(57)【要約】【課題】  導光技術を利用した集光型太陽電池モジュールにおいて、装置の大型化を招くことなく、導光中の光の損失を低減することができる集光型太陽電池モジュールを提供する。また、太陽追尾システムへの要求性能を軽減し、又は、太陽追尾システムを設けない場合にも一定の集光機能を維持することができる集光型太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】  集光型太陽電池モジュール１は、太陽光を集める複数の集光手段２と、複数の分枝路３を有する枝状に形成され、前記集光手段２毎にそれぞれ設けられる複数の入射端面３ａ、及び当該入射端面３ａに入射した太陽光が合流して導かれる少なくとも１つの射出端面７を有する平面導波路４と、前記射出端面７から射出する光を受光して、電力に変換する太陽電池素子８と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集める複数の集光手段と、
複数の分枝路が形成され、前記集光手段毎にそれぞれ設けられる複数の入射端面、及び当該入射端面に入射した光が合流して導かれる少なくとも１つの射出端面を有する平面導波路と、
前記射出端面から射出する光を電力に変換する太陽電池素子と、
を備えることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記入射端面は、少なくとも当該入射端面に上方から入射した光を略水平方向に変換することを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記平面導波路は、その分岐点に、光の進行方向を当該平面導波路の合流方向に変換する分岐点反射手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記射出端面の面積は複数の前記入射端面の総面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記集光手段と、前記平面導波路の前記入射端面との間に、第２の集光手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記太陽電池素子は、光電変換特性の異なる複数種類の素子を備え、
前記射出端面と前記太陽電池素子との間に分光手段を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定範囲の太陽光を集光して太陽電池素子に導くことにより、効率的に発電する集光型太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代のオイルショックの時代から太陽光発電の重要性はよく認知されている。このような太陽光発電に用いる太陽電池モジュールの太陽電池素子としては、単結晶や多結晶のバルク半導体を使用するもの、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳ（Copper
Indium Gallium DiSelenide）、等の薄膜半導体を使用するものが実用化されているが、素子の製造コストが高いことが普及の足かせになってる。また、コスト面で有利な有機太陽電池が盛んに研究されているが、性能面に課題があって実用化には至っていない。
【０００３】
そこで、レンズなどの光学部品を用いて太陽光を小面積の太陽電池に集めることにより太陽電池素子の数量を減らすことができる集光型太陽電池モジュール（ＣＰＶシステム：concentrator photovoltaic system）が、高性能でコスト削減可能な太陽電池モジュールとして注目されている。しかし、集光型太陽電池モジュールは、小面積の太陽電池素子の位置に太陽光を集めるので、高い精度で太陽を追尾する必要がある。したがって、集光型太陽電池モジュールは、多くの場合はコンピュータ制御の太陽追尾システムを付ける必要があり、この太陽追尾システムが開発コスト、製造コスト、及び設置コストを増加させる要因となる。
【０００４】
そこで、さらに太陽追尾システムへの付加を減らして、コストを削減させるために、特に導光技術を用いた集光型太陽電池モジュールが注目されている。このような導光技術を用いた集光型太陽電池モジュール１００の第１の例としては、例えば、図８に示すように、太陽光Ｌを集光するレンズエレメント１０１が多数並列的に配列されたレンズアレイ１０２が設けられ、このレンズアレイ１０２の各レンズエレメント１０１の焦点位置に光ファイバ状の導光部材１０３の端部を配置し、レンズエレメント１０１によって集光された太陽光Ｌが導光部材１０３を介して太陽電池素子１０４に導かれる集光型太陽電池モジュール１００が挙げられる（特許文献１）。この集光型太陽電池モジュール１００によると、レンズアレイ１０２に照射する太陽光Ｌが各レンズエレメント１０１により導光部材１０３端部にそれぞれ集光され、この導光部材１０３により太陽電池素子１０４に導かれるので、集光倍率を増加させることができ、小さな太陽電池素子１０４で効率よく発電できる。しかも、レンズエレメント１０１が多数並列的に配列されたレンズアレイ１０２を用いて集光することで、１つのレンズで広い面積から太陽光Ｌを集光する場合に比べて重量を減らすことができるので、太陽追尾システムへの負荷を低減させることができる。
