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特開2024-61707軽量樹脂製でリサイクルが容易、畳んだり巻いたりもできる発電場所の汎用性を高めた太陽光発電モジュール
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024061707
(43)【公開日】2024-05-08
(54)【発明の名称】軽量樹脂製でリサイクルが容易、畳んだり巻いたりもできる発電場所の汎用性を高めた太陽光発電モジュール
(51)【国際特許分類】
H01L 31/048 20140101AFI20240426BHJP
H02S 30/20 20140101ALI20240426BHJP
H02S 10/20 20140101ALI20240426BHJP
【FI】
H01L31/04 560
H02S30/20
H02S10/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022169550
(22)【出願日】2022-10-23
(71)【出願人】
【識別番号】501451521
【氏名又は名称】松山 太
(72)【発明者】
【氏名】松山 太
(72)【発明者】
【氏名】松山 太郎
(72)【発明者】
【氏名】デュモン デラクルーズ エリノア
【テーマコード(参考)】
5F151
5F251
【Fターム(参考)】
5F151AA20
5F151FA02
5F151JA02
5F251AA20
5F251FA02
5F251JA02
(57)【要約】 (修正有)
【課題】本発明は、太陽光パネルを「軽くて曲がる」から「更に軽くて巻ける、たためる」に進化させ汎用の可能性を高めた新しい太陽光発電モジュールである。
【解決手段】太陽光パネルモジュールの表面に張り付け、キズがつき難く、ホコリがつき難い形状で、設置場所の年間の天候、あるいは設置期間が一定期間の場合は季節や環境をAIが判断して選択可能な、採光力の高い虫めがね形、凹凸のあるメガネ形、一定方向からの日射をより効果的に受け止められるプリズム形、波形、山形に成型した多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽光パネルモジュールの表面に張り付け、キズがつき難く、ホコリがつき難い形状で、設置場所の年間の天候、あるいは設置期間が一定期間の場合は季節や環境をAIが判断して選択可能な、採光力の高い虫めがね形、凹凸のあるメガネ形、一定方向からの日射をより効果的に受け止められるプリズム形、波形、山形に成型した多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項2】
発電部がCIS(コンタクトイメージセンサー)セルで、透明電極、n型半導体、バッファ層、p型半導体、CIS化合物層、電極が貼合(てんごう)技術を用い、ガラス製パネルに比較し重量が2分の1以上軽量化した発電用セルに塗付された多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項3】
発電能力の経年劣化、表面の透明性が磨りガラスのように透明度が落さないために、あるいは気温差が大きい気候、塩害や砂塵の強風、砂漠のような高温など過酷環境下に設置された発電パネルに施す、発電能力を落とさないためパネル表面にスマホのカバーフィルムのように多層に貼り付け、表面が傷つき透明度が劣化してきた場合、一枚剥ぎ取って透明度を回復させる太陽光パネル表面の一枚づつ剝がせる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項4】
ミラクルバブルのシャワーヘッドのように極めて微細な樹脂を霧で吹き付け乾燥させ、同時に剥がしやすくするために性質の異なる分離の容易なフィルム素材を交互に選択し最低3回以上繰り返し太陽光パネルの表面に張り付けられた多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項5】
コンパクトに畳めるブラインド型太陽光パネルや、巻き寿司の巻きすロールアップ型太陽光パネル、ハンカチ、折り畳み傘形状の太陽光パネルの表面に張り付けられた多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項6】
災害時でもすぐに発電できるように、一般家庭はもちろん消防署、電力会社、警察、病院、自衛隊などに保管されている「消防ホース」のように巻かれた緊急用の多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項7】
太陽光発電は夜間や曇天時は発電しない。その弱点をカバーする蓄電システムと他の電力との給電補完システム、AIを利用した昼間節電システムを起動させる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項8】
吹き付け仕様によって樹脂製太陽光パネルの表面をコーティングする、パネル強度アップ、ホコリつき防止、キズつきによる磨りガラス状態による発電量低下防止のために設置した状態で施工できる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項9】
落ち葉、枯れ葉、ゴミ、黄砂、砂、ホコリをつき難くするためにパネルの枠に形状記憶合金をつけ、ド-ムのトンネル形または安定的な三角形にして上記発電を妨げるものを落とす多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項10】
海上、湖上、用水池など水上での発電にために上記太陽光パネルを置くための荷物用パレットを組み合わせて強化プラスチックの鎖でつなげたり、ポリウレア樹脂のコーティングで数台を纏めて安定的な浮体の上で発電する多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
太陽光発電は最も自然で手軽で身近な再生可能エネルギーの電気変換方法の代表である。本発明の特別な技術と新規性並びに進歩性とは、「軽くて曲がる液晶、発電モジュール」から「軽くて巻いてたためる液晶発電モジュール」への革新である。この技術に関し関連技術として、「0009の項」以下に中国深浅のユニコーン企業ROYL社の「曲がるディスプレイ」や、日本の太陽光発電と太陽光パネルの先端技術企業S社とT社も下記の技術で「曲がる太陽光パネル」モジュールや太陽電池で「軽くて高い発電効率を実現した」事例を紹介した。
【背景技術】
【0002】
屋根の上に、例えば定格能力4kWの太陽電池パネルを設置しても、4kWの出力が出るのは昼間のカンカン照りのときだけで、夜はゼロになる。日本の場合、太陽電池の年間平均設備利用率は実績で12%ぐらいと小さい。自然エネルギー系発電の設備利用率は、自然条件で決まることになる。例えば、福島第一原子力発電所の定格能力470万kWは、設備利用率85%で年間発電電力量350億kWhである。
これを再生可能エネルギーの太陽光発電に置き換えると考えると、現実的には太陽電池を定格能力470万kW分を設置たとしても、実際の電力量(設備利用率12%)は49億4000万kWhにしかならない。
太陽光発電に置き換えるには、3300万kW(約7倍)という膨大な設置面積の太陽電池が必要になる。また電力需給は、1~2分でも需給バランスが崩れると、電力の電圧や周波数が変わる。周波数依存で動いている機械はたくさんあって、1Hzでもずれると、運転継続が困難となる機械もあり、例えば繊維産業では製品にむらが発生するのである。そのため発電所では、季節、天気、温度、曜日、時間など様々な要因で異なる瞬時の電力需要を予測しながら、周波数が一定に保たれるように運転している。
例えば、平日のお昼休み時間は、工場の機械も休憩することが多く電力の需要が減るので、12時前になると発電量を抑制する準備をしながら、出力調整をしている。お昼時間が終わる前頃には、また発電量を上げる調整をするのだ。太陽電池のような自然条件で変動する再生可能エネルギーによる電力が大量に供給されると、このような発電所における需給バランスの運転も変動に合わせて調整が増えることを理解しておく必要がある。本発明は、この不安定で「固定化」された現在の太陽光発電の弱点をカバーするために考案されたものである。
【0003】
本発明アイデアが「30年の耐用よりも10年ごとのリサイクル」を選んだ理由は、1.ガラスから樹脂へ、2.固定から移動へ、3.大型から手のひらサイズへ、4.四角から丸へ、5.重いから軽いへ、6.曲がるから畳む又は丸めるへ、7.屋根から海へ、8.専門家から主婦へ、9.フラットから丸・三角へ、10.農地から砂漠へなどがコンセプトになっている。その根本はローコストである。
【0004】
太陽光発電は、光エネルギーから直接電気を作る太陽電池を利用した発電方式であり、太陽電池は、プラスを帯びやすいP型シリコン半導体とマイナスを帯びやすいN型シリコン半導体を張り合わせてある。この2つの半導体の境目に光エネルギーが加わると、P型シリコン半導体はプラスになり、N型シリコン半導体はマイナスになる。
乾電池と同じ状態になり電線をつなげば電気が流れ、光エネルギーがあたり続ければ電気は発生し続けることになる。
【0005】
「太陽電池」は、「電池」と付いているが、電力を蓄える装置ではなく、太陽の光エネルギーを直接電力に変換する「発電機」の役割をはたすものである。太陽から地上に降り注ぐ「光エネルギー」が「太陽電池」に当たると、「光起電力効果(ひかりきでんりょくこうか)」とか「光電効果(こうでんこうか)」と呼ばれる現象が起こる。
光が照射されることで、太陽電池を構成している半導体の電子が動き、電気が起きるのだ。太陽電池は、シリコン系、化合物系、有機系とあって、それぞれに発電効率がちがう。現在の主流はシリコン系で世界の生産量の約8割をしめている。
【0006】
2022年の現在まで「電気・電力の一般概念」とは、1.電気は巨大な発電設備で生みだされるもの、2.その巨大な電気が送電線を繋ぎわたって最後の消費者たる我々の家庭に届き、それによって多くの家電製品や、工場の機械、化学工場などなど「電気の消費者」たる末端に届けられているものだった。
つまり(電気の)生産者と消費者は電線とお金でつながっているに過ぎなかった。それ以外の電気料金の値上げの時以外には考えたこともなかったのである。
【0007】
ところが、脱二酸化炭素、カーボンニュートラル、SDG's、が世界的な課題になる一方、再生可能エネルギーの発電方法も、原子力発電、水力発電、風力発電、太陽光発電、地熱発電、バイオマス発電、潮汐発電、水素発電などなど多くの発電方法が開発され事業化されてきた。
その一方で脱二酸化炭素、カーボンニュートラル、SDG'sの観点から、電気自動車が一般化したり、情報の伝達手段としてスマートフォンが中心になり、そのためにインターネットの送受信容量や速度が3G(世代)から5G、更には7Gへと宇宙、人工衛星を中心に発展し電気を使った情報化社会への進化はとどまるところがない。電力と発電の重要性はますます高まる一方である。
【0008】
「電気に色はない」、このように重要性の高まる電力使用と発電方法の多様化であるが電気そのものに色があるわけではない。お金には色がない…というのと似ている。つまりどのような設備や方法や原料から生まれようとも消費する家電製品、スマホ、自動車、工場の大きなモーター、新幹線車両、ネオンサインであっても直流・交流・電圧・電力の違いだけで電気そのものには色がない。
更に、カミナリ、冬のパチッとくる静電気、下敷きで髪の毛を立たせた静電気にも色はない。つまり電気もお金と同じように1万円札を1円玉1万個でも千円札10枚でも1万円札1枚でも貨幣価値としては同じと考える時代が来たということである。
発電が身近なモノになるに連れ、発電への考え方も、「発電方法」「メカニズム」「道具・設備」「原料」「発電場所」「手間」「コストパフォーマンス」「リサイクル率」「発電量」「送電」「蓄電」など作る側おいて考えるべき要素が多様化させるべきであろう。
【0009】
太陽光発電では日本の老舗たるSHRP社から、従来のガラス製の太陽光パネルに代わってフィルムで太陽電池セルを挟んだ構造の薄くて軽い実用サイズの軽量かつフレキシブルな太陽電池モジュールで世界最高の変換効率32.65%を達成する新製品を発表した。これは、 インジウムやガリウム、ヒ素など、2種類以上の元素からなる化合物を材料とした光吸収層を3層重ね、各層で異なる波長の光を吸収させることで、高い変換効率を実現する太陽電池である。
また国内TSHB社は太陽の光エネルギーを直接電気に変換する太陽電池の研究も目覚ましい。その種類は、原料として使われる半導体によって様々だが、現在量産されている太陽電池の多くは、「シリコン系太陽電池」と「化合物系太陽電池」と呼ばれるタイプのものだ。これらの太陽電池は壊れにくく、高変換効率(高いものでは25%を達成)である一方で、材料や製造コストが比較的高いというデメリットがあった。
さらに、シリコン系太陽電池ではシリコンが厚く、曲げることができないことが設置場所を制限していた。そこで次世代の新規太陽電池材料として期待を寄せられているのが、「ペロブスカイト太陽電池」だ。ペロブスカイトと呼ばれる結晶構造の材料を用いた新しいタイプの太陽電池であり、「シリコン系太陽電池」や「化合物系太陽電池」にも匹敵する高い変換効率を達成している。ペロブスカイト膜は、塗布(スピンコート)技術で容易に作製できるため、既存の太陽電池よりも低価格になる。
フレキシブルで軽量な太陽電池が実現でき、シリコン系太陽電池では困難なところにも設置することが可能になる。
【0010】
本発明の論旨を以下のように明細書に記載して特別な技術と新規性・進歩性について説明することができる。
1.太陽光パネルにおける本発明の解決した特別な技術と新規性・進歩性とは?
2.現在までの太陽光発電と太陽光パネルの解決すべき課題とは?
3.太陽光発電と太陽光パネルの最新の技術進歩とは?
4.太陽光発電と他の再生可能エネルギー発電とを比較した場合の、太陽光発電の強みと弱みとは?
