JPWO2015064178A1 - 集光型太陽光発電ユニット、集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電パネル及び集光型太陽光発電装置 - Google Patents
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Abstract
二次レンズを有する集光型太陽光発電の光学系において、発電素子に到達する光量を増大させ、発電効率を向上させる。一次集光部で集光した太陽光を二次集光部で発電素子に導く集光型太陽光発電ユニットにおいて、二次集光部は、立体形状の二次レンズと、この二次レンズの表面のうち、少なくとも太陽光が入射する表面を当該表面に沿って薄膜状に覆い、屈折率が空気より高く二次レンズより低い透光性の被覆部とを備える。このようなユニットを多数並べて、集光型太陽光発電モジュールを構成することができ、さらに、このような集光型太陽光発電モジュールを多数並べて、集光型太陽光発電パネルを構成することができる。また、さらに太陽の追尾のための駆動装置を設けることにより集光型太陽光発電装置を構成することができる。
Description
本発明は、太陽光を発電素子に集めて発電する集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrator Photovoltaic）のユニット、モジュール、パネル、装置に関する。
集光型太陽光発電の光学系基本単位を成すユニットは、例えば、凸レンズである一次レンズと、球レンズである二次レンズと、発電素子とを備えている（例えば、特許文献１（ＦＩＧ．８）参照）。発電素子としては、発電効率の高い太陽電池セルが用いられる。太陽光は一次レンズで集光されて二次レンズに入射し、二次レンズでさらに集光されて発電素子に到達する。かかる構成により、小さな発電素子に対して大きな光エネルギーを集中し、高効率で発電することができる。このような集光型太陽光発電ユニットがマトリックス状に多数並べられて集光型太陽光発電モジュールを成し、さらにそのモジュールがマトリックス状に多数並べられて集光型太陽光発電パネルを成す。集光型太陽光発電パネルは、当該パネルを太陽に向けて追尾動作させるための駆動装置と共に、集光型太陽光発電装置を構成する。
二次レンズを設ける目的は、光エネルギーを小さなエリアに集中して高価格な発電素子の所要面積をなるべく小さくするためでもあるが、むしろ、太陽に対する追尾のずれや、一次レンズに対する二次レンズの取付位置の誤差の影響を緩和して、集光精度を高めることにある。すなわち、一次レンズのみでは、追尾のずれや、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発電素子の受光面から外れる。この場合、発電効率が低下する。そこで、光軸の多少のずれが生じても光を発電素子に導くべく、球レンズである二次レンズが設けられている（例えば、特許文献１（ＦＩＧ．１０ｃ）参照）。
また、二次レンズとして、円弧状の山を２つ持つ特殊な形状のレンズを用いて、発電効率を高めようとする技術も提案されている（例えば、特許文献２（図６、段落［０００６］）参照）。この場合も、一次レンズのみでは発電素子の受光面から外れる光を、二次レンズによって受光面に導くことができる。
しかしながら、一次レンズの他に二次レンズを有する集光型太陽光発電ユニットでは、一次レンズ、二次レンズ共に、光の透過率が１００％ではない。透過率が１００％でない理由は、レンズによる光の反射及び吸収である。より高効率で発電するためには、光の透過率をできるだけ高めたいが、１％高めるのも現実には容易でない。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、二次レンズを有する集光型太陽光発電の光学系において、発電素子に到達する光量を増大させ、発電効率を向上させることを目的とする。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、二次レンズを有する集光型太陽光発電の光学系において、発電素子に到達する光量を増大させ、発電効率を向上させることを目的とする。
本発明は、一次集光部で集光した太陽光を二次集光部で発電素子に導く集光型太陽光発電ユニットであって、前記二次集光部は、立体形状の二次レンズと、前記二次レンズの表面のうち、少なくとも前記太陽光が入射する表面を当該表面に沿って薄膜状に覆い、屈折率が空気より高く前記二次レンズより低い透光性の被覆部と、を備えている。
また、このような集光型太陽光発電ユニットにより、集光型太陽光発電モジュール／パネル／装置を構成することができる。
また、このような集光型太陽光発電ユニットにより、集光型太陽光発電モジュール／パネル／装置を構成することができる。
本発明の集光型太陽光発電ユニットによれば、発電効率を向上させることができる。当該ユニットを含む集光型太陽光発電モジュール／パネル／装置についても同様である。
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
（１）すなわち、これは、一次集光部で集光した太陽光を二次集光部で発電素子に導く集光型太陽光発電ユニットであって、前記二次集光部は、立体形状の二次レンズと、前記二次レンズの表面のうち、少なくとも前記太陽光が入射する表面を当該表面に沿って薄膜状に覆い、屈折率が空気より高く前記二次レンズより低い透光性の被覆部と、を備えている。
