JP6854096B2

JP6854096B2 - 集光型太陽電池システム及び発電方法

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Publication number: JP6854096B2
Application number: JP2016139665A
Authority: JP
Inventors: 恒宇津; 満市川
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: JP2018011459A

Description

本発明は、集光型太陽電池システムと、当該集光型太陽電池システムを用いる発電方法とに関する。

トラフ型集光太陽電池システムは、トラフ（雨樋）形状に設置された反射鏡を用いて太陽光を太陽電池に集光することにより、通常のパネル型による太陽電池モジュールよりも少ない太陽電池セルで、同程度の光電変換を行うことが可能である。また、集光された光を受けるレシーバ部に冷媒等を通すことで、熱エネルギーを収集することも可能である。

このようなトラフ型集光太陽電池システムについて多数報告されている（例えば特許文献１）。一般的に、トラフ型集光太陽電池システムは、放物線形状に反射鏡を設置することで、放物線の光軸に対して平行に入射した太陽光を、放物線の焦点付近に設置した太陽電池に集光、照射することが可能である。太陽電池は集光することにより開放電圧が向上することが知られており、太陽電池の出力向上も見込める。

国際公開第２０１１／１１４８６１号

Ｒ．Ｐｅｒｅｚ，Ｒ．Ｓｅａｌｓ，Ｊ．Ｍｉｃｈａｌｓｋｙ，Ａｌｌ−ｗｅａｔｈｅｒｍｏｄｅｌｆｏｒｓｋｙｌｕｍｉｎａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ − ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ，５０，（１９９３），ｐ．２３５−２４５．

しかしながら、トラフ型集光太陽電池システムは、放物線の光軸に対して平行な入射光（直達光）を焦点位置に集光することは可能であるが、光軸に平行でない入射光（散乱光）を、焦点位置にほとんど集光、照射することができない。
具体的には、雲や周辺の建築物等により太陽光が散乱され散乱光が生じるが、このような散乱光のほとんどは、トラフ型集光太陽電池システムの焦点位置に配置される太陽電池へ照射されないという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであって、反射鏡により反射される散乱光を太陽電池に良好に受光させることができ、それにより高出力で発電できる集光型太陽電池システムと、当該集光型太陽電池システムを用いる発電方法とを提供することを目的とする。

本発明者らは、集光型太陽電池システムを、光軸に対して平行であって、巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含む反射鏡と、光軸に対して平行であって、太陽電池を内蔵するレシーバとを備える構成とし、反射鏡により反射された入射光をレシーバの両主面である第１受光面と、第２受光面とに照射することにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は以下のものを提供する。

すなわち、本発明は、
（ｉ）反射鏡とレシーバとを備える集光型太陽電池システムであって、
反射鏡は、光軸に対して平行であって、巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含み、
レシーバは、光軸に対して平行な板状であって、且つ前述の断面の少なくとも１つに対して垂直な方向に延在し、
レシーバは、第１受光面と、第１受光面の裏側の第２受光面とを有し、且つ内部に太陽電池が配置されており、
反射鏡により反射された入射光が、集光されたうえで、第１受光面及び第２受光面の両面を通じて太陽電池に照射され、
反射鏡の表面が、複数の短冊状の鏡からなり、
短冊状の鏡の鏡面が平面であり、
複数の前記短冊状の鏡は、短辺の長さの異なる２種以上の短冊状の鏡を含み、
それぞれの短冊状の鏡で反射された入射光が、レシーバの第１受光面又は第２受光面に収まり、
太陽電池の光軸方向の幅をＷｓ、短冊状の鏡の短辺の長さをＷｍ、短冊状の鏡への光軸と平行な入射光の入射角をαとして、式Ｗｍ≦２ｓｉｎ（α）×Ｗｓの関係を満たす、集光型太陽電池システム、及び、
（ｉｉ）（ｉ）に記載の集光型太陽電池システムに太陽光を照射して発電を行うことを含む、発電方法、を提供する。

本発明によれば、反射鏡により反射される散乱光を太陽電池に良好に受光させることができ、それにより高出力で発電できる集光型太陽電池システムと、当該集光型太陽電池システムを用いる発電方法とを提供することができる。

