(57)【要約】      （修正有）【課題】集光する太陽光を受ける発電素子を搭載する基板に関して、製造のし易さと、低コスト化と、放熱性確保とに好適な構成を実現するとともに、その基板を使用した集光型太陽光発電モジュールを提供する。【解決手段】集光型太陽光発電モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状の筐体１１と、この筐体１１に取り付けられ、太陽光を集光するフレネルレンズ１３ｆが複数個並んで形成された集光部１３と、筐体１１の底面１１ａ上に設けられ、集光部１３を複数の小領域に分けた場合の各小領域の複数のフレネルレンズ１３ｆと対応する位置にそれぞれ発電素子１２１を搭載したプリント配線板１２が、全ての小領域に対応してマトリックス状に配置され、電気的に互いに接続されるプリント配線板アレイ１２Ａと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面を有する器状の筐体と、
前記筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部と、
前記底面上に設けられ、前記集光部を複数の小領域に分けた場合の各小領域の複数のレンズ要素と対応する位置にそれぞれ発電素子を搭載したプリント配線板が、全ての小領域に対応してマトリックス状に配置され、電気的に互いに接続されるプリント配線板アレイと
を備えていることを特徴とする集光型太陽光発電モジュール。
【請求項２】
前記プリント配線板上の複数の発電素子については、当該プリント配線板に設けられた導電性のパターンによって必要な相互接続が施され、互いに接続される２つの前記プリント配線板同士の接続は被覆電線によって行われる請求項１記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項３】
前記発電素子が搭載される面とは反対側の、前記プリント配線板の下面に、金属板が接着されている請求項１又は２に記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項４】
前記底面及び前記プリント配線板には、位置決め用に、互いに嵌り合う部位が形成されている請求項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。
【請求項５】
前記筐体は金属製である請求項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。
【請求項６】
前記筐体はアルミニウム製である請求項５記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項７】
前記筐体は樹脂製である請求項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。
【請求項８】
前記発電素子上に設けられ、前記レンズ要素の各々から入射する太陽光を前記発電素子上に集める２次集光部を備えている請求項１〜７のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュール。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成る集光型太陽光発電パネル。
【請求項１０】
底面を有する器状の筐体と、当該筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部とを備えた集光型太陽光発電モジュール用として、前記底面上に設けられるプリント配線板アレイであって、
前記集光部を複数の小領域に分けた場合の各小領域の複数のレンズ要素と対応する位置にそれぞれ発電素子を搭載したプリント配線板が、全ての小領域に対応してマトリックス状に配置され、電気的に互いに接続されることを特徴とするプリント配線板アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。このような基本構成を複数備える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。具体的には、例えば、配線付きのセラミック等の絶縁基板に１つの発電素子を実装したものを複数個、集光位置に配置し、電線により各絶縁基板上の発電電力を集電するよう構成される（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"Failure Modes of CPV Modules and How to Test for Them"、[online]、２０１０年２月１９日、Emcore Corporation、［平成２３年９月２９日検索］、インターネット〈URL: http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/pvrw2010_aeby.pdf#search='emcore Pointfocus Fresnel Lens HCPV System'〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の集光型太陽光発電パネルでは、多数の絶縁基板が必要である。これらの多数の絶縁基板を並べて、かつ、それぞれを電線で接続するとなると、製造工程が多くなり、時間がかかる。その結果、製造コストが高くなって、実用上適切な価格の製品とすることができない。
