論 文 内 容 の 要 旨 氏 名 岡本 和也 近 年，地 球 温 暖 化 ，埋 蔵 資 源の 枯 渇 ，環 境問 題 の 対応 策 の 1 つ とし て 太 陽熱 利 用 ，太 陽光 発 電 など の 太 陽 エ ネ ル ギ 利 用技 術 の 普 及 促 進 が 喫 緊の 課 題 と な っ て お り ，世 界 各 国 で 研 究開 発 と 導入 が 進 め ら れ て い る ． PV セ ル の変 換 効 率 は 年 々 向上 し て お り ， 現 時 点 で最 も 効 率 が 高 い 実 用 PV セル は 多 接合 PV セ ル で あり ，シ リ コ ン 単 接合 の 理 論 変 換 効 率 (非集 光 時 )が 29%に 対 し て ，3 接 合 PV セ ル で は 45%と な っ てお り ， 現在 の 最 高 変 換 効 率 は 37.9%であ る ． ま た ， 多接 合 PV セル は 集 光 を 行 うこ と で 単 位 面 積 当 た りに 入 射 す る 光 子 数 が 増加 す る こ と で 電 子 お よび 正 孔 の 擬 フ ェル ミ 準 位の 差 が 広 が る こ と か ら太 陽 電 池 の 起 電 力 が 増加 し ， 変 換 効 率 が 向 上す る 特 性 が あ り， 集 光 時の 理 論 変 換 効 率 は 3 接 合 の 500 倍 集 光 時 で 57.3%，多 接 合 の 集 光 限界 で は 約 75％ で あ り ，現 在 の 最 高 変 換 効 率 は 44.7%と な っ て い る ．し か し ， 高 効 率 な 多 接合 PV セ ル は 高価 で あ るこ と か ら ， 通 常 の 太 陽電 池 モ ジ ュ ー ル の よ うに 大 面 積 化 す る こ と が困 難 で あ る ． そこ で ， ミ ラ ー や レ ン ズ な ど の 比 較 的 安 価 な 材 料 を 用 い て 製 作 し た 集 光 器 (Concentrator)を 用 い る こ とで ， 太 陽 光 を 集 光 し ，且 つ PV セ ル 面 積 を 減ら し ， 高 効 率 化 ・ 低 コス ト 化 が 進 め られ て い る． こ れ ま で 主 に 集 光 倍 率 が 500 倍 前 後 の 集 光 器 を 有 す る 高 集 光 倍 率 の 集 光 型 太 陽 光 発 電 (Concentrating Photovoltaics あ る い は Concentrator Photovoltaics: CPV)シス テ ム の 開 発 が 進 めら れ て き た ． し か し ，高 倍 率 の 集 光 器 を 用 い た CPV シ ス テ ム は その 性 質 上 ， 高 精度 の 太 陽追 尾 架 台 が 必 要 と な り， 高 コ ス ト に な る 傾 向が あ る ． ま た ， 複 数 の架 台 を 設 置 す る場 合 に はモ ジ ュ ー ル 同 士 の 影 の影 響 を 抑 え て シ ス テ ム利 用 率 を 高 く す る た めに 架 台 間 の 間 隔を あ け る必 要 で あ り ， 通 常 の PV シス テ ム よ り 土 地 利用 率 が 低 く な る 傾 向 があ る ． ま た ， CPV シ ス テム に 限 ら ず 太 陽 光 発 電は 設 置 場 所 ・ 設 置 条 件の 変 化 に よ り 発 電 量 が大 き く 異 な る が， CPV シ ス テム に お け る こ れ らの 関 係 は 明 確 で は な く，そ の ため ，設 計 段 階で 架 台 の 設 置 間隔 と ， 単位 モ ジ ュ ー ル 面 積 当 たり の 発 電 量 ， 単 位 敷 地面 積 当 た り の 発 電 量 など と の 関 係 を 定量 的 に 把握 す る こ と は 有 意 義 であ る ． 他 方 ，CPV シ ステ ム は 年 間 日射 量 に 占 め る 散 乱 光 の割 合 が 大 き い 非 サ ン ベル ト 地 域 で の優 位 性 は低 く ， 普 及 し て い な い． そ の 原 因 は ， 高 倍 率に な る ほ ど 集 光 器 の 許容 角 が 狭 く な り， 散 乱 光 を PV セル に 集 光 で きな い こ と に あ る ．も し ，散乱 光 か ら も 発 電 す る CPV シス テ ム が あ れ ば， 今 後 ， 日 本 の よ う な非 サ ン ベ ル ト 地 域 に おい て 発 電 量 を 最 大 化 でき る CPV シ ステ ム と なり 得 る ． こ れ は 我 が 国の エ ネ ル ギ ー セ キ ュ リテ ィ の 観 点 か ら も 重 要で あ る ． 