JPH09213980A - 太陽電池の冷却方法 - Google Patents
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Abstract
(57)【要約】
【課題】 効率的で効果的な太陽電池の冷却方法を提供
する。 【解決手段】 太陽電池セル１０は配管１２の下壁１４
に設置されており、配管１２の上壁１６の太陽電池セル
１０に対向する位置に設けられた窓１８には光を透過で
きる材料で形成された平板状の光透過部材２０が設置さ
れている。太陽光２２は集光レンズ２４によって集光さ
れ光透過部材２０を介して太陽電池セル１０の受光面１
１に入射するように構成されている。配管１２の中には
冷媒２６が流れており、この冷媒２６によって太陽電池
セル１０の受光面１１が直接冷却され、集光レンズ２４
によって集光された太陽光２２によって持ち込まれる熱
をこの冷媒２６によって除去することができる。
する。 【解決手段】 太陽電池セル１０は配管１２の下壁１４
に設置されており、配管１２の上壁１６の太陽電池セル
１０に対向する位置に設けられた窓１８には光を透過で
きる材料で形成された平板状の光透過部材２０が設置さ
れている。太陽光２２は集光レンズ２４によって集光さ
れ光透過部材２０を介して太陽電池セル１０の受光面１
１に入射するように構成されている。配管１２の中には
冷媒２６が流れており、この冷媒２６によって太陽電池
セル１０の受光面１１が直接冷却され、集光レンズ２４
によって集光された太陽光２２によって持ち込まれる熱
をこの冷媒２６によって除去することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池、特に太陽
電池における発電量の低下を防止するための太陽電池の
冷却方法に関する。
電池における発電量の低下を防止するための太陽電池の
冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に太陽電池においては、その温度が
上昇すると発電量が低下する性質がある。図７には、単
結晶シリコン（Ｓｉ）太陽電池の場合の太陽電池セルの
温度と太陽電池セルからの発電出力（Ｗ／セル）との関
係が示される。図７において、横軸に太陽電池のセル温
度が、縦軸に太陽電池セルの発電出力（Ｗ／セル）がそ
れぞれ示される。
上昇すると発電量が低下する性質がある。図７には、単
結晶シリコン（Ｓｉ）太陽電池の場合の太陽電池セルの
温度と太陽電池セルからの発電出力（Ｗ／セル）との関
係が示される。図７において、横軸に太陽電池のセル温
度が、縦軸に太陽電池セルの発電出力（Ｗ／セル）がそ
れぞれ示される。
【０００３】図７に示されるように、セル温度の上昇と
共に太陽電池セルの発電量は低下していき、例えば太陽
電池セルの温度が１００℃の場合の発電量は、２５℃の
場合の約６０％となっている。この発電量の低下の原因
は、太陽電池セルの温度の上昇にともない、太陽電池の
基板材料の中の分子運動が活発となり、光電効果により
生じたキャリアすなわちホールと電子のペアの移動が妨
げられるからであると考えられる。
共に太陽電池セルの発電量は低下していき、例えば太陽
電池セルの温度が１００℃の場合の発電量は、２５℃の
場合の約６０％となっている。この発電量の低下の原因
は、太陽電池セルの温度の上昇にともない、太陽電池の
基板材料の中の分子運動が活発となり、光電効果により
生じたキャリアすなわちホールと電子のペアの移動が妨
げられるからであると考えられる。
【０００４】また、太陽電池セルの温度が上昇しすぎる
と絶縁材料その他太陽電池セルを構成する材料の劣化あ
るいは膨潤が起こり、太陽電池セルの寿命が短くなると
いう問題もある。
と絶縁材料その他太陽電池セルを構成する材料の劣化あ
るいは膨潤が起こり、太陽電池セルの寿命が短くなると
いう問題もある。
【０００５】このため、従来より太陽電池を冷却して発
電量の低下を緩和すると共に太陽電池の寿命を長くする
工夫が行なわれている。このような太陽電池の冷却方法
の例が、特開平５−８３８８１号公報に記載されてい
る。本従来例によれば、複数の太陽電池セルを架台上に
並べて形成された太陽電池モジュールを冷却ジャケット
方式にして水にジャブ漬して冷却する技術が示唆されて
いる。またさらに、上記従来技術には、太陽電池モジュ
ールの裏面側に水冷管を設置する技術も開示されてい
る。
電量の低下を緩和すると共に太陽電池の寿命を長くする
工夫が行なわれている。このような太陽電池の冷却方法
の例が、特開平５−８３８８１号公報に記載されてい
る。本従来例によれば、複数の太陽電池セルを架台上に
並べて形成された太陽電池モジュールを冷却ジャケット
方式にして水にジャブ漬して冷却する技術が示唆されて
いる。またさらに、上記従来技術には、太陽電池モジュ
ールの裏面側に水冷管を設置する技術も開示されてい
る。
【０００６】この他に、太陽電池モジュールを冷却する
方法としては、太陽電池モジュールの裏面側に空冷ファ
ンを設置したり、ソーラカー等の移動体へ太陽電池モジ
ュールを使用した場合の対策として、太陽電池の表面を
薄い樹脂で覆い、移動体の走行によって空冷により冷却
する方法等が考えられる。あるいは反対に、コスト増に
つながる冷却装置の設置そのものを行なわないこともあ
る。
方法としては、太陽電池モジュールの裏面側に空冷ファ
ンを設置したり、ソーラカー等の移動体へ太陽電池モジ
ュールを使用した場合の対策として、太陽電池の表面を
薄い樹脂で覆い、移動体の走行によって空冷により冷却
する方法等が考えられる。あるいは反対に、コスト増に
