JP2015106684A

JP2015106684A - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP2015106684A
Application number: JP2013249261A
Authority: JP
Inventors: 晋作山口; Shinsaku Yamaguchi; 保聡屋敷; Yasuaki Yashiki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-08

Abstract

【課題】設置面積が小さく、かつ発電量の大きい太陽光発電システムを得る。【解決手段】相対向する第１および第２の面１０o，１０iを受光面とする両面発電型太陽電池モジュール１０から構成される発電部は、両面発電型太陽電池モジュール１０の第１及び第２の面１０o，１０iをそれぞれ外側面及び内側面とする、筒状体をなすように組み立てられる。この発電部１００の１端に設けられ、外部からの光を筒状体の内側から第２の面１０iに導く光学ユニット２００とを備える。光学ユニット２００は、光伝達管２０と、集光器４０と、光反射機構５０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

従来、太陽光発電システムには、構造物の屋根や屋上などに、直接または架台を用いて、複数の太陽電池モジュールを傾斜面または水平面に設置されるもの、フェンスなどの地表に対して垂直または垂直に近い角度（以下、まとめて垂直と呼ぶ）で設置されているものを利用して、地表に対して垂直に太陽電池モジュールを設置されるものがある。そして、それらに用いられる太陽電池モジュールとして、受光面すなわち表面が透光性部材、裏面が光反射部材で構成される片面発電型太陽電池モジュール、表裏面が透光性部材で構成される両面発電型太陽電池モジュール（例えば特許文献１，２）が開示されている。

両面発電型太陽電池モジュールの受光面を地表に対して垂直に設置する（例えば特許文献３，４）ことで、設置面積を小さくすることができる。更に、年間発電量は設置方位に依らずほぼ一定であり、片面発電型太陽電池モジュール、真南または真南に近い向きに傾斜角を緯度と同等に設置した場合と比べて、一日の発電量はほぼ遜色なく、設置面積を小さくできる（例えば非特許文献１，２）。

特許第３７７８６９５号公報特許第４０４３１００号公報特開２００１−０４４４７０号公報特許第３９１７９７６号公報

Solar Energy Materials & Solar Cells 75 (2003)，557-566 日立電線工学技術研究誌，2004-1 No.23，35-38

上述したように、垂直設置の両面発電型の太陽電池モジュール（以下モジュールということもある）を用いることで設置面積を小さくすることができる。しかしながら、上記従来の技術によれば、複数のモジュールを設置する際の設置密度を高めるために、各モジュール受光面間を近接させて設置すると、モジュール受光面に影が生じて発電量が低下する。そのため、通常はモジュール受光面に対して水平な方向に多数並べて設置するが、水平方向に多大な敷地が必要となり、敷地には十分な幅が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、設置面積が小さく、かつ発電量の大きい太陽光発電システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の太陽光発電システムは、相対向する第１および第２の面を受光面とする両面発電型の太陽電池モジュールを有し、太陽電池モジュールの第１及び第２の面をそれぞれ外側面及び内側面とする、筒状体をなすように組み立てられた発電部と、発電部の上側に設けられ、外部からの光を筒状体の内側から第２の面に導く光学ユニットとを備えている。

本発明によれば、筒状体とし、モジュール設置密度を高めた幾何学的配置（四角筒、三角筒など）により、太陽光発電システムの設置面積、および、敷地幅を小さくした上で、光学ユニットにより、筒状体の内側面に配された発電部の第２の面に光を導くようにしているため、設置面積に対して高効率の発電が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムを表す模式図である。図２は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムで用いられる太陽電池モジュールを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムの光学ユニットを示す模式図である。図４は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムの機能性フレームの底面を示す模式図である。図５は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムの冷却機構を兼ね備えた光学ユニットを示す模式図である。図６は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムのモジュール設置形態の変形例を示す模式図である。図７は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムのモジュール設置形態の変形例を示す模式図である。図８は、本発明の実施の形態１の太陽光発電システムのモジュール設置形態の変形例を示す模式図である。図９は、本発明の実施の形態２の太陽光発電システムを示す模式図である。図１０は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。図１１は、本発明の実施の形態３の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。図１２は、本発明の実施の形態４の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。図１３は、本発明の実施の形態５の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。図１４は、本発明の実施の形態６の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの設置例を示す模式図である。図１５は、本発明の実施の形態７の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。図１６は、本発明の実施の形態８の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。図１７は、本発明の実施の形態９の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。図１８は、本発明の実施の形態１０の太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。図１９は、本発明の実施の形態１１の太陽光発電システムの機能性フレームの底面を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。また、平面図であっても、図面を見易くするためにハッチングを付す場合がある。なお、説明の簡易化のため、端子ボックスやパワーコンディショナー等に関する記載を省き、太陽電池アレイ、および、その周辺部分のみを取り上げる。

