(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光透過性の高いガラス平板乃至は樹脂平板を上面カバーとし、その下に空気層からなる上部断熱層、その下に発電セルと薄板状の金属平板製のヒートシンク平板を積層して接合させた太陽電池コア、さらにその下に下部断熱層を順次重ね、枠体で周囲を被い全体を平板状に構成させ、前記発電セルに受光した太陽光によって生じた温熱を前記ヒートシンク平板を通してその下面において冷却配管を連通する冷却媒体によって冷却する太陽光コジェネレイションモジュールに於いて、
前記ヒートシンク平板の上面に前記発電セルを樹脂製接着材乃至は樹脂製ホットメルト材で接合し、該ヒートシンク平板の下面に、前記冷却媒体を連通する前記冷却配管を全体を平面状に曲げ成形させて当接させ、当該ヒートシンク平板の外周部分の複数カ所で留め金やネジを用いて機械的に前記ヒートシンク平板に固定するとともに、全体を樹脂製接着材乃至は樹脂製ホットメルト材により前記ヒートシンク平板に接合させて固定し前記太陽電池コアを構成させた事を特徴とした太陽光コジェネレイションモジュール。
【請求項２】
前記冷却配管を前記ヒートシンクとの間で内面に抱え込んで接合させる形状に形成した押え金具を樹脂製接着剤乃至は樹脂製ホットメルト材により前記ヒートシンク平板に前記冷却配管とともに接合固定させて前記太陽電池コアを構成させた事を特徴とした請求項１に記載の太陽光コジェネレイションモジュール。
【請求項３】
前記冷却配管は、前記太陽光コジェネレイションモジュール及び前記ヒートシンク平板の上下の平行な両端面に対して、平行な直線部とその両端をＵの字に成形して順次連結した形状で全体として蛇行状に連結させ、前記太陽光コジェネレイションモジュールを前記平行な上下の端面が水平になるようにしてモジュールの受光面を太陽光に向けて全体を南向きに傾斜させて設置し、前記冷却媒体を前記蛇行状の前記冷却配管内を前記太陽光コジェネレイションモジュールの下部から上部へと流通させたときに、前記冷却配管の流路が入り口から出口へと水平及びＵターン部で上昇する様に設けられていることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載のヒートシンク付き太陽光コジェネレイションモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
現在日本国内はもとより海外でも太陽光発電装置及び太陽熱温水器（太陽光集熱装置）が注目されてきており、石油資源の消費削減、地球温暖化防止、石油資源関連部材の価格高騰の抑制、その他の地球環境的要請乃至は社会的ニーズに合った装置システムとして伸張が期待されている。しかしながらその市場規模は何れも日本国内の家庭用としても年間１０万台の販売規模に満たない。一方ガス・石油給湯装置が４００万台規模であり家庭用エアコンが７００万台規模であるものと比べ極めてニッチェであり、市場規模は未だ小さい。
本発明の技術が適用される技術分野は民生用、特に家庭用、業務用、さらには工業用に使われるものとして、太陽光を受けて発電と温熱供給とを行う太陽光利用装置（以下太陽光コジェネレイション装置と呼ぶ）に関するものである。この装置の実現により現在の単独機能の太陽光発電装置及び太陽熱温水器の市場分野を大きく拡大進展させることを目指している。
【０００２】
単独機能の太陽光発電装置と太陽熱温水器の市場規模が伸びない理由はその装置への投資価格に対し出力効果が不十分であるためである。即ち初期投資を回収する期間（ＰＢＴ）が７年以上〜３０年と長期であり、家庭用太陽光発電装置では投資の回収に３０年もかかる場合があるためである。
さらに太陽光発電装置では広い受光面積が必要で、このため装置が大型化し設置可能な場所が限定されることもその大きな要因となっている。例えば家庭用の３ＫＷの太陽光発電装置では通常３０平方メーターの受光面積が必要であり、そのため設置スペース上の制約が大きいばかりでなく、実際の据付工事が極めて大変な作業を伴う事も価格アップ要因であり、且つ又普及拡大を妨げている要因である。
他方、太陽光温水器の場合は以上の課題は決定的では無いが、冬季には外気温度の低下に伴い出力温水の温度が４０℃程度まで低下してしまい風呂などに利用するにはガス乃至は電気を利用しての追い炊き装置が必要となる。また、寒冷地に於いては水の凍結の問題がある。また、そのエネルギー出力が温水に限られており、消費者のその他多くの種類のエネルギー用途を賄えない点などが広く普及する事を妨げていると考えられる。
またエネルギー効率の点では、太陽光発電装置に照射される太陽光エネルギーが電力へ変換される変換効率（ＥＣＲ）は実用化されている装置で１２〜１４％程度であり、その他の８８〜８６％は利用できていない。これが大面積の装置を必要とし、発電された電力コストが商用電力で得られるコストの２倍以上に達する主な原因となっている。このため発電セル自体の変換効率（ＥＣＲ）の向上のための技術が期待されている。
【０００３】
