JPWO2009066720A1 - 太陽電池モジュールおよび太陽光発電ユニット - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態の太陽電池モジュール1は、照射された太陽光Lsを光電変換する太陽電池素子30と、太陽電池素子30が載置されたレシーバ基板20と、太陽電池素子30から分離して配置され太陽光Lsを透過させて太陽電池素子30に太陽光Lsを照射する1次光学系部材100と、太陽電池素子30と1次光学系部材100との間で太陽電池素子30に隣接させて配置された2次光学系部材50とを備える。レシーバ基板20に載置されレシーバ基板20に対して45度以上の第1傾斜角θ1で傾斜させて1次光学系部材100に連結された壁板部200と、壁板部200の表面に形成され1次光学系部材100から透過された太陽光Lsを反射する反射面201とを備える。
Description
本発明は、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する1次光学系部材とを備える太陽電池モジュール、およびこのような太陽電池モジュールを複数配置して構成した太陽光発電ユニットに関する。
太陽光発電装置としては、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めて構成した太陽電池モジュールを屋根の上などに設置した非集光固定型の平板式構造が一般的である。これに対し、太陽光発電装置を構成する部材(部品)の中で価格が高い太陽電池素子の使用量を減らす技術が提案されている。
つまり、光学レンズや反射鏡などを用いて太陽光を集光し、小面積の太陽電池素子に照射することで、太陽電池素子の面積あたりの発電電力を大きくし、太陽電池素子のコスト(つまり、太陽光発電装置のコスト)を削減することが提案されている。
素子特性として集光倍率を上げるほど太陽電池素子の光電変換効率は向上する。しかし、太陽電池素子の位置を固定したままでは太陽光が斜光となって入射することが多くなり、太陽光を有効に利用することができない。したがって、太陽を追尾して太陽光を常に正面で受光するように構成した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置が提案されている。
図7は、追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例1としての太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。
従来例1に係る太陽電池モジュール501は、太陽光Ls(太陽光Lsv)を受光して集光する集光レンズ142と、集光レンズ142により集光された太陽光Ls(太陽光Lsd)を光電変換する太陽電池素子530とを備える。また、太陽電池素子530は、レシーバ基板520に載置されている。また、集光レンズ142は、太陽電池素子530の裏面側に焦点位置FPを有する構成としてある。
従来の追尾集光型太陽光発電装置は、集光レンズ142の作用により高集光倍率とした太陽電池モジュール501を適用していた。
従来例1に係る太陽電池モジュール501を適用した高集光倍率の追尾集光型太陽光発電装置では、集光レンズ142から太陽電池素子530の表面までのワーキング距離Dwが大きいことから、集光レンズ142および太陽電池素子530の相関位置を固定する筐体(不図示)の形状が大きくなる。
したがって、太陽電池モジュール501の体積と重量が大きくなり、結果的にモジュール材料費が高くなる。また、モジュール重量が増加するにしたがって、高い追尾駆動能力が必要となり、製造コスト、稼動コストなどを含めた全体のコストが高くなるという問題があった。つまり、太陽電池モジュールを軽量化することが重要な課題として存在していた。
従来例1の問題を解決するために、集光レンズと太陽電池素子の間に、2次光学系部材を設けることが一般的に行われている。
具体的には、太陽電池素子表面直上に2次光学系部材として凸レンズを用いた構造が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、凸レンズの他に、両凸レンズや平凸レンズ、あるいは菱形レンズが用いられる場合もある。
また、1次光学系部材のフレネルレンズに対してさらにもう一つの同様なフレネルレンズを重複して配置した構造が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、2次光学系部材として両凸レンズや、平凸レンズを用いた場合は、かえって色収差の問題が悪化する、あるいは、2次光学系部材での反射・透過損失によって太陽電池素子への入射光量が低下するといった問題が生じる。
特許文献1に示されている方法では、太陽電池素子に入射する光はすべて2次光学系部材を透過していることから、2次光学系部材による反射・透過損失が存在し、太陽電池素子への入射光量が実質上低下するといった問題がある。
また、特許文献2に示されている方法では、太陽電池素子に入射する光はすべて2次光学系部材を透過していることから、特許文献1に示されている方法と同様な問題がある。
さらに、1次光学系部材(集光レンズ)により集光した光を太陽電池素子の直上に配置された透光性材料からなる2次光学系部材の内部に取り込んで側面で全反射させ、太陽電池素子の表面に集める構造が開示されている(例えば、特許文献3、特許文献4参照。)。例えば特許文献3に記載された技術を従来例2として次に説明する。
図8は、追尾集光型太陽光発電装置に適用される従来例2としての太陽電池モジュールの構成を示す説明図である。
従来例2に係る太陽電池モジュール600は、1次光学系部材としてのフレネルレンズ601、太陽電池モジュール600の筐体として機能するモジュール保持部602、フレネルレンズ601で集光された太陽光Lsをさらに集束する漏斗状アルミニウム合金板で構成された反射鏡603、反射鏡603で集束された太陽光Lsを側面で反射させつつ導光して太陽電池素子620へ照射する2次光学系部材610、太陽電池素子620を載置した回路基板630を備える。
つまり、1次光学系部材601およびモジュール保持部602に加えて、反射鏡603、2次光学系部材610を設けている。したがって、従来例1と同様な問題が生じると共に、光学系の構成が複雑であることから、製造工程の複雑化、製造工程でのコストの増大が生じる。
