JPS63254772A - 太陽光・熱ハイブリツド発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は太陽エネルギーを電力に変換する装置に係り、
特に人工衛星の電源に好適な発電装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の人工衛星用電源は主として太陽電池を平板状に並
らべた平板型太陽電池パネルが用いられてきたが、人工
衛星の大電力化に伴い大面付の太陽電池パネルが必要と
なってきた。しかし、太陽電池の大面積化は大電力を供
給するためには必要であるが、空気抵抗も増大して人工
衛星の姿勢や軌道を乱す原因となる。また、軌道への打
上げコスト増加の原因ともなる。そのため、太陽電池パ
ネルの発電効率を高めることにより小形化するための開
発が進められている。

上記の小形化を目的とした従来の装置では特開昭６０−
３１６２号公報に記載のように、複数枚の太陽電池を受
光面を内側にして放物面上に並べ、その放物面の焦点に
は多数の熱電素子（熱電対）を配設して直列接続し、こ
の放物面を太陽追尾させることにより、太陽電池で発電
するとともに太陽電池で反射された太陽光を前記熱電素
子で電力に変換して発電効率を高めていた。

他の従来の装置では、発電効率の高いガリウムヒ素（Ｇ
ａＡｓ）太陽電池を用いている。ＧａＡｓ太陽電池は一
般に用いられているシリコン（Ｓｉ）太陽電池の１０倍
以上コストが高いため、集光装置と並用することにより
ＧａＡｓ太陽電部の使用量を減少してコスト低減をはか
つていた。この集光型太陽光発電装置については、プロ
シーディング　オブ　ザ　１９ス　アイ・イー・シー・
イー・シー、８月１９日−２４日、１９８４．第１巻。

第６２１頁から第６２４頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　
　ｏｆ１９ｔｈ　　　ｌＥＣＥＣ，Ａｕｇｕｓｔ　　１
９−２４゜１９８４、Ｖｏｌｌ、ｐｐ６２１−６２４）
において論じられている。本文献の装置では放熱板を兼
ねた種型放物面鏡を複数個平行に並べ、その種型放物面
鏡の非受光面に帯状の太陽電池を配設していた。このよ
うに構成したことにより、種型放物面鏡で反射した太陽
光を隣接する種型放物面鏡の非受光面に配置された帯状
の太陽電池上に集光し。

発電していた。太陽電池の排熱は熱伝導により種型放物
面に伝え、輻射によって放熱していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術の前者（特開昭６０−３１６２号公報）に
おいては、太陽電池で反射されて熱電素子に集光され得
る太陽光は太陽電池に入射する太陽光の高さ１０％と少
ないことが配慮されておらず、熱電素子の発電効率が１
０％としても１％程度の発電効率の向上にしかならない
という問題があった。

また、上記従来技術の後者（ＩＥＣＥＣ：文献）におい
ては、太陽電池の排熱をさらに発電に利用することは配
慮されておらず、集光によるＧａＡｓ太Ｉ’ｌｌ！池の
使用量低減は可能であるが、発電効率はＧａＡｓ太陽電
池の発電効率以上にはならないという問題があった。ま
た、種型放物面鏡を用いているため集光比（集光倍率）
は数十と低く、かつ太陽電池の冷却のみを考慮している
ため、さらに集光比を高めた時には放熱が困戴になると
いう問題があった。

本発明の目的は上記した従来技術の問題点をなくし、太
陽エネルギーを高い効率で電力に変換するための発電装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は１発電装置を下記のように構成することによ
り達成される。すなわち、太陽電池の非受光面に熱電素
子の受熱側（高温接合部側）を電気絶縁層を介して密着
させ、その熱電素子の放熱側（低温接合部側）を電気絶
縁層を介して放電板兼用の集光鏡に密着させて発電部を
構成する。この発電部は、発電部が配置された集光鏡又
は隣接する集光鏡の焦点付近に配置される。

