JP2000243983A - 太陽電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽電池のコストが高いことが、太陽電池発電
システムの普及を阻害する要因となっている。 【解決手段】樋型等の凹面鏡３を用いて太陽光を太陽電
池２に集め、光のエネルギ密度を例えば４倍程度に高め
る。従来と同等の出力を確保するのに必要な太陽電池２
の面積を例えば１／４程度に削減する。その結果、シス
テムのコストを例えば４割程度削減する。また、温水器
４の水を循環させて太陽電池２を冷却することにより、
太陽電池２のエネルギ変換効率を例えば２０％程度向上
する。太陽電池の発電効率を向上しつつ、温水をも得る
ハイブリッドなシステムを提供できる。ターンテーブル
６を回転させて凹面鏡３に太陽を追尾させ、高い出力を
維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光線の放射エネ
ルギを電気エネルギに変換する太陽電池を用いて発電す
る太陽電池発電システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】太陽光は
無尽蔵な自然エネルギであり、これを用いて発電するこ
とは、エネルギ危機の回避と地球環境の保全に貢献する
ことになるので、その導入を積極的に進めていくことが
必要である。しかし、太陽電池発電システムはその設備
コストが、例えば、太陽電池容量５ＫＷシステムで約４
７０万円と高く、これが、既存電源とのコスト差とな
り、導入を阻害する要因となっている。

【０００３】そこで、わが国では、通産省が太陽電池発
電システムの設備コストの１／３程度を補助するように
し、設備の設置後に運転状況などを報告してもらう事業
（モニタ制度）を推し進めている。これにより、最も需
要が期待されている個人住宅への設置を促進し、初期需
要の創出を図っている。このようにして普及率が高くな
れば量産効果により設備コストを押し下げることがで
き、その結果、既存電源に対抗できる市場価格を構成で
きるはずである。

【０００４】しかしながら、一般家庭に据えつける場
合、たとえ１／３の費用を補助してもらったとしても、
まだまだ高額の費用を自己負担しなければならない。こ
の負担を償却するには、発電により余った電力を電力会
社に買い取ってもらうことを条件としても、２０〜３５
年程度かかるというのが実情である。ところで、現在市
販されている太陽電池のエネルギ変換効率は約１３％程
度と低い。一方、図９に示すように、太陽光スペクトル
Ａには種々の波長の光が含まれているが、太陽電池の分
光感度スペクトルＢからみて、熱を伝える赤外線領域の
光は太陽電池での発電にはあまり利用されていない。こ
のため、太陽光に曝されている太陽電池はかなり温度上
昇する。ところが、この温度上昇に伴って、太陽電池の
エネルギ変換効率は次第に低下する。すなわち、一般
に、太陽電池のエネルギ変換効率は、１°Ｃの温度上昇
で０．５％程度低下し、年間平均では２０％程度の出力
損失が出るといわれている。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、設備コストを格段に安くすることができる太陽電
池発電システムを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の課題解決手段として、請求項１記載の発明の態様は、
太陽光線の放射エネルギを電気エネルギに変換する太陽
電池と、この太陽電池の出力を向上させる出力向上手段
とを備え、この出力向上手段は、太陽電池に太陽光を集
める光学手段、及び太陽電池を冷却する冷却手段の少な
くとも一方を含むことを特徴とするものである。

【０００７】本願発明者は、太陽電池発電システムの設
備コストにおいて、太陽電池のコストの占める割合が略
５０％と大きいことに着目し、太陽電池の出力を向上さ
せれば、設備に必要な太陽電池の面積を低減できるので
はないかと考えた。すなわち、光学手段を用いて太陽光
を太陽電池に集め、太陽電池に照射される光のエネルギ
密度を高めることにより、同じ出力を少ない面積の太陽
電池で得ることができる。また、冷却手段によって太陽
電池から熱を奪って冷却することにより、太陽電池の出
力を高く維持することができる。この場合にも、同じ出
力を得るのに必要な太陽電池の面積を減少させることが
できる。

【０００８】集光のための光学手段及び冷却手段は何れ
か一方が装備される場合と、双方が装備される場合があ
るが、無論、双方が装備されることが最も好ましい。こ
こで、集光に用いる光学手段としては、凹面鏡、樋型平
面鏡、角錐型平面鏡及び凸レンズを例示することができ
る。凹面鏡としては、樋型凹面鏡、コーン型凹面鏡、樋
型複合放物面鏡（パラボラ型）及び回転放物面鏡があ
る。また、凸レンズとしては、線型フレネルレンズや円
型フレネルレンズがある。また、冷却手段としては太陽
電池に直接又は間接的に接触して熱媒体を流す管路であ
っても良く、この熱媒体に自然放熱させても良いし、強
制放熱させても良い。