5.以上のまとめから本発明の後業者、産業界への技術的な有用性と貢献とは?・・・とする。
【0011】
2022年10月第4週の現在、世界の太陽光発電には世界に共通した課題がある。
本発明はそれらの課題を技術的に解決するものである。同時に再生可能エネルギーの太陽光発電総発電量を国土の保全を守りながら一気に普及を上昇させるものでもある。
本発明の特別な技術を纏めると「軽量でたためるまたはロール型に巻ける太陽光パネル」となる。
【0012】
以下は現状の太陽光発電、太陽光パネルの課題である。1.電気料金に比べて設置コストが高く電気代節約とのト-タルのコストパフォーマンスが見合わない。2.重いことよって簡単に移設ができず、初期の家庭用の屋根工事には工期とコストがかかる。3.爆発的な粗大ゴミが懸念される。4.再生利用がコスト的に見合わず難しい。5.耐久性がない。セルが劣化し発電量がどんどん落ちてゆく。6.高温だと発電量が落ち、設置場所を選ばざるを得ない。7.設置には工事が必要。8.設置場所が限定され、農地や、平野部の空き地、工場用地など食糧危機や農業、工業用地へのフレキシブルな転用や時限的対応ができない。9.脱二酸化炭素、SDG’sに寄与すると考えたとしても、最終的に莫大な粗大ごみを出したのではカーボンニュトラルにはならない、などの課題を抱えている。
本発明は、上記のガラス製太陽光パネルの課題を纏めて解決するものである。
【0013】
なぜ太陽光パネルのディスプレイの主たる表面素材は重くて可変性のないガラスなのか?その理由は、1.安価であること、2.透明性が落ちないこと、3.表面が傷つき難いこと、4.調達が容易であること、5.大量生産が可能であることなどであろう。
例えばスマートフォンのディスプレイと同様、太陽光パネルの表面を軽いプラスチックで作れないのには理由がある。発電セルや電子機器の半導体や導線は、ガラスやシリコン基板の上に蒸発・気化させて付けられている。「蒸着」という方法であるが、付ける際に熱をかけるため、プラスチックだと溶けてしまうのだ。蒸着以外の方法の一つとして「印刷」がある。非接触型ICカードはこの方法で作られている。
印刷は熱を必要としないためプラスチックが使えるのだが、いわゆるインクジェット式の印刷ではデイスプレイの解像度が限られており、スマホやテレビのような高画質のディスプレイは作れない。本発明は、太陽光発電と太陽光パネルに関するものであり、主たる特別な技術は貼合(てんごう)によるセルの貼り付けであり、繊細な解像度を必要としないためインクジェットの吹き付けも部分的には有効な技術として使用する。
【0014】
また、本発明の新規性並びに進歩性は、「発想の大転換」も必要である。
従来の太陽光ガラスパネルの最大の利点は「耐用性」を基本としたものであった。
「耐用性」とは、1.変質しない、2.キズが付きにくい、3.熱に強い、4.経年劣化が少ない、5.気温変化に強いなどである。
しかしその利点が・・・1.電気料金に比べて設置コストが高く電気代節約とのト-タルのコストパフォーマンスが見合わない。2.重いことよって簡単に移設ができず、初期の家庭用の屋根工事には工期とコストがかかる。3.爆発的な粗大ゴミが懸念される。4.再生利用がコスト的に見合わず難しい。5.耐久性がない。セルが劣化し発電量がどんどん落ちてゆく。6.高温だと発電量が落ち、設置場所を選ばざるを得ない。7.設置には工事が必要。8.設置場所が限定され、農地や、平野部の空き地、工場用地など食糧危機や農業、工業用地へのフレキシブルな転用や時限的対応ができない。9.脱二酸化炭素、SDG’sに寄与すると考えたとしても、最終的に莫大な粗大ごみを出したのではカーボンニュトラルにはならない、などの課題を解決できずに現在に至っているのである。
【0015】
本発明は、「ガラスの太陽光パネルの20年、30年の耐用性よりも、設置費やその後の汎用性の高い合成樹脂の太陽光パネルによる10年間程度での新品交換」に拠る効率アップと80%以上の再利用による経済性と環境保護の合理的判断によるものである。本発明の起点は、1.合成樹脂の性能と再生技術の進化と旧態依然としたガラス製の太陽光パネルとのコスト比較、2.樹脂の再生、再利用技術方法の発達を太陽光発電事業に生かす、3.再利用産業業界の拡大と進展にアクセルを踏みSDG’sとエネルギー危機回避の一助に、4.ガラスの太陽光パネルモジュールが技術停滞を配慮して太陽光発電に革命的進展をもたらす、5.世界のエネルギーを巡る環境変化へ対応、6.世界のSDG'sの高まり機運を配慮などにも役立つものである。
【0016】
本発明の要点はこの基本方針に基づいている。ガラスの表面強度は丈夫で他に代え難いものであったとしても、その反面、重く土また台の工事にはパイプや鉄骨などの金属材料が使用され、安全や天候異変などに備え強度のあるものにしなければならない。
特に住宅の屋根に設置する場合など落下した場合人身事故の危険性もある。また雪国においては積雪も想定しておかねばならない。これは一見メリットと考えられてきたがデメリットでもあったのである。
【0017】
上記記載の通り、本発明には吹き付け技術も応用されている。セル部品となる細い棒型セルには、分子を規則正しく並べることは効果的である。
例えば、ノズルコーターという方法がある。紙での印刷に例えると、ノズルからインクを少し出したまま紙を引っ張ることで分子は進行方向に並ぶ、また木材を運ぶとき、川に落とすと流れに沿って木材が縦になるのと同じ原理である。特に液晶分子は棒状をしているため、この方法は理にかなっている。
また、水あめのように粘度を上げることでも分子は並びやすくなり、こうしたやり方は既に日本の関西の中小企業では実用化されている。
【0018】
本発明の、合成樹脂プラスチックの利点は落としても割れないことと、曲げられること、そして軽いことである。そして金属より生体親和性が高く、形状がフレキシブルな形状に適している。
欠点としては、プラスチックは酸素と水分を通すため劣化しやすいことがあるが、この欠点を補う素材も関西企業から作られている。本発明は全て自然の摂理に従っており、最新技術のヒントも自然の中にある。湿った場所にいても汚れないカタツムリの殻からヒントを得て汚れない壁が作られ、蚊の針先を模して痛みのない注射針が作られているように。つまり、超繊細な薄い膜の貼り付けや透明度を修復することは自然界の生物では当たり前のことでこれを真似すれば可能なはずである。
上記も、ガラスの太陽光パネルの20年、30年の耐用性よりも、設置費やその後の汎用性の高い合成樹脂の太陽光パネルによる10年間程度での新品交換という考えに基づいている。
【0019】
以下は本発明の電池部分の参考として重要と考え特許庁の文献から引用した。
電気化学キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなど)は、大容量でありながら急速充放電が可能であるなどの特徴を有するため、近年、1.ハイブリッド自動車などの補助電源や回生電力貯蔵装置、2.二次電池の代替デバイス、太陽光発電のエネルギーバッファに用いられるなど、非常に注目されており、特に、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタなどの大容量タイプの電気化学キャパシタの研究開発が急速に進んでいる。
また、構成要素である電極・集電体、電解質、セパレータなどについて、出願技術の高度化、複雑化が進んでおり、研究開発効率の向上を図る上でも重要なテーマである。(以下引用が続く)
【0020】
太陽光発電には電池も重要である。繰り返しになるが、電池とは、単に電気を蓄えるだけではない。
電池は、化学反応で発生したエネルギーや、光・熱などのエネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、電池は、「化学電池」と「物理電池」の大きく2つに分けられる。化学電池とは、電気化学反応を電気エネルギーに変換させる電池で一次電池や二次電池のほか、燃料電池がある。
化学電池は正極、負極、電解液で構成され、負極で起こった化学反応が正極に繋がる導線を通るときに電流が流れ、電気が発生する。
物理電池とは、物理現象を利用して、光や熱などのエネルギーを電気エネルギーに変換させる電池で、主に自然界に存在するエネルギー源を利用した電池である。物理電池の種類として、太陽電池や熱電池、原子力電池などがある。(以上本項は特許庁資料より引用)
【0021】
太陽光発電を受け止める電池部分は、負極(マイナス極)にナトリウム(Na)、正極(プラス極)に硫黄(S)、両電極を隔てる電解質にファインセラミックスを用いて、硫黄とナトリウムイオンの化学反応で充放電を繰り返す蓄電池(二次電池)はメガワット級の電力貯蔵システムである。
大容量、高エネルギー密度、長寿命を特長とし、鉛蓄電池の約3分の1のコンパクトサイズで、長期にわたって安定した電力供給が可能だ。電力負荷平準によるピークカット、再生可能エネルギーの安定化に役立ち、節電対策やエネルギーコスト削減、環境負荷低減を実現する。
この電池は、上記の素材を用いて硫黄とナトリウムイオンの化学反応で充放電を繰り返す蓄電池(二次電池/鉛電池、アルカリ電池、ニッケル電池、ニカド電池、リチウムイオン電池など)である。近年、実用化されたリチウムイオンキャパシタはハイブリッドキャパシタの代表的なキャパシタである。
電気化学キャパシタの要素技術は、上記のキャパシタの種類別のほかに、電極・集電体、電解質、セパレータ、ケース・端子、リチウム供給源などの構成要素、セルの製造方法、用途と課題に大別される。(以上本項は特許庁資料より引用)
【0022】
また、薄膜シリコン太陽電池で、一般住宅用、公共・産業用として使え、遮光ガラスのようにして使えるシースルータイプの太陽電池もある。
アモルファスシリコンと薄膜多結晶シリコンを交互に積層した複合タイプは、電気に変換可能な波長域の幅が違うため、発電実効面積で発電効率約30%アップを実現した例もある。また本発明の応用技術として、球状太陽電池の開発では、モジュールの大型は130W、112Wの出力、中型では54W、27Wの出力を持ち、ほかに小型や曲面に使えるフレキシブルモジュール、ダブルガラスモジュールなど特徴ある製品を製造開発されている。
球体の粒形状をしている球状シリコンも扱う。集光型球状太陽電池とは、シリコンを球状にしたものを用いているため、生産性が高く、製造コストが従来の5分1、シリコン原材料1Wあたりの使用量も5分の1、フレキシブル対応、変換効率が高く光劣化がない等の特徴を持つ。(以上本項は特許庁資料より引用)
【0023】
本発明に大きな関係を有する、薄膜型太陽電池を手がける国内メーカーの製品と技術は、高温時の出力低下が少なく、電力需要の逼迫する夏場に威力を発揮し、結晶型太陽電池と比べ、年間発電電力量(同一出力比)が多い点に特徴がある。それは微結晶タンデムタイプで、公称最大出力は130Wである。
また、日本の関西のメーカーでは、すでに高出力、高効率を特徴とする太陽電池モジュールの製造販売を行っており、最大出力はどれも200W以上となる。
公称最大出力230W、セル変換効率20.7%、モジュール変換効率17.9%となっている。また住宅用のパワーコンディショナとしては、電力変換効率94.5%となっている。
【0024】
一般的に、自然エネルギーの太陽光発電システムは、近年、性能面・コスト面が飛躍的に進歩し、「メンテナンスが不要で、経済的、効率的な、エネルギー源」として注目を浴びてきた。ところが現実的には、台風、地震、夏冬の温度差、など厳しい気象条件があり、「外的要因による太陽電池の劣化」は自然発生的に進行してしまうのである。
太陽光業界では、発電能力維持のための点検作業が必要であるという認識が高まっており、「メンテナンスフリー」という言葉は忘れ去られようとしている。現実、多くの太陽光パネルは政府の電気高値買取制度の終了も相まって、発電能力の低下、変電気の故障があっても修理されず、「そのまま放置され、すでにゴミ状態」となっているものが相当数ある。このように、従来の太陽光パネル2億個が粗大ゴミになるというのも現実味を帯びてきた。その一方で2015年9月の国連サミットにおいて、SDGs「Sustainable Development Goals(持続可能な開発目標)」という、国連加盟国193か国が2016年〜2030年の15年間で達成していく目標が定められた。
【0025】
こうした動向の中、環境負荷低減が世界的にも大きな目標として掲げられ、世界各国がCO2削減に励んでいるという事実がある。このことは、日本のエネルギー政策にも大きく関わっており、現在は国や個人だけでなく、企業にもCO2削減が求められていることを示唆している。昨今では、CO2削減をはじめとする企業の様々な環境への配慮が重要視されるようになり、企業の社会的責任(CSR)の側面にも影響を持たせている。このようにこれからの時代は大手有名企業だけではなく、様々な事業が企業としての環境問題への取り組みを行うことによって企業価値を高め、企業競争力を生み出していく時代になることは疑いの余地はない。
【0026】
現在、世界の電気料金は急激な上昇傾向にある。上記、 日本で2012年7月にスタートした固定価格買取制度(FIT制度)は、再生可能エネルギーの普及を目的としてはじまったもので、再生可能エネルギーで発電した電気を、電力会社が一定期間中は同じ価格で買い取ることを国が約束する制度であった。
しかし、FIT制度における売電単価が大きく下落しているため、近年では「全量売電型」のように発電した電気を売ってきた会社が苦境に陥っている。太陽光発電に参入した日本企業の苦境は続いている。
【0027】
太陽光発電の、直流給電システムでは、300~400V程度のHVDCバスを構築し、直流入力の電気電子機器に電力供給される。
太陽光発電、風力発電、燃料電池などの出力電力は直流である。発電された電力は、DC-DCコンバータによって電圧変換されてバスに供給され、また余剰電力はリチウムイオン電池などの二次電池を利用した蓄電システムに貯蔵される。太陽光や風力による発電電力は、日射や風速などに応じて変動するため、直流給電システムの電圧の安定化は重要な課題となる。電圧を安定化させるためには、蓄電池の高度な充放電制御とともに、充放電の切り替えを途切れることなく行う必要がある。
一般的な、「太陽光発電はいったん設置すれば何もしなくても永遠に電気を生み続ける」との幻想は大きく崩れ去っているのが現実でありその原因が「簡単に店じまいできない」ことに、つまり「工事が必要」「素人の手におえない」「重すぎる」「解体すらできない」「屋根の上なら足場を組まねばならない」「ゴミ捨ての方法も分からない」など施主だった素人オ-ナーには手におえない結末となっているのである。
【0028】
デジタル制御電源は出力電力が大きい電源ほど効率化が図れるため、電気自動車の電源としても採用されている。また、スマートグリッドが普及すると、スマートハウスの蓄電ユニットと電気自動車の搭載バッテリとの間で電力を融通しあったり、また、系統電力と連系して電力消費のピークカットやピークシフトにも貢献するようになるとも予測されている。さらには、クレーンやエレベータ、自動搬送車、フォークリフトなど、モータを利用した各種産業機器にも応用が可能である。
【0029】
本発明の、「ロール状に巻ける太陽光パネル」の一つの形状である「巻きす型」とは海苔巻きなどを作るときに使用する竹製の道具のカタチで、空間の間仕切りなどに使われる簾(すだれ)を小さくしたような形である。この1本1本が太陽光パネルのセルだというものである。巻きすの起源についてははっきりとわかっていないが、日本で海苔巻きが食べられるようになった江戸時代後半頃ではないかといわれている。
本発明の、もう一つの「ブラインド型のたためる太陽光パネル」の形状である「ブラインド型」「簀の子型」とは、文字通りどこにであるブラインドである。この一枚一枚が太陽光パネルセルであり、プラスチック製であり繫がっている。拡げれば一枚の平面状になり太陽光を受けて発電する。
【0030】
