(57)【要約】【課題】単結晶型の両面発電型の太陽電池パネルにおいて、裏面発電効率を向上させることが可能な太陽電池装置を提供すること。【解決手段】本発明の太陽電池装置は、拡散プリズムとロッドレンズアレーとを備え、拡散プリズムにより太陽散乱光を拡散反射させ、ロッドレンズアレーにより太陽直達光を反射させることで、複数の太陽電池パネルの裏面を均一に照射することができ、その結果、太陽電池パネルの裏面発電量を向上させることができる。【選択図】図１
2014036029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設置面に対して傾斜させて一方向に複数配置した両面発電型の太陽電池パネルと、
拡散プリズムとロッドレンズとが一方向に交互に複数配置され、かつ、前記設置面上に配設された光拡散部材と、を有する太陽電池装置において、
前記拡散プリズムは、前記太陽電池パネルの傾斜面の上端から前記設置面に延びる垂線と交差し、かつ、前記ロッドレンズは、前記太陽電池パネルの傾斜面の下端から前記設置面に延びる垂線と交差するように構成されてなること、
を特徴とする太陽電池装置。
【請求項２】
前記太陽電池パネルの傾斜角をθ、前記太陽電池パネルの設置場所での冬至９時ごろの太陽高度をφ１、前記太陽電池パネルの間隔をｗ、前記太陽電池パネルの傾斜方向の長さをｇとしたときに、
ｗ  ＞＝  ｇ×（ｓｉｎθ／ｔａｎφ１＋ｃｏｓθ）
となる、請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項３】
前記太陽電池パネルの傾斜角度は、１０度から９０度である、請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項４】
前記拡散プリズムの前記太陽電池パネルからはみ出し度合いｓ１は、前記太陽電池パネルの下端の高さをｈとしたとき、
０．１７×ｈ≦ｓ１≦０．８４×ｈ
となる、請求項１記載の太陽電池装置。
【請求項５】
前記ロッドレンズの前記太陽電池パネルへの入り込み度合いｓ２は、前記太陽電池パネルの下端の高さをｈ、前記太陽電池パネルの傾斜方向の長さをｇとしたとき、
ｈ≦ｓ２≦ｈ＋０．９８×ｇ
となる、請求項１記載の太陽電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を電気に変換する太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の単結晶型の太陽電池装置としては、太陽電池の表面および裏面に入射した光でも発電できる両面発電の太陽電池を用いた太陽電池装置が知られる（例えば、特許文献１参照）。図４は、特許文献１に記載された従来の太陽電池装置を示す図である。
【０００３】
図４において、太陽電池パネル１の間を通過した太陽光線は、設置面８で反射し、太陽電池パネル１の裏面を照射する。太陽電池パネル１の設置場所の緯度、太陽電池パネル１の間隔および太陽電池パネル１の角度により最適な太陽電池パネル１の高さを設定し、設置面８に設けた反射板で反射した光をできるたけ多く太陽電池パネル１の裏面に照射するようにしている。
【０００４】
また、従来の太陽電池装置として、両面発電の太陽電池パネルの間の底面に凹面鏡を配置しているものも知られる（例えば、特許文献２参照）。図５は、特許文献２に記載された従来の太陽電池装置を示す図である。
【０００５】
図５において、一定間隔で配列された太陽電池パネル２０の間に、反射鏡２１が同じ間隔で互いに接するように配置してある。また、太陽電池パネル２０の下端が反射鏡２１と接するようにして配置され、太陽電池パネル２０の間を通過した太陽光線を、反射鏡２１の凹面により反射させ、太陽電池パネル２０の裏面に照射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３３０５２３号公報
【特許文献２】特開平９−２９８３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、太陽電池パネルに照射される光について整理する。
【０００８】
太陽からの光は、大きく分けて２種類に分けられる。１つは、太陽からの直接の光である直達光であり、もう１つは、太陽の光が大気中の粒子に当たって散乱した散乱光である。前者の直達光は、季節・時刻により太陽光高度の変化と共に光線方位が変化する光であるが、後者の散乱光は、天空全体からほぼ一様な光線が照射され、季節・時刻で、光線方位がほとんど変化しない特性を持つ光である。
