JP2006343435A - 集光レンズ、集光レンズ構造体、集光型太陽光発電装置、および集光レンズ構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 集光領域（太陽電池素子の受光領域）全面で均等かつ確実な集光が可能で集光効率を向上することができる集光レンズ、集光レンズ構造体、その製造方法、そのような集光レンズ構造体を用いた集光型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】 集光型太陽光発電装置１０は、太陽電池素子１、太陽電池素子１を実装してある実装板３、実装板３を覆うフレーム底部４、フレーム底部４から垂直方向に配置されたフレーム側部５、フレーム側部５の上端に配置され太陽電池素子１の受光領域に太陽光Ｌｓを集光する集光レンズ７、集光レンズ７を固定（固着）してフレーム側部５の上端に装着される透光性基板６を備える。集光レンズ７は、平面状の第１面７ｆと、第１面７ｆに平行な平面領域７ｓｆおよび第１面７ｆに対して傾斜する傾斜面を有する突起７ｐが形成された突起領域７ｓｐを有する第２面７ｓとを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集光レンズ、集光レンズ構造体、集光レンズを用いた集光型太陽光発電装置、および集光レンズ構造体の製造方法に関する。

太陽エネルギを電力に変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、光電変換効率（発電効率）をさらに改善して大電力を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子に照射して電力を取り出すタイプの集光型太陽光発電装置が実用化されている。

集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光レンズで集光することから、太陽電池素子としては、光学系で集光された太陽光を受光できる小さい受光面積を備えれば良い。つまり、集光レンズの受光面積より小さいサイズの太陽電池素子で良いことから、太陽電池素子のサイズを縮小することができ、太陽光発電装置において最も高価な構成物である太陽電池素子の占有量（使用量）を減らすことによりコストを低減することが可能となる。このような利点から、集光型太陽光発電装置は、広大な面積を利用して発電することが可能な地域などで、電力供給用に利用されつつある。

図１３は、従来例としての集光型太陽光発電装置を説明する説明図であり、（Ａ）は太陽光の入射面から見た概要を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の矢符Ｂ−Ｂでの断面を示す断面図である。

従来例（例えば特許文献１参照。）としての集光型太陽光発電装置１００は、一端面が開口するケース１０１、一次光学系として機能すべくケース１０１の開口に嵌め付けられた非結像系フレネルレンズ１０２、ケース１０１の底部に設けられた座板１０３、非結像系フレネルレンズ１０２の集光位置であるケース１０１の底面すなわち座板１０３の上に設置された太陽電池素子１０４、二次光学系として機能する筒型反射鏡１０５を備えている。

集光型太陽光発電装置１００は、太陽光Ｌｓを集光するために太陽電池素子１０４に対応して筒型反射鏡１０５が必要であること、非結像系フレネルレンズ１０２を保持するためにケース１０１に非結像系フレネルレンズ１０２のそれぞれに対応する枠部を形成する必要があることなど光学系が複雑になり製造工程が煩雑になるなどの問題がある。

また、ケース１０１の枠部で非結像系フレネルレンズ１０２を保持することから、ケースの大きさに限界があり、大面積の集光が可能な集光型太陽光発電装置１００とすることは困難であるという問題がある。

また、ケース１０１の枠部で非結像系フレネルレンズ１０２を保持することから、枠部形状の精度を上げる必要があること、枠部毎に集光位置への位置合わせが必要になるなど位置合わせが困難で製造工程が煩雑になり、また高精度の位置合わせが困難であるという問題がある。

また、反射筒などの２次光学系を利用すると、太陽電池素子１０４に到達する太陽光は必ず反射筒などを通過するため、反射筒自体の透過率や反射による光損失を生じるという問題がある。
特開２００３−１７４１８３号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、平面状の第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起領域と第１面に平行な平面領域とを第２面に備えた集光レンズ、また、このような集光レンズを透光性基板で保持する集光レンズ構造体とすることにより、集光領域（太陽電池素子の受光領域）全面で偏りがなくかつ確実な集光が可能で集光効率を向上することができる集光レンズ、集光レンズ構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、集光レンズの平面領域を利用して集光レンズと集光領域との位置合わせを行うことにより、簡単な光学系で高精度の位置合わせが容易にできることから製造工程を簡略化でき、集光効率を向上することができる集光レンズ構造体およびその製造方法を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、上述した集光レンズ構造体を用いた集光型太陽光発電装置とすることにより、集光レンズと太陽電池素子の受光領域（集光領域）との間で高精度の位置合わせが容易にできることから製造工程を簡略化でき、集光効率を向上することができ、また、高い発電効率を実現できる集光型太陽光発電装置を提供することを他の目的とする。

本発明に係る集光レンズは、平面状の第１面と、該第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された第２面とを有する集光レンズであって、前記第２面は、前記第１面に平行な平面を有する平面領域と、前記突起を有する突起領域とを備えていることを特徴とする。

好ましくは、前記平面領域と前記突起領域との境界は、前記平面領域と前記突起との段差により画定してあることを特徴とする。

好ましくは、前記平面領域は正対して配置されるべき太陽電池素子の受光領域を囲む径の円で画定してあり、前記突起は前記平面領域に対して同心円状に形成してあることを特徴とする。

好ましくは、前記傾斜面の前記第１面に対する傾斜角および該傾斜角を変更するピッチとしての傾斜変更ピッチは、前記太陽電池素子の短絡電流を決定している波長領域の光を前記受光領域に集光するように設定してあることを特徴とする。

本発明に係る集光レンズ構造体は、平面状の第１面および該第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された第２面を有する集光レンズと、該集光レンズを固定して保持する透光性基板とを備える集光レンズ構造体であって、前記第２面は、前記第１面に平行な平面を有する平面領域と、前記突起を有する突起領域とを備え、前記平面領域と前記突起との段差により画定される境界を用いて前記集光レンズと前記透光性基板との位置合わせがしてあることを特徴とする。

