JP2015103642A - 太陽光発電システム、及びこれを備えた農園芸用ハウス - Google Patents

Abstract

【課題】農園芸作物の生育に必要な光は透過させつつ、その余の光は効率的に太陽光発電に利用し、農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することのできる太陽光発電システム、及びこれを備えた農園芸用ハウスを提供することを提供すること。【解決手段】太陽光発電システムであって、（Ａ）採光部分；（Ｂ）両面発電型モジュール；（Ｃ）赤外線反射部材；を有し、上記（Ｃ）赤外線反射部材は、（Ｄ）赤外線反射率が３０％以上；（Ｅ）可視光線透過率が５０％以上；であり、（Ｆ）上記（Ａ）採光部分を透過した光の少なくとも一部は、上記（Ｃ）赤外線反射部材に入射するように構成され；（Ｇ）上記（Ｃ）赤外線反射部材で反射された赤外線の少なくとも一部は、上記（Ｂ）両面発電型モジュールに入射するように構成されている；太陽光発電システム。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。更に詳しくは、農園芸作物の生育に必要な光は透過させつつ、その余の光は効率的に太陽光発電に利用し、農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することのできる太陽光発電システム、及びこれを備えた農園芸用ハウスに関する。

近年、石油等の化石燃料や原子力に替わる新たなエネルギー源として、太陽光発電が注目を集めており、住宅や農園芸用ハウスの屋根等への太陽光発電システムの設置が進んでいる。太陽光発電システムを農園芸用ハウスの屋根等に設置する場合は、農園芸作物の生育に必要な光をハウス内に採り入れるため、採光型太陽電池モジュールが使用される。

農園芸用ハウス等に使用する採光型太陽電池モジュールとして、両面発電型のものを使用することは公知であり、「採光部分を有し太陽光を内部に採光するように構成した建物内の該採光部分の直下に、複数枚の太陽電池セルを並設し透明な合成樹脂で被覆してなる薄型軽量太陽電池モジュールを配設するか又は複数の該薄型軽量太陽電池モジュールを配設した構成の太陽電池アレイを設け、前記建物内への採光は前記太陽電池モジュールの太陽電池セルと太陽電池セルの間及び／又は前記太陽電池アレイの太陽電池モジュールと太陽電池モジュールの間から行うようにしたことを特徴とする遮光・調光機能付太陽光発電システム。」、及び上記のシステムにおいて、「太陽電池モジュールに両面発電可能な太陽電池セルを用い、該太陽電池モジュールは屋外から入射する太陽光の他、屋内で反射・散乱した光でも発電できるように構成したことを特徴とする遮光・調光機能付太陽光発電システム。」が提案されている（特許文献１）。しかし、寒冷期であっても、晴天の日中には、農園芸作物の生育に必要な光をハウス内に採り入れることにより、ハウス内部の温度は大きく上昇するため、農園芸用ハウスの内部が高温になることにより育成に障害が生じ易い農園芸作物、例えば、イチゴやレタスなどの場合には、冷房を必要としているという問題を解決する方法については、何の記載も示唆もない。

特開２００２−０２６３５７号公報

本発明の課題は、農園芸作物の生育に必要な光は透過させつつ、その余の光は効率的に太陽光発電に利用し、農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することのできる太陽光発電システム、及びこれを備えた農園芸用ハウスを提供することにある。

本発明者は、鋭意研究した結果、採光型太陽発電モジュールの採光部分を透過した光のうち、赤外線は反射部材により両面発電型モジュールへと入射させ、可視光線は農園芸用ハウス内部へと透過させることにより、上記課題を達成できることを見出した。

