JPH1131837A

JPH1131837A - 集光型太陽光発電装置及びこれを用いたモジュール

Info

Publication number: JPH1131837A
Application number: JP9187973A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Uematsu; 強志上松; Mitsunori Ketsusako; 光紀蕨迫; Yoshiaki Yazawa; 義昭矢澤; Shinichi Muramatsu; 信一村松; Ken Tsutsui; 謙筒井; Hiroyuki Otsuka; 寛之大塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】光電変換装置を用いた集光型太陽光発電装置
の集光倍率およびモジュール充填効率を向上させる。【解決手段】光電変換装置を、集光反射鏡の曲面状の
反射面と開口面とで囲まれ、屈折率が高い媒体で充填さ
れた空間内に設置し、集光反射鏡の反射面の形状を、開
口面および空間を通る軸を含む任意の面で切り出される
反射面の断面における上記軸の両側の辺がそれぞれの辺
上の任意の２点の中の開口面側の点が他の点と軸から等
距離に位置する関係および他の点より外側に位置する関
係の中の少なくとも外側に位置する関係となる軸が存在
するように構成する。【効果】太陽電池の面積を低減し且つモジュール充填
効率を向上できるので、太陽光発電モジュール製造コス
トの大幅低減が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光電変換装置を用い
た集光型太陽光発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は数〜数十ｃｍ径の半導体基板を用
い、これらを加工して光電変換装置を形成している。し
かし、太陽光発電システムにおいては発電コストを低減
するために太陽光発電装置のコスト低減が求められてお
り、この一手段として図４に示す太陽光発電装置があ
る。この太陽光発電装置では上記のようなウエハーを用
いず、より安価に製造できる球状の半導体材料を用い、
これをアルミ支持基板４に固定して光電変換装置１を形
成している。この方法は、例えば「第２２回ＩＥＥＥ
ホトボルタイックスペシャリストコンファレン
ス」、１９９１年、１０４５−１０４８ページに記載
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、球
状の光電変換装置１を複数個アルミ支持基板４上に配置
する際に、アルミ支持基板４の表面を光電変換装置１で
１００％埋めることができない。このため、入射光１６
のうち光電変換装置１に直接入射しない光の大部分が球
状の光電変換装置1に入射せず装置外に逃げてしまい発
電に寄与しないため、これを用いた太陽光発電装置の光
電変換効率を高めることが出来ない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記従来技術のように単
に球状など光電変換装置を複数個基板上に配置するので
はなく、光電変換装置を集光装置と組み合わせた集光型
太陽光発電装置を形成する。具体的には、集光反射鏡
と、該集光反射鏡の曲面状の反射面と開口面とで囲まれ
た空間内に、少なくともその一部が位置するように設置
された光電変換装置と、上記空間を充填している空気よ
り屈折率が高い媒体を有し、上記反射面の形状は、上記
開口面および上記空間を通る軸を含む任意の面で切り出
される上記反射面の断面の上記軸の両側の辺がそれぞれ
の辺上の任意の２点の中の上記開口面側の点が他の点と
上記軸から等距離に位置する関係および上記他の点より
外側に位置する関係の中の少なくとも上記外側に位置す
る関係となる上記軸が存在する形状であり、上記空間内
に位置する上記光電変換装置の半導体材料で構成された
部分の上記軸に平行な平面への投影像の上記軸方向の最
大高さは、上記軸に直角な平面への投影像の最小幅の５
分の１以上である集光型太陽光発電装置により上記課題
を解決することが出来る。

【０００５】また、上記半導体材料は球状や直方体状で
あっても良い。さらに、集光反射鏡の反射面の形状を回
転体としても良い。この場合の上記軸は回転体の回転軸
である。

【０００６】

【発明の実施の形態】まず、集光反射鏡の形状について
説明する。説明を容易にするために、集光反射鏡の反射
面の形状が回転体の例を図２および図３を用いて説明す
る。集光反射鏡の曲面状の反射面の３次元構造の形状
は、図２では回転軸８の回りに直線（曲率ゼロの曲線）
６を回転して得られるコーン状であり、図３では回転軸
８の回りに円弧６を回転して得られるｔｏｒｕｓ状であ
る。太陽光発電装置１は、集光反射鏡の開口面と反射面
で囲まれた空間内に設置され、この空間に空気より屈折
率の高い媒体が充填されている。また、図２および図３
の例では、反射面が光の入射面側に近づくに従って外側
に広がる形状となっているが、その一部に、外側に広が
らず同じ広さの形状の部分が存在していても良い。すな
わち、回転体形状を持った反射面の一部が回転軸に平行
であっても良い。

【０００７】また、本発明の本質から見ると、このよう
な回転体でなくても効果がある場合がある。すなわち、
反射面が光の入射面側に近づくに従って外側に広がるよ
うな形状であれば回転体でなくても良い。またその一部
に、外側に広がらず同じ広さの形状の部分が存在してい
ても良い。その一例として図１０がある。図１０では、
曲率が異なる２つの曲線を１本の回転軸で回転して得ら
れる２つの回転体の側面の一部を使用し、かつこれらの
側面を他の面でつなぎ合わせて１つの曲面に合成してい
る。このＸ−Ｚ断面形状は長円である。

