JP2012129402A - 集光型太陽光発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】複数のドーム型フレネルレンズを有する集光レンズユニットと、集光レンズごとに対応する底面上に太陽電池セルを配置する筺体とを備え、上記レンズユニットの周縁と筺体の側壁との接続部においてシーラントを剥離しにくく形成した集光型太陽光発電モジュールを提供する。
【解決手段】縦横に複数個ずつのドーム型フレネルレンズ２が連設された集光レンズユニット１と、該レンズユニット１の下方に配置され且つ複数の太陽電池セル１６が配設される底板６、および該底板６の周辺から立設し且つ上記レンズユニット１の周縁３，４よりも上方に立設する側壁７からなる筺体５と、を含み、上記集光レンズユニット１において最外側に位置する上記フレネルレンズ２の周縁３と上記筺体２の側壁７との間に断面が上向きに広がる鋭角の凹溝ｇ１を形成し、該凹溝ｇ１内に該凹溝ｇ１に沿ってシーラントｃを充填してなる、集光型太陽光発電モジュールＰ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、縦横に複数個ずつ配置されたドーム型フレネルレンズにより太陽光を集光し、該レンズごとの下方に位置する太陽電池セルにおいて発電する集光型太陽光発電モジュールに関する。

太陽光を集光する複数の集光レンズを併有する集光板と、該集光板の裏面側に配設された支持板と、該支持板上で且つ上記集光レンズにより集光された太陽光を受光する位置ごとに配置された複数の太陽電池セルとを備えた集光型太陽光発電装置（モジュール）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図１０は、前記集光型太陽光発電装置ｐを示す部分平面図であり、平面視で縦横に複数個ずつの集光レンズ２を有する集光板１と、該集光板１の裏面側に配設され、図示しない複数の太陽電池セルを底面上に配置した筺形状の支持板５とからなり、全体が平面視で矩形（正方形または長方形）を呈するほぼ直方体である。
図１０に示すように、集光板（集光レンズユニット）１は、ドーム（半球）形状を呈する複数の集光レンズ２を縦横に沿って複数個ずつ有し、これらの周縁には、最外側に位置する集光レンズ２のドームが緩く連なる複数のカーブ部分３と、隣接するカーブ部分３，３間に位置し、且つ各集光レンズ２の軸方向に対し直交する平面と平行な直線状の平坦部４と、が交互に位置している。尚、集光レンズ２ごとの裾部は、平面視で各コーナーにアールが付されたほぼ正方形を呈する。

前記集光板１を表側で支持するため、平面視が矩形である支持板５の各側壁７は、前記複数の集光レンズ２群の周縁を構成するカーブ部分３と平坦部４とに対応した側面視が波形状の上端面９を有し、係る上端面９の内側に隣接する側壁７の内側面の上端部で、集光板１のカーブ部分３および平坦部４と接合している。
例えば、集光レンズ２のカーブ部分３と接する位置では、図１０中のＳ−Ｓ線の矢視に沿った図１１の部分断面図で示すように、裏面の全体にドーム型フレネルレンズｒを有する集光レンズ２のカーブ部分３と、支持板５の側壁７の上端面９とに跨って、断面が鈍角の隙間にシリコンなとのシーラントｃが、ペースト状の状態で充填され、上記鈍角と相似形の断面で露出し且つ固化している。

一方、前記集光レンズ２，２間の平坦な周縁４と接する位置では、図１０中のＴ−Ｔ線の矢視に沿った図１２の部分断面図で示すように、平坦な周縁４と、これに連続する支持板５の側壁７の上端面９とに跨って、断面がほぼ半円形を呈するように、上記シーラントｃが盛り上げて充填され、露出し且つ固化している。
図１１，１２に示すように、集光板１の集光レンズ２の周縁３，４と支持板５の側壁７の上端面９との間において、シリコンなとのシーラント（コーキング）ｃが外部に大きく露出していると、集光型太陽光発電装置ｐの製作、搬送、および現場での設置の際に、不用意な擦れや衝突によりシーラントｃが部分的に剥離するおそれが大となる。係る剥離によって、集光板１と支持板５との間に位置する中空部に塵埃などが進入すると、集光レンズ２の集光性能や太陽電池セルの発電効率を低下させる事態を招く、という問題があった。