このように構成された集光型太陽光発電ユニットは、被覆部が、二次レンズに入射しようとする光の反射を抑制するＡＲ（Anti-Reflection）コートの機能を発揮する。そのため、光の反射が抑制され、二次レンズへの光の入射量及び発電素子へ導かれる光量が増大する。従って、集光型太陽光発電ユニットの発電効率を向上させることができる。なお、薄膜状（例えば０．２ｍｍ以下）であることによって被覆部自身による光の吸収（損失）を抑制することができる。
（２）また、（１）において、前記被覆部は、前記二次レンズを封入するように包み込む樹脂成形体の一部であってもよい。
この場合、二次レンズ及び被覆部を、樹脂成形体によって一体的に構成することができる。従って、二次集光部について安定した品質が得られる。また、立体形状のため位置決めや保持が容易でない二次レンズであっても、発電素子を実装する基板に、精度良く位置決めし、かつ、簡単確実に固定することができる。なお、樹脂としては例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂を用いることができる。
この場合、二次レンズ及び被覆部を、樹脂成形体によって一体的に構成することができる。従って、二次集光部について安定した品質が得られる。また、立体形状のため位置決めや保持が容易でない二次レンズであっても、発電素子を実装する基板に、精度良く位置決めし、かつ、簡単確実に固定することができる。なお、樹脂としては例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂を用いることができる。
（３）また、（２）において、前記樹脂成形体は、前記二次レンズのほか、前記発電素子も含む成形体であってもよい。
この場合、二次集光部から発電素子までの光学系を、樹脂成形体によって一体的に構成することができる。従って、当該光学系について安定した品質が得られる。
この場合、二次集光部から発電素子までの光学系を、樹脂成形体によって一体的に構成することができる。従って、当該光学系について安定した品質が得られる。
（４）また、（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記二次レンズの形状は、少なくとも一部に、球面、楕円体面、円錐面、逆向きの角錐面のいずれか１つ以上を有することが好ましい。
このような形状は、一次集光部と光軸が若干ずれても発電素子へ導く光量が大きく減少しない。
このような形状は、一次集光部と光軸が若干ずれても発電素子へ導く光量が大きく減少しない。
（５）また、（１）〜（４）のいずれかにおいては、例えば、波長３００ｎｍ〜２０００ｎｍの入射光に対して、前記二次レンズの屈折率が１．４９〜１．５６であり、前記被覆部の屈折率が１．３９〜１．４５である。
この場合、太陽光に含まれる紫外光から赤外光までの波長の光に対して、好適な屈折率を設定することができる。
この場合、太陽光に含まれる紫外光から赤外光までの波長の光に対して、好適な屈折率を設定することができる。
（６）また、（１）の集光型太陽光発電ユニットにおいて、当該集光型太陽光発電ユニットの底面と、前記底面上に設けられ、前記発電素子を載せる基板と、前記発電素子を前記基板上に保持するパッケージと、を備え、前記被覆部を含む樹脂成形体は、前記二次レンズの表面から、前記発電素子、前記パッケージ、前記基板、及び、前記底面までを、連続して覆う、という構成であってもよい。
この場合、樹脂成形体は被覆部を成すとともに、樹脂成形体が触れる各部を相互に固定することにより、二次レンズ−パッケージ間、パッケージ−基板間、基板−底面間のそれぞれにおいて、一体性を高め、相互接着強度を高めることができる。
この場合、樹脂成形体は被覆部を成すとともに、樹脂成形体が触れる各部を相互に固定することにより、二次レンズ−パッケージ間、パッケージ−基板間、基板−底面間のそれぞれにおいて、一体性を高め、相互接着強度を高めることができる。
（７）また、（６）において、前記樹脂成形体は絶縁性であり、前記二次レンズと前記パッケージとが互いに接する部位、及び、前記パッケージと前記基板とが互いに接する部位は、全方位隙間なく、前記樹脂成形体で覆われていてもよい。
この場合、発電素子が樹脂成形体によって絶縁され、発電素子の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニットを実現することができる。
この場合、発電素子が樹脂成形体によって絶縁され、発電素子の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニットを実現することができる。
（８）また、（６）、（７）において、前記樹脂成形体は、全体が透光性の樹脂であってもよい。
この場合、樹脂成形体は、その一部が透光性の被覆部になるとともに、二次レンズその他を相互に固定する固定部材にもなる。従って、二次レンズの被覆とその周辺の固定とを同時に行うことができ、製造工程を短縮することができる。
この場合、樹脂成形体は、その一部が透光性の被覆部になるとともに、二次レンズその他を相互に固定する固定部材にもなる。従って、二次レンズの被覆とその周辺の固定とを同時に行うことができ、製造工程を短縮することができる。
（９）また、（１）に記載の集光型太陽光発電ユニットを複数個並べて成る集光型太陽光発電モジュールを提供することができる。
