JP4955194B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、大規模光起電太陽光電力プラントに関する。

本発明は、回転発電機に印加される機械的トルクを発生する上昇温度での中間工程を含む間接的変換と異なって、太陽光エネルギを電気に直接変換する装置に関する。大規模太陽光発電機は、現在、カルフォルニアで稼動していることが知られている。大規模太陽光発電機は、太陽光を高温熱に変換し、次に、燃焼パワーステーションから知られた方法で、部分的に電気に変換する（残りは廃熱となる）。有用性が大きい電気出力の現在稼動中の太陽光電力プラントは、面積率が３％以下であるから広い地域をカバーする。高コストで高さが大きいので、集光器モジュールは東西間に大きく離隔することになる。高コストは、その高さによって発生された風荷重に必要な金属の質量のためであり、皮肉にも十分な高さは、各モジュールがその南部の隣人によって曇らされることなしに動作する、1日当りの時間を増加させるために必要である。付加的なコスト要因は、太陽光発電に付随する高いメンテナンス活動から生じる。

大規模の光起電プラントは、着実に減少する光起電セルのコストと、着実に増加するセル効率のために最近、経済的に実行可能となったにすぎない。しかし、 集中させないで、多数の個々の太陽光セルの列で広い地域をカバーすることは、必然的に風圧抵抗構造が必要な大きなパネルにおいて、地表を横切って配置される異種金属の大きな質量が生じることになる。本発明は、光起電セルに太陽光を集中させる効率を通して上記先行技術の大きな改良をもたらすものである。

理論的には、輻射を直接、電気に50％程度まで変換できる光起電（PV）セルもあり、実際には、40％程度が実験室のテストで達成されているが、両方とも太陽光の集光のためである。しかし、太陽光集光の従来技術では、モジュールが分離される必要があるため、過度に土地を利用することになる。従来の空気冷却PV集光器は、集光がなされるのは10時間程度に過ぎないので、実際の回収のために終日の動作を要求するには高価すぎる。

先行技術では、低い地域的な太陽光効率によって表され、設備で必要な土地に当る太陽光によって分割された電気として定義される非実際的な過度の土地利用がなされる。本発明は、製造かつ設置し易く、コンパクトで、持続可能で、省資源の設計で上記従来技術を改良する環境にやさしい太陽光発電システム提供するものである。5％でなく、無視された土地の87％をカバーすることによって、発生される10億ワット当り、非常に少ないと土地が無視されるに違いない。本発明は、設置、メンテナンス、制御の改良された物流と製造、回収の改良された経済性を備えた精密に測定可能でコンパクトな太陽光電気設備を提供する。

本発明は、高度に光学的に集中され（好適実施例では約400）、一体的な水冷によって高効率で維持された、太陽光の直流要素の二軸トラッキングにおいて、太陽光の光起電変換を利用する。

さらに、従来技術より一桁高い土地効率レベルに近づくために次の手段がとられる。

１ 光学的に活発な孔は、地面の大部分である（90％地域利用）。これを達成するのに新規な２軸トラッキング構成が開示される。

２ 光起電セル上ヘの放射は、理想のリミットに近づくが、信頼可能な寿命を短縮する程高く（数千個の太陽）ない動作効率のために数百個の太陽となる。

３ 変換は、各要素層が太陽光スペクトルの一部において特殊化されるから多接合セルによって実行される。これが、上記高変換効率の理由である。

４ 小さな丸い焦点スポット（数千個の太陽光）での集中光束の高度の不均一分布は、大きな矩形の光起電セルに渡ってより均一に分布される。レンズの焦点距離は、波長によって変化するから、焦点スポットも同様に、スペクトル的には不均一で、1.492の光束で加重された中心屈折率におけるよりも、400nm 及び1100nmのかなり広い焦点スポットとなる。しかし、セル全体が、集光太陽光光束の同一のスペクトルバランスを有するとき、直列接続の多接合セルが最良となる。

５ 効率は、温度上昇で低下するから、非変換の太陽光熱のかなりのレベルを除去する、光起電セルの底部とヒートシンクの温度差は数度にすぎないヒートシンクが存在する。数千個の太陽光では、これは、水冷を意味する。

