(57)【要約】  高放熱効率の太陽電池装置を提供する。本太陽電池装置は熱伝導モジュール、放熱モジュールおよびエネルギー変換モジュールを含む。熱伝導モジュールは、平坦部および接触部を含み、放熱モジュールは接触部と接触し、さらに複数のフィンを含む。エネルギー変換モジュールは平坦部に設置され、半導体構造を含み、光を電気に変換する。エネルギー変換動作中に、半導体構造が吸収した熱は、平坦部を経て熱伝導モジュールおよび放熱モジュールに伝導され、さらにフィンから分散される。これにより、半導体構造が過熱することによって、エネルギー変換効率に影響を及ぼすのを防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦部および接触部を含む熱伝導モジュールと、
前記熱伝導モジュールの前記接触部と接触する放熱モジュールと、
前記熱伝導モジュールの前記平坦部に設置され、半導体構造を含み、光を電気に変換するエネルギー変換モジュールと、
を含むことを特徴とする太陽電池装置。
【請求項２】
前記放熱モジュールが複数のフィンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項３】
前記エネルギー変換モジュール付近に設置される集光モジュールをさらに含み、前記光が前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項４】
前記集光モジュールがカップ状反射面を含み、前記光が反射かつ集光され、前記半導体構造に照射されることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池装置。
【請求項５】
前記集光モジュールが反射平面または反射曲面を含み、前記カップ状反射面が反射する前記光が、前記半導体構造に反射されることを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池装置。
【請求項６】
前記集光モジュールが正レンズを含み、前記反射平面または前記反射曲面が反射する前記光が、前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池装置。
【請求項７】
前記集光モジュールが正レンズを含み、前記光が前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池装置。
【請求項８】
前記半導体構造がシリコン半導体太陽電池、化合物半導体太陽電池、または有機半導体太陽電池であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項９】
前記熱伝導モジュールが、ヒートパイプまたはヒートカラムを含むことを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項１０】
前記平坦部が、前記ヒートパイプまたは前記ヒートカラムの一端に位置することを特徴とする、請求項９に記載の太陽電池装置。
【請求項１１】
前記エネルギー変換モジュールが基板および半導体チップを含み、前記基板が第１陥凹部、および前記第１陥凹部とつながる第２陥凹部を含み、前記半導体チップが前記第２陥凹部内に設置され、前記半導体チップが前記半導体構造を含み、前記半導体チップが前記熱伝導モジュールの前記平坦部と接触することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項１２】
前記エネルギー変換モジュールが基板およびベースを含み、前記基板が第１陥凹部、および前記第１陥凹部とつながる第２陥凹部を含み、前記ベースが前記第２陥凹部内に設置され、さらに前記第１陥凹部に向いた表面を含み、前記半導体構造が前記表面に位置し、前記ベースが前記熱伝導モジュールの前記平坦部と接触することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項１３】
前記第１陥凹部の口径が前記第２陥凹部の口径より小さく、前記第２陥凹部が頂部を有し、前記ベースの前記表面が前記頂部と接触することを特徴とする、請求項１２に記載の太陽電池装置。
【請求項１４】
前記ベースが、前記第２陥凹部の前記頂部を介して、前記基板と電気的に接続することを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池装置。
【請求項１５】
前記熱伝導モジュールが支持部を含み、前記基板が前記支持部に固定されることを特徴とする、請求項１２に記載の太陽電池装置。
【請求項１６】
前記基板がシリコン基板、セラミック基板、プリント基板または金属基板であることを特徴とする、請求項１２に記載の太陽電池装置。
【請求項１７】
前記ベースがシリコンベース、セラミックベース、プリント基板または金属ベースであることを特徴とする、請求項１２に記載の太陽電池装置。
【請求項１８】
前記半導体構造が、前記ベース上に成形されることを特徴とする、請求項１２に記載の太陽電池装置。
【請求項１９】
前記エネルギー変換モジュールが基板を含み、前記半導体構造が前記基板上に位置し、前記基板が前記熱伝導モジュールの前記平坦部と接触することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池装置。
【請求項２０】
前記エネルギー変換モジュールの前記基板が陥凹部を含み、前記半導体構造が前記陥凹部上に位置することを特徴とする、請求項１９に記載の太陽電池装置。
【請求項２１】
前記基板がシリコン基板、セラミック基板、プリント基板、または金属基板であることを特徴とする、請求項１９に記載の太陽電池装置。
【請求項２２】
前記半導体構造が、前記基板上に成形されることを特徴とする、請求項１９に記載の太陽電池装置。
【請求項２３】
平坦部および接触部をそれぞれ含む複数の熱伝導モジュールと、
前記熱伝導モジュールのうち、１つの熱伝導モジュールの前記接触部と、それぞれが対応して接触する、複数の放熱モジュールと、
前記熱伝導モジュールのうち、１つの熱伝導モジュールの前記平坦部に、それぞれが対応して設置され、それぞれが半導体構造を含み、光を電気に変換する複数のエネルギー変換モジュールと、
前記熱伝導モジュール、または前記放熱モジュールと接続する支持部材と、
を含むことを特徴とする、太陽電池装置。
【請求項２４】