一方、数十年前から、同じ受光面で電力と温熱を得ることができる太陽光コジェネレイション装置の研究及び開発が検討されてきている。即ち発電セルの背面にヒートシンクとしての金属板を設置し、その金属板と一体化された配管に水や冷媒を通じて発電セルで生じた温熱を収集するものである。この方式によれば太陽光発電装置と太陽熱温水器を別々に設置したものに比べて全体の受光面積が小型化でき、コストダウンと同時に設置スペースの削減という二つの基本効果が達成でき、また装置の設置工事も簡略化できる。さらに発電セルを強制的に冷却する事により発電セルの温度を低下させることができ、発電セルの発電効果が改善されるという利点が生じる。また家庭や店舗で用いた場合に電力と給湯用温熱と暖房用温熱が同時に得られるという利点がある。しかしながら数十年来の技術研究を経た現在でもこの方式は具体的な商品の形で市場で実現されていない。
【０００４】
本発明が実現しようとしている技術は新しい太陽光利用装置に求められる以下の基本的な要請に応えようとするものである。
１、光エネルギーを電力と温熱に変換する上での高い変換効率が必要で、電力は１０〜１      ３％（１平米当たり１００〜１３０Ｗ）、温熱は４０〜５０％（１平米当たり４０      ０〜５００Ｗの出力）トータルエネルギーとして５０〜６３％程度（１平米当り５      ００〜６３０Ｗ）の変換効率の達成を目標としている。（数値は季節、地域条件に      よる変化を含めている）
２、光から電気と温熱という相容れにくい出力を狭い緻密な空間で集約的に創出させるわ      けで、厳しい気候条件と使用条件の変化の下で長い年月（３０年が目標）作動でき      る品質と信頼性の確立を目指す。
３、モジュールの実現には、多くの材料資源を使用するため、それを生み出すために消費      する材料とエネルギー資源が必要で、材料使用量の削減（効率向上）とコストの低      減と及び地球環境即ちCO2発生量の視点でも高い目標レベルを目指している。
【０００５】
太陽光発電装置についても最近の研究開発は目覚しいものがある。シリコン結晶のセルを用いたものでも多結晶化、シリコン結晶の薄板化、結晶事体の発電特性向上や結晶表面の受光特性改善などの研究が進展している。またシリコンアモルファスをガラス面乃至はプラスチックフィルム面に形成したもの乃至はそれをシリコン結晶と積層させてＥＣＲを向上させたものも今後の期待である。このアモルファスを建材用窓ガラス上に形成してビルなどの窓材として用いて窓が発電するようにしたものも実用化されている。また銅やインヂュームなどシリコンと異なった材質をセル材料として用いてシリコンの使用量を削減させ、シリコン材料の代替として資源不足を回避するものも有望である。本発明の太陽光コジェネレイション装置に関わる技術はこれらの太陽光発電装置そのもの乃至はその改善品及びその技術及び出力をうまく利用して太陽光コジェネレイション装置として仕上げるための技術分野に関するものである。
【０００６】
以上の様な実用上もエネルギー効率上も効果が高いと想定される太陽光コジェネレイション装置が未だに実用化されていない理由は多々あリ、太陽光発電モジュールと集熱装置としての機構の構成が未熟で、高効率で耐久性があり実用性があるものが開発できていないためであるが、その主なものは
１、発電セルの材料はシリコン、ガラスなど熱膨張係数が極めて小さくかつ伝熱性能が悪  い材料からなるが、一方その背面に配置されるヒートシンクや冷却配管に使われる材料  は伝熱性能が高い材料で、線膨張係数が極めて大きい。この結果効率高い熱の取り出し  構造の実現と広範囲の温度変化によって生じる大きな熱歪による材料の劣化、割れなど  の双方を解決する技術が確立されていない。
２、鉄板など、線膨張係数が比較的小さくシリコンやガラスなどから出来ている発電セル  とはその点ではなじみ易い材料があるが、この場合には伝熱性能が悪く、温熱収集
特性上で課題がある。
３、冬季の様に外界が低温度の時には発電セルからの放熱、特に輻射放熱ロスが多く、Ｔ  ＣＲが著しく低下するためモジュール全体を断熱して放熱させない構造が必要である。  冷却装置である集熱装置が故障などで作動していない時はセル及びセル周囲が１００℃  以上の高温度に晒され、耐久性の問題が生じやすい。
４、材料も構造的な特性も全く異なる発電セルとヒートシンクの間の接合方式が確立され    ていない。
５、これらの課題を解決する材料・製造方法などはモジュールの全体のコストの増加を
招いてしまい、実用的なコストを実現する事が難しい。
などが主な理由であり、現在も課題として残されている。
【背景技術】
【０００７】
こうした背景の中で、太陽光発電装置から同時に熱を得るための太陽光コジェネレイション装置の技術は多くの研究や開発がされて来ている。その中で特許文献１は集熱パネルの表面に太陽光発電セルを設ける方式の太陽光コジェネレイション装置を用い、その発電電力でヒートポンプを作動させている。
【０００８】
特許文献２は太陽光発電セルを表面に装着した熱交換器をヒートポンプ装置で冷却して電池セルの温度を下げて電池セルのエネルギー変換効率であるＥＣＲを向上させている。
特許文献３も太陽光集熱器における集熱を低温度で行いその収集熱を低温度蓄熱槽に蓄熱することにより太陽光発電セルの温度を低温度に保ち発電効率を向上させたものである。
【０００９】
特許文献４は太陽光発電セルの背面に集熱体を設けこの集熱体に冷却用集熱管を取り付ける構造方式に関する技術を提示している。特許文献５は太陽光発電セルの裏面の熱伝導板からヒートポンプの配管へと伝熱させる技術についての発明である。こうした方式の熱特性のシュミレーション分析を行った技術報告が非特許文献１に見られる。残念ながら何れも前述した装置実現のための課題としての太陽光発電モジュールと集熱装置としての機構の構成について十分な知見を与えるものにはなっていないと考えられる。
