JP3163969B2

JP3163969B2 - 集光型太陽電池装置

Info

Publication number: JP3163969B2
Application number: JP30453995A
Authority: JP
Inventors: 恭一丹下; 知理長島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: JPH09148610A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽光を追尾して
効率的な発電が可能な集光型太陽電池装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種用途に太陽電池が利用さ
れており、比較的大電力の発電にも利用が検討されてい
る。このように、太陽電池を利用して大電力の発電シス
テムを構成する場合、太陽電池セルの発電量を増加させ
る必要があるが、このために太陽電池セルに対する入射
光量を増加させることが望まれる。入射光量を増加させ
るための手段としては集光型太陽電池装置が提案されて
いる。これによれば、太陽光をレンズを用いて集光する
ことで入射光量が増加するので、高価な太陽電池セルの
使用面積を小さくすることができ、システムを低コスト
にすることができる。

【０００３】すなわち、集光型太陽電池装置は、太陽光
を１０〜１０００倍程度に集光して太陽電池セルに照射
する。このため、必要な太陽電池セルの面積は１／１０
〜１／１０００となり、太陽電池セルのコストは大幅に
低減する。但し、このような集光を行うために、大きな
集光レンズが必要になり、またこれを支える架台も大き
くなる。

【０００４】ここで、太陽の位置が常に一定であれば、
図１５に示されるように、集光レンズ１０により太陽光
２４が集光されて集光レンズ１０の焦点又はその近傍す
なわち焦点を含む一定範囲の領域に集光スポット６０が
形成される。そこで、この集光スポット６０の位置に太
陽電池セル１４を設置することによって、太陽電池セル
１４は、良好な発電が行える。

【０００５】しかし、太陽は時間とともに移動するた
め、太陽光２４の集光レンズ１０への入射方向は時々刻
々変化する。そこで、太陽光２４と集光レンズ１０の角
度関係によっては、図１６に示されるように、集光スポ
ット６０が太陽電池セル１４から離れてしまう場合があ
る。そして、このような状態になると、太陽電池セル１
４における発電量は著しく減少する。

【０００６】このため、太陽電池セル１４への十分な入
射光量を確保しようとすれば、集光レンズ１０および太
陽電池セル１４を太陽に向ける必要がある。

【０００７】このような太陽電池装置の例が特開昭６２
−５３１５号公報に開示されている。この従来技術によ
れば、図１７に示されるように、追尾機構（図示せず）
によって集光レンズ１０および太陽電池セル１４が太陽
の方に向けられる。このため、集光スポット６０が太陽
電池セル１４上に形成され、常に良好な発電を行うこと
ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この図１７の
装置では、集光レンズ１０および太陽電池セル１４の両
方を動かさなければならず、これらを支持する架台も動
かすことになる。従って、大型の部品を動かすために大
型の機構が必要になり、コストが上昇する。さらに、追
尾機構の駆動エネルギーも大きくなってしまい、発電し
たエネルギーを一部駆動エネルギーに消費することにな
るためシステムとしての発電効率が悪くなってしまうと
いう問題点があった。

【０００９】また、上記従来技術は、発電用、家庭用等
の据え置き用途には比較的適用が容易であったが、自動
車等の移動体への適用は、移動体表面に突出部を形成す
ることになるため空気抵抗の増加等をもたらし問題が多
かった。

【００１０】さらに、自動車等に適用した場合には、自
動車の走行中に一時的に日陰に入り太陽光が遮られ次に
太陽光の照射が再開された場合には、その照射角度が大
きく変わってしまうことが考えられるが、このような太
陽光の角度の変化に十分に対応することができないとい
う問題もあった。

【００１１】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、装置コストや追尾のための駆動
エネルギーを大幅に低減でき、小型軽量で、集光スポッ
トの位置検出精度が高く、太陽光の照射角度の大きな変
化に対応できる集光型太陽電池装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、平面視で矩形状であり、太陽光を集
めるための複数の固定された集光レンズと、前記各集光
レンズの焦点又はその近傍に形成された集光スポットの
位置に配置された太陽電池セルと、前記太陽電池セルを
載置する架台とを備えた集光型太陽電池装置であって、
前記集光レンズに対応して前記架台に設けられた位置検
出センサと、前記位置検出センサの中央に前記集光レン
ズからの集光ビームが照射され集光スポットが形成され
るように前記架台を移動させる架台駆動手段と、を有す
ることを特徴とする。

【００１３】また、第２の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記集光レンズは隙間なく詰め
られて配置されていることを特徴とする。

【００１４】また、第３の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記架台駆動手段は前記架台を
３次元方向に移動可能とされており、前記集光スポット
が前記太陽電池セルの表面に一致するよう前記架台を駆
動することを特徴とする。

【００１５】また、第４の発明は、第１の発明から第３
の発明のいずれかの集光型太陽電池装置において、前記
架台の原点からの移動量が、前記矩形状の集光レンズの
縦及び横方向に対して、それぞれ集光レンズの縦及び横
の長さの１／２以下とされていることを特徴とする。

【００１６】また、第５の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記位置検出センサの大きさを
前記集光レンズ以上であり、隣接する前記太陽電池セル
に接触しない大きさとし、かつ前記位置検出センサの中
央部を凸状としたことを特徴とする。

【００１７】また、第６の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記位置検出センサの大きさを
前記集光レンズ以上であり、隣接する前記太陽電池セル
に接触しない大きさとし、かつ前記位置検出センサの中
央部分を囲んでＶ字あるいはＵ字等の溝が形成されたテ
クスチャー部が形成されたことを特徴とする。

【００１８】また、第７の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記位置検出センサの大きさを
前記集光レンズ以上であり、隣接する前記太陽電池セル
に接触しない大きさとし、かつ前記位置検出センサの中
央部を太陽電池セルとしたことを特徴とする。