すなわち、本発明は、太陽光発電システムであって、
（Ａ）採光部分；
（Ｂ）両面発電型モジュール；
（Ｃ）赤外線反射部材；
を有し、上記（Ｃ）赤外線反射部材は、
（Ｄ）赤外線反射率が３０％以上；
（Ｅ）可視光線透過率が５０％以上；
であり、
（Ｆ）上記（Ａ）採光部分を透過した光の少なくとも一部は、上記（Ｃ）赤外線反射部材に入射するように構成され；
（Ｇ）上記（Ｃ）赤外線反射部材で反射された赤外線の少なくとも一部は、上記（Ｂ）両面発電型モジュールに入射するように構成されている；
太陽光発電システムである。

第二の発明は、農園芸用ハウスであって、太陽光が直射する屋根及び／又は壁の少なくとも一部分に、第一の発明に記載の太陽光発電システムが、上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、ハウス内部に入射するように設置されている農園芸用ハウスである。

第三の発明は、上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、更に波長５００〜６００ナノメートルに吸収極大を有する色素を含む媒体を透過後にハウス内部に入射することを特徴とする第ニの発明に記載の農園芸用ハウスである。

本発明の太陽光発電システムは、農園芸作物の生育に必要な光は透過させつつ、その余の光は効率的に太陽光発電に利用することができる。また農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することができる。そのため本発明の太陽光発電システムを備えた本発明の農園芸用ハウスは、イチゴやレタスなどの高温に弱い作物の栽培に好適に用いることができる。

本発明の太陽光発電システムは、（Ａ）採光部分；（Ｂ）両面発電型モジュール；（Ｃ）赤外線反射部材；を有する。

上記（Ａ）採光部分は、発電要素と発電要素との間に設けた隙間である。隙間の設け方は制限されず、任意である。例えば、太陽電池セルに隙間を施したタイプ、太陽電池モジュールのセルとセルとの間に隙間を設けたタイプ、太陽電池アレイのモジュールとモジュールとの間に隙間を設けたタイプ、及びこれらを任意に組み合わせたタイプなどをあげることができる。隙間の形も任意であり、例えば、スリット状、円形、三角形、四角形、六角形などの連続した、又は／及び独立した隙間を設けることができる。

上記（Ａ）採光部分の全光線透過率は、通常５０％以上である。農園芸作物の生育や、両面型発電モジュールの発電効率の観点から、（Ａ）採光部分の全光線透過率は高いほど好ましく、７０％以上が好ましい。

上記（Ａ）採光部分の面積の、太陽光発電システムの全太陽光受光面積に対する割合は、特に制限されず、（Ａ）採光部分の全光線透過率や農園芸用ハウス内部で栽培される作物の種類などを勘案して、任意に決めることができる。例えば、イチゴやレタスなどの高温に弱い作物を栽培するときは、遮光効果を大きくするため、上記割合を小さくすることが好ましい。

上記（Ｂ）両面発電型モジュールは、両面からの発電が可能なモジュールである。本発明に使用する部材（Ｂ）は、特に制限されず、例えば、表裏対象構造の太陽電池セルを、表面ガラスと裏面ガラスとでサンドイッチ構造にしたモジュール；表面のみ発電可能なモジュールを組み合わせ、モジュール組合体として両面からの発電を可能にしたもの；など任意の両面からの発電が可能なモジュールを使用することができるが、裏面側で発電に使用する光は、主に上記部材（Ｃ）で反射された赤外線となるので、少なくとも裏面側については、赤外線領域の分光感度の高いものが好ましい。赤外線領域の分光感度の高いものとしては、例えば、結晶シリコン型、ＣＩＳ（カルコパイライト）型などをあげることができる。

上記（Ｃ）赤外線反射部材は、赤外線は反射し、可視光線は透過する部材であり、（Ｄ）赤外線反射率は３０％以上であり；（Ｅ）可視光線透過率は５０％以上である。

なお本明細書において、赤外線反射率は、波長７８０〜２５００ナノメートルの全範囲における日射の反射率が１００％であると仮定した場合の反射スペクトルの積分面積に対する波長７８０〜２５００ナノメートルにおける日射の反射スペクトルの積分面積の割合であり、島津製作所株式会社の分光光度計「ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ−３７００（商品名）」を用い、光を入射角０°で（Ｃ）赤外線反射部材に入射させて測定した値である。

