JP5989036B2

JP5989036B2 - 太陽光の集光パネル

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Publication number: JP5989036B2
Application number: JP2014122348A
Authority: JP
Inventors: 石原　達己; 達己石原; 哲山佳; 重憲小出; 淳一小関
Original assignee: TOKUSHU GIKEN KINZOKU CO.,LTD.; Kyushu University NUC
Current assignee: TOKUSHU GIKEN KINZOKU CO.,LTD.; Kyushu University NUC
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: JP2016005299A

Description

本発明は、太陽光を採光して集光セルにて電気に変換すると共に、太陽光の赤外線を集光して熱変換することにより、太陽エネルギーを効率良く利用可能な集光パネルに関するものである。

太陽光を効率良く利用するために太陽光の追尾装置を備えた採光システムや太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池システム等の開発等が数多くなされている。

例えば太陽光を採光として利用するために太陽光の追尾装置を備えた採光装置の一例として、特開２０１３−１０４２６１号公報（以下、特許文献１と称する）がある。特許文献１の発明は、建物の屋上や屋根に設置されるトップライトと呼ばれる太陽光の採光装置において、トップライトを構成するドーム内に太陽光の追尾システムを備えた反射ミラーを設けて太陽光を追尾し太陽光に正対する効率的な採光装置を提供するものである。

また、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池システムの一例として、特開平１１−９７７２９号公報（以下、特許文献２と称する）がある。特許文献２の発明は、どのような向きのモジュール設置場所においても南向きと同様な発電特性を発揮する手段を提供するというものであり、集光系と太陽電池セルを有する複数個の集光セルで太陽電池モジュールを構成し、集光セルを構成する集光系の光軸がモジュールの主表面の法線方向と異なる向きをもつ集光セルが少なくとも１つ存在するように構成したり、集光セル同士を可動可能に構成して、太陽光に正対する時間を長くすることが可能で、発電効率や設置面積効率を高めることができる太陽電池モジュールを提供するものである。

而して、特許文献１は、太陽光の日照時間を効率良く採光に利用する方法として、太陽光の追尾装置を備えた採光装置であり、また、特許文献２は、集光セルの設置位置にかかわらず太陽光が集光セルに長時間にわたって入射するように構成した太陽電池モジュールで、発電用の集光セルの形状が発電効率を高めて太陽光エネルギーの有効利用を図る太陽電池モジュールを提供するものである。

然しながら、本発明は、太陽光を効率よくエネルギー変換することを目的として開発された太陽光の集光パネルに関するものであり、特許文献１、及び特許文献２の発明により開示された太陽光の追尾装置や、集光セルの形状により太陽光が集光セルに長時間にわたって入射するように構成して太陽エネルギーを有効利用すると云うだけのものではない。

太陽光の利用の形態として、太陽光エネルギーを上述の如く電気エネルギーに変換する太陽電池について考察してみた。即ち、太陽エネルギーは紫外線、可視光、赤外線等、波長の異なった光で構成されており、太陽電池は、太陽光エネルギーの内、その一部である可視光のみを変換して利用するものが大部分であり、それ以外の紫外線領域の光や赤外線の光については発電に利用されていないのが実情である。波長の短い紫外線領域の光は、エネルギーが高く、太陽発電セルの劣化を早めると云う問題があり、また、可視光よりも波長の長い赤外線領域の光は、太陽発電セルの温度を上昇させるとともに、太陽発電セルの出力低下を招いてしまう欠点があることが解ってきている。

斯して、本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、上述した太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と、熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させ、可視光は集光セルにて電気に変換して蓄電池に蓄電し、赤外線は熱として取り出すことにより、例えば集光熱ボイラー装置に蓄積可能で、太陽光エネルギーの波長帯を幅広く効率的に利用することのできる太陽光の集光パネルを提供するものである。

特開２０１３−１０４２６１号公報特開平１１−９７７２９号公報

本発明は、エネルギーが紫外線、可視光、赤外線と広い波長帯に分布している太陽光を効率よくエネルギーに変換することを目的として開発されたものである。本発明は、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線とに集光グリッド内で分けて夫々集光させ、可視光は集光セルにて電気に変換して蓄電池に蓄電し、赤外線は熱として取り出すことにより、例えば集光熱ボイラー装置に蓄積可能で、太陽光エネルギーの波長帯を幅広く効率的に利用することのできる太陽光の集光パネルを提供するものである。

