(57)【要約】    【課題】発電セルの受光面上での受光総量を低下させることなく発電セル受光面上での光量分布の均一性を向上させることで発電セルの発電効率を向上させることのできる太陽光発電装置用の集光レンズを提供する。    【解決手段】中央部レンズ領域Ａとその外側の外周部レンズ領域Ｂとが設けられ、中央部レンズ領域Ａは、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎ｛ここでｎは２以上の整数｝を含み、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ焦点は、互いに離れて位置し、且つ外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸から離れた位置にある、太陽光発電装置用集光レンズ。【選択図】図３
2015050328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部レンズ領域Ａとその外側の外周部レンズ領域Ｂとが設けられ、
中央部レンズ領域Ａは、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎ｛ここでｎは２以上の整数｝を含み、
複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ焦点は、互いに離れて位置し、且つ外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸から離れた位置にある、太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項２】
中央部レンズ領域Ａは、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸の方向から見て、太陽光発電装置用集光レンズの中心を通り互いに直交する２つの直線を分割線として４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割されている、請求項１に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項３】
小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、いずれも正方形状をなし、外周部レンズ領域Ｂの外形は中央部レンズ領域Ａと同心且つ同一方向性の正方形である、請求項２に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項４】
小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の一辺の長さＤと、外周部レンズ領域Ｂの外形の正方形の一辺の長さＬとが、０．０３Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌの関係にある、請求項３に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項５】
小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ光軸は、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸と平行である、請求項１〜４の何れか一項に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項６】
小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ焦点は、外周部レンズ領域Ｂのレンズ焦点平面上にある、請求項１〜５の何れか一項に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項７】
外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸は太陽光発電装置用集光レンズの中心を通る、請求項１〜６の何れか一項に記載の太陽光発電装置用集光レンズ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の太陽光発電装置用集光レンズと、太陽光発電装置用集光レンズにより集光された光が入射する受光面を備えた発電セルと、を含む太陽光発電装置。
【請求項９】
太陽光発電装置用集光レンズの外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸は、発電セルの受光面の中心を通る、請求項８に記載の太陽光発電装置。
【請求項１０】
太陽光発電装置用集光レンズにおいて、中央部レンズ領域Ａは、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸の方向から見て、太陽光発電装置用集光レンズの中心を通り互いに直交する２つの直線を分割線として４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割されており、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、いずれも正方形状をなし、外周部レンズ領域Ｂの外形は中央部レンズ領域Ａと同心且つ同一方向性の正方形であり、
発電セルの受光面は、太陽光発電装置用集光レンズの外周部レンズ領域Ｂの外形と同一方向性の正方形状をなし、
