聚光型光伏单元、聚光型光伏模块，聚光型光伏面板和聚光型光伏发电装置的制作方法

本发明涉及用于通过将太阳光聚集在发电元件上、以产生电力的聚光型光伏(CPV)单元、模块、面板、和装置。

背景技术：

形成用于聚光型光伏的光学系统基础单元的单元例如包括构成凸透镜的一次透镜、构成球面透镜的二次透镜和发电元件(例如，见专利文献1(图8))。作为发电元件，可使用高发电效率的太阳能电池。太阳光由一次透镜聚集，以入射到二次透镜上，然后由二次透镜进一步地聚集，以到达发电元件。这样的结构允许大量光能聚集到较小的发电元件上，从而能够高效地发电。大量的这样的聚光型光伏单元布置成矩阵形状，以形成聚光型光伏模块，然后，大量的模块布置成矩阵形状，以形成聚光型光伏面板。聚光型光伏面板与用于使得面板面对太阳、同时执行跟踪操作的驱动设备一起形成聚光型光伏装置。

二次透镜被设置为用于将光能聚集到较小区域上，从而尽可能地减小所需的昂贵的发电元件的面积，而更好地是，为了减少跟踪太阳时的偏离和减少二次透镜相对于一次透镜的安装位置的误差的影响，从而提高聚集的准确率。也就是，在仅设置一次透镜的情况下，当光轴由于跟踪偏离或安装位置的误差而移位时，所聚集的光线的一部分会外泄到发电元件的受光面之外。在此情况下，降低了发电效率。因此，为了在即使光轴发生一些移位的情况下、也可将光引导到发电元件，从而设置了构成球面透镜的二次透镜(例如，见专利文献1(图10c))。

还提出了这样的技术，即，使用具有包括两个弧形突起的特殊形状的透镜作为二次透镜，来提高发电效率(例如，见专利文献2(图6，第0006段)。此外在这种情况下，在仅使用一次透镜的情况下、可能泄露到发电元件的受光面之外的光线能够由二次透镜引导到受光面。

专利文献1：美国专利申请公开US2010/0236603A1

专利文献2：日本特许专利公开No.2002-270885

技术实现要素：

然而，在除了一次透镜还包括二次透镜的聚光型光伏单元中，一次透镜和二次透镜两者的透光度不是100％。透光度不是100％的原因是光被每个透镜反射和吸收。为了高效地发生，期望尽可能地提高透光度。然而，事实上，即使提高1％也是不容易的。

鉴于这些传统的问题，本发明的目的是在包括二次透镜的聚光型光伏光学系统中，增加到达发电元件的光量，从而提高发电效率。

本发明是一种聚光型光伏单元，其构成为通过二次聚光部将由一次聚光部聚集的太阳光引导到发电元件，该二次聚光部包括：具有三维形状的二次透镜；以及半透明的并且具有比空气高且比二次透镜低的折射率的覆盖部，所述覆盖部呈沿太阳光作用的表面延伸的薄膜形状地至少覆盖太阳光作用在二次透镜的表面上的表面。

此外，能够由所述聚光型光伏单元，构成聚光型光伏模块/面板/装置。

根据本发明的聚光型光伏单元，能够提高发电效率。包括该单元的聚光型光伏模块/面板/装置也能够提高发电效率。

附图说明

图1是示出聚光型光伏装置的一个例子的透视图。

图2是示出包括驱动设备等的聚光型光伏系统的一个例子。

图3是示出聚光型光伏模块的一个例子的放大透视图。

图4是图3中的IV部分的放大图。

图5是示出具有挠性衬底的二次聚光部和发电元件的放大透视图。

图6是仅示出二次聚光部和发电元件的横截面图。

图7是示出作为形成上述模块的光学系统基础单元的聚光型光伏单元的示意图。

图8示出由二次透镜导致的光折射。

图9是示出X移位[mm]和短路电流值[mA]之间的关系的实验数据的图表。

图10是示出X移位[mm]和光效率[％]之间的关系的模拟结构的图表。

图11示出二次透镜的变型。

图12是示出二次聚光部及其邻近部分的另一结构例的透视图。

图13是沿XIII-XIII线观察的图12的横截面图。

附图标记列表

1 聚光型光伏面板

1M 聚光型光伏模块

1U 聚光型光伏单元

3 架台

3a 支柱

3b 基底

4 跟踪传感器

5 太阳热量计

11a 底表面

11 壳体

11b 凸缘部

12 挠性印刷电路

13 一次聚光部

13f 菲涅耳透镜

14 连接器

100 聚光型光伏装置

121 挠性衬底(衬底)

