JP5569484B2

JP5569484B2 - 集光器および集光器を備えた太陽電池

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Publication number: JP5569484B2
Application number: JP2011164484A
Authority: JP
Inventors: 賢二糸賀; 大介新延
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-27
Filing date: 2011-07-27
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-07-27
Also published as: JP2013030553A

Description

この発明は、集光器および集光器を用いた太陽電池に関するものである。

従来の集光型太陽電池は、化合物系の材料を用いた光電変換素子に対して大掛かりな太陽追尾機能装置を設け、１００倍以上の集光を行って高い変換効率を得る方式があり、この方式が主流となっている。
一方、太陽追尾装置などを設けず、１日の太陽高度の変化や季節による太陽高度の変化を考慮して、変換効率を著しく落とすことなく発電させるシステムも提案されている。
例えば、特許文献１に示されるように、レンズを使用しない方法として楔形の透明体を用い、使用する太陽電池材料を少なくすることを目的とした集光型太陽電池も考案されている（特許文献１、図１４参照）。また、小型・軽量化を図るために、集光用のレンズと組み合わせて、線状に光電変換素子を形成することが提案されている（たとえば、特許文献２、図１５参照）。

特開平０６−２７５８５９号公報特開２００８−８３６４１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、透明導光体の鋭角部分の角度を２１°と規定した直角三角形の斜辺を受光面とし、短辺に光電変換素子を密着させることにより集光している。単結晶あるいは多結晶のシリコン型太陽電池の場合、太陽電池の一辺が１６０ｍｍの正方形の形状で加工されるため、これを４等分にして適用する場合、透明導光体は１０４ｍｍ×４０ｍｍの直角三角形となり断面積２０８０ｍｍ2の三角柱が必要となる。
さらに細分化させれば、使用する透明導光体の断面積は小さくできるが、光電変換素子を分割する加工を加えることによる性能劣化のリスクや加工費の増大が懸念される。

また、特許文献２の方法においては、光電変換素子のサイズを０．２ｍｍ〜５ｍｍとすることを前提としているが、透明導光体を１本の透明ロッドを６分割したものを光電変換素子上に一つずつ配置するため、難易度の高い加工法が必要となる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、集光効率が高く、しかも加工がコストを下げられる集光器を得ることを目的としている。

この発明に係る集光器は、外部からの光が入射する第１の入射面とその入射光を出射する第１の出射面とを有する第１の導光体と、第１の導光体の第１の出射面側に対向して配置され、第１の導光体からの光を受ける第２の入射面とその入射光を出射する第２の出射面とを有する第２の導光体とを備え、第１の導光体の第１の出射面には、一方向に延びる複数の三角形の第１のプリズムの列と第１の平坦部とが交互に並んで形成されており、第２の導光体の第２の入射面には、第１の平坦部と同じ幅であって第１のプリズムの延伸方向と同一方向に延びる三角形の第２のプリズムが第１の平坦部に対向する位置に形成され、さらに、第２の入射面には、第２のプリズムに隣接して第２の平坦部が形成され、第２の平坦部は、平坦な第２の入射面とそれに対向する平坦な第２の出射面とを含み、第２のプリズム直下の第２の出射面より光を取り出すことを特徴とする。

この発明に係る集光器は、上記のように三角プリズムを持つ導光体を２枚用いる構成としたことにより、組み立ては容易であることから加工コストを下げられる。また、集光効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係わる集光器を備えた太陽電池の斜視図である。本発明の実施の形態１に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態１に係わる集光器を備えた太陽電池の端部断面図である。本発明の実施の形態１に係わる集光器を備えた太陽電池の寸法を規定するための断面図である。本発明の実施の形態１に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態３に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態３に係わる集光器を備えた太陽電池の南中時の太陽光入射角度と利用できる光の割合の相関図である。本発明の実施の形態４に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態５に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態５に係わる集光器を備えた太陽電池の南中時の太陽光入射角度と利用できる光の割合の相関図である。本発明の実施の形態６に係わる集光器を備えた太陽電池の断面図である。本発明の実施の形態６に係わる集光器を備えた太陽電池の斜視図である。本発明の実施の形態７に係わる集光器を備えた太陽電池の斜視図である。