互いに直交する２つの分割線のそれぞれの方向に関して、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸と小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれのレンズ光軸との距離Ｓと、発電セルの受光面の一辺の長さＣとが、０．０３Ｃ≦Ｓ≦０．５Ｃの関係にある、請求項９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、太陽光発電の技術分野に属し、更に詳細には、集光式太陽光発電装置、特に集光式太陽光発電装置において使用される集光レンズの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電装置のなかには、寸法が小さく発電効率のよい発電セル（太陽光発電素子又は太陽電池）に集光レンズを用いて太陽光を集光して発電させるタイプの装置がある。このタイプの太陽光発電装置即ち集光式太陽光発電装置においては、発電量を増大させるため、集光された光を発電セルに照射させるための太陽光の追尾システム、より高効率の発電セル、および、より集光倍率の高い集光レンズが用いられている。
【０００３】
このような集光式太陽光発電装置における技術的課題として、発電セルの受光面上での光量分布の均一性の向上が挙げられる。通常の集光レンズは設計上光が１点に収束するように製造されるが、これをそのまま集光式太陽光発電装置の集光レンズに適用すると、以下のような問題が発生する。即ち、光は発電セルの受光面内のレンズ焦点に相当する１点にのみ集中してしまう。発電セルの発電量は、基本的には発電セルの受光量によるものであるが、受光面内での光量分布の不均一性が高い場合には、発電セルの発電性能を決める要素の一つである曲線因子（フィルファクター：ＦＦ値）が低下し、発電効率が低下してしまう。
【０００４】
この問題を解決するために、発電セルを集光レンズの焦点位置から光軸に沿ってずらして配置し、これにより発電セルの受光面上での光量分布を均一化させることが可能であることは、一般的に知られている。しかしながら、この方法では、集光レンズを通過する光のうち発電セルに到達しなくなる光の割合も増えてしまい、結果的に発電セルの発電効率は向上しない。
【０００５】
発電セルの受光面での光量分布の均一化に着目した先行技術としては、ＬＰＩ社（Light Prescriptions Innovators社）のFresnel-Kohler concentratorが知られている（特許文献１）。特許文献１の発明は、集光機能を有する平面形状のフレネルレンズを光軸と直交する面内において縦横に４分割し、それぞれの分割領域の焦点位置を光軸と直交する面内においてずらすことにより、発電セルの受光面内での光量分布の均一化を図ったものである。しかるに、前述のような、集光レンズを通過する光のうち発電セルに到達しなくなる光の割合が増えるという問題については、特許文献１の発明を用いても本質的に変わりなく同様に存在する。
【０００６】
また、太陽光発電における発電量に関する解析については、非特許文献１に記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５９６５７号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.Herrero et al., Prog.Photovolt:Res.Appl.2012;20:423-430
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、発電セルの受光面上での受光総量を低下させることなく発電セル受光面上での光量分布の均一性を向上させることで発電セルの発電効率を向上させることのできる太陽光発電装置用の集光レンズ及びそれを用いた太陽光発電装置の何れかの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、特許文献１の発明で発電セルに到達しなくなる光は主にレンズの中心から大きく離れた周辺部を通る光であることを見出し、レンズ周辺部をレンズ中央部とは別のレンズ領域となし、このレンズ領域のレンズ焦点位置が発電セル受光面の中心となるようにして、複合型のレンズ設計にすることにより、発電セル受光面での光量分布均一性が高められ、かつ受光総量が低下しないことを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
即ち、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
中央部レンズ領域Ａとその外側の外周部レンズ領域Ｂとが設けられ、
中央部レンズ領域Ａは、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎ｛ここでｎは２以上の整数｝を含み、
複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ焦点は、互いに離れて位置し、且つ外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸から離れた位置にある、太陽光発電装置用集光レンズ、
が提供される。
【００１２】
