(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が空気より大きい透明材料からなり、断面が台形状の角柱状構造物をなし、該台形内の対角線上の相対する一組の角のうち、一方の角が９０度以上であり、他方の角が９０度超であり、該台形の相対する平行な一組の辺のうち、一方の辺を含む面が光が入射する光入射面であり、他方の辺を含む面が光を出射する光出射面であって、これらの面が平行であり、光入射面の方が光出射面よりも大きく、該台形の相対する他の２辺をそれぞれ含む他の２面には反射膜が配設されていることを特徴とする集光器。
【請求項２】
集光器の光出射面の幅をＬｃ、集光器の光入射面の幅をＬｐ、光出射面から光入射面までの高さをｈｐ、該台形内の対角線上の相対する一組の角のうち、光出射側の角をθｒｌとしたとき、１．５≦Ｌｐ／Ｌｃ≦２．５を満たし、０．１×Ｌｃ≦ｈｐ≦０．９×Ｌｃを満たし、９°≦θｒｌ≦１０°又は１４°≦θｒｌ≦４４°を満たすことを特徴とする請求項１に記載の集光器。
【請求項３】
屈折率が空気より大きい透明材料からなり、断面が台形状の角柱状構造物をなし、該台形内の対角線上の相対する一組の角のうち、一方の角が９０度以上であり、他方の角が９０度超であり、該台形の相対する平行な一組の辺のうち、一方の辺を含む面が光が入射する光入射面であり、他方の辺を含む面が光を出射する光出射面であって、これらの面が平行であり、光入射面の方が光出射面よりも大きく、該台形の相対する他の２辺をそれぞれ含む他の２面には反射膜が配設されている集光器を有し、該集光器の光出射面に１個以上の太陽電池が装着されていることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
複数個の集光器が一体的に接合され、各集光器の光出射面に１個以上の太陽電池が装着されていることを特徴とする請求項３に記載の集光型太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光器及びこのような集光器を備えた集光型太陽電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，太陽電池を用いた発電システムの低コスト化の手段として，プリズムを用いて太陽光を集光し、高価な太陽電池の使用面積を小さくする技術が知られている。
【０００３】
従来の集光型太陽電池モジュールとしては、図１２に示されるような、フレネルレンズ１２０を用い、その尖端下部に太陽電池１が装着された集光型太陽電池モジュールがある。この集光型太陽電池モジュールの特徴は集光倍率を１０倍以上としたことである。また、特開平６−３７３４４号公報に記載される、図１３に示されるような、球面状集光レンズ１３０を用い、その平面切断部に太陽電池１を装着した集光型太陽電池モジュールも試作されている。この集光型太陽電池モジュールでは、レンズによる屈折を利用し集光を行う。更に、特開平６−２７５８９号公報に記載される、図１４に示されるような、直角三角形状のプリズム１４０を用い、プリズムの一方の斜辺に反射膜１５０を形成し、プリズムの一方の斜辺に太陽電池１を装着した集光型太陽電池モジュールも試作されている。この集光型太陽電池モジュールでは、プリズム内の反射膜により、反射と全反射とを利用して集光を行う。
【０００４】
しかし、図１２に示されるような集光型太陽電池モジュールでは集光器の光入射面が太陽の方向から５°も傾くとほとんど光３を取り込むことができない。すなわち集光領域が非常に狭いために集光の効果を効率よく発現するためには、集光器の光入射面を常に太陽の方向に向ける必要があり、太陽の移動に合わせて集光型モジュールの向きを回転させる装置が必要となる。しかも、その回転方向は季節に応じて太陽の高さが異なるため、正確に追従させるためには３次元的に回転させる必要がある。よって、追尾装置の制御系の構築や、係る装置を駆動するために要する電力、保全のための工数が多くかかるなどの問題があった。
【０００５】
また、特開平６−３７３４４号公報に記載される、図１３に示されるような集光型太陽電池モジュール構造では、太陽の方向に関係なくほとんどの入射光を太陽電池に集光できるため追尾装置等が不要である特徴を持つ。しかしながら、前記モジュールでは光入射面に凹凸が存在しており、凹部にゴミや塵埃が堆積しやすく、係る堆積物は自然の雨風程度では流れ落ちない場合も多く、堆積物による透過率の減少が発電効率を低下させる原因となっていた。