【０００５】
また、別の導光技術を用いた集光型太陽電池モジュール２００の第２の例として、複数のレンズエレメント２０１を多数並列的に並べたレンズアレイ２０２の下方に導光板２０３を用い、レンズアレイ２０２のレンズエレメント２０１の焦点位置にプリズム状の反射部材２０４を配置して構成された集光型太陽電池モジュール２００が開示されている（非特許文献１）。この集光型太陽電池モジュール２００によると、レンズエレメント２０１の焦点に集められた太陽光Ｌは、反射部材２０４で反射して、導光板２０３を所定方向に伝播し、全反射を繰り返して、導光板２０３の端部に設置されている太陽電池素子２０５に入射する。したがって、レンズアレイ２０２に照射した太陽光Ｌを高い集光倍率で太陽電池素子２０５に導くことができるので、効率よく発電することができる、特に、導光板２０３は、数ミリメートル程度のきわめて薄くすることができるので、集光型太陽電池モジュール２００としては、極めて薄く製造することができ、太陽追尾システムへの重量負荷を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６６７０４
【非特許文献１】Jason H.Karp,Eric J.Tremblay,and Joseph E.Ford,“Planar micro-opticsolar concentrator,”Opt.Express Vol.18,pp.1122-1133,2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、第１の例の集光型太陽電池モジュール１００は、光ファイバ状の導光部材１０３が所定の曲率を超えて曲がった場合に、曲がった部分から内部を伝播している光が外部に漏れるマイクロベンディングロス（micro-bending loss）が発生する。したがって、導光部材１０３の曲率を所定範囲に抑える必要があるため、この集光型太陽電池モジュール１００の厚さを薄くするには限界がある。
【０００８】
また、第２の例の集光型太陽電池モジュール２００は、レンズアレイ２０２のレンズエレメント２０１毎に反射部材２０４が配置されるので、レンズエレメント２０１により集光され、反射部材２０４で反射されて導光板２０３を伝播する光の一部Ｌ´が、別のレンズエレメント２０１の焦点位置に配置された反射部材２０４に入射して、導光板２０３の外部に漏れることになる。漏れた光は発電に寄与しない損失となるので、この損失を低減するために反射部材２０４は、導光板２０３の一部にしか設けることができない。したがって、この集光型太陽電池モジュール２００には高い精度の太陽追尾システムが必要となる。また、曇りの日などのように太陽光Ｌが拡散される場合には、反射部材２０４に集光する光が減少するので、発電効率が悪くなる問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、導光技術を利用した集光型太陽電池モジュールにおいて、装置の大型化を招くことなく、導光中の光の損失を低減することができる集光型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。また、太陽追尾システムへの要求性能を軽減し、又は、太陽追尾システムを設けない場合にも一定の集光機能を維持することができる集光型太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の集光型太陽電池モジュールは、太陽光を集める複数の集光手段と、複数の分枝路が形成され、前記集光手段毎にそれぞれ設けられる複数の入射端面、及び当該入射端面に入射した光が合流して導かれる少なくとも１つの射出端面を有する平面導波路と、前記射出端面から射出する光を受光して、電力に変換する太陽電池素子と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の集光型太陽電池モジュールは、前記入射端面は、少なくとも当該入射端面に上方から入射した光を略水平方向に変換することを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の集光型太陽電池モジュールは、前記平面導波路は、その分岐点に、光の進行方向を当該平面導波路の合流方向に変換する分岐点反射手段を備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載の集光型太陽電池モジュールは、前記射出端面の面積は複数の前記入射端面の総面積よりも小さいことを特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載の集光型太陽電池モジュールは、前記集光手段と、前記平面導波路の前記入射端面との間に、第２の集光手段を備えることを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載の集光型太陽電池モジュールは、前記太陽電池素子は、光電変換特性の異なる複数種類の素子を備え、前記射出端面と前記太陽電池素子との間に分光手段を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の集光型太陽電池モジュールによると、複数の集光手段でそれぞれ集光した太陽光を、枝状に分枝した平面導波路により１つの太陽電池素子に集めることができるので、光の損失を回避して、理論上は１００パーセントの光利用効率を実現できる。