TW201448249A - 光學元件、設計方法及集光型太陽光發電裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞也難以造成損傷的耐損傷性佳的光學元件。本發明在太陽光集光用的光學元件4方面，該太陽光集光用的光學元件4係具備：透光性基板5，其係具有太陽光L1射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層7，其係形成於此透光性基板5之第一面上，其組成和該透光性基板5不同；及菲涅耳透鏡元件6，其係形成於透光性基板5之第二面上，使太陽光聚集到太陽電池元件2上；薄膜層7含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成。

Description

光學元件、設計方法及集光型太陽光發電裝置
本發明係關於一種在表面上形成有薄膜層的光學元件、設計方法及集光型太陽光發電裝置。
近幾年自然能源的利用受到注目，其一有利用太陽電池將太陽光的能量轉換為電力的太陽光發電。作為此種太陽光發電，已知有集光型太陽光發電裝置，為提高發電效率(光電轉換效率)而得到大電力，其構造係在複數個配置於同一平面上的太陽電池元件的前方側配設有用於使太陽光聚集到各太陽電池元件上的集光透鏡(菲涅耳透鏡)(參照例如專利文獻1)。
集光型太陽光發電裝置由於藉由以集光透鏡聚集太陽光而使太陽電池元件接收的構造，可縮小高價的太陽電池元件的尺寸，所以可謀求整個發電裝置的低成本化。因此，集光型太陽光發電裝置在日照時間長、即使將集光面大面積化也可以設置的廣大地區等，作為電力供應用途日益普及。
作為適合利用集光型太陽光發電裝置進行發電的地區(日照時間長、即使將集光面大面積化也可以設置的廣大地區)，可列舉例如美國的西南部(內華達州等)、中東、中國的內陸部等。在此等地區，經常終年刮 強風，並且沙漠地帶在周圍蔓延，所以以矽為主要成分的細微沙粒被沙塵捲起到空氣中。
例如，非專利文獻1中記載著在中東的沙烏地阿拉伯，於20m/sec的風速下，在地上1m的高度含有粒徑約40μm的沙粒，在地上20m的高度含有粒徑約20μm的沙粒。
此外，例如非專利文獻2中記載著即使是集光型太陽電池用菲涅耳透鏡的材料為穿透率與耐損傷性佳的丙烯酸樹脂(PMMA)的情況，相較於玻璃，對於沙塵的耐久性也低，當沙粒在風速強的狀況下與其碰撞，就會產生損傷，使得霧度(haze)上升。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 特開2006-343435號公報
非專利文獻1 Amosphwic Emvronmrnf Vol. 21. No 12. pp. 2723-2725. 1987
非專利文獻2 Solar Energy 86 (2012) 3021-3025
例如平均粒徑20μm的沙粒於20m/sec的風速下碰撞到由有機性樹脂構成的塑膠基板，就會在塑膠基板的表面上產生損傷。此外，已知玻璃基板的耐沙塵性比塑膠基板佳。
此外，對於在集光型太陽光發電裝置中所使用的基板材料，為了提高發電效率，要求光穿透率高且不會因太陽光而劣化。因此，一般使用丙烯酸樹脂或聚碳酸酯樹脂、矽氧樹脂等作為穿透性基板的材質。
然而，相較於丙烯酸樹脂，聚碳酸酯樹脂沒有耐光性，並且沒有表面損傷性的耐久力，所以不適合。此外，相較於塑膠基板，玻璃基板的比重大，在相同的面積下重量重。再者，在集光型太陽光發電裝置方面，需要用於跟踪太陽光的跟踪裝置，若整個裝置的重量因使用玻璃基板而變重，則容易導致跟踪裝置的破損等，所以並不理想。
此外，即使在穿透率與耐損傷性佳的丙烯酸樹脂方面，沙粒在風速強的狀況下與其碰撞，表面仍然會產生損傷，導致霧度(haze)上升。
因此，以丙烯酸樹脂形成在集光型太陽光發電裝置中所使用的穿透性基板時，在集光型太陽電池用的集光透鏡(例如菲涅耳透鏡)方面，光會因穿透性基板的霧度上升而散射。因此，不能利用集光透鏡將光有效地聚集於太陽電池元件上，導致發電效率大幅降低。例如，穿透性基板的霧度上升10%，發電效率就會降低約10%程度。
特別是集光型太陽光發電裝置被要求長期(例如10年以上)穩定地維持發電量，所以穿透性基板的耐損傷性在沙塵大量存在的地區為重要的課題。