実施の形態１．
まず、本発明の全体構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る集光器を備えた太陽電池の構成を示す斜視図である。特記する場合を除いて、全体構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。

本実施の形態に係わる集光器を備えた太陽電池は、図１に示すように、光の傾きを調整するための三角形のプリズム１３を複数配列した第１の透明導光体１、第１の透明導光体の三角プリズム１３より大きな三角形プリズム２３を周期的に配置した第２の透明導光体２、第２の透明導光体２の三角プリズム２３の底辺部に密着させて配置した光電変換素子３から構成されている。

第１の導光体１には、ガラス、あるいはアクリル樹脂に無機材料でコーティングを施し難燃性を付与したものを用いる。シリコン型の太陽電池モジュールの場合は、太陽電池がガラス板でカバーされていることが多く、このようなガラス板に直接三角プリズムを加工形成してもよいし、三角プリズムを成形した透明樹脂シートを貼り付けてもよい。

また第２の導光体２の材料として、ガラスを用いることができる。また、シリコン型の太陽電池モジュールでは最表面のガラス板と光電変換素子との間をエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）で埋める例が多いが、この樹脂に対し射出成形にて三角プリズム形状を付与して第２の透明導光体２としてもよい。また、第２の導光体２の材料として透明性の高い樹脂であれば何でもよく、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどを用いることができる。

次に、集光作用について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態の集光器を備えた太陽電池の断面図である。図において、３ａ、３ｂ、３ｃは隣り合う光電変換素子である。符号４ａで示した矢線は、第１の導光体１の三角プリズム列のない平坦部１４に入射し、第２の導光体の三角プリズム２３に入射後、プリズム面で全反射し光電変換素子３ｂに到達する光の軌跡である。符号４ｂで示した矢線は、第１の導光体１の三角プリズム１３を通過し、第２の導光体２の三角プリズム２３に入射後、プリズム面で全反射し光電変換素子３ｂに到達する光の軌跡である。同じく、符号４ｃ、４ｄで示した矢線は、第１の導光体１の三角プリズム１３のを通過し、第２の導光体２の三角プリズム２３に入射後、第２の導光体２の平坦部２４の内を全反射で伝搬した後、光電変換素子３ｃへ到達する光の軌跡である。同じく、符号４ｅで示した矢線は、第１の導光体１の三角プリズム１３を通過し、第２の導光体２の三角プリズム２３に入射後、光電変換素子３ｂへ到達する光の軌跡である。４ｆは４ａと同様、第１の導光体１の三角プリズム列のない平坦部１４に入射し、第２の導光体の三角プリズム２３に入射後、プリズム面で全反射し光電変換素子３ａに到達する光の軌跡である。４ｆと４ａの違いは図の垂直線に対して線対称の関係にある。また、４ａから４ｂ間の光は４ａと同様の、４ｂから４ｃ間の光は４ｂと同様の、４ｃから４ｄの間の光は４ｃ、４ｄと同様の、４ｄから４ｅの間の光は４ｅと同様の、４ｅから４ｆの間の光は４ｆと同様の軌跡を描く。

このように、第１の導光体に三角プリズム列を周期的に形成し、かつ、第２の導光体に三角プリズムを周期的に形成することで、光を集光することが可能となる。

上述の説明において、第１の導光体１の三角プリズム列に入射する光に対して、図の右方向に進む光についてのみ記載したが、図の左方向に進む光も存在し、三角形プリズムが左右対称であることから、右方向に進む光をそのまま左方向へと転換すれば良く、同様の原理ですべての光が光電変換素子に到達することがわかる。

