JP2015050219A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の太陽光発電装置においては、熱電変換素子を円筒形の冷却管の側面に搭載することは困難であるという課題があった。
【解決手段】太陽電池１０４に反射鏡１０１によって太陽光を集中させ、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電装置１であって、反射鏡１０１の上方に配置した角筒状の冷却管１０２と、冷却管１０２の少なくとも一つの側面に搭載された熱電変換素子１０３と、熱電変換素子１０３の上面に搭載された太陽電池１０４と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電装置に関するものである。

従来の太陽光発電装置において、例えば、冷却管上に配置した太陽電池に対して反射鏡を用いて太陽光を集光して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する、集光型の太陽光発電装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示の太陽光発電装置は、図７に示すように、反射鏡３０１で反射した太陽光を太陽電池３０２に集光させることで、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換している。このとき、太陽光には、熱線が含まれているので、太陽電池３０２が加熱され、その温度が上昇する。そこで、特許文献１に開示の太陽光発電装置では、熱電変換素子３０４を太陽電池３０２と冷却管３０３との間に配置し、太陽電池３０２と冷却管３０３の温度差を利用して熱電変換を行うことで、発電効率を向上させている。

特開２００４−２７１０６３号公報

しかしながら、従来の太陽光発電装置の冷却管は円筒形であるため、熱電変換素子を冷却管に設置すると、熱電変換素子と冷却管との間に間隙が生じ、接触面積が小さくなる。そのため、熱電変換素子と冷却管との間の熱伝達が悪くなり、熱電変換素子の熱電変換効率が低下する場合があるという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、熱電変換素子と冷却管との接触面積を増大させ、冷却効果を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の太陽光発電装置は、角筒状の冷却管と、前記冷却管の各側面に設置された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子にそれぞれ設置された複数の太陽電池と、前記太陽電池の側面を覆う絶縁材と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、熱電変換素子と冷却管との接触面積が増大するので、熱電変換素子を効率よく冷却することができ、太陽エネルギーを電気エネルギーに効率よく変換できる太陽光発電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る太陽光発電装置を示す斜視図 図１のＡ−Ａ線で切断したときの断面図 本発明の実施の形態１に係る熱電変換素子を示す斜視図 図２のＢ部の拡大図 図４のＣ部の拡大図 本発明の実施の形態１における太陽光発電ユニットの一部を示す概略図 従来の太陽光発電装置を示す概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、本発明の太陽光発電装置１は、断面形状が半円筒状である反射鏡１０１によって太陽光発電ユニット１００に太陽光を集光させるように構成されている。太陽光発電ユニット１００は、反射鏡１０１の焦線付近に配置されている。反射鏡１０１と太陽光発電ユニット１００は、架台１０に立設したフレーム１１によって支持されている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、反射鏡１０１は、長手方向に垂直な断面が半円筒状であるトラフ形状である。

冷却管１０２は、断面が８角形である角筒形状を有しており、側面は矩形の平面を有している。冷却管１０２の内部には冷却水が流通しており、冷却水は、冷却管１０２の壁面および熱電変換素子１０３を介して、太陽電池１０４を冷却する。冷却管１０２は、冷却部の一例である。

熱電変換素子１０３は、図３に示すように、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。熱電変換素子１０３は、例えば、ビスマス・テルル系の合金にＳｂ等をドーパントとして添加したＰ型熱電変換素子１０３ｐと、Ｓｅ等をドーパントとして添加したＮ型熱電変換素子１０３ｎとを配線基板１０５に実装して、電気的に直列に接続したものである。

太陽電池１０４は、ケイ素や化合物半導体の結晶あるいはアモルファスシリコンなどからなり、半導体の光起電力効果を利用して光エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する。

まず、太陽光発電装置１の作用について説明する。

図１および図２に示すように、太陽光は、反射鏡１０１によって反射され、太陽光発電ユニット１００に集光する。太陽光発電ユニット１００の表面には太陽電池１０４が配置されているので、集光された太陽光は、太陽電池１０４で太陽光エネルギーから電気エネルギーに変換される。反射鏡１０１によって集光された太陽光は、エネルギー密度が高く、熱線が含まれているので、反射鏡１０１側に設置した太陽電池１０４の表面温度は、夏場などでは２００℃近傍まで上昇することもある。太陽電池１０４は、温度が高くなると発電効率が下がることが知られている。例えば、太陽電池１０４の材料が結晶シリコンの場合、太陽電池１０４の光電変換部の温度が１０℃上がると、約４％の発電効率の低下となる。すなわち、太陽光発電装置１においては、太陽電池１０４の温度が上昇した場合に発電効率が低下すると、その太陽電池１０４を冷却することが望ましい。

