JP2013207079A - 集光型太陽光発電パネル及び集光型太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光型太陽光発電パネルの嵩を小さくかつ薄くするとともに、発電能力を向上させる。
【解決手段】凹型の筐体１０開口にフレネルレンズ２４ａを配置した集光板２４を設け、そのレンズによる集光でもって発電素子２２により発電する集光型太陽光発電パネルＰである。各レンズは、正方形でその受光面積が４ｃｍ^２を超え、３６ｃｍ^２未満、Ｆ値：１以上２未満である。発電素子の半導体チップは、正方形で光電変換効率が３０％以上、受光面積が２７ｍｍ^２以下、２．２５ｍｍ^２以上である。筐体の底部の熱伝導度σ_Ｃ、厚みｔ_Ｃとして、広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１（Ｗ／Ｋ）、発電素子の接合部から筐体底部放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２である。このようにすることによって、パネルの嵩が小さく、薄くなる。また、発電能力も向上する。
【選択図】図３

Description

この発明は、集光型太陽光発電パネル及びそのパネルを使用した集光型太陽光発電装置に関するものである。

太陽光発電パネルは、方形底板の全周囲を側板で囲んだ扁平直方体状凹型筐体と、その筐体の開口に設けた透光板と、前記筐体内に設けられて前記透光板を通った太陽光を電気に変換する発電素子とからなる構成が一般的である。
この構成の太陽光発電パネルは、発電素子（セル）の多数を平面状に隣接して配列し、太陽光をその各発電素子に直接に照射して発電する平板型と、前記透光板をフレネルレンズ等の集光板としてそのレンズで太陽光を集光し発電素子に照射し太陽光エネルギーを濃縮して発電する集光型とがある。
また、太陽光発電パネルの設置態様（太陽光発電装置）としては、屋根等に固定する固定型と、太陽を追尾（追日）する架台に設置される追尾型とがあり、集光型は、太陽の位置で集光位置がずれるため、太陽光発電パネルが常に太陽に向く（直達光が直交する）様に追尾型となっている（特許文献１図１、特許文献２図１参照）。

ところで、日の出とともに太陽光は大地に降り注ぐが、図１７の鎖線に示すように、固定型の太陽光発電パネルには、その日の出から、直達光が真っ直ぐに当らず、斜めに差し込むため、発電量は、日の出から徐々に立ち上がり、昼近くでピークになって日の入りに向かって徐々に低下していくのに対し、同図実線で示すように、追尾型の太陽光発電パネルは、太陽が出れば、その太陽に向くため、日の出から直達光が真っ直ぐに当り、フルパワー発電となって、その状態は日の入り近くまで続く。このため、一般的には、同一の照射面積の場合、固定型に対し追尾型の発電量は１．４倍（同図斜線部分多く発電する）とされており、平板型においても、追尾架台に設置して追尾型とするものが増えている。

また、太陽光の当る受光面積が同じで発電量が同じとすれば、平面型はその太陽光の照射面積の大きさの発電素子が必要であるのに対し、集光型は、集光度合に応じた、例えば、１／１００の面積に集光できれば、平面型に対して１／１００の大きさの発電素子で十分である。
因みに、追尾電力は、追尾型太陽光発電装置における発電量の０．５％程度である。このため、追尾型は、設置コストはかかるが、メンテナンスコストは固定型と大差はない。

このように、集光・追尾型太陽光発電装置は、平面・固定型及び平面・追尾型太陽光発電装置に対して優れた面があり、コスト面が解決されれば、今後、太陽光発電において主流になると考えられる。

特開２００２−２８９８９６号公報 特開２００８−４６６１号公報

従来の集光・追尾型太陽光発電装置（以下、単に「集光型太陽光発電装置」又は「ＣＰＶ装置」と言う）は、大きな照射面積から小さな受光面積の発電素子に集光する考えが主流であり、集光レンズ、例えば、フレネルレンズは一辺：１４０ｍｍ以上の正方形のものである（特許文献２の段落００２３、図１１参照）。
集光レンズが大きいことで焦点距離も長くなるから、筐体も深いものとなり（筐体の側板幅（高さ）が大きく筐体が嵩高いものとなり）、例えば、筐体側板高さ：２５０ｍｍ程度となっている。
このような太陽光発電パネルは、横幅：４００ｍｍ以上、縦幅：１６００ｍｍ以上、側板高さ：２５０ｍｍ以上となって、かなりの重量となり、数人で持ち運びしなければならないものとなる。

また、太陽光発電パネルの設置において、工賃はかなりのウエイトを占めており、数人で運ばなければならないのは、そのコストアップの原因となっている。
一方、平面型においては、長辺：８００ｍｍ程度の長方形で厚さ：５０ｍｍ程度のものが普及し、その太陽光発電パネルは一人でも運搬できる。
このため、集光型においても、平面型のように小型で薄く、かつ軽いものが要求される。

この発明は、上記実状に鑑み、集光型太陽光発電パネルの嵩を小さくかつ薄くすることを課題とする。

この発明は、上記課題を達成するために、図１〜図６に示す実施形態で説明する構成の集光型太陽光発電（ＣＰＶ）パネルＰにおいて以下の各種の解析を行なった。このＣＰＶパネルＰは、底板１１とその周囲の側板１２とからなる四角枠状の凹型金属製箱フレーム（筐体）１０の前面にフレネルレンズからなる集光レンズ２４ａが縦横に配置された集光板２４を設けたものである。また、その筐体１０の底面（底板）１１に配線２１が設けられ、その各配線２１上に発電素子２２が集光レンズ２４ａの間隔で配置されて、各集光レンズ２４ａの中心が各発電素子２２の中心にそれぞれ対向している。

＜太陽光エネルギーの熱解析について＞
太陽光エネルギーは、大気圏外（ＡＭ-０：エアマス、Air Mass）で、約１．４ｋＷ／ｍ^２（太陽光定数：１３７０Ｗ／ｍ^２）である。
また、春分・秋分での赤道直下南中時の地表表面（ＡＭ−１）には、約１．０ｋＷ／ｍ^２の太陽光エネルギーが降り注ぐ。オゾン層、大気中のオゾン（Ｏ_３）が紫外線・可視光線を吸収、また大気中の酸素（Ｏ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）が赤外線を吸収するため、大気圏外の太陽光エネルギー（ＡＭ-０）は、地表での太陽光エネルギー（ＡＭ-１、ＡＭ-１．５）と減少する。
ここでは、地表に到達する直達光エネルギーＩ_ＳＵＮを最大値であるＡＭ-１（１．５）として、Ｉ_ＳＵＮ＝１０００Ｗ／ｍ^２とする。

