JP2000012886A - 自己融雪機能付き太陽電池モジュールおよび太陽電池アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部から融雪用の電力を供給することなく、
かつ、積雪によって太陽電池モジュールの表面が覆われ
たならば自動的に付着した雪を融かすことができるよう
にする。 【解決手段】 太陽電池モジュール２の太陽電池セル３
−ａ、３−ｂにそれぞれ並列に接続されたバイパスダイ
オード４−ａ、４−ｂに対しそれぞれ直列に発熱体５−
ａ、５−ｂを設ける。この太陽電池モジュールを複数枚
直列に接続して構成した直列体により太陽電池アレイを
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自己融雪機能付き太
陽電池モジュールおよび自己融雪機能付き太陽電池モジ
ュールを使用した太陽電池アレイに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のごとく、太陽光発電システムは、
太陽電池モジュールによって太陽の光を電気エネルギー
に変換して電力を取り出すというものである。しかしな
がら、太陽光発電システムはその機能上、屋外に設置さ
れることが多く、多雪地帯においては、雪によって太陽
電池モジュールの表面が塞がれ、発電を停止してしまう
ことがある。

【０００３】このような着雪対策として従来使われてき
た技術としては、たとえば特開平８−２５０７５６号公
報に記載の「融雪機能付太陽電池モジュール」がある。
この公報における第一実施例では、太陽電池モジュール
に抵抗発熱体を内蔵し、外部より該抵抗発熱体に通電す
ることによって太陽電池モジュールに付着した雪を溶か
す技術が開示されている。さらに第二実施例では、太陽
電池モジュールに外部より逆電圧をかけて、太陽電池セ
ル自身を発熱させることによって、太陽電池モジュール
に付着した雪を溶かす技術が開示されている。

【０００４】また、特開平５−８２８１７号公報の「太
陽電池ユニットと、その融雪制御方法と装置」には上記
第一実施例と類似した技術が見られる。また、特開平８
−３４０６４９号公報や特開平９−０２３０１９号公報
には上記第二実施例と類似した技術が見られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べたような従来技術においては、そのどれもが外部より
融雪用電力を供給する必要があり、その制御のために、
たとえば、積雪センサ等の付加回路を使用し、もしくは
人為的に制御する必要がある。

【０００６】積もった雪を溶かすことを最終目的とする
ならば、夜間にある程度の電力を供給してでも雪を溶か
しておくことが必要かもしれないが、太陽電池が十分に
発電できるように付着した雪を除くことを主目的とする
ならば、そのような大掛かりな設備は過剰と言える。

【０００７】そこで、本発明の目的は、外部から融雪用
の電力を供給することなく、かつ、積雪によって太陽電
池モジュールの表面が覆われたならば自動的に付着した
雪を融かすことができる、自己融雪機能付き太陽電池モ
ジュールを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の自己融雪機能付き太陽電池モジュールは、太陽
電池セルと、これに並列に接続されたバイパスダイオー
ドおよび発熱体の直列回路とを具備することを特徴とす
る。また、本発明の太陽電池アレイは、このような自己
融雪機能付き太陽電池モジュールを複数枚直列に接続し
て構成した直列体を具備することを特徴とする。

【０００９】これによれば、太陽電池モジュールが積雪
によって覆われたときには、雪に覆われていない他の太
陽電池モジュールからの電流がバイパスダイオードを経
て流れるため、自動的に発熱体に通電され、その発熱に
より積雪が溶かされる。したがって、特に制御を必要と
せず、かつ、外部より特に電力を供給することなく、融
雪が行われる。また、太陽電池アレイを設置する際に
は、融雪用の配線が不要であるため、設置工事は、通常
の太陽光発電システムにおけると同様の安価なものとな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態におい
ては、太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール上へ
の積雪状態に応じた温度を温度検出手段により検出し、
この検出温度があらかじめ定められたしきい値を下回っ
ている場合に発熱体への通電を許容する手段を有する。
これによれば、太陽電池モジュールの表面を覆っている
ものが雪ではない場合には検出温度が高いため、発熱体
に通電されることはない。したがって、無駄な電力の消
費が抑えられる。

