JP6028564B2 - 集光型太陽光発電モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光を発電素子に集光して発電する集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrator Photovoltaic）に関する。

集光型太陽光発電では、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。）。このような基本ユニットを１つの筐体内でマトリックス状に多数並べて構成したものが、集光型太陽光発電モジュールである。また、このモジュールがさらに複数個並べられたものが、集光型太陽光発電パネルである。この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。

米国特許第４，０６９，８１２号

上記のような集光型太陽光発電モジュールでは、製造時に、フレネルレンズの光軸上に、対応する発電素子の中心が位置するように、位置合わせを正確に行うことが必要である。例えば、共通の筐体に対する取り付け精度によって、発電素子及びフレネルレンズの相互の位置合わせを行うことができる。しかし、それだけでは、微小な個体差が出て、フレネルレンズの光軸と発電素子の中心とが互いにずれることがある。ずれが生じると、発電効率が低下する。

本発明は、複数のフレネルレンズと、これらに対応する発電素子との相互の位置合わせを、容易に実現する集光型太陽光発電モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の集光型太陽光発電モジュールは、開口面を有する筐体と、前記筐体の底面に設けられた基板と、前記基板に搭載され、前記底面全体に複数個整列して設けられた発電素子と、前記筐体の前記開口面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する複数のフレネルレンズが、それぞれの光軸上で、前記発電素子と対応する位置に形成されて成る集光部とを備え、少なくとも２つの前記フレネルレンズの中心部に、凹レンズとなる中央領域が形成されている。

上記のような集光型太陽光発電モジュールにおいて、中央領域以外のフレネルレンズを通してカメラや肉眼で発電素子を見ようとしても、ぼやけて、明瞭に見ることはできない。しかし、中央領域を通してならば、明瞭に見ることができる。従って、少なくとも２つのフレネルレンズについて、発電素子が視野の中心に来るように集光部を位置決めすることによって、容易に、集光部全体での、フレネルレンズ対発電素子の位置合わせを実現することができる。また、凹レンズとなる中央領域では、中央領域の面積が、発電素子の面積より小さくても、発電素子の輪郭を見ることができ、輪郭を見て容易に位置決めすることができる。

（２）一方、本発明は、複数個整列して設けられた発電素子と、太陽光を集光する複数のフレネルレンズがそれぞれの光軸上で前記発電素子と対応する位置に形成されて成り、少なくとも２つの前記フレネルレンズの中心部に凹レンズとなる中央領域を有する集光部と、を有する集光型太陽光発電モジュールの製造方法であって、前記発電素子に対して前記集光部を位置決めするに際し、前記中央領域を通して得られる視野の中心に、対応する前記発電素子が来るように、位置調節手段を用いて調節することを特徴とするものである。

集光型太陽光発電モジュールでは、中央領域以外のフレネルレンズを通してカメラや肉眼で発電素子を見ようとしても、ぼやけて、明瞭に見ることはできない。しかし、上記のような製造方法によれば、中央領域を通して明瞭に発電素子を見ることができる。従って、少なくとも２つのフレネルレンズについて、発電素子が視野の中心に来るように集光部を位置決めすることによって、容易に、集光部全体での、フレネルレンズ対発電素子の位置合わせを実現することができる。

（３）また、上記（２）の集光型太陽光発電モジュールの製造方法において、方形の集光部の四隅にそれぞれ位置するフレネルレンズの中心部に中央領域が形成されており、４つの当該中央領域の各々を通して得られる視野の中心に、対応する発電素子が来るように、位置調節手段を用いて調節するようにしてもよい。
この場合、容易に、高い位置決め精度を得ることができる。

本明細書にはその他、以下の発明も含まれる。但し、本発明は、特許請求の範囲によって定められる。
（４）さらに、他の発明としては、複数個整列して設けられた発電素子と、太陽光を集光する複数のフレネルレンズがそれぞれの光軸上で前記発電素子と対応する位置に形成されて成り、少なくとも２つの前記フレネルレンズの中心部に凹レンズとなる中央領域を有する集光部と、を有する集光型太陽光発電モジュールについての、前記発電素子に対する前記集光部の位置決め装置であって、前記中央領域を通して、対応する前記発電素子を撮像する撮像装置と、前記中央領域を通して得られる前記撮像装置の視野の中心に、対応する前記発電素子が来るように調節する位置調節手段と、を備えている。

集光型太陽光発電モジュールでは、中央領域以外のフレネルレンズを通して撮像装置で発電素子を撮像しようとしても、ぼやけて、明瞭に撮像することはできない。しかし、上記のような位置決め装置によれば、中央領域を通して明瞭に発電素子を撮像することができる。従って、少なくとも２つのフレネルレンズについて、発電素子が視野の中心に来るように集光部を位置決めすることによって、容易に、集光部全体での、フレネルレンズ対発電素子の位置合わせを実現することができる。

