JP2013512565A - ソーラーモジュール構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】ソーラーモジュール構造の様々な実施形態を開示する。ある実施形態において、ソーラーモジュールは、傾斜した導波管形状を有する光学素子を備える。ソーラーモジュールの光学素子は、太陽電池を備える受光部に直接接続される。受光部は、さらに、モジュールのバックプレーンに接続される。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】ソーラーモジュール構造の様々な実施形態を開示する。ある実施形態において、ソーラーモジュールは、傾斜した導波管形状を有する光学素子を備える。ソーラーモジュールの光学素子は、太陽電池を備える受光部に直接接続される。受光部は、さらに、モジュールのバックプレーンに接続される。
【選択図】図２Ａ
Description
［クロスリファレンス］
本出願は、「フラットパネル光学集光光学素子用の積層ソーラーモジュール構造（LAMINATED SOLAR MODULE CONSTRUCTION FOR FLAT PLANEL CONCENTRATOR OPTIC）」の名称で２００９年１１月２５日に出願された米国仮特許出願No.61/283,097に基づく優先権を主張するものであり、前記出願の内容は、参照することにより、その全体があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
本出願は、「フラットパネル光学集光光学素子用の積層ソーラーモジュール構造（LAMINATED SOLAR MODULE CONSTRUCTION FOR FLAT PLANEL CONCENTRATOR OPTIC）」の名称で２００９年１１月２５日に出願された米国仮特許出願No.61/283,097に基づく優先権を主張するものであり、前記出願の内容は、参照することにより、その全体があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
既存のソーラーモジュールの構造には、様々な制限がある。ソーラーモジュール構造の改良が求められている。
本発明の様々な実施形態を、添付の図面を参照して、以下で詳述する。
本発明は、処理、装置、システム、物質の組成、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体上に具現化されるコンピュータプログラム製品、及び／又は、プロセッサ、たとえば、プロセッサに連結されるメモリ上に格納される及び／又はメモリにより提供される命令を実行するように構成されるプロセッサ等、種々の形態で実施可能である。本明細書において、これらの実施形態や本発明を実現可能なその他の任意の形態を手法と称する。本明細書に開示される処理の各ステップの順序は、一般的に、本発明の要旨の範囲内で変更可能である。特に明記しない限り、ある仕事を実行するように構成される、と記載されたプロセッサやメモリ等の部品は、所定の時にその仕事を実行するように一時的に構成される汎用部品として実現されるものでも、あるいは、その仕事を実行するために製造された特定の部品として実現されるものでもよい。本明細書で用いる「プロセッサ」という用語は、コンピュータプログラム命令等のデータを処理するように構成される１つ以上のデバイス、回路、及び／又は、処理コアを意味する。
本発明の実施形態を、本発明の原理を図示する添付の図面を参照して、以下に詳述する。本発明を、いくつかの実施形態に関連して説明するが、本発明は何らこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、種々の変形・変更及びその等価物を包含するものである。以下、本発明の理解を助けるために、具体的な詳細を説明するが、これらの詳細は例示に過ぎず、これら特定の詳細の一部又は全部を省略しても、特許請求の範囲に従って本発明を実施可能である。本発明を不必要に曖昧にすることなく、明確に説明するために、本発明に関係する技術分野で周知の技術内容に関しては詳述しない。