また、複数の集光手段を用いることで集光手段から平面導波路までの距離を短くすることができ、また、平面導波路自体は極めて薄く製造することができるので、集光型太陽電池モジュール自体の厚さを薄く且つ軽くすることができ、太陽追尾システムを設けるような場合であっても、その重量負荷を軽減することができる。
【００１７】
請求項２に記載の集光型太陽電池モジュールによると、入射端面は上方から入射した光を略水平方向に変換するので、集光型太陽電池モジュールをさらに薄くすることができる。
【００１８】
請求項３に記載の集光型太陽電池モジュールによると、平面導波路の分岐点に、光の進行方向を平面導波路の合流方向に変換する分岐点反射手段が形成されるので、平面導波路の形状をより単純でより小型なものとすることができる。
【００１９】
請求項４に記載の集光型太陽電池モジュールによると、射出端面の面積は複数の入射端面の総面積よりも小さいので集光手段によって集光された光が、さらに、平面導波路によっても集光されるので、集光倍率を高めることができ、より高効率の集光型太陽電池モジュールとすることができる。
【００２０】
請求項５に記載の集光型太陽電池モジュールによると、集光手段と、平面導波路の入射端面との間に、第２の集光手段を備えるので、集光型太陽電池モジュールに入射する太陽光が集光手段の受光面の垂直方向からずれているような場合でも、入射した太陽光を第２の集光手段により、平面導波路の入射端面に導くことができ、太陽追尾システムの精度要求を低減することができる。また、この第２の集光手段により平面導波路の入射端面に入射する光を増やすことができるので、集光倍率を向上させることができる。
【００２１】
請求項６に記載の集光型太陽電池モジュールによると、射出端面と太陽電池素子との間に設けられた分光手段より太陽光を波長ごとに分離して、それぞれの光電変換特性に適合した太陽電池素子に照射されるので、発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態の集光型太陽電池モジュールの全体構成を説明する正面図。
【図２】（Ａ）は、第１の実施形態の集光型太陽電池モジュールを垂直に切り取った端面図、（Ｂ）は、入射端面が上方から入射した光を略水平方向に変換することを説明する（Ａ）の一部拡大図。
【図３】平面導波路の内部を伝播する光を説明する一部省略斜視図。
【図４】（Ａ）は、第２の実施形態の集光型太陽電池モジュールの全体構成を説明する正面図、（Ｂ）は、分岐点における光の伝播について説明する（Ａ）の一部省略拡大図。
【図５】（Ａ）は、第３の実施形態の集光型太陽電池モジュールの全体構成を説明する正面図、（Ｂ）は、分枝路における光の伝播について説明する（Ａ）の一部省略拡大図。
【図６】第４の実施形態の集光型太陽電池モジュールを説明する一部省略斜視図。
【図７】第５の実施形態の集光型太陽電池モジュールを説明する正面図。
【図８】従来の導光技術を用いた太陽電池モジュールを説明する斜視図。
【図９】従来の別の導光技術を用いた太陽電池モジュールを説明する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の集光型太陽電池モジュール１の第１の実施形態について、図１から図３を参照しつつ説明する。この実施形態に係る集光型太陽電池モジュール１は、図１に示すように、太陽光Ｌを集光する複数の集光手段２と、複数の分枝路３を有して太陽光Ｌを導く平面導波路４と、この平面導波路４を支持する支持基板５と、平面導波路４の幹路６側の端部に形成された射出端面７から射出する太陽光Ｌを受光して、電力に変換する太陽電池素子８と、を備えている。
【００２４】
集光手段２は、図２の（Ａ）に示すように、例えば上面が平坦で下面が突出しており、受光部の形状が正方形の平凸レンズである。なお、図１（Ａ）においては、図面を判り易くするために集光手段２を破線で円形に示している。この実施形態においては、例えば縦横４列の１６枚の集光手段２が透明樹脂に一体形成されてレンズアレイ９を形成している。このように上面が平坦な平凸レンズの集光手段２を列設したレンズアレイ９を用いることにより、レンズアレイ９の上面に汚れが付着・堆積しにくくなり、又、汚れを落とし易くなる。したがって、メンテナンスしやすく、集光手段２の上面の汚れにより集光効率が下がることを抑制できる。なお、集光手段２の材質は、これに限定されるものではなく、光を透過するガラス、ゴム、透過性結晶などの樹脂以外の材料により形成されていてもよい。また、集光手段２であるレンズの受光面の形状は円形に限定されず、例えば矩形や多角形の隙間なく配列できる形状を採用することができる。また、集光手段２は平凸レンズに限定されるものではなく、平行な光束を収束させることができれば良く、フレネルレンズ、両凸レンズ、プリズム、複合レンズ等の屈折を利用して集光を行うレンズ、及び凹面鏡等の反射を利用して集光を行う反射鏡等の光学的な種々の集光手段２を用いることができる。
