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JP2012038954A - 集光型太陽光発電システム - Google Patents

集光型太陽光発電システム Download PDF

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JP2012038954A JP2010178483A JP2010178483A JP2012038954A JP 2012038954 A JP2012038954 A JP 2012038954A JP 2010178483 A JP2010178483 A JP 2010178483A JP 2010178483 A JP2010178483 A JP 2010178483A JP 2012038954 A JP2012038954 A JP 2012038954A
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Katsushige Nakamura
勝重 中村
Kazumasa Wakimoto
一政 脇元
Yoji Ishikawa
洋史 石川
Mikoto Iemoto
勅 家本
Atsushi Tamura
敦 田村
Kazuo Yoshida
一雄 吉田
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JFE Engineering Corp
Institute of Applied Energy
Mitaka Kohki Co Ltd
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JFE Engineering Corp
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Mitaka Kohki Co Ltd
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    • Y02E10/52PV systems with concentrators

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Abstract

【課題】既存の方式よりも高集光度が得られる集光型太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】ビームダウン式の集光装置を利用したものであり、太陽電池セル集合体3に複数のヘリオスタット5により反射した太陽光を集めるため、ヘリオスタット5のミラー枚数やヘリオスタット自体の数を増やした分だけ、太陽電池セル集合体3に対する集光度を高めることができる。タワー式の場合は、タワーの一方側の角度約90度の範囲にしかヘリオスタットを配置することができないが、それを超えて、最大360度の全周範囲にヘリオスタット5を配置することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、集光型太陽光発電システムに関するものである。
通常のシリコン系の太陽電池セルは、非集光の太陽光を当てることにより15%程度の発電効率が得られる。一方、人工衛星などに用いられているGaAsなどのIII−V族太陽電池セルは、材料コストが高いが、変換効率が高い。多接合セル構造のものは変換効率33%が得られ、さらに集光した太陽光を当てることにより40%以上の変換効率も可能となる。このような高い変換効率の太陽電池セルに集光した太陽光を当てて高効率で発電を行うことは集光型太陽光発電(CPV)と呼ばれ着目されている。
集光型太陽光発電で使用される集光装置としては、一般に太陽を追尾しながら常に太陽に向いた状態を維持するディッシュ型のミラーが使用されている。複数のミラー要素をディッシュ型に形成して、その焦点位置に太陽電池セルを固定した構造である(例えば、特許文献1参照)。
また、所定高さを有するタワーの頂部に太陽電池セルを固定し、そこにタワーの周辺の地上に設置した複数のヘリオスタットにより太陽光を反射して集光させるタワー型も知られている。
特開2005−166949号公報
しかしながら、このような従来の技術にあっては、集光装置がディッシュ型のため、集光度が500倍程度であり、得られる発電量に限界があった。すなわち、ディッシュ型は大型化すると自重によりミラー表面が歪むため大型化が困難であり、500倍程度の集光度が限界であった。そのため、集光度を800倍〜2000倍程度にまで高めれば、より高い発電効率が得られるにもかかわらず、それを実現するための集光型太陽光発電システムが提案されずにいた。
