(57)【要約】【課題】集光効率が高く、かつ、集光面上に均一な照度分布を得ることが可能なフレネルレンズ、集光型太陽光発電モジュール、及び集光型太陽光発電装置を提供すること。【解決手段】本発明のフレネルレンズ１は、太陽光集光用のフレネルレンズであって、波長４００ｎｍに対するフレネルレンズ１の屈折率をｎ１、波長１９００ｎｍに対するフレネルレンズ１の屈折率をｎ２、ｎ３＝（ｎ１＋ｎ２）／２となる屈折率をｎ３、フレネルレンズ１の屈折率がｎ３になる波長をλ１、フレネルレンズ１により光が集光される集光面１０における光軸ＡＸから最も遠い部分までの距離をＥ、と定義し、波長λ１の光は、フレネルレンズ１上の光軸ＡＸを中心とした半径Ｅの円領域の外側に入射するときに、光軸ＡＸから近くに入射するほど、集光面１０上において光軸ＡＸから離れた領域に到達する。【選択図】図４
2016138911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光集光用のフレネルレンズであって、
波長４００ｎｍに対する前記フレネルレンズの屈折率をｎ１、波長１９００ｎｍに対する前記フレネルレンズの屈折率をｎ２、ｎ３＝（ｎ１＋ｎ２）／２となる屈折率をｎ３、前記フレネルレンズの屈折率がｎ３になる波長をλ１、前記フレネルレンズにより光が集光される集光面における光軸から最も遠い部分までの距離をＥ、と定義し、
波長λ１の光は、前記フレネルレンズ上の前記光軸を中心とした半径Ｅの円領域の外側に入射するときに、前記光軸から近くに入射するほど、前記集光面上において前記光軸から離れた領域に到達する
ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項２】
請求項１に記載のフレネルレンズであって、
前記フレネルレンズ上の前記半径Ｅの円領域の外側に入射した波長λ１の光が前記集光面上で集光される領域の前記光軸を中心とした半径は、０．３Ｅ〜０．７Ｅである
ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフレネルレンズであって、
前記フレネルレンズの厚みは、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であること
ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフレネルレンズであって、
前記フレネルレンズの凹凸面において、凸部の幅が１５０μｍ以上１ｍｍ以下である
ことを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレネルレンズであって、
射出成形により形成されることを特徴とするフレネルレンズ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレネルレンズであって、
ガラス基板と、
前記ガラス基板上に熱硬化性樹脂により形成されたレンズ部と、を有するフレネルレンズ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のフレネルレンズと、
前記フレネルレンズにより集光された光を受光する太陽電池セルと、を有する
集光型太陽光発電モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の集光型太陽光発電モジュールであって、
前記フレネルレンズから前記太陽電池セルへの光路上に設けられた二次レンズを有し、
前記二次レンズは、前記フレネルレンズにより集光された光を受光する受光面と、前記光を前記太陽電池セルに出射する出射面と、前記受光面と前記出射面との間をつなぐ側面と、を有し、
前記側面は前記光を反射させながら前記受光面から前記出射面へと導く
集光型太陽光発電モジュール。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の集光型太陽光発電モジュールであって、
前記太陽電池セルは、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型太陽電池セルである
ことを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
【請求項１０】
太陽追尾型の集光型太陽光発電装置であって、
請求項７〜９のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュールと、
前記集光型太陽光発電モジュールを支持する支持部材と、
前記集光型太陽光発電モジュールを太陽の方向に向けるように前記支持部材の方向を変える太陽追尾装置と、
