JPH07120072A - 太陽光変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 集光変換することで、可視光と赤外光の広域
スペクトルのエネルギを高効率で光・熱変換をする薄型
の太陽光変換装置を可能とする。 【構成】 太陽光を光電変換する光電変換系および光熱
変換する光熱変換系を有する太陽光変換装置において、
光電変換系は、太陽光を集光透過させる透明レンズ１に
より構成される集光手段と、透明電極間に形成されたｐ
ｎ接合により構成され、入射光量に応じて発電する太陽
電池層３とをそなえる。光熱変換系は、光電変換系を通
過した光から受領した熱を作動媒体に与えて膨張させる
熱受領器、互いに容量差のある駆動ポンプおよび循環ポ
ンプ、ならびに熱受領器４により膨張した作動媒体から
熱を奪って凝縮させる熱放出器を含んだ作動媒体の循環
系と、駆動ポンプおよび循環ポンプに連結され、作動媒
体の循環動作により入射光量に応じて発電する発電機を
そなえた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽光エネルギの変換
装置に係り、とくに太陽光を電気変換するとともに熱を
取り出すものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】シリ
コン単結晶やアモルファス・シリコン等のｐｎ接合によ
る半導体セルは、太陽エネルギを直接電気エネルギに変
換できるという利点があり、太陽電池として汎用されて
いる。

【０００３】一般の太陽電池の変換効率は、シリコン単
結晶で１５％、アモルファス・シリコンでは１０％など
であり、クリーンなソーラー・システムとして、電子産
業分野から宇宙産業分野まで電力源としてそれなりに利
用されている。

【０００４】しかし、さらに変換効率を高めようとして
も、太陽光のスペクトルが０．３ミクロンから数ミクロ
ンと広域に分布しているため、吸収できない長波長フォ
トン、利用されない短波長フォトン、禁止帯幅と開放電
圧の差、などの損失因子で約７５％のエネルギが失わ
れ、単純に高い変換効率を期待することは難しい。

【０００５】このように低変換効率の太陽電池を用いて
構成したソーラー・システムを工業用、商業用、住宅用
などに適用するとき、大きな電力を得るためには、広い
面積に多数の太陽電池の素子を配置する必要がある。

【０００６】しかし、太陽電池を用いて発電すると、商
用電源の電力料金に比べてはるかにコスト高になる問題
がある。

【０００７】この改善策として、太陽光による発電と太
陽熱の集熱とを行う装置が提供されている。これは、真
空管の内部にアモルファス・シリコン集積型太陽電池を
配するとともに、この電池の背後に太陽熱集熱管を配
し、所定面積の領域への入射光から太陽光による発電と
太陽熱の集熱とを行うハイブリッド・パネルとして構成
される。そして、このハイブリッド・パネルを建物に適
用するには、外装材のように構成すると都合がよい。

【０００８】しかし、外装材とするにも、集積型太陽電
池の生産コストは高く、従来の真空管型の構造を建物に
適用し易くするために、外装材などの板材として構成す
るまでには様々な問題がある。しかも、集熱温度も低い
ためヒートポンプ等で加温して熱エネルギを利用するこ
とになる。

【０００９】本発明は上述の点を考慮してなされたもの
で、広域スペクトルを持つ太陽光を高効率で電気に変換
し且つ熱としても取り出すことができる薄型の太陽光変
換装置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】上記目的達成のため、本
発明は、太陽光の広域スペクトルのエネルギを得て光電
変換する光電変換系および光熱変換する光熱変換系を有
する太陽光変換装置において、前記光電変換系は、太陽
光を集光透過させる透明レンズにより構成される集光手
段と、透明電極間に形成されたｐｎ接合により構成さ
れ、前記集光手段を介して太陽光が与えられ、入射光量
に応じて発電する太陽電池層とをそなえ、また前記光熱
変換系は、前記光電変換系を通過した光から受領した熱
を作動媒体に与えて膨張させる熱受領器、互いに容量差
のある駆動ポンプおよび循環ポンプ、ならびに前記熱受
領器により膨張した前記作動媒体から熱を奪って凝縮さ
せる熱放出器を含んだ作動媒体の循環系と、前記駆動ポ
ンプおよび循環ポンプに連結され、前記作動媒体の循環
動作により入射光量に応じて発電する発電機と、をそな
えたことを特徴とする太陽光変換装置、を提供するもの
である。

