JP4639337B2

JP4639337B2 - 太陽電池および太陽集熱器

Info

Publication number: JP4639337B2
Application number: JP2006041524A
Authority: JP
Inventors: 昇山田; 義明金森
Original assignee: Tohoku University NUC; Nagaoka University of Technology
Current assignee: Tohoku University NUC; Nagaoka University of Technology
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP2007218540A

Description

本発明は、太陽電池および太陽集熱器に関する。

近年、化石燃料の枯渇化や地球温暖化などのエネルギー・環境問題への解決策として、太陽エネルギーなどの自然エネルギー利用技術の開発が急務となっている。太陽エネルギーの利用技術として、太陽電池と太陽集熱器（ソーラーコレクタとも言われる）がすでに開発され、高価で希少な太陽電池セル面積の削減と集熱効率向上のために、太陽光を太陽電池セルまたは集熱部に集光する太陽光集光器(非特許文献１、特許文献１及び特許文献２)が考案されている。

しかしながら、従来技術の太陽光集光系は、数cm〜数十ｍといったマクロな大きさのミラーやレンズを用いるため、重くかさばり、材料費などが高コストで普及を阻害している。また、前記特許文献１及び２では、集光のために、レンズ手段及びプリズムを用いているが、いまだ十分に集光の高効率化が図られていない面がある。

そして、集光比を大きくするために太陽追尾を必要とするものが多く、一般家庭の屋根などに大面積で設置することは困難である。

以上のことから、太陽エネルギー利用の分野においては、太陽光を低コストかつ薄型大面積で高密度かつ高効率に集光する薄型で固定型の太陽光集光器とそれを利用した太陽電池および太陽集熱器の必要性が非常に高い。
新太陽エネルギー利用ハンドブック、日本太陽エネルギー学会（2000年）特開２００１−２８９５１５号公報特開平１１−３４０４９３号公報

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもので、その目的は内部に取り込んだ光を高効率で端面に集光させることができ、広範囲の入射角変化に対応できる固定型の太陽電池および太陽集熱器を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１及び２記載の発明では、上面側からの広範な角度の入射光を許容し、この入射光を下面側に放射する光機能性シートと、この光機能性シートの下面側に配置された導光板と、この導光板の下面に設けられた反射面と、前記入射光が集光する前記導光板の一端側面とを備え、前記導光板は他側端面から前記一側端面に向かって厚くなると共に、前記導光板の下面が前記一側端面の方向に向かって下り勾配で直線的または曲線的に傾斜し、前記一側端面方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を有するように光学微細帯状を施した前記反射面を有するものである。

また、請求項１及び２記載の発明では、前記導光板内部での全反射および屈折による光閉じ込め効果と前記反射面での反射作用とにより前記入射光が前記一側端面に集光するものである。

また、請求項１及び２記載の発明では、前記光機能性シートが、下面側に特定の射出角度範囲以内に限定された放射を行う光学作用を有するものである。

また、請求項１及び２記載の発明では、前記反射面が、少なくとも前記一側端面方向に対して反射の割合が大きくなる指向性反射特性を有するものである。

また、請求項１記載の発明は、少なくとも前記導光板の前記一側端面の側に太陽電池セルを配置したものである。

また、請求項２記載の発明は、少なくとも前記導光板の前記一側端面の側に集熱手段を配置したものである。

請求項１及び２の構成によれば、上面側から広範な角度で光機能性シートに光が入射し、その入射光は、光機能性シートの下面側に配置された導光板に入射し、この導光板内を通って、一側端面に集光される。

また、請求項１及び２の構成によれば、導光板内部での光閉じ込め効果と前記反射面での反射作用により、導光板に入射した入射光が一側端面に集光される。

また、請求項１及び２の構成によれば、上面側からの広範な角度の入射光を許容する光機能性シートが、下面側に特定の射出角度範囲以内に限定された放射を行うことにより、上面側から入射した光を、導光板の一側端面に高効率に集光することができる。

