JP5640250B2 - 太陽光コジェネレイションモジュール - Google Patents

Description

現在日本国内はもとより海外でも太陽光発電装置及び太陽熱温水器（太陽光集熱装置）が注目されてきており、石油資源の消費削減、地球温暖化防止、石油資源関連部材の価格高騰の抑制、その他の地球環境的要請乃至は社会的ニーズに合った装置システムとして伸張が期待されている。しかしながらその市場規模は何れも日本国内の家庭用としても年間１０万台の販売規模に満たない。一方ガス・石油給湯装置が４００万台規模であり家庭用エアコンが７００万台規模であるものと比べ極めてニッチェであり、市場規模は未だ小さい。

単独機能の太陽光発電装置又は太陽熱温水器自体の市場規模が伸びない理由はその装置への投資価格に対し出力効果が不十分であるためである。即ち初期投資を回収する期間（ＰＢＴ）が７年以上と長期、即ち家庭用太陽光発電装置では投資の回収に３０年もかかったり、逆に太陽熱温水器の耐用年数が１０年以下であるなどの問題点が存在するからである。
エネルギー効率の点では、太陽光発電装置に照射される太陽光エネルギーが電力へ変換される変換効率（ＥＣＲ）は実用化されている装置で１２〜１４％程度であり、残りのエネルギー量８８〜８６％は利用できていない。これがエネルギー供給装置として大面積の装置を必要とし、発電された電力コストが商用電力で得られるコストである２３円／KWｈの２倍近く即ち４０円／KWｈ程度の高価格になってしまい、前述した初期投資の回収期間は４０年程度に長期化し、普及が進まない主な原因となっている。このため発電セル自体の変換効率（ＥＣＲ）の向上のための新しい技術開発が期待されている。
例えば家庭用の３ＫＷの太陽光発電装置では通常３０平方メーターの受光面積が必要であり、そのため設置スペース上の制約が大きいばかりでなく、実際の据付工事が極めて大変な作業を伴う事も価格アップ要因であり、且つ普及拡大を妨げている要因である。
その結果、商用の系統電力が日本国内で現在２３円／ＫＷ程度であるのに対し太陽電池単独の場合の出力電力価格はその寿命を２０〜２５年と想定すると３０〜４０円／ＫＷｈ程度となってしまい、このためにその普及が進んでいない。

従って、これらの課題解消を目指して、太陽光発電装置についても最近の研究開発は目覚しいものがある。シリコン結晶のセルを用いたものでも多結晶化、シリコン結晶の薄板化、結晶事体の発電特性向上や結晶表面の受光特性改善などの研究が進展している。
またシリコンアモルファスをガラス面乃至はプラスチックフィルム面に形成したもの乃至はそれをシリコン結晶と積層させてＥＣＲを向上させたものも出現している。このアモルファスを建材用窓ガラス上に形成してビルなどの窓材として用いて窓が発電するようにしたものも実用化されている。また銅やインヂュームなどシリコンと異なった材質をセル材料としてガラス基板に極薄で蒸着させたものもシリコン基盤セルの代替として資源不足を回避するものも有望である。セルの電極基板としてアルミニウム薄板を用いた方式の太陽電池も商品化されてきている。これは１ｍｍ程度の直径の小さな球状のシリコンを多数のすり鉢状の壺を形成したアルミニウムの基板の該すり鉢状の穴の中に埋め込んだ構造で、該すり鉢状の穴の表面が球状シリコンに集光させる光反射機能を有し、また電極の機能を有している。このアルミニウム基板電極型発電セルはその基板が伝熱性の良好なアルミニウム製であることが本発明の対象である太陽光コジェネレイション装置の高性能化に極めて有効な構造となっている。
即ち発電セルの基板としてシリコンそのもの、ガラス板、樹脂板、アルミ板など多くの種類のものがある。

本発明はこれらの発電セルを用いてさらに太陽光エネルギーを有効に利用するための太陽光モジュールの構造に関するものであり、民生用、特に家庭用、業務用、さらには工業用に使われるものとして、太陽光を受けて発電と温熱供給とを同時に行う太陽光エネルギー複合利用モジュール（以下太陽光コジェネレイションモジュールまたは太陽光コジェネモジュールと呼ぶ）に関するものである。
数十年前から、同じ受光体で電力と温熱を得ることができる太陽光コジェネレイションモジュールの研究及び開発が検討されてきている。即ち発電セルの背面にヒートシンクとしての金属板を設置し、その金属板と一体化された配管や媒体通路に水や冷媒を通じて発電セルで生じた温熱を収集するものである。この方式によれば太陽光発電装置と太陽熱温水器を別々に設置したものに比べて全体の受光面積が小型化でき、コストダウンと同時に設置スペースの削減という二つの基本効果が達成でき、また装置の設置工事も簡略化できる。さらに発電セルを強制的に冷却する事により発電セルの温度を低下させることができ、発電セルの発電効果が向上されるという利点が生じる。また家庭や店舗で用いた場合に電力と給湯用温熱や暖房用温熱が同時に得られるという利点がある。
本発明が扱う技術分野が目指す太陽光コジェネレイションモジュールの出力の価格はその初期価格を温熱出力で５０〜６０％を負担でき、出力電力の負担は初期価格の４０〜５０％の負担に軽減される。 その結果、出力電力は市販の商用電力より低い価格即ち２０円／ＫＷh程度の価格を実現できるという大いなる効果がある。

従って、このコジェネレイションモジュール装置については旧来から多くの企業、大学、研究機関などで研究取り組みが見られる。しかしながら未だ商品として実現していない。
その理由は
１、複雑な材料からなる高機能複合体になるため実用上の長期信頼性の確保が難しい。
即ち、発電セルの材料はシリコン、ガラスなど熱膨張係数が極めて小さくかつ伝熱性 能が悪い材料からなるが、一方その背面に配置されるヒートシンクや冷却配管に使わ れる材料は伝熱性能が高い金属材料で、線膨張係数が極めて大きい。この結果モジュ ールの性能・効率を高めるための密着構造と、広範囲の温度変化によって生じる大き な熱歪に対応した信頼性重視のための分離構造の双方の要求を解決する実用的で安価 に実現できる構造及び材料技術が確立されていない。
２、太陽電池と異なり、コジェネレイションモジュールでは集熱機能を持たせるために、 セルとヒートシンクの周囲は出来る限り断熱性能の高い材料構造を用いる事になり、 太陽光の照射量の変化、さらにはその出力となる温熱を利用する場合と利用しない場 合とでその構造部材が晒される温度環境は大きく変化し、その温度範囲は日本国内の 様な温暖化地域でもマイナス２０〜プラス１２０℃と極めて広い温度範囲になるため 前記１、の課題は極めて厳しいものとなる。
３、一方、温熱を利用するための冷却媒体（一般には水、不凍液）を広い範囲に渡って設 置される装置システム全体に循環させる構造であり、結露による錆、接合箇所からの 媒体漏洩、など多くの信頼性リスク項目が多く、媒体の循環ポンプ寿命の問題もある 。太陽電池システムに比べてその実用的な寿命年限が短くなる要因となり、時には半 減する危険性がある。
４、最大の課題は前述した発電セル層とヒートシンク及び冷却を行う冷却媒体回路体との 接合が長期的な使用により剥がれてしまうというリスクである。積雪加重、大風の風 圧や振動、水分や湿分、温度変化、日照といった過酷な運転環境における複合構造物 としての長期寿命を確保するための構造と材料及び製造方法が確立できていないこと である。
５、これら課題を解消するため、高機能材料使用のコストが増し、さらに構造が複雑にな ってそのコストが高くなり勝ちであり、コジェネレイションの出力向上効果を相殺し てしまい、単純な太陽電池と同等な経済効果しか得られないということもある。
以上の様な課題がある。

