JP6734216B2 - 光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、光エネルギーを電力に変換する光発電装置に関する。

従来の太陽光発電では、一日のうちの限られた時間帯（日中）しか稼働せず、また、天気や季節によっても発電効率が大きく変動する。そのため、現状、太陽光発電はベース電源、すなわち、年間を通して一定量の電力を供給する電源として適さない。また、従来の屋内光発電は、電力変換効率が低いため実用性が低いという課題がある。

特許文献１には、低照度域から高照度域までの広い範囲にわたって、太陽光エネルギーを有効に利用し得る充電装置が開示されている。この充電装置は、太陽電池の発電エネルギーを変換して出力する電力変換機能と、太陽電池の発電エネルギーを無変換で出力するスイッチ機能とを有し、太陽電池の受ける照度に応じて、これらの機能を切り替える。すなわち、低照度時には、スイッチ機能に切り替えて電力変換機能を停止させる。これにより、電力変換に伴う損失や電力消費が殆ど生じないので、電力消費を節約した状態で蓄電素子を充電できる。一方、高照度時は、電力変換機能に切り替える。これにより、太陽電池の出力電力が最大になるように、効率よく充電を行うことができる。

特開平１１−４６４５７号公報

本発明の目的は、光発電装置の稼働率を高めることである。

かかる課題を解決すべく、本発明は、第１の光発電モジュールと、第２の光発電モジュールと、切替機構とを有する光発電装置を提供する。第１の発電モジュールは、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。第２の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と共に、光電変換特性が第１の光発電モジュールとは異なる。切替機構は、外光の入射先として、第１の光発電モジュールと第２の光発電モジュールとを切り替える。この切替機構は、第１の光発電モジュールに外光を導く第１の光路と、第２の光発電モジュールに外光を導く第２の光路とを切り替える光学部材と、光学部材を変位させる駆動機構とを有する。

ここで、本発明において、上記第２の光発電モジュールは、有機半導体系素子または色素増感系素子よりなることが好ましい。また、本発明において、波長変換フィルムをさらに設けてもよい。この波長変換フィルムは、第２の光発電モジュールに外光を導く光路中に設けられ、第２の光発電モジュールの利用波長域に適合した波長に外光を変換する。さらに、本発明において、外光の照度、波長またはスペクトルを検出する外光センサをさらに設けてもよい。この場合、上記切替機構は、外光センサによって検出された照度、波長またはスペクトルに応じて、第１の光発電モジュールと第２の光発電モジュールとを切り替える。

本発明によれば、光電変換特性が異なる第１および第２の光発電モジュールを設け、光学部材および駆動機構よりなる切替機構によって、外光の入射先としてこれらのモジュールを切り替える。外光の状況に適した光発電モジュールを選択することで、光発電装置全体としての稼働率を高めることができる。

第１の実施形態に係る光発電装置の外観斜視図 光発電装置のブロック図 高照度時における光発電の説明図 低照度時における光発電の説明図 第２の実施形態に係る設置台を示す図 第３の実施形態に係る光発電装置のブロック図

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光発電装置の外観斜視図である。この光発電装置１は、筐体２と、集光機構３と、複数の光発電モジュール４，５と、切替機構６とを主体に構成されている。筐体２は、アルリル等の透明部材で形成された円筒状の部材であって、その内周面には、斜め上方からの外光の入射にも対応すべく、電磁波反射率の高い反射部材、例えばフィルム状のミラーまたはハーフミラーが全周に亘って貼り付けられている。筐体２の上開口には、上方から入射した外光を集光して下方に導く集光機構３が取り付けられている。集光機構３は、コスト削減を図りつつ、照度が低い状況下でも一定の電力出力を確保するために設けられており、典型的には平凸レンズを用いることができる。

筐体２の下開口には、集光機構３によって集光された外光の光エネルギーを光起電力効果を利用して電力に変換する複数の光発電モジュール４，５が配置されている。これらの光発電モジュール４，５は、例えば、一方を太陽光発電モジュール、他方を日中屋外の照度よりも低い低照度時に太陽光発電モジュールよりも高い光電変換効率を有するモジュールといった如く、照度に対する光電変換特性が異なっている。切替機構６は、集光機構３を経た外光の入射先として、光発電モジュール４，５の切り替えを行う。十分な太陽光が得られる日中の高照度時には光発電モジュール４、雨天や夜間といった低照度時には光発電モジュール５といったように、外光の照度状況に適した光発電モジュール４，５を選択することで、光発電装置１全体としての稼働率を高め、天候や稼働時間に関する制約を有効に緩和できる。筐体２には、後述するセンサ類や駆動系なども内蔵されている。

