JP2014075426A - 太陽光発電装置および太陽光発電システム - Google Patents

太陽光発電装置および太陽光発電システム Download PDF

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Abstract

【課題】単位設置面積あたりの薄膜太陽電池モジュールの設置数を向上させる太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】下側薄膜太陽電池モジュール(16)の上側端辺が、上側薄膜太陽電池モジュール(16)の1つの下側端辺より、鉛直方向の上方に位置するように、かつ、薄膜太陽電池モジュール(16)の上面に対して垂直な方向から、上記上側端辺および隣接する上記下側端辺を見たときに、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に隙間が生じないように、太陽電池モジュール(16)を配置する。
【選択図】図1

Description

本発明は太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置および太陽光発電システムに関する。
近年、クリーンエネルギー利用の高まりを受けて、太陽光発電装置による太陽光発電が盛んに行われている。太陽光発電装置は、1つまたは複数の太陽電池モジュールを備えており、該太陽電池モジュールによって、太陽光エネルギーを電力に変換する。
一般的な太陽光発電装置の施工においては、地面等に敷設されたコンクリート基礎上に構築されるか、または地面等に打ち込まれた支柱上に構築された架台の上に、上記太陽電池モジュールを並べて配置する。
図12に、特許文献1に開示された従来の太陽光発電装置901を側面から見た模式図を示す。同図からわかるとおり、太陽光発電装置901は、架台914の傾斜に沿って、3枚の太陽電池モジュール916が並んで配置されている構成である。太陽光発電装置901では、太陽電池モジュール916の上面に垂直な方向(線L´の方向)から見た時に、架台914の傾斜に沿った方向(以下、傾斜方向という)に隣接する太陽電池モジュール916同士が離間しており、重ならない構成となっている。
ここで、一般的に、太陽電池モジュール916の受光面は、年間を通じて、あるいは一年のうち所定の期間において、太陽の南中時に直接光が入射する方向に向けられる。上記のように、架台914の傾斜方向に隣接する太陽電池モジュール916同士が重ならない構成なので、ある太陽電池モジュール916がそれに隣接する太陽電池モジュール916の上に影を作ることが抑制される。特に、南中の時刻に太陽から入射する直接光に対して、上記の影が生じない。これにより、太陽光発電装置901は、太陽の南中時に入射する直接光が、全ての太陽電池モジュール916に入射する構成になっている。
特開2011−119643号公報(2011年6月16日公開)
ところで、近年、二次元的に複数の太陽電池モジュールを配列した太陽光発電装置を、さらに多数並列させた、メガソーラーと呼ばれる太陽光発電施設が登場してきている。このような大規模な太陽光発電施設では、発電量を大きくするために、施設の敷地面積内にできるだけ多くの太陽光発電装置を設置することが要求される。
しかしながら、上記従来の太陽光発電装置901は、隣接する太陽電池モジュール916同士を、線L´の方向から見たときに離間して配置する構成であるため、言い換えると、隣接する太陽光発電装置901同士の影を考慮に入れた離間距離を取る必要があるため、その離間距離に起因して、単位設置面積あたりの太陽電池モジュール916の設置数が減少する。すなわち、単位設置面積あたりの発電量が低下する。特に、大規模な太陽光発電施設では、太陽電池モジュール916の設置数が増えるほど、上記離間部分の数が増えるので、単位設置面積あたりの発電量が低下する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、単位設置面積あたりの太陽電池モジュールの設置数あるいは発電量を向上させる太陽光発電装置を提供することにある。
本発明に係る太陽光発電装置は、上記課題を解決するために、
(1)複数の薄膜太陽電池モジュールと、
(2)該薄膜太陽電池モジュールを傾斜状態で載置する架台とを備えた太陽光発電装置であって、
(3)上記複数の薄膜太陽電池モジュールは、該薄膜太陽電池モジュールの傾斜の方向に隣り合って配置された下側薄膜太陽電池モジュールおよび上側薄膜太陽電池モジュールを含み、
(4)上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺より、鉛直方向の上方に位置するように、かつ、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から、上記上側端辺および隣接する上記下側端辺を見たときに、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に隙間が生じないように、上記複数の薄膜太陽電池モジュールが設置されていることを特徴としている。
なお、本発明に係る太陽光発電装置と、該太陽光発電装置で発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを備えた太陽光発電システムも、本発明に含まれる。