【０００９】請求項２記載の発明の態様は、請求項１に
おいて、上記冷却手段によって太陽電池から奪った熱を
用いて温水を得る温水器をさらに備えることを特徴とす
るものである。本態様では、太陽電池を冷却して発電効
率の向上を図りつつ、温水を得ることができ、ハイブリ
ッドなシステムを提供することができる。請求項３記載
の発明の態様は、請求項１又は２において、上記光学手
段は少なくとも一つの凹面鏡からなり、凹面鏡から反射
される太陽光を受光する太陽電池セルを凹面鏡の凹面に
連続して配置して太陽電池モジュールを構成してあるこ
とを特徴とするものである。本態様では、太陽電池セル
を凹面鏡に組み込んだ太陽電池モジュールとしてユニッ
ト化してあるので、設置時にはこれらのモジュールを次
々に設置していくだけで良く、したがって設置作業が非
常に簡単であり、設置コストを低減することができる。
単一の凹面鏡と単一の太陽電池セルとで単一の太陽電池
モジュールを構成しても良いし、複数の凹面鏡にそれぞ
れ太陽電池セルを配置した全体を太陽電池モジュールと
して構成しても良い。

【００１０】請求項４記載の発明の態様は、請求項１，
２又は３において、太陽電池及び出力向上手段を支持す
る支持手段と、太陽電池への太陽光線の入射角度を適正
に保つように、上記支持手段を太陽の移動に追従して変
位させる駆動手段とをさらに備えることを特徴とするも
のである。本態様では、太陽を自動的に追尾して、常に
高い発電効率を維持することができる。太陽の方位のみ
に追従させるのであれば、支持手段として回転架台を用
いてこれを駆動手段によって回転させれば良い（いわゆ
る１軸追尾）が、さらに、太陽に対する仰角を調整する
機構を付加しても良い（いわゆる２軸追尾）ことは言う
までもない。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を添
付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施の
形態の太陽電池発電システムの概略構成図である。図１
を参照して、本太陽電池発電システム１（以下では、単
にシステム１ともいう）は、太陽光線の放射エネルギを
電気エネルギに変換する太陽電池２と、太陽電池２に太
陽光を集める光学手段としての樋型凹面鏡３と、太陽電
池２から奪った熱を用いて温水を得る温水器４とを備え
ている。太陽電池２、樋型凹面鏡３及び温水器４はフレ
ーム構造体５を介して回転架台としてのターンテーブル
６上に一体回転可能に支持されている。ターンテーブル
６は軸受７を介してベース８上に回転自在に支持されて
いる。ベース８にはターンテーブル６を回転駆動する電
動モータ９が取り付けられている。

【００１２】太陽電池２は単結晶や多結晶の結晶シリコ
ンであっても良いし、アモルファスシリンコンであって
も良い。太陽電池２は単一のセルにより構成されていて
も良いし、多数のセルを並べた太陽電池アレイや太陽電
池モジュールとして構成されていても良い。太陽電池２
により得られた直流電力は、ソーラインバータＳを介し
て交流電力に変換され家庭内負荷Ｌに用いられると共
に、余剰の電力は商用電源Ｃとして電力会社に買い取っ
てもらうとになる（いわゆる売電される）。本実施の形
態ではシステム１を系統型発電システムとしたが、商用
電源Ｃへの接続を止めた独立型発電システムとしても良
い。その場合、ソーラインバータＳと並列に蓄電池を設
けることになる。

【００１３】フレーム構造体５は、支持手段としてのタ
ーンテーブル（回転架台）６に固定された横フレーム１
０と、横フレーム１０の一端から立ち上がる縦フレーム
１１と、横フレーム１０の一端と縦フレーム１１の上部
とを連結する斜めフレーム１２とにより三角形トラスを
構成している。樋型凹面鏡３は紙面と直交する方向に延
びており、ステー１３を介して斜めフレーム１２に固定
されている。樋型凹面鏡３としては安価なブリキ板やト
タン板、或いは耐水ベニヤ板等を用いることができる。
また、基材の表面にアルミニウムを蒸着して樋型凹面鏡
３を構成することができる。また、アルミニウムやＳＵ
Ｓの薄板を貼り合わせて樋型凹面鏡３として用いること
もできる。樋型凹面鏡３はその反射面３ａを太陽電池の
受光面２ａに対向させており、太陽電池２に集光する。
樋型凹面鏡３は、太陽電池２に照射される太陽光のエネ
ルギ密度を高めることを通じて、太陽電池２の出力を向
上させる出力向上手段を構成している。ただし、樋型凹
面鏡３の焦点（焦線・集光）位置を太陽電池２の位置か
らずらして、太陽電池２に過度に強力な光が照射されな
いようにしたほうが、焼損防止のため望ましい。

