JP2016063172A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】集光倍率を向上させることができる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、太陽電池パネルと、集光体と、を備えた太陽電池モジュールが提供される。前記太陽電池パネルは、太陽電池セルを有する。前記集光体は、外部から入射する光を反射し前記太陽電池セルに照射する。前記集光体は、第１の放物面と、第２の放物面と、を有する。前記第１の放物面は、第１の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第１の部分に照射する。前記第２の放物面は、前記第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第２の部分であって前記第１の部分とは異なる第２の部分に照射する。前記太陽電池セルからみて、前記第１の放物面は、前記第２の放物面とは非対称である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池モジュールが、研究開発されている。太陽電池モジュールの太陽電池パネルに直接光が入射される場合、すなわち集光を行わない場合には、太陽電池パネルが比較的広い角度範囲から光を吸収できる一方で、比較的広い面積の太陽電池パネルが必要となる。すると、太陽電池モジュールが高価になる。

太陽電池モジュールの面積当たりコストについては、安価な集光体と太陽電池パネルとを組み合わせることで低減できる可能性がある。集光体と太陽電池パネルとを組み合わせる技術として、集光レンズあるいはＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）などと呼ばれる集光体がある。しかし、集光レンズあるいはＣＰＣを太陽電池モジュールに用いると、太陽の光の向きは季節や時間などに応じて変化するため、太陽電池パネルを駆動し太陽を追尾させる駆動装置が必要となる。すると、太陽電池モジュールが高価になる。

また、太陽電池モジュールの面積当たりコストについては、太陽電池パネルの面積を狭くすることで低減できる可能性がある。太陽電池パネルの面積を狭くするために、太陽電池モジュールの集光倍率の向上が望まれる。

特開２０１０−１６９９８１号公報 特開２０１０−１３４１３１号公報

本発明の実施形態は、集光倍率を向上させることができる太陽電池モジュールを提供する。

実施形態によれば、太陽電池パネルと、集光体と、を備えた太陽電池モジュールが提供される。前記太陽電池パネルは、太陽電池セルを有する。前記集光体は、外部から入射する光を反射し前記太陽電池セルに照射する。前記集光体は、第１の放物面と、第２の放物面と、を有する。前記第１の放物面は、第１の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第１の部分に照射する。前記第２の放物面は、前記第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第２の部分であって前記第１の部分とは異なる第２の部分に照射する。前記太陽電池セルからみて、前記第１の放物面は、前記第２の放物面とは非対称である。

実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的概念図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的斜視図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的平面図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールに入射する光を表す模式的平面図である。 放物線において反射する光を説明する模式的平面図である。 実施形態の集光体の他の例を表す模式図である。 他の実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的斜視図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的概念図である。 光の全反射を説明する模式図である。 太陽電池パネルの傾きの違いを説明する模式的平面図である。 太陽電池パネルの設置方法を説明する模式的平面図である。 ３つの太陽電池モジュールが接続された例を表す模式的平面図である。 実施形態の反射防止膜を説明する模式的平面図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールの例を表す模式的平面図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールの他の例を表す模式的平面図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールのさらに他の例を表す模式的平面図である。 実施形態にかかる太陽電池モジュールのさらに他の例を説明する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的概念図である。
図２は、実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的斜視図である。

実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、太陽電池パネル１１０と、集光体１２０と、を備え、例えば南向きの屋根２２１などに設置される。
太陽電池パネル１１０は、太陽電池セル１１１を有する。例えば、太陽電池セル１１１は、太陽電池パネル１１０の内部に配置されている。太陽電池パネル１１０（太陽電池セル１１１）は、入射した光を電力に変換する。

図１および図２に表した太陽電池モジュール１００では、２つの太陽電池パネル１１０と、２つの集光体１２０が設けられている。但し、太陽電池パネル１１０の数および集光体１２０の数は、これだけには限定されない。

図２に表したように、集光体１２０は、第１の集光板１２１と、第２の集光板１２２と、を有する。太陽電池パネル１１０は、第１の集光板１２１と、第２の集光板１２２と、の間に設けられている。第１の集光板１２１は、第１の放物面１２３を有する。言い換えれば、第１の集光板１２１は、放物面形状を有する。第２の集光板１２２は、第２の放物面１２４を有する。言い換えれば、第２の集光板１２２は、放物面形状を有する。第１の集光板１２１の第１の放物面１２３の凹面は、第２の集光板１２２の第２の放物面１２４の凹面と対向している。第１の集光板１２１の第１の放物面１２３の形状は、第２の集光板１２２の第２の放物面１２４の形状とは異なる。つまり、太陽電池パネル１１０からみて、第２の集光板１２２は、第１の集光板１２１と非対称である。

図１に表したように、集光体１２０は、例えば太陽２１０の光２１１を反射し太陽電池パネル１１０へ導く。実施形態においては、太陽２１０の最低太陽高度Ａ１１を３０度とし、太陽２１０の最高太陽高度Ａ１３を８０度とする。例えば、最低太陽高度Ａ１１は、冬場の太陽２１０の高度である。例えば、最高太陽高度Ａ１３は、夏場の太陽２１０の高度である。太陽２１０の高度が最低太陽高度Ａ１１である場合には、光２１１の入射角度Ａ１２（第１の入射角度）は、６０度である。一方で、太陽２１０の高度が最高太陽高度Ａ１３である場合には、光２１１の入射角度Ａ１４（第２の入射角度）は、１０度である。入射角度Ａ１２は、期間１年における太陽光の最大入射角度である。入射角度Ａ１４は、期間１年における太陽光の最小入射角度である。東西方向は日の出から日の入りまで太陽光の角度が１８０°変化するので、時間を限った集光しかできない。時間を限れば、東西方向においても集光を行うことができる。