＜太陽光発電パネルの熱解析について＞
上記の集光型の太陽光発電パネルＰは、図７に示すように、地表に到達する直達光を、レンズサイズ：一辺Ｒｓ（ｃｍ）の正方形、厚さｔ_ｒｍｍの集光レンズ（フレネルレンズ）で受けて、一辺Ｄ_Ｓ（ｍｍ）の正方形、変換効率η％の発電素子２２に集光する。以下、正方形の単位を「□」とし、集光レンズが一辺：Ｒ_Ｓｃｍの正方形であれば、そのレンズの形状を「Ｒ_Ｓｃｍ□」として表すとともに、その一辺Ｒ_Ｓの正方形レンズをサイズＲｓと言い、発電素子２２が一辺：Ｄ_Ｓｍｍの正方形であれば、その発電素子の形状を「Ｄ_Ｓｍｍ□」として表すとともに、その一辺Ｄ_Ｓの正方形レンズをサイズＤｓと言う。
したがって、光学系の損失がないとすれば、発電素子２２において、発電量：Ｑ_ＧＥＮ＝Ｉ_ＳＵＮ×η（Ｗ）、損失：Ｑ_ＬＯＳ＝Ｉ_ＳＵＮ×（１−η）（Ｗ）が発生し、損失Ｑ_ＬＯＳが熱エネルギーとして板厚：ｔ_Ｃｍｍの筐体１０底面（底板１１）に伝わり、筐体底面の大気と接する側を放熱面として、大気へ放散される。

放熱経路は、いろいろ考えられるが、最も簡単で、設計上最悪に相当するであろう上記のような、発電素子２２で発生した熱損失がすべて筐体底部の放熱面に伝わり、大気に接触する面からすべて放散されるという簡便なモデルで考える。
ここで、以下に使用するパラメータと熱解析の前提を説明する。
１） 発電素子の発熱と放熱面の関係
発電素子２２で発生した損失Ｑ_ＬＯＳ（熱エネルギー）を放熱面に伝達する際の熱抵抗をＲ_ＪＣ（Ｋ／Ｗ：ケルビン／ワット）とし、損失Ｑ_ＬＯＳは、発電素子２２の表面近傍（接合部分：Junction）で発生し、接合−放熱面（筐体底部）までの熱抵抗Ｒ_ＪＣは、発電素子２２のパッケージ、配線材（ＦＰＣ２１）を含めた実装形態に大きく依存する。ここでは、熱抵抗の広がりを無視して、発電素子２２の半導体チップサイズＤ_Ｓｃｍ□で解析する。
また、発電素子２２の接合温度Ｔ_Ｊ℃と発電素子直下の放熱面（筐体底部）の温度Ｔ_ＣＭＡＸ℃の間には、Ｔ_ＣＭＡＸ＝Ｔ_Ｊ−Ｑ_ＬＯＳ×Ｒ_ＪＣ（℃）（式（１））なる関係が成り立つ。

２） 放熱面における熱エネルギーの広がり
まず、正方形の発電素子２２と相似形で等間隔にｎ（ｉ＝１，２，３・・・、ｎ）個に分割して、熱の広がりに伴うｉ番目の領域で放散される熱量Ｑ_Ｒ__ｉ、放散されず残存するＱ_ＬＯＳ__ｉと温度Ｔ_Ｃ__ｉを考えると、以下の関係式が成り立つ。
Ｑ_ＬＯＳ＝ΣＱ_Ｒ__ｉ
Ｔ_Ｃ__（ｉ＋１）＝Ｔ_Ｃ__ｉ−Ｑ_ＬＯＳ_ｉ×Ｒ_ＳＰ__ｉ
ここに、ｉ番目の領域の広がり熱抵抗Ｒ_ＳＰ__ｉは、次式で与えられる。
Ｒ_ＳＰ__ｉ＝（１÷σ_Ｃ）×ｉ__step÷（ｔ_Ｃ×Ｌ_Ｓ__ｉ）（Ｋ／Ｗ）
＝（ｉ__step÷Ｌ_Ｓ__ｉ）÷（σ_Ｃ×ｔ_Ｃ）
σ_Ｃ ：筐体の熱伝導度 Ｗ／ｍＫ
ｉ_step ：ｉ番目の間隔（ｍｍ）
Ｌ_Ｓ_ｉ ：ｉ番目の外側の周囲長（ｍｍ）
特に、σ_Ｃ・ｔ_Ｃは重要なパラメータで、広がり熱伝導係数（Ｗ／Ｋ：ワット／ケルビン）と呼ぶことにする。

つぎに、熱の放散について自然対流熱伝達と輻射を考えると、輻射はその効果が極めて小さいので、輻射を考慮してもしなくても同様の結果となるため、ここでは、自然対流熱伝達について検討した結果を記載することにする。
本願では、ＣＰＶパネルＰの自然対流熱伝達による熱解析において、最大損失が発生するのは、太陽が真上にあり、したがって、放熱面は地表に正対する、すなわち放熱面が下向きの場合を考える。周囲温度Ｔａは、地球上で考えた場合、最高値としてＴａ＝４０℃として取り扱うことにする。

＜発電素子２２について＞
図８に、発電素子２２の歩留まりとコストの関係を示し、（Ａ）はチップサイズと歩留まりの関係を、（Ｂ）はレンズサイズとコスト比及びチップ受光面積（サイズ）の関係を示す。発電素子（半導体チップ）２２は、太陽光による光エネルギーを受けて電気エネルギーに変換するが、化合物系半導体からなる発電素子２２は理論的変換効率の限界が２０％である単結晶シリコン系素子よりも高い。例えば、タンデム構造を有する化合物系半導体の発電素子は、その変換効率は現状４０％程度である。
因みに、化合物系半導体の発電素子の理論的変換効率の限界は６０％とも言われている。ここでは、発電素子２２の変換効率として、３０％、４０％および６０％について検討する。

一般に、半導体チップ（半導体素子）はキラー欠陥密度：Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}（／ｃｍ^２）により歩留まりが決まる。点欠陥モデルによれば、歩留まりＹ_ｉｅｌｄは、チップサイズＤ_Ｓｃｍ□に対して次式にて与えられる。
Ｙ_ｉｅｌｄ＝ｅｘｐ（−Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}×Ｄ_Ｓ ^２）
化合物系半導体は、シリコン系半導体に比べて、欠陥密度が大きく、現状の発電素子２２では、図８（Ａ）に示す、Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}＝０．８（図中「．８」）／ｃｍ^２が、現状の技術レベルである。

図８（Ｂ）は、上記の欠陥密度Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}＝０．８／ｃｍ^２を前提として、ＣＰＶパネルにおいて検討した結果を示したものである。なお、参考のため、Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}＝０．５／ｃｍ^２および１．２／ｃｍ^２も図示している。ここで、図中の面積比例チップサイズとは、２０ｃｍ□のレンズサイズでチップサイズが１０ｍｍ□を規準として、レンズ２４ａのサイズＲｓとチップサイズＤｓの受光面積比率（１／４００）を変えない場合のレンズサイズに対応したチップサイズを表す。
このようにすることによって、１つのパネルＰで使用する発電素子２の総受光面積は、レンズサイズに依存しないことになる。等面積チップのコスト比は、ＣＰＶパネル１台当たりに使用される発電素子について、上記の基準を１とした場合における、面積比例チップサイズでのコスト比を表す。また、上記の規準と等価コストになるチップサイズを、コスト同等チップ受光面積（ｃｍ□）として示す。なお、ウエハサイズは６インチを想定した計算結果である。