この場合、モジュール全体で、発電素子へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電モジュールの発電効率を向上させることができる。
この場合、モジュール全体で、発電素子へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電モジュールの発電効率を向上させることができる。
（１０）また、（９）に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて成る集光型太陽光発電パネルを提供することができる。
この場合、パネル全体で、発電素子へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電パネルの発電効率を向上させることができる。
この場合、パネル全体で、発電素子へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電パネルの発電効率を向上させることができる。
（１１）また、（１０）に記載の集光型太陽光発電パネルと、当該集光型太陽光発電パネルが太陽の方向を向いて太陽の動きに追尾動作するように駆動する駆動装置とを備えた集光型太陽光発電装置を提供することができる。
この場合、昼間は常に、その時点で最も発電効率の高い状態を維持する集光型太陽光発電装置を提供することができる。
この場合、昼間は常に、その時点で最も発電効率の高い状態を維持する集光型太陽光発電装置を提供することができる。
［実施形態の詳細］
《集光型太陽光発電装置／集光型太陽光発電パネル》
以下、本発明の実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。まず、集光型太陽光発電装置の構成から説明する。
図１は、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。図において、集光型太陽光発電装置１００は、集光型太陽光発電パネル１と、これを背面側で支持する支柱３ａ及びその基礎３ｂを備える架台３とを備えている。集光型太陽光発電パネル１は、多数の集光型太陽光発電モジュール１Ｍを縦横に集合させて成る。この例では、中央部を除く、６２個（縦７×横９−１）の集光型太陽光発電モジュール１Ｍが縦横に集合している。１個の集光型太陽光発電モジュール１Ｍの定格出力が例えば約１００Ｗであるとすると、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約６ｋＷの定格出力となる。
《集光型太陽光発電装置／集光型太陽光発電パネル》
以下、本発明の実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。まず、集光型太陽光発電装置の構成から説明する。
図１は、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。図において、集光型太陽光発電装置１００は、集光型太陽光発電パネル１と、これを背面側で支持する支柱３ａ及びその基礎３ｂを備える架台３とを備えている。集光型太陽光発電パネル１は、多数の集光型太陽光発電モジュール１Ｍを縦横に集合させて成る。この例では、中央部を除く、６２個（縦７×横９−１）の集光型太陽光発電モジュール１Ｍが縦横に集合している。１個の集光型太陽光発電モジュール１Ｍの定格出力が例えば約１００Ｗであるとすると、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約６ｋＷの定格出力となる。
集光型太陽光発電パネル１の背面側には、駆動装置（図示せず）が設けられており、この駆動装置を動作させることにより、集光型太陽光発電パネル１を方位角及び仰角の２軸に駆動することができる。これにより、集光型太陽光発電パネル１は、常に、方位角及び仰角の双方において太陽の方向へ向くよう駆動される。また、集光型太陽光発電パネル１のいずれかの場所（この例では中央部）又は当該パネル１の近傍には追尾センサ４及び直達日射計５が設けられている。太陽の追尾動作は、追尾センサ４と、設置場所の緯度、経度、時刻から算出される太陽の位置とを頼りにして行われる。
すなわち、上記の駆動装置は、太陽が所定角度動くごとに、その所定角度だけ集光型太陽光発電パネル１を駆動する。所定角度動いたという事象は、追尾センサ４によって判定してもよいし、緯度・経度・時刻によって判定することもできる。従って、追尾センサ４は省略される場合もある。所定角度とは、例えば一定値であるが、太陽の高度や時刻によって値を変えることも可能である。
図２は、上記駆動装置等を含めた集光型太陽光発電システムの一例を示す図である。なお、これは、追尾動作制御の観点から見た図である。図２において、集光型太陽光発電装置１００は、前述のように、例えば背面側に太陽の追尾動作のための駆動装置２００を備えている。駆動装置２００は、仰角方向への駆動用のステッピングモータ２０１ｅ、方位角方向への駆動用のステッピングモータ２０１ａと、これらを駆動する駆動回路２０２とを備えている。なお、ステッピングモータは一例に過ぎず、他の動力源でもよい。