また、請求項１及び２の構成によれば、集光効率を向上することができる。

また、請求項１の構成によれば、太陽光線を高効率で利用する太陽電池が得られる。
また、請求項２の構成によれば、太陽光線を高効率で利用する集熱手段が得られる。

本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。各実施例では、従来とは異なる太陽電池および太陽集熱器を採用することにより、従来にない太陽電池および太陽集熱器が得られ、その太陽電池および太陽集熱器について記述する。

以下、本発明の実施例１について説明すると、図１は断面図を示し、同図において、本発明に係る太陽光集光器を構成する導光板１は、樹脂あるいはガラスのような太陽光の波長範囲に対して十分な光の透過性を有する媒質により構成されている。

１ａおよび１ｃは前記導光板１の一側端面及び他側端面であり、これら一側端面１ａと他側端面１ｃとは対向する位置にある。本実施例は、光を一側端面１ａに高効率に集光する目的のもので、他側端面１ｃには、光を反射する反射面４を施した方が光の損失を低減でき、一側端面１ａ以外の他の端面にも反射面４を施すことが好ましい。

前記導光板１の断面形状は、長方形であっても良いが、図１に示すように導光板１の下面１ｂが一側端面１ａ方向に向かって下り勾配に直線的または曲線的に傾斜している方が望ましい。すなわち、導光板１は、他側端面１ｃから一側端面１ａに向って厚くなる。導光板１の下面１ｂには、反射面３が設けられ、導光板１の上面１ｄには、薄膜状の光機能性シート２を密着して設けている。この光機能性シート２は、従来技術である液晶ディスプレイのバックライトユニットに用いられているプリズムシート、ミラーシート、拡散シートのように、光高透過性のポリマー系材料またはガラス材料などに微細な光学形状が施されたものであり、特定の角度で上面１ａから入射した入射光を特定の方向に収斂しつつ下面１ｂから放射する機能を施されたものである。前記上面１ｄと下面１ｂは、導光板１の厚さ方向両側に位置する面であり、前記端面１ａ，１ｃは、それら上面１ｄと下面１ｂに対して交差方向をなす面である。

太陽６から放射される日射は、主に平行光線である直達日射と放射状光線である拡散日射に分けられるが、本発明の太陽光集光器では、集光器受光面たる光機能性シート２の上面の法線７に対して角度θ₁の範囲で入射する直達日射と拡散日射とを集光対象とする。前記角度θ₁の範囲内で入射した光線５は、経路５ａ，５ｂ，５ｃの順に辿り、最終的に導光板１の端面１ａに到達する。経路５ａで光機能性シート２に入射した光線５は、光機能性シート２の内部の経路５ｂにおいて光機能性シート２の光学作用により、角度θ₂の範囲で一側端面１ａ方向に曲げられて導光板１の上面１ｄに入射し、その内部を通過し、導光板１の下面１ｂに入射する。下面１ｂの下には反射面３が施されており、光線５はほぼ鏡面反射により角度θ₃の範囲内へ反射され、導光板１内部を全反射して一側端面１ａに到達する。

尚、前記角度θ₁は、光機能性シート２の上面の法線７方向の光線と、前記一側端面１ａ方向に向う光線とのなす角度であって、光機能性シート２の最大入射角に等しく、略０〜８０度程度である。また、前記角度θ₁より前記角度θ₂は小さく、この角度θ₂より前記角度θ₃は小さいか、または同程度である。さらに、この例では、光機能性シート２の光学作用により、前記法線７方向に入射する光が、角度θ₁と角度θ₂の差だけ一側端面１ａの方向に曲げられて導光板１の上面に入射する。

上述のような導光過程は、従来技術である液晶プロジェクタのエッジライト型のバックライトユニットにおいて、導光板１の一側端面１ａに配置されたＬＥＤなどの光源から射出された光が、導光板１の下面１ｂに施された光学微細形状と下面１ｂの下の反射面３の作用により、導光板の上面１ｄ方向に指向反射され、光機能性シート２の作用によりムラのない均一な輝度で上部全面に放射される導光過程を逆方向に利用したものである。