於是，本發明之目的在於提供一種即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞也難以損傷的耐損傷性佳的光學元件、設計方法及集光型太陽光發電裝置。
為了達成前述目的，請求項1之光學元件係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成。
請求項2之光學元件之特徵在於：前述薄膜層的材料折射率比由有機性樹脂構成的前述透光性基板小0.01以上。
請求項3之光學元件係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述集光透鏡元件為形成有菲涅耳透鏡圖案的菲涅耳透鏡元件，前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成。
請求項4之光學元件係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述集光透鏡元件為形成有菲涅耳透鏡圖案的菲涅耳透鏡元件，前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成，前述薄膜層的材料折射率比由有機性樹脂構成的前述透光性基板小0.01以上。
請求項5之設計方法之特徵在於：係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時，將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為0度與45度的條件下碰撞10秒鐘時，矽沙的碰撞前至碰撞後的前述透光性基板的霧度的上升率於前述角度為0度與45度都成為10%以下。
請求項6之設計方法之特徵在於：係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時，將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為45度的條件下碰撞10秒鐘後，於IEC62106所訂定的結冰試驗後，結冰試驗前至結冰試驗後的霧度的上升率成為5%以下。
請求項8之發明係在具備聚集太陽光的光學元件、及接收由前述光學元件所聚集的太陽光而進行光電轉換的太陽電池元件之集光型太陽光發電裝置中，其特徵在於：前述光學元件為如請求項1至4中任一項之光學元件。
藉由請求項1之光學元件，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透 光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；由於薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成，所以可使透光性基板的太陽光射入側的表面硬度和玻璃一樣硬。
藉此，即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞到透光性基板，也可以減低透光性基板損傷，防止霧度提高。
若薄膜層的厚度比0.5μm薄，則不能維持硬度，耐損傷性的效果變小。此外，厚到3.0μm以上時，雖可維持耐損傷性，但在因衝擊而產生傷痕時，有因衝擊而深深地產生裂痕、霧度上升的問題。
此外，若薄膜層的厚度變厚，則暴露於野外的溫度變化下時，會因透光性基材與薄膜層的各材料的線膨脹係數差而給予薄膜層應力，在薄膜層上產生裂痕。因此，薄膜層的厚度最好以可保持硬度的0.5μm以上且可抑制因沙塵碰撞或溫度變化而產生裂痕的3.0μm以下形成。
此外，組成為薄膜層的無機成分不含80質量%以上的情況，會因野外暴露時的太陽光的紫外線而產生薄膜層的黃變，在300~600nm程度的波長範圍，光穿透率的降低率變大。特別是對在集光型太陽光發電裝置中成為主流的3接合太陽電池元件(太陽電池單元)而言，射入吸收短波長的太陽電池元件之光的比例降低。 若3接合太陽電池元件中的一個單元的發電量變化，則也會影響其他單元的發電量。因此，部分穿透率降低會導致大幅度的發電效率降低。
