JP4732015B2 - 集光型太陽光発電ユニットおよび集光型太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、集光レンズを用いて太陽光を集光することにより発電容量を大きくすることが可能な集光型太陽光発電ユニット、およびそのような集光型太陽光発電ユニットを備える集光型太陽光発電装置に関する。

太陽エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置が実用化されているが、低コスト化を実現し、さらに大電力を得るために、集光レンズで集光した太陽光を集光レンズの受光面積より小さい太陽電池素子に照射して電力を取り出すタイプの集光型太陽光発電装置が実用化されている。

集光型太陽光発電装置は、太陽光を集光レンズで集光することから、太陽電池素子としては、光学系で集光された太陽光を受光できる小さい受光面積を備えれば良い。つまり、集光レンズの受光面積より小さいサイズの太陽電池素子で良いことから、太陽電池素子のサイズを縮小することができ、太陽光発電装置において高価な構成物である太陽電池素子の使用量を減らすことができ、コストを低減することが可能となる。このような利点から、集光型太陽光発電装置は、広大な面積を利用して発電することが可能な地域などで、電力供給用に利用されつつある。

集光型太陽光発電装置として、太陽電池モジュールを支持板に取り付けるという簡単な構成により、重量の増大を招くことなく充分な強度、剛性が得られ、充分な放熱性が得られるようにしたものが提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１１−２８４２１７号公報

しかし、集光型太陽光発電装置の集光レンズは、太陽電池素子に対して適正な位置関係に配置されなければならず、高度な位置合わせが要求される。さらに、受光位置での集光によるエネルギーは極めて大きく、太陽電池素子周辺への照射による損傷防止対策などが放熱対策として必要である。

また、集光型太陽光発電装置は、砂漠等の温度変化の激しい地域に設置されることもしばしばであり、温度上昇に対する熱膨張対策も必要である。

すなわち、確実に太陽光から電力を取り出す太陽光発電装置とするために、太陽電池素子の実装、太陽電池素子と光学系との間の位置関係の調整などにおいて、熱、集光に対する適切な対策を施すことが極めて重要である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、太陽電池素子を実装する実装板と、太陽光を透過させる透過穴を有し実装板を覆う遮光板と、太陽電池素子の受光領域に太陽光を集光する集光レンズと、太陽電池素子と集光レンズとの位置を合わせるフレームとを備えることにより、組み立てが容易で生産性および保守（維持・点検）の作業性を向上させ、光学部材の位置合わせが容易で、熱、太陽光に対して優れた作用を生じる集光型太陽光発電ユニットおよび集光型太陽光発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る集光型太陽光発電ユニットは、集光レンズで集光した太陽光を太陽電池素子に照射して発電する集光型太陽光発電ユニットにおいて、前記太陽電池素子を実装してある実装板と、前記太陽電池素子の受光領域に太陽光を照射させる透過穴を有し前記実装板を覆う遮光板と、該遮光板に対向して配置され前記受光領域に太陽光を集光する集光レンズと、前記太陽電池素子と前記集光レンズとの位置を合わせて保持するフレームとを備え、前記遮光板と前記フレームとは一体の金属板で形成された構造体とされ、前記遮光板は前記構造体の底部を構成し、前記フレームは前記構造体の側壁を構成し、前記実装板は、前記遮光板に装着されて長手方向の端辺の略中央が前記遮光板に固定されていることを特徴とする。

好ましくは、前記遮光板は、前記透過穴の周縁を前記実装板側に折り曲げた屈曲部を有することを特徴とする。

好ましくは、前記実装板は、前記太陽電池素子を複数配置してあることを特徴とする。

好ましくは、前記集光レンズは、前記複数の太陽電池素子それぞれに対応して透光性保護板に配置され保持されていることを特徴とする。

好ましくは、前記透光性保護板は長手方向の端辺の略中央を前記フレームの上端に固定してあることを特徴とする。

好ましくは、前記実装板および前記透光性保護板は、前記フレームの長手方向で複数に分割してあることを特徴とする。

本発明に係る集光型太陽光発電装置は、集光型太陽光発電ユニットを備える集光型太陽光発電装置において、前記集光型太陽光発電ユニットは、本発明に係る集光型太陽光発電ユニットであり、追尾駆動される構成としてあることを特徴とする。

本発明に係る集光型太陽光発電ユニットおよび集光型太陽光発電装置によれば、太陽電池素子を実装した実装板および太陽電池素子を覆う遮光板と、太陽電池素子および集光レンズの位置関係を画定するフレームとを備える構成としてあり、実装板とフレームとを別構成としてあることから、実装板への太陽電池素子の実装などでの生産性が向上し、保守・点検が容易になり、作業性、信頼性を高めることができるという効果を奏する。
また、遮光板とフレームとを一体の金属板で形成した構造体とすることから、集光型太陽光発電ユニットの構造体（構造骨格）の強度を確実に向上することができる。