つながる冷却装置の設置そのものを行なわないこともあ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、エネルギ回収
年数あるいはエネルギペイバック期間（太陽電池モジュ
ールの製造に要したエネルギを発電出力として回収でき
る年数）の短縮及び太陽電池を用いた発電システムの低
コスト化のために、太陽光を集光レンズを用いて集光し
太陽電池セルへの入射光量を増加させると共に、高価な
太陽電池セルの使用面積を小さくすることができる集光
型太陽電池が近年注目されているが、この集光型太陽電
池においては、集光度の増加と共に太陽電池セルの温度
上昇も著しくなる。
年数あるいはエネルギペイバック期間（太陽電池モジュ
ールの製造に要したエネルギを発電出力として回収でき
る年数）の短縮及び太陽電池を用いた発電システムの低
コスト化のために、太陽光を集光レンズを用いて集光し
太陽電池セルへの入射光量を増加させると共に、高価な
太陽電池セルの使用面積を小さくすることができる集光
型太陽電池が近年注目されているが、この集光型太陽電
池においては、集光度の増加と共に太陽電池セルの温度
上昇も著しくなる。
【０００８】図８には、太陽電池モジュールの集光レン
ズによる集光度と太陽電池セルの温度との関係が示され
る。図８において、横軸に集光度が、縦軸にセル温度が
それぞれ示される。図８の縦軸のセル温度の値は、冷却
を行なわずに太陽光の照射を始めてから１分後の太陽電
池セルの温度を示している。
ズによる集光度と太陽電池セルの温度との関係が示され
る。図８において、横軸に集光度が、縦軸にセル温度が
それぞれ示される。図８の縦軸のセル温度の値は、冷却
を行なわずに太陽光の照射を始めてから１分後の太陽電
池セルの温度を示している。
【０００９】図８に示されるように、集光度が増加して
いくにしたがいセル温度が上昇していくのがわかる。な
お、集光度１倍は集光しないことを意味しており、その
場合の太陽エネルギ量は０．１Ｗ／ｃｍ2 である。ま
た、集光度１０倍の場合には太陽電池セルに供給される
太陽光エネルギが１Ｗ／ｃｍ2 であり、集光度２０倍で
は２Ｗ／ｃｍ2 程度となる。
いくにしたがいセル温度が上昇していくのがわかる。な
お、集光度１倍は集光しないことを意味しており、その
場合の太陽エネルギ量は０．１Ｗ／ｃｍ2 である。ま
た、集光度１０倍の場合には太陽電池セルに供給される
太陽光エネルギが１Ｗ／ｃｍ2 であり、集光度２０倍で
は２Ｗ／ｃｍ2 程度となる。
【００１０】以上述べたように、太陽電池を冷却しない
と運転時のセル温度が上昇して、図７に示されるよう
に、太陽電池セルの発電量が低下してしまう。このた
め、せっかく集光しても、その太陽エネルギを十分取り
出すことができないという問題がある。このため、集光
型太陽電池の場合には、太陽電池の冷却は必須である。
しかし、上記従来例のように、個々の太陽電池セルごと
に直接冷却するのではなく、太陽電池セルを太陽電池モ
ジュールに組み込んだうえで水にジャブ漬する場合に
は、モジュールの外殻を介した冷却となるので冷却効果
が不十分であるという問題があった。また、太陽電池モ
ジュールの裏面に水冷管あるいは空冷フィンを設置した
り、さらには移動体に設置して空冷方式で冷却する場合
にも、太陽電池セルを直接冷却するものではないので、
いずれも十分な冷却を行なうことができないという問題
があった。
と運転時のセル温度が上昇して、図７に示されるよう
に、太陽電池セルの発電量が低下してしまう。このた
め、せっかく集光しても、その太陽エネルギを十分取り
出すことができないという問題がある。このため、集光
型太陽電池の場合には、太陽電池の冷却は必須である。
しかし、上記従来例のように、個々の太陽電池セルごと
に直接冷却するのではなく、太陽電池セルを太陽電池モ
ジュールに組み込んだうえで水にジャブ漬する場合に
は、モジュールの外殻を介した冷却となるので冷却効果
が不十分であるという問題があった。また、太陽電池モ
ジュールの裏面に水冷管あるいは空冷フィンを設置した
り、さらには移動体に設置して空冷方式で冷却する場合
にも、太陽電池セルを直接冷却するものではないので、
いずれも十分な冷却を行なうことができないという問題
があった。
【００１１】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、より効率的で効果的な太陽電池
の冷却方法を提供することにある。
のであり、その目的は、より効率的で効果的な太陽電池
の冷却方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、金属電極を使用する太陽電池の冷却
方法であって、太陽電池セルの受光面を冷媒で直接冷却
することを特徴とする。
に、第１の発明は、金属電極を使用する太陽電池の冷却
方法であって、太陽電池セルの受光面を冷媒で直接冷却
することを特徴とする。
【００１３】第２の発明は、第１の発明において、前記
太陽電池セルが、電極が前記受光面とは反対側の裏面に
形成されていることを特徴とする。
太陽電池セルが、電極が前記受光面とは反対側の裏面に
形成されていることを特徴とする。
【００１４】第３の発明は、第１の発明または第２の発
明において、前記冷媒が前記受光面に脈流として供給さ
れることを特徴とする。
明において、前記冷媒が前記受光面に脈流として供給さ
れることを特徴とする。
【００１５】第４の発明は、第１の発明または第２の発
明において、前記冷媒が前記受光面にジェット噴射によ
り供給されることを特徴とする。
明において、前記冷媒が前記受光面にジェット噴射によ