各放熱モジュールが、複数のフィンを含むことを特徴とする、請求項２３に記載の太陽電池装置。
【請求項２５】
複数の集光モジュールをさらに含み、各集光モジュールが前記エネルギー変換モジュールのうち、１つのエネルギー変換モジュール付近に対応して設置され、前記光が前述した対応するエネルギー変換モジュールの前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項２３に記載の太陽電池装置。
【請求項２６】
光強度検出モジュールおよび制御回路をさらに含み、前記集光モジュールが集光方向を定義し、前記光強度検出モジュールが光強度を検出し、前記制御回路が前記光強度に基づき、前記集光モジュールを回転させて、前記集光方向を調整することを特徴とする、請求項２５に記載の太陽電池装置。
【請求項２７】
前記光強度検出モジュールが回転モジュールを含み、前記制御回路が前記回転モジュールを制御して、２次元自由度で前記光強度検出モジュールを回転させることを特徴とする、請求項２６に記載の太陽電池装置。
【請求項２８】
制御回路をさらに含み、前記集光モジュールが集光方向を定義し、前記制御回路が太陽方位データベースに基づき、前記集光モジュールを回転させて、前記集光方向を調整することを特徴とする、請求項２５に記載の太陽電池装置。
【請求項２９】
前記集光モジュールがカップ状反射面を含み、前記光が反射かつ集光され、前記半導体構造に照射されることを特徴とする、請求項２５に記載の太陽電池装置。
【請求項３０】
前記集光モジュールが反射平面または反射曲面を含み、前記カップ状反射面が反射する前記光が、前記半導体構造に反射されることを特徴とする、請求項２９に記載の太陽電池装置。
【請求項３１】
前記集光モジュールが正レンズを含み、前記反射平面または前記反射曲面が反射する前記光が、前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項３０に記載の太陽電池装置。
【請求項３２】
前記集光モジュールが正レンズを含み、前記光が前記半導体構造に集められることを特徴とする、請求項２５に記載の太陽電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池の変換装置、特に放熱構造を有する太陽電池の変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油エネルギーは日々消費され、各種の代替エネルギーに対する需要が急速に高まっている。生態環境に対して配慮し、太陽エネルギー、風力、水力が発展の軸となっている。なかでも、太陽エネルギーは最も持続し、かつ十分なエネルギーである。太陽表面から放射されるエネルギーは、電力に換算して約３．８×１０２３ｋＷであり、太陽光は１億５０００万キロメートルの距離を経て、大気圏を通過し、地球の表面に達しても、やはり約１．８×１０１４ｋＷの電力を有する。この値は、全世界の平均電力のおよそ１０万倍の大きさである。このエネルギーを効果的に運用することができれば、エネルギー消費の問題を解決することができるだけでなく、環境保護問題も併せて解決することができる。
【０００３】
実際のところ、光電気変換の過程で、すべての入射スペクトルが太陽電池に吸収され、完全に電流に変換されるわけではない。スペクトルの約半分はエネルギーが低すぎて（半導体のバンドギャップより小さい）、電池の出力に貢献しない。残りの半分は、吸収された光子のうち、電子正孔対が必要なエネルギーを生成する以外に、約半分のエネルギーは熱の形態で放出される。したがって、現在よく見られる太陽電池の材料において、単一の電池の最高効率は約２０〜３０％である。そのため、取り込まれた太陽エネルギーの半分以上は、熱の形態で太陽電池に影響を及ぼしており、高すぎる動作温度は太陽電池の光電気変換効率を下げる。このように、悪循環によって、取り込まれた太陽エネルギーのより多くが熱の形態で消耗され、さらに太陽電池の光電気変換効率を悪化させる。
【０００４】
十分な電気エネルギーを効果的に取り込むため、総面積の比較的大きい太陽電池モジュールが頻繁に使用される。面積の大きい太陽電池モジュールの使用は、より多くの、より集中した熱が発生するため、放熱の難度を高めることを意味しており、前述した悪循環はひどくなる。変換効率からみると、この種の面積が大きい太陽電池モジュールの総変換効果は往々にして低下する。したがって、太陽電池は比較的高い仕事率での使用を容易に実現することができない。さらに、従来の太陽電池モジュールは通常固定されて動かず、太陽エネルギーの放射方向は異なるため、吸収することができる太陽エネルギーには違いがある。すなわち、エネルギー変換の仕事率は時間によって異なる。つまり太陽エネルギーを十分に利用することができないと言える。
【０００５】
以上種々の原因によって、太陽電池はエネルギー変換効率および仕事率を効果的に向上させることができない。したがって、効果的に放熱することができる構造を有する太陽電池の変換装置を提供し、前述の問題を解決する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、高放熱効率の放熱構造を有する太陽電池装置を提供することである。
【０００７】
本発明の太陽電池装置は熱伝導モジュール、放熱モジュールおよびエネルギー変換モジュールを含む。熱伝導モジュールは、平坦部および接触部を含む。放熱モジュールは熱伝導モジュールの接触部と接触し、さらに複数のフィンを含む。エネルギー変換モジュールは、熱伝導モジュールの平坦部に設置され、さらに半導体構造を含み、光を電気に変換する。半導体構造はシリコン半導体太陽電池、化合物半導体太陽電池、有機半導体太陽電池、またはその他の光を電気に変換する半導体構造である。熱伝導モジュールは、ヒートパイプ、ヒートカラム、またはその他の高熱伝導効率を有する材料を含む。この他、熱伝導モジュールがヒートパイプまたはヒートカラムを含むとき、熱伝導モジュールの平坦部は、ヒートパイプまたはヒートカラムの一端に位置する。
【０００８】