図１では、前記導光板１の下面１ｂは直線状であるが、これに限らず曲線状でも良く、下面１ｂに施される光学微細形状の相違によって最適な傾斜も変化し、適宜選定可能である。

また、図１では、光機能性シート２は１層のみであるが、これに限らず複層として、段階的に入射光を端面１ａ方向に収斂していくような構成となれば良い。

さらに、反射面の変形例として、図２で光線５の経路５ｃ´に示すように、前記下面１ｂに、一側端面１ａ方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を有するように、反射ドットやグレーティング、屈折率勾配などの光学微細帯状を施した反射面３ａを設けることによって集光効率を向上することができる。そして、これにより、導光板１の下面１ｂの傾斜が不要或いは小さく済み、全体の薄型化が可能となる。

また、特表２００１−５１０９０２号に開示されているように、前記導光板１の下面１ｂに、少なくとも１つの多重化ホログラムフィルムを被着することにより、前記一側端面１ａ方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を有する反射面３ａを構成するようにしてもよく、前記ホログラムフィルムのホログラムの干渉縞構造体は、例えば単一フィルム中に多数の干渉縞パターンを作ることによって形成され、これは角度多重化と呼ばれており、多数の記録光線対が干渉してホログラム構造体を作る技術であり、このホログラム構造体は、一定範囲の入力角度からの光を受け入れて、前記導光板１内の異なる角度範囲に光を出力し、前記一側端面１ａ方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を示す。また、前記ホログラムは、３次元位相ホログラムを形成することができる種類のあらゆる周知の材料のものであって差支えない。幾つかの既存のフィルム物質の種類には、デュポン（ｄｕＰｏｎｔ）社のフォトポリマー・フィルムＯｍｎｉｄｅｘ、ポラロイド（Ｐｏｌａｒｏｉｄ）社のフォトポリマー材料Ｍｉｒａｇｅ、重クロム酸化物ゼラチン、ポリビニルカルボゾールを基剤としたフォトポリマー・フィルム、ハロゲン化銀乳濁液、及びその他のホログラム物質がある。また、前記多重化ホログラムフィルムを、層状に積み重ねて用いることができ、この際各層を異なる角度、スペクトル、及び空間的多重化特性を有するものにすることができる。

このように本実施例では、請求項１及び２に対応して、上面側からの広範な角度θ₁の入射光を許容し、この入射光を下面側に放射する光機能性シート２と、この光機能性シート２の下面側に配置された導光板１と、この導光板１の下面１ｂに設けられた反射面３と、入射光が集光する導光板１の一端側面１ａとを備え、導光板１は他側端面１ｃから一側端面１ａに向かって厚くなると共に、導光板１の下面１ｂが一側端面１ｃの方向に向かって下り勾配で直線的または曲線的に傾斜し、一側端面方向１ａへの反射割合が大きくなる指向性反射特性を有するように光学微細帯状を施した反射面３を有するから、上面側から広範な角度θ₁で光機能性シート２に光が入射し、その入射光は、光機能性シート２の下面側に配置された導光板１に入射し、この導光板１内を通って、一側端面１ａに集光される。

また、このように本実施例では、請求項１及び２に対応して、導光板１内部での全反射および屈折による光閉じ込め効果と反射面３での反射作用とにより入射光が一側端面１ａに集光するから、導光板１に入射した入射光を一側端面１ａに集光することができる。

また、このように本実施例では、請求項１及び２に対応して、光機能性シート２が、下面側に特定の射出角度範囲以内に限定された放射を行う光学作用を有するものであるから、上面側からの広範な角度θ₁の入射光を許容する光機能性シート２が、下面側に特定の射出角度θ₂の範囲以内に限定された放射を行うことにより、上面側から入射した光を、導光板１の一側端面１ａに高効率に集光することができる。

また、このように本実施例では、請求項１及び２に対応して、反射面３ａが、少なくとも一側端面１ａ方向に対して反射の割合が大きくなる指向性反射特性を有するものであるから、集光効率を向上することができる。

