JP5411492B2 - 光発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、太陽光等の光で発電する装置に関する。

太陽光等の光で発電する装置として太陽電池が知られている。太陽電池は、半導体からなる光電変換素子を含むセルを有している。１つのセルでは出力が足らないため、セルを複数並べ、これらセルを直列に接続している。

例えば色素増感太陽電池のセルは、一般に、光の入射方向から透明支持基板、透明導電膜、孔質半導体層、電解質層、触媒層、対極の順に積層した構造になっている。特許文献１では、上記の積層体に加え、光の入射方向から透明支持基板、透明対極導電膜、触媒層、電解質層、多孔質半導体膜、集電電極の順に積層した別の積層体を作り、これら二種の積層体を交互に並べ、直列に接続している。
特開２００６−１０００２５号公報

太陽電池のセルとセルの間の部分は、発電に寄与しない死面積になり、光の利用率の低下を招いている。また、高価な透明導電膜が必要であり、材料コストが高い。さらに、多孔質半導体層や電解質層等が劣化した場合、これを交換するのは容易でなく、メンテナンスが容易でない。

上記問題点を解決するために、本発明に係る光発電装置は、
光により充電反応を起こす成分を含む流体を収容する内部空間を有し、一側が透光材で画成された光曝露部と、
前記光曝露部の外部に配置され、前記成分の放電反応を起こさせ、電力を取り出す電力取り出し部と、
前記流体を光曝露部から出して電力取り出し部へ送る第１移送路と、
前記流体を電力取り出し部から出して光曝露部へ送る第２移送路と、
を備えたことを特徴とする。

光が光曝露部の透光材を透過して光曝露部の内部空間内に入射し、流体に吸収される。これにより、流体の前記成分が充電反応を起こす。充電された流体を、第１移送路を経て電力取り出し部に送る。電力取り出し部において、前記成分の放電反応を起こさせる。これにより、電力を取り出して負荷等に供給できる。放電後の流体を、第２移送路を経て光曝露部に送る。このようにして、流体を、光曝露部、第１移送路、電力取り出し部、第２移送路、光曝露部の順に循環させる。本光発電装置によれば、光曝露部の構造を簡素化できる。また、光曝露部内の発電に寄与しない死面積を小さくでき、光曝露部に入射する光の利用率を高めることができる。光曝露部に透明導電膜を設ける必要がなく、材料コストを低廉化できる。さらには、流体の取り替え等のメンテナンスを容易化できる。

前記流体が、電解質溶液に前記成分となる粒子が分散されたものであることが好ましい。
前記充電反応が、前記粒子が帯電し、前記電解質溶液のカチオン及びアニオンの何れか一方と前記帯電した粒子とが静電的に結合する反応であることが好ましい。
前記粒子がマイナスに帯電すれば、該粒子と電解質カチオンとが静電的に結合する。前記粒子がプラスに帯電すれば、該粒子と電解質アニオンとが静電的に結合する。静電結合によって電荷を保持でき、充電状態にすることができる。
流体を第２移送路によって光曝露部から電力取り出し部へ移送する期間中、前記粒子と電解質とが静電結合状態を維持することが好ましい。
電力取り出し部では、前記静電結合状態を解除することにより、放電を起こさせることができ、電力を取り出すことができる。
前記電力取り出し部は、一対の電極を備えていることが好ましい。前記充電反応終了後の流体が、前記一対の電極の各々に非対称に供給され、電極と接触することにより、電力が取り出されることが好ましい。具体的には、上記一対の電極の一方に前記粒子を含む流体が供給され、前記粒子が隔膜などで濾過され、他方の電極には前記粒子を含まない流体が供給されることが好ましい。

前記粒子が、半導体を含み、かつ表面が増感色素で覆われていることが好ましい。
前記半導体が、酸化チタン又は酸化亜鉛であることが好ましい。

前記増感色素が、有機色素または金属錯体色素であることが好ましい。
有機色素として、例えばクマリンが挙げられる。金属錯体色素として、例えばルテニウム錯体色素が挙げられる。

前記電解質溶液のカチオンが、リチウムであることが好ましい。前記電解質溶液のアニオンが、ヨウ素であることが好ましい。

前記電力取り出し部が、前記粒子の透過を阻止し前記電解質溶液の透過を許容する隔膜で隔てられた第１室及び第２室と、第１室に設けられた第１電極と、第２室に設けられた第２電極とを有し、前記第１移送路の下流端が前記第１室に連なり、前記第２移送路の上流端が前記第１室及び第２室に連なっていることが好ましい。
これにより、帯電した粒子が第１電極と第２電極のうち第１電極にのみ接触するようにでき、第1室内で放電反応を確実に起こすことができる。帯電した粒子が第２電極に接触するのを防止でき、電力を確実に取り出すことができる。第２室内では、電解質の還元反応又は酸化反応を起こすことができる。

