JP3985837B2

JP3985837B2 - 太陽光発電装置及びその設置方法

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Publication number: JP3985837B2
Application number: JP2005347412A
Authority: JP
Inventors: 利男上下; 一郎荒木; 吉雄江口; 康博今津; 賢一阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2006080568A

Description

本発明は、太陽光発電装置及びその設置方法に係わる。

従来の一般的な太陽光発電装置は、片面受光型太陽電池が複数個並べられた太陽電池モジュールが複数併設される太陽電池アレイである。非追尾型の場合、太陽電池アレイは、太陽電池の受光面を南向きにし、年間の日射量を最大限に受光できるよう設置場所の緯度を考慮して、春分・秋分時の天頂角に合わせた傾斜角度で設置する。また、ビル等の建物においては、太陽電池モジュールを建物の壁面に設置する。

〔特許文献１〕には、太陽電池設備の板状太陽発電機７が垂直に立てて設置してあり、壁の上端に設置した太陽発電機７は、両面が感光性の厚さ０.１mm の太陽電池１３（例えば、両面が感光性のＭＩＳ太陽電池）を使用し、枠１５で縁を補強した２つの支持ガラス板１４に設置することが記載されている。

特表平１０−５０７３１２号公報

従来の太陽電池アレイは、上記のように太陽電池の受光面が南向き，春分・秋分時天頂角傾斜で設置されるような太陽電池モジュール設置架台、または、住宅の南面屋根に取り付けた架台に設置される。従って、太陽電池モジュールは、地上面に平行な面に広い設置面積が必要である。

従来の太陽電池アレイは、上記のような構造及び設置を行うので、規定された風圧に耐える設計がとられ、剛な構造物となっており、建設コストがその分、高くなる。

従来の架台設置型の太陽電池アレイにおいては、降雪時に太陽電池モジュールの受光面に積雪が発生し、発電不能に陥る為、雪落し作業を必要とする。また、年間の積雪量を見込んだ太陽電池モジュール設置高さ、更に、積雪重量に耐える太陽電池モジュール及び架台の設計を行う必要があり、建設コストが上昇する。

従来の太陽電池アレイにおいては、受光面が受光する日射量は、正午あるいはその近傍の受光をピークとしたコサイン状の分布となる。即ち、太陽光発電装置が有する低レベル閾値（一般的には最大出力の５％）以下の発電電気出力では、発電を行わず、従って、早朝，夕方の発電は期待できない。更に、全般的にパワーコンディショナーの定格値に対し、低い出力点での運転となるので、変換損失が大きい。

従来技術においては、上記のように、南向き設置であるが、太陽電池アレイが受光する年間を通じた平均的な日射量は、正午近傍にピークを有する分布となる。従って、太陽電池アレイに付帯するパワーコンディショナー，動力ケーブル等の電気設備は、ピーク照射量受光時の太陽電池アレイの出力を設計条件として設計される為、建設費が割高となる。

又、〔特許文献１〕に記載の従来の技術は、両面が感光性のＭＩＳ（メタルインスレイティッドの略）太陽電池を使用すると記載されているだけであり、双方の露光面が同一の効率を有すると仮定した場合に年間利得が双方の寄与の和として１０６％となる仮定のこと述べたものであり、実際は裏面の効率はかなり悪くなるのが通常である。また、裏面の効率が悪いと、受光面日射量による発電出力は、平坦にならないため、パワーコンディショナーの平均動作点を高くできないという問題がある。

本発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、日射量を確保しながらもコスト低減が可能な太陽光発電装置及びその設置方法を提供する。

