JP2017127040A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部環境から太陽電池への影響を排除することを図った太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】太陽光発電装置１００は、太陽光をレーザーに変換する太陽光励起レーザー装置１１０と、レーザーを受光して発電する太陽電池と、太陽電池を収容する太陽電池収容部１３０と、太陽光励起レーザー装置１１０から発せられたレーザーを太陽電池収容部１３０に導く光ファイバー１２０と、光ファイバー１２０からのレーザーを拡散させる拡散板と、を有する。太陽電池収容部１３０は、拡散板を収容する。
【選択図】図１

Description

本明細書の技術分野は、太陽光発電装置に関する。

近年、クリーンな自然エネルギーへの期待から、太陽光発電技術が活発に研究開発されてきている。一般に、太陽電池は、太陽光を直接的に受光する構造を有する。このような太陽電池は、紫外線、オゾン、雨、風、ゴミ等の影響を受けやすい。これらの環境により、太陽電池の受光特性は低下する。つまり、このような太陽電池は耐久性に課題を有する。そのため、環境の影響を受けにくい太陽電池が開発されてきている。

例えば、特許文献１には、レンズ１と、導光体２と、光放射体５と、容器９と、太陽電池ブロック１０と、を有する発電装置が開示されている。特許文献１では、太陽光を直接的に太陽電池に照射しない構成になっている。この発電装置は、レンズ１により集光した太陽光を光ファイバー（導光体２）により容器９の内部に導く。そのため、容器９の内部に配置された太陽電池ブロック１０は、雨、風、ゴミ等の影響を受けにくい。

特開平１０−１５０２１５号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、太陽電池は、太陽光に含まれる紫外線を必然的に受光してしまう。そのため、特許文献１の太陽電池は、紫外線を受けて比較的早期に劣化するおそれがある。また、紫外線は、酸素と反応してオゾンを発生させる。そのため、特許文献１の太陽電池は、オゾンの影響も受ける。このように、特許文献１の発電装置は、環境の影響を排除しきれていない。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、外部環境から太陽電池への影響を排除することを図った太陽光発電装置を提供することである。

第１の態様における太陽光発電装置は、太陽光をレーザーに変換する太陽光励起レーザー装置と、レーザーを受光して発電する太陽電池と、太陽電池を収容する太陽電池収容部と、太陽光励起レーザー装置から発せられたレーザーを太陽電池収容部に導くレーザー伝送部と、レーザー伝送部からのレーザーを拡散させる光拡散体と、を有する。太陽電池収容部は、光拡散体を収容する。

この太陽光発電装置は、太陽電池に太陽光を直接受光させない。そのため、この太陽光発電装置は、外部環境から太陽電池への影響を好適に排除することができる。また、一旦、太陽光をレーザーに変換しているため、太陽電池が紫外線の影響を受けるおそれはない。また、太陽電池は、オゾンの影響を受けるおそれもない。この太陽光発電装置では、太陽光を太陽電池の光学吸収端近傍の波長の単色レーザー光に変換している。そのため、この太陽光発電装置では、熱損失が少なく、発熱が最小限に抑えられている。

第２の態様における太陽光発電装置は、太陽電池を冷却する温度制御部材を有する。また、太陽電池収容部は、温度制御部材を収容する。そのため、太陽電池は、冷却状態で使用されることとなる。したがって、太陽電池は、従来に比べて高温にならない。よって、この太陽光発電装置は、発熱による発電効率の低下を抑制することができる。

第３の態様における太陽光発電装置においては、太陽電池収容部は、乾燥不活性ガス雰囲気を収容している。太陽電池収容部における酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下である。太陽電池収容部における水蒸気分圧が０．１Ｐａ以下である。この場合には、太陽電池は、管理された雰囲気ガスの内部に配置される。

第４の態様における太陽光発電装置は、太陽電池により発電された電気エネルギーを蓄電する蓄電部を有する。太陽電池収容部は、蓄電部を収容する。そのため、太陽光発電装置は、好適に電気を蓄電することができる。

第５の態様における太陽光発電装置においては、太陽光励起レーザー装置は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを発生させるものである。太陽電池は、結晶シリコン太陽電池である。この場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、結晶シリコン太陽電池に適した波長のレーザーを発生させる。そのため、この太陽光発電装置のエネルギー変換効率は十分に高い。また、この太陽光発電装置の熱損失は最小限に抑えられている。