り供給されることを特徴とする。
【００１６】第５の発明は、第１の発明から第４の発明
のいずれかにおいて、前記冷媒が、前記太陽電池セルに
使用される半導体材料のバンドギャップに相当する光の
波長より長波長側の光を吸収する物質を含んでいること
を特徴とする。
のいずれかにおいて、前記冷媒が、前記太陽電池セルに
使用される半導体材料のバンドギャップに相当する光の
波長より長波長側の光を吸収する物質を含んでいること
を特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。
を図面に基づいて説明する。
【００１８】実施形態１．図１には、本発明に係る太陽
電池の冷却方法の実施形態１の断面図が示される。図１
において、太陽電池セル１０は、断面矩形状の配管１２
の下壁１４に設けられ、また配管１２の上壁１６には、
太陽電池セル１０に対向する位置に窓１８が設けられて
いる。この窓１８には、ガラスあるいは透明樹脂板等に
よって構成された平板状の光透過部材２０が設置されて
いる。さらに、光透過部材２０を介して太陽光２２を太
陽電池セル１０の受光面１１に集光させるための集光レ
ンズ２４が太陽電池モジュール（図示せず）に固定され
ている。なお、図１においては、説明の便宜のために太
陽電池セル１０及び集光レンズ２４などはそれぞれ１つ
ずつ示されているが、太陽電池モジュールにはこのよう
な太陽電池セル１０及び集光レンズ２４などが複数個設
けられている。
電池の冷却方法の実施形態１の断面図が示される。図１
において、太陽電池セル１０は、断面矩形状の配管１２
の下壁１４に設けられ、また配管１２の上壁１６には、
太陽電池セル１０に対向する位置に窓１８が設けられて
いる。この窓１８には、ガラスあるいは透明樹脂板等に
よって構成された平板状の光透過部材２０が設置されて
いる。さらに、光透過部材２０を介して太陽光２２を太
陽電池セル１０の受光面１１に集光させるための集光レ
ンズ２４が太陽電池モジュール（図示せず）に固定され
ている。なお、図１においては、説明の便宜のために太
陽電池セル１０及び集光レンズ２４などはそれぞれ１つ
ずつ示されているが、太陽電池モジュールにはこのよう
な太陽電池セル１０及び集光レンズ２４などが複数個設
けられている。
【００１９】上述した配管１２の中には、冷媒２６が流
されており、これにより個々の太陽電池セル１０の表面
が冷媒２６によって直接冷却される構造となっている。
この冷媒としては、主として水が用いられ、この他に、
アルコール、アセトン、フロン等も用途に応じて用いる
ことができる。
されており、これにより個々の太陽電池セル１０の表面
が冷媒２６によって直接冷却される構造となっている。
この冷媒としては、主として水が用いられ、この他に、
アルコール、アセトン、フロン等も用途に応じて用いる
ことができる。
【００２０】図１に示される集光レンズ２４の寸法は、
その用途によって異なるが、車、住宅等への応用を考え
ると太陽電池モジュールの厚みを小さくするほうが有利
なので、集光レンズ２４の焦点距離はなるべく小さくす
るのが好適である。このためには、径が小さくかつ曲率
の大きいレンズが使用される。この場合、集光レンズ２
４における光の吸収を小さくするという意味からは、集
光レンズの曲率を大きくしてその厚みが増えるのは不利
なので、材質及び曲率を換えずに相似形を保ったまま集
光レンズ２４の径を小さくするのがより望ましい。な
お、相似形を保ったまま径を小さくすると、互いに相似
である大きなレンズと小さなレンズではその互いに対応
する位置における光の屈折の程度が等しいので、焦点の
位置がレンズの縮小率に応じてレンズ側に接近するの
で、その結果として焦点距離が短くなる。さらに、この
集光レンズ２４としては平板状のフレネルレンズ等を使
用することもできる。
その用途によって異なるが、車、住宅等への応用を考え
ると太陽電池モジュールの厚みを小さくするほうが有利
なので、集光レンズ２４の焦点距離はなるべく小さくす
るのが好適である。このためには、径が小さくかつ曲率
の大きいレンズが使用される。この場合、集光レンズ２
４における光の吸収を小さくするという意味からは、集
光レンズの曲率を大きくしてその厚みが増えるのは不利
なので、材質及び曲率を換えずに相似形を保ったまま集
光レンズ２４の径を小さくするのがより望ましい。な
お、相似形を保ったまま径を小さくすると、互いに相似
である大きなレンズと小さなレンズではその互いに対応
する位置における光の屈折の程度が等しいので、焦点の
位置がレンズの縮小率に応じてレンズ側に接近するの
で、その結果として焦点距離が短くなる。さらに、この
集光レンズ２４としては平板状のフレネルレンズ等を使
用することもできる。
【００２１】以上のような集光レンズ２４としては、例
えば２０〜８０ｍｍφの円形レンズあるいは、コーナー
を切り落とし正方形（矩形状）とした２０〜８０ｍｍ角
の矩形状レンズであって、その焦点距離が３０〜１００
ｍｍ程度のものを用いることができる。
えば２０〜８０ｍｍφの円形レンズあるいは、コーナー
を切り落とし正方形（矩形状）とした２０〜８０ｍｍ角
の矩形状レンズであって、その焦点距離が３０〜１００
ｍｍ程度のものを用いることができる。
【００２２】また、図１に示された太陽電池セル１０と
しては、住宅あるいは車などの用途を考えて、効率の高
い結晶シリコン系が望ましいが、場合に応じて、ＧａＡ
ｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ）等の化
合物系太陽電池も使用することができる。