第１の導光体１に対して垂直に入射する光は、ほとんど光電変換素子３へ到達し、集効する光の量は受光量の約８７％である。１００％とならないのは、第１の導光体１に入射する場合の界面で発生する反射光、第１の導光体１から出射する場合の界面での反射光、第２の導光体２に入射する場合の界面での反射光、光電変換素子へ入射する場合の界面で発生する反射光があるためである。

図３は、集光器を備えた太陽電池の導光体端部の断面図である。集光器の端部には、第１の反射体である銀やアルミニウム等の金属、または金属のコーティングを施した樹脂により形成される鏡面反射体５がある。鏡面反射体５は、第１の導光体１を透過した光を、ほぼ水平方向に反射するように傾斜角度を持たせた面を有する。

図中、符号４ｉ、４ｈ、４ｇで示した矢線は、いずれも鏡面反射体５に反射され、光電変換素子へ到達する光の軌跡を示す。矢線４ｉは第２の導光体２の斜面透過後、直接光電変換素子３ｅに到達する光である。矢線４ｈは第２の導光体２の斜面透過後、第２の導光体の平坦部２４内を全反射し、光電変換素子３ｄに到達する光である。矢線４ｇは第２の導光体２の斜面透過後、三角プリズムに全反射され、光電変換素子３ｅへ到達する光である。
このように、端部に鏡面反射体５を配置することにより、ほとんどの光を集光させることができる。

さらに、図４を用い、この集光器の寸法の具体的な例について説明する。
第１の導光体１の厚さをｄ_１、第１の導光体１の三角プリズム１３の高さをｄ_２、第２の導光体の三角プリズム２３の高さをｄ_３、第２の導光体の平坦部２４の高さをｄ_４とする。また第１の三角プリズム列の長さと第２の導光体の平坦部２４の長さはほぼ等しくl₁とし、第１の三角プリズムの頂角α_１、第２の三角プリズムの頂角α_２とする。また鏡面反射体５の傾斜角をθとする。また光電変換素子５の幅をａとする。

具体例１として、光電変換素子が多結晶シリコンや単結晶シリコンの場合、２０インチ級のウエハから切り出すため、光電変換素子５の幅ａは４分割程度とし、現行のガラス板や現行の太陽電池モジュールの厚さ並みとすることを考慮してａ＝４０ｍｍ、ｄ_１＝３ｍｍ、ｄ_２＝０．３ｍｍ、ｄ_３＝３４．６ｍｍ、ｄ４＝３ｍｍ、l₁＝６０ｍｍ、α_１＝６０°、α_２＝６０°、β＝７０°とすることができる。

また具体例２として、スクリーン印刷で形成できるＣｄＴｅやフォトリソグラフィーの手法で形成できるアモルファスシリコン等の薄膜半導体などでは、光電変換素子５の幅を任意に選べる。太陽電池モジュール全体の厚さを薄くすることを可能とするサイズとして、ａ＝１ｍｍ、ｄ_１＝３ｍｍ、ｄ_２＝０．３ｍｍ、ｄ_３＝０．８７ｍｍ、ｄ_４＝０．４ｍｍ、l₁＝１．５ｍｍとすることができる。
なおα_１、α_２、βの角度に関しては、±５°の範囲で微調してもよい。

上述したように、本実施形態に係わる集光器は、それぞれに異なる配列の三角プリズムを持つ導光体を２用いる。そのため一見複雑な形状に見えるが、部材としては２つだけであり、組み立ては容易である。また、透明な板に三角プリズムを形成する技術は液晶ディスプレイのバックライトに適用されている技術でもあり、加工技術としても確立されている。したがって、集光器の製造において加工コストを下げられる。

さらに、第１の導光体１の三角プリズム列に入射する光は、左方向に曲げられ、第２の導光体２に進む。そして、第２の導光体２の中で反射を繰り返した後に、すべての光が光電変換素子３に到達する。また、第１の導光体の平坦部１４に入射する光は、第２の導光体の三角プリズム２３に入射後、プリズム面で全反射し光電変換素子３に到達する。したがって、集光効率を高くできる。