前述したように、第１の集光板１２１および第２の集光板１２２のそれぞれは、放物面を有する。例えば、放物線を表す式が、ｙ＝ｘ^２／（４ｐ）である場合においては、ｙ軸に平行に入射した光は、放物線の焦点（０，ｐ）に集まる。この放物線の性質を用いると、集光が可能となる。具体的には、焦点（０，ｐ）が太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内に含まれるように、第１の集光板１２１および第２の集光板１２２を設置する。

第１の集光板１２１の第１の放物面１２３の焦点は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内の第１の部分に存在する。第２の集光板１２２の第２の放物面１２４の焦点は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内の第２の部分に存在する。第２の部分は、第１の部分とは異なる。より好ましくは、第１の集光板１２１の第１の放物面１２３の焦点は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の第１の端部に位置する。より好ましくは、第２の集光板１２２の第２の放物面１２４の焦点は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の第２の端部に位置する。

これについて、図面を参照しつつさらに説明する。
なお、本願明細書において、「端部」とは、任意の物体の端だけではなく、その端から物体の内側の部分であって、その物体の所定の方向の長さに対する比率が１０％の範囲の部分、および、その端から物体の外側の部分であって、その物体の所定の方向の長さに対する比率が５％の範囲の部分の少なくともいずれかの部分を含むものとする。

図３は、実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的平面図である。
図４は、実施形態にかかる太陽電池モジュールに入射する光を表す模式的平面図である。
図５は、放物線において反射する光を説明する模式的平面図である。

図４（ａ）は、最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光２１１が太陽電池モジュール１００に入射する状態を表す模式的平面図である。図４（ｂ）は、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光２１１が太陽電池モジュール１００に入射する状態を表す模式的平面図である。図４（ｃ）は、太陽高度Ａ１５が４５度の太陽２１０の光２１１が太陽電池モジュール１００に入射する状態を表す模式的平面図である。図４（ｄ）は、太陽高度Ａ１６が６０度の太陽２１０の光２１１が太陽電池モジュール１００に入射する状態を表す模式的平面図である。

図３に表したように、第１の集光板１２１および第２の集光板１２２のそれぞれは、放物面形状を有する。太陽電池パネル１１０からみて、第２の集光板１２２は、第１の集光板１２１と非対称である。

図４（ａ）〜図４（ｄ）に表したように、第１の集光板１２１は、第１の放物線１６１に沿って形成されている。第２の集光板１２２は、第２の放物線１６２に沿って形成されている。図４（ａ）〜図４（ｄ）に表した例において、第１の軸１７１は、最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光２１１の進行方向と平行であり、第１の放物線１６１のｙ軸に相当する。第２の軸１７２は、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光２１１の進行方向と平行であり、第２の放物線１６２のｙ軸に相当する。

図４（ａ）に表したように、第１の軸１７１（第１の放物線１６１のｙ軸）に平行に入射した光２１１の一部は、第１の集光板１２１において反射し、第１の放物線１６１の焦点１６６に集まる。また、第１の軸１７１に平行に入射した光２１１であって、第１の集光板１２１において反射しない光２１１は、太陽電池パネル１１０に直接的に入射する。

図４（ｂ）に表したように、第２の軸１７２（第２の放物線１６２のｙ軸）に平行に入射した光２１１の一部は、第２の集光板１２２において反射し、第２の放物線１６２の焦点１６７に集まる。また、第２の軸１７２に平行に入射した光２１１であって、第２の集光板１２２において反射しない光２１１は、太陽電池パネル１１０に直接的に入射する。

図４（ｃ）に表したように、例えば太陽高度Ａ１５が４５度の太陽２１０の光２１１の一部は、第１の集光板１２１において反射し、第１の放物線１６１の焦点１６６からみて第２の放物線１６２の焦点１６７の側の太陽電池パネル１１０に入射する。また、例えば太陽高度Ａ１５が４５度の太陽２１０の光２１１であって、第１の集光板１２１において反射しない光２１１は、太陽電池パネル１１０に直接的に入射する。

図４（ｄ）に表したように、例えば太陽高度Ａ１６が６０度の太陽２１０の光２１１の一部は、第２の集光板１２２において反射し、第２の放物線１６２の焦点１６７からみて第１の放物線１６１の焦点１６６の側の太陽電池パネル１１０に入射する。また、例えば太陽高度Ａ１６が６０度の太陽２１０の光２１１であって、第２の集光板１２２において反射しない光２１１は、太陽電池パネル１１０に直接的に入射する。

放物線において反射する光２１１について、さらに説明する。
図５に表したように、第１の放物線１６１を表す式が、ｙ＝ｘ^２／（４ｐ）である場合には、第１の軸１７１に平行に進行する光は、第１の放物線１６１の焦点１６６（０，ｐ）に集まる。また、第２放物線１６２を表す式が、ｙ＝ｘ^２／（４ｑ）である場合には、第２の軸１７２に平行に進行する光は、第２の放物線１６２の焦点１６７（０，ｑ）に集まる。