実施の形態１．
実施の形態１における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について、図１〜５を参照しつつ説明する。図１は、実施の形態１の太陽光発電システムを示す模式図である。図２は、同太陽光発電システムで用いられている太陽電池モジュールを示す図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、同太陽光発電システムの光学ユニットを示す模式図である。図４は、同太陽光発電システムの機能性フレームの底面を示す模式図である。図５は、本発明の太陽光発電システムの冷却機構を兼ね備えた光学ユニットを示す模式図である。この太陽光発電システムは、４枚の両面発電型太陽電池モジュール１０が設置面に対して受光面が垂直となるように、四角筒状をなして設置された筒状体からなる発電部１００と、発電部１００特に筒状体の内側に光を導くとともに、冷却などの制御機能を備えた光学ユニット２００とで構成される。両面発電型太陽電池モジュール１０は、両面発電型の太陽電池セルで構成され、相対向する第１および第２の面１０_o，１０_iを受光面とする。ここでは、第１および第２の面１０_o，１０_iが、それぞれ外側面及び内側面を構成する。光学ユニット２００は、発電部１００の直上に配設された、光伝達管２０と、位置調整機能及び冷却機能を備えた機能性フレーム３０と、機能性フレーム３０で支持される集光器４０と、発電部１００の直下に配される拡散反射板５１を備えた光反射機構５０とを具備し、両面発電型太陽電池モジュール１０の内側面である第２の面１０_iに外部からの光を導光する。この導光は光電変換を伴わない、簡単な導光手段によって実現される。５２は拡散反射板５１から放射される拡散反射光である。

両面発電型太陽電池モジュール１０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、通例の太陽電池モジュールが用いられるが、詳細については後述する。両面発電型太陽電池モジュール１０には、限られた設置面積で大きな発電量を得ることができる、セル光電変換効率の高いヘテロ接合型シリコン太陽電池を用いることが好ましい。

光伝達管２０は、図３に模式図を示すように、光伝達管受光部２１と伝達管部２２と光伝達管光放射部２３とにより構成されている。２４は光伝達管光放射部２３から出力される放射光を示す。光伝達管２０の伝達管部には、例えば光ファイバを用いることができる。機能性フレーム３０は、機械強度や耐候性の高い金属、例えばステンレス鋼で構成され、直上に設置される集光器４０を支持する。

光反射機構５０は、図３に模式図を示すように、拡散反射板５１からなり、拡散反射光５２を発する。拡散反射板５１としては、例えば凹凸形状を表面に持つ金属、酸化チタン、酸化マグネシウム等の金属酸化物、または、樹脂を使用した板を用いることができる。なお、機能性フレーム３０は両面発電型太陽電池モジュール１０に、集光器４０は機能性フレーム３０に、それぞれ固定されている。光伝達管２０は、機能性フレーム３０、もしくは、集光器４０に固定できる。また、図示はしないが、端子ボックスやパワーコンディショナー等も本発明の太陽光発電システムに含まれる。

更に、機能性フレーム３０は、集光器４０の集光方向を制御する集光制御機能を有するとともに、両面発電型太陽電池モジュール１０の冷却機能を有している。冷却機能は、図４に示すように、機能性フレーム３０の底面に冷却用の圧縮ガスを放出する成風機構によるもので、管状本体３１と、管状本体３１に設けられたモジュール冷却用圧縮ガスダウンフロースリット３２と、モジュール冷却用圧縮ガスチューブ３３とを備えている。さらに機能性フレーム３０は、管状本体３１を駆動するための駆動用圧縮ガスチューブ３４が管状本体駆動用圧縮ガススリット３４Ｓに接続され、集光器４０の集光方向を制御する。

詳細には、図５に模式図を示すように、モジュール冷却用圧縮ガスダウンフロースリット３２は、両面発電型太陽電池モジュール１０の厚み分だけ離間して、平行に配置された内側スリット３２ｉと外側スリット３２ｏとを具備している。内側スリット３２ｉは、両面発電型太陽電池モジュール１０の内側面に沿って冷却ガスのガス流３６ｉを形成する。一方、外側スリット３２ｏは、両面発電型太陽電池モジュール１０の外側面に沿って冷却ガスのガス流３６ｏを形成する。これにより、両面発電型太陽電池モジュール１０の内側面および外側面が層流により効率よく冷却される。