６ 太陽光放射の直接要素の２軸トラッキングは、低い全体高を維持しながらコストを節約して実行される。

大規模の太陽発電に対する更なる条件は、従来の太陽光エネルギ変換システムに対するコスト効率を増大することである。本発明は、これを次の手段、すなわち、
a） 冷却水に浮かべて集光器の浮力を用いて水平トラッキングを支えることによってワット当りの物質の質量を減少させること、
b) 過度の風からの影響を少なくするようにシステムの高さを極小にすること（文字通り膝の高さ）。
c) 太陽光電気の伝導のために、低抵抗共通バスに短いリードが必要となるに過ぎない小さな光起電セルを利用すること。
d）自然対流水冷と組合せた、短焦点レンズ及び万華鏡混合ロッドによって最適なセル動作を確保すること、で実現する。

本発明は、特許請求の範囲に記載された手段でこれらの要件を履行する。具体的に、請求項１の発明は、 太陽輻射の２軸トラッキング用の複数の平坦な集光レンズと、用水層
に浮遊する複数のトラフと、前記レンズからの集光太陽光輻射を受光する複数の光起電セルと、を備えた太陽光発電システムであって、前記各々のトラフには、U字状の横方向壁
と、２つの端壁と、が設けられ、前記トラフが、前記用水層に浮遊する前記トラフによって覆われている領域を最大化するように密に列状に配置され、かつ、水平軸に対して傾斜可能であり、前記レンズが、前記トラフの開放側を横切って配置され、前記U字状の横方
向壁の内側には、前記光起電セルと、前記レンズによって集光された太陽光輻射を受光する透明な光学的ホモジナイジングガラスロッドと、が設けられ、そして、前記セルが、前記レンズに対向した前記トラフの領域の突出部内に、前記光起電セルの熱を前記用水層に伝導する熱伝導手段とともに配置されていることを特徴とする太陽光発電システムに関する。請求項２の発明は、請求項１のシステムにおいて、前記ホモジナイジングガラスロッドが、前記レンズと前記光起電セルとの間に配置され、前記ホモジナイジングガラスロッドが、長手方向軸と、2つの対向した表面と、前記光起電セルの輻射線利用効率を向上さ
せるように空間的、スペクトル的に集光太陽光輻射を混合するに十分な長さを有する複数個の長手方向の平坦壁と、を有し、そして、前記２つの表面のうち一方の表面が、前記集
光太陽光輻射を受光し、かつ、他方の表面が、前記光起電セルに光学的に接触していることを特徴とする。請求項３の発明は、請求項１のシステムにおいて、前記突出部が、前記太陽光輻射の方向に対して傾斜されていることを特徴とする。請求項４の発明は、請求項２のシステムにおいて、前記ホモジナイジングロッドの前記長手方向軸が、前記集光太陽光輻射の方向に対して傾斜されていることを特徴とする。請求項５の発明は、請求項２のシステムにおいて、前記長手方向の平坦壁の少なくとも一つが、前記長手方向軸に平行でなく、前記集光太陽光輻射に向かって先細になっていることを特徴とする。請求項６の発明は、請求項１のシステムにおいて、大きな浅い円形池を有し、該池は、１００％の充填率の付近まで前記領域を最大化するように密に位置した複数のトラフ列を含み、前記トラフは、内側において、中心領域に屈折溝と、周辺に短焦点距離を可能にする反射溝を有するレンズによって被覆されていることを特徴とする。請求項７の発明は、請求項１のシステムにおいて、水より低密度の混和しない流体の薄層を含む蒸発防止手段によって前記用水が覆われており、そして、前記流体が、実際に持続するのに十分に低い蒸気圧を有していることを特徴とする。請求項８の発明は、請求項１のシステムにおいて、前記システムが、前記トラフ内に設けられた複数の室と、前記複数の室間で空気を移動させる手段と、を備えたことを特徴とする。請求項９の発明は、請求項１のシステムにおいて、前記システムが、前記トラフから太陽光で発生した電気を取り出す電気伝導手段を備え、そして、該電気伝導手段が、導電性ストリップとそれに接触したブラシ手段を備えていることを特徴とする。

