JP7218956B2

JP7218956B2 - 集光型太陽光発電装置

Info

Publication number: JP7218956B2
Application number: JP2021100817A
Authority: JP
Inventors: 直樹若林
Original assignee: 株式会社アポロプロジェクト
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2023-02-07
Anticipated expiration: 2041-06-17
Also published as: JP2023000159A

Description

本発明は、集光型太陽光発電装置に関し、特に、太陽光の集光と拡散により発電効率を向上させる集光型太陽光発電装置に関する。

従来から、太陽光発電装置の一態様として、集光型太陽光発電装置が知られている。そして、集光型太陽光発電装置では、レンズや反射鏡によって構成される集光器と、結晶シリコンなどの光電変換素子によって構成される太陽電池と、が備えられる。このような集光型太陽光発電装置によれば、集光器を用いて集光された光を太陽電池に入射させることができ、例えば、光エネルギーを小さなエリアに集中して高価格な光電変換素子の所要面積を小さくすることができる。

ここで、集光器を用いて集光された光を太陽電池に入射させる場合、僅かな光軸のずれによって光が効率的に太陽電池に入射することができなくなるため、集光型太陽光発電装置を太陽に向けて追尾動作させる駆動装置を用いることが従来から知られている。更に、集光型太陽光発電装置において、集光精度を高めることを目的に、集光器が、一次レンズと二次レンズとによって構成されることがある。すなわち、一次レンズのみでは、太陽に対する追尾のずれや、一次レンズに対する光電変換素子の取付位置の誤差が原因となって光軸がずれると、集光された光の一部が光電変換素子の受光面から外れ発電効率が低下することがあるが、二次レンズが設けられることによって、これらの影響が緩和され、集光精度が高められる。

例えば、特許文献１には、一次レンズで集光した太陽光を二次レンズで発電素子に導く集光型太陽光発電ユニットが開示されている。この集光型太陽光発電ユニットでは、発電素子の近くに設けられた二次レンズによって光を屈折させ、一次レンズに入射した光エネルギーを発電素子の小さなエリアに集中させている。

特許第６５０７９１５号公報

従来から知られている集光型太陽光発電装置では、集光器を用いて光エネルギーを小さなエリアに集中させることで、光電変換素子の所要面積を小さくしている。この場合、僅かな光軸のずれによって光が効率的に太陽電池（光電変換素子）に入射することができなくなると、太陽電池の出力が低下してしまう。そこで、太陽に対する追尾や、この太陽追尾に加えて二次集光部を設けることが、従来から検討されている。例えば、特許文献１に記載の技術は、集光型太陽光発電ユニットにおける二次集光部の構造の完成度を高めることで、太陽電池（光電変換素子）への集光精度を高めようとするものである。しかしながら、これらの集光型太陽光発電装置では、光電変換素子の所要面積を小さくできたとしても、例えば、太陽追尾装置を設ける場合にはそのコストやシステムの大型化が問題となり、また、二次集光部の精密な組み立て技術が問題となり得る。更に、集光される光の照射領域が太陽電池の有効発電領域よりも小さくなれば、太陽電池の有効発電領域に光の明暗が生じることになり、該太陽電池の発電能力を最大限発揮できないばかりか、該太陽電池の故障につながる虞がある。

一方、このような集光型太陽光発電装置において、集光される光の照射領域を太陽電池の有効発電領域よりも大きくすることも考えられるが、この場合、集光された光の一部は発電に用いられないようになってしまい、無駄になる。このように、太陽光を集光して太陽電池に導く技術については、未だ改善の余地を残すものである。

本開示の目的は、簡易な構造ながらも発電効率を大幅に向上させることができる集光型太陽光発電装置を提供することにある。

本開示の集光型太陽光発電装置は、集光した太陽光を用いて発電する集光型太陽光発電装置である。この集光型太陽光発電装置は、所定の光電変換素子を含んで構成される太陽電池と、集光した太陽光を前記太陽電池に導く集光器と、を備える。そして、前記集光器は、前記太陽電池の略上方に配置され、太陽光を集光する凸レンズと、前記凸レンズと前記太陽電池との間において該凸レンズと所定の隙間を有して配置され、前記凸レンズによって集光された太陽光を拡散させることで該太陽光を前記太陽電池に導く凹レンズと、を含んで構成される。

