JP7412806B2

JP7412806B2 - 発電機能を有するガラスブロック

Info

Publication number: JP7412806B2
Application number: JP2022532181A
Authority: JP
Inventors: 仗祐中田
Original assignee: SPHELAR POWER CORPORATION
Current assignee: SPHELAR POWER CORPORATION
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2024-01-15
Anticipated expiration: 2040-06-25
Also published as: TW202203469A; WO2021260887A1; JPWO2021260887A1

Description

本発明は、内部空間に太陽電池モジュールを組み込んだ発電機能を有するガラスブロックに関する。

ガラスブロックは、１対の箱型形状の光透過性のあるガラス成形体の開放端同士を接合して内部空間を形成したものである。
ガラスブロックは、断熱性、遮音性、透光性に優れ、採光性壁材など建物の外壁や内壁、或いはベランダ、仕切り塀等の建材として広く採用されている。
一方、これまで、太陽電池モジュールをガラス窓やファサードと一体化した建材一体型太陽電池が提案され、本願の発明者も球状太陽電池を用いた建材一体型太陽電池を提案している。しかし、従来、ガラスブロックに球状太陽電池を組み込んだ建材一体型の太陽電池は開示されていない。

インターネットで公開された技術情報によれば、英国の「Build Solar」社がガラスブ
ロックの表面に小径レンズを分散状に配置するとともに、ガラスブロックの内部に小径レンズで集光した集光光を受光する小型の太陽光発電素子（又は、太陽熱発電素子）を分散状に配置し、発電機能を付与したガラスブロックのアイデァが開示されている。

２枚のガラス板からなる複層ガラスにおいて、一方のガラスの内面に光透過性のある太
陽電池薄膜（色素増感薄膜太陽電池）を形成し、光透過性にした建材一体型太陽電池が公知である。
本願の発明者は、多数の球状太陽電池素子を直列且つ並列接続した太陽電池デバイスや太陽電池モジュールを組み込んだ種々の装置を提案して来た。

特許文献１の半導体デバイスは、球状の半導体素子の表面近傍にほぼ球状のｐｎ接合を形成し、ｐｎ接合の両端に接続された１対の電極を形成したものである。
特許文献２の半導体デバイスは、球状の半導体素子の一端に平坦面を形成し、球状素子の表面近傍にほぼ球状のｐｎ接合を形成し、球状素子の平坦面と頂部に１対の電極を形成したものである。

特許文献３の受光用又は発光用パネルは、合成樹脂製のパネルに複数行、複数列のパターンで六角形の保持穴を形成し、それら保持穴に球状半導体素子を装着し、パネルの表面に複数の球状半導体素子を直列且つ並列接続する電気回路を形成したものである。

特許文献４の受光用又は発光用半導体モジュールは、複数行複数列に配置した球状半導体素子を金属線を介して直列且つ並列接続した状態で、合成樹脂材料を用いてパネル状に成形してなる分割モジュールを作成し、複数の分割モジュールを収容ケース内に着脱可能に収容して電気的に接続し、球状半導体素子を回収、再利用可能にしたものである。

特許第３２６２１７４号公報特許第４１１３１１８号公報特許第３９０２２１０号公報特許第４９４８４２３号公報

従来の一般的なガラスブロックは、発電機能を有していないため、太陽電池として活用することはできない。ガラスブロックは太陽光を受光し易い場所に設置される場合が多いにもかかわらず、発電機能を有するガラスブロックは実用化されていない。

インターネットに公開された発電機能を付与したガラスブロックの場合、多数の小径レンズの各々に対応するように太陽光発電素子をガラスブロックの内部空間に配置して、精密に位置決めし、固定しなければなければならないため、構造も複雑化し、製作費が高価になる。
しかも、ガラスブロックは意匠性に優れる建材であるにもかかわらず、多数の小径レンズをガラスブロックの表面に形成すると、ガラスブロックの外観の意匠性に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の目的は、ガラスブロックの外観に影響を及ぼすことなく発電機能を付与したガラスブロックを提供することである。

本発明の発電機能を有するガラスブロックは、１対の箱型形状の光透過性のあるガラス成形体の開放端同士を接合して内部空間を形成したガラスブロック体と、複数の球状太陽電池セルを光透過性を有する合成樹脂材料内に埋め込んで平板状に形成された太陽電池モジュールであって、その外周部を前記１対のガラス成形体の開放端同士が挟持することによって前記内部空間に組み込まれた太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールの出力端子に接続され且つ前記ガラスブロック体の外部まで延びる出力取出し端子を備え、前記太陽電池モジュールが前記内部空間を２分割するように配置されるとともに、前記太陽電池モジュールに通気孔が形成されたことを特徴としている。