を有する集光型太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレネルレンズ、集光型太陽光発電モジュール、及び集光型太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能なエネルギー源として自然エネルギーの利用が注目されおり、その一つに太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽光発電がある。この太陽光発電の中で、太陽光を太陽電池に集光させるためのフレネルレンズを有する構成の集光型太陽光発電装置が知られている（特許文献１〜３）。フレネルレンズを有する構成の集光型太陽光発電装置は、高い発電効率を有し、大電力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８９８９６号公報
【特許文献２】特開２００４−２１４４７０号公報
【特許文献３】特開２０１２−４２９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
集光型太陽光発電装置で高い発電効率を得るには、フレネルレンズに入射した光をなるべく多く太陽電池セルに到達させて集光効率を向上し、かつ、集光した光を太陽電池セル上の１点に集中させず均一に光を散らして、太陽発電セル上での面内照度分布を均一化する必要がある。
【０００５】
特許文献１には、太陽光線を集光する一次光学系と、太陽光線を太陽電池に導く二次光学系と、を用いることにより、太陽光線の光量ムラや色収差を低減する太陽電池モジュールが記載されている。特許文献１に記載の技術では、太陽電池上での面内照度分布を均一化することができる。しかしながら、太陽電池と二次光学系の間に隙間が設けられているので、二次光学系と空気界面での反射による損失が発生し、集光効率の低下を招くことになる。また、反射による損失を防ぐために反射防止膜を二次光学系の端面に形成することも可能であるが、製造工程において工数が増えることになるので、高コスト化を招いてしまう。
【０００６】
特許文献２には、平板フレネルレンズの内周部と外周部での焦点距離を変えることにより、入射ムラを低減できる集光型太陽光発電装置が記載されている。しかしながら、焦点距離はフレネルレンズの屈折率に依存し、屈折率は入射光の波長に依存するため、色収差を十分に低減することができない。
【０００７】
特許文献３には、屈折と回折とを組み合わせることにより波長分散を打ち消しあうフレネルレンズが記載されている。しかしながら、特定次数へ回折光を集中させて集光効率を高めるために、ブレーズ型回折構造をフレネルレンズの表面に極めて高精度に作製する必要がある。さらにフレネルレンズと回折格子の位置合わせも厳密に行う必要があり、製造工程の高コスト化の要因となる。
【０００８】
本発明は、上述の問題を解決するためなされたものであり、集光効率が高く、かつ、集光面上に均一な照度分布を得ることが可能なフレネルレンズ、集光型太陽光発電モジュール、及び集光型太陽光発電装置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】
【０００９】
本発明のフレネルレンズは、
太陽光集光用のフレネルレンズであって、
波長４００ｎｍに対する前記フレネルレンズの屈折率をｎ１、波長１９００ｎｍに対する前記フレネルレンズの屈折率をｎ２、ｎ３＝（ｎ１＋ｎ２）／２となる屈折率をｎ３、前記フレネルレンズの屈折率がｎ３になる波長をλ１、前記フレネルレンズにより光が集光される集光面における光軸から最も遠い部分までの距離をＥ、と定義し、
波長λ１の光は、前記フレネルレンズ上の前記光軸を中心とした半径Ｅの円領域の外側に入射するときに、前記光軸から近くに入射するほど、前記集光面上において前記光軸から離れた領域に到達する
ことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、
前記フレネルレンズ上の前記半径Ｅの円領域の外側に入射した波長λ１の光が前記集光面上で集光される領域の前記光軸を中心とした半径は、０．３Ｅ〜０．７Ｅである
ことが好ましい。
【００１１】
本発明では、
前記フレネルレンズの厚みは、３ｍｍ以上５ｍｍ以下であること
ことが好ましい。
【００１２】
本発明では、
前記フレネルレンズの凹凸面において、凸部の幅が１５０μｍ以上１ｍｍ以下である
ことが好ましい。
【００１３】
本発明では、
射出成形により形成される
ことが好ましい。
【００１４】
本発明では、
ガラス基板と、
前記ガラス基板上に熱硬化性樹脂により形成されたレンズ部と、を有する
ことが好ましい。
【００１５】
本発明の集光型太陽光発電モジュールは、
上述のフレネルレンズと、
前記フレネルレンズにより集光された光を受光する太陽電池セルと、を有する。
【００１６】
本発明では、
前記フレネルレンズから前記太陽電池セルへの光路上に設けられた二次レンズを有し、
