JPH07142750A - ソーラー発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ソーラー発電システムの低コスト化・高効率
化を実現する。 【構成】 太陽電池パネル１の裏面に有機系熱電変換素
子２を熱良導性接着剤により接合する。この有機系熱電
変換素子２の正極は薄いグラファイト板により形成さ
れ、負極は亜鉛箔により形成されている。正負両電極間
には、ポリエチレングリコール等のグリコール系有機物
を主剤とする電解質を含浸した不織布が挟み込まれてい
る。更に、この電解質には、イオン導電性を与える塩類
（塩化リチウム）や二酸化マンガン粉末が添加されてい
る。この構成により、従来利用されていなかった太陽電
池パネル１の裏面側の低温域の熱エネルギーを有機系熱
電変換素子２に伝達して、この有機系熱電変換素子２に
より効率良く電気エネルギーに変換する。これにより、
太陽光エネルギーを太陽電池パネル１と有機系熱電変換
素子２とによって無駄無く電気エネルギーに変換するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽光エネルギーを電
気エネルギーに変換するソーラー発電装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球上のエネルギー資源の節約と
地球環境保護の観点から、無尽蔵でクリーンな代替エネ
ルギー源として、太陽光エネルギーが益々脚光を浴びて
いる。この太陽光エネルギーの利用を社会に広く普及さ
せるには、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換す
るソーラー発電装置の低コスト化と高効率化が必要不可
欠となる。

【０００３】現存するソーラー発電装置の代表的なもの
として、太陽電池が周知である。この太陽電池は、半導
体のｐｎ接合やショットキー接合等を利用し、その接合
部に光が入射したときに発生する光起電力効果により太
陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するものであ
る。近年、この太陽電池により一般家庭で消費する電力
をまかなうために、多数の太陽電池パネルを家屋の屋根
に設置する、一般住宅向けの太陽光発電システムも開発
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
太陽電池は、コストが高い上に、最大でも太陽光エネル
ギーの約２５％〜１５％程度の光電変換効率しか得られ
ない。このため、現在の太陽光発電システムによって必
要とする電力をまかなうには、コストの高い太陽電池を
多量に必要として、太陽光発電システムが非常に高価な
ものになってしまい、これが太陽光発電システムの普及
を妨げる最大の原因となっていた。しかも、多量の太陽
電池を設置するための広いスペースを必要とし、スペー
ス的に制約の多い日本の家屋にはシステムが大き過ぎる
という欠点もあった。

【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、ソーラー発電システムの低コス
ト化・高効率化を実現できると共に、省スペース化の要
求も十分に満たすことができるソーラー発電装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のソーラー発電装置は、太陽電池と、この太
陽電池の裏面側に熱伝達可能に設けられた有機系熱電変
換素子とから成り、前記有機系熱電変換素子を、グラフ
ァイト又はグラファイト含有物からなる正極と、金属板
により形成された負極と、グリコール系有機物を主剤と
する電解質とから構成したものである。

【０００７】この場合、前記電解質を不織布等の液浸透
性面状体に含浸して、これを前記正極と負極との間に挟
み込んだ構成にすることが好ましい。更に、前記電解質
に、イオン導電性を与える塩類を添加することが好まし
い。

【０００８】

【作用】前述したように、太陽電池は、太陽光エネルギ
ーの約２５％〜１５％程度しか電気エネルギーに変換す
ることができず、残りの太陽光エネルギーは、太陽電池
を加熱してその温度を上昇させる熱エネルギーとして費
やされるため、太陽電池の裏面側の温度は例えば８０℃
〜１００℃程度にも上昇する。従来は、この太陽電池の
裏面側の熱エネルギーを全く利用することなく、単に放
熱させるだけであったので、これを電気エネルギーに変
換することができれば、太陽光発電効率を飛躍的に向上
させることができる。

【０００９】この太陽電池の裏面側の熱エネルギーは、
８０℃〜１００℃程度の比較的低温域に属するため、従
来の半導体熱電変換素子では、効率良く電気エネルギー
に変換することはできない。

