(57)【要約】【課題】透光性が高く、発電量も大きな集光型太陽電池モジュール及び太陽光発電システムを提案する。【解決手段】複数の太陽電池セルが実装されたガラス基板と、集光レンズが複数の太陽電池セルに対応して複数配列した第一の集光レンズ基板と第二の集光レンズ基板とを備えた集光型太陽電池モジュールであって、太陽光を最初に受ける第一の集光レンズ基板と前記第一の集光レンズ基板直下に配置される第二の集光レンズ基板は離間しており、前記ガラス基板は金属ペーストを焼成して形成した金属膜の回路パターンと、太陽電池セル直下のガラス基板領域に形成されたサーマルビアと、さらにサーマルビアに接して金属放熱体が形成されたガラス基板であって、前記ガラス基板の金属放熱体側には透明絶縁膜層と、メッシュ状の金属シートが順に形成され、かつ、前記金属放熱体の熱が透明絶縁膜層を通して前記メッシュ状の金属シートに効率良く伝熱されるようにしたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池セルが実装されたガラス基板と、集光レンズが複数の太陽電池セルに対応して複数配列した第一の集光レンズ基板と第二の集光レンズ基板とを備えた集光型太陽電池モジュールであって、太陽光を最初に受ける第一の集光レンズ基板と前記第一の集光レンズ基板直下に配置される第二の集光レンズ基板は離間しており、前記ガラス基板は金属ペーストを焼成して形成した金属膜の回路パターンと、太陽電池セル直下のガラス基板領域に形成されたサーマルビアと、さらにサーマルビアに接して金属放熱体が形成されたガラス基板であって、前記ガラス基板の金属放熱体側には透明絶縁膜層と、メッシュ状の金属シートが順に形成され、かつ、前記金属放熱体の熱が透明絶縁膜層を通して前記メッシュ状の金属シートに効率良く伝熱されるようにしたことを特徴とする集光型太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記サーマルビアはガラス基板の貫通孔に金属ペーストを塗り込んで焼結した金属が充填され、前記金属放熱体も金属ペーストを印刷して焼結した金属体であることを特徴とする請求項１に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記メッシュ状の金属シートは格子状、あるいはひし形状であり、開口率は７０％以上であり、前記金属放熱体が格子状の金属体部分、あるいはひし形状の金属体部分に重なって配置したことを特徴とする請求項１と２に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項４】
前記太陽電池セルにはアルミ反射鏡面を有する錐状の受光筒が載置可能で、前記受光筒は上端面と下端が開口されて太陽光を太陽電池セルの受光面に案内し、受光筒の外壁には端子状の支持体が少なくとも２本配設され、さらに下方に伸びた支持体の足部がガラス基板に接着固定でき、足部は前記開口面より下方に位置させることで太陽電池セルに載置可能としたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記二枚の集光レンズ基板は平凸集光レンズ、あるいはフレネルレンズで構成され、かつ非球面レンズであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記二枚の集光レンズ基板は集光型太陽電池モジュールの外部から回転駆動力を受けて、前記ガラス基板に対して一体として一方向にスライド移動可能であり、かつ前記回転駆動力はさらに別の集光型太陽電池モジュールに伝達できるように回転駆動シャフトが集光型太陽電池モジュールを貫通して配設されたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記二枚の集光レンズ基板は集光型太陽電池モジュールの外部から二つの回転駆動力を受けて、前記ガラス基板に対して一体として二方向にスライド移動可能であり、かつ前記二つの回転駆動力はさらに別の集光型太陽電池モジュールに伝達できるように二つの回転駆動シャフトが集光型太陽電池モジュールを貫通して配設されたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の集光型太陽電池モジュール。