また、タワー型は地上に設置した複数のヘリオスタットから太陽光を集光させるため、ある程度の集光度が得られるものの、タワーの頂部の側面における太陽電池セルを設けた側の地上領域(角度約90度の扇状エリア)にしかヘリオスタットを設置できないため、設置できるヘリオスタットの数に限りがあり、やはり集光度に限界があった。
本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、既存の方式よりも高集光度が得られる集光型太陽光発電システムを提供することを目的としている。
請求項1記載の発明は、地上よりも高い位置に設置され、下面に反射面を有するセンターミラーと、前記センターミラーの周囲で、該センターミラーを中心とした角度90度を超える地上領域に設置され、太陽光を前記センターミラーに反射する複数のヘリオスタットと、前記センターミラーで反射された太陽光が集光する位置に設置され、複数の太陽電池セルを互いに隣接した状態で一体的に並置した太陽電池セル集合体とから構成されていることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、前記センターミラーは、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第1焦点と第2焦点を持つものであり、前記太陽電池セル集合体は、前記第2焦点の位置に設置されており、前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、前記センターミラーは、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第1焦点と第2焦点を持つものであり、上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第2焦点とを略一致させた状態で設置し、前記太陽電池セル集合体は、筒型集光鏡の下部開口内に設置されており、前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、前記ヘリオスタットは、日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されており、前記センターミラーは、前記ヘリオスタットからの反射光が当たらない部分が切欠かれていることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、太陽電池セル集合体が、センターミラーの中心を鉛直方向に貫通する中心軸(G)上に水平状態で設置され、センターミラーから最遠のヘリオスタットで反射された太陽光がセンターミラーの反射点(P)で反射されて太陽電池セル集合体の表面に向かう入射角度(θ)が、太陽電池セルの許容入射角度以下となるように、前記反射点(P)と中心軸(G)とを結ぶ水平距離(M)と、前記反射点(P)と太陽電池セル集合体の表面とを結ぶ垂直距離(H)とが、それぞれ設定されていることを特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、センターミラーとヘリオスタットによるビームダウン式の集光装置を利用したものであり、太陽電池セル集合体に複数のヘリオスタットにより反射した太陽光を集めるため、ヘリオスタットのミラー枚数やヘリオスタット自体の数を増やした分だけ、太陽電池セル集合体に対する集光度を高めることができる。タワー式の場合は、タワーの一方側の角度約90度の範囲にしかヘリオスタットを配置することができないが、ビームダウン式の場合は、少なくとも90度を超えた角度範囲、最大360度の全周範囲にヘリオスタットを配置することができるため、ヘリオスタットの数を増して集光度を十分に高めることができる。
請求項2記載の発明によれば、センターミラーは断面が楕円に合致した湾曲面を有した形状であって、ヘリオスタットで反射した太陽光がセンターミラーの第1焦点を通過すれば、その太陽光は幾何光学的に必ず第2焦点に集光する。そのため、ヘリオスタットは反射光が常に第1焦点へ向かうように制御すれば良く、ヘリオスタットの制御が容易である。
請求項3記載の発明によれば、第2焦点の周囲に筒型集光鏡が設けられているため、第2焦点から外れた太陽光を筒型集光鏡の内面で反射して確実に太陽電池セル集合体に導くことができる。
