(57)【要約】 【課題】  有機系太陽光発電装置において、可視光をモジュール内部に閉じ込めることで発電効率を上げ、赤外光を熱エネルギーとして回収することができる太陽光発電装置を提供することを目的とする。【解決手段】  透明電極２，３、光電変換素子４、三角形状パイプ５、および反射フィルム６，７で構成され、三角形状パイプ５に充填されている循環水８が、プリズムとして可視光を装置内部で多数回反射させることで光電変換効率を向上させるとともに、その循環水８が赤外光を吸収して熱エネルギーを回収することで、太陽エネルギーの総合利用効率を向上させることができる。また光電変換素子４の温度上昇を抑制することもできる。【選択図】  図１
2011198825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環水を循環可能な管であって、当該管を形成する面のうち、太陽光の受光面を上面に、他の面を下方に向けて、太陽光を前記管内部に透過可能に形成されたパイプと、
当該パイプの前記上面に接着された、光電変換処理を行う太陽光発電素子と、
前記パイプの前記他の面に接着された、前記パイプ内に透過した太陽光を前記太陽光発電素子に向けて反射可能な反射フィルムと、
を備える太陽光発電装置。
【請求項２】
前記太陽光発電素子が、両側が透明電極で構成される有機薄膜太陽電池もしくは色素増感太陽電池であることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
【請求項３】
前記パイプは、循環水を循環可能な三角柱形状の管であって、前記三角柱形状を形成する面のうち、太陽光の受光面を上面に、他の二つの斜面を下方に向けて、太陽光を前記管内部に透過可能に形成された三角形状パイプであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記三角形状パイプの一の上面と各斜面とが構成する角度のうち、少なくとも一の角度が、前記循環水の空気に対する全反射臨界角度の略半分の角度に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記パイプは、前記循環水を供給するための給水口と、前記循環水を排出するための排水口を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記パイプは、長手方向に傾斜をもって配置されており、
前記パイプの長手方向の上部に、前記循環水を貯水するための貯水タンクをさらに備え、
自然対流によって、前記パイプ内の循環水を循環させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換素子を用いた太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、色素増感太陽電池や有機薄膜太陽電池等の有機系の太陽電池が開発され、従来の結晶シリコン型の太陽電池と比べ光電変換効率は劣るが、安価に製造できるという点で将来有望と考えられている。
【０００３】
このような有機系の太陽電池は、光電変換層を薄い膜状に成膜するため、光電変換層で光が全て吸収されず透過するという特徴を持ち、シースルー型として応用される太陽電池モジュール等もある。
【０００４】
また、入射光を太陽電池モジュール内部で多数回反射させ、光電変換層を多数回通過させることにより光電変換効率を高める光閉じ込め効果を利用したモジュール等も数多く報告されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に記載されている太陽光発電装置では、受光表面部にプリズムシートを備え、入射光のほとんどをモジュール内部に散乱・反射させることにより発電効率を高めることが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２に記載されている太陽光発電装置では、相対的に屈折率が大きく異なる物質を積層することにより、層間の界面反射を利用してモジュール内部に光を閉じ込め、光電変換効率を高めることが記載されている。
【０００７】
このような光閉じ込め効果を利用する有機薄膜系の太陽電池モジュールでは，入射光を光電変換層で多数回透過させることができるため、光電変換層の膜厚を薄くして内蔵電界強度を向上させることができ，光電変換効率を高めることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４０５８３号
【特許文献２】特開２００９−１４１０５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の有機系の太陽電池においては、可視光で光電変換するものがほとんどであり，赤外光に関してはほとんど吸収できないものが多い。特許文献１および２等で記載されている光閉じ込め効果を用いても、可視光の吸収率および光電変換効率は向上させられるが、赤外光に関しては、ほとんど熱となって大気中に放出されることになる。
【００１０】