上記の集光型太陽光発電装置では、凸レンズによって太陽光が集光される。ここで、凸レンズによって集光された太陽光は集束する傾向にあるため、凸レンズによって集光された太陽光をそのまま太陽電池に導くと、該太陽電池の有効発電領域に光の明暗が生じ易くなる。そこで、本開示では、凸レンズによって集光された太陽光が凹レンズによって拡散されて太陽電池に導かれる。これにより、凸レンズによって広く集光した太陽光を、凹レンズによって均一に太陽電池に導くことができ、その結果、太陽電池の発電効率が大幅に向上する。なお、上記の集光型太陽光発電装置では、太陽電池と集光器との位置関係を適切に設計することで、集光器からの光の照射領域と太陽電池の有効発電領域とを合致させることができる。このように、本開示の集光型太陽光発電装置によれば、凸レンズと凹レンズという簡易な構造を集光器として追加するのみで、太陽電池の発電効率を大幅に向上させることができる。

ここで、本開示の集光型太陽光発電装置において、前記集光器は、一対の前記凸レンズと前記凹レンズとが複数配置されて構成されるとともに、前記凸レンズと前記凹レンズとの一対の組が平面視で所定の多角形の形状に成形され、複数の該一対の組が隙間無く隣接されてもよい。ここで、仮に、上記一対のレンズが平面視で円形に成形されると、複数の上記一対のレンズを縦横直線状に隣接させて配置したときに、隣接したレンズ間に大きな隙間を生じてしまう。そうすると、集光器による太陽電池への集光効率が低下してしまう。これに対して、上記一対のレンズが平面視で多角形の形状に成形されると、複数の上記一対のレンズを多数隙間無く隣接させて平面配置することができ、太陽光を無駄なく効率的に集光することができる。これにより、太陽電池の発電効率をより向上させることができる。

また、以上に述べた集光型太陽光発電装置において、前記光電変換素子は、ｎｐｎ型半導体であって、ｐ型半導体がダイヤモンドによって構成され、該ｐ型半導体を挟んで配置される２つのｎ型半導体のうち、一方のｎ型半導体がリンによって構成され、他方のｎ型半導体がアルミニウムによって構成されてもよい。これによれば、従来までのシリコンを用いた光電変換素子と比べて、光電変換効率を高めることができ、以て、太陽電池の発電効率をより向上させることができる。

本開示によれば、簡易な構造ながらも発電効率を大幅に向上させることができる。

第１実施形態における集光型太陽光発電装置の概略構成を示す図である。凸レンズと凹レンズとの一対の組が複数配置される態様を例示する図である。第１実施形態における、太陽電池を覆うように凸レンズと凹レンズとの一対の組が複数配置された集光器の平面図である。第２実施形態における、太陽電池を覆うように凸レンズと凹レンズとの一対の組が複数配置された集光器の平面図である。

以下、図面に基づいて、本開示の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本開示は実施形態の構成に限定されない。

＜第１実施形態＞
第１実施形態における集光型太陽光発電装置の概要について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における集光型太陽光発電装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る集光型太陽光発電装置１は、集光した太陽光を用いて発電する集光型太陽光発電装置である。そして、集光型太陽光発電装置１は、所定の光電変換素子１１を含んで構成される太陽電池１０と、集光した太陽光を太陽電池１０に導く集光器２０と、を備える。

太陽電池１０は、基板状に光電変換素子１１が実装されることで構成され、光電変換素子１１の裏面電極と基板上の電極が電気的および機械的に接合される。なお、光電変換素子１１の詳細については、後述する。

集光器２０は、太陽電池１０の略上方に配置され、太陽光を集光する凸レンズ２１と、凸レンズ２１と太陽電池１０との間において該凸レンズと所定の隙間を有して配置され、凸レンズ２１によって集光された太陽光を拡散させることで該太陽光を太陽電池１０に導く凹レンズ２２と、を含んで構成される。ここで、上記の隙間は、図１における距離ｙによって表され、例えば、０．５ｍｍ～１．０ｍｍである。

このような集光器２０によれば、図１に示すように、凸レンズ２１によって広く太陽光を集光することができる。そして、凸レンズ２１によって集光された太陽光が凹レンズ２２によって拡散されて太陽電池１０に導かれる。つまり、凸レンズ２１によって広く集光した太陽光を、凹レンズ２２によって均一に太陽電池１０に導くことができる。

ここで、集光器２０は、一対の凸レンズ２１と凹レンズ２２とが複数配置されて構成されてもよい。図２は、凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が複数配置される態様を例示する図である。本実施形態では、図２に示すように、複数の上記一対のレンズの組が太陽電池１０を覆うように配置される。なお、このような集光器２０は、不図示の保持構造によって、上記の位置関係に保持され得る。

そして、このような凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組は、平面視で正六角形の形状に成形されてもよい。図３は、本実施形態における、太陽電池１０を覆うように凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が複数配置された集光器２０の平面図である。

ここで、仮に、上記一対のレンズの組が平面視で円形に成形されると、複数の上記一対のレンズの組を縦横直線状に隣接させて配置したときに、隣接したレンズ間に大きな隙間を生じてしまう。そうすると、集光器２０による太陽電池１０への集光効率が低下してしまう。

