JP2013135021A - 集光型太陽光発電モジュール及び集光型太陽光発電パネル - Google Patents

Abstract

【課題】好適な寸法の発電素子を搭載した集光型太陽光発電の装置を提供する。
【解決手段】本発明の集光型太陽光発電モジュールは、器状の筐体と、筐体に取り付けられ、太陽光を集光するフレネルレンズ１３ｆが複数個並んで形成された集光部１３と、筐体の底面に設けられ、フレネルレンズ１３ｆの各々と対応する位置に発電素子１２１を搭載したプリント配線板とを備えている。そして、発電素子１２１についての有効受光寸法ａは、フレネルレンズ１３ｆによって集光させた光スポットＳがモジュール全体での集光位置の最大ずれ量ｘを伴う場合でも当該光スポットＳを取り込み可能な寸法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽光を発電素子に集光して発電する集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrated Photovoltaic）に関する。

集光型太陽光発電（ＣＰＶ）では、発電効率の高い小型の化合物半導体素子を発電素子（セル）として、これに、フレネルレンズ等の集光部で集光させた太陽光を入射させる構成を基本としている（例えば、特許文献１参照。）。このような基本構成を多数備える集光型太陽光発電パネルを、常に太陽に向けるように追尾動作させることにより、所望の発電電力を得ることができる。

米国特許第５，４６０，６５９号

上記のような集光型太陽光発電の装置によれば、集光することによって、光エネルギー密度を高め、発電素子を小さくすることができる。この発電素子は、高価であるため、装置全体として実用的な製品価格を実現するには、できるだけ小さくすることが望ましい。一方、集光とは言っても、発電素子が焦点位置でピンポイントに光を受けるのではなく、ある程度の光スポットの拡がり（幅又は径）を有する光束が、発電素子に入射する構成となる。従って、この光スポットより大きい寸法の発電素子が必要である。しかし、ここで、発電素子が光スポットよりもどの程度大きければ、発電能力と、低コストとを巧妙に実現できるか、言い換えれば、光スポットの寸法と、発電素子の寸法との好適な関係については、まだ明確な提案がなされていない。

かかる課題に鑑み、本発明は、好適な寸法の発電素子を搭載した集光型太陽光発電の装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、底面を有する器状の筐体と、前記筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部と、前記底面に設けられ、前記レンズ要素の各々と対応する位置に発電素子を搭載したプリント配線板と、を備えた集光型太陽光発電モジュールであって、前記発電素子についての有効受光寸法は、前記レンズ要素によって集光させた光スポットがモジュール全体での集光位置の最大ずれ量を伴う場合でも当該光スポットを取り込み可能な寸法であることを特徴とするものである。

上記のように構成された集光型太陽光発電モジュールでは、本来は、レンズ要素の光軸上に発電素子の中心が存在するべきであるが、実際には僅かなずれが生じる。しかし、発電素子についての有効受光寸法は、レンズ要素によって集光させた光スポットがモジュール全体での集光位置の最大ずれ量を伴う場合でも当該光スポットを取り込み可能な寸法であることによって、光スポットの位置ずれが生じても、集光した太陽光を全て発電素子に導くことができる。

（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールは導光部を備えていてもよい。導光部は、レンズ要素から発電素子に至る光路上に設けられ、レンズ要素によって集光させた太陽光を、入口から取り込んで出口へ導く。発電素子は当該出口に面し、当該出口より広い当該入口の寸法が、有効受光寸法となる。
この場合、導光部の入口を有効受光寸法とすることができるので、発電素子を、より小さく、低コストにすることができる。

（３）また、上記（２）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、導光部は、内壁を反射面として光の入口が光の出口より拡がっている形状の枠体であってもよい。
この場合、集光部と導光部との間で光軸の多少のずれがあっても、導光部の内壁の反射によって、反射光を出口へ、すなわち発電素子へ、導くことができる。

（４）また、上記（２）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、導光部の入口の形状は、レンズ要素の輪郭形状と相似であることが好ましい。
この場合、集光部の有効集光領域を通過した光を全て、導光部へ受け入れることが容易である。

（５）一方、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１）〜（４）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成るものである。
この場合、発電パネルとして所望の出力（定格出力）を確保することができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュール及び集光型太陽光発電パネルによれば、好適な寸法の発電素子を搭載した構成とすることができる。

