(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電パネルを水面下に設置した水中太陽光発電システムであって、
前記太陽光発電パネルは、ロータス効果又はハス効果を発揮する微細加工をパネル表面に施して水中生物又は水中植物の付着を抑制する付着抑制処理が施されていることを特徴とする水中太陽光発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水中太陽光発電システムにおいて、
前記水面は、海水面であることを特徴とする水中太陽光発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水中太陽光発電システムにおいて、
前記太陽光発電パネルは、前記水面から１ｍ以内の水中に設置されることを特徴とする水中太陽光発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の水中太陽光発電システムにおいて、
前記太陽光発電パネルは、前記水面から３０ｃｍ以内の水中に設置されることを特徴とする水中太陽光発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水中太陽光発電システムにおいて、
水面の高さが変動しても水面下に前記太陽光発電パネルを維持する水面下維持手段を有することを特徴とする水中太陽光発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の水中太陽光発電システムにおいて、
前記水面下維持手段は、水面に浮かぶ浮体と、前記浮体に前記太陽光発電パネルを連結する連結部材とから構成されることを特徴とする水中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、太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大規模な大きな太陽光発電システムを構築するためには、太陽光発電パネルを設置するための広大な土地を確保することが課題となっていた。この課題に対応するため、近年、海、湖、沼、池、川、貯水池などの水面を太陽光発電パネルの設置スペースとして活用する水上太陽光発電システムが提案されている。例えば、特許文献１や特許文献２には、水面に浮かぶ太陽電池パネル（太陽光発電パネル）を備えた浮遊式水上太陽光発電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−７８７４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３８８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、水面を太陽光発電パネルの設置スペースとして活用する従来の水上太陽光発電システムは、太陽光発電パネルを水面上に配置するものである。そのため、パネル表面上に塵や埃等の異物が付着したり、海水が乾燥してパネル表面上に塩分が堆積したりすることによる発電効率の低下が問題となり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明は、太陽光発電パネルを水面下に設置したことを特徴とする水中太陽光発電システムを提供するものである。
本発明によれば、太陽光発電パネルが水面下（海、湖、沼、池、川などの水中）に設置されるため、パネル表面が常に水に覆われた状態となる。そのため、太陽光発電パネルが水面上に設置される場合に生じていた塵や埃などの異物の付着や海水の塩分堆積が抑制される。特に、パネル表面に接する水に流れが生じる場合には、パネル表面の洗浄効果が得られ、異物付着や塩分堆積の抑制効果が高い。
ここで、本発明は、太陽光発電パネルが水面下に設置されるため、水面での太陽光の反射、水中での太陽光の減衰などにより、太陽光発電パネルを水面上に設置する場合よりも、太陽光の届く光量が少ない。しかしながら、水面上に設置される太陽光発電パネルは、上述のとおり、パネル表面への異物の付着や塩分堆積により発電効率が低下するのに対し、本発明では、このような発電効率の低下が抑制される。したがって、長期的使用の観点で見れば、本発明に係る水中太陽光発電システムは、水面上に太陽光発電パネルを設置するシステムと比べて、発電効率が劣るようなことはない。
特に、水面下であっても、水面に近い水中に太陽光発電パネルを設置する場合には、本発明者らの実験により、水中での太陽光の減衰はほとんど影響がないことに加え、水中における太陽光発電パネルの冷却効果は水面上の太陽光発電パネルに比べて高い。そのため、長期的使用の観点で見たとき、本発明に係る水中太陽光発電システムは、水面上に太陽光発電パネルを設置するシステムと比べて、むしろ発電効率において有利となり得る。特に、赤道付近の海上（洋上）などの場所であれば、水面での太陽光の反射率を抑えることができるので、高い発電効率を実現できる。
