JP2014232739A - 太陽光発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置を提供する。【解決手段】本発明の太陽光発電装置1は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材4と、集光部材4の端面に設置されて端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュール2と、太陽の運動に対応して太陽電池モジュール2を傾斜させる追尾装置3と、を含み、追尾装置3が、太陽電池モジュール2を、互いに交差する複数の回転軸RL1,RL2を中心に回転させる。【選択図】図1
Description
本発明は、太陽光発電装置に関するものである。
太陽光発電装置において、大きな発電量を得るためには太陽電池への入射光量を増加させる必要がある。入射光量を増加させる一つの手段として、レンズを用いた集光型の太陽電池装置が提案されている(下記の特許文献1参照)。この太陽電池装置は、複数の集光レンズと、複数の太陽電池セルと、架台と、位置検出センサと、架台駆動手段と、を備えている。複数の太陽電池セルは、複数の集光レンズの焦点上にそれぞれ配置されている。位置検出センサは、架台上の一つの集光レンズの焦点に対応する位置に設けられている。架台駆動手段は、位置検出センサの中央に集光スポットが形成されるように架台を移動させるものである。
特許文献1に記載の太陽電池装置の場合、集光レンズを用いて太陽電池セルに太陽光を集光しているため、位置検出センサを用いて太陽の運動に応じて集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせる必要がある。しかしながら、集光レンズの焦点位置と太陽電池セルの設置位置とを精度良く合わせるのは現実的には難しい。これらの位置合わせに僅かな誤差が生じただけでも、発電量が大幅に減少するという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、太陽の運動に応じて十分な発電量を得ることができる太陽光発電装置の提供を目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の太陽光発電装置は、外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、太陽の運動に対応して前記太陽電池モジュールを傾斜させる追尾装置と、を含み、前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを、互いに交差する複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを第1の回転軸を中心に回転させるとともに、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを前記第1の回転軸と直交する第2の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させる駆動部と、1年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を含み、前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度を求め、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを所定の間隔で間欠的に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する第1の部材を内蔵する第1の可動部と、外部からの光の照射に伴って体積もしくは形状が変化する第2の部材を内蔵する第2の可動部と、を備え、前記第1の可動部が、前記第1の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第1の回転軸を中心に回転させ、前記第2の可動部が、前記第2の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第2の回転軸を中心に回転させることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光が入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記形状集光板が、断面が三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、前記複数の回転軸には、前記構造体の延在方向と平行な回転軸が含まれていることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明の太陽光発電装置は、前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする。
本発明によれば、発電効率の低下を抑えることが可能な太陽電池モジュールおよび太陽光発電装置を提供することができる。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図4を用いて説明する。
本実施形態では、太陽の運動(年周運動及び日周運動の双方の運動)に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例を挙げる。
図1は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。図2は、図1のA−A’線に沿う太陽光発電装置の断面図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図4を用いて説明する。
本実施形態では、太陽の運動(年周運動及び日周運動の双方の運動)に追尾する太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の例を挙げる。
図1は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。図2は、図1のA−A’線に沿う太陽光発電装置の断面図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態の太陽光発電装置1は、図1に示すように、太陽電池モジュール2と、追尾装置3と、を備えている。太陽電池モジュール2は、図2に示すように、集光板4(集光部材)と太陽電池素子5とがフレーム6に収容された構成を有している。太陽電池モジュール2では、集光板4から採り入れた太陽光を集光板4の端面に設けた太陽電池素子5に導き、太陽電池素子5にて光電変換を生じさせ、太陽光を電気エネルギーとして取り出す。集光板4は、後述するように、主面の法線方向から見た平面形状が長方形状の透光性を有する板体で構成されている。太陽電池素子5は、集光板4の4つの端面のうちの1つの端面に設置されている。集光板4と太陽電池素子5とは、アルミニウム等の金属製のフレーム6の内部に収容された状態で固定されている。
集光板4の内部において、光Lは、概ね太陽電池素子5が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子5が配置された側の端部に向けて伝播する。したがって、以下の説明では、集光板4の太陽電池素子5が配置された側と反対側の端部から太陽電池素子5が配置された側の端部に向かう方向を「光の伝播方向X」と称する。以下、各図面においては、集光板4の主面を水平に配置した状態において、光の伝播方向Xをx軸方向とし、主面に平行でかつ光の伝播方向Xに垂直な方向をy軸方向とし、集光板4の厚さ方向をz軸方向とする。
集光板4は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラスなどの透明性の高い有機材料もしくは無機材料によって構成されている。ただし、集光板4の材料はこれらの材料に限定されるものではない。集光板4の2つの主面4a,4bのうち、フレーム6の底板に対向する側の主面4bには、主面4bに垂直でかつ光の伝播方向Xに平行な仮想平面(xz平面)で切断した断面が三角形状の凸条7(構造体)が複数形成されている。凸条7のそれぞれは、主面4bに平行でかつ光の伝播方向Xに垂直な方向(y軸方向)に延在している。
1つの凸条7を構成する2つの面7a,7bのうち、第1面7aは主面4bに対して30°の角度をなす傾斜面となっており、第2面7bは主面4bに対して垂直な面となっている。言い換えると、第1面7aは、第2面7bに対して60°の角度をなす傾斜面となっている。図2に示すように、集光板4の2つの主面4a,4bのうち、凸条7が形成された主面4bとは反対側の主面4a(フレーム6の底板と対向しない側の主面)は、太陽光を入射させる面となる。本実施形態の集光板4は、光を入射させる主面4aと反対側の主面4bに、入射した光Lを反射させて当該光Lの進行方向を変更する反射面(第1面7a)が設けられた形状集光板である。
本実施形態の場合、凸条7は、集光板4自体が加工され、集光板4と一体に形成されている。凸条7は、例えば元々平坦な集光板4の主面4bを切削加工することによって形成することができる。あるいは、凸条7の形状を反転させた凹形状を有する金型を用いて樹脂の射出成形を行うなどの方法によって凸条7を形成しても良い。