実施の形態２．
実施の形態１において、太陽光線４ｅは第２の導光体２へは三角プリズム面から入射する形態としていたが、第２の導光体２の平坦部２４より入射し、光電変換素子３へ入射させることもできる。以下、この形態を説明する。

図５は、本実施の形態２に係る集光器を備えた太陽電池の断面図である。
本形態においては、実施の形態１に比べ、l₂だけ平坦部を長くすることができ、集光倍率は高まる。l₂は光の入射角度に依存し、平坦部を透過した光と平坦部とのなす角θとすると

と表される。
ｄ_４＝１６、θ＝３５．５°とした場合、l₂＝１１．４ｍｍとなる。
したがって、集光倍率は、

より、２．８倍となる。

以上説明したように、第２の導光体２の厚みを調整することにより、第２の導光体２の平坦部２４に入射した光を光電変換素子３へ入射させることができ、集光倍率を高めることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、実施の形態１の構成に加え、第２の導光体２の底面に第２の反射体である反射シート６を備える例を説明する。図６は、本実施形態に係る集光器を備えた太陽電池の断面図である。図６において、鏡面反射する反射シート５が、第２の導光体２の底面に配置されている。符号４ｊで示した矢線は、第１の導光体１の最表面に対して約１０°の角度で入射する光の軌跡である。図示したように、太陽光線が第１の導光体１の三角プリズム列の右傾斜面に当たる場合、光は第２の導光体２の平坦部に入射される。

反射シートのない実施の形態１、２の場合は、そのまま透過光となる場合があるが、反射シート６があることにより、三角プリズムにより進む方向を偏向させた後に、次の三角プリズム下の光電変換素子３ａに吸収されることになる。このように、反射シート６を置けば太陽がある程度傾いても集光効果を維持することが可能となる。

本実施形態に係る集光器を備えた太陽電池は、紙面に垂直方向を東西に紙面の左右方向を南北に配置するのがよく、太陽が南中時に第１の導光体１に垂直に光が入射するように配置するのがよい。理想的には、春分・秋分の日の南中時に、導光体１に垂直に光が入射するように配置し、夏至・冬至には±２３．４°の入射角度となるように配置する。実施の形態２で示した寸法の集光器について反射シート６を備える場合について、第１の導光体１の最表面に入射される光の量を１とした場合の、南北方向の太陽の傾きに対し利用できる光の割合を図７に示す。この例では、２３．４°の入射角度でも約４０％の効率があるとがわかる。

上述した構成により、入射光の東西方向の傾きに対しては、実施の形態１、２で説明したように光を集めることができる。また、南北方向の太陽の傾きに対しては、反射シートを利用して光を集めることができる。

なお、本実施形態では鏡面反射シートを用いたが、拡散反射をする反射シートでも光利用効率を向上させる効果は期待できる。また、このように光電変換素子３を導光体とシートで挟むことは、光電変換素子３を空気に直接触れさせず表面酸化などの劣化を防ぐ効果も期待できる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、実施の形態１の構成について、第１の導光体１に改良を加えた例を説明する。図８は本実施形態に係る集光器を備えた太陽電池の断面図である。

本実施形態では、第１の導光体１の平坦部１４と第２の導光体２の三角プリズム２３の頂点部とを透明な角柱部材７で接続している。これにより、第１の導光体１の平坦部１４から入射する光４ａは、第１の導光体１を透過する時の損失、第２の導光体２に入射する時の損失がなく、光強度を低下させることなく光電変換素子３ｂへ入射させることができる。

また、第１の導光体１の三角プリズム列を透過する光４ｂに対して、第２の導光体２の三角プリズム２３に当たるように、透明な角柱部材７の大きさを調整すれば、その分の光も光電変換素子３ｂへ入射させることができる。

さらに、第１の導光体１の平坦部と第２の導光体２の三角プリズム頂点部を角柱部材７で接続することにより、第１の導光体１と第２の導光体２との相互位置を固定する働きも有り、経年変化による第１の導光体１と第２の導光体２との位置ずれを抑制する働きもある。