半導体チップはバッチ処理によって製造され、そのコストは歩留まりに比例する。図８（Ａ）から判るように、チップサイズが小さくなればなるほど、歩留まりが向上し、チップコストも減少する。このため、ＣＰＶパネルの場合、レンズサイズに比例して等比率でチップサイズを変えた場合に、１台当たりの総チップコスト比としての等面積チップサイズのコスト比は、（Ｂ）に示すように、レンズサイズが小さいほど減少する。特に、現状技術レベルである欠陥密度Ｄ_{ｄｅｆｅｃｔ}＝０．８／ｃｍ^２の場合の等面積チップコストは、レンズサイズ依存性に関して概略２つの直線で近似でき、レンズサイズが１０ｃｍ□以下であれば、その１０ｃｍ□を超えた場合よりも緩やかであり、しかも、レンズサイズが１０ｃｍ□以下ではチップコストが半分以下である。したがって、レンズサイズが１０ｃｍ□以下がＣＰＶパネルでは有効である。

１０ｃｍ□以上の大きなレンズサイズ、１０ｍｍ□程度の大きなチップサイズによる構成は、発電素子の数量を減らし、もって実装コストを削減するというものであるが、図８（Ｂ）から、１０ｃｍ□未満の比較的小さなレンズサイズ、特に、５．３ｍｍ□以下の小さなチップサイズによる構成も、チップサイズの面からは有効であると言える。加えて、表１に示すように、大きなレンズサイズの場合は少なくとも６Ｗ（η=40％）以上と大きな損失があり、発電素子数は少ないが、放熱を考慮した、高価な実装形態が要求される。
一方、８ｃｍ□以下の小さなレンズサイズの場合は３．８４Ｗ（η=40％）以下と比較的小さな損失であり、発電素子数は多いが、簡易な放熱による比較的安価な実装形態が可能である、と考えられる。なお、小さなレンズサイズの場合は、安価な実装形態が課題であるとも言える。

表１は、図８（Ｂ）に示す、レンズサイズに対する（等面積チップの）コスト比、および（コスト同等チップ）サイズの数値を表にまとめたものである。参考のため、同表には面積比例チップサイズも示してある。

以上から、レンズサイズとしては、１０ｃｍ□未満であることが望ましいことが理解できる。このとき、チップサイズＤｓの上限値は、レンズサイズＲｓ：２ｃｍ□〜１０ｃｍ□の数値を線形近似して、
η＝３０％の場合、 Ｄ_Ｓ≦０．６９×Ｒ_Ｓ＋０．２８ （ｍｍ□）
η＝４０％の場合、 Ｄ_Ｓ≦０．５７×Ｒ_Ｓ＋０．３７ （ｍｍ□）
で与えられる。図９は、そのレンズサイズに対するコスト同等チップサイズの関係を示す線形近似を示す図である。

＜ＣＰＶパネル放熱面の温度分布＞
ここでは、発電素子２２の変換効率η＝３０％、４０％および６０％の場合について、筐体底部の放熱面の温度分布について検討する。
表２は、各変換効率において、各々のレンズサイズにおいて発電素子２２で発生する損失の最大値を示したものである。同表には、レンズサイズに対応した太陽光エネルギーも示してあり、集光に係る光学系のロスを無視すると、太陽光エネルギーから損失を引いた値が発電量となる。当然に、レンズサイズが大きくなれば、発電量、放熱面の面積は増大する一方、損失も増大する。

図１０に、放熱面の温度分布の解析結果の一例として、チップサイズＤｓ＝３ｍｍ□の場合の（Ａ）η＝40％；D_Ｓ＝40％；Ｒs＝12ｃｍ□、（B）η＝40％；Ds＝40％；Ｒs＝6cm□を示す。図は、放熱面の広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが０．０００５〜０．５と異なる場合について示している。なお、図中の「中心からの距離」は発電素子２２の中心（レンズの中心）を原点として、レンズ端までを表しており、温度分布は原点に対して点対称となる。この図１０から、以下のことがわかる。
１）最高温度は、放熱面の中心である。
２）放熱面の広がり熱伝導係数が０．１より大きい場合には、最高温度は比較的低く、放熱面内での温度差も比較的小さい。逆に放熱面の広がり熱伝導係数が０．１より小さい場合には、最高温度が高くて放熱面内で温度差も大きい。このことから、放熱面の広がり熱伝導係数が重要な要素であることが分る。
３）放熱面の温度分布において、高温となる領域は中心（チップの中心）からＲ_Ｓ／４の領域である。

つぎに、放熱面の広がり熱伝導係数、すなわち放熱面を構成する材料と板厚（厚み）について考える。表３−１は、代表的な金属材料について、密度、熱伝導度、線膨張率、厚み１ｍｍと３ｍｍの場合の広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃをまとめたものである。この表より、マグネシウム、アルミニウム、アルミ合金、銅、銀、金などが、金属材料の中でも優れた熱伝導度を有するが、ＣＰＶパネルＰの軽量化を考えると、密度が小さいマグネシウム、アルミニウムおよびアルミ合金が、ＣＰＶパネルＰの放熱面を構成する材料としてより好ましいことがわかる。したがって、板厚：１ｍｍでのより好ましい材料であるマグネシウム、アルミニウム、アルミ合金を含む範囲として、金属材料においては、広がり熱伝導係数：σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１であることが望まれる。

一方、ＣＰＶパネルＰの軽量化の観点からは、放熱面を樹脂材料で構成する場合も想定しておく必要があり、表３−２に代表的な樹脂材料の密度、熱伝導度、線膨張率、厚み１ｍｍと３ｍｍの場合の広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃを示す。一般的な樹脂材料は、熱伝導度が低く、やはりＣＰＶパネルＰの放熱面を構成する材料としては不向きである。導電性あるいは絶縁性の高熱伝導フィラーを含有する高熱伝導性樹脂が、例えば、その熱伝導度が１〜１０Ｗ／ｍＫである材料が、ＣＰＶパネルＰの放熱面を構成する材料の候補となる。同表の高熱伝導ＰＣ（ポリカーボネート）および高熱伝導ＰＢＴ（ポリブチレンテフタレート）が、三菱エンジニアリングプラスチック（株）で製造されており、その一例である。高熱伝導ＰＣおよび高熱伝導ＰＢＴをベースに樹脂材料に関する広がり熱抵抗を考えると、樹脂材料においては、広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７であることが望まれる。

図１１に、２ｃｍ□〜２０ｃｍ□の各レンズサイズＲ_ｓｃｍ□に対して、発電素子２２の変換効率η＝４０％、チップサイズＤ_Ｓ＝３ｍｍ□における、（Ａ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１、（Ｂ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７の場合の放熱面の温度分布を示す。
発電素子２２の中心、すなわちレンズ２４ａの中心を原点として、その原点からの距離を「中心からの距離」としている。この図１１の結果から以下のことがわかる。
１）放熱面の中心で最高温度となり、最高温度はレンズサイズに対して極小値をもつ。
２）レンズサイズが小さい場合は放熱面における温度差は小さく、レンズサイズが大きい場合は放熱面における温度差は大きい。
３）広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが小さいと、温度傾斜が急となる。