以下、説明の便宜上、集光板4の6つの面のうち、光を入射させる主面(図2におけるxy平面に平行な面)を第1主面4aと称する。第1主面4aと対向する面であって凸条7が設けられた面を第2主面4bと称する。第1主面4aおよび第2主面4bに垂直な面であって光を射出させる面(図1におけるyz平面に平行な面)を第1端面4cと称する。第1端面4cと対向する面を第2端面4dと称する。
集光板4と太陽電池素子5とは、図2に示すように、集光板4の第1端面4cと太陽電池素子5の受光面5aとが対向するように隣接して配置されている。集光板4と太陽電池素子5とは、光学接着剤等により直接固定されていても良い。もしくは、集光板4と太陽電池素子5とは、直接固定されておらず、フレーム6に収容されることで相互の位置が固定される構成であっても良い。
集光板4の第1主面4aに対して太陽光Lが入射角θ0で入射したとすると、太陽光Lは第1主面4aにおいて屈折角θ1で屈折して集光板4内に入射する。その後、凸条7の第1面7aに入射角θ2で入射した光は、反射角θ2で全反射し、第1主面4aと第1面7aとの間で全反射を繰り返しながら集光板4内を伝播し、太陽電池素子5に導かれる。このとき、第1面7aへの光の入射角θ2は集光板4の第1主面4aの傾きに応じて変化する。そのため、第1面7aに入射する光Lの入射角θ2が第1面7aと空気との界面における臨界角以上となって光Lが全反射するように、集光板4の第1主面4aの傾きを予め設定する。
太陽電池素子5としては、公知のものを使用することができ、例えばアモルファスシリコン太陽電池素子、多結晶シリコン太陽電池素子、単結晶シリコン太陽電池素子等、種々の太陽電池素子を用いることができる。特に、InGaP、GaAs、InGaAs、AlGaAs、Cu(In,Ga)Se2、Cu(In,Ga)(Se,S)2、CuInS2、CdTe、CdS等の化合物系太陽電池素子、もしくはSi、InGaAs等の量子ドット太陽電池素子を用いることが望ましい。太陽電池素子5の形状および寸法は、集光板4の第1端面4c内に収まる形状および寸法であれば特に限定されることはない。
追尾装置3は、太陽電池モジュール2の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置3は、4つの駆動部8と、制御部9と、を備えている。各駆動部8は、平面視矩形状の太陽電池モジュール2のフレーム6を裏面から支持しており、4隅近傍に設けられている。言い換えると、4つの駆動部8は、太陽電池モジュール2において北東、南東、北西、南西の方位にそれぞれ対応する位置に配置されている。
本実施形態では、太陽光発電装置1を北半球で用いることを前提に説明する。第1の仮想軸(第1の回転軸)RL1は、凸条7の延在方向と平行になっている。第1の仮想軸RL1は、日の出および日の入りの方向、すなわち東西方向に向けて延在している。したがって、太陽電池モジュール2は、第1の仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を含む面内で回転する。
一方、第2の仮想軸(第2の回転軸)RL2は、凸条7の延在方向と直交している。第2の仮想軸RL2は、日の出および日の入りの方向と直交する方向、すなわち南北方向に向けて延在している。したがって、太陽電池モジュール2は、第2の仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を含む面内でも回転する。
各駆動部8は、フレーム6の底面の4隅近傍に当接するように配置されている。駆動部8は、鉛直方向(矢印Z方向)に昇降動作を行う電動アクチュエータであり、昇降動作を行うことで太陽電池モジュール2を回転させる。駆動部8は、電動のものに限ることはなく、少ないエネルギーで駆動できるものが好ましい。
制御部9は、駆動部8の昇降動作を制御するものである。制御部9は、時計(経時手段)と、1年の中での日付(月日)もしくは時刻(日の出の時刻から日の入りの時刻)と太陽電池モジュール2の回転角度とを関連づける相関データと、を備えている。制御部9は、太陽光発電装置1の使用時の日付もしくは時刻と相関データとに基づいて太陽電池モジュール2の最適な回転角度(第1の仮想軸RL1における回転角度及び第2の仮想軸RL2における回転角度)を求め、その回転角度に基づいて駆動部8に駆動信号を出力し、太陽電池モジュール2を各仮想軸RL1,RL2を中心に回転させる。太陽電池モジュール2の回転角度(第1の仮想軸RL1回りの回転角度、第2の仮想軸RL2回りの回転角度のそれぞれの回転角度)の精度は3°以内であることが好ましい。
各駆動部8の駆動に必要となる太陽の位置情報は、1年の中での日付(月日)もしくは時刻(日の出の時刻から日の入りの時刻)、太陽光発電装置1を設置している緯度、経度により得られる。なお、フレーム6に太陽光を検出する検出器を設置することにより測定してもよい。もしくは、別途設置した太陽追尾装置(例えば、英弘精機株式会社製STR−21)により得ることもできる。
ここで、太陽の運動について図3を用いて説明する。
太陽の運動には、年周運動と日周運動とがある。年周運動は、1年の中で北半球においては夏に太陽の南中高度が最も高くなり、冬に太陽の南中高度が南の方角に低くなるというように、太陽が南北方向に移動して南中高度が変化する運動である。また、日周運動は、1日の中で太陽が日の出の時刻とともに北半球においては略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む運動である。
太陽の運動には、年周運動と日周運動とがある。年周運動は、1年の中で北半球においては夏に太陽の南中高度が最も高くなり、冬に太陽の南中高度が南の方角に低くなるというように、太陽が南北方向に移動して南中高度が変化する運動である。また、日周運動は、1日の中で太陽が日の出の時刻とともに北半球においては略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む運動である。
年周運動について考えると、太陽が南中時に天頂にある場合を南中高度90°とした場合、地球上の緯度E[°]の地点における南中高度N[°]は、1年の中で南中高度が最も高い日(夏至)において、N=90°−E+23.4°で表され、1年の中で南中高度が最も低い日(冬至)において、N=90°−E−23.4°で表される。したがって、1年の中で南中高度が最も高い日(夏至)と南中高度が最も低い日(冬至)との間では、太陽の軌道は南北方向を含む面内で約47°回転する。例えば東京は概ね北緯35°であるから、夏至における南中高度はN=78.4°であり、冬至における南中高度はN=31.6°である。
日周運動について考えると、1日の中で太陽が日の出の時刻とともに略東の方角から昇り、日の入りの時刻とともに略西の方角に沈む間において、太陽の軌道は東西方向を含む面内で約180度回転する。すなわち、1時間の中で太陽の軌道は東西方向を含む面内で約15度回転する。
本実施形態の太陽光発電装置1は、太陽電池モジュール2を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させている。そのため、太陽電池モジュール2は、1年の中で南中高度が最も高い日(夏至)と南中高度が最も低い日(冬至)との間で南北方向を含む面内で約47°回転するとともに、1日の中で太陽が略東の方角から昇り略西の方角に沈む間で東西方向を含む面内で約180度回転する。
本実施形態の太陽光発電装置1においては、太陽電池モジュール2を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させているため、太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に応じて最も大きな発電量を得られる状態を維持することができる。
従来の太陽光発電装置は、集光レンズを用いて集光レンズの焦点位置に配置した太陽電池素子に太陽光を集めていた。そのため、太陽の位置に対する集光レンズの位置合わせに高い精度が要求され、位置合わせにずれが生じると、発電量が大幅に減少するという問題があった。
従来の太陽光発電装置は、集光レンズを用いて集光レンズの焦点位置に配置した太陽電池素子に太陽光を集めていた。そのため、太陽の位置に対する集光レンズの位置合わせに高い精度が要求され、位置合わせにずれが生じると、発電量が大幅に減少するという問題があった。
これに対し、本実施形態の太陽光発電装置1は、複数の凸条7を備えた集光板4を用いて太陽光を集める構成のため、太陽の位置に対する集光板4の位置合わせにそれ程高い精度が要求されず、大まかな追尾で済む。したがって、本実施形態の太陽光発電装置1によれば、太陽の運動によらずに安定した発電量を得ることができる。また、本実施形態の太陽光発電装置1は簡易な追尾装置を備えれば良いため、製造コストを低減することができる。さらに、固定型の太陽光発電装置に比べて、太陽電池素子5の使用量を少なくすることができる。
図4は、本実施形態と同様の太陽光発電装置において、追尾を行わなかった場合の年周運動角度と集光効率との関係を示すグラフである。図4において、横軸は太陽の年周運動角度[°]、縦軸は集光効率[%]、を示す。パラメータとして、太陽の日周運動角度[°]が0°の場合、30°の場合、60°の場合、の3種類を採用した。