また、構造体（フレーム、遮光板）を基準形状として透過穴に対する実装板、透光性保護板（集光レンズ）の位置合わせを行うことができるので、光学部材（集光レンズ、透光性保護板）と太陽電池素子との位置合わせ精度の確保が容易になる。また、位置合わせ精度を向上できることから、照射される太陽光の利用効率を大きくすることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る集光型太陽光発電ユニットおよび集光型太陽光発電装置によれば、太陽電池素子を実装する実装板への太陽光は遮光板で阻止されることから、太陽電池素子を搭載する実装板での損傷を防ぐことができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットの要部の配置関係を部分的に示す分解斜視図である。図２は、図１の集光型太陽光発電ユニットの実装板とフレーム底部との位置決め・固定の状態を説明する説明図であり、（Ａ）は実装板の斜視図、（Ｂ）は位置決め固定状態を示す断面図、（Ｃ）は緩い固定状態を示す断面図である。図３は、図１の集光型太陽光発電ユニットの透光性保護板とフレーム上端との位置決め・固定の状態を説明する説明図であり、（Ａ）は透光性保護板などの斜視図、（Ｂ）は位置決め固定状態を示す断面図、（Ｃ）は緩い固定状態を示す断面図である。

本実施の形態の集光型太陽光発電ユニット１０は、太陽電池素子１、レシーバ２に接着された太陽電池素子１を実装してある実装板３、実装板３を覆う遮光板４、遮光板４の対向する２辺の端部から垂直方向に配置されたフレーム５、遮光板４に対向してフレーム５の上端に対応して配置され太陽電池素子１の受光領域に太陽光Ｌｓを集光する集光レンズ７、集光レンズ７を固定（固着）してフレーム５の上端に装着される透光性保護板６を備える。

機能に対応した構成部材として部品点数を少なくしてあることから、組み立てが容易で、小型・軽量化が可能となり、機械的強度の大きい集光型太陽光発電ユニット１０とすることができる。つまり、機能に対応した部材構成となり簡略化した構造となることから、機械的強度および生産性を向上させることができる。また、機械的強度の強いフレーム５により光学的距離を画定することから安定した確実な集光が可能となり、遮光板４により実装板３を覆うことから損傷の恐れのない信頼性の高い発電が可能となる。

実装板３には、レシーバ２に搭載された太陽電池素子１が例えば５個ずつ２列に計１０個配置してある。太陽電池素子１は、集光レンズ７の集光位置に対応して配置される。実装板３は、太陽電池素子１、レシーバ２を１０個単位として収納する空間を確保する窪みを持つ皿状に形成され、周縁には遮光板４へ取り付けるための鍔３ａが形成してある。

実装板３は、放熱性、軽量化などを考慮して例えばアルミニウムで形成することが望ましい。アルミニウムについてはアルマイト加工などの、適当な絶縁処理が施されていても良い。また、実装板３は、遮光板４に装着され、遮光板４と共に１０個の太陽電池素子１を収納し、外部環境から保護する保護空間を形成する。

集光レンズ７は、１０個の太陽電池素子１のそれぞれに対応するように５個ずつ２列に計１０個が透光性保護板６に配置、固定されレンズアレイ（６、７）を構成している。集光レンズ７は加工性、透光性などを考慮して例えばアクリル樹脂で形成してある。なお、レンズ材料としては、ポリカーボネート、ガラスでもよい。

透光性保護板６は、透光性、強度、耐環境性などを考慮して例えばガラスで形成してあり、周囲環境からの風雨の影響を防止することができる。集光レンズ７は、透光性を有する適宜の接着剤で透光性保護板６に接着され保持されている。なお、透光性保護板６の材料としては、アクリル樹脂や、ポリカーボネートでもよい。

集光レンズ７は、太陽電池素子１の受光領域に集光するように光学的距離（焦点距離に基づいて規定される）を調整してあることから、集光レンズ７により集光された太陽光Ｌｓは、太陽電池素子１の配置面で極めて大きなエネルギーとなる。また、太陽光Ｌｓを追尾する構成とした場合に、集光された太陽光Ｌｓに太陽電池素子１が常に正対する関係を維持できるとは限らず、さらに、異常事態の発生によって追尾装置が停止する事態も想定される。つまり、集光した太陽光Ｌｓが、太陽電池素子１の受光領域ではなく、受光領域以外の実装板３の周囲部材もしくは実装板３に照射される恐れがあり、そのような場合、照射部分が焼損などにより損傷する恐れがある。

したがって、遮光板４は、集光された太陽光Ｌｓによる損傷の発生を防止するように太陽光Ｌｓを遮光する構造としてあり、太陽電池素子１の受光領域以外には太陽光Ｌｓが影響しないように構成してある。また、遮光機能に併せて太陽電池素子１での受光を可能にするため、集光した太陽光Ｌｓを透過させて太陽電池素子１の受光領域に照射する透過穴４ａを太陽電池素子１の受光領域に対向させるように位置合わせして設けてある。

つまり、実装板３に実装された１０個の太陽電池素子１のそれぞれに対応して透過穴４ａが穿設してあり、透過穴４ａの位置に太陽電池素素子１の位置および集光レンズ７の集光位置を整合させることが発電効率を確保するために極めて重要である。また、遮光板４は、透過穴４ａの作用を確実に実現するために、実装板３と近接してフレーム５の底部に対応して配置される。

集光型太陽光発電ユニット１０の機械的強度を確保、向上するため、また、生産性を向上するために、フレーム５は連続成形により一体として形成することが好ましい。また、対向する２つのフレーム５の中間に位置する遮光板４もフレーム５と一体であることが好ましい。そのために、遮光板４およびフレーム５は、例えば鉄板、鋼板などの金属板をロールフォーミング加工することにより一体に形成してある。なお、鉄板、鋼板については亜鉛メッキなどの防錆処理が施されていることが望ましい。

