JP2016152721A - 光発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】一方向に並べて配置され互いに直列接続された光電変換素子を有する太陽電池モジュールが一般的である。しかしながら、照射される光の光量の分布が大きい環境、例えば屋内で使用する場合には、光発電デバイスの出力電流が、光量の少ない部分に対応した光電変換素子の電流に律速されるため、光発電デバイスから出力される電力量が大きく低下するという問題があった。【解決手段】本発明の光発電デバイスは、複数の光電変換素子が電気的に直列接続された第１の光電変換素子列と、前記直列接続方向と交差する方向に複数の光電変換素子が電気的に直列接続された第２の光電変換素子列とを備え、第１の光電変換素子列と第２の光電変換素子列が並列接続された光発電デバイスである。【選択図】図１

Description

本発明は、光発電デバイスに関する

太陽電池に代表される光発電デバイスは、所望の電圧・電流を得るために複数の光電変換素子を直列接続および並列接続されているのが一般的である。特許文献１には、一方向に並べて配置され互いに直列接続された光電変換素子を有する太陽電池モジュールが開示されている。

特開２００２−２８９８８５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された一方向に直列接続された光電変換素子群から成る光発電デバイスを、照射光量の分布が大きい環境、例えば屋内、で使用する場合には、光発電デバイスの出力電流が、光量の少ない部分に対応した光電変換素子の電流に律速されるため、光発電デバイスから出力される電力量が大きく低下するという問題があった。例えば図１５に示す一般的な住宅の屋内のような環境下において、採光部分（窓）１５１と対向した壁１５２では、下部から上部にかけて照射される光の強度が弱くなるような縦方向１５３の光量の勾配が生じ、採光部分（窓）１５１と隣り合う面（壁）１５４や床部分１５５では、採光部分（窓）１５１から遠ざかるにしたがって照射される光の強度が弱くなるような横方向１５６、１５７に光量の勾配が生じるので、同じ公称出力値の太陽電池を設置しても実際に出力される電力量は大きく異なってしまう。このように、設置環境により出力される電力量が大きく変化する為、光発電デバイスに接続した電力消費機器に十分な電力供給が出来ず、電力消費機器の動作に不具合が生じるおそれがある。

本発明は上記の問題点を鑑みて生み出されたものであって、設置環境の違いによる出力電力量低下が小さい光発電デバイスを提供することを目的とする。

本発明の光発電デバイスは、複数の光電変換素子が電気的に直列接続された第１の光電変換素子列と、前記直列接続方向と異なる方向に複数の光電変換素子が電気的に直列接続され、前記第１の光電変換素子列と並列接続された第２の光電変換素子列とを備えることを特徴とする。

本発明の光発電デバイスによれば、照射光量の分布がある環境で使用しても出力発電量の低下を低減することができる。

実施の形態１における光発電デバイスの平面模式図である。 図１の光電変換素子列の直列接続方向を示す図である。 実施の形態２における光発電デバイスの平面模式図である。 図３の光電変換素子列の直列接続方向を示す図である。 実施の形態３に係る光発電デバイスを設置したテーブルの斜視図である。 実施の形態４に係る光発電デバイスを設置した引き戸の平面模式図である。 実施の形態５における光発電デバイスの平面模式図である。 図７の光電変換素子列の直列接続方向を示す図である。 実施の形態６に係る光発電デバイスを設置したスピーカーの模式図である。 実施の形態７における光発電デバイスの平面模式図である。 実施の形態７における光発電デバイスの配線図である。 実施の形態８における光発電デバイスの平面模式図である。 実施の形態８における光発電デバイスの配線図である。 実施の形態８における光発電デバイスの配線図である。 屋内環境の模式的な図である。

本発明に基づいた各実施の形態における光発電デバイスについて、以下、図を参照しながら説明する。尚、以下に説明する各実施形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載が有る場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合が有る。