本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、中央部レンズ領域Ａは、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸の方向から見て、太陽光発電装置用集光レンズの中心を通り互いに直交する２つの直線を分割線として４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割されている。本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、いずれも正方形状をなし、外周部レンズ領域Ｂの外形は中央部レンズ領域Ａと同心且つ同一方向性の正方形である。本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の一辺の長さＤと、外周部レンズ領域Ｂの外形の正方形の一辺の長さＬとが、０．０３Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌの関係にある。
【００１３】
本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ光軸は、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸と平行である。本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、小レンズ領域Ａ１〜Ａｎのそれぞれのレンズ焦点は、外周部レンズ領域Ｂのレンズ焦点平面上にある。本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一態様においては、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸は太陽光発電装置用集光レンズの中心を通る。
【００１４】
また、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
太陽光発電装置用集光レンズと、太陽光発電装置用集光レンズにより集光された光が入射する受光面を備えた発電セルと、を含む太陽光発電装置、
が提供される。
【００１５】
本発明の太陽光発電装置の一態様においては、太陽光発電装置用集光レンズの外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸は、発電セルの受光面の中心を通る。
【００１６】
本発明の太陽光発電装置の一態様においては、
太陽光発電装置用集光レンズにおいて、中央部レンズ領域Ａは、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸の方向から見て、太陽光発電装置用集光レンズの中心を通り互いに直交する２つの直線を分割線として４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割されており、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、いずれも正方形状をなし、外周部レンズ領域Ｂの外形は中央部レンズ領域Ａと同心且つ同一方向性の正方形であり、
発電セルの受光面は、太陽光発電装置用集光レンズの外周部レンズ領域Ｂの外形と同一方向性の正方形状をなし、
互いに直交する２つの分割線のそれぞれの方向に関して、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸と小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれのレンズ光軸との距離（即ち各分割線方向に関する「ずれ量」）Ｓと、発電セルの受光面の一辺の長さＣとが、０．０３Ｃ≦Ｓ≦０．５Ｃの関係にある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、発電セル受光面での光量分布均一性が高く高効率な太陽光発電装置用集光レンズ及びそれを用いた太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】集光式太陽光発電装置の概念図。
【図２】図１の集光式太陽光発電装置において用いられる集光レンズの部分拡大図。
【図３】本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一実施形態を示す平面図。
【図４】本発明の太陽光発電装置の一実施形態を示す概念図。
【図５】図４の太陽光発電装置において用いられる集光レンズの部分拡大図。
【図６】図４の太陽光発電装置において用いられる発電セルの受光面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の太陽光発電装置用集光レンズ及びそれを用いた太陽光発電装置の概要について、図を用いて説明する。
【００２０】
＜集光レンズ＞
図３は、本発明の太陽光発電装置用集光レンズの一実施形態を示す平面図である。集光レンズは、全体として一辺の長さがＬの正方形板状をなしており、レンズ中心を含む中央部レンズ領域Ａとその外側の外周部レンズ領域Ｂとが設けられている。中央部レンズ領域Ａは、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａｎ｛ここでｎは２以上の整数｝を含む。ｎは、例えば２〜８であり、好ましくは３〜６であり、本実施形態では４である。ｎは、２以上であれば光量分布の均一性を高める効果があり、８以下であれば集光レンズ製造が一層容易になる。
【００２１】
