JP3751013B2

JP3751013B2 - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP3751013B2
Application number: JP2003273904A
Authority: JP
Inventors: 英樹金谷; 喜茂奥山
Original assignee: 金谷建設株式会社; まねきや硝子株式会社
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP2005039025A

Description

本発明は、住宅の屋根などに設置され太陽光の光エネルギを電気エネルギに変換する太陽光発電装置に関するものである。

太陽光発電装置は、太陽光の光エネルギを単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどの半導体からなる太陽電池によって電気エネルギに変換し、発電を行わせる装置である。太陽光発電装置は風力発電装置とともに、地球環境を汚染するおそれのない発電装置として注目され、急速に普及しつつある。特に住宅の屋根などに設置される太陽光発電装置としては、多数枚の太陽電池素子を平面上に配列し、その表面を保護用のガラス板などで覆ってモジュール化したものが各社から市販されている。

太陽電池の変換効率（出力電気エネルギ／入射太陽光エネルギ）は、研究室レベルでは２０％を越えるが、市販の太陽電池モジュールでは１５％前後とされており、更に実際の発電能力は各種の損失によってその６０〜８０％程度まで低下する。損失の内訳は後記する非特許文献１の「住宅用太陽光発電システム総合カタログ」によれば、パワーコンディショナによる損失が１０％前後、受光面の汚れによる損失が５％程度、太陽電池素子の温度上昇による損失が季節によって１０〜２０％前後とされている。

このため太陽光発電装置の性能向上には太陽電池素子の温度上昇を防止することが必要であり、例えば特許文献１に示すように太陽電池モジュール内部に冷却媒体を通して太陽電池素子を冷却したり、ヒートパイプやペルチェ冷却素子を組み込んで冷却するなど、各種の工夫がなされている。

しかし、太陽電池モジュールの内部に上記のような冷却手段を組み込むことは太陽電池モジュールの構造が複雑化してコストアップを招き、現在でも高価な太陽光発電装置を普及させるうえでは好ましくない。また、冷却手段を駆動するためのエネルギを消費するため、太陽電池素子の温度上昇による損失を抑制しても、実質的な発電能力の向上はさほどではない。さらに受光面の汚れ対策は別に講ずる必要がある。
特開２００３−１１３７７１号公報ＳＨＡＲＰ「住宅用太陽光発電システム総合カタログ」２００３年５月版、シャープ株式会社発行、第１４頁

本発明は上記した従来の問題点を解決し、簡便かつ確実な手段によって、しかも余分なエネルギをほとんど消費することなく太陽電池素子の温度上昇による変換効率の低下を防止することができる実用性に優れた太陽光発電装置を提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の太陽光発電装置は、太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子の表面を、光触媒が担持された板ガラスにより覆うとともに、この太陽電池モジュールの表面にその表面積１ｍ ^２当たり１時間に２Ｌ以下の水を散水して湿潤させる水供給手段を設け、親水性の光触媒表面からの水の気化熱を利用して、太陽電池素子の温度上昇を抑制したことを特徴とするものである。なお、光触媒が板ガラス表面にＣＶＤ法により蒸着された酸化チタンであることが好ましい。

また、太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子の表面を複層断熱ガラスにより覆い、複層断熱ガラスの断熱効果により、太陽電池素子の温度上昇を抑制することができ、複層断熱ガラスが、内部に空気またはアルゴンガスを封入したサンドイッチガラスであることが好ましい。

本発明の太陽光発電装置は、太陽電池素子の表面を覆う板ガラスとして酸化チタン等の光触媒が蒸着された板ガラスを用い、その表面に水供給手段によって太陽電池モジュールの表面積１ｍ ^２当たり１時間に２Ｌ以下の少量の水を供給するようにしたものである。光触媒は親水性に優れるので水によく濡れ、特に太陽光中の紫外線を受けると水滴を表面全体に薄膜状に広げる効果を持つ。このためガラス板上に単に水を噴霧した場合よりもはるかに優れた蒸発効果を発揮することができ、光触媒からの水の気化熱により太陽電池素子の温度を下げることができる。この結果、太陽電池素子の温度上昇による損失を効果的に抑制することができる。また光触媒は有機物の分解効果があり、分解された汚れは水膜の表面に浮き上がり容易に洗い流される。このため受光面の汚れによる損失も同時に防止することができる。

