JP2001148501A - 太陽光発電装置 - Google Patents

太陽光発電装置

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JP2001148501A JP33234199A JP33234199A JP2001148501A JP 2001148501 A JP2001148501 A JP 2001148501A JP 33234199 A JP33234199 A JP 33234199A JP 33234199 A JP33234199 A JP 33234199A JP 2001148501 A JP2001148501 A JP 2001148501A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽光を光電変換する太陽電池セルと、太陽光
を集光して前記太陽電池セル側に収束させるレンズと、
該レンズ側を大径とした逆円錐台形状に形成されるとと
もに前記レンズからの収束光を前記太陽電池セルに導く
べく受光面を前記レンズに対向させて太陽電池セル上に
載置される二次集光器とを備える太陽光発電装置におい
て、レンズに対する太陽光のわずかなずれによっても集
光効率が大きく劣化することを防止するとともに、発電
効率の低下や熱劣化が生じることを防止する。 【解決手段】二次集光器２９の受光面３０が、円形の平
面部３０ａと、レンズ１９から遠ざかるにつれて大径と
なるテーパ状に形成されるとともに小径端が平面部３０
ａの外周に連なる斜面部３０ｂとを有してコルネット形
状に形成され、レンズ１９が、受光面３０側に設定され
る焦点を相互にずらせた多焦点レンズに構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光を光電変換
する太陽電池セルと、太陽光を集光して前記太陽電池セ
ル側に収束させるレンズと、該レンズ側を大径とした逆
円錐台形状に形成されるとともに前記レンズからの収束
光を前記太陽電池セルに導くべく受光面を前記レンズに
対向させて太陽電池セル上に載置される二次集光器とを
備える太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、かかる太陽光発電装置は、たとえ
ば特開平７−２３１１１１号公報等で既に知られてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、レンズによ
り太陽光を太陽電池セル上に集光して発電させるにあた
り、レンズの焦点を太陽電池セル上に設定すると、太陽
光が局部的に集中し過ぎるので、光電変換によって太陽
電池セルに生じた電子の流れに乱れが生じて発電効率が
低下したり、太陽電池セルが局部的に高温となって熱劣
化を生じたりする可能性がある。また集光位置がわずか
にずれるだけで集光効率が大きく劣化することになり、
特に太陽光を追尾して発電するシステムを構成する場合
には、追尾装置の機械的誤差等の影響で集光効率が大き
く低下してしまうことにもなる。
【０００４】これに対し、上記特開平７−２３１１１１
号公報で開示されたものでは、受光面を平面とした逆円
錐台状の光学レンズ体の側面を金属等で覆って形成され
たシングルコーン型の二次集光器が太陽電池セル上に載
置されており、この二次集光器により集光効率の向上を
図るとともに、レンズに対する太陽光の照射角度のわず
かなずれが生じても二次集光器の比較的広い受光面でカ
バーすることによって性能低下を補うことが可能であ
る。しかるに太陽光の効率的な集光は可能であるが、発
電効率の低下および熱劣化の防止のために太陽光の局所
集中を避けると言う点では不充分であり、集光倍率が大
きくなる場合には何らかの対策が必要になる。
【０００５】一方、特開平７−９２３０９号公報で開示
されるように、多焦点のリニアフレネルレンズを用いて
太陽電池セルへの有効光束の幅を広くし、レンズに対す
る太陽光の照射角度のわずかなずれによっても集光効率
の大幅な低下を回避しつつ太陽電池セルへの太陽光の局
所的な収束を避けることも行われているが、レンズで集
