(57)【要約】【課題】簡単な構成で、安価に提供できるとともに、光電変換効率を一層向上させるようにした太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムを提供すること。【解決手段】複数のシリコン太陽電池セル１を２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セル１の端部位置上方に配設した集光手段２により太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セル１と対向する位置には集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に配設した集光手段により太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置には集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにしたことを特徴とする太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム。
【請求項２】
複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に集光手段を配設して太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置には集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにするとともに、太陽電池セルを固定する基部と保護ガラスの間隔を一定に保持し、かつ該保護ガラスを支持する不動態化処理を集光手段で兼用するようにしたことを特徴とする太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム。
【請求項３】
集光手段を、隣接配設する太陽電池セルの四周端部に配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム。
【請求項４】
集光手段を、リニアフレネルレンズとしたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム。
【請求項５】
リニアフレネルレンズを、球面あるいは平面に形成したことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムに関し、特に、太陽電池セルの側方にのみ特殊な集光手段を配設することで、簡単な構成で、安価に提供できるとともに、光電変換効率を一層向上させるようにした太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽電池モジュールにおいて、その光電変換効率を向上させるために、太陽電池のエネルギ変換効率の向上以外にモジュールとしての集光効率を向上させるように、太陽電池モジュールの表面反射の低減、保護ガラスの表面反射の低減、フレネルレンズによる集光等が図られている。
そのため、太陽光を集める集光レンズと、集光された太陽光によって発電する太陽電池セルとを組み合わせて構成するなど種々提案されている。
例えば、特許文献１に示すように、太陽光を集める集光レンズにフレネルレンズを、太陽電池セルにシリコン（Ｓｉ）単結晶太陽電池セルを用い、該フレネルレンズとシリコン単結晶太陽電池セルとの間に透明性板状基体を介在させ、かつ該透明性板状基体の表面に複数のフレネルレンズを接着し、またその裏面に複数のシリコン単結晶太陽電池セルを接着して構成したものが提案されている。
また、特許文献２に示すものには、入射した外部光を、その厚み方向への指向性が高くなるように偏向するプリズムシートと、該プリズムシートによって偏向された光が入射し、かつその入射光を太陽電池セルの受光面上に集光するようにしたフレネルレンズと、受光面に受光した光の光エネルギを電気エネルギに変換する太陽電池セルとを、順次上から所定の間隔をあけて重ねるように構成したものが提案されている。
また、特許文献３に示すものには、太陽エネルギを受け取り、その太陽エネルギを太陽電池セルへ誘導する太陽光集中装置と、太陽電池セルとを上下に重ねるよう配置し、この太陽光集中装置としてフレネルレンズを用い、かつそのレンズの表面湾曲を複数の部分、即ちレンズの球面部分と、レンズの円筒形部分（１つの線状焦点部分）と、レンズのパターンなし部分とに分割して構成したものが提案されている。
【０００３】
ところで、特許文献１〜３に示すように、従来の太陽電池モジュールは、その光電変換効率を向上させるために、太陽電池セルの表面積よりも大面積のフレネルレンズを太陽電池セルの上方に、かつ太陽電池セルの表面積全体を覆うように配置して、集光効率を向上することによって、光電変換素子の単位面積あたりの発電出力を大きくするように構成している。
このフレネルレンズは、レンズの曲率だけを平面上に並べて形成したものであるため、スペースと重量を節約し、かつ口径より短い焦点距離のレンズを作ることができる利点がある。  
【０００４】
このため、従来の太陽電池モジュールの光電変換効率を向上させるシステムは、特に限定されるものではないが、例えば、図６に示すように、太陽電池セル１の表面全体をフレネルレンズＬにて覆うようにしているので、太陽光はすべてフレネルレンズを通過させることにより、光を屈折させて太陽電池セルに達するようになり、このため太陽光がフレネルレンズ通過時に減衰する、即ちこのフレネルレンズを通過する太陽光は、レンズを構成する材料の透過率と屈折角の余弦に比例して減衰するというものであった。
