JP5760788B2 - 集光型太陽光発電装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、柱状光学部材(ホモジナイザー)及びその下端面に対向する太陽電池セルを覆う封止樹脂(封止材)として、10重量%以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いた集光型太陽光発電ユニットが開示されている。
同文献には、
(a)封止樹脂として10重量%以上のフッ素化シリコーン樹脂を含む材料を用いると、フッ素化シリコーン樹脂の水蒸気低透過性によって水蒸気の侵入が抑制される点、及び、
(b)ホモジナイザーの側面に、厚さが数十nm〜20nm程度のフッ素樹脂(屈折率1.34)からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
同文献には、
(a)遮光部材によって透明樹脂の光劣化が抑制されるので、侵入する水分に起因する太陽電池の劣化が抑制される点、及び、
(b)ホモジナイザーの側面に、厚さが数十nm〜20nm程度のフッ素樹脂(屈折率1.34)からなり、保護部材又は撥水膜として機能する薄膜を形成しても良い点、
が記載されている。
同文献には、ホモジナイザーの表面にフッ素樹脂製の薄膜を形成すると、ホモジナイザー表面への水分の付着を抑制できる点、及び、これによってホモジナイザーからのNaの溶出を抑制できる点が記載されている。
同文献には、ホモジナイザー表面にテクスチャリング加工を施すことによって、太陽電池セルの受光面における太陽光の照度のムラが抑制される点が記載されている。
一方、ホモジナイザーの形状が、太陽電池セル側の断面積が小さい錐台状である場合、反射を繰り返す毎に光の入射角(反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角)が小さくなる。そのため、ホモジナイザーの下側の側面を高屈折率材料で封止すると、ホモジナイザーの下側の側面近傍では、入射角が臨界角以下になる確率(すなわち、光が漏れる確率)が高くなる。
この問題を解決するために、封止材として、屈折率が相対的に小さな材料を用いることも考えられる。しかしながら、低屈折率で、かつ耐熱性及び耐候性に優れた材料は、知られていない。
(1)前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が0.9以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
(2)前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が180°の対称性を持つ。
(3)前記集光型太陽光発電装置は、次の(a)式及び(b)式を満たす。
θmax/tan-1(2B/(A−C))≧0.26 ・・・(a)
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ、
Aは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Cは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
h/2≦H≦B/2 ・・・(b)
但し、Hは、前記鏡面反射層の高さ、
hは、前記封止材の高さ、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ。
(4)前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さHまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の25%以上を被覆している。
[1. 集光型太陽光発電装置]
図1に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の概略断面図を示す。図1において、集光型太陽光発電装置10は、集光装置12と、太陽電池セル14と、ホモジナイザー16と、封止材18と、鏡面反射層20とを備えている。
集光装置12は、太陽光を集光し、集光された太陽光を太陽電池セル14に照射するためのもの(一次光学系)である。集光には、フレネルレンズのような集光レンズを使う方式と、凹面鏡のような集光反射鏡を使う方式が知られている。本発明においては、いずれの方式を用いても良い。