【００１９】また、第８の発明は、第７の発明の集光型
太陽電池装置において、前記位置検出センサの中央部の
太陽電池セルに光が照射された場合に、前記位置検出セ
ンサに流れる電流を停止することを特徴とする。

【００２０】また、第９の発明は、第１の発明の集光型
太陽電池装置において、前記太陽電池セルの作動中に所
定時間光が遮られた場合に、前記架台駆動手段が前記架
台を原点に復帰させることを特徴とする

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００２２】実施形態１．図１には、本発明に係る集光
型太陽電池装置の実施形態１の構成図が示される。図１
において、太陽光を集めるための複数の集光レンズ１０
が固定配列されて設けられており、複数の集光レンズ１
０に対向する位置には架台１２が設けられている。架台
１２上において、各集光レンズ１０の焦点又はその近傍
に形成される集光スポットの位置には、各集光レンズ１
０に対応して複数の太陽電池セル１４が設けられてい
る。

【００２３】本実施形態において使用される集光レンズ
１０は、有効受光面積を上げるために、平面視で矩形状
望ましくは正方形であるのがよく、更に、隙間なくつめ
られて配置されるのがよい。また、低コスト化のため
に、図１に示されるような複数の集光レンズ１０は、樹
脂製として一体成形されるのが望ましい。

【００２４】架台１２には、横方向（図１のＸ軸方向）
に架台１２を移動させるＸ方向駆動手段１６と、縦方向
（図１のＹ軸方向）に架台１２を移動させるためのＹ方
向駆動手段１８とが設けられている。これらのＸ方向駆
動手段１６及びＹ方向駆動手段１８により本発明の架台
駆動手段が構成される。これらの架台駆動手段は、それ
ぞれＸ方向及びＹ方向の制御モータ２０により駆動され
る構成となっている。もちろんこれらはモータ駆動とせ
ずに、例えば電磁石等を使用した駆動手段とすることも
できる。

【００２５】本実施形態において特徴的な点は、架台１
２の上に設けられた複数の太陽電池セル１４のうちの１
つの位置に位置検出センサ２２を設けた点にある。図１
に示された例においては、位置検出センサ２２は架台１
２のほぼ中央に位置しており、太陽電池セル１４と同様
に集光レンズ１０の１つに対応してその集光スポットの
位置に設けられている。

【００２６】図２には、本実施形態に係る集光型太陽電
池装置の動作の説明図が示される。

【００２７】図２（ａ）において、太陽光２４が真上か
ら照射されている場合には、各集光レンズ１０の真下に
ある各太陽電池セル１４及び位置検出センサ２２の表面
すなわち受光面に集光レンズ１０による集光スポットが
形成される。これにより各太陽電池セル１４では、それ
ぞれ発電動作が行われる。また、この際には集光レンズ
１０による集光スポットが位置検出センサ２２の中央に
形成されるように位置検出センサ２２の位置が決められ
ている。ここで、位置検出センサ２２の中央とは、位置
検出センサ２２の受光面の中心及びその周辺領域をい
う。

【００２８】次に、図２（ｂ）に示されるように、時間
の経過と共に太陽が移動すると、太陽光２４の集光レン
ズ１０への入射方向は時事刻々変化し、集光スポットの
位置も変化することになる。そこで、本実施形態におい
ては、位置検出センサ２２の中央に常に集光スポットが
形成されるように、Ｘ方向駆動手段１６及びＹ方向駆動
手段１８によって架台１２の位置を制御している。位置
検出センサ２２の中央部分は、太陽電池セル１４の位置
に対応しているので、上述のような架台１２の位置制御
により、各太陽電池セル１４にも集光レンズ１０によっ
て集光された太陽光２４の集光スポットが当たることに
なる。

【００２９】図３には、本実施形態に係る位置検出セン
サ２２の例が示される。なお、この位置検出センサ２２
は、太陽光２４がどの方向から入ってきても、集光レン
ズ１０による集光スポットが必ず位置検出センサ２２内
のどこかに形成されるように、集光レンズ１０と同じか
あるいはそれよりも大きい面積に形成されている。ま
た、この大きさの上限は、隣接する太陽電池セル１４に
接触しない程度の大きさである。

【００３０】図３において、位置検出センサ２２は、例
えば位置検出素子（以下、ＰＳＤ素子という）により構
成されており、その表面には、Ｘ軸方向の位置を検出す
るための電極ｘ₁、ｘ₂が形成され、また裏面にはＹ軸
方向の位置を検出するための電極ｙ₁、ｙ₂が形成され
ている。

【００３１】例えば、図３に示されるように、位置検出
センサ２２の表面のＡ点に集光スポットが当たった場合
には、Ｘ方向の２つの電極ｘ₁、ｘ₂にはそれぞれＡ点
から各電極までの距離Ｘ₁、Ｘ₂に反比例した起電力Ｖ
ｘ₁、Ｖｘ₂が生ずる。本実施形態においては、これら
の起電力の大小を比較し、大きな起電力が発生している
電極の方向にＸ方向駆動手段１６によって架台１２を移
動させる。

【００３２】同様にして、Ｙ軸方向においてもＡ点から
Ｙ方向の２つの電極ｙ₁、ｙ₂までの距離Ｙ₁、Ｙ₂に
反比例した起電力Ｖｙ₁、Ｖｙ₂が発生しているので、
この場合にも大きな起電力が発生している方向にＹ方向
駆動手段１８を使用して架台１２を移動させる。

【００３３】以上のような制御を行うことにより、架台
１２は、位置検出センサ２２の２組の電極（ｘ₁、
ｘ₂）、（ｙ₁、ｙ₂）にそれぞれ等しい起電力が発生
する位置、すなわち位置検出センサ２２の中央に光スポ
ットが形成される位置に常に制御されることになる。こ
れらの制御においては、各電極に発生する起電力の大小
を比較しているだけなので、簡易な構成で高い検出精度
を得ることができる。また、一般に位置検出センサ２２
においては、その中央部よりも周辺部において位置の検
出精度が低下する傾向があるが、本実施形態のように、
常に光スポットが位置検出センサ２２の中央に当たるよ
うな制御を行うことにより高精度の位置制御を行うこと
が可能となる。