【請求項８】
請求項６に記載の集光型太陽電池モジュールと、前記集光型太陽電池モジュールを複数個搭載する一軸回転追尾架台とを備えた集光型太陽光発電システムであって、前記二つの集光レンズ基板を一体としてスライド移動する回転駆動源は集光型太陽電池モジュールに並置できるようにサイズを合わせた筐体に収納され、かつ回転駆動シャフトを他に接続可能なように筐体に突設、あるいは穿設され、集光型太陽電池モジュールの前記回転駆動シャフトを次々に連結していくことで複数個の集光型太陽電池モジュールの集光レンズ基板をスライド移動可能にしたことを特徴とする集光型太陽光発電システム。
【請求項９】
請求項７に記載の集光型太陽電池モジュールと、前記集光型太陽電池モジュールを複数個搭載する架台を備えた集光型太陽光発電システムであって、前記二つの集光レンズ基板を一体としてスライド移動する回転駆動源は集光型太陽電池モジュールに並置できるようサイズを合わせた筐体に収納され、かつ二つの回転駆動シャフトが他に接続可能なように筐体に突設、あるいは穿設され、集光型太陽電池モジュールの前記回転駆動シャフトを次々に連結していくことで複数個の集光型太陽電池モジュールの集光レンズ基板をスライド移動可能にしたことを特徴とする集光型太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、集光型太陽電池モジュールとこれに架台を導入して発電システムを構成した集光型太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、農水省の通知により営農型太陽光発電設備が認められ盛んに設置されるに至っている。その多くはシリコン太陽電池モジュールを高架藤棚式の架台に設置して農作業に支障のないようにして発電するものである。しかし日照の確保が必要なことから太陽電池モジュールは密に並べずに間引きする形で設置される。日照に制約があると栽培に影響するため栽培可能な農作物が限られる、あるいは栽培実験で確認して本格設置するのが現状である。【０００３】  これに対して可能な限り日照を確保するために透光性の太陽電池が開発されている（特許文献１）。集光型太陽電池モジュールは、太陽電池セルが小さく、散乱光はすべて透過するため透光性が極めて高く、単位面積当たりの発電量もシリコン系太陽電池に比べて遜色がない。しかし集光型太陽電池モジュールは太陽追尾が必要で一軸回転追尾、あるいは二軸回転追尾の架台が必要である。高架藤棚式の架台に二軸回転追尾機構を設けることは経済性、設備の耐久性を考えると困難なため、一軸回転追尾機構での太陽光発電となる。一軸回転追尾は太陽の日周運動のみを追尾することになるが、発電量を確保しょうとすると集光倍率を低下させなければならない。集光型太陽電池モジュールにおいて集光倍率を低下させることは、高価な太陽電池セルの実装数が増えるので高価格になってしまう。ちなみに一軸回転追尾機構は現行のシリコン系太陽電池モジュールでも検討され始めているので、集光型太陽電池モジュールの参入障壁は低くなっている。【０００４】  レンズ光学ではレンズの組み合わせにより像面湾曲を小さくする技術は知られているが、これを集光型太陽電池モジュールに応用したものも開発されている（特許文献２）。像面湾曲を出来る限り小さく抑えられれば太陽の動きに合わせて集光レンズを僅かにシフトするだけで太陽追尾が可能となる。つまり集光型太陽電池モジュールに太陽追尾機能を持たせるため藤棚式架台への搭載が可能となる。しかし太陽の日周運動と年周運動をどこまで追尾できるかは検証されていない。何種類ものレンズの組み合わせにより光線入射角が大きい場合にも像面湾曲を補正できることが知られているが、このようなレンズ光学の正確な補正技術を太陽電池に適用することは経済的に困難である。特に太陽の日周運動は広角度の動きになるので、これをレンズシフトだけで追尾するには限界がある。従って発電時間が短くなることが容易に推測できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−６２９３１号
