JP2024020095A - 透明太陽電池が設置された窓構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両１や建物３の窓２、４に於いて透明太陽電池２ａが設置され、発電しながら採光できるよう構成された窓構造に於いて、透明太陽電池により、できるだけ多くの光エネルギーを電気エネルギーとして回収できるようにする。
【解決手段】 室内外を分ける壁構造に開口され、可視光を透過し近赤外光を吸収して発電する透明太陽電池が設置されている窓構造２、４に於いて、窓構造の室内側にて窓の少なくとも一部を覆うことができ、窓構造の室外側から室内側へ透過する光を遮光するよう配置可能な可動式のシェード１０が設けられ、シェードの室外側の面上に光を反射する反射層１２が適用され、反射層上に可視光を吸収して近赤外光を放出する波長変換層１４が積層され、シェードが窓の少なくとも一部を覆う位置に在るときに、波長変換層が透明な太陽電池を透過した可視光を吸収して放出した近赤外光が反射層にて反射されて透明太陽電池へ照射される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両や建物の透明なガラス又は樹脂が嵌め込まれた窓構造に係り、より詳細には、可視光を透過し、発電しながら室内への採光を可能とする透明な太陽電池が設置された窓構造に係る。

自動車等の車両や建物の屋根に太陽電池を搭載し、そこで発電された電力エネルギーを車両に於ける種々の作動や建物に於ける種々の機器の作動に利用する試みが為されている（例えば、特許文献１など）。この点に関し、一般的な太陽電池（特許文献２など）の場合には、光を透過させないので、そのような太陽電池を、車両や建物に於ける採光のための窓に配置することはできない。しかしながら、近年、可視光領域の波長の光を透過し、紫外線領域又は近赤外線領域の光で発電する透明な太陽電池（特許文献３など）が開発されており、かかる透明な太陽電池は、採光用の窓枠に嵌め込むことにより、或いは、窓上に設置することにより、採光しつつ、発電できる窓として利用可能である。なお、特許文献４に於いて、近赤外領域の光を吸収して発電する太陽電池モジュールの意匠性向上と発電効率低下防止のための太陽電池の非受光面側に積層される裏面保護シートとして、近赤外領域の光を反射する反射層の上に、可視光領域の長波長側の光をそれよりも長波長の光に変換する波長変換剤を含有する透明密着樹脂層を積層して成るシートを用い、太陽電池の裏面側に到達した可視光領域の長波長側光を透明密着樹脂層で近赤外領域の光に変換し、かかる近赤外領域の光を反射層で反射させて可視光域の光の利用効率を高めるといったことが提案されている。

特開２００９－１０１２７ 特開２０２１－１６８３２２ 特開２０１８－３２８７２ 特開２０１８－８２０３１

上記の如く可視光を通す透明な太陽電池（以下、「透明太陽電池」とする。）を車両や建物の窓（即ち、車両や建物に於いて、室内外を仕切る壁構造に開口された光を透過する窓枠内の領域）に配置した構成に於いて、透明太陽電池は、可視光を透過するので、可視光のエネルギーは発電に利用されず、その分、太陽光エネルギーの利用効率は、太陽光の広範囲の波長領域に亙る光で発電する太陽電池に比して、低下することとなる。

ところで、車両や建物の窓に於いて、遮光或いは目隠しのために、窓の室内側に可動式の、光を透過させないシェード（光を遮るための内装板又は内装幕）が設けられている場合がある。そのような可動式のシェード上に、可視光を吸収して近赤外光を放出する蛍光物質などの波長変換物質を含む層（波長変換層）が積層されて、かかる波長変換層へ透明太陽電池を透過してきた可視光が入射され、そこから放出された近赤外光を透明太陽電池へ戻す構成が形成されていれば、シェードが窓を覆っている間に於いては、太陽光に含まれる可視光が近赤外光に変換された後に透明太陽電池により吸収されて電力として回収できることとなるので、その分、太陽光エネルギーの利用効率が向上できることとなる。その場合、シェード上の波長変換層から放出される近赤外光ができるだけ多く透明太陽電池へ戻されるようになっていると、更に有利である。

かくして、本発明の一つの課題は、車両や建物の窓に於いて透明太陽電池が設置され、発電しながら採光できるよう構成された窓構造に於いて、透明太陽電池により、できるだけ多くの光エネルギーを電気エネルギーとして回収できるようにすることである。

また、本発明のより詳細な課題は、上記の如き窓構造に於いて、シェードの室外側に可視光を吸収して近赤外光を放出する波長変換層を適用し、かかるシェードで窓からの太陽光を遮光している間に於いては、波長変換層により透明太陽電池を透過してきた太陽光の可視光成分を近赤外光に変換し、変換された近赤外光ができるだけ多く透明太陽電池へ戻されるようにして、透明太陽電池によって、できるだけ多くの光エネルギーを電気エネルギーとして回収できるようにすることである。

