JP2014120310A - 色素増感太陽電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】円筒型色素増感太陽電池が有する、シリコン太陽電池と比べて好ましい特性を生かした色素増感太陽電池発電システムを提供する。
【解決手段】色素増感太陽電池発電システム１０は、建物の外壁の開口部に取り付けられる採光建具の屋内側に設けられるブラインド１２と、採光建具とブラインド１２の間に設けられる円筒型色素増感太陽電池セル１８の群２０を含む。ブラインド１２は糸１６ａ、１６ｂ、１６ｃで繋がれた多数のスラット１４で構成され、スラット１４の角度を変えることで、透光と遮光が切り替えられる。円筒型色素増感太陽電池セル１８の群２０もブラインド１２のスラット１４と同様に動作する。採光建具を介して直射光および散乱光がセルの正面や側面に入射し、およびスラット１４からの反射光がセルの裏面に入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、色素増感太陽電池発電システムに関する。

色素増感太陽電池は、湿式太陽電池あるいはグレッツェル電池等と呼ばれ、シリコン半導体を用いることなくヨウ素溶液に代表される電気化学的なセル構造を持つ点に特徴がある。例えば、透明な導電性ガラス板等のアノード電極に二酸化チタン粉末等を焼付け、これに色素を吸着させて形成したチタニア層等の多孔質半導体層と導電性ガラス板（導電性基板）からなる対極（カソード電極）の間に電解質としてヨウ素溶液等を配置した、簡易な構造を有する。

色素増感太陽電池は、材料が安価であり、作製に大掛かりな設備を必要としないことから、低コストの太陽電池として注目されている。
しかし、従来の色素増感太陽電池は、主に平板状の構造であるために、広い設置面積が必要であった。また、太陽電池のエネルギソースである太陽光が時刻や季節によって光量や入射角度が変化するために、発電量が安定しない不具合があった。

そこで、従来の色素増感太陽電池における上記の欠点に鑑み、透明材料からなる管の内面にアノード電極層、色素増感多孔質半導体層および電解質層が順次設けられ、管の中央部にカソード電極が挿入された円筒構造を有する色素増感太陽電池が提案されている（例えば特許文献１参照）。
このような円筒構造を有する色素増感太陽電池によれば、光の入射角度に対する発電量の変化を大幅に低減することができ、しかも平板状の構造と比べて高強度であり封止箇所も少なく、耐久性が高い色素増感太陽電池を提供できる。

ところで、色素増感太陽電池を含む様々な種類の太陽電池の中でも、シリコン太陽電池は、最も古い歴史と実績があり、高効率で信頼性が高いため、現在の主流である。
しかし、シリコン太陽電池は、単結晶型、多結晶型ともにシリコンインゴットをスライスして製造するため、湾曲した発電面を形成することができない。また、アモルファス型ではシリコンを蒸着して製造するため、曲面への蒸着が難しい。このため、いずれの型のシリコン太陽電池も円筒型に形成することが難しい。
また、シリコン太陽電池は、受光量の低下にほぼ比例して光電変換効率が低下することが知られている。これに対して、色素増感太陽電池の場合、受光量が低下しても安定した光電変換効率を維持できることが知られている。

特開２００３−７７５５０号公報

本発明は、円筒型色素増感太陽電池が有する、上記したシリコン太陽電池と比べて好ましい特性を生かした色素増感太陽電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、建物の外壁の開口部に取り付けられる採光建具の屋内側に設けられるブラインドと、該採光建具と該ブラインドの間に設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする。

本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、建物の採光建具の屋内側に設けられるブラインドと、採光建具とブラインドの間に設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むため、もともと平板状構造のものに比べて耐久性の高い円筒型色素増感太陽電池セルの耐候性条件が緩和され、すなわち屋外で使用するときに問題となる、風雨や温度変化等に起因する変形や劣化等の変質が緩和され、より良好な耐久性を有する発電システムを実現することができる。
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、採光建具を介して入射する太陽光が時刻や季節によって光量や入射角度が変化しても安定した発電効率や発電量を得ることができる。
また、本発明に係る色素増感太陽電池発電システムは、太陽光が照射されるブラインドからの反射光や散乱光による発電効率や発電量の増加を得ることができる。

図１は本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムの概略構成図である。 図２は晴天時の日の出から日没までの日射量の変化の一例を示すグラフ図である。 図３は円筒型色素増感太陽電池セルを用い、セルを地表面に対して水平方向に配置した場合と垂直方向に配置した場合のそれぞれの出力の一例を示すグラフ図である。

