JP2012186266A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換素子２の温度上昇を抑制し、光学変換素子２の変換効率を向上させる。
【解決手段】本発明の光電変換装置１０は、基板１の上面に取り付けられた光電変換素子２と、両端に開口を有した筒形状であり、一方の端部を光学変換素子２に近接させて配置された、内周面で反射させた光を光学変換素子２に集光させる集光部材３とを備え、集光部材３の一方の端部に、集光部材３の内外で冷却流体を流通させるための切欠き４を設けたものである。切欠き４を設けることで、光電変換素子２周囲に対流を生じさせ、光電変換素子２の温度上昇を抑制し、光電変換効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電変換素子の温度上昇を抑制した、光電変換性能に優れる光電変換装置に関するものである。

光電変換装置として、光電変換素子（以下、単にセルともいう）を敷き詰めたパネルに太陽光を直接受光する形態が主流となっている。しかしながら、この形態による光電変換装置の発電コストは、原子力発電等の既存の電力発電システムによるものより高い。そこで、様々なコストダウンの方法が検討されている。

集光型太陽電池は集光した太陽光を光電変換するもので、セルの面積を小さくして光電変換装置をコストダウンする技法である。集光方法としては反射ミラーや、フレネルレンズを用いた方法がある。集光率を上げるため、セル近傍にテーパー状のガラスロッドや筒型反射鏡を用い、５００倍以上の集光を得ることができている。

図７は特許文献１に示された集光型太陽光発電装置であり、筒型反射鏡１０３が用いられている。太陽光は一次光学系としてのフレネルレンズ１０６によって集光され、セル１０２の受光面に焦点を結ぶ。筒型反射鏡１０３は、二次光学系として機能し、セル１０２の受光面に焦点を結ばなかった太陽光の一部を筒型反射鏡１０３の内壁面で反射させ、セル１０２に集光させるものである。また、セル１０２の受光面を外れた太陽光が実装基板１０１上に照射されるのを筒型反射鏡１０３で遮ることにより、実装基板１０１の温度上昇を抑える。このようにして筒型反射鏡１０３は、発電装置の変換効率の向上を図っている。

特開２００３−１７４１８３号公報

しかしながら、集光した太陽光がセルに直接照射されるため、セル１０２の温度が上昇してしまう。セル１０２は、高熱伝導の基板に実装されており、実装基板１０１を介してセル１０２の下面から放熱するように実装されている。しかし、セル１０２の上面は熱伝導の悪い空気に接触している。このため、セル１０２の上面側は熱が滞留して放熱し難く、セルの上面側の外周温度が上昇し、十分な放熱を妨げるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑み、セル上面の放熱を改善し、セルの温度上昇による光電変換効率の劣化を抑えるものである。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、基板と、この基板の上面に取り付けられた光電変換素子と、両端に開口を有した筒形状であり、一方の端部を前記光電変換素子に近接させて配置された、内周面で反射させた光を前記光電変換素子に集光させる集光部材とを備えており、この集光部材の前記端部の一部に、前記集光部材の内外で冷却流体を流通させるための切欠きを設けたことを特徴としている。

好ましくは、前記集光部材の前記一方の端部と前記光電変換素子との間隔を０．０５ｍ
ｍ以上０．２５ｍｍ以下にするとよい。

さらに、好ましくは、前記集光部材の外周面に、前記集光部材の軸と交わる方向に張り出すように配された、前記冷却流体の前記外周面に沿った上下方向の流通を抑制する抑制板を設けるとよい。

また、好ましくは、前記集光部材は円筒形状とされている。

本発明の一実施形態に係る光電変換装置は、集光部材の端部の一部に、集光部材の内外で冷却流体を流通させるための切欠きを設けたことから、切欠きを通じて光電変換素子の周辺に冷却流体を流入させ、高温になり軽くなった光電変換素子周辺の流体を集光部材の上部へ対流させることができる。これによって、光電変換素子の温度上昇を抑制することができる。

さらに、集光部材の一方の端部と、光電変換素子との間隔を０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下にすることで、切欠き部から光電変換素子の周囲に冷却流体を流入させ、集光部材の内側に好適な対流を起こさせることができる。