放熱板兼用の集光鏡は、その受光側が鏡面に、非受光側
は黒化処理され、かつその非受光側には細路のヒートパ
イプが配設されている。

〔作用〕

以上のように構成した本発明の太陽光・熱ハイブリッド
発電装置は以下のように動作する。

放熱板兼用の集光鏡は太陽を追尾して太陽光を集光し、
集光した光を発電部の太陽電池受光面に入射させる。こ
れによって、発電部の受光面積を減少させることができ
るのでコストを低減できる。

発電部の太ｐＩＩ電池は入射した光の一部分を電気に変
換し、残りの光は熱に変換するので、太陽電池の温度が
上昇する。そのため太陽電池と放熱板兼用の集光鏡との
間に温度差が生じ、その結果、太陽電池で発生した熱が
熱電素子を介して放熱板兼用の集光鏡に流れ、輻射によ
り宇宙空間に放熱される。この時、熱電素子の受熱側と
放熱側に発生する温度差によって熱電素子に起電力が生
じ、熱電素子は、熱を電力に変換する。これにより、太
陽光は従来技術と同様に太陽電池により電気に変換され
ると同時に、従来利用されていなかった太陽電池の排熱
の大部分を利用して熱電素子により発電可能となるので
、全体の発電効率を大巾に向上できる。

放熱板兼用の集光鏡の非受光面における黒化処理は輻射
による放熱能力を高め、さらに同非受光面に配置された
ヒートパイプはフィン効率を高めることにより放熱能力
を高めるので、集光鏡の集光比を高めても放熱板兼用の
集光鏡の温度を低温にできる。そのため太陽電池の温度
を必要以上に高めることなく熱電素子の温度差を大きく
とれるので、熱電素子による発電量をさらに大きくでき
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第５図により説明
する。

第１図は本発明の太陽光・熱ハイブリッド発電装置の平
面図であり、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。第
１図および第２図において、複数の放熱板兼集光鏡１が
配置され、各集光鏡１の焦点位置が隣接する集光鏡１′
の非受光面（裏面）になるように各集光鏡が配置されて
いる。各集光鏡の非受光面は黒化処理され、輻射による
放熱能力を高めている。保持枠３は各集光鏡の相対位置
を保持している。前記焦点位置には発電部２が配置され
集光鏡１とともに発電ユニットを構成している。この発
電部２は太電池４と熱電素子５とより構成される。

発電部２の構造を第３図に示す。第３図において、発電
部２は太陽電池４の非受光面に熱電素子５の受熱側（高
温接合部側）を電気絶縁層９を介して密着させて構成し
、この発電部２を電気絶縁層１０を介して放熱用の集光
鏡に密着されている。

熱電素子５はＰ型半導体７，７′とｎ型半導体８．８′
とより構成させている。

）一本実施例では、太陽電池４の出力は（＋）側電極１
１と（−）側電極１２とより取り出され、かつ（＋）側
電極１１は熱電素子５を構成するＰ型半導体７の放熱側
で接続された後、共通の電極１１′に接続されている。

一方、（−）側電極１２はｎ型半導体８′の放熱側に接
続された後、共通の電極１２′に接続されている。すな
わち、本実施例では発電部２を構成する太陽電池４と熱
電素子５の出力は並列に接続されている。

太陽電池４及び熱電素子５が単独のときと並列に接続し
たときのそれぞれ電圧−電流特性（Ｖ−■特性）と出力
特性を第４図に示す。同図において、実線２０が熱電素
子５のＶ−Ｉ特性、破線２２が出力特性であり、熱電素
子５は解放電圧ｖＯの１／２付近の電圧Ｖ２においてそ
の最大出力Ｐｏをとる。一方、太陽電池に関しては実線
２１がそのＶ−Ｉ特性、破線２３がその出力特性であり
、電圧Ｖｘ’においてその最大出力Ｐｓをとる。したが
って１本実施例では運用条件下において、電圧ｖ２と電
圧Ｖｚ’　　がほぼ一致するように太陽電池４と熱電素
子の特性を組み合わせている。