トラフ型の反射鏡を備える集光型太陽電池システムの概略を示す図である。複数の短冊状の鏡から構成される反射鏡を備える集光型太陽電池システムの断面を模式的に示す図である。反射鏡を構成する短冊状の鏡の幅Ｗｍと、太陽電池の光軸方向の幅Ｗｓとの関係を模式的に示す図である。反射鏡の形状と、太陽電池で受光可能な散乱光の範囲との関係を模式的に示す図である。内部に単一の太陽電池を備えるレシーバと、複数の短冊状の鏡から構成される反射鏡を備える集光型太陽電池システムの断面を模式的に示す図である。内部に単一の太陽電池を備えるレシーバの断面を模式的に示す図である。内部に２つ太陽電池を備えるレシーバと、複数の短冊状の鏡から構成される反射鏡を備える集光型太陽電池システムの断面を模式的に示す図である。内部に、２つの太陽電池と、２つの太陽電池間の冷却部とを備えるレシーバの断面を模式的に示す図である。反射鏡の形状のバリエーションを示す図である。放物線の形状と、散乱光の取り込み率との関係を示す図である。天候毎の、放物線の形状と、散乱光の取り込み率との関係を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

≪集光型太陽電池システム≫
集光型太陽電池システムは、反射鏡とレシーバとを備える。
反射鏡は、光軸に対して平行であって、巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含む。
放物線形状である断面について、当該放物線形状は、式ｙ＝ａｘ^２で表され、且つａが０．８以上８．０以下である形状である。
レシーバは、光軸に対して平行な板状であって、且つ前述の断面の少なくとも１つに対して垂直な方向に延在する。
レシーバは、第１受光面と、第１受光面の裏側の第２受光面とを有し、且つ内部に太陽電池が配置されている。
反射鏡により反射された入射光は、集光されたうえで、第１受光面及び第２受光面の両面を通じて太陽電池に照射される。

前述の通り、反射鏡は、光軸に対して平行な断面として、巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含む。
なお、本明細書において「巨視的に放物線形状である断面」を「放物線断面」と記す場合がある。
また、「巨視的に放物線形状である断面」又は「放物線断面」について、特段説明が無い場合、かかる断面は「光軸に対して平行な断面」である。
さらに、本明細書及び特許請求の範囲における「平行」又は「垂直」は、幾何学的な平行又は垂直のみならず、目視にて平行又は垂直と認識できる程度の略平行又は略垂直を含む。

ここで、反射鏡が含む放物線断面が、全て、互いに平行であり且つ同一の形状である場合について、反射鏡が放物線断面を１つ含むとする。
また、
・反射鏡が、同一の放物線形状であるが、互いに平行でないｎ種の放物線断面を含む場合、
・反射鏡が、互いに平行であるが、異なる形状であるｎ種の放物線断面を含む場合、及び、
・反射鏡が、互いに平行でなく、且つ異なる形状であるｎ種の放物線断面を含む場合、
について、反射鏡が放物線断面をｎ個含むとする。
なお、放物線断面の形状が連続的に変化する場合等、反射鏡が巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含むことが明らかである一方で、放物線断面の種類の数を特定できない場合がある。

前述の特許文献１に記載されるような従来知られる集光型太陽電池システムでは、光軸と平行な方向に入射する直達光が反射鏡の焦点位置に集光される（特許文献１の図２、図４、及び図５を参照。）。このため、従来の集光型太陽電池システムでは、集光された直達光からの高効率の発電のみに着目され、反射鏡の焦点位置に円柱型のロッド状の太陽電池が配置されている。
しかし、反射鏡で反射された散乱光は、反射鏡の焦点位置からずれた箇所に反射される。このため、従来の集光型太陽電池システムでは、散乱光を十分に発電に利用できなかった。
この点、集光型太陽電池システムにおいて、光軸に対して平行な板状であって太陽電池を内蔵するレシーバを用いると、反射された直達光のみならず、反射された散乱光もレシーバの両主面である第１受光面と第２受光面とに受光可能である。
また、レシーバは光軸に対して平行な板状であるため、反射鏡への入射光のレシーバによる遮光の影響がほとんどない。
このため、放物線断面を有する反射鏡と、光軸に対して平行な板状であって太陽電池を内蔵するレシーバとを組み合わせて用いることにより、集光型太陽電池システムの発電効率が向上する。

上記の通り、放物線断面を含む反射鏡を利用する集光型太陽電池システムでは、直達光の集光が可能である一方で、散乱光の多くを集光できないことが課題である。
このため、レシーバにおける散乱光の取り込み効率の向上が、システムにおける出力向上において必要である。
散乱光の取り込み効率の向上のためには、集光型太陽電池システムの集光倍率は２倍から２０倍の範囲内が好ましい。このような低い集光倍率で集光することで、反射鏡の形成する放物線に対して、レシーバがある程度の幅を有する。このため、放物線に対して、概ね点で集光する集光倍率が高いシステムと比較して、より多くの散乱光を取り込みやすい。なお、ここでの集光倍率とは、ＡＭ１．５Ｇ（１ｓｕｎ）下に太陽電池を置いた際の電流量を基準とし、同じ光源下での集光型太陽電池システムにおいて得られた電流が何倍になっているかで定義する。