上記の構成によれば、発電機能を有するガラスブロックのガラスブロック体に太陽光が入射して太陽電池モジュールに到達すると、球状太陽電池セルが発電し、その電力をプラス、マイナスの出力端子と出力取り出し端子から外部へ取り出すことができる。
ガラスブロック体の外観に変更を付加することなく、ガラスブロック体の外観と機能を維持したまま、発電機能を付与することができるから、発電機能を有し優れた汎用性のある建材として適用可能なガラスブロックを提供することができる。また、ガラスブロック体を太陽電池モジュールのパッケージに有効利用するため、パッケージコストを低減できる。その上、ガラスブロック体の内部空間が太陽電池モジュールで仕切られるため、ガラスブロック体の機械的強度、断熱性、遮音性の向上が期待できる。そして、通気孔により太陽電池モジュールの両側の空間が連通され、太陽電池モジュールの両側に圧力差が生じることがない。

本発明によれば上記のような優れた作用、効果が得られる。

ここで、本発明に次のような種々の好ましい形態を採用してもよい。
第１の形態では、前記1対のガラス成形体の開放端同士を前記出力取出し端子を挟んだ
状態にして弾性封止材を用いて接合した。
第２の形態では、前記太陽電池モジュールは、前記複数の球状太陽電池セルを直列且つ並列接続するメッシュ状の接続回路モジュールを有する。

第３の形態では、前記太陽電池モジュールは、前記接続回路モジュールを光透過性を有する前記合成樹脂材料内に埋め込んで平板状の太陽電池モジュールに形成された。

本発明の実施形例１に係る発電機能を有するガラスブロックの斜視図である。発電機能を有するガラスブロックの横断面図である。発電機能を有するガラスブロックの縦断面図である。複数の球状太陽電池セルを直列且つ並列接続した接続回路モジュールの部分平面図である。前記接続回路モジュールをアクリル樹脂で成形した太陽電池モジュールの部分平面図である。図５のＡ部拡大図である。球状太陽電池セルの拡大断面図である。球状太陽電池セルを表す回路図記号の説明図である。太陽電池モジュールの回路図の一部である。発電機能を有するガラスブロックへの入射光の例を説明する説明図である。実施例２の発電機能を有するガラスブロックの縦断面図である。実施例３の発電機能を有するガラスブロックの横断面図である。図１２の発電機能を有するガラスブロックの縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

この実施例１の発電機能を有するガラスブロック１は、図１～図３に示すように、１対の箱型形状の光透過性のあるガラス成形体３の開放端３ａ同士を接合して内部空間４を形成したガラスブロック体２と、複数の球状太陽電池セル５を有する太陽電池モジュール６であって前記内部空間４に組み込まれた太陽電池モジュール６と、太陽電池モジュール６の出力端子に接続され且つ前記ガラスブロック体２の外部まで延びる出力取出し端子１７，１８とを備えたものである。

最初に、発電機能を有する球状太陽電池セル５の構造について説明する。
図７に示すように、球状のｐ形シリコン結晶１０（直径１．０～２．０ｍｍ、本実施例では１．８ｍｍ）の一端側に平坦面１０ａが形成されている。シリコン結晶１０の表面近傍にｎ形不純物を拡散した厚さ１μｍ程度のほぼ球面状のｎ形層１１が形成されると共にほぼ球面状のｐｎ接合１２が形成されている。

ｎ形層１１の表面にはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜からなる反射防止膜１３が形成されている。平坦面１０ａにはシリコン結晶１０に接続されたプラス電極１４が反射防止膜１３を貫通して形成され、プラス電極１４と反対側においてｎ形層１１に接続されたマイナス電極１５が反射防止膜１３を貫通して形成されている。プラス電極１４は半田１４ａを介して導線１６（直径０．１５ｍｍの錫メッキ銅線）に接続され、マイナス電極１５は半田１５ａを介して導線１６に接続される。この球状太陽電池セル５の回路図記号は図８に示されている。尚、この球状太陽電池セル５は、本願発明者の特許に係る特許文献１に開示された製造方法と同様の製造方法により製造することができる。

次に、発電機能を有するガラスブロック１について、図１～図６に基づいて説明する。
発電機能を有するガラスブロック１のガラスブロック体２は、１対のガラス成形体３を開放端３ａ同士を接合して形成されている。ガラス成形体３は、正方形状の光透過壁部３ｂと、この光透過壁部３ｂの裏面側に形成された正方形状の凹部４ａとこの凹部４ａの外周を囲む外周壁部３ｃとを有する。

