JP2014209584A - 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

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 Download PDF

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Abstract

【課題】集光型太陽光発電用の基板構造に関して、その製造及び装着を容易にするとともに、絶縁性能を高め、導電部の経年劣化を抑制する。【解決手段】筐体の底面に接して設けられたフレキシブルプリント配線板１２と、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とを備えた集光型太陽光発電モジュール１Ｍであって、フレキシブルプリント配線板１２は、絶縁基材１２１ａ及び導電性のパターン１２１ｂと、レンズ要素の各々と対応してパターン１２１ｂ上に複数個設けられた発電素子１２２と、絶縁基材１２１ａ上のパターン１２１ｂを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層としてのカバーレイ１２５と、絶縁基材１２１ａと被覆層１２５とを互いに接着し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する接着層１２４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）に関する。
集光型太陽光発電では、発電効率の高い小型化合物半導体からなる発電素子（太陽電池）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。このような基本構成を複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。具体的には、例えば、配線付きのセラミック等の絶縁基板に１つの発電素子を実装したものを複数個、集光位置に配置し、電線により各絶縁基板上の発電電力を集電するよう構成される（例えば、非特許文献１参照。）。
また、その他、放熱性に配慮した集光型太陽光発電装置についても、提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
特開２００３−１７４１７９号公報 特開２００８−９１４４０号公報
"Failure Modes of CPV Modules and How to Test for Them"、[online]、２０１０年２月１９日、Emcore Corporation、［平成２５年２月２７日検索］、インターネット〈URL: http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/pvrw2010_aeby.pdf#search='emcore Pointfocus Fresnel Lens HCPV System'〉
しかしながら、上記のような従来の集光型太陽光発電パネルでは、多数のセラミック等の絶縁基板が必要である。これらの多数の絶縁基板を並べて、かつ、それぞれを電線で接続するとなると、製造工程が多くなり、時間がかかる。その結果、製造コストが高くなって、実用上適切な価格の製品とすることができない。大きな基板を作成すれば製造工程数は減るが、そもそも、太陽光発電パネルは大きな面積が必要であるため、基板も相当大きくしなければならない。しかし、そのような大基板を作ることは製造技術上困難である。
以上のように、小基板を多数装着して相互に接続するのは時間がかかり、その一方で、大基板を作るのは製造技術上の困難性がある。
また、従来の集光型太陽光発電パネルには、絶縁性能についての明確な教示や着眼が示されていない。太陽光発電パネルの内部では、発電素子の直列接続によって高い電圧が生じている。しかも、太陽光発電パネルは屋外に設置されるため、パネル内に入った水蒸気が気温の変化によって結露を生じることがある。また、小さな虫がパネル内に侵入することもある。その結果、水分や虫を介して電気回路内での短絡若しくは、電気回路からパネルの筐体への短絡（地絡）が発止する場合がある。これらの場合には、出力が低下し、また、人が筐体に触れることによる軽度の電撃も生じうる。
さらに、パネル内部の導電部は、年数の経過とともに、銅のパターンやはんだ部にさびが生じ、これが原因で電気回路の抵抗が増加する。抵抗が増加すると、太陽光発電パネルの出力が低下する。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、集光型太陽光発電用の基板構造に関して、その製造及び装着を容易にするとともに、絶縁性能を高め、導電部の経年劣化を抑制することを目的とする。
