低集光型太陽電池プラント及びそれの光電池モジュールの発電量を最大化する方法

专利摘要:
通常の光電池モジュールの発電を最大化するためトラッキング及び低集光太陽光技術を組合わせて用い、モジュールを保護するのに用いたシステムが、非常に強い太陽放射線を受けた時に受け得る損傷から光電池モジュールを保護するように構成した任意の方法である、光電池モジュールの発電を最大化する低集光太陽光プラント及び方法。好ましくは、起こり得る損傷を避けるために、本発明は、放射線が予定のレベルに達した時に光電池モジュールを焦点ははずしする機構を補助する温度測定及び／又は制御システムを備える。本発明は光電池太陽光発電に適用できる。
公开号:JP2011511450A
申请号:JP2010544738
申请日:2008-12-05
公开日:2011-04-07
发明作者:メデイナ，フアン エンリレ；ゴンザレス−アグイラル，ラファエル オスナ；ロドリゲス，アルヴァロ パヤン；ケロ，ヴアレリロ ヘルナンデス；リゲロ，オスカル ペレレス
申请人:アベンゴア ソーラー ニュー テクノロジーズ ソシエダ アノニマ；
IPC主号:H01L31-042

专利说明:

[0001] 以下に記載し特許請求の範囲に記載する本発明は、太陽光低集光システム及び二軸によるトラッキングシステムを組合わせて用いることに基くものである。本発明において実行しようとする最終目的は、光電池モジュールの発電量を最大化して、この組合わせて用いることにより、発生した電気を比較的競争に耐えることのできる価格にすることにある。]
背景技術

[0002] エネルギーの需要が急速に伸び、化石燃料の価格も付加的に高まり、この状況は元へもどせなくなってきているように思われ、かかる燃料の備蓄は益々不十分であるので、最悪となってきている。クリーンで限りのないエネルギー源として継続性のあるエネルギーに対する大きな機会に遭遇している。]
[0003] 五年前から、光電エネルギー発生工業は４０％に近い割合で成長してきた。この成長は特に、この興味を引く技術分野において提供し得るビジネスの可能性を探るのに決定的に貢献してきている非常に異なる工業分野を引き付けてきたことを連想させる。]
[0004] ２００６年には、この劇的な成長が続き、約２，４００ＭＷの市場となっている。分析したところによれば、この成長は、これからも続き、光電池エネルーの分野は２０１０年には１０ＧＷの発電能力（これは約７２０億ドルのビジネス数にを仮定する）となり得る。]
[0005] ２００５年からのデータによれば、光電池市場は、その年つまり２００５年に４５％以上成長し、１７５９ＭＷの発電量に達している。２００６年には、概算で、２４００ＭＷに達し、当該分野は劇的な成長率を追っていることを示している。]
[0006] ２００５年には、それ以前の年の場合のように、最も成長した市場はドイツ国で、６０３ＭＷであり、それに続いて日本で２９１ＭＷであり、そして米国の１０８ＭＷであった。これに関して、スペイン国では、光電池の促進においてはドイツ国に続いて第２位の欧州国にランクされてきた。]
[0007] 光電池及びモジュールの製造に関しては、欧州は５０％の成長があり、４７０ＭＷの発電量に達している。しかし、この事実にもかかわらず、ドイツ国の大きな成長は、欧州が光電池及びモジュールの正に輸入国として留まっていることを意味している。それでも、この状況は近い将来変化し得る。]
[0008] 近年分野を限定した主な問題点の一つには、シリコンの不足及びその結果この材料のウエハのコスト高騰がある。そのため、光電池及びモジュールの製造業者は、非常に長期の契約に署名することになる。このようにして、モジュール製造業者は将来にわたって供給を保証するように求めている。]
[0009] また、シリコンのこのような不足の結果として、薄いシート及び開発してきたその他の材料の使用に基いて、光電池製造業者は、太陽光集光製品を創作し、少しずつ市場に導入し、開発を多様化するためにシリコンに基く技術を用いて伝統的に作業してきた。]
[0010] 光電池の集光装置の市場の最近の状況は、期待や予想を超えて発展している。適切な技術的かつ経済的な解決法を得るのに多数の異なる技術が用いられている。光電池集光装置用のＩ＋Ｄプログラムは、ここ１０年の間実施されてきた。７０年代及び８０年代には、幾つかの光電池集光システムが既に開発されていた。これらの開発は、現在まで、非常に多様な技術的解決法に興味深く影響するように用いて、改良された光電池で、高い集光比で、続けられてきた。]
[0011] オランダ国ステイシーの先駆的な研究によれば、Ｖスルー集光装置で作動する光電池システムにおける多数の研究が発表され、これらはＦｒａｉｎｄｅｎｒａｌｃｈによってなされたものと特に関連している。しかし、これらのいずれも、本発明において想定しているような年次発電量の１００％以上高い相当な市場レベルまで達していない。これは、一部、従来のシリコン電池における温度上昇を招く危険によって動機付けられる。]
発明が解決しようとする課題