また、有機系の太陽電池においては熱によって耐久性が低下する場合もあり、耐久性向上のためには太陽電池の冷却が必要になる場合もある。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、入射光を太陽電池モジュール内で多数回往復させる光閉じ込め効果を有しながら、赤外光を熱エネルギーとして回収できる熱電供給型の太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、本発明の太陽光発電装置は、循環水を循環可能な管であって、当該管を形成する面のうち、太陽光の受光面を上面に、他の面を下方に向けて、太陽光を前記管内部に透過可能に形成されたパイプと、当該パイプの前記上面に接着された、光電変換処理を行う太陽光発電素子と、前記パイプの前記他の面に接着された、前記パイプ内に透過した太陽光を前記太陽光発電素子に向けて反射可能な反射フィルムと、を備えている。
【００１３】
この発明によれば、太陽光の受光面を上面に、他の面を下方に向けて、太陽光を管内部に透過可能に形成されたパイプ内を循環水が循環し、当該パイプの前記上面に接着された光電変換素子において、光電変換処理を行い、パイプの下方側に接着された反射フィルムが、パイプ内に透過した太陽光を太陽光発電素子に向けて反射することができる。これにより、太陽光をパイプ内に閉じ込めることができ、光閉じ込め効果による光電変換効率を向上させることができ、さらに熱エネルギーの回収が可能となる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の太陽光発電装置は、前記太陽光発電素子が、両側が透明電極で構成される有機薄膜太陽電池もしくは色素増感太陽電池であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の太陽光発電装置において、前記パイプは、循環水を循環可能な三角柱形状の管であって、前記三角柱形状を形成する面のうち、太陽光の受光面を上面に、他の二つの斜面を下方に向けて、太陽光を前記管内部に透過可能に形成された三角形状パイプであることが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、上面から透過した太陽光を下方に配置されている二つの斜面で太陽光発電素子に向けて反射することで、太陽光発電素子には太陽光が複数回透過することになる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明の太陽光発電装置は、前記三角形状パイプの一の上面と各斜面とが構成する角度のうち、少なくとも一の角度が、前記循環水の空気に対する全反射臨界角度の略半分の角度に形成されていることが好ましい。
【００１８】
この発明によれば、これにより三角形状パイプ内で複数回反射させることができ、太陽光発電素子を複数回投下させることができる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明の太陽光発電装置において、前記パイプは、前記循環水を供給するための給水口と、前記循環水を排出するための排水口を備えることが好ましい。
【００２０】
この発明によれば、循環水を循環させることで、熱エネルギーの吸収を効率的に行うことができる。
【００２１】
また、本発明の太陽光発電装置において、前記パイプは、長手方向に傾斜をもって配置されており、前パイプの長手方向の上部に、前記循環水を貯水するための貯水タンクをさらに備え、自然対流によって、前記パイプ内の循環水を循環させることが好ましい。
【００２２】
この発明によれば、循環水の循環を自然対流により実現することができ、熱エネルギーの吸収を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、安価な装置構成で、光閉じ込め効果による光電変換効率の向上と、熱エネルギーの回収が可能となり、熱電供給型の太陽光発電装置として、総合エネルギー変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は、本実施形態の太陽光発電装置１００の基本構成を示す構成図であり、図１（ｂ）は、その反射効率向上の原理を示す説明図である。
【図２】第１の実施形態の太陽光発電装置２００の構成図である。
【図３】第１の実施形態の太陽光発電装置２００の斜視図である。
【図４】第２の実施形態の太陽光発電装置３００の側面を示す側面図である。
【図５】第２の実施形態の太陽光発電装置３００の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２６】
図１（ａ）は、本実施形態の太陽光発電装置１００の基本構成を示す構成図である。図１（ａ）に示すように、この太陽光発電装置１００は、透明電極２、透明電極３、光電変換素子４、三角形状パイプ５、反射フィルム６および反射フィルム７で構成される。三角形状パイプ５には循環水８が充填される。また、太陽光発電装置１００の受光面には耐久性等のため透明強化ガラス１を備えることが望ましい。この図においては、透明電極２、光電変換素子４、および透明電極３から構成される部分を可視光発電層９とし、三角形状パイプ５および反射フィルム６および７の部分を赤外光吸収層１０としている。
【００２７】
この太陽光発電装置１００は、循環水８をプリズムとして可視光を装置内部で多数回反射させることで光電変換効率を向上させるとともに、その循環水８が赤外光を吸収して熱エネルギーを回収することで、太陽エネルギーの総合利用効率を向上させる。また光電変換素子４の温度上昇を抑制することもできる。
