(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽追尾不要の集光型太陽電池を提供する。【解決手段】鉢状の曲面を有した回転体形状の反射鏡筒３と球体レンズ４と太陽電池セル５で構成される集光型太陽電池において、反射鏡筒３の光線入射部に凸状の集光機能を有する透明樹脂２が形成され、透明樹脂は反射鏡筒３にも充填され、反射鏡筒３の光線出射部には球体レンズ４、乃至は球体状の透明樹脂が形成され、球体レンズ４、乃至は球体状の透明樹脂から光線出射される側には断面が矩形の反射鏡筒が形成され、矩形の断面積と略同等の太陽電池セル５が矩形の反射鏡筒の下方に配置されたことを特徴とする。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
鉢状の曲面を有した回転体形状の反射鏡筒と球体レンズと太陽電池セルで構成される集光型太陽電池において、前記反射鏡筒の光線入射部に凸状の集光機能を有する透明樹脂が形成され、前記透明樹脂は反射鏡筒にも充填され、前記反射鏡筒の光線出射部には球体レンズ、乃至は球体状の透明樹脂が形成され、前記球体レンズ、乃至は球体状の透明樹脂から光線出射される側には断面が矩形の反射鏡筒が形成され、矩形の断面積と略同等の太陽電池セルが矩形の反射鏡筒の下方に配置されたことを特徴とする集光型太陽電池。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、太陽追尾不要の集光型太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】  太陽電池にはエネルギー変換効率は低いが低価格を狙ったものと、エネルギー変換効率は高いが高価なものがある。集光型太陽電池は集光機構と太陽追尾機構が必要になるので基本的に高価となり、エネルギー変換効率の高い半導体を使用しないとメリットが出ない。半導体には多接合型ＧａＡｓ系太陽電池セルが使用され、シリコン単結晶太陽電池セルの二倍のエネルギー変換効率を示す。本来、性能の高い機器や装置は初期の段階で高価だとしても技術や市場に延び代があるものだが、集光型太陽電池は必ずしもそうはなっていない。【０００３】  その理由に気候が上げられる。特に日本は太陽の直達光が多いサンベルト地帯と異なり、雲、雨などによる散乱光が多い。散乱光は太陽電池への入射光の角度がランダムなため集光設計にのらず、発電にほとんど寄与しない。これに精密な太陽追尾機構も付加するとメリットが出ないのである。エネルギー変換効率が低くても照射される光が全て発電に寄与する固定型、パネル型の太陽電池が普及している所以である。なお太陽電池の設置面積は集光倍率に依らずエネルギー変換効率で決まり、エネルギー変換効率が高いほど設置面積を小さくできる。しかしエネルギー変換効率の高い太陽電池セルは非常に高価であるため、設置面積を小さくしようと言う動機が無い。【０００４】  散乱光も適度に集め、精密な太陽追尾機構も付加しない集光型太陽電池が幾つか提案されている。特許文献１はその代表的なもので、すり鉢状の曲率を持った反射鏡の内部に比較的大きな太陽電池セルを設置し、太陽電池セルの面積の数倍の面積を有する太陽光入射口を設けたものである。集光倍率が数倍と低いものであり、集光系に要する費用を考えると優位性は見い出しにい。例えば安価なシリコン単結晶太陽電池であれば、集光倍率分だけ太陽電池セル数を増設すれば良いだけになってしまう。但し、集光倍率を高くすることが出来れば、太陽電池セルの面積を小さくすることができるのでエネルギー変換効率の高い太陽電池セルを使用しても価格的に見合う点が見出せる。価格的に見合うことになれば設置面積が小さくなるメリットが生かせることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３１８３６号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】  集光倍率を高くすることによりエネルキー変換効率の高い太陽電池セルの使用を可能にし、従って設置面積を小さくでき、さらに太陽追尾機構を付加せずに直達光以外の散乱光も発電に寄与させる集光型太陽電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  鉢状の曲面を有した回転体形状の反射鏡筒と球体レンズと太陽電池セルで構成される集光型太陽電池において、前記反射鏡筒の光線入射部に凸状の集光機能を有する透明樹脂が形成され、前記透明樹脂は反射鏡筒にも充填され、前記反射鏡筒の光線出射部には球体レンズ、乃至は球体状の透明樹脂が形成され、前記球体レンズ、乃至は球体状の透明樹脂から光線出射される側には断面が矩形の反射鏡筒が形成され、矩形の断面積と略同等の太陽電池セルが矩形の反射鏡筒の下方に配置されたことを特徴とする集光型太陽電池。