【０００６】
また、特開平６−２７５８９号公報に記載される、図１４に示されるような集光型太陽電池モジュール構造では、太陽の方向に関係なくほとんどの入射光を太陽電池に集光できるため追尾装置等が不要であり、しかもモジュール表面が平坦であるためゴミや塵埃が付着しにくい構造となっている。しかしながら、太陽電池を集光器の斜面部分に配置する構造をとるため、設計通りの位置および角度に太陽電池を固定することが困難であるという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、太陽の方向に関係なくほとんどの入射光を太陽電池に集光できる集光器及びこの集光器を用いた集光型太陽電池モジュールを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、屈折率が空気より大きい透明材料からなり、断面が台形状の角柱状構造物をなし、該台形内の対角線上の相対する一組の角のうち、一方の角が９０度以上であり、他方の角が９０度超であり、該台形の相対する平行な一組の辺のうち、一方の辺を含む面が光が入射する光入射面であり、他方の辺を含む面が光を出射する光出射面であって、これらの面が平行であり、光入射面の方が光出射面よりも大きく、該台形の相対する他の２辺をそれぞれ含む他の２面には反射膜が配設されていることを特徴とする集光器により解決される。
【０００９】
本発明の集光型太陽電池モジュールは、前記の集光器の光出射面に太陽電池を装着することにより得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の集光器の一例の斜視図であり、図２は図１に示される集光器の断面図である。図１及び図２に示されるように、本発明の集光器５は基本的に断面が台形状の角柱状構造物である。本発明の集光器５は、光が入射する光入射面８と、この光入射面８と平行な、光を出射する光出射面９を有する。光入射面８及び光出射面９と交差する他の２面には反射膜７，７’が設けられている。
【００１１】
図２に示される、本発明の断面が台形状の集光器５において、台形内の対角線上の相対する一組の角θ１及びθ２は、θ１が９０度以上であり、θ２が９０度超でなければならない。本発明の集光器５では、θ１及びθ２は両方とも９０度超であり、θ１＜θ２であることが好ましい。また、光入射面８の方が光出射面９よりも大きくなければならない。光出射面９は、太陽電池（下記で説明する）の大きさと大体等しいか、又は太陽電池よりも若干大きいくらいであることが好ましい。光出射面９が太陽電池よりも大きすぎると、反射された光が太陽電池に入ることなく、出射してしまうことがあり、効率が低下する。
【００１２】
本発明の集光器５を構成する材質としては、空気よりも屈折率が大きい材料、例えば、ポリカーボネート、アクリル、ポリオレフィン系樹脂、ノルボルネン系樹脂などの透明合成樹脂やガラスなどを好適に使用できる。
【００１３】
反射膜７，７’は集光器５の各面に銀又はアルミニウムなどの金属を直接蒸着するか、又は銀又はアルミニウムなどの金属を蒸着した薄膜を集光器５の各面に接着することにより形成することができる。反射膜７，７’の膜厚は特に限定されない。光を反射するのに必要充分な厚さであればよい。反射膜７，７’の膜厚は一般的に、１００ｎｍ〜１０μｍの範囲内である。
【００１４】
反射膜が形成されていない場合、図３に示すように、入射した光３が集光器５の外部に逃げてしまう。そのため、本発明では、反射膜７，７’を設けることにより、図４に示すように、光３を反射させて集光器５の内部に光を戻すようにしている。これにより、反射膜７，７’で反射した光３が、再び光入射面８に戻った場合においても、全反射により集光器５内部に光を戻すことができる。このように、本発明の集光器では、反射・全反射を利用することにより集光器内に入射した光を効率よく太陽電池に集光できる。従って、本発明の集光器５は光学的なプリズムであることができる。
【００１５】