【００１１】

【作用】光電変換系では、集光手段の透明レンズによっ
て集光して透明電極間に形成されたｐｎ接合に与える。
これにより、太陽電池層は可視光の光量に対応した発電
を行う。光熱変換系では、循環系で熱受領器および熱放
出器と組み合わされた容量差のある駆動ポンプおよび循
環ポンプの作用により、光電変換系を通過した赤外光の
熱により作動媒体が膨張し、次いで圧縮を伴って循環
し、この循環作用によって両ポンプに連結された発電機
が駆動されることにより、赤外光の光量に応じた発電を
行う。

【００１２】

【発明の効果】本発明では、パネルの変換系が可視光と
赤外光の広域スペクトルのエネルギを高効率で光電変換
および光熱変換できる。しかも、従来のこの種のパネル
に比べ強度に優れ、製造コストも安価で、一体化されて
いることやレンズ面に光アート性を持たせ得るため、屋
根材や外壁材などに適用して景観のよい建築物を可能に
するという利点もある。また、熱放出器が空冷方式でも
利用できるため、移動体たとえば車両や船舶などにも適
用できる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の断面図であっ
て、この実施例は全体構造がパネル状であって、太陽光
を電力に変換する光電変換系と、この光電変換系を透過
した太陽光から熱を取り出す光熱変換系とをそなえる。

【００１４】光電変換系は、図１に示すように、３層タ
ンデム構成された太陽電池としての構成となっている。
また、光熱変換系は図２に示すように、光電変換系を透
過した太陽光を熱変換し、この熱により作動媒体を循環
させる構成を有する。

【００１５】この光電および光熱変換系は、パネル状に
構成され、建物の屋根材として利用される。たとえばパ
ネル１枚の面積は、４８００ｃｍ2 程度に構成され設置
される。そして、表層にはガラス部分が配され、このガ
ラス部分は直径が０．５ないし１ｃｍ程度の凸面レンズ
を蜂の巣状に敷き詰めたように構成されている。

【００１６】このようなガラス部分の構成により、透明
レンズ体１が形成され、５０°程度までの入射角の太陽
光を集光し、太陽電池面に対して常時垂直またはほぼ垂
直に入射し得るように構成されている。

【００１７】このパネルの製造工程および構成につき、
図１および図３を参照して説明する。図３に示すよう
に、球状レンズの集合体である透明レンズ体１の裏面
に、太陽電池層３を配する。上部の透明電極２を基板と
して、ポリマー（ＥＰ）層に電極線を介して、ＣＶＤに
より酸化スズ（ＳｎＯ2 ）膜が形成され構成される。透
明電極２には、モノシラン（ＳｉＨ4 ）あるいはジシラ
ン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）ガスと不純物ガス（ｐ型形成にはジボ
ランＢ2 Ｈ6 、ｎ型形成にはフォスフィンＰＨ3 ）とを
導入し、ＲＦ電界を印加して連続分離プラズマＣＶＤを
行うことによりｐｉｎ型半導体構造層の３層を順次積層
形成する。

【００１８】そしてこの後、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）膜を
形成すると、太陽電池層３が構成され、これを透明レン
ズ体１に接合すると、主として可視光に応じた発電を行
う可視光変換手段が構成される。

【００１９】太陽電池層３の下部層の酸化スズ（ＳｎＯ
2 ）膜には、電極線を介してポリマー（ＥＰ）層を形成
すると同時に、ポリマー（ＥＰ）で太陽電池層３を封止
し、このポリマー（ＥＰ）層の裏面にはブラック・クロ
ム等の選択吸収材が被覆されたメタル４を接合すること
により、主として赤外光を熱に変換する赤外光変換手段
が構成される。この結果、透明電極の低抵抗化が行われ
て電力損失が軽減される。

【００２０】ｐｉｎ型半導体構造のｉ層には、高温集熱
の場合は上部層に炭化シリコン膜等を形成するｐｉｎ型
半導体構造を１層だけ用い、また中・低温集熱の場合は
中間・下部層にゲルマニウム、アモルファスシリコンな
どの膜を形成するｐｉｎ／ｐｉｎ型半導体構造の２層、
あるいはｐｉｎ／ｐｉｎ／ｐｉｎ型半導体構造の３層を
採用すると、光選択吸収膜として変換効率のよい可視光
変換手段が実現できる。

【００２１】太陽電池層３で発電される主として可視光
による電力は、変換回路１４を介してパネルの裏側に設
けられた膨張媒体用集合パイプ内にある加熱器１５のヒ
ータに接続されている。このため、未膨張媒体を加熱し
瞬時に膨張させることができ、駆動ポンプ１０の始動を
容易にしている。

