JP5655146B2 - 集光型レンズアレイおよびそれを備えた太陽電池 - Google Patents

集光型レンズアレイおよびそれを備えた太陽電池 Download PDF

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Description

本願は、追尾型集光太陽電池に使われる集光型レンズアレイおよびそれを用いた太陽電池に関する。
光電変換によって、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池は、将来の有望な発電装置である。しかし、現段階では、太陽電池を構成する半導体等の材料コストおよび太陽電池の製造コストは高く、ｋｗの発電当たりに必要な単価（エネルギー単価）は、火力発電の数倍のレベルにある。
また、太陽は東から西に移動するので、太陽電池の受光面が固定されている場合、太陽の移動にともなって、太陽光の太陽電池への入射角が変化する。入射角の変化により実効的な受光面積が変化するだけでなく（太陽電池の受光面の法線と光線のなす角をθとすると、実効面積はｃｏｓθに比例する）、フレネル反射により、太陽電池の受光面での反射率も変化する。一般に正午近くではθの絶対値が最も小さくなり、実効的な受光面積は最大に、表面反射損は最小になり、受光量は最大値を示す。
このようなことから、レンズを使って大面積の光を小さな太陽電池に集光させながら、太陽電池全体を太陽の方位に合わせて動かし、常に太陽光線と太陽電池の受光面が直交するように太陽に追尾させることが考えられている。このようなシステムは追尾型集光太陽電池と呼ばれる。太陽に追尾させるには太陽の方位を検出する装置や太陽電池全体を回転させる駆動装置等が必要であり、これらは追尾型集光太陽電池のエネルギー単価を押し上げる。したがって、レンズと太陽電池の組み合わせをアレイ状にし、多数の太陽電池を１つの検出装置や駆動装置で作動させること、集光効率（太陽電池面積に対するレンズ面積の比）の高い光学系を採用すること等で、全体のエネルギー単価を下げることが好ましい。
図１４を参照して、追尾型集光太陽電池に用いられる従来の集光型レンズアレイの構造を説明する。図１４は、太陽電池およびその上に配置された集光型レンズアレイの断面構造を模式的に示している。図１４に示すように太陽電池基板１００に複数の受光部３がアレイ状に設けられている。太陽電池基板１００には図示しない冷却機構が設けられており、受光部３に集光される太陽光によって太陽電池基板１００が所定の温度以上に過熱されるのを防いでいる。
太陽電池基板１００上には、集光型レンズアレイ５が設けられている。集光型レンズアレイ５は、各受光部３に光を集光するために、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズ５ａを有している。各マイクロレンズ５ａの表面５ｓは球面に近い形状を有している。マイクロレンズ５ａの中心軸Ｌに沿って入射する太陽光線４は表面５ｓにおいて屈折し、受光部３上の点Ｆに集束する光４ａとなる。この光４ａを受光部３で受光し、光電変換する。太陽電池の受光部とレンズアレイとが一体で構成されているため、この太陽電池を太陽光が照射する方向に向けることによって、集光効率が高く、安価な太陽電池を提供できると考えられる。
特開２００８−１２４３８１号公報
しかし、このような従来の集光型レンズアレイを備える太陽電池では、光の屈折を利用して集光するため、集光の際に色収差が発生し得る。
本願の限定的ではない例示的なある実施形態は、色収差が抑制された集光を実現する集光型レンズアレイおよびこれを備えた太陽電池を提供する。
本発明の一態様である集光型レンズアレイは、少なくとも１次元に配列された複数のユニット構造を備えた集光型レンズアレイであって、各ユニット構造は、光が内部へ入射する第１の面と、前記第１の面から入射し、前記内部を透過した前記光を前記内部へ反射する第２の面と、前記第２の面で反射した光を前記内部へ反射する第３の面と、前記第３の面で反射した光を外部へ出射する第４の面とを含み、各ユニット構造において、前記第２の面および前記第３の面は、前記第１の面が位置する入射平面と、前記第４の面が位置する出射平面との間に位置しており、前記第２の面および前記第３の面のうち、少なくとも一方は、入射する光よりも収束させて前記光を反射し、各ユニット構造の前記第２の面は、前記入射平面と垂直な方向であって前記入射平面側から見て、隣接するユニット構造の前記第３の面と重なっており、かつ、隣接するユニット構造の前記第３の面より前記入射平面側に位置している。
本発明の一態様にかかる集光型レンズアレイおよびこれを備えた太陽電池によれば、全反射により、太陽光を集光するため、色収差が大きく抑制され、高い集光効率が得られる。
本発明による追尾型太陽電池システムの第１および第２の実施形態を示す概略的な構成図である。 第１の実施形態の集光型レンズアレイの模式的な構成を示す斜視図である。 第１の実施形態の集光型レンズアレイの３×３つ分のユニット構造を示す分解斜視図である。 第１の実施形態の集光型レンズアレイのｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図である。 第１の実施形態の集光型レンズアレイのｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸から見た分解側面図である。 第１の実施形態の集光太陽電池のｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た断面図である。 集光型レンズアレイの他の形態を示す図であって、ｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図である。 第２の実施形態の集光型レンズアレイの模式的な構成を示す斜視図である。 第２の実施形態の集光型レンズアレイの３×２つ分のユニット構造を示す分解斜視図である。 第２の実施形態の集光型レンズアレイのｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図である。 第２の実施形態の集光型レンズアレイのｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸から見た分解側面図である。 第２の実施形態の太陽電池のｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た側面図である。 第２の実施形態の太陽電池のｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸から見た側面図である。 従来の集光型太陽電池の構造を示す断面図である。
本願発明者は、従来の太陽電池に用いられる集光型レンズアレイの課題を詳細に検討した。
まず、集光型レンズアレイを構成する樹脂やガラスなどの透明媒質には分散があり、屈折率は透過する光の波長に依存する。太陽電池の場合、０．４μｍから１．６μｍの広い範囲の波長の光を光電変換する必要があるため、波長が異なることによる屈折率の差も大きくなる。この屈折率差により、屈折を使った光の集光には大きな色収差が発生し、集光点の位置は波長によって大きく変化する。このため、図１４に示すように、太陽光に含まれる全ての波長の光を点Ｆで収束させることはできず、マイクレンズにより集光される光のスポットは大きくなる。集光した光をできるだけ多く受光するためには、受光部３の面積を大きくする必要がある。これは、集光効率（受光部面積に対するレンズ面積の比）を十分に高められないことを意味する。
また、集光型レンズアレイを樹脂材料で構成する場合、使用期間が長くなるにつれて紫外線による透過率の低下が生じる。このため、図１４に示すように、樹脂内部の光路長ＡＦはできるだけ短いほうが好ましい。また、レンズによって受光面に結像する太陽の像を小さくするためにも、光路長ＡＦはできるだけ短いほうが好ましい。光路長ＡＦを短くするためには、表面５ｓの曲率半径を小さくし、大きな屈折力を得ればよい。しかし、この場合、隣接するマイクロレンズ５ａの表面５ｓ間に、狭く深い窪み５ｂが形成される。この窪みの近傍では面法線が入射光線４と大きな角度をなすので、反射損が増大し、受光部３へ入射する光の入射効率が低下する。
