JP2003113771A - 太陽エネルギーを利用した発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、太陽光発電装置はエネルギー変換効率
が１５％程度であり、太陽電池からの出力は電池温度に
大きく左右されている。一方、太陽熱利用発電装置では
大掛かりな設備が必要となり、大規模な発電システムに
は適しているが、住宅のような比較的小規模な用途では
実施が難しい。 【解決手段】 太陽光発電セル２の受光面の裏側に、該
太陽光発電セル２と略同形状で内部に流通穴６を有する
冷却部３を設け、該冷却部３の流通穴６に流動冷却媒体
を通すことにより前記太陽光発電セル２の冷却を行なう
ことにより、太陽光発電セル２の温度上昇を抑制して発
電効率の向上を図っている。また、太陽熱を利用した発
電を併用することにより、さらに、発電効率の向上を図
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光又は太陽熱
等の太陽エネルギーを利用した発電装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】太陽エネルギーは資源として無尽蔵であ
るうえ、そのエネルギーを変換しても有害な大気汚染物
質や地球温暖化の原因となる二酸化炭素を排出しないと
いう大きな利点を有している。この太陽エネルギーを利
用した発電システムは、太陽光発電と太陽熱発電に大別
することができる。太陽光発電は、半導体のｐｎ接合の
ように内部電場を有する素子に太陽光を照射し、得られ
た光起電力を利用して電気エネルギ−を得るもので、一
般的に太陽電池と呼ばれており、例えば、特開平１０−
２８４７４７号公報には、太陽電池モジュール搭載時に
おける太陽電池セルの１枚当たりの太陽光発電効率を向
上させた太陽電池モジュールが開示されている。

【０００３】これに対して、太陽熱発電は太陽光のエネ
ルギーを熱源として蓄え、これを利用して発電を行うも
ので、いくつかの方式が知られている。その一つは、例
えば、特開平２−２９３５６２号公報に示すように、太
陽熱を反射鏡で集熱し、熱媒を循環してタービンを回し
て発電を行なう、太陽熱利用発電プラントが開示されて
いる。また、太陽熱発電の他方式としては、太陽熱を熱
源として、ゼーベック効果を有する熱電変換素子を用い
て熱電変換により発電を行うものがある。例えば、特開
２０００−１０１１１６号公報に示すように、太陽光電
池パネルの受光面の裏側にヒートパイプを配設し、該ヒ
ートパイプの放熱側にペルチェ冷却装置を接続し、該ペ
ルチェ冷却装置を太陽電池パネルで発電した電力を利用
して駆動する、太陽熱発電システムが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た太陽エネルギー利用発電システムのうち、特開平１０
−２８０７４７号公報に示すような太陽光発電は高純度
の半導体材料を原料として製造されるためにコストが高
く、そのエネルギー変換効率も１０〜１５％程度にとど
まっているという問題がある。また、太陽電池からの出
力は電池温度に大きく左右される。例えば、６００Ｗ／
ｍ^２という同じ日射量でも、太陽電池の変換効率は太電
池温度が３０℃のときは１４％であり、６０℃のときは
９％と大きく異なっている。（参考文献、縄田豊、系統
連係型太陽電池発電システムの年間発電量の予測、太陽
エネルギー、ＶＯＬ．１６．ＮＯ．６．１９９０．Ｐ．
１７）実際の太陽光発電システムでは、日射量が大きい
ほど太陽電池の温度が上昇するため、太陽電池の効率は
下がるという欠点がある。そこで、電池温度を下げれば
変換効率は上がるが、そのために冷却用の水等が必要と
なる。