本発明の技術は上記の基本的な課題を解消するためのキー要素であり、システムの基幹部品としての太陽光コジェネレイションモジュールの機構、構造、材料、製造方法を確立させるためのものである。
その技術分野は
発電セルの材料特性にマッチし、モジュール全体を支えるに十分な強度と温熱を伝える伝熱特性と発電セルを乗せるための平坦面を持ち尚且つ商品化できるコストを実現できるモジュールの構造体の基盤としてのモジュール基板と、発電セルで生じた温熱をこのモジュール基板を通して取り出すための長期的な信頼性の高い且つ商品化可能なコストを実現できる冷却構造体（本発明ではこれを冷却媒体回路体と表現していると）、更にセル及びモジュール基板及び冷却媒体回路体を接合するための生産性が高く商品化可能な信頼性とコストを実現できる製造方法などに関するものである。
本発明が実現しようとしているコジェネレイションモジュールの目標を以下の様に定めて技術開発を進めてきた。
１、光照射エネルギーを電力と温熱に変換する上での高い変換効率の達成
電力：１０〜１３％以上（太陽電池と同等乃至はより優れた発電特性）
温熱：４０％以上（太陽熱温水器と同等な効率）
トータルエネルギー：５０％程度（最高効率の達成）
以上の変換効率の達成を目標としている。
２、コスト目標：太陽電池モジュールに対しコストアップ２５％以下のコスト達成
３、太陽電池と同等の運転寿命：２０年以上（修理、メンテナンスを含め）の達成
４、以上により太陽光コジェネレイションモジュールの出力電力価格として前述した様に商用系統電力価格を下回る、即ち２０円／ＫＷｈを目標として検討する。

即ち、本発明の太陽光コジェネレイションモジュールに関わる基幹技術は前述した太陽光発電セルそのもの乃至はその材用、構造、特性をうまく利用して上記の課題を克服し高性能で低コスト且つ信頼性の高い太陽光コジェネレイションモジュールとして仕上げ、市場に広く普及するための経済的な基本特性を確保するための技術分野に関するものである。

従来太陽光コジェネレイションモジュールとその応用システムについての研究、開発、特許出願が極めて大量に実施されてきている。しかしながら前述した様な充分なる高性能化、実用的なコスト実現、長期の使用に耐える信頼性について完成されたレベルの技術情報が見られない。この三つの側面の技術完成度の追求について散発的な技術情報が見られるので、背景技術としてここで紹介する。
こうした背景の中で、太陽光発電装置から同時に熱を得るための太陽光コジェネレイション装置の技術は多くの研究や開発がされて来ている。
その中で特許文献１は集熱パネルと熱コレクタの組み合わせを基本として一次冷媒による冷却方法などについての技術が提示されている。しかしながら発電セルはＥＶＡ樹脂と透明ガラス基板を通して放熱してしまい温熱の獲得熱量は大幅に少なくなる。また冷媒通路は上部集熱板と下部集熱板を接着乃至は溶接して形成しているから冷媒のリークのリスクは大きい。屋根上に設置後に多数のパネルの一箇所でもリークが発生すればその発見と修理の困難度からみて商品価値は台無しになる危険があり、採用できない。 アルミ製の上部集熱板の発電セルへの熱歪の緩和についての工夫も無く、長期使用中にヒートサイクルの繰り返しによる発電セルの破損、不具合発生のリスクは大きい。上部集熱板と下部集熱板はアルミのブロック構造であるためその重量は増加してコストの上昇及びその重量増の点で据付工事性の問題がある。以上の点でこの様な構造では商品化は大きな困難を含んでいる。
特許文献２はコジェネレイションモジュールの基本構造を提示しているが、セル上面からガラスを通じての放熱ロスが決定的に性能低下をきたす事、モジュール全体の平面強度を確保するための基盤となる部品が無く白色ガラスと集熱器では積雪や 台風などによる風圧振動などの負荷に対し全体の強度が不足する、集熱板は細切れ形状であり、フィルムとの接着を行うＥＶＡフィルムなどの接合強度の信頼性は著しく劣化し、数年の使用で剥離することが考えられる。また各ＥＶＡ接合は別工程で熱溶着されており、一回の加熱操作で全体を接合する方式に比べ生産性の低下、品質の低下が心配である。

特許文献３は平面状金属板が支持体即ち全体の基盤となり強度及び形状の精度を維持している点では優れている。しかしながら平面状金属板に波状金属板を溶接して通水路を形成し且つそれをヘッダー管に連結している構造は多くの溶接点があり、その製造信頼性はモジュールの冷却媒体のリーク発生のリスクとなっている。製造時の各種変動要因、台風に代表される長期間の外力や雨、湿気、大気汚染などを原因とした錆の発生などに対して心配が多い。屋根上などの補修の難しい設置条件及び極めて広い面積の多数枚のモジュールを設置し２０〜３０年もの長期間の作動を保証する機器である点を考え、さらにはこの溶接による平面金属板の変形、表面への凸凹の発生などによるセルへダメージないしは破損などのリスクもあり、採用できる構造とは言えない。

とは言え、全体を真空ラミネート装置により一体で接合加工を行う方式は採用検討する価値がある。
特許文献４は太陽光発電セルの背面にアルミ板によるバックシートを設けこのバックシートに集熱管を押える集熱板を接着している。この集熱板をピンにより機械的に押さえ込んで接着させている。この接着は小さな金属片からなる集熱板はそれが小さい故にモジュールが台風などで風圧を受けて振動すると容易に端面部から接着剥がれが生じる。これを防ぐ意味で金属ピンにより機械的にバックシートと固定する方法はある程度の強度と信頼性向上に寄与するが、完全に剥がれを防止することは難しいと考えられる。且つ集熱管は多数本がヘッダー管にロー付け接続されておりこの部分からの冷却媒体の漏洩のリスクは大きく不安定な構造と言える。また、前述したピンによる接着接合は製造工程上も多くの手間と接合時間が必要となり生産性の悪化は製造コストの上昇を招くと考えられる。

以上、詳細を説明してきたが、従来の技術では商品化を達成するには多くの課題が残されている事がわかる。それは本発明の対象の太陽光モジュールでは大きな面積のモジュール多数枚数から成るためこれを屋根の上等に設置する上での設置容易性と修理容易性が重要であり、且つ又２０年以上の運転保証を要請される設備装置として多くの備えるべき特性が必要であるからである。さらに商品としての生産性と高い信頼性を持ち且つ実用的な価格で販売できるコストを達成するために多くの工夫が必要で、その為に必要な構造と材料及び製造方式に関する多くの技術が確立されなければならない。

特開平１０−６２０１７号広報 特開２００３−２３４４９１号報 特開２００２−３９６３１号公報 特開２００５−２１４４３０号広報

以上の内容を検討課題としてまとめるとその重要な項目は以下のように整理される。即ち太陽光コジェネレイションモジュールを家庭用や店舗用など、限られたスペースに設置する商品価値の高い商品として実用化する為の構造と材料に関して以下の様な特性が要求される。
（１）構造強度
発電セルと冷却機構は安定して強固に保持されており、積雪、地震、台風、装置全 体の変形歪などのストレスに耐える構造、接合、材料が必要である。このため冷却 機構自体が高い強度を有するか、これとは別に高い強度の基板状の構造物が必要と 考えられる。この強度部材は強度のみでなく、錆などに強い材料で、軽量で、且つ 低コストで製造できることが必要である。
（２）平坦度
この強度部材乃至は基板の上面は破断し易い発電セルを支持するために精度の高い 平面であることが必要である。
（３）熱歪
この強度部材乃至は基板は発電セル材料と熱的に密着した関係に接合されるから、 温度変化によって生じる熱歪みにより生じる応力歪にも対応できることも重要とな る。即ち、シリコン結晶やガラスは温度変化に対し線膨張係数が極めて小さな材料 である（２．７〜３．５／百万／℃）のに対しアルミニウムではその十倍以上の熱 歪みによる変形が生じるため、その歪の差を緩和して、尚熱的な接合が維持されね ばならない。
（４）伝熱性能
発電セルにおいて生じる温熱を取り出す場合には発電セルと冷却機構とをできる限 り密着させる事が必要で、全ての部分に於いて、前述した様に温度変化による相対 歪を吸収できる構造と材料であることが求められる。 銅、アルミニウム、鉄、ガ ラス、樹脂の順に熱伝導に優れ、一方樹脂、アルミニウム、銅、鉄、ガラス、シリ コン基板の順に温度膨張係数が高い。これらの特性を活かして温熱を効率よく取り 出し且つ相互の熱歪みを吸収する構造と材料の利用が求められる。