上記の反射鏡によれば、主には、光軸に対して平行な直達光が焦点に集光されることで、良好な発電が行われる。短時間の発電でも問題ない場合は、直達光を受光しやすい位置及び方向に固定された反射鏡を備える集光型太陽電池システムを用いてもよい。
他方で、一般的には、できるだけ長い時間良好な発電が行われることが望まれる場合が多い。このため、太陽からの直達光の入射方向である光軸と、放射線断面の対称軸とが常時一致するように、集光型太陽電池システムが太陽を追尾可能であるのが好ましい。
追尾の方法は特に限定されない。例えば、一日の太陽追尾において、南北方向に沿わせた回転軸に従って反射鏡とレシーバとを回転させて、東から西へ太陽を追尾する方法が好ましい。
かかる追尾は、南北方向に沿わせた回転軸を地面と平行に設置させた１軸追尾であってよい。
また、追尾は、南北方向に沿い、且つ地軸と平行に設置される第１の回転軸に従った追尾に加え、太陽高度の季節変動に合わせて光軸と直達光の入射方向とが概ね一致するように反射鏡とレシーバとを第２の回転軸に従って回転させる、２軸追尾であってもよい。
このような２軸追尾としては、天体望遠鏡の架台に適用される追尾方式として周知である赤道儀方式を用いるのが好ましい。

以下、図面を参照しながら、集光型太陽電池システムについて説明する。なお、各図において、厚みや長さ等の寸法関係は、図面の明瞭化及び簡略化のため適宜変更されており、実際の寸法関係を表していない。

図１は、集光型太陽電池システムの好ましい一実施形態である、トラフ型（雨樋型）の反射鏡２０を備える集光太陽電池システムの概略を示す図である。トラフ型の反射鏡２０を備える集光太陽電池システムは、反射鏡２０及びレシーバ３０の形成が容易であり、低コストで製造可能な点で好ましい。なお、反射鏡２０の形状は、トラフ型には限定されない。
トラフ型の反射鏡２０は、図１中に図示される第１の方向に直線的に延在している。また、トラフ型の反射鏡２０の第１の方向に対して垂直な断面Ａの形状は、いずれの位置においても、第１の方向に対して垂直な光軸を対称軸とする巨視的に放物線形状である。
さらに、トラフ型の反射鏡２０に含まれる複数の放物線断面はいずれも同一の形状である。
反射鏡２０が形成する凹部の内部には、反射鏡２０により反射された入射光が集光されたうえで、レシーバ３０の両主面である第１受光面と第２受光面とに照射されるように、反射鏡２０の焦点付近に、第１の方向に直線的に延在し且つ内部に太陽電池１０を備えるレシーバ３０が配置される。
これにより、第１受光面から入射する反射光と、第２受光面から入射する反射光とを、太陽電池１０が効率的に利用でき、高効率で発電できる。

図１に示される集光型太陽電池システムにおいて、反射鏡２０と、レシーバ３０とは、第１の方向にどのような長さに延在していてもよい。
特に一軸追尾を行う場合は、反射鏡２０と、レシーバ３０との第１の方向の長さが、例えば数十メートルのように十分に長いことにより、季節変動による太陽光の収集ロスを低減できる。
季節変動による太陽光の収集ロスについて説明する。例えば冬季においては、南中時刻においても太陽高度が低い。太陽高度が低いと、南北方向に回転軸を設定した一軸追尾トラフ型集光太陽電池システムにおいては、南側の反射鏡には南北面において斜めから太陽光が照射されるため、南側の一部の太陽電池に光が照射されず太陽光の収集ロスが生じる場合がある。このため、図１に示されるようなトラフ型の集光型太陽電池システムでは、反射鏡２０とレシーバ３０とを十分に長くすることで、主に冬季に生じる太陽光の収集ロスの割合を減少させることができる。

以上説明した、反射鏡２０と、太陽電池１０を内蔵するレシーバ３０とは、図１中不図示の架台に設置される。前述の通り、架台は太陽を追尾するための追尾機構を備えていてもよい。
以下、集光型太陽電池システムの主要な構成である、反射鏡２０と、レシーバ３０とについて説明する。

