JP6601933B1 - 太陽電池パネル - Google Patents

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Abstract

太陽電池セルを効率良く冷却することを課題とし、太陽電池パネル200に、太陽電池セル202と、太陽電池セル202を支持する支持部材204と、熱伝導体であるサーマルリンク215と、を備え、サーマルリンク215が、太陽電池セル202の非受光面に接し、かつ、支持部材204の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた放熱部材または熱伝導部材に接するようにした。

Description

本開示は、太陽電池セルを冷却するための技術に関する。
従来、太陽光を集光する集光レンズと、集光レンズアレイ構造体と、集光された太陽光を吸収して電気エネルギーに変換する太陽電池と、太陽電池が取り付けられ、太陽電池を平板型ヒートパイプに固定するパッケージモジュールと、平板型ヒートパイプと、平板型ヒートシンクとを含む集光型太陽電池モジュールにおいて、平板型ヒートパイプが、パッケージモジュールから伝導された熱を外部または大気に放出する方法、が提案されている(特許文献1を参照)。
また、従来、銅製の平坦な集熱板と、その集熱板の下面に一体的に取り付けて熱媒体である水を流す銅製の集熱管と、その集熱管を集熱板に取り付けるアルミテープと、集熱管及び集熱板の下面側を覆う発泡スチロール製の断熱体と、その断熱体の下面を覆う鋼製の裏板と、その裏板とパネル取付鋼材の間に配置して集熱板を太陽電池パネルの裏面に押さえ付ける押さえ具とで一体的に構成された、太陽電池パネルの裏面の熱を回収して冷却する熱回収装置、が提案されている(特許文献2を参照)。
また、従来、赤外線をフィルタリングするための赤外線フィルタリング素子と、前記フィルタリングされた光を集束させる集光装置と、前記集束された光を電気エネルギーに変換する複数の太陽電池を含むソーラーパネルと、断熱用の真空チャンバとを備え、前記真空チャンバ内に前記集光装置が設けられている太陽電池アセンブリにおいて、真空チャンバ本体が、伝導及び対流による周囲から太陽電池への熱伝達を最小にする断熱層として使用され、太陽電池の温度が上昇するのを防止する方法、が提案されている(特許文献3を参照)。
さらに、従来、太陽電池パネルおよびエンクロージャを含むパワーパネルアセンブリであって、太陽電池パネルは、複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セルが載置される上面と上面の反対側の底面とを有する太陽電池セルトレイを含み、エンクロージャは、太陽電池パネルを支持する内側プレートと、内側プレートを取り囲む複数の側壁を有する外側シェルとを含み、内側プレートおよび太陽電池パネルは、太陽電池パネルとエンクロージャとの間で流体が流れ、太陽電池パネルから熱を吸収することを可能にする流体流路をその間に含む、パワーパネルアセンブリが提案されている(特許文献4を参照)。
韓国特許第10−1465628号 特開2013−213651号公報 国際公開第2018−215963号 米国特許出願公開第2018/0234050号
太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換素子であるが、通常、太陽電池出力には温度依存性があり、太陽電池の温度が上がると、太陽電池に入射した光エネルギーのうち電気エネルギーに変換する割合(変換効率)が低下してしまう。また、通常、太陽電池は、動作温度が高くなると、その寿命が短くなってしまう。そのため、太陽電池の変換効率の向上や長寿命化を図るため、太陽電池の温度を低く保つことが重要視されている。ここで、従来、宇宙用の太陽電池パネルでは、太陽電池セルが有する熱を、太陽電池パネルを通じて当該パネル裏面に伝導し、太陽電池パネルに接続されたヒートシンクに排出することで冷却する技術がある。しかし、通常、宇宙用の太陽電池パネルに用いられる複合材料は、異方性の熱伝導率を有するものが多く、熱伝導に適した材料ではないため、このような技術では、太陽電池セルの熱をパネル背面に効率良く(素早く)排出することが困難であり、太陽電池セルを効率良く冷却できないという問題があった。
本開示は、上記した問題に鑑み、太陽電池セルを効率良く冷却することを課題とする。
