JP4599464B1 - 太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹面鏡と支持棒を用いた立体型の太陽電池装置において、太陽電池セルが高温によって劣化することを抑制する。
【解決手段】太陽電池モジュール２０は、凹面鏡２２と、凹面鏡２２の中心部位を貫通して伸びている支持棒２６と、支持棒２６の周囲に設けられている反射光用太陽電池セル２４を備えている。反射光用太陽電池セル２４は、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒２６との間に距離が存在する位置関係に配置されているとともに、受光面が凹面鏡２２で反射した反射光の入射方向を向いている。
【選択図】図７

Description

本発明は、支持棒の周囲に太陽電池セルが設けられた立体型の太陽電池装置に関する。

太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池装置の開発が進められている。使用する太陽電池セルの枚数を削減するために、及び／又は光電変換効率を向上させるために、太陽光を集光する集光装置を備えた太陽電池装置が提案されており、その一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の太陽電池装置は、凹面鏡と支持棒と複数枚の太陽電池セルを備えている。支持棒は、断面が四角形状であり、凹面鏡の中心部位を貫通して伸びている。複数枚の太陽電池セルは、凹面鏡の焦点位置に設けられており、支持棒の４つの面のそれぞれに取り付けられている。これにより、凹面鏡で反射した反射光は、光のエネルギー密度が高い状態で太陽電池セルに入射する。

特表２００９−５２６３８６号公報

ところが、焦点位置に配置された太陽電池セルは、高温によって劣化が起き易いという問題がある。この問題に対し、特許文献１では、例えば、アルミニウム又は銅などの熱伝導度の大きい材料を支持棒に採用するとともに、凹面鏡の裏側にフィンを設けることを提案している。これにより、特許文献１の太陽電池装置は、支持棒を介して太陽電池セルの熱をフィンまで伝熱させて放熱することができる。しかしながら、凹面鏡の焦点位置の光のエネルギー密度は極めて高いため、太陽電池セルの受光面が局所的に高温になることは避けられない。本明細書で開示される技術は、上記放熱技術に代えて、又は上記放熱技術に加えて用いられるものであり、太陽電池セルが高温によって劣化することを抑制することを目的とする。

本明細書で開示される太陽電池装置は、凹面鏡と支持棒と第１太陽電池セルと第２太陽電池セルを備える。支持棒は、凹面鏡の中心部位を貫通して伸びている。第１太陽電池セルは、支持棒の周囲に設けられており、受光面が凹面鏡で反射した反射光の入射方向を向いている。第１太陽電池セルは、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒との間に距離が存在する位置関係に配置されている。第２太陽電池セルは、支持棒の周囲に設けられており、受光面が太陽光の入射方向を向いている。第２太陽電池セルは、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒と第１太陽電池セルの間に配置されている太陽電池セルを有する。上記太陽電池装置では、凹面鏡の焦点位置は、凹面鏡の中心部位を貫通する支持棒に存在している。このため、凹面鏡を用いて太陽光を集光すると、支持棒に存在する焦点位置で光のエネルギー密度が最大化する。上記太陽電池装置の第１太陽電池セルは、支持棒から離れた位置に配置されているので、凹面鏡の焦点位置とは異なる位置に配置されている。これにより、第１太陽電池セルに入射する反射光のエネルギー密度が抑えられ、第１太陽電池セルが高温になることが抑制される。この結果、第１太陽電池セルの劣化が抑制される。さらに、上記太陽電池装置では、太陽電池装置が存在する範囲に降り注ぐ太陽光の光エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。

本明細書で開示される太陽電池装置は、支持棒の周囲に設けられており、第１状態と第２状態を構成する複数枚の外殻パネルを備えているのが望ましい。第１状態では、複数枚の外殻パネルが凹面鏡と第１太陽電池セルと第２太陽電池セルを外部から隔てるように構成される。第２状態では、複数枚の外殻パネルが凹面鏡と第１太陽電池セルと第２太陽電池セルを外部に露出するように構成される。支持棒の周囲に太陽電池セルを搭載する立体型の太陽電池装置は、風や雨の影響による破損が問題となる。上記外殻パネルは、この問題に対処することができる。例えば、風や雨が強い日には、外殻パネルを第１状態に構成することで、凹面鏡と第１太陽電池セルと第２太陽電池セルを外部環境から保護することができる。一方で、風や雨が弱く、太陽光が降り注ぐ日には、外殻パネルを第２状態に構成することで、凹面鏡と第１太陽電池セルと第２太陽電池セルに太陽光を入射させ、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

