(57)【要約】【課題】入射された散乱光に対する透過性を増大するとともに透過した散乱光の多目的利用が可能な高倍率集光型太陽電池モジュール及び集光型太陽光発電システムを提供する。【解決手段】モジュール１０（１０ａ）は、集光器１１と、高透過板１２と、集光器１１によって集光された太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セル１３と、高透過板１２の表面の一部に設けられかつセル１３に電気的に接続可能な回路と、を備える。太陽電池セル１３の各セル１３は、高透過板１２の表面上に分散的に配置される。セル１３と回路とは集光器１１と高透過板１２との間に封止される。太陽電池セル１３の全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下である。高透過板１２の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であり、散乱光Ｌ２の透過性に優れる。【選択図】図１
2016062931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光を集光する集光器と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過する高透過板と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セルと、
前記高透過板の表面の一部に設けられ、かつ、前記セルに電気的に接続可能な回路と、
を備えた集光型太陽電池モジュールであって、かつ、
前記太陽電池セルの各セルは、前記高透過板の表面上に分散的に配置され、
前記セルと前記回路とは、前記集光器と前記高透過板との間に封止され、
前記太陽電池セルの全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下であり、
前記高透過板の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であ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】
前記太陽電池セルの各セルの受光面が１ｍｍ×１ｍｍ以下の寸法であ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】
前記回路が金属膜と金属ワイヤとを含み、
前記金属膜が、前記太陽電池セルを担持しながら前記高透過板の表面に分散的にかつ前記高透過板とは電気的に絶縁であるように密着して設置され、
前記金属ワイヤは、前記金属膜と前記太陽電池セルとの間を電気的に接続し、直列又は並列の電気回路を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記回路が金属膜と金属ワイヤと透明導電膜とを含み、
前記金属膜が、前記太陽電池セルを担持しながら前記高透過板の表面に分散的にかつ前記高透過板とは電気的に絶縁であるように密着して設置され、
前記金属ワイヤ及び前記透明導電膜は、前記金属膜と前記太陽電池セルとの間を電気的に接続し、直列又は並列の電気回路を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記高透過板の受光面とは反対側の面の下方に第２の太陽電池を設置したことを特徴とする請求項１〜４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】
前記集光器によって集光された太陽光を反射させて前記太陽電池セルの受光面へ案内する反射面を備えた受光ガイドをさらに備え、かつ、
前記受光ガイドと前記太陽電池セルとを予め一体化してセルパッケージが複数構成され、該セルパッケージが前記高透過板の表面上に分散的に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記受光ガイドに放熱用フィンが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項８】
前記高透過板の受光面とは反対側の面の下方に放熱用ハニカム構造体を設置したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項９】
太陽光を集光する集光器と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過する高透過板と、
前記集光器によって集光された太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セルと、
前記高透過板の表面の一部に設けられ、かつ、前記セルに電気的に接続可能な回路と、
を備えた集光型太陽電池モジュールであって、かつ、
前記太陽電池セルの各セルは前記高透過板の受光面とは反対側の面に分散的に配置され、
前記太陽電池セルの全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下であり、
前記高透過板の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であり、
前記集光器によって集光されかつ前記高透過板を透過した太陽光を反射させて前記太陽電池セルの受光面へ案内する反射面を備えた受光ガイドをさらに備え、
