JP2014099492A - 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】内部に空気を導入しつつも、集光部の内面の曇りを抑制し、長期間に亘って安定して使用できる集光型太陽光発電モジュール及びその集合体である集光型太陽光発電パネルを提供する。
【解決手段】太陽光を集光するレンズ要素及び当該レンズ要素に対応する位置に配置された発電素子が複数組集合して成る集光型太陽光発電モジュールであって、複数の発電素子を収容する筐体と、複数のレンズ要素を有し、筐体を覆う集光部と、を備えたものにおいて、筐体１１は、空気の導入口１１ａ及び排出口を有し、筐体１１内には、その内面で生成された結露水が集まり貯まる受水部Ｇ３が形成されている。
【選択図】図８

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、レンズ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。）。このような基本ユニットを１つの筐体内でマトリックス状に多数並べて構成したものが、集光型太陽光発電モジュールである。また、このモジュールがさらに複数個並べられたものが、集光型太陽光発電パネルである。この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。

上記集光型太陽光発電パネルの各モジュールは、屋外設置されるため、雨水が侵入し易い環境にある。雨水が侵入すると、発電素子や回路がショートすることがある。一方、雨水の侵入を防止すべくモジュールを完全密閉した場合、内部が高温になると膨らんで変形・破損する可能性がある。変形・破損を防止するために、筐体の板厚や、集光用のガラスを厚くすると、全体が重くなり、取り扱いが困難になる。また、材料コストも高くなる。

従って、雨水が直接侵入することを防止しつつ、適度な通気も必要である。通気をすると、湿った空気も入るため、内部で結露が生じてレンズが曇り、発電効率が悪くなる場合がある。そこで、例えば、内部へ入る空気の湿度を下げるため、空気の導入部に吸湿剤のシリカゲルを設けた例も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

米国特許第４，０６９，８１２号 米国特許出願公開 ＵＳ ２００９／０１２６７９４

しかしながら、シリカゲルは、吸水（吸湿）が飽和に達すると、それ以上は吸湿できない。また、比較的高価であることも実用上は難点である。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、内部に空気を導入しつつも、集光部の内面の曇りを抑制し、長期間に亘って安定して使用できる集光型太陽光発電モジュール及びその集合体である集光型太陽光発電パネルを提供することを目的とする。

（１）本発明は、太陽光を集光するレンズ要素及び当該レンズ要素に対応する位置に配置された発電素子が複数組集合して成る集光型太陽光発電モジュールであって、複数の前記発電素子を収容する筐体と、複数の前記レンズ要素を有し、前記筐体を覆う集光部と、を備え、前記筐体は、空気の導入口及び排出口を有し、前記筐体内には、その内面で生成された結露水が集まり貯まる受水部が形成されているものである。

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、筐体の内面で結露してできた水（結露水）が受水部に貯まることにより、筐体内の水分が集約されるので、集光部の内面の曇りを抑制することができる。また、発電素子やその配線が濡れることもない。貯まった水は、いずれ水蒸気となって排出口から外部へ排出される。

（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、受水部は、少なくとも筐体の内側面に沿って形成されていることが好ましい。
集光型太陽光発電モジュールを現地に設置したとき、筐体の側面（特に左・右・下）が比較的冷たいという知見が得られた。従って、かかる内側面には結露水が付き易く、内側面に沿って形成されている受水部は、結露水の貯水に適している。

（３）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、導入口から入った空気を筐体の内側面に沿って通すための通路が設けられていてもよい。
集光型太陽光発電モジュールを現地に設置したとき、筐体の側面（特に左・右・下）が比較的冷たいという知見が得られた。従って、かかる内側面には結露水が付き易く、その内側面に沿って空気を通す通路を設けることにより、空気を積極的に内側面に触れさせ、結露を促進することができる。

（４）また、上記（２）又は（３）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、内側面の表面は、筐体内の他の面よりも、表面仕上げが粗くてもよい。
この場合、表面の粗さが結露の核となり易い。従って、内側面には結露が生じやすい。

（５）また、上記（３）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、通路内に多孔質材が封入されていてもよい。
この場合、多孔質材も、通路内での結露に寄与する。

