JP5948899B2 - 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

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：Concentrated Photovoltaic）に関する。

集光型太陽光発電（ＣＰＶ）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、フレネルレンズ等の集光部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。）。例えば、所定数の発電素子が直列に接続され、その直列体がさらに並列に接続されて、太陽光発電の１モジュールを成している。

このような基本構成を多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。発電素子にはバイパスダイオードが並列に接続されており、十分に発電しない発電素子があっても、全体の出力を妨げないように、電流がバイパスダイオードを流れる回路構成となっている。このバイパスダイオードは、発電素子と同一の基板上で、かつ、近傍に、設けられている（例えば、非特許文献１参照。）。

米国特許第５，４６０，６５９号

"Failure Modes of CPV Modules and How to Test for Them"、[online]、２０１０年２月１９日、Emcore Corporation、［平成２３年９月２９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'〉

上記のような従来の集光型太陽光発電の装置において、例えば、太陽が雲に隠れると、太陽への追尾動作が一時的に滞る場合がある。この場合、再び太陽が雲間から現れると追尾動作が再開されるが、短期間的には追尾動作が遅れる。集光型太陽光発電パネルが正確に太陽の方向を向いていないと、集光位置にずれが生じ、集光する太陽光が、発電素子ではなく、その近傍にあるバイパスダイオードに当たる場合がある。この場合には、バイパスダイオードが熱損傷する可能性がある。なお、発電素子は、集光する太陽光を受けても、エネルギー変換を行っていることと、素材の耐熱性とによって、通常は、熱損傷を受けない。

かかる従来の問題点に鑑み、集光型太陽光発電において、発電素子とペアになって使用されるバイパスダイオードの熱損傷を防止することを目的とする。

（１）本発明は、底面を有する器状の筐体と、前記底面に設けられたプリント配線板と、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、前記プリント配線板は、絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有する基板と、前記基板上に、前記レンズ要素の各々と対応して複数個設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に接続された発電素子と、前記基板上で前記発電素子の各々と並列に接続され、隣り合う２つの発電素子の中間に配置されているバイパスダイオードと、を備えたものである。

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、集光部のレンズ要素による集光位置がずれたとしても、２つの発電素子の中間にバイパスダイオードが配置されていることにより、バイパスダイオードに集光した太陽光が当たる可能性は極めて低い。仮に、集光した太陽光がバイパスダイオードに当たったとしても、本来の集光位置（発電素子）とは大きくずれているので、集光の度合いも弱まり、バイパスダイオードを過熱させるほどのエネルギーは生じない。

（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、バイパスダイオードの表面には白色系の絶縁材が被着されていることが好ましい。
この場合、白色系の絶縁材によって光が反射されるので、バイパスダイオードの過熱をさらに確実に防止することができる。

（３）一方、本発明は、底面を有する器状の筐体と、前記底面に設けられたプリント配線板と、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、前記プリント配線板には、基板上に発電素子とともにバイパスダイオードが実装され、当該バイパスダイオードの表面には白色系の絶縁材が被着されているもの、でもある。

上記（３）のように構成された集光型太陽光発電モジュールでは、集光部のレンズ要素による集光位置がずれて、集光した太陽光がバイパスダイオードのある場所に当たったとしても、白色系の絶縁材によって光が反射されるので、バイパスダイオードの過熱を防止することができる。

（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、絶縁材は、白色又は白濁した樹脂のポッティング層であってもよい。
この場合、バイパスダイオードの防水性を確保するために用いるポッティング層によって、光を反射することができる。

（５）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、基板は、柔軟性のあるフレキシブル基板であり、当該フレキシブル基板が筐体の底面に並べられることにより、プリント配線板が構成されるものであってもよい。
この場合、例えば細長く延びる形状のフレキシブル基板を用いることにより、隣り合う２つの発電素子の中間をバイパスダイオードの配置場所として確実に確保することができる。

（６）一方、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１）〜（５）のいずれか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、発電パネルとして所望の出力（定格出力）を確保することができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュール及び集光型太陽光発電パネルによれば、発電素子とペアになって使用されるバイパスダイオードの熱損傷を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電モジュールを含む、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、モジュールの部分断面の概要を示す図である。 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。 図７と同様の部位について、さらに、パターンの形状を主体に示した図である。 図７における左上部分を拡大した図である。 バイパスダイオードに対してさらに工夫を施した他の例を示す図である。

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含む、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。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動作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。

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。フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域は例えば正方形である。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、薄く細長く延びる形状のフレキシブル基板１２０と、その上に搭載されたレシーバ１２１とを備えている。レシーバ１２１は、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とを一体にパッケージ化したものである。レシーバ１２１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から入射した太陽光を発電素子１２２上に集める。２次集光部１２３は、ここではレンズである。但し、レンズ以外に、光を反射しながら下方へ導く反射鏡であってもよい。

