説明

集光型太陽電池

【課題】小型・軽量化および低コスト化を実現可能な集光型太陽電池を得ること。
【解決手段】第1の偏向手段と、第1の偏向手段と略平行に且つ離間して配置された第1の反射板と、第1の偏向手段と第1の反射板との間においてこれらのそれぞれと略平行に離間して配置された中央部と、第1の偏向手段の外周端面に当接して第1の偏向手段と反対方向に延在する延在部と、を有する第2の偏向手段と、第1の反射板の面内方向において第1の反射板に隣接する位置に配置された太陽電池セルと、を備え、第1の偏向手段が入射した太陽光を散乱させて出射し、第2の偏向手段が第1の偏向手段で散乱された太陽光を偏向して太陽電池セル側に出射し、第1の反射板が第2の偏向手段を透過して該第1の反射板に到達した太陽光を反射して第2の偏向手段に再度入射させることにより、第2の偏向手段から出射された太陽光を太陽電池セルの受光面に集光する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集光機能を備えた集光型太陽電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
現在、一般に集光型太陽電池といえば、化合物系の材料を用いた光電変換素子に対して大掛かりな太陽追尾機能装置を設け、100倍以上の集光を行って高い変換効率を得る方式が主流となっている。このようなコンセプトで考案されているものとして、レンズを使用しない方法として楔形の透明体を用いた太陽電池用集光装置がある(たとえば、特許文献1参照)。また、小型・軽量化を図るために、集光用のレンズと組み合わせて、線状に光電変換素子を形成することが提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平06−275859号公報
【特許文献2】特開2008−83641号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載された太陽電池用集光装置は構造がシンプルであるが、軽量化を図るためには光電変換素子を幅数mm程度まで小さくしたストライプ状の物として扱わねばならず、また直角三角形上のプリズムを用いるため斜めに傾けて配置しなければならないため、設置作業上の難しさがある。
【0005】
また、特許文献2に記載された太陽電池モジュールでは、レンズと組み合わせてストライプ状に光電変換素子を形成することで、光電変換素子の面積を減らして低コスト化を図ることができる。しかし、軽量化を図るためには光電変換素子を幅数mm程度まで小さくしたストライプ状の物として扱わねばならず、作業上の難しさがある。また、軽量化を図るためにレンズの高さを小さくすると、光電変換素子のストライプの幅が狭くなり、レンズとストライプ状の光電変換素子との位置合わせや設置作業上の難しさがある。
【0006】
すなわち、特許文献1や特許文献2に記載された従来の技術においては、太陽電池用集光装置を軽量化させるためには光電変換素子を幅数mm程度まで小さくしたストライプ状の物として扱わねばならず、また斜めに傾けて配置する等の工夫が必要であり、組み立て作業や設置作業が難しい、という問題がある。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型・軽量化および低コスト化を実現可能な集光型太陽電池を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる集光型太陽電池は、略平板状を有する第1の偏向手段と、前記第1の偏向手段と略平行に且つ離間して配置された第1の反射板と、前記第1の偏向手段と前記第1の反射板との間において前記第1の偏向手段および前記第1の反射板のそれぞれと略平行に離間して配置された中央部と、前記第1の偏向手段の外周端面に当接して前記第1の偏向手段と反対方向に延在する延在部と、を有する第2の偏向手段と、を備える集光部と、前記第1の反射板の面内方向において前記第1の反射板に隣接する位置に配置された太陽電池セルと、を備え、前記第1の偏向手段が、入射した太陽光を散乱させて出射し、前記第2の偏向手段が、前記第1の偏向手段で散乱された前記太陽光を偏向して前記太陽電池セル側に出射し、前記第1の反射板が、前記第2の偏向手段を透過して該第1の反射板に到達した前記太陽光を反射して前記第2の偏向手段に再度入射させることにより、前記第2の偏向手段から出射された前記太陽光を前記太陽電池セルの受光面に集光すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、コンパクト且つ組み立てが容易な構成により高い集光効率および高い変換効率を実現しつつ、小型・軽量化および低コスト化が図られた集光型太陽電池が得られる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1−1】図1−1は、本発明の実施の形態1にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図1−2】図1−2は、本発明の実施の形態1にかかる集光型太陽電池を上面(太陽光の入射側の面)から見た上面図である。
【図2】図2は、本発明の実施の形態1にかかる集光型太陽電池の集光動作を説明するための断面図である。
【図3】図3は、本発明の実施の形態2にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【図4】図4は、本発明の実施の形態3にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に、本発明にかかる集光型太陽電池の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。各図面間においても同様である。
【0012】
実施の形態1.