【特許文献２】ＷＯ２０１７／１９４７４１号国際公開パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  経済性を十分考慮した低価格で面積当たりの発電量を大きく、そして発電時間を長くでき、透光性の高い集光型太陽電池モジュール、及び太陽光発電システムを提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を解決するために、請求項１は、複数の太陽電池セルが実装されたガラス基板と、集光レンズが複数の太陽電池セルに対応して複数配列した第一の集光レンズ基板と第二の集光レンズ基板とを備えた集光型太陽電池モジュールであって、太陽光を最初に受ける第一の集光レンズ基板と前記第一の集光レンズ基板直下に配置される第二の集光レンズ基板は離間しており、前記ガラス基板は金属ペーストを焼成して形成した金属膜の回路パターンと、太陽電池セル直下のガラス基板領域に形成されたサーマルビアと、さらにサーマルビアに接して金属放熱体が形成されたガラス基板であって、前記ガラス基板の金属放熱体側には透明絶縁膜層と、メッシュ状の金属シートが順に形成され、かつ、前記金属放熱体の熱が透明絶縁膜層を通して前記メッシュ状の金属シートに効率良く伝熱されるようにしたことを特徴とする。【０００８】  こうすることにより良好な放熱性を確保することができるため高集光倍率の集光型太陽電池モジュールが提供できる。【０００９】  さらに請求項４において、前記太陽電池セルにはアルミ反射鏡面を有する錐状の受光筒が載置可能で、前記受光筒は上端面と下端が開口されて太陽光を太陽電池セルの受光面に案内し、受光筒の外壁には端子状の支持体が少なくとも２本配設され、さらに下方に伸びた支持体の足部がガラス基板に接着固定でき、足部は前記開口面より下方に位置させることで太陽電池セルに載置可能としたことを特徴とする。【００１０】  錐状の受光筒は太陽の動きによる入射光線を確実に太陽電池セルの受光面に案内することができる。受光筒は安価に製作できる構造であること、そして簡易に実装できる構造であることが太陽電池採用の条件であり、上記発明はその条件を満たすものである。【００１１】  太陽光発電システムは、請求項６の集光型太陽電池モジュールと請求項８のシステム構築により実現可能である。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、営農型太陽光発電向けに透光性が高く、発電量も十分に確保でき、高架藤棚式架台に設置可能な集光型太陽電池モジュール、及び太陽光発電システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の集光型太陽電池モジュールの断面を示す図。
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明の集光型太陽電池モジュールの部分拡大を示す図。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の集光型太陽電池モジュールのメッシュ状金属シートを示す図。
【図４】集光レンズの光線追跡を説明する図。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の集光型太陽電池モジュールのレンズ基板駆動機構を説明する図。
【図６】（ａ）（ｂ）は本発明に係る受光筒の実装形態を説明する図。
【図７】（ａ）は本発明の太陽光発電システムの外観を示し、（ｂ）はその拡大を示す図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明の実施に係る集光型太陽電池モジュールの部分断面を図１に示す。太陽光を最初に受光する第一の集光レンズ１とさらに第二の集光レンズ２を通して集光された光線１０が太陽電池セル３に入射される。太陽電池セル３はガラス基板５に実装される。図示していないが、ガラス基板には回路パターンが描かれており、複数の太陽電池セルは直列に、あるいは並列に合成される。４は太陽電池セルの配線である。太陽電池セル３の直下のガラス基板にはサーマルビア８が形成され、サーマルビア８の直下にはサーマルビア８に接して金属放熱体９が形成される。