【考案の効果】
【０００８】  本考案による集光型太陽電池を使用することにより、単位面積当たりの発電を向上させると共に、単位発電量当たりの面積を小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本考案の実施形態に係る集光型太陽電池ユニットの断面図。
【図２】本考案の実施形態に係る集光型太陽電池ユニットの太陽電池セル部の拡大図。
【図３】本考案の実施形態に係る集光型太陽電池をパネル状に並べたブロック外観図。
【図４】（ａ）から（ｄ）は反射鏡の曲面を決める一つの方法を示す図。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１０】  以下、本考案の実施の形態を図１、図２に示す実施例に基づいて説明する。図１は集光型太陽電池ユニットの断面図で、図２は太陽電池セルに光線が照射される部位の拡大図を示す。筐体１に鉢状の曲面を有した回転体形状の反射鏡筒３が形成される。光線入射部７は上方にある凸状に形成された透明樹脂２であり、この透明樹脂は反射鏡内部にも充填される。反射鏡３の出射部には球体レンズ、あるいは球体状の透明樹脂（以下、球体レンズと称する）４を配置し、球体レンズ４から出射された光線は反射鏡筒６（図２）を通して太陽電池セル５に照射される。上部から見た形状は、凸状透明樹脂２は円形であり、球体レンズ４も円形であるが、反射鏡筒６は矩形（正方形あるいは長方形）である。円形から矩形の変更を球体レンズ４で行っている。矩形が必要なのは太陽電池セル５が矩形であるためで、光線をムダ無く照射させる寸法が決められる。太陽電池セル５はエネルギー変換効率の高い多接合型ＧａＡｓ系太陽電池セルを想定する。近年、この種の太陽電池セルはエネルギー変換効率の改善が顕著で、４０％強のデータが出されており、シリコン単結晶太陽電池セルの１７％から２０％に比べて倍となっている。【００１１】  また球体レンズ４には別の目的もある。一般に球体レンズを通る光線の焦点は球面に張り付くように近く、焦点を過ぎると光線は急な角度で広がる。球体レンズと反射鏡筒６により光エネルギーが均一化される。例えば入射光線７において法線入射の場合、球体レンズ４を設けないと太陽電池セル５で焦点を結ぶのを避けなければならない。このように設計することは出来るが、凸状樹脂２の曲率、反射鏡筒３の長さなども関係して決めることになる。しかし球体レンズを設ければ凸状樹脂の焦点は球体レンズの手前でも奥方でも良く、反射鏡筒６による反射を受けるなどして太陽電池セルに一様な光線照射ができる。法線から３０度の入射光の場合も示したが、反射鏡筒３の局所的な曲率の影響でかなり手前に焦点が来るようになる。それでも反射鏡筒３の下方部の傾斜を小さくすることで反射光線を含む全ての光線が球体レンズ４に入射させることができる。【００１２】  図３は図１の集光型太陽電池ユニットを縦横に総数２５個並べた集光型太陽電池ブロックの一例である。本考案の集光型太陽電池は、図１に示すユニットを個々に製作するのではなく、ブロックで製作することになる。【００１３】  製法と材料の一例について説明する。図２は球体レンズ４から太陽電池セル５までの構成であるが、この部位とこの部位を除く反射鏡筒１の部位とは個別に製作し、最後に貼り合せるのが良い。図３の筐体１０はエポキシのようなモールド樹脂で形成するのが良い。金属の成形でも良いが、モールド樹脂の方が安価である。この場合、反射鏡筒面３（図１）はＡｌやＡｇの皮膜を形成する。Ａｇについては乾式めっきや湿式めっきを使用するが、Ａｌは乾式めっきを使用する。一方、図２は二つの構造体１２と１３に分けて製作するのが良い。構造体１２は、キャビティーを設けた実装基板８に太陽電池セル５を実装したものである。基板８は熱伝導率の高い絶縁基板が好ましい。しかし窒化アルミニウム、アルミナセラミックなどは高価であり、図３に示すブロックの���枚板では面積が大きいため使用し難い。安価なガラス基板やカーボン複合樹脂基板などを使用して熱伝導率を犠牲にせざるを得ないかもしれない。構造体１３は樹脂モールドで製作する。反射鏡面６の形成は前述の通りである。球体レンズ４は予めアクリル透明樹脂やシリコン透明樹脂を成形しておき、接着剤などで固定する。そして構造体１２と１３を貼り合せる。最後に図３に示す凸状透明樹脂２を成形する。なおこの透明樹脂は反射鏡筒３内にも充填される。透明樹脂にはアクリル系、エポキシ系、シリコン系などを使用する。この時、筐体１のモールド樹脂が軟化しない硬化温度であることが必要である。エポキシについては高いガラス転移温度を持つものも市販されているので、選択は容易である。後述するように凸状透明樹脂の屈折率は高いほど良く、アクリル系でｎ＝１．８のものが市販されており、ｎ＝１．９のものも開発が進められている。汎用的な透明樹脂はｎ＝１．