前記第１電極又は第２電極が、メッシュ状であることが好ましい。
これにより、第１電極又は第２電極の表面積を大きくでき、放電反応を十分に起こさせることができ、ひいては電力の取り出し効率を向上できる。

前記第１電極又は第２電極に触媒が担持されていることが好ましい。
これにより、電力取り出しのための電気化学反応を促進させることができる。前記電気化学反応は、前記放電反応、還元反応、酸化反応等を含む。触媒として、白金等が挙げられる。

本発明によれば、光曝露部に入射する光を十分に利用することができる。光曝露部の構造を簡素化でき、光曝露部に透明導電膜を設ける必要がなく、材料コストを低廉化できる。さらには、流体の取り替え等のメンテナンスを容易化できる。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示したものである。光発電装置１は、光曝露部１０と、電力取り出し部２０を備えている。光曝露部１０は、好ましくは、例えば建物の屋根又は屋上等の高所に配置される。光曝露部１０は、内部空間１１を有する容器状になっている。光曝露部１０の一側部（表側部）は、透光材からなる光入射板１２で構成されている。内部空間１１の一側部が光入射板１２で画成されている。太陽光等の光Ｌが、光入射板１２を透過して内部空間１１内に入射する。

内部空間１１に流体Ｌｑが充填されている。流体Ｌｑは、光により充電反応を起こす成分を含む。

電力取り出し部２０は、光曝露部１０の外部に光曝露部１０から離れて配置されている。電力取り出し部２０は、好ましくは、例えば建物の内部や建物の外部の地上等の低所に設置される。

電力取り出し部２０は、容器状になり、内部に流体Ｌｑが収容されている。電力取り出し部２０の内部に隔膜２３が設けられている。隔膜２３によって、電力取り出し部２０内が第１室２１と第２室２２に仕切られている。隔膜２３は、流体Ｌｑの後記酸化チタン粒子の透過を阻止し、流体Ｌｑの後記電解質溶液の透過を許容する。

第１室２１に第１電極２４が設けられている。第１電極２４は、好ましくはメッシュ状になっている。メッシュ状の第１電極２４は、例えば金属ウールや炭素繊維などで構成されている。第１電極２４が金属ウールで構成される場合、該金属ウールを構成する金属としては、ステンレス、ニッケル、白金、金等が挙げられる。

第２室２２に第２電極２５が設けられている。第２電極２５は、好ましくはメッシュ状になっている。メッシュ状の第２電極２５は、例えば金属ウールや炭素繊維などで構成されている。第２電極２５が金属ウールで構成される場合、該金属ウールを構成する金属としては、ステンレス、ニッケル、白金、金等が挙げられる。

第２電極２５には、好ましくは触媒が担持されている。ここでは、触媒として、白金が用いられている。

電力取り出し部２０は、流体Ｌｑの上記成分の放電反応を起こさせ、電力を取り出す。電力は、負荷２に供給される。負荷２の端子２ａが第１電極２４に接続されている。負荷２の他の端子２ｂが第２電極２５に接続されている。

光曝露部１０と電力取り出し部２０が第１移送路３１で繋がれている。第１移送路３１は、内部空間１１の一端部（例えば上端部）から延び、第１室２１に連なっている。

電力取り出し部２０と光曝露部１０が第２移送路３２で繋がれている。第２移送路３２の上流部は、２つの路部分３２ａ，３２ｂに分かれている。路部分３２ａが第１室２１から延びている。第１室２１と路部分３２ａの連通部は、第１室２１における第２移送路３２との連通部とは反対側の端部に設けられている。

路部分３２ｂが第２室２２から延びている。第２室２２と路部分３２ｂの連通部は、電力取り出し部２０における第１室２１と路部分３２ａの連通部と同じ側の端部に配置されている。

２つの路部分３２ａ，３２ｂが互いに合流している。第２移送路３２の下流端が内部空間１１に連なっている。第２移送路３２と内部空間１１との連通部は、内部空間１１内の流通方向に沿って第１移送路３１との連通部とは反対側に配置されている。内部空間１１の流れ方向の上流端に第２移送路３２が連なり、内部空間１１の流れ方向の下流端に第１移送路３１が連なっている。