図1に示す例において、集光装置12は、集光レンズからなる。集光レンズは、塵埃や汚れに強い、耐久性に優れる、放熱が容易である、等の利点がある。集光装置12は、図示しない支持手段を用いて、太陽電池セル14の上方に固定されている。
太陽電池セル14は、照射された光を電力に変換するためのセルである。本発明において、太陽電池セル14の構造や、これを構成する材料は、特に限定されるものではなく、種々の構造及び材料からなるセルを用いることができる。
太陽電池セルは、一般に、裏面電極、光起電力効果を奏する半導体層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。半導体層の表面には、反射防止膜が形成される場合もある。半導体層としては、例えば、結晶シリコン、InGaP/InGaAs/Geに代表されるIII-V族化合物半導体などが知られている。
(a)ガラス繊維、アルミナ粉などが分散した樹脂材料、
(b)アルミナなどの高熱伝導率のセラミックス、
などがある。
ホモジナイザー(二次光学系)16は、集光装置12により集光された太陽光を太陽電池セル14に導くためのものである。また、ホモジナイザー16は、導かれた光を側面で繰り返し全反射させることにより、光のエネルギーを均一化させるためのものでもある。ホモジナイザー16は、その下端面が太陽電池セル14に対向するように、太陽電池セル14の真上位置に立設される。
本発明において、ホモジナイザー16は、集光装置12側の断面積が太陽電池セル14側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が180°の対称性を持つものからなる。ホモジナイザー16の断面の形状としては、具体的には、円形、四角形、六角形、八角形などがある。本発明において、ホモジナイザー16の側面の角度(又は、ホモジナイザー16が錐であると仮定したときの頂角)は、所定の条件を満たしている必要がある。この点については、後述する。
集光型太陽光発電装置10は、太陽光を集光装置12で曲げるため、太陽電池セル14を常に太陽の方向に正確に向けておく必要がある。そのため、集光型太陽光発電装置10は、一般に、太陽電池セル14を太陽の方向に向けるための追尾装置を備えている。しかしながら、ホモジナイザー16の形状が柱状である場合、追尾ズレが生じたときに変換効率が著しく低下する。これに対し、ホモジナイザー16の形状を錐台状とすると、僅かな追尾ズレが生じても変換効率が大きく低下しないという利点がある。
ホモジナイザー16には、光透過性の高い材料が用いられる。ホモジナイザー16の材料としては、例えば、
(a)ほう珪酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラスなどのナトリウム含有ガラス、
(b)アルミノケイ酸ガラス、ソーダカリバリウムガラス、
などがある。特に、ナトリウム含有ガラスは、安価で加工が容易であるため、ホモジナイザー16の材料として好適である。
ホモジナイザー16の周囲には、後述する鏡面反射層20以外に、必要に応じて各種の膜が形成されていても良い。
例えば、ホモジナイザー16の上端面(光の入射面)には、反射防止膜が形成されていても良い。反射防止膜としては、例えば、
(a)アルミナとチタニアの多層構造からなるTiO2/Al2O3反射防止膜、
(b)フッ化マグネシウム層やフッ化カルシウム層からなる反射防止膜、
などがある。
保護膜には、透光性が高く、かつ、耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。保護膜の材料としては、例えば、ゲル状のシリコーン樹脂、アクリル樹脂フィルム、などがある。
集光型太陽光発電装置10は、集光倍率とホモジナイザー形状に関し、次の(a)式を満たしている必要がある。
θmax/tan-1(2B/(A−C))≧0.26 ・・・(a)
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ、
Aは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Cは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