【０００５】また、特開平２−２９３５６２号公報に開
示されている太陽熱利用発電プラントでは、高圧側ター
ビン及び低圧側タービンを用いて発電を行うため、大掛
かりな設備が必要となり、大規模な発電システムには適
しているが、住宅のような比較的小規模な用途では実施
が難しいという問題がある。一方、特開２０００−１０
１１１１６号公報に開示された太陽熱発電システムで
は、現在知られている熱電変換材料の性能が低いため変
換効率が十分でないという問題がある。このシステムに
おいて発電効率を高めるためには、熱媒と冷媒の温度差
を大きくとる必要があるが、このためには熱媒として、
例えば、金属ナトリウムのような特殊材料が必要とな
り、安全性の点で問題が多い。さらに、太陽電池パネル
で発電した電力の一部を利用してペルチェ冷却装置を駆
動し、ヒートパイプにより太陽電池パネルを冷却してい
るため、太陽電池パネルで発電した電力の一部を消費し
ている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するためになされたもので、請求項１では、太陽光発
電セルの受光面の裏側に、該太陽光発電セルと略同形状
で内部に流通穴を有する冷却部を設け、該冷却部の流通
穴に流動冷却媒体を通すことにより前記太陽光発電セル
の冷却を行なう太陽光発電モジュールを用いている。こ
れにより、太陽光発電セルの温度上昇を抑制して発電効
率の低下を防止している。

【０００７】請求項２では、太陽光発電セルの単位面積
当たりの受光量を増大させるために、太陽光追尾装置を
備えた集光装置を設けたものであり、該集光装置は、前
記太陽光発電セルに対向して伸縮可能な支柱により傾斜
可能に設けられた固定枠と、該固定枠上に回動自在に設
けられた反射体と、該反射体を駆動する反射体駆動装置
とより構成されている。また、請求項３では、前記集光
装置の反射体の反射面は平面鏡又は凹面鏡で形成されて
いる。このような構成とすることにより、太陽光の集光
量を増大させて発電効率の向上を図っている。

【０００８】請求項４では、水道水や炭化水素油などの
液体、空気や施設内で利用している窒素ガスなどの気体
など、一般に入手が容易で取扱が簡便であり、しかも危
険性のない液体又は気体を流動冷却媒体として用いてい
る。

【０００９】請求項５では、前記太陽光発電セルを冷却
して高温となった流動冷却媒体から熱回収することによ
り、温水や暖房等の熱源として利用している。

【００１０】請求項６では、前記太陽光発電セルと冷却
部の間に熱電変換素子を挟設し、太陽光発電セルと冷却
部との温度差を利用して発電を行うことにより、熱とし
て廃棄されていた太陽エネルギーを電気として回収し、
発電装置全体の発電効率を向上させている。

【００１１】請求項７では、前記流動冷却媒体としてア
ンモニアやメタノールなど太陽光発電セルの制御温度よ
り低い沸点をもつ液体を用いて、前記冷却部で蒸発ガス
を発生させ、該蒸発ガスを用いて発電機のタービンを回
すことにより発電を行っている。これにより、液体の熱
容量だけでなく蒸発潜熱も冷却に利用できるため、冷却
効率が上がるとともに、熱として廃棄されていた太陽エ
ネルギーを電気として回収し、発電装置全体の発電効率
を向上させている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づき説明するが、本発明はこれら実施形態にな
んら限定されるものではなく、適宜変更して実施が可能
である。図１は本発明の請求項１による実施形態の一例
を示す太陽エネルギーを利用した発電装置の太陽光発電
モジュールの概略図であり、図２および図３は他の実施
形態の一例を示す太陽光発電モジュールの概略図であ
る。図１において、太陽光発電モジュール１は、所望の
厚みを有し略四辺形に形成された太陽光発電セル２の受
光面の裏側に、該太陽光発電セル２とほぼ同形状の冷却
部３を当接した構造としている。該冷却部３の内部に
は、前記太陽光発電セル２の表面積がほぼ均一に冷却さ
れるように対向する両端部を貫通する複数個の断面円形
の流通穴６が並設されている。