さらに、集光部材の外周面に集光部材の軸と交わる方向に張り出すように配された抑制板を設けることで、集光部材の一方の端部に流通される冷却流体と、集光部材の内側で熱せられ他方端開口から放出された流体とが容易に混じるのを抑制することができる。

また、集光部材が円筒形状とされることで、集光部材の内側に生じる対流をスムースに流通させ、光電変換素子の温度上昇を抑えることができる。

本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す模式的側面図である。 本発明の光電変換装置の実施の形態の他の例を示す模式的側面図である。 本発明の光電変換装置の実施の形態のさらに他の例を示す模式的斜視図である。 図３の光電変換装置の実施の形態の他の例を示す模式的側面図である。 図３に示す光電変換装置が用いられる集光型太陽光発電装置の実施形態の一例を示す側断面図である。 図４に示す光電変換装置が用いられる集光型太陽光発電装置の実施形態の一例を示す側断面図である。 従来の光電変換装置の例を示す側断面図である。

以下、本発明のいくつかの実施形態の例について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態の各例を示す図において、同じ部位には同じ符号を付して示す。

図１に、本発明の光電変換装置の実施形態の一例を示す。本実施形態において、光電変換装置は、基板１と光電変換素子２と集光部材３とを備えている。基板１は光電変換素子２が実装されるもので、光電変換素子２は基板１の上面中央部に取り付けられている。光電変換素子２の上方近傍には、両端に開口を有し、一端（図１においては下端）から他端（図１においては上端）に向けて拡がる筒形状を有した集光部材３が配されている。集光部材３の内周面は光を反射する反射面とされており、上端開口から入射した光の一部を内周面で反射させて下端開口から光電変換素子２の受光面に向けて光を出射する。図１には図示していないが、集光部材３は、基板１あるいは基板１が固定され、基板１の熱を逃が
す放熱板１１に取り付けられた支持体を介して保持される。

そして、集光部材３の光電変換素子２に近接する下端の一部に、集光部材３の外側と内側との間で冷却流体を流通させる切欠き４が設けられている。切欠き４から集光部材３内側に冷却流体を流入させるために、集光部材３の切欠き４を除いた下端と光電変換素子２との間隔は、０．０５ｍｍ以上、０．２５ｍｍ以下にしておくのが好ましい。

光電変換素子２はシリコン半導体、あるいはIII−Ｖ族化合物半導体から成り、太陽光
を受光することで端子間に起電力を発生する半導体素子である。光電変換素子２の上下面には電極が配置される。下面の電極は下面全面に施される場合があるが、上面の電極は、太陽光を遮ることのないよう細いワイヤ線等で形成される。

光電変換素子２が実装される基板１は、セラミックス等の絶縁体からなり、光電変換素子２の実装面には、メッキ等で電極が形成されている。光電変換素子２と基板１の電極とは例えば半田や導電性ペーストを用いて接続され、光電変換素子２の下面と基板１の電極とが導通される。また光電変換素子２の上面は、ワイヤボンド等で、基板１の上面に設けられた電極に導通される。

集光部材３は、一次光学系としてのフレネルレンズ１６等で数百倍に集光された光の内、光電変換素子２の受光面から少し逸れた光を、光電変換素子２に入射させるための部品である。上端の開口は、下端の開口より広くなっており、上端の開口から入射した太陽光の一部が集光部材３の内周面を反射して光学変換素子２に入射する。太陽光の入射方向と光電変換素子２の入射面との相対位置が多少ずれても、集光部材３の内周面で反射させることで、光電変換素子２に入射できる仕組みとされている。なお、集光部材２は、アルミニウム等の金属を用い、内周面にはＮｉメッキ等を施して光の反射率を向上させたもの等が望ましい。

集光部材３と光電変換素子２との間の隙間は、限りなく小さい方が望ましい。隙間があると、そこから反射光が集光部材３の外側に洩れ出る可能性があるためである。しかしながら、光電変換素子２の上面には、先に説明したとおり、電極が設けられており、電極からワイヤボンド等を介して基板１上の電極と接続する必要があるため、ワイヤボンド等を通すための５０μｍから２５０μｍの隙間が設けられる。