【００２５】
平面導波路４は、絶対屈折率が例えば約１．５のガラスにより形成されており、金型を用いた射出成形や半導体プロセスにより製造される。例えば半導体プロセスにより製造される場合は、数マイクロメートル程度の微細な加工が可能であり、集光型太陽電池モジュール１の小型化を図ることができる。平面導波路４を支持する支持基板５は少なくとも平面導波路４よりも低屈折率の透明材料により形成されている。なお、支持基板５は、平面導波路４を支持することができればどのような形状でもよい。
【００２６】
平面導波路４は図１（Ａ）に示すように、複数の分枝路３を有するとともに、これら分枝路３が合流して、太陽光Ｌを太陽電池素子８に導く幹路６が形成されている。具体的には、幹路６からそれぞれ直角に４本に分枝した中間路１３が形成されており、この中間路１３からさらに４本の分枝路３に分枝している。これら各分枝路３の先端は、各集光手段２の焦点の上にそれぞれ配置されており、集光手段２により集光した太陽光Ｌの集光スポットとなっており、集光手段２から入射した太陽光Ｌを略水平方向に変換する入射端面３ａを有している。
【００２７】
入射端面３ａは、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、分枝路３の上面と当該入射端面３ａとが成す角が略４５度に成るように入射端面３ａを傾斜して形成されており、上方から集光手段２を通って集光した太陽光Ｌが、分枝路３の上面から平面導波路４内に入って、この平面導波路４の内側から分枝路３の入射端面３ａに入射すると、太陽光Ｌは平面導波路４の界面でほぼ直角に全反射して、分枝路３内を伝播する。平面導波路４の絶対屈折率が約１．５のとき、平面導波路４から空気への臨界角は約４２度となり、分枝路３の上面に対して直交する方向から入射する太陽光Ｌは、入射端面３ａに対して４５度の入射角で入射するので全反射する。このように分枝路３の入射端面３ａに対する太陽光Ｌの入射角は、効率よく太陽光Ｌを伝播させるために臨界角以上であることが好ましく、集光手段２の最縁部に入射した太陽光Ｌであっても、この条件を満たすことができる焦点距離及び受光面積の集光手段２を選択する。なお、入射端面３ａは、例えばアルミニウム蒸着などにより太陽光Ｌを反射可能に形成してもよい。
【００２８】
また、平面導波路４は、図１及び図３に示すように、分枝路３が合流する分岐点１１に、分枝路３内を伝播した太陽光Ｌの進行方向を合流方向に変換する分岐点反射手段１２が設けられている。この分岐点反射手段１２は、平面導波路４と空気との界面が分枝路３の長手方向に対して略４５度となるように平面導波路４の分岐点１１を切り欠いて形成されたものである。平面導波路４の分枝路３内を伝播した太陽光Ｌはこの分岐点反射手段１２で全反射して直角に進路を変換される。そして、平面導波路４内を伝播する太陽光Ｌは幹路６に到達し、この幹路６の射出端面７に設置された太陽電池素子８に入射する。
【００２９】
各部の寸法は、例えば集光手段２は一辺が３ミリメートルの正方形であって、集光スポットは一辺が８０マイクロメートルとなるように、平面導波路４と所定距離を離して上方に設置されている。平面導波路４は、例えば高さが１００マイクロメートルで、分枝路３の幅が１００マイクロメートルに形成されている。そして２本の分枝路３が合流した位置での中間路１３の幅は２００マイクロメートルに形成されており、１６本の全ての分枝路３が合流した幹路６の幅は１．６ミリメートルとなっている。したがって、１６枚の集光手段２が列設されて形成されたレンズアレイ９が太陽光Ｌを受光する面積は、１４４ｍｍであり、幹路６の端部に形成された射出端面７は、幅１．６ミリメートルで高さ１００マイクロメートルなので、０．１６ミリメートルとなり、集光倍率は９００倍となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態の集光型太陽電池モジュール１によると、集光手段２により集光された太陽光Ｌが入射端面３ａにより全反射して平面導波路４の分枝路３に伝播して、分枝路３が合流する分岐点１１で分岐点反射手段１２により全反射して、幹路６まで伝わり、射出端面７から太陽電池素子８に入射される。平面導波路４の界面では太陽光Ｌの入射角度が法線方向からずれていても、全反射の条件が成立する限り太陽光Ｌが外部に漏れることがなく、極めて効率的に太陽電池素子８に太陽光Ｌを集めることができる。
【００３１】
〔第２の実施形態〕
次に本発明の第２の実施形態について、図４を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態においては、図６（Ａ）に示すように、集光手段２を六方充填配置してレンズアレイ９が形成されている。このように配置することで円形の配置としては最も高密度に配置することができるので効率よく集光することができる。
