(57)【要約】【課題】不均一に冷却される太陽電池を含む太陽光発電システムおよび方法を提供する。【解決手段】本発明の１つまたは複数の実施形態は、太陽光発電システムを対象とする。このシステムは、太陽電池アレイを形成するために隣り合って配置された太陽電池を備えている。このシステムは、１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスをさらに含んでおり、これらの層は、動作中に電池を冷却するために、太陽電池アレイとは反対の方向に延びており、太陽電池アレイと熱的連通関係にある。１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度でアレイの太陽電池から熱を除去するために、太陽光発電システムの熱抵抗が太陽電池アレイ全体で変化するように構造化される。本発明の１つまたは複数の実施形態は、そのような太陽光発電システムを冷却するための関連するシステムおよび方法をさらに対象とする。【選択図】図２
2019511894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池アレイを形成するために隣り合って配置された太陽電池と、前記太陽電池アレイとは反対の方向に延びており前記太陽電池アレイと熱的連通関係にある１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスであって、動作中の前記電池を冷却するように構成されている冷却デバイスと
を備え、
前記１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度で前記アレイの太陽電池から熱を除去するために前記太陽光発電システムの熱抵抗が前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、太陽光発電システム。
【請求項２】
前記１つまたは複数の層は、前記アレイの前記太陽電池の既定の照明の形状に従って前記熱抵抗が前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記１つまたは複数の層は、前記熱抵抗が０．０５〜０．７ｃｍ２Ｋ／Ｗの範囲内で変化するように構成されている、請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記アレイの２つの太陽電池に対応する位置での前記システムの平均的な局所熱抵抗の差は、０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きい、請求項３に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記平均的な局所熱抵抗の差は、０．２ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きい、請求項４に記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記熱抵抗は、動作中に前記アレイの前記太陽電池それぞれの最大電力点での電圧の最大差が０．２Ｖ未満になるように、前記最大電力点での前記電池の前記電圧のばらつきを制限するのに十分である、請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
動作中に前記最大差は０．１Ｖ未満である、請求項６に記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
前記太陽電池の少なくとも一部は、前記アレイ内で並列に電気的に接続されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項９】
前記システムは、動作中に前記太陽電池アレイのある領域に集光させて、前記電池の不均一な照明の形状が生じるように構成された集光型太陽光発電システムであり、
前記１つまたは複数の層は、前記熱抵抗が前記不均一な照明の形状に従って前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１０】
前記電池は、多接合太陽電池である、請求項９に記載の太陽光発電システム。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の層は、開口部または構造物を介した不均一な熱交換を可能にし、さらに、異なる熱除去速度で前記アレイの個別の太陽電池における熱を除去するために、前記開口部または構造物の不均一なパターンを示す少なくとも１つの層を含む、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの層は、前記アレイの外側の部分に対する１つまたは複数の位置におけるよりも、前記アレイの中心に対する位置での方が大きい、開口部または構造物の局所密度または寸法あるいはその両方を示す、請求項１１に記載の太陽光発電システム。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度で前記アレイの個別の太陽電池における熱を除去するために、開口部の個別の不均一なパターンを示す少なくとも２つの層を含み、前記２つの層のうちの１つから前記２つの層のうちの別の１つへの流体連通を可能にする、請求項１１または１２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の層は、冷却微細構造の積み重ねを形成する少なくとも３つの層を含み、前記３つの層のうちの任意の１つから前記３つの層のうちの任意の他の１つへの熱的連通を可能にする、請求項１１に記載の太陽光発電システム。
【請求項１５】
前記開口部の不均一なパターンが同心の円形スリットを含み、前記円形スリット間の間隔が、前記太陽電池アレイの平均平面に対して平行な平面内で半径方向に変化する、請求項１１ないし１４のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１６】
前記開口部の不均一なパターンが、スリットの１次元アレイまたは２次元アレイを含み、前記スリット間の間隔が、前記太陽電池アレイの平均平面に対して平行な平面内で特定の方向に沿って変化する、請求項１１ないし１５のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１７】
太陽光発電システムを冷却するための方法であって、太陽電池アレイを形成するために太陽電池を隣り合って配置することと、異なる熱除去速度で前記アレイの太陽電池から熱を除去することによって、前記太陽電池を冷却することとを含む、方法。
【請求項１８】
前記太陽電池を冷却することは、前記太陽電池アレイとは反対の方向に配置されて前記太陽電池アレイと熱的連通関係にある１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスによって実行され、前記１つまたは複数の層は、前記太陽光発電システムが前記太陽電池アレイ全体で変化する熱抵抗を有するように構造化される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記太陽電池を冷却することは、前記アレイの前記太陽電池の既定の照明の形状に従って実行される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記太陽電池を冷却することは、前記アレイの前記太陽電池それぞれの最大電力点での電圧の最大差が０．２Ｖ未満になるように、前記最大電力点での前記電池の前記電圧のばらつきを制限するために実行される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記太陽電池を冷却することは、前記最大差が０．１Ｖ未満になるように実行される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記太陽電池の少なくとも一部は、前記アレイ内で並列に電気的に接続されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記太陽電池を冷却することは、開口部を介した不均一な熱交換を可能にし、さらに、異なる熱除去速度で前記アレイの個別の太陽電池における熱を除去するために、前記１つまたは複数の層の前記開口部の不均一なパターンを介して液体を循環させることを含む、請求項１８ないし２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記太陽電池を冷却することは、前記１つまたは複数の層のうちの２つの隣接する層の開口部の個別の不均一なパターンを介して液体を循環させることを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記太陽光発電システムは、前記太陽電池アレイのある領域に集光させて、それによって、前記電池の不均一な照明の形状が生じるように構成された集光型太陽光発電システムであり、
前記太陽電池を冷却することは、前記不均一な照明の形状に従って実行される、請求項１８ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、冷却される太陽光発電システムの分野に関し、さらに詳細には、太陽電池アレイを形成するために隣り合って配置された太陽電池を含んでいる太陽光発電システムに関し、さらに、そのような太陽光発電システムを冷却するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本説明全体を通じて、以下の定義を前提とする。
【０００３】
