JP5303108B2 - 太陽光発電装置、及びそれを具備する建物 - Google Patents
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Description
Q:放射のエネルギー
ε:放射率(例えば理想の物体(黒体)では1)
σ:ステファン・ボルツマン定数
T:絶対温度(K)
従来の住宅用太陽光発電装置は上記のように、太陽電池モジュールの裏側の空間に風を通すことで、太陽電池モジュールからの熱を外気中に放散させる。それにより、太陽電池モジュールの裏側から空気の対流で建物の外装材へ伝搬する熱量が抑えられる。しかし、自然の風や自発的に生じる対流に頼るだけでは、冷却能力に上限があり、放射による熱移動を低減できない。
前述のように低背化や軽量化が行えないことから屋根上に太陽電池が突出すると共に、建築物の高い位置に重量物が設置されることから、耐風安定性や耐震性の更なる向上が困難である。その他に、建物の外装材の表面に対して太陽電池モジュールの裏面を大きく傾けることで両面間の形態係数を低下させることは、太陽光の方向に対する太陽電池モジュールの受光面側の形態係数をも低下させやすい。それ故、太陽電池モジュールの発電効率を高く維持することが困難である。
受光面に照射される太陽光を電力に変換する複数の太陽電池素子と、
前記複数の太陽電池素子の裏面を覆う絶縁材と、
前記絶縁材の裏面全体を覆う保護材と、
前記保護材の裏面と所定距離を隔てて対向する遮熱材と、
を有し、
前記遮熱材は、該遮熱材の裏面の少なくとも一部に前記保護材より放射率が低い低放射層と、前記保護材の裏面と対向する面側に位置するとともに前記低放射層より放射率が高い高放射層とを含んでおり、前記低放射層と前記高放射層とが積層されている。
まず、太陽電池モジュール下部での熱収支計算式により、本発明の効果に関する技術背景を簡単に説明する。熱収支を説明するモデル図を図8に示す。まず、日射によって太陽電池モジュール19が吸収する熱量Q1は下式となる。
また、外界から太陽電池モジュール19に対流熱伝達される熱量Q5は、以下の関数式によって求められる。
=α0・Apv(T0−T1)
α0=5.3+3.6V0
そして、太陽電池モジュール19から外界に長波放射される熱量Q2は、以下の関数式によって求められる。
=ε1・ε3・σ(T1 4−T3 4)φ13
また、移流によって移動する熱量Q4は、以下の関数式によって求められる。
=cγ0・V1(T0−T2)
V1=f3(V0、設置形態)
また、太陽電池モジュール19から空気層21への対流熱伝達する熱量Q6は、以下の関数式から求められる。
=α1・Apv(T1−T2)
α1=5.3+3.6V1
また空気層21と外装材20の表面との間で、対流熱伝達する熱量Q7は、以下の関数式から求められる。
=α1・Apv(T3−T2)
α1=5.3+3.6V1
Q2’=f2(T1’)
Q4’=f4(T0、T2’、V1)
Q5’=f5(T0、T1’、V0)
Q6’=f6(T1’、T2’、V1)
Q7’=f7(T2’、T3’、V1)
Q8’=f8(T1’、T3’)=ε1’ε3・σ((T1’)4−(T3’)4)φ13
Q9’=λ(x)・dT4’/dx
Q10A’=α2(T5’−T6’)
《実施形態1》
本発明の実施形態1による太陽光発電装置1は好ましくは住宅用であり、例えば住宅やビル2の屋根、屋上、又は外壁等、いわゆる建物の外装材3に設置される(図1参照)。
なお、上述の例では、太陽電池モジュール4を二次元的に配置しているが、曲面状に配置しても良い。また、レール5Aと脚部5Bは、溶融亜鉛鋼材やステンレスを用いて構成しても良く、さらにその表面を塗装しても良い。
カバーガラス6は好ましくは、透明な平板状の強化ガラスであり、風雨そのものや、強風で飛来する物体から太陽電池素子7を保護する。太陽電池素子7は好ましくは、単結晶シリコン製、又は多結晶シリコン製の薄い半導体基板であり、カバーガラス6に面した表面付近にpn接合を含む。一般に、複数の太陽電池素子7がカバーガラス6の表面と平行な平面上で、二次元格子状に配置されている。隣接する二つの太陽電池素子7の間では、一方の表面に設置された電極が配線8を通し、他方の裏面に設置された電極に接続される。それにより、太陽電池素子7による二次元格子の各列が直列に接続され、所定の出力電圧を得る。
保護材10の具体的な層構造としては、以下に述べる、第一から第三までの、三種類の多層構造が好ましい。これらの多層構造はいずれも、従来の製造工程を大幅に変更することなく、容易に製造できる。
第一の態様では、第一の低放射層15が放射率の低い塗膜である。好ましくは、その塗膜の色が、アルミ色、金色、真鍮色、又は銀色等の金属光沢色である。その他に、光沢のない金属色であっても良い。塗料がその色の他に、他の含有物により、第一の低放射層15の放射率を下げる効果を発揮しても良い。第一の低放射層15は、好ましくは、耐水性PET膜14の裏面にラッカーを吹き付けて形成される。その他に、アクリル系塗料、エポキシ系塗料、ポリウレタン系塗料、若しくはシリコーン系塗料を刷毛やローラーで塗布しても良い。