したがって、遮光板４は集光型太陽光発電ユニット１０の構造体１１の底部を、フレーム５は構造体１１の側壁をそれぞれ構成することとなり、集光型太陽光発電ユニット１０の構造体（構造骨格）１１の強度を確実に向上することができる。

遮光板４をフレーム５と一体とすることにより、遮光板４として別部材を用いる必要がなく生産性を向上することができる。また、遮光板４（透過穴４ａ）の位置が画定されることから、集光レンズ７に対する実装板３の位置合わせを精度良く行うことができる。

ロールフォーミング加工時にフレーム５と一体に形成された遮光板４は、実装板３を装着するためにフレーム５の上端側に凸状とされたフレーム底部４ｂを構成する。以下、フレーム５と一体化して形成された遮光板４を便宜上フレーム底部４ｂと記載することがある。

つづいて、透過穴４ａの位置に太陽電池素素子１の位置を整合させる具体的な構造について説明する。フレーム底部４ｂに実装板用突起部４ｄを設け、実装板用突起部４ｄに対応する実装板位置合わせ部３ｂを実装板３（鍔３ａ）に形成することにより（図２（Ａ）参照）、太陽光Ｌｓと交差する方向での実装板３の位置決めが容易に行える。つまり、フレーム底部４ｂの実装板用突起部４ｄと実装板３の実装板位置合わせ部３ｂを嵌合し、ビス３０などで固定する（図２（Ｂ）参照）。本実施の形態では実装板３の長手方向で対向する２つの端辺（鍔３ａ）の略中央に実装板位置合わせ部３ｂをそれぞれ設けて、フレーム底部４ｂに実装板３を固定している。

さらに、フレーム底部４ｂに実装板用突起部４ｄとは別に実装板用突起部４ｅを設け、実装板用突起部４ｅに対応する嵌合部３ｃを実装板３（鍔３ａ）に形成することにより（図２（Ａ）参照）、実装板３をフレーム底部４ｂに緩やかに固定することができる。つまり、フレーム底部４ｂの実装板用突起部４ｅと実装板３の嵌合部３ｃとの間のスペースＳを介して実装板用突起部４ｅと嵌合部３ｃを嵌合し、ビス３０などで固定する（図２（Ｃ）参照）。なお、フレーム底部４ｂと実装板３との間には緩衝材３３を挟み込んでおいても構わない。

また、フレーム底部４ｂに設けた実装板用突起部４ｄ、４ｅが凹部で、実装板位置合わせ部３ｂ、嵌合部３ｃが凸部でも構わず、位置決め、固定を行えるものであれば形状は問わない。

つづいて、透過穴４ａの位置に集光レンズ７の集光位置を整合させる具体的な構造について説明する。フレーム５の上端には、透光性保護板６（集光レンズ７）を支持するための鍔５ａがロールフォーミング加工時に一体に形成してあり、集光レンズ７の位置決めを確実に行うことが可能となる。

また、フレーム５の鍔５ａに鍔突起部５ｃを設け（図１参照）、鍔突起部５ｃに対応する保護板枠位置合わせ部６ｂを透光性保護板６の長手方向の端辺（枠部６ａ）の略中央に形成することにより（図３（Ａ）参照）、太陽光Ｌｓと交差する方向での透光性保護板６（集光レンズ７）の位置決めが容易に行える。なお、鍔５ａに設けた鍔突起部５ｃは、凹部でも構わず、位置決めを行えるものであれば形状は問わない。

また、鍔突起部５ｃを用いずに、保護板枠位置合わせ部６ｂに常温で硬化するシリコーン系樹脂などを流し込むことで、枠部６ａを鍔５ａに固定しても構わない。位置決めに際しては太陽電池素子１と集光レンズ７の光学的位置合せを幾何学的測定や発電電力測定などにより行い、透光性保護板６を鍔５ａに仮止めした後樹脂にて固定すればよい。

透光性保護板６の長手方向で端辺の略中央に保護板枠位置合わせ部６ｂを近距離の位置に一対形成することにより、回転することなく透光性保護板６（集光レンズ７）の姿勢を固定することができ、また、透光性保護板６は熱膨張によるストレスの少ない状態で鍔５ａに固定されることとなる（図３（Ｂ）参照）。

また、透光性保護板６の枠部６ａは押え部材９によって、透光性保護板６が伸縮可能となるように押えることが好ましく、透光性保護板６の端面に緩衝材３２を巻き付け、押え部材９を押え穴９ａを通るボルト３１で鍔５ａに固定することで、透光性保護板６の機械的ストレスからの保護と止水機能を持たせることができる。つまり、透光性保護板６は保護板枠位置合わせ部６ｂのみで固定され、押え部材９により緩やかに押えられた状態となることから、熱膨張などによる伸縮のストレスがかからないこととなる（図３（Ｃ）参照）。

したがって、フレーム５および遮光板４を構造体の基準位置（基本形状）として、実装板３と透光性保護板６との位置合わせを正確に行うことができ、正確な集光を可能にすることができる。