（実施の形態１）
図１に実施の形態１における光発電デバイスの平面模式図を示す。図１では、６つの正方形の光電変換素子列２が配置されている。図示しないが、全ての光電変換素子列２の出力は並列接続されている。このように、本実施形態に係る光発電デバイスは、複数の光電変換素子列２が電気的に並列接続して構成されている。それぞれの光電変換素子列２は、複数の光電変換素子１を電気的に直列接続して構成されている。光電変換素子列２を構成する複数の光電変換素子１は、各光電変換素子の端部が直線状に並ぶように配置されている。光電変換素子列２を構成する複数の光電変換素子１は、各光電変換素子の少なくとも一部が直線上に並ぶように配置されていれば良い。

図２は、図１の光電変換素子列における光電変換素子の直列接続方向を示す図である。両矢印２１は、それぞれの光電変換素子列における光電変換素子の直列接続方向を示している。６つの光電変換素子列は、隣り合う光電変換素子列の光電変換素子の直列接続方向が９０度の角度をなすように配置されている。光電変換素子列は、光電変換素子の直列接続方向が少なくとも２つの光電変換素子列の間で異なるように配置されていれば良い。本構成により、照射光量の分布が大きい環境で光発電デバイスを使用しても出力発電量の低下を低減することができる。また、本実施の形態のように、光電変換素子列は、隣り合う光電変換素子列の光電変換素子の直列接続方向が異なるように配置されていることが望ましい。さらに、光電変換素子の直列接続方向が異なる光電変換素子列が交互に配置されていることが望ましい。

光電変換素子としては、シリコンや化合物等の半導体基板を用いた素子、基板上に第１電極層、半導体層、第２電極層が積層された薄膜型素子を用いることができる。特に、薄膜型素子は、各層をレーザ等でパターニングすることにより、複数の光電変換素子列を同一基板内に容易に作成することができるという利点を有する。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２における光発電デバイスの平面模式図である。実施の形態１と同様、本実施の形態に係る光発電デバイスは、複数の光電変換素子列２を組み合わせて構成されており、全ての光電変換素子列２は並列接続されている。本実施の形態では、光電変換素子列２は正方形を３等分した形状である。光電変換素子列２は、光電変換素子の３つ並べて配置されており、光電変換素子列群３１を構成する。本実施形態では、６つの光電変換素子列群３１が並べて配置されている。各光電変換素子列群３１の外形は、正方形形状である。このように、光電変換素子列が正方形を等分した形状であれば、光電変換素子列を平面に隙間なく敷き詰めることが出来る。図４は、図３の光電変換素子列における光電変換素子の直列接続方向を示す図である。各光電変換素子列群３１内の光電変換素子列２は、光電変換素子の直列接続方向が同じ方向である。隣り合う光電変換素子列群３１の光電変換素子１の直列接続方向４１は、互いに９０度の角度をなすように配置されている。このように、少なくとも２つの光電変換素子列の間で、光電変換素子の直列接続方向が異なるように配置された構成とすることにより、照射光量の分布がある環境で光発電デバイスを使用しても出力発電量の低下を低減することができる。

（実施の形態３）
図５に実施の形態３に係る光発電デバイスを設置したテーブルの斜視図を示す。複数の光電変換素子１を電気的に直列接続して構成された光電変換素子列２が、テーブルの周縁部に並べて配置されている。光電変換素子列２は、隣り合う光電変換素子列２の光電変換素子１の直列接続方向が９０度の角度をなすように配置されている。光電変換素子列２は、すべて並列接続しても良いし、複数のグループに分けてグループ毎に並列接続しても良い。本実施形態のような構成にすることによって、テーブルの設置環境において照射される光の光量分布の勾配がテーブルの奥行き方向の場合または左右方向の場合の何れの場合でも、光発電デバイスの出力発電量の違いを小さく抑えることができる。本実施形態のように、本発明の光発電デバイスは、建具や家具・電化製品などと共に屋内に設置することができる。屋内のように照射される光の光量分布が大きな環境では、本願発明の効果がより顕著になる。