＜反射鏡＞
前述の通り、反射鏡２０は、光軸に対して平行な断面として、巨視的に放物線形状である断面（放物線断面）を少なくとも１つ含む。
反射鏡２０において、放物線断面は連続しているのが好ましいが、必ずしも連続していなくてもよい。
例えば、前述のトラフ型の反射鏡２０では、架台への反射鏡２０の設置の都合等により、反射鏡の少なくとも一部に、凹部や凸部を設けてもよい。この場合、凹部や凸部に該当する位置における断面の形状は放物線形状でなく、反射鏡２０において放物線断面は不連続である。

前述のトラフ型の反射鏡２０のように、反射鏡２０の形状は、放物線形状が連続的に移動する際の軌跡の形状であるのが好ましい。反射鏡２０の形状としては、曲線状に移動して形成された軌跡の形状であってもよいが、直線状に移動して形成された軌跡の形状（つまり、トラフ型）であるのが、反射鏡２０の製造が容易である点や、反射鏡２０が小型である点から好ましい。

例えば図２に示されるように、反射鏡２０は、複数の短冊状の平面鏡から構成されてもよい。図２は、複数の短冊状の平面鏡から構成される反射鏡を備える集光型太陽電池システムの放物線断面を含む断面を、放物線断面に対して垂直な方向から見た模式図である。
反射鏡２０は、短辺の長さの異なる２種以上の短冊状の平面鏡から構成されるのが好ましい。図２では、７種計１４枚の短冊状の平面鏡２０ａ〜２１ｇから反射鏡２０が構成されている。
この場合、平面鏡２０ａ〜２１ｇは、放物線断面と同断面上において当該放物線に対する接線を構成しており、且つ各平面鏡が重ならないように配置されるのが好ましい。そうすることで、平面鏡上に他の平面鏡による影が生じることなく、効率よく太陽光をレシーバ３０に集光できる。

図２に示されるように、反射鏡２０が複数種の平面鏡を用いて構成される場合、複数の平面鏡２０ａ〜２０ｇは、それぞれ異なる短辺幅Ｗｍを有することが好ましい。
以下、図３を用いて、短冊状の反射鏡の短辺幅Ｗｍの好ましい範囲を説明する。図３は図２の一部を拡大した図である。また、図３では、便宜上、レシーバ３０中の太陽電池１０のみを図示し、レシーバ３０の図示を省略している。
図３において、太陽電池１０の光軸方向の幅をＷｓとし、短冊状の平面鏡２０ｃの短辺の幅をＷｍとし、平面鏡２０ｃへの直達光１及び直達光２の入射角をαとし、太陽電池１０への反射光の入射角をβとすると、ＷｍとＷｓとが下式：
Ｗｍ≦２ｓｉｎ（α）×Ｗｓ
の関係を満たすのが好ましい。
図３では、一例として平面鏡２０ｃの短辺幅と、太陽電池１０の光軸方向の幅との関係について説明したが、平面鏡２０ｃ以外の平面鏡の短辺幅と、太陽電池１０の光軸方向の幅との関係についても同様である。
平面鏡の短辺幅と、太陽電池１０の光軸方向の幅とが上記の関係であれば、直達光の反射光が太陽電池１０の主面に均等に照射され、光の収集ロスや、太陽電池１０内での電気抵抗ロス等を抑制できる。

放物線断面に関する放物線の形状は、当該放物線を式ｙ＝ａｘ^２で表す場合に、０．８≦ａ≦８．０である放物線の形状である。前述のａの範囲としては、１．０≦ａ≦６．０が好ましく、２．０≦ａ≦４．５がより好ましい。
図４（ａ）に示すように、放物線の形状について、上記式におけるａが小さいと、放物線の焦点付近に設置される太陽電池１０と、平面鏡２０ａ〜２０ｍで構成される反射鏡２０との距離が長い。そうすると、図４（ａ）中破線矢印で示された狭い範囲の散乱光しか、太陽電池１０へ集光できない。
他方、図４（ｂ）に示されるように、放物線の形状について、上記式におけるａが大きいと、平面鏡２０ａ〜２０ｇで構成される反射鏡２０と太陽電池１０との距離が近いため、より広い範囲の散乱光を取り込みやすい。その結果、太陽電池出力の向上が見込まれる。
しかし、上記式におけるａが過大であると、反射鏡の開口が狭まることにより、多量の直達光と散乱光とを反射鏡２０に入射させにくい。直達光と散乱光が十分に反射鏡２０に入射しないと、太陽電池１０への十分な集光が困難である。
以上説明した理由により、放物線断面に関する放物線の形状について、上記式において、０．８≦ａ≦８．０であると、直達光と散乱光との双方を良好に太陽電池１０に集光させやすく、高出力で発電しやすい。

