(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池とその電力を蓄電する電気二重層キャパシタをプラスティックフィルムの両面に一体化した小型、軽量で柔軟性のある昼夜使用可能な電源モジュールを提供する。【解決手段】太陽電池６と電気二重層キャパシタデバイス７とを一枚のプラスチックフィルム１の両面に隔離して設置することとし、該フィルムの両面にあらかじめ電極となる薄膜導電層１２，１３を設け、その上に各々のデバイスを構成する。最終外形は両方のデバイスを各々の導電薄膜電極４１、５１が付いているプラスティックフィルム４、５で密封接着した構造にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光から発電をする太陽電池と、その微弱電力も蓄電する電気二重層キャパシタが一体となって密封製造され、昼夜使用できる電源となる電源モジュール。
【請求項２】
フレキシブルなプラスチックフィルムの両面に導電性物質の薄膜層を形成し、一方の面上の導電層を電極としてその上に太陽電池を形成し、また該フィルムの反対の面の導電層を電極としてその上に電気二重層キャパシタを形成し、発電と蓄電を一体化した請求項1の電源モジュール。
【請求項３】
プラスチックフィルムの片面側に太陽電池を構成し、該フィルムの反対面側に電気二重層キャパシタを構成したもので、太陽電池面を透明でフレキシブルなプラスチックフィルムで封止し、電気二重層キャパシタ面をフレキシブルなプラスチックフィルムで封止した、発電と充電を一体で行う請求項２の電源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
太陽光による自然エネルギーから電力を発電する太陽電池と、それを蓄電するデバイスを一体化して各種電気機器の電力供給用に使用する電源モジュールに関する分野。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料である石油の消費によって発生する二酸化炭素の排出が地球環境の観点から見直され、太陽光を利用した発電は省資源、環境保全の上から極めて望ましいエネルギーとして研究開発がなされてきた。近年は発電効率に優れた太陽電池セルが次々に考案開発され、更に太陽光発電を直接民生用、産業用に積極的に利用される施策がなされることにより、世界的に太陽電池セルの生産競争が起こっている状況にある。
この太陽光エネルギーは正昼時では１平米１ＫＷであり、そのエネルギーを電力に変換する効率を少しでも高くし、広大な面積を太陽光発電に利用することは将来の世界のエネルギー消費課題にとって極めてのぞましいものである。
【０００３】
ところで太陽光発電は日照に対応して発電するものであるから、太陽電池セルの置かれている場所の日照時間はもとより、日日の晴天や曇天または降雨降雪によって著しく発電量が変化する。晴天であっても朝夕の太陽位置や雲による光量増減によって発電量は微少量から最大量まで変化する。太陽光発電を民生用や産業用の電力として利用する際は、安定な電力量を昼夜消費する要請があるため、この電力の恒常的な供給が求められる。この微少から最大まで変動する電力を一定電力として出力し使用する為には蓄電手段を用いることが不可欠となる。
【０００４】
現在の民生や産業用に通常に使用する電力は、火力と原子力及び水力発電によるものである。この電力の需要運増大によって発生する昼間と夜間消費量の差や夏季と冬季の消費電力差を平準化する手段には、夜間電力を用いて温水や冷水を貯蔵しておき昼間使用する方法があり、また水力発電では水の高所への揚水によって位置エネルギー保存する方法が用いられている。一方太陽光発電の蓄電手段は上述のエネルギー変換は使用できず二次電池を用いるものであり、もっぱら鉛蓄電が使用されている。しかし充分な電力を蓄電するには大容量の鉛蓄電池が必要となり、極めて大型且つ大重量な蓄電設備となる。近年携帯電子機器の長時間使用や電気自動車走行用には蓄電池としてエネルギー密度の大きいニッケルー水素やリチウムイオン蓄電器が開発され使用されている。これら二次電池はエネルギー容量を増大してきたのであるが、化学反応を伴う繰り返し使用をするものであり、その結果メモリー効果と呼ばれる充電に伴う劣化が著しい。実用面では長期間使用するには、頻繁な点検補充や電池交換などのメンテナンスが不可欠とする本質的問題を内在している。
【０００５】
上記のような蓄電手段が抱える問題を解決する手段として、電解液と電極物質間に発生する電荷を蓄積する所謂電気二重層キャパシタが開発され、そのエネルギー密度を上昇することにより各種電動機器に使用されるようになってきた。電気二重層キャパシタの作動原理は、化学変化ではなく物理現象を蓄電原理としているため物質変化を伴わない。それ故、材料の変化消耗や劣化が無く、繰り返し充放電の寿命が長い特長を持つ。また充電放電は電荷が出入りする物理作用だけなので、充電時間が短く短時間放出も可能になって放出尖端電力を大きく取ることができる。更に微弱電力の充電も容易に可能となり、出力については全蓄電量の終端まで放出しきって使用しても再充電には問題なく使用でき、使い勝手が良く長期間メンテナンス不要の使用ができるものとなっている。