そのため、本実施の形態では、冷却管１０２に流れる冷却水により、熱電変換素子１０３を介して太陽電池１０４を冷却している。さらに、間に熱電変換素子１０３を介しているため、太陽電池１０４と冷却管１０２との間で生じた温度差により、熱電変換素子１０３において熱エネルギーが電気エネルギーに変換され、発電量を増やすことができる。

熱電変換素子１０３は、図３に示すように、上下面が平坦な配線基板１０５で構成されている。冷却管１０２は、側面に平面を有する角筒形状を有しているので、熱電変換素子１０３を冷却管１０２の側面に設置した場合、冷却管１０２と熱電変換素子１０３との接触面積が大きくなる。よって、太陽電池１０４の表面で発生した熱は、熱電変換素子１０３を介して、冷却管１０２に効率的に伝達される。

続いて、本発明の太陽光発電装置１の構成について、詳しく説明する。

図４は、図２のＢ部の拡大図である。図４に示すように、太陽光発電ユニット１００は、断面形状が８角形の角筒状の冷却管１０２の側面に熱電変換素子１０３が設置され、熱電変換素子１０３の上面に太陽電池１０４が高熱伝導ペースト２０２を介して設置されている。

そして、隣接する太陽電池１０４および熱電変換素子１０３の間には、絶縁材２０１が形成されている。図４に示すように、絶縁材２０１は、例えば、隣接する太陽電池１０４と熱電変換素子１０３との間を完全に埋めるように充填されている。なお、絶縁材２０１は、太陽電池１０４の表面からはみ出さないように形成されていることが望ましい。これは、太陽電池１０４の表面から絶縁材２０１がはみ出していると、絶縁材２０１により太陽光が反射して、太陽電池１０４の一部に太陽光が集中してしまい、太陽電池１０４の刑事劣化が早まる可能性があるためである。

本実施の形態の絶縁材２０１は、さらに、絶縁性の断熱材として機能すると共に、反射防止部材として機能するものである。すなわち、本発明の絶縁材２０１は、隣接する太陽電池１０４間の熱の伝達を遮断すると共に、隣接する太陽電池１０４の間に入光した太陽光の反射を防止し、散乱光の発生を抑制することができるものである。

絶縁材２０１が断熱材として機能して、隣接する太陽電池１０４への熱の伝達が防止されることで、太陽電池１０４の熱は、太陽電池１０４の下面に配置された熱電変換素子１０３を介して、冷却管１０２に効率よく伝達されることになる。そのため、絶縁材２０１が断熱材として機能することで、冷却管１０２による冷却効率を高めることができる。

ここで、絶縁材２０１は、例えば、硫酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、ガラスウールなどを主成分とする絶縁性の断熱材を用いて形成することができる。

図５は、図４のＣ部の拡大図である。図５に示すように、太陽電池１０４は、熱電変換素子１０３よりも面積が大きく、熱電変換素子１０３の端面より突き出たオーバーハング部を有している。これにより、太陽電池１０４ａと、隣接する太陽電池１０４ｂの下面に配置された熱電変換素子１０３ｂとの距離が長くなり、太陽電池１０４ａの熱が、熱電変換素子１０３ｂに伝達しにくくなる。そうすると、熱電変換素子１０３ｂの下面が、太陽電池１０４ａの熱の影響を受けにくくなるので、熱電素子１０３ｂの上面と下面との温度差が大きくなり、熱電変換素子１０３ｂの電気エネルギー発生量が大きくなる。図５は、図６に示す太陽光発電ユニットの一部を示す概略図のＤ−Ｄ断面図でもある。

また、絶縁材２０１を隣接する太陽電池１０４の間に形成していると共に、太陽電池１０４が熱電変換素子１０３の端面より突き出たオーバーハング部を有しているので、熱電変換素子１０３への雨水等の水分の侵入を防止することができる。