さらに透明絶縁膜層６が形成され、メッシュ状の金属シート７が貼りあわされる。【００１５】  集光レンズはアクリルなどの透明樹脂を平凸成型しても良いし、フレネルタイプでも良い。ガラス基板を使用したレンズでは曲面をＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）剤を塗布して成型しても良い。いずれの場合も集光レンズを多数個配列して集光レンズ基板にする。二枚の集光レンズ基板の目的と内容についての詳細は後述する。【００１６】  集光型太陽電池モジュールで使用される太陽電池セルはエネルギー変換効率の高い多接合型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＧａＡｓ系）である。セルサイズや集光倍率は発熱温度を左右するが、本発明が想定しているセルサイズは２〜３ｍｍ以下であり、集光倍率は１００〜２００倍である。そしてこの集光倍率は二軸太陽追尾が前提となる。【００１７】  ガラス基板５に形成される回路パターンは金属ペーストを焼結して形成した金属層が好適である。しかしガラスはセラミックに比べて焼結温度が低くなければならないが、近年、焼結温度の低温化が進んでガラスへの厚膜印刷が可能となってきた。特に銀粒子ペーストは焼結温度が３５０℃〜４５０℃でガラスに厚膜印刷できる。なお樹脂ベースの導電性ペーストで回路を形成することも可能であるが、抵抗率が高く信頼性的にも好ましくない。ガラス基板の厚さは太陽電池ではサイズが大きいため３ｍｍ〜５ｍｍは必要である。【００１８】  太陽電池セル３、サーマルビア８、金属放熱体９、絶縁膜層６、メッシュ状の金属シート７などの領域を拡大した断面を図２（ａ）に示す。サーマルビア８は太陽電池セル３の直下のガラス基板５に貫通孔を形成し、金属を充填したものである。太陽電池セルのサイズが数ｍｍ□なので貫通孔の直径は１ｍｍ以下程度である。ガラス基板への貫通孔形成はレーザー、超音波ドリル、ブラスト加工などが使用できる。金属の充填は前述のガラス基板への厚膜印刷と同様に焼結用銀ペーストを使用するのが良い。金属放熱体６も焼結用銀ペーストを印刷し焼結する。製作工程としてはサーマルビアの金属充填と金属放熱体の形成は一回の印刷、焼結である。次に透明絶縁膜層６を形成するが、薄くて強靭なフィルムが放熱性の面で好ましい。例えば透明ポリイミド膜であれば１０μｍ程度で耐熱性、強靭性、熱抵抗共に良好である。他にＰＭＭＡ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＥＶＡ樹脂なども使用できる。但し本発明では透明の絶縁膜層でなければならない。図２（ａ）では金属放熱体の厚さに相当する領域に空間が出来るが、透明絶縁膜層、メッシュ状の金属シートの貼り付けに使用する透明接着剤で埋めることになる。��ッシュ状の金属シートについては詳細を後述する。【００１９】  ガラス基板が厚いと貫通孔の形成が難しくなる。そこで図２（ｂ）に示すように、金属放熱体９が収まる領域を化学エッチングして溝を形成するのが良い。溝を形成すると貫通孔の領域の前記太陽電池セルにはアルミ反射鏡面を有する錐状の受光筒が載置可能で、前記受光筒は上端面と下端が開口されて太陽光を太陽電池セルの受光面に案内し、受光筒の外壁には端子状の支持体が少なくとも２本配設され、さらに下方に伸びた支持体の足部がガラス基板に接着固定でき、足部は前記開口面より下方に位置させることで太陽電池セルに載置可能としたことを特徴とするガラス基板厚が減じて形成し易くなる。金属の充填については印刷マスクを使用せずにスキージだけを使用して溝と貫通孔に金属ペーストを塗り込んで焼結すればガラス基板の裏面が平坦化できて都合が良い。銀がガラス基板にところどころ付着するが、研磨して除去することができる。こうすればその後の絶縁膜層とメッシュ状の金属シートの貼り付けが容易になる。【００２０】  図３（ａ）、（ｂ）にメッシュ状の金属シートの配置を示した。（ａ）はメッシュ状が格子１２の場合を示したものであるが、太陽電池セル３の直下に矩形の金属放熱体９があり、図示していないが金属放熱体の直下に絶縁膜層が形成され、メッシュ状の金属シートが貼られる。