上記の太陽電池装置では、複数枚の外殻パネルの内面が反射面であるのが望ましい。この態様によると、外殻パネルを反射鏡として機能させることができるので、太陽電池装置が存在する範囲に降り注ぐ太陽光の光エネルギーをさらに効率的に電気エネルギーに変換することができる。

上記の太陽電池装置では、凹面鏡の縁に沿って設けられている第３太陽電池セルを備えているのが望ましい。この場合、第３太陽電池セルは、その受光面で反射した反射光が第１太陽電池セルに入射する角度に設定されている。この態様によると、第３太陽電池セルは、入射する太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するだけでなく、太陽光を反射させる反射鏡としても機能する。

上記の太陽電池装置では、支持棒と凹面鏡が着脱可能に構成されていることが望ましい。この態様によると、支持棒を凹面鏡から取外すことで、太陽電池装置の可搬性を大幅に向上させることができる。

本明細書で開示される太陽電池装置では、太陽電池セルを凹面鏡の焦点位置とは異なる位置に配置することにより、太陽電池セルが高温によって劣化することが抑制されている。

太陽電池装置の構成の概要を示す。 第１実施例の太陽電池モジュールの正面図（背面図も同一である）を示す。 第１実施例の太陽電池モジュールの右側面図（左側面図も同一である）を示す。 第１実施例の太陽電池モジュールの平面図を示す。 第１実施例の太陽電池モジュール底面図を示す。 第１実施例の太陽電池モジュールの分解正面図を示す。 第１実施例の太陽電池モジュールに入射する太陽光及び鏡面鏡で反射する反射光の光軸の一例を示す。 第２実施例の太陽電池モジュールの正面図（背面図も同一である）を示す。 第２実施例の太陽電池モジュールの右側面図（左側面図も同一である）を示す。 第２実施例の太陽電池モジュールの平面図を示す。 第２実施例の太陽電池モジュール底面図を示す。 第２実施例の太陽電池モジュールの分解正面図を示す。 第２実施例の太陽電池モジュールが閉状態のときを示す。 第２実施例の太陽電池モジュールに入射する太陽光及び外殻パネルで反射する反射光の光軸の一例を示す。

本願明細書で開示される技術の特徴のいくつかを整理する。
（特徴１）太陽電池モジュールは、凹面鏡と、その凹面鏡の中心部位を貫通して伸びている支持棒と、凹面鏡の焦点位置から離れて設けられている反射光用太陽電池セルを備える。支持棒と反射光用の太陽電池セルは、連結部材を介して固定されている。連結部材は、支持棒に対して垂直方向に伸びる部分を有しており、これにより、支持棒と太陽電池セルの間に距離が設けられている。
（特徴２）太陽電池モジュールは太陽赤道儀に支持されている。
（特徴３）複数枚の外殻パネルは、一端が外殻基台に回転可能に固定されており、他端が自由端となっている。外殻基台は、中心部位に貫通孔が形成されており、その貫通孔を支持棒が貫通する。外殻パネルの回転軸は、支持棒に垂直である。これにより、複数枚の外殻パネルの自由端は、支持棒に対して近づく位置と離れた位置を往復することができる。さらに、複数枚の外殻パネルの自由端が支持棒の上方において集合すると、外殻パネルは閉状態を構成する。