集光型太陽光発電（ＣＰＶ）及び流体加熱等の用途にソーラーエネルギー・モジュールが用いられている。独自なＣＰＶソーラーモジュール構造の様々な実施形態を本明細書で開示する。図１にソーラーパネル１００の実施形態の等角図を示す。ある実施形態において、モジュール構造１００は、平坦なラインフォーカス（線焦点）光学素子をレシーバーと一体化して、パネル形状にしたものである。ラインフォーカス光学素子を用いる利点は、あまり標準的でない二軸トラッキング（追尾）の代わりに、標準的な単軸ソーラートラッキング（太陽追尾）を適用できることにある。ある実施形態において、モジュール１００の光学素子は、傾斜又はテーパした形状の導波路を備え、モジュール１００の太陽電池と直接接続される。本明細書に開示するソーラーモジュールの構造は、薄型のパネル形状を維持すると共に、ＣＰＶの経済的な利点を備えるものである。薄型のパネル形状を維持することにより、輸送費の削減、風荷重の削減、市販のトラッキングシステム等既存のソーラー・インフラストラクチャとの互換性等、様々な効果を与えることができる。
以下、特定のモジュール構造を添付図面を参照して例示する。ただし、本発明の手法は、これらの構造に限定されるものではなく、他の構造に関しても同様に適用可能である。たとえば、以下に開示及び／又は詳述するモジュールの各層のうち１つの層又は複数の層を、他の層及び／又は材料に置き換えるようにしてもよい。また、以下に開示及び／又は詳述するモジュールの各層のうち１つの層又は複数の層を省略可能としてもよい。さらに、以下に開示及び／又は詳述するモジュールの各層のうち１つの層又は複数の層を異なる構造や異なる順序としてもよい。また、以下に開示及び／又は詳述するモジュールの各層の一部に加え、及び／又は、一部に代えて、１つ又は複数の他の層を用いるようにしてもよい。
図２Ａに、一実施形態におけるモジュールの一部省略断面図を示す。ある実施形態において、モジュール２００は、図１に示すパネル１００を備える。モジュール２００は、集光ユニット２０２等の複数の集光ユニットを備え、複数の集光ユニットはフレーム２０４で連結される。図示する例に示すように、モジュール２００は、トップシート又は一次光学素子２０６と、サブレイヤ（副層）２０８と、二次光学素子２１０と、中間又はクラッド層２１２と、受光部２１４と、バックプレーン２１６と、を含む複数の材料層を備える。これらの各層を以下に詳述する。
トップシート２０６は、入射光のモジュール２００への透過を容易にするものであり、透過性材料層を備える。ある実施形態において、トップシート２０６は、モジュール２００の一次光学素子を備える。トップシート２０６に利用可能な材料の一例としては、光分解速度の遅い低鉄含有フロートガラスが挙げられる。トップシート２０６は、様々な目的のうちの任意の目的に役立つものであればよい。たとえば、降水や紫外線等の環境要素やその他の外部要素からモジュール２００を保護する障壁として機能するカバープレートとして、トップシート２０６を用いるものでもよい。また、エネルギーの入射スペクトルにフィルタをかける任意の所望の反射防止膜及び／又はその他の膜の用途における基材として、トップシート２０６を用いるものでもよい。さらに、組立工程で、サブレイヤ２０８及び／又は光学素子２１０を搭載する、及び／又は、並べるための平坦な基準面として、トップシート２０６を用いるものでもよい。また、トップシート２０６がモジュール２００に構造的な剛性を与えるものでもよい。ある実施形態において、光路に影響を与えるように、上面および底面のいずれか又は両方において、トップシート２０６の材料をテクスチャ加工するようにしてもよい。たとえば、ガラスロール処理又はガラスパターン形成処理を用いて、ガラストップシートにレンズの特性を与えるようにしてもよい。場合によっては、トップシート材内に光学素子を集積することにより、後述する図２Ｄの実施形態のように、モジュール構造を単純化することができる。