ガラスブロック体２の内部には凹部４ａと凹部４ａとで正方形状の内部空間４が形成され、約０．６気圧の乾燥空気中において、この内部空間４に正方形板状の太陽電池モジュール６が組み込まれる。この太陽電池モジュール６の外周部の約５ｍｍ幅の部分を、１対のガラス成形体３の開放端３ａと開放端３ａの間に挟持した状態にしてシリコーンゴム７で封止され接合されている。上記のように、加圧雰囲気中で、太陽電池モジュール６を収容した内部空間4を密封するため、低温における結露発生を防止することができる。

ガラスブロック体２の外周部には断面矩形の角溝８が形成され、この角溝８の外周面には約２，３ｍｍの厚さのエポキシ樹脂からなる封止材９が塗布され、加熱硬化処理される。
太陽電池モジュール６は内部空間４を２分割する状態に配置され、太陽電池モジュール６に形成された１対の通気孔６ｈにより太陽電池モジュール６の両側の空間が連通されている。そのため、太陽電池モジュール６の両側に圧力差が生じることがない。尚、上記の通気孔６ｈは、太陽電池モジュール６の組立て工程において太陽電池モジュール６の位置決めのために利用可能である。

正方形状のガラス成形体３の１辺は例えば１４５ｍｍ、高さは約４４．５ｍｍ、内部空間４の１辺の長さは例えば約１２０ｍｍ、凹部４ａの深さは約３４．５ｍｍ、光透過壁部３ｂと外周壁部３ｃの厚さは例えば１０ｍｍである。但し、上記の諸寸法に限定されるものではない。

次に、上記の太陽電池モジュール６について、図２～図６に基づいて説明する。
図４は、複数の太陽電池セル５を直列且つ並列に接続した接続回路モジュール６ｍの一部を示す図である。この接続回路モジュール６ｍは、例えば２５個の太陽電池セル５を導線１６で並列接続した列が４８列設けられ、合計１２００個の太陽電池セル５が組み込まれている。

接続回路モジュール６ｍの一端（図４の下方側）にはプラス出力端子１７ａが設けられ、他端（図４の上方側）にはマイナス出力端子１８ａが設けられている。各列の太陽電池セル５のプラス電極１４とマイナス電極１５は、半田１４ａ，１５ａにより対応する導線１６に接続され、３列ずつの太陽電池セル５は導線１６を介して直列接続されている。

３列の太陽電池セル５とそれに隣接する３列の太陽電池セル５は導電方向を反対にして配置することで、各６列の両側の導線１６がプラス出力端子１７ａに接続されると共に、これら導線１６から３列分シフトした各６列の両側の導線１６がマイナス出力端子１８ａに接続されている。プラス出力端子１７ａの両端部からガラスブロック体２の外側へ延びる１対の出力取り出しプラス端子１７が設けられている。マイナス出力端子１８ａの両端部からガラスブロック体２の外側へ延びる１対の出力取り出しマイナス端子１８が設けられている。

上記の接続回路モジュール６ｍは、図８に示す回路図記号５Ａを用いて電気回路として記載すると、図９のようになる。例えば、１個の太陽電池セル５の出力電圧をｅとし、出力電流をｉとすると、接続回路モジュール６ｍを直接太陽光に晒して入射光量が十分ある場合には、上記の接続回路モジュール６ｍの出力電圧は例えば３ｅであり、出力電流は１２００ｉになる。但し、直列接続数は３に限定される訳ではなく、太陽電池セル５の総数も１２００個に限定される訳ではなく、用途に応じて適宜設定することができる。

次に、上記の接続回路モジュール６ｍを成形機械の所定の金型内にセットし、透明なアクリル樹脂６ａでモールドすることで図５に示すような板状の太陽電池モジュール６に成形する。この太陽電池モジュール６のサイズは、例えば縦９１．２ｍｍ、横８９．３ｍｍ、厚さ３ｍｍである。この太陽電池モジュール６の出力の実測値によれば、開放電圧１．４５Ｖ、発電量は約８００ｍＷであった。

図３に示すように、太陽電池モジュール６をガラスブロック体２の内部空間４に水平に配置し、太陽電池モジュール６の外周部を対面状に配置した１対のガラス成形体３の開放端３ａと開放端３ａの間に挟持し、シリコーンゴム７で封止し接合する。そして、ガラスブロック体２の外周の角溝８の外周面にエポキシ樹脂からなる封止材９が形成される。
１対の出力取り出しプラス端子１７と１対の出力取り出しマイナス端子１８は、シリコーンゴム７と封止材９を貫通してガラスブロック体２の外部へ延びている。尚、これら出力取り出しプラス端子１７と出力取り出しマイナス端子１８は、角溝８内に沿って配線してもよい。