好ましくは、前記透光性基板と前記第１面との間に、前記平面領域に対応して前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する平面領域固定部と、前記突起領域の周縁部に対応して前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する周縁固定部とが形成してあることを特徴とする。

好ましくは、前記平面領域固定部および前記周縁固定部は、両面接着テープで形成してあることを特徴とする。

好ましくは、前記透光性基板と前記第１面との間に接着剤を充填した充填部が形成してあることを特徴とする。

好ましくは、前記透光性基板は前記集光レンズを複数並置してあることを特徴とする。

本発明に係る集光型太陽光発電装置は、集光レンズおよび該集光レンズを固定して保持する透光性基板を備える集光レンズ構造体と、前記集光レンズに対応して配置された太陽電池素子とを備える集光型太陽光発電装置であって、前記集光レンズ構造体は、請求項５ないし請求項９のいずれか一つに記載の集光レンズ構造体であることを特徴とする。

本発明に係る集光レンズ構造体は、平面状の第１面に平行な平面を有する平面領域と前記第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された突起領域とを第２面に有する集光レンズと、該集光レンズを固定して保持する透光性基板とを備え、前記平面領域と集光領域とが正対するように前記集光レンズと前記透光性基板とを位置合わせする集光レンズ構造体の製造方法であって、前記平面領域の位置を決める平面位置決め具および前記透光性基板の端部の位置を決める基板端位置決め具を設けた位置決め治具台の前記平面位置決め具に前記平面領域を位置合わせする工程と、前記第１面上の前記平面領域に対応する位置に前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する平面領域固定部を形成する工程と、前記第１面上の前記突起領域の周縁部に対応する位置に前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する周縁固定部を形成する工程と、前記透光性基板の端部を前記基板端位置決め具に当接して前記透光性基板を前記平面領域固定部および周縁固定部に接合する工程と、前記透光性基板と前記集光レンズとの間に接着剤を充填する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係る集光レンズによれば、平面領域を受光領域に正対して配置することから平面領域に垂直に入射する太陽光は受光領域にそのまま垂直に入射し、突起領域に入射した太陽光は傾斜面により屈折して受光領域に集光される。したがって、平面領域に入射した光は集光レンズによる色収差が無く、太陽電池素子の受光面における光強度分布のばらつきを低減し、発電効率を向上することができる。

本発明に係る集光レンズ構造体およびその製造方法によれば、平面領域と突起領域との境界を用いて集光レンズと透光性基板（集光領域）との位置合わせを行うことから、高精度の位置合わせを容易に行うことが可能となり、製造工程を簡略化することができるという効果を奏する。また、透光性基板により集光レンズの機械的強度を補強することができるので集光に必要な所定の形状の集光レンズとすることができ、所望の集光特性を有し、大面積での集光が可能な集光レンズ構造体を提供することができるという効果を奏する。

本発明に係る集光型太陽光発電装置によれば、本発明に係る集光レンズ構造体を用いることから、製造工程が簡単で、集光特性が良く、また、発電効率および信頼性の高い集光型太陽光発電装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の要部の配置関係を部分的に示す分解斜視図である。

本実施の形態の集光型太陽光発電装置１０は、太陽電池素子１、レシーバ２に接着された太陽電池素子１を実装してある実装板３、実装板３を覆って太陽光Ｌｓから実装板３を遮光するフレーム底部４、フレーム底部４の対向する２辺の端部から垂直方向に延長して相対して立設配置されたフレーム側部５、フレーム底部４に対向してフレーム側部５の上端に対応して配置され太陽電池素子１の受光領域（集光領域）に太陽光Ｌｓを集光する集光レンズ７、集光レンズ７を保持、固定（固着）してフレーム側部５の上端に装着される透光性基板６を備える。透光性基板６および集光レンズ７は集光レンズ構造体８を構成する。

機能に対応した構成部材で構成することにより部品点数を少なくしてあることから、組み立てが容易で、小型・軽量化が可能となり、機械的強度の大きい集光型太陽光発電装置１０とすることができる。

実装板３には、レシーバ２に搭載された太陽電池素子１が例えば５個づつ２列に計１０個配置してある。太陽電池素子１（受光領域）は、集光レンズ７の集光位置（集光領域）に対応して配置される。実装板３は、太陽電池素子１、レシーバ２を１０個単位として収納する空間を確保する窪みを持つ皿状に形成され、周縁にはフレーム底部４へ取り付けるための鍔３ａが形成してある。実装板３は、放熱性、軽量化などを考慮して例えばアルミニウムで形成してある。

集光レンズ７は、１０個の太陽電池素子１のそれぞれに対応するように５個づつ２列に計１０枚が透光性基板６に配置、固定され、レンズアレイを構成してある。集光レンズ７は加工性、透光性などを考慮して例えばＰＭＭＡ（アクリル樹脂）で形成され、成形性やコストを考慮して、フレネルレンズとしてある。

集光レンズ７は、平面状の第１面７ｆが透光性基板６に固定され、第２面７ｓがフレーム底部４に対向するように配置してある（図７参照）。第２面７ｓは、第１面７ｆに平行な平面を有する平面領域７ｓｆと、第１面７ｆに対して傾斜する傾斜面を有する突起７ｐが形成された突起領域７ｓｐとを備えている（図７参照）。

透光性基板６は、透光性、強度、耐環境性などを考慮して例えばガラスで形成してあり、集光型太陽光発電装置１０が設置される周囲環境からの風雨の影響を防止することができる。集光レンズ７は、透光性を有する適宜の接着剤などで透光性基板６に接着固定（保持）され、集光レンズ構造体８を構成している（図１０参照）。