第６の態様における太陽光発電装置においては、太陽電池は、塗布型の有機太陽電池である。この太陽光発電装置は、外部環境の影響を受けやすい塗布型の有機太陽電池を好適に管理することができる。

第７の態様における太陽光発電装置においては、太陽電池は、有機無機ハイブリッド太陽電池である。

第８の態様における太陽光発電装置においては、太陽電池は、有機無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池である。

本明細書では、外部環境から太陽電池への影響を排除することを図った太陽光発電装置が提供されている。

第１の実施形態における太陽光発電装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態における太陽光励起レーザー装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 結晶シリコン太陽電池におけるエネルギー変換効率の波長依存性を示すグラフである。 第２の実施形態における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 第３の実施形態における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 第３の実施形態におけるレーザー分岐部を説明するための図である。 第４の実施形態における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 第４の実施形態の変形例における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 第５の実施形態における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。 第５の実施形態の変形例における太陽電池収容部の概略構成を示す図である。

以下、具体的な実施形態について、太陽光発電装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。

１．太陽光発電装置
図１は、本実施形態の太陽光発電装置１００の概略構成を示す図である。図１に示すように、太陽光発電装置１００は、多数の太陽光励起レーザー装置１１０と、光ファイバー１２０と、太陽電池収容部１３０と、を有している。

太陽光励起レーザー装置１１０は、太陽光を受光するとともに太陽光をレーザーに変換するためのものである。多数の太陽光励起レーザー装置１１０は、より多くの太陽光を集光するために配列されている。光ファイバー１２０は、太陽光励起レーザー装置１１０により発生されたレーザーを太陽電池収容部１３０に伝送するためのレーザー伝送部である。太陽電池収容部１３０は、後述するように太陽電池を収容している。

２．太陽光励起レーザー装置
図２は、太陽光励起レーザー装置１１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、軸外し放物面鏡１１１と、端面蒸着共振器ミラー１１２と、マイクロロッド型レーザー媒質１１３と、Ａｌ放熱板１１４と、共振器ミラー１１５と、集光レンズ１１６と、を有している。

軸外し放物面鏡１１１は、平面波を球面波にもしくは球面波を平面波に変換するための鏡である。端面蒸着共振器ミラー１１２およびマイクロロッド型レーザー媒質１１３および共振器ミラー１１５は、太陽光をレーザーに変換するためのものである。Ａｌ放熱板１１４は、マイクロロッド型レーザー媒質１１３等から発生する熱を放熱するためのものである。集光レンズ１１６は、光ファイバー１２０にレーザーを集光するためのものである。

太陽光励起レーザー装置１１０は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを発生させる。その波長は、１０６４ｎｍである。この波長は、エネルギー変換効率が最大となる波長である（図４参照）。

３．太陽電池収容部
図３は、太陽電池収容部１３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部１３０は、例えば、金属製の箱である。太陽電池収容部１３０の材質は、例えば、ＳＵＳである。太陽電池収容部１３０は、その他の材質であってもよい。太陽電池収容部１３０は、拡散板１３１と、太陽電池１３２と、を収容している。拡散板１３１は、光ファイバー１２０から太陽電池収容部１３０に伝送されてきたレーザーを太陽電池収容部１３０の内部に拡散させるための光拡散体である。拡散板１３１は、板状の形状をしている。太陽電池１３２は、レーザーを受光して発電するためのものである。太陽電池１３２は、塗布型の有機太陽電池である。太陽電池１３２は、板状の形状をしている。

図３に示すように、２つの太陽電池１３２は、拡散板１３１の両側に配置されている。太陽電池１３２は、ｎ型半導体層と混合層とｐ型半導体層とを有している。混合層はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に位置している。混合層は、ｎ型半導体とｐ型半導体とが相互に貫入して混合している層である。ｎ型半導体層は、拡散板１３１に隣接する位置に配置されている。つまり、レーザーは、太陽電池１３２のｎ型半導体層の側から入射する。

太陽電池収容部１３０は、雰囲気ガスを管理した状態で太陽電池１３２を収容している。太陽電池収容部１３０は、乾燥不活性ガス雰囲気を収容している。太陽電池収容部１３０における酸素ガスの分圧は０．１Ｐａ以下である。太陽電池収容部１３０における水蒸気分圧は０．１Ｐａ以下である。このため、太陽電池１３２は、酸化しにくい。また、水分による影響を受けにくい。