太陽光発電（ＰＶ：photovoltaics）は、光起電力効果を示す半導体を介して太陽放射を直流電流に変換することによって電力を生成することを表す。
【０００４】
太陽電池（photovoltaic cell）（またはＰＶ電池、「太陽電池（solar cell）」もしくは「光電池」とも呼ばれる）は、光起電力効果によって光のエネルギーを直接電気に変換する半導体デバイスである。
【０００５】
太陽光発電アレイまたは太陽光発電モジュール（「ソーラー・モジュール」、「ソーラー・パネル」、または「太陽光発電パネル」とも呼ばれる）は、接続された太陽電池のアセンブリである。
【０００６】
太陽光発電システムは、通常、太陽電池の少なくとも１つのモジュール、インバータ、および相互接続配線を含む。
【０００７】
熱収集器（「太陽熱収集器」とも呼ばれる）は、放射（通常は太陽放射）を吸収することによって熱を収集する。
【０００８】
熱交換器または熱カプラは、熱をある媒体から別の媒体に効率的に移動させるデバイスまたは機器の一部である。
【０００９】
ヒート・シンクは、熱をデバイスから別の媒体に放散することによってデバイス（太陽電池アレイなど）を冷却するのに役立つ熱交換器である。
【００１０】
集光型太陽熱発電（concentrated solar power）（「集光型太陽熱発電（concentrating solar power）」またはＣＳＰとも呼ばれる）システムは、広い面積の放射流束を狭い面積に集中させるミラーまたはレンズを使用し、それによって、集中された光が熱に変換されて発電機に接続された熱エンジン（例えば、蒸気タービン）を駆動するときに、電力（electrical power）（「電力（power）」とも呼ばれる）を生成できるようにする。集光の一般的形態は、放物面樋型、皿型、集光線形フレネル反射器（concentrating linear Fresnel reflector）、および太陽熱発電塔である。
【００１１】
集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrated photovoltaic）システムは、光学（例えば、レンズ）を使用して、大量の太陽光を光起電材料の狭い面積に集中させて電気を生成する。集光によって、より面積の狭い太陽電池の使用を可能にする。
【００１２】
ＣＰＶをＣＳＰと混同するべきではない。ＣＳＰでは、集中された太陽光が熱に変換された後に、その熱が電気に変換される。これに対して、ＣＰＶでは、集中された太陽光が、光起電力効果を使用して直接電気に変換される。
【００１３】
太陽光・太陽熱ハイブリッド収集器（Photovoltaic thermal hybrid solar collectors）（「ハイブリッドＰＶ／Ｔシステム」またはＰＶＴとも呼ばれる）は、太陽放射を熱エネルギーおよび電気エネルギーに変換するシステムである。そのようなシステムは、光子を電気に変換する太陽電池を、ＰＶモジュールから熱を除去することによって残りのエネルギーを捕らえる太陽熱収集器と組み合わせる。ＰＶＴ収集器の２つのカテゴリ（つまり、ＰＶ／Ｔ流体収集器（PV/T fluid collector）およびＰＶ／Ｔ集光器）が、一般に知られている。
【００１４】
ＰＶ／Ｔ流体（気体または液体）収集器（通常は水冷式である）は、通常、ＰＶモジュールの裏面に取り付けられた熱伝導性金属のパイプまたはプレートでできている。作動流体は、通常、水または水とグリコールの混合液である。ＰＶ電池からの熱は、作動流体の温度が電池の動作温度よりも低いということを仮定して、金属を伝わって作動流体によって吸収される。閉ループ・システムでは、この熱は、周囲の環境に廃棄されるか、または熱交換器で移動されて、さらに利用するための適用に向かって流れる。開ループ・システムでは、作動流体は、熱の廃棄またはさらなる利用の後に、ＰＶ電池に再循環されない。
【００１５】
ＰＶ／Ｔ集光器（ＣＰＶＴ：PV/T concentrators）では、必要な太陽電池の量を減らすために、集光システムが提供される。ＣＰＶＴは、平坦なＰＶ／Ｔ収集器と比較して非常に優れたＰＶ電池の単位面積当たりの太陽熱収量（solar thermal yield）を達成できる。しかし、ＣＰＶＴの主な障害は、太陽電池の十分な冷却および耐久性のある追跡システムを提供することである。
【００１６】
他のエネルギー源と比べた場合のＰＶシステムの短所は、直達太陽放射の断続的性質である。この性質は、オンデマンド型電力よりも非常に価値が低い断続的な電力供給につながり、送電網の不安定性につながることがある。例えばバッテリでの電気エネルギーの蓄積は、１日分の生産のための蓄電ユニットのコストが、太陽光発電所よりも高くなることがあるほど、法外に高価である。集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）システムは、収集された熱を蓄積し、蓄積された熱が放散されるまで、オンデマンドで電気を生成することができる。集光型太陽光発電（ＣＰＶ）発電所は、ＰＶシステムおよびＣＳＰシステムよりも変換効率が高い。それでも、ＣＰＶシステムは断続的発電による影響を受ける。加えて、ＣＰＶシステムの効率は、アレイまたはモジュールを構成しているＰＶ電池の性能、およびＰＶ電池の冷却に使用される冷却システムの性能によって決まる。集光型太陽光・太陽熱発電（ＣＰＶＴ：Concentrated photovoltaic thermal）システムは、熱の利用が追加されているため、システム効率がさらに高くなっている。
【００１７】
ＣＰＶシステムは、ＰＶ電池での太陽放射照度の高い幾何学的集光を（通常は、５００〜３０００ｓｕｎｓのオーダーで）達成することを目指す。そのような集光は、通常、光を単一の焦点面上に集めるファセットミラーによって可能にされる。しかし、ミラーのトポロジーは、決して完全ではない。個々のミラーの焦点および受容開口部の変化は、焦点面上の不均質な照明パターンにつながる。したがって、照明パターンを均質にすることを目指す光混合器が使用されてよい。ただし、それによって、集光効率が低下する。円形の照明パターンの例が、図３に示されている。均質化された照明パターンの例が、図７に示されている。各ケースでは、色の等高線のプロットが使用され、対応する３Ｄプロットが示されている。
【００１８】
ＣＰＶシステムで使用される集光光学によって、通常は、ＰＶ電池の表面上で不均一な照明が得られる。照明をさらに均一にすることは、さらに多くの光学要素を統合することが必要になるため、効率の低下を伴う。パッケージ化および冷却のコストを削減するために、電気相互接続および冷却を提供する共通の支持構造物を使用して、（隣り合って配置される）ＰＶ電池のアレイがしばしば設計される。しかし、この構成では、アレイ内のＰＶ電池は、異なる照明にさらされるため、異なる電気出力特性を示す。ＰＶ電池ごとに同じ電気出力を有するようにするために、いくつかのＣＰＶソリューションは、単一の光学要素を単一のＰＶ電池と対にすること（点焦点システム）に頼っている。
【００１９】
点焦点システムと比較して、高密度のアレイ・システムは、集光素子ごとに複数の電池を含む、緊密にパッケージ化されたＰＶ電池を使用する。したがって、そのようなソリューションは、コスト的な優位性を提供することができる。高密度のアレイ・システムでは、放熱のための電池ごとの表面積が少ないため、発熱が点焦点システムの場合よりも高いことがある。適切な熱管理を行って、高密度のアレイ・システムにおいて発生する熱を、ポリジェネレーション（すなわち、電気、熱、およびその他のリソース（例えば飲料水または空調など）の生産）に使用することができ、それによって、システム全体のコストパフォーマンスが向上する。
【００２０】
効率的な冷却デバイスが設計されており、例えばＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１に記載されているように、冷却デバイスが極めて低く、広い面積にわたって均一な熱抵抗を提供し、この冷却デバイスにＰＶ電池を取り付けることができる。そのような冷却デバイスは、高濃度の太陽放射においても、ＰＶ電池の温度を必要なしきい値未満に保つ手段を提供する。さらに、この冷却デバイスは、その低い熱抵抗のため、発生した熱を高温で回収できるようにし、ポリジェネレーションの活用をさらに可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】ＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、不均一に冷却される太陽電池を含む太陽光発電システムおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
第１の態様に従って、本発明の１つまたは複数の実施形態が、太陽光発電（ＰＶ）システムとして具現化される。このシステムは、ＰＶ電池のアレイを形成するために隣り合って配置された太陽光発電（ＰＶ）電池を備えている。このシステムは、１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスをさらに含んでおり、これらの層は、動作中に電池を冷却するために、ＰＶ電池のアレイとは反対の方向に延びており、ＰＶ電池のアレイと熱的連通関係にある。１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度でアレイのＰＶ電池から熱を除去するために、ＰＶシステムの熱抵抗がＰＶ電池のアレイ全体で（すなわち、アレイの平均平面に対して平行な平面内で）変化するように構造化される。
【００２４】