取り込んだ太陽エネルギーの半分以上は、熱の形態で半導体構造に吸収される。したがって、本発明の配置により、半導体構造がエネルギー変換の動作中に生じる熱は、エネルギー変換モジュールと接触した熱伝導モジュールの平坦部を介して、熱伝導モジュールに伝導される。熱伝導モジュールはその構造自身の熱伝達メカニズムを再び利用して、伝導された熱を熱伝導モジュールの接触部までさらに伝達する。例えば、一般のヒートパイプは、パイプ内の液体蒸発を利用して、気化熱を吸収して気体となる。この気体は、対流方式によってその他の比較的冷たい場所まで移動する。つまり、この気体が比較的冷たいパイプ壁に接触したとき、熱交換により吸収した気化熱を放出して液体に凝結し、繰り返し循環する。気体と接触するパイプ壁は気化熱を得て温度が上昇する。つまり、気体が有する熱をパイプ壁に蓄えるため、本発明の熱伝導モジュールの接触部は、このパイプ壁に位置する。接触部に伝達された熱は、接触部と接触した放熱モジュールに再び伝導される。最後に、熱が放熱モジュールのフィンを介して分散され、放熱の目的を果たす。
【０００９】
太陽エネルギーの利用効率を高めるため、本発明の太陽電池装置は、エネルギー変換モジュール付近に設置される集光モジュールをさらに含み、光が半導体構造に集められる。最も簡単な集光方法の１つは、カップ状反射曲面を利用して、カップ状反射曲面に進入してきた光線を集めることである。したがって、本集光モジュールはカップ状反射面を含み、光が反射かつ集光され、半導体構造に照射される。この他、物理的な配置の制限によって、カップ状反射面が反射する光を半導体構造に１度に集めることができないことがある。したがって、本発明の集光モジュールは、反射平面または反射曲面をさらに含み、カップ状反射面が反射する光を半導体構造に反射させる。反射平面はカップ状反射面が光を集める方向を変化させ、反射曲面は反射平面が有する機能を有する以外に、さらにカップ状反射面が反射する光を再び集める。これにより、本発明の集光モジュールは、半導体構造が従来の太陽電池を用いて得られるよりさらに高い光エネルギーを得ることになる。さらに反射平面または反射曲面を利用して複数回反射、さらには複数回の集光が起こり、集光モジュールの幾何学的設置の制限を克服する。
【００１０】
他に、前述のカップ状反射面が光を反射することにより、各モジュールの物理的配置に起こることがある問題を克服したいとき、正レンズを利用してカップ状反射面が反射する焦点距離を短縮する。したがって、本発明の集光モジュールは正レンズを含み、カップ状反射面が反射する光が半導体構造に集められる。つまり、本発明の集光モジュールは、２次反射を利用せず、前述の物理的配置の問題を克服することができる。
【００１１】
他に、本発明の集光モジュールはカップ状反射面を利用せず集光する。正レンズを含み、光を半導体構造に集めるが、当然、前述したカップ状反射面を有する集光モジュールも、カップ状反射面の外に位置する正レンズを含む。つまり、光がカップ状反射面に反射される前に、まず正レンズに集められ、その後、カップ状反射面に反射される。これにより、カップ状反射面はより多くの光線を反射し、半導体構造に照射される光が最終的に含有するエネルギーはさらに高くなる。本発明の太陽電池装置は放熱の問題をすでに解決したため、高エネルギーを含む光は、エネルギー変換モジュールの半導体構造に対して熱負担がかからず、反対にエネルギー変換モジュールのエネルギー変換の仕事率が向上する。
【００１２】
好適な実施例において、本発明の太陽電池装置のエネルギー変換モジュールは、基板およびベースを含む。基板は第１陥凹部、および第１陥凹部とつながる第２陥凹部を含み、ベースは第２陥凹部内に設置され、第１陥凹部に向いた表面を含む。半導体構造は表面に位置し、ベースは平坦部と接触する。第１陥凹部の口径は第２陥凹部の口径より小さく、第２陥凹部は頂部を有する。ベースの表面は頂部と接触しており、ベースは第２陥凹部内にさらに堅固に設置される。この他、半導体構造は、まずベースとワイヤボンディングを行ってから、ベースが第２陥凹部の頂部を介して、基板と直接電気的に接続し、半導体構造および基板が電気的に接続する目的を果たしている。これにより、先に半導体構造はベースと電気的に接続および封止しており、基板とワイヤボンディングを行ってから封止する必要がない。つまり、半導体構造の封止は事前に行い、封止環境を簡素化する。封止安定性が増し、製造工程の歩留まり率が向上する。この他、ベースが第２陥凹部の頂部と直接電気的に接触することにより、電気的接続の目的を果たす。電気的接続の安定性が高まり、ワイヤボンディングおよび封止によって、電気的接続が起こす不安定性を防止する。
【００１３】
この他、好適な実施例において、熱伝導モジュールは支持部を含んでおり、基板は支持部に堅固に固定される。基板はシリコン基板、セラミック基板、プリント基板または金属基板である。ベースはシリコンベース、セラミックベース、プリント基板または金属ベースである。他に、製造工程の整合技術を利用して、半導体構造を直接ベース上に成形し、半導体構造およびベース間の接続強度を増加させる。つまり、半導体構造およびベース間の接触関係を改善し、半導体構造およびベース間の熱伝導効率を高める。さらには半導体構造の動作中に生じる熱を、放熱モジュールによってさらに効果的に分散させることができる。
【００１４】
本発明の別の目的は、複数のエネルギー変換モジュールを有し、エネルギー変換の仕事率を与える、太陽電池装置を提供することである。
【００１５】
本範疇において、本発明の太陽電池装置は複数の熱伝導モジュール、複数の放熱モジュール、複数のエネルギー変換モジュール、および支持部材を含む。各熱伝導モジュールは、平坦部および接触部を含む。各放熱モジュールは、熱伝導モジュールのうちの１つの熱伝導モジュールの接触部と対応して接触し、さらに複数のフィンを含む。各エネルギー変換モジュールは、熱伝導モジュールのうちの１つの熱伝導モジュールの平坦部に対応して設置される。各エネルギー変換モジュールは半導体構造を含み、光を電気に変換する。支持部材は、熱伝導モジュールまたは放熱モジュールと接続する。
【００１６】
単一の熱伝導モジュール、単一の放熱モジュール、単一のエネルギー変換モジュールについて述べると、その作動および接続関係は、すべて本発明の前の範疇における、太陽電池装置において記述したものと同じであり、ここでは省略する。例えば、本範疇において、太陽電池装置がさらに複数の集光モジュールを含み、各集光モジュールがエネルギー変換モジュールのうち、１つのエネルギー変換モジュール付近に対応して設置されており、光が対応するエネルギー変換モジュールの半導体構造に集められる。集光モジュールはカップ状反射面を含み、光が反射かつ集光され、半導体構造に照射される。集光モジュールは反射平面または反射曲面を含み、カップ状反射面が反射する光は半導体構造に反射される、などである。