集光レンズ７は、太陽電池素子１の受光領域に集光するように光学的距離（焦点距離に基づいて規定される）を調整してあることから、集光レンズ７により集光された太陽光Ｌｓは、太陽電池素子１の周囲では極めて大きなエネルギとなる。また、太陽光Ｌｓを追尾する構成とした場合に、集光された太陽光Ｌｓに太陽電池素子１が常に正対する関係を維持できるとは限らず、さらに、異常事態の発生によって追尾装置が停止する事態も想定される。つまり、集光した太陽光Ｌｓが、太陽電池素子１の受光領域ではなく、実装板３の周囲部材に照射される恐れがあり、そのような場合、照射部分が焼損などにより損傷する恐れがある。

したがって、フレーム底部４は、集光された太陽光Ｌｓによる損傷の発生を防止するように太陽光Ｌｓを遮光する構造としてあり、太陽電池素子１の受光領域以外には太陽光Ｌｓが影響しないように構成してある。また、遮光機能に併せて太陽電池素子１での受光を可能にするため、集光した太陽光Ｌｓを透過させて太陽電池素子１の受光領域に照射する透過穴４ａを太陽電池素子１の受光領域に対向させるように位置合わせして設けてある。

つまり、実装板３に実装された１０個の太陽電池素子１のそれぞれに対応して透過穴４ａが穿設してあり、透過穴４ａの位置を、太陽電池素素子１の位置および集光レンズ７の集光位置と整合させることが発電効率を確保するために極めて重要である。また、フレーム底部４は、透過穴４ａの作用を確実に実現するために、実装板３と近接してフレーム側部５の底部に連接して配置される。

集光型太陽光発電装置１０の機械的強度を確保、向上するため、また、生産性を向上するために、フレーム底部４およびフレーム側部５は連続成形により一体として形成することが好ましい。したがって、フレーム底部４およびフレーム側部５は、例えば鉄板、鋼板などの金属板をロールフォーミング加工することにより一体に形成されフレーム１１を構成してある。

フレーム底部４をフレーム側部５と一体に形成することにより、フレーム底部４として別部材を用いる必要がなく生産性を向上することができる。また、フレーム底部４（透過穴４ａ）の位置がフレーム側部５と一体に画定できることから、実装板３（太陽電池素子１）と集光レンズ構造体８（集光レンズ７）との位置合わせを精度良く行うことができる。

フレーム側部５の上端には、集光レンズ構造体８（透光性基板６）を支持するための鍔５ａがロールフォーミング加工時に一体に形成してあり、集光レンズ７の位置決めを確実に行うことが可能となる。つまり、フレーム側部５およびフレーム底部４で構成されるフレーム１１を基準位置（基本形状）として、実装板３と透光性基板６（集光レンズ７）との位置合わせを正確に行うことができ、正確な集光を可能にすることができる。

実装板３は、フレーム底部４に装着され、フレーム底部４と共に１０個の太陽電池素子１を収納し、外部環境から保護する保護空間を形成する。フレーム底部４には、実装板３を装着するためにフレーム側部５の上端側に凸とされた台形部４ｂがロールフォーミング加工時に一体に形成してある。

集光レンズ７を固定する透光性基板６は、フレーム側部５の上端（鍔５ａ）に装着される。また、集光レンズ７を通過した太陽光Ｌｓが太陽電池素子１の受光領域に集光するように集光レンズ７を配置する必要があることから、フレーム側部５の高さは、集光レンズ７の焦点距離を考慮して、太陽電池素子１と集光レンズ７との間に必要な光学的距離（最大電力の発電とするのに必要な距離）を画定するように設定してある。

つまり、フレーム側部５の高さは、太陽電池素子１と太陽光Ｌｓとを正対状態とした場合に、集光レンズ７に入射した太陽光Ｌｓが、フレーム底部４の透過穴４ａを通過してレシーバ２上に搭載された太陽電池素子１の受光領域全域に確実に集光して照射されるように設定してある。なお、正対とは光軸方向が揃う関係をいう。

フレーム側部５の長手方向には、（図示しない隣接する集光型太陽光発電装置の）フレーム側部５を相互に嵌合できる嵌合溝５ｂがロールフォーミング加工時に一体に形成してある。嵌合溝５ｂを嵌合させて、長手方向と交差する短手方向にフレーム側部５を複数連結して、さらに発電容量の大きい集光型太陽光発電装置を構成することができる。嵌合溝５ｂは、フレーム側部５を相互に嵌合することから、複数連結した場合でも機械的強度の大きいフレーム１１を維持することが可能となる。

実装板３および透光性基板６は、フレーム側部５（フレーム１１）の長手方向に対して複数に分割して装着される。この構成により、集光型太陽光発電装置１０を大型化するためにフレーム１１の長手方向の長さを長くした状態でも、組み立ての容易性を確保できることから生産性を向上でき、また、保守点検、補修などを容易に行うことが可能となる。

また、長手方向でフレーム１１の長さに対して実装板３および透光性基板６を短くすることにより、フレーム１１に対する太陽電池素子１、集光レンズ７の位置合わせは、フレーム底部４（透過穴４ａ）、フレーム側部５に対して狭い範囲（分割した範囲）で行えば良くなることから、正確な位置合わせを行うことが可能となる。

実装板３、フレーム１１、透光性基板６は、それぞれ異なる素材で構成される場合、それぞれの熱膨張率が異なるので、長さが長くなるほど熱膨張の影響が大きくなり、温度変化による位置ずれにより集光された太陽光Ｌｓが太陽電池素子１に照射されなくなる恐れがある。しかし、実装板３および透光性基板６を分割して短くすることにより、短い長さ（狭い範囲）での熱膨張を考慮すれば良いこととなるので、熱膨張の影響を低減することが可能となる。

フレーム側部５の短手方向の側壁は、対向するフレーム側部５の間を差し渡す板材によって覆うが、フレーム１１内の温度上昇を防止するために通気可能な状態で覆われる。すなわち、フレーム側部５の短手方向の側壁は、塵芥の進入を防ぎながら通気を確保できる通気孔或いは網材を一部に形成した板材で覆われる。