放熱性を良くするために金属放熱体９が金属シートの格子に重なるように格子間隔や格子寸法を決めるのが良い。（ｂ）はひし形状メッシュを示したものである。金属材は特に限定されないが、熱伝導率の良いアルミ系、銅系の金属が好適である。透光性を低下させないために開口率が７０％以上であることが望ましい。なお格子状については開口率＝１００×（Ａ／Ｂ）２で表される。【００２１】  二枚の集光レンズの目的を図を使用して説明する。【００２２】  図４に二枚の集光レンズに対し垂直（０°）入射と垂直から２５°傾斜して入射した光線追跡を示している。図に示すように垂直入射と２５°入射の焦点が同一平面上に来る条件（像面湾曲の補正）を探るのが目的である。２５°と言う角度は、太陽の年周運動（四季）に係る仰角の範囲が±約２３°であるため、これに合わせている。さらに図に示すように２５°入射光線の焦点が集光レンズの幅（領域）から外れないことも必要である。レンズ光学では凹凸レンズの複雑な組み合わせによる像面湾曲の補正方法が幾つか知られており、理論的に導かれるレンズの組み合わせがある。そこで示される例では斜入射光線の焦点がレンズ幅から大きく外れる場合が多い。本発明ではレンズをシフトするだけで太陽追尾を可能とすることが目的である。斜入射光線の焦点が同一平面上であってもレンズ幅から外れた位置に来ると、照射されない一群の太陽電池セルが出てきてしまう。ここで扱う像面湾曲の補正は理論（ペッツバール和がゼロ）に基づくものではなく、像面湾曲が小さいだろうと言うレンズ条件を試行錯誤で探っている。その一つの条件が図４であり、パラメータとしては表１に示すものになる。球面レンズよりは非球面レンズの組み合わせの方がほぼ同一平面上に焦点が来る条件を探り易い。ちなみに二枚の集光レンズの組み合わせで許容できる斜入射の角度は±２５°程度であった。
【表１】
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【００２３】  図４に示すように２５°入射光線が０°入射光線の焦点と同じ同一平面上にあれば、レンズをスライドすれば２５°入射光線は太陽電池セルに照射される。前述のように±２５°は太陽の年周運動の仰角範囲に相当するので、レンズスライドで太陽の年周運動だけを追尾する機構を備えた集光型太陽電池モジュールが図５（ａ）になる。モーターなどの駆動源は集光型太陽電池モジュールの外部にあって、回転動力をシャフト２２で受ける。この回転動力をギヤボックスやボールネジ２１などで直線運動に変換し、集光レンズ基板１９をスライド移動させる。図５（ａ）の構成では、太陽の日周運動追尾は架台に装備する一軸回転機構に担わせることになる。そして年周運動に対する追尾は集光レンズのスライドで行う。【００２４】  図５（ｂ）は集光レンズ基板のスライド移動を二方向可能としたものである。（ａ）と同様に回転動力は外部から調達するので、（ｂ）ではシャフトが二本（２３、２５）配設される。それぞれ回転運動を直線運動に変換するギヤボックスやボールネジ（２４、２６）を経由して集光レンズ基板１９を二方向にスライド移動させる。【００２５】  なお本発明の集光型太陽電池モジュールは透光性を目的としていることから筐体２０は基本的にフレームとし、透光性を妨げる平板領域は可能な限り小さくする。二枚の集光レンズ基板を一体化してスライドさせる必要があるので、図１に示すように離間してフレームに組み込むことになる。この集光レンズ基板のフレームは筐体２０に対して移動可能である。例えばアリ溝式を使用してスライド可能にすることができる。【００２６】  図６（ａ）（ｂ）に本発明の実施例に係る受光筒１５を示す。受光筒１５の役割は太陽光を集光した光線束を確実に太陽電池セル３の受光面に案内するものである。本発明による受光筒１５は図６（ａ）と（ｂ）に示すように既に実装されている太陽電池セル３に載置可能な構造であることが特徴である。太陽電池セルが矩形なのでこれに合わせて矩形の錐状で開口され、側壁から端子状の支持体１６が足部１７（図６（ｂ））を有して括りつけられている。（ｂ）に示すように足部１７は開口面１８より下の位置に来る。こうすることにより足部１７を接着剤などで固定することができる。