【０００５】
一方、非常に大きな１枚基板を作成すれば製造工程数は激減するが、そもそも、太陽光発電パネル若しくはその構成単位であるモジュールには大きな面積が必要であるため、基板も相当大きくしなければならない。しかし、そのような大基板を作ることは製造技術上困難である。また、集光する太陽光を受ける発電素子を搭載する基板であることから、放熱性への配慮も必要である。大基板の場合、反りや曲がりがあると、取り付け面にぴったりと沿わせることが容易でないため、放熱性が確保しにくい。
【０００６】
以上のように、発電素子ごとに基板を用意して相互に接続するのは時間がかかり、その一方で、大基板を作るのは製造技術上の困難性があり、また、放熱性にも問題がある。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、集光型太陽光発電において、集光する太陽光を受ける発電素子を搭載する基板の構成に関して、製造のし易さと、低コスト化と、放熱性確保とに好適な構成を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の集光型太陽光発電モジュールは、底面を有する器状の筐体と、前記筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部と、前記底面上に設けられ、前記集光部を複数の小領域に分けた場合の各小領域の複数のレンズ要素と対応する位置にそれぞれ発電素子を搭載したプリント配線板が、全ての小領域に対応してマトリックス状に配置され、電気的に互いに接続されるプリント配線板アレイとを備えたものである。
【０００８】
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、複数の発電素子を搭載するプリント配線板が複数個集まってマトリックス状に配置されることによって実質的に大基板と同じ拡がりを持ち、レンズ要素の全数に対応した発電素子を配置することができる。各プリント配線板単位では基板上で回路構成を完成させることができるため、発電素子ごとにプリント配線板がある場合と比較すると、複数のプリント配線板同士の接続作業は格段に容易になる。また、個々のプリント配線板は、筐体の底面に沿わせやすいので、放熱性も確保し易い。
【０００９】
（２）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、プリント配線板上の複数の発電素子については、当該プリント配線板に設けられた導電性のパターンによって必要な相互接続が施され、互いに接続される２つのプリント配線板同士の接続は被覆電線によって行われるようにしてもよい。
この場合、各プリント配線板単位では基板上で複数の発電素子を含む回路構成が出来上がっているため、被覆電線による複数のプリント配線板同士の接続箇所は大幅に削減され、作業は格段に容易になる。また、被覆電線は柔軟性があり曲げ易いので、電線接続のための高い精度は不要である。さらに、被覆電線の使用により、筐体に対する絶縁も容易である。なお、被覆電線の接続の仕方によって全体の直並列接続形態を変更することも容易である。
【００１０】
（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、発電素子が搭載される面とは反対側の、プリント配線板の下面に、金属板が接着されている構成であってもよい。
この場合、金属板（例えばアルミニウム板）を介して容易に、プリント配線板の熱を筐体に逃がすことができる。また、プリント配線板の変形を抑制することができる。
【００１１】
（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、底面及びプリント配線板には、位置決め用に、互いに嵌り合う部位が形成されていることが好ましい。
この場合、プリント配線板を、底面上の所定位置に位置決めすることが容易である。
【００１２】
（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、筐体は金属製であることが好ましい。
この場合、筐体が良好な熱伝導性を有するので、プリント配線板からの放熱性が特に良い。
【００１３】
（６）また、上記（５）の集光型太陽光発電モジュールにおいて、筐体はアルミニウム製であることが好ましい。