図２は、本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の長手方向での側面から見た要部の配置関係を透視的に示す概略側面図である。図３は、図２の矢符Ａ−Ａでの断面概要を示す拡大断面図である。

フレーム１１（フレーム底部４、フレーム側部５）は、ロールフォーミング加工で連続的に曲げ加工して形成した母材を、集光型太陽光発電装置１０に適した長さとし、例えば長手方向に約３ｍ程度に切断して形成してある。

フレーム底部４の背面、フレーム側部５の上端には、長手方向で複数（例えば３個）に分割され約１ｍ程度の長さとされた実装板３、透光性基板６がそれぞれ配置され、固定（装着）してある。例えば、透光性基板６の長さは約１ｍ程度であることから、長手方向で５個の配列とされた集光レンズ７は約２００ｍｍ角程度となる。したがって、短手方向でフレーム底部４、透光性基板６の幅は約４００ｍｍ程度となる。また、実装板３の幅は、３００ｍｍ程度としてある。実装板３、透光性基板６は、複数に分割してあることから、分割数に応じて熱膨張の影響を低減することができる。

透光性基板６の表面から入射して集光レンズ７を透過した太陽光Ｌｓは、集光されてフレーム底部４の透過穴４ａを通過して実装板３に実装された太陽電池素子１に照射される。

実装板３は、フレーム側部５の下端に連接するフレーム底部４（台形部４ｂ）の背面に鍔３ａを当接して装着してある。実装板３は、実装板３の１長辺に対応する鍔３ａの中心部で位置決めされ、適宜の固定部材（不図示）で強く固定され、その他の位置の鍔３ａは固定部材で適宜係止（緩く固定）される。中心部で位置決め固定することにより、熱膨張による位置ずれを例えば端部で位置決めした場合に比較して半減することが可能となる。また、実装板３の４辺の全体を同じ強度で固定する場合には熱膨張による反りなどの影響が大きくなるが中心部のみを強く固定し、他の位置を係止状態として緩く固定することにより反り（撓み）などの発生を防止することができ、熱膨張の影響を低減することができる。

つまり、長さが約１ｍの鍔３ａ（実装板３）の中心部で位置決め固定することにより、熱膨張による位置ずれの影響が生じる範囲を半分の約０．５ｍに抑えることが可能となる。なお、固定に際して中心部には分離した２つの固定点を設けることにより、実装板３の回転による位置ずれが生じないようにしてある。２つの固定点は、図示しないが、後述する透光性基板６の位置決めを行う２つの基板枠位置合わせ部６ｂと同様に配置することで同様の効果を生じる（図１１、図１２参照）。

透光性基板６は、集光レンズ７を貼り付けた面をフレーム底部４に対向させ、貼り付けた集光レンズ７の端部と透光性基板６の端部との間に基板枠部６ａを構成する。実装板３と同様に、基板枠部６ａの１長辺に対応する中心部に基板枠位置合わせ部６ｂとして形成した貫通穴により鍔５ａに形成してある鍔突起部５ｃに対して位置決め固定される（図１１、図１２参照）。透光性基板６の場合も実装板３と同様の作用効果を熱膨張に対して生じることから位置ずれを抑制することができる。

なお、透光性基板６の鍔５ａへの装着、固定は透光性基板６の周囲を巡る形状にした適宜の固定部材（不図示）を用いて基板枠部６ａを鍔５ａに圧着することにより行うことができる。また、隣接する透光性基板６相互間では、相互間を差し渡す形状の固定部材（不図示）により固定すれば良い。

実装板３および透光性基板６の位置決め、固定は、共通（同一）のフレーム１１（フレーム底部４の透過穴４ａ、フレーム側部５の上端の鍔５ａ）に対して同一の精度で行うこととなるから、集光型太陽光発電装置１０全体として位置決め精度を向上することができ、太陽光の利用効率を確実に向上することができる。

集光レンズ７は、成型時の加工性を考慮して、太陽電池素子１それぞれに対応して約２００ｍｍ角のサイズで形成され、フレネルレンズ状の金型に例えばアクリル樹脂を射出注入するなどして一面が平板なフレネルレンズとして成型してある。フレネルレンズとすることにより、大面積の集光レンズ７で小面積の太陽電池素子１へ集光する場合にも集光レンズ７を薄型化することが可能となる。薄型化により、軽量、安価で、保持も容易なものとすることが可能となる。

集光レンズ７は、太陽電池素子１毎に個別に成型する代わりに、複数の太陽電池素子１に対応するように複数のフレネルレンズを一体に成型して構成することも可能である。また、薄型化した集光レンズ７を透光性基板６に貼り合わせて強度および平面性を確保できることから、集光特性の良いレンズ形状とすることが可能となる。

図４は、本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置に搭載された太陽電池素子のレシーバでの配置状態を示す平面図である。

本実施の形態では、太陽電池素子１は、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いて公知の半導体製造プロセスによりＰＮ接合、電極などを形成してウエファから受光領域７ｍｍ角のチップに加工されている。太陽電池素子１は、約６０ｍｍ角の銅製のレシーバ２に裏面電極によって電気的、機械的に接続、接着（搭載）されている。レシーバ２の対角位置のコーナー部に基準穴２ｐが高精度に穿設され、この基準穴２ｐを基準に太陽電池素子１が位置決めされ接着される。

太陽電池素子１と並列にバイパスダイオードＤｉが接続してあり、太陽光Ｌｓの遮光などにより太陽電池素子１が抵抗として動作する場合に隣接する太陽電池素子１への電流経路を構成して、特定の太陽電池素子１が発電機能を果たさない場合でも集光型太陽光発電装置１０全体として発電機能を維持できる構成としてある。

レシーバ２の表面は、電気的接続が必要となる太陽電池素子１の基板電極およびバイパスダイオードＤｉの基板電極が接続される領域、基板電極接続部２ｂの領域で露出してあり、他の表面領域は絶縁性レジスト２ｉで被覆してある。絶縁性レジスト２ｉの表面の一部に出力取り出しのための電極となる表面電極接続部２ｔが適宜の薄板状の導体で形成してある。