本開示の一例は、太陽電池セルと、前記太陽電池セルを支持する支持部材と、熱伝導体であるサーマルリンクと、を備え、前記サーマルリンクが、前記太陽電池セルの非受光面に接し、かつ、前記支持部材の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた放熱部材または熱伝導部材に接する、太陽電池パネルである。
本開示によれば、太陽電池セルを効率良く冷却することが可能となる。
従来の太陽電池パネルの構成を示す概略図である。 実施形態に係る太陽電池パネルの構成を示す概略図(断面図)である。 実施形態に係る太陽電池パネルの構成を示す概略図(正面図)である。 実施形態に係る太陽電池パネルの構成を示す概略図(背面図)である。 実施形態に係るサーマルリンクの構成を示す概略図(正面図)である。 実施形態に係るサーマルリンクの構成を示す概略図(背面図)である。 実施形態に係るサーマルリンクの構成を示す概略図(分解図)である。 実施形態に係る太陽電池パネルの実施例1を示す概略図である。 実施形態に係る太陽電池パネルの実施例2を示す概略図である。 実施形態に係る太陽電池パネルの実施例3を示す概略図である。 実施形態に係る太陽電池パネルの実施例3を示す概略図(正面図)である。 実施形態に係る太陽電池パネルの実施例3を示す概略図(背面図)である。
以下、本開示に係る太陽電池パネルの実施の形態を、図面に基づいて説明する。但し、以下に説明する実施の形態は、実施形態を例示するものであって、本開示に係る太陽電池パネルを以下に説明する具体的構成に限定するものではない。実施にあたっては、実施の態様に応じた具体的構成が適宜採用され、また、種々の改良や変形が行われてよい。
図1は、従来の太陽電池パネルの構成を示す概略図である。従来の太陽電池パネル10は、カバーガラス1、インターコネクタ2、支持部材3および太陽電池セル4(4a〜4d)等により構成される。図1に示される通り、太陽電池セル4は、太陽電池セル4で発生した電力を集める導体であるインターコネクタ2によって相互接続され、カバーガラス1に覆われた状態で、支持部材3に取り付けられる。
図2から図4は、本実施形態に係る太陽電池パネル200の構成を示す概略図である。ここで、図2は太陽電池パネル200の断面を、図3は正面を、図4は背面を示す。本実施形態では、太陽電池パネル200として、宇宙で用いられる太陽電池パネルを例示するが、本開示に係る太陽電池パネルの用途はこれに限定されるものではなく、本開示に係る太陽電池パネルは、宇宙以外の場所(地上等)で用いられる様々な装置に搭載可能である。太陽電池パネル200は、支持部材204、太陽電池セル202(202a〜202c)、カバーガラス203(203a〜203c)、サーマルリンク215、フレキシブルPCB(Printed Circuit Board、プリント基板)回路220(220a、220b)等を備えるパネルである。
太陽電池セル202は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換素子であり、単結晶シリコン、多結晶シリコン、薄膜シリコン(アモルファスシリコン)等のシリコン系太陽電池や、CISやCIGS等の化合物系太陽電池等に例示される。
支持部材204は、太陽電池セル202を物理的に支持する部材であり、ハニカムコア230およびハニカムコア230の両側表面を覆う表皮210(210a、210b)から構成される、サンドイッチ構造を有するパネルである。ハニカムコア230は、アルミニウムや、ノーメックス(Nomex、登録商標)等のアラミド繊維等により形成されるようにしてもよい。また、表皮210は、炭素繊維、ガラス繊維、ケブラー(Kevlar、登録商標)等の(パラ系)アラミド繊維、ガラスエポキシ(FR−4、Flame Retardant Type 4)等により形成されるようにしてもよい。なお、支持部材204は、上述のサンドイッチ構造を有するパネルに限定されるものではなく、ハニカムコア230を使用しない支持部材であってもよい。
カバーガラス203は、太陽電池セル202の物理的支持、機構的保護および放射線防護を行うものである。赤外線を除去する機能を追加することで熱制御の機能を持つこともでき、太陽電池セル毎に接着剤等により取り付けられる。なお、配列された複数の太陽電池セル202に対して、1枚のカバーガラス203が取り付けられるようにしてもよい。そして、このカバーガラス203により覆われた太陽電池セル202は、支持部材204の表面に取り付けられる(貼り付けられる)。但し、実施の形態によっては、カバーガラスは省略されてもよい。
