(57)【要約】【課題】屈折型の２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュールにおいて、太陽電池セルに対する１次光学系のずれに起因する変換効率の低下を抑制すること。【解決手段】集光型太陽電池モジュール１０は、投影面が矩形又は方形である１次光学系１２と、１次光学系１２で集光した光をさらに屈折させるための２次光学系１４と、受光面が矩形又は方形である太陽電池セル１６と、１次光学系１２及び太陽電池セル１６を支持するための支持構造２０とを備えている。支持構造２０は、矩形又は方形の底板２２と、底板２２の両端に設けられた一対の起立壁（Ａ）２４、２４とを備えている。太陽電池セル１６は、受光面の１辺と底板２２の１辺とが略平行となるように底板２２の表面に固定され、１次光学系１２は、投影面の１辺と底板２２の１辺とが略平行となるように一対の起立壁（Ａ）２４、２４に固定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた集光型太陽光発電モジュール。
（１）前記集光型太陽電池モジュールは、
投影面が矩形又は方形であり、かつ、太陽光を集光するための１次光学系と、
前記１次光学系で集光した光をさらに屈折させるための２次光学系と、
受光面が矩形又は方形であり、前記２次光学系で屈折させた光を前記受光面で受光するための太陽電池セルと、
前記１次光学系及び前記太陽電池セルを支持するための支持構造と
を備えている。
（２）前記支持構造は、
矩形又は方形の底板と、
底板の両端に設けられた一対の起立壁（Ａ）と
を備え、
前記太陽電池セルは、前記受光面の１辺と前記底板の１辺とが略平行となるように前記底板の表面に固定され、
前記１次光学系は、前記投影面の１辺と前記底板の１辺とが略平行となるように前記一対の起立壁（Ａ）に固定されている。
【請求項２】
前記支持構造は、前記底板の１辺と略平行に配置され、かつ、前記一対の起立壁（Ａ）間を支持するための１又は２以上の梁（Ａ）をさらに備えている請求項１に記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項３】
前記支持構造は、前記底板の前端及び／又は後端に設けられた起立壁（Ｂ）をさらに備えている請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項４】
前記支持構造は、前記底板の１辺と略平行に配置され、かつ、前記一対の起立壁（Ｂ）間を支持するための１又は２以上の梁（Ｂ）をさらに備えている請求項３に記載の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、集光型太陽光発電モジュールに関し、さらに詳しくは、集光装置（１次光学レンズ）により集光された高エネルギーの太陽光を太陽電池セルに照射することによって発電を行う集光型太陽光発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電モジュールは、太陽光をそのまま太陽電池セルに照射する非集光型と、集光装置を用いて集光された太陽光を太陽電池セルに照射する集光型に大別される。これらの内、集光型太陽光発電モジュールは、太陽電池セルを小さくすることができるので、変換効率の良い高価なセルを使用しても電力製造コストに与える影響が小さい。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、安価な電力を効率よく製造できるという利点がある。
【０００３】
集光型太陽光発電モジュールは、太陽光を集光するための集光レンズ（１次光学系：Primary Optical Element）を備えている。集光レンズで集光された光は、中心部の強度が強く、周辺部の強度は弱い。このような光を直接、太陽電池セルに照射すると、高い発電効率は得られない。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、通常、１次光学系で集光された光の強度を均一化させるための光学部材（２次光学系：Secondary Optical Element）が設けられる。
【０００４】
このような２次光学系としては、例えば、
（１）集光レンズ（１次光学系）の実像を太陽電池セルの受光面に結像させるための投影レンズ、
（２）複数セグメントを有する分割型ケーラー光学系（特許文献１参照）、