光した光の一部が無駄になるので、発電効率の低下は避
けられない。
【０００６】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、レンズに対する太陽光のわずかなずれによっ
ても集光効率が大きく劣化することを防止するととも
に、発電効率の低下や熱劣化が生じることを防止した太
陽光発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、太陽光を光電変換する太陽
電池セルと、太陽光を集光して前記太陽電池セル側に収
束させるレンズと、該レンズ側を大径とした逆円錐台形
状に形成されるとともに前記レンズからの収束光を前記
太陽電池セルに導くべく受光面を前記レンズに対向させ
て太陽電池セル上に載置される二次集光器とを備える太
陽光発電装置において、前記二次集光器の受光面が、円
形の平面部と、前記レンズから遠ざかるにつれて大径と
なるテーパ状に形成されるとともに小径端が前記平面部
の外周に連なる斜面部とを有して截頭円錐状に形成さ
れ、前記レンズが、前記受光面側に設定される焦点を相
互にずらせた多焦点レンズに構成されることを特徴とす
る。
【０００８】このような構成によれば、太陽電池セル上
に逆円錐台形状の二次集光器が載置されることにより、
レンズに対する太陽光の照射角度にわずかなずれが生じ
ても二次集光器で補正して集光効率が大きく劣化するこ
とを防止することができる。またレンズが多焦点レンズ
であるので、レンズで集光した太陽光を分散して二次集
光器に照射し、レンズからの光をコルネット型の二次集
光器で異なる方向に屈折させて太陽電池セル側に導くの
で、太陽電池セル表面に太陽光が局所的に集中して収束
することを回避することができ、太陽電池セルの温度が
局所的に上昇して発電効率が低下したり、熱劣化が生じ
たりすることを防止することができる。ところで、レン
ズからの光をさらに分散させて太陽電池セルに導くため
に、受光面を球冠状としたトップドーム型の二次集光器
を用いることも可能であるが、トップドーム型の二次集
光器を用いた場合には、集光位置のずれによって中央部
の光束が大幅に低下することがあり、太陽電池セルの外
周部が局部的に高温となって熱劣化を生る可能性があ
る。それに対し、コルネット型の二次集光器ではトップ
ドーム型のものに比べて光束を全体的にバランスよく分
散させることができるので上記熱劣化が生じるおそれは
なく、しかもコルネット型の二次集光器はトップドーム
型の二次集光器に比べて製造も容易である。
【０００９】また請求項２記載の発明は、上記請求項１
記載の発明の構成に加えて、前記レンズが、外面形状を
多角形としたサーキュラ・フレネルレンズであることを
特徴とし、かかる構成によれば、レンズ、二次集光器お
よび太陽電池セルの多数を組み合わせて発電ユニットを
構成する際に、多数のレンズを配置するのに必要なスペ
ースを、レンズが円形であるものに比べて小さくするこ
とができ、前記発電ユニットのコンパクト化が可能とな
る。
【００１０】請求項３記載の発明は、上記請求項１また
は２記載の発明の構成に加えて、前記斜面部の傾斜角
が、該斜面部に前記レンズから照射される光の全反射を
回避する角度に設定されることを特徴とし、かかる構成
によれば、レンズで集光した光を無駄なく太陽電池セル
側に導くことが可能であり、発電効率を一層向上するこ
とができる。
【００１１】請求項４記載の発明は、上記請求項１〜３
のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記レンズの
うち最も外側のレンズ部分の焦点が、前記平面部の中心
側に位置するように前記レンズが構成されることを特徴
とし、かかる構成によれば、太陽光の追尾遅れや、組付
誤差等に起因して集光位置のわずかなずれが生じてもレ
ンズからの光を二次集光器に確実に照射するようにし
て、集光効率の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１２】さらに請求項５記載の発明は、上記請求項