つまり、特許文献3、特許文献4に示されている方法では、アライメント誤差、色収差、光強度分布の問題を解決するには有効であるが、2次光学系部材の側面で全反射させるために側面への入射角を大きくとる必要がある。したがって、1次光学系部材の焦点距離を長くし、併せて2次光学系部材と太陽電池素子を1次光学系部材から離して設置する必要があり、結果として太陽電池モジュールのワーキング距離Dw(図8では省略。)が長くなり全体の重量を増加させるという問題がある。
太陽電池モジュールのワーキング距離Dwが増えて重量が増加することは、太陽電池モジュールを搭載して駆動する追尾機構部(追尾駆動システム)の大型化を招き、追尾集光型太陽光発電装置のコストアップ、取り扱いの困難性、メンテナンスの困難性など稼動性能を低下させるなどの不都合をもたらす。
また、特許文献3、特許文献4に示されている方法では、2次光学系部材での入射端面・出射端面での反射損失、2次光学系部材での透過損失により太陽電池素子に入射する光量が減少するといった特許文献1、特許文献2と同様な問題がある。
特に、図8で従来例2として示した場合には、アルミニウム合金板をプレス加工することによって低コストで簡易に作製できる漏斗状の反射鏡603が設けられ、追尾誤差などによる影響を低減することを図っている。しかし、1次光学系部材(フレネルレンズ601)により集光される太陽光Lsしか利用できないことから、反射鏡603に入射した太陽光Ls以外の太陽光Ls、また、フレネルレンズ601に集光されない太陽光Lsを集束させることは不可能であり、改善効果が限られている。
さらに、上述した2次光学系部材を用いる方法では、2次光学系部材は、1次光学系部材によって高密度に集光された太陽光を直接受光することから、2次光学系部材を構成する材料(素材)に対して高い耐熱性が要求され、結果として装置のコストが高くなるといった問題がある。
また、従来の太陽電池モジュールでは、特に高集光倍率とした場合に、集光された光ビームのエネルギー密度が高くなり、追尾誤差などにより太陽電池素子以外の領域に集光された太陽光が照射されると太陽電池素子以外の部材(配線などの部品)が焼損し、光学部材として配置されたガラスの割れを生じる恐れがある。つまり、十分な信頼性を有する追尾集光型太陽光発電装置とすることができないという問題がある。また、これらに対する十分な放熱対策が未だ提案されていないという問題がある。
また、集光レンズとしてフレネルレンズが一般的に使用されるが、フレネルレンズが有する溝部(歯形の境界)では、加工精度、温度特性などの影響により微小な変形を生じる。したがって、垂直方向から入射した太陽光Lsvを完全に集光することは困難であり、一部は散乱光Lssとなって太陽電池素子への照射がなされない状態となり、結果として集光効率の低下をもたらしている。また、上述した従来例で明らかなように、太陽電池素子へ照射される太陽光Lsは直達光Lsdに限られ集光効率に限界を生じていた。
米国特許第5167724号明細書
米国特許第6653551号明細書
特開2002−289897号公報
特開2003−258291号公報
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と1次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率、ひいては発電効率を向上させた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットを提供することを他の目的とする。
本発明に係る太陽電池モジュールは、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する1次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、前記レシーバ基板に載置され前記レシーバ基板に対して45度以上の第1傾斜角で傾斜させて前記1次光学系部材に連結された壁板部と、該壁板部の表面に形成され前記1次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、前記反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成されていることを特徴とする。
この構成により、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と1次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率ひいては発電効率を向上させた太陽電池モジュールとすることが可能となる。さらに、太陽電池素子での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光のみを太陽電池素子へ反射させ、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記壁板部は、前記1次光学系部材を支持する構成とされていることを特徴とする。
この構成により、構造を簡略化すると共に強度を確保することが可能となることから、製造工程を簡略化し、製造工数を低減することが可能となると共に複数の太陽電池モジュールを並置して大容量の太陽光発電ユニットを容易に構成することができる。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記壁板部は、非金属材料で形成されていることを特徴とする。
この構成により、軽量化が可能となり、また、加工性が向上することから、製造工程ないし稼動時での取り扱いを容易化することができる。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記1次光学系部材は、集光レンズを備えることを特徴とする。
この構成により、集光効率をさらに向上させることが可能となる。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記選択反射膜は、波長1200nm超の太陽光を透過し、波長1200nm以下の太陽光を反射させることを特徴とする。
この構成により、光電変換に寄与しない長波長領域の太陽光による太陽電池素子での温度上昇を防止することが可能となり、温度特性と発電効率を向上させることが可能となる。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記選択反射膜は、波長1380nm超の太陽光を透過し、波長1380nm以下の太陽光を反射させる構成であってもよい。