【００１０】
特許文献６には別方式の太陽光コジェネレイション方式が提示されている。窓などのガラスにシースルー状態の太陽光発電セルセルを設置し、そこを通過した太陽光をその奥に設けた熱媒配管を有する集熱板に照射させて温熱を得る方式の太陽光コジェネレイション装置である。
本発明で取り上げる太陽光コジェネレイション装置の最大の狙いはコンパクトでコスト効果の高いシステムであるから、電気エネルギー変換効率（ＥＣＲ）の高い発電セルを用い。発電効率の高い装置に仕上げる事を重視としている。このためＥＣＲの低いシースルー型発電セルは採用できない。対象とする方式は発電セルをヒートシンク基板上に設置して発電セルで発生する温熱を直接ヒートシンク基板へと伝熱させて集熱する構造の方式であり、特許文献６の方式は採用できない。
【００１１】
太陽光コジェネレイション装置は太陽光発電装置と違い生じた温熱を放散させること無く集熱して熱を利用しようとするものであるから、装置の周囲は断熱構造を採用する。電池セルの上面は空気空間を断熱層とし、その上に上面ガラスを設ける。集熱用のヒートシンク平板の下面は断熱材乃至は真空パネルなどの断熱層を設ける。熱の収集は冷却配管内に収集用媒体を循環させる事により行い、集熱と同時に発電セルを冷却する。装置停止時にこの熱収集用媒体を循環させない時間帯は装置全体は太陽光の照射を受けて温度が上昇する。特許文献７にはこの場合に上述した空気空間を空気が循環して冷却を行うことが出来る様に換気口を設け、それを開閉する技術が提示されている。
特許文献８に見られるように太陽光熱発電装置のセル表面乃至は放熱面に光の波長選択吸収特性を付与する微細加工技術がある。
【００１２】
以上に示した技術は太陽光コジェネレイション装置実現のための開発活動から出現したものと推定されるが、装置そのものは市場に商品の形で出現していない。この理由はいくつかあるが、最大のものは、商用電力エネルギー価格並みの価格効果のある方式乃至は装置が実現できていないためと考えられる。それは冬季の低い外界温度で効果的に作動でき、且つ設置する工事を実用的に行える方式と構成を持った装置が開発されていない事及びその結果として装置の構成が複雑でコストが実用的なレベルに収まっていない事が原因であると考えられる。技術面では熱放散が増加する事による熱回収効果不足、耐熱温度、熱歪吸収、部材の耐低温度特性が不十分、などの問題の解決方法が明確になっていないと考えられる。このような実際に商品化する上で課題解決に必要な技術は以上に示した背景技術の中には見つけることができない。
【特許文献１】特開昭５８−１５８４５５号広報
【特許文献２】特開平０５−０６６０６５号広報
【特許文献３】特開平０７−２３４０２０号公報
【特許文献４】特開２００３−３１４９０３号公報
【特許文献５】特開２００５−１９５１８７号公報
【特許文献６】特開２００４−３１７１１７号広報
【特許文献７】特開２００４−６０９７２号広報
【特許文献８】特開２００３−３３２６０７号広報
【非特許文献１】松下電工技報（Ｍａｒ．２００２）太陽エネルギー利用設計のための熱シミュレーター
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上の内容を検討課題としてまとめるとその重要なものは以下のように整理される。即ち太陽光コジェネレイションモジュールを家庭用や店舗用など、限られたスペースに設置する商品価値の高い商品として実用化する為には以下の様な具体的な課題がある。
（１）発電セル〜ヒートシンク〜ヒートシンク内〜冷却媒体の間の多岐に渡る伝熱性能を      高く保つ。
（２）この結果発電セルの温度が高温になることを防ぎ、発電性能を高く保ち、且つ発電      せるからの放熱損失が少なくなるように保つ。
（３）シリコン結晶乃至はガラス平板など極めて歪や加圧力に弱い材質から構成される発      電セルが構造歪的にかつ熱歪的に破損されることを防止する。
（４）その為にも、また其の他の品質キープ、性能確保の点からもヒートシンク（今後Ｈ      Ｓと略称する）の形状（基本的には平板である）を精度良く保つ。
（５）発電セル〜ＨＳ平板〜冷媒管路の間の構造的、熱性能的な接合を保つ。
【００１４】
（６）冷却媒体（水、不凍液、フロン冷媒  など）により媒体回路の構成材料が錆びたり      破損されないようにする。
（７）冷却媒体が水の場合、低温度状態で凍結する事により問題とならないようにする。      
（８）冷却媒体の作動がポンプ作動不良などの原因で停止してしまって、モジュールの温      度が高温度（夏には１３０℃程度が想定される）に晒された時にも発電セル、その      接着剤其の他の部材が劣化しないようにする。
（９）枠体を利用して設置サイトに固定設置して長期間使用した時に、発電セル、ＨＳな      ど、モジュール部材に破損や障害を生じることなく、安定して保持する。
（１０）モジュールの各部材は安価で製造加工も容易で完成コストが市場ニーズの商品価      格に対応できるように工夫をする。
【００１５】
以上の課題から、さらに具体化すると次の様な内容が解決を求められる技術課題となる。
