JP2014232616A - 色素増感太陽電池モジュール、植物育成ハウス及び建築物 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒型色素増感太陽電池において変換効率をさらに高くすることができるモジュール構造を提供する。
【解決手段】色素を付着させた光電極と、対極と、電解質層とを円筒形の透明管内に設けた円筒型色素増感太陽電池セル１が、互いに離間した状態で横に並べて複数設けられ、一つのフレーム２で保持されている。セル１の外径をφ、セル１の離間距離をｇとしたとき、０．３≦ｇ／φ≦２である。各セル１は、両端部でソケット２１により着脱自在に保持されている。
【選択図】図４

Description

この出願の発明は、色素増感太陽電池に関するものである。

色素増感太陽電池は、半導体表面に付着させた色素を太陽光によって励起し、励起によって放出された電子を半導体に注入することで発電させる太陽電池である。色素増感太陽電池は、結晶系太陽電池や薄膜系太陽電池のように真空プロセスを利用しないため製造コストの大幅な削減が可能であり、また運搬や取り扱いも容易なことから設置コストを非常に安価にできる。他方、変換効率の低さが欠点とされているが、特許文献１〜３に開示されているように、全体を円筒形にすることにより変換効率を高める提案もされており、次世代の太陽電池の一つとして実用化が期待されている。

図９は、従来の円筒型色素増感太陽電池の断面構造を示した概略図である。図９に示すように、円筒型色素増感太陽電池は、円筒形の透明管１４内に、集電極１５、光電極１１、電解質層１３、対極１２を設けた断面構造を有する。透明管１４内の最も外側に集電極１５が位置し、その内側に光電極１１が設けられ、中央に設けられた対電極１２と光電極１１との間に電解質層１３が介在する構造となっている。尚、集電極１５や光電極１１は円筒形、対極１２は円柱形であり、いずれも透明管１４と同軸である。
集電極１５には、ＩＴＯのような透明導電体が使用される。光電極１１は、作用極ともいうべきものであり、半導体に色素を付着させたもので形成される。電解質層１５としては、ゲル状又は液状のもの（電解液）が使用される。

透明管１４に入射した光は集電極１５を透過して、光電極１１上の色素を励起し、励起により放出された電子を半導体が受け取る。電子を失った色素は電解質層１３から電子を奪って還元され、電解質層１３に発生した正孔は対極１２で電子を受け取る。集電極１５は光電極１１から電荷を集め、集電極１５と対極１２との間で起電力が生じる。尚、集電極１５が光電極１１と電解質層１３との間に設けられる場合もあり、この場合には集電極１５は透明な材質ではない場合もある。

特許４８４０５４０号公報 特開２００３−７７５５０号公報 特開２００７−１２５４５号公報 特許４８７７２４２６号公報

図１０は、円筒型色素増感太陽電池の長所について示した概略図であり、パネル型（平板型）色素増感太陽電池と円筒型色素増感太陽電池について太陽光の受光状況を対比して示した図である。図１０（１−１）（１−２）には太陽光が真上から入射する場合が示され、（２−１）（２−２）には太陽光が斜め上から入射する場合が示されている。
周知のように、パネル型の場合、垂直入射（図１０（１−１））の場合に比べ斜め入射（図１０（１−２））の場合には変換効率が低下する。一方、円筒型の場合には、３６０度どこから入射しても基本的同様の発電性能が発揮されるので、斜め入射（図１０（２−２））の場合にも垂直入射（図１０（２−１））の場合と同等の変換効率が得られる。従って、同じ占有スペースに太陽電池が配置された場合に、一日のトータルの発電量で見ると、円筒型の方が変換効率が高くなる。

図１１は、円筒型色素増感太陽電池の優位性を確認したシミュレーション実験の結果を示した図である。この実験では、パネル型の色素増感太陽電池と円筒型の色素増感太陽電池を製作した。パネル型と円筒型とで長さは同じとし、パネルの幅と円筒の直径とは同じものとした。光電極その他の基本的構造は同様とした。
図１１の縦軸は単位時間当たりの発電量（相対値）、横軸は時刻である。尚、この実験では、太陽光の強度としては日本の春分の日であってＡＭ（エアマス）１．５の場合を想定し、日の出から日の入りまでの単位時間当たりの発電量をソーラーシミュレータにより１時間毎にシミュレートした。図１１に示すように、円筒型の場合、パネル型に比べて全体的に発電量が多く、特に太陽高度が低い朝と夕方の時刻での特に発電量が多くなる。