【００１０】最近、本発明者は、この低温域熱発電を可
能にする有機系熱電変換素子を開発し、その開発成果を
特許出願した（例えば特願平４−２０１２８１号）。こ
の有機系熱電変換素子の基本的構成は、グラファイト又
はグラファイト含有物からなる正極と、金属板により形
成された負極と、グリコール系有機物を主剤とする電解
質とを備えたものであり、外部から低温域（例えば８０
℃〜１００℃程度）の熱エネルギーをグリコール系有機
物に伝えることにより、電極反応を起こさせて発電する
ようにしたものである。

【００１１】従来の化学電池においては、正極側で還元
反応が起こり、負極側で酸化反応が起こる。これに対
し、この有機系熱電変換素子によれば、負極側では電極
が酸化され、金属イオンとなってグリコール系有機物中
に溶出するが、正極側では、グラファイトからグリコー
ル系有機物への電子移動が起こるのみである（この原理
については特願平４−２０１２８１号の明細書に詳述さ
れている）。正極のグラファイトには、この電子移動に
伴いホールが形成されるが、負極側で発生した電子が外
部回路を流れて正極に到達してホールを埋めるようにな
るので、正極のグラファイトは、見掛上、何の変化も見
られない。この点が従来の化学電池と大きく異なってい
る。

【００１２】本発明は、この有機系熱電変換素子の低温
域熱発電機能に着目し、これを太陽電池と組み合わせる
ことにより、太陽光発電効率を飛躍的に向上させるもの
である。本発明のソーラー発電装置は、太陽電池の裏面
側に有機系熱電変換素子を熱伝達可能に設けることによ
り、従来利用されていなかった太陽電池の裏面側の低温
域の熱エネルギーを有機系熱電変換素子に伝達して、こ
の有機系熱電変換素子により効率良く電気エネルギーに
変換するものである。これにより、太陽光エネルギーが
太陽電池と有機系熱電変換素子とによって無駄無く電気
エネルギーに変換されるようになる。

【００１３】この場合、有機系熱電変換素子の電解質を
不織布等の液浸透性面状体に含浸して、これを正極と負
極との間に挟み込んだ構成とすれば、有機系熱電変換素
子が太陽電池と同じ平面的な形状となり、太陽電池への
有機系熱電変換素子の密着性（伝熱性）と取付性を向上
できる。しかも、液浸透性面状体が電極間の間隔を一定
にするスペーサとして機能するようになり、品質を安定
化できると共に、有機系熱電変換素子を薄型化できるの
で、内部抵抗を減少させて発生電流を増加させることが
できる。

【００１４】更に、有機系熱電変換素子の電解質に、イ
オン導電性を与える塩類を添加すれば、電極反応を促進
することができて、発電効率を向上できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。ソーラー発電装置１０は、太陽電池パネル１
と、この太陽電池パネル１の裏面に敷き詰めるように接
合された複数枚の有機系熱電変換素子２とから構成さ
れ、これら太陽電池パネル１と各有機系熱電変換素子２
とを熱良導性接着剤により接着することにより、太陽電
池パネル１から各有機系熱電変換素子２への熱伝達がス
ムーズに行われるようになっている。この太陽電池パネ
ル１の構造は、詳細には図示しないが、アルミ枠３内で
囲まれたベース材に例えばシリコン太陽電池，アモルフ
ァス太陽電池，ヘテロ接合型太陽電池等のセルを多数装
着して、表面を強化ガラスで覆ったものであり、裏面中
央に電力取出し用の電極４が設けられている。

【００１６】次に、有機系熱電変換素子２の構成を図４
及び図５に基づいて説明する。正極１１は、薄いグラフ
ァイト板により形成され、その両面に、それぞれ２枚の
液浸透性面状体である不織布１２，１３を介して負極１
４が積層されている。各負極１４は、例えば亜鉛箔によ
り形成されている。これら各電極１１，１４には、それ
ぞれリード線１６ａ，１６ｂ，１６ｃを接続する端子部
１１ａ，１４ａが形成されている。