実施の形態５．
本実施の形態５では、実施の形態１の構成から第２の導光体２の一部を省略した例を説明する。図９は、本発明の実施の形態５に係る集光器を備えた太陽電池の断面図である。

第２の導光体２の平坦部を無くし、光電変換素子３ａ、３ｂ、３ｃ上に、第２の導光体として、個々に三角プリズム２ａ、２ｂ、３ｃを密着させて固定する。第１の導光体１と第２の導光体２ａ、２ｂ、２ｃの位置合わせのため、反射シート５は固い台座等に貼り合わせて固定するか、反射率の高い金属板などを用いる。

図１０に、南北方向の太陽の傾きに対し利用できる光の割合を示す。第１の導光体１の最表面に入射される光の量を１として、光電変換素子３に到達する光量の割合を示したものである。実線は実施の形態３の構成による光の割合、破線は本実施の形態による光の利用できる割合である。光の入射角度０°での利用できる光の割合は低いが、入射角２°以上では実施の形態３よりも、利用できる光の割合を高くすることができる。

実施の形態６．
本実施の形態６に係る集光器を備えた太陽電池の断面図を図１１に、全体の概観を図１２に示す。図１１において、第３の導光体３０は平坦部３４を中心に、両側に複数の三角プリズム３３を配列している。また、第４の導光体４０は、中央に三角プリズム２０が形成されており、その両側に平坦部４４が形成されている。さらに、第４の導光体４０の両端には鏡面の第３の反射体３５が配置されている。また、第３の導光体および第４の導光体の縁部間を第３の反射体３５が連結している。本形状を基本形として、図１２のように繰り返し並べることができる。なお、本形状は実施の形態１の端部形状を、垂直線に対して線対称に配置したものとみることもできる。

ここで、この形態の集光倍率を計算すると、実施の形態２で説明した式（１）において、ｄ_４＝１６、θ＝３５．５°とした場合、l₂＝１１．４ｍｍとなるので、
次の計算より算出できる。

つまり、鏡面の第３の反射体３５により反射された光も中央の三角プリズムに集めることができるので、集光倍率を４．６倍と高い倍率にできる。

実施の形態７．
本実施の形態７に係る集光器を縦横に並べた太陽電池の全体の概観を図１３に示す。先に説明した実施の形態６の図１１に示した集光器を備えた太陽電池を、三角プリズムの頂点を通る軸で回転させた回転対称形状としたものが、本実施の形態７に係る集光器を備えた太陽電池である。また、第５の導光体の形状は、中心部に円盤状の第５の平坦部を配し、同心円状に並んだ複数の三角プリズムから構成される。また第６の導光体は、中央に円錐を配し、その外周を平坦な円盤形とした形状をしている。第２の導光体２の外周を鏡面の第４の反射体で囲み、第５の導光体および第６の導光体の縁部間を第４の反射体が連結している。集光器の断面は、図１１と同じであるので省略する。

集光倍率は、次の粗い計算から

２１倍と高い倍率にできる。

なお、上述し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解されるべきである。本発明の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、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を含むものである。

１第１の導光体、２第２の導光体、３光電変換素子、４光の軌跡、５鏡面反射体、６反射シート、７柱状部材、１１第１の入射面、１２第１の出射面、１３第１のプリズム、１４第１の平坦部、２１第２の入射面、２２第２の出射面、２３第２のプリズム、２４第２の平坦部、３０第３の導光体、３１第３の入射面、３２第３の出射面、３３第３のプリズム、３４第３の平坦部、３５第３の反射体、４０第４の導光体、４１第４の入射面、４２第４の出射面、４３第４のプリズム、４４第４の平坦部。