また、従来の太陽電池モジュールは、その構成が複雑で太陽電池モジュールの単価を抑制するにも限度があり、特に特許文献２に示すように、フレネルレンズの上方にさらにプリズムシートを配設しているので、構成が複雑で、高価になるとともに、このプリズムシートのために光の減衰率がさらに高くなる。
また、特許文献３に示すように、太陽光集中装置をレンズの表面湾曲を複数の部分に分割するものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３１１４０８号公報
【特許文献２】特開２００７−７３７７４号公報
【特許文献３】特開２００６−８０５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムの有する問題点に鑑み、簡単な構成で、安価に提供できるとともに、光電変換効率を一層向上させるようにした太陽電池モジュールの光電変換効率向上システム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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムは、複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に配設した集光手段により太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置には集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムは、複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に集光手段を配設して太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置には集光手段を無配設として照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにするとともに、太陽電池セルを固定する基部と保護ガラスの間隔を一定に保持し、かつ該保護ガラスを支持する不動態化処理を集光手段で兼用するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
この場合において、集光手段を、隣接配設する太陽電池セルの四周端部に配設することができる。
【００１０】
また、集光手段を、リニアフレネルレンズとすることができる。
【００１１】
また、リニアフレネルレンズを、球面あるいは平面に形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムによれば、複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に配設した集光手段により太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置には集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにすることにより、太陽電池セルと対向する位置では入射光を減衰させることがなく、また太陽電池セルの側方位置では入射光を太陽電池セル側に屈折させることができ、太陽電池セル受光面に入光できるので、簡単で安価な方法で光電変換の効率を向上させることができる。
【００１３】
また、複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールにおいて、隣接配設する太陽電池セルの端部位置上方に集光手段を配設して太陽電池セル端外部に照射する光を屈折させ太陽電池セル受光面に、太陽電池セルと対向する位置は集光手段を無配設とし、照射する光を太陽電池セル受光面に直接入射するようにするとともに、太陽電池セルを固定する基部と保護ガラスの間隔を一定に保持し、かつ該保護ガラスを支持する不動態化処理を集光手段で兼用するようにすることにより、太陽電池セルと対向する位置では入射光を減衰させることがなく、また太陽電池セルの側方位置では入射光を太陽電池セル側に屈折させることができ、太陽電池セル受光面に入光できるので、簡単で安価な方法で光電変換の効率を向上させることができるとともに、不動態化処理にて保護ガラス、集光手段、太陽電池セル等を一体化して太陽電池モジュールを強固に形成することができる。
【００１４】
また、集光手段を、隣接配設する太陽電池セルの四周端部に配設することにより、太陽電池セルの四周端部に照射される光をも効率的に太陽電池セル受光面上に集光させることができる。
【００１５】
また、集光手段を、リニアフレネルレンズとすることにより、一方だけにスリット状に集光することができるので、太陽電池セル端部に照射される光を効率的に太陽電池セル受光面上に集光させることができる。
【００１６】
また、リニアフレネルレンズを、球面あるいは平面に形成することにより、太陽電池セル端部に照射される光を目的に合わせて効率的に集光させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムの第１実施例を示す説明図である。