また、管状本体３１は、４本の管状本体部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを有しており、それぞれ独立駆動される。これら４本の管状本体部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄは、管状本体駆動用圧縮ガススリット３４Ｓに駆動用圧縮ガスチューブ３４が接続され、内部に圧縮ガスが供給されることで、管状本体部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが上下動するようになっている。圧縮ガスが入ると上方Ｕへ、伸び、圧縮ガスが減少すると下方Ｄに縮む。Ｕａ，Ｕｂは管状本体部３１ａ，３１ｂの伸び方向の内、上方向を示し、Ｄａ，Ｄｂは下方向を示す。例えば、管状本体部３１ａに大量の圧縮ガスが入り、管状本体部３１ａが上方Ｕａに伸びると、ジョイント４２ａに装着された反射板４１ａの向きがＣａｕ方向に動く。Ｃａｕ，Ｃｂｕは上方向、Ｃａｄ，Ｃｂｄは下方向である。一方管状本体部３１ｂに入る圧縮ガスが少なくなり、下方Ｄｂ方向に縮むと、ジョイント４２ｂに装着された反射板４１ｂの向きがＣｂｄ方向に動く。これにより反射板４１は紙上で右方向に傾く。このようにして、反射板４１ａ〜４１ｄの向きが可変となっており、太陽の動きに合わせて、集光方向を調整することができる。４２ｏは中心ジョイントであり、この中心ジョイント４２ｏを中心として反射板４１ａ〜４１ｄ（図５では４１ｃ，４１ｄは図示せず）が回転する。このように機能性フレーム３０の４本ある支柱である管状本体部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの高さをそれぞれ可変とすることで、集光器を太陽方位に向くように傾けて、太陽方位を追尾する。

集光器４０は、図１に示すように放物面鏡からなる反射板４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄで構成されている。採光量を水平設置の場合と同等にするため、集光器４０の開口面積は、用いる両面発電型太陽電池モジュール１０の面積と枚数の積程度とすることが好ましい。例えば、両面発電型太陽電池モジュール１０の幅が０．９メートル、奥行きが１．６メートル、面積が１．４４平方メートル、モジュール枚数を４枚とした四角柱のモジュールユニットとすると、集光器の開口面積は５．７６平方メートル程度にすればよく、開口形状を正方形と仮定すると、２．４メートル角となり、幅、奥行きが０．９メートルのモジュールユニットの上面に、０．７５メートル程度だけ外側に張り出た傘状の反射板４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄからなる集光器を設ければよい。なお、図１で、この集光器４０が、四角錐状に記載されているのは概念説明のためであり、集光器４０の反射板４１ａ，４１ｂは放物面形状であるのが望ましい。集光された光は光伝達管２０に導かれる。

なお、両面発電型太陽電池モジュール１０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数の結晶系太陽電池セル（以下、太陽電池セルと呼ぶ）が配線タブと呼ばれる接続配線１４によって電気的に直列配線接続された太陽電池ストリングを構成してなる。そしてこの太陽電池ストリングが、配列されて太陽電池アレイを形成し、表面側保護材１６、裏面側保護材１５および封止材１３によって封止されている。この両面発電型太陽電池モジュール１０からなる発電部では、表面側保護材１６側および裏面側保護材１５側の両面から光Ｌが入射する。また、両面発電型太陽電池モジュール１０の外周部にはフレーム１７が配置されている。

表面側保護材１６は、透光性を有する材料からなり、太陽電池ストリングにおいて太陽光を受光する受光面側である表面に配置されて太陽電池ストリングの受光面側を保護する。表面側保護材１６の材料としては、たとえばガラスまたは透光性プラスチックが用いられる。裏面側保護材１５は、太陽電池ストリングの表面と反対側の受光面（裏面）側に配置されて、太陽電池ストリングの裏面側を保護する。裏面側保護材１５の材料としては、たとえばＰＥＴなどの透明フィルムまたは積層フィルムなどが用いられる。

封止材１３は、太陽電池ストリングと表面側保護材１６との間、および太陽電池ストリングと裏面側保護材１５との間に配置される。封止材１３の材料としては、たとえばＥＶＡ，シリコーン，ウレタンなどの透光性を有する樹脂が用いられる。

