JP4978848B2 - 集光型太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、集光レンズによって太陽光を太陽電池セル上に集光させて発電する集光型太陽光発電装置の発電効率を高める技術等に関する。

従来の一般住宅用の太陽光発電システムは、集光レンズや凹面鏡などの集光手段により太陽光を集光する集光型太陽光発電システムではないため、一つの太陽光発電セルで利用される太陽光は、当該太陽光発電セルの受光面積相当分しかない。そのため太陽光発電システムにおいて発電量を増やすためには多数の高価な太陽光発電セルを並べざるを得ず、太陽光発電システムのコスト高を招く結果となっていた。また、太陽光発電セルで利用される太陽光の光量が集光型に比べて少ないために発電効率も低いものとなっていた。また従来の太陽光発電システムでは、少しでも発電効率を高めるために、太陽光発電セルの表面に反射防止膜を設ける構造となっているが、この太陽光発電セルの表面に反射防止膜を設けることもコストアップの要因となっていた。

そこで、従来技術において、太陽光発電セルの搭載数を低減しつつ発電効率を高めることができる集光型太陽光発電システムが数多く提案されている。

例えば、円形のレンズを用いて集光する集光型太陽光発電システムが知られている。
従来からある集光型太陽光発電システム構成の概要は、複数の集光レンズを用いて太陽光を集光するための複数の集光レンズを備えた集光板と、集光板の裏側に所定の間隔を隔てて固設された複数の太陽光発電セルとを備えたものであり、一つ一つの集光レンズが円形凸レンズとなっている。

例えば、米国特許第５１１８３６１号公報には、多数の円形レンズをアレイ状に配された集光レンズアレイ板と、一つ一つの円形レンズの焦点位置に配置された太陽光発電セルがアレイ状に配された太陽光発電セルアレイ板が開示されている。

また、円形レンズとしてフレネルレンズを用いるものも知られている。特開２００５−１４２３７３号公報に記載の技術は、円形のフレネルレンズを用いて集光し、その焦点位置に太陽光発電セルを配置するものである。なお、特開２００５−１４２３７３号公報の発明の目的自体は発電の効率化ではなく、フレネルレンズの段差面で生じてしまう散乱光を有効に利用するため、散乱された散乱光を装置背面側に通過させ、装置背面に隠れている地面に植物を植えておき、太陽光発電と、屋上緑化とを同時に行おうとすることを目的とした発明である。

特開２００５−１４２３７３号公報 米国特許第５１１８３６１号公報

しかし、太陽の日変動、季節変動により太陽光の到来方向は時々刻々変化するところ、上記従来技術における円形のレンズを用いて集光する集光型太陽光発電システムでは、太陽光が一点に集中するが焦点が結ばれる位置が３次元空間内で移動するため、太陽光発電セルを当該焦点位置に配置するためには太陽光発電セルアレイの位置を３次元的に合わせるか、円形レンズと太陽光発電セルアレイを一体として向日葵のように太陽の到来方向に正対させるように３軸の回転移動をさせる駆動装置が必要となってしまう。当該駆動機構を用いることは複雑でコスト高となる上、駆動機構により集光型太陽光発電システムの高さが高くなってしまうため暴風雨等に耐えるためには、集光型太陽光発電システム筐体や屋根等の設置構造に十分な強度が要求されコスト高になるという欠点があった。また、太陽光が１点に集中するシステムでは、レンズの面積にもよるが、当該１点に集中するエネルギーが、非常に大きくなるので、温度が上がり、何らかの冷却構造が必要になると問題がある。レンズを小さく分割すれば、冷却は、省けるが、構造が、複雑になるという欠点があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、太陽光発電システムにおける太陽光線の日変動と季節変動に対する追従方法と集光方法を工夫し、高価な太陽光発電セルの実装面積を低減しつつ発電効率を高め、特段の冷却機構を必要としない集光型太陽光発電システムを提供することを目的とする。
また、太陽光発電システムの重量と高さを抑え、暴風雨にも耐えやすい集光型太陽光発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の集光型太陽光発電システムは、
受光面で受光した太陽光を略直線状の光線として集束させるシリンドリカルレンズであって、前記集束した光線が略東西方向となるように配置せしめたシリンドリカルレンズと、
太陽光を受けて発電する太陽光発電セルを並べた太陽光発電セルアレイであって、前記シリンドリカルレンズにより集光された前記光線を受けるように前記シリンドリカルレンズの下方に配置せしめた太陽光発電セルアレイと、
太陽光の入射角度に応じて前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離を調整する相対位置調整機構と、
前記太陽光の入射角度に応じて、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイの南北方向の仰角を調整することにより、太陽光が前記太陽光発電セルアレイに対して正対する方向から到来するように調整せしめ、前記太陽光発電セルアレイ上に略直線上に焦点を結ぶようにする南北方向仰角調整機構とを備えたことを特徴とする。
上記構成により、シリンドリカルレンズと太陽光発電セルアレイの相対位置の調整する機構と、南北方向の仰角を調整する機構を備えることにより、太陽の日変動、季節変動に伴う太陽光の到来方向の変化に対応することができ、朝昼夕のいずれの時間帯、春夏秋冬のいずれの日であっても適切な仰角で太陽光が焦点を結び、太陽光発電セルアレイ上で受光できるように装置の角度を調整することができ、太陽光の受光量が増加し、より少ない太陽光発電セルの個数にて効率的に発電することが可能となる。

