(57)【要約】【課題】屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果を得ながら、水等に含まれる泥やゴミにより発電効率が低下することを防止可能な太陽光発電装置を提供すること。【解決手段】太陽光発電装置１０は、太陽光発電素子１１と、太陽光を太陽光発電素子１１に向けて反射可能に配置された傾斜面反射板１２と、が内面に形成された容器状の単位集光部材１０を備える。単位集光部材１０は、太陽光を透過可能な水または水溶液を充填可能に形成されており、単位集光部材１０の下部には、スリット穴１６が形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電素子と、太陽光を前記太陽光発電素子に向けて反射可能に配置された反射部材と、が内面に形成された容器状の単位集光部材を備え、
前記単位集光部材は、太陽光を透過可能な水または水溶液を充填可能に形成されており、
前記単位集光部材の下部には、穴が形成されている、
ことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項２】
前記単位集光部材が複数連結され、波型形状の集光部を成す、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】
前記水または水溶液が充填される水槽と、
前記集光部を前記水または水溶液の水面に浮かばせるためのフロート部材と、
を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記反射部材は、前記水または水溶液に入射した太陽光が全反射して前記太陽光発電素子に到達するように配置されている、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記太陽光発電素子の受光面の面積は、前記水または水溶液の水面の面積より小さい、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記太陽光発電素子は、アモルファス太陽電池であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１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、太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化問題やエネルギー枯渇問題が深刻化する中で、太陽光発電などの自然エネルギーを利用した発電装置の重要性が再認識されている。一方、都市部におけるヒートアイランド現象や集中豪雨による洪水等も問題視されており、これらを緩和する一つの手段として屋上緑化が注目されている。屋上緑化は建物上層部の温度上昇を緩和することができ、また断熱効果もあるため、建物の空調負荷低減が主目的となっているが、これらに加えて、日射エネルギーが緑化面の含む水分の蒸発潜熱に変化するため、日射による外気の顕熱量が低減され、ヒートアイランド現象の緩和につながる。また、緑化のための土壌が集中豪雨時の雨水貯留や流出遅延の効果もあり、都市部における洪水の緩和にもなる。下記の特許文献１および２は、屋上を水面で被覆する構造、または雨水を貯留できる構造にすることにより、屋上緑化とほぼ同等の効果を得ることを試みた例として挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２３３８０号公報
【特許文献２】特開２０１０−６２５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の太陽光発電装置では、水面から太陽電池発電部が完全に浮いている状態であり、太陽光発電で発電に寄与しなかった熱エネルギーは、外気の顕熱エネルギーとなり、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果は期待できない。
【０００５】
特許文献２の太陽光発電装置では、受光面を水中に沈めた状態で発電させており、これにより、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果が得られる。しかし、水に含まれる泥やゴミが太陽光発電装置の受光面に貯まった場合には、発電効率が低下するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたもので、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果を得ながら、水等に含まれる泥やゴミにより発電効率が低下することを防止可能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】