本発明は、底面を有する器状の筐体と、前記底面に接して設けられたフレキシブルプリント配線板と、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当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、前記レンズ要素の各々と対応して前記パターン上に複数個設けられた発電素子と、前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層とを備えている。
上記のように構成された集光型太陽光発電モジュールにおいては、製作しやすい適当な寸法の絶縁基材上に発電素子を設けることによって、集光型太陽光発電の機能を搭載したフレキシブルプリント配線板を、容易に製造することができる。また、フレキシブルプリント配線板は、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に好適である。また、フレキシブルプリント配線板は薄く、軽量であるため、集光型太陽光発電モジュール全体も軽量となり、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は薄く、柔軟性があるので、筐体の底面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、発電素子その他フレキシブルプリント配線板の熱を、確実に筐体に放熱させることができる。
また、絶縁性があり、かつ、低吸水率の、被覆層及び接着層によって、パターンを含む導電部を覆い、封止することで、導電部から筐体の底面までの沿面距離が確保され、これにより、優れた絶縁性能を実現することができる。さらに、吸水率の低い被覆層及び接着層によって、導電部の腐食を防止し、経年劣化を抑制することができる。
一方、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当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、前記パターン上に複数個並べて設けられた発電素子と、前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層とを備えている。
上記のように構成された集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板では、製作しやすい適当な寸法の絶縁基材上に発電素子及び集光部を設けることによって、集光型太陽光発電の機能を搭載したフレキシブルプリント配線板を、容易に製造することができる。また、フレキシブルプリント配線板は、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用の基板として好適である。
また、絶縁性があり、かつ、低吸水率の、被覆層及び接着層によって、パターンを含む導電部を覆い、封止することで、当該フレキシブルプリント配線板を金属製の筐体に取り付けた場合に、導電部から筐体の底面までの沿面距離が確保される。これにより、優れた絶縁性能を実現することができる。さらに、吸水率の低い被覆層及び接着層によって、導電部の腐食を防止し、経年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によれば、集光型太陽光発電用の基板構造に関して、その製造及び装着を容易にするとともに、絶縁性能に優れ、導電部の経年劣化を抑制する基板構造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、フレキシブルプリント配線板の長手方向に直交する断面図である。 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。 フレキシブルプリント配線板の配置の他の例を示す平面図である。 接続用配線板を筐体の内側面に設ける一例を示す平面図である。 接続用配線板を筐体の内側面に設ける他の例を示す平面図である。 パターンと底面との間での絶縁破壊電圧を測定した例である。 図４とは異なる構成を示す、フレキシブルプリント配線板の断面図である。 パターンと筐体との間に直流電圧を印加する場合の等価回路である。 絶縁基材及びパターンの一部についての、一例としての平面図である。
［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
（１）まず、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、前記底面に接して設けられたフレキシブルプリント配線板と、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当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、前記レンズ要素の各々と対応して前記パターン上に複数個設けられた発電素子と、前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層とを備えている。
