JP2014038881A - 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

Abstract

【課題】底板の熱膨張による位置ずれを抑制し、変形を防止し、また、金属製の底板が採用可能な構造の、集光型太陽光発電モジュールを提供する。
【解決手段】太陽光を集光するレンズ要素を複数個並べて構成された集光部、及び、当該レンズ要素にそれぞれ対応する位置に配置された発電素子を収容する筐体を備える集光型太陽光発電モジュールである。筐体１１は、外枠を形成する枠体１１Ｆと、枠体１１Ｆの底面を複数の領域に区画する仕切り部材１１Ｐと、複数の領域ごとに所定範囲で当該領域の平面に沿った方向への熱伸縮が可能なように、枠体１１Ｆ及び仕切り部材１１Ｐによって遊嵌状態で支持された複数枚の底板１１Ｂと、集光部と同等の熱膨張係数を有する材料によって形成され、底板１１Ｂ上の基準点同士を相互に繋ぎ止めるリンク部材１１Ｌとを備えている。
【選択図】図８

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：Concentrated 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、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。

上記集光型太陽光発電モジュールにおいて、筐体の底板は、その表面上に多数の発電素子が搭載される。このような底板の材質としては、例えばアルミニウム等の金属製の他、熱膨張が少なく耐熱性に優れる観点からガラス製が好適とされている（例えば、特許文献２参照。）。

米国特許第４，０６９，８１２号 米国特許出願公開 ＵＳ ２００９／０１２６７９４

しかしながら、上記のような従来の集光型太陽光発電モジュールにおいて、金属製の底板は熱膨張し易い。そのため、底板の面方向に熱膨張によって拡がったり、又は、拡がることが規制されている場合は、面と直交する方法へ、いわゆる太鼓状に膨らんだり凹んだりする。このような変形が生じると、発電素子の位置が、本来あるべき位置からずれて、発電効率が下がる。

一方、ガラス製の底板は放熱性が悪く、そのため、発電素子の温度が上昇する。温度が上昇すると、相対的に発電効率が下がり、長期信頼性も低下する。また、ガラス製の底板は、強度を維持するために相応の厚さが必要となるので、比較的薄くても強度がある金属製の底板に比べて重い。この重さが、モジュール全体、さらにはパネル全体を重くするので、パネルを設置する架台にも十分な強度が求められることになり、コストアップになる。また、組立や据付時の作業者の身体的負担が大きくなる。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、底板の熱膨張による位置ずれを抑制し、変形を防止し、また、金属製の底板が採用可能な構造の、集光型太陽光発電モジュールを提供することを目的とする。

（１）本発明は、太陽光を集光するレンズ要素を複数個並べて構成された集光部、及び、当該レンズ要素にそれぞれ対応する位置に配置された発電素子を収容する筐体を備える集光型太陽光発電モジュールであって、前記筐体は、
外枠を形成する枠体と、前記枠体の底面を複数の領域に区画する仕切り部材と、前記複数の領域ごとに所定範囲で当該領域の平面に沿った方向への熱伸縮が可能なように、前記枠体及び前記仕切り部材によって遊嵌状態で支持された複数枚の底板と、前記集光部と同等の熱膨張係数を有する材料によって形成され、前記底板上の基準点同士を相互に繋ぎ止めるリンク部材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、底板及びリンク部材がそれぞれ熱膨張するとき、集光部と同等の熱膨張係数を有するリンク部材が基準点同士を繋ぎ止めていることにより、集光部対基準点の相互の位置関係が維持される。そのため、例えば底板がリンク部材より大きく熱膨張したとしても、少なくとも各底板の基準点は、集光部から見て、本来の、対応する位置にある。熱膨張した状態から温度が下がって収縮する際も、同様である。

その結果、各底板がその平面に沿った方向へ熱伸縮しても、それによる、集光部に対する位置ずれは、１枚の底板内でのずれ量の範囲内に抑制される。また、遊嵌状態で支持されている底板において、所定範囲内では外端の拡張が規制されないため、底板の面に直交する方向への変形（いわゆる太鼓状の膨らみや凹み）は生じにくい。しかも、このような構成を採用することによって、底板は熱膨張係数が相対的に高くてもよいことになり、放熱性に優れた軽量の金属製とすることができる。

（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、基準点は、各底板の中央にあることが好ましい。
この場合、各底板の中央から見た１枚の底板全体の熱伸縮による、集光部に対する位置ずれを、複数枚で均等化して抑制することができる。

（３）また、上記（１）又は（２）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、仕切り部材及びリンク部材は、当該モジュールを平面視した場合に、発電素子の合間を縫って配置されていることが好ましい。
この場合、仕切り部材及びリンク部材は、レンズ要素を通過して発電素子に集められる光を遮らない。

