JP4878354B2 - 太陽電池装置及び太陽電池システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池装置及び太陽電池システムに関する。

近年、環境に対して配慮する人々の関心や、従来の電気エネルギー取得手段の代替用途という側面から、太陽電池が注目されている。しかし、太陽電池自体の製造コスト、ランニングコスト等が莫大であるのにもかかわらず、このコストに見合った発電効果が得られているとは言いがたい。そして、これらの要因に対して太陽電池の構造が単純な場合には、製造コストは安価となるものの光電変換効率は依然として低いままであり、一方、これらの要因に対して光電変換効率を向上させる各種設備を太陽電池に設ける場合には、製造コストが高価なものとなることが、未だに太陽電池が十分に普及していない理由のひとつである。

そこで、近年、太陽電池の発電効率を向上させるため、レンズやミラーによる集光装置を用い、一日の時間帯や季節の変動による影響を低減して集光効率を高め、発電効率の向上を図ろうとした集光型太陽電池が研究されている。

例えば、特許文献１に開示の技術では、太陽光を集光する集光反射素子と太陽電池との間に直線状スリットを有する光反射層を設けて太陽光を集光して太陽電池に照射し、かつ、太陽電池に入射されなかった反射光は再び光反射層で反射させるようにして、集光反射素子と太陽電池との間で光を多重反射させ、太陽電池の光電変換効率を向上させようとしている。
特開２００４‐１１１４５３号公報

しかしながら、元来光電変換効率が低い太陽電池において、太陽光の同一投影面積当たりの光電変換効率を向上させるための手段については従来提案されていなかった。

本発明の目的は、太陽電池において太陽光の同一投影面積当たりの光電変換効率を向上させることができるようにすることである。

（１）本発明は、複数個の太陽電池パネルと、この複数個の太陽電池パネルの周囲を覆っている覆部材と、前記覆部材の前記太陽電池パネル側に設けられた反射部材と、前記覆部材上に設けられ複数個並べられている凸レンズと、前記覆部材上に穿たれ前記各凸レンズでそれぞれ集光された光を前記太陽電池パネル側にそれぞれ入射させる複数個の孔と、を備え、前記複数個の凸レンズの径方向と前記各太陽電池パネルの面方向とは直角又は鋭角をなしている、太陽電池装置。

（２）この場合に、前記凸レンズは、球面レンズであり、前記孔は、前記球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、ようにしてもよい。

（３）この場合に、前記凸レンズは、非球面レンズであり、前記孔は、前記非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、ようにしてもよい。

（４）また、前記孔は、前記反射面側が最も狭くなっていて前記凸レンズに向けて漸次広くなっており、前記凸レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っている、ようにしてもよい。

（５）別の本発明は、（１）〜（４）のいずれかに記載の太陽電池装置と、太陽の位置を検出するセンサと、前記太陽電池装置の向きを可変する移動機構と、前記センサの検出に基づいて前記移動機構で前記太陽電池装置の向きを前記凸レンズを透過した太陽光が前記孔を透過するように制御する制御手段と、を備えている太陽電池システムである。

（１）の発明によれば、複数個の凸レンズの径方向は複数個の太陽電池パネルの各面方向とは直角又は鋭角をなしているので、凸レンズで集光されて孔を通過した光の光軸は複数個の太陽電池パネルの各面方向と平行又は鋭角をなし、光の光軸が太陽電池パネルに垂直に入射する場合に比べて太陽光の同一投影面積当たりの太陽電池パネルの面積を高くすることができる。そして、孔を通過した光は覆部材の太陽電池パネル側に設けられた反射部材と太陽電池パネルとの間で多重反射を繰り返して、太陽電池パネルでの光電変換に効率良く寄与するので、太陽光の同一投影面積当たりの光電変換効率を向上させることができる。

（２）（３）の発明によれば、凸レンズが球面レンズ又は非球面レンズであり、球面レンズ又は非球面レンズが集光した光が通過する孔は球面レンズ又は非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔であるため、球面レンズ又は非球面レンズが集光した光が通過する孔の広さが最小限となり、覆部材の孔から漏れる光を最低限に抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

（４）の発明によれば、孔は反射面側が最も狭くなっていて、球面レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っているので、球面レンズが集光した光が通過する孔の広さをさらに小さくし、覆部材の孔から漏れる光をさらに抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

（５）の発明によれば、季節や時間帯に関係なく太陽光が孔を通って多孔質層に入射するようにできるので、季節や時間帯に関わらず光電変換効率の高い太陽光発電を行うことができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態の太陽電池装置の縦断面図であり、図２は、同太陽電池装置の縦断面図である。この太陽電池装置１は、密閉箱状の外側筐体２を備えている。外側筐体２の内部は板状の仕切部材３により複数の空間に仕切られ、さらに仕切部材３により仕切られた各空間においては、外側筐体２の内部の底面から複数枚の板状の支持部材４が起立している。この支持部材４は当該各空間において等間隔に配置されている。