上記の発電機能を有するガラスブロック１の作用、効果について説明する。
この発電機能を有するガラスブロック１を複数個準備し、それらを複数行複数列に配置して接着材等で接合することで、塀や縦壁状の構造物とし、複数の発電機能を有するガラスブロック１から延びる出力取り出しプラス端子１７と出力取り出しマイナス端子１８を所定の配線系統を介して電気機器や電子機器に接続した状態で使用に供する。

図１０に示すように、発電機能を有するガラスブロック１のガラスブロック体２に太陽光が入射して太陽電池モジュール６に到達すると、球状太陽電池セル５が発電し、その電力を出力取り出しプラス端子１７と出力取り出しマイナス端子１８から外部へ取り出すことができる。

ガラスブロック体２の外観に変更を付加することなく、建材としてのガラスブロック体２の外観と機能を維持したまま、発電機能を付与することができるから、優れた汎用性のある建材としての発電機能を有するガラスブロック１を提供することができる。
太陽電池固有の反射や外観上の問題がなく、ガラスブロック１の固有の意匠性を発揮することができる。

球状太陽電池セル５を使用しているため、入射光に対する指向性が少なく、発電能力が高い。また、接続回路モジュール６ｍにおいて、複数の太陽電池セル５が直列且つ並列接続されているため、部分的な日陰による出力の減少度合いが少ない。
ガラスブロック１は両面から入射する光を利用して発電できるため、汎用性に優れる。
ガラスブロック体２の内部に太陽電池モジュール６を収容したため、パッケージコストを低減できる。しかも、太陽電池モジュール６がガラスブロック体２により保護されるため、機械的強度が増し、耐久性が向上する。

ガラスブロック体２の内部空間４が太陽電池モジュール６で仕切られるため、ガラスブロック体２の機械的強度、断熱性、遮音性の向上が期待できる。
また、ガラスブロック体２の外周面をエポキシ樹脂９で封止したため、ガラス成形体３の開放端３ａ同士を接着する接着強度の補強と表面保護を図ることができる。

太陽電池モジュール１の外周部分に約１５ｍｍ幅の太陽電池セル５の無い光透過スペースが形成され、このスペースと太陽電池セル５の間の隙間が採光可能な面積になる。
上記の実施例では、採光に寄与できる面積はガラスブロック１の全面積の約７３％相当であり、残りの面積が太陽光発電に寄与できる面積である。但し、この配分は、太陽電池セル５の占有面積を変えることで調整可能である。

実施例１の変更例について説明する。
（１）太陽電池モジュール１をモールドするアクリル樹脂６ａに代えて、ボリカ樹脂、熱硬化型シリコン樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂等を採用してもよい。
（２）ガラス成形体２の開放端３ａ同士を接着する材料としてシリコーンゴム７の代わりに、ホットメルト系ブチルゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴムを採用してもよい。

（３）ガラスブロック体２の外周面を保護する材料として、前記のエポキシ樹脂９の代わりに、シリコン樹脂、アルリル樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリエチレン樹脂、ボリビニルブチラール樹脂、メラミン樹脂、ホットメルト系ブチルゴム等を採用してもよい。

図１１に示すように、この実施例２の発電機能を有するガラスブロック１Ａにおいては、太陽電池モジュール６Ａをアクリル樹脂でモールドするのに代えて、ＥＶＡ樹脂シート６ｂ（エチレン・ビニルアセテート重合体）でモールドし、その表面を１対の薄いガラス板２０で覆うようにした。その他の構造については実施例１と同様であるので、同様の構成部材に同一符号を付して説明を省略する。

前記実施例と同様の接続回路モジュール６ｍを作成し、その両面をＥＶＡ樹脂シート６ｂを介して薄板ガラス２０（厚さ０．３ｍｍ）で挟み、これを１００℃前後の温度に加熱して軟化、溶融させ、さらに約１５０℃で重合固化（架橋）させる。このようにして出来た太陽電池モジュール６Ａ（縦横の長さ約１３０ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を実施例１同様に、１対のガラス成形体３の開放端３ａと開放端３ａの間に挟持した状態に組み込んで発電機能を有するガラスブロック１Ａを得る。この発電機能を有するガラスブロック１Ａも実施例１の発電機能を有するガラスブロック１と同様の作用、効果を奏する。

