(57)【要約】【課題】簡易な構成でも集光倍率に制限が無く、太陽を追尾するメカニカルな可動部がなくとも効率の落ちにくい太陽光発電装置を提供する。【解決手段】２次元状に間隔を空けて配置された複数の太陽電池２と、太陽電池２の間に配置される第１の反射部３と、太陽電池２の受光面２１側に配置される集光装置４と、記集光装置４の太陽電池２に面する側に配置され、集光装置４の光路を避けた部分に反射面を有する第２の反射部と、有する。【選択図】図１
2011210890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に間隔を空けて配置された複数の太陽電池と、
前記太陽電池の間に配置される第１の反射部と、
前記太陽電池の受光面側に配置される集光装置と、
前記集光装置の太陽電池に面する側に配置され、前記集光装置の光路を避けた部分に反射面を有する第２の反射部と、
を有する太陽光発電装置。
【請求項２】
前記集光装置は、
反射部材によって太陽電池側に向かって口径が小さくなる漏斗形状の光集光部を複数並べて形成されている
請求項１に記載の太陽光発電装置。
【請求項３】
前記漏斗形状の光集光部は、
中央部側が周辺部側より屈折率が高く設定されている
請求項２記載の太陽光発電装置。
【請求項４】
前記集光装置は、
マイクロレンズアレイにより形成されている
請求項１記載の太陽光発電装置。
【請求項５】
前記第２の反射部は、
前記太陽電池の受光面の略法線方向に面頂を持つ凹面形状を有する
請求項１から４のいずれか一に記載の太陽光発電装置。
【請求項６】
前記太陽電池と前記第２の反射部の間に流体が注入されている
請求項１から５のいずれかに一に記載の太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光を電気エネルギーに変換する太陽光発電装置として、変換効率の高い太陽電池を用いた集光型太陽電池がある。
集光型太陽電池では、一般的に太陽光を、集光レンズを用いて太陽電池に集光している。
【０００３】
しかし、集光レンズを用いた太陽電池は簡易なレンズ、たとえば単レンズではその集光倍率を稼ぐのが難しく、一方、複数の光学系を用いることで解決を図るとコスト面で不利になる。
さらに、時間とともに太陽が移動するため、効率が低下する問題点もある。
この問題を解決するために、太陽を追尾する機構を付加したシステムも散見されるようになってきた。
【０００４】
特許文献１には、フレネルレンズのような光学系を用いて太陽電池の受光面に集光する集光型太陽電池モジュールが開示されている。
この太陽電池モジュールは、集光することにより、光強度が大きくなって発生電圧が高まる。つまり入射エネルギーに対する出力エネルギーの割合、すなわち変換効率を向上させることができる。
【０００５】
しかし、時間や季節によって太陽の位置が変化すると太陽電池モジュール側への太陽光の入射角度もさまざまに変化するため、このような光学系による集光では集光位置も変化し、最適位置からずれて効率を低下させたり、太陽電池の位置から外れて発電できなかったりする。
そのために、先行技術においても追尾装置を用いて太陽光が最適な入射角度（法線方向）となるように太陽電池モジュールの受光角度をコントロールすることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２８９８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
集光レンズを用いた太陽電池は簡易なレンズ、たとえば単レンズではその集光倍率を稼ぐのが難しく、一方、複数の光学系を用いることで解決を図るとコスト面で不利になる。
【０００８】
しかしながら、追尾装置を用いるということはその制御および駆動自体に電力を用いることになる。天候等によって太陽光が弱い場合は自らの起電力によって追尾に必要な電力を賄うこともままならない。
また、屋外に設置されることが前提となる装置であるために耐環境・耐久性が求められ、場合によってはメンテナンスが必要とも考えられ、手間やコストを要してしまう。
【０００９】
本発明は、簡易な構成でも集光倍率に制限が無く、太陽を追尾するメカニカルな可動部がなくとも効率の落ちにくい太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点の太陽光発電装置は、２次元状に間隔を空けて配置された複数の太陽電池と、前記太陽電池の間に配置される第１の反射部と、前記太陽電池の受光面側に配置される集光装置と、前記集光装置の太陽電池に面する側に配置され、前記集光装置の光路を避けた部分に反射面を有する第２の反射部と、を有する。
【００１１】
好適には、前記集光装置は、反射部材によって太陽電池側に向かって口径が小さくなる漏斗形状の光集光部を複数並べて形成されている。
【００１２】
好適には、前記漏斗形状の光集光部は、中央部側が周辺部側より屈折率が高く設定されている。
【００１３】
好適には、前記集光装置は、マイクロレンズアレイにより形成されている。
【００１４】
好適には、前記第２の反射部は、前記太陽電池の受光面の略法線方向に面頂を持つ凹面形状を有する。
【００１５】
好適には、前記太陽電池と前記第２の反射部の間に流体が注入されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡易な構成でも集光倍率に制限が無く、太陽を追尾するメカニカルな可動部がなくとも効率の落ちにくい太陽光発電装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。
