JP2013149831A - 集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電パネル、及び、集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】集光型太陽光発電（ＣＰＶ）における発電素子の周辺部の耐光性を高め、劣化を抑制する。
【解決手段】本発明の集光型太陽光発電モジュールは、筐体１１の底面１１ａに設けられたプリント配線板１２と、筐体１１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１次集光部１３とを備えている。プリント配線板１２は、絶縁性を有する絶縁基材１２６及び導電性のパターン１２７を有するフレキシブル基板１２ｆと、この基板１２ｆ上に、レンズ要素の各々と対応して複数個設けられ、相互にパターン１２７を介して電気的に接続された発電素子１２１と、発電素子１２１を避けて、パターン１２７上に被着された白色系のカバーレイ１２８とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽光を発電素子に集光させ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

上記のような従来の集光型太陽光発電の装置において、例えば、太陽への追尾動作にずれが生じると、集光させた太陽光が発電素子ではなく、その周辺に当たる場合がある。集光によってエネルギーが凝縮された光が当たる周辺部のパターンやカバーレイには、物理的な変形・損傷や材質の劣化が生じる恐れがある。特に、長年の使用によって、このような劣化が生じやすい。

かかる従来の問題点に鑑み、発電素子の周辺部の耐光性を高め、劣化を抑制することを目的とする。

（１）本発明の集光型太陽光発電モジュールは、底面を有する器状の筐体と、前記底面に設けられたプリント配線板と、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、を備えた集光型太陽光発電モジュールであって、前記プリント配線板は、絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有する基板と、前記基板上に、前記レンズ要素の各々と対応して複数個設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に接続された発電素子と、前記発電素子を避けて、前記パターン上に被着された白色系のカバーレイと、を備えている。

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、集光部によって集光させられた太陽光が発電素子に入射するが、例えば太陽の追尾動作のずれによって太陽光が発電素子から外れた位置に集光しても、そこには白色系のカバーレイがあって光を良く反射し、パターンを保護する。また、カバーレイ自身も光を吸収しにくいので、劣化が抑制される。従って、長期の使用でも、パターン及びカバーレイの劣化を抑制することができる。

（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、基板は、柔軟性のあるリボン状のフレキシブル基板であり、当該フレキシブル基板が上記の底面に並べられることにより、プリント配線板が構成されているものであってもよい。
この場合、カバーレイと共に、フレキシブル基板を底面に張り巡らすことで、自在に多数の発電素子を配置し、かつ、カバーレイにより、パターンを保護することができる。

（３）また、上記（１）又は（２）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、例えば、カバーレイは熱溶着によりパターンに密着している。
この場合、簡単に、カバーレイをパターンに密着させることができる。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、カバーレイの厚さは、０．０１ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲内であることが好ましい。
このような薄いカバーレイは、特に、フレキシブル基板の柔軟性を損なわない。

（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、例えば、カバーレイの熱伝導率は、０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。
この場合、カバーレイによる熱伝導を抑制することができる。

（６）一方、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１）〜（５）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を確保することができる。

（７）また、本発明の集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板は、絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有し、柔軟性を有するフレキシブル基板と、前記フレキシブル基板上に複数個並べて設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に接続された発電素子と、前記発電素子を避けながら前記パターンに密着してこれを覆う、白色系のカバーレイとを備えている。

上記（７）のように構成された集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板では、本来は、発電素子に太陽光を集めるように使用されるが、例えば太陽の追尾動作のずれによって太陽光が発電素子から外れた位置に集光しても、そこには白色系のカバーレイがあって光を良く反射し、パターンを保護する。また、カバーレイ自身も光を吸収しにくいので、劣化が抑制される。従って、長期の使用でも、パターン及びカバーレイの劣化を抑制することができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電パネル、及び、集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板によれば、発電素子の周辺部の耐光性を高め、劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電装置を示す斜視図である。 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２におけるIII部の拡大図である。 発電素子が設けられている部位での、集光型太陽光発電モジュールの部分断面の概要を示す図である。 筐体の底面上に張り巡らされたフレキシブルプリント配線板の配置の一例を平面視した図である。 発電用配線板の拡大図である。 図６におけるVII部の拡大図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電装置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。

図２は、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に接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂに、蓋のように取り付けられた１次集光部１３とを、主要な構成要素として備えている。