（６）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、多孔質材を防水透湿性膜で挟み込んだフィルタを、導入口に装着することもできる。
この場合、フィルタは水を通さず、気体を通す。従って、雨水の進入を防止し、内部の水蒸気の排出及び外気の導入も行うことができる。

（７）また、上記（１）〜（６）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、筐体内に、発電素子に集光しない光を、集光部に向けて反射する反射機構が設けられていてもよい。
この場合、反射機構が反射する光は集光部の内面に当たり、保温効果をもたらす。従って、集光部のレンズ要素の曇り（結露）を抑制することができる。

（８）また、上記（１）〜（７）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、筐体の基本骨格として、アルミサッシの窓枠を用いることも可能である。
アルミサッシの窓枠は元々、空気を冷却して結露させる構成を有しており、また、結露水が集まり貯まる受水部を備えているので、好適である。

（９）また、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて構成されたものである。
このような集光型太陽光発電パネルにより、所望の電力を得ることができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュールによれば、内部に空気を導入しつつも、集光部の内面の曇りを抑制し、長期間に亘って安定して使用できる。当該モジュールを用いた集光型太陽光発電パネルも同様である。

本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電モジュールを並べて構成された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。 本発明の一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（集光部の一部を破断している。）である。 第１実施形態に係る筐体の概略形状を示す斜視図であり、（ａ）は右側面寄りに見た斜視図、（ｂ）は左側面寄りに見た斜視図である。 フィルタの構造を示す拡大図である。 図３における枠体の断面図であり、（ａ）はＡ−Ａ線断面、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面、（ｃ）はＣ−Ｃ線断面を、それぞれ示す。 粗い表面仕上げを採用した場合の、図５における内側面の表面拡大図である。 第２実施形態に係る筐体の概略形状の一例を示す斜視図であり、（ａ）は右側面寄りに見た斜視図、（ｂ）は左側面寄りに見た斜視図である。 図７におけるVIII-VIII線断面図である。 図８におけるIX-IX線断面図である。 第３実施形態に係る筐体についての、図８と同様の図である。 図１０におけるXI-XI線断面図である。 第４実施形態に係る筐体について、Ｘ−Ｚ断面又はＹ−Ｚ断面の一部を示す図である。

《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モジュールを並べて構成された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。図示の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》
図２は、本発明の一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（集光部１３の一部を破断している。）である。図において、モジュール１Ｍは、筐体１１と、筐体１１の底板１１Ｂに設けられたプリント配線板１２と、筐体１１の上端面に蓋のように取り付けられ、筐体１１を覆う集光部１３とを備えている。筐体１１の構造の詳細については後述する。

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（内面）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は、細長い形状で、柔軟なフレキシブルプリント基板１２ｓ上に、複数個の発電素子（太陽電池セル）１２１及び、その他必要な回路要素が実装されたものである。例えば、縦方向に１本のフレキシブルプリント基板１２ｓに対して８個の発電素子１２１が実装され、全体では２４本のフレキシブルプリント基板１２ｓが存在する。発電素子１２１の総数は、２４×８で、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。

［筐体についての第１実施形態］
以下、筐体１１の詳細な構造の実施形態について説明する。
図３は、第１実施形態に係る筐体１１の概略形状を示す斜視図であり、（ａ）は右側面寄りに見た斜視図、（ｂ）は左側面寄りに見た斜視図である。筐体１１は、枠体１１Ｆと、その底板１１Ｂとを備えている。図中のＸ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３次元方向を表し、図２におけるＸ，Ｙ，Ｚに対応する。枠体１１Ｆは、例えば、その４辺を構成する縦横の４部材を接合して構成される。筐体１１の材質としては、例えばアルミニウム合金が適する。

例えば、枠体１１Ｆの左側面の下部には、空気の導入口１１ａが形成され、当該導入口１１ａにはフィルタ１１ｑが装着されている。また、枠体１１Ｆの右側面の上部には、空気の排出口１１ｂが形成され、当該排出口１１ｂには同様に、フィルタ１１ｑが装着されている。枠体１１Ｆの４辺を構成する部材は内面側が開いたチャンネル状部材であり、従って、導入口１１ａから入った空気は、筐体１１の内部を流れて、排出口１１ｂから外へ出ることができる。