また可視光線透過率は、波長３８０〜７８０ナノメートルの全範囲における日射の透過率が１００％であると仮定した場合の透過スペクトルの積分面積に対する波長３８０〜７８０ナノメートルにおける日射の透過スペクトルの積分面積の割合であり、島津製作所株式会社の分光光度計「ＳｏｌｉｄＳｐｅｃ−３７００（商品名）」を用い、光を入射角０°で（Ｃ）赤外線反射部材に入射させて測定した値である。

上記（Ｄ）赤外線反射率は、好ましくは４０％以上である。（Ｄ）赤外線反射率は、高いほど太陽光発電効率が上がり、農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することができるため好ましい。また上記（Ｅ）可視光線透過率は、好ましくは７０％以上であり、より好ましくは８０％以上である。（Ｅ）可視光線透過率は、高いほど農作物の生育の観点から好ましい。

本発明に使用する（Ｃ）赤外線反射部材は、上記特性（Ｄ）及び（Ｅ）を満たすこと以外は特に制限されず、任意の赤外線反射部材を使用することができる。

好ましい（Ｃ）赤外線反射部材としては、例えば、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムなどの任意の透明ウェブ基材の少なくとも片面に、スパッタリング、蒸着、コーティング等の手法を用いて、高屈折率層と低屈折率層とを交互に多積層したもの；高屈折率の透明熱可塑性樹脂組成物と低屈折率の透明熱可塑性樹脂組成物との共押出交互多層積層体；などの光学的な干渉により赤外線を反射するものをあげることができる。

上記（Ｃ）赤外線反射部材の形状は、任意であり、特に制限されない。例えば、フィルム状、プリズム状など任意のものを使用することができる。

本発明の太陽光発電システムは、（Ｆ）上記（Ａ）採光部分を透過した光の少なくとも一部は、上記（Ｃ）赤外線反射部材に入射するように構成され；（Ｇ）上記（Ｃ）赤外線反射部材で反射された赤外線の少なくとも一部は、上記（Ｂ）両面発電型モジュールに入射するように構成されている。そして部材（Ｂ）において入射した赤外線を使用して発電が行われる。

構成（Ｆ）及び構成（Ｇ）の実施態様としては、例えば、図１や図２に示すように、上記（Ａ）採光部分を透過した光が、上記（Ｃ）赤外線反射部材に直接入射するように構成しても良いし、例えば、図３に示すように、上記（Ａ）採光部分を透過した光を１以上の鏡などの全光線反射部材で反射し、上記（Ｃ）赤外線反射部材に間接的に入射するように構成しても良い。部材（Ｃ）に直接入射する実施態様では、システムを簡素で低コストなものにすることができる。部材（Ｃ）に間接的に入射する実施態様では、部材（Ｃ）により反射された赤外線が、部材（Ｂ）に入射することなく、再び（Ａ）採光部分を透過してしまうというロスを減らすことができる。

本発明の農園芸用ハウスは、太陽光が直射する屋根及び／又は壁の少なくとも一部分に、本発明の太陽光発電システムが、上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、ハウス内部に入射するように設置された農園芸用ハウスである。農園芸用ハウス内部に入射した可視光線は農園芸作物の生育に用いられる。また赤外線は、部材（Ｃ）により反射され、農園芸用ハウス内部には入射しないため、内部温度の上昇を大きく抑制することができる。

また本発明の農園芸用ハウスに、更に波長５００〜６００ナノメートルの光を吸収する装置又は部材を設け、上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線が、更に上記装置又は部材を透過後にハウス内部に入射するようにすることも、好ましい実施態様の一つである。通常の農園芸作物の生育に必要とする光は、可視光線の中でも波長４００〜５００ナノメートルと６００〜７００ナノメートルの光であり（文献１）、波長５００〜６００ナノメートルの光は生育への寄与は小さい一方、ハウス内部の温度を上昇させる影響は大きいためである。