上 記 の点 に 加 え て ， 従 来 CPV シ ス テ ムの 問 題 点 を まと め る と 以 下 の よ う にな る ． ① フレネルレンズなどの古典的な構造と設計手法の光学系は，集光性能などにおいて頭 打 ち にな っ て い る ．CPV シ ス テ ムの 更 な る 高 性 能 化の た め に は ，光 学 系 のブ レ ー クス ル ー が必 要 で あ る ． 1 ② 従 来 の CPV は 集光 器 と し て レン ズ を 用 い，架 台 に はペ デ ス タ ル 方 式 の 追 尾架 台 を 用 い る タ イプ が 多 く ，CPV の 適 用箇 所 を 拡 大 す る た め には ，CPV シ ス テ ム の 多様 化 が 求 め ら れ てい る ． ③ 集 光 系を 含 む モ ジ ュ ー ル の 生産 性 向 上 に よ る 低 コ スト 化 の 検 討 が 必 要 で ある ． ④ 高 倍 率 の CPV では ，散 乱 光 から 全 く 発 電 で き な い こと か ら 年 間 日 射 量 に 占め る 散 乱光 の 割 合が 大 き い 日 本 の よ う な非 サ ン ベ ル ト 地 域 に おい て 優 位 性 が 低 い ． ⑤ 複数の架台を設置する場合，モジュール同士の影を低減するために架台の設置間隔 を 広めに設定するため，土地利用率が低くなる．これは設置場所，気象条件等を考慮し た 設 計段 階 で の 発 電 量 予 想 がな さ れ て い な い た め であ る ． そ こ で本 研 究 で は ， 上 記 の ①〜 ⑤ の 技 術 課 題 に 対 して ， そ れ ぞ れ 以 下 の よう に ア プ ロ ーチ し ， 工業 上 有 益 な 知 見 を 得 てい る ． ① 新 規 機能 性 材 料 で あ る 負 の 屈折 率 材 料 を CPV の 集 光系 に 導 入 す る こ と で，レ ン ズ 高さ を 約 半分 ， 許 容 入 射 角 を約 1.8 倍に で き ， さ ら に ，レ ン ズ 材 料 の 屈 折 率 の波 長 分 散に よ る 光学 的 効 率 の 低 下 を 抑 制で き る 可 能 性 を 示 し た． ② 平 坦 な屋 上 面 な ど に 設 置 し やす い ロ ー プ ロ フ ァ イ ル の CPV シス テ ム と し て，Off-Axis ミ ラ ー 集 光 器 と カ ル ー セ ル 方 式 の 追 尾 架 台 を 組 み 合 わ せ た 新 規 CPV シ ス テ ム の 試 験 検 証 を行 っ た ．本 新 規 CPV シ ス テム の 試 験 検 証 に より ，集 光 倍 率が 同 程 度の レ ン ズ 集 光 系 に較 べ て ， よ り 薄 型 で ，よ り 許 容 入 射 角 の 大 きい 集 光 器 を 実 現 で き た． ③ す で に大 量 生 産 技 術 と し て 確立 し て い る LED パ ッ ケー ジ ン グ 技 術 を 適 用で き ，且 つ高 性能な集光系を設計し，高性能な集光器として，自由曲面を持つ集光器の設計解析と 試 験 検証 を 行 っ た ． ④ 散 乱 光を 低 コ ス ト の PV セ ル で 捕集 す る 散 乱 光 活 用 型 CPV のコ ン セ プ ト（ 以 下 ，CPV+ と表現する）を新たに提案し，理論予測と試作モジュールによる試験検証を行った． 散 乱 光を 全 く 活 用 で き な い 従 来 CPV モジ ュ ー ル に 対す る 発 電 量 の 増 加 割 合は ，試 作モ ジ ュ ール で 理 論 予 測 と 良 く 一致 し た ．CPV+モ ジ ュ ール で は ，散 乱 光 か ら 得ら れ る 発電 電 力 は散 乱 比 が 0.30 ~ 0.55 の 条 件 で ピ ー ク が 得 られ た ．こ の 散 乱 比 は 世界 の 大 多数 の 都 市部 に お け る 日 射 条 件 に適 合 し て い る ． ⑤ 更 に ，こ の CPV+シ ス テ ム につ い て 光 学 設 計 解 析 ，熱解 析 ，電 気 解 析 ，追 尾誤 差 解 析， 影ロス解析を組み合わせることでセル・モジュール設計の段階からプラントレベ ルの 発電量予想まで行う包括的設計を行った．モジュール間隔を東西および南北方向にピ ッ チ 1.5 で 配 置 する こ と で 固定 非 集 光 型 PV シ ス テム に 比 べ 2.3 倍 の 発 電量 が 得 ら れ る と 予 想さ れ る ． いずれの結果も, 研究開発および実用化が進む太陽光発電分野において，産業上有益なも の と なっ た ． 2
© Copyright 2024 Paperzz