トップシート２０６の下側に１つまたは複数のサブレイヤ２０８を必要に応じて接着するようにしてもよい。ある実施形態において、サブレイヤ２０８は、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル）等の１つ以上のポリマーを含有する。サブレイヤ２０８は様々な目的のうちの任意の目的に役立つものであればよい。たとえば、下層の光学素子２１０に有害な可能性のある又はその他望ましくない入射光スペクトルの部分をフィルタにかけるようにしてもよい。たとえば、紫外線はいくつかの種類のポリマーを劣化させることが知られているが、紫外線を吸収するサブレイヤ２０８をトップシート２０６に加えることにより、各層の劣化を防ぐことができる。フィルタをかけていないＡＭ１．５標準太陽試験スペクトルと、ガラスとＥＶＡでフィルタをかけたスペクトルとを比較したグラフを図３に示す。図示するように、それぞれトップシート２０６とサブレイヤ２０８とを構成する低鉄含有ガラス層とＥＶＡ層とを透過後、紫外線領域（すなわち、４００ｎｍ以下）のエネルギー量は、除去できないとしても、大幅に削減される。さらに、サブレイヤ２０８は、トップシート２０６と光学素子２１０との接着を容易にするものでもよい。たとえば、トップシート２０６にガラス等の脆性材料が用いられている場合、柔らかいポリマーサブレイヤ２０８をコンフォーマル（形状適応）層として加えることにより、トップシート２０６と光学素子２１０との間の化学的接着を促進することができる。さらに、サブレイヤ２０８は、溶剤結合や冷間圧接等の従来の積層処理以外の接着処理を可能にするものである。従来の昇温積層処理では、光学素子２１０を変形させる、溶融させる、又は、その他損傷を与える可能性がある。ポリマー基材２０８をトップシート２０６上に積層した後、溶剤結合や溶剤接着等の低温処理を用いて、光学素子層２１０をポリマー基材２０８に接着させることにより、高温積層処理を避けることができる。さらに、サブレイヤ２０８は、トップシート２０６と光学素子２１０との境界面における熱膨張やその他関係する応力を制御するものでもよい。たとえば、トップシート２０６の材料と光学素子２１０の材料との間に大きな熱膨張率の差がある場合には、中間の熱膨張率を有するポリマー・サブレイヤ２０８を挿入することにより、モジュール２００を加熱又は冷却する際に生じる熱応力を軽減することができる。
光学素子２１０は、受光部２１４との境界面に一致する焦点領域に入射光を導く透過性材料を備える。ある実施形態において、光学素子２１０は、モジュール２００の二次光学素子を備える。ある実施形態において、光学素子２１０は、導波管を備える。ある実施形態において、モジュール２００の光学素子は、集光光学素子を形成する。ある実施形態において、モジュール２００の光学素子は、ＡＴＩＲ（Aggregated Total Internal Reflection：内部全反射）光学素子を形成する。ある実施形態において、モジュール２００の光学素子は、入射光を集める集光層及び／又は集めた光を統合して焦点領域に伝達する導波管層を備える。場合によっては、たとえば、一次光学素子又はトップシート２０６に集積させた光学素子が集光の役割を果たし、二次光学素子又は導波管２１０により集めた光を焦点領域の方向に変える、統合する、及び／又は、伝達する役割を果たすようにしてもよい。ある実施形態において、二次光学素子２１０が、一次光学素子２０６から受け取った光をさらに集めるものでもよい。ある実施形態において、モジュール２００の光学素子は、参照することによりあらゆる目的で本明細書に組み込まれる、同一出願人バンヤンエナジー・インコーポレイテッドによる米国特許出願No.11/852,584号及びNo.12/207,346号に開示されている種類の集光光学素子を備える。ある実施形態において、二次光学素子又は導波管２１０は、傾斜又はテーパした形状であり、アクリル系又はその他のポリマー材料を備えるものでもよい。このような材料を二次光学素子２１０に用いて、二次光学素子２１０の材料に損傷を与える可能性のある太陽のスペクトルの有害部分をフィルタ除去する一次光学素子２０６及び／又はサブレイヤ２０８と共に用いるようにしてもよい。種々の実施形態において、光学素子２１０は、１つの部品でもよいし、あるいは、複数の部品を一緒に組み立てたものでもよい。
ある実施形態において、たとえば、電池に損傷を与えることなく、また、電池を相互接続するルーティング領域を備えるように、モジュール内の隣接する電池を適当な間隔で配置することが望ましい。ある実施形態において、二次光学素子２１０は、電池間の間隔にわたって傾斜又はテーパしており、電池間の領域に入射されるはずの光の方向を電池領域に向くように変えるものでもよい。図４Ａ及び図４Ｂに、電池間の間隔４０４にわたって光学素子４０２をテーパさせて、電池４０６に光の方向を変える実施形態の等角図及び側面図を示す。このような光学素子の形状により、従来のパネル構造に特有の電池間間隔による損失を最小限に抑え、その結果、モジュールの変換効率を向上させることができる。