前記二次レンズは、前記フレネルレンズにより集光された光を受光する受光面と、前記光を前記太陽電池セルに出射する出射面と、前記受光面と前記出射面との間をつなぐ側面と、を有し、
前記側面は前記光を反射させながら前記受光面から前記出射面へと導く
ことが好ましい。
【００１７】
本発明では、
前記太陽電池セルは、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型太陽電池セルである
ことが好ましい。
【００１８】
本発明の集光型太陽光発電装置は、
太陽追尾型の集光型太陽光発電装置であって、
上述の集光型太陽光発電モジュールと、
前記集光型太陽光発電モジュールを支持する支持部材と、
前記集光型太陽光発電モジュールを太陽の方向に向けるように前記支持部材の方向を変える太陽追尾装置と、
を有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、集光効率が高く、かつ、集光面上に均一な照度分布を得ることが可能なフレネルレンズ、集光型太陽光発電モジュール、及び集光型太陽光発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１に係る集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るフレネルレンズの断面図である。
【図３】実施の形態１に係る他のフレネルレンズの断面図である。
【図４】実施の形態１に係るフレネルレンズに波長λ１の光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図５】実施の形態１に係るフレネルレンズの変形例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係るフレネルレンズに波長４００ｎｍの光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図７】実施の形態１に係るフレネルレンズに波長１９００ｎｍの光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図８】本発明の比較例に係る１点集光タイプのフレネルレンズに波長λ１の光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図９】本発明の比較例に係る順集光タイプのフレネルレンズに波長λ１の光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図１０】材料にＰＭＭＡを用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と集光面への到達率との関係を示す図である。
【図１１】材料にＰＭＭＡを用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と、集光面上の各領域に入射する光束の最大値との関係を示す図である。
【図１２】材料に熱硬化型シリコーンを用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と集光面への到達率との関係を示す図である。
【図１３】材料に熱硬化型シリコーンを用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と、集光面上の各領域に入射する光束の最大値との関係を示す図である。
【図１４】材料にメタクリル酸メチルとアクリル酸ブチルのブロック共重合体を用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と集光面への到達率との関係を示す図である。
【図１５】材料にメタクリル酸メチルとアクリル酸ブチルのブロック共重合体を用いた実施例及び比較例に係るフレネルレンズの屈折率と、集光面上の各領域に入射する光束の最大値との関係を示す図である。
【図１６】実施の形態２に係る集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。
【図１７】実施の形態２に係るフレネルレンズに波長ｎ３の光が入射したときの集光状態を示す側面図である。
【図１８】実施の形態２に係る二次レンズの一例を示す斜視図である。
【図１９】実施の形態２に係る二次レンズの他の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
[実施の形態１]
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素及び相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る集光型太陽光発電装置１００について説明する。図１に示すように、集光型太陽光発電装置１００は、フレネルレンズ１と、太陽電池セル２と、支持部材３と、太陽追尾装置４と、を有する。一つのフレネルレンズ１と一つの太陽電池セル２とを組み合わせることにより、一つの集光型太陽光発電モジュールが形成される。支持部材３上には、複数の集光型太陽光発電モジュールが配列されている。