【００１７】また、正極１１側に位置する不織布１２に
は、グリコール系有機物であるポリエチレングリコール
（第一工業製薬株式会社＃１５４０）に二酸化マンガン
粉末とグラファイト粉末を混入して作った正極電解質が
含浸されている。この場合、グラファイト粉末と二酸化
マンガン粉末との混合割合は、例えば重量比で４：１の
割合である。

【００１８】一方、負極１４側に位置する不織布１３に
は、グリコール系有機物であるポリエチレングリコール
（第一工業製薬株式会社＃２００）に塩化リチウムと亜
鉛粉末を混入して作った負極電解質が含浸されている。
上記塩化リチウムは、例えば４〜１５重量％程度の割合
で混入され、ポリエチレングリコールにイオン導電性を
与える役割を果たす。

【００１９】このような負極電解質が含浸された不織布
１３と負極１４は、クラフト紙１５で包み込まれてい
る。各不織布１２，１３は、繊維の内部へのしみ込みに
よる電解質成分の濃度の変動を防止するために、ポリエ
ステル繊維等の合成繊維で形成されている。以上のよう
に構成された有機系熱電変換素子２の全体は、ポリエス
テルフィルム製のパッケージ（図示せず）に収納されて
いる。

【００２０】以上のように構成したソーラー発電装置１
０は、建物の屋根やビルの屋上等、太陽光が当たる場所
に太陽電池パネル１を太陽に向けて設置される。このソ
ーラー発電装置１０の設置個数は、必要とする電力に応
じて変更すれば良い。

【００２１】このソーラー発電装置１０は、太陽光エネ
ルギーを太陽電池パネル１で受けて、この太陽光エネル
ギーを光起電力効果により電気エネルギーに変換する。
この際、電気エネルギーに変換される太陽光エネルギー
は、約２５％〜１５％程度であるので、残りの太陽光エ
ネルギーは、太陽電池パネル１を加熱してその温度を上
昇させる熱エネルギーとして費やされ、太陽電池パネル
１の裏面側の温度は例えば８０℃〜１００℃程度にも上
昇する。この太陽電池パネル１の裏面側の低温域の熱エ
ネルギーが有機系熱電変換素子２に伝達され、この有機
系熱電変換素子２によって効率良く電気エネルギーに変
換される。

【００２２】本発明者は、このソーラー発電装置１０の
発電能力を試験するため、次のような試作品を作った。
太陽電池パネル１は、縦４０ｃｍ×横１２０ｃｍのサイ
ズのものを用い、この太陽電池パネル１の裏面に合計２
２枚の有機系熱電変換素子２を敷き詰めるように接合し
た。有機系熱電変換素子２の１枚当りのサイズは縦２０
ｃｍ×横１０ｃｍであり、合計２２枚の有機系熱電変換
素子２を直列に接続するように配線した。この試作品を
晴天下に置いて発電性能を測定してみたところ、太陽電
池パネル１の発生電力が約６０Ｗ（電圧約２０Ｖ，電流
約３Ａ）で、有機系熱電変換素子２の発生電力も約６０
Ｗ（電圧約２０Ｖ，電流約３Ａ）であった。このことか
ら、発電効率が従来の約２倍程度に向上することが実験
で確かめられた。

【００２３】以上説明した実施例によれば、太陽電池パ
ネル１の裏面側に有機系熱電変換素子２を熱伝達可能に
設けているので、従来利用されていなかった太陽電池パ
ネル１の裏面側の低温域の熱エネルギーを有機系熱電変
換素子２に伝達して、この有機系熱電変換素子２により
効率良く電気エネルギーに変換することができる。これ
により、太陽光エネルギーを太陽電池パネル１と有機系
熱電変換素子２とによって無駄無く電気エネルギーに変
換することができて、発電効率を飛躍的に向上させるこ
とができる。このため、コストの高い太陽電池パネル１
の使用枚数を従来よりも大幅に削減することができると
共に、有機系熱電変換素子２は組成物の原材料コストが
安価であるから、従来の太陽光発電システムと比較し
て、大幅な低コスト化が可能である。更に、有機系熱電
変換素子２の組成物も人体に無害の有機化合物であり、
人体に対する安全性も高く、廃棄物処理も容易である。