特開２００５−１４２３７３号公報（第１〜８頁、図１〜５）

本発明は、背景技術において説明した問題点を解決し、縦横に複数個ずつのドーム型フレネルレンズを有する集光レンズユニットと、集光レンズごとに対応する底面上に太陽電池セルを配置する筺体とを備え、上記レンズユニットの周縁と筺体の側壁との接続部においてシーラントを確実に剥離しにくく形成した集光型太陽光発電モジュールを提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、モジュールを構成する集光レンズユニットの最外側に位置するレンズごとの周縁と筺体の側壁との間に断面鋭角の凹溝を形成し、該凹溝内にシーラントを充填する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の集光型太陽光発電モジュール（請求項１）は、縦横に複数個ずつのドーム型フレネルレンズが連設された集光レンズユニットと、該レンズユニットの下方に配置され且つ複数の太陽電池セルが配設される底板、および該底板の周辺から立設し且つ上記レンズユニットの周縁よりも上方に立設する側壁からなる筺体と、を含み、上記集光レンズユニットにおいて最外側に位置する上記フレネルレンズの周縁と上記筺体の側壁との間に断面が上向きに広がる鋭角の凹溝を形成し、該凹溝内に該凹溝に沿ってシーラントを充填してなる、ことを特徴とする。

これによれば、前記集光レンズユニットにおいて最外側に位置するドーム型フレネルレンズごとの周縁と前記筺体の側壁との間に断面が上向きに広がる鋭角の凹溝を形成し、該凹溝内に該凹溝に沿ってシーラントが充填されているので、該シーラントは、集光型太陽光発電モジュールの製作、搬送、および現場での設置の際に、不用意な擦れや衝突によって確実に剥離しにくくなる。
その結果、前記集光レンズユニットと筺体との間に位置する中空部に塵埃などが進入し難くなるので、ドーム型フレネルレンズの集光性能や太陽電池セルの発電効率の低下を防ぎ、安定した発電が可能となる。

尚、本明細書において、前記集光レンズユニットは、複数のドーム型フレネルレンズの頂部側を便宜上で上方とし、且つ係るレンズごとの凹み側を下方と称しており、これらに合わせて、筺体において上記レンズユニットに対向し且つ複数の太陽電池セルが配置される平面を底板と称し、且つ該底板の周辺ごとから上記レンズユニット側に延びる（立設する）帯状の平面を側壁と称している。即ち、本発明の集光型太陽光発電モジュールは、設置される位置や太陽を追尾する時間ごとに姿勢が徐々に且つ刻々と変化するため、各部分の位置を相対的に規定している。
また、前記集光レンズユニットは、複数のドーム型フレネルレンズの頂部が平面視で格子模様の交点ごとに位置し、且つ上記フレネルレンズごとの裾部が平面視で正方形を呈するか、あるいは各コーナーにアールが付された正方形を呈する形態である。係るコーナーがアールの裾部を有する隣接する４つのフレネルレンズ間には、平面視でほぼ十字形の平坦部が、また、２つのフレネルレンズ間には、平面視でほぼ三角形の平坦部（直線状部）が形成されている。
更に、前記フレネルレンズの周縁は、個々のフレネルレンズの裾部の一部を指し、且つ筺体の側壁と平行な垂直断面において緩やかなカーブの端面を有する。
更に、前記筺体は、底板およびその周辺から立設する側壁とを備えておれば、特に材料は限定されないが、本太陽光発電パネルが屋外に設置されることに鑑み、耐食性および耐候性に優れたステンレス鋼、アルミニウム合金、あるいはチタン合金の板材を曲げ加工などしたものや、硬質の各種合成樹脂からなる射出成形品などが推奨される。
また、前記シーラント（ｓｅａｌａｎｔ）は、次述するシリコンなどからなるペースト状の有機系充填剤であり、コーキング材と通称されるものも含んでいる。