ここで、ｘを反時計回りに角度θだけ回転させてＸとし、ｙを反時計回りに角度θだけ回転させてＹとする回転行列は、次の式で表される。

第１の軸１７１をｙ軸とすると、第１の放物線１６１を表す式は、次のようになる。

第２の軸１７２をｙ軸とすると、第２の放物線１６２を表す式は、次のようになる。

なお、式（２）および式（３）に表した「ａ」は、太陽電池セル１１１の幅である。式（２）に表した角度θは、最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光の入射角度Ａ１２である。式（３）に表した角度φは、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光の入射角度Ａ１４である。

次に、第１の軸１７１を第１のｙ軸１７６に変換する場合には、時計方向に角度θだけ回転させ原点位置を調整する。第１の軸１７１を第１のｙ軸１７６に変換し、原点位置を調整すると、次のようになる。

第２の軸１７２を第２のｙ軸１７７に変換する場合には、時計方向に角度φだけ回転させ原点位置を調整する。第２の軸１７２を第２のｙ軸１７７に変換し、原点位置を調整すると、次のようになる。

なお、屈折率ｎの屈折率層が設けられる場合には、θ’＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θ）／ｎ）の式が成り立つ。このとき、大気の屈折率（ｎ_大気）を「１」としている。屈折率層の詳細については、後述する。

図４（ａ）〜図４（ｄ）に表したように、実施形態にかかる太陽電池モジュール１００では、第１の放物線１６１の焦点１６６は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内に含まれる。また、第２の放物線１６２の焦点１６７は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内に含まれる。

第１の放物線１６１の焦点１６６は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内の第１の部分１１３に存在する。第２の放物線１６２の焦点１６７は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の範囲内の第２の部分１１４に存在する。第２の部分１１４は、第１の部分１１３とは異なる。より好ましくは、第１の放物線１６１の焦点１６６は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の第１の端部１１５に位置する。より好ましくは、第２の放物線１６２の焦点１６７は、太陽電池パネル１１０（あるいは太陽電池セル１１１）の第２の端部１１６に位置する。「端部」は、図１および図２に関して前述した通りである。

実施形態によれば、最低太陽高度Ａ１１と最高太陽高度Ａ１３との間の太陽２１０の光２１１の全てが、太陽電池パネル１１０に入射する。太陽電池パネル１１０からみて互いに非対称の第１の集光板１２１および第２の集光板１２２を用いると、例えば太陽光の利用には比較的不向きな北向きの屋根に太陽電池モジュール１００を設置することができる。実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は、前述した第１の集光板１２１と、前述した第２の集光板１２２と、を備える。これにより、太陽電池モジュール１００が第１の集光板１２１および第２の集光板１２２を備えていない場合と比較すると、集光倍率を向上させ、太陽電池パネル１１０の面積を狭くすることができる。

集光倍率は、太陽電池セル１１１の幅ａと、太陽電池セル１１１のピッチｄと、を用いると「ｄ／ａ」で表される（図２参照）。集光倍率（ｄ／ａ）は、集光体１２０の高さｈ（図２参照）により規定される。集光体１２０の高さｈを相対的に高くすると、集光倍率は、相対的に高くなる。前述したように、実施形態にかかる太陽電池モジュール１００は集光倍率を向上させることができるため、集光体１２０の高さｈを抑えても集光倍率を確保することができる。これにより、太陽電池モジュール１００を薄型化することができる。なお、集光板１２１における光の反射は、一般的には１００％ではない。そのため、ｄ／ａは、集光板１２１における光の反射率が１００％である場合と比較すると減少する。このため、便宜上、実施形態では理想的集光倍率として集光倍率をｄ／ａとする。

第１の放物線１６１の焦点１６６が第１の端部１１５に位置し、第２の放物線１６２の焦点１６７が第２の端部１１６に位置する場合には、最大の集光倍率が得られる。これにより、太陽電池セル１１１および太陽電池パネル１１０を最小化することができる。
また、集光体１２０が有する放物面形状は、基本的な幾何形状である。そのため、集光体１２０の加工は、比較的容易である。

実施形態によれば、太陽電池モジュール１００は、１年中、同じような動作を行うことができる。これにより、太陽電池パネル１１０は、季節に応じて太陽２１０を追尾しなくともよい。そのため、太陽電池パネル１１０を駆動する駆動装置などを不要とすることができる。

図６は、実施形態の集光体の他の例を表す模式図である。
図６（ａ）は、この例の集光体において反射する光を表す模式的平面図である。図６（ｂ）は、第２の集光板の角度を変化させたときの光の反射状態を表すグラフ図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）に表した例では、第１の集光板１２５は、平面を有する。言い換えれば、第１の集光板１２５は、平面形状を有する。第２の集光板１２６は、平面を有する。言い換えれば、第２の集光板１２６は、平面形状を有する。

この例では、第１の集光板１２５および第２の集光板１２６のそれぞれの高さｈは、ｈ＝ａ・ｓｉｎ（θ_ｍａｘ−θ_ｍｉｎ）で表される。また、集光倍率は、１＋ｃｏｓ（θ_ｍａｘ−θ_ｍｉｎ）−ｈ／ａ／ｔａｎ（θ_ｍａｘ）で表される。
角度θ_ｍｉｎ、角度θ_ｍａｘ、および太陽電池セル１１１の幅ａについては、θ_ｍｉｎ＝３０度、θ_ｍａｘ＝８０度、およびａ＝４センチメートル（ｃｍ）にそれぞれ設定した。