【図２】本実施形態に係る集光装置の全体的な概要を模式的に示す図である。
【図３】本実施形態に係る光集光部の漏斗形状部の内部を透明媒質で充填した構成を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態に係る光学的トラップとして機能する集光装置による集光のイメージを示す図である。
【図５】本実施形態に係る光学的トラップとして機能する他の集光装置による集光のイメージを示す図である。
【図６】本実施形態に係る集光装置の製造方法を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電装置の構成の分解斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る集光装置の構成例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。
【００２０】
本第１の実施形態に係る太陽光発電装置１は、複数の太陽電池２、第１の反射部３、光学的トラップとしての集光装置４、導光部５、および第２の反射部６を主構成要素として有している。なお、図１において、第２の反射部６は、模式的に一つのみ示している。
【００２１】
太陽電池２は、複数有し、受光面２１を光入射側に向けて太陽電池基板１０の主面１１において、２次元状に間隙を空けて配置されている。
【００２２】
太陽電池基板１０の複数の太陽電池２の間にはミラーの反射機能を有する第１の反射部３が配置されている。
第１の反射部３は、集光装置４により集光されて導光され、太陽電池２の受光面２で受光される光以外の光を集光装置４側に反射し、さらに集光装置４側で反射させ、光を再利用させる機能を有する。
【００２３】
本第１の実施形態において、導光部５は、太陽電池基板１０の主面１１と対向して面する集光装置４の光出射面４ａ側との間に、光を導光する空間として形成されている。
【００２４】
集光装置４は、導光部５を介して太陽電池２の受光面側に配置され、太陽光ＳＬを集光して太陽電池基板１０の主面側、特に太陽電池２の受光面２１に向かって集光した光を出射する機能を有する。
【００２５】
集光装置４は、光学的トラップの一部として機能し、また放熱機能を有する。
ここで、光学的トラップとは、太陽光がそそがれる方向、一般的には上方からの光を通過、あるいは通過しやすく、下方、本実施形態では太陽電池基板１０側からの光を反射、あるいは反射しやすい構造を有する構造物を意味する。
【００２６】
このように、本実施形態の太陽光発電装置１は、太陽電池２の上方に、光学的トラップとしての集光装置４を付加し、太陽電池２同士の隙間にはミラーである第１の反射部３を配置した構造を有する。
この構造により、上方からの光は光学的トラップである集光装置４を通過し、下方に配置されている太陽電池２の受光面２１に光が届く。
太陽電池２の受光面２１に到達しなかった光は太陽電池２同士の隙間に配置されたミラーである第１の反射部３で反射され上方に向かうが、光学的トラップである集光装置４の面４ａ側において下方からくる光はさらに第２の反射部等により反射され、下方の太陽電池基板１０側に戻される。
【００２７】
以下に、光学的トラップとして機能する集光装置４の具体的な構成および機能について説明する。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る集光装置の全体的な概要を模式的に示す図である。
【００２９】
図２の集光装置４は、基体４１に複数の光集光部４２がマトリクス状に配列されて形成されている。
【００３０】
図２の集光装置４は、太陽電池２側に向かって開口径ＯＲが小さくなる漏斗形状の複数の光集光部４２をマトリクス状に配列して形成されている
光集光部４２に入射した光線は漏斗状の壁にあたり、太陽電池側（下方）に導かれる。
光集光部４２は、上方から入射した光線が下方に導かれるようにするために、開口径は徐々に小さくなるように形成される。
また、光集光部４２の光出射面側（下面側）は開口部を除き、平坦なミラー形状であると良い。それにより、下方からの光が１回の反射で再び太陽電池側へ戻される。
さらに、光集光部４２は、漏斗形状部の内部は周辺部より中央部の方が屈折率の高い透明材質で充填されていると良い。漏斗形状部の内部に入射した光は、屈折率の高い中心部に向かって光線が進んでいき、屈折率の低い部材から高い部材への界面では、全反射が発生するため、高効率に光線を下方に導くことができる。
【００３１】
これらの構成を図３〜図５に関連付けて説明する。
【００３２】
図３は、本実施形態に係る光集光部の漏斗形状部の内部を透明媒質で充填した構成を模式的に示す図である。
【００３３】
光集光部４２は、図３に示すように、漏斗形状部の内部を透明媒質ＴＰで充填すると良い。光集光部４２の漏斗形状部の内部に入射した光は、屈折率の高い中心部ＴＰ１に向かって光線が進んでいき、屈折率の低い部分ＴＰ２から高い部分ＴＰ１への界面では、全反射が発生する。
このため、光線が上方に戻りにくくなり、さらに、漏斗形状部の上面の開口径と下面の開口径の比率を大きくできるため、集光型太陽電池装置１としての集光度を向上させることができる。
これは、上面の開口径を大きくすると太陽の光を多く取り込めるようになり、かつ、下面の開口径を小さくすると、太陽電池２同士の隙間に配置された第１の反射部３であるミラーで反射された光を上方に逃がしにくくなるためである。