図３は、本発明の実施例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

この実施例２は、上記実施例１の太陽光集光器を上下方向に直列（タンデム）に２つ並べて配置したもので、上から順に第１段目の光機能性シート２と導光板１、反射面３ｂ、第２段目の光機能性シート２´と導光板１´、反射面３´が配置されており、複数の導光板１，１´と光機能性シート２，２´によって構成される。尚、導光板１，１´の上面１ｄ，１ｄ´同士を平行に配置し、それら導光板１，１´を上下多段に配置している。また、実施例１と同様に、導光板１，１´の他側端面１ｃ，１ｃ´には反射面４を設けることが好ましい。

そして、太陽６からの光線５は、経路を、実施例１で述べたのと同様に第１段目（上段）の光機能性シート２を通過して導光板１の下面１ｂに入射するが、第１段目の導光板１では下面１ｂに完全なる反射面を施さずに、特定の入射角度範囲または波長範囲の光を下面側に透過する選択透過特性の反射面３ｂを施すことにより、入射光線は第１段目の導光板１の内部の経路５ｄを辿り、第１段目の導光板１の端面１ａに到達するものと、第２段目（下段）の導光板１´の内部の経路５ｄ´を辿り、第１段目の導光板１´の端面１ａ´に到達するものとに分離される。上記実施例１では、すべての太陽光スペクトルを一端端面１ａに集光できるが、この実施例２では、反射面３ｂの特性を選定することにより、所望の波長に太陽光スペクトルを分離することが可能となる利点がある。尚、図３では、計２段の直列化をした形態となっているが、この限りではなく、さらに多段化しても良い。なお、反射面３ｂとしては、波長選択性の光学薄膜やグレーティング加工をしたものが挙げられる。

このように本実施例では、上記実施例１と同様な作用・効果を奏し、また、このように本実施例では、光機能性シート２，２´と導光板１，１´が複数に配置され、最下層の導光板１´以外である導光板１は、特定の入射角度範囲または波長範囲の光を下面１ｂ側に透過する選択透過特性を有するから、導光板１の下面１ｂに、特定の入射角度範囲または波長範囲の光を下面側に透過する選択透過特性の反射面３ａを施すことにより、複数の導光板１，１´を用いて、所望の波長に太陽光スペクトルを分離することができる。

図４は、本発明の実施例３を示し、上記各実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

この実施例３は、上記実施形態の太陽光集光器を利用した太陽電池の断面図を示すもので、太陽６からの光線５が経路を辿り、一側端面１ａに集光し、一側端面１ａに配置された太陽電池セル７の表面に到達し、微小な太陽電池セル面積で発電を行うものである。

図４では、導光板１の一側端面１ａに、太陽電池セル７が直接張り付いた形態となっているが、これに限らず、離れて配置する場合や、一側端面１ａから射出される光を均一化する光学フィルター（ホモジナイザ）やさらに集光するプリズムやレンズを介した後に、太陽電池セル７に入射させる構成もある。また、一側端面１ａに対して光をさらに集光または、均一化して太陽電池セル７に入射させるような光学的形状を施す場合もある。

また、上記実施例２で示したような多段化（多層化）した太陽光集光器の場合においても同様に各段の端面１ａ，１ａ´に太陽電池セル７を配置させる形態もある。また、太陽電池セルだけではなく、熱電発電素子を太陽電池セルの代わりに設置するか、もしくは太陽電池セルの裏面に設置することに発電を可能とする形態もある。

このように本実施例では、上記各実施例と同様な作用・効果を奏し、また、このように本実施例では、請求項１に対応して、少なくとも導光板１の一側１ａ端面の側に太陽電池セル７を配置したから、太陽光線を高効率で利用する太陽電池が得られる。本発明は、太陽電池の種類に限定されるものではない。