反射鏡２０の材質としては、太陽電池１０の感度波長領域において高反射特性を有し、屋外暴露に対する高信頼性を有する材質であれば特に限定されない。反射鏡２０の材質の好適な具体例としては、アルミ及び銀や、アルミ及び／又は銀を含む合金等が挙げられる。

＜レシーバ＞
レシーバ３０は、光軸に対して平行な板状であって、放物線断面の少なくとも１つに対して垂直な方向に延在する。レシーバ３０は、第１受光面と、第１受光面の裏側の第２受光面とを２つの主面として有する。そして、レシーバ３０の内部には太陽電池１０が配置されている。

以下、図５及び図６により、レシーバ３０について説明する。
図５に、集光型太陽電池システムの放物線断面を含む断面を、放物線断面に対して垂直な方向から見た模式図を示す。
図５に示される集光型太陽電池システムは、複数の短冊状の平面鏡２０ａ〜２０ｇからなる反射鏡２０と、太陽電池１０を内蔵するレシーバ３０とを備える。
太陽からの直達光は、理想的には、図５中の光軸に平行に反射鏡２０へ入射する。この際、反射鏡２０で反射された直達光と散乱光とは、板状のレシーバ３０の内部に配置される板状の太陽電池１０の両主面（第１主面及び第２主面）へ照射される。

図６に、図５中のレシーバ３０の断面を拡大した図を示す。レシーバ３０内に配置される太陽電池１０の種類は、太陽電池１０の両面（第１主面及び第２主面）で受光して発電可能であれば特に限定されない。
好ましい太陽電池の例としては、両面にグリッド電極を形成した結晶シリコン系太陽電池、及び、片面のみに電極が集中したバックコンタクト型の結晶シリコン系太陽電池等が挙げられる。バックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池は、片面にｐ型及びｎ型両方の半導体層が配置されており、金属電極も片面のみに配置されているが、金属電極間の間隔を十分に設けることで、両面で受光することが可能となる。
以下、バックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池について、より具体的に説明する。バックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池は、結晶シリコン基板の一方の主面上に、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層とが互いに接して配置された、裏面接合型の太陽電池である。
バックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池の好ましい一例としては、結晶シリコン基板の一方の主面上に、互いに離間した複数のｐ型半導体層と、互いに離間した複数のｎ型半導体層とが配置されたものが挙げられる。ここで、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層は、それぞれ実質的に真性ｉ型半導体層を介して、結晶シリコン基板の一方の主面上に形成される。
かかるバックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池は、例えば国際公開第２０１３／１３３００５号等に記載される。
この好ましいバックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池では、複数のｎ型半導体層は、結晶シリコン基板の主面中のｐ型半導体層で被覆されていない領域を、ｐ型半導体層の表面の一部露出させつつ、ｐ型半導体層に接しながら被覆する。この場合、ｎ型半導体層の端部は、ｐ型半導体層の端部の直上に配される。
以上説明したパックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池では、複数のｐ型半導体層と複数のｎ型半導体層とのそれぞれの表面に金属電極が設けられ、金属電極から電流が取出される。
太陽電池１０は、両面にグリッド電極を備えた結晶シリコン系太陽電池や、金属電極間の間隔が十分に設けられたバックコンタクト型結晶シリコン系太陽電池の様に、両面から受光可能なものが好ましい。また、レシーバ３０内には、レシーバ３０が延在する方向に沿って、複数の太陽電池１０が連続して配置されてもよい。
太陽電池１０は、受光可能な面が表面保護材５０ａ及び５０ｂ側になるように、２つの太陽電池を近接する位置に配置して構成されてもよい。この場合、片面のみで受光可能な太陽電池を用いることができる。

レシーバ３０内において、太陽電池１０は、透明な封止材４０で封止されているのが好ましい。封止材４０は、有機材料であっても無機材料であってもよいが、加工が容易である点や軽量である点等から、樹脂等の有機材料が挙げられる。封止材４０として用いることができる透明な樹脂材料としては例えばＥＶＡ（エチレンビニルアルコール共重合体）等が挙げられる。封止材４０として使用される透明な樹脂材料は、透明性を著しく損なわない範囲で、紫外線吸収剤、酸化防止剤、難燃剤、難燃助剤、可塑剤等の種々の添加剤を含んでいてもよい。

