成果報告書詳細
管理番号20150000000095
タイトル平成23年度ー平成26年度成果報告書 太陽エネルギー技術研究開発 革新的太陽光発電技術研究開発(革新型太陽電池国際研究拠点整備事業) 高効率集光型太陽電池セル、モジュール及びシステムの開発(日EU共同開発) 高効率集光型太陽電池モジュールの開発と集光型太陽光発電システムの実証(WP5)
公開日2016/4/22
報告書年度2011 - 2014
委託先名大同特殊鋼株式会社
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約集光型太陽光発電モジュール、システムの開発を、日欧共同で実施した。実用的な観点からは、単に性能(発電効率)を追求するのではなく、設置や組み立てに必要な許容精度を広く確保できること、標準試験条件だけではなく実際の屋外の気象条件で高い発電性能が得られることも等しく重要であり、これらを考慮したバランスのよい開発を目指した。
集光モジュール・システムにとっては発電素子(セル)だけでなく、集光光学系も重要な要素部品となる。本開発には設計を欧州が担当し、日本のものづくり技術により実現させることとした。モジュール化についても同じく日本が行うが、許容精度評価など計測技術開発は欧州が行った。また、これを搭載する発電システムについては、逆に日本側が設計技術開発を行い、追尾架台を含めたシステムの実現については欧州が実施した。いわば、日欧が互いの得意分野を分担し、補完しつつ、一つのシステムを作り上げるといった高度な協力関係が構築された。
例を挙げる。レンズや2次光学系については、最初に欧州側から提示された設計は光学的には最新の理論に基づいた精緻な設計であったが製作は不可能であった。何度も欧州側と議論と設計変更を重ね、最終的に光学シミュレーションで予測された通りの性能の光学系を実現できた。モジュール化の過程では新型光学系のアライメントをどうとるかが課題となったが、欧州側が開発した評価計測技術により、試作改良を行い、最終的に目標通りの光学性能を実現させた。
最終的に、37.7 %セルを用いた53台(計16 kW)の中量試作で平均効率31.3 %が得られた。これは、プロジェクト全体の開発目標である45 %セルを用いた場合、37.8 %のモジュール効率に相当し、開発目標を達成することができた。また、1,000倍といった高い幾何学的集光倍率であるにもかかわらず、±1°の広い許容精度と、わずか1 %(標準偏差)の発電出力バラツキといった安定した性能が得られ、実用的な観点からも十分満足できる結果が得られた。
本モジュールを搭載した15 kWシステムを欧州側が評価した結果、標準動作条件での平均効率として27.8%が得られた。これまで論文などで発表されているシステムでの効率としては27 %が最高であり、本成果はこれを上回るものであった。
上記の他に宮崎大学と共同で、実際の発電システムの発電量を下げる要因となる様々な課題に取り組んだ。たとえば、放熱技術や防汚技術であり、同じく欧州で50 kW試験発電プラントを用いて効果を確認した。防汚コーティングについては劣化したものも見られたが、放熱技術については効果が確認された。
このほかにも、集光モジュール、システムの評価技術開発のため、さまざまな特殊モジュールを試作し、日欧の研究機関に供給した。
英文要約Title: Ultra-high efficiency concentration photovoltaic’s (CPV) cells, modules and systems. EU- Japan Coordinated Call
A new generation of concentrator photovoltaic cells, modules and systems (NGCPV) (FY2011-FY2014)
Research and development of concentrator photovoltaic (CPV) module and system was done by collaboration between Japan and EU. It was targeted to develop practical module and system enhancing assemble and tracking tolerance, and outdoor system performance.
Concentrator optics are important components to CPV module and system. Optical design was done by EU side and realization was done by Japan side utilizing domestic manufacturing technology. Development of CPV module was done by Japan side, and evaluation technology including optical tolerance measurement was done by EU side. The system integration including trackers was done by EU side with support of designing technology in Japan side. In other words, highly integrated R&D relationship was established complementing each other between Japan and EU.
For example, the first design of the optics presented by EU side was excellent and sophisticated but “impossible to make”. After successive discussions and re-design, a practical optical design was presented by EU side with some challenges in realization. After product development in Japan side, really excellent optics that achieves high performance and wide acceptance tolerance as it was anticipated by optical simulation has been realized. In the module process, one of the challenges was optical alignment. It was solved by the help of EU’s new invention of practical alignment evaluation.
Finally, 31.3 % of average efficiency from 53 prototype modules (16 kW) were obtained using 37.7 % (measured by AIST) commercial cells. Applying 45 % cell efficiency that was the target of the cell efficiency in the project, it will correspond to 37.8 % of module efficiency and it will be higher than the target of module efficiency (35 %).
As large as plus or minus 1 degree of acceptance angle and as narrow as 1 % of output variance (standard deviation) were achieved in spite of as high as 1000 X concentration ratio. These are important achievement in practicality.
A 15 kW system was constructed in EU side using these modules. The average system efficiency (standard operating condition) was 27.8 %. The highest efficiency that was found in the academic papers was 27 % and our achievement has exceeded that.
In addition to that various improvements were studied with University of Miyazaki in outdoor performance, including anti-soiling coating and heat radiation. These new technologies were tested in the 50 kW CPV test power generation plant built in EU.
Various special modules were fabricated and provided to research institutes both in Japan and EU and contributed to the development of evaluation technology in CPV.
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