太陽電池素子１の対向するチップ両端部に形成された表面電極は、ワイヤＷｓを介して表面電極接続部２ｔにワイヤボンディングしてあり、基板電極接続部２ｂとの間で出力を取り出すことができる。また、バイパスダイオードＤｉの表面電極は、ワイヤＷｄを介して表面電極接続部２ｔにワイヤボンディングしてあり、バイパス動作を行うことができる。

表面電極接続部２ｔ、基板電極接続部２ｂに対して隣接する太陽電池素子１との接続を行うための導電リード２ｃがそれぞれ接続してあり、導電リード２ｃを用いて太陽電池素子１を直列あるいは並列に接続することにより大容量の発電が可能となる。

図５は、本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置に搭載された太陽電池素子の実装状態および透過穴の配置状態を示す説明図であり、（Ａ）は側面から見た状態を透視的に示す側面透視図であり、（Ｂ）は集光レンズの側から遮光板（透過穴）を見た平面図である。

レシーバ２の露出表面に半田接合された太陽電池素子１およびバイパスダイオードＤｉは、封止ダム２ｓｄにより周囲（平面状周囲）を囲まれ、封止樹脂２ｓｒで樹脂封止される。封止樹脂２ｓｒの表面に封止ガラス２ｓｇを配置することにより（フレーム底部４側の表面での）樹脂封止２ｓｒの耐湿性を向上することができる。封止ダム２ｓｄは例えば白色などのシリコーン樹脂、封止樹脂２ｓｒは例えば透光性の大きいシリコーン樹脂で形成する。

レシーバ２は銅製であることから、集光された太陽光Ｌｓが照射されることによって極めて高温になる太陽電池素子１に対して放熱手段として機能する。太陽電池素子１を搭載したレシーバ２は、アルミニウム製の実装板３に絶縁熱伝導シート３ｉを介して接着され、絶縁状態を維持しながら太陽電池素子１の熱を実装板３から大気に放熱する。

レシーバ２と実装板３の相互間の位置決め、固定は、レシーバ２に設けられた基準穴２ｐに対して、実装板３に正確に位置合わせした受穴３ｐを形成し、基準穴２ｐおよび受穴３ｐに絶縁被覆されたリベット２ｒを挿通して固定することにより精度良く行うことができる。

透過穴４ａの形状およびサイズは、集光レンズ７に平行光線で入射した太陽光Ｌｓについて、集光レンズ７で屈折して生じる太陽電池素子１の感度波長光における短波長領域の太陽光Ｌｓａが太陽電池素子１の離れたエッジ側に、太陽電池素子１の感度波長光における長波長領域の太陽光Ｌｓｂが太陽電池素子１の近い側のエッジにそれぞれ届く範囲を照射するように開口することが好ましい。受光領域７ｍｍ角の太陽電池素子１、焦点距離（太陽電池素子１の受光領域に平面状に集光する距離：光学的距離）３００ｍｍの集光レンズ７に対して、長さｂ＝１３ｍｍ角の開口を設けてある。なお、フレーム底部４と実装板３との間隔を適宜調整しておくことは言うまでもない。

また、透過穴４ａの形状はｂ＝１３ｍｍ角のサイズに打ち抜きすることもできるが、透過穴４ａの周縁を絞り加工して実装板３の側に折り曲げた屈曲部４ｃを形成し、斜めから透過して太陽電池素子１以外の部分を照射する恐れのある太陽光（Ｌｓｄ）を遮断する機能（角度）を持たせて形成することが好ましい。

さらに、屈曲部４ｃの集光レンズ７側の表面（入射側表面）４ｓを鏡面加工することにより、屈曲部４ｃに照射された太陽光Ｌｓを太陽電池素子１側に反射させて入射効率を高めることができる。

図６は、本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の平面図である。図７は、図６の集光レンズ構造体の拡大概略断面図であり、集光レンズ構造体の平面中心から矢符Ａまでの一部概略断面を示す。なお、図面の見易さを考慮して透光性基板６に１個の集光レンズ７（図面の見易さを考慮してハッチングは省略してある。）のみを固定した状態として示す。また、図７は図上縦方向を適宜拡大して示してある。

透光性基板６は集光レンズ７の平面状の第１面７ｆを固定して集光レンズ構造体８を構成している。集光レンズ７は、第１面７ｆおよび第１面に対向する第２面７ｓを有する。第２面７ｓには第１面７ｆに対して傾斜する傾斜面を有する突起７ｐがピッチｐｐで同心円状に複数形成され、集光領域（受光領域）（不図示）への集光が可能なフレネルレンズとしてある。

突起７ｐは、成型時の加工性を考慮してピッチｐｐを０．５ｍｍとし、傾斜面と垂直面で形成される三角波形状（突起高さｈ、第１平面７ｆ（平面領域７ｓｆ）に対する傾斜角θ）としてある。傾斜面と垂直面で構成される突起７ｐが同心円状に形成してあることから、金型に樹脂を注入硬化してフレネルレンズを成型する場合、金型からストレスなしに成型品を離脱することが容易となり、精度の高いフレネルレンズとすることができる。

第２面７ｓは、第１面７ｆに平行な平面を有する平面領域７ｓｆと突起７ｐを有する突起領域７ｓｐとを備える。平面領域７ｓｆと突起領域７ｓｐとの境界７ｂは、平面領域７ｓｆと突起７ｐの段差で画定され、段差は平面領域７ｓｆの平面と突起７ｐの垂直面で画定される。境界７ｂ（の段差）を用いることにより、平面領域７ｓｆを集光領域に精度良く位置合わせすることが可能となる（図８ないし図１０参照）。

