JP3969792B2

JP3969792B2 - 太陽光熱発電システム

Info

Publication number: JP3969792B2
Application number: JP18664397A
Authority: JP
Inventors: 正之新野; 且人木皿; 昭二中島; 政之松林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: JPH1131835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽光熱発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術を図５に示す。
図５に示すように、太陽光は反射鏡１０１により反射され集熱器１０２に集められる。
【０００３】
その熱の回収を熱媒循環で行う。
熱媒は、ポンプ１０３により集熱器１０２で集熱した後、熱交換器（蓄熱体）１０４で水蒸気など作動媒体と熱交換し、管１０９を通ってポンプヘ戻る。
【０００４】
発電は、ポンプ１０８、タービン１０５および凝縮器１０７からなるサイクルにより行われる。
ここで１０６は発電機である。
また、この発電サイクルには、通常水蒸気が作動媒体として用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術には、次のような問題がある。
（１）太陽熱は１日の変化が大きいので、それに対応して常に高効率で発電することは出来ない。
【０００６】
その原因は、発電サイクル、あるいは太陽熱の利用方法が単一のため、その設計点付近では高効率だが、設計点を外れた太陽熱に対しては効率が大きく低下するためである。
【０００７】
通常、図５に示すような従来の発電システムでは、タービン１０５の入口温度が高いほど、高効率の発電が可能になる。
例えば、水蒸気サイクルでは、
タービンの入口温度４００゜Ｃでは、発電端効率は３４％に対して、
タービンの入口温度５７０゜Ｃでは、発電端効率は４０％に達する。
【０００８】
しかしながら、一方では集熱温度が高ければ、太陽熱の集熱効率は低下し、太陽熱が弱くなれば、その集熱温度の設計点に達しない場合もありうる。
従って年間の太陽熱利用率の現状は、約２０％が限界となつている。
（２）太陽光には、反射鏡によってに集めることが可能な直達光と、反射光により散乱してしまい集熱できない散乱光がある。
【０００９】
従來のシステムでは、直達光のみを利用するので、太陽エネルギーの利用率は曇天時や冬季は著しく悪くなる。
（３）タービン１０５、発電機１０６、ポンプ１０３等の回転機器がある為、定期的な点検が必要である。
本発明は、これらの問題を解決することができるシステムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る太陽光熱発電システムは、放物線状に形成された太陽電池と、太陽電池の表面に配設され所定値よりも波長の短い光を通過させる波長選択反射透過膜と、前記太陽電池の裏面に配設されて前記太陽電池及び波長選択反射透過膜を冷却する第１熱交換器と、前記太陽電池の裏面であって前記太陽電池と前記第１熱交換器との間に配設された反射鏡と、前記太陽電池に対向して配設された熱電発電素子と、この熱電発電素子を冷却する第２熱交換器とを具備することを特徴とする。
【００１１】
したがって、次のように作用する。
（１）太陽光が強い場合は、
（ａ）太陽光のうち所定値よりも波長の長い光は、波長選択反射透過膜８で反射され、熱電発電素子２に集熱されて直接熱電変換により発電されるとともに、（ｂ）選択透過膜８を透過した所定値よりも波長の短い光は、太陽電池１において吸収されて直接発電される。
【００１２】
（ｃ）また、熱電発電素子２および太陽電池１に冷却用に設けられている熱交換器により給湯に利用する温水が得られる。
（２）太陽光が弱い場合は、
太陽電池１の吸収光で直接発電される。
（３）このようにして太陽熱を効率よく利用した発電が行えるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４に示す。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るシステムの全体系統図、
図２は、第１の実施の形態に係る集光器の説明図、
図３は、第１の実施の形態に係る集光器の作用説明図、
図４は、第１の実施の形態に係るシステムによる太陽エネルギーの利用説明図である。
【００１４】
本発明の第１の実施の形態を図１〜図４により説明する。
まず図１に示すように、太陽に向かうように放物面状の集光器１０が設けられている。
【００１５】
この放物面状の集光器１０は、表面に所定値より波長の短い、即ち太陽電池１にて発電可能な波長の光を選択して透過するともに、それ以外の光を反射する波長選択反射透過膜８と、波長選択反射透過膜８の裏面に配設された太陽電池１と、太陽電池１の裏面に配設され、それらを冷却する熱交換器３Ａが設けられている。
【００１６】
なお、通常太陽電池１は不透明であるが、太陽電池１が透明または半透明な場合は、図１に示すように、太陽電池１と熱交換器３Ａとの間に反射鏡７を配設して、光を有効に利用するようにしても良い。
【００１７】
