(57)【要約】【課題】大型の集光装置や姿勢制御装置を用いることなく太陽電池素子の単位面積あたりの発電電力を向上させる。【解決手段】発電素子と、裏面保護フィルムと、レンズシートとを有する太陽光発電装置において、発電素子は、前記裏面保護フィルム上に四方格子状または六方格子状に複数配置されており、発電素子上にレンズシートが配置される。レンズシートは、発電素子のそれぞれに対応するレンズ部を複数有しており、各レンズ部は、楕円体または球体を１平面で切断することにより形成される楕円切断体である。レンズ部の底面積は、前記発電素子の面積よりも大きい略円形であり、隣接するレンズ部と底面が重なるように配列されている。【選択図】図１
2011159965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光発電装置に用いられるレンズシートであって、
前記太陽光発電装置は、発電素子と、裏面保護フィルムと、を有し、
前記発電素子は、前記裏面保護フィルム上に四方格子状または六方格子状に複数配置されており、
前記レンズシートは、前記発電素子上に配置され、前記発電素子のそれぞれに対応するレンズ部を有しており、
前記レンズ部は、楕円体または球体を１平面で切断することにより形成される切断体であり、
前記レンズ部の底面は、前記発電素子の面積よりも大きい略円形であり、隣接するレンズ部の底面が重なるように配列されており、
隣接するレンズ部間の底面の重心間の距離が、隣接するレンズ部の間に平坦部が存在しないように配列された時の重心間の距離の１倍より大きく１．１５倍より小さいことを特徴とするレンズシート。
【請求項２】
前記レンズ部が基材シート上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のレンズシート。
【請求項３】
前記基材シートの厚さは、前記レンズ部の前記底面からの切断体の高さの２０％以下であることを特徴とする、請求項２に記載のレンズシート。
【請求項４】
請求項１〜３に記載のレンズシートを有する太陽光発電装置であって、
前記発電素子の縦横比は短辺／長辺＝０．８以上１以下であることを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項５】
請求項１〜３に記載のレンズシートを備える太陽光発電装置であって、
前記発電素子の形状は長方形であり、その長辺は東西方向に平行に配置されていることを特徴とする太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電装置などに好適に用いられるレンズシートに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷の低い発電システムとして、太陽電池を用いた太陽光発電が注目されている。太陽光発電装置としては、太陽電池素子を隙間無く敷き詰めた非集光固定型の平板式構造が一般的である。これに対し、太陽光発電装置を構成する部材の中で価格が高い太陽電池素子の使用量を減らす技術が提案されている。
【０００３】
つまり、広い範囲に照射される太陽光を光学レンズや反射鏡などを用いて集光し、比較的小さな太陽電池素子に高エネルギー密度の太陽光を照射することで、太陽電池素子の単位面積あたりの発電電力を大きくすることが提案されている。これにより、太陽光発電装置の効率を高めると共に、太陽電池素子を小型化することで、太陽電池素子の使用量を減らし、太陽電池モジュールの低価格化を図ることが可能となる。
【０００４】
一方、太陽は時々刻々とその位置を変えるが、太陽光が太陽電池素子に効率的に集光されるためには、常に太陽光を正面で受光するように太陽を追尾する必要がある。このため、高集光倍率の太陽光発電装置では、太陽を追尾する機構を備えているものが一般的である（たとえば特許文献１）。
【０００５】
また、追尾は行わないものの発電素子にレンズ部を備えることにより太陽光発電装置の効率を向上させる技術も開示されている（たとえば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２５８２９１号公報
【特許文献２】特開２００５−１４２２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に見られるような従来の高集光倍率の太陽光発電装置は集光レンズや反射鏡などの集光装置が非常に大型である。また、太陽光発電に用いられる集光装置は、太陽が移動するにつれて太陽光を集光する焦点が太陽電池パネルの位置となるように集光装置の姿勢を制御する必要があるが、大型の集光装置の姿勢を制御するためには姿勢の制御装置も大形となり、また比較的大きな動力が必要であるという問題点があった。さらに、太陽光を直達光と拡散光とに分けて考えた場合、直達光は集光できるものの拡散光は全く集光出来ないという問題点があった。