パネル集積型の線形集光光学素子は、平坦で高アスペクト比（幅方向の寸法：高さ方向の寸法）であることが望ましい。たとえば、ある実施形態において、アスペクト比は６：１よりも大きい。高アスペクト比であれば、ノード率が高いこと又は多数の集光ユニットを備えることに伴うシステムコストを最小限に抑える、又は、少なくとも削減できる。シリコン系電池技術に関しては、幾何学的な集光比（絞り領域：焦点領域）が中程度であることも望ましいと考えられる。たとえば、ある実施形態において、幾何学的集光比は４：１〜１５：１の間である。光起電力材及び／又は熱交換材のような比較的高コストの受光材の大きさに焦点領域が影響を与えるのに対して、絞り領域は比較的低コストの光学材料で被覆されるため、集光比を増大させることにより、さらに経済的な製品が実現可能となる。また、太陽集光器は電池領域単位当たりの出力を増大できるため、太陽電池のより効率的な資金活用も可能になる。ただし、幾何学的集光比を高くすると、熱的リスクが生じ、望ましくない電気的性能低下につながる可能性がある。場合によっては、幾何学的集光比が約１５：１よりも大きくなると、ＣＰＶ用途における廃熱を適切に放散させるために、大幅な温度管理コストが必要になる可能性がある。経済的な利益がわずかに減少することと、集光比が高いと温度管理が難しくなることと、を考慮すると、シリコン系光電池製品に関しては、４：１〜１５：１の間の幾何学的集光比が最も望ましい。
中間／クラッド層２１２を、必要に応じて、光学素子２１０と受光部２１４及び／又はバックプレーン２１６とのスタック間に配置するようにしてもよい。ある実施形態において、中間／クラッド層２１２は、光学素子２１０を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料を備える。電池を封入し、光学素子２１０に接着して、高放射フラックスの条件に耐えられる低屈折率の光学クラッド材の一例としては、シリコーン・エラストマーが挙げられる。中間／クラッド層２１２は、様々な目的のうちの任意の目的に役立つものであればよい。たとえば、中間／クラッド層２１２は、光学素子２１０の隣接するサブレイヤへの接着を容易にするものでもよい。また、中間／クラッド層２１２は、焦点領域へ光を向けるのに役立つ低光学指数のクラッドとして機能するものでもよい。さらに、中間／クラッド層２１２は、光学素子２１０と受光部２１４及び／又はバックプレーン２１６とのスタック間の境界面における材料の熱膨張や関係する応力の差を調整するものでもよい。また、中間／クラッド層２１２は、光学素子２１０及び／又は受光部２１４のスタックを封入し、これらの要素を環境から電気的に絶縁及び保護するものでもよい。
受光部２１４は、光学素子２１０と接続される。ある実施形態において、受光部２１４は、光学素子２１０と直接連結される、及び／又は、光学素子２１０と直接物理的に接触する。受光部スタック２１４は、太陽電池を備え、さらに、以下に説明するような１つまたは複数の他の層を備えるものでもよい。受光部スタック２１４の寸法、光学素子２１０の焦点領域の幅に基づいて決まる。場合によっては、小さな焦点領域への光を集束を容易にする光学素子２１０を用いて、設置面積の小さな受光部スタック２１４を用いることが望ましい。受光部スタック２１４は、様々な目的のうちの任意の目的に役立つものであればよい。まず第一に、受光部スタック２１４は、集めた光を、より有用なエネルギー形態に変換するものである。たとえば、ある実施形態において、光学素子２１０の焦点領域に配置させた光起電力材は、集めた光エネルギーを電気に変換する。他の実施形態において、集めた光エネルギーを用いて、光学素子２１０の焦点領域で循環する流体を加熱するようにしてもよい。さらに、受光部スタック２１４は、未変換のエネルギーを受光部スタック２１４の１つまたは複数の他の層及び／又はバックプレーン２１６に移して、熱劣化を防ぐようにしてもよい。