前記（１）のように構成された集光型太陽光発電モジュールにおいては、製作しやすい適当な寸法の絶縁基材上に発電素子を設けることによって、集光型太陽光発電の機能を搭載したフレキシブルプリント配線板を、容易に製造することができる。また、フレキシブルプリント配線板は、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に好適である。また、フレキシブルプリント配線板は薄く、軽量であるため、集光型太陽光発電モジュール全体も軽量となり、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は薄く、柔軟性があるので、筐体の底面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、発電素子その他フレキシブルプリント配線板の熱を、確実に筐体に放熱させることができる。
また、絶縁性があり、かつ、低吸水率の被覆層及び接着層によって、パターンを含む導電部を覆い、封止することで、導電部から筐体の底面までの沿面距離が確保され、これにより、優れた絶縁性能を実現することができる。さらに、吸水率の低い被覆層及び接着層によって、導電部の腐食を防止し、経年劣化を抑制することができる。
（２）また、前記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、所定値とは３％である。
この場合、被覆層及び接着層がほとんど水を吸収しないので、優れた絶縁性能を維持することができる。
（３）また、前記（１）又は（２）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記フレキシブルプリント配線板は、前記発電素子を搭載したリボン状の前記絶縁基材が前記底面に並べられることにより構成されていてもよい。
この場合、フレキシブルプリント配線板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。また、長手方向には予め一定間隔で発電素子を並べた状態とすることができるので、レンズ要素と発電素子との相互の位置合わせが容易であり、生産性に優れる。
（４）また、前記（１）〜（３）のいずれか集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記絶縁基材は、絶縁性の底面接着層を介して前記底面に貼り付けられている構成であってもよい。
この場合、筐体から見た絶縁基材の絶縁性が高まる。また、接着層自体は薄く形成できるので、絶縁基材から筐体への放熱性が底面接着層によって損なわれることはない。
（５）また、前記（１）〜（４）の集光型太陽光発電モジュールにおいて前記発電素子を含む、局部的に導電部が露出している箇所を覆うポッティング層が設けられ、当該ポッティング層は、絶縁性及び前記所定値以下の吸水率を有することが好ましい。
この場合、発電素子の電極、ダイオード、はんだ接続部等、被覆層で充分に覆いきれない露出した導電部を、ポッティング層で覆うことで、これら導電部の露出を避けることができる。従って、絶縁性能を強化することができる。また、絶縁基材の幅を、搭載する素子の幅に近づけることができる。これにより、より細い絶縁基材を使用することができ、コスト低減が可能となる。
（６）また、前記（１）〜（５）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記パターンから前記底面までの沿面距離が、０．２〜３４．９ｍｍであることが好ましい。
この範囲により、絶縁性能の維持と、低コストとを、両立させることができる。なお、３４．９ｍｍという値は、絶縁基材の幅の最大値と、パターンの幅の最小値とに基づいている。
（７）また、前記（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、前記絶縁基材の幅が０．６〜７０ｍｍであることが好ましい。
この範囲により、絶縁性能の維持と、低コストとを、両立させることができる。なお、０．６ｍｍという値は、沿面距離の最小値と、パターンの幅の最小値とに基づいている。
（８）また、前記（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、前記パターンの幅が、０．２〜６９．６ｍｍであることが好ましい。
これにより、絶縁性能と低コストとを両立させることができる。すなわち、０．２ｍｍより小さいと、絶縁性能が十分に確保できないのみならず、安価に安定して製造できない。また、６９．６ｍｍより大きくすることは実用上コストが高くなりすぎる。なお、６９．６ｍｍという値は、絶縁基材の幅の最大値と、沿面距離の最小値とに基づいている。
（９）また、前記（１）〜（８）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記発電素子のパッケージ幅と、前記絶縁基材の幅との比が、１：（１．２〜２）であることが好ましい。
この範囲により、絶縁性能の維持と、低コストとを、実現することができる。
（１０）また、前記（１）〜（９）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記底面接着層の幅が、前記絶縁基材の幅より大きいことが好ましい。
