(57)【要約】【課題】集光型太陽光発電の基本構造に関して、簡素で安価な二次光学系を用いて、光学系に多少のずれがあっても、発電量への影響を抑制する。【解決手段】集光型太陽光発電モジュールの構成要素である集光型太陽光発電ユニットは、太陽光を集光するレンズ要素（例えばフレネルレンズ１３ｆ）を有する集光部１３と、集光させた太陽光を受けて発電する発電素子２１と、集光部１３から発電素子２１に至る光路上に設けられた導光部２２とを備えたものである。この導光部２２は、内壁２２ａを反射面として光の入口２２ｉｎが光の出口２２ｏｕｔより拡がっている形状の枠体であって、集光部１３によって集光させた太陽光を内壁２２ａの反射により出口２２ｏｕｔへ導いて、出口２２ｏｕｔに面する発電素子２１上に集める。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光するレンズ要素を有する集光部と、
集光させた太陽光を受けて発電する発電素子と、
前記集光部から前記発電素子に至る光路上に設けられ、内壁を反射面として光の入口が光の出口より拡がっている形状の枠体であって、前記集光部によって集光させた太陽光を前記内壁の反射により前記出口へ導いて、当該出口に面する前記発電素子上に集める導光部と
を備えていることを特徴とする集光型太陽光発電ユニット。
【請求項２】
前記導光部は、その内壁が、光の進行方向に下り傾斜した漏斗状の形態である請求項１記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項３】
前記導光部の入口の形状は、前記レンズ要素の輪郭形状と相似である請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項４】
前記導光部の少なくとも内壁は金属である請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項５】
前記導光部はアルミニウムである請求項４記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項６】
前記導光部は内壁に金属のコーティングが施されている請求項４記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項７】
前記導光部の内壁の表面粗さＲｚは、０．３μｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項８】
前記導光部の内側に、光透過性の材料からなる光透過層が設けられる請求項１〜７のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項９】
前記光透過層は、光透過性の材料を前記発電素子上にポッティングしたものである請求項８記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項１０】
前記導光部は、放熱フィンを備えている請求項１〜９のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
【請求項１１】
請求項１の集光型太陽光発電ユニットの集合体としての集光型太陽光発電モジュールであって、
前記集光部はレンズ要素が複数個並んで形成され、
前記発電素子は、各レンズ要素に対応して複数個並んで設けられ、
前記導光部は、各レンズ要素に対応して複数個並んで設けられていることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成る集光型太陽光発電パネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を発電素子に集光して発電する集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrated Photovoltaic）に関する。
【背景技術】
【０００２】
集光型太陽光発電（ＣＰＶ）では、発電効率の高い小型の化合物半導体素子を発電素子として、これに、フレネルレンズ等の集光部で集光させた太陽光を入射させる構成を基本としている（例えば、特許文献１参照。）。このような基本構成を多数備える集光型太陽光発電パネルを、常に太陽に向けるように追尾動作させることにより、所望の発電電力を得ることができる。
また、フレネルレンズを１次光学系として、さらに、２次光学系を設けて、光を効率良く発電素子へ導く技術も数多く提案されている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，０６９，８１２号
【特許文献２】特開２００２−２８９８９６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「集光型太陽光発電システムについて」、[online]、五鈴精工硝子株式会社、［平成２３年１０月１４日検索］、インターネット〈URL:http://www.isuzuglass.co.jp/development/cpv.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような従来の集光型太陽光発電の装置においては、製造時の僅かな寸法誤差、取付誤差、あるいは、設置後の変形等、種々の理由によって、光軸のずれが生じる場合がある。このような場合、１次光学系のみでは、発電素子への集光の効率が悪くなり、日照条件は同じであっても発電量が低下する。また、追尾のずれによっても、光軸のずれと似たような状態が起こり、発電量が低下する。一方、２次光学系を併用すれば、多少のずれを吸収できるが、２次光学系は、特殊なレンズを用い、また、複雑な構成である等により、製造コストが高くなり、実用化の重荷となる。