【０００９】
また、単結晶型の太陽電池では一般的に、複数の太陽電池セルを電気的に直列接続し、太陽電池パネルからの出力電圧を確保している。この時、一部の太陽電池セルに影が生じると、太陽電池パネル全体での出力電流が影が生じた太陽電池セルの出力電流で制限され、太陽光を有効に利用できないことになる。
【００１０】
上述の従来の太陽電池装置としての構成では、太陽からの直達光と散乱光を同じ特性の反射板で反射させ太陽電池パネル裏面へ照射させている。このため、例えば、直達光を最適化しようとすると拡散性の高い反射面を用い、光線方位の変化の影響を低減させなければならない。このため、散乱光に対しては、光拡が過剰となり、太陽電池パネルに到達する光線量が大幅に低下することになる。
【００１１】
他方、散乱光を最適化しようとすると、拡散性の低い反射面を用いるため、直達光に対しては光拡散が不足し、太陽電池パネルを均一に照射できず、単結晶型の太陽電池パネルにおいて、発電量の低下を招いてしまうという課題を有することになる。
【００１２】
そこで本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、両面発電型の太陽電池パネルにおいて、太陽電池パネルの裏面での発電量を向上させる太陽電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の太陽電池装置は、以下の特徴を有する。
【００１４】
〔１〕設置面に対して傾斜させて一方向に複数配置した両面発電型の太陽電池パネルと、拡散プリズムとロッドレンズとが一方向に交互に複数配置され、かつ、設置面上に配設された光拡散部材と、を有する太陽電池装置において、
拡散プリズムは、太陽電池パネルの傾斜面の上端から設置面に延びる垂線と交差し、かつ、ロッドレンズは、太陽電池パネルの傾斜面の下端から設置面に延びる垂線と交差するように構成される太陽電池装置である。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕の太陽電池装置において、太陽電池パネルの傾斜角をθ、太陽電池パネルの設置場所での冬至９時ごろの太陽高度をφ１、太陽電池パネルの間隔をｗ、太陽電池パネルの傾斜方向の長さをｇとしたとき、ｗ＞＝ｇ×（ｓｉｎθ／ｔａｎφ１＋ｃｏｓθ）としたもの。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕の太陽電池装置において、太陽電池パネルの傾斜角度は、１０度から９０度であるもの。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕の太陽電池装置において、拡散プリズムの太陽電池パネルからはみ出し度合いｓ１は、太陽電池パネルの下端の高さをｈとしたとき、「０．１７×ｈ＜ｓ１＜０．８４×ｈ」としたもの。
【００１８】
〔５〕上記〔１〕の太陽電池装置において、ロッドレンズの太陽電池パネルへの入り込み度合いｓ２は、太陽電池パネルの下端の高さをｈ、太陽電池パネルの傾斜方向の長さをｇとしたとき、「ｈ≦ｓ２≦ｈ＋０．９８×ｇ」としたもの。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の太陽電池装置によれば、太陽光の散乱光を拡散プリズムにより拡散反射させ、更に太陽光の直達光をロッドレンズアレーにより、太陽高度によらず均一に拡散させて、太陽電池パネルの裏面を均一に照射することで、両面発電太陽電池パネル裏面発電量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における太陽電池装置の模式図
【図２】本発明の実施の形態１における拡散プリズムへの光線図
【図３】本発明の実施の形態１におけるロッドレンズへの光線図
【図４】特許文献１に記載された従来の太陽電池装置の構成を示す図
【図５】特許文献２に記載された従来の太陽電池装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における太陽電池装置の模式図である。
【００２３】
図１において、１は、表側と裏側の両面で発電が可能な単結晶型の太陽電池パネルである。この太陽電池パネル１は、透明なガラス、或いは、樹脂のプレートで挟み込まれ、内部に光を電気に変換する複数の太陽電池セルから構成され、太陽電池セルを電気的に直列接続することで、必要な電圧と電流が得ている。太陽電池パネル１の表面が南側で冬至から夏至の平均的な太陽方向に対して垂直に近い角度で配置される。