上記のソリューションは、ＰＶ電池のアレイ全体で温度を調節できるようにし、したがって、最大電力点（ＭＰＰ：maximum power point）での各ＰＶ電池の出力特性（例えば、電圧ＶＭＰＰおよび電流ＩＭＰＰ）における不均一性を低減することに使用できる。具体的には、この性質は、出力電圧のばらつき（または、ＶＭＰＰのばらつき）を低減し、場合によっては最小限に抑えるために利用されてよい。ＶＭＰＰのばらつきを低減すると、最小ＶＭＰＰが増加し、このことは、各電池が並列に接続される場合に、特に有利である。さらに、それによって、下で詳細に説明するように、システムのエネルギー効率を改善する。このソリューションは、ＣＰＶシステム、ＣＰＶＴシステム、またはハイブリッドＰＶ／Ｔシステムにおいて、高密度のＰＶ電池のアレイで、特に使用され得る。
【００２５】
１つまたは複数の実施形態では、１つまたは複数の層は、アレイのＰＶ電池の既定の照明の形状に従って、熱抵抗がＰＶ電池のアレイ全体で変化できるように構造化される。
【００２６】
具体的には、ＰＶシステムは、動作中にＰＶ電池のアレイのある領域に集光させるように構成されたＣＰＶシステムであることがあり、それによって、電池の不均一な照明の形状が生じる。したがって、１つまたは複数の層は、不均一な照明の形状に従って、熱抵抗がＰＶ電池のアレイ全体で変化するように構造化されてよい。ＰＶ電池は、多接合ＰＶ電池であってよい。
【００２７】
１つまたは複数の実施形態では、１つまたは複数の層は、アレイの異なる電池でのさまざまな熱除去速度に最適に対応するために、熱抵抗が０．０５〜０．７ｃｍ２Ｋ／Ｗの範囲内で変化するように構造化される。例えば、アレイの２つの特定のＰＶ電池（例えば、アレイ内で大幅に異なる照明を受ける電池）に対応する位置でのシステムの平均的な局所熱抵抗（local thermal resistance）の差は、０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きくなることがあり、０．２ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きくなることさえある。
【００２８】
１つまたは複数の実施形態では、熱抵抗は、前述したように、ＭＰＰでの電池の電圧のばらつきを制限するように設計され、その場合、動作中のアレイの各ＰＶ電池の（個々の）ＭＰＰ電圧の最大差は、０．２Ｖ未満になる。そのような制限は、実際に、システムの良好な性能をすでにもたらしている。ただし、動作中の最大差が、例えば０．１Ｖ未満にさらに低減された場合、性能がさらに改善されるはずである。
【００２９】
ＶＭＰＰのばらつきの達成可能な制限のために、アレイのＰＶ電池のうちの（全部ではないとしても）少なくとも一部が、有利なことには、並列に電気的に接続されてよい。
【００３０】
１つまたは複数の実施形態では、冷却デバイスが次のように設計される。冷却デバイスが備える１つまたは複数の層は、開口部または構造物（例えば、平面外に突き出ている構造物）の不均一なパターンを示す少なくとも１つの層を特に含んでよい。つまり、開口部または構造物のパターンが平面内（すなわち、ＰＶ電池のアレイの平均平面に対して平行な平面内）で変化する。これによって、（開口部または構造物を介した）不均一な熱交換が可能になり、さらに、アレイの異なる熱除去速度で個別のＰＶ電池において熱を除去できるようにする。
【００３１】
例えば、少なくとも１つの層は、例えば、特に中心に寄った照明パターンが予想される場合に、アレイの外側の部分に対する１つまたは複数の位置におけるよりも、アレイの中心に対する位置での方が大きい、開口部または構造物の局所密度または寸法あるいはその両方を示してよい。
【００３２】
変形において、例えば均質化された照明パターンが含まれる場合に、開口部または構造物の局所密度または寸法あるいはその両方は、アレイの外側の部分に対する位置で大きくなってよい。
【００３３】
１つまたは複数の実施形態では、１つまたは複数の層が、開口部の個別の不均一なパターンを示す少なくとも２つの層を含む。そのような開口部は、２つの層のうちの１つから２つの層のうちの別の１つへの流体連通を可能にするように配置される。言い換えると、変化する熱抵抗は、動作中にアレイの異なる熱除去速度で個別のＰＶ電池において熱を除去するように、冷却デバイスの２つの層（例えば、２つの隣接する層）をパターン形成することによって実現される。
【００３４】
必要に応じて、冷却デバイスは、３つ以上の層を含んでよく、それらの層は、冷却微細構造の積み重ねを形成し、３つの層のうちの任意の１つから３つの層のうちの任意の他の１つへの熱的連通を可能にする。
【００３５】
例えば、開口部の不均一なパターンは、積み重ねの特定の層内で、同心の円形スリットを含んでよく、それらの円形スリット間の間隔は、平面内で（すなわち、アレイの平均平面に対して平行な平面内で）半径方向に変化してよい。このようなパターンは、中心に寄った照明パターンによく適している。
【００３６】
変形において、開口部の不均一なパターンは、スリットの１次元（１Ｄ：one-dimensional）アレイまたは２次元（２Ｄ：two-dimensional）アレイによって実現されてよく、これらのスリット間の間隔は、アレイの平均平面に対して平行な平面内で特定の方向に沿って変化する。このような設計は、有利なことには、均質化された照明パターンに一致するように採用される。ただし、半径方向に変化するスリット間の間隔を示すスリットの２Ｄアレイが、中心に寄った照明パターンに同様に使用されてよい。
【００３７】
別の態様によれば、本発明の１つまたは複数の実施形態は、ＰＶシステムを冷却するための方法であり、このＰＶシステムは、ＰＶ電池のアレイを形成するために隣り合って配置されたＰＶ電池を備えている。この方法は、前述の原理と一致して、異なる熱除去速度でアレイのＰＶ電池から熱を除去することによって、ＰＶ電池を冷却することを含む。
【００３８】
具体的には、この冷却は、前述したように、例えば、ＰＶ電池のアレイとは反対の方向に配置されてＰＶ電池のアレイと熱的連通関係にある１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスによって実現され、これらの１つまたは複数の層は、ＰＶシステムがＰＶ電池のアレイ全体で変化する熱抵抗を有するように構造化される。
【００３９】
例えば、このシステムは、ＰＶ電池のアレイのある領域に集光させるＣＰＶシステムであることがあり、それによって、電池の不均一な照明の形状が生じる。したがって、ＰＶ電池を冷却するステップは、不均一な照明の形状に従って実行されてよい。
【００４０】
さらに一般的には、ＰＶ電池を冷却するステップは、アレイのＰＶ電池の既定の照明の形状に従って実行されてよい。
【００４１】
１つまたは複数の実施形態では、冷却するステップは、ＭＰＰでの各電池の出力電圧のばらつきを制限するために、各ＰＶ電池のＭＰＰでの個々の電圧の最大差が、０．２Ｖ未満（好ましくは、０．１Ｖ未満）になるように実行される。電圧のばらつきの達成可能な制限のために、また、本方法を実行する目的で、アレイのＰＶ電池のうちの少なくとも一部が、有利なことには、アレイ内で並列に電気的に接続されてよい。
【００４２】
１つまたは複数の実施形態では、開口部を介した不均一な熱交換を可能にし、さらに、異なる熱除去速度でアレイの個別のＰＶ電池における熱を除去するために、冷却するステップは、１つまたは複数の層の開口部の不均一なパターンを介して液体を循環させることに依存する。例えば、液体は、１つまたは複数の層のうちの２つ以上の隣接する層の開口部の個別の不均一なパターンを介して循環されてよい。
【００４３】
ここで、本発明を具現化する太陽光発電システムおよび冷却方法が、非限定的な例として、添付の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態に記載された、太陽電池アレイを示す太陽光発電システムの上面図である。
【図２】実施形態に記載された、太陽電池アレイの下に位置し、太陽電池アレイと熱的連通関係にある、不均一に配置された構造物を備える冷却デバイスをさらに示す、図１のシステムの２Ｄ断面図である。
【図３】中心に寄った照明パターンに適した実施形態を対象とする図である。
【図４】中心に寄った照明パターンに適した実施形態を対象とする図であり、太陽電池の高密度のアレイに重ね合わされた中心に寄った照明パターンを示している。
【図５】中心に寄った照明パターンに適した実施形態を対象とする図であり、実施形態に記載された、開口部の個別の不均一なパターンを示す冷却デバイスの２つの層の上面図を示しており、これらの層は、異なる熱除去速度で図４のアレイの個別の太陽電池から熱を除去できる。
【図６】中心に寄った照明パターンに適した実施形態を対象とする図であり、実施形態に記載された、開口部の個別の不均一なパターンを示す冷却デバイスの２つの層の上面図を示しており、これらの層は、異なる熱除去速度で図４のアレイの個別の太陽電池から熱を除去できる。
【図７】中心に寄っていない照明パターンに適した実施形態を示す図であり、均質化されたパターンの例を示している。
【図８】中心に寄っていない照明パターンに適した実施形態を示す図であり、ＰＶ電池の高密度のアレイに重ね合わされたそのようなパターンを示している。
【図９】中心に寄っていない照明パターンに適した実施形態を示す図であり、アレイの個別の太陽電池から熱を除去するのに適した開口部の個別の不均一なパターンを示す冷却デバイスの２つの層の上面図を示している。
【図１０】中心に寄っていない照明パターンに適した実施形態を示す図であり、アレイの個別の太陽電池から熱を除去するのに適した開口部の個別の不均一なパターンを示す冷却デバイスの２つの層の上面図を示している。