【０００６】
なお、本明細書において、「水面」あるいは「水中」という用語における「水」とは、淡水に限らず海水も含み、主として水を主成分とする液体を意味するが、特定の液体に制限されるものではなく、あらゆる液体を含む「液体」と同義である。すなわち、本発明は、あらゆる液体の液面下に太陽光発電パネルを設置するものを含む。
【０００７】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、前記水面は、海水面であることを特徴とする。
本発明によれば、広大な土地を確保できない場合でも、広大な海水面を活用して、大規模な大きな太陽光発電システムを構築することができる。
【０００８】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、前記太陽光発電パネルは、前記水面から１ｍ以内の水中に設置されることを特徴とする。
高い発電効率を実現するうえでは、水中での太陽光の減衰を抑制するために、なるべく水面に近い水中に太陽光発電パネルを設置するのが望ましい。そして、水面から１ｍ以内であれば、比較的透明度の高い水中において、十分な発電効率を実現することが可能である。
【０００９】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、前記太陽光発電パネルは、前記水面から３０ｃｍ以内の水中に設置されることを特徴とする。
水面から３０ｃｍ以内（より好ましくは２０ｃｍ以内）であれば、幅広い水中環境下において、十分な発電効率を実現することが可能である。
【００１０】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、水面の高さが変動しても水面下に前記太陽光発電パネルを維持する水面下維持手段を有することを特徴とする。
上述したとおり、高い発電効率を実現するうえでは、水中での太陽光の減衰を抑制するために、なるべく水面に近い水中に太陽光発電パネルを設置するのが望ましい。しかしながら、海、湖、貯水池などの水面の高さは大きく変動しやすいため、太陽光発電パネルの位置（高さ）が水面の高さ変動によらずに一定である構成では、太陽光発電パネルが水面上に長期間露出してしまうおそれがある。このような長期間の露出が起きると、その露出中に付着する異物や堆積物がパネル表面上に強固に付着してしまい、その後に太陽光発電パネルが水中に戻っても、その異物や堆積物を水によって除去できず、発電効率を回復させることが困難となるという問題が生じる。
本発明によれば、水面下維持手段により、水面の高さ変動が生じても太陽光発電パネルを水面下に維持できるので、太陽光発電パネルが水面上に長期間露出してしまうのを避けることができ、上述の問題を回避できる。
【００１１】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、前記水面下維持手段は、水面に浮かぶ浮体と、前記浮体に前記太陽光発電パネルを連結する連結部材とから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、浮体の浮力と太陽光発電パネルの重量とのバランス及び連結部材の長さ等を適切に調整することで、簡易な構成で、太陽光発電パネルを水面近くの水中に安定して維持することができる。なお、太陽光発電パネルの重量が不足するような場合には、太陽光発電パネルに錘部材を連結してもよい。このような錘部材を利用すれば、太陽光発電パネルの種類等に関わりなく、太陽光発電パネルを水面近くの水中に安定して維持することができる。
【００１２】
また、本発明は、前記水中太陽光発電システムにおいて、前記太陽光発電パネルは、水中生物又は水中植物の付着を抑制する付着抑制処理が施されていることを特徴とする。
本発明によれば、水中に設置される太陽光発電パネルに水中生物又は水中植物が付着することが抑制されるので、水中生物又は水中植物の付着による発電効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、太陽光発電パネルに付着する塵や埃等の異物や堆積物による発電効率の低下が抑制された太陽光発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における水中太陽光発電システムの概略構成を示す説明図。
【図２】同水中太陽光発電システムの太陽光発電パネル及び浮体を模式的に示す斜視図。
【図３】太陽光発電パネルを設置する水深と太陽光発電パネルの発電量（出力電圧）との関係を確認する実験の結果を示すグラフ。