【０００６】
かくして電気二重層キャパシタに太陽電池の出力を最適に充電するＤＣ−ＤＣコンバータや充放電切り替え回路を付与することによって、太陽電池の発電電力を充電し、太陽電池の発電が無い時には電気二重層キャパシタから放出するモジュールが提案されている。（特許文献１）。実際に太陽電池と電気二重層キャパシタの両者を組合せ、安定な充放電運転モジュールとして屋根等に搭載し大面積で使用するには、このモジュールが風圧や飛来物による衝撃により破損または雨水や降雪による浸水・漏電が発生しないよう、モジュールの外表面に強度の強いガラス板を配置する方法が提案されている。また、太陽光が照射する際に温度が上昇し、筐体内に一緒に収納している電気二重層キャパシタの温度も上がり、その結果発電と充電の性能の劣化がおこることがある。これを防ぐ為に筐体内の太陽電池セルと電気二重層キャパシタの間に光反射物層を挿入し温度上昇を抑制する方法などが提案されている。（特許文献２、特許文献３）
【特許文献１】特開平7-177683
【特許文献２】特開2005-123552
【特許文献３】特開2005-167167
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光の自然エネルギーを発電し、それを貯蓄電して民生や工業用に役立たせる個々の部品は入手できるようになった。太陽電池パネルを収納する容器内に扁平形状の電気二重層キャパシタと電気制御用の回路部品を入れ、屋根に設置するような提案も出てきたが、大型の太陽電池パネルと扁平電気二重層キャパシタを同一の筐体容器に張り合わせて挿入したり、その他の電気部品を同時に入れた重くて容積の大きい電源容器を設置する作業には手間と余計な手数がかかる。さらに多数のこの電源容器を運搬したり格納する際は筺体が持つ体積と重量は大変大きく、置き場所や運搬費用を多く要する課題がのこっている。
【０００８】
このようにして同一筐体に収納した電源モジュールを実際に屋根や各種形状の建物に合わせて設置する時に上記のような箱物を取り扱うのは操作し辛い。太陽電池を設置する場所は平面だけとは限らないので筺体を乗せるための架台を設ける必要となることもある。少し角度の違った面やゆるい曲面に連続してモジュール筐体を設置する場合もある。太陽電池パネルだけの設置であればフレキシブルな太陽電池が容易に製作でき市販されているので局面設置は問題がない。その場合太陽電池パネルだけを屋根に設置し、電気二重層キャパシタは別の場所に纏めて設置することになると、キャパシタの個数と容量が増えるにつれて重量は増え、体積も増大するので収納場所を別途に設けて取り付けねばならなくなる。かくして発電パネルとキャパシタは一緒に取り扱いができ、曲面設置も容易で軽量小型な電源モジュールが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
大型の太陽電池パネルと扁平な電気二重層キャパシタ容器を極度に小型になるように一体化し、どんな形態の場所に設置する場合であっても容易に設置できる電源モジュールとして機能するようにする方法は、フレキシブルなプラスチックフィルムの両面に導電性物質の薄膜層を形成して導電電極の機能を持たせ、一方の面上の導電層電極の上に太陽電池を形成し、また該フィルムの反対の面の導電層電極の上に電気二重層キャパシタを形成し、発電と蓄電を一体化して容器に封入した電源モジュールにすることである。太陽電池も電気二重層キャパシタも、一方の電極をフレキシブルなプラスチックフィルム両面に付着形成された薄膜の上に一体化して設けられ、その両者デバイスの上から、別途にもう一方の電極となる薄膜電極が片面に付着形成されたプラスチックフィルムによって包まれて絶縁樹脂膜を挟んで一緒に張り合わせ接着される。三枚のプラスチックフィルムは電極層を挟んで接着され、電極層はそのまま外部に取り出されて電極となる。両デバイスのセル分割はプラスチックフィルム上にある電極層の大きさと形状のパターンを決めることにより自由なサイズに行うことができ、任意の電圧と電流を取り出せる電源モジュールが得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発電モジュールはプラスチックフィルムの張り合わせによって筐体に封入されており、デバイス全体の材料も金属薄膜やプラスチックフィルム及び液体ゾル・ゲルまたは高分子フィルム電解質によって構成される為、モジュール全体の厚みを薄く、小型化、軽量化でき、また可とう性があるので取り扱いがしやすく、設置する場所が曲面であってもそれに対応して設置することができる。更に発電と蓄電が一体化したモジュールなので、発電体がそのまま蓄電装置の格納部を兼ねている。そのため従来のように蓄電部分を別個に場所をとって設置することがなくなり、大変合理的で設置費用も軽減できる。