路部分３２ａ，３２ｂの合流部より下流の第２移送路３２に移送ポンプ３３（移送手段）が設けられている。移送ポンプ３３の駆動によって、流体Ｌｑが、内部空間１１を第２移送路３２との連通部側から第１移送路３１との連通部側へ流れる。次に、流体Ｌｑは、光曝露部１０から第１移送路３１を通って電力取り出し部２０へ送られる。次に、流体Ｌｑは、電力取り出し部２０から第２移送路３２を通って光曝露部１０へ送られる。

移送ポンプ３３は、電力取り出し部２０で取り出した電力で駆動するようにしてもよい。移送ポンプ３３の出力は、流体Ｌｑを移動させることができればよく、十分に小さくできる。

流体Ｌｑについて、詳述する。
流体Ｌｑは、電解質溶液に粒子が多数分散されたものである。粒子が、上記充電反応、放電反応を起こす成分になる。粒子は、半導体で構成されている。粒子を構成する半導体として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。ここでは、粒子として酸化チタン粒子が用いられている。粒子の粒径は、好ましくは０．１〜１００μｍ程度である。粒子は、球状をしていてもよい。表面積を大きくする観点からは、粒子が、多孔体や、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微粒子の集合体であることが好ましい。

酸化チタン粒子の表面は増感色素で覆われている。増感色素、有機色素または金属錯体色素で構成されている。有機色素として、例えばクマリンが挙げられる。金属錯体色素として、例えばルテニウム錯体が挙げられる。

流体Ｌｑの電解質溶液は、溶媒に電解質が溶解されたものである。溶媒は、粘性が小さい液体であることが好ましく、ここでは、水が用いられている。電解質として、ヨウ化リチウム（ＬｉＩ）が用いられている。電解質カチオンはリチウムであり、電解質アニオンはヨウ素である。
なお、溶媒として、水に代えて、アセトニトリル等の有機溶媒を用いてもよい。電解質として、ヨウ化リチウムに代えて、ヨウ化カリウム、希硫酸等を用いてもよい。

光発電装置１の動作を説明する。
太陽光等の光Ｌが、光曝露部１０の光入射板１２を透過して内部空間１１に入射する。増感色素がこの光Ｌを吸収して励起し、ヨウ素イオンの電子が増感色素を経由して酸化チタン粒子に移り、ヨウ素が酸化され（３Ｉ⁻→Ｉ_３ ⁻＋２ｅ⁻）、酸化チタン粒子がマイナスに帯電する。

上記のマイナス帯電した酸化チタン粒子に電解質溶液のリチウムイオン（Ｌｉ^＋）が静電的に結合する。この酸化チタン粒子及びリチウムイオンからなる静電結合体は、電荷を蓄えた一種の電気二重層コンデンサになる。静電結合体の生成過程を「充電反応」と称すことにする。充填反応は、下式（１）のようになる。
ｘ（３Ｉ⁻＋３Ｌｉ^＋）＋ＴｉＯ_２ → ＴｉＯ_２Ｌｉ_２ｘ＋ｘＩ_３ ⁻＋ｘＬｉ^＋ （１）
ここで、ｘは任意の正数である。右辺第１項（ＴｉＯ_２Ｌｉ_２ｘ）は、マイナス帯電した酸化チタン粒子とリチウムイオンとの静電結合体を便宜的に表記したものである。酸化チタン粒子の負電荷とリチウムイオンの正電荷とは、これらの間に介在された増感色素によって電気的短絡が阻止される。

光曝露後（充電反応後）の流体Ｌｑが、光曝露部１０から出され、第１移送路３１を経て、電力取り出し部２０の第１室２１に導入される。流体Ｌｑ中の静電結合体の酸化チタン粒子が第１室２１内の第１電極２４に接触すると、下式（２）にて示す放電反応が起きる。
ＴｉＯ_２Ｌｉ_２ｘ → ＴｉＯ_２＋２ｘｅ⁻＋２ｘＬｉ^＋ （２）
すなわち、酸化チタン粒子の負電荷（電子）が第１電極２４に放出される。なお、電子は、酸化チタン粒子からホッピングして増感色素を越えて第１電極２４に移る。これによって、酸化チタン粒子とリチウムイオンとの静電結合が解除され、リチウムイオンが酸化チタン粒子から離れる。第１電極２４は、メッシュ状であり表面積が大きい。したがって、第１電極２４と酸化チタン粒子の接触を促進でき、放電反応を促進できる。放電反応により第１電極２４に移動した電子（式（２）の右辺第２項（２ｘｅ⁻））は、端子２ａを経て負荷２に供給される。