図５は、本発明の集光型太陽電池モジュールの一例の概要断面図である。図示されているように、本発明の集光型太陽電池モジュール１０は、集光器５の光出射面９の外面に太陽電池１が装着されている。光出射面９の外面への太陽電池１の装着は適当な機械的係合手段（図示されていない）を使用することもできるし、あるいは、接着剤などのような化学的接合手段を使用することもできる。作業性及びコストなどの観点から、接着剤を使用することが好ましい。
【００１６】
このような目的に使用するための接着剤としては、集光器５の屈折率と、太陽電池１の屈折率との間の屈折率を有する接着剤が好ましい。また、接着の際、集光器５と太陽電池１との両者間に間隙（空気層）が形成されないように注意する必要がある。間隙（空気層）が形成されると集光器５の屈折率より空気層の屈折率の方が小さいために、その境界面に臨界角が発生する。したがって、集光器５の光出射面９への入射角が臨界角より大きい場合には，そこにおいて反射してしまい太陽電池１へ入射させることができなくなる。しかし、本発明の集光型太陽電池モジュール１０では、上記のような間隙（空気層）を作らないよう注意したこと、さらに、集光器、接着剤、太陽電池の屈折率を順に大きくしたことにより、各境界面で臨界角が発生せず、あらゆる角度で光が入射しても、その光を全て太陽電池に透過させることができる。
【００１７】
本発明の集光型太陽電池モジュール１０における太陽電池１としては、シリコン系太陽電池、GaAs太陽電池、InP太陽電池、CdS/CdTe太陽電池、CdS/CuInSe2太陽電池、色素増感太陽電池など、公知慣用のいずれの太陽電池も適用可能である。
【００１８】
本発明の集光器５の太陽電池１への集光能力に関しては、集光器５の形状と集光器形成材料の屈折率によって決まる。そこで、本発明においては、集光器５を構成するプリズムの屈折率を１．５とし、集光器の太陽電池への集光能力に関する特性を左右する形状因子として、図５に示すような太陽電池の幅Ｌｃ，集光器の光入射面の幅Ｌｐおよび高さｈｐ、光出射面９と反射膜７’を設けた面のなす角度θｒｌを考え、各形状因子と集光器の太陽電池への集光能力に関する特性との関係を調べた。
【００１９】
本発明の集光器５の太陽電池１への集光能力に関する特性に関しては、屋外用途を想定し、下記式（１）で定義する年間光捕捉率を指標として評価した。
(年間光捕捉率)＝(一年間の太陽電池への入射光量)/(一年間のモジュール受光面への入射光量)                          （１）
ここで、年間捕捉率を計算する際の日射量データには、空気調和・衛生工学会で開発された動的空調負荷プログラム用の毎時気象データであるHASP（Heating Air-Conditioning and Sanitary Program）データを用いた。HASPデータには、法線面直達日射量、水平面天空日射量を1時間毎に測定し各観測地の過去10年間を平均化した値がまとめられている。今回の計算では東京における1960〜1969年までを統計期間としたHASPデータを用いた。
【００２０】
Ｌｃ＝１として、Ｌｐ／Ｌｃが１．５，２．０，２．５，３．０及び４．０の条件下において、年間光捕捉率を０．８以上とするために必要な、高さｈｐと角度θｒｌを測定した。結果を図６〜図１０に示す。
【００２１】
図６より、Ｌｐ／Ｌｃ＝１．５の場合に年間光捕捉率を０．８以上とするためには、ｈｐ＝０．１×Ｌｃの場合、９゜≦θｒｌ≦１０゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．３×Ｌｃの場合、２２゜≦θｒｌ≦３０゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．５×Ｌｃの場合、２８゜≦θｒｌ≦４４゜の範囲で達成できることがわかった。
【００２２】
また，図７より、Ｌｐ／Ｌｃ＝２．０の場合に年間光捕捉率を０．８以上とするためには、ｈｐ＝０．３×Ｌｃの場合、１４゜≦θｒｌ≦１６゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．５×Ｌｃの場合、１８゜≦θｒｌ≦２６゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．７×Ｌｃの場合、２１゜≦θｒｌ≦３４゜の範囲で達成できることがわかった。
【００２３】