上記課題を解決するために、本発明の太陽光発電装置は、太陽光発電素子と、太陽光を前記太陽光発電素子に向けて反射可能に配置された反射部材と、が内面に形成された容器状の単位集光部材を備え、前記単位集光部材は、太陽光を透過可能な水または水溶液を充填可能に形成されており、前記単位集光部材の下部には、穴が形成されている、ことを特徴とする。
【０００８】
このような本発明の太陽光発電装置によれば、太陽光発電素子および反射部材が容器状の単位集光部材の内面に形成されている。そして、単位集光部材は太陽光を透過可能な水または水溶液を充填可能に形成されている。つまり、本発明においては、太陽光発電のための受光面が水中に沈めた状態で発電が行われる。したがって、本発明の太陽光発電装置を建物の屋上や通信設備の上面部に設置した場合に、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果、空調負荷の低減効果、および都市型洪水制御効果を得ることができる。
【０００９】
また、単位集光部材の下部には穴が形成されているため、水または水溶液に含まれる泥やゴミが当該穴を通じて単位集光部材の外に落下される。したがって、泥やゴミが太陽光発電装置の受光面に貯まって汚れることにより、発電効率が低下することを防止できる。
【００１０】
更に、単位集光部材に充填された水または水溶液は太陽光発電素子の温度上昇を抑える役割を果たす。したがって、本発明によれば、太陽光発電素子の温度上昇によって、エネルギー変換効率が低下することを抑制できる。太陽光発電素子には、温度の上昇に伴い、エネルギー変換効率が下がるという特徴があるからである。
【００１１】
また、本発明においては、前記単位集光部材が複数連結され、波型形状の集光部を成してもよい。
【００１２】
この発明によれば、単位集光部材を複数連結することにより太陽光発電のための受光面の面積を大きくすることができ、本発明の太陽光発電装置を建物の屋上や通信設備の上面部に設置するための具体的な方法を提供できる。なお、単位集光部材を複数連結することにより形成された波型形状の集光部には、太陽光発電素子と反射部材が交互に配置される。
【００１３】
また、本発明においては、前記水または水溶液が充填される水槽と、前記集光部を前記水または水溶液の水面に浮かばせるためのフロート部材と、を更に備えてもよい。
【００１４】
この発明によれば、波型形状の集光部を水槽の水面に浮かばせた状態で太陽光発電を行うことができる。これにより穴が水槽の底部より上に位置し、穴と水槽の底部との間が離れている場合には、単位集光部材内の泥やゴミが穴に到達した後、水槽の底面に落下しやすくなるため、本発明による泥やゴミの除去効果が更に向上する。なお、集光部を構成する単位集光部材は容器状のものなので、当該容器の内面に形成された太陽光発電素子および反射部材は水または水溶液の中に沈んだ状態となる。これにより、発電効率が低下することを防止できる。
【００１５】
また、本発明においては、前記反射部材は、前記水または水溶液に入射した太陽光が全反射して前記太陽光発電素子に到達するように配置されていてもよい。
【００１６】
この発明によれば、入射太陽光の全てが太陽光発電素子に到達するため、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００１７】
また、本発明においては、前記太陽光発電素子の受光面の面積は、前記水または水溶液の水面の面積より小さくてもよい。
【００１８】
この発明によれば、太陽光発電素子の受光面の面積を小さくすることにより、装置の低コスト化を図ることができる。
【００１９】
また、本発明においては、前記太陽光発電素子は、アモルファス太陽電池であってもよい。
【００２０】
この発明によれば、好適な太陽光発電素子としてアモルファス太陽電池を採用することにより、装置の低コスト化およびエネルギー変換効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果を得ながら、水等に含まれる泥やゴミにより発電効率が低下することを防止可能な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】
【００２２】
【図１】本実施形態の太陽光発電装置１が備える単位集光部材１０の概略構成図である。
【図２】太陽光発電装置１の集光原理を示すための概念図である。
【図３】光屈折材１５内において太陽光線が全反射可能とする太陽の高度（入射角）を説明するための概念図である。
【図４】集光部１７を説明するための概念図である。
