JP3818651B2 - 太陽光発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽光を利用して発電する太陽光発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽光発電システムはクリーンな太陽エネルギから発電し電力として活用しようとするものである。その核になるのが太陽電池セルで、太陽電池セルを直列又は並列に結線して所望電圧が得られるよう一つの単位にした太陽電池モジュールが市販されている。太陽電池モジュールはパネル状に形成され、太陽光の照射を太陽電池モジュールのパネル面で受けるべく、従来、住宅等の屋根の上に並べて設置されてきた(例えば、特許文献1,2参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特許第3074091号公報(図3)
【特許文献1】
特許第3305945号公報(段落0019)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来の太陽発電システムは太陽電池モジュールを日の良く当たる屋根面に設置することから次のような問題があった。第1に、パネル状の太陽電池モジュールを高い屋根の上に広く敷き詰めて固定するため、台風対策等で吹き飛ばぬよう屋根に固定するのが大変であった。第2に敷き詰められるパネル状太陽電池モジュール全体に亘り日の当たる広い屋根面積を必要とした。第3に、太陽電池モジュールを屋根にボルト締め等で固定することになるが、固定したボルト等から雨水が浸透し屋根下地材が傷む虞れがあった。
第4に、太陽電池モジュールは、一般に太陽電池セルを封入した支持板の上側にガラス板を配置させた表板1枚構造の太陽電池モジュールが用いられており、重量のあるガラス板が組み込まれていることから全体に重く、これが屋根に載ると、建物に荷重負担を与えた。より信頼性が高いガラス板の2枚板構造のものは更に重くなり負担が大きかった。
第5にパネル状太陽電池モジュールは屋根の上に固定されることから、それを太陽光に向け、太陽光を効率良く取り込むことができなかった。固定状態の太陽電池モジュールは太陽の動きに応じてその向きに合わせることが不可能で、太陽エネルギを有効に利用し難い状況にあった。
【0005】
本発明は上記問題点を解決するもので、太陽電池モジュールを屋根に載せることに伴う台風対策や建物への負担等を解消すると共に多数枚必要となれる太陽電池モジュールのコンパクト化を図り、さらには太陽光を効率良く取り込むことのできる太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、請求項1の発明の要旨は、支持板 (21) 上に樹脂に封入された太陽電池セル (22) を固着し、且つ太陽電池セル (22) と太陽電池セル (22) の間の支持板 (21) に孔 (211) が複数設けられて、複数の太陽電池セル(22)を有するパネル状太陽電池モジュール(2)と、太陽電池モジュール (2) の平面視面積とほぼ同じ面積の反射面 (31a) を有し、且つ該反射面をピラミッド型に***させて乱光板とした反射板(3)と、内面に反射面が形成され、反射板 (3) の反射面 (31a) と太陽電池セル (22) の受光面 (22a) とを所定距離を保って相対向するよう配設して反射板 (3) の外周部と太陽電池モジュール (2) の外周部を取り囲んで両者を連結する側板 (4) と、を備える盤状の光電ユニット(1)が、隣り合う光電ユニット (1) 間に所定隙間 (O) を設けて枠体 (5) で固定され、多段に積み上げられてなる積層ユニット(G)と、太陽光の集光装置(6)と、該集光装置 (6) に一端を接続させる一方、他端が分岐して分岐チューブ (71) となり、該分岐チューブは各光電ユニット (1) 間の前記隙間 (O) に入り込んでその先端の発光口 (71a 1 ) が前記支持板の孔 (211) から覗くようにして、各太陽電池モジュール (2) に接続される光ファイバケーブル(7)と、を具備し、前記集光装置(6)で集光した光が光ファイバケーブル(7)で太陽電池モジュール(2)へ伝送され、前記孔 (211) に挿着された光ファイバケーブル (7) の発光口 (71 a1 ) からの太陽光 (91) の入光ビーム (92) が前記反射板 (3) の反射面 (31a) に当たって反射し、その反射ビーム (93) が太陽電池セル (22) に入光して発電できるようしたことを特徴とする太陽光発電システムにある。
【0007】
