JP2004271063A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光線の性質と光発電素子との配置関係に着目し、反射鏡の形状および冷却機構に工夫を加えることにより、きわめて簡単な構成で、据付高さの低い構成とし、壁面への設置と大容量化に適した、受光効率の高い太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】長手方向が直線状であって長手方向に垂直な断面が放物線状である長尺の反射鏡の長手方向の軸が地球の自転軸と直角になるように設け、前記反射鏡の焦線又はその近傍に沿って太陽光の季節変化に伴う入射角変化に対応して、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面内において角度調整を行う太陽光発電装置において、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面形状が放物線の頂点を含まない片側の一部である太陽光発電装置としている。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を簡単な調整によって効率よく集光し、これを利用する太陽光発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光発電素子を用いた発電には、反射機構を特に設けずに太陽光を利用する方法があり、光発電素子を並べたパネルを水平面に対し若干傾斜して設置する固定型として一般に広く用いられている。これに対して太陽の反射光を利用する方法では、主として樋型などの反射板を用いて集光するものがあり、追尾機構を設けないか、設けても簡易的なものである。
【０００３】
図１０は従来の集光型太陽光発電装置の放物反射面線形集光器であり、放物線の頂点を含み光軸である主軸に対称な反射面を有する反射板の焦線（焦点の集合）上の長軸方向に太陽電池を並べたものである。また、図１１は従来の集光型太陽光発電装置の樋型側面反射板集光器であり、放物線の主軸に対称な反射面を有する反射板（放物状反射面Ａおよび放物状反射面Ｂ）の焦点付近に光発電素子を並べたものである。さらに、図１２は従来の太陽光集光装置であり、断面がパラボラ（放物線）状である反射鏡を設け、該反射鏡の焦点又はその近傍に沿って、長手方向において該反射鏡反射面と略平行をなす集光器を設け、太陽光の季節の変化に伴う入射角変化に対応して、該反射鏡と該集光器とが向かい合う前記断面方向に沿った角度αの調整を行う太陽光の集光装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、太陽追尾装置に関しては、図１３に示すように、経緯儀方式で反射板を鉛直軸と水平軸の周りを回転させることにより太陽を追尾して反射させるものがあり、レール２５上に回転自在に設けた水平ターンテーブル２４の上に、支持軸２３を介して反射板２７を取り付け、該水平ターンテーブル２４と支持軸２３を回転させるように構成されている。
【０００５】
また、図１４に示すように、いわゆる赤緯儀式で地球の自転軸に平行に回転二重軸を設けたもので、内側軸３５ａの先端にはアーム３９がピン継手を介して取り付けられ、他端にはピン継手を介してスライダー４１に連結されている。外側軸３５ｂの先端には円盤４６が取り付けられ、その外周にアーム３９のガイド４７が係合されている。一方ロッド４２はスライダー４１に摺動自在に挿入されると共に、軸受４４を介して回転自在に支持されるピン継手４３に連結されている。前記ロッド４２にはアーム３９および不動点Ｂを含む面と直角をなすように反射板２７が取り付けられている。外側軸３５ｂを１年に３６５．２５回転、内側軸３５ａを３６６．２５回転させることにより、太陽の仰角の変化をシミュレートし、反射板は理論的に太陽を正確に追尾できるとしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３１３６２９号公報
【特許文献２】
特開昭５６−４４４０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の集光型太陽光発電装置の放物反射面線形集光器では、放物線の頂点を含み光軸である主軸に対称な反射面を有する反射板の焦線上に太陽電池を並べたものであるため、太陽電池が反射板への入射光を遮り、単位面積当たりの発電量が減少する。また、大規模のものでは、太陽電池の大きさを十分に活かすことができず、壁面に平行に設置した太陽電池では、受光効率が更に低下する。