ここで、上記第１の集光型太陽光発電システムの構成における、前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整の第１のパターンとして、前記太陽光発電セルアレイに対して、前記シリンドリカルレンズの相対位置を移動させるパターンがある。
つまり太陽の日変動に伴って変化する太陽光の南北方向から見た東西方向の入射角度によって焦点距離（焦点を結ぶ深さ）が変わるが、シンリドリカルレンズを上下させることにより、太陽光が焦点を結ぶ位置（焦点を結ぶ深さ）を太陽光発電セルアレイの位置（深さ）に合わせるものである。

また、上記第１の集光型太陽光発電システムの構成における、前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整の第２のパターンとして、前記シリンドリカルレンズに対して、前記太陽光発電セルアレイの相対位置を移動させるパターンがある。
つまり、太陽の日変動に伴って変化する太陽光の南北方向から見た東西方向の入射角度によって焦点距離（焦点を結ぶ深さ）が変わるが、下方にある太陽光発電セルアレイの方を上下させることにより、太陽光が焦点を結ぶ位置（焦点を結ぶ深さ）を太陽光発電セルアレイの位置（深さ）に合わせるものである。

次に、本発明の第２の集光型太陽光発電システムとして、上記第１の集光型太陽光発電システムの構成に加え、
略直線状のスリットを備え、裏面の少なくとも一部は反射体であるスリット体であって、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイの間に位置し、前記シリンドリカルレンズにより集束された前記略直線状の光線が前記スリットを通過し、当該通過した光が前記太陽光発電セルアレイで受光されるように前記シリンドリカルレンズの下方に配置せしめたスリット体を備え、
前記スリット体の前記スリットを通過して前記太陽光発電セルアレイに入射した太陽光のうち、前記太陽光発電セルアレイの表面で反射してしまった太陽光を前記スリット体裏面の前記反射体により反射させて前記太陽光発電セルアレイに再入射させ、前記スリット体裏面と前記太陽光発電セルアレイの間で反射と再入射を繰り返すことにより前記太陽光発電セルアレイにおける発電に供される光量を増加せしめることを特徴とする。

ここで、相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整の第１のパターンとして、前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイに対して、前記シリンドリカルレンズの相対位置を移動させるパターンがある。つまり太陽の日変動に伴って変化する太陽光の南北方向から見た東西方向の入射角度によって焦点距離（焦点を結ぶ深さ）が変わるが、シンリドリカルレンズを上下させることにより、太陽光が焦点を結ぶ位置（焦点を結ぶ深さ）を太陽光発電セルアレイの位置（深さ）に合わせるものである。

次に、相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整の第２のパターンとして、前記シリンドリカルレンズに対して、前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイの相対位置を移動させるパターンがある。
つまり、太陽の日変動に伴って変化する太陽光の南北方向から見た東西方向の入射角度によって焦点距離（焦点を結ぶ深さ）が変わるが、下方にあるスリット体と太陽光発電セルアレイの方を上下させることにより、太陽光が焦点を結ぶ位置（焦点を結ぶ深さ）を太陽光発電セルアレイの位置（深さ）に合わせるものである。

次に、相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整の第３のパターンとして、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイに対して、前記スリット体の相対位置を移動させるパターンがある。つまり、太陽の日変動に伴って変化する太陽光の南北方向から見た東西方向の入射角度によって焦点距離（焦点を結ぶ深さ）が変わるが、下方にあるスリット体のみを上下させることにより、太陽光が焦点を結ぶ位置（焦点を結ぶ深さ）をスリットの位置（深さ）に合わせ、太陽光がスリットを通過するようにして太陽光発電セルがあるキャビティ内に光を導いて効率的に発電せしめるものである。

このように、シリンドリカルレンズ、スリット体、太陽光発電セルアレイの相対位置の調整する機構と、南北方向の仰角を調整する機構を備えることにより、太陽の日変動、季節変動に伴う太陽光の到来方向の変化に対応することができ、朝昼夕のいずれの時間帯、春夏秋冬のいずれの日であっても適切な仰角で太陽光が焦点を結び、太陽光発電セルアレイ上で受光できるように装置の角度を調整することができ、太陽光の受光量が増加し、より少ない太陽光発電セルの個数にて効率的に発電することが可能となる。

なお、前記太陽光発電セルが透過型セルであり、発電に消費されない太陽光は通過させるものとすることが好ましい。
透過型セルとすることにより、光電変換に利用されない光は太陽光発電セルを通過してキャビティ内壁で反射を繰り返し、太陽光発電セルに再度入射することが可能とする。つまり、キャビティ内に導かれた太陽光の太陽光発電セルにおける光電変換効率を向上せしめることができる。

この透過型セルを採用する場合、内壁面に反射体を備えたキャビティを設けて太陽光発電セルアレイを反射体で取り囲む構成とすることが有効である。つまり、前記スリット体の下方に設けられ、前記太陽光発電セルアレイを囲うキャビティであって、その内壁面の少なくとも一部の領域に光を反射する反射体が設けられたキャビティを備え、前記スリット体の前記スリットを通過して前記キャビティ内に入射した太陽光のうち、前記透過型セルで発電エネルギーに変換されずに通過した太陽光を、前記キャビティの内壁面の反射体と前記スリット体裏面の反射体の間で光を反射を繰り返し、前記太陽光発電セルアレイにおいて発電に供される光量を増加せしめる構成とする。