つぎに、発電素子２２のチップサイズＤｓについて、０．５ｍｍ□のステップで０．５〜１０ｍｍ□のチップサイズに対して、放熱面の最高温度を調べた結果を、図１２−１に発電素子２２の変換効率η＝３０％における、（Ａ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７、（Ｂ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１、（Ｃ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．７、図１２−２にη＝４０％における、（Ａ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７、（Ｂ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１、（Ｃ）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．７を示す。

図１２−１、図１２−２から、以下のことがわかる。
１）各チップサイズに対して、ほぼ同様に最高温度はレンズサイズに対して極小値をもつ。
２）広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが大きくなるにつれて極小値はレンズサイズの大きい方に移動する。
３）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７に相当する樹脂材料に関しては、極小値はレンズサイズ２ｃｍ□超である。
４）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１に相当する金属材料に関しては、極小値はレンズサイズ６ｃｍ□未満である。
５）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１における極小値は、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１における極小値と同程度である。
以上から、ＣＰＶパネルＰにおけるレンズサイズ：Ｒｓとしては、
２＜Ｒｓ＜６ （ｃｍ□）
が最適であると、考える。

＜レンズサイズおよび発電素子のサイズと接合温度＞
図１３−１〜４に、１ｃｍ□から２０ｃｍ□のレンズサイズに対して、各レンズサイズにおいて０．５ｍｍ□から１０ｍｍ□まで、０．５ｍｍ□ステップでチップサイズを変化させた場合の接合温度の解析結果を示す。その各図は、いろいろのパラメータを下記の条件、
図１３−１：σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１ Ｗ／Ｋ Ｒ_ＪＣ＝３００ （Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２
図１３−２：σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．１ Ｗ／Ｋ Ｒ_ＪＣ＝１５０ （Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２
図１３−３：σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７ Ｗ／Ｋ Ｒ_ＪＣ＝３００ （Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２
図１３−４：σ_Ｃ・ｔ_Ｃ＝０．００７ Ｗ／Ｋ Ｒ_ＪＣ＝１５０ （Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２
で解析したもので、図１３−１〜図１３−４については、発電素子２２の変換効率η＝３０％、４０％、６０％の場合についての結果を（Ａ）〜（Ｃ）に図示している。また、接合温度２００℃のラインも合わせて図中に図示している。

半導体チップは、一般に、接合温度によって素子寿命が左右され、高温になればなるほど素子寿命は短く、禁制帯幅が広いほど高温で動作可能となる。シリコン系半導体では寿命を確保するためには、接合温度：約１５０℃（中には１７５℃）が限界であるとされ、市販のシリコン系半導体チップの大半にあてはまる。
一方、シリコン系半導体の禁制帯幅１．１ｅＶよりも広い禁制帯幅をもつ化合物系半導体、例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ；禁制帯幅１．４ｅＶ）、インジウムリン（ＩｎＰ：禁制帯幅１．３５ｅＶ）の場合、当然にシリコン系半導体よりも高温で動作し、寿命を確保するための限界接合温度もシリコン系半導体より高い。この実施形態のＧａＡｓ系の発電素子２２については、半導体材料から限界温度を見積もると、２００℃以上であるが、発電素子２２の樹脂モールド、ハンダ、電極材料などの実装材料の寿命も影響するため、ここでは、限界接合温度として２００℃とする。

また、発電素子２２の変換効率は、現状４０％程度であるが、理論的限界予想値６０％を上限として、下限値：３０％の場合を含めて検討する。表４は、図１３−１〜図１３−４から、限界接合温度２００℃となる最小チップサイズを表したものである。なお、最小チップサイズは、２００℃で前後する２つのチップサイズと温度とから線形補間により求めた数値である。また、図１４は、チップサイズとレンズサイズの関係の線形および多項式近似を示したものである。

これらの結果から、以下のような関係が言える。
１）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１Ｗ／Ｋ（金属材料）、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２、２＜Ｒｓ＜６（ｃｍ□）において、
Ｄ_Ｓ≧０．３８×Ｒ_Ｓ＋０．１４、又は、Ｄｓ≧２（ｍｍ□）以上
２）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１Ｗ／Ｋ（金属材料）、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２、２＜Ｒｓ＜６（ｃｍ□）において、
Ｄ_Ｓ≧０．２７×Ｒ_Ｓ＋０．１４、又は、Ｄｓ≧１．５（ｍｍ□）
３）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７Ｗ／Ｋ（樹脂材料）、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２、２＜Ｒｓ＜６（ｃｍ□）において、
Ｄ_Ｓ≧０．１７４×Ｒ_Ｓ ^２―０．６０９×Ｒ_Ｓ＋１．５９４、又は、Ｄｓ≧３（ｍｍ□）
４）σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７Ｗ／Ｋ（樹脂材料）、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２、２＜Ｒｓ＜６（ｃｍ□）において、
Ｄ_Ｓ≧０．１９３×Ｒ_Ｓ ^２―０．９０８×Ｒ_Ｓ＋１．９２、又はＤｓ≧２．５（ｍｍ□）

＜発電素子２２の接合から放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣ＞
発電素子２２の接合部分で発生した損失Ｑ_ＬＯＳＳは、実装の形態を介して放熱面に伝導され、放熱面から大気に放散され、発電素子２２の接合温度Ｔ_Ｊ℃と発電素子直下の放熱面（筐体底部）の温度Ｔ_ＣＭＡＸ℃の間には、上記式（１）のＴ_ＣＭＡＸ＝Ｔ_Ｊ−Ｑ_ＬＯＳ×Ｒ_ＪＣ（℃）なる関係が成り立ち、ここでは、Ｒ_ＪＣ＝３００および１５０（Ｋ／Ｗ）ｍｍ^２と実装形態について説明する。なお、上記熱解析のモデルで説明したように、熱の広がりを無視してチップサイズを上面とした角柱でｍｍ^２単位当たりの熱抵抗Ｒ_ＪＣを計算し、また、上記解析結果をｍｍ^２単位当たりの熱抵抗とチップ受光面積から熱抵抗Ｒ_ＪＣを見積もっている。

表５に、実装形態、実装材料および接合−放熱面間の熱抵抗Ｒ_ＪＣを示す。配線２１としては、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）、ＰＣＢ基板およびセラミック基板等が一般的なものである。セラミック基板は、ＤＢＡ（Direct Bonding Aluminium）を例示したが、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３：熱伝導度〜３０Ｗ／ｍＫ）、窒化珪素（ＳｉＮ；熱伝導度〜３０Ｗ／ｍＫ）、炭化珪素（ＳｉＣ：熱伝導度〜１５０Ｗ／ｍＫ）などがあり、その配線材料が銅（Ｃｕ）の場合もあり、配線、セラミック基板の厚みも種々存在するが、総じて最も熱抵抗の小さい実装形態の一つであると言える。表５に示すＤＢＡの場合の例示では、熱抵抗Ｒ_ＪＣはおよそ５０（Ｋ／Ｗ）ｍｍ^２である。このため、１０ｃｍ□以上の大きなレンズサイズでＣＰＶパネルＰを構成する場合の実装形態として、発電素子数が少ないので、ＤＢＡはコストは高いが採用されている。