（５）冷却媒体漏れと冷却回路長期信頼性
冷却用の媒体は水、不凍液が使われるが、この媒体を発電セルの運転寿命と同等の ２０年以上の期間にわたり漏れの発生が無く安定して運転させるため、簡略化され た構造の冷却機構とそれを構成する冷却媒体回路の構造が必要である。基本的には 溶接や接合の無い構造で、長期使用に耐える金属材料が望ましい。二枚板の溶接構 造などはどんなに精度の高い溶接を行っても完全に漏れを防止することが最重要と いう視点から見て採用できない。冷却配管の錆びの問題を解決する方法として冷却 回路を樹脂製にする方法も有力であるが、樹脂は線膨張係数がアルミより更に大き く（２０〜９０／百万／℃）熱伝導率が極めて小さい（０．３Ｗ／ｍ℃）という問 題がある。
（６）発電セル〜冷却配管の接合信頼性
冷却配管をモジュールの基板に接合する方法はロー付け、接着など多くの方策があ るが、配管を基板に単純に接合する方法は基板内の伝熱特性、冷却管周囲の伝熱特 性、接合の剥がれ、基板の変形、等という視点で適した方法が見出せない。この部 分の接合には以下に記す様に、ホットメルト接合のための下面のカバー材としての 機能と基板から冷却配管に効果的に伝熱させる機能を果たし且つ軽量で低コストで あるアルミニウム製の薄板でカバーするなどの方法が適している。その形状もまた 以下に詳しく述べる様なニーズを満たすものが望まれる。
モジュールの基板を間にサンドイッチ状態に挟んで発電セルと冷却配管及びそのカ バー材を伝熱可能な状態で、且つ夫々の材料の熱歪み量の差により剥がれたり材料 破損させることが無く、且つ生産性に優れた、且つ製造コストに優位な接合方法に よる接合が必要である。

（７）耐熱、耐候性
モジュールの運転環境は温度範囲：−２０℃〜５０℃、湿度範囲：１０〜１００％、
風速：４０ｍ／秒を想定している。この環境条件で作動したときのモジュール最 高温度は冷却媒体機能が停止したときには１２５℃程度となる。こんなに高温度に なるのは温熱収集装置として上面と下面及び外周の断熱を強化するためである。
−２０℃に近い低温度環境での凍結についても十分な担保策が取られている必要 がある。
（８）生産性
問題となるのは発電セルと冷却媒体回路体の接合に関するところである。前述した 信頼性を担保するために複雑な製造方法を採用する事はコストアップになるため避 けなければならない。モジュールは一軒で多数枚数を使用するから、その製造の生 産性は通常の単一機器のそれより格段に洗練化させることが必要である。

（９）コスト、材料費
以上の機能要求を満たす構造と材料と製造方法の開発は高度な技術を必要とする と同時に実用化を難しくしている。さらにそれらの機能を満足するものはその材料 、構造共に高機能なものとなるため、そのコストが高騰し、民生用の装置として実 用化が難しくなる。
（１０）製造設備投資
コジェネレイションモジュールは複合機能を実現するための複雑な構造になり勝 ちであり、その製造工程も通常は幾つもの工程が必要で、そのための製造設備投資 は大きくなり、製造コストの高騰及び初期設備投資の増大は事業参画の障壁となる 。
以上、（１）〜（１０）を満たしたモジュールの開発の成功実現を目指して本発明の各種技術は研究、検討されてきた技術である。

以上の課題を全て解決できるモジュール構造、材料、製造方法は今まで明確になっていない。これらを要約すると太陽光コジェネレイションモジュールとしての目標課題は以下の３項目が重要であり、本出願の技術もこれを目標としたモジュールの実現を目指したものである。
（Ａ）出力エネルギー目標として電力は太陽電池単独と同等、温熱も太陽熱温水器単独に 対し同等マイナス数％以上の性能レベルを達成する。
（Ｂ）運転寿命として２０年、サービスメンテナンスを前提として３０年を達成する。
（Ｃ）モジュールコストとして単一機能の太陽電池をベースに２０〜３０％コストアッ
プ以下を目標とする。
以上の目標課題の設定値は、これを実現する事により出力エネルギー価格半減という最大の目標を達成できると試算されるからである。

本発明が対象としているモジュールの構造方式は発電セルを金属製のモジュール基板（ヒートシンク平板）上に直接乃至は間接に密着させた状態で設置し、発電セルで発生する温熱を周囲に放熱させずにそのヒートシンク平板に伝熱させて集熱させる方とすることにより太陽光エネルギーの回収率を高め、太陽電池が１２％前後の回収率であるのに対し、５０％前後の高い回収率を得る事ができる。
従って家庭用コジェネレイション装置の場合、単独の太陽光発電セル方式（約３０平方メートル）に比べて全受光面積は１０〜１５平方メートル程度に小型化しても実用的な効果を満たすことができる。一方、従来の太陽熱温水器の受光面積が４〜６平方メートルであるのに較べ大面積であるが、電力出力があることさらには得られる温熱量が充分で温水給湯ばかりでなく暖房にも利用可能となるなど、その出力エネルギーの利用価値が高いことが優位である。

請求項１は前述した多くの課題項目を解決するための基本的な技術構想を提示している。その技術構想の基本は、金属製のモジュール基板を中心に七層に固めた太陽電池コアの構造により極めて強固な平板構造を得ることができ、かつ全平面面積に渡って一様に接合した構造は接合部の剥がれに対し極めて高い信頼性を確保できると共に高い伝熱性能を確保できることである。同時に高い製造生産性と製造設備の簡略化を達成し製品コストの低減を達成できる多くの技術アイデアを提示している。
この太陽光コジェネモジュールは家屋の屋根上などに設置するもので、全体を平板状に構成し、固定用アングルなどで屋根上等に固定して設置する。
しかしてこのモジュールの中核をなす太陽電池を構成する発電セル組み立ては個々の発電セルを電気リードで連結して構成したものをさす。発電セルはシリコン結晶の薄板であるバルクシリコンと呼ばれるものやガラス板に銅、インジューム、セレン、ガリュームなどの金属成分を蒸着して電池層を形成したＣＩＳＧと呼称されるものや、薄膜の樹脂の表面に塗装膜状に形成したアモルファスシリコン乃至は色素増感型と呼ばれるもの、更には前述した極く小さな球状のシリコン球をアルミ基盤にマウントした球状シリコンタイプと呼ばれるものなど多くの種類のものがある。ここに発電セル組み立てとはそれらのセルを多数並べてそれらを電気的に連結して全体として太陽電池機能を保持させた全体が薄板状のものを意味している。

セル上面カバーとはこの発電セル組み立てを保持し外界から保護するための蓋いであり、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）などの接合用樹脂により発電セル組み立ての上面に貼り付けて湿気、環境空気中のガスなどから保護するとともに発電セル組み立てを構造上保持する。太陽光に対し透明で化学的に安定し、フィルムの様にフレキしブルな材料が使用されるが、時にはガラス板を用いる事もあるが通常は化学的に安定したフッ素系の樹脂フィルムを用いる事が多い。このセル上面カバーは発電セル組み立ての上面に積層される熱応答性の接合用樹脂と事前に接合されたもの、乃至は一体化されたもの乃至は表面に耐湿度性耐候性を持たせる表面加工を施した、乃至は耐湿度性耐候性を持たせた熱応答性の接合用樹脂を用いる事によりその使用を省略することは勿論可能である。その場合には太陽電池コアは六層になる。

金属製のモジュール基板は平板状の金属板で発電セル組み立てと冷却媒体回路体の間に配置し、両者を上面と下面に担持して太陽電池コアを構成させる強度上の基盤となるものである。発電セルが割れ易いバルクシリコンである場合は勿論、その接合される部材の面の平坦度や歪み、変形の無い事が重要であり、モジュール基板として金属平板を独立して用いる理由の一つである。
その材質は鉄板、アルミ板、ＳＵＳ板およびその表面塗装やメッキ加工したもの、樹脂コートしたものなどが使用される。その肉厚は強度、重量、コストなどを勘案して０．５ｍｍ〜１．２ｍｍ程度が選定される。その表面処理は受光した光の吸収特性向上、電気絶縁性、錆などの長期信頼性を勘案して最適な処理方法を選択する。

モジュール基板は主にコスト低減と伝熱性能及び発電セルとの熱歪み特性評価の３点を考慮してその材料を選定される。このモジュール基板と冷却媒体回路を一体のものとせずに別部品として構成させる本発明提案の理由の一つに発電セルの種類に最適なモジュール基板材料を自由に選択できることがある。またモジュール基板を冷却媒体回路と分離して用いる理由の二つ目はその上面を完全に平坦にすることが容易であるため発電セルをマウントした時のセルへの変形や歪みを最小化できることである。

