(57)【要約】【課題】集光発電システムに好適に使用できる薄型で大口径のガラス製フレネルレンズとその製造上の前段の製品であるフレネルレンズ・ブランクを安価に製造する方法が求められている。【解決手段】熔融ガラスを下型１の中央部へ所定量落としシャーカットする工程と、次いで下型１を所定の速度で回転することによって熔融ガラスを展延する工程、次いで前記の展延された熔融ガラスに対してフレネルレンズの反転形状の上型(プランジャー)によってプレス成形を行う工程とから構成されることを特徴とするフレネルレンズ・ブランクの製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熔融ガラスを下型１の中央部へ所定量落としシャーカットする工程と、次いで下型１を所定の速度で回転することによって熔融ガラスを展延する工程、次いで前記の展延された熔融ガラスに対してフレネルレンズの反転形状の上型(プランジャー)によってプレス成形を行う工程とから構成されることを特徴とするフレネルレンズ・ブランクの製造方法。
【請求項２】
熔融ガラスの粘度が１０3ポアズ以下にあるときに、下型１を所定の速度で回転させることを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ・ブランクの製造方法。
【請求項３】
請求項1に記載のフレネルレンズ・ブランクを徐冷したのち、略正方形状へ切断し、フレネルレンズ形状を形成した面の裏側の面を研削および研磨してフレネルレンズを得ることを特徴とするガラス製フレネルレンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電に使用されるガラス製フレネルレンズに係り、特に大口径薄型のガラス製フレネルレンズの製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に熔融ガラスをプレス成形型でプレスし、レンズ形状に近似したガラス製の中間成形体（レンズブランク）を作る方法はダイレクトプレス法と呼ばれている。従来、ガラス製のフレネルレンズはダイレクトプレス法により作製されていたが、ダイレクトプレス法では肉厚の薄いフレネルレンズ・ブランクを得ることができないため、機械加工により研削することで薄型レンズとする必要があり、高コストになるという問題があった。そのためガラス製のフレネルレンズは照明用途など薄型である必要性の低い製品に限定されて製造されていた。すなわち薄型のガラス製フレネルレンズを安価に製造する技術は無かった。
【０００３】
一方、太陽電池は、太陽光を直接電気エネルギーに変換できるという、一見理想的なエネルギー源である。しかしながら、実際の太陽電池での発電コストは通常の発電コストと比べて割高である。このため、現実的には、配線や電池交換が不要である事が大きな利便性を生み出すような、人工衛星や腕時計、電卓等への搭載が主な利用範囲となっている。
【０００４】
人工衛星などの宇宙機器の電源に使用される宇宙用太陽電池セルとして、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体を主材料に用いた多接合型の太陽電池セルを使用する例が増加しつつある。この中でも、地上用または宇宙用に限られず、現在最も高い変換効率を有する太陽電池は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池である。
【０００５】
このＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合型多接合太陽電池は、それぞれＩｎＧａＰのトップセルが660nm以下、ＩｎＧａＡｓのミドルセルが660nm−890nm、Ｇｅのボトムセルが890nm〜の波長領域の光をエネルギー変換する。このため、従来のシリコン系太陽電池と比較して幅広い波長域をエネルギー変換する事が可能であり、シリコン系太陽電池よりも高い変換効率を持つことが特徴である。
【０００６】
更に、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池において、トップセルにＡｌを加えて（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのＡｌ組成比を増加させることによって吸収端波長を短くすることができる。また、下部のＩｎＧａＡｓセルに透過する光量を調整して電流整合を行うことによって、十分な短絡電流を達成するとともに、（Ａｌ）ＩｎＧａＰセルのバンドギャップ増加による電圧の向上も同時に達成することができる。このような手法によって、多接合太陽電池の効率を向上させることが可能となる（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、１Ｗ（ワット）あたりの発電コストに関しては、発電効率が高くなっても依然としてシリコン系太陽電池よりも高価である。
【０００８】
そこで、レンズや鏡等による集光によって、高価な太陽電池セルの使用量を減らす事で、モジュール全体のコスト低減が試みられている。この技術は、「集光発電システム」と称され、光電流/暗電流比の増加により太陽電池の開放電圧が向上し、変換効率が向上するといった利点を有する。
