WO2012008433A1 - タワー式集光型太陽光発電システムおよびその集光方法 - Google Patents

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WO2012008433A1
WO2012008433A1 PCT/JP2011/065854 JP2011065854W WO2012008433A1 WO 2012008433 A1 WO2012008433 A1 WO 2012008433A1 JP 2011065854 W JP2011065854 W JP 2011065854W WO 2012008433 A1 WO2012008433 A1 WO 2012008433A1
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power generation
mirror
tower
solar power
axis
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PCT/JP2011/065854
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中村　勝重
脇元　一政
洋史 石川
勅 家本
敦 田村
吉田　一雄
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Ｊｆｅエンジニアリング株式会社
三鷹光器株式会社
財団法人 エネルギー総合工学研究所
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a tower type concentrating solar power generation system and a condensing method thereof.
  • a normal silicon solar battery cell can obtain a power generation efficiency of about 15% by applying non-condensing sunlight.
  • III-V solar cells such as GaAs used for artificial satellites have high material costs but high conversion efficiency.
  • a multi-junction cell structure has a conversion efficiency of 33%, and can also achieve a conversion efficiency of 40% or more by applying condensed sunlight. It is called concentrated solar power generation (CPV) that supports a plurality of such high conversion efficiency solar cells arranged side by side, and generates high-efficiency power by applying the sunlight concentrated there.
  • CPV concentrated solar power generation
  • a dish type that always keeps facing the sun while tracking the sun.
  • Mirrors are used.
  • a plurality of mirror elements are formed in a dish shape, and a plurality of solar cells are fixed in juxtaposition at the focal position.
  • the light condensing device is a dish type
  • the light condensing degree is about 500 times, and there is a limit to the amount of power generated. That is, when the dish type is increased in size, the mirror surface is distorted by its own weight, which makes it difficult to increase the size, and the light collection degree of about 500 times is the limit. For this reason, if the light condensing degree is increased to about 800 to 2000 times, higher power generation efficiency can be obtained, but concentrating solar power generation for realizing it has not been proposed.
  • the element cell with the lowest photocurrent regulates the through current (output current of the multi-junction solar cell).
  • a dish-type mirror cannot control the light collection intensity distribution that hits the solar cells.
  • the present invention has been made paying attention to the problems of the related technology, and according to the present invention, a concentrating solar power generation system capable of obtaining a high condensing degree and controlling the condensing intensity distribution. And a condensing method thereof.
  • a tower-type concentrating solar power generation system includes a solar cell assembly in which a plurality of solar cells each having a light-receiving element on the surface side are arranged side by side.
  • a tower-type concentrating solar power generation system that irradiates sunlight reflected by one or a plurality of heliostats installed on the ground to battery cell assemblies installed side by side at a predetermined height,
  • the heliostat is a multi-mirror type having a plurality of mirrors that rotate integrally, and the fixed angle of each mirror can be adjusted.
  • a solar cell assembly in which a plurality of solar cells are juxtaposed is provided at a predetermined height position of a tower, and sunlight reflected by a plurality of heliostats installed on the ground is provided. Therefore, the degree of condensing with respect to the solar cell can be increased by increasing the number of heliostat mirrors and the number of heliostats.
  • the heliostat is a multi-mirror type having a plurality of mirrors, each mirror element is small compared to the case of reflecting by a single large mirror, so that the surface shape accuracy is maintained and light is collected with little distortion. Spots can be formed. Furthermore, spherical aberration can be suppressed by reducing the mirror element.
  • a condensing spot having a shape with less distortion is advantageous in calculating the intensity and range of sunlight hitting the solar battery cell.
  • the shape of the focused spot is irregularly distorted, it becomes very difficult to calculate the intensity and range of sunlight that strikes the solar cells.
  • the fixing angle of each mirror can be adjusted to adjust the irradiation position of the reflected sunlight on the solar cell assembly.
  • the light collection intensity distribution in the solar cell assembly can be controlled. Therefore, even when using a multijunction solar cell with high conversion efficiency as a solar cell, sunlight can be evenly applied to each solar cell, and the power generation capacity of the multijunction solar cell can be maximized. It can be demonstrated.
  • the perspective view which shows the concentrating solar power generation system which concerns on this embodiment The top view which shows a concentrating solar power generation system.
  • Schematic explanatory drawing which shows the support structure of the mirror of a heliostat.
  • the figure which shows the condensing spot which hits a power generation area Explanatory drawing which shows the state which matched the irradiation position of the sunlight reflected with the mirror of a heliostat, and made the condensing spot one.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the cooling body taken along line SA-SA in FIG.
  • FIG. 1 to 16 are views showing a preferred embodiment of the present invention.
  • a small pilot plant class concentrating solar power generation will be described as an example.
  • the direction of east, west, south, and north will be explained using an example of the mid-latitude region of the northern hemisphere as in Japan.
  • the tower 1 has a height of 10 m, and a slope 1a facing diagonally downward is formed on the north side of the top.
  • a power generation area 3 is provided on the slope 1 a of the tower 1.
  • solar power generation modules 101 described later are juxtaposed in a rectangular shape with 9 pieces (3 rows and 3 columns) without a gap.
  • This heliostat 5 is of a multi-mirror type in which the reflection function is distributed to four mirrors 2 as mirror elements.
  • a bar 7 is erected on the tower 1 side, and a sensor 8 is fixed to the upper end thereof.
  • a support column 9 is provided on the opposite side of the base 6 from the bar 7, and a first drive unit 10 is provided on the upper end thereof.
  • the first drive unit 10 is provided with a first shaft 11 that is parallel to the rotation axis of the earth and has a predetermined angle with respect to the ground.
  • the first shaft 11 can be rotated by the first driving unit 10 in the ascending direction A (see FIG. 6) related to the diurnal motion around the axis.
  • a U-shaped frame 12 is fixed to the tip of the first shaft 11.
  • a second shaft 13 passes through the flanges on both sides of the frame 12 in a direction perpendicular to the first shaft 11.
  • shaft 13 is a metal pipe, and both ends protrude to the outer side of a flange.
  • a second drive unit 14 that rotates the second shaft 13 in the declination direction B (see FIG. 6) related to seasonal motion.
  • Another support pipe 15 penetrates in the orthogonal direction at both ends of the second shaft 13 protruding outward from the frame 12.