図２Ｂに、一実施形態の集光ユニット２０２の断面図を、受光部スタック２１４の断面と共に示す。図２Ｂは、モジュール構造２００で採用可能な材料層の構造の一例を具体的に示すものである。図示するように、集光ユニット２０２は、ガラス・トップシート２０６と、ＥＶＡサブレイヤ２０８と、アクリル光学素子２１０と、受光部スタック２１４と、アルミニウム・バックプレーン２１６と、を備える。図示した受光部スタック２１４の断面は、受光部スタック２１４に利用可能な材料層の１つの構造例を示すものである。図示するように、受光部スタック２１４は、シリコーン封入材２１８と、シリコン電池２２０と、銅箔２２２と、ポリイミド膜２２４と、を備える。この実施形態において、たとえば、シリコン系光電池２２０が、熱を分散させる導電性銅層２２２にはんだ付けされ、銅層２２２は、ポリイミド薄膜２２４（たとえば、２００μｍ未満）に熱グリースを介して接着される。ポリイミド膜２２４は、金属バックプレーンから金属部品を絶縁するものであり、別の熱グリース層を用いて、熱をさらに分散させると共に構造基材として働くアルミニウム・バックプレーン基材２１６に接着される。
図２Ｂに示す構造は、受光部スタック２１４の一例である。別の実施形態において、受光部スタック２１４は、適切な熱伝導を可能にすると共に電気的性能を維持する任意の他の材料層の適当な組み合わせにより構成されるものでもよい。たとえば、ある実施形態において、受光部スタック２１４は、封入材層と、太陽電池と、銅熱分散材とＥＶＡ層と、を備えるものでもよい。別の実施形態において、受光部スタック２１４は、封入材層と、太陽電池と、高分子複合材料層と、を備えるものでもよい。また別の実施形態において、受光部スタック２１４は、第一の封入材層と、ガラス層と、第２の封入材層と、太陽電池と、第３の封入材層と、絶縁膜と、アルミニウム光分散材と、を備えるものでもよい。この実施形態では、バックプレーン２１６の主要構造材料としてガラスが用いられ、アルミニウムの薄層を備えることにより、焦点領域の裏側から熱を分散させることができる。上述及びその他の任意の適当な受光部スタック２１４の実施形態のいずれにおいても、様々な接着剤及び／又ははんだ化合物のいずれかを用いて、受光部スタック２１４の隣接する層を接合するようにしてもよい。
バックプレーン２１６は、光学素子２１０及び／又は受光部スタック２１４と接続される。様々な実施形態において、バックプレーン２１６は、ポリマー、セラミック、金属又はその他任意の適当な材料のシート及び／又は複数の前記材料の複合シートを備えるものでもよい。バックプレーン２１６は、様々な目的のうちの任意の目的に役立つものであればよい。たとえば、バックプレーン２１６は、受光部スタック２１４を搭載して正確に配置させる硬質基板として機能する。また、バックプレーン２１６が、光学素子２１０の焦点領域と受光体２１４とのコロケーションを行なう（同じ場所に設置する）ための基準面を与えるようにしてもよい。さらに、バックプレーン２１６は、モジュール２００に構造的な剛性を与え、環境要素やその他の外部要素に対する障壁として機能する。また、バックプレーン２１６は、対流熱伝達のための表面積を与えるものである。
受光部２１４に集めた光エネルギーのすべてが電気又はその他有用な形態に変換されるわけではない。エネルギーの一部は、受光部スタック２１４を通って周囲の構造に熱として伝達される。光学素子２１０の焦点領域の近傍では熱の局在化が生じる。この熱は、バックプレーン２１６構造から主に対流熱損失により放散する。受光部スタック２１４は、受光部２１４からの熱の伝達及び分散に大きな役割を果たす。モジュール２００内部の温度を下げるために、局在又は分散型ヒートシンク（吸熱）構造を用いて、バックプレーン２１６の表面積を増大させて、対流熱伝達を促進するようにしてもよい。利用可能な対流熱伝達構造の例としては、ヒートシンク・フィン（羽根）やテクスチャ面が挙げられる。場合によっては、たとえば、所定の平均角度に表面をテクスチャ加工することにより、このテクスチャ角度のコサインの逆数に比例して、バックプレーンの表面積を増大させることができる。図５を参照して、様々なヒートシンクの例を後述する。
