JP5063686B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関するものであり、特に、太陽電池モジュールに備えられた太陽電池パネルの支持構造に関する。

従来の太陽電池モジュールは、板状に形成され同一平面上に配置された複数の太陽電池セルが、例えば、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）のような、柔軟性のある樹脂製のセル保護部材に被覆され、セル保護部材の表面に強化ガラス等の表面保護部材が接着されて、建築部材としての構造強度を確保している。

上記の従来の太陽電池モジュールよりも、さらに強度を高めた太陽電池モジュールとして、太陽電池パネルと、その裏面に配置された断熱材と、その裏面に配置された金属板とを、接着層を介して積層して一体化したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−１１９２０２号公報（第４頁、図１）

しかしながら、上記のいずれの従来の太陽電池モジュールも、家屋の屋上などの屋外に設置した後の太陽電池モジュールの発電効率が、設置する前の発電効率に比べて低下してしまう、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、屋外に設置した後の発電効率を低下させないようにした、信頼性の高い太陽電池モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、板状に形成され同一平面上に配置された複数の太陽電池セルと、前記同一面上に配置された複数の太陽電池セルを被覆するように板状に形成されたセル保護部材と、該セル保護部材の表面に接着された表面保護部材とを備えて成る太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの外周部を保持する外枠フレームと、前記外枠フレームの対向する２箇所に夫々両端が係合し前記太陽電池パネルの裏面側の中央部を支持する曲げ剛性を有する梁と、を備え、前記梁には、初期張力が与えられていることを特徴とする。

また、本発明は、板状に形成され同一平面上に配置された複数の太陽電池セルと、前記同一面上に配置された複数の太陽電池セルを被覆するように板状に形成されたセル保護部材と、該セル保護部材の表面に接着された表面保護部材と、前記セル保護部材の裏面に接着された裏面板とを備えて成る太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの外周部を保持する外枠フレームと、を備え、前記表面保護部材の弾性率をＥ₁、厚さをｔ₁、前記裏面板の弾性率をＥ₂、前記セル保護部材の厚さをｔ₃として、前記裏面板の厚さｔ₂を、数式（１）から算出される厚さｔ_A以上であって、数式（２）から算出される厚さｔ_B以下とすることを特徴とする。

この発明によれば、屋外に設置した後も発電効率が低下しない信頼性の高い太陽電池モジュールが得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の太陽電池モジュールの実施の形態１を示す縦断面図であり、図２は、実施の形態１の太陽電池モジュールの下面図であり、図３は、実施の形態１の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの上面図であり、図４は、実施の形態１の太陽電池モジュールの外枠フレームと梁との係合部を示す部分下面図であり、図５は、実施の形態１の太陽電池モジュールの支持台を示す斜視図であり、図６は、実施の形態１の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。

図１〜図５に示すように、実施の形態１の太陽電池モジュール５は、複数（実施の形態１では、１２枚）の矩形板状の太陽電池セル２が同一面上に間隔を隔てて配置された矩形板状の太陽電池パネル１と、太陽電池パネル１の外周部を溝７ｅに挿入させて保持するアルミ合金製の矩形枠状の外枠フレーム７と、太陽電池パネル１の裏面側の外枠フレーム７の２本の対角線上に配置され、外枠フレーム７の角部７ａの斜材（係合部）７ｂに締結された２本の高張力鋼製の梁６、６と、を備えている。

２本の梁６、６は、外枠フレーム７及び太陽電池パネル１の中央部１２で交差している。梁６、６の交差部に、アルミ合金製の支持台８が設置され、支持台８の矩形の支持プレート８ｃにより、太陽電池パネル１の裏面側の中央部１２を支持するようになっている。

図６に示すように、太陽電池セル２（図６には１枚しか図示されていないが、１２枚の太陽電池セル２が、同一面上に間隔を隔てて配置されている。）は、例えば、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）のような、柔軟性のある樹脂製のセル保護部材４により被覆されている。１２枚の太陽電池セル２を被覆するように板状に形成されたセル保護部材４の表面には、表面保護部材３が接着されている。

表面保護部材３は、厚さ２〜４ｍｍの強化ガラスである。太陽電池セル２は、厚さ０．１〜０．４ｍｍの結晶シリコンで製作されている。また、セル保護部材４は、太陽電池セル２を含めて０．３〜１ｍｍの厚さである。

