(57)【要約】【課題】太陽光発電装置の総発電量は、構成要素である太陽電池の温度上昇により、低下するという課題があった。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明の太陽光発電装置１は、冷却管１０２と、冷却管１０２に設置された熱電変換素子１０３と、熱電変換素子１０３に設置された太陽電池１０４と、太陽電池１０４の温度に基づいて熱電変換素子１０３の機能を発電機能と冷却機能とのいずれかに切り換える制御部１０７と、を有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却部と、
前記冷却部に設置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子に設置された太陽電池と、
前記太陽電池の温度に基づいて、前記熱電変換素子の機能を発電機能と冷却機能とのいずれかに切り換える制御部と、を有する
太陽光発電装置。
【請求項２】
前記熱電変換素子に流す電流以上に、冷却による前記太陽電池の発電効率の向上が大きくなる境界の温度を設定温度として予め設定しておき、
前記制御部は、前記太陽電池の温度が設定温度以下の場合は、前記熱電変換素子を発電機能で使用し、前記太陽電池の温度が前記設定温度より高い場合は、前記熱電変換素子を冷却機能で使用するように制御する、
請求項１に記載の太陽光発電装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記熱電変換素子が発電した電圧値を用いて前記太陽電池の温度を測定する、
請求項１又は２に記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記冷却部および前記熱電変換素子および前記太陽電池を少なくとも含む太陽光発電ユニットの下方に配置された反射鏡をさらに有し、
前記太陽光発電ユニットは、複数の前記熱電変換素子と、それぞれの熱電変換素子に対応した複数の前記太陽電池とを有する、
請求項１から３いずれか１項に記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記冷却部の断面形状が、角筒形状である、
請求項４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、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽光発電装置において、例えば、冷却管上に配置した太陽電池に対して反射鏡を用いて太陽光を集光して、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する、集光型の太陽光発電装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に開示の太陽光発電装置は、図７に示すように、反射鏡３０１で反射した太陽光を太陽電池３０２に集光させることで、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換している。このとき、太陽光には、熱線が含まれているので、太陽電池３０２が加熱され、その温度が上昇する。そこで、特許文献１に開示の太陽光発電装置では、熱電変換素子３０４を太陽電池３０２と冷却管３０３との間に配置し、太陽電池３０２と冷却管３０３の温度差を利用して熱電変換を行うことで、太陽光の熱エネルギーを有効に活用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２７１０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の太陽光発電装置においては、反射鏡側の太陽電池３０２は、反射鏡３０１により太陽光が集光されているので、冷却管３０３に流通する冷水によって冷却したとしても温度が大きく上昇してしまう可能性がある。ここで、例えばシリコン系の太陽電池の場合、常温での発電効率は２０％程度であるが、温度上昇に伴ってその効率は低下し、２００℃での発電効率は８％前後になることもある。一方、熱電変換素子の発電効率は３％程度であり、反射鏡側における太陽電池の発電効率の低下は、熱電変換素子の発電から補うことはできない。つまり、従来の太陽光発電装置においては、総発電量が、太陽電池の温度上昇により低下するという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、総発電量の大きな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】
【０００７】
本発明の太陽光発電装置は、この目的を達成するために、冷却部と、前記冷却部に設置された熱電変換素子と、前記熱電変換素子に設置された太陽電池と、前記太陽電池の温度に基づいて、前記熱電変換素子の機能を発電機能と冷却機能とのいずれかに切り換える制御部と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の太陽光発電装置は、熱電変換素子の機能を切り換えることが可能なものであるため、総発電量の大きい太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る太陽光発電装置を示す斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断したときの断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る太陽光発電装置のシステム構成の一部を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子を示す斜視図
【図５】本発明の実施の形態に係る動作を説明するフローチャート
【図６】本発明の実施の形態に係る太陽電池温度と発電効率との関係を示す概略図