【０００８】次に、光電変換装置の上記空間内に存在す
る部分の形状について説明する。

【０００９】光電変換装置の半導体材料で構成された部
分の形状が球状の場合は、これを光反射鏡の曲面状の反
射面と開口面とで囲まれた空間内に設置する場合、図２
３に示すように球状の半導体材料の上記空間内に存在す
る部分の上記軸８に直角な平面１１０に投影された形状
１０７は同図（ｂ）に示すように円となり、その幅１０
９は上記球状の半導体材料が反射面３に接する部分の円
の直径となる。また上記軸に平行な面に投影された形状
１０８は同図（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すような円の
一部となり、この形状の上記軸方向の高さ１１０は上記
光電変換装置の設置される位置によって変化する。この
ように光電変換装置を設置する場合には、上記高さが上
記幅の５分の１以上となるように設置することにより、
光学効率の高い集光型光電変換装置を形成することがで
きる。

【００１０】さらに、光電変換装置の半導体材料の形状
として直方体を用いて上記軸が直方体の１つの面に直角
になるように配置した場合は、図２４に示すように、上
記幅１０９は同図（ｂ）に示すように対向する辺の幅の
短い方であり、上記高さ１１０は同図（ｃ）、（ｄ）、
（ｅ）に示すような長方形の高さとなる。この場合にお
いても上記高さが上記幅の５分の１以上となるように設
置することにより、光学効率の高い集光型光電変換装置
を形成することができる。

【００１１】さらに反射面の形状および光電変換装置の
配置を一般化すると、上記課題を解決するための手段の
第１段落の記述のようになる。

【００１２】次に、それと反射面とで囲まれた空間を形
作る開口面について図２２を用いて説明する。図２２
（ａ）に示すような、反射面３の端部に凹凸がない場合
は、光入射面側（図の上部）の反射面３の端部を外周部
１０４とする平面が開口面であることは容易に理解でき
る。また、図２２（ｂ）に示すように反射面の端部に凹
凸がある場合は、反射面３の端部の中で、最も内側（図
の下側）に位置する点１０６を含む平面１０５と反射面
３との交線を外周部１０４とする平面が開口面となる。
言い換えると、その平面以外の部分はすべて反射面で囲
まれた空間の中で、体積が最も大きい空間を形作る平面
が開口面である。

【００１３】上記のような光電変換装置を用いた集光型
太陽光発電装置に関する本発明の実施の形態を図１を用
いて説明する。図１（ａ）には球状の光電変換装置１と
反射面３を組み合わせて集光装置７とした集光型太陽光
発電装置を、同図（ｂ）には直方体状の光電変換装置１
と反射面３を組み合わせて集光装置７とした集光型太陽
光発電装置を示す。このように光電変換装置１と反射面
３を組み合わせることにより図２（ａ）に示すように入
射光１６は反射面３によって反射され光電変換装置１に
入射する。この反射面３は図２（ｅ）に示すように回転
軸８を中心に直線６を回転して反射面３を形成する。こ
の反射面３の内部に光電変換装置１を上面および斜面で
集光装置に接するように設置する。これにより入射光１
６は反射面３で反射され光電変換装置１に入射する。こ
のように反射面３を設置することにより、入射光１６の
入射角度が大きい場合や、入射光１６が集光装置表面１
０の端に入射した場合などに直接光電変換装置１に入射
しない光も反射によって光電変換装置１に集光すること
が出来る。また、反射面内部２に屈折率が空気より高い
媒体を充填することにより、入射光１６が集光装置表面
１０で屈折により曲げられるため、実質的に入射角を小
さくすることが出来る。さらには反射面３で反射を繰り
返し集光装置表面１０に光が当たった場合に、その角度
によっては集光装置表面１０で全反射し再び集光装置７
内部に閉じ込められるため、光学効率が高くなる。この
形状においては、上記の反射面３の光入射面側（上部）
の端面を外周とする円形の平面を開口面と定義する。

【００１４】このような集光型太陽光発電装置の集光反
射鏡の反射面の形状においては、上記回転軸を含む任意
の面で反射面を切り出したときに、この断面の軸の両側
のそれぞれの辺の形状は、その辺の任意の２点の中の開
口面側の点がもう一つの点よりも回転軸から遠くに、す
なわち外側に位置する。

【００１５】この構造において直線６と集光装置表面５
とのなす角度θは、主に集光したい太陽光の最も傾いた
光の入射角をθ_in、集光装置７内部の屈折率をｎとする
と反射面３で反射された光が集光装置表面１０に当たり
全反射するための条件は θ > {arcsin(1/n)+arcsin(sin(θ_in)/n) }/2 である。θ_in＝２３.５度、ｎ＝１.５とすると、θ＞２
８.６度となる。

【００１６】集光倍率を（集光型太陽光発電装置の水平
面への投影面積）/（光電変換装置１の水平面への投影
面積）とすると、この場合の集光倍率は約１２倍とな
る。

【００１７】次に曲線６を回転して反射面３とし、これ
に光電変換装置１を組み合わせた場合について図３を用
いて説明する。図３（ａ）には回転体の鳥瞰図、同図
（ｂ）には上面図、同図（ｃ）には側面図、同図（ｄ）
には正面図、同図（ｅ）には回転方向の説明図を示す。