つぎに、太陽電池ストリングの構成について説明する。太陽電池ストリングは、所定の配列方向に配列された複数の太陽電池セルと、接続配線１４とを有する。複数の太陽電池セルは、所定の配列方向において所定の距離だけ離間して略同一平面上に規則的に配列されている。そして、隣接する２つの太陽電池セル同士は、接続配線１４によって電気的に直列に接続されている。実施の形態１では、１０個の太陽電池セルが電気的に直列に接続された５本の太陽電池ストリングがさらに電気的に直列に配線接続されている。

両面発電型太陽電池モジュール１０を構成する太陽電池セルは、光電変換機能を有する太陽電池基板であってｐｎ接合を有する半導体基板１１で構成されている。半導体基板１１は、たとえばｐ型単結晶シリコン基板からなる半導体基板１１に、エピタキシャル成長によって形成された、リンなどの不純物を含むｎ型不純物領域（図示せず）が形成されている。半導体基板１１の両面に酸化インジウム錫層などからなる透光性電極１２ａ，１２ｂが設けられ、接続配線１４との接合部に接続電極としてバス電極（図示せず）が形成されている。この太陽電池セルからなる両面発電型太陽電池モジュール１０では、半導体基板１１の両面から光Ｌが入射する。

このように構成された太陽光発電システムにおいては、４つの両面発電型太陽電池モジュール１０がつくる四角柱の内部と外部に受光面を持ち、その内部へ、集光器４０で集光した太陽光を光伝達管２０が伝搬し、放射する。このとき、四角柱の底面に放射された光は、拡散反射板５１によって拡散反射され、四角柱の内部の両面発電型太陽電池モジュール１０の受光面へ入射する。

また、機能性フレーム３０は、外部に配するコンプレッサー等から供給される圧縮ガスをモジュール冷却用圧縮ガスダウンフロースリット３２を介して両面発電型太陽電池モジュール１０に向けて放出する。モジュール冷却用圧縮ガスダウンフロースリット３２は、両面発電型太陽電池モジュール１０の厚み分だけ離間して、平行に配置された内側スリット３２ｉと外側スリット３２ｏとを具備している。内側スリット３２ｉは、両面発電型太陽電池モジュール１０の内側面に沿って冷却ガスのガス流３６ｉを形成する。一方、外側スリット３２ｏは、両面発電型太陽電池モジュール１０の外側面に沿って冷却ガスのガス流３６ｏを形成する。従って、両面発電型太陽電池モジュール１０の両側面に沿って冷却ガスのガス流が形成され、極めて効率よく、両面発電型太陽電池モジュール１０の冷却が実現される。

この際、モジュール冷却の観点から、風速は毎秒１メートル以上、好ましくは毎秒３メートル以上で、放出ガスに水滴を含み、その水温は８０℃以下、好ましくは２５℃以下とすると良い。一般に知られるように、風速を大きくする程冷却効果が高く、特に無風状態から毎秒３メートル程度までの温度変化量が大きく、モジュール温度上昇による発電量低下を軽減できる。また、水温を低くする程冷却効果が高く、モジュール温度は最大８０℃程度まで上昇するため、それ以下に水温を定めると発電量低下を軽減する効果が高くなる。用いる水量は、設置環境の温度、湿度にもよるが、両面発電型太陽電池モジュール１０を過度に濡らして反射光を増大させて発電量を低下させない範囲に調節するとよい。ここで、水温が２５℃程度の一般の水道水を用いてもよいが、使用する水量が少ないため、熱電変換を応用したペルチェ素子を用いた冷却水システム等により、水温を２５℃以下として、モジュール温度を２５℃以下に冷却し、製品として保証される発電量を上回るようにさせることもできる。なお、放出ガスに水滴を含ませない場合、放出ガス自体を冷却しておけばよく、自然に冷えた土中配管を経由させる等の方法をとるようにしてもよい。

このようにコンプレッサーやペルチェ素子を用いることで、初期コストは上がっても、発電量の向上は見込まれるため、住宅屋根の理想形態（真南向きで水平線から３０°傾斜）から外れた住宅向けの太陽光発電システムとして有利となる。

太陽光発電システムをこのような構成とすることで、両面発電型太陽電池モジュール１０を近接させて設置し、設置面積に対するモジュール設置数、すなわち設置密度を減少させることができる。通常、近接させると両面発電型太陽電池モジュール上に影を生じ、発電量が低下するが、近接させても、本実施の形態の集光器、光伝達管などの採光機構、光伝達管に接続する放射機構、拡散反射板などの放射光方位均一化機構によって、全モジュールに強制的に光を供給することで、影を生じさせることなく設置できる。