請求項4記載の発明によれば、センターミラーにおいてヘリオスタットからの反射光が当たらない部分を切り欠いているため、センターミラーの小型化を図ることができ、センターミラーの設置作業が容易になる。また、ヘリオスタットは日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されているため、全周に配置する場合よりもヘリオスタットの数は減るものの、太陽光の入射方向と反射方向の関係によりエネルギーのロスが大きくなる領域のヘリオスタットが省略されただけなので、集光装置全体のエネルギーのロスはそれほど大きくなく、減った分のヘリオスタットのコスト削減を考慮すると、結果的に太陽光の利用効率及びコストの面で有利な構造となる。
請求項5記載の発明によれば、2つの距離要素を調整するだけで、ヘリオスタットから太陽電池セル集合体に入射する太陽光の入射角度を許容入射角度以下に設定することができるため、全体設計が容易である。
第1実施形態に係る集光型太陽光発電システムを示す斜視図。 集光型太陽光発電システムを示す平面図。 集光型太陽光発電システムを示す一部断面の側面図。 太陽電池セル集合体に対する入射角度に関与する距離要素を示す説明図。 ヘリオスタットを示す斜視図。 ヘリオスタットを示す分解斜視図。 ヘリオスタットのミラーの支持構造を示す概略説明図。 太陽電池セル集合体を示す側面図。 太陽電池セル集合体を示す平面図。 第2実施形態に係る筒型集光鏡と太陽電池セル集合体を示す側面図。 太陽電池セル集合体を筒型集光鏡の上から見た平面図。 第3実施形態に係るセンターミラーの太陽電池セル集合体に対する入射角度に関与する距離要素を示す説明図。
図1〜図9は、本発明の第1実施形態を示す図である。この実施形態では、小型のパイロットプラント級の集光型太陽光発電を例に説明する。また東西南北の方向性は日本のように北半球の中緯度の地域を例にして説明する。
図1はビームダウン型の集光装置を示している。中心にはセンターミラー1が3本のタワー1aにより地面から約20mの高さに支持されている。センターミラー1の表面形状は仮想的な回転楕円体の一部をなし、北側の角度120度の範囲が切欠かれた形状をしている。センターミラー1は縦断面が楕円に合致した湾曲面を有し、その中心を上下に貫通する中心軸G上に共焦点として第1焦点A(上側)と第2焦点B(下側)が存在している。
センターミラー1の真下には支持台4が設置され、その上面に4個(2行2列)の太陽電池セル集合体3が矩形状に隙間なく並置されている。1つの太陽電池セル集合体3は、表面に受光素子を有する36枚の太陽電池セル(図示省略)を6行6列の矩形状に隙間なく並置した構造になっている。太陽電池セル集合体3の表面は水平で、その中心に前記中心軸Gが貫通すると共に前記第2焦点Bが合致している。
センターミラー1の北側から東西両側にかけて角度240度の範囲内に合計113基のヘリオスタット5が放射状に設置されている(図2参照)。ヘリオスタット5が配置されている範囲は、日中の太陽方位の対角となる範囲で、センターミラー1の南側領域にはヘリオスタット5は配置されていない。
図2に示す扇状エリアEは、従来のタワー式の場合のヘリオスタット領域で、約角度90度の範囲である。タワー式の場合は、この範囲を超えて設置しても(例えばタワーの横に回り込むようにしても)、タワーの1つの側面に設置された太陽電池セル集合体には太陽光が届かないため、どうしても90度程度が限界であった。それに対して、本実施形態のビームダウン式にすれば、タワー式の角度範囲を超えて広い領域にヘリオスタット5を設置することができる。
このヘリオスタット5は、ミラー要素としての4枚のミラー2に反射機能を分散させたマルチミラー型のものである。各ヘリオスタット5のベース6にはセンターミラー1側にバー7が立設され、その上端にセンサー8が固定されている。ベース6のバー7とは反対側に支柱9が設けられ、その上端に第1駆動部10が設けられている。第1駆動部10には、地球の自転軸と平行で地面に対して所定の角度を有する第1軸11が設けられている。この第1軸11は第1駆動部10により軸心を中心に日周運動に関連する赤経方向X(図7参照)へ回転自在である。
第1軸11の先端にはコ字形のフレーム12が固定されている。このフレーム12の両側のフランジには第1軸11と直交する方向に第2軸13が貫通している。第2軸13は金属パイプで、フランジの外側へ両側が突出している。フレーム12と第2軸13との間には、第2軸13を季節運動に関連する赤緯方向Y(図7参照)へ回転させる第2駆動部14が設けられている。
