JPH1127968A - 発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光の利用効率を向上できるとともに、低コスト
化が可能であり、しかも薄型で軽量な発電システムを提
供することを目的とする。 【解決手段】板状の透明な導光体１０に光が入射する
と、光の光路が略直角に折り曲げられ、光は導光体１０
の側面に導かれる。導光体１０の各側面には、光電変換
素子２１の受光面が対向するように配列された受光部２
０ａ〜ｄが配置されている。導光体１０の側面に導かれ
た光は、この光電変換素子２１の受光面に入射し、電気
エネルギに変換される。受光部２０ａ〜ｄで発生された
電気エネルギは、集畜電部３０に一時的に蓄積される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光エネルギを利
用した発電システムに係り、特に太陽光を光電変換素子
に導いて電気エネルギを発生する発電システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、太陽光を利用して電気エネルギを
発生する発電システムが実用化されている。この発電シ
ステムは、支持基板上に配列された光電変換素子として
の太陽電池を複数備えたパネル部を有している。この太
陽電池は、その受光面がパネル部における太陽光の入射
面に向くように配列され、受光面側に透明樹脂が配置さ
れることにより支持板との間に封入される。一般に、パ
ネル部は、太陽電池の受光面の法線方向の方位角を真南
に向け、緯度に等しい角度で固定されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
発電システムでは、光電変換素子の受光面がそのまま太
陽光の入射面を形成しており、パネル部の入射面のほぼ
全体にわたって、複数、例えばパネル部の縦及び横方向
にｎ×ｍ個の太陽電池を配列する必要がある。したがっ
て、大量の電気エネルギを発生するためには、パネル部
を拡大して太陽光の入射面を拡大し、これに伴って太陽
電池も多量に配列する必要がある。このため、システム
のコストがアップするといった問題がある。

【０００４】一方、太陽光を効率よく利用するとともに
太陽電池の数を減らすことが可能な集光方式の発電シス
テムが開発されている。すなわち、点状あるいは線状に
配置された太陽電池に太陽光を集光するために、円型あ
るいは線型のフレネルレンズを用いたシステムが開発さ
れている。また、放物面鏡を用いてその焦点に太陽電池
を配置する反射方式の発電システムも開発されている。

【０００５】しかしながら、このような集光方式及び反
射方式の発電システムでは、レンズや反射鏡の加工に要
するコストがアップし、結果的にシステムのコストアッ
プにつながる。

【０００６】また、レンズや反射鏡を使用してその焦点
に太陽電池を配置する必要があるため、パネル部が焦点
距離分の以上の厚さで設計されなければならない。この
ため、大口径のレンズや反射鏡を用いる場合には、パネ
ル部の薄型化が困難となるばかりか、パネル部の重量が
増大し、軽量化が困難となるといった問題も生ずる。

【０００７】そこで、この発明の目的は、太陽光に対し
ては大きな入射面積を有しながら小さな受光面積の光電
変換素子を使用することができるとともに、低コスト化
が可能であり、しかも薄型で軽量な発電システムを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、請求項１によれば、透明な板
状部材によって形成されているとともに、その主面に入
射した光をその側面に導く導光手段と、前記導光手段の
側面に対向して設けられた受光部を有し、前記側面に導
かれた光を前記受光部で受光して電気エネルギを発生す
る発電手段と、を備えたことを特徴とする発電システム
が提供される。

【０００９】請求項１に記載の発明によれば、透明な板
状の導光手段により、その主面に入射した光を側面に導
き、この側面に受光部が配置された発電手段により、受
光した光に応じた電気エネルギが発生される。このよう
に、発電手段の受光部を導光手段の側面に配置すること
により、システムの薄型化が可能となる。また、発電手
段である受光部内光電変換素子の受光面の総面積は、光
の入射面積より小さくなるため、発電手段の受光面を光
の入射面と略同じとした場合より、システムの低コスト
化が可能となる。