【００１１】この場合、温度検出手段は、太陽電池セル
の温度を検出する。これによれば、最も雪の温度の影響
を受ける太陽電池セルの温度が検出されるため、正確な
融雪制御が行われる。あるいは、温度検出手段は、太陽
電池モジュールの裏面材としての金属板の温度を検出す
る。これによれば、太陽電池モジュールそのものの温度
を測定することになるため、太陽電池セルが幾つあって
も、温度検出手段が各太陽電池モジュールに１つあれば
すむ。

【００１２】また、太陽電池セルは非晶質シリコンを用
いて構成されている。これによれば、融雪時における発
熱体の発熱によって、太陽電池セルの光電変換効率が向
上する。

【００１３】また、前記太陽電池アレイの直列体を構成
する太陽電池モジュールを２以上の複数の群に分けた場
合にそれぞれの群が物理的に上下方向に広がるように設
置される。これによれば、雪に覆われていない直列体の
上方にある太陽電池モジュールが発生する電力により、
雪に覆われている直列体の下方にある太陽電池モジュー
ル上の積雪が効果的に融雪されるというように、融雪効
果が良好に引き出され、わずかな発電でもアレイ全体の
融雪が行われる。

【００１４】

【実施例】通常、太陽電池アレイは図８に示すごとく、
南面に傾斜を付けて設置する場合がほとんどである。そ
のように設置された太陽電池アレイ１の表面に雪が積も
った場合、雪は自重によって太陽電池アレイ１の下部に
ずれ落ちてくる。その結果、図９に示すように、太陽電
池アレイ１の下部は雪に覆われて発電できない場合で
も、太陽電池アレイの上部では雪に覆われずに発電可能
な面が存在することになる。このような現象は、地上設
置の場合のみならず、屋根上設置型太陽電池アレイの場
合でも、あるいは屋根材一体型太陽電池アレイの場合で
あっても、しばしば見ることができる。

【００１５】また、図７は、一般的な太陽電池モジュー
ルにおける電気的接続の状態を示す回路図である。太陽
電池モジュール２は、太陽電池セル３（３−ａ、３−
ｂ）と、太陽電池セル３に並列に接続されるバイパスダ
イオード４（４−ａ、４−ｂ）のセットを複数個直列し
て構成されている。ここでは説明を簡単にするために太
陽電池モジュール２は２組のセット、すなわち太陽電池
セル３−ａとバイパスダイオード４−ａ、および太陽電
池セル３−ｂとバイパスダイオード４−ｂの２組で構成
されていることにする。もちろん実際には、上記セット
が何組であっても構わない。

【００１６】太陽電池セル３に光が当たっているとき
は、太陽電池セル３は発電し、負荷またはインバータ６
に電力が供給される。このときは、バイパスダイオード
４に電流は流れない。逆に太陽電池セル３が完全に雪に
覆われたときや、夜間など、光が当たらないときは、太
陽電池セル３は発電しないので、電流は流れない。しか
し、積雪があったときでも、太陽電池アレイ上部の太陽
電池セル３−ａは雪に覆われずに発電しており、太陽電
池アレイ下部の雪に覆われて影になっている太陽電池セ
ル３−ｂにおいては、太陽電池セル３−ａで発電された
電流はバイパスダイオード４−ｂを通って流れる。この
ような構成を採る太陽電池モジュールとしてはたとえ
ば、キヤノン製ＢＳ２−０３など多くの種類がある。

