JP2014175645A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホモジナイザを使用することなく、太陽電池セルに照射する太陽光の集光率及び均一化を高める。
【解決手段】集光フレネルレンズ２の光集光面は、太陽光１１の入射光量が相互に等しくなるようにｍ×ｎ（ただしｍ，ｎの一方は１以上、他方は２以上の整数）個の複数の集光領域に区分され、太陽電池セル３は、集光フレネルレンズ２の各集光領域と１：１に対応付けられるｍ×ｎ個の等面積かつ正方形の受光領域に区分され、集光光１２が集光領域に対応付けられている受光領域に集まるように、各受光領域に対する各集光領域の向きが個々に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を太陽電池セルに集めて発電する太陽光発電装置に関する。

太陽光を集光レンズにより太陽電池セルに集めて発電する太陽光発電装置が知られている。太陽は円形であるので、太陽光を集光レンズによって太陽電池セルに集光する場合、太陽電池セルに生成される太陽光は円形のスポットとなる。

従来の太陽光発電装置では、集光レンズは、太陽電池セルの中心と同心の円形の太陽光スポットを形成するだけである。したがって、太陽光スポットが正方形の太陽電池セルの内接円であると、太陽電池セルの四隅に太陽光が当らない領域が生じ、その領域では発電が行われず、これは発電効率の低下につながる。また、円形スポットが正方形の太陽電池セルの外接円であると、太陽電池セルから外にはみ出て太陽電池セルに照射されない太陽光部分が生じ、これは集光率の低下につながる。

これに対処するため、特許文献１の太陽光発電装置では、太陽電池セルの受光面と同一の形状及び寸法に設定された出射面を有するホモジナイザが、太陽電池の受光面側に配設され、集光リフレクタで反射された太陽光が、ホモジナイザにより光量を均一化されてから、太陽電池に入射するようになっている。

特開２０１１−２４３９２７号公報

しかしながら、上記のようなホモジナイザを使用する太陽光発電装置には、次の問題点がある。
（ａ）太陽光は、ホモジナイザに入射する際に、一部が入射面で反射してしまい、入射光量の減少分が発電損失になる。この対策としては、ホモジナイザの入射面に反射防止被膜を形成することが考えられるが、これは太陽電池セルのコストを増大させる。
（ｂ）ホモジナイザを太陽光発電装置に装備するために、取付作業及び取付具が必要となり、その分が、太陽光発電装置のコスト増大につながってしまう。

本発明の目的は、コスト高につながるホモジナイザを使用することなく、太陽電池セルに照射する太陽光の集光率を高めると共に均一化を図ることができる太陽光発電装置を提供することである。

第１発明は、矩形の太陽電池セルと、入射された太陽光を前記太陽電池セルへ向けて集光する集光フレネルレンズとを備える太陽光発電装置であって、前記集光フレネルレンズの光集光部は、太陽光の入射光量が等しくなるようにｍ×ｎ（ただしｍ，ｎの一方は１以上、他方は２以上の整数）個の複数の集光領域に区分され、前記太陽電池セルは、前記集光フレネルレンズの各集光領域と１：１に対応付けられるｍ×ｎ個の等面積かつ正方形の受光領域に区分され、各集光領域で集光された光が、該集光領域に対応した前記受光領域に集まるように、該受光領域に対する各集光領域の向きが個々に設定されていることを特徴とする。

第１発明によれば、集光フレネルレンズは、全体に入射した太陽光をそのまま太陽電池セルの全体に集光するのではなく、太陽光の入射光量が等しくなるように区分されたｍ×ｎ個の集光領域について、個々に対応する受光領域に対する向きが設定され、各集光領域ごとに、入射した太陽光を該集光領域に対応する太陽電池セルの受光領域に集光させる。これにより、太陽電池セル外への太陽光の漏れ量を抑制して、集光率の増大を図るとともに、太陽電池において太陽光が照射されない領域面積を減少させて、太陽電池に入射する太陽光の均一化を図ることができる。

したがって、第１発明によれば、ホモジナイザを使用することなく、太陽光エネルギーの損失やコスト増大を回避した太陽光発電装置が提供される。

第２発明は、第１発明において、前記集光フレネルレンズの各集光領域は、前記正方形の受光領域において、該正方形の内接円と外接円との間の範囲に収まる円形の太陽光スポットを生成するように形成されていることを特徴とする。