【００３４】上述した集光レンズ１０、架台１２、太陽
電池セル１４、Ｘ方向駆動手段１６、Ｙ方向駆動手段１
８、位置検出センサ２２によって構成される集光型太陽
電池装置のモジュールは応用範囲を広げるためにその厚
みがなるべく小さい方がよい。このためには、焦点距離
Ｌｆが短いレンズを集光レンズ１０として使用する必要
がある。

【００３５】焦点距離Ｌｆを短くするには、まず第１に
レンズの材質及び曲率を変えずに相似形を保ったままレ
ンズ寸法Ｄを小さくすることが考えられる。相似形を保
ったままレンズ寸法Ｄを小さくしても、互いに相似であ
る大きなレンズと小さなレンズの互いに対応する位置に
おける光の屈折の程度は等しいので、焦点の位置もレン
ズの縮小率に応じてレンズ側に接近し、焦点距離Ｌｆが
短くなる。また第２に、カーブ曲率の大きいレンズを使
用することも考えられる。カーブ曲率が大きくなると、
レンズの各位置における光の屈折の程度が大きくなるの
で焦点の位置がレンズ側に接近し、焦点距離Ｌｆが短く
なる。

【００３６】これらのうち、カーブ曲率を大きくすると
レンズの肉厚が増し、光の吸収が増加するので、集光レ
ンズ１０での光の吸収を小さくするために、レンズ寸法
Ｄの小さいものを使用することが望ましい。

【００３７】集光型太陽電池装置の用途により、集光レ
ンズ１０の最適寸法は異なるが、例えば移動体に搭載す
ることを考えると、前述のモジュールの厚みとしては２
００ｍｍより小さい値が望ましい。この場合、架台駆動
手段に使用される駆動モータ２０等の設置を考えると、
集光レンズ１０の焦点距離Ｌｆとしては、５０〜１００
ｍｍ程度がよく、また、レンズ寸法Ｄとしては、２０〜
５０ｍｍがよい。

【００３８】集光レンズ１０の集光度としては、２０〜
１００倍程度が太陽電池セル１４の電池特性、熱特性、
コスト等を考慮して妥当であると考えられる。このこと
から、使用される太陽電池セル１４としては、２〜１０
ｍｍ角程度のものが望ましい。

【００３９】実施形態２．図４には、本発明に係る集光
型太陽電池装置の実施形態２の構成例が示される。

【００４０】図４（ａ）において、太陽電池セル１４が
設けられた架台１２は、その四隅を集光レンズ１０の焦
点距離Ｌｆと等しい長さのワイヤー２６によって吊り下
げられた構成となっている。

【００４１】図４（ｂ）において、太陽の位置が時間と
共に変化していくと、例えば、図の実線で示される、架
台１２に垂直に入射していた太陽光２４も、破線で示さ
れるように、架台１２に対して斜めの方向から入射して
くるようになる。太陽光が斜めに入射しても、焦点距離
自体は変わらないため、焦点位置は焦点距離を半径とし
た円弧運動をする。

【００４２】この場合、図４（ｂ）に示されるように、
架台１２を横方向のみに移動しただけでは集光レンズ１
０によって形成される集光スポット６０の位置は、太陽
電池セル１４及び位置検出センサ２２よりも図の上方に
ずれてしまう。このため、太陽光が発散して、その一部
が太陽電池セル１４からはみでて発電量が低下し、また
位置検出センサ２２の広い面積に光があたって位置検出
精度も低下する。

【００４３】そこで、架台１２に焦点距離を半径とした
円弧運動をさせることにより、集光スポット６０の位置
ずれがなくなる。

【００４４】このような構成が、図４（ａ）に示され
る。上述のように、太陽光２４が架台１２に対して斜め
から入射した場合に、前述した架台駆動手段によって適
切な位置まで架台１２が横方向に移動するが、架台１２
は支点２８からワイヤー２６によって吊り下げられてお
り、このワイヤーの長さは、集光レンズ１０の焦点距離
Ｌｆと等しくなっているので、斜め入射により焦点が図
の上方にずれた分だけ架台１２も上方に移動できること
になる。すなわち、本実施形態の構成によれば、架台１
２は図１に示されたＸ、Ｙ方向に加えてこれに垂直なＺ
方向にも移動でき、３次元方向に移動可能となる。

【００４５】以上により、太陽電池セル１４及び位置検
出センサ２２の位置を常に集光レンズ１０の集光スポッ
トの位置に置くことができ、高い発電量及び位置検出精
度を維持することができる。

【００４６】図５及び図６には、本実施形態の変形例が
示される。

【００４７】図５（ａ）に示されるように、太陽電池セ
ル１４の中央にワイヤー２６を取り付け、各集光レンズ
１０と直接連結する。この場合、集光レンズ１０と太陽
電池セル１４との距離は集光レンズ１０の焦点距離Ｌｆ
と等しくしておく。尚、ワイヤー２６は、光の吸収を避
けることが望ましいため、微細な径でかつ強度のあるガ
ラスファイバが良好である。

【００４８】ここで、太陽電池セル１４とワイヤー２６
とが常に９０度の角度を保つようにしておけば、図５
（ｂ）に示されるように、太陽光２４が斜めから入射し
た場合に、集光スポットの位置に合わせて太陽電池セル
１４を移動すると、常に太陽光２４に対して太陽電池セ
ル１４の受光面が直交することになる。これにより、太
陽電池セル１４の受光面に対して太陽光２４が斜めに入
射する場合に比べて集光スポットの面積を小さくでき、
集光スポットが受光面からはみ出しにくくなる。この場
合、位置検出センサ２２も太陽電池セル１４と同様にワ
イヤー２６で集光レンズ１０に連結しておいてもよい。

