JPH0637344A

JPH0637344A - 集光型太陽電池モジュール

Info

Publication number: JPH0637344A
Application number: JP4185188A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Saito; 忠斎藤; Akio Suzuki; 研夫鈴木; Kazuya Yoshioka; 一也吉岡; Takayuki Minamimori; 孝幸南森; Toru Nunoi; 徹布居
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】太陽電池とモジュールを一体化した安価な集
光型太陽電池モジュールを提供すること。【構成】光１が右方向から角度θ_mで入射した場合、
レンズ屈折面は入射角度方向に長軸を持った楕円形状
（焦点位置は−ｄ）で、焦点−ｄと＋ｄを結ぶ延長線と
楕円屈折面との交点をｃ、ｃ'とし、接線の傾きが無限
大となる点をａ、ａ'とする。そして、右方向の入射光
線に対しては、弧ｃｂをレンズ屈折面とする。また、同
じ入射角度で左方向から入射する光に対して、設計され
るレンズ屈折面は破線で示す楕円形状（焦点位置は＋
ｄ）で、前記の形状のｙ軸対称となり、その右部分の弧
ｃ'ｂ'を屈折面とする。上記左右２つのレンズの形状
を合わせると、得られるレンズ断面は点ｃ、ａ、ｂ、
ａ'、ｃ'、＋ｄ、−ｄ、ｃを結ぶ形状で、この屈折型非
結像レンズの下面ｃｃ'上に、例えば焦点間距離２ｄに
太陽電池５を接着すれば、太陽電池５とモジュールを一
体化した集光型モジュールが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、屈折型非結像光学レン
ズを集光器とした太陽電池モジュールに係る。

【０００２】

【従来の技術】近年、結晶シリコン太陽電池の低コスト
化・高効率化の開発が進んできたが、商用電力の発電コ
ストと比較して、まだ２倍程度も高価であり、設置場所
が限定されているため、集光により高価な太陽電池セル
の使用量を減らすモジュール全体のコスト低減が試みら
れている。

【０００３】従来、低コストな集光装置としては、平板
状のプラスチック材料などを用いたフレネルレンズがあ
る。前記装置は結像型であるので、レンズ面に垂直入射
する太陽光を一定の部分に集光することができるように
設計できるが、短所として、１日の時間帯及び季節によ
って太陽光線の入射方向が変わると、集光位置が変化す
るため、常に太陽を追尾する必要がある。よって、前記
集光装置では現状の太陽電池価格よりむしろ追尾のため
の機構や制御装置などのコストの割合が大きくなり、太
陽電池システム全体のコスト低減は困難である。

【０００４】上記問題を改善する他の従来技術として
は、反射型非結像集光系の複合放物面集光器（ＣＰＣ：
Compound Parabolic Concentrator)があり、図８にその
断面形状を示す。ここで、吸収面Ｂ−Ｂ′の端点Ｂ、
Ｂ′を焦点とし、軸が吸収面の法線より、±θ_max傾い
た２つの放物面鏡１１、１２で構成されている。放物線
の性質より、放物線の軸に平行な入射光線は全て焦点に
集光される。従って、集光可能な入射角の領域±θ_max
内の入射光１６は全て反射の後、吸収面Ｂ−Ｂ´に到達
し、それ以外の入射光は再び外へ放出される構造であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の複合放物面集光
器は、斜め入射光に対しても、太陽の追尾なく集光可能
となるが、下記のような問題点もある。

【０００６】第１に波長幅の広い光を反射させるために
は、高価なＡｇまたはＡｌを蒸着法で放物面鏡の反射面
にコーティングする必要があるため、量産化によるコス
ト低減が困難であり、さらに、該反射面は腐食により反
射率が低下しやすく、経時的に見て集光性能が著しく低
下する。

【０００７】第２に入射許容角度が小さい割に、集光器
部分の高さを大きくしなければならず、この光学系の形
状を維持するため、一定の耐風圧性能を得るべく強い支
持構造材が必要となる。

【０００８】従って、複合放物面集光器では目的とする
太陽電池モジュールのコスト低減は期待できない。そこ
で、本発明は太陽電池とモジュールを一体化し、かつ安
価な集光型太陽電池モジュールを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は屈折型非結像集
光レンズを設計し、それを太陽電池に適用し、光の集光
効率を向上させ得たことに基づく。