また、本実施の形態の太陽光発電システムは、４つの両面発電型太陽電池モジュール１０がつくる四角柱の外部を向いた面、すなわち太陽光を直接受光する面で発電するのみならず、光学ユニット２００を備えることで、四角柱の内部を向いた面にも光を導き発電する。すなわち光伝達管２０によって伝搬されて放射される光、および光反射機構５０によって四角柱底面から反射する光を受光する面でも発電できるため、モジュールへの安定した光供給及び発電が可能となる。更に、両面発電型太陽電池モジュール１０に供給される圧縮ガスによって、モジュール表面から熱を奪い、モジュール温度上昇を抑制することで発電効率の低下を抑制し、発電量低下を低減することができる。したがって、従来に無い省スペース、かつ、発電量が実現でき、設置方位や設置傾斜角、設置面積等の制限が少なく、様々な状況で設置できる太陽光発電システムを提供できる。

なお、本実施の形態においては、両面発電型太陽電池モジュール１０が設置面に対して垂直に４つ、四角柱の各側面に１つずつ配されて構造体を形成しているが、図６に変形例の両面発電型太陽電池モジュール１０からなる発電部１００を示すように各側面への設置数を１つずつでは無く、２つずつとし、計８つとした四角柱の構造体を形成してもよい。

また、図７に示すように、発電部１００を四角柱では無く、両面発電型太陽電池モジュール１０からなる三角柱としてもよい。また、設置数を複数とし、内部空間を持つ任意の構造体としてもよい。このように構成することで、設置面積は増大するが内部空間を光学系設置空間とすることも可能で、有効な導光により発電量も増大させることができ、同様の効果がある。

また、図８に示すように、発電部１００を四角柱では無く、両面発電型太陽電池モジュール１０からなる円筒形としてもよい。また、設置数を複数とし、内部空間を持つ任意の構造体としてもよい。またこの円筒形の発電部１００は、可撓性の樹脂基板を表面側保護材１６として用いた薄膜太陽電池モジュールからなる両面発電型太陽電池モジュール１０で構成してもよい。これにより、継ぎ目をなくすことができ、さらには、薄型化が可能となり、最大限に受光面積を増大することができる。さらにまた図２（ｂ）に断面図を示した、裏面側保護材１５についても、透光性シートで構成し、表面側保護材１６上に形成した薄膜太陽電池モジュール１０を透光性の封止材１３で封じ込むことで両面発電型太陽電池モジュールを薄膜太陽電池モジュールで構成してもよい。かかる構成により、さらなる薄型化をはかるとともに発電面積を増大することができる。

以上説明してきたように、本実施の形態の太陽光発電システムにおいて、両面発電型太陽電池モジュール１０に封止される両面発電型太陽電池のサイズは、１２５、または、１５６ミリメートル角などの汎用サイズを採用してもよいが、１２５ミリメートル角未満とした上、モジュール面積を小さくすることで、太陽光発電システムの発電部分を小さくでき、設置面積、および、敷地幅を小さくできる。その場合、機能性フレーム３０や集光器４０を小型化してもよい。なお、集光機構を用いることで両面発電型太陽電池に入射する光量を維持すれば、両面発電型太陽電池のサイズ縮小による生成電流への影響は、表れないようにすることができる。

本実施の形態によれば、集光器４０などの集光機構、および拡散反射板５１などの光反射機構５０により両面発電型太陽電池モジュール１０への安定した光供給を可能にする。そして光伝達管２０などの光伝達機構および、光拡散反射機構により各太陽電池モジュールへの入射光量均一化による出力均一化を可能にする。また、冷却機構によりモジュール温度上昇に起因する発電量損失の低減が可能となる。このようにして、従来に無い省スペースかつ高発電量が実現でき、設置方位や設置傾斜角、設置面積等の制限が少なく、様々な状況で設置できる太陽光発電システムを提供できる。具体的には、単体システムとしての使用、屋根設置システムとの併用、小型可搬式電源としての使用など、多岐に渡る。光学ユニット２００は発電部１００の上側に配置するのが望ましいが、一端であればよい。