フレキシブルPCB回路220は、使用目的によって支持部材204の表面(受光面)側に取り付けられる電子部品(太陽電池セル202等)と裏面(非受光面)側に取り付けられる電子部品とを電気接続する回路であり、例えば、支持部材204に埋め込まれる形で取り付けられる。フレキシブルPCB回路220は、太陽電池セル202を電気的に接続し、当該太陽電池セル202で発生した電力を集める導体であるインターコネクタ251(251a〜251e)を備える。但し、実施の形態によっては、フレキシブルPCB回路は省略されてもよい。
サーマルリンク215は、支持部材204に取り付けられた熱伝導体である。サーマルリンク215は、太陽電池セル202の非受光面である裏面と接触(接続)し、かつ、支持部材204の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられる熱伝導部材や放熱部材等と接触(接続)することで、太陽電池セル202の熱を吸収し他の部材に排熱する。本実施形態では、図2から図4に示される通り、1つの太陽電池パネル200に1つのサーマルリンク215が取り付けられるが、これに限定されるものではなく、1つの太陽電池パネル200に複数のサーマルリンク215が取り付けられてもよい。また、図2から図4において、サーマルリンク215は支持部材204に埋め込まれているが、埋め込み型に限定されるものではなく、支持部材204の端部等に取り付けられてもよい。
熱伝導部材は、太陽電池セル202からの熱を吸収し他の機器(部材)に伝導する際に、その熱を仲介するための部材であり、アルミニウムや銅、グラフェン等により形成されるサーマルポート等に例示される。放熱部材は、太陽電池セル202からの熱を吸収し外部空間に熱放射する部材であり、宇宙機外部に露出し宇宙空間に熱を放射させるラジエータ等に例示される。本実施形態では、サーマルリンク215はサーマルポート240と接触しており、当該サーマルポート240は、例えば、支持部材204の裏面にボルト締め等により取り付けられる。
図5から図7は、実施形態に係るサーマルリンク215の構成を示す概略図である。ここで、図5はサーマルリンク215を斜め正面から見た様子を、図6は斜め背面から見た様子を、図7は分解された様子を示す。サーマルリンク215は、内部熱伝導体206および内部熱伝導体206の両側表面を覆う被覆材205(205a、205b)から構成される。
内部熱伝導体206は、可撓性を有する面状の熱伝導体である。内部熱伝導体206は、グラフェンや熱分解グラファイト等により形成されるようにしてもよい。被覆材205は、電気絶縁性および熱絶縁性を有する基材である。被覆材205は、カプトン等のポリイミドフィルム等により形成されるようにしてもよい。内部熱伝導体206は、その両側表面が被覆材205により覆われているが、図2から図6に示される通り、被覆材205は、太陽電池セル202の裏面および熱伝導部材や放熱部材との接触箇所において、内部熱伝導体を露出させるための開口である露出部(内部熱伝導体接触部/接触領域)201(201a〜201d)を有している。被覆材205が露出部201を有することにより、内部熱伝導体206が太陽電池セル202の裏面および熱伝導部材や放熱部材と直接接触することが可能である。図2から図7では、露出部201a〜201cにおいて、内部熱伝導体206が太陽電池セル202の裏面と接し、露出部201dにおいて、内部熱伝導体206が熱伝導部材や放熱部材と接する。なお、露出部201の数は適宜決定されるようにしてよく、例えば、サーマルリンク215と接触する太陽電池セル202が複数ある場合は、太陽電池セル202毎に当該露出部201が被覆材205に設けられるようにしてもよい。