集光レンズ７を固定する透光性保護板６は、フレーム５の上端（鍔５ａ）に装着される。また、集光レンズ７を通過した太陽光Ｌｓが太陽電池素子１の受光領域に集光するように集光レンズ７を配置する必要があることから、フレーム５（構造体１１の側壁）の高さは、集光レンズ７の焦点距離を考慮して、太陽電池素子１と集光レンズ７との間に必要な光学的距離（最大電力の発電とするのに必要な距離）を画定するように設定してある。

つまり、フレーム５の高さは、太陽電池素子１と太陽光Ｌｓとを正対状態とした場合に、集光レンズ７のレンズ領域に入射した太陽光Ｌｓが、遮光板４の透過穴４ａを通過してレシーバ２上に搭載された太陽電池素子１の受光領域全域に確実に照射されるように設定してある。

フレーム５の長手方向には、フレーム５を相互に嵌合できる嵌合溝５ｂがロールフォーミング加工時に一体に形成してある。嵌合溝５ｂを嵌合させて、長手方向と交差する短手方向にフレーム５を複数連結して、集光型太陽光発電装置２０（実施の形態２参照）を構成することができる。嵌合溝５ｂは、フレーム５を相互に嵌合することから、複数連結した場合でも機械的強度の大きい構造体１１を維持することが可能となる。

実装板３および透光性保護板６は、フレーム５の長手方向に対して複数に分割して装着してある。この構成により、集光型太陽光発電ユニット１０を大型化するためにフレーム５の長手方向の長さを長くした状態でも、組み立ての容易性を確保できることから生産性を向上でき、また、保守点検、補修などを容易に行うことが可能となる。

また、長手方向でフレーム５の長さに対して実装板３および透光性保護板６を短くすることにより、フレーム５に対する太陽電池素子１、集光レンズ７の位置合わせは、フレーム５（透過穴４ａ）に対して狭い範囲（分割した範囲）で行えば良くなることから、正確な位置合わせを行うことが可能となる。

特に実装板３、フレーム５、透光性保護板６は、それぞれ異なる素材で構成される場合、それぞれの熱膨張率が異なるので、長さが長くなるほど熱膨張の影響が大きくなり、温度変化による位置ずれにより集光された太陽光Ｌｓが太陽電池素子１に照射されなくなる恐れがある。しかし、実装板３および透光性保護板６を分割して短くすることにより、短い長さ（狭い範囲）での熱膨張を考慮すれば良いこととなるので、熱膨張の影響を低減することが可能となる。

つまり、実装板３および透光性保護板６は、フレーム５の長手方向で複数に分割してある場合、実装板３、透光性保護板６およびフレーム５の材料の相違に伴う熱膨張の差異による位置ずれを低減することが可能となり、高温の環境下でも正確な集光、発電が可能となり、信頼性の高い集光型太陽光発電ユニット１０となる。

また、透光性保護板６の長手方向の端辺の略中央をフレーム５の上端（鍔５ａ）に固定することにより、熱膨張による位置ずれの影響を低減することが可能となる。

さらに、透光性保護板６の少なくとも２箇所でフレーム５の上端（鍔５ａ）に固定することにより、熱膨張による回転ずれの影響を低減することが可能となる。

実装板３および透光性保護板６は複数の太陽電池素子１に対応している場合が好ましいが、実装板３および透光性保護板６が個々の太陽電池素子１に対応して個別に構成してある場合においても、本実施の形態に係る技術事項が適用できることは言うまでもない。つまり、個々の太陽電池素子１にそれぞれ対応させて実装板３の端辺の略中央を遮光板４に固定し、集光レンズ７の端辺の略中央をフレーム５の上端に固定することにより、集光型太陽光発電ユニット１０を構成することができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットの長手方向での側面から見た要部の配置関係を透視的に示す概略側面図である。図５は、図４の矢符Ａ−Ａでの断面概要を示す拡大断面図である。なお、図４では太陽電池素子１、レシーバ２は図示を省略してある。

フレーム５は、例えば鉄板、鋼板などのロール状金属板を平板状に引き出し、透過穴４ａ、実装板用突起部４ｄ、４ｅ（図２参照）、鍔突起部５ｃ（図３参照）を画定した平面金型によりプレス加工して平板に連続的に転写し、プレス加工された部位についてロールフォーミング加工により三次元加工を行う。このとき、金型は実装板３もしくは透光性保護板６で規定される単位長さでプレス加工することが好ましい。このようにロールフォーミング加工で連続的に曲げ加工して形成した母材を、集光型太陽光発電装置２０（実施の形態２参照）を構成する集光型太陽光発電ユニット１０に適した大きさとして長手方向に約３ｍ程度に切断して形成してある。

つまり、本実施の形態に係る集光型太陽光発電ユニット１０では、金属板のロールフォーミング加工により遮光板４およびフレーム５を成形することで、生産性良く精度の高い構造体を必要な長さで形成することが可能となる。

フレーム５の長手方向には、複数（例えば３個）に分割され約１ｍ程度の長さとした実装板３、透光性保護板６がそれぞれフレーム５の下部、上部に配置され、固定（装着）してある。実装板３、透光性保護板６は、複数に分割してあることから、分割数に応じて熱膨張の影響を低減することができる。例えば、透光性保護板６の長さは約１ｍ程度であることから、長手方向で５個の配列とされた集光レンズ７は約２００ｍｍ角程度となる。したがって、透光性保護板６、遮光板４の幅は約４００ｍｍ程度となる。また、実装板３の幅は、３００ｍｍ程度としてある。

