JP3222002U

JP3222002U - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP3222002U
Application number: JP2019001548U
Authority: JP
Inventors: 義則山田
Original assignee: 有限会社ディアックス
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2029-04-10

Abstract

【課題】低コスト、省資源化に有効な導光板を使用した太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】太陽電池モジュールは、導光体部が細い矩形体状の導光板１と導光板の上面に入射光を特定の角度に向けて放射する光機能層２を有し、導光板の下面には反射機能層３を有し、入射光は光機能層と反射機能層による反射と屈折を繰り返して導光板の一側端面４に集光され、さらに細い矩形体状の導光板は他側端面から一側端面に向かって厚くなると共に、下面側は一側端面に向かって下り勾配で傾斜している。太陽電池セル部１３は、断面が直角三角形状の透明樹脂体７を備え、直角を挟んだ二辺は両面受光型シリコン太陽電池セルと、導光板の一側端面に面した同形・同寸の入射光面９で構成し、斜辺を反射面とすることで導光板からの出射光は太陽電池セルの裏面側を照射し、太陽電池セル部の上面には太陽からの直接光が入射し導光板による集光と直接光の双方で発電する。太陽電池セル部と導光体部は着脱可能になる筐体と固定フレームを備える。【選択図】図１

Description

本考案は、液晶に使用されているような導光板を使用した太陽電池モジュールに関する。

液晶のバックライトはＬＥＤからの発光を導光板を介して導光板上面から均一に外に放射するものであるが、ＬＥＤを太陽電池に置き換えて光線を逆に辿れば太陽電池セルを削減した安価な太陽電池モジュールが提案できる（特許文献１）。導光板を使用した太陽電池の提案は数多くあるが、実用に供されている報告はほとんど無い。この理由として広範に普及しているシリコン系太陽電池モジュールやＣＩＳ／ＣＩＧＳ化合物系太陽電池モジュールのコストパーフォーマンスを超える見込みや感触、イメージが得られないからである。そう思わせるほどにシリコン系太陽電池モジュールやＣＩＳ／ＣＩＧＳ太陽電池モジュールの低価格化や生産体制の整備が急速に進んできた。

試作検証するまでもないが、太陽光が広い面積の導光板に入射して導光板を導光・集光する効率は太陽電池モジュールが直接に太陽光を受ける場合に比べて低くなるだろう。導光板内を繰り返し反射して出射口に導光されるのであるが、反射の度に透過光も存在するのでこれを繰り返すと結果的に光学ロスが大きくなるからである。導光板を小さくすると光学ロスも小さくなるが、高価な太陽電池セルの使用数減少というメリットも小さくなっていく。しかし前述のコストパーフォーマンスという観点からすると、導光板の費用が安価になれば導光板サイズに対してのトレードオフが見つかるので実現の可能性はある。

特開２００７−２１８５４０号公報

導光板を使用した太陽電池モジュールの利点を生かし、一層コストパーフォーマンスに優れた太陽電池モジュールを提案する。

前述の課題を解決するために本考案では、導光体部と太陽電池セル部からなる太陽電池モジュールであって、導光体部は細い矩形体状の導光板と導光板の上面には入射光を特定の角度に向けて放射する光機能層を有し、導光板の下面には反射機能層を有し、上面側からの入射光は光機能層により指向性をもって導光板内部に放射され、反射機能層による反射と屈折と上面からの反射を繰り返して導光板の一側端面に集光され、効果的に導光するためにさらに前記細い矩形体状の導光板は他側端面から前記一側端面に向かって厚くなると共に、導光板の下面側は前記一側端面に向かって下り勾配で傾斜した導光板であり、前記太陽電池セル部は、断面が直角三角形状の透明樹脂体を備え、直角を挟んだ二辺は両面受光型シリコン太陽電池セルと、前記導光板の一側端面に面した同形・同寸の透明樹脂体入射光面で構成し、斜辺を反射面とすることで前記導光板からの出射光は両面受光型シリコン太陽電池セルの裏面側を照射し、太陽電池セル部の上面には太陽からの直接光が入射することで導光板による集光と直接光の双方で発電するようにしたものであって、太陽電池セル部と導光体部は着脱可能になる筐体及び固定フレームを備えたことを特徴とする。

こうすることにより導光板を使用するメリットである太陽電池セル数削減と、導光は両面受光型シリコン太陽電池の裏面を照射し、表面側は太陽からの直接光を入射して発電することで面積当たりの発電量を従来技術の導光型太陽電池モジュールより向上させ、直接光だけで発電する太陽電池モジュールに比べても遜色のない性能が実現できる。

本考案の太陽電池モジュールは、コストパーフォーマンスに優れ、低コストと量産が可能であり、メインテナンスが簡便で長期運用可能な太陽電池モジュールである。

本考案の太陽電池モジュールの断面を示す図である。（ａ）は本考案の太陽電池モジュールと太陽の位置関係を示し、（ｂ）は太陽の位置と太陽電池セルへの照射強度を示す図である。本考案の太陽電池モジュールの外観を示す。（ａ）は本考案の太陽電池モジュールの構成を分離して示し、（ｂ）は組立を行った太陽電池モジュールを示す。本考案の太陽電池モジュールを屋根に適用する場合のイメージを示す。