【００３４】
図４は、本実施形態に係る光学的トラップとして機能する集光装置および第２の反射部による集光のイメージを示す図である。
【００３５】
太陽光発電装置１は、太陽電池基板１０上の太陽電池２の占める割合が、集光度にあたる。
集光装置４は、光集光部４２の太陽電池側面（下面）４２ａを、開口部を除き、第２の反射部６として機能する平坦なミラーとした場合を示している。平坦なミラーとすることで、製造は安易に可能となる。
【００３６】
たとえば、熱伝導率の良いアルミニウムの平板を母材として使用する。
反射により発生する熱を効率よく逃がすためである。この平板の下面はミラー化する。さらに、漏斗状のザグリ穴を施す。好適には、ザグリ穴に屈折率の異なる２種類の樹脂や硝子を用いて、図３で示したように、周辺部より中央部の屈折率の高い透明材質で充填する。
【００３７】
図５は、本実施形態に係る光学的トラップとして機能する他の集光装置による集光のイメージを示す図である。
【００３８】
図５の集光装置４Ａは、光集光部４２の下面４２ａの開口部を除き、各太陽電池２の受光面２１の略法線方向（鉛直線状）に面頂がある凹面ミラーを第２の反射部６ａとして並べた形状であることを示している。
図４で示した平面ミラーに比べ、各太陽電池近傍に光を集光しているため、集光度が向上できる。
【００３９】
図６は、本実施形態に係る集光装置の製造方法を説明するための図である。
【００４０】
基体４１に形成する漏斗形状の透明部材は、芯を空洞にした部材として作製する。
その芯に、屈折率が高い溶かした樹脂や硝子を流し込むと、図３で示したような周辺部より中央部の屈折率の高い透明材質となる。
基体４１は、熱伝導率の良いアルミニウムの平板を母材として使用する。この平板の下面はミラー化する。
そして、漏斗状のザグリ穴を施す。
ザグリ穴に上記作製した透明部材を充填する。
【００４１】
本第１の実施形態によれば、太陽光発電装置１は、２次元状に複数の太陽電池２を間隔を空けて配置し、その間の部分には第１の反射部３を配置し、太陽電池２の受光面２１側には全反射もしくは全反射を行なう漏斗形状を並べた集光装置４を、その集光装置４の太陽電池２側には第２の反射部（面）６を配置する構成を有する。
この構成により、集光装置４で受けた光を太陽電池２側に導き、太陽電池２で受光できなかった光も第１反射部３と第２反射部６の間で反射を繰り返して太陽電池２の受光部へ導くようにして集光率の向上を図っている。
したがって、本実施形態によれば、簡易な構成でも集光倍率に制限が無く、太陽を追尾するメカニカルな可動部がなくとも効率の落ちにくい太陽光発電装置を実現することができる。
【００４２】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。
【００４３】
本実施形態に係る太陽光発電装置１Ａが第１の実施形態に係る太陽光発電装置１と異なる点は、次のとおりである。
第１の実施形態において、導光部５Ａが、太陽電池基板１０の主面１１と対向して面する集光装置４の光出射面４ａ側との間に、光を導光する空間として形成されている。
これに対して、本第２の実施形態においては、その間隙により形成される導光部５Ａに、各反射の際に発生する熱を効果的に放熱するために、冷却水循環器８により純水等の冷却水７を循環させている。
【００４４】
純水等の冷却水７を導光部５Ａの間隙に満杯に注入することにより、冷却水と集光装置の光集光部４２の光出射面４２ａとの界面での光伝搬ロスを低減することが可能となる。
【００４５】
その他の構成は第１の実施形態と同様であり、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることもできる。
【００４６】
図８（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電装置の構成例を模式的に示す図である。
図８（Ａ）は入射光が略垂直に入射する場合、図８（Ｂ）は入射光を傾きをもって入射される場合の集光状態を示している。
【００４７】
本第３の実施形態に係る太陽光発電装置１Ｂは、集光装置４Ｂの光学的トラップとして機能する光集光部４２Ｂをアレイ状に配列されたマイクロレンズ４２０により形成されている。
【００４８】
マイクロレンズ４２０の下部の第２の反射部６Ｂとしてのミラーは入射光を遮らないように開口されている。
太陽電池２に直接入射しない光も基板上の第１の反射部３としてのミラーとの間で反射を繰り返して太陽電池２の受光面２１に導かれる。
【００４９】
図９は、本第３の実施形態に係る集光装置の構成例を示す分解斜視図である。
【００５０】
間隔を空けて太陽電池２を配列した基板１０上に集光光学系を隙間なく並べた集光部材４００を配置する。
集光部材４００に並べる集光光学系は、マイクロレンズ型でも、漏斗型でも、それらを混在させたものでも良い。集光部材４００の下面４００ａに光集光部の光出射部に対応する開口部４１０が形成され、その間に第２の反射部６Ｂとしてのミラーが形成されている。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・太陽光発電装置、２・・・太陽電池、３・・・第１の反射部、４・・・集光装置、５・・・導光部、６・・・第２の反射部、７・・・冷却水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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