(57)【要約】【課題】太陽電池パネルの集光効率を高めると同時に、太陽光パネルの温度上昇を抑えた発電効率の高い集光型太陽光発電システムを提供する。【解決手段】太陽光を受けて電力を出力する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの表面を覆うように設けた内部に冷却媒体を収納した透明容器とを備えていることを特徴とする集光型太陽光発電システム。前記透明容器はその容器に収納された冷却媒体と一体になって前記太陽電池パネル面に太陽光を集光する構造を有するものであり、前記冷却媒体として前記透明容器に水を循環させて温水供給あるいは暖房システムなどに利用することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を受けて電力を出力する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの表面を覆うように設けた内部に冷却媒体を収納した透明容器とを備えていることを特徴とする集光型太陽光発電システム。
【請求項２】
前記透明容器が容器に収納された冷却媒体と一体になって前記太陽電池パネル面に太陽光を集光する構造を有するものである請求項１に記載の集光型太陽光発電システム。
【請求項３】
冷却媒体が前記透明容器に循環される水であって、温水供給装置を兼ねる請求項１または２に記載の集光型太陽光発電システム。
【請求項４】
前記透明容器の断面が、半円筒または楕円円筒である請求項２に記載の集光型太陽光発電システム。
【請求項５】
前記透明容器の材料が、透明プラスチックまたは強化ガラスである請求項１〜４のいずれかに記載の集光型太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電システムに関する。さらに詳しく言えば、太陽電池発電パネルの温度上昇による発電効率の低下を防ぐ冷却媒体に集光機能を持たせた構成の発電効率に優れた集光型太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や原発事故を受けて、クリーンな自然エネルギーの活用が注目され、さまざまな太陽光発電装置が提案されているが、太陽電池用結晶シリコン（Ｓｉ）や半導体材料の希少金属の供給不安などもあり、一層効率的な太陽エネルギーの利用が望まれている。
【０００３】
太陽エネルギーの効率的利用のポイントとして光と熱の利用があり、前者は太陽光発電装置として、後者は太陽熱温水器として広く普及しているが、両者を同時に設置するには広い設置面積が必要であったり、コストが高かったりなど課題が多い。
【０００４】
さらなる太陽光の効率的利用を目的として、さまざまなタイプの集光型太陽光発電装置が提案されている。例えば、集光用レンズとして柱状光学ガラス部材を用いた集光型太陽光発電ユニット（特開２００７−２０１１０９号公報；特許文献１）、集光度を高めるために反射鏡を備えたビームダウン式の固定集光装置を利用した太陽光発電システム（特開２０１２−３８９５３号公報；特許文献２）、集光盤を常時太陽に対して向いた状態で支持する構成の太陽追尾システムを備えた追尾集光方式太陽光発電装置（特開２００３−３２２４１８号公報；特許文献３）などがある。
【０００５】
しかし、これまで提案されている前記の集光レンズや反射鏡や追尾システムなどを組み込んだ太陽エネルギーを利用するシステムは、いずれも大掛かりでコスト面での課題が多い。
【０００６】
また、太陽光発電では、太陽の南中高度が高く大量の発電量が見込まれる季節や時間帯に、パネル温度の上昇による発電効率の低下が問題となっており、実際には、１５％の発電量の低下があるとされている（赤木貴ら、平成１３年度日本建築学会近畿支部研究報告集, 4001頁；非特許文献１）。
【０００７】
前記発電効率の低下の課題を解決するために、冷却機能が組み込まれた太陽光発電システムが提案されている。例えば、特開２０１３−２０１１８０号公報（特許文献４）には、太陽電池パネルの表面を覆う集光レンズと前記集光レンズの内面と太陽電池パネルの表面で仕切られた熱交換空間に連通し熱交換媒体が通過する熱交換回路を備えた太陽光発電システムが、特開２０１０−６２５１９号公報（特許文献５）には、傾斜面反射板で容器に構成される集光部材に充填されている冷却媒体が入射する太陽光を全反射する太陽光発電装置が、特開２０１２−２３０９９号公報（特許文献６）には、複数の太陽電池セルが矩形状に並置された太陽電池セル集合体の裏面全体を覆う様に冷却媒体通路が設けられている集光型太陽発電システムが開示され、非特許文献２（Solar Energy Vol.70, 443-448,2001)には、パネルの裏側を水で冷却すると同時に、温まった温水をタンクに集めて利用する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２０１１０９号公報
【特許文献２】特開２０１２−３８９５３号公報
【特許文献３】特開２００３−３２２４１８号公報
【特許文献４】特開２０１３−２０１１８０号公報
【特許文献５】特開２０１０−６２５１９号公報