【図１１】一様に冷却された（すなわち、実施形態に従わない）太陽電池アレイにおいて、そのような電池の温度の関数として通常発生する電圧のばらつきを表すグラフである。
【図１２】高い均一な熱抵抗を仮定して、電池において実現される光濃度の関数として、電池の温度依存性を示す図である。
【図１３】均一な冷却デバイスを使用して（すなわち、実施形態に従わずに）取得された、図１１および図１２のグラフに類似するグラフであり、システムは低い均一な熱抵抗を有していると仮定され、それによって、最大電力点での電圧のばらつきが低減されている。
【図１４】均一な冷却デバイスを使用して（すなわち、実施形態に従わずに）取得された、図１１および図１２のグラフに類似するグラフであり、システムは低い均一な熱抵抗を有していると仮定され、それによって、最大電力点での電圧のばらつきが低減されている。
【図１５】（実施形態に従って）不均一な冷却を反映している、図１１〜図１２および図１３〜図１４のグラフに類似するグラフであり、検討中の各電池の電圧のばらつきが著しく削減されている。
【図１６】（実施形態に従って）不均一な冷却を反映している、図１１〜図１２および図１３〜図１４のグラフに類似するグラフであり、検討中の各電池の電圧のばらつきが著しく削減されている。
【図１７】（実施形態に従わずに）熱を除去するための開口部の均一なパターンを含む冷却デバイスを示す図である。
【図１８】太陽電池の高密度のアレイを示す図である。
【図１９】（実施形態に従わずに）熱を除去するための開口部の均一なパターンを含む冷却デバイス（図１７）を使用して、中心に寄った照明パターンを受ける太陽電池の高密度のアレイ（図１８）を均一に冷却することによって取得された結果を示す図であり、対応する熱抵抗およびアレイ全体で取得された出力電圧を示している。
【図２０】（実施形態に従わずに）熱を除去するための開口部の均一なパターンを含む冷却デバイス（図１７）を使用して、中心に寄った照明パターンを受ける太陽電池の高密度のアレイ（図１８）を均一に冷却することによって取得された結果を示す図であり、対応する熱抵抗およびアレイ全体で取得された出力電圧を示している。
【図２１】（実施形態に従って）開口部の不均一なパターンを含む冷却デバイスを示す図である。
【図２２】太陽電池の高密度のアレイを示す図である。
【図２３】（実施形態に従って）開口部の不均一なパターンを含む冷却デバイス（図２１）を使用して、図１８と同じ中心に寄った照明を受ける太陽電池の高密度のアレイ（図２２）を不均一に冷却することによって取得された結果を同様に示す図である。
【図２４】（実施形態に従って）開口部の不均一なパターンを含む冷却デバイス（図２１）を使用して、図１８と同じ中心に寄った照明を受ける太陽電池の高密度のアレイ（図２２）を不均一に冷却することによって取得された結果を同様に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
添付の図面は、実施形態に記載された、デバイスまたはデバイスの一部の簡略化された表現を示している。図面に示された技術的特徴の縮尺は、必ずしも一定ではない。各図の類似する要素または機能的に類似する要素には、特に示されない限り、同じ参照番号が割り当てられている。
【００４６】
高密度のアレイ・システムでは、複数の太陽光発電（ＰＶ）電池が、直列方式または並列方式で電気的に相互接続される。本手法に従って、相互接続されアレイの電気出力が、最大電力点（ＭＰＰ）での各ＰＶ電池の特性（例えば、電圧（ＶＭＰＰ）および電流（ＩＭＰＰ））における不均一性に起因する大きさに制限されるということが決定された。さらに、不均一な照明（高密度のアレイのＰＶシステムにおいて一般的に発生する）も、異なるＶＭＰＰおよびＩＭＰＰの値をもたらすため、相互接続されたアレイの電気出力を損なう。
【００４７】
したがって、本発明に従って、ＰＶ電池の温度の調節を利用して、（ＭＰＰでの）電池の出力特性を調整することができ、これが特に、例えば電池の高密度のアレイ内で、各電池が並列に相互接続される場合に役立つということが決定された。したがって、本発明の１つまたは複数の実施形態は、不均一な冷却のアプローチをＰＶシステムに提供し、このアプローチは、ＰＶ電池のアレイ全体で温度を調節し、さらに、各ＰＶ電池の出力特性における不均一性を低減できるようにする。それによって、理解されるであろうように、電池の（個々の）最小ＭＰＰ電圧を増やすことができ、有利なことには、ＰＶ電池が並列に電気的に接続される場合に、この最小ＭＰＰ電圧の増加を利用できるようにする。
【００４８】
さらに詳細には、標準的な従来技術の冷却ソリューションが使用される場合、ＰＶ電池は、より強い照明にさらされるほど、より高い熱流束を受け、これによって、図１２のグラフに反映されているように、ＰＶ電池の温度が上昇する。このグラフは、ＰＶ電池のアレイの特定の５つの電池の温度を、光濃度の関数として示している。
【００４９】
図１２、図１４、および図１６では、各電池（「電池１」〜「電池５」）が（異なる）冷却デバイスに接続され、同じ不均質な照明にさらされるということが、毎回仮定される。Ｒｔｈは、ＰＶシステム全体（垂直経路上（すなわち、電池から、大きい積み重ねに含まれる液体の入り口／出口の高さにある冷却液まで）のすべての構成要素を含む（例えば、図１および図２を参照））の熱抵抗を示す。熱抵抗は、ＰＶ電池と冷却液の間の温度差ΔＴを、
【数１】
2019511894.tif 000003
として、電池での熱流束ｑと関連付け、ここで
【数２】
2019511894.tif 000004
は、熱流束ｑの時間微分の面密度（すなわち、熱流束ｑの時間微分を、熱流束が通る面積で割った値）を示す。
【００５０】
従来技術のソリューションにおいて一般的に発生する状況を反映している図１１および図１２において、電池のＭＰＰ電圧の差は、ＰＶシステムが比較的に大きい均一な熱抵抗（この場合、０．５ｃｍ２Ｋ／Ｗ（図１２を参照））を示すということに起因する、不均一な光濃度および発生する温度差（この例では、約５０℃に及ぶ）による悪影響を受ける。
【００５１】
可能な最低の熱抵抗を有する冷却されるシステムが、図１３〜図１４に反映されており、ここではＲｔｈが０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗに均一に低減されている。必然的に、低い均一な熱抵抗によって、電池の温度が、約１０℃（図１４）の範囲に広がるように制限されている。これによって、図１３に示されているように、ＶＭＰＰのばらつきも低減されている。しかし、電池間で不均一に変化する熱抵抗を使用して、図１５〜図１６に反映されているような、さらに非常に良い結果を得ることができる。ここで、例えば不均一な照明に基づいて、冷却デバイスの性質を適応させることによって、電池の温度が図１４の状況と比較して広い範囲にわたっていても（図１６を参照）、図１１〜図１２および図１３〜図１４の状況と比較して、ＭＰＰ電圧の広がりを大幅に狭めることができるということが理解される。
【００５２】
ここで、図１〜図１０および図２１〜図２４を参照して、ＰＶシステム１に関して、１つまたは複数の実施形態に従う本発明の態様について説明する。基本的に、システム１は、ＰＶ電池のアレイ５を形成するために隣り合って配置されたＰＶ電池１０を備えている。システム１は、ＰＶ電池１０のアレイ５と反対の方向に延びる１つまたは複数の層２１〜２３（図２を参照）を含んでいる冷却デバイス２０をさらに備えている。層２１〜２３は、動作中にＰＶ電池１０を冷却するために、ＰＶ電池１０のアレイ５と熱的連通関係にある。
【００５３】
層の積み重ね２１〜２３は、ＰＶシステム１の熱抵抗が均一にならないように、すなわち、ＰＶ電池１０のアレイ５全体で（すなわち、アレイ５の平均平面に対して平行な平面（ｘ，ｙ）内で）明らかに変化するように構造化される。熱抵抗の変化は、動作中に電池の異なる熱除去速度でアレイ５のＰＶ電池１０から熱を除去できるようにする。
【００５４】
前に説明したように、これによって、ＰＶ電池のアレイ全体で、電池の温度を調節できるようにする。したがって、ＭＰＰでの各ＰＶ電池の出力特性（ＶＭＰＰ、ＩＭＰＰ）における不均一性を低減し、それに応じて電池のＶＭＰＰのばらつきを低減する（または、最小限に抑える）、適切な調節を実現することができる。さらに理解され得るように、同様の、またはより高いＲｔｈを維持しながらＶＭＰＰのばらつきを低減することによって、システム１の全体的エネルギー効率を改善することもできる。
【００５５】
加えて、ＶＭＰＰのばらつきを（場合によっては、大幅に）低減することができるため、すべての電池１０の出力に悪影響を与えることなく、電池１０（の少なくとも一部）を、有利なことには、並列に接続することができる。
【００５６】
冷却デバイス２０の上側は、通常、アレイ５の裏面（すなわち、図２の電池１０の照明が当たらない側）に対応する面に広がる。冷却デバイス２０は、開口部またはスリット３１、３２（または、突き出ている構造物４０）の不均一なパターンを示す１つまたは複数の層２１〜２３（すなわち、積み重ねられた平面構造）を特に含んでよい。不均一なパターンは、後で示されるように、開口部／構造物が不均一な寸法で形成され、例えば平面的なアレイ５に対して平行な平面内に配置されているか、または、その平面に対して垂直に配置されているか、あるいはその両方で配置されている（例えば、互いに間隔を空けて分散されている）ということを意味している。言い換えると、ＰＶ電池１０のアレイ５全体でシステム１の熱抵抗を変化させるために、パターンが（繰り返すことなく）電池間で変化する。ここで検討される熱抵抗は、ＰＶシステム１全体の熱抵抗である。ただし、熱抵抗の変化は、基本的に、冷却デバイス２０によってもたらされる。