このように、円筒型色素増感太陽電池では、パネル型に比べて太陽光の入射角度特性において優れている。垂直入射に比べて斜め入射の場合に変換効率が低下する点は、結晶系や薄膜系のパネル型太陽電池一般に言えることである。従って、入射角度特性に優れた円筒型色素増感太陽電池は、入射角度が様々に変わる１日の（又は１年の）トータルの発電効率という点では、結晶系や薄膜系のパネル型太陽電池に匹敵する可能性がある。

しかしながら、発明者の研究によると、モジュール全体の変換効率という点では、円筒型色素増感太陽電池のポテンシャルを十分に活かされていない。モジュール全体として検討すると、円筒型色素増感太陽電池は変換効率をさらに高める余地を残している。
この出願の発明は、上記の点を考慮して為されたものであり、円筒型色素増感太陽電池において変換効率をさらに高くすることができるモジュール構造を提供するものである。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、色素を付着させた光電極と、対極と、光電極と対極との間に介在された電解質層とを円筒形の透明管内に設けた円筒型色素増感太陽電池セルを備えた色素増感太陽電池モジュールであって、
円筒型色素増感太陽電池セルは、複数横に並べて配置されており、
複数の円筒型色素増感太陽電池セルを互いに離間した位置において保持するフレームを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記複数の円筒型色素増感太陽電池セルは、一つのフレームによって保持されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記各円筒型色素増感太陽電池の外径をφ、前記各円筒型色素増感太陽電池の離間距離をｇとしたとき、０．３≦ｇ／φ≦２であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３の構成において、前記フレームは、各色素増感太陽電池セルを長さ方向の両端部で着脱自在に保持するソケットを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記複数の円筒型色素増感太陽電池セルは同じ長さのものであり、前記フレームは方形の枠状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、屋根又は外壁の全部又は一部が採光部となっている植物育成ハウスであって、採光部が背後に位置する状態で請求項１乃至５いずれかに記載の色素増感太陽電池モジュールが屋根又は外壁に取り付けられており、色素増感太陽電池モジュールが備える前記円筒型色素増感太陽電池セルで発生した電力を内部の植物の育成に利用する育成モジュールが設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項６の構成において、前記屋根又は外壁に取り付けられた前記色素増感太陽電池モジュールは、各色素増感太陽電池セルの長手方向が正面視で鉛直方向に向いているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項６又は７の構成において、内部に長日用光源が設けられており、前記育成モジュールは、前記色素増感太陽電池モジュールで発生した電力を蓄える蓄電部と、蓄電部で蓄えられている電力を長日用光源に日の出前及び又は日没後に供給して長日用光源を点灯させる制御部とを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、太陽光に晒される屋根又は壁面を有する建築物であって、当該屋根又は壁面には、円筒型色素増感太陽電池セルが複数離間して横に並べて取り付けられており、各円筒型色素増感太陽電離セルは、正面視で長手方向が鉛直方向に向いているという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、複数の円筒型色素増感太陽電池セルが離間した状態で横に並べて設けられているので、変換効率が高くなる。また、各円筒型色素増感太陽電池セルの間を太陽光が通過することができるので、内部への採光が必要な建築物の屋根や壁に好適に配置することができる。その上、背後に散乱光が存在する場合、背後からの散乱光の入射によっても発電がされるので、さらに変換効率が高くなる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、複数の円筒型色素増感太陽電池セルが一つのフレームで保持されているので、モジュールの運搬や設置がより容易になる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、フレームは、各色素増感太陽電池セルを長さ方向の両端部で着脱自在に保持するソケットを備えているので、メンテナンスの作業が容易になったり、メンテナンスのコストが安価になったりする効果が得られる。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、各円筒型色素増感太陽電池セルは同じ長さのものであり、フレームは方形の枠状であるので、方形の空きスペースに対して無駄無く設置できるモジュールとなる。
また、請求項６記載の発明によれば、育成モジュールで使用される電力を色素増感太陽電池モジュールが発電した電力で賄えるので電気代が節約できる。その上、色素増感太陽電池モジュールは各色素増感太陽電池セルが離間していて太陽光が通過できるので、離間間隔を適宜設定することで十分な量の太陽光を内部の植物に供給することができる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、各色素増感太陽電池セルの長手方向が正面視で鉛直方向に向いているので、汚れが付着したりゴミが溜まったりすることが少なく、この点で好適となる。
また、請求項８記載の発明によれば、上記効果に加え、育成モジュールが長日調整を行うので、長日植物の育成の際に好適なものとなる。
また、請求項９記載の発明によれば、複数の円筒型色素増感太陽電池セルが離間した状態で横に並べて設けられているので、変換効率が高くなる。また、各円筒型色素増感太陽電離セルは、正面視で長手方向が鉛直方向に向いているので、汚れやゴミは溜まりにくく、汚れやゴミによる変換効率の低下は発生しにくい。

