JPH10221528A - 太陽電池装置 - Google Patents

太陽電池装置

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JPH10221528A
JPH10221528A JP9177432A JP17743297A JPH10221528A JP H10221528 A JPH10221528 A JP H10221528A JP 9177432 A JP9177432 A JP 9177432A JP 17743297 A JP17743297 A JP 17743297A JP H10221528 A JPH10221528 A JP H10221528A
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solar cell
light
incident
cell device
prism body
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JP9177432A
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Koetsu Hibino
光悦 日比野
Hiroshi Hasegawa
弘 長谷川
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光率の高い固定型の集光器を備えた太陽電
池装置を提供する 【解決手段】 屈折率が空気より大きい一対のプリズム
体１６により形成されたＶ字の頂点部分からさらに延長
された延長部３０の底面に太陽電池セル１２を設け、太
陽光１０が入射する入射面２０の裏面側に鏡面１８を形
成する。鏡面１８と入射面２０とはＶ字の頂点に向かう
に従い先広がりの状態で形成されており、プリズム体１
６中に入射した太陽光１０は鏡面１８で反射され、入射
面２０で全反射されてこれらの反射を繰り返しながら延
長部３０の底部に到達し、そこから出射光２２となって
太陽電池セル１２に出射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽電池装置、特に
集光倍率が向上された集光器を備える太陽電池装置に関
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
ストが高くなり、しかも保全のための工数も多くかかる
という問題がある。このため、固定型の集光器も従来か
ら検討されている。
【０００３】特開平２−２０３１６０号公報には、この
ような固定型の集光器の例が開示されている。本従来例
の固定型集光器は、図１６に示されるように、先をすぼ
めた先細り内面鏡の構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の集
光器では、先細り内面鏡１００に入射した太陽光１０の
内の一部が、内面鏡１００において何回かの反射を繰り
返し、最後に入射してきた方向すなわち空の方向に出て
いってしまう。このため、先細り内面鏡１００を使用し
た集光器では、集光率を高くすることができないという
問題があった。
【０００５】図１７には、図１６に示されたような先細
り内面鏡１００によって太陽電池セル１２の受光面に太
陽光１０を集光する装置の例が示される。図１７におい
て、太陽光１０が太陽電池セル１２の受光面に立てた法
線１４となす角θを入射角度と定義する。
【０００６】図１８には、図１７に示された装置におい
て、集光器に入射した全ての光に対する太陽電池セル１
２の受光面に入射する光の割合としての出射強度と上述
した入射角度との関係が示される。縦軸には出射強度
が、横軸には入射角度がそれぞれ示されている。なお、
図１７に示された集光器は、高さ６０ｍｍであり、入射
口の直径が４０ｍｍ、出射口の直径が８ｍｍであって、
集光比は２５倍のものを使用した。
【０００７】図１８に示されるように、出射強度は、入
射角度が大きくなるとともに低下していき、入射角度が
１０°を超えると２５％以下に低下してしまう。これ
は、上述したように、入射角度の増加とともに、先細り
内面鏡１００での反射により入射方向に出ていってしま
う光の量が増えるからである。
【０００８】以上のように、先細り型の集光器では、入
射方向に出ていってしまう光が存在するので、集光率を
高くすることができないが、図１９に示される内面鏡１
０２が平行に配置された集光器及び図２０に示される内
面鏡１０２が先広がりに配置された集光器においては、
入射した太陽光１０が反射を繰り返していくうちに入射
方向に出ていってしまうことはない。しかし、入射口と
出射口が同じあるいは入射口の方が出射口よりも小さく
なっているので、この点で集光率を上げることは不可能
である。
【０００９】また、特開昭５４−１８７６２号公報に
は、断面が三角形状で反射と全反射を利用して集光する
プリズム体により構成された集光器の例が開示されてい
る。図２１には、この従来例に開示されたプリズム体１
６の例が示される。また、図２２には、図２１に示され
たプリズム体１６を２つ組合せ、Ｖ字状に対向配置させ
た例が示される。図２１及び図２２に示された例におい
ては、入射面２０の反対側の面が鏡面１８となってお
り、入射面２０から入射された太陽光１０は、鏡面１８
で反射し、再び入射面２０に戻ってここで全反射し、太