【００５７】
冷却デバイスの「層」２１、２２、２３は、通常、望ましい不均一なパターンを実現するように構造化、機械加工などが行われ得る、平面要素に対応する。特定の「層」２１、２２、２３は、例えば、階層的な冷却の積み重ねの階層内の特定のレベルに対応してよい。積み重ねの層２１〜２３のうちの１つ（例えば、ＰＶ電池１０に最も近い最上位の層）のみが、開口部または構造物の不均一なパターンを示してよい。ただし、開口部（またはスリット）を使用して冷却液を冷却デバイス２０全体に流す場合、図３〜図６および図７〜図１０を参照して後で説明されるように、１つの層２１内の不均一なパターンは、冷却液を１つの層２２から他の層２１に適切に流すために、隣接する層２２内の不均一なパターンを必要とする可能性がある。
【００５８】
有利なことに、熱抵抗は、アレイ５のＰＶ電池１０の予想される空間的な照明の形状に基づいて、ある特定の位置で減少されるように（かつ、反対に、他の特定の位置で増加されるように）、電池１０間で変化してよい。したがって、図２〜図１０および図２１〜図２４の実施形態に反映されているように、既定の照明の形状に従って、熱抵抗がＰＶ電池のアレイ全体で変化するように、ＰＶシステム１の１つまたは複数の層２１〜２３が構造化されてよい。これによって、ＶＭＰＰのばらつきを最小限に抑え、最小ＶＭＰＰを増やす、特定の温度調節を実現できるようにする。
【００５９】
当業者が理解するであろうように、アレイ５内の一部の位置でより高い熱抵抗値を意図的に実施することは、例えばＣＰＶシステムにおいて、電気的効率を高めるためにＰＶ電池全体の温度を均等に低く維持しようとする一般的な方法である限り、直観に反している。
【００６０】
全体的に、提案されたシステム１は、ＰＶ電池の良好な電気整合、および全体的な冷却流量とポンプ能力を低減する可能性のために、均一な低い熱抵抗を有するＰＶシステムと比較してエネルギー効率が高くなることが可能である。改善された電気整合が、ポンプ能力の低減を直接可能にするのではないということに注意されたい。むしろ、高いＲｔｈを有する領域を許容することによって、領域全体で低いＲｔｈを示す必要がある状況と比べて、全体的なポンプ量を減らすことができる。
【００６１】
多数の電池（例えば、少なくとも３×３個、５×５個、または６×６個の電池）に対して温度を調節するために、有利なことには、１つまたは複数の実施形態を参照して下で説明されるように特定の能動的冷却方式が使用され得る。
【００６２】
平均ポンプ能力が減らされてよいため、冷却デバイス２０の動作中に消費される電力は、均一な冷却システムと比較して（等しいか、またはさらに良いＰＶ電池の全体性能で）削減されてよい。実際に、最先端の冷却デバイスでは、熱除去速度は均一であり、通常は、目標のＰＶ電池（すなわち、最も高い発熱率を示しがちな電池）の冷却の必要性を満たすように準備される。その結果、熱除去速度は、より低い発熱率を示しがちなＰＶ電池にとって、過剰に準備される傾向がある。過剰に準備される傾向があるＰＶ電池は、前述の目標のＰＶ電池と比較して電池温度が低くなるが、それらの電力出力が、目標のＰＶ電池の電力出力よりも非常に低くなる可能性がある。したがって、（均一な）高い熱除去速度にもかかわらず、（電池の組み合わせから生じる）全体的なＶＭＰＰは、（目標のＰＶ電池のＶＭＰＰに対応する）最高の個別のＶＭＰＰ値よりも非常に低くなる。
【００６３】
これに対して、本アプローチでは、例えば、目標のＰＶ電池に対して主に作用するように液体流を流すことによって、熱除去速度が空間的に調節され、その場合、前述の例と比較して、局所的な熱除去速度が、この目標のＰＶ電池では高くなり、その他のＰＶ電池では低くなる。したがって、熱除去速度が、目標のＰＶ電池では同一であるか、またはわずかに高くなるが、その他の（多くの）ＰＶ電池では低下する程度まで、全体的な流量を低減することができる。したがって、結合されたＶＭＰＰ（ＰＶ電池の並列接続を仮定する）は、上の例におけるＶＭＰＰに少なくとも等しくなる（または、良くなる）が、全体的な冷却液の流量を低減することができ、したがって、その場合に必要なポンプ能力が少なくなる。
【００６４】
加えて、（すべての条件が同じである場合に）高い冷却速度が必要になる面積が狭いため、この冷却デバイス２０を製造するために必要なプロセス制御は、一様な冷却デバイスと比較して容易である。
【００６５】
このソリューションは、太陽放射からの発電に応用されてよく、（通常は、モジュール・レベルで、従来のＰＶシステムと比較して、相対的に６０％を超えて上回る）より高い全体的エネルギー効率をもたらすことができる。このソリューションは、ＣＰＶシステム、ＣＰＶＴシステム、またはハイブリッドＰＶ／Ｔシステムにおいて、高密度のＰＶ電池のアレイでの使用を、特に企図され得る。
【００６６】
１つまたは複数の実施形態では、冷却デバイス２０は、ＰＶ電池のアレイ５と反対の方向に延びる１つまたは複数の層２１〜２３を備えている液体ベースの冷却システムであり、図３および図２１〜図２４の実施形態で仮定されているように、この液体が循環されて、ＰＶ電池のアレイから熱を除去することができる。
【００６７】
変形において、冷却デバイスは、基本的には熱伝導構造物を介した熱拡散によって、場合によってはヒート・シンク内の流体流を介した対流によって、熱の除去を保証するヒート・シンクであってよい。
【００６８】
図２において仮定されているように、電池間で熱抵抗を変化させるようにデバイス２０の各層が不均一に構造化され、一方、デバイスの他の層が冷却液を運んで熱を除去する、ハイブリッド・ソリューションが企図され得る。
【００６９】
以下では、そのようなすべての変形が詳細に説明される。
【００７０】
冷却デバイス２０は、層２１〜２３に加えて、熱結合構造物（heat coupling structures）１５を備えてよい。変形において、冷却デバイス２０は、例えばＰＶ電池が（熱交換器の一部として機能する）熱伝導基板内に埋め込まれる場合に、ＰＶ電池の境界または境界の近くまで延びる層２１〜２３を備えてよい。したがって、熱結合構造物１５は、厳密に必要というわけではない。
【００７１】
熱結合の特徴１５は、ＰＶ電池のアレイ５の一部であるか、またはＰＶ電池のアレイ５を含んでいる上部構造物であってよい。ＰＶ電池のアレイおよび冷却デバイスの構成要素は、混合されてよい。それでも、一般に、冷却デバイスおよびＰＶアレイが、通常通り独立して製造されてから組み立てられる限り、冷却デバイスおよびＰＶアレイが個別の構成要素であることは変わらない。
【００７２】
重要なことに、このソリューションでは、システム１の（局所）熱抵抗が、ある電池と別の電池の間で、測定可能な方法で変化するということに注意されたい。そのような変化は、当分野において知られているような、均一な熱除去を保証するために熱抵抗が電池の寸法未満で（例えば、標準的な電池の寸法よりも大幅に小さいステップまたはピッチを有する規則的格子に従って）変化する、熱交換のための開口部、流路、またはスリットの均一なパターンから生じる局所的変化とは区別されるべきである。標準的な従来技術の設計において、単に流路、開口部、またはスリットの整列に起因して生じる（平面内の）熱除去速度の変化がすでに観察されているため、この区別は重要である。しかし、そのような変化は、例えば照明の形状またはＰＶ電池で発生する実際の発熱率における不均一性に関して、電池間の不一致を補償するのに適していない。
【００７３】
ここで図２１〜図２３を参照すると、実施形態において、システム１は、（垂直の）熱抵抗が０．０５〜０．７ｃｍ２Ｋ／Ｗの範囲内で変化するように構造化された、１つまたは複数の層２１〜２３を備えてよい。そのような値は、熱結合層１５を考慮する。さらに一般的には、熱抵抗の推定は、ＰＶ電池の表面から液体の入り口／出口の内部までの垂直経路上の（冷却液自体を含む）すべての構成要素（例えば、図２の液体流路２５１）を考慮する。したがって、本明細書で検討される熱抵抗は、電池１０間の熱抵抗の変化が基本的に冷却デバイス２０の設計に起因する場合でも、システム１全体の抵抗である。
【００７４】
１つまたは複数の実施形態では、アレイ５の２つの特定のＰＶ電池１０（必ずしも隣接していない）に対応する位置でのシステム１の平均的な局所熱抵抗の差は、０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きくなり、０．２ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きくなることさえある。問題となる２つの電池は、例えば、極端な値の照明を受ける電池に対応してよい。図１６に示されているように、熱抵抗のより大きい（例えば、０．３または０．４ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きい）差が発生することがある。図１６の電池の温度が図１５の温度に対応するということに注意されたい。局所熱抵抗における特性の違いは、実際には、実際の実施設計、補償しようとする照明の形状、選択される材料、寸法、液体の流量、およびその他の複数の実験パラメータによって決まる。前述した下限値（０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗ）は、アレイの２つの特定の電池に関する、望ましい最小値の妥当な桁を単に反映している。ただし、すべてのＰＶ電池が個別の熱除去速度を必ずしも有する必要がないということに注意されたい。また、特に隣接するＰＶ電池の場合に、照明パターンに応じて小さい差（または、全く差がない）が発生することがあり、その場合の熱抵抗の差は、０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗよりもかなり低くなることがある。