本発明の一つの態様によれば、上記の課題は、室内外を分ける壁構造に開口された光を透過する窓枠内の領域に可視光を透過し近赤外光を吸収して発電する透明太陽電池が設置されている窓構造にして、前記透明太陽電池が前記窓構造の室外側からの太陽光に照射され、該太陽光中の近赤外光成分を吸収して発電するよう構成された窓構造であって、
前記窓構造の室内側にて前記窓枠内の領域の少なくとも一部を覆うことができ、前記窓構造の室外側から室内側へ前記窓枠内の領域の少なくとも一部を透過する光を遮光するよう配置可能な可動式のシェードが設けられ、
前記シェードの室外側の面上に少なくとも近赤外光を反射する反射層が適用され、
前記反射層上に可視光を近赤外光に変換して放出する波長変換層が積層され、
前記シェードが前記窓枠内の領域の少なくとも一部を覆う位置に配置されているときに、前記波長変換層が前記透明な太陽電池を透過した可視光を吸収して放出した近赤外光が前記反射層にて反射されて前記透明太陽電池へ照射されるよう構成された窓構造によって達成される。

上記の本発明の構成に於いて、「室内外を分ける壁構造」とは、自動車等の車両の車体の外壁、建物の外壁などであってよい。車両の場合、「窓構造」とは、フロントウィンドウ、サイドウィンドウ、リアウィンドウ、天窓（サンルーフ、パノラマルーフ）など、車体の車室の外壁に形成された窓枠内の領域に透明な平板状のガラス材又は樹脂材が嵌め込まれた窓の構造であってよい。また、建物の場合、「窓構造」とは、建物の外壁に形成された窓枠内の領域に透明な平板状のガラス材又は樹脂材が嵌め込まれた窓の構造であってよい。「透明太陽電池」とは、特許文献３に記載されている如く、可視光を透過し近赤外光を吸収して発電する任意の形式の太陽電池であってよく、透明な平板状のガラス材又は樹脂材の一部として窓枠内の領域に嵌めこまれるか、透明な平板状のガラス材又は樹脂材上に貼着されることで設置されてよい。かくして、上記の如く、窓枠内の領域に設置された透明太陽電池へ室外から太陽光が照射されると、太陽光中の可視光成分は透明太陽電池を透過する一方、近赤外光成分は、透明太陽電池に吸収されて電力に変換される。

そして、上記の本発明の窓構造には、その室内側に於いて、可動式のシェードが窓枠内の領域の少なくとも一部を覆うことができ、窓構造の室外側から室内側へ窓枠内の領域の少なくとも一部を透過する光を遮光するように配置可能に設置される。即ち、シェードは、窓構造から室内への採光をしたいときには、窓枠内の領域を覆わない位置に移動され、窓構造から室内への遮光をしたいときには、窓枠内の領域を覆う位置に移動できるよう構成される。かかるシェードに於いて、その室外側の面上に、先ず、少なくとも近赤外光を反射する反射層が適用され、その反射層上に可視光を吸収して近赤外光を放出する波長変換層が積層される。なお、波長変換層は、任意の形式にて可視光を吸収して近赤外光を放出する層であってよく、典型的には、可視光を吸収して近赤外光を放出する蛍光物質の分散された蛍光層であってよいが、これに限定されない（可視光を吸収して近赤外光を放出するりん光物質が用いられてもよい。）。かかる構成によれば、シェードが窓枠内の領域の少なくとも一部を覆う位置に在るときには、透明太陽電池に波長変換層が対向した状態となるので、透明太陽電池を透過した可視光成分が波長変換層へ入射し、これにより、波長変換層から近赤外光が放出され、その一部は、直接に透明太陽電池へ入射し、他の一部は、反射層で反射されて透明太陽電池へ入射することとなる。この状態に於いて、透明太陽電池には、太陽光からの近赤外光を用いて発電するだけでなく、太陽光からの可視光成分も用いて発電できることとなり、より多くの太陽光エネルギーを電気エネルギーとして回収できることとなる。

上記の本発明の構成に於いて、波長変換層にて可視光から変換された近赤外光は、波長変換層の縁面からも出射され得る。そこで、波長変換層の縁面から出射される近赤外光も有効に発電に利用できるようにするために、シェードの反射層は、波長変換層の縁を覆うよう形成され、波長変換層の縁から出射する近赤外光が透明太陽電池へ照射されるよう構成されていてよい。具体的には、反射層は、その中央領域よりも縁部分へ向かって厚みが厚く形成され、縁部分の反射面が透明太陽電池へ対向するように傾斜された形状であってよい。