【図５】太陽光発電装置１の設置態様を説明するための概念断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して本発明にかかる太陽光発電装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、本実施形態の太陽光発電装置１が備える単位集光部材１０の概略構成図である。この単位集光部材１０は、太陽光発電素子１１、傾斜面反射板１２（特許請求の範囲に記載の「反射部材」に相当）、および側面反射板１３，１４を含んで構成されている。なお、太陽光発電素子１１は、当該太陽光発電素子１１が設置された基板１１ａを含むものをいう。これら太陽光発電素子１１、傾斜面反射板１２、および側面反射板１３，１４は容器状に形成され、単位集光部材１０の内面を構成する。すなわち、底面側として、平板状の太陽光発電素子１１および平板状の傾斜面反射板１２がそれぞれの端辺で所定の角度をもって結合され、逆「へ」の字状となるようにその断面（または側面）が構成される。そして、断面を逆「へ」の字状に形成された両方の側面部分に、三角形状の側面反射板１３，１４が結合されることにより、容器状の単位集光部材１０が構成される。図１の例では、三角柱形状で構成されているがこれに限るものではなく、太陽光発電素子１１と傾斜面反射板１２とが所定の角度をもって結合され、傾斜面反射板１２において太陽光を太陽光発電素子１１に向けて反射可能な構成であればよい。
【００２５】
そして、この容器状の単位集光部材１０は、光屈折材１５（例えば、水または水溶液などの冷却媒体）を充填可能に構成される。この光屈折材１５は、熱伝導性のよいものであれば冷却材として利用できる。すなわち光屈折材１５が水の場合、水は空気より２６倍程度熱伝導性がよいため、冷却材として機能することができる。さらに、光屈折材１５を水または水溶液とすることで、暖められた水を温水として有効利用することにより、太陽エネルギーをほぼ１００％利用できることになる。また、光屈折材１５が雨水であってもよい。
【００２６】
また、容器状の単位集光部材１０の下部には、スリット穴１６（特許請求の範囲に記載の「穴」に相当）が形成されている。このスリット穴１６は、光屈折材１５に貯まった泥やゴミを単位集光部材１０の外に排出する役割を果たす。スリット穴１６は、単位集光部材１０の下部に形成されているため、泥やゴミが光屈折材１５内で自然落下した後、スリット穴１６を通じて単位集光部材１０の外部に自然に排出される。更に本実施形態では、単位集光部材１０が三角柱形状であるため、この場合には、泥やゴミが太陽光発電素子１１または傾斜面反射板１２の傾斜面に沿って移動され、スリット穴１６に到達されやすい。
【００２７】
太陽光発電素子１１は、照射された太陽光を電気エネルギーに変換する素子であり、例えば、太陽電池モジュールなどである。本実施形態においては、太陽光発電素子１１としてアモルファス太陽電池を用いる。これは安価であるとともに、水が吸収しない可視光での発電効率が良いためである。また、水が吸収しやすい赤外光は元々発電効率が悪いためでもある。なお、光屈折材１５の水面に入射した太陽光のうち可視光は、全てアモルファス太陽電池の受光面に照射され電力エネルギーに変換される。一方、水面に入射した赤外光の大部分は、水の蒸発潜熱エネルギーに変換され、相対的に通信設備への内部伝熱や、外気の顕熱の割合が低い。このため、可視光での発電効率が良いアモルファス太陽電池を採用することにより、低コスト化を図りながらも、建物や通信設備の内部の空調負荷の低減効果およびヒートアイランド抑制効果が期待できる。
【００２８】
また、太陽光発電素子１１の受光面の面積は、光屈折材１５の水面の面積より小さい。つまり、図１に示されるように、本実施形態では単位集光部材１０が三角柱形状であるため、太陽光発電素子１１が存在する面の面積は必然的に光屈折材１５の水面の面積より小さくなっている。
【００２９】
傾斜面反射板１２は、照射された太陽光を太陽光発電素子１１、光屈折材１５の上面側方向、または側面反射板１３，１４に向けて反射するための部材である。この傾斜面反射板１２は、平板状の太陽光発電素子１１に対して所定の角度（例えば図１に示されるように９０度）をもった傾斜面である。また、側面反射板１３，１４は、照射された太陽光を太陽光発電素子１１、光屈折材１５の上面側方向、または傾斜面反射板１２に向けて反射するための部材である。
【００３０】
つぎに、単位集光部材１０を備える太陽光発電装置１の集光原理について説明する。図２は、太陽光発電装置１の集光原理を示すための概念図である。
【００３１】
太陽光線ａは、入射経路ａ−１で光屈折材１５に所定の入射角をもって入射され、光屈折材１５の上面を透過して、その内部に入射される。光屈折材１５の上面を透過の際、光屈折材１５は、その屈折作用により入射経路ａ−２に太陽光線ａを屈折させる。そして屈折された太陽光線ａは、太陽光発電素子１１に入射される。
【００３２】
