(57)【要約】【課題】従来の集光型太陽光発電システムに比べ、省スペース、高コストパフォーマンスの反射集光型太陽光発電モジュールの提供。【解決手段】断面が円孤である樋型反射鏡と、当該反射鏡と平行に細長い太陽電池を反射鏡円弧の半径の１／２近傍に設置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が円孤である樋型反射鏡と、当該反射鏡と平行に細長い太陽電池を配設してなる反射集光型太陽光発電モジュールであって、太陽電池を反射鏡円弧の半径の１／２近傍に設置することを特徴とする反射集光型太陽光発電モジュール。
【請求項２】
太陽電池の受光面が、反射鏡円弧の中心から下記数式１で表される距離（ｅ）である請求項１に記載の反射集光型太陽発電モジュール。
【数１】
2011129847.tif 000011
【請求項３】
断面の円孤の長さ（ｌ）が下記数式２で表される樋型反射鏡である請求項１又は２に記載の反射集光型太陽発電モジュール。
【数２】
2011129847.tif 000012
【請求項４】
太陽電池の受光面の幅（ｄ２）が、反射鏡の幅（ｄ１）の１／５以下のサイズである請求項１から３いずれかに記載の反射集光型太陽光発電モジュール。
【請求項５】
太陽電池の受光面の長さ（Ｌ２）が、下記数式３で表されるサイズである請求項１から４いずれかに記載の反射集光型太陽光発電モジュール。
【数３】
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【請求項６】
装置全体を地軸と平行に設置し、地軸と平行な回転軸を中心に回転させて一日の太陽の動きを追尾する追尾機構を有する請求項１から５いずれかに記載の反射集光型太陽光発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、樋型の反射鏡をもつ反射集光型太陽光発電モジュールに係り、更に詳しくは従来の反射集光型太陽光発電装置に比べ、省スペース、高コストパフォーマンスの反射集光型太陽光発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】光発電素子を用いる太陽光発電システムの一つとして、太陽光集光機構を特に設けることなく、光発電素子を並べた太陽電池を設置し、直接太陽光を受けて発電する固定型が一般家庭に普及しつつある。しかしながら、固定型の太陽光発電システムは、高価である太陽電池の面積当りの発電量が少なく、発電コストの点で課題を残す。【０００３】これに対し、小面積の太陽電池で大きな発電量を得ることを可能とするものとして、かまぼこ状の細長い凸レンズや、断面が放物線状である樋型の反射鏡を用いて太陽光を直線状に集光する集光型太陽光発電システム（例えば、非特許文献１参照）、更には、当該集光型太陽光発電システムに、一日の太陽の動きを追尾する機構を付加した一軸追尾式の集光型太陽光発電システム（非特許文献２参照）が近年注目されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【非特許文献１】ＫＥＣ情報ＮＯ、２０１  ｐ．１７−１８  ２００７年
【非特許文献２】Ｒ＆Ｄ  Ｎｅｗｓ  ｋａｎｓａｉ  特集号  ｐ．３６−３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】従来の集光型太陽光発電システムにあっては、発電効率の向上の為、太陽電池を反射鏡等の焦点近傍に配置しているため、反射鏡等の焦点距離に相当する大きなスペースを必要とする装置となる。又、前述の一軸追尾式の集光型太陽光発電システムは季節による太陽高度の変化への対応がなされていない為、高価な光発電素子の一部が季節によっては遊休状態となりコストパフォーマンスの点で不満を残す。光発電素子の遊休状態を解消し年間を通じた発電効率を高めるものとして、一日の太陽の動きを追尾する機構に加え、季節による太陽高度の変化を追尾する機構を有する二軸追尾式の反射集光型太陽光発電システムも考えられている。しかしながら、二軸追尾式のそれは追尾機構が複雑となり更なるコストアップにつながる。【０００５】本発明は従来の反射集光型太陽光発電システムに比べ、省スペース、高コストパフォーマンスの反射集光型太陽光発電モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明者は、反射集光型太陽光発電システムにおける断面が放物線状の焦点を有する樋型反射鏡に代えて、焦点のない、断面が円孤の樋型反射鏡を用い、当該反射鏡の半径の１／２近傍に太陽電池の受光面を設置し、太陽電池の受光面の長さを反射鏡の長手方向の長さよりやや短くすれば上記目的を達成し得ることを見出し、本発明の完成に至った。【０００７】即ち、請求項１に係る本発明は、断面が円孤である樋型反射鏡と、当該反射鏡と平行に細長い太陽電池を配設してなる反射集光型太陽発電モジュールであって、太陽電池を反射鏡の半径の１／２近傍に設置することを特徴とする。【０００８】請求項２に係る本発明は、請求項１において、太陽電池の受光面が、反射鏡曲面から下記数式１で表される距離（ｅ）であることを特徴とする。