請求項1の発明のごとく、積層ユニットと太陽光の集光装置とを別体にして、両者を光ファイバケーブルで連結する構成にすると、太陽光の集光機能をもたせる集光装置と発電機能をもたせる積層ユニットに役割分担できるので、太陽の光を受ける必要のある集光装置は軽量,小型化され、日の当たる広い面積を要せず、その据付け,管理等が容易になる。また、太陽電池モジュールは集光機能を集光装置が担うので、太陽の当たる屋根等に広い面積をとって保護ガラス板等のある太陽電池モジュールを敷き詰める必要がなく、太陽電池モジュールの受光面と反射面が相対向するように配設された光電ユニットを形成し、これを多段に積み上げてコンパクトな積層ユニットにできる。太陽電池モジュール,積層ユニットは、集光機能を必要としないことから日の当たらない地上等の空きスペースに設置でき、本太陽光発電システムの導入をし易くする。しかも、本太陽光発電システムは、東京で年間に144Wh/cm2年といわれるクリーンで無限の太陽光エネルギを有効活用するもので、環境に優しいシステムとなる。加えて、軽量,小型になった集光装置は太陽の動きに追尾できる機能をもたせ易くなり、太陽エネルギをより有効活用できるようになる。
反射面をピラミッド型に***させて乱光板とした反射板 (3) とすると、乱反射が起き易く、且つ太陽電池セル (22) と太陽電池セル (22) の間の支持板 (21) に孔 (211) が複数設けられ、分岐チューブの先端の発光口 (71a 1 ) が前記支持板の孔 (211) から覗くようにすると、発光口からの太陽光が反射板に当たった後の反射ビームが各太陽電池セル22にほぼ同量入射する。また側板 (4) の内面にも反射面が形成されると、発光口から光電ユニットの内空間に導かれた太陽光をほぼ全て有効活用できるようになる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る太陽光発電システムについて詳述する。
図1〜図5は、本発明の太陽光発電システムの一形態で、図1はその全体説明図、図2は図1の積層ユニットを構成する光電ユニットの断面図、図3は図2のA−A線矢視図、図4は図2のB−B線矢視図、図5は別態様の積層ユニットの斜視図である。
【0009】
太陽光発電システム(以下、単に「発電システム」という。)は、集光装置6と積層ユニットGと光ファイバケーブル7とを具備する(図1)。
【0010】
集光装置6は太陽光91を集光するための装置である。さらにここでは太陽9の動きを追尾し集光部を太陽光91に向け、太陽光91を効率良く取り込むことができるようになっている。集光装置6は公知の集光装置、例えば凸レンズを使って太陽光91を集光する太陽光採光装置「ひまわり」(ラフォーレエンジニアリング株式会社製)が用いられる。太陽光採光装置「ひまわり」は『光センサーとマイクロコンピュータで駆動モータを制御することで、日の出から日没まで太陽9を追尾し、太陽光91を光学レンズで集光』する装置である(旭硝子・ニュースリリース’96,http//www.agc.co.jp/corporate/news/1996/0221.html)。「ひまわり」は小型,軽量化が進み、ベランダや窓際などの日の当たるところに置けるコンパクトサイズの商品「ミニ6眼ひまわり」などが登場している。この装置は集光した光そのものを光ファイバケーブル7で必要とされる場所へ導き、室内での日光浴、日が当たらない住宅部屋や地下事務所への太陽光採光、さらに植物育成等に利用できる。
かくのごとく、太陽光採光装置「ひまわり」で集光された太陽光91は、光ファイバケーブル7を使って無窓室の地下室などに伝送され、自然の太陽光91を地下室等に取り入れる目的で供されてきた。そのため、可視光線を焦点に結ばせ、生命にとって有効な可視光だけを抽出する工夫がなされている。しかしながら、本発明は光が最終的に光電変換されて電力として利用されるので、紫外線や赤外線等をも集光が可能である。赤外線等を取り込み、より集光能力を高めた太陽光採光装置にすればより好ましくなる。
なお、集光装置6は集熱も伴うので、ヒートポンプ方式による給湯利用又はラジエターにより散熱する。
【0011】
本発明に係る集光装置6は太陽光91の集光ができればよく、さらに好ましくは集光レンズや集光鏡を太陽9の動きに追随させ太陽9の方向に向けることのできる装置である。集光装置6は上記太陽光採光装置「ひまわり」に限定されず、例えば他に特開平11−273424号公報記載の太陽光集光装置等を用いることができる。同公報記載の太陽光集光装置は太陽光91を集光する複数の凹面ミラーと、該凹面ミラーで集光した太陽光91を所望のリアクタまで伝送する光伝送手段と、複数の凹面ミラーを太陽光91に向けて追従させる追従手段とを有し、さらに複数の凹面ミラーが共通の揺動フレームに搭載される装置になっている。
【0012】
積層ユニットGは複数の光電ユニット1が多段に積み上げられたボックス状体品である。光電ユニット1は太陽電池モジュール2(以下、単に「モジュール」という。)と反射板3と側板4とを具備する。
【0013】
モジュール2は太陽9の光を受けて発電できる公知物(例えば特許第3326207号等)で、複数の太陽電池セル22を収納しパネル状になっている。太陽電池セル22は性質の異なるP形,N形の半導体を重ね合わせたもので、これに太陽光91が当たれば電子と正孔が発生し、正孔がP形半導体側へ、電子がN形半導体側へ引き寄せられ、電流が流れ電気出力を取り出すことができる。1個の太陽電池セル22の発電量が少ないことから、複数の太陽電池セル22が直列又は並列に結線されて使用目的に応じた必要電圧が得られるモジュール2を単位ユニットとして形成している。