また、前記太陽光発電セルアレイが少なくとも、発電効率が高い波長帯が第１の波長帯である太陽光発電セルと、発電効率が高い波長帯が第２の波長帯である太陽光発電セルの２種類のセルを含んだものとすることも好ましい。
光電変換に適した波長帯が異なる太陽光発電セルを組み合わせることにより、太陽光の発電利用効率が向上する。例えば、波長が長い光（赤外線よりの光）において発電効率が高いものと、波長が短い光（紫外線よりの光）において発電効率が高いものを組み合わせれば、キャビティ内に導入した多用な波長帯の光を有効に光電変換すること可能となる。

次に、スリットの工夫について述べる。
スリットは、シリンドリカルレンズにより結ばれる直線状の光線が通過できる幅があれば良く、キャビティの上面の蓋となる役割を果たす。キャビティの密閉性を高めるためにもスリット幅は狭い方が好ましい。しかし、天気の状況によってはスリット幅が狭いとかえってキャビティ内への光の導入がうまく行かない場合がある。例えば曇天のように太陽光が直進光ばかりではなく散乱光として入射している場合、焦点を結びにくいため、スリットを広げてシステム筐体の開口面積を大きく保った方が良い。そのため、前記スリット体が、スリット幅を増減させるスリット幅調整機構を備えた構成とすることが好ましい。

前記スリット幅調整機構のスリット幅調整手段は限定されないが、例えば、スリット体が互いに独立して対向し合う２枚の板状部材からなり、前記スリット体をスライドさせることにより前記スリット幅を増減させるものがある。
また、前記スリット体が互いに独立して対向し合う２枚の板状部材からなり、前記板状部材の対向するエッジ間により前記スリットが形成され、前記スリット幅調整機構が前記板状部材に設けられた回転軸を中心として前記板状部材を回動させることにより前記スリットの幅を増減させるものがある。

次に、前記シリンドリカルレンズをフレネルレンズとする構成も好ましい。
上記構成により、レンズの重量を抑えることができるので、材料費の低減が図れると共に厚み小さくすることができ、機械的構造強度を確保する上でも有利となる。また、レンズの厚みを抑えることができるので筐体の高さが低く抑えられる上、暴風雨にも耐えやすい構造とすることができる。

また、前記シリンドリカルレンズの太陽光受光面側の外表面に光触媒コーティング加工を施しておくことが好ましい。
上記構成により、屋上など外界環境にさらされる条件で設置しておいてもシリンドリカルレンズの外表面に汚れが付着しにくくなるため、太陽の受光量を大きく確保することができる上、清掃作業を減らすこともできる。

本発明の集光型太陽光発電システムによれば、太陽光発電システムにおける太陽光線の追従方法と集光方法を工夫し、高価な太陽光発電セルの実装面積を低減しつつ発電効率を高めたものとすることができる。
本発明の集光型太陽光発電システムによれば、システム筐体の高さを低く抑え、暴風雨にも耐えやすいものとすることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の集光型太陽光発電システムの実施例を説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に示した具体的な用途、形状、個数などには限定されないことは言うまでもない。

実施例１にかかる本発明の集光型太陽光発電システムの例を示す。
図１および図２は、本発明の第１の集光型太陽光発電システムの構成例を示す図である。
図１は集光型太陽光発電システム１００の平面図、正面図、側面図を模式的に示した図である。
図２は集光型太陽光発電システム１００の横断面図および縦断面図を模式的に示した図である。
図３は受光した太陽光がシリンドリカルレンズ１０により集光されスリット体２０を通過して太陽光発電セルアレイ３０に受光する様子を側面方向における縦断面において模式的に示した図である。

本実施例１の構成例は、集光型太陽光発電システム１００は、シリンドリカルレンズ１０、スリット体２０、太陽光発電セルアレイ３０、相対位置調整機構４０、南北方向仰角調整機構５０、キャビティ６０、筐体７０を備えている。

シリンドリカルレンズ１０は、ガラスまたはプラスチック樹脂などの透明素材でできており、受光面で受光した太陽光を略直線状の光線として集束させるものであり、平凸レンズとなっている。この構成ではシリンドリカルレンズ１０はフレネルレンズとなっている。フレネルレンズとしておくことにより、円柱レンズのままに比べて嵩張らず、軽量で、材料費低減でき、ひいては装置全体の高さを小さくまとめることができ、風雨など外的環境にさらされる集光型太陽光発電システム１００にとって有利だからである。フレネルレンズであっても集光効果は半球状の平凸レンズと基本的には同じである。
この装置構成例では、シリンドリカルレンズ１０は平凸レンズの平面側が上面、凸面側が下面となっている。上面の平面が太陽光の受光面となり、シリンドリカルレンズ１０を出射する境界面において屈折し、焦点距離離れた位置で略直線状の光線に集光される。
また、シリンドリカルレンズ１０の太陽光受光面側の外表面に光触媒コーティングを施しておくことが好ましい。光触媒コーティングを施しておけば、装置全体を屋上など外界環境にさらされる条件で設置しておいてもシリンドリカルレンズ１０の外表面に汚れが付着しにくくなるため、太陽の受光量を大きく確保することができる上、清掃作業を減らすこともできる。光触媒コーティング剤は特に限定されないが、例えば、酸化チタンコーティング剤などがある。