【００１７】
本範疇において、本発明の太陽電池装置は、さらに光強度検出モジュールおよび制御回路を含む。集光モジュールは集光方向を定義し、光強度検出モジュールは光強度を検出し、制御回路が光強度に基づいて集光モジュールを回転させ、集光方向を調整する。光強度検出モジュールは、太陽光の放射方向を直接検出する。例えば、３方向の異なる光検出チップを利用して、太陽光の放射方向を推算する。したがって、光強度は方向パラメータを示し、さらに強度値を含む。制御回路は、光強度に基づいて集光モジュールを調整し、集光方向を太陽光の放射方向とほぼ平行にする。
【００１８】
好適な実施例において、光強度検出モジュールは回転モジュールを含み、制御回路は回転モジュールを制御して、２次元自由度で光強度検出モジュールを回転させる。この２次元自由度は、光強度検出モジュールの旋回角および仰角である。これにより、光強度検出モジュールは単一の光検出チップを含むだけで、制御回路が回転モジュールを制御して、光強度検出モジュールを回転させ、異なる方向の光強度値を得て、太陽光の放射方向の推算、さらには確認を行う。集光モジュールを調整し、集光方向を太陽光の放射方向とほぼ平行にする。
【００１９】
別の好適な実施例において、本発明の太陽電池装置は制御回路を含むが、光強度検出モジュールは含まない。制御回路は太陽方位データベースに基づいて、集光モジュールを回転させ、集光方向を調整する。したがって、集光モジュールは常に比較的高い太陽エネルギーの放射エネルギーを得ることができる。
【００２０】
補足説明として、制御回路が集光モジュールの機構を回転させるのは、制御回路が光強度検出モジュールの機構を回転させるのと同じであり、２次元自由度で回転を制御する。制御回路および光強度検出モジュールは、主に太陽光の放射方向を検出し、集光モジュールを調整して最大の太陽エネルギーを得る。したがって、制御回路および光強度検出モジュールの記述および使用は、１つ前の範疇が適用される。
【００２１】
総合して述べると、本発明の太陽電池装置は高放熱効率の放熱構造、すなわち前述の熱伝導モジュールおよび放熱モジュールを有する。放熱モジュールは複数のフィンを含み、放熱を高める。さらに、熱伝導モジュールはヒートパイプを含み、エネルギー変換モジュールの半導体構造が動作中に生じる熱を効果的に放熱モジュールに伝達し、既存の技術で効果的に排熱することができない問題を克服した。この他、本発明の太陽電池装置は集光モジュールを含み、太陽光を効果的に集め、半導体構造におけるエネルギー変換の仕事率を高める。さらに、本発明の太陽電池装置は、光強度検出モジュールおよび制御回路を含み、太陽エネルギーの放射方向を検出する。調整した集光モジュールの集光方向に基づいて、半導体構造が吸収する光の強度を高めており、半導体構造のエネルギー変換の仕事率に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の上述およびその他の目的、特徴および利点をさらに明らかに、わかりやすくするため、以下に図を組み合わせて、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【００２３】
【図１】図１は、好適な実施例に基づいた太陽電池装置の正面図である。
【図２】図２は、図１における太陽電池装置のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、図２における太陽電池装置のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図４】図４は、集光モジュールおよびエネルギー変換モジュールの部分拡大図である。
【図５】図５は、図４のカップ状反射面の完全な放物面の断面軌跡である。
【図６】図６は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュールおよびエネルギー変換モジュールの部分拡大図である。
【図７】図７は、好適な実施例に基づいた、集光モジュールおよびエネルギー変換モジュールの部分拡大図である。
【図８】図８は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュールおよびエネルギー変換モジュールの部分拡大図である。
【図９】図９は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュールおよびエネルギー変換モジュールの部分拡大図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図２のエネルギー変換モジュールおよび部分的な熱伝導モジュールの拡大図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂ〜Ｆは、エネルギー変換モジュールの各種構造の変化の概要図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｂ〜Ｆは、エネルギー変換モジュールの各種構造の変化の概要図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｂ〜Ｆは、エネルギー変換モジュールの各種構造の変化の概要図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｂ〜Ｆは、エネルギー変換モジュールの各種構造の変化の概要図である。
【図１０Ｆ】図１０Ｂ〜Ｆは、エネルギー変換モジュールの各種構造の変化の概要図である。
【図１１】図１１は、半導体構造が動作中に生じる熱の熱伝達ルートの概要図である。
【図１２】図１２は、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置の断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、別の好適な実施例に基づいた、太陽電池装置の概要図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置の概要図である。
【図１４】図１４は、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置の概要図である。