【図４】太陽光発電パネルを設置する水温と太陽光発電パネルの発電量（出力電圧）との関係を確認する実験の結果を示すグラフ。
【図５】太陽光発電パネルを設置する海中の塩分濃度と太陽光発電パネルの発電量（出力電圧）との関係を確認する実験の結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を、広大な海面を活用した水中太陽光発電システムに適用した一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における水中太陽光発電システム１０の概略構成を示す説明図である。
図２は、本実施形態における水中太陽光発電システム１０の太陽光発電パネル１及び浮体２を模式的に示す斜視図である。
【００１６】
本実施形態の水中太陽光発電システム１０は、主に、太陽光発電パネル１と、水面である海面１００Ａに浮かぶ浮体２と、浮体２に太陽光発電パネル１を連結する連結部材としての連結ワイヤー３と、太陽光発電パネル１に連結される錘部材４とから構成される。また、本実施形態の水中太陽光発電システム１０は、浮体２を水面上の所定位置に係留させる係留部材５が浮体２に連結されており、潮の流れなどによって浮体２が所定位置から離れて流されないようにしている。
【００１７】
また、本実施形態の水中太陽光発電システム１０は、地上に設置された送電設備２０と送電ケーブル２１によって接続されている。送電ケーブル２１は、海底に敷設または埋設された電力伝送路を形成する少なくとも１以上のケーブルで構成される。水中太陽光発電システム１０で発電した電力は、送電ケーブル２１を通じて送電設備２０へ送電され、送電設備２０から送電される。
【００１８】
なお、水中太陽光発電システム１０で発電した電力を送電する送電設備２０は、地上（陸地）だけでなく、海上あるいは海中に配置してもよく、送電方法も有線によるものに限らず、マイクロ波などの無線によるものであってもよい。また、水中太陽光発電システム１０で発電した電力を使用して稼働する電力機器が水中太陽光発電システム１０の近くの海上あるいは海中に存在する場合には、送電設備２０や送電ケーブル２１は不要となる。
【００１９】
太陽光発電パネル１は、太陽光エネルギーを直流の電気エネルギーに変換する複数のＰＶパネルと、各ＰＶパネルで発電された電力を集電して送電ケーブル２１から送電設備２０へ送電する方式に対応した状態に変換し、送電ケーブル２１から送り出す電力変換器とから構成される。
【００２０】
太陽光発電パネル１のＰＶパネルは、一般に流通しているものを利用できるが、本実施形態ではＰＶパネルが海面下（海中１００）に設置されるため、相応の防水処理を施すことが望まれる。また、海水に常時接するので、塩分に対する耐性処理を施すことも望まれる。
【００２１】
また、太陽光発電パネル１は、海面下（海中１００）に設置されるため、水中生物又は水中植物の付着を抑制する付着抑制処理を施すのが好ましい。付着抑制処理としては、公知の薬剤などをコーティングする処理や、ロータス効果（ハス効果）を発揮するような微細加工をパネル表面に施す処理などが挙げられる。
【００２２】
浮体２は、錘部材４に連結された太陽光発電パネル１が連結されていても浮力により水面に浮かぶことができる。本実施形態の浮体２は、太陽光発電パネル１の周囲を取り囲むように矩形状に配置されており、その四隅それぞれに、太陽光発電パネル１の四隅それぞれに連結された連結ワイヤー３が接続されている。なお、太陽光発電パネル１の外形（複数のＰＶパネルの配列）や浮体２の形状などに特に制限はない。
【００２３】
連結ワイヤー３は、海面１００Ａから所定距離以内（所定の水深範囲内）に太陽光発電パネル１を維持できる長さに設定されている。本実施形態においては、太陽光発電パネル１が錘部材４の重さで下方へ引っ張られるため、浮体２に連結された連結ワイヤー３は、太陽光発電パネル１によって下方へ引っ張られ、常に張った状態になる。このように連結ワイヤー３が常に張った状態が維持されるため、潮の満ち引きや波などによって海面１００Ａの高さが変動しても、その海面１００Ａの高さ変動に応じて浮体２が上下動し、これに連動して太陽光発電パネル１も上下動する結果、太陽光発電パネル１が常に海面１００Ａから所定距離以内（所定の水深範囲内）に維持される。
【００２４】
特に、太陽光発電パネル１の高い発電効率を実現するうえでは、海中１００での太陽光の減衰を抑制するために、なるべく海面１００Ａに近い海中１００に太陽光発電パネル１を設置するのが望ましい。具体的には、比較的透明度の高い場合には、おおよそ海面１００Ａから１ｍ以内で、十分な発電効率を実現することが可能である。好ましくは  海面１００Ａから３０ｃｍ以内、より好ましくは２０ｃｍ以内であれば、より幅広い水中環境下において、十分な発電効率を実現することが可能である。特に、比較的透明度の高い場合には、後述する実験で示すように、海上や地上（陸地）に太陽光発電パネル１が設置される場合と同等以上の発電効率を実現することができる。