本発明による太陽発電装置は、両面受光型太陽電池を備える。この両面受光型太陽電池は、ｐ型シリコン基板の表面にリン拡散を行ったｎ ⁺ 層を形成し、裏面側にはボロン拡散を行ったｐ ⁺ 層を形成し、両面の拡散層の上にパッシベーション酸化膜，反射防止膜を形成し、ｎ ⁺ 層にエミッタ電極を、ｐ ⁺ 層にコレクター電極を形成した複数の両面受光太陽電池セルをリード線で直列に接続した両面受光型太陽電池の受光面を設置面に垂直方向に向けるとともに、受光面を東西方向に向いて設置し、受光面セルで形成された第２の太陽電池モジュールを南面傾斜付きで設置し、前記両面受光型太陽電池のアレイ出力と前記第２の太陽電池モジュールのアレイ出力を並列接続して合計の電力を出力するようにしたものである。
又、ｐ型シリコン基板の表面にリン拡散を行ったｎ ⁺ 層を形成し、裏面側にはボロン拡散を行ったｐ ⁺ 層を形成し、両面の拡散層の上にパッシベーション酸化膜，反射防止膜を形成し、ｎ ⁺ 層にエミッタ電極を、ｐ ⁺ 層にコレクター電極を形成した複数の両面受光太陽電池セルをリード線で直列に接続した両面受光型太陽電池であって、該両面受光型太陽電池の受光面を設置面に垂直方向に向けるとともに、受光面を南北方向から変位した向きで設置したものである。
又、垂直方向に設けられた柱状の構造物に連結された水平支持構造物である上部ジョインと下部ジョイントでｐ型シリコン基板の表面にリン拡散を行ったｎ ⁺ 層を形成し、裏面側にはボロン拡散を行ったｐ ⁺ 層を形成し、両面の拡散層の上にパッシベーション酸化膜，反射防止膜を形成し、ｎ ⁺ 層にエミッタ電極を、ｐ ⁺ 層にコレクター電極を形成した複数の両面受光太陽電池セルをリード線で直列に接続した両面受光型太陽電池を固定し、該両面受光型太陽電池の受光面を南北方向から変位した向きに設置したものである。

本発明による他の太陽光発電装置においては、両面受光型太陽電池の一方及び他方の受光面の向きが南北方向から変位している。このため、受光面が南向きの場合よりも、受光面における日射量のピーク値の大きさが低減する。従って、付帯電気設備の電流・電圧などの設計条件が緩和されるので、太陽光発電装置を備える太陽光発電設備全体のコストが低減する。一方、日射量のピーク値は低減するが、両面受光型太陽電池を用いるので、太陽光発電装置全体としての有効日射量を確保できる。なお、受光面の向きとは、受光面の平面に垂直な方向、または受光面における仮想法線の方向、あるいはこれらの方向に平行な方向を意味する。

本発明によるさらに他の太陽光発電装置においては、１日において、両面受光型太陽電池の一方及び他方の各受光面における日射量がピーク値となる時刻が、互いに異なる。これにより、両面受光型太陽電池の両受光面を合わせた日射量のピーク値の大きさが低減するので、太陽光発電装置を備える太陽光発電設備全体のコストが低減する。一方、日射量のピーク値は低減するが、両面受光型太陽電池を用いるので、太陽光発電装置全体としての有効日射量を確保できる。

本発明によれば日射量を損なうことなく、早朝から夕方まで高レベルの日射量を平均的に受光することができ、有効な発電時間を早朝から夕方まで拡大し、発生電気出力のピーク値を低減できるので、パワーコンディショナー等の電気設備の定格値を低く設計でき、太陽光発電装置のコストを低減できる。

以下、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明に適用する両面受光型太陽電池の代表的なセル構造を示すものである。本セルは、ｐ型シリコン基板１の表面にリン拡散を行ったｎ⁺ 層２を形成し、裏面側には、ボロン拡散を行ったｐ⁺層３を形成し、両面の拡散層の上にパッシベーション酸化膜４、更に、反射防止膜５を形成している。当該ｎ⁺ 層２，ｐ⁺ 層３に、それぞれ、エミッター電極６，コレクター電極７を形成している。本セルでは、表面からの照射光および裏面からの照射光の両者によって、電気出力を得ることができる。

図２は、当該両面受光セルを適用した両面受光型太陽電池モジュールの構成例を示すものである。両面受光太陽電池セル８は、図のように、縦横に並べ、リード線９で直列に接続される。この接続されたセル群は、断面図に示すように、２枚の透明保護材１０の中に封止材１１で封止されている。両面受光型太陽電池モジュール１３は、このアセンブリに、フレーム１２および端子ボックスを取り付けたものである。

