JP5927948B2 - 集光型太陽光発電パネル及び集光型太陽光発電装置 - Google Patents

集光型太陽光発電パネル及び集光型太陽光発電装置 Download PDF

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Description

この発明は、集光型太陽光発電パネル及びそのパネルを使用した集光型太陽光発電装置に関するものである。
太陽光発電パネルは、長方形底板の全周囲を側板で囲んだ扁平直方体状凹型筐体と、その筐体の開口に設けた透光板と、前記筐体内に設けられて前記透光板を通った太陽光を電気に変換する発電素子とからなる構成が一般的である。
この構成の太陽光発電パネルは、発電素子(セル)の多数を平面状に隣接して配列し、太陽光をその各発電素子に直接に照射して発電する平板型と、前記透光板をフレネルレンズ等の集光板としてそのレンズで太陽光を集光し発電素子に照射し太陽光エネルギーを濃縮して発電する集光型とがある。
また、太陽光発電パネルの設置態様(太陽光発電装置)としては、屋根等に固定する固定型と、太陽を追尾(追日)する架台に設置される追尾型とがあり、集光型は、太陽の位置で集光位置がずれるため、太陽光発電パネルが常に太陽に望む(直達光が直交する)様に追尾型となっている(特許文献1図1、特許文献2図1参照)。
ところで、日の出とともに太陽光は大地に降り注ぐが、図7の鎖線に示すように、固定型の太陽光発電パネルには、その日の出から、直達光が真っ直ぐに当らず、斜めに差し込むため、発電量は、日の出から徐々に立ち上がり、昼近くでピークになって日の入りに向かって徐々に低下していくのに対し、同図実線で示すように、追尾型の太陽光発電パネルは、太陽が出れば、その太陽に向くため、日の出から直達光が真っ直ぐに当り、フルパワー発電となって、その状態は日の入り近くまで続く。このため、一般的には、同一の照射面積の場合、固定型に対し追尾型の発電量は1.4倍(同図斜線部分多く発電する)とされており、平板型においても、追尾架台に設置して追尾型とするものが増えている。
また、太陽光の当る面積が同じで発電量が同じとすれば、平板型はその太陽光の照射面積の大きさの発電素子が必要であるのに対し、集光型は、集光度合に応じた、例えば、1/100の面積に集光できれば、平板型に対して1/100の大きさの発電素子で十分である。
因みに、追尾電力は、追尾型太陽光発電装置における発電量の0.5%程度である。このため、追尾型は設置コストはかかるが、メンテナンスコストは固定型と大差はない。
このように、集光・追尾型太陽光発電装置(CPV)は、平面・固定型及び平面・追尾型太陽光発電装置に対して優れた面があり、コスト面が解決されれば、今後、太陽光発電において主流になると考えられる。
特開2002−289896号公報 特開2008−4661号公報
従来の集光型太陽光発電パネルの筐体は、上記のように、底部と、その全周をなす側部とからなる凹型であり、複数の部材、例えば、底部をなす底板、側部をなす左右上下の各側板を溶接等によって組み合わせて製作しているため、重く、かつ量産性に劣るものであった。
また、従来の集光・追尾型太陽光発電装置(以下、単に「集光型太陽光発電装置」又は「CPV」と言う)は、大きな照射面積から小さな発電素子に集光する考えが主流であり、集光レンズ、例えば、フレネルレンズは一辺:140mm以上の正方形のものである(特許文献2の段落0023、図1、2参照)。
集光レンズが大きいことは、焦点距離も長くなるから、筐体も深いものとなり(厚いものとなり)、例えば、厚さ:250mm程度となっている。
このような太陽光発電パネルは、横幅:400mm以上、縦幅:1600mm以上、厚さ:250mm以上となって、かなりの重量となり、数人で持ち運びしなければならないものとなる。
太陽光発電パネルの設置において、工賃はかなりのウエイトを占めており、数人で運ばなければならないのは、そのコストアップの原因となっている。
一方、平板型においては、長辺:800mm程度の長方形で厚さ:50mm程度のものが普及し、その太陽光発電パネルは一人でも運搬できる。