さらに、集光型レンズアレイ５において、マイクロレンズ５ａは２次元に配列されているため、窪み５ｂはマイクロレンズ５ａによって挟まれた構成となり、マイクロレンズ５ａの表面５ｓの曲率半径が小さいほど、窪み５ｂが深くなり、ゴミや汚れが付着しやすくなる。また、いったん付着したごみや汚れを取り除くことは容易ではない。このようなごみや汚れも集光型レンズアレイの透過率を低下させる。
さらに、太陽光は、マイクロレンズ５ａの中心軸Ｌの近傍では、表面５ｓに対して垂直に入射し、表面５ｓでの反射光も中心軸Ｌに沿う方向にあり、反射光量も小さい。これに対し、中心軸Ｌから離れると、太陽光は表面５ｓに対して斜めに入射し、表面５ｓでの反射光は中心軸Ｌから大きく傾き、反射光量も増大する。このため、マイクロレンズ５ａの表面５ｓの曲率半径が小さくなると、周りに撒き散らされる反射光量が増大し、周囲の環境にとっては光害となり得る。
このような課題に鑑み、本願発明者は、新規な集光型レンズアレイ、これを用いた太陽電池ならびに追尾型太陽電池システムを想到した。本発明の一態様の概要は以下のとおりである。
本発明の一態様である集光型レンズアレイは、少なくとも１次元に配列された複数のユニット構造を備えた集光型レンズアレイであって、各ユニット構造は、光が内部へ入射する第１の面と、前記第１の面から入射し、前記内部を透過した前記光を前記内部へ反射する第２の面と、前記第２の面で反射した光を前記内部へ反射する第３の面と、前記第３の面で反射した光を外部へ出射する第４の面とを含み、各ユニット構造において、前記第２の面および前記第３の面は、前記第１の面が位置する入射平面と、前記第４の面が位置する出射平面との間に位置しており、前記第２の面および前記第３の面のうち、少なくとも一方は、入射する光よりも収束させて前記光で反射し、各ユニット構造の前記第２の面は、前記入射平面と垂直な方向であって前記入射平面側から見て、隣接するユニット構造の前記第３の面と重なっており、かつ、隣接するユニット構造の前記第３の面より前記入射平面側に位置している。
各ユニット構造は、前記入射平面と垂直な方向において配置された前記第１の面および前記第２の面と、前記第２の面で反射した前記光を出射する出射平面とを有する第１の集光体と、前記入射平面と垂直な方向において配置された前記第３の面および前記第４の面と、前記第１の集光体の前記出射平面から出射した光が入射する入射平面とを有する第２の集光体とを備え、前記第１の集光体の出射平面の少なくとも一部と前記第２の集光体の入射平面の少なくとも一部とが互いに接している。
前記第１の集光体の前記第２の面における反射および前記第２の集光体の前記第３の面における反射は全反射を含む。
前記各ユニット構造の第１の集光体は、隣接するユニット構造の前記第２の集光体の上に位置している。
前記第２の面および前記第３の面の少なくとも一方は、回転面の一部によって構成されている。
前記第２の面および前記第３の面の他方は平面である。
前記第２の面および前記第３の面の一方は放物面であり、他方は平面である。
前記第２の面は放物面であり、前記第３の面は双曲面である。
前記第１の面および前記第４の面の一方は球面であり、前記第２の面および前記第３の面の一方は双曲面であり、他方は平面である。
前記第１の面および前記第４の面の一方は球面であり、前記第２の面および前記第３の面は双曲面である。
前記第２の面は、第１方向に伸びる曲面形状を有し、前記第３の面は、前記第１の方向と非平行な第２の方向に伸びる他の曲面形状を有する。
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している。
前記第１の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する円柱面であり、前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面であり、前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する放物柱面である。
前記第１の面は、前記第１の方向と平行な平面であり、前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する放物柱面であり、前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する放物柱面である。
前記第１の面は球面であり、前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面であり、前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面である。
本発明の一態様である太陽電池システムは、上記太陽電池と、前記太陽電池を回転させる回転モータを含む回転機構部と、前記太陽電池からの信号を基に太陽に対する前記太陽電池基板の追尾誤差を生成し、回転機構部に回転信号を送る制御部と、前記太陽電池基板で変換された電気エネルギーを蓄え、または、送電する蓄電・送電部とを備える。
本発明の一態様である太陽電池は、上記いずれかの集光型レンズアレイと、少なくとも１次元に配列された複数の受光部を有する太陽電池基板とを備え、前記集光型レンズアレイの各ユニット構造が対応する複数の受光部に光を集光する。
本発明の一態様である集光光学系は、光が内部へ入射する第１の面、および、第１方向に伸びる曲面形状を有し、前記第１の面から入射し、前記内部を透過した前記光を反射する第２の面を含む第１の集光体と、前記第１の方向と非平行な第２の方向に伸びる他の曲面形状を有し、前記第１の集光体の第２の面で反射した前記光を内部へ反射する第３の面、および、前記第３の面で反射し、前記内部を透過した前記光を外部へ出射する第４の面を含む第２の集光体とを備える。
以下、図面を参照しながら本発明による、集光型レンズアレイ、これを用いた太陽電池ならびに追尾型太陽電池システムの実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、追尾型太陽電池システムの第１の実施形態を示す概略的な構成図である。図１に示す追尾型太陽電池システム２００は比較的大規模な太陽光発電として好適に用いることができる。追尾型太陽電池システム２００は、集光太陽電池１０６と、集光太陽電池１０６を回転させる回転モータを含む回転機構部１０１と、集光太陽電池１０６からの信号を基に太陽に対する太陽電池基板１００の追尾誤差を生成し、回転機構部１０１に回転信号を送る制御部１０２と、太陽電池基板１００で変換された電気エネルギーを蓄え、または、送電する蓄電・送電部１０３とを備える。追尾型太陽電池システム２００の全体は、集光太陽電池１０６を除き、公知の技術によって構成することができる。集光太陽電池１０６は、集光型レンズアレイ１０５および太陽電池基板１００を含む。本発明の主要な特徴の１つは、集光型レンズアレイ１０５の構造にあるため、以下、主として、集光型レンズアレイ１０５の構造を中心に集光太陽電池１０６を説明する。
図２は、集光型レンズアレイ１０５の模式的な構成を示す斜視図である。図２において、集光型レンズアレイ１０５は斜線で示すユニット構造が少なくとも１次元に配列された構造を備える。図２では、ユニット構造は、ｘ方向およびｙ方向にｎ×ｍの２次元に配列されているが、少なくとも１次元に配列されていればよい。
図２に示すように、各ユニット構造は、第１の面１ａ、第２の面１ｂ、第３の面２および第４の面２ｃを含む。図２において矢印で示すように、第１の面１ａからユニット構造の内部へ入射した太陽光は、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂで内部へ反射を繰り返しながら第４の面２ｃに到達し、第４の面２ｃから外部へ出射する。この際、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの少なくとも一方において、入射する太陽光よりも収束させて太陽光を反射する。反射角は反射する光の波長に依存しないため、各ユニット構造は、色収差が抑制された太陽光の集光を実現することができる。