[0012] 光電池装置は、太陽光源による発電に基くものである。この発電は、地理的な位置、日時、大気の状態などのような多くのパラメータに依存し、可変である。光電池モジュールの発電は、太陽光源の特性に直接依存ししかもその使用の仕方にも依存する。]
[0013] 光電池モジュールの年間発電量を最大にするために、常に受ける太陽光線の量を最大化する必要がある。]
課題を解決するための手段

[0014] このために、本発明では、以下の手段が適用される。
ａ）光電池モジュールで受ける太陽光線を増やすために隣接ミラーが付加され、年間発電量を一層一様に増加させている。使用した集光技術はＶスルー技術であり、１と３ｘとの間の幾何学的集光をもたらす。（ｘは光電池モジュールを受ける太陽の等価数として定義される。すなわち、太陽光線に晒される従来の平型モジュールが一つの太陽を受けると仮定して、３ｘの集光は、モジュールが太陽光線を三回以上受けるということに等しく、すなわち３太陽に等価である。）これは。通常の発電量を５０％以上高めることを伴う。
ｂ）光電池モジュールには、二軸による太陽トラッキングシステムが設けられる。従って、年間に発生されるエネルギーは地理的な位置に関連して４２％まで増加できる。
これら両改良を結合することにより、年間発電量を１００％以上増加させることができる。
ｃ）光電池モジュールには、太陽光線が最大である時に過剰な温度増加により損傷を受け得るのを阻止するために、温度センサーが設けられ、かかる温度センサーは、トラッキングシステムに作用し、ある特定の予定の高温に達した場合に、“非太陽トラッキングすなわち焦点ぼかし”位置にする。]
[0015] 近年、Ｖスルー太陽光線集光技術は広く用いられてきた。しかし、今日まで、かかる技術を二軸線による太陽トラッキングと組み合わせて用いることは主に以下の二つの理由で述べられていない。
１．この技術で得られる許容角度では、太陽光路のトラッキングを行うことは必須のものとはなり得ない。適切に方向決めした単純に固定した設備は、従来の平型モジュールに対して発電を改善することになる。
２．太陽トラッキングは受ける放射線及び従って発電を十分に増大するが、Ｖスルー太陽集光技術と組み合わせて太陽トラッキングを使用することは、従来のシリコン電池が燃えてしまったり総体的に使用できなくなるような極端に高い温度に達し得ないので、受けることになる大きな温度増加のために圧倒的な効果をもたらし得る。]
[0016] この点において、温度焦点はずしシステムがこの提案に到達することの高度の重要性の大要を説明する必要がある。極端な温度上昇に対してモジュールを保護する焦点はずしシステムなしで、従来のシリコンモジュールを用いて、二軸線によるトラッキングによるＶスルー技術については誰も発表していない。]
[0017] 光電池集光は、比較的小さなサイズの太陽電池上に光線を指向させる光学システム（いわゆる集光装置）によって太陽電池の部分（光電池システムの最も高価な要素）を代えることから成る。光電池集光システムは、この目的のために、比較的小さなサイズの光電池材料上に太陽光線を集中させるレンズや鏡のような光学素子を使用する。]
[0018] 操作のなされる集光グレードを特徴付けるために、幾何学的集光と呼ばれるパラメータが用いられる。すなわち、このパラメータは、太陽放射線の入射する領域とそれぞれの光電池の領域との間の既存の関係として定義される。]
[0019] 太陽光集光技術で実行されることになる最終目標は、光電エネルギーのコスト低減である。そのために、従来の光電池解決法に付加される光学素子は、それに代えられる電池領域のコストを超えてはならないことが考察されなければならない。]
[0020] 従来の光電地モジュールは、それらの表面に自然に到達する太陽放射線に晒される。一般に、モジュールの受ける放射線は、場所の緯度に等しい太陽に向う傾きでモジュールを配置することにより増加され得る。モジュールに入射する放射線を最大化したい場合には、トラッキングを備えた設備が用いられる。かかる設備では、太陽光トラッカーが用いられ、日に沿って太陽光路を追跡でき、そしてモジュールを都合よく方向決めして、入射する太陽光エネルギー量を増大させる。]
[0021] 操作のなされる集光グレード及び使用した光学系の機能において、太陽光トラッキングは必須のものとなり得る。特に、高い光電池集光（幾何学的集光＞１００ｘ）のシステムでは、配列される許容角度は、二軸線による太陽光トラッキングを用いて達成されるだけであるように低い。これに対して、低集光のシステムの場合には、かかるトラッキングは通常必要でない。]
[0022] 光電池集光を用いる主な利点は、太陽光電池を構成している材料の有効使用にある。所与発電の場合、集光システムは、半導体材料の使用量が平型のモジュールを用いるシステムより非常に少ない。半導体材料の大きな面積に比較して鏡やレンズの大きな面積は、低コストのシステムとなる。集光装置素子の製造方法は、太陽光電池を製造する場合より複雑でなく、容易に拡大でき、集光技術に大きな利点をもたらす。]
[0023] 集光技術に基く１００ＭＷｈ／年の発電プラントに対して必要な投資は、一度十分に成熟した技術を得れば、薄いウエハシ又は膜に結晶シリコンを用いることに基いた技術で必要となる投資を約５０〜６０％下げることができる。平型モジュールに基く光電池システムの場合の設備出力Ｗ当たりの年間コストは、５〜６＄／Ｗであるのに対して、太陽光集光技術の場合には、短期間に約３＄／Ｗのコストにできる。]
発明の効果