従来の太陽電池モジュールにおいては、輸送時に曲げ負荷がかかること、家屋の屋上への設置工事の際に太陽電池パネルの上に人が乗って曲げ負荷がかかること、設置後に強風による面圧を受けること等、太陽電池パネルに大きな外力（曲げ負荷）が加わることにより、太陽電池パネルが変形し、内部に封止された太陽電池セル２にクラックが発生することがあった。また、太陽電池パネルが、上記のような許容値を超える外力を受けた場合、太陽電池セル２に発生したクラックが原因となって、発電効率が低下する。

実施の形態１の太陽電池モジュール５は、太陽電池パネル１が変形しクラックが発生するのを防止するために、太陽電池パネル１の裏面側の中央部を、梁６、６及び支持台８により支持している。

太陽電池パネル１の外周部を保持する外枠フレーム７の２本の対角線上に配置され、外枠フレーム７の対向する２箇所の角部７ａ、７ａの斜材７ｂ、７ｂに夫々両端が係合する２本の梁６、６は、外枠フレーム７の中央部１２で交差している。交差部に設置されたアルミ合金製の支持台８の矩形の支持プレート８ｃにより、太陽電池パネル１の裏面側の中央部を支持している。

太陽電池パネル１に曲げ負荷がかかっても、梁６、６により太陽電池パネル１の裏面側の中央部を支持しているので、太陽電池パネル１の曲げ変形が抑制される。太陽電池モジュール５に、輸送の負荷、設置時の負荷、設置後の風による負荷がかかっても、太陽電池セル２にクラックが入ることは殆んどない。

それ故、太陽電池モジュール５設置後の発電効率の低下を防止することができ、信頼性を向上させることができる。また、梁６、６は棒状であるので、太陽電池パネル１の裏面を覆わずに太陽電池パネル１の剛性を高めていて、太陽電池パネル１の裏面からの放熱性は維持されている。それ故、太陽電池セル２の温度が上昇して発電効率が低下することはない。

図４に示すように、棒状の梁６の両端部には、ねじ６ａが形成されている。外枠フレーム７の角部７ａには、斜材７ｂが固着されている。斜材７ｂの孔にねじ６ａが挿通され、梁６は、ねじ６ａにねじ込まれたナット１０、１０により外枠フレーム７の対向する２箇所の角部７ａ、７ａに夫々両端が係合している。

梁６の、ねじ６ａが形成されていない部分の端面６ｂと斜材７ｂの内側端面７ｃとの間には、初期隙間９が設けられている。ナット１０、１０を締め込むことにより、梁６に初期張力Ｔを与えることができる。梁６に初期張力Ｔを与えておくと、太陽電池パネル１が曲げ変形したときに、通常の梁の曲げに対する復元力に加え、梁６の長さをＬ、曲げ変形変位をｘとすると、Ｆ＝２Ｔｘ／Ｌの式で表される復元力Ｆが働く。

初期張力Ｔを与えた梁６は、初期張力Ｔを与えていない梁６と比較して復元力が大きくなり、太陽電池パネル１の曲げ変形に対する梁６、６の剛性を高めることができる。また、梁６、６を、初期張力を与えない場合より小形にすることも可能であり、梁６、６の質量を軽減することもできる。

なお、梁６を２分割してターンバックルで繋ぎ、ターンバックルにより、梁６に初期張力Ｔを与えることもできる。梁６は、太陽電池パネル１を保持する外枠フレーム７に締結されるだけでなく、図示はしないが、外枠フレーム７を設置場所に取付けるためのフレーム構造物として利用してもよい。

図５に示すように、梁６、６の交差部に設置される支持台８は、交差した梁６、６に嵌合する交差溝８ｂが設けられた支持ブロック８ａと、支持ブロック８ａの太陽電池パネル１側の面に固着され、中央部に配置された２枚の太陽電池セル２、２の外周部に、その外周部が位置するように形成した支持プレート８ｃとから成る。