集光レンズの材料としては、ガラスや合成樹脂等の透明材質を使用することができる。合成樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン、または、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）とスチレン（Ｓｔ）との共重合体等の高透明性の種々の合成樹脂を用いることができる。これらの樹脂は、金型を用いて、平面板を加熱しプレス成形する、または、加熱溶融した樹脂を射出成形する等の方法で、所望の集光レンズ形状に成形加工することができる。特に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のメタクリル樹脂が、その光線透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性にも優れており、レンズ用材料として最適である。このようなメタクリル樹脂とは、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であることが好ましい。
【００２２】
＜中央部レンズ領域Ａおよび外周部レンズ領域Ｂ＞
外周部レンズ領域Ｂは、同心円状のフレネルレンズタイプの集光レンズ領域である。外周部レンズ領域Ｂの光軸は、集光レンズの中心を通って図３の紙面と直交する方向に延びている。図３においては、外周部レンズ領域Ｂのレンズ主点１００が示されている。外周部レンズ領域Ｂの外形は、集光レンズの外形に一致する。
【００２３】
中央部レンズ領域Ａは、外周部レンズ領域Ｂの光軸の方向即ち図３の紙面と直交する方向から見て、集光レンズの中心を通り互いに直交する２つの直線即ち図３における縦横十文字の線を分割線として４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割されている。小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、それぞれ同心円状のフレネルレンズタイプの集光レンズ領域である。小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれの光軸は、外周部レンズ領域Ｂの光軸と平行であり、図３の紙面と直交する方向に延びている。図３においては、各小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ主点１０１，１０２，１０３，１０４が示されている。
【００２４】
小レンズ領域Ａ１〜Ａ４はいずれも正方形状をなし、外周部レンズ領域Ｂの外形は中央部レンズ領域Ａと同心且つ同一方向性の正方形である。
【００２５】
図５には、中央部レンズ領域Ａの４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のうちの１つの小レンズ領域と、これに対応する外周部レンズ領域Ｂの部分とが示されている。小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の一辺の長さはＤであり、外周部レンズ領域Ｂの外形の正方形の一辺の長さは上記のようにＬである。
【００２６】
集光レンズには、回折構造を設けて集光効率を向上させることをも、併せて適用することができる。
【００２７】
尚、以上の実施形態では、外周部レンズ領域Ｂ、中央部レンズ領域Ａ及び各小レンズ領域Ａ１〜Ａ４が、いずれも正方形状であるが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、外周部レンズ領域Ｂ、中央部レンズ領域Ａ及び各小レンズ領域Ａ１〜Ａ４を、互いに同一の方向性の長方形状とし、外周部レンズ領域Ｂと中央部レンズ領域Ａとを同心に配置することができる。更に、外周部レンズ領域Ｂと中央部レンズ領域Ａとを同心且つ同一方向性の正六角形とし、集光レンズの中心を通り互いに６０度の角度をなし且つ中央部レンズ領域Ａの正六角形の頂点を通る３つの直線を分割線として中央部レンズ領域Ａを６分割して６つの正三角形状の小レンズ領域を形成することができる。上記実施形態を含め、このようにすることで、多数の集光レンズを２次元的に隙間なく配列することができ、太陽光を無駄なく利用することが可能な太陽光発電装置を得ることができる。
【００２８】
＜発電セル＞
図４は本発明の太陽光発電装置の一実施形態を示す概念図であり、図６はそこで用いられる発電セルの受光面を示す図である。太陽光発電装置は、以上のような集光レンズと、該集光レンズにより集光された光が入射する受光面を備えた発電セル６と、を含む。
【００２９】
発電セル６は、レンズで集光された光を電気に変換する光電変換素子であり、結晶シリコン系のもの及び多接合化合物系のものなどの、任意の光電変換素子を用いることができる。受光面の大きさは特に限定されないが、集光レンズの面積が受光面の面積に比較して１００倍から３０００倍程度となるように設計されることが好ましい。１００倍以上だとコスト低減の観点から有利であり、３０００倍以下だと受光面への集光効率（光学効率）が高くなる。３００倍以上２０００倍以下がさらに好ましい。
【００３０】
図４及び図６において、ｘｙｚ直交座標系が示されている。図４及び図６に示されるように、外周部レンズ領域Ｂは、レンズ主点１００を通りレンズ主面と垂直に交わるレンズ光軸１１０上にレンズ焦点１２０を持つ。同様に、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４は、それぞれ、レンズ主点１０１〜１０４を通りレンズ主面と垂直に交わるレンズ光軸１１１〜１１４上にレンズ焦点１２１〜１２４を持つ。ここで、外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸１１０の方向から見て、外周部レンズ領域Ｂのレンズ主点１００からレンズ主平面上のｘ軸方向及びｙ軸方向に沿ってそれぞれ距離ｓずつ離れた位置（即ちｘｙ各軸方向に関し「ずれた位置」）に、レンズ主点１０１〜１０４、光軸１１１〜１１４及びレンズ焦点１２１〜１２４が位置する。