本発明に係る太陽光発電装置および太陽光発電システムは、単位設置面積あたりの薄膜太陽電池モジュールの設置数あるいは発電量を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る太陽光発電装置の構成を示す模式図である。 図1に示す太陽光発電装置の斜視図である。 本発明の他の実施形態において、図1に示す太陽光発電装置が複数配列された構成を示す模式図である。 図1に示す太陽光発電装置の変形例の構成を示す模式図である。 図5は、図1に示す太陽光発電装置において、支柱と縦桟との接続状態を示す斜視図である。 (a)および(b)は、図5に示される縦桟の変形例を示す斜視図である。 (a)〜(c)は、図1に示す太陽光発電装置が備えた架台の変形例を示す模式図である。 (a)および(b)は、図1に示す太陽光発電装置において、太陽電池モジュールの構成を示す模式図であり、(a)は平面図であり、(b)は(a)にL−Lで示す断面図である。 (a)〜(c)は、図1に示す太陽光発電装置において、太陽電池モジュールの別の構成を示す模式図であり、(a)は平面図であり、(b)および(c)は側面図である。 図1に示す太陽光発電装置において、太陽電池セルの構成の一例を示す模式図である。 図1に示す太陽光発電装置を備えた太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。 従来の太陽光発電装置の構成を示す側面図である。 各種太陽電池の可視光域近傍におけるエネルギー密度を示すグラフである。 各種太陽電池セルの可視光域近傍における分光感度を示すグラフである。
本発明に係る太陽光発電装置は、複数の薄膜太陽電池モジュールと、該薄膜太陽電池モジュールを傾斜状態で載置する架台とを備えた太陽光発電装置であって、上記複数の薄膜太陽電池モジュールは、該薄膜太陽電池モジュールの傾斜の方向に隣り合って配置された下側薄膜太陽電池モジュールおよび上側薄膜太陽電池モジュールを含み、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺より、鉛直方向の上方に位置するように、かつ、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から、上記上側端辺および隣接する上記下側端辺を見たときに、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に隙間が生じないように、上記複数の薄膜太陽電池モジュールが設置されている構成である。
ここで、架台の載置面上に載置された薄膜太陽電池モジュールの傾斜方向について下側に位置する端辺を下側端辺と呼び、上側に位置する端辺を上側端辺と呼ぶ。
なお、薄膜太陽電池モジュールの上記傾斜方向を、南北方向と一致、またはほぼ一致させてもよい。
上記構成によれば、下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上側薄膜太陽電池モジュールの1つの下側端辺よりも、鉛直方向の上方に位置している。また、架台の載置面上に配列された複数の薄膜太陽電池モジュールを、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から見たとき、互いに隣接する2つの薄膜太陽電池モジュールは、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺との間に隙間が存在しない。すなわち、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から見たとき、上記互いに隣接する2つの薄膜太陽電池モジュールは、重なっているか、少なくとも接している。
この配置構成では、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から見たときに、互いに隣接する2つの薄膜太陽電池モジュールの間の隙間を従来よりも小さくできるので、太陽光発電装置の設置面積を縮小することができる。さらに、2つの薄膜太陽電池モジュールが重なる面積が大きいほど、太陽光発電装置の設置面積を縮小することができる。換言すれば、上記の構成によって、設置面積を拡大することなく、太陽光発電装置に載置する太陽電池モジュールの設置数あるいは発電量を増加させることができる。
さらに、上記構成によれば、薄膜太陽電池モジュールは薄膜太陽電池で構成される。薄膜太陽電池の特性として、各種太陽電池の中でも、可視光波長域における低波長領域で、発電効率に優れることが知られている。ところで、太陽光発電装置には、太陽からの直接光だけでなく、空気中の砂塵などによって散乱されることにより生じた散乱光も入射する。この散乱光は、様々な方向を有しており、直接光が入射しない場所にも、散乱光は入射する。また、散乱光は、一般的に直接光よりも短波長域の波長成分を多く含んでいる。本構成では、太陽電池モジュールが薄膜太陽電池で構成されていることから、該太陽電池モジュールは、短波長成分を比較的多く含む散乱光を効率よく吸収することができる。従って、例えば単結晶の太陽電池で構成された太陽電池モジュールと比較して、低波長が多く出ている天候では、発電量を向上させることができる。
このように、本発明に係る太陽光発電装置では、薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から見たとき、互いに隣接する2つの薄膜太陽電池モジュールが、重なっているか、少なくとも接しているため、該太陽光発電装置に載置する太陽電池モジュールの単位設置面積あたりの設置数あるいは発電量を増加させることができるとともに、薄膜太陽電池モジュールによって散乱光を効率よく吸収することができる。
そのため、たとえ上記2つの薄膜太陽電池モジュール同士を接近させる、あるいは重なり合わせることによって、一方の薄膜太陽電池モジュールの上に影が生じ、該薄膜太陽電池モジュールに直接光の入射量が少なくなったとしても、該薄膜太陽電池モジュールは、影の部分に入射する散乱光を効率よく吸収するため、直接光の入射量の減少による発電量の低下が低減される。
また、本発明に係る太陽光発電システムも、上記太陽光発電装置と同様の効果を奏する。
本発明の太陽光発電装置に関する実施の形態について、図1〜図14に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、以下では、太陽光発電装置が設置される地面または基礎は水平であるとする。
〔実施形態1〕
(太陽光発電装置1の構成)