【００２４】
太陽電池パネル１と太陽電池パネル１との間隔は、冬至の午前９時ごろの太陽高度で前方の太陽電池パネル１による影が後方の太陽電池パネル１にかからないような距離で配置される。太陽電池パネル１の傾斜角をθ、冬至９時ごろの太陽高度をφ１、太陽電池パネル１の間隔をｗ、太陽電池パネルの傾斜方向の長さをｇ、とすると、太陽電池パネルに影が掛からない条件は、図１より、
【００２５】
【数１】
2014036029.tif 000003
で与えられる。
【００２６】
例えば、北緯３５度では、冬至９時ごろの太陽高度φ１は約２２度であり、太陽電池パネル１の傾斜角θを３０度、太陽電池パネル１の傾斜方向の長さｇを１．６ｍとすると、太陽電池パネル間の距離ｗは約３．４ｍとなる。また、図１の紙面奥行き方向には、十分な数の太陽電池パネル１が配置されているとする。太陽電池パネル１は、図示されない架台によって設置面８の上に配置される。
【００２７】
２は、拡散プリズムである。拡散プリズム２は、設置面８上に配置され、太陽電池パネル１の直下で、太陽からの直達光が届きにくい位置にあり、太陽からの散乱光を入射し、太陽電池パネル１の裏面に均一に照射する光学部材である。
【００２８】
拡散プリズム２の斜面方向が紙面内であり、紙面奥行き方向に断面が一様になるように配置されている。拡散面の拡散係数は、一般的にはランバート分布と呼ばれる均一な分布を有する。このランバート分布では、拡散面からの射出光強度は、拡散面の法線方向からの射出光線角をθとすると、ｃｏｓθで表される。拡散面の指向性は、（ｃｏｓθ）nで表され、係数ｎが大きいほど指向性が高くなる。
【００２９】
拡散面の指向性は、指向性がないと光利用効率が悪くなる。また拡散面２の指向性が非常に高いとき、すなわち、鏡面のときには、太陽電池パネル１の裏面での照度ムラが生じ、また、太陽の直達光による正反射で、隣接家屋に直接太陽光が入るため好ましくない。よって、ｎ＝２から５０程度の拡散性を持たせるのが良い。
【００３０】
また、拡散プリズム２は、プリズム面が拡散性を持つ材質で、高い反射率を有する。例えば、酸化チタン、硫酸バリウム、或いは、透明樹脂に微細な空気の粒を混入したもの、或いは、太陽光スペクトル帯域で高い反射率をもつ塗膜をプリズム面に形成したものなどが挙げられる。そして拡散プリズム２は、春分あるいは秋分の正午での太陽位置で太陽電池パネル１の影になる部分に配置される。北緯３５度では、太陽高度φ２はほぼ５５度となり、太陽電池パネル下端の直下より太陽電池パネル１内側方向へｓ２からｓ１の位置に配置される。
【００３１】
ｓ１は、拡散プリズム２の太陽電池パネル１からはみ出し度合いであり、ｓ２は、ロッドレンズ５の太陽電池パネル１への入り込み度合いであり、ｈを太陽電池パネル１の下端の高さとすると、
【００３２】
【数２】
2014036029.tif 000004
【００３３】
【数３】
2014036029.tif 000005
で表せる。
【００３４】
３は、ロッドレンズアレーであり、設置面８上に配置され、主に太陽からの直達光を入射すると共に、拡散させた光を反射し、太陽電池パネル１の裏面に均一に照射するロッドレンズ５（後述）の集合体である。
【００３５】
ロッドレンズアレー３は、ロッドレンズ５を紙面内に設置面８にほぼ平行となるように配列し、紙面奥行き方向には、同様に太陽電池パネル１と同じ長さだけ配置したものである。ロッドレンズ５の中心軸方向は、ほぼ太陽電池パネル１の裏面中心方向を向くように配置される。ロッドレンズ５と設置面８との間には、反射板４が配置され、反射板４とロッドレンズ５の中心軸とはほぼ垂直となるように配置する。ロッドレンズ５は、入射側および射出側の面が正方形であり、太陽電池パネル１側の面の方が、反射板４側の面より大きくなるように配置され、側面がテーパー状に細くなるように形成されている。
【００３６】
４は、ロッドレンズアレー３の背面に設置された反射板であり、各ロッドレンズ５の中心軸に垂直に配置され、ロッドレンズ５からの射出光を反射し、再びロッドレンズ５に戻す部材である。ロッドレンズ間は、隙間ができないように、図１の紙面内でほぼ９０度に折り曲げた蛇腹状の断面形状となる。反射面は、反射率の高い反射面であり、鏡面或いは、拡散性の低い拡散面である。鏡面の場合には、材質は、アルミや銀などの高反射率の材質が好適であり、拡散面の場合には、鏡面にサンドブラストさせて光拡散効果を持たせたのもや、鏡面上に細かなガラスなどの透明ビーズを透明接着剤に混ぜて接着し、光拡散効果を持たせたもの、更に、ＰＥＴ樹脂のなかに微細な気泡を含ませ光拡散効果を持たせたものであると良い。