この場合、底面接着層の幅が、絶縁基材の幅より大きい分だけ沿面距離が延びるので、絶縁性能を高めることができる。
（１１）また、前記（１）〜（１０）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、前記底面接着層の内部には、層の厚さ方向に、少なくとも１枚の金属板が設けられていてもよい。
この場合、筐体に対する絶縁基材の絶縁性能を高めることができる。
（１２）また、集光型太陽光発電パネルは、前記（１）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、上述した作用効果を発揮する集光型太陽光発電モジュールによって、所望の大きさの集光型太陽光発電パネルを構成することができる。
（１３）一方、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としては、絶縁性を有する絶縁基材及び当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、前記パターン上に複数個並べて設けられた発電素子と、前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層とを備えている。
上記のように構成された集光型太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板では、製作しやすい適当な寸法の絶縁基材上に発電素子及び集光部を設けることによって、集光型太陽光発電の機能を搭載したフレキシブルプリント配線板を、容易に製造することができる。また、フレキシブルプリント配線板は、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用の基板として好適である。
また、絶縁性があり、かつ、低吸水率の、被覆層及び接着層によって、パターンを含む導電部を覆い、封止することで、当該フレキシブルプリント配線板を金属製の筐体に取り付けた場合に、導電部から筐体の底面までの沿面距離が確保される。これにより、優れた絶縁性能を実現することができる。さらに、吸水率の低い被覆層及び接着層によって、導電部の腐食を防止し、経年劣化を抑制することができる。
［実施形態の詳細］
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１００Ｗであり、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約６ｋＷの定格出力となる。集光型太陽光発電パネル１は、その背面に設けられている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。筐体１１は、金属製である。
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、絶縁性を有する絶縁基材１２１ａ及び当該絶縁基材１２１ａ上に設けられた導電性のパターン（例えば銅箔）１２１ｂと、その上に発電素子（太陽電池）１２２と、この発電素子１２２に被せるように設けられた２次集光部１２３とを備えている。絶縁基材１２１ａは、例えば、耐熱性に優れたポリイミド製である。
発電素子１２２及び２次集光部１２３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１２３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１２２上に集める。２次集光部１２３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。また、２次集光部は用いない場合もある。
図４は、発電素子１２２が設けられている部位での、フレキシブルプリント配線板１２の長手方向に直交する断面図である。なお、この図は、構造の主要部を見易く示すように描いており、厚さその他の寸法は、必ずしも実寸に比例するものではない。
図において、発電素子１２２（セルパッケージ１２２ｐ、電極１２２ｅ）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、絶縁基材１２１ａ及びパターン１２１ｂと、実装された電子部品・光学部品等（ここでは発電素子１２２）とによって構成されている。
発電素子１２２の電極１２２ｅは、パターン１２１ｂと電気的に接続されている。絶縁基材１２１ａと筐体１１の底面１１ａとの間には、絶縁性の接着剤による底面接着層１２３が設けられている。また、パターン１２１ｂは被覆層としてのカバーレイ１２５によって覆われており、露出しない。カバーレイ１２５の材質としては、絶縁性に優れたものが適し、例えばポリイミド、アクリル、エポキシ等が適する。太陽光発電による発電電圧（直流）は、筐体１１とは絶縁されたパターン１２１ｂ上に現れる。従って、絶縁性能とは、筐体１１とパターン１２１ｂとの間の、耐電圧性能、耐トラッキング性能である。