１次集光部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。このような１次集光部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。

図３は、図２におけるIII部の拡大図である。図３において、フレキシブルプリント配線板１２は、リボン状のフレキシブル基板１２ｆその他（詳細後述）と、その上に発電素子（太陽電池）１２１と、この発電素子１２１に被せるように設けられた２次集光部１２２とを備えている。発電素子１２１及び２次集光部１２２のセットは、１次集光部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。２次集光部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。２次集光部１２２は、例えばレンズである。但し、光を乱反射しながら下方へ導く反射鏡であってもよい。

図４は、発電素子１２１が設けられている部位での、モジュール１Ｍの部分断面の概要を示す図である。図において、発電素子１２１及び２次集光部１２２は、１次集光部１３のフレネルレンズ１３ｆと、互いの光軸を揃えるように、真下に位置している。フレキシブルプリント配線板１２は、接着層等もその一部であると考えると、下から順に、接着層１２３と、アルミニウム製の補強板１２４と、接着層１２５と、絶縁基材１２６と、銅箔からなるパターン１２７と、樹脂製のカバーレイ１２８と、発電素子１２１及び２次集光部１２２とによって構成されている。なお、図示している厚さは、単に見易くするための厚さであって、実寸とは比例していない。絶縁基材１２６は、例えば耐熱性に優れたポリイミド製である。絶縁基材１２６によって、パターン１２７は、筐体１１から絶縁されている。

一番下の接着層１２３は、筐体１１の底面１１ａと補強板１２４とを互いに接着している。他の接着層１２５は、補強板１２４と絶縁基材１２６とを互いに接着している。絶縁基材１２６とパターン１２７とは、狭義のフレキシブル基板１２ｆを構成している。パターン１２７は、絶縁基材１２６上に、エッチング等により、形成されている。
パターン１２７をカバーする絶縁材料の層であるカバーレイ１２８は、白色の樹脂製である。カバーレイ１２８は熱溶着により簡単に、パターン１２７に密着させることができる。なお、「白色」は、太陽光の反射率が相対的に高いことにより、採用している。従って、純白のみならず、白色系の色であればよい。

補強板１２４は、柔軟性を失わせない程度に、フレキシブルプリント配線板１２に若干の固さを確保し、製造時の取り扱いを容易にすることができる。また、補強板１２４により、フレキシブルプリント配線板１２全体の変形防止効果も得られる。また、補強板１２４をアルミニウム製とすることで、筐体１１の底面１１ａへの熱伝導性（放熱性）を向上させることができる。フレキシブルプリント配線板１２は、補強板１２４を加えても、全体として非常に軽量である。但し、補強板１２４は必須の構成ではなく、省略することも可能である。補強板１２４を省略した場合には、フレキシブル基板１２ｆが直接、底面１１ａに接着される。また、その場合には、フレキシブルプリント配線板１２の変形防止や放熱性の機能は、筐体１１が担保することになる。

図４に示す各部の熱伝導率及び厚さを、以下の表１に例示する。厚さについては、本実施形態における現行の採用数値と、想定される範囲での、最大、最小の各値とを示している。特に、カバーレイ１２８については、好適な数値を示している。

表１に示すように、カバーレイ１２８の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲内であることが好ましく、このような薄いカバーレイ１２８は、フレキシブル基板１２ｆの柔軟性を損なわない。
また、カバーレイ１２８の熱伝導率は、０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度であることが好ましく、このような比較的低い熱伝導率であることによって、カバーレイ１２８による熱伝導を抑制することができる。

また、絶縁基材１２６の厚さは、耐電圧性能と、放熱性とを、両立させることができるように選定することが好ましい。例えば上記表１の０．０３ｍｍ（３０μｍ）であれば、耐電圧性能と、筐体１１への放熱性とを両立させることができる。カバーレイ１２８、パターン１２７、絶縁基材１２６、接着層１２５はいずれも０．０３〜０．０６ｍｍと薄く、従って、全体としても、非常に薄く、柔軟性を有している。

なお、筐体１１は、金属製であり、例えば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、フレキシブルプリント配線板１２から筐体１１への放熱性が特に良い。
また、フレキシブルプリント配線板１２等が非常に軽量であることに加えて、筐体１１をアルミニウム製とすることで、集光型太陽光発電モジュール１Ｍ全体としても、軽量となる。軽量であることにより、運搬が容易となる。この「軽量」の程度を一例として挙げると、モジュール１Ｍの縦、横、深さがそれぞれ８４０ｍｍ、６４０ｍｍ、８５ｍｍの場合で、８ｋｇ以下を実現することができる。