【００１８】この集光装置７においては反射面３で反射
された光がより効率良く光電変換装置１に入射するよう
にするために曲線６の回転体からなる反射面３を用いて
いる。これにより、反射面３で反射される場合に、集光
装置表面１０の端に入射した光は中心部に入射した光よ
りも大きく角度が変わるため、光電変換装置１に入射す
る確率を高くすることが出来る。

【００１９】図５（ａ）に曲線６として円弧を用い、光
電変換装置１として球状の光電変換装置を用いた場合に
ついて説明する。対称軸１２の左側に入射する光１６に
ついて考えると、２３.５度傾いた光が屈折率１.５の媒
体で満たした集光装置の表面１０を通過すると傾きは１
５.４度となる。この傾きの光が光電変換装置１の右端
中央部に入射するためには、円弧６の焦点１５が光電変
換装置１の右端中央部にある必要がある。円の焦点距離
は半径の約０.４７６の距離にあるので光電変換装置１
の幅を２とし、円弧の焦点１５が光電変換装置１の右端
中央部にあって、円弧が光電変換装置１の左端中央部を
通過するように設計すると、円の半径が２.７７、円の
中心１４の位置が光電変換装置１中心の上１.４、対称
軸１２の右１.３９にくる。この円弧の光電変換装置１
の左端中央部との交点から左側で高さが円の中心までの
円弧６を対称軸１２回りに回転することにより０度から
２３.５度の傾きを持つ入射光が光電変換装置１中心に
入射するように反射面３を設計することが出来る。ま
た、この設計では円の焦点距離は半径の約０.４７６と
したが円弧の端で反射された光の焦点距離が短くなるた
め実際には２３.５度以上傾いた光でもこの円弧６を用
いて集光することが出来る。この説明では２３.５度傾
いた光につて説明したがこれ以外の傾きについても同様
に設計することが出来る。

【００２０】上記のような例では、回転体からなる曲面
状の反射面の断面においては、上記の反射面３の光入射
面側（上部）の端面を外周とする円形の平面が開口面で
ある。このように円弧を用いた場合は円弧の傾きが開口
部端で垂直となる。また、反射面の開口部側の端部に垂
直な鏡面を追加しても鏡面の反射率が高い場合は光学効
率が低下しない。このため、これらの場合には、上記断
面の軸の両側のそれぞれの辺の形状は、その開口面側の
端部では、辺の任意の２点が軸から等距離に位置するよ
うになることがあるが、少なくとも開口面に遠い部分で
は開口面側の点が外側に位置する。

【００２１】図５（ｂ）に光電変換装置１として直方体
状の光電変換装置を用いた場合について説明する。この
場合も基本的に図５（ａ）について説明したように設計
することができる。円弧の焦点１５の位置は直方体状の
光電変換装置１の右側面の上端１７から下方に位置させ
ることにより効率よく入射光を集光することが出来る。
このように設計した円弧を対称軸１２の回りに回転さ
せ、この回転体と直方体状の光電変換装置１の側面との
交点から円弧の中心と同じ高さの部分までを反射面３と
することにより集光効率の高い集光型太陽光発電装置を
形成することが出来る。

【００２２】また、上記の図５（ａ）の形状の変形とし
て、図６（ａ）のように焦点１５が球状光電変換装置１
の天頂部にある形状や、これらの中間の位置、すなわち
球状光電変換装置１の右側の面上で反射面の内側に位置
する部分に焦点を持つ形状でも高い集光効率を得る事が
出来る。さらには、図６（ｂ）のように焦点１５が球状
光電変換装置１の天頂部より高い位置にあるものなどで
も、天頂部と焦点１５の位置があまり大きく離れていな
ければ十分に高い集光効率が得られる。

【００２３】次に、曲線６として放物線を用いた場合の
反射面３の設計法について図７を用いて説明する。

【００２４】基本的には図５を用いて説明した円弧を用
いた場合と同様である。放物線は焦点距離をｐとすると
ｘ−ｙ平面ではｙ＝（ｘ²）/４ｐと表される。この曲線
を中心軸１３とｙ軸が一致するように傾けて、放物線の
原点１４と焦点１５が中心軸１３上を通り焦点が光電変
換装置１の右端中央部にくるようにする。また、この放
物線６が光電変換装置１の左端中央部を通るように設計
すると放物線６が得られる。この場合、集光装置表面１
０は放物線の傾きが垂直になる所まで高くすることが出
来る。しかし、これでは集光装置の高さが光電変換装置
１に比べて非常に高くなり、ひいては集光型太陽光発電
装置の高さが高くなってしまう。また、この高さが高い
と、この集光装置で確実に集光できる最も傾いた光の角
度より大きい角度の入射角を持つ入射光はほとんど光電
変換装置１に集光することが出来なくなる。このため、
集光倍率と光学効率の積が最も高くなるように集光装置
表面１０の位置を決定することが重要である。