【００１３】前記流通穴６の一端から注入された低温の
流動冷却媒体４は、太陽光発電セル２の冷却に用いられ
て吸熱した後、他端より高温の流動冷却媒体５として排
出される。このようにして、低温の流動冷却媒体４を一
端から注入することにより、太陽光発電セル２が高温に
なることを防ぐことができるため、発電効率の低下を防
止することができる。また、前記太陽光発電モジュール
１は単独或いは複数個を縦横に連接してパネル状に形成
して設置される。なお、図２に示すように、他の実施形
態では、冷却部３ａの内部が前記太陽光発電セル２の表
面積がほぼ均一に冷却されるように対向する両端部を貫
通する複数の断面四辺形の流通穴７が並設されている。
また、図３に示すように、さらに他の実施形態では、冷
却部３ｃの内部は、前記太陽光発電セル２の表面積が均
一に冷却されるように対向する両端部を貫通するジャケ
ット８が形成されている。

【００１４】図４は、請求項２による実施形態の一例を
示す太陽エネルギーを利用した発電装置の構成図であ
る。図４において、太陽エネルギーを利用した発電装置
は、可動式集光装置１１及び発電装置３０より構成され
ており、建物や各種構築物等の太陽光を集光できる場所
に設置されている。

【００１５】可動式集光装置１１は、建物や各種構築物
等の適宜位置に伸縮可能な長尺支柱１２と短尺支柱１３
が立設され、該両支柱１２，１３のピン結合の先端部分
に固定枠１４が太陽光発電セル２に対向して傾斜状に取
付けられている。前記固定枠１４には複数個の反射体１
５が適宜の間隔を設けて回動自在に軸支されている。前
記反射体１５は、固定枠１４に回転自在に取付けられた
回転軸１６と、該回転軸１６に固定された支軸１７と、
該支軸１７の先端に取付けられた反射部１８より構成さ
れている。前記回転軸１６は固定枠１４上に取付けられ
た反射体駆動装置１９と噛合されたギア機構２０に接続
されているので、該反射体駆動装置１９を駆動、例え
ば、地球の自転速度の約１／２で回転させることにより
ギア機構２０を介して反射部１８が太陽光の移動に追従
してより適切な角度になるように追尾する。なお、夜間
に前記反射体駆動装置１９を駆動して、初期状態に戻
し、翌日の太陽光の集光に備えるようにしている。

【００１６】本実施形態では水平方向にのみ追尾できる
可動式集光装置１１としているが、前記伸縮可能な長尺
支柱１２を手動又は自動で伸縮させることで、上下方向
への追尾又は上下及び水平の両方向に追尾させることが
できる。さらに、回転軸１６を地軸（地球の回転軸）と
一致させることにより、上下方向の角度調整を毎日行う
必要はなく、例えば、週間、旬間、月間、或いは季節間
に一度で可能な太陽光を追尾する可動式集光装置とする
ことができる。

【００１７】なお、他の実施形態として、前記複数の反
射体１５を前記回転軸１６の外周面の対向する位置に、
太陽光の反射面が其々外周側を向くように取付けること
ができる。この構造とすれば、１日当たりの太陽光の集
光は回転軸１６を１８０度回転させることで足り、翌日
は引き続き回転軸１６を１８０度回転させればよい。こ
れにより、夜間に前記反射体駆動装置１９を駆動して、
回転軸１６を逆回転させて初期状態に戻すことが不要と
なる。

【００１８】発電装置３０は、太陽光発電モジュール１
（太陽光発電セルの裏面に冷却部を設けたもの）と、前
記太陽光発電セル２で発電した電気を蓄電する受電装置
３１と、冷却部３に流動冷却媒体を循環させる循環装置
より構成されている。太陽光１０は前記可動式集光装置
１１に設けられた反射部１８で反射され、反射光９とし
て太陽光発電セル２に集光されて発電される。発電され
た電気は給電腺３２を介して受電装置３１に送られる。
なお、図示していないが、受電装置３１の送電側には直
流／交流変換インバーターが接続されている。