一方、集光器１０に対向して、波長選択反射透過膜８の反射光を受けるための熱電発電素子２（熱電対等）およびそれを冷却する熱交換器３Ｂが設けられでいる。
【００１８】
そして、太陽電池１は太陽光６により光発電を行うとともに、熱電発電素子２は集光器１０からの反射光により熱発電を行う。
また、放物面状の集光器１０および熱電発電素子２で発生した熱は、熱交換器３Ａおよび熱交換器３Ｂにより冷却水４で冷却され、温水として給湯５される。
【００１９】
つぎに図２の断面図に示すように、前記集光器１０は、表面から波長選択反射透過膜８と、太陽電池１（透明電極１ａ、ｐ層１ｂ、ｉ層１ｃ、ｎ層１ｄ、透明電極１ｅ）と、反射鏡７の層で構成されている。
【００２０】
以上の構成において、図３と図４に示すように、
（ａ）太陽からの入射光（Ｉ₀ ）のうち所定値より波長の長い光は、波長選択反射透過膜８で鏡面反射され、第１次反射光（Ｉ_r1）として集光され熱電発電素子２に到達する。
【００２１】
また一部は、第１次散乱反射成分（Ｉ_s1）として波長選択反射透過膜８の表面で散乱反射し損失となる。
（ｂ）他の光は太陽電池１に入射する。
【００２２】
そして、太陽電池１に入射した光の一部は、第１次光発電寄与分（Ｉ_c1）として太陽電池１で電気エネルギーに直接変換される。
（ｃ）また、太陽電池１が透明または半透明な場合は、残った光は、太陽電池１の裏面に配設された反射鏡７に達し、ほとんど全て反射される。
【００２３】
また、一部は、第２次散乱反射成分（Ｉ_s2）として反射鏡７の表面で散乱反射し損失となる。
（ｄ）反射鏡７で反射した光は、再び太陽電池１に入射し、第２次光発電寄与分（Ｉ_c2）として太陽電池１で電気エネルギーに直接変換される。
【００２４】
なお、太陽電池１等で発生した熱は、熱交換器３Ａにより熱利用（Ｉ_h1）される。
（ｅ）そして、残りの光は、再び波長選択反射透過膜８を通過し、第２次反射光（Ｉ_r2）として、集光され熱電発電素子２に到達する。
（ｆ）熱電対等の熱電発電素子２に到達した第１次反射光（Ｉ_r1）および第２次反射光（Ｉ_r2）は、直接熱電変換により、電気エネルギー（Ｉ_c3＋Ｉ_c4）に変換される。
【００２５】
なお、熱電発電素子２で発生した熱は、熱交換器３Ｂにより熱利用（Ｉ_h2＋Ｉ_h3）される。
（ｇ）このように、第１の実施の形態での太陽エネルギー利用（Ｉ_c1＋Ｉ_c2＋Ｉ_c3＋Ｉ_c4＋Ｉ_h1＋Ｉ_h2＋Ｉ_h3）率は、約７２％となり、従来のシステムよりも高くなっている。
また太陽熱が弱い冬季においても発電を行うことができるため、従来のシステムに比べて太陽熱の利用率が高くなる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は前述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
（１）太陽熱の強い場合、弱い場合に応じて、太陽電池１と、熱電発電素子２と、熱交換器３により、太陽熱の利用効率を大幅に向上することが出来る。
（２）上記により、冬季にも発電できるのみならず、太陽熱利用の季節変動を緩和することが出来る。そのため、利用に便利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るシステムの全体系統図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る集光器の説明図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る集光器の作用説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るシステムの太陽電池の作用説明図。
【図５】従来システムの全体構成図。
【符号の説明】
１ …太陽電池
１ａ…透明電極
１ｂ…ｐ層
１ｃ…ｉ層
１ｄ…ｎ層
１ｅ…裏面電極
２ …熱電発電素子
３Ａ、３Ｂ…熱交換器
４ …冷却水
５ …給湯
６ …太陽光
７ …反射鏡
８ …波長選択反射透過膜
１０…放物面状の集光器
１０１…反射鏡
１０２…集熱器
１０３…ポンプ
１０４…熱交換器（蓄熱体）
１０５…タービン
１０６…発電機
１０７…凝縮器
１０８…ポンプ
１０９…管
Ｉ₀ …太陽からの入射光
Ｉ_r1…第１次反射光（波長選択反射透過膜８での鏡面反射成分）
Ｉ_s1…第１次散乱反射成分（波長選択反射透過膜８での散乱反射成分）
Ｉ_c1…第１次光発電寄与分（太陽電池１で電気に変換されるエネルギー）
Ｉ_h1…熱交換器３Ａによる熱利用
Ｉ_r2…第２次反射光
（反射鏡７での鏡面反射した後、波長選択反射透過膜８を通過した成分）
Ｉ_s2…第２次散乱反射成分（反射鏡７でのでの散乱反射成分）
Ｉ_c2…第２次光発電寄与分（太陽電池１で電気に変換されるエネルギー）
Ｉ_h2、Ｉ_h3…熱交換器３Ｂによる熱利用
Ｉ_c3、Ｉ_c4…熱電発電素子２による発電

Claims

放物線状に形成された太陽電池と、太陽電池の表面に配設され所定値よりも波長の短い光を通過させる波長選択反射透過膜と、前記太陽電池の裏面に配設されて前記太陽電池及び波長選択反射透過膜を冷却する第１熱交換器と、前記太陽電池の裏面であって前記太陽電池と前記第１熱交換器との間に配設された反射鏡と、前記太陽電池に対向して配設された熱電発電素子と、この熱電発電素子を冷却する第２熱交換器とを具備することを特徴とする太陽光熱発電システム。