【００１０】請求項２によれば、前記導光手段は、その
側面が前記主面に対して略直交するように形成されてい
るとともに、前記主面に入射した光の光路を略直交する
方向に折り曲げて前記側面に導くことを特徴とする請求
項１に記載の発電システムが提供される。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、発電手段
の受光部が配置される導光手段の側面は、主面に対して
略直交するように形成されているため、側面の表面積を
小さくすることが可能となり、これに伴って発電手段の
受光面を小さくすることが可能となる。このため、シス
テムの薄型化、軽量化及び低コスト化が可能となる。

【００１２】請求項３によれば、前記導光手段は、ｎを
３以上の整数とした時に、その主面がｎ角形に形成され
ているとともにｎ個の側面を有し、前記ｎ個の側面のう
ちの少なくとも１面に前記発電手段の受光部が設けられ
ていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム
が提供される。

【００１３】請求項３に記載の発明によれば、導光手段
のｎ個の側面のうち、少なくとも１面に前記発電手段の
受光部が設けられている。導光手段の受光部は、必ずし
も導光手段のすべての側面に配置される必要がないた
め、システムの低コストかが可能となる。

【００１４】請求項４によれば、前記導光手段の側面の
うち、前記発電手段の受光部が設けられていない面に
は、反射面が設けられていることを特徴とする請求項３
に記載の発電システムが提供される。

【００１５】請求項４に記載の発明によれば、発電手段
の受光部が設けられていない導光体の側面に反射面が設
けられている。このため、受光部が設けられていない側
面に導かれた光は反射され、受光部が配置された側面か
ら出射される。そして、この側面から出射された光が受
光部で受光される。したがって、光電変換素子の受光面
の面積を小さくすることができるとともに、効率よく光
を利用することができる。このため、システムの低コス
ト化が可能である。

【００１６】請求項５によれば、前記導光手段の主面の
裏面には、前記主面から入射した光を散乱する光散乱層
が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発
電システムが提供される。

【００１７】請求項５に記載の発明によれば、導光手段
の主面の裏面に設けられた光散乱層により、主面から入
射した光は、側面に向かって拡散され、この結果、導光
手段の側面に配置された発電手段の受光部に光を導くこ
とができる。

【００１８】請求項６によれば、前記導光手段は、光の
散乱、回折、及び反射の少なくとも１つの特性を備え、
前記特性を利用して前記主面から入射した光を前記側面
に導くことを特徴とする請求項１に記載の発電システム
が提供される。

【００１９】請求項７によれば、前記導光手段は、その
側面と前記発電手段の受光面との間に分光手段を備え、
前記分光手段は、前記受光部における光電変換効率が最
も高い波長を含む所定範囲の波長の光を透過するととも
に、前記所定範囲以外の波長の光を反射することを特徴
とする請求項１に記載の発電システムが提供される。

【００２０】請求項７に記載の発明によれば、発電手段
が有する光電変換特性に対応した分光手段を設けること
により、光の有効利用が可能となる。

【００２１】請求項８によれば、前記導光手段の主面の
裏面に設けられ、前記主面から入射した光に含まれる熱
エネルギを分離するとともに前記発電手段における光電
変換効率が最も高い波長を含む所定範囲の波長の光を散
乱する熱分離手段と、前記導光手段の側面と前記発電手
段の受光面との間に設けられ、前記所定範囲の波長の光
を透過するとともに、熱線を反射する熱反射手段と、を
備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電システム
が提供される。

【００２２】請求項８に記載の発明によれば、熱分離手
段と、熱反射手段を備えたことにより、導光手段の主面
から入射した光に含まれる熱エネルギを分離して利用す
ることが可能であるとともに、電気エネルギを発生する
ことが可能であり、光を有効利用することが可能とな
る。

【００２３】請求項９によれば、前記発電手段で発生さ
れた電気エネルギを一時的に集電及び蓄電する集畜電手
段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電シス
テムが提供される。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明に
係る発電システムの実施の形態について詳細に説明す
る。