【００３７】
５は、上述した通り、ロッドレンズであり、中心軸に垂直な断面形状は正方形状で、中心軸方向にテーパー形状となっている。ロッドレンズ５の材質は、太陽光に対する透過率が高い材料、例えば、ガラスやアクリル、ポリカーボネイトなどの樹脂であり、表面に反射防止コーティングがなされている。
【００３８】
８は、太陽電池パネル１を設置する設置面であり、建物の屋根、或いは、地面のほぼ水平な平坦面である。
【００３９】
このようにして構成された太陽電池装置において、その動作について説明する。
【００４０】
太陽電池パネル１の間を通過した太陽からの散乱光は、主に拡散プリズム２に入射する。図２は拡散プリズム２での光線反射の状態を示す図である。
【００４１】
拡散プリズム２上の１点Ａについて、天空からは、６ａから６ｂの範囲の一様な強度の散乱光線が入射する。方位６ａから６ｂの角度をη１とし、中心角方向を１１とする。点Ａからの太陽電池パネル１を見たときの角度範囲をη２とし、中心角方向を１２とすると、方向１１と方向１２の中心角方向１３を点Ａにおけるプリズム面の法線方向とすることにより、均一な分布の散乱光を太陽電池パネル１へ照射することができる。η１＞η２のときは、光線の散乱性が高いので、プリズム面の拡散性は小さく、鏡面に近い面でよい。また、η１＜η２のときは、太陽電池パネル１の裏面全面へ光を広げるために、プリズム面の拡散性を高くすればよい。
【００４２】
拡散プリズム２には、２つの斜面があるが、点Ａのある斜面では、直上の太陽電池パネル１の左側から光を入射し直上の太陽電池パネル１の裏面に反射光が向くようにし、拡散プリズム２のもう１つの斜面には、直上の太陽電池パネル１の右側からの光を入射し直上の太陽電池パネル１の右側の太陽電池パネル１の裏面に反射光が向くようにする。
【００４３】
拡散プリズム２での光の反射は、入射光線自体が天空からのほぼ均一な散乱光であるので、プリズム反射面の拡散性は低くても良く、拡散プリズム２では、拡散プリズム２上の１点から太陽電池パネル１間を通してみたときの光線角η１を太陽電池パネル１の裏面へ方向を変えることが主な働きとなる。
【００４４】
図３はロッドレンズアイレー３での光線反射の状態を示す図である。
【００４５】
図３（１）において、太陽電池パネル１の間を通過した太陽からの直達光は、主にロッドレンズアレー３に入射する。図３（２）にロッドレンズ５への光線入射を示す。ロッドレンズ５の入射面に対し角度を持った光線が入射すると、ロッドレンズ５の側面で反射し、全反射角を越えた光線の一部をロッドレンズ５の外部に射出し、残りは側面で正反射してロッドレンズ５内部を進む。
【００４６】
ロッドレンズ５の側面はテーパー状になっているため、反射のたびにロッドレンズ５の側面に対する光線の角度が大きくなり、光線は側面より外部に出る。ロッドレンズ５の側面からの射出光は、側面の法線方向に対して非常に大きな角度を有する。すなわち、ロッドレンズ５の側面に平行に近い方向に光を射出する。
【００４７】
ロッドレンズ５では、その内部で複数回の反射が行われつつ、少しずつロッドレンズ５の側面より射出するため、ロッドレンズ５より射出される光線の角度分布は、ロッドレンズ５中心軸に対して対称に近くなり、入射光線の方位の偏りの影響を大幅に低減できる。
【００４８】
ロッドレンズ５を射出した光線は、反射板４で反射し、再びロッドレンズ５に入射される。図３（３）に反射板４から太陽電池パネル１への光線状態を示す。拡散板４で拡散された光はロッドレンズ５に入射し、再びロッドレンズ５の側面で反射をしながら太陽電池パネル１と対面する面より射出される。反射板４側から見たときのロッドレンズ５は、広がる方向にテーパーを有する形状となっているので、ロッドレンズ５により光は、若干、平行光化され、ロッドレンズ５の中心軸方向への指向性が強くなる。ロッドレンズ５の中心軸は、太陽電池パネル１方向に向けて配置されているため、ロッドレンズ５の射出光により太陽電池パネル１へ効率よく光を照射できる。
【００４９】
季節および時刻による太陽高度の変化で、太陽からの直達光の方向が変わった場合でも、ロッドレンズ５を用いることにより、ロッドレンズ５の内部での複数回の反射により光が拡散されるためロッドレンズ５を通ったあとの光では、その角度分布が太陽方位の影響をほとんど受けなくなり、太陽高度変化による太陽電池パネル１の裏面への照射分布の偏りを防ぐことができる。