また、本発明には、前記シーラントは、シリコン、ポリウレタン、あるいはポリスルフィドからなるペースト状の有機系充填剤である、集光型太陽光発電モジュール（請求項２）も含まれる。
これによれば、前記集光レンズユニットにおける最外側のドーム型フレネルレンズごとの周縁と、筺体の側壁との間に形成された断面が鋭角の凹溝内にシリコンなどのシーラントが充填され且つ固化されているので、不用意に剥離し難くされている。そのため、上記レンズごとの周縁と筺体の側壁との間における気密性および水密性を確保できると共に、前記レンズユニットと筺体との間に位置する中空部に塵埃などが進入する事態を確実に抑制することが可能となる。
尚、前記筺体の側壁には、外部と連通し且つ防塵用および防虫用のネットを張設した通気孔が形成されていても良い。これにより、筺体の内部（中空部）と外気との水蒸気含有量を均衡させ、内部の結露を防止することができる。

更に、本発明には、前記凹溝を形成する鋭角は、該凹溝の幅方向において２０度〜６０度である、集光型太陽光発電モジュール（請求項３）も含まれる。
これによれば、上記凹溝内に充填されたシーラントが不用意に剥離する事態を未然に防止できるので、前記フレネルレンズごとの周縁と筺体の側壁との間における気密性および水密性を確保できる。
尚、望ましい上記鋭角の範囲は、２０〜５０度、より望ましい鋭角の範囲は、２０〜４０度である。

加えて、本発明には、前記筺体の側壁は、前記集光レンズユニットにおいて最外側に位置する複数の前記フレネルレンズの周縁ごとにおける最上部分よりも上方に位置する直線状の上辺を有している、集光型太陽光発電モジュール（請求項４）も含まれる。
これによれば、前記レンズユニットにおける最外のフレネルレンズごとの周縁と、筺体の側壁との間において、断面が鋭角の凹溝を容易に形成でき、且つシーラントの充填も均一にして行い易くなると共に、筺体の製作も容易となる。
尚、筺体の側壁における直線状の上辺は、前記集光レンズユニットにおいて最外側に位置する複数の前記ドーム型フレネルレンズの周縁ごとにおける最上部分よりも上方に位置していても、各フレネルレンズの軸方向が太陽に指向するように、地軸方向および経度方向に沿って太陽を追尾する追尾型の集光型太陽光発電装置に用いるのであれば、何ら支障とはならない。

本発明の集光型太陽光発電モジュールを複数個併用した集光型太陽光発電装置の正面図。 上記集光型太陽光発電装置の側面図。 本発明の集光型太陽光発電モジュールを示す平面図。 図３中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った垂直断面図。 図３中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った垂直断面図。 上記集光型太陽光発電モジュールの斜視図。 図６中のＵ−Ｕ線の矢視に沿った部分垂直断面図。 図６中のＶ−Ｖ線の矢視に沿った部分垂直断面図。 異なる形態の筺体の側壁を示す図５と同様な垂直断面図。 従来の集光型太陽光発電装置(モジュール)を示す部分平面図。 図１０中のＳ−Ｓ線の矢視に沿った部分垂直断面図。 図１０中のＴ−Ｔ線の矢視に沿った部分垂直断面図。

以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の集光型太陽光発電モジュールＰを複数個併用した集光型太陽光発電装置Ｓの正面図、図２は、該太陽光発電装置Ｓの側面図である。
上記集光型太陽光発電装置Ｓは、図１，図２に示すように、地表ＧＬに設けた基礎Ｂ上に立設した支柱２０と、該支柱２０の上端部付近で支持され、且つ地軸（Ｎ−Ｓ軸：南北方向）に沿った傾動および経度（東西）方向に旋回が可能な複数の集光型太陽光発電モジュールＰと、を備えている。