冷却媒体回路体は全体が平板状で冷却媒体である水や不凍液（プロピレングリコール水液）を内部に流通させる冷却媒体回路を内包し、発電セルや金属性のモジュール基板から熱を奪って集熱させる事を目的としたもので、各種の構造方式のものがある。例えば樹脂製で、上面が平坦で媒体流路を内部に形成してそこに冷却媒体を流す構造方式のものや、二枚のＳＵＳ板からなり上面の平面板に冷却媒体回路をプレス成形した下面の板を溶接して冷却媒体回路を形成したもの、さらには多数の管路を内部に形成したアルミ押し出し平板を用いたものや、請求項２に提示するアルミ薄板と配管を用いたものなどがある。いづれも上面が平面でかつ熱伝導性が良い構造材料が選定される。最も重要な評価基準は、冷却媒体の漏れ不良とモジュール基板との間の剥がれ不良を軽減して２０年以上の使用でも充分な信頼性を有することが最重要であるが、製造コスト及び高い生産性を保持することもまた重要である。

以上説明したセル上面カバーと発電セル組み立てと金属製のモジュール基板と冷却媒体回路体を何れも平板状で同等の面積のものを積層させて相互に接合し一体化する構造方式が本発明の技術の基盤となる発想である。
以上の四つの平板状の部材の間に三層の接合用樹脂フィルムをサンドイッチした七層の平面構造として一緒に接合し強度のある一体化された本体を構成させることができる。ここではそれを太陽電池コアと呼称する。太陽電池コアは前述した様にほぼ同じ面積形状の七層の部材からなる平板状のものである。

上面カバーと発電セルの間を接合し発電セルを保持するため透明で１５０℃程度で軟化した後に架橋して固まり接合機能を発揮する熱応答性の接合樹脂としてエチレン酢酸ビニル共重合樹脂（ＥＶＡ）、エチレンメチルメタクリレート共重合樹脂（ＥＭＭＡ）などのフィルムを用いる。この接合樹脂と発電セル組み立ての下面に配置される同様な特性の熱応答性の接合樹脂により発電セルを密封し、かつ固定し保持する。

発電セル組み立ての下面の接合樹脂は前述したＥＶＡの様な透明性は必要ではないが、金属製のモジュール基板との間の電気絶縁性が必要であるため、絶縁樹脂フィルムをサンドイッチ状に積層したＥＶＡフィルムを用いたり、絶縁樹脂フィルムを用いる代わりに金属平板の表面に絶縁樹脂をコーティングしたモジュール基板を用いても良い。
モジュール基板と冷却媒体回路体との接合にも熱応答性の接合用樹脂を用いる。前述した透明のＥＶＡを用いても良いし、必ずしも透明では無い熱応答性の樹脂フィルムを用いても良い。

以上述べて来た三層の熱応答性の接合用樹脂はフィルム状のものを前述した四層の部材の間にサンドイッチ状に配置して七層に積層させる。これをラミネーション処理槽内に設置し、１５０℃程度に数十分間加熱して真空環境にすることにより熱応答性の接合用樹脂は溶解して層の間に行渡り充満し、架橋して固まり四層の部材を接合する。接合樹脂ＥＶＡは架橋して固まった後も硬いゴムの様な柔軟性を保持するからセル上面カバー、発電セル、モジュール基板、冷却媒体回路間を相互に固定する事無くしかしながらしっかりと密着させて接合する。従って以上の四つの部材間の熱歪みを吸収緩和させて変形、反りセルの破断、接合剥がれなどの不具合を防止する。

接合用樹脂は前述した様に固着後もそれ自体が柔軟性を有して四つの部材間の歪みや応力の緩衝材としての役割を果たすために充分な肉厚が、さらには発電セルで生じた太陽熱を全平面面積を通して効率よく冷却媒体回路内の冷却媒体に伝熱可能であるためには伝熱を阻害しない様に薄い肉厚が必要であるから実際は最適な厚さ寸法を選定する事が重要である。ＥＶＡの場合は実用上０．２〜０．８ｍｍ程度の肉厚寸法が選定される。
本発明の接合作業は単独のラミネーション作業及び必要によっては架橋のための保温作業のみに乃至はその双方を行なうことにより実現が可能であることが特徴である。従来は冷却媒体回路体とモジュール基板の接合は螺子占め、溶接、ロー付け、化学的接着などにより行い、発電セル組み立てとモジュール基板の接合はＥＶＡによるホットメルト接合を行なうことが通例である。

重要な事は以上の三層の接合が一つの加工工程により完成させる事ができることである。通常の接合や結合の加工の場合行なわれる接着、溶接、ロー付け、螺子締めなど、多種類の加工による部材の変形や作業ミス、長期使用による作業部不良化などが回避できるのみでなく高い生産性と製造コストの低減とともに、製造用の設備投資も最小化が可能であるという商品化、事業化する上で極めて重要な利点を有するものである。
しかして、全体で七層の構造物としての太陽電池コアを最も平易な方法により製作することができるわけである。
七層の太陽電池コアはその構造上、製造上の特徴から次の様な特長を有する。
１、七層という多層で一体の立体構造のためその強度が高い。
２、全接合面が密着するため伝熱特性に優れる。
３、一層枚に接合用樹脂層が介在するので相互の熱歪みを緩和する機能があり、特にモジ ュール基板という層の存在は熱歪み緩衝に最適な金属材料を選択使用を可能にする。
４、全面積を接合しているから真空効果により剥がれに対し、信頼性が高い。
５、生産性が高く、製造設備投資が少なくて済む。
６、中間層の部材は完全に外界と隔離できるから、錆、劣化などを防止する事ができる。
７、溶接や螺子占めなど其の他多くの接合加工が無く、製造不良のリスクも小さく、製品 の長期使用の信頼性を高める事が容易である。
８、熱処理接合による組み立てであり、接合対象となる部材の構造、材料、形状などを自 由に選択可能であり、最適な組み合わせが可能である。
９、以上の結果コスト的に優位である。
という、商品化する上での極めて優位な成果を得ることができる。

しかして厳しい運転環境条件下での３０年以上の運転寿命が期待される設備機器としての長期信頼性を保証することができるわけである。
さらに、接合して完成された太陽電池コアの外周部を耐候性塗料を塗布して密封することによりその信頼性をより高める事が可能である。

請求項２ 一本配管
請求項２では冷却媒体回路体として、前記温熱を出力するために一本の金属製の冷却配管を曲げ成形し金属製の冷却配管カバーの上面に形成した凹部に埋め込んで上面が大略平坦になる様に双方を組み合わせた冷却媒体回路体を提示している。ここで一本の冷却配管とは一つの太陽光コジェネモジュールに使われる冷却媒体用の流路として金属製の配管である銅管やアルミ管やＳＵＳ管を用いることを大前提としている。
冷却媒体回路体として例えば樹脂製で内部に冷却媒体の回路を持った平板状の構造体や、二枚のステンレス板を溶接してその間に冷却媒体を流す方式のもの、上面が平板状のアルミ母体の中を冷却媒体回路を構成させたものなど多くの方式が提案されてきた。しかしながら本発明技術の目指すものは、屋根上に多数枚設置されるモジュールの設置性と長期信頼性を両立させることを考えたもので、軽量で設置し易く、且つ３０年にも渡って長期間使用しても絶対に冷却媒体が漏れることが無いことが絶対必要条件である。従って長時間使用で劣化の心配のある樹脂と金属板を溶接接合して冷却媒体回路を構成したものなど製造ミスや長期使用による劣化が完全に排除できないものは適さないと考えている。一箇所でも屋根上で漏れが生じれば全体のシステムは作動不良となり、修理サービスの間は使用者に多大の迷惑をかける恐れがあるからである。唯一その目的に合う冷却媒体の方式は連続する一本の金属製の冷却管を用いて構成させるべきであるというのが本発明者の結論であり基本技術のベースになっている。