サーマルリンク215は、帯状(面状)の熱伝導体であり、例えば、一方の端部の面が支持部材204の表面に沿い、長手方向の途中で略90度に屈曲し支持部材204を貫通し、支持部材204を貫通した箇所で更に略90度に屈曲し、他方の端部の面が支持部材204の裏面に沿う形状である。図5から図7に示されるように、本実施形態におけるサーマルリンク215は、可撓性を有することによる、略コの字形(U−shape)に屈曲形成された熱伝導体であるが、これに限定されるものではなく、略エの字形等に形成された熱伝導体であってもよい。本実施形態において、サーマルリンク215は、支持部材204を貫通し、支持部材204を表面側と裏面側とから挟むように埋め込まれる。なお、サーマルリンク215の露出部201における内部熱伝導体206と太陽電池セル202および熱伝導部材や放熱部材との接触箇所には、電気絶縁性を有する熱伝導性ギャップ充填材(ギャップフィラー)が充填されるようにしてもよく、当該ギャップフィラーにより、熱伝導性をさらに高めることができる。
上述のとおり、太陽電池セル202が内部熱伝導体206と接触することで、太陽電池セル202の有する熱を内部熱伝導体206に直接排熱することができ、熱伝導部材や放熱部材が内部熱伝導体206と接触することで、内部熱伝導体206に排熱された太陽電池セル202の熱を熱伝導部材や放熱部材へ伝導することができる。換言すれば、太陽電池セル202を、サーマルリンク215の露出部201において、物理的に排熱(熱伝導)を妨害する機器等を介することなく、内部熱伝導体206と直接接触させたことにより、排熱を効率良く素早く行うことができる。このようにして、太陽電池セル202の冷却を効率良く行うことができるため、太陽電池セル202の変換効率等の性能を大幅に改善することができる。
なお、宇宙空間では、放射線強度が高く、また、真空であることから空気の対流がないため、地上に比べて太陽電池セルがより高温になりやすい。そのため、宇宙空間で使用される太陽電池セルにとって、太陽電池セルの排熱を行うこと(冷却を行うこと)はさらに重要な問題であり、本発明に係るサーマルリンク215による冷却効果がより期待される。
(太陽電池パネルの実施例1)
図8は、太陽電池パネルの実施例1を示す概略図である。実施例1では、サーマルリンク215(図2を参照)が取り付けられた太陽電池パネル200は、宇宙機筐体に太陽電池セル202を貼り付ける方式の宇宙機(人工衛星)400に搭載される(宇宙機筐体を構成する)。なお、実施例1〜3では、宇宙機として人工衛星を例示するが、これに限定されるものではなく、惑星探査機や国際宇宙ステーション等のように太陽電池パネル200が搭載された他の宇宙機であってもよい。
本実施例では、人工衛星筐体を構成する太陽電池パネル200a(第1の太陽電池パネル)に貼り付けられた太陽電池セル202(202d、202e)に接続されたサーマルリンク215が、当該人工衛星筐体を構成する他の太陽電池パネル200b(第2の太陽電池パネル)に貼り付けられた太陽電池セル202に接続された他のサーマルリンク215に接続される。具体的には、本実施形態における人工衛星において、太陽電池パネル200(支持部材204)の裏面にはサーマルポート240が取り付けられており、サーマルリンク215は露出部201(図2を参照)において、当該サーマルポート240と接触する。そして、太陽電池パネル200aにおけるサーマルポート240と、他の太陽電池パネル200bにおけるサーマルポート240とが、熱輸送部401を介して熱接続される。熱輸送部401は、当該人工衛星において、太陽電池パネル200aに貼り付けられた太陽電池セル202と他の太陽電池パネル200bに貼り付けられた太陽電池セル202とを熱接続し排熱を行う熱輸送素子であり、サーマルストラップやヒートパイプに例示される。以上より、サーマルリンク215は、両パネルのサーマルポート240および熱輸送部401を介して、他のサーマルリンク215に接続される。
本実施形態における上記構成により、例えば、受光している太陽電池セル202に接続されたサーマルリンク215が、受光していない太陽電池セル202に接続された他のサーマルリンク215に接続される。これにより、受光している太陽電池セル202が高温になった場合、当該太陽電池セル202が有する熱を、受光側のサーマルリンク215および非受光側のサーマルリンク215を介して、受光していない太陽電池セル202側へ排熱する(491)ことが可能となる。ここで、人工衛星筐体を構成する他の太陽電池パネル200b(第2の太陽電池パネル)は、例えば、当該人工衛星において、太陽電池パネル200a(第1の太陽電池パネル)に対向するパネルである。
(太陽電池パネルの実施例2)
図9は、太陽電池パネルの実施例2を示す概略図である。実施例2では、サーマルリンク215が取り付けられた太陽電池パネル200は、宇宙機筐体に太陽電池セル202を貼り付ける方式の人工衛星500に搭載される(宇宙機筐体を構成する)。