【０００８】
従来の集光型太陽光発電装置の樋型側面反射板集光器では、放物線の主軸に対称な反射面を有する反射板の焦点付近に光発電素子を並べたものであるため、軸対称反射板などを据付面から相当高い位置に反射板を設置しなければ集光できないため、壁面等への据付には不適当である。
【０００９】
一方、経緯儀方式の太陽追尾装置では、光発電素子に太陽光を正確に反射させるために、反射板の支持軸の回転速度を制御する必要があり高コストとなる。また、据付面から相当高い位置に反射板を設置しなければならないため、壁面等への設置は不適当である。さらに、特許文献２に示す赤緯儀方式の太陽追尾装置では、支持軸の回転速度は、地軸に平行な軸は一定速度に、地軸に垂直な軸は一年を周期とする往復運動としている。しかし、地軸に垂直な軸を、一年を周期とする往復運動として制御するためには、複雑なリンク機構が必要となり高コストとなる。また、大規模の反射板を壁面に設置することは構造上不適当である。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、太陽光線の性質と光発電素子の配置関係に着目し、反射鏡の形状および冷却機構に工夫を加えることにより、きわめて簡単な構成で、据付高を低くして壁面設置と大容量化に適した、受光効率の高い太陽光発電装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１では、長手方向が直線状であって長手方向に垂直な断面が放物線状である長尺の反射鏡を長手方向の軸が地球の自転軸と直角になるように設け、前記反射鏡の焦線又はその近傍に沿って光発電素子を設け、太陽光の季節変化に伴う入射角変化に対応して、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面内において角度調整を行う太陽光発電装置において、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面形状が放物線の頂点を含まない片側の一部である太陽光発電装置としている。このように、地軸に直交する焦線を有する放物線の主軸に対して、頂点を含まない片側のみの非対称の断面を有する反射鏡により集光し、焦線近傍で長手方向に光発電素子および冷却機構を配置することにより、反射鏡への太陽光を光発電素子により遮ることなく発電・冷却することができるため、壁面設置に適した発電効率の高い太陽光発電装置が得られる。
【００１２】
請求項２では、前記反射鏡の長さが、反射鏡の長手方向に垂直な断面における放物線の焦点から頂点までの距離の３倍より大きい太陽光発電装置としている。これにより、朝夕のように太陽の高度が低い光線についても十分に捕捉可能な、受光効率の高い太陽光発電装置が得られる。
【００１３】
請求項３は、前記光発電素子には冷却管が設けられており、該冷却管に冷媒を流通させて熱回収する太陽光発電装置としている。これにより光発電素子の高温化を避け、熱エネルギも利用することができる。請求項４は、前記冷却管が熱電変換素子を備え熱回収および電気回収する太陽光発電装置としている。このように、熱電変換素子の放熱側を冷媒で冷却することにより、光発電素子の冷却能力および熱電変換素子の発電能力を高め、もって総合発電効率を高め、季節あるいは利用形態により電気と熱の回収形態を容易に選択することができる。
【００１４】
請求項５は、前記反射鏡、光発電素子および冷却管が一体に構成された複数のユニットが並置されており、それぞれ、長手方向の軸を中心として同期的に回動可能である太陽光発電装置としている。これにより、太陽の赤緯や季節に対応して反射鏡の主軸の向きを回動可能に調整することができるので、受光効率の高い発電装置を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立って、太陽の運行および本発明の原理を図面に基づいて説明する。図１は地球上に太陽光発電装置を設置する地点Ｍからみた、天球上の太陽の軌道と太陽光の照射線の時刻および季節による包絡線の軌跡を示す。図１において、Ｍ点を通り地軸に平行な軸は水平に対してＭ点の緯度の角度だけ傾斜している。一般にＭ点を通る太陽光線の一日の包絡線の軌跡は、Ｍを頂点とする円錐形を形成し、春分および秋分の時のみ平面となる。また、夏至には地軸の黄道面に対する傾き２３．５度の余角の２倍である１３３度を頂角とする円錐形である。なお、図１中の細線部分は夜間の軌跡であり、地球の陰となるので太陽光線はＭ点には届かない。夏から秋にかけて頂角が徐々に増加し、秋分には平面となり、冬至には夏至とは逆の円錐形となる。また、日の出および日の入り付近は地球の空気層を斜めに横切るため太陽光線は弱く発電能力は低い。