図４は、フィルタ１１ｑの構造を示す拡大図である。フィルタ１１ｑは、２枚の防水透湿性膜１１ｑ１で多孔質材１１ｑ２を挟んだ３層構造である。多孔質材１１ｑ２は、通気性があり、比熱が低い材料であり、例えば、グラスウールが好適である。比熱が低いと、温度変化に迅速に追随するので、気温が下がれば、そこに結露し易い。防水透湿性膜１１ｑ１は、水を通さず、気体（空気、水蒸気）は通す性質を有する。

フィルタ１１ｑは、高湿度の空気が通ると、多孔質材１１ｑ２で結露を生じ、防水透湿性膜１１ｑ１内で水として閉じ込める。防水透湿性膜１１ｑ１内の水が多くなると、通気を停止する。温度が上がって相対湿度が下がれば、水は蒸発し、外部に出る。このようにして、フィルタ１１ｑは、高湿度の空気が筐体１１内に入ることを抑制する。しかし、ある程度は湿気のある空気が筐体１１内に入るので、そのために以下の構造を設ける。

図５は、図３における枠体１１ＦのＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面を示す断面図である。（ａ）は、枠体１１Ｆを４辺に分けて相互に組み上げる場合に必要なビス止め孔のあるＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、ビス止め孔の無いＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線の断面図である。なお、これは一例に過ぎず、逆に、Ａ−Ａ線断面が（ｂ）で、Ｂ−Ｂ線断面が（ａ）、Ｃ−Ｃ線断面が（ａ）と左右対称な断面であってもよい。図５の（ａ）において、ビス止め孔１１１，１１２とその支持腕部１１３，１１４はＸ方向に連続している。ビス止め孔１１１，１１２は、その端面を利用したねじ孔である。

枠体１１Ｆの下部には、Ｘ方向へ連続した「樋」のような受水部Ｇ１が形成されている。また、支持腕部１１３とビス止め孔１１１の形状により、Ｘ方向へ連続した受水部Ｇ２が形成されている。
（ｂ）、（ｃ）の場合には、下部にのみ、受水部Ｇ１が形成されている。

ここで、発明者らは、集光型太陽光発電モジュール１Ｍを現地に設置したとき、筐体１１の左・右・下の側面が、底面及び上側面に比べて比較的冷たいという知見を得た。すなわち、枠体１１Ｆは、かかる左・右・下の内側面の温度が内部の他の面より若干低いことが判明した。従って、内側面１１５には結露が生じやすく、その内側面１１５に沿って形成されている受水部Ｇ１，Ｇ２は、結露水の貯水に適している。

内側面１１５に結露して滴り落ちる結露水は、受水部Ｇ１，Ｇ２に集まる。モジュール１Ｍは、通常、図１に示すように傾いているので、左辺・右辺の枠体１１Ｆの受水部Ｇ１に集まった水は、最終的には、下辺の枠体１１Ｆの受水部Ｇ１に貯まる。このようにして、結露水が受水部Ｇ１，Ｇ２に貯まることにより、筐体１１内の水分が集約されるので、集光部１３の内面の曇りを抑制することができる。また、結露水は、発電素子１２１やプリント配線板１２の方へは流れず、従って、これらが濡れることもない。

なお、貯まった水は、その後、筐体１１内の温度が上昇し、相対湿度が低下すると、自然に蒸発する。フィルタ１１ｑは、水蒸気の通過を妨げないので、内部の空気と共に水蒸気が排出口１１ｂから排出される。排出により、導入口１１ａから新たに外気が導入される。このような結露・蒸発のサイクルは、長期間に亘って安定して行われる。
このように、上記実施形態によれば、内部に空気を導入しつつも、集光部１３の内面の曇りを抑制し、長期間に亘って安定して使用できる集光型太陽光発電モジュール１Ｍを提供することができる。これは、以下の他の実施形態についても同様である。

