JPH10173214A

JPH10173214A - 集光型太陽電池装置

Info

Publication number: JPH10173214A
Application number: JP8333452A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Tange; 恭一丹下; Tomomichi Nagashima; 知理長島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-26
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JP3173400B2

Abstract

(57)【要約】【課題】集光度を高く維持しつつ、小さなエネルギで
効率よく太陽を追尾できる集光型太陽電池装置を提供す
る。【解決手段】集光レンズ１０と太陽電池セル１２が透
明球体１４の中に収められ、太陽電池セル１２は集光レ
ンズ１０の焦点位置近傍に配置されている。透明球体１
４は支え板１８によって支持されており、一定の位置で
回転するように構成されている。位置検出センサにより
太陽の位置を検出し、太陽光３０の角度の変化に応じて
駆動装置２４のプーリ２６によってワイヤ２８を巻き上
げ、可動板１６を移動させる。これにより、透明球体１
４が回転し、集光レンズ１０に太陽光３０が常に垂直に
入射するように制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光を追尾して
効率的な発電が可能な集光型太陽電池装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、太陽電池を用いた発電システ
ムの低コスト化のため、太陽光をレンズを用いて集光
し、高価な太陽電池セルの使用面積を小さくする技術が
知られている。また、その際に太陽電池装置の発電効率
を向上させるため、太陽を追尾する技術も知られてい
る。しかし、このような追尾システムは、装置の駆動コ
ストを高くするという問題がある。そこで、太陽を追尾
するための可動部分をできるだけ少なくし、最小限の駆
動力で効率よく太陽光を追尾することが必要となる。

【０００３】このためには、例えば本出願人が特願平７
−１２７７３３号として提案したような、セルステージ
上に太陽電池セルを複数個並べ、集光レンズを固定した
まま、このセルステージを移動させて太陽の追尾を行う
システムが考えられる。これにより、通常太陽電池セル
に比べて大きくしかも重量の重い集光レンズを駆動しな
くて済み、駆動エネルギの節約を図ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な、集光レンズを固定し、太陽電池セルのみを動かす追
尾方法では、集光レンズの収差により集光レンズの入射
面と太陽光との角度が９０°からずれ、斜め入射になる
に従い焦点の広がりが大きくなる。このため、集光レン
ズに垂直に入射する場合に比べ、４５°方向から入射す
る場合には、その集光度が約１／４程度まで減少してし
まう。したがって、斜め入射時においても集光された太
陽光を全て太陽電池セルの受光面で受けようとした場
合、太陽電池セルの面積を大きくしなくてはならなくな
る。この結果、太陽電池の製造に要するエネルギを太陽
電池で発電できるエネルギで回収するのに要する期間で
あるエネルギペイバックタイムが増加してしまう。

【０００５】結晶シリコン太陽電池の場合、シリコンウ
エハを製造するために要するエネルギが非常に大きいの
で、太陽電池セルの面積を減らすことがエネルギペイバ
ックタイムを減少させるために不可欠である。

【０００６】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、集光度を高く維持しつつ、小さ
なエネルギで効率よく太陽を追尾できる集光型太陽電池
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、集光レンズと太陽電池セルとが内部に一
体的に配置された透明球体と、透明球体が面上に複数配
列された可動板と、太陽の位置を検出するための位置検
出センサと、を備えた集光型太陽電池装置であって、可
動板を駆動して透明球体を回転させ、位置検出センサに
より検出した太陽光に集光レンズを向けることを特徴と
する。

【０００８】また、上記発明において、透明球体が可動
板と押え板との間に挟まれている構成も好適である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００１０】図１には、本発明に係る集光型太陽電池装
置の一実施形態の断面図が示される。図１において、集
光レンズ１０と太陽電池セル１２とが透明材料で形成さ
れた透明球体１４中に一体的に配置されている。この集
光レンズ１０としては、例えば樹脂製で平面形状のフレ
ネルレンズが用いられる。また、太陽電池セル１２は、
集光レンズ１０の焦点位置近傍に配置されている。