【００１６】
図２は太陽光線による壁面の照射状況を示す模式図である。図２において、太陽光線は春分および秋分では、１日中地軸に垂直な方向から照射される。夏至付近では発電能力の低い日の出および日の入り付近の時刻を除けば、太陽光線は地軸に垂直な面からの対象面（図２では南面）において＋α度傾いた角度から照射される。この角度αを平均仰角とするとαは約２４度となる。また、冬至付近では発電能力の低い日の出および日の入り付近の時刻を除けば、太陽光線は地軸に垂直な面から−α度傾いた角度から照射される。このように、太陽光線は地軸に垂直な面から平均仰角αの範囲内で照射されている。この平均仰角αは＋２４度から−２４度であり季節に応じて変化する。
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図３は本発明の第一実施形態を示す太陽光発電装置の反射鏡の断面を模式的に示した図であり、図４は本発明の第一実施形態の一例を示す太陽光発電装置の模式的な正面図、図５は図４の側面図、図６は図４のＡ−Ａ線断面図である。図３において、反射鏡１の断面は太線で示すように、放物線の主軸２０に対して頂点Ｏを含まない片側のみの放物状の反射面を有する。また、主軸２０上にある焦点Ｆから放物線の頂点Ｏまでの距離をＤとすると、反射鏡の長さＬ（図４参照）は焦点Ｆから頂点Ｏまでの距離Ｄの４〜１０倍とすることが望ましい。
【００１８】
図４〜図６において、太陽光発電装置は、反射鏡１、光発電素子部、及び据付台部より構成されている。反射鏡１は凹面が太陽光２１と対向するように配置されている。光発電素子部は、前記反射鏡１の焦点位置に、反射鏡１の焦線と平行かつ反射鏡１の幅Ｌ方向と対向するように設置されており、断面が半円筒状であって太陽光２１を受けて直流電流を発生する光発電素子２と、該光発電素子２の内側（凹面側）に設けられた熱電変換素子３と、該熱電変換素子３の内側に設けられた冷却管４より構成されている。光発電素子２の凸側表面は、受光した太陽光２１の反射鏡１による反射光２２を、年間を通じて受光できる位置に固定されている。また、熱電変換素子３は、該熱電変換素子３の放熱側が冷却管４の外周側となるように巻着されている。光発電素子用配線および熱電変換素子用配線の電気系統１２は、冷却管４外周の受光しない部分に配線されている。さらに、冷却管４の両端部には冷媒の入口又は出口に接続するための継手１３（例えば、スイベルジョイントなど）が設けられている。
【００１９】
据付台部は、反射鏡１と光発電素子部を一体的に組立てるとともに建物等の壁面に取り付けるものである。略長方形に形成された取り付け座５の長手方向の両端部に、適宜な間隙を設けて一対の支持板６が立設されている。該支持板６の間隙部には、アーム７の一端が軸８を介して回動自在に保持されており、前記支持板６の外側に突出した軸部分にロック付歯車９が固着されている。アーム７の他端は、反射鏡１の頂点側の縁面に沿って取り付けられた反射鏡受１０が固着され、該反射鏡受１０の両端部には光発電素子部を把持する保持板１１が立設されている。前記ロック付歯車９は、図示しない回動手段（例えば、ハンドル）を回すことにより反射鏡１の角度を調整することができる。前記光発電素子２、熱電変換素子３および冷却管４の両端は、保持板１１により固定されているので、遠隔地点に設置された制御盤（図示しない）からの電気系統配線および冷却管配管の接続が容易である。
【００２０】
次に、本発明による太陽光発電装置の作用について説明する。反射鏡１の取り付け角度は、主軸２０の方向が予め季節の平均仰角と平行になるようにロック付歯車９で調整する。また、前述したように発電に有効でない日の出および日の入りの時刻を除けば、太陽光２１は平均仰角の方向から照射されるので、太陽の高度が高いときは勿論、比較的斜めに入射される場合でも、光発電素子２および反射鏡１の幅Ｌを長尺に形成しているので、日照時間中の殆どの太陽光２１を受光して反射することができる。
【００２１】
すなわち、理論的には光発電素子２および反射鏡１の幅Ｌが無限大であれば、反射された光は必ず光発電素子２で受光することができる。実際には光発電素子２および反射鏡１の幅Ｌは有限であるため、反射鏡１への入射角θ（反射鏡の焦線と平行な方向の、斜め上方から入射した入射光と垂直方向との角度）に対する光発電素子２の受光効率ηは、反射鏡１の焦点Ｆと頂点Ｏの距離をＤ、幅をＬとすると、次式で表される。
η＝（１−Ｄ／Ｌ × ｔａｎθ）× ｃｏｓθ
【００２２】