図1−1は、本発明の実施の形態1にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図1−2は、本発明の実施の形態1にかかる集光型太陽電池を上面(太陽光5aの入射側の面)から見た上面図である。図1−1および図1−2に示すように、実施の形態1にかかる集光型太陽電池は、略平板状を有する第1の偏向手段であるプリズムシート1の下側(太陽光5aの入射面1a側と反対側)に略平板状を有する第2の偏向手段である導光体2が配置され、さらに導光体2の下側に略平板状を有する反射板3aが配置されている。導光体2の面内方向における両端部(集光型太陽電池の幅方向(X方向)における両端部)には、光電変換素子が集積された太陽電池セル4a、4b(以下、太陽電池セル4と総称する場合がある)が受光面を上側にした状態で密着して配置されている。
【0013】
プリズムシート1は、透明体からなり、入射面から入射した太陽光5aを散乱させて入射面1aに対して反対側の面から出射させて導光体2に入射させる。図1−1においては、プリズムシート1は下側の面(太陽光5aの入射面1a側と反対側の面)にプリズムを配置しているが、入射面1a側にプリズムを配置させてもよい。また、図1−1においては、プリズムシート1のプリズムの頂角を60°程度としているが、50°〜70°の範囲でも太陽光5aの散乱には有効である。
【0014】
導光体2は、透明体からなり、プリズムシート1と略平行に且つプリズムシート1と所定の距離だけ離間してプリズムシート1からの太陽光の出射側に配置される。導光体2の中央部は、略台形状の2つの第1の凸部2a、2bが形成された第1の凹凸形状とされている。また、第1の凸部2aの上辺は、第1の凸部2aよりも小さい略台形状の第2の凸部(微細プリズム列)6a、6bが形成された第2の凹凸形状とされている。第1の凹凸形状において、2つの第1の凸部2aの間の領域および2つの第1の凸部2aの両端部は平坦部とされている。そして、導光体2の中央部の下部に、所定の距離だけ離間して反射板3aが配置されている。なお、ここでは、2つの第1の凸部2a、2bを備える場合について説明しているが、第1の凸部2の数量を1つとすることもできる。
【0015】
また、導光体2の両端部分は、太陽電池セル4a、4b上に延在した延在部とされており、この延在部は太陽電池セル4a、4bの上面に接触配置されている。そして、この導光体2の延在部は、上面がプリズムシート1の入射面1aと略同一面とされている。このような導光体2は、プリズムシート1で散乱された太陽光を導光体2の中央部で集光、偏向して、太陽電池セル4側に伝搬する。なお、図1−1においては、導光体2の延在部を透過させて示している。
【0016】
反射板3aは、導光体2におけるプリズムシート1と反対側に導光体2と略平行に且つ導光体2と所定の距離だけ離間して配置されている。この反射板3aは、導光体2の中央部を下面側(プリズムシート1と反対側)に透過した太陽光を反射して再度導光体2の内部に入射させる。また、導光体2の延在部の両端には反射板3b、3cが設けられている。反射板3b、3cは、それぞれ導光体2の延在部の端面に到達した太陽光を反射する。なお、図1−1では、反射板3b、3cは太陽電池セル4a、4bの面内方向に対して略垂直な方向に記されているが、多少の傾斜を有してもよい。
【0017】
以上のように構成された実施の形態1にかかる集光型太陽電池では、プリズムシート1、導光体2、反射板3a、3b、3cにより集光部が構成されている。
【0018】
つぎに、実施の形態1にかかる集光型太陽電池の集光動作について図2を参照して説明する。図2は、実施の形態1にかかる集光型太陽電池の集光動作を説明するための図であり、プリズムシート1、導光体2の中央部分、反射板3aを拡大して示す断面図である。図2に示すように上方より略垂直にプリズムシート1に太陽光5aが入射し、プリズムシート1を通過後、主に導光体2内を太陽光が伝搬し、偏向されて左右に振り分けられ、導光体2の両側部分(延在部)へ太陽光5b、5cとして導かれる。また、プリズムシート1内にも太陽光が伝搬し、それぞれ太陽光5d、5eとして、導光体2の延在部へ導かれる。これらの太陽光5b、5c、5d、5eは、導光体2の延在部内を伝搬し、直接または再度変更を繰り返して太陽電池セル4a、4bの受光面に集光される。
