JP6714706B2

JP6714706B2 - 太陽光発電用増幅器および太陽光発電システム

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Publication number: JP6714706B2
Application number: JP2018537940A
Authority: JP
Inventors: 徹金城
Original assignee: Kyoraku Industrial Co Ltd
Current assignee: Kyoraku Industrial Co Ltd
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: JPWO2018047285A1; WO2018047285A1

Description

本発明は、太陽光発電用増幅器、および、これを用いた太陽光発電システムに関する。

従来より、ナノダイヤモンド粒子は、磁気ディスクのガラス基板研磨等における研磨材として広く使用されているが、近年、ナノダイヤモンド半導体が有する自発電荷に着目した応用例が注目されている。例えば、特許文献１は、自発電荷を有する活性化エネルギーレベル０．８−２．０ｅＶを持つ結晶系ナノダイヤモンド半導体を太陽電池保護膜として使用する技術が開示されている。この太陽電池保護膜は、粒子サイズ３−８ｎｍのナノダイヤモンド半導体粒子の光散乱効果により光吸収能を増し、自発電荷により太陽電池表面の汚れ付着を防止して出力の経年劣化を防止すると共に、４００ｎｍ以下の紫外線波長帯域を０．５−２．０μｍの波長帯域に変換して光電気変換効率を向上させる。

また、特許文献２には、ナノダイヤモンド半導体粒子を繊維中に分散させた機能性繊維が開示されている。具体的には、室温付近で荷電粒子を発生させる活性化エネルギーレベルが０．１−１．０ｅＶであるナノダイヤモンド半導体粒子を用いることで、生体赤外線及び荷電粒子放射能の大きな繊維を作成する。半導体粒子は、繊維高分子結晶の間隙に浸透して擬似的に直列接続され、体温程度の加熱での励起で発生した粒子間の電位が積算されることによって、大きな起電力を発生し、生体効果を発揮する。

さらに、特許文献３には、紫外線吸収能および紫外線から赤外線に波長を変換する光エネルギー変換能を有するナノダイヤモンド半導体粒子を用いた有機機能性材料が開示されている。有機機能性材料は、０．２−１．０ｅＶの活性化エネルギーレベルを有するナノダイヤモンド半導体粒子を０．０００５ｗｔ％以上含む。

特開２０１４−２０３９８５号公報特開２０１１−０７４５５３号公報特開２０１１−１０６３５号公報

本発明の目的は、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の新規な電気的特性に着目した太陽光発電用増幅器および太陽光発電システムを提供することである。

かかる課題を解決すべく、第１の発明は、太陽光発電用増幅器を設けない場合と比較して、太陽光発電モジュールによって生成された電流を増大させる太陽光発電用増幅器を提供する。この増幅器は、コイル状に巻回された電線によって構成され、この電線は、導電体と、この導電体を流れる電流の遅延時間を短くするために、この導電体に当接または近接して配置され、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含む層とを有する。

第２の発明は、太陽光発電システムを提供する。このシステムは、太陽光発電モジュールと、インバータと、増幅器とを有する。太陽光発電モジュールは、光起電力効果を利用して光エネルギーを電力に変換する。インバータは、太陽光発電モジュールによって生成された直流電力を交流電力に変換する。増幅器は、太陽光発電モジュールとインバータとの間を接続するラインに設けられ、増幅器を設けない場合と比較して、太陽光発電モジュールによって生成された電流を増大させる。この増幅器は、コイル状に巻回された電線によって構成され、この電線は、導電体と、この導電体を流れる電流の遅延時間を短くするために、この導電体に当接または近接して配置され、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含む層とを有する。

ここで、第２の発明において、逆流防止ダイオード４を設けることが好ましい。この逆流防止ダイオードは、太陽光発電モジュールとインバータとの間を接続するラインに設けられている。ここで、逆流防止ダイオードが太陽光発電モジュールの正極に接続されたプラスラインに設けられている場合、増幅器は、プラスラインにおける逆流防止ダイオードのアノード側、または、太陽光発電モジュールの負極に接続されたマイナスラインに設けることが好ましい。また、逆流防止ダイオードがマイナスラインに設けられている場合、増幅器は、マイナスラインにおける逆流防止ダイオードのアノード側、または、プラスラインに設けることが好ましい。