ここで、シリンドリカルレンズ１０は、集束した光線が東西方向となるように配置されている。つまり、円柱の軸が東西方向となるように配置すれば集束した光線は東西方向となる。このように集束した光線が東西方向となるようにしておけば東から昇り西に沈む太陽の一日の動きの大半において集束した光線は焦点距離において東西方向に延びた直線状の光線となり、効率的に太陽光を捉えることができるからである。

次に、スリット体２０は、略直線状のスリット２１を備えたものであってシリンドリカルレンズにより集束された略直線状の光線がスリット２１を通過するようにシリンドリカルレンズの下方に配置されている。スリット２１以外の部分の形状は問わない。例えば２片の板状体が対向し合いその両者の隙間をスリット２１としたもので良い。スリット２１の配置方向は東西方向となっている。スリット体２０の裏面の少なくとも一部は反射体２２となっている。この例では裏面全面が反射体２２となっている。また、筐体７０の内壁面の少なくとも一部は反射体７１となっている。この例では内壁面全面が反射体７１となっている。

太陽光発電セルアレイ３０は太陽光を受けて発電する太陽光発電セルを並べたものである。スリット体のスリット２１を通過した光線を受けるように板状体の下方に配置されている。例えば東西に長く南北に短い矩形領域に太陽光発電セルを配した配列とすることができる。図１および図２に示すように、シリンドリカルレンズ１０、スリット体２０、太陽光発電セルアレイ３０の南北東西方向の配置は東西方向を軸に配列されている。

図３は受光した太陽光がシリンドリカルレンズ１０により集光されスリット体２０を通過して太陽光発電セルアレイ３０に受光する様子を側面方向における縦断面から示している。なお、図３に示した南北方向の仰角は一例である。

ここで、太陽光発電セルのコストと発電効率のパフォーマンスを考慮すれば、太陽光発電セルアレイ３０の矩形領域をできるだけ小さく（太陽光発電セル個数を少なく）構成し、かつ、その矩形領域全体にわたりシリンドリカルレンズ１０により集束してスリット２１を通過した光線が投影されることが好ましい。上記のように、太陽光発電セルを配列した矩形領域をできるだけ小さくするための条件について述べる。

本発明では、平凸のシリンドリカルレンズ１０は、平面側で受けた太陽光を凸面の境界面で屈折させ直線状に集束することにより光線の投影面積を小さくするために採用されているが、太陽光の到来方向、シリンドリカルレンズ１０、スリット体２０、太陽光発電セルアレイ３０の上下方向の相対距離により太陽光発電セルアレイ３０の位置における光線の投影面積が変わってくる。太陽の到来方向は日変動により東から西へ変動するため、集光型太陽光発電システム１００を日変動に対して設置状態を固定した状態とすると、焦点距離（深さ）は時々刻々変化することとなる。本発明ではこの点に注目し、太陽光の入射角度により決まる焦点距離に応じてシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する相対位置調整機構４０を備えた構成としている。

相対位置調整機構４０によるシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整には複数のパターンがある。それぞれのパターンを以下に説明する。

第１のパターンは、相対位置調整機構４０によりスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を動かさずシリンドリカルレンズ１０を移動させて両者の相対位置を移動させるものである。
図４および図５は第１のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図である。なお、相対位置調整機構４０の機械的構造の詳細な図示は省略し、模式的にしか示していない。相対位置調整機構４０の駆動機構自体は特に限定されず、シリンドリカルレンズ１０を支持する筐体をスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０に対して移動させるものであれば良く、モーター、ホイール、ワイヤー、ピストン等、駆動の機械的仕組みは限定されない。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、午前中で太陽光線が東の低い角度（例えば大地に対する仰角３０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が比較的浅く、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す距離（深さ）で焦点が結ばれるとすると、相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０を相対移動し、スリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の存在する深さにおいて焦点が結ばれるように調整せしめ、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、真昼で太陽光線が南の高い角度（例えば大地に対する仰角７０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が午前中より比較的深くなり図５（ａ）及び図５（ｂ）の位置（深さ）で焦点が結ばれるとすると、相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０を相対移動し、スリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の存在する深さにおいて焦点が結ばれるように調整せしめ、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

上記の第１のパターンで駆動する相対位置調整機構４０を搭載してシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整することにより、より少ない個数の太陽光発電セルの実装数の太陽光発電セルアレイ３０にてどの時間帯であっても、シリンドリカルレンズ１０の平面側の面積分の太陽光を発電に利用することが可能となる。
なお、キャビティ６０内に入射した後、スリット体２０の裏面に設けた反射体２２とキャビティ６０の内壁面に設けた反射体７１による反射により太陽光発電セルアレイ３０における光電変換効率を向上させる工夫については後述する。

次に第２のパターンは、シリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離の調整として、相対位置調整機構４０によってシリンドリカルレンズ１０に対して、スリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の相対位置を移動させるものである。つまり、シリンドリカル１０を動かさずに、スリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を移動させて両者の相対位置を移動させるものである。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は第２のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図である。図４と同様、相対位置調整機構４０の機械的構造の詳しい構造の図示は省略している。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、午前中で太陽光線が東の低い角度（例えば大地に対する仰角３０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が比較的浅く、図６（ａ）及び図６（ｂ）の位置で焦点が結ばれたとすると、図６（ａ）及び図６（ｂ）のようにシリンドリカルレンズ１０が光線の焦点距離（焦点がある深さ）がスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の位置となるように相対移動し、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