【図２】リニアフレネルレンズを示し、（Ａ）はレンズ加工を球面とした場合の光の屈折を示す説明図、（Ｂ）は同レンズ加工を平面で三角あるいは台形の断面を持つように加工した場合の光の屈折を示す説明図である。
【図３】隣接する太陽電池セルの四周を取り囲むように二方向に集光手段を配設した場合の実施例で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図４】隣接する太陽電池セルの一方向のみに集光手段を配設した場合の実施例で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す一部拡大断面図である。
【図６】従来の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムを示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムの実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１〜図４に、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムの第１実施例を示す。
一般に、北半球に位置する日本においては、太陽の軌道は夏至には北をゼロ度とする方位角で日の出は約６０度、南中高度は約８０度、日の入りの方位は約３００度であり、冬至には日の出は約１２０度、南中高度は約３１度、日の入りの方位は約２４０度となり、太陽の軌道は方位と高度が大きく変動するが、太陽電池モジュールの設置は一般に固定式となって折り、その設置の緯度により若干の違いはあるが、４０度程度傾斜させて南向きに設置され、南中時刻の前後２時間の約４時間の間に効率的に集光して光電変換するようにしている。
【００２０】
この太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムは、複数のシリコン太陽電池セルを２次元的に並べて発電する太陽電池モジュールであって、隣接配設する太陽電池セル１の端部位置上方にのみ集光手段２，２を配設し、該太陽電池セル１と対向する位置においては光線が直接入射するように、集光手段２を配設しないようにして構成する。
この太陽電池セル１は、特に限定されるものではなく、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモリファス等にて所要の大きさに製作される。
例えば、太陽電池セルが５インチウエーハから製造される場合、四隅の欠落部分を許容する場合、１辺は１００ｍｍ程度の太陽電池セルを製造することができる。太陽電池モジュールのコストの大部分はシリコン太陽電池セルが占めているので、シリコン太陽電池のコストを低減するためにもシリコン太陽電池の面積を低減して、集光手段の使用にて集光効率を向上させることができる。しかし、従来のように集光手段を構成する部材の構造を複雑化すると、この部分のコストが高くなるので、本発明では、集光手段２を小型化して、かつ太陽電池セル１の端部位置上方にのみ配設するものである。
【００２１】
この集光手段２としては、太陽電池セル１の側端外部に照射される照射光５を集光手段２を透過させることで、太陽電池セル受光面側に屈折させるようにするもので、平面のシリンドリカルレンズで、一方向だけにスリット状に集光させるようにしたもの、具体的には、リニアフレネルレンズを採用する。
また、この集光手段２としてのリニアフレネルレンズは、図１に示すように、配設する太陽電池セル１の側端部に配設するものである。これは、特に限定されるものではなく、例えば、太陽電池セル１を縦横に多数配設する場合、図４に示すように、横方向に隣接する太陽電池セル１，１の間にリニアフレネルレンズ２を配設することができる。
これにより、太陽電池セル１側部の横方向からの照射光５を太陽電池セル側に効果的に集光させることができる。
【００２２】
また、図３に示すように、縦横方向に多数隣接配設する太陽電池セル１，１の間の縦方向及び横方向にそれぞれリニアフレネルレンズ２を配設することができる。これにより、太陽電池セル１側方の四周方向からの照射光５を太陽電池セル側に無駄なく集光させることができる。
【００２３】
このように、リニアフレネルレンズを隣接する太陽電池セル１，１間の横方向にのみ配設する場合であっても、また太陽電池セル１，１間の縦横両方向に配設する場合であっても、太陽電池セル１の側端部にのみリニアフレネルレンズを配設するだけで、太陽電池セル受光面に対峙する部分にはリニアフレネルレンズを配設していないので、太陽電池セル受光面に向かって正面から入射する光６は、リニアフレネルレンズを透過することなく直接太陽電池セル受光面に入射して、レンズ通過による光の減衰を防止することができる。
【００２４】
したがって、太陽電池セルの正面から入射する光６は、リニアフレネルレンズで集光されずに直接入射するので減衰することなく太陽電池セル受光面に到達し、かつリニアフレネルレンズで集光する太陽電池セル側周囲の光との合計で太陽電池セルに到達する。
フレネルレンズを通過する光は、レンズの材料の透過率と屈折角の余弦に比例し減衰するが、該リニアフレネルレンズの材料として、アクリル樹脂の場合は、その透過率９０％前後で屈折率１．４８〜１．５とソーダガラス、一般的な工学ガラスとほぼ同じ値となり、またポリカーボネートの場合では屈折率は１．５９と、レンズやプリズムを作成することができる。