Claims

外部からの光が入射する第１の入射面とその入射光を出射する第１の出射面とを有する第１の導光体と、
前記第１の導光体の第１の出射面側に対向して配置され、前記第１の導光体からの光を受ける第２の入射面とその入射光を出射する第２の出射面とを有する第２の導光体とを備え、
前記第１の導光体の第１の出射面には、一方向に延びる複数の三角形の第１のプリズムの列と第１の平坦部とが交互に並んで形成されており、
前記第２の導光体の第２の入射面には、前記第１の平坦部と同じ幅であって前記第１のプリズムの延伸方向と同一方向に延びる三角形の第２のプリズムが前記第１の平坦部に対向する位置に形成され、
さらに、第２の入射面には、前記第２のプリズムに隣接して第２の平坦部が形成され、
前記第２の平坦部は、平坦な前記第２の入射面とそれに対向する平坦な前記第２の出射面とを含み、
前記第２のプリズム直下の第２の出射面より光を取り出すことを特徴とする集光器。
第１の導光体および第２の導光体の端部であって、前記第１の導光体と前記第２の導光体の間に光を反射する第１の反射体を有することを特徴とする請求項１に記載の集光器。
第２のプリズム直下の領域を除く第２の出射面を第２の反射体で覆ったことを特徴とする請求項１に記載の集光器。
三角形の第２のプリズムの頂点部に柱状部材を有し、前記柱状部材を介して第１の導光体と第２のプリズムとを結合したことを特徴とする請求項１に記載の集光器。
請求項１に記載の集光器であって、第２の導光体を構成する第２の平坦部に換えて、第２の反射体を布設したことを特徴とする請求項１に記載の集光器。
請求項１から５のいずれか一に記載の集光器を有し、第２のプリズム直下の第２の出射面に光電変換素子を配置したことを特徴とする太陽電池。
外部からの光が入射する第３の入射面とその入射光を出射する第３の出射面とを有する第３の導光体と、
前記第３の導光体の第３の出射面側に対向して配置され、前記第３の導光体からの光を受ける第４の入射面とその入射光を出射する第４の出射面とを有する第４の導光体と、
第３の導光体および第４の導光体の縁部間を連結する第３の反射体とを備え、
前記第３の導光体の第３の出射面には、第３の平坦部を挟んで両側に一方向に延びる複数の三角形の第３のプリズムの列が並んで形成されており、
前記第４の導光体の第４の入射面には、前記第３の平坦部と同じ幅であって前記第３のプリズムの延伸方向と同一方向に延びる三角形の第４のプリズムが前記第３の平坦部に対向する位置に形成され、さらに、第４の入射面には、前記第４のプリズムに隣接して第４の平坦部が形成され、
前記第４の平坦部は、平坦な前記第４の入射面とそれに対向する平坦な前記第４の出射面とを含み、
前記第４のプリズム直下の第４の出射面より光を取り出すことを特徴とする集光器。
請求項７に記載の集光器を有し、第４のプリズム直下の第４の出射面に光電変換素子を配置したことを特徴とする太陽電池。
外部からの光が入射する第５の入射面とその入射光を出射する第５の出射面とを有する第５の導光体と、
前記第５の導光体の第５の出射面側に対向して配置され、前記第５の導光体からの光を受ける第６の入射面とその入射光を出射する第６の出射面とを有する第６の導光体と、
第５の導光体および第６の導光体の縁部間を連結する第４の反射体とを備え、
前記第５の導光体の第５の出射面には、円形の第５の平坦部の周囲に複数の断面が三角形の第３のプリズムの列が同心円状に並んで形成されており、
前記第６の導光体の第６の入射面には、前記第５の平坦部と同じ幅の断面が三角形の第６のプリズムが前記第５の平坦部に対向する位置に形成され、さらに、第６の入射面には、前記第６のプリズムの周囲に第６の平坦部が形成され、
前記第６の平坦部は、平坦な前記第６の入射面とそれに対向する平坦な前記第６の出射面とを含み、
前記第６のプリズム直下の第６の出射面より光を取り出すことを特徴とする集光器。
請求項９に記載の集光器を有し、第６のプリズム直下の第６の出射面に光電変換素子を配置したことを特徴とする太陽電池。