（４）また、上記（１）〜（３）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、底板の基準点には突出部が形成され、それぞれの突出部の端部に、リンク部材が固定されている構成であってもよい。
この場合、仕切り部材に干渉されることなく、リンク部材を容易に取り付けることができる。

（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、外枠は方形であり、領域は、平面視した底面を縦横に４分割したものであってもよい。
この場合、仕切り部材が十字状となることにより、仕切り部材で枠体を効果的に補強する構成とすることができる。

（６）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、リンク部材は、ガラス製又はセラミック製であることが好ましい。
この場合、底板が金属製である場合に、底板より熱膨張係数がかなり小さいリンク部材を実現することができる。

（７）上記（４）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、リンク部材は、光ファイバを帯状の構造物として利用したものであってもよい。
この場合、リンク部材を安価に調達することができる。

（８）また、本発明の集光型太陽光発電パネルは、例えば上記（１）の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて構成することができる。
このような集光型太陽光発電パネルは、所望の発電電力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によれば、熱膨張による位置ずれを抑制し、変形を防止する構造とすることができ、しかも、軽量で強度を確保し易い金属製の底板を採用することができる。
また、このような集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて、集光型太陽光発電パネルを構成することができる。

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並べて構成されたパネルを含む、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を拡大して示す斜視図である。 集光部を装着しない状態での、筐体と、発電素子との相対的な位置関係を示す平面図である。 リンク部材を取り付ける前の、筐体の分解斜視図である。 枠体及び下仕切り部材を相互に組んだ状態での部分斜視図である。 組み立てた筐体を示す斜視図である。 図６に示した筐体の平面図である。 図６に示した筐体にリンク部材を取り付けた状態を示す斜視図である。 筐体についての他の実施形態を示す斜視図である。

《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モジュールを並べて構成された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。図示の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。図において、モジュール１Ｍは、筐体１１と、筐体１１の底面に設けられたプリント配線板１２と、筐体１１の上端面に、蓋のように取り付けられた集光部１３とを備えている。筐体１１の構造の詳細については後述する。

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。フレネルレンズは、この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は、細長い形状で、柔軟なフレキシブルプリント基板１２ｓ上に、複数個の発電素子（太陽電池セル）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。

図３は、集光部１３を装着しない状態での、筐体１１と、発電素子１２１との相対的な位置関係を示す平面図である（フレキシブルプリント基板１２ｓ及びコネクタ１４の図示は省略している。）。図において、筐体１１は、外枠を形成する枠体１１Ｆと、枠体１１Ｆの底面となる平面を４つの領域に区画する仕切り部材１１Ｐと、４枚の底板１１Ｂと、各底板１１Ｂの中央同士を繋ぎ止めるように取り付けられた平たい矩形枠状のリンク部材１１Ｌとを備えている。枠体１１Ｆ、仕切り部材１１Ｐ及び底板１１Ｂは、例えばアルミニウム製である。方形（ここでは長方形（正方形でもよい。））の筐体１１の底面を縦横に４分割した構成であることにより、仕切り部材１１Ｐが十字状となる。従って、十字状の仕切り部材１１Ｐで枠体１１Ｆを効果的に補強する構成とすることができる。

一方、リンク部材１１Ｌは、例えばガラス製又はセラミック製であり、集光部１３（図２）の基本的材質であるガラスと、熱膨張係数が、概ね同じである。セラミックの場合は、ガラスを基体とする集光部１３と熱膨張係数が概ね同じになるセラミックを選択する。また、この熱膨張係数は、アルミニウム製の底板１１Ｂに比べると、かなり小さい（例えば半分以下）。
底板１１Ｂ上には、発電素子１２１がマトリックス状に配置されている。仕切り部材１１Ｐ及びリンク部材１１Ｌは、集光部１３を通過して発電素子１２１に集められる光を遮らないように、発電素子１２１の隙間を縫って配置されている。

図４は、リンク部材１１Ｌを取り付ける前の、筐体１１の分解斜視図である。図において、枠体１１Ｆは、左右一対の長辺部１１Ｆ１と、上下一対の短辺部１１Ｆ２とを、ねじ１１Ｓ（右側のみ図示）により相互に螺着して構成される。仕切り部材１１Ｐは、底板１１Ｂに対して受け側になる十字状の下仕切り板１１Ｐ１と、底板１１Ｂに対して押さえ側になる十字状の上仕切り板１１Ｐ２とを備えている。下仕切り板１１Ｐ１の４つの外端面は、ねじ１１Ｓ（下側・右側のみ図示）により、枠体１１Ｆに固定される。