次に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、真昼で太陽光線が南の高い角度（例えば大地に対する仰角７０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が午前中より比較的深く、図７（ａ）及び図７（ｂ）の位置で焦点が結ばれたとすると、図７（ａ）及び図７（ｂ）のようにシリンドリカルレンズ１０が光線の焦点距離（焦点がある深さ）がスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の位置となるように相対移動し、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

上記の第２のパターンで駆動する相対位置調整機構４０を搭載してシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整することにより、より少ない個数の太陽光発電セルの実装数の太陽光発電セルアレイ３０にてどの時間帯であっても、シリンドリカルレンズ１０の平面側の面積分の太陽光を発電に利用することが可能となる。
なお、キャビティ６０内に入射した後、スリット体２０の裏面に設けた反射体２２とキャビティ６０の内壁面に設けた反射体７１による反射により太陽光発電セルアレイ３０における光電変換効率を向上させる工夫については後述する。

次に第３のパターンは、シリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離の調整として、相対位置調整機構４０によってシリンドリカルレンズ１０と太陽光発電セルアレイ３０に対して、スリット体２０の相対位置を移動させるものである。つまり、シリンドリカル１０と太陽光発電セルアレイ３０を動かさずに、スリット体２０を移動させて両者の相対位置を移動させるものである。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は第３のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図である。図４と同様、相対位置調整機構４０の機械的構造の詳細の図示は省略している。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、午前中で太陽光線が東の低い角度（例えば大地に対する仰角３０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が比較的浅く、図８（ａ）及び図８（ｂ）の位置で焦点が結ばれたとすると、図８（ａ）及び図８（ｂ）のようにスリット体２０が光線の焦点距離（焦点がある深さ）の位置となるように相対移動し、シリンドリカル１０により集束した直線状の光線がスリット体２０を通過させ、下方の太陽光発電セルアレイ３０が配されているキャビティ内に太陽光線を導くものである。なお、キャビティ内に導かれた太陽光線は、実施例２において後述するように、スリット体２０の裏面およびキャビティ６０の内壁が鏡面処理されておれば太陽光発電セルで発電のために利用されない光は太陽光発電セルに入射するまで反射を繰り返すこととなる。

次に、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、真昼で太陽光線が南の高い角度（例えば大地に対する仰角７０度）から到来していたとすると、シリンドリカルレンズ１０を通過して集束する焦点距離（焦点がある深さ）が午前中より比較的深く、図９（ａ）及び図９（ｂ）の位置で焦点が結ばれたとすると、スリット体２０が光線の焦点距離（焦点がある深さ）の位置となるように相対移動し、シリンドリカル１０により集束した直線状の光線がスリット体２０を通過させ、下方の太陽光発電セルアレイ３０が配されているキャビティ内に太陽光線を導くものである。

上記の第３のパターンで駆動する相対位置調整機構４０を搭載してシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整することにより、太陽光をすべてキャビティ６０内に導くことができ、どの時間帯であっても、キャビティ６０内の太陽光発電セルアレイ３０にて太陽光を発電に利用することが可能となる。
なお、キャビティ６０内に入射した後、スリット体２０の裏面に設けた反射体２２とキャビティ６０の内壁面に設けた反射体７１による反射により太陽光発電セルアレイ３０における光電変換効率を向上させる工夫については後述する。

次に、南北方向の仰角の調整の工夫について述べる。
本発明の集光型太陽光発電システムでは、太陽光の入射角度に応じて、シリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を一体としてそれらの南北方向の仰角を調整する南北方向仰角調整機構５０を備えた構成とすることが好ましい。
太陽の軌跡は季節により日々異なり、太陽光線の到来方向は、真昼において夏は南北方向の仰角が高く、冬は南北方向の仰角が低い。

太陽は、日変動として、時々刻々と集光型太陽光発電システム１００に対する東西方向から見た南北方向の入射角（仰角）および、南北方向から見た東西方向の入射角（仰角）が変化して行く。この太陽の日変動のうち東西方向の仰角の変動に対しては、シンドリカルレンズ１０を採用して東西方向の線上の光線に収束させることおよび相対位置調整機構４０によりシンドリカルレンズ１０とスリット対２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対的距離を調整することにより調整し、また、太陽の日変動のうち南北方向の仰角の変動に対しては、南北方向仰角調整機構５０で調整する。なお、太陽の季節変動により、同時刻の南北方向の仰角が変化するが、当該季節変動に対して南北方向仰角調整機構５０にて日々対応できるようにすることは、言うまでもない。例えば、冬至と夏至では、正午の南北方向の仰角が４７度（地軸の傾きの２倍）異なるのは良く知られている。
つまり、本発明においては、太陽の日変動に合わせて、南北方向仰角調整機構５０で装置の南北方向の仰角を時々刻々合わせつつ、相対位置調整機構４０でシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の相対位置を時々刻々合わせ、いずれの季節のいずれの時間帯においても太陽光が太陽光発電セルアレイ３０上に略直線状に焦点を結ぶようにする。

