JP4270689B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を光電変換する太陽電池セルと、太陽光を集光して前記太陽電池セル側に収束させるレンズと、該レンズ側を大径とした逆円錐台形状に形成されるとともに前記レンズからの収束光を前記太陽電池セルに導くべく受光面を前記レンズに対向させて太陽電池セル上に載置される二次集光器とを備える太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、かかる太陽光発電装置は、たとえば特開平７−２３１１１１号公報等で既に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レンズにより太陽光を太陽電池セル上に集光して発電させるにあたり、レンズの焦点を太陽電池セル上に設定すると、太陽光が局部的に集中し過ぎるので、光電変換によって太陽電池セルに生じた電子の流れに乱れが生じて発電効率が低下したり、太陽電池セルが局部的に高温となって熱劣化を生じたりする可能性がある。また集光位置がわずかにずれるだけで集光効率が大きく劣化することになり、特に太陽光を追尾して発電するシステムを構成する場合には、追尾装置の機械的誤差等の影響で集光効率が大きく低下してしまうことにもなる。
【０００４】
これに対し、上記特開平７−２３１１１１号公報で開示されたものでは、受光面を平面とした逆円錐台状の光学レンズ体の側面を金属等で覆って形成されたシングルコーン型の二次集光器が太陽電池セル上に載置されており、この二次集光器により集光効率の向上を図るとともに、レンズに対する太陽光の照射角度のわずかなずれが生じても二次集光器の比較的広い受光面でカバーすることによって性能低下を補うことが可能である。しかるに太陽光の効率的な集光は可能であるが、発電効率の低下および熱劣化の防止のために太陽光の局所集中を避けると言う点では不充分であり、集光倍率が大きくなる場合には何らかの対策が必要になる。
【０００５】
一方、特開平７−９２３０９号公報で開示されるように、多焦点のリニアフレネルレンズを用いて太陽電池セルへの有効光束の幅を広くし、レンズに対する太陽光の照射角度のわずかなずれによっても集光効率の大幅な低下を回避しつつ太陽電池セルへの太陽光の局所的な収束を避けることも行われているが、レンズで集光した光の一部が無駄になるので、発電効率の低下は避けられない。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、レンズに対する太陽光のわずかなずれによっても集光効率が大きく劣化することを防止するとともに、発電効率の低下や熱劣化が生じることを防止した太陽光発電装置を提供することを目的とする。
【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、請求項１記載の発明は、太陽光を光電変換する太陽電池セルと、太陽光を集光して前記太陽電池セル側に収束させるレンズと、該レンズ側を大径とした逆円錐台形状に形成されるとともに前記レンズからの収束光を前記太陽電池セルに導くべく受光面を前記レンズに対向させて太陽電池セル上に載置される二次集光器とを備える太陽光発電装置において、前記二次集光器の受光面が、円形の平面部と、前記レンズから遠ざかるにつれて大径となるテーパ状に形成されるとともに小径端が前記平面部の外周に連なる斜面部とを有して截頭円錐状に形成され、前記レンズが、前記受光面側に設定される焦点を相互にずらせた多焦点レンズに構成されることを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、太陽電池セル上に逆円錐台形状の二次集光器が載置されることにより、レンズに対する太陽光の照射角度にわずかなずれが生じても二次集光器で補正して集光効率が大きく劣化することを防止することができる。またレンズが多焦点レンズであるので、レンズで集光した太陽光を分散して二次集光器に照射し、レンズからの光をコルネット型の二次集光器で異なる方向に屈折させて太陽電池セル側に導くので、太陽電池セル表面に太陽光が局所的に集中して収束することを回避することができ、太陽電池セルの温度が局所的に上昇して発電効率が低下したり、熱劣化が生じたりすることを防止することができる。ところで、レンズからの光をさらに分散させて太陽電池セルに導くために、受光面を球冠状としたトップドーム型の二次集光器を用いることも可能であるが、トップドーム型の二次集光器を用いた場合には、集光位置のずれによって中央部の光束が大幅に低下することがあり、太陽電池セルの外周部が局部的に高温となって熱劣化を生る可能性がある。それに対し、コルネット型の二次集光器ではトップドーム型のものに比べて光束を全体的にバランスよく分散させることができるので上記熱劣化が生じるおそれはなく、しかもコルネット型の二次集光器はトップドーム型の二次集光器に比べて製造も容易である。