【０００８】
一方、特許文献２についてはピエゾ方式による液滴吐出を用いてレンズ部を形成しているが、その方法ではレンズ形状の制御が困難であり、かつ、一定以上の大きさのレンズ部を形成することが出来ないために集光効率が低いという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の問題を解決するために、本発明においては、太陽光発電装置に用いられるレンズシートであって、前記太陽光発電装置は、発電素子と、裏面保護フィルムと、を有し、前記発電素子は、前記裏面保護フィルム上に四方格子状または六方格子状に複数配置されており、前記レンズシートは、前記発電素子上に配置され、前記発電素子のそれぞれに対応するレンズ部を有しており、前記レンズ部は、楕円体または球体を１平面で切断することにより形成される切断体であり、前記レンズ部の底面は、前記発電素子の面積よりも大きい略円形であり、隣接するレンズ部の底面が重なるように配列されており、隣接するレンズ部間の底面の重心間の距離が、隣接するレンズ部の間に平坦部が存在しないように配列された時の重心間の距離の１倍より大きく１．１５倍より小さいことを特徴とするレンズシート、が提供される。
【００１０】
本発明の一能様においては、前記レンズ部が基材シート上に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一能様においては、前記基材シートの厚さは、前記レンズ部の前記底面からの切断体の高さの２０％以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の一能様においては、上述のレンズシートを有する太陽光発電装置であって、前記発電素子の縦横比は短辺／長辺＝０．８以上１以下であることを特徴とする太陽光発電装置が提供される。
【００１３】
本発明の一能様においては、上述のレンズシートを備える太陽光発電装置であって、前記発電素子の形状は長方形であり、その長辺は東西方向に平行に配置されていることを特徴とする太陽光発電装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレンズシートを備える太陽光発電装置は、大型の集光装置や姿勢制御装置を用いることなく太陽電池素子の単位面積あたりの発電電力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るレンズシートを有する太陽光発電装置の模式図である。
【図２】本発明に係る単純四方格子状に配列された発電素子および配線の図である。
【図３】本発明に係る六方格子状に配列された発電素子および配線の図である。
【図４】本発明に係るレンズ部を有する太陽光発電装置の別形態の模式図
【図５】本発明に係るレンズ部を有する太陽光発電装置の光学シミュレーションのモデル図である。
【図６】本発明に係るレンズ部を有する太陽光発電装置の光学シミュレーションのモデル図である。
【図７】本発明に係るレンズ部を有する太陽光発電装置の光学シミュレーションのモデル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明のレンズシートを太陽光発電装置に用いた場合を例に挙げて、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るレンズシートを備える太陽光発電装置の模式図である。図１に示されたように、本発明に係るレンズシートを備える太陽電池装置は、レンズ部１と、発電素子２と、裏面保護フィルム３と、配線４と、を備えている。発電素子２は、レンズ部１と裏面保護フィルム３との間に、隣接する発電素子２と離間するように設けられている。発電素子２を封止するための樹脂層をレンズ部１と裏面保護フィルム３との間に有しても良い。また、発電素子２をレンズ部に埋め込むことにより、レンズ部１に発電素子２の封止の役割を兼ねさせても良い。発電素子２同士の間には発電素子２から電流を取り出すための配線４が形成されている。レンズ部１と裏面保護フィルム３とは、発電素子の発電に必要な光を透過させるものであればどのようなものでも良いが、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリロニトリル・スチレン共重合体などや、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルフロライド、ポリフッ化エチレンプロピレンなどの材料を用いることができる。また、種々のガラス材料を用いることもできる。