この場合、筐体が軽量であり、集光型太陽光発電モジュール全体としても軽量となる。
【００１４】
（７）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、筐体は樹脂製であってもよい。
この場合、筐体が特に軽量であり、集光型太陽光発電モジュール全体としても特に軽量となる。なお、樹脂であっても熱伝導性はあるので、一定の放熱性は得られる。特に、高熱伝導性を有する絶縁性フィラー（例えば、アルミナ、シリカ、炭化珪素、酸化マグネシウム等）を添加した樹脂は、熱伝導性に優れ、放熱性が向上するので、好適である。
【００１５】
（８）また、上記（１）〜（７）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールにおいて、発電素子上に設けられ、レンズ要素の各々から入射する太陽光を発電素子上に集める２次集光部が設けられていてもよい。
この場合、２次集光部により、さらに、集光度を高めることができるので、発電素子を、より小さくすることができる。
【００１６】
（９）一方、本発明の集光型太陽光発電パネルは、上記（１）〜（８）のいずれかの集光型太陽光発電モジュールを複数個集合させて成るものである。
これにより、発電パネルとして所望の出力（定格出力）を確保することができる。
【００１７】
（１０）また、上記（１）の集光型太陽光発電モジュールを、プリント配線板アレイの発明として見た場合の本発明は、底面を有する器状の筐体と、当該筐体に取り付けられ、太陽光を集光するレンズ要素が複数個並んで形成された集光部とを備えた集光型太陽光発電モジュール用として、前記底面上に設けられるプリント配線板アレイであって、
前記集光部を複数の小領域に分けた場合の各小領域の複数のレンズ要素と対応する位置にそれぞれ発電素子を搭載したプリント配線板が、全ての小領域に対応してマトリックス状に配置され、電気的に互いに接続されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の集光型太陽光発電モジュール、集光型太陽光発電パネル又はプリント配線板アレイによれば、製造のし易さと、低コスト化と、放熱性確保とに好適な基板の構成を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る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２】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（一部破断）である。
【図３】図２における筐体内のプリント配線板アレイを正面から見た図である。
【図４】図３における２段目、３段目の任意のプリント配線板を拡大して示す図である。
【図５】モジュールにおける、フレネルレンズと発電素子との光学的な位置関係を、プリント配線板等の断面図の一例と共に示す図である。
【図６】図５の変形例として、２次集光部としてのレンズと発電素子とを一体にパッケージ化したレシーバを搭載した構成を示す図である。
【図７】図５の変形例として、２次集光部としての導光部と発電素子とを一体にパッケージ化したレシーバを搭載した構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
《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。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。
【００２１】
《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（一部破断）である。図において、モジュール１Ｍは、底面１１ａを有する器状（バット状）の筐体１１と、底面１１ａに設けられた複数のプリント配線板１２と、筐体１１の鍔部１１ｂ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は、例えば金属製であり、アルミニウムが好適である。金属製であることによって、筐体１１は良好な熱伝導性を有する。従って、プリント配線板１２から筐体１１への放熱性が特に良い。
【００２２】
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。
【００２３】
プリント配線板１２には、基板１２ｓ上に、複数個（ここでは８個）の発電素子（太陽電池）１２１が搭載されている。図示の例では、プリント配線板１２は、縦４枚×横６枚の、合計２４枚のプリント配線板１２がマトリックス状に並べられ、プリント配線板アレイ１２Ａを構成している。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。
【００２４】