122 二次聚光部

123 二次透镜

124 发电元件

125 树脂成形体

125f 覆盖部

125s 支撑部

126 封装件

200 驱动设备

201e 步进电机

201a 步进电机

202 驱动电路

300 电功率计

400 控制设备

具体实施方式

实施例概述

本发明的实施例的概述至少包括以下部分。

(1)该聚光型光伏单元是被构造为通过二次聚光部将由一次聚光部所聚集的太阳光引导到发电元件的聚光型光伏单元，该二次聚光部包括：具有三维形状的二次透镜；以及半透明的覆盖部，所述覆盖部的折射率高于空气且低于所述二次透镜，所述覆盖部沿着所述二次透镜中的、至少太阳光入射的表面延伸，从而以薄膜状对该表面进行覆盖。

在如上构成的聚光型光伏单元中，覆盖部具有AR(抗反射)涂层的功能，其抑制入射在二次透镜上的光的反射。因此，抑制了光的反射，增加了入射在二次透镜上的光量和引导至发电元件的光量。因此，能够提高聚光型光伏单元的发电效率。由于覆盖部具有薄膜形状(例如不厚于0.2mm)，所以也能够抑制覆盖部自身的光吸收(损失)

(2)在(1)中，所述覆盖部可以是对所述二次透镜进行封装、以将所述二次透镜包围在其中的树脂成形体的一部分。

在这种情况下，二次透镜和覆盖部能够由树脂成形体整体地形成。因此，能够获得稳定品质的二次聚光部。即使在二次透镜具有三维形状、从而不易被定位和保持的情况下，二次透镜也能够被精确地定位在安装有发电元件的衬底上，同时能够被容易且可靠地固定。作为树脂，可以使用例如硅树脂或丙烯酸树脂。

(3)在(2)中，所述树脂成形体可以是除了二次透镜以外还包括发电元件的成形体。

在此情况下，从二次聚光部到发电元件的光学系统能够由树脂模制本体整体地形成。因此，能够获得稳定品质的光学系统。

(4)在(1)至(3)的任何一个中，优选地，二次透镜的形状在至少一部分上包括：球面、椭圆体面、圆锥面、或反截棱锥表面中的一个或多个。

即使当二次透镜的光轴略微偏离于一次聚光部的光轴，这样的形状使得也不会导致被引导到发电元件的光量大量减少。

(5)在(1)至(4)的任何一个中，例如，对于具有300nm至2000nm波长的入射光，所述二次透镜的折射率是1.49至1.56，所述覆盖部的折射率是1.39至1.45。

在此情况下，对于波长从包含在太阳光中的紫外光至红外光的光线而言，能够设置优选的折射率。

(6)根据(1)所述的聚光型光伏单元，可以包括：所述聚光型光伏单元的底表面；设置在所述底表面上的衬底，所述衬底上设置有所述发电元件；以及保持所述衬底上的所述发电元件的封装件，其中，包括所述覆盖部的树脂成形体连续地覆盖所述二次透镜的表面、所述发电元件、所述封装件、所述衬底和所述底表面。

在此情况下，树脂成形体形成覆盖部，且固定与树脂成形体彼此接触的部分。因此，提高了二次透镜和封装件之间、封装件和衬底之间、以及衬底和底表面之间的整体性，并且能够增加彼此的结合强度。

(7)在(6)中，所述树脂成形体可以具有绝缘特性；并且，所述二次透镜和所述封装件彼此接触的位置以及所述封装件和所述衬底彼此接触的位置可以由所述树脂成形体所覆盖，且在所有方位上不存在任何间隙。

在此情况下，发电元件由树脂成形体绝缘，从而提高了发电元件的导电部分的耐电压性能。此外，即使在高温和高湿的环境下，湿气也不会进入导电部分，从而能够实现高可靠性的聚光型光伏单元。