直達日射計５の出力信号（直達日射強度）は、駆動回路２０２及び制御装置４００に入力される。また、集光型太陽光発電パネル１の発電電力は、電力計３００で検知することができ、制御装置４００には検知した電力を示す信号が入力される。駆動装置２００は、集光型太陽光発電パネル１の設置場所の緯度、経度を記憶し、また、時計機能を有している。駆動装置２００は、追尾センサ４の出力信号と、緯度・経度・時刻から演算される太陽の位置とに基づいて、集光型太陽光発電パネル１が常に太陽に向くよう、追尾動作を行う。但し、前述のように、追尾センサ４は設けない場合もある。その場合には、緯度・経度・時刻から演算される太陽の位置にのみ基づいて追尾動作が行われる。
《集光型太陽光発電モジュール》
図３は、集光型太陽光発電モジュール（以下、単にモジュールとも言う。）１Ｍの一例を拡大して示す斜視図（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた一次集光部１３とを、主要な構成要素として備えている。筐体１１は、金属製である。
図３は、集光型太陽光発電モジュール（以下、単にモジュールとも言う。）１Ｍの一例を拡大して示す斜視図（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた一次集光部１３とを、主要な構成要素として備えている。筐体１１は、金属製である。
一次集光部１３は、フレネルレンズアレイであり、太陽光を集光するフレネルレンズ１３ｆがマトリックス状に複数個（例えば縦１６×横１２で、１９２個）並んで形成されている。このような一次集光部１３は、例えば、ガラス板を基材として、その裏面（内側）にシリコーン樹脂膜を形成したものとすることができる。フレネルレンズは、この樹脂膜に形成される。筐体１１の外面には、モジュール１Ｍの出力を取り出すためのコネクタ１４が設けられている。
図４は、図３におけるＩＶ部の拡大図である。図４において、フレキシブルプリント配線板１２は、リボン状のフレキシブル基板１２１と、その上に二次集光部１２２とを備えている。二次集光部１２２は、一次集光部１３の各フレネルレンズ１３ｆに対応した位置に、同一の個数だけ設けられている。
なお、基板としてフレキシブル基板１２１を用いるのはあくまで一例に過ぎず、他の種類の基板を用いることもできる。例えば、平板状（長方形等）の樹脂基板やセラミック基板を多数用いる構成でもよい。
なお、基板としてフレキシブル基板１２１を用いるのはあくまで一例に過ぎず、他の種類の基板を用いることもできる。例えば、平板状（長方形等）の樹脂基板やセラミック基板を多数用いる構成でもよい。
図５は、二次集光部１２２を、フレキシブル基板１２１及び発電素子１２４と共に拡大して示す斜視図である。図において、二次集光部１２２は、外側にある樹脂成形体１２５と、その内部に封入するように包み込まれている二次レンズ１２３とによって構成される。二次集光部１２２の下には発電素子１２４があり、発電素子１２４は、フレキシブル基板１２１に実装される。なお、発電素子１２４は、実際にはその出力を取り出すための電極部であるリードフレームが付属するが、ここでは図示を省略して簡略に表している。モジュール１Ｍ内の各発電素子１２４は、フレキシブル基板１２１に設けられた導電パターンを介して電気的に直並列に接続され、モジュール１Ｍ全体として所望の発電電力が得られるようになっている。
図６は、二次集光部１２２及び発電素子１２４のみの断面図である。図５及び図６で例示する二次レンズ１２３は球形であり、材質は、ホウケイ酸系又は石英系のガラスである。また、樹脂成形体１２５は、例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂で二次レンズ１２３をモールドして作製することができ、透光性がある。樹脂成形体１２５は、二次レンズ１２３の上半球を覆うドーム状の被覆部１２５ｆと、二次レンズ１２３を支える支持部１２５ｓとを有している。被覆部１２５ｆは、二次レンズ１２３の概ね上半球すなわち、二次レンズ１２３の表面のうち、太陽光が入射する表面を、当該表面に沿って薄膜状に覆っている。なお、図６では図示の便宜上、厚めに描いているが、被覆部１２５ｆの厚さは、例えば０．２ｍｍ以下である。また、二次レンズ１２３と発電素子１２４との間には樹脂が入り込んで形成される隙間がある。従って、二次レンズ１２３は、発電素子１２４の上に直接載ってはいない。
ここで、空気の屈折率１．０に対して、二次レンズ１２３及び被覆部１２５ｆの屈折率は以下の通りである。この数値範囲は、太陽光に含まれる紫外光（波長３００ｎｍ）から赤外光（波長２０００ｎｍ）までの波長の光に対して、好適な屈折率を設定するものである。
二次レンズ：１．４９〜１．５６
被覆部 ：１．３９〜１．４５
従って、被覆部１２５ｆの屈折率は、空気より高く、二次レンズ１２３より低い、という関係になる。この関係と、被覆部１２５ｆが薄膜状であることによって、二次レンズ１２３に入射しようとする光の反射が抑制できる。
二次レンズ：１．４９〜１．５６
被覆部 ：１．３９〜１．４５
従って、被覆部１２５ｆの屈折率は、空気より高く、二次レンズ１２３より低い、という関係になる。この関係と、被覆部１２５ｆが薄膜状であることによって、二次レンズ１２３に入射しようとする光の反射が抑制できる。
図示のように、樹脂成形体１２５は二次レンズ１２３を封入するように包み込んでいるので、二次レンズ１２３及び被覆部１２５ｆを、樹脂成形体１２５によって一体的に構成することができる。従って、二次集光部１２２について安定した品質が得られる。また、位置決めや保持が容易でない球形の二次レンズ１２３を、フレキシブル基板１２１に対して精度良く位置決めし、かつ、簡単確実に固定することができる。