また、第１および第２の発明において、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子は、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有することが好ましく、より好ましくは、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の活性化エネルギーレベルが０．３ｅＶ以上０．７ｅＶ以下である。

本発明者が鋭意研究を重ねた結果、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を電気が流れる導線に当接または近づけることで、導線中を流れる自由電子が加速（倍増）する現象を見出だすに至った。第１および第２の発明によれば、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の新規な電気的特性を活用することで、太陽光発電用増幅器を設けない場合と比較して、太陽光発電モジュールによって生成された電流を有効に増大させることができる。

太陽光発電システムの回路図太陽光発電システムの他の例を示す回路図増幅器の構成図第１の実施例に係る電線の構成図第２の実施例に係る電線の構成図遅延時間の特性を示す比較図波形レベルの各ラインを示す図電線の製造方法の説明図太陽光発電の計測電流の試験結果を示す表

図１は、本実施形態に係る太陽光発電システムの回路図である。この太陽光発電システム１は、太陽光発電モジュール２と、インバータ３と、逆流防止ダイオード４と、増幅器５とを主体に構成されている。太陽光発電モジュール２は、光起電力効果を利用して、太陽光の光エネルギーを電力に変換する。太陽光発電モジュール２としては、一般的な化合物半導体系素子型（多接合素子など）を含めて、どのようなタイプを用いてもよい。また、本実施形態では、複数の太陽光発電モジュール２を直接に接続した構成を示しているが、太陽光発電モジュール２は一つであってもよい。インバータ３は、太陽光発電モジュール２によって生成された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を外部に出力する。太陽光発電モジュール２およびインバータ３は、プラスライン６およびマイナスライン７によって接続されており、これによって、一つの閉回路が形成されている。

プラスライン６は、太陽光発電モジュール２の正極に接続されており、太陽光発電モジュール２からインバータ３に向かって電流が流れる。このプラスライン６には、サージ電流から太陽光発電モジュール２を保護すべく、ショットキーバリアダイオード等の逆流防止ダイオード４が設けられている。また、マイナスライン７は、太陽光発電モジュール２の負極に接続されており、インバータ３から太陽光発電モジュール２に向かって電流が流れる。このマイナスライン７には、増幅器５が設けられている。後述するように、太陽光発電モジュール２およびインバータ３を含む閉回路中に増幅器５を設けることによって、太陽光発電モジュールによって生成された直流電力を増大させる（電圧不変で電流を増幅させる）。逆流防止ダイオード４がプラスライン６に設けられている場合、増幅器５の設置位置は、プラスライン６における逆流防止ダイオード４のカソード側を除く位置、すなわち、マイナスライン７、または、プラスライン６における逆流防止ダイオード４のアノード側とすることが好ましい。発明者が行った実験によれば、これらの位置に増幅器５を設けた場合、プラスライン６における逆流防止ダイオード４のカソード側に設けた場合と比較して、増幅器５による電流の増幅率が大きくなるとの結果を得た。このことから、ダイオードの整流作用と、増幅器５による電流の増幅作用との間には相関があり、ダイオードによって整流されていない電流の方が、電流の増幅率が高いことが理解できる。

図２は、太陽光発電システム１の他の例を示す回路図である。この例では、マイナスライン７に逆流防止ダイオード４、プラスライン６に増幅器５がそれぞれ設けられている。逆流防止ダイオード４がマイナスライン７に設けられている場合、増幅器５の設置位置は、マイナスライン７における逆流防止ダイオード４のカソード側を除く位置、すなわち、プラスライン６、または、マイナスライン７における逆流防止ダイオード４のアノード側とすることが好ましい。発明者が行った実験によれば、これらの位置に増幅器５を設けた場合、マイナスライン７における逆流防止ダイオード４のカソード側に設けた場合と比較して、増幅器５による電流の増幅率が大きくとの結果を得た。なお、それ以外の点については図１の構成と同様なので、同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る増幅器５の構成図である。この増幅器５は、箱状の筐体８と、一対のコネクタ９と、一対の配線１０と、コイル１１とを主体に構成されている。一対のコネクタ９は、筐体８の壁部に設けられており、上述したプラスライン６（またはマイナスライン７）の入力端子および出力端子がそれぞれ接続される。コイル１１は、筐体８の内部に収容されており、その一端は配線１０を介して一方のコネクタ９に接続されていると共に、その他端は配線１０を介して他方のコネクタ９に接続されている。このコイル１１は、以下に述べる特殊な電線１２をコイル状に巻回したものである。