前記受光ガイドと前記太陽電池セルとを予め一体化してセルパッケージが複数構成され、封止材によって該セルパッケージが前記高透過板の前記反対側の面上に分散的に封止されることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項１０】
前記集光器は、表面がドーム状を成す受光面を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項１１】
前記集光器は、前記高透過板の上方に空気層を挟んで設置されたレンズであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１〜４，６〜１１のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュールと、該モジュールを搭載する１軸太陽追尾架台及び２軸太陽追尾架台の少なくとも一方の架台とを備えた集光型太陽光発電システムであって、かつ、該システムが、太陽光を利用する発電以外の他用途に使用されている場所に適当な間隔で設置可能であることを特徴とする集光型太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールに関し、より具体的には、太陽光を集光器により集光して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】
（１）太陽光発電の普及
近年、再生可能エネルギーの固定価格買取制度による太陽光発電の普及が急ピッチで進んでいる。今後、地球温暖化問題の深刻化に伴いＣＯ2排出規制が厳しくなると、さらなる普及拡大が必要となることが予想される。
【０００３】
（２）集光型太陽電池モジュール
太陽電池（photovoltaic：ＰＶ）モジュールは、大きく集光型と非集光型とに大別される。集光型ＰＶモジュールとして、レンズやミラー等の集光器を利用した技術が既に存在する（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００４】
（３）従来の太陽電池モジュールの問題点１
しかしながら、特許文献１〜４に開示の集光型ＰＶモジュールでは「直達光」のみがＰＶセルに集光され、「散乱光」はＰＶセル周辺のモジュール筐体に入射されるため、全く有効に活用されないばかりか、「散乱光」の大半が通常金属製の不透明なモジュール筐体に吸収されてしまい、熱となって太陽電池セルの温度を上昇させるため、変換効率や長期信頼性の低下要因となることが危惧される。
【０００５】
（４）従来の太陽電池モジュールの問題点２
また、太陽光発電の大量普及時代に突入すると、太陽光発電の設置スペースの確保が徐々に難しくなり、農業や園芸をはじめとする他の太陽光を必要とする用途（つまり、発電以外の他の用途）との設置スペースの競合が生じる可能性が高い。従って、今後は限られたスペースで最大限に太陽光発電をしつつ、同時に他の用途と共存可能な技術へのニーズが増えることも予想される。
【０００６】
例えば、建物等の屋上面で太陽光発電と屋上菜園との利用を両立したい場合などがある。特許文献１〜４に開示した従来の太陽電池モジュールでは、植物への日射を確保するためにはモジュール筐体の面積（ひいてはＰＶセルの面積）を減らす必要があり、その分だけ発電量が低下してしまう。このため、共存が困難であり、太陽光が有効に活用できないという問題点がある。
【０００７】
また、植物への日射に限らず、居住空間への採光も太陽光発電と競合する用途の１つであり、上述した同じ問題点が発生し得る。特に、建物が林立する都市部においては日照権に拘わる問題にも発展する可能性があり、建物屋上に遮光物を容易には設置できない。
【０００８】
（５）上記問題解決へのアプローチ
上記の問題点は、従来のＰＶモジュールの筐体が太陽光に対して不透明になっており、日射の透過量を増やそうとすると、その分だけＰＶセルの面積を減らす必要があることに起因する。そこで、本発明者は、発電量を大きく犠牲にすることなく従来以上に太陽光を高透過するＰＶモジュールを提供することができれば、この問題を軽減できることを着想した。
【０００９】
例えば、集光型ＰＶモジュールにおいて、従来製品は不透明であったモジュール筐体の全面もしくは一部を太陽光の透過性が高い材料に置き換えることによって、発電に利用されない散乱光の透過性を大幅に向上しつつ、この散乱光を発電以外の他の用途へ利用できるのである。
【００１０】
このような着想は、特許文献５の明細書段落〔００２５〕にも開示がある。また、該文献５の明細書段落〔００４５〕〜〔００４６〕の記載（特に、「この光学シートの太陽光総入射面積に対し、太陽電池への総入射面積は２．７対１．０であることを確認した。本発明の実施においては、受光面の太陽に向けての追尾システムは必須とはしない。本発明の簡便な繰り返しの線状構造形状を有するリニアな光学シート１枚で、２．７倍集光を実現することができた。」との記載）から、特許文献５の太陽電池モジュールは、太陽電池より下側に配置されかつ太陽電池の投影面積と重ならない筐体透明部分の面積比は２．７対１．７となる。言い換えれば、太陽電池の投影面積が約３７％となり、それ以外の透明部分の面積は約６３％となる。
【００１１】
つまり、特許文献５に記載の従来技術は、当該文献の〔図２〕を紙面に垂直な方向に延ばした構造（２次元集光）であり、つまり、太陽追尾機構が不要の固定設置方式で、集光倍率（集光度）が２〜３倍程度（実施例では２．７倍）の低倍率集光タイプの太陽電池モジュールであるといえよう。
【００１２】