そのため、並列に接線した時の出力は破線２４で示され
るように電圧Ｖ２　（：Ｖ２’　）において、最大量ガ
Ｐｉ（＝　Ｐｏ＋　Ｐ　ｔ）が得られる。

発電部２は第５図に示すように必要とする電圧及び電流
に応じて直列及び並列に接続される。

以下１本実施例の動作について説明する。

放熱板兼用の集光鏡１の太陽を追尾して太陽光６を集光
し、集光した太陽光を発電部２に入射させる。この入射
した太陽光は発電部２の太陽電池４でその一部が電気に
変換される。電気に変換されなかった残りの太陽光は熱
に変換され、太陽電池４の温度を上界させる。そのため
、太陽電池４に電気絶縁層９を介して密着されている熱
電素子５の受熱側の温度が上昇する。一方、熱電素子５
の放熱側は電気絶縁層１０を介して放熱板兼用の集光鏡
１′に密着されているので、放電素子５の受熱側と放熱
側との間に大きな温度差が発生する。

この温度差により熱電素子５のＰ型半導体７とｎ型半導
体８′との間に起電力が発生し、熱を電気に変換する。

太陽電池４と熱電素子５は並列に接続され、それぞれの
最大出力ＰｏとＰｉの和である出力Ｐ２を発電部２より
出力する。発電部２はさらに直列及び並列に接続されて
いるので、必要な電圧及び電流を取り出すことができる
。

なお、集光鏡１の材料としてはアルミニウム（Ａｌ１）
等の軽量でかつ熱伝導度の高いものが適している。太陽
電池としては、発電効率が高≦、かつ１５０〜２５０℃
の高温で使用可能なガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）太陽電
池等が適している。

さらに熱電素子としてはＢ１−Ｔｅ、Ｐｂ−Ｔｅ、Ｇｅ
−３ｉ、　Ｆ　ｅ−５ｉ等の熱電素子が使用可能である
。

本実施例では、集光鏡として非受光面を黒化処理したＡ
Ｑ鏡を、太陽電池としてＧ　ａ　Ａ　ｓ太陽電池を、熱
電素子としてＦｅ−８ｉ熱電素子を用いることにより、
従来の集光型ＧａＡｓ太陽電池の発電効率約１５％に対
して、はとんどコストを高めることなく、発電効率約２
０％を達成することができる。

また、本実施例では、発電部の太陽電池と熱電素子を並
列に接続しているため、どちらか一方に断線等の故障が
発生しても、他方がバイパス回路となるので冗長性があ
り、信頼性が高いという効果がある。さらに、集光鏡に
よる反射回数は１回のみであるので、反射損失による太
陽光の利用率の低下が少ないという効果もある。

本発明の太陽光・熱ハイブリッド発電装置の放熱板兼集
光鏡に関する他の実施例を第６図に示す。

第６図において、放熱板兼用集光鏡１４の非受光面に発
電部１５が配置され、かつ複数本のヒートパイプ１６が
放射状に配置されている。この集光鏡１４は第１図と同
様に配置される。本実施例において、ヒートパイプ１６
は、発電部１５からの熱を集光鏡１４の各部に分配し、
集光鏡１４のフィン効率を高める。そのため、集光鏡１
４の放熱能力が高まるので、さらに集光比を高めても発
電部１５の太陽電池の温度を必要に高めることなく熱電
索子の温度差を大きくとれるので、発電量をさらに大き
くすることが可能となる。

本発明の太陽光・熱ハイブリッド発電装置の放熱板兼集
光鏡に関するさらに他の実施例を第７図に示す。同図に
おいて、放熱板兼集光鏡１７の受光面に鋸歯状の反射面
１８が設けられている。これにより集光鏡１７の実効的
な曲率が増加することになる。そのため、集光鏡１７を
薄くすることが可能となるという効果がある。