図２は、光発電装置１のブロック図である。本実施形態において、光発電モジュール４，５の切り替えを行う切替機構６は、設置台６ａと、駆動機構６ｂとを主体に構成されている。設置台６ａは、筐体２の内周よりも小径な円盤形状を有し、集光機構３から出射された外光の光路上に配置されている。この設置台６ａが備える上下の面（設置面）には、光発電モジュール４，５がそれぞれ設置されている。光発電モジュール５の直上には、この光発電モジュール５の利用波長域に適合した波長に外光を変換すべく、波長変換フィルム７が設けられている。なお、本実施形態では、特に、低照度時における発電効率の向上を図るべく、一方の光発電モジュール５の光路上にのみ波長変換フィルム７を設けているが、他方の発電モジュール４の光路上に波長変換フィルム７を設けてもよい。

また、設置台６ａは、回転軸６ｃを介して筐体２に取り付けられ、回転方向に変位自在になっている。駆動機構６ｂは、光発電モジュール４側の設置面および光発電モジュール５側の設置面のいずれかが集光機構３と対向するように、換言すれば、集光機構３によって集光された外光の光路上に位置するように、設置台６ａを回転方向に変位させる。駆動機構６ｂとしては、電磁的作用を用いたソレノイドや力学的作用を用いたサーボモータといった周知のアクチュエータを広く用いることができる。また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて、光発電モジュール４，５や切替機構６などを１つのユニットとして集積化してもよい。

回転軸６ｃは、設置台６ａにおいて偏心して取り付けられている。これにより、回転軸６ｃから光発電モジュール４までの距離Ｄ１と、回転軸６ｃから光発電モジュール５までの距離Ｄ２とが異なることになる。このように偏心させる理由は、光発電モジュール４，５毎にレンズ焦点からの距離を変えて、光発電モジュール４，５の特性に適した集光率で外光を入射させるためである。本実施形態では、光発電モジュール４の距離Ｄ１は、光発電モジュール５の距離Ｄ２よりも大きく設定されている。

外光センサ８は、光発電装置１に入射する外光の照度を検出する。光発電モジュール４，５の切り替えは、外光センサ８によって検出された外光の照度に応じて行われる。例えば、検出された照度が所定のしきい値（例えば５０００ルクス）よりも高い場合（高照度時）、光発電モジュール４が選択され、この照度がしきい値以下の場合（低照度時）、光発電モジュール５が選択される。また、この切り替えは、光発電装置１に内蔵された時計に基づいて行ってもよい。例えば、日の出から日の入りまでの時間帯は光発電モジュール４を選択し、夜間の時間帯は光発電モジュール５を選択する。また、光発電装置１にインターネットの接続環境を備えることで、光発電モジュール４，５の切り替えを天気予報サイト等の情報に基づいて行ってもよい。なお、光発電モジュール４，５の切り替えは、スイッチの操作を通じて、ユーザ自身が行ってもよい。

光発電モジュール４，５によって得られた電力は、外部のバッテリー９にて回収される。また、特に夏場の日中では、集光機構３による集光によって大量の熱が発生する。そこで、設置台６ａにて生じた熱を熱拡散係数の高い素材で吸収し、これを熱源として外部のボイラー１０による発電を行う。これにより得られた電力も、バッテリー９にて回収される。

図３は、高照度時における光発電の説明図である。高照度時の外光は、典型的には、３００〜３０００ｎｍの波長域を有する太陽光であり、その想定照度は１万〜１０万ルクス程度（日中屋外の照度）である。高照度時には、光発電モジュール４が集光機構３と対向し、集光機構３によって集光された外光は光発電モジュール４によって受光される。また、回転軸からの距離Ｄ１が大きい分だけ、集光機構３の焦点Ｆから離れた位置に光発電モジュール４が位置する。これにより、比較的低い集光率で光発電モジュール４に外光が入射するため、集光による過度な発熱が抑制される。

光発電モジュール４としては、高照度時に光電変換効率が高い素子、例えば、化合物半導体系素子（多接合素子など）にて構成されたモジュールを用いることができる。その利用波長域は３００〜１２００ｎｍ程度であり、想定照度は５千〜１０万ルクス程度である。

光発電モジュール４の発電効率は、主に２つの要素に依存している。第１に、光吸収波長域の広さである。太陽光や都市部の人工光の波長域は、概ね３００〜３０００ｎｍであるが、一般的に光発電素子が吸収できる（発電に利用できる）のは広いもので３５０〜１３００ｎｍ程度、狭いもので４００〜８００ｎｍ程度である。また、単に吸収可能波長域が広くても、後述するように、各波長での量子効率に波があるものは一般的に発電効率が低い。第２に、各波長での量子効率である。各発電素子の原理により、光発電素子の種類毎に、得意な（量子効率が高い）波長域と、不得意な（量子効率が低い）波長域とが存在する。各波長での量子効率の波が、太陽光や都市部の人工光のスペクトル分布にできるだけ沿うものが、発電効率がよい。