絶縁基材１２１ａとカバーレイ１２５とは、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する接着剤によって形成された接着層１２４によって互いに接着されている。接着層１２４の材質としては、絶縁性に優れたものが適し、ポリイミド、シリコーン、アクリル、エポキシ等が適する。なお、底面接着層１２３も同様の材質が適する。
このようにして、絶縁性があり、かつ、低吸水率のカバーレイ（被覆層）１２５及び接着層１２４によって、パターン１２１ｂを含む導電部を覆い、封止する。その結果、パターン１２１ｂ等の導電部から筐体１１の底面１１ａまでの沿面距離が確保され、これにより、優れた絶縁性能を実現することができる。さらに、吸水率の低いカバーレイ１２５及び接着層１２４によって、導電部の腐食を防止し、経年劣化を抑制することができる。
また、上記の「所定値」とは、例えば３％である。吸水率とは、対象物を２４時間水に浸したあとの、対象物の重さに占める水の重さにより、これを表す。３％以下の吸水率であれば、ほとんど水を吸収しないので、優れた絶縁性能を維持することができる。なお、３％を超えると、徐々に絶縁性能が悪くなる。
参考までに、接着層１２４としては、例えば吸水率０．８〜１．６％のものを使用している。カバーレイ１２５は２．４〜２．６％である。また、絶縁基材１２１ａの吸水率は１．４％〜２．７％で、２．７％の場合、吸水時に絶縁抵抗の低下が見られたものの、耐圧の基準値をかろうじて満たした。かかる事実から、接着層１２４としても、吸水率は３％以下であることが、必要であると解される。
発電素子１２２のセルパッケージ１２２ｐは、その周囲が、ポッティング剤によるポッティング層１２６で覆われている。従って、電極１２２ｅは、露出しない。ポッティング層１２６も、絶縁性と所定値以下の低吸水率を有している。また、その他、図示しないダイオードや、はんだ接続部等の、カバーレイ１２５では充分に覆いきれない、局部的に露出した導電部をポッティング層で覆うことで、これら導電部の露出を避けることができる。従って、絶縁性能を強化することができる。また、絶縁基材１２１ａの幅を、搭載する素子の幅に近づけることができる。これにより、より細い絶縁基材１２１ａを使用することができ、コスト低減が可能となる。
なお、絶縁基材１２１ａ及び底面接着層１２３によって、パターン１２１ｂは、筐体１１から絶縁されている。絶縁基材１２１ａ及び底面接着層１２３の合計の厚さは、１０〜１００μｍであることが好ましく、これによって、絶縁性能と、放熱性とを、両立させることができる。すなわち、１０μｍ未満では絶縁性能が不足する。１００μｍを超えると、筐体１１への放熱性が悪くなる。パターン１２１ｂの厚さは、例えば３５μｍ程度である。
図４に示すように、上記カバーレイ１２５の端部と、パターン１２１ｂの端部との間の寸法はａであり、パターン１２１ｂの下面と、底面接着層１２３の表面との寸法（実質的に絶縁基材１２１ａの厚さ）はｂであり、そして、底面接着層１２３は、絶縁基材１２１ａの幅よりも寸法ｃだけ大きく（左右対称に（合計２ｃ大きく））設けられている。このように底面接着層１２３の幅が、絶縁基材１２１ａの幅よりも寸法ｃだけ大きいことにより、沿面距離が延びる。これにより、絶縁性能を高めることができる。
従って、導電部であるパターン１２１ｂの左下の角から見ると、底面１１ａまでの沿面距離は（ａ＋ｂ＋ｃ）となる。数値例としては、ａが０．２ｍｍ以上、ｂが２５μｍ又は１２．５μｍ、ｃは、２５μｍ以上を確保することが好ましい。また、ａ＋ｂ＋ｃの合計の沿面距離（但し、ａの値が最も支配的）としては、０．２〜３４．９ｍｍが好ましい。これにより、絶縁性能（耐電圧、耐トラッキング）と低コストとを両立させることができる。すなわち、０．２ｍｍより小さいと、絶縁性能が充分に確保できない。また、３４．９ｍｍより大きくすることは実用上コストが高くなりすぎる。なお、３４．９ｍｍは、フレネルレンズ１３ｆの実用上の最大寸法を想定した場合の、実用上の沿面距離の最大寸法である。
また、絶縁基材１２１ａの幅Ｗｆは、０．６〜７０ｍｍの範囲内であることが好ましい。これにより、絶縁性能と低コストとを両立させることができる。すなわち、０．６ｍｍより小さいと、絶縁性能が充分に確保できない。また、７０ｍｍより大きくすることは実用上コストが高くなりすぎる。
また、パターン１２１ｂの幅は、０．２〜６９．６ｍｍであることが好ましい。これにより、絶縁性能と低コストとを両立させることができる。すなわち、０．２ｍｍより小さいと、絶縁性能が十分に確保できないのみならず、安価に安定して製造できない。また、６９．６ｍｍより大きくすることは実用上コストが高くなりすぎる。
なお、パターン１２１ｂの幅の下限値に関して、例えば、エッチングや既知のトムソン型等を用いて安価にパターン１２１ｂを製造する場合の寸法公差は、±０．１ｍｍ程度である。従って、パターン１２１ｂの幅を０．２ｍｍとすることで、寸法公差を考慮しても、安価に安定して、しかも高い歩留まりで、フレキシブルプリント配線板を製造することができる。