本実施形態では各ユニット構造は、第１の集光体１および第２の集光体２を含む。図２に示すように、各ユニット構造の第１の集光体１および第２の集光体２は隣接するユニット構造の第１の集光体１および第２の集光体２とそれぞれつながっている。第１の集光体１の各ユニット構造部分をＵ１11、Ｕ１12、・・・・Ｕ１1m、・・・・・Ｕ１n1、・・・・・Ｕ１nmとする。また、第２の集光体２の各ユニット構造部分をＵ２11、Ｕ２12、・・・・Ｕ２1m、・・・・・Ｕ２n1、・・・・・Ｕ２nmとする。以下において詳細に説明するように、各ユニット構造の第１の集光体は、そのユニット構造の第２の集光体上ではなく、ｘ方向に隣接するユニット構造の前記第２の集光体の上に位置している。
各ユニット構造がｘ方向およびｙ方向に２次元に配列されているため、各ユニット構造の第１の面１ａは同一の平面に配置される。この面を入射平面Ｐ１と呼ぶ。同様に、各ユニット構造の第４の面２ｃは同一の平面に配置される。この面を出射平面Ｐ２と呼ぶ。複数のユニット構造の第１の面１ａは入射平面Ｐ１上に配置されているが、同一の平面を構成していなくてもよい。同様に、複数のユニット構造の第４の面２ｃは同一の平面を構成していなくてもよい。入射平面Ｐ１と出射平面Ｐ２とは平行であり、集光型レンズアレイ１０５において、出射平面Ｐ２は入射平面Ｐ１と反対側に位置している。第２の面１ｂおよび第２の面２ｂは入射平面Ｐ１と出射平面Ｐ２との間に位置している。
また、各ユニット構造の第１の集光体は、ｘ方向に隣接するユニット構造の前記第２の集光体の上に位置しているため、各ユニット構造の第２の面１ｂは、入射平面Ｐ１と垂直な方向であって入射平面Ｐ１側から見て、隣接するユニット構造の第３の面２ｂと重なっており、かつ、隣接するユニット構造の第３の面２ｂより入射平面Ｐ１側に位置する。さらに、入射平面Ｐ１と垂直な方向であって入射平面Ｐ１側から見て、第１の面１ａは、第２の面１ｂと重なっており、第３の面２ｂは第４の面２ｃと重なっている。このため、各ユニット構造では、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが、入射平面Ｐ１と垂直な方向であって入射平面Ｐ１側から見て重ならないが、少なくともx方向において複数のユニット構造を配列した場合には、入射平面Ｐ１に各ユニット構造の第１の面１ａを隙間なく配置することが可能となる。よって、入射平面Ｐ１に各ユニット構造の第１の面１ａを隙間なく配置することが可能となり、入射平面Ｐ１に照射する太陽光を無駄なく太陽電基板１００に照射させることができる。また、各ユニット構造において、太陽光を内部で収束させるのに必要な光路長を確保しつつ、集光型レンズアレイ１０５の厚さ（図２におけるｚ方向の厚さ）を小さくすることができ、軽量な集光型レンズアレイ１０５を実現し得る。
なお、第１の集光体１のユニット構造部分Ｕ１n1、・・・・・Ｕ１nmの下方には、第２の集光体２のユニット構造部分は存在しないし、第２の集光体２のユニット構造部分Ｕ２11、Ｕ２12、・・・・Ｕ２1mの上方には、第１の集光体１のユニット部分は存在しないが、これらの部分の段差を埋めるため、第１の集光体１や第２の集光体２のユニット部分を形成してもよい。また、本実施形態では、各ユニット構造は第１の集光体および第２の集光体によって構成されているが、各ユニット構造は、１つの一体的な構造部材によって構成されていてもよい。この場合には、複数の独立したユニット構造を作製し、各ユニット構造を二次元に配列して集光体レンズアレイ１０５を作製してもよい。
図３、図４および図５は、それぞれ、第一実施形態の集光型レンズアレイの３×３つ分のユニット構造を示す分解斜視図、ｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図、およびｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸方向から見た分解側面図である。また、図６は、本実施形態の集光太陽電池のｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た側面図である。これらの図を参照しながら、本実施形態の集光型レンズアレイおよび太陽電池をより詳細に説明する。
上述したように集光型レンズアレイ１０５の各ユニット構造は、第１の集光体１および第２の集光体２を含む。第１の集光体１および第２の集光体２は、太陽光の波長領域における光の透過率が高く、耐光性を有する材料によって構成されている。具体的には、種々材料のガラスやＰＭＭＡなどの樹脂を用いることができる。ただし、ガラスは樹脂に比べて重いため、ガラスによって第１の集光体１および第２の集光体２を構成する場合、集光型レンズアレイ１０５の重量が増大する。このため、回転機構部１０１への負荷を軽減するためには、第１の集光体１および第２の集光体２を樹脂によって構成することが好ましい。第１の集光体１および第２の集光体２は同じ材料によって構成されていてもよいし、異なる材料によって構成されていてもよい。本実施形態では、第１の集光体１および第２の集光体２は同じ材料によって構成されている。
図３および図４に示すように、第１の集光体１は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを含む。太陽光は第１の面１ａに入射した後、第１の集光体１の内部を進み、第２の面１ｂで反射する。本実施形態では第２の面１ｂは回転面の一部や自由曲面によって構成されている。ここで、回転面とは、平面上の直線または曲線をその平面上の一直線のまわりに回転させることによって形成される面をいう。特に、第２の面１ｂは回転面の一部によって構成されていればよく、第２の面１ｂを構成している部分に回転面の回転軸を含んでいなくてもよい。例えば、第２の面１ｂは、放物線を回転させることにより得られる放物面であることが好ましい。つまり、第２の面１ｂのｘｚ断面およびｙｚ断面はとも放物線である。第２の面１ｂでの反射は、第１の集光体１を構成する材料と第１の集光体１の回りの空気などの環境媒体（または第１の集光体の表面に形成された反射膜）との屈折率差により生じる、全反射を含めたフレネル反射である。第１の面１ａおよび第２の面１ｂは互いに対向し、第１の面１ａに対する第２の面１ｂの正射影は第１の面１ａのほとんどを覆う。第１の集光体１は、さらに、第２の面において反射した太陽光が出射する出射面１ｃを含んでいる。出射面１ｃは、第１の面１ａと第２の面１ｂとの間に位置している。好ましくは、第１の面１ａは平面である。第１の集光体１は、ｘ方向において幅Ｗｘ、ｙ方向において幅Ｗｙを有する。
図３、図４および図５に示すように、第２の集光体２は、第３の面２ｂおよび第４の面２ｃを含む。第３の面２ｂは平面であり、第１の集光体１の第２の面１ｂで反射した太陽光を第２の集光体２の内部へ反射する。第１の集光体１と同様、この反射も全反射を含めたフレネル反射である。第４の面２ｃは第２の集光体２の内部を透過した太陽光を外部へ出射する。第２の集光体２は、さらに、第１の集光体１の第２の面１ｂで反射した太陽光が入射する入射面２ａを含んでいる。入射面２ａは、第３の面２ｂと第４の面２ｃとの間に位置している。
図６に示すように、集光型レンズアレイ１０５において、第１の集光体１および第２の集光体２は、第１の集光体１の出射面１ｃの少なくとも一部と第２の集光体２の入射面２ａの少なくとも一部とが互いに接するように配置される。第１の集光体１の出射面１ｃと第２の集光体２の入射面２ａとの接合面で太陽光が効率よく透過するためには、出射面１ｃおよび入射面２ａはそれぞれ平面であることが好ましい。ただし、第１の集光体１および第２の集光体２が同じ材料によって構成されており、屈折率が等しい場合には、出射面１ｃと入射面２ａとが対応した形状を有しており、隙間なく出射面１ｃと入射面２ａとが接着材を介して接合し得る限り、他の形状を有していてもよい。また、ユニット構造が一体的な１つの部材によって構成されている場合には、出射面１ｃおよび入射面２ａは存在しない。第４の面２ｃは平面であってもよいし、曲面等であってもよく、球面や円柱面であってもよい。さらに、受光部３と第４の面２ｃとを接着材を介して接合してもよい。