上記の課題を解決するための請求項１による太陽光の集光パネルは、太陽光を集光する集光グリッドで構成される集光パネルであって、集光グリッドは中空形状の筐体を形成し、該筐体の上部入射光側に太陽光を集光するフレネルレンズを設置し、該筐体の中間部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみを反射するフィルター（以下、可視光のみ反射フィルター）を設け、該可視光のみ反射フィルターに対向する前記筐体の側壁には補正用プリズムレンズを介して集光セルを設置し、該集光セルは制御基板を介して夫々リード線にて蓄電池に接続され、フレネルレンズを介して集光された太陽光のうち可視光は可視光のみ反射フィルターにて反射した後補正用プリズムレンズを介して集光セルに入射して電気に変換され、該変換された電気は制御基板を介してリード線にて蓄電池に蓄電され、また前記可視光のみ反射フィルターの下部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有し可視光のみ反射フィルターと直交して設置された赤外線反射ミラーを設け、該赤外線反射ミラーに対向する前記筐体の側壁には補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口を設置し、該光ファイバー導入口を有する光ファイバーは集光熱ボイラー装置に内蔵された熱電変換器に接続され、フレネルレンズを介して集光された太陽光のうち可視光のみ反射フィルターを通過した赤外線は赤外線反射ミラーにて反射した後補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口に集光され、該光ファイバー導入口に集光された赤外線は光ファイバーを介して熱電変換器を内蔵した集光熱ボイラー装置に熱として蓄積されるよう構成されており、前記中空形状の筐体からなる集光グリッドは左右及び上下方向に複数個配列され集光パネル枠内に嵌着保持されて集光パネルを構成していることを特徴とする。

請求項２による太陽光の集光パネルは、請求項１において、前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて２つ以上の集光パネルを形成し、該集光パネルは建物の屋上や野外に設置され夜間や日没時及び台風等気象条件の悪い時には折り畳み又は折り畳んで収納可能に構成したことを特徴とする。

請求項３による太陽光の集光パネルは、請求項１または２において、前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて形成された集光パネルは太陽光に対して角度調整や回転機構を具備しており、該角度調整や回転機構を太陽光追尾装置にて回動操作することを特徴とする。

本発明は、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させ、可視光は集光セルにて電気に変換して蓄電池に蓄電し、赤外線は熱として取り出して集光熱ボイラー装置に蓄積することにより、太陽光エネルギーの波長帯を幅広く効率的に利用することのできる太陽光の集光パネルを提供可能にした。

また、本発明は、集光グリッドの中空筐体内にフレネルレンズ設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみ反射フィルターを設け、該可視光のみ反射フィルターの下部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラーを設ける構成により、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させる構成とし、該集光グリッドは左右及び上下方向に複数個配列して集光パネルを製作することにより、従来の集光パネルに比較して略半分の厚さに集光パネルを薄くして軽量化が図れるので、集光パネルの折り畳み機構や、太陽光に対する角度調整や回転機構動作用の駆動装置の動力を小さくすることが可能である。

本発明の実施形態を説明する斜視図である。図１のＡ−Ａ要部を説明する断面拡大図である。

本発明は、集光グリッドは中空形状の筐体を形成し、該筐体の上部入射光側に太陽光を集光するフレネルレンズを設置し、該筐体の中間部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみ反射フィルターを設け、該可視光のみ反射フィルターに対向する前記筐体の側壁には補正用プリズムレンズを介して集光セルを設置し、該集光セルは制御基板を介して夫々リード線にて蓄電池に接続されており、また前記可視光のみ反射フィルターの下部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラーを設け、該赤外線反射ミラーに対向する前記筐体の側壁には補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口を設置し、該光ファイバー導入口を有する光ファイバーは集光熱ボイラー装置に内蔵された熱電変換器に接続されており、前記集光グリッドを構成する中空形状の筐体は左右及び上下方向に複数個配列して集光パネル枠内に嵌着保持されてパネル形状板を構成している太陽光の集光パネルであることが好ましい。

また、本発明において、前記集光パネルを構成する集光グリッドは、夫々中空形状の筐体を形成し、該筐体の上部入射光側に太陽光を集光するフレネルレンズを設置し、該フレネルレンズを介して集光された太陽光は前記筐体の中間部に前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみ反射フィルターにて反射した後補正用プリズムレンズを介して集光セルに入射して電気に変換され、該変換された電気は制御基板を介してリード線にて蓄電池に蓄電され、また前記可視光のみ反射フィルターを通過した赤外線は可視光のみ反射フィルターの下部に前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラーにて反射集光した後補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口に集光され、該光ファイバー導入口に集光された赤外線は光ファイバーを介して熱電変換器を内蔵した集光熱ボイラー装置に熱として蓄積されるよう構成されている太陽光の集光パネルであることが好ましい。