【００２５】これまで述べたように第１の曲線としては
円弧反射鏡、放物線反射鏡などが代表的な形状として考
えられるが、光電変換装置の製造コストと集光倍率およ
び光学効率を勘案して集光型太陽光発電装置の製造コス
トが最も小さくなる構造を採用することが望ましい。こ
の様な構造においては、上記円弧反射鏡、放物線反射鏡
に加えてこれらの間の曲率を持つ曲線反射鏡を用いるこ
とが好ましい場合がある。また、工作精度の限界や、工
作コスト面での制約からあえてこれらの曲線に精度良く
一致した曲線反射鏡を用いず凹凸部の曲率を小さくした
り面精度を下げて作成する場合が生じることが考えれれ
る。これらの場合においても曲線反射鏡の主な部分を上
記設計の曲線の形状に近づけることにより集光型太陽光
発電装置の製造コストの低減が図れることはいうまでも
ない。

【００２６】また、上記例では球状の光電変換装置の上
半分が反射鏡内に設置される形状について説明したが、
光電変換装置がこれよりも高い位置や低い位置に設置さ
れていてもよく、特に反射面形状を集光倍率の高い形状
とした場合はむしろ光電変換装置を上側に設置したほう
が光学効率が高くなる。

【００２７】上記の反射面形状の変形として、図２１
（ａ）、（ａ’）に示すように、反射面の断面が折れ線
になるような凸部を持つ、言い換えると、異なる傾きを
持つ複数の反射面を組み合わせた形状を持つ多段反射面
１００によって上記の反射面を近似することが考えられ
る。また、図２９（ｂ）、（ｂ’）に示すように、上面
から見た場合に多角形になるように形成した場合は、断
面形状が曲線の場合には縦方向の多段反射面の、折れ線
の場合には多面体の多段反射面または集光反射多面を持
つ。これらの形状を用いても光学効率の高い反射面を作
ることが出来る。

【００２８】また、上記の集光型太陽光発電装置におい
て、反射面１９としての断面が溝構造を持つ溝付きの反
射面を採用した構造について図８を用いて説明する。こ
の溝は回転体形状をした反射面１９の上に回転軸方向に
向かって形成されている。同図（ａ）に示すように反射
面３で反射された反射光２０が光軸２２に沿って走る場
合、この光が集光装置表面１０に入射する角度２４が全
反射するには大きすぎる場合、この光は集光装置表面１
０を透過して集光装置外へ出射してしまう。しかし、同
図（ｂ）に示すように溝付きの反射面１９で反射される
と、この溝により光軸２３に沿って反射されるため反射
光２１と集光装置表面１０とが成す角度が同図（ａ）の
場合よりも小さくなる。このため集光装置表面１０で全
反射し再び集光装置内部に折り返されるため集光効率が
高まる。

【００２９】上記のような集光型太陽光発電装置を複数
個用いて集光型太陽光発電モジュールを形成する場合に
は図９（ａ）に示すように各集光装置表面１０の向きを
一定にしてモジュールを形成する。しかし、これではモ
ジュール表面に入射した光２９が全て同一方向に反射さ
れてしまう。このためモジュールの表面に鏡を設置した
のと同じになり、太陽光の角度によっては周辺に反射光
３０によるスポットが生じ、まぶしさによる不快感を与
えたり、場合によってはこれが原因となって事故を引き
起こすことも考えられる。この様な反射光による害の発
生を防止するために集光装置表面１０の表面を曲面にし
たり、各集光装置表面１０の表面を若干傾けて、その傾
きを各方向にバラバラに向けることにより反射の害を低
減することが考えられる。この一例として、図９（ｂ）
に示すように集光装置表面にレンズ状の曲面２８を設け
た場合、この曲面２８の曲率が大きくなるほど反射によ
る害は低減できるが集光装置の光学効率は低下する。ま
た、凹凸が大きくなると塵埃がモジュール表面に堆積し
やすくなってしまう。特に光学効率の低下を抑制するた
めにはレンズ厚みをレンズ幅の１５％以下に抑える必要
がある。

【００３０】また、上記レンズの形状としては、図２０
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような凹凸面からなる集
光型太陽光発電装置表面９０をＹ軸回りに回転して得ら
れるレンズ状などの回転体表面や、これらをＺ軸方向に
長く伸ばして得られるシリンドリカルレンズなどの２次
元的な曲面などが考えられる。

【００３１】太陽光の中で約７０％を占める直達光成分
は春分の傾きを中心に季節に応じて±２３.５度南北に
傾き、朝晩では水平から南中時の角度まで主に東西方向
に大きく変化する。このため集光装置の集光特性を東西
方向に強くなるように設計し、南北方向には主に±２
３.５度の光のみ集光できるように設計することにより
集光倍率を高くすることが出来る。この例を図１０を用
いて説明する。例えば円弧と放物線を用いて曲線を作る
場合、図１０のＺ軸に沿った東西方向の曲線に極率の大
きい円弧を用いＸ軸に沿った南北方向の曲線に曲率の小
さい放物線を用いることにより円弧のみを用いた場合に
比べて集光倍率を高くすることができる。この場合、東
西方向と南北方向の間にある曲線については曲率を徐々
に変化させてなだらかな反射面を作る。すなわち、Ｘ−
Ｚ断面形状が長円になっている。このような反射面で
は、図１０のＹ軸を含む断面の両辺は対称であり、これ
らの辺の中で曲率の最大値を有するＺ軸方向の反射面の
断面と最小値を有するＸ軸方向の反射面の断面とは直交
している。