また、「tan-1(2B/(A−C))」は、ホモジナイザー16の光の反射面とホモジナイザー16の中心軸(上端面の中心を通る垂線)とのなす角、すなわちホモジナイザー16の反射面の傾き角を表し、ホモジナイザー16を錐と仮定したときの、頂角の2分の1の角度に相当する。
「上端面の長さA」とは、ホモジナイザー16が円であるときは、上端面の直径を表し、ホモジナイザー16が180°の対称性を持つ多角形であるときは、対向する面間の距離を表す。この点は、「下端面の長さC」も同様である。
一般に、ホモジナイザー16の反射面の傾き角に対して、最大入射角θmaxが大きいとき(すなわち、集光倍率が相対的に大きいとき)は、ホモジナイザー16の下側の側面において光の入射角が臨界角以下になる確率が高くなる。そのため、集光倍率が相対的に高い集光型太陽光発電装置10に対して本発明を適用すると、高い効果が得られる。
このような効果を得るためには、θmax/tan-1(2B/(A−C))は、0.26以上である必要がある。θmax/tan-1(2B/(A−C))は、さらに好ましくは、0.41以上である。
封止材18は、ホモジナイザー16の下側の側面及び太陽電池セル14の露出部分を覆うためのものである。封止材18は、太陽電池セル14への水の侵入を長期間に渡って防止する必要があるため、耐熱性及び耐候性の高い材料を用いる必要がある。封止材18の材料としては、例えば、
(a)微粉ガラス入りシリコン樹脂、
(b)高い熱伝導性及び光反射性を有する白色かつ不透明の無機材料粉末(例えば、炭酸カルシウム、酸化チタン、高純度アルミナ、高純度酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムなど)を充填した自己接着性RTVゴム、
(c)(b)の材料に、さらに10重量%以上のフッ素化シリコン樹脂を添加した材料、
(d)エポキシ樹脂、
などがある。
[1.5.1. 鏡面反射層の材料]
鏡面反射層20は、ホモジナイザー16の下側の側面からの光の透過を防止するためのものであり、封止材18とホモジナイザー16との間に設けられている。換言すれば、鏡面反射層20は、ホモジナイザー16の下側の側面に設けられている。
集光装置12からホモジナイザー16に入射した光は、ホモジナイザー16の側面で全反射を繰り返しながら、太陽電池セル14に達する。しかしながら、ホモジナイザー16の形状が錐台状である場合、ホモジナイザー16の側面で反射を繰り返す毎に、光の入射角が小さくなる。その結果、ホモジナイザー16の下側の側面では、光の入射角が臨界角以下となり、ホモジナイザー16の外側に光が透過する確率が高くなる。鏡面反射層20は、入射角が臨界角以下となった光を鏡面反射させるためのものである。
鏡面反射層20の構造は、特に限定されるものではなく、ホモジナイザー16の内面において、光を鏡面反射できるものであればよい。
鏡面反射層20としては、具体的には、
(1)ホモジナイザー16の表面に形成された薄膜であって、薄膜全体が高反射率材料からなるもの(鏡面反射膜)、
(2)ホモジナイザー16の表面に接触又は貼り付けられた板であって、板全体が高反射率材料からなるもの(鏡面反射板)、
(2)ホモジナイザー16の表面に接触又は貼り付けられた板であって、ホモジナイザー16と接する板の表面に高反射率材料からなる薄膜が形成されたもの(鏡面反射板)、
などがある。
集光型太陽光発電装置10は、鏡面反射層20の高さHに関し、次の(b)式を満たしている必要がある。
h/2≦H≦B/2 ・・・(b)
但し、Hは、前記鏡面反射層の高さ、
hは、前記封止材の高さ、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ。
ここで、「封止材18の高さh」とは、図1に示すように、ホモジナイザー16の下面から封止材18の上面までの長さをいう。封止材18の高さが均一でないときは、「封止材18の高さh」とは、鏡面反射層18との界面における値をいう。
これに対し、ホモジナイザー16の下側の側面を鏡面反射層20で被覆すると、全反射の条件を満たさなくなった光を鏡面反射させることができる。高い変換効率を得るためには、鏡面反射層20の高さHは、h/2以上である必要がある。鏡面反射層20の高さHは、さらに好ましくは、h以上である。