【0014】
本実施形態のモジュール2は、図2,図3のごとくプラスチック基板21たる支持板上に樹脂に封入された太陽電池セル22を固着し、その上方の受光面側を保護ガラス板20で覆った表板1枚構造(Superstrate構造)の市販品を用いる。フレーム23がプラスチック基板21と保護ガラス板20とを所定間隔にして両者を連結して、パネル状モジュール2が形成される。太陽電池セル22とセル22の間のプラスチック基板21には光ファイバケーブル7を挿着させるための孔211が複数設けられる。
【0015】
反射板3はパネル状モジュール2の平面視面積とほぼ同じ面積の反射面31aを有する板体である。例えば反射フィルム31を反射板本体32に貼着して反射面31aが形成される。反射板外周部とモジュール外周部を側板4で取り囲んで連結し、反射板3の反射面31aとモジュール2の受光面2a(詳しくは太陽電池セルの受光面22a)とが所定距離を保って相対向するよう配設される(図2)。前記孔211に挿着された光ファイバケーブル7の発光口71a1からの太陽光91の入光ビーム92は反射板3の反射面31aに当たって反射し、その反射ビーム93が太陽電池セル22に入光して発電できるようになっている。
ここでの反射板3は反射面31aをピラミッド型に***させて乱光板とし、乱反射を起こさせ易くして発光口71a1からの太陽光91が反射板3に当たった後の反射ビーム93が各太陽電池セル22にほぼ同量入射する工夫がなされている(図2,図4)。また、太陽電池セル22が在る側板4の内面も反射面が形成され、発光口71a1から光電ユニット1の内空間1cに導かれた太陽光91をほぼ全て有効活用できるようにしている。
【0016】
上述のモジュール2と反射板3を側板4で一体化させてなる盤状光電ユニット1は、多段に積み上げられて積層ユニットGとなる。隣り合う光電ユニット1間に所定隙間Oを設けて各光電ユニット1を枠体5で固定することで、ボックス状のコンパクトな積層ユニットGが出来上がる。図1では、8段積み上げた積層ユニットGとする。現在市販のモジュール2は例えば1.300mm×900mm×40mm程度で最大出力が140w〜160wであることから、モジュール2を7〜8枚積み上げた積層ユニットG(約1.300mm×900mm×1050〜1600mm)で、1kWの発電が得られるようになる。
【0017】
光ファイバケーブル7は前記集光装置6と前記光電ユニット1に係る各モジュール2とを連結する光伝送手段である。集光装置6に一端を接続させた光ファイバケーブル7は途中で4つに分岐して分岐チューブ71となり、該分岐チューブ71は各光電ユニット1間の隙間Oに入り込んでさらに分配されて分配チューブ71aとなる(図1)。そして該分配チューブ71aの先端の発光口71a1がプラスチック基板21の孔211からモジュール内空間24に覗くようにして、光ファイバケーブル7に係る分配チューブ71aの他端が各モジュール2に接続される(図2,図3)。
【0018】
なお、図1では2台の集光装置6を設け、一台で集光した太陽光91を光ファイバケーブル7を使って4つのモジュール2に均等分配されるが、1台の集光装置6でまかなえる場合は、1台の集光装置6から8段積み上げた積層ユニットGの各モジュール2に集光した太陽光91が分配される。
図5は別態様の積層ユニットで、図1の積層ユニットGを4台まとめてユニット化させ、4kWの発電が得られるようにしたものである。積層ユニットGを地上等に置くスペースとしてはf×2e×2h、すなわち1.3m×1.8m×2.1〜3.2m程度必要なだけである。4kWの電力があれば一般家庭用電気がまかなえる。
【0019】
かくのごとして、前記集光装置6で集光した光は光ファイバケーブル7によって太陽電池モジュール2へと伝送され、その光が反射面31aで反射し太陽電池モジュール2の太陽電池セル22に照射することで発電が可能になる。日の照る場所に小型で軽量の前記集光装置6で集光した太陽光91は、光ファイバケーブル7で地上等の別の場所に設置された積層ユニットGのモジュール2へと光伝送され、光電効果により電気を起こす。得られた電気は直流電気であるので、例えば図示しないパワーコンディショナ等によって交流電気に変換し、家庭用電化製品等に利用可能となる。
【0020】
このように構成した発電システムは、モジュール2を屋根に載せる従来の方法と違って、集光の役割を担う集光装置6と電気をつくる役目の積層ユニットGとを別体にし、両者を光ケーブルで連結するので、それぞれの役割に応じた最良の設置場所を選定できる。集光装置は小型化されるので、日の当たる高所の広い屋根等が得られなくても本発電システムを採用できる。集光だけを目的とする比較的軽量,小型の集光装置6だけを日の当たる場所に設置して、重量のあるモジュール2を組み込んだ積層ユニットGを日が照ることのない地上等に置くことができる。パネル状のモジュール2を屋根に広く敷き詰めることが不要になるので、台風対策から開放される。屋根へのモジュール取付け箇所からの屋根下地材を傷める問題や保護ガラス板20で構成された重量のあるモジュール2を屋根に載せることに伴う問題等もないので、建物に負担を与えずに済む。