【0019】
つぎに、具体的な太陽光の伝搬について説明する。プリズムシート1に対して略垂直に入射された太陽光5aは、プリズムシート1で左右に一定角度で振り分けられる。ここで、プリズムシート1は、導光体2への入射角度を決める働きをする。また、導光体2における太陽光の入光面は、第1の凸部2a、2bの台形傾斜面と、第2の凸部(微細プリズム列)6a、6bが配列された第1の凸部2a、2bの上面と、の2種類となるように、第1の凸部2a、2bの第1の凸部間の間隔Lが決められている。
【0020】
プリズムシート1に対して略垂直に入射された太陽光5fは、プリズムシート1で右下方向へ全反射された後、導光体2の中央部の第1の凸部2a、2bの台形傾斜面から導光体2内に入射され、導光体2の中央部の下面および上面で全反射されることで導光体2の右方向へと伝搬される太陽光5bとなる。
【0021】
プリズムシート1に対して略垂直に入射された太陽光5gは、プリズムシート1で右下方向へ全反射された後、導光体2の中央部の第2の凸部(微細プリズム列)6a、6bにおける入射場所により、2通りの軌跡が考えられる。一つ目は、例えば第2の凸部(微細プリズム列)6aの傾斜面へ入射される場合である。この場合は、前述の第1の凸部2a、2bの台形傾斜面から導光体2内に入射された光と同様に、太陽光5gは導光体2の中央部の下面および上面で全反射されることで導光体2の右方向へと伝搬される太陽光5bとなる。
【0022】
二つ目は、例えば第2の凸部(微細プリズム列)6aの水平面へ入射される場合である。この場合は、太陽光5gは入射面と略平行である導光体2の中央部の下面より外部に出射され、反射板3aで反射された後に再度導光体2の中央部の下面より入射し、右側の第2の凸部(微細プリズム列)6bが配列された第1の凸部2bの上面へと当たる。
【0023】
ここで、第2の凸部(微細プリズム列)6aが配置された第1の凸部2bの上面から出射して、第2の凸部(微細プリズム列)6bへと入射されるように、第2の凸部(微細プリズム列)6bの水平位置および反射板3の垂直位置を決めておくことにより、第2の凸部(微細プリズム列)6bを通過した太陽光5gは再び導光体2の水平面より入射され、導光体2の右方向へと伝搬される太陽光5bとなる。
【0024】
そして、プリズムシート1に対して略垂直に入射された後に導光体2の左方向へ伝搬される光も、進行方向がことなるものの前述したような動作により、導光体2の左方向へと伝搬される太陽光5cとなる。
【0025】
なお、図2においては、第2の凸部(微細プリズム列)6a、6bの頂角は、プリズムシート1と同じ60°としているが、これも50°〜70°の範囲で変更可能である。また、図2において、第2の凸部(微細プリズム列)6a、6bは台形形状とされているが、設計上、部分的に三角形のプリズム形状としてもよく、また部分的に傾斜面の傾斜角度を変更させてもよい。
【0026】
上記のようにして導光体2の左右両方向へ伝搬された太陽光5b、5cは、導光体2の延在部により太陽電池セル4aおよび太陽電池セル4bの受光面へと導かれる。これにより、太陽電池セル4aおよび太陽電池セル4bでは、導光体2の延在部を通して直接受光される太陽光に太陽光5b、5cが重畳されるため、発電量を増やすことができる。また、導光体2の延在部の両端には反射板3b、3cを設けられているため、太陽電池セル4a、4bで反射された光成分および太陽電池セル4a、4bの側面で全反射された光を反射させる。反射光は、再び太陽電池セル4a、4bに当たり、有効に吸収される。
【0027】
また、太陽光に対する実施の形態にかかる集光型太陽電池の設置方向については、図1−1のX方向(集光型太陽電池の幅方向)を南北方向として設置し、南中時に太陽光がプリズムシート1にほぼ垂直に入射されるような角度で設置する。季節による緯度方向の傾きに関しては、±20°程度まではほぼ45%までの光を集光することができる。また、一年を通して、太陽の傾きが変わっても効率に変化が少ない。
【0028】