なお、年周運動角度は、図3に示すように、地表上の地点Aから天頂Tに延びる直線を基準として、地点Aと南中時の太陽の位置Cとを結ぶ直線がなす角度のことである。日周運動角度は、地点Aと南中時の太陽の位置Cとを結ぶ直線を基準として、地点Aと日中の任意の時刻での太陽の位置C1とを結ぶ直線がなす角度のことである。集光効率は、集光板4の第1主面4aに入射した太陽光の光量に対する第1端面4cに到達した太陽光の光量の割合である。
図4に示す集光効率の3本の曲線から平均値を計算すると、追尾を行わなかった場合における集光効率は18.40%であった。また、一軸追尾(第1の仮想軸RL1を中心に回転させる追尾)を行った場合における集光効率は21.24%であった。
これに対して、本実施形態に係る二軸追尾(第1の仮想軸RL1及び第2の仮想軸RL1の双方の仮想軸を中心に回転させる追尾)を行った場合には、各曲線において集光効率が最も高い状態を維持することができる。具体的には、日周運動角度が0°の場合には年周運動角度が20°付近の集光効率が最も高い状態、日周運動角度が30°の場合及び60°の場合には年周運動角度が10°付近の集光効率が最も高い状態、をそれぞれ維持することができる。その結果、集光効率を43.51%に向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
これに対して、本実施形態に係る二軸追尾(第1の仮想軸RL1及び第2の仮想軸RL1の双方の仮想軸を中心に回転させる追尾)を行った場合には、各曲線において集光効率が最も高い状態を維持することができる。具体的には、日周運動角度が0°の場合には年周運動角度が20°付近の集光効率が最も高い状態、日周運動角度が30°の場合及び60°の場合には年周運動角度が10°付近の集光効率が最も高い状態、をそれぞれ維持することができる。その結果、集光効率を43.51%に向上することができる。その結果、発電量を増加することができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図5及び図6を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの回転機構(追尾装置の構成)が異なるのみである。
図5は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図5において、第1実施形態の図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
以下、本発明の第2実施形態について、図5及び図6を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの回転機構(追尾装置の構成)が異なるのみである。
図5は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図5において、第1実施形態の図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置14は、図5に示すように、太陽電池モジュール2と、2つの駆動部(第1の駆動部11、第2の駆動部12)と制御部13とからなる追尾装置10と、を備えている。
図6は、本実施形態の太陽光発電装置の追尾装置を示す斜視図である。図6は、太陽光発電装置を背面側から見た状態を示している。
第1の駆動部11は、図6に示すように、棒状の支持部材(スピンドル)111と、第1のモーター112と、連結部材113と、を有する。スピンドル111は、太陽電池モジュール2をフレーム6の裏面側から支持する。スピンドル111は、連結部材113により第1のモーター112に連結されており、第1のモーター112の回転に従って回転する。
このような構成により、第1の駆動部11は、第1のモーター112の回転軸(第1の回転軸)RL11を中心として回転する。これにより、太陽電池モジュール2を太陽の年周運動の方向(南北方向)を向くように回転させる構成となっている。
第2の駆動部12は柱状の支持部材(スクリューシャフト)121と、第2のモーター122と、台座123と、を有する。スクリューシャフト121は、第1の駆動部11を第1のモーター112の下面側から台座123で支持する。台座123は、第2のモーター122の上端に固定されており、第2のモーター122の回転に従って回転する。第2のモーター122の台座123が設けられた側と反対側の部分は、スクリューシャフト121の内部に回転可能に収容されている。
このような構成により、第2の駆動部12は、第2のモーター122の回転軸(第2の回転軸)RL12を中心として回転する。これにより、太陽電池モジュール2を太陽の日周運動の方向(東西方向)を向くように回転させる構成となっている。
制御部13は、第1の駆動部11の回転動作、第2の駆動部12の回転動作を制御するものである。制御部13は、時計(経時手段)と、1年の中での日付(月日)もしくは時刻(日の出の時刻から日の入りの時刻)と太陽電池モジュール2の回転角度とを関連づける相関データと、を備えている。制御部13は、太陽光発電装置14の使用時の日付もしくは時刻と相関データとに基づいて太陽電池モジュール2の最適な回転角度(第1の回転軸RL11における回転角度及び第2の回転軸RL12における回転角度)を求め、その回転角度に基づいて第1の駆動部11、第2の駆動部12のそれぞれに駆動信号を出力し、太陽電池モジュール2を各回転軸RL11,RL12を中心に回転させる。
第1の駆動部11、第2の駆動部12は、制御部13によって求められた最適な回転角度に基づいて太陽電池モジュール2を所定の間隔で間欠的に回転させる。例えば、第1のモーター112、第2のモーター122としてDCモーターを用いる。太陽電池モジュール2を、回転軸RL11を中心に、1月毎に約8°回転させ、回転軸RL12を中心に、40分毎に約10°回転させる。第1のモーター112、第2のモーター122の停止中は、スピンドル111とスクリューシャフト121とが固定され、太陽電池モジュール2の傾きが固定される。
なお、第1の駆動部11、第2の駆動部12を間欠的に駆動させる際には、第1のモーター112、第2のモーター122としてステッピングモーターを用いることもできる。また、第1の駆動部11、第2の駆動部12を間欠的に駆動させる際の駆動周期は、適宜設定することができる。
本実施形態の太陽光発電装置14においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、第1の駆動部11、第2の駆動部12を間欠的に駆動させているので、モーターの消費電力を低減させることができる。さらに、正確な追尾を行うための光センサーや補正回路等が不要であるため、補正に必要な電力と機器コストを削減することができる。
太陽電池モジュール2を連続追尾させた場合のモーターの消費電力は720mWh/dayであった。これに対し、本実施形態に係る間欠追尾(第2のモーター122としてDCモーターを用い、太陽電池モジュール2を、回転軸RL12を中心に、40分毎に約10°回転させる追尾)を行った場合のモーターの消費電力は560mWh/dayであった。
また、正確な追尾を行うために光センサーや補正回路を設けた場合の回路部の消費電力は660mWhであった。これに対し、本実施形態に係る間欠追尾はかかる装置が不要であるため、回路部の消費電力は0mWhとなる。
また、正確な追尾を行うために光センサーや補正回路を設けた場合の回路部の消費電力は660mWhであった。これに対し、本実施形態に係る間欠追尾はかかる装置が不要であるため、回路部の消費電力は0mWhとなる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態について、図7〜図9を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図7は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図7において、第1実施形態の図2と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
以下、本発明の第3実施形態について、図7〜図9を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図7は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図7において、第1実施形態の図2と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置21は、図7に示すように、太陽電池モジュール22と、追尾装置3と、を備えている。太陽電池モジュール22は、集光板23(集光部材)と太陽電池素子5とがフレーム6に収容された構成を有している。第1実施形態の集光板4は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条7が複数設けられた形状集光板であった。これに対し、本実施形態の集光板23は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板で構成されている。集光板23は、蛍光体を含有する蛍光体層24を一対の透明層25で挟持した3層構造の板体である。