【０００９】
また請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に加えて、前記レンズが、外面形状を多角形としたサーキュラ・フレネルレンズであることを特徴とし、かかる構成によれば、レンズ、二次集光器および太陽電池セルの多数を組み合わせて発電ユニットを構成する際に、多数のレンズを配置するのに必要なスペースを、レンズが円形であるものに比べて小さくすることができ、前記発電ユニットのコンパクト化が可能となる。
【００１０】
さらに請求項３記載の発明は、上記請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、前記平面部が、前記レンズ全体の焦点位置よりも該レンズから遠ざかる側にずれた位置に配置されることを特徴とし、かかる構成によれば、レンズからの光を全体としてぼやけさせて二次集光器に照射することができ、集光位置のずれによる二次集光器へのレンズからの光をぼやけさせることができ、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずかなずれが生じてもレンズからの光を二次集光器に確実に照射するようにして、集光効率の劣化をより効果的に抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１〜図７は本発明の一実施例を示すものであり、図１は太陽光発電装置の正面図、図２は図１の２矢視側面図、図３は発電ユニットの一部切欠き正面図、図４は図３の４矢視側面図、図５は図３の５−５線断面図、図６はレンズの各焦点位置および二次集光器の受光面の位置関係を示す図、図７は二次集光器への集光位置が１度ずれた状態での太陽電池セル表面での集光分布を示すものであり、（ａ）はトップドーム型の二次集光器を用いた場合、（ｂ）はコルネット型の二次集光器を用いた場合を示す。
【００１３】
先ず図１および図２において、この太陽光発電装置は、上下に延びる固定の支柱１５と、鉛直軸線まわりの回動ならびに水平軸線まわりの回動を可能として前記支柱１５の上端に支持されるユニット支持枠１６と、該ユニット支持枠１６に取付けられる複数の発電ユニット１７…とを備え、各発電ユニット１７…は、図示しない駆動手段により太陽を追尾するように駆動される。
【００１４】
各発電ユニット１７…は、第１〜第５列Ａ１〜Ａ５が相互に横方向に隣接するように並列されてユニット支持枠１６に取付けられるものであり、第１、第２、第４および第５列Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５は、各発電ユニット１７…がたとえば３個ずつ並んで構成され、第３列Ａ３ではその列の中央部をあけるようにしてたとえば２個の発電ユニット１７…が配列される。しかも第１、第３および第５列Ａ１，Ａ３，Ａ５と、第２および第４列Ａ２，Ａ４との間に段差がそれぞれ生じるようにして各発電ユニット１７…がユニット支持枠１６に取付けられる。
【００１５】
図３および図４において、発電ユニット１７は、上下両端を開口した筒形のレンズフレーム１８と、複数のレンズ１９…で構成されてレンズフレーム１８の上端開口部を塞ぐレンズ集合体２０と、前記レンズフレーム１８の下端にその下端開口部を塞ぐように取付けられる支持板２１と、前記各レンズ１９…に個別に対応して支持板２１の内面に取付けられる複数の太陽電池モジュール２２とを備える。
【００１６】
レンズフレーム１８は、上方から下方に向うにつれて徐々に小さくなるようにして横断面矩形の四角錐台状に形成されており、平面状に形成されたレンズ集合体２０がレンズフレーム１８の上端に取付けられる。
【００１７】
支持板２１は、アルミニウム合金製のベースパネル２３の下面に、アルミニウム合金製の放熱パネル２４が溶接等により結合されて成るものであり、ベースパネル２３および放熱パネル２４間には、複数の冷却通風路２５，２５…が縦横に形成される。
【００１８】
図５において、各太陽電池モジュール２２は、支持板２１のベースパネル２３上に取付けられる。この太陽電池モジュール２２は、ベースパネル２３の上面に締結されるヒートスプレッター２６と、ヒートスプレッター２６上に貼着される基板２７と、該基板２７上に固定的に接合される太陽電池セル２８と、該太陽電池セル２８上に貼着される二次集光器２９とを備える。
【００１９】
