JP2009147155A

JP2009147155A - 集光型太陽光発電装置

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Publication number: JP2009147155A
Application number: JP2007323621A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Juso; 博行十楚
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: JP5117839B2

Abstract

【課題】簡便な構造により、太陽電池セルの放熱を行なうことができる集光型太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施の形態に従うと、集光型太陽光発電装置１は、太陽電池セル１０の受光面に太陽光を集光するための集光レンズ４０と、集光レンズ４０により集光された太陽光が照射される太陽電池セル１０と、太陽電池セル１０が実装された基板２０と、上部が１つの集光レンズ４０に接続され下部が１つの集光レンズ４０に対応する太陽電池セル１０の外周を囲むように基板２０に直接接続された、レンズ支持枠３０とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、集光した太陽光の光エネルギーを太陽電池セルにより電気エネルギーに変換する集光型太陽光発電装置に関する。

集光した太陽光の光エネルギーを太陽電池セルにより電気エネルギーに変換する集光型太陽光発電装置が知られている。集光型太陽光発電装置はレンズやミラー等により集光した太陽光を太陽電池セル上に照射し太陽光発電を行なう。

このような集光型太陽光発電装置においては、シリコン太陽電池を用いた平板型の太陽光発電装置と比較すると、レンズ、追尾装置、支持台等が余計に必要となる。そのため低価格の集光型太陽光発電装置を提供するためには、たとえば化合物半導体を用いた高効率の太陽電池を用いることが有効である。

高効率の太陽電池は一般に高価である。そのため、より低価格の集光型太陽光発電システムの実現するためには、できるだけ集光倍率を高めて使用する太陽電池セルの面積を小さくすることが好ましい。

このような集光型太陽光発電装置においては、集光光により太陽電池セルが加熱される。太陽電池セルが加熱されて過度にその温度が上昇すると、発電効率が低下したり、太陽電池セル周辺部に使用される部品の信頼性を低下させる等の問題が生じる。

このような問題を解決するために、たとえば、特許文献１（特開昭５９−４０５８９号公報）には、太陽電池セルと冷却水が流れる冷却管とを接続した構造が開示されている。太陽電池セルを、冷却管を流れる冷却水により冷却することで、その温度上昇を抑制している。

また、特許文献２（特開平１１−２８４２１７号公報）には、太陽電池セルが実装された基板を支持板に固定し、支持板に放熱フィンを設けた構造が開示されている。放熱フィンにより支持板および太陽電池が実装された基板を冷却することで、その温度上昇を抑制している。
特開昭５９−４０５８９号公報特開平１１−２８４２１７号公報

しかし、上述の特許文献１および２に記載された太陽発電装置においては、冷却パイプや放熱フィンにより放熱性能は確保できるが、そのため構造が複雑で、重量が大きくなるなどの問題がある。そのために実用化には更なる改善が必要である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、簡便な構造により、太陽電池セルの放熱を行なうことができる集光型太陽光発電装置を提供することを目的とする。

この発明に基づいた集光型太陽光発電装置に従えば、太陽電池セルの受光面に太陽光を集光するための光学系と、上記光学系により集光された太陽光が照射される太陽電池セルと、上記太陽電池セルが実装された基板と、上部が１つの上記光学系に接続され下部が上記１つの光学系に対応する上記太陽電池セルの外周を囲むように上記基板に直接接続された、レンズ支持枠とを備えている。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは上記太陽電池セルの受光面上に封止樹脂が配置されている。

上記集光型太陽光発電装置においてさらに好ましくは、上記封止樹脂はシリコーン樹脂である。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記封止樹脂の表面にはカバーガラスが配置されている。

上記集光型太陽光発電装置においてさらに好ましくは、上記カバーガラスには反射防止膜が設けられている。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記太陽電池セルがIII−Ｖ族化合物半導体を含んでいる。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記太陽電池セルが複数のｐｎ接合を有する多接合型である。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記レンズ支持枠は、上記光学系に接続された箇所から上記基板に接続された箇所に向かって上記レンズ支持枠が囲む面積が徐々に小さくなるように、上記光学系の光軸に対して傾斜して延びる。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記レンズ支持枠は、少なくとも上記光学系に接続された側と上記基板に接続された側とで上記光学系の光軸に対する傾斜角が異なっている。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記レンズ支持枠は上記光学系から上記太陽電池セルに至る上記光学系の光軸を囲む、鏡面加工された内面を有している。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記レンズ支持枠の外面には放熱フィンが設けられている。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記光学系はフレネルレンズで構成されている。