太陽電池１０を内包する板状の封止材４０の両主面上には、表面保護材５０ａ及び５０ｂを設けるのが好ましい。表面保護材５０ａ及び５０ｂを設けることにより、レシーバ３０が有する第１受光面と第２受光面とにおける傷の発生や、レシーバ３０内の太陽電池１０の損傷を抑制しやすい。
表面保護材５０ａ及び５０ｂの材質は、屋外での長期間の暴露に耐え得る耐久性を備える材料であれば、有機材料であっても無機材料であってもよい。例えば、表面保護材５０ａ及び５０ｂとしてはガラス板を好ましく使用することができる。また、表面保護材５０ａ及び５０ｂの材質としては、種々の目的で使用されているハードコート材料用の樹脂を用いることもできる。表面保護材５０ａ及び５０ｂは、ハードコート用のフィルムを用いて形成してもよいし、ハードコート形成用の塗布液を封止材４０の両主面に塗布した後、塗布膜に対して加熱や露光等を行って形成してもよい。

図６に示される構造のレシーバ３０は、簡単な構造であるため、形成が容易であって低コストである。

以上、両面で受光可能である単一の太陽電池１０か、近接して配置された複数の太陽電池１０を内部に備えるレシーバ３０について以上説明したが、レシーバ３０は２つの太陽電池１０を内部に備えていてもよい。
具体的には、レシーバ３０は、その２つの主面である第１受光面側と第２受光面側とに、それぞれ第１太陽電池１０ａ及び第２太陽電池１０ｂを備えていてもよい。
かかる構成のレシーバ３０と、複数の短冊状の平面鏡２０ａ〜２０ｇからなる反射鏡２０とを備える集光型太陽システムの放物線断面を含む断面を、放物線断面に対して垂直な方向から見た模式図を、図８に示す。

図８において、第１太陽電池１０ａは、第１受光面を通じて入射する入射光が、第１太陽電池１０ａの第１主面で受光されるようにレシーバ内３０に配置される。
また、第２太陽電池１０ｂは、第２受光面を通じて入射する入射光が、第２太陽電池の第１主面で受光されるようにレシーバ３０内に配置される。
集光型太陽電池システムにおいて、理想的には、太陽からの直達光が光軸に平行に反射鏡２０に入射する。この場合、反射鏡２０で反射された直達光及び散乱光は、前述の通り、レシーバ３０の第１受光面と、第２受光面とに入射する。
この点、第１太陽電池１０ａ及び第２太陽電池１０ｂが、図８に示されるようにレシーバ内に配置されると、第１受光面に入射する光と、第２受光面に入射する光とから高効率で発電できる。

レシーバ３０内に第１太陽電池１０ａと第２太陽電池１０ｂとを設ける場合、第１太陽電池１０ａ及び第２太陽電池１０ｂとしては、特に制限なく種々の太陽電池を用いることができる。
好ましい太陽電池の例としては、結晶シリコン系太陽電池、薄膜シリコン系太陽電池、ＩＩＩ−Ｖ族太陽電池、ＣｄＴｅ太陽電池、ペロブスカイト型太陽電池、カルコパイライト系太陽電池（例えばＣＩＧＳ太陽電池）、色素増感太陽電池、及び有機太陽電池等が挙げられる。特に結晶シリコン系太陽電池は、バックコンタクト型の太陽電池を使用することが、金属電極による遮光ロス分が低減する観点から好ましい。

レシーバ３０が第１受光面側及び第２受光面側にそれぞれ第１太陽電池１０ａ及び第２太陽電池１０ｂを備える場合、封止材４０ａ及び封止材４０ｂ中にそれぞれ封止された第１太陽電池１０ａ及び第２太陽電池１０ｂをその両面に支持する基材６０が、その内部に冷却部７０を備えているのも好ましい。かかるレシーバ３０の断面を、図８に模式的に示す。

レシーバ３０がその内部に冷却部７０を備える場合、冷却部７０中に冷媒を流通させることができる。この場合、第１太陽電池１０ａと第２太陽電池１０ｂとに入射した入射光により発生した熱が基材６０を介して冷媒に伝わり、冷却部７０中を流通する冷媒が加熱される。これにより、レシーバ３０で発生した熱エネルギーが、集光型太陽電池システム外に取り出される。
冷媒が水である場合、熱エネルギーの取出しにより温水が得られる。得られた温水は、特に制限無く、従来より温水が利用されている種々の用途に使用できる。
熱エネルギーの取出しにより得られる温水は、例えば、冬季の作物の発育促進の目的等で農業において使用され得る。また、温水は、集合住宅での暖房（例えば床暖房）や、浴室等への給湯の目的でも使用され得る。
温水の温度が所望する程度に高くない場合、温水を給湯器（ボイラー）等の装置を用いて所望する温度まで加熱してから利用してもよい。