（A）発電セルは厚さ０．２ｍｍ程度の割れ易いシリコン結晶体を組み合わせて回路    構成したものとか、ガラス平板に金属を蒸着乃至はスパッタリングした薄膜タイプの    ものが使われるが、いづれも機械的、熱的な強度は弱く破損し易い。
（B）これらシリコン結晶やガラスは温度変化に対し線膨張係数が極めて小さな材料であ    る（２．７〜３．５／百万／℃）、この発電セルから熱を取り出すＨＳ乃至は冷却配    管として使われる熱伝導性の高い銅、アルミニウムなどは温度膨張係数が極めて大き    い（１６〜２４／百万／℃）。この両者を接合して熱を取り出す場合には温度変化に    よる相対歪がおおきくなり吸収することが難しい。（このためシリコンセルや基板と    なるガラス板の面積を縮小して組み合わせる方式が有効で在る）
（C）この両者の接合には高温度（例えば１５０℃）の温度硬化材料（例えばＥＶＡホッ    トメルトなど）を用いて加工時間の短縮を図る方式が採られる事が多いが、この場合    いの接合温度が高く、加工後に常温に戻った際に相対歪量の増大、これによる変形、    破壊を招く危険がある。
【００１６】
（D）これを緩和するため接合材料には硬化した後も柔軟性が保たれるエティレン酢酸ビ    ニール共重合樹脂（ＥＶＡ）が有効であるが、歪を緩和するためにその肉厚を確保（    例えば１ｍｍ）すると、それは伝熱特性を大きく阻害する。
（E）これを回避するためにヒートシンク（ＨＳ）の材料として、鉄板やステンレス鋼板    など、アルミや銅より線膨張係数の小さな材料（１２．１／百万／℃）を利用して発    電セルのシリコンなどと組み合わせても相対歪を大きくさせない方法が考えられるが    、この材料は熱伝導率が極めて小さく、温熱収集性能の悪化が問題となる。
【００１７】
（F）さらには、鉄板では、用いられる冷却媒体が水の場合錆びの問題が生じる。ステン    レス鋼ではその問題は解決できても、ステンレスは更に熱伝導率が小さい（１６．３    Ｗ／ｍ℃）という問題がある。
錆びの問題を解決する方法として冷却回路を樹脂製にする方法も有力であるが、樹脂    は線膨張係数がアルミより更に大きく（２０〜９０／百万／℃）熱伝導率が極めて小    さい（０．３Ｗ／ｍ℃）という問題がある。
（G）ＨＳの材料として伝熱性能、線膨張係数、材料コスト、接合性（ロー付け他）、防    錆特性といった全ての特性に優れた材料は存在しない。従ってそれら材料をどのよう    に最適に組み合わせて利用するか、という複合的な技術課題の視点が重要である。
（H）太陽光コジェネレイションモジュールの構造的な構成は発電セルを安定構造で支え    、
それを熱の回収機構と一体にモジュール枠体で保持させ、設置するサイト（例えば家    屋の屋根上など）にしっかりと固定する事が重要である。
以上が本発明が解決しようとしている具体的な課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明が対象としているモジュールの構造方式は発電セルを金属製のヒートシンク平板上に直接乃至は間接に密着させた状態で設置し、発電セルで発生する温熱を周囲に放熱させずにそのヒートシンク平板に伝熱させて集熱させる方式により光エネルギーの回収率を高め、太陽電池が１２％前後であるのに対し、５０％前後の高い回収率を得る事ができる。
従って家庭用コジェネレイション装置の場合、単独の太陽光発電セル方式（約３０平方メートル）に比べて全受光面積は１０〜１５平方メートル程度に小型化しても実用的な効果を満たすことができる。一方、従来の太陽熱温水器の受光面積が４〜６平方メートルであるのに較べ大面積であるが、出力の利用価値が高いことが優位である。
【００１９】
太陽熱温水器との大きな構造上の違いは、発電セルの有無であり、コジェネレイションモジュールの場合はＨＳの上面に発電セルを安定して保持させる必要がある。そこで、ＨＳはその上面を平坦とし、どの様な種類の発電セルを設置しても効果的に接合できるという構造方式が前提となる。そこで本発明では金属で上面が平坦なヒートシンク平板を用いることを前提として提案している。その材料は発電セルの材料であるシリコン結晶やガラス板と線膨張係数の値が比較的近い金属材料である鉄板を利用する技術を重点に提案しているが、アルミ基板上に多数の微細球状シリコンが配置された特殊な構造方式の発電セルの場合にはアルミ材をヒートシンク平板として用いることも合理的である。鉄板は線膨張係数の利点とともに材料価格が安く安定しているという大きな優位であり最重点材料であるが、アルミニウムに比較して材料の熱伝導率が低く効果的温熱収集実現という点では技術的工夫が必要である。更には錆び易いという２大弱点をどの様に補うかが技術テーマとなる。
【００２０】
錆を補う意味ではステンレス鋼材は有効であるが、コストが若干高くなり、熱伝導率がさらに低下するという問題があるが、これも有望な候補材料である。これら鉄系の材料の利点はシーム溶接、炉中溶接、ロー付けなど、比較的容易で強度が得られ、水漏れなどの視点でも有効な材料間接合方法があることである。この場合、ヒートシンク平板の下面と冷却媒体回路を構成するカバー材との高温度接合を最初に行い（溶接など）、その後に発電セルをその上面に接合する事が望ましい。発電セルの接合は通常行われるＥＶＡ樹脂ホットメルトによる高温度（１５０℃程度）の瞬間接合方法がそのまま利用できる。勿論硬化後にも柔軟性のある樹脂乃至はゴム系接着剤による接合でも良いが、ＥＶＡホットメルトの様に硬化までの時間を短縮できること、及び接合部の肉厚を一定に（例えば１ｍｍ）キープして、セルとヒートシンク平板の温度歪の差を吸収させるという機能が実現できる点が必要である。