上記集光型太陽光発電装置において好ましくは、上記光学系は、樹脂により構成されている。

本発明に係る集光型太陽光発電装置によると、簡便な構造により、太陽電池セルの放熱を行なうことができる集光型太陽光発電装置を提供することができる。

以下、この発明に基づいた各実施の形態における集光型太陽光発電装置の構造について、図を参照しながら説明する。なお、各実施の形態において、同一または相当箇所については同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さないこととする。

（実施の形態１）
以下、本発明に係る実施の形態１について、図１および図２を参照して説明する。なお、図１は、本実施の形態における集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図であり、図２は、集光型太陽光発電装置の構造を示す斜視図である。以下の説明に使用する図面の各部の寸法比等は、必ずしも正確には記載されていない。

本実施の形態における集光型太陽光発電装置１は、太陽電池セルの受光面に太陽光を集光するための集光レンズ４０と、集光レンズ４０により集光された太陽光が照射される太陽電池セル１０と、太陽電池セル１０が実装された基板２０と、上部が１つの集光レンズ４０に接続され下部が１つの集光レンズ４０に対応する太陽電池セル１０の外周を囲むように基板２０に直接接続された、レンズ支持枠３０とを備えている。以下、この集光型太陽光発電装置１の構造について詳細に説明する。

本実施の形態の集光型太陽光発電装置１に用いる太陽電池セル１０は、これに限定するものではないが、集光型の太陽光発電装置のメリットを十分に活かすためより高効率の太陽電池セルを使用するのが好ましい。このような高効率の太陽電池セル１０としては、たとえば、III−Ｖ族の化合物半導体を使用し、複数のｐｎ接合を含む多接合型太陽電池が好ましい。

このようなIII−Ｖ族の化合物半導体を使用し、複数のｐｎ接合を含む多接合型太陽電池としては、あくまでも一例であるが、全体としてはＧａＩｎＰ（トップセル）／ＧａＡｓ（ミドルセル）／Ｇｅ（ボトムセル）／Ｇｅ（ボトムセル）の構成を成しており、各セル間をトンネル接合層により接合したものなどを用いることができる。その他、特開２００７−１８９０２５号公報に開示されたような、砒素を含まないIII−Ｖ族の化合物半導体を用いた太陽電池セルを用いてもよい。

太陽電池セル１０は、金属配線がなされた基板２０上に接着されている。この基板２０の上面には、レンズ支持枠３０が固定されている。このレンズ支持枠３０の上部には、集光レンズ４０が配置される。

基板２０としては熱伝導率の高いものが好ましい。たとえば、熱伝導率の高い金属基材上に熱伝導性、電気絶縁性を考慮した接着剤を介して銅配線が形成されているものや、熱伝導率が高く、十分な電気絶縁性を持つセラミック基材上にメッキ等により銅配線を形成したものを用いることができる。上記基板２０の金属基材としては、たとえば銅やアルミなど、セラミック基材としてはアルミナ（Ａｌ２０３）や窒化アルミ（ＡｌＮ）などを用いることができる。

レンズ支持枠３０は、本実施の形態では、上部から下部に向かって集光レンズ４０の光軸に垂直な断面の断面積（レンズ支持枠３０で囲まれる面積）が小さくなるように、逆四角錐の形状としている。すなわち、レンズ支持枠３０は、４つの平面からなる側面板３１を有し、その側面板３１は集光レンズ４０の光軸に対して傾斜している。

レンズ支持枠３０の形状はこの形状に限られるものではなく、レンズ支持枠３０を逆三角錐状や、逆円錐状に構成することも可能である。また五角錐以上の角錐で構成することも可能である。ただし、複数個の集光型太陽光発電装置を隙間なく配列することを考慮すると、レンズ支持枠３０の上端部が長方形であることが好ましく、正方形であることがもっとも好ましい。