透光性基板６と集光レンズ７（第１面７ｆ）の間には、平面領域７ｓｆに対応して透光性基板６と集光レンズ７とを固定する平面領域固定部８ａが形成してあり、平面領域７ｓｆの位置を確実に固定することができる。また同様に、突起領域７ｓｐの周縁部に対応して透光性基板６と集光レンズ７を固定する周縁固定部８ｂが形成してあり、大面積の集光レンズ７を確実に透光性基板６に固定することができる。また、透光性基板６と集光レンズ７との間の空気層を除去して充填する充填部８ｃが形成してある。

突起領域７ｓｐは、連続する４個の突起７ｐが同じ傾斜角θで形成してある。連続する４個の突起７ｐを同じ傾斜角θとして構成し、傾斜角θを変更するピッチとしての傾斜変更ピッチｐｈは２ｍｍとした。つまり、太陽光Ｌｓ中の各波長の光は各々、傾斜変更ピッチｐｈに対応して２ｍｍの幅で同様に屈折することになる。

例えば２００ｍｍ角の集光レンズ７の場合、角部断面の端の突起７ｐは第１平面７ｆに対する傾斜角θｃは３６度で、突起高さｈｃは約０．４ｍｍである（なお、突起高さｈｃは同心円の最外周に位置することから最も高い突起７ｐとなる）。また、同心円の中心を通り辺に直交する方向で最外周４個の突起７ｐの傾斜角θは２９．７３度、その内側４個の突起７ｐの傾斜角θは２９度で形成してある（不図示）。また、平面領域７ｓｆに隣接する４個の突起７ｐの傾斜角θａは４．７１度で、突起高さｈａは約０．１ｍｍである。

このように突起７ｐの厚み（突起高さｈ）はレンズ端からレンズ中央に向かって小さくなる。また、レンズ中央の平面領域７ｓｆは、太陽電池素子１の受光領域７ｍｍ角を内側に囲む大きさの径を有する円として画定することから、直径１０ｍｍの円となる。集光レンズ構造体８を太陽光Ｌｓに正対させた場合、平面領域７ｓｆに垂直に入射した太陽光Ｌｓは集光レンズによる色収差が無く、太陽電池素子１の受光領域にそのまま入射することとなり、光強度分布のばらつきを低減できるので発電効率を向上することができる。

本実施の形態では、太陽電池素子１は、３接合型であることから、チップの深さ方向で各接合に対応して幅広い波長帯（紫外〜青〜緑〜赤〜赤外）の光に対して光起電力を生じる。本実施の形態による太陽電池素子１の短絡電流は、標準的な太陽光放射（ＡＭ１．５）を受光したときに、感度波長光における短波長領域に受光感度をもつセル（太陽電池素子１を構成する３層に積層された素子の１つ）の短絡電流によって制限されている。したがって、前記短波長領域の光を、他の波長領域の光に比較して、より適切に集光することによって、太陽電池素子１の出力が向上する。集光レンズ７による屈折方向は光の波長により異なることから、太陽電池素子１の感度波長光における短波長領域（紫外〜赤）の波長を太陽電池素子１に効率よく受光させるべく波長４００ｎｍの紫外線が、集光レンズ７（突起７ｐ）に対して対角の位置（離れた側）となる太陽光発電素子１（受光領域）の端辺側に集光（屈折）されるように突起７ｐの傾斜角θを決めてある。

また、４個（２ｍｍの幅）の突起７ｐを同じ傾斜角θに形成するが、同じ傾斜角θの突起７ｐを並べすぎると上記短波長領域の光が太陽電池素子１（受光領域）外にはみ出る割合が大きくなることから、受光領域７ｍｍ角の太陽電池素子１に対しては２ｍｍ程度の幅（傾斜変更ピッチｐｈ）にするのが効果的であった。この構成により焦点の絞込みが緩和され、受光領域全面でより均等な受光が可能となり発電効率をさらに大きくすることができる。

つまり、突起７ｐの傾斜角θおよび傾斜角θを変更するピッチである傾斜変更ピッチｐｈは、短波長領域の光（換言すれば、他の波長領域の光に比較して、太陽電池素子１の短絡電流を制限し、より支配的に決定している波長領域の光）が有効に受光領域に向けて屈折（集光）するように設定してある。したがって、短波長領域の光に対する集光効率が向上し、光電変換効率（発電効率）を向上することが可能となる。

本実施例では出力電流に対する寄与が大きい短波長領域の光を効率よく受光領域に集光し、且つ、その他の波長の光も一定割合以上、受光領域に集光するように光学設計することで全体として効率よく発電を行うことが可能になる。本実施例は太陽電池素子の特性の一例であり、出力電流に対する寄与が大きい波長を優先的に集光することが好ましい。

図８ないし図１０は、本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の製造方法（製造工程）を説明する断面図である。

位置決め治具台１５には、太陽電池素子１（受光領域）の位置に対応して配置すべき平面領域７ｓｆ（集光レンズ７）の位置を決める平面位置決め具１５ａが形成してある。位置決め治具台１５は、例えばアルミニウム基板で形成してあり、平面位置決め具１５ａはアルミニウム基板に例えば平面領域７ｓｆの径（段差部分つまり平面領域７ｓｆに隣接する突起７ｐの垂直面）に内接する径を有するピンを立設して構成してある。位置決め治具台１５には、さらに集光レンズ７を並置して整列できるように集光レンズ７の回転を防止するレンズ回転防止具１５ｂが設けてある。レンズ回転防止具１５ｂは、平面位置決め具１５ａと同様にピンを立設して構成してある。

境界７ｂを用いて集光レンズ７の平面領域７ｓｆを平面位置決め具１５ａに嵌合することにより高精度に集光レンズ７（平面領域７ｓｆ）の位置決めを行うことができる。図８では、集光レンズ７を２個並置する場合を示してあり、図上左側は位置決めを終了した状態を、右側は位置決めをする前の状態を示す。