【００３２】
また本実施形態における平面導波路４は、分枝路３の分岐点１１における合流方向と逆の面側を切り欠いて分岐点反射手段１２が形成されており、この分岐点反射手段１２が形成された界面に入射する太陽光Ｌが、全反射して直角に進路が変換される。そして分岐点反射手段１２と対向する面には合流方向に向かって平面導波路４の幅が狭まるように傾斜面１４が形成されている。このような傾斜面１４が形成されることにより、分岐点反射手段１２で全反射した太陽光Ｌがさらに傾斜面１４で全反射して、幹路６側に合流することとなるので、太陽電池素子８側の幹路６幅を太くする必要がない。したがって、射出端面７の面積を小さく抑えることができるので集光倍率をさらに増加させることができる。
【００３３】
〔第３の実施形態〕
次に本発明の第３の実施形態について、図５を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の構成は同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態における平面導波路４は、図５（Ａ）に示すように、分枝路３が所定の曲率で湾曲して形成されている。このように形成した場合、分岐点１１に切り欠きを設けて分岐点反射手段１２を形成することなしに、図５（Ｂ）に示すように、平面導波路４内を伝播する太陽光Ｌの方向を合流方向に変換することができ、また、太陽電池素子８側の平面導波路４の幅を太くする必要がないため集光倍率に優れる。なお、分枝路３の曲率はマイクロベンディングロスが発生しない範囲とすることで、導光中の太陽光Ｌの損失を抑えることができる。
【００３４】
〔第４の実施形態〕
次に本発明の第４の実施形態について、図６を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態から第３の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の集光型太陽電池モジュール１は、さらに、集光手段２と平面導波路４の入射端面３ａとの間に、第２の集光手段１５を備える。なお、図６では図示の都合上、集光手段２の記載は省略しているが、第２の集光手段１５の上に集光手段２が形成されている。この第２の集光手段１５は、上面が平坦で下面が大きく突出する放物面に形成されたの平凸レンズであって、上面から入射した太陽光Ｌを下面の界面で全反射させて、平面導波路４の入射端面３ａに導くものである。このように構成すると、集光手段２の上面に対して垂直方向からずれて入射した太陽光Ｌであっても第２の集光手段１５に入射すれば、平面導波路４の入射端面３ａに導かれるので、太陽光Ｌの許容角度が広くなり、太陽追尾システムの精度への要求を軽減できる。なお、このような第２の集光手段１５は上述の第１の実施形態から第３の実施形態のいずれにも付加することができる。
【００３５】
〔第５の実施形態〕
次に本発明の第５の実施形態について、図７を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態から第４の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の集光型太陽電池モジュール１は、２つ以上の光電変換特性の異なる太陽電池素子８ａ，８ｂを備えており、これらの太陽電池素子８ａ，８ｂと平面導波路４の射出端面７との間に凸レンズ１６及び透過型回折素子１７からなる分光手段１８を備えている。凸レンズ１６は平面導波路４の射出端面７から射出され発散する光束を平行な光束に変換するものである。そして、平行な光束は透過型回折素子１７を通過して分光され、それぞれの波長に合致した変換特性の太陽電池素子８ａ，８ｂに入射する。なお、分光手段１８は回折素子１７に限定されるものではなく、プリズムなどを組み合わせてもよい。光の波長毎に適した変換特性の太陽電池素子８を用いることで、この集光型太陽電池モジュール１の発電効率をより高いものにすることができる。
【００３６】
なお、本発明の実施の形態は上述の形態に限ることなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができることは云うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る集光型太陽電池モジュール１は、建築物の屋根や屋上に設置する集光型太陽電池モジュール１として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１      太陽電池モジュール
２      集光手段
３      分枝路
４      平面導波路
７      射出端面
８      太陽電池素子
１１    分岐点
１２    分岐点反射手段
１５    第２の集光手段
１８    分光手段
【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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