  • the second shaft 13 and the support pipe 15 form an H shape, and the mirrors 2 are respectively attached to both ends of the support pipe 15 at the four corners by metal fittings 16.
  • the mirror 2 is circular with a diameter of 50 cm, and the surface thereof is a concave spherical surface having a focal length corresponding to the distance to the power generation area 3 of the tower 1.
  • Each mirror 2 is fixed to the metal fitting 16 by four screws (not shown), and the fixing angle of the mirror 2 can be adjusted by adjusting these screws.
  • a sensor mirror 18 is attached to the second shaft 13 inside the frame 12 via a pair of brackets 17.
  • the sensor mirror 18 is a horizontally long rectangle and has a flat surface. Therefore, the angle of the mirror 2 is fixed with respect to the sensor mirror 18.
  • the sunlight L reflected by the sensor mirror 18 is received by the sensor 8.
  • the sensor 8 is located between the sensor mirror 18 and the power generation area 3, and the power generation area 3 exists on the extended line connecting the sensor mirror 18 and the sensor 8. Therefore, when the rotation of the mirror 2 in the ascending direction A and the declination direction B is controlled so that the sunlight L reflected by the sensor mirror 18 is always received by the sensor 8, the sunlight L is reflected by the sensor 8. You will definitely head to the previous power generation area 3.
  • the four mirrors 2 are angled in advance so that the light path of the sunlight L reflected by the sensor mirror 18 is a representative optical axis, and is completely overlapped as one condensing spot P at the focal length position on the optical axis. Is adjusted (see FIG. 9).
  • a light detection element that detects a neutral position of the sunlight L in the left-right direction (red meridian direction) and the up-down direction (declination direction).
  • a signal is output to the second drive unit 14.
  • the first drive unit 10 and the second drive unit 14 are feedback-controlled so that the sunlight L reflected by the sensor mirror 18 is always received by the sensor 8 (toward the direction of the sensor 8),
  • the first shaft 11 and the second shaft 13 are rotated in the ecliptic direction A and the declination direction B by the equator method, and the four sunlights L reflected by the four mirrors 2 are reflected on the surface of the power generation area 3. They are matched and applied so as to be one focused spot P (see FIG. 8).
  • the shape of the focused spot P depends on the surface shape accuracy of the mirror 2, the size of the focused spot P depends on the focal length, and the position of the focused spot P depends on the position of the sensor 8. Therefore, the sunlight L can be applied almost uniformly to the power generation area 3 by adjusting the positions of the plurality of condensed spots P having different sizes on the power generation area 3. That is, by calculating the size and position of the condensing spot P in the power generation area 3 and adjusting the position of the condensing spot P, the concentration distribution of light that strikes the solar cell assembly 102 in the power generation area 3 is made uniform. Can be controlled. Therefore, also when using a multi-junction solar cell with high conversion efficiency as the solar cell 120, sunlight L can be equally applied to each solar cell 120, and the power generation capability of the multi-junction solar cell can be increased. It can be shown to the fullest.
  • each mirror 2 is small, the surface shape accuracy at the time of manufacture is maintained as it is even if it is assembled to the heliostat 5, and a condensing spot P with less distortion can be formed.
  • the condensing spot P having a shape with less distortion is advantageous when calculating the intensity and range of the sunlight L falling on the power generation area 3, and adjustment for uniformly applying the sunlight L to the power generation area 3 is easy.
  • the number of condensing spots P that hit the solar cell assembly 102 in the power generation area 3 is also 34 (the size varies depending on the focal length).
  • the sunlight L reflected by the mirror 2 matches one as shown in FIG. Instead, a different condensing spot P ′ is created by making a difference. By doing so, the number of condensing spots P increases, and finer condensing intensity distribution can be controlled.
  • the fixed angle of the mirror 2 can be changed by adjusting the mounting state of the mirror 2 with respect to the metal fitting 16.
  • FIG. 10 shows an example in which only one mirror 2 is changed to create another single condensing spot P ′, two or more may be created depending on the situation.
  • the fixed angle may be adjusted so that all the reflected light of the mirror 2 is directed in different directions, so that the four condensed spots P may be obtained.
  • the different focused spot P ′ does not need to be completely separated from the original focused spot P, and may be partially overlapped. In short, it is only necessary to disperse the light condensing spots P so that the light condensing intensity distribution that hits the solar cell assembly 102 in the power generation area 3 is uniform.
  • the mirror 2 of the heliostat 5 is easy to track the sun because of the equatorial method that rotates in a diurnal motion around the first axis 11 and a seasonal motion around the second axis 13. That is, the movement of the mirror 2 in one day is governed exclusively by the diurnal movement, and the seasonal movement is very slight. Therefore, for example, when the sun S is hidden by a cloud during tracking of the sun S by the sensor 8, the state is detected from a numerical value such as an illuminometer, and the normal movement of the sun is detected from real-time control by the sensor 8. Switching to clock control that reproduces constant speed rotation according to.
  • the control by the sensor 8 detects the optical path position of the sunlight L actually reflected by the sensor mirror 18 in real time, so that it becomes a so-called secondary side control (outgoing side control), and an external factor applied to the heliostat 5 ( Wind pressure, backlash, etc.) can be controlled, and the condensed spot P of sunlight L reflected by the heliostat 5 and hitting the power generation area 3 is completely stopped and does not move. Therefore, the intensity of the sunlight L adjusted to be uniform in advance in the power generation area 3 does not vary, and the variation in the power generation output can be reduced.
  • the power generation area 3 includes nine (three rows and three columns) solar power generation modules 101.
  • the solar power generation module 101 includes a solar cell assembly 102, a cooling body 103, and a light collector 104.
  • 36 solar cells 120 each having a light receiving element 119 on the surface are juxtaposed in a 6-row 6-column rectangular shape without any gap.
  • the solar battery cell 120 is a square, and the center light receiving element 119 is also a small square.
  • the part other than the light receiving element 119 of the solar battery cell 120 is an electrode for extracting electric power generated by the light receiving element 119.
  • Each solar battery cell 120 is connected in series.
