JP2015050449A - 集光型太陽光発電モジュール用レシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】屈折型の２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュール用レシーバにおいて、２次光学系を損傷させることなく、２次光学系の固定構造を簡略化すること。
【解決手段】集光型太陽光発電モジュール用レシーバ１０は、基板１２と、基板１２の表面に固定された太陽電池セル１４と、底面側に鍔部１６ｂを備えており、かつ、太陽電池セル１４の受光面の上に載置された２次光学系１６と、２次光学系１６を基板１２に固定するための板バネ２０とを備えている。板バネ２０は、パンチプレスにより成形された貫通孔２０ａを備え、貫通孔２０ａのプレス方向と２次光学系１６の挿入方向とが一致するように、貫通孔２０ａに２次光学系１６の先端部が挿入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光型太陽光発電モジュール用レシーバに関し、さらに詳しくは、集光装置（１次光学レンズ）により集光された高エネルギーの太陽光を太陽電池セルに照射することによって発電を行う集光型太陽光発電モジュール用レシーバに関する。

太陽光発電モジュールは、太陽光をそのまま太陽電池セルに照射する非集光型と、集光装置を用いて集光された太陽光を太陽電池セルに照射する集光型に大別される。これらの内、集光型太陽光発電モジュールは、太陽電池セルを小さくすることができるので、変換効率の良い高価なセルを使用しても電力製造コストに与える影響が小さい。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、安価な電力を効率よく製造できるという利点がある。

集光型太陽光発電モジュールは、太陽光を集光するための集光レンズ（１次光学系：Primary Optical Element）を備えている。集光レンズで集光された光は、中心部の強度が強く、周辺部の強度は弱い。このような光を直接、太陽電池セルに照射すると、高い発電効率は得られない。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、通常、１次光学系で集光された光の強度を均一化させるための光学部材（２次光学系：Secondary Optical Element）が設けられる。

このような２次光学系としては、例えば、
（１）集光レンズ（１次光学系）の実像を太陽電池セルの受光面に結像させるための投影レンズ（屈折型光学系）、
（２）複数セグメントを有する分割型ケーラー光学系（特許文献１参照）、
（３）集光レンズにより集光された高エネルギーの太陽光を側面で繰り返し全反射させるための柱状又は錘台状の光学部材（ホモジナイザー）、
などが知られている。

これらの内、ホモジナイザー型の２次光学系は、全反射によって光がホモジナイザーの内部に閉じこめられるため、僅かな追尾ズレが生じても太陽電池セルに確実に太陽光を照射できるという利点がある。しかしながら、ホモジナイザーは、通常、断面積に比べて高さが高い縦長の形状を有する。そのため、太陽電池セルの真上に縦長のホモジナイザーを安定に支持するためには、大掛かりな固定装置が必要となる。また、ホモジナイザーの組み付け誤差及びこれに起因する変換効率の低下も起きやすい。

これに対し、屈折型の２次光学系は、光の入射面で１回だけ屈折を起こすものであるため、投影レンズの底面（光の入射面とは反対側の面）付近は、光学的に不活性となる。そのため、投影レンズは、光の入射面に比べて底面付近の面積が大きい安定性の高い形状にすることができ、大掛かりな固定装置も不要となる。

２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュールにおいては、２次光学系と太陽電池セルとの接触部から集光した光が漏れやすいため、２次光学系を太陽電池セルの受光面上に確実に固定する必要がある。
２次光学系の固定方法としては、例えば、
（１）太陽電池セルの周囲に４本の支柱を立設し、支柱の上に貫通孔を有する遮光板を載せ、遮光板の貫通孔にホモジナイザーを挿入する方法（特許文献２）、
（２）ホモジナイザーの根元をバネ材で押さえつける方法（特許文献２）、
などが知られている。