勿論、請求項１、２，３，では２本の銅製の冷却配管を途中で連結して用いる事などは可能である。
それは基本的にこの基本技術の考え方に含まれるからである。この連続する冷却配管を平板状のモジュール基板に熱的にかつ構造的に接合させるため、請求項１、２、３は薄板のアルミニウム板である冷却配管カバーでこの配管の下面をカバーして上面のモジュール基板に接合させる方式を提示している。この冷却配管カバーは生産性、製品重量、接合の信頼性、コストなどの視点からみて０．４ｍｍ〜１．２ｍｍの肉厚の薄板を用い、接合面を全体に渡って平坦面にするため、アルミ薄板を成形して凹部を持たせたところに冷却配管を埋め込んで、両社の上面が平坦になる様に組み合わせる構造により上記の要請は達成される。
この構造方式の冷却媒体回路体を請求項１に提示した太陽電池コアに採用する事により本発明の目的である実用性のある太陽光コジェネレイションモジュールの基本構想が完成するものである。

請求項１に示した冷却配管と冷却配管カバーとを熱的に且つ構造的に接合させるための技術を提示している。当然ながらこの部分の接合も前述した七層の接合と同時に行なうことが有効である。従ってやはり熱応答性の接合用樹脂としてＥＶＡフィルムなどを冷却配管と冷却配管カバーとの隙間に挟み込んでおいて同時に接合する。この方法により高い生産性の確保、高い全体の接合信頼性、冷却配管の熱歪みの吸収緩和、低コストなどを達成する事が可能である。

請求項１、２、３は太陽光コジェネレイションモジュールの全体構成を提示している。モジュール上面カバーは平板状の太陽光コジェネレイションモジュールの上面をカバーし、雨、風、外界からモジュールをカバーして保守するための光透過性の平板状のものである。その下の太陽電池コアとの間の空気層はモジュールからの放熱ロスを極力少なくするために設けられる空間で、通常密封状態に近い３０ｍｍ程度の厚さの空気空間を設ける事が多い。これ以上厚い空気層を設けても放熱ロスの軽減効果は少なく、モジュールの大きさが増し、コストは増加するし、枠体による太陽光の陰が発電セルの発電と温熱発生効率を低減させてしまう。従ってこの上部断熱層となる空気層空間の外周部には枠体の内側にモジュール上面カバーとモジュール基板とを連結して固定させる機能を兼ねた光を反射させる反射板を設置するのは有効である。その傾斜角度は発電セル面に対し４５度〜７５度の間で設計構成させることが実用的である。

下部断熱層も放熱ロスを低減させるとともに、下面のカバー材として重要な機能を有する。通常は２０〜３０ｍｍの厚さの発泡樹脂断熱材を用いる。ウレタン発泡板の下面にポリエティレンカバーシートを張ったものなどが適している。
枠体は上面カバー、太陽電池コア、下部断熱層の外周を被い保持する。樹脂製、アルミ製、ＳＵＳ製のものなどが優れている。そのポイントはモジュール全体を支持、保持する強度と、降雪により上面カバー上に積雪する雪が融け落ちる事を邪魔しないように上面カバーからの出っ張り寸法を少なくする事が重要であり、少なくともモジュールの下端面では上面カバーからの出っ張りを無くす様な構造設計が求められている。
請求項１、２、３に示す簡単な全体構造はシステムの性能確保、運転信頼性確保、コスト低減の上で極めて重要な実用化技術である。

請求項１、２はモジュール基板の材質選定に関する基本技術である。
発電セルの主要部材とは以下の様に定義される。平板のパルクシリコン結晶セルをリード線で回路連結した場合はシリコン結晶が主要部材である。ガラス基板に金属化合物を蒸着させたものは発電セルは金属化合物であるが主要部材はガラス基板となる。樹脂板に発電セル材料を塗装したものでは樹脂板が主要部材である。また、アルミ基盤に無数の球状のシリコン結晶を配置した球状セル方式ではアルミ板が主要部材となる。主要部材とはモジュール基板に対して接合される基盤となる部材を意味している。

請求項１、２に示されている技術は主にこの主要部材とモジュール基板を接合した時の熱歪みの相対差をなるべく小さな材質同士を組み合わせると同時に伝熱特性を損なわず、コスト上で優位な材料を選択をする上での技術である。
即ち、発電セルがガラス、シリコン系の場合（線膨張係数が２〜５×１０の六乗）は線膨張係数ＥＣが小さいので最もＥＣが小さくて実用的な金属材料である鉄板、鋼板、ステンレス鉄板（ＥＣ＝１２〜１８×１０の六乗）を用いる。線膨張係数が近い材料を用いて発電セルに生じる歪み応力を軽減させて、亀裂や断線やそりが生じる事を防止する事が出来る。その意味で発電セルの基板がアルミニウム（ＥＣ＝２４×１０の六乗）や樹脂（ＥＣ＝２０〜９０×１０の六乗）の場合には最もＥＣが大きく実用的な金属材料であるアルミニウムを用いる事が推奨される。

バルクシリコンを用いた発電セルの場合モジュール基板は肉厚が０．５ｔ〜１．０ｔの
鉄板を用いる。この肉厚は積雪などに耐えるための耐圧強度とモジュールの全重量軽減、コスト低減などを勘案して決定する。鉄板であればその熱伝導性、熱歪み、平坦度、強度、加工性の各評価項目について及第点を得る事ができるし、何よりも材料価格の安いことが最大の利点である。実際にはモジュール基板に鉄板を用いる場合は長い年月の使用を想定して錆の発生が懸念されるし、発電セルとの絶縁を確実にするために塗装を施したり、樹脂皮膜を施したり、メッキを施してそれを防止する事が望ましい。同様に請求項６に示した様にアルミニウムを用いた場合も伝記絶縁を考慮してその表面に樹脂皮膜を施したりアルマイト処理したり塗装したものを用いる事が望ましい。

請求項１、２、３に示した様に、モジュール基板に鉄板などの錆び易い金属材料を用いた場合、基板の全体をサンドイッチしたＥＶＡなどの接合樹脂フィルムの中に埋没させて外界空気と接触させない事により錆による劣化を生じない様に工夫する事ができる。この場合鉄板製のモジュール基板の平面形状寸法はその上面と下面の接合用樹脂によって完全に覆われる様に小型にする。この技術により最も安価で特性に優れた鉄板をモジュール基板として用いてその最大の課題としての錆による劣化を防止できるわけである。
しかしながら、鉄板やステンレス鋼板をモジュール基板として利用する場合にはその材料としての熱伝導の悪さを考慮した設計が必要である。アルミ平板（肉厚２ｍｍ）の場合には１００ｍｍ程度の広いピッチ間隔で冷却配管をアルミ平板の背面に熱的に接合すれば伝熱は良好であるが、鉄板（肉厚２ｍｍ）の場合には狭いピッチ間隔として設置するなど冷却配管本数を増やす必要がある。できればモジュール基板の下面の全面を冷却媒体で直接冷却させる事が望ましい。これは冷却媒体のモジュール基板への接触面積をどのようにして増加させるかという課題である。モジュール基板下面の全面を冷却媒体を接触させて流す事は構造上、従ってコスト上で問題がある。そこで提案者はどの程度の面積を冷却させれば良いのかをシュミレイションし且つ試験評価をおこなって冷却配管のピッチを最適化する必要がある。

発電セル温度と冷却媒体の間に生じる温度差は冷却媒体が流れない即ち直接冷却しない部分を非冷却領域とした場合のその非冷却領域の短距離幅寸法Ｌ（曲げ成形してジグザグ配設した冷却管の場合、隣接冷却管ピッチ寸法から管直径寸法を差し引いた寸法になる）の２乗に比例し、ヒートシンク平板肉厚に逆比例する。実際に採用される肉厚１ｍｍの鉄板の場合は、例えば太陽光が１ＫＷ／１平方メーターの照度（日中の太陽光を直角に受ける時）でありその４０％に相当する熱量を冷却媒体で吸収しようとした場合、前記の短距離寸法Ｌが４０ｍｍのときは上記温度差は５℃程度生じることとなるから、最大でも短距離寸法は５０ｍｍ以下に設定しないとその温度差はシステム全体の性能の低下をおこして致命的となるからである。この最短距離寸法Ｌを小さくするために冷却管直径を大きくとると、材料コストが増加し、且つ管内の冷却媒体の流速が低下してしまい、媒体側冷却効果が低下するし、冷却媒体の封入所要量が増加しすぎてしまい、システム全体封入量増加の問題、水の場合は凍結防止が難しくなる問題などが顕在化するから避けねばならない。

