JP6255553B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に集光型であって熱電変換モジュールを組み合せた複合発電システムに係る。

例えば、特許文献１には、太陽電池素子と熱電変換手段とを、ヒートパイプ及び蓄熱手段を介して配置した技術を開示する。
また、フレネルレンズで集光する例を開示しているが、集光倍率について言及がなく、ヒートパイプを用いて熱輸送するものであることから、集光倍率は低いものと思われる。

特開２００３−７０２７３号公報

本発明は、太陽光成分の熱エネルギーを最大限利用することで、変換効率を最大化する集光式太陽光発電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光発電システムは、太陽電池と、当該太陽電池の前方に配置した集光手段と、当該太陽電池背面側に配置した熱電変換モジュールを有し、前記集光手段は集光倍率が１０倍以上であることを特徴とする。
詳細は後述するが、本発明は集光倍率が高くなると熱電変換モジュールによる熱電の出力が二次曲線的に増加することに着目したものである。
その効果は、集光倍率が１０倍以上、好ましくは３０倍以上にて顕著に現れる。

本発明においては、太陽電池と熱電変換モジュールとの間に熱流平準化手段を設けるのが好ましく、太陽電池は、禁制帯幅の異なる複数の太陽電池セルで構成される多接合型太陽電池であるのが好ましい。
具体的には、集光手段は、太陽電池の分光感度外の波長帯も集光することが可能なレンズであり、前記熱流平準化手段は、蓄熱機能を有するセラミックス絶縁体である例が挙げられる。

本発明においては、太陽電池と熱電変換モジュールとを単に組み合せるだけでなく、集光倍率を１０倍以上にしたので、太陽光に有する光エネルギーと熱エネルギーを有効に利用できる。

本発明に係る太陽光発電システムの構成例を示す。 各集光倍率における太陽電池と熱電変換モジュールの出力ら求めた変換効率を示す。 集光倍率を変化させた場合の（ａ）は太陽電池の電圧・電流曲線、（ｂ）は熱電変換モジュールの電圧・電流曲線を示す。 集光倍率と出力の関係をグラフに示す。

本実施形態の太陽光発電システム１について説明する。
図１は、太陽光発電システム１の模式図である。
図１に例示するように、太陽光発電システム１は、太陽電池３の前方に配置した集光手段２を有し、太陽電池３の背面は熱流平準化手段４を間に挟み込むようにして熱電変換モジュール５を配置してある。
太陽電池３は、結晶系シリコン電池でもよく、禁制帯幅の異なる複数の太陽電池セルで構成される多接合型太陽電池でもよい。
多接合型太陽電池は、例えば、ＧＥ基板に、ガリウムヒ素半導体、あるいはガリウムヒ素半導体の上にインジウムガリウムリン半導体を積層する構造を有する。
具体的な半導体形成方法として、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法で積層するセルがある。
タンデム型セル、トリプル型セルの各々はトンネル接合を用いて電気的に接続されている。

この太陽電池の背面には、日射時における熱流の方向に沿うように、熱流平準化手段４を有するプレートを介して熱電変換モジュール５が配置されている。
また、太陽電池と熱流平準化手段が接触する反対側には、低温部６を形成するためにヒートシンクや水冷熱交換器による放熱手段が配置されている。

この集光手段２としては、従来のフレネルレンズ式を用いた屈折光学系、あるいは、放物曲面の反射鏡を用いた反射光学系、もしくはその両方を用いた複合光学系が例として挙げられる。
ここでレンズ等の焦点距離を考慮し、集光倍率１０倍以上にする。

平準化手段とは、上記太陽電池で発生した熱エネルギーを効率良く熱輸送すると共に、変動する熱流を適度に蓄熱・放熱することで一定熱量を熱電変換モジュールへ供給する機能を意味する。
使用する物質は、比熱が大きく絶縁性を有する物質であれば使用可能であり、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミックスが有効である。