一方、太陽光線ｂは、入射経路ｂ−１を通って光屈折材１５に入射され、光屈折材１５の上面を透過して、その内部に入射される。光屈折材１５上面透過の際、光屈折材１５は、その屈折作用により入射経路ｂ−２に太陽光線ｂを屈折させる。そして、屈折された太陽光線ｂは、傾斜面反射板１２に反射され、入射経路ｂ−３に光屈折材１５を形成する上面内側（内面側）で全反射される。つまり、傾斜面反射板１２は、光屈折材１５に入射した太陽光が全反射して太陽光発電素子１１に到達するように配置されている。光屈折材１５の上面内側において反射された太陽光線ｂは、入射経路ｂ−４に反射され、太陽光発電素子１１に入射される。
【００３３】
以上の原理により、光屈折材１５の内部で太陽光線が屈折または反射され太陽光発電素子１１に入射される。よって、効率的に太陽光発電素子１１は太陽光を集光することができる。
【００３４】
つぎに、太陽光発電装置１が太陽光を光屈折材１５に集光できる条件について説明する。図３は、光屈折材１５内において太陽光線が全反射可能とする太陽の高度（入射角）を説明するための概念図である。
【００３５】
一般に、太陽光線が光屈折材１５の上面を透過、すなわち光屈折材１５の中に入射される必要があり、この透過率は光屈折材１５の材料や入射角に依存する。光屈折材１５が水の場合、入射角α２が６０度以下であれば、ほとんどの太陽光線が透過する。
【００３６】
つぎに、光屈折材１５中に入射した太陽光線が、傾斜面反射板１２で反射し、光屈折材１５の上部側の内面で全反射する必要がある。この全反射の条件は、傾斜面反射板１２の傾斜角度βと光屈折材１５の屈折率とに依存する。
【００３７】
光屈折材１５が水の場合は、入射角α１が４８度以上で太陽光線は光屈折材１５内で全反射する。つまり、太陽の高度θが低いほど光屈折材１５中で全反射しやすくなる。
【００３８】
したがって、太陽光線を光屈折材１５中に集光できる条件である太陽高度θは、太陽光が透過しやすい条件を示す入射角α２≦６０度、太陽光が水中で全反射する条件を示す入射角α１≧４８度を満たす高度である。そしてこの条件を満たす太陽高度θの範囲をなるべく大きくするように傾斜面反射板１２の傾斜角βを選定して設置することが好適である。一方、横方向の太陽光線の角度に関しては、側面反射板１３，１４があるため、側面反射板１３，１４で反射させて集光することが可能である。
【００３９】
つぎに、複数の単位集光部材１０により構成される集光部１７について説明する。図４は、集光部１７を説明するための概念図である。
【００４０】
図４では４つの単位集光部材１０が連結され、波型形状の集光部１７を成す様子を示している。図４に示した実施例において、太陽光発電素子１１を載置する基板１１ａの寸法（ｗ１×ｙ）は２５０ｃｍ×２０ｃｍであり、傾斜面反射板１２の寸法（ｗ１×ｘ１）は２５０ｃｍ×４５ｃｍであり、スリット穴１６の寸法（ｗ２×ｘ２）は２１０ｃｍ×３ｃｍである。また、基板１１ａおよび傾斜面反射板１２の板厚は３ｃｍである。なお、太陽光発電素子１１は、基板１１ａの端から３ｃｍ離れた内部に載置される。更に、太陽光発電素子１１は水平面に対して７０度傾斜しており、傾斜面反射板１２は水平面に対して２０度傾斜しており、太陽光発電素子１１および傾斜面反射板１２間の傾斜角度は９０度である。なお、これらの寸法はあくまでも一つの実施例に過ぎず、本発明の思想を限定するものではない。
【００４１】
つぎに、集光部１７を備える太陽光発電装置１が実際に建物の屋上や通信設備の上面部に設置された場合にについて説明する。図５は、太陽光発電装置１の設置態様を説明するための概念断面図である。
【００４２】
図５に示される太陽光発電装置１は、水または水溶液が充填される水槽１８と、集光部１７を水または水溶液の水面１５ａに浮かばせるためのフロート部材１９と、を更に備え、建物または通信設備２０の屋上または上面部２０ａに設置されている。図５の例においては、１０個の単位集光部材１０により集光部１７が構成されている。集光部１７において、各単位集光部材１０の連結部分１７ａにはフロート部材１９が位置しており、このフロート部材１９により集光部１７が水面１５ａに浮くようになる。フロート部材１９は、太陽光発電素子１１および傾斜面反射板１２（実際に太陽光の反射や受光に寄与する部分）を水中に沈ませ、集光部１７全体としては水面１５ａに浮くようにしてもよい。実際に太陽光の反射や受光に寄与する部分を水中に沈ませることにより、発電効率が低下することを防止できる。本実施形態では例えば発泡スチロールをフロート部材１９として採用している。
【００４３】
図５では、集光部１７が浮かんでいることにより、集光部１７の底部、つまりスリット穴１６が存在する部分と水槽１８の底部との間が離れている様子を示している。この場合には、単位集光部材１０内の泥やゴミがスリット穴１６に到達した後、水槽の底面に落下しやすくなるため、更に好適である。
【００４４】
図５の例において、単位集光部材１０の内部に充填されたものと、水槽１８の内部に充填されたものは、同様に、水または水溶液である。この水または水溶液は、雨水が貯まったものであってもよく、ユーザが予め貯めておいたものであってもよい。