【図７】従来の太陽光発電装置を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明の太陽光発電装置１は、架台１０に立設したフレーム１１によって支持された反射鏡１０１と、太陽光発電ユニット１００とで、構成される。反射鏡１０１は、断面形状が半円筒状であり、太陽光発電ユニット１００に太陽光を集光させるように構成されている。太陽光発電ユニット１００は、反射鏡１０１の焦線付近に配置されるように、フレーム１１によって支持されている。すなわち、反射鏡１０１は、
冷却管１０２及び熱電変換素子１０３及び太陽電池１０４を少なくとも含む太陽光発電ユニット１００の下方に配置されている。
【００１２】
図２は、図１のＡ−Ａ線で切断した太陽光発電ユニット１００の断面図である。図２に示すように、太陽光発電ユニット１００は、冷却管１０２と、冷却管１０２の側面に設置された熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈ（以下、まとめて熱電変換素子１０３ともいう。）と、熱電変換素子１０３の上面にそれぞれ設置された太陽電池１０４ａ〜１０４ｈ（以下、まとめて太陽電池１０４ともいう。）を備えている。冷却管１０２は、冷却部の一例である。
【００１３】
本発明の太陽光発電装置１は、詳細は後述するが、この熱電変換素子１０３の機能を、太陽電池１０４の温度によって発電機能と冷却機能とで切り替えて使用することで、太陽電池１０４の発電効率を高くすることができるものである。具体的には、本発明の太陽光発電装置１は、太陽電池１０４の温度が設定温度以下か否かを測定して、太陽電池１０４の温度が設定温度以下の場合は、熱電変換素子１０３を発電機能で使用して発電量を増やし、太陽電池１０４の温度が設定温度より高い場合は、熱電変換素子１０３を冷却機能で使用して太陽電池１０４の発電効率の低下を防ぐことで、太陽光発電装置１全体の発電効率を高くするものである。
【００１４】
冷却管１０２は、断面は８角形である角筒形状を有し、側面は矩形の平面を有している。冷却管１０２の内部には図示しない冷却水が流通しており、冷却管１０２の壁面および熱電変換素子１０３を介して太陽電池１０４を冷却することが可能な構造となっている。冷却管１０２に冷却水を流通させることで、太陽電池１０４の温度上昇を防ぎ、太陽電池１０４の発電効率の低下を防ぐことができる。本実施の形態では、冷却管１０２の断面形状を角筒形状としているため、一般的に平面で構成される太陽電池１０４と冷却管１０２との密着性を高めると共に、冷却管１０２内を流通する冷却水の量を少なくすることができるので、より発電効率の高い太陽光発電装置１を実現している。
【００１５】
太陽電池１０４は、例えば、ケイ素や化合物半導体の結晶あるいはアモルファスシリコンなどから成り、半導体の光起電力効果を利用して光エネルギー（太陽エネルギー）を、直接、電気エネルギーに変換する。
【００１６】
図３は、本発明の太陽光発電装置１のシステム構成の一部を示すブロック図である。図３に示すように、太陽光発電装置１は、温度センサー１０６ａ〜１０６ｈ（以下、まとめて温度センサー１０６ともいう。）と、制御部１０７ａ〜１０７ｈ（以下、まとめて制御部１０７ともいう。）を備えている。温度センサー１０６ａ〜１０６ｈは、太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度をそれぞれ測定するために、それぞれに対応して設けられている。温度センサー１０６としては、例えば、熱電対を用いることができ、太陽電池１０４の裏面や側面に貼着して設けられる。制御部１０７ａ〜１０７ｈは、熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈにそれぞれに対応し、熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈを制御する。制御部１０７ａ〜１０７ｈは、温度センサー１０６ａ〜１０６ｈが測定した太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度に基づき、それぞれが対応する熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈの機能を発電機能又は冷却機能に切り換える。
【００１７】
また、温度センサー１０６ａ〜１０６ｈを用いず、熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈが発電した電圧値を測定して、太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度を求めてもよい。この場合、温度センサー１０６ａ〜１０６ｈを用いる必要がなく太陽電池１０４の温度を測定することができるので、太陽光発電装置１における部品点数の削減が図れる。
【００１８】
図４は、熱電変換素子１０３を示す斜視図である。本発明の熱電変換素子１０３は、ゼーベック効果およびペルチェ効果の両方の機能を有するものである。
【００１９】
本発明における発電機能とは、このゼーベック効果により発電される機能をいう。本発明では、太陽光によって加熱された太陽電池１０４と、冷却管１０２を流通する冷却水との温度差を利用して、ゼーベック効果による発電を行っている。ここで、ゼーベック効果とは、種類の異なる金属または半導体を接合させ、その接合部に温度差を設けることによって、温度差に応じて起電力が発生する現象である。
【００２０】
また、本発明における冷却機能とは、このペルチェ効果のうち、熱の吸収作用を利用して冷却する機能をいう。本発明では、熱電変換素子１０３に電力を供給することで、太陽光によって加熱された太陽電池１０４から冷却管１０２側に熱を輸送して、太陽電池１０４を冷却している。ここで、ペルチェ効果とは、ゼーベック効果とは逆の現象で、種類の異なる金属または半導体を接合させ、電流を流すと、電流の方向と大きさに依存した熱の吸収と放出が起こる現象である。
【００２１】