【００４９】なお、太陽電池セル１４及び位置検出セン
サ２２の位置を移動させる手段としては、例えば、図５
（ｂ）に示されるように、各太陽電池セル１４をワイヤ
ー３０によって連結し、さらに位置検出センサ（図示せ
ず）もワイヤー３０に連結してこのワイヤー３０を適当
な駆動手段によって所定方向に引く構成とすることがで
きる。この場合は、図１に示された架台１２は不要とな
る。

【００５０】図６には、上述の太陽電池セル１４及び位
置検出センサ２２の位置を移動させる手段の例が示され
る。図６において、各太陽電池セル１４は、集光レンズ
１０からワイヤー２６によって吊り下げられており、湾
曲した受け皿３２の中に収容されている。太陽電池セル
１４は、この受け皿３２の中でスムーズに動けるように
構成しておく。また、各受け皿３２は、ワイヤー３０で
連結しておく。図６では、位置検出センサ２２は集光レ
ンズ１０から吊り下げられてはおらず、ワイヤー３０に
よって受け皿３２に連結されている。

【００５１】ワイヤー３０は、プーリ３４を介して駆動
手段３６にかけられループ状に構成されている。

【００５２】位置検出センサ２２によって、集光レンズ
１０が形成する太陽光２４の集光スポットの位置を検出
すると、その位置に合わせて駆動手段３６が駆動され、
ワイヤー３０によって各受け皿３２の位置が制御され
る。これにより、太陽光２４の集光スポットが形成され
る位置に太陽電池セル１４が移動される。この時、上述
したように各太陽電池セル１４はワイヤー２６に対して
常に９０度を保つように構成されているので、入射して
くる太陽光２４に対して太陽電池セル１４の受光面が常
に直交し、太陽光２４が受光面に斜めに入射する場合に
比べて集光スポットの面積を小さくでき、集光スポット
が受光面からはみ出しにくくなる。

【００５３】図７及び図８には、本実施形態の他の変形
例が示される。図７には、本変形例の平面図が、また図
８には、図７のVIII−VIII線に沿った断面図がそれぞれ
示される。

【００５４】図７及び図８に示されるように、太陽電池
セル１４は、４つのへら３８の上に載せられている。へ
ら３８の先端部は、それぞれ移動ステージ４０に回動可
能に連結されている。また、へら３８の他端は、固定台
４２に設けられたへら押し上げ用しきり４４の上に摺動
可能に載せられている。

【００５５】次に本変形例の動作について説明する。図
８（ａ）に示されるように、当初太陽電池セル１４が水
平になるように配置されていたものが、例えば時間の経
過と共に太陽光の集光スポットが図の右側にずれた場合
に、所定の駆動手段により移動ステージ４０も図の右方
向に移動される。この場合、へら３８のへら押し上げ用
しきり４４との当接面が傾斜面となっているので、図８
（ｂ）に示されるように、図の右側のへら３８は、へら
押し上げ用しきり４４の作用により右端が持ち上げられ
た状態となる。上述したように、へら３８は移動ステー
ジ４０に回動可能に取り付けられているので、これによ
り右上がりに傾き、この結果太陽電池セル１４の右端を
持ち上げることになる。移動ステージ４０が図の右側に
動いたということは、太陽の位置が図の左側に移動した
ということを意味するので、上述のような動作により、
太陽光に対してその入射してくる向きに太陽電池セル１
４の受光面を傾けることができる。

【００５６】以上のような動作は、図７において、左右
方向及び上下方向に移動用ステージ４０が動いた場合に
同様に行われる。従って、太陽の位置が時間の経過と共
に変化した場合に、集光レンズ１０から太陽電池セル１
４に入射してくる光も傾くことになるが、この太陽光の
向きに太陽電池セル１４の受光面を傾けるので、集光ス
ポットもこの受光面からはみ出しにくくなる。本変形例
においても、太陽電池セル１４は、固定台４２に対して
水平方向に加えて垂直方向にも移動することができ、３
次元方向の移動が可能となっている。また、太陽電池セ
ル１４だけでなく、位置検出センサ２２も同様にへら３
８に乗せておけば、位置検出精度も高く維持することが
できる。

【００５７】実施形態３．以上述べた、架台１２の上に
太陽電池セル１４が設けられている実施形態において
は、太陽の位置の変化に応じて、架台１２を水平方向に
移動させる必要があった。このため、図９（ａ）に示さ
れるように、モジュールの端部に架台１２を移動させる
ための所定の長さＬｄのデッドスペースを設ける必要が
あった。このため、その分だけ集光レンズ１０の設置面
積を減らす必要があった。

【００５８】これに対して、本実施形態においては、図
１に示されたＸ方向及びＹ方向への架台１２の移動量
を、集光レンズ１０のＸ方向及びＹ方向のレンズ寸法Ｄ
の２分の１に設定している。従って、架台１２の大きさ
を、集光レンズ１０の設置面よりＸ方向及びＹ方向とも
レンズ寸法の２分の１だけ小さくしておけば、図９
（ａ）に示されるようなデッドスペースＬｄを設ける必
要がなくなる。

【００５９】本実施形態では上述の様な構成としている
ので、図９（ｂ）に示されるように、太陽光２４が斜め
から入射して集光スポットが大きく移動した時に、架台
１２を集光スポットの位置の変化分だけ移動できない場
合がでてくる。そのため、垂直方向から太陽光２４が入
射した場合の対応する太陽電池セル１４ではなく、これ
に隣接あるいは更にその隣の太陽電池セル１４に集光ス
ポットを形成し、その太陽電池セル１４によって発電す
る様に構成している。従って、架台１２の位置制御も、
隣接あるいは更にその隣の太陽電池セル１４に集光スポ
ットを形成できるように行われ、結果として架台１２を
大きく移動させなくても集光スポットの位置にいずれか
の太陽電池セル１４の位置を合わせることができる。