まず、本実施形態に係る太陽光発電装置1の構成について、図1に示す側面図および図2に示す斜視図を用いて説明する。なお、図1は、図2に太い矢印で示す方向から太陽光発電装置1を見た図となっている。
太陽光発電装置1は、太陽電池モジュール(薄膜太陽電池モジュール)16、および架台20を含む構成である。太陽光発電装置1において、太陽電池モジュール16は、地面Gに対して傾斜した状態となるように、架台20上に載置されている。なお、図1の左側が南の方角に相当し、右側が北の方角に相当しており、太陽電池モジュール16は、その受光面が太陽の南中時における直接光と垂直な向きとなるように配置されている。
なお、同図において、散乱光は、太陽光が空気中に含まれる水蒸気、微小物質、砂塵などの浮遊物によって散乱されたときに生じる光のことである。これに対し、散乱されずに、太陽から直接到達する光を直接光または直達光と呼ぶ。
ここで、図1に示す太陽光発電装置1において、薄膜太陽電池モジュール16の1つにおいて、薄膜太陽電池モジュール16の傾斜方向について上側に位置する端辺を上側端辺と呼び、下側に位置する端辺を下側端辺と呼ぶ。また、薄膜太陽電池モジュール16の傾斜の方向に隣り合って配置された2枚の薄膜太陽電池モジュール16を、上記傾斜の方向の下側にあるか、あるいは上側にあるかに基づき、それぞれ、下側薄膜太陽電池モジュール、上側薄膜太陽電池モジュールと呼ぶ。
このとき、太陽光発電装置1では、下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上側薄膜太陽電池モジュールの1つの下側端辺より、鉛直方向の上方に位置するように、各太陽電池モジュール16が配列されている。
さらに、太陽光発電装置1では、薄膜太陽電池モジュール16の上面に対して垂直な方向から、上記上側端辺および隣接する上記下側端辺を見たときに、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に隙間が生じないように、各薄膜太陽電池モジュール16が設置されている。
なお、図1に示す太陽光発電装置1では、架台20の載置面が地面Gに対して傾斜しているが、本発明はこれに限られない。
すなわち、後述する支持具17・18の架台20表面に対する高さを調節することにより、水平な架台20上に、複数の太陽電池モジュール16を、図1と同様の状態に設置することができる。
太陽電池モジュール16は、太陽電池セルを有しており、受光面を介して該太陽電池セルに入射した太陽光によって太陽光発電を行うものである。なお、太陽電池モジュール16および太陽電池セルの詳細な構成例については後述する。
架台20は、支柱11、小ミラー(反射部)13、縦桟14、支持具(支持部)17、18および横桟19を含む構成である。支柱11は、1本の縦桟14につき1本ずつ配されている。このように、支柱11と縦桟14とを1対1に対応させた構成をシングルポールと呼んでいる。
図2に示すように、架台20は、地面Gに突設された2本の支柱11それぞれの上端部に、縦桟14が地面Gに対して傾斜させた状態で接続されている。そして、縦桟14と直交するように、等間隔に4本の横桟19が等間隔で配されている(以下、縦桟14および横桟19によって形成される斜面を、載置面と呼称する)。さらに、縦桟14と直交するように支持具17および18(図1参照)が設置されている。架台20は、縦桟14および横桟19と、支持具17、18によって固定される太陽電池モジュール16とを、水平面に対して所定の角度で支持固定する。架台20の詳細、特に小ミラー13の詳細な構成については後述する。なお、各支柱11を地面に突設する深さをそれぞれ調整することによって、架台20を平らな地面に建設することもできるし、斜面に建設することもできる。さらには、平らな地面だけでなく、凹凸を有する地面に架台20を建設することもできる。
(太陽光発電装置1の施工方法)
次に、図1および図2を用いて、太陽光発電装置1の施工方法を説明する。
最初に、架台20の施工を行う。架台20の施工方法としては、まず、2本の支柱11を相互に間隔を空けて地面G(または基礎)に打ち込んで突設する。次に、各支柱11の上端部に、縦桟14を地面Gに対して傾斜させた状態で接続する。続いて、1本の縦桟14から該縦桟14に隣接する縦桟14間に渡し架けるように、縦桟14と直交する4本の横桟19を等間隔に配するとともに、支持具17、18を配する。その後、支持具18の後部に、太陽電池モジュール16の上端部から上記載置面までの領域に北の方角から入射する光(散乱光)を反射する小ミラー13を設置する。以上で架台20が完成する。そして、支持具17と支持具18との間に、複数の太陽電池モジュール16を縦横に架け渡し、各太陽電池モジュール16の両端を支持具17および支持具18に固定支持する。
なお、太陽電池モジュール16のアレイを形成する際は、太陽電池モジュールを支持具にボルト・ナットなどの締結部材で固定する工法のほか、太陽電池モジュールを接着剤で支持具に固定する工法を用いてもよい。こうして、太陽光発電装置1が完成する。なお、突設した2本の支柱11が並ぶ直線上にさらに支柱11を突設し、上該支柱11とそれに隣接する支柱11との上に、上記と同様の施工方法で、縦桟14、横桟19、太陽電池モジュール16を順に配することによって、太陽光発電装置1が備える太陽電池モジュール16の数を増加させることができる。
(架台20の詳細な説明)
(支柱11について)
図5は、支柱11と縦桟14との接続状態を示す斜視図である。図5に示されるように、断面が矩形の平鋼で形成された縦桟14が、断面がH字型のH鋼である支柱11に接続されていても良い。この場合、縦桟14は、支柱11の対向する一対のフランジ部21aのうち、一方のフランジ部21aの先端部側面にボルト等によって接続される。なお、図5に示す縦桟14は平鋼であるが、本発明はこれに限られない。