この発明は、前記実状に鑑み、太陽光発電パネルの筐体の生産性を高めるとともに、軽量化を図ることを課題とする。
前記第1の課題を達成するため、この発明は、まず、筐体の底部及び側部を放熱性の高い金属板のプレス加工によって一体成形することとしたのである。
プレス加工であれば、筐体の生産性(量産性)が高くなるとともに、従来の溶接等による筐体に比べれば軽量化する。また、底部と側部の継ぎ目が生じないため、その継ぎ目から水等が浸入する恐れもなくなる。
つぎに、プレス成形品は、通常、その板厚が薄いため、筐体底部(底板)の平面度を担保し難い。このため、この発明は、集光型太陽光発電パネルにおける発電素子は、通常、その複数を長尺配線板にその長さ方向線状に実装しており、その配線板の長さ方向に平行に補強機構を設けることとしたのである。
集光型太陽光発電パネルにおいて、集光レンズと発電素子とは一定距離範囲内に位置決めされることが必要であり、各発電素子の上下(筐体厚み方向)のズレが集光レンズとのズレとなり、発電素子は配線板にその長さ方向に実装しているから、その長さ方向に平行に補強機構を設ければ、その長さ方向の直線度(平面度)が担保される。この平面度が担保されることは、集光レンズと発電素子とが一定距離範囲内に位置決めされることであるため、集光・発電低下を招く恐れも少なくなる。
この発明の具体的な構成としては、底部と、全周をなす側部とからなる凹型の平面視長方形状筐体と、その筐体の開口に設けた複数の集光レンズを構成する集光板と、前記筐体内に設けられて各集光レンズに対応した発電素子と、その発電素子を実装した長尺配線板と、を備えた集光型太陽光発電パネルにおいて、前記筐体は、放熱性の高い金属板のプレス加工品であり、前記長尺配線板は、フレキシブルプリント基板からなって、その長さ方向が前記長方形の一辺の長さ方向とされて、前記筐体の底部内面にその複数が並列に設けられており、かつ、筐体の底部内面には、前記長尺配線板の間にその長尺配線板と平行方向に長尺配線板の直線性を担保する補強機構が設けられている構成を採用することができる。
この構成の太陽光発電パネルは、例えば、受光面(集光板表面)が0.5m以上のものが好ましく、筐体は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板等で製作して放熱性の高いものとし、その板厚は、0.5mm以上3mm以下とし、より好ましくは、0.5mm以上1.5mm以下とする。この板厚であると、プレス加工による筐体の一体成型が容易であり、特に、1.5mm以下であると、受光面が0.5m以上の大型のものの製作が容易となる。
前記補強機構は、前記筐体の底部に、筐体と別部材の板片をねじ止めや溶接等によって固着することによって構成することもできるが、前記配線板の間に設けられ、前記筐体の底部にプレス加工等によって凹部又は凸部を形成して構成すれば、製作性及びコスト面で有利となる。特に、底部内面側に突出する凸部とすれば、筐体内の空気の流れが円滑となって、放熱性が良い利点がある。
凹部及び凸部が、長尺配線板に平行にビードを形成し、そのビードは、配線板に平行のもののみならず、それに直交するものを形成して縦横のビードとすることができる。さらに、その縦横のビードを上下左右(縦横)対称とすれば、仮に、筐体底面(底板)が波を打つように屈曲しても、各ビード間での波打ちとなってその底面の高低差が小さく均一となるため、集光レンズ(板)と発電素子との距離の変動を少なくすることができて、安定した発電を確保できる。
その凹部、凸部の深さ又は高さは、少なくとも筐体底部の板厚の2倍以上、より好ましくは3倍以上とする。また、凹部、凸部の幅(ビード幅)は10mm以上とすることが好ましく、この10mm以上とすることで、筐体の底部の平面度の十分な確保ができる。
これらの補強機構は、集光レンズと発電素子とは一定距離範囲内に位置決めされる許容範囲内において、その数及び位置は、1本(一個所)、複数等と任意である。