本実施例では、人工衛星筐体を構成する太陽電池パネル200に貼り付けられた太陽電池セル202に接続されたサーマルリンク215が、当該人工衛星筐体を構成する他のパネル501の外面に設けられたラジエータ502の背面に接続される。具体的には、本実施形態における人工衛星において、太陽電池パネル200(支持部材204)の裏面にはサーマルポート240が取り付けられており、サーマルリンク215は露出部201において、当該サーマルポート240と接触する。そして、太陽電池パネル200におけるサーマルポート215と、他のパネル501に設けられたラジエータ502の背面とが、熱輸送部503を介して熱接続される。以上より、サーマルリンク215は、サーマルポート240および熱輸送部503を介して、ラジエータ502に接続される。なお、熱輸送部503については、実施例1の熱輸送部401と同様である。
本実施形態における上記構成により、例えば、受光している太陽電池セル202に接続されたサーマルリンク215が、人工衛星筐体を構成する受光していない他のパネル501の外面に設けられたラジエータ502(の背面)に接続される。これにより、受光している太陽電池セル202が高温になった場合、当該太陽電池セル202が有する熱を、サーマルリンク215を介して、受光していないラジエータ502へ排熱する(591)ことが可能となる。ここで、ラジエータ502が設けられた、人工衛星筐体を構成する他のパネル501は、例えば、当該人工衛星において、太陽電池セル202が貼り付けられた太陽電池パネル200に対向するパネルである。
(太陽電池パネルの実施例3)
図10から図12は、太陽電池パネルの実施例3を示す概略図である。ここで、図11は、実施例3に係る太陽電池パネルの正面図であり、図12は背面図である。実施例3では、サーマルリンク215が取り付けられた太陽電池パネル200は、宇宙機筐体に太陽電池パネルを展開可能に取り付ける方式の人工衛星600に搭載される。
本実施例では、人工衛星筐体に展開可能に取り付けられた太陽電池パネル200に貼り付けられた太陽電池セル202に接続されたサーマルリンク215が、露出部201e、201fにおいて、当該サーマルリンク215が取り付けられた支持部材204の裏面(太陽電池セル非取付け面)に取り付けられたラジエータ601の背面に接続される。具体的には、本実施形態における人工衛星において、太陽電池パネル200の裏面には接着等によりラジエータ601が取り付けられており、サーマルリンク215は直接、当該ラジエータ601の裏面と接触する。
本実施形態における上記構成により、例えば、受光している太陽電池セル202に接続されたサーマルリンク215が、太陽電池パネル200の受光していない裏面に設けられたラジエータ601(の背面)に接続される。これにより、受光している太陽電池セル202が高温になった場合、当該太陽電池セル202(図2を参照)が有する熱を、サーマルリンク215を介して、受光していないラジエータ601へ排熱することが可能となる。
なお、人工衛星筐体を構成する太陽電池パネルおよび人工衛星筐体に展開可能に取り付けられる太陽電池パネルの両者のパネルを搭載する人工衛星の場合は、実施例1〜3を組み合わせた構成にしてもよい。
200 太陽電池パネル
204 支持部材
202 太陽電池セル
215 サーマルリンク

Claims (12)

  1. 太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルを支持する支持部材と、
    熱伝導体であるサーマルリンクと、
    を備え、
    前記サーマルリンクが前記太陽電池セルの非受光面に接し、かつ、前記サーマルリンクが前記支持部材の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた放熱部材または熱伝導部材に接し、
    前記サーマルリンクは、
    熱伝導体である内部熱伝導体と、
    前記内部熱伝導体を覆う、電気絶縁性および熱絶縁性を有する被覆体と、を備え、
    前記被覆体は、該サーマルリンクと前記太陽電池セルとの接触箇所および該サーマルリンクと前記放熱部材または熱伝導部材との接触箇所において前記内部熱伝導体を露出させるための開口である露出部を有する、
    太陽電池パネル。