【００２３】
太陽電池セル２は、光を受光して、光エネルギーを電気エネルギーに変換する。太陽電池セル２は、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｄＴｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ、Ｇｅなどの太陽電池セルを用いることができる。また、太陽電池セル２の構造は、単一接合型セル、モノリシック多接合型セル、波長感度領域の異なる種々の太陽電池セルを接続したメカニカルスタック型など種々の形態の構造を適用することが可能である。太陽電池セル２には、吸収波長帯が異なる複数種類のｐｎ接合が積層された多接合型太陽電池セルを用いてもよい。
【００２４】
フレネルレンズ１は、太陽光集光用のフレネルレンズである。フレネルレンズ１の断面を図２に示す。図１及び図２に示すように、フレネルレンズ１の光出射側の表面には、同心円状の凹凸面１１が形成されている。フレネルレンズ１の凹凸面１１の断面は、鋸刃状になっており、三角形の凸部１２を多数並べた構造になっている。１本の凸部１２の幅をＰとする。
【００２５】
アクリル、ポリカーボネート等の透明性に優れる樹脂を金型に流し込んで射出成形することにより、フレネルレンズ１を形成することができる。また、熱硬化性樹脂を金型に流し込んでガラス基板で封止した後に硬化させることにより、フレネルレンズ１を形成してもよい。さらにまた、熱可塑性エラストマーをガラス基板上でプレス成形することによってフレネルレンズ１を形成してもよい。
【００２６】
また、フレネルレンズ１の凹凸面１１と対向しており、太陽光の入射する入射側の表面に、ハードコート、防汚コート、又は反射防止コート等を施してもよい。凹凸面１１の表面には、反射防止コート、モスアイ構造等の反射防止構造を形成してもよい。
【００２７】
フレネルレンズ１の厚みは、強度を高めるために３ｍｍ以上であることが好ましい。一方で、フレネルレンズ１の厚みが増すと重量が増加し、材料による光吸収量の増加が生じるため、厚みは５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２８】
また、フレネルレンズ１において、１本の凸部１２の幅Ｐが小さすぎると回折光の発生により損失が生じる。このため１本の凸部１２の幅Ｐは１５０μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上であることがさらに好ましい。
【００２９】
一方で、１本の凸部１２の幅Ｐが大きすぎると成形性が低下し、量産性の低下を招く。このため、凸部１２の幅Ｐは１ｍｍ以下であることが好ましく、７００μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
フレネルレンズ１に垂直に入射した太陽光は集光されて、太陽電池セル２に入射する。一般的に、フレネルレンズ１を構成する材料は、屈折率の波長依存性を有する。また、太陽光が地上に到達する際のスペクトルは、波長４００ｎｍから１９００ｎｍとなっている。
【００３１】
波長４００ｎｍに対するフレネルレンズ１の屈折率をｎ１、波長１９００ｎｍに対するフレネルレンズ１の屈折率をｎ２とする。そして、屈折率ｎ３をｎ３＝（ｎ１＋ｎ２）／２と定義する。このとき、フレネルレンズ１の屈折率がｎ３になる波長をλ１とする。
【００３２】
ここで、図２に示すようにフレネルレンズ１が一つの材料から構成される場合には、フレネルレンズ１の屈折率は、フレネルレンズ１を構成する材料の屈折率を意味する。また、図３に示すように、フレネルレンズ１がガラスなどの基板１３と凹凸面１１を有するレンズ部１４とからなる場合は、フレネルレンズ１の屈折率は、レンズ部１４を構成する材料の屈折率を意味する。
【００３３】
図４〜図７を用いて、フレネルレンズ１が太陽光を集光する方法について説明する。図４に示すように、フレネルレンズ１に入射した光は、集光面１０上に集光される。集光面１０の中心は、フレネルレンズ１の光軸ＡＸ上に位置する。集光型太陽光発電装置１００では、フレネルレンズ１の集光面１０は、太陽電池セル２の受光面と一致している。集光面１０における中心（光軸ＡＸ）から最も遠い部分までの距離をＥとする。例えば、集光面１０が長方形のときは、長方形の対角長の半分の長さがＥになる。このとき、集光面１０の外接円の半径はＥになり、集光面１０の中心がフレネルレンズ１の光軸ＡＸ上に位置する。
【００３４】