【数１】
2011129847.tif 000003
【０００９】請求項３に係る本発明は、請求項１又２において、孤の長さ（ｌ）が下記数式２で表される樋型反射鏡であることを特徴とする。
【数２】
2011129847.tif 000004
【００１０】請求項１から３いずれかに記載の本発明の反射集光型太陽発電モジュールは、断面が放物線状の樋型反射鏡を用いその焦点近傍に太陽電池を配設してなる従来の反射集光型太陽光発電システムに比べ、省スペース、低コストを実現できるため、より大きな発電量を得ることの出来る大型の太陽光発電装置用としても適している。【００１１】請求項４に係る本発明は、請求項１から３において、太陽電池の受光面の幅（ｄ２）が反射鏡の幅（ｄ２）の１／５以下のサイズであることを特徴とする。【００１２】請求項５に係る本発明は、請求項１から４いずれかにおいて、太陽電池の受光面の長さ（Ｌ２）が、下記数式３で表されるサイズであることを特徴とする。
【数３】
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【００１３】請求項６に係る本発明は、請求項１から５いずれかにおいて、装置全体を地軸と平行に設置し、地軸と平行な回転軸を中心に回転させて一日の太陽の動きを追尾する追尾機構を有することを特徴とする。【００１４】請求項１から３いずれかに記載の本発明に加え、請求項４から６いずれかに記載の本発明の反射集光型太陽発電モジュールによれば、年間を通じ遊休する太陽電池（光発電素子）のない高コストパフォーマンスの太陽光発電装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための形態】
【００１５】以下、本発明に係る反射集光型太陽光発電モジュールについて、添付図表を参照しつつ説明する。図１は本発明の太陽光発電モジュールの概念を示す横断面図である。反射鏡Ｍの断面は円孤の一部であり、点Ｏを中央とした左右対称の樋型凹面鏡である。図の上方から太陽光が照射されると光線は鏡面で反射され、円孤の中心ＲとＯを結ぶ中心線（Ｙ軸とする）に向う。反射鏡断面が放物線の場合、反射光は一つの焦点に集まるが、本発明で用いる円孤の反射鏡の場合は焦点が存在しない。
【００１６】ここで、円孤上の点Ａと中心Ｒを結ぶ線は、中心線Ｒ〜Ｏ（Ｙ軸）と４５°をなすとする（片側中心角４５°）。Ｙ軸と平行に上方から入射した光線は点Ａで反射して９０°方向を変え、点ａでＹ軸と交わる。同様に、片側中心角３０°の点Ｂで反射した光線は６０°の角度で反射して点ｂでＹ軸と交わる。点Ｃの片側中心角は２５°、以下５°刻みで点Ｄ、点Ｆ、点Ｇからの反射光の交点をそれぞれｃ、ｄ、ｆ、ｇとする。それぞれの点の座標（ｘ，ｙ）を計算すると、表１のようになる。ただし、円孤の半径を１．０とする。なお、ｙ＝０．４０、ｙ＝０．４５及びｙ＝０．５０の欄に記入してある数字は、高さ（ｙ）０．４０、０．４５及び０．５０の位置に太陽電池を設置した時に反射光が横切るＸ座標を表している。上で述べた点Ａからの反射光はＹ軸を０．２９３の位置で水平に横切るので、ｙ＝０．４０の位置あるいはそれより上の位置には到達しない。
【００１７】いま、ｙ＝０．４０の位置に太陽電池Ｅを反射面に向けて設置する場合を考えてみる。中心角３０°以内の反射面からの反射光はおよそ０．０６より内側に集まる。中心角３０°の点ＢのＸ座標は、０．５０であるから、これより内側の反射光がｙ＝０．４０の位置で０．０６より内側に集まることになり、およそ８倍に集光される。厳密には、太陽電池の陰になる部分には光が到達しないので、実際の倍率はこれより小さい。
【表１】
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【００１８】次に、ｙ＝０．４５の位置では、点Ｂからの反射光が横切る０．０４７が最大（絶対値）であるから、集光率はおよそ１０倍になる。すなわち、断面が円孤の一部である本発明の樋型反射鏡を用いた場合、１０倍程度の集光が可能となる。