図５は、本発明の実施例４を示し、上記各実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

この実施例４は、上記実施例１の太陽光集光器を利用した太陽集熱器（ソーラーコレクタ）を示すもので、太陽６からの光線５が経路を辿り、一側端面１ａに集光し、一側端面１ａに集光された太陽光が、高透過するガラス製などの真空管９の内部の集熱管10に到達し、集熱管10内部の熱媒体に集熱を行うものである。一側端面１ａから射出した光を効率良く集熱管９に入射させるために、一側に凹んだ半円形の集光反射面８を配置してある。尚、前記集熱管10により集熱手段を構成している。

図５では、集光反射面８は半円形となっているが、これに限らず、正弦波、楕円、サイクロイド、複合放物面、またはプリズムなど、集熱管10に効率良く光線が入射する形態であれば良い。また、集熱性能は低下するが、低コスト化のために、真空管９を省略する形態もある。また、集熱管10を円管以外にしても良く、また、集熱管10の本数を複数にしても良い。また、集熱管10の表面には太陽光を効率良く吸収し、集熱管10自身からの赤外熱放射を低減する選択吸収処理を施すことにより、集熱効率はさらに高まる。

このように本実施例では、上記各実施例と同様な作用・効果を奏し、また、このように本実施例では、請求項２に対応して、少なくとも導光板１の一側端面１ａの側に集熱手段たる集熱管10を配置したから、太陽光線を高効率で利用する集熱手段が得られる。

図６は、本発明の実施例５を示し、上記各実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

この実施例５は、上記実施例１の太陽光集光器を利用した太陽集熱器（ソーラーコレクタ）の変形例を示すもので、太陽６からの光線５が経路を辿り、一側端面１ａに集光し、一側端面１ａに集光された太陽光が、集熱板13に到達し、この集熱板13の一側に配置した複数の集熱管10内部の熱媒体に集熱を行うものであり、それら集熱板13の一側と集熱管10の周囲を断熱材11で覆うことにより、集熱効率を高めている。また、前記集熱板13は、銅やステンレスなどの熱伝導性の良い材料から形成することが好ましく、一側端面１ａに面する集熱板13の受光表面に、太陽光を効率良く吸収し、集熱板13自身からの赤外熱放射を低減する選択吸収処理を施すことにより、集熱効率はさらに高まる。また、集熱板13には、ロウ付けなどにより集熱管10を少なくとも１つ以上固定する。また、集熱板13の受光面に熱電発電素子を設置することにより、熱電発電が可能となる形態もある。

図７は、本発明の実施例６を示し、上記各実施例と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。

この実施例６は、実施例３，実施例４及び実施例５を複合化したもので、本発明に係る太陽光集光器を利用して太陽電池と太陽集熱器の双方の機能を付与するものである。太陽電池セル７の裏面に、集熱手段たる集熱管12を密着させ、その周囲を断熱材11で覆うことにより、光線を受けて昇温する太陽電池セル７の熱を、集熱管12の内部を通過する熱媒体に受け渡すことができる。一般に太陽電池セル７は温度上昇により発電効率が低下するため、本実施例では、発電効率を高めることが可能である。

図７では、集熱管12は矩形断面であるので太陽電池セル７との密着面積を大きくすることができるが、これに限らず円形や楕円形などの断面であっても良い。

また、上記実施例４の図５及び上記実施例５の図６で記載した太陽集熱器の集熱管10の表面にフレキシブルな太陽電池セルを貼り付けても本実施例と同様の効果を得ることができる。また、太陽電池セルの代わりに熱電発電素子を貼り付けるか、または、太陽電池セルと集熱管12の間に熱電発電素子を密接に挿入することで熱電発電が可能となる。

このように本実施例では、上記各実施例に対応して、同様な作用・効果を奏し、また、この例では、光線を受けて昇温する太陽電池セル７の熱を、集熱管12の内部を通過する熱媒体に受け渡すことにより、発電効率を高めることができると共に、太陽電池セル７の余分な熱を集熱管12により集熱することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の、種々の変形実施が可能である。例えば、集熱手段の両側に導光板を配置したり、集熱手段を中心に放射状に配置したりしてもよい。また、本発明は基本的に固定型での使用に好適であるが、追尾型として使用することも当然可能である。その場合は、本発明の広範囲の入射角度変化に対応できる特性により従来技術のように厳密な追尾精度を必要としない簡略な追尾機構でも高効率の集光効率が得られる。