【００１８】
発電素子２は単純四方格子状（図２参照）または六方格子状（図３参照）に配置されており、各発電素子２を覆うようにレンズ部１が設けられている。レンズ部１の形状は楕円体または球を１平面で切断することにより形成される楕円切断体である。この時の切断面をレンズ部底面とする。楕円切断体の例として、球体をその中心を通る平面で切断した半球があげられる。レンズ部形状を楕円切断体とすることにより、あらゆる方向からの光を効率良く集光する事が出来るので、特に拡散光の多い日本国内にて有効である。レンズ部１は隣接するレンズ部１とその一部を共有している。即ち、レンズ部１は、隣接するレンズ部１と面接触している。一部を共有することにより、集光効率が悪い外周部面積を減らすことが出来る。一方で、隣接するレンズ部１の間に全く平坦部が形成されないように、密にレンズ部１を配列すれば集光効率が上がるわけではなく、後述のように所定の範囲の間隔により配置されていることにより、集光効率を向上させることができる。図１のような形状のレンズ部１は、例えばプレス成型や射出成型によって形成することが出来る。
【００１９】
図４は本発明に係るレンズを有する太陽光発電装置の別形態の模式図である。レンズ部１の下部がシート状の基材シート５で連結されていることを以外は図１と同様の構成である。適切な厚さの板又は基材シート５を用いることにより、発電素子２表面のより狭い面積に光を集めることが出来る。この時の板または基材シート５の厚さは楕円切断体の高さの２０％以下であることが望ましい。板又は基材シート５が厚すぎると、発電素子２表面に光が十分に集まらず、より光りが広がったものになってしまう。図４のような形状のレンズ部１は、例えばプレス成型、射出成型、光硬化性樹脂を用いたロール金型形状転写によって形成することが出来る。光硬化性樹脂を用いたロール金型形状転写を用いた時には連続的に生産できるというメリットがある。
【００２０】
レンズ部１底面の面積は、例えば２ｍｍ２以上２００００ｍｍ２以下である。面積が小さすぎるとそれに応じて発電素子２の面積も小さくなり、アセンブリ工程が煩雑となる。面積が大きすぎるとレンズ部１の体積が大きくなり、材料コストが増えると共に太陽光発電装置の重量が増し屋根の上の設置に適さない。
【００２１】
発電素子２の形状は長方形または正方形などの矩形であることが好ましい。発電素子２の形状を矩形とすることにより、シリコンウエハ製造時の切り出しを容易に行うことが出来、かつ、無駄な切り代を最小限に抑えることが出来る。発電素子２の形状が長方形である場合、その長辺は東西方向に平行に配置されていることが望ましい。年間を通した太陽の動きは南北方向より東西方向の方が大きいので、発電素子２の長辺を東西方向に平行に配置することにより、より効率的に多くの年間受光量を得ることが出来る。
【００２２】
発電素子２の縦横比は短辺／長辺＝０．８以上１以下、好ましくは０．８以上０．９以下である。縦横比をこの範囲内の値にすることにより、より効率的に多くの年間受光量を得ることが出来る。
【００２３】
発電素子２の面積の総和は、太陽光発電装置の面積の４０％以上５０％以下であることが好ましい。４０％を下回ると光学的ロスが増え、５０％を上回ると太陽電池素子の面積が増え、太陽電池素子の使用量を減らすという本発明の効果を活かす事が出来ない。また、本発明に係るレンズシートが太陽光をあまり集光しない位置にも太陽電池素子が配置されることになる恐れがあり、好ましくない。
【００２４】
レンズ部１底面の重心間の距離は、以下のように設定される。即ち、レンズシートの上面視において、図５および図６のように隣接するレンズ部１の間に平滑部が発生せず、尚且つ隣接するレンズ部の重心間の距離が最も大きくなる距離αを１としたときに、隣接するレンズ部の重心間の距離がαの１倍より大きく１．１５倍より小さく、好ましくは１．０５倍より大きく１．１５倍より小さく設定される。「隣接するレンズ部の間に平坦部が発生しない」とは、例えばレンズ部形状が半球で発電素子の配列が六方配列の場合、図３のように３つのレンズ部１底面の外周６が１点で交わる状態のことをいう。即ち、太陽光発電装置の表面に底面が略円形のレンズ部１が、その底面が隣接するレンズ部１と重なりを有するように、隙間なく敷き詰められた状態が「隣接するレンズ部の間に平坦部が発生しない」状態であり、この時の重心間距離は、レンズ部１底面の半径をｒとした場合（√３）ｒとなる。