実施の形態２．
実施の形態２における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について、図９および１０を参照しつつ説明する。図９は、実施の形態２の太陽光発電システムを示す模式図である。図１０は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。両面発電型太陽電池モジュール１０などの発電部１００と光学ユニット２００の配置は実施の形態１と同様であるが、集光器４０として、図１０に要部拡大図を示す通り、補助集光器４１を追加したものである。補助集光器４１は、集光された光を受けるため、耐熱性の高い金属を用いるとよい。他部については、前記実施の形態１と同様であり、同一部位には同一符号を付した。機能性フレーム３０、光伝達管２０などについては、適宜調整可能であるが、光伝達管２０、機能性フレーム３０、光反射機構５０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

上記構成により、実施の形態１に比べ、より集光効率が増大し、発電効率の増大を図ることが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１１は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。本実施の形態では、集光器として、四角錐に代えて放物面型集光器４２を用いたものである。他部については、前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。放物面型集光器４２としては、反射面形状や角度、耐熱性を考慮した金属を用いればよい。機能性フレーム３０、光伝達管２０などについては、適宜調整可能であるが、光伝達管２０、機能性フレーム３０、光反射機構５０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

実施の形態４．
実施の形態４における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１２は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。本実施の形態では、集光器として、図１２に示されている通り、フレネルレンズ型集光器４３を用いたものである。他部については、前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。機能性フレーム３０、光伝達管２０などについては、適宜調整可能であるが、光伝達管２０、機能性フレーム３０、光反射機構５０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

上記構成によれば、薄型で集光性の高い光学ユニットを得ることが可能となる。

実施の形態５．
実施の形態５における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１３は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。本実施の形態では、集光器として、図１３に示されている通り、フレネルレンズアレイ型集光器４４を用いたものである。フレネルレンズアレイ型集光器４４を用いる場合、各々のレンズ直下に光伝達管２０を配備し、光伝達管を一つに集約させる光伝達管接続箱４５を設ける。他部については、前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。機能性フレーム３０、光伝達管２０などについては、適宜調整可能であるが、光伝達管２０、機能性フレーム３０、光反射機構５０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

光伝達管接続箱４５は、多数の光伝達管、例えば、多数の光ファイバから光を集めて、一本の光伝達管、例えば、一本の光ファイバにまとめるものである。

従って本実施の形態の太陽光発電システムによれば、多数の光伝達管を、光伝達管接続箱４５を用いて一本にまとめることで、配線を複雑にしないで、効率よく利用し、小型で信頼性の高い太陽光発電システムを実現することができる。

実施の形態６．
実施の形態６における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１４は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの設置例を示す図である。なお、図１４に示されている通り、集光器を遠隔地に設置して光伝達管２０Ｓにより発電部１００と結ぶ構成をとってもよい。本実施の形態では、光伝達管接続箱４５と発電部１００との間は地下に設置した光伝達管２０Ｓを用いて接続されている。

本実施の形態では、集光器として、図１３に示した、フレネルレンズアレイ型集光器４４を用いている。フレネルレンズアレイ型集光器４４を用いる場合、各々のレンズ直下に光伝達管２０を配備し、光伝達管を一つに集約させる光伝達管接続箱４５を設ける。光伝達管接続箱４５は、多数の光伝達管、例えば、多数の光ファイバから光を集めて、一本の光伝達管、例えば、一本の光ファイバにまとめるものである。他部については、前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。発電部１００が、設置スペースを持つ場合には、発電部１００においても、さらに光反射機構５０をはじめ、集光器４０、機能性フレーム３０、光伝達管２０などを設置してもよい。ここでも、適宜調整可能であるが、光伝達管２０、機能性フレーム３０、光反射機構５０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

この構成によれば、発電部と集光器とを別途設置できるため、設置場所が自由であり、多数の集光部を接続することも可能であり、高効率の発電が実現可能となる。そして、多数の光伝達管を一本にまとめることで、配線を複雑にしないこのため、集光器を遠隔地に設置して光伝達管によって発電部１００に効率よく光を伝達することができる。

実施の形態７．
実施の形態７における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１５は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットを示す模式図である。本実施の形態では、光学ユニットの内、反射機構に特徴を有するものである。本実施の形態の反射機構で用いられる拡散反射板においては、図１５に示されている通り、両面発電型太陽電池モジュール１０から離して設置し、延長型拡散反射板５４を用いたことを特徴とする。光伝達管２０は、図１５に模式図を示すように、実施の形態１と同様、光伝達管受光部２１と伝達管部２２と光伝達管光放射部２３とにより構成されている。２４は光伝達管光放射部２３から出力される放射光を示す。光伝達管２０の伝達管部には、例えば光ファイバを用いることができる。他部については、前記実施の形態１と同様であり、ここでは説明を省略する。集光器４０、機能性フレーム３０、発電部１００については、適宜調整可能であるが、機能性フレーム３０、発電部１００については、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