【００１１】透明球体１４は、可動板１６の上に複数個
配列されている。この場合、透明球体１４は、支え板１
８によりその位置が移動せず、かつ回転可能なように支
持されている。また、透明球体１４の上部には、ガラス
等で構成された透明板２０が設けられている。図１に示
されるように、透明球体１４と透明板２０とは、互いに
擦れ合うことを防止するために接しないように配置され
ているが、透明板２０の透明球体１４側の面を透明球体
１４の曲率に合わせて凹状に加工するのも好適である。
なお、透明板２０と透明球体１４とのギャップは、０．
１〜０．５ｍｍ程度とするのがよい。これらの支え板１
８、透明板２０等は外枠２２に固定されている。

【００１２】上述した可動板１６は、駆動装置２４のプ
ーリ２６に巻回されたワイヤ２８と接続されており、プ
ーリ２６が回転してワイヤ２８が巻上げられることによ
り、図の左右方向に移動することができる。なお、この
ような可動板１６の駆動機構は、図の紙面に垂直方向に
も設けられており（図示せず）、これらによってｘ−ｙ
方向（水平方向）への移動が可能となる。可動板１６が
このように移動されることにより、この面上に配列され
た透明球体１４も回転する。従って、適当なセンサによ
り太陽光３０の方向を検出し、その方向に透明球体１４
中に設けられた集光レンズ１０の受光面が向くように可
動板１６を移動させれば、太陽の追尾を行うことができ
る。駆動装置２４は、この位置検出センサからの信号に
基づいて例えばＯＮ，ＯＦＦ制御が行われ、集光レンズ
１０の受光面が正しく太陽光３０の方向に向くように制
御される。

【００１３】図２には、上述した透明球体１４の断面図
が示される。透明球体１４の内部には、フレネルレンズ
で構成された集光レンズ１０と太陽電池セル１２とが一
体的に配置されており、透明球体１４が回転すると集光
レンズ１０と太陽電池セル１２とが一体的に回転するよ
うに構成されている。太陽電池セル１２は、その周囲に
土手状の補強部３２が設けられており、冷却管３４を構
成する下板３６に補強部３２を介して接着されている。
なお、下板３６には、太陽電池セル１２が設けられてい
る部分に光を通過させるための穴３８が設けられてい
る。また、冷却管３４には、冷却液供給配管４０を介し
て水等の冷却液が循環されている。冷却管３４中を循環
する冷却液は、穴３８を介して太陽電池セル１２の受光
面に直接接触し、これにより太陽電池セル１２を冷却す
る。太陽電池セル１２の受光面に冷却液を直接接触させ
ることにより、大きな冷却能力を得ることができる。

【００１４】図３には、図２に示された透明球体１４を
集光レンズ１０の方向から見た図が示される。図２及び
図３に示されるように、太陽電池セル１２は、受光面の
裏側に電極が設けられた裏面電極構造となっており、そ
の電極から出力される発電電力は配線４２によって外部
に取り出される。

【００１５】集光レンズ１０と太陽電池セル１２の受光
面との距離ｌは、集光レンズ１０の焦点距離とほぼ一致
されている。集光レンズ１０として使用されるフレネル
レンズは、一般に収差を十分に抑制しつつその焦点距離
を小さくすることができるので、図２に示されるよう
に、集光レンズ１０と太陽電池セル１２とを透明球体１
４の中に収めることが可能となる。例えば、集光レンズ
１０として４０ｍｍ角のフレネルレンズを使用した場合
に、上述したｌの値としては、３０ｍｍ程度とすること
ができる。従って、透明球体１４の大きさとしては５０
φ程度の大きさとなる。また、集光レンズ１０として上
述した４０ｍｍ角のフレネルレンズを使用した場合、太
陽電池セル１２の受光面は３ｍｍ角〜６ｍｍ角程度とす
るのが適当である。３ｍｍ角とした場合の集光度は１７
８倍であり、６ｍｍ角とした場合の集光度は４４倍とな
る。

【００１６】透明球体１４は、例えばアクリル等の透明
樹脂によって構成し、可動板１６との間の摩擦係数を大
きくするために、可動板１６と接する下部球面４４は、
ゴム等の材料を設けておくのが好適である。これによ
り、可動板１６がｘ−ｙ方向に移動した場合に、透明球
体１４も可動板１６の動きとずれずに回転運動すること
が可能となる。なお、透明球体１４の集光レンズ１０の
上部に該当する部分は必ずしも必要なく、集光レンズ１
０をむきだしの状態とすることも可能である。