熱電変換モジュールは、通常ゼーベック効果を利用した半導体素子であって、ビスマス-テルル系合金、鉛-テルル合金、シリコン-ゲルマニウム系合金、鉄-シリサイド系合金やコバルト酸化物系やマンガン酸化物系が提案されている。
これらの物質を用いた熱電変換モジュールは、いずれも本発明に利用することが可能であり、比較的中低温域で良好な性能を示すビスマス-テルル系合金は有効である。
また、熱電変換モジュールは複数の熱電素子を絶縁性基板で挟み込んであり、その起電力は温度差以外に素子の対の数に比例するため、一定の面積が必要である。
また、集光された太陽光は太陽電池層で電気に変換されるものと熱に変換されるものに分かれ、熱は放射状に放熱される。
更に平準化手段を経ることで太陽電池の面積よりも熱が広がるため、最大で太陽電池の面積の最大４倍の熱電素子が利用できる。
これよりも大きい面積の熱電素子では熱電素子の数による起電力の増加分に比べて温度差が得られなくなるため、熱電発電による出力が得られなくなる。

以上の構成により、日射時に太陽電池に到達する太陽光エネルギーのうち光電変換されなかった大部分が熱エネルギーに変わり、上記熱エネルギーは平準化手段に蓄積され、日射時の変動において継続して熱電変換モジュールの安定した発電を実現する。
また、太陽電池で発生する多大な熱エネルギーによる温度上昇が懸念されるが、安定した冷却効果により温度上昇を９０℃以下に抑制することが可能であり、太陽電池の温度上昇による変換効率低下を抑制でき、全体として太陽光エネルギーからの電気エネルギーへの変換効率の向上に寄与できる。

以上は、本発明における好適な材料及び構成を用いて説明したが、本発明の概念は上述の材料や構成に限定されない。
また、単一の手段で複数の機能を兼務させるように構成できることは勿論である。

以下に本発明の実施例を実験結果に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例になんら限定されるものではない。

図１に示した太陽光発電システム１において、集光手段２の例として焦点距離４００ｍｍのフレネルレンズ（ＣＦ４００Ｂ）を用いて実験した。
具体的には、レンズと太陽電池との距離を変化させて、集光倍率を調整した。

太陽電池３は、多接合型セル（１０×１０ｍｍ）を用いた。
多接合型セルを用いた太陽電池モジュールをソーラーシミュレータ（ブライテック製、ＢＸＥ−Ｆ−１０００−ＫＥＩ）で評価したところ出力が２４．５ｍＷ（変換効率２４．５％）であった。
このことから光エネルギーの残りの約７５％は太陽電池層で熱エネルギーとして残ることになる。
このようにして発生した熱エネルギーは太陽電池の裏面に設置される熱平準化手段４を通って熱電変換モジュール５に到達する。

熱電変換モジュール５は、大きさが１７×１７ｍｍで６５対の熱電素子で構成され、高温部と低温部の温度差から生じ熱流が素子内を通過する際に、その一部を電気エネルギーとして取り出すことが可能である。
そのため、熱電素子の裏面には放熱用のヒートシンクがあり、熱電素子の低温部６を室温近辺に保ち、熱電素子の温度差を大きく保つ構造にて実験した。

実験に用いた熱流平準化手段４は、アルミナ基板上に鉄フィルムを貼り付けたものである。
熱流平準化手段４は、太陽電池が加熱された場合、鉄フィルムによってすばやく熱エネルギーを移動させ、比熱が大きいアルミナ板に熱が吸収される。
吸収した熱はヒートシンクにより温度勾配が大きくなっている熱電変換モジュール５を通過してヒートシンクに勢い良く流れ着く。

非日射時の熱流は、平準化手段に残る熱がヒートシンク側への熱流として働くことで電気を発電し続けることから、日射強度の変動があっても熱電変換モジュールを通じて効率良く電気エネルギーを取り出すことが可能となる。

各集光倍率における太陽電池と熱電変換モジュールの出力から求めた変換効率を図２に示す。
集光倍率が１０倍未満の場合は太陽電池の温度上昇が小さく、太陽電池の変換効率の減少は少なく、また熱電変換モジュールの出力も極わずかである。
一方、集光倍率が１０倍以上では太陽電池は温度上昇による変換効率が大きく減少するが熱電変換の出力増加が太陽電池の減少幅を上回ることで、総発電量が増加することが明らかになった。