再者，在本發明之請求項1方面，藉由薄膜層的無機成分含有80質量%以上，即使長時間照射太陽光的紫外線，也可以縮小黃變。因此，薄膜層的無機成分希望含有90質量%以上，則耐紫外線性將更加提高。
此外，藉由請求項2之光學元件，由於使薄膜層的材料折射率比由有機性樹脂構成的透光性基板小0.01以上，所以表面反射減低，光的穿透率提高，導致太陽電池元件的發電效率提高。
此外，藉由請求項3、4之光學元件，由於集光透鏡元件為形成有菲涅耳透鏡圖案的菲涅耳透鏡元件，所以可有效地使太陽光聚集於太陽電池元件上。
此外，在請求項5之設計方法方面，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時，將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在 該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為0度與45度的條件下碰撞10秒鐘時，矽沙的碰撞前至碰撞後的前述透光性基板的霧度的上升率於前述角度為0度與45度都成為10%以下。
再者，在請求項6之設計方法方面，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時，將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為45度的條件下碰撞10秒鐘後，於IEC62106所訂定的結冰試驗後，結冰試驗前至結冰試驗後的霧度的上升率成為5%以下。
藉由如此決定薄膜層的組成與厚度，有如下的優點。
在前述非專利文獻2方面，係將基板主面的法線對於沙的噴射方向以45度的角度進行試驗。得知硬度如玻璃般高的透光性基板雖然沙的衝擊力在一定以下耐損傷性高，但若衝擊力變強，則容易急劇損傷，霧度 上升。特別是將光學元件設置於野外時，由於沙塵從所有方向碰撞，所以要求將透光性基板主面的法線對於沙的行進方向，即使對於0度也難以損傷的光學元件。
此外，相較於玻璃，硬度如樹脂基板般小的基板由於碰撞的沙在45度的角度也維持會損傷基板的衝擊力，所以霧度與沙碰撞的頻率大致成正比地上升。然而，達到45度以上的角度，衝擊力就非常弱，霧度的上升變得非常小，所以不會帶給發電影響。
因此，在將透明樹脂基板主面的法線對於沙的行進方向設定為0度與45度的角度的情況，選擇減少霧度上升的透明樹脂基板上的薄膜層的構造(組成與厚度)很重要。
此外，藉由關於本發明的集光型太陽光發電裝置，由於具有關於本發明的光學元件，所以即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞到透光性基板，也可以減低透光性基板損傷，防止霧度提高。因此，即使在沙塵大量存在的地區，也可以長期穩定地維持發電量。
1‧‧‧集光型太陽光發電裝置
2‧‧‧太陽電池元件
4‧‧‧光學元件
5‧‧‧透光性基板
6‧‧‧菲涅耳透鏡元件
7‧‧‧薄膜層
第1圖為顯示具備關於本發明實施形態的光學元件之集光型太陽光發電裝置概略構造的剖面圖。
第2圖為顯示從關於本發明實施形態之集光型太陽光發電裝置的太陽光射入側看的概要的平面圖。
第3A圖為顯示用於評估透光性基板表面的薄膜層耐損傷性(霧度)的裝置的圖。
第3B圖為顯示用於評估透光性基板表面的薄膜層耐損傷性(霧度)的裝置的圖。
以下，基於圖示的實施形態說明本發明。第1圖為大略地顯示具備關於本發明實施形態的光學元件之集光型太陽光發電裝置概略構造的概略剖面圖。
〈集光型太陽光發電裝置之全體構造〉
如第1圖所示，關於本實施形態之集光型太陽光發電裝置1具備將接收到的太陽光進行光電轉換的太陽電池元件(太陽電池單元)2、安裝有該太陽電池元件2的太陽電池基板3、及配置成與太陽電池元件2之前方側(太陽光射入側)對向並且聚集太陽光的光學元件4作為主要構成構件。再者，在第1圖中，L1表示射入光學元件4的太陽光，L2表示以光學元件4聚集的太陽光。
光學元件4由透光性基板5及菲涅耳透鏡元件6所構成，透光性基板5係設於太陽光射入側；菲涅耳透鏡元件6係作為片狀的集光透鏡元件，接著於該透光性基板5之射出側(與太陽電池元件2對向之側)之面並具有透光性。以菲涅耳透鏡元件6聚集的光射入太陽電池元件2上。此外，在透光性基板5之太陽光射入側之面(以下稱為「表面」)上，為了保護其表面等目的，形成有和透光性基板5不同的組成的薄膜層7(關於為本發明特徵的薄膜層7的詳細，後述之)。