【０００６】
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、集光型太陽光発電の基本構造に関して、簡素で安価な二次光学系を用いて、光学系に多少のずれがあっても、発電量への影響を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の集光型太陽光発電ユニットは、太陽光を集光するレンズ要素を有する集光部と、集光させた太陽光を受けて発電する発電素子と、前記集光部から前記発電素子に至る光路上に設けられ、内壁を反射面として光の入口が光の出口より拡がっている形状の枠体であって、前記集光部によって集光させた太陽光を前記内壁の反射により前記出口へ導いて、当該出口に面する前記発電素子上に集める導光部とを備えたものである。
【０００８】
上記のように構成された集光型太陽光発電ユニットでは、集光部の光軸と導光部の光軸（中心軸）とが互いに正確に一致している場合には、集光させた太陽光がそのまま直接、発電素子に達する。また、集光させた太陽光の一部が導光部の内壁に当たったとしても、当たって反射した光は導光部の出口へ導かれ、結局は、発電素子に達する。従って、実質的に全ての光が、発電素子による発電に寄与する。一方、集光部と導光部とで、光軸が互いに正確に一致していない場合には、直接的に発電素子に達する光が減少し、導光部の内壁に当たる光が多くなるが、内壁に当たりさえすれば、当たって反射した光は導光部の出口へ導かれ、結局は、発電素子に達する。
【０００９】
従って、集光部の光軸と導光部の光軸（中心軸）とが互いに正確に一致していない場合でも、正確に一致している場合と同様に、発電量を確保することができる。このように、集光部で絞り、導光部でいわば光をかき集めるようにして出口すなわち発電素子へ導く構成によれば、集光部の集光度をあまり高めずに、光を効率よく発電素子上に集めることができる。これにより、優れた発電効率が安定的に得られる。
【００１０】
なお、集光部が太陽光を垂直に受けていない場合（すなわち太陽に対する追尾のずれがある場合）においても、集光部と導光部とで光学系のずれが生じ得るが、この場合も同様に、導光部によって光を効率よく発電素子上に集めることができる。
【００１１】
（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部は、その内壁が、光の進行方向に下り傾斜した漏斗状の形態であってもよい。
この場合、傾斜の角度を適切に選択することによって、内壁に当たった光を確実に出口へ導くことができる。
【００１２】
（３）また、上記（１）又は（２）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部の入口の形状は、レンズ要素の輪郭形状と相似であることが好ましい。
この場合、集光部の有効集光領域を通過した光を全て、導光部へ受け入れることが容易である。
【００１３】
（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかの集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部の少なくとも内壁は金属であることが好ましい。
この場合、光の反射率が良く、吸収率が少ない。
【００１４】
（５）また、上記（４）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部はアルミニウムであることが好ましい。
この場合、光の反射率が良く、放熱性も良く、かつ、軽量である。
【００１５】
（６）また、上記（４）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部は内壁に金属のコーティングが施されていてもよい。
この場合、基材には例えば樹脂を使用することができるので、特に軽量である。
【００１６】
（７）また、上記（１）〜（６）のいずれかの集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部の内壁の表面粗さＲｚは、０．３μｍ以下であることが好ましい。
この場合、太陽光の最小波長に対しても、反射率が良い。
【００１７】
（８）また、上記（１）〜（７）のいずれかの集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部の内側に、光透過性の材料からなる光透過層が設けられていてもよい。
この場合、導光部の内壁による反射のほか、光透過層によって光を屈折させつつ、発電素子へ導くことができる。
【００１８】
（９）また、上記（８）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、光透過層は、光透過性の材料を発電素子上にポッティングしたものであってもよい。
この場合、ポッティングにより形成された光透過層は、発電素子と導光部とを互いに固着する役割を果たすとともに、発電素子の表面を保護して劣化を抑制する。