蛍光体層24は、例えば可視光や赤外光を吸収して可視光や赤外光を放出する蛍光体、あるいは、紫外光を吸収して可視光を放出する蛍光体を含んでいる。一例として、蛍光体層24は、BASF社製Lumogen F Red 305(商品名)を含んで構成されている。この蛍光体を用いた場合、波長578nmに発光ピークが現れる。使用する蛍光体としては、蛍光量子効率が高いものを用いることが好ましい。
また、より多くの波長域の光を吸収するように、複数種類の蛍光体を混合しても良い。一例として、BASF社製Lumogen F Violet 570(商品名)を0.02%、BASF社製LumogenF Yellow 083(商品名)を0.02%、BASF社製Lumogen F Orange 240(商品名)を0.02%、BASF社製Lumogen F Red 305(商品名)を0.02%、Nile Blue A(CAS登録番号3625-57-8)を0.5%、Ir-140(CAS登録番号53655−17−7)を0.5%、Ir-144(CAS登録番号54849-69-3)を0.5%、量子ドットPbS(硫化鉛)を3%からなる複数種類の蛍光体を含有したものを用いることができる。上記複数種類の蛍光体を含む蛍光体層からは、400nm〜1500nm程度の広い波長域を持つ蛍光が放射される。
なお、複数種類の蛍光体を混合する際には、エネルギー移動理論を適応し、発光ピークを最も長波長に有する蛍光体のみが発光することが望ましい。
太陽電池素子5には、第1実施形態と同様、シリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、有機系太陽電池などの公知の太陽電池を用いることができる。上述の太陽電池の中でも、化合物半導体を用いた化合物系太陽電池は、高効率の発電が可能であることから本実施形態に好適に用いられる。化合物系太陽電池の一例としては、半導体基板上にInGaAs層とGaAs層とInGaP層とを積層したものが用いられる。この化合物系太陽電池は、例えば400nm〜1200nmの波長域で80%以上、500nm〜950nmの波長域で95%以上といった高い発電効率を持っている。そのため、上記の蛍光体と上記の化合物系太陽電池とを組み合わせることにより、幅広い波長域で効率の高い発電が可能となる。
追尾装置3は、太陽電池モジュール2の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置3は、4つの駆動部8と、制御部9と、を備えている。追尾装置3の構成は第1実施形態と同様である。
第1実施形態の場合、集光板4に入射した太陽光を凸条7の反射面で反射させて太陽電池素子5に導く構成であった。そのため、集光板4に対する太陽光の入射角度、すなわち、太陽の位置に対する集光板4の回転角度が集光効率に大きく影響を及ぼしていた。それに対して、本実施形態の場合、集光板23の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子5に導く形態であるため、集光板23に対する太陽光の入射角度が変化しても、集光効率はほとんど変化しない。
しかしながら、例えば集光板23に対して傾いた位置から太陽光が照射された場合(太陽光の入射角度が大きい場合)は、集光板23の略正面から太陽光が照射された場合(太陽光の入射角度が小さい場合)に比べて入射光量が少なくなる。そのため、本実施形態の太陽光発電装置21においても、太陽の年周運動に太陽電池モジュール22を追尾させることで、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の場合、集光板23の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子5に導く形態であるため、直達光だけでなく散乱光も集光することができる。よって、曇りの日であっても安定した発電量が得られる。
さらに、本実施形態の場合、集光板23の内部に入射した太陽光を吸収して蛍光発光が生じ、その蛍光を太陽電池素子5に導く形態であるため、直達光だけでなく散乱光も集光することができる。よって、曇りの日であっても安定した発電量が得られる。
図8は、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図8の横軸は年周運動角度(°)であり、図8の縦軸は入射光量比(%)を示す。なお、入射光量比とは、年周運動角度を0°とし、日周運動角度を0°としたとき、すなわち、集光板を水平方向に設置した状態で、太陽光が集光板に対して垂直に入射したときの入射光量を100%とした場合の入射光量の比である。また、図9は、年周運動及び日周運動の双方の運動に対する追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置において、年周運動角度と入射光量比との関係を示すグラフである。図9の横軸、縦軸は図8と同じである。
図8に示すように、追尾を行わない比較例の太陽光発電装置においては、太陽の年周運動角度が0°から大きくなるにつれて、集光板に対して傾いた位置から太陽光が照射されるため、入射光量比が小さくなる。これに対し、図9に示すように、追尾を行う本実施形態の太陽光発電装置21においては、年周運動角度が変化しても(太陽の南中高度が変化しても)、年周運動角度が0°のときの入射光量比を維持することができる。
図8から平均入射光量比を計算すると、比較例の太陽光発電装置においては、平均入射光量比が68.5%であった。これに対して、図9から平均入射光量比を計算すると、本実施形態の太陽光発電装置21においては、平均入射光量比を100.0%に向上させることができる。
[第3実施形態の変形例]
以下、本発明の第3実施形態の変形例について、図10を用いて説明する。
上記実施形態では、蛍光体を含有する蛍光体層を一対の透明層で挟持した3層構造の蛍光集光板の例を示したが、必ずしもこの構成に限ることはない。例えば図10に示す太陽光発電装置26の太陽電池モジュール27のように、集光板28の全体に蛍光体が分散された構成であっても良い。ただし、このように集光板28の全体に蛍光体が分散された場合であっても、太陽電池素子5への集光効率を高めるために、集光板28の最表面には蛍光体が配置されていない方が好ましい。
以下、本発明の第3実施形態の変形例について、図10を用いて説明する。
上記実施形態では、蛍光体を含有する蛍光体層を一対の透明層で挟持した3層構造の蛍光集光板の例を示したが、必ずしもこの構成に限ることはない。例えば図10に示す太陽光発電装置26の太陽電池モジュール27のように、集光板28の全体に蛍光体が分散された構成であっても良い。ただし、このように集光板28の全体に蛍光体が分散された場合であっても、太陽電池素子5への集光効率を高めるために、集光板28の最表面には蛍光体が配置されていない方が好ましい。
本変形例の太陽光発電装置26においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、曇りの日であっても安定した発電量が得られる、といった第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態について、図11及び図12を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図11は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図11において、第1実施形態の図2および第3実施形態の図7と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
以下、本発明の第4実施形態について、図11及び図12を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は、第1実施形態と同様であり、太陽電池モジュールの集光板の形態が異なるのみである。
図11は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す断面図である。
図11において、第1実施形態の図2および第3実施形態の図7と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置31は、図11に示すように、太陽電池モジュール32と、追尾装置3と、を備えている。太陽電池モジュール32は、第1集光板23(集光部材)と第2集光板4(集光部材)と太陽電池素子5とがフレーム6に収容された構成を有している。第1実施形態の集光板4は、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面を含む凸条7が複数設けられた形状集光板であった。第3実施形態の集光板23は、入射した太陽光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板であった。これに対し、本実施形態の集光部材は、第1実施形態の形状集光板と第3実施形態の蛍光集光板とを積層した2枚の集光板4,23で構成されている。