【００１９】ところで、点Ｂからの反射光は、半径の１／２の点Ｐの近傍にある平面太陽電池に３０°の角度で入射する。この角度では、反射光のかなりの割合が太陽電池表面で再反射して、発電に寄与しないおそれがある。それを避けるために、より小さい中心角、例えば点Ｄ（中心角２０°）以内の円孤を反射面として利用しても良い。円孤のどの範囲を反射面として利用するかは、太陽電池の表面での反射光の再反射の程度や、太陽電池Ｅを点Ｐ近傍のどこに置くかで、最適値が変わりうる。いずれにしても、最大、円孤Ｂ〜Ｂ´の範囲の反射光を利用する（この時片側中心角は３０°）ことが可能であるが、それより小さい範囲でも良い。従って、反射鏡としては、孤の長さ（ｌ）が下記数式２で表されるサイズで良い。
【数２】
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【００２０】次に、別な事例について考えてみる。反射鏡円孤として片側中心角２０°のＤ〜Ｄ´を考える。太陽電池はＹ軸上の高さ０．４５の位置に反射鏡に面して平行に設置する。この位置での反射光は最大でもおよそ０．０１９の範囲に集まるので、太陽電池の幅は０．０２（片側）で十分である。点ＤのＸ座標は０．３４２であるから、集光倍率としては１８倍（陰の部分を除けば１７倍）となる。片側中心角２０°の場合は、太陽電池を高さ０．５０の位置、すなわち半径の１／２の位置Ｐに置いても、反射光の到達範囲は最大（絶対値）０．０２７であるから、およそ１２倍程度の集光倍率である。このことから分かるように、太陽電池の位置は、０．５０よりやや大きくともよい。
【００２１】すなわち、本発明においては太陽電池の幅が反射鏡の幅の１／５以下であり、この太陽電池を反射鏡曲面から下記数式１で表される距離（ｅ）の範囲内に設置することで集光５倍以上の性能を担保し得る。
【数１】
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【００２２】図２は本発明の反射集光型太陽光発電モジュールの一実施態様である。反射鏡Ｍは断面が半径１．４６ｍの円の中心角（両側）４０°の円孤である。この時、反射鏡Ｍの幅（弦）は１．０ｍである。  反射鏡の中心Ｏと円の中心Ｒを結ぶ線上の、Ｏから０．６６ｍの位置（Ｅ）に幅０．０５６ｍの太陽電池を、反射鏡に面して設置する。太陽光がＯ〜Ｒと平行な方向から反射鏡に入射すると、反射光は太陽電池の位置でおよそ１７倍に集光されて、発電が行なわれる。図２からも分かるように、太陽電池Ｅの位置を半径の１／２の点Ｐの近傍に選択することにより意図する集光倍率のものを自由にデザインすることが出来る。
【００２３】集光型太陽電池のひとつの問題は、集光倍率が高くなるほど太陽熱も濃縮され、太陽電池が高温になって発電効率が落ちることである。そのため、さまざまな除熱の工夫がされているが、いたずらに集光倍率を上げずに１０倍程度に抑え、除熱の問題をクリアするデザインのものを提供することも一つの選択である。その意味で、このような低倍率の集光型発電装置も十分意味がある。尚、本発明に、すでに知られている除熱技術を必要に応じ適用しうることは言うまでもない。
【００２４】太陽の日周運動への追尾は、本発明の集光型太陽光発電装置を地軸と平行に設置し、地軸と平行な回転軸を中心に東から西へ回転させれば達成できる。図２でこのことを説明すると、反射鏡の中心軸Ｏを地軸と平行に設置し、この軸を中心に、太陽電池Ｅを含む装置全体を東から西へ回転させる。回転の中心はＯに限らず、装置全体の重心を考えて選択することができる。朝６時には反射鏡の中心は東の水平方向を向く。春分、秋分の日の出の時間である。正午にはいうまでもなく真上（真南）を向き、夕方６時には真西を向く。ここで、時間は日本の標準時間といったものではなく、その土地で太陽が南中したときを正午とする、その土地の絶対時間である。北半球では夏の朝６時には太陽はすでに昇っているが、６時の反射鏡の向きは季節を問わず同じでよい。６時より前の太陽光も利用したい場合は、反射鏡をやや下向きの角度から追尾を始め、日没時には６時過ぎまで追尾してもよい。日没まで追尾したのち、反射鏡は夜の間に翌日のスタート位置まで戻される。
【００２５】次に、図３により、季節による太陽高度の変化に対応する考え方を説明する。Ｍは樋型反射鏡の中心線、Ｅは太陽電池の位置である。ＭとＥは平行で、かつ地軸に対しても平行である。すなわち、水平面に対する角度αは地球上のその地点の緯度と等しい（南半球ではαはマイナスとなる）。春分、秋分には、太陽光は反射面に垂直に入射し、反射鏡で反射して太陽電池Ｅに照射される。それに対して、夏至には、太陽光はこの垂直な線より北へ２３度２６分傾いた角度βで入射し、南へ同じ角度傾いた方向へ反射する。冬至にはこれとまったく逆になる。ここで、βは太陽の周りを回る地球の公転面に対する地軸の傾きであり、北回帰線の緯度と同じである。