【００１９】
（１０）また、上記（１）〜（９）のいずれかの集光型太陽光発電ユニットにおいて、導光部は、放熱フィンを備えていることが好ましい。
この場合、放熱を促進して、発電素子の過熱を防止することができる。
【００２０】
（１１）一方、本発明の集光型太陽光発電モジュールは、上記（１）の集光型太陽光発電ユニットの集合体であって、集光部はレンズ要素が複数個並んで形成され、発電素子は、各レンズ要素に対応して複数個並んで設けられ、導光部は、各レンズ要素に対応して複数個並んで設けられているものである。
上記のように構成された集光型太陽光発電モジュールでは、多数の集光型太陽光発電ユニットをアレイとしたモジュールを構成することができる。
【００２１】
（１２）また、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１１）に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成るものである。
この場合、発電パネルとして必要な出力を確保することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の集光型太陽光発電ユニット、集光型太陽光発電モジュール、及び、集光型太陽光発電パネルによれば、光学系に多少のずれがあっても、それによる発電量への影響を抑制することができる。すなわち、簡素で安価な導光部を用いて、優れた発電効率を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電モジュールを拡大して示す斜視図（一部破断）である。
【図３】図２におけるIII部の拡大図である。
【図４】集光部のレンズ要素であるフレネルレンズと、導光部との相似関係を示す図である。
【図５】参考例として、導光部にガラス製の紡錘状のレンズを用いた場合の、１次レンズと、２次レンズとの光学的な関係を示す図である。
【図６】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電ユニットの構成例として、フレネルレンズと、導光部との光学的な関係を示す図であり、（ｂ）は、フレネルレンズと導光部と間で、軸のずれが生じている状態を表す図である。
【図７】導光部の入口側の開口の大きさと、反射との関係を示す図である。
【図８】導光部の詳細な形状の一例を、発電素子を保持するパッケージと一体に組み合わせた状態で示す斜視図である。
【図９】図８におけるIX-IX線断面図である。
【図１０】レシーバの分解斜視図である。
【図１１】レシーバの分解断面図である。
【図１２】気温２５℃、ずれ量ゼロの状態で、導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図１３】気温４５℃、ずれ量ゼロの状態で、導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図１４】気温２５℃、ずれ量最大の状態で、導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図１５】気温４５℃、ずれ量最大の状態で、導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図１６】図１２〜１５の到達率をまとめた棒グラフである。
【図１７】（ａ）は、図８と同じ構成のレシーバに、ポッティングを施した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図１８】（ａ）は、図１７と同様に、レシーバにポッティングを施した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図１９】気温２５℃、ずれ量ゼロの状態で、ポッティングを施した導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図２０】気温４５℃、ずれ量ゼロの状態で、ポッティングを施した導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図２１】気温２５℃、ずれ量最大の状態で、ポッティングを施した導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図２２】気温４５℃、ずれ量最大の状態で、ポッティングを施した導光部の作用について検証した結果を示す図である。
【図２３】図１９〜２２の到達率をまとめた棒グラフである。
【図２４】光透過層による屈折の様子を示す図である。
【図２５】図６の（ａ）の状態から、太陽に対する追尾のずれが生じたために、集光部が太陽光を垂直に受けない場合の光の進路を示す図である。
【図２６】図６の変形例としての集光型太陽光発電ユニットを示す図であり、発電素子が、フレネルレンズの焦点位置よりも光路上の後方にある場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
《集光型太陽光発電装置・集光型太陽光発電パネル》