【００１４】温水器４は、下面に太陽電池２を固定した
受熱部１４と、温水タンク１５と、温水タンク１５の水
を受熱部１４を経由して循環させる配管１６とを備えた
自然循環式のものを例示している。受熱部１４は太陽電
池２に接触する鉄板、銅板等の伝熱板からなり、太陽電
池２から奪った熱を、温水器１５に循環される配管１６
内の水に与える。受熱部１４が太陽電池２を冷却するた
めの冷却手段を構成し、また、冷却することを通じて太
陽電池２の出力を向上させる出力向上手段を構成してい
る。

【００１５】温水タンク１５は縦フレーム１１の上部に
固定されており、給水路１８からフロート弁を介して供
給される水を温め、出湯路１７を介して出湯する。配管
１６は、温水タンク１５の底部に接続される第１の接続
口１９と、温水タンク１５の上部に接続される第２の接
続口２０とを有しており、温水タンク１５の水を受熱部
１４を介して循環させる。

【００１６】また、配管１６の一部２１は、斜めフレー
ム１２に直交する態様で固定された一対の支持フレーム
２２の上端に取り付けられて、斜めフレーム１２と略平
行な姿勢をしている。配管１６の一部２１は、支持フレ
ーム２２間に懸架された状態で、受熱部１４及び太陽電
池２を支持している。このように、通水のための配管１
６が支持機能を兼用しているので、支持のための部材を
別途に設ける場合と比較して構造を簡素化することがで
きる。２３は縦フレーム１１と一方の支持フレーム２２
とを連結した状態で温水タンク１５を載置するステーで
ある。

【００１７】電動モータ９は、ターンテーブル６と共に
樋型凹面鏡３及び太陽電池２を一括して回転させ、これ
により太陽を追尾して太陽エネルギを効率良く利用す
る。追尾の方式としては、等速で追尾させるプログラム
式を採用しても良いし、太陽の方向をセンサ（図示せ
ず）にて検出しながら樋型凹面鏡３の光軸の方向を調整
するセンサ式を採用しても良い。

【００１８】一般に、回転放物面鏡などの二次元集光要
素では入射方向と光軸とを三次元に一致させる必要があ
るため、二軸追尾が好ましい。ただし、１つの軸を地球
の自転軸に平行に配置すれば、他の軸は半固定として実
質的に１軸での追尾が可能である。また、樋型放物面鏡
のような１次元集光要素において１軸追尾が可能である
ことは言うまでもない。

【００１９】本実施の形態では、下記の作用効果を奏す
る。すなわち、 １）樋型凹面鏡３による集光比（光のエネルギ密度を高
める割合のこと）を例えば４倍に設定することも可能で
あり、その場合、太陽電池２の面積を１／４とすること
ができる。もともと設備全体のコストの１／２を占めて
いる太陽電池２のコストを１／４に削減することによ
り、全体として４０％近いコストを削減することができ
る。これにより、太陽電池発電システムの普及を大幅に
促進することが可能となる。

【００２０】２）また、温水器４の受熱部１４によって
太陽電池２を冷却することにより、年間平均で約２０％
程度の太陽電池２の出力向上が見込める。逆にいうと、
同等の出力を、太陽電池２の面積を２０％削減しても得
られるので、さらなるコストダウンが可能である。しか
も、太陽電池２を冷却するために太陽電池２から奪った
熱を利用して温水を得ることができ、エネルギの利用度
合いが高いハイブリッドなシステムを提供することがで
きる。特に、太陽光のうち従来利用していない赤外線領
域を有効に利用できる点で優れている。

