JP5153808B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置に関し、特に、屋外等で容易に扱うことができるように構成された、太陽電池部分と集光体部分とを具備する太陽光発電装置に関する。

従来より、集光式太陽電池において、集光部分として蛍光体を分散させた透明樹脂を用い、この透明樹脂の端面に太陽電池を配置した太陽光発電装置がある（たとえば、特許文献１参照）。また、太陽光の波長を変換する手段を着脱自在に設けた太陽電池ユニットがある（たとえば、特許文献２参照）。また、太陽電池を空気調和機の待機電力の供給のために接続した装置がある（たとえば、特許文献３参照）。

特公平５−５１９０号公報 特開２００３−２１８３６７号公報 特許第３５９５１６５号公報

一般家庭で用いる太陽光発電装置は、家庭での消費電力の多くをまかなう目的で設置されるために、大型で、屋根に専用の固定具を用いて設置するのが一般的である。このために、太陽電池ユニットは、重く、設置性が困難となっている。従って、マンションのベランダや庭などに設置する場合には、占有する場所が大きくなり、レイアウトの変更が簡単にできなかったり、洗濯物を干すスペースなどが狭くなるなどの弊害がある。
また、屋外に設置した太陽光発電装置で得られた電力を、隣接する他の機器や屋内に伝えるためには、結線する必要があり、コネクタ部分の風雨対策などの安全性確保に留意する必要がある。

本発明は、上記の課題に鑑み、太陽光発電のための装置の設置や運搬、部品交換等が容易であり、また、設置場所の空間に応じて、あるいは、電力負荷に応じた集光体サイズに変えることができて、スペース効率のよい太陽光発電装置を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、日光を吸収するために露出していて、破損する可能性が高い大面積な集光部分のコストを抑制し、高価かつライフサイクルコストが高い太陽電池本体を小さくすることができて、エコロジーの観点から優れた太陽光発電装置を提供することである。
また、本発明のさらに他の目的は、無線で電力搬送するシステムを組み込むことによって屋外設置でも容易かつ安全に電力を伝えることができる太陽光発電装置を提供することである。

本発明に係る太陽光発電装置は、光が入射する少なくとも一つの大面積を有する光入射面と、入射した光が放出される少なくとも一つの、光入射面より小面積の光放出面とを有する集光体と、集光体の光放出面から放出される光を受光する太陽電池と、集光体と太陽電池とを着脱自在に接続する接続部と、接続部の開口部を開閉するシャッター機構と、を有し、接続部の内部に、集光体から放出される光を太陽電池に集光する反射板を設けたものである。

この構成によれば、集光体部分は大面積であるため、これを太陽電池を有する接続部に対して着脱自在に設けることによって、設置性や輸送性が向上する。また、集光体部分は光や風雨に暴露されるために破損し易いが、これを取替えることが容易となる。また、集光体のサイズを変えることによって、太陽電池部分のサイズを変えることなく、種々のスペースに設置することが可能となり、少ない部品点数で多くのユーザーニーズに応えることができる。

本発明に係る太陽光発電装置の集光体の基本構成を示す概念図である。 本発明の実施の形態１を示す太陽光発電装置の構成図で、（ａ）は集光体の装着前の状態、（ｂ）は集光体の装着後の状態を示す図である。 本発明の実施の形態２を示す太陽光発電装置の構成図で、（ａ）は集光体の装着前の状態、（ｂ）は集光体の装着後の状態を示す図である。 本発明の実施の形態３を示す太陽光発電装置の集光体の概念図である。 本発明の実施の形態４を示す太陽光発電装置の構成図である。 本発明の実施の形態５を示す太陽光発電装置を用いた送電配線図である。 実施の形態５における太陽光発電装置の設置の一例を示す図である。 実施の形態５における太陽光発電装置の設置の他の例を示す図である。 実施の形態５における太陽光発電装置の設置のさらに他の例を示す図である。