如第2圖所示，此集光型太陽光發電裝置1係在太陽電池基板3(參照第1圖)上以一定間隔安裝有複 數個太陽電池元件2，並將複數個光學元件4以與各太陽電池元件2分別對向的方式一體地設於同一平面上。再者，在第2圖中，雖然只顯示12(縱橫：3×4)個太陽電池元件2(光學元件4)的數量，但實際上係利用多數個太陽電池元件2與光學元件4構成大尺寸的集光型太陽面板。
各太陽電池元件2與各光學元件4被精準地定位配置，並且太陽電池基板3與光學元件4之間的側面周圍等被密封，使得濕氣(水分)或灰塵等不會侵入太陽電池基板3與光學元件4之間的空間內部。再者，對向配置的太陽電池元件2與光學元件4的數量或大小係依集光型太陽光發電裝置1的尺寸或設置場所等而任意設定。
前述光學元件4在太陽光中可利用的波長區(350~1850nm左右)被要求透光率高且為透明。在集光型太陽光發電裝置1方面，僅從與光學元件4主面垂直的方向進入的光因菲涅耳透鏡元件6的折射作用被聚集而利用。
構成光學元件4的透光性基板5之表面側暴露於自然環境中，所以例如沙粒等在風速強的狀況下碰撞到透光性基板5之表面，就會造成損傷，使得霧度(haze)上升。因此，若透光性基板5的霧度上升，則光會被散射，不能有效地聚集光，發電效率會大幅降低。
霧度(haze)以下式求出：霧度=(散射光/全光線穿透光)×100(%)
即，此散射光為由透光性基板5表面所散射的光，霧度為透光性基板5表面的散射光相對於穿透透光性基板5的全光線穿透光的比例。
再者，霧度係用塑膠-透明材料的霧度的求出方法(JIS K 7136)中規定的方法進行測定。霧度高則散射光的比例增加，由於此散射光不能穿透光學元件4而射入太陽電池元件2，所以發電效率降低。
因此，在本發明之實施形態中，於透光性基板5之表面上形成有即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞也不易造成損傷的耐損傷性佳的後述的薄膜層7。
此外，在本發明中，當形成前述薄膜層7時，將薄膜層7的組成與厚度如後述決定成使平均粒子直徑40~50μm、含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，對於透光性基板5之表面(太陽光射入面)，在該矽沙的噴射方向與透光性基板5主面的法線形成的角度為0度與45度的條件下碰撞10秒鐘時，矽沙碰撞前至碰撞後的透光性基板5的霧度的上升率於前述角度為0度與45度都成為10%以下。
再者，在本發明中，當形成前述薄膜層7時，將薄膜層7的組成與厚度如後述決定成使平均粒子直徑40~50μm、含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，對於透光性基板5之表面(太陽光射入面)，在該矽沙的噴射方向與透光性基板5主面的法線形成的角度為45度的條件下碰撞10秒鐘後，於IEC62106所訂定的結冰試驗後，結冰試驗前至結冰試驗後的霧度的上升率成為5%以下。
(薄膜層7之膜構造)
就在透光性基板5之平坦狀表面上形成薄膜層7的方法而言，並不特別規定，係利用模具塗布法、流動塗布法、浸漬塗布法、噴射塗布法等均勻地塗布具有熱硬化性的硬敷性能的塗布液。並且，其後，在接著於和透光性基板5表面相反側之面的菲涅耳透鏡元件6表面的菲涅耳透鏡圖案形狀的角度不變的範圍內進行加熱，藉由熱硬化可使其接著。此加熱時的溫度最好在透光性基板5的材料的玻璃轉移溫度以下實施。
再者，除了上述熱硬化的硬化方法以外，還有照射紫外線的硬化方法等。此外，也可以將具有硬敷性的塗布液以各種方法均勻地塗布於透光性基板5之表面上後，照射紫外線使其硬化而形成薄膜層7。
此外，薄膜層7的厚度最好為0.5μm以上3.0μm以下。若薄膜層7的厚度比0.5μm薄，則不能維持硬度，耐損傷性的效果變小。此外，使薄膜層7的厚度厚到3.0μm以上時，雖可維持耐損傷性，但在因衝擊而產生損傷時卻有產生深裂痕、霧度上升的問題。
在形成薄膜層7的此塗布液中，最好在乾燥含有的溶媒後，含有以二氧化矽(SiO2)為主要成分的無機化合物80重量%以上，更好為90重量%以上。有機成分多時，於野外暴露時有機成分會被紫外線分解而導致薄膜劣化或變黃造成的發電效率降低。