（５）また、上記（４）の集光型太陽光発電モジュールの製造装置において、方形の集光部の四隅にそれぞれ位置するフレネルレンズの中心部に中央領域が形成されており、かつ、撮像装置は４つの当該中央領域に対してそれぞれ設けられ、４つの中央領域の各々を通して得られる撮像装置の視野の中心に、対応する発電素子が来るように、位置調節手段を用いて調節するようにしてもよい。
この場合、容易に、高い位置決め精度を得ることができる。

本発明の集光型太陽光発電モジュール及びその製造方法によれば、複数のフレネルレンズと、これらに対応する発電素子との相互の位置合わせを、容易に実現することができる。

本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置の一例を示す斜視図である。 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の一例を拡大して示す斜視図（一部破断）である。 図２とは異なる基板を用いた集光型太陽光発電モジュールの例を拡大して示す斜視図である。 筐体に集光部を取り付ける場合の位置決め要領の一例を示す斜視図である。 （ｂ）は、１単位のフレネルレンズと、発電素子との位置関係を示す図であり、また、（ａ）はフレネルレンズの正面図、（ｃ）は発電素子の正面図である。 フレネルパターンの詳細の一例を示すグラフであり、横軸は中心からの半径［ｍｍ］、縦軸は、基材からの突出量［ｍｍ］を表す。 位置合わせの要領の一例を示す図である。

《集光型太陽光発電装置・集光型太陽光発電パネル》
図１は、本発明の一実施形態に係る集光型太陽光発電パネルを含む、集光型太陽光発電装置の一例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１２０Ｗであり、集光型太陽光発電パネル１全体としては、約７．５ｋＷ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させることができる。

《集光型太陽光発電モジュール》
図２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（以下、単にモジュールとも言う。）１Ｍの一例を拡大して示す斜視図（一部破断）である。互いに直交する３方向を図示のＸ，Ｙ，Ｚとする。図において、モジュール１Ｍは、Ｚ方向に手前が開口面１１ａで、Ｘ−Ｙ平面における底面１１ｂを有する器状の筐体１１と、底面１１ｂに設けられた複数のプリント配線板１２と、筐体１１の開口面１１ａを覆うように、蓋のように取り付けられた長方形（一部破断）の集光部１３とを備えている。筐体１１は、例えば金属製であり、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、プリント配線板１２から筐体１１への放熱性が特に良い。

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。各フレネルレンズ１３ｆは、正方形の有効集光領域を成している。このような集光部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１３ｆは、このシリコーン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。

プリント配線板１２には、基板１２ｓ上に、複数個（ここでは８個）の発電素子（太陽電池セル）１２１が搭載されている。図示の例では、プリント配線板１２は、縦４枚×横６枚の、合計２４枚のプリント配線板１２がマトリックス状に並べられ、プリント配線板アレイを構成している。発電素子１２１の総数は、２４×８で、１９２個である。すなわち、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆと同数であり、また、発電素子１２１はフレネルレンズ１３ｆと対応して、その光軸上に設けられている。

図３は、図２とは異なる基板を用いた集光型太陽光発電モジュール１Ｍの例を拡大して示す斜視図（集光部１３の一部を破断している。）である。図２との違いは、基板が、細長い形状で、柔軟なフレキシブルプリント基板１２ｓである点であり、その他の構成は同様である。基板の形状は、図２，図３のどちらの形状であってもよい。

図３において、プリント配線板１２は、フレキシブルプリント基板１２ｓ上に、複数個の発電素子１２１及び、その他必要な回路要素が実装されたものである。例えば、縦方向に１本のフレキシブルプリント基板１２ｓに対して８個の発電素子１２１が実装され、全体では２４本のフレキシブルプリント基板１２ｓが存在する。発電素子１２１の総数は、２４×８で、１９２個である。すなわち、集光部１３のフレネルレンズ１３ｆと同数であり、また、発電素子１２１はフレネルレンズ１３ｆと対応して、その光軸上に設けられている。

《集光型太陽光発電モジュールの製造方法、位置決め装置》
次に、上記の集光型太陽光発電モジュールの製造方法のうち、特に、発電素子１２１に対するフレネルレンズ１３ｆの位置合わせについて説明する。
図４は、筐体１１に集光部１３を取り付ける場合の位置決め要領の一例を示す斜視図である。図において、前述のように、発電素子１２１（図２，図３）は、対応するフレネルレンズ１３ｆの光軸上に位置するよう、集光部１３を筐体１１に取り付ける際に、正確な位置決めが必要である。