図４は、発電素子１２２が設けられている部位での、モジュール１Ｍの部分断面の概要を示す図である。図において、発電素子１２２及び２次集光部１２３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、フレキシブル基板１２０と、その上に実装された電子部品・光学部品等（ここではレシーバ１２１（発電素子１２２及び２次集光部１２３））とによって構成されている。

フレキシブル基板１２０は、例えば、耐熱性に優れたポリイミド製の絶縁基材１２０ａと、銅箔からなる導電性のパターン１２０ｂと、パターン１２０ｂを覆うカバーレイ１２０ｃとによって構成されている。絶縁基材１２０ａによって、パターン１２０ｂは、筐体１１から絶縁されている。絶縁基材１２０ａの厚さは、１０〜１００μｍであることが好ましく、これによって、耐電圧性能と、放熱性とを、両立させることができる。すなわち、１０μｍ未満では耐電圧性能が不足する。１００μｍを超えると、筐体１１への放熱性が悪くなる。パターン１２０ｂの厚さは、例えば３５μｍ程度である。カバーレイ１２０ｃの厚さは、例えば６０μｍ程度である。
従って、フレキシブル基板１２０全体としても非常に薄く、柔軟性を有している。

また、絶縁基材１２０ａの下面には、例えばアルミニウム製の補強板１２４が接着されている。補強板１２４の厚さは、例えば、０．５〜１ｍｍである。この補強板１２４による補強により、柔軟性を失わせない程度に、フレキシブルプリント配線板１２に若干の固さを確保し、製造時の取り扱いを容易にすることができるほか、変形防止効果も得られる。また、補強板１２４をアルミニウム製とすることで、筐体１１の底面１１ａへの熱伝導性（放熱性）を向上させることができる。補強板１２４は、筐体１１の底面１１ａに接着される。フレキシブルプリント配線板１２は、補強板１２４を加えても、全体として非常に軽量である。

但し、上記の補強板１２４は必須の構成ではなく、省略することも可能である。補強板１２４を省略した場合には、フレキシブル基板１２０が直接、底面１１ａに接着される。また、その場合には、フレキシブルプリント配線板１２の変形防止や放熱性の機能は、筐体１１が担保する。

筐体１１は、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で、実質的にはフレキシブル基板１２０を示している。）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（フレキシブル基板１２０の形状）は薄く細長く延びる形状であるが、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、薄く細長く延びる形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。

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個のレシーバ１２１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。

隣り合う２つの発電素子１２２の中間には、バイパスダイオード１２５が設けられている。バイパスダイオード１２５の総数は発電素子１２２の総数と同じであり、各バイパスダイオード１２５は、発電用配線板１２Ａ上で、対応する発電素子１２２と並列に接続されている。図６において、隣り合う２つの発電素子１２２間の距離をＬとすると、バイパスダイオード１２５は、隣り合う２つの発電素子１２２から等距離（Ｌ／２）の位置すなわち、中央（真ん中）にあることが最も好ましい。

図７は、図６におけるVII部の拡大図である。この図７では、パターンＰ１〜Ｐ７（図４における１２０ｂに相当する。）がどのように形成されているかを、詳細に示している。また、図８は、さらに、パターンの形状を主体に示した図であり、パターンＰ１〜Ｐ７の領域ごとに斜線を付して見易くしている。図８において、斜線を付したパターンＰ１〜Ｐ７は、絶縁基材１２０ａ上に、エッチング等により、形成されている。

図７，図８において、フレキシブル基板１２０上で隣り合う２つのパターン間には、発電素子１２２が接続される。これによって、パターンを介した発電素子１２２の直列体が出来上がる。また、任意の発電素子１２２と共通の、隣り合う２つのパターン間には、バイパスダイオード１２５が接続される。すなわち、バイパスダイオード１２５は、対応する発電素子１２２と並列に接続され、電流のバイパスを形成している。バイパスダイオード１２５は、発電素子１２２が発電しないときに、隣り合うパターン同士を短絡する役目をする。これにより、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、レシーバ１２１及びバイパスダイオード１２５を除く、フレキシブル基板１２０（パターンも含む。）の表面には、カバーレイ１２０ｃ（図４）が絶縁皮膜としてコーティングされる。

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。

次に、バイパスダイオード１２５の設置位置の意義について説明する。図９の（ａ）及び（ｂ）は、図７における左上部分を拡大した図である。（ａ）において、フレネルレンズ１３ｆ（図２，図４）の集光位置が設計通りの正確な位置であれば、集光させた太陽光は、２次集光部１２３を介して、フレネルレンズ１３ｆの有効集光領域である正方形と概ね相似な正方形の光スポットを形成し、発電素子１２２に入射する。

ここで、図１における集光型太陽光発電装置１００において追尾動作の遅れが生じたために、一時的に、フレネルレンズ１３ｆによって集光させた太陽光が発電素子１２２から外れた位置に達したとする。このとき、パターンＰ３，Ｐ４に光が当たっても、特に問題は無い。また、バイパスダイオード１２５は、距離（Ｌ／２）の位置にあり、どの発電素子１２２から見ても、最も遠い、光が届きにくい位置にある。従って、多少の追尾動作の遅れ程度ならば、集光させた太陽光がバイパスダイオード１２５に達する可能性は極めて低い。