【特許文献６】特開２０１２−２３０９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】赤木貴ら（2001）平成13年度日本建築学会近畿支部研究報告集：4001頁
【非特許文献２】Huang BJ., Solar Energy Vol.70, 443-448 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、太陽電池パネルの集光効率を高めると同時に、太陽光パネルの温度上昇を抑えた発電効率の高い集光型太陽光発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は下記の集光型太陽光発電システムである。
［１］太陽光を受けて電力を出力する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの表面を覆うように設けた内部に冷却媒体を収納した透明容器とを備えていることを特徴とする集光型太陽光発電システム。
［２］前記透明容器が容器に収納された冷却媒体と一体になって前記太陽電池パネル面に太陽光を集光する構造を有するものである前項１に記載の集光型太陽光発電システム。
［３］冷却媒体が前記透明容器に循環される水であって、温水供給装置を兼ねる前項１または２に記載の集光型太陽光発電システム。
［４］前記透明容器の断面が、半円筒または楕円円筒である前項２に記載の集光型太陽光発電システム。
［５］前記透明容器の材料が、透明プラスチックまたは強化ガラスである前項１〜４のいずれかに記載の集光型太陽光発電システム。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の集光・吸熱冷却型太陽光発電システムを用いることによって、太陽光電池パネルの前面に設置された水または透明なその他の冷媒を満たした透明な筒体が凸レンズ型であるため、太陽光電池パネルは集光機能によって高い照度を得ることができ、同時に、筒体内部の水または冷媒が循環するため、太陽からの電磁波などに由来する熱が吸収され、太陽光電池パネルの温度上昇による発電効率の低下を防ぐことができる。
また、吸熱によって温度上昇した筒体内部の冷媒を太陽光パネルから離れた温度の低い箇所に循環させる低温箇所を暖める暖房システムに利用することができる。
さらに、筒体内部を循環する冷却媒体（液体）が、水である場合はそれを適宜回収することによって熱湯として利用することができる。
本発明のシステムは、光発電装置の上に吸熱冷却装置が置かれた構成であることから、太陽光発電装置と太陽熱温水器のような吸熱装置を別々に設置した場合に比べて、半分の面積で両装置のメリットを享受できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の集光型太陽光発電システムの概念を示す模式図である。
【図２】本発明の集光型太陽光発電システムの基礎実験データを取得した、太陽電池パネルの前面に水レンズを設けた装置の説明図である。
【図３】図２の装置で行った太陽光パネルの前面に水レンズを設けた場合と設けない場合の発電効率（電圧Ｖ）の経時変化を示すグラフであり、（Ａ）はパネル全域、（Ｂ）はパネル中央部、（Ｃ）はパネル面を光源に対して４５度傾斜して行ったパネル全域での結果を示す。
【図４】図２の装置で、広口ガラス瓶内の吸熱冷却用水の経時的温度上昇を示す（濃い線はパネル全域開放、薄い線はパネル中央部を開放）。
【図５】太陽電池パネルと同位置における熱流束の経時的変化を示すグラフである。
【図６】本発明のシステムを利用した宇宙ステーションにおける太陽光発電とステーション内の温度制御の概念を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の集光型太陽光発電システムの概念を図１に具体的に模式図で示す。
本発明の集光型太陽光発電システムでは、太陽光を受ける太陽電池パネルの前面に、集光機能を有する冷却水の通るガラス製チューブを設けることにより、パネルへの集光効率を高め、かつパネルの温度上昇による発電効率の低下を防ぐ。パネルは電源として利用され、パネルを冷却した水は高温水として回収し有効に利用することができる。
【００１５】
太陽電池パネルは従来の使用されているさまざまなパネルが利用可能である。
前記太陽電池パネルの表面に設けたガラス製チューブは、図１のガラス製チューブに限定されず、前記太陽電池パネルの表面を覆うように設けた内部に冷却媒体を収納したガラス製またはプラスチック製の透明容器からなるチューブであればよい。形状は前記太陽電池パネル面に太陽光を集光する構造を有するものであればよい。具体的には、透明容器の形状は内部に収納される媒体と一体となって太陽光を集光する凸レンズの機能を有する形状である。例えば、断面が凸レンズ、半円筒または楕円円筒の形状であるが、これらに限定されるものではない。
【００１６】
前記透明筒体容器と太陽電池パネルとの距離は、両者を密接させてもよいが、筒体内部を循環する透明冷媒の種類、循環速度、容積などに由来する冷却機能、及び冷媒の屈折率、筒体に水またはその他の冷媒を入れたときの凸レンズの曲率半径、焦点距離、及び太陽の高度の変化に伴う照度変化を考慮に入れて配置する。
