尾システムを用いてクレードルを回転させて、エネルギー捕集を最大にするクレードルの方向を決定する。
・フレネルレンズの設計原理を本発明のレンズ、コレクター、および/またはクレードルに対して適応することができることが判明した。
図4に示すように、本発明はフレネルレンズに特定の設計を利用する。
式中、
n1=屈折率(入射光線)
n2=屈折率(屈折光線)
である。
式中、
f1=焦点距離、
x∫=水平から焦点の変位
捕集クレードルは、PVアレイの照射光量を最大にするために、赤道に対する地球表面の位置に特異的なパラメータを有する。システムが赤道に近ければ近いほど、クレードルの基部のサイズまたは長さに対して、PVセルの捕集帯片を長くすることができる。これは、年間を通して太陽の経路の変動が小さいためである。
・実質的に冬至の太陽の位置に従って設けられた第1表面を有する第1壁。
・実質的に夏至の太陽の位置に従って設けられた第2表面を有する第2壁。
・第1および第2表面の各々は光を反射する。
クレードルの基部および側部に配置された冷却水管(図示せず)を含む、熱伝達アセンブリを設けることができる。水は、光起電力セルおよびクレードル表面を受入れ可能な温度、例えば60℃に維持する速度で管内を循環する。
レンズの集光およびクレードルの設計に関連して、既存の追尾システムを適応することができる。クレードルは、光エネルギーの捕集が南北軸上の太陽の移動に大きく影響されないようにすることができる。このため、二軸追尾システムは不要である(方位角および仰角)。単軸追尾システムを使用できることにより、制御および駆動機構の電力の寄生が半減し、効率を高める別の方法となる。
以上のことから、現在の平面パネル光起電力アレイを使用することでは得ることのできない、かなりの太陽エネルギーがシステム1を利用することによって得られることを理解することができる。さらに詳しくは、緯度37度の領域(オーストラリア国メルボルンのような)に対し、2.0m程度の長さおよび1.4m程度の幅のレンズ10を装備したクレードル3の実験で、従来の平面パネル配列体と比較して、非常に有利な結果が出た。繰り返すが、二軸追尾を含みクレードル3と同一捕集面積を有する従来の光起電力パネルは、例えば効率17%のセル(一般的に市販の光起電力セルの効率)を有するパネルの電気出力を平均で60%増大させ、事実上、効率27%のセルにする。しかし、二軸追尾が要求されることから随伴する比較的高い寄生エネルギー損失、高い機器コスト、および一般的に低い信頼性のため、追尾システムは一般的に起電力パネルとは一緒に使用されないことに再び留意されたい。
2 コレクター
3 クレードル
4 壁
5 放射線
6 本体
7 基部
8 アレイ
10 レンズ
11 レンズ面
12 細長い領域
13 入射放射線
14 入射放射線
15 枢軸
16 枢軸
17 支持構造
18 軸線
20 光センサ配列体
21 抵抗器
22 抵抗器
23 遮光フィン
28 グラフ
29 グラフ
30 グラフ
Claims (25)
- 放射線を電気および/または熱エネルギーに変換する本体の細長い領域に沿って放射線を集中させるためのコレクターを有する、エネルギー捕集システム。
- 本体が光起電力セルの細長いアレイを含む、請求項1記載のシステム。
- レンズの面に入射する放射線が本体の細長い領域全体にわたって実質的に均一に屈折するように、コレクターが、レンズから離れる方向にアレイを貫通して延びる焦点面を備えるレンズを有する、請求項2記載のシステム。
- 光起電力セルのアレイ全体にわたって実質的に均一に放射線を集中させるためのコレクターを有する、エネルギー捕集システム。
- 放射線がアレイの細長い領域に沿って集中する、請求項4記載のシステム。
- コレクターがクレードルの形状であり、本体がクレードルの基部に設けられる、請求項2記載のシステム。
- クレードルが細長いアレイを横切る方向に旋回するように構成される、請求項6記載のシステム。
- クレードルが東西の方向に旋回し、アレイが概ね南北の長軸方向に延び、それによってクレードルが、太陽の移動を追尾するように本体の軸線を中心に旋回する、請求項6記載のシステム。
- コレクターへの放射線を最大にするために、クレードルの位置の緯度に応じて軸線が赤道の方向に傾くように該クレードルもまた構成される、請求項8記載のシステム。
- クレードルが、太陽の緯度の季節的変動をオフセットするように、該クレードルの位置の緯度に応じて傾斜して本体への放射線を最大にする反射壁を備えた、請求項6記載のシステム。
- 本体から熱を捕集して蓄積するための熱伝達アセンブリをさらに含む、請求項1記載のシステム。
- 熱伝達アセンブリが本体と熱的に連通した配管を含む、請求項11記載のシステム。
- 熱伝達アセンブリが、細長いアレイと組み合わせて、コレクターが受ける放射線のおよそ90%を有用な電気および/または熱エネルギーに変換することを可能にする、請求項11記載のシステム。
- 請求項1〜13のいずれか一項記載のシステムで使用するためのクレードルの形のコレクターであって、概ね東西方向のみに回転することを可能にする枢軸構造を含む、コレクター。
- レンズに実質的に垂直に延びる焦点面を有するレンズ。
- フレネルレンズである、請求項15記載のレンズ。
- コレクターを通して入射太陽放射線を、放射線を電気および/または熱エネルギーに変換するように適応された本体の細長い領域上に集中させる工程、および該入射放射線の方向の変化に追従するために、該細長い領域を横切る方向にコレクターを旋回させる工程を含む、エネルギー捕集の方法。
- コレクターが東西方向のみに旋回する、請求項17記載の方法。
- 太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応されたクレードルであって、
実質的に冬至の太陽の位置に従って設けられた第1表面を有する第1壁、
実質的に夏至の太陽の位置に従って設けられた第2表面を有する第2壁
を含み、
第1および第2表面の少なくとも一方が少なくとも部分的に光を反射する、
クレードル。 - 第1および第2壁が水平に対し90〜130度の範囲の角度に配置される、請求項19記載のクレードル。
- 第1および第2壁が水平に対し実質的に115度の角度に配置される、請求項19記載のクレードル。
- 太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応された歯であって、本明細書において開示された方程式1、2、および/または3に従って設計された歯。
- 太陽エネルギー捕集システムと共に使用するように適応されたレンズであって、請求項22記載の歯を含むレンズ。
- 太陽エネルギー捕集システムのレンズと共に使用するための歯を構成する方法であって、本明細書において開示された方程式1、2、および/または3に従って歯を提供する工程を含む、方法。
- レンズがフレネルレンズである、請求項23記載のレンズ。
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JPS5378857A (en) * | 1976-12-20 | 1978-07-12 | E Systems Inc | Radiation energy concentration device |
JPS54121149A (en) * | 1978-03-14 | 1979-09-20 | Agency Of Ind Science & Technol | Fresnel lens and condenser using this |
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