【００２５】図１は、この発明の発電システムの構成を
概略的に示す図である。図１に示すように、この発電シ
ステム１は、導光手段として機能する導光体１０及び発
電手段として機能する受光部２０ａ〜ｄを有するパネル
部２０と、集畜電手段として機能する集畜電部３０とを
備えている。

【００２６】導光体１０は、例えばガラスやプラスティ
ックなどの透明な板状の絶縁体によって形成されてい
る。この導光体１０は、その主面が四角形となるように
形成されているが、円形、またはｎを３以上の整数とす
るｎ角形であっても構わない。しかしながら、略長方形
また正方形の四角形に形成することが、複数の導光体を
配列した際に設置面積の有効利用が可能となる。この導
光体１０は、図２に示すように、光源１１から発生され
た光をその内部で反射させつつ散乱を利用して外部に放
射する光学特性を有している。

【００２７】すなわち、導光体１０は、第１の主面１０
ａ、この第１の主面の略直交する側面１０ｂ、及び第１
の主面１０ａに対向する面すなわち第１の主面１０ａの
裏面としての第２の主面１０ｃを含んでいる。図２に示
したような配置の場合、側面１０ｂが光の入射面であ
り、第１の主面１０ａが光の出射面である。そして、第
２の主面１０ｃには、光を散乱するための所定のパター
ン１２が形成され、さらに、このパターン１２を介して
反射板１３が配置されている。光源１１は、導光体の一
側面１０ｂに配置されている。

【００２８】光源１１から発生された光は、導光体１０
の側面１０ｂから入射される。導光体１０に入射した光
は、第２の主面側に設けられたパターン１２及び反射板
１３によって反射される。そして、反射された光は、導
光体１０の第１の主面１０ａ側から外部に向けて出射さ
れる。

【００２９】このような導光体の光学特性の可逆性を利
用すると、以下のような光学特性が得られる。すなわ
ち、図２中の一点鎖線で示すように、導光体１０の第１
の主面１０ａ側から光を入射させると、光は、パターン
１２及び反射板１３によって導光体１０の内部を反射、
及び散乱しながら側面１０ｂに向けて導かれる。図２で
は、図中の左右方向にのみ光が導かれているように記載
しているが、実際には、光は、入射した位置から放射状
に進行している。

【００３０】つまり、第１の主面１０ａを光の入射面と
し、側面１０ｂを光の出射面として導光体１０を利用す
ることが可能である。この実施の形態の発電システム１
は、上述したような光学特性を有する導光体１０を利用
して構成している。

【００３１】図３は、図１に示した発電システムに含ま
れるパネル部２０を概略的に示す断面図である。すなわ
ち、この導光体１０は、第１の主面１０ａを光の入射面
とし、側面１０ｂを光の出射面として利用している。第
２の主面１０ｃには、光を散乱するための光散乱層１５
が設けられている。また、図１及び図３に示すように、
受光部２０ａ〜ｄは、導光体１０の側面１０ｂ側に配置
されている。

【００３２】この受光部２０ａ〜ｄは、１個または複数
の光電変換素子２１を有し、この光電変換素子２１が導
光体１０の側面に配列されることによって構成されてい
る。また、各光電変換素子２１は、その受光面が導光体
１０の側面１０ｂに向くようにそれぞれ配置されてい
る。この光電変換素子２１は、導光体１０の第１の主面
１０ａから入射してその側面１０ｂに導かれた光を受光
面で受光することにより、受光した光の強度及び波長に
応じて電気エネルギを発生する。

【００３３】この受光部２０ａ〜ｄは、それぞれ集畜電
部３０に接続されている。集畜電部３０は、受光部２０
ａ〜ｄの各光電変換素子２１で発生された電気エネルギ
を集めて一時的に蓄積する。

【００３４】図１及び図３に示したような構造の発電シ
ステムでは、導光体１０の第１の主面１０ａに光が入射
すると、光散乱層１５により導光体１０の内部を四方八
方に光が散乱されるとともに、導光体１０の内部で内部
反射を繰り返すことにより、光は、導光体１０の四方に
導かれる。すなわち、入射面としての第１の主面１０ａ
から入射した光は、その光路が略直角に折り曲げられ、
結果的に入射面１０ａに略直交する出射面としての側面
１０ｂから出射される。