第８図は、本発明の他の実施例を示す発電ユニット部分
の断面図である。同図において、太陽光は放熱板兼集光
鏡３１によって反射された後、副集光鏡３３によってさ
らに反射され、集光鏡３１に密着された発電部３２に集
光される。このように構成することにより、単一発電ユ
ニットで集光及び発電が可能となり、光学系の調整が容
易となるという効果がある。

第９図は、本発明の他の実施例を示す発電部及び発電部
間の配線図である。同図に示すように本実施例では１発
電部４３の太陽電池４１と熱電素子４２は直列に接続さ
れている。このときは第４図において太陽電池の最大電
力を与える電流Ｉｚ’と熱電素子の最大電力を与える電
流Ｉ２とがほぼ一致するように太陽電池４１と熱電素子
４２の特性を組み合わせている。これにより、最大出力
Ｐｚを得ると同時に熱電素子の電圧ｖ２と太陽電池の電
圧ＶＺ’の和を発電部４３から取り出すことができる。

そのため、発電部の直列接続数が少なくても高い電圧を
取り出すことができるという効果がある。

本発明の他の実施例を示す要素部分の外ｉ図を第１０図
に示す。同図において、アルミ板等の軽量薄板の表面に
鋸歯状の溝をつけたフレネル式集光鏡５１の裏面上部に
発電部５２が設けられている。フレネル式集光鏡５１で
反射された太陽光はこの発電部５２に集光される。フレ
ネル式集光鏡５１の下端はスプリングとストッパ（図示
せず）を内蔵する蝶番５３によってフレーム５４に接続
されている。これにより、発電時には第１０図のように
フレネル式集光鏡５１を所定の位置に開き、運搬時には
第１１図に示すように折りたたむことができる。なお、
第１０図のフレネル式集光鏡５１の下部に設けた穴５５
は、第１１図のように折りたたんだ時に発電部５２を収
納するためものである。

本実施例では、折りたたみ可能としたため、運搬時には
折りたたむことによって、運搬が容易になるという効果
がある。

本発明の他の実施例を第１０図、第１３図、第１４図に
示す。第１２図は本発明の太陽光・熱ハイブリッド発電
装置の平面図であり、第１３図は第１２図の発電ユニッ
トの外観図であり、第１４図は、第１３図の発電ユニッ
トを折りたたんだ時の外観図である。

第１２図において、フレネル式集光鏡６１、発電部６２
、放熱板６３より構成される発電ユニット６４が平面状
に配置され、発電パネル６５が構成されている。第１３
図に示す発電ユニットにおいて、太陽電池と熱電素子よ
り構成される発電部６２はヒートパイプ等の良熱伝導材
で作られた支柱６６を介して放熱板６３の上部に接合さ
れ、放熱板６３はその下端でスプリングとストッパ（図
示せず）を内蔵した蝶番６７により、フレネル式集光鏡
６１に接続されている。フレネル式集光鏡６１には蝶番
６７からの距離が発電部６２とほぼ等しい位置に六６８
が設けられている。放熱板６３を第１３図に示すように
開いた状態において。