【００２１】
鉄板やステンレス鋼板をＨＳ平板として利用する場合にはその材料としての熱伝導の悪さを考慮した設計が必要である。アルミ平板（肉厚２ｍｍ）の場合には１００ｍｍ程度の広いピッチ間隔で冷却配管をアルミ平板の背面に熱的に接合すれば伝熱は良好であるが、鉄板（肉厚２ｍｍ）の場合には更に狭いピッチ間隔として設置する冷却配管本数を増やす必要がある。できればＨＳ平板の下面の全面を冷却媒体で直接冷却させる事が望ましい。従って冷却媒体のＨＳ平板への接触面積をどのようにして増加させるかという課題がある。ＨＳ下面の全面を冷却媒体を接触させて流す事は構造上従ってコスト上で問題がある。そこで提案者はどの程度の面積を冷却させれば良いのかをシュミレイションし且つ試験評価をおこなった。その結果得られたのが請求項に提案した数値である。
【００２２】
発電セル温度と冷却媒体の間に生じる温度差は冷却媒体がその下面を流れない即ち直接冷却しない部分を領域（島）とした場合のその島の短距離方向の幅寸法Ｌ（平行に配設した冷却管の場合、冷却管ピッチ寸法から管直径寸法を差し引いた寸法になる）の２乗に比例し、ヒートシンク平板肉厚に逆比例する。実際に採用される肉厚１ｍｍの鉄板の場合は、例えば太陽光が１ＫＷ／１平方メーターの照度（日中の太陽光を直角に受ける時）でありその４０％の熱量を冷却媒体で吸収しようとした場合、前記の短距離寸法Ｌが４０ｍｍのときは上記温度差は５℃程度生じることとなるから、最大でも短距離寸法は５０ｍｍ以下に設定しないとその温度差はシステム全体の性能の低下をおこして致命的となるからである。この最短距離寸法Ｌを小さくするために冷却管路幅（円管では直径）を大きくとると、材料コストが増加してし且つ管内の冷却媒体の流速が低下してしまい、冷却効果が低下するし、冷却媒体の封入所要量が増加しすぎてしまい、全体封入量増加の問題、水の場合は凍結防止が難しくなる問題などが顕在化するからバランスが必要である。
【００２３】
材料コスト低減の意味で、冷却媒体の流れる回路を樹脂で形成するのは有力な手段であり、鉄板やステンレス鋼板の下面に樹脂成型した冷却媒体回路を接着する。この場合樹脂は一般に線膨張係数が大きいからヒートシンクの温度変化により接着部にひずみが集中して剥がれたり破損したりするという心配があるし、太陽電池コア全体が温度変化で変形してしまうことに注意が必要である。これを防ぐには樹脂にグラスウールファイバーやカーボンファイバーを混ぜ込んで、線膨張係数を小さくしたり、樹脂の冷却媒体回路の形状に熱歪を吸収させる構造にする方法などが有効である。  一方、ヒートシンク平板の下面に一本の配管に接合面を形成した冷却配管を接着したりロー付けしたりする方式も実用性が高い。この場合冷却配管はその接合部をできるだけ広い平坦面にしておくと伝熱性の点でも接合強度の点でも都合が良い。
【００２４】
有効な例として、断面を蒲鉾断面状にして平坦面を確保し全体を蛇行状に形成したものをヒートシンク平板に接着やロー付けする。この接合面の周方向の長さが全外周長さに対してどの程度の割合に設定する事が望ましいかというデータ情報が重要である。接合面の面積確保は接合の確実度アップと同時に伝熱面積確保の点で極めて重要であるからである。  周方向における接合面の全外周に対する割合を考えたとき、５０％とすれば配管は完全につぶれた状態で冷却媒体は流れない。３８．９％では配管は完全な半円形状となる。冷却媒体の流路面積を重視した場合はこの数値は３０％程度を選定すべきであるし、ＨＳ平板との接合面積を確保するという発想では約３８．９％程度の半円形状が望ましい。さらにＨＳ平板内の熱伝導を考慮するとこの平坦面幅を大きく設定する事が有効であるが４５％以上では配管材料が高くなりすぎる。以上の考察を全て考慮すると３０％以上で４５％以下が望ましい。４５％では極めて扁平な管路となり、HS平板への接合面積は大きくなり性能上優位であるが、材料費のコスト面では限界である。実際は３０〜４５％の範囲で加工製造性、コストなどを含めて選定することが望ましい。
【００２５】
ヒートシンク平板がアルミの場合はアルミ自体の溶接や金属接合は生産性が劣るため、冷却配管は樹脂接着をする場合が多いが、アルミの線膨張係数が大きいため、接着後に接着が剥がれる心配があるから、数箇所で機械的な固定をする必要がある。同時に発電セルに対しても熱による歪の影響が大きくなるので、線膨張係数の差によるひずみや変形の影響を縮小させるため、発電セルの大きさを小さくすることが有効である。この意味で一辺５００ｍｍ以下の小型寸法の四角形のものを組み合わせた発電セルを考えたい。又は発電セルとＨＳ平板の接合時の作業を実運転時の温度に近い温度（３０〜６０℃）で行い、運転時の熱歪の元凶となる接合時の温度と実運転状態の温度との差を小さくする方法も有効である。
【００２６】