本発明の、太陽光パネルの基本たるプラスチックに発電セルを貼り付ける貼合(てんごう)技術とは、日本の中小企業が、世界が認める超精密貼合技術に裏付けられた高品質である。
国内外での高い評価がその証である。ディスプレイデバイスには、各種の光学フィルムが使用されており、その性能は精密貼合(てんごう)技術の質によって大きく左右される。精密貼合(てんごう)技術は、プラズマテレビや液晶テレビ、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、カーナビゲーションなど国内外の市場で高い評価を得ている。太陽光パネルの表面には、各種の光学フィルムが採用されています。このフィルムはタッチパネル機能を持たせたり、画像を美しく安全に見せるために欠かせないもので、製品の透明性やセルの品質を左右するたいへん重要である。
【0031】
自然エネルギーの太陽光発電システムは、近年、性能面・コスト面が飛躍的に進歩しメンテナンスが不要で、経済的、効率的エネルギー源として注目を浴びてきた。
現実、日本には、台風、地震、夏冬の温度差、など厳しい気象条件があり、外的要因による太陽電池の劣化は自然発生的に進行してしまう。太陽光業界では、発電能力維持のための点検作業が必要であるという認識が高まっており、ガラス製太陽光パネルの「メンテナンスフリー」という言葉は忘れ去られようとしている。
しかし現在でも起動していないガラス製太陽光パネルも多く、10年後にはとんでもない数量の粗大ごみが現実化することが確実とされている。ちなみに太陽光発電の数値計算は、日射量ポイント「東京都八王子市」、真南向きで屋根角度30度(屋根勾配5.5寸~6寸の間くらい)という条件で行っている。
【0032】
日本は10年で消費電力量が12%減少している。
年間電力量の追加が不要なことは、日本の消費電力量がこの10年、ほぼ右肩下がりで減っているという事実だけでも一目瞭然だろう。IEA(International Energy Agency、国際エネルギー機関)の資料によれば、2010年の日本の最終消費電力量は1123.75TWh。一方、2020年のそれは986.95TWhで、136.8TWh(約12%)も減った。減った理由については、データに基づく分析がほとんど見当たらないが、景気の後退、工場の海外移転、そして省エネルギーが進んだからだと推察できる。仮に約8000万台ある日本の車両がすべてEVになっても、現在の日本の年間消費電力量の15%を超えないという試算が専門家(例えば、産業技術総合研究所のKS氏など)によってなされている。
【0033】
屋根の上に、例えば定格能力4kWの太陽電池パネルを設置しても、4kWの出力が出るのは昼間のカンカン照りのときだけで、夜はゼロになる。日本の場合、太陽電池の年間平均設備利用率は実績で12%ぐらいと、とても小さいです。
風力発電なども含め、このような自然エネルギー系発電の設備利用率は、いわずもがな自然条件で決まることになる。福島第一原子力発電所の定格能力470万kWは、設備利用率85%で年間発電電力量350億kWh。これを再生可能エネルギーに置き換える、という議論があるが、太陽電池を定格能力470万kW分を設置しても、実際の電力量(設備利用率12%)は49億4000万kWhにしかならない。
置き換えるには、3300万kW(約7倍)という膨大な設置面積の太陽電池が必要になる。また電力需給は、1~2分でも需給バランスが崩れると、電力の電圧や周波数が変わる。
周波数依存で動いている機械はたくさんあって、1Hzでもずれると、運転継続が困難となる機械もあり、例えば繊維産業では製品にむらが発生するのである。そのため発電所では、季節、天気、温度、曜日、時間など様々な要因で異なる瞬時の電力需要を予測しながら、周波数が一定に保たれるように運転している。
例えば、平日のお昼休み時間は、工場の機械も休憩することが多く電力の需要が減るので、12時前になると発電量を抑制する準備をしながら、出力調整をしている。お昼時間が終わる前頃には、また発電量を上げる調整をするのだ。
太陽電池や風力発電のような自然条件で変動する再生可能エネルギーによる電力が大量に供給されると、このような発電所における需給バランスの運転も変動に合わせて調整が増えることを理解しておく必要がある。
太陽光発電は、光エネルギーから直接電気を作る太陽電池を利用した発電方式であり、太陽電池は、プラスを帯びやすいP型シリコン半導体とマイナスを帯びやすいN型シリコン半導体を張り合わせてある。
この2つの半導体の境目に光エネルギーが加わると、P型シリコン半導体はプラスになり、N型シリコン半導体はマイナスになる。
乾電池と同じ状態になり電線をつなげば電気が流れ、光エネルギーがあたり続ければ電気は発生し続けることになる。
【0034】
太陽光発電は、年間のうちおおよそ13%の利用(発電)を見込むことができる。
つまり、約1MW(1,000kW)のソーラーパネルで発電される年間の発電量は
(約1,000kW×24時間×365日)×13%=約1,138,800kWh)、一般家庭が年間に消費する電力量は平均で約3,600kWhであるから、約1MWのメガソーラー発電所が作る一年間分の電力量で、およそ316世帯分の年間使用電力量をまかなうことができることになる。
【0035】
ソーラーパネルは、太陽電池をたくさんつなげたものである。いちばん小さな単位を「セル」、そのセルを板状につなげたものを「モジュール」、とか「パネル」と呼んでいる。最近ではソーラーパネルを、一般家庭の屋根に設置することが増えてきた。また、効率良く大きな電力を生み出すために、休閑地など広い土地にたくさんのソーラーパネルを設置して大きな電力を生み出す、「メガソーラー」と呼ばれる太陽光発電施設も増えている。どのくらい発電できるとなると、例えば、土地2ヘクタールにおかれたソーラーパネルは約1MW(1,000kW)の定格出力の電力を生み出すことができるとされている。ただ、夜もあれば、曇りの日もあり、ずっと発電し続けることはできない。
【0036】
太陽光発電の「変換効率」とは、「太陽光パネルが太陽光エネルギーをどれくらい電気エネルギーに変換できるか?」を示している。もっと簡単に言うと、「太陽光からどのくらい電気を発電できるか」を表した数値である。変換効率が高いほど、同じ枚数の太陽光パネルを設置しても、より多くの電気を生み出せることになる。太陽光発電の変化効率を現す指標として、「モジュール変換効率」と「セル変換効率」の2つがある。
【0037】
モジュール変換効率とは、太陽光パネル(太陽電池モジュール)の1平方メートルあたりの変換効率を表す指標である。太陽光パネルの発電能力を表す指標として一般的に使われるのがこの「モジュール変換効率」となる。モジュール変換効率は、以下の計算式で導き出すことができます。モジュール変換効率=(モジュール公称最大出力(W)×100)÷(モジュール面積(m2)×1000(W/m2))メーカーなどのカタログを見ていると、モジュール変換効率の他にセル変換効率という記載がある。セルとは太陽電池モジュールを構成している最小単位の構成部品であり、セル変換効率とは太陽電池セル1枚あたりの変換効率を表す指標である。
セル変換効率は、セルを繋げた時の電気抵抗の影響を受けないため、モジュール変換効率に比べて数値が高くなる傾向にある。セル変換効率は、以下の計算式で導き出すことができる。セル変換効率=出力電気エネルギー÷太陽光エネルギー×100
【0038】
結晶シリコン系太陽電池は、日本国内でのシェアが約8割近くにものぼる太陽電池モジュールで、製造方法によって「単結晶」「多結晶」「薄膜」に種類が分かれる。
「単結晶」「多結晶」「薄膜」それぞれの変換効率は、
単結晶パネルの変換効率………20%程度
多結晶パネルの変換効率………15%程度
薄膜パネルの変換効率…………10%程度
化合物系太陽電池とは、CIS太陽電池とも呼ばれ、銅・インジウム・セレンという3種類の元素を組み合わせて作られた「化合物半導体」を使用している。コストがかかる結晶シリコン系太陽電池と比べると低コストで生産できるため、大量の太陽光パネルを設置する産業用太陽光発電などでCIS太陽電池が選ばれるケースもある。化合物系太陽電池は、変換効率は「15%」程度である。
まだ研究段階の太陽電池としては、有機系太陽電池がある。有機系太陽電池は、チオフェンやベンゼンといった有機化合物を使用した太陽電池で、「低コスト」、「軽くて薄い」、「柔らかく自由に折り曲げられる」などといったメリットがある反面、発電効率は「10%」程度とまだ低いのが課題となっている。
【0039】
太陽光の変換効率が左右される要因の一つに気温(高温)がある。
太陽光パネルは、一般的に「高温に弱い」という性質があります。太陽光発電の変換効率を定める国際基準では、25度の環境で計測された数値を「変換効率」としてカタログなどに掲載している。そのため、気温が25度を超えると発電効率が下がり始め、1度ごとに約0.5%ほど発電量が低下していく。そして、30度を超える真夏になると、約30%程度も発電量が下がってしまう場合もある。こうした事情から、太陽光発電が最も発電できる季節は、日差しが強いけれど高温の夏場ではなく、気温が上がりきっていない5月頃とされている。また積雪については、太陽光パネルに雪が積もってしまうと、晴れていても太陽光がパネルまで届かないため、発電は行えなくなってしまう。
また、場合によっては太陽光パネルに雪の重さが加わり、屋根が重さに耐えきれずに破損してしまったり、太陽光パネルからの落雪に近隣住民が巻き込まれてしまうような危険性もある。降雪地域に太陽光パネルを設置する場合の対策としては、カナディアン・ソーラーなど雪対策が施されている太陽光パネルを選んだり、落雪防止の処置に気を配ったりすることが重要である。台風・落雷などの天災によるシステムトラブル等で、太陽光発電の変換効率(発電効率)が下がってしまう(発電が行えなくなってしまう)ことがある。まず台風の場合、強風によって太陽光パネルが飛んでしまうことや、大雨によって太陽光パネルなどが水没してしまうといった事例が実際に発生している。太陽光パネルが飛ばされたり水没したりして破損すれば、当然発電は行えなくなる。塩害については、海岸からの距離が2キロ以内の場所は、塩害地域と呼ばれ、海の塩による影響を受けてしまう。太陽光発電においては、塩害対策を施していない太陽光パネルの場合、太陽光パネルの劣化やパワーコンディショナーなどの電子機器の破損に繋がるため、変化効率(発電量)も下がってしまう可能性がある。対策としては、塩害対策が施された太陽光パネルを設置するのが最も確実である。太陽光パネル表面の汚れや影としては、
草木や雲の影、鳥の糞、落ち葉など、太陽光を遮るものが太陽光パネルの上にあると、発電効率が下がってしまう。また、こうした太陽電池モジュール表面の汚れ(影)が原因で、影になってしまったセルがパネル全体の電気の流れをせき止めて発熱する「ホットスポット」現象を引き起こし、最悪の場合火災になることもある。汚れや影による変換効率の低下を避けるためにも、太陽光パネルや周辺環境のメンテナンスは定期的に行ったほうが良い。
【0040】
太陽光発電は効率が悪い?再生可能エネルギーの効率の比較
太陽光発電は、再生可能エネルギーの発電方式の中のひとつである。
再生可能エネルギーの変換効率の比較
水力発電……………80%
風力発電……………25%
太陽光発電…………20%
地熱発電……………8%
バイオマス発電……1%
ご覧の通り、再生可能エネルギーの中では水力発電の変換効率(発電効率)が80%と、飛び抜けて高い数値になっている。太陽光発電は再生可能エネルギーの中では風力発電に次ぐ3番手となっており、全体の中では中程度の発電効率と言えよう。再生可能エネルギーの中で普及しているのは、圧倒的に太陽光発電である。これは、太陽光発電が一般家庭に設置されたり、比較的設置が容易であり利回りが高く実現性が高いことから投資の対象となっていたりするのが要因となっている。
再生可能エネルギーの設置費用の比較
それでは、太陽光発電が投資などに選ばれる理由は何か。ここでは、その理由を探るために、各再生可能エネルギーの設置費用を検証する。
1kWあたりの設置費用
太陽光発電…平均28.6万円(10kW以上のシステムの場合)
風力発電(陸上)…平均35.4万円
バイオマス発電…平均45.4万円
水力発電(200kW以上1,000kW未満)…平均127万円
地熱発電…平均170万円
調達価格等算定委員会「平成31年度以降の調達価格等に関する意見」
上記で分かる通り、太陽光発電は他の再生可能エネルギーと比べて1kWあたりの設置費用が低コストであることがわかる。その理由は、FIT(固定価格買取制度)などの導入によって、国が太陽光発電の普及を推進してきたことが挙げらる。
1kWあたりの設置費用
バイオマス発電(2,000kW以上)………………32円
水力発電(200kW以上1,000kW未満)………29円
地熱発電(15,000kW以上)……………………26円
風力発電(陸上)…………………………………19円
太陽光発電(10kW以上)………………………14円
太陽光発電が選ばれる理由は設置費用の安さ
再生可能エネルギーの中では、太陽光発電の発電効率は3番手程度で、それほど高くない。にも関わらず、太陽光発電が家庭用や事業用、投資先などに選ばれているのは、設置費用の安さが理由と言える。
変換効率は、太陽光などのエネルギーをどれだけ電気に変換できるかを表した数値、太陽光発電の場合、現在のところ最も普及している結晶シリコン系太陽電池で20%程度であり、再生可能エネルギー全体で見てみると、太陽光発電の変換効率は全体の3番目程度となっており、決して高い訳ではない。それでも投資対象などに太陽光発電が選ばれるのは、ほかの再生可能エネルギー発電装置よりも設置が容易であり、設備費用が最も安いことにより、産業用太陽光発電を設置した場合10%程度の利回りが確保できるためであった。
2025年のモジュール変換効率の目標
結晶シリコン………………………………25%
薄膜シリコン………………………………18%
CIS…………………………………………25%
有機系………………………………………15%
色素増感……………………………………15%
超高効率(化合物多接合集光型等)……40%
【先行技術文献】
【特許文献】
【0041】
【特許文献1】出願 2011-168908 (2011/08/02) 公開 2013-033840 (2013/02/14)国際特許分類(IPC): H01L31/042 太陽電池パネルの取付架台装置及びその設置方法出願人: 不二高圧コンクリート株式会社 発明者: 福島 司
【特許文献2】出願 2010-139444 (2010/06/18) 公開 2012-001152 (2012/01/05)国際特許分類(IPC): B63B35/00 H01L31/042 B63B25/00 B63J99/00 FI: B63B35/00 T H01L31/04 R B63B25/00 101Z B63B25/00 101K B63J5/00 A 太陽光発電パネル及びコンテナ船出願人: 株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド 加藤 勝己
【特許文献3】出願 2010-013555 (2010/01/05) 公開 2014-103131 (2014/06/05) 国際特許分類(IPC): H01L31/042 F03D3/06 太陽光及び風力合体の発電装置出願人: 伸洋産業株式会社 発明者: 竹中 伸太郎
【特許文献4】出願 2013-254290 (2013/12/09) 公開 2015-115987 (2015/06/22) 国際特許分類(IPC): H02J7/35 H01M12/06 H01M12/08 H01M10/44 H01M16/00 H01M10/42 FI: H02J7/35 H H01M12/06 E H01M12/08 K H01M12/08 A H01M12/06 G H01M10/44 再生可能エネルギ搬送再生方法出願人: 学校法人 中央大学 発明者: 國生 剛治, 江本 永二, 金川 護