【００１７】
別の態様としては、前記透明筒体容器の中心部に空洞を設けてその中に太陽電池パネルを収納する構造としても良い。
【実施例】
【００１８】
本発明の集光型太陽光発電システムの基礎データを図２に示す装置により取得した。
［太陽光発電］
図２において、１は光源である。この光源１として直径５０ｍｍ、１００Ｖ、７５Ｗの白熱灯（東京メタル工業（株）製）を使用した。
３は光源から１１ｃｍの距離を保って設けた太陽電池パネルである。電池パネルとしては（株）アーテック製のもの（縦５０ｍｍ  横７５ｍｍ、最大出力:０．５７Ｗ、動作電流:４００ｍＡ、動作電圧:１．４４Ｖ、開放電圧:１．７Ｖ、短絡電流:４１５ｍＡ）を使用した。２は光源１と太陽電池パネルの間に集光用レンズ兼冷却水の代替として設けた水入り広口ガラス瓶２（直径７０ｍｍ、容量１６０ｍＬ）である。ガラス瓶２と光源１との距離は３ｃｍ、太陽光パネルとの距離は１ｃｍである。
４は太陽光パネルの発電量測定装置（テスター）である。テスターとしてはＫＦ−２０（カイセ（株）製、直流電圧：測定レンジ０．３/３/１２/３０/１２/３００/１２００Ｖ（２０ｋΩ/Ｖ)、許容差: 最大目盛りの±３％、直流電流：測定レンジ６０μ／３ｍ／３０ｍ／３００ｍＡ、許容差: 最大目盛りの±３％）を使用した。
【００１９】
［水による吸熱］
上記の光電池と同位置に熱流束測定装置（ＫＧＳ株式会社）の測定端子を設置し、光源から端子に伝わる熱流束の値を５分ごとに測定した。
【００２０】
比較例：
上記の構成の実験装置において、２の水入り広口ガラス瓶（水レンズ）を設けないで、光源から１１ｃｍ離れた位置に、光電池（太陽電池, 縦５０ｍｍ 横７５ｍｍ, 最大出力０．５７Ｗ, 動作電流４００ｍＡ, 動作電圧１．４４Ｖ, 開放電圧１．７Ｖ, 短絡電流４１４ｍＡ，株式会社アーテック製）を置き、光電池の発電の結果生み出された電圧を５分ごとにテスター（ＫＦ−２０, カイセ株式会社製）で測定した。測定は太陽電池パネル全面開放時（パネル全域）（Ａ）、太陽電池パネル中央部開放時（パネル中央部）（Ｂ）、及びパネル面を光源に対して４５度傾斜した全面開放時（パネル全域）（Ｃ）について行った。その結果を（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）各図の比較例に示す。
また、太陽電池パネルと同位置における熱流束の経時的変化を図５に示す。
【００２１】
実施例：
比較例に対して、実施例として、光源と光電池の間に、水１６０ｍＬを入れた直径７ｃｍの広口ガラス瓶を設置したときの電圧を５分ごとに測定した。その結果を図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の実施例に示す。また、広口ガラス瓶内の吸熱冷却用水の経時的温度上昇を図４に示す。濃い線が太陽電池パネル全域を開放した場合であり、薄い線が中央部を開放した場合である。
図５に太陽電池パネルと同位置における熱流束の経時的変化を示す。
【００２２】
光源と光電池の間に水を入れた広口ガラス瓶を設置し光を当てた場合、水を入れた広口ガラス瓶を設置しなかった場合に比べて、パネル全域でも（図３Ａ）、パネル中央部でも（図３Ｂ）、電圧の低下が抑えられ、発電量が維持されることが確認された。また、光を斜めから当てた場合でも同様の傾向が確認された（図３Ｃ）。光発電時の広口ガラス瓶内の水温は、パネル全域開放時も、パネル中央部開放時も上昇した（図４）。
以上の結果から、光源と光電池の間に水を入れた広口ガラス瓶を設置した場合、水に光源からの熱エネルギーが吸収され、太陽電池パネルの表面温度が低く抑えられた。光源と光電池の間に水を入れた広口ガラス瓶を設置した場合と設置しなかった場合の太陽電池パネルの位置の熱流束を比較してみると、設置した場合、明らかに熱流束が低下していた（図４Ｂ）。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の集光型太陽光発電システムは、集光・吸熱冷却型ハイブリッド光発電装置とも言えるものであり、簡単な構造とメカニズムで光電池パネル表面の照度上昇と温度上昇防止を可能するとともに、太陽熱利用も兼ね備えた極めて機能性の高いシステムである。
従って、図６に概念図を示すように、宇宙ステーション５などにおける電源確保と温度維持管理に有効と考えられる。すなわち、宇宙では太陽側と日陰側の温度差が著しいが、太陽側の冷媒で集光しながら太陽光パネルを冷却し、吸熱した冷媒を循環させ日陰側の低温部を通過させることによって下げ、両者で宇宙ステーション内部の温度を調整することができる。同様のシステムは、寒冷地住宅にも応用可能と考えられる。
【符号の説明】
【００２４】
１  光源
２  水入り広口ガラス瓶
３  太陽電池パネル
３ａ  電池パネル中央部
４  テスター
５  宇宙ステーション
６  集光・吸熱冷却ユニット
７  導管
【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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