JP5685186B2 - 太陽光集光用光学シートの設計方法 - Google Patents

太陽光集光用光学シートの設計方法 Download PDF

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Description

太陽電池ユニットに太陽光を集光させて、発電効率の向上が図られた太陽光発電施設において、太陽からの直達光を集光させる機能を有する太陽光集光用光学シートの設計方法に関する。
集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光レンズで太陽電池に集光させて発電させる装置である。太陽電池はレンズで集光された光を受光できるだけの面積を備えていればよい為、レンズサイズに比べ非常に小さなサイズにすることができ、発電装置の中でも非常に高価な太陽電池の使用量を減らしコストを低減できる。一方でレンズを使用するため、直達光が多い（日照時間が長い）地域で使用することが必要である。このような点から、集光型太陽光発電装置は、日照時間が長く、大面積化が可能な広大な土地がある地域で、電力供給用途として、普及しつつある。集光型発電装置の装置例としては、特許文献１などが挙げられる。
一般的に光学用途で使用されるレンズは光を高効率に利用する為、透明性の高いアクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などが使用されている。これらの樹脂には紫外線などの影響によるレンズの着色および樹脂劣化などを防止する為に、紫外線吸収剤を所定量入れているのが一般的である。これらの光学部材は屋内でＴＶのスクリーンやバックライト用部材として使用されているのが一般的であり、直接照射される紫外線量が低く、添加する紫外線吸収剤濃度も低い。また、特許文献２に示されるように、紫外線吸収剤を多量に入れることで樹脂の耐光性を向上することは可能であるが、紫外線吸収剤による着色が発生し透過率が低下するなどの光学面および着色による黄変などの外観面において問題が生じる、また成形性が低下するといった問題が生じる為、出来るだけ低濃度で添加することが一般的である。
しかしながら太陽光集光レンズは非常に多量の紫外線が照射される環境であること、また２０年以上といった長期の使用が必要である事などの理由で、上記のように紫外線吸収剤を多量に添加する必要がある一方で、着色、劣化による透過率低下の影響や成形性に与える影響などを考慮すると、適正量が分からなかったのが現状であった。
特開２００６−３４３４３５公報 特開平０５−１５６１１３号公報 実施例等
従来のような光学用途と比較し、遥かに多量の紫外線照射環境かつ長期間使用下において、透過率低下がなく効率よく集光できる性能を有するレンズシートの開発が求められている。
上記課題は
基材中に紫外線吸収剤を含む樹脂製太陽光集光用光学シートの設計方法であって、
メタルハライドランプ式耐候性試験（装置規格：ＪＴＭ Ｇ ０１：２０００、日本試験機工業会）による加速劣化試験において、
Ｔ１時間の照射時間で試験した後の、４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域における平均透過率の低下が
τuv(0)+τuv(Ｔ１)＞τ０(0)＋τ０(Ｔ１) （１）
を満たし、かつ、上記波長領域で各波長毎に初期値からの透過率低下が１０％以下であるように基材中に含有させる紫外線吸収剤の量を決定することを特徴とする太陽光集光用光学シートの設計方法により解決できる。
ただし、
Ｔ１＝１５０×２．５×Ｕ１／Ｕ０
×{０．４４×ｌｎ（Ｗ１／Ｗ０）＋０．８８}
×{（０．５×cos(α１−23.4)）＋cosα１}／{（０．５×cos(α０−23.4)）＋cosα０} （２）
Ｕ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均日照時間
Ｗ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均水蒸気量
α１：太陽光集光用光学シートを使用する場所の緯度
Ｕ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での日照時間
Ｗ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での平均水蒸気量
α０：実際に屋外曝露試験を実施した場所の緯度
τuv(0)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τuv(Ｔ１)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τ０(0)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τ０(Ｔ１)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