【００１９】循環装置は、冷却部３に流動冷却媒体を循
環させる循環ポンプ３３と、流動冷却媒体を貯留する貯
留タンク３４より構成されている。太陽光発電セル２は
太陽光１０により暖められて高温となり発電効率が低下
する。そこで、貯留タンク３４に流動冷却媒体を貯留し
ておき、貯留タンク３４と冷却部３の間を循環ポンプ３
３を介して配管３５で接続し、前記太陽光発電セル２の
受光面の裏側に当接された冷却部３の複数個の流通穴
６，７又はジャケット８に流動冷却媒体を循環させて太
陽光発電セル２を冷却している。なお、本実施形態では
流動冷却媒体を循環ポンプ３３により循環させている
が、貯留タンク３４を太陽光発電セル２よりも高所に設
置して自然流下させてもよい。また、反射体１５は１組
の可動式集光装置１１上に設置する必要はなく、反射体
１５を複数個所に別個に設置して、１組の太陽光発電セ
ル２に集光させる構造としてもよい。

【００２０】請求項３において、前記可動式集光装置１
１の反射体１５の反射部１８は平面鏡又は凹面鏡で形成
されている。反射部１８は、太陽光１０を反射して太陽
光発電セル２に集光させる必要があるため、前記反射部
１８は平面又は凹面に形成されたガラスやプラスチック
の裏面に銀又はスズアマルガム等を塗布した既知の製法
により平面鏡又は凹面鏡としている。なお、ガラスやプ
ラスチックを用いた鏡に代えて、金属の表面を研磨して
平面鏡又は凹面鏡としてもよい。

【００２１】請求項４において、前記流動冷却媒体には
液体又は気体を用いている。液体としては、水道水、炭
化水素油等の燃料油、アンモニア又はメタノール等を用
いている。また、気体では、空気、施設内で利用してい
る窒素ガス等を用いている。これらは、一般に入手が容
易で取扱が簡便であり、危険性のないものである。

【００２２】図５は請求項５による実施形態の一例を示
す発電装置３０ａの主要部構成図である。本実施形態の
特徴は高温となった流動冷却媒体から熱回収を行うこと
にある。図５において、貯留タンク３４ａには流動冷却
媒体として水道水が貯留されており、該貯留タンク３４
ａには水位制御器３６及び該水位制御器３６の信号を受
けて作動する電磁弁３７が設けられている。前記電磁弁
３７は貯留タンク３４ａの水位が設定水位以下になると
開放されて水道水を貯留タンク３４ａに注入し、設定水
位に達すると閉止されて水道水の流入を停止するように
制御される。

【００２３】貯留タンク３４ａ内の水道水は、循環ポン
プ３３ａにより太陽光発電セル２ａの冷却のために冷却
部３ａに注入されて太陽光発電セル２ａを冷却する。冷
却に使われた水道水は吸熱して温水となり貯留タンク３
４ａに還流する。高温となった水道水を温水や暖房の熱
源として利用する際には、バイパス配管３８から取り出
すことができる。この場合、水位制御器３６により貯留
タンク３４ａの水位低下が検知され、電磁弁３７が開放
されて低温の水道水が貯留タンク３４ａに注入される。
なお、他の実施例として、冷却に用いる水道水を貯留タ
ンク３４ａを介さずに直接冷却部３ａに注入してもよ
い。

【００２４】図６は請求項６による実施形態の一例を示
す発電装置３０ｂの主要部構成図である。本実施形態の
特徴は熱電変換素子４０を用いることにより、太陽光発
電と太陽熱発電を併用して発電効率を向上させているこ
とである。図６において、熱電変換素子４０を太陽光発
電セル２ｂと冷却部３ｂの間に挟設している。熱電素子
４０は、Ｐ型半導体とｎ型半導体を接合したもので環状
回路をつくり、その両接合部の一方を高温に他方を低温
にすると電流が流れるものであり、可動部がメンテナン
ス不要でコンパクトな板状であることが特徴である。図
６に示すように、熱電変換素子４０の一方は太陽光発電
セル２ｂに当接されているので、太陽光発電セル２ｂの
温度上昇により高温側となる。また、熱電変換素子４０
の他方は冷却部３ｂに当接されているので低温側とな
る。