第２発明によれば、太陽電池セルの正方形の各受光領域に生成される太陽光の円形スポットは、正方形の受光領域の内接円と外接円との間の範囲に収まるものとなるので、太陽電池セル外への太陽光の漏れ量と太陽電池セルの四隅における太陽光の非照射面積とを最小限に抑えつつ、太陽電池セル上の太陽光の光量の均一化と集光率の向上を図ることができる。

太陽光発電装置の主要部の構成図。 集光フレネルレンズの光集光面を入射光の方向から見た図。 太陽電池セルをその受光面の正対方向から見た図。 太陽電池セルの各受光領域において生成される太陽光スポットの径についての説明図。 集光フレネルレンズの反射領域と太陽電池セルの受光領域との種々の対応関係についての説明図。

図１を参照して、太陽光発電装置１の主要部の構成について説明する。太陽光発電装置１は、ケース４内に配設される集光フレネルレンズ２及び太陽電池セル３を備えている。ケース４の太陽７へ向けられる側は透明壁５となっており、太陽７からの入射光１１は、透明壁５を通過して、ケース４内へ進入する。

集光フレネルレンズ２は、ケース４の内面に支持、固定される。太陽電池セル３は、所定の出力端子付きパッケージに収納され、該パッケージは、太陽電池セル３の受光面を集光フレネルレンズ２の方へ向けて、ケース４の所定位置に固定される。これにより、集光フレネルレンズ２と太陽電池セル３とは、相対位置関係を固定されつつ、ケース４と一体的に変位する。

図１では、太陽光発電装置１の構成を分かり易くするために、太陽電池セル３は、集光フレネルレンズ２に対する実際の寸法比率よりも大きい寸法比率で示している。実際の寸法は、太陽電池セル３は、例えば、その受光面が０．７ｃｍの正方形となっている。そして、太陽電池セル３を収納するパッケージは例えば約１ｃｍである。これに対し、集光フレネルレンズ２は、太陽光を太陽電池セル３に向けて屈折される同心円状のプリズムカットが形成されているとともに、周輪郭が矩形であり、この矩形周輪郭の実際の大きさは、例えば縦横５分割の場合は縦横が共に約６ｃｍ程度である。

ケース４は直方体の形状であり、透明壁５は入射光１１の方向から見て、長方形又は正方形となっている。太陽光発電装置１は、所定数（例：８個）を一列に並べて結合したものが１セットとされ、セットを単位に所定の各場所に配設される。太陽光発電装置１のセットは、日照期間では、所定の追尾装置により透明壁５を太陽７の方へ常時向けられて、入射光１１が透明壁５に対して直角方向からケース４内に入射する。

入射光１１は、透明壁５を通過して、集光フレネルレンズ２を照射する。集光フレネルレンズ２は、入射光１１を集光して、集光光１２を生成する。集光光１２は、太陽電池セル３に入射して、太陽電池セル３において電力に変換される。

図２を参照して、集光フレネルレンズ２の光集光面について説明する。図２は、ケース４の透明壁５を入射光１１に対して直角方向にしたときに、集光フレネルレンズ２を図１の入射光１１の方向から見た図となっている。

説明の便宜上、図２の上下方向及び左右方向を集光フレネルレンズ２の縦方向及び横方向と定義する。集光フレネルレンズ２は、その横辺が水平方向に揃うように、ケース４内に配設される。実施形態の集光フレネルレンズ２は、入射光１１の方向から見ると、正方形となっている。ただし、集光フレネルレンズ２は、入射光１１の方向から見て、長方形であってもよい。

集光フレネルレンズ２の光集光面は、入射光１１の方向から見て、５×５の同一寸法の正方形の区画に区分される。集光フレネルレンズ２は、各区画ごとに設定された向きで配備された縦横５×５個の集光領域１５を有する。各集光領域１５は、集光フレネルレンズ２を入射光１１の方向から見て同寸法の正方形となっているので、各集光領域１５へ入射する入射光１１の光量（又は強さ）は等しくなり、また、この結果、各集光領域１５からの集光光１２の光量も等しくなる。