（３）集光レンズにより集光された高エネルギーの太陽光を側面で繰り返し全反射させるための柱状又は錘台状の光学部材（ホモジナイザー）、
などが知られている。
【０００５】
これらの内、ホモジナイザー型の２次光学系は、全反射によって光がホモジナイザーの内部に閉じこめられるため、僅かな追尾ズレが生じても太陽電池セルに確実に太陽光を照射できるという利点がある。しかしながら、ホモジナイザーは、通常、断面積に比べて高さが高い縦長の形状を有する。そのため、太陽電池セルの真上に縦長のホモジナイザーを安定に支持するためには、大掛かりな固定装置が必要となる。また、ホモジナイザーの組み付け誤差及びこれに起因する変換効率の低下も起きやすい。
【０００６】
これに対し、屈折型の２次光学系は、光の入射面で１回だけ屈折を起こすものであるため、投影レンズの底面（光の入射面とは反対側の面）付近は、光学的に不活性となる。そのため、投影レンズは、光の入射面に比べて底面付近の面積が大きい安定性の高い形状にすることができ、大掛かりな固定装置も不要となる。
【０００７】
屈折型の２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュールにおいては、集光レンズの実像が太陽電池セルの受光面に結像される。従って、高い変換効率を得るためには、集光レンズの実像の形状と太陽電池セルの受光面の形状が一致しているのが好ましい。
通常、高い製造歩留まりを得るために、太陽電池セルの受光面は矩形又は方形になっている。これに合わせて集光レンズの投影面もまた、矩形又は方形になっている。
【０００８】
しかしながら、受光面が矩形又は方形である太陽電池セルの上方に、投影面が矩形又は方形である集光レンズを支持した場合、集光レンズの位置が不可抗力によりずれることがある。このとき、集光レンズが斜め方向にずれると、受光面と投影面とが重なり合う部分の面積が小さくなり、変換効率が著しく低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第８００００１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、屈折型の２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュールにおいて、太陽電池セルに対する１次光学系のずれに起因する変換効率の低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る集光型太陽光発電モジュールは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記集光型太陽電池モジュールは、
投影面が矩形又は方形であり、かつ、太陽光を集光するための１次光学系と、
前記１次光学系で集光した光をさらに屈折させるための２次光学系と、
受光面が矩形又は方形であり、前記２次光学系で屈折させた光を前記受光面で受光するための太陽電池セルと、
前記１次光学系及び前記太陽電池セルを支持するための支持構造と
を備えている。
（２）前記支持構造は、
矩形又は方形の底板と、
底板の両端に設けられた一対の起立壁（Ａ）と
を備え、
前記太陽電池セルは、前記受光面の１辺と前記底板の１辺とが略平行となるように前記底板の表面に固定され、
前記１次光学系は、前記投影面の１辺と前記底板の１辺とが略平行となるように前記一対の起立壁（Ａ）に固定されている。
【００１２】
前記支持構造は、前記底板の１辺と略平行に配置され、かつ、前記一対の起立壁（Ａ）間を支持するための１又は２以上の梁（Ａ）をさらに備えていても良い。
前記支持構造は、前記底板の前端及び／又は後端に設けられた起立壁（Ｂ）をさらに備えていても良い。
さらに、前記支持構造は、前記底板の１辺と略平行に配置され、かつ、前記一対の起立壁（Ｂ）間を支持するための１又は２以上の梁（Ｂ）をさらに備えていても良い。
【発明の効果】
【００１３】
１次光学系及び太陽電池セルを支持するための支持構造として、底板と一対の起立壁（Ａ）からなる構造（一種のモノコック構造）を用いると、１次光学系が外力や熱応力などの不可抗力によってｘ方向（起立壁（Ａ）が設けられている辺に対して垂直な方向）にずれることはあっても、１次光学系のｙ方向（起立壁（Ａ）が設けられている辺に対して平行な方向）へのずれは少ない。