また、さらに、図６に示すように、樹脂成形体１２５は、モールドによって、二次レンズ１２３のみならず発電素子１２４をも含む成形体となっている。従って、二次集光部１２５から発電素子１２４までの光学系を、樹脂成形体１２５によって一体的に構成することができる。これにより、当該光学系について安定した品質が得られる。
《集光型太陽光発電ユニット》
図７は、上記のモジュール１Ｍを構成する光学系基本単位としての、集光型太陽光発電ユニット（以下、単にユニットとも言う。）１Ｕを示す略図である。すなわち、ユニット１Ｕは、一次集光部としてのフレネルレンズ１３ｆ（一次レンズ）で集光した太陽光を二次集光部１２２で発電素子１２４に導くものである。二次集光部１２２は、二次レンズ１２３と、樹脂成形体１２５とを備え、樹脂成形体１２５は、前述の被覆部１２５ｆと、支持部１２５ｓとを含む（図５，図６）。一次集光部（フレネルレンズ１３ｆ）と二次集光部１２２とは互いに光軸が一致するべきものである。しかし、追尾のずれや取付位置の誤差により、例えばＸ方向に僅かにずれる場合がある。
図７は、上記のモジュール１Ｍを構成する光学系基本単位としての、集光型太陽光発電ユニット（以下、単にユニットとも言う。）１Ｕを示す略図である。すなわち、ユニット１Ｕは、一次集光部としてのフレネルレンズ１３ｆ（一次レンズ）で集光した太陽光を二次集光部１２２で発電素子１２４に導くものである。二次集光部１２２は、二次レンズ１２３と、樹脂成形体１２５とを備え、樹脂成形体１２５は、前述の被覆部１２５ｆと、支持部１２５ｓとを含む（図５，図６）。一次集光部（フレネルレンズ１３ｆ）と二次集光部１２２とは互いに光軸が一致するべきものである。しかし、追尾のずれや取付位置の誤差により、例えばＸ方向に僅かにずれる場合がある。
図８は、二次レンズ１２３による光の屈折を示す図である。（ａ）は、太陽光に含まれる光のうち、波長の短い光（例えば紫外光：波長３００ｎｍ）の屈折を、（ｂ）は、波長の長い光（例えば赤外光：波長２０００ｎｍ）の屈折を、それぞれ示している。このような二次レンズ１２３の存在により、入射光の光軸が若干ずれても、発電素子１２４へ光を導くことができる。
すなわち、一次レンズとは別に、発電素子１２４の近くに二次レンズ１２３を設けることで、光エネルギーを小さなエリアに集中するとともに、一次集光部であるフレネルレンズ１３ｆに対する二次集光部１２２の光軸のずれの影響を緩和して、集光精度を高めることができる。
すなわち、一次レンズとは別に、発電素子１２４の近くに二次レンズ１２３を設けることで、光エネルギーを小さなエリアに集中するとともに、一次集光部であるフレネルレンズ１３ｆに対する二次集光部１２２の光軸のずれの影響を緩和して、集光精度を高めることができる。
《被覆部の作用》
次に、発明者らは、上記のように樹脂成形体１２５により二次レンズ１２３に被覆部１２５ｆを設けた場合と、二次レンズ１２３のみの場合とで、どのような光学的効果の差が生じるかを調べた。
次に、発明者らは、上記のように樹脂成形体１２５により二次レンズ１２３に被覆部１２５ｆを設けた場合と、二次レンズ１２３のみの場合とで、どのような光学的効果の差が生じるかを調べた。
図９は、Ｘ変位［ｍｍ］と短絡電流値［ｍＡ］との関係を示す、実験データのグラフである。Ｘ変位とは、一次集光部／二次集光部間での光軸のずれ（図７のＸ方向へのずれに相当する。）である。短絡電流値［ｍＡ］とは、発電素子１２４の出力を短絡して光を当てた場合に流れる電流値である。この短絡電流値は、負荷なしで電圧を０に保ったときの電流値であるから、入射した光により光励起された電子の数に比例する。光励起された電子の数は、単純に、発電素子１２４に入射した光子量に依存する。グラフの太線は、被覆部１２５ｆありの場合、細線は、被覆部なしのデータである。Ｘ＝０での短絡電流値は、被覆部を設けることによって３９５ｍＡから４０５ｍＡに増加し、約２．５％の向上となっている。
図１０は、Ｘ変位［ｍｍ］と光学効率［％］との関係を示す、シミュレーション結果のグラフである。光学効率とは、二次集光部への入射光を１００％としたとき、発電素子１２４内に入る光の割合である。グラフの太線は、被覆部１２５ｆありの場合、細線は、被覆部なしのデータである。
図９のグラフと、図１０のグラフとは、特性として互いに非常に良く一致している。また、被覆部ありの場合と、なしの場合とでは、Ｘ：−３ｍｍ〜３ｍｍの範囲で常に「被覆部あり」の方が光学的に良好な結果を示している。具体的には、被覆部１２５ｆを設けることによって、光学効率が、約２〜３％向上する、という知見が得られた。これは、被覆部１２５ｆが、二次レンズ１２３に入射しようとする光の反射を抑制するＡＲ（Anti-Reflection）コートの機能を発揮していると解される。そのため、光の反射が抑制され、二次レンズ１２３への光の入射量及び発電素子１２４へ導かれる光量が増大する。
すなわち、空気と二次レンズ１２３の中間の屈折率を有する被覆部１２５ｆを設け、光の反射を抑制したことによって、二次レンズ１２３の透過率が約２〜３％向上した、と言える。これによって、集光型太陽光発電ユニット１Ｕの発電効率を向上させることができる。また、被覆部１２５ｆは、薄膜状であることによって被覆部自身による光の吸収（損失）を抑制することができる。さらに、被覆部１２５ｆによる屈折の影響も無視できる。