具体的には、本実施形態の場合、太陽光の入射側に設けられた第1集光板23は蛍光集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第2集光板4は形状集光板で構成されている。第1集光板23と第2集光板4とは密着しており、第1集光板23と第2集光板4との間に空気層は介在していない。第1集光板23の第1端面23cと第2集光板4の第1端面4cとは同一面内に配置されており、これらの端面23c,4c上に第1集光板23と第2集光板4に共通の太陽電池素子5が設けられている。なお、第1集光板23と第2集光板4に個別の太陽電池素子が設けられていても良い。
追尾装置3は、太陽電池モジュール2の全体を太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾させるように駆動するものである。追尾装置3は、4つの駆動部8と、制御部9と、を備えている。追尾装置3の構成は第1実施形態と同様である。
図12は、東京の一年間の日射量の推移を示すグラフである。図12の横軸は月、縦軸は日射量[MJ/m2]を示している。
日射量とは、太陽からの放射エネルギー量を測定したものである。日射量は主に3つに分類される。
全天日射量は、全天空からの日射量を測定したものであり、直達日射量と散乱日射量の和に等しい。
直達日射量は、理想的には全天空のうち太陽の光球の範囲のみからの日射量を測定したものとされ、いわゆる直射日光を測定したものである。直達日射量は、太陽光線の入射方向と常に直交する平面で受けた放射照度として測定される。
散乱日射量は、全天空のうち太陽の光球以外の範囲からの日射量を測定したものである。例えば、青空からの青い光、曇り空からの白い光など大気の分子や雲粒で散乱された光を測定したものである。散乱日射量は、水平面で受けた放射照度として測定される。
全天日射量は、全天空からの日射量を測定したものであり、直達日射量と散乱日射量の和に等しい。
直達日射量は、理想的には全天空のうち太陽の光球の範囲のみからの日射量を測定したものとされ、いわゆる直射日光を測定したものである。直達日射量は、太陽光線の入射方向と常に直交する平面で受けた放射照度として測定される。
散乱日射量は、全天空のうち太陽の光球以外の範囲からの日射量を測定したものである。例えば、青空からの青い光、曇り空からの白い光など大気の分子や雲粒で散乱された光を測定したものである。散乱日射量は、水平面で受けた放射照度として測定される。
本実施形態の太陽光発電装置31においては、図11に示すように、第1集光板23に入射した太陽光のうち、第1集光板23で吸収できずに漏れ出た光を第2集光板4で受け、第2集光板4の内部を伝播させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、本実施形態の場合、太陽の運動に追尾させることによる集光効率の向上効果が大きい形状集光板(第1集光板23)と、追尾による集光効率の向上効果は小さいが、入射角度の変化に対して安定した光出力が得られる蛍光集光板(第2集光板4)とを組み合わせることによって、より高効率で安定した発電量を得ることができる。さらに、簡易な追尾装置を備えることで製造コストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の場合、形状集光板及び蛍光集光板の2種類の集光板を組み合わせた構成であるため、直達光、散乱光のいずれも効率良く集光することができる。
さらに、本実施形態の場合、形状集光板及び蛍光集光板の2種類の集光板を組み合わせた構成であるため、直達光、散乱光のいずれも効率良く集光することができる。
[第4実施形態の変形例]
以下、本発明の第4実施形態の変形例について、図13を用いて説明する。
上記実施形態の太陽光発電装置31では、太陽光の入射側から蛍光集光板、形状集光板の順に積層されていた。この構成とは逆に、太陽光の入射側から形状集光板、蛍光集光板の順に積層されていても良い。すなわち、図13に示す本変形例の太陽光発電装置34の太陽電池モジュール35では、太陽光の入射側に設けられた第1集光板4は形状集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第2集光板23は蛍光集光板で構成されている。第1集光板4の第2集光板23と対向する側には複数の凸条7が設けられている。したがって、第1集光板4と第2集光板23とは密着しておらず、第1集光板4と第2集光板23との間に空気層が介在している。
以下、本発明の第4実施形態の変形例について、図13を用いて説明する。
上記実施形態の太陽光発電装置31では、太陽光の入射側から蛍光集光板、形状集光板の順に積層されていた。この構成とは逆に、太陽光の入射側から形状集光板、蛍光集光板の順に積層されていても良い。すなわち、図13に示す本変形例の太陽光発電装置34の太陽電池モジュール35では、太陽光の入射側に設けられた第1集光板4は形状集光板で構成されている。太陽光の入射側と反対側に設けられた第2集光板23は蛍光集光板で構成されている。第1集光板4の第2集光板23と対向する側には複数の凸条7が設けられている。したがって、第1集光板4と第2集光板23とは密着しておらず、第1集光板4と第2集光板23との間に空気層が介在している。
本変形例の太陽光発電装置34においては、図13に示すように、第1集光板4に入射した太陽光のうち、第1集光板4の反射面7aで反射できずに漏れ出た光を第2集光板23で受け、この光を吸収させて蛍光発光させることができ、全体として集光効率を高めることができる。また、形状集光板と蛍光集光板とを組み合わせることでより高効率で安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、直達光、散乱光のいずれも効率良く集光することができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第5実施形態]
以下、本発明の第5実施形態について、図14〜図18を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は上記実施形態と同様であり、追尾装置の構成が異なるのみである。
図14は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図14において、第1実施形態の図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
以下、本発明の第5実施形態について、図14〜図18を用いて説明する。
本実施形態の太陽光発電装置の基本構成は上記実施形態と同様であり、追尾装置の構成が異なるのみである。
図14は、本実施形態の太陽光発電装置の概略構成を示す斜視図である。
図14において、第1実施形態の図1と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の太陽光発電装置43は、図14に示すように、太陽電池モジュール2と、追尾装置40と、を備えている。追尾装置40は、4つの可動部(2つの第1の可動部41、2つの第2の可動部42)を備えている。各可動部は、平面視矩形状の太陽電池モジュール2のフレーム6を裏面から支持しており、4隅近傍に設けられている。
なお、本実施形態では、4つの可動部を備えた例を示すが、必ずしも可動部は4つである必要はなく、少なくとも2つあればよい。例えば、2つの可動部を備えた場合、追尾動作の安定性の面から、太陽電池モジュール2のフレーム6を裏面から回転可能に支持する支持部材が設けられていてもよい。
太陽電池モジュール2は、太陽の年周運動及び日周運動の双方の運動に追尾して回転する。太陽電池モジュール2は、第1の仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を含む面内で回転する。さらに、太陽電池モジュール2は、第2の仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を含む面内でも回転する。
太陽電池モジュール2は、北半球においては南側の端部が低く、北側の端部が高く位置するように傾斜して設置されている。そして、本実施形態の追尾装置40は、上記実施形態のように時計を備えた制御部を有していない。本実施形態の追尾装置40は、可動部が外気温の変化を検知して伸縮したり外部からの光の照射に伴って伸縮したりすることで太陽電池モジュールを自動的に回転させる構成となっている。
図15に示すように、第1の可動部41は、季節の温度変化によって伸縮する下部可動部41Aと、太陽光の照射に伴って伸縮する上部可動部41Bと、を備えている。
下部可動部41Aは、下部外筒411と、下部バネ412と、下部支持筒413と、を備えている。下部外筒411の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなる下部バネ412が収容されている。下部外筒411は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、当該下部外筒411の内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、下部外筒411の内部空間には、下部支持筒413が、下部バネ412の上方に上下動可能に装入されている。下部支持筒413は、下部バネ412の伸縮に従って上下動するようになっている。