【００２８】
透明強化ガラス１は、太陽光発電装置１００の上面に配置されており、太陽光を受光可能にするために、透明な部材で構成されている。
【００２９】
透明電極２および透明電極３は、光電変換素子４の電極であり、光電変換素子４の上面側および下面側の両側に配置されている。
【００３０】
三角形状パイプ５は、循環水８を循環可能な三角柱形状の管であって、三角柱形状を形成する面のうち、太陽光の受光面を上面に、他の二つの斜面を下方に向けて、太陽光を管内部に透過可能に形成されたものである。この三角形状パイプ５の上面側に、光電変換素子４が接着されている。また、その下部に構成されている斜面には、反射フィルム６および７が光電変換素子４に反射可能に接着されている。この反射フィルムにより、太陽光をそのパイプ内において反射させることができる。
【００３１】
また、三角形状パイプ５は、三角柱を構成する上面と各斜面とにより形成される角度は、循環水８から空気への全反射臨界角の半分の角度が望ましい。例えば、循環水８に水を利用した場合、水から空気へ光が進行する場合の全反射臨界角は４８度であるため、その半分の２４度にすることが望ましい。これにより、多数回光は光電変換素子４を通過することになり、光電変換効率を向上させることができる。
【００３２】
本実施形態では、透明電極２および透明電極３、光電変換素子からなる層を、可視光発電層９とし、三角形状パイプ５（反射フィルムを含む）を赤外光吸収層１０とし、可視光発電層９は、太陽光から電気エネルギーを光出する部分であり、赤外光吸収層１０は、赤外光の熱エネルギー等を吸収する部分である。
【００３３】
図１（ｂ）は、その反射効率向上の原理を示す説明図である。図に示すとおり、受光面に垂直に入射した太陽光Ｘは、反射フィルム６で反射され、反射光Ｒ１が強化ガラス１にあたる。強化ガラス１では、反射光Ｒ２が反射フィルム７に向けて反射され、さらに反射フィルム７では反射光Ｒ３が反射される。図から明らかな通り、このようにして反射された反射光Ｒ１〜Ｒ３により、全て４回、光電変換素子４を通過でき、光電変換効率を高めることが可能になる。
【００３４】
この発明によれば、光を装置内部に閉じ込める光屈折材、赤外光を熱エネルギーとして吸収する赤外光吸収材、光電変換素子を冷却する冷却材を、循環水８で全て満たすことができ、循環水８に水を用いることで安価な装置構成とすることが可能である。
【００３５】
上記の発明で利用する三角形状パイプ５は、その断面が三角形状でなくても、これとほぼ同等の光閉じ込め効果を持つ形状、例えば半円形状パイプでも良く、また可視光発電層９が三角形状パイプの一面を形成する構成でも良い。
【００３６】
図２は、第１の実施形態の太陽光発電装置２００の構成図であり、図３は、その斜視図である。この太陽光発電装置２００は、太陽光発電装置１００複数を長手方向に平行に並べたものであり、透明電極２、３および光電変換素子４で構成される可視光発電層９と、三角形状パイプ５を複数連結して形成された連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａ、反射フィルム６、７で構成される赤外光吸収層１０とから構成されている。
【００３７】
可視光発電層９は、その両側が透明電極２および３が備えられ、有機薄膜太陽電池もしくは色素増感太陽電池で構成され、主に可視光で発電し、吸収できなかった可視光および赤外光は透過する特徴を備える。
【００３８】
この太陽光発電装置２００は、循環水８を循環させるための水路１６を連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａの長手方向（循環方向）の両端側に備え、片方の水路は給水口１４に、もう片方の水路は排水口１５に繋げている。給水口１４から注入された循環水８は水路１６を通り、三角形状パイプ５ａの各三角形状パイプの中を通り、反対側の水路１６を通って、排水口１５から排出され、循環水は循環される。
【００３９】
連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａの可視光発電層９の接着面がなす角度は２４度であり、可視光発電層９に直進して入射した光は、循環水８が充填された連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａ内部を反射して、可視光発電層９を４回通過する。
【００４０】
また、可視光発電層９に、ある角度を持って入射した光も、一部は可視光発電層９を4回通過し、その他は可視光発電層９を２回通過する。
【００４１】
一方、赤外光は、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａの内部に充填された循環水８により熱エネルギーとして回収され、循環水８を循環させることによって、熱エネルギーを太陽光発電装置の外部に移動させて使うことが可能になる。
【００４２】
この太陽光発電装置２００では、電気と熱の両方を供給できる太陽光発電装置として利用可能であるが、電気の一部は循環水８を循環させるための電力として使う必要がある。
【００４３】