(8)在(6)和(7)中，所述树脂成形体整体上可以由半透明的树脂制成。

在此情况下，树脂成形体的一部分用作半透明的覆盖部，并且树脂成形体也用作固定元件，其与二次透镜等相互固定。因此，能够同时覆盖二次透镜以及对其附近部分进行固定，从而能够缩短生产工序。

(9)一种聚光型光伏模块，通过布置多个根据(1)所述的聚光型光伏单元而形成。

在此情况下，增加了整个模块中引导到发电元件的光量。因此，能够提高聚光型光伏模块的发电效率。

(10)能够提供一种聚光型光伏面板，其通过布置多个根据(9)所述的聚光型光伏模块而形成。

在此情况下，增加了整个面板中引导到发电元件的光量。因此，能够提高聚光型光伏面板的发电效率。

(11)一种聚光型光伏装置，包括：根据(10)所述的聚光型光伏面板；以及驱动设备，其被构成为驱动所述聚光型光伏面板，以在面对太阳的方向的同时执行跟踪太阳运动的操作。

在此情况下，能够提供一种聚光型光伏装置，其在白天期间一直维持在该时间点上的最高发电效率的状态。

实施例详述

《聚光型光伏装置/聚光型光伏面板》

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。首先，将描述聚光型光伏装置的结构。

图1是示出聚光型光伏装置的一个例子的透视图。在附图中，聚光型光伏装置100包括聚光型光伏面板1，和包括支柱3a及其基座3b的架台3，该支柱3a在其后表面上支撑聚光型光伏面板1。聚光型光伏面板1通过垂直和水平地组装多个聚光型光伏模块1M而形成。在本实施例中，除了中心部分以外，垂直和水平地组装62个(长度7×宽度9－1)聚光型光伏模块1M。当一个聚光型光伏模块1M具有例如大约100W的额定输出时，整个聚光型光伏面板1具有大约6kW的额定输出。

在聚光型光伏面板1的后表面侧上设置驱动设备(未示出)，并且通过操作该驱动设备，能够在方位角和仰角的两个轴上驱动聚光型光伏面板1。相应地，聚光型光伏面板1被驱动为在方位角和仰角上总是面对太阳的方向。在聚光型光伏面板1上的某一位置(在本实施例中是中心部分)上，或者在面板1的附近，设置有跟踪传感器4和太阳热量计5。根据跟踪传感器4和利用安装位置的纬度、经度和时间而计算得到的太阳的位置，从而进行跟踪太阳的操作。

也就是，每次太阳移动预定角度时，驱动设备也以该预定角度来驱动聚光型光伏面板。可以由跟踪传感器4来确定太阳已经移动预定角度这个现象，或者可以通过纬度、经度和时间来确定上述现象。因此，有时候也省略跟踪传感器4。预定角度例如是恒定值，但是该值可以根据太阳的高度和时间而改变。

图2是示出包括驱动设备等的聚光型光伏系统的一个例子。该图从跟踪操作控制的角度来予以示意。在图2中，如上所述，聚光型光伏装置100包括例如位于其后表面侧上的、用于跟踪太阳的操作的驱动设备200。驱动设备200包括用于：用于向仰角方向进行驱动的步进电机210e、用于向方位角方向进行驱动的步进电机201a、以及对上述装置进行驱动的驱动电路202。应该注意，步进电机仅是举例，也可以使用其他动力源。

来自太阳热量计5的输出信号(直接日射强度)输入到驱动电路202和控制设备400。聚光型光伏面板1所产生的电力能够由电力计300检测，表征所检测到的电力的信号被输入到控制设备400。驱动设备200存储聚光型光伏面板1的安装位置的纬度和经度，并且还具有时钟的功能。基于跟踪传感器4的输出信号和根据纬度、经度和时间而计算得到的太阳的位置，驱动设备200进行跟踪操作，以使得聚光型光伏面板1一直面对太阳。然而，如上所述，也存在不设置跟踪传感器4的情况。在这种情况下，仅基于由纬度、经度和时间而计算得到的太阳的位置来进行跟踪操作。