就無機化合物(無機成分)而言，最好為遍及寬廣的波長範圍透光率高的二氧化矽或氧化鈦、氧化鎢 等的氧化化合物。再者，若氧化化合物的折射率變高，則界面反射變多，會導致發電效率降低，所以氧化化合物的材料使用折射率低的二氧化矽系列更好。
此外，為了促進無機成分彼此的接著，在塗布液中含有少量的有機成分較易均勻地形成薄膜，並且和有機成分為主體的透光性基板5的密合性提高，可防止薄膜層7從透光性基板5上剝離。
若薄膜層7從透光性基板5上剝離，則在剝離面反射的光會增加，到達到太陽電池元件2的光量會減少。此外，隨著沙粒因強風而碰撞到透光性基板5表面的薄膜層7的衝擊，此薄膜層7剝落的可能性變高，透光性基板5的霧度會增加而導致發電效率的降低。
此外，在將塗布液塗布於透光性基板5上之前，藉由將透光性基板5之表面進行電漿處理而進行表面改質，可更加提高透光性基板5與薄膜層7的密合性。再者，除了電漿處理以外，施以準分子處理或電暈處理也可以進行表面改質。
此外，對於透光性基板5表面的薄膜層7，基於JIS規格K5600-5-6(ISO 2409：1992)進行了交叉影線(cross hatch)測試。檢查測試後的薄膜層7剝離的結果，並未產生剝離，透光性基板5與薄膜層7良好地密合著。
再者，若透光性基板5與薄膜層7的密合性低，則沙粒等碰撞時，會產生薄膜層7的剝離。此外，隨著戶外空氣的熱變化，在透光性基板5與薄膜層7上 產生應力時，會產生界面的剝離。任一情況都會導致透光性基板5的霧度的上升，降低發電效率，所以需要使透光性基板5與薄膜層7良好地密合。
此外，最好使薄膜層7的材料折射率比由有機性樹脂構成的透光性基板5小0.01以上。藉由使薄膜層7的材料折射率比透光性基板5小0.01以上，表面反射減低，光的穿透率提高，導致太陽電池元件的發電效率提高。
為了評估沙粒因沙塵等而碰撞到光學元件4時的光學元件4的耐損傷性，即形成於透光性基板5表面上的薄膜層7的耐損傷性，可使用例如如下的裝置及方法。
評估透光性基板5表面的薄膜層7的耐損傷性(霧度)時，例如如第3A圖所示，通過配管11a、11b而使壓縮空氣導入至填充有沙粒S的容器10之上部吸入口10a與下部排出口10b，利用此壓縮空氣使沙粒S從噴嘴12的前端向設置預定距離而配置於前方側的透光性基板5的表面(薄膜層7)噴射。
此時，將導入至容器10之上部吸入口10a與下部排出口10b的壓縮空氣的壓力調整成透光性基板5表面(薄膜層7)附近的壓縮空氣的風速成為20m/sec。然後，對於透光性基板5的表面(薄膜層7)附近，以20m/sec的風速使壓縮空氣噴射10秒鐘。此時，調整噴嘴12的前端與透光性基板5的表面(薄膜層7)間的距離或離噴嘴12前端的噴射範圍等，使透光性基板5的表面(薄膜層7)附近的沙粒S的密度成為1.9g/m3左右。
再者，在第3A圖中，係將透光性基板5的表面(薄膜層7)對於從噴嘴12前端噴射的壓縮空氣(沙粒)的方向成為垂直而配置，使在此狀態的透光性基板5的角度(α)成為0度。
此外，在第3B圖中，係將透光性基板5的表面(薄膜層7)對於從噴嘴12前端噴射出的壓縮空氣(沙粒)的方向傾斜45度而配置，使在此狀態的透光性基板5的角度(α)成為45度。如此，配置成透光性基板5主面的法線角度對於壓縮空氣(沙粒)的行進方向成為0度或45度。再者，透光性基板5被保持成在配置的角度不動。
然後，如以下的實施例(實施例1、比較例1~3)所示，在透光性基板5的表面(薄膜層7)的角度(α)為0度與45度的情況，以上述條件噴射含有沙粒的壓縮空氣，基於JIS規格(JIS K 7136)，利用霧度的測定來評估薄膜層7的耐損傷性。
實施例1
其次，為了藉由霧度來評估形成於前述的本發明透光性基板5表面上的薄膜層7的耐損傷性，用在表面上形成有具有以下所示的本發明的實施例1與比較用的比較例1~3的構造之薄膜層的透光性基板進行了霧度(%)的評估。此外，比較例4為IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的評估與紫外線的劣化評估。再者，表1為實施例1與比較用的比較例1~3的薄膜層7的耐損傷性(霧度)的評估結果。