【００２２】メタル４の裏面のヒートパイプ５は、メタ
ル４の球状面を直線的に結ぶように配列されている。つ
まり、直径２〜３ｍｍ程度のステンレス製のＵ字形ルー
プ状に屈曲されたヒートパイプ５が並行に並べられてい
る。そして、この複数列のヒートパイプ５は、全て同様
にＵ字形ループ状に形成された管の２端が、パネルの裏
側に設けられる凝縮媒体用配給パイプと膨張媒体用集合
パイプとに各別に接続されている。このため、メタル４
が赤外光による熱を伝導して、ヒートパイプ５内に封入
された作動媒体を加温する。このようにして赤外光変換
手段が効率よく変換動作を行う。

【００２３】メタル４の裏面は、高分子繊維材と樹脂な
どとの混合物で覆われている。このため、パネルの軽量
化とともに断熱層６の固化形成がなされて衝撃に対する
強度が増す。建築物の屋根側の取り付け台に接続する固
定部に、周囲に備えた金属フレームでパネルが支持され
取り付けられている。

【００２４】そして、排液量が大きい駆動ポンプ１０と
排液量が少ない循環ポンプ１１とが、ロータ側面に複数
の可動翼が負荷による起伏方向が互いに逆になるよう
に、取り付けられている。これらポンプは、発電機１２
とともに同一の回転軸で連結される。そして両ポンプ１
０、１１および発電機１２は、密閉容器内に組み込ま
れ、太陽光変換装置の裏面に取付けられる。

【００２５】駆動ポンプ１０の入液側は膨張媒体用集合
パイプに、また排液側は熱放出器２０の入口側に接続さ
れ、循環ポンプ１１の入液側は熱放出器２０の出口側
に、また排液側は凝縮媒体用配給パイプに接続されてい
る。この構成により、膨張媒体の圧力は、駆動ポンプ１
０と循環ポンプ１１との容量差によって生じる駆動ポン
プ１０の回転トルクに基づき、駆動ポンプ１０および循
環ポンプ１１を作動させる。気密性をよくするには、ポ
ンプ、発電機などをユニット化するとよい。ポンプは、
ベーン式など種々のものを用いることができる。

【００２６】装置が未作動でも、リザーブタンク２５内
には十分な気体を残留させる。この気体は作動媒体が気
化したものではなく、作動媒体の封入後に作動媒体が外
気温程度で凝縮できるように、ヘリウムなど低沸点媒体
を加圧残留させたものであり、作動媒体の膨張時にリザ
ーブタンク２５内の残留気体の体積が変化することで駆
動ポンプの作動環境をつくる。図示されていないが、２
つのリザーブタンク間に、一方向弁を持った流通管を設
けて、媒体を適宜逆流させ循環する作動媒体量の自動調
節を行う。

【００２７】駆動ポンプ１０の所要トルクは膨縮変化に
比例的であるから、駆動ポンプ１０による作動媒体の循
環が加圧気体の膨縮変化に応じて行われる。これによ
り、ヒートパイプ５を流通する作動媒体によって行われ
る太陽電池の冷却が安定化する。

【００２８】この実施例のパネルは、透明レンズ体１、
透明電極２を含む太陽電池層３が接合されているので熱
損失が少ない。すなわち集光体と太陽電池の間に空間が
あると、この空間での光の散乱の結果、光の到達率が低
くなり、それに応じて太陽電池の発電量が減ることにな
るが、本発明ではその原因となる透明レンズと太陽電池
層との間の空間がないのである。

【００２９】図４は、本発明の他の実施例を示したもの
である。この実施例は、透明レンズ体１、太陽電池層
３、熱受領器、断熱層６を各々板状に形成したのち、そ
れらを接合して構成したものである。

【００３０】図５は、熱放出器２０を水冷構造にしたも
のである。これにより冷却能力が高まる。この場合、熱
放出器２０は、屋根側の取付け台と建築物との間隔を開
けて通風良好にして設置され、水の気化現象により膨張
媒体を冷却し凝縮させている。この凝縮のための熱を有
効利用するには、水を熱交換対象とすれば、放熱損失の
少ない熱放出器を設けて給湯などに利用する。

【００３１】図６は、本発明のさらに他の実施例を示し
たものである。この実施例では、コスト低減のために、
片面板ガラスによる凸レンズ体を用いて単層もしくは張
り合わせによる複層化を行っており、また硬質樹脂など
で放熱防止と軽量化を図ることもできる。