ただし、昨今、太陽の集光倍率が１００倍以上の極めて高くかつ太陽追尾機構が必須となる３次元集光タイプの太陽電池モジュールへの需要が高まっている。集光倍率が１００倍以上になると化合物多接合型太陽電池とよばれる超高効率太陽電池を極めて小面積で使用できるためモジュール変換効率とコストパフォーマンスを高められるためである。この需要を満たすために、特許文献５の構成をそのまま採用しようとすると下記の技術的課題が発生する恐れがあり、そのための対策を取る必要がある。
【００１３】
（対策１：焦点の位置ズレ対策）
超高倍率になればなるほど、追尾機構による僅かな追尾誤差でもモジュールの焦点がずれやすくなる。このため、超高倍率集光型太陽電池モジュールでは、焦点が多少ずれても太陽電池セルへの集光を確保・維持できるような構造を設けておくことが望まれる。
【００１４】
（対策２：放熱対策）
本発明の目的とする太陽電池モジュールは、特許文献５の装置に比べ、その集光倍率が高いため、放熱性能をより強化・向上させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１４−０１０２５１号公報
【特許文献２】特開２０１３−０１２６２６号公報
【特許文献３】特開２０１３−０８０７６０号公報
【特許文献４】特開２０１３−１４９７２１号公報
【特許文献５】特開２０１３−０１６７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述の課題を解決し、入射された散乱光に対する透過性を増大するとともに透過した散乱光の多目的利用が可能な高倍率集光型太陽電池モジュール及び集光型太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明のもう一つの目的は、散乱光を利用可能としつつ、直達光を高倍率に集光可能な高倍率集光型太陽電池モジュール及び集光型太陽光発電システムを提供することである。
【００１８】
また、本発明のもう一つの目的は、焦点の位置ズレがあった場合でも集光率の低下を極力抑制しつつ高い放熱特性を有する高倍率集光型太陽電池モジュール及び集光型太陽光発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明者は、鋭意検討の末、上記課題の主要因であった集光型太陽電池モジュールの受光面とは反対の面を構成する部分に太陽光透過率の高い板材を用いて、その板材上に微小な太陽電池セルを局所的かつ分散的に配置する特有の構造を採用すれば、セル温度の上昇を抑えつつ高透過性を有した集光型太陽電池モジュールを構成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００２０】
すなわち、本発明の集光型太陽電池モジュールは、少なくとも次の特徴・構成を有する。
（態様１）
太陽光を集光する集光器と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過する高透過板と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セルと、
前記高透過板の表面の一部に設けられ、かつ、前記セルに電気的に接続可能な回路と、
を備えた集光型太陽電池モジュールであって、かつ、
前記太陽電池セルの各セルは、前記高透過板の表面上に分散的に配置され、
前記セルと前記回路とは、前記集光器と前記高透過板との間に封止され、
前記太陽電池セルの全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下であり、
前記高透過板の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
（態様２）
前記太陽電池セルの各セルの受光面が１ｍｍ×１ｍｍ以下の寸法であることを特徴とする態様１に記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様３）
前記回路が金属膜と金属ワイヤとを含み、
前記金属膜が、前記太陽電池セルを担持しながら前記高透過板の表面に分散的にかつ前記高透過板とは電気的に絶縁であるように密着して設置され、
前記金属ワイヤは、前記金属膜と前記太陽電池セルとの間を電気的に接続し、直列又は並列の電気回路を構成することを特徴とする態様１又は２に記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様４）
前記回路が金属膜と金属ワイヤと透明導電膜とを含み、
前記金属膜が、前記太陽電池セルを担持しながら前記高透過板の表面に分散的にかつ前記高透過板とは電気的に絶縁であるように密着して設置され、
前記金属ワイヤ及び前記透明導電膜は、前記金属膜と前記太陽電池セルとの間を電気的に接続し、直列又は並列の電気回路を構成することを特徴とする態様１又は２に記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様５）
前記高透過板の受光面とは反対側の面の下方に第２の太陽電池を設置したことを特徴とする態様１〜４のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様６）
前記集光器によって集光された太陽光を反射させて前記太陽電池セルの受光面へ案内する反射面を備えた受光ガイドをさらに備え、かつ、
前記受光ガイドと前記太陽電池セルとを予め一体化してセルパッケージが複数構成され、該セルパッケージが前記高透過板の表面上に分散的に配置されることを特徴とする態様１〜５のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様７）