鏡面反射層20は、ホモジナイザー16の下端から高さHまでの領域にあるホモジナイザー16の側面の全部を被覆しているのが好ましいが、一部を被覆しているだけでも良い。一般に、鏡面反射層20によるホモジナイザー16の側面の被覆率が大きくなるほど、高い効率が得られる。ここで、「被覆率」とは、ホモジナイザー16の下端から高さHまでの領域にあるホモジナイザー16の側面の全面積(S0)に対する鏡面反射層20が形成されている領域の面積(S1)の割合(=S1×100/S0(%))をいう。
高い効率を得るためには、被覆率は、25%以上である必要がある。被覆率は、さらに好ましくは、50%以上、さらに好ましくは、75%以上、さらに好ましくは、90%以上である。
ホモジナイザー16の表面に、直接、鏡面反射膜を形成する場合、鏡面反射膜の製造方法としては、例えば、蒸着法、スパッタ法、メッキ法などがある。適当な基板表面に鏡面反射膜を形成する場合も同様である。
また、鏡面反射層20が鏡面反射板である場合、ホモジナイザー16の表面に鏡面反射板を密着させるだけでも良く、あるいは、ホモジナイザー16の表面に適当な接着剤を用いて鏡面反射板を貼り付けても良い。この場合、接着剤には、透明シリコーンを用いるのが好ましい。
さらに、集光装置12を基板22又は基板22が固定された枠に固定すると、本発明に係る集光型太陽光発電装置10が得られる。
錐台状のホモジナイザー16と封止材18が直接、接する状態の場合、ホモジナイザー16に入ってきた光の一部がホモジナイザー16と封止材18の界面から外部に漏れだし、太陽電池セル14の発電効率が低下していた。
これは、ホモジナイザー16の屈折率nhと封止材18の屈折率nfとの関係から説明できる。すなわち、スネルの法則により、光が全反射する条件は、
sinθ=nf/nh
と表せる。ここで、θは、光の入射角(反射面の法線方向と光の入射方向とのなす角)である。
例えば、nhが1.6である場合において、nfが1.5であるときには、θ=69.6°となる。また、nhが1.6である場合において、nfが1.3であるときには、θ=54.3°となる。すなわち、ホモジナイザー16の屈折率nhと、ホモジナイザー16と接する物質(空気や封止材18)の屈折率の差が大きいほど、スネルの法則によりホモジナイザー16内で光が全反射する確率が高くなり、発電効率が向上する。
ホモジナイザー16を錐と仮定したときの錐の頂角をαとし、光がk回目及び(k+1)回目の反射をするときの入射角を、それぞれ、θk及びθk+1とすると、これらの間には、θk+1=θk−αの関係がある。
そのため、ホモジナイザー16の下側の側面を高屈折材料からなる封止材18で封止すると、封止材18近傍での光の入射角θnが光の全反射の臨界角より小さくなり、光が封止材18側へ漏れる場合がある。また、これによって、太陽電池セル14に到達する光が減少し、発電効率が低下する。一方、これを避けるために封止材18として低屈折率材料を用いると、封止材18の耐候性が低下し、太陽電池セル14が劣化しやすくなる。
[1. 装置の作製]
図1に示す構造を備えた集光型太陽光発電装置10を作製した。ホモジナイザー16には、屈折率nhが1.6であるナトリウム含有ガラスを用いた。封止材18には、屈折率nfが1.5である微粉ガラス入りシリコン樹脂を用いた。鏡面反射層20には、スパッタ法により形成されたAg膜を用いた。Ag膜の反射率は、0.98であった。
ホモジナイザー16の形状は、反射面の傾き角の異なる6種類の形状とし、集光装置12の集光倍率(すなわち、最大入射角θmax)は、一定とした。
ホモジナイザー16の高さBは、封止材18の厚さの5倍とした。鏡面反射層20の高さHは、封止材18の高さhの0倍〜4倍とした。さらに、太陽電池セル14の個数は、合計250個とした。
ホモジナイザー16に約60SUNの光を当て、各太陽電池セル14毎に、その時の発電効率を測定した。さらに、発電効率の平均値から相対効率を算出した。
ここで、「相対効率」とは、鏡面反射層20の高さHがゼロであるときの平均発電効率(η0)に対する、鏡面反射層20の高さHが所定の値であるときの平均発電効率(ηH)の比(=ηH/η0)をいう。
[3.1. 相対効率]
図2に、鏡面反射層20の高さHと相対効率との関係を示す。また、図3に、θmax/tan-1(2B/(A−C))と、H=hのときの相対効率との関係を示す。
図2及び図3より、以下のことがわかる。
(1)鏡面反射層20の高さHが大きくなるほど、相対効率が向上する。