１〜４のいずれかに記載の発明の構成に加えて、前記平
面部が、前記レンズ全体の焦点位置よりも該レンズから
遠ざかる側にずれた位置に配置されることを特徴とし、
かかる構成によれば、レンズからの光を全体としてぼや
けさせて二次集光器に照射することができ、集光位置の
ずれによる二次集光器へのレンズからの光をぼやけさせ
ることができ、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因
して集光位置のわずかなずれが生じてもレンズからの光
を二次集光器に確実に照射するようにして、集光効率の
劣化をより効果的に抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明す
る。
【００１４】図１〜図８は本発明の一実施例を示すもの
であり、図１は太陽光発電装置の正面図、図２は図１の
２矢視側面図、図３は発電ユニットの一部切欠き正面
図、図４は図３の４矢視側面図、図５は図３の５−５線
断面図、図６はレンズの各焦点位置および二次集光器の
受光面の位置関係を示す図、図７はレンズからの光が受
光面の斜面部に照射されている状態を示す図、図８は二
次集光器への集光位置が１度ずれた状態での太陽電池セ
ル表面での集光分布を示すものであり、（ａ）はトップ
ドーム型の二次集光器を用いた場合、（ｂ）はコルネッ
ト型の二次集光器を用いた場合を示す。
【００１５】先ず図１および図２において、この太陽光
発電装置は、上下に延びる固定の支柱１５と、鉛直軸線
まわりの回動ならびに水平軸線まわりの回動を可能とし
て前記支柱１５の上端に支持されるユニット支持枠１６
と、該ユニット支持枠１６に取付けられる複数の発電ユ
ニット１７…とを備え、各発電ユニット１７…は、図示
しない駆動手段により太陽を追尾するように駆動され
る。
【００１６】各発電ユニット１７…は、第１〜第５列Ａ
１〜Ａ５が相互に横方向に隣接するように並列されてユ
ニット支持枠１６に取付けられるものであり、第１、第
２、第４および第５列Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５は、各発
電ユニット１７…がたとえば３個ずつ並んで構成され、
第３列Ａ３ではその列の中央部をあけるようにしてたと
えば２個の発電ユニット１７…が配列される。しかも第
１、第３および第５列Ａ１，Ａ３，Ａ５と、第２および
第４列Ａ２，Ａ４との間に段差がそれぞれ生じるように
して各発電ユニット１７…がユニット支持枠１６に取付
けられる。
【００１７】図３および図４において、発電ユニット１
７は、上下両端を開口した筒形のレンズフレーム１８
と、複数のレンズ１９…で構成されてレンズフレーム１
８の上端開口部を塞ぐレンズ集合体２０と、前記レンズ
フレーム１８の下端にその下端開口部を塞ぐように取付
けられる支持板２１と、前記各レンズ１９…に個別に対
応して支持板２１の内面に取付けられる複数の太陽電池
モジュール２２とを備える。
【００１８】レンズフレーム１８は、上方から下方に向
うにつれて徐々に小さくなるようにして横断面矩形の四
角錐台状に形成されており、平面状に形成されたレンズ
集合体２０がレンズフレーム１８の上端に取付けられ
る。
【００１９】支持板２１は、アルミニウム合金製のベー
スパネル２３の下面に、アルミニウム合金製の放熱パネ
ル２４が溶接等により結合されて成るものであり、ベー
スパネル２３および放熱パネル２４間には、複数の冷却
通風路２５，２５…が縦横に形成される。
【００２０】図５において、各太陽電池モジュール２２
は、支持板２１のベースパネル２３上に取付けられる。
この太陽電池モジュール２２は、ベースパネル２３の上
面に締結されるヒートスプレッター２６と、ヒートスプ
レッター２６上に貼着される基板２７と、該基板２７上
に固定的に接合される太陽電池セル２８と、該太陽電池
セル２８上に貼着される二次集光器２９とを備える。
【００２１】基板２７上には太陽電池セル２８が接着等
により接合される。また二次集光器２９は、下方に向う
につれて小径となる光学レンズ体の側面を金属板等で覆
って逆円錐台状に形成されるものであり、該二次集光器