陽電池セル１２に入射するように構成されている。
【００１０】しかし、図２１に示された例においては、
入射面２０における全反射の条件を満足させるために、
プリズム体１６の頂角αを、一定の角度以上とする必要
がある。従って、入射面２０の面積に対する太陽電池セ
ル１２の面積も自動的に決定され、一定値以上の集光倍
率を得ることができないという問題があった。
【００１１】また、図２２に示された例においては、２
つのプリズム体１６を対向配置するために、プリズム体
１６の底面に配置された太陽電池セル１２が直線状には
配置されず、互いに一定の角度をなして配置されること
になる。このため、本例の集光装置では、実際の装置へ
の実装が困難になるという問題があった。
【００１２】２つのプリズム体１６を対向配置させる場
合に、例えば図２３のように、Ｖ字の頂点側の底面が平
面状となるように、Ｖ字の頂点から更に延長された延長
部３０を備える形状とすることも考えられる。これによ
り、太陽電池セル１２を直線状に配置することができ
る。しかし、この場合には、図１６でも述べたように、
延長部３０が先細りの形状となるため、この部分で全反
射が繰り返され、入射方向に太陽光１０が出ていってし
まう可能性もある。従って、Ｖ字の頂点から更に延長部
３０を形成する場合には、その形状に関する条件を最適
化する必要があると考えられる。
【００１３】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、集光率の高い固定型の集光器を
備えた太陽電池装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明によれば、屈折率が空気より大きい透明
部材からなり、断面が三角形状で反射と全反射を利用し
て集光するプリズム体により構成された集光器を備えた
太陽電池装置であって、一対のプリズム体によってＶ字
型形状が形成され、Ｖ字の頂点からさらに延長された延
長部の底面に太陽電池が配置されたことを特徴とする。
【００１５】また、第２の発明によれば、第１の発明の
太陽電池装置において、Ｖ字の頂点部に長手方向に延び
たＶ溝が形成されていることを特徴とする。
【００１６】また、第３の発明によれば、第１の発明の
太陽電池装置において、延長部がプリズム体より高屈折
率であることを特徴とする。
【００１７】また、第４の発明によれば、第３の発明の
太陽電池装置において、延長部とプリズム体の界面が、
プリズム体側に凸形状であることを特徴とする。
【００１８】また、第５の発明によれば、屈折率が空気
より大きい透明部材からなり、断面が三角形状で反射と
全反射を利用して集光するプリズム体により構成された
集光器を備えた太陽電池装置であって、プリズム体は、
入射光をプリズム体への入射角度が大きくなる方向に偏
向させる偏向器を備えることを特徴とする。
【００１９】また、第６の発明によれば、第５の発明の
太陽電池装置において、偏向器がフレネルレンズである
ことを特徴とする。
【００２０】また、第７の発明によれば、第６の発明の
太陽電池装置において、フレネルレンズの垂直面を反射
面としたことを特徴とする。
【００２１】また、第８の発明によれば、第１または第
５の発明の太陽電池装置において、プリズム体と太陽電
池との界面のプリズム体部分であって、太陽電池の電極
位置に相当する部位に、プリズム体側に凹形状の切欠き
を設けたことを特徴とする。
【００２２】
【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。
【００２３】実施形態１．図１には、本発明に係る集光
器の実施形態１の斜視図が示される。図１において、本
実施形態に係る集光器は、一対のプリズム体１６が対向
配置され、長手方向に延ばされたＶ字型形状として形成
されている。このＶ字の頂点部分には太陽電池セル１２
が設けられた延長部３０が設けられている。このプリズ
ム体１６は、Ｖ字の頂点に向かって肉厚が増加するよう
に形成されている。また、プリズム体１６の外周すなわ
ち太陽光１０の入射面２０の裏面側に鏡面１８が形成さ
れている。この鏡面１８は、プリズム体１６の入射面２
０とは反対側の裏面に直接銀またはアルミニウム等の反
射膜を蒸着するか、あるいは別体の鏡を裏面に密着させ
るように設けることによって形成される。
【００２４】裏面に鏡面１８が形成されていない場合に
は、太陽電池セル１２に立てた法線１４と入射する太陽
光１０との成す角度である入射角度θが大きくなると、
図２に示されるように、入射した光がプリズム体１６の
裏面側から外部に透過してしまう。そのため、上記鏡面
１８を形成して、この裏面側から外部に透過する光を反
射させプリズム体１６の内部に戻すようにしている。
【００２５】プリズム体１６は、空気よりも屈折率が大
きい材料、例えば透明樹脂やガラスで構成されている。
このため、プリズム体１６の入射面２０から入射された
太陽光１０は、前述したように鏡面１８で反射され、再
び入射面２０に戻りここで全反射される。この場合、鏡
面１８と入射面２０とが末広がりの関係となっているの
で、図１６に示されるように、反射が繰り返されて再び
太陽光１０が入射してきた方向に出ていくということは
起こらない。従って、鏡面１８における反射と入射面２
０における全反射とが繰り返され、図１に示されるよう
に、Ｖ字の頂点部分の延長部３０に到達し、下端の太陽
電池セル１２に出射光２２が出射される。