以下、本考案の実施の形態を図１から図５を使用して説明する。

図１は本考案の太陽電池モジュールの断面を示す。太陽電池モジュールは導光体部１２と太陽電池セル部１３から成る。さらに導光体部１２は導光板１と上面に光機能層２が形成され、下面には反射機能層３が形成される。太陽からの入射光１０は光機能層２で屈折し、導光板１の側端面４に向かって放射される。下面からは反射機能層３で反射され、導光板の側端面４に集光される。導光体部１２と太陽電池セル部１３の点線は筐体であることを示している（詳細は後述する）。入射光１０の繰り返しの反射による側端面４への導光をより効果的にするために、導光板１はその下面側が側端面４に向かって下り勾配で傾斜すると共に、導光板１の厚さは側端面４に向かって厚くなるようにする。液晶のバックライトに使用されている公知の技術である。

導光板１の側端面４に集光された光は太陽電池セル部１３に向かって出射される。太陽電池セル部１３は断面が直角三角形状の透明樹脂体７を備え、直角を挟む二辺のうち上辺に両面受光型シリコン太陽電池セル５を配置し、別の一辺は透明樹脂体７の入射光面９であり、斜辺は反射面６である。透明樹脂体７の入射光面９は導光板１の側端面４と同形・同寸で面しているが、密着させる方が好ましい。離間していると結露防止、ゴミ防止のための気密性を確保する筐体が必要になり、高価な筐体になる。透明樹脂体７は厳密に直角三角形でなくても良い。透明樹脂体７の入射光面９は導光板の側端面４に一致させる必要があるが、両面型シリコン太陽電池セル５は図に示す水平位置から傾いたりしても良い。これに合わせて斜辺である反射面６の傾き、長さを変えても良い。これらは光学シミュレーションにおける設計事項として決めることができる。

図２には本考案の太陽電池モジュールのメリットを示している。太陽の朝、昼、夕の高度（位置）を便宜的に（ａ）のように示すと、シリコン太陽電池セルへの日射強度は（ｂ）のように推定できる。両面型シリコン太陽電池セルの上面に直接に照射される日射は１４のようになるだろうし、導光板に入射した光が両面受光型シリコン太陽電池セルの裏面を照射する強度は１５のようになることは容易に想到できる。この二つの日射が合算されて１６の日射強度となる。本考案の太陽電池モジュールは図２に示す太陽の運動に対しては朝、昼、夕と常に発電し続けることが期待でき、とくに昼から夕刻にかけて導光板の集光効率が次第に高くなるので強い日射強度による大きな発電量が期待できる。導光板の光学ロスを極力削減することで受光面積を増大すれば１５の日射強度は一層増大する。太陽電池セル数を増やすことなく発電量を増大させることができるのは導光型太陽電池モジュールのメリットである。

本考案の太陽電池セルは両面受光型シリコン太陽電池セルである。両面受光型は裏面電極にベタ金属を使用しないで表裏ともバスバー電極だけを形成したものである。エネルギー変換効率の高い単結晶シリコンヘテロ接合太陽電池セルやＰＥＲＣ技術（ＰａｓｓｉｖａｔｅｄＥｍｉｉｔｅｒａｎｄＲｅａｒＣｅｌｌ）を使用した単結晶シリコン太陽電池セルが好適である。前者にはバックコンタクト型のものがあるが、一面だけの受光対応なので本考案では使用できない。さらにこれら両面受光型シリコン太陽電池に別の半導体太陽電池を貼り付けたタンデム型シリコン太陽電池セルも使用できる。例えばトップセルとしてシリコンよりエネルギーバンドギャップの高い亜酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）太陽電池セルやＩｎＧａＮ太陽電池セルを使用すればエネルギー変換効率はさらに高いものが期待できる。タンデム型シリコン太陽電池セルは四端子型が好適である。これらに限定されることなく単結晶より低コストの多結晶シリコン太陽電池セルを排除する必要のないことはもちろんである。セルサイズは現状で１２５ｍｍ角、１５６ｍｍ角であるが、２００ｍｍ角も開発されており、本考案の太陽電池モジュールは省資源であることから大口径セルが採用し易くなるだろう。

図１において光機能層２は入射光１０を側端面に向かって放射する機能を持つが、これは言わばプリズム機能であり、微細なプリズム形状であれば良い。また指向性を持たせた光拡散層であっても良い。簡便にはプリズムシート、拡散シートを導光板に貼り付けることで実現できるし、信頼性・耐久性を確保するには樹脂成型を使用して導光板１の表面に微細な凹凸形状を形成しても良い。反射機能層３は導光板１の下面にアルミ箔や銀箔などを貼り付けてミラー面を形成することで簡便に実現できる。あるいは微細な反射ドットを形成しても良い。あるいは導光板１の下面に回折格子を形成してミラー面による反射光を側端面７に向かって放射するようにしても良い。あるいはホログラムシートで反射角度を持たせることもできる。回折格子などは導光板１に樹脂成型で形成することができる。光機能シートは様々な材料で市販されており、導光板に接着して使用することができるものである。導光板１はアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコン樹脂、フッ素系樹脂などが使用できるし、高価になるがガラス基板であっても良い。

