JP2014167947A - 太陽光発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の太陽光発電装置１は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光板４と、集光板４の端面に設置されて端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュール２と、太陽の運動に対応して集光板４の主面と交差する仮想面に沿う方向に太陽電池モジュール２を回転させる追尾装置３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電装置に関する。
太陽光発電装置において、大きな発電量を得るためには太陽電池への入射光量を増加させる必要がある。入射光量を増加させる一つの手段として、レンズを用いた集光型の太陽電池装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。この太陽電池装置は、複数の集光レンズと、複数の太陽電池セルと、架台と、位置検出センサと、形状記憶合金バネを含む架台駆動手段と、を備えている。複数の太陽電池セルは、複数の集光レンズの焦点上にそれぞれ配置されている。位置検出センサは、架台上の一つの集光レンズの焦点に対応する位置に設けられている。架台駆動手段は、位置検出センサの中央に集光スポットが形成されるように架台を移動させるものである。
特開平９−１９９７４９号公報
特許文献１に記載の太陽電池装置の場合、集光レンズを用いて太陽電池セルに太陽光を集光しているため、位置検出センサを用いて太陽の運動に応じて集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせる必要がある。しかしながら、集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせるのは現実的には難しい。これらの位置合わせに僅かな誤差が生じただけでも、発電量が大幅に減少するという問題がある。また、この太陽電池装置は、正方形を４分割した形状の４枚の集熱板に形状記憶合金バネをそれぞれ接続した構成を有している。そして、各形状記憶合金バネの伸縮の度合いによって集熱板を直交する２方向に移動させている。この構成では、各形状記憶合金バネが外部からの熱の影響等を受けることが考えられ、位置合わせの精度が十分に得られない。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の太陽光発電装置は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、太陽の運動に対応して前記集光部材の前記主面と交差する仮想面に沿う方向に前記太陽電池モジュールを回転させる追尾装置と、を備えたことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを回転させる駆動部と、１年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの回転角度を求め、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する部材を内蔵し、前記太陽電池モジュールを回転させる可動部を備え、前記可動部が前記部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記形状集光板が、断面三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、前記構造体の延在方向と垂直な前記仮想面に沿う方向に前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記太陽電池モジュールが複数並べて配置されたことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、複数の前記太陽電池モジュールを、一つの回転軸を中心に同時に回転させることを特徴とする。
本発明によれば、太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 第１実施形態の太陽光発電装置の断面図である。 太陽の運動を説明するための図である。 太陽光発電装置における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。 第１実施形態の太陽光発電装置の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の太陽光発電装置を示す断面図である。 比較例の太陽光発電装置における年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。 第２実施形態の太陽光発電装置における年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。 第２実施形態の太陽光発電装置の変形例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態の太陽光発電装置を示す断面図である。 第３実施形態の太陽光発電装置の変形例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 第４実施形態の太陽光発電装置における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。 第４実施形態の太陽光発電装置における年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。 本発明の第５実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態の太陽光発電装置を示す斜視図である。 第６実施形態の太陽光発電装置の可動部を示す斜視図である。 １年間の平均気温の変化を示すグラフである。 １年間の太陽の南中高度の変化を示すグラフである。 第６実施形態の太陽光発電装置における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。 第６実施形態の太陽光発電装置の変形例を示す斜視図である。 本変形例の太陽光発電装置の可動部を示す斜視図である。 太陽光発電装置の全体構成を示すブロック図である。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態では、太陽の年周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例を挙げる。