レンズ支持枠３０の側面板３１の下端には外側に広がったフランジ部３３が設けられている。フランジ部３３は基板２０の上面に熱伝導性に優れた接着剤により接着されている。この接着剤としては具体的には、シリコーン系接着剤などを用いることができる。

このレンズ支持枠３０としては、熱伝導性に優れた金属を成型して構成することが好ましい。より詳細には、熱伝導率に優れ、軽量であることから、アルミニウムなどの材質が好ましい。レンズ支持枠３０は、金属板を折り曲げ成型して構成しても良いし、材料を金型により成型するようにしてもよい。

光学系である集光レンズ４０としては、非結像系のフレネルレンズが好ましい。また、安価に製造可能で、軽量であることから樹脂成型された集光レンズを用いることが好ましい。集光レンズ４０による集光倍率としては、これに限定するものではないが、１００倍から５００倍程度に設定することが好ましい。

集光レンズ４０により集光された太陽光は、太陽電池セル１０に照射される。この太陽電池セルに照射された太陽光により生じた熱エネルギーは、太陽電池セル１０から基板２０、さらにはレンズ支持枠３０に伝わり放熱される。

この放熱効果を確認するため次のような実験を行なった。Ｃｕ配線を形成したアルミ基材の基板２０、アルミニウム製のレンズ支持枠３０、２５０倍の集光倍率を有する集光レンズを用いて集光型太陽光発電装置を構成した。比較用にレンズ支持枠を設けない集光型太陽光発電装置を準備した。

ソーラーシミュレーター下で太陽電池セル１０の温度の上昇を比較したところ、レンズ支持枠３０を設けたものが、レンズ支持枠３０を設けなかったのものに比べて１５℃程度温度上昇が抑えられることが確認された。

本実施の形態の集光型太陽光発電装置１においては、集光レンズ４０と太陽電池セル１０との間の外周側を、レンズ支持枠３０の側面板で完全に覆うように構成されている。これにより、追尾ずれ等が生じて集光レンズ４０により集光された太陽光が太陽電池セル１０に正確に照射されなかった場合でも、太陽光がレンズ支持枠３０の内面で反射されることにより光漏れが生じない。正確に照射されなかった太陽光を反射させることで太陽電池セル１０に入射させることができ、追尾ずれ等が生じた場合でも発電効率の低下を最小限にすることができる。

発電効率をさらに改善するために、レンズ支持枠３０の内面を鏡面加工して、レンズ支持枠３０の内面における光の反射効率を向上させてもよい。これにより、レンズ支持枠３０の温度上昇も抑制することができる。

この鏡面加工としては、レンズ支持枠３０の内面を研削することにより平滑に仕上げるようにしてもよいし、メッキを施しても良い。また、鏡面を有するフィルムなどを、レンズ支持枠３０の内側に配設して、その内面を鏡面にするようにしてもよい。

また、集光レンズ４０で集光された太陽光が、太陽電池セル１０以外の箇所に照射されると、その部分の温度を上昇させ損傷させる恐れがある。しかし、本実施の形態においては、レンズ支持枠により光漏れを防ぐことができるので、そのような不具合を未然に防止することができる。

本実施の形態のようなレンズ支持枠３０を用いることにより、太陽電池セル１０を配置した基板２０と、集光レンズ４０とを１つの部品のみで連結できるので、簡単な構造で接続することが可能である。また、個々の太陽電池セル１０毎にレンズ支持枠３０および集光レンズ４０を配置することにより、太陽電池セル１０と集光レンズ４０との位置決めを容易に行なうことができる。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について、図３および図４を参照して説明する。ここで、図３は、本実施の形態の集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図であり、図４は、本実施の形態の変形例の集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。

本実施の形態においては、太陽電池セル１０の入光面を覆うように、太陽電池セル１０の上部に封止樹脂５０を配設している。封止樹脂５０を形成するために樹脂を充填する工程においては、レンズ支持枠３０の下部を樹脂成型のダムとして使用する。

封止樹脂５０を太陽電池セル１０の表面上に設けることにより、太陽電池セル１０の表面を保護することができる。また、封止樹脂５０を設けることで、封止樹脂５０とその上部の空気層との間の屈折率の差による光閉じ込め効果が得られ、集光効率を向上させることができる。