一方、ＦＰＣは、その熱抵抗Ｒ_ＪＣがセラミック基板よりは高いが、ＰＣＢ基板より低く、熱抵抗Ｒ_ＪＣ、コストの観点から中間的存在である。このため、１０ｃｍ□未満の比較的レンズサイズの小さなＣＰＶパネルＰを構成する場合の実装形態の最良であると考える。表５には、ＦＰＣ１とＦＰＣ２の二つのＦＰＣが例示されている。ＦＰＣ１は、携帯電話、テレビ等に使用される通常の場合のＦＰＣであり、熱抵抗Ｒ_ＪＣはおよそ３００（Ｋ／Ｗ）ｍｍ^２程度である。これに対して、ＦＰＣ２は、ＣＰＶパネルＰの用途を鑑み、耐圧の補強と熱抵抗の低減を目的に、絶縁基材に熱伝導性フィラーを含有させ、厚みを０．１ｍｍと厚くしたものであり、その熱抵抗Ｒ_ＪＣは通常のＦＰＣ１に比べておよそ半分の１５０（Ｋ／Ｗ）ｍｍ^２程度である。

＜レンズの焦点距離とパネル重量＞
ＣＰＶパネルＰにおいては、シリコン系太陽電池と異なり、光を集光する機構が必須の要件である。ここでは、レンズの焦点距離について検討する。
レンズのＦ値（F-number）は、焦点距離ｆ（focus）と有効口径φを使って、次のように定義される。
Ｆ＝ｆ÷φ
ここでは、このＦ値を使って検討する。

第一に、まず、ＣＰＶパネルＰの筐体１０の高さｈ（深さ、側板高さ：本願図３参照）について検討する。筐体１０の高さｈは、レンズサイズＲ_ＳとＦ値とから、ｈ＝Ｆ×Ｒ_Ｓである。
レンズサイズが大きいと、筐体１０の高さｈが高くなり、小さいほど低くなる。上記したレンズサイズの範囲：２ｃｍ＜Ｒ_Ｓ＜６ｃｍを考えると、２×Ｆ＜ｈ＜６×Ｆ（ｃｍ）となる。
ここで、ＣＰＶパネルＰを小型・軽量とするため、Ｆ≦２とすると、ｈ＜１２ｃｍ、Ｆ≦１．５とすると、ｈ＜９ｃｍとなって、高さｈを約１０ｃｍ前後に抑えることができる。
以上から、集光レンズの受光面積は、４ｃｍ^２を超え、３６ｃｍ^２未満であることが好ましい。

つぎに、ＣＰＶパネルＰの総重量は、概略、集光板２４、筐体底部（底板１１）、および筐体側部（側板１２）の重量の合計と考えて良い。筐体１０の重量も、筐体１０が同一材料、同一厚み（高さｈ）で構成されている場合、レンズサイズとＦ値によって変化する。図１５は、筐体１０の底部に対する側部の重量割合Ｗ_Ｒを示したもので、上述の高さｈと同様に、Ｒ_Ｓ＜６ｃｍにおいて、Ｆ≦２とすると、Ｗ_Ｒ＜０．７、Ｆ≦１．５とすると、Ｗ_Ｒ＜０．５２５である。この場合、ＣＰＶパネルＰの重量は、集光板（ガラス３ｍｍ厚）：３．６ｋｇとすると、筐体１０は、アルミニウム（Ａｌ）板３ｍｍ厚で、Ｆ≦２であると、６．６１ｋｇ、Ｆ≦１．５であると、５．９８ｋｇとなり、同アルミニウム１ｍｍ板厚で、Ｆ≦２であると、５．９３ｋｇ、Ｆ≦１．５であると、１．９８ｋｇとなる。

以上から、ＣＰＶパネルＰの総重量は、Ｆ≦２において、Ａｌ製筐体１０の板厚：３ｍｍで、１０．２１ｋｇ以下、同板厚：１ｍｍで、５．８０ｋｇ以下となり、Ｆ≦１．５において、同板厚：３ｍｍで、５．８０ｋｇ以下、同板厚：１ｍｍで、５．４８ｋｇ以下となる。なお、上記の計算においては、ＣＰＶパネルの寸法を、縦：６０ｃｍ、横：８０ｃｍとしている。
実際には、上記寸法より集光板２４は接続部分大きくなり、またその他、配線材２１、発電素子２２が加わるため、ＣＰＶパネルＰの総重量は大きくなるが、筐体１０の板厚を２ｍｍ以下にすれば、Ｆ≦２として、同総重量は７．５ｋｇ以下にすることが可能である。

第二に、レンズ２４ａのＦ値は、光が集光する方向に対するズレを吸収するマージンと関係する。すなわち、図１６を参照して、ＣＰＶパネルＰの組立や発電素子２２の実装によって、太陽光が集光レンズ２４ａによって発電素子２２の表面に集光している理想的な状態（ゼロ状態）からずれ、集光レンズ２４ａと発電素子２２の上下間の相対距離は、１つのＣＰＶパネルＰ内であれば、個々の発電素子２２で異なり、また、パネルＰ、Ｐ間でも異なる。スポットサイズを設計上あるいは許容される受光面の大きさとすると、このゼロ状態からのズレは、所望のスポットサイズ内であれば許容され得る。

図１６は、集光方向の集光レンズ２４ａと発電素子２２の受光面の相対距離のずれ、集光方向変動許容値を、スポットサイズをパラメータにレンズ２４ａのＦ値について示したものである。同図より、Ｆ値が大きければ大きいほど、また、スポットサイズが大きければ大きいほど、集光方向変動許容値は大きく、マージンが多くできることがわかる。ＣＰＶパネルＰとしては必要な集光方向変動許容値は、≧±２ｍｍであり、したがって、スポットサイズ≧２．５ｍｍ□に対して１≦Ｆとなる。
なお、色収差等を考えると、レンズの焦点は、点ではなく、５ｃｍ□のフレネル集光レンズ２４ａで２．５ｍｍ□程度の大きさを有する。このため、スポットサイズを２．５ｍｍ以上とした。
以上から、Ｆ値は１以上２未満であることが好ましい。

加えて、集光レンズ２４ａで集光された光を受けて、例えば，反射型の第２の光学素子を用いて、発電素子の受光面に集光する場合、上記のスポットサイズは第２の光学素子において定義される。すなわち、第２の光学素子を用いることにより、スポットサイズよりも発電素子のチップサイズを小さくできる（特許文献１図６等参照）。

以上の解析から、上記課題を達成するために、この発明は、集光板の各集光レンズを同一形状でその受光面積が４ｃｍ^２を超え３６ｃｍ^２未満であるものとしたのである。
「同一形状」は、正方形、正六角形などの正多角形、長方形、菱形等の集光板に隙間なく配置できる（さいじつ配置できる）形状であれば、何れでも良いが、長方形、より好ましくは正方形が好ましい。
また、発電素子は、集光レンズの全集光を受ける形状及び大きさを有する受光面（集光を受けるチップ面）を有すれば良いが、その集光レンズと相似形の形状が好ましく、その相似形とする場合、発光素子（チップ）は、劈開方向があるため、強度的から、長方形等の四角形、より好ましくは正方形が好ましい。
このため、集光レンズの受光面積が４ｃｍ^２を超え３６ｃｍ^２未満であるものとしては、正方形であれば、一辺：２ｃｍ（２０ｍｍ）を超え６ｃｍ（６０ｍｍ）未満、長方形であれば、例えば、長辺：２．５ｃｍ、短辺：１．６ｃｍを超え、長辺：６．５ｃｍ、短辺：５．５ｃｍ以下等となる。

