JP2003069069A - 集光型太陽光発電装置 - Google Patents

集光型太陽光発電装置

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JP2003069069A JP2001255028A JP2001255028A JP2003069069A JP 2003069069 A JP2003069069 A JP 2003069069A JP 2001255028 A JP2001255028 A JP 2001255028A JP 2001255028 A JP2001255028 A JP 2001255028A JP 2003069069 A JP2003069069 A JP 2003069069A
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light
solar power
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Kenji Araki
建次 荒木
Masashi Yamaguchi
真史 山口
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Daido Steel Co Ltd
Toyota Gauken
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Daido Steel Co Ltd
Toyota Gauken
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    • F24S23/30Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with lenses
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    • Y02E10/52PV systems with concentrators

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多接合型太陽電池セルを用いた集光型太陽光
発電装置に関して、色収差に起因する変換効率の低下を
簡便な方法で効率的に抑える。 【解決手段】 一次光学系であるフレネルレンズ32に
より発生した色収差が二次光学系である光ファイバー3
4あるいは筒型反射鏡70の反射機構において好適に是
正されることに加え、色収差を是正する手段として光の
反射による色混合を用いている為、一次光学系であるフ
レネルレンズ32の精度やアライメントの精度が多少ず
れても所望の色混合性能を発揮することができるので、
多接合型太陽電池セル36を用いた集光型太陽光発電装
置12に関して、色収差に起因する変換効率の低下を簡
便な方法で効率的に抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、多接合型太陽電池
セルを用いた集光型太陽光発電装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】受光面に入射させられた集光した太陽光
エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セルを
備えた集光型太陽光発電装置が知られている。このよう
な集光型太陽光発電装置に用いられる太陽電池セルのひ
とつに多接合型太陽電池セルがある。この多接合型太陽
電池セルは、中心波長が異なる複数種類の吸収波長帯を
それぞれ有する接合部を厚み方向に有し、例えば波長3
00〜600nmの青色光と、波長600〜1000n
mの黄色光と、波長1000〜1800nmの赤色光と
をそれぞれ別個に電気エネルギーに変換する機能を備え
ており、従来の単接合型太陽電池セルと比較して変換効
率が高く、現在様々な角度から実用に向けての取り組み
が為されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そのような多接合型太
陽電池セルを用いた集光型太陽光発電装置の実用に向け
ての取り組みのひとつに、色収差の是正がある。上記多
接合型太陽電池セルでは、異なる波長帯からそれぞれ異
なる値の電流が発生した場合、セル全体から出力される
電流は最も出力の小さい波長帯の電流値に制限される
為、一次光学系である集光レンズにより発生する色収差
による損失が大きく、この色収差に起因する変換効率の