各集光領域１５は、各集光領域１５ごとに別々の焦点が設定される。各集光領域１５は、各焦点に向かう集光光１２を生成するために、各集光領域１５ごとに、集光光１２の光軸の角度及び焦点が相違する複数の同心円状のプリズムカット面となる。そして、縦横に隣接する集光領域１５の境界部は矩形となっている。

このように集光フレネルレンズ２を複数の同心円状のフレネルカット面とし境界部を矩形としたのは、単に集光レンズを平面上に複数並べた場合、集光レンズは平面視円形であるので各集光レンズが接合するコーナー部分に非レンズ部が生じ入射光損失が出てしまうため、この非レンズ部をなくして全ての集光領域をプリズムカット面として形成するためである。これにより、集光領域に入射する太陽光を損失なく有効に利用することができる。

図２の実施形態では、集光フレネルレンズ２は縦横５×５の集光領域１５に区分されるが、縦横５×５以外の縦横ｍ×ｎの集光領域１５に区分されてもよい。ただし、ｍ，ｎの一方は１以上、他方は２以上の整数とされる。この結果、集光フレネルレンズ２は、最小でも、２（＝２×１又は１×２）以上の集光領域１５に区画される。

なお、図示の実施形態では、図の簡略化上、縦横５×５となっているが、典型的には、縦横９×９から１６×１６までの範囲となる。

図２の実施形態では、集光フレネルレンズ２は、入射光１１の方向から見て正方形となっているが、長方形であってもよい。また、集光領域１５は、入射光１１の方向から見た形状が正方形でなく、長方形とされてもよい。ただし、入射光１１の方向から見た集光領域１５の形状が正方形及び長方形のいずれであっても、入射光１１の方向から見た集光領域１５は、相互に等径、等大とされる。これにより、各集光領域１５における入射光１１の入射光量は相互に等しくされる。

図３を参照して、太陽電池セル３について説明する。図３は、太陽電池セル３をその受光面の正対方向から見た図である。

説明の便宜上、図３の上下方向及び左右方向を太陽電池セル３の縦方向及び横方向と定義する。通常は、太陽電池セル３の横辺は、集光フレネルレンズ２の横辺に対して平行になっている。しかしながら、集光フレネルレンズ２の各集光領域１５からの集光光１２の光軸が、集光フレネルレンズ２の中心の集光光１２の光軸の回りに所定の回転角度となるように設定すれば、太陽電池セル３の横辺は、集光フレネルレンズ２の横辺に対して平行とならず、該光軸の回りに該所定の回転角度に対応する傾斜角度になる。

実施形態の太陽電池セル３は、正方形となっている。太陽電池セル３は、長方形であってもよい。ただし、後述の受光領域２２は、太陽電池セル３が正方形及び長方形のどちらであっても、該受光領域２２に適切な円形の太陽光スポット２３を生成するために、正方形に規定される。

区切り線２１は、それ自体、太陽電池セル３上に存在せず、太陽電池セル３上の受光領域２２を説明するために、図３に示した便宜上の仮想線である。

太陽電池セル３の受光面は、集光フレネルレンズ２の集光領域１５の個数に合わせて、区切り線２１により縦横５等分された５×５の等面積の正方形の受光領域２２に区分されている。集光フレネルレンズ２の集光領域１５と太陽電池セル３の受光領域２２とは１：１に対応付けられる。集光フレネルレンズ２がｍ×ｎの集光領域１５に区分されているときは、太陽電池セル３もｍ×ｎの集光領域２２に区分される。

太陽電池セル３の各受光領域２２には、集光フレネルレンズ２の対応する集光領域１５からの集光光１２により円形の太陽光スポット２３が生成される。もし、集光フレネルレンズ２からの集光光１２の太陽光スポットが、太陽電池セル３全体に１つしか形成されないならば、太陽電池セル３の四隅は、太陽光スポットの光が当らずに、太陽電池セル３の発電効率が低下する。また、これを回避するために、太陽光スポットの直径を増大して、太陽光スポットが太陽電池セル３全体に当るようにすると、太陽光スポットの一部が太陽電池セル３からはみ出てしまい、太陽電池セル３における太陽光の光量（エネルギー）が低下してしまう。

これに対し、太陽光発電装置１では、太陽電池セル３の隅部にも、該隅部に属する各受光領域２２に太陽光スポット２３が生成される。したがって、太陽光が太陽電池セル３の外に漏れるのが抑制されつつ、太陽電池セル３において太陽光が当らない面積が減少する。この結果、太陽電池セル３における太陽光が均一化されつつ、太陽電池セル３への集光率が増大して、太陽光発電装置１の発電効率を上げることができる。