上述したように、各ユニット構造の第１の集光体１は、ｘ方向に隣接するユニット構造の第２の集光体２の上に位置している。好ましくは、第１の集光体１の第２の面１ｂと隣接し、直下にあるユニット構造の第２の集光体２の第３の面２ｂとの間に間隙が設けられていることが好ましい。これは、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触している場合、第２の面１ｂのうち、接触部分において、太陽光が、第１の集光体１から隣接するユニット構造の第２の集光体２へ透過してしまうからである。ただし、第３の面２ｂが平面であるのに対し、第２の面１ｂは、回転面の一部によって構成され、互いに異なる方位において曲面形状を有しているため、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触する場合の接触部分は点となる。このため、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触する場合でも第１の集光体１から隣接するユニット構造の第２の集光体２への透過はほとんどなく、大きな問題とはならない。
集光型レンズアレイ１０５において、第１の集光体１の第１の面１ａから入射した太陽光は、第２の面１ｂで反射し、出射面１ｃから出射する。このとき、第２の面１ｂが放物面の曲面形状を有しているため、入射した太陽光は、ｘｚ断面、ｙｚ断面とも所定の集束状態を有する。第１の集光体１から出射した太陽光は、入射面２ａから第２の集光体２に入射し、第３の面２ｂにおいて反射し、第４の面２ｃから出射する。第４の面２ｃから出射する太陽光は一点に集光し、集光面上で太陽の像を形成することができる。図６に示すように、第２の集光体２の第４の面２ｃには、複数の受光部３が設けられた太陽電池基板１００が接合されている。集光型レンズアレイ１０５の各ユニット構造によって上述したように集光された太陽光は、集光型レンズアレイ１０５の各ユニット構造に対応した配列で配置された受光部３を照射する。これにより、高い集光効率で太陽光が集光され、太陽電池の受光部３で太陽光が電気エネルギーに変換される。この太陽光の集束は、第１の集光体１の第２の面１ｂおよび第２の集光体２の第３の面２ｂにおける全反射を含めたフレネル反射によって実現される。このため、集光が材料の屈折率分散や波長には依存せず、色収差が抑制された太陽光の集光を実現することができる。つまり、受光部３を照射する太陽光のスポットは波長が変わっても変わらず、かつ小さくすることができ、効率よく受光部３の領域内に光を入射させることができる。
次に図３から図６を参照しながら、より効率的な集光を実現する構造を詳細に説明する。図３から図６に示す集光型レンズアレイ１０５において、第１の集光体１の第１の面１ａ、第１の集光体１の第２の面１ｂ、第２の集光体２の第３の面２ｂ、第２の集光体２の第４の面２ｃは、それぞれ、平面、放物面等の回転面（自由曲面）、平面、及び平面である。
第１の面１ａは平面なので、ほぼ平行な太陽光線４は第１の面１ａに垂直に入射し、平行な光４ａとなる。この光４ａは第２の面１ｂで反射し、光４ｂとなり、さらに光４ｂは第３の面２ｂで反射し、ｚ軸に沿った光４ｃとなり、第４の面２ｃから出射する。出射した太陽光は、太陽電池基板１００の受光部３上の点Ｄに集光する。
太陽光の光軸と第１の面１ａ、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂとの交点をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとする。また、第１の集光体１および第２の集光体２を構成する材料の屈折率をそれぞれｎとする。第２の面１ｂの点Ｂでの面法線に対する光４ａの光軸（ＡＢ＝ｚ軸）の傾斜角θがarcsin（１／ｎ）より十分大きい場合、太陽光は第２の面１ｂの全領域において全反射する。例えば、第１の集光体１および第２の集光体２がＰＭＭＡによって構成されている場合、ＰＭＭＡの屈折率は約１．５であるため、全反射となる臨界角θｃは約４２°である。したがって、傾斜角θが４５°以上、好ましくは約５０°以上であればよい。
第３の面２ｂの点Ｃでの面法線に対する光４ｂの光軸（ＢＣ）の傾斜角をθに一致させておくと、第３の面２ｂでも光４ｂは全反射する。反射した光４ｃの光軸は、光４ａの光軸と一致し、ｚ軸と平行である。またこの時、反射光４ｂの光軸つまり伝搬方向は、光４ａの光軸に対して２θ（＝約９０°以上）の角度なしており、ｚ軸のマイナス側の伝搬になる。従って、点Ｃは点Ｂよりもｚ軸のマイナス側に位置する。第２の面１ｂのｘｚ面交曲線の点Ｂに於ける接線は第３の面２ｂのｘｚ面交線（＝直線）に平行なので、点Ｃが点Ｂよりもｚ軸のマイナス側に位置すれば、同じ位置ｘでの比較で第３の面２ｂはｘ方向に隣接し、直上にある第２の面１ｂのｚ軸のマイナス側に位置することになる。また、第２の面１ｂがｙｚ断面でｚ軸のマイナス方向に凸の形状なのに対し、第３の面２ｂはｙｚ面に於いて点Ｃを含む直線であるので、点Ｃが点Ｂよりもｚ軸のマイナス側に位置すれば、同じ位置ｙでの比較でも第３の面２ｂはｘ方向に隣接し、直上にある第２の面１ｂのｚ軸のマイナス側に位置することになる。
上述したように各ユニット構造において、第１の集光体１は、第２の集光体２の上には位置しておらず、ｘ方向に隣接するユニット構造の第２の集光体２上に位置している。したがって、上述した各ユニット構造における第２の面１ｂと第３の面２ｂとの位置関係は、各ユニット構造の第２の面１ｂと、隣接するユニット構造の第３の面２ｂとの位置関係にもあてはまる。つまり、各ユニット構造における第１の集光体１の第２の面１ｂは、隣接するユニットセルの第２の集光体２の第３の面２ｂよりもｚ軸のプラス方向に位置しており、各ユニット構造の第１の集光体１は、互いに干渉することなく、隣接するユニットセルの第２の集光体２の上方に配置し得る。このように、集光型レンズアレイ１０５において、各ユニット構造が繰り返し形成されることにより、第１の集光体１の第２の面１ｂによる凹凸構造は、第２の集光体２の第３の面２ｂの平面構造と嵌合し合う。
次に、第１の面１ａ、第２の面１ｂ、第３の面２ｂの曲面の形状について説明する。一般に放物面は一つの焦線Ｆを持ち、中心軸に沿った平行光は放物面で反射して、焦線Ｆに無収差で集光する。ｘｚ平面における太陽光の集光は、第２の面１ｂのｘｚ断面によって行う。第２の面１ｂのｘｚ断面である放物線の焦線をＦ1とし、焦線Ｆ1が点Ｄを通るよう放物線を決定できる。同様に第２の面１ｂのｙｚ断面である放物線の焦線をＦ2とし、焦線Ｆ2が点Ｄを通るよう放物線を決定できる。焦線Ｆ1と焦線Ｆ2は検出面で互いに直交する。
なお、太陽の光は完全な平行光でなく、伝搬方位に±０．２６°程度のばらつきがあり、また、追尾型集光太陽電システムにおける太陽の追尾の制御誤差も±０．２°程度生じ得る。このため光の斜入射により、集光点はある程度の大きさに膨らむが、色収差がないので、スポット径を極小化できる。受光部３の面積は受光部３に入射する太陽光のスポットの大きさに応じて調整し得る。例えば、受光部３に入射する太陽光のスポットの大きさも５ｍｍ以下の直径であれば、受光部３の一辺の長さが、５ｍｍ程度であればよい。この場合、焦線Ｆ1と焦線Ｆ2が上述した関係を厳密に満たしていなくても、太陽光を受光部３において、５ｍｍ以下の直径の光に集束させることができていれば、十分に高い変換効率を維持することができる。
このように、本実施形態の集光型レンズアレイ１０５によれば、第２の面１ｂによりｘｚ断面における集光とｙｚ軸断面における集光とが同時に行われる。また、第１の集光体１および第２の集光体２の各面は平面と放物面等の回転面との組み合わせによって構成されているため、加工し易い。第１の集光体１および第２の集光体２を各ユニット構造単位で成形した場合にも、ユニット構造を互いに嵌めこみ、平面部を接着するだけで、集光型レンズアレイ１０５を作製できる。このため、レンズのアレイ化が極めて容易である。また、第１の面１ａは平面であるため、表面の窪みへのゴミや汚れの付着を大幅に抑制することができる。また、第１の面１ａでの反射光はほとんど入射軸に沿った方向にあり、反射光量も少なく、反射光が周囲に散乱して光害を起こすこともない。