低下を抑えることが大きな課題とされている。
【0004】この課題を解決する為に、たとえばO'Nail
l et.al,"Line-focus optics for multi-junction cell
s in space power arrays",25th LEEE PVSC,May 13-17,
1996,Washington DC,USAに記載されるように、二次光学
系として誘電体CPC(Compound Parabolic Concentra
tor:複合放物面集光器)を用いて、一次光学系により
集光された太陽光を色混合する技術が知られている。ま
たL.W.James et.al,"Effects of concentrator chromat
ic aberration on multi-junction cells"1stWCPEC,Dec
5-9,1994,Hawaii,USAに示されるように、二次光学系と
して砲弾型レンズを用いて太陽電池セルの表面で結像さ
せる集光型太陽光発電装置も知られている。しかし、か
かる誘電体CPC若しくは砲弾型レンズを用いたもので
は、誘電体CPC若しくは砲弾型レンズ自体にかかるコ
ストが高くなってしまうということに加え、集光倍率を
上げる為には二次光学系である誘電体CPC若しくは砲
弾型レンズを大きくする必要があり、太陽電池セルに二
次光学系の重量によるストレスがかかったり、集光型太
陽光発電装置全体が大きくなってしまうという問題があ
った。また、色収差を是正する二次光学系に砲弾型レン
ズのような結像光学系を用いた場合には、一次光学系で
ある集光レンズの精度やアライメントの精度がずれると
色混合性能が悪化してしまい、場合によっては二次光学
系が色収差を更に拡大するといった欠陥があり、実用に
足るものではなかった。
【0005】本発明は、以上の事情を背景として為され
たものであり、その目的とするところは、多接合型太陽
電池セルを用いた集光型太陽光発電装置に関して、色収
差に起因する変換効率の低下を簡便な方法で効率的に抑
えることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為
に、本発明の要旨とするところは、一次光学系により集
光された太陽光を太陽電池セルの表面に入射させる集光
型太陽光発電装置であって、その一次光学系により集光
された太陽光を取り込む受光部と、取り込まれたその太
陽光の少なくとも50%を反射させる反射機構と、反射
光を含むその太陽光を前記太陽電池セルに向けて放出す
る出光部とを備えた二次光学系が設けられていることを
特徴とするものである。
【0007】
【発明の効果】このようにすれば、一次光学系である集
光レンズにより発生した色収差が二次光学系の反射機構
において好適に是正されることに加え、色収差を是正す
る手段として光の反射による色混合を用いている為、一
次光学系である集光レンズの精度やアライメントの精度
が多少ずれても所望の色混合性能を発揮する。このよう
に、本発明によれば、多接合型太陽電池セルを用いた集
光型太陽光発電装置に関して、色収差に起因する変換効
率の低下を簡便な方法で効率的に抑えることができる。
【0008】
【発明の他の態様】また、前記二次光学系は、好適に
は、一端部が受光レンズとなるように加工された光ファ
イバーである。このようにすれば、一次光学系により集
光された太陽光が受光部である受光レンズから二次光学
系である光ファイバーの内部に取り込まれ、その太陽光
が光ファイバーの内部において多重反射させられた後に
セルに照射される為、色収差に起因する変換効率の低下
を効率的に抑えることができる。
【0009】また、前記二次光学系は、好適には、前記
受光部および出光部を成す少なくとも2箇所の開口を有
する筒状の多面体である。このようにすれば、一次光学
系により集光された太陽光が受光部である開口から二次
光学系である筒状の多面体の内部に取り込まれ、その太
陽光が多面体の内壁面において少なくとも50%反射さ
せられた後に出光部である開口からセルに放出される
為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑える
ことができることに加え、かかる二次光学系は作成が極
めて容易である為、簡便な方法により多接合型太陽電池
セルを用いた集光型太陽光発電装置の変換効率を向上さ
せることができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。
【0011】図1に示す太陽光追尾装置10は、本発明