また、光発電モジュール４としては、高出力に耐え得る設計の発電素子を用いることが好ましい。そのためには、以下の２つの要素が重要になる。第１に、発電素子の構造上、単位時間あたりの「光電現象→電流の取り出し」の過程にどこまで耐えられるかという点である。色素増感系素子や有機半導体系素子のように、電解液の還元反応によって電流取り出しのサイクルを行う構造のものは、還元反応（イオンの拡散速度）が追いつかず、高出力には耐え難いと考えられる。第２に、集光による光発電の宿命として、大量の熱が狭い範囲に凝縮されることがある。よって、耐熱に弱点がある構造のものは、高出力には耐えにくいと考えられる。また、シリコン系など、温度上昇に伴って光電変換効率が著しく低下するものは好ましくない。

以上のことから、光発電モジュール４に適するのは、現時点では、化合物半導体系「III−Ｖ族」の多接合素子である。ただし、このタイプの素子に限らず、あくまでも発電効率が高く、高出力に耐え得る構造のものであれば、光発電モジュール４として利用可能であることはいうまでもない。

図４は、低照度時における光発電の説明図である。低照度時の外光は、典型的には、３００〜３０００ｎｍ程度の波長域を有する都市部の人工光であり、その想定照度は１０〜１万ルクス（日没後屋外の照度）である。低照度時には、光発電モジュール５が集光機構３と対向し、集光機構３によって集光された外光は、その光路上に位置する波長変換フィルム７を介して、光発電モジュール５によって受光される。また、回転軸からの距離Ｄ２が小さい分だけ、集光機構３の焦点Ｆから近い位置に光発電モジュール５が位置する。これにより、比較的高い集光率で光発電モジュール５に外光が入射するため、低照度時でも一定の発電効率が得られる。

光発電モジュール５は、低照度時でも一定の光電変換効率を保つ素子、例えば、有機半導体系素子や色素増感系素子等にて構成されたモジュールが用いられる。その利用波長域は３００〜１５００ｎｍ程度であり、想定照度は１０〜５千ルクス程度である。さらに、波長変換フィルム７は、入射した外光のうち、１２００ｎｍ以上の波長域と、３５０ｎｍ以下の波長域とを３５０〜１２００ｎｍの波長域に変換する。

光発電モジュール５としては、低照度（または、入射する光エネルギー密度が低いとき）でも一定の発電効率を保つものを用いることが好ましい。低照度時の発電効率は、主に２つの要素に依存している。第１に、光発電モジュール４と同様、光吸収波長域の広さと各波長での量子効率である。第２に、光エネルギー密度が低い時でも発電効率が低下しにくいことである。現在主流のシリコン系発電素子は、その特性上、入射する光エネルギー密度が低い時は、その発電効率が著しく低下する。一方、色素増感系素子や有機半導体系素子などは、その特性上、光エネルギー密度と発電効率の間の相関が少ない。これは、光エネルギー密度が低くても発電効率は低下し難いことを意味する。

以上のことから、光発電モジュール５に適するのは、現時点では、色素増感系や有機半導体系の発電素子である。ただし、これらのタイプの素子に限らず、あくまでも、光エネルギー密度が低いときでも有効に発電し得る程度の光電変換効率を保つものであれば、光発電モジュール５として利用可能であることはいうまでもない。

このように、本実施形態によれば、照度に対する光電変換特性が異なる複数種の光発電モジュール４，５を設け、外光の入射先としてこれらのモジュール４，５を切り替える。外光の照度状況に適した光発電モジュール４，５を選択することで、光発電装置１全体としての稼働率を高めることができ、天候や稼働時間に関する制約を有効に緩和できる。特に、日中の高照度時には太陽光発電モジュールを選択し、太陽光発電モジュールによる発電が困難な夜間の低照度時には、一定の光電変換効率を有する異種のモジュールを選択することで、太陽光発電を効果的に補完できる。これにより、光発電装置１をベース電源として利用する可能性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、設置台６ａを回転方向に変位させることによって、光発電モジュール４，５の切り替えを行うことで、同一平面上に光発電モジュール４，５を並べた場合と比較して、光発電装置１の小型化を図ることができる。ただし、この点を考慮する必要がなければ、設置台６ａの同一平面上に光発電モジュール４，５を配置し、駆動機構６ｂによって設置台６ａを水平方向にスライドさせることによって、光発電モジュール４，５の切り替えを行ってもよい。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る設置台を示す図である。この設置台６ｄは、多角形状の断面を有し、それぞれの面に光発電モジュール４，５，１１が設置されている。回転軸６ｃは、設置台６ｄにおいて偏心して取り付けられており、回転軸６ｃから光発電モジュール４までの距離Ｄ１と、回転軸６ｃから光発電モジュール５までの距離Ｄ２と、回転軸６ｃから光発電モジュール１１までの距離Ｄ３とが異なっている。なお、第１の実施形態で述べた部材と同一の部材については同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、特に、３つ以上の光発電モジュール４，５，１１についても、光発電装置１を大型化させることなく、外光の照度状況に適した切り替えを行うことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、光発電モジュール４，５等の切り替えを、設置台６ａ，６ｄの機械的な変位ではなく、外光の光路を変更することによって行うものである。図６は、第３の実施形態に係る光発電装置のブロック図である。なお、第１の実施形態で述べた部材と同一の部材については同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