【０００９】
こうした集光システムには、レンズや鏡によって入射光を特定の位置に集光させる必要がある。そこで、太陽光を追尾する装置が設けられている。これにより、直達光（平行光線）しか集光できないといった短所はあるものの、変換効率向上や太陽光追尾による発電量増加により発電コスト（円/kWh）の低減が可能になる。
【００１０】
このような集光システムによる発電コスト低減構想により、今まで地上での発電システムに利用されることがなかったＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池を使った地上用発電システムが有望視されている。
【００１１】
その中でも、効率的な発電を行う為にフレネルレンズと太陽電池を一体化したモジュールを用いる手法は、従来の反射型複合放物面集光器よりかなり安価に製作できるようになってきている（例えば特許文献２参照）。
【００１２】
集光用のフレネルレンズとしては、薄型のガラス製フレネルレンズを安価に製造する技術が無いため、従来からプラスチック製のレンズが主に使用されている。こうしたプラスチック製のフレネルレンズとしては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）などの無色かつ高透明性の熱可塑性樹脂を成形したものが使用されていた (例えば特許文献３参照)。
【００１３】
しかしながら、ＰＭＭＡおよびＰＣ双方とも、使用時の吸湿や熱の影響により成形品に変形を生じ、そのため、こうした集光体を使用すると太陽電池への焦点位置の変動を来し、エネルギー変換効率の低下を招くという問題があった。そのため耐候性、耐熱性、化学的安定性に優れるガラス製フレネルレンズの提供が望まれていた。しかしながらガラスはプラスチックに比べ重いといった欠点を有する。ガラスの重いといった欠点を可能な限り低減するためにはフレネルレンズの厚みを薄くすることである。
【００１４】
またＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅの３接合太陽電池を使用した集光システムにおいては集光倍率と変換効率に密接な関係があることが分かっており、具体的には集光倍率が１００倍〜１０００倍の範囲に最適値があることがわかっている（例えば非特許文献１参照）。
【００１５】
ガラス製フレネルレンズを成形する方法としてはプレス整形法がある。この方法は比較的安価であり、口径が小さいものであれば生産性も良い（例えば非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００４−２９６６５８号公報
【特許文献２】特開２００７−７３７７４号公報
【特許文献３】特開２００１−４７４５３号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】T. Takamoto, M. Kaneiwa, “Concentrator Compound Solar Cells”, シャープ技報, Vol. 93, p49-53 (2005).
【非特許文献２】実開平５−１４１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
設計および製造されるセルのサイズは5mm×5mmから10mm×10mm程度と決まっているため、集光倍率を大きくとるためには、口径の大きなフレネルレンズが必要となる。例えばセルサイズを10mm×10mmと仮定すれば、集光倍率を100倍にするためには100mm×100mmのフレネルレンズが必要となり、集光倍率をさらに上げるにはこれ以上の口径のフレネルレンズが必要となる。しかし従来技術では、例えば口径100mm×100mm以上厚み5mmt以下といった大口径で薄型のガラス製フレネルレンズを安価に作製することは出来なかった技術は無かった。
【００１９】
すなわち、実開平５−１４１２９号公報に開示されている従来のプレス成形法で作製されるフレネルレンズは、厚みが5mmt以上と厚く、さらに口径も100mm×100mm以下と限定されており、太陽電池の集光システムに好適に使用可能なものではなかった。厚みを薄くするためにはプレス成形した後、冷間においてフレネルレンズの平面側を研削・研磨加工が行うことになるが、研削工程によりコスト高になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、熔融ガラスを下型１の中央部へ所定量落としシャーカットする工程と、次いで下型１を所定の速度で回転することによって熔融ガラスを展延する工程、次いで前記の展延された熔融ガラスに対してフレネルレンズの反転形状の上型(プランジャー)によってプレス成形を行う工程とから構成されることを特徴とするフレネルレンズ・ブランクの製造方法。
【００２１】
また、上記熔融ガラスの粘度が１０3ポアズ以下にあるときに、下型１を所定の速度で回転させることを特徴とする上記のフレネルレンズ・ブランクの製造方法である。
【００２２】