更に、図８より、Ｌｐ／Ｌｃ＝２．５の場合に年間光捕捉率を０．８以上とするためには、ｈｐ＝０．５×Ｌｃの場合、１５゜≦θｒｌ≦１８゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．７×Ｌｃの場合、１８゜≦θｒｌ≦２５゜の範囲で達成でき、ｈｐ＝０．９×Ｌｃの場合、２４゜≦θｒｌ≦２７゜の範囲で達成できることがわかった。
【００２４】
また、図９および図１０より、Ｌｐ／Ｌｃが３．０又は４．０においては、ｈｐ及びθｒｌをどのように設定しても、年間光捕捉率を０．８以上とすることはできないことが理解できる。以上の計算結果より、本発明の集光器においては、太陽電池への高い集光能力を付与するために、１＜Ｌｐ／Ｌｃ＜３とすること、及び０．１×Ｌｃ≦ｈｐ≦１．０×Ｌｃとすることが好ましい。
【００２５】
図１１は、本発明による集光型太陽電池モジュール１０の別の実施態様の断面図である。図５に示された実施態様では、単一の集光器５と単一の太陽電池１との組み合わせであったが、図１１に示される実施態様では、複数の集光器を一体的に形成し、この集光器の個々の光出射面にそれぞれ１個以上の太陽電池を装着し、高い発電出力を得ることができる。複数の集光器を一体的に形成する方法は、例えば、個々の集光器を別の透明部材に接着させるなどして一体的に接合させる方法、又は、所定の個数の集光器を樹脂成形などの公知慣用の方法により一体成型する方法などがある。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の集光器によれば、一年間に集光器の光入射面に照射される光量のうち８０％以上を太陽電池に取り込むことができる。また、本発明の集光器を用いた集光型太陽電池モジュールは、太陽電池がモジュール面に対し平行に配置された構造であるため組立が容易であるばかりか、モジュール表面が平坦な構造であるためモジュール表面に塵埃がたまりにくいのでメンテナンスフリーを実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による集光器の一例の斜視図である。
【図２】図１に示された集光器の断面図である。
【図３】図２に示された集光器で反射膜が配設されていない場合の入射光線の動きを示す模式図である。
【図４】図２に示された集光器における入射光線の動きを示す模式図である。
【図５】本発明による集光型太陽電池モジュールの一例の断面図である。
【図６】図５に示された集光型太陽電池モジュールにおける、Ｌｐ／Ｌｃ＝１．５において、ｈｐの各値に対するθｒｌと年間光捕捉率との関係を示す特性図である。
【図７】図５に示された集光型太陽電池モジュールにおける、Ｌｐ／Ｌｃ＝２．０において、ｈｐの各値に対するθｒｌと年間光捕捉率との関係を示す特性図である。
【図８】図５に示された集光型太陽電池モジュールにおける、Ｌｐ／Ｌｃ＝２．５において、ｈｐの各値に対するθｒｌと年間光捕捉率との関係を示す特性図である。
【図９】図５に示された集光型太陽電池モジュールにおける、Ｌｐ／Ｌｃ＝３．０において、ｈｐの各値に対するθｒｌと年間光捕捉率との関係を示す特性図である。
【図１０】図５に示された集光型太陽電池モジュールにおける、Ｌｐ／Ｌｃ＝４．０において、ｈｐの各値に対するθｒｌと年間光捕捉率との関係を示す特性図である。
【図１１】本発明による集光型太陽電池モジュールの別の例の断面図である。
【図１２】フレネルレンズを使用する従来の集光型太陽電池モジュールの概要斜視図である。
【図１３】特開平６−３７３４４号公報に記載された従来の集光型太陽電池モジュールの概要斜視図である。
【図１４】特開平６−２７５８９号公報に記載された従来の集光型太陽電池モジュールの概要断面図である。
【符号の説明】
１  太陽電池
３  入射光線
５  本発明による集光器
８  入射面
７，７’  反射膜
９  出射面
１０  本発明による集光型太陽電池モジュール
１２０  フレネルレンズ
１３０  球面状レンズ
１４０  直角三角形状プリズム
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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