なお、冷却管１０２は、その長手方向に対する中心軸周りに回転可能となっている。冷却管１０２が回転することにより、反射鏡１０１側に配置していた太陽電池１０４と、反射鏡１０１と反対側に配置していた太陽電池１０４との位置を、入れ替えることができる。反射鏡１０１側の太陽電池１０４は、集光されてエネルギー密度の高い太陽光を受けるため、反射鏡１０１と反対側の太陽電池１０４より継時劣化が進む可能性が高い。よって、冷却管１０２を回転させて、定期的に反射鏡１０１側の太陽電池１０４と反対側の太陽電池１０４とを入れ替えることにより、太陽光発電装置１の長寿命化が図れる。

また、本発明の太陽光発電装置１では、熱電変換素子１０３および太陽電池１０４を、冷却管１０２の側面ごとに分割して設置しているので、大面積の熱電変換素子１０３や太陽電池１０４を作成する必要がない。そのため、歩留りもよく、劣化した場合でも容易に取り換えることができるので、メンテナンス性に優れた太陽光発電装置１を提供することができる。

なお、少なくとも絶縁材２０１は、断熱性だけを考えると、太陽電池１０４および熱電変換素子１０３の側面を少なくとも覆っていれば良い。この場合は、太陽電池１０４および熱電変換素子１０３の側面に、事前に絶縁材２０１をコーティングしておくことで、製造工程を簡素化することができる。さらに、隣接する絶縁材２０１の間に隙間が存在すると、断熱性の高い空気による層（空気層）が形成されることになり、太陽電池１０４と隣接する熱電変換素子１０３との間の断熱性をより高くすることができる。

なお、隣接する熱電変換素子１０３間の熱分布を安定させるためには、熱電変換素子１０３の形状を、太陽電池１０４側から冷却管１０２側に向けて小さくなる台形形状とするのが望ましい。このような台形形状とすることで、隣接する熱電変換素子１０３の側面が平行になり、これらの間の熱分布を安定させることができる。

なお、反射鏡１０１は、多数の平面鏡の組み合わせであってもよく、複数のパラボラ型の反射鏡を組み合せたものであってもよい。なお、反射鏡１０１は、太陽エネルギーを最大限利用するために、太陽光に対して正対する方向に向けるのが望ましく、太陽の移動に追従するように追尾装置（図示せず）を用いてもよい。

なお、冷却管１０２は、平坦な側面をもつ角筒形状であればよく、例えば、断面が三角形、四角形などの角筒形状であってもよい。

以上のように、本発明は、太陽光発電装置として有用である。

１ 太陽光発電装置
１０ 架台
１１ フレーム
１００ 太陽光発電ユニット
１０１ 反射鏡
１０２ 冷却管
１０３ 熱電変換素子
１０４ 太陽電池
１０３ｎ Ｎ型熱電変換素子
１０３ｐ Ｐ型熱電変換素子
１０５ 配線基板
２０１ 絶縁材
２０２ 高熱伝導ペースト

Claims (9)

1. 角筒状の冷却管と、
   前記冷却管の各側面に設置された複数の熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子にそれぞれ設置された複数の太陽電池と、
   前記太陽電池および前記熱電変換素子の側面を覆う絶縁材と、を備えた、
   太陽光発電装置。
2. 前記絶縁材が、断熱材として機能する、
   請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記絶縁材が、反射防止材として機能する、
   請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
4. 前記絶縁材は、隣接する前記太陽電池および前記熱電変換素子の間を完全に埋めるように充填されている、
   請求項１から３いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
5. 前記絶縁材は、隣接する前記太陽電池および前記熱電変換素子の側面を覆うと共に、それらの間に空気層が形成されている、
   請求項１から３いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
6. 前記太陽電池の大きさは前記熱電変換素子の大きさよりも大きく、
   前記太陽電池は、前記熱電変換素子の端部より突き出たオーバーハング部を有している、
   請求項１から５いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
7. 前記熱電変換素子の形状が、前記太陽電池側から前記冷却管側に向けて小さくなる台形形状であり、隣接する熱電変換素子の側面が平行である、
   請求項１から６いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
8. 前記冷却管および前記熱電変換素子および前記太陽電池を少なくとも含む太陽光発電ユニットの下方に配置された反射鏡をさらに有し、
   前記太陽光発電ユニットは、複数の前記熱電変換素子と、それぞれの熱電変換素子に対応した複数の前記太陽電池とを有する、
   請求項１から７いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
9. 前記冷却管は、前記冷却管の長手方向の軸を中心として回転可能である、
   請求項１から８いずれか１項に記載の太陽光発電装置。

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