しかしながら、４本の支柱を立設する方法は、構造が複雑になるという問題がある。一方、２次光学系には、通常、ガラスが用いられているため、バネ材を用いて２次光学系を固定しようとすると、２次光学系にクラックが発生しやすいという問題がある。

米国特許第８００００１８号 特開２００７−２０１１０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、屈折型の２次光学系を備えた集光型太陽光発電モジュール用レシーバにおいて、２次光学系を損傷させることなく、２次光学系の固定構造を簡略化することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る集光型太陽光発電モジュール用レシーバは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記集光型太陽光発電モジュール用レシーバは、
基板と、
前記基板の表面に固定された太陽電池セルと、
底面側に鍔部を備えており、１次光学系で集光した光をさらに屈折させるために用いられ、かつ、前記太陽電池セルの受光面の上に載置された２次光学系と、
前記２次光学系を基板に固定するための板バネと
を備えている。
（２）前記板バネは、パンチプレスにより成形された貫通孔を備え、
前記貫通孔のプレス方向と前記２次光学系の挿入方向とが一致するように、前記貫通孔に前記２次光学系の先端部が挿入されている。

パンチプレスにより成形された板バネを用いて２次光学系を固定する方法は、支柱を用いた固定方法に比べて低コストである。しかしながら、貫通孔の周囲のバリによって、２次光学系が損傷する恐れがある。
これに対し、貫通孔のプレス方向と２次光学系の挿入方向を一致させると、バリと２次光学系とが接触することがない。そのため、２次光学系の損傷を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール用レシーバの平面図（図１（ａ））、Ａ−Ａ’線断面図（図１（ｂ））、及びＢ部の拡大断面図（図１（ｃ））である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 集光型太陽光発電モジュール用レシーバ］
図１に、本発明の一実施の形態に係る集光型太陽光発電モジュール用レシーバ（以下、単に「レシーバ」ともいう）の平面図（図１（ａ））、Ａ−Ａ’線断面図（図１（ｂ））、及びＢ部の拡大断面図（図１（ｃ））を示す。
図１において、レシーバ１０は、基板１２と、太陽電池セル１４と、２次光学系１６と、封止材１８と、板バネ２０とを備えている。

［１．１． 基板］
基板１２は、その表面に太陽電池セル１４を固定するためのものである。基板１２の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を用いることができる。基板１２の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、セラミックスなどがある。

［１．２． 太陽電池セル］
太陽電池セル１４は、照射された光を受光し、これを電力に変換するためのセルである。太陽電池セル１４の表面には、２次光学系１６で屈折させた光を受光するための受光面を備えている。本発明において、太陽電池セル１４の構造や、これを構成する材料は、特に限定されるものではなく、種々の構造及び材料からなるセルを用いることができる。
太陽電池セル１４は、一般に、裏面電極、光起電力効果を奏する半導体層、及び上部電極がこの順で積層された構造を備えている。半導体層の表面には、反射防止膜が形成される場合もある。半導体層としては、例えば、結晶シリコン、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ／Ｇｅに代表されるIII-V族化合物半導体などが知られている。

本実施の形態において、太陽電池セル１４は、基板１２の表面に固定されている。基板１２には、太陽電池セル１４に加えて、太陽電池セル１４による発電に必要な各種の構成要素が設けられる。図１において、図示は省略されているが、基板１２の上に、絶縁層及びプレートがこの順で形成され、プレートの上には、太陽電池セル１４がリード電極を介して固定されている。

［１．３． ２次光学系］
［１．３．１． 形状］
２次光学系１６は、図示しない集光装置（１次光学系）により集光された太陽光を太陽電池セル１４に導くためのものである。２次光学系１６は、太陽電池セル１４の受光面の上に載置される。２次光学系１６に入射した光は、入射面で１回だけ屈折し、太陽電池セル１４に向かって進む。２次光学系１６は、その下端面が太陽電池セル１４に対向するように、太陽電池セル１４の真上位置に載置される。