なお、太陽電池素子の表面を覆う板ガラスとして複層断熱ガラスを用いれば、太陽光中の赤外線による太陽電池素子の温度上昇を抑制することができ、温度上昇による損失を効果的に抑制することができる。

しかもこれらの発明の太陽光発電装置は、太陽電池モジュールに冷却手段を組み込んだ従来品とは異なり、太陽電池モジュールの構造をさほど複雑化することはなく、冷却手段を駆動するためのエネルギもほとんど消費しない。このためこれらの発明によれば、簡便かつ安価な手段によって、しかも余分なエネルギをほとんど消費することなく太陽電池素子の温度上昇による変換効率の低下を防止することができる効果がある。

図１〜図３は第１の実施形態を示すもので、図１は太陽電池モジュールの斜視図、図２は太陽電池モジュールの断面図、図３は住宅の屋根への取付状態の斜視図である。図１に示すように、第１の発明の太陽電池モジュール１０は太陽電池素子１１とその表面を覆う板ガラス１２とからなり、その上方に水供給手段１３が設置されている。

太陽電池モジュール１０は、例えば図２に示すような積層構造を持つ。この太陽電池素子１１はアモルファスシリコン太陽電池素子であり、ステンレス等の基板１４の上に、半導体層であるＮ層１５、ｉ層１６、Ｐ層１７及び電極１８を順次積層した構造をもつ。しかし太陽電池素子１１としては市販の任意構造のものを用いることができ、図２のものに限定されるものではない。

第１の発明では、太陽電池素子１１の表面を覆う板ガラス１２として、表面に光触媒１９が蒸着された板ガラス１２を用いる。光触媒１９としてはアナタース型、ルチル型などの酸化チタンが用いられる。酸化チタンは板ガラスを製造するフロートバス上においてＣＶＤ法により高温のガラス表面に蒸着され、耐久性のある光触媒１９のコーティング膜が形成される。なおこのような板ガラス１２は一般的に複数社より市販されている。

水供給手段１３は太陽電池モジュール１０の表面を湿潤させる機能を有すればその構造は特に限定されるのものではないが、この実施形態では図１、図３に示されるように太陽電池モジュール１０の上部に形成した貯水部２０の小孔２１から水を噴霧あるいは流下させる構造である。貯水部２０には給水管２２を通じて水道水などが供給される。太陽電池モジュール１０の表面を構成する板ガラス１２はその表面に親水性の光触媒１９が蒸着されているため、供給された水は水膜を形成して板ガラス１２の表面全体に拡散する。

供給水量は季節、気温、湿度、光度、降雨の有無などによって適宜調整すればよいが、夏季の昼間において太陽電池モジュール１０の表面積１ｍ^２当たり、１時間に２Ｌを供給すれば十分である。降雨センサー、光度センサー、温度センサー、太陽電池モジュールの表面を流れ落ちた水（余剰水）を感知するセンサーなどを備えたセンサーボックス２３を組み込んでおき、水量を制御するとともに、雨天時や夜間には給水を停止することが好ましい。また冬季などの低温時には凍結防止のためにも、給水を停止することが好ましい。

このようにして太陽電池モジュール１０の表面に供給された水は親水性の光触媒１９により拡散され、光触媒１９の表面から蒸発して気化熱を奪う。これにより太陽電池素子１１の温度上昇は抑制される。そのデータは後記する実施例に示す。これにより温度上昇による変換効率の低下が減少する。また光触媒１９の防汚効果により光透過損失も減少するため、年間平均で８％程度の変換効率の向上が得られるものと推定される。

図４は、第２の実施形態における太陽電池モジュール３０の断面図である。この太陽電池モジュール３０は、太陽電池素子１１の表面を複層断熱ガラス３１により覆ったものである。この複層断熱ガラス３１は、上面ガラス３２と下面ガラス３３との間にスペーサ３４により密閉空間３５を形成し、空気またはアルゴンガスを封入したサンドイッチガラスである。太陽電池素子１１の上面と複層断熱ガラス３１との間には断熱パッキン３６による空気層３７が形成されており、全体の両側面も断熱壁３８により覆われている。