なお、一辺：６ｃｍ未満の正方形のフレネルレンズであると、焦点距離は９．５ｃｍ（９５ｍｍ）以下におさまるため、例えば、縦：８５０ｍｍ、横：６５０ｍｍ、厚さ：９５ｍｍ等として、一人で持ち運べる大きさ・重さ（軽量・薄型）の筐体とすることができる。この程度の大きさであると、我国の薄型ＴＶ、ＬＥＤ照明器具等の生産技術の応用によって、集光板等の製作コストの低減や発電素子の自動実装等による低コスト化が可能である。筐体の深さはより好ましくは５ｃｍ以下とする。

この発明の構成としては、底板の全周囲を側板で囲んだ凹型の筐体と、その筐体の開口に設けられた複数のフレネルレンズ集光レンズを配置した集光レンズ板と、前記筐体内に設けられて前記各集光レンズに対応した発電素子と、前記筐体内に設けられて前記発電素子が実装された配線とからなる集光型太陽光発電パネルにおいて、前記各集光レンズは、同一の方形であり、その受光面積が４ｃｍ^２を超え、３６ｃｍ^２未満である構成を採用することができる。

この構成において、上記発電素子の半導体チップは、光を電気に変換する変換効率ηが３０％以上であり、その受光面積が２７ｍｍ^２以下であるものとし得る。このとき、集光レンズの受光面積を等価的に面積が等しい一辺がＲ_Ｓｃｍの正方形形状で表し、かつ、発電素子の半導体チップの受光面積Ｓ_Ｓを等価的に面積が等しい一辺がＤ_Ｓｍｍの正方形形状で表すと（以下、Ｒ_Ｓ、Ｄ_Ｓの入った式は同様）、η＝３０％の場合、Ｄ_Ｓ≦０．６９×Ｒ_Ｓ＋０．２８であり、η＝４０％の場合、Ｄ_Ｓ≦０．５７×Ｒ_Ｓ＋０．３７であり、その両場合において、半導体チップの受光面積は、Ｄ_Ｓ ^２以下とすることができる。

なお、上記解析は、一辺がＲ_Ｓｃｍの、あるいはＤ_ｓｍｍの正方形形状でもって結果を得ているが、これは解析を簡単にするためのものであって、Ｒ_ｓｃｍ□あるいはＤ_ｓｍｍ□の面積に対しても同じである。したがって、上記「面積を等価的に面積が等しい一辺の正方形形状」とは、例えば、面積：４（ｃｍ^２、ｍｍ^２）の場合、１辺：２（ｃｍ、ｍｍ）の正方形のみならず、一辺：１（ｃｍ、ｍｍ）、他辺：４（ｃｍ、ｍｍ）の長方形や、半径：１．１２８６・・（ｃｍ、ｍｍ）の円等であって、その面積が４（ｃｍ^２、ｍｍ^２）で表せるものを一辺：２（ｃｍ、ｍｍ）の正方形（□）で表した形状をいう。

また、上記発電素子の半導体チップを、その受光面積が４ｍｍ^２以上であり、筐体の底部は、その熱伝導度をσ_Ｃ、厚みをｔ_Ｃとしたとき、広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１（Ｗ）／Ｋ）であり、前記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であるものとすることもできる。
このとき、上記発電素子の半導体チップ（チップ）の受光面積Ｓ_Ｓ＞（０．３８×Ｒ_Ｓ ^２＋０．１４）^２（＝Ｄ_Ｓ ^２）ｍｍ^２とすることができる。

さらに、上記発電素子の半導体チップは、その受光面積が２．２５ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部の上記広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１（Ｗ／Ｋ）であり、上記発電素子の接合から上記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であるとすることもできる。
このとき、上記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓｓ＞（０．２７×Ｒ_Ｓ＋０．１４）^２（＝Ｄ_Ｓ ^２）ｍｍ^２とすることができる。
また、その発電素子の半導体チップは、その受光面積が９ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部の上記広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７（Ｗ／Ｋ）であり、上記発電素子の接合から上記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であるとすることもでき、このとき、発電素子の半導体チップの受光面積Ｓｓ＞（０．１７４×Ｒ_Ｓ ^２―０．６０９×Ｒ_Ｓ＋１．５９４）^２（＝Ｄ_Ｓ ^２）ｍｍ^２とすることができる。
また、その発電素子の半導体チップは、その受光面積が６．２５ｍｍ^２以上であり、前記筐体の底部の広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７（Ｗ／Ｋ）であり、前記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であるとすることもでき、このとき、前記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓｓ＞（０．１９３×Ｒ_Ｓ ^２―０．９０８×Ｒ_Ｓ＋１．９２）^２（＝Ｄ_Ｓ ^２）ｍｍ^２であるとしたりすることができる。

上記複数の集光レンズの受光面積のＦ値は、１以上２未満とすることが好ましい。また、筐体の高さは１２０ｃｍ未満とすることが好ましい。筐体の高さが１２０ｃｍ以上であると、パネルＰが嵩高くなって持ちにくくなるからである。

以上の各集光型太陽光発電パネルを複数備えて太陽光発電装置とし得ることは勿論である。

この発明は、以上のように構成したので、高発電効率、低コストの集光型太陽光発電パネルを得ることができると共に、その嵩を小さくかつ薄くし得る。

この発明に係る集光型太陽光発電装置の一例の斜視図 同太陽光発電パネルの斜視図 （ａ）は同太陽光発電パネルの断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図 同太陽光発電パネルの集光板を除去した斜視図 図４の要部拡大図 同筐体を示し、（ａ）は表面からの斜視図、（ｂ）は裏面からの斜視図 太陽光発電パネルの放熱説明図 （Ａ）はチップサイズと歩留りの関係図、（Ｂ）はレンズサイズとコスト同等チップ面積の関係図 レンズサイズとコスト同等チップサイズ及び等面積チップのコスト比との関係図 （Ａ）、（Ｂ）は、レンズ又はチップ中心からの距離と放熱面の温度の関係図 （Ａ）、（Ｂ）は、同レンズ又はチップ中心からの距離と放熱面の温度の関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと放熱面最高温度との関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと放熱面最高温度との関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと接合温度との関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと接合温度との関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと接合温度との関係図 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれレンズサイズと接合温度との関係図 レンズサイズとチップサイズの関係図 レンズＦ値と筐体側部／底部の重量比との関係図 レンズＦ値とレンズと発電素子の間（縦方向）の発電素子の変動許容値との関係図 発電量比較図

この発明は、底部となる底板の全周囲を側部となる側板で囲んだ凹型の筐体と、その筐体の開口に設けた集光板と、前記筐体内に設けられて前記集光板の各集光レンズに対応した発電素子とからなる集光・透過型太陽光発電パネル（以下、単に「太陽光発電パネル」という。）であって、例えば、図１に示す、複数の太陽光発電パネルＰを縦横に有する集光型太陽光発電装置に採用する。