しては、住宅あるいは車などの用途を考えて、効率の高
い結晶シリコン系が望ましいが、場合に応じて、ＧａＡ
ｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＣＩＳ（ＣｕＩｎＳｅ）等の化
合物系太陽電池も使用することができる。
【００２３】本実施形態のように、太陽電池セル１０の
受光面１１上に直接冷媒２６を導入する場合には、受光
面１１に金属電極があると腐食の原因となるので長期間
の使用に耐えることができなくなる。このため、本実施
形態に使用される太陽電池セル１０としては、図２に示
されるように、正電極、負電極とも冷媒２６に直接触れ
ないように太陽電池セルの受光面１１とは反対側の裏面
に設置される構造とする。図２に示される太陽電池セル
は、単結晶シリコン（Ｓｉ）あるいは多結晶Ｓｉでセル
が構成されている。
受光面１１上に直接冷媒２６を導入する場合には、受光
面１１に金属電極があると腐食の原因となるので長期間
の使用に耐えることができなくなる。このため、本実施
形態に使用される太陽電池セル１０としては、図２に示
されるように、正電極、負電極とも冷媒２６に直接触れ
ないように太陽電池セルの受光面１１とは反対側の裏面
に設置される構造とする。図２に示される太陽電池セル
は、単結晶シリコン（Ｓｉ）あるいは多結晶Ｓｉでセル
が構成されている。
【００２４】図２（ａ）に示されるように、太陽電池セ
ル１０はｐ型Ｓｉによって基板２８が構成されており、
基板２８の受光面１１には、太陽光２２の吸収を十分に
行なうために、逆ピラミッド型のテクスチャー構造が形
成されている。この基板２８に形成されたテクスチャー
構造は、パッシベーション膜３０によって覆われてお
り、このパッシベーション膜３０の上がさらに反射防止
膜３２によって覆われている。
ル１０はｐ型Ｓｉによって基板２８が構成されており、
基板２８の受光面１１には、太陽光２２の吸収を十分に
行なうために、逆ピラミッド型のテクスチャー構造が形
成されている。この基板２８に形成されたテクスチャー
構造は、パッシベーション膜３０によって覆われてお
り、このパッシベーション膜３０の上がさらに反射防止
膜３２によって覆われている。
【００２５】ｐ型Ｓｉ基板２８は、キャリアの寿命を極
力長くするために、不純物濃度を１０15〜１０16ｃｍ-3
程度としており、この場合の比抵抗は１００〜１０００
Ωｃｍに相当する。また、図２（ｂ）に示されるよう
に、テクスチャー構造が形成された受光面１１と反対側
の裏面側には、ｎ+ 層とｐ+ 層とが交互に形成されてお
り、ｎ+ 層上には−電極を、ｐ+ 層上には＋電極がそれ
ぞれ設けられ、−電極同士及び＋電極同士がそれぞれ並
列に接続される。このような構成により、太陽電池セル
１０の全面からキャリアを有効に引き出すことができ
る。
力長くするために、不純物濃度を１０15〜１０16ｃｍ-3
程度としており、この場合の比抵抗は１００〜１０００
Ωｃｍに相当する。また、図２（ｂ）に示されるよう
に、テクスチャー構造が形成された受光面１１と反対側
の裏面側には、ｎ+ 層とｐ+ 層とが交互に形成されてお
り、ｎ+ 層上には−電極を、ｐ+ 層上には＋電極がそれ
ぞれ設けられ、−電極同士及び＋電極同士がそれぞれ並
列に接続される。このような構成により、太陽電池セル
１０の全面からキャリアを有効に引き出すことができ
る。
【００２６】図１に示された構造の場合、太陽光は冷媒
２６中を通過してから太陽電池セル１０の受光面１１に
到達するが、このときに太陽光が冷媒２６によって一部
吸収される。このため、太陽電池セル１０の受光面１１
と光透過部材２０との距離は極力小さくするのが望まし
く、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度が好適である。この範囲よ
りも太陽電池セル１０の受光面１１と光透過部材２０と
の距離が小さくなると、配管１２の断面積が小さくな
り、この中を流れる冷媒２６の圧損が高くなって冷媒２
６を流すためのポンプの消費エネルギが増加するのでエ
ネルギロスが大きくなる。また、この場合に太陽電池セ
ル１０の受光面１１上で冷媒２６の流れにむらが生じる
場合もある。一方、上記距離を上記範囲よりも大きくし
た場合には、上述したように光の吸収により太陽光エネ
ルギのロスが大きくなる。
２６中を通過してから太陽電池セル１０の受光面１１に
到達するが、このときに太陽光が冷媒２６によって一部
吸収される。このため、太陽電池セル１０の受光面１１
と光透過部材２０との距離は極力小さくするのが望まし
く、０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度が好適である。この範囲よ
りも太陽電池セル１０の受光面１１と光透過部材２０と
の距離が小さくなると、配管１２の断面積が小さくな
り、この中を流れる冷媒２６の圧損が高くなって冷媒２
６を流すためのポンプの消費エネルギが増加するのでエ
ネルギロスが大きくなる。また、この場合に太陽電池セ
ル１０の受光面１１上で冷媒２６の流れにむらが生じる
場合もある。一方、上記距離を上記範囲よりも大きくし
た場合には、上述したように光の吸収により太陽光エネ
ルギのロスが大きくなる。
【００２７】配管１２中を冷媒２６が流れるときの圧力
損失を減少させて冷媒２６を流すためのポンプの消費エ
ネルギを減らし、かつ太陽光エネルギのロスを減らすた
めには、例えば図３に示されるように、太陽電池セル１
０の部分のみ配管１２の径を小さくし、その他の部分に
おいては径を比較的大きくしておくことも有効である。
損失を減少させて冷媒２６を流すためのポンプの消費エ