図１は、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。図において、集光型太陽光発電装置１００は、集光型太陽光発電パネル１と、これを背面中央で支持する支柱２と、支柱２を取り付ける架台３とを備えている。集光型太陽光発電パネル１は、例えば、支柱２との接続用の中央部を除く、６２個（縦７×横９−１）の集光型太陽光発電モジュール１Ｍを縦横に集合させて成る。１個の集光型太陽光発電モジュール１Ｍの定格出力は例えば約１００Ｗであり、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約６ｋＷの定格出力となる。架台３は、図示しない回転機構により支柱２を軸として回転することができ、集光型太陽光発電パネル１を常に太陽の方向へ向けるように追尾させることができる。
【００２５】
《集光型太陽光発電モジュール》
図２は、集光型太陽光発電モジュール（以下、単にモジュールとも言う。）１Ｍを拡大して示す斜視図（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた集光部１３とを備えている。筐体１１は、例えば金属製であり、アルミニウムが好適である。金属製であることによって、筐体１１は良好な熱伝導性を有する。従って、フレキシブルプリント配線板１２から筐体１１への放熱性が特に良い。
【００２６】
集光部１３は、フレネルレンズアレイであり、太陽光を集光するレンズ要素としてのフレネルレンズ１３ｆがマトリックス状に複数個（例えば縦１６×横１２で、１９２個）並んで形成されている。このような集光部１３は、例えば、ガラス板を基材として、その裏面（内側）にシリコーン樹脂膜を形成したものとすることができる。フレネルレンズは、この樹脂膜に形成される。筐体１１の外面には、モジュール１Ｍの出力を取り出すためのコネクタ１４が設けられている。
【００２７】
図３は、図２におけるIII部の拡大図である。なお、このIII部以外も同様である。
図３において、フレキシブルプリント配線板１２は、リボン状のフレキシブル基板１５と、その上に設けられた発電素子（太陽電池）２１と、この発電素子２１に載せるように設けられた導光部２２とを備えている。発電素子２１及び導光部２２のセットは、集光部１３の各フレネルレンズ１３ｆに対応した位置に、同一の個数だけ設けられている。導光部２２は、各フレネルレンズ１３ｆから入射された太陽光を発電素子２１上に集める。
【００２８】
モジュール１Ｍ全体の多数の発電素子２１は、例えば、そのうちの所定数がフレキシブル基板１５に形成された導電体のパターン（図示せず。）で互いに直列に接続され、その直列体群がさらに互いに並列に接続されることにより、モジュール１Ｍ全体で、所要の電圧・電力を発電することができるようになっている。
【００２９】
フレキシブル基板１５は、例えば、耐熱性に優れたポリイミド製の絶縁基材と、銅箔からなる導電性のパターンとによって構成されている。絶縁基材によって、パターンは、筐体１１から絶縁されている。柔軟性に富むフレキシブル基板１５を用いることで、フレキシブルプリント配線板１２を、モジュール１Ｍの底面１１ａ全体に自在に張り巡らすことができ、安価・至便で好適である。但し、その他、樹脂基板、セラミック基板等も採用可能である。
【００３０】
図４は、集光部１３の１レンズ要素であるフレネルレンズ１３ｆと、導光部２２との相似関係を示す図である。すなわち、フレネルレンズ１３ｆを平面視した輪郭形状は矩形（典型的には正方形）であり、導光部２２も、平面視した形状は相似な矩形である。これにより、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域を通過した光を全て導光部２２によって受け入れることが容易である。なお、図示している二点鎖線は、相似を示すための線であり、実際にフレネルレンズ１３ｆで集光させた光は、導光部２２の中心付近に到達する。但し、到達する光は、発電素子上に焦点を形成しない（詳細後述）。
【００３１】
導光部２２は、その内壁２２ａが光の進行方向に下り傾斜した漏斗状の形状の枠体であり、フレネルレンズ１３ｆから来る光の入口が、出口より拡がっている。このような形状によれば、傾斜の角度を適切に選択することによって、内壁２２ａに当たった光を確実に出口へ導くことができる。
【００３２】
内壁２２ａは、光の反射面であり、４つの下り傾斜面（四角錐面の転写形状）からなる。なお、導光部２２の外形状はフレネルレンズ１３ｆと対応した相似形としてこのような形態となっているが、例えば、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域が円形（四隅無し）であれば、導光部２２の輪郭形状は円形でよいし、内壁は、円錐面を転写した漏斗状の形状であればよい。すなわち、導光部２２の形状は、フレネルレンズ１３ｆで集光させる光を全て受け止めることができる内壁を有する形状であればよい。
【００３３】
導光部２２の材質としては、光の反射率が良く、吸収率が少ない金属が好ましい。例えば表面粗さＲｚが０．３μｍ以下であれば、太陽光の最小波長（約０．３８μｍ）に対しても反射率が良い。金属の中では、アルミニウムが好ましい。アルミニウムは、光の反射率が良く、熱伝導性も良いので放熱させやすい。また、アルミニウムは軽量であり、太陽光発電モジュール１Ｍの軽量化、さらには、太陽光発電パネル１の軽量化にも寄与する。
【００３４】