また、本発明は平均透過率の低下が初期値に対し７％以下であることが好ましく、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの各波長領域において透過率の低下が初期値に対し１０％以下であることが好ましい。
さらに上記の課題は、
基材中に紫外線吸収剤を含む樹脂製太陽光集光用光学シートの設計方法であって、
メタルハライドランプ式耐候性試験（装置規格：ＪＴＭ Ｇ ０１：２０００、日本試験機工業会）による加速劣化試験において、
Ｔ１時間の照射時間で試験した後の、４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域における平均透過率の低下が
τuv(0)+τuv(Ｔ１)＞τ０(0)＋τ０(Ｔ１) （１）
を満たし、かつ、上記波長領域で各波長毎に初期値からの透過率低下が１０％以下であるように基材中に含有させる紫外線吸収剤の量を決定することを特徴とする太陽光集光用光学シートの設計方法により解決できる。
ただし、
Ｔ１＝１５０×２．５×Ｄ１／Ｄ０ （３）
Ｄ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均直達日射量
Ｄ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での平均直達日射量
τuv(0)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τuv(Ｔ１)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τ０(0)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
τ０(Ｔ１)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
本発明により、長期屋外曝露における紫外線劣化に伴う透過率低下が少なく、集光効率を初期値から維持し、かつ、成型性に優れた太陽光集光用光学シートを作製することが可能になる。
集光型太陽光発電システムの概略図である。 屋外曝露および促進試験によるフレネルレンズシートの透過率変化を示す図である。 ６００時間までの促進試験によるフレネルレンズシートの透過率変化を示す図である。 促進試験６００時間後におけるフレネルレンズシートの波長毎の透過率変化を示す図である。 太陽光のスペクトルを示す図である。
図１にフレネルレンズを使用した太陽光発電装置の一例を示す。レンズに到達した光は、レンズ部により屈折されて所定位置にある太陽電池に集光される構造となっている。また、太陽電池の手前にはガラス製や金属性の２次集光レンズを使用し、集光効率を向上させることが多い。
前記フレネルレンズシートは、図１に示されるようなフレネルレンズ集合体として用いられることが多く、各フレネルレンズは透明樹脂の基材に同心円プリズムが形成されている。同心円プリズムの形成には、プレス成形、射出成形、紫外線硬化性樹脂を用いた２Ｐ（Photo Polymerization）成形などが適用可能である。
基材となる透明樹脂としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の種々の透明樹脂が用いられ得るが、耐候性の点からアクリル樹脂、特にポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂を主とするのが好ましい。
本発明における太陽光集光用フレネルレンズシートの基材は、太陽光に含まれる紫外線による劣化を防止するために紫外線吸収剤が含有される。含有する紫外線吸収剤としては種々のものが採用可能であるが、吸収波長端が４００ｎｍ未満、特に３５０ｎｍ〜３８０ｎｍの範囲内にあるのが好ましく、この点からベンゾトリアゾール系であるのが好ましい。
図２に示すように、宮古島において実際にベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤を含むフレネルレンズシート用材料であるＰＭＭＡ樹脂の屋外曝露試験を実施しその透過率変化を観察した。その結果、１０年間の屋外曝露における透過率の低下はないことが明らかとなった。
次に、ＪＴＭ Ｇ０１：２０００の装置規格で定められている試験機を使用し、所定環境下において超促進耐候性試験を実施した。装置は岩崎電気株式会社製の超促進耐候性試験機（ＳＵＶ−Ｆ１）を使用した。この結果についても図２に示す。この結果から、１５０時間の促進試験が宮古島での屋外曝露１０年以上に相当することが分かった。