図４を参照して、受光領域２２と該受光領域２２に生成される太陽光スポット２３との関係について説明する。内接円２３ａ及び外接円２３ｂは、それぞれ正方形の受光領域２２の内接円及び外接円となっている。太陽電池セル３の各受光領域２２には、集光フレネルレンズ２の対応する集光領域１５からの集光光１２により太陽光スポット２３が生成される。生成される太陽光スポット２３は、内接円２３ａ及び外接円２３ｂと同心で、円周が内接円２３ａと外接円２３ｂとの間の範囲に収まるものとなっている。すなわち、太陽光スポット２３は、それが最小のときは内接円２３ａになり、最大のときは外接円２３ｂになる。

なお、太陽光スポット２３が内接円２３ａから外接円２３ｂまでの間の範囲となることは、集光フレネルレンズ２の集光領域１５が入射光１１の方向から見て正方形及び長方形のいずれの場合であっても、可能であり、かつそのように各集光領域１５からの集光光１２の光軸及び焦点が設定される。集光フレネルレンズ２の集光領域１５が入射光１１の方向から見て長方形であっても、集光領域１５からの集光光１２の光軸が、太陽電池セル３の受光領域２２の中心を通るように設定し、焦点を調整することにより、受光領域２２に内接円２３ａから外接円２３ｂまでの寸法範囲の太陽光スポット２３を生成することができる。

内接円２３ａの太陽光スポット２３は、受光領域２２の四隅に太陽光スポット２３が当らない領域が生じる。太陽光スポット２３を内接円２３ａから外接円２３ｂの方へ拡大していくに連れて、太陽光スポット２３が照射されない四隅の面積が減少するとともに、隣りの受光領域２２へはみ出す太陽光スポット２３の部分の面積が増大する。そして、太陽光スポット２３が外接円２３ｂになったとき、受光領域２２全体に太陽光スポット２３が照射されるが、受光領域２２からはみ出る太陽光スポット２３の部分の面積が最大になる。

各受光領域２２に生成される太陽光スポット２３が等径に設定されるときは、縦横隣り合う受光領域２２同士が、隣りの受光領域２２からの太陽光スポット２３のはみ出し部分に照射され、この部分が、太陽光スポット２３の重複照射部分になって、光度が増大する。しかしながら、重複照射部分の面積は、太陽電池セル３の面積全体から見て制限されているので、太陽電池セル３における太陽光の光量の均一性は確保される。

図５を参照して、集光光１２の集光元の集光フレネルレンズ２の集光領域１５と集光光１２の集光先の太陽電池セル３の受光領域２２との代表的な対応関係について説明する。該対応関係は、１つだけでなく、種々存在する。

集光光１２の集光元及び集光先の対応関係を説明するために、集光フレネルレンズ２の集光領域１５及び太陽電池セル３の受光領域２２の縦横の各位置を、行列の要素位置の定義に倣い、（行番号，列番号）で表すことにする。この表記方式によると、集光フレネルレンズ２及び太陽電池セル３において、左上隅の集光領域１５及び受光領域２２の位置は、（１，１）となり、右上隅の集光領域１５及び受光領域２２の位置は、（１，５）となり、左下隅の集光領域１５及び受光領域２２の位置は、（５，１）となり、右下隅の集光領域１５及び受光領域２２の位置は（５，５）となる。

図５（ａ）は、集光光１２の集光元及び集光先の関係にある集光領域１５の縦横位置と受光領域２２の縦横位置とが同一となっている例である。集光フレネルレンズ２の（１，１），（１，２），・・・，（５，４），（５，５）の集光領域１５からの集光光１２の集光先は、（行番号，列番号）が同一である太陽電池セル３の（１，１），（１，２），・・・，（５，４），（５，５）の受光領域２２となっている。すなわち、集光フレネルレンズ２の（ｕ，ｖ）の集光領域１５と、太陽電池セル３の（ｕ，ｖ）の受光領域２２とが１：１に対応している。