そのために、例えば、撮像装置として４台のカメラ２１〜２４を用意し、集光部１３の四隅にあるフレネルレンズ１３ｆを通して、対応する位置にある発電素子１２１を撮像する。カメラ２１〜２４のＸ−Ｙ座標上の位置は、対応する四隅にある発電素子１２１と一致している。カメラ２１〜２４の出力は、制御装置２５に入力される。制御装置２５とは、例えばパソコン等の画像情報処理を行う装置である。制御装置２５は、カメラ２１〜２４の画像に基づいて、位置調節器２６を動作させ、適切な位置に集光部１３に移動させる。位置調節器２６は、Ｘ，Ｙ方向に集光部１３を移動させ、また、集光部１３をＸ−Ｙ平面上で、僅かに回転させることもできる。
上記の、制御装置２５及び位置調節器２６は位置調節手段２７を構成し、カメラ２１〜２４、制御装置２５及び位置調節器２６は、集光部１３の位置決め装置２０を構成している。

図５の（ｂ）は、１単位のフレネルレンズ１３ｆと、発電素子１２１との位置関係を示す図である。なお、各部の寸法は、必ずしも実寸に比例したものではない。また、図５の（ａ）はフレネルレンズ１３ｆの正面図、（ｃ）は発電素子１２１の正面図である。例えば、フレネルレンズ１３ｆは、一辺５０ｍｍの正方形、発電素子１２１は、一辺３．５ｍｍの正方形である。フレネルレンズ１３ｆは、前述のように、ガラス板の基材１３ｆ１と、レンズ本体を成すシリコーン樹脂膜１３ｆ２とによって構成される。フレネルレンズ１３ｆで集光した太陽光は、発電素子１２１に入射する。なお、発電素子１２１上には、フレネルレンズ１３ｆで集束させた光をさらに集束させる二次集光部としての二次レンズ若しくは導光部が設けられる場合もあるが、ここでは簡略化のため、二次レンズ若しくは導光部の図示は省略している。

図５の（ａ）に示すように、フレネルレンズ１３ｆ（シリコーン樹脂膜１３ｆ２）には、同心円状にフレネルパターンが形成されている。フレネルレンズ１３ｆの中心部には、フレネルパターンの無い中央領域１３ｇが形成されている。中央領域１３ｇは、その周りの集光領域１３ｈ（斜線部）と異なり、集光には寄与しないが光を通過させる。中央領域１３ｇの直径は、例えば２ｍｍ程度である。

図６は、フレネルパターンの詳細の一例を示すグラフであり、横軸は中心からの半径［ｍｍ］、縦軸は、基材１３ｆ１からの突出量［ｍｍ］を表す。図示のように、径方向の外側へ行くほど、突出量が大きくなる（凹凸の落差が大きくなる。）。このようなパターン形状により、凸レンズと同様な集光性が得られる。中心部の中央領域１３ｇは、集光には寄与しないが光を通過させる。
また、シリコーン樹脂１３ｆ２のフレネルパターンを基材１３ｆ１に貼り付けることにより、接着剤の収縮や温度変化等の要因によって、結果的に、元々は平坦な中央領域１３ｇが外側へ引っ張られて、凹レンズ状に中心が最も薄く、外側ほど厚い形状になっている。この中央領域１３ｇはフレネルパターンが無いので、中央領域１３ｇを通して、カメラ２１〜２４で、発電素子１２１を見ることができる。

すなわち、中央領域１３ｇ以外のフレネルレンズ１３ｆ（すなわち集光領域１３ｈ）を通してカメラや肉眼で発電素子１２１を見ようとしても、ぼやけて、明瞭に見ることはできない。しかし、凹レンズとなる中央領域１３ｇを通してならば、明瞭に見ることができる。そこで、フレネルレンズ１３ｆの中心部の小さな中央領域１３ｇを通して、発電素子１２１を見ることにより、発電素子１２１と、対応するフレネルレンズ１３ｆとの位置合わせを行うことができる。

すべての発電素子１２１と、対応するフレネルレンズ１３ｆとの位置合わせを行うことは、能率が悪いので、例えば４隅の発電素子１２１と、対応する４隅のフレネルレンズ１３ｆとの位置合わせを行う。これにより、高い精度で、かつ、迅速に、位置合わせを行うことができる。
但し基本的には、少なくとも２つ（但し、なるべく互いに離れた位置にある２つ）のフレネルレンズ１３ｆについて、発電素子が視野の中心に来るように集光部１３を位置決めすることによって、容易に、集光部１３全体での、フレネルレンズ対発電素子の位置合わせを実現することができる。これは、発電素子１２１及びフレネルレンズ１３ｆは共に、整列して設けられているので、一部で位置合わせをすれば、全体にもその位置合わせの効果が及ぶからである。