外側筐体２の内周面には全体に反射部材となる反射ミラー５が設けられている。支持部材４の両面（あるいは片面だけでもよい）にはそれぞれ太陽電池パネル６が設けられている。これにより、外側筐体２内は反射ミラー５と太陽電池パネル６とに囲まれた複数の空間７に仕切られている。支持部材４の基端部分や側縁部分には太陽電池パネル６から電力を取り出すための導電電極１１が設けられている。

各空間７の中央部の上部においては、外側筐体２に孔１２が穿たれている。そして、外側筐体２上には、複数個の凸レンズ８ａから構成されるレンズアレイ８が設けられている。図３は、レンズアレイ８の平面図である。各凸レンズ８ａに対して垂直に入射する光Ｌの光軸は各孔１２の位置に合っていて、各凸レンズ８ａに対して垂直に入射した光Ｌは、凸レンズ８ａでそれぞれ集光されて孔１２を通過し、外側筐体２内の空間７内に入射する。各レンズ８ａは各空間７に１対１に対応していて、各レンズ８ａでそれぞれ集光された光Ｌは個別の各空間７に入射する。

各レンズ８ａの径方向と各太陽電池パネル６の面方向とは直角又は鋭角をなし、望ましくはほぼ直角をなしている。よって、各レンズ８ａに垂直に入射して集光された光Ｌの光軸方向と各太陽電池パネル６の面方向とは並行か又は鋭角をなし、望ましくはほぼ並行である。

図４は、凸レンズ８ａと孔１２との配置を示す縦断面図である。外側筐体２の孔１２は、球面レンズ又は非球面レンズである凸レンズ８ａで集光されて横断面がほぼ円形である光束Ｌが通過するに際して、この光束Ｌに合った丸孔になっている。

この孔１２は、反射ミラー５の反射面５ａ側の部分１２ａが最も狭くなっていて凸レンズ８ａに向けて漸次広くなっている。そして、凸レンズ８ａは、その焦点が孔１２の最も狭くなっている反射面５ａの位置に合っている。

図５は、太陽電池パネル６の縦断面図である。この太陽電池パネル６は、色素増感型太陽電池パネルの例であり、基板２２、基板２３、透明電極２４、透明電極２５、電解質層２６及び多孔質層２７から構成されている。すなわち、太陽電池パネル６は、透明なガラスやプラスチックなどから構成され、互いに対向している基板２２及び基板２３を備えている。基板２２の内側にはＰｔ蒸着などで形成された透明電極２４が設けられ、基板２３の内側には同じくＰｔ蒸着などで形成された透明電極（対向電極）２５が設けられている。透明電極２４と透明電極２５との間には電解質層２６が設けられている。電解質層２６は例えばホウ素を溶かした電解液である。

電解質層６と透明電極４との間には多孔質層７が形成されている。この多孔質層７は、例えば酸化チタン層であり、ルテニウム錯体など、光を吸収して励起する色素を含んでいる。この多孔質層７において光電変換が行なわれる。

なお、太陽電池パネル６は、色素増感型太陽電池パネルに限定されるものではなく、Ｓｉ系太陽電池などであってもよい。

以上説明した太陽電池装置１によれば、複数個の凸レンズ８ａの径方向は複数個の太陽電池パネル６の各面方向とは直角又は鋭角をなしているので、凸レンズ８ａで集光されて孔１２を通過した光の光軸は複数個の太陽電池パネル６の各面方向とそれぞれ平行又は鋭角をなし、光の光軸が太陽電池パネル６に垂直に入射する場合に比べて太陽光の同一投影面積当たりの太陽電池パネルの面積を高くすることができる。そして、外側筐体２は複数個の太陽電池パネル６の周囲を覆っていて、凸レンズ８ａで集光され、孔１２を通過した光は外側筐体２の内面や仕切部材３の表面に形成された反射ミラー５の反射面５ａと太陽電池パネル６との間で多重反射を繰り返して、太陽電池パネル６での光電変換に効率良く寄与するので、太陽光の同一投影面積当たりの光電変換効率を向上させることができる。

また、凸レンズ８ａが球面レンズであり、凸レンズ８ａが集光した光が通過する孔１２は凸レンズ８ａで集光された光の光束に合った丸孔であるため、凸レンズ８ａが集光した光が通過する孔１２の広さが最小限となり、外側筐体２の孔１２から漏れる光を最低限に抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