【００７５】
ここで図１５を参照すると、１つまたは複数の実施形態では、システム１の熱抵抗は、ＭＰＰでの電池１０の（個々の）出力電圧のばらつきが制限されるように、設計されてよい。具体的には、図１５で仮定されているように、アレイ５の各ＰＶ電池１０の（ＭＰＰでの）出力電圧の最大差は、有利なことには、動作中に０．２Ｖ未満になることがあり、０．１Ｖ未満になることさえある。この差は、可能な限り小さくなるのが理想的である。言い換えると、アレイ５の特定の位置で熱がＰＶ要素１０から除去される速度は、すべてのＰＶ要素１０の最大電力点の最大差をできるだけ縮小するように、各位置１０で適応される。
【００７６】
ここでは、個々に検討される電池のＶＭＰＰのばらつきを最小限に抑えることについて述べており、このＶＭＰＰが、電池がアレイ内で（例えば並列に）接続されている場合の、電池の結合されたＶＭＰＰとは区別される必要があるということに注意されたい。実際に、個々の出力電圧の最大差を大幅に縮小することができるため、ＰＶ電池１０のうちの少なくとも一部（または、場合によってはすべての電池）が、有利なことには、アレイ５内で並列方式で電気的に接続されてよいということが理解される。
【００７７】
前述したように、システムの熱抵抗は、既定の不均一な照明の形状に従って、この形状の不均一性を補償するように変化してよい。これは、ここで図３〜図６および図２１〜図２４を参照して説明したように、ＣＰＶシステムまたは類似のシステムの場合に特に有利である。ＣＰＶシステムおよび同様のシステムは、大量の太陽光をＰＶ電池１０のアレイ５の狭い面積に集中させるために光学要素（例えば、レンズ）を含んでおり、それによって、電池１０の不均一な照明の形状（通常は、図３および２２に示されているような中心に寄った放射状の形状）が生じる。そのような場合、冷却デバイス２０の１つまたは複数の層２１〜２３は、熱抵抗Ｒｔｈが、平面内で（すなわち、アレイ５の平均平面に対して平行に、ＰＶ電池のアレイ全体で）、集中された光から生じる不均一な照明の形状と一致して変化するように、有利なことには、構造化されてよい（例えば、図５、図６、および図２１を参照）。
【００７８】
電池１０は、多接合（ＭＪ：multi-junction）ＰＶ電池１０であってよい。多接合電池は、異なる半導体材料を含む複数のＰ−ｎ接合を有する。各半導体のＰ−ｎ接合は、異なる光の波長に応答して電流を生成する。複数の半導体材料を使用することによって、より広い範囲の波長を吸収できるようにし、電池のエネルギー変換効率を改善する。
【００７９】
通常の結晶Ｓｉ太陽電池は、最良のケースで、２０％〜２５％のＰＶ効率を有するが（それらの理論上の最大効率は、約３４％である）、ＭＪ電池は、４３％を超えるＰＶ効率を示した。
【００８０】
したがって、１つまたは複数の実施形態において、システム１（具体的には、ＣＰＶシステム）は、有利なことには、Ｓｉベースの電池などの単一接合ＰＶ電池と比較して太陽スペクトルをさらに十分に利用するためにＭＪ電池を使用してよい。ＭＪ電池の高い電池コストは、集光光学を使用して電池の面積を縮小することによって、相殺され得る。
【００８１】
前述したように、熱抵抗は、層２１〜２３を構造化することによって変化させられてよい。具体的には、図２、図５〜図１０、および図２１に示されているように、構造物２１〜２３は、開口部３１、３２、または構造物４０を介した不均一な熱交換を可能にするために、開口部３１、３２、または構造物４０の不均一なパターンを示す少なくとも１つの層（例えば、２１、２２）を含んでよい。これは、さらに、異なる熱除去速度でアレイ５の個別のＰＶ電池から熱を除去できるようにする。
【００８２】
開口部３１、３２、流路（例えば、スリット）、または構造体４０によって提供されるような特徴の不均一なパターンは、（平面内または平面外あるいはその両方の）そのような特徴３１、３２、４０またはそのような特徴３１、３２、４０の間の平面内の間隔あるいはその両方の寸法が、異なる熱除去速度で電池から熱を除去するために、アレイ５内の電池ごとに変化するということを暗示している。それにもかかわらず、特徴３１、３２、４０の同じパターンが、複数の電池に関して局所的に発生してよいということに注意されたい。すなわち、電池のサブセットが同じ発熱率を示す傾向があることがあるため、電池ごとに厳密に異なる特徴のパターンが存在する必要はなく、それによって、パターン全体を簡略化する。ただし、少なくとも２つの（ただし、さらに多い可能性がある）ＰＶ電池は、図２〜図１０および図２１〜図２４に示されているように、冷却デバイス２０の１つまたは複数の層２１、２２、２３内の構造化された特徴３１、３２、４０の個別の局所的パターンに面する。
【００８３】
例えば、図５、図６、図９、図１０、および図２１では、提供された開口部３１、３２の面密度は、冷却デバイスの１つまたは複数の層２１、２２内で、電池のアレイ５とは反対の面（ｘ、ｙ）全体で、電池ごとに変化している。図５〜図６および図２１では、冷却スリット３１、３２の密度は、そのような場合に予想される中心に寄った放射状の形状に一致して、中心でより大きくなっている。
【００８４】
さらに一般的には、冷却の特徴の密度は、熱抵抗Ｒｔｈが、電池で発生する熱流束と（ほぼ）反比例して変化するように、変化してよい（例えば、図２３および図２４を比較する）。理想的には、図２４で得られる個々の電池のＶＭＰＰの平坦な形状によって示されているように、各電池の出力において均一な電気的性質が得られるよう補償が調整される。
【００８５】
特徴３１、３２の密度が変化する液体ベースの冷却デバイスでは、熱流束の形状（図２４）に一致するように、部分ポンプ能力ＦＰＰ（fractional pumping power）（図２３）を調整することができ、それによって、冷却の特徴の密度が均一であり、ＦＰＰおよびＲｔｈの形状が平坦である（本発明に従わない）図１７〜図１８のような状況と比較して、平均ポンプ能力を低減することができる。図１７では、従来技術の銅ベースのヒート・シンクを使用して得られる標準的な値と一致する、Ｒｔｈの（均一な）値＝０．３ｃｍ２Ｋ／Ｗが仮定されている。図２０にさらに示されているように、電池の得られたＶＭＰＰの形状は大きく変化しており、これは、他のすべての条件が同じである場合に、図２１の実施形態と比べて低い性能をもたらす。
【００８６】
（ＣＰＶシステムと同様に）中心に寄った照明の形状が予想される場合、図５、図６、および図２１に示されているように、積み重ね２１〜２３の少なくとも１つの層が、アレイ５の外側の部分に対する１つまたは複数の位置におけるよりも、ＰＶ電池のアレイ５の中心に対する位置（または、照明の形状の最大光度（maximum of the illumination profile）に対応する任意の位置）での方が大きい、開口部３１、３２（図３〜図６および図２１〜図２４）または構造物４０（図２）の局所密度または寸法あるいはその両方を示してよい。
【００８７】
変形において、例えば（図７〜図１０におけるように）均質化された照明の形状が予想される場合、積み重ね２１〜２３の１つまたは複数の層が、アレイ５の外側の部分に対して、開口部３１、３２、もしくは構造物４０のより高い密度、またはそのような特徴３１、３２、４０のより大きい寸法、あるいはその両方を示してよい。
【００８８】
前述したように、熱抵抗は、図５および図６におけるような特徴３１、３２の平面内の寸法、または図９および図１０におけるような、そのような特徴間の平面内の間隔、あるいはその両方を変えることによって、変化させることができ、図２の例において層２１を構成する突き出ている構造体４０の平面外の寸法を変えることによっても、変化させることができる。異なる組み合わせが企図され得る。例えば、図２において、特徴４０の空間（平面内）分布および平面外の寸法の両方が、予想される照明の形状の不均一性を適切に補償するように、電池１０間で変化する。
【００８９】
加えて、図５および図６（中心に寄った照明の形状）ならびに図９および図１０（均質化された照明の形状）に示されているように、液体が１つの層２２から他の層２１に適切に流れることを保証するために、１つの層（例えば層２１）内の不均一なパターンが隣接する層２２内の不均一なパターンを必要とすることがあるということが、観察されている。
【００９０】
図５〜図６の例では、開口部３１、３２（それぞれ、層２１、２２内にある）が、予想される照明の形状と一致する、不均一な放射状のパターンを形成している。具体的には、層２１は、同心の円形スリットを含んでおり、これらの円形スリット間の間隔が、層２１と同一の平面内で半径方向に変化しており、すなわち、この間隔は、アレイ５の平均平面に対して平行な平面（ｘ，ｙ）内で調節される。すなわち、冷却の特徴の密度は、図２１に示されているように、層２１の表面上で半径方向に変化しており、縦のスリットの面密度が、中心と比較して、エッジにおいて減少している。
【００９１】
図９〜図１０の例では、開口部３１、３２がスリットの１Ｄアレイ（図１０）または２Ｄアレイ（図９）を形成しており、スリット間の間隔が、層２２と同一の平面内で特定の方向（ｘまたはｙ）に沿って変化している。
【００９２】