また、底板の前端及び／又は後端に起立壁（Ｂ）を設け、対向する起立壁（Ａ）間に梁（Ａ）を設け、あるいは、対向する起立壁（Ｂ）間に梁（Ｂ）を設けると、１次光学系のｘ方向へのずれも抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュールの外観斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュールの平面図（図２（ａ）及びＡ−Ａ’線断面図（図２（ｂ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  集光型太陽光発電モジュール］
図１に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール（以下、単に「モジュール」ともいう）の外観斜視図を示す。また、図２に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュールの平面図（図２（ａ））及びＡ−Ａ’線断面図（図２（ｂ））を示す。図１及び図２において、モジュール１０は、１次光学系１２と、２次光学系１４と、太陽電池セル１６と、支持構造２０とを備えている。
【００１６】
［１．１．  １次光学系］
１次光学系１２は、太陽光を集光するための光学部材（集光レンズ）である。その投影面は、矩形又は方形になっている。１次光学系１２は、その投影面が矩形又は方形であれば良く、その立体形状は問わない。すなわち、１次光学系１２は、平板型レンズであっても良く、あるいは、ドーム型フレネルレンズでも良い。図１及び図２に示す例において、１次光学系１２には、ドーム型フレネルレンズ１２ａ、１２ａ…が用いられている。
ドーム型フレネルレンズ１２ａ、１２ａ…の個数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。図１及び図２に示す例において、１次光学系１２は、ｘ方向に４個、ｙ方向に４個、合計１６個のドーム型フレネルレンズ１２ａ、１２ａ…の集合体からなる。
【００１７】
［１．２．  ２次光学系］
２次光学系１４、１４…は、１次光学系１２で集光した光をさらに屈折させるための光学部材である。２次光学系１４、１４…は、それぞれ、太陽電池セル１６、１６…の受光面の上に載置される。２次光学系１４、１４…に入射した光は、入射面において１回だけ屈折を起こし、次いで太陽電池セル１６、１６…に向かって直進する。すなわち、２次光学系１４、１４…は、いわゆる「屈折型の２次光学系」である。
２次光学系１４、１４…の形状は、１次光学系１２で集光した光を太陽電池セル１６、１６…の受光面に照射可能なものである限りにおいて、特に限定されない。図１及び図２に示す例において、２次光学系１４、１４…は、半球型になっている。
【００１８】
２次光学系１４、１４…には、光透過性の高い材料が用いられる。２次光学系１４、１４…の材料としては、例えば、
（ａ）ほう珪酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラスなどのナトリウム含有ガラス、
（ｂ）アルミノケイ酸ガラス、ソーダカリバリウムガラス、
などがある。特に、ナトリウム含有ガラスは、安価で加工が容易であるため、２次光学系１４、１４…の材料として好適である。
【００１９】
２次光学系１４、１４…の表面には、必要に応じて各種の膜が形成されていても良い。
例えば、２次光学系１４、１４…の上端面（光の入射面）には、反射防止膜が形成されていても良い。反射防止膜としては、例えば、
（ａ）アルミナとチタニアの多層構造からなるＴｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3反射防止膜、
（ｂ）フッ化マグネシウム層やフッ化カルシウム層からなる反射防止膜、
などがある。
【００２０】
また、２次光学系１４、１４…と太陽電池セル１６、１６…との界面に、水分の侵入を防止するための保護膜を介在させても良い。
保護膜には、透光性が高く、かつ、耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。保護膜の材料としては、例えば、ゲル状のシリコーン樹脂、アクリル樹脂フィルム、などがある。
【００２１】
［１．３．  太陽電池セル］
太陽電池セル１６、１６…は、照射された光を受光面で受光し、これを電力に変換するためのセルである。本発明において、太陽電池セル１６、１６…は、受光面が矩形又は方形になっている。
【００２２】