図１，図２に示すように、複数個の集光型太陽光発電モジュールＰは、筺体５側の裏面に固定したフレーム２９を介して、係る筺体５側の中央部に傾動筺２８を突設している。該傾動筺２８内にはウォームホイール２７が配置され、当該傾動筺２８は、支持筺２６を介して支柱２０の上端部に傾動可能に取り付けられている。
支柱２０の上端部に設けたモータＭを駆動し、そのトルクを減速機２４を介して支持筺２６に水平向きに内蔵されるウォーム（図示せず）に伝達し、該ウォームにより上記ウォームホイール２７を回転することで、傾動筺２８を介して複数個の集光型太陽光発電パネルＰを地軸方向に沿って、上記ホイール２７の軸心を中心として傾動可能としている。
尚、支柱２０の上部と支持筺２６との間には、図示しないモータ、減速機、ギア列を内蔵した駆動部２２が配置され、支持筺２６を介して複数個の集光型太陽光発電モジュールＰを経度方向に沿って、支柱２０の軸心を回転中心として旋回可能としている。

また、前記集光型太陽光発電装置Ｓは、図示しない太陽光センサおよび制御部を含む太陽光追尾装置を備えており、該太陽光センサからの信号に基づいて太陽の位置を算出し、複数個の前記集光型太陽光発電モジュールＰの表側に配置された集光レンズユニット１が太陽に常時指向し、且つ後述する太陽電池セルの表面が太陽光に対して常時直角となるように、傾動用の前記モータＭおよび旋回用のモータを制御部により制御されつつ駆動するようにしている。
尚、上記センサー式の追尾方式に替えて、予め太陽の位置を軌道計算式から算出して、上記集光レンズユニット１が太陽に常時指向する軌道計算方式を採用しても良い。
上記のいずれの方式にせよ、地球の自転に応じて日の出から日没までの間における太陽の動き（軌道）を追尾するための制御は、旋回用のモータによって専ら行われ、地球の公転に応じて太陽高度の変化に対応するための制御は、傾動用のモータＭによって専ら行われる。

図３は、前記発電装置Ｓに用いられた本発明による単一の集光型太陽光発電モジュールＰを示す平面図、図４は、図３中のＸ−Ｘ線の矢視に沿った垂直断面図、図５は、図３中のＹ−Ｙ線の矢視に沿った垂直断面図である。
集光型太陽光発電モジュールＰは、図３，図４に示すように、縦横で且つ格子状に５個ずつのドーム型フレネルレンズ２を連設した集光レンズユニット１と、該ユニット１における上記レンズ２ごとの凹み側である裏面側（下方）に配置され、平面視が正方形の底板６および該底板６の周辺（四辺）から立設した四組の側壁７からなる筺体５と、を備えている。

集光レンズユニット１は、例えば、光学的特性に優れたアクリル樹脂を射出成形することで形成され、図３，図４に示すように、縦横に５個ずつのドーム型フレネルレンズ２を格子状に連設し、個々の該レンズ２の裾部は、各コーナーにアールが付された正方形を呈する。これらのうち、最外側に位置するドーム型フレネルレンズ２ごとの周縁３は、図５に示すように、上向きに緩くカーブした端面（断面）であり、隣接する上記レンズ２，２間の周縁４は、平面視がほぼ三角形である平坦面の端面で且つ直線状を呈する。
尚、前記各フレネルレンズ２の裏面側には、同心円の位置にリング状の段差を複数設けたドーム型フレネルレンズ（ｒ）が刻設されている。また、隣接する４個の上記レンズ２，２間には、平面視でほぼ十字形の平坦面が位置している。

一方、筺体５は、例えば、アルミニウム合金の板材を曲げ加工し、且つ各コーナーを挟んで隣接する側壁７，７間を適宜ビスなどにより連結されている。
図４に示すように、筺体５の底板６上には、前記ドーム型フレネルレンズ２ごとの直下の位置に、図示しない座板、該座板の上面に形成した第１・第２リード電極１８、該電極１８の中央部に配置した位置状の太陽電池セル１６、該電池セル１６の上に立設した角錐形状のホモジナイザ１４、および該ホモジナイザ１４の上に配置され且つ中央に太陽光を通す円形あるいは四角形以上の多角形の貫通孔ｈを有する遮光板１２を備えた発電モジュールが配設されている。
上記ホモジナイザ１４は、４つの内面が光反射面である光学ガラス、あるいは金属筒体により構成されている。