なお、一般に、レンズの表面にコーティングを設けて光の反射を防止することは、知られている。例えば、通信用の受光素子のレンズや、カメラのレンズである。通信用の受光素子のレンズは、波長が赤外の狭い波長帯に限定されていて反射防止の設計が容易である。カメラのレンズは可視光に含まれる波長域に対応した高価な多層膜が用いられる。
これに対して、集光型太陽光発電ユニットの二次集光部は、カメラのレンズよりもさらに広い紫外光から赤外光までの３００ｎｍ〜２０００ｎｍという波長域の光を活用するので、多層膜での対応では、コストの面で採用できない。
従って、所定の屈折率を有するだけの安価な樹脂の被覆部１２５ｆ、しかも、樹脂成形体１２５の一部としての被覆部１２５ｆによって、２〜３％も透過率を改善できたことは、非常に大きな意義がある。
これに対して、集光型太陽光発電ユニットの二次集光部は、カメラのレンズよりもさらに広い紫外光から赤外光までの３００ｎｍ〜２０００ｎｍという波長域の光を活用するので、多層膜での対応では、コストの面で採用できない。
従って、所定の屈折率を有するだけの安価な樹脂の被覆部１２５ｆ、しかも、樹脂成形体１２５の一部としての被覆部１２５ｆによって、２〜３％も透過率を改善できたことは、非常に大きな意義がある。
《二次レンズのバリエーション》
図１１は、二次レンズ１２３のバリエーションを示す図である。
二次レンズの形状としては、既に示した（ａ）の球状の他、以下の形状が採用可能である。
（ｂ）半球円柱型：上が半球体で、下が円柱
（ｃ）半球逆円錐型：上が半球体で、下が逆円錐
（ｄ）ホモジナイザ型：上面が平面（正方形）で、その下が角錐（四角錐）
（ｅ）雫型：上部が円錐で、下部が半球体
（ｆ）平凸型：上面が円形の平面で、その下が半球体
（ｇ）楕円体型：楕円の回転体
上記のような種々の形状はいずれも、少なくとも一部に、球面、楕円体面、円錐面、逆向きの角錐面のいずれか１つ以上を有する。このような形状の二次レンズ１２３は、取り込んだ光を屈折又は全反射させながら、下方、すなわち発電素子へ導く作用をする。
このような形状の二次レンズによれば、一次集光部と光軸が若干ずれても発電素子へ導く光量が大きく減少しないという利点がある。また、いずれのタイプでも、二次レンズ１２３の表面のうち、少なくとも太陽光が入射する表面を、上記被覆部１２５ｆと同様の被覆部で覆う。
図１１は、二次レンズ１２３のバリエーションを示す図である。
二次レンズの形状としては、既に示した（ａ）の球状の他、以下の形状が採用可能である。
（ｂ）半球円柱型：上が半球体で、下が円柱
（ｃ）半球逆円錐型：上が半球体で、下が逆円錐
（ｄ）ホモジナイザ型：上面が平面（正方形）で、その下が角錐（四角錐）
（ｅ）雫型：上部が円錐で、下部が半球体
（ｆ）平凸型：上面が円形の平面で、その下が半球体
（ｇ）楕円体型：楕円の回転体
上記のような種々の形状はいずれも、少なくとも一部に、球面、楕円体面、円錐面、逆向きの角錐面のいずれか１つ以上を有する。このような形状の二次レンズ１２３は、取り込んだ光を屈折又は全反射させながら、下方、すなわち発電素子へ導く作用をする。
このような形状の二次レンズによれば、一次集光部と光軸が若干ずれても発電素子へ導く光量が大きく減少しないという利点がある。また、いずれのタイプでも、二次レンズ１２３の表面のうち、少なくとも太陽光が入射する表面を、上記被覆部１２５ｆと同様の被覆部で覆う。
《モジュール／パネル／装置》
なお、上記のような集光型太陽光発電ユニット１Ｕを複数個並べて、集光型太陽光発電モジュール１Ｍを構成すれば、モジュール全体で、発電素子１２４へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電モジュール１Ｍの発電効率を向上させることができる。
さらに、集光型太陽光発電モジュール１Ｍを複数個並べて、集光型太陽光発電パネル１を構成すれば、パネル全体で、発電素子１２４へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電パネル１の発電効率を向上させることができる。
さらに、このような集光型太陽光発電パネル１と、当該集光型太陽光発電パネル１が太陽の方向を向いて太陽の動きに追尾動作するように駆動する駆動装置２００とを備えた集光型太陽光発電装置１００は、昼間は常に、その時点で最も発電効率の高い状態を維持することができる。
なお、上記のような集光型太陽光発電ユニット１Ｕを複数個並べて、集光型太陽光発電モジュール１Ｍを構成すれば、モジュール全体で、発電素子１２４へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電モジュール１Ｍの発電効率を向上させることができる。
さらに、集光型太陽光発電モジュール１Ｍを複数個並べて、集光型太陽光発電パネル１を構成すれば、パネル全体で、発電素子１２４へ導かれる光量が増大するので、集光型太陽光発電パネル１の発電効率を向上させることができる。
さらに、このような集光型太陽光発電パネル１と、当該集光型太陽光発電パネル１が太陽の方向を向いて太陽の動きに追尾動作するように駆動する駆動装置２００とを備えた集光型太陽光発電装置１００は、昼間は常に、その時点で最も発電効率の高い状態を維持することができる。
《二次集光部等の他の構成例》