平面位置決め具１５ａの高さは、最外周の突起高さｈｃ（０．４ｍｍ）と同等とすることが集光レンズ７の平坦度を向上するために好ましい。平面位置決め具１５ａの先端は境界７ｂ、つまり平面領域７ｓｆと隣接する突起７ｐとの間の段差（平面領域７ｓｆの平面と突起７ｐの垂直面で画定される突起高さｈａ（０．１ｍｍ））で嵌合される。平面領域７ｓｆと突起７ｐとの段差は、垂直面で構成されることから、位置決めの際に水平方向でのずれが生じないことから精度良く位置決めすることができる。

位置決め治具台１５にはさらに平面領域７ｓｆの位置に対応して透光性基板６の端部の位置を決める基板端位置決め具１５ｃが形成してある。基板端位置決め具１５ｃはアルミニウム基板に例えばピンを立設して構成してある。

図８の右側の集光レンズ７を矢符方向に移動して位置合わせをした後、集光レンズ７の第１面７ｆに平面領域７ｓｆに対応させて平面領域固定部８ａを形成し、また、突起領域７ｓｐの周縁部に対応させて周縁固定部８ｂを形成する（図９参照）。平面領域固定部８ａおよび周縁固定部８ｂはいずれを先に形成しても良く、また同時に形成することも可能である。平面領域固定部８ａおよび周縁固定部８ｂは例えば透光性の高い両面接着テープを用いることにより、容易に形成することが可能となり、作業性を向上することができる。

平面領域固定部８ａおよび周縁固定部８ｂを形成した後、透光性基板６を図９の矢符方向に移動し集光レンズ７に接合（仮止め）する。この際、基板端位置決め具１５ｃに透光性基板６の端部を当接することにより精度良く透光性基板６の位置合わせを行うことができる。

透光性基板６の位置合わせにより、受光領域（太陽電池素子１）の中心と平面領域７ｓｆ（集光レンズ７）を精度良く位置合わせした状態で集光レンズ７を透光性基板６に位置合わせすることとなる。したがって、集光レンズ７の端部と透光性基板６の端部との間で透光性基板６が有する基板枠部６ａに設けてある基板枠位置合わせ部６ｂの位置合わせを精度良く行うことができる。

平面領域固定部８ａおよび周縁固定部８ｂを介して集光レンズ７と透光性基板６とを接合した後、集光レンズ７と透光性基板６との間の空気層の空気を排気した後、その空間に透光性および流動性の大きい接着剤を充填し、常温もしくはベークにより接着剤を硬化して充填部８ｃを形成する（図１０参照）。充填部８ｃにより、集光レンズ７と透光性基板６とは相互に全面で固定され、機械的強度が大きく、所望の光学特性を備えた集光レンズ構造体８となる。なお、接着剤としては透光性・耐候性の良い接着剤、たとえばメタクリル酸メチルとアクリルモノマー等を含むアクリル樹脂系の接着剤もしくはシリコーン樹脂接着剤などが好ましい。

充填部８ｃ中の空気層は除去されていることから、透光性基板６の集光レンズ７に対向する面、集光レンズ７の第１面７ｆにおける屈折率差が小さくなり反射によるロスを低減することができる。

図１１は、本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体を位置決め治具台を用いて位置合わせした平面視状態を示す平面図である。

位置決め治具台１５に配置された平面位置決め具１５ａに対して集光レンズ７の平面領域７ｓｆが位置合わせされ、嵌合される。平面領域７ｓｆは円状であることから位置合わせ後に平面位置決め具１５ａを中心にして回転することがないように集光レンズ７の端部に接する適宜の位置にレンズ回転防止具１５ｂが配置してある。レンズ回転防止具１５ｂは、１個の平面位置決め具１５ａに対して２箇所設けることにより確実に回転を防止することができる。平面位置決め具１５ａは、実装板３に搭載された太陽電池素子１（フレーム底部４の透過穴４ａ）に対応して、計１０箇所に配置してあり、計１０枚の集光レンズ７を有するレンズアレイを構成できる。

位置決めされた集光レンズ７（レンズアレイ）の上に透光性基板６が重畳して配置され、透光性基板６と集光レンズ７は接合されて集光レンズ構造体８を構成する。なお、透光性基板６の端部は基板端位置決め具１５ｃに当接して位置決めされ、また、基板枠部６ａには端部から所定の位置に位置決めされた基板枠位置合わせ部６ｂが形成してある。したがって、基板枠位置合わせ部６ｂを平面領域７ｓｆ（平面位置決め具１５ａ）に対して位置決めすることができる。

なお、基板枠位置合わせ部６ｂは透光性基板６（基板枠部６ａ）の長手方向の中心部に２箇所形成してあり、基板枠位置合わせ部６ｂに対応させてフレーム側部５の上端の鍔５ａに形成した鍔突起部５ｃ（図１２参照）に位置決め固定することにより、太陽電池素子１（透過穴４ａ）に対して精度良く位置合わせすることができ、また、実装板３の場合と同様に熱膨張による位置ずれの影響を透光性基板６の長手方向で長さ（約１ｍ）の半分の約０．５ｍに抑えることが可能となる。

図１２は、本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体を太陽電池素子（フレーム側部）に位置合わせする状態を説明する部分断面図である。

透光性基板６（基板枠部６ａ）の長手方向の中心部に対応させてフレーム側部５の上端の鍔５ａに突起状の鍔突起部５ｃが形成してある。鍔突起部５ｃは、太陽電池素子１（透過穴４ａ）に対して集光レンズ７を位置合わせするように基板枠部６ａに基板枠位置合わせ部６ｂとして形成された貫通穴の位置に対応させて形成してある。

したがって、透光性基板６を矢符方向に移動して基板枠位置合わせ部６ｂを鍔突起部５ｃに嵌合すれば位置合わせ、位置決めを行うことができる。その後、鍔５ａと透光性基板６を適宜の固定部材（不図示）により固定する。なお、鍔突起部５ｃ、基板枠位置合わせ部６ｂの形状は上述した例に限らず、その他の形状であっても良いことは言うまでもない。例えば、基板枠位置合わせ部６ｂが貫通穴の場合、鍔５ｃにも同様に貫通穴を形成し、双方の貫通穴を固定部材としてのボルトなどで締めつけて固定することも可能である。