[0024] 本発明において導入した三つの改良によって、システムの総体コストを極端に増加させることなくしかもシステムの生涯を支援することなしに、年間発電量を１００％以上に増加させることができる。従って発電エネルギーの最終コストを大幅に低減することができる。]
図面の簡単な説明

[0025] 形式Ｖ空洞の基本の幾何学的形態及び角度許容機能の一般的な形状を示す図。]
実施例

[0026] 次に、適用される本発明が、二軸線による太陽光トラッキング及び光電池モジュールにおけるＶスルー技術に基づくプラントを参照してここで詳細に説明する応用例に限定されることなしに、本発明の好ましい応用例について詳細に説明する。]
[0027] 形式Ｖ空洞の基本の幾何学的形状を示す図１に示すように、開口領域１に使用したＶスルー集光装置は、基本的に、平型の自由らいの光電池モジュール３及び両側に画定した角度傾斜させて設けた二つの付加的なリラクタント面すなわち反射鏡２を備えている。主目的は、半導体の領域を減少させ、この目的で反射鏡を用いて集光装置の開口領域１を通って入ってくる捕捉エネルギーを最大化することによりエネルギー発生コストを低減することにある。] 図１
[0028] 平型光電池を用いるため、付加的な冷却システムを組み込むのを避ける目的で、基本設計の必要な条件として、
不整合による損失を低減するために受光装置に平滑に光照射すること、
反射による損失を最大化するために、受光装置に到達する前に太陽の直接光線をただ反射させること、及び
発生したエネルギーを最大化するために、光電池モジュールの温度を有害でないレベルに維持することにより、発生電力（エネルギー効率）を顕著に低減させることなしに、有効性及び信頼性の理由で約２ｘの集光比にすること。]
[0029] いわゆるＶスルー（Ｖ−Ｔｈｒｏｕｇｈ）と呼ばれる集光技術は、普通に設けられた鏡を用いて光電池モジュールの表面に直接到達しない太陽放射線の反射部分に基いている。従って、パネルは、太陽から直接入ってくる太陽放射線を受け、そしてかかる放射線は鏡で反射される。鏡の表面のコストは光電池モジュールのコストの少なくとも１／３０未満であるので、この技術を用いたプラントの投資コストを大幅に低減することができる。]
[0030] 二軸線による太陽をトラッキングするシステム（太陽光とラッカー）は、静止型光電池システムで発生されるエネルギーの値において、欧州緯度で、年間に発生されるエネルギーの値を３５〜５０％の範囲で増加させることができる。特に、集光システムの場合に、直射放射線がこの形式のシステムのエネルギー発生において最も寄与するので、太陽光トラッキングは必要である。]
[0031] 太陽光トラッキングシステムに掛かるコストは、固定型構造を用いるシステムに掛かるコストに比べて非常に高い。しかし、高効率光電発生装置の場合には、太陽光トラッキングシステムの使用は、発生エネルギーの年間増加によって適切に受入れられる。]
[0032] ここで説明してきたパントは以下に挙げる技術的実現可能性に基いている。
１．平型モジュールに関して６０〜９０％の年間エネルギーの増加。
２．固定モジュールに関して３５〜５０％の年間エネルギーの増加。