４．本実施形態の太陽光発電装置の効果
本実施形態の太陽光発電装置１００は、太陽光をレーザーに変換し、そのレーザーを太陽電池に受光させて発電する。つまり本実施形態では、太陽光を電気エネルギーに変換するために、一旦、レーザーに変換する。このように２段階のエネルギー変換を実施するために、一見、太陽光発電装置１００のエネルギー変換効率は悪いように見える。しかし、実際には十分なエネルギー変換効率を実現できる。

単色光の太陽電池のエネルギー変換効率は、理論値で最大６６％程度である。また、太陽光をレーザーに変換するエネルギー変換効率は、集光および波長シフトのために、４５％程度である。そのため、これらを掛け合わせて、この方式の太陽光発電装置１００は、２８％程度のエネルギー変換効率を実現できる可能性がある。

本実施形態の太陽光発電装置１００は、このように太陽光をレーザーに変換する。そのため、太陽電池１３２は、太陽光に含まれる紫外線やオゾンの影響を受けることはない。また、太陽電池１３２は、太陽電池収容部１３０の内部に配置されている。そのため、太陽電池１３２は、雨、風、ゴミ等の影響を受けることはない。したがって、雨等の影響により、太陽電池１３２のエネルギー変換効率は、低下しない。そして、太陽電池１３２の寿命は長い。また、塗布型の有機太陽電池は、外部環境の影響を受けやすい。そのため、塗布型の有機太陽電池は、本実施形態のように外部環境の影響を好適に排除する太陽電池収容部１３０に収容されていることが好ましい。

また、本実施形態の太陽光発電装置１００は、太陽光励起レーザー装置１１０と、太陽電池収容部１３０と、を別体として有している。この太陽光発電装置１００は、光ファイバー１２０の内部にレーザーを伝送する。そのため、太陽光励起レーザー装置１１０と太陽電池収容部１３０とは、十分に離れていてよい。太陽光励起レーザー装置１１０と太陽電池収容部１３０との間の距離は、例えば、５ｍ以上２００ｍ以下である。このように、太陽電池収容部１３０を太陽光励起レーザー装置１１０から十分に離して設置することができる。そのため、太陽電池収容部１３０は、室内等、好適に管理された環境下に設置することができる。また、従来では設置が困難であった洋上に、太陽光発電装置１００を設置することも可能である。

このように、本実施形態の太陽光発電装置１００は、外部環境からの太陽電池１３２への影響を極力排除する。そのため、太陽電池１３２は、高度に管理された環境下におかれることとなる。そのため、塗布型の有機太陽電池等、環境の影響を受けやすい太陽電池を採用する場合に、本実施形態の太陽光発電装置１００は、好適である。そして、太陽光発電装置１００のエネルギー変換効率は、十分に高いことが期待される。

５．変形例
５−１．太陽電池の種類
太陽電池１３２は、塗布型の有機太陽電池である。しかし、太陽電池１３２として、塗布型の有機太陽電池の他に、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、薄膜シリコン太陽電池、ＨＩＴ太陽電池、ＣＩＧＳ太陽電池、ＣｄＴｅ太陽電池、色素増感太陽電池、有機半導体太陽電池、有機無機ハイブリッド太陽電池、を用いてもよい。特に、有機無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池を用いることができる。上記に挙げた太陽電池のうち雰囲気ガス等の環境の影響の受けやすいものについては、本実施形態の技術は好適である。

図４は、単結晶シリコン太陽電池におけるエネルギー変換効率の波長依存性を示すグラフである。図４に示すように、単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率が比較的高い１０００ｎｍ近傍では、太陽光の強度は相対的に低い。単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率の比較的低い５００ｎｍ近傍では、太陽光の強度は相対的に高い。つまり、太陽光のスペクトルと単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率との間にはある程度の不適合が生じている。

そこで、太陽光励起レーザー装置１１０としてＮｄ：ＹＡＧレーザーを用い、太陽電池１３２として単結晶シリコン太陽電池を用いるとよい。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの波長は、１０６４ｎｍである。図４に示すように、１０６４ｎｍにおける単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率は４５％程度である。このように、単結晶シリコン太陽電池に適した波長の単色光レーザーを用いることができるため、この組み合わせは好適である。また、多結晶シリコン太陽電池も、単結晶シリコン太陽電池と同様の効果を奏する。

５−２．太陽光励起レーザー装置
太陽光励起レーザー装置１１０は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを発生させる。しかし、太陽光励起レーザー装置１１０のレーザーの種類は、その他のものであってもよい。