（文献１）植物の成長・発育と光質の関係
http://www.nodai.ac.jp/journal/research/amaki/050708.html

上記波長４００〜５００ナノメートルと６００〜７００ナノメートルの光を透過し、波長５００〜６００ナノメートルの光を吸収する装置としては、例えば、少なくとも上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線を透過させる部分を、ガラスなどの透明部材で構成した槽や流路の中に、ローダミンＢ（ベーシックバイオレット１０）などの波長５００〜６００ナノメートルに吸収極大を有する色素を、適量溶解させた水などの熱交換媒体を適宜循環させる、熱交換媒体循環装置をあげることができる。上記装置は、上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、上記装置を透過した後、農園芸用ハウス内部に入射するように設置する。また上記装置により吸収した波長５００〜６００ナノメートルの光のエネルギーは、熱エネルギーとして用いることができる。

また上記波長４００〜５００ナノメートルと６００〜７００ナノメートルの光を透過し、波長５００〜６００ナノメートルの光を吸収する部材としては、二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムなどの任意の透明ウェブ基材の少なくとも片面に、波長５００〜６００ナノメートルに吸収極大を有する色素を含む硬化性樹脂塗膜を設けたもの；波長５００〜６００ナノメートルに吸収極大を有する色素を含む透明熱可塑性樹脂組成物からなるフィルム；などをあげることができる。

本発明の太陽光発電システムの一例を示す概念図である。 本発明の太陽光発電システムの他の一例を示す概念図である。 本発明の太陽光発電システムの他の一例を示す概念図である。 本発明の実施例１で作成した太陽光発電システムを示す概念図である。

１：（Ａ）採光部分
２：（Ｂ）両面発電型モジュール
３：（Ｃ）赤外線反射部材
４：（Ａ）採光部分を透過し、（Ｃ）赤外線反射部材に入射する光
５：（Ｃ）赤外線反射部材で反射され、（Ｂ）両面発電型モジュールの裏面に入射する赤外線
６：（Ｃ）赤外線反射部材を透過し、農園芸用ハウス内部に入射する可視光線
７：（Ｂ）両面発電型モジュールの表面に入射する光
８：全光線反射部材
９：（Ａ）採光部分を透過し、全光線反射部材８に入射する光
１０：全光線反射部材８で反射され、（Ｃ）赤外線反射部材に入射する光
１１：本発明の実施例１で作成した太陽光発電システムの平面
１２：本発明の実施例１で作成した太陽光発電システムの底面

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
（１）太陽光発電システムの作成
坪量５００ｇ／ｍ^２のコートボール紙を用い、縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×高さ５０ｍｍの浅い直方体形状の紙箱を作成した。次いで上記紙箱の平面の中央に穴を開け、出力０．５Ｗの採光部分を有する両面発電型の結晶シリコン型太陽電池モジュールを、穴を完全に塞ぐように設置した。このとき穴の大きさは、モジュールの大きさに合わせた。更に、上記紙箱の底面の中央に縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍの穴を開け、住友スリーエム株式会社の赤外線反射フィルム「スコッチティントＮａｎｏ９０Ｓ（商品名）」（赤外線反射率４０％、可視光線透過率８８％）を、縦２８０ｍｍ×横２８０ｍｍの大きさに裁断し、穴を完全に塞ぐように、赤外線反射面が紙箱の内側になるようにして貼り付けた。こうして太陽光発電システムを得た。
（２）性能評価
上記で得た太陽光発電システムに設置した太陽電池モジュールの上２０ｃｍの高さから、５０Ｗのレフランプで照射した。全発電量から、表側の発電量を差し引いた裏側の発電量（上記赤外線反射フィルムの反射光による発電量）は１２．９ｍＷ／ｈｒであった。また日本板硝子株式会社の５ｍｍ厚みの熱強化ガラス「ホームタフライト（商品名）」を用い、縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ×高さ１０ｍｍの非常に浅い直方体形状の槽を作成し、内部を蒸留水で満たし、その平面上に上記で得た太陽光発電システムを設置し、太陽電池モジュールの上２０ｃｍの高さから、５０Ｗのレフランプで照射したところ、１時間経過後の蒸留水の温度は、スタート時の２３℃が２４℃に少し上昇した。