この場合において、高さｈについては、ｈ＝３．０６ｃｍとなった。集光倍率は、約１．５０８程度となった。

図６（ｂ）に表したように、第２の集光体１２６ａを採用すると、第２の集光体１２６ａにおいて反射し太陽電池パネル１１０に入射する光２１１が比較的少ない。そのため、第２の集光体１２６ａについては、改善の余地がある。
第２の集光体１２６ｃを採用すると、第２の集光体１２６ｃにおいて反射した光２１１のうちの比較的多くの部分が、太陽電池パネル１１０に入射せず、太陽電池パネル１１０の外部に放射される。そのため、第２の集光体１２６ｃについては、改善の余地がある。

第２の集光体１２６ｂを採用すると、第２の集光体１２６ｂにおいて反射した光２１１のうちの比較的多くの部分が、太陽電池パネル１１０に入射する。そのため、第２の集光体１２６ｂについては、集光倍率を増大可能な余地がある。
この例では、太陽電池セル１１１の幅ａ、第１の集光板１２５および第２の集光板１２６のそれぞれの高さｈ、ならびに角度θ_ｍｉｎ、θ_ｍａｘについて、制限式がある。

第１の集光板１２５および第２の集光板１２６のそれぞれが平面形状を有する場合には、放物線のようには焦点が存在しない。そのため、第１の集光板１２５および第２の集光板１２６のそれぞれが放物面形状を有する場合と比較して、光２１１を分散させることができる。

次に、他の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図７は、他の実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的斜視図である。

実施形態にかかる太陽電池モジュール１００ａは、太陽電池パネル１１０と、集光体１３０と、を備える。
太陽電池パネル１１０は、図１〜図６に関して前述した通りである。

図７に表した太陽電池モジュール１００ａでは、２つの太陽電池パネル１１０と、２つの集光体１３０が設けられている。但し、太陽電池パネル１１０の数および集光体１３０の数は、これだけには限定されない。

図１〜図６に関して前述した実施形態では、集光体１２０は、光２１１を反射する。光２１１が任意の物体表面において反射すると、ロス（反射ロス）が生ずる。
実施形態では、反射面積を減少させることにより反射ロスを減少させ、集光倍率のさらなる向上を図る。

集光体１３０の屈折率は、大気の屈折率よりも高い。つまり、集光体１３０は、いわゆる高屈折率材料を含む。集光体１３０の材料としては、例えばポリメチルメタクリレート樹脂（アクリル樹脂：ＰＭＭＡ；Poly Methyl Methacrylate）などが挙げられる。集光体１３０は、例えば射出成形などにより形成される。図７に表したように、集光体１３０は、太陽電池パネル１１０の側に凸の形状を有し、第１の放物面１３１と、第２の放物面１３２と、を有する。太陽電池パネル１１０からみて、第２の放物面１３２は、第１の放物面１３１と非対称であってもよいし、対称であってもよい。

光２１１は、集光体１３０の表面（第１の放物面１３１および第２の放物面１３２）のうちの少なくとも一部において全反射することが好ましい。光２１１が全反射する領域においては、集光体１３０の表面にミラーコーティングを施す必要がない。これにより、光２１１が全反射する領域において、反射ロスを減少させることができる。

なお、実施形態では、第１の放物面１３１および第２の放物面１３２の全てにミラーコーティングを施すことを排除するわけではない。図１〜図６に関して前述したように、第１の放物面１３１および第２の放物面１３２の全てが光２１１を反射する場合であっても、集光倍率を向上させることができる。

前述したように、集光体１３０は、高屈折率材料を含む。これにより、光２１１の入射角度を緩和することができる。
これについて、図面を参照しつつさらに説明する。

図８は、実施形態にかかる太陽電池モジュールを表す模式的概念図である。
集光体１３０の屈折率が大気の屈折率よりも高いため、図８に表したように、屈折角Ａ２２は、入射角Ａ２１よりも小さい。そのため、集光体１３０の内部における実質的な入射角度を広くすることができる。つまり、光２１１の入射角度を緩和することができる。これにより、入射角度が同じ範囲であれば、太陽電池モジュール１００ａを薄型化することができる。

光２１１の入射角度の範囲をより拡大するためには、集光体１３０の透明度がより高いことがより好ましい。また、光２１１の入射角度の範囲をより拡大するためには、集光体１３０の材料として、より高い屈折率の材料を用いることがより好ましい。さらに、集光体１３０の内部から外部へ向けて屈折率を徐々に低くすると、光２１１の閉じ込め効果がより高くなる。

図８に表した右側の太陽電池モジュール１００ａは、第１の放物面１３１および第２の放物面１３２の全てにミラーコーティング１３５が施された例である。
図８に表した左側の太陽電池モジュール１００ａは、第１の放物面１３１の一部および第２の放物面１３２の一部にミラーコーティング１３５が施された例である。より具体的には、第１の放物面１３１のうちの領域Ｆ１および第２の放物面１３２のうちの領域Ｆ２にミラーコーティング１３５が施されている。

ミラーコーティング１３５の材料としては、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などが挙げられる。

図９は、光の全反射を説明する模式図である。
図９（ａ）は、実施形態にかかる太陽電池モジュールに入射する光を表す模式的平面図である。図９（ｂ）は、ミラーコーティングの不要な範囲を例示する模式的平面図である。