【００３５】側面１０ｂから出射された光は、側面１０
ｂに対向して配置された光電変換素子２１を含む受光部
２０ａ〜ｄの受光面に入射する。光電変換素子２１は、
受光面で受光した光の強度、及び波長に応じて電気エネ
ルギを発生する。そして、受光部２０ａ〜ｄで発生され
た電気エネルギは、集畜電部３０に一時的に蓄積され
る。

【００３６】このような発電システムによれば、透明な
板状の導光体１０により、その主面１０ａに入射した光
を側面１０ｂに導き、この側面１０ｂに受光面が配置さ
れた光電変換素子２１により、受光した光の強度及び波
長に応じた電気エネルギが発生される。このように光電
変換素子２１の受光面を導光体１０の側面１０ｂに配置
することにより、システムの薄型化が可能となる。ま
た、光電変換素子２１の受光面の総面積は、光の入射面
積より小さくなるため、光電変換素子２１の受光面を光
の入射面と略同じとした場合より、システムの低コスト
化が可能となる。

【００３７】また、導光体１０は、その側面１０ｂが主
面１０ａに対して略直交するように形成されているとと
もに、この主面１０ａに入射した光の光路を略直交する
方向に折り曲げて側面１０ｂに導くことができる。この
ため、光電変換素子２１の受光面が配置される導光体１
０の側面１０ｂの表面積を小さくすることが可能とな
り、これに伴って光電変換素子２１の受光面を小さくす
ることが可能となる。したがって、システムの低コスト
化が可能となる。

【００３８】なお、この実施の形態では、略矩形状の導
光体を使用してその四方の側面すべてに受光部を配置し
たが、側面に反射板を設けることにより、対向する側面
のいずれか一方のみに受光部を配置する構成であっても
よい。また、互いに隣接する側面を直交させずに形成
し、側面のうちの３面に反射板を設けることにより、１
側面のみに受光部を配置する構成であってもよい。この
ように、導光体の側面のうち、少なくとも１面にその受
光面が配置されるように受光部を配置するように構成す
ることが可能である。これにより、受光部をさらに小面
積化することが可能となり、システムを低コストで構成
することが可能となる。

【００３９】また、図４に示したように、導光体１０を
第１の導光体とし、この第１の導光体の側面に沿って延
出された第２の導光体１６ａ〜ｄを各側面１０ｂに配置
し、各第２の導光体１６ａ〜ｄの終端に、光電変換素子
を含む受光部２０ａ〜ｄを設けるように構成してもよ
い。なお、この第１の導光体１０と第２の導光体１６ａ
〜ｄは、一体に形成されてもよい。

【００４０】図４に示したような構造とすることによ
り、第１の主面１０ａから入射した光は、第１の導光体
１０の各側面１０ｂに導かれた後、第２の導光体１６ａ
〜ｄに入射し、図中の矢印で示したように、第１の導光
体１０の側面１０ｂに沿って受光部２０ａ〜ｄに導く。
このため、集光の度合いを増してから光電変換すること
が可能である。

【００４１】さらに、導光体１０の第１の主面と光電変
換素子２１の受光面との間の光路上、もしくは光電変換
素子２１の受光面上に分光手段としての分光体、例えば
ダイクロイックミラーや帯域透過型フィルターのような
波長選択性のフィルタを設けてもよい。図５に示した例
では、受光部２０ａ〜ｄの受光面と、導光体１０の側面
１０ｂとの間に、分光体１８ａ〜ｄが配置されている。

【００４２】この分光体１８ａ〜ｄは、光電変換素子２
１の光電変換効率が最も高い波長を含む所定の範囲の波
長の光を透過するとともに、この所定範囲以外の波長の
光を反射する。このため、高い変換効率が得られる光電
変換素子２１の分光感度に合わせて分光体１８ａ〜ｄの
透過波長及び反射波長を選択可能であり、狭い分光感度
をもった光電変換素子を利用できるように構成すること
ができる。