大気層による吸収において、波長領域1380nm付近には谷形状のスペクトルがある。選択反射膜の反射波長閾値をこの1380nmとすることにより、膜厚あるいは屈折率において多少の変動があっても選択反射膜の反射特性に影響が少なくなり、選択反射膜の反射特性の安定性が改善される。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、前記太陽電池素子に近接して配置され前記1次光学系部材を透過した太陽光を集束する2次光学系部材を備えることを特徴とする。
この構成により、色収差・強度ムラを平均化することが可能となり、集光された太陽光の高いエネルギー密度による太陽電池素子の特性低下を防止し光電変換の信頼性を向上させることが可能となる。
また、本発明に係る太陽光発電ユニットは、太陽電池モジュールを複数配置して構成された太陽光発電ユニットであって、前記太陽電池モジュールは、本発明に係る太陽電池モジュールであることを特徴とする。
この構成により、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットとすることが可能となる。
本発明に係る太陽電池モジュールは、照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する1次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、レシーバ基板に載置されレシーバ基板に対して45度以上の第1傾斜角で傾斜させて1次光学系部材に連結された壁板部と、壁板部の表面に形成され1次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成してある。
したがって、本発明に係る太陽電池モジュールによれば、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子と1次光学系部材との位置決めを高精度化し、直達光に加えて散乱光を反射させて太陽電池素子への太陽光の照射光量を増大させ、集光効率を向上させ、さらに、太陽電池素子での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光のみを太陽電池素子へ反射させ、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となることから、発電効率、耐熱性を向上させた太陽電池モジュールを提供することが可能となるという効果を奏する。
また、本発明に係る太陽光発電ユニットによれば、本発明に係る太陽電池モジュールを複数配置して太陽光発電ユニットとすることから、直達光および散乱光を効率よく太陽電池素子へ照射して集光効率ひいては発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させた太陽光発電ユニットを提供することが可能となるという効果を奏する。
1 太陽電池モジュール
10 プレート
11 放熱フィン
20 レシーバ基板
30 太陽電池
30s 太陽電池
35 樹脂封止枠
36 樹脂封止部
37 透光性被覆板
50 2次光学系部材
50s 凸状曲面
51 2次光学系ホルダ
100 1次光学系部材
101 板ガラス
102 フレネルレンズ
103 反射防止膜
200 壁板部
201 反射面(選択反射膜)
300 太陽光発電ユニット
310 長尺状フレーム
Ls 太陽光
Lsv 太陽光
Lsd 直達光(太陽光)
Lss 散乱光(太陽光)
Lsi 太陽光
Roth 水平方向回転
Rotv 垂直方向回転
θ1 第1傾斜角
θ2 第2傾斜角
10 プレート
11 放熱フィン
20 レシーバ基板
30 太陽電池
30s 太陽電池
35 樹脂封止枠
36 樹脂封止部
37 透光性被覆板
50 2次光学系部材
50s 凸状曲面
51 2次光学系ホルダ
100 1次光学系部材
101 板ガラス
102 フレネルレンズ
103 反射防止膜
200 壁板部
201 反射面(選択反射膜)
300 太陽光発電ユニット
310 長尺状フレーム
Ls 太陽光
Lsv 太陽光
Lsd 直達光(太陽光)
Lss 散乱光(太陽光)
Lsi 太陽光
Roth 水平方向回転
Rotv 垂直方向回転
θ1 第1傾斜角
θ2 第2傾斜角
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
<実施の形態1>
図1および図2に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図1および図2に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。
本実施の形態に係る太陽電池モジュール1は、照射された太陽光Lsを光電変換する太陽電池素子30と、太陽電池素子30が載置されたレシーバ基板20と、太陽電池素子30から分離して配置され太陽光Lsを透過させて太陽電池素子30に太陽光Lsを照射する1次光学系部材100とを備える。
太陽電池素子30は、例えば、InGaP/InGaAs/Geの層構造を有する3接合化合物半導体タンデム太陽電池(素子)である。太陽電池素子30は、アルミニウム板で構成されたレシーバ基板20に搭載され、レシーバ基板20は、放熱フィン11を備えてヒットシンクとなるプレート10に取り付けられている。
本実施の形態では、太陽電池素子30と1次光学系部材100との間に、太陽電池素子30に隣接させて配置された2次光学系部材50が設けられている。2次光学系部材50の1次光学系部材100に対向する表面は、なだらかな凸状曲面50sを有する形状としてあり、凸状曲面50sへ照射された太陽光Lsは、太陽電池素子30へ集束される構成とされている。
また、2次光学系部材50は、2次光学系ホルダ51によって太陽電池素子30に対して位置決めされ固定されている。なお、2次光学系部材50については、図2でさらに詳細を説明する。
1次光学系部材100は、基本構造体として機能する板ガラス101、太陽電池素子30に対する集光レンズとして機能し板ガラス101に対して太陽電池素子30側に配置されたフレネルレンズ102、板ガラス101の外部表面に配置され外部表面での太陽光Lsの反射を防止する反射防止膜103で構成される。1次光学系部材100は、集光レンズを備えることから、集光効率をさらに向上させることが可能となる。