【００２６】このように、鏡面１８と入射面２０とが末
広がりの関係であるので、入射面２０における全反射が
より起こりやすい条件となっている。しかし、入射角度
θが大きくなりすぎた場合には、図３に示されるよう
に、鏡面１８で反射した後、入射面２０での全反射の条
件が満足されなくなる。このため、入射面２０から外部
に透過し、反対側のＶ字面との間で図１６に示されるよ
うな原理により太陽光１０がその入射方向に出ていって
しまうことになる。従って、太陽光１０の入射角度θに
は一定の適正範囲がある。
【００２７】入射角度θの範囲としては、太陽電池セル
１２に立てた法線１４に対して±２４°の範囲が確保で
きれば、太陽の季節による入射角度の変化すなわち赤緯
が±２３．４°であるのでこれを完全に集光することが
可能となる。一方、太陽の一日の動きすなわち時角は１
８０°であるので、これを完全に捕捉することは困難で
あるが、この太陽の角度の変化に対しては、図１に示さ
れるように集光器の形状を長手方向に延ばし、極力多く
の太陽光を集光するように構成しておく。以上のような
構成により、集光器を移動させて太陽の追尾を行わなく
ても太陽光の集光を行うことができ、集光率の高い集光
器を実現することができる。
【００２８】本実施形態における集光器は、上述したよ
うに全反射を利用しているので反射を繰り返しても、大
きく光強度が低下することがない。ただし、裏面側での
反射に鏡面１８を使用しているので、入射角度θが大き
くなっていくと鏡面１８での反射率分だけ強度が低下し
ていく。しかし、反射率の高いアルミニウムや銀等を利
用すれば、約９０％程度の反射率を確保することができ
る。
【００２９】このような本実施形態に係る集光器の性能
は、その形状とプリズム体１６の屈折率とによって決定
される。そこで、屈折率を例えばポリカーボネートの
１．５９に固定し、１０本の光を入射させた場合のシミ
ュレーション実験を実施した。このシミュレーション実
験の例が図４及び図５に示される。なお、図５は図４の
拡大図である。図４及び図５に示された例においては、
θ＝０°において１０本の太陽光１０のうち、２本の光
が入射方向に出ていっており、８本の光が底部から出射
光２２として出射されている。
【００３０】本シミュレーション実験においては、図６
に示されるように、本実施形態に係る集光器の形状を決
定する因子として出射口幅ａ、入射口幅ｂ、延長部深さ
ｃ、高さｌを選んだ。基本形状としては、ａ＝４ｍｍ、
ｂ＝２０ｍｍ、ｃ＝３ｍｍ，ｌ＝６０ｍｍとし、入射す
る光線の数に対する底部から出射する光線の数の比とし
て出射強度を計算し、入射角度との関係を調査した。な
お本例では、図１に示されるように、一次元集光が行わ
れている。
【００３１】図７には、延長部深さｃのみを変化させた
場合の入射角度と出射強度との関係が示される。図７に
おいて、ｃが大きくなるにつれて、全体的に出射強度が
低下して行くが、ｃが大きい程大きな入射角度まで出射
強度を一定レベルに維持することができる。これは、ｃ
が大きくなると、延長部３０における先細り形状の部分
の長さが長くなり、入射方向に出て行く光の量が多くな
って出射強度は低下する。しかし、鏡面１８と入射面２
０との末広がりの程度も大きくなるので、入射面２０で
全反射しやすくなり、大きな入射角度まで集光できるか
らであると考えられる。従って、入射角度の目標値例え
ば、太陽の赤緯をカバーするために２４°の入射角度を
確保できる一番小さいｃを選択するのが最適であると考
えられる。
【００３２】次に図８には、図６において入射口幅ｂの
みを変化させた場合の入射角度と出射強度との関係が示
される。図８において、ａの値は基本形状の場合の４ｍ
ｍに固定し、ｂの値を変動させている。図８からわかる
ように、ｂを大きくし集光度を高くするほど小さい入射
角度で出射強度が低下しており、入射角度２５°まで１
００％の出射強度を維持するためには、ｂを１５ｍｍと
する必要がある。この場合の集光度は１５／４＝３．７
５倍となる。これは、ｂが大きくなると鏡面１８が寝て
くるので、鏡面１８への入射角が小さくすなわち垂直に
近い角度で入射し、鏡面１８で反射した光が入射面２０
で全反射しにくくなるうえ、延長部３０における先細り
の程度も大きくなるためと考えられる。
【００３３】次に、図９には、図６における出射口幅ａ
のみを変化させた場合の入射角度と出射強度との関係が
示される。図９において、ｂの値は基本形状の場合の２
０ｍｍに固定し、ａの値を変動させている。図９からわ
かるように、ａとして５すなわち集光度として約４倍程
度まで入射角度２４°における出射強度１００％を達成
できていると考えられる。従って、図８及び図９の結果
からａ，ｂのいずれを変動させても、集光度が一定の場
合には結果に大きな差がないことがわかる。これは、ａ
が小さくなると相対的にｂが大きくなるので、図８でｂ
が大きくなるのと図９でａが小さくなるのは同じ効果が
あるためであると考えられる。
【００３４】次に図１０には、図６における高さｌのみ
を変動させた場合の入射角度と出射強度との関係が示さ
れる。図１０において、ｌの値が小さい方が全体として
出射強度は低下しているが、大きな入射角度まで一定の
出射強度を維持できている。これは、ｌが大きくなる
と、鏡面１８と入射面２０との末広がりの程度が小さく
なり、入射面２０で全反射しにくくなり、一方ｌが小さ
くなると、延長部３０における先細りの程度が大きくな