図１は、焦点スポット４での平行な単色光線３を集中させるレンズ２によって被覆された、トラフ１に配置された集光器の垂直断面図である。トラフは、用水本体(water body)５上に支持されている。トラフは、トラバース(traverse)６によって数ミリメータだけの距離でお互いから離隔されている。太陽高度のトラッキングに対して、トラフは水平軸７を中心として旋回可能である。旋回は、太陽トラッキングセンサによって制御され、空気作用によって駆動される平衡トルク（balancing torque）に基づいてなされる。バラストコンパートメント（ballast compartment）８からバラストコンパートメント９へ水を引くことによって、その二つが、空気作用によって管状トラバース６を介して相互連絡し、浮力トルク（buoyancy-torque）によって各トラフが上方に旋回され、レンズ２を昇りつつある太陽に直面したままにされる。これは、太陽が正午に最高位置に達するまでなされる。その後に、ブロア１０が、トラバース６を介してバラストコンパートメント９に正の圧力を生成するので、水がバラストコンパートメント９からバラストコンパートメント８に逆流する。これによって、午後の数時間の間にトラフ１によってレンズ２が下方へ旋回される。トラバースの角度は、正又は負の圧力に比例する。

図２は、各々が12個の集中レンズを含む複数のトラフ２１を備えた浮遊プラットフォームのスケルトン２０を示している。スケルトン２０は、浮遊リング２２を備え、その浮遊リング２２は、浮遊トラバース６'を備えたユニットを形成し、部材２３をトラバース６'を垂直に結合する。ベアリング２４はプラットフォームの中心に配列され、接地されている。浮遊リング２２は、電気モータによって駆動されるディスク２９によって回転される（歯ベルト上）歯を備えていてもよい。上記プラットフォームは、太陽ファインダによって制御される太陽の方位角速度でプラットフォームの垂直軸を中心として回転する。こうして、集中レンズ２'は、水平、垂直両軸で太陽を指すことになる。夜の間に、プラットフォームは朝の位置に戻り、しかし、風通しの良い夜には、空冷を増強するためにトラフは風に晒される。

図３は、任意の数のプラットフォームに適した密集させた態様で配列されたソラーファームの一群のプラットフォームを示している。このような複数のプラットフォームの場合は、方位トラッキングドライブは、三つのプラットフォームの間の隙間に配列された空気タイヤ案内ホイール３０によってなされる。各５番目のホイール３１は、電気モータによって駆動され、そのトルクは、外リング２２'に伝達される。この場合にも、リング２２'は、案内ホイール３０の歯と噛み合う歯を有することができる。歩道橋３４が、メインテナンス用の個人的アクセスを可能にする案内ホイール３０上を走っている。ソラーファームの各プラットフォーム２０'の下には、各プラットフォームが浮いている浅い用水本体が存在する。この囲まれた池は、その上にある油層によって蒸発が防止される。この水層の中に、光起電セルの廃熱が伝達される。この水層の冷却は、外気に晒すことによってなされる。太陽があまりにも低い時間の間には、そして特に夜には、プラットフォーム２０は、トラフ列が風の方向に向くように回転され、池の水に接近できるようになる。

このようなソラ−ファームは、自然の用水本体上に置かれる。「池」の底があまりに深い場合は、案内ホイール３０の軸３３はロッドによってお互いに結合され、結合された案内ホイール３０は、錨装置を介して底に取り付けられる。また、数多くの産業設備は、トラフが低腐食物質でできている限り本発明と共用できる大きな通気池を有している。

図４は、トラフ１の横断面を示しており、太陽の輻射の対流が起る内部を示している。これらのトラフが水層５に浮いている。低い太陽高度で、トラフ１'は、点線４０によって区画された水量とその下に存在するトラフ壁５４の部分を変位させる。各仰角で、円４１は、水面に接している。点線４０乃至４２は、全て円４１に接している高い太陽高度面を区画している。トラフ１と１'の間の距離は、レンズ２"の幅にそのトラフ間の最小幅の隙間を加えたものである。 ２４度の仰角で、突出するガードフレーム４８のリム４８は、隣接するトラフの突出部４９に接触する。二等分線４５に対して、レンズ2の光軸が下方に移動される。この光軸は、輻射ホモジナイザロッド４３の入口面の中心に交差する。高度集中された束の太陽光線が輻射ホモジナイザロッド４３に入射し、損失のない全内反射によって光起電セル４'に到達する。これらの内反射の万華鏡作用のために、光起電セル４'への太陽光の空間分布がより均一になる。光起電セル４'は、トラフ１'の全ての太陽仰角で水面５'の下に存在するように位置した突出ロッド５０に良好な熱接触している。一端で、ホース５２は外気に開いており、他端では閉じている。ワイヤグリッド５３は、周辺光線３９に平行に走っており、ホース５２が集中レンズの光線３９内の角錐に入るのを防ぐ。