集光体１３０の放物面において最も全反射が起こりにくい光は、放物線の軸に平行な光である。図９（ａ）に表したように、例えば第２の放物面１３２において最も全反射が起こりにくい光は、放物線の軸１７３に平行な光２１１である。そのため、実施形態では、放物線の軸１７３に平行な光２１１が全反射を生ずる条件を考慮する。
なお、図９（ａ）および図９（ｂ）は、太陽電池パネル１１０からみて、第２の放物面１３２が第１の放物面１３１と対称である例を表している。

集光体１３０の屈折率を「ｎ」とし、放物線の式をｙ＝ｘ^２／（４ｐ）とすると、放物線の軸１７３に平行な光２１１が全反射を生ずる条件は、次の式で表される。

なお、式（６）の中の「ｐ」は、放物線の焦点の値である。太陽電池パネル１１０からみて、第２の放物面１３２が第１の放物面１３１と非対称である場合には、第１の放物面１３１の焦点の値ｐは、第２の放物面１３２の焦点の値ｐとは異なる。

太陽電池パネル１１０の傾きが急である場合には、太陽電池パネル１１０の条件が変わる。これについて、図面を参照しつつ説明する。

図１０は、太陽電池パネルの傾きの違いを説明する模式的平面図である。
図１１は、太陽電池パネルの設置方法を説明する模式的平面図である。
図１０（ａ）は、図１０（ｂ）の例と比較して、太陽電池パネルの傾きが緩やかである例を表す模式的平面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の例と比較して、太陽電池パネルの傾きが急である例を表す模式的平面図である。
図１１（ａ）は、設置場所が水平である例を表す模式的平面図である。図１１（ｂ）は、設置場所が傾いている例を表す模式的平面図である。

図１０（ａ）に表した太陽２１０ａの太陽高度は、図１０（ｂ）に表した太陽２１０ａの太陽高度と同じである。図１０（ａ）に表した太陽２１０ｃの太陽高度は、図１０（ｂ）に表した太陽２１０ｃの太陽高度と同じである。図１０（ｂ）に表した太陽２１０ｂの太陽高度は、太陽２１０ｃと太陽２１０ａとの間の太陽高度である。

図１０（ｂ）では、太陽電池パネル１１０は、太陽とは逆側に傾斜した場所（例えば北向きの屋根など）に設置されている。この場合には、図１０（ｂ）に表したように、最低太陽高度の太陽２１０ｃの光２１１は、集光体１３０には入射されず、太陽電池パネル１１０には入射されない。図１０（ｂ）の例の他の状況としては、太陽高度が他の地域と比較して低い北極や南極、あるいは山の北側などが挙げられる。

そこで、このような場合には、太陽電池パネル１１０が設置された場所（例えば土地や屋根など）の傾斜角度に応じて、第１の放物面１３１の角度などを適宜変更する。

例えば、図１１（ａ）に表したように、水平面２２５に対して角度Ａ１８で傾斜した場所に太陽電池パネル１１０が設置される場合には、設置場所の角度Ａ１８の分だけ入射角度を減らす。つまり、設置場所の角度Ａ１８に応じて、最高太陽高度Ａ１３の太陽の光の入射角度および最低太陽高度Ａ１１の太陽の光の入射角度を適宜変更する。
なお、この例では、太陽電池パネル１１０が平坦な場所に設置されることを想定している。

図９（ｂ）に戻って説明すると、太陽電池セル１１１の付近の領域では、集光体１３０の形状によりミラーコーティング１３５が必要である。一方で、太陽電池セル１１１から所定の距離だけ離れた領域では、集光体１３０に入射した光２１１は、全反射を生ずる。そのため、光２１１が全反射を生ずる領域では、ミラーコーティング１３５を施す必要はなく、反射ロスを減少させることができる。図９（ｂ）は、集光体１３０の屈折率ｎが「１．４９３」である場合を例示している。

図１２は、３つの太陽電池モジュールが接続された例を表す模式的平面図である。
図１２（ａ）は、ミラーコーティング１３５が集光体１３０に施されていない例を表す模式的平面図である。図１２（ｂ）は、ミラーコーティング１３５が集光体１３０の一部に施された例を表す模式的平面図である。図１２（ｃ）は、反射防止膜１４１が設けられた例を表す模式的平面図である。

図１２（ａ）に表した例では、３つの太陽電池モジュール１００ａが接続されている。２つの太陽電池モジュール１００ａが互いに隣り合う領域Ｆ３では、第１の放物面１３１は、第２の放物面１３２とは直接的には接続されていないことがある。この場合でも、第１の放物面１３１および第２の放物面１３２の全てにおいて、全反射を生じさせることができる。これにより、図１２（ａ）に表した例では、ミラーコーティング１３５は、施されていない。

集光体１３０の材料としては、ＰＭＭＡなどが挙げられる。ＰＭＭＡの屈折率は、「１．４９３」である。集光体１３０は、板部１３３を有する。板部１３３は、複数の集光体１３０が互いに離れて別体となることを抑える。板部１３３の厚さＤ１は、例えば０．５ｃｍ程度である。

図１２（ｂ）に表した例では、図１２（ａ）に表した例と比較して、ミラーコーティング１３５が第１の放物面１３１の一部に施されている。ミラーコーティング１３５の材料としては、例えば銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などが挙げられる。但し、ミラーコーティング１３５の材料は、これだけには限定されず、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などと同様の反射率を有する材料であってもよい。