【００４３】各受光部２０ａ〜ｄは、互いに分光感度が
最高となる波長が異なる光電変換素子によって構成する
ことにより、広い波長範囲をもって入射してくる光を、
ある波長範囲毎に分割し、それぞれの波長範囲毎に最適
な分光感度をもった光電変換素子を使い、高い効率で光
電変換を行うことができる。

【００４４】またさらに、光電変換に利用しない波長成
分の光を選別するフィルターを用い、選別して光電変換
に利用しない光を熱エネルギーに変換して利用すること
もできる。すなわち、図６に示したように、導光体１０
の側面１０ｂと受光部２０ａ〜ｄとの間に熱反射手段と
しての熱線反射鏡６０ａ〜ｄが設けられている。なお、
図６中では、熱線反射鏡は、参照符号６０ａ、６０ｃし
か記載されていないが、各受光部２０ａ〜ｄのそれぞれ
に対応して設けられている。この熱線反射鏡６０ａ〜ｄ
は、光電変換素子の分光感度が最も高い波長を含む所定
範囲の波長の光を透過するとともに、熱エネルギを含む
熱線を反射する。

【００４５】また、光散乱層１５の背面には、入射した
光に含まれる熱線を透過する熱分離手段としての熱線透
過フィルタ６１、及び熱線を吸収する熱線吸収層６２が
設けられている。熱線透過フィルタ６１と熱線吸収層６
２との間には、水が供給されている。この水は、熱線透
過フィルタ６１を透過した熱線によって加熱される。ま
た、この水は、熱線吸収層６２が熱線を吸収して発熱す
ることにより対流を利用して加熱される。

【００４６】このような構造とすることにより、導光体
１０の主面１０ａから入射した光に含まれる熱エネルギ
を分離するとともに光電変換素子における分光感度が最
も高い波長を含む所定範囲の波長の光を散乱する。そし
て、散乱された光は、熱線反射鏡６０ａ〜ｄを透過して
受光部２０ａ〜ｄに導かれ、電気エネルギに変換され
る。

【００４７】したがって、導光体に入射した光に含まれ
る熱エネルギを有効利用するとともに、光を電気エネル
ギに変換し、光を有効利用することが可能となる。

【００４８】図７は、図１乃至図６に示した発電システ
ム１の制御系の構成例を概略的に示すブロック図であ
る。図７に示すように、この発電システム１は、システ
ムの全体を統括制御する主制御部４０を備えている。こ
の主制御部４０には、集畜電部３０に蓄積されている電
気エネルギ量をモニタするとともに集畜電部３０を制御
する蓄電制御部４１、及び配電要求に応じて集畜電部３
０に蓄積されている電気エネルギーを各種電気機器５０
に配電する配電制御部４２が接続されている。

【００４９】パネル部２における導光体１０の第１の主
面１０ａに光が入射すると、この光は、光路を略直角に
折り曲げられ、導光体１０の内部で内部反射を繰り返し
ながら導光体１０の四方の側面１０ｂに導かれる。そし
て、この光は、導光体１０の側面１０ｂから出射され、
受光部２０ａ〜ｄの各光電変換素子２１の受光面に入射
される。

【００５０】各光電変換素子２１は、受光した光の強度
及び波長に応じて電気エネルギを発生する。この電気エ
ネルギは、集畜電部３０に一時的に蓄電される。集畜電
部３０に蓄電されている電気エネルギ量は、蓄電制御部
４１によってモニタされ、この情報が主制御部４０に提
供されるている。

【００５１】主制御部４０は、配電の要求があると、配
電制御部４２を制御して、集畜電部３０に蓄電されてい
る電気エネルギを照明器具等の各種電気機器に配電す
る。

【００５２】上述したように、この発明の発電システム
によれば、従来のシステムに比べて、光の入射面積より
も光電変換素子の受光面積を小さくすることが可能であ
るとともに、光電変換素子の数を削減することができ
る。このため、システムの低コスト化が可能となる。