【００１７】以上のように、可動板１６上に複数個設け
られた透明球体１４には、それぞれ１個ずつ太陽電池セ
ル１２が設けられているが、これらの少なくとも１つ
に、太陽電池セル１２の代わりに図４に示される位置検
出センサ４６を設ける。この位置検出センサ４６は、図
４に示されるように、対角線方向で４分割されており、
４つの台形のセンサｘ₊、ｘ_-、ｙ₊、ｙ_-から構成さ
れている。全体としては正方形の形状となっている。こ
れら４つの台形のセンサｘ₊、ｘ_-、ｙ₊、ｙ_-で構成
される位置検出センサ４６の中央部には、４つの台形の
頂部によって囲まれた穴があいている。この穴には、太
陽電池セルあるいはフォトダイオードを設けてもよい
し、穴のままにしておいてもよい。なおこの穴の形状は
四角形状に限られるものではなく、例えば円形の穴とし
てもよい。

【００１８】位置検出センサ４６は、４つの台形のセン
サｘ₊、ｘ_-、ｙ₊、ｙ_-のどこに太陽光３０が当たっ
ているかを検出するものであり、４つの部分あるいは中
央部に太陽光３０が当たった時にそれぞれ別々の信号が
発生するように構成されている。従って、位置検出セン
サ４６のいずれかの位置に、集光レンズ１０によって集
光された太陽光３０すなわち集光スポットが当たった場
合に、その位置が常に位置検出センサ４６の中央部４８
に移動するように駆動装置２４によって可動板１６を動
かし、透明球体１４を回転させて太陽の追尾を実施す
る。

【００１９】図５には、上述した位置検出センサ４６に
よって太陽の位置を追尾する場合の動作のフローチャー
トが示される。図５において、位置検出センサ４６の４
つの台形センサのうちセンサｘ₊に集光スポットが当た
った場合、これがＯＮとなる（Ｓ１）。これにより、図
１に示された駆動装置２４のプーリ２６を駆動するモー
タが正回転し、可動板１６がＸ方向に移動される。これ
に伴い、透明球体１４も回転し、センサｘ₊に当たって
いる集光スポットが位置検出センサ４６の中央部４８に
向かって移動する（Ｓ２）。集光スポットが位置検出セ
ンサ４６の中央部４８に一致した時にセンサｘ₊がＯＦ
Ｆとなり（Ｓ３）、可動板１６をＸ方向に移動させるモ
ータが停止される（Ｓ４）。なお、この場合、中央部４
８に太陽電池セルあるいはフォトダイオードを設けてお
いて、ここに集光スポットが当たった時に信号を出さ
せ、この信号によりモータを停止させる構成としてもよ
い。

【００２０】次に、集光レンズ１０で集光された集光ス
ポットが、位置検出センサ４６の中のセンサｘ_-に当た
った場合、センサｘ_-がＯＮとなる（Ｓ５）。これによ
り、上記と同様に駆動装置２４のモータが上述とは逆回
転し、ｘ_-に当たっていた集光スポットが位置検出セン
サ４６の中央部４８に移動する（Ｓ６）。集光スポット
が中央部４８に当たると、センサｘ_-がＯＦＦとなり
（Ｓ７）、モータが停止される（Ｓ８）。

【００２１】また、Ｓ１、Ｓ５において、センサｘ₊、
ｘ_-がＯＮとなっていない場合には、可動板１６をＸ方
向に移動させる駆動装置２４のモータは駆動されず、次
のステップに移る。

【００２２】以下同様にしてＳ９〜Ｓ１６のステップに
より、センサｙ₊、ｙ_-のＯＮ／ＯＦＦに基づき、図示
しない、可動板１６をＹ方向に移動させる駆動装置のモ
ータのＯＮ，ＯＦＦが制御され、集光スポットのＹ方向
のずれについても追尾することができる。