この集光型太陽光発電装置は、追尾架台Ｄに格子状のフレームＦをその追尾架台Ｄに対して左右方向（追尾架台Ｄの軸心周り）かつ上下方向（追尾架台Ｄの軸心に沿う）に電動機Ｅ等によってそれぞれ回動可能に取付け、このフレームＦに太陽光発電パネルＰを縦横に配置したものである。この太陽光発電パネルＰの縦横の配列個数は任意である。また、この集光型太陽光発電装置を縦横に並べて集光型太陽光発電システム(設備）とすることもできる。その集光型太陽光発電装置の縦横の配列個数も任意である。

この太陽光発電パネルＰは、例えば、縦：８５０ｍｍ、横：６５０ｍｍ、厚さ：９５ｍｍ等として、一人で持ち運べる大きさ・重さ（軽量・薄型）となっている。また、この程度の大きさであると、我国の薄型ＴＶ、ＬＥＤ照明器具等の生産技術の応用によって、集光板１４等の製作コストの低減や発電素子２２の自動実装等による低コスト化が可能である。

その各パネルＰの中央部に、太陽方位計（太陽追日計）Ｃ_１、全天日射計Ｃ_２及び太陽光直達光計Ｃ_３が配置されており、太陽方位計Ｃ_１によって太陽の位置（方位）を確認し、その確認信号に基づき、フレームＦが左右及び上下方向に動いて太陽に真っ直ぐ向く回転角θと迎え角αとされる。
すなわち、常時、太陽の一日の運行に追日して、東方向から西方向へ太陽光発電パネルＰの受光面を可動とする方位角（回転角）に制御され、太陽高度が低い日の出から高度の高い昼そして再び高度の低くなる日没まで太陽の一日の高度変化に追日して、仰角方向に太陽光発電パネルＰの受光面を可動とする仰角（迎え角）に制御されて、パネル受光面を発電効率が最良となる、太陽に向かって各太陽光発電パネルＰ（受光面）が真っ直ぐ（直角）に向く（受光面が正対する）状態とされる。
また、全天日射計Ｃ_２によって全天空の日射量を検出し、太陽光直達光計Ｃ_３によって直達光の日射量を検出し、それらの検出量と発電量との対比によって発電効率等が計算される。

太陽光発電パネルＰは、図２〜図６に示すように、四角枠状の金属製箱フレーム（筐体）１０内に高放熱フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２１が１２列設けられ、その各ＦＰＣ２１上に、化合物多接合型半導体（セル）、例えば、III−Ｖ族化合物半導体からなる小型の発電素子（例えば、一辺５ｍｍ正四角）２２、逆流防止ダイオード２３を下記集光レンズ２４ａの間隔で配置されている。このIII−Ｖ族化合物半導体は結晶シリコン型セルに対して約２倍の光電変換効率を発揮する。

また、筐体１０の前面はフレネルレンズから成る集光レンズ（例えば、一辺５ｃｍ正四角）２４ａが縦横（縦：１６個、横：１２個）に配置された集光板２４によって被われており、各集光レンズ２４ａの中心が各発電素子２２にそれぞれ対向している。このため、集光レンズ２４ａによって集光された太陽光は発電素子２２にその多く（直達光）が照射されて効率的な発電がなされる。

筐体１０は、図３〜図６に示すように、アルミ合金５０００番台、例えば、Ａ５０５２Ｐのアルミ合金板から、プレスによる絞り加工にとって底板１１、側板１２が一体成型されたもの（一体成型品）である。このプレス加工によって底板１１と側板１２の接合部（稜線）及び左右上下の側板１２の各接合部（稜線）は円弧状となって強度が高くなっている。そのプレス加工の際又は後に、底板１１に、その補強機構をなす縦方向の凸型直線状ビード１３、前記フレームＦへの取付け孔１４、ＦＰＣ位置決め突起１５、通気孔１６が形成される。そのビード１３は、筐体１０に集光板２４を取付けた際、その各集光レンズ２４ａ間の境界直下に位置する。

その取付け孔１４の位置・数は太陽光発電パネルＰがフレームＦに強固かつ安定して固定されればいずれでも良いが、例えば、筐体１０の四隅であると、その固定位置間において底板１１が波を打って（屈曲して）、各集光レンズ２４ａと各発電素子２２と距離が一定とならない（安定しない）が、図６のように、底板１１の左右上下内側の対称位置にあると、底板１１の波打ちも少なくなって前記各集光レンズ２４ａと各発電素子２２と距離のＸＹ軸方向の差（ズレ）も極力少なくなる。その取付け孔１４の側板１２から内側への距離は、そのズレ度合のみならず、太陽光発電パネルＰのフレームＦへの取付性も考慮して適宜に設定する。

突起１５は、各発電素子２２の両側に位置するように配置されており、この突起１５をＦＰＣ２１の孔に嵌めることによって、各発電素子２２が各集光レンズ２４ａの中心（軸心）と一致する。ＦＰＣ２１は、シリコン系接着剤によって筐体１０の底板１１、側板１２に貼着固定される。

ＦＰＣ２１が配設されれば、底板１１の補強板をなす横方向の直線状ビード板１８を底板１１にカシメ止め（カシメリベット１８ａ）して水密に取付ける。このビード板１８及び前記ビード１３によって底板１１の平面性が担保される。さらに、ビード１３とビード板１８の設置態様は上下左右（縦横）対称となっており、仮に、筐体１０底面（底板１１）が波を打つように屈曲しても、各ビード１３、１８間での波打ちとなってその底面の高低差が小さく均一となるため（平面性がより担保されるため）、集光レンズ２４ａ（板２４）と発電素子２２との距離の変動が小さくなっている。この実施形態では、各発電素子２２と各集光レンズ２４ａとの距離のズレ（差）は±１ｍｍ以内となっている。ビード１３及びビード板１８の数は、ＦＰＣ２１の設置に支障がない限りにおいて任意である。また、ビード１３を縦方向、ビード板１８を横方向とすることもできる。

通気孔１６は、筐体１０の上下の側板１２に形成されて防水性キャップ１６ａが接着剤を介在して嵌められており、このキャップ１６ａは、耐薬品性・耐熱性に優れた四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＦ）、例えば、住友電工ファインポリマー（株）製ポアフロン（登録商標）により形成され、筐体１０外部からの水分を遮断しつつ空気を円滑に流通させて筐体１０内の換気を円滑に行なう。

この実施形態では、各ＦＰＣ２１が同じくＦＰＣ２１ａによって並列接続され、そのＦＰＣ２１ａは側板１２外側面の端子ボックス２５に接続されている。各ＦＰＣ２１の接続態様は、並列、直列、部分並列、部分直列等と任意である。図中、２６は太陽光発電パネルＰで発電された電力を外部に導くケーブルであり、このケーブル２６でもって前記架台Ｄ上の各太陽光発電パネルＰを並列又は直列に接続して、この集光型太陽光発電装置を所要発電量（定格）とする。