図５〜図６および図９〜図１０の各実施形態では、冷却パターンが、照明パターン、または特定のＰＶ電池の望ましい動作温度、あるいはその両方に適応されている。冷却流路の方向と寸法、液体の流量、および熱結合は、レベル２１〜２３の階層的配置のため、特定の冷却構造物の階層に従って、冷却デバイス２０の設計によって制御される。スリットはスルーホールであり、１つの層２１から他の層２２への流体連通を可能にする。例えば、層２２内で、開口部３２は、上層２１のスリット３１と一致して配置され、適切な液体分布を保証する。液体が適切に流れることを保証するために、層２２の下の次の層（図示されていない）内で、追加のスリット／流路が提供されてよい。層２１の上（図示されていない）の液体を制限するには、追加の構造物が提供される必要がある。変形において、層２１内のスリット３１は、液体の循環が層２１によって抑制されるように、上部で閉じられたブラインド・スリット（blind slit）であってよい。
【００９３】
さらに一般的には、実施形態に従うＰＶシステム１は、開口部３１、３２の個別の不均一なパターンを示す２つ（またはさらに多くの）の層２１、２２を備えてよく、開口部３１、３２は、２つの層のうちの１つから２つの層のうちの別の１つへの流体連通を可能にし、さらに、異なる熱除去速度でアレイ５の個別のＰＶ電池１０における熱を除去するように配置されている。このようにして、図３〜図６、図７〜図１０、および図２１〜図２４の実施形態におけるような電池間の不均一な熱除去を保証するために、液体が層の積み重ね２１〜２３全体で循環されてよい。
【００９４】
開口部（または流路）の可能な配置および相互接続に関する追加の役立つ情報が、ＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１に記載されている。当然ながら、ＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１の内容は、本明細書の文脈において、必要に応じて不均一なパターンを考慮するように、適切に適応される必要がある。
【００９５】
例えば、冷却デバイス２０は、（それぞれ入り口および出口を持つ）２つの流体回路を含んでよい。これらの各回路は、開口部および流路部分の特定の配置を含んでよく、流路部分は、ＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１に記載されているように、自己相似パターンに従って、回転流路部分のセットなどに分割される。そのような開口部および流路部分の平面内の寸法、またはそれらの間の間隔、あるいはその両方は、ＰＶ電池１０のアレイ５全体でシステム１の熱抵抗を適切に変化させるために、不均一なパターンを生じさせるように適応されてよい。
【００９６】
例えば、開口部および流路部分の配置は、開口部を表す分岐および流路部分を表すノードを有するツリー構造を形成することができる。各回路は、Ｌレベル（Ｌ≧３）のツリー構造を通ってさらに広がり、葉となる流路部分（すなわち、ツリーの葉ノードに対応する）を介して他の回路と流体接続する。回路ごとに、兄弟ノードに対応する流路部分は、互いに平行しており、さらに、兄弟ノードの親ノードに対応する流路部分に対しては平行ではない。最後に、１つの流体回路の流路部分は、他の回路の流路部分と平行し、互いにかみ合わされてよい。詳細については、ＷＯ  ２０１３／１４４７５０  Ａ１を参照するものとする。
【００９７】
前述したような構造は、ＰＶ電池またはＰＶ電池を埋め込んでいる基板のレベルで、あるいはＰＶ電池と直接熱接触している熱交換器１５または熱結合構造物のレベルでの、開口部の高密度の（本明細書の文脈に適切に適応された後の）不均一な配置の実現を可能にする。
【００９８】
（それほど効率的ではないが）より単純な変形では、図２の実施形態におけるように、単純な熱伝導構造物４０が利用されてよく、その場合、熱は、より単純な液体の循環によって最終的に除去される。
【００９９】
図２の実施形態では、３つの層２１、２２，２３は、冷却微細構造の階層的積み重ねを形成し、３つの層のうちの任意の１つから３つの層のうちの任意の他の１つへの熱的連通を可能にする。電池１０は、基板（または本体）２７に埋め込まれる。階層的に順序付けられた冷却微細構造の積み重ね２１〜２３は、別の本体２５によってそれ自体が支持されている本体２７に埋め込まれる。液体導管２５１は、熱除去のために支持体２５内に統合されており、それによって、冷却微細構造の積み重ねを形成する。したがって、図２の実施形態は、ヒート・シンク／液体ベースのハイブリッド冷却ソリューションと見なされ得る。
【０１００】
熱カプラ（または熱交換器）１５は、電池１０の下に位置し、熱カプラ１５はさらに、ＰＶ電池基板と接触している。
【０１０１】
階層的な冷却の積み重ね２１〜２３は、異なるレベル（Ｌ≧３）の冷却構造から成り、第１のレベル２１は熱カプラ１５と緊密に熱接触している。最後のレベル２３は、微細構造の積み重ね２５に接続される。照明される領域は、実質的にすべてのＰＶ電池のアレイ５をカバーすると仮定され、このアレイ５の横寸法は、本体２５および２７の横寸法に基本的に一致する。明らかに、この例における電池の数は、説明を明確にする目的で、制限されている。同様に、示されているさまざまな構成要素の縮尺は一定ではない。
【０１０２】
実際のデバイスは、さらに多くの電池を含んでいる可能性が高く、通常は３×３、４×４、５×５、または６×６アレイに配置される。さらに大きいアレイも可能である。（ｘ，ｙ）平面内の個々の電池の標準的なエッジの長さは、５ｍｍ〜２０ｍｍであり、隣接する電池のエッジ間の距離は、５０μｍ〜３００μｍになることがある。ＰＶ電池は、前述したように、例えばＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＧａＰを含んでいるＭＪタイプなどの、ＭＪタイプであってよい。それらの電池は、通常、ＰＶ電池の下部の各電極を相互接続する中間の導電層（図示されていない）を介して、本体２７に接合される。
【０１０３】
導電層は、銅などの金属でできていてよく、当業者に知られている方法（電気めっき、接着、または機械プレス成形）によって、本体２７の上部に取り付けられる。実施形態では、銅導電層が、熱カプラ１５のセットとして具現化されてよい。ＰＶ電池の上部の電極は、溶接、半田付け、および金または銀のワイヤ／リボンを使用したワイヤボンディングまたはリボンボンディング、あるいはその他の金属相互接続を含む、既知のプロセスを介して相互接続され得る。本体２７は、通常、シリコンまたはガラスあるいはその両方の層を含んでいる層状構造の外側に作られる。層状構造の個々の層は、融着接合、陽極接合、または共晶接合を含む、確立された接合プロセスを使用して一緒に接合される。
【０１０４】
実施形態では、本体２７は、ステンレス鋼、ニッケル、またはチタンなどの金属および合金を使用して、付加製造技術によって製造されてよい。本体２５は、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ：acrylonitrile butadiene styrene）、ポリオキシメチレン・プラスチック（ＰＯＭ：polyoxymethylene plastic）、または、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ：polyphenylene sulfide）を含むが、これらに限定されない、エンジニアリング・プラスチックでできていてよい。本体２７および２５は、当業者に知られている確立された（例えば、一液型接着剤、多成分系接着剤、またはコンタクト接着剤などの、ただしこれらに限定されない）接着プロセスを使用して、共に接合されてよい。
【０１０５】
別の態様によれば、本発明は、ＰＶシステムを冷却するための方法として具現化され得る。そのような方法の態様は、図１〜図１０、および図２１〜図２４を参照してすでに前述されている。基本的に、この方法は、図１に示されているように、ＰＶ電池１０のアレイ５を形成するために隣り合って配置されたＰＶ電池１０を備えているＰＶシステムに適用される。この方法は、基本的に、異なる熱除去速度でアレイ５のＰＶ電池１０から熱を除去することによって、ＰＶ電池１０を冷却することを含む。すなわち、これまでに説明した原理と一致して、熱が、電池１０間で異なる熱除去速度で除去される。
【０１０６】
実施形態では、前述したデバイス（すなわち、ＰＶ電池１０のアレイ５とは反対の方向に延びており、ＰＶ電池１０のアレイ５と熱的連通関係にある１つまたは複数の層２１〜２３を備えているデバイス）などの、冷却デバイス２０によって、ＰＶ電池１０を冷却するステップが実行される。先行する内容に一致して、層２１〜２３は、システム１が電池１０間で（すなわち、アレイ５の平均平面に対して平行な平面（ｘ，ｙ）内で）変化する熱抵抗を示すように、適切に構造化される。
【０１０７】
システム１は、特に、ＣＰＶシステムまたはハイブリッド・システムであってよい。１つまたは複数の実施形態では、冷却が、アレイ５のＰＶ電池１０の既定の照明の形状（例えば、中心に寄った形状または均質化された形状）に従って実行される。前述したように、図１５に示されているようにＭＰＰでの電池１０の出力電圧のばらつきを制限するために、アレイ５のすべてのＰＶ電池１０の最大電力点での電圧の最大差が０．２Ｖ未満になるか、または０．１Ｖ未満にさえなるように、冷却が実行されてよい。縮小されたばらつきのおかげで、ＰＶ電池１０は、有利なことには、並列に接続され得る。
【０１０８】
液体ベースの冷却システムが使用されてよく、それによって、冷却デバイス２０の層２１〜２３全体で、開口部３１、３２の不均一なパターンを介して液体を循環させることができるようにし、開口部３１、３２を介した不均一な熱交換を可能にし、さらに、異なる熱除去速度でアレイ５の個別のＰＶ電池１０における熱を除去する。図３〜図１０を参照して前述したように、ＰＶ電池１０を冷却することは、層の積み重ね２１〜２３のうちの２つの隣接する層２１、２２、またはさらに多くの層の開口部３１、３２の個別の不均一なパターンを介して液体を循環させることを特に含んでよい。