ある実施形態において、バックプレーン２１６がキャンバ（反り）を備えるように構成し、光学素子２１０をより効果的にトップシート２０６に対して位置決めするようにしてもよい。たとえば、ガラス、封入材（たとえば、ＥＶＡ）及び絶縁膜で被覆されたアルミニウムを備える複合バックプレーンを、積層後にトップシート２０６の方向に大きなカーブ又はキャンバを持つように構成してもよい。光学素子アレイに対してバックプレーンを平らにしようとすると、バックプレーンによって前方への力がかかるため、バックプレーン２１６の形状のこのようなバイアスが組立の際に役立つ。反らせたバックプレーン２１６を用いて、トップシート２０６に光学素子２１０を固定するようにしてもよい。
図２Ａ及び図２Ｂに示す実施形態は、波型構造のバックプレーン２１６を備える。バックプレーン２１６の波型構造は、たとえば、曲げ加工及び／又はロール成形加工により形成するようにしてもよい。ある実施形態において、バックプレーン２１６の波型形状は、光学素子２１０の形状に一致して、受光部スタック２１４に対して光学素子２１０の焦点領域を規定する役割を果たす。すなわち、波型バックプレーン２１６の傾斜面は、嵌合させた際に、傾斜又はテーパした光学素子２１０の位置を正確に固定する座部として働く。波型構造を備えるバックプレーン２１６は、光学素子２１０の水平方向の動きを規定して光学素子２１０を位置決めすることにより、受光部２１４にわたって光学焦点領域を直線に並べるためのコロケーション又は位置合わせ構造を本質的に提供する。
ある実施形態において、モジュール２００の光学部品（たとえば、トップシート２０６、サブレイヤ２０８及び／又は光学素子２１０）の組み立てを、受光部スタック２１４とバックプレーン２１６の組み立てと並行して行なうようにしてもよい。簡単な嵌合動作と共に、このような並列的組み立てが、波型バックプレーン２１６を有するモジュール２００の構造の独自の態様である。たとえば、比較的ローテクの処理を用いて、波型バックプレーンの谷部に光学素子部分を嵌め込む又は挿入することができる。図２Ｃに、波型バックプレーン２１６により形成される基準面によって、モジュール２００の２つの主要部を高精度で嵌合可能な実施形態を示す。このような場合、波型面の精度は、受光部２１４の電池領域に対して光学素子２１０の焦点領域の位置合わせ又はコロケーション（同じ位置への配置）を行なう精度の少なくとも一部に影響を与える。
バックプレーン２１６に対して受光部２１４を位置合わせする際の位置ずれ及び受光部２１４に対して光学素子２１０を位置合わせする際の位置ずれの要因となる流動位置公差により、受光部２１４の電池領域上で光学素子２１０の焦点領域が完全又はほぼ完全に被覆できるように受光部２１４を大きくする（オーバーサイズ）程度が少なくとも部分的に決まるものでもよい。波型構造のバックプレーン２１６の構造と光学素子２１０とのコロケーション（同じ位置への配置）のために、受光部２１４に対して光学素子の焦点領域を配置する精度が、バックプレーン２１６で曲げを形成するために用いられるプレス加工又はロール成形加工の位置公差によって主に限定される。したがって、波型構造により、受光部２１４上への光学素子２１０の配置に関係する位置合わせ公差の要因となる受光部２１４のオーバーサイズの程度を抑制できる。このような場合、受光部２１４のオーバーサイズの程度は、主に、バックプレーン２１６上への受光部２１４の位置決め精度により規定される。
図２Ａ〜図２Ｃの実施形態では、波型バックプレーン構造を例示したが、モジュール２００のバックプレーン２１６は平坦でもよいし、他の形状でもよい。波型を形成するための曲げ加工又はその他の成形加工に加えて、波型バックプレーンを形成するために、波型構造の谷部に受光部２１４を積層するための専用の位置決めツールが必要となる場合がある。しかし、このような成形及び／又は位置決めツールのコストは望ましいものではない。ある実施形態において、波型の代わりに平坦なバックプレーンをモジュール２００に用いるようにしてもよい。ただし、この場合には、より正確な光学位置決め機器を用いる、及び／又は、受光部２１４に対して光学素子２１０を位置決めする際の位置合わせ公差の要因となる受光部２１４のオーバーサイズの程度を増大させる必要が生じる。ある実施形態において、光学素子２１０の形状をバックプレーンの形状に一致させる必要がなくなるために、光学素子２１０の形状に関する設計の自由度が上がるため、平坦なバックプレーンの方が望ましい場合もある。