図１は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿う太陽光発電装置の断面図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態の太陽光発電装置１は、図１に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール２は、図２に示すように、集光板４（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。 太陽電池モジュール２では、集光板４から採り入れた太陽光を集光板４の端面に設けた太陽電池素子５に導き、太陽電池素子５にて光電変換を生じさせ、太陽光を電気エネルギーとして取り出す。集光板４は、後述するように、主面の法線方向から見た平面形状が長方形状の透光性を有する板体で構成されている。太陽電池素子５は、集光板４の４つの端面のうちの１つの端面に設置されている。集光板４と太陽電池素子５とは、アルミニウム等の金属製のフレーム６の内部に収容された状態で固定されている。
集光板４の内部において、光Ｌは、概ね太陽電池素子５が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子５が配置された側の端部に向けて伝播する。したがって、以下の説明では、集光板４の太陽電池素子５が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子５が配置された側の端部に向かう方向を「光の伝播方向Ｘ」と称する。以下、各図面においては、集光板４の主面を水平に配置した状態において、光の伝播方向Ｘをｘ軸方向とし、主面に平行でかつ光の伝播方向Ｘに垂直な方向をｙ軸方向とし、集光板４の厚さ方向をｚ軸方向とする。
集光板４は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料によって構成されている。ただし、集光板４の材料はこれらの材料に限定されるものではない。集光板４の２つの主面４ａ，４ｂのうち、フレーム６の底板に対向する側の主面４ｂには、主面４ｂに垂直でかつ光の伝播方向Ｘに平行な仮想平面（ｘｚ平面）で切断した断面が三角形状の凸条７（構造体）が複数形成されている。凸条７のそれぞれは、主面４ｂに平行でかつ光の伝播方向Ｘに垂直な方向（ｙ軸方向）に延在している。
１つの凸条７を構成する２つの面７ａ，７ｂのうち、第１面７ａは主面４ｂに対して３０°の角度をなす傾斜面となっており、第２面７ｂは主面４ｂに対して垂直な面となっている。言い換えると、第１面７ａは、第２面７ｂに対して６０°の角度をなす傾斜面となっている。図２に示すように、集光板４の２つの主面４ａ，４ｂのうち、凸条７が形成された主面４ｂとは反対側の主面４ａ（フレーム６の底板と対向しない側の主面）は、太陽光を入射させる面となる。本実施形態の集光板４は、光を入射させる主面４ａと反対側の主面４ｂに、入射した光Ｌを反射させて当該光Ｌの進行方向を変更する反射面（第１面７ａ）が設けられた形状集光板である。
本実施形態の場合、凸条７は、集光板４自体が加工され、集光板４と一体に形成されている。凸条７は、例えば元々平坦な集光板４の主面４ｂを切削加工することによって形成することができる。あるいは、凸条７の形状を反転させた凹形状を有する金型を用いて樹脂の射出成形を行うなどの方法によって凸条７を形成しても良い。
以下、説明の便宜上、集光板４の６つの面のうち、光を入射させる主面（図２におけるｘｙ平面に平行な面）を第１主面４ａと称する。第１主面４ａと対向する面であって凸条７が設けられた面を第２主面４ｂと称する。第１主面４ａおよび第２主面４ｂに垂直な面であって光を射出させる面（図１におけるｙｚ平面に平行な面）を第１端面４ｃと称する。第１端面４ｃと対向する面を第２端面４ｄと称する。
集光板４と太陽電池素子５とは、図２に示すように、集光板４の第１端面４ｃと太陽電池素子５の受光面５ａとが対向するように隣接して配置されている。集光板４と太陽電池素子５とは、光学接着剤等により直接固定されていても良い。もしくは、集光板４と太陽電池素子５とは、直接固定されておらず、フレーム６に収容されることで相互の位置が固定される構成であっても良い。
集光板４の第１主面４ａに対して太陽光Ｌが入射角θ０で入射したとすると、太陽光Ｌは第１主面４ａにおいて屈折角θ１で屈折して集光板４内に入射する。その後、凸条７の第１面７ａに入射角θ２で入射した光は、反射角θ２で全反射し、第１主面４ａと第１面７ａとの間で全反射を繰り返しながら集光板４内を伝播し、太陽電池素子６に導かれる。このとき、第１面７ａへの光の入射角θ２は集光板４の第１主面４ａの傾きに応じて変化する。そのため、第１面７ａに入射する光Ｌの入射角θ２が第１面７ａと空気との界面における臨界角以上となって光Ｌが全反射するように、集光板４の第１主面４ａの傾きを予め設定する。
太陽電池素子５としては、公知のものを使用することができ、例えばアモルファスシリコン太陽電池素子、多結晶シリコン太陽電池素子、単結晶シリコン太陽電池素子等、種々の太陽電池素子を用いることができる。特に、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）（Ｓｅ，Ｓ）２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ等の化合物系太陽電池素子、もしくはＳｉ、ＩｎＧａＡｓ等の量子ドット太陽電池素子を用いることが望ましい。太陽電池素子５の形状および寸法は、集光板４の第１端面４ｃ内に収まる形状および寸法であれば特に限定されることはない。