【００３１】
かくして、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のそれぞれのレンズ焦点１２１〜１２４は、外周部レンズ領域Ｂのレンズ焦点平面上にて互いに離れて位置し、且つ外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸１１０から離れた位置（即ちｘｙ各軸方向に関し「ずれた位置」）にある。即ち、外周部レンズ領域Ｂのレンズ焦点距離と小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ焦点距離とは等しい。
【００３２】
集光レンズ１と発電セル６とは、金属枠などに取り付けられ、位置関係が固定される。図１及び図２に示されるように、集光レンズ１の入射面２に入射した入射光３は、集光レンズの出射面４から出射して出射光５となり、発電セル６の受光面に照射される。この基本的構成は、集光レンズとして上記の本発明による集光レンズを用いた本発明の太陽光発電装置においても、同様である。
【００３３】
＜太陽光発電装置＞
以下、太陽光発電装置の特性を決定する要素について説明する。太陽光発電装置における発電性能は、発電セル受光面における受光量および光量分布の均一度に依存する。
【００３４】
太陽と集光レンズ１とを正対させたとき、太陽から発せられ集光レンズ１の入射面２に入射する入射光３の光量と、集光レンズ１の出射面４から出射した出射光５のうち発電セル６の受光面に入射する光量との比率、すなわち［発電セル６の受光面への入射光量］／［集光レンズ入射面２への入射光量］を、集光レンズの光学効率ηoptといい、受光量の指標として用いる。光学効率ηoptが１に近いほど、発電セル６の受光量が高く、発電性能が高いことを示す。
【００３５】
また、発電セル６の受光面における光量分布の均一度の指標としては、ＰＡＲ（Peak-to-Average Ratio）を用いることができる。ＰＡＲは、光量分布の最大値と平均値との比率すなわち［最大値］／［平均値］によって表され、数値が高いほど光量分布の不均一性が高いことを示し、数値が１に近いほど光量分布の均一性が高いことを示す。ＰＡＲ値が高くなると発電セルの評価指標の一つである曲線因子（ＦＦ値）が低下することがＥＵＰＶＳＥＣ(European Photovoltaic Solar Energy Conference)をはじめとした国際学会や非特許文献１等で報告されている。すなわち、ＰＡＲ値が低い方が発電セル受光面における光量分布の均一性が高く、発電性能が高いことを示す。
【００３６】
通常の単一フレネルレンズの場合、光は発電セル６の受光面の中心部に強く集中しているため、ＰＡＲは高い値となり好ましくない。但し、発電セル６の受光面の中心部が焦点位置となるため、光学効率ηoptは高く、非常に高い効率で光が発電セル受光面に到達する。
【００３７】
一方、特許文献１に記載のFresnel-Kohler concentrator（四分割フレネルレンズ）については、焦点が複数あるためにＰＡＲは大きく改善されるが、光学効率ηoptは低下する傾向にある。
【００３８】
以上のことを前提として、本発明の集光レンズ及び太陽光発電装置の機能上の特徴であるところの、光学効率ηoptを低下させずにＰＡＲの低減を実現することにつき、以下に説明する。
【００３９】
本発明の集光レンズでは、全レンズ領域を、中央部レンズ領域Ａとその外側の外周部レンズ領域Ｂとに分けている。
【００４０】
ここで、レンズ中心から離れて位置している外周部レンズ領域Ｂについては、光学効率向上を重視する観点から、焦点位置を発電セル受光面の中心に配置している。集光レンズを通る光は、レンズ中心から離れた箇所を通る光ほど発電セル６の受光面に到達しにくくなるので、レンズ中心から離れた外周部レンズ領域Ｂは発電セル受光面の中心に焦点が位置するように構成するのが光学効率の低下を防ぐ意味で好適である。
【００４１】
また、レンズ中心の近くに位置している中央部レンズ領域Ａについては、ＰＡＲ低減を重視する観点から、発電セル受光面の中心から離れたそれぞれ互いに異なる位置に焦点を持つ、複数の小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割している。レンズ中心の近くを通る光は、焦点位置が発電セル受光面の中心から多少ずれていても発電セル受光面に到達しなくなることは起こりにくい。このため、レンズ中心に近い中央部レンズ領域Ａは、ＰＡＲ低減の観点から、さらに４つの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４に分割し、それぞれの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の焦点が発電セル受光面の中心からある程度離れて位置するようにし、光量の過度な集中を抑えることが好ましい。
【００４２】
中央部レンズ領域Ａと外周部レンズ領域Ｂとの大きさの比率は、ＰＡＲと光学効率とに影響を及ぼす。集光レンズ全体の一辺の長さに該当する外周部レンズ領域Ｂの正方形外形の一辺の長さＬと、各小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の一辺の長さＤとが、以下の式１：
（式１）  ０．０３Ｌ≦Ｄ≦０．４８Ｌ