図７は、太陽光の入射角と光発電素子の受光効率の関係を示したものである。図７において、Ｄ／Ｌ＝０が理想であるが、入射角４５°においてＤ／Ｌ＝０．２以下であれば、受光効率は理想の場合に比べてその差は約２０％以下であるから、実用上支障はない。太陽光２１の平均仰角は季節によって変化するが、１年間で±２４度の範囲であるから１ヶ月〜２ヶ月で４度〜８度である。したがって、本実施形態の太陽光発電装置では１〜２ヶ月に１回程度、反射鏡１の角度を調整すればよい。
【００２３】
以上のように、本発明の太陽光発電装置では装置全体の構成がきわめて簡単であり、据付面からの全高を低くすることができるため、美観性、メンテナンス性および耐風強度に優れており壁面設置に適している。また、光発電素子２および反射鏡１の幅Ｌを長尺に形成することにより、日の出および日の入り時を除いて実質的に一日中受光可能であるから、１年間の季節を通じて比較的効率の高い太陽光発電装置とすることができる。
【００２４】
一方、反射鏡１の受光投影面積と光発電素子２の総面積の比率を大きく（例えば、４〜６）すると、光密度が高く発電容量は大きくなるが、熱エネルギ密度も高くなってくる。光発電素子２の温度が上昇すると発電能力が低下するので、光発電素子２の裏面に貼着された熱電変換素子３を介して冷却することにより光発電素子２から熱を吸収し、冷却管４に流れる冷媒により冷却される熱電変換素子３が発電する。これにより、光発電素子２の発電能力を低下させることなく、冷媒に吸収された熱エネルギを回収する前に温度差を利用して発電し、熱エネルギを有効に利用することができる。
【００２５】
本発明による太陽光発電装置は、建築物の南面の壁に設置すると、光発電素子２の単位面積当たり最も大きいエネルギを受光することができる。なお、壁の南面に設置した場合の焦線の方向は東西方向となる。ただし、南面が利用できない場合であっても、反射鏡１の焦線を設置面に平行かつ地軸に垂直となるように設置することにより、前記同様に比較的効率の高い太陽光発電装置とすることができる。図８は本発明による太陽光発電装置を建築物の東南の壁面に設置した状態を示す説明図である。図８に示すように、太陽光発電装置は反射鏡の焦線を設置面に平行かつ地軸に垂直となるようにするため、壁面に対して斜めに設置される。太陽光発電装置の傾斜角度は緯度によって異なるが、東南の壁面に設置する場合、通常は午後３時過ぎ以降は建物の影に入るので太陽光を受光せず、一日の受光エネルギ量は少なくなるが、南面に設置した場合と同様な原理で効率の高い太陽光発電装置とすることができる。なお、前記太陽光発電装置は、壁面以外に建築物の屋上や地面等の水平面に設置することもできる。
【００２６】
図９は本発明の第二実施形態の一例を示す太陽光発電装置を模式的に示した正面図である。図９においては、第一実施形態の太陽光発電装置を４台並置したものであるが、連結する台数は設置場所に応じて適宜増減が可能である。以下、第一実施形態との相違点について述べる。太陽光発電装置は、取り付け座５により夫々壁面に取り付けられるが、複数の太陽光発電装置を共通の取り付け座５とすることも可能である。最上段の太陽光発電装置の上部には、角度調整手段１４が取り付けられている。また、該角度調整手段１４の両側に設けられた歯車１５と、太陽光発電装置に設けられた夫々のロック付歯車を巻回する無端状帯１６（例えば、チェーン、歯付ベルト等）が取り付けられている。前記無端状帯１６を図示しない回動手段（例えば、牽引ロープ）で回すことにより、連結された太陽光発電装置の反射鏡等を一斉に同一位相で角度調整することができる。また、図９では、冷却管路１７は各段の継手を介して直列に連結されている。なお、第二実施形態の機能については第一実施形態と同様である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の太陽光発電装置は、長手方向が直線状であって長手方向に垂直な断面が放物線状である長尺の反射鏡の長手方向の軸が地球の自転軸と直角になるように設け、前記反射鏡の焦線又はその近傍に沿って光発電素子を設け、太陽光の季節変化に伴う入射角変化に対応して、前記反射鏡の長手方向垂直断面内において角度調整を行う太陽光発電装置において、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面形状が放物線の頂点を含まない片側の一部である太陽光発電装置としている。これにより、地軸に直交する焦線を有する放物線の主軸に対して、頂点を含まない片側のみの非対称の断面を有する反射鏡により集光し、焦線近傍で長手方向に光発電素子および冷却機構を配置することにより反射鏡への太陽光を光発電素子により遮ることなく発電・冷却することができるため、壁面の設置に適した構造に形成することができると共に、発電効率の高い太陽光発電装置とすることができる。