上述したように、実施の形態1にかかる集光型太陽電池においては、プリズムシート1に対して略垂直に入射された太陽光をプリズムシート1、導光体2、反射板3a、3b、3cを用いて偏向させて、太陽電池セル4a、4bに効果的に集光することが可能である。また、構成に起因した制約により太陽電池セル4a、4bの寸法が厳しく規制されることが無く、太陽電池セル4a、4bのストライプの幅を比較的大きくすることが可能であり、また微妙な位置調整等も不要である。これにより、コンパクト且つ組み立てが容易な構成により高い集光効率を実現し、高い変換効率を得ることができる。
【0029】
また、導光体2の大きさは、導光体2の断面の縦横比が同じであれば、ミクロンオーダーから、メートルオーダーまで動作可能である。例えば、導光体2の厚さを2mm〜10mmとし、導光体2の幅(図1−1のX方向)を10mm〜55mmの範囲で設定することで、組み立て作業および設置作業が容易となり、低コストでの組み立てや設置が可能になる。
【0030】
また、実施の形態1にかかる集光型太陽電池においては、プリズムシート1、導光体2、反射板3a等の部材をしようするが、これらの部材は、例えば液晶ディスプレイのバックライト等で用いられる汎用的な部材を用いることが可能であるため、安価に入手可能であり、低コスト化を図ることができる。
【0031】
したがって、実施の形態1にかかる集光型太陽電池によれば、コンパクト且つ組み立てが容易な構成により高い集光効率および高い変換効率を実現しつつ、小型・軽量化および低コスト化が図られた集光型太陽電池が得られる。
【0032】
なお、上記においては、反射板3aを挟んで相対する位置に2つの太陽電池セル4a、4bが設けられた場合について説明したが、反射板3aに隣接する一方の位置に1つの太陽電池セル4a(または太陽電池セル4b)を設けた構成とすることもできる。この場合においても、上記と同様に太陽電池セル4a(または太陽電池セル4b)に効果的に太陽光を集光することが可能である。
【0033】
実施の形態2.
図3は、実施の形態2にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図3に示すように、実施の形態2にかかる集光型太陽電池では、実施の形態1にかかる集光型太陽電池の中央部と延在部とが第1の反射板3aの面内における集光型太陽電池の幅方向(X方向)において交互にアレイ状に配置されるとともに導光体2が一体成形され、太陽電池セルが延在部の下面に当接して設けられている。
【0034】
すなわち、実施の形態1にかかる集光型太陽電池を基本構造単位として該基本構造単位を集光型太陽電池の幅方向(X方向)において複数配置し、隣接する基本構造単位において延在部および太陽電池セル4を共通使用している。例えば、図3においては、隣接する基本構造U1および基本構造U2において、延在部2cおよび太陽電池セル4−2を共通使用している。なお、基本構造U1は、プリズムシート1−1および反射板3a−1を、基本構造U2は、プリズムシート1−2および反射板3a−2を個別に備える。また、導光体2の両端部には反射板3b、3cが配置されている。
【0035】
このように、プリズムシート1および反射板3aは、集光部分ごと(基本構造単位ごと)に分割されるが、導光体2は一体成形により一つながりの透明体として成形されている。これにより、集光型太陽電池の組み立てが容易になり、組み立て作業時間を削減することができるため、さらに集光型太陽電池の低コスト化を図ることができる。
【0036】
上述したように実施の形態2にかかる集光型太陽電池によれば、実施の形態1にかかる集光型太陽電池と同じ基本構造を有するため、実施の形態1にかかる集光型太陽電池と同様に、コンパクト且つ組み立てが容易な構成により高い集光効率および高い変換効率を実現しつつ、小型・軽量化および低コスト化が図られた集光型太陽電池が得られる。
【0037】
また、実施の形態2にかかる集光型太陽電池においては、導光体2を一体成形により一つながりの透明体として成形しているため、集光型太陽電池の組み立てがより容易になり、さらに集光型太陽電池の低コスト化を図ることができる。
【0038】
実施の形態3.