実施の形態１．
本発明の第１の実施の形態を図１と図２を用いて説明する。図１は、本発明に係る太陽光発電装置の集光体１の基本構成と機能とを示している。
集光体１は、本例では透明な材料、たとえばガラスやアクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂などにより略平板状の板で構成されており、太陽光１００が入射する少なくとも一つの大面積を有する光入射面１１と、入射した光が放出される少なくとも一つの、前記光入射面１１より小面積の光放出面１２（以下では、端面とも称する）とを有する。また、集光体１の内部には、太陽光１００を散乱させる散乱体、または、太陽光を吸収して、より長波長の光に変換して発光する蛍光体（散乱体または蛍光体３）、を含んでおり、集光体１の広い側の面（光入射面１１）から入射した光を、効率よく端面（光放出面１２）に導光することができるように構成されている。

図２は、この集光体１を、太陽電池２に、接続部４を介して着脱自在に取り付ける構成を示している。この接続部４は、本例では、集光体１を保持する保持部材４０として構成されている。保持部材４０は、集光体１が挿入される溝穴状の開口部４１と、集光体１の着脱に応じて開口部４１を開閉するシャッター４２と、開口部４１と底部に設置された太陽電池２との間の内部空間に形成された反射板４３とを備えている。反射板４３は、曲面の形状に形成されており、図２（ｂ）に示すように、保持部材４０に集光体１を装着した際、集光体１の一方の端面である光放出面１２から放射される光を反射して、効率よく太陽電池２の表面に集光するように形成されている。

また、集光体１には、接続部４に取り付けるための押さえ１３と、この押さえ１３と接続部４との間の密閉性を得るためのパッキン１４と、太陽電池２に相対しない端面からの光漏れを防止する反射板１５とが設けられている。

次に、本実施の形態の太陽光発電装置の動作について説明する。集光体１を太陽電池２に光学的に接続するために、集光体１を接続部４（保持部材４０）に挿入すると、シャッター４２が開き、押さえ１３によって、集光体１が接続部４を介して所定の位置に設置される。このとき、パッキン１４によって、開口部４１内に外部のゴミや水が浸入しないように構成されている。ここで集光体１に太陽光１００が入射すると、集光体１内部の散乱体または蛍光体３によって光が乱反射し、効率よく太陽電池側端面、すなわち光放出面１２へと光が導かれる。集光体１の太陽電池側端面（光放出面１２）と太陽電池表面とは光が反射しないように密着されていてもよく、また、図２のように接続部４（保持部材４０）内部に空間を有していてもよい。空間がある場合には、図２に示すように、反射板４３によって、効率よく太陽電池２へと光が集中することが望ましい。

図示の例では、集光体１は、略直方体となっているが、この断面形状は、任意であり、たとえば三角形や円形などでも良く、また、穴開き平板や円筒などの立体構造を有してもよい。また、光漏れを防ぐ反射板１５は端部だけでなく、太陽光被照射面（光入射面１１）裏側全体に形成してもよく、端部は鏡面反射、裏面は乱反射するような表面微細加工を施すことによって、入射した光が効率よく太陽電池側端面（光放出面１２）に導かれる構成とすることが望ましい。

また、押さえ１３とパッキン１４とシャッター４２の位置関係は、集光体１と接続部４とが固定された際に、両者間に汚染物（ゴミや水など）が入り込む隙間が生じず、また、集光体１を接続部４から離脱した際に、シャッター４２が速やかに閉鎖されるように構成されていればよい。すなわち、図示の例では、シャッター４２は、矢印で示すように、接続部４の内側に向かって開いているが、開閉方向はいずれでも良く、シャッター４２の開放時には、集光体１と接続部４内壁部との摺動性がよく、スムーズに抜き差しできることが望ましい。また、図示の例では、パッキン１４は押さえ１３に設けられているが、接続部４側に設けてもよく、また、複数の位置に複数のパッキンを設けることによって、より密閉性を向上させることができる。また、図示しないが、集光体１を接続部４に挿入（装着）した際に、略固定されるような把持具、あるいは、挿入（装着）した状態で容易に外れないようにするためのロック機構を設けてもよい。

また、散乱体または蛍光体３の成分としては、シリカやアルミナなどの酸化物微粒子、金やニッケルなどの金属微粒子、ローダミン系やフタロシアニン系などの有機色素、ＣｄＳやＺｎＯなどの半導体微粒子、などが挙げられ、吸収した光が、熱に変換されることなく、乱反射するか、あるいは、吸収した波長よりも長い光へと変換した蛍光を発する物質であれば、いずれでもよい。