の一実施例の集光型太陽光発電装置12と、その集光型
太陽光発電装置12を垂直軸心および水平軸心まわりに
回転可能に支持し、その集光型太陽光発電装置12が太
陽に対向した姿勢に維持されるように、その集光型太陽
光発電装置12を上記垂直軸心および水平軸心まわりに
回転駆動する垂直軸駆動装置14および水平軸駆動装置
16とを有し、太陽に常時対向できるようにその太陽の
位置を追尾するようになっている。上記垂直軸駆動装置
14は、上方へ突き出す垂直軸心まわりに回転可能な垂
直出力軸18と、その垂直出力軸18に固定され、集光
型太陽光発電装置12を水平軸心まわりに回転可能に支
持する為のU字状アーム20とを備えている。上記水平
軸駆動装置16は、そのU字状アーム20の一端部に設
けられ、上記太陽光発電装置12を支持する水平軸22
に直接あるいは簡単な減速装置を介して間接的に連結さ
れた図示しない出力軸を備えている。
【0012】図2に示すように、上記集光型太陽光発電
装置12は、たとえば透明なプラスチック素材により成
形された一端面が開口するケース30と、一次光学系と
して機能する為にそのケース30の開口に嵌め付けられ
た非結像系フレネルレンズ32と、フレネルレンズ32
の集光位置であるケース30の底面に二次光学系として
機能する為に設置された光ファイバー34と、上記ケー
ス30の側壁面内側に固設された太陽電池セル36とを
備えている。ここで、上記ケース30が透明なプラスチ
ック素材により成形されているのは、かかる集光型太陽
光発電装置12が設置される周囲の植生への影響を考慮
したものである。また、上記ケース30の一側壁面外側
には放熱板38が取り付けられ、集光型太陽光発電装置
12の過度の温度上昇が防止されている。このように構
成された集光型太陽光発電装置12では、図2の一点鎖
線に示すようにフレネルレンズ32により集光された太
陽光が、光ファイバー34を介して太陽電池セル36に
射出されると、その太陽電池セル36から発電された電
力が出力されるようになっている。この集光型太陽光発
電装置12では、非結像系フレネルレンズ32が用いら
れることにより、太陽に向かう方向に対して所定の角度
範囲内であれば、フレネルレンズ32による太陽電池セ
ル36の集光光強度を一定にすることができるようにな
っている。
【0013】上記太陽電池セル36は、たとえば図3に
示すように、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構造を備えたものである。尚、図3
において、各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれてい
ない。図3において、太陽電池セル36は、p型ゲルマ
ニウム板の上部が不純物拡散などによってn型とされる
ことによりpn接合が形成された底部接合層46と、
0.1μm程度のn+−GaAs層およびn+−(In)
GaAs層から順次構成され、上記Ge基板46上に積
層されたバッファ層48と、n++−InGaP層および
++−AlGaAs層から順次構成され、上記バッファ
層48上に積層された第1トンネル層50と、p+−I
nGaP層、p−(In)GaAs層、n+−(In)
GaAs層、n+−AlInP層から順次構成されるこ
とによりpn接合が形成された中間部接合層52と、n
++−InGaAs層およびp++−AlGaAs層から順
次構成され、上記中間部接合層52上に積層された第2
トンネル層54と、p−AlInP層、p−InGaP
層、n+−InGaP層、n+−AlInP層から順次構
成されることによりpn接合が形成された上部接合層5
6とを備えている。上記図3において、太陽電池セル3
6の底面には下部電極58が固着されており、その下部
電極58と受光面40の上部電極42との間に発電電力
が出力されるようになっている。上記上部電極42と上
部接合層56のn+−AlInP層との間にはたとえば
+−(In)GaAsから成るコンタクト層60が設
けられており、上部接合層56のn+−AlInP層の
露出面には反射防止膜62が設けられている。なお、図
3において[]内に示されている物質は、半導体型を設
定するために拡散或いはイオン注入された不純物であ
る。
【0014】上記底部接合層46、中間部接合層52、
および上部接合層56にそれぞれ設けられているpn接
合は、電気的に直列に接続されるとともに、たとえば図
4に示すように、中心波長が相互に異なる吸収波長帯を
備えており、太陽光の波長帯のうち吸収波長帯を広域と
して高い変換効率が得られるようになっている。