気象学上の空気圧の上昇に応答して、ホース５２は外気で満たされる。これによって、レンズ２'、壁５４、５５及び端壁に囲まれたコンパートメントは、外気と同じ空気圧を有し、周囲との制御されない交換を最小にする。室内に入る空気を乾燥するために、循環乾燥器がホース５２上のカニスタ３７に備えられている。乾燥した室内空気は、多接合セルが吸湿性を有するため重要である。

図５は、太陽に面した側から見たトラフの図である。端板５６及び５６'において、トラフはスタブシャフト５７を有し、水平軸５８のまわりに傾斜できる。軸５８の位置は、全ての動作傾斜角で浮遊トルクがゼロとなるように選択される。レンズ２'は、内側に、レンズの中央半分の複数の屈接溝５９を有し、その回りの周辺部はTIR溝６０になっており、このようなゼロトルクのトラフ形状によって必要な短焦点距離を可能にする。図４に示されているように、点線４６によって示される短焦点距離の場合だけ、トラフ間距離６１は、100％の充填率への接近のためにトラフ幅よりかろうじて大きくなることがある。トラフは水に浮くことによって支持されているから、これらの壁は、水から出たときのねじれ変形を防ぐのに必要な材料厚より薄くてよい。耐腐食壁材料の出費を節約するために、対角支柱ワイヤ６２は各レンズ上'X'を形成し、各焦点に並ぶ全てのホモジナイザに必要なトラフの剛性を確保する。

最大１２個以下までのレンズロッドユニットがトラフ毎に設置される。図４のガードフレーム４８によって、最低の太陽高度でレンズ２"が水面に浸されるのが防止される。

図６は、ガードフレーム４８及びスタブシャフト５７'を備えたトラフの端板５６を示す図である。

図７及び８は、玉軸受けに支持されたスタブ５７"とともに端板５６、５６'を備えた2つのトラフを示している。壁７０が端板５６と５６'の間で突出し、玉軸受け６６及び６７が集電器７１及び７１'とともにその上に装着される。壁７０は、その大部分が水面５'下にある突出管７０'の一部である。この管７０'は、玉軸受け６６及び６７を介してスタブシャフト５７'及び５７"に伝達される浮力を生成し、それによってトラフ６９及び６９'を支持する。突出管７０'は、支持体７５を介して図１のプラットフォーム２２'に接続される。

図８は、トラフの長手方向軸５８(図５)に垂直に走る突出管７０'を示している。壁７０には、玉軸受け６７及び６７'及び集電器７１及び７１'が備えられている。

図９は、バネ７２によってスライドリング端７８に対して接触体７１が押しつけられている、玉軸受け６６及び６７及び集電器７１を備えたスタブシャフト５７"の断面図である。スライドリング端７８は、約７０度の中央角で延びる必要があるだけであり、接触体７６上のトラフの重量で、全ての仰角でトラフがスライドリング端との密接状態が保たれる。上記スライドリング端７８は、反対の電気極性がトラフの対向端で得られるように光起電セルに直列接続されている。所望のトラフ出力電圧に応じて、多数の光起電セルが、最大電圧に対しては直列に、又は水素加水分解のために並列に、中間電圧に対しては両者の組み合わせで接続可能である。電力が極めて柔軟なケーブルを介して外部に伝達される場合、直並列を組合せることによって、所望のプラットフォーム電圧に対してトラフ電圧がどのように組合わせられるか決定される。