下部バネ412は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。下部バネ412は、外周側が熱膨張係数の小さい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の大きい金属で構成されている。これにより、下部バネ412は、外気温が上昇すると伸長するようになっている。
例えば、下部バネ412の外周側はNi−Mn−Fe合金で構成され、下部バネ412の内周側はNi−Fe合金で構成されている。この場合、下部バネ412の外周側を構成する金属と下部バネ412の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
上部可動部41Bは、上部外筒414と、上部バネ415と、上部支持筒416と、を備えている。上部外筒414は、下部支持筒413で支持されており、下部支持筒413の上下動によって上下動するようになっている。上部外筒414の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなる上部バネ415が収容されている。上部外筒414は、太陽光を透過する透明部材(例えば透明アクリル樹脂)からなり、当該上部外筒414の内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、上部外筒414の内部空間には、上部支持筒416が、上部バネ415の上方に上下動可能に装入されている。上部支持筒416は、太陽電池モジュール2の裏面を支持する。上部支持筒416は、上部バネ415の伸縮に従って上下動するようになっている。
上部バネ415は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。上部バネ415は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、上部バネ415は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、上部バネ415の外周側はNi−Fe合金で構成され、上部バネ415の内周側はNi−Mn−Fe合金で構成されている。この場合、上部バネ415の外周側を構成する金属と上部バネ415の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
一方、第2の可動部42は、太陽光の照射に伴って伸縮する構成となっている。
第2の可動部42は、外筒421と、バネ422と、支持筒423と、を備えている。外筒421の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ422が収容されている。外筒421は、太陽光を透過する透明部材(例えば透明アクリル樹脂)からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
第2の可動部42は、外筒421と、バネ422と、支持筒423と、を備えている。外筒421の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ422が収容されている。外筒421は、太陽光を透過する透明部材(例えば透明アクリル樹脂)からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、外筒421の内部空間には、支持筒423が、バネ422の上方に上下動可能に装入されている。支持筒423は、太陽電池モジュール2の裏面を支持する。支持筒423は、バネ422の伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ422は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。バネ422は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ422は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、バネ422の外周側はNi−Fe合金で構成され、バネ422の内周側はNi−Mn−Fe合金で構成されている。この場合、バネ422の外周側を構成する金属とバネ422の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
なお、本実施形態では、バネを構成する金属としてNi−Fe合金、Ni−Mn−Fe合金を用いているが、これに限らない。例えば、Ni−Fe合金にMn、Cr、Cuなどを添加したものを用いることもできる。
また、本実施形態では、Ni−Fe合金にMnを添加することによりバネの外周側を構成する金属とバネの内周側を構成する金属との熱膨張係数を異ならせているが、これに限らない。例えば、Ni−Fe合金においてNiの添加量を変えることによりバネの外周側を構成する金属とバネの内周側を構成する金属との熱膨張係数を異ならせてもよい。
図15は、太陽電池モジュールが太陽の年周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図15(A)は、1年の中で相対的に南中高度が高くなる夏季の場合の各可動部の動作を示し、図15(B)は、1年の中で相対的に南中高度が低くなる冬季の場合の各可動部の動作を示している。
図15(A)に示すように、夏季の場合は第1の可動部41の下部可動部41Aが外気温で温められて伸長する。これにより、太陽電池モジュール2は、仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を向くように回転し、夏季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図15(B)に示すように、冬季の場合は第1の可動部41の下部可動部41Aが外気温で冷やされて縮む。これにより、太陽電池モジュール2は、仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を向くように回転し、冬季の南中角度に対応した最適な傾斜角度となる。
図16は、太陽電池モジュールが太陽の日周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図16(A)は、1日の中で日の出から南中高度までの午前における各可動部の動作を示し、図16(B)は、1年の中で南中高度から日の入りまでの午後における各可動部の動作を示している。
図16(A)に示すように、午前の場合は、2つの第1の可動部41のうち東側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち東側に配置された第2の可動部42とが太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を向くように回転し、午前の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午前の場合は、2つの第1の可動部41のうち西側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち西側に配置された第2の可動部42とは、太陽電池モジュール2の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、2つの第1の可動部41のうち西側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち西側に配置された第2の可動部42とは、伸縮しない。
図16(B)に示すように、午後の場合は、2つの第1の可動部41のうち西側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち西側に配置された第2の可動部42とが太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を向くように回転し、午後の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午後の場合は、2つの第1の可動部41のうち東側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち東側に配置された第2の可動部42とは、太陽電池モジュール2の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、2つの第1の可動部41のうち東側に配置された第1の可動部41の上部可動部41Bと、2つの第2の可動部42のうち東側に配置された第2の可動部42とは、冷やされてもとの長さに戻る。
図17は、東京の1年間の平均気温の変化を示すグラフである。図17の横軸は月、縦軸は平均気温〔℃〕を示している。図18は、東京の1年間の太陽の南中高度の変化を示すグラフである。図19の横軸は月、縦軸は太陽の南中高度〔°〕を示している。図17、図18から判るように、1年間の平均気温の変化と1年間の太陽の南中高度の変化は概ね同じ傾向を示す。したがって、例えば気温が上がる夏季に可動部が伸び、太陽電池モジュール2がより水平に近い位置に回転する構成とすれば、太陽電池モジュール2の角度を太陽の南中高度に対して最適化することができる。そのためには、可動部の各部の寸法や熱膨張材の使用量等を最適に設計する必要がある。