【００６０】このような構成にした場合、図９（ｂ）に
おいて、図の左端の太陽電池セル１４は太陽光２４が図
の左側から入射する場合には光が照射されなくなる。こ
のような光が照射されない太陽電池セル１４は高抵抗と
なるため、バイパスダイオードにより短絡させ、全体と
して発電動作がとぎれないようにしておく。また、図９
（ｂ）の右端の集光レンズ１０で集光された太陽光は、
その太陽光を受光する太陽電池セル１４がないが、その
ような状態は朝夕のもともと太陽光が弱い時間帯におい
てのみ発生するので、１日を通しての発電量としてはさ
ほど問題にはならない。

【００６１】以上より、本実施形態においては、図９
（ａ）に示されるようなデッドスペースＬｄを設ける必
要がなくなった分だけ集光レンズ１０の設置面積を増や
すことができ装置全体としての発電量を大幅に向上する
ことができる。

【００６２】例えば、レンズ寸法が２０ｍｍ〜３０ｍｍ
角の集光レンズを使用し、外寸法が３０ｃｍ角である集
光型太陽電池装置のモジュールを製作する場合、デッド
スペースＬｄとしては最低でも１ｃｍ程度必要となる。
この場合、実際の有効受光面積は、２８ｃｍ×２８ｃｍ
＝７８４ｃｍ²となり、総受光面積（３０ｃｍ×３０ｃ
ｍ＝９００ｃｍ²）に対する有効受光面積の割合は８７
％となる。これを、本実施形態ではほぼ１００％とする
ことができる。

【００６３】表１には、本実施形態を採用したモジュー
ルにおける発電量と、図９（ａ）等のデッドスペースを
設けた場合の実施形態の発電量との比較が示される。

【００６４】

【表１】表１においては、モジュール面積すなわち総受光面積と
して１ｍ²を採用し、そのうちの有効受光面積が本実施
形態の場合が０．９８ｍ²であり、その他の場合が０．
８ｍ²であった。また、太陽電池セルのセル効率はいず
れも１５％であった。

【００６５】以上のような２つのモジュールを使用し
て、表１に示されるような天候条件の下で各時間帯にお
ける発電量（ワット，Ｗ）の変化を測定した。表１に示
されるように、本実施形態においては、朝夕の時間帯で
発電に寄与しない入射光があるので、午前９時及び午後
５時における発電量はその他の例の場合よりも少ない
が、これ以外の時間帯においてはいずれも本実施形態に
係るモジュールの方が約２割程度発電量が上回ってい
る。しかも、本実施形態に係るモジュールが発電量で上
回っている時間帯は、太陽の照射量も多い時間帯なの
で、１日全体の発電量を考えた場合には、本実施形態に
係るモジュールのほうがその他の例に係るモジュールよ
りも大幅に発電量が増加している。

【００６６】実施形態４．図１０には、本実施形態に係
る位置検出センサ２２の例が示される。

【００６７】図４（ｂ）に示されるように、太陽光２４
が斜めから入射してきた場合には、集光レンズ１０によ
る集光スポットも図の上方にずれることになる。このと
きに、図１０に示されるように、位置検出センサ２２の
中央部を凸状に形成しておけば、太陽光２４が斜めから
入射した場合に、集光レンズ１０によって形成される集
光スポットの位置にこの中央部が凸状の位置検出センサ
２２を移動させれば、凸状部４６の最上部に集光スポッ
トが形成されることになる。

【００６８】従って、本実施形態によれば、位置検出セ
ンサ２２の位置を上下方向に動かすことなく水平方向に
動かすだけで集光スポットの位置に位置検出センサ２２
の中央を配置することができ、上述の実施形態に比べて
より容易に検出誤差を低減することができる。

【００６９】なお、本実施形態においては、太陽光２４
が真上から入射する場合には、集光スポットが位置検出
センサ２２の凸状部４６の最上部より若干下に位置する
ことになるが、この場合には太陽光２４が斜めから入射
する場合よりも集光スポットの面積が小さくなるので位
置の検出誤差は大きくならない。

【００７０】実施形態５．図１１には、本実施形態に係
る位置検出センサ２２の例が示され、図１１（ａ）には
断面図が、図１１（ｂ）には平面図がそれぞれ示され
る。

【００７１】本実施形態においては、図１１（ａ）、
（ｂ）に示されるように、ＰＳＤ素子により構成された
位置検出センサ２２の中央部分４８の周囲に、Ｖ字、Ｕ
字、その他の形状の溝が形成されたテクスチャー部５０
が設けられている。このテクスチャー部５０の溝は、例
えばＳｉウエハの場合には、（１００）面からの選択性
エッチング技術により形成することができる。

【００７２】ここで、図１に示された架台１２における
中央部分４８の位置は、架台１２に形成された太陽電池
セル１４に相当する位置となっている。

【００７３】上述のようなテクスチャー部５０が形成さ
れた場合には、図１１（ａ）に示されるように、例えば
Ｘ軸方向の電極ｘ₁、ｘ₂に発生する起電力Ｖｘ₁、Ｖ
ｘ₂の比をより大きくすることが可能となる。また、こ
のことはＹ軸方向の電極についても同様である。

【００７４】すなわち、各電極に発生する起電力は、光
の入射点と電極との距離に反比例するが、位置検出セン
サ２２の表面にテクスチャー部５０の溝が形成されてい
ると、光がテクスチャー部５０の上あるいはその外側に
入射した場合、光の入射点と電極との距離の比をテクス
チャー部５０がない場合より大きくすることができる。
このため、それぞれの電極に発生する起電力の出力比を
大きくすることが可能となる。

【００７５】例えば、中央部分４８を５ｍｍ角とし、そ
の周囲に５８ｍｍ幅で、山の高さが２００μｍ〜２５０
μｍのテクスチャー部５０を形成した場合、テクスチャ
ー部５０がない場合に比べて位置検出センサ２２の読取
り誤差すなわち中央部分４８から太陽光の集光スポット
が外れた場合に中央部分４８に復帰するまでの時間を２
０％〜３０％低減することが可能となった。

