JP2016178258A - 光学素子および太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子に光が斜めに入射すると、光学素子内の凹部や切欠きで光が全反射せずに光学素子の外に出てしまう光が増加して、太陽電池に向かう光量が小さくなり、発電効率の低下につながっていた。【解決手段】 基板上に配置された太陽電池セルに光を集めるための集光型太陽電池モジュール用の光学素子であって、光学素子は、スリットを備え、光学素子のスリット構成面と載置面のなす角が、光学素子の外側面と載置面のなす角よりも大きいものである太陽光入射角の変化による集光効率の低下を軽減できる太陽電池モジュールを提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールに使用される光学素子および太陽電池モジュールに関するものである。

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、プリズムやレンズなどの集光手段で太陽光を太陽電池モジュールよりも小さい太陽電池セルに集光して発電する集光型太陽電池モジュールが提案されている。

集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光手段で集光することから、太陽電池セルは、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ていれば良い。つまり、集光手段の受光面積より小さいサイズの太陽電池セルで良いことから、太陽電池セル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高価な構成物である太陽電池セルの使用量を減らすことにより、省資源化、低コスト化を目指している。

しかしながら、一般的に、集光型太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール受光面の法線方向に太陽が位置するときに集光手段によって最も効率良く太陽電池セルに光が入射するように作られており、太陽の方向が前記太陽電池モジュール受光面の法線方向からずれるにしたがって集光効率が低下する。そのため、高精度な２軸追尾架台を使って太陽を高精度に追尾するシステムが採用されているが、コスト高になっている。また、高精度の２軸追尾架台を採用した場合でも、太陽の方向から入射する直達光のみを利用することができ、一般に全方位から照射される散乱光を利用することはできないため、特に薄曇りの天候のような、散乱光成分が支配的な気象条件下では、高い性能を発揮することができないという課題があった。

一方、比較的集光倍率の低い集光型太陽電池においては、固定架台や水平角だけを制御する１軸追尾などのコストの低い架台を用いることが多い。これらの太陽光発電システムにおいては、太陽の方向と太陽電池モジュールの法線方向とがずれている場合、および散乱光が多い気象条件の場合に、太陽電池モジュールに対して斜めに光が入射した際の発電効率が問題となり、例えば、太陽電池モジュールの受光面に光学素子を配置して、斜めの光に対する集光効率の低下を軽減する構造が提案されている。特許文献１には基板上に配置された太陽電池セルとセルとの間の位置に凹部を有する透明部材を備えた太陽電池モジュールが記載されている。また、特許文献２には基板上に配置された複数の太陽電池セルの間隙に対応するようにスリット上の凹部空間を有する透明部材を有する太陽電池が記載されている。

特開２０１０−１９２４６８号公報 特開２０１４−６７９２５号公報

しかしながら、光が斜めに入射すると、光学素子内の凹部や凹部空間との境界で光が全反射しない光が増加して、太陽電池セルに向かう光量が小さくなり、発電効率の低下につながっていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、斜めからの光に対して集光効率の低下を軽減できる太陽電池モジュールを得ることを目的とする。

本発明の光学素子は、基板上に配置された太陽電池セルに光を集めるための集光型太陽電池モジュール用の光学素子であって、光学素子は、スリットを備え、光学素子のスリット構成面と載置面のなす角が、光学素子の外側面と載置面のなす角よりも大きいものである。

また、本発明の光学素子は、スリットを２つ以上備えたものを含む。

本発明の太陽電池モジュールは、基板上に配置された太陽電池セルと、太陽電池セル上に配置され、太陽電池セルに光を集めるための光学素子を備えた集光型の太陽電池モジュールにおいて、光学素子のスリット構成面と太陽電池セルの面のなす角が、光学素子の外側面と前記太陽電池セルの面となす角よりも大きいものである。