フレーム12から外側へ突出した第2軸13の両端には別の支持パイプ15が直交方向に貫通している。第2軸13と支持パイプ15でH形を形成し、その四隅となる支持パイプ15の両端にミラー2がそれぞれ金具16により取り付けられている。ミラー2は直径50cmの円形で、その表面はそれぞれ第1焦点Aまでの距離に応じた焦点距離を有する凹球面になっている。
フレーム12の内側の第2軸13には一対のブラケット17を介してセンサーミラー18が取付けられている。センサーミラー18は横長の長方形で、表面はフラットである。
センサーミラー18で反射された太陽光Lはセンサー8により受光される。センサー8は、センサーミラー18と第1焦点Aの間に位置しており、センサーミラー18とセンサー8を結ぶ線の延長線上に第1焦点Aが存在する。従って、センサーミラー18で反射された太陽光Lが常にセンサー8で受光されるようにミラー2の赤経方向X及び赤緯方向Yへの回転を制御すると、その太陽光Lはセンサー8の先の第1焦点Aに必ず向かうことになる。4枚のミラー2は、センサーミラー18にて反射された太陽光Lの光路を代表的光軸として、その光軸上における焦点距離位置である第1焦点Aを通過するように予め角度が調整されている。
センサー8の内部には太陽光Lの左右方向(赤経方向)及び上下方向(赤緯方向)での中立位置を検出する光検出素子が設けられており、センサー8から第1駆動部10及び第2駆動部14へ信号を出力している。そして、センサーミラー18で反射される太陽光Lが必ずセンサー8で受光されるように(センサー8の方向に向かうように)、第1駆動部10及び第2駆動部14をフィードバック制御し、第1軸11及び第2軸13を赤道儀方式により赤経方向X及び赤緯方向Yへ回転させて、4枚のミラー2で反射された4本の太陽光Lを第1焦点Aに向けて反射している。各ミラー2で反射された太陽光Lは所定の太さを有する光束で、第1焦点Aを通過する時に最も細くなり、第1焦点Aを通過してから多少拡散しながらセンターミラー1で反射されて第2焦点Bに向かう。第2焦点Bは太陽電池セル集合体3内に位置しているため、太陽光Lは太陽電池セル集合体3に対して所定の大きさのスポットとなって当たり、太陽電池セル集合体3を構成する太陽電池セルが発電する。
この際、各ミラー2が小さいため、製造時の表面形状精度がそのまま維持され、太陽電池セル集合体3において歪みの少ないスポットを形成することができる。歪みの少ない形状のスポットは太陽電池セル集合体3に当たる太陽光Lの強度及び範囲を計算する際に有利である。
また、ヘリオスタット5のミラー2が、第1軸11を中心にした日周運動と、第2軸13を中心とした季節運動で回転する赤道儀方式のため、太陽を追尾し易い。すなわち、一日のミラー2の動きは専ら日周運動に支配され、季節運動はほんの僅かであるため、従って、例えば、センサー8による太陽Sの追尾中に、太陽Sが雲で隠れた場合などは、照度計などによりその状態を検知して、センサー8によるリアルタイム制御から、通常の太陽の動きに応じた定速回転を再現するクロック制御に切り換える。そうすれば、ミラー2は概ねセンサー8で制御している場合と同様の回転を進めるため、雲が無くなって再び太陽Sが現れた時には、センサーミラー18で反射された太陽光Lは必ずセンサー8に当たり、センサー8による制御が復帰して、センサー8によるリアルタイム追尾制御をそこから継続することができる。
更に、センサー8による制御は、センサーミラー18で実際に反射された太陽光Lの光路位置をリアルタイムで検出するため、いわゆる二次側制御(出側制御)となり、ヘリオスタット5に加わった外因(風圧やガタなど)も含めて制御することができ、ヘリオスタット5で反射されて太陽電池セル集合体3に当たった太陽光Lのスポットが完全に停止した状態となり動かない。従って、太陽電池セル集合体3における太陽光Lの強度が変動せず、発電出力の変動も小さくすることができる。
この実施形態に係る4個(2行2列)の組み合わせた太陽電池セル集合体3の面積は0.06平方メートルである。また、113基のヘリオスタット5はそれぞれ直径50cmの円形ミラー2を4枚ずつ持っているため、ミラー2の総数は452枚で、ミラー2の総反射面積は約90平方メートルとなる。そのミラー2群により反射された太陽光Lの全てが太陽電池セル集合体3の範囲内に入射する。太陽電池セル集合体3の面積内に太陽光Lが全て集光することにより約1500倍の集光度となる。約1500倍の太陽光Lが入射することにより、太陽電池セル集合体3の発電効率は40%以上に高まる。