【００７６】実施形態６．図１２には、本実施形態に係
る位置検出センサ２２の例が示され、図１２（ａ）には
断面図が、図１２（ｂ）には平面図がそれぞれ示され
る。

【００７７】本実施形態において特徴的な点は、位置検
出センサ２２の中央部に太陽電池セル１４を形成したこ
とである。

【００７８】位置検出センサ２２をＰＳＤ素子により構
成する場合には、一般にＰＳＤ素子が単結晶Ｓｉウエハ
から作られているので、同一基板状に太陽電池セル１４
も形成することが可能となる。

【００７９】図１２（ａ）において、基板５２には、キ
ャリア寿命を長くするため不純物濃度の低い高抵抗のｐ
型Ｓｉ基板が用いられている。この基板５２の表面側
に、例えばリン拡散により形成されたｎ型Ｓｉ層５４が
設けられている。このｎ型Ｓｉ層５４の上からパターニ
ングし、中央の太陽電池セル１４に相当する部分を表面
から選択性アルカリエッチングによって形成する。この
場合、基板５２は３００μｍ〜４００μｍ程度の厚さで
あり、太陽電池セル１４に相当する部分は５０μｍ〜１
００μｍ程度の厚さである。

【００８０】なお、図１２（ａ）、（ｂ）に示されるよ
うに、位置検出センサ２２の表面側すなわちｎ型Ｓｉ層
５４が形成された表面側にはＸ方向の電極ｘ₁、ｘ₂が
形成され、位置検出センサ２２の裏面側の両端には、Ｙ
方向の位置を検出する電極ｙ₁、ｙ₂が形成されてい
る。

【００８１】図１３には、上述の位置検出センサ２２の
中央部に形成された太陽電池セル１４の部分の拡大図が
示される。図１３において、ｐ型基板５２の裏面側にｎ
⁺−Ｓｉとｐ⁺−Ｓｉとを交互に形成し、ｎ⁺−Ｓｉに
は−電極を、ｐ⁺−Ｓｉには＋電極を形成してお互いが
短絡しないように配線し、太陽電池を構成する。

【００８２】上述したように、使用される基板５２とし
ては、キャリアライフタイムが長い１×１０¹⁴〜１×１
０¹⁵ｃｍ^-3ボロンドープ程度の低不純物濃度品が用いら
れるのがよいが、ＰＳＤ素子に使われるｉ型Ｓｉ（不純
物なし）層がその条件に近い。本発明者らが実験した結
果、ＰＳＤ素子のｉ型Ｓｉ層を、そのまま流用すること
が可能であることが判明した。

【００８３】本実施形態によれば、位置検出センサ２２
の中央部に太陽電池セル１４を形成したので、面積当た
りの発電量すなわちトータルの変換効率を向上すること
が可能となる。例えば、縦横５個ずつ太陽電池セル１４
を並べたモジュールにおいては、トータル出力を５％向
上することが可能となった。

【００８４】なお、通常のＰＳＤ素子では、バイアス電
圧として２０Ｖ程度の電圧を素子にかけておく必要があ
り、このためにＰＳＤ素子には常にわずかながら電流が
流れることになる。この電流はそのまま発電ロスとな
る。従って、図１２に示された位置検出センサ２２のセ
ンサ部に光が当たっているときのみすなわち位置検出動
作を行っているときのみ位置検出センサ２２のバイアス
電圧をＯＮとし、中央部の太陽電池セル１４に太陽光が
照射されている間はこのバイアス電圧が入らないように
しておくことにより、さらに省エネルギー運転が可能と
なる。このためには、中央部の太陽電池セル１４に光が
照射されたときに、この太陽電池セル１４による発電を
検知して位置検出センサ２２のバイアス電圧をＯＦＦと
するような光スイッチ機構を集光型太陽電池装置のモジ
ュール内に設けておけばよい。

【００８５】実施形態７．本発明に係る集光型太陽電池
装置を車載した場合には、ビル等の影やトンネル内に入
った時等に太陽光が遮断される場合が考えられる。この
ようなときに右折あるいは左折をして自動車の向きが大
きく変化すると、架台１２は遮断される前の太陽光の位
置に合わせて原点位置から移動した状態となり、次に太
陽光が入射してきたときに位置検出センサ２２の外側に
太陽光の集光スポットが当たり、うまく太陽光を追尾で
きない可能性がある。また、自動車が高速でカーブした
ような場合にも、太陽光を追尾し切れなくなり、位置検
出センサ２２の外に集光スポットが当たってしまう場合
も考えられる。

【００８６】このような、太陽光の集光スポットが位置
検出センサ２２に当たらなくなった時には、架台１２を
一旦原点に戻し、その位置から太陽光の追尾を再開する
必要がある。原点においては、太陽がどの位置にあって
もその集光スポットは位置検出センサ２２のどこかに当
たるように構成されているからである。

【００８７】図１４には、上述した架台１２の原点復帰
を含めた本発明に係る架台駆動手段による架台１２の位
置制御のフローチャートが示される。

【００８８】図１４において、位置検出センサ２２の電
源がＯＮとされると本シーケンスがスタートし、図３に
示された位置検出センサ２２のＸ方向の位置を検出する
ための電極ｘ₁、ｘ₂及びＹ方向の位置を検出するため
の電極ｙ₁、ｙ₂の４つの電極のいずれかの起電力Ｖｘ
₁、Ｖｘ₂、Ｖｙ₁、Ｖｙ₂の値が正すなわち電極に起
電力が発生しているか否かが判断される（Ｓ１）。位置
検出センサ２２に集光スポットが当たっている場合に
は、４つの電極ｘ₁、ｘ₂、ｙ₁、ｙ₂のいずれかに起
電力Ｖｘ₁、Ｖｘ₂、Ｖｙ₁、Ｖｙ₂が発生するのでそ
の値が０より大きくなる。