本実施の形態に係る太陽電池モジュール1は、1次光学系部材100と太陽電池素子30とを機械的に連結し、相関位置を固定する手段として壁板部200を備える。また、壁板部200には、反射面201が形成されている。
つまり、太陽電池モジュール1は、レシーバ基板20に載置されレシーバ基板20に対して45度以上の第1傾斜角θ1で傾斜させて1次光学系部材100に連結された壁板部200と、壁板部200の表面に形成され1次光学系部材100を透過して入射した太陽光Lsを反射する反射面201とを備える。太陽光Lsは、45度以上の第1傾斜角θ1を有する反射面201で反射されることから、多重反射によって太陽電池素子30の側へ確実に集束され太陽電池素子30に照射される照射光量を増大することとなる。
なお、1次光学系部材100と太陽電池素子30との間に、壁板部200を備えることから、1次光学系部材100と太陽電池素子30との間を保護する筐体が不要となり軽量化を図ることができる。つまり、1次光学系部材100と壁板部200で構成される空間は、構造体であると共に、そのまま太陽光を集光、集束する空間として有効に利用できることから、構成部材を低減して低コスト化、軽量化を図ることが可能となる。
また、太陽光Lsを反射面201で太陽電池素子30方向へ反射することから、フレネルレンズ102の焦点位置FP(図7参照。)に対する太陽電池素子30(レシーバ基板20)の位置を高精度に制御する必要がなく、太陽電池素子30と1次光学系部材100との間の間隔(ワーキング距離Dw)を小さくすることが可能となり、さらに軽量化、薄型化を図ることができる。
したがって、簡単な構造で軽量化を可能として稼動性能を向上させ、また、太陽電池素子30と1次光学系部材100との位置決めを高精度化し、直達光Lsdに加えて散乱光Lssを反射させて太陽電池素子30への太陽光Lsの照射光量を増大させ、集光効率、ひいては発電効率を向上させることができる。
つまり、本実施の形態では、壁板部200および反射面201を設けることにより、散乱光Lssについても太陽電池素子30へ照射させることが可能となる。したがって、フレネルレンズ102の精度、温度特性による影響を抑制して発電効率および稼動性能を向上させた太陽電池モジュール1とすることが可能となる。なお、太陽電池モジュール1の軽量化に伴う稼動性能の向上によって、例えば追尾駆動での駆動負荷の発電電力に対する比率を低減させることが可能となる。
上述したとおり、1次光学系部材100の受光面に垂直に入射された太陽光Ls(Lsv)は、1次光学系部材100で集光され2次光学系部材50(太陽電池素子30)へ直接照射される直達光Lsdと、例えば、フレネルレンズ102の歯間境界領域に入射したことからフレネルレンズ102によっても集光されない散乱光Lssとに概ね区分される。また、1次光学系部材100の受光面に対して斜め方向から入射する太陽光Ls(Lsi)もフレネルレンズ102では集光されないことから散乱光Lssとなる。
直達光Lsdは、2次光学系部材50に向けて集光され太陽電池素子30へ照射される。他方、散乱光Lssは、2次光学系部材50に向けての集光はされない。しかし、散乱光Lssは、壁板部200の表面に形成された反射面201によって太陽電池素子30の方向へ反射(多重反射)され、2次光学系部材50に集束される。壁板部200は、レシーバ基板20(太陽電池素子30の受光面)に対して45度以上の第1傾斜角θ1で傾斜させてあることから、散乱光Lssを2次光学系部材50へ高精度に集束して太陽電池素子30に照射することが可能となる。
つまり、本実施の形態では、1次光学系部材100によって集光される直達光Lsdと、反射面201によって集束される散乱光Lssとを2次光学系部材50(太陽電池素子30)へ照射させることとなり、集光効率、発電効率を向上させることが可能となる。
なお、第1傾斜角θ1の角度は、太陽電池素子30と1次光学系部材100との距離、反射面201の特性などを勘案して45度以上90度未満の範囲で適宜最適値を求めることが可能である。
壁板部200は、1次光学系部材100を支持する強度を持たせた構成とされていることが望ましい。この構成により、構造を簡略化すると共に強度を確保することが可能となることから、製造工程を簡略化し、製造工数を低減することが可能となると共に複数の太陽電池モジュール1を並置して大容量の太陽光発電ユニットを容易に構成することができる。
壁板部200は、例えば難燃性の熱可塑性ポリエステル樹脂などの非金属材料で形成されていることが望ましい。この構成により、太陽電池モジュール1の軽量化が可能となり、また、加工性が向上することから、製造工程ないし稼動時での取り扱いを容易化することができ、低コスト化を実現することができる。
反射面201は、屈折率の異なる複数層の高分子材料膜(透光膜)を積層して高い反射率を持たせた高反射率膜を壁板部200に積層することによって構成されている。つまり、反射面201は、非金属膜である2種類の高分子材料を積層して形成した高反射率膜によって形成することが可能である。
高反射率膜は、例えば、第1の高分子材料としてのポリエステル樹脂(2−ビニルテトラヒドロフラン)、第2の高分子材料としての2,3−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料を適宜積層する事によって形成することが可能である。
例えば、ポリエステル樹脂(2−ビニルテトラヒドロフラン)の屈折率は約1.55であり、単層膜の厚さは約145nmとした。また、2,3−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料の屈折率は約1.88であり、単層膜の厚さは約120nmとした。この2種類の高分子材料膜(透光膜)を交互に例えば50層ないし500層積層することによって形成した高反射率膜を壁板部200に張り付けて反射面201を形成した。
また、それぞれ単層では透光性を有する、第1の高分子材料(ポリエステル樹脂(2−ビニルテトラヒドロフラン))と、第2の高分子材料(2,3−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料)とを組み合わせることによって、後述するとおり、特定の波長領域に対して異なる光学特性を実現することが可能となった。
つまり、反射面201(高反射率膜)を、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜(反射面201)とすることができた。