【００５３】また、多くの光を受光する目的で、パネル
部を拡大したとしても、従来のシステムのように入射面
の面積の等しい受光面面積を有する光電変換素子を入射
面に沿って配列する必要がなくなり、少ない光電変換素
子で光の利用効率を向上することが可能となる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、光の利用効率を向上できるとともに、低コスト化が
可能であり、しかも薄型で軽量な発電システムを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明に係る発電システムの一例を
示す図である。

【図２】図２は、図１に示した発電システムに適用され
る導光体の構造を概略的に示す断面図である。

【図３】図３は、図１に示した発電システムの構造を概
略的に示す断面図である。

【図４】図４は、この発明の発電システムの変形例を示
す図である。

【図５】図５は、この発明の発電システムの変形例を示
す図である。

【図６】図６は、この発明の発電システムの変形例を示
す断面図である。

【図７】図７は、この発明の発電システムを制御する制
御ブロックの一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…発電システム １０…導光体 １０ａ…第１の主面 １０ｂ…側面 １０ｃ…第２の主面 １５…光散乱層 １６（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…第２導光体 １８（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…分光体 ２０（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…受光部 ２１…光電変換素子 ３０…集畜電部 ４０…主制御部 ６０（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）…熱線反射鏡 ６１…熱線透過フィルタ ６２…熱線吸収層

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透明な板状部材によって形成されていると
   ともに、その主面に入射した光をその側面に導く導光手
   段と、 前記導光手段の側面に設けられた受光部を有し、前記側
   面に導かれた光を前記受光部で受光して電気エネルギを
   発生する発電手段と、 を備えたことを特徴とする発電システム。
2. 【請求項２】前記導光手段は、その側面が前記主面に対
   して略直交するように形成されているとともに、前記主
   面に入射した光の光路を略直交する方向に折り曲げて前
   記側面に導くことを特徴とする請求項１に記載の発電シ
   ステム。
3. 【請求項３】前記導光手段は、ｎを３以上の整数とした
   時に、その主面がｎ角形に形成されているとともにｎ個
   の側面を有し、前記ｎ個の側面のうちの少なくとも１面
   に前記発電手段の受光部が設けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の発電システム。
4. 【請求項４】前記導光手段の側面のうち、前記発電手段
   の受光部が設けられていない面には、反射面が設けられ
   ていることを特徴とする請求項３に記載の発電システ
   ム。
5. 【請求項５】前記導光手段の主面の裏面には、前記主面
   から入射した光を散乱する光散乱層が設けられているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
6. 【請求項６】前記導光手段は、光の散乱、回折、及び反
   射の少なくとも１つの特性を備え、前記特性を利用して
   前記主面から入射した光を前記側面に導くことを特徴と
   する請求項１に記載の発電システム。
7. 【請求項７】前記導光手段は、その側面と前記発電手段
   の受光部との間に分光手段を備え、前記分光手段は、前
   記受光部における光電変換効率が最も高い波長を含む所
   定範囲の波長の光を透過するとともに、前記所定範囲以
   外の波長の光を反射することを特徴とする請求項１に記
   載の発電システム。
8. 【請求項８】前記導光手段の主面の裏面に設けられ、前
   記主面から入射した光に含まれる熱線を分離するととも
   に前記発電手段の前記受光部における光電変換効率が最
   も高い波長を含む所定範囲の波長の光を反射または散乱
   する熱分離手段と、 前記導光手段の側面と前記発電手段の受光部との間に設
   けられ、前記所定範囲の波長の光を透過するとともに、
   熱線を反射する熱反射手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電システ
   ム。
9. 【請求項９】前記発電手段で発生された電気エネルギを
   一時的に集電及び蓄電する集畜電手段を備えたことを特
   徴とする請求項１に記載の発電システム。