また、本発明の発電システムは、モジュール2で自然の太陽光91を直接受ける必要がないので、モジュール2を多段に積み上げる積層ユニット化が可能で、コンパクトになり、地上に設置する際、場所をとらず省スペース化が図れる。
【0021】
さらに集光レンズや集光鏡を太陽9の動きに追随させ太陽9の方向に向けることのできる集光装置6を用いれば、太陽資源をより効果的に利用して発電量を高めることができる。
住宅屋根に固定する従来のパネル式モジュール2では、各モジュール2が重量的に重く且つ屋根全面に一枚ずつ敷き詰め固定されることから、直射日光の方向に向けさせることは不可能であった。これに対し、集光機能のみ担わせる集光装置6では小型,軽量になり太陽9を追いかけることが容易になる。例えば前記「ひまわり」は『内蔵する時計機構が示す年月日時刻をもとに太陽9の位置を計算し、レンズを太陽9の方向に向け、直射日光が出ている場合はセンサが正確な位置をとらえる』(http://www.sun.or.jp/product/himawari/gaiyo.html)ことができる。
【0022】
尚、本発明においては、前記実施形態に示すものに限られず、目的,用途に応じて本発明の範囲で種々変更できる。光電ユニット1,モジュール2,反射板3,枠体5,集光装置6,光ファイバケーブル7等の種類,形状,大きさ,個数,材質等は用途に合わせて適宜選択できる。
【0023】
【発明の効果】
以上のごとく、本発明の太陽光発電システムは、太陽電池モジュールの重量品を屋根に載せることに伴う台風対策や建物への負担等を解消し、また太陽電池モジュールの積み上げ方式でコンパクト化を図ってそれを地上設置できるようにし、さらには太陽光を効率良く取り込むことができるなど優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る太陽光発電システムの全体説明図である。
【図2】 図1の積層ユニットを構成する光電ユニットの断面図である。
【図3】 図2のA−A線矢視図である。
【図4】 図2のB−B線矢視図である。
【図5】 別態様の積層ユニットの斜視図である。
【符号の説明】
1 光電ユニット
2 太陽電池モジュール
2a 太陽電池モジュールの受光面
21 支持板 ( プラスチック基板 )
211 孔
22 太陽電池セル
22a セル受光面
3 反射板
31a 反射面
31a 反射面
4 側板
5 枠体
6 集光装置
7 光ファイバケーブル
71 分岐チューブ
71a 1 発光口
91 太陽光
92 入光ビーム
G 積層ユニット
Claims (1)
- 支持板 (21) 上に樹脂に封入された太陽電池セル (22) を固着し、且つ太陽電池セル (22) と太陽電池セル (22) の間の支持板 (21) に孔 (211) が複数設けられて、複数の太陽電池セル(22)を有するパネル状太陽電池モジュール(2)と、太陽電池モジュール (2) の平面視面積とほぼ同じ面積の反射面 (31a) を有し、且つ該反射面をピラミッド型に***させて乱光板とした反射板(3)と、内面に反射面が形成され、反射板 (3) の反射面 (31a) と太陽電池セル (22) の受光面 (22a) とを所定距離を保って相対向するよう配設して反射板 (3) の外周部と太陽電池モジュール (2) の外周部を取り囲んで両者を連結する側板 (4) と、を備える盤状の光電ユニット(1)が、隣り合う光電ユニット (1) 間に所定隙間 (O) を設けて枠体 (5) で固定され、多段に積み上げられてなる積層ユニット(G)と、
太陽光の集光装置(6)と、
該集光装置 (6) に一端を接続させる一方、他端が分岐して分岐チューブ (71) となり、該分岐チューブは各光電ユニット (1) 間の前記隙間 (O) に入り込んでその先端の発光口 (71a 1 ) が前記支持板の孔 (211) から覗くようにして、各太陽電池モジュール (2) に接続される光ファイバケーブル(7)と、を具備し、
前記集光装置(6)で集光した光が光ファイバケーブル(7)で太陽電池モジュール(2)へ伝送され、前記孔 (211) に挿着された光ファイバケーブル (7) の発光口 (71 a1 ) からの太陽光 (91) の入光ビーム (92) が前記反射板 (3) の反射面 (31a) に当たって反射し、その反射ビーム (93) が太陽電池セル (22) に入光して発電できるようしたことを特徴とする太陽光発電システム。
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