重心間距離が広がり、ちょうどレンズ部１同士の共有部が無くなりレンズ部１同士が外接する状態では重心間距離は２ｒとなり、その時の「ちょうど平滑部が発生しない長さ」に対する倍率は２／（√３）＝約１．１５倍となる。なお、「ちょうど平滑部が発生しない」状態から重心間距離を広げる際には必ずしも等方的に広げる必要はなく、例えば東西方向は１．１倍、南北方向は略１．１５倍に広げたりすることが可能である。この場合、重心間距離は約１．１２５倍になる。重心間の距離をちょうど平滑部が発生しない長さの１倍より大きく１．１５倍より小さくすることにより、発電素子２面積あたりの受光量を大きくすることが出来る。１倍を下回ると発電素子２間隔が狭くなりすぎシリコン使用量を削減することが出来ない。１．１５倍を上回ると平滑部が大きくなり光学的ロスが増える。発電素子２とレンズ部１との配置としては、レンズ部１底面の重心が発電素子２の内側に配置されるように、レンズ部１底面の中央部に発電素子２が配置されることが好ましい。
【００２５】
次に光学シミュレーションの結果について示す。光学シミュレーションを行うコンピュータソフト（ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ  Ｖｅｒ．６．３、ＯＲＡ社製）を用いて光線追跡シミュレーションを行った。なお、全てのシミュレーションに共通する条件は以下の通りである。
・レンズ部形状は半径５ｍｍの半球。
・レンズ部材質はＰＭＭＡ（屈折率１．４９）。
・太陽光発電装置は真南に２５度傾斜して配置。
・直達光源の大きさは半径９．３１ｍで、レンズ部からの距離は２ｋｍ（視直径０．５３度）。
・光源は東京（東経１３９．４５８度、北緯３５．４１２度）での春分、夏至、秋分、冬至周辺の快晴日における６，８，１０，１２，１４，１６，１８時の直達光および拡散光を再現するべく設置し、これを年間光源とした。直達光の方向は位置（緯度及び経度）と日時から求められる太陽高度及び方位角から表１のように定めた。任意の緯度φ、経度λの地点における任意の日時の太陽方位ψ、高度α、大気外全天日射量Qは、立正大学
地球環境科学部環境システム学科中川氏のＨＰを参照して、以下の計算により算出した。
【００２６】
先ず、式（１）
θo=2π(dn-1)/365・・・（１）
により元旦からの通し日数dnに基いて定めたθoを用いて、当該日の太陽赤緯δ、地心太
陽距離r/r*、均時差Eqを以下の式（２）〜（４）により求めまた。
【００２７】
δ=0.006918-0.399912cos(θo)+0.070257sin(θo)-0.006758cos(2θo)+0.000907sin(2θo)-0.002697cos(3θo)+0.001480sin(3θo)・・・（２）
r/r*=1/{1.000110+0.034221cos(θo)+0.001280sin(θo)+0.000719cos(2θo)+0.000077sin(2θo)}^0.5・・・（３）
Eq=0.000075+0.001868cos(θo)-0.032077sin(θo)-0.014615cos(2θo)-0.040849sin(2θo)・・・（４）
次いで、日本標準時間JSTから、式（５）により太陽の時角hを求めた。
【００２８】
h=(JST-12)π/12+標準子午線からの経度差+均時差(Eq)・・・（５）
式（１）〜（５）により求められた太陽赤緯δ、緯度φ、時角ｈの値を用いて、方位角ψ、太陽高度αを、それぞれ式（６）〜（７）により求めた。
【００２９】
α=arcsin{sin(φ)sin(δ)+cos(φ)cos(δ)cos(h)}・・・（６）
ψ=arctan[cos(φ)cos(δ)sin(h)/{sin(φ)sin(α)-sin(δ)}]・・・（７）
１時間当たりの直達光量および拡散光量は日本気象協会が提供する日射データベースＭＥＴＰＶ−３の値（表２）を用いた。ただし、一定の精度の計算結果を得るのに必要な計算時間は光源の個数に比例するので、全日射量の１％に満たない弱い直達光は削除した（表１の括弧部分）。その結果、直達光源は７時間帯×４日＝２８個から１０個削除して１８個設置することとした。
・拡散光源は半径１００ｍの球状。
・直達光源、拡散光源共に目標領域は半径２５ｍｍの円とした。
・光線追跡は１０００万本。
・レンズ部表面のフレネル反射を考慮。
・レンズ部裏面と発電素子間のフレネル反射は考慮しない。
上記の条件のもと、以下の実施例および比較例のシミュレーションを行った。
【００３０】
【表１】
2011159965.tif 000003
方位角は、真南を０°とし、西方向をプラス、東方向をマイナスの角度で表示。
【００３１】
【表２】