って入射方向に出て行く光が多くなる。これらの相対的
な兼ね合いにより上記のような結果になっていると考え
られる。従って、ｌは大きい程有利ではあるが、設置ス
ペースと性能上の兼ね合いから６０ｍｍ以上あればよい
と考えられる。
【００３５】以上に述べた本実施形態に係る集光器にお
いては、プリズム体１６の屈折率が高いので、図１１に
示されるように、延長部３０の底部まで到達した太陽光
１０がその底部で全反射されて再び入射方向に出ていっ
てしまう場合がある。これは、底部に空気層が存在する
ためであるので、図１２に示されるように、太陽電池セ
ル１２とプリズム体１６との間を接着剤層２４で埋め、
空気層を除去することにより係る全反射を防止すること
ができる。このように構成することにより、プリズム体
１６中を反射を繰り返しながら進んできた太陽光１０が
底部に到達した際に、延長部３０の底部で全反射されず
全て太陽電池セル１２に入射させることができる。
【００３６】図１３には、本実施形態に係る集光器と太
陽電池セル１２とを組み合わせた場合の太陽電池セル１
２の冷却方法の例が示される。図１３においては、集光
器のＶ字の頂点部分に冷却液２６を通すことにより太陽
電池セル１２を冷却している。あるいは、太陽電池セル
１２の裏面側から冷却液を通した冷却パイプ等で冷却す
る方法も考えられる（図示せず）。
【００３７】実施形態２．図１４には、本発明に係る集
光器の実施形態２の断面図が示される。本実施形態にお
いて特徴的な点は、一対のプリズム体１６により形成さ
れたＶ字の頂点部に長手方向に延びるＶ溝２８が形成さ
れている点にある。プリズム体１６の延長部３０は、２
つの鏡面１８によって挟まれ、先細りの構造となってい
る。しかし、図１４に示されるように、頂点部にＶ溝２
８を形成した場合には、この延長部３０における先細り
の程度が緩和されることになり、この分入射方向に戻る
光が少なくなる。従って、図１４において入射口幅ｂを
大きくするかあるいは出射口幅ａを小さくして集光率を
上げていった場合にも、プリズム体１６の延長部３０の
底部における先細りの程度が緩和されているので、図８
及び図９に示されるほど入射角度の増加に対する出射強
度の低下が著しくはならない。このため、本実施形態に
おける集光器では、さらに集光率の向上を図ることがで
きる。
【００３８】図１４に示された出射口幅ａ、入射口幅
ｂ、延長部深さｃ、Ｖ溝下深さｄ、Ｖ溝開始高さｅ、高
さｌを変化させた場合の入射角度と出射強度との関係を
調査した。この場合、屈折率は実施形態１と同様に１．
５９として検討した。
【００３９】調査は以下の表に示される３種類の形状に
ついて行った。
【００４０】
【表１】 図１５には、上述した３種類のモードにおける入射角度
と出射強度との関係が示される。図１５において、モー
ド３の場合に、入射角度２４°において出射強度が８０
〜９０％程度を維持することができた。モード３の場合
の集光率は４．６であり、前述した実施形態１の場合よ
りも集光率を向上させることができている。
【００４１】実施形態３．図２４には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態３の断面図が示される。前述した
実施形態１、２では、図２３に示された延長部３０を最
適化するための条件を決定している。これに対して、本
実施形態においては、延長部３０の形状には特に制限を
設けず、この部分の屈折率について工夫を行っている。
【００４２】すなわち、延長部３０の材料としてプリズ
ム体１６の屈折率よりも高い屈折率を有するものを使用
し、この延長部３０に一対のプリズム体１６を接合した
構成となっている。これにより、図２４に示されるよう
に、入射してきた太陽光１０は、プリズム体１６と延長
部３０との界面で太陽電池セル１２側に屈折される。こ
のため、延長部３０のプリズム体１６が接合された幅を
Ｌ0とし、プリズム体１６の底面すなわち太陽電池セル
１２の設けられた面の幅Ｌ1とすると、Ｌ1をＬ0よりも
小さくすることができる。従って、太陽電池セル１２の
面積を小さくすることができ、その分集光倍率を向上さ
せることが可能となる。
【００４３】なお、本実施形態のように、一対のプリズ
ム体１６を組合せ、Ｖ字状に配置させた例においては、
Ｖ字の開き角度を７０°とすればほとんどの場合の太陽
光を、集光装置を固定したままで集光することが可能と
なる。
【００４４】また、図２５には、本実施形態の変形例が
示される。図２５においては、プリズム体１６と延長部
３０との接合部の界面を、プリズム体１６側に凸の曲面
に構成されている。このような構成により、太陽光１０
を更に太陽電池セル１２側に屈折でき、延長部３０の底
部の面積を小さくできるので、集光倍率を更に向上させ
ることができる。
【００４５】本実施形態の場合プリズム体１６の材料と
して、例えば屈折率１．５０のＰＭＭＡ樹脂を使用し、
延長部３０の材料として、例えば屈折率１．５９のポリ
カーボネート（ＰＣ）樹脂を使用する。このような構成
において、プリズム体１６に等間隔で１００本の光線を
角度を変えて入射させた場合について、工学ソフトを利
用し、シミュレーション計算を実施した。この結果、太
陽電池セル１２に到達する光の本数は、Ｌ1／Ｌ0＝０．
９程度まで、ほとんど全ての入射光が太陽電池セル１２
に到達することがわかった。従って、延長部３０の底面
積は、プリズム体１６との接合部分に対して約１０％減