冷却配管として水からの防錆に強い樹脂やステンレス鋼管、内面を防錆用に樹脂をライニングした鉄管やステンレス鋼管を選定することも有効である。ＨＳ平板が鉄板であれば、その線膨張係数は１２．１（×１／百万／℃）となり、アルミ２４．０（同）に較べ、ガラス３．５〜１０．０（同）やシリコン結晶体のそれ２．７（同）に近い値となり、熱ひずみによるストレスはかなり緩和される。その場合冷却配管も同等な線膨張係数の材料を選定する事が望ましい。以上の様に冷却配管や冷却媒体回路や冷却媒体回路カバーなどを接着剤などでＨＳ平板に接着する場合、その後の剥がれ、変形を防止する意味で機械的にも固定する事が望ましい。従ってＨＳ平板で発電セルがその上面に接合された場合に発電セルの無い部分、即ちＨＳ平板の外周部において機械的にＨＳ 平板と冷却配管などを固定する事は実用的である。機械的な固定とは固定バンドを用いてネジ留めする方法などが考えられる。
【００２７】
ＨＳ平板に接合する冷却配管として水からの防錆に強い樹脂やステンレス鋼管、内面を防錆用に樹脂をライニングした鉄管やステンレス鋼管を選定することも有効であり、成形性の点から銅管または銅合金管も有望である。特に価格の安い且つ成型の易しい鉄板やステンレス鋼板や亜鉛メッキ鉄板によってこの配管をサンドイッチした構造にする事によりＨＳ平板との固定強度の確保と共に伝熱性能の向上が図れる。特に事情により樹脂配管を用いる場合はこの方法が有効である。この場合にもＨＳ平板は平板で、押さえ金具は適宜絞り成型をして冷却配管の外周をカバーする形で押さえ込んでＨＳ平板に固定する。熱はＨＳ平板と押え金具の双方を経由して冷却配管に伝わ分だけ伝熱性能は高くなる。樹脂製の冷却管であっても全外周から伝熱するため充分な伝熱性能を期待できる。その性能を更に高めるため冷却管の周囲には伝熱促進用充填材や接着剤を塗布したり、樹脂製冷却管の材料を高伝熱性素材を利用する事が有効である。
【００２８】
冷却管に水を通す場合夏季の高温度環境では水ポンプが故障した時に発電セル、ＨＳ平板、冷却管などの温度が１２０℃以上に上昇する事がある。この場合樹脂や接着剤の耐熱性が厳しい状況となる。一方厳寒期の深夜など輻射冷却もあってセルから放熱し、ＨＳ平板も冷却管も０℃以下に下がる。このときには冷却管内の水の凍結による冷却回路カバー、ＨＳ平板、発電セルなどの破損、接着接合部の剥がれなどの不良の発生が心配される。その対策は何れも冷却管周りの構造が重要となる。  酷暑期の温度上昇時には冷却管内の水は蒸発して温度上昇を抑える効果を発揮する。この発生した蒸気を自然対流により冷却管内を上昇し、排気される方式を採用するには冷却管の内部に気体溜まりの空間の無い事が重要である。冷却管の全ての部分が例えば蛇行状でのぼり傾斜で構成されていれば発生した水蒸気は最上部まで上昇し、排蒸気機構を通して外部に排気される。
【００２９】
この結果冷却管内は常に水に満たされているので１００度プラス若干の温度上昇以下に保つ事が可能となる。一方厳寒期にはモジュールの外部の下方に設けられた凍結防止駒組み込みの蛇口によってモジュール内の水の凍結を防止する。該蛇口はモジュールの冷却管内と連通されており、外気温度が降下し該蛇口の駒部分が１〜２℃以下になると駒は開き蛇口から排水が行われる。この排水量はわずかであるがモジュールの冷却管内の水を循環させることになり凍結を防止することができる。勿論駒の温度が上昇すれば蛇口は閉じられるから排水される水量はモジュールの断熱のし具合によっては僅かですます事ができる。この場合にも冷却管内に水溜まり箇所が無く全ての内包された水が少しずつ流下することができることが重要である。
【００３０】
このため、冷却媒体は冷却管の最下部分から導入されて最上部から排出される方式をとり、冷却管の構成は下から上に向けて常に水平か登り勾配になっている事が必要である。
ヒートシンク平板と冷却管乃至は冷却媒体回路カバーなどとの接着はその作用温度、硬化時間、硬化後の硬度と接合強度、耐熱温度、耐湿度など多くの特性項目が適正である事を要請されるが。他方、ＨＳ平板の上に発電セルを接合することを考えてどちらを先に行うか、同時に行うかというその作業順番、温度や押し圧力や作業空間条件などの作業環境を適正に制御することが求められる。したがってその接着剤の材質も極めて慎重に選定される。その材質はウレタン系、フェノール系、エポキシ系、エティレンビニル系（ＥＶＡ）などの高機能接着剤から選定されるが、作業温度は常温に近い事が望ましく少なくとも１５０℃以下の温度が選定される。
【発明の効果】
【００３１】
本発明により次のような効果が得られるものと考えられる。
１、太陽光を利用して電力と温熱を同時に同一のセルから獲得する機能（コジェネレイ  ション）を持った太陽光コジェネレイションモジュールが実現できることを提示した。  
２、太陽光コジェネレイションモジュールの設計、製造に必要な構造、材料其の他の基本
的な技術を明確化した。
３、本発明に提示した技術により高性能で実用的な、高い信頼性で長寿命、生産性の高い  コスト対応力のある太陽光コジェネレイションモジュールの実現ができる。
４、このモジュールを組み込んだエネルギー利用システムを実現する見通しを立てること  が可能であり、このシステム実現のための検討を進める事ができる。
５、このシステムを実現して普及させ、エネルギー価格に優れた、ＣＯ２発生の少ない地  球環境保護に貢献させる事が可能になると期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】  以下、本発明に関連する技術の実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。