したがって、太陽電池素子30での光電変換に有効に作用する波長領域の太陽光Lsのみを太陽電池素子30へ反射させ、光電変換に寄与しない不要な波長領域の太陽光Lsは太陽電池素子30への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。
上述した第1の高分子材料と第2の高分子材料との組み合わせによって形成した選択反射膜(高反射率膜)は、波長1200nm超の太陽光Lsを透過し、波長1200nm以下の太陽光Lsを反射させることが可能となった。
したがって、光電変換に寄与しない長波長領域(波長1200nm超)の太陽光Lsによる太陽電池素子30での温度上昇を防止することが可能となり、温度特性と発電効率を向上させることが可能となる。
また、上述した第1の高分子材料と第2の高分子材料との組み合わせによって形成した選択反射膜(高反射率膜)は、波長1200nm以下の太陽光Lsに対する反射率は、90%以上とすることが可能であった。したがって、選択した特定の波長での太陽光Lsの反射を確実かつ容易に実現することが可能となる。
なお、選択反射膜の反射率を90%以上とする条件は、選択する高分子材料の屈折率によって影響されるが、上述した2種類の高分子材料の組み合わせに限らず、例えば3種類の高分子材料の組み合わせによっても実現することが可能である。
また、反射面201を構成する高反射率膜(選択反射膜)は、例えば、シート(もしくはフィルム)をタイル状に壁板部200に張り付けて形成することが可能である。つまり、高反射率膜(選択反射膜)は、壁板部200に張り付けてあることが望ましい。この構成により、大面積の反射面201を容易に均一性良く形成することが可能となる。
高反射率膜としては、上述した高分子材料の組み合わせの他に、例えば無機レジスト、フッ素コーティング材料などを適用することが可能である。また、低コストの白色膜によれば、選択反射は困難であるが、多重反射の効果があり、高反射率膜として適用することが可能である。
また、高反射率膜に対して透明なシリコーン膜を被覆形成することが望ましい。例えば、壁板部200に高反射率膜をタイル状で張り付けた場合、シリコーン膜をタイル相互間に生じた目地に対して少なくとも局部に形成することが望ましい。つまり、シリコーン膜をタイル相互間の目地に対する充填剤として作用させることとなり、反射特性をさらに向上させることが可能となる。なお、透明シリコーン膜は、2次光学系部材50、2次光学系ホルダ51などを配置する前に形成することが望ましい。
シリコーン膜の被覆形成は、例えばスプレーなどによるシリコーン樹脂の噴霧によって行なうことが可能である。噴霧形態で被覆形成することにより、確実に薄膜化、均一化を図ることが可能となる。
シリコーン膜は、各部材相互間のシール材として機能させることも可能である。例えば、レシーバ基板20、壁板部200の位置決めをした状態で、透明シリコーン樹脂を噴霧することにより、各部材相互の位置を仮固定することが可能となり、設置の際の光学的な位置ズレを抑制することができる。
また、選択反射膜(反射面201)は、壁板部200の受光面全領域に配置することが可能である。あるいは、光エネルギー密度の低い受光面領域には、低コストの全反射膜(波長に対する選択特性の無い反射膜)を配置し、高い光エネルギー密度の受光面領域には、選択反射膜を配置して、コストの低減を図ることも可能である。
上述したとおり、太陽電池素子30はInGaP/InGaAs/Geを用いた3接合化合物半導体タンデム太陽電池(太陽電池素子)であるとしたが、他の材料を用いた太陽電池素子とすることも可能である。例えば、Si、GaAs、CuInGaSe、CdTeなど他の無機材料で構成した太陽電池素子に対して同様に適用することが可能である。
また、太陽電池素子の構造としては、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池素子セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造に対して適用することが可能である。
図2は、図1に示した太陽電池モジュールの太陽電池素子の実装状態および2次光学系部材の構成の概略を透視的に示す透視側面図である。
太陽電池素子30は、レシーバ基板20にボンディング(接続)してあり、さらに樹脂封止枠35、樹脂封止部36で樹脂封止され、樹脂封止部36の表面に接着された透光性被覆板37で保護されている。なお、樹脂封止枠35は例えば白色のシリコーン樹脂を、樹脂封止部36は例えば透明のシリコーン樹脂を、透光性被覆板37は例えばガラスをそれぞれ適用して形成した。
2次光学系部材50を保持する2次光学系ホルダ51は、例えば樹脂封止枠35に接着され固定されている。また、2次光学系部材50は、透光性被覆板37に密着させて光路での損失を生じない態様とされている。また、2次光学系部材50および2次光学系ホルダ51を樹脂封止枠35に対して内側に配置することにより、太陽光Lsがレシーバ基板20に対して直接照射されない構成とされている。なお、透光性被覆板37と2次光学系部材50を一体に形成することも可能である。
上述したとおり、太陽電池素子30に近接して配置された2次光学系部材50は、1次光学系部材100を透過し凸状曲面50sを介して入射された太陽光Lsを集束させ太陽電池素子30に照射する。つまり、均一性のよい太陽光Lsが、樹脂封止枠35の内側に配置され太陽電池素子30を樹脂封止している樹脂封止部36および透光性被覆板37を介して太陽電池素子30に照射することとなる。
したがって、2次光学系部材50に入射された太陽光Lsは、各波長領域の太陽光Lsを混合することとなり、色収差/強度ムラが平均化され、光電変換効率を向上させ、光電変換の信頼性を向上させることが可能となる。
また、2次光学系部材50は、高いエネルギー密度に集光された太陽光Lsによる太陽電池素子30への影響を抑制することが可能となる。つまり、集光された太陽光Lsの高いエネルギー密度により太陽電池素子30のセル温度が大幅に上昇し、太陽電池素子30の光電変換効率および発電電力の低下をもたらす恐れがあるが、2次光学系部材50を配置することによって、高いエネルギー密度を緩和し太陽電池素子30の特性低下を防止することが可能となる。
なお、太陽電池素子30の外形サイズ(チップサイズ)は、使用する太陽電池素子材料の削減、加工の容易さ、製造工程の容易性/簡略化などの観点から、数mm程度から10mm程度までとすることが望ましい。