図７は、フレネルレンズ対発電素子の位置合わせについての要領の一例を示す図である。最初は、あえて、ずれた位置に発電素子１２１の一部が見える程度の（ａ）の位置から、中央に発電素子１２１が見えるように、位置調節手段２７（図４）を用いて集光部１３の位置を微調節する。そして、（ｂ）の状態を経て、（ｃ）の状態になれば、この発電素子１２１については位置合わせ完了である。この要領で、４隅の発電素子１２１が、それぞれのフレネルレンズ１３ｆの中心部の中央領域１３ｇを通して４台のカメラ２１〜２４により各々の中心に見ることができれば、位置合わせ完了である。

なお、図７の（ｃ）に示すように、発電素子１２１は、輪郭がすべて見えているので、中心へ位置合わせすることが容易である。こうして、容易に、集光部１３について、高い位置決め精度を得ることができる。なお、中央領域１３ｇより大きい発電素子１２１の輪郭が見えるのは、前述のように、中央領域１３ｇが凹レンズになっているからであると解される。

なお、上記実施形態では、中央領域１３ｇが発電素子１２１の輪郭より小さい例を示したが、中央領域１３ｇが発電素子１２１の輪郭より大きくなるようにしてもよい。すなわち、中央領域１３ｇ内に発電素子１２１の輪郭が収まるように領域の面積を設定すれば、図７の（ｃ）と同様に、輪郭を見て容易に位置決めすることができる。

なお、集光部１３の４隅で位置合わせをするのは一例に過ぎず、色々なバリエーションが考えられる。基本的には、前述のように、互いになるべく離れた２箇所（例えば対角線上の両端）でも可能である。すなわち、少なくとも２つのフレネルレンズ１３ｆについて、発電素子１２１が視野の中心に来るように集光部１３を位置決めすることによって、容易に、集光部１３全体での、フレネルレンズ１３ｆ対発電素子１２１の位置合わせを実現することができる。

なお、フレネルレンズ１３ｆは、その全数に共通に中央領域１３ｇが設けられていてもよいし、位置合わせに用いられる一部のフレネルレンズ１３ｆにのみ設けられていてもよい。
また、必ずしも発電素子１２１の輪郭が全て見えなくても、例えば、発電素子１２１の中心に、カメラ２１〜２４を通して視認できる印を予め付けておけば、この印を発電素子１２１の中心として、フレネルレンズ４との光軸を一致させることができる。

また、上記実施形態において集光部１３は長方形としたが、正方形でもよい。すなわち、集光部１３は、方形（長方形・正方形）であり得る。また、その他、用途に合わせて筐体１１の形状と共に、方形以外の形状（例えば四角形以外の多角形、円形、台形等）とすることも可能である。この場合でも、同様な方法で、発電素子に対する集光部（フレネルレンズ）の位置合わせを行うことができる。

また、上記実施形態では、位置調節手段２７による位置調節の対象は集光部１３であるとして説明したが、逆に、集光部１３を固定して、発電素子側（筐体１１側）を動かすことにより位置調節を行うことも可能である。

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。

１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
１１ 筐体
１１ａ 開口面
１２ｓ 基板／フレキシブルプリント基板
１３ 集光部
１３ｆ フレネルレンズ
１３ｇ 中央領域
１３ｈ 集光領域
２０ 位置決め装置
２７ 位置調節手段
１２１ 発電素子

Claims (3)

1. 開口面を有する筐体と、
   前記筐体の底面に設けられた基板と、
   前記基板に搭載され、前記底面全体に複数個整列して設けられた発電素子と、
   前記筐体の前記開口面を覆うように取り付けられ、太陽光を集光する複数のフレネルレンズが、それぞれの光軸上で、前記発電素子と対応する位置に形成されて成る集光部とを備え、
   少なくとも２つの前記フレネルレンズの中心部に、凹レンズとなる中央領域を有する集光型太陽光発電モジュール。
2. 複数個整列して設けられた発電素子と、太陽光を集光する複数のフレネルレンズがそれぞれの光軸上で前記発電素子と対応する位置に形成されて成り、少なくとも２つの前記フレネルレンズの中心部に凹レンズとなる中央領域を有する集光部と、を有する集光型太陽光発電モジュールの製造方法であって、
   前記発電素子に対して前記集光部を位置決めするに際し、前記中央領域を通して得られる視野の中心に、対応する前記発電素子が来るように、位置調節手段を用いて調節することを特徴とする集光型太陽光発電モジュールの製造方法。
3. 方形の前記集光部の四隅にそれぞれ位置する前記フレネルレンズの中心部に前記中央領域が形成されており、４つの当該中央領域の各々を通して得られる視野の中心に、対応する前記発電素子が来るように、前記位置調節手段を用いて調節する請求項２記載の集光型太陽光発電モジュールの製造方法。

Images