実施形態の色素増感太陽電池モジュールの斜視概略図である。 実施形態の色素増感太陽電池モジュールが備える円筒型色素増感太陽電池セルの断面概略図であり、（１）は長手方向に垂直な面での断面概略図、（２）は長手方向に沿った面での断面概略図である。 実施形態の色素増感太陽電池モジュールにおける円筒型色素増感太陽電池セルの保持構造について示した断面概略図である。 実施形態の色素増感太陽電池モジュールの断面概略図であり、円筒型色素増感太陽電池セルの長手方向に垂直な方向での断面概略図である。 実施形態の色素増感太陽電池モジュールの長所について示した概略図である。 実施形態の色素増感太陽電池モジュールの設置例を示した断面概略図である。 実施形態の植物育成ハウスの正面概略図である。 実施形態の植物育成ハウスが備える育成モジュールの概略構成を示す図である。 従来の円筒型色素増感太陽電池の断面構造を示した概略図である。 円筒型色素増感太陽電池の長所について示した概略図であり、パネル型（平板型）色素増感太陽電池と円筒型色素増感太陽電池について太陽光の受光状況を対比して示した図である。 円筒型色素増感太陽電池の優位性を確認したシミュレーション実験の結果を示した図である。

次に、本願発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、実施形態の色素増感太陽電池モジュールの斜視概略図である。図１に示す色素増感太陽電池モジュールは、複数の円筒型色素増感太陽電池１を備えている。以下、モジュールと区別するため、円筒型色素増感太陽電池１を円筒型色素増感太陽電池セル又は単に円筒型セルと呼ぶ。

図１に示すように、複数の円筒型セル１は、横に並べて配置されている。この実施形態では、各円筒型セル１は、長手方向（円筒の軸方向）が互いに平行になるように配置されている。
複数の円筒型セル１は、一つのフレーム２によって保持されている。フレーム２は、図１に示すように方形の枠状である。方形の一辺の方向は、各円筒型セル１の長手方向に一致している。

図２は、実施形態の色素増感太陽電池モジュールが備える円筒型色素増感太陽電池セルの断面概略図であり、（１）は長手方向に垂直な面での断面概略図、（２）は長手方向に沿った面での断面概略図である。図２に示すように、円筒型セル１は、色素を有する光電極１１と、対極１２と、光電極１１と対極１２との間に介在された電解質層１３とを円筒形の透明管１４内に設けた構造を有している。また、透明管１４の内部であって光電極１１の外側には、集電極１５が設けられている。

透明管１４は、この実施形態では石英ガラス製であるが、硼珪酸ガラス、ソーダガラス等の材料が用いられることもある。
光電極１１は、半導体に色素を付着させたものである。半導体は、ｎ型であることが好ましく、酸化チタンや酸化スズ等の金属酸化物や硫化亜鉛のような金属硫化物が使用される。色素は、可視域から赤外域の光を吸収するものであれば特に制限なく使用することができ、有機色素や金属錯体が使用される。例えば、メロシアン、キノシアニン、クリプトシアニンなどのシアニン系色素や、銅、ルテニウム、オスミウム、鉄又は亜鉛などの錯体が使用される。

電解質層１３は、この実施形態で液相のものであり、ヨウ素系や臭素系のものが使用される。尚、電解質層１３は、少なくとも光電極１１と対極１２との間に充填される量が透明管１４内に封入される。
対極１２は、導電材料で形成されるが、電解質層１３の材料に対する耐蝕性が高いことが好ましく、例えばチタンや白金が用いられる。この実施形態では、対極１２は円筒状となっている。図２（１）に示すように、各部材は透明管１４に対して同軸となっており、中央から対極１２、光電極１１、集電極１５の順となっている。集電極１５としては、従来と同様、ＩＴＯのような透明導電体が使用されている。尚、理論的には、光電極１１のみで電荷の取り出しができれば集電極１５が設けられないこともあり得る。
尚、集電極１５は、透明管１４に対して湿式コーティングその他の方法により透明導電膜を作成することで形成される。光電極１１は、色素を付着させた半導体微粒子を堆積させたり、又は焼結したりすることで形成され、多孔質の構造であることが好ましい。この他、各部の形成方法や製造方法については、特許文献１〜４を参照することができる。