また、本発明の太陽電池モジュールは、光学素子の前記スリットを２つ以上備えたものを含む。

また、本発明の太陽電池モジュールは、基板上に前記太陽電池セルを複数個に配置し、複数個の太陽電池セルに対応する光学素子を配置したものを含む。

本発明により、太陽光入射角の変化による集光効率の低下を軽減できる太陽電池モジュールを提供することができる。

本発明の太陽電池モジュールを示す部分断面図である。 本発明の光学素子を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す平面図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す斜視図である。 太陽電池モジュールの比較例を示す断面図である。 太陽電池モジュールに入射する光の経路を示す説明図である。 太陽電池モジュールに入射する光の経路を示す説明図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す部分断面図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す部分断面図である。 本発明の光学素子を示す斜視図である。 本発明の光学素子を示す断面図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の太陽電池モジュールを示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に関し説明する。以下の説明では同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについて詳細な説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の太陽電池モジュールを示す部分断面図であり、１つの太陽電池セルに対応する構造を示している。太陽電池モジュール１０において、正方形状の基板１１上に太陽電池セル１２が載置されている。基板１１としては、例えば、金属板の表面に絶縁膜を形成したものや、レジスト付き樹脂基板、セラミック基板、ガラス基板などを用いることができる。

太陽電池セル１２は一辺１２ｍｍ程度の正方形状であり、太陽電池セル１２としては、シリコン系太陽電池や、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｕＩｎＧａＳｅなどを使用した化合物半導体太陽電池などを用いることができる。

太陽電池セル１２は、透明なシリコーン樹脂からなる封止材１３で封止されている。封止材１３は、アクリル、エポキシ、ＥＶＡなどの透明な樹脂であってもよい。封止材１３上には光学素子１４が配置されている。光学素子１４は３つの光学素子１５、１６、１７からなり、光学素子１５と光学素子１６は、所定の間隔をおいて配置され、スリット１８ａが形成されている。また、光学素子１６と光学素子１７は、所定の間隔をおいて配置され、スリット１８ｂが形成されている。シリコーン樹脂の封止材１３には接着性があり光学素子１４を固定することができる。光学素子１４はガラスなどの透明な部材で構成されている。

図２は、本発明の光学素子を示す断面図である。光学素子１４の太陽光が入射する側(上側）の幅は２０ｍｍであり、太陽電池側(下側）の幅は１２ｍｍである。また、高さＨは、１０ｍｍである。光学素子の高さＨは、大きいほうが集光倍率を高くすることができるが、光学素子が重くなるために厚さは制限される。光学素子の厚さは５ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好ましい。

光学素子１５は、光学素子１４の外側面である面１５ａと、光学素子１４のスリット１８ａを構成する外側のスリット構成面である面１５ｂと、太陽電池セル上に載置される側にあって、太陽電池セルと略平行な載置面である面１５ｃと、光入射面である面１５ｄを有している。

光学素子１６は、光学素子１４のスリット１８ａ、１８ｂをそれぞれ構成する内側のスリット構成面である面１６ａ、１６ｂと、太陽電池セル上に載置される側にあって、太陽電池セルと略平行な載置面である面１６ｃと、光入射面である面１６ｄを有している。

光学素子１７は、光学素子１４の外側面である面１７ａと、光学素子１４のスリット１８ｂを構成する外側のスリット構成面である面１７ｂと、太陽電池セル上に載置される側にあって、太陽電池セルと略平行な載置面である面１７ｃと、光入射面である面１７ｄを有している。

光学素子１５，１７の外側面である面１５ａおよび面１７ａが載置面１５ｃ、１６ｃ、１７ｃとなす角αは実施例においては６５度である。光学素子の高さが一定の場合、角αが小さいほど集光倍率が高く小さな太陽電池セルを用いることができるが、外側面である面１５ａや面１７ａで全反射される入射光の角度の範囲が狭くなるので、発電に利用する入射光の角度の範囲に応じて適宜設定することになる。例えば、光学素子を構成する材料の屈折率の範囲が１．３５〜１．８０の場合には、角αは４０度以上から８０度以下が好ましい。

また、光学素子１５、１７のスリット構成面である面１５ｂ、１７ｂが太陽電池セルの面となす角βは、実施例においては８１度である。また、光学素子１６の横面１６ａ、１６ｂが太陽電池セルの面となす角γとすると、角βおよび角γは、角αよりも大きい角度に設定されている。

さらに、光学素子１４の上端におけるスリット１８a、１８ｂの幅は、０．４ｍｍであり、光学素子の１４の下端におけるスリット１８a、１８ｂの幅は、０．２ｍｍである。実施例においては、スリット１８ａ、１８ｂは、下端よりも上端の方の幅が広くなっている。この場合は、角γは角βよりも大きい。角γは、角βと同じか、それよりも大きい角度から適宜選択することができる。