更に、本発明は、前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて２つ以上の集光パネルを形成し、該集光パネルは建物の屋上や屋外に設置され夜間や日没時及び台風等気象条件の悪い時には折りたたみ又は収納可能に構成したものである。

そして、本発明において、前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて形成された集光パネルは、太陽光に対して角度調整や回転機構を具備しており、該角度調整や回転機構を太陽光追尾装置にて回動操作することのできる太陽光の集光パネルである。

斯して、本発明は、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させ、可視光は集光セルにて電気に変換して蓄電池に蓄電し、赤外線は熱として取り出して集光熱ボイラー装置に蓄積することにより、太陽光エネルギーの波長帯を幅広く効率的に利用することのできる太陽光の集光パネルを提供可能にした。

また、本発明は、集光グリッドの中空筐体内にフレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみ反射フィルターを設け、該可視光のみ反射フィルターの下部には前記フレネルレンズ設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラーを設ける構成により、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させる構成とし、該集光グリッドは左右及び上下方向に複数個配列して集光パネルを製作することにより、従来の集光パネルに比較して略半分の厚さに集光パネルを薄くして軽量化が図れるので、集光パネルの折り畳み機構や、太陽光に対する角度調整や回転機構動作用の駆動装置の動力を小さくすることが可能である。

図１は、本発明の実施形態を説明する斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ要部を説明する断面拡大図である。図１及び図２において、１は矢印ａ方向に折り畳み可能な集光パネル、１ａ、１ｂは夫々集光パネル枠２内に嵌着保持された集光パネル、該集光パネル１ａ、１ｂは、集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・の集合体にて構成されおり、該集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・により構成された集光パネル１ａ、１ｂは回転可能に構成された回転板４上に載置され、該回転板４上で太陽光に対する角度調整や太陽の方位や高度を追尾可能である。

また、前記集光パネル枠２内に嵌着保持された集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・の構成は、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光Ｐ１と熱変換しやすい赤外線Ｐ２に集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・内で分けて夫々集光させ、可視光Ｐ１は集光セル１９にて電気に変換してリード線５を介して蓄電池６に蓄電し、赤外線Ｐ２は熱として光ファイバー７を介して取り出すことにより、集光熱ボイラー装置８（図１に示す）に蓄積可能である。

而して、集光パネル１、１ａ、１ｂの構成については、主に図２において説明する。図２において、集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・は中空形状の筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・を形成し、該筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の側壁１０及び底部１１にはアルミカバー材１２が貼着されている。そして、筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の上部入射光側１３には太陽光を集光するフレネルレンズ１４を設置し、前記筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の中間部にはフレネルレンズ１４の設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみを反射可能な可視光反射フィルター１５を設け、該可視光反射フィルター１５に対向する前記筐体筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の側壁１０には補正用プリズムレンズ１６を介して集光セル１７を設置し、該集光セル１７は制御基板１８を介して夫々リード線５にて蓄電池６（図１に示す）に接続されている。

また前記可視光反射フィルター１５の下部１９には前記フレネルレンズ１４の設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラー２０を設け、該赤外線反射ミラー２０に対向する前記筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の側壁１０には補正用集光レンズ２１を介して光ファイバー導入口２２を設置し、該光ファイバー導入口２２を有する光ファイバー７は集光熱ボイラー装置８に内蔵された熱電変換器（図示せず）に接続されており、前記集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・を構成する中空形状の筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・は左右及び上下方向に複数個配列して集光パネル枠２内に嵌着保持されてパネル形状板を構成している太陽光の集光パネル１、１ａ、１ｂを提供するものである。

斯して、本発明における集光パネル１、１ａ、１ｂの動作は、前記集光パネル１、１ａ、１ｂを構成する集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・にて、夫々中空形状の筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・を形成し、該筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の上部入射光側１３に太陽光を集光するフレネルレンズ１４を設置し、該フレネルレンズ１４を介して集光された太陽光は前記筐体９ａ、９ｂ、９ｃ・・・の中間部に前記フレネルレンズ１４の設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光Ｐ１のみを反射可能な可視光反射フィルター１５にて反射した後、補正用プリズムレンズ１６を介して集光セル１７に入射して電気に変換され、該変換された電気は制御基板１８を介してリード線１９にて蓄電池６に蓄電される。

また、前記可視光反射フィルター１５を通過した赤外線Ｐ２は可視光のみを反射させる可視光反射フィルター１５の下部１９に前記フレネルレンズ１４の設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラー２０にて赤外線Ｐ２のみを反射集光した後、補正用集光レンズ２１を介して光ファイバー導入口２２に集光され、該光ファイバー導入口２２に集光された赤外線Ｐ２は光ファイバー７を介して熱電変換器（図示せず）を内蔵した集光熱ボイラー装置８に熱として蓄積されるよう構成されている太陽光の集光パネル１、１ａ、１ｂである。