【００２３】以上の制御により、集光スポットが位置検
出センサ４６の中央部４８に位置した場合には、いずれ
のセンサｘ₊、ｘ_-、ｙ₊、ｙ_-もＯＮとならないの
で、この状態で駆動装置２４は駆動されず、可動板１６
はその位置に停止する。これにより、他の全ての透明球
体１４中に設けられた太陽電池セル１２に高い集光度で
太陽光が集光されることになる。これは、位置検出セン
サ４６によって太陽を追尾し、その太陽光３０の方向に
応じて可動板１６を移動させ、透明球体１４を回転させ
ることにより集光レンズ１０を太陽光３０に向け、集光
レンズ１０の受光面が太陽光３０の方向と常に９０°を
なすように制御されるからである。集光レンズ１０の受
光面が太陽光３０の方向と９０°をなすと、斜め入射時
に比べ、集光スポットが最も小さくなるので集光率を最
大にできる。これにより、太陽電池セル１２の発電効率
を最も高い状態に維持することができる。また、上述し
たように集光レンズ１０と太陽光３０とが常に９０°の
配置となるので、収差の影響により集光スポットが広が
ることを防止でき、太陽電池セル１２の受光面を大きく
しなければならないということもないので、よりいっそ
う太陽電池セル１２の面積を小さくすることが可能とな
る。

【００２４】また、本実施形態においては、太陽の追尾
を小さな透明球体１４を回転させることによって実施す
るので、追尾機構を簡素化でき、必要な駆動エネルギも
小さくすることができる。

【００２５】図６には、本実施形態に使用される透明球
体の他の例が示される。図６において、透明球体１４中
には、集光レンズ１０及び太陽電池セル１２が設けられ
ているが、太陽電池セル１２を冷却するための冷却管は
設けられておらず、冷却液は冷却液供給配管４０を介し
て透明球体１４の内部に直接供給される。ただし、太陽
電池セル１２の電極部分をぬらさないために、下板３６
は設けられており、この下板３６に設けられた穴３８の
位置に太陽電池セル１２がその補強部３２によって接着
されている点は図２の例と同様である。

【００２６】以上のような本実施形態においては、上述
したように、集光レンズ１０に常に直角に太陽光３０が
入射するので、集光レンズ１０に斜め入射させる方式に
比べ収差によって太陽電池セル１２の受光面からもれて
いた光も発電に寄与させることができる。これにより、
１ｍ²相当のパネルを製作して比較した場合、８月の晴
天時、午前９時〜午後３時まででレンズを固定しセルス
テージのみ駆動して追尾するタイプ（本出願人が特願平
７−１２７７３３号として提案したタイプ）の発電量が
５８７Ｗｈであったのに対し、本実施例では７１５Ｗｈ
の発電量を得ることができた。なお、この場合の集光倍
率は５０倍とし、太陽電池セル１２は変換効率１５％
（集光なしの場合）のものを使用した。

【００２７】さらに、上記先出願で開示した方式では集
光が難しかった朝７時３０分〜９時、夕方３時〜６時３
０分の時間帯でも本実施形態においては十分発電が可能
となった。これは、集光レンズ１０への斜め入射ではな
く常に太陽光３０の方向に集光レンズ１０を向ける方式
としたためである。このため、本実施形態においては、
朝７時３０分〜夕方６時３０分までの発電量として７８
４Ｗｈを得ることができた。なお、参考までに、従来か
ら市販されていた太陽電池装置の場合、午前９時〜午後
３時までの発電量は１ｍ²当たり５３２Ｗｈであり、朝
６時〜夕方６時までの総発電量でも６２１Ｗｈにとどま
っていた。

【００２８】図７には、本発明に係る集光型太陽電池装
置の他の実施形態の断面図が示される。図７において、
透明球体１４は、可動板１６と押え板５０との間に挟ま
れている。可動板１６と押え板５０とは、バネ５２によ
って互いの方向に付勢されており、透明球体１４と可動
板１６及び押え板５０との密着性を高め、これらの間で
滑りが発生することを防止している。なお、押え板５０
は透明ガラスあるいは低密度ポリエチレン等の透明樹脂
で構成されている。図７においては、図１に示された、
支え板１８、透明板２０、外枠２２等の他の部材は省略
してある。

【００２９】本実施形態の場合、押え板５０は固定され
ており、可動板１６のみが図１に示されような駆動装置
２４によって移動され、これによって透明球体１４が所
定方向に回転される。この際、透明球体１４は押え板５
０と滑らないように接しているので、その回転運動を正
確に行わせることができ、長期間の使用により太陽の追
尾が不正確となることを防止することができる。なお、
本実施形態に係る押え板５０は、透明板２０と兼用する
こともでき、その場合には、図８に示されるような構成
となる。この場合には、可動板１６と透明板２０とがバ
ネ５２により互いの方向に付勢され、透明板２０は透明
球体１４と接するように配置される。