かくして、上記の本発明によれば、車両や建物に於ける窓構造に透明太陽電池が設置され、発電しながら、採光できる構成に於いて、窓からの採光が不要である場合に、窓をシェードで覆ったときには、シェードに於いて、透明太陽電池を透過した可視光が近赤外光に変換されて、透明太陽電池へ戻されることで、太陽光中の可視光のエネルギーも電力に変換されて回収できることとなり、その分、太陽光エネルギーの利用効率を向上することが可能となる。また、反射層が波長変換層の縁を覆うよう形成されている場合には、透明太陽電池へ戻される可視光だったエネルギーが多くなり、太陽光エネルギーの利用効率が更に向上されることとなる。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態が適用される窓構造を有する車両と建物の模式図である。 図２（Ａ）は、本実施形態が適用される窓構造に於ける、シェードが窓を覆っていない状態の模式的な断面図であり、図２（Ｂ）は、本実施形態が適用される窓構造に於ける、シェードが窓を覆っている状態の模式的な断面図である。

１…車両
１ａ…車両の外壁
１ｗ…窓枠
２、４…窓
２ａ、４ａ…透明太陽電池
３…建物
３ａ…建物の外壁
１０…シェード
１２…反射層
１２ｅ…反射層の縁部
１４…波長変換層（蛍光層）
ｉｒｌ…近赤外光
ｖｌ…可視光
Ｓ…太陽光

本実施形態の窓構造の構成
図１（Ａ）、（Ｂ）に描かれている如く、本実施形態の構成は、車両１に於ける車室を画定する外壁に形成されたフロントウィンドウ、サイドウィンドウ、リアウィンドウ、天窓などの窓２の構造や、建物３の外壁に形成された窓４の構造に適用されてよい。

図２（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本実施形態の窓２、４に於いては、具体的には、まず、室外側Ｏと室内側Ｉとの間を仕切る外壁１ａ、３ａに室外側Ｏからの採光のために開口された窓枠１ｗ、３ｗに透明なガラス材又は樹脂材から成る平板が嵌めこまれるところ、かかる平板内又は平板上に、可視光を透過し、近赤外光を吸収して発電する透明な太陽電池２ａが設置される。なお、透明太陽電池２ａとは、肉眼で太陽電池をその一方側を観察したときに、反対側が透けて見える太陽電池であり、そのような特性を有する太陽電池であれば、任意の形式のものが採用されてよい。

また、図２（Ｂ）に描かれている如く、窓２、４の室内側Ｉに於いて、室外側Ｏからの光を遮光する際には、可動式のシェード１０が窓２、４を覆うように配置できるよう設けられる。かかるシェード１０は、例えば、図示の如く、矢印Ｘの方向に、窓２、４の面に沿って、適宜、移動されて、窓２、４の全域を覆わずに、採光を許す「全開位置」と、窓２、４の全域を覆い、遮光する「全閉位置」との間で可動式に摺動されて、任意の位置に配置されてよい。或いは、図示していないが、シェード１０は、窓２、４の全域を覆わない「全開位置」と窓２、４の全域を覆った「全閉位置」との間で、ヒンジ式に窓構造２、４に対して枢動されてもよい。

そして、上記のシェード１０に於いては、図示の如く、内装板又は内装幕１１の室外側に反射層１２が積層され、かかる反射層１２上に、可視光ｖｌを近赤外光ｉｒｌに変換する波長変換層１４が積層される。反射層１２は、室外側Ｏから室内側Ｉの方向に伝播してきた光を室外側Ｏ、即ち、透明太陽電池２ａへ向かって反射する任意の形式の層、例えば、鏡面層であってよい。また、波長変換層１４は、任意の方式にて、可視光ｖｌを近赤外光ｉｒｌ（透明太陽電池２ａが電力に変換できる波長の光）に変換する層であってよく、典型的には、可視光ｖｌを吸収して近赤外光ｉｒｌを放出する蛍光物質又はりん光物質が分散された透光性材料にて形成された層であってよい。蛍光物質又はりん光物質としては、可視光ｖｌを吸収して近赤外光ｉｒｌを放出する任意の色素物質や量子ドットなどが用いられてよい。