図４は、フレネルレンズ１に波長λ１の光が入射したときの集光状態を示す側面図である。図４に示すように、波長λ１の光は、フレネルレンズ１上の光軸ＡＸを中心とした半径Ｅの円領域の外側に入射するときに、半径Ｅの円領域の近くに入射するほど、集光面１０上において光軸ＡＸから離れた領域に到達する。すなわち、フレネルレンズ１の最も光軸から離れた点に入射する光線をＲ１、半径Ｅの円領域の近くに入射する光線をＲ２、光線Ｒ１と光線Ｒ２の中間に入射する光線をＲ３とすると、集光面１０に到達するときに光線Ｒ１、光線Ｒ３、光線Ｒ２の順番で光軸ＡＸに近くなる。図４において集光面１０は、太陽電池セル２の受光面である開口部と一致する。
【００３５】
フレネルレンズ１では、入射した光の波長がλ１より小さくなると、材料の波長分散により屈折率が大きくなる。つまり、波長４００ｎｍの光が入射したとき、フレネルレンズ１の屈折率はｎ１となり、波長λ１の場合よりも屈折力が大きくなる。この場合、図６に示すように、波長４００ｎｍの光は、波長λ１の場合と比べて集光面１０上のより光軸ＡＸ側に到達し、さらに集光面１０上の光軸ＡＸを挟んだ反対側に到達する。
【００３６】
他方、フレネルレンズ１では、入射した光の波長がλ１より大きくなると、材料の波長分散により屈折率が小さくなる。つまり、波長１９００ｎｍの光が入射したとき、フレネルレンズ１の屈折率はｎ２となり、波長λ１の場合よりも屈折力が小さくなる。この場合、図７に示すように、波長１９００ｎｍの光は、波長λ１の場合と比べて集光面１０上のより外周側に到達する。この場合も、損失が小さい状態で太陽電池セル２に入射し、かつ１点に光が集中していないため太陽電池セル２の発電効率を高めることができる。
【００３７】
フレネルレンズ１上の半径Ｅの円領域の外側に入射した波長λ１の光が集光面１０上で集光される領域の光軸ＡＸを中心とした半径は、０．３Ｅ〜０．７Ｅであることが好ましい。上述したように、波長４００ｎｍの光は、波長λ１の光よりも光軸ＡＸ近傍に到達し、波長１９００ｎｍの光は、波長λ１の光よりも集光面１０上の光軸ＡＸから離れた領域に到達する。これにより、太陽光がフレネルレンズ１に入射すると、損失の小さい状態で太陽電池セル２に入射し、かつ、１点に集中せずに太陽電池セル２を均一に照射する。よって、太陽電池セル２の発電効率を高めることができる。
【００３８】
集光面１０のサイズは、フレネルレンズ１のサイズに対して十分小さいことが好ましく、例えば、フレネルレンズ１のサイズに対して１／５〜１／２０の大きさであることが好ましい。つまり、フレネルレンズ１において、集光面１０と同じ大きさの半径Ｅの円領域の占める面積は、フレネルレンズ１の光入射側の光通過領域の面積に対して非常に小さいものとなる。従って、この半径Ｅの円領域を透過した光が一点に集光したとしても、発電効率の低下を生じることはない。
【００３９】
さらに、図５に示すように、フレネルレンズ１において、集光面１０と重なる部分には凹凸面１１を形成することなく、平坦部１５を設けてもよい。図５では、凹凸面１１の有無がわかりやすいように、凹凸面１１を実際よりも大きく示している。平坦部１５には、凹凸面１１が形成されていない。平坦部１５の半径は、Ｅ以下であることが好ましく、Ｅ／２以下であることがさらに好ましい。
【００４０】
支持部材３は、フレネルレンズ１と太陽電池セル２とを支持する部材である。支持部材３は、箱状の筐体であってもよい。図１では、支持部材３がフレネルレンズ１を支持する様子は図示を省略されているが、一般的な支持方法であればどのような支持方法を用いてもよい。例えば、支持部材３の平板部に太陽電池セル２を配置し、平板部に立てたポールによってフレネルレンズ１を支持してもよい。また、筐体の側壁によりフレネルレンズ１を支持してもよい。
【００４１】
太陽追尾装置４は、支持部材３の太陽電池セル２の配置されている面の底面を揺動可能に支持している。太陽追尾装置４は、太陽電池セル２の配置されている面の法線が太陽を向くように、支持部材３の向きを変える。これにより、太陽電池セル２を常に太陽の方向に向けることができるので、発電効率を向上できる。
【００４２】
集光型太陽光発電装置１００は、フレネルレンズ１を用いることにより、太陽光を太陽電池セル２に入射させるときの損失を小さくすることができる。また、太陽電池セル２上の一点への光の集中を抑制して、均一に太陽電池セル２を照らすことにより高い発電効率を実現することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、集光効率が高く、かつ、集光面１０上に均一な照度分布を得ることが可能なフレネルレンズを提供することができる。
【００４４】
[実施例]
以下に本実施形態に係るフレネルレンズ１の実施例及び比較例について説明する。フレネルレンズ１の実施例及び比較例について、ＳＹＮＯＰＳＹＳ社製の光学シミュレーションソフト「ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ」を用いて光学性能のシミュレーションを行った。表１に、実施例及び比較例のシミュレーション条件及びシミュレーション結果を示す。