【００１１】
本発明の発電モジュールは平端な封止容器の張り合わせ端末部から電極が出ているので、設置面積に応じて面積を増やすには、端末部から出ている電極を繋げるだけで自由に増設・拡大することができ、ユニットとなるモジュールを小さくして使用すれば、面積の縮小や複雑な形状への設置も自由に行うことができる。太陽電池と蓄電器を一体化した蓄電モジュールにおいて問題にされる照射中の温度上昇に対する対策は、すでに開発されている太陽電池で実施されている。すなわち、太陽電池と電気二重層キャパシタ共通電極シートの太陽電池側の面に設けられる電極を、光反射率が高くなるように平坦な鏡面に作り、表面を小さな領域の凹凸部に加工して光をばらばらに乱反射させる。光と熱戦を反射する効果によって温度上昇を抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本特許の電源モジュールの外観を示すもので、扁平な電源モジュールを面に垂直な面で切った断面図を示す。
太陽電池と電気二重層キャパシタは両デバイスの共通の隔壁となるプラスチックフィルム１によって隔離されている。光が入射する面側に太陽電池セル構成６が設置され、この太陽電池セルの反対面側（裏側）に電気二重層キャパシタ７が設置される。このプラス隔離プラスチックフィルム１の両面には導電性物質からなる薄膜層１２，１３が形成されており、両デバイスの電極となる。太陽電池セル構成６の上には構成物を包み込むための光透過性のあるプラスチックフィルム４が設置され、隔離プラスチックフィルム１に密着している。このフィルム４のセル構成物側の面には導電性物質の薄膜層４１が形成されており、太陽電池のもう一方の電極として機能している。この電極層の一部は取り出し電極として隔離フィルムとの接着部分から隔離フィルム上の導電層１３とは絶縁された状態で太陽電池の外に引き出されている。
【００１３】
一方、電気二重層キャパシタ側のキャパシタ構成物７の上には構造物を包み込むようにプラスチックフィルム５が設置され、隔離シート１に密着している。このフィルム５のセル構成物側の面には導電性物質の薄膜層５１が形成されており、電気二重層キャパシタのもう一方の電極として機能している。この電極層の一部は取り出し電極として隔離シート１との接着部分から隔離シート上の導電層１２とは絶縁された状態で太陽電池の外に引き出されている。
【００１４】
このようにして本特許の電源モジュールは隔壁フィルムの両面に太陽電池と電気二重層キャパシタが構成されており、デバイスを構成する太陽電池薄膜材料や薄膜電極及び電気二重層キャパシタを構成するゾル・ゲルの電解質や電極構成材料などがフレキシブルなフィルムで封じ込められた扁平な容器に入った構造なので、モジュールは小型で柔らかく、曲げることができる。
両方のデバイスを包むフィルム４、５と隔壁フィルム1の材質を熱溶解性のものにすると密封加工をする際の接着をする時に都合が良い。
【実施例】
【００１５】
本特許によって試作した電源モジュールの実施例を図1及び図２用いて説明する。
隔離フィルム１は厚み０．６ｍｍのポリイミド（商品名カプトン、幅１０００ｍｍ）の長尺ロールを使用し、真空蒸着法〈イオンプレーティング〉により片面にアルミニウム膜１３を約３μｍ厚で連続付着形成した。同じく該フィルム裏面には銅―ニッケル合金薄膜１２を約３μｍ厚で連続付着形成した。次に両面に金属薄膜の付いた長尺ロールの隔離フィルムを真空槽に入れ、アルミニウム面上にシリコン太陽電池構成物（アモルファスシリコン＋微結晶シリコン＋導電層シリコン）６を多層スパッタ法により形成した。太陽電池構成物の最上面にはインジウムー錫透明導電膜を形成した。尚この太陽電池はアモルファスシリコンや微結晶シリコンを含む薄膜シリコン電池だけでなく、カドミウムーインジウムーガリウムー硫黄（ＣＩＧＳ）太陽電池やカドミウムーテルル太陽電池、有機色素太陽電池、または有機薄膜太陽電池を用いてもよい。隔離フィルム材料には熱可塑性をもつものであればよいのでポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）やポリビニールを使用しても良い。隔離フィルムに付着したアルミニウム面はゾル・ゲルを含む太陽電池構成物に対する電極として作用する。
次に、片面側に太陽電池６が形成された隔離フィルム１の反対面側に、電気二重層キャパシタ７を形成する。具体的には隔離フィルム１上に形成された銅―ニッケル薄膜電極１２の上に活性炭粉末層を形成して陰極電極とし、その上に電解質となる水酸化カリウム溶液を含むゲルを混入し、更に活性炭粉末層を形成して陽極電極とした。これらの作業は長尺フィルムをロールに巻いたものに連続的に太陽電池構成物および電気二重層キャパシタ構成物を設置させることができた。尚電気二重層キャパシタの電解質として有機高分子材料を使用してもよい
【００１６】