また、前記太陽電池セル１６は、吸収波長帯が相違する複数種類のｐｎ接合、例えば、上部接合層、中間接合層、および底部接合層を順次積層した多接合型構造を有し、係る上部接合層、中間接合層、および底部接合層に個別に設けたｐｎ接合は、電気的に直列で接続され、中心波長が互いに異なる吸収波長帯を備えている。例えば、上部接合層が波長３００〜６００ｎｍの青色光を、中間接合層が波長６００〜１０００ｎｍの黄色光を、底部接合層が波長１０００〜１８００ｎｍの赤色光を、それぞれ吸収することで、太陽光の波長のうち、吸収波長帯を広域化して光−電気の高い変換効率を保証可能とされている。
図４中の矢印で示すように、ドーム型フレネルレンズ２ごとの上側（表側）に平行に到達した太陽光は、裏面側のフレネルレンズ（ｒ）によって、予め設定された焦点（例えば、遮光板１２の貫通孔ｈ付近）に集光され、ホモジナイザ１４の内部を反射しつつ透過した後、太陽光電池セル１６に入射する。その結果、太陽光（エネルギー）が効率良く電力に変換される。

図６は、前記集光型太陽光発電モジュールＰの斜視図、図７は、図６中のＵ−Ｕ線の矢視に沿った部分垂直断面図、図８は、図６中のＶ−Ｖ線の矢視に沿った部分垂直断面図である。
図４，６，７に示すように、筺体２の各側壁７において、側面視が直線状の上辺８は、ドーム型フレネルレンズ２ごとのカーブした周縁３よりも、上方（外側）に位置していると共に、図５，８に示すように、上記レンズ２，２間の平坦な周縁４よりも上方に位置している。
図３，４，６，７に示すように、平面視で集光レンズユニット１の最外側に位置するドーム型フレネルレンズ２ごとのカーブした周縁３と、筺体２の側壁７の内側面との間には、垂直断面が上向きに拡がる鋭角θの凹溝ｇ１が形成され、該凹溝ｇ１内には、シリコンなどのシーラントＣが断面ほぼ扇形にして充填されている。上記凹溝ｇ１の鋭角θは、２０〜６０度、望ましくは、２０〜５０度、より望ましくは、２０〜４０度である。尚、上記シーラントＣは、充填時にはペースト状であるが、その後時間を経るに従い固化している。

一方、図３，６，８に示すように、最外側に位置して隣接するドーム型フレネルレンズ２，２間ごとの平坦な周縁４と、筺体２の側壁７の内側面との間には、垂直断面が上向きの直角である凹溝ｇ２が形成され、該凹溝ｇ２内にも、前記同様のシーラントＣが断面ほぼ扇形で充填されている。尚、図７，８中のドーム型フレネルレンズ２の裏面における凹凸は、集光用のフレネルレンズｒである。
図５，６に示すように、上記シーラントＣは、集光レンズユニット１の最外側に位置するドーム型フレネルレンズ２などの周縁３，４と筺体２の側壁７の内側面との間において、側面視で交互に位置する凹溝ｇ１，ｇ２内に倣って、カーブ部分と直線部分とを交互に形成して充填されている。

その結果、集光レンズユニット１の周縁３，４と筺体２の側壁７の内側面との間は、垂直断面が鋭角θの凹溝ｇ１および直角の凹溝ｇ２が形成され、係る凹溝ｇ１，ｇ２に沿って前記シーラントＣが連続して充填され・固化されている。当該シーラントＣは、本集光型太陽光発電モジュールＰの製作、搬送、および現場での設置の際に、不用意な擦れや衝突によって確実に剥離しにくくなっている。
従って、前記集光レンズユニット１と筺体５との間に位置する中空部１０に塵埃などが進入し難くなるので、フレネルレンズ２ごとの集光性能や太陽電池セル１６の発電効率の低下を防ぎ、安定した発電を保証することが可能となる。