少させることができ、集光倍率を約１０％向上させるこ
とができる。
【００４６】実施形態４．図２６には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態４の断面図が示される。図２６に
は、図２４に示された太陽電池装置における一対のプリ
ズム体１６の片方が示されている。本実施形態において
特徴的な点は、プリズム体１６の内部に、プリズム体１
６の断面形状とは逆向きの三角形状の空洞３２を設けた
ことにある。本実施形態においても、太陽光１０が入射
する入射面２０の反対側の面には、鏡面１８が形成され
ており、鏡面１８と入射面２０とで反射及び全反射を繰
り返しながら図示しない太陽電池セルに太陽光を入射さ
せる構成となっている。
【００４７】本実施形態においては、空洞３２の内部
は、水等のプリズム体１６よりも屈折率の低い物質が封
入されている。従って、太陽光１０が入射面２０に垂直
に入射する場合、太陽光１０は、プリズム体１６と空洞
３２との界面で２回屈折され、鏡面１８には、プリズム
体１６の底面方向すなわち太陽電池セルが形成される方
向にやや傾いて入射する。このため、鏡面１８で反射し
た光は、より入射面２０で全反射しやすい方向に進行す
る。従って、鏡面１８が形成された部分と空洞３２とに
よって形成される角度βを、αよりも小さくすることが
可能となる。これによりプリズム体１６の底面の幅を当
初のＬ2からＬ3へ減少させることができる。この結果、
本実施形態のプリズム体１６によって構成される集光器
の底面積は、空洞３２がない場合に比べ小さくすること
ができ、その分集光倍率を向上させることができる。
【００４８】プリズム体１６を、図２４に示されるよう
に、Ｖ字状に配置して使用する場合、実際に入射面２０
に入射する太陽光１０の入射角度は、入射面２０に立て
た法線に対し最低で２０°となる。この角度が最も全反
射しにくい角度となる。この場合に、例えばプリズム体
１６の材料としてＰＭＭＡ樹脂を使用し、空洞３２を設
けないとすると、入射面２０での全反射条件を満足させ
るためには、プリズム体１６の頂角αを１４．３°とす
る必要がある。これに対して、本実施形態のように空洞
３２を設け、この中に屈折率１．３３の水を封入した場
合、鏡面１８と空洞３２とのなす角βとしては、１２．
２°としても全反射条件を満足させることができる。従
って、プリズム体１６の底面積は、角度βに対応する部
分で１５％減少し、全体でも７．５％減少させることが
できる。なお、空洞３２の中に水を封入するのは、空気
の場合にはプリズム体１６との屈折率の差が大きく、空
洞３２の垂直面３４において全反射が発生し、その分集
光率が低減するので、これを防止するためである。
【００４９】実施形態５．図２７には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態５の断面図が示される。図２７
（ａ）において、一対のプリズム体１６の入射面２０側
には、透明のスペーサ３６を介して偏向器としてのフレ
ネルレンズ３８が配置されている。図２７（ｂ）には、
このフレネルレンズ３８の拡大図が示される。本実施形
態においては、入射面２０に立てた法線１４に対して角
度θで入射した太陽光１０は、プリズム体１６に入射す
る前に、フレネルレンズ３８により屈折され、プリズム
体１６への入射角度がより大きくなる。このため、プリ
ズム体１６において、入射面２０における全反射が起こ
りやすくなり、その分、プリズム体１６の頂角αを小さ
くすることができる。このため、プリズム体１６の底面
すなわち太陽電池セル（図示せず）の面積を小さくする
ことができるので、集光倍率を向上させることが可能と
なる。
【００５０】例えば、フレネルレンズ３８にθ＝２０°
で入射した光が、プリズム体１６の入射面２０に２６．
２°で入射するように屈折させることができれば、プリ
ズム体１６の頂角αは１４．６°から１２．３°に減少
させることができる。これにより、底面積は１５％減少
させることができ、この分集光倍率の向上を図ることが
できる。
【００５１】なお、図２８に示されるように、フレネル
レンズ３８には通常その厚みを薄くするために、プリズ
ム体１６の入射面２０に対して垂直な面４０が存在す
る。この面４０により、フレネルレンズ３８に入射した
光のうち一部が全反射し、プリズム体１６中に、入射面
２０での全反射がしにくい方向で入射してくる。図２８
においては、５０本の入射光線４２のうち４本が全反射
により不適当な方向に反射している。このため、太陽電
池セル（図示せず）に入射する光線は８％減少すること
になる。
【００５２】このため本実施形態では、図２９に示され
るように、上述した面４０を、プリズム体１６の入射面
２０に対して垂直ではなく、所定の角度傾けるように形
成した。図２９の場合、入射面２０に立てた法線に対し
て約２０°となるように面４０が傾けられている。この
ような構成とすることにより面４０においてフレネルレ
ンズ３８に入射した光が不適当な方向に全反射する割合
を減少させることができる。図２９の例では５０本の入
射光線４２のうち１本だけが全反射している。従って、
太陽電池セルに入射する光の減少率は２％にとどまって
いる。
【００５３】実施形態６．図３０には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態６の断面図が示される。図３０に