【００１０】その構成は光学レンズ全体が同じ屈折率を
有する材料で形成され、かつ太陽電池の半幅の法線面か
らみて入射光線側のレンズ表面から屈折して入射する光
線の焦点は非結像光学系で、入射光線と反対側のレンズ
表面から屈折して入射する光線の焦点は結像光学系であ
る屈折型非結像光学レンズであり、該屈折型非結像光学
レンズの焦点面あるいは焦点面近傍の下面に太陽電池セ
ルを設置することを特徴とする。

【００１１】特に、前記屈折型非結像光学レンズは、該
レンズの屈折面断面の左半分の形状が、右からの光入射
角度方向に長軸を持つ楕円の左半分であり、かつ右半分
の形状が、左からの光入射角度方向に長軸を持つ楕円の
右半分から構成され、かつ太陽電池セル面幅の半値から
垂直方向の法線に対して、左右対称であることを特徴と
する。

【００１２】さらに、好ましくは前記屈折型非結像光学
レンズは、太陽電池モジュールの下部の太陽電池がなす
水平面に対し、該面と前記レンズの接線面とがなす角度
が最大値をとるレンズの左右２つの接線面と、前記レン
ズの左右それぞれの焦点と、を結ぶ平面により挟まれた
部分で構成されている。

【００１３】

【作用】本発明の屈折型非結像集光レンズについて、図
１に示すレンズ設計概略図により説明する。レンズ２の
表面の湾曲は、ある許容入射角度内の光線が、全て集光
領域内に集まるように設計する。すなわち、図１中、−
ｄとｄ点を含む面の法線に対し、ある入射角度θ_mを持
つ平行入射光線１が焦点−ｄの位置への集光する場合を
考える。レンズ２が左右対称であることを考慮すると、
レンズ頭頂部３の点でレンズ面は平坦でなければならな
い。このレンズ頭頂部３の点での入射角度θ_mと屈折角
θ₀の関係は、レンズ媒質の屈折率をｎとするとｓｉｎθ_m＝ｎ・ｓｉｎθ₀ となる。この光線１は焦点−ｄに入射することからｔａｎθ₀＝ｄ／ｆが成立する。ここでｆはｎとθ_mによって決まるレンズ
の高さである。この路程の内、屈折率ｎの媒質中を通過
する光線の光路長は、ｎ・ｆ／ｃｏｓθ₀＝ｎ・ｄ／ｓｉｎθ₀ で与えられる。また、基面とｙ軸との交点をｈとすると
基面からレンズまでの光路長は（ｈ−ｆ）・ｃｏｓθ_m となる。従って、基面からレンズ中心を通り焦点−ｄま
での全光路長ＯＰＬはＯＰＬ＝（ｈ−ｆ）・ｃｏｓθ_m＋ｎ・ｆ／ｃｏｓθ₀ となる。レンズ設計で焦点ｄ、許容入射角度としてθ_m
を決めると、、式よりｆが求まり、ｈは定数である
ので、式のＯＰＬは定数となる。このＯＰＬはレンズ
の対称性から決まる特性値であり、光路長の定値とな
る。即ち、この基面４から全ての近軸光線の焦点までの
距離がＯＰＬに等しくなるようにレンズ２の屈折面が設
計される。

【００１４】このレンズ２の屈折面の形状は、図１に示
すように入射角度θ_mのある光線１の基面４上の点を
（ｘ_m、ｙ_m）として、式が一定値であるという条件に
より、一義的に決まるレンズ面上の点を（ｘ₀、ｙ₀）と
して計算され、式、式で与えられる。

【００１５】（ｃｏｓ²θ_m−ｎ²）・ｙ₀ ²＋2ｃｏｓθ_m・ｑ・ｙ₀＋ｑ²−ｎ²・（ｘ₀−ｄ）²＝0 ここでｑ＝ＯＰＬ＋ｓｉｎθ_m・ｘ₀＋ｃｏｓθ_m・ｈこの式がレンズ２の屈折面を決める式であり、ＯＰＬ、
ｈは定数であり、θ_mも許容入射角度として与えられ
る。従って任意のｘ₀に対するｙ₀の値を数値計算するこ
とにより、屈折面の形状を求めることができる。