【００８９】もしいずれかの電極の起電力の値が正とな
っている場合には、Ｘ方向の電極ｘ₁、ｘ₂の起電力Ｖ
ｘ₁、Ｖｘ₂の値が等しいか否かが判断される（Ｓ
２）。

【００９０】ｘ₁、ｘ₂の起電力Ｖｘ₁、Ｖｘ₂の値が
等しくない場合には、どちらの値が大きいかが判断され
る（Ｓ３）。

【００９１】ここで、ｘ₂の起電力Ｖｘ₂の方が大きい
場合には、架台駆動手段により架台１２が電極ｘ₂の方
向に２ｍｍ移動される（Ｓ４）。

【００９２】一方、ｘ₁の起電力Ｖｘ₁の方が大きい場
合には架台１２は電極ｘ₁の方向に２ｍｍ移動される
（Ｓ５）。

【００９３】以上の動作を繰り返すことにより、Ｘ方向
において太陽光の集光スポットが２つの電極ｘ₁、ｘ₂
のちょうど中央に位置し、電極ｘ₁、ｘ₂の起電力Ｖｘ
₁、Ｖｘ₂の値が等しくなる。

【００９４】次に、Ｙ方向の２つの電極ｙ₁、ｙ₂に発
生する起電力Ｖｙ₁、Ｖｙ₂が等しいかどうかが判断さ
れる（Ｓ６）。

【００９５】もしこれらの値が等しくない場合には、ど
ちらの値が大きいかが判断される（Ｓ７）。

【００９６】ここで、電極ｙ₂の起電力Ｖｙ₂が大きい
場合には、架台駆動手段により架台１２が電極ｙ₂の方
向に２ｍｍ移動される（Ｓ８）。

【００９７】一方、電極ｙ₁の方の起電力Ｖｙ₁が大き
い場合には、架台駆動手段により架台１２が電極ｙ₁の
方向に２ｍｍ移動される（Ｓ９）。

【００９８】以上の動作を繰り返すことにより、Ｙ方向
において太陽光の集光スポットが２つの電極ｙ₁、ｙ₂
のちょうど中央に位置し、電極ｙ₁、ｙ₂の起電力Ｖｙ
₁、Ｖｙ₂の値が等しくなる。

【００９９】以上の動作により、太陽の集光スポット
は、位置検出センサ２２の中央に位置されることにな
り、シーケンスは再びＳ１に戻る。太陽光の集光スポッ
トが、位置検出センサ２２に常に当たっている場合には
以上の動作によって架台１２の位置の制御が行われる。

【０１００】これに対して、前述したように太陽光の集
光スポットが位置検出センサ２２の受光面から外れた場
合には、４つの位置検出用の電極ｘ₁、ｘ₂、ｙ₁、ｙ
₂には起電力Ｖｘ₁、Ｖｘ₂、Ｖｙ₁、Ｖｙ₂が発生し
なくなるのでその値が正ではなくなる（Ｓ１）。

【０１０１】この場合には２秒待機し（Ｓ１０）、再び
４つの電極ｘ₁、ｘ₂、ｙ₁、ｙ₂の起電力Ｖｘ₁、Ｖ
ｘ₂、Ｖｙ₁、Ｖｙ₂が正となっているか否かが判断さ
れる（Ｓ１１）。２秒待機する理由は、例えば自動車が
走行中に、木の影などによって極めて短時間光が遮られ
るようなことはしばしば起こるので、その都度架台１２
を原点に復帰させると、かえって架台１２の位置制御を
乱すことになるので、短時間太陽光が遮られた場合に
は、架台１２の位置を動かさないようにするためであ
る。

【０１０２】従って、Ｓ１１において４つの電極ｘ₁、
ｘ₂、ｙ₁、ｙ₂の起電力Ｖｘ₁、Ｖｘ₂、Ｖｙ₁、Ｖ
ｙ₂が正となっている場合には、Ｓ２に戻って架台１２
の通常の位置制御を行うようにしている。

【０１０３】一方、２秒経過してもＳ１１においていず
れの電極における起電力も正となっていない場合には、
ビルの影やトンネル等によって比較的長い時間太陽光が
遮られていると考えられ、車の右折、左折等により太陽
光の集光スポットが位置検出センサ２２の受光面から外
れたままになる可能性があるので、架台駆動手段により
架台１２をその原点位置に復帰させる（Ｓ１２）。

【０１０４】架台１２が原点に復帰した後に再び４つの
電極の起電力の発生の有無を監視し通常のシーケンスに
戻る。

【０１０５】以上の手順によって、本実施形態に係る架
台１２の位置制御方法が構成されている。

【０１０６】なお、架台１２を原点に復帰させるための
機構は公知の方法を使用することができる。

【０１０７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
重量の大きな集光レンズではなく、小型軽量な太陽電池
セルを動かすことにより太陽光を追尾するように構成し
たので、装置コストや追尾のための駆動エネルギーを大
幅に低減することができる。

【０１０８】また、太陽光の入射方向が変化しても、集
光レンズの焦点位置付近に位置検出センサの中央を移動
させることができるので、位置検出センサの端部による
位置検出が不要となり、その分位置検出精度を向上させ
ることができる。この結果、太陽電池セルから集光スポ
ットが外れることがなくなり、発電量の増大を図ること
ができる。

【０１０９】また、集光レンズは隙間なくつめて配列さ
れているので、この点でも入射光を効率よく捕捉するこ
とができる。

【０１１０】また、架台駆動手段により架台が３次元方
向に移動可能なので、太陽電池セルの受光面が太陽光と
常に垂直となる向きに制御できるので、太陽電池セルの
受光面に対して太陽光が斜めに入射する場合に比べて集
光スポットの面積を小さくでき、集光スポットが受光面
からはみ出しにくくなる。