本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の要部の配置関係を部分的に示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置の長手方向での側面から見た要部の配置関係を透視的に示す概略側面図である。 図２の矢符Ａ−Ａでの断面概要を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置に搭載された太陽電池素子のレシーバでの配置状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る集光型太陽光発電装置に搭載された太陽電池素子の実装状態および透過穴の配置状態を示す説明図であり、（Ａ）は側面から見た状態を透視的に示す側面透視図であり、（Ｂ）は集光レンズの側から遮光板（透過穴）を見た平面図である。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の平面図である。 図６の集光レンズ構造体の拡大概略断面図であり、集光レンズ構造体の平面中心から矢符Ａまでの一部概略断面を示す。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の製造方法（製造工程）を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の製造方法（製造工程）を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体の製造方法（製造工程）を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体を位置決め治具台を用いて位置合わせした平面視状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る集光レンズ構造体を太陽電池素子（フレーム側部）に位置合わせする状態を説明する部分断面図である。 従来例としての集光型太陽光発電装置を説明する説明図であり、（Ａ）は太陽光の入射面から見た概要を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の矢符Ｂ−Ｂでの断面を示す断面図である。

符号の説明

１ 太陽電池素子
２ レシーバ
３ 実装板
３ａ 鍔
４ フレーム底部
４ａ 透過穴
４ｂ 台形部
５ フレーム側部
５ａ 鍔
５ｂ 嵌合溝
５ｃ 鍔突起部
６ 透光性基板
６ａ 基板枠部
６ｂ 基板枠位置合わせ部
７ 集光レンズ
７ｂ 境界
７ｆ 第１面
７ｐ 突起
７ｓ 第２面
７ｓｆ 平面領域
７ｓｐ 突起領域
８ 集光レンズ構造体
８ａ 平面領域固定部
８ｂ 周縁固定部
８ｃ 充填部
１０ 集光型太陽光発電装置
１１ フレーム
１５ 位置決め治具台
１５ａ 平面位置決め具
１５ｂ レンズ回転防止具
１５ｃ 基板端位置決め具
ｈ 突起高さ
Ｌｓ 太陽光
ｐｈ 傾斜変更ピッチ
ｐｐ ピッチ
θ 傾斜角

Claims (11)

1. 平面状の第１面と、該第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された第２面とを有する集光レンズであって、
   前記第２面は、前記第１面に平行な平面を有する平面領域と、前記突起を有する突起領域とを備えていることを特徴とする集光レンズ。
2. 前記平面領域と前記突起領域との境界は、前記平面領域と前記突起との段差により画定してあることを特徴とする請求項１に記載の集光レンズ。
3. 前記平面領域は正対して配置されるべき太陽電池素子の受光領域を囲む径の円で画定してあり、前記突起は前記平面領域に対して同心円状に形成してあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光レンズ。
4. 前記傾斜面の前記第１面に対する傾斜角および該傾斜角を変更するピッチとしての傾斜変更ピッチは、前記太陽電池素子の短絡電流を決定している波長領域の光を前記受光領域に集光するように設定してあることを特徴とする請求項３に記載の集光レンズ。
5. 平面状の第１面および該第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された第２面を有する集光レンズと、該集光レンズを固定して保持する透光性基板とを備える集光レンズ構造体であって、
   前記第２面は、前記第１面に平行な平面を有する平面領域と、前記突起を有する突起領域とを備え、
   前記平面領域と前記突起との段差により画定される境界を用いて前記集光レンズと前記透光性基板との位置合わせがしてあることを特徴とする集光レンズ構造体。
6. 前記透光性基板と前記第１面との間に、前記平面領域に対応して前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する平面領域固定部と、前記突起領域の周縁部に対応して前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する周縁固定部とが形成してあることを特徴とする請求項５に記載の集光レンズ構造体。
7. 前記平面領域固定部および前記周縁固定部は、両面接着テープで形成してあることを特徴とする請求項６に記載の集光レンズ構造体。
8. 前記透光性基板と前記第１面との間に接着剤を充填した充填部が形成してあることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の集光レンズ構造体。
9. 前記透光性基板は前記集光レンズを複数並置してあることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか一つに記載の集光レンズ構造体。
10. 集光レンズおよび該集光レンズを固定して保持する透光性基板を備える集光レンズ構造体と、前記集光レンズに対応して配置された太陽電池素子とを備える集光型太陽光発電装置であって、
    前記集光レンズ構造体は、請求項５ないし請求項９のいずれか一つに記載の集光レンズ構造体であることを特徴とする集光型太陽光発電装置。
11. 平面状の第１面に平行な平面を有する平面領域と前記第１面に対して傾斜する傾斜面を有する突起が形成された突起領域とを第２面に有する集光レンズと、該集光レンズを固定して保持する透光性基板とを備え、前記平面領域と集光領域とが正対するように前記集光レンズと前記透光性基板とを位置合わせする集光レンズ構造体の製造方法であって、
    前記平面領域の位置を決める平面位置決め具および前記透光性基板の端部の位置を決める基板端位置決め具を設けた位置決め治具台の前記平面位置決め具に前記平面領域を位置合わせする工程と、
    前記第１面上の前記平面領域に対応する位置に前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する平面領域固定部を形成する工程と、
    前記第１面上の前記突起領域の周縁部に対応する位置に前記透光性基板と前記集光レンズとを固定する周縁固定部を形成する工程と、
    前記透光性基板の端部を前記基板端位置決め具に当接して前記透光性基板を前記平面領域固定部および周縁固定部に接合する工程と、
    前記透光性基板と前記集光レンズとの間に接着剤を充填する工程と
    を備えることを特徴とする集光レンズ構造体の製造方法。

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