【0015】図5は、二次光学系を用いない場合の太陽
電池セル36の受光面40における光の分布の一例を示
すグラフである。集光型太陽光発電装置12では、一次
光学系であるフレネルレンズ32で屈折する際に太陽光
が波長毎に異なる屈折角をもって曲げられる為、太陽電
池セル36の受光面40に照射される光は、たとえばこ
の図に示すように、受光面40の幅方向中央部では、波
長300〜600(nm)の青色光が強く、波長100
0〜1800(nm)の赤色光が弱くなり、また、受光
面40の中央部から幅方向0.3(inch)付近で
は、逆に波長1000〜1800(nm)の赤色光が強
く、波長300〜600(nm)の青色光が弱くなる。
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36では、厚み方向に積層して設け
られた吸収波長帯が異なるpn接合のうちの最も弱い出
力に制限される性質があり、二次光学系を用いない場合
には、この色収差に起因して太陽電池セル36の変換効
率が低下してしまう。
【0016】図6は、二次光学系で反射させた太陽光の
割合と太陽電池セル36に発生する電圧(V)および電
流密度(A/cm2)の関係を示したグラフである。グ
ラフ中の点線で示す曲線は、十分に色混合がおこなわれ
た理想的な光を太陽電池セル36の受光面40に入射し
た場合の電圧−電流密度の関係を示しており、このグラ
フから、一次光学系であるフレネルレンズ32により発
生した色収差は、二次光学系の反射機構において50%
以上の太陽光を反射させることで好適に是正され、ほぼ
理想値と同様の結果が得られることが判る。このように
色収差が是正されるのは、太陽光を一度反射させると色
分布の向きが反転し、たとえば色収差の結果左から右へ
青から赤の順に色分布を呈していたならば、反射後は赤
から青の順に色分布を呈するようになり太陽電池セル3
6に直達する光と補償し合う為であり、従って、色分布
を呈する光を完全に補償させようとすると、少なくとも
50%の成分を一旦反射させる必要がある。本実施例に
用いられる二次光学系である光ファイバー34では、そ
の内部において光が多重反射させられる為、十分な反射
がおこなわれ色収差が好適に是正される。
【0017】次に、本発明の他の実施例である集光型太
陽光発電装置12の要部について説明する。図7は、本
発明の他の実施例に用いられる二次光学系の一例である
筒型反射鏡70を示す斜視図である。この図に示すよう
に、筒型反射鏡70は受光部を成す上部開口72と出光
部を成す下部開口74の2箇所の開口を有する筒状の六
面体である。この筒型反射鏡70は、たとえば以下に示
すような工程によって作成される。まず、厚さ0.5
(mm)の鏡面仕上げステンレス板をスタンピングなど
の方法により接合代を含む所定形状に切断し、折り曲げ
る。これに銅無電解ストライクメッキを施した後、更に
銀鏡面電気メッキを施し、表面反射率が96%程度の鏡
面を得る。続いて、接合代を折り曲げてスポット溶接な
どの方法により相互に接合し、たとえば六面体形状に組
み立てる。その後、フリットガラスの懸濁液中に浸漬
し、560℃程度の温度にて窒素雰囲気中で焼成するこ
とにより表面をガラスで覆う。これにより、表面の反射
率は96%程度から95%程度に低下するが、反射率の
高い銀メッキ表面が腐食から保護され、500倍程度の
高集光でも約20年の寿命が得られる。また、筒型反射
鏡70の所定部分にチタニアを塗布してもよく、このよ
うにすればチタニアの光触媒作用により筒型反射鏡70
内が清浄に保たれる。
【0018】上記筒型反射鏡70を備えた集光型太陽光
発電装置12では、図8に示すように一次光学系である
フレネルレンズ32により集光された太陽光は二次光学
系である筒型反射鏡70の上部開口72に取り込まれた
後、図9に示すように筒型反射鏡70の側壁面内側で5
0%以上反射させられ、下部開口74に取り付けられた
太陽電池セル36の受光面40に入射する。ここで、上
記筒型反射鏡70について、上部開口72の一辺と筒型
反射鏡70の高さの比が1:6程度である場合には、上
部開口72から取り込まれた太陽光が下部開口74に到
達するまでの平均反射回数は2回程度となり、この二次
光学系の光反射効率は90%程度となる為、十分に色混
合がおこなわれて色収差が好適に是正される。また、か
かる二次光学系を色収差の影響のない単接合型太陽電池
セルを備えた集光型太陽光発電装置12に用いた場合で
も、二次光学系による光束混合作用によりセルの照度ム
ラが改善される為、従来技術と比較して高い電流効率が