太陽電池素子30が発生した電流は、レシーバ基板20に形成された配線により太陽電池素子30の外部へ適宜取り出す構成とされている。レシーバ基板20に形成された配線は、信頼性の高い絶縁性を確保する必要があることから、例えば、銅箔で形成された接続パターンを有機材料などの絶縁膜で被覆して絶縁する構成とされている。
レシーバ基板20は、例えばアルミニウム板、銅板などのベース基台に適宜の絶縁層を介して所望のパターンに形成された配線が設けられている。つまり、レシーバ基板20に設けられた配線は、太陽電池素子30の電極(不図示)に接続され、また、外部への取り出しを行なう接続パターン(不図示)を備えている。
レシーバ基板20の外部への取り出しを行なう接続パターンに対して適宜の配線を施すことにより、複数の太陽電池素子30相互間を直列/並列に接続することが可能となり、太陽電池モジュール1を複数備える太陽光発電ユニット300(図6参照)を形成することが可能となる。
なお、2次光学系部材50は、上述したとおり例えばガラスで構成することが望ましい。ガラスで構成することによって、耐熱性、耐候性を向上させ、太陽光Lsに対する集束を効果的に実行することが可能となる。また、2次光学系ホルダ51は、機械的強度、放熱性などを考慮して例えば、壁板部200と同質の合成樹脂または金属部材で構成することが可能である。
<実施の形態2>
図3に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図3に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図3は、本発明の実施の形態2に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。
本実施の形態に係る太陽電池モジュール1の基本構成および作用効果は、実施の形態1に係る太陽電池モジュール1と同様であるので、主に異なる事項について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1で適用した2次光学系部材50が除去されている。したがって、壁板部200は、2次光学系部材50を介さずに太陽光Lsを太陽電池素子30に対して照射することとなる。
また、壁板部200の傾斜角を2段階とされている。つまり、1次光学系部材100に近い側の第1傾斜角θ1に対して、太陽電池素子30(レシーバ基板20)に近い側(実施の形態1の2次光学系部材50に対応する領域)の第2傾斜角θ2をさらに大きくされている。したがって、太陽電池素子30に近い側で太陽電池素子30の方向への太陽光Lsの反射性を確実に向上させて、太陽電池素子30に対する照射光量を増加させることが可能となる。
また、壁板部200で第2傾斜角θ2とされている領域に対しても反射面201が形成されている。したがって、太陽光Lsを第2傾斜角θ2とされている領域に集束させて太陽電池素子30へ照射させることが可能となり、実施の形態1と同様に、直達光Lsdに加えて散乱光Lssを反射させて太陽電池素子30へ照射することができるので、集光効率を向上させ太陽電池モジュール1の発電効率を向上させることが可能となる。
また、壁板部200には反射面201(高反射率膜)が形成されているが、実施の形態1の場合と異なり、1次光学系部材100に近い領域では反射面201を形成しない態様とされている。つまり、太陽電池素子30から遠く、散乱光Lssの反射面201での反射による効果が少ない領域での反射面201の形成を省略することによって、反射面201に対する形成コストの低減を図ることが可能となる。
なお、樹脂封止枠35、樹脂封止部36、透光性被覆部37は、実施の形態1と同様である。
<実施の形態3>
図4に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図4に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図4は、本発明の実施の形態3に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。
本実施の形態に係る太陽電池モジュール1の基本構成および作用効果は、実施の形態1、実施の形態2に係る太陽電池モジュール1と同様であるので、主に異なる事項について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1で適用した2次光学系部材50が除去されている。したがって、壁板部200は、2次光学系部材50を介さずに太陽光Ls(散乱光Lss)を太陽電池素子30sに対して照射することとなる。
また、1次光学系部材100を板ガラス101と反射防止膜103で構成し、フレネルレンズ102を省略している。したがって、1次光学系部材100によるいわゆる集光はなされない形態としている。
したがって、太陽電池素子30sに照射される太陽光Lsは、実施の形態1、実施の形態2に比較してエネルギー密度を抑制することが可能となっている。したがって、太陽電池素子30sとして、化合物半導体に比較して高温での光電変換効率が低いシリコン系材料(例えば結晶シリコン)で形成したものを適用することが可能となる。
なお、壁板部200は単一の傾斜角(第1傾斜角θ1:図示省略)で構成されているが、集光レンズに対応させた設定が不要であることから、傾斜角の設計の自由度は大きくなる。また、反射面201は、壁板部200の全面に形成した状態を示す。壁板部200の傾斜角は、実施の形態2と同様に2段階とすることが可能である。また、反射面201は、実施の形態2と同様に限定的に形成することが可能である。
<実施の形態4>
図5に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図5に基づいて、本実施の形態に係る太陽電池モジュールについて説明する。
図5は、本発明の実施の形態4に係る太陽電池モジュールの全体構成の概略を透視的に示す透視側面図である。
本実施の形態に係る太陽電池モジュール1の基本構成および作用効果は、実施の形態1に係る太陽電池モジュール1と同様であるので、主に異なる事項について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1で適用した1次光学系部材100をガラス板から形成されたフレネルレンズ102のみで構成したものである。