また、導光部２２の材質は必ずしも全て金属でなくても良く、例えば、樹脂を基材として、光の反射をする内壁のみ、金属（例えば反射率の良いアルミニウム、銀）のコーティングを施すことも可能である。この場合は、材質全体がアルミニウムの場合よりもさらに軽量化を実現することができる。なお、樹脂であっても、高熱伝導性を有する絶縁性フィラー（例えば、アルミナ、シリカ、炭化珪素、酸化マグネシウム等）を添加した樹脂は、熱伝導性に優れ、放熱性が向上するので、好適である。
【００３５】
図５は、参考例として、上述のような導光部２２ではなく、代わりにガラス製の紡錘形状のレンズを用いた場合の、１次レンズ（フレネルレンズ１３ｆに相当する。）２３と、２次レンズ２４との光学的な関係を示す図である。図において、本来、１次レンズ２３と、２次レンズ２４とは、互いの光軸が一致している。発電素子２１は、２次レンズ２４の底部中心にある。
【００３６】
図５において、１次レンズ２３に入射する平行光である太陽光は、１次レンズ２３で屈折し、集光する。集光した光はさらに、２次レンズ２４により収束させられ、発電素子２１上に照射される。このような２次レンズ方式の集光型太陽光発電ユニットを構成することも可能である。この場合、二重の集光によって光を細く絞るので、若干の光軸のずれが生じても、発電素子２１上に照射することは可能である。しかし、このように光を細く絞って、発電素子２１上でピンポイント的に光を集めると、発電素子２１の特性上、発電効率がむしろ下がるということが分かってきた。
【００３７】
２次レンズ２４を省略して、１次レンズ２３の屈折率を高め、発電素子２１上でピンポイント的に光を集めるということも可能であるが、この場合も同様に、発電素子２１の特性上、発電効率がむしろ下がるということが分かっている。
すなわち、発電素子２１に対して、１点集中的に光を集めるよりも、発電素子２１の発電に寄与する表面部分の全体に対して、まんべんなく光を当てる方が、発電効率が良い。
【００３８】
《集光型太陽光発電ユニット》
次に、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電ユニットの構成例について説明する。上記の集光型太陽光発電モジュール１Ｍは、多数の集光型太陽光発電ユニットをアレイとしたものである。
【００３９】
図６の（ａ）は、集光型太陽光発電ユニットの構成例として、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆと、導光部２２との光学的な関係を示す図である。導光部２２は、内壁２２ａの形状を主に描けば、このようになる。図において、本来、フレネルレンズ１３ｆと、導光部２２とは、互いの光軸Ａ（中心軸）が正確に一致している。発電素子２１は、フレネルレンズ１３ｆの焦点位置Ｆよりも光路上の手前にあり、また、導光部２２の底部中心にあって、光の出口２２ｏｕｔに面している。光の入口２２ｉｎは、光の出口２２ｏｕｔよりも大きく拡がっている。
【００４０】
フレネルレンズ１３ｆに入射する平行光である太陽光は、フレネルレンズ１３ｆで屈折し、集光する。集光した光は導光部２２の内壁２２ａにはほとんど当たらずに、直接、発電素子２１の、発電に寄与する領域全体に達する。仮に、光が僅かに内壁２２ａに当たったとしても、当たって反射した光は導光部２２の出口２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子２１に達する。従って、実質的に全ての光が、発電素子２１による発電に寄与する。
【００４１】
図６の（ｂ）は、フレネルレンズ１３ｆが本来あるべき位置（点線）より右へずれて、その光軸がＡ’となり、導光部２２の光軸Ａと間で、軸のずれが生じている状態を表す図である。このように、フレネルレンズ１３ｆと導光部２２とで、光軸が互いに正確に一致していない場合には、直接的に発電素子２１に達する光が減少し、導光部２２の内壁２２ａに当たる光が多くなる。しかし、光が内壁２２ａに当たりさえすれば、当たって反射した光は導光部２２の出口２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子２１に達する。
【００４２】
従って、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆの光軸と導光部２２の光軸とが互いに正確に一致していない場合でも、正確に一致している場合と同様に、発電量を確保することができる。なお、前述のように、フレネルレンズ１３ｆの集光度を高めてピンポイントに光を集めることは、発電素子２１の発電効率の点ではむしろ好ましくない。このように、フレネルレンズ１３ｆで絞り、集光させた光を導光部２２でいわば、かき集めるようにして発電素子２１に導く構成によれば、フレネルレンズ１３ｆの集光度をあまり高めずに、光を効率よく発電素子２１上に集めることができる。これにより、簡素で安価な二次光学系を用いて、優れた発電効率を安定的に得ることができる。
【００４３】
図７は、導光部２２の入口側の開口の大きさと、反射との関係を示す図である。導光部２２の出口の大きさは、発電素子２１の大きさによって決まるが、入口の大きさは任意に設計可能である。例えば、図７の（ａ）に示すように入口の開口寸法をＬ１とすると、内壁２２ａの傾斜が比較的なだらかになる。そのため、入射光の一部が図示のように内壁２２ａから反対側の内壁２２ａへ反射して、導光部２２から出てしまう。すなわち、このように反射させては、光を全て発電素子２１に導くことはできない。
【００４４】