本発明の実施の形態（以下、本実施の形態という。）について説明する。

本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムは、建物の採光建具の屋内側に設けられるブラインドと、採光建具とブラインドの間に設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含む。円筒型色素増感太陽電池セルは円筒型ＤＳＣと略称することができる。

建物は、人間の居住、作業空間、物品の保管等に用いられる建築物をいう。
採光建具は、建物の外壁の開口部に取り付けられる採光のための仕切りであって、透明または半透明部材（これを採光部ということがある。）を枠体に収容したものをいう。具体的には、建物の外壁の開口部に取り付けられる、採光とともに換気用に設けられる窓や、建物の内外を行き来するための玄関等に取り付けられる戸等をいう。建物の内部に設けられるものであって、部屋と部屋の間等を仕切る襖や障子あるいはドア等を含まない。また、建物の外壁の開口部に取り付けられるものであっても、金属や木材で全体が形成されて採光部がない仕切りは含まない。一方、採光建具は、開閉可能な構造のものに限らず、嵌め込み式の窓等を含む。

ブラインドは、通常用いられる、窓等の採光建具の内側（屋内側）に設けられる覆いをいい、近年採用される、夏場の太陽熱を窓等の外側で遮蔽し屋内温度の上昇を抑えて省エネや屋内環境を快適することを目的として設けられる外付けブラインドを含まない。以下、本実施の形態例におけるブラインドを外付けブラインドと区別して屋内ブラインドということがある。

ブラインド（屋内ブラインド）は、採光建具を介して外部から建物の内部に向けられる視線を遮る目的や、太陽光を適宜建物内に取り込みあるいは遮る目的で用いられる。
図１の色素増感太陽電池発電システム１０に示すように、ブラインド１２は、一般的に広く用いられる、スラットあるいはルーバーと呼ばれる金属や樹脂の細長い帯状の板（以下、スラットという。）１４を糸１６ａ、１６ｂ、１６ｃで繋いでおり、図示しない棒や紐でスラットの角度を調整することができる構造のものを採用することができる。なお、スラットは木製やその他の材料で形成されたものであってもよい。ブラインド１２は、必要に応じて巻取り可能な構造のものを含む。図１の例は、スラット１４を水平方向に延出して設け、必要に応じて上方向に巻取るタイプのものであり（これを横型ブラインドあるいはベネシアンブラインドということがある。）、これが一般的である。ただし、これに限らず、スラットを垂直方向に延出して設け、必要に応じて左右いずれかの方向に巻取るタイプのもの（これを縦型ブラインドあるいはバーチカルラインドということがある。）であってもよい。また、ブラインドは、遮光ロールスクリーンや遮光カーテンであってもよい。
金属や樹脂を材料として形成されるスラットあるいはスクリーンは、太陽光を一定程度反射できるものであるためそのまま用いてもよいが、窓等の側、言い換えれば太陽電池の側に向けた片面に光反射材や光散乱材を設けると、より好ましい。木製その他反射性に乏しい材料の場合反射材や光散乱材を設けることが望ましいのはもちろんである。反射材等は、例えば、光反射性等を有する塗料をスラットに塗布したものや光反射性等を有するテープをスラット等に貼付したもの等とすることができる。

ブラインドのスラットは、通常、強度を確保するために翼状の反りが設けられるが、これに限らず、反りのない平板であってもよい。

円筒型色素増感太陽電池セル群は、採光建具とブラインドの間に、採光建具およびブラインドのいずれにも固着されることなく、両者から離間して設けられる。
円筒型色素増感太陽電池セル群は、背景技術の欄で説明したように、透明材料からなる管の内面にアノード電極層、色素増感多孔質半導体層および電解質層が順次設けられ、管の中央部にカソード電極が挿入された円筒構造を有するものである限り、広く用いることができる。円筒の封止される一端にアノード電極からの取出し電極が、他の一端にカソード電極からの取出し電極がそれぞれ設けられる。取出し電極に接続される電気配線の接続方法によって、各セルを直列に、あるいは並列に接続することができる。円筒型色素増感太陽電池セル群は、既存の送電線や電気配線に接続され、あるいは、蓄電装置や電気器具等に接続される。