図２Ｄに平坦なバックプレーンを備える集光ユニットの実施形態の断面図を示す。図２Ｄに示す例では、集光ユニット２０２は、光学構造を集積させた一次光学素子又はトップシート２０６と、二次光学素子又は導波管２１０と、受光部スタック２１４と、平坦なバックプレーンと、を備える。平坦なバックプレーンの実施形態では、光学部品に対する構造的な支持及び位置決めの補助の少なくとも一部を、リブ２２６等の専用部品により行なう。図示した例では、リブ２２６が、特徴構造部２２８を介してトップシート２０６の光学構造に接続され、また、導波管２１０の一部に接続されるため、一次光学素子２０６と二次光学素子２１０との水平方向に対する相互の位置合わせが容易になる。リブ２２６は、さらに、受光部２１４及び／又はバックプレーン２１６とも接続される。一次光学素子２０６及び二次光学素子２１０の相対的な位置を規定する以外に、リブ２２６が、さらに、受光部スタック２１４に対する二次光学素子２１０の水平の位置及び高さを規定するようにしてもよい。任意の適当な材料をリブ２２６として用いることができる。ある実施形態において、二次光学素子２１０と同じ材料をリブ２２６に用いるようにしてもよい。
図５Ａ〜図５Ｆに、受光部を取り付けた状態のバックプレーン構成の様々な実施形態を示す。平坦なバックプレーンの実施形態を図５Ａに示す。太陽電池業界の標準的なパネルは、通常、このような平坦なバックプレーンの大部分を被覆するような大きな受光部を備え、対流冷却をさらに促進するように特異的に局在化させたヒートシンク構造は用いない。従来のパネルは、バックプレーン面からの均一なエネルギー分散及び比較的均一な対流を頼みとするものである。波型バックプレーンの実施形態を図５Ｂに示す。このような波型構造は光学素子の形状と一致し、波型バックプレーンの谷部が受光部を設置するための限定された領域となる。バックプレーンの波型構造は、従来の平坦なバックプレーン構造で達成可能なもの以上に、パネルの曲げ剛性を増大できる。様々な実施形態において、フィン型ヒートシンク及び／又はテクスチャ型ヒートシンクを用いて、熱伝達のための対流面領域を増大させるようにしてもよい。平坦なバックプレーン上で対流熱伝達領域を増大させるためにフィン構造及びテクスチャ構造を用いた実施形態をそれぞれ図５Ｃ及び図５Ｅに示す。同様に、波型バックプレーン上で対流熱伝達領域を増大させるためにフィン構造及びテクスチャ構造を用いた実施形態をそれぞれ図５Ｄ及び図５Ｆに示す。図５Ａ〜図５Ｆには図示していないが、ある実施形態において、フィン型ヒートシンクとテクスチャ型ヒートシンクの両方を用いて対流熱伝達領域をさらに増大させるようにしてもよい。
ある実施形態において、層間の接着に加えて、図２Ａに示すフレーム２０４等の外部フレームを用いて、各層を機械的に連結するようにしてもよい。様々な実施形態において、任意の適当なフレーム構造を用いることができ、また、１つ又は複数の適当な工程でフレーム２０４を作成することができる。たとえば、フレーム２０４は機械加工、成形、押し出し等により作成可能である。さらに、フレーム２０４は、アルミニウム等の金属を含む任意の適当な材料から作成可能である。業界の標準的なパネルでは、通常、１つの層のみがフレームに接続される。ある実施形態において、少なくとも２つの隣接していない層をフレーム２０４によって固定して、より剛性の高い構造としてもよい。図２Ａに示すように、場合によっては、フレーム２０４を少なくともトップシート２０６／サブレイヤ２０８とバックプレーン２１６とに接続するようにしてもよい。少なくとも２つの隣接していない層をフレームと接続させるフレーム連結の実施形態の断面を図６Ａ〜図６Ｂに示す。図６Ａに示す実施形態では、フレーム６００は、トップシート６０２及びバックプレーン６０４の周縁部を把持する拡張部を介して積層構造に機械的に連結される。ある実施形態において、１つ又は複数の層をフレームに取り付けるために固定具を用いるようにしてもよい。図６Ｂに示す実施形態では、固定具６０６により、フレーム６００にバックプレーン６０４が固定される。トップシート６０２とバックプレーン６０４の両方を固定すると同時に二次光学素子及びその他のサブレイヤによりバックプレーン６０４からトップシート６０２を分離することにより、従来のパネルと比べて大きな慣性モーメントが構造体に生じ、その結果、パネル構造の剛性を高めることができる。