2011159965.tif 000004
（単位  MJ/m2）
（比較例１）
９つの半球レンズ部を、ちょうど平滑部が発生しないように３×３の単純四方格子状に配列させた（図５）。
【００３２】
（比較例２）
７つの半球レンズ部をちょうど平滑部が発生しないように、また１つのレンズ部を６つのレンズ部が取り囲むように六方格子状に配列させた（図６）。
【００３３】
（実施例１〜５）
７つの半球レンズ部を、その重心間の距離がちょうど平滑部が発生しない長さのそれぞれ1.025，1.05，1.075，1.1，1.125倍になるように、また１つのレンズ部を６つのレンズ部が取り囲むように六方格子状に配列させた（図７）。
【００３４】
（実施例６）
７つの半球レンズ部を、その重心間の距離がちょうど平滑部が発生しない長さの１．１倍になるように、また１つのレンズ部を６つのレンズ部が取り囲むように六方格子状に配列させ、さらにその底面を厚さ０．５ｍｍの基材シートで連結させた。なお、この時の基材シート厚は半球高さの１０％となる。
【００３５】
（比較例３）
７つの半球レンズ部を、「ちょうど平滑部が発生しない長さ」を１とした時に、隣接するレンズ部との重心距離が０．９となるように、また１つのレンズ部を６つのレンズ部が取り囲むように六方格子状に配列させた。
【００３６】
（比較例４）
７つの半球レンズ部を、「ちょうど平滑部が発生しない長さ」を１とした時に、隣接するレンズ部との重心距離が１．１５となるように、また１つのレンズ部を６つのレンズ部が取り囲むように六方格子状に配列させた。
【００３７】
上記モデルそれぞれにつき図５，６，７に示すような繰り返し単位を考え、その中での光量分布を解析した。発電素子の面積を繰り返し単位面積の５０％とし、繰り返し単位の中央部に長方形の発電素子領域を仮定した。発電素子の位置及び縦横比は、発電素子領域における受光量が最も大きくなるように選択する。発電素子領域に到達した光量をもって、太陽光発電装置の性能を評価する。それぞれのモデルにおける太陽光発電装置の性能は表３の通りであった。なお、表中の繰り返し単位面積とは、繰り返し単位の底面積（ｍｍ２）を示しており、発電素子領域の辺の長さとは、矩形の発電素子の辺の長さ（ｍｍ*ｍ
ｍ）を、発電素子領域面積とは、矩形の発電素子の辺の長さの乗算（ｍｍ２）を、発電素子領域受光量とは、発電素子に到達した光線の本数を、レンズ部底面受光量とは、レンズ部の底面に到達した光線の本数を、発電素子領域の面積割合とは、発電素子領域面積を繰り返し単位の面積で除算した数値を、光の利用効率とは、発電素子領域受光量をレンズ部底面受光量で除算した数値を、繰り返し単位面積当たり発電素子領域受光量とは、発電素子領域受光量を繰り返し単位面積で除算した数値を示している。隣接するレンズ部の重心距離（倍率）は、「ちょうど平滑部が発生しない長さ」を１とした時の、隣接するレンズ部の重心距離を表している。
【００３８】
【表３】
2011159965.tif 000005
表３において、光の利用効率とはレンズ部底面（モデル４の場合は基材シート裏面）に到達した光量（レンズ部底面受光量）に対する、設定した発電素子領域に到達した光量（発電素子領域受光量）の占める割合である。発電素子領域の面積割合が、すべてのモデルにおいてほぼ同一であることから、「繰り返し単位面積あたり発電素子領域受光量」により、各モデルのレンズ部を用いた太陽光発電装置の効率を評価する。表３より、レンズ部形状が半径５ｍｍ半球の場合には、レンズ部の配列方法は単純四方格子より六方格子が好ましく、レンズ部底面の重心間の距離はちょうど平滑部が発生しない長さよりもその１．１倍である方が好ましく（即ち、細密充填して配置するよりも、所定の間隔で配置されることが好ましい）、その時のレンズ部底面は厚さ０．５ｍｍ基材シートで連結されている方がより好ましいと分かる。
【００３９】
なお、本発明は上述の説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更等が加えられても構わない。
【符号の説明】
【００４０】
１  レンズ部
２  発電素子
３  裏面保護フィルム
４  配線
５  基材シート
６  レンズ部底面の外周
７  繰り返し単位
【図１】
2011159965.tif 000006
【図２】
2011159965.tif 000007
【図３】
2011159965.tif 000008
【図４】
2011159965.tif 000009
【図５】
2011159965.tif 000010
【図６】
2011159965.tif 000011
【図７】
2011159965.tif 000012