例えば、太陽２１０の最低太陽高度Ａ１１を３０度とし、太陽２１０の最高太陽高度Ａ１３を８０度とする。この場合には、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光２１１の入射角度は、１０度である。最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光２１１の入射角度は、６０度である。集光体１３０の材料がＰＭＭＡである場合には、ＰＭＭＡの屈折率が「１．４９３」であるため、集光体１３０の内部における実質的入射角度は、６．６８度以上、３５．４５度である。

太陽電池セル１１１の幅ａを、４ｃｍとする。板部１３３の厚さＤ１を０．５ｃｍとし、太陽電池パネル１１０と板部１３３の下部との間の寸法Ｄ２を３．５ｃｍとする。板部１３３の上面には、１００ナノメートル（ｎｍ）のＭｇＦ_２を堆積させている。

このような条件に基づいて計算を行うと、第１の放物面１３１の高さが２．８３ｃｍ以下の領域では、全反射が生じない。一方で、第１の放物面１３１の高さが２．８３ｃｍよりも高い領域では、全反射が生ずる。そのため、図１２（ｂ）に表した例では、ミラーコーティング１３５の高さＤ３は、２．８３ｃｍである。言い換えれば、第１の放物面１３１の高さが２．８３ｃｍよりも高い領域では、ミラーコーティング１３５が不要である。理想的な集光倍率は、約１．７８倍程度となる。

図１２（ｃ）に表した例では、図１２（ｂ）に表した例と比較して、太陽電池パネル１１０からみて集光体１３０とは反対側に反射防止膜１４１が設けられている。反射防止膜１４１は、集光体１３０の内部を通過し太陽電池パネル１１０へ進行する光２１１が集光体１３０の表面において反射することを抑制する。
反射防止膜について、図面を参照しつつさらに説明する。

図１３は、実施形態の反射防止膜を説明する模式的平面図である。
図１３（ａ）は、３つの太陽電池モジュール１００ａが接続された例を表す模式的平面図である。図１３（ｂ）は、実施形態の集光体１３０の内部における光２１１の進行を例示する模式的平面図である。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）に表した例では、集光体１３０の板部１３３の上面に第１の反射防止膜１４３が設けられている。第１の反射防止膜１４３の屈折率は、大気の屈折率よりも高く、集光体１３０の屈折率よりも低い。第１の反射防止膜１４３の屈折率は、約１．２２程度であることがより好ましい。あるいは、第１の反射防止膜１４３の材料は、ＭｇＦ_２（屈折率≒１．３８）であってもよい。

図１３（ｂ）に表した矢印Ａ３１のように、集光体１３０の内部を通過し太陽電池パネル１１０へ進行する光２１１が、集光体１３０と、太陽電池パネル１１０と、の間の境界面において反射することは好ましくない。図１３（ｂ）に表した矢印Ａ３２のように、集光体１３０の内部を通過し太陽電池パネル１１０へ進行する光２１１は、集光体１３０と、太陽電池パネル１１０と、の間の境界面を通過し太陽電池パネル１１０に入射することが好ましい。

そこで、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に表した例では、第２の反射防止膜１４５が、集光体１３０と、太陽電池パネル１１０と、の間に設けられている。第２の反射防止膜１４５の屈折率は、太陽電池セル１１１の屈折率と、集光体１３０の屈折率と、の間の値を有することが好ましい。つまり、太陽電池セル１１１の屈折率を「ｎ_ｃ」とし、集光体１３０の屈折率を「ｎ_ｐ」とし、第２の反射防止膜１４５の屈折率を「ｎ_ｍ」とすると、ｎ_ｐ＜ｎ_ｍ＜ｎ_ｃの式が成立することが好ましい。あるいは、第２の反射防止膜１４５の屈折率は、集光体１３０の側から太陽電池パネル１１０の側へ徐々に小さくなってもよい（グレーデッド）。

第２の反射防止膜１４５の屈折率については、次の式を満たすことがより好ましい。

ｎ_ｍ＝（ｎ_ｃ・ｎ_ｐ）^１／２ ・・・式（７）

また、第２の反射防止膜１４５の厚さｔ_ｍについては、次の式を満たすことがより好ましい。

ｔ_ｍ＝λ／（４・（ｎ_ｃ・ｎ_ｐ）^１／２） ・・・式（８）

式（８）の中の「λ」は、光２１１の波長を表す。厚さｔ_ｍの単位は、ナノメートル（ｎｍ）である。

例えば、太陽電池セル１１１の屈折率ｎ_ｃが３．７（シリコン（Ｓｉ））であり、集光体１３０の屈折率ｎ_ｐが１．５である場合には、第２の反射防止膜１４５の屈折率ｎ_ｍは、約２．３５程度（ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３など）であることがより好ましい。あるいは、例えば、太陽電池セル１１１の屈折率ｎ_ｃが３．７（シリコン（Ｓｉ））であり、例えば反射板を用いて集光体１３０の屈折率ｎ_ｐを１とした場合には、第２の反射防止膜１４５の屈折率ｎ_ｍは、約１．９程度（Ｓｉ_３Ｎ_４など）であることがより好ましい。

これにより、集光体１３０の表面における光２１１の反射を抑え、光２１１を効率よく太陽電池パネル１１０へ導くことができる。

図１４は、実施形態にかかる太陽電池モジュールの例を表す模式的平面図である。
図１４に表した例では、２つの太陽電池モジュール１００ａが接続されている。
太陽２１０の最低太陽高度Ａ１１を３０度とし、太陽２１０の最高太陽高度Ａ１３を８０度とする。この場合には、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光２１１の入射角度は、１０度である。最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光２１１の入射角度は、６０度である。