前記集光板における集光レンズの大きさや配置は、適宜に設定すれば良いが、例えば、方形の複数の集光レンズを格子状に配置し、前記補強機構は、その複数の集光レンズ間の境界直下の筐体の底部に設けられ、集光レンズの一辺は、2cm超6cm未満であるものとすれば、補強機構が集光レンズ間の境界直下にあることから、集光の邪魔とならず、その集光レンズの焦点距離は95mm以下に収まるため、例えば、縦:850mm、横:650mm、厚さ:95mm等として、一人で持ち運べる大きさ・重さ(軽量・薄型)の筐体とすることができる。この程度の大きさであると、我国の薄型TV、LED照明器具等の生産技術の応用によって、集光板等の製作コストの低減や発電素子の自動実装等による低コスト化が可能である。
また、補強機構は、集光レンズ間の境界直下の筐体の底部に設けられることから、その集光レンズの大きさ(サイズ)に対応して設けられ、集光レンズがその一辺:2cm超6cm未満と小さければ、その補強機構は集光レンズの大きさに対応させた幅の数の多いものとなって(底部に多く設けられて)、前記筐体底部の平面度の確保も容易である。
因みに、従来、集光レンズが一辺:2cm超6cm未満の集光型太陽光発電パネルは無く、集光レンズの小型化は、従来の主流である、大きな照射面積から小さな発電素子に集光する考えに逆行するものである。
筐体底部内側には、補強機構に加えて少なくとも1つ以上の補強板を備えることができ、この補強板と補強機構によって前記縦横のビードを構成することができる。このとき、筐体の底部内側に複数の太陽光発電パネルの架台への取付用盲ナットを設けて、前記補強板を介在して筐体底板にその盲ナットを固定することで、その盲ナット取り付けの際の底部(底板)の変形を最小化することができる。
前記配線板は、フレキシブルプリント基板(FPC)等が採用することができ、その筐体底部への位置決めは種々の手段を採用し得るが、例えば、筐体の底部内面に、配線板の位置決め孔に嵌る位置決め突起を設けて行なうことができる。このフレキシブルプリント基板に発電素子が搭載されていると、その発電素子の配設が容易であって、コストダウンを図ることができる。フレキシブルプリント基板はビードによって幅方向の位置決めをすることもできる。
筐体内は通気性を高めることが好ましく、このため、筐体の側部に、少なくとも1つ以上の通気孔を形成し、その通気孔に、防水性の通気品を嵌めた構成を採用することができる。その複数の通気孔は、方形筐体の対角関係位置、例えば、上下側面にそれぞれ、上側面中央と左右側面にそれぞれ、左右側面にそれぞれ、左右側面と下側面中央等とする。
以上の各構成の太陽光発電パネルと、その太陽光発電パネルを複数設置する設置支持部とを有する集光型太陽光発電装置においては、その太陽光発電装置は、前記太陽光発電パネルを複数設置する設置支持部を駆動する手段と、太陽の位置を捕捉する手段とをさらに備え、太陽の位置に対して前記集光型太陽光発電パネルの受光面が正対するように前記集光型太陽光発電パネルを駆動する構成を採用することができる。
この発明は、以上のように、筐体をプレス加工等による成型品としたので、その軽量化や量産化を図ることができる。また、集光レンズを小さくしたので、筐体の厚みを薄くすることができる。
この発明に係る集光型太陽光発電装置の一例の斜視図 同太陽光発電パネルの斜視図 (a)は同太陽光発電パネルの断面図、(b)は(a)の一部拡大図 同太陽光発電パネルの集光板を除去した斜視図 図4の要部拡大図 同筐体を示し、(a)は表面からの斜視図、(b)は裏面からの斜視図 発電量比較図
この発明は、底部となる底板の全周囲を側部となる側板で囲んだ凹型の筐体と、その筐体の開口に設けた集光板と、前記筐体内に設けられて前記集光板の各集光レンズに対応した発電素子とからなる集光・透過型太陽光発電パネル(以下、単に「太陽光発電パネル」という。)であって、例えば、図1に示す、複数の太陽光発電パネルPを縦横に有する集光型太陽光発電装置に採用する。
この集光型太陽光発電装置は、追尾架台Dに格子状のフレームFをその追尾架台Dに対して左右方向(追尾架台Dの軸心周り)かつ上下方向(追尾架台Dの軸心に沿う)に電動機E等によってそれぞれ回動可能に取付け、このフレームFに太陽光発電パネルPを縦横に配置したものである。この太陽光発電パネルPの縦横の配列個数は任意である。また、この集光型太陽光発電装置を縦横に並べて集光型太陽光発電システム(設備)とすることもできる。その集光型太陽光発電装置の縦横の配列個数も任意である。