受光面の形状以外の太陽電池セル１６、１６…の構造や、これを構成する材料は、特に限定されるものではなく、種々の構造及び材料からなるセルを用いることができる。
太陽電池セル１６、１６…は、一般に、裏面電極、光起電力効果を奏する半導体層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。半導体層の表面には、反射防止膜が形成される場合もある。半導体層としては、例えば、結晶シリコン、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体などが知られている。
【００２３】
本実施の形態において、太陽電池セル１６、１６…は、基板１８、１８…の表面に固定されている。基板１８、１８…には、太陽電池セル１６、１６…に加えて、太陽電池セル１６、１６…による発電に必要な各種の構成要素が設けられる。図１及び図２において、図示は省略されているが、基板１８、１８…の上に、絶縁層及びプレートがこの順で形成され、プレートの上には、太陽電池セル１６、１６…がリード電極を介して固定されている。
【００２４】
太陽電池セル１６、１６…を保護するために、太陽電池セル１６、１６…の露出部分は、通常、封止材（図示せず）で覆われている。図示はしないが、封止材は、太陽電池セル１６、１６…の周囲であって、２次光学系１４、１４…と基板１８、１８…の間に充填されている。
【００２５】
太陽電池セル１６、１６…の露出部分を封止材で覆う場合、封止材の劣化に起因する太陽電池セル１６、１６…への水の侵入を長期間に渡って防止する必要がある。そのため、封止材には、耐熱性及び耐候性の高い材料を用いる必要がある。
封止材の材料としては、例えば、
（ａ）微粉ガラス入りシリコン樹脂、
（ｂ）高い熱伝導性及び光反射性を有する白色かつ不透明の無機材料粉末（例えば、炭酸カルシウム、酸化チタン、高純度アルミナ、高純度酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムなど）を充填した自己接着性ＲＴＶゴム、
（ｃ）（ｂ）の材料に、さらに１０重量％以上のフッ素化シリコン樹脂を添加した材料、
（ｄ）エポキシ樹脂、
などがある。
【００２６】
［１．４．  支持構造］
［１．４．１．  底板及び起立壁（Ａ）］
支持構造２０は、１次光学系１２及び太陽電池セル１６、１６…を支持するためのものである。
支持構造２０は、矩形又は方形の底板２２と、底板２２の両端（図２中、ｘ方向の端部）に設けられた一対の起立壁（Ａ）２４、２４とを備えている。底板２２と起立壁（Ａ）２４、２４は、１枚の板を曲げ加工することにより形成されたもでも良く、あるいは、溶接等により接合されたものでも良い。
【００２７】
太陽電池セル１６、１６…は、受光面の１辺と底板２２の１辺とが略平行となるように底板の２２表面に固定されている。また、１次光学系１２は、投影面の１辺と底板２２の１辺とが略平行となるように一対の起立壁（Ａ）２４、２４に固定されている。底板２２の両端に起立壁（Ａ）２４、２４を形成すると、支持構造２０のｙ方向の剛性が増大する。
ここで、「略平行」とは、受光面又は投影面の１辺と底板２２の１辺とのなす角が変換効率の著しい低下を来さない角度以下（例えば、５°以下）であることをいう。
【００２８】
［１．４．２．  梁（Ａ）］
本実施の形態において、支持構造２０は、底板２２の１辺と略平行（図２中、ｘ方向）に配置され、かつ、一対の起立壁（Ａ）２４、２４間を支持するための１又は２以上の梁（Ａ）２６、２６…をさらに備えている。梁（Ａ）２６、２６…は、１次光学系１２で集光された光を遮らない位置に設ける必要がある。図２に示す例において、梁（Ａ）２６、２６…は、ドーム型フレネルレンズ１２ａ、１２ａ…のｘ方向の境界線に沿って設けられている。梁（Ａ）２６、２６の個数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。
【００２９】
梁（Ａ）２６、２６…は、必ずしも必要ではない。しかしながら、梁（Ａ）２６、２６…を設けると、支持構造２０のｘ方向及び／又はｙ方向の剛性が増し、１次光学系１２が太陽電池セル１６、１６…に対してｘ方向及び／又はｙ方向にずれにくくなるという利点がある。
【００３０】
［１．４．３．  起立壁（Ｂ）］