ここで、上記の、絶縁基材１２１ａの幅の範囲、パターン１２１ｂの幅の範囲、及び、沿面距離の範囲の相互の関係について補足説明する。
図１４は、絶縁基材１２１ａ及びパターン１２１ｂの一部についての、一例としての平面図である。図において、絶縁基材１２１ａの幅をＷｆ、パターン１２１ｂの幅をＷｐ、絶縁基材１２１ａ上の沿面距離となる両側均等の幅寸法をａとすると、Ｗｆ＝Ｗｐ＋２・ａとなる。なお、前述のように、沿面距離（ａ＋ｂ＋ｃ）においてａの値が最も支配的であるので、沿面距離はほぼａの値で決まる。
ここで、フレネルレンズ１３ｆ（図２，図４）の実用上の最大寸法は７０ｍｍ×７０ｍｍと考えられる。これは、この寸法を超えるフレネルレンズで集光すると、発電素子１２２やセルパッケージ１２２ｐの温度が１２０℃を超えるようになり、その場合、発電効率が極端に低下するほか、セルパッケージに安価な樹脂を採用することができないという現実的な問題を生じるからである。そうなると、７０ｍｍ×７０ｍｍのフレネルレンズの場合に、隣り合う絶縁基材１２１ａ同士が重なり合わないようにするには、絶縁基材１２１ａの幅の最大値は、７０ｍｍとなる。
次に、片側の沿面距離ａの最小値は前述のように０．２ｍｍである。従って、その場合の、パターン１２１ｂの幅Ｗｐの最大値は、（７０ｍｍ−２×０．２ｍｍ）＝６９．６ｍｍである。また、逆に、沿面距離ａの最大値は、絶縁基材１２１ａの幅の最大値から、パターン１２１ｂの幅の最小値を減じた値の１／２となるべきであるから、このときの沿面距離ａは、ａ＝（７０ｍｍ−０．２ｍｍ）／２＝３４．９ｍｍである。一方、絶縁基材１２１ａの幅Ｗｆの最小値は、パターン１２１ｂの最小値と、沿面距離の最小値との和で決まるので、０．２ｍｍ＋２×０．２ｍｍ＝０．６ｍｍである。
従って、前述した通り、以下の好適範囲が得られる。
沿面距離ａ：０．２〜３４．９ｍｍ
絶縁基材の幅Ｗｆ：０．６〜７０ｍｍ
パターンの幅Ｗｐ：０．２〜６９．６ｍｍ
図４に戻り、セルパッケージ１２２ｐの幅Ｗｃと、絶縁基材１２１ａの幅Ｗｆとの比は、１：（１．２〜２）が好適である。これにより、絶縁性能と低コストとを両立させることができる。１．２未満すなわち、セルパッケージ１２２ｐの幅Ｗｃに対して絶縁基材１２１ａの幅Ｗｆが１．２未満であると、絶縁性が悪くなる。また、セルパッケージ１２２ｐの幅Ｗｃに対して絶縁基材１２１ａの幅Ｗｆが２を超えると、実用上コストが高くなりすぎる。
図１１は、上記寸法のうち、ｂは２５μｍ、ｃは０として、ａの寸法のみを変化させて、パターン１２１ｂと底面１１ａとの間での絶縁破壊電圧を測定した例である。上方の折れ線は、カバーレイ１２５及び接着層１２４がある場合、下方の折れ線は、カバーレイなしの場合である。
このグラフにより明らかなように、カバーレイ１２５及び接着層１２４を設けた場合は、寸法ａが僅か０．２ｍｍから０．３ｍｍの間でも７０００Ｖの絶縁破壊電圧があるという極めて優れた結果を示している。６０００Ｖ以上の絶縁破壊電圧は、クラスＡの優れた絶縁性能となる。一方、カバーレイ無しの場合は、ａが０．６ｍｍの場合、２０００Ｖにも耐えられない。また、ａが３．８ｍｍでも絶縁破壊電圧が６０００Ｖに達しない。
このように、カバーレイ１２５及び接着層１２４によって寸法ａを確保するだけでも優れた絶縁性能が得られる。さらに、ｂ、ｃ（特にｃ）の沿面距離を確保することで、格段に絶縁性能を高め、かつ、安定した性能とすることができる。
なお、筐体１１の材質は、前述のように金属製であり、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（絶縁基材１２１ａ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。また、絶縁基材１２１ａの長手方向には予め一定間隔で発電素子１２２を並べた状態とすることができるので、フレネルレンズ１３ｆと発電素子１２２との相互の位置合わせが容易であり、生産性に優れる。
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１２２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１２２は全て互いに直列に接続されている。１個の発電素子１２２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、斜線を付したパターン１２１ｂは、絶縁基材１２１ａ上に、エッチング等により、形成されている。互いに隣接するパターン１２１ｂの間には、発電素子１２２が直列に挿入されている。また、発電素子１２２のバイパスを形成するように、発電素子１２２と並列にダイオード１２７が設けられている。ダイオード１２７は、発電素子１２２が発電しないときに、隣接するパターン１２１ｂ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１２２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、前述のように、パターン１２１ｂはカバーレイ１２５（図４）により覆われ、発電素子１２２やダイオード１２７にはポッティングが施される。