追尾装置３は、太陽電池モジュール２の全体を太陽の年周運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、回転軸９と、駆動部１０と、制御部１１と、を備えている。回転軸９は太陽電池モジュール２の一辺に沿って設けられており、太陽電池モジュール２は回転軸９（太陽電池モジュール２の一辺）を中心として第１主面４ａと垂直な仮想面（ｘｚ平面）に沿う方向に回転する。本実施形態では、太陽光発電装置１を北半球で用いることを前提に説明する。回転軸９は、凸条７の延在方向と平行に設けられており、集光板４の第２端面４ｄ側の辺に沿って配置されている。回転軸９は、日の出および日の入りの方向、すなわち東西方向に向けて配置されている。したがって、太陽電池モジュール２は、回転軸９を中心として太陽の年周運動の方向（南北方向）を含む面内で回転する。
駆動部１０は、フレーム６の底面において集光板４の第１端面４ｃ寄りの位置に当接するように配置されている。駆動部１０は、鉛直方向（矢印Ｚ方向）に昇降動作を行う電動アクチュエータであり、昇降動作を行うことで太陽電池モジュール２を回転させる。駆動部１０は、電動のものに限ることはなく、少ないエネルギーで駆動できるものが好ましい。また、駆動部１０は、太陽の年周運動に追尾できれば良いため、それ程速く駆動する必要はなく、駆動速度は問わない。
制御部１１は、駆動部１０の昇降動作を制御するものである。制御部１１は、時計（経時手段）と、１年の中での日付（月日）と太陽電池モジュール２の回転角度とを関連づける相関データと、を備えている。制御部１１は、太陽光発電装置１の使用時の日付と相関データとに基づいて太陽電池モジュール２の最適な回転角度を求め、その回転角度に基づいて駆動部１０に駆動信号を出力し、太陽電池モジュール２を回転させる。太陽電池モジュール２の回転角度の精度は３°以内であることが好ましい。
ここで、太陽の運動について図３を用いて説明する。
太陽の運動には、日周運動と年周運動とがある。日周運動は、１日の中で太陽が日の出の時刻とともに北半球においては略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む運動である。また、年周運動は、１年の中で北半球においては夏に太陽の南中高度が最も高くなり、冬に太陽の南中高度が南の方角に低くなるというように、太陽が南北方向に移動して南中高度が変化する運動である。
年周運動について考えると、太陽が南中時に天頂にある場合を南中高度９０°とした場合、地球上の緯度Ｅ［°］の地点における南中高度Ｎ［°］は、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）において、Ｎ＝９０°−Ｅ＋２３．４°で表され、１年の中で南中高度が最も低い日（冬至）において、Ｎ＝９０°−Ｅ−２３．４°で表される。したがって、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）と南中高度が最も低い日（冬至）との間では、太陽の軌道は南北方向を含む面内で約４７°回転する。例えば東京は概ね北緯３５°であるから、夏至における南中高度はＮ＝７８．４°であり、冬至における南中高度はＮ＝３１．６°である。
本実施形態の太陽光発電装置１は、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動に追尾させている。そのため、太陽電池モジュール２は１日の中では移動せず、１年の中で南中高度が最も高い日（夏至）と南中高度が最も低い日（冬至）との間で南北方向を含む面内で約４７°回転すれば良い。したがって、太陽電池モジュール２は常に回転させる必要はなく、所定の間隔（例えば１週間、１ヶ月等）で間欠的に回転させれば良い。
本実施形態の太陽光発電装置１においては、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動に追尾させているため、太陽の年周運動に応じて最も大きな発電量を得られる状態を維持することができる。従来の太陽光発電装置は、集光レンズを用いて集光レンズの焦点位置に配置した太陽電池素子に太陽光を集めていた。そのため、太陽の位置に対する集光レンズの位置合わせに高い精度が要求され、位置合わせにずれが生じると、発電量が大幅に減少するという問題があった。
これに対し、本実施形態の太陽光発電装置１は、複数の凸条７を備えた集光板４を用いて太陽光を集める構成のため、太陽の位置に対する集光板４の位置合わせにそれ程高い精度が要求されず、大まかな追尾で済む。したがって、本実施形態の太陽光発電装置１によれば、太陽の運動によらずに安定した発電量を得ることができる。また、本実施形態の太陽光発電装置１は簡易な追尾装置を備えれば良いため、製造コストを低減することができる。
図４は、本実施形態と同様の太陽光発電装置において、追尾を行わなかった場合の年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。図４において、横軸は太陽の年周運動角度［°］、縦軸は集光効率［％］、を示す。パラメータとして、太陽の日周運動角度［°］が０°の場合、３０°の場合、６０°の場合、の３種類を採用した。
なお、年周運動角度は、図３に示すように、地表上の地点Ａから天頂Ｔに延びる直線を基準として、地点Ａと南中時の太陽の位置Ｃとを結ぶ直線がなす角度のことである。日周運動角度は、地点Ａと南中時の太陽の位置Ｃとを結ぶ直線を基準として、地点Ａと日中の任意の時刻での太陽の位置Ｃ１とを結ぶ直線がなす角度のことである。集光効率は、集光板４の第１主面４ａに入射した太陽光の光量に対する第１端面４ｃに到達した太陽光の光量の割合である。