支持プレート８ｃを上記のように形成すると、図２及び図５に示すように、支持プレート８ｃの外周部に発生する集中荷重が太陽電池セル２に作用せず、太陽電池セル２、２間の隙間に作用するので、太陽電池セル２の割れを防ぐことができる。実施の形態１では、支持プレート８ｃを、２枚の太陽電池セル２、２の外周部にその外周部を位置させるようにしたが、支持プレート８ｃの外周部を太陽電池セル２、２間の隙間に位置させるようにすればよく、支持プレート１２の大きさは、太陽電池セル２の１枚分の大きさであっても、複数枚分の大きさであってもよい。

なお、実施の形態１では、表面保護部材３を強化ガラスとしたが、表面保護部材３は、光を通すものであればよく、透明樹脂としてもよい。また、梁６は、太陽電池パネル１の対角線上に２本配置したが、これに限定されるものではなく、太陽電池パネル１の中央部を横断するように配置すればよい。

実施の形態２．
図７は、本発明の太陽電池モジュールの実施の形態２及び３を示す縦断面図であり、図８は、実施の形態２の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。

図７及び図８に示すように、実施の形態２の太陽電池モジュール２５は、複数の太陽電池セル２が配置された矩形板状の太陽電池パネル２１と、太陽電池パネル２１の外周部を溝７ｅに挿入させて保持するアルミ合金製の矩形枠状の外枠フレーム７と、を備えている。

また、図８に示すように、太陽電池パネル２１においては、太陽電池セル２（図８には１枚しか図示されていないが、複数の太陽電池セル２が、同一面上に間隔を隔てて配置されている。）が、ＥＶＡのような柔軟性のある樹脂製のセル保護部材４により被覆されていて、板状のセル保護部材４の表面には、板状強化ガラス製の表面保護部材３が接着されている。さらに、太陽電池パネル２１のセル保護部材４の裏面には、裏面板１４が接着されている。

従来の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セル単体の破壊曲率は、表面保護部材である強化ガラスより遥かに大きく、太陽電池セルは、表面保護部材に接着されているので、破壊曲率までの変形は生じない。それにも関わらず、輸送時の負荷、設置時の負荷又は風の負荷を受けたときに、太陽電池セルにクラックが発生するのは、次のような理由による。

図９は、従来の太陽電池パネルが、輸送時の負荷、設置時の負荷又は風の負荷を受け、曲げ変形したときに、太陽電池パネルに発生する歪の状態を示す図である。図９中の破線１５は、太陽電池パネルの中立軸１６から表層に至る圧縮歪及び引張歪の大きさの分布を示している。

図９に示すように、従来の太陽電池パネルは、輸送時、設置時又は設置後の風により、図９の上方から下方へ大きな面圧を受けると、下方へ湾曲する。太陽電池パネルは、表面保護部材３とセル保護部材４が接着されたパネルであるが、接着層４ａではすべりが発生し難いため、一体の部材と同様に湾曲変形する。

太陽電池パネルの歪は、中立軸１６の歪を０として、中立軸１６から上方又は下方へ離れるほど、直線的に増加する。中立軸１６の上方には、図９の破線矢印で示すように、圧縮歪が発生し、下方には、実線矢印で示すように、引張歪が発生する。

従来の太陽電池パネルは、厚さ２〜４ｍｍの強化ガラス製の表面保護部材３に、厚さ０．１〜０．４ｍｍの結晶シリコン製の太陽電池セル２を接合しているので、中立軸１６から下方へ離れて配置された太陽電池セル２には、大きな引張歪が発生している。その結果、太陽電池セル２単体の破壊曲率に達していないにも関わらず、太陽電池セル２にクラックが発生する。

図８に示すように、実施の形態２の太陽電池パネル２１は、セル保護部材４の裏面に、所定の厚さを有する裏面板１４を接着して、太陽電池セル２を中立軸に近づけ、太陽電池セル２に発生する引張歪を小さくし、クラックの発生を抑えている。

それ故、太陽電池モジュール２５が、輸送、設置及び設置後の風圧により負荷を受けても、太陽電池セル２のクラックの発生を低減することができ、太陽電池モジュール２５の設置後の発電効率の低下を防止することができる。

特に、中立軸１６（図８には図示していない。）を、セル保護部材４の厚さの範囲内に位置させると、太陽電池セル２に発生する歪が小さくなるので、太陽電池パネル２１に大きな曲げ荷重がかかっても、太陽電池セル２のクラックによる破損を防止することができる。