  • the voltage obtained in the entire photovoltaic power generation module 101 is obtained by multiplying the generated voltage of the solar battery cell 120 by the number juxtaposed. Since the generated voltage of the germanium / gallium-based three-layer junction solar cell is 2.7 V, the generated voltage of the photovoltaic power generation module 101 is 97.2 V. Since the operating voltage of an electric device is generally 100 V, 200 V, or 400 V, a desired voltage can be obtained by arbitrarily combining two or four sets of solar power generation modules 101 in series. But it is not essential to connect all the photovoltaic cells 120 (arranged in parallel with the photovoltaic power generation module 101) in series, and the number to be connected in series can be arbitrarily determined.
  • the solar power generation module 101 is provided with a light collector 104 on the surface side of the solar battery cell 120.
  • This condensing body 104 is formed by integrally forming prisms made of substantially square pyramid glass 121 in the same height and in the same direction in six rows. Since the light collector 104 is an integrally molded product, attachment to the solar battery cell 120 is facilitated as compared to a case where individual prisms are assembled. In addition, since it is integrally molded, there is no joint surface between adjacent prisms, and there is no possibility of rainwater entering from the joint surface or damage to the joint surface.
  • the surface on the light entrance side of the light collecting body 104 as an integral body is approximately the same size as the solar cell assembly 102.
  • Each surface serving as an exit of light has the same size as the light receiving element 119 of the solar battery cell 120 and is disposed close to the light receiving element 119.
  • this condensing body 104 when the cross-sectional area of the end surface on the back side is reduced, the sunlight L incident from the front side is condensed six times while being reflected on the inner surface, and is emitted from the end surface on the back side. That is, the total area on the outlet side is 1/6 of the area on the inlet side.
  • the sunlight L incident on the inner side of the light collector 104 is in a rectangular range that matches the light receiving element 19.
  • the light is condensed and dispersed and strikes the light receiving element 119.
  • a transparent glass member 122 is provided on the further front side (light entrance side) of the light collector 104.
  • the sunlight L condensed on the glass member 122 is incident and reflected and refracted inside, whereby the intensity of the incident sunlight L can be made uniform within the shape range of the glass member 122.
  • the ultraviolet region of sunlight L can be absorbed when passing through the inside. Since ultraviolet rays are in a wavelength region that causes the light receiving element 119 to deteriorate, the light receiving element 119 is protected.
  • ultraviolet rays are similarly absorbed.
  • the area of power generation area 3 in which nine photovoltaic power generation modules 101 having such a structure are combined (3 rows and 3 columns) is 0.16 square meters.
  • each of the 34 heliostats 5 has four circular mirrors 2 each having a diameter of 50 cm, the total number of mirrors 2 is 136, and the total reflection area of the mirrors 2 is about 27 square meters.
  • All of the sunlight L reflected by the group of mirrors 2 enters the range of the power generation area 3.
  • the light collection degree is about 170 times.
  • the sunlight L collected about 170 times is further condensed 6 times by the above-described light collector 104.
  • the concentration of sunlight L that passes through the condenser 104 and enters the light receiving element 119 of the solar battery cell 120 is about 1000 times.
  • the power generation efficiency of the power generation element 19 is increased to 40% or more.
  • the cooling body 103 is provided in close contact with the back surface of the solar battery cell assembly 102 to lower the temperature of the solar battery cell 120.
  • the cooling body 103 is made of copper metal having a high thermal conductivity, and is an integral casting in which two systems of refrigerant passages 123 are formed. At both ends of the refrigerant passage 123, an inlet 124 and an outlet 125 are formed on the back side of the cooling body 103, respectively, and a circulation pipe 126 is connected to the refrigerant 124 so that water W as a refrigerant can be circulated.
  • the heated solar battery cell 120 is deprived of heat by the cooling body 103, and the heat transmitted to the cooling body 103 is sequentially taken out by the water W, so that the temperature of the solar battery cell 120 is maintained at 100 ° C. or lower.
  • the cooling body 103 is made of copper having good thermal conductivity and the fluid is water W having a large specific heat, the thermal resistance is small and a sufficient temperature difference can be secured at all times, and the heat received by the solar battery cell 120 is reliably transferred to the heat. And can be recovered by heat transport.
  • it since it is an integral cast body, it is possible to cope with a high heat load by increasing the flow rate of the water W, and the pressure loss of the water W is reduced by reducing the turn part 127. Since the growth of deposits is suppressed, the cooling capacity is hardly lowered.
  • the refrigerant passage 123 is two independent passages, even if one passage is clogged or the cooling body 103 is partially burned, the cooling function may be lost completely. Is low. Furthermore, the water W flowing to the cooling body 103 can be cut off and the flow rate can be controlled autonomously. Therefore, even if a problem such as damage to the solar battery cell 120 or trouble in the refrigerant passage 123 (clogging, water leakage, etc.) occurs in the photovoltaic power generation module 101, the water W can be shut off or the flow rate can be controlled independently of the others. The power generation can be continued by the photovoltaic power generation module 101 in which no malfunction occurs. In addition, since the water W that has passed through the cooling body 103 is heated, the heat can be effectively used for other purposes.
  • the solar light L reflected by the heliostat 5 installed on the ground is superimposed on the solar cell assembly 102 of the solar power generation module 101 installed on the tower 1. Since the light is condensed, the light condensing degree of the solar battery cell 120 is greatly increased, and highly efficient power generation becomes possible. More specifically, the following effects can also be pointed out.
  • the reflecting surface of the mirror is a concave spherical surface having a focal length corresponding to the distance to the solar battery cell assembly, the light collection degree can be increased as compared with a flat reflecting surface.
  • the mirror of the Heliostat is an equatorial mount that rotates with a diurnal motion around the first axis and a seasonal motion around the second axis, it is easy to track the sun.
  • the sunlight actually reflected by the sensor mirror is received by the sensor to control the movement of the mirror element, so it becomes so-called secondary side control (outside control), and external factors applied to the heliostat (wind pressure, backlash, etc.) ),
  • the condensed spot of sunlight that is reflected by the heliostat and hits the solar cell assembly completely stops and does not move. Therefore, the intensity of sunlight adjusted to be uniform in advance in the solar battery cell does not vary, and the power generation output of the solar battery cell can be maximized.
  • the light collection intensity distribution in the solar cell assembly can be controlled by optimally dispersing the one light collection spot.