【００３２】これまでに述べた集光型太陽光発電装置を
複数個用いて集光型太陽光発電モジュールを形成する方
法について図１１を用いて説明する。上面から見た形が
円や長円などの形をした集光型太陽光発電装置３５を組
み合わせる場合、図１１（ｂ）のように集光型太陽光発
電モジュール３７内に集光型太陽光発電装置３５で埋ま
らない空間３６が形成される。このため、集光型太陽光
発電モジュール３７内の集光型太陽光発電装置３５の充
填効率が低下し集光型太陽光発電モジュールの光電変換
効率が低下してしまう。これを防ぐために図１１（ａ）
に示すように集光型太陽光発電装置の外周３３に内接す
る六角形３４で集光型太陽光発電装置を切り落としてこ
れらを組み合わせて図１１（ｃ）に示すような集光型太
陽光発電モジュール３７を形成することにより充填効率
を１００％とすることが出来る。また、この形状は六角
形に限らず四角や三角でも充填効率を高めることが出来
る。

【００３３】上記の形状をした集光型太陽光発電装置を
単独で使用する場合は、六角形に切り落とされた側面に
反射鏡を形成しこの面を反射面とする必要がある。これ
は、この面に入射した光が集光型太陽光発電装置の外部
に出射してしまい光学効率が低下するのを防ぐためであ
る。この場合は上記六角壁３４の上側の六角形が開口面
となる。しかし、六角形の集光型太陽光発電装置を複数
個用いて集光型太陽光発電モジュールを形成する場合は
集光型太陽光発電装置の切り出された端面に反射鏡を形
成しなくても、この面に入射した光は隣接する集光型太
陽光発電装置に入り、その集光型太陽光発電装置内に設
置された光電変換装置に入射するため、集光型太陽光発
電モジュール全体としては光電変換効率は低下しない。
また、逆にこの集光型太陽光発電装置には隣接した集光
型太陽光発電装置から光が入るため実質的には集光型太
陽光発電装置の光電変換効率や光学効率は六角形の側面
に鏡を形成したものと形成しないもので違いはなくな
る。むしろ、反射鏡の反射率を考慮すると反射鏡が無い
方が有利である。また、反射鏡を形成しない場合は個々
の集光型太陽光発電装置を形成した後組み合わせるので
はなく、これらの集合体を連続した一体型の集光装置と
して形成することが出来るため製造コストの低減が図れ
る。このような形状では、図３０（ｂ）に示すように反
射面３の端部の中で、最も内側（下側）に位置する点１
０６を含む平面１０５の反射面３の内側の部分を開口面
とする。この場合も、図３０（ａ）のような形状と同様
に開口面より内側（下側）に位置する部分には必ず集光
反射鏡の反射面が存在する。

【００３４】図１０で説明したように集光型太陽光発電
装置の外形が円ではなく長円状をしている場合は、この
外周を正六角形ではなく図１２（ａ）に示すように縦に
長い六角形で切り出したものを図１２（ｂ）のように組
み合わせることにより集光型太陽光発電モジュール内の
集光型太陽光発電装置の充填効率を１００％とすること
が出来る。

【００３５】図１３に集光型太陽光発電モジュールの全
体図を示す。集光型太陽光発電モジュールの外形を凹凸
のない四角形にする場合は半分または４分の１に切った
形の集光型太陽光発電装置を用いる必要がある。この場
合は第１の１/２集光型太陽光発電装置３９と第２の１/
２集光型太陽光発電装置４０や１/４集光型太陽光発電
装置４１などではそれぞれの光学特性の違いや対称性の
違いから発電特性が違ってくる。このためこれらの集光
型太陽光発電装置で発電した電力を取り出す場合はそれ
ぞれの型の集光型太陽光発電装置同士で結線したり、対
称性を考慮してこれらを組み合わせるなどの工夫をする
ことにより集光型太陽光発電モジュールの発電量を最適
化することが出来る。