比較例１
上記赤外線反射フィルムに替えて、赤外線反射率５％、可視光線透過率１５％のスモークフィルムを用いたこと以外は、実施例１と同様に行った。裏側の発電量は１．６ｍＷ／ｈｒであった。また蒸留水の温度は、スタート時の２３℃が３１℃に上昇した。

実施例２
蒸留水に替えて、蒸留水にＨＵＮＴＳＭＡＮ株式会社の色素「ＮＯＶＡＣＲＯＮ ＢＬＡＣＫ ＮＮ（商品名）」を０．００２質量％溶解した水溶液（波長５００ナノメートルに吸収率５０％の吸収極大を有す）で上記直方体形状の槽の内部を満たしたこと以外は、全て実施例１と同様に行った。裏側の発電量は１２．１ｍＷ／ｈｒであった。また水溶液の温度は、スタート時の２３℃が２８℃に上昇した。

比較例２
上記赤外線反射フィルムに替えて、赤外線反射率５％、可視光線透過率１５％のスモークフィルムを用いたこと以外は、実施例２と同様に行った。裏側の発電量は０．８ｍＷ／ｈｒであった。また水溶液の温度は、スタート時の２３℃が３３℃に上昇した。

実施例１は裏面側も大きな発電量がある。また槽中の蒸留水温度が、比較例１と比較して、僅かに上昇しているだけであることから、これを設置した農園芸用ハウスは内部温度の上昇を抑制できると期待できる。

実施例２は裏面側も大きな発電量がある。また槽中の水溶液温度が、実施例１よりも上昇していることから、赤外線反射フィルムを透過した可視光線を、更に色素を含む水溶液を透過させることにより、エネルギーを吸収できたことが分かる。従って、波長５００〜６００ナノメートルの光を吸収する装置を備えることにより、ハウス内部温度の上昇は更に小さくできると期待できる。

一方、比較例１、２は裏面側の発電量が非常に小さい。また槽中の蒸留水又は水溶液の温度が大きく上昇していることから、これを設置しても農園芸用ハウス内部の温度上昇を抑制することはできないと判断される。

Claims (3)

1. 太陽光発電システムであって、
   （Ａ）採光部分；
   （Ｂ）両面発電型モジュール；
   （Ｃ）赤外線反射部材；
   を有し、
   上記（Ｃ）赤外線反射部材は、
   （Ｄ）赤外線反射率が３０％以上；
   （Ｅ）可視光線透過率が５０％以上；
   であり、
   （Ｆ）上記（Ａ）採光部分を透過した光の少なくとも一部は、上記（Ｃ）赤外線反射部材に入射するように構成され；
   （Ｇ）上記（Ｃ）赤外線反射部材で反射された赤外線の少なくとも一部は、上記（Ｂ）両面発電型モジュールに入射するように構成されている；
   太陽光発電システム。
   
2. 農園芸用ハウスであって、
   太陽光が直射する屋根及び／又は壁の少なくとも一部分に、
   請求項１に記載の太陽光発電システムが、
   上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、ハウス内部に入射するように設置されている
   農園芸用ハウス。
   
3. 上記（Ａ）採光部分及び上記（Ｃ）赤外線反射部材を透過した可視光線の少なくとも一部が、
   更に波長５００〜６００ナノメートルに吸収極大を有する色素を含む媒体を透過後に
   ハウス内部に入射することを特徴とする請求項２に記載の農園芸用ハウス。