〈實施例1〉
在實施例1中，係在由厚度3mm、面積1m2的甲基丙烯酸樹脂構成的透明樹脂基板上，利用噴塗法均勻地塗布固形分中的二氧化矽體積比率為80%以上的熱硬化性的SDC公司製造Crystal Coat MP-101的塗布液，自然乾燥5分鐘後，以80℃的加熱爐進行加熱乾燥60分鐘。
然後，利用加熱使塗布液中的殘留溶媒揮發，並且利用熱使薄膜硬化。熱硬化後的薄膜層的厚度為2μm，折射率比基板的樹脂低0.05。
在此實施例1中，薄膜形成前的全光線穿透率為92.5%，薄膜形成後的穿透率為93.1%，霧度為0.3%。藉由形成薄膜層，全光線穿透率提高了0.6%。
將形成有此薄膜層的基板進行IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的結果，外觀上未看到裂痕等的產生。
此外，向形成有此薄膜層的基板，使用竹折礦業所公司製造的9號矽沙(平均粒子直徑48μm)，以矽沙的空氣中密度1.9g/m3、風速20m/sec的條件，如第3A圖、第3B圖所示，在基板主面的法線相對於壓縮空氣(沙粒S)的行進方向所形成的角度(α)為0度與45度的兩個條件下噴射矽沙10秒鐘，進行處理後，進行霧度的測定。
在實施例1的測定中，α=0度時的霧度為4.4%，α=45度時的霧度為4.4%。
<比較例1>
在比較例1中，係使用由厚度3mm、面積1m2的甲基丙烯酸樹脂構成的透明樹脂基板，不在其表面上製作薄膜層，除此之外以和實施例1同樣的條件進行了試驗。
此透明樹脂基板的全光線穿透率為92.5%，霧度為0.5%。然後，將此透明樹脂基板進行IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的結果，外觀上未看到裂痕等的產生。
此外，以和實施例1同樣的條件，如第3A圖、第3B圖所示，在基板主面的法線相對於壓縮空氣(沙粒S)的行進方向所形成的角度(α)為0度與45度的兩個條件下噴射矽沙10秒鐘，進行處理後，進行霧度的測定。
在比較例1的測定中，α=0度時的霧度為16.8%，α=45度時的霧度為17.7%，和實施例1相比，α=0度、45度時的霧度皆上升。
<比較例2>
在比較例2中，係使用厚度3mm、面積1m2的熱強化玻璃(B270)，不製作薄膜層，除此之外以和實施例1同樣的條件進行了試驗。
此透明樹脂基板的全光線穿透率為91.8%，霧度為0.4%。然後，將此透明樹脂基板進行IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的結果，外觀上未看到裂痕等的產生。
此外，以和實施例1同樣的條件，如第3A圖、第3B圖所示，在基板主面的法線相對於壓縮空氣(沙粒S)的行進方向所形成的角度(α)為0度與45度的兩個條件下噴射矽沙10秒鐘，進行處理後，進行霧度的測定。
在比較例2的測定中，α=0度時的霧度為8.7%，α=45度時的霧度為3.3%，和實施例1相比，在α=0度，霧度上升。
<比較例3>
在比較例3中，係在由厚度3mm、面積1m2的甲基丙烯酸樹脂構成的透明樹脂基板上，將所製作的薄膜層的厚度設為5μm，除此之外以和實施例1同樣的條件進行了試驗。
此基板的400~800nm波長範圍的穿透率為93.2%，霧度為0.4%。然後，將此基板進行IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的結果，外觀上看到裂痕等的產生。
此外，以和實施例1同樣的條件，如第3A圖、第3B圖所示，在基板主面的法線相對於壓縮空氣(沙粒S)的行進方向所形成的角度(α)為0度與45度的兩個條件下噴射矽沙10秒鐘，進行處理後，進行霧度的測定。
在比較例3的測定中，α=0度時的霧度為2.1%，α=45度時的霧度為5.5%，和實施例1相比時，未看到薄膜層的厚度對耐損傷性的影響。
<比較例4>
在比較例4中，係在由厚度3mm、面積1m2的甲基丙烯酸樹脂構成的透明樹脂基板上，利用噴塗法均勻地塗布固形分中的二氧化矽體積比率不到80%的UV硬化性樹脂，藉由照射紫外線10J，使其硬化而形成厚度2μm的薄膜層。然後，將熱硬化後的薄膜層的厚度設定為2μm，除此之外以和實施例1同樣的條件進行了試驗。