【特許文献5】出願 2012-190320 (2012/08/30) 公開 2014-046940 (2014/03/17) 国際特許分類(IPC): B65D90/00 H01L31/042 太陽光パネル設置コンテナ出願人: ロハスホールディングス株式会社 発明者: 内田 俊一郎
【特許文献6】出願 2012-012098 (2012/01/24) 公開 2013-153008 (2013/08/08)国際特許分類(IPC): H01L31/042 可搬型太陽光発電装置出願人: 司電機産業株式会社 発明者: 三好 國司, 三好 きよ子, 三好 里美
【特許文献7】出願 2010-062592 (2010/03/18) 公開 2011-198924 (2011/10/06)国際特許分類(IPC): H01L31/042 太陽電池シート出願人: ソニー株式会社発明者: 石橋 義人, 田島 茂, 吉村 司
【特許文献8】出願 2010-140404 (2010/06/21) 公開 2011-119643 (2011/06/16)国際特許分類(IPC): H01L31/042 落雪機能を備えた太陽光パネルユニットおよびこれを用いた太陽光発電装置出願人:株式会社アクアグレース 地方独立行政法人北海道立総合研究機構 苫米地 司
【特許文献9】出願 2014-015623 (2014/01/30) 公開 2015-140625 (2015/08/03)国際特許分類(IPC): E01B2/00 H02S20/20 太陽光パネル据付台座、太陽光パネル設置装置、太陽光パネル設置構造、及び太陽光パネルの設置方法 出願人: 東日本旅客鉄道株式会社 日本電設工業株式会社 未来工業株式会社
【特許文献10】出願 2012-250738 (2012/11/14) 公開 2014-043763 (2014/03/13) 国際特許分類(IPC): E04H5/00 H01L31/042 太陽光パネル架台出願人: 大都技研株式会社
【特許文献11】出願 2013-033589 (2013/02/22) 公開 2014-163079 (2014/09/08) 国際特許分類(IPC): E04D13/00 E04D13/18 H01L31/042太陽光パネルの設置装置、設置構造、支持体及び太陽光パネルの設置方法出願人: 未来工業株式会社
【非特許文献1】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える 太陽光パネルの構造と最先端リサイクル工程,技術について 著者 (2件): 加藤聡 (ガラス再資源化協議会) , 猪子兼行 (ガラス再資源化協議会) 資料名: 生活と環境 (Life and Environment)
【非特許文献2】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える ホットナイフ技術の概要と排出太陽光パネルのリサイクル処理フローについて 著者 (1件): 伊藤雅文 (エヌ・ピー・シー)資料名: 生活と環境 (Life and Environment)
【非特許文献3】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える 平成28年熊本地震により発生した廃太陽光パネルの処理フローと留意点
【非特許文献4】薄型軽量円形太陽光追跡装置 出願番号(国際出願番号):特願2010-127277公開番号(公開出願番号):特開2011-243934
【非特許文献5】小スケールの化学工学 風レンズ技術を用いたレンズ風車およびレンズ水車とそれらのクラスタ化 著者 (1件): 大屋裕二 (九大 応用力学研) 資料名: 化学工学 (Chemical Engineering of Japan)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0042】
粗大ゴミ問題と土地利用の汎用性の回復。現在のガラス製太陽光パネルの長所は発電セルの蒸着、透明度の高さ、可変性の低さ、傷のつき難さであった。しかし億単位の粗大ごみとなる可能性の高く、重いため、ガラス製のためリサイクルが難しく、工事には鉄パイプ、鉄筋を用い、設置場所が屋根の場合設置も撤収も専門家を必要とし容易ではない。また設置場所は農地、空き地、屋上など将来転用したい目的が生まれても移転できず、まさに前時代的、コンクリート製の巨大仏像の如きシロモノである。
【0043】
このガラス製太陽光パネルの30年とも言われる耐用性を弱点と捉え、パーマネントからの15年リサイクル、リユ-スへと発想を転換し、1.軽い、2.たためる、3.丸められる、4.樹脂製、5.サイズは自在、5.移転が容易、6.いかなる屋根、平地、垂直な壁にも設置可能、7.水上、海上、例えば用水池、養魚場でも発電可能、8.発電効率が落ちた場合新品に交換し、旧部品は全て再利用可能、9.同じ発電量で比較した場合、製品コストも設置費も従来品の3分の1程度、10.災害時にはたちまち発電可能、11.SDG’sにも貢献、12.農業ハウスのカバ-でも利用可能である。
【課題を解決するための手段】
【0044】
当然ながら、先ずはメーカーの決定。その会社と、1.試作と使用テスト、特にセルと合成樹脂との貼合(てんごう)、2.合成樹脂素材の決定、exアクリル樹脂ポリメチルメタクリレート、シリコーン、3.コスト計算、4.発電量の計測、5..本発明品に対応する蓄電器、変電気開発、6.製品のバリュエイション開発と協力企業の開拓。
【発明の効果】
【0045】
日本が世界をリードするソフト太陽光パネル産業が生まれる。現在のガラス製太陽光発電と太陽光パネルは、中国勢、カナダ、アメリカ製品が市場を席捲、日本企業は周辺デバイスに留まっている。裾野の広い数百、数千の関連企業に及ぶ産業を興す可能性がある。化学品、電子部品、電機部品、電力、送電、建設、農業、不動産、機械、金型部品、弱電、浚渫、金属加工などが対象となる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【
図1】
図1は、日射の性質、方向、角度に合わせて発電量が多くなるように表面パネルをプリズム、凹凸レンズを表面に施す。これは現状のソーラ-パネルに張り付けても利用できる。
【
図2】
図2は、樹脂製太陽光パネルモジュールを巻いたイメージ図である。
【
図3】
図3は、本発明のたためる太陽光パネルのイメージ図である。
【
図4】
図4は、パネル同士の接続はアコーディオン型も可能である。
【
図5】
図5は、太陽光パネルセルは細い棒状にして巻くことも可能である。
【
図7】
図7は、現状の廃棄されるガラス製太陽光パネルのセル部分。
【
図8】
図8は、中国R社の有機ELの曲がるディスプレイをつけたシャツ。
【
図9】
図9は、多結晶シリコンが太陽光発電モジュールに生まれ変わるまで。
【
図18】
図18は、台風や地震でズレ落ちた瓦屋根。ブルーシートがかけられている。
【
図21】
図21は、農業ハウスでも太陽光のW利用で発電と農業が同時にできる。
【
図23】
図23は、固定的な農地へのガラス製太陽光発電は食料増産の障害になる。
【
図25】
図25は、砂漠でも強い素材ですぐに発電し地下水をくみ上げ緑化に。
【
図26】
図26は、フレームに形状記憶合金をはめ込めば落ち葉やほこりがつき難い。
【
図27】
図27は、形状記憶のカタチも設置場所に応じて選ぶ。
【
図29】
図29は、折り畳み傘の太陽光発電ならキャンプや非常用電源に。
【
図30】
図30は、ハンカチ、タオルサイズの太陽光パネルモジュール。
【
図31】
図31は、これも太陽光発電モジュール。バッグサイズ。
【
図35】
図35は、巻き寿司の簀の子型のモジュールのイメージ図。
【
図36】
図36は、農地、荒れ地、砂漠などにはこのような作業車で敷設。
【
図37】
図37は、漁船の投網のように降ろすも巻くも機械で可能。
【発明を実施するための形態】
【0047】
軟らかい合成樹脂でできた薄くて軽い太陽光パネル、或いは縦3センチ以上横20センチ以上の板状の太陽光パネル、或いは直径1センチ以上の棒状の太陽光パネルをつなげて汎用性のある太陽電池を作りそれぞれの発電量を計測し用途を探る。
【実施例0048】
一般住宅の屋根に、樹脂製太陽光パネルを拡げ固定フックまたは固定バンドで固定し変電設備を用いて家庭用100ボルト交流電力に変換した電力量を旧来のガラス製太陽光発電システムと量産コスト、発電量、電気コストを比較する。
【実施例0049】
個人用バッグに入るハンカチ、タオルや折りたたみ傘の太陽光パネルを試作し発電量、折り曲げの耐久性、発電量、水滴、雨降り状態での負荷状態での発電能力をチェックする。同時に購買可能な価格の検討も行わねばならない。
【実施例0050】
海上使用を想定し、塩水、波浪、暴風への対策方法を試作する。太陽光パネルを浮き輪のようにつなげて発電したり、或いは木製の荷物用パレットにポリウレア樹脂のコーティングして浮体構造物としその上にエアーベッドにような透明の強化ビニール袋で包まれた海上太陽光発電を試作し、耐久性、強度、発電量、コストを検討する。同様に砂漠(地球上の20%、そのほとんどが高温、灼熱、塩分を含む大地、岩だらけの荒れ地が85%を占める、さらに砂の風、盗賊対策)も含めて試作品を作りテストする。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明は、大型の再生可能エネルギー発電案件(海上、砂漠、農地、テニスコート、工場空き地、工場の屋上など)から個人の住宅屋根、折り畳み傘、住宅屋上、ブラインド、壁、ハンカチまで、日の当たる場所ならどこでも使えるのが利点である。
従来のガラス太陽光パネルは重くて、衝撃に弱く、頭上から落下すれば大事故につながる危険性をはらんでいた。本発明は耐用性、長期の使用をある程度犠牲にし、その分リサイクルを可能にし、同時にコストダウンさせてト-タルの電気コストを下げるというものである。
【符号の説明】
【0052】
CIS太陽電池:CISは銅(Copper)、インジウム(Indium)、セレン(Selenium)を主な原料としたID社の独自技術で生産する太陽電池である。
【手続補正書】
【提出日】2022-11-28
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項10
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項10】
海上、湖上、用水池など水上での発電にために上記太陽光パネルを置くための荷物用浮体構造物パレットを組み合わせて強化プラスチックの鎖でつなげたり、ポリウレア樹脂のコーティングで数台を纏めて安定的な浮体の上で水上発電したり、今までにない形状として照葉樹、広葉樹の枝木の生育状態と同様、太陽光を平面的に設置するだけでなく上記樹木のようにまんべんなく太陽光を吸収して光合成を行っているように、立体的に上下それぞれに日射がある限りどこかで太陽光が当たるような、クリスマスツリーや樹木あるいはそれを模した立体的な多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【手続補正書】
【提出日】2022-12-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正書】
【提出日】2022-12-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽光パネルモジュールの表面に張り付け、キズがつき難く、ホコリがつき難い形状で、設置場所の年間の天候、あるいは設置期間が一定期間の場合は季節や環境をAIが判断して選択可能な、採光力の高い虫めがね形、凹凸のあるメガネ形、一定方向からの日射をより効果的に受け止められるプリズム形、波形、山形に成型した多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項2】
発電部がCIS(コンタクトイメージセンサー)セルで、透明電極、n型半導体、バッファ層、p型半導体、CIS化合物層、電極が貼合(てんごう)技術を用い、ガラス製パネルに比較し重量が2分の1以上軽量化した発電用セルに塗付された多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項3】
発電能力の経年劣化、表面の透明性が磨りガラスのように透明度が落さないために、あるいは気温差が大きい気候、塩害や砂塵の強風、砂漠のような高温など過酷環境下に設置された発電パネルに施す、発電能力を落とさないためパネル表面にスマホのカバーフィルムのように多層に貼り付け、表面が傷つき透明度が劣化してきた場合、一枚剥ぎ取って透明度を回復させる太陽光パネル表面の一枚づつ剝がせる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項4】
ミラクルバブルのシャワーヘッドのように極めて微細な樹脂を霧で吹き付け乾燥させ、同時に剥がしやすくするために性質の異なる分離の容易なフィルム素材を交互に選択し最低3回以上繰り返し太陽光パネルの表面に張り付けられた多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項5】
コンパクトに畳めるブラインド型太陽光パネルや、巻き寿司の巻きすロールアップ型太陽光パネル、ハンカチ、折り畳み傘形状の太陽光パネルの表面に張り付けられた多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項6】
災害時でもすぐに発電できるように、一般家庭はもちろん消防署、電力会社、警察、病院、自衛隊などに保管されている「消防ホース」のように巻かれた緊急用の多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項7】
太陽光発電は夜間や曇天時は発電しない。その弱点をカバーする蓄電システムと他の電力との給電補完システム、AIを利用した昼間節電システムを起動させる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項8】
吹き付け仕様によって樹脂製太陽光パネルの表面をコーティングする、パネル強度アップ、ホコリつき防止、キズつきによる磨りガラス状態による発電量低下防止のために設置した状態で施工できる多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項9】
落ち葉、枯れ葉、ゴミ、黄砂、砂、ホコリをつき難くするためにパネルの枠に形状記憶合金をつけ、ド-ムのトンネル形または安定的な三角形にして上記発電を妨げるものを落とす多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項10】
海上、湖上、用水池など水上での発電にために上記太陽光パネルを置くための荷物用パレットを組み合わせて強化プラスチックの鎖でつなげたり、ポリウレア樹脂のコーティングで数台を纏めて安定的な浮体の上で発電する多層の表面保護用樹脂フィルムを貼った太陽光発電モジュール。
【請求項11】
太陽光パネルの設置方法は平面的で一方向に向いた固定的である。本発明は、合成樹脂に発電セルを貼合し設置場所にフレキシビリティーを導入したものであるが、同時に太陽光パネルの設置方法に関し平面から「立体構造」の概念を導入したものである。本発明の請求項11は、クリスマスツリー型、螺旋ツリー型、らせん階段型、多重の立体駐車場型、屋外に設置された非常階段型など上方に展開可能な土地節約が可能な立体構造の太陽光発電モジュール。
【手続補正書】
【提出日】2022-12-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0046
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0046】