  • the fixed angle of the plurality of mirrors of the heliostat is adjusted to make part or all of the irradiation positions of the solar cell aggregates of the sunlight reflected by the mirrors different, there are a plurality of condensing spots. Therefore, even when the number of heliostats (the number of condensing spots) is small, even if the condensing intensity distribution in the solar cell assembly cannot be sufficiently controlled by dispersing one condensing spot, etc. Since the condensing spots are dispersed in a plurality, it is possible to control the uniform condensing intensity distribution.
  • the heliostat 5 having four mirrors 2 is taken as an example, but the number of mirrors 2 is not limited to four, and can be five or more.
  • the fixing angle of the mirror 2 can be changed by fixing the mirror 2 to the support pipe 15 of the heliostat 5 via the fixing bracket 16, but the present invention is not limited to this.
  • the fixing angle may be adjustable by fixing via a joint-shaped fixing tool.
  • the condensing body 104 may be a tapered metal tube whose inner surface is a mirror surface.
  • the cooling body 103 Although copper is taken as an example of the material of the cooling body 103, other metal having good thermal conductivity may be used, and the fluid circulating there may be a liquid other than water or a gas such as air.
  • the number of solar cells constituting the solar cell assembly, the number of integrally formed prisms constituting the light collector, and the number of light collectors constituting the solar power generation module are not limited to the exemplified numbers. .
  • the light collectors have the same size as that of the solar cell assembly or the cooling body, it is possible to arrange smaller light collectors.
  • the first specific example is characterized in that the cooling body of the photovoltaic power generation module is made of copper or a copper alloy.
  • the cooling body is made of copper or a copper alloy, the thermal conductivity is high and the cooling capacity can be increased.
  • the second specific example is characterized in that the coolant passages of the cooling body are two or more independent passages.
  • the refrigerant passages provided in the cooling body are two or more independent passages, the passage of one system is clogged or the cooling body is partially burned. However, the risk that the cooling function is totally lost is low. In some cases, it is possible to generate electricity by stopping the circulation of the refrigerant in only one system.
  • the third specific example is characterized in that the cooling body of the photovoltaic power generation module can autonomously block the refrigerant or control the flow rate.
  • each of the cooling bodies can autonomously block or control the flow rate of the refrigerant, so that there are problems such as damage to the solar cells and troubles in the water channel (refrigerant passage) (clogging, water leakage, etc.). Even if it occurs in the photovoltaic power generation module, only the refrigerant flowing through the cooling body of the module in which the malfunction has occurred can be shut off or the flow rate can be controlled, so that power generation can be continued with the photovoltaic power generation module in which no other malfunction has occurred. .