図５は、筐体１１の底面１１ａ上に張り巡らされたフレキシブルプリント配線板１２（但し、詳細は省略しているので、実質的にはフレキシブル基板１２ｆ等を示している。）の配置の一例を平面視した図である。このように、フレキシブルプリント配線板１２は、基本的な形状（フレキシブル基板１２ｆの形状）は薄く細いリボン状であるが、底面１１ａ上で縦横に並べることによって、所望の大きさ（面積）に張り巡らすことができるので、大型な集光型太陽光発電モジュール１Ｍに好適である。すなわち、このように張り巡らせて構成されたフレキシブルプリント配線板１２全体は、同様な拡がりを持つ１枚基板や複数枚の基板の集合体に匹敵する。また、リボン状であることによって、フレキシブルプリント配線板１２の面積を必要最小限に抑制しつつ、所望の大きさに張り巡らすことができる。

図５に示すフレキシブルプリント配線板１２は、例えば１２組の発電用配線板１２Ａと、接続用配線板１２Ｂとによって構成されている。発電用配線板１２Ａは、コの字状（若しくはＵ字状）に形成されている。このような形状は、直線状部分を繋いで形成してもよいし、一体で形成することも可能である。

発電用配線板１２Ａにはそれぞれ同数の発電素子が搭載されており、所定の電圧を発生することが可能である。このように、発電用配線板１２Ａを、底面１１ａの中央から端部へ延びて中央へ戻る形状とすることによって、発電用配線板１２Ａの長さを十分に確保することができるので、所望の電圧を得るべく、発電素子を必要数配置して相互に直列に接続することが容易である。また、接続用配線板１２Ｂを、発電用配線板１２Ａと交差するように中央に設けることにより、１２組の発電用配線板１２Ａを、相互に、容易に接続することができる。

図６は、発電用配線板１２Ａの拡大図である。発電用配線板１２Ａには、例えば１６個の発電素子１２１が搭載される。１つの発電用配線板１２Ａに搭載されている発電素子１２１は全て互いに直列に接続されている。１個の発電素子１２１が発電する電圧は２．５Ｖであり、１６個の直列体として４０Ｖ（２．５Ｖ×１６）の電圧を発生することができる。この電圧は、発電用配線板１２Ａの２つの端部に設けられた＋側電極Ｐ及び−側電極Ｎに現れる。

図７は、図６におけるVII部の拡大図である。図７において、斜線を付した部位は、パターン１２７の上に白色のカバーレイ１２８が、熱溶着により被着された状態となっている。
互いに隣接するパターン１２７の間には、発電素子１２１が直列に挿入されている。また、発電素子１２１のバイパスを形成するように、発電素子１２１と並列にダイオード１２９が設けられている。ダイオード１２９は、発電素子１２１が発電しないときに、隣接するパターン１２７同士を短絡するために設けられている。これにより、故障等により局部的に発電しない発電素子１２１があっても、発電用配線板１２Ａ全体としての発電を妨げないようになっている。なお、ダイオード１２９は、カバーレイ１２８の熱溶着時の熱から保護するため、カバーレイ１２８がパターン１２７上に被着されてから、取り付けられる。

また、絶縁基材１２６には位置決め用の孔が形成されており、そのうちの１つとして孔Ｈを図７に示している。パターン１２７は、この孔Ｈのエッジにまで達しないように、その周りで円形に除去されている。孔Ｈに、筐体１１の底面１１ａに形成された円柱状の突起１１ｐを通すことにより、発電用配線板１２Ａを、筐体１１に対して所定の位置に位置決めすることができる。接続用配線板１２Ｂについても、同様の位置決め構造を設けることができる。

なお、絶縁基材１２６の孔Ｈと、筐体１１側の突起１１ｐとが互いに嵌り合う構成は一例に過ぎず、その他、種々の、互いに嵌り合う部位の形成により、フレキシブルプリント配線板１２を筐体１１の底面１１ａに取り付ける際の位置決めが、容易、かつ、確実に行えるように構成することができる。