冷媒は、特に限定されず気体でも液体でもよく、伝熱効率の点で液体が好ましい。液体としては、従来より種々の装置において冷媒として使用されている液体を特に制限なく使用することができる。低価格であって、引火や発火の危険が無く、漏えい時の問題が少ないこと等から、冷媒として使用される液体としては水が好ましい。冷却部７０に水を流通させる場合、当該水には、スケール抑制剤、ｐＨ調整剤、キレート剤、消泡剤、スライムコントロール剤、防カビ剤、及び防腐剤等の種々の薬剤を加えてもよい。

基材６０の材質は、アルミやステンレス等の熱伝導性の高い材質であるのが好ましい。
レシーバの組み立てが容易であることから、図８に示されるように、基材６０が、基材６０ａと基材６０ｂとの２つのパーツに分割されているのが好ましい。かかる場合、基材６０ａと基材６０ｂとを接合して、両者の内部に冷却部７０が形成される。

冷却部７０の形状は特に限定されない。冷却部７０の形成が容易である点からは、基材６０中に単一の冷却部７０を設けてもよい。また、伝熱面積が広げ伝熱効率を高められることから、基材６０中に２以上の複数の冷却部７０を設けてもよい。なお、図８では、単一の冷却部７０を有するレシーバ３０の断面を示す。

また、基材６０の冷却部７０を規定する表面に、微細な凹凸のパターンを形成して、冷却部７０を流通する冷媒と基材６０との間の伝熱効率を高めてもよい。凹凸のパターンの形状は特に限定されない。好ましいパターン形状としては、ライン（凸部）とスペース（凹部）とからなるラインアンドスペースパターンや、基材６０の表面（凹部）にドット（凸部）が点在するドットパターンや、基材６０の表面（凸部）にホール（凹部）が点在するホールパターンであってもよい。

以上、説明した反射鏡２０と、太陽電池１０を内蔵するレシーバとを備える集光型太陽電池システムを用いると、直達光のみならず散乱光も有効に利用でき、高効率で発電できる。
特に、日本のように、雲量が１以下の快晴が少なく、雲量が２以上の晴れや曇りの天候が多い地域では、雲による太陽光の散乱によって、太陽光の全成分中の散乱光の比率が２０％以上である場合が多い。
しかし、以上説明した集光型太陽電池システムによれば、太陽光の全成分中の散乱光の比率が２０％以上である場合でも、散乱光を良好に発電に利用できる。

＜シミュレーション＞
以下、一例として、図２に示すトラフ型集光太陽電池システムに関し、シミュレーション結果を用いて、その効果について具体的に説明する。なお、集光型太陽電池システム、及びその集光効率に関する効果は、図２に示すトラフ型集光太陽電池システムとその集光効果とには限定されない。

ここでは、光学シミュレーションにより、放物線形状に関する式ｙ＝ａｘ^２における係数ａの値と、散乱光の取り込み率（％）との関係を調べた。
光学シミュレーションには、光線追跡型光学シミュレーションソフト（Ｌｉｇｈｔｔｏｏｌｓ、サイバネット社製）を用いた。
太陽電池の条件として、７．８ｃｍの角の結晶シリコン系太陽電池の使用を設定した。
放物線形状を表す式中の係数ａとして、０．３、０．４、１．１、２．０、３．８、５．６、及び１０．０の７値を設定して、各値についてのトラフ型集光太陽電池システムの散乱光の取り込み率（％）を算出した。
なお、散乱光については、全ての方位から均等に光を照射し、その内どれだけの割合の光が太陽電池に取り込まれているかを調べた。
また、反射鏡としては、図２における左右両側の反射鏡から、直達光の場合において、それぞれ概ね５倍集光となるように、反射鏡の設置範囲を設定した。各平面反射鏡の短辺の長さは、平面鏡の短辺の長さ（Ｗｍ）と、太陽電池の光軸方向の幅（Ｗｓ）とが、前述の関係式：
Ｗｍ≦２ｓｉｎ（α）×Ｗｓ）を満たすように設定した。
図１０に計算結果を示す。図１０から分るように、０．８≦ａ≦８．０であるときに、約１０％以上の散乱光が取り込めており、さらに、１．０≦ａ≦６．０において、約１５％以上、２．０≦ａ≦４．５では約１７％以上の散乱光が取り込めていることが分かる。
また、上述の計算においては、全方から均等な散乱光を仮定したが、ＰｅｒｅｚＳｋｙＤｉｆｆｕｓｅＭｏｄｅｌ（非特許文献１）を用いて、晴天、及び曇天における散乱光に関しても同様の検討を実施した。その結果を図１１に示す。この場合においても、同様の結果を示しており、特定の係数ａにおいて、散乱光の良好な取り込みを期待できることが分かった。