２次光学系１６は、集光装置で集光した光をさらに屈折させるためのレンズ本体１６ａと、レンズ本体１６ａの底面側に設けられた鍔部１６ｂとを備えている。底面側の鍔部１６ｂは、板バネ２０により２次光学系１６を基板１２に固定するために用いられる。

レンズ本体１６ａの形状は、集光された光を太陽電池セル１４の受光面に導くことができる限りにおいて、特に限定されない。図１に示す例において、レンズ本体１６ａの平面形状は、四つ葉のクローバー型を呈している。集光装置で集光された円錐状の光は、４分割されたレンズ本体１６ａの表面において１回だけ屈折を起こし、そのまま直進して太陽電池セル１４の受光面に至る。
同様に、鍔部１６ｂの形状は、２次光学系１６を基板１２に固定することができる限りにおいて、特に限定されない。図１に示す例において、鍔部１６ｂは、平面形状が正方形になっている。

［１．３．２． ２次光学系の材料］
２次光学系１６には、光透過性の高い材料が用いられる。２次光学系１６の材料としては、例えば、
（ａ）ほう珪酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラスなどのナトリウム含有ガラス、
（ｂ）アルミノケイ酸ガラス、ソーダカリバリウムガラス、
などがある。特に、ナトリウム含有ガラスは、安価で加工が容易であるため、２次光学系１６の材料として好適である。

２次光学系１６の表面には、必要に応じて各種の膜が形成されていても良い。
例えば、２次光学系１６の上端面（光の入射面）には、反射防止膜が形成されていても良い。反射防止膜としては、例えば、
（ａ）アルミナとチタニアの多層構造からなるＴｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃反射防止膜、
（ｂ）フッ化マグネシウム層やフッ化カルシウム層からなる反射防止膜、
などがある。

また、２次光学系１６と太陽電池セル１４の界面に、水分の侵入を防止するための保護膜を介在させても良い。
保護膜には、透光性が高く、かつ、耐熱性の高い材料を用いるのが好ましい。保護膜の材料としては、例えば、ゲル状のシリコーン樹脂、アクリル樹脂フィルム、などがある。

［１．４． 封止材］
［１．４．１． 封止材の材料］
封止材１８は、太陽電池セル１４の露出部分を覆い、太陽電池セル１４を保護するためのものである。図１に示す例において、封止材１８は、太陽電池セル１４の周囲であって、２次光学系１６と基板１２の間に充填されている。

太陽電池セル１４の露出部分を封止材１８で覆う場合、封止材１８の劣化に起因する太陽電池セル１４への水の侵入を長期間に渡って防止する必要がある。そのため、封止材１８には、耐熱性及び耐候性の高い材料を用いる必要がある。
封止材１８の材料としては、例えば、
（ａ）微粉ガラス入りシリコン樹脂、
（ｂ）高い熱伝導性及び光反射性を有する白色かつ不透明の無機材料粉末（例えば、炭酸カルシウム、酸化チタン、高純度アルミナ、高純度酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムなど）を充填した自己接着性ＲＴＶゴム、
（ｃ）（ｂ）の材料に、さらに１０重量％以上のフッ素化シリコン樹脂を添加した材料、
（ｄ）エポキシ樹脂、
などがある。

［１．４．２． 封止材の屈折率］
太陽電池セル１４への水の侵入を防止することができ、かつ、耐熱性及び／又は耐候性を有する材料として、上述した種々の材料が知られている。上述した材料の耐候性と屈折率との間には相関があり、一般に、耐候性の高い材料ほど、屈折率が高くなる傾向がある。すなわち、低屈折率と高耐候性とを同時に満たし、かつ、太陽電池セル１４の封止材１８として使用可能な材料は、知られていない。

柱状又は錘台状のホモジナイザーの下部の側面が封止材１８で覆われている場合において、封止材１８の屈折率が低くなり、封止材１８とホモジナイザーとの屈折率の差が大きくなると、ホモジナイザーの下部において光が全反射しやすくなる。しかしながら、低屈折率材料は、一般に、耐熱性及び／又は耐候性が低いので、漏れだした光が相対的に少ない場合であっても、劣化しやすい。