図５は、枠体１１Ｆ及び下仕切り板１１Ｐ１を相互に組んだ状態での部分斜視図である。図において、下仕切り板１１Ｐ１は、十字状に延びるいずれの長手方向に直交する断面で見ても、中央部１１ｔに対して左右が若干低い平面の段部１１ｄを有している。また、枠体１１Ｆ（長辺部１１Ｆ１，短辺部１１Ｆ２）の内面側には、底板１１Ｂの厚さに相当する溝幅で、溝１１ｇが形成されている。溝１１ｇは、段部１１ｄと同じ高さにあり、各底板１１Ｂの縦横２辺を溝１１ｇに入れ、他の２辺を段部１１ｄに載せる形で、取り付けることができるようになっている。

図４に戻り、上記の要領で枠体１１Ｆ及び下仕切り板１１Ｐ１に装着される底板１１Ｂの中央には、ボス状の突出部１１Ｒが設けられている。突出部１１Ｒの上端には、雌ねじ加工が施され、ねじの螺着が可能である。
上仕切り板１１Ｐ２は、４分割された底板１１Ｂの隙間を覆いつつ、ねじ１１Ｓで下仕切り板１１Ｐ１の中心部位と螺着することにより、４枚の底板１１Ｂを上から押さえる。なお、上仕切り板１１Ｐ２を下仕切り板１１Ｐ１に取り付けるための、ねじ１１Ｓによる螺着構造は、必要により、十字状の形状の外端近傍にも設けることができる。

図６は、上記の要領で組み立てた筐体１１を示す斜視図である（但し、細部の図示は省略している。）。すなわち、この筐体１１は、外枠を形成する枠体１１Ｆと、枠体１１Ｆの底面に相当する平面を複数の領域に区画する仕切り部材１１Ｐ（１１Ｐ１，１１Ｐ２）と、枠体１１Ｆ及び仕切り部材１１Ｐによって支持された４枚の底板１１Ｂとを備えている。４枚の底板１１Ｂは、いわば窓枠に嵌め込んだ窓ガラスのような状態にあり、また、底板１１Ｂの面方向への若干の移動が可能となっている。これは、熱膨張を考慮した構成である。

図７は、図６に示した筐体１１の平面図である。図において、各底板１１Ｂの４辺の外端は、点線で示すような位置にある。当該外端は、溝１１ｇ（図５）の奥や、段部１１ｄ（図５）の奥すなわち中央部１１ｔに突き当てた状態ではなく、若干の隙間がある。隙間の量は、想定される最大の熱膨張があった場合に初めて、底板１１Ｂの外端が、溝１１ｇの奥や、段部１１ｄの奥すなわち中央部１１ｔに突き当たるよう設計することが好ましい。言い換えれば、底板１１Ｂは、枠体１１Ｆ及び仕切り部材１１Ｐに対して４つの領域ごとに所定範囲（突き当たるまでの範囲）で当該領域の平面に沿った方向へ移動可能に遊嵌された状態にある。隙間があることによって、底板１１Ｂは、その面方向へ熱膨張しても、行く手を遮られないので、いわゆる太鼓状に、底板１１Ｂが図７の底側（紙面の裏側）あるいは表面側に膨らむことがない。

図８は、図６に示した筐体１１にリンク部材１１Ｌを取り付けた状態を示す斜視図である。リンク部材１１Ｌは、例えば４つのねじ１１Ｓで突出部１１Ｒの上端に固定される。このとき、突出部１１Ｒの存在により、上仕切り板１１Ｐ２に干渉されることなく、リンク部材１１Ｌを容易に取り付けることができる。
図中の座標系の方向に示すように、筐体１１の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向、高さ（深さ）方向をＺ方向とすると、Ｚ方向に筐体１１を見たＸ−Ｙ平面上の筐体１１において、リンク部材１１Ｌがねじ１１Ｓで固定されている点を、リンク部材１１Ｌ及び底板１１Ｂにおける「基準点」とする。

上記のように構成された集光型太陽光発電モジュール１Ｍでは、集光部１３、底板１１Ｂ及びリンク部材１１Ｌがそれぞれ熱膨張するとき、集光部１３と同等の熱膨張係数を有するリンク部材１１Ｌが基準点同士を繋ぎ止めていることにより、集光部対基準点の相互の位置関係が維持される。そのため、例えば底板１１Ｂがリンク部材１１Ｌより大きく熱膨張したとしても、少なくとも各底板１１Ｂの基準点は、集光部１３から見て、本来の対応する位置（Ｘ−Ｙ座標上の位置）にある。熱膨張した状態から温度が下がって収縮する際も、同様である。