図３は、筐体１１内のプリント配線板アレイ１２Ａを正面から見た図である。また、図４は、例えば図３における２段目、３段目の任意のプリント配線板１２を拡大して示す図である。なお、図３における１段目、４段目のプリント配線板１２についても、被覆電線の接続形態以外は、同じである。
【００２５】
まず、図４において、プリント配線板１２は、例えばガラスエポキシ樹脂製の基板（絶縁基材）１２ｓと、その上にエッチング等により形成された導電性（銅）のパターン１２ｐ（１２ｐ０〜１２ｐ９の総称符号）と、８個の発電素子１２１と、８個のバイパスダイオード１２２とを主な構成要素としている。
【００２６】
発電素子１２１の中心間の縦横の距離は、集光部１３におけるフレネルレンズ１３ｆの縦横の中心間距離と一致している。すなわち、各フレネルレンズ１３ｆの光軸は、対応する発電素子１２１の中心と交わる。パターン１２ｐは、その領域が１０個（１２ｐ０〜１２ｐ９）に分かれており、左半分・右半分ごとに、隣り合う２つの領域間を接続するように、発電素子１２１と、バイパスダイオード１２２とが設けられている。これによって、左側の４個の発電素子１２１は、互いに直列に接続されている。また、右側の４個の発電素子１２１も、互いに直列に接続されている。
【００２７】
なお、パターン１２ｐ０とパターン１２ｐ９との間、及び、パターン１２ｐ４とパターン１２ｐ５との間は、繋がっていない。パターン１２ｐ０及びパターン１２ｐ９にはそれぞれ、端子１２３Ｌ及び端子１２３Ｒが取り付けられている。端子１２３Ｌ及び端子１２３Ｒにはそれぞれ、被覆電線１２４Ｌ及び１２４Ｒがねじ止めにより接続されている。また、パターン１２ｐ４及びパターン１２ｐ５にはそれぞれ、端子１２５Ｌ及び端子１２５Ｒが取り付けられている。端子１２５Ｌ及び端子１２５Ｒにはそれぞれ、被覆電線１２６Ｌ及び１２６Ｒがねじ止めにより接続されている。
【００２８】
バイパスダイオード１２２は、対応する発電素子１２１と並列に接続され、電流のバイパスを形成している。バイパスダイオード１２５は、発電素子１２１が発電しないときに、隣り合うパターン同士を短絡する役目をする。これにより、局部的に発電しない発電素子１２１があっても、プリント配線板１２としての発電、さらには、プリント配線板アレイ１２Ａ全体としての発電を妨げないようになっている。
【００２９】
図３に戻り、縦一列（４枚）のプリント配線板１２に注目すると、各プリント配線板１２における左側の１６個の発電素子１２１は全て直列に接続され、また、右側の１６個の発電素子１２１も全て直列に接続されている。１個の発電素子１２１の出力電圧は例えば２．５Ｖであり、上記の直列接続によって、出力電圧４０Ｖ（＝２．５Ｖ×１６）の直列回路が合計１２本形成されている。これら１２本の直列回路は、渡り線としての被覆電線の１２７Ｐ及び１２７Ｎによってプラス側・マイナス側がそれぞれ相互に並列接続される。従って、このプリント配線板アレイ１２Ａ全体としては、例えば右上・左下に出力線１２８Ｐ，１２８Ｎがあるとすれば、当該出力線から４０Ｖの１２並列の出力を提供することができ、１モジュール１Ｍ全体として、前述の１２０Ｗ（３Ａ）を供給することができる。
【００３０】
図３における２４枚のプリント配線板１２は、それぞれの真上に来る集光部１３の２４の小領域と対応している。言い換えれば、集光部１３を、プリント配線板１２に対応した２４の小領域に分けた場合の各小領域の８個のフレネルレンズ１３ｆと対応する位置にそれぞれ発電素子１２１を搭載したプリント配線板１２が、集光部１３の全ての小領域に対応してマトリックス状に配置されている関係になる。
【００３１】
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、複数（本例では８個）の発電素子１２１を搭載するプリント配線板１２が複数個（本例では２４枚）集まってマトリックス状に配置されることによって実質的に大基板と同じ拡がりを持ち、フレネルレンズ１３ｆの全数に対応した発電素子１２１を等間隔で配置することができる。個々のプリント配線板１２は、適度な大きさにとどまるため、筐体１１の底面１１ａに沿わせることが容易で、放熱性も確保し易い。
【００３２】
各プリント配線板１２単位では基板上に形成されたパターンを介して回路接続を完成させることができるため、発電素子ごとにプリント配線板がある場合と比較すると、複数のプリント配線板１２同士の接続作業は格段に容易になる。また、被覆電線は柔軟性があり曲げ易いので、電線接続のための高い精度（例えば端子１２３Ｌ，１２３Ｒ，１２５Ｌ，１２５Ｒの位置を高精度に製作すること等）は不要である。さらに、被覆電線の使用により、筐体１１に対する絶縁も容易である。なお、被覆電線の接続の仕方によって全体の直並列接続形態を、図３とは異なる形態に変更することも容易である。
このようにして、製造のし易さと、低コスト化と、放熱性確保とに好適な基板の構成を実現することができる。
【００３３】