このような構成とすることによって、太陽光を受光する大面積な集光体１と太陽電池２とが着脱自在に設けられ、かつ、太陽電池部分への水やゴミの浸入を防止することができる。従って、設置性や輸送性が向上する。また、集光体部分が破損した場合に、これを取替えることが容易であり、また、集光体部分には電子機器が含まれていないため、リサイクルや廃棄が容易となる。また、集光体のサイズを変えることによって、太陽電池部分のサイズを変えることなく、発電量を変えたり、設置サイズを変更することができる。従って、ユーザーが太陽光発電装置の設置位置を変更したり、発電能力を増加させたりすることが容易に行えて、また、メーカーが種々のスペースに設置する太陽光発電装置を生産する際に、部品の共通化を図ることができる。すなわち、生産や廃棄での無駄を少なくすることができる。

実施の形態２．
本発明の第２の実施の形態を図３に示す。図３は、第２の実施の形態における太陽光発電装置の概略の構成を示すもので、基本的な構成と動作は実施の形態１と同様である。ここでは、シャッター４２が２つ以上に分割され、それぞれ異なる方向（たとえば、左右の水平方向）に移動することによって開口部４１を開閉する構造を有する。また、パッキン１４は接続部４の開口部４１内壁部に設けられている。また、接続部４内部の太陽電池２の表層に、保護膜層として、光透過性で伸縮性を有する弾性体５が設けられている。すなわちこの保護膜層は、集光体１を接続部４に挿入（装着）した際に、変形して集光体１の光放出面１２が略密着し、集光体１を接続部４から離脱した際には、元に戻るような弾性を有するものである。また、集光体１と太陽電池２との間には図２に示すような空間や反射板を設けずに、光透過性弾性体５で該空間が充満された状態を形成することが望ましい。

ここで、光透過性弾性体５は、集光体１と太陽電池２表面部分とのそれぞれの界面での光の反射を抑制できるような屈折率を有することが望ましい。また、集光体１を挿入する接続部４内部の空間に、太陽電池、および、その他の電子部品が直接設置されていない構成、つまり換言すれば、太陽電池表面部分が露出しない状態で表面全体を覆うような構成として、防水性を有することが望ましい。このような光透過性弾性体５としては、たとえば、シリコン樹脂、フッ素系樹脂、アラミド樹脂などからなるゴムなどが挙げられる。

このような構成とすることによって、集光体１と太陽電池２との接続部４へのゴミの侵入を抑制するとともに、内部が汚れた場合にも容易に水洗が可能となるため、長期使用中の発電効率の低下を抑制することができるとともに、長寿命化が可能となる。

実施の形態３．
本発明の第３の実施の形態を図４に示す。図４は、図１とは異なる集光体の詳細な構造の一例を示すものである。ここで、集光体１は、散乱体または蛍光体３を有する集光層１６と、集光層１６の支持層１７と、この両層の界面に設けられた乱反射層１８とから構成されている。ここで、集光層１６は、たとえばアクリル樹脂のような高透明性の層であり、支持層１７、たとえばＰＥＴ、ＰＰ、ＡＢＳなどいずれでもよいが、集光層１６とのはがれがないよう密着性が良いものが望ましい。乱反射層１８は、微小な粒子を含む層または、支持層１７の表面に凹凸を設けてもよい。このような形態とすることによって、散乱体または蛍光体３を含む集光層１６を、塗布あるいは印刷の手法によって形成し、集光体１を薄く形成することができる。従って、集光体１を柔軟な構造として、湾曲させて設置したり、巻き取って収納したりすることが可能となり、構造やデザインの自由度を上げることができる。