一方、太陽光集光モジュールが設置される代表的な地域の環境を表１に示す。例えば、実際に太陽光モジュールを設置する場所としてスペインのトレドを想定した場合、宮古島の環境に比べ年間の日照時間が約１．７倍であることおよび湿度による太陽光の吸収、緯度による日差しの角度の違いから、宮古島における１０年の曝露は例えばトレドであれば約６．５年の曝露に相当する。したがって、トレドにおける２５年以上の長期間使用を考慮すると、宮古島での約４０年の使用を考慮する必要があり、すなわち、超促進試験時間はおよそ６００時間が必要となる。同様に、想定する設置場所が銚子ではおよそ４１０時間、アメリカのフェニックスではおよそ８６０時間、同じくラスベガスではおよそ９５０時間、同じくマイアミではおよそ５７０時間の超促進試験がそれぞれ必要となる。
Figure 0005685186
前記式（２）は上記の考え方を一般化したものである。実際の設置場所で約２５年の長期使用に相当する宮古島での使用期間に換算し、さらに、宮古島での結果と超促進耐候性試験機での結果との相関から求められる必要な試験時間を示すものである。すなわち、式（２）は、「促進試験時間Ｔ１＝宮古島での２５年相当の促進試験時間（１５０×２．５）×使用場所での日照時間補正×使用場所での水蒸気量補正×使用場所での緯度補正」なる経験則である。しかしながら、日射に影響を及ぼすのは大気中の絶対水蒸気量であるが、通常平均相対湿度が公表されている。そのため、宮古島および使用場所での平均最高気温における飽和水蒸気量に平均相対湿度を乗することで、宮古島および使用場所での水蒸気量を求めている。日照時間並びに湿度および最高気温の値としては、使用場所の属する国または領域より発表される値を使用するのが望ましい。
一方、設置場所によっては、そこがその場所の年間の直達日射量が公表されている地域である場合がある。そのような場合には、上記の式（２）に変わって、式（３）を用いて促進試験時間Ｔ１を求めることができる。
設置場所としてトレドを想定した６００時間の促進試験後での４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長範囲における平均透過率変化を図３に示す。ここで、透過率測定にはＵ−３４１０（日立製）の分光光度計を使用した。また、基材としてアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）を、紫外線吸収剤にはベンゾトリアゾール系のＪＦ−７７（城北化学社製）を使用した。
基材中の紫外線吸収剤濃度が増加すると初期透過率は低下する。これは紫外線吸収剤の影響で４００ｎｍ程度より波長の短い光がカットされるため、また、添加量が増加すると共に紫外線吸収剤そのものによる着色が発生するためである。そのため、できるだけ紫外線吸収剤の添加量は抑えるべきである。一方で、紫外線吸収剤を添加しないと試験時間の増加と共に４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長範囲における平均透過率が低下し、６００時間後では初期値に対して約１４％の透過率の低下が発生する。これでは紫外線曝露雰囲気下での長期使用において、フレネルレンズ集光体自身による透過率低下により発電量を低下させてしまう。この低下を下限値とした場合、初期値の低下は少なくとも７％以内である必要がある。また、促進曝露試験において、それ以上の低下が発生してはならない。
次に、６００時間の促進試験後での４００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲における透過率の初期値に対する変化率を図４に示す。紫外線による樹脂の劣化は特にこの波長範囲で発生し着色で透過率が低下する。また、太陽光の光強度は図５に示すように、この波長範囲での強度が大きい為、この範囲での透過率ロスは発電量に大きく依存する。その為、この範囲での損失は出来るだけ抑制する必要があり、１０％以下に押えることが必要である。図４を見ると、０．０２％の添加量においても約４００ｎｍの波長で３０％以上の透過率の低下が発生している。一方で、０．１４％の添加量では、試験後においても初期値からの変化がないことが確認できた為、少なくとも０．１％以上の濃度まで紫外線吸収剤量を添加することが望ましく、０．１４％以上の濃度まで添加することがより望ましい。
すなわち、太陽光モジュールに使用される太陽光集光用フレネルレンズシートには、初期状態での透過率がなるべく高く、かつ、長期間の使用によって透過率の低下の少ない素材が求められる。式（１）は上記の特徴を有する素材についての条件を表しており、左辺は本発明における光学シートの、促進試験前後の透過率の和であり、右辺は左辺で示される光学シートと同じ基材であって紫外線吸収剤を含まないものの、促進試験前後の透過率の和である。促進試験は、上記したように式（２）または式（３）で与えられるＴ１時間行われる。
τuv(0)＋τuv(Ｔ１)＞τ０(0)＋τ０(Ｔ１) （１）
右辺は前記基材の種類が定まれば設置場所の条件により定まる。左辺のうち、τuv(0)は紫外線吸収剤の含有量が多いほど小さくなるが、τuv(Ｔ１)については紫外線吸収剤の含有量が多いほど大きく（透過率の低下が少なく）なる傾向にあり、そのため適正な紫外線吸収剤の添加量を与える式となっている。