輻射ホモジナイザの主たる要素が、図１０乃至１４に示されている。

図１０は、数千の太陽光のピーク１０１と残りの影のセル領域集中レンズの焦点スポットの強度分布を示す。このような過度の線束密度はセルを破壊することになる。その代りに、セルを均一の分布があると、セルの最適条件に近い４６０個の太陽光の集中となる。

図１１は、レンズ２の集束輻射を端部８１で受光する輻射ホモジナイザロッド８０を示している。輻射ホモジナイザロッド８０は、作動太陽光スペクトラムを横切る最大の体積透過率を有するガラスでできていて、吸収熱負荷を最小にする。一般的なガラスは、許容できない熱負荷をセルに与えるほど稠密な太陽光吸収帯を有する。図１２は、同じ輻射ホモジナイザロッドの側面図であり、ロッド８０の傾斜面８４が熱伝導性ヒートシンクバー８５に延在している。これは、全ての太陽仰角でバー８５を水没させたままにしておくのに必要である。

図１３及び図１４は、底面８２に向かって内側に傾斜している壁８６及び８７、８７'を備えた輻射ホモジナイザ８０を示している。図１３では、入射面１３１の中央１３０で光線を受け、図１４では、中央から外れたところで光線を受ける。出射面８２は、光学的接着層８３aを介して光起電セル８３と光学的に接触している。光起電セル８３の下側は、その光起電セルの熱膨張率に近い材料でできた金属層８５aに接触している。この金属層は、セル及びロッドがヒートシンク８８に接着される前にそのヒートシンク８８に結合される。

この光学的装置、すなわちホモジナイザロッドは次の三つの機能、すなわち
a） 入射面で円形のスポットとなる、高度に不均一の集中太陽光輻射束の矩形の出射面での損失のない再分布を実現すること。

ｂ） ヒートシンクを水没させておくために、ロッドを入射面の回りに２０度まで傾斜することによって全輻射束の損失のない偏向を実現すること。

ｃ） 上昇トラッキングにおいて１度の誤差がある場合でも全ての集束太陽光束を集めるの十分なほど大きい拡張された（セルより３０％広い）入射面を与えること。

図１５は、輻射ホモジナイザロッド１４５"'が管１５５によって囲まれている配列を示し、該管は、集中太陽光の散乱が極めて少ない尖ったエッジを介して前記ロッド１４５"'に唯一接触する。管１５５は、ヒートシンク１５４との間に狭い間隙１５７を形成する金属ベース１５６に接続されている。間隙１５７は、ベローズ１５８から供給される水銀で充填されている。

図１６は、ベローズ１５８'によって囲まれた真空ヒートパイプを示している。ウイック(wick)１６０は、凝縮流体を吸収する。スペーサ１６１は、熱吸収面１５６'及び１５４'が外気圧によって一緒に移動されないようにする。

図１７(a)は、スタブシャフト５７"を備えたトラフの側面図である。光起電セル４"'は、突起物１６５内の置かれて、ヒートパイプ１６６に熱接触している。そのヒートパイプ１６６の長手延在部は、エンドプレート５６"に垂直にトラフの全長に渡って、最初の光起電セルから最後の光起電セルまで延びている。図１７（ｃ）は、断面１６９から、熱伝達流体、例えば水が蒸発するヒートパイプ１６６内に配置された吸収性ウイック層１６７を示している。蒸気は、コンパートメント１７０を通って、全ての動作太陽仰角で水面５"'下に存在する壁１７１に流れる。この壁で、熱伝達流体は凝縮し、ウイック層１６７の毛管作用力によって光起電セル４"'に伝達され、廃熱となる。ヒートパイプ１６６は、気密性を有し、少量の水分を別にすれば、排気されている。

図１７（ｂ）は、第１のトラフと同様に、２０度の仰角まで傾斜可能である第２のトラフを示している。

上記空気作用によるトラッキングに代わるものとして、図１７（a）及び（ｂ）は、レンズ−光起電ユニットを集合的に傾斜させる機械的方法を示している。

図１７(a)及び（ｂ）では、トラフのヒートパイプ１６６は、ロープ１７８が固定されているアイレット１７２を有している。トラフを水平軸に対して傾斜させて仰角を減少させるために、ロープ１７８は、矢印１８０の方向にリニアモータによって移動される。大きな仰角までの傾斜のための調整力は、プラットフォーム構造に接続された捻りバネ１８１によって生じる。