【００２８】
また、前記反射鏡の長さが、反射鏡の長手方向に垂直な断面における放物線の焦点から頂点までの距離の３倍より大きい太陽光発電装置としているため、朝夕のように太陽の高度があまり高くない斜めの光線についても十分に捕捉可能な、受光効率の高い太陽光発電装置とすることができる。
【００２９】
また、前記光発電素子には冷却管が設けられており、該冷却管に冷媒を流通させて熱回収する太陽光発電装置としている。これにより光発電素子の高温化を避け、熱エネルギも利用することができる。さらに、前記冷却管が熱電変換素子を備え熱回収又は電気回収する太陽光発電装置としている。熱電変換素子の放熱側を冷媒で冷却することにより、発電素子の冷却能力および熱電変換素子の発電能力を高め、もって総合発電効率を高め、季節あるいは利用形態により電気と熱の回収形態を容易に選択することができる。
【００３０】
また、前記反射鏡、光発電素子及び冷却管が一体的に構成された複数のユニットが並置されており、それぞれ長手方向の軸を中心として同期的に回動可能である太陽光発電装置としている。これにより、太陽の赤緯や季節に対応して反射鏡の主軸の向きを回動可能に調整することができるので、受光効率の高い発電装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】天球上の太陽の軌道と太陽光の包絡線の軌跡を示した図である。
【図２】太陽光線による壁面への照射の軌跡を示した模式図である。
【図３】本発明の第一実施形態を示す太陽光発電装置の反射鏡の断面を模式的に示した図である。
【図４】本発明の第一実施形態の一例を示す太陽光発電装置の模式的な正面図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明による太陽光の入射角と光発電素子の受光効率の関係を示したものである。
【図８】本発明による太陽光発電装置を建築物の東南の壁面に設置した状態を示す説明図である。
【図９】本発明の第二実施形態の一例を示す太陽光発電装置の正面図である。
【図１０】従来の集光型太陽光発電装置の放物反射面線形集光器の模式図である。
【図１１】従来の集光型太陽光発電装置の樋型側面反射板集光器の模式図である。
【図１２】従来の太陽光集光装置の模式図である。
【図１３】従来の太陽光追尾装置の斜視図である。
【図１４】従来の太陽光追尾装置の模式図である。
【符号の説明】
１…反射鏡、２…光発電素子、３…熱電変換素子、４…冷却管、５…取り付け座、６…支持板、７…アーム、８…軸、９…ロック付歯車、１０…反射鏡受、１１…保持板、１２…電気系統、１３…継手、１４…角度調整手段、１５…歯車、１６…無端状帯、１７…冷却管路、２０…主軸（光軸）、２１…太陽光、２２…反射光

Claims (5)

1. 長手方向が直線状であって長手方向に垂直な断面が放物線状である長尺の反射鏡の長手方向の軸が地球の自転軸と直角になるように設け、前記反射鏡の焦線又はその近傍に沿って太陽光の季節変化に伴う入射角変化に対応して、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面内において角度調整を行う太陽光発電装置において、前記反射鏡の長手方向に垂直な断面形状が放物線の頂点を含まない片側の一部であることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記反射鏡の長さが、反射鏡の長手方向に垂直な断面における放物線の焦点から頂点までの距離の３倍より大きいことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
3. 前記光発電素子には冷却管が設けられており、該冷却管に冷媒を流通させて熱回収することを特徴とする請求項１〜２いずれかに記載の太陽光発電装置。
4. 前記冷却管には熱電変換素子が設けられており、該熱電変換素子により熱回収および電気回収することを特徴とする請求項３記載の太陽光発電装置。
5. 前記反射鏡、光発電素子及び冷却管が一体的に構成された複数のユニットが並置されており、それぞれ長手方向の軸を中心として同期的に回動可能であることを特徴とする請求項３〜４いずれかに記載の太陽光発電装置。

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