(57)【要約】【課題】平板フレネルレンズと二次集光器を組み合わせた集光式太陽光発電装置において、太陽電池の受光面への太陽光の入射ムラを小さく抑える。【解決手段】平板の表面側に略三角プリズム断面の同心円環状の突条１１を多数形成してフレネルレンズ１とするとともに、レンズ内周部の突条１１の焦点距離をレンズ外周部の突条１１の焦点距離よりも短くなるようにこれら突条１１の断面形状を設定する。この場合の突条１１の断面形状の設定は例えば略三角プリズム断面の頂角を適当な角度に変更することにより行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光するフレネルレンズと、フレネルレンズにより集光された光を入射させて内部反射を繰り返させつつ導光する二次集光器と、二次集光器より出力された光が入射する太陽電池とを備える集光式太陽光発電装置において、平板の表面側に略三角プリズム断面の同心円環状の突条を多数形成して前記フレネルレンズとするとともに、レンズ内周部の前記突条の焦点距離をレンズ外周部の前記突条の焦点距離よりも短くなるようにこれら突条の断面形状を設定したことを特徴とする集光式太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光レンズによって太陽電池面に太陽光を集光するようにした集光式太陽光発電装置に関し、特に、追尾誤差やレンズ組付け誤差等の影響を受けることなく太陽電池面の照度を均一に保って安定した発電を行えるようにした集光式太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集光式太陽光発電装置は常に太陽方向へ向けた集光レンズによって比較的小径の太陽電池面に太陽光を集光して効率的な発電を行うものである。集光レンズとしてはフレネルレンズを使用することが多い。このような集光式太陽光発電装置において、追尾誤差やフレネルレンズの組付け誤差等によって集光レンズの向きが僅かに太陽方向から外れると太陽電池の受光面上の照度が急激に低下して発電量が大きく損なわれる。そこで、従来は、集光レンズと太陽電池の間に二次集光器を設けて、集光レンズから射出される光束が正規方向から多少振れても、二次集光器の内部で反射させることによって上記光束を太陽電池の受光面へ常に確実に入射させるようにしている（特許文献１）。
【０００３】
一方、フレネルレンズとしては、製造やメンテナンスが容易等の理由で平板フレネルレンズが多用される。平板フレネルレンズ１の一例を図４に示す。図４において、平板１２には表面側に略三角プリズム断面の同心円環状の突条１１が多数形成され、各突条１１の三角プリズムの頂角θｔは通常、平板１２面に対して垂直で、プリズム斜面に対し入射角θｉで平板１２表面側から入射する平行太陽光Ｌ１を、最小偏角θｄで屈折させるように設定されている。これにより色収差を最小にできるから、発電波長領域の異なる多数のＰＮ接合素子を直列に接合した多接合型太陽電池を使用した場合に、広い波長域（０．４５μｍ〜１．７μｍ）の太陽光を上記太陽電池に入射させて効率的な発電を行なうことができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３６１２０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最小偏角θｄで屈折させるように突条１１の略三角プリズム断面を設定した上記平板フレネルレンズ１では、図５に示す二次集光器２の入光端面２ａ近くに位置するレンズ焦点領域において、光線高の低い領域（レンズ内周部）の突条１１から至った光Ｌ２１の焦点位置Ｆ１が、光線高の高い領域（レンズ外周部）の突条１１から至った光Ｌ２２の焦点位置Ｆ２よりも上記端面２ａに近くなる。すなわちレンズ内周部の突条１１の焦点距離がレンズ外周部の突条の焦点距離よりも長くなる。これは、遮光部の発生による光学効率（透過率）の低下を最小限にするために、レンズ内周部では通常、三角プリズムの頂角θｔを極力小さくしているからである。この結果、レンズ内周部の突条１１で屈折させられた光Ｌ２１は、レンズ外周部の突条１１で屈折させられた光Ｌ２２に比して、二次集光器２の入光端面２ａに入射する角度θが小さくなって二次集光器２内部での反射が充分になされず、このために、太陽電池受光面への太陽光の入射が不均一になってムラを生じることがあった。
【０００６】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、平板フレネルレンズと二次集光器を組み合わせた集光式太陽光発電装置において、太陽電池の受光面への太陽光の入射ムラを小さく抑えることができる集光式太陽光発電装置を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、太陽光（Ｌ１）を集光するフレネルレンズ（１）と、フレネルレンズ（１）により集光された光（Ｌ２）を入射させて内部反射を繰り返させつつ導光する二次集光器（２）と、二次集光器（２）より出力された光が入射する太陽電池（３）とを備える集光式太陽光発電装置において、平板（１２）の表面側に略三角プリズム断面の同心円環状の突条（１１）を多数形成して上記フレネルレンズ（１）とするとともに、レンズ内周部の突条（１１）の焦点距離をレンズ外周部の突条（１１）の焦点距離よりも短くなるようにこれら突条（１１）の断面形状を設定する。この場合の突条の断面形状の設定は、例えば上記突条の略三角プリズム断面の頂角を適当な角度に設定することにより行う。