ネルギを減らし、かつ太陽光エネルギのロスを減らすた
めには、例えば図３に示されるように、太陽電池セル１
０の部分のみ配管１２の径を小さくし、その他の部分に
おいては径を比較的大きくしておくことも有効である。
【００２８】また、冷媒としてフロン等を使用する場
合、配管１２が太陽光の照射を受けてその温度が上昇
し、中を流れる液状フロンが配管１２内で気化してしま
う場合がある。配管１２内でフロンが気化すると、太陽
電池セル１０の冷却効果が低下するので、気化を防ぐた
めに、図４に示されるように、配管１２を垂直方向すな
わち太陽光２２が進行してくる方向と同じ方向に配置
し、太陽電池セル１０の部分のみ水平方向にして太陽光
２２を十分に受けるような構成とする。この場合、垂直
方向に配置した配管は、遮光部材３４によって太陽光が
当たらないように構成しておく。このような構成によ
り、配管１２の太陽電池セル１０が形成されている部分
以外の部分に太陽光が照射されないようにしておき、配
管１２内における冷媒フロンの気化を防止することがで
きる。
合、配管１２が太陽光の照射を受けてその温度が上昇
し、中を流れる液状フロンが配管１２内で気化してしま
う場合がある。配管１２内でフロンが気化すると、太陽
電池セル１０の冷却効果が低下するので、気化を防ぐた
めに、図４に示されるように、配管１２を垂直方向すな
わち太陽光２２が進行してくる方向と同じ方向に配置
し、太陽電池セル１０の部分のみ水平方向にして太陽光
２２を十分に受けるような構成とする。この場合、垂直
方向に配置した配管は、遮光部材３４によって太陽光が
当たらないように構成しておく。このような構成によ
り、配管１２の太陽電池セル１０が形成されている部分
以外の部分に太陽光が照射されないようにしておき、配
管１２内における冷媒フロンの気化を防止することがで
きる。
【００２９】表１には、本実施形態に係る太陽電池の冷
却方法と従来例との冷却効果の比較が示される。太陽電
池セル１０としては単結晶Ｓｉにより構成された、図２
に示されるテクスチャー構造を有するものが使用され、
冷媒としては２０℃の水が使用された。また太陽光の集
光度はいずれの場合も２０倍とした。
却方法と従来例との冷却効果の比較が示される。太陽電
池セル１０としては単結晶Ｓｉにより構成された、図２
に示されるテクスチャー構造を有するものが使用され、
冷媒としては２０℃の水が使用された。また太陽光の集
光度はいずれの場合も２０倍とした。
【００３０】従来例においては、太陽電池モジュールを
冷却しない場合、太陽電池モジュールの裏面側にフィン
を取り付けて空冷する場合、太陽電池モジュールの裏面
側に水冷パイプを配置して間接的に冷却する場合の３つ
の場合が示される。また本実施形態においては図１に示
される方法により直接太陽電池セル１０を冷却する場合
が示される。
冷却しない場合、太陽電池モジュールの裏面側にフィン
を取り付けて空冷する場合、太陽電池モジュールの裏面
側に水冷パイプを配置して間接的に冷却する場合の３つ
の場合が示される。また本実施形態においては図１に示
される方法により直接太陽電池セル１０を冷却する場合
が示される。
【００３１】
【表１】 表１に示されるように、太陽光の照射開始から１分後、
２分後、３分後及び太陽電池モジュールが通常運転とな
った場合のいずれの場合においても、本実施形態に係る
太陽電池の冷却方法による方がどの従来例よりも冷却効
果が高く、また太陽電池セルの温度のばらつきも小さい
ことがわかった。これにより、太陽電池セル１０を多数
並べてモジュール化した場合に太陽電池セルの特性のば
らつきを抑制する効果も期待することができる。
２分後、３分後及び太陽電池モジュールが通常運転とな
った場合のいずれの場合においても、本実施形態に係る
太陽電池の冷却方法による方がどの従来例よりも冷却効
果が高く、また太陽電池セルの温度のばらつきも小さい
ことがわかった。これにより、太陽電池セル１０を多数
並べてモジュール化した場合に太陽電池セルの特性のば
らつきを抑制する効果も期待することができる。
【００３２】実施形態２．一般に、太陽光の中には、太
陽電池セル１０の光電効果に寄与できる光と寄与できな
い光とが存在する。例えば、Ｓｉによって太陽電池セル
を形成した場合、このバンドギャップが１．１ｅＶであ
るので、太陽光のうちおよそ１１２０ｎｍより短波長側
の光しか光電効果に寄与することができない。したがっ
て、太陽電池セル１０の光電効果に寄与できない長波長
側の光は、太陽電池セル１０の受光面１１に照射させず
に冷媒によって吸収させ、装置の外部へ除去すれば、太
陽電池の温度上昇を抑えることができ冷却能力を上げる
ことができる。
陽電池セル１０の光電効果に寄与できる光と寄与できな
い光とが存在する。例えば、Ｓｉによって太陽電池セル
を形成した場合、このバンドギャップが１．１ｅＶであ
るので、太陽光のうちおよそ１１２０ｎｍより短波長側
の光しか光電効果に寄与することができない。したがっ
て、太陽電池セル１０の光電効果に寄与できない長波長
側の光は、太陽電池セル１０の受光面１１に照射させず
に冷媒によって吸収させ、装置の外部へ除去すれば、太
陽電池の温度上昇を抑えることができ冷却能力を上げる
ことができる。
【００３３】以上より、本実施形態においては、使用す
る半導体材料のバンドギャップに相当する波長よりも長
波長側の光を吸収する物質を冷媒として使用する。
る半導体材料のバンドギャップに相当する波長よりも長
波長側の光を吸収する物質を冷媒として使用する。
【００３４】この時、冷媒としては、太陽電池セル１０
の光電効果に寄与する短波長側の光を吸収しないような