さらに、集光型太陽光発電装置２０の筐体を密閉しない場合は、図２に示すように、光電変換素子２を保護するために、例えば透光性樹脂９によって光電変換素子２を覆い、上部にカバーガラス８等で蓋をするような構造を取る場合がある。カバーガラス８等で光電変換素子２が封じられる場合は、集光部材３との間の隙間を最小限とするのがよく、また、カバーガラス８と集光部材３とが接触していてもよい。

図３は、集光部材３の外周面に抑制板５が設けられた例を示す斜視図である。抑制板５は、集光部材３の上下方向の軸と交わる方向、例えば図３のように軸に垂直な方向や、図４に示すような集光部材３の上端に連続的に接続される方向に、集光部材３の外周面から張り出すように設けられ、集光部材３の外周面に沿って流れる冷却流体の流通を抑制する機能を有する。抑制板５は、集光部材３の上下方向のどの位置に設けても良いのであるが、通常、図３，図４のように集光部材３の上端に設けられる。

抑制板５としては、図３に示す平板の他に、図４に示す曲面状に上端に向けて次第に内側開口が大きくなる形状に設けてもよい。図３に示すような平板状の抑制板５を用いると、集光部材３の上端から上昇した温度の高い流体が、対流によって、集光部材３の近辺に降下することを防ぐことができ、集光部材３の周囲温度を低く保つことができる。図４に
示すような抑制板５の形状にすると、集光部材３から上昇した温度の高い空気の滞留を防ぎ、逆流しないように対流させることができ、集光部材３の外部へ温度の高い空気を排気することができる。

図５（ａ），図５（ｂ）は、図３に示す光電変換装置を用いた集光型太陽光発電装置２０の実施の形態の一例を示す側断面図である。集光型太陽光発電装置２０は、例えば、光電変換素子１０の基板１が放熱板１１の上面に配列させて実装され、これら複数の光電変換素子１０の周囲を取り囲むように筐体１３が設置される。そして、筐体１３の上面には各光電変換素子１０に焦点を結ぶように複数のフレネルレンズ１６が形成された蓋体１７が取り付けられる。光電変換素子１０が取り付けられた放熱板１１の下面には、ヒートシンク１２が取り付けられる場合がある。これによって、光電変換素子１０の冷却をより効果的に行なうことができる。

図５（ａ）の集光型太陽光発電装置２０は、開放型の例を示し、筐体１３には送風口１４および排気口１５の少なくとも二つの開口が設けられている。そして、送風口１４から冷却流体をポンプ等を介して流入させ、排気口１５から内部で熱せられた流体を集光型太陽光発電装置２０の外側へ排気することができるようにされている。また、隣接する集光部材３の抑制板５は互いに連結され、抑制板５の間を抜けて冷却流体が排気口１５へ向かわないようにしてある。

本実施形態に係る光電変換装置１０は、集光部材３に切欠き４が設けられており、集光部材３の周囲の冷却流体の圧力を集光部材３の内側より高くすることによって、冷却流体を切欠き４から集光部材３の内側に流入させることができる。冷却流体には、例えば、空気が用いられるが、水等の液体を用いた液冷式とすることもできる。そして、集光部材３の内側に流入した冷却流体は光電変換素子２を冷却しながら熱せられて、集光部材３の内側を上昇し、排気口１５から排出される。

図５（ｂ）の集光型太陽光発電装置２０は、密閉型の例を示すもので、この場合、図５（ａ）に示される筐体１３に冷却流体を流通させる開口は設けられない。代わって、隣接する光電変換装置１０の集光部材３から張り出すように設けられた抑制板５の間には、隙間が設けられている。

熱せられた光電変換素子２の周囲の冷却流体は、膨張して軽くなり、集光部材３の内側を上昇しようとする。この際、集光部材３の下端に切欠き４が設けられているので、集光部材３の外側の冷却流体が集光部材３の内側へ取り込まれ、光電変換素子２の上方に自然対流が生じる。これによって、光電変換素子２が冷却される。熱せられて集光部材３の上端から出た流体は、筐体１３内で冷却され、隣接する抑制板５の間の隙間を通って、再び集光部材３の外側へ循環されるようになっている。