【００５０】
単結晶型の太陽電池で直列接続された太陽電池セル群で、各セル間に受光光量に差があると、光量の最も少ないセルでの出力電流で太陽電池パネル１全体での出力電流が制限されるため、太陽光を有効に利用できない。従って、ロッドレンズ５を用い、太陽直達光の高度の変化による太陽電池パネル裏面への光強度分布ができることを防ぐことにより、太陽光発電を効率よく行うことができる。
【００５１】
以上のように、太陽の散乱光を拡散プリズム２により拡散反射させ、更に、太陽光の直達光をロッドレンズアレー３により太陽高度によらず均一に拡散させて、太陽電池パネル１の裏面を均一に照射することにより、散乱光と直達光それぞれについて最適な光拡散をさせることで、効率よく太陽電池パネル裏面へ光を照射することができ、両面発電太陽電池パネルの発電量を向上させることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態において、太陽からの直達光を受ける部分にロッドレンズアレー３を配置したが、光効率は若干低下するものの、拡散性の大きな拡散面、或いは、拡散プリズム２を配置してもよい。また、上述の実施の形態では、設置面８は平坦面としたが、雨水等の排水のため、若干の傾斜、或いは、曲面形状をつけてもよい。また、上述の実施の形態では、ロッドレンズアレー３を設置面８に平行に配置したが、傾斜させて配置してもよい。
【００５３】
なお、太陽電池パネルの裏面への光効率が若干低下するが、ロッドレンズアレー３の代わりに拡散プリズム２を全面に配置してもよい。また、本実施の形態では、ロッドレンズ５は断面を正方形としたが、長方形でも構わない。更に、光利用率は若干低下するが、円形断面としてもよい。
【００５４】
また、上述の実施の形態では、ロッドレンズ５は、太陽電池パネル１側から反射板４側にかけて細くなるように設定したが、逆方向に設置してもかまわない。但し、逆方向に設置することで、凹凸の大きな面が上側になるため、雨などに含まれるごみ汚れ等が付着しやすくなる場合もある。
【００５５】
なお、拡散プリズム２は、プリズム１つ１つの角度を最適な値にしても良いが、拡散プリズム２の製作を簡単化するため、若干光効率は低下するものの、複数個のまとまりで角度を設定してもよい。また、本実施の形態では、拡散プリズム２、ロッドレンズアレー３を設置面８に密着するように配置する実施例を示したが、別途、平坦な基板材を用い設置面８から離して基板材を配置し、その上に拡散プリズム２、ロッドレンズアレーを配置してもよい。このとき、拡散プリズム、ロッドレンズアレーの表面には、汚れ防止のため、撥水性のコーティング、あるいは、光触媒タイプの防汚コーティングを施してもよい。
【００５６】
また、上述の実施の形態では、太陽電池パネル１の傾斜角を３０度としたが、１０度から９０度の範囲で設定してもよい。但し、傾斜角が小さくなると、太陽電池パネル１の裏面への光が取り込みにくくなる。このとき、ｓ２は、「ｓ２＝（ｈ＋ｇ×ｃｏｓθ）」であるので、
【００５７】
【数４】
2014036029.tif 000006
となる。なお、太陽電池パネル１での直達光による影の影響が大きな角度φ２として、春分あるいは秋分の正午での太陽位置での太陽高度としたが、夏至での太陽高度と、春分あるいは秋分での太陽高度の間、すなわち、８０度から５０度の範囲でφ２を設定してもよい。このとき、ｓ１は、「ｓ１＝ｈ／ｔａｎφ２」であるので、
【００５８】
【数５】
2014036029.tif 000007
となる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の太陽電池装置は、太陽光の散乱光を拡散プリズムにより拡散反射させ、さらに太陽光の直達光をロッドレンズアレーにより太陽高度によらず均一に拡散させて、太陽電池パネルの裏面を均一に照射することで、両面発電太陽電池パネル裏面発電量を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１，２０  太陽電池パネル
２  拡散プリズム
３  ロッドレンズアレー
４  反射板
８  設置面
【図１】
2014036029.tif 000008
【図２】
2014036029.tif 000009
【図３】
2014036029.tif 000010
【図４】
2014036029.tif 000011
【図５】
2014036029.tif 000012