図１はヒートシンク平板の下面に冷却媒体回路カバーを設けて冷却媒体回路を構成させた方式の太陽光コジェネレイションモジュールの事例の構造断面図とその一部分（Ａ部分）の拡大図を示す。図に示されたモジュールはその受光面（即ち発電セルの表面）の面積は１平米（１ｍ四角）で全ての部材は直接間接にモジュール枠体９により支持されている。発電セル４、ヒートシンク平板６、冷却媒体回路カバー７などから成る太陽電池コアはヒートシンク平板６に担持されモジュール枠体９にヒートシンク平板留め金１０により固定されている。ヒートシンク平板６は肉厚１ｍｍの一枚のステンレス鋼板製で、肉厚０．５ｍｍのステンレス鋼板を図の様に成型した冷却媒体回路カバー７とが図中Ｌ２で示された部分の中央でシーム溶接されて接合されている。  カバー７は幅Ｌ１で示された冷却媒体回路を形成するもので、全体としてその回路は蛇行状にＨＳ平板６のほぼ全面積に渡ってカバーする様に形成されている。その回路はピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）の間隔の並行部分と両端のＵターン部分で蛇行状に連続する様に構成されている。【００３３】  冷却媒体は水であり図中１で示されるＬ１の部分では冷却水は直接ＨＳ平板６を通して発電セル４を冷却するが、Ｌ２の部分は発電セルの発熱量はＨＳ平板６と冷却媒体カバー７を伝わってＬ１の部分まで流れそこで冷却媒体１１（水）によって冷却される。したがってＬ２の部分ではＬ２の距離が設定された距離寸法５０ｍｍを超えない距離に相当する。ここではＬ２は４０ｍｍに設定されており、この結果Ｌ２部分の発電セル４の発熱量は大きな温度差無く冷却媒体１１（水）に伝えられている。ＨＳ平板と冷却媒体カバー７をシーム溶接した後にＨＳ平板の上面に一辺１５０ｍｍの多結晶シリコンベースの四角いセル３６枚を使って回路構成した発電セル４が肉厚０．４ｍｍのＥＶＡ製の発電セルカバー３と肉厚１．０ｍｍのＥＶＡ製の接着用ホットメルト５でサンドイッチされた状態で設置され１３０℃の高温の真空環境で接合され、太陽電池コアが形成されている。【００３４】
ＨＳ平板は肉厚１．０ｍｍのステンレス鋼板であり、その線膨張係数は１７．３（×１／百万／℃）とそれほど大きな値では無く（アルミニウムの７０％）、１５０℃で発電セル４とホットメルト接合された後に常温以下に冷却されてもＨＳ平板に生じる縮小寸法量はアルミニウムの場合ほど大きくなく且つ発電セルは分割して小型化されているし、相互の接合には１．０ｍｍ肉厚のＥＶＡホットメルトを使っているので発電セルとの熱膨張差による歪は充分に吸収される。その結果ＨＳ平板形状はほぼ平坦の状態を保つし、発電セル４のシリコンセルも破損には至らないという効果を有する。
【００３５】  冷却媒体回路カバー７をＨＳ平板６に接着剤やホットメルトなどにより１５０℃以下の環境で接合する場合には、先ずＨＳ平板と発電セルの接合を行った後に冷却媒体カバーを接合する事が可能となる。これにより上面が完全に平坦なＨＳ平板のみの状態で接合作業台の上に置いて発電セルを圧着して接合することが可能となり接合強度と品質確保に優位である。冷却媒体カバーは図１に示した様な構造が一案であるが、これを樹脂製にする事も可能であるので、その場合冷却媒体の耐圧などに注意すれば形状の自由度が向上して最適な構造を実現し易くなると同時にコスト低減の面でも優位である。【００３６】ここでは冷却媒体回路とは図１に示した様な冷却媒体回路カバーとＨＳ平板を一体化した様な樹脂製の構造のものでこれをＨＳ平板に接着する。この場合はＨＳ平板と冷却媒体回路のＨＳ平板側の壁面が二重構造になるので伝熱面、コスト面では不利になるのは否めないが、樹脂製で冷却媒体回路自体を完成させた状態でＨＳ平板に接着させるため製造性、品質面では優位な方式である。この場合ＨＳ平板と合わされる壁面は０．５ｍｍ程度の薄い肉厚にして性能、コスト面でのマイナスを少なくすることを考える。接着作業環境温度が低いと一般には接着時間が増加するが、１００℃に近い温度で作業性の良い接着剤は実用化されているし、作業温度をあまり上げないほうが作業環境、エネルギー消費削減の意味では有効であり、実用性は高い。【００３７】  図２は請求項１に提示した技術を実用化する場合の太陽電池コアの一実施案の断面拡大図を示している。アルミニウムを用いたＨＳ平板はその熱伝導率が高いため冷却しない領域の幅の寸法が５０ｍｍを超えないという規定は緩められる。同じ基準で設定すれば短距離寸法が９０ｍｍを超えないという規定が妥当と思われる。従って冷却配管には図１の様なＬ１という幅の広いものではなく、コスト、製造性の点から実用上有利な円形断面の管体が選択されることが多い。この場合ＨＳ平板と接する面の伝熱と接着強度を確保するために円形断面に平坦な面を事前に形成しておくことが有効である。図２ではステンレス鋼管の冷却配管１３に冷却配管平坦面１４を形成してＨＳ平板６の下面に接合させ８０℃硬化型のエポキシ樹脂製接着剤で接着している。【００３８】
冷却配管平坦面１４は冷却配管１３の全外周寸法に対しある一定の割合の長さであることが望ましく、図２の場合は３９％であり、冷却配管１３の外周形状は半円形状となっている。この結果、冷却配管平坦面１５は接合に充分な面積を有し、また冷却配管内の管路は冷却水を流すに十分な断面積を有している。ＨＳ平板６にはこの冷却配管１３を機械的に固定するために多数の引っ掛け爪を設けることも有効であるがここでは採用していない。