【００２１】３）また、太陽を自動的に追尾して、常に
高い発電効率を維持することにより、ランニングコスト
の収支勘定を良好にすることができる。なお、上記第１
の実施の形態において、受熱部１４の上面にも太陽電池
２を配置するようにしても良い。図２（ａ）及び（ｂ）
は本発明の別の実施の形態を示している。図１の実施の
形態のシステム１Ｂでは、太陽電池２を冷却するための
温水器４、及び太陽を追するためのターンテーブル６や
電動モータ７を含む自動追尾機構を設けていたが、本実
施の形態では、これらを廃止し、最もシンプルな形態と
した。すなわち、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して、屋
根面等の載置面２４にフレーム２５，２６を介して直線
状或いは図示のように両端隅部が内側に偏向した樋型凹
面鏡３が固定され、この樋型凹面鏡３の反射面３ａに対
向するように太陽電池アレイ２７が配置されている。太
陽電池アレイ２７は多数の太陽電池セル２８を樋型凹面
鏡３の樋の延びる方向に平行な直線上に並べて構成さ
れ、載置面２４に固定された一対のフレーム２９，３０
の上端に掛け渡された支持バー３１に固定されている。
本実施の形態においても、図１の実施の形態での上記し
た１）と同様の作用効果を奏することができ、設備の大
幅なコストダウンが可能となる。

【００２２】次いで、図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は
それぞれ集光のための光学手段としての反射鏡の変更形
態を示している。図３（ａ）は全体が樋型をなすように
３枚の平面鏡３２，３３，３４を配置した樋型平面鏡３
５であり、底面鏡３２の両縁に互いに逆向きに傾斜する
側面鏡３３，３４が接続されている。平面鏡３２，３
３，３４は図２の樋型凹面鏡と同様に両端隅部が内側に
偏向したものであっても良い。本形態では、太陽電池ア
レイ２７を底面鏡３２に平行に配置してあるが、底面鏡
３２に代えて太陽電池アレイ２７を配置することも可能
である。

【００２３】図３（ｂ）は丸型のお碗型反射鏡３６を示
している。お碗の内周面３７は回転放物面をなしていて
も良い。太陽電池はお碗の底面３８に配置されても良い
し、底面３８を平面鏡とし底面３８に平行に太陽電池を
配置しても良い。図３（ｃ）は方形枡型反射鏡３９であ
る。枡の内周側面４０は平面鏡を連ねて形成される。太
陽電池は枡の底面４１に配置されても良いし、底面４１
を平面鏡として底面４１に平行に太陽電池を配置しても
良い。

【００２４】次いで、図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ
集光のための光学手段としての凸面鏡を示している。図
４（ａ）は太陽電池２の上方に縦横に並べて配置した小
型角型（丸型であっても良い）レンズを示している。ま
た、図４（ｂ）は線型フレネルレンズ４３を示してい
る。次いで、図５は本発明のさらに別の実施の形態を示
している。多数の丸型凹面鏡４４を直線上に又は縦横に
並べ、各丸型凹面鏡４４に対応して太陽電池セル４５を
配置した。４６は複数の太陽電池セル４４を一括して支
持する通水用の銅管である。各丸型凹面鏡４４はモジュ
ール化されており、載置面に並べて容易に設置すること
ができるようになっている。各丸型凹面鏡４４の内部を
中空とし、これに通水するハイブリッドな構成として、
温水を得るようにしても良い。なお、本実施の形態にお
いて、丸型凹面鏡に代えて、樋型凹面鏡を用いても良
く、その場合、太陽電池アレイを用いることになる。

【００２５】図６は本発明のさらに別の実施の形態を示
している。本実施の形態の特徴とするところは、多数の
樋型凹面鏡４７を有し且つ各樋型凹面鏡４７の凹面にそ
れぞれ連続して太陽電池アレイ４８（又はセル）を配置
して太陽電池モジュール４９を構成してある点である。
本実施の形態では、太陽電池及び反射鏡を一体に組み込
んだモジュール４９を載置面に設置すれば良く、現場で
の設置作業を大幅に簡素化して、設置コストを低減する
ことができる。また、モジュール４９内に通水して温水
を得ることもでき、ハイブリッドなシステムを非常に簡
単な構造にて実現することができる。

【００２６】次いで、図７は本発明のさらに別の実施の
形態を示している。本実施の形態が図１の実施の形態と
異なるのは、受熱部１４を冷却する例えばアルコール等
の熱媒体５０を温水系統から独立した閉鎖系の管路５１
にポンプ５２により強制的に循環させるようにし、温水
器１５内の熱交換器５３にて温水５４と熱媒体５０との
間で熱交換させるシステム１Ｃに構成した点である。こ
の場合、太陽電池２を冷却する効率を向上し、エネルギ
変換効率を一層向上することができる。