此基板(透明樹脂基板)的全光線穿透率為92.1%，霧度為0.4%。然後，將此透明樹脂基板進行IEC62106 Humidity freeze test Option HFC-2所訂定的結冰試驗的結果，外觀上未看到裂痕等的產生。
此外，在比較例4中，在使用金屬鹵素燈，以1kW/m2的照度照射包含紫外線的光線900小時的情況，黃色度成為29.1，看到紫外線所造成的劣化。再者，在以於實施例1中使用的樣品進行同樣的試驗的情況，黃色度為6.1，未看到紫外線所造成的劣化。
如此，藉由實施例1的薄膜層的層構造，可減低霧度的上升。因此，可提供即使沙粒等在風速強的狀況下碰撞也難以造成損傷的耐損傷性佳的光學元件4(在太陽光射入面上形成有薄膜層7、在太陽光射出面上形成有菲涅耳透鏡元件6的透光性基板5)。
再者，具備此光學元件4的本實施形態之集光型太陽光發電裝置1由於光學元件4耐損傷性佳，所以即使在沙塵大量存在的地區，也可以長期穩定地維持發電量。
[相關申請之相互參照]
本申請案主張基於2013年4月12日向日本國專利廳申請的特願2013-083428號的優先權，其全部的揭示藉由參照而完全編入在本說明書中。
1‧‧‧集光型太陽光發電裝置
2‧‧‧太陽電池元件
3‧‧‧太陽電池基板
4‧‧‧光學元件
5‧‧‧透光性基板
6‧‧‧菲涅耳透鏡元件
7‧‧‧薄膜層
L1‧‧‧射入光學元件4的太陽光
L2‧‧‧以光學元件4聚集的太陽光

Claims (8)

  1. 一種光學元件，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成。
  2. 如請求項1之光學元件，其中前述薄膜層的材料折射率比由有機性樹脂構成的前述透光性基板小0.01以上。
  3. 一種光學元件，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述集光透鏡元件為形成有菲涅耳透鏡圖案的菲涅耳透鏡元件， 前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成。
  4. 一種光學元件，係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；其特徵在於：前述集光透鏡元件為形成有菲涅耳透鏡圖案的菲涅耳透鏡元件，前述薄膜層含有無機成分80質量%以上，並且以0.5μm以上3.0μm以下的厚度形成，前述薄膜層的材料折射率比由有機性樹脂構成的前述透光性基板小0.01以上。
  5. 一種設計方法，其特徵在於：係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時， 將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為0度與45度的條件下碰撞10秒鐘時，矽沙的碰撞前至碰撞後的前述透光性基板的霧度的上升率於前述角度為0度與45度都成為10%以下。
  6. 一種設計方法，其特徵在於：係太陽光集光用的光學元件，其具備：透光性基板，其係具有太陽光射入的平面狀的第一面與射入的太陽光射出的平面狀的第二面，由有機性樹脂構成；薄膜層，其係形成於前述透光性基板之前述第一面上，其組成和該透光性基板不同；及片狀集光透鏡元件，其係形成於前述透光性基板之前述第二面上，具有集光透鏡功能；當形成前述薄膜層時，將前述薄膜層的組成與厚度決定成在使平均粒子直徑40~50μm且含有二氧化矽成分80質量%以上的矽沙以風速20m/sec且密度1.9g/m3的條件，相對於如請求項1之光學元件之前述透光性基板之第一面，在該矽沙的噴射方向與前述透光性基板主面的法線形成的角度為45度的條件下碰撞10秒鐘後，於IEC62106所訂定的結冰試驗後，結冰試驗前至結冰試驗後的霧度的上升率成為5%以下。
  7. 如請求項5或6之設計方法，其中前述薄膜層含有無機成分。
  8. 一種集光型太陽光發電裝置，其具備聚集太陽光的光學元件、及接收由前述光學元件所聚集的太陽光而進行光電轉換的太陽電池元件，其特徵在於：前述光學元件為如請求項1至4中任一項之光學元件。
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