本発明の実施形態2による太陽光発電装置は、保護材10Aを除き、実施形態1による太陽光発電装置の構成要素と全く同様な構成要素を有する(図5参照)。図5では、図1〜4に示されている構成要素と同様な構成要素に対し、図1〜4に示されている符号と同じ符号が付されている。それら同様な構成要素の詳細は、実施形態1についての説明と図1〜4とを援用する。
本発明の実施形態3による太陽光発電装置は、保護材10Bと遮熱材18、18Aとを除き、実施形態1による太陽光発電装置の構成要素と全く同様な構成要素を有する(図6、7参照)。図6、7では、図1〜4に示されている構成要素と同様な構成要素に対し、図1〜4に示されている符号と同じ符号が付されている。それら同様な構成要素の詳細は、実施形態1についての説明と図1〜4とを援用する。また以下で遮熱材18、18Aの受光面方向の面を上表面、非受光面側の面を裏面と呼ぶものとする。
本発明の実施形態3による保護材10Bは好ましくは、実施形態1による保護材10とは異なり、第一の多層構造から第一の低放射層15を除いた三層又は四層から成る(図4(a)、(b)参照)。この層構造は従来の保護材の層構造に相当する。従って、保護材10Bの放射率が高いので、保護材10Bを通して放射される熱量は大きく維持される。
遮熱材18に代え遮熱材18Aが架台5A、5Bに固定され、太陽電池アレイ1の裏面全体より広い範囲で、建物の外装材3を覆っても良い(図7参照)。その場合、好ましくは、第二の遮熱材18Aがレール5Aと脚部5Bとの間に挟まれて固定されている。遮熱材18Aの積層構造や表面処理は前述の遮熱材18と同様のものが好適に利用可能である。
本発明の実施形態4による太陽光発電装置は、保護材10Bと遮熱材18、18Aを備え、それ以外は実施形態3による太陽光発電装置の構成要素とまったく同様な構成要素を有する。(図6、図7参照)図6、7では、図1〜4に示されている構成要素と同様な構成要素に対し、図1〜4に示されている符号と同じ符号が付されている。それら同様な構成要素の詳細は、実施形態1についての説明と図1〜4とを援用する。また以下で遮熱材18、18Aの受光面方向の面を上表面、非受光面側の面を裏面と呼ぶものとする。
上表面の放射率が高い為に太陽電池モジュール4からの放射熱の吸収を大きく維持する。また、裏面では凹凸が設けられかつ放射率が高いために、表面に比較して、裏面方向に対流熱伝達と放射で、より大きな熱量を伝熱するため、効率的に太陽電池を冷却し、S2で暖まった空気は太陽電池モジュールに接しない。
特に、遮熱材18にはPETシート12、すなわち、第二の低放射層16より放射率が高い高放射層が含まれている(図4(c)参照)。遮熱材18の放射率が高いため、太陽電池モジュール4からの放射を吸収しやすい。従って、太陽電池素子7の温度の上昇が抑制され、太陽電池素子7の発電効率が高く維持される。
なお、遮熱材18Aの母材は金属に限られず、例えば木材や樹脂材の表面に第二の低放射層16や高放射層が配置されたものでもよい。また、遮熱材18の材質も上記のPETに限られるものでなく、遮熱材18Aから低放射層を除いたものも利用可能である。
2 建物
3 外装材
4 本発明の実施形態1による太陽電池モジュール
5A 架台のレール
5B 架台の脚部
6 カバーガラス
7 太陽電池素子
8 配線
9 絶縁材
10 本発明の実施形態1による保護材
10A 本発明の実施形態2による保護材
10B 本発明の実施形態3による保護材
11 フレーム
12 PETシート
12A 第二のPETシート
13 水分防止層
14 耐水性PETシート
14A 第二の耐水性PETシート(第一の低放射層)
15 第一の低放射層
16 第一の低放射層
17 放熱フィン
18 第一の遮熱材
18A 第二の遮熱材
19 太陽電池モジュール
20 外装材
21 空気層
Claims (4)
- 受光面に照射される太陽光を電力に変換する複数の太陽電池素子と、
前記複数の太陽電池素子の裏面を覆う絶縁材と、
前記絶縁材の裏面全体を覆う保護材と、
前記保護材の裏面と所定距離を隔てて対向する遮熱材と、
を有し、
前記遮熱材は、該遮熱材の裏面の少なくとも一部に前記保護材より放射率が低い低放射層と、前記保護材の裏面と対向する面側に位置するとともに前記低放射層より放射率が高い高放射層とを含んでおり、前記低放射層と前記高放射層とが積層されている、太陽光発電装置。 - 前記低放射層は、前記遮熱材の鏡面加工、前記遮熱材への金属膜の形成、または前記遮熱材への塗布材料の塗布のいずれかによって形成されたものである、請求項1に記載の太陽光発電装置。
- 前記遮熱材は、該遮熱材を貫通する穴を有する、請求項1または2に記載の太陽光発電装置。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の太陽光発電装置が、外装材から所定距離を隔てて固定された建物。
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