  • the fourth specific example is characterized in that the solar power generation module condensing body is integrally formed in a state in which substantially square pyramid prisms having a narrow cross section on the light exit side are juxtaposed in a rectangular shape. To do.
  • the condensing body is integrally formed in a state in which substantially quadrangular pyramid prisms having a narrow cross section on the light exit side are juxtaposed in a rectangular shape. Therefore, it becomes easier to attach to the solar cell assembly as compared to a prism in a disjoint state.
  • it since it is integrally molded, there is no joint surface between adjacent prisms, and there is no possibility that rainwater enters from the joint surface or the joint surface is damaged.
  • a fifth specific example is characterized in that a glass member that equalizes the intensity of sunlight and absorbs ultraviolet rays is provided on the light entrance side of the light collector of the photovoltaic power generation module.
  • the intensity of the sunlight condensed by the glass member can be made uniform, and the ultraviolet rays that cause the deterioration of the solar battery cell can be obtained. Can be absorbed.

Abstract

　太陽電池セル集合体１０２を含む太陽光発電モジュール１０１をタワー１の所定高さ位置に設け、そこに地上に設置した複数のヘリオスタット５により反射した太陽光Ｌを当てる。ヘリオスタット５が複数のミラー２を有するマルチミラー型であるため、太陽電池セル集合体１０２に対して太陽光Ｌを均等に当てることができ、多接合型太陽電池の発電能力を最大限に発揮させることができる。

Description

タワー式集光型太陽光発電システムおよびその集光方法
　本発明は、タワー式集光型太陽光発電システムおよびその集光方法に関するものである。
　通常のシリコン系の太陽電池セルは、非集光の太陽光を当てることにより１５％程度の発電効率が得られる。一方、人工衛星などに用いられているＧａＡｓなどのIII－Ｖ族太陽電池セルは、材料コストが高いが、変換効率が高い。多接合セル構造のものは変換効率３３％が得られ、さらに集光した太陽光を当てることにより４０％以上の変換効率も可能となる。このような高い変換効率の太陽電池セルを複数並置した状態で支持し、そこへ集光した太陽光を当てて高効率で発電を行うことは集光型太陽光発電（ＣＰＶ）と呼ばれ着目されている。
　集光型太陽光発電で使用される集光装置としては、日本国特許公開公報特開２０００－２２７５７３号に例示されるように、太陽を追尾しながら常に太陽に向いた状態を維持するディッシュ型のミラーが使用されている。複数のミラー要素をディッシュ型に形成して、その焦点位置に複数の太陽電池セルを並置状態で固定した構造である。
　しかしながら、このような関連する技術にあっては、集光装置がディッシュ型のため、集光度が５００倍程度であり、得られる発電量に限界があった。すなわち、ディッシュ型は大型化すると自重によりミラー表面が歪むため大型化が困難であり、５００倍程度の集光度が限界であった。そのため、集光度を８００倍～２０００倍程度にまで高めれば、より高い発電効率が得られるにもかかわらず、それを実現するための集光型太陽光発電が提案されずにいた。
　また、太陽電池セルとして変換効率の高い多接合型太陽電池を複数並置して使用する場合は、最も光電流の低い要素セルが貫通電流（多接合型太陽電池の出力電流）を律則するため、複数の太陽電池セルに対して太陽光を均等に当てる必要があるが、ディシュ型のミラーでは太陽電池セルに当たる集光強度分布をコントロールすることができない。
　本発明はこのような関連する技術の課題に着目してなされたものであり、本発明によれば、高い集光度が得られ、集光強度分布のコントロールが可能な集光型太陽光発電システムおよびその集光方法を提供することができる。
　本発明の技術的側面によれば、タワー式集光型太陽光発電システムは、表面側の一部が受光素子となっている複数の太陽電池セルが並置された太陽電池セル集合体をタワーの所定高さに設置し、並設された電池セル集合体に地上に設置された１又は複数のヘリオスタットにより反射された太陽光を照射するタワー式集光型太陽光発電システムであって、前記ヘリオスタットが一体的に回転する複数のミラーを有するマルチミラー型で、且つ各ミラーの固定角度が調整可能であることを特徴とする。
　本発明の技術的側面によれば、複数の太陽電池セルが並置された太陽電池セル集合体をタワーの所定高さ位置に設け、そこに地上に設置した複数のヘリオスタットにより反射した太陽光を当てるため、ヘリオスタットのミラー枚数やヘリオスタットの数を増やした分だけ、太陽電池セルに対する集光度を高めることができる。
　また、ヘリオスタットが複数のミラーを有するマルチミラー型であるため、１枚の大きなミラーで反射させる場合に比べて、各ミラー要素が小さいため、その表面形状精度が維持され、歪みの少ない集光スポットを形成することができる。さらにミラー要素を小さくすることにより球面収差を抑制することができる。
　歪みの少ない形状の集光スポットは太陽電池セルに当たる太陽光の強度及び範囲を計算する際に有利である。集光スポットの形状が不規則に歪むと、太陽電池セルに当たる太陽光の強度及び範囲の計算が大変に困難になる。
更に、ヘリオスタットがマルチミラー型で、各ミラーの固定角度が調整可能であるため、各ミラーの固定角度を調整して、反射された太陽光の太陽電池セル集合体に対する照射位置を調整することにより、太陽電池セル集合体における集光強度分布をコントロールすることができる。従って、太陽電池セルとして変換効率の高い多接合型太陽電池を使用する場合も、各太陽電池セルに対して太陽光を均等に当てることができ、多接合型太陽電池の発電能力を最大限に発揮させることができる。