【００２６】この装置を太陽高度の季節変化に追随して上下（南北）に角度を変えることは、装置が大きくなると非常に困難なことが予想される。しかも、１日の太陽の動きに同時に追随するには複雑な制御が必要になり、高コストにつながる。ここで重要なのは、反射鏡の長さＬ１（Ａ〜Ｂ）と太陽電池の長さ（ａ〜ｂ）が同じであると、夏至にはｂ〜ｓの部分、冬至にはａ〜ｗの部分に反射光が当たらないことである。春分、秋分を除いてその他の季節は、程度の差はあるがこの部分で受光する光は他の部分より少なくなり、その結果この部分での発電量が低下することになる。このように、Ｅの両端部は季節により受光量が著しく変わるが、それを除いたｗ〜ｓの区間（Ｌ２）は、どの季節も均等に反射光を受光することができる。すなわち、反射面Ｌ１に対し、受光部（太陽電池Ｅ）をそれより短いＬ２、即ち、下記数式３で表される長さとすれば、季節による太陽高度の変化にかかわらず、年間を通じ遊休する太陽電池（光発電素子）がなく常に均一な発電が可能となる。
【数３】
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言いかえると、太陽電池Ｅの長さＬ２を基準にすれば、下記数式４のように反射鏡の長さＬ１をそれより若干長くすれば良い。
【数４】
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【００２７】本発明によれば、反射鏡で集光された太陽光を全て利用することは原理的に不可能である。しかしながら、そのロスをできるだけ小さく、利用効率をできるだけ大きく（１に近づける）することができる。ここで、利用効率εは太陽電池の長さと反射鏡の長さの比Ｌ２／Ｌ１で決まり、これを大きくするには、反射鏡の長さＬ１に対する太陽電池までの距離ｅの比をできるだけ小さくすれば良い。図３を幾何学的に解析すると、ｅがＬ１の１／１０とすると、利用効率εはおよそ０．９１となる。１／２０なら０．９６であり、実用上問題はない。
【００２８】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールを複数個並列に並べることで、より大きな発電量を得ることが出来る。図４は、例として３ユニットを平行に並べた断面である（ここで、モジュール１単位をユニットと呼ぶ）。全体で幅２ｍの範囲の太陽光を集光する場合を考えてみる。図２の事例で、反射鏡の幅を２ｍとすると、反射鏡Ｍの中心から太陽電池Ｅまでの距離ｅは１．３２ｍである。これに対し、３ユニットを平行に並べた場合は、１ユニットの全幅は０．６７ｍ、太陽電池Ｅまでの距離ｅは１／３でおよそ０．４４ｍとなる。もし、ユニット（反射鏡）の長さＬ１がどちらも同じ、例えば５ｍとすると、前に説明したとおり、ｅ／Ｌ１が小さい方が反射光の利用効率ε（Ｌ２／Ｌ１）をより１に近づけることができるので、３ユニット並べた方が季節による太陽高度変化に対する装置の効率が高くできる。いくつのユニットを並べるかは、装置の複雑さと、得られる効率向上との比較で決められる。複数ユニットを平行に並べた場合の太陽の日周運動への追尾は、単独モジュールの場合と同様に、複数ユニット全体を地軸と平行な軸の回りに回転させることで、達成できる。
【発明の効果】
【００２９】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールは、反射鏡が明確な焦点を持たないにもかかわらず、太陽電池の設置場所を反射鏡円弧の半径の１／２近傍とすることにより、十分な集光倍率を達成できることを特徴とする。これにより、従来の反射集光型太陽光発電システムに比べ、省スペース、低コストを実現する。更に、太陽電池の受光面の長さを反射鏡の長さより短くすることで、年間を通じ遊休する太陽電池（光発電素子）のない高コストパフォーマンスの太陽光発電装置を提供することを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールを説明する概念図
【図２】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールの一実施態様を示す横断面図
【図３】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールの縦方向の断面図
【図４】本発明の反射集光型太陽光発電モジュールを３ユニット連結した断面図
【符号の説明】
【００３１】Ｅ・・・太陽電池受光面、Ｍ・・・反射鏡、Ｐ・・・反射鏡の半径の１／２の位置、Ｒ・・・反射鏡円弧の中心、ｅ・・・反射鏡から太陽電池の受光面までの距離、Ｌ１・・・反射鏡の長手方向の長さ、ｄ１・・・反射鏡の横幅、Ｌ２・・・太陽電池の長手方向の長さ、ｄ２・・・太陽電池の横幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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