【００３６】実施例１図１４に本発明の実施例１の集光型太陽光発電装置およ
び集光型太陽光発電モジュールの構造を示す。同図
（ａ）には反射面３に円弧の回転体を用いた例を示す。
また、同図（ａ’）には反射面３に直線の回転体を用い
た例を示す。これらの集光型太陽光発電装置においては
光電変換装置１として単結晶シリコンを用いた直径２ｍ
ｍの球状の光電変換装置を用いた。集光装置は、円弧ま
たは直線の回転体からなる反射面を六角壁で切り取り、
下部に球状の光電変換装置を入れるためのくぼみを付け
た形状を複数個面上に配置した形をした金型を作成し、
この中に屈折率約１.５のガラスまたはアクリル系の樹
脂を充填し、金型から取り出した後、この裏面にアルミ
薄膜を真空蒸着法により形成して約９５％の反射率を持
つ鏡面とすることにより一体成型した。この集光装置の
中の個々の反射面３の中心下部のくぼみに光電変換装置
１の半球部分ば反射面の内側に入るようにＥＶＡ透明樹
脂を接着剤に用いて固定し、アルミ製のフレーム４２内
にカバーガラス５８とともにはめ込むことにより同図
（ｂ）に示すような集光型光電変換モジュールを作成し
た。この場合は、反射面と開口面で囲まれた空間内にあ
る半導体部分の幅は２ｍｍ、高さは１ｍｍであり、高さ
は幅の２分の１である。このＡ−Ａ’断面図を同図
（ｃ）に示す。このように断面は大小の回転体の断面が
並んいる。集光型太陽光発電装置のサイズが小さい場合
は集光装置内部の充填材とカバーガラスの材質を同じに
して一体成型することも出来る。主な集光型太陽光発電
装置には第１の配線５９および第２の配線６０を接続
し、それぞれ直列または並列に結線した。また、１/２
集光型太陽光発電装置４０に接続された第３の配線６１
および第４の配線６２は１/２集光型太陽光発電装置４
０どうしで結線し、これを並列接続したのち更に第１の
配線５９および第２の配線６０と直列または並列に結線
した。またＢ−Ｂ’断面は同図（ｄ）に示すような形状
である。

【００３７】実施例２図１５に本発明の実施例２の集光型太陽光発電装置およ
び集光型太陽光発電モジュールの構造を示す。主な部分
は実施例１と同様であるが、カバーガラスの表面をレン
ズ状表面６３とすることにより反射光による害の発生を
防いだ。このレンズの形状としては、集光型太陽光発電
装置表面の外周の幅の８％の高さを持つ球面レンズ形状
を採用した。

【００３８】実施例３図１６に本発明の実施例３の集光型太陽光発電装置およ
び集光型太陽光発電モジュールの構造を示す。同図
（ａ）に示すように集光反射側面１９には断面に溝を形
成した円弧と放物線の複合した回転体を用い、これを縦
長の六角で切り出し、更にこの側面に開き角１４０度の
溝を持つ形状の金型を作成した。これを用いて実施例１
と同様の方法で集光型太陽光発電モジュールを作成し
た。この集光型太陽光発電装置では光電変換装置１とし
て多結晶シリコンを用いた直径１ｍｍの球状の光電変換
装置を用いた。

【００３９】実施例４図１７に本発明の実施例４の集光型太陽光発電装置の構
造を示す。本発明の集光型太陽光発電装置においては、
反射面の外周が円の場合は上面から見て円対称である。
また、長円の場合は長軸および短軸を通る面が対称面と
なる。更に、六角側面を持つ場合は頂点を結ぶ面や相対
する２辺のそれぞれの中点を結ぶ面が対称面となる。図
１７（ｂ）のようにこれらの面に入射した光がこの面に
置かれたミラー６４で反射された場合と、ミラーがなく
そのまま透過した場合を考えると反射光６７と透過光６
６は対称面に対して反対向きに対称に進む。つまり、対
称面で集光型太陽光発電装置を折り返してみると透過光
も反射光も同じ軌跡を通過する。よって、これらの光が
反射を繰り返しながら通過する軌跡は実質的に同じであ
る。よって、反射率１００％の鏡を置いた場合は、鏡が
無い場合と全く同じ光学効率を持つ。よって、ミラー６
４の反射率が高く厚みが集光型太陽光発電装置の幅に比
べて十分に小さい場合は対称面に反射面が存在しても集
光型太陽光発電装置の光学特性をほとんど低下させるこ
とはない。そこで、図１７（ｃ）に示すように反射率の
高い板状の銀またはアルミで電極７０を形成し、電気接
触を取るために半田または導電性ペーストを用いて光電
変換装置１と接続した。これにより、光電変換装置１か
ら引き出す電極の面積を大きくすることが出来るため電
極抵抗によるパワーロスを低減することが出来た。

【００４０】これまでの説明では、光電変換装置として
単結晶シリコンを用いた球状の太陽電池や多結晶シリコ
ンを用いた球状の光電変換装置を用いた例を示した。し
かし、本発明に用いられる光電変換装置としては上記の
光電変換装置の構造に限る必要はなく、光電変換部の主
な材料として単結晶または多結晶シリコン以外にアモル
ファスシリコンやGaAs、ＣＩＳ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰやそ
の他の化合物などを原料としたものでも良いことはいう
までもない。

【００４１】また、上記実施例では図１８（ａ）、
（ｃ）に示すような球状や立方体状の半導体材料を用い
て光電変換装置を形成した例を示したが、図１８（ｂ）
に示すような球を引き伸ばした形や同図（ｄ）のような
８面体、さらにはピラミッド状やこれらの表面に凹凸や
突起を持つ形状やこれらを二つに割った形状などでもよ
いことは云うまでもない。

【００４２】また、これらの形状をした光電変換装置の
うち反射面の外部にはみ出している部分の形状は入射光
の集光には全く寄与しない。このため、この部分の形状
はどのような形をしていても良く、この部分に電極や電
極とのコンタクトを配置することにより外部配線と容易
に結線することが出来る。