図４に示す集光効率の３本の曲線から平均値を計算すると、追尾を行わなかった場合における集光効率は１７．７６％であった。これに対して、追尾を行った場合には、各曲線において年周運動角度が２０°付近のときの集光効率が最も高い状態を維持することができる。その結果、集光効率を２２．８９％に向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
［第１実施形態の変形例］
以下、本発明の第１実施形態の変形例について、図５を用いて説明する。
本変形例も、第１実施形態と同様、太陽の年周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例である。太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの回転機構が異なるのみである。
図５は、本変形例の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図５において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本変形例の太陽光発電装置１４は、図５に示すように、太陽電池モジュール２と、駆動部１５と制御部１１とからなる追尾装置１８と、を備えている。駆動部１５は、半円環状の支持部材１７を有し、支持部材１７が太陽電池モジュール２をフレーム６の下面側から支持している。駆動部１５は、自身の中央に設けられた回転軸１６を中心として回転することで、太陽電池モジュール２を太陽の年周運動の方向（南北方向）を含む面内で回転させる。
本変形例の太陽光発電装置１４においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図８を用いて説明する。
本実施形態も、第１実施形態と同様、太陽の年周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例である。太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図６は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図６において、第１実施形態の図２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置２１は、図６に示すように、太陽電池モジュール２２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール２２は、集光板２３（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。第１実施形態の集光板４は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条７が複数設けられた形状集光板であった。これに対し、本実施形態の集光板２３は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板で構成されている。集光板２３は、蛍光体を含有する蛍光体層２４を一対の透明層２５で挟持した３層構造の板体である。
蛍光体層２４は、例えば可視光や赤外光を吸収して可視光や赤外光を放出する蛍光体、あるいは、紫外光を吸収して可視光を放出する蛍光体を含んでいる。一例として、蛍光体層２４は、BASF社製Lumogen F Red 305（商品名）を含んで構成されている。この蛍光体を用いた場合、波長５７８ｎｍに発光ピークが現れる。使用する蛍光体としては、蛍光量子効率が高いものを用いることが好ましい。
また、より多くの波長域の光を吸収するように、複数種類の蛍光体を混合しても良い。一例として、BASF社製Lumogen F Violet 570（商品名）を０．０２％、BASF社製Lumogen F Yellow 083（商品名）を０．０２％、BASF社製Lumogen F Orange 240（商品名）を０．０２％、BASF社製Lumogen F Red 305（商品名）を０．０２％、Nile Blue A（CAS登録番号3625-57-8）を０．５％、Ir-140（CAS登録番号53655−17−7）を０．５％、Ir-144（CAS登録番号54849-69-3）を０．５％、量子ドットPbS（硫化鉛）を３％からなる複数種類の蛍光体を含有したものを用いることができる。上記複数種類の蛍光体を含む蛍光体層からは、４００ｎｍ〜１５００ｎｍ程度の広い波長域を持つ蛍光が放射される。
太陽電池素子５には、第１実施形態と同様、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を用いることができる。上述の太陽電池の中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率の発電が可能であることから本実施形態に好適に用いられる。化合物系太陽電池の一例としては、半導体基板上にＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とＩｎＧａＰ層とを積層したものが用いられる。この化合物系太陽電池は、例えば４００ｎｍ〜１２００ｎｍの波長域で８０％以上、５００ｎｍ〜９５０ｎｍの波長域で９５％以上といった高い発電効率を持っている。そのため、上記の蛍光体と上記の化合物系太陽電池とを組み合わせることにより、幅広い波長域で効率の高い発電が可能となる。
追尾装置３は、太陽電池モジュール２２の全体を太陽の年周運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、回転軸９と、駆動部１０と、制御部１１と、を備えている。追尾装置の構成は第１実施形態と同様である。
第１実施形態の場合、集光板４に入射した太陽光を凸条７の反射面で反射させて太陽電池素子５に導く構成であった。そのため、集光板４に対する太陽光の入射角度、すなわち、太陽の位置に対する集光板４の回転角度が集光効率に大きく影響を及ぼしていた。それに対して、本実施形態の場合、集光板２３の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子５に導く形態であるため、集光板２３に対する太陽光の入射角度が変化しても、集光効率はほとんど変化しない。