６．本実施形態のまとめ
本実施形態の太陽光発電装置１００は、多数の太陽光励起レーザー装置１１０と、光ファイバー１２０と、太陽電池収容部１３０と、を有している。太陽光を一旦、レーザーに変化するため、太陽電池収容部１３０を太陽光励起レーザー装置１１０から離れた場所に設置することができる。そのため、太陽電池１３２を好適に管理することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態とでは、太陽電池収容部が異なっている。したがって、太陽電池収容部について説明する。

１．太陽電池収容部
図５は、第２の実施形態の太陽電池収容部２３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部２３０は、拡散板２３１と、太陽電池２３２と、を収容している。拡散板２３１は、光ファイバー１２０から太陽電池収容部２３０に伝送されてきたレーザーを太陽電池収容部１３０の内部に拡散させるための光拡散体である。拡散板２３１は、円筒状の形状をしている。太陽電池２３２は、塗布型の有機太陽電池である。太陽電池２３２は、円筒状の形状をしている。そして、太陽電池２３２は、拡散板２３１をその内部に収容している。

２．変形例
第１の実施形態の変形例は、第２の実施形態に適用することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。第３の実施形態と第１の実施形態とでは、太陽電池収容部が異なっている。したがって、太陽電池収容部について説明する。

１．太陽電池収容部
図６は、第３の実施形態の太陽電池収容部３３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部３３０は、複数の拡散板３３１と、複数の太陽電池３３２と、レーザー分岐部３３３と、を収容している。拡散板３３１は、光ファイバー１２０から太陽電池収容部１３０に伝送されてきたレーザーを太陽電池収容部３３０の内部に拡散させるための光拡散体である。拡散板３３１は、板状の形状をしている。太陽電池３３２は、塗布型の有機太陽電池である。太陽電池３３２は、板状の形状をしている。レーザー分岐部３３３は、光ファイバー１２０から伝送されるレーザーを複数の拡散板３３１に分岐する。

図７に示すように、レーザー分岐部３３３は、軸外分岐ミラー３３４を有している。軸外分岐ミラー３３４は、光ファイバーに形成されたＶ字状の溝である。このＶ字状の溝は、光ファイバーの下流に位置するものほど大きい。これにより、上流から伝送される光は、光ファイバーの軸方向と交差する向きに徐々に取り出される。このように、レーザーは、軸外分岐ミラー３３４の数に分岐することとなる。また、矢印Ｋ１の向きに伝送されるレーザーは、矢印Ｋ１と交差する矢印Ｋ２の向きに取り出される。

このように、太陽電池収容部３３０は、レーザー分岐部３３３を有する。そのため、多数の太陽電池３３２にレーザーを好適に分配することができる。したがって、第３の実施形態の技術は、大規模な発電装置に好適である。

２．変形例
第１の実施形態の変形例は、第３の実施形態に適用することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。第４の実施形態と第１の実施形態とでは、太陽電池収容部が異なっている。したがって、太陽電池収容部について説明する。

１．太陽電池収容部
図８は、第４の実施形態の太陽電池収容部４３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部４３０は、複数の拡散板４３１と、複数の太陽電池４３２と、レーザー分岐部３３３と、ヒートパイプ４３４と、を収容している。拡散板４３１は、光ファイバー１２０から太陽電池収容部４３０に伝送されてきたレーザーを太陽電池４３２に向かって拡散させるためのものである。拡散板４３１は、円筒状の形状をしている。太陽電池４３２は、塗布型の有機太陽電池である。太陽電池４３２は、円筒状の形状をしている。レーザー分岐部３３３は、光ファイバー１２０から伝送されるレーザーを複数の拡散板４３１に分岐する。ヒートパイプ４３４は、太陽電池４３２を冷却するための温度制御部材である。

このように太陽電池収容部４３０は、太陽電池４３２の近傍にヒートパイプ４３４を有している。そのため、ヒートパイプ４３４は、太陽電池４３２を冷却する。したがって、太陽電池４３２は、比較的低温で動作する。つまり、第４の実施形態の太陽光発電装置は、太陽電池４３２が高温になることにより発電効率が低下することを抑制できる。

２．変形例
２−１．太陽電池の形状
図９は、第４の実施形態の変形例における太陽電池収容部５３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部５３０は、複数の拡散板５３１と、複数の太陽電池５３２と、冷却部材５３４と、を有している。冷却部材５３４は、太陽電池５３２を冷却するためのものである。冷却部材５３４は、板状の部材である。