かかる構成によれば、外部からの光による拡散反射光５５も、取り込むことができ、実施の形態１の太陽光発電システムに加え、効率の向上を図ることができる。延長型拡散反射板５４の作用は、両面発電型太陽電池モジュール１０がつくる構造体の内部での反射のみにとどまらず、外部の光を取り込む。

実施の形態８．
実施の形態８における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１６は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。本実施の形態では、光伝達管受光部２１Ｓから２本の伝達管部２２ａ，２２ｂが接続されるようにし、一方の伝達管部２２ａをそのまま長くのばし、もう一方の伝達管部２２ｂは途中で光伝達管光放射部２３を設けるようにしたものである。他部については、前記実施の形態１と同様であり、同一部位には同一符号を付した。機能性フレーム３０、集光器４０、光反射機構５０、発電部１００については、適宜調整可能であるが、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

かかる構成によれば、光伝達管部の長さ方向でより均一な放射光を得ることができ、両面発電型太陽電池モジュールがつくる構造体の内部での光放射量を制御する。

実施の形態９．
実施の形態９における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１７は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。本実施の形態では、光伝達管光放射部２３を放射誘導管２５で構成し、周面に多数の放射スポット２６を設けたことを特徴とする。この光伝達管光放射部２３を例えば前記実施の形態８の光伝達管光放射部２３に代えて用いる。本実施の形態においても、他部については、前記実施の形態１と同様であり、同一部位には同一符号を付した。機能性フレーム３０、集光器４０、光反射機構５０、発電部１００については、適宜調整可能であるが、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

かかる構成によれば、放射スポット２６の位置及び密度により、より均一な放射光を得ることができ、両面発電型太陽電池モジュールがつくる構造体の内部での光放射量を制御する。

実施の形態１０．
実施の形態１０における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１８は、同太陽光発電システムで用いられている光学ユニットの光伝達管を示す模式図である。本実施の形態では、光伝達管の光伝達管部２２に接続される光伝達管光放射部２３に特徴を有するもので、光伝達管光放射部２３に、放物面をもつ傘状の構造体からなる放射光拡散器２７を取付けたものである。なお光伝達管光放射部２３は、光伝達管部２２に対して回動可能であり、方向を調整できるようになっている。この放射光拡散器２７を例えば前記実施の形態８の光伝達管光放射部２３に装着して用いる。他部については、前記実施の形態１と同様であり、同一部位には同一符号を付した。機能性フレーム３０、集光器４０、光反射機構５０、発電部１００については、適宜調整可能であるが、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

本実施の形態では、放射光拡散器２７を取付けることで、両面発電型太陽電池モジュールがつくる構造体の内部での光放射方向を制御する。

光伝達管２０においては、前記実施の形態８から１０において、図１６〜１８に示したように、光伝達管受光部２１Ｓで複数本へ分岐させたり、光伝達管光放射部２３に、放射光誘導管２５、または放射光拡散器２７を接続する。放射光誘導管２５は円筒の側面に複数の光放射スポット２６を備えている。放射光拡散器２７は放物面をもつ傘状の構造体である。

実施の形態１１．
実施の形態１１における太陽光発電システムの発電装置とその周辺装置構成について説明する。図１９は、機能性フレーム３０を示す図である。４本の支柱を高さ可変支柱３１Ｓを、支柱駆動用圧縮ガスチューブ３３に代えて支柱駆動用電気配線３５で構成したものである。支柱駆動用電気配線３５で構成する場合、高さ可変支柱３１Ｓには図示しないモータなどの駆動系を要する。他は図４に示した実施の形態１の機能性フレームと同様であり、同一部位には同一符号を付した。光伝達管２０、集光器４０、光反射機構５０、発電部１００については、適宜調整可能であるが、図１に示した実施の形態１の部材をそのまま適用することもできる。

このように構成された太陽光発電システムにおいては、各種集光器によって光学集光倍率を高めている。機能性フレーム３０の４本ある支柱の高さをそれぞれ可変とすることで、集光器を太陽方位に向くように傾けて、太陽方位を追尾する。

太陽光発電システムをこのような構成とすることで、設置面積や設置場所の緯度、意匠を考慮した、設置環境における最適な集光器の選定により光学集光倍率、および、発電量が向上する。また、延長型の拡散反射板によって集光器以外からも光を取り込むことにより発電量が向上する。更に、光放射方向制御によってモジュール面内入射光の均一性、および、発電量均一性が向上する。太陽方位を追尾することによって内部入射光量が増大し、発電量が向上する。