また、2次光学系部材50の壁板部200(2次光学系ホルダ51)に対向する面に2次側反射膜50rが形成されている。2次側反射膜50rは、例えば実施の形態1の選択反射膜と同様の特性を備えた形態とすることが望ましい。この構成により、2次光学系部材50に集束された太陽光Lsによる温度上昇を抑制し、太陽電池素子30の温度特性を向上させることが可能となる。
なお、本実施の形態に係る2次側反射膜50rは、実施の形態1に対しても適用することが可能である。この場合には、実施の形態1の作用効果をさらに改善することが可能となる。
<実施の形態5>
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態1に係る太陽電池モジュール1と同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について説明する。
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態1に係る太陽電池モジュール1と同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について説明する。
実施の形態1では、反射面201として非金属膜つまり高分子材料膜を多層構造として適用したが、本実施の形態では、多層高分子材料膜の代わりに2層構造の反射膜を使用する。いろいろな金属材料と非金属材料とを組み合わせて製膜することが可能であるが、本実施の形態では、例えばアルミニウムと酸化シリコンを使用した。
熱可塑性ポリエステル樹脂で構成した壁板部200に対して真空蒸着法を適用し、例えばアルミニウム膜を形成する。蒸着時の真空度は1×10-6Torrとし、形成膜厚は約3μm程度とする。また、形成したアルミニウム膜の上に0.2μm程度の酸化シリコン膜(SiOx)を蒸着し、アルミニウム膜を保護する。
したがって、既存の太陽電池製造プロセスで使用される製造装置と製造方法をそのまま適用することができるので、反射面201(高反射率の反射膜)を容易かつ高精度に形成することが可能となる。
また、壁板部200の形状は実施の形態2と同様に2段階とすることが可能である。
<実施の形態6>
図6に基づいて、本実施の形態に係る太陽光発電ユニットについて説明する。
図6に基づいて、本実施の形態に係る太陽光発電ユニットについて説明する。
図6は、本発明の実施の形態6に係る太陽光発電ユニットの全体構成の概略を俯瞰的に示す斜視図である。
本実施の形態に係る太陽光発電ユニット300は、実施の形態1ないし実施の形態4で記載した太陽電池モジュール1を複数配置して構成したものである。したがって、直達光Lsdおよび散乱光Lssを大面積で効率よく太陽電池素子30へ照射して発電効率を向上させ、軽量化によって稼動性能を向上させ、発電電力の大きい太陽光発電ユニット300とすることが可能となる。
太陽電池モジュール1は、必要な発電電力、可能な設置面積などの用途に応じて、複数を直列あるいは並列で長尺状フレーム310に沿って配置され、太陽光発電ユニット300として構成される。なお、太陽電池モジュール1は、長尺状フレーム310とは異なる個別のフレームに配置することにより独立した形態とすることも可能である。
太陽光発電ユニット300は、支柱320に支持されて、追尾機構部(不図示)により水平方向の回転Roth、垂直方向の回転Rotvにより太陽を追尾する方向へ自動的に駆動され、太陽電池モジュール1の表面に配置された1次光学系部材100(入射面)を太陽光Lsに対して垂直方向へ向ける構成とされている。つまり、いわゆる追尾集光型太陽光発電装置として構成されている。
なお、追尾機構部(追尾駆動システム)は、太陽の方位に1次光学系部材100(入射面)を向けるための方位軸と、太陽の高度に1次光学系部材100(入射面)を傾けるための傾倒軸との2軸別々の追尾駆動装置によって構成されていることから、太陽を高精度に追尾することが可能となる。
追尾駆動システムの動力系としては、モーターと減速機を用いてギヤを所定の回転数で回転させて所定の方向に駆動させる方法、油圧ポンプと油圧シリンダーを用いて所定の長さにシリンダーを調節することにより所定の方向に駆動させるといった方法があり、どちらの方法を用いても良い。
追尾駆動システムの動作を制御する追尾駆動システムの内部に搭載された時計によって予め太陽の軌道を計算し、太陽の向きに太陽電池モジュールを向かせるように制御する方法、追尾駆動システムにホトダイオードなどからなる太陽センサーを取り付けて太陽方向を随時モニターし制御する方法などが太陽光追尾方法として知られており、いずれの方法を用いても良い。
実施の形態1ないし実施の形態4で、太陽電池モジュール1は、筐体を不要とすることが可能であると説明したが、本実施の形態で示したとおり必要に応じ適宜外部に筐体(例えば上述した長尺状フレーム310)を配置することが可能である。
<実施の形態7>
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態5に係る太陽電池モジュールと同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について、図9に基づいて説明する。
本実施の形態に係る太陽電池モジュールの基本構成および作用効果は、実施の形態5に係る太陽電池モジュールと同様であるので、図は省略し、主に異なる事項について、図9に基づいて説明する。
図9は、本発明の実施の形態7を説明するための図であり、米国基準協会(American Society for Testing and Materials(ASTM) Terrestrial Reference Spectra for
Photovoltaic Performance Evaluation)により開示されている直達光のスペクトルである。
Photovoltaic Performance Evaluation)により開示されている直達光のスペクトルである。
本実施の形態で使用される太陽電池素子30は、例えば、InGaP/InGaAs/Geの層構造を有する3接合化合物半導体タンデム太陽電池(太陽電池素子)である。この太陽電池素子30のボトムセルとするGeセルは分光感度が長波長領域1900nmまで達し、トップセルとするInGaPセル及びミドルセルとするInGaAsセルの光電流(Iph)より大幅に大きい。長波長領域1300nmまでの分光感度範囲での吸収で、InGaPトップセルとInGaAsミドルセルとほぼ同様な光電流(Iph)が得られる。トップセル及びミドルセルとボトムセルが直列接続しているため、3接合化合物半導体タンデム太陽電池の光電流は3つのセルの中、最小光電流で左右される。つまり、波長領域1300nmまでの入射光を採集すれば、十分なタンデム太陽電池電流整合をとることができる。従って、波長領域1300nm以上長波長領域での光を除けば、不要な波長領域の太陽光は太陽電池素子への集光を防止することが可能となり、発電効率、耐熱性を向上させることが可能となる。