２９の上端面すなわち受光面３０は、円形の平面部３０
ａと、前記レンズ１９から遠ざかるにつれて大径となる
テーパ状に形成されるとともに小径端が前記平面部３０
ａの外周に連なる斜面部３０ｂとを有して截頭円錐状、
所謂コルネット形状に形成される。
【００２２】一方、レンズ１９は、前記二次集光器２９
の受光面３０側に設定される焦点を相互にずらせた多焦
点レンズであるサーキュラ・フレネルレンズであり、該
レンズ１９は、外面形状を多角形たとえば正方形として
構成される。
【００２３】このレンズ１９は、図３で示すように、複
数種類の形状たとえば４種類の形状の第１〜第４レンズ
部分１９ａ〜１９ｄが同心円状に配置されて成る。すな
わち円形の第１レンズ部分１９ａと、前記正方形に内接
する外径を有して第１レンズ部分１９ａを同心に囲むリ
ング状の第２レンズ部分１９ｂと、前記正方形の４つの
コーナー部で第２レンズ部分１９ｂの外方側にそれぞれ
配置される４つの円弧状の第３レンズ部分１９，１９ｃ
…と、前記正方形の４つのコーナー部のうち第３レンズ
部分１９ｃ，１９ｃ…を除く部分に配置される４つの第
４レンズ部分１９ｄ，１９ｄ…とで、外面形状を正方形
としたレンズ１９が構成される。しかもレンズ１９のう
ち最も外側のレンズ部分すなわち第４レンズ部分１９
ｄ，１９ｄ…の焦点が、前記受光面３０における平面部
３０ａの中心側に位置するように前記レンズ１９が構成
される。
【００２４】図６において、前記二次集光器２９は、そ
の受光面３０のうち前記平面部３０ａが、レンズ１９全
体の焦点位置Ｐよりも該レンズ１９から遠ざかる側にず
れた位置となるように配置される。しかもレンズ１９か
らの光が受圧面３０の斜面部３０ｂに入射されたときに
レンズ１９から照射される光の全反射を回避する角度
に、前記斜面部３０ｂの傾斜角が設定される。
【００２５】図７において、斜面部３０ｂの傾斜角を
ψ、レンズ１９からの入射角をθとし、二次集光器２９
における光学レンズ体の屈折率をｎとしたときに、斜面
部３０ｂでの光の全反射を回避するためには、前記傾斜
角ψ、入射角θおよび屈折率ｎの間に、 ９０−θ−ψ＞ｓｉｎ-1（１／ｎ） が成立する必要があり、傾斜角ψは、 ψ＜９０−θ−ｓｉｎ-1（１／ｎ） を満足する角度であることが必要である。
【００２６】ここでレンズ１９の中心から前記斜面部３
０ｂへの光の照射部までの長さをｒ０、受光面３０から
レンズ１９までの高さをｈ１、テーパ状である斜面部３
０ｂの小径端すなわち平面部３０ａの半径をｒ１、斜面
部３０ｂの大径端の半径をｒ２、二次集光器２９の軸線
に沿う斜面部３０ｂの高さをｈ２としたときに、傾斜角
ψおよび入射角θはそれぞれ次のように表わされる。
【００２７】ψ＝ｔａｎ-1｛ｈ２／（ｒ２−ｒ１）｝ θ＝ｔａｎ-1（ｒ０／ｈ１） 再び図５において、太陽電池セル２８の外側方で基板２
７上に形成されている電極にプラス側およびマイナス側
の出力取出し用端子３１，３２がそれぞれ接続される。
また各太陽電池モジュール２２は、前記各出力取りだし
用端子３１，３２に接続される導線３３…により直列に
接続される。
【００２８】次にこの実施例の作用について説明する
と、太陽電池セル２８上に逆円錐台形状の二次集光器２
９が載置されることにより、レンズ１９に対する太陽光
の照射角度にわずかなずれが生じても二次集光器２９で
補正して集光効率が大きく劣化することを防止すること
ができる。
【００２９】二次集光器２９の受光面３０が、円形の平
面部３０ａと、レンズ１９から遠ざかるにつれて大径と
なるテーパ状に形成されるとともに小径端が平面部３０
ａの外周に連なる斜面部３０ｂとを有して截頭円錐状に
形成されのに対し、レンズ１９は、受光面３０側に設定
される焦点を相互にずらせた多焦点レンズに構成されて
いる。したがってレンズ１９で集光した太陽光を分散し
て二次集光器２９に照射し、レンズ１９からの光をコル
ネット型の二次集光器２９で異なる方向に屈折させて太
陽電池セル２８側に導くことになり、太陽電池セル２８
の表面に太陽光が局所的に集中して収束することを回避
することができ、太陽電池セル２８の温度が局所的に上