【０１１１】また、架台の移動量を制限し、斜め入射光
が所定量ずれた場合には隣の太陽電池セルで光を捕捉す
るよう構成したので、架台を移動させるためのデッドス
ペースが不要となり、有効受光面積の割合を上げること
ができ、発電量の増大を図ることができる。

【０１１２】また、位置検出センサの中央部を凸状と
し、斜め入射光が凸部の頂点に当たるよう構成している
ので、検出精度を向上させることができる。

【０１１３】また、位置検出センサの中央部を取り囲ん
でテクスチャー部を形成したので、太陽光の集光スポッ
トが位置検出センサの中央部からずれた場合にすばやく
その位置を中央部に戻すことができる。この結果、太陽
電池セルから集光スポットが外れることがなくなり、発
電量の増大を図ることができる。

【０１１４】また、位置検出センサの中央部を太陽電池
セルとすることにより、集光型太陽電池装置全体として
の発電量を向上させることができる。

【０１１５】また、位置検出センサの中央部の太陽電池
セルに光が照射された場合には、光スイッチ機構によ
り、位置検出センサへのバイアス電圧をＯＦＦとするの
で、省エネルギーを図ることができる。

【０１１６】さらに、トンネルに入ったりビルの影で光
が一時的に遮断された場合、あるいは移動体の急旋回等
で入射光を捕捉できなくなった場合に、架台の位置を原
点に復帰させることにより、入射光が再び照射された場
合にスムーズな位置制御の立上がりを確保することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る集光型太陽電池装
置の構成図である。

【図２】図１に示された実施形態の動作を説明するた
めの動作説明図である。

【図３】図１に示された実施形態１の位置検出センサ
の構成を示す構成図である。

【図４】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形態
２の動作を説明する動作説明図である。

【図５】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形態
２の変形例を示す図である。

【図６】図５に示された変形例の全体構成例を示す図
である。

【図７】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形態
２の他の変形例を示す図である。

【図８】図７に示された変形例のVIII−VIII断面図で
ある。

【図９】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形態
３の構成例を示す図である。

【図１０】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形
態４の位置検出センサを示す図である。

【図１１】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形
態５の位置検出センサを示す図である。

【図１２】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形
態６の位置検出センサを示す図である。

【図１３】図１２に示された位置検出センサの中央部
に設けられた太陽電池セルの拡大断面図である。

【図１４】本発明に係る集光型太陽電池装置の実施形
態７の架台の位置制御方法を表すフローチャート図であ
る。

【図１５】集光スポットと太陽電池セルとの位置が一
致している場合の位置関係の説明図である。

【図１６】集光スポットと太陽電池セルとの位置がず
れている場合の位置関係の説明図である。

【図１７】太陽光を追尾する際に集光レンズを動かす
従来の追尾方法の説明図である。

【図１８】太陽光を追尾する場合に太陽電池セルの位
置のみ移動させる追尾方法の説明図である。

【符号の説明】

１０集光レンズ、１２架台、１４太陽電池セル、
１６Ｘ方向駆動手段、１８Ｙ方向駆動手段、２０
制御モータ、２２位置検出センサ、２４太陽光、２
６，３０ワイヤー、２８支点、３２受け皿、３４
プーリ、３６駆動手段、３８へら、４０移動ステ
ージ、４２固定台、４４へら押し上げ用しきり、４
６凸状部、４８中央部分、５０テクスチャー部、
５２基板、５４ｎ型Ｓｉ層、６０集光スポット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−52702（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−51540（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−76994（ＪＰ，Ａ) 特開平２−119272（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−46684（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−16162（ＪＰ，Ｕ) 実開平６−56804（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−51408（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−109416（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/04 - 31/078

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平面視で矩形状であり、太陽光を集める
ための複数の固定された集光レンズと、前記各集光レン
ズの焦点又はその近傍に形成された集光スポットの位置
に配置された太陽電池セルと、前記太陽電池セルを載置
する架台とを備えた集光型太陽電池装置であって、前記集光レンズに対応して前記架台に設けられた位置検
出センサと、前記位置検出センサの中央に前記集光レンズからの集光
ビームが照射され集光スポットが形成されるように前記
架台を移動させる架台駆動手段と、を有することを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項２】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記集光レンズは隙間なく詰められて配置されて
いることを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項３】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記架台駆動手段は前記架台を３次元方向に移動
可能とされており、前記集光スポットが前記太陽電池セ
ルの表面に一致するよう前記架台を駆動することを特徴
とする集光型太陽電池装置。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれか一項記
載の集光型太陽電池装置において、前記架台の原点から
の移動量が、前記矩形状の集光レンズの縦及び横方向に
対して、それぞれ集光レンズの縦及び横の長さの１／２
以下とされていることを特徴とする集光型太陽電池装
置。
【請求項５】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記位置検出センサの大きさを前記集光レンズ以
上であり、隣接する前記太陽電池セルに接触しない大き
さとし、かつ前記位置検出センサの中央部を凸状とした
ことを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項６】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記位置検出センサの大きさを前記集光レンズ以
上であり、隣接する前記太陽電池セルに接触しない大き
さとし、かつ前記位置検出センサの中央部分を囲んでＶ
字あるいはＵ字等の溝が形成されたテクスチャー部が形
成されたことを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項７】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記位置検出センサの大きさを前記集光レンズ以
上であり、隣接する前記太陽電池セルに接触しない大き
さとし、かつ前記位置検出センサの中央部を太陽電池セ
ルとしたことを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項８】請求項７記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記位置検出センサの中央部の太陽電池セルに光
が照射された場合に、前記位置検出センサに流れる電流
を停止することを特徴とする集光型太陽電池装置。
【請求項９】請求項１記載の集光型太陽電池装置にお
いて、前記太陽電池セルの作動中に所定時間光が遮られ
た場合に、前記架台駆動手段が前記架台を原点に復帰さ
せることを特徴とする集光型太陽電池装置。