材料コスト低減の意味で、冷却媒体の流れる回路を幅広にするために樹脂で形成するのは有力な手段であり、この場合は鉄板やステンレス鋼板の下面に樹脂成型した冷却媒体回路を接着する。樹脂は一般に線膨張係数が大きいから鉄板やステンレス鋼板の温度変化により接着部に歪寸法差が集中して剥がれたり破損したりするという心配があるし、太陽電池コア全体が温度変化で変形してしまうことに注意が必要である。これを防ぐには樹脂にグラスウールファイバーやカーボンファイバーを混ぜ込んで、線膨張係数を小さくしたり、樹脂の冷却媒体回路の形状に熱歪を吸収させる構造にする方法などが有効である。

請求項８に提示した技術は、モジュール基板の下面に接合面が一致して合わさる様に平坦に形成した冷却配管を接着したりロー付けしたりする方式に関するものである。冷却配管の端面を平坦に加工する技術は既に提案されている。この場合冷却配管に形成した平坦面が前述した冷却配管カバーにこの冷却配管を組み込んだ時に冷却配管カバーの平坦面と丁度面一二なり、冷却配管と冷却配管カバーが合わさって接合用の平坦面を構成させることが有効である。これによりモジュール基板と全面的に合わされた面で接合が可能であり、且つ又冷却配管に成形した平坦面が直接的な伝熱面として機能するとともに、冷却配管カバーへ伝わった熱を半円面を通して受け取る事が可能となり、理想的な伝熱特性が得られる。

請求項４は冷却配管の平坦面の形状に関するもので、一例として、断面を蒲鉾断面状にして平坦面を確保し、且つ全体を蛇行状に形成したものをモジュール基板に接着やロー付けする方法がある。この接合面積の確保、即ち周方向の長さが全外周長さに対してどの程度の割合に設定する事が望ましいかというデータ情報が重要である。接合面の面積確保は接合の確実度アップと同時に伝熱面積確保の点で極めて重要であるからである。 周方向における接合面の全外周に対する割合を考えたとき、５０％とすれば配管は完全につぶれた状態で冷却媒体は流れない。３８．９％では配管は完全な半円形状となる。冷却媒体の流路面積を重視した場合はこの数値は３０％以上を選定すべきであるし、モジュール基板との接合面積を確保するという発想では約３８．９％程度の半円形状が望ましい。さらにモジュール基板内の熱伝導を考慮するとこの平坦面幅を大きく設定する事が有効であるが４２％以上では配管材料が高くなりすぎる。以上の考察を全て考慮すると３０％以上で４２％以下が望ましい。４０％以上では極めて扁平な管路となり、モジュール基板への接合面積は大きくなり性能上優位であるが、材料費のコスト面では限界である。実際は３０〜４２％の範囲の割合を平坦面とするのが実用的である。

冷却配管として水に対する防錆に強い樹脂やステンレス鋼管、内面を防錆用に樹脂をライニングした鉄管やステンレス鋼管やアルミ管を選定することも有効である。モジュール基板が鉄板であれば、その線膨張係数は１２．１（×１／百万／℃）となり、アルミ２４．０（同）に較べ、ガラス３．５〜１０．０（同）やシリコン結晶体のそれ２．７（同）に近い値となり、熱ひずみによるストレスはかなり緩和される。その場合冷却配管も同等な線膨張係数の材料を選定する事が望ましい。以上の様に冷却配管や冷却媒体回路や冷却媒体回路カバーなどを接着剤などでモジュール基板に接着する場合、その後の剥がれ、変形を防止する意味で機械的にも固定する事が望ましい。従ってモジュール基板で発電セルがその上面に接合された場合に発電セルの無い部分、即ちモジュール基板の外周部において機械的にモジュール基板と冷却配管などを固定する事は実用的である。機械的な固定とは固定バンドを用いてネジ留めする方法などが考えられる。

請求項４はモジュール基板の金属材料と冷却配管の材料の組み合わせに関する技術を提示した。この組み合わせの理由は熱歪みを軽減させるために線膨張係数の近い材料同士を用いる事とコストを低減させる事である。 アルミニウム管と樹脂管の冷却管を用いる理由はコスト低減である。アルミ管は冷却媒体により腐食されることを防止するためその内面をポリエティレン樹脂などでライニングコートする。
請求項２に関して前述した様に冷却配管カバーを極力大面積なものを用い樹脂接合面の密封状態を確保する事が接合剥がれを防ぐ意味で重要である。しかしながら請求項１１でカバー薄板を一枚では無くて２〜９枚に分割したのは、温度変化による熱歪みを吸収するための工夫である。特に冷却配管の長手方向には熱歪み吸収の仕掛けが不可欠でありそちらの方向は冷却配管カバーは二つ以上に分団せざるを得ない。この分断ラインは切断ラインであるが、一部連結部を残した大部分が切込みされて実質的に分断されたものとか、応力歪みを吸収するための山形ビードをライン状に形成したものでも良い。

分断部分は塗装乃至はテープ貼り付けなどにより空気及び湿度の接合用樹脂との遮断を行なうことが接合の信頼性を保つ上で重要であるし、加熱接合を行なう前にテープにより
分断部分のシールを行っておけば、接合用樹脂が溶けてはみ出てくるのを防止することも
可能である。加熱接合時には冷却配管カバーのアルミ板は大きく膨張し、接合完了後に平温まで冷却した時には前記の分断面には隙間のラインができる。通常０．５ｍｍ程度の隙間のラインとなる。従って実際の運転の再に高温度に晒された時にはその隙間が熱歪みを吸収するための伸び代に対する余裕となる。

さて、冷却管に水を通す場合夏季の高温度環境では水ポンプが故障した時に発電セル、モジュール基板、冷却管などの温度が１２０℃以上に上昇する事がある。この場合樹脂や接着剤の耐熱性が厳しい状況となる。一方厳寒期の深夜など輻射冷却もあってセルから放熱し、モジュール基板も冷却配管も０℃以下に下がる。このときには冷却管内の水の凍結による冷却配管カバー、モジュール基板、発電セルなどの破損、接着接合部の剥がれなどの不良の発生が心配される。その対策は何れも冷却配管周りの構造が重要となる。 酷暑期の温度上昇時には冷却配管内の水は蒸発して温度上昇を抑える効果を発揮する。この発生した蒸気を自然対流により冷却管内を上昇し、排気される方式を採用するには冷却管の内部に気体溜まりの空間の無い事が重要である。冷却管の全ての部分が例えば蛇行状でのぼり傾斜で構成されていれば発生した水蒸気は最上部まで上昇し、排蒸気機構を通して外部に排気される。

この結果冷却配管内は常に水に満たされているので１００度プラス若干の温度上昇以下に保つ事が可能となる。一方厳寒期にはモジュールの外部の下方に設けられた凍結防止駒組み込みの蛇口によってモジュール内の水の凍結を防止する。該蛇口はモジュールの冷却管内と連通されており、外気温度が降下し該蛇口の駒部分が１〜２℃以下になると駒は開き蛇口から排水が行われる。この排水量はわずかであるがモジュールの冷却管内の水を循環させることになり凍結を防止することができる。勿論駒の温度が上昇すれば蛇口は閉じられるから排水される水量はモジュールの断熱のし具合によっては僅かですます事ができる。この場合にも冷却管内に水溜まり箇所が無く全ての内包された水が少しずつ流下することができることが重要である。
このため、冷却媒体は冷却配管の最下部分から導入されて最上部から排出される方式をとり、冷却管の構成は下から上に向けて常に水平か登り勾配になっている事が必要である。

以上に述べた異常温度上昇は、前述した様に太陽電池コアの上面と下面に断熱層を設けたことが直接の原因である。そこでこの断熱層の何れかに冷却通風路を設けておき、その下端部は必要最小限の通風孔を設け、最上部に温度検知型の開閉扉を設置する方式は有効である。その扉はモジュール基板の最上部の端部に設け、冷却通風路は
上部断熱層である空気層を用いる方法が有効な方法である。温度検知型の開閉扉は９０℃前後で開となり、７５℃程度の温度で閉となる様にバイメタルサーモに連動したバネ機構によって自動開閉させる方法が適切である。接合用樹脂などの耐熱仕様限界温度は１００℃以上であり、コジェネレイションモジュールの正常運転時の出力温熱温度は最大６０℃程度に設定すると想定し、上記の開閉温度の仕様が決定される。