昇して発電効率が低下したり、熱劣化が生じたりするこ
とを防止することができる。
【００３０】ところで、レンズ１９からの光をさらに分
散させて太陽電池セルに導くために、受光面を球冠状と
した所謂トップドーム型の二次集光器を用いることも可
能であるが、トップドーム型の二次集光器を用いた場合
には、図８（ａ）で示すように、集光位置のずれによっ
て中央部の光束が大幅に低下することがあり、太陽電池
セル２８の外周部が局部的に高温となって熱劣化を生る
可能性がある。それに対し、本発明に従うコルネット型
の二次集光器２９では、図８（ｂ）で示すようにトップ
ドーム型のものに比べて光束を全体的にバランスよく分
散させることができる。したがって上記熱劣化が生じる
おそれはなく、しかもコルネット型の二次集光器２９は
トップドーム型の二次集光器に比べて製造も容易であ
る。
【００３１】またレンズ１９は、外面形状を多角形とし
たサーキュラ・フレネルレンズであるので、レンズ１
９、二次集光器２９および太陽電池セル２８の多数を組
み合わせて発電ユニット１７を構成する際に、多数のレ
ンズ１９…を配置するのに必要なスペースを、レンズ１
９が円形であるものに比べて小さくすることができ、発
電ユニット１７のコンパクト化が可能となる。
【００３２】また二次集光器２９の受光面３０における
斜面部３０ｂの傾斜角ψが、該斜面部３０ｂにレンズ１
９から照射される光の全反射を回避する角度に設定され
るので、レンズ１９で集光した光を無駄なく太陽電池セ
ル２８側に導くことが可能であり、発電効率を一層向上
することができる。
【００３３】さらにレンズ１９のうち最も外側のレンズ
部分１９ｄ，１９ｄ…の焦点が受光面３０における平面
部３０ａの中心側に位置するようにレンズ１９が構成さ
れるので、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して
集光位置のわずかなずれが生じても、照射位置が二次集
光器２９からずれ易い前記外側のレンズ部分１９ｄ，１
９ｄ…からの光を二次集光器２９の受光面３０に確実に
照射せしめるようにして、レンズ１９からの光を二次集
光器２９に確実に照射することを可能とし、集光効率の
劣化を効果的に抑制することができる。
【００３４】さらに受光面３０の平面部３０ａが、レン
ズ１９全体の焦点位置Ｐよりも該レンズ１９から遠ざか
る側にずれた位置に配置されるので、レンズ１９からの
光を全体としてぼやけさせて二次集光器２９に照射する
ことができ、集光位置のずれによる二次集光器２９への
レンズ１９からの光をぼやけさせることができ、太陽光
の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずか
なずれが生じてもレンズ１９からの光を二次集光器２９
に確実に照射するようにして、集光効率の劣化をより効
果的に抑制することができる。
【００３５】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計
変更を行なうことが可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、レンズに対する太陽光の照射角度にわずかなずれが
生じても逆円錐台形状の二次集光器で補正して集光効率
が大きく劣化することを防止することができる。またレ
ンズが多焦点レンズであることにより太陽光を分散して
二次集光器に照射し、さらにコルネット型の二次集光器
で異なる方向に屈折させて太陽電池セル側に導くので、
太陽電池セルの温度が局所的に上昇して発電効率が低下
したり、熱劣化が生じたりすることを防止することがで
きる。
【００３７】また請求項２記載の発明によれば、レン
ズ、二次集光器および太陽電池セルの多数を組み合わせ
て発電ユニットを構成する際に多数のレンズを配置する
のに必要なスペースを、レンズが円形であるものに比べ
て小さくすることができ、発電ユニットのコンパクト化
が可能となる。
【００３８】請求項３記載の発明によれば、レンズで集
光した光を無駄なく太陽電池セル側に導くことが可能で
あり、発電効率を一層向上することができる。