図１に、太陽電池装置１０の構成を概略して示す。太陽電池装置１０は、太陽電池モジュール２０と、その太陽電池モジュール２０を支持する太陽赤道儀３０を備えている。太陽赤道儀３０は、電動モータ３１とコントローラ３２と固定架台３３と回転架台３４と重量調整部材３５を備えている。電動モータ３１は、コントローラ３２から制御信号が入力され、その制御信号に基づいて回転架台３４を回転させる。固定架台３３は、地面に対して固定して用いられる。回転架台３４は、固定架台３３に対して回転可能に固定されており、その回転軸方向は地軸に平行に設定されている。重量調整部材３５は、回転架台３４を間に挟んで太陽電池モジュール２０に対向して設けられており、太陽電池モジュール２０との間で重量をバランスする。

電動モータ３１とコントローラ３２は、回転架台３４を回転させることによって、太陽電池モジュール２０を回転架台３４回りに回転させ、太陽電池モジュール２０を太陽に追尾させる。追尾方式は、回転架台３４を等速で回転させる追尾方式を採用してもよい。あるいは、太陽の存在する方向をセンサ（図示せず）にて検出し、その検出結果に基づいて回転架台３４を回転させる追尾方式を採用しても良い。このように、太陽赤道儀３０を用いて太陽電池モジュール２０を太陽に追尾させることで、太陽光の光エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。

次に、図２〜図７を参照し、太陽電池モジュール２０の構成を説明する。図６に示されるように、太陽電池モジュール２０は、凹面鏡２２と支持棒２６と複数枚の太陽電池セル２３，２４，２５を備えている。凹面鏡２２は、その中心部位に貫通孔が形成されており、その貫通孔を支持棒２６が貫通する。支持棒２６は、凹面鏡２２の底部に対して垂直方向に伸びている。凹面鏡２２と支持棒２６は、固定部材２１を介して着脱可能に固定されている。一例では、凹面鏡２２は、その半径が600mmであり、その曲率半径が1050mmである。

太陽電池セル群２３，２４，２５は、その役割に応じて分類することが可能であり、この例では、複数枚の鏡兼用太陽電池セル２３（請求項の第３太陽電池セルの一例）と複数枚の反射光用太陽電池セル２４（請求項の第１太陽電池セルの一例）と複数枚の入射光用太陽電池セル２５（請求項の第２太陽電池セルの一例）に分類することができる。

図７に示されるように、鏡兼用太陽電池セル群２３は、凹面鏡２２の縁に沿って一巡して設けられており、それらの受光面で反射した太陽光の反射光が反射光用太陽電池セル群２４に入射する角度に設定されている。凹面鏡２２と鏡兼用太陽電池セル群２３は、一端が凹面鏡２２の縁に固定されるとともに他端が鏡兼用太陽電池セル群２３に固定された連結部材（図示せず）を用いて固定されるのが望ましい。一例では、連結部材は、アルミニウム等の材料で形成された板状部材であるのが望ましい。鏡兼用太陽電池セル群２３は、上側鏡兼用太陽電池セル群２３ａと下側鏡兼用太陽電池セル群２３ｂを有する。上側鏡兼用太陽電池セル群２３ａ及び下側鏡兼用太陽電池セル群２３ｂはいずれも、受光面が斜め上向きに設けられている。太陽光の入射方向（紙面上下方向）に対する下側鏡兼用太陽電池セル群２３ｂの傾斜角は、上側鏡兼用太陽電池セル群２３ａの傾斜角よりも大きい。

反射光用太陽電池セル群２４は、支持棒２６の周囲を一巡して設けられており、凹面鏡２２で反射した太陽光の反射光が入射する位置関係に配置されている。反射光用太陽電池セル群２４はさらに、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒２６との間に距離が存在しており、支持棒２６から隔てて設けられている。支持棒２６と反射光用太陽電池セル群２４は、一端が支持棒２６に固定されるとともに他端が反射光用太陽電池セル群２４に固定された連結部材（図示せず）を用いて固定されるのが望ましい。一例では、連結部材は、アルミニウム等の材料で形成された骨組部材であるのが望ましい。これにより、反射光用太陽電池セル群２４は、支持棒２６上に存在する凹面鏡２２の焦点位置２２ａと凹面鏡２２を結ぶ反射光の光軸上に配置されており、凹面鏡２２の焦点位置２２ａよりも凹面鏡２２側に配置されている。反射光用太陽電池セル群２４は、上側反射光用太陽電池セル群２４ａと下側反射光用太陽電池セル群２４ｂを有する。上側反射光用太陽電池セル群２４ａは、受光面が横向きに設けられている。下側反射光用太陽電池セル群２４ｂは、受光面が斜め下向きに設けられている。太陽光の入射方向に対する下側反射光用太陽電池セル群２４ｂの傾斜角は、上側反射光用太陽電池セル群２４ａの傾斜角よりも大きい。