集光板２４は、ガラス板又はアクリル板の裏面にシリコン樹脂被膜が形成され、その膜にフレネルレンズ２４ａ（一辺：５ｃｍの正方形）が縦横をなすように形成された一枚ものである。この集光レンズ２４ａのＦ値は１．０〜２．０とした。また、この集光板２４は、シリコン系接着剤を介して筐体１０の前面に貼着固定される。この貼着は、筐体１０の開口全周囲のフランジ表面に接着剤を塗布して集光板２４をその接着剤を介してフランジに押し当てると共に、そのフランジ側面の係止片１９を折り曲げて集光板２４を把持して行なう。

因みに、この実施形態では、縦：８００ｍｍ、横：６００ｍｍ、厚さ：３ｍｍの集光板２４内に１９２（１６×１２）個の小型発電素子２２（５ｍｍ角）を配置しているため、集光レンズ２４ａの大きさ（５０×５０＝２５００ｍｍ^２）に対し、発電素子２２の周りに大きなスペース（２５００−２５（５×５）＝２４７５ｍｍ^２）が形成される。この発電素子２２の周りに大きなスペースがあるため、底板１１（ＦＰＣ２１）からの放熱が有効になされる。すなわち、放熱性の高い構成となっている。

この構成の太陽光発電パネルＰを追尾架台Ｄに取付けるには、前記格子状のフレームＦに底板１１をビス（ボルト）止めして行なう。このとき、底板１１には図３に示すように盲ナット（ピアスナット）２０がビード板１８と共に（ビード板１８を介在して）カシメ止めされており、その盲ナット２０にフレームＦのボルト２０ａをねじ込むことによってフレームＦに太陽光発電パネルＰを取付ける。

因みに、この実施形態の太陽光発電パネルＰは、同一の照射受光面積の結晶シリコン型発電素子の太陽光発電パネルに対し、重さ：約１．１６倍であるが、発電量は２倍であった。

前記実施形態において、発電素子２２の前面にセカンダリーレンズ（ロッドレンズ：ＣＰＣ）を設けて、集光を均一化して発電効率を上げることもできる。また、この発明は、上記第２の光学素子を用いたＣＰＶパネルにおいても採用し得ることは勿論である。
このように、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。この発明の範囲は、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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｄ 集光型太陽光発電装置の追尾架台
Ｆ 集光型太陽光発電装置のフレーム
Ｐ 集光型太陽光発電パネル
Ｄｓ 発電素子のチップサイズ
Ｒｓ 集光レンズのサイズ
１０ 太陽光発電パネルの筐体
１１ 筐体の底板（底部）
１２ 同側板（側部）
１３ 補強ビード（補強機構）
１５ フレキシブルプリント基板（配線板）位置決め用突起
１６ 通気孔
１８ 補強ビード（補強板）
２０ 太陽光発電パネルＰの取付用盲ナット
２０ａ 同ボルト
２１ フレキシブルプリント基板（配線板）
２２ 発電素子
２３ 逆流防止ダイオード
２４ 集光板
２４ａ 集光レンズ（フレネルレンズ）

Claims (13)

1. 底板の全周囲を側板で囲んだ凹型の筐体と、その筐体の開口に設けられた複数の集光レンズを配置した集光板と、前記筐体内に設けられて前記各集光レンズに対応した発電素子と、前記筐体内に設けられて前記発電素子が実装された配線とからなる集光型太陽光発電パネルであって、
   上記各集光レンズは同一形状であり、その受光面積が４ｃｍ^２を超え、３６ｃｍ^２未満であることを特徴とする集光型太陽光発電パネル。
2. 上記発電素子の半導体チップは、光を電気に変換する変換効率が３０％以上、受光面積が２７ｍｍ^２以下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パネル。
3. 上記発電素子の半導体チップはその受光面積Ｓ_Ｓが４ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部は、その熱伝導度をσ_Ｃ、厚みをｔ_Ｃとしたとき、広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１（Ｗ／Ｋ）であり、前記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電パネル。
4. 上記集光レンズを等価的に面積が等しい一辺がＲ_Ｓｃｍの正方形形状で表し、かつ、上記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓ_Ｓを等価的に面積が等しい一辺がＤ_Ｓｍｍの正方形形状で表したとき、
   Ｄ_Ｓ＝０．３８×Ｒ_Ｓ＋０．１４、 Ｓ_Ｓ＞Ｄ_Ｓ ^２
   なる関係を満足することを特徴とする請求項３に記載の集光型太陽光発電パネル。
5. 上記発電素子の半導体チップは、その受光面積Ｓ_Ｓが２．２５ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部の上記広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．１（Ｗ／Ｋ）であり、前記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電パネル。
6. 上記集光レンズを等価的に面積が等しい一辺がＲ_Ｓｃｍの正方形形状で表し、かつ、上記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓ_Ｓを等価的に面積が等しい一辺がＤ_Ｓｍｍの正方形形状で表したとき、
   Ｄ_Ｓ＝０．２７×Ｒ_Ｓ＋０．１４、 Ｓ_Ｓ＞Ｄ_Ｓ ^２
   なる関係を満足することを特徴とする請求項５に記載の集光型太陽光発電パネル。
7. 上記発電素子の半導体チップは、その受光面積が９ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部の上記広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７（Ｗ／Ｋ）であり、上記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦３００（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電パネル。
8. 上記集光レンズを等価的に面積が等しい一辺がＲ_Ｓｃｍの正方形形状で表し、かつ、上記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓ_Ｓを等価的に面積が等しい一辺がＤ_Ｓｍｍの正方形形状で表したとき、
   Ｄ_Ｓ＝０．１７４×Ｒ_Ｓ ^２―０．６０９×Ｒ_Ｓ＋１．５９４、 Ｓ_Ｓ＞Ｄ_Ｓ ^２
   なる関係を満足することを特徴とする請求項７に記載の集光型太陽光発電パネル。
9. 上記発電素子の半導体チップは、その受光面積が６．２５ｍｍ^２以上であり、上記筐体の底部の上記広がり熱伝導係数σ_Ｃ・ｔ_Ｃが、σ_Ｃ・ｔ_Ｃ≧０．００７（Ｗ／Ｋ）であり、前記発電素子の接合から前記筐体の底部の放熱面に至る熱抵抗Ｒ_ＪＣは、Ｒ_ＪＣ≦１５０（Ｋ／Ｗ）／ｍｍ^２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電パネル。
10. 上記集光レンズを等価的に面積が等しい一辺がＲ_Ｓｃｍの正方形形状で表し、かつ、上記発電素子の半導体チップの受光面積Ｓ_Ｓを等価的に面積が等しい一辺がＤ_Ｓｍｍの正方形形状で表したとき、
    Ｄ_Ｓ＝０．１９３×Ｒ_Ｓ ^２―０．９０８×Ｒ_Ｓ＋１．９２、 Ｓ_Ｓ＞Ｄ_Ｓ ^２
    なる関係を満足することを特徴とする請求項９に記載の集光型太陽光発電パネル。
11. 上記複数の集光レンズの受光面積のＦ値は、１以上２未満であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
12. 上記筐体の高さ（ｈ）が１２０ｃｍ未満であることを特徴とする１乃至１１の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
13. 請求項１乃至１２に記載の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル（Ｐ）を複数備える太陽光発電装置。