基板２７上には太陽電池セル２８が接着等により接合される。また二次集光器２９は、下方に向うにつれて小径となる光学レンズ体の側面を金属板等で覆って逆円錐台状に形成されるものであり、該二次集光器２９の上端面すなわち受光面３０は、円形の平面部３０ａと、前記レンズ１９から遠ざかるにつれて大径となるテーパ状に形成されるとともに小径端が前記平面部３０ａの外周に連なる斜面部３０ｂとを有して截頭円錐状、所謂コルネット形状に形成される。
【００２０】
一方、レンズ１９は、前記二次集光器２９の受光面３０側に設定される焦点を相互にずらせた多焦点レンズであるサーキュラ・フレネルレンズであり、該レンズ１９は、外面形状を多角形たとえば正方形として構成される。
【００２１】
このレンズ１９は、図３で示すように、複数種類の形状たとえば４種類の形状の第１〜第４レンズ部分１９ａ〜１９ｄが同心円状に配置されて成る。すなわち円形の第１レンズ部分１９ａと、前記正方形に内接する外径を有して第１レンズ部分１９ａを同心に囲むリング状の第２レンズ部分１９ｂと、前記正方形の４つのコーナー部で第２レンズ部分１９ｂの外方側にそれぞれ配置される４つの円弧状の第３レンズ部分１９，１９ｃ…と、前記正方形の４つのコーナー部のうち第３レンズ部分１９ｃ，１９ｃ…を除く部分に配置される４つの第４レンズ部分１９ｄ，１９ｄ…とで、外面形状を正方形としたレンズ１９が構成される。しかもレンズ１９のうち最も外側のレンズ部分すなわち第４レンズ部分１９ｄ，１９ｄ…の焦点が、前記受光面３０における平面部３０ａの中心側に位置するように前記レンズ１９が構成される。
【００２２】
図６において、前記二次集光器２９は、その受光面３０のうち前記平面部３０ａが、レンズ１９全体の焦点位置Ｐよりも該レンズ１９から遠ざかる側にずれた位置となるように配置される。
【００２３】
再び図５において、太陽電池セル２８の外側方で基板２７上に形成されている電極にプラス側およびマイナス側の出力取出し用端子３１，３２がそれぞれ接続される。また各太陽電池モジュール２２は、前記各出力取りだし用端子３１，３２に接続される導線３３…により直列に接続される。
【００２４】
次にこの実施例の作用について説明すると、太陽電池セル２８上に逆円錐台形状の二次集光器２９が載置されることにより、レンズ１９に対する太陽光の照射角度にわずかなずれが生じても二次集光器２９で補正して集光効率が大きく劣化することを防止することができる。
【００２５】
二次集光器２９の受光面３０が、円形の平面部３０ａと、レンズ１９から遠ざかるにつれて大径となるテーパ状に形成されるとともに小径端が平面部３０ａの外周に連なる斜面部３０ｂとを有して截頭円錐状に形成されのに対し、レンズ１９は、受光面３０側に設定される焦点を相互にずらせた多焦点レンズに構成されている。したがってレンズ１９で集光した太陽光を分散して二次集光器２９に照射し、レンズ１９からの光をコルネット型の二次集光器２９で異なる方向に屈折させて太陽電池セル２８側に導くことになり、太陽電池セル２８の表面に太陽光が局所的に集中して収束することを回避することができ、太陽電池セル２８の温度が局所的に上昇して発電効率が低下したり、熱劣化が生じたりすることを防止することができる。
【００２６】
ところで、レンズ１９からの光をさらに分散させて太陽電池セルに導くために、受光面を球冠状とした所謂トップドーム型の二次集光器を用いることも可能であるが、トップドーム型の二次集光器を用いた場合には、図７（ａ）で示すように、集光位置のずれによって中央部の光束が大幅に低下することがあり、太陽電池セル２８の外周部が局部的に高温となって熱劣化を生る可能性がある。それに対し、本発明に従うコルネット型の二次集光器２９では、図７（ｂ）で示すようにトップドーム型のものに比べて光束を全体的にバランスよく分散させることができる。したがって上記熱劣化が生じるおそれはなく、しかもコルネット型の二次集光器２９はトップドーム型の二次集光器に比べて製造も容易である。
【００２７】
またレンズ１９は、外面形状を多角形としたサーキュラ・フレネルレンズであるので、レンズ１９、二次集光器２９および太陽電池セル２８の多数を組み合わせて発電ユニット１７を構成する際に、多数のレンズ１９…を配置するのに必要なスペースを、レンズ１９が円形であるものに比べて小さくすることができ、発電ユニット１７のコンパクト化が可能となる。
【００２８】