前記受光ガイドに放熱用フィンが設けられていることを特徴とする態様１〜６のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様８）
前記高透過板の受光面とは反対側の面の下方に放熱用ハニカム構造体を設置したことを特徴とする態様１〜７のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様９）
太陽光を集光する集光器と、
前記集光器によって集光された前記太陽光を受光して該太陽光の少なくとも散乱光成分を透過する高透過板と、
前記集光器によって集光された太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セルと、
前記高透過板の表面の一部に設けられ、かつ、前記セルに電気的に接続可能な回路と、
を備えた集光型太陽電池モジュールであって、かつ、
前記太陽電池セルの各セルは前記高透過板の受光面とは反対側の面に分散的に配置され、
前記太陽電池セルの全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下であり、
前記高透過板の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であり、
前記集光器によって集光されかつ前記高透過板を透過した太陽光を反射させて前記太陽電池セルの受光面へ案内する反射面を備えた受光ガイドをさらに備え、
前記受光ガイドと前記太陽電池セルとを予め一体化してセルパッケージが複数構成され、封止材によって該セルパッケージが前記高透過板の前記反対側の面上に分散的に封止されることを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
（態様１０）
前記集光器は、表面がドーム状を成す受光面を有することを特徴とする態様１〜９のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様１１）
前記集光器は、前記高透過板の上方に空気層を挟んで設置されたレンズであることを特徴とする態様１〜１０のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュール。
（態様１２）
態様１〜４，６〜１１のいずれかに記載の集光型太陽電池モジュールと、該モジュールを搭載する１軸太陽追尾架台及び２軸太陽追尾架台の少なくとも一方の架台とを備えた集光型太陽光発電システムであって、かつ、該システムが、太陽光を利用する発電以外の他用途に使用されている場所に適当な間隔で設置可能であることを特徴とする集光型太陽光発電システム。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の集光型太陽電池モジュールによれば、従来の集光型太陽電池では温度上昇による変換効率低下等の要因となっていた散乱光を高透過させることができる。
【００２２】
また、本発明の集光型太陽電池モジュールによれば、通常の非集光型太陽電池又は低倍率集光型太陽電池では不可能であった、入射光のうち、散乱光を発電以外の他用途に利用可能としつつ直達光を高倍率に集光して発電することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、焦点の位置ズレがあった場合でも集光率の低下を極力抑制しつつ高い放熱特性を有した集光型太陽電池モジュールを提供することができる。
【００２４】
また、本発明の集光型太陽電池の下面側に低コストの太陽電池を設置すれば、散乱光からも発電が可能となり、発電量をさらに増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る集光型太陽電池モジュールの構成（平面図及び断面図）を示した図である。
【図２】本発明の実施例１に係る熱解析シミュレーション結果を示した図である。
【図３】本発明の実施例２に係る集光型太陽電池モジュールの構成（平面図及び断面図）を示した図である。
【図４】本発明の実施例３に係る集光型太陽電池モジュールの構成（平面図及び断面図）を示した図である。
【図５】本発明の実施例４，５に係る集光型太陽光発電システムの構成を示した図である。
【図６】本発明の実施例６に係る集光型太陽電池モジュールの構成（断面図）を示した図である。
【図７】本発明の実施例７，８に係る集光型太陽電池モジュール及びセルパッケージの構成（断面図）を示した図である。
【図８】本発明の実施例９に係る集光型太陽電池モジュールの構成（断面図及び底面図）を示した図である。
【図９】本発明の実施例１０に係る集光型太陽電池モジュール及びセルパッケージの構成（断面図）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の集光型太陽電池モジュールは、少なくとも、
（１）太陽光を集光する集光器と、
（２）集光器によって集光された太陽光を受光して太陽光の少なくとも散乱光成分を透過する高透過板と、
（３）集光器によって集光された太陽光を受光して発電する複数の太陽電池セルと、
（４）高透過板の表面の一部に設けられ、かつ、太陽電池セルに電気的に接続可能な回路と、を備える。
【００２７】