しかしながら、例えば集光板２３に対して傾いた位置から太陽光が照射された場合（太陽光の入射角度が大きい場合）は、集光板２３の略正面から太陽光が照射された場合（太陽光の入射角度が小さい場合）に比べて入射光量が少なくなる。そのため、本実施形態の太陽光発電装置２１においても、太陽の年周運動に太陽電池モジュール２２を追尾させることで、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
図７は、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図７の横軸は年周運動角度（°）であり、図７の縦軸は入射光量比（％）を示す。なお、入射光量比とは、年周運動角度を０°とし、日周運動角度を０°としたとき、すなわち、集光板を水平方向に設置した状態で、太陽光が集光板に対して垂直に入射したときの入射光量を１００％とした場合の入射光量の比である。また、図８は、年周運動に対する追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図８の横軸、縦軸は図７と同じである。
図７に示すように、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置においては、太陽の年周運動角度が０°から大きくなるにつれて、集光板に対して傾いた位置から太陽光が照射されるため、入射光量比が小さくなる。これに対し、図８に示すように、追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置２１においては、年周運動角度が変化しても（太陽の南中高度が変化しても）、年周運動角度が０°のときの入射光量比を維持することができる。図７から平均入射光量比を計算すると、比較例の太陽光発電装置においては、平均入射光量比が６８．５％であった。これに対して、図８から平均入射光量比を計算すると、本実施形態の太陽光発電装置２１においては、平均入射光量比を７４．６％に向上させることができる。
［第２実施形態の変形例］
以下、本発明の第２実施形態の変形例について、図９を用いて説明する。
上記実施形態では、蛍光体を含有する蛍光体層を一対の透明層で挟持した３層構造の蛍光集光板の例を示したが、必ずしもこの構成に限ることはない。例えば図９に示す太陽光発電装置２６の太陽電池モジュール２７のように、集光板２８の全体に蛍光体が分散された構成であっても良い。ただし、このように集光板２８の全体に蛍光体が分散された場合であっても、太陽電池素子５への集光効率を高めるために、集光板２８の最表面には蛍光体が配置されていない方が好ましい。
本変形例の太陽光発電装置２６においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、といった第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１０を用いて説明する。
本実施形態も、第１実施形態と同様、太陽の年周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例である。太陽光発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図１０は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図１０において、第１実施形態の図２および第２実施形態の図６と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置３１は、図１０に示すように、太陽電池モジュール３２と、追尾装置３と、を備えている。太陽電池モジュール３２は、第１集光板２３（集光部材）と第２集光板４（集光部材）と太陽電池素子５とがフレーム６に収容された構成を有している。第１実施形態の集光板４は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条７が複数設けられた形状集光板であった。第２実施形態の集光板２３は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板であった。これに対し、本実施形態の集光部材は、第１実施形態の形状集光板と第２実施形態の蛍光集光板とを積層した２枚の集光板４，２３で構成されている。
具体的には、本実施形態の場合、太陽光の入射側に設けられた第１集光板２３は蛍光集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第２集光板４は形状集光板で構成されている。第１集光板２３と第２集光板４とは密着しており、第１集光板２３と第２集光板４との間に空気層は介在していない。第１集光板２３の第１端面２３ｃと第２集光板４の第１端面４ｃとは同一面内に配置されており、これらの端面２３ｃ，４ｃ上に第１集光板２３と第２集光板４に共通の太陽電池素子５が設けられている。なお、第１集光板２３と第２集光板４に個別の太陽電池素子が設けられていても良い。
追尾装置３は、太陽電池モジュール３２の全体を太陽の年周運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置３は、回転軸９と、駆動部１０と、制御部１１と、を備えている。追尾装置３の構成は第１実施形態と同様である。
本実施形態の太陽光発電装置３１においては、図１０に示すように、第１集光板２３に入射した太陽光のうち、第１集光板２３で吸収できずに漏れ出た光を第２集光板４で受け、第２集光板４の内部を伝播させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、本実施形態の場合、太陽の運動に追尾させることによる集光効率の向上効果が大きい形状集光板（第１集光板２３）と、追尾による集光効率の向上効果は小さいが、入射角度の変化に対して安定した光出力が得られる蛍光集光板（第２集光板４）とを組み合わせることによって、より高効率で安定した発電量を得ることができる。さらに、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