【
図1】
図1は、日射の性質、方向、角度に合わせて発電量が多くなるように表面パネルをプリズム、凹凸レンズを表面に施す。これは現状のソーラ-パネルに張り付けても利用できる。
【
図2】
図2は、樹脂製太陽光パネルモジュールを巻いたイメージ図である。
【
図3】
図3は、本発明のたためる太陽光パネルのイメージ図である。
【
図4】
図4は、パネル同士の接続はアコーディオン型も可能である。
【
図5】
図5は、太陽光パネルセルは細い棒状にして巻くことも可能である。
【
図7】
図7は、現状の廃棄されるガラス製太陽光パネルのセル部分。
【
図8】
図8は、中国R社の有機ELの曲がるディスプレイをつけたシャツ。
【
図9】
図9は、多結晶シリコンが太陽光発電モジュールに生まれ変わるまで。
【
図18】
図18は、台風や地震でズレ落ちた瓦屋根。ブルーシートがかけられている。
【
図21】
図21は、農業ハウスでも太陽光のW利用で発電と農業が同時にできる。
【
図23】
図23は、固定的な農地へのガラス製太陽光発電は食料増産の障害になる。
【
図25】
図25は、砂漠でも強い素材ですぐに発電し地下水をくみ上げ緑化に。
【
図26】
図26は、フレームに形状記憶合金をはめ込めば落ち葉やほこりがつき難い。
【
図27】
図27は、形状記憶のカタチも設置場所に応じて選ぶ。
【
図29】
図29は、折り畳み傘の太陽光発電ならキャンプや非常用電源に。
【
図30】
図30は、ハンカチ、タオルサイズの太陽光パネルモジュール。
【
図31】
図31は、これも太陽光発電モジュール。バッグサイズ。
【
図35】
図35は、巻き寿司の簀の子型のモジュールのイメージ図。
【
図36】
図36は、農地、荒れ地、砂漠などにはこのような作業車で敷設。
【
図37】
図37は、漁船の投網のように降ろすも巻くも機械で可能。
【
図38】
図38は、らせん階段になった立体型太陽光パネルのイメージ図
【
図39】
図39は、敷地を節約できる螺旋ツリー型太陽光パネルのイメージ図
【
図40】
図40は、上空に展開される太陽光パネルイメージ図
【手続補正書】
【提出日】2023-01-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正4】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正5】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正6】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正7】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正8】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正9】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正10】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正11】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正12】
【補正対象書類名】図面
【補正方法】追加
【補正の内容】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
本発明の請求項は、太陽光発電の1)「素材」をガラスからプラスチックや合成樹脂へ、2)「単体形状」を平面の正方形や長方形から棒形、球形、針形、糸形、短冊形へ、3)「接合形状」を平面から簀の子型、日除け型、数珠つなぎ型、干し柿型、テント型、クリスマスツリー型へ、4)「平面据え置き」から立体的樹木型、ビルの壁型、民家の巻き日除け型、電動自転車の天井型、取り外し可能な民家の屋根型などへ、5)「固定的設置」から移動可能でフレキシブルな巻き付けベルト形、ロールケーキ形、絨毯形、編み物ストール形へ、6)「設置場所」を住宅の屋根や農地、空き地、耕作放棄地などから、高速道路の中央分離帯、橋梁の側面、砂漠などの瓦礫地、ドーム球場、ビルの側面、電動自転車の屋根、キャンプテント、日除けのブラインドなどへ、7)「永久使用」の粗大ゴミ化からリサイクル可能なSDG‘sへの考え方の転換、8)「重い、固い、大きい」から、ビーズ形、棒形、球形、針形、糸形、短冊形の形状自在型への転換を目指したものであり、上記の素材、形状、設置場所を有する太陽光発電パネル。
【請求項2】
請求項1の従属項として、重量比がガラスに比べ3分の1以下の合成樹脂(プラスチック)の中から環境と設置場所に応じたものを選択することによって軽量化し、樹脂の特徴を生かし発電効率を上げるため、ホコリや傷がつかないように表面をレンズ化したり表面に一枚づつ剥がせる保護フィルムを多層に張り付けたり、日射の方向を考慮してプリズム状などの形状を持たせたりする形状自在な立体的太陽光パネル。
【請求項3】
請求項1の従属項として、CISセルの、透明電極、n型半導体、バッファ層、p型半導体、CIS化合物層、電極が貼合(てんごう)技術、真空蒸着技術を用いてプラスチック素材に張り付けパネルの軽量化を実現する合成樹脂ならびにプラスチック素材の太陽光発電パネル。
【請求項4】
請求項1の従属項として、太陽光パネル表面に、スマホのカバーのようなフィルムを薄く多層に貼り付け、表面が傷つき透明度が劣化してきた場合は一枚剥ぎ取って透明度を回復させる太陽光パネル表面の多層フィルムを用いた太陽光発電パネル。
【請求項5】
請求項1の従属項として、上記の多層のフィルムの貼り付け方法は微細な霧状塗装を噴霧で吹き付ける方法で行う。ミラクルバブルのシャワーヘッドのように極めて微細な樹脂を霧で吹き付け乾燥させる。その上部には性質の異なる分離の容易なフィルム素材を噴霧し、それを最低3回以上繰り返す。この噴霧フィルムの貼り付けは「現場」でも行うことができる噴霧によって多層表面を作る製造の方法で作られた太陽光発電パネル。
【請求項6】
請求項1の従属項として、太陽光発電の発電セル部分が、ガラスかプラスチックを問わず発電セル形状が、棒形、球形、針形、糸形、短冊形でありそれらを繋げた完成品が簀の子型、日除け型、数珠つなぎ型、干し柿型、テント型、クリスマスツリー型である太陽光パネル。
【手続補正書】
【提出日】2023-01-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
太陽光発電は、一般生活に於いては最も身近で簡便、発電メカニズムも単純で、リチュウムボタン電池やアルカリ乾電池に象徴されるように風力、原子力、水力、化石燃料発電などパワーと磁力を必要とするものと違い、化学反応で発電されるものである。
太陽光発電は、世界的課題とされる再生可能エネルギーの代表でカーボンニュートラル、SDG‘sを居住地の近くで見たり感じたり実感できるものである。
それゆえに、本発明は、現状の太陽光発電の課題、1.「いつも太陽への方向へは向けられない」、2.「天気が悪かったり夜間は発電出来ない」、3.「ガラスで重い」、4.「ガラスで形状がフラットのみ」、5.「鉄枠など設置費用がかかる」、6.「簡単に移動できない」、7.「メンテに費用がかかる」、8.「平面的で耕作地を占有する」、9.「値段が高い」、9.「将来の食料増産の邪魔になる」、10.「発電量に対し大きな面積が必要」、11.「2億枚の粗大ゴミならSDG‘sにならない」、12.「ほとんどが中国・カナダからの輸入品」などの課題を解決すべく、画期的な「素材、発電部品形状、完成形状、使用場所、敷設場所」に関する未だ記載がない技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
屋根の上に、例えば定格能力4kWの太陽電池パネルを設置しても、4kWの出力が出るのは昼間のカンカン照りのときだけで、夜はゼロになる。日本の場合、太陽電池の年間平均設備利用率は実績で12%ぐらいと小さい。自然エネルギー系発電の設備利用率は、自然条件で決まることになる。例えば、福島第一原子力発電所の定格能力470万kWは、設備利用率85%で年間発電電力量350億kWhである。現状の太陽光発電は決して効率の良いものではなく、同時に大きな電力を供給できるものでもない。
これを再生可能エネルギーの太陽光発電に置き換えると考えると、現実的には太陽電池を定格能力470万kW分を設置たとしても、実際の電力量(設備利用率12%)は49億4000万kWhにしかならない。太陽光発電に置き換えるには、3300万kW(約7倍)という膨大な設置面積の太陽電池が必要になる。また電力需給は、1~2分でも需給バランスが崩れると、電力の電圧や周波数が変わる。周波数依存で動いている機械はたくさんあって、1Hzでもずれると、運転継続が困難となる機械もあり、例えば繊維産業では製品にむらが発生するのである。そのため発電所では、季節、天気、温度、曜日、時間など様々な要因で異なる瞬時の電力需要を予測しながら、周波数が一定に保たれるように運転している。
例えば、平日のお昼休み時間は、工場の機械も休憩することが多く電力の需要が減るので、12時前になると発電量を抑制する準備をしながら、出力調整をしている。お昼時間が終わる前頃には、また発電量を上げる調整をするのだ。太陽電池のような自然条件で変動する再生可能エネルギーによる電力が大量に供給されると、このような発電所における需給バランスの運転も変動に合わせて調整が増えることを理解しておく必要がある。本発明は、この不安定で「固定化」された現在の太陽光発電の弱点をカバーするために考案されたものである。
【0003】
本発明アイデアが「30年の耐用よりも10年ごとのリサイクル」を選んだ理由は、1.ガラスから樹脂へ、2.固定から移動へ、3.大型から手のひらサイズへ、4.四角から丸へ、5.重いから軽いへ、6.曲がるから畳む又は丸めるへ、7.屋根から海へ、8.専門家から主婦へ、9.フラットから丸・三角へ、10.農地から砂漠へなどがコンセプトになっている。その根本はローコストである。
【0004】
4Kテレビやスマートフォンカメラの画素数、半導体の配線が2ナノメートルと微細加工技術や映像解析技術は飛躍的進歩した。しかし昆虫、鳥類、魚類、植物など地球上の生物の恐るべき機能には人間は遠く及ばない。地球上の生きものの種類は数千万以上とされているが「ヒト」はホモサイエンス1種である。本発明の原点は生物の能力に学ぶというものである。例えば昆虫の「複眼」であり、暗闇のなかでも見えるキツネやコウモリの目でもある。太陽に向かって成長する植物の光合成も大きなヒントとなった。
太陽光発電は、光エネルギーから直接電気を作る太陽電池を利用した発電方式であり、太陽電池は、プラスを帯びやすいP型シリコン半導体とマイナスを帯びやすいN型シリコン半導体を張り合わせてある。この2つの半導体の境目に光エネルギーが加わると、P型シリコン半導体はプラスになり、N型シリコン半導体はマイナスになる。
乾電池と同じ状態になり電線をつなげば電気が流れ、光エネルギーがあたり続ければ電気は発生し続けることになる。
【0005】
「太陽電池」は、「電池」と付いているが、電力を蓄える装置ではなく、太陽の光エネルギーを直接電力に変換する「発電機」の役割をはたすものである。太陽から地上に降り注ぐ「光エネルギー」が「太陽電池」に当たると、「光起電力効果(ひかりきでんりょくこうか)」とか「光電効果(こうでんこうか)」と呼ばれる現象が起こる。
光が照射されることで、太陽電池を構成している半導体の電子が動き、電気が起きるのだ。太陽電池は、シリコン系、化合物系、有機系とあって、それぞれに発電効率がちがう。現在の主流はシリコン系で世界の生産量の約8割をしめている。
【0006】
2022年の現在まで「電気・電力の一般概念」とは、1.電気は巨大な発電設備で生みだされるもの、2.その巨大な電気が送電線を繋ぎわたって最後の消費者たる我々の家庭に届き、それによって多くの家電製品や、工場の機械、化学工場などなど「電気の消費者」たる末端に届けられているものだった。
つまり(電気の)生産者と消費者は電線とお金でつながっているに過ぎなかった。それ以外の電気料金の値上げの時以外には考えたこともなかったのである。
【0007】
ところが、脱二酸化炭素、カーボンニュートラル、SDG's、が世界的な課題になる一方、再生可能エネルギーの発電方法も、原子力発電、水力発電、風力発電、太陽光発電、地熱発電、バイオマス発電、潮汐発電、水素発電などなど多くの発電方法が開発され事業化されてきた。
その一方で脱二酸化炭素、カーボンニュートラル、SDG'sの観点から、電気自動車が一般化したり、情報の伝達手段としてスマートフォンが中心になり、そのためにインターネットの送受信容量や速度が3G(世代)から5G、更には7Gへと宇宙、人工衛星を中心に発展し電気を使った情報化社会への進化はとどまるところがない。電力と発電の重要性はますます高まる一方である。
【0008】
「電気に色はない」、このように重要性の高まる電力使用と発電方法の多様化であるが電気そのものに色があるわけではない。お金には色がない…というのと似ている。つまりどのような設備や方法や原料から生まれようとも消費する家電製品、スマホ、自動車、工場の大きなモーター、新幹線車両、ネオンサインであっても直流・交流・電圧・電力の違いだけで電気そのものには色がない。更に、カミナリ、冬のパチッとくる静電気、下敷きで髪の毛を立たせた静電気にも色はない。つまり電気もお金と同じように1万円札を1円玉1万個でも千円札10枚でも1万円札1枚でも貨幣価値としては同じと考える時代が来たということである。
発電が身近なモノになるに連れ、発電への考え方も、「発電方法」「メカニズム」「道具・設備」「原料」「発電場所」「手間」「コストパフォーマンス」「リサイクル率」「発
電量」「送電」「蓄電」など作る側おいて考えるべき要素が多様化させるべきであろう。
【0009】
太陽光発電では日本の老舗たるSP社から、従来のガラス製の太陽光パネルに代わってフィルムで太陽電池セルを挟んだ構造の薄くて軽い実用サイズの軽量かつフレキシブルな太陽電池モジュールで世界最高の変換効率32.65%を達成する新製品を発表した。これは、インジウムやガリウム、ヒ素など、2種類以上の元素からなる化合物を材料とした光吸収層を3層重ね、各層で異なる波長の光を吸収させることで、高い変換効率を実現する太陽電池である。
また国内TB社は太陽の光エネルギーを直接電気に変換する太陽電池の研究も目覚ましい。その種類は、原料として使われる半導体によって様々だが、現在量産されている太陽電池の多くは、「シリコン系太陽電池」と「化合物系太陽電池」と呼ばれるタイプのものだ。これらの太陽電池は壊れにくく、高変換効率(高いものでは25%を達成)である一方で、材料や製造コストが比較的高いというデメリットがあった。
さらに、シリコン系太陽電池ではシリコンが厚く、曲げることができないことが設置場所を制限していた。そこで次世代の新規太陽電池材料として期待を寄せられているのが、「ペロブスカイト太陽電池」だ。ペロブスカイトと呼ばれる結晶構造の材料を用いた新しいタイプの太陽電池であり、「シリコン系太陽電池」や「化合物系太陽電池」にも匹敵する高い変換効率を達成している。ペロブスカイト膜は、塗布(スピンコート)技術で容易に作製できるため、既存の太陽電池よりも低価格になる。これらはフレキシブルで軽量な太陽電池が実現でき、シリコン系太陽電池では困難なところにも設置することが可能になる。
【0010】
本発明の論旨を以下のように明細書に記載して特別な技術と新規性・進歩性について説明することができる。
1.太陽光パネルにおける本発明の解決した特別な技術と新規性・進歩性とは?
2.現在までの太陽光発電と太陽光パネルの解決すべき課題とは?
3.太陽光発電と太陽光パネルの最新の技術進歩とは?
4.太陽光発電と他の再生可能エネルギー発電とを比較した場合の、太陽光発電の強みと弱みとは?
