特集集光型太陽光発電システムの開発
斉森

藤健司・安＊

彦

義哉・鳥谷宏治・古結靖和・岩崎和正孝

Development of Concentrator Photovoltaic System ─ by Kenji Saito, Yoshiya Abiko, Kazumasa Toya, Kouji Mori,
Yoshikazu Kogetsu and Takashi Iwasaki ─ Sumitomo Electric’s concentrator photovoltaic (CPV) system wasdeveloped under the design concepts of light weight, small size, good heat dissipation and use as a display. At its
Yokohama Works, a megawatt-class generation and storage system was deployed for demonstration and has beenin operation since July 2012. The performance of the CPV modules in this system was evaluated. The module
recorded a conversion efficiency of approximately 30% both in sunlight and using a solar simulator. The power
generation comparison between the most commonly used polycrystalline silicon module and the CPV module wasalso conducted. These modules were set to track sunlight, and the total amount of power generated for one day wasmeasured. The results showed that our CPV module’s power generation per unit area was approximately 2.0 times asmuch, and the power generated per unit weight was approximately 1.7 times as much as that of the poly-Si module.
Keywords: concentrator photovoltaic (CPV), high concentrating photovoltaic (HCPV), direct normal irradiance (DNI)

1.

緒言

再生可能エネルギーを活用した分散型電力システムへの電力会社

電力網（66kV）

期待が高まっていることを受け、当社グループでは、各種受電電力変換・制御技術、発電・蓄電技術の研究開発を鋭意進めている（1）。今般、世界最大規模であるメガワット級のレ横浜製作所

消費ドックスフロー（RF）電池（2）と国内最大規模の集光型太陽発電発電充放電

光発電（CPV）設備、およびこれらを制御するエネルギーマネージメントシステム（EMS）から構成される大規模需要家向けの安定した電力システムを当社横浜製作所に構築し、2012 年 7 月から実証運転を開始した。図 1 にそのシス

工場負荷
事務所負荷

テムの構成図を示し、写真 1 に CPV システムの全体を示す。

今回導入設備
電力の流れ
通信

本論文では、我々が開発を進めた CPV モジュールの特長及び発電性能について説明する。

図1

写真 1−（ 18 ）− 集光型太陽光発電システムの開発

コージェネレーション
ガスエンジン発電機

横浜製作所 CPV システム

集光型太陽光発電

レドックスフロー電池

EMS

メガワット級大規模畜発電システム構成

2.

CPV の特徴が可能である。また、軽量化することによって、追尾架台

CPV は、発電素子にレンズ等で集光させた高密度の太陽に対する負荷を軽減でき、追尾架台の駆動トルクや材料強光を入射させることによって、小面積の発電素子でエネル度などの強靭化を抑え、架台コストを軽減がすることが可ギー変換をする太陽光発電装置である。発電素子には、（3）能である。

異なるバンドギャップエネルギーの化合物半導体材料をト放熱は、以下の 2 つの観点から非常に重要になる。一点

ンネル接合によって積層し、波長感度帯域を拡張させた高目は、温度上昇に伴い出力が減少するという太陽電池セル

効率化合物太陽電池セルが用いられる。これらの多接合化の温度特性がある。一般的に化合物太陽電池セルは、結晶合物太陽電池セルは、Solar Junction 社によって、2012

シリコン系太陽電池セルより約 5 ～ 7 倍温度特性（7）が良く

年 10 月 15 日現在、947Suns（1Sun（1kW/m2））において温度に対する変化が小さい。しかしながら、レンズによっが記録されており、今後も多接合て、集光されることで、数百～数千倍のエネルギーがセル化により、変換効率 50 ％以上の超高効率化が近い将来にに加わるため、温度上昇に伴う電力損失を最小限に抑制す期待できるものである 。

る必要がある。二点目は、長期信頼性の観点である。セル

44 ％の世界最高効率

（4）

（5）

集光方式には、平板フレネルレンズ、ドーム型フレネル

動作温度が高ければ、回路基板や周辺部材に熱的ストレスレンズ、鏡面反射型等が開発されている。集光系としては、が大きく加わり、寿命が短くなることが予想される。また、

セル受光感度帯域での高透過率化と集光した光の色収差の長寿命化を狙うために耐候性に優れた部材を選定すること低減および集光強度分布の均一化が光学的に高いモジューでコストが膨らむ懸念がある。我々は、セルや周辺部材のル変換効率の実現には重要となる 。