発電部６２はフレネル式集光鏡の焦点位置にほぼ一致す
るように配置されている。

このように構成することにより、第１４図に示すように
、運搬時には折りたたむことによって運搬が容易になる
という効果がある。さらに、本実施では、放熱板と集光
鏡をそれぞれ別に設けているため、集光鏡が熱歪によっ
て変形することはなく、高い精度で集光できるという効
果もある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、太陽光は従来技術と同様に太陽電池に
より効率よく電力に変換されると同時に、従来利用され
ていなかった太陽電池の排熱の大部分を利用して熱電素
子により効率よく発電可能となるので、従来の集光型Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ太陽電池の発電効率約１５％に対して、は
とんどコストを高めることなく、発電効率約２０％を達
成できる効果がある。また、太陽電池と熱電素子を用い
ているので、冗長度増加による信頼性の向上や出力電圧
を高めることができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す太陽光・熱ハイブリッ
ド発電装置の平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、
第３図は第２図の発電部詳細を示す構造図、第４図は発
電部の特性を示す説明図。 第５図及び第９図は発電部内及び発電部間の電気接続方
法を示す配線図、第６図は放熱能力を高めるための実施
例を示す集光ｆｉ裏面の平面図、第７図は集光鏡を薄く
するための実施例を示す集光鏡の断面図、第８図は本発
明の他の実施例を示す発電ユニット部の断面図、第１０
図は本発明の他の実施例を示す発電ユニットの外観図、
第１１図は第１０図の発電ユニットを折りたたんだ時の
断面図、第１２図は本発明の他の実施例を示す平面図、
第１３図は第１２図の発電ユニットの外観図、第１４図
は第１３図の発電ユニットを折りたたんだ時の外観図で
ある。 １．１４．３１・・・放熱板兼集光鏡、２，１５゜３２
．４３，５２，６２・・・発電部、４・・・太陽電池、
５・・・熱電素子、７・・・Ｐ型半導体、・・・ｎ型半
導体。 １６・・・ヒートバイブ、１８・・・鋸歯状反射面、３
３・・・副集光鏡、５１．６１・・・フレネル式集光鏡
。 ５３．６７・・・蝶番。 峯Ｚの 箒３の ゲ ＋ｚ、（−）−Ｉシぎコ［−憂ゼｉ【 −５ｍ 第６０ 茅７０ １１、発電！Ｐ 第３０ ０午 第１１０ ５４７Ｌ／−＊ ５５　六 ＄ＩＺの 乙２１発電発電 子１４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１つ以上の集光鏡と、太陽電池の非受光
   面に熱電素子の受熱側を電気絶縁層を介して密着させた
   上記集光鏡に対応する発電部とより構成され、上記発電
   部を対応する上記集光鏡の焦点位置付近に配置したこと
   を特徴とする太陽光・熱ハイブリッド発電装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記集
   光鏡を複数個配置し、各々の上記集光鏡の焦点位置を隣
   接する集光鏡の非受光面と一致させ、上記焦点位置に上
   記発電部を配置したことを特徴とする太陽光・熱ハイブ
   リッド発電装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記太
   陽電池の最大出力を得るための太陽電池電圧を上記熱電
   素子の解放電圧の１／２に概略一致させ、かつ、上記太
   陽電池の出力と上記熱電素子の出力を並列に接続したこ
   とを特徴とする太陽光・熱ハイブリッド発電装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記太
   陽電池の最大出力を得るための太陽電池電流と上記熱電
   素子の最大出力を得るための熱電素子電流を概略一致さ
   せ、かつ上記太陽電子の出力と上記熱電素子の出力を直
   列に接続したことを特徴とする太陽光・熱ハイブリッド
   発電装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記集
   光鏡を平板状のフレネル式集光鏡とし、上記フレネル式
   集光鏡の端部又はフレームに蝶番を介して放熱板を設け
   、上記放熱板に該発電部を設け、上記放熱板を折り折り
   たたみ可能としたことを特徴とする太陽光・熱ハイブリ
   ッド発電装置。 ６、特許請求の範囲第２項記載の装置において、該集光
   鏡の非受光面にヒートパイプを配置したことを特徴とす
   る太陽光・熱ハイブリッド発電装置。 ７、特許請求の範囲第２項記載の装置において、上記集
   光鏡を平板状のフレネル式集光鏡とし、上記フレネル式
   集光鏡の一部に蝶番を設けてフレームに接続することに
   より、上記フレネル式集光鏡を折りたたみ可能としたこ
   とを特徴とする太陽光・熱ハイブリッド発電装置。