本発明は、前述した形態に限定されるものではない。
例えば、図９に示すように、筺体５の各側壁７の上辺（上端面）９は、前記フレネルレンズ２などの周縁３，４と筺体２の側壁７の内側面との間に位置する凹溝ｇ１，ｇ２内にカーブ部分と直線部分とを交互に形成して充填されたシーラントＣが形成可能となるように、各周縁３，４よりもシーラントＣの厚み相当分だけ上方となるように、側面視で波形を呈する形態としても良い。
また、前記集光レンズユニット１は、最外側のフレネルレンズ２，２間に前記平坦な周縁４を設けず、カーブした周縁３，３が連続して形成された形態としても良く、係る形態では、周縁３と筺体５の側壁７との間には、断面が鋭角θの凹溝ｇ１のみが形成され、該凹溝ｇ１内に前記同様のシーラントＣが充填される。

更に、前記集光レンズユニットは、複数のドーム型フレネルレンズの頂部が平面視で市松模様の位置に配設され、各レンズの裾部が平面視でほぼ正八角形または変形正八角形を呈する形態であっても良い。
また、前記集光レンズユニット１を筺体５の中空部１０における上方側の位置において前記シーラントＣを充填しつつ固定するため、筺体５の中空部１０内に、対向する側壁７，７の内側面間に棒状の桁材を格子形状に配設したり、あるいは筺体５の底面６から四個のフレネルレンズ２が隣接する平面視がほぼ十字形などの平坦部に向かって、複数の柱材を垂設しても良い。
更に、集光レンズユニットは、縦横で且つ千鳥状に複数個ずつのドーム型フレネルレンズを連設した形態としても良い。
加えて、前記集光レンズユニットや筺体は、平面視で長方形を呈する形態や、正六角形その他の任意な形状とした形態でも良い。

本発明の集光型太陽光発電モジュールによれば、集光レンズユニットの周縁と筺体の側壁との間に断面が上向きに広がる鋭角の凹溝が形成され、該凹溝内に該凹溝に沿ってシーラントが充填されるので、該シーラントは、集光型太陽光発電モジュールの製作、搬送、および現場での設置の際に、不用意な擦れや衝突によって確実に剥離しにくくなる。従って、集光レンズユニットと筺体との間に位置する中空部に塵埃などが進入し難くなるので、フレネルレンズの集光性能や太陽電池セルの発電効率の低下を防ぎ、安定した発電が可能となる。

１………集光レンズユニット
２………ドーム型フレネルレンズ
３………上記レンズの周縁
４………上記レンズ同士間の周縁
５………筺体
６………底板
７………側壁
８，９…上辺
１６……太陽電池セル
Ｐ………集光型太陽光発電モジュール
ｇ１……凹溝
θ………鋭角
Ｃ………シーラント

Claims (4)

1. 縦横に複数個ずつのドーム型フレネルレンズが連設された集光レンズユニットと、
   上記レンズユニットの下方に配置され且つ複数の太陽電池セルが配設される底板、および該底板の周辺から立設し且つ上記レンズユニットの周縁よりも上方に立設する側壁からなる筺体と、を含み、
   上記集光レンズユニットにおいて最外側に位置する上記フレネルレンズの周縁と上記筺体の側壁との間に断面が上向きに広がる鋭角の凹溝を形成し、
   上記凹溝内に該凹溝に沿ってシーラントを充填してなる、
   ことを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記シーラントは、シリコン、ポリウレタン、あるいはポリスルフィドからなるペースト状の有機系充填剤である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽光発電モジュール。
3. 前記凹溝を形成する鋭角は、該凹溝の幅方向において２０度〜６０度である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記筺体の側壁は、前記集光レンズユニットにおいて最外側に位置する複数の前記フレネルレンズの周縁ごとにおける最上部分よりも上方に位置する直線状の上辺を有している、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の集光型太陽光発電モジュール。

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