《聚光型光伏模块》

图3是示出聚光型光伏模块1M(下文中也简单地称为“模块”)的一个例子的放大(部分切除)透视图。在附图中，模块1M包括作为主元件的：壳体11，其形成为容器状(筒状)且具有底表面11a；挠性印刷电路12，其被设置为与底表面11a接触；和一次聚光部13，其像盖一样地连接到壳体11的凸缘部11b。壳体11由金属形成。

一次聚光部13是菲涅耳透镜陈列，并且通过以矩阵形状布置多个(例如长度16×宽度12，共192个)聚集太阳光的菲涅耳透镜13f来形成。一次聚光部13例如能够通过在用作基底材料的玻璃板的背面(内侧)上形成硅树脂膜而获得。每个菲涅耳透镜形成在该树脂膜上。在壳体11的外表面上，设置有用于获取模块1M的输出的连接器14。

图4是图3中的IV部分的放大图。在图4中，挠性印刷电路12包括带形的挠性衬底121以及位于其上的二次聚光部122。二次聚光部122的设置位置与一次聚光部13的菲涅耳透镜13f相对应，且二次聚光部122的数量与菲涅耳透镜13f的数量相同。

应该注意，用作衬底的挠性衬底121仅是一个例子，也能够使用其他种类的衬底。例如，可以使用平板形(矩形等)的多个树脂衬底或多个陶瓷衬底。

图5是示出具有挠性衬底121和发电元件124的二次聚光部122的放大透视图。在附图中，二次聚光部122由外侧上的树脂成形体125和被封装为包围在树脂成形体125中的二次透镜123组成。发电元件124位于二次聚光部122下方，发电元件124安装在挠性衬底121上。实际上，发电元件124包括作为从其获取输出的电极部的引线框，但在此为了简化附图而省略了引线框。模块1M中的发电元件124经由设置在挠性衬底121上的导电图案而串并联地电连接，从而作为整个模块1M能够获得所期望的发电电力。

图6是示出仅有二次聚光部122和发电元件124的横截面图。图5和图6中作为例子示出的二次透镜123呈球形，并且由硼硅酸盐基或石英基玻璃制成。树脂成形体125能够通过例如由硅树脂或丙烯酸(类)树脂模制二次透镜123来制成。树脂成形体125具有半透明性。树脂成形体125包括：覆盖部125f，其具有圆顶形且覆盖二次透镜123的上半球；和支撑部125s，其支撑二次透镜123。覆盖部125f基本上覆盖二次透镜123的上半球。也就是，覆盖部125f沿着所述二次透镜123中的、太阳光入射的表面延伸，从而以薄膜状对该表面进行覆盖。在图6中，为了便于制图，覆盖部125f被画的较厚，但是覆盖部125f的厚度例如不大于0.2mm。此外，二次透镜123和发电元件124之间具有间隙，树脂可以被引导到该间隙中。因此，二次透镜123不是直接位于发电元件124上。

在此，对于1.0的空气折射率，二次透镜123和覆盖部125f的折射率如下所述。此数值范围设定用于包含在太阳光中的、波长从紫外光(波长300nm)到红外光(波长2000nm)的光线的优选折射率。

二次透镜：1.49至1.56

覆盖部：1.39至1.45

因此，建立了这样的关系，即，覆盖部125f的折射率高于空气的折射率，并且低于二次透镜123的折射率。由于这种关系以及覆盖部125f呈薄膜形状，因此能够抑制入射在二次透镜123上的光线的反射率。

如图所示，由于树脂成形体125封装二次透镜123，以将其包围在其中，所以二次透镜123和覆盖部125f能够由树脂成形体125整体地形成。因此，能够获得稳定品质的二次聚光部122。此外，对于球形的、不易被定位和保持的二次透镜123而言，能够将其相对于挠性衬底1212精确地定位，同时能够容易且可靠地被固定。

此外，如图6所示，通过模制获得的树脂成形体125是成形体，其不仅包括二次透镜123，还包括发电元件124。因此，从二次聚光部122到发电元件124的光学系统能够由树脂成形体125整体地形成。因此，能够获得稳定品质的光学系统。