さらに、光の集光は第２の面１ｂおよび第３の面２ｂでの反射で行われる。第１の面１ａでの屈折パワーはほとんどないので、集光にともなう色収差をほぼゼロにでき、集光点での集光スポットを小さく、これを捕捉する受光部３の面積も小さくできる。また、これらの面での反射は損失のない全反射であり、光の伝達効率は高い。これらの理由から、集光効率（受光部面積に対するレンズ面積の比）が高く、安価で安定した集光型レンズアレイを備えた太陽電池を提供できる。
本実施形態の集光型レンズアレイおよび太陽電池は上述の形態に限られず、種々の改変が可能である。例えば、本実施形態において、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂにおける反射は、好ましくは、全反射を含めたフレネル反射であるが、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの少なくとも一方に金属膜などを設け、太陽光の一部を金属膜によって反射させてもよい。
また、本実施形態では、第２の面１ｂは放物面等の回転面であり、第３の面２ｂは平面であったが、第２の面１ｂが平面であり、第３の面２ｂが放物面等の回転面であってもよい。この場合、第１の面１ａから入射した太陽光は、平行光のまま第２の面１ｂで反射し、第３の面２ｂに入射する。第３の面２ｂは、図６に示す点Ｄに焦点を有する放物面によって構成されており、太陽光は第３の面２ｂで反射することにより、点Ｄが位置する受光部３に収束する。
また、集光型レンズアレイにおいて、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの両方において太陽光を集光させてもよい。図７は、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの両方において太陽光を集光する集光型レンズアレイのｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図である。この集光型レンズアレイは、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの形状を除き、上記実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。図７に示す集光型レンズアレイにおいて、第２の面１ｂは放物面であり、第３の面２ｂは双曲面である。より具体的には、第２の面１ｂのｘｚ断面およびｙｚ断面は放物線であり、第３の面２ｂの第３の面２ｂのｘｚ断面およびｙｚ断面は双曲線である。一般に双曲線は２つの焦点Ｆ1、Ｆ2を持ち、焦点Ｆ2に集光する光は、双曲線で反射して、もう一つの焦点Ｆ1に無収差で集光する。第２の面１ｂを構成する放物線の焦点をＦ3とした場合、好ましくは、焦点Ｆ３は、第３の面２ｂの焦点Ｆ1と一致している。第１の集光体１の第１の面１ａから入射した太陽光は、第２の面１ｂで、所定の集光状態で反射し、出射面１ｃから出射する。第１の集光体１から出射した太陽光は、入射面２ａから第２の集光体２に入射し、第３の面２ｂにおいて反射し、さらに集光され、第４の面２ｃから出射する。第４の面２ｃから出射する太陽光は一点に集光し、集光面上で太陽の像を形成することができる。
図７に示す集光型レンズアレイの場合、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂにおいて、太陽光を収束させる。このため、正弦条件を満足する設計が可能である。正弦条件を満足する場合、傾斜した光でも、その収差を抑えることができる。前述したように、太陽光は±０．２６°程度の画角ばらつきがあり、追尾制御誤差も±０．２°程度存在するが、このような角度誤差があっても、収束光に発生する収差を極小化できる。したがって、色収差がないことと合わせて、上記実施形態以上に、スポット径を極小化でき、集光効率を高められる。
なお、上記実施形態では、第１の面１ａおよび第４の面２ｃは平面であったが、大きな収差が生じなければ、第１の面１ａおよび第４の面２ｃは曲面であってもよい。この場合、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂは双曲面によって構成することができる。また、第１の面１ａおよび第４の面２ｃのいずれかが円柱形状である場合、ｘｚ断面、ｙｚ断面の内、円柱軸に沿った断面において、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂは双曲線となる。本実施形態の集光型レンズアレイにおいて、とり得る面の組み合わせを以下の表１に示す。
Figure 0005655146
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明による、集光型レンズアレイ、これを用いた太陽電池ならびに追尾型太陽電池システムの第２の実施形態を説明する。
図１に示すように、本実施形態の太陽電池システム２００’は第１の実施形態と異なる構造の集光型レンズアレイ１０５’を備えていることを除き、第１の実施形態の太陽電システム２００と同じ構造を備えている。具体的には、集光型レンズアレイ１０５’の各ユニット構造において、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂがそれぞれ柱状曲面によって構成される点が第１の実施形態と異なる。このため、以下、主として、集光型レンズアレイ１０５’の構造を説明する。
図８は、集光型レンズアレイ１０５’の模式的な構成を示す斜視図である。第１の実施形態と同様、集光型レンズアレイ１０５’は、図８において、斜線で示すユニット構造が少なくとも１次元に配列された構造を備える。図８では、ユニット構造は、ｘ方向およびｙ方向にｎ×ｍの２次元に配列されているが、少なくとも１次元に配列されていればよい。
各ユニット構造は、第１の実施形態と同様、第１の集光体１および第２の集光体２を含む。図８に示すように、各ユニット構造の配置も第１の実施形態と同じである。各ユニット構造は、１つの一体的な構造部材によって構成されていてもよい。
図９、図１０および図１１は、それぞれ、本実施形態の集光型レンズアレイの３×２つ分のユニット構造を示す分解斜視図、ｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た分解側面図、およびｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸方向から見た分解側面図である。また、図１２および図１３は、本実施形態の太陽電池のｘ方向における３つ分のユニット構造をｙ軸の負方向から見た側面図、およびｙ方向における３つ分のユニット構造をｘ軸方向から見た側面図である。これらの図を参照しながら、本実施形態の集光型レンズアレイおよび太陽電池をより詳細に説明する。
上述したように集光型レンズアレイ１０５’の各ユニット構造は、第１の集光体１および第２の集光体２を含む。第１の集光体１および第２の集光体２は、第１の実施形態と同様の材料によって構成されている。
図９および図１０に示すように、第１の集光体１は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを含む。第１の面には太陽光が照射し、第１の面１ａから第１の集光体１の内部へ太陽光が入射する。第２の面１ｂは少なくとも第１の方向であるｙ軸方向に伸びる曲面形状を有している。ｙ軸方向に伸びる曲面形状は、ｙ軸の任意の位置でのｙ軸に垂直な断面が同じ形状の曲線で規定される。第１の集光体１において、第１の面１ａから入射し、第１の集光体１の内部を透過した太陽光は、第２の面１ｂにおいて反射する。この反射は、第１の集光体１を構成する材料と第１の集光体１の回りの空気などの環境媒体（または第１の集光体の表面に形成された反射膜や透明膜）との屈折率差により生じる、全反射を含めたフレネル反射である。
第１の面１ａおよび第２の面１ｂは互いに対向している。第１の集光体１は、さらに、第２の面において反射した太陽光が出射する出射面１ｃを含んでいる。出射面１ｃは、第１の面１ａと第２の面１ｂとの間に位置している。好ましくは、第１の面１ａは第１の方向（ｙ軸方向）に伸びる、つまり、第１の方向と平行な柱軸を有する円柱面である。第１の集光体１は、ｘ方向において幅Ｗｘを有する。