【００３０】図９には、透明球体１４を駆動するための
更に他の実施形態が示される。図９において、透明球体
１４はその上部につり下げ部材５４が設けられており、
このつり下げ部材５４につり下げフック５６がかけられ
てこの点を中心に透明球体１４が動けるように構成され
ている。また、透明球体１４の下部には、駆動用穴５８
が設けられており、この駆動用穴５８に駆動用フック６
０がかけられている。この駆動用穴５８と駆動用フック
６０との拡大図が図１０に示される。図１０に示される
ように、駆動用フック６０は駆動用穴５８にかけられる
が、穴が所定の大きさとなっており、その穴の中をフッ
クがある程度自由に動けるので透明球体１４を駆動用フ
ック６０を移動させることによって動かす際に自由な動
きが可能となる。図９において、駆動用フック６０は可
動板１６上に設けられているが、この可動板１６として
は、図に示されるようにメッシュ状としてもよい。

【００３１】本実施形態によれば、各透明球体１４のそ
れぞれが駆動用穴５８にかけられた駆動用フック６０に
よって移動させられるので、太陽の追尾に伴う透明球体
１４の動きを信頼性の高いものとすることができる。

【００３２】以上に述べた各実施形態においては、太陽
光３０を集光レンズ１０で集光しこれを太陽電池セル１
２に照射して発電するシステムとなっており、太陽電池
セル１２は水等の冷却水で冷却されている。従って、高
効率で熱を回収することも可能となる。例えば、冷却水
温度２０℃の場合に、真夏の晴天時に相当する１０００
Ｗ／ｍ2 の入射光量があると、非集光時には２時間で４
２．０℃までしか冷却水温度が上昇しないのに対し、５
０倍集光時では４６．５℃、１００倍集光時では４８．
３℃までそれぞれ冷却水の温度を上昇させることができ
た。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
太陽電池セルと集光レンズとが透明球体内に設置され、
太陽の方向に合わせて透明球体を回転させ、常に太陽光
が集光レンズに垂直に入射するように構成されているの
で、常に集光レンズの最高の集光度で集光し発電するこ
とができる。また、太陽の追尾は透明球体を回転させる
だけなのでその駆動も簡単になり、消費エネルギを減ら
すことができる。

【００３４】また、透明球体を回転させる際に、透明球
体の上下から挟持するように構成すれば、透明球体の回
転制御を更に正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る集光型太陽電池装置の一実施形
態の断面図である。

【図２】図１に示された集光型太陽電池装置に使用さ
れる透明球体の内部を示す断面図である。

【図３】図２に示された透明球体を集光レンズの方向
から見た図である。

【図４】図１に示された集光型太陽電池装置に使用さ
れる位置検出センサの例を示す図である。

【図５】図１に示された集光型太陽電池装置の太陽の
追尾動作を示すフローチャート図である。

【図６】図１に示された集光型太陽電池装置に使用さ
れる透明球体の他の例を示す図である。

【図７】本発明に係る集光型太陽電池装置の他の実施
形態を示す断面図である。

【図８】図７に示された実施形態の変形例を示す断面
図である。

【図９】本発明に係る集光型太陽電池装置の透明球体
の駆動方法の他の例を示す図である。

【図１０】図９に示された実施形態において使用され
る駆動用穴及び駆動用フックの拡大図である。

【符号の説明】

１０集光レンズ、１２太陽電池セル、１４透明球
体、１６可動板、１８支え板、２０透明板、２２
外枠、２４駆動装置、２６プーリ、２８ワイヤ、
３０太陽光、３２補強部、３４冷却管、３６下
板、３８穴、４０冷却液供給配管、４２配線、４
４下部球面、４６位置検出センサ、４８中央部、
５０押え板、５２バネ、５４つり下げ部材、５６
つり下げフック、５８駆動用穴、６０駆動用フッ
ク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集光レンズと太陽電池セルとが内部に一
体的に配置された透明球体と、前記透明球体が面上に複
数配列された可動板と、太陽の位置を検出するための位
置検出センサと、を備えた集光型太陽電池装置であっ
て、前記可動板を駆動して前記透明球体を回転させ、前記位
置検出センサにより検出した太陽光に前記集光レンズを
向けることを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項２】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記透明球体は、前記可動板と押え板との間に挟
まれていることを特徴とする集光型太陽電池装置。