【００３９】請求項４記載の発明によれば、太陽光の追
尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずかなず
れが生じてもレンズからの光を二次集光器に確実に照射
するようにして、集光効率の劣化を効果的に抑制するこ
とができる。
【００４０】さらに請求項５記載の発明によれば、レン
ズからの光を全体としてぼやけさせて二次集光器に照射
することができるので、集光位置のずれによる二次集光
器へのレンズからの光をぼやけさせることができ、太陽
光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわず
かなずれが生じてもレンズからの光を二次集光器に確実
に照射するようにして、集光効率の劣化をより効果的に
抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】太陽光発電装置の正面図である。
【図２】図１の２矢視側面図である。
【図３】発電ユニットの一部切欠き正面図である。
【図４】図３の４矢視側面図である。
【図５】図３の５−５線断面図である。
【図６】レンズの各焦点位置および二次集光器の受光面
の位置関係を示す図である。
【図７】レンズからの光が受光面の斜面部に照射されて
いる状態を示す図である。
【図８】二次集光器への集光位置が１度ずれた状態での
太陽電池セル表面での集光分布を示すものであり、
（ａ）はトップドーム型の二次集光器を用いた場合、
（ｂ）はコルネット型の二次集光器を用いた場合を示
す。
【符号の説明】
１９・・・レンズ １９ｄ・・・外側のレンズ部分 ２８・・・太陽電池セル ２９・・・二次集光器 ３０・・・受光面 ３０ａ・・・平面部 ３０ｂ・・・斜面部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 太陽光を光電変換する太陽電池セル（２
    ８）と、太陽光を集光して前記太陽電池セル（２８）側
    に収束させるレンズ（１９）と、該レンズ（１９）側を
    大径とした逆円錐台形状に形成されるとともに前記レン
    ズ（１９）からの収束光を前記太陽電池セル（２８）に
    導くべく受光面（３０）を前記レンズ（１９）に対向さ
    せて太陽電池セル（２８）上に載置される二次集光器
    （２９）とを備える太陽光発電装置において、前記二次
    集光器（２９）の受光面（３０）が、円形の平面部（３
    ０ａ）と、前記レンズ（１９）から遠ざかるにつれて大
    径となるテーパ状に形成されるとともに小径端が前記平
    面部（３０ａ）の外周に連なる斜面部（３０ｂ）とを有
    して截頭円錐状に形成され、前記レンズ（１９）が、前
    記受光面（３０）側に設定される焦点を相互にずらせた
    多焦点レンズに構成されることを特徴とする太陽光発電
    装置。
  2. 【請求項２】 前記レンズ（１９）が、外面形状を多角
    形としたサーキュラ・フレネルレンズであることを特徴
    とする請求項１記載の太陽光発電装置。
  3. 【請求項３】 前記斜面部（３０ｂ）の傾斜角が、該斜
    面部（３０ｂ）に前記レンズ（１９）から照射される光
    の全反射を回避する角度に設定されることを特徴とする
    請求項１または２記載の太陽光発電装置。
  4. 【請求項４】 前記レンズ（１９）のうち最も外側のレ
    ンズ部分（１９ｄ）の焦点が、前記平面部（３０ａ）の
    中心側に位置するように前記レンズ（１９）が構成され
    ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太
    陽光発電装置。
  5. 【請求項５】 前記平面部（３０ａ）が、前記レンズ
    （１９）全体の焦点位置よりも該レンズ（１９）から遠
    ざかる側にずれた位置に配置されることを特徴とする請
    求項１〜４のいずれかに記載の太陽光発電装置。
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