なお、集光器の開口面積をある範囲内で大きくすることで、両面発電型太陽電池モジュール１がつくる構造体の内部へ伝達する光量を大きくできるため、設置環境が許す限り、光量を大きくできる限界まで大きくすることが望ましいが、開口面積を大きくできない場合は、発電部分と集光部分を分けて集光部分を十分に採光できる場所に設置する、フレネルレンズアレイ型集光器４４を使用する、放物面型集光器に補助集光器４１、または、それに準ずる２次集光器、更には高次集光器を併用する、もしくは、集光器を機能性フレーム３０の上面のみならず、側面にも配備して、光量を大きくすればよい。

なお、モジュールユニットの下部にはキャスターやキャタピラなどの搬送系を備えるようにしてもよい。このような構成とすることで、太陽光発電システムを所望の場所へ運搬して使用でき、可搬式の電源として用いることができる。なお、傾斜した土地で使用する場合、搬送系にストッパーを備え、集光器の設置方位を自動、または、手動で太陽方位に合わせる機構を備えればよい。

また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施の形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施の形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変形例を想到し得るものであり、それら変形例についても実施の形態の範囲に属するものとする。

例えば、上記実施の形態１から実施の形態１１またはそれぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態１から実施の形態１１にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０両面発電型太陽電池モジュール、１１半導体基板、１２ａ，１２ｂ透光性電極、１３封止材、１４接続配線、１５裏面側保護材、１６表面側保護材、Ｌ光、２０光伝達管、２１，２１Ｓ光伝達管受光部、２２，２２Ｓ光伝達管部、２３光放射部、２４光伝達管光放射部、２５放射誘導管、２６放射スポット、２７放射光拡散器、３０機能性フレーム、３１管状本体、３１Ｓ高さ可変支柱、３２モジュール冷却用圧縮ガスダウンフロースリット、３２ｉ内側スリット、３２ｏ外側スリット、３３支柱駆動用圧縮ガスチューブ、３４駆動用圧縮ガスチューブ、３４Ｓ管状本体駆動用圧縮ガススリット、３６ｉ，３６ｏガス流、３５支柱駆動用電気配線、４０集光器、４１補助集光器、４１ａ〜４１ｄ反射板、４４フレネルレンズアレイ型集光器、４５光伝達管接続箱、５０光反射機構、５１拡散反射板、５２拡散反射光、１００発電部、２００光学ユニット。

Claims

相対向する第１および第２の面を受光面とする両面発電型の太陽電池モジュールを有し、前記太陽電池モジュールの前記第１及び第２の面をそれぞれ外側面及び内側面とする筒状体をなすように組み立てられ、設置面に対して前記第１及び第２の面が垂直となるように設置された発電部と、
前記発電部の上側に設けられ、外部からの光を前記筒状体の発電部の前記第２の面に導く光学ユニットとを具備した太陽光発電システム。
前記発電部は、各側面に太陽電池モジュールを配した四角柱状の筒状体であることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記光学ユニットは、集光器と、前記集光器で集光された光を前記筒状体の内部に伝達する光伝達管とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
前記光学ユニットは、冷却機能を備えた機能性フレームを備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記光学ユニットは、さらに前記発電部の直下に配される、拡散反射板を備え、前記発電部の下方で受光した光を、前記第２の面に導く光反射機構を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記光反射機構は、前記拡散反射板と、前記発電部との間に間隙を有し、前記拡散反射板は外部の光を前記間隙を介して前記第２の面に導くことを特徴とする請求項５に記載の太陽光発電システム。
前記光伝達管が、光ファイバを備え、前記光ファイバの光放射部の先端に、複数の孔を備えた筒状の管を配することを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記光伝達管が、前記光ファイバの光放射部の先端に、放物面を持つ傘状の光拡散反射部を配することを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記光学ユニットは、前記発電部を冷却する冷却機構を具備したことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
前記冷却機構が、前記発電部の内部で鉛直方向上部から下部に向かう風を発生させる成風機構であることを特徴とする請求項９に記載の太陽光発電システム。
前記集光器が、光反射鏡、または、光反射鏡と光反射鏡で１次反射した光を２次反射させる光反射鏡、または、レンズを備えたことを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電システム。
前記集光器は、前記発電部から離間した位置に設置されたことを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電システム。
前記集光器は、太陽方位を追尾可能な追尾機能を備えたことを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電システム。