【図１５】図１５は、太陽電池装置における、制御回路の制御機能を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、太陽電池装置における、集光モジュールの回転動作原理の概要図である。
【図１７】図１７は、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置における、光強度検出モジュールの回転動作原理の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２４】
図１、図２および図３を参照されたい。図１は、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置１の正面図である。図２は、図１における太陽電池装置１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図３は、図２における太陽電池装置１のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。好適な実施例によると、本発明の太陽電池装置１は、熱伝導モジュール１２、放熱モジュール１４、エネルギー変換モジュール１６、集光モジュール１８、後部カバー２０、仕切板２２、チャネル２４、複数のＯリング２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、および複数のボルト２８ａ、２８ｂを含む。放熱モジュール１４は、パイプ体１４２、複数のフィン１４４と、パイプ体１４２およびフィン１４４を接続する肋材１４６を含む。注意したいことは、エネルギー変換モジュール１６の幾何学的関係を表すため、図１に集光モジュール１８の透明仕切板１８４を図示していないことである。
【００２５】
熱伝導モジュール１２は、ヒートパイプ１２２および支持部１２４を含む。ヒートパイプ１２２はヒートカラム、またはその他の高熱伝導効率を有する材料で代替してもよい。ヒートパイプ１２２を放熱モジュール１４のパイプ体１４２内に挿入する。つまり、ヒートパイプ１２２が、その接触部により放熱モジュール１４と接触する。原則上、ヒートパイプ１２２は、支持部１２４およびエネルギー変換モジュール１６との接続部分以外に、接触部として、放熱モジュール１４とも選択的に接触する。エネルギー変換モジュール１６は、ボルト２８ｂで支持部１２４に固定されており、ヒートパイプ１２２と接触する。集光モジュール１８は外郭１８２を含み、ボルト２８ａで放熱モジュール１４に固定される。さらにカップ状反射面１８６を含み、エネルギー変換モジュール１６付近を取り囲んでいる。外部の雑物がエネルギー変換モジュール１６を破損するのを防止するため、外郭１８２に透明仕切板１８４を設置してもよく、透過した光線のエネルギーが過度に減少せず、エネルギー変換モジュール１６を保護する機能も有する。後部カバー２０はボルト２８ａで放熱モジュール１４と接続し、仕切板２２はその間に設置される。後部カバー２０は仕切板２２と収容スペースＳ１を形成し、電気回路およびその電子モジュールなどを収容する。仕切板２２は同時に集光モジュール１８、放熱モジュール１４の肋材１４６と複数の収容スペースＳ２を形成し、前述の電気回路およびエネルギー変換モジュール１６が電気的に接続するチャネルを提供する。チャネル２４は後部カバー２０に位置し、前述の電気回路および異機種が電気的に接続するチャネルを提供する。チャネル２４は、主に２つのナット２４２で後部カバー２０に固定され、さらに別のナット２４４を有し、外部接続に使用される。他に、各収容スペースＳ１、Ｓ２はＯリング２６ａ、２６ｂ、２６ｃを使用して密封効果を有し、さらにチャネル２４に防水設計を使用して、密封効果を果たしてもよい。
【００２６】
図４を参照されたい。図４は、集光モジュール１８およびエネルギー変換モジュール１６の部分拡大図である。図４の矢印がついた細い実線は光が進むルートを示す。図４は、光が透明仕切板１８４を透過した後、一部の光がカップ状反射面１８６に反射され、進む方向が変化する。つまり、カップ状反射面１８６の曲面設計によって、反射後の光がエネルギー変換モジュール１６に向かって進むことを図示している。これにより、本発明の太陽電池装置１は集光部分が拡大する。つまり、太陽エネルギーを吸収する総量が増加する。
【００２７】
一般的に述べると、曲面が放物面であるとき、その反射焦点は放物面内にある。図５を参照されたい。図５は、図４のカップ状反射面１８６の完全な放物面の断面軌跡であり、太い点線で示す。放物線曲率が小さいほど、その焦点は放物線の頂点から離れることを示す。つまり、図５が示す構造を直接適用することができないことを示す。言い換えると、図５の構造配置のカップ状反射面１８６の開口部は拡大することができない。したがって、本発明の集光モジュール１８は、２次反射の設計を提供し、カップ状反射面１８６の焦点を逆方向にして、エネルギー変換モジュール１６に集めることができる。各モジュールの配置スペースを節約し、本発明の太陽電池装置１全体の体積が大きすぎるため、実際に使用できないということにならない。図６を参照されたい。図６は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュール１８およびエネルギー変換モジュール１６の部分拡大図である。図４が示す好適な実施例とは異なり、図６はさらに反射平面１８８を含むことを示し、カップ状反射面１８６が反射する光線を反射し、エネルギー変換モジュール１６に集めて照射する。
【００２８】
図６に示すように、反射平面１８８はすべてが使用されるわけではなく、例えば反射平面１８８の中央部分は、カップ状反射面１８６の中央部分が光線を反射しないため（スペースは集光モジュール１８の配置に使用される）、使用する必要はない。したがって、反射平面１８８の中央部分は透かしてあったり、または光を曲げる部分を形成したりして、光線が直接エネルギー変換モジュール１６に照射するようにする。補足説明として、図６の反射平面１８８は反射距離の関係で、透明仕切板１８４’が図４の透明仕切板１８４よりやや突出して、反射平面１８８を収容することがある。当然、反射平面１８８は透明仕切板１８４’上に直接整合し製造してもよい。例えば、透明仕切板１８４’をエネルギー変換モジュール１６の表面に向け、反射する必要があるエリアに反射材料を塗布する。このように、透明仕切板１８４’を過度に突出させる必要はない。
【００２９】