設置台６ｅは、上述した各実施形態とは異なり固定されており、異なる設置面に光発電モジュール４，５が設置されている。集光機構３によって集光された外光の経路は、光学部材である可動ミラー１２の角度に応じて、第１の光路と第２の光路とに切り替えられる。すなわち、可動ミラー１２が第１の角度に位置している場合、外光は、可動ミラー１２と第１の固定ミラー１３ａとを含む第１の光路を経て、光発電モジュール４に導かれる。また、可動ミラー１２が第２の角度に位置している場合、外光は、可動ミラー１２と第２の固定ミラー１３ｂとを含む第２の光路を経て、光発電モジュール５に導かれる。駆動機構６ｆは、可動ミラー１２を回転方向に変位させ、第１の角度または第２の角度に設定する。駆動機構６ｆとしては、上述した駆動機構６ｂと同様、電磁的作用や力学的作用を用いた周知の駆動機構を広く用いることができる。

本実施形態によれば、可動ミラー１２を変位させて、光発電モジュール４，５の切り替えを行うことで、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

なお、上述した各実施形態では、光（可視光）から電力を生成する光発電モジュールを用いた例について説明したが、最近では、赤外光や紫外光から電力を生成する光発電モジュールも提案・開発されており、本発明は、これらの光発電モジュールを用いることも可能である。例えば、国際先端技術総合研究所株式会社によって開発された太陽電池は、色素増感型の素子を用い、目に見えない赤外光を水晶が吸収して色素に伝えて発電する。また、田中貴金属と東京大学とが共同開発した色素増感型太陽電池は、紫外線領域から赤外線領域にわたる幅広い波長域で発電する。本明細書において、発電の入力となる「光」とは、可視光、赤外光、紫外光などを含めて、光起電力効果を利用して電力を生成可能な電磁波を広く包含するものとして定義される。

また、上述した各実施形態において、光発電モジュール４，５等の切り替えを外光の照度の代わりに外光の波長に応じて行ってもよい。この場合、外光センサ８で外光の波長を検出し、検出された波長が所定のしきい値よりも大きい場合（長波長時）、光発電モジュール４，５の一方が選択され、この波長がしきい値以下の場合（短波長時）、光発電モジュール４，５の他方が選択される。光発電モジュール４，５は、波長に対する光電変換特性が異なっている。これにより、外光の波長帯が変化する状況において、光発電装置１全体としての稼働率を高めることができる。さらに、外光センサ８で外光のスペクトルを検出し、これに応じて、光発電モジュール４，５等の切り替えを行ってもよい。光発電モジュール４，５は、スペクトルに対する光電変換特性が異なっている。これにより、外光のスペクトルが変化する状況において、光発電装置１全体としての稼働率を高めることができる。

１ 光発電装置
２ 筐体
３ 集光機構
４、５，１１ 光発電モジュール
６ 切替機構
６ａ，６ｄ，６ｅ 設置台
６ｂ，６ｆ 駆動機構
６ｃ 回転軸
７ 波長変換フィルム
８ 外光センサ
９ バッテリー
１０ ボイラー
１２ 可動ミラー
１３ａ，１３ｂ 固定ミラー

Claims (1)

1. 光発電装置において、
   外光を集光する集光機構と、
   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第１の光発電モジュールと、
   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と共に、光電変換特性が前記第１の光発電モジュールとは異なる第２の光発電モジュールと、
   前記第１の光発電モジュールが設置された第１の設置面と、前記第２の光発電モジュールが設置された第２の設置面とを有する設置台と、前記設置台を変位させることによって、前記第１の設置面および前記第２の設置面のいずれかを外光の光路上に位置させる駆動機構とを有し、外光の入射先として、前記第１の光発電モジュールと前記第２の光発電モジュールとを切り替える切替機構と、
   前記設置台にて生じた熱を外部の熱源とするために吸収する吸収素材とを有し、
   前記設置台は、前記集光機構から出射された外光の光路上に配置されていると共に、回転軸を介して、前記駆動機構によって回転方向に変位し、
   前記回転軸は、前記回転軸から前記第１の光発電モジュールまでの距離と、前記回転軸から前記第２の光発電モジュールまでの距離とが異なるように、前記設置台に偏心して取り付けられていることを特徴とする光発電装置。

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