封止樹脂５０としては、光の透過率の高いシリコーン樹脂を用いることが特に好ましい。

また、図４に示すように封止樹脂５０に入射する太陽光の、封止樹脂５０の表面における反射率を低下させるため、封止樹脂５０の表面にカバーガラス６０を配置してもよい。本カバーガラス６０の効果をより高めるためにカバーガラス６０の表面に周知の反射防止膜を形成しても良い。この反射防止膜としては、たとえば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの膜を用いることができる。これらの膜を単層で用いて反射防止膜を構成しても良いし、これらの膜を複数組み合わせて多層膜として反射防止膜を構成しても良い。

(実施の形態３）
次に実施の形態３について、図５を参照して説明する。ここで、図５は、本実施の形態の集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。

本実施の形態においては、図５に示すように、レンズ支持枠３０の下端部の側面板３１ａの傾斜角βが、上部の側面板３１ｂの傾斜角αと異なるように構成している。具体的には、レンズ支持枠３０の下端部の側面板３１ａの太陽電池セル１０に対する傾斜角βが、レンズ支持枠３０の上部の側面板３１ｂの傾斜角αよりも大きくなるように構成している。

これにより、図５に示すように、追尾ずれが生じて集光レンズ４０により集光された集光光の照射位置が太陽電池セル１０からずれたときでも、より大きな傾斜角αを持つレンズ支持枠３０の下端部の側面板３１ａでの全反射により、太陽電池セル１０の表面に集光光が照射される。

この傾斜角αとしては、３５°から５５°、傾斜角βとしては、７５°から８５°程度とすることが好ましい。このような角度に設定することで、照射位置がずれた集光光を、効果的に太陽電池セル１０に導くことができる。

本実施の形態においては、このレンズ支持枠３０の側面の傾斜角が上部と下部とで異なるように二段階に変化させたが、三段階以上に変化させてもよい。また、その側面の傾斜角が徐々に変化するように、すなわち図５の断面図において、側面板３１の断面が曲線となるように構成しても良い。さらには、レンズ支持枠３０の側面板３１の一部を平面で構成し、一部を曲面で構成しても良い。

図６は、レンズ支持枠の外面に放熱フィンを設けた集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。

上記の実施の形態１から３において、レンズ支持枠３０の外面からのより効率的な放熱を目的として、レンズ支持枠３０の外面に放熱フィン６５を取り付けてもよい。図６に示す例においては、横方向に延びる山形の断面を有する部材を取り付けることで放熱フィン６５を構成している。この放熱フィン６５を、片持ち梁状のリブや、波型の板などで構成しても良い。また、放熱フィン６５を縦方向に延びる部材により構成しても良い。

放熱フィン６５は、熱伝導性に優れ、軽量の材料で構成することが好ましい。たとえば、アルミニウムなどの金属材料を用いることができる。

このような放熱フィン６５を設けることで放熱性が向上するだけでなく、レンズ支持枠３０を補強し、レンズ支持枠３０の剛性を向上させることができる。

図７は、複数の集光型太陽光発電装置を一体として追尾装置により駆動する一体駆動型太陽光発電装置を示す斜視図であり、図８は、図７に示す一体駆動型太陽光発電装置において配列された集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。

図７および図８に一例を示すように、複数の集光型太陽光発電装置１を配列して相互に固定し、太陽に正対するように首振り運動を行なう追尾装置を備えた支持台に固定しても良い。

図８に示すように、各集光型太陽光発電装置１の基板２０を底板７２に固定している。これにより複数の集光型太陽光発電装置１を一体のユニット７０としている。各集光型太陽光発電装置１の隣接するレンズ支持枠３０の上端部も相互に固定することで、複数の集光型太陽光発電装置１をより強固に固定することができる。

ここでは、図８に示すように、あくまでも一例であるが、縦に３個、横に２個の合計６個の集光型太陽光発電装置１をひとつのユニット７０として構成している。そして、図７に示すように、そのユニット７０を縦に３個、横に９個の２７個配列して、追尾装置に固定して一体駆動型太陽光発電装置を構成している。