構成とする必要があり、選択性吸収の機能をもたせる必
要がある。例えば、硫酸バリウム水溶液やＮａＣｌ水溶
液を用いるのが好適である。あるいは、図１において光
透過部材２０の裏面側すなわち冷媒に接する側にＡｇの
薄膜を例えば数１００オングストローム程度の厚さに蒸
着させるのも好適である。
の光電効果に寄与する短波長側の光を吸収しないような
構成とする必要があり、選択性吸収の機能をもたせる必
要がある。例えば、硫酸バリウム水溶液やＮａＣｌ水溶
液を用いるのが好適である。あるいは、図１において光
透過部材２０の裏面側すなわち冷媒に接する側にＡｇの
薄膜を例えば数１００オングストローム程度の厚さに蒸
着させるのも好適である。
【００３５】本実施形態を採用した場合には、表１にお
ける太陽電池セル１０の運転温度は、単に水を冷却媒体
とした場合に比べてさらに２〜３℃低下させることがで
きる。
ける太陽電池セル１０の運転温度は、単に水を冷却媒体
とした場合に比べてさらに２〜３℃低下させることがで
きる。
【００３６】実施形態３．実施形態１においては、冷媒
は連続流で流していたが、これを脈流として流す方が全
体の流量が低下できるので、ポンプの消費電力をその分
低減することができる。反対に、ポンプの消費電力が同
じ場合には、脈流の最大流速を、連続流の流速より大き
くすることができる。ここで、脈流とは、流速が変動す
る流れをいう。
は連続流で流していたが、これを脈流として流す方が全
体の流量が低下できるので、ポンプの消費電力をその分
低減することができる。反対に、ポンプの消費電力が同
じ場合には、脈流の最大流速を、連続流の流速より大き
くすることができる。ここで、脈流とは、流速が変動す
る流れをいう。
【００３７】表２には、太陽電池セル１０の受光面１１
をミラー表面とした場合とテクスチャーを形成した場合
のそれぞれにつき冷媒を連続流で流した場合と脈流とし
た場合の冷却効果の比較が示される。なお、表２に示さ
れる温度は５０倍集光時において太陽電池セルの温度が
平衡状態になったときのものが示されている。また使用
された冷却水の温度は２０℃であった。また、脈流の流
速パターンとしてはさまざまなものが考えられるが、表
２に示される実験例においては、脈流の最大流速が連続
流の流速と等しく、かつポンプの消費電力が約１／２〜
４／５となるような脈流とした。
をミラー表面とした場合とテクスチャーを形成した場合
のそれぞれにつき冷媒を連続流で流した場合と脈流とし
た場合の冷却効果の比較が示される。なお、表２に示さ
れる温度は５０倍集光時において太陽電池セルの温度が
平衡状態になったときのものが示されている。また使用
された冷却水の温度は２０℃であった。また、脈流の流
速パターンとしてはさまざまなものが考えられるが、表
２に示される実験例においては、脈流の最大流速が連続
流の流速と等しく、かつポンプの消費電力が約１／２〜
４／５となるような脈流とした。
【００３８】
【表２】 表２からわかるように、受光面１１をミラー表面とした
場合及びテクスチャー構造とした場合のいずれにおいて
も、脈流の最大流速を連続流の流速と等しくすると、脈
流によって連続流と同じ程度まで太陽電池セルを冷却す
ることができることがわかった。この際のポンプの消費
電力は脈流の方が連続流に比べて約７０％〜８０％に低
下することができる。
場合及びテクスチャー構造とした場合のいずれにおいて
も、脈流の最大流速を連続流の流速と等しくすると、脈
流によって連続流と同じ程度まで太陽電池セルを冷却す
ることができることがわかった。この際のポンプの消費
電力は脈流の方が連続流に比べて約７０％〜８０％に低
下することができる。
【００３９】また、ポンプの消費電力を６５Ｗとした場
合、連続流の流速は２０ｃｍ／ｓであったが、脈流では
最大流速として３０ｃｍ／ｓに増加できた。脈流では、
このように連続流により流速が高い時が存在するが、こ
の大流速によって、受光面１１上に滞流し伝熱抵抗とな
っている水の層が除去されるので、冷却効果を上げるこ
とができると考えられる。
合、連続流の流速は２０ｃｍ／ｓであったが、脈流では
最大流速として３０ｃｍ／ｓに増加できた。脈流では、
このように連続流により流速が高い時が存在するが、こ
の大流速によって、受光面１１上に滞流し伝熱抵抗とな
っている水の層が除去されるので、冷却効果を上げるこ
とができると考えられる。
【００４０】このため特に、太陽電池セルの受光面１１
をテクスチャー構造とした場合は、ミラー表面の場合と
比べてその冷却効果が低下するが、脈流による冷却方法
を採用すると、ポンプの消費電力を増加させずに、最大
流速を高めに設定でき、十分低温まで（ポンプの消費電
力６５Ｗ、大流速３０ｃｍ／ｓのときに３８℃）冷却す
ることができた。
をテクスチャー構造とした場合は、ミラー表面の場合と
比べてその冷却効果が低下するが、脈流による冷却方法
を採用すると、ポンプの消費電力を増加させずに、最大
流速を高めに設定でき、十分低温まで（ポンプの消費電
力６５Ｗ、大流速３０ｃｍ／ｓのときに３８℃）冷却す
ることができた。
【００４１】実施形態４．図５には、本発明に係る太陽
電池の冷却方法の実施形態４の断面図が示される。図５
において、太陽電池セル１０は架台３６上に設けられて
おり、この太陽電池セル１０の斜め上方に冷媒ノズル３
８が設けられている。この冷媒ノズル３８によって冷媒
を連続又は間欠でジェット噴射させて太陽電池セル１０
にたたきつける。この場合、使用する冷媒の噴射量とし
ては、例えば１分間当たり１０〜２０ｃｃ／ｃｍ2 程度
でよい。
電池の冷却方法の実施形態４の断面図が示される。図５