通常の板ガラス（３〜５ｍｍ厚）の熱貫通率は６.０Ｗ/ｍ^２Ｋ程度であるが、６〜１２ｍｍ程度の厚さの密閉空間に空気を封入した複層断熱ガラスの熱貫通率は２〜３.４Ｗ/ｍ^２Ｋ程度であり、アルゴンガスを封入した複層断熱ガラスの熱貫通率は１.３〜３.１Ｗ/ｍ^２Ｋ程度である。このように太陽電池素子１１の表面を複層断熱ガラス３１により覆えば、熱貫通率は１/４〜１/２程度に減少する。

具体的には、５ｍｍ厚の板ガラスで遮断された空間の片側を４０℃に保った場合には、反対側の空間は３５℃にまで昇温する。しかし３ｍｍ厚の板ガラス２枚の間に１２mmのアルゴン封入層を形成した複層断熱ガラスを用いると、片側を４０℃に保った場合の反対側の空間温度は約２０℃で安定する。このため、１５℃前後の断熱効果が確認できる。しかも複層断熱ガラスは、太陽電池素子１１に到達する短波長域の光エネルギの到達率にほとんど影響しないので、太陽電池素子１１の温度上昇による変換効率の低下を確実に防止することができる。

複層断熱ガラス３１の上面ガラス３２として光触媒が担持された板ガラスを用い、上記した通り太陽電池モジュールの表面積１ｍ ^２当たり１時間に２Ｌ以下の水を散水する水供給手段による湿潤を行わせる。これにより優れた断熱効果を得ることができる。

酸化チタン触媒が蒸着された板ガラスにより太陽電池素子の表面を覆った第１の発明の太陽電池モジュール１枚と、通常の板ガラスにより太陽電池素子の表面を覆った既存の太陽電池モジュール２枚とを準備して屋外に設置し、それぞれの表面温度変化を接触子器温度計により測定した。

図４に示すように、実験開始後３０分を経過し太陽電池モジュールの表面温度が４０℃に達したときに第１の発明の太陽電池モジュール１枚と、既存の太陽電池モジュール１枚とに２Ｌ/ｈ・ｍ^２の水量で散水を開始し、他の既存の太陽電池モジュール１枚は散水せずに実験を継続した。

その結果、散水を行わない太陽電池モジュールの表面温度は４１.５℃まで上昇した。また通常の板ガラスにより太陽電池素子の表面を覆った既存の太陽電池モジュールは、散水により表面温度が低下したが、散水開始後３０分で３８℃で安定した。これに対して第１の発明の太陽電池モジュールは、散水開始後２０分で２７℃まで急激に表面温度が低下し、散水開始後３０分で２５℃で安定した。このように散水開始時の表面温度からの低下幅は既存の太陽電池モジュールでは−２℃であったが、第１の発明の太陽電池モジュールでは−１５℃に達し、光触媒と水との組合わせによる顕著な冷却効果が確認できた。

第１の実施形態における太陽電池モジュールの斜視図である。第１の実施形態における太陽電池モジュールの断面図である。住宅の屋根への取付状態を示す斜視図である。第２の実施形態における太陽電池モジュールの断面図である。実施例の結果を示す太陽電池モジュールの表面温度のグラフである。

符号の説明

１０第１の発明の太陽電池モジュール
１１太陽電池素子
１２板ガラス
１３水供給手段
１４基板
１５Ｎ層
１６ｉ層
１７Ｐ層
１８電極
１９光触媒
２０貯水部
２１小孔
２２給水管
２３センサーボックス
３０第２の発明の実施形態における太陽電池モジュール
３１複層断熱ガラス
３２上面ガラス
３３下面ガラス
３４スペーサ
３５密閉空間
３６断熱パッキン
３７空気層
３８断熱壁

Claims

太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子の表面を、光触媒が担持された板ガラスにより覆うとともに、この太陽電池モジュールの表面にその表面積１ｍ ^２当たり１時間に２Ｌ以下の水を散水して湿潤させる水供給手段を設け、親水性の光触媒表面からの水の気化熱を利用して、太陽電池素子の温度上昇を抑制したことを特徴とする太陽光発電装置。
光触媒が、板ガラス表面にＣＶＤ法により蒸着された酸化チタンである請求項１記載の太陽光発電装置。
太陽電池モジュールを構成する太陽電池素子の表面を複層断熱ガラスにより覆い、複層断熱ガラスの断熱効果により、太陽電池素子の温度上昇を抑制したことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
複層断熱ガラスが、内部に空気またはアルゴンガスを封入したサンドイッチガラスである請求項４記載の太陽光発電装置。