３．従来形式の固定平型システムに対して８１〜１３５％の年間エネルギーの増加。]
[0033] 従って、単位エネルギー当たりの発生コストは、平型光電池モジュールでの従来の発生コストのほんの５０％にすぎない。]
[0034] 光電池モジュールは極端な温度に対して感応性が高いので、本発明のプラントには、モジュール自体を損傷させ得るある特定のレベルに達すると、モジュールの温度を下げさせる保護システムが設けられる。温度の上昇によって太陽光トラッカーを焦点はずしするシステムは、電池の温度を測定し、それに応じて、太陽光焦点はずしを達成する特定の通路に従うようにしている。温度測定は、光電池モジュールの表面において直接なされるべきである。周囲温度は有効なデータではない。というのは、電池で到達した温度が光電池自体の熱吸収特性や風速のような他のパラメータに依存しているからである。同様に、太陽光トラッカーが保護位置（太陽光焦点はずし）に達するまで追従すべき経路は、劣化を引き起こし得る、光電池パネルにおける不均質な反射を阻止することができるようにすべきである。かかる経路の正しい定義はモジュールの劣化に大きく影響し、その結果、システムの寿命に大きく影響する。]
[0035] 従って、太陽光とラッカーは、光電池モジュールの温度を監視する温度監視システムを備える。この監視の結果がある予定の閾値を越えた場合に、温度監視システムは自動的に焦点はずし運動を行うことができ、光電池モジュールにおける不均質な反射を阻止するある特定の経路を追従する。]
[0036] 当業者が本発明で得ることのできる技術的効果及び新しい利点のような、本発明の範囲を理解するのに前述の説明に加えてさらに説明する必要はないと考えられる。]
[0037] 本明細書で使用した用語は常に、本明細書及び特許請求の範囲に記載した本発明の概念に矛盾しない広義にしかも限定しない趣旨で使用されなければならない。]
[0038] １：太陽光開口領域
２：反射鏡
３：平型の従来の光電池パネル]

权利要求:

請求項1
光電池モジュールの発電を最大化する低集光太陽光プラントにおいて、太陽光集光装置における隣接した鏡と、二軸線の太陽光とラッカーと、極端な温度を蓄えた際に受け得る損傷から光電池モジュールを保護するシステムとの三つの要素を結合して設けたことを特徴とする低集光太陽光プラント。
請求項2
光電池モジュールを保護するシステムが、直接光電池モジュールの表面において測定を行う温度監視要素を備えた太陽光トラッカーを焦点はずしするシステムから成ることを特徴とする請求項１記載の低集光太陽光プラント。
請求項3
請求項１又は２に記載の低集光太陽光プラントの光電池モジュールの発電を最大化する方法において、光電池モジュールを保護するシステムが、光電池モジュールの費用面の温度を測定する動作と、前記温度を監視し制御する動作と、光電池モジュールを損傷させる予定の閾値温度に達した場合に、焦点はずしシステムを作動する動作と、焦点はずしシステムの経路において、光電池モジュールにおける不均質な反射を阻止するように太陽光トラッカーの追従すべき経路を計算する動作と、光電池モジュールを保護位置に置く動作とを行うことを特徴とする方法。