において、太陽電池セル１０は架台３６上に設けられて
おり、この太陽電池セル１０の斜め上方に冷媒ノズル３
８が設けられている。この冷媒ノズル３８によって冷媒
を連続又は間欠でジェット噴射させて太陽電池セル１０
にたたきつける。この場合、使用する冷媒の噴射量とし
ては、例えば１分間当たり１０〜２０ｃｃ／ｃｍ2 程度
でよい。
【００４２】以上のような構成を採用すると、冷媒とし
て２０℃の冷却水を使用して、太陽光２２を５０倍に集
光したときにすなわち表２に示された条件と同じ条件に
おいて３０℃以下まで冷却することができた。
て２０℃の冷却水を使用して、太陽光２２を５０倍に集
光したときにすなわち表２に示された条件と同じ条件に
おいて３０℃以下まで冷却することができた。
【００４３】表３には、従来方法及び本発明に係る実施
形態１及び実施形態４のそれぞれの場合の冷却効果及び
太陽電池セルの出力の比較が示される。
形態１及び実施形態４のそれぞれの場合の冷却効果及び
太陽電池セルの出力の比較が示される。
【００４４】表３において、従来例としては太陽電池モ
ジュールの裏面側に水冷パイプを配置して間接的に冷却
する方法の場合が示され、実施形態４としては図５に示
される方法によって太陽電池セル１０を冷却した場合が
示され、実施形態１としては図１の方法によって太陽電
池セル１０を冷却した場合が示されている。また、太陽
電池セル１０としてはその受光面１１にテクスチャー構
造が形成されたものが使用されており、セル温度及びセ
ル出力すなわち発電量はそれぞれ太陽光を５０倍集光し
た時の値が示されている。
ジュールの裏面側に水冷パイプを配置して間接的に冷却
する方法の場合が示され、実施形態４としては図５に示
される方法によって太陽電池セル１０を冷却した場合が
示され、実施形態１としては図１の方法によって太陽電
池セル１０を冷却した場合が示されている。また、太陽
電池セル１０としてはその受光面１１にテクスチャー構
造が形成されたものが使用されており、セル温度及びセ
ル出力すなわち発電量はそれぞれ太陽光を５０倍集光し
た時の値が示されている。
【００４５】
【表３】 表３からわかるように、実施形態４の方法を採用した場
合には、受光面１１にテクスチャー構造を有する太陽電
池セル１０を使用した場合でも、最低２７℃までセルの
運転温度を低下することができた。また、実施形態１及
び実施形態４とも従来例に比べてはるかにセル温度を低
くすることができるので、いずれも従来例に比べてセル
出力を大幅に増加することができた。この結果、セル出
力からポンプの消費電力を差し引いた太陽電池セルのト
ータル出力を、実施形態１及び実施形態４とも従来例に
比べて大幅に増加させることができ、セル当たりの発電
効率を大きく改善することができた。特に、実施形態４
においては、使用する冷媒の流量を非常に小さくするこ
とができるので、その分ポンプの消費電力も大幅に低下
することができ、さらにセル当たりの発電効率を増加さ
せることができる。
合には、受光面１１にテクスチャー構造を有する太陽電
池セル１０を使用した場合でも、最低２７℃までセルの
運転温度を低下することができた。また、実施形態１及
び実施形態４とも従来例に比べてはるかにセル温度を低
くすることができるので、いずれも従来例に比べてセル
出力を大幅に増加することができた。この結果、セル出
力からポンプの消費電力を差し引いた太陽電池セルのト
ータル出力を、実施形態１及び実施形態４とも従来例に
比べて大幅に増加させることができ、セル当たりの発電
効率を大きく改善することができた。特に、実施形態４
においては、使用する冷媒の流量を非常に小さくするこ
とができるので、その分ポンプの消費電力も大幅に低下
することができ、さらにセル当たりの発電効率を増加さ
せることができる。
【００４６】また、実施形態４においては、図５に示さ
れるように、ガラスなどの光透過部材２０が不要なの
で、これによる太陽光の減衰がないという効果もある。
れるように、ガラスなどの光透過部材２０が不要なの
で、これによる太陽光の減衰がないという効果もある。
【００４７】実施形態５．図６には、本発明に係る太陽
電池の冷却方法の実施形態５の断面図が示される。
電池の冷却方法の実施形態５の断面図が示される。
【００４８】図６において、実施形態１と異なる点は、
配管１２に形成された窓１８に平板状の光透過部材では
なく、凹レンズ４０が設置されている点である。
配管１２に形成された窓１８に平板状の光透過部材では
なく、凹レンズ４０が設置されている点である。
【００４９】集光レンズ２４によって集光された太陽光
２２は、凹レンズ４０により太陽電池セル１０の受光面
１１に対して垂直な平行光に修正され、太陽電池セル１
０の受光面１１に均一な光強度となって照射される。こ
れにより太陽電池セル１０内でのキャリア発生分布がよ
り均一になるので、太陽電池セル１０内に発生する電位
の分布も均一化され、得られる発電出力を増大させるこ
とが期待できる。
２２は、凹レンズ４０により太陽電池セル１０の受光面
１１に対して垂直な平行光に修正され、太陽電池セル１
０の受光面１１に均一な光強度となって照射される。こ
れにより太陽電池セル１０内でのキャリア発生分布がよ
り均一になるので、太陽電池セル１０内に発生する電位
の分布も均一化され、得られる発電出力を増大させるこ
とが期待できる。
【００５０】表４には、実施形態１と本実施形態５の太
陽電池セル当たりのトータル出力すなわち太陽電池セル
１０による発電量からポンプの消費電力を差し引いた値
の比較が示される。
陽電池セル当たりのトータル出力すなわち太陽電池セル