太陽電池セル集合体3の発電効率は集光度を高めることにより向上するが、この発電効率は太陽電池セル集合体3に対する太陽光Lの入射角度も影響する。太陽電池セルの場合、太陽光Lは太陽電池セルの表面に垂直に入射するのが望ましく、太陽光Lの表面に対する入射角が大きくなればなる程、表面で反射される成分も多くなり、発電効率が低下する。特に、太陽電池セルの種類として、それぞれ異なる波長で発電する太陽電池セルを複数積層した多接合型太陽電池セルの場合は、部分的に発電しない素子が生じると、その素子に合わせて全体の発電効率も大きく低下するため、太陽電池セルには、その種類・構造により、それぞれ太陽光Lの許容入射角度がある。
そこで、センターミラー1にて反射されて太陽電池セル集合体3に至る太陽光Lの入射角度を、それぞれ太陽電池セルに固有の許容入射角度以内に維持する必要がある。
ビームダウン式の場合は、センターミラー1に近いヘリオスタット5は太陽電池セル集合体3に対して垂直(中心軸G)に近い角度で入射するため問題ない。これに対して、センターミラー1から遠いヘリオスタット5からの太陽光Lは、遠くなるほど太陽電池セル集合体3に対する入射角度(中心軸Gに対する)が大きくなるため、最遠のヘリオスタット5からの太陽光L′を太陽電池セル集合体3の許容入射角度以内にコントロールする必要がある。
そこで、図4に示すように、最遠のヘリオスタット5からの太陽光L′の太陽電池セル集合体3に対する入射角度θは、センターミラー1での反射点Pと中心軸Gとを結ぶ水平距離Mと、前記反射点Pと太陽電池セル集合体3の表面とを結ぶ垂直距離Hとの関係で決まる。従って、システム全体を設計する場合、まず必要な総エネルギー量からヘリオスタット5の総数が決められた後に、最遠のヘリオスタット5からの太陽光L′の入射角度θが許容入射角度以内になるように、この水平距離Mと垂直距離Hを決定する。2つの距離要素M,Hを調整する調整するだけで、最遠の太陽光L′の入射角度を許容入射角度以下に設定することができるため、全体設計が容易である。
以上説明したように、本実施形態によれば、太陽電池セル集合体3をビームダウン式の集光装置の第2焦点Bに位置させ、そこに複数のヘリオスタット5により反射した太陽光Lを当たるため、ヘリオスタット5のミラー2の枚数やヘリオスタット5自体の数を増やした分だけ、太陽電池セル集合体3に対する集光度を高めることができる。
図10及び図11は、本発明の第2実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第1実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
この実施形態では、支持台28の上部に筒型集光鏡27を設置し、その筒型集光鏡27の内側に太陽電池セル集合体3を設けたものである。筒型集光鏡27は複数のミラーセグメント29から形成されたテーパー形状で、上部開口よりも下部開口が小さくなっており、内面はミラーセグメント29により全体が鏡面になっている。そして、筒型集光鏡27の上部開口における中心に第2焦点Bが位置している。
ヘリオスタット5で反射された太陽光Lは、本来は正確に第1焦点Aを通過し、センターミラー1で反射されてから、全てが第2焦点Bに向かうように設計されているが、ヘリオスタット5の駆動機構の状態や、センターミラー1の反射面の状態によっては、一部の太陽光Lが第2焦点Bから少しずれる場合がある。そのような場合も、この実施形態によれば、第2焦点Bの周囲に筒型集光鏡27を設けているため、第2焦点Bから外れた太陽光Lも筒型集光鏡27の内面で反射して確実に太陽電池セル集合体3に導くことができる。筒型集光鏡27に導入される太陽光L′の入射角度θが小さいため、筒型集光鏡27の内面で反射されて太陽電池セル集合体3に入射する角度も小さくなる。
ある程度集光された太陽光Lが筒型集光鏡27の内面に当たるため、筒型集光鏡27は加熱された状態になるが、筒型集光鏡27が複数のミラーセグメント29から構成されているため、太陽光Lにより加熱されても各ミラーセグメント29内において内部応力を容易に解放することができ破損しにくい。
図12は、本発明の第3実施形態を示す図である。本実施形態も、先の実施形態と同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