他に、図６の反射平面１８８は反射曲面１９０で代替してもよく、図７に示す通りである。図７は、好適な実施例に基づいた、集光モジュール１８およびエネルギー変換モジュール１６の部分拡大図である。図６と異なる部分は、図７は反射曲面１９０で反射平面１８８を代替していることである。カップ状反射面１８６が反射する光線は、反射曲面１９０でさらに反射かつ集光され、エネルギー変換モジュール１６に照射される。このように反射曲面１９０およびエネルギー変換モジュール１６間の距離を短縮する。つまり、図６の突出した透明仕切板１８４’は使用する必要がないのと同時に、光線をエネルギー変換モジュール１６の作業領域により集中させる。当然、反射曲面１９０は、透明仕切板１８４の製造工程中に整合してもよく、さらに前述した反射平面１８８に関する製造方法および透かし設計を、ここで適用してもよい。
【００３０】
図８を参照されたい。図８は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュール１８およびエネルギー変換モジュール１６の部分拡大図である。図６と異なる部分は、図８では、光線が反射された後、さらに正レンズ１９２によって光が集められ、エネルギー変換モジュール１６に照射されることである。注意すべきことは、図８の正レンズ１９２は、ハッチングを図示せずに、光線の進む方向をはっきりと示していることである。これにより、この正レンズ１９２も距離を短縮する機能を有する。同じ原理で、正レンズ１９２との配置は、図７に示す状態に適用してもよい。
【００３１】
図９を参照されたい。図９は、別の好適な実施例に基づいた、集光モジュール１８およびエネルギー変換モジュール１６の部分拡大図である。前の実施例と異なる部分は、集光モジュール１８が直接正レンズ１９４を使用して、エネルギー変換モジュール１６に光を集めることである。注意すべきことは、図８の正レンズ１９２は、ハッチングを図示せずに、光線の進む方向をはっきりと示していることである。したがって、透明仕切板１８４、カップ状反射面１８６、反射平面１８８および反射曲面１９０はすべて使用しなくてもよい。当然、相互に使用して、本発明が有する機能を果たしてもよい。
【００３２】
補足説明として、前述の各好適な実施例のカップ状反射面１８６、反射平面１８８および反射曲面１９０の曲度、光線が進むルートはすべて概略であり、原寸および実際のルートではない。この他、正レンズ１９２、１９４は両凸レンズに限らず、平面規則配列のレンズ系でもよい。
【００３３】
図１０Ａを参照されたい。図１０Ａは、図２のエネルギー変換モジュール１６および部分的な熱伝導モジュール１２の拡大図である。本発明の太陽電池装置１のエネルギー変換モジュール１６は基板１６２、ベース１６４および半導体構造１６６を含み、半導体構造１６６は、光を電気に変換する。半導体構造１６６は、シリコン半導体太陽電池、化合物半導体太陽電池、有機半導体太陽電池、またはその他の光を電気に変換する半導体構造である。基板１６２は、シリコン基板、セラミック基板または回路基板であり、ベース１６４はシリコンベース、セラミックベースまたは金属ベースである。基板１６２は、第１陥凹部１６２２、および第１陥凹部１６２２とつながる第２陥凹部１６２４を含む。ベース１６４は第２陥凹部１６２４内に設置され、第１陥凹部１６２２に向いた表面１６４２を含む。半導体構造１６６は表面１６４２上に位置し、基板１６２はボルト２８ｂで熱伝導モジュール１２の支持部１２４に固定される。ベース１６４は、熱伝導モジュール１２の平坦部１２６と接触する。本好適な実施例によると、平坦部１２６はヒートパイプ１２２の一端に位置する。
【００３４】
他に、第１陥凹部１６２２の口径は、第２陥凹部１６２４の口径より小さく、第２陥凹部１６２４は頂部１６２４２を有する。ベース１６４の表面１６４２は頂部１６２４２と接触しており、ベース１６４は第２陥凹部１６２４内に、より堅固に設置される。前述の口径は丸孔形に限らず、図１に示すように、角孔形でもよい。この他、「第１陥凹部１６２２の口径は、第２陥凹部１６２４の口径より小さい」というのは、第２陥凹部１６２４の口径が形成する切断面が、第１陥凹部１６２２の口径が形成する切断面を完全に覆う状態を指すだけでない。第２陥凹部１６２４に頂部１６２４２を形成させる必要があり、ベース１６４の表面１６４２はこれと接触することができる。
【００３５】
補足説明として、図１０Ａの実施例で、図示したエネルギー変換モジュール１６は、封止材料１６８で基板１６２および半導体構造１６６を同時に封止する。しかしながら、図１０Ａが示す構造では、半導体構造１６６は、まずベース１６４とワイヤボンディングおよび封止を行ってから、ベース１６４が第２陥凹部１６２４の頂部１６２４２を介して、基板１６２と直接電気的に接続し、半導体構造１６６および基板１６２を電気的に接続する目的を果たしている。これにより、半導体構造１６６の封止は事前に実施でき、さらに封止環境を簡素化する。封止安定性を高め、製造工程の歩留まり率が向上する。この他、半導体構造１６６と電気的に接続したベース１６４は、基板１６２とのワイヤボンディングにより、電気的に接続する目的を果たすが、ベース１６４が第２陥凹部１６２４の頂部１６２４２と直接電気的に接触することにより、電気的接続の目的を果たしている。電気的接続の安定性が高まり、ワイヤボンディングおよび封止によって、電気的接続が起こす製造工程の不安定性を防止する。
【００３６】
他に、製造工程の整合技術を利用して、実施例において（図１０Ｂを参照されたい）、ベース１６４が半導体構造１６６を含んでもよい。つまりベース１６４は半導体チップであり、半導体チップは半導体構造１６６を含む。このようにして、熱伝導効率を高めることができ、さらに放熱モジュール１４が、半導体構造１６６の動作中に生じる熱をより効果的に分散する。さらには、整合した半導体構造１６６およびベース１６４（または半導体チップ）は、元々のダイボンディング工程の工程変数を減少させ、すべてのエネルギー変換モジュール１６の製造安定性を向上させる。図１０Ｂにおいて、封止材料１６８は省略するか、保持して半導体構造１６６を保護する。同時に提起することは、図１０Ｂが示す突出した封止材料１６８の輪郭も、入射した光を集めて半導体構造１６６に照射するのに効果がある。
【００３７】