5.以上のまとめから本発明の後業者、産業界への技術的な有用性と貢献とは?・・・とする。
【0011】
2022年10月第4週の現在、世界の太陽光発電には世界に共通した課題がある。
本発明はそれらの課題を技術的に解決するものである。同時に再生可能エネルギーの太陽光発電総発電量を国土の保全を守りながら一気に普及を上昇させるものでもある。
本発明の特別な技術を纏めると「軽量で畳める、またはロール型に巻ける太陽光パネル」となる。
【0012】
以下は現状の太陽光発電、太陽光パネルの課題である。1.電気料金に比べて設置コストが高く電気代節約とのト-タルのコストパフォーマンスが見合わない。2.重いことよって簡単に移設ができず、初期の家庭用の屋根工事には工期とコストがかかる。3.爆発的な粗大ゴミが懸念される。4.再生利用がコスト的に見合わず難しい。5.耐久性がない。セルが劣化し発電量がどんどん落ちてゆく。6.高温だと発電量が落ち、設置場所を選ばざるを得ない。7.設置には工事が必要。8.設置場所が限定され、農地や、平野部の空き地、工場用地など食糧危機や農業、工業用地へのフレキシブルな転用や時限的対応ができない。9.脱二酸化炭素、SDG’sに寄与すると考えたとしても、最終的に莫大な粗大ごみを出したのではカーボンニュトラルにはならない、などの課題を抱えている。
本発明は、上記のガラス製太陽光パネルの課題を纏めて解決するものである。
【0013】
なぜ太陽光パネルのディスプレイの主たる表面素材は重くて可変性のないガラスなのか?その理由は、1.安価であること、2.透明性が落ちないこと、3.表面が傷つき難いこと、4.調達が容易であること、5.大量生産が可能であることなどであろう。
例えばスマートフォンのディスプレイと同様、太陽光パネルの表面を軽いプラスチックで作れないのには理由がある。発電セルや電子機器の半導体や導線は、ガラスやシリコン基板の上に蒸発・気化させて付けられている。「蒸着」という方法であるが、付ける際に熱をかけるため、プラスチックだと溶けてしまうのだ。蒸着以外の方法の一つとして「印刷」がある。非接触型ICカードはこの方法で作られている。
印刷は熱を必要としないためプラスチックが使えるのだが、いわゆるインクジェット式の印刷ではデイスプレイの解像度が限られており、スマホやテレビのような高画質のディスプレイは作れない。本発明は、太陽光発電と太陽光パネルに関するものであり、主たる特別な技術は貼合(てんごう)、真空蒸着によるセルの貼り付けであり、繊細な解像度を必要としないためインクジェットの吹き付けも部分的には有効な技術として使用する。
【0014】
また、本発明の新規性並びに進歩性は、「発想の大転換」も必要である。
従来の太陽光ガラスパネルの最大の利点は「耐用性」を基本としたものであった。
「耐用性」とは、1.変質しない、2.キズが付きにくい、3.熱に強い、4.経年劣化が少ない、5.気温変化に強いなどである。
しかしその利点が・・・1.電気料金に比べて設置コストが高く電気代節約とのト-タルのコストパフォーマンスが見合わない。2.重いことよって簡単に移設ができず、初期の家庭用の屋根工事には工期とコストがかかる。3.爆発的な粗大ゴミが懸念される。4.再生利用がコスト的に見合わず難しい。5.耐久性がない。セルが劣化し発電量がどんどん落ちてゆく。6.高温だと発電量が落ち、設置場所を選ばざるを得ない。7.設置には工事が必要。8.設置場所が限定され、農地や、平野部の空き地、工場用地など食糧危機や農業、工業用地へのフレキシブルな転用や時限的対応ができない。9.脱二酸化炭素、SDG’sに寄与すると考えたとしても、最終的に莫大な粗大ごみを出したのではカーボンニュトラルにはならない、などの課題を解決できずに現在に至っているのである。
【0015】
本発明は、「ガラスの太陽光パネルの20年、30年の耐用性よりも、設置費やその後の汎用性の高い合成樹脂の太陽光パネルによる10年間程度での新品交換」に拠る効率アップと80%以上の再利用による経済性と環境保護の合理的判断によるものである。本発明の起点は、1.合成樹脂の性能と再生技術の進化と旧態依然としたガラス製の太陽光パネルとのコスト比較、2.樹脂の再生、再利用技術方法の発達を太陽光発電事業に生かす、3.再利用産業業界の拡大と進展にアクセルを踏みSDG’sとエネルギー危機回避の一助に、4.ガラスの太陽光パネルモジュールが技術停滞を配慮して太陽光発電に革命的進展をもたらす、5.世界のエネルギーを巡る環境変化へ対応、6.世界のSDG'sの高まり機運を配慮などにも役立つものである。
【0016】
本発明の要点はこの基本方針に基づいている。ガラスの表面強度は丈夫で他に代え難いものであったとしても、その反面、重く土また台の工事にはパイプや鉄骨などの金属材料が使用され、安全や天候異変などに備え強度のあるものにしなければならない。
特に住宅の屋根に設置する場合など落下した場合人身事故の危険性もある。また雪国においては積雪も想定しておかねばならない。これは一見メリットと考えられてきたがデメリットでもあったのである。
【0017】
上記記載の通り、本発明には吹き付け技術も応用されている。セル部品となる細い棒型セルには、分子を規則正しく並べることは効果的である。例えば、ノズルコーターという方法がある。紙での印刷に例えると、ノズルからインクを少し出したまま紙を引っ張ることで分子は進行方向に並ぶ、また木材を運ぶとき、川に落とすと流れに沿って木材が縦になるのと同じ原理である。特に液晶分子は棒状をしているため、この方法は理にかなっている。また、水あめのように粘度を上げることでも分子は並びやすくなり、こうしたやり方は既に日本の関西(兵庫県)の中小企業では実用化されている。
【0018】
本発明の、合成樹脂プラスチックの利点は落としても割れないことと、曲げられること、そして軽いことである。そして金属より生体親和性が高く、形状がフレキシブルな形状に適している。欠点としては、プラスチックは酸素と水分を通すため劣化しやすいことがあるが、この欠点を補う素材も関西企業から作られている。本発明は全て自然の摂理に従っており、最新技術のヒントも自然の中にある。湿った場所にいても汚れないカタツムリの殻からヒントを得て汚れない壁が作られ、蚊の針先を模して痛みのない注射針が作られているように。つまり、超繊細な薄い膜の貼り付けや透明度を修復することは自然界の生物では当たり前のことでこれを真似すれば可能なはずである。
上記も、ガラスの太陽光パネルの20年、30年の耐用性よりも、設置費やその後の汎用性の高い合成樹脂の太陽光パネルによる10年間程度での新品交換という考えに基づいている。
【0019】
以下は本発明の電池部分の参考として重要と考え特許庁の文献から引用した。電気化学キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなど)は、大容量でありながら急速充放電が可能であるなどの特徴を有するため、近年、1.ハイブリッド自動車などの補助電源や回生電力貯蔵装置、2.二次電池の代替デバイス、太陽光発電のエネルギーバッファに用いられるなど、非常に注目されており、特に、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタなどの大容量タイプの電気化学キャパシタの研究開発が急速に進んでいる。また、構成要素である電極・集電体、電解質、セパレータなどについて、出願技術の高度化、複雑化が進んでおり、研究開発効率の向上を図る上でも重要なテーマである。
【0020】
太陽光発電には電池も重要である。繰り返しになるが、電池とは、単に電気を蓄えるだけではない。電池は、化学反応で発生したエネルギーや、光・熱などのエネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、電池は、「化学電池」と「物理電池」の大きく2つに分けられる。化学電池とは、電気化学反応を電気エネルギーに変換させる電池で一次電池や二次電池のほか、燃料電池がある。
化学電池は正極、負極、電解液で構成され、負極で起こった化学反応が正極に繋がる導線を通るときに電流が流れ、電気が発生する。物理電池とは、物理現象を利用して、光や熱などのエネルギーを電気エネルギーに変換させる電池で、主に自然界に存在するエネルギー源を利用した電池である。物理電池の種類として、太陽電池や熱電池、原子力電池などがある。
【0021】
太陽光発電を受け止める電池部分は、負極(マイナス極)にナトリウム(Na)、正極(プラス極)に硫黄(S)、両電極を隔てる電解質にファインセラミックスを用いて、硫黄とナトリウムイオンの化学反応で充放電を繰り返す蓄電池(二次電池)はメガワット級の電力貯蔵システムである。
大容量、高エネルギー密度、長寿命を特長とし、鉛蓄電池の約3分の1のコンパクトサイズで、長期にわたって安定した電力供給が可能だ。電力負荷平準によるピークカット、再生可能エネルギーの安定化に役立ち、節電対策やエネルギーコスト削減、環境負荷低減を実現する。この電池は、上記の素材を用いて硫黄とナトリウムイオンの化学反応で充放電を繰り返す蓄電池(二次電池/鉛電池、アルカリ電池、ニッケル電池、ニカド電池、リチウムイオン電池など)である。近年、実用化されたリチウムイオンキャパシタはハイブリッドキャパシタの代表的なキャパシタである。
電気化学キャパシタの要素技術は、上記のキャパシタの種類別のほかに、電極・集電体、電解質、セパレータ、ケース・端子、リチウム供給源などの構成要素、セルの製造方法、用途と課題に大別される。
【0022】
また、薄膜シリコン太陽電池で、一般住宅用、公共・産業用として使え、遮光ガラスのようにして使えるシースルータイプの太陽電池もある。アモルファスシリコンと薄膜多結晶シリコンを交互に積層した複合タイプは、電気に変換可能な波長域の幅が違うため、発電実効面積で発電効率約30%アップを実現した例もある。また本発明の応用技術として、球状太陽電池の開発では、モジュールの大型は130W、112Wの出力、中型では54W、27Wの出力を持ち、ほかに小型や曲面に使えるフレキシブルモジ
ュール、ダブルガラスモジュールなど特徴ある製品を製造開発されている。
球体の粒形状をしている球状シリコンも扱う。集光型球状太陽電池とは、シリコンを球状にしたものを用いているため、生産性が高く、製造コストが従来の5分1、シリコン原材料1Wあたりの使用量も5分の1、フレキシブル対応、変換効率が高く光劣化がない等の特徴を持つ。
【0023】
本発明に大きな関係を有する、薄膜型太陽電池を手がける国内メーカーの製品と技術は、高温時の出力低下が少なく、電力需要の逼迫する夏場に威力を発揮し、結晶型太陽電池と比べ、年間発電電力量(同一出力比)が多い点に特徴がある。それは微結晶タンデムタイプで、公称最大出力は130Wである。
また、日本の関西のメーカーでは、すでに高出力、高効率を特徴とする太陽電池モジュールの製造販売を行っており、最大出力はどれも200W以上となる。公称最大出力230W、セル変換効率20.7%、モジュール変換効率17.9%となっている。また住
宅用のパワーコンディショナとしては、電力変換効率94.5%となっている。
【0024】
一般的に、自然エネルギーの太陽光発電システムは、近年、性能面・コスト面が飛躍的に進歩し、「メンテナンスが不要で、経済的、効率的な、エネルギー源」として注目を浴びてきた。ところが現実的には、台風、地震、夏冬の温度差、など厳しい気象条件があり、「外的要因による太陽電池の劣化」は自然発生的に進行してしまうのである。
太陽光業界では、発電能力維持のための点検作業が必要であるという認識が高まっており、「メンテナンスフリー」という言葉は忘れ去られようとしている。現実、多くの太陽光パネルは政府の電気高値買取制度の終了も相まって、発電能力の低下、変電気の故障があっても修理されず、「そのまま放置され、すでにゴミ状態」となっているものが相当数ある。このように、従来の太陽光パネル2億個が粗大ゴミになるというのも現実味を帯びてきた。その一方で2015年9月の国連サミットにおいて、SDGs「Sustainable Development Goals(持続可能な開発目標)」という、国連加盟国193か国が2016年〜2030年の15年間で達成していく目標が定められた。
【0025】
こうした動向の中、環境負荷低減が世界的にも大きな目標として掲げられ、世界各国がCO2削減に励んでいるという事実がある。このことは、日本のエネルギー政策にも大きく関わっており、現在は国や個人だけでなく、企業にもCO2削減が求められていることを示唆している。昨今では、CO2削減をはじめとする企業の様々な環境への配慮が重要視されるようになり、企業の社会的責任(CSR)の側面にも影響を持たせている。このようにこれからの時代は大手有名企業だけではなく、様々な事業が企業としての環境問題への取り組みを行うことによって企業価値を高め、企業競争力を生み出していく時代になることは疑いの余地はない。
【0026】
現在、世界の電気料金は急激な上昇傾向にある。上記、 日本で2012年7月にスタートした固定価格買取制度(FIT制度)は、再生可能エネルギーの普及を目的としてはじまったもので、再生可能エネルギーで発電した電気を、電力会社が一定期間中は同じ価格で買い取ることを国が約束する制度であった。しかし、FIT制度における売電単価が大きく下落しているため、近年では「全量売電型」のように発電した電気を売ってきた会社が苦境に陥っている。太陽光発電に参入した日本企業の苦境は続いている。
【0027】
太陽光発電の、直流給電システムでは、300~400V程度のHVDCバスを構築し、直流入力の電気電子機器に電力供給される。太陽光発電、風力発電、燃料電池などの出力電力は直流である。発電された電力は、DC-DCコンバータによって電圧変換されてバスに供給され、また余剰電力はリチウムイオン電池などの二次電池を利用した蓄電システムに貯蔵される。
太陽光や風力による発電電力は、日射や風速などに応じて変動するため、直流給電システムの電圧の安定化は重要な課題となる。電圧を安定化させるためには、蓄電池の高度な充放電制御とともに、充放電の切り替えを途切れることなく行う必要がある。一般的な、「太陽光発電はいったん設置すれば何もしなくても永遠に電気を生み続ける」との幻想は大きく崩れ去っているのが現実でありその原因が「簡単に店じまいできない」
つまり「工事が必要」「素人の手におえない」「重すぎる」「解体すらできない」「屋根の上なら足場を組まねばならない」「ゴミ捨ての方法も分からない」など施主だった素人オ-ナーには手におえない結末となっているのである。
【0028】
デジタル制御電源は出力電力が大きい電源ほど効率化が図れるため、電気自動車の電源としても採用されている。また、スマートグリッドが普及すると、スマートハウスの蓄電ユニットと電気自動車の搭載バッテリとの間で電力を融通しあったり、また、系統電力と連系して電力消費のピークカットやピークシフトにも貢献するようになるとも予測されている。さらには、クレーンやエレベータ、自動搬送車、フォークリフトなど、モータを利用した各種産業機器にも応用が可能である。
【0029】
本発明の、「ロール状に巻ける太陽光パネル」の一つの形状である「巻きす型」とは海苔巻きなどを作るときに使用する竹製の道具のカタチで、空間の間仕切りなどに使われる簾(すだれ)を小さくしたような形である。この1本1本が太陽光パネルのセルだというものである。巻きすの起源についてははっきりとわかっていないが、日本で海苔巻きが食べられるようになった江戸時代後半頃ではないかといわれている。
本発明の、もう一つの「ブラインド型のたためる太陽光パネル」の形状である「ブラインド型」「簀の子型」とは、文字通りどこにであるブラインドである。この一枚一枚が太陽光パネルセルであり、プラスチック製であり拡げれば一枚の平面状になり太陽光を受けて発電する。
【0030】
本発明の、太陽光パネルの基本たるプラスチックに発電セルを貼り付ける貼合(てんごう)技術や真空状態での蒸着技術は、日本の中小企業が、世界が認める超精密貼合技術に裏付けられた高品質である。国内外での高い評価がその証である。ディスプレイデバイスには、各種の光学フィルムが使用されており、その性能は精密貼合(てんごう)技術の質によって大きく左右される。