透光性保護板６の表面から入射して集光レンズ７を透過した太陽光Ｌｓは、集光されて遮光板４の透過穴４ａを通過して実装板３に実装された太陽電池素子１に照射される。

実装板３は、鍔３ａをフレーム底部４ｂに当接して装着してある。実装板３は、実装板３の長辺（長手方向の端辺）に対応する鍔３ａの長手方向の略中央に形成された実装板位置合わせ部３ｂで位置決めされ、ビス３０など適宜の固定金具でフレーム底部４ｂに強く固定される（図２参照）。その他の位置の鍔３ａは嵌合部３ｃでビス３０など適宜の固定金具でフレーム底部４ｂに係止（緩く固定）される（図２参照）。つまり、実装板３の長手方向の端辺の略中央で位置決め固定することにより、例えば角部で位置決めした場合と比較して熱膨張による位置ずれを半減することが可能となる。

また、実装板３の４辺の全体を同じ強度で固定する場合には熱膨張による反りなどの影響が大きくなるが実装板３（鍔３ａ）の長辺の中点付近のみを強く固定し、他の位置を係止状態として緩く固定することにより反り（撓み）などの発生を防止することができ、熱膨張の影響を低減することができる。

つまり、長さが約１ｍの鍔３ａ（実装板３）の長辺の中点付近で位置決め固定することにより、熱膨張による位置ずれの影響が生じる範囲を半分の約０．５ｍに抑えることが可能となる。なお、固定に際して鍔３ａ（実装板３）の長辺の略中央には分離した２つの固定点を設けることにより、実装板３の回転による位置ずれが生じないようにすることが好ましい。分離した２つの固定点は同一長辺の中点付近に近接して配置しても構わなく、固定される双方の材質の熱膨張率が同等の場合は対辺の中点付近に設けても構わない。

透光性保護板６は、集光レンズ７を貼り付けた面を遮光板４に対向させ、集光レンズ７を貼り付けた領域の周囲に形成される枠部６ａで、実装板３と同様に、透光性保護板６（枠部６ａ）の長辺（長手方向の端辺）の中点付近で鍔５ａに対して位置決めされる。透光性保護板６の場合にも実装板３と同様の作用効果を生じることから位置ずれを抑制することができる。なお、枠部６ａは押え部材９など適宜の固定金具で鍔５ａに対して適宜固定される（図３参照）。隣接する透光性保護板６相互間では、相互間を差し渡す形状の固定金具（不図示）により固定すれば良い。

このとき、枠部６ａに形成された保護板枠位置合わせ部６ｂに対応する鍔５ａの固定点に鍔突起部５ｃを設けて、鍔５ａを保護板枠位置合わせ部６ｂに嵌合させて（図３参照）、押え部材９により固定することが好ましく、最大発電出力が得られるように透光性保護板６の固定位置を位置決めする操作なしで容易に設置もしくは交換が行える。

また、透光性保護板６の他の固定方法として、透光性保護板６を位置決めした後、保護板枠位置合わせ部６ｂに接着剤を流し込んで枠部６ａを鍔５ａに固定する構成としても構わない。

実装板３および透光性保護板６の位置決め、固定は、共通（同一）の構造体１１（遮光板４、鍔５ａ）に対して同等の精度で行えることから、集光型太陽光発電ユニット１０全体として位置決め精度を向上することができ、太陽光の利用効率を確実に向上することができる。

集光レンズ７は、成型時の加工性を考慮して、太陽電池素子１それぞれに対応して約２００ｍｍ角のサイズで設けられ、フレネルレンズ状の金型に例えばアクリル樹脂を流し込んで一面が平板なフレネルレンズとして成型してある。フレネルレンズとすることにより、集光レンズの軽量化が行え、大面積の集光レンズ７で小面積の太陽電池素子１への集光が可能となる。太陽電池素子１毎に個別に成型する代わりに、複数の太陽電池素子１に対応するように複数のフレネルレンズを一体に成型して構成することも可能である。また、集光レンズ７は透光性保護板６に貼り合わされて強度および平面性を確保できることから、薄型化が可能となり集光特性の良いレンズ形状とすることが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池素子のレシーバでの配置状態を示す平面図である。

本実施の形態では、太陽電池素子１は、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いて公知の半導体製造プロセスによりＰＮ接合、電極などを形成してウエファから受光領域７ｍｍ角のチップに加工されている。太陽電池素子１は、約６０ｍｍ角の銅製のレシーバ２に裏面電極によって電気的、機械的に接続、接着（搭載）されている。レシーバ２の対角位置のコーナー部に基準穴２ｐが高精度に穿設され、この基準穴２ｐを基準に太陽電池素子１が位置決めされ接着される。

太陽電池素子１と並列にバイパスダイオードＤｉが接続してあり、太陽光Ｌｓの遮断などにより太陽電池素子１が抵抗として動作する場合に隣接する太陽電池素子１への電流経路を構成して、特定の太陽電池素子１が発電機能を果たさない場合でも全体として発電機能を維持できる構成としてある。