また、図２（２）に示すように、透明管１４の両端は封止されており封止部１４１となっている。封止は、液相である電解質層１３の漏出を防止する他、透明管１４内に水や空気（酸素）といった有害な物質が侵入しないようにするものである。封止は、透明管１４の両端を加熱して軟化させた状態で圧力を加えて潰す（圧潰する）ことで行われる。詳細は特許文献１に開示されているので、省略する。

尚、封止は、リード１６を挿通させた状態で行われ、封止部１４１はリード１６が貫通した状態で気密及び液密な状態となっている。リード１６は、この実施形態では棒状であるが、ワイヤー状のものや、二つの棒状又はワイヤー状の導体を金属箔でつないだものが採用されることもある（特許文献１参照）。
両端のリード１６は、透明管１４内で作られた電気を取り出すためのものであり、図２（２）に示すように、導線１６１により一方は対極１２に接続され、他方は集電極１５に接続されている。尚、図示は省略されているが、一方のリード１６は、ロッド部により対極１２に接続されており、透明管１４内での対極１２の保持に兼用されている。

図３は、実施形態の色素増感太陽電池モジュールにおける円筒型色素増感太陽電池セル１の保持構造について示した断面概略図である。図１に示すように、フレーム２は、方形の枠状であり、対向する二辺で円筒型セル１の両端を保持している。図３には、フレーム２に一辺における保持構造が示されているが、対向する辺でも同様である。
図３に示すように、フレーム２の一辺は、開口を下側に向けた略コ状の断面形状を有している。フレーム２の下側には、ソケット２１が設けられている。ソケット２１は、ソケット台座２６によりフレーム２に固定されている。

ソケット２１は、ほぼ円筒状の部材であり、軸方向がフレーム１の他の一辺の方向に向いた姿勢でソケット台座２６により保持されている。ソケット２１の一方の側の端部は、内径が少し小さくなっており、この部分に円筒型セル１の端部が差し込まれて保持される。説明の都合上、ソケット２１において円筒型セル１が位置する側を内部側、これとは反対側を外部側とする。

図３に示すように、ソケット２１は、円筒型セル１を保持した端部の内面にパッキン２２を有している。パッキン２２の内径は、色素増感太陽電池セル１の透明管１４の端部の外径より少し大きい。このため、図３に示すように透明管１４の端部が差し込まれると、パッキン２２が少し圧縮され、これにより気密且つ液密の状態となる。尚、パッキン２２に代えて又はパッキン２２に加えて、Ｏリングが設けられることもある。
ソケット２１の外部側には、保持された円筒型セル１の導通のためのコネクタ端子２３が設けられている。リード１６の先端部は細い棒状となっており、封止部１４１から露出して伸びている。コネクタ端子２３は、このリード１６の先端部が差し込まれる部材となっている。即ち、コネクタ端子２３は、狭い凹部を形成するように折り曲げられた部材となっている。リード１６の先端部は、この凹部の開口を押し広げるようにして差し込まれる。

また、図３に示すように、コネクタ端子２３は、板バネ部２４を有している。即ち、コネクタ端子２３は、リード１６の先端が差し込まれた屈曲部を下端に有し、屈曲部から上方に延びる板状の部位が板バネ部２４となっている。板バネ部２４の上部は、絶縁材２７を介してソケット台座２６に固定されている。尚、板バネ部２４の上端には導線２５が接続されており、導線２５は、モジュールから電力を取り出すための不図示の出力端子に接続されている。

上述した円筒型セル１の保持構造において、円筒型セル１は着脱自在となっている。円筒型セル１を装着する場合、一方のソケット２１に対して内部側から円筒型セル１の一方の端部をソケット２１に差し込み、一方のリード１６の先端部を一方のコネクタ端子２３に差し込む。そして、一方のコネクタ端子２３を円筒型セル１で少し押しながら、円筒型セル１の他方の端部を他方のソケット（図３中不図示）に差し込む。その後、一方のコネクタ端子２３の板バネ部２４の弾性によって円筒型セル１を他方のコネクタ端子に向けて移動させ、他方のリード１６の先端部を他方のコネクタ端子に差し込む。これにより、装着が完了する。