図6の(a)および(b)は、図6に示される縦桟14の変形例を示す斜視図である。図6の(a)に示されるように、平鋼である縦桟14に代えて、断面が角型U字型を示す溝形鋼である縦桟14aが支柱11の先端部側面に接続されていても良い。あるいは、図6の(b)に示されるように、平鋼である縦桟14に代えて、断面がZ字型のZ形鋼である縦桟14bが支柱11の先端部側面に接続されていても良い。このように、縦桟の形状は適宜変更可能であり、このことは、支柱11および横桟19においても同様である。
(1.太陽電池モジュール16の傾斜について)
架台20においては、上記載置面から測った支持具17および支持具18の各最高部の高さが異なっている。これにより、支持具17および支持具18は、図1に示すように、太陽電池モジュール16を載置面方向に対して非平行となる状態で支持固定している。より詳細には、上記載置面が地面Gに対して為す傾斜角よりも、太陽電池モジュール16が地面Gに対して為す傾斜角が大きくなるように、支持具17および支持具18によって、太陽電池モジュール16が支持固定されている。これにより、図1から分かるとおり、太陽電池モジュール16の上端部と上記載置面との間には、間隙が形成されている。この間隙部分に、架台20の傾斜方向について上側に隣接する太陽電池モジュール16の下端部が入り込むことによって、太陽光発電装置1は、傾斜方向に隣接する太陽電池モジュール16同士の間に、隙間が生じない構成となっている。それとともに、太陽光発電装置1は、下側の太陽電池モジュール16の上端部が、上側の薄膜太陽電池モジュール16の可端部よりも、鉛直方向の上方に位置している構成となっている。
(2.小ミラー13について)
小ミラー13は、ある太陽電池モジュール16の上端部と、架台20の傾斜方向について該太陽電池モジュール16の上側(北側)に隣接する太陽電池モジュール16の下端部との間に形成された間隙部分に設置される。小ミラー13は、北の方角から上記間隙部分に入射する散乱光を、上記上側に隣接する太陽電池モジュール16の受光面へと反射する。これにより、散乱光の一部は、小ミラー13で反射された後、太陽電池モジュール16の受光面に入射することによって、電流に変換されることになる。
さて、従来の太陽光発電装置901では、図12に示すとおり、太陽電池モジュール916と架台914との間の間隙部分に北の方角から入射した散乱光は、そのまま該間隙部分を通過していた。そのため、従来の太陽光発電装置901では、この散乱光は発電に寄与することがなかった。
一方、本実施形態に係る太陽光発電装置1は、小ミラー13を備えていることにより、架台20の傾斜方向に互いに隣接する太陽電池モジュール16同士の間に形成された間隙に入射する散乱光を、発電に利用することができる。これにより、従来の太陽光発電装置901と比較して、発電量が向上するという効果を奏する。なお、上記間隙部分に入射する散乱光が、北側に隣接する太陽電池モジュール16の受光面に向かって反射するようにするには、小ミラー13の鏡面の曲率や縦桟14に対する小ミラー13の設置角度によって、散乱光の反射方向を調整すればよい。
(3.架台20の砂落し機能)
各太陽電池モジュール16は、前述のように、上記載置面が地面Gに対して為す傾斜角よりも、太陽電池モジュール16が地面Gに対して為す傾斜角が大きくなるように、支持具17および支持具18によって支持固定されている。これにより、太陽電池モジュール16の上面が上記載置面と平行となるように太陽電池モジュール16を支持固定する構成と比較して、太陽電池モジュール16の上面に降り積もる砂塵等に掛かる重力が、太陽電池モジュール16の上面と平行な方向により大きな成分を持つため、砂塵等を滑落させ易くなる。
すなわち、本実施形態に係る架台20の構成は、砂塵等を太陽電池モジュール16上から落下させ易くする砂落し機能を有している。これにより、太陽電池モジュール16上に堆積する砂塵の量が減少するので、砂塵の堆積を原因とする太陽電池モジュール16の発電効率の低下を抑制することができる。なお、太陽電池モジュール16上を滑落して該太陽電池モジュール16の下端部に到達した砂塵は、太陽電池モジュール16と小ミラー13との間に形成された間隙を通って地面Gに落下する。
(4.架台20の変形例)
図1に示す架台20は、1本の縦桟14を1本の支柱11が支える構造(シングルポール架台)である。以下に、架台20と同様にシングルポール架台に含まれる3つの変形例の模式図を、図7の(a)〜(c)に示す。
図7の(a)に示す架台20aは、縦桟14、支持具17(および太陽電池モジュール16)を支持する部材として、支柱11の他に、支柱11に取り付けたアーム11Aを備えている構成である。アーム11Aは、各支柱につき1本ずつ取り付けられる。
また、図1に示す構成では、支柱11は縦桟14の中心付近に取り付けられているが、本変形例に係る架台20aでは、支柱11は縦桟14の上端部付近に取り付けられ、縦桟14の下端部付近にはアーム11Aが取り付けられている。これにより、架台20aは、縦桟14の上端部を支柱11が支持し、縦桟14の下端部をアーム11Aが支持する構成となっている。
架台20aは、地面Gまたは基礎に打ち込んで突設した支柱11の上端部にブラケット(図示せず)を固定し、支柱11の胴部にアーム11Aを接続し、上記ブラケットの先端部とアーム11Aの先端部との間に縦桟14を架け渡すことによって、該架台20aを固定する構造となっている。
他の変形例として、2本のアーム11B、11Cを備えた架台20bを図7の(b)に示す。架台20bは、2本のアーム11B、11Cの一端部を縦桟14の両端付近に接続し、ブラケット(図示せず)によって縦桟14の中央付近を支柱11の上端部に接続し、さらに支柱11の外周を囲むブラケット(図示せず)に各アーム11B、11Cの他の端部を接続することによって、縦桟14を支持する構成となっている。
以上の2つの変形例は、支柱11が地面Gに対して垂直に突設された構成であるが、図7の(c)に示す架台20cのように、支柱11aが地面Gに対して傾斜した状態で突設されている構成であってもよい。架台20cでは、縦桟14の下端部が地面Gに当接することにより、架台20cの支持を、支柱11aと分担している。