しかし、選択反射膜を作製する際に、膜材料の屈折率や、膜厚の誤差などにより、反射特性の変動に影響される。図9に示すように、大気層による吸収で波長領域1380nm
付近には谷形状のスペクトルがあり、選択反射膜の反射波長閾値を1380nmとすれば、膜厚あるいは屈折率において多少の変動があっても選択反射膜の反射特性に影響が少なくなり、選択反射膜の反射特性の安定性が改善される。
付近には谷形状のスペクトルがあり、選択反射膜の反射波長閾値を1380nmとすれば、膜厚あるいは屈折率において多少の変動があっても選択反射膜の反射特性に影響が少なくなり、選択反射膜の反射特性の安定性が改善される。
また、本発明に係る太陽電池モジュールでは、選択反射膜は、真空蒸着により形成された少なくとも2層の積層膜で構成できるが、コストの面から非真空作製方法が望ましい。
本実施形態において選択反射膜の支持板とする壁板部200は、難燃性の熱可塑性ポリエステル樹脂の材質から構成される。
反射面201は、屈折率の異なる複数層の高分子材料膜(透光膜)を積層して高い反射率を持たせた高反射率膜を壁板部200に積層することによって構成されている。つまり、反射面201は、非金属膜である2種類の高分子材料を積層して形成された高反射率膜によって形成することが可能である。
高反射率膜は、例えば、第1の高分子材料としてのポリエステル樹脂(2−ビニルテトラヒドロフラン)、第2の高分子材料としての2,3−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料を適宜積層することによって形成可能である。
例えば、ポリエステル樹脂(2−ビニルテトラヒドロフラン)の屈折率は約1.55であり、単層膜の厚さは約223nmとした。また、2,3−ナフタレンジカルボン酸とエチレングリコールからなる高分子材料の屈折率は約1.88であり、単層膜の厚さは約184nmとした。この2種類の高分子材料膜(透光膜)を交互に、例えば、20層乃至200層積層することによって形成された高反射率膜を壁板部200に張り付けて反射面201を形成した。
なお、選択反射膜の反射率を90%以上とする条件は、選択する高分子材料の屈折率によって影響されるが、上述した2種類の高分子材料の組み合わせに限らず、例えば、3種類の高分子材料の組み合わせによっても実現することが可能である。
なお、反射面201を構成する高反射率膜は、例えば、シート(もしくはフィルム)をタイル状に壁板部200に張り付けて形成することが可能である。つまり、高反射率膜(選択反射膜)は、壁板部200に張り付けることが望ましい。この構成により、大面積の反射面201を容易に、かつ均一性良く形成することが可能となる。
高反射率膜としては、上述した高分子材料の組み合わせの他に、例えば、無機レジスト、フッ素コーティング材料などを適用することが可能である。また、低コストの白色膜によれば、選択反射は困難であるが、多重反射の効果があり、高反射率膜として適用することが可能である。
最終のシリコーン膜の保護被覆は、スプレーなどによるシリコーン樹脂の噴霧によって行われ、V字型の光採集構造(壁板部200及び選択反射面201)が形成される。
本発明の太陽電池モジュールは、集光効率、発電効率、耐熱性に優れ、経済性も期待されることから、太陽光発電など、好適に利用できる。また、本発明の太陽電池モジュールを搭載した太陽光発電ユニットは、優れた発電効率、経済性にも期待できるものであり、軽量化による稼動性能の観点からも有益である。
Claims (8)
- 照射された太陽光を光電変換する太陽電池素子と、太陽電池素子が載置されたレシーバ基板と、太陽電池素子から分離して配置され太陽光を透過させて太陽電池素子に太陽光を照射する1次光学系部材とを備える太陽電池モジュールであって、
前記レシーバ基板に載置され前記レシーバ基板に対して45度以上の第1傾斜角で傾斜させて前記1次光学系部材に連結された壁板部と、
該壁板部の表面に形成され前記1次光学系部材から透過された太陽光を反射する反射面とを備え、
前記反射面は、特定の波長領域に対して作用する反射特性を有する選択反射膜で形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記請求項1に記載の太陽電池モジュールであって、
前記壁板部は、前記1次光学系部材を支持する構成とされていること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項1または請求項2に記載の太陽電池モジュールであって、
前記壁板部は、非金属材料で形成されていること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
前記1次光学系部材は、集光レンズを備えること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
前記選択反射膜は、波長1200nm超の太陽光を透過し、波長1200nm以下の太陽光を反射させること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
前記選択反射膜は、波長1380nm超の太陽光を透過し、波長1380nm以下の太陽光を反射させること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 請求項1ないし請求項6のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであって、
前記太陽電池素子に近接して配置され前記1次光学系部材を透過した太陽光を集束する2次光学系部材を備えること
を特徴とする太陽電池モジュール。 - 太陽電池モジュールを複数配置して構成された太陽光発電ユニットであって、
前記太陽電池モジュールは、請求項1ないし請求項7のいずれか一つに記載の太陽電池モジュールであることを特徴とする太陽光発電ユニット。
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