別の実施例において、図１０Ｃに示すように、エネルギー変換モジュール１６は、基板１６２および半導体構造１６６を含んでもよい。半導体構造１６６は、基板１６２’の陥凹部１６２２’のベース１６２２２上に位置する。当然、このとき半導体構造１６６は図１０Ｂが示すのと同様であり、図１０Ｄに示すように、直接ベース１６２２２に成形してもよい。図１０Ｂの封止材料１６８に関する説明を、ここでも適用する。他に、本発明の半導体構造１６６は、図１０Ｅに示すように、平面基板１６２’’上に直接設置してもよく、いかなる陥凹部の設計も必要ない。同じ原理で、このとき半導体構造１６６は、図１０Ｆに示すように、基板１６２’’上に直接成形してもよい。図１０Ｂの封止材料１６８に関する説明を、ここでも適用する。この他、上記の単一の基板１６２’、１６２’’上に、半導体構造１６６を直接成形し（図１０ＤおよびＦに示す）、図１０Ａに示す構造を簡素化する。エネルギー変換モジュール１６の主要なモジュールを、半導体構造１６６を製造する工程で完成させ、工程変数を大幅に減少させることができ、さらに、エネルギー変換モジュール１６の製造工程の安定性を向上させる。
【００３８】
本発明において、半導体構造１６６の動作中に生じる熱に関して、その熱の伝達ルートの概要図を図１１に示す。注意すべきことは、熱伝達のルートをはっきりと示すため、図面を簡素化しており、前述の各図の比率に関係なく図示している。さらに、ハッチングを描かず、説明と関係の無いモジュールを省略している。半導体構造１６６の動作中に生じる熱は、伝導方式により直接ベース１６４に伝達され、さらに平坦部１２６を経てヒートパイプ１２２に伝達される。平坦部１２６付近に位置するヒートパイプ１２２のパイプ壁は、ベース１６４から伝達されてくる熱を吸収する。ヒートパイプ１２２内に含まれる液体（図示せず）が前述のパイプ壁に接触したとき、気化熱を吸収して気体となり、ヒートパイプ１２２の空洞内に熱対流が形成される。熱気体が比較的冷たいパイプ壁に接触するとき、気化熱が放出され液体に戻り、繰り返し循環する。放出された気化熱および液体から放出された部分的な熱は、接触したパイプ壁から吸収される。熱エネルギーを吸収するパイプ壁の外部が、ヒートパイプ１２２と接触する放熱モジュール１４であるとき、パイプ壁に蓄えられた熱は、伝導方式により放熱モジュール１４に伝達される。この熱は放熱モジュール１４の内部で、大部分が伝導方式によりフィン１４４に伝達され、さらにフィン１４４を介して、外部の空気との対流方式によって放熱される。
【００３９】
本発明は、高熱伝導効率の熱伝導モジュール１２を利用して、エネルギー変換モジュール１６が動作中に生じる熱を迅速に分散し、エネルギー変換モジュール１６が好適な作業温度で動作するように維持し、さらにはエネルギー変換効率を向上させる。この他、本発明が使用する放熱モジュール１４はフィン構造を有し、熱が空気中に分散される速度を加速させ、熱伝導モジュール１２に良好な熱伝導効率を維持させている。本好適な実施例の太陽電池装置１は、フィン１４４がヒートパイプ１２２の軸方向に沿って延び、ヒートパイプ１２２の放射状に沿って配列しているが、本発明はこれに限定されない。熱伝導モジュール１２のフィン１４４’は、ヒートパイプ１２２の放射状に沿って延び、ヒートパイプ１２２の軸方向に沿って配列する。その概要図を図１２に示す。補足説明として、図１２は概要図に過ぎず、細部は図２と異なることがある。さらに主要なモジュールの番号は、識別のためだけに示している。
【００４０】
図１３Ａを参照されたい。図１３Ａは、別の好適な実施例に基づいた、太陽電池装置３の概要図である。図２の太陽電池装置１と異なる部分は、太陽電池装置３の集光モジュール１８’は、エネルギー変換モジュール１６付近に直接設置されているのではなく、エネルギー変換モジュールの真正面に設置されることである。図１３Ａに示すように、集光モジュール１８’のカップ状反射面１８６’は、半導体構造１６６に向いており、集光モジュール１８’は支柱１９６により、放熱モジュール１４と接続固定される。当然、集光モジュール１８’は複数の支柱１９６により、放熱モジュール１４とより堅固に接続してもよい。図１３Ａの矢印のついた細い実線は、光線が進むルートである。これにより、図２の太陽電池装置１の集光モジュール１８と比較して、太陽電池装置３の集光モジュール１８’は、太陽エネルギーを収集する面積を大幅に拡大し、エネルギー変換モジュール１６の半導体構造１６６に光線を集中させる。図１３Ａに示す構造は、前の各実施例よりスペースを占領する。好適な実施例において、図１３Ｂに示すように、正レンズ１９８を利用し、カップ状反射面１８６’およびエネルギー変換モジュール１６間の距離を短縮し、配置スペースを改善してもよく、図１３Ｂの正レンズ１９８は、支柱１９６で支えてもよい。
【００４１】
既存の技術において、図１３Ａに示す構造から生じる高熱は、太陽電池のエネルギー変換効率を大幅に低下させ、さらには焼けてしまうことがある。しかし、本発明の太陽電池装置３は、高放熱効率の熱伝導モジュール１２および放熱モジュール１４で構成される放熱構造を有するため、半導体構造１６６が適当な作業温度で動作することができ、高い仕事率のエネルギー変換が行われる。補足説明として、図１３Ａに示す構造は、原則上集光モジュール１８’が、すべての装置の基礎となるが、示したい重要な部分がこの基礎上にないため、図１３Ａ中に図示していない。実際の使用では、前述の説明と組み合わせて、必要な基礎設計とするべきである。
【００４２】
本発明は整合型太陽電池装置を開示している。前述の太陽電池装置１を１つのユニットとみなし、複数のユニットを組み合わせて、高い仕事率のエネルギー変換を提供する。図１４を参照されたい。図１４は、好適な実施例に基づいた、太陽電池装置５の概要図である。本発明の太陽電池装置５は複数の熱伝導モジュール５２、複数の放熱モジュール５４、複数のエネルギー変換モジュール５６、および支持部材６０を含む。以下の特別な記述または説明以外に、残りの各部品の説明または記述は、すべて前述した各実施例の説明または記述と同じであるため、ここでは省略する。各放熱モジュール５４は、複数の円形フィンを含んでおり、各放熱モジュール５４はすべて支持部材６０に固定される。熱伝導モジュール５２が支持部材６０を通過し、対応する各エネルギー変換モジュール５６の集光モジュール５８を支持部材６０の外へ露出させる。
【００４３】