なお、本発明は、上述したようなシングルポールタイプの架台20、20a、20b、20cに限られるものではない。例えば、各縦桟14を2本の支柱によって支持する構成を有する架台も、本発明に含まれる。
(太陽電池モジュール16の例)
太陽電池モジュール16は、1つあるいは複数の太陽電池セルを備える。上記太陽電池セルは薄膜太陽電池である。以下に、太陽光発電装置1に採用することのできる太陽電池モジュール16について、図8〜図10にそれぞれ構成例を挙げて説明する。
(1.フレームなし太陽電池モジュール)
図8の(a)および(b)は、太陽電池モジュール16Aを示す構成図である。図8の(a)は平面図であり、図8の(b)は(a)に示すL−L線における断面図である。
図8の(a)に示すように、太陽電池モジュール16Aは、分離溝1604Aが形成されることによって、第1透光性基板1601Aの長手方向に直交する方向に、複数の太陽電池セル1600Aが形成されている。また、各太陽電池セル1600Aは、隣接する他の太陽電池セル1600Aに対して直列に接続された状態となっている。すなわち、太陽電池モジュール16Aでは、電気的に直列に接続された複数の太陽電池セル1600Aによって、太陽電池セルが形成されている。太陽電池セル1600Aの周囲には、絶縁部1603Aが形成されている。
図8の(b)に太陽電池モジュール16Aの断面構造を示す。太陽電池モジュール16Aの製造方法としては、まず、第1透光性基板1601A上に、透明電極層1606A、光電変換層1607A、および裏面電極層1608Aを順に積層することによって、太陽電池セルを形成する。その後、形成された太陽電池セルに対して、樹脂封止部1609A、第2透光性基板1602Aを重ねて樹脂封止することによって、太陽電池モジュール16Aが完成する。
なお、光電変換層1607Aは、例えば、シリコン系半導体、CIS(CuInSe)化合物半導体、CIGS(Cu(In、Ga)Se)化合物半導体を材料とし、透明電極層1606Aの側から順にp型半導体層、i型半導体層、およびn型半導体層を積層することによって構成される。また、樹脂封止部1609Aは、透明あるいは黒色のアイオノマー樹脂で形成される。
(2.フレーム有り太陽電池モジュール)
図9の(a)〜(c)は、前述した太陽電池モジュール16Aとは別の太陽電池モジュール16Bを示す構成図である。太陽電池モジュール16Bは、該太陽電池モジュール16B本体の外周縁にフレーム1611Bを取り付けた構成である。これにより、太陽電池モジュール16Bの強度向上を図ることができる。図9の(a)は、太陽電池モジュール16Bの平面図であり、図9の(b)および(c)は、それぞれ、太陽電池モジュール16Bの正面図、側面図である。
図9の(a)〜(c)に示されるように、太陽電池モジュール16Bは、太陽電池モジュール本体m1の外周部分にフレームFを備えたフレーム型の太陽電池モジュールである。
フレームFは、太陽電池モジュール本体m1の4辺に取り付けられる4本のフレーム部材f1〜f4と、隣接するフレーム部材f1〜f4同士を連結するネジ部材とから構成される。このフレーム部材f1〜f4は、アルミニウムやステンレス等の金属、これらの金属を樹脂コーティングした複合材、またはポリカーボネートやポリメタクリレート等のプラスチック等で構成される。
このように、太陽電池モジュール16BはフレームFによって外周部が補強されているため、外部からの入力に対する強度が向上すると共に、取り扱い性にも優れている。
(3.タンデム太陽電池)
図8の(b)に示す1層のpin構造を有する光電変換層1607Aの代わりに、図10に模式図を示す二重のpin構造1607aC、1607bCを有する光電変換層1607Cを備えた薄膜太陽電池Cとしてもよい。この構成を有する薄膜太陽電池Cは、タンデム太陽電池と呼ばれる。
二重pin構造の光電変換層1607Cを備えた薄膜太陽電池Cの製造方法としては、まず、基板1601C上に、透明導電膜1621Cを積層する。次に、透明導電膜1621C上に、第1のp型半導体層1622C、i型非晶質シリコン系光電変換層1623C、第1のn型半導体層1624Cを形成する。これにより、第1のpin構造1607aCが完成する。
次に、第2のp型半導体層1625C、i型微結晶シリコン系光電変換層1626C、および第2のn型半導体層1627Cを順次連続して成型することにより、第2のpin構造1607bCが完成する。
こうして、第1のpin構造1607aCおよび第2のpin構造1607bCからなる二重pin構造積層体を形成する。その後、上記二重構造積層体の上に、導電膜1628C、金属電極1608Cの順で積層することによって、薄膜太陽電池Cが完成する。
(薄膜太陽電池の光吸収特性)
以下に、薄膜太陽電池の特徴について、図13および図14を用いて説明する。
図13は、400nmから1200nmまでの波長域における各種太陽電池(薄膜アモルファスシリコン型太陽電池、結晶系シリコン太陽電池、CIGS(Copper indium Gallium DiSelenide))のエネルギー密度を示すグラフである。
図13から、薄膜系太陽電池の例としての薄膜アモルファスシリコン型太陽電池は、他の種類の太陽電池、特に結晶系シリコン太陽電池と比較して、特に400nmから600nmまでの短波長域における光吸収特性に優れていることが分かる。
薄膜太陽電池が短波長域における光吸収特性に優れる理由は、薄膜太陽電池の短波長域における感度が高いためである。
図14は、薄膜太陽電池セルおよび多結晶太陽電池セルについて、可視光域の波長に対する分光感度を示すグラフである。同図に示すように、薄膜太陽電池セルは約650nmの波長で分光感度のピークを有している一方、多結晶太陽電池セルは約850nmの波長で分光感度のピークを有している。すなわち、薄膜太陽電池セルは、多結晶太陽電池セルなどの結晶太陽電池セルと比較して、短波長域における感度に優れていることが分かる。