図４は、第２の実施形態の太陽光発電装置３００の側面を示す側面図であり、図５は、その斜視図である。この太陽光発電装置３００は、第１の実施形態と同様に、透明電極２、３、光電変換素子４で構成される可視光発電層９と、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａ、反射フィルム６、７で構成される赤外光吸収層１０で構成され、連結型透明アクリル三角パイプ５ａの中に循環水８が循環する構成となっている。
【００４４】
この太陽光発電装置３００は、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａは、その長手方向に対して傾斜して配置されており、その上端部に貯水タンク１９が配置される。貯水タンク１９内の冷水１７は自然対流で、連結型透明アクリル三角パイプ５ａ内を通り、その下端部に移動する。
【００４５】
連結型透明アクリル三角パイプ５ａ内部の冷水１７は、太陽エネルギーにより温度が上昇し、温水１８となって、連結型透明アクリル三角パイプ５ａの上端部に配置される貯水タンク１９に移動する。
【００４６】
この太陽光発電装置３００では、電気と熱の両方を供給できる太陽光発電装置として利用可能であり、循環水８を循環させるための動力も不用であるため、エネルギーの利用効率が高いという特徴を持つ。
【００４７】
また、循環水８の温度が上昇することで生じる対流を利用して、熱エネルギーを回収した循環水８が自然に循環する構成にすることも可能である。すなわち、自然循環型の太陽熱温水器の受光面を、本発明の太陽光発電装置にした構成である。
【００４８】
この発明によれば、循環水８を循環させるエネルギーが不要となり、ソーラーシステムとして総合的に供給できるエネルギーが向上する。
【００４９】
つぎに、本実施形態の太陽光発電装置１００、２００、および３００の作用効果について説明する。
【００５０】
太陽光発電装置１００は、太陽光の受光面を上面に、他の面を下方に向けて、太陽光を管内部に透過可能に形成された三角形状パイプ５内を循環水８が循環し、当該三角形状パイプ５の上面に接着された光電変換素子４において、光電変換処理を行い、三角形状パイプ５の下方側に接着された反射フィルム６および７が、三角形状パイプ５内に透過した太陽光を光電変換電素子４に向けて反射することができる。これにより、太陽光をパイプ内に閉じ込めることができ、光閉じ込め効果による光電変換効率を向上させることができ、さらに熱エネルギーの回収が可能となる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００５１】
また、太陽光発電装置１００は、上面から透過した太陽光を下方に配置されている二つの斜面の反射フィルム６および７が光電変換電素子４に向けて反射することで、光電変換電素子４には太陽光が複数回透過することになる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００５２】
また、太陽光発電装置１００は、三角形状パイプ５の上面側（光電変換電素子４の接着側）とその他の斜面とのなす角θ（具体的には４８度）を、循環水８の空気に対する全反射臨界角度の略半分（θ／２＝２４度）の角度とすることで、複数回反射させることができ、太陽光発電素子を複数回投下させることができる。よって、エネルギー変換効率を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施形態の太陽光発電装置２００において、三角形状パイプ５は、循環水８を供給するための給水口１４と、循環水８を排出するための排水口１５を備え、図示しない循環水を循環させる循環水制御装置が、給水口１４に対する給水処理と、排水口１５からの廃水処理を行うことができる。これにより、循環水を循環させることで、熱エネルギーの吸収を効率的に行うことができる。
【００５４】
また、第２の実施形態の太陽光発電装置３００において、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａは、長手方向（循環水の循環方向）に傾斜をもって配置されており、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａの長手方向の上部に、循環水８を貯水するための貯水タンクをさらに備え、自然対流によって、連結型透明アクリル三角形状パイプ５ａ内の循環水を循環させることを特徴とする。これにより、循環水８の循環を自然対流により実現することができ、熱エネルギーの吸収を効率的に行うことができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…透明強化ガラス、２…透明電極、３…透明電極、４…光電変換素子、５…三角形状パイプ、５ａ…連結型透明アクリル三角形状パイプ、６…反射フィルム、７…反射フィルム、８…循環水、９…可視光発電層、１０…赤外光吸収層、１４…給水口、１５…排水口、１６…水路、１７…冷水、１８…温水、１９…貯水タンク、１００…太陽光発電装置、２００…太陽光発電装置、３００…太陽光発電装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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