流体Ｌｑのうち酸化チタン粒子は、隔膜２３によって透過を阻止され、第１室２１内に留まる。流体Ｌｑのうち電解質溶液は、隔膜２３を透過して第２室２２内に拡散できる。

第２室２２内の第２電極２５には、負荷２の端子２ｂから電子（２ｘｅ⁻）が流れ込む。この電子が第２電極２５から電解質溶液の三ヨウ素イオン（Ｉ_３ ⁻）に与えられ、ヨウ素が還元される（式（３））。電極２５に設けた触媒によって、ヨウ素の還元反応を促進できる。
ｘＩ_３ ⁻＋２ｘｅ⁻→３ｘＩ⁻ （３）

このようにして、負荷２に電力を供給できる。

その後、第１室２１の流体Ｌｑ（酸化チタン粒子を含む）は、路部分３２ａに出される。第２室２２の流体Ｌｑ（リチウムイオン及びヨウ化イオンを含む）は、路部分３２ｂに出される。これら２経路の流体Ｌｑが路部分３２ａ，３２ｂの合流部で混合し、合流後の第２移送路３２を経て、光曝露部１０へ送られる。移送ポンプ３３を第１移送路３１にではなく第２移送路３２に設けることによって、充電反応後の高いエネルギー状態の不安定な酸化チタン粒子が内部放電を起こすのを防ぐことができる。

光発電装置１によれば、光曝露部１０の構造を簡素化できる。また、光曝露部１０内の発電に寄与しない死面積を小さくでき、光曝露部１０に入射する光の利用効率を高めることができる。光曝露部１０に透明導電膜を設ける必要がなく、材料コストを低廉化できる。

光曝露部１０を屋根等の高所に配置する一方、電力取り出し部２０を低所に配置できる。流体Ｌｑの電解質溶液及び粒子等が劣化したときは、光曝露部１０、電力取り出し部２０、第１移送路３１、第２移送路３２の何れかから流体Ｌｑを取り出し、交換すればよい。低所の電力取り出し部２０又は該電力取り出し部２０の近くの移送路３１，３２から流体Ｌｑを取り出し、交換することにすれば、高所で作業する必要がなく、メンテナンスを容易に行なうことができ、メンテナンス費用を低減できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を適宜省略する。
図２に示すように、第２実施形態の光発電装置１には、電力取り出し部２０が複数（図では３つ）設けられている。光曝露部１０からの第１移送路３１が複数の分岐路３１ａに分岐している。分岐路３１ａは、電力取り出し部２０に一対一に対応している。各分岐路３１ａが、対応する電力取り出し部２０の第１室２１に連なっている。分岐路３１ａは、異なる電力取り出し部２０の同一極２４どうしを電気的に絶縁する程度の電気抵抗を有するよう細く、又は長いことが好ましい。

各電力取り出し部２０の室２１，２２から路部分３２ａ，３２ｂが延びている。複数の電力取り出し部２０の路部分３２ａ，３２ｂが互いに合流し、１本の第２移送路３２になっている。

複数の電力取り出し部２０の第１、第２電極２４，２５が直列に接続されている。すなわち、前段の電力取り出し部２０の第２電極２５と、後段の電力取り出し部２０の第１電極２４とが、接続線３ｃにて電気的に接続されている。第１段（図において左端）の電力取り出し部２０の第１電極２４にコンバータ３の端子３ａが接続されている。最終段（図において右端）の電力取り出し部２０の第２電極２５にコンバータ３の端子３ｂが接続されている。コンバータ３が商用電源４に接続されている。また、コンバータ３が移送ポンプ３３に接続されている。

第２実施形態では、光曝露部１０からの流体Ｌｑが複数の電力取り出し部２０に分配される。各電力取り出し部２０において放電反応が起き、電力が取り出される。複数の電力取り出し部２０を直列接続することで、出力を大きくできる。光発電装置１からの直流出力は、コンバータ３で交流に変換され、商用電源４に売電される。或いは、商用電源４を介して負荷２（図示せず）に供給される。また、光発電装置１の出力の一部が、コンバータ３を介して移送ポンプ３３に供給される。これにより、流体Ｌｑを光曝露部１０、第１移送路３１、複数の電力取り出し部２０、第２移送路３２、光曝露部１０の順に循環させることができる。