図１０は、南北方向仰角調整機構５０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を一体に、南北方向の仰角を調整する様子を模式的に示す図である。なお、南北方向仰角調整機構５０の機械的構造の図示は省略している。南北方向仰角調整機構５０の駆動機構自体は特に限定されず、例えば、シリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を実装する筐体７０全体を大地に対して相対移動させるものであれば良く、モーター、ホイール、ワイヤー、ピストン等、駆動の機械的仕組みは限定されない。

図１０（ａ）に示すように、冬で真昼において太陽光線が低い角度（例えば大地に対する仰角４０度）から到来していたとすると、南北方向仰角調整機構５０により筐体７０全体の南北方向の仰角を当該角度（大地に対する仰角４０度）となるように調整し、太陽光が集光型太陽光発電システム１００に対して正対（９０度）する方向から到来するように調整せしめ、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

次に、図１０（ｂ）に示すように、夏で真昼において太陽光線が高い角度（例えば大地に対する仰角７０度）から到来していたとすると、南北方向仰角調整機構５０により筐体７０全体の南北方向の仰角を当該角度（大地に対する仰角７０度）となるように調整し、太陽光が集光型太陽光発電システム１００に対して正対（９０度）する方向から到来するように調整せしめ、太陽光発電セルアレイ３０が配されている矩形領域で太陽光線を受けるようになっている。

上記の南北方向仰角調整機構５０を搭載してシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の南北方向への仰角を調整することにより、より少ない個数の太陽光発電セルの実装数の太陽光発電セルアレイ３０にてどの時間帯であっても、どの季節であっても、シリンドリカルレンズ１０の平面側の面積分の太陽光を発電に有効利用することが可能となる。

次に、太陽光がキャビティ６０内に入射した後、スリット体２０の裏面に設けた反射体２２とキャビティ６０の内壁面に設けた反射体７１による反射により太陽光発電セルアレイ３０における光電変換効率を向上させる工夫について述べる。
実施例１にかかる集光型太陽光発電システム１００では、太陽光発電セルアレイ３０の側面および底面を囲う筐体７０を設け、筐体７０とその上面の蓋となるスリット体２０によって、太陽光発電セルアレイ３０が囲われるキャビティ６０を形成せしめ、スリット体２０の裏面に光を反射する反射体２２、筐体７０の内壁面にも光を反射する反射体７１を設けた構成としたものである。スリット体２０のスリット２１を通過してキャビティ６０内に入射した太陽光が反射体２２および反射体７１により反射を繰り返すことにより太陽光発電セルアレイ３０において発電に供される光量を増加せしめたものである。

図３、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０に示したように、受光した太陽光がシリンドリカルレンズ１０により集光されスリット体２０を通過してキャビティ６０内に入った後、太陽光が反射体２２および反射体７１に反射を繰り返して太陽光発電セルアレイ３０に受光する。
上記各図に示すように、太陽光はスリット体２０のスリット２１を通過し、キャビティ６０に入る。スリット体２０の裏面は鏡面の反射体２２が設けられ、筐体７０の内壁面には鏡面の反射体７１が設けられているため、一度キャビティ６０内に入射した太陽光は吸収されない限り反射を繰り返す。ここで、キャビティ６０内で太陽光を吸収する要素は太陽光発電セルアレイ３０の各太陽光発電セル３１のみであるので、太陽光発電セルに入射して光電変換に有効利用されるまで反射を繰り返す。

ここで、太陽光発電セルアレイ３０についての種々の工夫について述べる。
第１の工夫は太陽光発電セルアレイ３０を透過型セルとする工夫である。太陽光発電セルアレイ３０の矩形領域付近に入射しても発電に消費されない太陽光をも有効に利用することを狙ったものである。太陽光発電セルアレイ３０を構成する構造物のうちフレーム基板など光電変換に直接関係しない機械的構造物が光を吸収する不透明のものであれば、太陽光発電セルアレイ３０の矩形領域において光が減衰してしまう。そこで、光電変換に利用されない光が透過できるように太陽光発電セルアレイ３０を透過型セルとしておけば太陽光発電効率が向上する。

第２の工夫は太陽光発電セルアレイ３０を、少なくとも発電効率が高い波長帯が第１の波長帯である太陽光発電セル３１ａと、発電効率が高い波長帯が第２の波長帯である太陽光発電セル３１ｂの２種類以上のセルを含んだものとする工夫である。
光電変換に適した波長帯が異なる太陽光発電セルを組み合わせることにより、太陽光の発電利用効率が向上する。太陽光は自然光として多様な波長帯の波長の光を含むものであるが、太陽光発電セルはその特性に応じて光電変換を効率的に行える光の波長帯がある。

図１１は、太陽光発電セルにおいて受光した光の波長帯と光電変換効率を模式的に示したものである。図１１には光電変換に適した波長帯が異なる２つの太陽光発電セルについて模式的に示している。例えば、波長が長い光（赤外線よりの光）において発電効率が高い太陽光発電セル３１ａと、波長が短い光（紫外線よりの光）において発電効率が高い太陽光発電セル３１ｂが示されている。この太陽光発電セル３１ａと太陽光発電セル３１ｂとを組み合わせれば、キャビティ内に導入した多用な波長帯の光を有効に光電変換すること可能となる。