なお、図10に示すタンデム太陽電池では、非晶質(アモルファス)シリコン系光電変換層1623Cの他に、微結晶シリコン系光電変換層1626Cを含んでいることによって、図13の薄膜アモルファスシリコン型太陽電池と比較して、長波長側における光吸収率がより高くなる。すなわち、図10に示すタンデム太陽電池の光吸収特性は、図13に示す薄膜アモルファスシリコン型太陽電池の光吸収特性に加えて長波長側における発電効率をより高くすることができる。
このように、薄膜太陽電池は短波長域における光吸収特性に優れているので、他の種類の太陽電池と比較して、直接光だけでなく、散乱光も有効的に吸収して電流に変換することができるという特徴を有する。
さて、太陽光が空気中に含まれる砂塵などの微小な浮遊物によって散乱されたときに生じる散乱光は、太陽から直接入射する直接光よりも短波長成分をより多く含んでいる。太陽光発電装置1は、太陽電池モジュール16に、上記のような薄膜太陽電池を用いているため、短波長成分を多く含む散乱光であっても、効率よく吸収して電流に変換することができる構成となっている。
従って、薄膜太陽電池で構成された太陽電池モジュール16は、他の種類の太陽電池で構成された太陽電池モジュール、例えば単結晶系の太陽電池で構成された太陽電池モジュールと比較して、散乱光をより有効的に発電に使用することができる分、発電量を増大することができる。
(太陽光発電システム1000のブロック図)
最後に、太陽光発電装置1によって発生した電力を消費地へと送電する仕組みを、図11を用いて説明する。
図11に構成を示す太陽光発電システム1000は、上記太陽光発電装置1の他に、パワーコンディショナ21、分電盤31、電力量計41、および電気器具51を含んだ構成である。
太陽光発電システム1000では、太陽電池モジュール16によって発電された直流電流を、まずパワーコンディショナ21によって交流電流に変換する。その後、変換された交流電流は、分電盤31によって分電され、その電流の一部は、当該太陽光発電システム1000が備えた電気器具51の電力として利用される一方、残りの電流は、電源から送電線等によって外部の電力消費地へと送電される。このとき、電力量計41により、電源から外部へと送電される電力量が計測される。
なお、パワーコンディショナ21は、直流電流を交流電流に変換する構成に限られない。すなわち、パワーコンディショナ21は、直流電力を交流電力に変換する構成であればよい。
(まとめ)
本実施形態に係る太陽光発電装置1によれば、太陽電池モジュール16の上面に垂直な方向から見たとき、架台20の傾斜方向に隣接する太陽電池モジュール16同士が、一部に重なりがあるか、少なくとも間隙が存在しない状態で配置される。そのため、太陽光発電装置1は、図12に示す従来の太陽光発電装置901のように架台914の傾斜方向に隣接する太陽電池モジュール16同士の間に間隙がある構成と比較して、架台20の傾斜方向の長さを短くすることができる。これにより、太陽光発電装置1の地面Gに対する設置面積を、従来の太陽光発電装置901よりも小さくすることができる。あるいは、同じ設置面積同士で比較したとき、本実施形態に係る太陽光発電装置1は、従来の太陽光発電装置901の太陽電池モジュール916載置数よりも、多くの太陽電池モジュール16を載置することができる。言い換えれば、載置される太陽電池モジュール16の単位設置面積あたりの発電量を大きくすることができる。特に、メガソーラーなどの大規模な太陽光発電施設の場合、架台の傾斜方向に配列する太陽電池モジュール設置数が多くなることから、設置面積縮小の効果が大きくなる。
架台20の傾斜方向に隣接する太陽電池モジュール16同士が、一部に重なりがあるか、少なくとも間隙が存在しない状態で配置した構成では、太陽電池モジュール16の上側端辺が、北側に隣接する太陽電池モジュール16の下側端辺の付近に影を形成しやすくなる。しかし、太陽電池モジュール16は薄膜太陽電池で構成されているので、上記したように、散乱光を効率的に吸収し発電効率を向上させることができる。これにより、上記影が発電量を低下させる影響を小さくすることができる。
さらに、本実施形態に係る太陽光発電装置1では、太陽電池モジュール16の上端部と架台20の載置面との間に、小ミラー13が設置されている。この小ミラー13に北の方角から入射する散乱光の一部は、太陽電池モジュール16の受光面へ反射され、該太陽電池モジュール16によって吸収される。これにより、散乱光の一部が発電量に寄与することになる。その結果として、理論値によれば、最大24%−αの発電量を得ることができる。このようにして太陽光発電装置1に吸収される散乱光は、小ミラーを備えない構成である従来の太陽光発電装置901において、まったく発電量に寄与していなかったものである。従って、太陽光発電装置1は、従来の太陽光発電装置901よりも発電量を向上させることができる。
なお、赤道を含む北回帰線と南回帰線との間に含まれる地域で太陽光発電装置1が使用される場合において、本発明は特に有効である。なぜならば、上記地域は、夏至当日に太陽の南中高度が0°以上になる地域であるので、夏至当日および夏至付近の日には、太陽電池モジュール16の受光面の向きとは反対の方角、すなわち北の方角から太陽の直接光が照射される時間帯がある。ところで、太陽光発電装置1では、北の方角から太陽電池モジュール16と載置面との間に入射する直接光が、小ミラー13によって反射されるので、その反射光の一部は太陽電池モジュール16によって吸収されうる。従って、太陽光発電装置1は、上記地域において、特に、発電効率を向上させることができることになる。
〔実施形態2〕
本実施形態では、図3および図4を用いて、南北方向すなわち架台20の載置面の傾斜方向に、複数の太陽光発電装置1が配列された構成について説明する。
この構成において、南側に位置する太陽光発電装置1aは、図3に示すように、前記実施形態1で説明した構成部材に加えて、大ミラー(第3の反射部)15をさらに備えていてもよい。