おいて、プリズム体１６は、入射面２０が水平になるよ
うに配置されており、太陽電池セル１２が設けられる底
面が太陽電池設置用ボード４４を介して接するように配
置されている。このプリズム体１６は、鏡面１８側に、
紙面に垂直方向にＶ溝４６が形成されている。このＶ溝
４６は、プリズム体１６に、図３０に示された−側から
の入射光を、３次元方向に反射させ、最終的に太陽電池
セル１２の方向に進行させるように機能する。このよう
な構成は、従来公知であり、例えば特表平６−５１１６
０２号公報等にも開示されている。入射面２０を水平に
置いた場合には、太陽光は±３５°の範囲から入射す
る。この場合、上記Ｖ溝４６を有する構成とし、プリズ
ム体１６の材料にＰＣ樹脂を使用すると、プリズム体１
６の頂角αを２１．１°とすれば、全反射により太陽電
池セル１２の方向に効率よく集光させることができる。
【００５４】本実施形態においては、このようなプリズ
ム体１６の入射面２０の側に、偏向器としてのフレネル
レンズ３８が設置されている。このフレネルレンズ３８
により、例えば最も厳しい入射角度である−３５°から
の入射光を、−３０°まで緩和することができる。従っ
て、プリズム体１６の頂角αの値も１９．５°に減少さ
せることができ、集光倍率を２．５９倍から２．８２倍
へ約１０％向上させることができる。なお、図３０に示
された例では、太陽電池セル１２として片面集光のタイ
プを使用し、２枚の太陽電池セル１２を使用している
が、これを両面集光のタイプとすれば太陽電池セル１２
が１枚で済むので上記集光倍率は５．６倍となる。
【００５５】図３１には、本実施形態の変形例が示され
る。図３１においては、プリズム体１６の底面同士が向
き合った配置とせず、底面及び頂角が全て同じ方向とな
るように配置されている。このため、入射面２０の上に
設置されるフレネルレンズ３８の山の形状も図３０とは
異なっている。
【００５６】図３２には、上述したフレネルレンズ３８
に＋側３５°の角度から入射する光線４２の様子が示さ
れる。本実施形態に使用されるフレネルレンズ３８に
は、垂直面４８が形成されている。このため、フレネル
レンズ３８に入射した光線４２は、一部この垂直面４８
で全反射し、他の光線とは違う角度でプリズム体１６に
入射する。ただし、上述したように、本実施形態のプリ
ズム体１６には、Ｖ溝４６が形成されており、垂直面４
８で全反射した光の角度が、図３２に示される程度のも
のであるならば、十分太陽電池セル１２の方向にこの光
を回収することは可能である。
【００５７】一方、図３３には、フレネルレンズ３８に
−側３５°から光線４２が入射した場合の様子が示され
る。図３３においては、垂直面４８で光線４２が屈折さ
れ、この光線がフレネルレンズ３８を出るときに更に屈
折してプリズム体１６の入射面２２には非常に大きな角
度で入射することになる。このような場合には、前述し
たＶ溝４６が形成されていても、太陽電池セル１２側に
光の向きを変更することは不可能である。このため本実
施形態においては、垂直面４８に反射膜を設け、光を反
射できる反射面としている。これにより、図３４に示さ
れるように、垂直面４８に入射した光はここで反射さ
れ、プリズム体１６の入射面２０に＋側の入射角度の光
として入射するので、太陽電池セル１２に容易に入射さ
せることができる。また、フレネルレンズ３８に＋側か
ら光線が入射する場合には、図３２に示されるように垂
直面４８で反射されることが予定されているので、垂直
面４８を上述したように反射面としてもなんら問題は生
じない。
【００５８】以上のような構成により、本実施形態にお
いては、プリズム体１６の頂角αを小さくでき、そのぶ
ん集光倍率を向上させることができる。
【００５９】実施形態７．図３５には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態７の断面図が示される。図３５に
おいては、図３０に示される実施形態６で使用されたフ
レネルレンズ３８の代わりに、三角プリズム５０が設置
されている。この三角プリズム５０によっても、−３５
°で入射した光を、−３０°に緩和してプリズム体１６
の入射面２０に入射させることができる。従って、本実
施形態においても、プリズム体１６の頂角αを１９．５
°まで減少させることができ、実施形態６と同様２個の
太陽電池セル１２を使用した場合に集光倍率を約１０％
向上させることができる。
【００６０】図３６には、図３５に示された三角プリズ
ム５０に光線４２が入射する様子が示される。図３６に
おいては、三角プリズム５０の頂点がプリズム体１６の
入射面２０側に向けられている。図３６の例では、図の
右側部分ではプリズム体１６へ＋側の角度で入射するの
で問題はない。また、図の左側のプリズム体１６には、
−３５°で三角プリズム５０に入射した光線４２が、−
３０°まで緩和されて入射される。−３０°の入射角度
であれば、実施形態６で述べたＶ溝４６の作用により、
太陽電池セル１２の側に光の進行方向を変えることが可
能である。従って、いずれの場合にも、入射した光を全
て太陽電池セルに集光することが可能となる。
【００６１】図３７には、三角プリズム５０の変形例が
示される。図３７においては、三角プリズム５０の頂点
が、プリズム体１６の入射面２０と反対側に向けられて
いる。本例においても、図３６と同様に、プリズム体１
６に入射される光の入射角度が緩和されるので、集光倍