得られる。
【0019】このように、本実施例によれば、一次光学
系であるフレネルレンズ32により発生した色収差が二
次光学系である光ファイバー34あるいは筒型反射鏡7
0の反射機構において好適に是正されることに加え、色
収差を是正する手段として光の反射による色混合を用い
ている為、一次光学系であるフレネルレンズ32の精度
やアライメントの精度が多少ずれても所望の色混合性能
を発揮する為、多接合型太陽電池セル36を用いた集光
型太陽光発電装置12に関して、色収差に起因する変換
効率の低下を簡便な方法で効率的に抑えることができ
る。
【0020】また、本実施例では、二次光学系として一
端部が受光レンズとなるように加工された光ファイバー
34を用いるものである為、一次光学系であるフレネル
レンズ32により集光された太陽光が受光部である受光
レンズから二次光学系である光ファイバー34の内部に
取り込まれ、その太陽光が光ファイバー34の内部にお
いて多重反射させられた後に太陽電池セル36に照射さ
れる為、色収差に起因する変換効率の低下を効率的に抑
えることができる。
【0021】また、本実施例では、二次光学系として受
光部および出光部を成す2箇所の開口すなわち上部開口
72および下部開口74を有する筒型反射鏡70を用い
るものである為、一次光学系であるフレネルレンズ32
により集光された太陽光が受光部である上部開口72か
ら二次光学系である筒型反射鏡70の内部に取り込ま
れ、その太陽光が筒型反射鏡70の内壁面において少な
くとも50%反射させられた後に出光部である下部開口
74から太陽電池セル36に放出される為、色収差に起
因する変換効率の低下を効率的に抑えることができるこ
とに加え、かかる筒型反射鏡70は作成が極めて容易で
ある為、簡便な方法により多接合型太陽電池セル36を
用いた集光型太陽光発電装置12の変換効率を向上させ
ることができる。
【0022】更に、本実施例によれば、二次光学系であ
る光ファイバー34あるいは筒型反射鏡70を色収差の
影響のない単接合型太陽電池セルを備えた集光型太陽光
発電装置12に用いた場合でも、二次光学系による光束
混合作用によりセルの照度ムラが改善される為、従来技
術と比較して高い電流効率が得られる。
【0023】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施され
る。
【0024】たとえば、図10は本発明の更に別の実施
例である集光型太陽光発電装置12の要部を示す図であ
り、(a)は平面図、(b)は正面図である。この図に
示すように、一次光学系であるフレネルレンズ32の形
状と、二次光学系である筒型反射鏡70の受光部である
上部開口72の形状とが45°回転した相似形となるよ
うに配置された集光型太陽光発電装置12にも、本発明
は好適に用いられ、このようにすれば、二次光学系であ
る反射筒70の色混合性能を更に向上させることができ
る。
【0025】また、図11は本発明の更に別の実施例で
ある集光型太陽光発電装置12の要部を示す図であり、
(a)は平面図、(b)は正面図である。この図に示す
ように、一次光学系であるフレネルレンズ32が正六角
形状をとり、二次光学系である筒型反射鏡70の受光部
である上部開口72が正方形状をとるように設計された
集光型太陽光発電装置12にも、本発明は好適に用いら
れ、このようにすれば、太陽光が一次光学系であるフレ
ネルレンズ32により集光される領域とは異なる形状を
有する二次光学系の受光部に集光されることにより、二
次光学系である筒型反射鏡70の色混合性能を更に向上
させることができる。また、正六角形状のフレネルレン
ズ32を平面上に連続的に並べることにより、太陽光の
損失を極力抑えた態様で集光型太陽光発電装置12を配
置することができる。
【0026】また、前述の実施例では、二次光学系とし
て一端部が受光レンズとなるように加工された光ファイ
バー34が用いられていたが、本発明はこれに限られ
ず、一次光学系により集光された太陽光をその受光部か
ら十分に取り込むことが可能であれば、上記加工が為さ
れず受光レンズが形成されていない光ファイバー34が
用いられてもよい。また、前述の実施例の光ファイバー
34は、図2に示すように反射機構であるファイバー部
が折り曲げられたものであったが、二次光学系に用いら
れる光ファイバー34は必ずしもこのように折り曲げら
れる必要はない。尚、曲がりのないファイバー部を備え
た光ファイバー34が用いられる場合は、太陽電池セル
36はその受光面40が太陽光に対して直角となるよう