【０１０９】
上の実施形態は、添付の図面を参照して簡潔に説明されており、多くの変形に対応してよい。上の特徴の複数の組み合わせが企図されてよい。具体的には、ＰＶシステムを参照して説明された変形が、反対に、冷却方法において利用されてよい。
【０１１０】
本発明は、限られた数の実施形態、変形、および添付の図面を参照して説明されたが、本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更が行われてよく、均等のものが代用されてよいということが、当業者によって理解されるであろう。具体的には、特定の実施形態、変形において挙げられたか、または図面において示された（デバイスまたは方法のような）特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、別の実施形態、変形、または図面における別の特徴と組み合わせられるか、またはそのような別の特徴を置き換えてよい。それに応じて、上の実施形態または変形のいずれかに関して説明された特徴のさまざまな組み合わせが、添付の特許請求の範囲を逸脱せずに、企図されてよい。加えて、特定の状況または材料を本発明の内容に適応させるために、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの小規模な変更が行われてよい。したがって、本発明が開示された特定の実施形態に限定されず、本発明が、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むということが意図される。例えば、冷却デバイス２０は、使用され得る多種多様な層設計およびその他の寸法／材料を含んでよい。
【図１】
2019511894.tif 000005
【図２】
2019511894.tif 000006
【図３】
2019511894.tif 000007
【図４】
2019511894.tif 000008
【図５】
2019511894.tif 000009
【図６】
2019511894.tif 000010
【図７】
2019511894.tif 000011
【図８】
2019511894.tif 000012
【図９】
2019511894.tif 000013
【図１０】
2019511894.tif 000014
【図１１】
2019511894.tif 000015
【図１２】
2019511894.tif 000016
【図１３】
2019511894.tif 000017
【図１４】
2019511894.tif 000018
【図１５】
2019511894.tif 000019
【図１６】
2019511894.tif 000020
【図１７】
2019511894.tif 000021
【図１８】
2019511894.tif 000022
【図１９】
2019511894.tif 000023
【図２０】
2019511894.tif 000024
【図２１】
2019511894.tif 000025
【図２２】
2019511894.tif 000026
【図２３】
2019511894.tif 000027
【図２４】
2019511894.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月21日(2019.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池アレイを形成するために隣り合って配置された太陽電池と、前記太陽電池アレイとは反対の方向に延びており前記太陽電池アレイと熱的連通関係にある１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスであって、動作中の前記電池を冷却するように構成されている冷却デバイスと
を備え、
前記１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度で前記アレイの太陽電池から熱を除去するために前記太陽光発電システムの熱抵抗が前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、太陽光発電システム。
【請求項２】
前記１つまたは複数の層は、前記アレイの前記太陽電池の既定の照明の形状に従って前記熱抵抗が前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記１つまたは複数の層は、前記熱抵抗が０．０５〜０．７ｃｍ２Ｋ／Ｗの範囲内で変化するように構成されている、請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記アレイの２つの太陽電池に対応する位置での前記システムの平均的な局所熱抵抗の差は、０．１ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きい、請求項３に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記平均的な局所熱抵抗の差は、０．２ｃｍ２Ｋ／Ｗよりも大きい、請求項４に記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記熱抵抗は、動作中に前記アレイの前記太陽電池それぞれの最大電力点での電圧の最大差が０．２Ｖ未満になるように、前記最大電力点での前記電池の前記電圧のばらつきを制限するのに十分である、請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
動作中に前記最大差は０．１Ｖ未満である、請求項６に記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
前記太陽電池の少なくとも一部は、前記アレイ内で並列に電気的に接続されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項９】
前記システムは、動作中に前記太陽電池アレイのある領域に集光させて、前記電池の不均一な照明の形状が生じるように構成された集光型太陽光発電システムであり、
前記１つまたは複数の層は、前記熱抵抗が前記不均一な照明の形状に従って前記太陽電池アレイ全体で変化するように構成されている、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１０】
前記電池は、多接合太陽電池である、請求項９に記載の太陽光発電システム。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の層は、開口部または構造物を介した不均一な熱交換を可能にし、さらに、異なる熱除去速度で前記アレイの個別の太陽電池における熱を除去するために、前記開口部または構造物の不均一なパターンを示す少なくとも１つの層を含む、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの層は、前記アレイの外側の部分に対する１つまたは複数の位置におけるよりも、前記アレイの中心に対する位置での方が大きい、開口部または構造物の局所密度または寸法あるいはその両方を示す、請求項１１に記載の太陽光発電システム。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の層は、動作中に異なる熱除去速度で前記アレイの個別の太陽電池における熱を除去するために、開口部の個別の不均一なパターンを示す少なくとも２つの層を含み、前記２つの層のうちの１つから前記２つの層のうちの別の１つへの流体連通を可能にする、請求項１１または１２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の層は、冷却微細構造の積み重ねを形成する少なくとも３つの層を含み、前記３つの層のうちの任意の１つから前記３つの層のうちの任意の他の１つへの熱的連通を可能にする、請求項１１に記載の太陽光発電システム。
【請求項１５】
前記開口部の不均一なパターンが同心の円形スリットを含み、前記円形スリット間の間隔が、前記太陽電池アレイの平均平面に対して平行な平面内で半径方向に変化する、請求項１１ないし１４のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１６】
前記開口部の不均一なパターンが、スリットの１次元アレイまたは２次元アレイを含み、前記スリット間の間隔が、前記太陽電池アレイの平均平面に対して平行な平面内で特定の方向に沿って変化する、請求項１１ないし１５のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。
【請求項１７】
太陽光発電システムを冷却するための方法であって、太陽電池アレイを形成するために太陽電池を隣り合って配置することと、異なる熱除去速度で前記アレイの太陽電池から熱を除去することによって、前記太陽電池を冷却することとを含む、方法。
【請求項１８】
前記太陽電池を冷却することは、前記太陽電池アレイとは反対の方向に配置されて前記太陽電池アレイと熱的連通関係にある１つまたは複数の層を備えている冷却デバイスによって実行され、前記１つまたは複数の層は、前記太陽光発電システムが前記太陽電池アレイ全体で変化する熱抵抗を有するように構造化される、請求項１７に記載の方法。
【国際調査報告】
2019511894.tif 000029
2019511894.tif 000030