高温化を抑制するために集光エネルギーを分散させる構造（3）CPV システムは、太陽光を集光させた光が太陽電池セルとして、50mm × 50mm の小さなフレネルレンズを 192 個に垂直に入射されるようにモジュールを追尾させる二軸追備えた小型フレネルレンズアレイを設計した。また、放熱尾架台システムを用いる。追尾方式には、太陽光を感知す機能を保持したアルミニウム筐体に化合物太陽電池セルをる太陽追尾センサーを用いるセンサー追尾方式と、設置位配置することで、低い動作温度を実現している。

置の緯度、経度と時間によって太陽の軌跡を追尾する時間

更に今回開発した CPV では、上記内容に加えて発電量を追尾方式、また、その両方を兼ね備えた方式があり、各社、落とすことなく企業名やロゴなどを表現することを可能と追尾精度とコストに応じて使い分けている。

しており、太陽電池でありながら広告看板としての利用価

これらの基本構成において、大同特殊鋼㈱らは、愛知県値を付加している。一例として、当社横浜製作所に設置しで CPV システムの屋外実証実験を実施した。その結果、非た CPV の写真を図 2 に示す。レンズ内側に配置した太陽電集光平板型太陽光発電システムと比較して、単位面積あた池セル以外の場所に、意匠性のある色付保護板を設置する

り 1.6 倍もの高い年間発電量と約 2 倍ものモジュール変換ことでこのように文字を表現するこが可能である。また、効率を実現し、CPV システムは従来の太陽光発電システム色付保護板の配色を工夫することで、同じ CPV システムに。また、おいて、見る角度を変える事で表示内容を変更することもより高い発電量が得られることを明らかにした（6）

CPV システムは、太陽光を追尾するため朝方や夕方の発電可能である。

量も高く、夕方の電力需要ピーク時にも安定した電力が得られるという特徴もある。さらにモジュールを地面から高い位置に設置する構造であり、モジュール下のスペースを駐車場、農地、公園などに有効活用でき、次世代太陽光発太陽電池セル（化合物半導体）電システムとして期待されている。

色付保護板

3.

CPV モジュールの開発

小型フレネル
レンズアレイ

我々は、大きく 3 つの設計コンセプトに基づき、CPV の100mm 未満開発を実施した。

図2【設計コンセプト】

CPV 構造と意匠性①一人で持てる、組立等の施工が容易なモジュールサイズ、軽量化②優れた放熱設計③意匠性、広告性の具備

4.

CPV モジュールの発電性能

この CPV モジュールは、40 インチテレビ程度のサイズ太陽光によって屋外で測定した CPV モジュールの太陽電であり、重量は約 8kg になる。これは、ひとりでも軽々と池特性を図 3 に示す。モジュール裏面温度 46.7 ℃、直達日持てるサイズと重量になり、組立作業、施工のコスト抑制

射強度（DNI）が 699W/m2、のとき、変換効率η=30.1 ％2 0 1 3 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 2 号 −（ 19 ）−31202.51002801.5601400.520CPV01020304050

電力 P（W）

電流 I（A）

重0量（kg）

8.0

17.0

太陽追尾センサー

追尾
直達日射計

追尾架台システム

追尾
全天日射計

水平固定
全天日射計

0

図5

電圧 V（V）

図3SiPV

定格発電出力138（設計値） 180（公称値）（W@1000W/m2）
受光面積（m2）
0.48
1.2

CPV と SiPV の屋外測定

CPV の屋外測定による太陽電池特性（受光面積： 0.48m ）を記録した。
また、スペインの第三者機関である Instituto De Energía
Solar - Universidad Politécnica de Madrid （IES-UPM）
において、同タイプモジュールをソーラーシミュレータで測定し、モジュール温度： 25 ℃、DNI=1000W/m2 における結果を図 4 に示す。η=29.5 ％であり、屋外測定および屋内測定において、約 30 ％の変換効率を記録した。

モジュール変換効率（%）

35230CPV25CPV 最大
30.1%
46.7℃

27.6%
60.2℃

2015SiPV 最大
13.5%
40.9℃

10SiPV

11.2%
55.0℃

50
6:00

7:30

49:00

10:30

12:00

13:30

15:00

16:30

18:00

時 刻

Current (A)3.53

図6CPV と SiPV の変換効率一日の推移

2.52

CPV は、8 時～ 9 時頃にη=30.1 ％を記録し、一日を通

1.5
1Concentrator Standard Test Conditions
1000W/m 2AM1,5Dspectrum
25℃ cell temperature