実施の形態４．
本発明の第４の実施の形態を図５に示す。図５に示すように、本実施の形態は、集光体１の傾き（傾斜角度）を自由に変えられるように、接続部４に可動部（接続可動部）４４を設け、さらに可動部４４の内部に、図２に示した第１の反射板４３と向き合う第２の反射板４５を設けたものである。本例では、集光体１は、可動部４４と着脱自在に接続される。
このように、接続部４に可動部４４を設けることによって、集光体１を可動部４４に挿入・固定した状態で可動部４４を略回転動作させることができ、集光体１の傾きを自由に変えることができる。また、可動部４４内部には、太陽電池２に集光させる第１の反射板４３と向き合うように第２の反射板４５を設けることによって、どのような角度においても、集光体１端面から接続部４内部に向けて放射された光が、太陽電池２に集光するように構成することが望ましい。なお、第２の反射板４５は必ずしも必須ではない。また、可動部４４はゴムなどの弾性材料で形成され、接続部４の開口部４１との隙間をシールするように開口部内壁面に弾性的に密接した状態で装着される。

このような構成とすることによって、一旦、太陽光発電装置を設置した後で、集光体１を発電に最適な角度に調整したり、あるいは、この発電装置周辺に他の物品を置いたりする際の作業性をよくすることができる。

また、前記の可動部４４は、図示しないモーターとギアと制御装置とによって可動するように構成しても良い。また、発電量を検知する手段と可動部制御装置とを連携させることによって、常に発電量が最大となる角度となるように自動角度可変としてもよい。

また、図５には、接続部４に、電源接続ユニット６を結合した例を示している。たとえば、この電源接続ユニット６には、図示しない蓄電池を設け、太陽光を受光している間に充電する機能を有する。そしてこの電源接続ユニット６に、他の機器２００を接続することによって、独立した電源として用いることができる。

実施の形態５．
本発明の第５の実施の形態を図６に示す。図６は、太陽電池２によって得られた電力を、無線で搬送するための配電図を示している。すなわち、太陽電池２では直流の電圧が生成され、これを無線送電ユニット６１の直流交流変換回路６１１に接続し、制御部６１２によって所定の電圧と周波数の交流に変換し、一次コイル側回路６１３に印加する。受電ユニット６２には、二次コイル側回路６２３が設けられ、無線電力搬送にともなうノイズを消去する安定化回路６２１と制御部６２２によって、電源として十分に安定な電力を出力する。ここに他の機器２００を接続できるように構成する。

図７に本実施の形態の太陽光発電装置の設置の一例を示す。図において、集光体１は接続部４に固定され、太陽電池２と光学的に接続され発電を行う。太陽電池２と無線送電ユニット６１とは電気的に接続され、発電された電力を無線で送出する。離れた位置に設けられた受電ユニット６２は、たとえば、空調装置の室外機７と接続され、空調機の使用する電力の一部または全部として消費される。空調装置の室内機８は、室外機７とコード７１で電気的に接続され、太陽電池２から得た電力による空調運転が行われている場合には、これを報知する表示パネル８１を設ける。

このような構成とすることによって、太陽光発電装置の設置位置を自由に設置したり移動できるとともに、得られた電力を容易に空調装置などの電源として利用することができる。既に説明したように、太陽光発電装置部分は、風雨に耐える構造としており、また、可搬性を有するので、煩雑な作業をすることなく、移動させたり、暴風雨など集光体が損傷する可能性が高い天候時には室内に収容することが可能となる。

図８に本実施の形態の太陽光発電装置の設置の他の例を示す。図において、接続部４と太陽電池２と送電ユニット６１と、が一体となって形成され、これらが、空調機室外機７の略上部に嵌合するように設置されている。また、受電ユニット６２は、空調機室外機７の内部に設置されている。このような構成とすることによって、この太陽光発電装置は、容易かつ安定的に空調機と電気的な無線接続が可能となる。

図７及び図８では、屋外に設置した太陽光発電装置から、屋外に設置した空調機室外機への無線電力搬送を例示したが、これらの組み合わせは、機器や設置位置によらず可能である。すなわち、本太陽光発電装置は、大面積な集光体と、電子機器を備えて電力を得る太陽電池部分とを分離可能で可搬性に優れ、設置位置の自由度が高いという特徴を有することから、この発電装置から電力利用機器への送電部分についても、より設置自由度が高いシステムを組み合わせることによって、より本発明の太陽光発電装置を便利に用いることが可能となる。