このように、各底板１１Ｂがその平面に沿った方向へ熱伸縮しても、それによる集光部１３に対する位置ずれは、１枚の底板１１Ｂ内でのずれ量の範囲内に抑制される。また、遊嵌状態で支持されている底板１１Ｂは、所定範囲内では外端の拡張が規制されないため、底板１１Ｂの面に直交する方向（Ｚ方向）への変形（いわゆる太鼓状の膨らみや凹み）は生じにくい。しかも、このような構成を採用することによって、底板１１Ｂは熱膨張係数が相対的に高くてもよいことになり、放熱性に優れた軽量の金属製（例えばアルミニウム）とすることができる。

また、基準点が、各底板１１Ｂの中央にあることで、各底板１１Ｂの中央から見た１枚の底板全体の熱伸縮による、集光部１３に対する位置ずれを、４枚で均等化して抑制することができる。言い換えれば、仮に例えば４枚に分割しない１枚の大きな底板であれば、いずれかの位置で生じる対集光部の位置ずれの最大値が大きな値となるが、４枚に分けて相対的に小さくし、かつ、基準点は対集光部でずれないようにしたことで、対集光部の位置ずれの最大値は非分割の１枚と比べれば大幅に低減される。また、位置ずれは、４枚で均等化して抑制される。

なお、上記実施形態における筐体１１は一例に過ぎず、種々の構造が可能である。また、底板を４枚にする構成は一例であり、基本的には複数枚である。上記実施形態と同様な作用効果を得るためには、以下の要件が必要であると解される。
（ａ）枠体（１１Ｆ）の底面を仕切り部材（１１Ｐ）で複数の領域に区画する構成であること、
（ｂ）複数の領域ごとに所定範囲で当該領域の平面に沿った方向への熱伸縮が可能なように、枠体（１１Ｆ）及び仕切り部材（１１Ｐ）によって遊嵌状態で支持された複数枚の底板（１１Ｂ）を設けること、及び、
（ｃ）集光部（１３）と同等の熱膨張係数を有する材料によって形成されたリンク部材（１１Ｌ）が、底板（１１Ｂ）上の基準点同士を相互に繋ぎ止めること。

図９は、筐体１１についての他の実施形態を示す斜視図である。集光部１３の構成は前述のものと同じである。
図９において、この突出部１１Ｒは、先端（上端）が少し外側へ曲げられている。この場合、突出部１１Ｒの先端の雌ねじ加工は必要ない。リンク部材１１Ｌは、光ファイバの束を、終端同士で溶着して、１本の輪のようにしたものである。この場合、例えば常温で一定の張力をもってリンク部材１１Ｌが４本の突出部１１Ｒに掛けられているようにすれば、図８におけるリンク部材１１Ｌと同様の作用効果を生じさせることができる。また、この場合には、既製品の光ファイバを帯状の構造物として利用できる点で、リンク部材１１Ｌを安価に調達することができる。光ファイバは主にガラスであり、熱膨張係数において、集光部１３と同等にすることができる。

《その他》
なお、上記実施形態では説明を省略したが、筐体１１を構成する部材間の継ぎ目や底板１１Ｂの裏面側から水が浸入しないように、各部材間の微小な隙間を埋めるシール部材等を設けることが好ましい。

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 太陽光発電モジュール
１１ 筐体
１１Ｂ 底板
１１Ｆ 枠体
１１Ｌ リンク部材
１１Ｐ 仕切り部材
１１Ｒ 突出部
１３ 集光部
１３ｆ レンズ要素
１２１ 発電素子

Claims (8)

1. 太陽光を集光するレンズ要素を複数個並べて構成された集光部、及び、当該レンズ要素にそれぞれ対応する位置に配置された発電素子を収容する筐体を備える集光型太陽光発電モジュールであって、前記筐体は、
   外枠を形成する枠体と、
   前記枠体の底面を複数の領域に区画する仕切り部材と、
   前記複数の領域ごとに所定範囲で当該領域の平面に沿った方向への熱伸縮が可能なように、前記枠体及び前記仕切り部材によって遊嵌状態で支持された複数枚の底板と、
   前記集光部と同等の熱膨張係数を有する材料によって形成され、前記底板上の基準点同士を相互に繋ぎ止めるリンク部材と
   を備えている集光型太陽光発電モジュール。
2. 前記基準点は、各底板の中央にある請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
3. 前記仕切り部材及び前記リンク部材は、当該モジュールを平面視した場合に、前記発電素子の合間を縫って配置されている請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
4. 前記底板の前記基準点には突出部が形成され、それぞれの突出部の端部に、前記リンク部材が固定されている請求項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. 前記外枠は方形であり、前記領域は、平面視した前記底面を縦横に４分割したものである請求項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。
6. 前記リンク部材は、ガラス製又はセラミック製である請求項１〜５のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
7. 前記リンク部材は、光ファイバを帯状の構造物として利用したものである請求項４記載の集光型太陽光発電モジュール。
8. 請求項１の集光型太陽光発電モジュールを複数個並べて構成された集光型太陽光発電パネル。

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