さらに、孔１２は反射ミラー５の反射面５ａ側が最も狭くなっていて、凸レンズ８ａは、その焦点が孔１２の最も狭くなっている位置に合っているので、凸レンズ８ａが集光した光が通過する孔１２の広さをさらに小さくし、外側筐体２の孔１２から漏れる光をさらに抑制して、光電変換効率をさらに向上させることができる。

次に、太陽電池装置１を用いた太陽電池システム１０１について説明する。図６は、太陽電池システム１０１の太陽電池装置１部分を上から見た斜視図、図７は、同太陽電池装置１部分を下から見た斜視図、図８は、太陽電池システム１０１の正面図、図９は、同右側面図である。

図６に示すように、前述の太陽電池装置１はマイクロレンズアレイ８側の面を上にして支持板１１１上に固定されている。支持板１１１の底面１１２の両側部には２本のシャフト１１３の各一端部が固定されていて、この２本のシャフト１１３の各中間部にはそれぞれ駆動ギア１１４が取り付けられている。２本のシャフト１１３の各他端部は台座部１１５上に設けられた２つの軸支部１１６に回転自在に軸支されている。また、台座部１１５上には２つで一組の駆動軸抑え１１７が２組設けられていて、この駆動軸抑え１１７の各組にはそれぞれ駆動モータ１１８と、この駆動モータ１１８により正逆両方向に回転可能な駆動軸１１９とが支持されている。各駆動軸１１９の歯と各駆動ギア１１４の歯とはそれぞれ噛み合っており、２つの駆動モータ１１８により各駆動軸１１９を回転すると、各駆動ギア１１４が回転し、シャフト１１３を中心に、支持板１１１ひいては太陽電池装置１が回転して、太陽電池装置１の向きが変わる。なお、図６においては、１組の駆動軸抑え１１７については便宜上図示を省略している。

台座部１１５の底面１２１の両側部には２本のシャフト１２２の各一端部が固定されていて、この２本のシャフト１２２の各中間部にはそれぞれ駆動ギア１２３が取り付けられている。２本のシャフト１２２の各他端部は台座部１２４上に設けられた２つの軸支部１２５に回転自在に軸支されている。また、台座部１２４上には２つで一組の駆動軸抑え１２６が２組設けられていて、この駆動軸抑え１２６の各組には駆動モータ２７８と、この駆動モータ１２７により正逆両方向に回転可能な駆動軸１２８とがそれぞれ支持されている。各駆動軸１２８の歯と各駆動ギア１２３の歯とは噛み合っており、２台の駆動モータ１２７により各駆動軸１２８を回転すると、各駆動ギア１２３が回転し、シャフト１２２を中心に、支持板１１１ひいては太陽電池装置１が回転して、太陽電池装置１の向きが変わる。

シャフト１１３の軸方向とシャフト１２２の軸方向とは互いに直角に交差しており、シャフト１１３を中心に太陽電池装置１が回転する方向とシャフト１２２を中心に太陽電池装置１が回転する方向とは異なる。このように２軸（２自由度）により太陽電池装置１を回転することができるので、太陽電池装置１の周囲３６０度いかなる方向にも太陽電池装置１を傾けることができる。

また、支持板１１１上には、樹脂、ガラスの円柱あるいは水等の透明な液体が満たされた透明な円筒管等により構成される円柱状の位置検出用集光レンズ４２が設けられている。この位置検出用集光レンズ４２の焦点近傍の円周上には、位置検出センサ４３が配列されている。

図１０は、位置検出用集光レンズ４２と位置検出センサ４３の構成例を示す説明図である。図１０（ａ）では、位置検出用集光レンズ４２として、屈折率が１．５程度の円柱が利用されている。この場合には、位置検出用集光レンズ４２の焦点は、自分の円周面に一致するので、位置検出用集光レンズ４２の周囲に位置検出センサ４３が貼り付けられている。位置検出用集光レンズ４２に入射した太陽光Ｌは、位置検出用集光レンズ４２の円周上の位置検出センサ４３の上に集光され、これによって太陽の位置を検出することができる。

一方、図１０（ｂ）では、位置検出用集光レンズ４２として、屈折率が１．３〜１．４程度のものが使用された例が示される。これは、例えばガラスの円筒の中に水を満たして実現することができる。水の屈折率は１．３３８であるので、この場合の位置検出用集光レンズ４２の焦点は、自分の円周面よりも外側に存在する。従って、位置検出用集光レンズ４２の外側に、ガラス等の材質からなる透明円筒管４４を、その円周が位置検出用集光レンズ４２の焦点に一致するように配置し、ここに位置検出センサ４３を貼り付けている。この場合にも、位置検出用集光レンズ４２に入射した太陽光Ｌは、位置検出センサ４３の上に集光され、これによって太陽の位置を検出することができる。