また、絶縁基材１２１ａ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１２１ｂ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１２１ａ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１００Ｗ（２．５Ａ）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１２２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。
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。図８は、フレキシブルプリント配線板の配置の他の例を示す平面図である。この場合、発電用配線板１２Ａは単純な直線状とし、接続用配線板１２Ｂを中央及び上下の端部に設ける。例えば、中央の接続用配線板１２Ｂは、上段・下段の発電用配線板１２Ａの相互接続用、上下の端部の接続用配線板１２Ｂは、＋、−の出力用である。
また、接続用配線板１２Ｂには、そもそも、光が当たらなくてもよいのであるから、筐体１１の内側面に設けてもよい。図９は、接続用配線板１２Ｂを筐体１１の内側面に設ける一例を示す平面図である。すなわちこれは、図８における上下の端部の接続用配線板１２Ｂを、少し、側面（図の上下）に乗り上げるように延伸した例である。このようにすれば、筐体１１の内側面も活用することができる。
さらに、図１０は、接続用配線板１２Ｂを筐体１１の内側面に設ける他の例を示す平面図である。すなわちこれは、図９における中央の接続用配線板１２Ｂを省略し、発電用配線板１２Ａを縦方向に１本にした構成である。図の上下の側面上には接続用配線板１２Ｂ（１２Ｂｐ，１２Ｂｎ）が設けられ、発電用配線板１２Ａの＋側同士、−側同士が、相互に接続される。このようにすれば、筐体１１の内側面を活用することができ、中央の接続用配線板１２Ｂも省略できる。
図１２は、図４とは異なる構成を示す、フレキシブルプリント配線板１２の断面図である。図４との違いは、底面接着層１２３にあり、その他は同様である。図１２に示す底面接着層１２３は、構造を示す便宜上、実際の寸法より分厚く描いている。底面接着層１２３は、絶縁樹脂の接着剤の内部に、薄い金属板ｍ１，ｍ２を封入して固めたものである。複数（ここでは２枚）の金属板ｍ１，ｍ２は、図示のように互いに離れ、かつ、底面接着層１２３の上下両端面に露出しないように封入されている。但し、上の金属板ｍ１は、底面接着層１２３の表面に接近した位置にある。
図１２のように構成されたフレキシブルプリント配線板１２において、絶縁性能を検証するには、パターン１２１ｂと筐体１１との間に直流電圧を印加する。この場合、パターン１２１ｂと筐体１１との間には２枚の金属板ｍ１，ｍ２が介在し、それらの間には、絶縁物すなわち誘電体が存在する。
図１３は、パターン１２１ｂと筐体１１との間に直流電圧Ｅｍａｘを印加する場合の等価回路である。パターン１２１ｂと筐体１１との間には、３つの互いに直列のキャパシタンスが存在する。キャパシタンスＣ１は、パターン１２１ｂと金属板ｍ１との間に存在する。キャパシタンスＣ２は、金属板ｍ１と金属板ｍ２との間に存在する。キャパシタンスＣ３は、金属板ｍ２と筐体１１との間に存在する。キャパシタンスＣ１，Ｃ２，Ｃ３にはそれぞれの両端間に、電圧Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が印加されるとする。
基本的に、２電極間のキャパシタンスは、（εＡ／ｄ）に比例する（ε：誘電率、Ａ：面積、ｄ：厚さ）。キャパシタンスＣ１の耐電圧を向上させるためには、Ｃ２，Ｃ３がＣ１より大きいことが必要である。すなわち、Ｃ１＜Ｃ２、Ｃ１＜Ｃ３となるように底面接着層１２３の誘電率や、金属板ｍ１，ｍ２の面積を選択する。
ここで、キャパシタンスＣ１に印加できる最大の耐電圧がＥ１ｍａｘであるとすると、各キャパシタンスＣ１〜Ｃ３は同じ電荷Ｑとなるので、以下の式（１）〜（３）が得られる。
Ｑ＝Ｅ１ｍａｘ・Ｃ１ ・・・（１）
Ｑ＝Ｅ２・Ｃ２ ・・・（２）
Ｑ＝Ｅ３・Ｃ３ ・・・（３）
ここで、上記式（１）〜（３）に基づいて、電圧Ｅ２，Ｅ３を、Ｅ１ｍａｘを用いて表すと、以下のようになる。
Ｅ２＝（Ｃ１／Ｃ２）・Ｅ１ｍａｘ ・・・（４）
Ｅ３＝（Ｃ１／Ｃ３）・Ｅ１ｍａｘ ・・・（５）
従って、全体の耐電圧Ｅｍａｘは、以下の式（６）のようになり、キャパシタンスＣ１単独よりも大きな耐電圧を得ることができる。
Ｅｍａｘ＝Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２＋Ｅ３
＝Ｅ１ｍａｘ・｛１＋（Ｃ１／Ｃ２）＋（Ｃ１／Ｃ３）｝ ・・・（６）