精密貼合(てんごう)や真空蒸着技術は、プラズマテレビや液晶テレビ、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、カーナビゲーションなど国内外の市場で高い評価を得ている。太陽光パネルの表面には、各種の光学フィルムが採用されています。このフィルムはタッチパネル機能を持たせたり、画像を美しく安全に見せるために欠かせないもので、製品の透明性やセルの品質を左右するたいへん重要である。
【0031】
自然エネルギーの太陽光発電システムは、近年、性能面・コスト面が飛躍的に進歩しメンテナンスが不要で、経済的、効率的エネルギー源として注目を浴びてきた。
現実、日本には、台風、地震、夏冬の温度差、など厳しい気象条件があり、外的要因による太陽電池の劣化は自然発生的に進行してしまう。太陽光業界では、発電能力維持のための点検作業が必要であるという認識が高まっており、ガラス製太陽光パネルの「メンテナンスフリー」という言葉は忘れ去られようとしている。
しかし現在でも起動していないガラス製太陽光パネルも多く、10年後にはとんでもない数量の粗大ごみが現実化することが確実とされている。ちなみに太陽光発電の数値計算は、日射量ポイント「東京都八王子市」で、真南向きで屋根角度30度(屋根勾配5.5寸~6寸の間くらい)という条件で行っている。
【0032】
日本は10年で消費電力量が12%減少している。年間電力量の追加が不要なことは、日本の消費電力量がこの10年、ほぼ右肩下がりで減っているという事実だけでも一目瞭然だろう。IEA(International Energy Agency、国際エネルギー機関)の資料によれば、2010年の日本の最終消費電力量は1123.75TWh。一方、2020年のそれは986.95TWhで、136.8TWh(約12%)も減った。
減った理由については、データに基づく分析がほとんど見当たらないが、景気の後退、工場の海外移転、そして省エネルギーが進んだからだと推察できる。仮に約8000万台ある日本の車両がすべてEVになって整理番号:221017 特願2022-169550 (Proof) 提出日:令和 4年10月23日 8も、現在の日本の年間消費電力量の15%を超えないという試算が専門家(例えば、産業技術総合研究所のKS氏など)によってなされている。
【0033】
屋根の上に、例えば定格能力4kWの太陽電池パネルを設置しても、4kWの出力が出るのは昼間のカンカン照りのときだけで、夜はゼロになる。日本の場合、太陽電池の年間平均設備利用率は実績で12%ぐらいと、とても小さい。
風力発電なども含め、このような自然エネルギー系発電の設備利用率は、いわずもがな自然条件で決まることになる。福島第一原子力発電所の定格能力470万kWは、設備利用率85%で年間発電電力量350億kWh。これを再生可能エネルギーに置き換える、という議論があるが、太陽電池を定格能力470万kW分を設置しても、実際の電力量(設備利用率12%)は49億4000万kWhにしかならない。
置き換えるには、3300万kW(約7倍)という膨大な設置面積の太陽電池が必要になる。また電力需給は、1~2分でも需給バランスが崩れると、電力の電圧や周波数が変わる。周波数依存で動いている機械はたくさんあって、1Hzでもずれると、運転継続が困難となる機械もあり、例えば繊維産業では製品にむらが発生するのである。
そのため発電所では、季節、天気、温度、曜日、時間など様々な要因で異なる瞬時の電力需要を予測しながら、周波数が一定に保たれるように運転している。例えば、平日のお昼休み時間は、工場の機械も休憩することが多く電力の需要が減るので、12時前になると発電量を抑制する準備をしながら、出力調整をしている。お昼時間が終わる前頃には、また発電量を上げる調整をするのだ。
太陽電池や風力発電のような自然条件で変動する再生可能エネルギーによる電力が大量に供給されると、このような発電所における需給バランスの運転も変動に合わせて調整が増えることを理解しておく必要がある。
太陽光発電は、光エネルギーから直接電気を作る太陽電池を利用した発電方式であり、太陽電池は、プラスを帯びやすいP型シリコン半導体とマイナスを帯びやすいN型シリコン半導体を張り合わせてある。
この2つの半導体の境目に光エネルギーが加わると、P型シリコン半導体はプラスになり、N型シリコン半導体はマイナスになる。乾電池と同じ状態になり電線をつなげば電気が流れ、光エネルギーがあたり続ければ電気は発生し続けることになる。
【0034】
太陽光発電は、年間のうちおおよそ13%の利用(発電)を見込むことができる。
つまり、約1MW(1,000kW)のソーラーパネルで発電される年間の発電量は(約1,000kW×24時間×365日)×13%=約1,138,800kWh)、一般家庭が年間に消費する電力量は平均で約3,600kWhであるから、約1MWのメガソーラー発電所が作る一年間分の電力量で、およそ316世帯分の年間使用電力量をまかなうことができることになる。
【0035】
ソーラーパネルは、太陽電池をたくさんつなげたものである。いちばん小さな単位を「セル」、そのセルを板状につなげたものを「モジュール」、とか「パネル」と呼んでいる。最近ではソーラーパネルを、一般家庭の屋根に設置することが増えてきた。また、効率良く大きな電力を生み出すために、休閑地など広い土地にたくさんのソーラーパネルを設置して大きな電力を生み出す、「メガソーラー」と呼ばれる太陽光発電施設も増えている。どのくらい発電できるとなると、例えば、土地2ヘクタールにおかれたソーラーパネルは約1MW(1,000kW)の定格出力の電力を生み出すことができるとされている。ただ、夜もあれば、曇りの日もあり、ずっと発電し続けることはできない。
【0036】
太陽光発電の「変換効率」とは、「太陽光パネルが太陽光エネルギーをどれくらい電気エネルギーに変換できるか?」を示している。もっと簡単に言うと、「太陽光からどのくらい電気を発電できるか」を表した数値である。変換効率が高いほど、同じ枚数の太陽光パネルを設置しても、より多くの電気を生み出せることになる。太陽光発電の変化効率を目指す指標として、「モジュール変換効率」と「セル変換効率」の2つがある。
【0037】
モジュール変換効率とは、太陽光パネル(太陽電池モジュール)の1平方メートルあたりの変換効率を表す指標である。太陽光パネルの発電能力を表す指標として一般的に使われるのがこの「モジュール変換効率」となる。モジュール変換効率は、以下の計算式で導き出すことができます。モジュール変換効率=(モジュール公称最大出力(W)×100)÷(モジュール面積(m2)×1000(W/m2))メーカーなどのカタログを見ていると、モジュール変換効率の他にセル変換効率という記載がある。セルとは太陽電池モジュールを構成している最小単位の構成部品であり、セル変換効率とは太陽電池セル1枚あたりの変換効率を表す指標である。セル変換効率は、セルを繋げた時の電気抵抗の影響を受けないため、モジュール変換効率に比べて数値が高くなる傾向にある。セル変換効率は、以下の計算式で導き出すことができる。
【0038】
結晶シリコン系太陽電池は、日本国内でのシェアが約8割近くにものぼる太陽電池モジュールで、製造方法によって「単結晶」「多結晶」「薄膜」に種類が分かれる。蓄電技術は日本は進んでいる。「単結晶」「多結晶」「薄膜」それぞれの変換効率は、
単結晶パネルの変換効率………20%程度
多結晶パネルの変換効率………15%程度
薄膜パネルの変換効率…………10%程度
化合物系太陽電池とは、CIS太陽電池とも呼ばれ、銅・インジウム・セレンという3種類の元素を組み合わせて作られた「化合物半導体」を使用している。コストがかかる結晶シリコン系太陽電池と比べると低コストで生産できるため、大量の太陽光パネルを設置する産業用太陽光発電などでCIS太陽電池が選ばれるケースもある。化合物系太陽電池は、変換効率は「15%」程度である。
また研究段階の太陽電池としては、有機系太陽電池がある。有機系太陽電池は、チオフェンやベンゼンといった有機化合物を使用した太陽電池で、「低コスト」、「軽くて薄い」、「柔らかく自由に折り曲げられる」などといったメリットがある反面、発電効率は「10%」程度とまだ低いのが課題となっている。
【0039】
太陽光の変換効率が左右される要因の一つに気温(高温)がある。太陽光パネルは、一般的に「高温に弱い」という性質があります。太陽光発電の変換効率を定める国際基準では、25度の環境で計測された数値を「変換効率」としてカタログなどに掲載している。そのため、気温が25度を超えると発電効率が下がり始め、1度ごとに約0.5%ほど発電量が低下していく。そして、30度を超える真夏になると、約30%程度も発電量が下がってしまう場合もある。こうした事情から、太陽光発電が最も発電できる季節は、日差しが強いけれど高温の夏場ではなく、気温が上がりきっていない5月頃とされている。また積雪については、太陽光パネルに雪が積もってしまうと、晴れていても太陽光がパネルまで届かないため、発電は行えなくなってしまう。
また、場合によっては太陽光パネルに雪の重さが加わり、屋根が重さに耐えきれずに破損してしまったり、太陽光パネルからの落雪に近隣住民が巻き込まれてしまうような危険性もある。降雪地域に太陽光パネルを設置する場合の対策としては、カナディアン・ソーラーなど雪対策が施されている太陽光パネルを選んだり、落雪防止の処置に気を配ったりすることが重要である。
台風・落雷などの天災によるシステムトラブル等で、太陽光発電の変換効率(発電効率)が下がってしまう(発電が行えなくなってしまう)ことがある。まず台風の場合、強風によって太陽光パネルが飛んでしまうことや、大雨によって太陽光パネルなどが水没してしまうといった事例が実際に発生している。太陽光パネルが飛ばされたり水没したりして破損すれば、当然発電は行えなくなる。塩害については、海岸からの距離が2キロ以内の場所は、塩害地域と呼ばれ、海の塩による影響を受けてしまう。太陽光発電においては、塩害対策を施していない太陽光パネルの場合、太陽光パネルの劣化やパワーコンディショナーなどの電子機器の破損に繋がるため、変化効率(発電量)も下がってしまう可能性がある。対策としては、塩害対策が施された太陽光パネルを設置する
のが最も確実である。
太陽光パネル表面の汚れや影としては、草木や雲の影、鳥の糞、落ち葉など、太陽光を遮るものが太陽光パネルの上にあると、発電効率が下がってしまう。また、こうした太陽電池モジュール表面の汚れ(影)が原因で、影になってしまったセルがパネル全体の電気の流れをせき止めて発熱する「ホットスポット」現象を引き起こし、最悪の場合火災になることもある。汚れや影による変換効率の低下を避けるためにも、太陽光パネルや周辺環境のメンテナンスは定期的に行わなければならない。本発明の再生可能なフィルム剥がしならば簡単である。
【0040】
太陽光発電は効率が悪い?再生可能エネルギーの効率の比較太陽光発電は、再生可能エネルギーの発電方式の中のひとつである。再生可能エネルギーの変換効率の比較
水力発電……………80%
風力発電……………25%
太陽光発電…………20%
地熱発電……………8%
バイオマス発電……1%
ご覧の通り、再生可能エネルギーの中では水力発電の変換効率(発電効率)が80%と、飛び抜けて高い数値になっている。太陽光発電は再生可能エネルギーの中では風力発電に次ぐ3番手となっており、全体の中では中程度の発電効率と言えよう。再生可能エネルギーの中で普及しているのは、圧倒的に太陽光発電である。これは、太陽光発電が一般家庭に設置されたり、比較的設置が容易であり利回りが高く実現性が高いことから投資の対象となっていたりするのが要因となっている。再生可能エネルギーの設置費用の比較それでは、太陽光発電が投資などに選ばれる理由は何か。ここでは、その理由を探るために、各再生可能エネルギーの設置費用を検証する。
1kWあたりの設置費用
太陽光発電…平均28.6万円(10kW以上のシステムの場合)
風力発電(陸上)…平均35.4万円
バイオマス発電…平均45.4万円
水力発電(200kW以上1,000kW未満)…平均127万円
地熱発電…平均170万円
調達価格等算定委員会「平成31年度以降の調達価格等に関する意見」
上記で分かる通り、太陽光発電は他の再生可能エネルギーと比べて1kWあたりの設置費用が低コストであることがわかる。その理由は、FIT(固定価格買取制度)などの導入によって、国が太陽光発電の普及を推進してきたことが挙げらる。
1kWあたりの設置費用バイオマス発電(2,000kW以上)………………32円
水力発電(200kW以上1,000kW未満)………29円
地熱発電(15,000kW以上)……………………26円
風力発電(陸上)…………………………………19円
太陽光発電(10kW以上)………………………14円
太陽光発電が選ばれる理由は設置費用の安さ
再生可能エネルギーの中では、太陽光発電の発電効率は3番手程度で、それほど高くない。にも関わらず、太陽光発電が家庭用や事業用、投資先などに選ばれているのは、設置費用の安さが理由と言える。
変換効率は、太陽光などのエネルギーをどれだけ電気に変換できるかを表した数値、太陽光発電の場合、現在のところ最も普及している結晶シリコン系太陽電池で20%程度であり、再生可能エネルギー全体で見てみると、太陽光発電の変換効率は全体の3番目程度となっており、決して高い訳ではない。それでも投資対象などに太陽光発電が選ばれるのは、ほかの再生可能エネルギー発電装置よりも設置が容易であり、設備費用が最も安いことより、産業用太陽光発電を設置した場合10%程度の利回りが確保できるためであった。
2025年のモジュール変換効率の目標
結晶シリコン………………………………25%
薄膜シリコン………………………………18%
CIS…………………………………………25%
有機系………………………………………15%
色素増感……………………………………15%
超高効率(化合物多接合集光型等)……40%
上記は太陽光発電の参考数値である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0041】
【特許文献1】出願 2011-168908 (2011/08/02) 公開 2013-033840 (2013/02/14) 国際特許分類(IPC): H01L31/042 太陽電池パネルの取付架台装置及びその設置方法出願人: 不二高圧コンクリート株式会社 発明者: 福島 司
【特許文献2】出願 2010-139444 (2010/06/18) 公開 2012-001152 (2012/01/05)国際特許分類(IPC): B63B35/00 H01L31/042 B63B25/00 B63J99/00 FI:B63B35/00 T H01L31/04 R B63B25/00 101Z B63B25/00 101K B63J5/00 A 太陽光発電パネル及びコンテナ船出願人:株式会社アイ・エイチ・アイ マリンユナイテッド 加藤 勝己
【特許文献3】出願 2010-013555 (2010/01/05) 公開 2014-103131 (2014/06/05) 国際特許分類(IPC): H01L31/042 F03D3/06 太陽光及び風力合体の発電装置出願人: 伸洋産業株式会社 発明者: 竹中 伸太郎
【特許文献4】出願 2013-254290 (2013/12/09) 公開 2015-115987 (2015/06/22)国際特許分類(IPC):H02J7/35 H01M12/06 H01M12/08 H01M10/44 H01M16/00 H01M10/42 FI: H02J7/35 H H01M12/06 E H01M12/08 K H01M12/08 A H01M12/06 G H01M10/44 再生可能エネルギ搬送再生方法出願人: 学校法人 中央大学 発明者: 國生 剛治, 江本 永二, 金川 護
【特許文献5】出願 2012-190320 (2012/08/30) 公開 2014-046940 (2014/03/17) 国際特許分類(IPC): B65D90/00 H01L31/042 太陽光パネル設置コンテナ出願人:ロハスホールディングス株式会社 発明者: 内田 俊一郎
【特許文献6】出願 2012-012098 (2012/01/24) 公開 2013-153008 (2013/08/08)国際特許分類(IPC): H01L31/042 可搬型太陽光発電装置出願人: 司電機産業株式 会社 発明者: 三好 國司, 三好 きよ子, 三好 里美