一対のコネクタ端子２３の自由状態の離間間隔は、円筒型セル１の全長（両側のリード１６の先端間の長さ）よりも少し狭くなっており、装着が完了すると、各コネクタ端子２３は板バネ部２４の弾性によりリード１６の先端に押し付けられた状態となり、導通が確保される。
円筒型セル１の取り外しは、装着とは逆の手順であり、コネクタ端子２３の板バネ部２４の弾性に抗しながら円筒型セル１全体をどちらか一方の側に少し移動させ、他方の側の端部をソケット２１から引き抜く。この際、他方の側のリード１６の先端はコネクタ端子２３から外れる。そして、他方の側の端部を少し下に下げてセル１全体を斜めの姿勢にしながら一方の側の端部をコネクタから引き抜く。この際、一方の側のコネクタ端子２３からリード１６の先端が外れる。

図４は、実施形態の色素増感太陽電池モジュールの断面概略図であり、円筒型色素増感太陽電池セルの長手方向に垂直な方向での断面概略図である。図１及び図４に示すように、実施形態の色素増感太陽電池モジュールは、複数の円筒型セル１が横に並べて設けられているものの、各円筒型セル１は接触しておらず、透明管１４の間にスペースが存在している。この点は、円筒型色素増感太陽電池の特性をより活かし、変換効率をより高める工夫となっている。この点について、図５を参照して説明する。図５は、実施形態の色素増感太陽電池モジュールの長所について示した概略図である。

図５では、比較のため、複数の円筒型セル１を横に並べて接触させて配置した場合が示されている。図５中の（１−１）及び（２−１）は、太陽光が真上から入射する場合、又は各円筒型セル１を正面視で長手方向が鉛直となるように配置した状態で太陽光が南中にある場合を示している。また、図５中の（２−１）及び（２−２）は、太陽光が各円筒型セル１に斜めに入射する場合を示しており、各円筒型セル１を正面視で長手方向が水平になるように配置した場合や、正面視で長手方向が鉛直になるように配置した状態で太陽が南中以外の位置にある場合が想定されている。

太陽光が真上から入射する場合（又は垂直配置で太陽が南中位置の場合）は、図５（１−１）に示す接触配置の場合も、図５（２−１）に示す離間配置の場合も、各円筒型セル１に入射して発電に利用される太陽光の量は実質的に変わらない。しかしながら、太陽光が斜めに入射する場合、図５（１−２）に示すように、接触配置では、隣接する円筒型セル１に太陽光が一部遮蔽される。一方、離間配置では隣接するセル１による遮蔽は無いか又は非常に少ない。このため、発電に利用される太陽光の量は、離間配置の場合には接触配置に比べて多くなる。図５では、太陽光の入射量を等間隔に配置した矢印で模式的に示されている。一例として、一つの円筒型セル１の直径の領域内に矢印５本分の太陽光が入射するとすると、図５（１−２）に示す接触配置で斜め入射の場合、二つの円筒型セル１に入射する太陽光の量は、遮蔽のため矢印７本分となる。一方、離間配置の場合、この例では矢印９本分の太陽光が二つの円筒型セル１に入射する。

図５の（１−１）や（２−１）の状態は特別な場合で、殆どの場合、太陽光は円筒型セル１に斜めに入射する。従って、離間配置を採用する実施形態の構造は、殆どの場合で高い変換効率を実現できる優れた構造となっている。この場合の変換効率は、接触配置と離間配置とを比べた場合の変換効率であり、一つの円筒型セル当たりの変換効率である。尚、図１０と図５（２−２）を対比すると解るように、一定の領域当たりで比較した場合、パネル型色素増感太陽電池セル１と、離間配置の円筒型色素増感太陽電池セル１では、入射する太陽光の量はほぼ変わらないものの、セル１内の光電極１１に対して垂直又は垂直に近い角度で入射する光の量が多いので、変換効率が高くなる。

上述した離間配置の構造において、各円筒型セル１の離間距離（図４中にｇで示す）は、占有スペースと変換効率との関係から重要である。離間距離ｇが限度以上に狭くなると、隣りのセル１によって遮蔽される太陽光が多くなり、変換効率の向上の効果が十分に得られなくなる。離間距離ｇが限度以上に広くしてもそれ以上は変換効率向上の効果は得られず、モジュールの占有スペースが大きくなるのみとなる。離間距離ｇは、円筒型セル１の外径をφとすると、０．３φ≦ｇ≦２φとすることが好ましく、φ≦ｇ≦１．５φとするとより好ましい。