なお、上記の波長変換層１４に於いて、可視光ｖｌから変換された近赤外光ｉｒｌは、通常、波長変換層１４の全方位に放出されるところ、波長変換層１４の縁面から放出される近赤外光ｉｒｌが透明太陽電池２ａへ向かうように、波長変換層１４の縁面も、反射層１２の一部に覆われるように、反射層１２が形成されていてよい。より好適には、図示の如く、波長変換層１４の縁面から出射する光が透明太陽電池２ａへ向かうように、反射層１２の縁部１２ｅは、反射面が透明太陽電池２ａに向くように傾斜されていてよい。

本実施形態の窓構造の作用
図２（Ａ）の如く、透明太陽電池２ａが窓枠１ｗ、３ｗに設置されている場合、外壁１ａ、３ａの室外側Ｏから室内側Ｉへ太陽光Ｓが入射する際に、透明太陽電池２ａは、太陽光中の近赤外光（７００ｎｍ～）ｉｒｌを吸収して電力に変換する（発電する）一方、太陽光中の可視光（３８０ｎｍ～７００ｎｍ）ｖｌを透過させるので、透明太陽電池で発電しながら、肉眼で見える光を室内側Ｉへ採り入れることが可能となる。しかしながら、可視光ｖｌは、室内側Ｉへ入射することとなるので、可視光ｖｌのエネルギーは、電力として回収することができないこととなる。

ところで、車両１や建物３に於いて、窓２、４からの採光が必要ない場合若しくは望まれない場合には、上記の図２（Ｂ）の如く、窓２、４の少なくとも一部を覆うように光を透さないシェード１０が窓２、４に沿って配置される。そこで、本実施形態に於いては、シェード１０の窓２、４に対向した側に、上記の如く、可視光ｖｌを近赤外光ｉｒｌに変換する波長変換層１４と、そこから放出された近赤外光を透明太陽電池２ａへ向かわせる反射層１２とが設けられる。

かかる構成によれば、図２（Ｂ）の如く、シェード１０が窓２、４に沿って配置されている状態に於いて、先ず、太陽光が窓２、４に照射されると、上記の如く、太陽光中の近赤外光ｉｒｌは、透明太陽電池２ａに吸収されて電力に変換される。一方、透明太陽電池２ａを透過した可視光ｖｌは、波長変換層１４に到達し、そこに於いて、近赤外光ｉｒｌに変換されて放出されることとなる。かかる近赤外光ｉｒｌのうち、透明太陽電池２ａへ向かって伝播する成分は、そのまま、透明太陽電池２ａに到達し、透明太陽電池２ａから離れる方向に伝播する成分は、反射層１２で反射されて、透明太陽電池２ａに到達し、更に、波長変換層１４の縁面から出射する成分は、反射層１２の傾斜された縁部１２ｅにて反射されて、透明太陽電池２ａに到達することとなる。かくして、波長変換層１４から種々の方向へ放出された近赤外光成分のいずれも透明太陽電池２ａに到達し、そこで吸収されて電力に変換される。これにより、シェード１０が窓２、４を覆っている間に於いては、太陽光中の近赤外光のエネルギーだけでなく、可視光のエネルギーも、透明太陽電池２ａにより電力に変換され回収できることとなり、太陽光の利用効率を向上することが可能となる。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (5)

1. 室内外を分ける壁構造に開口された光を透過する窓枠内の領域に可視光を透過し近赤外光を吸収して発電する透明太陽電池が設置されている窓構造にして、前記透明太陽電池が前記窓構造の室外側からの太陽光に照射され、該太陽光中の近赤外光成分を吸収して発電するよう構成された窓構造であって、
   前記窓構造の室内側にて前記窓枠内の領域の少なくとも一部を覆うことができ、前記窓構造の室外側から室内側へ前記窓枠内の領域の少なくとも一部を透過する光を遮光するよう配置可能な可動式のシェードが設けられ、
   前記シェードの室外側の面上に少なくとも近赤外光を反射する反射層が適用され、
   前記反射層上に可視光を近赤外光に変換して放出する波長変換層が積層され、
   前記シェードが前記窓枠内の領域の少なくとも一部を覆う位置に配置されているときに、前記波長変換層が前記透明な太陽電池を透過した可視光を吸収して放出した近赤外光が前記反射層にて反射されて前記透明太陽電池へ照射されるよう構成された窓構造。
2. 請求項１の窓構造であって、前記反射層が前記波長変換層の縁を覆うよう形成され、前記波長変換層の縁から出射する近赤外光が前記透明太陽電池へ照射されるよう構成された窓構造。
3. 請求項１の窓構造であって、前記波長変換層が可視光を吸収して近赤外光を放出する蛍光物質の分散された蛍光層である窓構造。
4. 請求項１乃至３のいずれかの窓構造であって、車両に形成される窓構造。
5. 請求項１乃至３のいずれかの窓構造であって、建物に形成される窓構造。

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