大ミラー15は、北の方角から南側の太陽光発電装置1aの載置面と地面Gとの間に入射する散乱光を反射することにより、その反射光の一部を、該太陽光発電装置1aの北側に位置する太陽光発電装置1が備えた太陽電池モジュール16の受光面に入射させる。これにより、上記散乱光の一部が、上記北側の太陽光発電装置1において光電変換されることになる。従って、大ミラー15を設置しない構成と比較して、発電量が向上するという効果を奏する。
(太陽光発電装置1の変形例)
図4に、太陽光発電装置1の他の変形例である太陽光発電装置1bの構成を示す。太陽光発電装置1bは、載置面の上端部の太陽電池モジュール16が設置されない余白領域に、反射鏡(第2の反射部)13Xをさらに備えている。反射鏡13Xは、上記余白領域に向かって北の方角から入射する散乱光を、該太陽光発電装置1bの北に隣接する別の太陽光発電装置1bに反射する。そして、この反射光の一部は、上記別の太陽光発電装置1bが備えた太陽電池モジュール16に入射することで、電流に変換される。このように、反射鏡13Xは、散乱光の一部が発電に寄与するために、発電量を向上させることができる。
さらに、太陽光発電装置1bの反射鏡13Xは、両面鏡とすることによって、南の方角から入射する直接光または散乱光を、該太陽光発電装置1bが備えた太陽電池モジュール16に反射する構成であってもよい。また、上記別の太陽光発電装置1bが備えた反射鏡13Xは、南の方角から入射する直接光または散乱光を、大ミラー15を介して、上記別の太陽光発電装置1bが備えた太陽電池モジュール16の受光面の方向へ反射する構成としてもよい。このように、南の方角から入射する直接光または散乱光を反射鏡13Xによって南側へ反射することにより、発電量をさらに向上させることができる。
なお、前記実施形態1のように、1つの太陽光発電装置1のみが設置されている構成において、太陽光発電装置1は、ここで説明した反射鏡13Xを備えていてもよい。この構成の場合、反射鏡13Xは、太陽光発電装置1の後端部に南の方角から入射する散乱光を、該太陽光発電装置1が備えた太陽電池モジュール16の受光面に反射する。
以上のように、本発明に係る太陽光発電装置において、上記架台は、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上記上側端辺において、上記架台の載置面から測った該下側薄膜太陽電池モジュールの下面の高さが、上記上側薄膜太陽電池モジュールの上記下側端辺において上記載置面から測った該上側薄膜太陽電池モジュールの上面の高さよりも高くなるように、各薄膜太陽電池モジュールを支持する支持部を備えた構成であってもよい。
上記構成によれば、支持部に支持されることによって、架台の載置面上において隣接する2つの薄膜太陽電池モジュールは、下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺において載置面から測った該下側薄膜太陽電池モジュールの下面の高さが、上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺において載置面から測った該上側薄膜太陽電池モジュールの上面の高さよりも高くなる。すなわち、上記下側薄膜太陽電池モジュールは、該前方薄膜太陽電池モジュールの下側端辺から上側端辺の方向に、上記載置面から離れていくように配置されている。
従って、上記前方薄膜太陽発電池モジュールの上側端辺と載置面との間には、下側端辺と載置面との間に形成される間隙より広い間隙が形成される。従って、薄前方膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から見たとき、上記間隙に上記後方薄膜太陽電池モジュールの下側端辺が入り込む構成を採用し易くなる。これにより、薄膜太陽電池モジュールを用いて発電効率を従来よりも高めた太陽光発電装置の設置面積をさらに縮小することができる。
また、上記広い間隙に、下記で説明する反射部を設け、その反射面積を大きくすることができる。
また、本発明に係る太陽光発電装置は、上記下側薄膜太陽電池モジュールの下面と上記架台の載置面との間に反射部が設置され、上記反射部は、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に入射する光を、上記上側薄膜太陽電池モジュールの受光面へと反射する構成であってもよい。
上記構成によれば、反射部は、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺における該薄膜太陽電池モジュールの下面と、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺における該薄膜太陽電池モジュールの上面との間に入射する光を、上記上側薄膜太陽電池モジュールの受光面へと反射する。
ここで、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺における該薄膜太陽電池モジュールの下面と、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺における該薄膜太陽電池モジュールの上面との間に入射する光とは、例えば砂塵等によって太陽光が反射されることによって様々な方向に生じる散乱光である。
薄膜太陽電池モジュール同士の間隙に入射した光は、そのままでは該薄膜太陽電池モジュールに吸収されることがないため、発電には寄与しない。
しかしながら、上記構成によれば、下側薄膜太陽電池モジュールと上側薄膜太陽電池モジュールとの間に入射した光は、上記反射部によって反射されて、その一部は上側薄膜太陽電池モジュールに入射する。これにより、散乱光が発電に寄与することになる。なお、反射光が上側薄膜太陽電池モジュールの受光面に向かって反射するようにすることは、反射部がミラーである場合、該ミラーの曲率や設置角度により、反射方向を調整することによって実現することができる。