  2. 太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルを支持する支持部材と、
    熱伝導体であるサーマルリンクと、
    を備え、
    前記サーマルリンクが前記太陽電池セルの非受光面に接し、かつ、前記サーマルリンクが前記支持部材の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた放熱部材または熱伝導部材に接し、
    前記サーマルリンクは、可撓性を有する面状の部材であって、
    前記支持部材の太陽電池セル取付け面である表面において前記太陽電池セルに面接続される部分と、
    屈曲して前記支持部材を貫通する部分と、
    貫通して前記支持部材の裏面に出た部分であって前記放熱部材または熱伝導部材に面接続される部分と、を備える、
    太陽電池パネル。
  3. 前記サーマルリンクは、略コの字形に屈曲形成され、前記支持部材を貫通し、該支持部材を表面側と裏面側とから挟むように埋め込まれる、
    請求項2に記載の太陽電池パネル。
  4. 前記太陽電池セルを複数備え、
    前記サーマルリンクは、各太陽電池セルの非受光面に接し、
    記被覆体は、前記サーマルリンクと前記各太陽電池セルとの接触箇所において前記露出部を有する、
    請求項1に記載の太陽電池パネル。
  5. 第1の太陽電池パネルおよび第2の太陽電池パネルを筐体に搭載し、該第1の太陽電池パネルおよび該第2の太陽電池パネルから得られた電力を用いる装置であって、
    前記第1の太陽電池パネルおよび前記第2の太陽電池パネルは、それぞれ、
    太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルを支持する支持部材と、
    熱伝導体であるサーマルリンクと、
    を備え、
    前記サーマルリンクが前記太陽電池セルの非受光面に接し、かつ、前記サーマルリンクが前記支持部材の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた熱伝導部材に接し
    第1の太陽電池パネルが備える前記サーマルリンクは、該装置において、前記第2の太陽電池パネルが備える前記サーマルリンクに接続される
    装置。
  6. 前記第1の太陽電池パネルが備える前記サーマルリンクは、前記第1の太陽電池パネルおよび前記第2の太陽電池パネルにそれぞれ取り付けられた前記熱伝導部材ならびに熱輸送部を介して、前記第2の太陽電池パネルが備える記サーマルリンクに接続される、
    請求項5に記載の装置。
  7. 記第2の太陽電池パネルは、該装置において、前記第1の太陽電池パネルに対向するパネルである、
    請求項5または6に記載の装置。
  8. 太陽電池パネルおよび他のパネルを筐体に搭載し、該太陽電池パネルから得られた電力を用いる装置であって、
    前記太陽電池パネルは、
    太陽電池セルと、
    前記太陽電池セルを支持する支持部材と、
    熱伝導体であるサーマルリンクと、
    を備え、
    前記サーマルリンクが前記太陽電池セルの非受光面に接し、かつ、前記サーマルリンクが前記支持部材の太陽電池セル非取付け面である裏面に取り付けられた熱伝導部材に接し
    記サーマルリンクは、該装置において、前記他のパネルの外面に設けられた放熱部材に接続される
    装置。
  9. 前記サーマルリンクは、前記熱伝導部材および熱輸送部を介して、前記放熱部材の背面に接続される、
    請求項8に記載の装置。
  10. 記筐体に搭載される他のパネルは、該装置において、前記太陽電池パネルに対向するパネルである、
    請求項8または9に記載の装置。
  11. 前記太陽電池セルから得られた電力を用いる装置の筐体に、展開可能に取り付けられる太陽電池パネルであって、
    前記サーマルリンクは、該サーマルリンクが埋め込まれた前記支持部材の裏面に取り付けられた前記放熱部材に接続される、
    請求項1から4の何れか一項に記載の太陽電池パネル。
  12. 前記支持部材の表面側に取り付けられる電子部品と裏面側に取り付けられる電子部品とを電気接続するフレキシブルPCB回路を更に備える、
    請求項1から4の何れか一項に記載の太陽電池パネル。
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