図９、図１０および図１１に示すように、第２の集光体２は、第３の面２ｂおよび第４の面２ｃを含む。第３の面２ｂは、第１の方向と非平行な第２の方向（例えばｘｚ面内の直線方向）に伸びる曲面形状を有し、第１の集光体１の第２の面１ｂで反射した太陽光を第２の集光体２の内部へ反射する。第１の集光体１と同様、この反射も全反射を含めたフレネル反射である。第４の面２ｃは第２の集光体２の内部を透過した太陽光を外部へ出射する。第２の集光体２は、さらに、第１の集光体１の第２の面１ｂで反射した太陽光が入射する入射面２ａを含んでいる。入射面２ａは、第３の面２ｂと第４の面２ｃとの間に位置している。第２の集光体２は、ｙ方向において幅Ｗｙを有する。
図１２に示すように、集光型レンズアレイ１０５’において、第１の集光体１および第２の集光体２は、第１の集光体１の出射面１ｃの少なくとも一部と第２の集光体２の入射面２ａの少なくとも一部とが互いに接するように配置される。第１の集光体１の出射面１ｃと第２の集光体２の入射面２ａとの接合面で太陽光が効率よく透過するためには、出射面１ｃおよび入射面２ａはそれぞれ平面であることが好ましい。ただし、第１の集光体１および第２の集光体２が同じ材料によって構成されており、屈折率等しい場合には、出射面１ｃと入射面２ａとが対応した形状を有しており、隙間なく出射面１ｃと入射面２ａとが接合し得る限り、他の形状を有していてもよい。第４の面２ｃは平面であってもよいし、曲面等であってもよく、例えば、第２の方向と平行な柱軸を有する円柱面であってもよい。さらに、受光部３と第４の面２ｃとの界面における反射を抑制するための反射防止をこれらの間に設けてもよい。
上述したように、各ユニット構造の第１の集光体１は、ｘ方向に隣接するユニット構造の第２の集光体２の上に位置している。好ましくは、第１の集光体１の第２の面１ｂと隣接するユニット構造の第２の集光体２の第３の面２ｂとの間に間隙が設けられていることが好ましい。第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触している場合、第２の面１ｂのうち、接触部分において、太陽光が、第１の集光体１から隣接するユニット構造の第２の集光体２へ透過してしまうからである。ただし、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂは、互いに異なる方位において、曲面形状を有しているため、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触する場合の接触部分は点となる。このため、第２の面１ｂと第３の面２ｂとが接触する場合でも第１の集光体１から隣接するユニット構造の第２の集光体２へ透過はほとんどなく、大きな問題とはならない。
集光型レンズアレイ１０５’において、第１の集光体１の第１の面１ａから入射した太陽光は、第２の面１ｂで反射し、出射面１ｃから出射する。このとき、第２の面１ｂが第１の方向（ｙ軸）に伸びる曲面形状を有しているため、入射した太陽光は、第１の方向と垂直な平面（ｘｚ平面）においてのみ所定の集束状態を有する。第１の集光体１から出射した太陽光は、入射面２ａから第２の集光体２に入射し、第３の面２ｂにおいて反射し、第４の面２ｃから出射する。このとき、第３の面２ｂが第２の方向に伸びる曲面形状を有しているため、入射した太陽光は、第２の方向と垂直な平面（ｙ軸を含む面）においてのみ所定の集束状態を有する。このため、第４の面２ｃから出射する太陽光は、第１の方向と垂直な平面内および第２の方向と垂直な平面内において集束されている。第１の方向と第２の方向とは非平行であるため、平行でない２平面において、太陽光を集束させることができる。第１の方向と第２の方向とが直交する場合には、２平面は直交するため、２平面が交わる直線に垂直な平面内で太陽光を集束させ、太陽の像を形成することができる。
図１２に示すように、第２の集光体２の第４の面２ｃには、複数の受光部３が設けられた太陽電池基板１００が接合されている。集光型レンズアレイ１０５’の各ユニット構造によって上述したように集光された太陽光は、集光型レンズアレイ１０５’の各ユニット構造に対応した配列で配置された受光部３を照射する。これにより、高い集光効率で太陽光が集光され、太陽電池の受光部３で太陽光が電気エネルギーに変換される。
この太陽光の集束は、第１の集光体１の第２の面１ｂおよび第２の集光体２の第３の面２ｂにおける全反射を含めたフレネル反射によって実現される。このため、集光が波長には依存せず、色収差が抑制された太陽光の集光を実現することができる。つまり、受光部３を照射する太陽光のスポットを小さくすることができ、効率よく受光部３の領域内に光を入射させることができる。
次に図９から図１３を参照しながら、より効率的な集光を実現する構造を詳細に説明する。
図９から図１３に示す集光型レンズアレイ１０５’において、第１の集光体１の第１の面１ａ、第１の集光体１の第２の面１ｂ、第２の集光体２の第３の面２ｂおよび第２の集光体２の第４の面２ｃは、それぞれ、円柱面、双曲柱面、放物柱面および平面である。第１の面１ａである円柱面の柱軸および第２の面１ｂである双曲柱面の柱軸（焦線）は、第１の方向、つまりｙ軸と平行である。また、第３の面２ｂである放物柱面の柱軸（焦線）は、第２の方向と平行である。本実施形態では、第２の方向はｘｚ面上の直線と平行である。
図１２に示すように、第１の面１ａの円柱面は、曲率半径が十分に大きく、ほとんど平面に近い。したがって、ほぼ平行な太陽光線４は第１の面１ａに垂直に入射し、弱く屈折し、わずかに集光された光４ａとなる。この光４ａは第２の面１ｂで反射し、光４ｂとなり、さらに光４ｂは第３の面２ｂで反射し、ｚ軸に沿った光４ｃとなり、第４の面２ｃから出射する。出射した太陽光は、太陽電池基板１００の受光部３上の点Ｄに集光する。
太陽光の光軸と第１の面１ａ、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂとの交点をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃとする。また、第１の集光体１および第２の集光体２を構成する材料の屈折率をそれぞれｎとする。第１の実施形態と同様、第２の面１ｂの点Ｂでの面法線に対する光４ａの光軸（ＡＢ＝ｚ軸）の傾斜角θがarcsin（１／ｎ）より十分大きい場合、太陽光は第２の面１ｂの全領域において全反射する。例えば、第１の集光体１および第２の集光体２がＰＭＭＡによって構成されている場合、ＰＭＭＡの屈折率は約１．５であるため、全反射となる臨界角θｃは約４２°である。したがって、傾斜角θが４５°以上、好ましくは約５０°以上であればよい。
第３の面２ｂの点Ｃでの面法線に対する光４ｂの光軸（ＢＣ）の傾斜角をθに一致させておくと、第３の面２ｂでも光４ｂは全反射する。反射した光４ｃの光軸は、光４ａの光軸と一致し、ｚ軸と平行である。またこの時、反射光４ｂの光軸つまり伝搬方向は、光４ａの光軸に対して２θ（＝約１００°以上）の角度なしており、ｚ軸のマイナス側の伝搬になる。従って、点Ｃは点Ｂよりもｚ軸のマイナス側に位置する。第２の面１ｂのｘｚ面交曲線の点Ｂに於ける接線は第３の面２ｂのｘｚ面交線（＝直線）に平行なので、点Ｃが点Ｂよりもｚ軸のマイナス側に位置すれば、同じ位置ｘでの比較で第３の面２ｂはｘ方向に隣接する第２の面１ｂのｚ軸のマイナス側に位置することになる。また、第２の面１ｂがｙ軸方向に伸びた形状なのに対し、第３の面２ｂはｙｚ面に於いてｚ軸のプラス側に凸形状で、点Ｃはその頂点上にあるので、同じ位置ｙでの比較でも第３の面２ｂはｘ方向に隣接する第２の面１ｂのｚ軸のマイナス側に位置することになる。
上述したように各ユニット構造において、第１の集光体１は、第２の集光体２の上には位置しておらず、隣接するユニット構造の第２の集光体２上に位置している。したがって、上述した各ユニット構造における第２の面１ｂと第３の面２ｂとの位置関係は、各ユニット構造の第２の面１ｂと、隣接するユニット構造の第３の面２ｂとの位置関係にもあてはまる。つまり、各ユニット構造における第１の集光体１の第２の面１ｂは、隣接するユニットセルの第２の集光体２の第３の面２ｂよりもｚ軸のプラス方向に位置しており、各ユニット構造の第１の集光体１は、互いに干渉することなく、隣接するユニットセルの第２の集光体２の上方に配置し得る。このように、集光型レンズアレイ１０５’において、各ユニット構造が繰り返し形成されることによる、第１の集光体１の第２の面１ｂによる凹凸構造は、第２の集光体２の第３の面２ｂによる凹凸構造と嵌合し合う。このため、集光型レンズアレイ１０５’の厚さを小さくすることができる。