《聚光单元》

图7是示出作为形成上述模块1M的光学系统基础单元的聚光型光伏单元(在下文中，也简单地称为“单元”)1U的示意图。也就是，在单元1U中，由作为一次聚光部的菲涅耳透镜13f(一次透镜)聚集的太阳光通过二次聚光部122被引导到发电元件124。二次聚光部122包括二次透镜123和树脂成形体125，并且树脂成形体125包括上述的覆盖部125f和支撑部125s(图5、图6)。一次聚光部(菲涅耳透镜13f)的光轴和二次聚光部122的光轴应该彼此对齐。然而，由于跟踪偏离和安装位置的误差，也存在例如在X方向上发生微小移位的情况。

图8示出由二次透镜123造成的光折射。(a)示出了包含在太阳光中的、具有短波长(例如紫外光：300nm的波长)的光线的折射，(b)示出具有长波长(例如红外光：2000nm的波长)的光线的折射。由于存在二次透镜123，所以即使当入射光的光轴稍微移位时，光线也能够被引导到发电元件124。

也就是，通过在发电元件124附近设置与一次透镜相分离的二次透镜123，从而光能被聚集到较小区域，同时，减小了二次聚光部122的光轴相对于作为一次聚光部的菲涅耳透镜13f的移位的影响，从而能够提高聚光精度。

《覆盖部的影响》

接下来，发明人检查了二次透镜123通过树脂成形体125来设置覆盖部125f的情况和仅设置二次透镜123的情况之间，在光学效果上产生的差异。

图9是示出X移位[mm]和短路电流值[mA]之间关系的实验数据图表。X移位是一次聚光部和二次聚光部之间的光轴移位(对应于图7中在X方向上的移位)。短路电流值[mA]是在发电元件124的输出短路情况下所施加光线时的电流值。短路电流值是没有负载、电压维持在0时的电流值，从而与由入射光光激发的电子的数量成比例。光激发的电子数量仅取决于入射在发电元件124上的光子的数量。在图表中，粗线表示具有覆盖部125f时的数据，薄线表示没有覆盖部时的数据。由于设置了覆盖部，X＝0时的短路电流值从395mA增加至405mA，大约提高了2.5％。

图10是示出X移位[mm]和光效率[％]之间的关系的模拟结果的图表。光效率是当入射在二次聚光部上的光是100％时、进入发电元件124的光线的比率。在图表中，粗线表示具有覆盖部125f的数据，细线表示没有覆盖部的数据。

图9的图表的特性和图10的图表的特性彼此非常匹配。关于具有覆盖部的情况和没有覆盖部的情况，在X为－3mm至3mm的范围中，“具有覆盖部”的情况一直表现出较好的光学效果。具体地，已经发现，设置覆盖部125f提高了大约2-3％的光学效率。这被理解为，覆盖部125f具有抑制入射在二次透镜123上的光线的反射的AR(抗反射)涂层的功能。因此，抑制了光线的反射，增加了入射在二次透镜123上的光量和引导至发电元件124的光量。

也就是，能够认为，通过设置折射率在空气和二次透镜123之间的覆盖部125f，从而可抑制光线的反射，二次透镜123的透光率提高了大约2至3％。因此，能够提高聚光型光伏单元1U的发电效率。此外，由于覆盖部125f具有薄膜形状，所以也能够抑制覆盖部自身的光吸收(损失)。此外，还能够忽略覆盖部125f的折射影响。

通常，已知在透镜的表面上设置涂层来防止光线的反射。实例包括用于通讯的光接收元件的透镜和摄像机透镜。在用于通讯的光接收元件的透镜的情况下，波长限制为红外线窄波长带，因此，用于防止反射的设计较为简单。在摄像机透镜的情况下，使用与包含在可视光中的波长区域对应的昂贵的多层膜。

与此相反，在聚光型光伏单元的二次聚光部的情况下，所使用的光线是从紫外光到红外光的300nm至2000nm的波长区域的光线，这比摄像机透镜情况下的波长区域更宽。因此，从成本方面来说，不能使用多层膜。