この太陽光発電パネルPは、例えば、縦:850mm、横:650mm、厚さ:95mm等として、一人で持ち運べる大きさ・重さ(軽量・薄型)となっている。また、この程度の大きさであると、我国の薄型TV、LED照明器具等の生産技術の応用によって、集光板(集光レンズ板24)等の製作コストの低減や発電素子22の自動実装等による低コスト化が可能である。
その各パネルPの中央部に、太陽方位計(太陽追日計)C、全天日射計C及び太陽光直達光計Cが配置されており、太陽方位計Cによって太陽の位置(方位)を確認し、その確認信号に基づき、フレームFが左右及び上下方向に動いて太陽に真っ直ぐ向く回転角θと迎え角αとされる。
すなわち、常時、太陽の一日の運行に追日して、東方向から西方向へ太陽光発電パネルPの受光面を可動とする方位角(回転角)に制御され、太陽高度が低い日の出から高度の高い昼そして再び高度の低くなる日没まで太陽の一日の高度変化に追日して、仰角方向に太陽光発電パネルPの受光面を可動とする仰角(迎え角)に制御されて、パネル受光面を発電効率が最良となる、太陽に向かって各太陽光発電パネルP(受光面)が真っ直ぐ(直角)に向く(受光面が正対する)状態とされる。
また、全天日射計Cによって全天空の日射量を検出し、太陽光直達光計Cによって直達光の日射量を検出し、それらの検出量と発電量との対比によって発電効率等が計算される。
太陽光発電パネルPは、図2〜図6に示すように、四角枠状(平面視長方形状)の金属製箱フレーム(筐体)10内に高放熱フレキシブルプリント基板(FPC)21がその長さ方向が前記長方形の一辺の長さ方向とされて12列並列に設けられ、その各FPC21上に、化合物多接合型半導体(セル)、例えば、III−V族化合物半導体からなる小型の発電素子(例えば、一辺5mm正四角)22、逆流防止ダイオード23を下記集光レンズ24aの間隔で配置されている。このIII−V族化合物半導体は結晶シリコン型セルに対して約2倍の光電変換効率を発揮する。
また、筐体10の前面はフレネルレンズから成る集光レンズ(例えば、一辺5cm正四角)24aが縦横(縦:16個、横:12個)に配置された集光板24によって被われており、各集光レンズ24aの中心が各発電素子22にそれぞれ対向している。このため、集光レンズ24aによって集光された太陽光は発電素子22にその多く(直達光)が照射されて効率的な発電がなされる。
筐体10は、図4〜図6に示すように、アルミ合金5000番台、例えば、A5052Pのアルミ合金板から、プレスによる絞り加工によって底板11、側板12が一体成型されたもの(一体成型品)である。このプレス加工によって底板11と側板12の接合部(稜線)及び左右上下の側板12の各接合部(稜線)は円弧状となって強度が高くなっている。そのプレス加工の際又は後に、底板11に、その補強機構をなす縦方向の凸型直線状ビード13、前記フレームFへの取付け孔14、FPC位置決め突起15及び通気孔16が形成される。そのビード13は、筐体10に集光板24を取付けた際、その各集光レンズ24a間の境界直下のFPC21間に平行に位置して、そのFPC21の直線性を担保する
その取付け孔14の位置・数は太陽光発電パネルPがフレームFに強固かつ安定して固定されればいずれでも良いが、例えば、筐体10の四隅であると、その固定位置間において底板11が波を打って(屈曲して)、各集光レンズ24aと各発電素子22との距離が一定とならない(安定しない)が、図6のように、底板11の左右上下内側の対称位置にあると、底板11の波打ちも少なくなって前記各集光レンズ24aと各発電素子22との距離のXY軸方向の差(ズレ)も極力少なくなる。その取付け孔14の側板12から内側への距離は、そのズレ度合のみならず、太陽光発電パネルPのフレームFへの取付性も考慮して適宜に設定する。
突起15は、各発電素子22の両側に位置するように配置されており、この突起15をFPC21の孔に嵌めることによって、各発電素子22が各集光レンズ24aの中心(軸心)と一致する。FPC21は、シリコン系接着剤によって筐体10の底板11、側板12に貼着固定される。