率を向上させることができる。ただし、図３７の例で
は、三角プリズム５０の頂点周辺に入射した光が、プリ
ズム体１６に入射する場合に、より入射角度の大きい光
線５２となるので、この光線については集光することが
できない。そのぶん図３６の例よりも集光倍率は若干低
下する。
【００６２】実施形態８．図３８には、本発明に係る太
陽電池装置の実施形態８の断面図が示される。図３８に
おいて、一対のプリズム体１６により形成されるＶ字の
頂点から更に延長された延長部３０の底面部分には太陽
電池セル１２が設けられている。この太陽電池セル１２
には、延長部３０との接合面側に発電電力を取り出すた
めの電極５４が設けられている。従って、この電極部５
４に光が入射しても、その光は発電には寄与できない。
そこで、本実施形態では、図３８に示されるように、こ
の電極部５４が形成された部分に対応する延長部３０側
を凹形状の空洞５６とした。この空洞５６の中に空気を
入れておけば、延長部３０と空洞５６との界面で光が屈
折し、本来電極部５４に入射するはずであった光線５８
は、屈折されて電極部５４の設けられていない太陽電池
セル１２の受光面に入射する。これにより、太陽電池セ
ル１２に有効に入射される光の量が増え、そのぶん発電
量を増加させることができる。
【００６３】例えば、図３８に示されるように、空洞５
６の形状を半楕円状とした場合、電極部５４が占める面
積の割合が約８％あるので、上述したような原理によ
り、約５％の発電量の向上を実現することができる。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
集光器を形成するプリズム体がＶ字の頂点に向かって徐
々に肉厚とされているので、末広がりの構成となってお
り、入射された光がプリズム体の入射面と鏡面とで全反
射と反射を繰り返し底部から出射される。このため、底
部に設置した太陽電池セルの入射面に立てた法線に対し
て入射角度２０〜２４°の光を８０〜９０％の割合で集
光することができる。このため、太陽の追尾を行わなく
ても季節による太陽の動きを捕捉することができる。
【００６５】また、本発明に係る集光器は、長手方向に
延びているので一日の太陽の動きを十分に捕捉すること
も可能である。以上より、太陽の追尾を行わず、集光器
を固定した状態で高い集光率で太陽光を集光することが
できる。
【００６６】また、一対のプリズム体により形成された
Ｖ字の頂点部分にＶ溝を形成することにより太陽光の入
射角が大きくなっても出射強度の低下が抑制され、更に
集光率を向上させることができる。
【００６７】また、延長部の屈折率がプリズム体の屈折
率よりも高いので、集光方向に効率よく屈折させること
ができ、延長部の底面の面積を小さくすることができる
ので、その分集光倍率を向上することができる。
【００６８】更に、プリズム体の入射面を水平とした場
合に、偏光器によりプリズム体への入射角度を大きくす
ることができるので、プリズム体の頂角を小さくでき、
出射面の面積を小さくでき、集光倍率を向上させること
ができる。また、この場合偏光器であるフレネルレンズ
の垂直面を反射面とすれば、プリズム体へ大きな入射角
度で入射する光をなくすことができ、集光倍率を上げる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る集光器の実施形態１の斜視図で
ある。
【図２】 図１に示された集光器において鏡面がない場
合の光の透過の様子の説明図である。
【図３】 図１に示された集光器において鏡面の反射の
様子の説明図である。
【図４】 図１に示された集光器の集光の様子を示すシ
ミュレーション実験の結果を示す図である。
【図５】 図４の拡大図である。
【図６】 図１に示された集光器の形状を決定するため
の各因子の説明図である。
【図７】 図６においてｃを変化させた場合の入射角度
と出射強度との関係を示す図である。
【図８】 図６においてｂを変化させた場合の入射角度
と出射強度との関係を示す図である。
【図９】 図６においてａを変化させた場合の入射角度
と出射強度との関係を示す図である。
【図１０】 図６においてｌを変化させた場合の入射角
度と出射強度との関係を示す図である。
【図１１】 図１に示された集光器の底部における光の
反射の様子を示す図である。
【図１２】 図１１において底部に存在する空気を除去
した場合の光の進行状態を示す図である。
【図１３】 図１に示された集光器と太陽電池セルとを
組み合わせた場合の冷却方法の例を示す図である。
【図１４】 本発明に係る集光器の実施形態２の断面図
である。
【図１５】 図１４に示された集光器の形状を変化させ
た場合の入射角度と出射強度との関係を示す図である。
【図１６】 従来における先細り形状の反射型集光器に
おける光の反射の様子の説明図である。
【図１７】 図１６に示された集光器と太陽電池セルを
組み合わせた場合の例を示す図である。
【図１８】 図１７に示された集光器における入射角度
と出射強度との関係を示す図である。
【図１９】 反射面を平行にした場合の反射型集光器に
おける光の進行状態を示す図である。
【図２０】 反射面を先広がりとした場合の反射型集光
器における光の進行状態を示す図である。
【図２１】 従来における反射及び全反射を繰り返しな
がら集光する集光器の例を示す断面図である。
【図２２】 図２１に示された集光器を２つ対向配置し
Ｖ字形状の集光器を構成した例である。