スリット１８ａ、１８ｂを構成するスリット構成面である光学素子１４の面１６ａ、１６ｂが、太陽電池セルの面となす角γは、角αよりも大きい。そのため、スリットがない場合において光学素子の外側の面で全反射せずに透過する角度の光であっても、スリット構成面で太陽電池セルに向かう方向に全反射させることができる場合があるので、太陽電池モジュールに斜めに入射する光に対する光学効率を改善することができる。

図３は、本発明の太陽電池モジュールを示す平面図である。また、図４は、本発明の太陽電池モジュールを示す斜視図である。図３および図４において、基板１１は一辺１２０ｍｍ程度の正方形状であり、基板１１上に太陽電池セル１２が基板の一辺と平行である横方向に１０個並べられ、この太陽電池セル１２の列が６列形成されている。太陽電池セル１２を封止するための封止材１３が太陽電池セル１２上に配置され、光学素子１４が封止材１３を介して太陽電池セル１２上に載置されている。横長の光学素子１４は、基板１１の一辺と平行に６個並べられ、ひとつの光学素子１４に対して、１列１０個の太陽電池セル１２が対応している。

図５は、太陽電池モジュールの比較例を示す断面図である。１つの太陽電池セルに対応する構造を示している。太陽電池モジュール５０において、基板５１上に太陽電池セル５２が載置されている。太陽電池セル５２は、一辺１２ｍｍ程度の正方形状であり、封止材５３によって封止されている。基板５１、太陽電池セル５２、および封止材５３は、実施の形態１と同様の形状である。封止材５３上には光学素子５４が載置されている。光学素子５４は、透明なガラスであり、前述の光学素子１４から、スリットを省略した形状となっている。

図６は、太陽電池モジュールに入射する光の経路を示す説明図であり、太陽電池セルの面に垂直な方向から３０度傾いた方向から入射した光線の軌跡の一例を示すものである。図６（ａ)に示されるように、光学素子１６の上面から入射した光線Ｒ１は、光学素子１６の側面１６ｂで全反射したのち、光学素子１６の側面１６ａで全反射して、太陽電池セル１２に入射する。一方、図６（ｂ）に示されるスリットのない比較例においては、光線Ｒ２は、光学素子５４内で全反射することなく、太陽電池セル５２から外れた基板５１上に入射する。

このように、スリットがない場合において光学素子の外側の面で全反射せずに透過する角度の光であっても、光学素子にスリットを設け、スリットがセル載置面となす角が、光学素子の外側面がセル載置面となす角よりも大きくすることにより、スリット構成面で太陽電池セルに向かう方向に全反射させることができる場合があり、太陽電池モジュールに斜めに入射する光に対する光学効率を改善することができる。

図７は、太陽電池モジュールに入射する光の経路を示す説明図であり太陽電池セルの面に垂直な方向から４５度傾いた方向から入射した光線の軌跡の一例を示すものである。図７(ａ）に示されるように、光学素子１６の上面から入射した光線Ｒ３は、光学素子１６の側面１６ｂで全反射して、太陽電池セル１２に入射する。一方、図７（ｂ）で示される、スリットのない比較例においては、光線Ｒ４は、光学素子５４内で全反射することなく、太陽電池セル５２から外れた基板５１上に入射する。

図６、図７においては、図面の右側から光が斜めに入射することを想定したが、一般的に入射角のずれに偏りは生じないと想定するので、図の左側から光が斜めに入射すると、スリット１８ａを構成する面１６ａにおける全反射が集光効率の向上に寄与するので、スリットは複数個あることが望ましい。また、スリットが複数個あることにより、光学素子内部で全反射を繰り返して太陽電池セルに導かれる光も増加する。

図８から図１１は本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。図８は、光線の入射角０度の場合の例であり、すなわち、太陽電池セルの面に垂直な方向から光線が入射する条件で計算したものである。図８（ａ）は本実施の形態の光学素子を用いたモデルであり、入射光のうち太陽電池セルに入射した光の割合を示す光学効率は９１％である。図８（ｂ）はスリットの無い比較例の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は９４％である。