２−２．その他の変形例
第１の実施形態の変形例は、第４の実施形態に適用することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について説明する。第５の実施形態と第１の実施形態とでは、太陽電池収容部が異なっている。したがって、太陽電池収容部について説明する。

１．太陽電池収容部
図１０は、第５の実施形態の太陽電池収容部６３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部６３０は、複数の拡散板６３１と、複数の太陽電池６３２と、レーザー分岐部３３３と、二次電池６３５と、を収容している。拡散板６３１は、光ファイバー１２０から太陽電池収容部６３０に伝送されてきたレーザーを太陽電池６３２に向かって拡散させるためのものである。拡散板６３１は、円筒状の形状をしている。太陽電池６３２は、塗布型の有機太陽電池である。太陽電池６３２は、円筒状の形状をしている。レーザー分岐部３３３は、光ファイバー１２０から伝送されるレーザーを複数の拡散板６３１に分岐する。二次電池６３５は、太陽電池６３２により発電された電気エネルギーを蓄電する蓄電部である。二次電池６３５は、円筒状の形状である。

このように太陽電池収容部６３０は、太陽電池６３２の近傍に二次電池６３５を有している。そのため、第５の実施形態の太陽光発電装置は、太陽電池６３２により発電された電気エネルギーを好適に蓄電することができる。また、二次電池６３５は、太陽電池収容部６３０の内部で好適に管理された状態にある。

２．変形例
２−１．太陽電池の形状
図１１は、第５の実施形態の変形例における太陽電池収容部７３０の概略構成を示す図である。太陽電池収容部７３０は、複数の拡散板７３１と、複数の太陽電池７３２と、レーザー分岐部３３３と、二次電池７３５と、を収容している。二次電池７３５は、板状の形状である。

２−２．蓄電部の配置位置
二次電池６３５は、太陽電池収容部６３０の外部の別の収容部に配置してもよい。これにより、太陽電池６３２と、二次電池６３５と、をそれぞれ別の環境下で管理することができる。

２−３．キャパシター
二次電池６３５の代わりに、キャパシターを用いてもよい。

２−４．その他の変形例
第１の実施形態の変形例は、第５の実施形態に適用することができる。また、第４の実施形態およびその変形例を、第５の実施形態に適用してもよい。つまり、太陽電池収容部は、拡散板と、太陽電池と、温度制御部材と、蓄電部と、を有していてもよい。

１００…太陽光発電装置
１１０…太陽光励起レーザー装置
１２０…光ファイバー
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０…太陽電池収容部
１３１、２３１、３３１、４３１、５３１、６３１、７３１…拡散板
１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２、７３２…太陽電池
３３３…レーザー分岐部
４３４…ヒートパイプ
５３４…冷却部材
６３５、７３５…二次電池

Claims (8)

1. 太陽光をレーザーに変換する太陽光励起レーザー装置と、
   レーザーを受光して発電する太陽電池と、
   前記太陽電池を収容する太陽電池収容部と、
   前記太陽光励起レーザー装置から発せられたレーザーを前記太陽電池収容部に導くレーザー伝送部と、
   前記レーザー伝送部からのレーザーを拡散させる光拡散体と、
   を有し、
   前記太陽電池収容部は、
   前記光拡散体を収容すること
   を特徴とする太陽光発電装置。
2. 請求項１に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池を冷却する温度制御部材を有し、
   前記太陽電池収容部は、
   前記温度制御部材を収容すること
   を特徴とする太陽光発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池収容部は、
   乾燥不活性ガス雰囲気を収容しており、
   前記太陽電池収容部における酸素ガスの分圧が０．１Ｐａ以下であり、
   前記太陽電池収容部における水蒸気分圧が０．１Ｐａ以下であること
   を特徴とする太陽光発電装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池により発電された電気エネルギーを蓄電する蓄電部を有し、
   前記太陽電池収容部は、
   前記蓄電部を収容すること
   を特徴とする太陽光発電装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽光励起レーザー装置は、
   Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを発生させるものであり、
   前記太陽電池は、
   単結晶シリコン太陽電池であること
   を特徴とする太陽光発電装置。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池は、
   塗布型の有機太陽電池であること
   を特徴とする太陽光発電装置。
7. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池は、
   有機無機ハイブリッド太陽電池であること
   を特徴とする太陽光発電装置。
8. 請求項７に記載の太陽光発電装置において、
   前記太陽電池は、
   有機無機ハイブリッドペロブスカイト太陽電池であること
   を特徴とする太陽光発電装置。