次に、第１の面１ａ、第２の面１ｂ、第３の面２ｂの曲面の形状について説明する。一般に双曲線は２つの焦点Ｆ1、Ｆ2を持ち、焦点Ｆ2に集光する光は、双曲線で反射して、もう一つの焦点Ｆ1に無収差で集光する。また放物線は一つの焦点Ｆ3を持ち、中心軸に沿った平行光は放物線で反射して、焦点Ｆ3に無収差で集光する。
第１の方向に垂直な平面、つまり、ｘｚ平面における太陽光の集光は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂによって行う。第２の面１ｂを構成している双曲柱面２つの焦線Ｆ1、Ｆ2のうち、双曲柱面に近接する側の焦線をＦ1とした場合、第１の面１ａを構成する円柱面の焦線を双曲柱面の焦線Ｆ2に一致させる。また、第３の面２ｂにおいて光４ｂが反射せずに直進したと仮定した場合における光軸ＢＣを延長し、点Ｃから距離ＣＤを隔てた位置に、焦線Ｆ1を一致させる。一方、第３の面２ｂは、ｘｚ面内に柱軸を有する放物柱面であるため、ｘｚ平面内では集光作用を有しない。これにより、平行光である太陽光４は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂによって、第１の方向に垂直な平面、つまりｘｚ平面において点Ｄに集光される。第１の面１ａから焦線Ｆ2までの距離は、後述するように集光型レンズアレイ１０５’のｚ方向の厚さよりも十分に長いため、第１の面１ａを構成する円柱面の曲率半径を従来に比べて大きくでき、第１の面１ａをほぼ平坦にすることができる。
一方、第２の方向に垂直な面（ｙ軸を含む面）においては、太陽光４は第１の集光体１では集光されず、平行なまま第２の集光体２の第３の面２ｂに光４ｂとして入射する。このため、第２の方向に垂直な面における太陽光の集束は、第３の面２ｂによって行う。具体的には、第３の面２を構成する放物柱面の焦線Ｆ3を点Ｄに一致させる（厳密には、ＣＤを通りｘｚ面に直交する面内で、この面と第３の面２との交線である放物線の焦点を点Ｄに一致させる）。これにより、第２の方向に垂直な平面（ｙ軸を含む面）において、光４ｂは第３の面２ｂによって点Ｄに集光される。
なお、円柱面の焦線、双曲柱面の焦線および放物柱面の焦線が上述した関係を満たしている場合に、太陽光４は点Ｄにおいて最も小さいスポットで集光され、受光部３に入射するが、受光部３に入射する太陽光のスポットの大きさは、受光部３の面積に応じて調整し得る。例えば、受光部３の一辺の長さが、５ｍｍ程度であれば、受光部３に入射する太陽光のスポットの大きさも５ｍｍ以下の直径であればよい。この場合、円柱面の焦線、双曲柱面の焦線および放物柱面の焦線と点Ｄとの関係が上述した関係を厳密に満たしていなくても、太陽光を受光部３において、５ｍｍ以下の直径の光に集束させることができていれば、十分に高い変換効率を維持することができる。
太陽の光は完全な平行光でなく、伝搬方位に±０．２６°程度のばらつきがあり、また、追尾型集光太陽電システムにおける太陽の追尾の制御誤差も±０．２°程度生じ得る。このため、太陽光が第１の面１ａに垂直に入射するように太陽電池を太陽の方向に一致させた場合でも、第１の面１ａを透過し、第１の集光体１に入射した太陽光が直接出射面１ｃから出射し、迷光となる場合が考えられる。本実施形態では、このような迷光をｘｚ平面において抑制するために第１の面１ａを曲率半径の大きい円柱面で構成した。ＮＡ＝０．０２もあれば角度偏差を持つ太陽光の全てを収束性の光にすることができる。さらにｙｚ平面においても迷光を抑制する場合には、上述したように第１の面１ａを球面によって構成することが好ましい。一方、このような迷光が問題とならない場合には、第１の面１ａを平面によって構成することができる。この場合第１の面１ａが完全な平面となるため、ごみの付着をほぼ完全に抑制することができる。
このように、本実施形態の集光型レンズアレイ１０５’によれば、太陽光の第１の方向と垂直な面（ｘｚ平面）における集光と第２の方向と垂直な面（ｙ軸を含む面）における集光とを独立して行うため、第２の面１ｂの双曲柱面および第３の面２ｂの放物柱面を独立して設計することができる。このため、集光型レンズアレイ１０５’の設計が容易である。また、第１の集光体１および第２の集光体２の各面は平面および柱面の組み合わせによって構成されているため、加工し易い。第１の集光体１および第２の集光体２を各ユニット構造単位で成形した場合にも、ユニット構造を互いに嵌めこみ、平面部を接着するだけで、集光型レンズアレイ１０５’を作製できる。このため、レンズのアレイ化が極めて容易である。
また、第１の面１ａの曲率半径が十分大きいため、集光型レンズアレイ１０５’の表面はほとんど平面といってよく、表面の窪みへのゴミや汚れの付着を大幅に抑制することができる。また、第１の面１ａでの反射光はほとんど入射軸に沿った方向にあり、反射光量も少なく、反射光が周囲に散乱して光害を起こすこともない。
さらに、光の集光は第２の面１ｂおよび第３の面２ｂでの反射で行われる。第１の面１ａでの屈折パワーはほとんどないので、集光にともなう色収差をほぼゼロにでき、集光点での集光スポットを小さく、これを捕捉する受光部３の面積も小さくできる。また、これらの面での反射は損失のない全反射であり、光の伝達効率は高い。これらの理由で、集光効率（受光部面積に対するレンズ面積の比）が高く、安価で安定した集光型レンズアレイを備えた太陽電池を提供できる。
本実施形態の集光型レンズアレイ１０５’において、より効率的な集光を実現するためには、第１の集光体１の第１の面１ａおよび第２の面１ｂならびに第２の集光体２の第３の面２ｂおよび第４の面２ｃは、表２に示す形状の組み合わせであることが好ましい。例えば、本実施形態では、第１の面１ａは円柱面であったが、第１の面１ａは、球面であってもよいし、平面であってもよい。また、第４の面２ｃは平面であったが、円柱面であってもよいし、球面であってもよい。
Figure 0005655146
第１の面１ａが円柱である場合、円柱面の焦線は第１の方向に平行である。第２の面１ａを構成する双曲柱面または放物柱面の焦線も第１の方向に平行である。一方、第３の面２ｂａを構成する双曲柱面または放物柱面の焦線は第２の方向に平行である。また、第４の面２ｃが円柱である場合、円柱面の焦線は第２の方向に平行である。
また、第１の面１ａが円柱である場合、円柱面の焦線は第２の面１ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方と一致することが好ましい。この場合、２つの焦線の他方は第３の面２ｂにおける反射と第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
第１の面１ａが平面である場合、第２の面１ｂを構成する放物柱面の焦線は第３の面２ｂにおける反射と第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
第１の面１ａが球面である場合、球面の焦点は第２の面１ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方と一致することが好ましい。この場合、２つの焦線の他方は第３の面２ｂにおける反射と第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
また、第４の面２ｃが円柱である場合、円柱面の焦線は第３の面２ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方と一致することが好ましい。この場合、２つの焦線の他方は第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
第４の面２ｃが平面である場合、第３の面２ｂを構成する放物柱面の焦線は第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