FPC21が配設されれば、底板11の横方向のビードをなす直線状の補強板18を底板11にカシメ止め(カシメリベット18a)して水密に取付ける。この補強板18及び前記ビード13によって底板11の平面性が担保される。さらに、ビード13と補強板18の設置態様は上下左右(縦横)対称となっており、仮に、筐体10底面(底板11)が波を打つように屈曲しても、各ビード13、補強板18間での波打ちとなってその底面の高低差が小さく均一となるため(平面性がより担保されるため)、集光レンズ24a(板24)と発電素子22との距離の変動が小さくなっている。この実施形態では、各発電素子22と各集光レンズ24aとの距離のズレ(差)は±1mm以内となっている。ビード13及び補強板18の数は、FPC21の設置に支障がない限りにおいて任意である。また、ビード13を縦方向、補強板18を横方向とすることもできる。
通気孔16は、筐体10の上下の側板12に形成されて防水性キャップ16aが接着剤を介在して嵌められており、このキャップ16aは、耐薬品性・耐熱性に優れた四フッ化エチレン樹脂(PTFF)、例えば、住友電工ファインポリマー(株)製ポアフロン(登録商標)により形成され、筐体10外部からの水分を遮断しつつ空気を円滑に流通させて筐体10内の換気を円滑に行なう。
この実施形態では、各FPC21が同じくFPC21aによって並列接続され、そのFPC21aは側板12外側面の端子ボックス25に接続されている。各FPC21の接続態様は、並列、直列、部分並列、部分直列等と任意である。図中、23aは並列したFPC回路の逆流防止ダイオード、26は太陽光発電パネルPで発電された電力を外部に導くケーブルであり、このケーブル26でもって前記架台D上の各太陽光発電パネルPを並列又は直列に接続して、この集光型太陽光発電装置を所要発電量(定格)とする。
集光板24は、ガラス板又はアクリル板の裏面にシリコン樹脂被膜が形成され、その膜にフレネルレンズ24a(一辺:5cmの正方形)が縦横をなすように形成された一枚ものである。この集光レンズ24aのF値は1〜2とした。また、この集光板24は、シリコン系接着剤を介して筐体10の前面に貼着固定される。この貼着は、筐体10の開口全周囲のフランジ表面に接着剤を塗布して集光板24をその接着剤を介してフランジに押し当てると共に、そのフランジ側面の係止片19を折り曲げて集光板24を把持して行なう。
因みに、この実施形態では、縦:800mm、横:600mm、厚さ:3mmの集光板24内に192(16×12)個の小型発電素子22(5mm角)を配置しているため、集光レンズ24aの大きさ(50×50=2500mm)に対し、発電素子22の周りに大きなスペース(2500−25(5×5)=2475mm)が形成される。この発電素子22の周りに大きなスペースがあるため、底板11(FPC21)からの放熱が有効になされる。すなわち、放熱性の高い構成となっている。
この構成の太陽光発電パネルPを追尾架台Dに取付けるには、前記格子状のフレームFに底板11をビス(ボルト)止めして行なう。このとき、底板11には図3に示すように盲ナット(ピアスナット)20が補強板18と共に(補強板18を介在して)カシメ止めされており、その盲ナット20にフレームFのボルト20aをねじ込むことによってフレームFに太陽光発電パネルPを取付ける。
因みに、この実施形態の太陽光発電パネルPは、同一の照射面積の結晶シリコン型発電素子の太陽光発電パネルに対し、重さ:約1.16倍であるが、発電量は2倍であった。
前記実施形態において、発電素子22の前面にセカンダリーレンズ(ロッドレンズ:CPC)を設けて、集光を均一化して発電効率を上げることもできる。
このように、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。この発明の範囲は、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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
D 集光型太陽光発電装置の追尾架台
F 集光型太陽光発電装置のフレーム
P 集光型太陽光発電パネル