１０による発電量からポンプの消費電力を差し引いた値
の比較が示される。
【００５１】
【表４】 表４に示されるように、いずれの場合においても、太陽
電池セルの温度はほぼ同じであるが、トータル出力は実
施形態５の方が向上させることができた。
電池セルの温度はほぼ同じであるが、トータル出力は実
施形態５の方が向上させることができた。
【００５２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
太陽電池セルの受光面を直接冷媒で冷却するので、効率
良く効果的に太陽電池セルの温度を下げることができ
る。このため、太陽電池セルの発電効率が向上するとと
もに、太陽電池セルの寿命も延ばすことができる。
太陽電池セルの受光面を直接冷媒で冷却するので、効率
良く効果的に太陽電池セルの温度を下げることができ
る。このため、太陽電池セルの発電効率が向上するとと
もに、太陽電池セルの寿命も延ばすことができる。
【００５３】また、太陽電池セルは、電極が受光面とは
反対側の裏面に形成されているので、受光面を直接冷却
する構造としても電極の腐食を避けることができる。
反対側の裏面に形成されているので、受光面を直接冷却
する構造としても電極の腐食を避けることができる。
【００５４】また、太陽電池セルを冷却するための冷媒
の流し方を脈流とすることによって、さらに冷却効果を
上げることができる。
の流し方を脈流とすることによって、さらに冷却効果を
上げることができる。
【００５５】また、太陽電池セルを冷却するための冷媒
を、ジェット噴射式にすることにより、少量の冷媒でも
効率良く太陽電池セルを冷却することができる。
を、ジェット噴射式にすることにより、少量の冷媒でも
効率良く太陽電池セルを冷却することができる。
【００５６】さらに、例えば半導体材料としてシリコン
を用いる場合、シリコンのバンドギャップが１．１ｅＶ
であり、約１１２０ｎｍより短波長側の光しか光電効果
に寄与しないので、それよりも長波長側の光は冷媒に吸
収させることにより、太陽電池セルの温度上昇をさらに
抑制することができる。
を用いる場合、シリコンのバンドギャップが１．１ｅＶ
であり、約１１２０ｎｍより短波長側の光しか光電効果
に寄与しないので、それよりも長波長側の光は冷媒に吸
収させることにより、太陽電池セルの温度上昇をさらに
抑制することができる。
【図１】 本発明に係る太陽電池の冷却方法の実施形態
１の断面図である。
１の断面図である。
【図２】 図１に示された実施形態１に使用される太陽
電池セルの構造を示す斜視図である。
電池セルの構造を示す斜視図である。
【図３】 図１に示される実施形態１の配管１２の変形
例を示す図である。
例を示す図である。
【図４】 図１に示される実施形態１の配管１２の変形
例を示す図である。
例を示す図である。
【図５】 本発明に係る太陽電池の冷却方法の実施形態
４の断面図である。
４の断面図である。
【図６】 本発明に係る太陽電池の冷却方法の実施形態
５の断面図である。
５の断面図である。
【図７】 太陽電池セルの温度と太陽電池セルの発電量
との関係を示す図である。
との関係を示す図である。
【図８】 集光レンズによる集光度と太陽電池セルの温
度との関係を示す図である。
度との関係を示す図である。
１０ 太陽電池セル、１１ 受光面、１２ 配管、１４
下壁、１６ 上壁、１８ 窓、２０ 光透過部材、２
２ 太陽光、２４ 集光レンズ、２６ 冷媒、２８ 基
板、３０ パッシベーション膜、３２ 反射防止膜、３
４ 遮光部材、３６ 架台、３８ 冷媒ノズル、４０
凹レンズ。
下壁、１６ 上壁、１８ 窓、２０ 光透過部材、２
２ 太陽光、２４ 集光レンズ、２６ 冷媒、２８ 基
板、３０ パッシベーション膜、３２ 反射防止膜、３
４ 遮光部材、３６ 架台、３８ 冷媒ノズル、４０
凹レンズ。
Claims (5)
- 【請求項１】 金属電極を使用する太陽電池の冷却方法
であって、 太陽電池セルの受光面を冷媒で直接冷却することを特徴
とする太陽電池の冷却方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の太陽電池の冷却方法にお
いて、 前記太陽電池セルは、電極が前記受光面とは反対側の裏
面に形成されていることを特徴とする太陽電池の冷却方
法。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の太陽電池
の冷却方法において、 前記冷媒が前記受光面に脈流と
して供給されることを特徴とする太陽電池の冷却方法。 - 【請求項４】 請求項１または請求項２記載の太陽電池
の冷却方法において、 前記冷媒が前記受光面にジェッ
ト噴射により供給されることを特徴とする太陽電池の冷
却方法。 - 【請求項５】 請求項１から請求項４のいずれか一項記
載の太陽電池の冷却方法において、 前記冷媒は、前記太陽電池セルに使用される半導体材料
のバンドギャップに相当する光の波長より長波長側の光
を吸収する物質を含んでいることを特徴とする太陽電池
の冷却方法。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP8021369A JPH09213980A (ja) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | 太陽電池の冷却方法 |
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ID=12053190
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