本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。 第１実施形態に係る集光型太陽光発電モジュールを拡大して示す斜視図（一部破断）である。 （ａ）は、第１実施形態のモジュールにおける、フレネルレンズと発電素子との光学的な位置関係の一例を示す図であり、また、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。 集光部と平行に、距離Ｌを隔てた位置に感熱板を置いた状態を示す斜視図である。 第２実施形態に係る集光型太陽光発電モジュールを拡大して示す斜視図（一部破断）である。 図５におけるVI部の拡大図である。 集光部の１レンズ要素であるフレネルレンズと、導光部との相似関係を示す図である。 導光部と発電素子とを一体にパッケージ化したレシーバの一例を示す斜視図である。 図８におけるIX-IX線断面図である。 （ａ）は、第２実施形態に係るモジュールにおける、フレネルレンズと、導光部と、発電素子との光学的な位置関係の一例を示す図であり、また、（ｂ）は、集光位置すなわち光スポットの位置が、本来あるべき位置より右へずれた状態を表す図である。 図１０の（ａ）におけるXI−XI矢視図である。

《集光型太陽光発電装置・集光型太陽光発電パネル》
図１は、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。図において、集光型太陽光発電装置１００は、集光型太陽光発電パネル１と、これを背面中央で支持する支柱２と、支柱２を取り付ける架台３とを備えている。集光型太陽光発電パネル１は、例えば、支柱２との接続用の中央部を除く、６２個（縦７×横９−１）の集光型太陽光発電モジュール１Ｍを縦横に集合させて成る。１個の集光型太陽光発電モジュール１Ｍの定格出力は例えば約１２０Ｗであり、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約７．５ｋＷの定格出力となる。架台３は、図示しない回転機構により支柱２を軸として回転することができ、集光型太陽光発電パネル１を常に太陽の方向へ向けるように追尾させることができる。

《集光型太陽光発電モジュール：第１実施形態》
図２は、第１実施形態に係る集光型太陽光発電モジュール（以下、単にモジュールとも言う。）１Ｍを拡大して示す斜視図（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに設けられたプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた集光部１３とを備えている。筐体１１は、例えば金属製であり、アルミニウムが好適である。金属製であることによって、筐体１１は良好な熱伝導性を有する。従って、プリント配線板１２から筐体１１への放熱性が特に良い。

集光部１３は、フレネルレンズアレイであり、太陽光を集光するレンズ要素としてのフレネルレンズ１３ｆがマトリックス状に複数個（例えば縦１６×横１２で、１９２個）並んで形成されている。各フレネルレンズ１３ｆは、正方形の有効集光領域を成している。このような集光部１３は、例えば、ガラス板を基材として、その裏面（内側）にシリコーン樹脂膜を形成したものとすることができる。フレネルレンズは、この樹脂膜に形成される。筐体１１の外面には、モジュール１Ｍの出力を取り出すためのコネクタ１４が設けられている。

プリント配線板１２には、例えばガラスエポキシ樹脂製の基板１２ｓ上に、複数個（ここでは例えば８個）の発電素子（太陽電池）１２１が搭載されている。図示の例では、合計２４枚のプリント配線板１２が縦横に並べられ、発電素子１２１は合計１９２個である。すなわち、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆと同数であり、また、発電素子１２１はフレネルレンズ１３ｆと対応して、その光軸上に設けられている。

プリント配線板１２同士は、図示しない被覆電線で接続されている。発電素子１２１は、基板１２ｓに形成された導電体のパターン（図示せず。）で互いに直列に接続され、その直列体群がさらに互いに直列又は並列に接続されることにより、モジュール１Ｍ全体で、所要の電圧・電力を発電することができるようになっている。

図３の（ａ）は、第１実施形態のモジュール１Ｍにおける、フレネルレンズ１３ｆと発電素子１２１との光学的な位置関係の一例を示す図である。また、（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図が、（ｂ）である。
図において、フレネルレンズ１３ｆの光軸Ａに対して垂直に入射する太陽光は、集光し、発電素子１２１上に、光スポットＳを形成する。光スポットＳは、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域を縮小した正方形で、その中心は、発電素子１２１の中心と一致するように、位置関係が設定されている。発電素子１２１は、その辺の長さａが例えば３．２ｍｍの正方形であり、光スポットＳの幅をｄとすると、発電素子１２１上の、上下左右には、ｘ＝（ａ−ｄ）／２の残り寸法がある。この残り寸法ｘの定め方について説明する。

ここで、図２における集光部１３（フレネルレンズ１３ｆ）と発電素子１２１との間の距離をＬとする。図４は、集光部１３と平行に、距離Ｌを隔てた位置に感熱板５０を置いた状態を示す斜視図である。感熱板５０は、例えばアルミ板の表面に感熱テープや感熱塗料を付着させることにより、容易に形成することができる。そして、集光部１３に対して垂直に太陽光を当てると、太陽光は１９２個のフレネルレンズ１３ｆにより集光し、感熱板５０上には１９２個の光スポットＳに相当する変色部若しくは熱損傷部ができる。