本発明により次のような効果が得られるものと考えられる。
１、太陽光を利用して電力と温熱を同時に同一のセルから獲得する機能（コジェネレイ ション）を持った太陽光コジェネレイションモジュールを実用化するための基本方式、 構造に関する基本技術を提示し、製品化を可能にした。
２、太陽光コジェネレイションモジュールの設計、製造に必要な構造、材料其の他の基本
的な技術を明確化した。
３、本発明に提示した技術により高性能で実用的な、高い信頼性で長寿命、生産性の高い コスト対応力のある太陽光コジェネレイションモジュールの実現ができる。
４、このモジュールを組み込んだ分散型エネルギー利用システムを実現する見通しを立て ることが可能であり、このシステム実現のための検討を進める事ができる。
５、このシステムを実現して普及させ、エネルギー価格に優れた、ＣＯ２発生の少ない地 球環境保護に貢献させる事が可能になると期待される。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。
図１は太陽光コジェネレイションモジュールの従来事例の構造断面図とその一部分（Ｘ部分）の拡大図を示す。発電セル組み立て９、モジュール基板８、冷却媒体回路形成板２２などから成る太陽電池コアはモジュール基板８を通して枠体２０に留め金２３により固定されている。モジュール基板８は肉厚０．８ｍｍの一枚の平坦なステンレス鋼板製で、肉厚０．５ｍｍのステンレス鋼板を図の様に成型した冷却媒体回路形成板２２と図中Ｌ２で示された部分でシーム溶接されて接合されている。 ここではモジュール基板８と冷却媒体回路形成板２２は幅Ｌ１で示された冷却媒体流路１１を形成しており、全体としてその回路は蛇行状にモジュール基板８のほぼ全面積に渡って冷却媒体を行渡らせる様に形成されている。その回路はピッチ（Ｌ１＋Ｌ２）の間隔の並行部分と両端のＵターン部分で蛇行状に連続する様に構成されている。

冷却媒体は水乃至は不凍液であるプロピレングリコール溶液であり冷却媒体流路１１を流れ、主に発電セル４の表面で発生した温熱を受け取って発電セル４を冷却する。Ｌ１の部分では冷却水は直接モジュール基板８を通して発電セル４を冷却するが、Ｌ２の部分は発電セル４の発熱量はモジュール基板８の内部を伝わってＬ１の部分まで流れそこで冷却媒体によって冷却される。したがってＬ２の部分ではＬ２は４０ｍｍに設定されており、この結果Ｌ２部分の発電セル４における発熱量は大きな温度差無く冷却媒体に伝えられている。モジュール基板８と冷却媒体回路形成板２２は溶接により組み立てられ、材料がステンレス鋼板であり、極めて高い構造強度を有しているし、発電セル４の発熱量の伝熱性能は極めて良好であると推定される。

しかしながら、図１に示した従来例では大きな問題を抱えている。その一は冷却媒体の漏れに対する長期信頼度である。冷却媒体流路はステンレス板の溶接で形成されているから溶接不良乃至は長期使用による溶接剥がれにより漏れのリスクは少なくない。多数のモジュールから成る実機のシステムは極めて大量の溶接作業から成り立っているから溶接自体が極めて少ない不良率でもシステムとしては充分大きな問題となり得るわけで、システムの一箇所でも漏れ不良が発生すれば大きな問題となる。この意味で溶接箇所を無い冷却媒体回路の方式こそが求められる所以である。その二はモジュール基板の平坦度不良から来る発電セル組み立てとの接合の剥がれや発電セル４の割れや発電セル組み立ての断線が生じるリスクである。モジュール基板の溶接はモジュール基板に大小の歪みを生成するし、上面の平坦面には溶接による凹凸が生じ易い。また設置工事や実使用状態で風圧や振動外力によりモジュール基板８と冷却媒体回路形成板には反り変形が生じ易い。この結果発電セル４の剥離や割れや断線が生じる危険を無くす事が難しい。モジュール基板が基板としての強度と平坦度を保つにはそれが独立した基板である方式が求められる。

その三として問題になるのは、生産性と生産設備投資の面である。図１の事例は基本的にステンレス板の溶接工程と発電セル組み立て９とのラミネーションによる樹脂接合工程の二つの工程により製造される。これは全く別工程であり、大面積と大重量のモジュール用にこの二つの別々の工程ラインと設備を設けることは製造者に大きな負担を強いるし生産されたモジュールのコスト増に繋がる。一つのシステム装置には多数のモジュールを使用するためその製造コストの増加は避けなければ商品の普及にネックとなり事業の伸張に支障をきたす。
他の事例として樹脂製の構造の冷却媒体回路をモジュール平板に接着する方式も考案されている。この場合は樹脂製で冷却媒体回路自体を完成させた状態でモジュール平板に接着させるため製造性、品質面では優位な方式であるが、厳しい運転環境の中で樹脂製の構造体は長期間の信頼性は期待できない。材料劣化による亀裂による冷却媒体の漏れ、変形によるモジュール基板との剥がれなどを回避することは難しい。多数本の冷却配管をヘッダー管から分流させる冷却媒体回路も提案されているが、これも多数の配管の接合・溶接箇所がその製品の信頼性を損ねる。

図２は本発明の実施例の太陽電池コアの一部分の断面図である。最上面は透明なフッ素樹脂フィルムのセル上面カバー３で被うことにより接合用樹脂Ａ６の接合機能を長期間にわたり保持させ、バルクシリコンの発電セル組み立て９を保護している。発電セル組み立て９とモジュール基板８はＥＶＡ接合用樹脂Ａ及びＢ及びＣにより柔らかく且つしっかりと隅々まで行渡って隙間無く接合されている。この下面の冷却配管１０は冷却配管カバー１３に成形された冷却配管埋込部１４に埋め込まれて冷却配管カバー１３の上面とともに上部平坦面１７を構成している。この上部平坦面はＥＶＡ接合用樹脂Ｃ１２によりモジュール基板８の下面に接合されている。冷却配管１０はその外周で直径９．５２ｍｍの半円形断面形状であり、冷却配管カバー１３は冷却配管埋込部１４がその内面が冷却配管の直径プラス０．８ｍｍの寸法の直径の半円形断面形状に成形されている。

以上に述べた四つの平面状の部材の接合及び冷却配管１０と冷却配管カバー１３の接合はホットメルト樹脂と呼ばれるＥＶＡをそれらの部在間に設置し真空状態で１５０℃に加熱するラミネーション工程により接合される。夫々の接合用樹脂はＡが透明で０．２ｍｍのＥＶＡシート、Ｂが黒色の塗料を混ぜた０．６ｍｍのＥＶＡシート、Ｃが有色で０．６ｍｍのＥＶＡシート、ＤがＣと同じＥＶＡシートを夫々用いている。発電セル組み立て９は３６枚のバルクシリコン製の発電セル４を並べて発電セルリード線５で連結して電気回路を形成してモジュールの面積の大きさに構成したものである。モジュール基板８は０．８ｍｍの肉厚の亜鉛メッキと電気絶縁を目的とした塗装をした平板の鉄板である。冷却配管１０は素管が直径９．５２ｍｍ肉厚０．５ｍｍでＤ型の断面形状で図３に示される蛇行状に成形された銅管を用いている。

冷却配管カバー１３は厚さ０．５ｍｍのアルミニウム平板に冷却配管埋込部１４を成形したもので、上面が平坦であり、図３に示した様に分断ライン１６により９枚の部分に分断されたものをアルミ箔テープで繋いでモジュールの面積形状にまとめたものである。アルミ箔テープは０．０５ｍｍ厚さで常温で貼り付けられるが、１５０℃のラミネーション接合温度に耐える接着層と高温度用の樹脂膜との複合膜テープを用いている。図２で示した様にラミネーション加工の際は冷却配管カバー１３の下面の凹部にアルミブロックスペーサー１５を嵌め込んだ状態で敷いて装置のベッドに置き、セル上面カバー３との間で面圧をかけて融けた接合用樹脂を接合面全体に渡って隙間無く行渡らせて接合して一体化する。図中に記載していないが、モジュール基板８の下面には２個の薄板鉄板の引っ掛け爪を溶接してあり、冷却配管カバー１３を貫通させて折り曲げて機械的に固定してある。