図１１は、上記位置検出用集光レンズ４２の配置例を示す平面図であり、位置検出センサ４３については省略されている。図１１において、位置検出用集光レンズ４２は２つ用意され、互いに軸が直交するように置かれている。これらを、例えば、一方の位置検出用集光レンズ４２の軸が南北方向を向き、他方が東西方向を置くように配置する。これにより、軸が南北方向を向いた位置検出用集光レンズ４２により太陽の一日の動きが検出でき、軸が東西方向を向いた位置検出用集光レンズ４２により太陽の高さの季節変化を検出することができる。なお、これらの太陽の位置は、位置検出センサ４３上に太陽光Ｌが集光される位置の角度の情報として検出され、位置検出センサ４３から角度信号として出力される。

図１２は、太陽電池システム１０１の電気的な接続のブロック図である。制御部４１は、マイクロコンピュータを備え、太陽電池システム１０１の各部を集中的に制御する。制御部４１は、位置検出センサ４３から太陽光Ｌが集光される位置を示す角度信号を受けて太陽光Ｌの入射方向、入射角度を判断する。そして、その判断に応じて２台の駆動モータ１１８、２台の駆動モータ１２７を駆動して、太陽電池装置１の向きを制御する。

図１３は、このような制御により支持板１１１を傾けた状態を示し、図１４は、台座部１１５を傾けた状態を示し、図１５は、支持板１１１と台座部１１５の双方を傾けた状態を示す。このような制御を行うことにより、太陽電池システム１０１は、太陽光Ｌが太陽電池装置１に対して常に垂直に入射するように制御し、もって、季節や時間帯に関係なく凸レンズ８ａで集光された太陽光Ｌが孔１２を通って多孔質層７に入射するようにできるので、季節や時間帯に関わらず光電変換効率の高い太陽光発電を行うことができる。

なお、太陽の追尾用駆動機構としては、望遠鏡などで用いられる経緯台や赤道儀を使用してもよい。

本発明の一実施形態である太陽電池装置の縦断面図である。 同横断面図である。 レンズアレイの平面図である。 凸レンズと孔との配置を示す縦断面図である。 太陽電池パネルの縦断面図である。 太陽電池システムの太陽電池装置部分を上から見た斜視図である。 同太陽電池装置部分を下から見た斜視図である。 太陽電池システムの正面図である。 同右側面図である。 位置検出用集光レンズと位置検出センサの構成例を示す説明図である。 位置検出用集光レンズの配置例を示す平面図である。 太陽電池システムの電気的な接続のブロック図である。 太陽電池システムで支持板を傾けた状態を示す正面図である。 太陽電池システムで台座部を傾けた状態を示す正面図である。 太陽電池システムで支持板と台座部の双方を傾けた状態を示す正面図である。

符号の説明

１ 太陽電池装置
２ 外側筐体
３ 仕切部材
４ 支持部材
５ 反射ミラー
６ 太陽電池パネル
７ 空間
１１ 導電電極
１２ 孔
３２ 回転駆動用モータ
３６ 回転駆動用モータ
４１ 制御部
４２ 位置検出用集光レンズ
４３ 位置検出センサ
１０１ 太陽電池システム

Claims (5)

1. 複数個の太陽電池パネルと、
   この複数個の太陽電池パネルの周囲を覆っている覆部材と、
   前記覆部材の前記太陽電池パネル側に設けられた反射部材と、
   前記覆部材上に設けられ複数個並べられている凸レンズと、
   前記覆部材上に穿たれ前記各凸レンズでそれぞれ集光された光を前記太陽電池パネル側にそれぞれ入射させる複数個の孔と、
   を備え、
   前記複数個の凸レンズの径方向と前記各太陽電池パネルの面方向とは直角又は鋭角をなしている、
   太陽電池装置。
2. 前記凸レンズは、球面レンズであり、
   前記孔は、前記球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、
   請求項１に記載の太陽電池装置。
3. 前記凸レンズは、非球面レンズであり、
   前記孔は、前記非球面レンズで集光された光の光束に合った丸孔である、
   請求項１に記載の太陽電池装置。
4. 前記孔は、前記反射面側が最も狭くなっていて前記凸レンズに向けて漸次広くなっており、
   前記凸レンズは、その焦点が前記孔の最も狭くなっている位置に合っている、
   請求項１〜３の何れかの一項に記載の太陽電池装置。
5. 請求項１〜４のいずれかの一項に記載の太陽電池装置と、
   太陽の位置を検出するセンサと、
   前記太陽電池装置の向きを可変する移動機構と、
   前記センサの検出に基づいて前記移動機構で前記太陽電池装置の向きを前記凸レンズを透過した太陽光が前記孔を透過するように制御する制御手段と、
   を備えている太陽電池システム。

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