【００４３】実施例５図１９に本発明の実施例５の集光型太陽光発電装置およ
び集光型太陽光発電モジュールの構造を示す。同図
（ｃ）に住宅の屋根に集光型太陽光発電装置を設置した
場合の南北方向の断面図を示す。北側屋根７７や南側屋
根８８の表面は、一般に垂線７８から緯度と同じ角度傾
いた軸７９に垂直になってはおらず、特に北屋根では大
きく傾いている。この角度８２をずれ角と呼ぶことにす
る。このようにずれ角を持つ条件で集光型太陽光発電モ
ジュールを設置する場合には、あらかじめ集光型太陽光
発電モジュールに垂直な軸８１からずれ角８２だけ傾い
た方向から太陽光が入射するように設計することが望ま
しい。このために、同図（ａ）に示すように反射面３の
回転対称軸１２をずれ角８２だけ傾けて集光型太陽光発
電装置表面８３を従来の集光型太陽光発電装置表面８４
からずれ角だけ傾いた面とするように反射面を切り出し
形状とした。これを複数個用いて同図（ｂ）のような集
光型太陽光発電モジュールを形成した。この集光型太陽
光発電モジュールを北側屋根７７に設置することによ
り、発電量を増加させることが出来た。また、実際には
集光型太陽光発電装置表面８３で入射光が屈折するた
め、集光型太陽光発電装置内部の充填材の屈折率をｎ、
ずれ角をθ_dとすると、 θ＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（θ_d ）/ｎ）となる角度θだけ集光型太陽光発電装置表面８３と従来
の集光型太陽光発電装置表面８４が傾くようにすること
で更に集光効率を向上させることが出来た。

【００４４】これまで、集光型太陽光発電装置や集光型
太陽光発電モジュールの形状について述べたが、これら
の形状は理想的な場合について述べており、実際には微
細な山や谷が丸くなったり、切りしろやのりしろを確保
したりする必要が出てくることが考えられるため、作成
した集光型太陽光発電装置や集光型太陽光発電モジュー
ルの形状が厳密に上記発明の形状と一致しない場合がで
てくると思われる。しかし、本発明の構造や形状をほぼ
踏襲していれば本発明の効果が得られることはいうまで
もない。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、太陽光発電モジュール
に用いられる光電変換装置の面積を低減し、且つ充填効
率を高めることが出来るため、太陽光発電モジュールの
製造コストを大幅に低減することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図２】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図３】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図４】球状光電変換装置を用いた従来の太陽光発電装
置の一構造図である。

【図５】本発明の光電変換装置の一構造図である。

【図６】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図７】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図８】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図９】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図１０】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【図１１】本発明の集光型太陽光発電装置および集光型
太陽光発電モジュールの一構造図である。

【図１２】本発明の集光型太陽光発電装置および集光型
太陽光発電モジュールの一構造図である。

【図１３】本発明の集光型太陽光発電モジュールの一構
造図である。

【図１４】本発明の集光型太陽光発電モジュールの一構
造図である。

【図１５】本発明の集光型太陽光発電モジュールの一構
造図である。

【図１６】本発明の集光型太陽光発電モジュールの一構
造図である。

【図１７】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【図１８】本発明の光電変換装置形状の説明図である。

【図１９】本発明の集光型太陽光発電装置および集光型
太陽光発電モジュールの一構造図である。

【図２０】従来の集光型太陽光発電装置の一構造図であ
る。

【図２１】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【図２２】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【図２３】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【図２４】本発明の集光型太陽光発電装置の一構造図で
ある。