本実施形態の太陽光発電装置43においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。特に本実施形態の場合、可動部の動力としてバイメタルからなるバネの伸縮を利用しており、外気温の変化もしくは太陽光の照射に応じて可動部が自動的に伸縮する構成としている。そのため、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減を図ることができる。
[第5実施形態の第1変形例]
以下、本発明の第5実施形態の第1変形例について、図19〜図21を用いて説明する。上記実施形態の太陽光発電装置では、各可動部を太陽電池モジュールの4隅近傍に配置していた。この構成に替えて、図19に示す本変形例の太陽光発電装置の各可動部を太陽電池モジュールの4辺中央に配置している。すなわち、各可動部が、東西南北の方位に対応する位置に配置されている。
以下、本発明の第5実施形態の第1変形例について、図19〜図21を用いて説明する。上記実施形態の太陽光発電装置では、各可動部を太陽電池モジュールの4隅近傍に配置していた。この構成に替えて、図19に示す本変形例の太陽光発電装置の各可動部を太陽電池モジュールの4辺中央に配置している。すなわち、各可動部が、東西南北の方位に対応する位置に配置されている。
本変形例の太陽光発電装置53は、図19に示すように、太陽電池モジュール2と、追尾装置50と、を備えている。追尾装置50は、4つの可動部(2つの第1の可動部51A,51B、2つの第2の可動部52)を備えている。各可動部は、太陽電池モジュール2の端部を下面から支持しており、太陽電池モジュールの4辺中央に設けられている。
第1の可動部51A,51Bは、季節の温度変化に伴って伸縮する構成となっている。図20に示すように、2つの第1の可動部のうち南側に配置された第1の可動部51Aは、外筒511と、バネ512Aと、支持筒513と、を備えている。外筒511の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ512Aが収容されている。外筒511は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、外筒511の内部空間には、支持筒513が、バネ512Aの上方に上下動可能に装入されている。支持筒513は、太陽電池モジュール2の裏面を支持する。支持筒513は、バネ512Aの伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ512Aは、外周側が熱膨張係数の小さい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の大きい金属で構成されている。これにより、バネ512Aは、外気温が上昇すると伸長するようになっている。例えば、バネ512Aの外周側はNi−Mn−Fe合金で構成され、バネ512Aの内周側はNi−Fe合金で構成されている。
一方、2つの第1の可動部のうち北側に配置された第1の可動部51Bは、外筒511と、バネ512Bと、支持筒513と、を備えている。外筒511の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ512Bが収容されている。外筒511は、太陽光を遮光する遮光部材からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わらないようになっている。
また、外筒511の内部空間には、支持筒513が、バネ512Bの上方に上下動可能に装入されている。支持筒513は、太陽電池モジュール2の裏面を支持する。支持筒513は、バネ512Bの伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ512Bは、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ512は、外気温が上昇すると縮むようになっている。例えば、バネ512Bの外周側はNi−Fe合金で構成され、バネ512Bの内周側はNi−Mn−Fe合金で構成されている。
第2の可動部52は、太陽光の照射に伴って伸縮する構成となっている。図21に示すように、第2の可動部52は、外筒521と、バネ522と、支持筒523と、を備えている。外筒521の内部空間には、温度変化によって形状が変化するバイメタルからなるバネ522が収容されている。外筒521は、太陽光を透過する透明部材(例えば透明アクリル樹脂)からなり、内部空間に太陽光の照射による熱が伝わるようになっている。
また、外筒521の内部空間には、支持筒523が、バネ522の上方に上下動可能に装入されている。支持筒523は、太陽電池モジュール2の裏面を支持する。支持筒523は、バネ522の伸縮に従って上下動するようになっている。
バネ522は、バイメタルで構成され、外周側と内周側とが異なる金属で構成されている。バネ522は、外周側が熱膨張係数の大きい金属で構成され、内周側が熱膨張係数の小さい金属で構成されている。これにより、バネ522は、外気温が上昇すると縮むようになっている。
例えば、バネ522の外周側はNi−Fe合金で構成され、バネ522の内周側はNi−Mn−Fe合金で構成されている。この場合、バネ522の外周側を構成する金属とバネ522の内周側を構成する金属とは熱膨張係数の差が大きいものを用いることが望ましい。
図20は、太陽電池モジュールが太陽の年周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図20(A)は、1年の中で相対的に南中高度が高くなる夏季の場合の各可動部の動作を示し、図20(B)は、1年の中で相対的に南中高度が低くなる冬季の場合の各可動部の動作を示している。
図20(A)に示すように、夏季の場合は、2つの第1の可動部のうち南側に配置された第1の可動部51Aが外気温で温められて伸長する。一方、北側に配置された第1の可動部51Bが外気温で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュール2は、仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を向くように回転し、夏季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図20(B)に示すように、冬季の場合は、2つの第1の可動部のうち北側に配置された第1の可動部51Bが外気温で冷やされて伸びる。一方、南側に配置された第1の可動部51Aが外気温で冷やされて縮む。これにより、太陽電池モジュール2は、仮想軸RL1を中心として太陽の年周運動の方向(南北方向)を向くように回転し、冬季の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
図21は、太陽電池モジュールが太陽の日周運動に追尾して回転される場合の各可動部の動作を示す図である。図21(A)は、1日の中で日の出から南中高度までの午前における各可動部の動作を示し、図21(B)は、1年の中で南中高度から日の入りまでの午後における各可動部の動作を示している。
図21(A)に示すように、午前の場合は、2つの第2の可動部52のうち東側に配置された第2の可動部52が太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を向くように回転し、午前の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午前の場合は、2つの第1の可動部51のうち西側に配置された第2の可動部52は、太陽電池モジュール2の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、2つの第2の可動部52のうち西側に配置された第2の可動部52は伸縮しない。
図21(B)に示すように、午後の場合は、2つの第2の可動部52のうち西側に配置された第2の可動部52が太陽光の照射で温められて縮む。これにより、太陽電池モジュールは、仮想軸RL2を中心として太陽の日周運動の方向(東西方向)を向くように回転し、午後の南中高度に対応した最適な傾斜角度となる。
なお、午後の場合は、2つの第2の可動部52のうち東側に配置された第2の可動部52は、太陽電池モジュール2の陰に隠れて太陽光が照射されない。よって、2つの第2の可動部52のうち東側に配置された第2の可動部52は、冷やされてもとの長さに戻る。
本変形例の太陽光発電装置53においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減が図れる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
[第5実施形態の第2変形例]
以下、本発明の第5実施形態の第2変形例について、図22を用いて説明する。