【００２５】
なお、太陽光発電パネル１の位置（高さ）が海面１００Ａの高さ変動によらずに一定であるような構成を採用してもよい。例えば、海底に敷設した土台から延びる支柱上に太陽光発電パネル１を設置するような構成を採用してもよい。ただし、このような構成だと、海面１００Ａの高さ変動によって、海面１００Ａから太陽光発電パネル１までの距離が変動することになる。そのため、例えば、太陽光発電パネル１の位置（高さ）を海面近くの海中１００に設定すると、海面１００Ａの高さ変動によって太陽光発電パネル１が海面上に長期間露出してしまうおそれがある。このような長期間の露出が起きると、その露出中に付着する異物や堆積物がパネル表面上に強固に付着してしまい、その後に太陽光発電パネルが海中１００に戻っても、その異物や堆積物を水によって除去できず、発電効率を回復させることが困難となるという問題が生じる。逆に、太陽光発電パネル１の位置（高さ）を海面１００Ａから離れた海中１００に設定すると、海面１００Ａから太陽光発電パネル１までの距離が長すぎて、海中１００での太陽光の減衰が大きく、十分な太陽光が太陽光発電パネル１に届かないため、十分な発電効率を得ることができない。
【００２６】
したがって、本実施形態のように、太陽光発電パネル１が海面１００Ａから所定距離以内（所定の水深範囲内）に維持される構成とすれば、太陽光発電パネル１が安定して海中１００に維持される結果、太陽光発電パネル１が海上に露出して異物や堆積物がパネル表面上に強固に付着するような事態を回避でき、異物や堆積物による発電効率の低下を抑制することができる。しかも、太陽光発電パネル１を安定して海中１００の所定水深範囲に維持できる結果、太陽光発電パネル１を常に海面付近の浅い水深範囲（水深３０ｃｍ以内）に設置することができ、海中１００での太陽光の減衰の影響をほとんど受けずに、高い発電効率を実現することができる。
【００２７】
錘部材４は、浮体２の浮力との関係で、海面１００Ａの高さ変動が生じても安定して連結ワイヤー３を張った状態できる程度の重さに適宜設定される。もし、太陽光発電パネル１の重さが十分に重く、太陽光発電パネル１だけで安定して連結ワイヤー３を張った状態できるようであれば、錘部材４は必ずしも必要ない。
【００２８】
本実施形態では、説明の簡略化のため、浮体２に取り囲まれた太陽光発電パネル１を１つだけ備えた水中太陽光発電システム１０を例に挙げて説明するが、浮体２に取り囲まれた太陽光発電パネル１を２つ以上備えた例であってもよい。このとき、各太陽光発電パネル１については、互いの浮体２間を連結するようにして各位置がバラバラにならないようにするのが好ましい。
【００２９】
また、太陽光発電パネル１を構成するＰＶパネルの数、あるいは、太陽光発電パネル１の数は、水中太陽光発電システム１０の設備容量や設置可能面積などに応じて増減することができる。また、水中太陽光発電システム１０の設置場所の形状などに応じて、太陽光発電パネル１を構成するＰＶパネルの配置、あるいは、複数の太陽光発電パネル１の配置を適宜調整することが可能である。
【００３０】
また、本実施形態における太陽光発電パネル１は、そのパネル面が水面に対して略平行となるように配置されているが、パネル面の仰角は水中太陽光発電システム１０が設置される緯度に応じて適宜選択されることが望ましい。また、太陽光発電パネル１のパネル面の仰角を変更する手段を設けて、緯度や太陽高度などに応じてパネル面の仰角を調整できるようにしてもよい。
【００３１】
本実施形態のように、太陽光発電パネル１が海面下（水面下）に設置する構成においては、海面１００Ａでの太陽光の反射、水中での太陽光の散乱、減衰などにより、太陽光発電パネル１を海面上又は地上に設置する場合よりも、太陽光の届く光量が少ない。しかしながら、海面上あるいは地上に設置される太陽光発電パネルは、パネル表面への異物（黄砂、鳥の糞など）の付着や塩分等の堆積物により発電効率が低下するのに対し、本実施形態では、パネル表面が海中１００にあるので、このような異物や堆積物の付着が抑制され、異物や堆積物による発電効率の低下が抑制される。したがって、長期的使用の観点で見れば、本実施形態に係る水中太陽光発電システム１０は、海面上あるいは地上に太陽光発電パネルを設置するシステムと比べて、発電効率が劣るようなことはない。
【００３２】
特に、後述の実験のとおり、海面下であっても、海面１００Ａに近い海中１００に太陽光発電パネル１を設置すれば、海中１００での太陽光の錯乱や減衰の影響が小さい。しかも、海中１００における太陽光発電パネルの冷却効果は海面上や地上の太陽光発電パネルに比べて高い。そのため、長期的使用の観点で見たとき、本実施形態に係る水中太陽光発電システムは、海面上や地上に太陽光発電パネルを設置するシステムと比べて、むしろ発電効率において有利となり得る。