【符号の説明】

１：光電変換装置、２：反射面内部、３：反射面、４：
アルミ支持基板、５：集光装置表面、６：直線または曲
線、７：集光装置、８：回転軸、１０：集光装置表面、
１２：対称軸、１３：中心軸、１４：円弧の中心または
放物線の原点、１５：円弧または放物線の焦点、１６：
入射光、１７：光電変換装置の上部右端、１９：溝構
造を持つ集光反射側面、２０：反射光１、２１：反射光
２、２２：光軸１、２３：光軸２、２４：角度１、２
５：角度２、２６：第１の電極、２７：第２の電極、２
８：曲表面、２９：入射光、３０：反射光、３１：南北
（Ｚ軸）方向曲線、３２：東西（Ｘ軸）方向曲線、３
３：集光型太陽光発電装置外周、３４：六角壁、３５：
集光型太陽光発電装置、３６：空間、３７：集光型太陽
光発電モジュール、３８：六角形の集光型太陽光発電装
置、３９：第１の１/２集光型太陽光発電装置、４０：
第２の１/２集光型太陽光発電装置、４１：１/４集光型
太陽光発電装置、４２：フレーム、５６：電極配線用は
んだ、５８：カバーガラス、５９：第１の配線、６０：
第２の配線、６１：第３の配線、６２：第４の配線、６
３：レンズ状表面、６４：ミラー、６５：入射光、６
６：透過光、６７：反射光、７０：電極、７１：外部電
極、７６：南側屋根、７７：北側屋根、７８：垂線、７
９：垂線から緯度と同じ角度傾いた軸、８０：緯度と同
じ角度、８１：集光型太陽光発電モジュールに垂直な
軸、８２：垂線から緯度と同じ角度傾いた軸と集光型太
陽光発電モジュールに垂直な軸の成す角（ずれ角）、８
３：集光型太陽光発電装置表面、８４：従来の集光型太
陽光発電装置表面、８５：高さ、８６：幅、８７：奥行
き、８８：球または直方体形状、１００：多段反射面、
１０２：多段反射面または集光反射多面、１０４：開口
面の外周部、１０５：開口面を含む平面、１０６：反射
面の端部の中で内側に位置する点、１０７：空間内に存
在する塊状の半導体材料の軸と直角な面に投影された形
状、１０８：空間内に存在する塊状の半導体材料の軸と
平行な面に投影された形状、１０９：幅、１１０：高
さ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村松信一東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者筒井謙東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者大塚寛之東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】集光反射鏡と、該集光反射鏡の曲面状の反
射面と開口面とで囲まれた空間内に、少なくともその一
部が位置するように設置された光電変換装置と、上記空
間を充填している空気より屈折率が高い媒体を有し、上
記反射面の形状は、上記開口面および上記空間を通る軸
を含む任意の面で切り出される上記反射面の断面の上記
軸の両側の辺がそれぞれの辺上の任意の２点の中の上記
開口面側の点が他の点と上記軸から等距離に位置する関
係および上記他の点より外側に位置する関係の中の少な
くとも上記外側に位置する関係となる上記軸が存在する
形状であり、上記空間内に位置する上記光電変換装置の
半導体材料で構成された部分の上記軸に平行な平面への
投影像の上記軸方向の最大高さは、上記軸に直角な平面
への投影像の最小幅の５分の１以上であることを特徴と
する集光型太陽光発電装置。
【請求項２】請求項１記載の集光型太陽光発電装置にお
いて、上記光電変換装置の半導体材料で構成された部分
の形状が球状であることを特徴とする集光型太陽光発電
装置。
【請求項３】請求項１記載の集光型太陽光発電装置にお
いて、上記光電変換装置の半導体材料で構成された部分
の形状が直方体であることを特徴とする集光型太陽光発
電装置。
【請求項４】請求項１乃至３記載の集光型太陽光発電装
置において、上記反射面の断面の上記軸の両側の辺は対
称であり、該辺の曲率の最大値を有する上記反射面の断
面と最小値を有する上記反射面の断面とは直交している
ことを特徴とする集光型太陽光発電装置。
【請求項５】請求項１乃至３記載の集光型太陽光発電装
置において、上記軸の両側の辺の長さが異なる上記反射
面の断面を有することを特徴とする集光型太陽光発電装
置。
【請求項６】請求項１乃至３記載の集光型太陽光発電装
置において、上記軸と上記開口面とは斜交していること
を特徴とする集光型太陽光発電装置。
【請求項７】請求項１乃至３に記載の集光型太陽光発電
装置において、上記反射面の形状は回転体であり、上記
軸は上記回転体の回転軸であることを特徴とする集光型
太陽光発電装置。
【請求項８】請求項７に記載の集光型太陽光発電装置に
おいて、上記回転体の断面の上記回転軸の一方の側の曲
線は、上記光電変換装置の最も開口面に近い部分、また
は上記型光電変換装置の上記回転軸の他方の側に位置す
る表面上に焦点を持つように描かれた、放物線の一部、
円弧または上記放物線の一部と上記円弧との間に位置す
る曲線の一つの形状をなしていることを特徴とする集光
型太陽光発電装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれか一項に記載の集
光型太陽光発電装置において、上記光電変換装置の上記
反射面と接している上記部分に連続した部分が上記反射
鏡の外部にはみ出しており、このはみ出した部分に電極
が形成されていることを特徴とする集光型太陽光発電装
置。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれか一項に記載の
集光型太陽光発電装置において、上記反射面には上記軸
の長さ方向にＶ溝が形成されていることを特徴とする集
光型太陽光発電装置。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれか一項に記載
の集光型太陽光発電装置において、上記媒体の光の入射
面は曲面であることを特徴とする集光型太陽光発電装
置。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれか一項に記載
の集光型太陽光発電装置において、該集光型太陽光発電
装置の上記光の入射面側から見た投影面は４角または６
角形状であることを特徴とする集光型太陽光発電装置。
【請求項１３】請求項１乃至１２のいずれか一項に記載
の集光型太陽光発電装置において、上記光電変換装置の
上記開口面側に設置された板状の電極を有することを特
徴とする集光型太陽光発電装置。
【請求項１４】請求項１乃至１３に記載の集光型太陽光
発電装置を複数個モジュール化したことを特徴とする集
光型太陽光発電モジュール。
【請求項１５】請求項１４記載の集光型太陽光発電モジ
ュールにおいて、上記反射鏡に充填された上記媒体は上
記複数個の集光型太陽光発電装置間で連続していること
を特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
【請求項１６】請求項１４記載の集光型太陽光発電モジ
ュールにおいて、上記複数個の集光型太陽光発電装置の
上記光の入射面は保護板でおおわれており、上記媒体お
よび上記保護板は同一材で互いに連続して構成されてい
ることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。