中立軸１６を、セル保護部材４の厚さの範囲内に位置させるには、表面保護部材３の弾性率をＥ₁、板厚をｔ₁、裏面板１４の弾性率をＥ₂、板厚をｔ₂、太陽電池セル２の周囲のセル保護部材４の厚さをｔ₃として、組合せ梁の中立軸の位置を表す式（機械科学のための材料力学、養賢堂発行、２００１年、１７９頁）から導かれる数式（１）から算出される厚さｔ_Aと数式（２）から算出される厚さｔ_Bとを用いて、裏面板１４の厚さｔ₂を、ｔ_A以上であってｔ_B以下（ｔ_A≦ｔ₂≦ｔ_B）とすればよい。

以上のように、実施の形態２の太陽電池モジュール２５は、太陽電池パネル２１のセル保護部材４の裏面に裏面板１４を接着しており、裏面板１４の厚さｔ₂は、表面保護部材３の弾性率Ｅ₁、厚さｔ₁、裏面板１４の弾性率Ｅ₂、セル保護部材４の厚さｔ₃に基づく数式（１）から算出される厚さｔ_A以上であって、数式（２）から算出される厚さｔ_B以下としたので、太陽電池セル２のクラックの発生が大幅に低減され、太陽電池モジュール２５設置後の発電効率の低下を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

また、太陽電池セル２単体の破壊曲率までの曲げ変形が許容され、裏面板１４を備えない場合よりも表面保護部材３の剛性を下げることができるので、表面保護部材３の厚さを薄くすることができ、太陽電池パネル２１の質量を低減することができる。

また、裏面板１４として、例えば、銅のような熱伝導率の高い金属を用いれば、太陽電池パネル２１の裏面からの放熱量が多くなり、太陽電池セル２の温度の上昇を抑制することができ、太陽電池モジュール２５の発電効率を向上させることができる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。

図１０に示すように、実施の形態３の太陽電池パネル３１は、太陽電池セル２が、柔軟性のあるセル保護部材４に被覆され、表面に、表面保護部材３が接着され、裏面には、裏面板１４として、板状のコア材１９の両面を外皮板１８で挟んだサンドイッチパネル１４が接着されている。なお、実施の形態３の太陽電池モジュール３５は、図７に示す太陽電池モジュール２５と同様の構造となっている。

ハニカムパネルに代表されるサンドイッチパネル１４は、非常に大きな曲げ剛性を持ち、太陽電池パネル３１の裏面に裏面板１４として接着することにより、太陽電池セル２の曲げ変形による破損を防ぐことができる。

特に、中立軸１６（図１０には図示していない。）が、セル保護部材４の厚さの範囲内にあるときには、太陽電池セル２に発生する引張歪が小さくなり、太陽電池パネル３１の大きい曲げ変形に対しても、太陽電池セル２の破損を防止することができ、太陽電池モジュール３５（図７参照）の信頼性を向上させることができる。

サンドイッチパネル１４を用いる場合に、中立軸１６を、セル保護部材４の厚さの範囲内に位置させるためには、サンドイッチパネル１４が複合材であるので、単一材料を想定した数式（１）及び数式（２）をそのまま使用することはできない。

図１０に示す、３層のサンドイッチパネル１４を用いた場合、中立軸１６をセル保護部材４の厚さの範囲に位置させるためには、外皮板１８の厚さをｔ_2a、弾性率をＥ_2a、コア材１９の厚さｔ_2bとして、サンドイッチパネル１４の厚さｔ₂を数式（３）から算出される値とし、弾性率Ｅ₂を数式（４）から算出される値とし、数式（３）で算出されたサンドイッチパネル１４の厚さｔ₂が、数式（１）から算出される厚さｔ_A以上であって、数式（２）から算出される厚さｔ_B以下（ｔ_A≦ｔ₂≦ｔ_B）とすればよい。