図６（ａ），図６（ｂ）は、図４に示す光電変換装置１０を用いた集光型太陽光発電装置２０の実施の形態の例を示す。図６（ａ）は、開放型の場合を示し、抑制板５の形状が異なる他は、図５（ａ）と同様の構成を有している。図６（ｂ）は、密閉型の場合を示し、抑制板５の形状が異なる他は、図５（ｂ）と同様の構成を有している。

集光部材３の端部と光学変換素子２との間の隙間は、小さい方が好ましい。また、光学変換素子２の受光面の周囲と集光部材３の端部との間の距離は小さいほうが好ましい。しかしながら、そうすると、流体が循環するような隙間が少なくなり、光学変換素子２の周囲に熱が滞留してしまう。光電変換素子２は、温度が高くなる程、変換効率が下がるため、集光の効率を上げたとしても、全体の効率を下げてしまう場合があった。また、流体を循環させるために集光部材３の端部と光学変換素子２との間に例えば０．５ｍｍ程度の隙
間をあけると、集光効率の悪化を招く。

本発明の一実施形態に係る上記光電変換装置１０によれば、集光部材３の一端部に切欠き４を設けることで、集光効率の悪化を抑えつつ、光電変換素子２上部に滞留してしまう熱を、効率よく移動させ、光電変換素子２の温度上昇を抑えることができる。切欠き４の形状としては、空気抵抗を小さくし、かつ集光部材３の光学的な欠落を極力少なくするため半径０．２５ｍｍ以上の円形がよいが、集光部材３の切欠き４の加工を考慮すると、円形に代えて、円の下半分は、横０．５ｍｍ×高さ０．２５ｍｍ以上の長方形にしたほうが望ましい。

光電変換素子２は平面視において多角形状または円形状の２ｍｍ乃至１０ｍｍ程度の大きさのものであり、多くは一辺が１０ｍｍ程度の略正方形状のものが用いられる。一辺１０ｍｍ程度の四角形であれば、集光部材３の下端は、一辺１０ｍｍ程度の相似な四角形とし、切欠き４部は１つもしくは２つ程度で良い。なお、２つ以上とする場合は切欠き４から流入した流体がぶつかって乱流を生じないようにするのが望ましい。例えば、集光部材４の外周面に対し、切欠き４の深さ方向が垂直の場合、集光部材３の壁面の互いに対面するような位置に配置しない方が良い。

切欠き４の配置を調整し、集光部材３の切欠き４の肉厚を厚くし、切欠き４の深さ方向を集光部材３の表面の垂直軸より傾斜させることで、集光部材３の内側面を流体が回転するように流れるようにすると、流体による排熱効率は向上するのでよい。さらに、集光部材３を上端に向けて拡がる円錐形状の円筒にすれば、集光部材３の内側面をらせん状に上昇する層流が発生し、光電変換素子２から効率よく排熱できるので好ましい。

また集光部材３の周囲に遮蔽板５を配置すると、遮蔽板５の上部の流体と、下部の流体とを分けることができ、下部の流体と上部の流体との間に温度差を生じさせ、集光部材３の切欠き４部を介して、さらに効率よく熱交換できるようになる。

なお、本発明は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更や実施の形態の組合せを行なうことは何等差し支えない。

１：基板
２：光電変換素子
３：集光部材
４：切欠き
５：遮蔽板
８：ガラスカバー
９：透光性樹脂
１０：光電変換素子
１１：放熱板
１２：ヒートシンク
１３：筐体
１４：送風口
１５：排気口
１６：フレネルレンズ
１７：蓋体
２０：集光型太陽光発電装置

Claims (4)

1. 基板と、該基板の上面に取り付けられた光電変換素子と、両端に開口を有した筒形状であり、一方の端部を前記光電変換素子に近接させて配置された、内周面で反射させた光を前記光電変換素子に集光させる集光部材とを備えており、該集光部材の前記一方の端部の一部に、前記集光部材の内外で冷却流体を流通させるための切欠きを設けたことを特徴とする光電変換装置。
2. 前記集光部材の前記一方の端部と前記光電変換素子との間隔を０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下にしたことを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
3. 前記集光部材の外周面に、前記集光部材の軸と交わる方向に張り出すように配された、前記冷却流体の前記外周面に沿った上下方向の流通を抑制する抑制板を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。
4. 前記集光部材は、円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光電変換装置。
   
   

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