図３，図４および図５は、本発明を適用した太陽電池アレイの実施例を示す図である。図３は、１本の柱状の構造物（ポール）に、複数の両面受光型モジュール１３を設置したアレイの例を示す。以下このアレイについて説明する。柱状構造物１４は、地面に構築した基礎１５の上に建てられる。柱状構造物１４には、水平支持構造物１６が固定金物１７で連結されている。水平支持構造物１６は、柱状構造物１４を中心にして、設置面に平行な方向に沿って柱状構造物１４の両側に水平に伸びている。両面受光型太陽電池モジュール１３は、水平支持構造物に釣り下げられた形で、上部ジョイント１８で固定され、モジュール１３の下部は、下部ジョイントで固定される。このようにして複数の太陽電池モジュールが、柱状構造物を軸として左右対称に配置される。上部ジョイントは、水平支持構造物１６の長さ方向を軸として回転できる構造を採用し、下部ジョイント１９は、スプリング構造を有する。この場合、両面受光型太陽電池モジュール１３が風圧を受けたとき、モジュールは、水平支持構造物の長さ方向を軸とした規定範囲の回転変位を許容し、風圧を吸収する柔構造となっている。

従来技術では、アレイ設置架台は、風圧等に対する設計耐力を備えるために剛な構造設計とする必要があり、コスト高となるが、本実施例によれば、太陽電池モジュールは、１対の水平支持構造物に柔構造の取り付けが可能となる為、建設コストの低減が図られる。

図４は、本発明を、フェンス状の構造物に適用した場合を説明する図である。構造物は、垂直構造物２０と横梁２１の組み合わせで構成されており、基礎１５上に固定される。両面受光型太陽電池モジュールは、前述の図３で説明した柱状構造物アレイと同様な方式で取り付けられる。

図５は、図３で説明した方式の一部変形例で、電柱等の柱に、小型の両面受光型モジュールを取り付けた例である。本変形例においては、柱状構造物１４を軸として、本柱状構造物の片側に太陽電池モジュールが取り付けられる。

上記各実施例においては、両面受光型太陽電池モジュールの受光面すなわち両面受光型太陽電池の受光面は、太陽光発電装置の設置面に垂直方向に向いている。このため、複数の太陽電池モジュールを高さ方向に設置することができる。実際には、各実施例で示したような、太陽電池モジュールを取付けるための柱状またはフェンス状などの構造物の高さ方向に両面受光型太陽電池モジュールすなわち両面受光型太陽電池が配置される。従って、太陽光発電装置の設置面積が低減する。また、設置場所の制限が緩和される。太陽電池モジュールの受光面を設置面に対し垂直にすると、後述するように、１日において一方または他方の受光面が受ける日射量のピーク値が低減する。しかし、両面受光太陽電池を用いているので、両受光面で受ける有効日射量は、少なくとも従来と同等にできる。従って、太陽光発電装置の出力電力量が損なわれることはない。なお、太陽光発電装置の立地条件などによっては、垂直設置に比べ設置面積があまり増大しない範囲で、垂直方向から多少ずれた方向に受光面を傾けても良い。

さらに、上述の各実施例とも、両面受光型太陽電池モジュールは、受光両面を東西方向に向けて設置する。図６は、実施例の両面受光型太陽電池アレイの受光日射量を従来技術の太陽電池アレイのそれと比較した説明図である。なお、本図に示す日射データは、北関東の特定の地点での実績データに基づくものである。従来技術の南面傾斜付き片面受光太陽電池アレイの年間の受光日射量（１）は、図示のように、正午にピークを持つ分布となる。一方、東垂直面の受光日射量及び西垂直面の受光日射量は、図中、それぞれ、曲線
（２），（３）で示すように、東側は午前９時頃、西側は午後の１５時頃にピークを示す分布となる。実施例では、適用する太陽電池モジュールは、両面受光型であり、これらの（２）及び（３）の日射を同時に受光することになり、その受光量は、曲線（４）に示す分布となる。即ち、従来技術での片面受光型太陽電池アレイでの有効受光日射量は、曲線（１）の積分値であり、実施例における両面受光太陽電池アレイでは、曲線（４）の積分値となり、両者は殆ど同じ値となる。更に、ピーク値は低くなり、かつ、早朝から夕刻まで高レベルの日射量を平均的に受光することができる。なお、受光面は正確に東西方向を向いていなくても、南北方向から変位した向きであれば、ピーク値を低減することができる。また、受光面は、有効日射量を損なわない範囲で東西方向から多少ずれていても良い。

各実施例によれば、太陽電池モジュールは、垂直に設置される為、降雪時の雪は、モジュール上に積もることがなく、発電を継続することが可能となる。更にＡ従来技術では、太陽電池アレイの積雪重量を見込んだ太陽電池モジュール及び設置架台とする必要があり、建設費が高くなるが、各実施例によれば、アレイ上に積雪が発生しないので、経済的な設備とすることができる。更に、太陽電池アレイは、予め積雪量を考慮した設計とする必要があり、従来技術では、モジュール設置用の架台はその分の高さを必要とし、建設費は高くなるが、各実施例では、単に、柱状構造物の高さを高くするだけであり、経済的な設備設計とすることができる。