このように各円筒型セル１を離間配置した構造は、別の観点でも変換効率の向上に寄与している。この点について、以下に説明する。
実施形態のように複数の円筒型セル１を離間配置した構造は、各円筒型セル１の間の隙間を通して太陽光が通過できることを意味する。この構造は、太陽電池モジュールを配置した場合でもモジュールによって完全には遮光されないことを意味し、この点は、現在普及しているパネル型太陽電池モジュールと顕著に相違する。

部分的ではあるが光が通過できる特徴を活かすことを考慮すると、実施形態の色素増感太陽電池モジュールは、採光の必要のある屋根や壁面に設置すると好適ということになる。例えば、ビニールハウスや温室のような植物育成ハウスの屋根や壁面、オフィスビルや住居における採光用の開口（窓）等である。
図６は、このような設置例について概略的に示した図である。この設置例において、建築物は、屋根又は壁に採光部３を有する。採光部３は、光透過性のシートや光透過板、窓ガラス等である。実施形態の色素増感太陽電池モジュール１０は、採光部３が後に位置する状態で屋根又は壁に取り付けられている。即ち、フレーム２を固定具３１によって屋根又は壁に固定することで取り付けられている。

図６に示すように、屋内への採光部３が背後に位置する状態で実施形態の色素増感太陽電池モジュール１０が配置された場合、太陽光の一部Ｌ１は各円筒型セル１の間のスペースを通過し、採光部３を透過して屋内に達する。この光は、屋内で散乱し、一部が採光部３を再び透過して戻ってくる。そして、この戻ってきた散乱光Ｌ２は各円筒型セル１の背面に入射し、発電に利用され得る。特に、色素増感太陽電池は弱い光でも発電できることで知られており、実施形態のモジュールはこの点でも色素増感太陽電池の特性を活かしたものであると言える。尚、各円筒型セル１の離間距離ｇは、採光をより多くする観点から、上述した限度以上の値とされることもあり得る。

図５（１−１）及び（１−２）に示すように、各セル１を接触させて配置した場合、モジュールによって太陽光は実質的にすべてが遮蔽されるので、上記のような背面から入射する光による発電作用は実質的に得られない。即ち、実施形態の色素増感太陽電池モジュールは、各円筒型セル１を離間配置することで採光の必要のある建築物の屋根や壁面への設置を可能にするとともに、屋内から戻ってくる散乱光をも利用可能にすることでさらに変換効率を高める意義を有している。

尚、各円筒型セル１がソケット２１により保持されて着脱自在になっている点は、メンテナンス性を向上させるものとなっている。即ち、いずれかの円筒型セル１が劣化、故障その他の不具合により交換が必要になった場合、その円筒型セル１のみを取り外して交換することができ、モジュール全体を交換する必要がない。このため、メンテナンスの作業が容易で、交換に要するコストも安価となる。

また、各円筒型セル１が一つのフレーム２で保持されている点は、モジュールの運搬や設置をより容易にする意義を有する。即ち、フレーム２を保持することで各円筒型セル１を一体に移動させたり運搬したりすることができる。そして、フレーム２を所定箇所に固定することで、各円筒型セル１の所定箇所への設置も完了する。このため、運搬や設置が容易である。この点は、色素増感太陽電池の優位性をさらに際立たせることになる。尚、「一つのフレーム」とは、複数の円筒形セル１が一体に移動させた運搬したりすることができる点で一つということであり、一つのフレーム２が複数の部材を連結することで形成されている場合を排除するものではない。

尚、この実施形態では、各円筒型セル１はすべて同じ長さであり、フレーム２は方形の枠状となっている。この点は、建築物の屋根や壁面におけるスペースを無駄無く使用できる意義を有する。即ち、切妻型の屋根のように、太陽電池モジュールを設置するスペースとして方形の空きスペースが確保されることが多い。このため、方形のフレーム２で各円筒型セル１を一体保持した実施形態のモジュールは、空きスペースを無駄無く使用し、より大きな領域を太陽光発電のスペースとして利用することができる。

次に、植物育成ハウスの発明の実施形態について説明する。
図７は、実施形態の植物育成ハウスの正面概略図である。実施形態の植物育成ハウスは、ビニールハウスや温室のように内部で植物を育成する建築物である。周知のように、このような植物育成ハウスは屋根及び壁の全部が採光部となっている。採光部は、ビニールシートであったり、ガラス又はアクリル等でできた光透過板であったりするそして、実施形態の植物育成ハウスでは、採光部４が背後に位置する状態で、色素増感太陽電池モジュール１０が設置されている。