以上のように、実施の形態３の太陽電池モジュール３５は、セル保護部材４の裏面に接着する裏面板１４として、コア材１９の両面を外皮板１８で挟んだサンドイッチパネルを用い、サンドイッチパネル１４の厚さｔ₂を数式（３）により算出し、弾性率Ｅ₂を数式（４）により算出し、サンドイッチパネル１４の厚さｔ₂が、数式（１）から算出される厚さｔ_A以上であって、数式（２）から算出される厚さｔ_B以下となるようにしたので、太陽電池セル２のクラックの発生が大幅に低減され、太陽電池モジュール３５設置後の発電効率の低下を防止することができ、信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態３においては、裏面板１４としてサンドイッチパネルを用いているので、太陽電池モジュール３５の質量を低減することもできる。さらに、コア材１９として、アルミニウム等の金属ハニカムを用いれば、断熱材を用いる場合に比べて、熱伝導性がよく、太陽電池セル２の温度の上昇を抑制することができ、太陽電池モジュール３５の発電効率を向上させることができる。

また、外皮板１８として、アルミニウム等の金属を用いれば、熱伝導性がよく、太陽電池セル２の温度の上昇を抑制することができ、太陽電池モジュール３５の発電効率を向上させることができる。なお、外皮板１８としては、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を用いてもよい。アルミニウム等の金属を用いる場合に比べて、太陽電池パネル３１の質量を低減させることができる。

以上のように、本発明にかかる太陽電池モジュールは、輸送時、設置時及び強風時の負荷に対して強い太陽電池モジュールとして有用である。

本発明の太陽電池モジュールの実施の形態１を示す縦断面図である。 実施の形態１の太陽電池モジュールの下面図である。 実施の形態１の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの上面図である。 実施の形態１の太陽電池モジュールの外枠フレームと梁との係合部を示す部分下面図である。 実施の形態１の太陽電池モジュールの支持台を示す斜視図である。 実施の形態１の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。 本発明の太陽電池モジュールの実施の形態２及び３を示す縦断面図である。 実施の形態２の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。 従来の太陽電池パネルに発生する歪の状態を示す図である。 本発明の実施の形態３の太陽電池モジュールに備えられる太陽電池パネルの部分縦断面図である。

１，２１，３１ 太陽電池パネル
２ 太陽電池セル
３ 表面保護部材
４ セル保護部材
５，２５，３５ 太陽電池モジュール
６ 梁
６ａ ねじ
６ｂ 端面
７ 外枠フレーム
７ａ 角部
７ｂ 斜材
７ｃ 内側端面
７ｅ 溝
８ 支持台
８ａ 支持ブロック
８ｂ 交差溝
８ｃ 支持プレート
９ 初期隙間
１０ ナット
１２ 太陽電池パネルの中央部
１４ 裏面板（サンドイッチパネル）
１５ 変形の発生分布
１６ 中立軸
１８ 外皮板
１９ コア材

Claims (5)

1. 板状に形成され同一平面上に配置された複数の太陽電池セルと、前記同一平面上に配置された複数の太陽電池セルを被覆するように板状に形成されたセル保護部材と、該セル保護部材の表面に接着された表面保護部材とを備えて成る太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルの外周部を保持する外枠フレームと、
   前記外枠フレームの対向する２箇所に夫々両端が係合し前記太陽電池パネルの裏面側の中央部を支持する曲げ剛性を有する梁と、
   前記梁上に設置されて前記太陽電池パネルの裏面側の中央部を支持する支持台であって、前記複数の太陽電池セルのうち中央部に配置された太陽電池セルと平面視において重ねて配置され、略すべての外周端部が前記複数の太陽電池セル間の隙間に位置するように形成された支持プレートを有する支持台と、を備え、
   前記梁の両端が引っ張られて、前記梁には、初期張力が与えられていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記外枠フレームは、その内側に設けられて前記梁が係合する係合部を有し、
   前記係合部に形成された孔に前記梁が貫通され、前記梁の貫通部分にはねじが形成されており、前記ねじにナットを取り付けることで前記梁が前記外枠フレームに係合され、前記ナットが締め込まれることで前記初期張力が与えられることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記外枠フレームは、平面視において略方形形状を呈し、
   前記梁は、前記外枠フレームの対角となる部分に係合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記外枠フレームは、平面視において略方形形状を呈し、
   前記梁は、前記外枠フレームの対向する辺同士に係合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記梁は複数設けられ、平面視において互いに前記中央部で交差することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽電池モジュール。

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