【００２７】次いで、図８は本発明のさらに別の実施の
形態を示している。本実施の形態では、図１の実施の形
態において、集光のための光学手段としての樋型凹面鏡
３、並びに太陽追尾のための機構（ターンテーブル６、
モータ９等）を廃止し、太陽電池２とこれを冷却するた
めの温水器４のみを組み合わせたシステム１Ｄとした。

【００２８】本実施の形態では、太陽電池２を冷却する
ことにより、年間平均で約２０％程度の太陽電池２の出
力向上を達成できる。すなわち、同等の出力を、太陽電
池２の面積を２０％削減しても得られるので、その分の
コストダウンが可能である。しかも、太陽電池２を冷却
するために太陽電池２から奪った熱を利用して温水を得
ることができ、エネルギの利用度合いが高いハイブリッ
ドなシステムを提供することができる。特に、太陽光の
うち従来利用していない赤外線領域を有効に利用できる
点で優れている。

【００２９】本発明は上記各実施の形態に限定されるも
のではなく、例えば図１や図７の実施の形態において、
仰角追尾機構を組み込む等、本発明の範囲で種々の変更
を施すことができる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、太陽電池への
集光率を高めたり、太陽電池を冷却したりすることによ
り、相対的に少ない面積の太陽電池で従来と同等の出力
を得ることができる。これにより設備に必要な太陽電池
の量を削減でき、設備コストを格段に安くすることがで
き、ひいては、太陽電池発電システムの普及を促進する
ことができる。

【００３１】請求項２記載の発明では、太陽電池を冷却
して発電効率の向上を図りつつ、温水を得ることがで
き、ハイブリッドなシステムを提供することができる。
請求項３記載の発明では、太陽電池セルを凹面鏡に組み
込んで太陽電池モジュールとしてユニット化してあるの
で、設置作業が非常に簡単であり、設置コストをより低
減することができる。

【００３２】請求項４記載の発明では、太陽を自動的に
追尾して、常に高い発電効率を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の太陽電池発電システムの
概略構成図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の別の実施
形態の太陽電池発電システムの概略斜視図及び一部破断
側面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ反射鏡の
変更形態を示す概略斜視図である。

【図４】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ凸面鏡の実施形態
の概略斜視図である。

【図５】本発明のさらに別の実施形態の太陽電池及び反
射鏡の概略側面図である。

【図６】本発明のさらに別の実施形態の太陽電池及び反
射鏡の概略側面図である。

【図７】本発明のさらに別の実施形態の太陽電池発電シ
ステムの概略構成図である。

【図８】本発明のさらに別の実施形態の太陽電池発電シ
ステムの概略構成図である。

【図９】太陽光のスペクトル強度と太陽電池の分光感度
を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 太陽電池発電システム ２ 太陽電池 ３，４７ 樋型凹面鏡 ４ 温水器 ６ ターンテーブル ９ 電動モータ １４ 受熱部 １５ 温水タンク １６ 配管 ２７，４８ 太陽電池アレイ ２８，４５ 太陽電池セル ３５ 樋型平面鏡 ３６ お碗型反射鏡 ３９ 枡型反射鏡 ４２ 小型角型レンズ ４３ 線型フレネルレンズ ４４ 丸型凹面鏡 ４９ 太陽電池モジュール ５２ ポンプ ５３ 熱交換器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽光線の放射エネルギを電気エネルギに
   変換する太陽電池と、この太陽電池の出力を向上させる
   出力向上手段とを備え、この出力向上手段は、太陽電池
   に太陽光を集める光学手段、及び太陽電池を冷却する冷
   却手段の少なくとも一方を含むことを特徴とする太陽電
   池発電システム。
2. 【請求項２】上記冷却手段によって太陽電池から奪った
   熱を用いて温水を得る温水器をさらに備えることを特徴
   とする請求項１記載の太陽電池発電システム。
3. 【請求項３】上記光学手段は少なくとも一つの凹面鏡か
   らなり、凹面鏡から反射される太陽光を受光する太陽電
   池セルを凹面鏡の凹面に連続して配置して太陽電池モジ
   ュールを構成してあることを特徴とする請求項１又は２
   記載の太陽電池発電システム。
4. 【請求項４】上記太陽電池及び出力向上手段を支持する
   支持手段と、太陽電池への太陽光線の入射角度を適正に
   保つように、上記支持手段を太陽の移動に追従して回転
   させる駆動手段とをさらに備えることを特徴とする請求
   項１，２又は３記載の太陽電池発電システム。