【００２４】しかも、上述した発電効率の大幅な向上に
より、ソーラー発電装置１０の設置スペースを従来より
も大幅に小さくすることができて、省スペース化の要求
も十分に満たすことができ、スペース的に制約の多い日
本の家屋にも設置が容易である。これにより、ソーラー
発電を日本の一般家庭にも広く普及させることができ
て、地球上のエネルギー資源節約と地球環境保護に大い
に貢献できる。

【００２５】また、上記実施例によれば、電解質を不織
布１２，１３（液浸透性面状体）に含浸させて、これら
不織布１２，１３を両電極１１，１４間に挟み込むよう
にしたので、有機系熱電変換素子２が太陽電池パネル１
と同じ平面的な形状となり、太陽電池パネル１への有機
系熱電変換素子２の密着性（伝熱性）と取付性を向上で
きる。しかも、両電極１１，１４間に挟み込まれた不織
布１２，１３が電極１１，１４間の間隔を一定にするス
ペーサとして機能するようになり、品質を安定化できる
と共に、有機系熱電変換素子２を薄型化できるので、内
部抵抗を減少させて発生電流を増加させることができ
る。

【００２６】しかも、上記実施例によれば、有機系熱電
変換素子２の電解質に、イオン導電性を与える塩類を添
加しているので、電極反応を促進することができて、発
電効率を更に向上できる。

【００２７】ところで、本発明者の実験結果によれば、
有機系熱電変換素子２は、電流・電圧が低下する毎に例
えば１０秒〜数１０秒の充電を行うと、発電能力が回復
することが確認されている。従って、太陽電池パネル１
の発生電力を利用して、有機系熱電変換素子２を定期的
に１０秒〜数１０秒充電する構成にすれば、長期間にわ
たって高い発電能力を持続させることができる。

【００２８】尚、上記実施例では、負極電解質のポリエ
チレングリコールにイオン導電性を与える塩類として、
塩化リチウムを加えたが、これに代えて、ＮａＣｌ等の
他の金属ハロゲン化物や、無機酸の金属塩（Ｎａ2 ＳＯ
4 ，Ｋ3 ＰＯ4 ，ＮａＮＯ3）や過塩素酸金属塩（Ｌｉ
ＣｌＯ4 ，ＮａＣｌＯ4 ）、或はシュウ酸塩、ギ酸塩、
カルボン酸塩等の有機酸塩類を用いても良い。

【００２９】また、上記実施例では、負極１４を亜鉛箔
で形成したが、これに代えて、アルミ，鉄，亜鉛，銅等
の金属を用いるようにしても良い。また、上記実施例で
は、正極１１をグラファイト板で形成したが、グラファ
イトを含む組成物で構成するようにしても良い。

【００３０】また、上記各実施例では、電解質の主剤と
なるグリコール系有機物としてポリエチレングリコール
を用いたが、トリエチレングリコール，エチレングリコ
ール等、他のグリコール系有機物を用いても、十分な発
電能力が得られることが実験で確認されている。

【００３１】また、上記実施例では、２枚の負極１４の
間に１枚の正極１５を設けることにより、実質的に２組
の有機系熱電変換素子を一体的に構成するようにした
が、正負両電極をそれぞれ１枚ずつ設けた構成としても
良い。或は、太陽電池パネル１の裏面側に複数枚の有機
系熱電変換素子を積み重ねて、複数の有機系熱電変換素
子により太陽電池パネル１の裏面側の熱エネルギーを電
気エネルギーに変換するようにしても良い。