図５に戻り、１２組の発電用配線板１２Ａの出力は、＋側電極Ｐ（図６）が相互に接続用電路１２Ｂｐによって接続され、−側電極Ｎ（図６）が相互に接続用電路１２Ｂｎによって接続される。これによって、例えば４０Ｖの１２並列回路が構成され、１モジュール１Ｍ全体として、前述の１２０Ｗ（３Ａ）を供給することができる。

以上のようにフレキシブルプリント配線板１２を用いたモジュール１Ｍの構成によれば、フレキシブルプリント配線板１２は薄く、軽量であるため、モジュール１Ｍ全体も軽量となり、取り扱いが容易になる。しかも、フレキシブルプリント配線板１２は薄く、柔軟性があるので、筐体１１の底面１１ａへ密着させた取り付けが容易である。さらに、密着と薄さとによって、発電素子１２１その他フレキシブルプリント配線板の熱を、確実に筐体１１に放熱させることができる。

そして、上記のように構成された集光型太陽光発電モジュール１Ｍでは、本来は、１次集光部１３によって集光させられた太陽光が発電素子１２１に入射するが、例えば太陽の追尾動作のずれによって太陽光が発電素子１２１から外れた位置に集光しても、そこには白色のカバーレイ１２８があって光を良く反射し、パターン１２７を保護する。また、カバーレイ１２８自身も光を吸収しにくいので、劣化が抑制される。従って、長期の使用でも、パターン１２７及びカバーレイ１２８の劣化を抑制することができる。こうして、発電素子１２１の周辺部の耐光性を高め、劣化を抑制することができる。

また、カバーレイ１２８と共に、フレキシブル基板１２ｆを底面１１ａに張り巡らすことで、自在に多数の発電素子１２１を配置し、かつ、カバーレイ１２８により、パターン１２７を保護することができる。

なお、上記実施形態において筐体１１は金属製としたが、金属製に限定される訳ではなく、樹脂製とすることも可能である。この場合、筐体１１が特に軽量となり、集光型太陽光発電モジュール１Ｍ全体としても特に軽量となる。なお、樹脂であっても熱伝導性はあるので、一定の放熱性は得られる。特に、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。また、樹脂の表面に金属コーティングを施すことにより、表面の熱伝導性を金属と同等に高めることもできる。

なお、図５に示したフレキシブルプリント配線板の配置は一例に過ぎず、同様な出力を確保しさえすれば、種々の変形が可能である。
また、上記実施形態において、２次集光部１２２は発電素子１２１と共にフレキシブル基板１２ｆ上に実装したが、２次集光部１２２をフレキシブル基板１２ｆとは別に設けることも可能であり、また、２次集光部そのものを省略することもあり得る。

また、上記実施形態では、フレキシブルプリント配線板１２を用いたが、カバーレイを白色系にすることによる耐光性の向上は、他のプリント配線板（例えばエポキシ樹脂系の基板やセラミック基板）にも適用可能である。

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。

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 フレキシブルプリント配線板
１２ｆ フレキシブル基板
１３ １次集光部
１３ｆ フレネルレンズ（レンズ要素）
１２１ 発電素子
１２６ 絶縁基材
１２７ パターン
１２８ カバーレイ

Claims (7)

1. 底面を有する器状の筐体と、
   前記底面に設けられたプリント配線板と、
   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、を備えた集光型太陽光発電モジュールであって、前記プリント配線板は、
   絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有する基板と、
   前記基板上に、前記レンズ要素の各々と対応して複数個設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に接続された発電素子と、
   前記発電素子を避けて、前記パターン上に被着された白色系のカバーレイと
   を備えていることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記基板は、柔軟性のあるリボン状のフレキシブル基板であり、当該フレキシブル基板が前記底面に並べられることにより、前記プリント配線板が構成されている請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
3. 前記カバーレイは熱溶着により前記パターンに密着している請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記カバーレイの厚さは、０．０１ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲内である請求項１〜３のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
5. 前記カバーレイの熱伝導率は、０．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］である請求項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。
6. 請求項１〜５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。
7. 絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有し、柔軟性を有するフレキシブル基板と、
   前記フレキシブル基板上に複数個並べて設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に接続された発電素子と、
   前記発電素子を避けながら前記パターンに密着してこれを覆う、白色系のカバーレイと
   を備えていることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板。

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