入射光用太陽電池セル群２５は、支持棒２６の周囲を一巡して設けられており、太陽光が入射する位置関係に配置されている。入射光用太陽電池セル群２５はさらに、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒２６と反射光用太陽電池セル群２４の間に配置されている。支持棒２６と入射光用太陽電池セル群２５は、一端が支持棒２６に固定されるとともに他端が入射光用太陽電池セル群２５に固定された連結部材（図示せず）を用いて固定されるのが望ましい。一例では、連結部材は、アルミニウム等の材料で形成された骨組部材であるのが望ましい。入射光用太陽電池セル群２５は、上側入射光用太陽電池セル群２５ａと下側入射光用太陽電池セル群２５ｂを有する。上側入射光用太陽電池セル群２５ａ及び下側入射光用太陽電池セル群２５ｂはいずれも、受光面が斜め上向きに設けられている。太陽光の入射方向に対する下側入射光用太陽電池セル群２５ｂの傾斜角は、上側入射光用太陽電池セル群２５ａの傾斜角と等しい。太陽光の入射方向から観察したときに、下側入射光用太陽電池セル群２５ｂは、上側入射光用太陽電池セル群２５ａよりも支持棒２６から離れた位置に設けられており、上側入射光用太陽電池セル群２５ａと重複していない。

次に、太陽電池モジュール２０の特徴を説明する。
（１）太陽電池モジュール２０では、反射光用太陽電池セル群２４が凹面鏡２２の焦点位置２２ａとは異なる位置に配置されている。このため、反射光用太陽電池セル群２４が高温になることが抑制され、反射光用太陽電池セル群２４の劣化が抑制される。

（２）反射光用太陽電池セル群２４が焦点位置２２ａとは異なる位置に配置されていると、太陽光の入射方向から観察したときに、支持棒２６と反射光用太陽電池セル群２４の間に太陽光を利用できない領域が形成されてしまう。しかしながら、太陽電池モジュール２０では、その領域に入射光用太陽電池セル群２５が設けられており、その領域に入射する太陽光をも電気エネルギーに変換することができる。

（３）太陽電池モジュール２０は、凹面鏡２２の縁に沿って設けられている鏡兼用太陽電池群セル２３を備えている。鏡兼用太陽電池セル群２３は、その受光面で反射した反射光が反射光用太陽電池セル群２４に入射する角度に設定されている。このため、鏡兼用太陽電池セル群２３は、入射する太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換するだけでなく、太陽光を反射させる反射鏡としても機能する。これにより、鏡兼用太陽電池セル群２３で反射した太陽光の光エネルギーさえも電気エネルギーに変換することができる。

図８〜図１４を参照し、太陽電池モジュール２００の構成を説明する。太陽電池モジュール２００は、第１実施例の太陽電池モジュール２０に外殻保護部材４０が付加されたことを特徴としている。したがって、以下の説明では、太陽電池モジュール２０の説明を省略し、外殻保護部材４０に関して説明する。

外殻保護部材４０は、外殻基台４２と複数枚の外殻パネル４３を備えている。外殻基台４２は、平面円形状の平板であり、中心部位に貫通孔が形成されており、その貫通孔を支持棒２６が貫通する。外殻基台４２と支持棒２６は、固定部材４１を介して着脱可能に固定されている。

外殻基台４２の縁に沿って複数枚の外殻パネル４３が取り付けられている。外殻パネル４３は、外殻基台４２に対して回転可能に固定されており、その回転軸は支持棒２６に対して垂直である。外殻パネル４３は、概ね放物面で構成されており、その内面が太陽光の反射面となっている。