追尾装置としては、図７に示すように、支持脚７４を中心に回動して首振り運動するほか、仰角の調整も可能なものが好ましい。

複数の集光型太陽光発電装置１を組み合わせて一体駆動型太陽光発電装置を構成した場合でも、本実施の形態の集光型太陽光発電装置は、簡単な構造により構成されているので、軽量に構成することができ、追尾装置や支持台への余計な負荷を軽減することができる。

図９は、個々の集光型太陽光発電装置の角度調整が可能なように、複数の集光型太陽光発電装置を個別に駆動する、個別駆動型太陽光発電装置の構造を示す斜視図である。

図９に示す個別駆動型太陽光発電装置においては、ベース８１の上に複数の集光型太陽光発電装置１を配列している。ここでは、縦に５個、横に５個の合計２５個配列している。各集光型太陽光発電装置１は、ベース８１に対して可動に取り付けられており、それぞれ、首振り運動および、仰角の調整が可能なように駆動される。

この駆動機構としては、各集光型太陽光発電装置１に個別にアクチュエータを備えるようにしてもよいし、複数の集光型太陽光発電装置１をロッドなどで連結し、カム機構を用いて同時に駆動するようにしてもよい。

この個別駆動型太陽光発電装置においても、集光型太陽光発電装置１が簡単な構造で構成されており、軽量であるので、各集光型太陽光発電装置１を駆動する駆動機構の負荷を最小限にすることができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

この発明に基づいた実施の形態１における集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。この発明に基づいた実施の形態１における集光型太陽光発電装置の構造を示す斜視図である。この発明に基づいた実施の形態２における集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。この発明に基づいた実施の形態２の変形例における集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。この発明に基づいた実施の形態３における集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。レンズ支持枠の外面に放熱フィンを設けた集光型太陽光発電装置の構造を示す縦断面図である。複数の集光型太陽光発電装置を一体として追尾装置により駆動する一体駆動型太陽光発電装置を示す斜視図である。一体駆動型太陽光発電装置において配列された集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。複数の集光型太陽光発電装置を個別に駆動する個別駆動型太陽光発電装置の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１集光型太陽光発電装置、１０太陽電池セル、２０基板、３０レンズ支持枠、３１側面板、３３フランジ部、４０集光レンズ、５０封止樹脂、６０カバーガラス、６５放熱フィン、７０ユニット、７２底板、７４支持脚、８１ベース。

Claims

太陽電池セルの受光面に太陽光を集光するための光学系と、
前記光学系により集光された太陽光が照射される太陽電池セルと、
前記太陽電池セルが実装された基板と、
上部が１つの前記光学系に接続され下部が前記１つの光学系に対応する前記太陽電池セルの外周を囲むように前記基板に直接接続された、レンズ支持枠とを備えた、集光型太陽光発電装置。
前記太陽電池セルの受光面上に封止樹脂が配置されている、請求項１に記載の集光型太陽光発電装置。
前記封止樹脂はシリコーン樹脂である、請求項２に記載の集光型太陽光発電装置。
前記封止樹脂の表面にはカバーガラスが配置されている、請求項２または３に記載の集光型太陽光発電装置。
前記カバーガラスには反射防止膜が設けられている、請求項４に記載の集光型太陽光発電装置。
前記太陽電池セルがIII−Ｖ族化合物半導体を含む、請求項１から５のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記太陽電池セルが複数のｐｎ接合を有する多接合型である、請求項１から６のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記レンズ支持枠は、前記光学系に接続された箇所から前記基板に接続された箇所に向かって前記レンズ支持枠が囲む面積が徐々に小さくなるように、前記光学系の光軸に対して傾斜して延びる、請求項１から７のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記レンズ支持枠は、少なくとも前記光学系に接続された側と前記基板に接続された側とで前記光学系の光軸に対する傾斜角が異なる、請求項８に記載の集光型太陽光発電装置。
前記レンズ支持枠は前記光学系から前記太陽電池セルに至る前記光学系の光軸を囲む、鏡面加工された内面を有する、請求項１から９のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記レンズ支持枠の外面には放熱フィンが設けられている、請求項１から１０のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記光学系はフレネルレンズで構成されている、請求項１から１１のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。
前記光学系は、樹脂により構成されている、請求項１から１２のいずれかに記載の集光型太陽光発電装置。