【００１６】この条件で設計されたレンズ２の屈折面の
形状は、図２中に実線で示すように光１が右方向から角
度θ_mで入射した場合、入射角度方向に長軸を持った楕
円形状（焦点位置は−ｄ）となる。ここで、焦点−ｄと
＋ｄを結ぶ延長線と楕円屈折面との交点をｃ、ｃ′と
し、接線の傾きが無限大となる点をａ、ａ′とする。計
算された楕円形状のうち、本発明では右方向の入射光線
に対しては、弧ｃｂを屈折面とする。

【００１７】次に、同じ入射角度で左方向から入射する
光に対しても同様の計算を行う。設計されるレンズ屈折
面は破線で示す楕円形状（焦点位置は＋ｄ）で、先に設
計された形状のｙ軸対称となり、その右部分の弧ｃ′
ｂ′を屈折面とする。これらの左右２つのレンズの形状
を合わせると、得られるレンズ断面は点ｃ、ａ、ｂ、
ａ′、ｃ′、＋ｄ、−ｄ、ｃを結ぶ形状となる。このレ
ンズの下面ｃｃ′上に、例えば焦点間距離２ｄに太陽電
池５を接着すれば、太陽電池５とモジュールを一体化し
た集光型モジュールが得られる。

【００１８】次に、更に有効なレンズ断面形状について
説明する。屈折面ｃａ及びｃ′ａ′部分に入射する光
は、太陽電池表面に集光できない。そこで、太陽電池に
対し垂直方向での接点面と楕円レンズの焦点面を結ぶ直
線面の外部にある点ｃ、ａ、−ｄ、ｃを結ぶ部分及び点
ｃ′、ａ′、＋ｄ、ｃ′を結ぶ部分を削除すると、点
ａ、ｂ、ａ′、＋ｄ、−ｄ、ａを結ぶ断面形状が得られ
る。

【００１９】以上のように設計されたレンズにおいて
は、±θ_mの角度内の入射光線１は屈折によって、焦点
−ｄと＋ｄ内に入射する。例えば、図３は許容入射角度
±３０°で設計したレンズ２の断面について、計算によ
り光路軌跡を求めたものである。左方向から屈折面ａ′
ｂ′入射した光は焦点＋ｄに集光され、屈折面ａｂに入
射した光は−ｄと＋ｄの間に分配されて集光される。つ
まり、本発明の光学レンズの焦点は、２ｄの幅を持ち、
斜入射光線に対しては非結像光学系の特徴を有する。
従って、このような光学特性を持つレンズ下面の焦点間
距離２ｄ間に太陽電池を接着することにより、集光型の
太陽電池モジュールを提供することができ

【００２０】る。

【実施例】上記設計に基づいて製作されたレンズを用い
た太陽電池モジュールの実施例について以下に説明す
る。

【００２１】＜実施例１＞図４には本発明の非結像光学
系のレンズを用いた太陽電池モジュールの概略図で、上
記式に基づいて、θ_mを許容入射角度±３０°とし
て、屈折率の値が１.４９のアクリル材を用いて製作さ
れたレンズ２と、その下面に直列接続された２ｃｍ角の
単結晶太陽電池５の１０枚をシリコンで接着した集光型
モジュールを示している。レンズ下面の幅６を２ｃｍと
すると式、式より、レンズの高さ７は２.８ｃｍと
なる。Ａ、Ｂは出力用リード線である。

【００２２】表１にレンズがある場合とない場合につい
て、太陽電池５を水平状態に固定して１００ｍＷ/ｃｍ²
の凝似太陽光を照射して測定した短絡電流を比較してい
る。レンズ無しの短絡電流は１３５ｍＡであるのに対
し、本発明のレンズ有りの場合の短絡電流は２３０ｍＡ
と、約１.７倍の集光倍率が得られ、４１％の太陽電池
が削減可能なことが分かった。

【００２３】

【表１】

【００２４】次に、太陽電池５を傾けて、つまりレンズ
頭頂部に対し斜入射したときの短絡電流と入射角度依存
性を測定した結果を図５に示す。図５にはレンズがない
場合の短絡電流（Ｉｓｃ）で規格化した集光倍率と入射
角度の関係を示す。この結果から、入射角度が−３０°
から３０°の広い範囲の光に対してほぼ１.７倍の集光
を行えることが明らかである。