レシーバ２の表面は、電気的接続が必要となる太陽電池素子１の基板電極、バイパスダイオードＤｉの基板電極が接続される領域、基板電極接続部２ｂの領域で露出してあり、他の表面領域は絶縁性レジスト２ｉで被覆してある。絶縁性レジスト２ｉの表面の一部に出力取り出しのための電極となる表面電極接続部２ｔが適宜の薄板状の導体で形成してある。

太陽電池素子１の対向するチップ両端部に形成された表面電極１ａは、ワイヤＷｓを介して表面電極接続部２ｔにワイヤボンディングしてあり、基板電極接続部２ｂとの間で出力を取り出すことができる。また、バイパスダイオードＤｉの表面電極は、ワイヤＷｄを介して表面電極接続部２ｔにワイヤボンディングしてあり、バイパス動作を行うことができる。

本実施の形態では太陽電池素子１のチップ表面に反射防止膜が形成されており、反射防止膜内の多重反射のため波長によって反射率は変化するが、入射角の増加に伴って反射率は高くなる傾向があるため、受光領域表面における反射損失を低減することができる。反射防止膜としてはＴｉＯ／Ａｌ₂Ｏ₂膜を採用してある。表面電極１ａを部分的に露出させて電気的に接続する必要があるが、厚さ１００ｎｍ程度の厚みであるため、ワイヤーヘッドを摩擦により溶解させて圧着接続させるウエッジボンディングを行う。つまり、表面電極１ａ上の反射防止膜を研磨し、表面電極１ａを部分的に露出させてワイヤボンディングを行う。したがって、反射防止膜を取り除く工程なしに表面電極１ａを表面電極接続部２ｔに電気的に接続することが可能である。

ワイヤボンディングに際し、ワイヤーヘッドを摩擦する方向は、表面電極１ａのパターン形状の長手方向として振幅させることにより、表面電極１ａの短辺幅を短く設定することが可能となる。本実施の形態においては、ワイヤＷｓの直径の約２倍程度の摩擦幅があれば十分でありワイヤ径が２５０μｍ程度の場合、圧着部の幅は約７５０μｍ程度である。

また、各表面電極１ａに対してワイヤＷｓを１本にする場合は、効率よく集電するためにワイヤＷｓの圧着位置は表面電極１ａの中央付近とすることが好ましい。本実施の形態では各表面電極１ａに対してワイヤＷｓを１本としてあるが、各表面電極１ａに対して複数本接続しても良い。表面電極１ａのパターン形状の長手方向にワイヤーヘッドを摩擦させれば、ワイヤＷｓの表面電極接続部２ｔへの張り出し方向はいずれでも構わないが、表面電極接続部２ｔへ最短距離の経路を辿るのが好ましい。

表面電極接続部２ｔは太陽電池素子１とバイパスダイオードＤｉとの並列接続を容易にするために、各表面電極１ａの長手方向に対して直交方向に配置されるのが好ましい。太陽電池素子１の対向するチップ両端部に形成された表面電極１ａをワイヤボンディングにより表面電極接続部２ｔに電気的に接続することで、電極形状の短辺幅を短く設定でき、太陽電池素子１のチップあたりの発電面積比率を大きくすることができることから製造コストを削減することができる。

太陽電池素子１の表面に不透明で厚みを有する電極などが存在する場合は入射角の増大により電極の陰による入射光損失が大きくなるが、チップ両端部に表面電極１ａを形成する本実施の形態によればそのような問題が抑制されることから発電効率が向上する。また、ワイヤＷｓを用いることにより太陽電池素子１の表面を被覆する電極の面積が小さくなり、発電効率が向上する。

なお、太陽電池素子１、及びバイパスダイオードＤｉの接合はワイヤボンディングが好ましいが、半田接合や、溶接による接合でも良い。

表面電極接続部２ｔ、基板電極接続部２ｂに対して隣接する太陽電池素子１との接続を行うための導電リード２ｃがそれぞれ接続してあり、導電リード２ｃを直列あるいは並列に接続することにより大容量の発電が可能となる。

本実施の形態では太陽電池素子１としてＧａＡｓ系化合物半導体太陽電池を用いたが、これに限定されずＳｉ太陽電池や、それら太陽電池を組み合わせたメカニカルスタック型太陽電池などを使用してもよい。

図７は、本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池素子の実装状態および透過穴の配置状態を示す説明図であり、（Ａ）は側面から見た状態を透視的に示す側面透視図であり、（Ｂ）は集光レンズの側から遮光板（透過穴）を見た平面図である。

レシーバ２の露出表面に半田接合された太陽電池素子１およびバイパスダイオードＤｉは、封止ダム２ｓｄにより周囲（平面状周囲）を囲まれ、封止樹脂２ｓｒで樹脂封止される。封止樹脂の表面に封止ガラス２ｓｇを配置することにより（遮光板４側の表面での）樹脂封止の耐湿性を向上することができる。なお、封止ガラスの上には、ＭｇＦ₂などの適当な反射防止膜が形成されていても良い。封止ダム２ｓｄは例えば白色などのシリコーン樹脂、封止樹脂２ｓｒは例えば透光性の大きいシリコーン樹脂で形成する。樹脂封止の工程は、まず封止ダム４ｓｄを形成する工程、次に封止ダム４ｓｄの内側に封止樹脂２ｓｒを注入充填する工程、適宜の硬度とした封止樹脂２ｓｒの表面にガラスを載置する工程で構成される。