（実施の形態４）
図６に実施の形態４に係る光発電デバイスを設置した引き戸の平面模式図を示す。実施の形態２に係る光電変換素子列２と同様に、光電変換素子列２は正方形を3等分した形状である。光電変換素子列２は、光電変換素子の直列接続方向と垂直な方向に３つ並べて配置されており、光電変換素子列群６１を構成する。光電変換素子列群６１の外形は、正方形形状である。各光電変換素子列群６１内の光電変換素子列２は、光電変換素子の直列接続方向が同じ方向である。本実施形態では、４つの光電変換素子列群６１が引き戸６２に設置されている。隣り合う光電変換素子列群６１の光電変換素子１の直列接続方向は、互いに９０度の角度をなすように配置されており、光電変換素子１の直列接続方向は、上下方向または左右方向とされている。本実施形態の構成によると、引き戸の設置環境における照射光の光量分布の勾配が、上下方向であっても左右方向であっても光発電デバイスの出力発電量の違いを小さく抑えることができる。

（実施の形態５）
図７に実施の形態５における光発電デバイスの平面模式図を示す。本実施形態に係る光発電デバイス７１は、正六角形状の外形を有し、ひし形状の３つの光電変換素子列２が配置されている。図示しないが、３つの光電変換素子列２は、電気的に並列接続されている。各光電変換素子列２は、複数の光電変換素子１を電気的に直列接続して構成されている。光電変換素子列２を構成する複数の光電変換素子１は、各光電変換素子１の端部が直線状に並ぶように配置されている。図８は、図７の光電変換素子列２の直列接続方向を示す図である。両矢印８１で示した光電変換素子１の直列接続方向は同じ方向では無く、本実施形態の場合は、６０°または１２０°ずらしてある。このように、少なくとも２つの光電変換素子列の間で、光電変換素子の直列接続方向が異なるように配置された構成とすることにより、照射光量の分布がある環境で光発電デバイスを使用しても出力発電量の低下を低減することができる。また、光発電デバイス７１の外形が正六角形であるので、光発電デバイス７１を平面に隙間なく敷き詰めることが出来る。

（実施の形態６）
図９に実施の形態６に係る光発電デバイスを設置したスピーカーの模式図を示す。実施の形態５に係る光発電デバイス７１をスピーカー９１に設置した際の模式図である。スピーカー９１の設置環境の光量分布の勾配が、上下方向であっても左右方向であっても光発電デバイスの出力発電量の違いを小さく抑えることができる。

（実施の形態７）
図１０に実施の形態７における光発電デバイスの平面模式図を示す。各光電変換素子列は、実施の形態２と同様に正方形を３等分した形状である。光電変換素子列は、光電変換素子の直列接続方向１０４と垂直な方向に３つ並べて配置されており、光電変換素子列群１０１を構成する。光発電デバイスは、外形が正方形の１６個の光電変換素子列群１０１により構成されている。各光電変換素子列群１０１における光電変換素子列は、光電変換素子の直列接続方向１０４が同じ方向である。隣り合う光電変換素子列群１０１の光電変換素子の直列接続方向１０４は、互いに９０度の角度をなすように配置されている。各光電変換素子列群１０１は、正極１０２および負極１０３を有している。各光電変換素子列群１０１は、正極１０２または負極１０３の一端が、１箇所に集まるように配置されている。例えば、左上の４つの光電変換素子列群１０１ａにおいては、負極１０３の一端が、４つの光電変換素子列群１０１ａの中央に集まるように配置されている。左下、右上および右下に位置する４つの光電変換素子列群も、それぞれ同様の構成になるように配置されている。また、中央の４つの光電変換素子列群１０１ｂにおいては、正極１０２の一端が、４つの光電変換素子列群１０１ｂの中央に集まるように配置されている。

図１１は、図１０の光発電デバイスにおける光電変換素子列群の正極１０２および負極１０３を外部に取り出す配線図である。正極１０２が集まる箇所に共通正電極１１２が配置され、負極１０３が集まる箇所に共通負電極１１３が配置されている。共通正電極１１２には正極配線１１４が接続され、共通負電極１１３には負極配線１１５が接続されている。正極配線１１４および負極配線１１５は負荷１１６に接続され、光発電デバイスの出力が取り出される。光電変換素子列群の正極１０２および負極１０３がそれぞれ集まるように配置された構成であるため、出力を取り出す正極配線１１４および負極配線１１５の構成が簡易化される。