一方、例えば、図７の（ｂ）に示すように入口の開口寸法をＬ２（＜Ｌ１）とすると、内壁２２ａの傾斜が比較的急峻になって、導光部２２に一旦入った光は全て、発電素子２１へ導くことができる。すなわち、フレネルレンズ１３ｆによって集光させた太陽光を効率よく、発電素子２１へ導くことができる。このような内壁２２ａの傾斜角度は、例えば、約５８度である。
【００４５】
なお、（ｂ）の場合は、開口寸法が（ａ）の場合に比べて小さいため、光軸のずれ量によっては、フレネルレンズ１３ｆから来た光の一部を導光部２２内に受け入れることができない場合もあるが、そのことの損失よりも、導光部２２に入った光を確実に発電素子２１に導くことの方が、発電量の確保には重要である。
【００４６】
《集光型太陽光レシーバ》
図８は、導光部２２の詳細な形状の一例を、発電素子２１を保持するパッケージ２５と一体に組み合わせた状態で示す斜視図である。このように一体に組み合わせたものを、集光型太陽光レシーバ（以下、単にレシーバという。）２０と称する。
【００４７】
また、図９は図８におけるIX-IX線断面図である。図８，図９において、前述のように、導光部２２の内壁２２ａは、光の進行方向に下り傾斜する漏斗のような形状であり、出口２２ｏｕｔより、入口２２ｉｎの方が拡がっている。導光部２２の外側（４方向）には、放熱フィン２２ｆが形成されている。放熱フィン２２ｆは、導光部２２の熱を自然空冷で放熱させる。導光部２２が高温になると発電素子２１が過熱状態となって発電効率が低下する場合があるが、このような放熱フィン２２ｆを設けることにより、発電効率の低下を抑制することができる。導光部２２の出口２２ｏｕｔには、発電素子２１が存在している。発電素子２１は、パッケージ２５に装着されている。
【００４８】
図１０は、レシーバ２０の分解斜視図である。パッケージ２５は、樹脂やセラミックの絶縁物から成り、発電素子２１及びリードフレーム２６を備えるとともに、導光部２２を一体に取り付ける機能を備えている。発電素子２１は、パッケージ２５の中央に取り付けられており、その出力が一対のリードフレーム２６に導出されるようになっている。パッケージ２５には導光部２２を定位置に取り付けるための穴２５ｈが２箇所に設けられている。
【００４９】
図１１は、図１０のXI−XI線での、レシーバ２０の分解断面図である。パッケージ２５の穴２５ｈに対応した位置の導光部２２には、突起２２ｐが設けられている。これらの突起２２ｐを、穴２５ｈに嵌め込むことにより、導光部２２と、発電素子２１が装着されたパッケージ２５とは、互いに一体化される。こうして、図８，図９に示すレシーバ２０が出来上がる。このような一体化によって、導光部２２と発電素子２１との相互の光学的な位置関係は、一定の状態に安定して維持される。
【００５０】
《導光部の作用の検証》
図１２〜１５は、上記の導光部２２の作用について検証した結果を示す図である。各図における１次レンズとは、フレネルレンズ１３ｆのことである。
まず、図１２は、気温２５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが無い場合における、導光部２２の作用を示している。なお、１次レンズの吸収損失については無視し、導光部２２の反射率は１００％とする。図中の点線の二重枠のうち外側は、一辺の長さ３．２ｍｍの正方形の発電素子を表している。なお、内側の枠は、一辺の長さ２．５ｍｍの正方形の発電素子を想定したものであるが、ここでは、外側の３．２ｍｍの正方形の発電素子についての検証結果（数値）のみを示している。
【００５１】
図１２において、上段は、比較のために、１次レンズのみ、すなわち、導光部２２を使用せずに、フレネルレンズ１３ｆのみによって集光させた光を発電素子２１に与えた場合の光の当たり方を示している。左から右へ第１〜４列とすると、第１列は波長４００ｎｍの光、第２列は波長６５０ｎｍの光、第３列は波長１６００ｎｍの光、そして、第４列（Ｔｏｔａｌと表記）は、第１〜３列の３種類の波長の総和である光についての光の当たり方を示し、％は、概ね平均値を示している。
【００５２】
なお、図１２（図１３〜１５も同様。）は、カラーの原図を白黒で表した図であり、中央の黒っぽく見える小領域（第３列では拡がっている。）はカラーでは赤であり、相対的に強く光が当たっている部位である。その周りの白く見える環状（又は枠状）部分は、中央よりは弱いものの、光が当たっている部位であり、外側へ行くほど光が弱くなる。図中の「％」は、光が、発電素子に到達する割合（以下、到達率と言う。）を示している。
【００５３】
一方、下段は、１次レンズによって集光させた光を、導光部２２を介して発電素子に与えた場合の光の当たり方を示している。波長の条件は、上段と同じである。
図１２における上段と下段とを互いに比較すると、下段の方が到達率で僅かに優れているが、ほとんど差が無い。すなわち、１次レンズによって集光させた光は、導光部２２にはほとんど当たらず、直接、発電素子に達しているので大きな差が出なかった、と考えられる。
【００５４】