図４は、第１の実施例に係る電線１２の構成図である。この電線１２は、電気が流れる導電体である導線１２ａと、この導線１２ａの周囲を直接覆う電子加速層１２ｂとによって構成されている。電子加速層１２ｂは、絶縁性を有すると共に、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含んでいる。結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子は、火薬の爆発エネルギー等によって細かく粉砕することによって生成される。また、この結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子は、自発電荷を有している。

本実施形態では、結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子として、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有するものを用いる。このサイズの粒子は以下のような特徴を有している。第１に、表面炭素ＳＰ２層が薄くなるため、励起荷電粒子の発生効率が良く、配合量が少なくて済む。第２に、自発分極をもち自発電荷による性能が大きい。第３に、自発電荷の活性化エネルギーレベルが０．３ｅＶ以上０．７ｅＶ以下を有し、励起された荷電粒子が多く発生する。第４に、サッカーボール状で励起電子による接触抵抗の低下機能を有する。電子加速層１２ｂは、以上のような結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の特性を生かして、帯電による電気反発力を利用することによって、導線１２ａを流れる自由電子を加速させる。

図５は、第２の実施例に係る電線１２の構成図である。この電線１２では、電気が流れる導電体である導線１２ａと、図４と同様の電子加速層１２ｂとの間に、絶縁層１２ｃが設けられている。この場合、電子加速層１２ｂは導線１２ａと当接することなく近接、すなわち、絶縁層１２ｃの膜厚分だけ離れて配置されることになる。なお、図４および図５に示した電線１２では、その全周に亘って電子加速層１２ｂが設けられているが、周囲の一部だけに電子加速層１２ｂを設けてもよい。

図６は、入力波に対する出力波の遅延時間を示す比較図である。径０．１ｍｍ、線長１ｍ、抵抗５０Ωのワイヤーを使用し、１００ｋＨｚの周波数を印加する。同図左側は電子加速層にて被覆されていないバルク電線（導線そのもの）、同図中央は第１の実施例に係る電線１２、同図右側は第２の実施例に係る電線１２の特性をそれぞれ示している。波形レベルの１０％ライン（図７参照）の遅延時間はいずれも８．８ｎｓｅｃであるが、５０％ラインおよび９０％ラインの遅延時間（位相ズレ）は、バルク電線、電線１、電線２の順に短くなっている。この比較結果から、（１）自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子によって、導線中を流れる自由電子が加速（倍増）していること、および、（２）この電子加速性は、電子加速層１２ｂを導線１２ａに当接させた導線１２よりも、電子加速層１２ｂを導線１２ａに近接して配置した導線１２の方が優れていることが理解できる。

図８は、電線１２の製造方法の説明図である。第１のロール１３から線出しされた導線１２ａは、所定の経路経て、第２のロール１４にて巻き取られる。この経路中には、アニール工程と、含浸工程と、焼成工程とが介在する。まず、アニール工程では、加熱器１５によって、導線１２ａが所定の温度に加熱される。つぎに、含浸工程では、加熱された導線１２ａの周囲に、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含有した絶縁性の被覆剤が塗布される。この被覆剤は、液状のウレタン樹脂に結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を所定の混合比で加え、シェーカや超音波による分散工程を経て生成される。そして、被覆剤が貯留された貯留槽１６に導線１２ａを浸すことによって、被覆剤の塗布が行われる。その後、焼成装置１７によって、被覆剤が塗布された導線１２ａが所定の温度で所定の時間だけ加熱され、焼成される。これらの含浸工程および焼成工程は、所定の膜厚の電子加速層１２ｂが得られるように、所定の回数だけ繰り返される。これにより、導線１２ａの周囲に、導線中１２ａを流れる自由電子を加速させる電子加速層１２ｂを形成される。最後に、導線１２ａの周囲に電子加速層１２ｂが形成された電線１２が第２のロール１４にて巻き取られる。以上のような製造方法によれば、導線１２ａおよび電子加速層１２ｂよりなる電線１２を効率的に製造できる。

