(57)【要約】【課題】光の当る部位を、小さな単位に分け、この単位で発電し、この単位で発熱と吸熱を行う太陽電池デバイスを提供する。【解決手段】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスは、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に設けられた採光窓から光を受けて直流の電気を作る太陽電池（５０）と、前記太陽電池（５０）の直流で駆動され、外部と放熱または吸熱を行うペルチェモジュール（６０）と、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に、前後左右と上の５カ所に開閉可能な空気孔（２７）を有する熱交換部（１４、１５）とを備える。また、本デバイスの形状は、矩形と６角形の２つが可能で、平面あるいは曲面に敷き詰めて使用する。【選択図】図１
2005116698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形板の形状を有するデバイスであって、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に設けられた採光窓から光を受けて直流の電気を作る太陽電池（５０）と、前記太陽電池（５０）の直流で駆動され、外部と放熱または吸熱を行うペルチェモジュール（６０）と、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に、前後左右と上の５カ所に開閉可能な空気孔（２７）を有する熱交換部（１４、１５）とを備えたことを特徴とするペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイス。
【請求項２】
６角形板の形状を有するデバイスであって、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に設けられた採光窓から光を受けて直流の電気を作る太陽電池（５０）と、前記太陽電池（５０）の直流で駆動され、外部と放熱または吸熱を行う２つのペルチェｐ型半導体（７０、７１）と１つのペルチェｎ型半導体（７２）からなるペルチェモジュール（６０）を備え、前記ペルチェモジュール（６０）の銅電極（７３、７４）に、採光窓からの光を通すための開口部が穿設されたことを特徴とするペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイス。
【請求項３】
前記ペルチェモジュール（６０）が、前記２つのペルチェｎ型半導体（９０、９１）と、１つのｐ型半導体（９２）で構成されたことを特徴とする請求項２記載のペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はペルチェモジュールが組み込まれた太陽電池デバイスに係り、より詳しくは、分散形の太陽電池デバイスに好適な構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、太陽の光のエネルギーを直接電気エネルギーに変換することができ、電卓や時計をはじめ、大規模なソーラ発電のパネルなどに使用されている。半導体で作られた太陽電池の発電原理は、ｐ型半導体とｎ型半導体を積層して構成し、光があたると電位差が発生し電流が流れる光電効果を応用している。例えば、シリコンを使用した太陽電池の構造は、紙面の上から下へ向けて光があたるとして、電極（−）、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層、電極（＋）の順番に層を形成している。なお、上部の電極（−）には酸化錫などの透明電極が使用され、透明な半導体材料と合せて、最近では透明な太陽電池セルが試作されている。
【０００３】
他方、電子冷却が可能なペルチェモジュールは、ペルチェｐ型半導体とペルチェｎ型半導体を銅電極でπ形に接合してなる熱電冷却素子を構成要素とする。直流の電気をプラス電極から、ペルチェｐ型半導体、銅電極、ペルチェｎ型半導体、銅電極、ペルチェｐ型半導体の順にマイナス電極に向けて流すと、最初の銅電極では発熱があり、後の銅電極では吸熱が生じる。すなわち、一方の接合面から他方の接合面へ熱を運ぶことで知られる。このような熱の発生と吸収が起こる現象をペルチェ効果と呼んでいる。直流電流の流す方向を逆にすると、熱の移動方向も逆になり、熱の発生する接合面と熱が吸収される接合面が逆転する。そのため、ペルチェモジュールは、加熱にも冷却にも利用される。
【０００４】
ところで、市販のシリコン太陽電池は、カタログの１つを例にとると、外形寸法が１２００ｍｍ×５００ｍｍ×３５ｍｍ、最大定格の電圧・電流・出力が１７Ｖ×４．４Ａ×７５Ｗとなどとなっている。
【０００５】
一方、市販のペルチェモジュールは、寸法が縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ、薄板形状をしており、４０Ｗクラスや８０Ｗクラスの例がある。８０Ｗクラスの１つは、最大定格の電圧・電流・容量が１７Ｖ×８Ａ×８０Ｗなどとなっている。