【００４５】
続いて、本実施形態にかかる太陽光発電装置１の作用及び効果について説明する。本実施形態の太陽光発電装置１によれば、太陽光発電素子１１および傾斜面反射板１２が容器状の単位集光部材１０の内面に形成されている。そして、単位集光部材１０は太陽光を透過可能な水または水溶液を充填可能に形成されている。つまり、本実施形態においては、図５に示されるように、水槽１８に水または水溶液が既に貯まっている場合には、太陽光発電のための受光面が水中に沈めた状態で発電が行われる。したがって、本実施形態の太陽光発電装置１を建物の屋上や通信設備の上面部に設置した場合に、屋上緑化と同様のヒートアイランド抑制効果、および空調負荷の低減効果を得ることができる。図５にイメージされているように、日射エネルギーの大部分が水槽１８内の水等の蒸発潜熱に変化するため、日射による外気の顕熱量が低減され、且つ水槽１８内の水等の断熱効果により建物や通信設備の内部への伝熱量が低減されるからである。また、水槽１８に水または水溶液がなくなっている場合には、単位集光部材１０および水槽１８が雨水等を充填可能に形成されていることから、集中豪雨時における都市型洪水に対する制御効果を得ることができる。
【００４６】
また、単位集光部材１０の下部にはスリット穴１６が形成されているため、水または水溶液に含まれる泥やゴミが当該スリット穴１６を通じて単位集光部材１０の外に落下され、水槽１８の底面に到達する。したがって、泥やゴミが太陽光発電装置１の受光面に貯まって汚れることにより、発電効率が低下することを防止できる。
【００４７】
更に、単位集光部材１０および水槽１８に充填された水または水溶液は太陽光発電素子１１の温度上昇を抑える役割を果たす。したがって、本実施形態によれば、太陽光発電素子１１の温度上昇によって、エネルギー変換効率が低下することを抑制できる。太陽光発電素子１１には、温度の上昇に伴い、エネルギー変換効率が下がるという特徴があるからである。
【００４８】
また、本実施形態によれば、単位集光部材１０を複数連結することにより太陽光発電のための受光面の面積を大きくすることができ、本実施形態の太陽光発電装置１を建物の屋上や通信設備の上面部に設置するための具体的な方法を提供できる。なお、単位集光部材１０を複数連結することにより形成された波型形状の集光部１７には、太陽光発電素子１１と傾斜面反射板１２が交互に配置される。
【００４９】
また、本実施形態によれば、フロート部材１９を備えることにより、波型形状の集光部１７を水槽１８の水面に浮かばせた状態で太陽光発電を行うことができる。これにより集光部１７の底部、つまりスリット穴１６が存在する部分と水槽１８の底部との間が離れている場合には、単位集光部材１０内の泥やゴミがスリット穴１６に到達した後、水槽１８の底面に落下しやすくなるため、本実施形態による泥やゴミの除去効果が更に向上する。なお、集光部１７を構成する単位集光部材１０は容器状のものなので、当該容器の内面に形成された太陽光発電素子１１および傾斜面反射板１２は水または水溶液の中に沈んだ状態となる。太陽光発電素子１１および傾斜面反射板１２のうち、実際に太陽光の反射や受光に寄与する部分を水中に沈ませることにより、発電効率が低下することを防止できる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、入射太陽光の全てが全反射して太陽光発電素子１１に到達するため、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、太陽光発電素子１１の受光面の面積を小さくすることにより、装置の低コスト化を図ることができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、好適な太陽光発電素子１１としてアモルファス太陽電池を採用することにより、装置の低コスト化およびエネルギー変換効率の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…太陽光発電装置、１０…単位集光部材、１１…太陽光発電素子、１１ａ…基板、１２…傾斜面反射板、１３，１４…側面反射板、１５…光屈折材（水、水溶液、雨水）、１５ａ…水面、１６…スリット穴、１７…集光部、１８…水槽、１７ａ…連結部分、１９…フロート部材、２０…建物や通信設備、２０ａ…上面部。
【図１】
2012109305.tif 000003
【図２】
2012109305.tif 000004
【図３】
2012109305.tif 000005
【図４】
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【図５】
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