以上説明したように、本発明の太陽光集光器は、内部に取り込んだ光を高効率で端面に集光させることができ、広範囲の入射角変化に対応できる薄型で固定型の太陽光集光器であり、これを利用した太陽電池および太陽集熱器は、太陽電池セル面積および配管材料を著しく削減できる。さらに本発明の太陽光集光器は、すでに大量生産技術が確立している携帯端末などの液晶ディスプレイのバックライトユニットに利用されている基本構成要素である導光板、光機能性シート等を利用するため、従来技術よりも低コストで製造が可能であり、太陽エネルギー利用の普及に貢献するものである。

本発明に係る実施例１の太陽光集光器を示す断面説明図である。同上、一側端面方向に対して反射の割合が大きくなる指向性反射特性を有する反射面を設けた太陽光集光器の要部の拡大断面説明図である。本発明に係る実施例２の太陽光集光器を示す断面説明図である。本発明に係る実施例３の太陽光集光器を利用した太陽電池を示す断面説明図である。本発明に係る実施例４の太陽光集光器を利用した太陽集熱器を示す断面説明図である。本発明に係る実施例５の太陽光集光器を利用した太陽集熱器を示す断面説明図である。本発明に係る実施例６の太陽光集光器を利用した太陽集熱器を示す断面説明図である。

１導光板
１ａ一側端面
１ｂ下面
１ｃ他側端面
１ｄ上面
１´ 導光板
２光機能性シート
２´ 光機能性シート
３反射面
３ａ反射面
３ｂ反射面
５太陽光線
７太陽電池セル
10 集熱管（集熱手段）
12 集熱管（集熱手段）

Claims

上面側からの広範な角度の入射光を許容し、この入射光を下面側に放射する光機能性シートと、この光機能性シートの下面側に配置された導光板と、この導光板の下面に設けられた反射面と、前記入射光が集光する前記導光板の一端側面とを備え、前記導光板は他側端面から前記一側端面に向かって厚くなると共に、前記導光板の下面が前記一側端面の方向に向かって下り勾配で直線的または曲線的に傾斜し、
前記一側端面方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を有するように光学微細帯状を施した前記反射面を有し、
前記導光板内部での全反射および屈折による光閉じ込め効果と前記反射面での反射作用とにより前記入射光が前記一側端面に集光し、
前記光機能性シートが、下面側に特定の射出角度範囲以内に限定された放射を行う光学作用を有し、
前記反射面が、少なくとも前記一側端面方向に対して反射の割合が大きくなる指向性反射特性を有し、
少なくとも前記導光板の前記一側端面の側に太陽電池セルを配置したことを特徴とする太陽電池。
上面側からの広範な角度の入射光を許容し、この入射光を下面側に放射する光機能性シートと、この光機能性シートの下面側に配置された導光板と、この導光板の下面に設けられた反射面と、前記入射光が集光する前記導光板の一端側面とを備え、前記導光板は他側端面から前記一側端面に向かって厚くなると共に、前記導光板の下面が前記一側端面の方向に向かって下り勾配で直線的または曲線的に傾斜し、
前記一側端面方向への反射割合が大きくなる指向性反射特性を有するように光学微細帯状を施した前記反射面を有し、
前記導光板内部での全反射および屈折による光閉じ込め効果と前記反射面での反射作用とにより前記入射光が前記一側端面に集光し、
前記光機能性シートが、下面側に特定の射出角度範囲以内に限定された放射を行う光学作用を有し、
前記反射面が、少なくとも前記一側端面方向に対して反射の割合が大きくなる指向性反射特性を有し、
少なくとも前記導光板の前記一側端面の側に集熱手段を配置したことを特徴とする太陽集熱器。