10 太陽光発電パネルの筐体
11 筐体の底板(底部)
12 同側板(側部)
13 補強ビード(補強機構)
15 フレキシブルプリント基板(配線板)位置決め用突起
16 通気孔
16a 防水性通気品
18 補強板
20 太陽光発電パネルPの取付用盲ナット
20a 同ボルト
21 フレキシブルプリント基板(配線板)
22 発電素子
23 逆流防止ダイオード
24 集光板
24a 集光レンズ(フレネルレンズ)

Claims (10)

  1. 底部と、全周をなす側部とからなる凹型の平面視長方形状筐体と、前記筐体の開口に設けた複数の集光レンズを構成する集光板と、前記筐体内に設けられて各集光レンズに対応した発電素子と、前記発電素子を実装した長尺配線板と、を備えた集光型太陽光発電パネルであって、
    前記筐体は、放熱性の高い金属板のプレス加工品であり、前記長尺配線板は、フレキシブルプリント基板からなって、その長さ方向が前記長方形の一辺の長さ方向とされて、前記筐体の底部内面にその複数が並列に設けられており、かつ、筐体の底部内面には、前記長尺配線板の間にその長尺配線板と平行方向に長尺配線板の直線性を担保する補強機構が設けられていることを特徴とする集光型太陽光発電パネル。
  2. 前記筐体は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板からなり、その板厚が、0.5mm以上3mm以下であ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パネル。
  3. 前記補強機構は、前記筐体の底部内面に凹部又は凸部形成されていることによって実現されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の集光型太陽光発電パネル。
  4. 前記補強機構としての前記筐体の底部の凹部又は凸部の深さ又は高さは、少なくとも筐体底部の板厚の2倍以上あ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パネル。
  5. 前記補強機構としての前記筐体の底部の凹部又は凸部の幅は、10mm以上としたことを特徴とする請求項3又は4に記載の集光型太陽光発電パネル。
  6. 前記集光板には、方形の前記複数の集光レンズが格子状に配置され、前記補強機構は、前記複数の集光レンズ間の境界直下の前記筐体の底部に設けられ、前記複数の集光レンズの一辺は、2cm超6cm未満であることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
  7. 前記筐体の底部内側に複数の太陽光発電パネル取付用盲ナットと、少なくとも1つ以上の補強板とを備え、
    前記補強板を介在して前記盲ナット筐体底部に固着されて、その盲ナットを取り付ける際の筐体底部の変形最小化されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
  8. 前記筐体の底部内面に、前記配線板の位置決め孔に嵌る位置決め突起設けられていることを特徴とする請求項1乃至7の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
  9. 前記筐体の側部に、少なくとも1つ以上の通気孔形成され、その孔に、防水性の通気品嵌められていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネル。
  10. 請求項1乃至9の何れか一つに記載の集光型太陽光発電パネルと、その集光型太陽光発電パネルを複数設置する設置支持部とを有する集光型太陽光発電装置であって、
    その集光型太陽光発電装置は、前記集光型太陽光発電パネルを複数設置する設置支持部を駆動する手段と、太陽の位置を捕捉する手段とをさらに備え、
    太陽の位置に対して前記集光型太陽光発電パネルの受光面が正対するように前記集光型太陽光発電パネルを駆動することを特徴とする集光型太陽光発電装置。
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