他に、本発明の太陽電池装置５は、光強度検出モジュール６２および制御回路をさらに含む。制御回路は主に、処理ユニット６４で、光強度検出モジュール６２および集光モジュール５８の回路が接続される。制御回路の制御機能のブロック図は、図１５に示すとおりである。光強度検出モジュール６２が光線の光強度を検出し、処理ユニット６４が検出された光強度を読み取り、光強度に基づいて集光モジュール５８の回転モジュール５８２を回転させ、集光モジュール５８の集光方向Ｄ１を制御する。その動作原理である図１６を参照されたい。図１６は、関係するモジュールの概要を図示したのみであり、点線は処理ユニット６４が集光モジュール５８を制御した結果を示す。図１６に示すように、光強度検出モジュール６２が太陽エネルギーの放射方向Ｄ２を検出し、処理ユニット６４が太陽エネルギーの放射方向Ｄ２に基づいて、集光モジュール５８の回転モジュール５８２を制御して回転させ、集光モジュール５８の集光方向Ｄ１を新しい集光方向Ｄ１’に方向転換する。新しい集光方向Ｄ１’は太陽エネルギーの放射方向Ｄ２とほぼ平行である。これにより、集光モジュール５８はより高い太陽エネルギーを集める。
【００４４】
補足説明として、前述の光強度は単一の値に限らず、パラメータでもよい。図１６を例とすると、光強度は方向パラメータを示し、さらに強度値も含む。方向パラメータは、推算した太陽エネルギーの放射方向Ｄ２に基づいており、論理上、太陽エネルギーの放射方向Ｄ２を示す。強度値は、光強度検出モジュール６２が検出した太陽エネルギーの大きさである。太陽エネルギーの放射方向Ｄ２の検出の実現は、光強度検出モジュール６２に設置された、３方向の異なる光検出チップを利用する。処理ユニット６４がこの３つの光検出チップの検出値をそれぞれ読み取り、対応する検出方向に基づいてベクトル関係を構築し、太陽エネルギーの検出方向Ｄ２を求める。
【００４５】
別の単一の光検出チップを使用して、太陽エネルギーの放射方向Ｄ２を検出する方法の概要図を図１７に示す。図１７は、関係するモジュールの概要を図示したのみである。光強度検出モジュール６２は、光検出チップ６２２および回転モジュール６２４を含む。光検出チップ６２２の法線はＤ３と定義され、Ａ１は水平基準方向、Ａ２は垂直基準方向である。θは水平方向角度と定義され、法線Ｄ３の水平面投影および水平基準方向Ａ１の夾角である。φは仰角と定義され、法線Ｄ３および垂直基準方向Ａ２の夾角である。回転モジュール６２４は、光検出チップ６２２に垂直基準方向Ａ２に相対した回転を生じさせる。つまり、水平方向角度θで動作の自由度を持つ。回転モジュール６２４は光検出チップ６２２に垂直基準方向Ａ２から外れた回転を生じさせる。つまり、仰角φで動作の自由度を持つ。したがって、回転モジュール６２４は、光検出チップ６２２を２次元自由度で回転させる。つまり、制御回路（の処理ユニット６４）が回転モジュール６２４を制御して、２次元自由度で光強度検出モジュール６２を回転させる。上述のメカニズムにより、光強度検出モジュール６２は相容れない方向の強度値を検出し、検出時の水平方向角度θおよび仰角φなどからなる光強度パラメータが処理ユニット６４に送られ、計算が行われる。
【００４６】
補足説明として、通常の状態では、３組の光強度パラメータによって太陽エネルギーの放射方向が推算される。しかし、さらに正確に計算したい場合、推算された太陽エネルギーの放射方向を、次に推算される太陽エネルギーの放射方向の基準として、さらに３組の光強度パラメータを検出する。前後して推算された太陽エネルギーの放射方向の誤差が、許容範囲内になるまで繰り返し推算される。後者の方法は、比較的時間がかかるが、実際の使用においては、集光モジュール５８を制御して回転させる回数は多くなく、問題はない。他に、毎日の太陽方位の変化は大きくないため、太陽方位のデータベースを構築することができる場合、本発明の太陽電池装置５が、集光モジュール５８を直接制御して回転させ、光強度検出モジュール６２が太陽エネルギーの放射方向を検出する必要は無い。前述の説明は、入光方向Ｄ１を調整して最大の太陽エネルギーを得ることを目的としているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ある１つのエネルギー変換モジュール５６がある原因により過熱され、動作し続けるべきでないとき、対応する集光モジュール５８に対して、その集光方向Ｄ１を調整し、該エネルギー変換モジュール５６が高すぎるエネルギーの光線を受けて壊れることがないようにする。この側面から述べると、本発明の太陽電池装置５は、エネルギー変換モジュール５６を保護する機能も有する。
【００４７】
この他、図１から図１３Ｂの説明において、集光モジュール、反射、レンズを利用した集光、光線の進む方向などの説明、およびこれらのモジュールの配置、変化型などは、図１４で示した太陽電池装置５にも適用されるため、ここでは省略する。相対的に、太陽電池装置５の回転する集光モジュール５８に関する説明、および相互に関連するモジュール、例えば光強度検出モジュール６２は、前述の太陽電池装置１、３においても適用されるため、ここでは省略する。
【００４８】
総合すると、本発明の太陽電池装置は、高放熱効率の放熱構造を有し、エネルギー変換モジュールの半導体構造が動作中に生じる熱を効果的に分散させ、既存の技術において効果的に排熱することができない問題を克服した。さらに、本発明の太陽電池装置は集光モジュールを含み、太陽光を効果的に集め、半導体構造のエネルギー変換の仕事率を高める。さらに、本発明の太陽電池装置は、光強度検出モジュールおよび制御回路を含み、太陽エネルギーの放射方向を検出し、集光モジュールの集光方向を調整する。さらには半導体構造が吸収する太陽エネルギーの強度を高め、半導体構造のエネルギー変換の仕事率に効果がある。したがって、本発明の太陽電池装置は効果的にエネルギー変換効率を高め、エネルギー変換の仕事率を高める。さらには、高いパワー消耗の電子製品への応用、または単純に電気エネルギーを貯蔵する操作に使用される。
【００４９】
以上、本発明の好適な実施例に対して具体的な説明を行ったが、本発明は前述の実施例に限定されない。当業者は、本発明の趣旨に違反しないことを前提に、種々の同等な修正または変更を行うことができる。これらの同等な修正または変更は、すべて本発明の特許請求の範囲が限定する範囲内に含まれる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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