以上、実施例１の集光型太陽光発電システムによれば、相対位置調整機構４０を搭載することにより、シリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の相対位置を調整することにより太陽の日変動によらず高効率の太陽光発電を行うことができ、南北方向仰角調整機構５０を搭載することによりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０の南北方向の仰角の調整をすることにより太陽の季節変動によらず高効率の太陽光発電を行うことができる。
また、実施例１の集光型太陽光発電システムによれば、スリット２１を通過した太陽光は、キャビティ６０内で太陽光発電セル３１で光電変換に利用されるまで反射体２２および反射体７１で反射を繰り返すため、多くの太陽光が有効に太陽光発電セルにおいて光電変換され、発電に供されることとなる。また、太陽光発電セルアレイを透過型のものとする工夫や、太陽光発電セルアレイに含まれる太陽光発電セルとして光電変換効率の高い波長帯を異なる複数種類のものを組み合わせる工夫を行うことにより、発電効率を向上させることができる。

実施例２にかかる集光型太陽光発電システム１００ａは、スリット体のスリット幅を増減させるスリット幅調整機構８０を備えた構成例である。
スリット体２０は、到来する太陽光が通過する幅を確保しつつ一度スリット体２０を通過した太陽光がキャビティ６０内から出てこないように蓋をする役割を持つ。シリンドリカルレンズ１０に対する太陽光の到来方向によって焦点距離（深さ）が変動するが、実施例１の構成例では相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０やスリット体２０や太陽光発電セルアレイ３０の相対位置を変化させることによって太陽光の焦点距離（深さ）付近にスリット体２０が位置するように調整し、スリット体２０のスリット幅を小さい状態に保ち、蓋としての役割を重視した。

しかし、本実施例２では、スリット体２０のシリンドリカルレンズへの相対距離の変動に代え、スリット幅調整機構８０によりスリット体２０のスリット２１の幅を伸縮することにより太陽光の到来方向や天候などの状況に対応するものである。

第１のスリット幅調整機構８０ａの構成例は、スリット体２０が互いに独立した２枚の板状部材２３ａ，２３ｂからなり板状部材２３ａ，２３ｂの対向するエッジ間によりスリット２１が形成されている状態において、板状部材２３ａ，２３ｂをスライドさせることによりスリット幅を増減させるものである。スリット幅調整機構８０ａの駆動機構自体は特に限定されず、スリット体２０のスリット板状部材をスライド移動させるものであれば良く、モーター、ホイール、ワイヤー、ピストン等、駆動の機械的仕組みは限定されない。

図１２は第１の構成例のスリット幅調整機構８０ａによるスリット幅の調整の様子を示した図である。なお、スリット幅調整機構８０ａの図示は省略している。
図１２に示すように、スリット体２０のシリンドリカルレンズ１０等に対する相対位置は変化しないがスリット幅が増減している。

第２のスリット幅調整機構８０ｂの構成例は、スリット体２０が互いに独立した２枚の板状部材２３ａ，２３ｂからなり板状部材２３ａ，２３ｂの対向するエッジ間によりスリット２１が形成されている状態において、板状部材に設けられた回転軸を中心として板状部材を回動させる機構を設けることによりスリット２１の幅を増減させるものである。 図１３は第２の構成例のスリット幅調整機構８０ｂによるスリット幅の調整の様子を示した図である。なお、スリット幅調整機構８０ｂの図示は省略している。
図１３に示すように、板状部材２３ａ，２３ｂには回転軸が設けられ、回転軸を中心として回転できるようになっている。
図１３（ａ）に示すように回転角が大きくなると板状部材２３ａ，２３ｂの対向するエッジ間隔が大きくなり、図１３（ｂ）に示すように回転角が小さくなると板状部材２３ａ，２３ｂの対向するエッジ間隔が小さくなる。

次に、天候によって、スリット幅調整機構８０ａ，８０ｂを用いる点について述べる。例えば曇天のように太陽光が直進光ばかりではなく外界からの散乱光が入射している場合、焦点を結びにくいため、太陽エネルギーが集中している部分がない。この状況でスリット幅を小さく保つとキャビティ６０内に入射する光量が十分には確保できないため、曇天の日などではスリット２１を広げてキャビティの開口面積を大きく保った方が良い。そこでスリット幅調整機構８０ａ，８０ｂによりスリットを大きくする。

本実施例２にかかる集光型太陽光発電システム１００ａによれば、スリット幅調整機構８０によりスリット体２０のスリット２１の幅を調整でき、太陽光の到来方向や天候などの状況に柔軟に対応することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

集光型太陽光発電システム１００の平面図、正面図、側面図を模式的に示した図 集光型太陽光発電システム１００の横断面図および縦断面図を模式的に示した図 太陽光が太陽光発電セルアレイ３０に受光される様子を側面方向における縦断面において模式的に示した図 第１のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その１） 第１のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その２） 第２のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その１） 第２のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その２） 第３のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その１） 第３のパターンで駆動する相対位置調整機構４０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０との相対距離を調整する様子を模式的に示す図（その２） 南北方向仰角調整機構５０によりシリンドリカルレンズ１０とスリット体２０と太陽光発電セルアレイ３０を一体に、南北方向の仰角を調整する様子を模式的に示す図 太陽光発電セルにおいて受光した光の波長帯と光電変換効率を模式的に示す図 第１の構成例のスリット幅調整機構８０ａによるスリット幅の調整の様子を示す図 第２の構成例のスリット幅調整機構８０ｂによるスリット幅の調整の様子を示した図