本実施の形態ではレシーバ２は銅製であり、集光された太陽光Ｌｓが照射されることによって極めて高温になる太陽電池素子１に対して放熱手段としても機能する。太陽電池素子１を搭載したレシーバ２は、アルミニウム製の実装板３に絶縁熱伝導シート３ｉを介して接着され、絶縁状態を維持しながら太陽電池素子１の熱を実装板３から大気に放熱する。なお、絶縁熱伝導シート３ｉとしては、酸化アルミニウムなどの絶縁性金属を金属フィラとして含むシリコーン系ゴムを適用することができる。また、実装板３には適宜放熱フィン（不図示）を設けることが可能であり、特にレシーバ２に対応する位置に配置することにより大きな放熱効果を得ることができる。

レシーバ２と実装板３の相互間の位置決め、固定は、レシーバ２に設けられた基準穴２ｐに対して、実装板３に正確に位置合わせした受穴３ｐを形成し、基準穴２ｐおよび受穴３ｐに絶縁被覆されたリベット２ｒを挿通して固定することにより精度良く行うことができる。

透過穴４ａの形状およびサイズは、受光領域７ｍｍ角の太陽電池素子１、焦点距離（太陽電池素子１の受光領域に平面状に集光する距離：光学的距離）３００ｍｍの集光レンズ７に対して、長さｂ＝１３ｍｍ角の開口としてある。なお、遮光板４と実装板３との間隔を適宜調整しておくことは言うまでもない。

また、透過穴４ａの形状はｂ＝１３ｍｍ角のサイズに打ち抜きすることもできるが、透過穴４ａの周囲を絞り加工して周辺に屈曲部４ｃを形成し、斜めから透過して太陽電池素子１以外の部分を照射する恐れのある太陽光Ｌｓｄを遮断する機能（角度）を持たせて形成することが好ましい。

つまり、遮光板４は、透過穴４ａの周縁を実装板３の側に折り曲げた屈曲部４ｃを有する構成により、透過穴４ａに対して斜めに照射する太陽光Ｌｓが遮光板４の裏側（すなわち実装板３および太陽電池素子１側）へ透過することを防止できることから、太陽電池素子１の周辺部での太陽光Ｌｓによる損傷を防止することが可能となる。

さらに、屈曲部４ｃの集光レンズ７側の表面（入射側表面）４ｓを鏡面加工することにより、屈曲部４ｃに照射された太陽光Ｌｓを太陽電池素子１側に反射させて入射効率を高めることができる。

＜実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態２に係る集光型太陽光発電装置の受光面を垂直状態とした正面概要を示す正面図である。図９は、図８の集光型太陽光発電装置の背面概要を分解して示す分解斜視図である。

本実施の形態の集光型太陽光発電装置２０は、実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニット１０をフレーム５の長手方向と交差する短手方向で複数連結してある。この構成により、垂直方向と水平方向で重量バランスの取れた受光平面とすることができ、追尾駆動に適した平面形状とすることができる。

つまり、嵌合溝５ｂを相互に嵌合して１群（例えば３個）のフレーム５を短手方向で連結し、また、分割して配置された実装板３相互間の短手方向にＵ字状の主桁部２１を１群のフレーム５に対応配置して支持、連結することにより、垂直方向の上部側に発電モジュール２２、下部側に発電モジュール２３を構成してある。つまり、全体で集光型太陽光発電ユニット１０の数は６個で良く、少ないユニット数で集光型太陽光発電装置２０を構成することができることから機械的強度を確保し、生産性、量産性を向上することができる。

フレーム５の長手方向を水平方向に配置することから、大面積で（フレーム５の全面を利用して）フレーム５を相互に押圧することができるのでフレーム５相互間の連結強度をより大きくでき、機械的強度が大きく安定した連結が可能となる。また、フレーム５相互を主桁部２１で支持することから、機械的強度をさらに向上させることができる。

また、実装板３は主桁部２１に重ならないように配置されていることにより、太陽光発電装置２０を現地に設置した後でもフレーム５を固定したままで実装板３を遮光板４から取り外すことが可能となり、保守点検、補修の作業性が向上する。

つまり、集光型太陽光発電装置２０は、実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニット１０を複数連結してあり、集光型太陽光発電ユニット１０は、フレーム５の長手方向と交差する短手方向に連結する構成とした場合、構造的に安定したモジュールを構成することから、機械的強度が大きく自動追尾に適した平面形状とすることができ、大きな発電容量を生産性、作業性、信頼性良く、確実に実現することが可能となる。

また、集光型太陽光発電装置２０では、フレーム５の長手方向を水平方向に配置する構成とした場合、フレーム５相互間の連結をより強固にできることから機械的強度が大きく安定した連結が可能となる。

また、集光型太陽光発電装置２０では、フレーム５の長手方向と交差する短手方向で、フレーム５を連結する主桁部２１を備える構成とした場合、連結したフレーム５を確実に支持、連結することができることから、機械的強度のより大きい集光型太陽光発電装置を構成することができる。