感熱板５０上の光スポットＳの中心位置は、理想的にはフレネルレンズ１３ｆの光軸と一致するはずである。しかし、実際には僅かな製造誤差等により、光スポットＳは、その中心が僅かにずれる場合がある。但し、感熱板５０上の任意の光スポットについて、その絶対的な理想位置は断定しにくい。そこで、相対的な距離から位置ずれの量を測定する。具体的には、全ての光スポットについて、その上下左右斜めに隣接する光スポットとの間の距離を測定する。

互いに隣接するフレネルレンズ１３ｆ間のピッチは例えば５０ｍｍであり、上下左右についての測定値は、概ね５０．００ｍｍを中心として、ばらつきを生じる。そこで、測定値のうち、（最大値−最小値）／２を、上下左右への位置ずれの最大値とする。また、斜めについての測定値は、概ね５０×２^１／２ｍｍである７０．７１ｍｍを中心として、ばらつきを生じる。そこで、測定値のうち、（最大値−最小値）／２を、斜め方向への位置ずれの最大値とする。このような測定の結果、位置ずれした光スポットの中心は、理想位置を中心とした半径０．５ｍｍの円内に収まることが判明した。

従って、図３の（ｂ）における残り寸法ｘを、０．５ｍｍとすることにより、光スポットの微小な位置ずれが生じても、全ての光スポットが、発電素子１２１の寸法内に収まり、かつ、その場合の発電素子１２１の寸法は実質的に最小であると言える。言い換えれば、発電素子１２１についての有効受光寸法（＝ａ）は、フレネルレンズ１３ｆによって集光させた光スポットがモジュール１Ｍ全体での集光位置の最大ずれ量（＝±０．５ｍｍ）を伴う場合でも、その光スポットを取り込み可能な寸法である。従って、光スポットの位置ずれが生じても、集光した太陽光を全て発電素子１２１に導くことができる。

《集光型太陽光発電モジュール：第２実施形態》
図５は、第２実施形態に係るモジュール１Ｍを拡大して示す斜視図（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２Ｆと、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた集光部１３とを備えている。筐体１１及び集光部１３については、第１実施形態のモジュール１Ｍと同様である。また、筐体１１の外面に設けられるコネクタ１４についても、第１実施形態のモジュール１Ｍと同様である。

図６は、図５におけるVI部の拡大図である。なお、このVI部以外も同様である。
図６において、フレキシブルプリント配線板１２Ｆは、リボン状のフレキシブル基板１２０、その上に設けられた発電素子（太陽電池）１２１と、この発電素子１２１に載せるように設けられた導光部１２２とを備えている。発電素子１２１及び導光部１２２のセットは、集光部１３の各フレネルレンズ１３ｆに対応した位置に、同一の個数だけ設けられている。導光部１２２は、各フレネルレンズ１３ｆから入射された太陽光を発電素子１２１上に集める。

モジュール１Ｍ全体の多数の発電素子１２１は、例えば、そのうちの所定数がフレキシブル基板１２０に形成された導電体のパターン（図示せず。）で互いに直列に接続され、その直列体群がさらに互いに並列に接続されることにより、モジュール１Ｍ全体で、所要の電圧・電力を発電することができるようになっている。

フレキシブル基板１２０は、例えば、耐熱性に優れたポリイミド製の絶縁基材と、銅箔からなる導電性のパターンとによって構成されている。絶縁基材によって、パターンは、筐体１１から絶縁されている。柔軟性に富むフレキシブル基板１２０を用いることで、フレキシブルプリント配線板１２Ｆを、モジュール１Ｍの底面１１ａ全体に自在に張り巡らすことができ、安価・至便で好適である。

図７は、集光部１３の１レンズ要素であるフレネルレンズ１３ｆと、導光部１２２との相似関係を示す図である。すなわち、フレネルレンズ１３ｆを平面視した輪郭形状は正方形であり、導光部１２２も、平面視した形状は相似な正方形である。これにより、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域を通過した光を全て導光部１２２によって受け入れることが容易である。なお、図示している二点鎖線は、相似を示すための線であり、実際にフレネルレンズ１３ｆで集光させた光は、導光部１２２の中心付近に到達する。但し、到達する光は、発電素子上に焦点を形成しない（詳細後述）。