なお、上記の内側面１１５は、筐体１１内の他の面よりも、表面仕上げを粗くしてもよい。
図６は、そのような粗い表面仕上げを採用した場合の、図５における内側面１１５の表面拡大図である。但し、これは実物というよりも、概念的に特徴を誇張して表している。この内側面１１５の表面は、筐体内の他の面よりも、表面仕上げが意図的に粗く（例えば算術平均粗さＲａ：０．０５ａ〜１２．５ａ）されている。粗くする処理としては、例えば、アルマイト処理がある。これにより、図示のように、表面に深い凹凸が形成され、頂点となる尖った部分が存在する。そのため、頂点を核として、結露ｗが生じやすくなる。すなわち、このようにして、結露が生じやすい内側面１１５をさらに、水滴ができやすい表面とすることができる。

［筐体についての第２実施形態］
図７は、第２実施形態に係る筐体１１の概略形状の一例を示す斜視図であり、（ａ）は右側面寄りに見た斜視図、（ｂ）は左側面寄りに見た斜視図である。（ｂ）に示すように、例えば、枠体１１Ｆの左側面の下部には、空気の導入口１１ａが形成され、当該導入口１１ａにはフィルタ１１ｑが装着されている。また、枠体１１Ｆの右側面の上部には、空気の排出口１１ｂが形成され、当該排出口１１ｂには同様に、フィルタ１１ｑが装着されている。

ここで、枠体１１Ｆの３辺（上・下・右）を構成する部材は内面側が開いたチャンネル状部材であるが、左辺を構成する部材は、パイプ状になっている。このパイプ状の左辺の内側の上部には、パイプ状の左辺部材から筐体１１内への空気の出口１１ａｘが形成されている。

図８は、図７の（ａ）におけるVIII-VIII線断面図である。図において、左辺の枠体１１Ｆには、内側面に沿って空気を通すための通路１１Ｐが設けられている。すなわち、外枠１１Ｆ１の下部には空気の導入口１１ａが設けられている。外枠１１Ｆ１と平行に設けられた内枠１１Ｆ２の上部には、出口１１ａｘが設けられている。導入口１１ａには、フィルタ１１ｑが装着されている。

図８の構造においては、外部から導入される空気の流れは、図示の矢印のようになる。これにより、空気は強制的に、内側面１１５及び内側にある壁面１１６に沿って流れて行くことになり、その過程で結露が生じやすい。言い換えれば、内側面１１５等に沿って空気を通す通路１１Ｐを設けることにより、空気を積極的に内側面１１５等に触れさせ、結露を促進することができる。その結果、出口１１ａｘから筐体１１のさらに内部へ入る前に、空気中に含まれる多くの湿気が、結露となって除去される。結露した水Ｗは自然に底の受水部Ｇ３に集まって貯まる。

このようにして、結露水が受水部Ｇ３に貯まることにより、筐体１１内の水分が集約されるので、集光部１３の内面の曇りを抑制することができる。また、結露水は、発電素子１２１やプリント配線板１２の方へ流れず、従って、これらが濡れることもない。なお、貯まった水は、その後、筐体１１内の温度が上昇し、相対湿度が低下すると、自然に蒸発する。フィルタ１１ｑは、水蒸気の通過は妨げないので、内部の空気と共に水蒸気が排出口１１ｂから排出される。排出により、導入口１１ａから新たに外気が導入される。
図９は、図８におけるIX-IX線断面図である。ビス止め孔１１７がある場合は、（ｂ）に示す断面図、無い場合は、（ａ）に示す断面図となる。

［筐体についての第３実施形態］
図１０は、第３実施形態に係る筐体１１についての、図８と同様の図である。図８との違いは、通路１１Ｐ内部に、多孔質材１１８を封入した点と、導入口１１ａ及び出口１１ａｘの双方に、図８のフィルタ１１ｑとは異なるフィルタ１１ｒを装着した点である。その他は、第２実施形態と同様である。フィルタ１１ｒは、水を通さず、気体（空気、水蒸気）を通す性質を有する防水透湿性膜からなる。つまり、フィルタ１１ｒ自体には多孔質材は含まれないが、２つのフィルタ１１ｒ（防水透湿性膜）の間に、多孔質材１１８が介在している。