集光体１３０の屈折率ｎ_ｐを１．４９３（ＰＭＭＡ）とする。ここで、光２１１は、集光体１３０に入射すると屈折する。そのため、集光体１３０の内部における実質的入射角度は、６．６８度以上、３５．４５度である。つまり、図１４に表した最小実質的入射角度Ａ２３は、６．６８度である。図１４の表した最大実質的入射角度Ａ２４は、３５．４５度である。

太陽電池セル１１１の幅ａを４ｃｍとする。集光体１３０の板部１３３の厚さＤ１を０．５ｃｍとする。太陽電池パネル１１０と板部１３３の下部との間の寸法Ｄ２を３．５ｃｍとする。この場合において、理想的な集光倍率（ｄ／ａ）は、約２．０６倍程度である。

図１４に表した左側の太陽電池モジュール１００ａの第１の放物面１３１には、ミラーコーティング１３５が施されている。言い換えれば、図１４に表した例では、左側の太陽電池モジュール１００ａの第１の放物面１３１にミラーコーティング１３５を施す必要がある一方で、他の放物面の比較的広い領域にはミラーコーティング１３５を施す必要はない。

図１５は、実施形態にかかる太陽電池モジュールの他の例を表す模式的平面図である。 図１５に表した例では、図１４に表した太陽電池モジュール１００ａにおいて、太陽電池セル１１１の幅ａを１ｃｍとする。すると、図１５に表したように、左側の太陽電池モジュール１００ａにおいて、第１の軸１７１が第２の放物面１３２と交差する。第１の軸１７１は、第１の放物面１３１のｙ軸に相当する。その他の構造は、図１４に関して前述した太陽電池モジュール１００ａの構造と同じである。

図４（ａ）〜図４（ｄ）に関して前述したように、第１の軸１７１は、最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光２１１の進行方向と平行である。第２の軸１７２は、最高太陽高度Ａ１３の太陽２１０の光２１１の進行方向と平行である。そのため、太陽２１０の光２１１は、第１の軸１７１と第２の軸１７２との間の範囲で集光体１３０に向かって進行する。

しかし、最低太陽高度Ａ１１から所定の高度の太陽２１０の光２１１（例えば第１の軸１７１と略平行の光２１１）は、左側の太陽電池モジュール１００ａの第２の放物面１３２により遮られる。そのため、最低太陽高度Ａ１１に比較的近い高度の太陽２１０の光であって集光体１３０に入射可能な光は、図１５に表した光２１３となる。

この場合でも、左側の太陽電池モジュール１００ａの第１の放物面１３１には、ミラーコーティング１３５が施されている。図１５に表した矢印Ａ３３のように、集光体１３０に入射し右側の太陽電池モジュール１００ａの第１の放物面１３１に到達した光２１１は、第１の放物面１３１において全反射する。図１５に表した例における理想的な集光倍率（ｄ／ａ）は、約３．４倍程度である。

図１６は、実施形態にかかる太陽電池モジュールのさらに他の例を表す模式的平面図である。
図１６に表した例では、図１５に表した太陽電池モジュール１００ａにおいて、集光体１３０の板部１３３の高さを高くする。つまり、太陽電池パネル１１０と板部１３３の下部との間の寸法Ｄ２を３．５ｃｍよりも長くする。

この場合には、ミラーコーティング１３５が施された領域に最大入射角度の光２１５が到達できないことがある。最大入射角度の光２１５は、第１の軸１７１と平行の光である。言い換えれば、最大入射角度の光２１５は、最低太陽高度Ａ１１の太陽２１０の光である。そこで、図１６に表した例では、最低太陽高度Ａ１１に比較的近い高度の太陽２１０の光であってミラーコーティング１３５が施された領域に到達可能な光２１３に合わせて太陽電池モジュール１００ａを再設計する必要がある。図１６に表した例における理想的な集光倍率（ｄ／ａ）は、約４．１倍程度である。

図１７は、実施形態にかかる太陽電池モジュールのさらに他の例を説明する模式図である。
図１７（ａ）は、実施形態にかかる太陽電池モジュールのさらに他の例を表す模式的平面図である。図１７（ｂ）は、入射角度と光量との関係の一例を表すグラフ図である。図１７（ｂ）に表したグラフ図では、非集光の場合（集光体１３０を設けない場合）において入射角度が０度のときの光量を１００％とする。

図１７（ａ）に表した太陽電池モジュール１００ａは、太陽電池パネル１１０と、集光体１３０と、第１の反射防止膜１４３と、第２の反射防止膜１４５と、を備える。図１７（ａ）に表した太陽電池モジュール１００ａの構造は、図１３（ａ）に関して前述した太陽電池モジュール１００ａの構造と同様である。

第１の反射防止膜１４３は、集光体１３０の板部１３３の上面に設けられている。第１の反射防止膜１４３の材料は、ＭｇＦ_２である。第１の反射防止膜１４３は、矩形の形状を有する。第１の反射防止膜１４３の一方の辺の長さＤ４は、４ｃｍである。第１の反射防止膜１４３の他方の辺であって、一方の辺と交差する辺の長さＤ５は、８．３ｃｍである。第１の反射防止膜１４３の厚さは、１００ｎｍである。

第２の反射防止膜１４５は、集光体１３０と太陽電池パネル１１０との間に設けられている。第２の反射防止膜１４５の材料は、ＴｉＯ_２である。第２の反射防止膜１４５の厚さは、６０ｎｍである。