ここで、太陽電池セルの各セルは、前記高透過板の表面上に分散的に配置される。太陽電池セルの全受光面積は太陽光総入射面積の１０％以下であり、高透過板の受光面積は太陽光総入射面積の８０％以上であることを特徴とする。なお、高透過板上に配置されて太陽電池セルと接続して電気回路を構成する各部材の総受光面積（太陽電池セル以外に高透過板への散乱光の入射を遮る総面積）は太陽光総入射面積の１０％未満に設定されていることが望ましい。セルの全受光面積が太陽光総入射面積の１０％を超えると、本発明の目的とする超高倍率の集光型太陽電池モジュールの作製が困難となる一方、高透過板の受光面積が太陽光総入射面積の８０％未満になると、発電以外の他用途への散乱光の利用が不十分になるだけでなく、透過せずモジュール内に残存した散乱光が余分な熱となってモジュール内の機器に悪影響を及ぼす危険が増加するからである。
【００２８】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づき具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２９】
図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る集光型太陽電池モジュール１０の平面図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線で破断した実施例１に係る集光型太陽電池モジュール１０ａの断面図を示す。
【００３０】
（実施例１のモジュール構造の概要）
この集光型太陽電池モジュール１０ａ（以下、単に「モジュール」とも呼ぶ。）は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、太陽光を集光するセル封止型集光器１１と、高透過板１２と、太陽電池セル１３と、金属膜１４と、太陽電池セル１３，１３同士を電気的に接続する金属ワイヤ１５と、太陽電池セル１３の一群の発電電力を外部に取り出すリード線１６と、から構成されている。
【００３１】
高透過板１２は太陽光透過率が８０％以上のものが望ましく、ガラス板のほか、アクリル、ポリカーボネート等の樹脂からなる板材を用いることができる。
【００３２】
また、金属膜１４は電気伝導率が高いものが望ましく、銅やアルミニウムや金等を用いることができる。また、金属膜に限らず電気伝導率が高い材料であれば用いることができる。なお、実施例１では、金属膜１４は高透過板１２の集光器１１側の表面に密着して形成されており、１つの太陽電池セル１３（以下、単に「セル」とも呼ぶ。）に対して２つの金属膜１４ａ，１４ｂを島状に形成し、一方の金属膜１４ａの集光器１１側の表面には太陽電池セル１３の裏面電極（ここでは＋極）が密着して形成されている。また、この太陽電池セル１３の表面電極（ここでは−極）から、他方の金属膜１４ｂの表面に金属ワイヤ１５がボンディングされている。なお、本実施例では生産性を向上するために上述の回路接続構成を採用したが、必ずしもこれに限定されず、金属膜１４を上述のように分割せずに１つの太陽電池セル１３に対して１つの金属膜１４を設置する構成を採用してもよい。
【００３３】
金属ワイヤ１５には電気伝導率の高い金属（例えば、銅やアルミニウムや金等）を用いることができる。実施例１では、太陽電池セル１３が４直列及び４並列（４×４配列）に電気的に接続され、両端の細長い金属膜１４ｔ，１４ｔに取り付けられた正負極のリード線１６，１６から外部に発電電力を取り出すことができる。金属ワイヤ１５として、ワイヤーボンディングで使用される直径数十ミクロンの細線状のもの以外にも、薄い帯状の金属板なども用いることができる。直列及び並列の接続パターンは取り出したい電流および電圧のレベルに応じて任意に設定できる。
【００３４】
この高透過板１２の集光器１１側の太陽電池セル１３と、金属膜１４と、金属ワイヤ１５との全ての構成部材を集光器１１材料で封止するように集光器１１を形成する。実施例１では集光器１１の受光側表面はドーム状のレンズアレイとなっている。実施例１の集光器１１の材料には透明アクリル、透明シリコーン、ガラスなどが適している。この集光器１１では、入射光線は屈折率が低い空気側と屈折率が高いレンズアレイの境界面において１回しか屈折しないため、約３００倍未満の集光倍率に適している。なお、集光器１１を予め射出成形等で製作しておき、集光器１１の材料と屈折率とがほぼ等しい別の接着作用のある透明材料を用いて、他の構成部材と接合しても同様の効果が得られる。
【００３５】
このように構成した集光型太陽電池モジュール１０ａを、適切な太陽追尾機構を備えた太陽追尾架台２２ａ，２２ｂ（後述の図５（ａ）及び（ｂ）を参照）に搭載すると、図１（ｂ）に示すように直達光Ｌ１は集光器１１によって太陽電池セル１３に集光され、電気に変換される。一方、全方位から入射する散乱光Ｌ２は太陽電池セル１３には集光されず、その大半が高透過板１２を通過（透過）する。
【００３６】
このとき、集光器１１の受光面面積（総入射面積）に対して、前述の特許文献５の場合とは異なり、受光面の内側に配置（封止）された不透明な金属膜１４と金属ワイヤ１５とが占める総投影面積（つまり回路面積）の割合を１０％未満にするのが望ましい。これにより、太陽電池セルの全受光面積を太陽光総入射面積の１０％以下の超高倍率集光に設定した場合に、高透過板１２の受光面積を太陽光総入射面積の８０％以上にすることができる。また、太陽電池セル１３には化合物型多接合太陽電池などの集光時のセル変換効率が３５％以上であるものが望ましい。
【００３７】