上記変形例の太陽光発電装置53では、可動部を自動的に伸縮させる手段としてバイメタルからなるバネを用いた。この構成に代えて、図22に示す本変形例の太陽光発電装置63の追尾装置60では、可動部を自動的に伸縮させる手段として、複数の可動部のうちの一部の可動部に熱膨張材を用いている。
以下、本発明の第5実施形態の第2変形例について、図22を用いて説明する。
上記変形例の太陽光発電装置53では、可動部を自動的に伸縮させる手段としてバイメタルからなるバネを用いた。この構成に代えて、図22に示す本変形例の太陽光発電装置63の追尾装置60では、可動部を自動的に伸縮させる手段として、複数の可動部のうちの一部の可動部に熱膨張材を用いている。
本変形例の太陽光発電装置63は、図22に示すように、太陽電池モジュール2と、追尾装置60と、を備えている。追尾装置60は、3つの可動部(第1の可動部61,2つの第2の可動部52)と、1つの支持部62と、を備えている。各可動部及び支持部は、太陽電池モジュール2のフレーム6を裏面から支持しており、太陽電池モジュール2の4辺中央に設けられている。
第1の可動部61は、季節の温度変化に伴って伸縮する構成となっている。第1の可動部61は南側に配置されている。第1の可動部61は、図22に示すように、外筒611の内部空間に温度変化によって体積が変化する熱膨張材612が充填されている。さらに、支持棒613が、熱膨張材612の上方に上下動可能に装入されている。熱膨張材612としては、熱膨張係数が高く、少量で大きな体積変化を生じる材料を用いることが望ましい。例えば、本変形例では、熱膨張係数が16〜20×10−15/℃のエチレン・酢酸ビニル共重合体(EVA)を用いる。したがって、外気温が高くなると、熱膨張材612の体積が増加して支持棒613を押し上げ、第1の可動部61が伸長して太陽電池モジュール2の南側の端部が上がる方向に太陽電池モジュール2を回転させる。一方、外気温が低くなると、熱膨張材612の体積が減少して支持棒613が下がり、第1の可動部61が縮んで太陽電池モジュール2の南側の端部が下がる方向に太陽電池モジュール2を回転させる。
本変形例の太陽光発電装置63においても、太陽の運動によらずに安定した発電量が得られる、簡易な追尾装置を備えることでコストを低減できる、固定型の太陽光発電装置に比べて太陽電池素子の使用量を少なくすることができる、追尾のために新たなエネルギーを必要とせず、消費電力の低減が図れる、といった上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態においては、複数の可動部のうちの一部の可動部に熱膨張材を用いたが、これに限らず、複数の可動部の全てに熱膨張材を用いてもよい。この場合、複数の可動部は、外気温の変化に伴って体積が変化するものと、太陽光の照射に伴って体積が変化するものとを含む構成となる。
[太陽光発電装置の全体構成]
以下、本発明の一実施形態である太陽光発電装置について、図23を用いて説明する。
図23は本実施形態の太陽光発電装置を示すブロック図である。
以下、本発明の一実施形態である太陽光発電装置について、図23を用いて説明する。
図23は本実施形態の太陽光発電装置を示すブロック図である。
本実施形態の太陽光発電装置1000は、図23に示すように、上記実施形態の集光板1002と太陽電池素子1003とからなる太陽電池モジュール1001と、追尾装置1008と、インバータ1004と、蓄電池1005と、を有している。太陽電池モジュール1001によって得られた電力はインバータ1004によって直流−交流変換され、外部の負荷1006に出力される。また、他の電力源1007が外部の負荷1006に接続されている。太陽電池モジュール1001によって得られた電力は蓄電池1005に充電され、必要に応じて蓄電池1005から放電される構成となっている。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、導光体として板状体を用いたが、導光体の形状は板状体に限定されることなく、例えば棒状体であっても良く、適宜変更が可能である。その他、上記実施形態における各種構成要素の形状、寸法、数、配置、構成材料、製造方法等については、上記実施形態で例示したものに限らず、適宜変更が可能である。
例えば上記実施形態では、導光体として板状体を用いたが、導光体の形状は板状体に限定されることなく、例えば棒状体であっても良く、適宜変更が可能である。その他、上記実施形態における各種構成要素の形状、寸法、数、配置、構成材料、製造方法等については、上記実施形態で例示したものに限らず、適宜変更が可能である。
本発明は、太陽の運動に追尾するタイプの太陽光発電装置に利用可能である。
1,14,21,26,31,43,53,63,1000…太陽光発電装置、2,22,27,32,35,1001…太陽電池モジュール、3,10,40,50,60,1008…追尾装置、4,23,28,1002…集光板(集光部材)、5,1003…太陽電池素子、7…凸条(構造体)、8…駆動部、9,13…制御部、24…蛍光体層、41,51,51A,51B,61…第1の可動部、42,52…第2の可動部
Claims (10)
- 外部からの光を少なくとも一つの主面から入射させ内部で伝播させて少なくとも一つの端面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記端面に設置されて前記端面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、を有する太陽電池モジュールと、
太陽の運動に対応して前記太陽電池モジュールを傾斜させる追尾装置と、を含み、
前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを、互いに交差する複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする太陽光発電装置。 - 前記追尾装置が、太陽の年周運動に応じて前記太陽電池モジュールを第1の回転軸を中心に回転させるとともに、太陽の日周運動に応じて前記太陽電池モジュールを前記第1の回転軸と直交する第2の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電装置。
- 前記追尾装置が、前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させる駆動部と、1年の中での日付もしくは時刻と前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度との相関データを有し、前記駆動部を制御する制御部と、を含み、
前記制御部が、使用時の日付もしくは時刻と前記相関データとに基づいて前記太陽電池モジュールの前記複数の回転軸における回転角度を求め、
前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを前記複数の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項1または2に記載の太陽光発電装置。 - 前記駆動部が、前記制御部によって求められた前記複数の回転軸における回転角度に基づいて前記太陽電池モジュールを所定の間隔で間欠的に回転させることを特徴とする請求項3に記載の太陽光発電装置。
- 前記追尾装置が、外気温の変化に伴って体積もしくは形状が変化する第1の部材を内蔵する第1の可動部と、外部からの光の照射に伴って体積もしくは形状が変化する第2の部材を内蔵する第2の可動部と、を備え、
前記第1の可動部が、前記第1の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第1の回転軸を中心に回転させ、
前記第2の可動部が、前記第2の部材の体積変化もしくは形状変化によって伸縮し、当該伸縮動作によって前記太陽電池モジュールを前記第2の回転軸を中心に回転させることを特徴とする請求項2に記載の太陽光発電装置。 - 前記集光部材が、前記光が入射する主面と反対側の主面に、入射した光を反射させて当該光の進行方向を変更する反射面が設けられた形状集光板を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
- 前記形状集光板が、断面が三角形状の構造体を複数有し、前記構造体の一つの傾斜面が前記反射面として機能し、
前記複数の回転軸には、前記構造体の延在方向と平行な回転軸が含まれていることを特徴とする請求項6に記載の太陽光発電装置。 - 前記集光部材が、入射した光を吸収して蛍光を発する蛍光体を含有する蛍光集光板を含むことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
- 前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記形状集光板と前記蛍光集光板とで構成されることを特徴とする請求項8に記載の太陽光発電装置。
- 前記集光部材が、前記光の入射側から順に積層された前記蛍光集光板と前記形状集光板とで構成されることを特徴とする請求項8に記載の太陽光発電装置。
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