一方で、先に述べたように紫外線吸収剤量は添加量の増加と共に着色や波長のカットにより初期透過率が低下する他に、添加剤の増加と共に成形時の揮発成分が増加することによる不具合が発生することがわかっている。そのため、出来れば０．３％以下の添加量に抑えることが好ましく、０．２％以下であるのがより好ましい。

Claims (4)

  1. 基材中に紫外線吸収剤を含む樹脂製太陽光集光用光学シートの設計方法であって、
    メタルハライドランプ式耐候性試験（装置規格：ＪＴＭ Ｇ ０１：２０００、日本試験機工業会）による加速劣化試験において、
    Ｔ１時間の照射時間で試験した後の、４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域における平均透過率の低下が
    τuv(0)+τuv(Ｔ１)＞τ０(0)＋τ０(Ｔ１) （１）
    を満たし、かつ、上記波長領域で各波長毎に初期値からの透過率低下が１０％以下であるように基材中に含有させる紫外線吸収剤の量を決定することを特徴とする太陽光集光用光学シートの設計方法。
    ただし、
    Ｔ１＝１５０×２．５×Ｕ１／Ｕ０
    ×{０．４４×ｌｎ（Ｗ１／Ｗ０）＋０．８８}
    ×{（０．５×cos(α１−23.4)）＋cosα１}／{（０．５×cos(α０−23.4)）＋cosα０} （２）
    Ｕ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均日照時間
    Ｗ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均水蒸気量
    α１：太陽光集光用光学シートを使用する場所の緯度
    Ｕ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での日照時間
    Ｗ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での平均水蒸気量
    α０：実際に屋外曝露試験を実施した場所の緯度
    τuv(0)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τuv(Ｔ１)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τ０(0)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τ０(Ｔ１)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
  2. 基材中に紫外線吸収剤を含む樹脂製太陽光集光用光学シートの設計方法であって、
    メタルハライドランプ式耐候性試験（装置規格：ＪＴＭ Ｇ ０１：２０００、日本試験機工業会）による加速劣化試験において、
    Ｔ１時間の照射時間で試験した後の、４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域における平均透過率の低下が
    τuv(0)+τuv(Ｔ１)＞τ０(0)＋τ０(Ｔ１) （１）
    を満たし、かつ、上記波長領域で各波長毎に初期値からの透過率低下が１０％以下であるように基材中に含有させる紫外線吸収剤の量を決定することを特徴とする太陽光集光用光学シートの設計方法。
    ただし、
    Ｔ１＝１５０×２．５×Ｄ１／Ｄ０ （３）
    Ｄ１：太陽光集光用光学シートを使用する環境での平均直達日射量
    Ｄ０：実際に屋外曝露試験を実施した場所での平均直達日射量
    τuv(0)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τuv(Ｔ１)：本発明の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τ０(0)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験前の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
    τ０(Ｔ１)：紫外線吸収剤を含まない以外は本発明と同一の太陽光集光用光学シートの耐候性試験Ｔ１時間後の４００ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長領域での平均透過率
  3. 平均透過率の低下が初期値に対し７％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光集光用光学シートの設計方法。
  4. 基材がアクリル樹脂であり、紫外線吸収剤がベンゾトリアゾール系であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光集光用光学シートの設計方法。
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