さらにまた、上記のフレネルレンズ・ブランクを徐冷したのち、略正方形状へ切断し、フレネルレンズ形状を形成した面の裏側の面を研削および研磨してフレネルレンズを得ることを特徴とするガラス製フレネルレンズの製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、集光発電システムに好適に使用できる薄型で大口径のガラス製フレネルレンズを安価に製造することができる。具体的には口径100mm×100mm以上厚み5mmt以下のガラス製フレネルレンズとその製造上の前段の製品であるフレネルレンズ・ブランクを安価に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に沿って説明する。本発明に用いるガラス素材は特に限定されるものでは無く、集光発電システム用のフレネルレンズの材料として好ましいガラス素材を適宜選択して用いることができる。例えば、SiO2、Na2O、CaOを主成分としたソーダライムガラス、SiO2、Al2O3、R2O (R=K、Na、Li)を主成分としたアルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラス、Li2O-SiO2系ガラス、Li2O-Al2O3-SiO2系ガラス、R’O- Al2O3-SiO2系ガラス (R’=Mg、Ca、Sr、Ba)などが挙げられる。
【００２５】
上記いずれかのガラス素材を熔融・清澄させた後、ノズルから流出させて成形型の下型に熔融ガラスを所定量供給した後、切断刃で熔融ガラスをカットし、下型を所定の速度で回転させる。下型の回転はガラス素材を均一に展延するために、低回転数から徐々に高回転数に変化させることが好ましい。ガラス素材をより薄く展延するためには下型の回転数は高いほうが良いが、回転数が高すぎると熔融ガラスが冷却され温度が下がりすぎてプレス成形による形状転写が不可能となる。展延後のガラスの厚みと温度の関係から、回転数の上限は500rpmとすることが好ましい。
【００２６】
同様にガラス素材をより薄く展延するためには回転時間を長くしたほうが良いが、回転時間が長すぎると熔融ガラスが冷却され温度が下がりすぎてプレス成形による形状転写が不可能となる。展延後のガラスの厚みと温度の関係から、回転時間の上限は10秒とすることが好ましい。
【００２７】
本発明の方法において下型を回転することによって熔融ガラスを展延する際のガラス素材の粘度は１０3ポアズ以下である。当該粘度が１０3ポアズよりも高いと、下型を回転してもガラスを薄く展延することが不可能である。
【００２８】
回転させる下型の材質は特に限定されないが、回転する際に熔融ガラスが滑らないように十分な摩擦力を有する必要があると同時に良好な離型性を有する必要がある。このような材料として炭化珪素、各種カーボン、あるいはタングステンカーバイト（WC）、インコネル、スタバックス、及びダイス鋼の表面にDLC（ダイヤモンドライクカーボン）等の表面処理を施したものを用いることができる。
【００２９】
展延後のガラス素材 (以下、プリフォームと呼ぶ) の寸法は特に限定されるものでは無いが、熔融ガラスの供給量と展延するための回転条件によって、例えば直径が100mmから300mm、厚みが4mmから6mmのプリフォームを得ることができる。
【００３０】
上記で得たプリフォームに対してフレネルレンズの反転形状の上型(プランジャー)によってプレス成形しフレネルレンズ・ブランクを得る。展延に利用したプリフォームを載せた下型は、回転後あるいは回転しながらプレス成形位置に移動させる。
【００３１】
フレネルレンズの反転形状を形成した上型の材料は特に限定されないが、剛性、耐食性の点で、母材は鋼からなることが好ましい。用いられる鋼は、特に限定されないが、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼が挙げられる。具体的には、例えば、ＪＩＳ ＳＫＤ６１、ＪＩＳ ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６が挙げられる。中でも、ＪＩＳ ＳＵＳ４２０Ｊ２が好ましい。
【００３２】
また上型の成形面には型とガラスの融着を防ぎ、離型性を向上させ、型の寿命を延ばすために表面膜（離型膜）が設けられる。表面膜としては種々な膜が公知であり、白金、イリジウム、レニウム、パラジウム、オスミウム等の貴金属膜、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、テトラヘドラルアモルファスカーボン（ＴＡＣ）等の炭素膜、窒化クロム、窒化チタン等の窒化物膜が周知である。
【００３３】
プレス成形においては予め加熱した上型を展延後のプリフォームに加圧することで成形する。成形時のプリフォームの粘度はフレネルレンズの形状を正確に転写するという点から１０2〜１０4ポアズの範囲であることが好ましい。また加圧手段としては特に限定されず、油圧プレス、エアープレス、サーボプレス、ハンドプレス等を採用すれば良い。プレス後に得られるフレネルレンズ・ブランクの厚みはプレス成形時のプリフォームの粘度と加圧力に依存し、例えばプリフォーム粘度が１０3ポアズで加圧力30kgf/cm2の場合に4.6mmの成形品が得られる。なお、ここで言うフレネルレンズ・ブランクの厚みとはフレネルレンズにおけるプリズム先端部に相当する一番厚い部分の厚みを指す。
【００３４】