隔離フィルムの両面に太陽電池および電気二重層キャパシタ構成物が設置された部分から外部に電極を引き出しながら封止する構造を図２を用いて説明する。
太陽電池を包み込むフィルム４は熱可塑性で透明体のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用した。このフィルム４の太陽電池に接する面には透明導電膜４１としてインジウムー錫合金膜がスパッタリングにより付着しており、太陽電池構成部の透明導電膜に接して太陽電池を密閉し、電池から流出する電流を外部に引き出すことになる。このフィルム４が隔離フィルム１と接着する部分には「つなぎ」のフィルム３が設けられ、このフイルム３は透明導電膜が付着したフィルム４と隔離フィルム１の両フィルムを接着する「つなぎ」材料となるものであり、尚且つ、太陽電池構成物を包みこんで封止固定する機能を持つ。このフィルム３は薄膜構成物をフィルム4とフィルム1で封じ込むものなので、太陽電池セルの周辺全体に設置される。太陽電池がＣＩＧＳや有機色素のゾル・ゲル電解質を含むものであっても同じ構造の封止が使用できる。この材料にも熱可塑性のＰＥＴ０．３ｍｍ厚フィルムを使用した。この「つなぎ」フィルム３が太陽電池構成物を封じ込める光透過プラスティックフィルム4に接する面側には導電物質層３１としてアルミニウム膜３μｍ厚が形成されており、この導電層３１は太陽電池の電極４１から流出する電流をデバイスセルから取り出すリード電極の役割を有する。
この導電層３１は太陽電池の電流を取り出す電極として隣接する太陽電池セルとは絶縁を保つ必要があるので、隣の電極との間を分割して空間を持つようにパターン化３２されている。
【００１７】
一方、電気二重層キャパシタを包み込むフィルム５に熱可塑性で透明体のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）０．３ｍｍ厚フィルムを使用した。このフィルムの電気二重層キャパシタ構成物に接する面側には、銅―ニッケル合金膜１２が３μｍ厚で形成され、電解液を含んだ活性炭と接触する陽極電極としても充分腐食に耐える構成になっている。
また電気二重層キャパシタ７を包み込むフィルム５が隔離フィルム１と接着するところにも、両フィルムを接着し尚且つ、電気二重層キャパシタ構成物を包みこんで封じ込める機能をする「つなぎ」材のプラスティックフィルム２が１ｍｍ厚で設置される。このフィルム２は電気二重層キャパシタのゾル・ゲル電解質をフィルム５とフィルム1で封じ込むものなので、電気二重層キャパシタセルの周辺全体に設置される。この材料にも熱可塑性のＰＥＴを使用した。
この「つなぎ」フィルム２が電気二重層キャパシタの封止用プラスティックフィルム５に接する面側には導電物質層２１がアルミニウム膜３μｍ厚によって形成されており、この導電層２１は電気二重層キャパシタの電流を取り出す電極として隣接する電気二重層キャパシタセルとは絶縁を保つ必要があるので、隣の電極との間を分割して空間を持つようにパターン化３２されている。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本特許の電源モジュールは、環境にやさしい発電デバイスである太陽電池と二次蓄電池として使用特性の大変良い電気二重層キャパシタを一体化した小型軽量で昼夜を問わず電力出力の取れる電源として動作するので、利用可能性が高い。例えば昼間の電力を夜間で消費する街路灯や庭園灯、防犯安全灯
や、住宅の屋根に設置して太陽光発電電力を自己消費電力として使用する電源、更には離島や山間僻地の通常電力線の無い場所での民生、産業用電源として使用価値が大変高い。本特許の製品を製造する場合は、構成要素の太陽電池や電気二重層キャパシタの材料とその製造法は市販され確立されている。本特許製品を作るロール上の連続形成方法も確立されているし材料の入手も容易にできるので安価に製造でき、産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電源モジュールの断面図
【図２】電源モジュールを封止接着し一体化する部分
【符号の説明】
【００２０】
１・・・・隔離フィルム
１２、１３・・・・電極用薄膜導電層
２・・・・電気二重層キャパシタ密封つなぎフィルム
２１・・・・薄膜導電層
３・・・・太陽電池密封つなぎフィルム
３１・・・・つなぎフィルム上の電極用薄膜導電層
３２・・・・電極間の間隙
４・・・・太陽電池封止用フィルム
４１・・・・太陽電池の電極用導電薄膜
５・・・・電気二重層キャパシタ封止用フィルム
５１・・・・電気二重層キャパシタの電極用導電薄膜
６・・・・太陽電池構成物
７・・・・電気二重層キャパシタ構成物
【図１】
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【図２】
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