第１の面１ａが球面である場合、球面の焦点は第３の面２ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方と一致することが好ましい。この場合、２つの焦線の他方は第３の面２ｂにおける反射と第４の面２ｃにおける屈折を考慮した太陽電池基板の受光部の位置に一致することが好ましい。
さらに、第１の面１ａが平面であり、第４の面２ｃが球面である場合、または、第１の面１ａが球面であり、第４の面２ｃが平面である場合、球面の焦点と、第２の面１ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方および第３の面２ｂを構成する双曲柱面の２つの焦線の一方と一致することが好ましい。
また、本実施形態において、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂにおける反射は、好ましくは、全反射を含めたフレネル反射であるが、第２の面１ｂおよび第３の面２ｂの少なくとも一方に金属膜などを設け、太陽光の一部を金属膜によって反射させてもよい。
本実施形態によれば、色収差がほとんどない集光を実現できるため、集光型レンズアレイ以外の種々の光学系などの集光機構として、本実施形態の構造を好適に用いることができる。例えば、上述した本実施形態の集光型レンズアレイの１つのユニット構造を撮像装置の集光光学系に用いることができる。この場合、ｘｚ平面における焦点距離とｙｚ平面における焦点距離が異なるため、集光型レンズアレイの１つのユニット構造によって形成される像は、一般に歪んでいる。このため、形成される像を撮像装置で電気信号に変換した後、信号処理によって歪みを解消することによって正しい像を得ることができる。また、撮像用レンズに必須な正弦条件も第一の方向には第１の面１ａと第２の面１ｂの組み合わせ、第２の方向には第３の面２ｂと第４の面２ｃの組み合わせで設計的に満足させることが可能である。
本願に開示された集光型レンズアレイおよび太陽電池によれば、全反射を用いた集光を行うため、光の損失が少なく、色収差がない。このため、これまで屈折レンズによる集光であったレンズアレイの集光効率（受光部面積に対するレンズ面積の比）を大幅に高められ、安価で安定した集光型レンズアレイおよびこれを備えた太陽電池として有用である。
１ 第１の集光体
１ａ 第１の面
１ｂ 第２の面面
２ 第２の集光体
２ｂ 第３の面
２ｃ 第４の面
３ 受光部
４ 太陽光
４ａ、４ｂ、４ｃ 光
１００ 太陽電池基板
１０５、１０５’ 集光型レンズアレイ
２００、２００’ 太陽電池システム

Claims (17)

  1. 構成面に沿って、列状または２次元の行列状に配列された複数のユニット構造を備えた集光型レンズアレイであって、
    各ユニット構造は、
    光が内部へ入射する第１の面と、前記第１の面から入射し、前記内部を透過した前記光を前記内部へ反射する第２の面と、前記第２の面で反射した光を前記内部へ反射する第３の面と、前記第３の面で反射した光を外部へ出射する第４の面とを含み、
    各ユニット構造において、前記第２の面および前記第３の面は、前記第１の面が位置する入射平面と、前記第４の面が位置する出射平面との間に位置しており、前記第２の面および前記第３の面のうち、少なくとも一方は、入射する光よりも収束させて前記光を反射し、
    各ユニット構造の前記第２の面は、前記入射平面と垂直な方向であって前記入射平面側から見て、隣接するユニット構造の前記第３の面と重なっており、かつ、隣接するユニット構造の前記第３の面より前記入射平面側に位置しており、
    各ユニット構造は、前記第２の面および／又は前記第３の面によって、前記構成面に直交し、かつ、互いに非平行な２平面内における集光を行う、集光型レンズアレイ。
  2. 各ユニット構造は、
    前記入射平面と垂直な方向において配置された前記第１の面および前記第２の面と、前記第２の面で反射した前記光を出射する出射平面とを有する第１の集光体と、
    前記入射平面と垂直な方向において配置された前記第３の面および前記第４の面と、前記第１の集光体の前記出射平面から出射した光が入射する入射平面とを有する第２の集光体と
    を備え、
    前記第１の集光体の出射平面の少なくとも一部と前記第２の集光体の入射平面の少なくとも一部とが互いに接している請求項１に記載の集光型レンズアレイ。
  3. 前記第１の集光体の前記第２の面における反射および前記第２の集光体の前記第３の面における反射は全反射を含む請求項２に記載の集光型レンズアレイ。
  4. 前記各ユニット構造の第１の集光体は、隣接するユニット構造の前記第２の集光体の上に位置している請求項２または３に記載の集光型レンズアレイ。
  5. 前記第２の面および前記第３の面の少なくとも一方は、回転面の一部によって構成されている請求項１から４のいずれかに記載の集光型レンズアレイ。
  6. 前記第２の面および前記第３の面の他方は平面である請求項５に記載の集光型レンズアレイ。
  7. 前記第２の面および前記第３の面の一方は放物面であり、他方は平面である請求項６に記載の集光型レンズアレイ。
  8. 前記第２の面は放物面であり、前記第３の面は双曲面である請求項５に記載の集光型レンズアレイ。
  9. 前記第１の面および前記第４の面の一方は球面であり、
    前記第２の面および前記第３の面の一方は双曲面であり、他方は平面である請求項５に記載の集光型レンズアレイ。
  10. 前記第１の面および前記第４の面の一方は球面であり、
    前記第２の面および前記第３の面は双曲面である請求項５に記載の集光型レンズアレイ。
  11. 前記第２の面は、第１の方向に伸びる柱軸を有する柱面形状を有し、
    前記第３の面は、前記第１の方向と非平行な第２の方向に伸びる柱軸を有する柱面形状を有する、請求項１から４のいずれかに記載の集光型レンズアレイ。
  12. 前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している請求項１１に記載の集光型レンズアレイ。
  13. 前記第１の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する円柱面であり、
    前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面であり、
    前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する放物柱面である、請求項１２に記載の集光型レンズアレイ。
  14. 前記第１の面は、前記第１の方向と平行な平面であり、
    前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する放物柱面であり、
    前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する放物柱面である、請求項１２に記載の集光型レンズアレイ。
  15. 前記第１の面は球面であり、
    前記第２の面は、前記第１の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面であり、
    前記第３の面は、前記第２の方向と平行な柱軸を有する双曲柱面である、請求項１２に記載の集光型レンズアレイ。
  16. 請求項１から１５のいずれかに記載の集光型レンズアレイと、
    前記集光型レンズアレイが有する前記各ユニット構造に対応した配列で配置された複数の受光部を有する太陽電池基板とを備え、前記各ユニット構造が対応する複数の受光部に光を集光する、太陽電池。
  17. 請求項１６に記載の太陽電池と、
    前記太陽電池を回転させる回転モータを含む回転機構部と、
    前記太陽電池からの信号を基に太陽に対する前記太陽電池基板の追尾誤差を生成し、回転機構部に回転信号を送る制御部と、
    前記太陽電池基板で変換された電気エネルギーを蓄え、または、送電する蓄電・送電部と
    を備える、太陽電池システム。
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