更に、本発明は、前記集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・が集光パネル枠２内に嵌着保持されて２つ以上の集光パネル１ａ、１ｂを形成し、該集光パネル１ａ、１ｂは建物の屋上や屋外に設置され夜間や日没時及び台風等気象条件の悪い時には折りたたみ又は折り畳んで収納可能に構成している。

そして、本発明において、前記集光グリッド３ａ、３ｂ、３ｃ・・・が集光パネル枠２内に嵌着保持されて形成された集光パネル１ａ、１ｂは、太陽光に対して角度調整や回転機構を具備しており、該角度調整や回転機構を太陽光追尾装置にて回動操作することのできる太陽光の集光パネルである。

また、本発明は、集光グリッドの中空筐体内にフレネルレンズ設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光反射フィルターを設け、該可視光反射フィルターの下部には前記フレネルレンズ設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された赤外線反射ミラーを設ける構成により、太陽エネルギーを電気変換しやすい可視光と熱変換しやすい赤外線に集光グリッド内で分けて夫々集光させるものであり、本発明における前記集光グリッドは、この集光グリッドを左右及び上下方向に複数個配列して集光パネルを製作することにより、従来の集光パネルに比較して略半分の厚さに集光パネルに形成できるので、集光パネル自体を薄く構成して軽量化が図れるので、集光パネルの折り畳み機構や、太陽光に対する角度調整や回転機構動作用の駆動装置の動力を小さくすることが可能である。

１，１ａ、１ｂ集光パネル
２集光パネル枠
３ａ、３ｂ、３ｃ・・・集光グリッド
４回転板
５リード線
６蓄電池
７光ファイバー
８集光熱ボイラー装置
９ａ、９ｂ、９ｃ・・・筐体
１０側壁
１１底部
１２アルミカバー材
１３上部入射光側
１４フレネルレンズ
１５可視光反射フィルター
１６補正用プリズムレンズ
１７集光セル
１８制御基板
１９下部
２０赤外線反射ミラー
２１補正用集光レンズ
２２光ファイバー導入口
Ｐ１可視光
Ｐ２赤外線

Claims

太陽光を集光する集光グリッドで構成される集光パネルであって、集光グリッドは中空形状の筐体を形成し、該筐体の上部入射光側に太陽光を集光するフレネルレンズを設置し、該筐体の中間部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有して設置された可視光のみを反射するフィルター（以下、可視光のみ反射フィルター）を設け、該可視光のみ反射フィルターに対向する前記筐体の側壁には補正用プリズムレンズを介して集光セルを設置し、該集光セルは制御基板を介して夫々リード線にて蓄電池に接続され、フレネルレンズを介して集光された太陽光のうち可視光は可視光のみ反射フィルターにて反射した後補正用プリズムレンズを介して集光セルに入射して電気に変換され、該変換された電気は制御基板を介してリード線にて蓄電池に蓄電され、また前記可視光のみ反射フィルターの下部には前記フレネルレンズの設置面に対して４５度の傾斜角を有し可視光のみ反射フィルターと直交して設置された赤外線反射ミラーを設け、該赤外線反射ミラーに対向する前記筐体の側壁には補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口を設置し、該光ファイバー導入口を有する光ファイバーは集光熱ボイラー装置に内蔵された熱電変換器に接続され、フレネルレンズを介して集光された太陽光のうち可視光のみ反射フィルターを通過した赤外線は赤外線反射ミラーにて反射した後補正用集光レンズを介して光ファイバー導入口に集光され、該光ファイバー導入口に集光された赤外線は光ファイバーを介して熱電変換器を内蔵した集光熱ボイラー装置に熱として蓄積されるよう構成されており、前記中空形状の筐体からなる集光グリッドは左右及び上下方向に複数個配列され集光パネル枠内に嵌着保持されて集光パネルを構成していることを特徴とする太陽光の集光パネル。
前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて２つ以上の集光パネルを形成し、該集光パネルは建物の屋上や野外に設置され夜間や日没時及び台風等気象条件の悪い時には折り畳み又は折り畳んで収納可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の太陽光の集光パネル。
前記集光グリッドが集光パネル枠内に嵌着保持されて形成された集光パネルは太陽光に対して角度調整や回転機構を具備しており、該角度調整や回転機構を太陽光追尾装置にて回動操作することを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光の集光パネル。