【００３２】そして、太陽電池層３の裏面にブラック・
クロムなどの選択吸収材８を被覆したヒートパイプ５と
メタル製の熱受領器４とを設ける。

【００３３】図７は、選択吸収材８による熱受領器４の
作動媒体への熱伝播の様子を示したものである。

【００３４】図８は、図６の実施例に組み合わされる太
陽電池の構造を示したものである。この構造および製造
手順は次の通りである。

【００３５】上部透明電極２を形成するには、薄板状ま
たはフィルム状のポリマー（ＥＰ）に細線を網状に組ん
で構成した電極線を一部埋め込んで接合し、ＣＶＤによ
り透明電導膜（ＴＣＯ）としての酸化錫膜を形成する。

【００３６】太陽電池層３の上部層を形成するには、透
明電極２を基板としてモノシラン・ガスまたはジシラン
・ガスと不純物ガスとしてのジボランを導入してＲＦ電
界の作用下でｐ型アモルファス・シリコンを製膜する。
次いでｉ型炭化アモルファスシリコンを製膜しその後に
不純物ガスとしてのフォスフィンを導入しｎ型アモルフ
ァスシリコン膜を形成する。

【００３７】太陽電池層３のうち、太陽電池層３の中間
層と下部層とを形成するには、ｉ型層にアモルファス・
ゲルマニウムを用いるｐｉｎ型層を製膜形成する。ま
た、下部透明電極２を形成するには、ｎ型の膜裏面にＴ
ＣＯの酸化錫膜を成膜し、細線を網状に組んで構成した
電極線を配しポリマー（ＥＰ）で圧着すると同時に太陽
電池層３を封止する。

【００３８】ポリマー層の裏面にブラック・クロムなど
の選択吸収材を被覆してヒートパイプを接合した、メタ
ル４を接合する。

【００３９】これら３層の構成は、高温集熱には、高温
域の温度特性がよい上部層のみによるシングル・セルと
し、中低温集熱には上層から波長順に光を選択吸収でき
るアモルファス・シリコンの特性を考慮し上部、中間２
層による構造または上部、中間、下部３層構造とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面構造を示した図。

【図２】図１の実施例における作動媒体の循環構造を示
した概略説明図。

【図３】図１の実施例における太陽電池層の構造を示す
部分断面図。

【図４】本発明の他の実施例の断面構造を示した図。

【図５】図４の実施例と組み合わされる作動媒体の循環
構造を示した概略説明図。

【図６】本発明のその他の実施例の断面構造を示した
図。

【図７】図６の実施例における作動媒体の循環構造を示
した概略説明図。

【図８】図６の実施例における太陽電池層の構造を示す
部分断面図。

【符号の説明】

１ 透明レンズ体 ２ 透明電極 ３ 太陽電池層 ４ メタル ５ ヒートパイプ ６ 断熱層 １０ 駆動ポンプ １１ 循環ポンプ １２ 発電機 １４ 変換回路 １５ 加熱器 ２０ 熱放出器 ２５ リザーブタンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２４Ｊ 2/42 Ｈ Ｆ２８Ｄ 15/02 Ｘ Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｈ０１Ｌ 31/042

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽光の広域スペクトルのエネルギを得て
   光電変換する光電変換系および光熱変換する光熱変換系
   を有する太陽光変換装置において、 前記光電変換系は、 太陽光を集光透過させる透明レンズにより構成される集
   光手段と、 前記透明電極間に形成されたｐｎ接合により構成され、
   前記集光手段を介して太陽光が与えられ、入射光量に応
   じて発電する太陽電池層とをそなえ、 また前記光熱変換系は、 前記光電変換系を通過した光から受領した熱を作動媒体
   に与えて膨張させる熱受領器、互いに容量差のある駆動
   ポンプおよび循環ポンプ、ならびに前記熱受領器により
   膨張した前記作動媒体から熱を奪って凝縮させる熱放出
   器を含んだ作動媒体の循環系と、 前記駆動ポンプおよび循環ポンプに連結され、前記作動
   媒体の循環動作により入射光量に応じて発電する発電機
   と、 をそなえたことを特徴とする太陽光変換装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の太陽光変換装置において、 前記光熱変換系が、太陽電池層の発電する電力が与えら
   れるヒータを有し、このヒータの発生熱により前記作動
   媒体を加熱する太陽光変換装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の太陽光変換装置において、 前記光電変換系における前記透明電極が、高分子層と導
   電膜との間に電極線を配して形成された太陽光変換装
   置。