図９に本実施の形態の太陽光発電装置の設置のさらに他の例を示す。図において、受電ユニット６２は、屋内の商用電源３００に接続され、屋内のコンセント３０１と結線されている。屋外に設置した太陽電池２で発電した電力は、無線送電ユニット６１から、窓などを通じて屋内に搬送される。他の電気機器２００は、従来と同様にコンセント３０１に電源ケーブルを接続することによって使用することができる。商用電源３００には、図示しない制御装置を接続し、受電ユニット６２が電力を得ている期間は、この太陽光発電装置により得られる電力を優先的に使用するように制御することが望ましい。

このような構成とすることによって、より設置の自由度が高い太陽光発電装置を得ることができる。

本発明によって、設置性や輸送性が高く、また、一部が破損した場合にも容易に交換やリサイクルや廃棄が可能な太陽光発電装置を提供することができる。また、設置後に発電効率を最適化したり、設置スペースに合わせるために、大面積な集光体の角度を変えることができて、使い勝手がよい発電装置とすることができる。また、得られた電力を、煩雑な結線作業などをすることなく容易に既設電気機器に搬送することができる無線電力搬送回路と組み合わせることによって、より設置自由度が高く、便利な発電装置を提供することができる。

１ 集光体、２ 太陽電池、３ 散乱体または蛍光体、４ 接続部、５ 光透過性弾性体、６ 電源接続ユニット、７ 空調機室外機、８ 空調機室内機、１１ 光入射面、１２ 光放出面、１３ 押さえ、１４ パッキン、１５ 反射板、１６ 集光層、１７ 支持層、１８ 乱反射層、４０ 保持部材、４１ 開口部、４２ シャッター、４３ 反射板（第１の反射板）、４４ 可動部（接続可動部）、４５ 第２の反射板、６１ 無線送電ユニット、６２ 受電ユニット、７１ コード、８１ 表示パネル、１００ 太陽光、２００ 他の機器、３００ 商用電源、３０１ コンセント、６１１ 直流交流変換回路、６１２ 制御部、６１３ 一次コイル側回路、６２１ 安定化回路、６２２ 制御部、６２３ 二次コイル側回路。

Claims (7)

1. 光が入射する少なくとも一つの大面積を有する光入射面と、入射した光が放出される少なくとも一つの、前記光入射面より小面積の光放出面とを有する集光体と、
   前記集光体の光放出面から放出される光を受光する太陽電池と、
   前記集光体と前記太陽電池とを着脱自在に接続する接続部と、
   前記接続部の開口部を開閉するシャッター機構と、
   を有し、
   前記接続部の内部に、前記集光体から放出される光を前記太陽電池に集光する反射板を設けたことを特徴とする太陽光発電装置。
2. 光が入射する少なくとも一つの大面積を有する光入射面と、入射した光が放出される少なくとも一つの、前記光入射面より小面積の光放出面とを有する集光体と、
   前記集光体の光放出面から放出される光を受光する太陽電池と、
   前記集光体と前記太陽電池とを着脱自在に接続する接続部と、
   前記接続部の開口部を開閉するシャッター機構と、
   を有し、
   前記接続部の内部において、前記太陽電池の前記集光体と相対する表面に、光透過性の保護膜層を設けたことを特徴とする太陽光発電装置。
3. 前記保護膜層は、前記集光体の前記接続部への装着時には変形して前記光放出面に略密着し、前記集光体の前記接続部からの離脱時には元の形状に戻るような弾性を有することを特徴とする請求項２記載の太陽光発電装置。
4. 光が入射する少なくとも一つの大面積を有する光入射面と、入射した光が放出される少なくとも一つの、前記光入射面より小面積の光放出面とを有する集光体と、
   前記集光体の光放出面から放出される光を受光する太陽電池と、
   前記集光体と前記太陽電池とを着脱自在に接続する接続部と、
   前記接続部の開口部を開閉するシャッター機構と、
   を有し、
   前記集光体と前記接続部とは、前記集光体の傾きを変えることができるように可動部を介して接続されていることを特徴とする太陽光発電装置。
5. 前記可動部の内部に、前記反射板と向き合うように第２の反射板を設けたことを特徴とする請求項４記載の太陽光発電装置。
6. 前記集光体は、内部に粒子状の散乱体または蛍光体を有し、かつ、可撓性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
7. 前記太陽電池で得られた起電力を交流に変換する回路と、得られた交流を無線で電力搬送するためのコイルと、を備えたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。

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