図１２は、集光型太陽光発電ユニット１Ｕにおける二次集光部１２２及びその周辺の他の構成例を示す斜視図である。図において、モジュール１Ｍの底面１１ａ上には、フレキシブル基板１２１が設けられている。フレキシブル基板１２１には、発電素子１２４が実装される。筒状で樹脂製のパッケージ１２６は、発電素子１２４と一体的に組み立てられ、発電素子１２４を保持している。発電素子１２４がフレキシブル基板１２１にはんだ付けされることにより、パッケージ１２６も固定される。パッケージ１２６の上端には、二次レンズ１２３が載っている。樹脂成形体１２５は、被覆部１２５ｆを形成するとともに、支持部１２５ｓを形成する。被覆部１２５ｆを含む樹脂成形体１２５は、二次レンズ１２３の表面から、パッケージ１２６及び、パッケージ１２６の外周側全周にあるフレキシブル基板１２１の環状領域を覆い、さらに、底面１１ａにまで少しはみ出すように、連続して覆う。
図１２は、集光型太陽光発電ユニット１Ｕにおける二次集光部１２２及びその周辺の他の構成例を示す斜視図である。図において、モジュール１Ｍの底面１１ａ上には、フレキシブル基板１２１が設けられている。フレキシブル基板１２１には、発電素子１２４が実装される。筒状で樹脂製のパッケージ１２６は、発電素子１２４と一体的に組み立てられ、発電素子１２４を保持している。発電素子１２４がフレキシブル基板１２１にはんだ付けされることにより、パッケージ１２６も固定される。パッケージ１２６の上端には、二次レンズ１２３が載っている。樹脂成形体１２５は、被覆部１２５ｆを形成するとともに、支持部１２５ｓを形成する。被覆部１２５ｆを含む樹脂成形体１２５は、二次レンズ１２３の表面から、パッケージ１２６及び、パッケージ１２６の外周側全周にあるフレキシブル基板１２１の環状領域を覆い、さらに、底面１１ａにまで少しはみ出すように、連続して覆う。
図１３は、図１２におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。図示のように、樹脂成形体１２５の支持部１２５ｓは、パッケージ１２６内にも入り込んでいる。このようにして、樹脂成形体１２５が触れる各部を相互に固定する。これにより、二次レンズ１２３−パッケージ１２６間、パッケージ１２６−フレキシブル基板１２１間、フレキシブル基板１２１−底面１１ａ間のそれぞれにおいて、一体性を高め、相互接着強度を高めることができる。
樹脂成形体１２５は絶縁性であり、二次レンズ１２３とパッケージ１２６とが互いに接する部位、及び、パッケージ１２６とフレキシブル基板１２１とが互いに接する部位は、全方位（３６０度）隙間なく、樹脂成形体１２５で覆われている。
この場合、発電素子１２４が樹脂成形体１２５によって絶縁され、発電素子１２４の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニット１２２を実現することができる。
この場合、発電素子１２４が樹脂成形体１２５によって絶縁され、発電素子１２４の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニット１２２を実現することができる。
樹脂成形体１２５は、全体が透光性の樹脂であり、前述のように、例えばシリコーン樹脂やアクリル樹脂が好適である。
この場合、樹脂成形体１２５は、その一部が透光性の被覆部１２５ｆになるとともに、二次レンズ１２３その他、樹脂成形体１２５が触れる各部を相互に固定する固定部材にもなる。従って、二次レンズ１２３の被覆と、その周辺の固定とを同時に行うことができ、製造工程を短縮することができる。
この場合、樹脂成形体１２５は、その一部が透光性の被覆部１２５ｆになるとともに、二次レンズ１２３その他、樹脂成形体１２５が触れる各部を相互に固定する固定部材にもなる。従って、二次レンズ１２３の被覆と、その周辺の固定とを同時に行うことができ、製造工程を短縮することができる。
《その他》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 集光型太陽光発電パネル
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１Ｕ 集光型太陽光発電ユニット
３ 架台
３ａ 支柱
３ｂ 基礎
４ 追尾センサ
５ 直達日射計
１１ａ 底面
１１ 筐体
１１ｂ 鍔部
１２ フレキシブルプリント配線板
１３ 一次集光部
１３ｆ フレネルレンズ
１４ コネクタ
１６ 縦
１００ 集光型太陽光発電装置
１２１ フレキシブル基板（基板）
１２２ 二次集光部
１２３ 二次レンズ
１２４ 発電素子
１２５ 樹脂成形体
１２５ｆ 被覆部
１２５ｓ 支持部
１２５ 二次集光部
１２６ パッケージ
２００ 駆動装置
２０１ｅ ステッピングモータ
２０１ａ ステッピングモータ
２０２ 駆動回路
３００ 電力計
４００ 制御装置
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１Ｕ 集光型太陽光発電ユニット
３ 架台
３ａ 支柱
３ｂ 基礎
４ 追尾センサ
５ 直達日射計
１１ａ 底面
１１ 筐体
１１ｂ 鍔部
１２ フレキシブルプリント配線板
１３ 一次集光部
１３ｆ フレネルレンズ
１４ コネクタ
１６ 縦
１００ 集光型太陽光発電装置
１２１ フレキシブル基板（基板）
１２２ 二次集光部
１２３ 二次レンズ
１２４ 発電素子
１２５ 樹脂成形体
１２５ｆ 被覆部
１２５ｓ 支持部
１２５ 二次集光部
１２６ パッケージ