太陽電池セル１３は、出来るだけ小面積のものが望ましい。太陽電池セル１３の受光面サイズが小さくなると、図１（ｂ）に示す焦点距離ＦＬが短くなり、集光器１１の全高を低く抑えられ、集光器１１内部での光吸収量が減少し、透過性が向上する。さらに、太陽電池セル１３のサイズが小さくなると、熱源が分散される効果により、後述の熱解析シミュレーション結果にも示すように太陽電池セル１３の到達温度が低下するため、変換効率と長期信頼性が向上する。この観点から好ましくは１ｍｍ×１ｍｍ以下（さらに好ましくは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以下）の太陽電池セル１３を用いる。このサイズはＬＥＤチップと同程度であり、ＬＥＤの実装技術を適用（応用）できるメリットもある。
【００３８】
直並列の組み合わせによって発電電圧が高くなる場合には、金属膜１４と高透過板１２との間に電気絶縁性の高い材料を挿入しても良い。また、金属ワイヤ１５に電気絶縁性の高い材料をコーティングする場合がある。金属膜１４と高透過板１２との密着には高導電性接着剤を用いる他、めっき法、ろう付け法、固相接合法、溶接法、溶湯接合法など各種の接合を用いることができる。
【００３９】
地上に降り注ぐ太陽光は主に直達光Ｌ１と散乱光Ｌ２とに分類できる。直達光Ｌ１は太陽の光球とその近傍から直接入射するほぼ平行な太陽光線（視野角±０．２５６°〜±５°）であり、散乱光Ｌ２は大気中の微粒子やガスによって散乱され、天空の全体から入射する太陽光線である。直達光Ｌ１はレンズやミラーで高倍率集光することが可能だが、散乱光Ｌ２は熱力学的制限により弱い集光しかできないという特性がある。
【００４０】
日本においては、年間日射量の約６割を直達光Ｌ１が占め、約４割を散乱光Ｌ２が占める。本実施例では、年間日射量の約６割を占める直達光Ｌ１をセル変換効率が約４０％（将来的に５０％超）の超高効率ＰＶセルに集光して発電する一方、年間日射量の約４割を占める散乱光Ｌ２の大半を透過する。従来ＰＶモジュールとは異なり、散乱光Ｌ２はＰＶセルに当たらず透過してしまうが、太陽電池セル１３の変換効率が高い上に、太陽追尾機構を設ければより直達光の受光量が増えるため、直達光Ｌ１だけからでも従来ＰＶモジュール以上の発電量が得られる。しかも、散乱光Ｌ２の大半が高透過板１２を透過するので、設置スペースは太陽光を必要とする他用途にも使える。つまり、本発明は、貴重な太陽光を発電と他の用途にムダ無く振り分ける新たな集光型太陽電池モジュールであると言える。
【００４１】
図２に本実施例の太陽電池セル１３の温度を熱解析シミュレーションによって予測した結果を示す。図２中の散乱光透過率７０％が本実施例であり、比較のため散乱光透過率が０％の場合も図示してある。なお、本解析の解析条件として、直達光が６００Ｗ／ｍ２、散乱光が４００Ｗ／ｍ２、外気温２５℃、無風時（すなわち、対流熱伝達率ｈ＝５．７Ｗ／ｍ２Ｋ）、幾何学的集光倍率が３００倍に設定した。なお、セルサイズが１ｍｍ×１ｍｍの場合には、受光面サイズが１７.３２ｍｍ×１７.３２ｍｍであり、受光面面積をセル面積で除した幾何学的集光倍率は３００倍となる。従って、高透過板１２の受光面積（回路面積も含む）は太陽光総入射面積の９０％以上となる。但し、金属膜回路１４は通常不透明であるのでこの分を考慮し、８０％以上が透過に有効な高透過板１２の受光（透過）面積とした。この面積割合（８０％）に高透過板１２材料の太陽光透過率９０％を乗じると散乱光透過率は約７０％となる。
【００４２】
図２に示すように、本発明のセルサイズが１ｍｍ×１ｍｍの場合ではセル温度が約１００℃となり、化合物多接合型ＰＶセル等の温度使用条件を満たす。なお、本発明及び従来技術においてもそのセルサイズ（例えば、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ）を小さくしていくと、さらに温度が低下することが分かる。これは、セルサイズを小さくして分散配置することにより、セル面積に対するセル周囲長（放熱面）が増えること、レンズ焦点距離が短くなることによる熱抵抗が低減されること等により、放熱が促進されることによるものである。
【実施例２】
【００４３】
次に、実施例２について図３を用いて説明する。
【００４４】
図３（ａ）は、本発明の実施例２に係る集光型太陽電池モジュール１０ｂの平面図を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ’線で破断した実施例２に係る集光型太陽電池モジュール１０ｂの断面図を示す。
【００４５】
（実施例２のモジュール構造の概要）
この集光型太陽電池モジュール１０ｂは、前記の実施例１の集光型太陽電池モジュール１０ａと同じ部材から構成されるが、太陽電池セル１３，１３同士の電気的接続において金属ワイヤ１５の長さを短くし、その代わりに金属膜１４を長くしたものである。この実施例２では実施例１よりも不透明な部分の面積は若干増えるが、接続回路の直列抵抗を減らすことが容易であり、高電流の場合において変換効率を維持することができる。
【実施例３】
【００４６】
次に、実施例３について図４を用いて説明する。
【００４７】
図４（ａ）は、本発明の実施例３に係る集光型太陽電池モジュール１０ｃの平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ’線で破断した実施例２に係る集光型太陽電池モジュール１３の断面図を示す。
【００４８】
（実施例３のモジュール構造の概要）