［第３実施形態の変形例］
以下、本発明の第３実施形態の変形例について、図１１を用いて説明する。
上記実施形態の太陽光発電装置３１では、太陽光の入射側から蛍光集光板、形状集光板の順に積層されていた。この構成とは逆に、太陽光の入射側から形状集光板、蛍光集光板の順に積層されていても良い。すなわち、図１１に示す本変形例の太陽光発電装置３４の太陽電池モジュール３５では、太陽光の入射側に設けられた第１集光板４は形状集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第２集光板２３は蛍光集光板で構成されている。第１集光板４の第２集光板２３と対向する側には複数の凸条７が設けられている。したがって、第１集光板４と第２集光板２３とは密着しておらず、第１集光板４と第２集光板２３との間に空気層が介在している。
本変形例の太陽光発電装置３４においては、図１１に示すように、第１集光板４に入射した太陽光のうち、第１集光板４の反射面７ａで反射できずに漏れ出た光を第２集光板２３で受け、この光を吸収させて蛍光発光させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、形状集光板と蛍光集光板とを組み合わせることでより高効率で安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１２〜図１４を用いて説明する。
第１〜第３実施形態では、太陽の年周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例を示した。これに対して、本実施形態では、太陽の日周運動に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の一例を示す。ただし、太陽光発電装置の基本構成は図５に示した第１実施形態の変形例と同様であり、設置方向が異なるのみである。
図１２は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図１２において、第１実施形態の図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置３７は、図１２に示すように、太陽電池モジュール２と、駆動部１５と、を備えている。駆動部１５は、半円環状の支持部材１７を有しており、支持部材１７が太陽電池モジュール２をフレーム６の下面側から支持している。駆動部１５は、自身の中央に設けられた回転軸１６を中心として回転することで、太陽電池モジュール２を太陽の日周運動の方向（東西方向）を含む面内で回転させる。太陽電池モジュール２は、毎日、日の出の時刻から日の入りの時刻にわたって太陽の移動に追尾して回転する。
すなわち、本実施形態の太陽光発電装置３７は、鉛直方向上方から見たときに、図５に示した太陽光発電装置１４を９０°回転させた向きに設置したものである。また、太陽電池モジュール２は、北半球においては南側の端部が低く、北側の端部が高く位置するように傾斜して設置されている。南北方向の傾斜角度は、１年間の太陽の南中高度の変化を考慮して、発電量が最も多くなるように設定されている。この傾斜角度は太陽光発電装置３７の設置場所の緯度によって決定される。
図１３は、本実施形態と同様の太陽光発電装置において、追尾を行わなかった場合における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は太陽の年周運動角度［°］、縦軸は集光効率［％］、を示している。パラメータとして、太陽の日周運動角度［°］が０°の場合、３０°の場合、６０°の場合、の３種類を採用した。
図１３に示す集光効率の３本の曲線から平均値を計算すると、追尾を行わなかった場合における集光効率は１７．７６％であった。これに対して、追尾を行った場合には、図１３においてハッチングで示した太陽の南中高度の範囲内において、最も集光効率が高い日周運動角度である０°での集光効率を維持することができる。その結果、平均の集光効率を２３．３６％に向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
図１４は、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図１４の横軸は年周運動角度（°）であり、図１４の縦軸は入射光量比（％）である。図１４に示すように、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置においては、年周運動角度が０°から大きくなるにつれて、集光板に対して傾いた位置から太陽光が照射されるため、入射光量比が小さくなる。また、日周運動角度が０°から６０°に大きくなるにつれて、集光板に対して傾いた位置から太陽光が照射されるため、入射光量比が小さくなる。これに対して、日周運動に対する追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置においては、日周運動角度が変化しても、日周運動角度が０°のときの入射光量比を維持することができる。
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１５を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は上記実施形態と同様であり、複数の太陽電池モジュールを備えた点が異なるのみである。