本実施形態に係る集光型太陽光発電システムを示す斜視図。 集光型太陽光発電システムを示す平面図。 集光型太陽光発電システムを示す側面図。 ヘリオスタットを示す斜視図。 ヘリオスタットを示す分解斜視図。 ヘリオスタットのミラーの支持構造を示す概略説明図。 発電エリアの取付状態を示す図。 発電エリアに当たる集光スポットを示す図。 ヘリオスタットのミラーで反射された太陽光の照射位置を合致させて集光スポットを１つにした状態を示す説明図。 ヘリオスタットのミラーで反射された太陽光の照射位置を相違させて集光スポットを複数に分散させた状態を示す説明図。 太陽光発電モジュールを示す斜視図。 太陽光発電モジュールの構成を示す図。 集光体を示す斜視図。 太陽光発電モジュールの集光状態を示す断面図。 冷却体を示す裏面図。 図１５中矢示ＳＡ－ＳＡ線に沿う冷却体の断面図。
　図１～図１６は本発明の好適な実施形態を示す図である。この実施形態では、小型のパイロットプラント級の集光型太陽光発電を例に説明する。また東西南北の方向性は日本のように北半球の中緯度の地域を例にして説明する。
　タワー１は高さ１０ｍで、その頂部の北側には斜め下を向いた斜面１ａが形成されている。このタワー１の斜面１ａには発電エリア３が設けられている。発電エリア３は、後述する太陽光発電モジュール１０１が９個（３行３列）の矩形状に隙間なく並置されたものである。
　タワー１の北側の地上には、図２に示す如く、タワー１を中心とした角度θ（方位角３０度）の扇形エリアＥ内には、円弧状に複数の層状になって並んだ合計３４基のヘリオスタット５が設置されている。
　このヘリオスタット５は、ミラー要素としての４枚のミラー２に反射機能を分散させたマルチミラー型のものである。各ヘリオスタット５のベース６にはタワー１側にバー７が立設され、その上端にセンサー８が固定されている。ベース６のバー７とは反対側に支柱９が設けられ、その上端に第１駆動部１０が設けられている。第１駆動部１０には、地球の自転軸と平行で地面に対して所定の角度を有する第１軸１１が設けられている。この第１軸１１は第１駆動部１０により軸心を中心に日周運動に関連する赤経方向Ａ（図６参照）へ回転自在である。
　第１軸１１の先端にはＵ字形のフレーム１２が固定されている。このフレーム１２の両側のフランジには第１軸１１と直交する方向に第２軸１３が貫通している。第２軸１３は金属パイプで、フランジの外側へ両端が突出している。フレーム１２と第２軸１３との間には、第２軸１３を季節運動に関連する赤緯方向Ｂ（図６参照）へ回転させる第２駆動部１４が設けられている。
　フレーム１２から外側へ突出した第２軸１３の両端には別の支持パイプ１５が直交方向に貫通している。第２軸１３と支持パイプ１５でＨ形を形成し、その四隅となる支持パイプ１５の両端にミラー２がそれぞれ金具１６により取り付けられている。ミラー２は直径５０ｃｍの円形で、その表面はそれぞれタワー１の発電エリア３までの距離に応じた焦点距離を有する凹球面になっている。各ミラー２は金具１６に対して４本のネジ（図示省略）により固定されており、このネジを調整することにより、ミラー２の固定角度を調整することができる。
　フレーム１２の内側の第２軸１３には一対のブラケット１７を介してセンサーミラー１８が取付けられている。センサーミラー１８は横長の長方形で、表面はフラットである。したがって、ミラー２はセンサーミラー１８に対して角度が固定される。
　センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌはセンサー８により受光される。センサー８は、センサーミラー１８と発電エリア３の間に位置しており、センサーミラー１８とセンサー８を結ぶ線の延長線上に発電エリア３が存在する。従って、センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌが常にセンサー８にて受光されるようにミラー２の赤経方向Ａ及び赤緯方向Ｂへの回転を制御すると、その太陽光Ｌはセンサー８の先の発電エリア３に必ず向かうことになる。４枚のミラー２は、センサーミラー１８にて反射された太陽光Ｌの光路を代表的光軸として、その光軸上における焦点距離位置で１つの集光スポットＰとして完全に重なり合うように予め角度が調整されている（図９参照）。
　センサー８の内部には太陽光Ｌの左右方向（赤経方向）及び上下方向（赤緯方向）での中立位置を検出する光検出素子が設けられており、センサー８から第１駆動部１０及び第２駆動部１４へ信号を出力している。そして、センサーミラー１８で反射される太陽光Ｌが必ずセンサー８にて受光されるように（センサー８の方向に向かうように）、第１駆動部１０及び第２駆動部１４をフィードバック制御し、第１軸１１及び第２軸１３を赤道儀方式により赤経方向Ａ及び赤緯方向Ｂへ回転させて、４枚のミラー２で反射された４本の太陽光Ｌを発電エリア３の表面において合致させ、１つの集光スポットＰとなるように当てている（図８参照）。
　集光スポットＰの形はミラー２の表面形状精度に依存し、集光スポットＰの大きさは焦点距離に依存し、集光スポットＰの位置はセンサー８の位置に依存する。従って、発電エリア３上に複数存在する大きさの異なる集光スポットＰの位置を調整することにより、太陽光Ｌを発電エリア３に対してほぼ均等に当てることができる。つまり、発電エリア３における集光スポットＰの大きさ及び位置を計算して、集光スポットＰの位置を調整することにより、発電エリア３の太陽電池セル集合体１０２に当たる集光強度分布を均一にコントロールすることができる。従って、太陽電池セル１２０として変換効率の高い多接合型太陽電池を使用する場合も、各太陽電池セル１２０に対して太陽光Ｌを均等に当てることができ、多接合型太陽電池の発電能力を最大限に発揮させることができる。
　更に、各ミラー２が小さいため、ヘリオスタット５に組み付けられても製造時の表面形状精度がそのまま維持され、歪みの少ない集光スポットＰを形成することができる。歪みの少ない形状の集光スポットＰは発電エリア３に当たる太陽光Ｌの強度及び範囲を計算する際に有利で、発電エリア３に均一に太陽光Ｌを当てる調整が容易である。
　なお、この実施形態では、ヘリオスタット５が３４基のため、発電エリア３の太陽電池セル集合体１０２に当たる集光スポットＰの数も３４個（大きさは焦点距離により大小異なる）になるが、３４個の集光スポットＰでは、太陽光Ｌの集光強度分布を均一にコントロールできないような場合には、図１０に示すように、ミラー２にて反射される太陽光Ｌを１つに合致させず、相違させて別の集光スポットＰ′をつくる。そうすることにより、集光スポットＰの数が増えて、より細やかな集光強度分布のコントロールが行えるようになる。
ミラー２の固定角度の変更は、金具１６に対するミラー２の取付状態を調整することにより可能である。図１０では、１つのミラー２だけを変更して、別に１つの集光スポットＰ′をつくる例を示したが、状況によっては、２つ以上作っても良い。ミラー２の反射光が全て異なる方向を向くように固定角度を調整して、４つの集光スポットＰにしても良い。また、相違させる集光スポットＰ′は本来の集光スポットＰから完全に離した状態にする必要はなく、一部が重なり合った状態にしても良い。要は、発電エリア３の太陽電池セル集合体１０２に当たる集光強度分布が均一になるように集光スポットＰを分散させれば良い。