導光部１２２は、その内壁１２２ａが光の進行方向に下り傾斜した漏斗状の形状の枠体であり、フレネルレンズ１３ｆから来る光の入口が、出口より拡がっている。このような形状によれば、傾斜の角度を適切に選択することによって、内壁１２２ａに当たった光を確実に出口へ導くことができる。

内壁１２２ａは、光の反射面であり、４つの下り傾斜面（四角錐面の転写形状）からなる。なお、導光部１２２の外形状はフレネルレンズ１３ｆと対応した相似形としてこのような形態となっているが、例えば、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域が円形（四隅無し）であれば、導光部１２２の輪郭形状は円形でよいし、内壁は、円錐面を転写した漏斗状の形状であればよい。すなわち、導光部１２２の形状は、フレネルレンズ１３ｆで集光させる光を全て受け止めることができる内壁を有する形状であればよい。

導光部１２２の材質としては、光の反射率が良く、吸収率が少ない金属が好ましい。例えば表面粗さＲｚが０．３μｍ以下であれば、太陽光の最小波長（約０．３８μｍ）に対しても反射率が良い。金属の中では、アルミニウムが好ましい。アルミニウムは、光の反射率が良く、熱伝導性も良いので放熱させやすい。また、アルミニウムは軽量であり、モジュール１Ｍの軽量化、さらには、集光型太陽光発電パネル１の軽量化にも寄与する。

また、導光部１２２の材質は必ずしも全て金属でなくても良く、例えば、樹脂を基材として、光の反射をする内壁のみ、金属（例えば反射率の良いアルミニウム、銀）のコーティングを施すことも可能である。この場合は、材質全体がアルミニウムの場合よりもさらに軽量化を実現することができる。なお、樹脂であっても、高熱伝導性を有する絶縁性フィラー（例えば、アルミナ、シリカ、炭化珪素、酸化マグネシウム等）を添加した樹脂は、熱伝導性に優れ、放熱性が向上するので、好適である。

なお、理論的には発電素子１２１上でピンポイント的に光を集めるということも可能であるが、この場合、発電素子１２１の特性上、発電効率がむしろ下がるということが分かっている。
すなわち、発電素子１２１に対して、１点集中的に光を集めるよりも、ある程度の拡がりを持つ光スポットを発電素子１２１に当てる方が、発電効率が良い。

なお、上記の導光部１２２は、発電素子１２１と一体にパッケージ化した太陽光のレシーバ１２Ｒとして作製することができる。図８は、そのようなレシーバ１２Ｒの一例を示す斜視図である。
また、図９は図８におけるIX-IX線断面図である。図８，図９において、前述のように、導光部１２２の内壁１２２ａは、光の進行方向に下り傾斜する漏斗のような形状であり、出口１２２ｏｕｔより、入口１２２ｉｎの方が拡がっている。導光部１２２の外側（４方向）には、放熱フィン１２２ｆが形成されている。

放熱フィン１２２ｆは、導光部１２２の熱を自然空冷で放熱させる。導光部１２２が高温になると発電素子１２１が過熱状態となって発電効率が低下する場合があるが、このような放熱フィン１２２ｆを設けることにより、発電効率の低下を抑制することができる。導光部１２２の出口１２２ｏｕｔには、発電素子１２１が存在している。発電素子１２１は、樹脂製のパッケージ１２５に装着されている。発電素子１２１の出力（＋，−）は、一対のリードフレーム１２６により、導出される。

図１０の（ａ）は、第２実施形態に係るモジュール１Ｍにおける、フレネルレンズ１３ｆと、導光部１２２と、発電素子１２１との光学的な位置関係の一例を示す図である。導光部１２２は、内壁１２２ａの形状を主に描けば、このようになる。図において、本来、フレネルレンズ１３ｆと、導光部１２２とは、互いの光軸Ａ（中心軸）が正確に一致している。発電素子１２１は、フレネルレンズ１３ｆの焦点位置Ｆよりも光路上の手前にあり、また、導光部１２２の底部中心にあって、光の出口１２２ｏｕｔに面している。光の入口１２２ｉｎは、光の出口１２２ｏｕｔよりも大きく拡がっている。

フレネルレンズ１３ｆに入射する平行光である太陽光は、フレネルレンズ１３ｆで屈折し、集光する。理想的には、集光した光スポットは導光部１２２の内壁１２２ａにはほとんど当たらずに、直接、発電素子１２１の、発電に寄与する領域全体に達する。仮に、光が僅かに内壁１２２ａに当たったとしても、当たって反射した光は導光部１２２の出口１２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子１２１に達する。従って、実質的に全ての光が、発電素子１２１による発電に寄与する。