を満たす関係にあることが好ましい。Ｄが０．０３Ｌより大きいとＰＡＲ低減の効果が高く、Ｄが０．４８Ｌ以下だと光学効率向上の効果が高い。より好ましくは０．２０Ｌ≦Ｄ≦０．４５Ｌであり、さらに好ましくは０．２５Ｌ≦Ｄ≦０．３８Ｌである。
【００４３】
小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の好適な焦点位置は、発電セル受光面の大きさに依存する。発電セル受光面が一辺の長さＣの正方形状をなす場合、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４の焦点位置は発電セル受光面の中心からｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれＳずつずれた位置に配置されることが好ましく、またＳとＣとは以下の式２：
（式２）  ０．０３Ｃ≦Ｓ≦０．５Ｃ
を満たす関係にあることが好ましい。Ｓが０．０３Ｃより大きいとＰＡＲ低減の効果が高く、Ｓが０．５Ｃ以下だと光学効率向上の効果が高い。より好ましくは０．０６Ｃ≦Ｓ≦０．４２Ｃであり、さらに好ましくは０．１０Ｃ≦Ｓ≦０．３８Ｃである。Ｓは、ｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれに関して、外周部レンズ領域Ｂのレンズ主点１００からの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ主点１０１〜１０４のずれ量、或いは外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸１１０からの小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ光軸１１１〜１１４のずれ量、に相当する。
【００４４】
本発明の集光レンズを用いた太陽光発電装置において、最大発電量は以下のように見積もることができる。
【００４５】
最大発電量Ｐｍは、以下の式３：
（式３）  Ｐｍ＝Ｉｓｃ・Ｖｏｃ・ＦＦ
に示したように、短絡電流Ｉｓｃと開放電圧ＶｏｃとフィルファクターＦＦとの積で表すことができるが、発電セル受光面での放射照度が不均一である場合、ＦＦ値の低下により発電量が低下することがわかっている（非特許文献１など）。非特許文献１では、発電セル受光面上における放射照度の最大値と平均値との比であるＰＡＲを用いて、ＰＡＲとＦＦ値との関係を明らかにしており、この関係を式３に適用し、更にＩｓｃは発電セル受光面に取り込まれる光の量に比例すなわちηoptに比例することを式３に適用すると、最大発電量の相対値は、以下の式４：
（式４）  Ｐｍ∝ηopt・Ｖｏｃ・ＦＦｔｈ｛１．０−０．０１７８（ＰＡＲ−１．０）｝
で表すことができる。ここで、ＦＦｔｈは均一照射時のフィルファクターの値である。
【００４６】
式４中でＶｏｃ及びＦＦｔｈは定数であるので、式４の値は以下の式５：
（式５）  Ｐｍ∝ηopt｛１．０−０．０１７８（ＰＡＲ−１．０）｝
の値に比例するといえる。
【００４７】
そこで、以下の実施例及び比較例での最大発電量の相対的な評価においては、式５の右辺の計算値を用いて比較することとした。
【実施例】
【００４８】
以下の実施例及び比較例は、光学の原理に基づく計算（光線追跡法による光学シミュレーション）により行ったものである。尚、本発明の実施例は、上記実施形態に準拠している。
【００４９】
以下の実施例１〜実施例１１、比較例１及び比較例２は、幾何集光倍率が１０００倍となるように構成された集光レンズ及び発電セルを含む太陽光発電装置に関するものである。
【００５０】
＜実施例１＞
集光レンズとして、板厚３．０ｍｍ、一辺の長さＬが２００ｍｍの正方形状のＰＭＭＡ板の片面に、外周部レンズ領域Ｂおよび中央部小レンズ領域Ａ１〜Ａ４を設け、各小レンズ領域の一辺の長さＤを６０ｍｍとしたものを用いた。外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸１１０が集光レンズの中心を通るようにした。小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ主点１０１〜１０４の位置は外周部レンズ領域Ｂのレンズ主点１００の位置からｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれＳ＝１．８ｍｍずれた位置とした。このＳの値により、小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ主点１０１〜１０４の位置が特定される（以下同様）。各レンズ領域のレンズはフレネルレンズで構成され、レンズ斜面の傾斜角度（レンズ角度）はレンズ主点からの距離に応じて設計された。いくつかの代表的な距離におけるフレネルレンズ斜面の傾斜角度を表１に示す。各レンズ領域のレンズ焦点距離ｆは２００ｍｍとした。各レンズ領域のレンズのピッチは０．５ｍｍとした。
【００５１】
発電セル６の受光面は、一辺の長さＣが√（４０）ｍｍの正方形状をなすものとした。集光レンズと発電セル受光面との距離は２００ｍｍとし、集光レンズの外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸１１０が発電セル受光面の中心を通るように、集光レンズ及び発電セル６を配置した。
【００５２】
光源は、太陽光を仮定してＡＭ１．５Ｄスペクトルの３００〜２０００ｎｍの範囲を使用し、太陽の視直径を考慮し広がり角０．５３°の光とした。
【００５３】
また、集光レンズの材質はＰＭＭＡとし、屈折率は以下の式６：
（式６）  １．４７７９＋（５．０４９６×１０３）／λ２−６．９４×１０７／λ４の値を用いた。