上記で得たフレネルレンズ・ブランクをアニールした後、室温まで冷却し加工を行うことでフレネルレンズを得ることができる。集光発電システムに使用されるフレネルレンズは正方形状のレンズを多数分割並べる方式が主流であり、この目的に好適に使用されるフレネルレンズは正方形状である。そこでフレネルレンズ・ブランクを正方形状に切断する。切断方法は特に限定されないが、超硬ホイールによるスクライブとそれに続く折割、レーザー加熱および急冷によるスクライブとそれに続く折割、ダイヤモンドブレードによる切断、ウォータージェットによる切断等、公知の方法を採用することができる。
【００３５】
フレネルレンズ・ブランクを正方形状に切断した後、フレネルレンズ形状を形成した面に対して反対側の面を平坦化および平滑化加工を行う。平坦化および平滑化加工はラッピング加工、研磨加工からなり、具体的には番手＃１０００の研削砥粒によるラッピング加工と番手＃３０００の研磨剤による研磨加工を行う。
【００３６】
上記の加工工程を経ることで集光発電システムに好適に使用されるフレネルレンズを得ることができる。
【００３７】
また本発明において、イオン交換法などによりガラスに化学強化を施して高い機械的強度を持つフレネルレンズとしても良い。
【実施例】
【００３８】
以下、実施例に基づき、説明する。
【００３９】
（実施例１）
まず、カーボン製の下型部材、周辺型部材を図１のような構造に組み立てて、図示されていないサーボモータおよび制御回路からなる回転制御装置の回転軸に取り付ける。なお型部材の温度は熱電対で測定し、熔融ガラスの温度は赤外線放射温度計で測定した。
【００４０】
次にアルカリ金属酸化物を含むアルミノ珪酸塩ガラスの熔融ガラスを溶解、清澄、均質化し、これを一定速度で白金合金製のフィーダーから流下させ、その熔融ガラス流を切断刃で切断して所定重量の熔融ガラスゴブを下型の中央にキャストした。キャスト時のガラスゴブの寸法は直径120mm、高さ20mmであった。キャスト時のガラスの粘度および下型の温度を400ポアズおよび300℃とした。
【００４１】
次に下型を図2に示す回転条件で回転させることで熔融ガラスを展延した。回転立上げは2秒で200rpmに達し、200rpmの一定速度で1sec回転させたのち、回転立ち下げは1秒かけて0rpmすなわち回転停止とした。回転開始から回転停止までの総回転時間は4秒である。このように下型を回転させることで展延した熔融ガラスの寸法は直径280mm、厚み5mmであった。また展延後の熔融ガラスの温度は1000℃であった。
【００４２】
下型は熔融ガラスを展延させるために回転させながら上型が上方で待機するプレス位置へ移送され、この位置において図１で示した上型および下型によってプレスされる。プレス時の加圧力は30kg/cm2、プレス時間は3秒とした。なおプレス前の上型温度は400℃とした。プレス後の成形体を下型からテイクアウトしレア炉でアニールを施した後に、室温まで冷却してフレネルレンズ・ブランクを得た。ここで作製したフレネルレンズ・ブランクは直径280mmの内側に140mm×140mmの正方形状のフレネルレンズ形状が形成されている成形体である。フレネルレンズ・ブランクの厚みを測定したところ4.6mmであった。
【００４３】
なお、ここで言うフレネルレンズ・ブランクの厚みとはフレネルレンズにおけるプリズム先端部に相当する一番厚い部分の厚みを指す。このようにして作製したフレネルレンズ・ブランクから140mm×140mmのフレネルレンズ形状が形成された領域を超硬ホイールによるスクライブとそれに続く折割によって切り出し、フレネルレンズ形状を形成した面の裏側の面をラッピング加工、研磨加工を施し、フレネルレンズを得た。
【００４４】
このようにして得たフレネルレンズは高い集光効率と薄型軽量化を兼ね備えており、集光発電システム用のフレネルレンズとして好適に使用できる。
【００４５】
（比較例１）
下型を回転せず、熔融ガラスを展延させないまま回転時間に相当する4secを熔融ガラスのキャストからプレス成形までの待機時間とし、これ以外は実施例1と同様の成形を行った。
【００４６】
得られたフレネルレンズ・ブランクは厚みが10mmであった。フレネルレンズ・ブランクに機械加工を施してフレネルレンズを作製したところ薄型化及び平坦化に要した労力は上記実施例に比べ大きなものであった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、より少ないエネルギー消費で両面が火作り面の板状ガラスを製造することに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】熔融ガラスの展延に使用する下型の断面図である。
【図２】熔融ガラスを展延するための下型の回転条件を示した図である。
【図３】フレネルレンズ形状のプレス成形に使用する上型の断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０    下型
１１    下型周辺型部材
２０    上型
２１    上型ガス抜き穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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