この集光型太陽電池１０ｃは、前述の実施例１および実施例２とでは、集光器１１のタイプと、太陽電池セル１３，１３同士の電気的接続方法が異なる。まず、集光器１１に関して解説する。実施例１および実施例２とは異なり、本実施例では、図４（ｂ）に示すように、集光器１１と太陽電池セル１３を実装した面との間には空気層１７がある。この空気層１７があることで、入射光線は、集光器１１から射出する際に、屈折率の高いレンズ材料と屈折率の低い空気との境界面で屈折し、方向を曲げられるため、集光倍率が約３００倍以上と高い場合に適する。このセパレート型集光器１１にはフレネルレンズなどの薄型の集光器が適している。
【００４９】
次いで、実施例３の太陽電池セル１３，１３同士の電気接続方法について解説する。実施例１及び実施例２とは異なり、本実施例では電気接続の大部分を透明電極膜（例えば、ＩＴＯ膜）１８が担う構成となっている。実施例１と同様に、１つの太陽電池セル１３に対して、２つの金属膜１４ａ，１４ｂが島状に形成されているが、金属膜１４ａ，１４ｂと高透過板１２との間には透明電極膜１８がスパッタリング等によってパターニングされており、実施例１のワイヤの代わりに太陽電池セル１３，１３同士を電気的に接続している。
【００５０】
この方式ではパターニングによって複雑な直並列接続回路を比較的容易に形成することが可能であり、また他の実施例よりも透過率を向上することができる。なお、金属膜１４ａ，１４ｂは無く、セル１３が直接透明導電膜１８上に設置されていても良い。なお、透明電極膜１８と金属膜１４、又は透明電極膜１８とセル１３との接合を容易にするために、両部材の間に他の材料で構成された層を挿入しても良い。
【００５１】
以上の実施例１〜３で述べた、集光器１１と電気接続方法との組み合わせは自由であり、例えば一例として、実施例１の電気接続方法に実施例３のセパレート型集光器１１を用いても良い。
【実施例４】
【００５２】
次に、実施例４について図５（ａ）を用いて説明する。
【００５３】
（集光型太陽光発電システムの例示）
図５（ａ）は、本発明の集光型太陽光発電システム２０ａの構成の一例（実施例４）を示す。太陽光を利用する発電以外の他の用途面（例えば、農地、屋上緑化面、採光面）２１に対して、前述の実施例１〜３で述べた高透過性の集光型太陽電池モジュール１０を農地２１の必要面積分だけ複数用意し、これらの各モジュール１０を、２軸太陽追尾機構を有した架台２２ａ（以下、単に「太陽追尾架台」とも呼ぶ。）に搭載して設置することで、集光型太陽光発電システム２０ａが実現される。
【００５４】
前述の実施例４のように構成すると、直達光Ｌ１のみが太陽電池セル１３に集光されて電気に変換され、散乱光Ｌ２は集光型太陽電池モジュール１０を透過して、他用途面２１に入射する。
【００５５】
なお、本発明者は実施例４の構成を基に東京の日射条件を用いた年間シミュレーションを行った。その結果、直達光Ｌ１基準のモジュール変換効率（＝（セル変換効率）×（直達光Ｌ１がセル１３に集光する際の光学的効率））が２８％以上、且つ、散乱光Ｌ２に対する透過率が７０％以上あれば、設置スペースへの日射透過量が等しい条件において、従来の固定設置太陽電池（モジュール変換効率１７％を仮定）の約２倍の発電量が得られると試算された。これらの入力値は現時点の技術レベルで実現可能な値であり、十分な優位性が得られることが示された。
【００５６】
また、この実施例４では、太陽追尾架台２２ａをアクティブ（能動的）に制御することによって、他用途面２１への日射量を逐次調整できる。また、集光型太陽電池モジュール１０が太陽追尾架台２２ａによって他用途面２１の上方に保持されつつその配向や姿勢が変更制御されることにより、本モジュール１０が雨よけや雪よけの役目をも果たすため、他用途面２１に到達する雪、風、雨等の量をある程度調整できる。さらに、他用途面２１から集光型太陽電池モジュール１０の裏面を見た際に、ほぼ透明であるため作業者の圧迫感を軽減するという副次的なメリットもある。
【実施例５】
【００５７】
次に、実施例５について図５（ｂ）を用いて説明する。
【００５８】
（集光型太陽光発電システムのもう一つの例示）
図５（ｂ）は、本発明の集光型太陽光発電システム２０ｂの構成のもう一つの例（実施例５）を示す。前述の実施例４では２軸太陽追尾架台２２ａに集光型太陽電池モジュール１０を搭載したが、実施例５では１軸太陽追尾架台２２ｂに搭載している。この形態は集光倍率が約１００倍以下の場合に適する。
【実施例６】
【００５９】
次に、実施例６について図６を用いて説明する。
【００６０】
図６は、本発明の実施例６に係る集光型太陽電池モジュール１０ｄの設置構成例を示す。この実施例６では、前述の実施例２の集光型太陽電池モジュール１０ｂの高透過板１２の下面側に低コストな非集光型太陽電池２３を設置することにより、本モジュール１０ｄの高透過板１２を透過した散乱光Ｌ２を電気に変換することができる。つまり、前述の実施例４，５の場合とは異なり、実施例６では、透過した散乱光Ｌ２を他用途面２１に入射させるのではなく、太陽光発電システム２０の総発電量をさらに向上するために利用することができる。
【実施例７】
【００６１】
次に、実施例７のモジュール１０ｅについて図７を用いて説明する。実施例７では、前述した「太陽電池セル１３への集光太陽光の焦点の位置ズレ」の技術的課題を解消するための一例である。
【００６２】
太陽電池セル１３を金属膜回路に実装する方法として、図７（ａ）及び（ｂ）のようにセル１３を、受光ガイド３１、導電性のセル取付部材（ダイアタッチ部材）３２、絶縁体３３、導電製のブリッジ３４等の部材とを予め（別工程で）一体化したセルパッケージ３０を複数用意し、パッケージ下面（本実施例では、ブリッジ３４の下面）に正負の電極平面が接続される構造としておく。受光ガイド３１と導電性ブリッジ３４との間も絶縁体によって絶縁されてある。このセルパッケージ３０を、予め接続箇所にハンダ３５を塗布しておいた金属膜１４上にマウントし、リフロー炉等で加熱することによって接着が完了する。前述の実装方式を採用すると、多数のセルパッケージ３０の実装をロボット等で高速に行えるため大量生産に適する。