これに対して、図３に示すように、上記一対のレンズの組が平面視で正六角形の形状に成形されると、複数の上記一対のレンズの組を多数隙間無く隣接させて平面配置することができ、太陽光を無駄なく効率的に集光することができる。

次に、太陽電池１０を構成する光電変換素子１１について説明する。本実施形態では、光電変換素子１１にダイヤモンドを含んだｎｐｎ型半導体が用いられる。ここで、ダイヤモンドは、その機械的、化学的、及び熱的特性に加え、優れた半導体特性や光学特性を兼ね備えている。なお、本実施形態では、フラーレンを原料として製造されるハイパーダイヤモンドが用いられる。

このような光電変換素子１１では、ｐ型半導体がダイヤモンドによって構成され、該ｐ型半導体を挟んで配置される２つのｎ型半導体のうち、一方のｎ型半導体がリンによって構成され、他方のｎ型半導体がアルミニウムによって構成される。そうすると、従来までのシリコンを用いた光電変換素子と比べて、光電変換効率を高めることができ、以て、太陽電池１０の発電効率をより向上させることができる。

このように、本実施形態の集光型太陽光発電装置１によれば、凸レンズ２１と凹レンズ２２という簡易な構造を集光器２０として追加するのみで、凸レンズ２１によって広く集光した太陽光を、凹レンズ２２によって均一に太陽電池１０に導くことができ、以て、太陽電池１０の発電効率を大幅に向上させることができる。

以上に述べた集光型太陽光発電装置１によれば、簡易な構造ながらも発電効率を大幅に向上させることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態における集光型太陽光発電装置について、図４を参照しながら説明する。上述した第１実施形態では、凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が平面視で正六角形の形状に成形され、複数の該一対の組が隙間無く隣接される。これに対して、本実施形態では、凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が平面視で正三角形の形状に成形される。

図４は、本実施形態における、太陽電池１０を覆うように凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が複数配置された集光器２０の平面図である。図４に示すように、上記一対のレンズの組が平面視で正三角形の形状に成形されることによっても、複数の上記一対のレンズの組を多数隙間無く隣接させて平面配置することができ、太陽光を無駄なく効率的に集光することができる。

なお、本開示の集光型太陽光発電装置１では、凸レンズ２１と凹レンズ２２との一対の組が平面視で所定の多角形の形状に成形され、複数の該一対の組が隙間無く隣接されてもよい。

以上に述べた集光型太陽光発電装置１によっても、簡易な構造ながらも発電効率を大幅に向上させることができる。

＜その他の変形例＞
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本開示はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうる。上記の実施形態では、光電変換素子１１にダイヤモンドを含んだｎｐｎ型半導体を用いる例について説明したが、これに限定する意図はなく、本開示の光電変換素子には、例えば、結晶シリコンが用いられてもよい。

１・・・・・集光型太陽光発電装置
１０・・・・太陽電池
１１・・・・光電変換素子
２０・・・・集光器
２１・・・・凸レンズ
２２・・・・凹レンズ

Claims

集光した太陽光を用いて発電する集光型太陽光発電装置であって、
所定の光電変換素子を含んで構成される太陽電池と、
集光した太陽光を前記太陽電池に導く集光器と、を備え、
前記集光器は、
前記太陽電池の略上方に配置され、太陽光を集光する凸レンズと、
前記凸レンズと前記太陽電池との間において該凸レンズと所定の隙間を有して配置され、前記凸レンズによって集光された太陽光を拡散させることで該太陽光を前記太陽電池に導く凹レンズと、を含み、
前記凸レンズと前記凹レンズとを一対の組として複数組が配置され、
各組の前記凸レンズは、平面視で全ての外周形状が正六角形、または平面視で全ての外周形状が正三角形であり、
平面視で各組の前記凸レンズの全ての外周形状が正六角形であると、平面視で各組の前記凹レンズの全ての外周形状は、各組の前記凸レンズの全ての外周形状と同じ正六角形であり、
平面視で各組の前記凸レンズの全ての外周形状が正三角形であると、平面視で各組の前記凹レンズの全ての外周形状は、各組の前記凸レンズの全ての外周形状と同じ正三角形であり、
複数の前記凸レンズが平面視で隣接させて配置され、かつ、平面視で隣接する前記凸レンズ同士が隙間無く配置され、
複数の前記凹レンズが平面視で隣接させて配置され、かつ、平面視で隣接する前記凹レンズ同士が隙間無く配置され、
前記光電変換素子は、
ｎｐｎ型半導体であって、ｐ型半導体がダイヤモンドによって構成され、該ｐ型半導体を挟んで配置される２つのｎ型半導体のうち、一方のｎ型半導体がリンによって構成され、他方のｎ型半導体がアルミニウムによって構成される、
集光型太陽光発電装置。