またレンズ１９のうち最も外側のレンズ部分１９ｄ，１９ｄ…の焦点が受光面３０における平面部３０ａの中心側に位置するようにレンズ１９が構成されるので、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずかなずれが生じても、照射位置が二次集光器２９からずれ易い前記外側のレンズ部分１９ｄ，１９ｄ…からの光を二次集光器２９の受光面３０に確実に照射せしめるようにして、レンズ１９からの光を二次集光器２９に確実に照射することを可能とし、集光効率の劣化を効果的に抑制することができる。
【００２９】
さらに受光面３０の平面部３０ａが、レンズ１９全体の焦点位置Ｐよりも該レンズ１９から遠ざかる側にずれた位置に配置されるので、レンズ１９からの光を全体としてぼやけさせて二次集光器２９に照射することができ、集光位置のずれによる二次集光器２９へのレンズ１９からの光をぼやけさせることができ、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずかなずれが生じてもレンズ１９からの光を二次集光器２９に確実に照射するようにして、集光効率の劣化をより効果的に抑制することができる。
【００３０】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、レンズに対する太陽光の照射角度にわずかなずれが生じても逆円錐台形状の二次集光器で補正して集光効率が大きく劣化することを防止することができる。またレンズが多焦点レンズであることにより太陽光を分散して二次集光器に照射し、さらにコルネット型の二次集光器で異なる方向に屈折させて太陽電池セル側に導くので、太陽電池セルの温度が局所的に上昇して発電効率が低下したり、熱劣化が生じたりすることを防止することができる。
【００３２】
また請求項２記載の発明によれば、レンズ、二次集光器および太陽電池セルの多数を組み合わせて発電ユニットを構成する際に多数のレンズを配置するのに必要なスペースを、レンズが円形であるものに比べて小さくすることができ、発電ユニットのコンパクト化が可能となる。
【００３３】
さらに請求項３記載の発明によれば、レンズからの光を全体としてぼやけさせて二次集光器に照射することができるので、集光位置のずれによる二次集光器へのレンズからの光をぼやけさせることができ、太陽光の追尾遅れや、組付誤差等に起因して集光位置のわずかなずれが生じてもレンズからの光を二次集光器に確実に照射するようにして、集光効率の劣化をより効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 太陽光発電装置の正面図である。
【図２】 図１の２矢視側面図である。
【図３】 発電ユニットの一部切欠き正面図である。
【図４】 図３の４矢視側面図である。
【図５】 図３の５−５線断面図である。
【図６】 レンズの各焦点位置および二次集光器の受光面の位置関係を示す図である。
【図７】 二次集光器への集光位置が１度ずれた状態での太陽電池セル表面での集光分布を示すものであり、（ａ）はトップドーム型の二次集光器を用いた場合、（ｂ）はコルネット型の二次集光器を用いた場合を示す。
【符号の説明】
１９・・・・レンズ
２８・・・・太陽電池セル
２９・・・・二次集光器
３０・・・・受光面
３０ａ・・・平面部
３０ｂ・・・斜面部

Claims (3)

1. 太陽光を光電変換する太陽電池セル（２８）と、太陽光を集光して前記太陽電池セル（２８）側に収束させるレンズ（１９）と、該レンズ（１９）側を大径とした逆円錐台形状に形成されるとともに前記レンズ（１９）からの収束光を前記太陽電池セル（２８）に導くべく受光面（３０）を前記レンズ（１９）に対向させて太陽電池セル（２８）上に載置される二次集光器（２９）とを備える太陽光発電装置において、前記二次集光器（２９）の受光面（３０）が、円形の平面部（３０ａ）と、前記レンズ（１９）から遠ざかるにつれて大径となるテーパ状に形成されるとともに小径端が前記平面部（３０ａ）の外周に連なる斜面部（３０ｂ）とを有して截頭円錐状に形成され、前記レンズ（１９）が、前記受光面（３０）側に設定される焦点を相互にずらせた多焦点レンズに構成されることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 前記レンズ（１９）が、外面形状を多角形としたサーキュラ・フレネルレンズであることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
3. 前記平面部（３０ａ）が、前記レンズ（１９）全体の焦点位置よりも該レンズ（１９）から遠ざかる側にずれた位置に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽光発電装置。

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