４−１．５である。【００１４】  図４（ａ）から（ｄ）に反射鏡筒３の曲線形状の決め方の一例を示している。（ａ）は入射光が法線入射の場合で、球体レンズ付近で焦点を結ぶよう凸状樹脂の曲率が決められる。（ｂ）は法線から１０°、（ｃ）は２０°、（ｄ）は３０°の入射光を示す。入射角度を細かく設定して、反射鏡筒の曲線を決める。モールド（金型）を製作するには曲線の近似式を立てることになるが、多項式近似が必要になる。あるいは領域を区分して曲率を決め、曲線を繋ぐことでも良い。近似式で曲線を決めた後に光線追跡を行って再度曲線を微調整する。【００１５】  太陽光の入射角は日の出から日没まで±８０°程度と考えて良いが、屈折率が１．５程度の平板の透明媒体（ガラス基板など）に入射されると、透明媒体内での屈折光の角度は±４０°程度に減ずる。屈折率が１．８で±３０°程度にまで減ずる。従って図１に示す凸状透明樹脂と反射鏡筒３内を充填する透明樹脂の屈折率を１．８程度にすれば、反射鏡筒内では上述の屈折光の角度範囲（±３０°）は維持される。また四季による入射光の角度範囲は±２４°程度であるので、反射鏡筒３を回転体形状とすることで日の出から日没、及び四季変化も含めて太陽光を概ね受光することができる。高屈折率材を使用して光線の角度範囲を出来る限り小さくすることが太陽追尾機構を不要とする条件である。【００１６】  太陽電池パネルを製作する場合、図３に示す集光型太陽電池ブロックを並べたものに強化カバーガラス（屈折率ｎ１）を配置する。凸状透明樹脂（屈折率ｎ）との間に隙間が出来ると、強化カバーガラスからの出射光は太陽光の角度範囲（±８０°）に戻ってしまう。そこで強化カバーガラスと凸状透明樹脂の間に透明樹脂（屈折率ｎ２）を挿入すると、凸状透明樹脂への入射光の角度範囲は小さくできる。この場合、
ｎ１≦ｎ２≦ｎ
てあることが光線の角度範囲を減ずる具体的な条件になる。成形された凸状透明樹脂に別の透明樹脂を被覆すると、樹脂の溶剤で凸状が変形する可能性もあるので透明樹脂の選択は重要である。選択がうまく出来ない場合には透明樹脂（屈折率ｎ２）は省いても良い。【００１７】  設計例として、各部の寸法を記載する。図１の集光型太陽電池ユニットは２６ｍｍ□、凸状透明樹脂２の直径は２３ｍｍ、曲率３０ｍｍ、中心部の厚さは５ｍｍである。反射鏡筒３の上部開口径は直径２０ｍｍ、長さは５３ｍｍ、下部開口径は直径２．２ｍｍである。球体レンズの直径は２ｍｍである。また球体レンズの下部に接して正方形筒６（構造体１３）が配置されるが、球体レンズに接する面で２ｍｍ□、下部で１．５ｍｍ□としてあり、１．８倍ほどの集光倍率をもたせてある。構造体１２の基板８には太陽電池セル５が搭載され、太陽電池セルの寸法は略１．５ｍｍ□である。図１のユニットを２５個並べた図３のブロック９の面積は、１３６ｍｍ×１３０ｍｍ（厚さ６２ｍｍ）である。この設計での集光倍率を入射光部の面積と太陽電池セルの面積の比とすれば以下になる。
集光倍率＝π×１１．５２／１．５２＝１８４【００１８】  以上の数値を使用して単結晶シリコン太陽電池と比較すると本実施例の集光型太陽電池の優位性が示される。本考案で使用する太陽電池を多接合型ＧａＡｓ系太陽電池（エネルギー変換効率３７％）とし、エネルギー変換効率は単結晶シリコン（エネルギー変換効率１７％）の約２．２倍と仮定する。図３に示すブロックと同じ面積の単結晶シリコン太陽電池の発電量と集光型太陽電池の発電量は以下になる。
単結晶シリコン太陽電池の発電量（Ａ）＝０．１７×（１３６ｍｍ×１３０ｍｍ）×α
集光型太陽電池の発電量（Ｂ）＝０．３７×π×１１．５２×α×２５（個）
Ｂ／Ａ＝１．３
α（Ｗ／ｍｍ２）は地表に降り注ぐ太陽光エネルギー
本考案の集光型太陽電池は単結晶シリコン太陽電池に対し１．３倍の発電量向上が見込まれる。
以上の試算は入射光が法線入射の場合だけを比較したものである。なお単位発電量当たりの面積も単結晶シリコン太陽電池の約７５％と試算される。
【産業上の利用可能性】
【００１９】本考案の集光型太陽電池は現在主流となっている単結晶シリコン太陽電池に対して優位性があり、数ｍｍ□と言う微小サイズの太陽電池セルの使用を前提としているので、価格の面でも実用可能なものである。
【符号の説明】
【００２０】  １        集光型太陽電池筐体
２        凸状透明樹脂
３        反射鏡筒
４        球体レンズ
５        太陽電池セル
６        反射鏡筒
７        入射光線
８、１１  実装基板
９        集光型太陽電池ブロック
１０        筐体
１２、１３  構造体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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