図１８は、立面図１８２及び断面図１８３においてトラフを示している。全長の約１／４の距離の所に、ハンドル１８５が位置している。図示されていないクレーンを介して、矩形管１８６が２つのハンドル１８５の間に低下される。 その後、舌１８７が管１８６から延在する。通常は水面に浮いているので捻り剛性が低いスタブシャフト５７"'を備えたトラフは、図９に示されたベアリングから引き上げ可能である。

2つのトラフの断面図である。 プラットフォーム組織の上面図である。 ソラ−ファームの部分図である。 低い太陽位置での2つのトラフの位置を示す図である。 トラフの上面図である。 トラフの端面図である。 2つのトラフの吊り下げ図である。 トラフのベアリングを示す図である。 集電器を示す図である。 光束の焦点領域のプロフィルを示す図である。 放射ホモジナイザの利用形態を示す図である。 放射ホモジナイザを備えた同一の構成を示す図である。 出口面より入口面が大きい放射ホモジナイザを示す図である。 偏心焦点を備えた同一の放射ホモジナイザを示す図である。 液状金属による可動の放射ホモジナイザからの熱放散を示す図である。 熱パイプによる熱放散を示す図である。 (a), (b) 及び(c)は延長熱パイプを示す図である。 トラフに対するリフト装置を示す図である。

Claims (9)

1. 複数の平坦な集光レンズと、
   用水層に浮遊する複数のトラフと、
   前記レンズからの集光太陽光輻射を受光する複数の光起電セルと、
   を備えた太陽光発電システムであって、
   前記各々のトラフには、U字状の横方向壁と、２つの端壁と、が設けられ、
   前記トラフが、前記用水層に浮遊する前記トラフによって覆われている領域を最大化するように密に列状に配置され、かつ、水平軸に対して傾斜可能であり、
   前記レンズが、前記トラフの開放側を横切って配置され、
   前記U字状の横方向壁の内側には、前記光起電セルと、前記レンズによって集光された太陽光輻射を受光する透明な光学的ホモジナイジングガラスロッドと、が設けられ、そして、
   前記セルが、前記レンズに対向した前記トラフの領域の突出部内に、前記光起電セルの熱を前記用水層に伝導する熱伝導手段とともに配置されている
   ことを特徴とする２軸トラッキング用の太陽光発電システム。
2. 前記ホモジナイジングガラスロッドが、前記レンズと前記光起電セルとの間に配置され、
   前記ホモジナイジングガラスロッドが、長手方向軸と、2つの対向した表面と、前記光起電セルの輻射線利用効率を向上させるように空間的、スペクトル的に集光太陽光輻射を混合するに十分な長さを有する複数個の長手方向の平坦壁と、を有し、そして、
   前記２つの表面のうち一方の表面が、前記集光太陽光輻射を受光し、かつ、他方の表面が、前記光起電セルに光学的に接触していることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記突出部が、前記太陽光輻射の方向に対して傾斜されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
4. 前記ホモジナイジングロッドの前記長手方向軸が、前記集光太陽光輻射の方向に対して傾斜されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
5. 前記長手方向の平坦壁の少なくとも一つが、前記長手方向軸に平行でなく、前記集光太陽光輻射に向かって先細になっていることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
6. 前記用水層は、大きな浅い円形池であり、該池は、１００％の充填率の付近まで前記領域を最大化するように密に位置した複数のトラフ列を含み、前記トラフは、内側において、中心領域に屈折溝と、周辺に短焦点距離を可能にする反射溝を有するレンズによって被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
7. 水より低密度の混和しない流体の薄層を含む蒸発防止手段によって前記用水が覆われており、そして、前記流体が、実際に持続するのに十分に低い蒸気圧を有していることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
8. 前記システムが、前記トラフ内に設けられた複数の室と、前記複数の室間で空気を移動させる手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
9. 前記システムが、前記トラフから太陽光で発生した電気を取り出す電気伝導手段を備え、そして、該電気伝導手段が、導電性ストリップとそれに接触したブラシ手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。

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