なお、光発電装置１の起動時には、商用電源４の電力をコンバータ３を介して移送ポンプ３３に供給し、移送ポンプ３３を駆動する。光発電装置１が安定的に発電するようになったとき、その電力の一部を移送ポンプ３３の駆動に充てる。移送ポンプ３３は流体Ｌｑを移動させることができればよく、移送ポンプ３３の消費電力は光発電装置１の出力電力より十分小さくできる。

この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
例えば、流体Ｌｑに分散させる半導体粒子として、酸化チタンの粒子に代えて、酸化亜鉛の粒子を用いてもよい。粒子の少なくとも表層が酸化チタン又は酸化亜鉛等の半導体であればよく、粒子の中央部は絶縁体であってもよい。
流体Ｌｑ中の粒子（成分）が、光によりプラスに帯電するようになっていてもよく、上記プラス帯電した粒子と電解質アニオンとが静電的に結合することにより充電反応が行なわれるようになっていてもよい。
第１電極２４に触媒を担持させてもよい。
光曝露部１０は、太陽光等の光を十分に受けることのできる場所であれば、高所に限られず、地上などの低所に設置してもよい。
電力取り出し部２０は、光暴露部１０の外部に配置されていればよく、光暴露部１０の近くに配置されていてもよく、光暴露部１０の筐体と接していてもよく、メンテナンス等に支障がなければ建物の屋上等の高所に配置されていてもよい。
移送ポンプ３３を、第２移送路３２に代えて第１移送路３１に設けてもよい。なお、上述したように、光曝露部１０にて充電された不安定な粒子（エネルギーの高い状態の粒子）がポンプ３３の外力により内部放電を起こすのを防ぐためには、移送ポンプ３３を第２移送路３２に設けるのが好ましい。また、通常高所にある光暴露部１０への液の移送のためには、ポンプ３３は低所に配置されているほうが好ましい。移送ポンプ３３を第１移送路３１に設けた場合、光曝露部１０の内部空間１１の圧力が低いと１０ｍ以上の吸い上げが容易でない。
第２実施形態の電力取り出し部２０の数は、３つに限られず、２つでもよく、４つ以上でもよい。
第２実施形態でも、光発電装置１の出力を負荷２に直接供給することにしてもよい。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。

符号の説明

Ｌ 光
Ｌｑ 流体
１ 光発電装置
２ 負荷
３ コンバータ
４ 商用電源
１０ 光曝露部
１１ 内部空間
１２ 光入射板（透光材）
２０ 電力取り出し部
２１ 第１室
２２ 第２室
２３ 隔膜
２４ 第１電極
２５ 第２電極
３１ 第１移送路
３２ 第２移送路
３３ 移送ポンプ（移送手段）

Claims (9)

1. 光により充電反応を起こす成分を含む流体を収容する内部空間を有し、少なくとも一側が透光材で画成された光曝露部と、
   前記光曝露部の外部に配置され、前記成分の放電反応を起こさせ、電力を取り出す電力取り出し部と、
   前記流体を光曝露部から出して電力取り出し部へ送る第１移送路と、
   前記流体を電力取り出し部から出して光曝露部へ送る第２移送路と、
   を備えたことを特徴とする光発電装置。
2. 前記流体が、電解質溶液に前記成分となる粒子が分散されたものであり、
   前記充電反応が、前記粒子が帯電し、前記電解質溶液のカチオン及びアニオンの何れか一方と前記帯電した粒子とが静電的に結合する反応であることを特徴とする請求項１に記載の光発電装置。
3. 前記粒子が、半導体を含み、かつ表面が増感色素で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の光発電装置。
4. 前記半導体が、酸化チタン又は酸化亜鉛であることを特徴とする請求項３に記載の光発電装置。
5. 前記増感色素が、有機色素または金属錯体色素であることを特徴とする請求項３又は４に記載の光発電装置。
6. 前記電解質溶液のカチオンが、リチウムであり、前記電解質溶液のアニオンが、ヨウ素であることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の光発電装置。
7. 前記電力取り出し部が、前記粒子の透過を阻止し前記電解質溶液の透過を許容する隔膜で隔てられた第１室及び第２室と、第１室に設けられた第１電極と、第２室に設けられた第２電極とを有し、前記第１移送路の下流端が前記第１室に連なり、前記第２移送路の上流端が前記第１室及び第２室に連なっていることを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載の光発電装置。
8. 前記第１電極又は第２電極が、メッシュ状であることを特徴とする請求項７に記載の光発電装置。
9. 前記第１電極又は第２電極に触媒が担持されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の光発電装置。

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