２００ 駆動装置
２０１ｅ ステッピングモータ
２０１ａ ステッピングモータ
２０２ 駆動回路
３００ 電力計
４００ 制御装置
また、さらに、図６に示すように、樹脂成形体１２５は、モールドによって、二次レンズ１２３のみならず発電素子１２４をも含む成形体となっている。従って、二次集光部１２２から発電素子１２４までの光学系を、樹脂成形体１２５によって一体的に構成することができる。これにより、当該光学系について安定した品質が得られる。
樹脂成形体１２５は絶縁性であり、二次レンズ１２３とパッケージ１２６とが互いに接する部位、及び、パッケージ１２６とフレキシブル基板１２１とが互いに接する部位は、全方位（３６０度）隙間なく、樹脂成形体１２５で覆われている。
この場合、発電素子１２４が樹脂成形体１２５によって絶縁され、発電素子１２４の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニット１Ｕを実現することができる。
この場合、発電素子１２４が樹脂成形体１２５によって絶縁され、発電素子１２４の導電部の耐電圧性能が高められる。また、高温多湿な環境でも、導電部に水分が浸入しないので、信頼性の優れた集光型太陽光発電ユニット１Ｕを実現することができる。
１ 集光型太陽光発電パネル
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１Ｕ 集光型太陽光発電ユニット
３ 架台
３ａ 支柱
３ｂ 基礎
４ 追尾センサ
５ 直達日射計
１１ａ 底面
１１ 筐体
１１ｂ 鍔部
１２ フレキシブルプリント配線板
１３ 一次集光部
１３ｆ フレネルレンズ
１４ コネクタ
１００ 集光型太陽光発電装置
１２１ フレキシブル基板（基板）
１２２ 二次集光部
１２３ 二次レンズ
１２４ 発電素子
１２５ 樹脂成形体
１２５ｆ 被覆部
１２５ｓ 支持部
１２６ パッケージ
２００ 駆動装置
２０１ｅ ステッピングモータ
２０１ａ ステッピングモータ
２０２ 駆動回路
３００ 電力計
４００ 制御装置
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１Ｕ 集光型太陽光発電ユニット
３ 架台
３ａ 支柱
３ｂ 基礎
４ 追尾センサ
５ 直達日射計
１１ａ 底面
１１ 筐体
１１ｂ 鍔部
１２ フレキシブルプリント配線板
１３ 一次集光部
１３ｆ フレネルレンズ
１４ コネクタ
１００ 集光型太陽光発電装置
１２１ フレキシブル基板（基板）
１２２ 二次集光部
１２３ 二次レンズ
１２４ 発電素子
１２５ 樹脂成形体
１２５ｆ 被覆部
１２５ｓ 支持部
１２６ パッケージ
２００ 駆動装置
２０１ｅ ステッピングモータ
２０１ａ ステッピングモータ
２０２ 駆動回路
３００ 電力計
４００ 制御装置
Claims (11)
- 一次集光部で集光した太陽光を二次集光部で発電素子に導く集光型太陽光発電ユニットであって、前記二次集光部は、
立体形状の二次レンズと、
前記二次レンズの表面のうち、少なくとも前記太陽光が入射する表面を当該表面に沿って薄膜状に覆い、屈折率が空気より高く前記二次レンズより低い透光性の被覆部と、
を備えている集光型太陽光発電ユニット。 - 前記被覆部は、前記二次レンズを封入するように包み込む樹脂成形体の一部である請求項１に記載の集光型太陽光発電ユニット。
- 前記樹脂成形体は、前記二次レンズのほか、前記発電素子も含む成形体である請求項２に記載の集光型太陽光発電ユニット。
- 前記二次レンズの形状は、少なくとも一部に、球面、楕円体面、円錐面、逆向きの角錐面のいずれか１つ以上を有する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
- 波長３００ｎｍ〜２０００ｎｍの入射光に対して、前記二次レンズの屈折率が１．４９〜１．５６であり、前記被覆部の屈折率が１．３９〜１．４５である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電ユニット。
- 当該集光型太陽光発電ユニットの底面と、
前記底面上に設けられ、前記発電素子を載せる基板と、
前記発電素子を前記基板上に保持するパッケージと、を備え、
前記被覆部を含む樹脂成形体は、前記二次レンズの表面から、前記発電素子、前記パッケージ、前記基板、及び、前記底面までを、連続して覆う請求項１に記載の集光型太陽光発電ユニット。 - 前記樹脂成形体は絶縁性であり、
前記二次レンズと前記パッケージとが互いに接する部位、及び、前記パッケージと前記基板とが互いに接する部位は、全方位隙間なく、前記樹脂成形体で覆われている、請求項６に記載の集光型太陽光発電ユニット。 - 前記樹脂成形体は、全体が透光性の樹脂である請求項６又は請求項７に記載の集光型太陽光発電ユニット。
- 請求項１に記載の集光型太陽光発電ユニットを複数個並べて成る集光型太陽光発電モジュール。
- 請求項９に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて成る集光型太陽光発電パネル。
- 請求項１０に記載の集光型太陽光発電パネルと、当該集光型太陽光発電パネルが太陽の方向を向いて太陽の動きに追尾動作するように駆動する駆動装置とを備えた集光型太陽光発電装置。
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