【００２５】これにより、前記熱電変換素子４０の両面
に温度差が生じ、太陽光発電セル２ｂがもつ太陽熱エネ
ルギーが流動冷却媒体に伝わる際に電気エネルギーに直
接変換されて発電するものである。発電された電気は給
電腺３２ｂを介して受電装置３０ｂに送られる。本実施
形態においては、太陽光発電セル２ｂによる太陽光発電
と、熱電変換素子４０による太陽熱発電とを併用してい
るので、太陽光発電セル２ｂにおける発電のみの場合よ
りさらに発電効率を向上させることができる。

【００２６】図７は請求項７による実施形態の一例を示
す発電装置３０ｃの主要部構成図である。本実施形態の
特徴は流動冷却媒体より発生させた蒸発ガス４１を利用
して発電する発電装置３０ｃを組み入れたものである。
図７に示すように、貯留タンク３４ｃと冷却部３ｃとの
間に発電機付タービン４２及び凝縮器４３を設けてい
る。本実施形態では、流動冷却媒体として、例えば、ア
ンモニア（沸点−３３．３５℃）やメタノール（沸点６
４．６５℃）など太陽光発電セル２ｃの制御温度以下の
沸点をもつ液体を用いている。流動冷却媒体として用い
られている液体のアンモニアやメタノールは、冷却部３
ｃを通過する際に吸熱して蒸発ガス４１となる。この蒸
発ガス４１で発電機付タービン４２を回して発電を行な
い、発電した電気は給電腺３２ｃを介して受電装置３１
ｃへ送られる。蒸発ガス４１となっていたアンモニアや
メタノールは凝縮器４３で液化され、貯留タンク３４ｃ
に回収される。本実施形態では、流動冷却媒体であるア
ンモニアやメタノールの熱容量だけでなく蒸発潜熱も冷
却に利用できるため、冷却効率が上がるとともに、熱と
して廃棄される太陽熱エネルギーを電気として回収でき
るため、装置全体の発電効率を向上させることができ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明の請求項１においては、太陽光発
電セルの受光面の裏側に、該太陽光発電セルと略同形状
で内部に流通穴を有する冷却部を設け、該冷却部に流動
冷却媒体を通すことにより前記太陽光発電セルの冷却を
行っている。これにより前記太陽光発電セルの温度上昇
を防止することができるので発電効率を向上させること
ができる。

【００２８】本発明の請求項２においては、前記太陽光
発電セルの受光面に太陽光を集光させるための太陽光追
尾機構を備えた集光装置であって、該集光装置は前記太
陽光発電セルに対して伸縮可能な支柱により傾斜可能に
設けられた固定枠と、該固定枠上に回動自在に設けられ
た反射体と、該反射体を駆動する反射体駆動装置とより
構成されている。また、請求項３では、前記集光装置の
反射体の反射面は平面鏡又は凹面鏡で形成されている。
これにらにより、太陽光を効率よく太陽光発電セルに集
光できるので発電効率を向上させることができる。

【００２９】本発明の請求項４においては、前記流動冷
却媒体として水道水や炭化水素油等の液体又は空気や窒
素ガス等の気体を用いている。これらは、一般的に入手
が容易で、取扱が簡単で、危険性もないため流動冷却媒
体として有用である。

【００３０】本発明の請求項５においては、前記太陽光
発電セルを冷却することにより、高温となった流動冷却
媒体から熱回収している。これにより、従来は廃棄して
いた廃熱を、温水及び暖房などの熱源として利用するこ
とができる。

【００３１】本発明の請求項６においては、前記太陽光
発電セルと冷却部の間に熱電変換素子を挟設し、太陽光
発電セルと冷却部との温度差を利用して発電を行ってい
る。これにより、熱として廃棄されていた太陽熱エネル
ギーを電気として回収することができるので、装置全体
の発電効率を向上させることができる。