図９は、入射角２０度で光線が入射する条件を計算したものである。図９（ａ）は本実施の形態の光学素子を用いたモデルであり、入射光のうち太陽電池セルに入射した光の割合を示す光学効率は８５％である。図９（ｂ）はスリットの無い比較例の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は８８％である。

図１０は、入射角３０度で光線が入射する条件を計算したものである。図１０（ａ）は本実施の形態の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は７５％である。図１０（ｂ）はスリットの無い比較例の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は６８％である。

図１１は、入射角４５度で光線が入射する条件を計算したものである。図１１（ａ）は本実施の形態の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は６６％である。図１１（ｂ）はスリットの無い比較例の光学素子を用いたモデルであり、光学効率は５５％である。

このように、本実施の形態の太陽電池モジュールは、太陽光線の入射角が小さい場合には、スリットを設けない比較例よりも光学効率がやや低くなるが、光線の入射角が大きくなると、スリットの効果により、光学効率が比較例よりも高くなる。すなわち、入射角の大きくなる条件下であっても、光学効率の低下が小さいので、光学効率が一定レベル以上になる場合が多く、発電量を増やすことができる。

（実施の形態２）
図１２は本発明の第２の実施の形態である太陽電池モジュールを示す部分断面図である。太陽電池モジュール２０において、基板１１、太陽電池セル１２および封止材１３は実施の形態１と同じである。光学素子２４は、３つの光学素子２５、２６、２７からなり、光学素子２５と２６の間にはスリット２８ａが形成されている。また、光学素子２６と２７の間にはスリット２８ｂが形成される。実施の形態１と違って、光学素子２５、２６、２７はスリット２８ａ、２８ｂで完全に分離されておらず、光学素子２４の太陽電池セル１２に面する側にあるブリッジ部２９ａ、２９ｂでつながっている。そのため、光学素子２４を封止材１３上に容易に配置でき、また、スリットの２８ａ，２８ｂの形状の精度が向上する。光学素子２４において、太陽電池セル１２の反対側にブリッジ部を設けると、ブリッジ部では光が反射しないので、太陽電池セルに向かう光の量が減少する恐れがあるが、太陽電池セル１２と近い側にブリッジ部２９ａ、２９ｂを設けることにより、太陽電池セルに入射する光量の低下を軽減することができる。

図１３および図１４は、本発明の太陽電池モジュールに入射する光の経路をシミュレーションした結果を示す光線追跡図である。スリットは、光学素子の載置面から３ｍｍの高さまで形成されている。図１３は、入射角３０度で光線が入射する条件を計算したものである。光学効率は７１％であり比較例を上回っている。図１４は、入射角４５度で光線が入射する条件を計算したものである。光学効率は６６％であり比較例を上回っている。

図１５は本発明の太陽電池モジュールを示す斜視図である。本実施例においては、光学素子２４の受光面側を連結して一体化した光学素子を用いている。１枚の太陽電池モジュールに一体化した光学素子を用いることで生産性を高めることができる。

（実施の形態３）
図１６は本発明の第３の実施の形態である太陽電池モジュールを示す部分断面図である。太陽電池モジュール３０において、基板１１、太陽電池セル１２および封止材１３は実施の形態１と同じである。光学素子３４は、封止材１３を介して太陽電池セル１２上に載置されている。光学素子３４は３つの光学素子３５、３６、３７からなり、光学素子３５と光学素子３６は、所定の間隔をおいて配置され、スリット３８ａが形成されている。また、光学素子３６と３７は、所定の間隔をおいて配置され、スリット３８ｂが形成されている。光学素子３５、３６、３７の上面は、レンズ部３５ａ、３６ａ、３７ａが形成されてなり、斜めのからの入射光に対し、太陽電池セル１２への集光効率を高める効果がある。

(実施の形態４）
これまでの実施の形態でおいて、１方向に集光効果のある棒状の光学素子を示したが、さらに、２方向に集光効果のある略逆四角錐台形状の光学素子を、１個の太陽電池セルに１個の光学素子が対応するように、縦横に配列した太陽電池モジュール形成することもできる。