【００４５】
【表１】
2016138911.tif 000003
【００４６】
実施例及び比較例に係るフレネルレンズ１の面形状は、下記の数式１により表される。凸レンズの光軸ＡＸからの高さｘにおける凸レンズのサグ量をｚで表している。ここで、光軸ＡＸからの高さｘにおける凸レンズのサグ量とは、レンズ面と光軸ＡＸとの交点を含んだ光軸ＡＸと直交する平面を基準面としたときに、光軸ＡＸからの高さｘの位置における、基準面からレンズ面までの光軸方向の距離である。また、フレネルレンズ１の曲率をｃ、２ｎ次の非球面係数をａ２ｎと表している。この凸レンズの高さｘでの斜面の傾きをフレネルレンズ１の高さｘでの傾きとした。
【００４７】
【数１】
2016138911.tif 000004
【００４８】
また、表２に、実施例及び比較例に係るフレネルレンズ１の形状を表す係数を示す。
【００４９】
【表２】
2016138911.tif 000005
【００５０】
表１において、到達率とは、１ルーメンの光束をフレネルレンズ１へ入射角０°で入射させたときに、集光面１０に到達する光束の割合である。また、最大値とは、集光面１０を縦横ともに２１等分割した各領域（合計４４１領域）に入射した光束のうち、最も大きい値を意味する。つまり、到達率が高く、かつ、最大値が小さい場合に、光が無駄になることなく分散して集光面１０に到達していることを表す。
【００５１】
また、表１において、集光タイプは、逆集光、一点集光、及び順集光に分類される。逆集光とは、図４に示すように、フレネルレンズ１の周辺部を通過した光線Ｒ１が、中心部を通過した光線Ｒ２よりも集光面１０の光軸ＡＸ近傍（中心側）に集光するタイプをいう。一点集光とは、図８に示すように、光線Ｒ１〜光線Ｒ３の全てが集光面１０の光軸ＡＸ近傍に集光するタイプをいう。順集光とは、図９に示すように、フレネルレンズ１の周辺部を通過した光線Ｒ１が、中心部を通過した光線Ｒ２よりも集光面１０の外周側に集光するタイプをいう。
【００５２】
さらに、表１において、「集光タイプ」の右隣に記載された「屈折率」は、「集光タイプ」に記載された集光状態になる波長の光に対する屈折率である。すなわち、実施例１では、フレネルレンズ１の屈折率がｎ３になる波長λ１の光をフレネルレンズ１に入射させると、逆集光状態になるという意味である。
【００５３】
また、表１において、矩形のフレネルレンズ１の対角長の半分の長さをＤとする。さらに、集光面１０が長方形なので、長方形の対角長の半分の長さをＥとする。Ｅは、集光面１０における中心（光軸ＡＸ）から最も遠い部分までの距離ともいえる。フレネルレンズ１上の光軸ＡＸを中心とした半径Ｅの円領域より外側に入射した波長λ１の光が集光面１０上において集光される領域の、光軸ＡＸを中心とした半径をＦとする。
【００５４】
図１０、図１２、及び図１４は、実施例及び比較例に係るフレネルレンズ１の屈折率と集光面１０への到達率との関係を示す図である。図１０は実施例１及び２並びに比較例１〜５、図１２は実施例３及び比較例６、図１４は実施例４及び比較例７について示している。図１０、図１２、及び図１４の横軸はフレネルレンズ１の屈折率であり、この屈折率になる波長の光をフレネルレンズ１に入射させる。図１０、図１２、及び図１４の縦軸は、横軸の値の屈折率になる光をフレネルレンズ１に入射させたときの、集光面１０への到達率である。
【００５５】
図１１、図１３、及び図１５は、実施例及び比較例に係るフレネルレンズ１の屈折率と集光面１０における光束の最大値との関係を示す図である。図１１は実施例１及び２並びに比較例１〜５、図１３は実施例３及び比較例６、図１５は実施例４及び比較例７について示している。図１１、図１３、及び図１５の横軸はフレネルレンズ１の屈折率であり、この屈折率になる波長の光をフレネルレンズ１に入射させる。図１１、図１３、及び図１５の縦軸は、横軸の値の屈折率になる１ルーメンの光をフレネルレンズ１に入射させたときに、集光面１０上の各領域に入射した光束の最大値（単位はルーメン）である。
【００５６】
実施例１及び２並びに比較例１〜５は、フレネルレンズ１の材料にＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を用いた場合である。図１０及び図１１に示すとおり、実施例１及び２の到達率は９１．９％〜９２．５％と高く、最大値は０．００９〜０．０３２と小さい。一方で、比較例１、３、４、５の最大値はいずれも実施例１及び２と比べて大きい。このため、比較例１、３、４、５は実施例１及び２と比べて、集光面１０における領域ごとの光束のばらつきが大きいといえる。また、比較例２及び３は、低い屈折率ｎ２において光線の集光面１０への到達率が９０．９％に低下している。このため、比較例２及び３は実施例１及び２と比べて、集光面１０に到達するまでの光の損失が大きいといえる。