　また、ヘリオスタット５のミラー２が、第１軸１１を中心にした日周運動と、第２軸１３を中心とした季節運動で回転する赤道儀方式のため、太陽を追尾し易い。すなわち、一日のミラー２の動きは専ら日周運動に支配され、季節運動はほんの僅かである。従って、例えば、センサー８による太陽Ｓの追尾中に、太陽Ｓが雲で隠れた場合には、照度計などの数値からその状態を検知して、センサー８によるリアルタイム制御から、通常の太陽の動きに応じた定速回転を再現するクロック制御に切り換える。そうすれば、ミラー２は概ねセンサー８で制御している場合と同様の回転を進めるため、雲が無くなって再び太陽Ｓが現れた時には、センサーミラー１８で反射された太陽光Ｌは必ずセンサー８に当たり、センサー８による制御が復帰して、センサー８によるリアルタイム追尾制御をそこから継続することができる。
　更に、センサー８による制御は、センサーミラー１８で実際に反射された太陽光Ｌの光路位置をリアルタイムで検出するため、いわゆる二次側制御（出側制御）となり、ヘリオスタット５に加わった外因（風圧やガタなど）も含めて制御することができ、ヘリオスタット５で反射されて発電エリア３に当たった太陽光Ｌの集光スポットＰが完全に停止した状態となり動かない。従って、発電エリア３において予め均一に　なるように調整された太陽光Ｌの強度が変動せず、発電出力の変動も小さくすることができる。
　発電エリア３は、前述の如く、９個（３行３列）の太陽光発電モジュール１０１から構成されている。太陽光発電モジュール１０１は、太陽電池セル集合体１０２と冷却体１０３と集光体１０４とから構成されている。太陽電池セル集合体１０２は、表面に受光素子１１９を有する３６枚の太陽電池セル１２０が、６行６列の矩形状に隙間なく並置されている。太陽電池セル１２０は四角形で、中央の受光素子１１９も小さい四角形である。太陽電池セル１２０の受光素子１１９以外の部分は、受光素子１１９で発生した電力を取り出す電極になっている。各々の太陽電池セル１２０は、直列に接続されている。そのため、太陽光発電モジュール１０１全体で得られる電圧は、太陽電池セル１２０の発生電圧に並置されている数を乗じたものとなる。ゲルマニウム・ガリウム系の３層接合型太陽電池セルの発生電圧は２．７Ｖなので、太陽光発電モジュール１０１の発生電圧は９７．２Ｖとなる。電気機器の使用電圧は１００Ｖ、２００Ｖまたは４００Ｖが一般的なので、太陽光発電モジュール１０１の単独または二組もしくは四組を任意に直列に組み合わせることにより、希望する電圧を得ることができる。もっとも、（太陽光発電モジュール１０１に並置されている）太陽電池セル１２０の全てを直列に接続することは必須ではなく、直列接続する数は任意に決めることができる。
　太陽光発電モジュール１０１には、太陽電池セル１２０の表面側に、集光体１０４が設けられている。この集光体１０４は、略四角錐のガラス製のプリズム１２１を縦横６列に同じ高さで同じ向きに並べた形状に一体成形したものである。集光体１０４が一体成型品のため、個々のプリズムを集合して構成する場合と比較して、太陽電池セル１２０への取り付けが容易になる。また、一体成形されているので、隣り合ったプリズムとの接合面がく、接合面から雨水が浸入したり、接合面が破損したりするおそれがない。
　この一体物としての集光体１０４の光の入口側の面は、太陽電池セル集合体１０２と略同じ大きさである。光の出口になる各々の面は、太陽電池セル１２０の受光素子１１９と同じ大きさで、受光素子１１９に近接配置されている。この集光体１０４は、裏側の端面の断面積が小さくなることにより、表側から入光した太陽光Ｌが内面で反射されながら６倍に集光されて裏側の端面より出射される。すなわち、出口側の面積の合計が入口側の面積の１／６になっている。集光体１０４の出口側の端面が太陽電池セル１２０の受光素子１１９に相応した形状及びサイズのため、集光体１０４の内側に入射した太陽光Ｌは受光素子１９に合致した四角形状範囲に集光され且つ分散されて受光素子１１９に当たる。
　集光体１０４の更に表側（光の入口側）には透明なガラス部材１２２が設けられている。このガラス部材１２２に集光された太陽光Ｌが入射し、内部で反射及び屈折することにより、入射した太陽光Ｌの強度をガラス部材１２２の形状範囲内において均一化することができる。また、透明ガラス製のため、内部を透過する時に、太陽光Ｌの紫外線領域を吸収することができる。紫外線は受光素子１１９の劣化の原因になる波長領域のため、受光素子１１９の保護となる。尚、集光体１０４を透過する場合も、同じ透明ガラス製のため、同様に紫外線が吸収されている。
　このような構造の太陽光発電モジュール１０１を９個（３行３列）組み合わせた発電エリア３の面積は０．１６平方メートルである。また、３４基のヘリオスタット５はそれぞれ直径５０ｃｍの円形ミラー２を４枚ずつ持っているため、ミラー２の総数は１３６枚で、ミラー２の総反射面積は約２７平方メートルとなる。そのミラー２群により反射された太陽光Ｌの全てが発電エリア３の範囲内に入射する。発電エリア３の面積内に太陽光Ｌが全て集光することにより約１７０倍の集光度となる。約１７０倍に集光された太陽光Ｌは前述の集光体１０４により更に６倍に集光される。従って、集光体１０４を透過して太陽電池セル１２０の受光素子１１９に入射する太陽光Ｌの集光度は、約１０００倍となる。約１０００倍の太陽光Ｌが入射することにより、発電素子１９の発電効率は４０％以上に高まる。
　太陽光Ｌの集光度が１０００倍程度になると、太陽電池セル１２０は強く加熱される。そのために、冷却体１０３を太陽電池セル集合体１０２の裏面に密着状態で設けて、太陽電池セル１２０の温度を下げている。冷却体１０３は、熱伝導率の高い銅金属製で、内部に２系統の冷媒用通路１２３が形成された一体的な鋳造体である。冷媒用通路１２３の両端には、それぞれ冷却体１０３の裏面側に入口１２４と出口１２５が形成され、そこに循環パイプ１２６が連結され、冷媒としての水Ｗが循環できるようになっている。
　従って、加熱された太陽電池セル１２０は冷却体１０３に熱を奪われ、冷却体１０３に伝わった熱は水Ｗにより順次取り出されるために、太陽電池セル１２０の温度は１００℃以下に維持される。冷却体１０３が熱伝導性の良い銅製で、流体が比熱の大きな水Ｗであるため、熱抵抗が小さく常に十分な温度差を確保することができ、太陽電池セル１２０が受ける熱を確実に熱流として除去し、且つ、熱輸送によって回収することができる。さらに、一体的な鋳造体なので、水Ｗの流速を速くすることにより高い熱負荷にも対応できる、ターン部１２７を少なくすることで水Ｗの圧力損失が低くなる、冷媒通路１２３の内部での付着物の成長が抑制されるので冷却能力が低下しにくい。
　また、冷媒通路１２３は２系統の独立した通路なので、１系統の通路が詰まったり、冷却体１０３が部分的に焼損したりした場合であっても、冷却機能が全面的に失われてしまう危険が低い。さらに、冷却体１０３に流れる水Ｗは、自律して遮断や流量制御ができる様になっている。従って、太陽電池セル１２０の破損、冷媒通路１２３のトラブル（詰まり、水漏れなど）といった不具合が太陽光発電モジュール１０１に発生しても、他とは独立して水Ｗを遮断または流量制御できるので、不具合が生じていない太陽光発電モジュール１０１によって発電を継続することができる。尚、冷却体１０３を通過した水Ｗは加温されるので、その熱を他の用途に有効利用することもできる。
　以上説明したように、本実施形態によれば、タワー１に設置した太陽光発電モジュール１０１の太陽電池セル集合体１０２に、地上に設置したヘリオスタット５により反射した太陽光Ｌを重ね合わせるように集光させるため、太陽電池セル１２０の集光度を大幅に高めて高効率の発電が可能となる。より具体的には以下の効果も指摘することができる。
ミラーの反射面が太陽電池セル集合体への距離に応じた焦点距離を有する凹球面であるため、フラットな反射面に比べて集光度を高めることができる。