一方、高屈折率材料は、一般に、耐熱性及び／又は耐候性が高い。しかしながら、封止材１８の屈折率が高くなるほど、ホモジナイザーの下部において光が全反射しにくくなる。その結果、光の一部が封止材１８内に漏れ出す。高屈折率材料は、耐熱性及び／又は耐候性が高いので、光漏れが生じても劣化しにくいが、光漏れは変換効率を低下させる原因となる。

これに対し、図１に示すように、屈折型の２次光学系１６を用いると、２次光学系１６に入射した光は、入射面において１回屈折した後、太陽電池セル１４に向かって直進する。そのため、２次光学系１６の下部の側面から光が漏れることがない。また、光の漏れ出しがないので、封止材１８の材料として高屈折率材料だけでなく、安価な低屈折率材料であっても使用することができる。さらに、２次光学系１６の下部の鍔部１６ｂを封止材１８で厚く覆うこともできる。

［１．５． 板バネ］
板バネ２０は、２次光学系１６を基板１２に固定するためのものである。板バネ２０の中央には、レンズ本体１６ａの先端部分を挿入可能な貫通孔２０ａが設けられている。板バネ２０の両端は、ボルト２２、２２を用いて基板１２に固定されている。
板バネ２０の材料は、特に限定されるものではなく、所定の弾性率を有し、かつ、パンチプレスにより貫通孔２０ａを成形可能な金属材料であれば良い。

本発明において、貫通孔２０ａは、パンチプレスにより成形されたものからなる。また、図１（ｃ）に示すように、貫通孔２０ａのプレス方向と２次光学系１６の挿入方向とが一致するように、貫通孔２０ａに２次光学系１６の先端部が挿入されている。この点が従来とは異なる。

パンチプレスにより板バネ２０に貫通孔２０ａを形成すると、図１（ｃ）に示すように、貫通孔２０ａの周囲には、プレス方向に向かってバリ２０ｂが生成している。本発明において、貫通孔２０ａのプレス方向と２次光学系１６の挿入方向とが一致するように、貫通孔２０ａに２次光学系１６の先端部が挿入されている。そのため、図１（ｃ）に示すように、バリ２０ｂは、鍔部１６ｂと接触することがない。

［２． 作用］
パンチプレスにより成形された板バネ２０を用いて２次光学系１６を固定する方法は、支柱を用いた固定方法に比べて低コストである。しかしながら、貫通孔２０ａの周囲のバリ２０ｂによって、２次光学系１６が損傷する恐れがある。
これに対し、貫通孔２０ａのプレス方向と２次光学系１６の挿入方向を一致させると、バリ２０ｂと２次光学系１６とが接触することがない。そのため、２次光学系１６の損傷を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る集光型太陽光発電モジュール用レシーバは、工場や住宅に電力を供給するための発電装置として使用することができる。

１０ 集光型太陽光発電モジュール用レシーバ
１２ 基板
１４ 太陽電池セル
１６ ２次光学系
１８ 封止材
２０ 板バネ

Claims (1)

1. 以下の構成を備えた集光型太陽光発電モジュール用レシーバ。
   （１）前記集光型太陽光発電モジュール用レシーバは、
   基板と、
   前記基板の表面に固定された太陽電池セルと、
   底面側に鍔部を備えており、１次光学系で集光した光をさらに屈折させるために用いられ、かつ、前記太陽電池セルの受光面の上に載置された２次光学系と、
   前記２次光学系を基板に固定するための板バネと
   を備えている。
   （２）前記板バネは、パンチプレスにより成形された貫通孔を備え、
   前記貫通孔のプレス方向と前記２次光学系の挿入方向とが一致するように、前記貫通孔に前記２次光学系の先端部が挿入されている。

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