0.500102030

し 27.5 ～ 30 ％の変換効率であった。SiPV は、η=11 ％程
4050Voltage (V)

図4

第三者機関による CPV の太陽電池特性結果

度で一日を推移し、夕方になりモジュール温度が低下したときに 13.5 ％を記録した。計測途中に変換効率が著しく低下する箇所があるのは、雲が太陽を塞いだためである。
尚、この日の DNI は、最高で 836W/m2 であり、9 時から15 時の間、雲で陰るとき以外は常に 700W/m2 以上を観測していた。
図 7 に CPV と SiPV の単位面積あたりの出力（W/m 2 ）5.

CPVと結晶シリコンモジュール（SiPV）の発電比較
CPV モジュールと SiPV を図 5 に示すように当社大阪製の一日の推移を示す。一日を通して、CPV の単位面積あたりの出力は SiPV より高く、9 時から 15 時の間の累積発電量（Wh/m2）は、CPV は SiPV に比べて、約 2.0 倍であっ作所にある追尾架台システムに設置し、一日の太陽電池特た。本 CPV モジュールでは、約半分の面積で同出力が得ら性を同時測定した。また、日射強度は、直達日射計、全天れることになり、省スペースの面から優位であると言える。

日射計および追尾全天日射計にて計測し、それぞれのモ

また、単位重量あたりの累積発電量（Wh/kg）は、約ジュールの裏面温度を熱電対によって測定した。SiPV には、1.7 倍 CPV の方が SiPV より優れていた。追尾式 SiPV との多結晶シリコンタイプを用いた。図 6 に CPV と SiPV のモ比較においては、より多くのモジュールを追尾架台に搭載ジュール変換効率の一日の推移を示す。尚、図中の温度はできることになり、単位架台台数あたりの発電量を多くでモジュール裏面温度を示す。

きることから、本 CPV モジュールの方が優位であると言え−（ 20 ）− 集光型太陽光発電システムの開発

単位面積あたりの出力（W/m2 )

300

執CPV

250

筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------斉藤健 司＊：パワーシステム研究所

安彦

義 哉 ：パワーシステム研究所

鳥谷和 正 ：パワーシステム研究所

森宏 治 ：パワーシステム研究所

主査

古結

靖 和 ：パワーシステム研究所主幹

岩崎孝 ：スペシャリスト
パワーシステム研究所

200
150
100

SiPV

50
06:00

7:30

9:00

10:30

12:00時図713:30

15:00

16:30

18:00

刻

主査

グループ長

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CPV と SiPV の単位面積当たりの出力の一日の推移＊主執筆者

る。サンベルトなどの DNI が高い地域では、その優位性は更に高まると予想される。

6.

結言

我々は、軽量、省サイズ、優れた放熱性、意匠性をコンセプトに集光型太陽光発電システム（CPV）を開発した。
CPV モジュールは、実環境およびソーラーシミュレータにおいても 30 ％程度の変換効率を記録した。追尾式 SiPV との発電量比較においては、単位面積あたりの累積発電量では約 2.0 倍、単位重量あたりの累積発電量では約 1.7 倍、CPV の特性の方が良いことを明らかにした。今後数年以内の事業化を目指して鋭意開発を進めている。

参考文

献（1） 綾井直樹、「直流マイクログリッドシステム」、SEI テクニカルレ
ビュー第 181 号、P.124（2012）（2） 重松敏夫、「電力貯蔵用レドックスフロー電池」、SEI テクニカルレ
ビュー第 179 号、P.7（2011）（3） 山口真史、「超高効率化合物太陽電池−材料・技術動向と課題」、工業
材料、Vol.58、No.4、pp49-53、2010 年 4 月号
（4） URL http://www.excite.co.jp/News/release/20121015/Kyodo_
prw_201210157628.html（5） K. Kurokawa, Proceedings of the 34th IEEE Photovoltaic Specialists
Conference（2009）（6） 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、太陽光発電技術研究開発 事後評価報告書、pp31-33（平成 19 年 2 月）
（7） 浜川圭弘、桑野幸徳、「太陽エネルギー工学㈱培風館（1998）

太陽電池」、pp219-237、

2 0 1 3 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 2 号 −（ 21 ）−