熱電冷却素子の半導体は、ビスマス・テルル系の材料をベースに作られており、例えば４０ｍｍ角の中に約１２０個程度が実装されている。熱電冷却素子は一端が熱くなり他端が冷たくなるが、ビスマス・テルルは熱伝導率が非常に小さいので、一方の熱が他方へ流れて温度が平均化されるのを防いでいる。
【０００６】
前記の市販ペルチェモジュールを駆動するため、前記太陽電池２枚を並列にして接続したとする。並列接続では電流が最大で８．８Ａまで可能となる。
この場合、太陽電池の面積は合せて、１２０００平方ｃｍとなる。ペルチェ素子１個に対応する太陽電池の面積を試算するなら、１２０で割って、１００平方ｃｍを得る。４個のペルチェ素子を使うなら４００平方ｃｍとなって、一辺が２０ｃｍの正方形に相当する。従って、定性的には、大きなスペースを使って太陽光を集め、発電して、小さなペルチェ素子に電気を供給している。逆にいえば、機器が必要とする電力は、大きな太陽電池スペースを必要とする。
【０００７】
ペルチェモジュールの応用例を挙げると、車両の屋根に取り付け、外部と熱交換を行って室内の空気を冷したものがある。その場合の電源は、別途車両の屋根に設けられた太陽電池である。（特許文献１参照）
また、他の応用例では、ペルチェモジュールを部屋の壁に組み込んで熱交換を行い、部屋の冷房または暖房を行ったものがある。この場合も電源は別の場所に設けられた太陽電池である。（特許文献２参照）
【０００８】
上記応用例は、冷却を集中して行うので効率が良い。反面、冷却した空気を車両のトランク室まで運ぶとか、遠くの部屋に運ぶといった場合は効率が悪い。その間にロスがあるからである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−８９３１５号公報
【特許文献２】特開平０８−１７８３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明は、集中ではなく分散の発想に基づいて創出されたものであって、本発明の目的は、光の当る部位を、小さな単位に分け、この単位で発電し、この単位で発熱と吸熱を行う太陽電池デバイスを提供することにある。この発電と発熱と吸熱を行うデバイスを多数並べて１つの構造体を組めるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明による第１のペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスは、矩形板の形状を有するデバイスであって、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に設けられた採光窓から光を受けて直流の電気を作る太陽電池（５０）と、前記太陽電池（５０）の直流で駆動され、外部と放熱または吸熱を行うペルチェモジュール（６０）と、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に、前後左右と上の５カ所に開閉可能な空気孔（２７）を有する熱交換部（１４、１５）とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
表面と裏面の両方からの採光は、少しでも採光を多くするためである。また、熱交換部のカバーに、前後左右と上の５カ所に開閉可能な空気孔を有するのは、対流による空気の流れを作るためである。例えば本デバイスが垂直に配置されるなら、上下の２つの空気孔が開かれ他は閉じて使用される。本デバイスが水平に設置されるなら、全ての空気孔は開かれて使用される。熱交換部のカバーは、手などが熱源に直接触れないようにするためでもある。
【００１３】
前記目的を達成するための、本発明による第２のペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスは、６角形板の形状を有するデバイスであって、前記デバイスの表面側と裏面側の両方に設けられた採光窓から光を受けて直流の電気を作る太陽電池（５０）と、前記太陽電池（５０）の直流で駆動され、外部と放熱または吸熱を行う２つのペルチェｐ型半導体（７０、７１）と１つのペルチェｎ型半導体（７２）からなるペルチェモジュール（６０）を備え、前記ペルチェモジュール（６０）の銅電極（７３、７４）に、採光窓からの光を通すための開口部が穿設されたことを特徴とする。
【００１４】