図１２は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図１２において、第１実施形態の図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置４１は、図１５に示すように、複数の太陽電池モジュール２と、回転軸４２と、を備えている。複数の太陽電池モジュール２は共通の回転軸４２に取り付けられており、回転軸４２には図示しない駆動部（追尾装置）が設けられている。駆動部によって回転軸４２が回転すると、それに伴って複数の太陽電池モジュール２が同時に回転する構成となっている。本例では、回転軸４２が南北方向に延在するように配置され、複数の太陽電池モジュール２が東西方向を含む面内で回転する。すなわち、複数の太陽電池モジュール２が太陽の日周運動を追尾する。ただし、複数の太陽電池モジュール２が太陽の年周運動を追尾する構成としても良い。
本実施形態の太陽光発電装置４１においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、複数の太陽電池モジュール２に対して共通の追尾装置を備えているので、追尾装置の構成が簡単になり、追尾装置に要するエネルギーが節減できる。
［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１６〜図２０を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は上記実施形態と同様であり、追尾装置の構成が異なるのみである。
図１６は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図１６において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置４５は、図１６に示すように、太陽電池モジュール２と、追尾装置４６と、を備えている。追尾装置４６は、支持部４７と、２つの可動部４８と、を備えている。支持部４７は、太陽電池モジュール２の北側の端部を下面から回転可能に支持している。各可動部４８は、太陽電池モジュール２の南側の端部を下面から支持している。太陽電池モジュール２は、南北方向を含む面内で太陽の年周運動に追尾して回転する。なお、本実施形態では、２つの可動部４８を備えた例を示すが、必ずしも可動部４８は２つである必要はなく、少なくとも１つあれば良い。
太陽電池モジュール２は、北半球においては南側の端部が低く、北側の端部が高く位置するように傾斜して設置されている。そして、本実施形態の追尾装置４６は、上記実施形態のように時計を備えた制御部を有していない。本実施形態の追尾装置４６は、可動部４８が外気温の変化を検知して伸縮することで太陽電池モジュールを自動的に回転させる構成となっている。後述するように、追尾装置４６では、外気温が高くなったときに可動部４８が伸長し、太陽電池モジュール２の南側の端部を持ち上げる方向に太陽電池モジュール２を回転させる。
可動部４８は、図１７に示すように、外筒４９の内部空間に温度変化によって体積が変化する熱膨張材５０が充填されている。さらに、支持棒５１が、熱膨張材５０の上方に上下動可能に装入されている。熱膨張材５０としては、熱膨張係数が高く、少量で大きな体積変化を生じる材料を用いることが望ましい。例えば、本実施形態では、熱膨張係数が１６〜２０×１０−１５／℃のエチレン・酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）を用いる。したがって、外気温が高くなると、熱膨張材５０の体積が増加して支持棒５１を押し上げ、可動部４８が伸長して太陽電池モジュール２の南側の端部が上がる方向に太陽電池モジュール２を回転させる。一方、外気温が低くなると、熱膨張材５０の体積が減少して支持棒５１が下がり、可動部４８が縮んで太陽電池モジュール２の南側の端部が下がる方向に太陽電池モジュール２を回転させる。
図１８は、東京の１年間の平均気温の変化を示すグラフである。図１８の横軸は月、縦軸は平均気温〔℃〕を示している。図１９は、東京の１年間の太陽の南中高度の変化を示すグラフである。図１８の横軸は月、縦軸は太陽の南中高度〔°〕を示している。図１８、図１９から判るように、１年間の平均気温の変化と１年間の太陽の南中高度の変化は概ね同じ傾向を示す。したがって、例えば気温が上がる夏季に可動部４８が伸び、太陽電池モジュール２がより水平に近い位置に回転する構成とすれば、太陽電池モジュール２の角度を太陽の南中高度に対して最適化することができる。そのためには、可動部４８の各部の寸法や熱膨張材の使用量等を最適に設計する必要がある。
図２０は、本実施形態と同様の太陽光発電装置において、追尾を行わなかった場合における年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。図２０において、横軸は太陽の年周運動角度［°］、縦軸は集光効率［％］、を示している。パラメータとして、太陽の日周運動角度［°］が０°の場合、３０°の場合、６０°の場合、の３種類を採用した。
図２０に示す集光効率の３本の曲線から平均値を計算すると、追尾を行わなかった場合における集光効率は１７．７６％であった。これに対して、本実施形態の太陽光発電装置を用いて追尾を行った場合には、図２０にハッチングで示した領域のように集光効率が高い年周運動角度の範囲を維持することができる。その結果、集光効率を向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
本実施形態の太陽光発電装置４５においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態の場合、可動部４８の動力として熱膨張材５０の膨張、収縮を利用しており、外気温の変化に応じて可動部４８が自動的に伸縮する構成としている。そのため、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減を図ることができる。
［第６実施形態の変形例］
以下、本発明の第６実施形態の変形例について、図２１、図２２を用いて説明する。