【００３９】  それは前段でＨＳ平板６に発電セル４をホットメルト接合するときに邪魔になるからである。その代わり図示していないが、請求項１に提示した如く、冷却配管１３はＨＳ平板６の外周部近辺において留め金とネジによりＨＳ平板に固定し、前記エポキシ樹脂接着剤が剥がれることが無い様にしている。【００４０】請求項３に提示した様に、図２の事例ではステンレス鋼管の冷却配管１３を厚さ１．０ｍｍの鉄板製ＨＳ平板６に多数の並行管をＵ字管で接続した様な蛇行状態の冷却配管１３の並行管同志の間の距離は最大４０ｍｍに設定してあり、その結果発電セル４と冷却水との温度差は約４〜５℃程度以下に保たれ、良好な結果が得られる。【００４１】請求項２に提示した太陽光コジェネレイションモジュールの実施例を図３に示した。ＨＳ平板６は１ｍｍ肉厚の亜鉛メッキ鉄板であり、亜鉛メッキ鉄板製の押さえ金具１２はステンレス鋼管製の冷却配管１３をＨＳ平板６に押さえつける様にＨＳ平板６にスポット溶接されている。  冷却配管１３とＨＳ平板６及び押え金具１２の隙間には伝熱促進用のアルミ片を混ぜたシリコン充填材が塗布されてその間隙を満たし、伝熱を促進している。ＨＳ平板６も押さえ金具１２も鉄板製であるから、線膨張係数は１２．１（×１／百万／℃）と小さく、発電セルの材質の線膨張係数（シリコン結晶は２．７（同）、硬質ガラス３．５（同））に近い特性であることが、全体の熱歪による不良の低減、発電セルの破損防止の点で有利である。【００４２】  冷却配管１３は図示していないが５０ｍｍピッチの管径１０ｍｍの複数並行配管であり、「隣接冷却配管までの管の中心間の距離寸法が５０ｍｍと冷却管の径の和の寸法を超えない」という基準は６０ｍｍ（５０ｍｍと１０ｍｍの和）以下であるからその規定を満たしている。この結果発電セル４において生じる温熱は大きな温度差無くＨＳ平板６を伝って冷却配管１３を加熱して温熱を伝える事ができる。ここでは冷却媒体に水を用いているから冷却配管１３には錆の無いステンレス鋼管を用いている。ステンレスの熱伝導率はアルミニウムは勿論鉄に比べても悪いが、その外周を鉄板の押え金具がカバーして熱を伝えるためその悪い熱抵抗を補完する事が出来る。【００４３】
防錆をさらに完全にするには塩ビ樹脂管乃至は内面に樹脂ライニングしたステンレス鋼管を用いる事もあり、この押え金具１２を用いたヒートシンクの方式では冷却管１３として最適な材料を選択することが可能である。双方が亜鉛メッキ鉄板であるＨＳ平板６と押え金具１２との間をスポット乃至はシーム溶接する事は容易いし、費用も安い。この場合にはこの溶接をＨＳ平板６の上面に発電セル４を接着する前に行う事がその作業部分の温度及び作業内容からみて妥当である。発電セル４がＨＳ平板の上面に接合された状態では溶接が不可能だからである。
【００４４】
図１、図２、図３何れの事例も図４に示される様な大部分が並行配管をＵ字配管で連結して蛇行配管のように冷却配管が構成されている。  この場合、実際に設置された図４の状態で全ての冷却配管１３は等ピッチの並行配置ではなく、Ｕ字配管の先は若干広がり気味にしてあり、その結果何処にも空気溜まりの無い様に、連続的に上昇（乃至は下降）するように構成されている。この結果空気溜まりにより伝熱性能が低下するのを防げるだけでは無く、温度的に過負荷条件で水蒸気が発生した時もその水蒸気は上昇して排気されるから冷却配管１３内は何時も水に満たされるため１００℃を大きく超える異常な温度上昇が防げる。
【００４５】  一方、厳寒期で冷却水１１が凍結するような条件でも、僅かに水を循環させておく事により水の凍結が防げるという効果が期待できるわけである。この効果を保つ為の構造面の技術は請求項３に提示している。
以上述べてきた何れの事例でもＨＳ平板と冷却管乃至はその構成部材との間を接着する樹脂接着剤はエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ＥＶＡなどを用いる。これら接着剤は金属同士又は樹脂との接合強度が充分であり、作業温度も１５０℃以下での選定が可能であり、加工時間も適正に選定でき、信頼性の高い接合が実現に適している接着剤であるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】鉄板製ヒートシンクつき太陽光コジェネレイションモジュールの断面図
【図２】冷却パイプ接合ヒートシンク平板製の太陽電池コアの断面図
【図３】冷却パイプオンヒートシンク平板製の太陽電池コアの断面図
【図４】太陽光コジェネレイションモジュールの屋根上設置状態の断面図
【符号の説明】
【００４７】
１    上面カバー
２    空気層
３    発電セルカバー
４    発電セル
５    接着用ホットメルト
６    ヒートシンク平板
７    冷却媒体回路カバー
８    下部断熱層
９    モジュール枠体
１０  ヒートシンク平板留め金
１１  冷却媒体
１２  押さえ金具
１３  冷却配管
１４  冷却配管平坦面
１００屋根
１０１モジュール据付台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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