図１３は、気温４５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが無い場合における、導光部２２の作用を示している。上段と下段とを互いに比較すると、図１２の場合とは異なり、波長１６００ｎｍ及び平均（Ｔｏｔａｌ）についての到達率に大きな差が出ている。これを分析・評価すれば、気温が高くなると、１次レンズの屈折率が下がり、集光度が低下する。そのため、発電素子上に集光しきれなかった光が、損失となる。長波長になる程、屈折率が小さくなるので、損失が顕著に生じやすい。これが、上段の波長１６００ｎｍにおける到達率７３．３％、全波長における到達率８６．７％という数字に表れている。しかしながら、導光部２２の存在によって、波長１６００ｎｍで９２．３％、全波長で９３．２％と、損失を抑制していることがわかる。
【００５５】
図１４は、気温２５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが、想定される最大値である場合における、導光部２２の作用を示している。図において、１次レンズのみの場合は、光軸のずれによって光の照射領域が右上に移動し、どの波長域でも到達率が大幅に低下している。しかしながら、導光部２２が設けられている下段の到達率を見れば明らかなように、どの波長域でも、光を良く集め、到達率の低下を劇的に抑制していることがわかる。
【００５６】
図１５は、気温４５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが、想定される最大値である場合における、導光部２２の作用を示している。図において、１次レンズのみの場合は、図１４の場合と同様に、光軸のずれによって光の照射領域が右上に移動し、どの波長域でも到達率が大幅に低下している。しかしながら、導光部２２が設けられている下段の到達率を見れば明らかなように、どの波長域でも、光を良く集め、到達率の低下を劇的に抑制していることがわかる。
【００５７】
図１６は、図１２〜１５の到達率をまとめた棒グラフである。ずれ量最大の場合には、図中の矢印で示すように、導光部２２を設けることで、到達率の大幅な改善効果が見られる。ずれ量ゼロの場合でも、導光部２２を設けることで、常に安定した到達率が得られていることがわかる。
【００５８】
《屈折要素と組み合わせた導光部》
次に、導光部２２に屈折要素を併用した例について説明する。
図１７の（ａ）は、図８と同じ構成のレシーバ２０に、ポッティングを施した状態を示す斜視図であり、図１７の（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図において、光透過層２７は、光透過性の材料（例えばシリコーン）を、導光部２２内にポッティングにより充填して固めたものである。光透過層２７の深さ（厚さ）は、例えば１ｍｍである。なお、導光部２２の高さ寸法は例えば３ｍｍである。ポッティングにより形成された光透過層２７は、発電素子２１と導光部２２とを互いに固着する役割を果たすとともに、発電素子２１の表面を保護して劣化を抑制する。また、光透過層２７は、導光部２２と一体化し、レシーバ２０の一部を成す。
【００５９】
図１８の（ａ）は、図１７と同様に、レシーバ２０にポッティングを施した状態を示す斜視図であり、図１８の（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。図１７との違いは、光透過層２７の深さ（厚さ）で、この場合は、例えば３ｍｍである。
【００６０】
《光透過層を有する導光部の作用の検証》
上記のような２種類の深さのポッティングを施した導光部２２について、その作用を検証した。なお、光透過層２７の屈折率は、例えば１．４１である。また、光透過層２７自身の光吸収損失は無視している。
【００６１】
図１９〜２２は、ポッティングを施した上記の導光部２２の作用について検証した結果を示す図である。図１９〜２２の各図における上段（１次レンズのみの場合）及び中段（導光部を設けた場合）は、それぞれ、図１２〜１５と同じ数値を示している。なお、中段の括弧書きの数字は、参考のために、一辺の長さ２．５ｍｍの正方形の発電素子についての検証結果も併せて示している。
【００６２】
まず、図１９は、気温２５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが無い場合における、ポッティングを施した導光部２２の作用を示している。
下段は、ポッティングを施した導光部２２についての到達率を示している。ポッティングを施すことによって、中段のポッティング無しよりも若干数値が低下するが、低下の程度は僅かである。この低下は、光透過層の表面でのフレネル反射損失である。また、１ｍｍ充填と、３ｍｍ充填との間には、ほとんど差が無い。
【００６３】
図２０は、気温４５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが無い場合における、ポッティングを施した導光部２２の作用を示している。
この場合も、図１８と同様、ポッティングの１ｍｍ充填と、３ｍｍ充填との間には、ほとんど差が無い。
【００６４】
図２１は、気温２５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが、想定される最大値である場合における、ポッティングを施した導光部２２の作用を示している。
この場合、ポッティング無しの場合（中段）と比較すると、若干、数値は下がる場合もあるが、低下の程度は少ない。また、波長４００ｎｍでは、むしろ、僅かに数値が上がっている。
【００６５】
図２２は、気温４５℃で、導光部２２に対する１次レンズの光軸のずれが、想定される最大値である場合における、ポッティングを施した導光部２２の作用を示している。