上記実施形態の太陽光発電装置４５では、可動部４８を自動的に伸縮させる手段として熱膨張材５０を用いた。この構成に代えて、図２１に示す本変形例の太陽光発電装置５４の追尾装置５５では、可動部５６を自動的に伸縮させる手段としてバイメタルからなるバネ５７を用いている。すなわち、可動部５６は、図２２に示すように、外気温の変化に応じて形状が変化するバネ５７が外筒４９の内部空間に収容されている。さらに、支持棒５１が、バネ５７の上方に上下動可能に装入されている。
バネ５７は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。例えば、バネ５７の外周側はＮｉ−Ｆｅ合金で構成され、バネ５７の内周側はＮｉ−Ｍｎ−Ｆｅ合金で構成されている。この場合、バネ５７の外周側を構成する金属とバネ５７の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。この種のバネ５７を用いた場合、外気温が上がると図２２の右側のようにバネ５７が伸び、外気温が下がると図２２の左側のようにバネ５７が縮む。
本変形例の太陽光発電装置５４においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減が図れる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
［太陽光発電装置の全体構成］
以下、本発明の一実施形態である太陽光発電装置について、図２３を用いて説明する。
図２３は本実施形態の太陽光発電装置を示すブロック図である。
本実施形態の太陽光発電装置１０００は、図２３に示すように、上記実施形態の集光板１００２と太陽電池素子１００３とからなる太陽電池モジュール１００１と、追尾装置１００８と、インバータ１００４と、蓄電池１００５と、を有している。太陽電池モジュール１００１によって得られた電力はインバータ１００４によって直流−交流変換され、外部の負荷１００６に出力される。また、他の電力源１００７が外部の負荷１００６に接続されている。太陽電池モジュール１００１によって得られた電力は蓄電池１００５に充電され、必要に応じて蓄電池１００５から放電される構成となっている。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、導光体として板状体を用いたが、導光体の形状は板状体に限定されることなく、例えば棒状体であっても良く、適宜変更が可能である。その他、上記実施形態における各種構成要素の形状、寸法、数、配置、構成材料、製造方法等については、上記実施形態で例示したものに限らず、適宜変更が可能である。
本発明は、太陽の運動に追尾するタイプの太陽光発電装置に利用可能である。
１，１４，２１，２６，３１，３４，３７，４１，４５，５４，１０００…太陽光発電装置、２，２２，２７，３２，３５，１００１…太陽電池モジュール、３，１８，４６，５５，１００８…追尾装置、４，２３，２８，１００２…集光板（集光部材）、５，１００３…太陽電池素子、７…凸条（構造体）、１０，１５…駆動部、１１…制御部、２４…蛍光体層、４８，５６…可動部、５０…熱膨張材、５７…バネ。

Claims (12)

  1. 外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、
    太陽の運動に対応して前記集光部材の前記主面と交差する仮想面に沿う方向に前記太陽電池モジュールを回転させる追尾装置と、を備えたことを特徴とする太陽光発電装置。
  2. 前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
  3. 前記追尾装置が、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
  4. 前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを回転させる駆動部と、１年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの回転角度を求め、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  5. 前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する部材を内蔵し、前記太陽電池モジュールを回転させる可動部を備え、
    前記可動部が前記部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  6. 前記集光部材は、前記光が入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  7. 前記形状集光板は、断面が三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、
    前記構造体の延在方向と垂直な前記仮想面に沿う方向に前記太陽電池モジュールを回転させることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電装置。
  8. 前記集光部材は、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  9. 前記集光部材は、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電装置。
  10. 前記集光部材は、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電装置。
  11. 前記太陽電池モジュールが複数並べて配置されたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
  12. 前記追尾装置が、複数の前記太陽電池モジュールを、一つの回転軸を中心に同時に回転させることを特徴とする請求項１１に記載の太陽光発電装置。
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