使用するペルチェｐ型半導体とペルチェｎ型半導体は、互いに逆な関係にあってシステム的に等価な回路を構成することができる。そこで、２つのペルチェｎ型半導体と、１つのペルチェｐ型半導体に置き換えて、本デバイスを構成しても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスは、矩形または６角形のデバイスとしたので、平面に敷き詰め可能である。本デバイスは１０ｃｍ程度か、それ以下の大きさを想定しているので、条件付きで局面にも実装できる。また、本デバイスは個々に独立しているので、互いに連結させる必要はなく、必要な箇所に１個から装着できる。すぐ隣のペルチェモジュールの発熱面と吸熱面を、逆にするといったこともできる。本デバイスは、両側に採光窓が設けてあるので、透明の太陽電池を採用すれば、外を見通せる窓などにも適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１によるペルチェモジュールを内蔵した太陽電池デバイスの内部構成図である。実施例１は、矩形板状のデバイスを前提としている。（ａ）が正面図、（ｂ）が平面図である。
【００１８】
本デバイスは、ケース１３に太陽電池５０とペルチェモジュール６０が内蔵されている。図１（ａ）の左側が、太陽電池５０で右側がペルチェモジュール６０である。ケース１３には、表面側に採光窓１１が、裏面側に採光窓１２が設けられる。図１（ａ）の右側の表面上部の熱交換部３５には、空気孔を有するカバー１４が設けてある。同じく右側の裏面下部の熱交換部３６にも、空気孔を有するカバー１５が設けてある。内部は仕切り材１０で上部と下部に分けられている。
【００１９】
光は、採光窓１１と採光窓１２に矢印で示した。本デバイスで窓を構成するなら一方の光は外からの光で、他方は部屋の中の光となる。図１の回路構成では、右側上部が放熱による熱交換部３５となり、矢印は熱が外側に出て行く様子を示している。右側下部は吸熱による熱交換部３６となり、矢印は熱が吸収される様子を示している。
【００２０】
太陽電池５０は、表面と裏面に対応して２個を設けた。太陽電池は例えばシリコン太陽電池なら、マイナス電極１、ｎ型半導体２、ｐ型半導体３、プラス電極４が基板５の一方の側に、マイナス電極９、ｎ型半導体８、ｐ型半導体７、プラス電極６が基板５の他の側に、層状に実装される。図１では、ｎ型半導体はｎ、ｐ型半導体はｐと符号を付けた。なお、透明な電極と、ガラス基板と、透明なｎ型とｐ型の半導体を使用するなら、両面から光を受けられるから、太陽電池を１つにすることもできる。
【００２１】
太陽電池５０は、ここでは直列接続とした。一方の太陽電池のマイナス電極１から出る端子ｅと他方の太陽電池のプラス電極６から出るの端子ｆが、パワーオンオフスイッチ３０に接続される。
太陽電池５０としての電源出力は、一方の太陽電池のプラス電極４から出る端子ａと、他方の太陽電池のマイナス電極９から出る端子ｂの２つがである。
端子ａとｂの各々は、ペルチェモジュール６０の入力端子ｃとｄに、電流の流れる方向を切り替えるスイッチ３１を介して接続される。端子ａとｃ、端子ｂとｄの接続を切り替えると、点線で示すように、端子ａとｄ、端子ｂとｃの接続とされる。すなわち、負荷に流す電流の方向を変えることができる。
【００２２】
ペルチェモジュール６０は、２つのπ形の熱電冷却素子からなる。１つはペルチェｎ型半導体２１、銅電極１８、ペルチェｐ型半導体２２の組みで、他の１つは、ペルチェｎ型半導体２４、銅電２３、ペルチェｐ型半導体２５の組みである。銅電極１８と２３が放熱面を形成している。
ペルチェｎ型半導体２４とペルチェｐ型半導体２２の足には、銅電極１９が逆π形に接続される。ペルチェｐ型半導体２５とペルチェｎ型半導体２１の足にも銅電極（電源接続端子用）２６、２０が設けられ、これら下側の電極が吸熱面を形成している。
【００２３】
図１では、ペルチェｐ型半導体をＰで、ペルチェｎ型半導体をＮで表示している。セラミック板１６、１７は電気を通さない、熱伝導性の良い材料で作られる。セラミック板１６、１７を介して外との熱交換が行われる。なお、熱電冷却素子を構成する半導体は、熱伝導率の小さな材料で作られており、放熱側と吸熱側がこの半導体を通して熱の交換を行うことは抑えられている。
【００２４】
図２は、本デバイスの熱交換部における空気の流れを表したものである。本デバイスが横置きとする。その場合、表面の熱交換部を放熱側とすると、スライド式（図示せず）の開閉可能な空気孔２７から、暖められた空気が上側のカバー１４の空気孔から出て行き、前後左右の空気孔から空気が補充される。裏面の熱交換部は、吸熱側とすると、冷却された重い空気が、カバー１５の真下の空気孔から出て行くので、前後左右の空気孔から空気が補充される。なお、本デバイスを平面に敷き詰める時、チドリに敷き詰めるなら、熱交換部と採光部が交互になるので、空気の流れからは好ましい。また、本デバイスが縦置きされるなら上側と下側に対応する空気孔が開かれて使用され、他は閉じてられて使用されることが好ましい。
【００２５】
図３は、本デバイスの実施例１の回路図である。２つの太陽電池と熱電冷却素子が直列に接続されるとした。ペルチェｐ型半導体２５の足にあたる銅電極２６は、π形を形成していないが、ここでは吸熱面として作用する。同じようにペルチェｎ型半導体２１の足にあたる銅電極２０はπ形を形成していないが放熱面として作用する。このような接続では銅電極２３、１８が放熱面を形成し、銅電極２６、１９、２０が吸熱面を形成する。
【実施例２】
【００２６】