【００２５】なお、本実施例では太陽電池５を焦点面に
接着したが、その近傍であれば、少しの間隔があっても
よい。

【００２６】また、本実施例では前記レンズ材料とし
て、アクリル材を用いているが、組成により１．４５〜
１．９６位まで屈折率が変化するガラス材を適宜選択し
て用いても良い。

【００２７】＜実施例２＞実施例１で製作したモジュー
ル５本を図６に示すように、長手方向を東西方向に合わ
せて、南側に向けて緯度に相当する角度に傾けた架台８
に設置した。このように設置すると太陽高度は年間を通
じて春分・秋分を中心に＋２３°３０′（夏至）から−
２３°３０′（冬至）変化するが、本発明のレンズ２の
許容角度は±３０°に設計されているので、１年中架台
８の角度調整をしなくても効率的な集光が可能となっ
た。

【００２８】＜実施例３＞また、実施例１で製作したモ
ジュール５本を図７に示すように、長手方向を南北方向
に合わせて、緯度分を南側に傾けて設置した。このよう
に設置すると、午前１０時〜午後２時の高密度な光を効
率良く集光できる。

【００２９】上記実施例に示すごとく、従来のフレネル
レンズなどの一定の焦点を持つ光学系に比べて、本発明
の非結像型光学レンズは、設置時の自由度も広い特徴を
有している。上記実施例では、シリコン太陽電池を用い
たが、窓効果を利用した高効率なＧａＡｌＡｓ／ＧａＡ
ｓなどの太陽電池に本発明を適用すると、その経済的効
果は更に大きい。

【００３０】

【発明の効果】本発明の屈折型非結像光学レンズと太陽
電池を一体化したモジュールを用いることにより、通常
の平板パネルで用いられる太陽電池の使用量を削減で
き、さらに、該レンズは成型により加工できるので、従
来の反射型複合放物面集光器よりかなり安価に製作でき
る。

【００３１】また、日本の気象のように散乱光の多い所
では、従来のフレネルレンズなどの一定の焦点を持つ光
学系に比べて、本発明の屈折型非結像型レンズの集光の
効果は大きくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレンズ設計の概念図である。

【図２】本発明の設計レンズの断面形状図である。

【図３】本発明の許容入射角度３０゜での設計レンズ断
面形状図である。

【図４】本発明の太陽電池集光型モジュールの概略図で
ある。

【図５】集光倍率と入射角度の関係を示すグラフであ
る。

【図６】太陽電池モジュールの設置の１実施例を表す図
である。

【図７】太陽電池モジュールの設置の１実施例を表す図
である。

【図８】従来の複合放物面集光器を表す断面図である。

【符号の説明】

１、１６入射光線２レンズ３レンズ頭頂部４基面５太陽電池６レンズ下面の幅７レンズ高さ８架台１１放物面鏡１１２放物面鏡２１３放物面鏡１の軸１４放物面鏡２の軸１５集光器の軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者南森孝幸大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者布居徹大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学レンズ全体が同じ屈折率を有する材
料で形成され、かつ太陽電池の半幅の法線面からみて入
射光線側のレンズ表面から屈折して入射する光線の焦点
は非結像光学系で、入射光線と反対側のレンズ表面から
屈折して入射する光線の焦点は結像光学系である屈折型
非結像光学レンズであり、該屈折型非結像光学レンズの
焦点面あるいは焦点面近傍の下面に太陽電池セルを設置
したことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項２】請求項１記載の屈折型非結像光学レンズ
は、該レンズの屈折面断面の左半分の形状が、右からの
光入射角度方向に長軸を持つ楕円の左半分であり、かつ
右半分の形状が、左からの光入射角度方向に長軸を持つ
楕円の右半分から構成され、かつ太陽電池セル面幅の半
値から垂直方向の法線に対して、左右対称であることを
特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項３】請求項２記載の屈折型非結像光学レンズ
は、太陽電池モジュールの下部の太陽電池がなす水平面に対
し、該面と前記レンズの接線面とがなす角度が最大値を
とるレンズの左右２つの接線面と、前記レンズの左右それぞれの焦点と、を結ぶ平面により
はさまれた部分で構成されていることを特徴とする屈折
型非結像光学レンズを有する集光型太陽電池モジュー
ル。