【００５４】
上記の条件で、光線追跡法による光学シミュレーションを行い、発電セル受光面に到達するフォトン数をカウントしたところ、集光レンズの光学効率ηoptは８０％と、後述する比較例１のηoptと同等であった。また発電セル受光面を２０×２０のメッシュに分割し、到達フォトン数の最も多かったエリアのフォトン数と全エリアのフォトン数の平均値との比率ＰＡＲを算出したところ、２．９７となり、後述する比較例１のＰＡＲに比べ著しく低減した。また、式５を用いて最大発電量の相対値を導いたところ（比較例１の計算結果を１とした）１．１７となり、比較例１の単一フレネルレンズの場合及び比較例２の四分割フレネルレンズの場合に比較して、高い値となった。結果を表２に示す。
【００５５】
【表１】
2015050328.tif 000003
＜比較例１＞
集光レンズとして、板厚３．０ｍｍ、一辺の長さＬが２００ｍｍの正方形のＰＭＭＡ板の片面に、通常のフレネルレンズ（単一フレネルレンズ）を形成させたものを用いた。焦点距離ｆは２００ｍｍとし、レンズ主点からの距離に応じたフレネルレンズのレンズ角度は表１の通りとした。
【００５６】
発電セル６および光源については実施例１と同様にして光学シミュレーションを行ったところ、光学効率ηoptは８０％であった。また、実施例１と同様にしてＰＡＲを算出したところ、１１．３となり、前述した実施例１のＰＡＲに比べ非常に大きく、発電セル受光面内の光量分布は非常に不均一性が高かった。最大発電量の計算値は実施例１より低い値となった。結果を表２に示す。
【００５７】
＜比較例２＞
集光レンズとして、板厚３．０ｍｍ、一辺の長さＬが２００ｍｍの正方形のＰＭＭＡ板の片面に、外周部レンズ領域Ｂが存在せず小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のみからなる複合フレネルレンズ（四分割フレネルレンズ）を形成させたものを用いた。各小レンズ領域の一辺の長さＤは１００ｍｍとした。小レンズ領域Ａ１〜Ａ４のレンズ主点１０１〜１０４の位置は集光レンズの中心点からｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞれＳ＝１．８ｍｍずれた位置とした。各小レンズ領域のレンズは、フレネルレンズで構成され、焦点距離ｆは２００ｍｍとし、レンズ主点からの距離に応じたフレネルレンズのレンズ角度は表１の通りとした。
【００５８】
発電セル６および光源については実施例１と同様にして光学シミュレーションを行ったところ、光学効率ηoptは６８％と、前述した実施例１に比べ劣る結果となった。また、実施例１と同様にしてＰＡＲを算出したところ、３．８７となった。比較例１の計算値を１としたときの最大発電量の相対値は、０．９８であり、実施例１よりも低い値となった。結果を表２に示す。
【００５９】
＜実施例２〜実施例１１＞
集光レンズサイズ、発電セル受光面のサイズおよびレンズ領域の構成は実施例１と同様の設計で、但し、小レンズ領域の一辺の長さＤ及び小レンズ領域の主点位置Ｓの値を表２に示すように設計した。これらに関して最大発電量の計算を実施したところ、比較例１及び比較例２に比較して高い値となった。結果を表２に示す。
【００６０】
【表２】
2015050328.tif 000004
以下の実施例１２〜実施例２２、比較例３は、幾何集光倍率が４００倍となるように構成された集光レンズ及び発電セルを含む太陽光発電装置に関するものである。
【００６１】
＜実施例１２〜実施例２２＞
発電セル受光面を一辺の長さ１０ｍｍの正方形状をなすものとし、小レンズ領域の一辺の長さＤ及び小レンズ領域の主点位置Ｓの値を表３に示すようにしたこと以外は、実施例１と同じ設計とし、実施例１と同様の方法で計算を実施した。比較例３の計算値を１としたときの最大発電量の相対値は、比較例３に比較して高い値となった。結果を表３に示す。
【００６２】
＜比較例３＞
発電セル受光面を一辺の長さ１０ｍｍの正方形状をなすものとしたこと以外は、比較例１と同じ設計とした。最大発電量の計算値は実施例１２〜実施例２２に比べて低い値となった。
【００６３】
【表３】
2015050328.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の集光レンズは、集光式太陽光発電装置において好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  集光レンズ
１００  外周部レンズ領域Ｂのレンズ主点
１０１  小レンズ領域Ａ１のレンズ主点
１０２  小レンズ領域Ａ２のレンズ主点
１０３  小レンズ領域Ａ３のレンズ主点
１０４  小レンズ領域Ａ４のレンズ主点
１１０  外周部レンズ領域Ｂのレンズ光軸
１１１  小レンズ領域Ａ１のレンズ光軸
１１２  小レンズ領域Ａ２のレンズ光軸
１１３  小レンズ領域Ａ３のレンズ光軸
１１４  小レンズ領域Ａ４のレンズ光軸
１２０  外周部レンズ領域Ｂのレンズ焦点
１２１  小レンズ領域Ａ１のレンズ焦点
１２２  小レンズ領域Ａ２のレンズ焦点
１２３  小レンズ領域Ａ３のレンズ焦点
１２４  小レンズ領域Ａ４のレンズ焦点
２  入射面
３  入射光
４  出射面
５  出射光
６  発電セル
Ａ  中央部レンズ領域
Ａ１〜Ａ４  小レンズ領域
Ｂ  外周部レンズ領域
【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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