図１７は、本発明の第４の実施の形態である光学素子を示す斜視図であり、ひとつの太陽電池セルに対応する部分を示したものである。略逆四角錐台形状の光学素子４４は、光学素子４５と光学素子４６からなる。光学素子４４の外辺部である光学素子４５は、中央に方形の穴を有し、穴の内壁がスリット４８の外側の面を形成している。光学素子４４の中央部である光学素子４６は、光学素子４５の穴の部分に位置し、光学素子４６の側壁は、スリット４８の内側の面を形成している。光学素子４５と光学素子４６の間隙であるスリット４８は、受光面側から見て正方形状である。光学素子４５は、底面が太陽電池セルの面と平行になるように設置される。

光学素子４４の直線Ｌ１を含む断面を示す断面図を図１８に示す。断面形状は、図２における光学素子１４と同様の形状を有する。すなわち、スリット４８を構成する面４６ａと光学素子４６の底面４６ｃがなす角は、光学素子４５の外側面である面４５ａと光学素子４６の底面４６ｃがなす角よりも大きく設定されている。また、スリット４８を構成する面４６ｂと光学素子４６の底面４６ｃがなす角は、光学素子４５の外側面である面４５ｂと光学素子４６の底面４６ｃがなす角よりも大きく設定されている。そのため、スリットがない場合に比べて、斜めからの入射光に対して光学素子４４内で全反射して太陽電池セルに向かう光の割合が増加し、斜めからの入射光に対する光学効率の低下が小さくなる。

図１９は、本発明第４の実施の形態である太陽電池モジュールを示す斜視図である。多一用電池セルを配置した基板１１上に封止材１３を介して光学素子４４が縦横に３６個並べて載置され太陽電池モジュール４０が構成されている。本例では１つの太陽電池セル１つに対し光学素子４４が１つ対応している。図１５に示した光学素子と同様に、光学素子４４の受光面側を連結して一体化した形状の光学素子を用いても良い。

図２０は、本発明の第４の実施の形態である太陽電池モジュールを示す平面図である。基板１１上に太陽電池セル１２が載置され封止材１１で封止されている。略逆四角錐台形状の光学素子４４は、一つの太陽電池セル１２に対応し、光学素子４４のスリット４８は、太陽電池セル１２上に位置している。太陽電池セル１２および光学素子４４は、基板１１上に縦横に各３６個並べられている。

図３に例示したのと同じ太陽電池セルおよび太陽電池モジュールのサイズを想定した場合においては、１方向に集光効果のある棒状の光学素子を使用した場合、太陽電池モジュール１つあたり、６０個の太陽電池セルを必要とするが、２方向に集光効果を持たせた逆四角錐台形状の光学素子を用いることにより、３６個の太陽電池セルで１つの太陽電池モジュールを形成することができ、使用する太陽電池セル材料を低減し、コストダウンを図ることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０、２０、３０、４０…太陽電池モジュール
１１…基板
１２…太陽電池セル
１３…封止材
１４、２４、３４、４４…光学素子
１５、２５、３５、４５…光学素子
１６、２６、３６、４６…光学素子
１７、２７、３７…光学素子
１８ａ，１８ｂ、２８ａ、２８ｂ、３８ａ、３８ｂ、４８…スリット

Claims (5)

1. 基板上に配置された太陽電池セルに光を集めるための集光型太陽電池モジュール用の光学素子であって、
   前記光学素子は、スリットを備え、
   前記光学素子のスリット構成面と載置面のなす角が、前記光学素子の外側面と載置面のなす角よりも大きい光学素子。
2. 前記光学素子の前記スリットを２つ以上備えた請求項１記載の光学素子。
3. 基板上に配置された太陽電池セルと、前記太陽電池セル上に配置され、前記太陽電池セルに光を集めるための光学素子を備えた集光型の太陽電池モジュールにおいて、
   前記光学素子のスリット構成面と太陽電池セルの面のなす角が、前記光学素子の外側面と前記太陽電池セルの面となす角よりも大きい太陽電池モジュール。
4. 前記光学素子の前記スリットを２つ以上備えた請求項３記載の太陽電池モジュール。
5. 前記基板上に前記太陽電池セルを複数個に配置し、複数個の前記太陽電池セルに対応する前記光学素子を配置した請求項４記載の太陽電池モジュール。

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