図4は、実施の形態3にかかる集光型太陽電池の概略構成を模式的に示す断面図である。図4に示すように、実施の形態3にかかる集光型太陽電池では、プリズムシート1、導光体2の中央部および反射板3aの構成、配置は実施の形態1の場合と同様である。なお、図4においては、プリズムシート1は下側の面にプリズムを配置しているが、入射面1a側にプリズムを配置させてもよい。また、図4においては、プリズムシート1のプリズムの頂角を60°程度としているが、50°〜70°の範囲でも太陽光5aの散乱には有効である。
【0039】
一方、導光体2の延在部2c、2dの断面形状は矩形ではなく、上面を一辺とする三角形状とされており、該延在部2c、2dにおける延在部2の中央部と反対側の端面に太陽電池セル4a、4bが受光面を当接して配置されている。
【0040】
この集光型太陽電池における延在部2の中央部での集光動作は、実施の形態1の場合と同様である。そして、プリズムシート1および延在部2の中央部において集光型太陽電池の幅方向(X方向)に伝搬、偏向された太陽光は延在部2c、2dを通過して太陽電池セル4a、4bに集光される。すなわち、実施の形態3にかかる集光型太陽電池においても、実施の形態1にかかる集光型太陽電池と同様に、効果的に太陽光を太陽電池セル4a、4bに集光することができ、集光効率を向上させることができる。
【0041】
上記のように延在部2c、2dの端面に太陽電池セル4a、4bを配置することにより、集光型太陽電池の幅方向の寸法を小さくすることができ、集光型太陽電池のさらなる小型化が可能となる。また、太陽電池セル4a、4bの幅も小さくなり、導光体2の厚み相当まで小さくすることができるため太陽電池セル4a、4bの使用面積を削減することができ、さらなる小型・軽量化および低コスト化を図ることができる。太陽電池セル4a、4bの使用面積を削減した場合でも、本実施の形態にかかる集光型太陽電池においては良好な集光効果が得られるため、高出力特性を得ることができる。さらに、延在部2c、2dの断面形状を三角形とすることにより、延在部2c、2dの上面からも太陽光を直接取り込むことができ、集光効率の向上に寄与する。
【0042】
上述したように実施の形態3にかかる集光型太陽電池によれば、実施の形態1にかかる集光型太陽電池と同じ基本構造を有するため、実施の形態3にかかる集光型太陽電池と同様に、コンパクト且つ組み立てが容易な構成により高い集光効率および高い変換効率を実現しつつ、小型・軽量化および低コスト化が図られた集光型太陽電池が得られる。
【0043】
また、実施の形態3にかかる集光型太陽電池においては、延在部2c、2dの端面に太陽電池セル4a、4bを配置することにより、さらなる集光型太陽電池の小型・軽量化および低コスト化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【0044】
以上のように、本発明にかかる集光型太陽電池は、小型・軽量化および低コスト化に有用である。
【符号の説明】
【0045】
1 プリズムシート
1a 入射面
2 導光体
2a、2b 第1の凸部
2c 延在部
3a、3b、3c 反射板
4、4a、4b 太陽電池セル
5a 太陽光
5b 太陽光
5c 太陽光
5d 太陽光
5e 太陽光
5f 太陽光
5g 太陽光
U1 基本構造
U2 基本構造

【特許請求の範囲】
【請求項1】
略平板状を有する第1の偏向手段と、
前記第1の偏向手段と略平行に且つ離間して配置された第1の反射板と、
前記第1の偏向手段と前記第1の反射板との間において前記第1の偏向手段および前記第1の反射板のそれぞれと略平行に離間して配置された中央部と、前記第1の偏向手段の外周端面に当接して前記第1の偏向手段と反対方向に延在する延在部と、を有する第2の偏向手段と、
を備える集光部と、
前記第1の反射板の面内方向において前記第1の反射板に隣接する位置に配置された太陽電池セルと、
を備え、
前記第1の偏向手段が、入射した太陽光を散乱させて出射し、前記第2の偏向手段が、前記第1の偏向手段で散乱された前記太陽光を偏向して前記太陽電池セル側に出射し、前記第1の反射板が、前記第2の偏向手段を透過して該第1の反射板に到達した前記太陽光を反射して前記第2の偏向手段に再度入射させることにより、前記第2の偏向手段から出射された前記太陽光を前記太陽電池セルの受光面に集光すること、
を特徴とする集光型太陽電池。
【請求項2】
第2の偏向手段の中央部は、前記第1の偏向手段側の主面が略台形状の第1の凸部を有する凹凸形状とされ、前記第1の凸部よりも小さい略台形状の第2の凸部を前記第1の凸部の上辺に有すること、
を特徴とする請求項1に記載の集光型太陽電池。
【請求項3】
2つの前記太陽電池セルが、前記第1の反射板の外周端部に隣接するとともに前記第1の反射板を挟んで相対する位置にそれぞれ配置されていること、
を特徴とする請求項1に記載の集光型太陽電池。
【請求項4】
前記延在部における前記中央部と反対側の端面に第2の反射板が接触配置され、該端面に到達した前記太陽光を反射すること、
を特徴とする請求項1に記載の集光型太陽電池。
【請求項5】
前記中央部と前記延在部とが前記第1の反射板の面内における1方向において交互に配置されるとともに前記第2の偏向手段が一体成形され、前記太陽電池セルが前記延在部の前記第1の反射板側の面に当接して設けられていること、
を特徴とする請求項1に記載の集光型太陽電池。
【請求項6】
前記太陽電池セルが、前記延在部における前記中央部と反対側の端面に前記受光面を当接して配置されていること、
を特徴とする請求項1に記載の集光型太陽電池。

【図1−1】
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【図1−2】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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