【図２３】 一対の三角形状のプリズム体により構成さ
れたＶ字形状の集光器の底面部を延長した場合の様子を
示す図である。
【図２４】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態３の
断面図である。
【図２５】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態３の
変形例を示す断面図である。
【図２６】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態４の
構成を示す断面図である。
【図２７】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態５の
構成を示す断面図である。
【図２８】 図２７に示された実施形態において、フレ
ネルレンズに光線が入射した場合の様子を示す説明図で
ある。
【図２９】 図２７に示された実施形態において、フレ
ネルレンズに光線が入射した場合の様子を示す説明図で
ある。
【図３０】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態６の
構成を示す断面図である。
【図３１】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態６の
変形例を示す断面図である。
【図３２】 図３０に示された実施形態のフレネルレン
ズに光線が入射した場合の様子を示す説明図である。
【図３３】 図３０に示された実施形態のフレネルレン
ズに光線が入射した場合の様子を示す説明図である。
【図３４】 図３０に示された実施形態のフレネルレン
ズに光線が入射した場合の様子を示す説明図である。
【図３５】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態７の
構成を示す断面図である。
【図３６】 図３５に示された実施形態の三角プリズム
に光線が入射した場合の様子を示す説明図である。
【図３７】 図３５に示された実施形態の三角プリズム
の変形例に光線が入射した場合の様子を示す説明図であ
る。
【図３８】 本発明に係る太陽電池装置の実施形態８の
構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 太陽光、１２ 太陽電池セル、１４ 太陽電池セ
ルに立てた法線、１６プリズム体、１８ 鏡面、２０
入射面、２２ 出射光、２４ 接着剤層、２６ 冷却
液、２８ Ｖ溝、３０ 延長部、３２ 空洞、３４ 垂
直面、３６ スペーサ、３８ フレネルレンズ、４０
面、４２ 光線、４４ 太陽電池設置用ボード、４６
Ｖ溝、４８ 垂直面、５０ 三角プリズム、５２ 光
線、５４電極部、５６ 空洞、５８ 光線、１００ 先
細り内面鏡、１０２ 内面鏡。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 屈折率が空気より大きい透明部材からな
    り、断面が三角形状で反射と全反射を利用して集光する
    プリズム体により構成された集光器を備えた太陽電池装
    置であって、一対の前記プリズム体によってＶ字型形状
    が形成され、Ｖ字の頂点からさらに延長された延長部の
    底面に太陽電池が配置されたことを特徴とする太陽電池
    装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の太陽電池装置において、
    前記Ｖ字の頂点部に長手方向に延びたＶ溝が形成されて
    いることを特徴とする太陽電池装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の太陽電池装置において、
    前記延長部は、前記プリズム体より高屈折率であること
    を特徴とする太陽電池装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の太陽電池装置において、
    前記延長部と前記プリズム体の界面は、前記プリズム体
    側に凸形状であることを特徴とする太陽電池装置。
  5. 【請求項５】 屈折率が空気より大きい透明部材からな
    り、断面が三角形状で反射と全反射を利用して集光する
    プリズム体により構成された集光器を備えた太陽電池装
    置であって、前記プリズム体は、入射光をプリズム体へ
    の入射角度が大きくなる方向に偏向させる偏向器を備え
    ることを特徴とする太陽電池装置。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の太陽電池装置において、
    前記偏向器はフレネルレンズであることを特徴とする太
    陽電池装置。
  7. 【請求項７】 請求項６記載の太陽電池装置において、
    前記フレネルレンズの垂直面を反射面としたことを特徴
    とする太陽電池装置。
  8. 【請求項８】 請求項１または５記載の太陽電池装置に
    おいて、前記プリズム体と前記太陽電池との界面のプリ
    ズム体部分であって、前記太陽電池の電極位置に相当す
    る部位に、前記プリズム体側に凹形状の切欠きを設けた
    ことを特徴とする太陽電池装置。
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