熱電変換素子１０３は、図４に示すように、Ｐ型熱電変換素子１０３ｐとＮ型熱電変換素子１０３ｎとを配線基板１０５に実装して、電気的に直列に接続して形成される。
【００２２】
熱電変換素子１０３の材料としては、例えば、ビスマス・テルル系の合金を用いている。具体的には、Ｐ型熱電変換素子１０３ｐとしては、ビスマス・テルル系の合金にＳｂ等をドーパントとして添加したものを用い、Ｎ型熱電変換素子１０３ｎとしては、ビスマス・テルル系の合金にＳｅ等をドーパントとして添加したものを用いている。
【００２３】
本発明の太陽光発電装置１の動作中の制御について、図５を用いて説明する。
【００２４】
図５に示すように、太陽光発電装置１の動作中においては、まず、ステップＳ１０において、制御部１０７ａ〜１０７ｈによる制御により、それぞれの温度センサー１０６ａ〜１０６ｈを用いて、対応する太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度を測定する。
【００２５】
次に、ステップＳ１１において、制御部１０７ａ〜１０７ｈで、対応する太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度が設定温度以下か否かを判定する。ここで、太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度が設定温度以下である場合（ステップＳ１１のＹｅｓ）は、ステップＳ１２に進み、対応する熱電変換素子１０３ａ〜１０３ｈを発電機能として使用して発電を行う。一方、太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの温度が設定温度より高い場合（ステップＳ１１のＮｏ）、ステップＳ１３に進み、設定温度以上の太陽電池１０４の下面に設置した熱電変換素子１０３を冷却機能として使用して太陽電池１０４の冷却を行う。例えば、太陽電池１０４ｅの温度のみが設定温度より高くなれば、太陽電池１０４ｅの下面に設置した熱電変換素子１０３ｅのみを冷却機能として使用し、その他の熱電変換素子１０３ａ〜ｄ、１０３ｆ〜ｈは発電機能として使用する。このようにして、一部の太陽電池１０４の温度が設定温度より高くなった場合に、対応する熱電変換素子１０３のみで個別に冷却することで、各太陽電池１０４間の特性ばらつきや状態に応じた制御が可能となり、太陽電池１０４の発電効率を均一化させることができる。なお、前述のように、太陽電池１０４の温度が設定温度以下の場合は、太陽電池１０４と冷却管１０２の温度差を利用して発電するため、太陽光発電装置１の全体の発電量を大きくすることができる。
【００２６】
ここで、熱電変換素子１０３を冷却機能で使用する場合、熱電変換素子１０３に電流を流してペルチェとして動作させる必要があるため、流す電流以上に冷却による発電効率の上昇分が大きくならないと、太陽光発電装置１全体の発電効率が低下することになる。そのため、本発明では、用いる太陽電池の特性などに合わせて予め実験を行うなどによって、熱電変換素子に流す電流以上に、冷却による太陽電池の発電効率の向上が大きくなる境界の温度を求め、この温度を所望の設定温度として予め設定しておく必要がある。
【００２７】
図６は、熱電変換素子１０３を発電機能で使用した場合の太陽電池温度（素子温度）と発電効率（変換効率）との関係を示す図である。図６に示すように、太陽電池の温度が高くなると、発電効率が下がることが分かっている。例えば、太陽電池の材料が結晶シリコンの場合、太陽電池の光電変換部の温度が１０℃上がると、発電効率は、約４％低下する。
【００２８】
なお、反射鏡１０１は、図１では長手方向に垂直な断面が半円筒状であるトラフ形状として図示しているが、所望の特性を実現できる構成であれば、多数の平面鏡の組み合わせや、複数のパラボラ型反射鏡を組み合せて構成してもよい。
【００２９】
また、反射鏡１０１は、太陽エネルギーを最大限利用するためには、太陽光に対して正対する方向に向ける方が望ましく、太陽の移動に追従するように追尾装置（図示せず）を用いてもよい。
【００３０】
なお、本実施の形態では、角筒形状の冷却管１０２のすべての側面に熱電変換素子１０３および太陽電池１０４を搭載したが、これに限られるものではない。例えば、反射鏡１０１側のみに搭載しても構わない。
【００３１】
さらに、冷却管１０２の形状は、角筒形状に限られるものではなく、円筒状であってもよい。
【００３２】
なお、本発明のように、所望の設定温度以下か否かに基づいて熱電変換素子を冷却機能と発電機能とで切り替えて使用するのは、反射鏡が無い太陽光発電装置においても効果がある。ただし、反射鏡１０１を備える太陽光発電装置１においては、各太陽電池１０４ａ〜１０４ｈの発電効率の均一化も図れるため、このような反射鏡を備える太陽光発電装置１で用いることがなお望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように、本発明は、太陽光発電装置として有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１  太陽光発電装置
１０  架台
１１  フレーム
１００  太陽光発電ユニット
１０１  反射鏡
１０２  冷却管
１０３、１０３ａ〜１０３ｈ  熱電変換素子
１０４、１０４ａ〜１０４ｈ  太陽電池
１０３ｎ  Ｎ型熱電変換素子
１０３ｐ  Ｐ型熱電変換素子
１０５  配線基板
１０６ａ〜１０６ｈ  温度センサー
１０７ａ〜１０６ｈ  制御部
【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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【図６】
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【図７】
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