図９は、太陽光発電の計測電流の試験結果を示す表である。本試験は、平成２８年８月４日、株式会社ダックスのパレストソーラー武雄発電所にて行われ、同一条件下で、既存の太陽光発電施設（増幅器５の未施工回路）で計測された電流値と、これと同一施設に増幅器５を設置したもの（増幅器５の施工回路）で計測された電流値とを比較したものである（単位：アンペア）。１３時１０分から１４時３０分までの時間帯において、電流の計測を合計１８回行った（ｔ1〜ｔ18）。この試験結果から、増幅器５を設けることにより、これを設けない場合と比較して、電流値が１０％強増大していることが理解できる。

このように、本実施形態によれば、太陽光発電モジュール２によって生成された電流を有効に増大させることができる。これは、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を電気が流れる導線１２ａに当接または近づけることで、導線１２ａ中を流れる自由電子が加速（倍増）する現象を新規に見出だしたことに基づくものである。増幅器５による電流増幅の機序については定かではないが、コイル１１を内蔵した増幅器５が一種のローパスフィルタとして機能し、太陽光発電モジュール２より出力された電流に含まれる高周波成分を低周波成分のエネルギーに変換していることに由来するのではないかと考えられる。

なお、上述した実施形態では、増幅器５を太陽光発電モジュール２等とは別のユニットとして構成しているが、これは、既存の太陽光発電施設に増幅器５を簡単に外付けできるようにするためである。よって、そのような必要性がないのであれば、増幅器５を別ユニットではなく、太陽光発電モジュール２等と一体で構成してもよい。

本発明は、太陽光発電モジュールによって生成された電流を増大させる用途に広く適用できる。

１太陽光発電システム
２太陽光発電モジュール
３インバータ
４逆流防止ダイオード
５増幅器
６プラスライン
７マイナスライン
８筐体
９コネクタ
１０配線
１１コイル
１２電線
１２ａ導線
１２ｂ電子加速層
１２ｃ絶縁層
１３，１４ロール
１５加熱器
１６貯留槽
１７焼成装置

Claims

太陽光発電用増幅器を設けない場合と比較して、太陽光発電モジュールによって生成された電流を増大させる太陽光発電用増幅器において、
コイル状に巻回された電線によって構成され、
前記電線は、
導電体と、
前記導電体を流れる電流の遅延時間を短くするために、前記導電体に当接または近接して配置され、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含む層と
を有することを特徴とする太陽光発電用増幅器。
前記結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子は、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有することを特徴とする請求項１に記載された太陽光発電用増幅器。
前記結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の活性化エネルギーレベルは、０．３ｅＶ以上０．７ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２に記載された太陽光発電用増幅器。
太陽光発電システムにおいて、
光起電力効果を利用して光エネルギーを電力に変換する太陽光発電モジュールと、
前記太陽光発電モジュールによって生成された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記太陽光発電モジュールと前記インバータとの間を接続するラインに設けられ、増幅器を設けない場合と比較して、太陽光発電モジュールによって生成された電流を増大させる増幅器とを有し、
前記増幅器は、
コイル状に巻回された電線によって構成され、
前記電線は、
導電体と、
前記導電体を流れる電流の遅延時間を短くするために、前記導電体に当接または近接して配置され、自発電荷を有する結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子を含む層と
を有することを特徴とする太陽光発電システム。
前記太陽光発電モジュールと前記インバータとの間を接続するラインに設けられた逆流防止ダイオードをさらに有することを特徴とする請求項４に記載された太陽光発電システム。
前記増幅器は、
前記逆流防止ダイオードが前記太陽光発電モジュールの正極に接続されたプラスラインに設けられている場合、前記プラスラインにおける前記逆流防止ダイオードのアノード側または前記太陽光発電モジュールの負極に接続されたマイナスラインに設けられ、
前記逆流防止ダイオードが前記マイナスラインに設けられている場合、前記マイナスラインにおける前記逆流防止ダイオードのアノード側または前記プラスラインに設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載された太陽光発電システム。
前記結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子は、３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載された太陽光発電システム。
前記結晶系ナノダイヤモンド半導体粒子の活性化エネルギーレベルは、０．３ｅＶ以上０．７ｅＶ以下であることを特徴とする請求項７に記載された太陽光発電システム。