図１０の（ｂ）は、集光位置すなわち光スポットの位置が、本来あるべき位置より右へずれて、その光軸がＡ’となり、導光部１２２の光軸Ａと間で、軸のずれが生じている状態を表す図である。このように、フレネルレンズ１３ｆと導光部１２２とで、光軸が互いに正確に一致していない場合には、直接的に発電素子１２１に達する光が減少し、導光部１２２の内壁１２２ａに当たる光が多くなる。しかし、光が内壁１２２ａに当たりさえすれば、当たって反射した光は導光部１２２の出口１２２ｏｕｔへ導かれ、結局は、発電素子１２１に達する。従って、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆの光軸と導光部１２２の光軸とが互いに正確に一致していない場合でも、正確に一致している場合と同様に、発電量を確保することができる。

図１１は、図１０の（ａ）におけるXI−XI矢視図である。図１０の（ａ）にも示したように、理想的には、発電素子１２１上に、光スポットＳが形成される。光スポットＳは、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域に対応した正方形で、その中心は、発電素子１２１の中心と一致するように、位置関係が設定されている。発電素子１２１は辺の長さａの正方形であり、光スポットＳの幅をｄとすると、ｄ＝ａである。また、輪郭が正方形である導光部１２２の入口１２２ｉｎの幅ａ１とすると、集光位置の最大許容ずれ量ｘ１は、ｘ１＝（ａ１−ｄ）／２となる。前述のように、測定の結果、位置ずれした光スポットの中心は、理想位置を中心とした半径０．５ｍｍの円内に収まる。

従って、図１１における寸法ｘ１として０．５ｍｍ以上を確保すれば、光スポットの位置ずれが生じても、光は全て発電素子１２１に届く。このため、発電素子１２１の寸法は第１実施形態の場合よりも、さらに小さくすることができる。すなわち、第２実施形態の場合には、導光部１２２の入口１２２ｉｎの寸法ａ１（＞ａ）が、有効受光寸法となる。

この有効受光寸法（＝ａ１）は、フレネルレンズ１３ｆによって集光させた光スポットがモジュール１Ｍ全体での集光位置の最大ずれ量（＝５ｍｍ）を伴う場合でも、その光スポットを取り込み可能な寸法である。従って、光スポットの位置ずれが生じても、集光した太陽光を全て発電素子に導くことができる。また、導光部１２２の入口１２２ｉｎを有効受光寸法とすることができるので、発電素子１２１を、より小さく、低コストにすることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記第２実施形態における導光部１２２に代えて、２次レンズ（フレネルレンズ１３ｆを１次レンズとしたときの２次レンズ）を使用してもよい。この場合も、２次レンズの大きさが、実質的に発電素子の有効受光寸法となるので、同様に、発電素子のサイズをよりコンパクト化できる作用効果が期待できる。
また、モジュールの構成についての上記第１，第２実施形態は一例に過ぎず、構成の規模は任意に変更可能であり、プリント基板の種類や、導光部（あるいは２次レンズ）の有無も、種々の組み合わせが可能である。
また、上記各実施形態では、集光部１３のレンズ要素として、軽量で製造容易なフレネルレンズ１３ｆが好適であるが、ガラス等のレンズを使用することも可能である。

１ 集光型太陽光発電パネル
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１１ 筐体
１１ａ 底面
１２ プリント配線板
１２Ｆ フレキシブルプリント配線板
１３ 集光部
１３ｆ フレネルレンズ（レンズ要素）
１２１ 発電素子
１２２ 導光部
１２２ａ 内壁
１２２ｉｎ 入口
１２２ｏｕｔ 出口

Claims (5)

1. 底面を有する器状の筐体と、
   前記筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部と、
   前記底面に設けられ、前記レンズ要素の各々と対応する位置に発電素子を搭載したプリント配線板と、を備えた集光型太陽光発電モジュールであって、
   前記発電素子についての有効受光寸法は、前記レンズ要素によって集光させた光スポットがモジュール全体での集光位置の最大ずれ量を伴う場合でも当該光スポットを取り込み可能な寸法であることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記レンズ要素から前記発電素子に至る光路上に設けられ、前記レンズ要素によって集光させた太陽光を、入口から取り込んで出口へ導く導光部を備え、前記発電素子は当該出口に面し、当該出口より広い当該入口の寸法が、前記有効受光寸法となる請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
3. 前記導光部は、内壁を反射面として光の入口が光の出口より拡がっている形状の枠体である請求項２記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記導光部の入口の形状は、前記レンズ要素の輪郭形状と相似である請求項２記載の集光型太陽光発電モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成る集光型太陽光発電パネル。

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