上記実施例２の変更列について説明する。
薄板ガラス２０の代わりに、ポリエステル樹脂やアルリル樹脂やポリカ樹脂で製作した薄板やフィルムを採用してもよい。また、ＥＶＡ樹脂６ｂの代わりに、ＰＶＢ樹脂（ポリブチラール）、アイオノマー樹脂、シリコン樹脂を採用してもよい。また、これらの組み合わせによって熱硬化型シリコン樹脂、ポリエチレンナフタレートで製作した薄板を採用してもよい。

実施例３の発電機能を有するガラスブロック１Ｂについて、図１２、図１３に基づいて説明する。尚、実施例１と同様の構成部材については同一の符号を付して説明を省略する。
特に、１対のガラス成形体３と、これらを接合するシリコーンゴム７と、ガラスブロック体２と、このガラスブロック体２の外周面を気密に封止し補強するエポキシ樹脂からなる封止材９は、実施例１と同様である。

太陽電池モジュール６Ｂは、一方のガラス成形体３の凹部４ａの底面に接合した状態に形成される。この場合、凹部４ａの底面に、ＥＶＡ樹脂シート６ｂと、接続回路モジュール６ｍと、ＥＶＡ樹脂シート６ｂと、薄板ガラス２０（例えば、縦横の寸法が１１５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を積層し、これを０．６気圧の雰囲気中で加熱加圧してＥＶＡ樹脂シート６ｂを融溶させて、ＥＶＡ樹脂シート６ｂ中に接続回路モジュール６ｍを埋め込んだ状態の太陽電池モジュール６Ｂを製作する。

次に、実施例１と同様に、１対の出力取り出しプラス端子１７と１対の出力取り出しマイナス端子１８を外部へ導出した状態にして、０．６気圧の雰囲気中で１対のガラス成形体３の開放端３ａ同士をシリコーンゴム７にて気密に封着してガラスブロック体２とする。
その後、ガラスブロック体２の角溝８の外周面にエポキシ樹脂９を塗布し、加熱硬化を行ない、ガラス成形体３同士の接合強度及び気密性の強化を図る。

この実施例３の発電機能を有するガラスブロック１Ｂにおいては、太陽電池モジュール
６Ｂをガラス成形体３の底面に密着状に取付けるため、ガラスブロック体２の内部空間は１つになるが、構造的に低コスト化に適している。この発電機能を有するガラスブロック１Ｂも、実施例１の発電機能を有するガラスブロック１と同様の作用、効果を奏する。

一般的なガラスブロックに太陽電池モジュールを組み込んだ発電機能を有するガラスブロックを提供する。

１，１Ａ，１Ｂ発電機能を有するガラスブロック
２ガラスブロック体
３ガラス成形体
４内部空間
４ａ凹部
５球状太陽電池セル
６，６Ａ，６Ｂ太陽電池モジュール
６ｍ接続回路モジュール
６ａアクリル樹脂
６ｂＥＶＡ樹脂
６ｈ通気孔
７シリコーンゴム
９エポキシ樹脂
１７出力取り出しプラス端子
１８出力取り出しマイナス端子
２０薄板ガラス

Claims

１対の箱型形状の光透過性のあるガラス成形体の開放端同士を接合して内部空間を形成したガラスブロック体と、
複数の球状太陽電池セルを光透過性を有する合成樹脂材料内に埋め込んで平板状に形成された太陽電池モジュールであって、その外周部を前記１対のガラス成形体の開放端同士が挟持することにより前記内部空間に組み込まれた太陽電池モジュールと、
前記太陽電池モジュールの出力端子に接続され且つ前記ガラスブロック体の外部まで延びる出力取出し端子を備え、
前記太陽電池モジュールが前記内部空間を２分割するように配置されるとともに、前記太陽電池モジュールに通気孔が形成されたことを特徴とする発電機能を有するガラスブロック。
前記１対のガラス成形体の開放端同士を前記出力取出し端子を挟んだ状態にして弾性封止材を用いて接合したことを特徴とする請求項１に記載の発電機能を有するガラスブロック。
前記太陽電池モジュールは、前記複数の球状太陽電池セルを直列且つ並列接続するメッシュ状の接続回路モジュールを有することを特徴とする請求項１に記載の発電機能を有するガラスブロック。
前記太陽電池モジュールは、前記メッシュ状の接続回路モジュールを前記合成樹脂材料内に埋め込んで平板状の太陽電池モジュールに形成されたことを特徴とする請求項３に記載の発電機能を有するガラスブロック。