に配置される。
【0027】また、前述の実施例では、図7に示すよう
に六面体形状の筒型反射鏡70が用いられていたが、本
発明に用いられる二次光学系である筒状の多面体はこれ
に限られず、たとえば、図12に示すように筒状の十面
体を成す筒型反射鏡80が用いられてもよく、その他、
受光部および出光部を成す少なくとも2箇所の開口を有
し、取り込まれた該太陽光の少なくとも50%を反射さ
せる反射機構を備えた筒状の多面体であれば、直筒状、
錐体形状、L字型筒状など様々な形状の筒型反射鏡が適
宜用いられる。
【0028】また、前述の実施例では、図9に示すよう
に太陽電池セル36が筒型反射鏡70の下部開口74に
取り付けられていたが、下部開口74から放出される太
陽光が太陽電池セル36の受光面40に十分に照射され
るのであれば、太陽電池セル36と筒型反射鏡70とは
分離された状態で設置されてもよい。
【0029】また、前述の実施例では、一次光学系とし
て非結像系フレネルレンズ32が用いられていたが、円
筒面反射鏡、球面反射鏡などの他の一次光学系を用いた
集光型太陽光発電装置12にも、本発明は好適に用いら
れる。
【0030】その他一々例示はしないが、本発明はその
主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が加えられ、実施さ
れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の集光型太陽光発電装置を含む太陽光追
尾装置の一構成例を説明する斜視図である。
【図2】本発明の一実施例である集光型太陽光発電装置
の構成を説明する概略図である。
【図3】本発明の集光型太陽光発電装置に用いられる太
陽電池セルの多接合構造を説明する図である。
【図4】図3の多接合構造を備えた太陽電池セルの効率
の波長特性(吸収感度特性)を説明する図である。
【図5】二次光学系を用いない場合の太陽電池セル受光
面における光の分布の一例を示すグラフである。
【図6】二次光学系で反射させた太陽光の割合と多接合
型太陽電池セルに発生する電圧(V)および電流密度
(A/cm2)の関係を示したグラフである。
【図7】本発明の他の実施例に用いられる二次光学系で
ある筒型反射鏡を示す斜視図である。
【図8】一次光学系により集光された太陽光が二次光学
系である筒型反射鏡の受光部に取り込まれる様子を説明
する概略図である。
【図9】二次光学系である筒型反射鏡内における太陽光
の反射の様子を説明する概略図である。
【図10】本発明の更に別の実施例である集光型太陽光
発電装置の要部を示す図である。
【図11】本発明の更に別の実施例である集光型太陽光
発電装置の要部を示す図である。
【図12】本発明に用いられる二次光学系である筒型反
射鏡の別の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
12:集光型太陽光発電装置 32:フレネルレンズ(一次光学系) 34:光ファイバー(二次光学系) 36:太陽電池セル 40:太陽電池セル受光面 70:筒型反射鏡(二次光学系) 72:上部開口(受光部) 74:下部開口(出光部) 80:筒型反射鏡(二次光学系)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 真史 東京都豊島区巣鴨3−18−17−204 Fターム(参考) 5F051 AA08 AA16 DA16 GA04 JA10 JA13 JA14 JA15

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一次光学系により集光された太陽光を太
    陽電池セルの表面に入射させる集光型太陽光発電装置で
    あって、 該一次光学系により集光された太陽光を取り込む受光部
    と、取り込まれた該太陽光の少なくとも50%を反射さ
    せる反射機構と、反射光を含む該太陽光を前記太陽電池
    セルに向けて放出する出光部とを備えた二次光学系が設
    けられていることを特徴とする集光型太陽光発電装置。
  2. 【請求項2】 前記二次光学系は、一端部が受光レンズ
    となるように加工された光ファイバーである請求項1の
    集光型太陽光発電装置。
  3. 【請求項3】 前記二次光学系は、前記受光部および出
    光部を成す少なくとも2箇所の開口を有する筒状の多面
    体である請求項1の集光型太陽光発電装置。
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