リニアフレネルレンズとして結像させるためには屈折率分布が均質で、形状も正確な平面や球面を構成することが必要となるが、本発明のように単に屈折で集光する用途では屈折率分布や面の精度も高精度である必要がなく、射出成型や押出成型でレンズを安価に作成することができる。特に長さ方向に対して同一断面を持つリニアフレネルレンズは押出加工で容易に量産することができる。
【００２５】
また、太陽電池セルの外側端部に配設するリニアフレネルレンズとして、そのレンズ加工を球面にした場合、該リニアフレネルレンズは凸レンズと同等の作用をし、該リニアフレネルレンズを透過した光は、図２（Ａ）に示すように、１点に光を集光するようになり、レンズ加工を３角形あるいは台形の断面を持つようにした場合、リニアフレネルレンズを透過した光は、図２（Ｂ）に示すように、平行に屈折して太陽電池セル１に光を誘導するようになる。
【００２６】
なお、太陽光発電では、太陽電池モジュールに入射する入射角の正弦に比例する要因と、地球に太陽光が入射する際の入射角の余弦に比例して大気圏で減衰する要因、雲や空気中の水蒸気による散乱光の影響もあり、日照時間に対して効率的に発電できるのは３乃至４時間程度であるため、太陽光が一番高い位置にある南中時刻（正午近辺）を挟んだ前後２時間の間での効率向上を行うため、リニアフレネルレンズは屈折率１．５程度のアクリル樹脂で作り、太陽電池セルからの距離とレンズ幅を１：１〜２：１程度の比率とした場合に好適な結果が得られる。
【００２７】
また、太陽の軌跡は方位角の方向と高度角の方向では高度の方が方位よりも変動が少ないため、方位角方向だけに着目してレンズ集光を行う場合は、図３に示すように、リニアフレネルレンズを隣接する太陽電池セルの横方向の間にのみ設け、太陽電池セルは高度方向に対しては最小間隔で配置するものとなる。一方、方位方向と高度方向の両方で集光する場合には、図４に示すように方位方向のリニアフレネルレンズと高度方向のリニアフレネルレンズを太陽電池セルの四周周辺の間に配置することができる。
【実施例２】
【００２８】
図５に、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムの第２実施例を示す。
この実施例は、太陽電池モジュールの基部に太陽電池セル１を密着して配置し、この上方にリニアフレネルレンズ２を配設する場合、リニアフレネルレンズ２にて保護ガラス４と太陽電池モジュールの基部３との間隔を一定に保持するとともに、保護ガラス４をも一体に支持するように構成する。
また、この保護ガラス４をリニアフレネルレンズ２の上方位置で支持する場合、不動態化処理（パッシベーション）の機能を兼ねるようにする。これは、リニアフレネルレンズ２を、図５に示すように、異形断面の上面が球面で構成されたレンズあるいは平面で構成されたプリズムのような屈折体とすることができる。このリニアフレネルレンズ２は透明樹脂を押出加工あるいは射出成型により成型することができる。これにより、部品点数の少ない太陽電池モジュールを作ることができる。
【００２９】
次に、本発明に適合したリニアフレネルレンズの設計について説明する。
屈折率ｎ、頂角φのリニアフレネルレンズで屈折させる場合、リニアフレネルレンズに対し垂直で光を入射すると、リニアフレネルレンズで屈折した光の入射光とのなす角度θは、
θ＝（ｎ−１）φ（ｒａｄ）
で近似できる。
リニアフレネルレンズの幅をＷ、リニアフレネルレンズと太陽電池までの距離をＬとして、リニアフレネルレンズ幅Ｗを屈折させるのには、
Ｌ＝Ｗ／θ
＝Ｗ／（ｎ−１）φ
となる。
ここで、ｎ＝１．５２、φ＝３０度（０．５２ｒａｄ）、Ｗ＝１０ｍｍとすると、
θ＝１５．４度（０．２７ｒａｄ）、Ｌ＝３７ｍｍとなる。
リニアフレネルレンズの幅に対して５０％を屈折させる場合、Ｌ＝３７／２で１９ｍｍとなる。
太陽電池の幅を１００ｍｍ、リニアフレネルレンズ幅を１０ｍｍとして全体の幅の比をδ＝１０％とすると、
受光効率ηは
η＝１＋δＣＯＳθ
＝１＋０．１×０．９６
となり、同じ面積の太陽電池セルでほぼδだけ効率を向上できる。
リニアフレネルレンズと太陽電池までの距離Ｌを小さくして屈折する量を減らした場合、ほぼ距離Ｌに比例して効率は低下するが、距離Ｌがゼロでも効率は最小値が１のため、保護ガラスを支持するためだけに何か介在物を基部とガラスの間に入れる場合、図５に示すように構成することができる。
【００３０】
以上、本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムについて、複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の太陽電池モジュールの光電変換効率向上システムは、太陽電池セルの側方にのみ特殊な集光手段を配設することで、簡単な構成で光電変換効率を一層向上させるという特性を有していることから、太陽電池モジュールの用途に好適に用いることができるほか、例えば、太陽熱利用設備の用途にも用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  太陽電池セル
２  集光手段（リニアフレネルレンズ）
３  太陽電池モジュールの基部
４  保護ガラス
５  照射光
６  入射光
【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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