また、図９の（ｂ）は、追尾動作の遅れによって集光位置が大きくずれた光が、バイパスダイオード１２５に当たる２つの例を示している。この場合、光スポットＳは、本来の光軸上の位置に形成されない。そのため、スポットサイズも設計通りとはならず、デフォーカスされる。デフォーカスによって、集光の度合いは弱まり、光エネルギーが拡散される。従って、光がバイパスダイオード１２５に達したとしても、バイパスダイオード１２５を過熱させるほどのエネルギーは生じない。このようにして、発電素子１２２とペアになって使用されるバイパスダイオード１２５の熱損傷を防止することができる。

図１０は、バイパスダイオード１２５に対してさらに工夫を施した他の例を示す図である。この図は、図９と同様の場所を示している。
図において、バイパスダイオード１２５には、防水性の認証試験をクリアするための樹脂によるポッティングが行われる。このようなポッティングにより形成されるポッティング層１２６は、バイパスダイオード１２５を密封し、防水性を担保する。一般に、このようなポッティングに用いる樹脂は透明であったが、ここでは、白色又は白濁した樹脂（例えばシリコーン樹脂）を用いる。これにより、もしバイパスダイオード１２５を密封するポッティング層１２６に集光位置がずれた光が当たっても、光を良く反射することができる。

なお、上記のポッティング層１２６は、防水性の確保と光の反射とを共に実現できるので好ましいが、その他、バイパスダイオード１２５に白色系の塗料（絶縁性）を付着させてもよいし、白色系の絶縁フィルムを被せることもできる。要するに、バイパスダイオード１２５の表面に白色系の絶縁材が被着されている状態とすれば、絶縁材によって光が反射されるので、バイパスダイオード１２５の過熱をさらに確実に防止することができる。

なお、上記実施形態では、基板上でのバイパスダイオード１２５の位置が、隣り合う２つの発電素子１２２の中間、特に真ん中にあることが好ましいとしたが、現実には、必ずしも真ん中でなくても一定の作用効果は得られる。集光位置のずれが生じても光が当たりにくく、デフォーカスにより光エネルギーを弱めるという作用効果が期待できる許容範囲としては、例えば、図６に示すように、真ん中から距離（Ｌ／４）の範囲内すなわち、真ん中を中心とした（±Ｌ／４）の範囲内であればよいと考えられる。

また、そもそも、バイパスダイオードの中間配置とは関係なく、上述の白色系の絶縁材をバイパスダイオードに被着することによってバイパスダイオードの過熱を防止することもできる。すなわち、仮に、バイパスダイオードが、中間ではなく、対応する発電素子１２２の近傍にあったとしても、白色系の絶縁材をバイパスダイオードに被着することによって、過熱防止についての一定の効果は得られる。

また、上記実施形態ではフレキシブルプリント配線板１２を用いた。これは、基板が薄く細長く延びる形状で連続しているので、隣り合う２つの発電素子の中間をバイパスダイオードの配置場所として確実に確保できるという利点がある。しかしながら、隣り合う２つの発電素子の中間にバイパスダイオードを配置すること自体は、ガラスエポキシ基板やセラミック基板等の他の基板でも可能である。但し、これらの他の基板の場合、複数の基板同士の接続は電線で行われることになるので、基板間では、隣り合う２つの発電素子の中間にバイパスダイオードを配置することが、やや困難である。

また、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。

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
１１ 筐体
１１ａ 底面
１２ フレキシブルプリント配線板
１３ １次集光部
１３ｆ フレネルレンズ（レンズ要素）
１２０ フレキシブル基板
１２０ｂ パターン
１２５ バイパスダイオード
１２６ ポッティング層（絶縁材）
Ｐ１〜Ｐ７ パターン

Claims (5)

1. 底面を有する器状の筐体と、
   前記底面に設けられたプリント配線板と、
   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、前記プリント配線板は、
   絶縁性を有する絶縁基材及び導電性のパターンを有する基板と、
   前記基板上に、前記レンズ要素の各々と対応して複数個設けられ、相互に前記パターンを介して電気的に直列に接続された発電素子と、
   前記基板上で前記発電素子の各々と並列に接続され、直列に直接接続されて隣り合う２つの発電素子の中間に配置されているバイパスダイオードと
   を備えていることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記バイパスダイオードの表面には白色系の絶縁材が被着されている請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
3. 前記絶縁材は、白色又は白濁した樹脂のポッティング層である請求項２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記基板は、柔軟性のあるフレキシブル基板であり、当該フレキシブル基板が前記底面に並べられることにより、前記プリント配線板が構成されている請求項１〜３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. 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を複数個集合させて成る集光型太陽光発電パネル。

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