因此，通过使用由价格低廉的树脂制成、仅具有预定折射率且构成树脂成形体125的一部分的覆盖部125f，从而提高2-3％透光率，这是非常有意义的。

《二次透镜的变型》

图11示出二次透镜123的变型。

作为二次透镜的形状，作为(a)已知的球形的替代，可以采用如下形状中的任何一种。

(b)半球加圆柱型：作为上部的半球加上作为下部的圆柱；

(c)半球加反圆锥型：作为上部的半球加上作为下部的反圆锥；

(d)均匀型：作为顶表面的平面(正方形)加上下方的截棱锥(截断的四边形棱椎)；

(e)水滴型：作为上部的圆锥加上作为下部的半球；

(f)平凸型：作为顶表面的圆形平面加上下方的半球；

(g)椭圆体型：椭圆形的旋转体。

以上各种形状中的任何一种在至少部分上具有一个或多个球面、椭圆体面、圆锥面、或反截棱锥表面。具有这样形状的二次透镜123作用以向下引导接收的光，即引导到发电元件，同时使光折射或全部反射。

具有这样形状的二次透镜的优点在于，即使当其光轴从一次聚光部的光轴稍微移位时，也不会大大减少引导到发电元件的光量。此外，在采用上述任何类型的透镜的情况下，利用与覆盖部125f类似的覆盖部来至少覆盖二次透镜123的、太阳光入射的表面。

《模块/面板/装置》

当聚光型光伏模块1M通过布置多个上述聚光型光伏单元1U而构成时，在整个模块中引导到发电元件124的光量增加。因此，能够提高聚光型光伏模块1M的发电效率。

此外，当聚光型光伏面板1通过布置多个聚光型光伏模块1M而构成时，在整个面板中引导到发电元件124的光量增加。因此，能够提高聚光型光伏面板1的发电效率

再进一步地，聚光型光伏装置100包括：聚光型光伏面板1；和驱动设备200，其驱动聚光型光伏面板1，以在面对太阳的方向的同时执行跟踪太阳运动的操作，并且所述驱动设备能够在白天期间一直维持在该时间点上的最高发电效率的状态。

《二次聚光部等的其它结构例》

图12是示出聚光型光伏单元1U中的二次聚光部122及其邻近部分的另一结构例的透视图。在附图中，在模块1M的底表面11a上设置有挠性衬底121。在挠性衬底121上安装有发电元件124。由树脂制成且具有管状形状的封装件126与发电元件124整体地组装，从而保持发电元件124。发电元件124焊接在挠性衬底121上，从而也固定了封装件126。封装件126的上端上放置有二次透镜123。树脂成形体125形成覆盖部125f，同时形成支撑部125s。包括覆盖部125f的树脂成形体125连续地覆盖二次透镜123的表面、封装件126和挠性衬底121的、围绕封装件126的整个外周的环形区域，并且进一步地延伸到底表面11a的一小部分。

图13是沿XIII-XIII线观察的图12的横截面图。如图所示，在封装件126内还具有树脂成形体125的支撑部125s。以此方式，与树脂成形体125接触的部分被彼此固定。因此，提高了二次透镜123和封装件126之间、封装件126和挠性衬底121之间、以及挠性衬底121和底表面11a之间的整体性，并且能够增加彼此的结合强度。

树脂成形体125具有绝缘特性，并且二次透镜123和封装件126彼此接触的位置以及封装件126和挠性衬底121彼此接触的位置由树脂成形体125覆盖，且在所有方位上(360度)不存在任何间隙。

在这种情况下，发电元件124由树脂成形体125绝缘，从而提高了发电元件124的导电部分的耐电压性能。此外，即使在高温和高湿的环境下，湿气也不会进入导电部分，从而能够实现高可靠性的聚光型光伏单元1U。

树脂成形体125整体上由半透明的树脂制成，并且如上所述，例如优选使用硅树脂或丙烯酸树脂。

在这种情况下，一部分的树脂成形体125用作半透明的覆盖部125f，并且树脂成形体125也用作固定元件，其与诸如二次透镜123这样的、与树脂成形体125接触的部分相互固定。因此，能够在覆盖二次透镜123的同时对其附近部分进行固定，从而能够缩短生产工艺。

《其他》

应该理解，在此公开的实施例在所有方面都仅是示例性的，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求的范围限定，并且旨在包括与权利要求的范围等同的含义和在该范围内的所有修改。