円筒型色素増感太陽電池セルの特性をシリコン太陽電池の特性と比較して説明する。
地上で受光する日射は、（１）大気中で散乱せずに太陽から直接地表に到達する直達日射と、（２）太陽放射のうちで、直達日射を除き、大気中の空気、水蒸気、エアロゾル等による散乱日射と、（３）さらに地面や周辺の構造物からの反射光の主に３種類ある。太陽放射からの直達日射と散乱日射は、気象条件によって異なるが、晴天時は３対１であり、曇天時は直達日射はゼロのため、散乱日射のみになる。地面からの反射は直達日射と散乱日射に関係なく０．１〜０．２程度である。
図２に、晴天時の日の出から日没までの日射量の変化の一例を示す。図２で横軸は時刻を縦軸は日射量をそれぞれ示す。日射量は、全天日射量に比例する受光部の昇温を熱電堆の起電力に変換して、測定したものである。「全天日射」は、受光部が上向きになるように水平に設置したときに受光する日射量を示し、太陽放射の大気中で散乱せずに太陽から直接地表に到達する直達日射と、散乱日射の合計を表す。このとき全天日射計で受光する直達日射は、太陽高度をθとした場合に、水平に置いた全天日射計の受光面には、実際の直達日射×ｓｉｎθ分を受光するため、測定された日射は、南中高度である12時から12時半で日射量が最大になる。なお、図２中、「裏・日射量」は、受光部が下向きになるように水平設置した図２に示す「裏・日射量」と「全天日射量」の比は０．１４〜０．１６対1であった。
シリコン太陽電池は、平板型が多く、太陽高度θのほか平板への入射角度にも大きく依存するとともに、入射する直達日射および散乱日射を受光して効率よく発電するが、弱い光である散乱光では発電効率が悪くなるといわれている。これに対して、円筒型色素増感太陽電池セルは、入射光に対して概ね垂直となる円周曲面が常にあり、太陽光の入射角依存性が少ないため、直達日射、散乱日射のほかに裏側からの反射光も受光するのが特徴であり、散乱光や反射光といった弱い光でも効率よく発電する。
このため、太陽高度の低い朝夕は、先に説明したように、シリコン太陽電池では、光電変換効率の低下と相俟って発電量が極端に減少することなるが、円筒型色素増感太陽電池セルでは、安定した発電量を維持することができる。
図３に、晴天時に、円筒型色素増感太陽電池セルを地表面に対して水平方向に配置した場合と垂直方向に配置した場合のそれぞれの出力の一例を示す。
使用した円筒型色素増感太陽電池セルは、厚みが２ｍｍ、直径が２０ｍｍ、長さが１０ｃｍの円筒状の透明ガラス管の内側に、径方向に、Ｎ７１９色素を吸着したチタニアからなる、厚みが約０．０１５ｍｍの多孔質半導体層、タングステンからなる、厚みが約０．０３ｍｍの集電電極、テフロン（テフロンは登録商標）からなる、厚みが約０．０３ｍｍの絶縁層、白金を被覆したチタンからなる、厚みが約０．０５ｍｍの対極層が、この順で積層されたものである。集電電極と対極層の間にヨウ素を電解質とする電解液が充填される。
図３からセルの配置方向が変わっても出力にほとんど差がないことがわかる。

円筒型色素増感太陽電池セルは、採光建具を介して入射する太陽光を効率的に受光し、また、ブラインドからの反射光を効率的に受光するために十分大きな寸法であることが好ましい。しかし、円筒型色素増感太陽電池セルの寸法は、セルの強度や製造技術上の制約から１つあるいは少数でブラインドの幅方向や高さ方向を十分にカバーできるものではないため、図１に示すように、多数の円筒型色素増感太陽電池セル１８を並べて群２０として配置する。ただし、円筒型色素増感太陽電池セル群の設置費用や、円筒型色素増感太陽電池セルで得られる電力の消費先の電力消費量等を種々勘案すると、無数の円筒型色素増感太陽電池セルを並べて群として配置することは必ずしも必要ではない。

円筒型色素増感太陽電池セルは、上記したように、その構造を特に限定するものではなく、いずれのタイプのものであってもよい。
特許文献１の例を含め通常のセルは、両側開放端を樹脂接着剤により封止することが行われている。この場合、一般に樹脂接着剤は環境変化や劣化により耐久性が比較的乏しいため、封止部分からの電解質の漏洩が起こるおそれがある。
これに対して、円筒素子の開口端部をネジ構造により封止し、さらに好ましくは開口端部にＯリングを配置した封止構造を有するものが提案されている。この場合、一対の取り出し電極は、それぞれ封止部分から露出して設けられ、そのために封止部分に貫通孔を設ける等して取り出し電極を引き出す必要があるため、電解質の漏洩の観点からは貫通孔等の封止構造に不安が残る。
これに対し、封止を円筒素子の両端部に設ける一対の蓋体で構成し、蓋体が、軸方向に延出する導電性金属部を有し、導電性金属部の一端側がセル内部に設けられる一対の電極のいずれか一方に電気的に接続されて取り出し電極とされると、上記他の例に比べて封止がより確実に行われ、また、電解液の補給や、セル構成部材の更新等を行う場合に蓋体を脱着することで容易に行うことができ、保守が簡易となり、また、耐久性の面でも最も好ましい。このため、この蓋体で封止したセルを用いることがより好ましい。