図１に示す透明樹脂体５は直角三角形状なのであらかじめ樹脂成型しておくのが簡便である。反射面６はアルミ箔や銀箔などを接着剤で固着させることで簡便に実現できる。あるいは金属板の表面をミラー面にしたものに透明樹脂体を接着剤で固着させても良い。あるいは導光板の反射機能層のように反射ドットを形成して光散乱させても良い。透明樹脂体５はアクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フッ素系樹脂などが使用できるが、とくにシリコン樹脂はゴム性があって形状維持ができるので導光板１の側端面４に密着させるのに都合が良い。

図３に太陽電池モジュールを示す。点線で区切られたモジュールユニット１７は太陽電池セル部１３と導光体部１２になるが、これを複数個並置して本考案の太陽電池モジュールになる。

図４（ａ）（ｂ）に本考案の太陽電池モジュールの組み立て例を示す。太陽電池セル部１３と導光体部１２はアルミ合金やプラスチックを使用した筐体を備えるのが良い。これらをモジュールフレーム１９に組付けて（ｂ）に示す太陽電池モジュールになるが、筐体であれば強固な組付けの工夫が可能になる。また着脱可能な構成にすることもできる。なお１８は透明ゴムパッキンであり、これで密着を図って結露やゴミ混入を防止する。透明シリコンゴムが好ましいが、前述のように透明樹脂体５をシリコンで製作すれば不要である。太陽電池セル部１３の不具合をモニターできるようにすれば、着脱可能とした太陽電池セル部１３を交換すれば良く、費用を極力抑えてのメインテナンスが可能になる。またシリコン太陽電池セルの性能改善が進んで効率の良いものが市場に出てくれば、太陽電池セル部を交換することで太陽電池モジュールの発電量向上が達成できる。このように太陽電池セル部１３が着脱可能になれば、低コストでの修繕が可能になるので定期的な太陽電池モジュールのメインテナンスへの動機が高められ、長期運用が常識となっていく。

図５は家屋の屋根に載せたことを想定した図である。太陽電池モジュールは図の２０のようになるだろう。導光板の面積は、両面受光型シリコン太陽電池セルは１２５ｍｍ角、導光板は両面受光型シリコン太陽電池セルの二個分の面積として描いた。太陽電池モジュールを８ユニット（図３の１６）で構成したとすると、図に示すパネル２０は２４個の太陽電池モジュールを並べたものを示している。面積は約３．７ｍ×４．４ｍとなり、屋根に載せるサイズが構成できる。両面型シリコン太陽電池セルに不具合による交換が必要となっても、当該箇所１個の太陽電池セル部の交換、あるいは複数の交換で済む。屋根にいささかのダメージを与えることなく修繕ができることを意味している。導光板の集光効率が高ければ導光板の面積を大きくすることができ、両面型シリコン太陽電池セルを一層減らすことができる。これは低コスト化、省資源化に大きく貢献する。

本考案によれば、太陽電池セルを削減することにより安価で高性能のモジュールが提供でき、また導光と太陽・直接光の双方を受けて発電するので、導光板を使用した太陽電池の従来技術に比して発電量は安定化し、増大を図ることができる。

１導光板
２光機能層
３反射機能層
４一側端面
５両面受光型シリコン太陽電池セル
６反射面
７透明樹脂体
８保護シート
９透明樹脂体入射光面
１０、１１太陽光
１２導光体部
１３太陽電池セル部
１４太陽・直接光によるセルへの照射強度
１５導光板・集光のセルへの照射強度
１６合算の照射強度
１７太陽電池モジュールユニット
１８透明ゴムパッキン
１９モジュールフレーム
２０屋根に搭載の太陽電池モジュール

Claims

導光体部と太陽電池セル部からなる太陽電池モジュールであって、導光体部は細い矩形体状の導光板と導光板の上面には入射光を特定の角度に向けて放射する光機能層を有し、導光板の下面には反射機能層を有し、上面側からの入射光は光機能層により指向性をもって導光板内部に放射され、反射機能層による反射と屈折と上面からの反射を繰り返して導光板の一側端面に集光され、効果的に導光するためにさらに前記細い矩形体状の導光板は他側端面から前記一側端面に向かって厚くなると共に、導光板の下面側は前記一側端面に向かって下り勾配で傾斜した導光板であり、前記太陽電池セル部は、断面が直角三角形状の透明樹脂体を備え、直角を挟んだ二辺は両面受光型シリコン太陽電池セルと、前記導光板の一側端面に面した同形・同寸の透明樹脂体入射光面で構成し、斜辺を反射面とすることで前記導光板からの出射光は両面受光型シリコン太陽電池セルの裏面側を照射し、太陽電池セル部の上面には太陽からの直接光が入射することで導光板による集光と直接光の双方で発電するようにしたものであって、太陽電池セル部と導光体部は着脱可能になる筐体及び固定フレームを備えたことを特徴とする太陽電池モジュール。