（実施の形態８）
図１２に実施の形態８における光発電デバイスの平面模式図を示す。各光電変換素子列は、実施の形態２と同様に正方形を３等分した形状である。光電変換素子列は、光電変換素子の直列接続方向１２４と垂直な方向に３つ並べて配置されており、光電変換素子列群１２１を構成する。光発電デバイスは、外形が正方形の１６個の光電変換素子列群１２１により構成されている。各光電変換素子列群１２１における光電変換素子列は、光電変換素子の直列接続方向１２４が同じ方向である。隣り合う光電変換素子列群１２１の光電変換素子の直列接続方向１２４は、互いに９０度の角度をなすように配置されている。各光電変換素子列群１２１は、正極１２２および負極１２３を有している。各光電変換素子列群１２１は、正極１２２および負極１２３が、左上から右下にかけて階段状に配置されている。

図１３は、図１２の光発電デバイスにおける光電変換素子列群の正極１２２および負極１２３を外部に取り出す配線図である。階段状に配置された正極１２２は正極接続体１２５により相互に接続され、光発電デバイス周縁に位置する正極１２２が正極配線１２７に接続されている。負極１２３も同様に、負極接続体１２６により相互に接続され、光発電デバイス周縁に位置する負極１２３が負極配線１２８に接続されている。正極配線１２７および負極配線１２８は負荷１３６に接続され、光発電デバイスの出力が取り出される。光電変換素子列の正極１２２および負極１２３が階段状に配置されているため、隣り合う正極１２２どうし及び隣り合う負極１２３どうしを接続することが容易であり、出力を取り出す正極配線１２７および負極配線１２８を、光発電デバイス周縁に設けるだけで済み、出力配線構造が簡易化される。

（実施の形態９）
図１４は、図１２の光発電デバイスにおける光電変換素子列群の正極１２２および負極１２３を外部に取り出す配線図であり、図１３の配線図の変形例である。階段状に配置された正極１２２は正極接続体１２５により相互に接続されている。負極１２３は、負極接続体１２６により相互に接続されている。正極１２２と電気的に接続されるように共通正電極１４２が配置され、負極１２３と電気的に接続されるように共通負電極１４３が配置されている。共通正電極１４２には正極配線１４７が接続され、共通負電極１４３には負極配線１４８が接続されている。正極配線１４７および負極配線１４８は負荷１３６に接続され、光発電デバイスの出力が取り出される。光電変換素子列の正極１２２および負極１２３が階段状に配置されているため、隣り合う正極１２２どうし、隣り合う負極１２３どうしを容易に接続することができ、正極配線１４７または負極配線１４８を接続する共通正電極１４２や共通負電極１４３の数を少なくすることができ、出力配線構造が簡易化できる。

１ 光電変換素子
２ 光電変換素子列
２１、４１、８１、１０４，１２４ 直列接続方向
３１、６１、１０１、１２１ 光電変換素子列群
１０２、１２２ 正極
１０３、１２３ 負極
１１２、１４２ 共通正電極
１１３、１４３ 共通負電極
１１４、１２７、１４７ 正極配線
１１５、１２８、１４８ 負極配線
１１６、１３６ 負荷
１２５ 正極接続体
１２６ 負極接続体

Claims (5)

1. 複数の光電変換素子が電気的に直列接続された第１の光電変換素子列と、
   前記直列接続方向と異なる方向に複数の光電変換素子が電気的に直列接続された第２の光電変換素子列とを備え、
   前記第１の光電変換素子列と前記第２の光電変換素子列は並列接続されている光発電デバイス。
2. 請求項１記載の光発電デバイスであって、前記第１の光電変換素子列および前記第２の光電変換素子列を構成する前記光電変換素子は、それぞれの光電変換素子列において直線上に並ぶように配置されていることを特徴とする光発電デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の光発電デバイスであって、前記第１の光電変換素子列の直列接続方向と前記第２の光電変換素子列の直列接続方向が成す角度が９０度である光発電デバイス。
4. 請求項３に記載の光発電デバイスであって、前記光電変換素子列が、正方形または正方形を等分した形状である光発電デバイス。
5. 請求項１または請求項２に記載の光発電デバイスであって、前記第１の光電変換素子列の直列接続方向と前記第２の光電変換素子列の直列接続方向が成す角度が、６０度もしくは１２０度である光発電デバイス。

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