この実施形態では、ビームダウン式のセンターミラー20の形状を、先の実施形態のような上に凸の楕円鏡形状から、下に凸の双曲面鏡に変更した例を示す。このような形状のセンターミラー20の場合は、最遠のヘリオスタットからの太陽光L′が手前側の反射点Pで反射して太陽電池セル集合体3に至るため、楕円鏡の場合と、太陽電池セル集合体3に入射する方向が逆になる。しかし、センターミラー20での反射点Pと中心軸Gとを結ぶ水平距離Mと、反射点Pと太陽電池セル集合体3の表面とを結ぶ垂直距離Hとの関係で、太陽光L′の入射角度θが決まることは相違ないので、全体設計する際には、この2つの距離要素M,Hを考慮して、最遠の太陽光L′の入射角度が許容入射角度以下になるように設計することができる。
尚、以上の各実施形態では、センターミラー1の角度120度の範囲を切り欠いた形状にして、ヘリオスタット5をセンターミラー1の周囲の角度240度の範囲に設置する例を示したが、センターミラー1は全方位をカバーする形状にして、ヘリオスタット5はセンターミラー1の全周に設置する構造にしても良い。
また、本実施形態では、4枚のミラー2を有するヘリオスタット5を例にしたが、ミラー2の数は4枚に限定されず、5枚以上にすることも可能である。
更に、太陽電池セル集合体3の裏面に、太陽電池セル集合体3を冷却する冷却体を設けても良い。冷却体としては、内部に水等の冷媒用通路を有する一体的な鋳造体が好適である。
更に、太陽電池セル集合体3の表面側に、光を集中させる1または複数の集光体を設けても良い。集光体としては、光の出口側の断面が狭まった略四角錐のプリズムが矩形状に並置された状態で一体成形されたものが好適である。集光体の光の入口側に、太陽光の強度を均一化し且つ紫外線を吸収するガラス部材を設けても良い。
1、20 センターミラー
2 ミラー
3 太陽電池セル集合体
5 ヘリオスタット
8 センサー
18 センサーミラー
27 筒型集光鏡
A 第1焦点
B 第2焦点
E タワー式のヘリオスタット設置範囲
X 赤経方向
Y 赤緯方向
L 太陽光
L′ 最遠のヘリオスタットからの太陽光
G 中心軸
S 太陽

Claims (5)

  1. 地上よりも高い位置に設置され、下面に反射面を有するセンターミラーと、
    前記センターミラーの周囲で、該センターミラーを中心とした角度90度を超える地上領域に設置され、太陽光を前記センターミラーに反射する複数のヘリオスタットと、
    前記センターミラーで反射された太陽光が集光する位置に設置され、複数の太陽電池セルを互いに隣接した状態で一体的に並置した太陽電池セル集合体とから構成されていることを特徴とする集光型太陽光発電システム。
  2. 前記センターミラーは、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第1焦点と第2焦点を持つものであり、
    前記太陽電池セル集合体は、前記第2焦点の位置に設置されており、
    前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする請求項1記載の集光型太陽光発電システム。
  3. 前記センターミラーは、断面が楕円に合致した湾曲面を有し、かつ、下方に第1焦点と第2焦点を持つものであり、
    上部開口よりも下部開口の方が小さく且つ内面が鏡面とされた筒型集光鏡を、前記上部開口の中心と前記第2焦点とを略一致させた状態で設置し、
    前記太陽電池セル集合体は、筒型集光鏡の下部開口内に設置されており、
    前記ヘリオスタットは、反射光が前記第1焦点へ向かうように制御されることを特徴とする請求項1記載の集光型太陽光発電システム。
  4. 前記ヘリオスタットは、日中の太陽方位の対角となる範囲に収まるように設置されており、前記センターミラーは、前記ヘリオスタットからの反射光が当たらない部分が切欠かれていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の集光型太陽光発電システム。
  5. 太陽電池セル集合体が、センターミラーの中心を鉛直方向に貫通する中心軸(G)上に水平状態で設置され、
    センターミラーから最遠のヘリオスタットで反射された太陽光がセンターミラーの反射点(P)で反射されて太陽電池セル集合体の表面に向かう入射角度(θ)が、太陽電池セルの許容入射角度以下となるように、
    前記反射点(P)と中心軸(G)とを結ぶ水平距離(M)と、前記反射点(P)と太陽電池セル集合体の表面とを結ぶ垂直距離(H)とが、それぞれ設定されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の集光型太陽光発電システム。
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