色素増感太陽電池モジュール１０は、前述した実施形態に係るものであり、複数の円筒型セル１を備えており、各円筒型セル１が離間した状態で横に並べて配置された構造のものである。従って、屋根や壁の採光部４は色素増感太陽電池モジュール１０で覆われているものの、各円筒型セル１の間のスペースを通って太陽光が屋内に入射し得る。
実施形態の植物育成ハウスは、色素増感太陽電池モジュール１０が発生させた電力を内部の植物の育成に利用する育成モジュール５を備えている。この実施形態では、育成モジュール５は、長日調整を行うものとなっている。長日調整とは、ハウス内に設けられた長日用光源を日の出前後又は日没前後に点灯させて人工的に日照時間を長くする調整を意味する。

育成モジュール５について、図７及び図８を使用して説明する。図８は、実施形態の植物育成ハウスが備える育成モジュール５の概略構成を示す図である。
実施形態の植物育成ハウスは、内部に長日用光源６を備えている。長日用光源６としては、白色ＬＥＤが使用されている。図７に示すように、育成モジュール５は、色素増感太陽電池モジュール１０が発生させた電力を蓄える蓄電部５１と、長日用光源６に供給する電圧を調整する電圧調整器５２と、蓄電部５１について蓄電・放電を切り替える切替器５３と、電圧調整器５２や切替器５３を制御する制御部５４等から構成されている。
この実施形態では、長日用光源６はＬＥＤであるので、電圧調整器５２としてはＤＣ／ＤＣ変換器が使用されている。電圧調整器５２は、蓄電部５１からの出力電圧を長日用光源６に適した直流電圧に調整する。

制御部５４は、昼間は、各色素増感太陽電池セル１と蓄電部５１とを導通させて蓄電する一方、長日用光源６に対しては蓄電部５１を遮断する。そして、夜間には、色素増感太陽電池セル１と蓄電部５１とを遮断する一方、夜間の一部の時間帯で蓄電部５１を長日用光源６に導通させ、長日用光源６を点灯させる。一部の時間帯とは、日の出前及び又は日没後の時間帯であり、行うべき長日調整に従って予め設定された時間帯である。場合によっては、日の出後の日照の弱い時間帯及び又は日没前の日照の弱い時間帯において長日用光源６を点灯させる場合もあり得る。制御部５４には、長日用光源６を点灯させるべき時間帯が予め設定又は記憶された設定回路又は記憶部が設けられており、設定又は記憶に従って制御部５４は切替器５３を制御するようになっている。

尚、蓄電部５１としては、リチウムイオン電池のような二次電池や電気二重層等のスーパーキャパシタンス、又はそれらの蓄電手段を組み合わせたもの等が使用される。
また、各色素増感太陽電池セル１の電気的な接続については、直列接続として電力を取り出す場合が多いが、並列接続とする場合もあり得る。

このような植物育成ハウスによれば、育成する植物に応じて長日調整をする際、太陽電池で作った電力を用いるので、電気代が節約できる。この際、円筒型色素増感太陽電池を使用しているので、パネル型を用いる場合に比べて変換効率が高く、長日調整が効率良く行える。そして、各円筒型色素増感太陽電池セル１が離間して配置されているので、屋根及び又は壁に配置しつつも採光が可能であり、背後から入射する散乱光も利用できるのでさらに変換効率が高くなる。

単に太陽光発電を利用するだけであれば、パネル型のモジュールを植物育成ハウスの近くの空き地に設置することも考えられる。しかしながら、このようにすると太陽電池モジュールのためだけにスペースを要していることになるので、敷地に余裕がないと実現できない。実施形態の植物育成ハウスは、屋根や壁に色素増感太陽電池モジュール１０を設置しているので、敷地に余裕がない場合にも実現可能である。植物育成ハウスの屋根や壁は、採光の観点から太陽電池のような遮蔽物を置くことは通常考えられないが、実施形態の植物育成ハウスは、離間配置の円筒型色素増感太陽電池モジュールを採用することで、常識的な考えに反して植物育成ハウスの屋根や壁への太陽電池モジュールの設置を可能にしている。