また、図４において、プリント配線板１２には孔１２ｈが２箇所に形成されている。一方、筐体１１の底面には突起１１ｐがプリント配線板１２ごとに２つ形成されている。そして、突起１１ｐと孔１２ｈとを嵌め合わせるようにプリント配線板１２を取り付けることにより容易に、所定位置に、プリント配線板１２の位置決めをすることができる。なお、この嵌め合い構造は一例であり、要は、底面１１ａとプリント配線板１２との間で、互いに嵌り合う部位が形成されていればよい。
【００３４】
また、発電素子１２１が設けられる表面に対して、プリント配線板１２の裏面の全面（孔１２ｈを除く。）には、例えばアルミニウム板等の、金属板１２９が接着されている。このように金属板１２９を設けることで、プリント配線板１２の熱を、金属板１２９を介して容易に、筐体１１に逃がすことができる。また、金属板１２９は、プリント配線板１２の変形防止にも寄与する。
【００３５】
図５は、モジュール１Ｍにおける、フレネルレンズ１３ｆと発電素子１２１との光学的な位置関係を、プリント配線板１２等の断面図の一例と共に示す図である。この断面は、図４における横方向への断面に相当する。プリント配線板１２は、基板１２ｓ上にパターン１２ｐが形成され、その上に、発電素子１２１及びバイパスダイオード１２２が搭載されている。また、発電素子１２１及びバイパスダイオード１２２を除くパターン１２ｐ上には、絶縁のための樹脂によるカバーレイ１２ｃが、熱溶着等により、被着されている。基板１２ｓの下面には金属板１２９が接着され、金属板１２９は筐体１１の底面１１ａに密着している。
【００３６】
なお、上記発電素子１２１は、フレネルレンズ１３ｆによる集光を、直接受けるが、フレネルレンズ１３ｆを１次集光部としたときの２次集光部を、発電素子１２１と組み合わせるように設けることもできる。
【００３７】
例えば、図６は、２次集光部としてのレンズ１２ａと、発電素子１２１とを一体にパッケージ化したレシーバ１２Ｒを、搭載した例である。一方、図７は、２次集光部としての導光部１２ｂと、発電素子１２１とを一体にパッケージ化したレシーバ１２Ｒを、搭載した例である。導光部１２ｂは、漏斗状の形状で、内面の反射により光を発電素子１２１に導く。このようなレンズ１２ａ又は導光部１２ｂを設けることにより、集光度を高めることができるので、発電素子をさらに小さくすることができる。発電素子は高価であるため、小さくすることは実用的な意義が大きい。また、集光位置のずれによる光量の低下を抑制することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態においてはプリント配線板１２同士の接続には被覆電線（１２４Ｌ，１２４Ｒ，１２６Ｌ，１２６Ｒ，１２７Ｐ，１２７Ｎ）を用いた。被覆電線は相互の絶縁及び筐体１１との絶縁が確保し易く、安価であるため、好適である。但し、被覆電線の代わりに、導体の接続片を用いてもよい。導体の接続片の場合には、金属製の筐体１１との絶縁を確保するために、絶縁コーティングを施す等の配慮が必要である。
【００３９】
また、上記実施形態において筐体１１は金属製としたが、金属製に限定される訳ではなく、樹脂製とすることも可能である。この場合、筐体１１が特に軽量となり、集光型太陽光発電モジュール１Ｍ全体としても特に軽量となる。なお、樹脂であっても熱伝導性はあるので、一定の放熱性は得られる。特に、高熱伝導性を有する絶縁性フィラー（例えば、アルミナ、シリカ、炭化珪素、酸化マグネシウム等）を添加した樹脂は、熱伝導性に優れ、放熱性が向上するので、好適である。また、樹脂の表面に金属コーティングを施すことにより、表面の熱伝導性を金属と同等に高めることもできる。
【００４０】
また、上記各実施形態では、集光部１３のレンズ要素としてフレネルレンズ１３ｆを使用した。フレネルレンズは、軽量で製造容易であるため好適である。但し、フレネルレンズに代えて、ガラス等のレンズを使用することも可能ではある。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１  集光型太陽光発電パネル
１Ｍ  集光型太陽光発電モジュール
１１  筐体
１１ａ  底面
１１ｐ  突起
１２  プリント配線板
１２Ａ  プリント配線板アレイ
１２ａ  レンズ（２次集光部）
１２ｂ  導光部（２次集光部）
１２ｐ（１２ｐ０〜１２ｐ９）  パターン
１２ｈ  孔
１３  集光部
１３ｆ  フレネルレンズ（レンズ要素）
１２１  発電素子
１２４Ｌ，１２４Ｒ  被覆電線
１２６Ｌ，１２６Ｒ  被覆電線
１２７Ｐ，１２７Ｎ  被覆電線
【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】
2013135023.tif 000008
【図７】
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