【００３２】また、上記実施例では、１枚の太陽電池パ
ネル１の裏面に、複数枚の有機系熱電変換素子２を敷き
詰めるように接合したが、１枚の太陽電池パネルの裏面
に、これとほぼ同じ大きさの１枚の有機系熱電変換素子
を接合するようにしても良く、また、１枚の有機系熱電
変換素子の上面に複数の太陽電池を敷き詰めるように接
合しても良い。

【００３３】また、ソーラー発電装置１０の設置場所で
ある屋根，屋上等で受けられた太陽熱を有機系熱電変換
素子２に下面側から伝達し、この太陽熱も電気エネルギ
ーに変換するようにすれば、更に発電能力を向上でき
る。

【００３４】その他、本発明は、上記実施例に限定され
ず、太陽電池パネル１と有機系熱電変換素子２との間に
蓄熱体や熱良導性材料を介在させたり、電極の形状や不
織布（液浸透性面状体）の形状・積層枚数を適宜変更し
ても良い等、種々変更して実施できることは言うまでも
ない。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のソーラー発電装置によれば、太陽電池の裏面側に有機
系熱電変換素子を熱伝達可能に設けた構成としているの
で、従来利用されていなかった太陽電池の裏面側の低温
域の熱エネルギーを有機系熱電変換素子により効率良く
電気エネルギーに変換することができる。これにより、
太陽光エネルギーを太陽電池と有機系熱電変換素子とに
よって無駄無く電気エネルギーに変換することができ
て、発電効率を飛躍的に向上させることができる。この
ため、コストの高い太陽電池の使用枚数を従来よりも大
幅に削減することができると共に、有機系熱電変換素子
は組成物の原材料コストが安価であるから、従来の太陽
光発電システムと比較して、大幅な低コスト化が可能で
ある。更に、有機系熱電変換素子の組成物も人体に無害
の有機化合物であり、人体に対する安全性も高く、廃棄
物処理も容易である。

【００３６】しかも、上述した発電効率の大幅な向上に
より、ソーラー発電装置の設置スペースを従来よりも大
幅に小さくすることができて、省スペース化の要求も十
分に満たすことができ、スペース的に制約の多い日本の
家屋にも設置が容易である。これにより、ソーラー発電
を日本の一般家庭にも広く普及させることができ、地球
上のエネルギー資源節約と地球環境保護に大いに貢献で
きる。

【００３７】また、電解質を液浸透性面状体に含浸させ
て、これら不織布を両電極間に挟み込むようにしたの
で、不織布が両電極間の間隔を一定にするスペーサとし
て機能するようになり、品質を安定化できると共に、有
機系熱電変換素子を薄型化でき、内部抵抗を減少させて
発生電流を増加させることができる。更に、有機系熱電
変換素子の電解質に、イオン導電性を与える塩類を添加
しているので、電極反応を促進することができて、発電
効率を更に向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すソーラー発電装置の縦
断面図

【図２】ソーラー発電装置の斜視図

【図３】ソーラー発電装置の下面図

【図４】有機系熱電変換素子の縦断面図

【図５】有機系熱電変換素子の分解斜視図

【符号の説明】

１…太陽電池パネル、２…有機系熱電変換素子、１０…
ソーラー発電装置、１１…正極（グラファイト）、１
２，１３…不織布（液浸透性面状体）、１４…負極（金
属；亜鉛箔）、１５…クラフト紙。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池と、この太陽電池の裏面側に熱
   伝達可能に設けられた有機系熱電変換素子とから成り、 前記有機系熱電変換素子を、 グラファイト又はグラファイト含有物からなる正極と、 金属板により形成された負極と、 グリコール系有機物を主剤とする電解質とから構成した
   ことを特徴とするソーラー発電装置。
2. 【請求項２】 前記電解質を不織布等の液浸透性面状体
   に含浸して、これを前記正極と負極との間に挟み込んだ
   ことを特徴とする請求項１記載のソーラー発電装置。
3. 【請求項３】 前記電解質に、イオン導電性を与える塩
   類が含まれていることを特徴とする請求項１又は２記載
   のソーラー発電装置。