多孔質材１１８は、通気性があり、比熱が低い材料であり、例えば、グラスウールが好適である。高湿度の空気が通ると、内側面１１５や壁面１１６の他、多孔質材１１８でも結露を生じ、結露した水は、受水部Ｇ３に貯まる。この場合、受水部Ｇ３に貯まる結露水の水位が上がってフィルタ１１ｑを内側から覆うと、フィルタ１１ｑは通気しなくなる。いわば、フィルタ１１ｑが、さらに外部から高湿度の空気を吸い込まないように。弁のような働きをする。
なお、多孔質材１１８は好適な例であるが、その他、アルミニウム合金との比熱差が大きく、表面積の大きい材料であれば使用可能である。

図１１は、図１０におけるXI-XI線断面図である。ビス止め孔１１７がある場合は、（ｂ）に示す断面図、無い場合は、（ａ）に示す断面図となる。

［筐体についての第４実施形態］
図１２は、第４実施形態に係る筐体１１について、Ｘ−Ｚ断面又はＹ−Ｚ断面の一部を示す図である。
この第４実施形態は、第１〜３の実施形態のいずれとでも併用することができる。図１２において、反射板１１９は、筐体１１により支持されている。複数の反射板１１９は、集光部１３による集光の光路を避けるように、発電素子１２１の合間を縫って、配置されている。

集光部１３で集光する光は、理想的には全て発電素子１２１に集まるが、実際には、発電素子１２１に届かない光も若干ある。そこで、このような光を、反射板１１９によって反射し、集光部１３の内面（すなわちフレネルレンズ１３ｆの溝が形成されているところ）に当てる。これにより、フレネルレンズ１３ｆの温度が上昇し、保温効果をもたらす。従って、フレネルレンズ１３ｆの曇り（結露）を抑制することができる。その結果、フレネルレンズ１３ｆが曇ることによる焦点位置のずれの発生を防止することができる。

なお、反射板１１９は一例に過ぎず、要は、発電素子１２１へ集光されない光を、反射及び必要により屈折も利用して、フレネルレンズ１３ｆに当てることができる反射機構であればよい。例えばプリズムを用いてフレネルレンズ１３ｆに当てることができるように光を導くことも可能である。

《その他》
なお、上述の各実施形態における筐体１１は、アルミサッシの窓枠と似た構造を有している。従って、筐体の基本骨格として、アルミサッシの窓枠を使用することもできる。アルミサッシの窓枠は元々、空気を冷却して結露させる構成を有しており、また、結露水が集まり貯まる受水部を備えているので、好適である。

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。

１１ 筐体
１１ａ 導入口
１１ｂ 排出口
１１Ｐ 通路
１１ｑ，１１ｒ フィルタ
１１ｑ１ 防水透湿性膜
１１ｑ２ 多孔質材
１３ 集光部
１３ｆ フレネルレンズ（レンズ要素）
１１５ 内側面
１１８ 多孔質材
１１９ 反射板
１２１ 発電素子
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ 受水部

Claims (9)

1. 太陽光を集光するレンズ要素及び当該レンズ要素に対応する位置に配置された発電素子が複数組集合して成る集光型太陽光発電モジュールであって、
   複数の前記発電素子を収容する筐体と、
   複数の前記レンズ要素を有し、前記筐体を覆う集光部と、を備え、
   前記筐体は、空気の導入口及び排出口を有し、
   前記筐体内には、その内面で生成された結露水が集まり貯まる受水部が形成されている集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記受水部は、少なくとも前記筐体の内側面に沿って形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. 前記導入口から入った空気を前記筐体の内側面に沿って通すための通路が設けられている請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記内側面の表面は、前記筐体内の他の面よりも、表面仕上げが粗い請求項２又は３に記載の集光型太陽光発電モジュール。
5. 前記通路内に多孔質材が封入されている請求項３記載の集光型太陽光発電モジュール。
6. 多孔質材を防水透湿性膜で挟み込んだフィルタを、前記導入口に装着した請求項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。
7. 前記筐体内に、発電素子に集光しない光を、前記集光部に向けて反射する反射機構が設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
8. 前記筐体の基本骨格として、アルミサッシの窓枠を用いる請求項１〜７のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
9. 請求項１の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて構成された集光型太陽光発電パネル。

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