図３は冷却配管カバーの形状を示している。アルミ製の冷却配管カバーには冷却配管埋込部１４がその内面が冷却配管の直径プラス０．８ｍｍの寸法の直径の半円形断面形状に蛇行の溝がプレス成形さている。蛇行状の並行の冷却配管のピッチは７０ｍｍに設定されている。配管とそのカバーはＹ方向矢視拡大図でわかるように全体として上面の平坦面１７を面一に構成する様に組み合わされ、双方の間には接合用樹脂のＥＶＡシートが嵌め込まれ、ラミネーション加工後には図２、４で分かるように隙間を充満している。図４は太陽光コジェネレイションモジュールの部分断面図で図１の太陽電池コアが組み込まれた状態を示している。モジュール上面カバー１は厚さ３．２ｍｍの強化ガラス板、上部断熱層２は３０ｍｍの厚さの空気層、下部断熱層２１は最低厚さ２０ｍｍの発泡ウレタンである。図示しないが、ガラスのモジュール上面カバー１の強度を高めるために上部断熱層内にフッ素系ゴム製の細い柱状の支柱が２本組み込まれている。

以上の方式、構造、材料の技術により以下の様な優れた特性、効果を発揮する。
１、冷却用媒体が一本の配管内を流れる構成であれば、複合型流路に比較しロー付け不良 、溶接不良、局部的な錆などにより媒体が漏れると言う最も重要視される不良の発生の 危険が極めて少ない。従って、本発明の前提としてこの一本の配管を使って平坦な発電 セルから熱収集する特殊な構造体を作り上げた。これは高品質高信頼性で製作しやすく 低コストであり、従って実用性に優れた構造体を提供できる。
２、太陽電池コアは全体として一体化された七層の積層体であり、夫々の部材は薄く且つ 強度的には平均的な材質から構成されているが、全体の構造強度が極めて強く、積雪、 暴風、据付の取り扱いなどのリスクに強い構造を実現できる。
３、溶接加工などを施していないため、完全な平坦度と平面度を保つことが可能な金属製 のモジュール基板をこのコアの中心に配置し、その上下に接合用樹脂の緩衝層を挟んで 発電セル組み立てと冷却媒体回路体を接合したから接合加工によるセル及び媒体回路体 への悪影響が無く安定した接合が得られるから適正な接合構造を実現し易い。

４、以上２、３の効果及び全体を真空中で全体面を一体に接合する構造であるから接合強 度は極めて高く、七層の太陽電池コアの周囲をカバー、さらに塗装などを行なって外界 からの影響を排除すれば接合部の剥がれが防止できる。
５、七層の構造は三層の接合用樹脂ＥＶＡで接合されているから、相互の熱歪みを段階的 に緩和させる事が容易であり、使用温度範囲を広げる事が可能である。
６、発電セルで発生する温熱はモジュールの全面積を通して冷却配管中の冷却媒体に伝熱 されるため電熱特性に優れる。
７、モジュール基板は鉄板製、冷却配管は一本の配管、冷却配管カバーは薄肉のアルミ板 、
接合用樹脂は太陽電池の生産に大量に使用されているホットメルト樹脂、製造はラミ ネーションの一発接合、これらの基本方式は安い製品コストの実現に極めて有効。
８、特有の製造設備の主なものは真空ラミネーション装置のみであり、設備投資の最小化 とともに生産性の向上を達成できる。

以上の効果により、高い性能で２０年を超える長寿命信頼性のある太陽光コジェネレイションモジュールを実用性あるコストで生産することができるものである。

太陽光コジェネレイションモジュールの従来例の断面図 本発明の太陽電池コアの部分断面図とラミネーション用スペーサー 本発明の冷却媒体回路体 本発明の太陽光コジェネレイションモジュールの部分断面図

符号の説明

１ モジュール上面カバー
２ 上部断熱層
３ セル上面カバー
４ 発電セル
５ 発電セルリード線
６ 接合用樹脂Ａ
７ 接合用樹脂Ｂ
８ モジュール基板
９ 発電セル組立て
１０ 冷却配管
１１ 冷却媒体流路
１２ 接合用樹脂Ｃ
１３ 冷却配管カバー
１４ 冷却配管埋込部
１５ アルミブロックスペーサー
１６ 分断ライン
１７ 上部平坦面
１８ 接合用樹脂Ｃ
２１ 下部断熱層
２２ 冷却媒体回路形成板
２３ 留め金具

Claims (5)

1. 上面に太陽光を受けて電力と温熱を出力する平板状の太陽光コジェネレイションモジュールに於いて、
   夫々近似の面積形状の、太陽光透過性のある樹脂乃至はガラス製平板のモジュールカバーと、その下部の太陽電池コアーと、さらにその下に断熱層を積層してその外周に枠体を用いて構成し、
   前記太陽電池コアーとして平板状乃至はフィルム状のセル上面カバー、電力を出力するシリコン結晶の発電セルを電気リードで連結し平板状に構成した発電セル組み立て、一枚の平板からなる鉄板乃至はメッキ鉄板製のモジュール基板、前記温熱を冷却吸収するために一本の銅製の冷却配管を繰り返しＵ字に曲げ成形して全体を平面状に構成した冷却配管、及びアルミニウムの薄板の上面に形成した凹部に前記冷却配管を埋め込んで全体の上面が大略平坦状になるように形成した冷却配管カバーを順次積み重ねて夫々の部材間を樹脂接合剤により接合させて全体を一体化したものを用い、
   前記セル上面カバーと前記冷却配管カバーとの間で前記発電セル組み立てとモジュール基板と前記冷却配管の全体を包み込んで前記樹脂接合剤により接合した構成としたことを特徴とする太陽光コジェネレイションモジュール。
2. 上面に太陽光を受けて電力と温熱を出力する平板状の太陽光コジェネレイションモジュールに於いて、
   夫々近似の面積形状の、太陽光透過性のある樹脂乃至はガラス製平板のモジュールカバーと、その下部の太陽電池コアーと、さらにその下に断熱層を積層してその外周に枠体を用いて構成し、
   前記太陽電池コアーとして平板状乃至はフィルム状のセル上面カバー、電力を出力するシリコン結晶の発電セルを電気リードで連結し平板状に構成した発電セル組み立て、一枚の平板からなる鉄板乃至はメッキ鉄板製のモジュール基板、前記温熱を冷却吸収するために一本の銅製の冷却配管を繰り返しＵ字に曲げ成形して全体を平面状に構成した冷却配管、及びアルミニウムの薄板の上面に形成した凹部に前記冷却配管を埋め込んで全体の上面が大略平坦状になるように形成した冷却配管カバーを順次積み重ねて夫々の部材間を樹脂接合剤により同時成形で接合させて全体を一体化したものを用い、
   前記セル上面カバーと前記冷却配管カバーとの間で前記発電セル組み立てとモジュール基板と前記冷却配管の全体を包み込んで前記樹脂接合剤により接合した構成としたことを特徴とする太陽光コジェネレイションモジュール。
3. 上面に太陽光を受けて電力と温熱を出力する平板状の太陽光コジェネレイションモジュールに於いて、
   夫々近似の面積形状の、太陽光透過性のある樹脂乃至はガラス製平板のモジュールカバーと、その下部の太陽電池コアーと、さらにその下に断熱層を積層してその外周に枠体を用いて構成し、
   前記太陽電池コアーとして平板状乃至はフィルム状のセル上面カバー、電力を出力するシリコン結晶の発電セルを電気リードで連結し平板状に構成した発電セル組み立て、一枚の平板からなる鉄板乃至はメッキ鉄板製のモジュール基板、前記温熱を冷却吸収するために一本のアルミニウム製の冷却配管を繰り返しＵ字に曲げ成形して全体を平面状に構成した冷却配管、及びアルミニウムの薄板の上面に形成した凹部に前記冷却配管を埋め込んで全体の上面が大略平坦状になるように形成した冷却配管カバーを順次積み重ねて夫々の部材間を樹脂接合剤により接合させて全体を一体化したものを用い、
   前記セル上面カバーと前記冷却配管カバーとの間で前記発電セル組み立てとモジュール基板と前記冷却配管の全体を包み込んで前記樹脂接合剤により接合した構成としたことを特徴とする太陽光コジェネレイションモジュール。
4. 前記金属製の冷却配管の側面に平坦面を形成し、該平坦面を前記金属製の冷却配管カバーの成形後の上面とで上部平坦面を形成する様に組み合わせた前記冷却媒体回路体を用いたことを特徴とする請求項１、２、３の何れか一項に記載の太陽光コジェネレイションモジュール。
5. 前記冷却配管として内面を樹脂をコートされたアルミニウム管を用いたことを特徴とする請求項１、２、３、４の何れか一項に記載の太陽光コジェネレイションモジュール。

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