(2)鏡面反射層20の高さHが2hを超えると、相対効率は徐々に低下する。特に、θmax/tan-1(2B/(A−C))が0.26未満である場合において、鏡面反射層20の高さHがB/2を超えると、相対効率は、1未満となる。これは、ホモジナイザー16の下端の側面からの光の漏れよりも、鏡面反射層20による光の吸収の方が大きくなるためと考えられる。
(3)鏡面反射層20による効果は、θmax/tan-1(2B/(A−C))が0.41以上のときにおいて、顕著に現れる。これは、相対的な集光倍率がある一定値を超えると光が漏れやすくなり、ロスが大きくなるが、鏡面反射層20を設けることによって、光の漏れを低減できるためである。
[1. 装置の作製]
スパッタ法によりホモジナイザー16表面に、Ag膜又はAl膜からなる鏡面反射層20を成膜した。また、鏡面反射層20の高さHは、封止材18の高さhの0倍〜3倍とした。その他の点は、実施例1と同様にして、集光型太陽光発電装置を作製した。成膜直後のAg膜の反射率は、0.98であり、Al膜の反射率は、0.95であった。また、反射率の低いAl膜は、成膜直後のAl膜(反射率:0.95)の表面を研磨することにより作製した。
[2. 試験方法]
実施例1と同様の手順に従い、相対効率を算出した。
図4に鏡面反射層高さHと相対効率との関係を示す。図4より、以下のことがわかる。
(1)鏡面反射層としてAg膜を用いた場合、及びAl膜を用いた場合のいずれも、鏡面反射層20の高さHがhの時に、相対効率が最大となる。
(2)Al膜に比べて、Ag膜の方が相対効率が高い。これは、Agの各波長ごとの反射率がAlとは異なるためである。
(3)鏡面反射層の反射率が0.90未満になると、相対効率が著しく低下する。
12 集光装置(一次光学系)
14 太陽電池セル
16 ホモジナイザー(二次光学系)
18 封止材
20 鏡面反射層
Claims (3)
- 以下の構成を備えた集光型太陽光発電装置。
(1)前記集光型太陽光発電装置は、
太陽光を集光するための集光装置と、
太陽電池セルと、
下端面が前記太陽電池セルに対向するように前記太陽電池セルの真上位置に立設され、前記集光装置により集光された太陽光を前記太陽電池セルへ導くためのホモジナイザーと、
前記ホモジナイザーの下側の側面及び前記太陽電池セルを覆う封止材と、
光の反射率が0.9以上である材料からなり、前記ホモジナイザーの下側の側面を覆う鏡面反射層と
を備えている。
(2)前記ホモジナイザーは、前記集光装置側の断面積が前記太陽電池セル側の断面積より大きい錐台形状を有し、中心軸に対して垂直な断面が180°の対称性を持つ。
(3)前記集光型太陽光発電装置は、次の(a)式及び(b’)式を満たす。
θmax/tan-1(2B/(A−C))≧0.26 ・・・(a)
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ、
Aは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Cは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。
h≦H≦2B/5 ・・・(b’)
但し、Hは、前記鏡面反射層の高さ、
hは、前記封止材の高さ、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ。
(4)前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さHまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の25%以上を被覆している。 - 次の(a')式を満たす請求項1に記載の集光型太陽光発電装置。
θmax/tan-1(2B/(A−C))≧0.41 ・・・(a')
但し、θmaxは、前記集光装置から前記ホモジナイザーに照射される光の最大入射角、
Bは、前記ホモジナイザーの高さ、
Aは、前記ホモジナイザーの上端面の長さ、
Cは、前記ホモジナイザーの下端面の長さ。 - 前記鏡面反射層は、前記ホモジナイザーの下端から高さHまでの領域にある前記ホモジナイザーの側面の90%以上を被覆している請求項1又は2に記載の集光型太陽光発電装置。
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