【０００８】
本発明においては、平板フレネルレンズにおけるレンズ内周部の突条の焦点距離をレンズ外周部の突条の焦点距離よりも短くしてあるから、レンズ内周部の突条で屈折させられた光の、二次集光器の入光端面に入射する角度は大きくなり、二次集光器内部での反射が充分になされるようになる。この結果、平板フレネルレンズのレンズ内周部およびレンズ外周部のいずれから二次集光器の入光端面に入射する光も二次集光器内部での反射が充分になされ、太陽電池の受光面への太陽光の入射が均一になって照度ムラの発生が防止される。なお、内周部の突条について、入射する平行太陽光を最小偏角で屈折させる条件を外しても、当該内周部においては屈折角が小さいから色収差による光の広がりはそれ程大きくならない。また、レンズ内周部の面積はレンズの全面積に比して小さいから、二次集光器への光入射角を大きくするために三角プリズム頂角を大きくしても、これにより拡大する遮光部の面積はレンズ全面積から見ると依然小さいから、損失は小さく、照度ムラの改善の効果のほうが大きい。
【０００９】
なお、上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の集光式太陽光発電装置（以下、単に発電装置という）の構成の一例を図１に示す。図１において、発電装置には集光用の平板フレネルレンズ１が設けられており、その構造は既に従来技術の欄で説明したように、表面（上面）側に同心円環状の突条１１が多数形成され、各突条１１の断面形状は略三角プリズム断面となっている（図４参照）。平板フレネルレンズ１の下方には、後端（下端）に向けて小径となり４つのテーパ状側面２ｃを有する四角錐台形の二次集光器２が配設してあり、その後端面（出光端面）２ｂに接して四角形の基板を有する太陽電池３が設けてある。
【００１１】
平行太陽光Ｌ１が平板フレネルレンズ１に入射すると、収束する円形光束Ｌ２となって二次集光器２に向けて射出され、二次集光器２の前端面（入光端面）２ａ近くで一旦集光させられた後（図２）、ほぼ入光端面（例えば１１ｍｍ角）２ａいっぱいに拡散してこれに入射する。二次集光器２の入光端面２ａに入射した円形光束Ｌ２はテーパ状の４つの側面２ｃで全反射させられつつ出光端面２ｂへ向かい、これに接して設けられた太陽電池３の受光面（例えば７ｍｍ角）に入射する。二次集光器２内には、万華鏡的に多数の太陽電池虚像が形成されており、二次集光器２内に入射した光はその側面２ｃで多様な方向へ反射を繰り返して各虚像方向へ向う結果、太陽電池３の受光面に万遍なく入射する。
【００１２】
ここで、本実施形態では、平板フレネルレンズ１の内周部の突条１１について、その略三角プリズム断面の頂角θｔ（図４）を、入射する平行太陽光Ｌ１を最小偏角θｄで屈折させる条件を満たす角度よりも大きく設定してある。これにより、平板フレネルレンズ１によって集光させられる太陽光Ｌ１は、その焦点領域Ａの拡大図である図３に示すように、レンズ内周部の突条１１から至った光Ｌ２１の焦点位置Ｆ１が、レンズ外周部の突条１１から至った太陽光Ｌ２２の焦点位置Ｆ２よりも二次集光器２の入光端面２ａから遠くなる。すなわちレンズ内周部の突条１１の焦点距離がレンズ外周部の突条１１の焦点距離よりも短くなる。
【００１３】
この結果、レンズ内周部の突条１１で屈折させられた光Ｌ２１の、二次集光器２の入光端面２ａに入射する角度θが従来よりも大きくなり、上述した二次集光器２内部での反射が充分になされるようになる。これにより、平板フレネルレンズ１のレンズ内周部およびレンズ外周部のいずれから二次集光器２の入光端面２ａに入射する光Ｌ２１，Ｌ２２も二次集光器２内部での反射が充分になされ、太陽電池３の受光面への太陽光の入射が均一になってムラの発生が防止される。なお、内周部の突条１１について、上述のように、入射する平行太陽光Ｌ１を最小偏角θｄで屈折させる条件を外しても、当該内周部においては屈折角が小さいから色収差による光の広がりはそれ程大きくなく、光波長による太陽電池への入射光の照度ムラが生じることはない。
【００１４】
上記実施形態では、平板フレネルレンズの、外周部の突条の焦点距離に対して内周部の突条の焦点距離を短くした例について説明したが、内周部をさらに内外複数の環状部に区画して、これら各環状部の突条の焦点距離を外周部の突条の焦点距離に対して順次短くなるように設定しても良い。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平板フレネルレンズと二次集光器を組み合わせた集光式太陽光発電装置において、太陽電池の受光面への太陽光の入射ムラを小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における、集光式太陽光発電装置の構成を示す斜視図である。
【図２】集光式太陽光発電装置の光路図である。
【図３】光路中の集光領域の拡大図で、図２のＡ部拡大図である。
【図４】平板フレネルレンズの部分拡大断面図である。
【図５】従来の集光式太陽光発電装置における、光路中の集光領域の拡大図である。
【符号の説明】
１…平板フレネルレンズ、１１…突条、１２…平板、２…二次集光器、３…太陽電池、Ｌ１…太陽光、Ｌ２…集光された光。
【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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