この場合も、ポッティング無しの場合（中段）と比較すると、若干、数値は下がる場合もあるが、低下の程度は少ない。
【００６６】
図２３は、図１９〜２２の到達率をまとめた棒グラフである。ずれ量最大の場合には、ポッティングを施した導光部２２を設けることで、到達率の大幅な改善効果が見られる。また、ポッティング無しの場合と比べて、ポッティングを施しても到達率への影響が少ない。
【００６７】
図２４は、光透過層２７による屈折の様子を示す図である。（ａ）は光透過層２７が１ｍｍの場合を示し、（ｂ）は光透過層２７が３ｍｍの場合を示している。点線の楕円で示す部分すなわち、光透過層２７と空気との界面で、光の屈折が起こる。光軸のずれが生じた場合、屈折がなければ導光部２２の内壁に当たる光の一部が、このような屈折により、発電素子２１に直接当たると考えられる。
【００６８】
《その他》
なお、上記実施形態では、集光部１３と導光部２２との間で光軸（中心軸）のずれがあった場合について説明したが、集光部１３が太陽光を垂直に受けていない場合、すなわち太陽に対する追尾のずれがある場合においても、光学系のずれが生じ得る。
【００６９】
図２５は、このような状態の一例を示す図である。図において、太陽に対する追尾のずれがある場合には、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆが太陽光を垂直に受けないことになる。この場合、集光した光の進路は導光部２２の光軸Ａ（中心軸）に対して角度的にずれるが、内壁２２ａの反射により、光は発電素子２１上に集められる。従って、この場合も同様に、導光部２２によって光を効率よく発電素子２１上に集めることができる。
【００７０】
また、上記集光型太陽光発電ユニットの実施形態では、図６に示したように、発電素子２１は、フレネルレンズ１３ｆの焦点位置Ｆよりも光路上の手前にあるとしたが、必ずしも手前でなくてもよい。
図２６は、図６の変形例としての集光型太陽光発電ユニットを示す図であり、発電素子２１が、フレネルレンズ１３ｆの焦点位置Ｆよりも光路上の後方にある場合の図である。図６と同様に、（ａ）は、フレネルレンズ１３ｆと導光部２２との間で軸のずれが無い場合の状態を表す図であり、（ｂ）は、フレネルレンズ１３ｆと導光部２２と間で軸のずれが生じている状態を表す図である。
【００７１】
図２６の（ａ）において、フレネルレンズ１３ｆに入射する平行光である太陽光は、フレネルレンズ１３ｆで集光し、焦点位置Ｆより後方で発電素子２１に達する。なお、焦点位置Ｆより後方ではあるが、相対的にはフレネルレンズ１３ｆに入射する前よりは集光している状態の光が、発電素子２１に達する。この場合の光は、図６の（ａ）の場合と同様に、導光部２２の内壁２２ａにはほとんど当たらずに、直接、発電素子２１の、発電に寄与する領域全体に達する。仮に、光が僅かに内壁２２ａに当たったとしても、当たって反射した光は導光部２２の出口２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子２１に達する。従って、実質的に全ての光が、発電素子２１による発電に寄与する。
【００７２】
また、図２６の（ｂ）は、フレネルレンズ１３ｆが本来あるべき位置（点線）より右へずれて、その光軸がＡ’となり、導光部２２の光軸Ａと間で、軸のずれが生じている状態を表す図である。この場合には図６の（ｂ）の場合と同様に、直接的に発電素子２１に達する光が減少し、導光部２２の内壁２２ａに当たる光が多くなる。しかし、光が内壁２２ａに当たりさえすれば、当たって反射した光は導光部２２の出口２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子２１に達する。
【００７３】
従って、図６の場合と同様に、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆの光軸と導光部２２の光軸とが互いに正確に一致していない場合でも、正確に一致している場合と同様に、発電量を確保することができる。但し、図６と異なるのは、焦点で収束した後の光であるため、内壁２２ａに対する入射角が小さくなりやすい。従って、例えば、内壁２２ａの傾斜角度を大きくすることにより、反射した光が導光部２２の入口２２ｉｎから出ないように設計することが必要である。
【００７４】
なお、上記実施形態において集光部（１次レンズ）１３のレンズ要素としては、軽量で製造容易なフレネルレンズ１３ｆが好適であるが、ガラス等のレンズを使用することも可能である。
【００７５】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７６】
１  集光型太陽光発電パネル
１Ｍ  集光型太陽光発電モジュール
１３  集光部
１３ｆ  フレネルレンズ（レンズ要素）
２１  発電素子
２２  導光部
２２ａ  内壁
２２ｆ  放熱フィン
２２ｉｎ  入口
２２ｏｕｔ  出口
２７  光透過層
【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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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