【００３２】本発明の請求項７においては、前記冷却部
で流動冷却媒体を蒸発させてガス化し、蒸発ガスを用い
てタービンを駆動することにより発電を行っている。こ
れにより、液体の熱容量だけでなく蒸発潜熱も冷却に利
用できるため、冷却効率が上がるとともに、熱として廃
棄されていた太陽熱エネルギーを電気として回収できる
ため、装置全体の発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１による実施形態の一例を示す
太陽エネルギーを利用した発電装置の太陽光発電モジュ
ールの概略図である。

【図２】本発明の請求項１による他の実施形態の一例を
示す太陽エネルギーを利用した発電装置の太陽光発電モ
ジュールの概略図である。

【図３】本発明の請求項１による他の実施形態の一例を
示す太陽エネルギーを利用した発電装置の太陽光発電モ
ジュールの概略図である。

【図４】本発明の請求項２による実施形態の一例を示す
太陽エネルギーを利用した発電装置の構成図である。

【図５】本発明の請求項５による実施形態の一例を示す
太陽エネルギーを利用した発電装置の主要部構成図であ
る。

【図６】本発明の請求項６による実施形態の一例を示す
太陽エネルギーを利用した発電装置の主要部構成図であ
る。

【図７】本発明の請求項７による実施形態の一例を示す
太陽エネルギーを利用した発電装置の主要部構成図であ
る。

【符号の説明】

１、１ａ，１ｂ，１ｃ 太陽光発電モジュール ２，２ａ，２ｂ，２ｃ 太陽光発電セル ３，３ａ，３ｂ，３ｃ 冷却部 ４ 低温の流動冷却媒体 ５ 高温の流動冷却媒体 ６ 断面円形の流通穴 ７ 断面四辺形の流通穴 ８ ジャケット ９ 反射光 １０ 太陽光 １１ 可動式集光装置 １４ 固定枠 １５ 反射体 １８ 反射部 １９ 反射体駆動装置 ２０ ギア機構 ３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 発電装置 ３１ 受電装置 ３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 循環ポンプ ３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ 貯留タンク ３６ 水位制御器 ３７ 電磁弁 ４０ 熱電変換素子 ４１ 蒸発ガス ４２ 発電機付タービン ４３ 凝縮器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽光発電セルの受光面の裏側に、該太
   陽光発電セルと略同形状で内部に流通穴を有する冷却部
   を設け、該冷却部の流通穴に流動冷却媒体を通すことに
   より前記太陽光発電セルの冷却を行う太陽光発電モジュ
   ールを用いたことを特徴とする太陽エネルギーを利用し
   た発電装置。
2. 【請求項２】 前記太陽光発電セルの受光面に太陽光を
   集光させるための太陽光追尾機構を備えた集光装置であ
   って、該集光装置は前記太陽光発電セルに対向して伸縮
   可能な支柱により傾斜可能に設けられた固定枠と、該固
   定枠上に回動自在に設けられた反射体と、該反射体を駆
   動する反射体駆動装置とにより構成されていることを特
   徴とする請求項１記載の太陽エネルギーを利用した発電
   装置。
3. 【請求項３】 前記集光装置の反射体の反射面は平面鏡
   又は凹面鏡で形成されていることを特徴とする請求項２
   記載の太陽エネルギーを利用した発電装置。
4. 【請求項４】 前記流動冷却媒体が液体又は気体である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽
   エネルギーを利用した発電装置。
5. 【請求項５】 前記太陽光発電セルを冷却することによ
   り、高温となった流動冷却媒体から熱回収することを特
   徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽エネルギ
   ーを利用した発電装置。
6. 【請求項６】 前記太陽光発電セルと冷却部の間に熱電
   変換素子を挟設し、太陽光発電セルと冷却部との温度差
   を利用して発電を行うことを特徴とする請求項１〜４の
   いずれかに記載の太陽エネルギーを利用した発電装置。
7. 【請求項７】 前記冷却部で流動冷却媒体をガス化し、
   該ガス化されたガス体を用いてタービンを駆動すること
   により発電を行うことを特徴とする請求項１〜４のいず
   れかに記載の太陽エネルギーを利用した発電装置。