こうして、筐体１１に対する絶縁基材１２１ａの絶縁性能を、高めることができる。なお、図１２では２枚の金属板ｍ１，ｍ２を示したが、底面接着層１２３に封入する金属板は、１枚でもよいし、３枚以上でもよい。
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
２ 支柱
３ 架台
１１ 筐体
１１ａ 底面
１１ｂ 鍔部
１１ｐ 突起
１２ フレキシブルプリント配線板
１２Ａ 発電用配線板
１２Ｂ，１２Ｂｐ，１２Ｂｎ 接続用配線板
１３ １次集光部（集光部）
１３ｆ フレネルレンズ（レンズ要素）
１４ コネクタ
１００ 集光型太陽光発電装置
１２１ａ 絶縁基材
１２１ｂ パターン
１２２ 発電素子
１２２ｅ 電極
１２２ｐ セルパッケージ
１２３ 底面接着層
１２４ 接着層
１２５ カバーレイ（被覆層）
１２６ ポッティング層
１２７ ダイオード
ｍ１，ｍ２ 金属板
Ｈ 孔
Ｐ ＋側電極
Ｎ −側電極

Claims (13)

  1. 底面を有する器状の筐体と、
    前記底面に接して設けられたフレキシブルプリント配線板と、
    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当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、
    前記レンズ要素の各々と対応して前記パターン上に複数個設けられた発電素子と、
    前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、
    前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層と
    を備えている集光型太陽光発電モジュール。
  2. 前記所定値とは３％である請求項１に記載の集光型太陽光発電モジュール。
  3. 前記フレキシブルプリント配線板は、前記発電素子を搭載したリボン状の前記絶縁基材が前記底面に並べられることにより構成されている請求項１又は請求項２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
  4. 前記絶縁基材は、絶縁性の底面接着層を介して前記底面に貼り付けられている
    請求項１〜請求項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. 前記発電素子を含む、局部的に導電部が露出している箇所を覆うポッティング層が設けられ、当該ポッティング層は、絶縁性及び前記所定値以下の吸水率を有する請求項１〜請求項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. 前記パターンから前記底面までの沿面距離が、０．２〜３４．９ｍｍである請求項１〜請求項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。
  7. 前記絶縁基材の幅が０．６〜７０ｍｍである請求項１〜請求項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. 前記パターンの幅が、０．２〜６９．６ｍｍである請求項１〜請求項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. 前記発電素子のパッケージ幅と、前記絶縁基材の幅との比が、１：（１．２〜２）である請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
  10. 前記底面接着層の幅が、前記絶縁基材の幅より大きい請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
  11. 前記底面接着層の内部には、層の厚さ方向に、少なくとも１枚の金属板が設けられている請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
  12. 請求項１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。
  13. 絶縁性を有する絶縁基材及び当該絶縁基材上に設けられた導電性のパターンと、
    前記パターン上に複数個並べて設けられた発電素子と、
    前記絶縁基材上の前記パターンを含む導電部を覆って封止し、絶縁性及び所定値以下の低吸水率を有する被覆層と、
    前記絶縁基材と前記被覆層とを互いに接着し、絶縁性及び前記所定値以下の低吸水率を有する接着層と
    を備えてい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。
JP2014049169A 2013-03-26 2014-03-12 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 Active JP6318726B2 (ja)

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