また、集光型太陽電池装置２０では、現地に設置した後でもフレーム５を固定したままで実装板３および透光性保護板６をフレーム５、遮光板４から容易に取り外せることにより、現地での保守点検、補修を容易に行うことが可能となる。

集光型太陽光発電装置２０の設置に際しては、発電モジュール２２、２３間をさらに、主桁結合部２４によって機械的に強固に固定する。主桁結合部２４は、追尾駆動部２５を介して支柱２６により適宜保持される。追尾駆動部２５は、太陽光Ｌｓを自動追尾するように水平方向の回動機能を有する旋回駆動部、垂直方向の回動機能を有する傾倒駆動部で構成される。傾倒駆動部が備える制御棒２７の先端は発電モジュール２２の背面に設けた固定金具２７ａに連結され制御性、安定性を向上してある。

フレーム５の長手方向の端面に対応する端面側壁２８は、連結された複数のフレーム５を一体的に覆う板材により構成してあり、発電モジュール２２、２３それぞれに形成してある。もちろん、端面側壁２８は、集光型太陽光発電ユニット１０のそれぞれに対応して分割して形成されてもよい。

また、端面側壁２８は、フレーム５内の温度上昇を防止するために通気可能な状態とされることが望ましい。即ち、塵芥などの進入を防ぎながら通気を確保できる通気孔あるいは網材を板材の一部に形成して構成されることが望ましい。

なお、集光型太陽光発電ユニット１０のみで追尾駆動される集光型太陽光発電装置とすることが可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットの要部の配置関係を部分的に示す分解斜視図である。 図１の集光型太陽光発電ユニットの実装板とフレーム底部との位置決め・固定の状態を説明する説明図であり、（Ａ）は実装板の斜視図、（Ｂ）は位置決め固定状態を示す断面図、（Ｃ）は緩い固定状態を示す断面図である。 図１の集光型太陽光発電ユニットの透光性保護板とフレーム上端との位置決め・固定の状態を説明する説明図であり、（Ａ）は透光性保護板などの斜視図、（Ｂ）は位置決め固定状態を示す断面図、（Ｃ）は固定状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットの長手方向での側面から見た要部の配置関係を透視的に示す概略側面図である。 図４の矢符Ａ−Ａでの断面概要を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池素子のレシーバでの配置状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る集光型太陽光発電ユニットに搭載された太陽電池素子の実装状態および透過穴の配置状態を示す説明図であり、（Ａ）は側面から見た状態を透視的に示す側面透視図であり、（Ｂ）は集光レンズの側から遮光板（透過穴）を見た平面図である。 本発明の実施の形態２に係る集光型太陽光発電装置の正面概要を示す正面図である。 図８の集光型太陽光発電装置の背面概要を分解して示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 太陽電池素子
２ レシーバ
３ 実装板
３ａ 鍔
３ｂ 実装板位置合わせ部
４ 遮光板
４ｂ フレーム底部
４ａ 透過穴
４ｃ 屈曲部
４ｄ 実装板用突起部
４ｓ 表面（入射側表面）
５ フレーム
５ａ 鍔
５ｂ 嵌合溝
６ 透光性保護板
６ａ 枠部
６ｂ 保護板枠位置合わせ部
７ 集光レンズ
１０ 集光型太陽光発電ユニット
１１ 構造体
２０ 集光型太陽光発電装置
２１ 主桁部
２２ 発電モジュール
２３ 発電モジュール
２４ 主桁結合部
２６ 支柱
Ｌｓ 太陽光

Claims (7)

1. 集光レンズで集光した太陽光を太陽電池素子に照射して発電する集光型太陽光発電ユニットにおいて、
   前記太陽電池素子を実装してある実装板と、
   前記太陽電池素子の受光領域に太陽光を照射させる透過穴を有し前記実装板を覆う遮光板と、
   該遮光板に対向して配置され前記受光領域に太陽光を集光する集光レンズと、
   前記太陽電池素子と前記集光レンズとの位置を合わせて保持するフレームとを備え、
   前記遮光板と前記フレームとは一体の金属板で形成された構造体とされ、前記遮光板は前記構造体の底部を構成し、前記フレームは前記構造体の側壁を構成し、
   前記実装板は、前記遮光板に装着されて長手方向の端辺の略中央が前記遮光板に固定されていること
   を特徴とする集光型太陽光発電ユニット。
2. 前記遮光板は、前記透過穴の周縁を前記実装板側に折り曲げた屈曲部を有す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ユニット。
3. 前記実装板は、前記太陽電池素子を複数配置してあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集光型太陽光発電ユニット。
4. 前記集光レンズは、前記複数の太陽電池素子それぞれに対応して透光性保護板に配置され保持されてい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ユニット。
5. 前記透光性保護板は長手方向の端辺の略中央を前記フレームの上端に固定してあることを特徴とする請求項４に記載の集光型太陽光発電ユニット。
6. 前記実装板および前記透光性保護板は、前記フレームの長手方向で複数に分割してあることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の集光型太陽光発電ユニット。
7. 集光型太陽光発電ユニットを備える集光型太陽光発電装置において、
   前記集光型太陽光発電ユニットは、請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の集光型太陽光発電ユニットであり、追尾駆動される構成としてあることを特徴とする集光型太陽光発電装置。

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