符号の説明

１０ シリンドリカルレンズ
２０ スリット体
２１ スリット
２２ 反射体
２３ａ，２３ｂ 板状部材
３０ 太陽光発電セルアレイ
４０ 相対位置調整機構
５０ キャビティ
６０ 南北方向仰角調整機構
７０ 筐体
７１ 反射体
８０ａ，８０ｂ スリット幅調整機構
１００，１００ａ 集光型太陽光発電システム

Claims (15)

1. 受光面で受光した太陽光を略直線状の光線として集束させるシリンドリカルレンズであって、前記集束した光線が略東西方向となるように配置せしめたシリンドリカルレンズと、
   太陽光を受けて発電する太陽光発電セルを並べた太陽光発電セルアレイであって、前記シリンドリカルレンズにより集光された前記光線を受けるように前記シリンドリカルレンズの下方に配置せしめた太陽光発電セルアレイと、
   太陽光の入射角度に応じて前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離を調整する相対位置調整機構と、
   前記太陽光の入射角度に応じて、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイの南北方向の仰角を調整することにより、太陽光が前記太陽光発電セルアレイに対して正対する方向から到来するように調整せしめ、前記太陽光発電セルアレイ上に略直線上に焦点を結ぶようにする南北方向仰角調整機構とを備えたことを特徴とする集光型太陽光発電システム。
2. 前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整が、前記太陽光発電セルアレイに対して、前記シリンドリカルレンズの相対位置を移動させるものである請求項１に記載の集光型太陽光発電システム。
3. 前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整が、前記シリンドリカルレンズに対して、前記太陽光発電セルアレイの相対位置を移動させるものである請求項１に記載の集光型太陽光発電システム。
4. 略直線状のスリットを備え、裏面の少なくとも一部は反射体であるスリット体であって、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイの間に位置し、前記シリンドリカルレンズにより集束された前記略直線状の光線が前記スリットを通過し、当該通過した光が前記太陽光発電セルアレイで受光されるように前記シリンドリカルレンズの下方に配置せしめたスリット体を備え、
   前記スリット体の前記スリットを通過して前記太陽光発電セルアレイに入射した太陽光のうち、前記太陽光発電セルアレイの表面で反射してしまった太陽光を前記スリット体裏面の前記反射体により反射させて前記太陽光発電セルアレイに再入射させ、前記スリット体裏面と前記太陽光発電セルアレイの間で反射と再入射を繰り返すことにより前記太陽光発電セルアレイにおける発電に供される光量を増加せしめることを特徴とした請求項１に記載の集光型太陽光発電システム。
5. 前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整が、前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイに対して、前記シリンドリカルレンズの相対位置を移動させるものである請求項４に記載の集光型太陽光発電システム。
6. 前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整が、前記シリンドリカルレンズに対して、前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイの相対位置を移動させるものである請求項４に記載の集光型太陽光発電システム。
7. 前記相対位置調整機構による前記シリンドリカルレンズと前記スリット体と前記太陽光発電セルアレイとの相対距離の調整が、前記シリンドリカルレンズと前記太陽光発電セルアレイに対して、前記スリット体の相対位置を移動させるものである請求項４に記載の集光型太陽光発電システム。
8. 前記太陽光発電セルが透過型セルであり、前記太陽光発電セルで発電エネルギーに変換されなかった太陽光は通過させるものとした請求項１から７のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電システム。
9. 前記スリット体の下方に設けられ、前記太陽光発電セルアレイを囲うキャビティであって、その内壁面の少なくとも一部の領域に光を反射する反射体が設けられたキャビティを備え、
   前記スリット体の前記スリットを通過して前記キャビティ内に入射した太陽光のうち、前記透過型セルで発電エネルギーに変換されずに通過した太陽光を、前記キャビティの内壁面の反射体と前記スリット体裏面の反射体の間で光を反射を繰り返し、前記太陽光発電セルアレイにおいて発電に供される光量を増加せしめることを特徴とした請求項８に記載の集光型太陽光発電システム。
10. 前記太陽光発電セルアレイが、少なくとも発電効率が高い波長帯が第１の波長帯である太陽光発電セルと、発電効率が高い波長帯が第２の波長帯である太陽光発電セルの２種類以上のセルを重ねて配置した請求項１から９のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電システム。
11. 前記スリット体が、前記スリット幅を増減させるスリット幅調整機構を備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電システム。
12. 前記スリット体が互いに独立した２枚の板状部材からなり前記板状部材の対向するエッジ間により前記スリットが形成され、前記スリット幅調整機構が、前記スリット体をスライドさせることにより前記スリット幅を増減させるものであることを特徴とする請求項１１に記載の集光型太陽光発電システム。
13. 前記スリット体が互いに独立した２枚の板状部材からなり前記板状部材の対向するエッジ間により前記スリットが形成され、前記スリット幅調整機構が前記板状部材に設けられた回転軸を中心として前記板状部材を回動させることにより前記スリットの幅を増減させるものであることを特徴とする請求項１１記載の集光型太陽光発電システム。
14. 前記シリンドリカルレンズをフレネルレンズとしたことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電システム。
15. 前記シリンドリカルレンズに光触媒コーティングを施し、表面の汚れが付きにくいようにしたことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電システム。

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