第１の放物面１３１には、ミラーコーティング１３５としてアルミニウムを蒸着させた部分が設けられている。この例では、アルミニウムを第１の放物面１３１の全てに蒸着させた場合、アルミニウムを第１の放物面１３１の一部に蒸着させた場合、アルミニウムを第１の放物面１３１に蒸着させない場合について、入射角度と、光量と、の関係を検討する。また、集光体１３０を設けない場合についても同様に検討する。
太陽電池セル１１１は、正方形の形状を有する。太陽電池セル１１１の一辺の長さは、４ｃｍである。
図１７（ａ）に表した太陽電池モジュール１００ａの理想的な集光倍率は、２．０６倍である。

検討結果は、図１７（ｂ）に表した通りである。
すなわち、集光体１３０を設けると、集光体１３０を設けない場合と比較して、光量が増加する。

アルミニウムを第１の放物面１３１の全てに蒸着させた場合には、光の全反射を利用することができず、反射ロスが生ずる。そのため、アルミニウムを第１の放物面１３１の全てに蒸着させた場合には、アルミニウムを第１の放物面１３１の一部に蒸着させた場合と比較して、光量が低い。但し、アルミニウムを第１の放物面１３１の全てに蒸着させた場合の光量は、アルミニウムを第１の放物面１３１に蒸着させない場合の光量よりも高い。実施形態では、アルミニウムを第１の放物面１３１の全てに蒸着させた場合を排除するわけではない。

アルミニウムを第１の放物面１３１に蒸着させない場合であっても、集光体１３０を設けると、集光効果がある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００、１００ａ 太陽電池モジュール、 １１０ 太陽電池パネル、 １１１ 太陽電池セル、 １１３ 第１の部分、 １１４ 第２の部分、 １１５ 第１の端部、 １１６ 第２の端部、 １２０ 集光体、 １２１ 第１の集光板、 １２２ 第２の集光板、 １２３ 第１の放物面、 １２４ 第２の放物面、 １２５ 第１の集光板、 １２６ 、１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ 第２の集光体、 １３０ 集光体、 １３１ 第１の放物面、 １３２ 第２の放物面、 １３３ 板部、 １３５ ミラーコーティング、 １４１ 反射防止膜、 １４３ 第１の反射防止膜、 １４５ 第２の反射防止膜、 １６１ 第１の放物線、 １６２ 第２の放物線、 １６６、１６７ 焦点、 １７１ 第１の軸、 １７２ 第２の軸、 １７３ 軸、 １７６ 第１のｙ軸、 １７７ 第２のｙ軸、 ２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ 太陽、 ２１１、２１３、２１５ 光、 ２２１ 屋根、 ２２５ 水平面

Claims (12)

1. 太陽電池セルを有する太陽電池パネルと、
   外部から入射する光を反射し前記太陽電池セルに照射する集光体と、
   を備え、
   前記集光体は、
   第１の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第１の部分に照射する第１の放物面と、
   前記第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で入射する光を反射し前記太陽電池セルの範囲内の第２の部分であって前記第１の部分とは異なる第２の部分に照射する第２の放物面と、
   を有し、
   前記太陽電池セルからみて、前記第１の放物面は、前記第２の放物面とは非対称である太陽電池モジュール。
2. 前記第１の放物面は、前記第２の放物面とは異なり、
   前記第１の部分は、前記第１の放物面の焦点であり、
   前記第２の部分は、前記第２の放物面の焦点である請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 前記第１の放物面の焦点は、前記太陽電池セルの第１の端部に位置し、
   前記第２の放物面の焦点は、前記第１の端部とは異なる前記太陽電池セルの第２の端部に位置する請求項２記載の太陽電池モジュール。
4. 前記第１の放物面の凹面は、前記第２の放物面の凹面と対向する請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
5. 前記第１の入射角度は、期間１年における太陽光の最大入射角度であり、
   前記第２の入射角度は、期間１年における太陽光の最初入射角度である請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
6. 前記集光体は、
   前記第１の放物面を形成する第１の集光板と、
   前記第２の放物面を形成する第２の集光板と、
   を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
7. 前記集光体は、前記太陽電池パネルの側に凸の形状を有し、大気の屈折率よりも高い屈折率の材料を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
8. 前記第１の入射角度で入射する光は、前記第１の放物面のうちの少なくとも一部において全反射を生じ、
   前記第２の入射角度で入射する光は、前記第２の放物面のうちの少なくとも一部において全反射を生ずる請求項７記載の太陽電池モジュール。
9. 前記第１の放物面のうちの少なくとも一部を除く前記第１の放物面に、ミラーコーティングが施され、
   前記第２の放物面のうちの少なくとも一部を除く前記第２の放物面に、ミラーコーティングが施された請求項８記載の太陽電池モジュール。
10. 前記集光体からみて前記太陽電池パネルとは反対側に設けられた第１の反射防止膜であって、前記集光体の屈折率よりも低く前記大気の屈折率よりも高い屈折率を有する第１の反射防止膜をさらに備えた請求項７〜９のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。
11. 前記集光体と前記太陽電池パネルとの間に設けられた第２の反射防止膜であって、前記集光体の屈折率と前記太陽電池セルの屈折率との間の屈折率を有する第２の反射防止膜をさらに備えた請求項１０記載の太陽電池モジュール。
12. 前記集光体は、ポリメチルメタクリレート樹脂を含む請求項７〜１１のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。

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