本実施の形態において、支持構造２０は、底板２２の前端及び／又は後端（図２中、ｙ方向の端部）に設けられた起立壁（Ｂ）２８、２８をさらに備えている。起立壁（Ｂ）は、底板２２の前端又は後端のいずれか一方に設けられていても良く、あるいは、双方に設けられていても良い。底板２２と起立壁（Ｂ）２８、２８は、１枚の板を曲げ加工することにより形成されたもでも良く、あるいは、溶接等により接合されたものでも良い。
【００３１】
起立壁（Ｂ）２８、２８…は、必ずしも必要ではない。しかしながら、起立壁（Ｂ）２８、２８…を設けると、支持構造２０のｘ方向及び／又はｙ方向の剛性が増し、１次光学系１２が太陽電池セル１６、１６…に対してｘ方向及び／又はｙ方向にずれにくくなるという利点がある。
【００３２】
［１．４．４．  梁（Ｂ）］
本実施の形態において、支持構造２０は、底板２２の１辺と略平行（図２中、ｙ方向）に配置され、かつ、一対の起立壁（Ｂ）２８、２８間を支持するための１又は２以上の梁（Ｂ）３０、３０…をさらに備えている。梁（Ｂ）２８、２８…は、１次光学系１２で集光された光を遮らない位置に設ける必要がある。図２に示す例において、梁（Ｂ）２８、２８…は、ドーム型フレネルレンズ１２ａ、１２ａ…のｙ方向の境界線に沿って設けられている。
梁（Ｂ）２８、２８の個数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。また、図２に示す例において、梁（Ｂ）３０、３０…は、梁（Ａ）２６、２６…の下方に設けられ、梁（Ａ）２６、２６…と連結していないが、梁（Ａ）２６、２６…と連結させても良い。
【００３３】
梁（Ｂ）３０、３０…は、必ずしも必要ではない。しかしながら、梁（Ｂ）３０、３０…を設けると、支持構造２０のｘ方向及び／又はｙ方向の剛性が増し、１次光学系１２が太陽電池セル１６、１６…に対してｘ方向及び／又はｙ方向にずれにくくなるという利点がある。
【００３４】
［１．４．５．  支持構造の材料］
支持構造２０を構成する各部材の材料は、特に限定されるものではなく、１次光学系１２及び太陽電池セル１６、１６…を確実に固定することができ、かつ、不可抗力による１次光学系１２のｘ方向及び／又はｙ方向へのずれを抑制可能な材料であればよい。
【００３５】
［２．  作用］
受光面が矩形又は方形である太陽電池セルの上方に、投影面が矩形又は方形である集光レンズを支持した場合、集光レンズの位置が不可抗力によりずれることがある。ホモジナイザー型の２次光学系を用いたモジュールにおいては、集光レンズのずれに起因する変換効率の低下は比較的少ない。一方、屈折型の２次光学系を用いたモジュールにおいては、集光レンズが斜め方向（ｘ方向＋ｙ方向）にずれると、受光面と投影面とが重なり合う部分の面積が小さくなり、変換効率が著しく低下する。
【００３６】
これに対し、本発明では、屈折型の２次光学系１４を用いたモジュール１０において、１次光学系１２及び太陽電池セル１４、１４…を支持するための支持構造２０として、底板２２と一対の起立壁（Ａ）２４、２４からなる構造（一種のモノコック構造）が用いられている。
そのため、１次光学系１２が外力や熱応力などの不可抗力によってｘ方向（起立壁（Ａ）２４、２４が設けられている辺に対して垂直な方向）にずれることはあっても、１次光学系１２のｙ方向（起立壁（Ａ）２４、２４が設けられている辺に対して平行な方向）へのずれは少ない。その結果、１次光学系１２のｙ方向へのずれに起因する変換効率の低下を抑制することができる。
【００３７】
また、底板２２の前端及び／又は後端に起立壁（Ｂ）２８、２８を設け、対向する起立壁（Ａ）２４、２４間に梁（Ａ）２６、２６…を設け、あるいは、対向する起立壁（Ｂ）２８、２８間に梁（Ｂ）３０、３０…を設けると、１次光学系１２のｘ方向へのずれも抑制される。その結果、１次光学系１２のｘ方向へのずれに起因する変換効率の低下を抑制することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る集光型太陽光発電モジュールは、工場や住宅に電力を供給するための発電装置として使用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０    集光型太陽光発電モジュール
１２    １次光学系
１４    ２次光学系
１６    太陽電池セル
２４    起立壁（Ａ）
２６    梁（Ａ）
２８    起立壁（Ｂ）
３０    梁（Ｂ）
【図１】
2015050407.tif 000003
【図２】
2015050407.tif 000004