≪変形例≫
集光型太陽電池システムは、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、反射鏡２０の形状を、所定の条件を満たす限りにおいて、図１に示されるトラフ型の形状から種々変更することができる。

反射鏡２０の形状は、図９に示されるように、放物線形状が曲線に沿って移動した軌跡の形状であってもよい。この場合、反射鏡２０の放物線断面の焦点位置を考慮して、反射鏡２０が形成する凹部内に、反射鏡２０の開口部のカーブに沿って曲がった板状のレシーバ３０が光軸に平行に配置される。
ここでは、光軸に対して垂直な方向に湾曲した反射鏡２０について説明したが、反射鏡を光軸に対して平行な方向に湾曲させることもできる。この場合、反射鏡は、開口側に向かって凸であっても、開口側と反対側に向かって凸であってもよい。

図９に示される形状の反射鏡２０を用いる場合、トラフ型の反射鏡２０を備える集光型太陽電池システムと同じ設置幅で、太陽電池１０の受光面積を大きくできる利点がある。

１０太陽電池
２０反射鏡
３０レシーバ
４０封止材
５０ａ、５０ｂ表面保護材
６０基材
７０冷却部

Claims

反射鏡とレシーバとを備える集光型太陽電池システムであって、
前記反射鏡は、光軸に対して平行であって、巨視的に放物線形状である断面を少なくとも１つ含み、
前記レシーバは、前記光軸に対して平行な板状であって、且つ前記断面の少なくとも１つに対して垂直な方向に延在し、
前記レシーバは、第１受光面と、前記第１受光面の裏側の第２受光面とを有し、且つ内部に太陽電池が配置されており、
前記反射鏡により反射された入射光が、集光されたうえで、前記第１受光面及び前記第２受光面の両面を通じて前記太陽電池に照射され、
前記反射鏡の表面が、複数の短冊状の鏡からなり、
前記短冊状の鏡の鏡面が平面であり、
複数の前記短冊状の鏡は、短辺の長さの異なる２種以上の短冊状の鏡を含み、
それぞれの短冊状の鏡で反射された入射光が、前記レシーバの前記第１受光面又は前記第２受光面に収まり、
前記太陽電池の前記光軸方向の幅をＷｓ、前記短冊状の鏡の短辺の長さをＷｍ、前記短冊状の鏡への前記光軸と平行な入射光の入射角をαとして、式Ｗｍ≦２ｓｉｎ（α）×Ｗｓの関係を満たす、集光型太陽電池システム。
巨視的に放物線形状である前記断面を１つ含み、トラフ型である、請求項１に記載の、集光型太陽電池システム。
前記太陽電池が、第１主面と、前記第１主面の裏側の第２主面とを有し、
前記第１受光面及び前記第２受光面を通じて入射する入射光が、それぞれ前記第１主面及び前記第２主面に照射される、請求項１又は２に記載の集光型太陽電池システム。
前記レシーバが、前記第１受光面側の第１太陽電池と、前記第２受光面側の第２太陽電池を有し、
前記第１太陽電池の第１主面と、前記第２太陽電池の第１主面とが、それぞれ、前記第１受光面側と、前記第２受光面側とに配置されており、
前記第１受光面及び前記第２受光面を通じて入射する入射光が、それぞれ前記第１太陽電池の前記第１主面及び前記第２太陽電池の第１主面に照射され、
前記第１太陽電池と、前記第２太陽電池との間に、冷媒を流通させる冷却部を有する、請求項１又は２に記載の集光型太陽電池システム。
前記第１太陽電池と、前記第２太陽電池とに入射した入射光により発生する熱エネルギーを用いて前記冷媒の加熱が行われ、
前記冷媒が移動することで熱エネルギーが取り出される、請求項４に記載の集光型太陽電池システム。
集光倍率が２倍から２０倍である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の集光型太陽電池システム。
追尾式である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の集光型太陽電池システム。
地軸と平行な回転軸を有する、請求項７に記載の集光型太陽電池システム。
前記太陽電池がバックコンタクト型太陽電池である、請求項１〜８のいずれか１項に
記載の集光型太陽電池システム。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の集光型太陽電池システムに太陽光を照射して発電を行うことを含む、発電方法。
前記太陽光における散乱光の比率が、２０％以上である、請求項１０に記載の発電方法。