【００３３】
次に、本発明者が行った各種実験について説明する。
まず、太陽光発電パネル１を設置する水深と太陽光発電パネル１の発電量（出力電圧）との関係を確認する実験を行った。
この実験では、太陽光発電パネル１を構成するＰＶパネルを沈めた水槽に、恒温下で１日間放置した水道水（２４．４℃）を徐々に加えてＰＶパネルの水深を深くしていき、その後、その水槽から徐々に水を抜いて水深を浅くしていき、その間のＰＶパネルの出力電圧を測定した。なお、本実験は、ＰＶパネルとして、下記の表１に示す仕様の単結晶シリコン製の市販ソーラーパネル（２０Ｗ，ＳＮ  Ｓｏｌａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製）を用い、室内の蛍光灯下にて行った。このとき、水槽側面から入射する光の影響を避けるために、水槽側面は全周とも遮光カバーで覆った。なお、海上の太陽光下と室内の蛍光灯下とでは同じ照度であっても発電量に違いは出るが、照度と出力電圧との関係はいずれも同じ比例関係を示す。
【００３４】
【表１】
0006872812.tif 000002
【００３５】
図３は、この実験結果を示すグラフである。
図３に示すように、水深０〜２００ｍｍの範囲では、出力電圧はほぼ一定であり、むしろ水深が深くなるにつれてわずかながら出力電圧が上昇している。なお、室温２２．４℃の大気中（水深０ｍｍ）でのＰＶパネルの出力電圧は、１３．１２Ｖである。
【００３６】
この実験結果から、この程度の浅い水深範囲であれば、水中にＰＶパネルを設置する場合であっても、水面上での反射や水中での散乱、減衰による影響は小さく、大気中のＰＶパネルと同程度の発電効率が得られることがわかる。むしろ、大気中（水深０ｍｍ）でのＰＶパネルの出力電圧に対し、水深が深くなるにつれてわずかながら出力電圧が上昇しているのは、水深が深くなるにつれてＰＶパネルから水への伝熱効率が上がり、ＰＶパネルの冷却効率が上がったためだと推察される。
【００３７】
次に、太陽光発電パネル１を設置する水温と太陽光発電パネル１の発電量（出力電圧）との関係を確認する実験を行った。
図４は、この実験結果を示すグラフである。
本実験では、上述した実験と同じ設備を用い、同一照度下（蛍光灯下）における水温と出力電圧との関係を求めるために、実験を３回、異なる日に実施した。低温状態は水槽に氷とドライアイスを入れて水温を調整し、高温状態はお湯を入れて水温を調整した。図４に示すように、水温の低下に比例して出力電圧が高くなることが確認された。また、いずれの実験日でも、水温が同じであれば同じ出力電圧が得られ、その再現性は高い。
【００３８】
次に、太陽光発電パネル１を設置する海中１００の塩分濃度と太陽光発電パネル１の発電量（出力電圧）との関係を確認する実験を行った。
図５は、この実験結果を示すグラフである。
海中１００の塩分濃度は、その海域によって差があるが、最大でも５ｗｔ％である。本実験では、水道水に海水から採取した塩を混合した疑似海水を用い、水深１０ｍｍ、水温２３．１℃の環境下において、塩分濃度が出力電圧に及ぼす影響を調べた。図５に示すように、塩分濃度が０〜５ｗｔ％の範囲内では、塩分濃度の差による出力電圧への影響は認められない。
【００３９】
なお、本発明に係る水中太陽光発電システムは、海面を活用するものに限らず、湖、沼、池、川、貯水池（ダムを含む。）などの水面を活用する場合にも同様に適用可能である。
また、このような屋外の水面に限らず、屋内のプールの水面を活用するなど、あらゆる水面に対して活用することが可能である。
更には、水以外の液体の液面に対して活用することも可能である。例えば、熱伝導性の高い液体の液面下（液中）に太陽光発電パネルを設置すれば、太陽光発電パネルの冷却効果の高い水中太陽光発電システムが実現できる。また、例えば、パネル表面の洗浄効果が高い液体の液面下（液中）に太陽光発電パネルを設置すれば、異物や堆積物などの付着による発電効率の低下を抑制する効果の高い水中太陽光発電システムが実現できる。
【符号の説明】
【００４０】
１        ：太陽光発電パネル
２        ：浮体
３        ：連結ワイヤー
４        ：錘部材
５        ：係留部材
１０      ：水中太陽光発電システム
２０      ：送電設備
２１      ：送電ケーブル
１００Ａ  ：海面
【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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