円筒型色素増感太陽電池セル群の各セルは、ブラインドからの反射光を効率的に受光するために、スラットの長手方向とセルの長手方向を揃えること、すなわち、図１に示すように、セル１８とスラット１４が図１中右方向から見た平面視で平行になるように配置することが好ましいが、これに限らず、セル１８とスラット１４が平面視で直交するように配置してもよい。セル１８とスラット１４を平面視で平行になるように配置する場合、それぞれのスラット１４を半割円筒状に形成し、１つのスラット１４が１つのセル１８を包み込むように配置することが、より好ましい。

円筒型色素増感太陽電池セル群は、固定枠体にセルを整列させた構造のものを排除するものではないが、この場合、固定して配置されたセル群がブラインドを巻き取って採光建具を介して太陽光を屋内に導入する際の障害となり、あるいは、採光建具を介して外部の景色を見る場合等の障害となり、もしくは美観を損ねるおそれがある。このため、円筒型色素増感太陽電池セル群の各セルは、ブラインド１２のスラット１４と同様の糸２２で繋げた構造とし（図１参照）、必要に応じてセル群を巻き取れることが、より好ましい。このとき、ブラインドのスラットとセル群の各セルが同期して移動する構造とすることが好ましい。

円筒型色素増感太陽電池セルの設置方法として、例えばセルをブラインドのスラットに固着して両者を一体化することが考えられる。しかし、この場合、色素増感太陽電池発電システムは、セル群とブラインをセットとしたものを個別に構築する必要がある。このため、システムン構築作業が煩雑となり、設置費用も高額となるおそれがある。これに対して、本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムは、ブラインドとは別に円筒型色素増感太陽電池セル群を設けるため、例えば、既存のブラインドに対して円筒型色素増感太陽電池セル群を取り付けることで、システムン構築作業が簡易となり、設置費用も安価となる。また、ブラインドの一部のスラットまたは一部のセルが老朽化し、あるいは破損等した場合、先に述べた一体構造の場合は、セルの付いたスラットをそのまま交換等する必要があるが、本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムの場合は、老朽化等したスラットまたはセルのみを交換すればよい。

以上説明した本実施の形態に係る色素増感太陽電池発電システムのより好ましい実施態様について、以下に箇条書きで列記する。
（１）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、色素増感太陽電池発電システムが設置される建物は住宅である。
（２）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、採光建具は透明または半透明のガラスや樹脂が枠体に固定された窓である。窓は、２枚以上の窓部で構成されて開閉可能である。または、窓は、１つの窓部で構成され、建物の壁の開口部に嵌め込み式に設ける。
（３）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、多数の円筒型色素増感太陽電池セルで構成される群（セル群）の各セルは、糸で繋げられ、セル群を巻き取り可能に構成する。
（４）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、多数の円筒型色素増感太陽電池セルで構成される群（セル群）は、多数のスラットで構成されるブラインドと、セルおよびスラットが一対一で対応して配置され、ブラインドのスラットとセル群のセルが同期して動作する構造である。
（５）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、ブラインドのスラットとセル群のセルは、平面視で平行に配置する。
（６）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、円筒型色素増感太陽電池セルは、両端がねじ込み式あるいは嵌合式の蓋体で封止され、蓋体は導電性材料で形成され、取出し電極として作用する。
（７）色素増感太陽電池発電システムにおいて、好ましくは、ブラインドのスラットの採光建具の側、言い換えれば、円筒型色素増感太陽電池セル群の側に向けた片面には、光反射材または光散乱材を設ける。
（７）上述していないが、多数の円筒型色素増感太陽電池セルを上下方向に並列して配置する場合であって、セルの自重が無視できないときは、好ましくは、複数のあるいは全数のセルを透明樹脂フィルムでラミネート加工する。

色素増感太陽電池発電システム １０
ブラインド １２
スラット １４
糸 １６ａ、１６ｂ、１６ｃ、２２
円筒型色素増感太陽電池セル １８
群 ２０

Claims (1)

1. 建物の外壁の開口部に取り付けられる採光建具の屋内側に設けられるブラインドと、該採光建具と該ブラインドの間に設けられる円筒型色素増感太陽電池セル群を含むことを特徴とする色素増感太陽電池発電システム。

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