図５（ｂ）は、集光光１２の集光元及び集光先の関係にある集光領域１５の縦横位置と受光領域２２の縦横位置とが、行番号と列番号とを相互に入れ替えたものになっている例である。集光フレネルレンズ２の（１，１），（１，２），・・・，（５，４），（５，５）の集光領域１５からの集光光１２の集光先は、（１，１），（２，１），・・・，（４，５），（５，５）の受光領域２２となっている。すなわち、集光フレネルレンズ２の（ｕ，ｖ）の集光領域１５と、太陽電池セル３の（ｖ，ｕ）の受光領域２２とが１：１に対応している。

図５（ｃ）は、集光光１２の集光元及び集光先の関係にある集光領域１５の縦横位置と受光領域２２の縦横位置とが、点対称の関係になっている例である。集光フレネルレンズ２の（１，１），（１，２），・・・，（５，４），（５，５）の集光領域１５からの集光光１２の集光先は、（３，３）に対して点対称関係にある太陽電池セル３の（５，５），（５，４），・・・，（１，２），（１，１）の受光領域２２となっている。すなわち、集光フレネルレンズ２の（ｕ，ｖ）の集光領域１５と、太陽電池セル３の（６−ｕ，６−ｖ）の受光領域２２とが１：１に対応している。

太陽光発電装置１では、集光フレネルレンズ２のｍ×ｎ個の集光領域１５と太陽電池セル３のｍ×ｎ個の受光領域２２とを１：１に対応付けて、各受光領域２２に太陽光スポット２３を形成するようになっている。したがって、太陽光発電装置１はホモジナイザを装備しないにもかかわらず、太陽電池セル３は、正方形に制限されることなく、長方形であっても、太陽電池セル３の受光面における太陽光の光量（エネルギー量）を均一化することができる。

本発明を実施形態について説明したが、本発明は実施形態に限定されることなく、要旨の範囲内で種々に変形して実施することができる。

例えば、図４では、太陽電池セル３の各受光領域２２に等しい径の太陽光スポット２３が形成されることになっているが、受光領域２２ごとに、太陽光スポット２３の寸法を相違させてもよい。例えば、太陽電池セル３の周辺の受光領域２２の太陽光スポット２３は、最小の内接円２３ａとし、それより内側の受光領域２２の太陽光スポット２３は最小の内接円２３ａより大きい円とすることもできる。これにより、太陽電池セル３の外へはみ出す太陽光スポット２３の面積を０にしつつ、太陽電池セル３上の太陽光の均一化を図ることができる。

集光光１２の集光元の集光フレネルレンズ２の集光領域１５と集光光１２の集光先の太陽電池セル３の受光領域２２との種々の対応関係は、図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示した３つの例のほか、集光フレネルレンズ２の周辺部の集光領域１５を集光元とする集光光１２の集光先を太陽電池セル３の中央部の受光領域２２とし、集光フレネルレンズ２の中央部の集光領域１５を集光元とする集光光１２の集光先を太陽電池セル３の周辺部の受光領域２２とするようにしてもよい。

１・・・太陽光発電装置、２・・・集光フレネルレンズ、３・・・太陽電池セル、７・・・太陽、１１・・・入射光、１２・・・集光光、１５・・・集光領域、２２・・・受光領域、２３・・・太陽光スポット、２３ａ・・・内接円、２３ｂ・・・外接円。

Claims (2)

1. 矩形の太陽電池セルと、
   入射された太陽光を前記太陽電池セルへ向けて集光する集光フレネルレンズとを備える太陽光発電装置であって、
   前記集光フレネルレンズの光集光面は、太陽光の入射光量が等しくなるようにｍ×ｎ（ただしｍ，ｎの一方は１以上、他方は２以上の整数）個の複数の集光領域に区分され、
   前記太陽電池セルは、前記集光フレネルレンズの各集光領域と１：１に対応付けられるｍ×ｎ個の等面積かつ正方形の受光領域に区分され、
   各集光領域で集光された光が、該集光領域に対応した前記受光領域に集まるように、該受光領域に対する各集光領域の向きが個々に設定されている
   ことを特徴とする太陽光発電装置。
2. 請求項１記載の太陽光発電装置において、
   前記集光フレネルレンズの各集光領域は、前記正方形の受光領域において、該正方形の内接円と外接円との間の範囲に収まる円形の太陽光スポットを生成するように形成されていることを特徴とする太陽光発電装置。

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