尚、上記各実施形態において、建築物の屋根や外壁に色素増感太陽電池モジュール１０を設置する場合、各円筒型セル１の向きについて二つの配置があり得る。一つは、各円筒型セル１の長手方向が正面視で鉛直方向を向いた配置であり、他の一つは水平方向を向いた配置である。どちらの配置でも隣りの円筒型セル１による遮蔽を防止して変換効率を向上させる効果は同様であるが、鉛直方向を向いた配置の方が汚れ防止の観点で好ましい。即ち、水平配置では、各円筒型セル１の上面に汚れが付着したりゴミが溜まったりし易い。汚れやゴミは太陽光を遮蔽し、その分では変換効率が低下する。鉛直配置の場合、汚れやゴミは溜まりにくい。仮に汚れが付いたとしても、雨水によって流され易い。従って、汚れやゴミによる太陽光遮蔽の問題は水平配置に比べて小さい。図６や図７では、色素増感太陽電池モジュール１０は側面視となっているが、鉛直配置の例となっている。

また、各実施形態において、「円筒」の語は広く解釈されるものであり、幾何学的に厳密な意味における円筒のみならず、断面楕円形のものも「円筒」の概念に含まれるものとする。尚、断面楕円形の色素増感太陽電池セル１が使用される場合、離間距離ｇの上限、下限については、各円筒型セルを並べた方向における各円筒型セルの幅をφとし、前述した関係式を適用すれば良い。
また、各実施形態において、複数の円筒型セル１は横に並べて配置されているが、これは、各円筒型セル１の長手方向が平行である場合には限られない。長手方向が僅かな角度を成して交差する場合も、「横に並べて」と言い得る。

１ 円筒型色素増感太陽電池セル
１０ 色素増感太陽電池モジュール
１１ 光電極
１２ 対極
１３ 電解質層
１４ 透明管
１４１ 封止部
１５ 集電極
１６ リード
２ フレーム
２１ ソケット
２２ パッキン
２３ コネクタ端子
２４ 板バネ部
３ 採光部
４ 採光部
５ 育成モジュール
５１ 蓄電部
５２ 電圧調整器
５３ 切替器
５４ 制御部
６ 長日用光源

Claims (9)

1. 色素を付着させた光電極と、対極と、光電極と対極との間に介在された電解質層とを円筒形の透明管内に設けた円筒型色素増感太陽電池セルを備えた色素増感太陽電池モジュールであって、
   円筒型色素増感太陽電池セルは、複数横に並べて配置されており、
   複数の円筒型色素増感太陽電池セルを互いに離間した位置において保持するフレームを備えていることを特徴とする色素増感太陽電池モジュール。
2. 前記複数の円筒型色素増感太陽電池セルは、一つのフレームによって保持されていることを特徴とする請求項１記載の色素増感太陽電池モジュール。
3. 前記各円筒型色素増感太陽電池の外径をφ、前記各円筒型色素増感太陽電池の離間距離をｇとしたとき、０．３≦ｇ／φ≦２であることを特徴とする請求項１又は２記載の色素増感太陽電池モジュール。
4. 前記フレームは、各色素増感太陽電池セルを長さ方向の両端部で着脱自在に保持するソケットを備えていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の色素増感太陽電池モジュール。
5. 前記各円筒型色素増感太陽電池セルは同じ長さのものであり、前記フレームは方形の枠状であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の色素増感太陽電池モジュール。
6. 屋根又は外壁の全部又は一部が採光部となっている植物育成ハウスであって、採光部が背後に位置する状態で請求項１乃至５いずれかに記載の色素増感太陽電池モジュールが屋根又は外壁に取り付けられており、色素増感太陽電池モジュールが備える前記円筒型色素増感太陽電池セルで発生した電力を内部の植物の育成に利用する育成モジュールが設けられていることを特徴とする植物育成ハウス。
7. 前記屋根又は外壁に取り付けられた前記色素増感太陽電池モジュールは、各色素増感太陽電池セルの長手方向が正面視で鉛直方向に向いていることを特徴とする請求項６記載の植物育成ハウス。
8. 内部に長日用光源が設けられており、前記育成モジュールは、前記色素増感太陽電池モジュールで発生した電力を蓄える蓄電部と、蓄電部で蓄えられている電力を長日用光源に日の出前及び又は日没後に供給して長日用光源を点灯させる制御部とを備えていることを特徴とする請求項６又は７記載の植物育成ハウス。
9. 太陽光に晒される屋根又は壁面を有する建築物であって、当該屋根又は壁面には、円筒型色素増感太陽電池セルが複数離間して横に並べて取り付けられており、各円筒型色素増感太陽電離セルは、正面視で長手方向が鉛直方向に向いていることを特徴とする建築物。

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