外殻パネル４３は、開状態と閉状態を構成することができる。図８〜１２に示される状態が開状態であり、図１３に示される状態が閉状態である。開状態では、図８〜１２に示されるように、外殻パネル４３が外殻基台４２に対して回転し、隣合う外殻パネル４３の間が開放され、太陽電池モジュール２０を外部に露出するように構成される。開状態では、図１３に示されるように、外殻パネル４３が外殻基台４２に対して回転し、隣合う外殻パネル４３の間が閉塞し、太陽電池モジュール２０を外部から隔てるように構成される。

次に、太陽電池モジュール２００の特徴を説明する。
（１）太陽電池モジュール２００では、例えば、風や雨が強い日には、外殻パネル４３を閉状態に構成することで、太陽電池モジュール２０が外部環境から保護される。これにより、太陽電池モジュール２００の耐久性が向上する。一方で、風や雨が弱く、太陽光が降り注ぐ日には、外殻パネル４３を開状態に構成することで、太陽電池モジュール２０に太陽光を入射させ、光エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。なお、外殻パネル４３の開状態と閉状態は、手動によって行ってもよく、アクチュエータを用いて自動で行ってもよい。また、アクチュエータを用いる場合、風力メータ等の外部環境をモニターし、その測定結果に基づいてアクチュエータを動作させてもよい。

（２）太陽電池モジュール２００では、外殻パネル４３の内面が太陽光の反射面となっている。このため、図１４に示されるように、外殻パネル４３を反射鏡として機能させることができる。なお、この場合は、反射光用太陽電池セル群２４は両面が受光面となるように、２枚の太陽電池セルが張り合わされた一対の太陽電池セル、又は両面を受光面とする両面型太陽電池セルを用いるのが望ましい。これにより、外殻パネル４３で反射した太陽光の光エネルギーさえも電気エネルギーに変換することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：太陽電池装置
２０，２００：太陽電池モジュール
２２：凹面鏡
２３：鏡兼用太陽電池セル（第３太陽電池セルの一例）
２４：反射光用太陽電池セル（第１太陽電池セルの一例）
２５：入射光用太陽電池セル（第２太陽電池セルの一例）
２６：支持棒
２６ａ 焦点位置
３０：太陽赤道儀
４０：外殻保護部材
４３：外殻パネル

Claims (5)

1. 太陽電池装置であって、
   凹面鏡と、
   前記凹面鏡の中心部位を貫通して伸びている支持棒と、
   前記支持棒の周囲に設けられており、受光面が前記凹面鏡で反射した反射光の入射方向を向いている第１太陽電池セルと、
   前記支持棒の周囲に設けられており、受光面が太陽光の入射方向を向いている第２太陽電池セルと、を備えており、
   前記第１太陽電池セルは、太陽光の入射方向から観察したときに、前記支持棒との間に距離が存在する位置関係に配置されており、
   前記第２太陽電池セルは、太陽光の入射方向から観察したときに、前記支持棒と前記第１太陽電池セルの間に配置されている太陽電池セルを有する太陽電池装置。
2. 前記支持棒の周囲に設けられており、第１状態と第２状態を構成する複数枚の外殻パネルをさらに備えており、
   前記第１状態では、前記複数枚の外殻パネルが前記凹面鏡と前記第１太陽電池セルと前記第２太陽電池セルを外部から隔てるように構成され、
   前記第２状態では、前記複数枚の外殻パネルが前記凹面鏡と前記第１太陽電池セルと前記第２太陽電池セルを外部に露出するように構成される請求項１に記載の太陽電池装置。
3. 前記複数枚の外殻パネルの内面が反射面である請求項２に記載の太陽電池装置。
4. 前記凹面鏡の縁に沿って設けられている第３太陽電池セルをさらに備えており、
   前記第３太陽電池セルは、その受光面で反射した反射光が第１太陽電池セルに入射する角度に設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池装置。
5. 前記支持棒と前記凹面鏡は、着脱可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の太陽電池装置。

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