ヘリオスタットのミラーが、第１軸を中心にした日周運動と、第２軸を中心とした季節運動で回転する赤道儀方式のため、太陽を追尾しやすい。また、センサーミラーで実際に反射された太陽光をセンサーで受光してミラー要素の動きを制御するため、いわゆる二次側制御（出側制御）となり、ヘリオスタットに加わった外因（風圧やガタなど）も含めて制御することができ、ヘリオスタットで反射されて太陽電池セル集合体に当たる太陽光の集光スポットが完全に停止して動かない。従って、太陽電池セルにおいて予め均一になるように調整された太陽光の強度が変動せず、太陽電池セルの発電出力を最大限に発揮することができる。
ヘリオスタットの複数のミラーにより反射された太陽光の太陽電池セル集合体に対する照射位置を全て合致させるため、各ヘリオスタットにおける太陽電池セル集合体に対する集光スポットは１つとなる。従って、その１つの集光スポットを最適に分散させることにより、太陽電池セル集合体における集光強度分布をコントロールすることができる。
　ヘリオスタットの複数のミラーの固定角度を調整して、ミラーにより反射された太陽光の太陽電池セル集合体に対する照射位置の一部又は全部を相違させるため、集光スポットは複数となる。従って、ヘリオスタットの数（集光スポットの数）が少ない場合など、１つの集光スポットを分散させることでは太陽電池セル集合体における集光強度分布を十分にコントロールしきれないような場合などでも、集光スポットが複数に分散させるため、均等な集光強度分布へのコントロールが可能になる。
　本実施形態では、４枚のミラー２を有するヘリオスタット５を例にしたが、ミラー２の数は４枚に限定されず、５枚以上にすることも可能である。
更に、ミラー２をヘリオスタット５の支持パイプ１５に対して固定金具１６を介して固定することにより、ミラー２の固定角度を変更可能にしたが、これに限定されず、例えば、ミラー２をボールジョイント状の固定具を介して固定することにより、その固定角度を調整可能にしても良い。
　更に、集光体１０４は、内面が鏡面とされたテーパ形状の金属筒を用いても良い。
　冷却体１０３の材質として銅を例にしたが、それ以外の熱伝導性の良い金属を用いてもよく、そこに循環する流体も水以外の液体でも良いし、空気などの気体でも良い。
更に、太陽電池セル集合体を構成する太陽電池セルの数、集光体を構成する一体成形されたプリズムの数、太陽光発電モジュールを構成する集光体の数は、例示した数に限定されない。
　更に、集光体は、大きさが太陽電池セル集合体や冷却体の大きさと同じものを例にしたが、これらより小さなものを並べることも可能である。
以下本発明の好適な具体例を列挙する。
第１の具体例は、太陽光発電モジュールの冷却体が、銅または銅合金製であることを特徴とする。
第１の具体例によれば、冷却体を銅または銅合金製としたため、熱伝導率が高く、冷却能力を高めることができる。
第２の具体例は、冷却体の冷媒用通路が、２系統以上の独立した通路であることを特徴とする。
第２の具体例によれば、冷却体に設けられた冷媒用通路が２系統以上の独立した通路なので、１系統の通路が詰まったり、冷却体が部分的に焼損したりした場合であっても、冷却機能が全面的に失われてしまう危険が低い。１系統のみ冷媒の流通を止めて発電することも、場合によっては可能である。
第３の具体例は、太陽光発電モジュールの冷却体が、自律して冷媒を遮断または流量制御することが可能であることを特徴とする。
第３の具体例によれば、各々の冷却体が自律して冷媒を遮断または流量制御できるので、太陽電池セルの破損、水路（冷媒用通路）のトラブル（詰まり、水漏れなど）といった不具合が太陽光発電モジュールに発生しても、その不具合が生じたモジュールの冷却体に流れる冷媒のみを遮断または流量制御できるので、他の不具合が生じていない太陽光発電モジュールによって発電を継続することができる。
　第４の具体例は、太陽光発電モジュール集光体が、光の出口側の断面が狭まった略四角錐のプリズムが矩形状に並置された状態で一体成形されたものであることを特徴とする。
第４の具体例によれば、集光体は、光の出口側の断面が狭まった略四角錐のプリズムが矩形状に並置された状態で一体成形されている。そのため、バラバラの状態のプリズムと比較して、太陽電池セル集合体への取り付けが容易になる。また、一体成形されているので、隣り合ったプリズムとの接合面がなく、接合面から雨水が浸入したり、接合面が破損したりするおそれがない。
　第５の具体例は、太陽光発電モジュールの集光体の光の入口側に、太陽光の強度を均一化し且つ紫外線を吸収するガラス部材を設けたことを特徴とする。
　第５の具体例によれば、集光体の表面側にガラス部材を設けたため、このガラス部材により集光された太陽光の強度を均一化できると共に、太陽電池セル劣化の原因となる紫外線を吸収することができる。
（米国指定）
　本国際特許出願は米国指定に関し、２０１０年７月１２日に出願された日本国特許出願第２０１０－１５８１８４号（２０１０年７月１２日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (5)

  1. 　表面側の一部が受光素子となっている複数の太陽電池セルが並置された太陽電池セル集合体をタワーの所定高さに設置し、前記太陽電池セル集合体に地上に設置された１又は複数のヘリオスタットにより反射された太陽光を照射するタワー式集光型太陽光発電システムであって、
    前記ヘリオスタットが一体的に回転する複数のミラーを有するマルチミラー型で、且つ各ミラーの固定角度が調整可能であることを特徴とするタワー式集光型太陽光発電システム。
  2. 　前記ミラーの反射面が前記太陽電池セル集合体との距離に応じた焦点距離を有する凹球面であることを特徴とする請求項１記載のタワー式集光型太陽光発電システム。
  3. 　前記ヘリオスタットは、地球の自転軸と平行で且つ軸心を中心に太陽の日周運動に関連する赤経方向で回転自在な第１軸と、第１軸の先端に固定されたＵ字形のフレームと、前記フレームを第１軸と直交する方向で貫通し且つ軸心を中心に太陽の季節運動に関連する赤緯方向で回転自在な第２軸を有し、
    　該第２軸が、前記フレームの両外側に複数のミラー要素を支持し、前記フレームの内側に１枚のセンサーミラーを支持すると共に、
    　センサーミラーと受光セル部を結ぶ直線上に、センサーミラーにて反射された太陽光を受光するセンサーを不動状態で固定し、該センサーミラーにて反射された太陽光が常にセンサーにて受光されるように第１軸及び第２軸を回転制御する駆動部を設けたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のタワー式集光型太陽光発電システム。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載されたタワー式集光型太陽光発電システムにおいて、太陽電池セルの受光素子が多接合セル構造を有し、ヘリオスタットの複数のミラーにより反射された太陽光の太陽電池セル集合体に対する照射位置を１つの集光スポットとして全て合致させることを特徴とするタワー式集光型太陽光発電システムの集光方法。
  5. 　請求項１～３のいずれかに記載されたタワー式集光型太陽光発電システムにおいて、太陽電池セルの受光素子が多接合セル構造を有し、ヘリオスタットの複数のミラーにより反射された太陽光の太陽電池セル集合体に対する照射位置の一部又は全部を複数の集光スポットとして相違させることを特徴とするタワー式集光型太陽光発電システムの集光方法。
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