【特許文献7】出願 2010-062592 (2010/03/18) 公開 2011-198924 (2011/10/06) 国際特許分類(IPC): H01L31/042 太陽電池シート出願人: ソニー株式会社発明者:石橋 義人, 田島 茂, 吉村 司
【特許文献8】出願 2010-140404 (2010/06/21) 公開 2011-119643 (2011/06/16)国際特許分類(IPC): H01L31/042 落雪機能を備えた太陽光パネルユニットおよびこれを用いた太陽光発電装置出願人:株式会社アクアグレース 地方独立行政法人北海道立総合研究機構 苫米地 司
【特許文献9】出願 2014-015623 (2014/01/30) 公開 2015-140625 (2015/08/03) 国際特許分類(IPC): E01B2/00 H02S20/20 太陽光パネル据付台座、太陽光パネル設置装置、太陽光パネル設置構造、及び太陽光パネルの設置方法 出願人: 東日本旅客鉄道株式会社 日本電設工業株式会社 未来工業株式会社
【特許文献10】出願 2012-250738 (2012/11/14) 公開 2014-043763 (2014/03/13) 国際特許分類(IPC): E04H5/00 H01L31/042 太陽光パネル架台出願人: 大都技研株式会社 整理番号:221017 特願2022-169550 (Proof) 提出日:令和 4年10月23日 12
【特許文献11】出願 2013-033589 (2013/02/22) 公開 2014-163079 (2014/09/08) 国際特許分類(IPC): E04D13/00 E04D13/18 H01L31/042太陽光パネルの設置装置設置構造、支持体及び太陽光パネルの設置方法出願人: 未来工業株式会社
【非特許文献1】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える 太陽光パネルの構造と最先端リサイクル工程,技術について 著者 (2件): 加藤聡 (ガラス再資源化協議会) , 猪子兼行 (ガラス再資源化協議会) 資料名:生活と環境 (Life and Environment)
【非特許文献2】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える ホットナイフ技術の概要と排出太陽光パネルのリサイクル処理フローについて 著者 (1件): 伊藤雅文 (エヌ・ピー・シー)資料名: 生活と環境 (Life and Environment)
【非特許文献3】来るべき太陽光パネルの大量廃棄に備える 平成28年熊本地震により発生した廃太陽光パネルの処理フローと留意点
【非特許文献4】薄型軽量円形太陽光追跡装置 出願番号(国際出願番号):特願2010-127277公開番号(公開出願番号):特開2011-243934
【非特許文献5】小スケールの化学工学 風レンズ技術を用いたレンズ風車およびレンズ水車とそれらのクラスタ化 著者 (1件): 大屋裕二 (九大 応用力学研) 資料名:化学工学 (Chemical Engineering of Japan)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0042】
粗大ゴミ問題と土地利用の汎用性の回復。現在のガラス製太陽光パネルの長所は発電セルの蒸着、透明度の高さ、可変性の低さ、傷のつき難さであった。しかし億単位の粗大ごみとなる可能性の高く、重いため、ガラス製のためリサイクルが難しく、工事には鉄パイプ、鉄筋を用い、設置場所が屋根の場合設置も撤収も専門家を必要とし容易ではない。また設置場所は農地、空き地、屋上など将来転用したい目的が生まれても移転できず、まさに前時代的、コンクリート製の巨大仏像の如きシロモノである。
【0043】
このガラス製太陽光パネルの30年とも言われる耐用性を弱点と捉え、パーマネントからの15年リサイクル、リユ-スへと発想を転換し、1.軽い、2.たためる、3.丸められる、4.樹脂製、5.サイズは自在、5.移転が容易、6.いかなる屋根、平地、垂直な壁にも設置可能、7.水上、海上、例えば用水池、養魚場でも発電可能、8.発電効率が落ちた場合新品に交換し、旧部品は全て再利用可能、9.同じ発電量で比較した場合、製品コストも設置費も従来品の3分の1程度、10.災害時にはたちまち発電可能、11.SDG’sにも貢献、12.農業ハウスのカバ-でも利用可能である。
【課題を解決するための手段】
【0044】
当然ながら、先ずはメーカーの決定。その会社と、1.試作と使用テスト、特にセルと合成樹脂との貼合(てんごう)、プラスチック素材への蒸着技術と素材の開発或いは選定、2.合成樹脂素材の決定、exアクリル樹脂ポリメチルメタクリレート、シリコーン、3.コスト計算、4.発電量の計測、5..本発明品に対応する蓄電器、変電気開発、6.製品のバリュエイション開発と協力企業の開拓。
【発明の効果】
【0045】
日本が世界をリードするソフト太陽光パネル産業が生まれる。現在のガラス製太陽光発電と太陽光パネルは、中国勢、カナダ、アメリカ製品が市場を席捲、日本企業は周辺デバイスに留まっている。裾野の広い数百、数千の関連企業に及ぶ産業を興す可能性がある。化学品、電子部品、電機部品、電力、送電、建設、農業、不動産、機械、金型部品、弱電、浚渫、金属加工などが対象となる。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【
図1】
図1は、日射の性質、方向、角度に合わせて発電量が多くなるように表面パネルをプリズム、凹凸レンズを表面に施す。これは現状のソーラ-パネルに張り付けても利用できる。
【
図2】
図2は、樹脂製太陽光パネルモジュールを巻いたイメージ図である。
【
図3】
図3は、本発明のたためる太陽光パネルのイメージ図である。
【
図4】
図4は、パネル同士の接続はアコーディオン型も可能である。
【
図5】
図5は、太陽光パネルセルは細い棒状にして巻くことも可能である。
【
図7】
図7は、現状の廃棄されるガラス製太陽光パネルのセル部分。
【
図8】
図8は、中国R社の有機ELの曲がるディスプレイをつけたシャツ。
【
図9】
図9は、多結晶シリコンが太陽光発電モジュールに生まれ変わるまで。
【
図18】
図18は、台風や地震でズレ落ちた瓦屋根。ブルーシートがかけられている。
【
図21】
図21は、農業ハウスでも太陽光のW利用で発電と農業が同時にできる。
【
図23】
図23は、固定的な農地へのガラス製太陽光発電は食料増産の障害になる。
【
図25】
図25は、砂漠でも強い素材ですぐに発電し地下水をくみ上げ緑化に。
【
図26】
図26は、フレームに形状記憶合金をはめ込めば落葉やほこりがつき難い。
【
図27】
図27は、形状記憶のカタチも設置場所に応じて選ぶ。
【
図29】
図29は、折り畳み傘の太陽光発電ならキャンプや非常用電源に。
【
図30】
図30は、ハンカチ、タオルサイズの太陽光パネルモジュール。
【
図31】
図31は、これも太陽光発電モジュール。バッグサイズ。
【
図35】
図35は、巻き寿司の簀の子型のモジュールのイメージ図。
【
図36】
図36は、農地、荒れ地、砂漠などにはこのような作業車で敷設。
【
図37】
図37は、漁船の投網のように降ろすも巻くも機械で可能。
【
図38】
図38は、上空に伸びる立体型の太陽光パネルのイメージ図
【
図39】
図39は、狭い場所に置ける立体型のバネ状太陽光パネル
【
図42】
図42は、球型の発電セルをつなげた数珠つなぎ型パネル
【
図43】
図43は、小さな円筒形の発電セル、繋いで使用する。
【
図44】
図44は、吊るした干し柿は本発明のイメージに似ている。
【
図45】
図45は、船の錨に並んだ海鳥。本発明の形状と同じ。
【
図47】
図47は、クリスマスツリー型の紐型太陽光発電セル。
【
図49】
図49は、キャンプテントでも発電し電灯やスマホ充電可能。
【
図51】
図51は、本発明の理想形。巻ける日除け型太陽光パネル。
【発明を実施するための形態】
【0047】
軟らかい合成樹脂でできた薄くて軽い太陽光パネル、或いは縦3センチ以上横20センチ以上の板状の太陽光パネル、或いは直径1センチ以上の棒状の太陽光パネルをつなげて汎用性のある太陽電池を作りそれぞれの発電量を計測し用途を探る。
【実施例0048】
一般住宅の屋根に、樹脂製太陽光パネルを拡げ固定フックまたは固定バンドで固定し変電設備を用いて家庭用100ボルト交流電力に変換した電力量を旧来のガラス製太陽光発電システムと量産コスト、発電量、電気コストを比較する。
(引用)整理番号:221017 特願2022-169550 (Proof) 提出日:令和 4年10月23日 14/E
【実施例0049】
個人用バッグに入るハンカチ、タオルや折りたたみ傘の太陽光パネルを試作し発電量、折り曲げの耐久性、発電量、水滴、雨降り状態での負荷状態での発電能力をチェックする。同時に購買可能な価格の検討も行わねばならない。
【実施例0050】
海上使用を想定し、塩水、波浪、暴風への対策方法を試作する。太陽光パネルを浮き輪のようにつなげて発電したり、或いは木製の荷物用パレットにポリウレア樹脂のコーティングして浮体構造物としその上にエアーベッドにような透明の強化ビニール袋で包まれた海上太陽光発電を試作し、耐久性、強度、発電量、コストを検討する。同様に砂漠(地球上の20%、そのほとんどが高温、灼熱、塩分を含む大地、岩だらけの荒れ地が85%を占める、さらに砂の風、盗賊対策)も含めて試作品を作りテストする。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明は、大型の再生可能エネルギー発電案件(海上、砂漠、農地、テニスコート、工場空き地、工場の屋上など)から個人の住宅屋根、折り畳み傘、住宅屋上、ブラインド、壁、ハンカチまで、日の当たる場所ならどこでも使えるのが利点である。
従来のガラス太陽光パネルは重くて、衝撃に弱く、頭上から落下すれば大事故につながる危険性をはらんでいた。本発明は耐用性、長期の使用をある程度犠牲にし、その分リサイクルを可能にし、同時にコストダウンさせてト-タルの電気コストを下げるというものである。
【符号の説明】
【0052】
CIS太陽電池:CISは銅(Copper)、インジウム(Indium)、セレン(Selenium)を主な原料としたID社の独自技術で生産する太陽電池である。
【手続補正書】
【提出日】2023-01-13
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0046
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0046】
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図1】
図1は、日射の性質、方向、角度に合わせて発電量が多くなるように表面パネルをプリズム、凹凸レンズを表面に施す。これは現状のソーラ-パネルに張り付けても利用できる。
【
図2】
図2は、樹脂製太陽光パネルモジュールを巻いたイメージ図である。
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図3】
図3は、本発明のたためる太陽光パネルのイメージ図である。
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図4】
図4は、パネル同士の接続はアコーディオン型も可能である。
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図5】
図5は、太陽光パネルセルは細い棒状にして巻くことも可能である。
【
図7】
図7は、現状の廃棄されるガラス製太陽光パネルのセル部分。
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図8】
図8は、中国R社の有機ELの曲がるディスプレイをつけたシャツ。
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図9】
図9は、多結晶シリコンが太陽光発電モジュールに生まれ変わるまで。
【
図18】
図18は、台風や地震でズレ落ちた瓦屋根。ブルーシートがかけられている。
【
図21】
図21は、農業ハウスでも太陽光のW利用で発電と農業が同時にできる。
【
図23】
図23は、固定的な農地へのガラス製太陽光発電は食料増産の障害になる。
【
図25】
図25は、砂漠でも強い素材ですぐに発電し地下水をくみ上げ緑化に。
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図26】
図26は、フレームに形状記憶合金をはめ込めば落葉やほこりがつき難い。
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図27】
図27は、形状記憶のカタチも設置場所に応じて選ぶ。
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図29】
図29は、折り畳み傘の太陽光発電ならキャンプや非常用電源に。
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図30】
図30は、ハンカチ、タオルサイズの太陽光パネルモジュール。
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図31】
図31は、これも太陽光発電モジュール。バッグサイズ。
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図35】
図35は、巻き寿司の簀の子型のモジュールのイメージ図。
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図36】
図36は、農地、荒れ地、砂漠などにはこのような作業車で敷設。
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図37】
図37は、漁船の投網のように降ろすも巻くも機械で可能。
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図38】
図38は、上空に伸びる立体型の太陽光パネルのイメージ図
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図39】
図39は、狭い場所に置ける立体型のバネ状太陽光パネル
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図42】
図42は、球型の発電セルをつなげた数珠つなぎ型パネル
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図43】
図43は、小さな円筒形の発電セル、繋いで使用する。
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図44】
図44は、吊るした干し柿は本発明のイメージに似ている。
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図45】
図45は、船の錨に並んだ海鳥。本発明の形状と同じ。
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図47】
図47は、クリスマスツリー型の紐型太陽光発電セル。
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図49】
図49は、キャンプテントでも発電し電灯やスマホ充電可能。
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図51】
図51は、本発明の理想形。巻ける日除け型太陽光パネル。
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図52】
図52は、日射に応じて日除けと発電が可能なテント型パネル
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