以上、本発明の理解を助ける目的で本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明はこれらの詳細に限定されるものではない。本発明は、様々に変形・変更した形態でも実施可能であり、上述した実施形態は例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではない。
Claims (20)
- ソーラーモジュールであって、
傾斜した導波管形状を有する光学素子と、
前記光学素子に直接接続される受光部と、
前記受光部に接続されるバックプレーンと、
を備えるソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記光学素子が集光光学素子を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記光学素子がＡＴＩＲ（Aggregated Total Internal Reflection：内部全反射）光学素子を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記受光部が、前記光学素子と直接物理的に接触している、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記受光部が、太陽電池を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記受光部が、温度管理のための１つ又は複数の材料層を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記バックプレーンが、波型構造を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記バックプレーンが、テクスチャ面を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
前記バックプレーンが、ヒートシンク・フィンを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
さらに、前記光学素子に連結されて、前記光学素子を構造的に支持し位置決めするリブを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１０に記載のソーラーモジュールであって、
前記バックプレーンが、実質的に平坦である、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、さらに、
前記ソーラーモジュールに光を入射させるトップシートを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１２に記載のソーラーモジュールであって、
前記トップシートが、集積光学構造を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、
さらに、前記光学素子に集めた光を送るトップシートを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、さらに、
前記光学素子と、前記ソーラーモジュールに光を入射させるトップシートと、の間にサブレイヤを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、さらに、
前記光学素子と前記受光部との間にクラッド層を備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１に記載のソーラーモジュールであって、さらに、
前記ソーラーモジュールを構成する各層を機械的に連結するフレームを備える、ソーラーモジュール。 - 請求項１７に記載のソーラーモジュールであって、
前記フレームは、前記ソーラーモジュールの少なくとも２層に連結される、ソーラーモジュール。 - 請求項１７に記載のソーラーモジュールであって、
前記フレームは、前記バックプレーンと、前記ソーラーモジュールに光を入射させるトップシートと、に連結される、ソーラーモジュール。 - ソーラーモジュールを作成する方法であって、
傾斜した導波管形状を有する光学素子を受光部に直接接続して、
前記受光部にバックプレーンを接続する、方法。
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