【００６３】
また、セルパッケージ３０内の受光ガイド３１は、集光器１１によって集光された太陽光を反射させて太陽電池セル１３の受光面へ案内する反射面３１ａをさらに備える。図示の反射面３１ａは、太陽電池セル１３に向かって狭まりながら傾斜した傾斜面である。この傾斜面の形状はセル１３の形状が四角形の場合は四角錐形状、円形の場合は円錐形状が好ましい。また回転複合放物面形状などでも良い。また反射面３１ａはアルミニウムや銀等の蒸着や高反射率のめっきなどの処理によって鏡面反射率を８０％以上にすることが望ましい。これにより、集光器１１によって集められた太陽光の焦点がセル１３の発電有効面よりも若干ずれた場合でも受光ガイド３１の反射面３１ａでの反射作用によって一定割合の光を捕捉してセル１３に入射させることが可能となる。 
【実施例８】
【００６４】
次に、実施例８について図７（ｃ）を用いて説明する。実施例８では、前述した「太陽光の焦点の位置ズレ」の課題だけでなく、前述した「放熱性能の促進・向上」の課題を解決するための一例である。
【００６５】
実施例８に係るセルパッケージ３０は、実施例７と略同様の構成を採用するが、図７（ｃ）に示すように、セル温度の低減のために受光ガイド３１（好ましくは、アルミニウム製）の一部を突起させた放熱フィン３６を設けていることを特徴とする。なお、透過率を維持しつつ放熱性能を向上するために、セルパッケージ３０を真上から見たときの放熱フィン３６の投影面が、金属膜１４上にほぼ重なるになるように配置することが望ましい。
【実施例９】
【００６６】
次に、実施例９について図８を用いて説明する。前述の実施例８と同様に更なるセル温度の低減を目的とするが、実施例９のモジュール１０ｆでは、高透過板１２の厚さを薄くして熱抵抗を低減し、その剛性を維持するためにハニカム構造材３７を高透過板１２の下面に貼り付ける。なお、ハニカム構造材３７の材料にはアルミニウム等の金属の他、透明樹脂を用いても良い。金属の場合は不透明となるのでハニカム構造材３７の高さ（厚さ）を抑える必要がある。また、ハニカム構造材３７の設置によって放熱面積も増加できる。
【実施例１０】
【００６７】
次に、実施例１０について図９を用いて説明する。実施例１０も、実施例８，９と同様様の作用効果（放熱性能の向上）を得ることを目的に創作されたものである。
【００６８】
ガラス板等の高透過板１２の板厚は、モジュール１０の剛性を確保するためには３〜５ｍｍが必要であり、高透過板１２の上側に太陽電池セル１３を配置すると、太陽電池セル１３と高透過板１２と外気との間の熱抵抗が高いため、セル１３が高温になりやすい。
【００６９】
そこで実施例１０のように、太陽電池セル１３と高透過板１２と外気との間の熱抵抗を格段に軽減するために、高透過板１２の下側に金属膜１４と太陽電池セル１３とを配置する構成を創作した。つまり、実施例１０では、受光ガイド３１等の部材と太陽電池セル１３とを予め一体化したセルパッケージ３０が複数構成され、封止材３８によって該セルパッケージ３０が高透過板１２の受光面とは反対側の面上に分散的に封止される。なお、符号３４ｂは、導電性ブリッジ３４と金属膜１４との間を接続する導電体である。
【００７０】
この実施例１０の構成によると、モジュール剛性を気にせずに封止材３８の厚さを任意に調整することができるため、図９（ｂ）のようにセル１３位置から外気までの距離ＬＡを、高透過板１２の上側に太陽電池セル１３を配置した場合の距離ＬＢ（図７（ｂ）参照）よりも、格段に短くできる。これにより放熱量を増大させることができ、セル温度が低減する。
【００７１】
また、セルパッケージ３０の近傍に図示しない放熱フィンやヒートスプレッダー等を付与することも可能である。ヒートスプレッダーにはグラフェンシートなど面方向の熱伝導率が高い薄膜等を使用するのが好ましい。封止材３８の外気側表面には防汚コーティングや傷に強いハードコート等の処理も行える。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、限られた土地面積において太陽光発電と農地などの他の太陽光利用を両立する手段として有望である。散乱光は透過しながらも、直達光を集光して高効率に電気に変換でき、従来ＰＶモジュールと比較して、日射透過量に対する発電量の比率が高いため、産業上の利用価値及び産業上利用できる可能性が非常に高い。
【符号の説明】
【００７３】
１０（１０ａ〜１０ｇ）    集光型太陽電池モジュール
１１    集光器
１２    高透過板
１３    太陽電池セル
１４    金属膜
１５    金属ワイヤ
１７    空気層
１８    透明導電膜
２０（２０ａ，２０ｂ）    集光型太陽光発電システム
２２ａ    ２軸太陽追尾架台
２２ｂ    １軸太陽追尾架台
２３    第２の太陽電池
３０    セルパッケージ
３１    受光ガイド
３１ａ    受光ガイドの反射面
３６    放熱用フィン
３７    放熱用ハニカム構造体
【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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