各実施例によれば、両面受光型太陽電池モジュールをその受光面を東西に垂直に設置するので、太陽光の地上反射の強い積雪時や海岸近くでは、これらの日射を高率よく受光できるので、従来技術の南面傾斜付き太陽電池アレイに比べて、同一面積のモジュール面積で、年間発電量を多く発生させることができる。

各実施例によれば、同一の面積を有する太陽電池モジュールで、従来技術に比較して、年間の総発電電力量は同等以上を確保した上で、有効な発電時間を早朝から夕方までと拡大し、かつ、日間の発生電気出力の分布を平坦にする太陽光発電設備を提供することができる。従って、発生電気出力のピーク値を大幅に低減できるので、パワーコンディショナー等の電気設備の定格値をその分、低く設計でき、建設費の低減が可能となる。更に、日間の発生電気出力が平坦な分布になるので、パワーコンディショナーの平均動作点が高くなり、高い変換効率でのパワーコンディショナーの運転が可能となる。

本発明の他の実施例を図７及び図８を使用して以下説明する。図７は、前述の柱状構造物型の太陽電池アレイに、更に、第２の太陽電池モジュール２２を南面傾斜付きで設置し、両者のアレイ出力を並列接続し、両者の合計の電気出力を得るようにしたものである。本実施例を適用した場合の、年間の日射量の日時間分布を図８に示す。図中の曲線（４）は、前述の図６で説明した両面受光型太陽電池モジュールの東西垂直面合計を示す。一方、曲線（５）は、柱状構造物の最上部に南面傾斜付きで設置した第２の太陽電池モジュール２０の受光する日射量を示すもので、この受光日射量は、前述の図６での曲線（１）に相当する日射量分布形状をしている。従って、第２の太陽電池モジュール２０の受光面積を、適切に選択することによって、曲線（４）の中央部の凹部を平坦にするような日射量を得ることができる。即ち、受光日射量による発電出力を平坦に、かつ、早朝から夕刻までの長時間に亘って発電できる太陽光発電システムを提供することができる。

本発明による太陽光発電装置で使用する両面受光型太陽電池セルの基本構造を説明する図である。本発明による太陽光発電装置で使用する両面受光型太陽電池モジュールの基本構造を説明する図である。本発明を柱状構造物に適用した実施例を説明する図である。本発明をフェンス状構造物に適用した実施例を説明する図である。本発明を電柱等に適用した実施例を説明する図である。太陽電池アレイが受光する年間日射量の日間分布を説明する図である。本発明の他の実施例を説明する図である。図７の実施例の場合の太陽電池アレイが受光する年間日射量の日間分布を説明する図である。

符号の説明

１…両面受光太陽電池セルのｐ型シリコン基板、２…両面受光セルのｎ⁺ 層、３…両面受光セルのｐ⁺ 層、４…両面受光セルのパッシベーション酸化膜、５…両面受光セルの反射防止膜、６…両面受光セルのエミッター電極、７…両面受光セルのコレクター電極、８…両面受光セル、９…リード線、１０…透明保護材、１１…封止材、１２…フレーム、
１３…両面受光型太陽電池モジュール、１４…柱状構造物、１５…基礎、１６…水平支持構造物、１７…固定金具、１８…上部ジョイント、１９…下部ジョイント、２０…垂直構造材、２１…横梁、２２…南面傾斜付き設置太陽電池モジュール。

Claims

ｐ型シリコン基板の表面にリン拡散を行ったｎ⁺ 層を形成し、裏面側にはボロン拡散を行ったｐ⁺ 層を形成し、両面の拡散層の上にパッシベーション酸化膜，反射防止膜を形成し、ｎ⁺ 層にエミッタ電極を、ｐ⁺ 層にコレクター電極を形成した複数の両面受光太陽電池セルをリード線で直列に接続した両面受光型太陽電池の受光面を設置面に垂直方向に向けるとともに、受光面を東西方向に向いて設置し、受光面セルで形成された第２の太陽電池モジュールを南面傾斜付きで設置し、前記両面受光型太陽電池のアレイ出力と前記第２の太陽電池モジュールのアレイ出力を並列接続して合計の電力を出力するようにした太陽光発電装置。