【００５７】
実施例３及び比較例６は、フレネルレンズ１の材料に熱硬化型シリコーンを用いた場合である。図１２及び図１３に示すとおり、実施例３の到達率は９３．７％〜９４．０％と高く、最大値は０．００４〜０．０３７と小さい。一方で比較例６の到達率は９３．７％〜９４．４％と高いものの、最大値は屈折率ｎ３で０．１９２と大きくなる。このため、比較例６は実施例３と比べて、集光面１０における領域ごとの光束のばらつきが大きいといえる。
【００５８】
実施例４及び比較例７は、フレネルレンズ１の材料にメタクリル酸メチルとアクリル酸ブチルのブロック共重合体を用いた場合である。図１４及び図１５に示すとおり、実施例４の到達率は９２．０％〜９２．６％と高く、最大値は０．００９〜０．０２１と小さい。一方で比較例７の到達率は９２．０％〜９２．６％と高いものの、最大値は屈折率ｎ３で０．１８９と大きくなる。このため、比較例７は実施例４と比べて、集光面１０における領域ごとの光束のばらつきが大きいといえる。
【００５９】
[実施の形態２]
図１６に、本発明の実施の形態２に係る集光型太陽光発電装置２００の構成を示す。このようなフレネルレンズ１を用いた集光型太陽光発電装置２００では損失を小さく太陽電池セル２に太陽光を入射することができ、また一点への集中を回避することで高い発電効率を実現することができる。実施の形態２に係る集光型太陽光発電装置２００は、実施の形態１に係る集光型太陽光発電装置１００とは、太陽電池セル２の上部に二次レンズ６を設けている点が異なっている。
【００６０】
図１７に、太陽電池セル２の上部に二次レンズ６を設けた構成の側面図を示す。二次レンズ６は、フレネルレンズ１により集光された光を上面６１で受光した後、側面６２での全反射により下面６３まで導き、下面６３から太陽電池セル２に光を照射する。図１７において、フレネルレンズ１の集光面１０は二次レンズ６の上面６１と一致する。二次レンズ６としては、例えば、透明性に優れるガラスを楔型に成形したものや、反射率の高いアルミニウムなどの金属を側面６２内側に蒸着したものを用いることができる。
【００６１】
図１８に二次レンズ６の一例の斜視図を示す。二次レンズ６は、上面（受光面）６１と、側面６２と、下面（出射面）６３と、を有する。上面６１は、フレネルレンズ１により集光された光を受光する。側面６２は、上面６１から入射した光を反射させながら下面６３へと導く。下面６３は、側面６２で反射されながら導かれた光を出射する。二次レンズ６では、上面６１が正方形をなしており、太陽電池セル２との接合面になる下面６３は正方形をなしている。上面６１が集光面１０と一致するので、集光面１０における中心から最も遠い部分までの距離をＥとすると、上面６１の外接円６５の半径はＥとなる。
【００６２】
二次レンズ６の上面６１から入射した光は、二次レンズの側面６２内側で全反射しながら進み、下面６３から出射される。これにより、下面６３から出射される光の照度分布を均一にすることができ、太陽電池セル２の受光面における領域ごとの光束のばらつきを減らすことができる。よって、フレネルレンズ１単体で集光するよりも、太陽電池セル２の受光面に均一に光を照射することができる。
【００６３】
図１９に他の一例に係る二次レンズ７の斜視図を示す。二次レンズ７では、上面７１が正八角形をなしており、太陽電池セル２との接合面になる下面７３は正方形をなしている。上面７１の正八角形のうち４つの辺はそれぞれ、下面７３の正方形の４辺のうちひとつと同一平面上に乗り、上面７１の一辺と下面７３の一辺と両辺を結ぶ二本の直線とにより台形の側面７２ａが形成される。上面７１の正八角形のうち残り４つの辺と下面７３の正方形の頂点とにより三角形の側面７２ｂが形成される。側面７２ａと側面７２ｂとを交互に配置することにより、正八角形の上面７１と正方形の下面７３とをつないでいる。
【００６４】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、フレネルレンズ１の凹凸面１１の形状は、三角形の鋸刃状に限定されるものではなく、曲面であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…フレネルレンズ  ２…太陽電池セル  ３…支持部材  ４…太陽追尾装置  ６，７…二次レンズ  １０…集光面  １１…凹凸面  １２…凸部  １３…基板  １４…レンズ部  １５…平坦部  ６１，７１…上面  ６２，７２ａ，７２ｂ…側面  ６３，７３…下面  １００，２００…集光型太陽光発電装置
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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