標準光から４倍集光まで変換させた場合の太陽電池と熱電変換モジュールの電流−電圧のグラフをそれぞれ図３(a)と図３(ｂ)に示す。
最大出力は四角形の面積で示した部分に相当し、太陽電池の場合は集光倍率に比例して出力が増加することがわかる。
一方、熱電変換モジュールは標準光の０．５ｍＷに対して、２倍集光では１．５ｍＷ（３倍）、３倍集光では３．０ｍＷ（６倍）、４倍集光では５．４ｍＷ（１１倍）と二次曲線的に増大することが明らかとなった。

集光倍率を７０倍として平準化システムを用いた場合と用いない場合の熱電変換モジュールの出力を比較した。
その結果、平準化手段を用いた場合は１２５．５ｍＷで変換効率約２％であり、熱効果で低下した太陽電池の変換効率（２３．１％）と合わせることで、効率低下前の２４．５％以上の総合効率を示すのに対し、平準化手段を用いない場合、熱電変換モジュールの出力は７９．９ｍＷで変換効率約１．２５％となり、総合効率は２４．３５％と効率低下前の変換効率を下回ることが明らかとなった。

集光倍率７０倍で太陽電池セル面積（１００ｍｍ^２）の９倍となる３０×３０ｍｍ（素子数１２７対）の大きさからなる面積の熱電変換モジュールを太陽電池背面に平準化手段を用いて配置した場合の評価を実施した。
その結果、熱電変換モジュールの出力は５９．４ｍＷで変換効率では０．９３％であった。
１７×１７ｍｍ（素子数６５対）の大きさからなる面積の熱電変換モジュールの場合、太陽電池セル面積の２．８９倍と小さいにも関わらず同条件での出力が１２５．５ｍＷ（変換効率２％）となり、２倍以上の出力が得られることがわかった。
このように、熱電変換モジュールの面積を４倍以上に大きくすると投入される熱エネルギーが分散され、結果として素子の温度差が小さくなったために出力が低下したと考えられる。

図４に熱電変換効率測定装置（アルバック理工製、ＰＥＭ−２）から求めた１７×１７ｍｍの熱電変換モジュールの出力と開放電圧値から、各集光倍率で測定した熱電変換モジュールの予想発電量と実測値を示す。
集光倍率が大きくなると素子の受光部分に温度むらが生じることで熱電変換の効率低下が懸念されるが、集光倍率７０倍で約−１２．３％であり、この低下分を考慮しても熱電変換モジュールの面積が太陽電池セルの４倍以下であれば出力の増加の方が大きいことが分かる。

１ 太陽光発電システム
２ 集光手段
３ 太陽電池
４ 熱流平準化手段
５ 熱電変換モジュール
６ 低温部

Claims (3)

1. 太陽電池と、当該太陽電池の前方に配置した集光手段と、当該太陽電池背面側に配置した熱電変換モジュールを有し、
   前記集光手段は集光倍率が１０倍以上であり、
   前記太陽電池と熱電変換モジュールとの間に熱流平準化手段を挟み込んであり、
   前記熱流平準化手段のサイズは太陽電池の接触面積以上であるとともに、太陽電池側の金属フィルムと熱電変換モジュール側の絶縁性基板との積層構造であり、
   前記熱電変換モジュールはサイズが前記太陽電池と前記熱流平準化手段とが接触する前記接触面積より大きく、且つ複数の熱電素子を絶縁性基板で挟み込んだものであることを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記太陽電池は、禁制帯幅の異なる複数の太陽電池セルで構成される多接合型太陽電池であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 前記熱電変換モジュールのサイズは、前記太陽電池が前記熱流平準化手段と接触する前記接触面積より大きく、且つ前記接触面積の４倍以下の大きさであり、
   前記熱流平準化手段の絶縁性基板は、セラミックス絶縁体であることを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光発電システム。