太陽電池セル３に透明樹脂をポッティングして封止する場合、この樹脂を足部１７の領域にも垂らすことで容易に受光筒を実装することができる。【００２７】  受光筒はアルミ薄板をプレスすることで安価に製作することができる。また樹脂を成型して製作することもできる。この場合には反射鏡面の作成にアルミや銀の成膜を行う。反射鏡面の傾斜角度は１５°〜２０°程度で良いが、大きな傾斜角では反射を繰り返して戻ることがある。【００２８】  図５（ａ）に示す集光型太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムの一例を図７（ａ）（ｂ）に示す。図７（ａ）は藤棚式架台に集光型太陽電池モジュール２７を並置したもので、集光レンズ基板をスライド移動させる駆動源はボックスに収納（２８）して集光型太陽電池モジュールに併設する。既述のように集光レンズ基板のスライド移動は太陽の年周運動を追尾させるためである。架台の拡大図を（ｂ）に示す。駆動源ケース２８は一つの行配置���集光型太陽電池モジュール２７の複数を駆動させる駆動源になる。そのために各々のケースのシャフト２２を連結していく。行配置された集光型太陽電池モジュールの一群をさらに外部駆動源２９とベルト３０により回転させる。これは太陽の日周運動を追尾させる駆動機構である。【００２９】  現在実用化されている二軸回転追尾機構は巨大なパラボラアンテナの形状をしており、藤棚式のような簡易な架台ではない。従って営農型太陽光発電設備には使用されない。このことが集光型太陽電池モジュールを営農型太陽光発電に適用していくことの障害になっていた。【００３０】  図５（ｂ）に示す集光型太陽電池モジュールの太陽光発電システムへの適用の仕方は、パネル固定型になる。図７（ｂ）に示すような架台に集光型太陽電池モジュールを並置していき、駆動源ボックス２８からは二本の駆動軸（シャフト）が出て、最初の集光型太陽電池モジュールの二本のシャフトに連結し、次々に集光型太陽電池モジュールに内設したシャフトを連結していく。従って図７（ｂ）に示す外部駆動源２９とベルト３０は不要である。但し太陽の日周運動に対しては約５０°の仰角範囲しか許容できない。【００３１】  一軸追尾用、二軸追尾用駆動源ボックスにはモーター、モータードライバ、制御用マイコンを設置して太陽追尾をプログラム化して駆動軸を回転させても良い。また駆動源ボックスから遠い集光型太陽電池モジュールにエンコーダーなどのセンサーを搭載して回転軸の遅速の有無を検知しても良い。遅速が発生していれば、補助用の駆動源ボックスを図７（ａ）の駆動源ボックス２８の反対側に追加設置して回転駆動支援することもできる。【００３２】
【産業上の利用可能性】
【００３３】  本発明は営農型太陽光発電システム用に従来実現されていない課題をすべて解決して実用化できるようにしたものである。透光性に対しては集光型太陽電池モジュールを必須とし、低価格要求に対しては集光倍率を上げて高価な太陽電池セルの実装数を減らし、そのための放熱対策を行った。さらに太陽光発電設備に関し高架藤棚式架台が前提となっているが、この架台に集光型太陽電池モジュールを組み込んでも二軸追尾が可能なシステムを提案するものである。
【符号の説明】
【００３４】  １    第一の集光レンズ
２    第二の集光レンズ
３    太陽電池セル
４    配線
５    ガラス基板
６    絶縁膜層
７、１２、１４  メッシュ状金属シート
８    サーマルビア
９    金属放熱体
１０    光線
１１    焦点面
１３    回路パターン
１３    接合部
１５    受光筒
１６    端子状支持体
１７    足部
１８    底部開口面
１９    集光レンズ基板
２０    フレーム筐体
２１、２４、２６  ボールネジ
２２、２３、２５  シャフト
２７    集光型太陽電池モジュール
２８    駆動源ボックス
２９    モーター
３０    ベルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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