また、本発明に係る太陽光発電装置において、上記架台は、上記薄膜太陽電池モジュールが取り付けられた縦桟および横桟と、上記薄膜太陽電池モジュールおよび該薄膜太陽電池モジュールが取り付けられた上記縦桟および上記横桟を支持固定する、各縦桟につき1本の支柱とで構成されていてもよい。
上記構成によれば、架台が、各縦桟につき1本の支柱で構成される。この支柱は、例えば、地面や基礎などに突設されるものである。また、上記支柱によって、上記縦桟および上記横桟を、水平面に対して所定の角度で支持固定する。この後、上記縦桟および上記横桟に対して薄膜太陽電池モジュールを取り付けることによって、太陽光発電装置が完成する。このように、各縦桟につき1本の支柱のみを使用して、簡単に架台を構成することができ、太陽光発電装置の構成を簡素化することができる。
また、本発明に係る太陽光発電装置において、上記架台は、上記架台の載置面の後端部に入射する光を、少なくとも上記傾斜の方向の下側へ反射する第2の反射部を備えた構成であってもよい。
上記構成によれば、架台の載置面の後端部に入射する光が、第2の反射部によって下側に反射されることによって、その光の一部が太陽光発電装置の太陽電池モジュールに入射するので、当該太陽光発電装置の発電量が向上する。
あるいは、本発明に係る太陽光発電装置において、当該太陽光発電装置の上側に他の太陽光発電装置が設置されており、上記架台は、当該太陽光発電装置の後方から入射する光を、上記他の太陽光発電装置が備えた薄膜太陽電池モジュールの受光面側に反射する第3の反射部をさらに備えた構成であってもよい。
上記構成によれば、太陽光発電装置の後方から入射する光は、第3の反射部によって反射され、他の太陽光発電装置に入射する。特に、太陽光発電装置が備えた太陽電池モジュールの受光面以外に入射する光が、上記第3の反射部によって反射されて、上記他の太陽光発電装置が備えた太陽電池モジュールの受光面に入射する。これにより、上記他の太陽光発電装置の発電量を向上させることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態中に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、複数の太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置に利用することができる。
1、1a 太陽光発電装置
11、11a 支柱
13 小ミラー(反射部)
13X 反射鏡(第2の反射部)
15 大ミラー(第3の反射部)
16 太陽電池モジュール
17、18 支持具(支持部)
20 架台
1000 太陽光発電システム

Claims (7)

  1. 複数の薄膜太陽電池モジュールと、該薄膜太陽電池モジュールを傾斜状態で載置する架台とを備えた太陽光発電装置であって、
    上記複数の薄膜太陽電池モジュールは、該薄膜太陽電池モジュールの傾斜の方向に隣り合って配置された下側薄膜太陽電池モジュールおよび上側薄膜太陽電池モジュールを含み、
    上記下側薄膜太陽電池モジュールの上側端辺が、上記上側薄膜太陽電池モジュールの下側端辺より、鉛直方向の上方に位置するように、かつ、上記薄膜太陽電池モジュールの上面に対して垂直な方向から、上記上側端辺および隣接する上記下側端辺を見たときに、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に隙間が生じないように、上記複数の薄膜太陽電池モジュールが設置されていること
    を特徴とする太陽光発電装置。
  2. 上記架台は、上記下側薄膜太陽電池モジュールの上記上側端辺において、上記架台の載置面から測った該下側薄膜太陽電池モジュールの下面の高さが、上記上側薄膜太陽電池モジュールの上記下側端辺において上記載置面から測った該上側薄膜太陽電池モジュールの上面の高さよりも高くなるように、各薄膜太陽電池モジュールを支持する支持部を備えたこと
    を特徴とする請求項1記載の太陽光発電装置。
  3. 上記下側薄膜太陽電池モジュールの下面と上記架台の載置面との間に反射部が設置され、
    上記反射部は、上記上側端辺と隣接する上記下側端辺との間に入射する光を、上記上側薄膜太陽電池モジュールの受光面へと反射すること
    を特徴とする請求項1または2記載の太陽光発電装置。
  4. 上記架台は、上記薄膜太陽電池モジュールが取り付けられた縦桟および横桟と、上記薄膜太陽電池モジュールおよび該薄膜太陽電池モジュールが取り付けられた上記縦桟および上記横桟を支持固定する、各縦桟につき1本の支柱とで構成されていること
    を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
  5. 上記架台は、上記架台の載置面の後端部に入射する光を、少なくとも上記傾斜の方向の下側へ反射する第2の反射部を備えたこと
    を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
  6. 当該太陽光発電装置の上側に他の太陽光発電装置が設置されており、
    上記架台は、当該太陽光発電装置の後方から入射する光を、上記他の太陽光発電装置が備えた薄膜太陽電池モジュールの受光面側に反射する第3の反射部をさらに備えたこと
    を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の太陽光発電装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽光発電装置と、
    該太陽光発電装置で発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを備えたこと
    を特徴とする太陽光発電システム。
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