図４は、本発明の実施例２による、ペルチェモジュールを内蔵した太陽電池デバイスの内部構成図である。実施例２は、６角形のデバイスを前提としている。図４（ａ）が平面図、図４（ｂ）（ｃ）が部品組み途中の斜視図である。
【００２７】
図４（ａ）の中心部に２つの太陽電池５０があり、周囲がペルチェモジュールである。表面と裏面の中央に採光窓１１、１２がある。ペルチェモジュールは２つのペルチェｐ型半導体７０、７１と、１つのペルチェｎ型半導体７２で構成されている。
表面側すなわちデバイス上部に中央には、採光窓からの光を内部の太陽電池に通すための開口部７５を有する銅電極７４がある。銅電極７４はペルチェｐ型半導体７０とペルチェｎ型半導体７２を連結している。この連結の様子を図４（ｂ）の斜視図に示す。
同様に、裏面側すなわちデバイス下部に中央には、採光窓からの光を内部の太陽電池に通すための開口部７６を有する銅電極７３がある。銅電極７３はペルチェｐ型半導体７３とペルチェｎ型半導体７２を連結している。この様子を図４（ｃ）の斜視図に示す。なお、図示はしていないが、熱交換部の上部にはセラミックがあり、空気孔を有する熱交換部のカバーもある。カバーは空気孔は、前後左右は隣のデバイスが配置されすき間がないので、カバー上側に設けられる。
【００２８】
ペルチェｐ型半導体７４の下部には、銅電極端子板８０があり、太陽電池のプラス電極と接続される。ペルチェｎ型半導体７３の上部には、銅電極端子板８１があり、太陽電池のマイナス電極と接続される。
【００２９】
図５（ａ）は、図４の実施例２の回路図である。２つのペルチェｐ型半導体７０、７１と、１つのペルチェｎ型半導体７２を有する。銅電極７４と銅電極端子板８１が放熱部として作用し、銅電極７３と銅電極端子板８０が吸熱部として作用する。
【００３０】
図５（ｂ）は、２つのペルチェｎ型半導体９０、９１と、１つのペルチェｐ型半導体９２で構成した回路図である。銅電極７４と銅電極端子板８１が吸熱部として作用し、銅電極７３と銅電極端子板８０が放熱部として作用する。
図５（ｂ）の電源のプラスとマイナスを逆にすれば、図５（ａ）の回路と等価である。つまり、ある回路を実現するとき、２つの実現方法がある。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
車両または家屋の太陽電池を用いた温度調節装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスの内部構成図である。（ａ）は正面図である。（ｂ）は平面図である。（実施例１）
【図２】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスの熱交換部における空気の流れを表したものである。（実施例１）
【図３】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスの回路図である。（実施例１）
【図４】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスの内部構成図である。（ａ）は平面図である。（ｂ）と（ｃ）は、（ａ）の一部分を表した斜視図である。（実施例２）
【図５】本発明によるペルチェモジュール内蔵の太陽電池デバイスの回路図である。（ａ）は２つのペルチェｐ型半導体と１つのｎ型半導体からなる回路図である。（ｂ）は１つのｐ型半導体と２つのｎ型半導体からなる回路図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００３３】
１、９    太陽電池の電極（マイナス極）
２、８    太陽電池のｎ型半導体
３、７    太陽電池のｐ型半導体
４、６    太陽電池の電極（プラス極）
５            基板
１０          仕切り板
１１、１２    採光窓
１３          本デバイスのケース
１４、１５    熱交換部のカバー
１６、１７    セラミック板
２１、２４    ペルチェｎ型半導体
２２、２５    ペルチェｐ型半導体
２０、２６    銅電極（電源接続端子用）
１９、１８、２３    銅電極（矩形形）
５０    太陽電池
６０    ペルチェモジュール
３５    熱交換部（放熱部である。１４、１６を含む）
３６    熱交換部（吸熱部である。１７、１５を含む）
２７    空気孔
３０    パワーオンオフスイッチ
３１    電流の流れる方向を切り替えるスイッチ
７０、７１    ペルチェｐ型半導体（ク形）
７２          ペルチェｎ型半導体（ク形）
７３、７４    銅電極（６角形、開口部付き）
８０、８１    銅電極端子板
７５、７６    開口部
９０、９１    ペルチェｎ型半導体（ク形）
９２          ペルチェｐ型半導体（ク形）
【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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