【００１７】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
に係る自己融雪機能付き太陽電池モジュールの構成を示
す回路図である。本実施例では、バイパスダイオード４
と直列に発熱体５（５−ａ、５−ｂ）が接続されてい
る。雪によってアレイ下部の太陽電池セル３−ｂが影に
なったときは、アレイ上部の太陽電池セル３−ａが発電
した電流は発熱体５−ｂを通ってバイパスダイオード４
−ｂに流れる。その結果、発熱体５−ｂが発熱し、太陽
電池セル３−ｂを熱して雪を融かす。

【００１８】図２はこの太陽電池モジュール２の模式的
な平面図である。同図に示すように、発熱体５−ａおよ
び５−ｂはそれぞれ、太陽電池セル３−ａおよび３−ｂ
の下に設置されている。なお、この図では発熱体５を発
熱線タイプのもののように表示しているが、これに限ら
ず、たとえばカーボンフィルムのようなシート（面）タ
イプのものとしても良い。

【００１９】積雪の程度にもよるが、太陽電池モジュー
ル２の表面に付着する雪の量は多いときでも５ｃｍ／日
程度である。しかし本発明は雪を溶かすのが目的ではな
く、太陽電池表面の着雪を取り除くのが目的であるた
め、降ってくる雪の分を溶かす程度の力があれば、積雪
分はすぐに自重で滑落する。つまり最大でも０．２［ｃ
ｍ／ｈ］で溶かせば十分ということになる。

【００２０】本実施例では、太陽電池モジュール２とし
てキヤノン製ＢＳ２−０３のサイズのものを使用してい
る。この太陽電池モジュールの面積は、約１．１ｍ²で
あるため、溶かすべき雪の量は、１１０００×０．２＝
２２００［ｃｍ³］である。雪の比重を０．１［ｇ／ｃ
ｍ³］とすると、この太陽電池モジュール１枚につき２
２０［ｇ］の雪を溶かす能力が必要とされる。雪１ｋｇ
の融解熱は８０［ｋｃａｌ／ｈ］で、このモジュールは
１０枚の太陽電池セルで構成され、その一枚一枚にバイ
パスダイオードが入っており、発熱体の数も１０個であ
るため、発熱体１つにつき１７６０［ｃａｌ／ｈ］≒約
２［Ｗ］の発熱が必要である。晴天の最大出力時に２
［Ｗ］の発熱が得られるようにするためには、この太陽
電池セルの最大出力点電流が４．６［Ａ］であるため、
発熱体５の抵抗値を０．１［Ω］で設計すれば良い。

【００２１】設計上は晴天の最大出力時でないと十分に
雪を溶かせないように見えるが、実際には、その１０倍
の太陽エネルギー（太陽電池の光電変換効率を１０％と
した場合。）が降り注いでいるため、その力とあいまっ
て朝や夕方でも十分に融雪効果が得られる。

【００２２】このように、本発明に従った自己融雪機能
付き太陽電池モジュールを使用することによって、わず
かでも着雪していない太陽電池モジュールがあれば、そ
の発電エネルギーを利用して、太陽電池モジュールに付
着している雪を落とすことができる。そして、太陽電池
モジュール上を覆っていた雪が除かれれば、発熱体を電
流が流れなくなるため、自動的に発熱が止まる。

【００２３】なお、この実施例では太陽電池モジュール
２として非晶質シリコン系の太陽電池（ここで言う非晶
質シリコンとは微結晶シリコンも包含する。）を使用し
ているが、この代わりに、結晶シリコン系の太陽電池
や、その他の太陽電池を使用しても、それらがバイパス
回路を内蔵するものであれば、本発明の趣旨は変わらな
い。しかしながら、非晶質シリコン系の太陽電池は、熱
を与えると「アニール効果」と呼ばれる現象によって太
陽電池そのものの効率が向上するという性質をもってい
る。したがって、太陽電池モジュールとして特に非晶質
シリコン系の太陽電池を使用した場合は、発熱体による
加熱により太陽電池の光電変換効率が向上するという２
次的な効果が得られる。

【００２４】（実施例２）図３は本発明の第２の実施例
に係る自己融雪機能付き太陽電池モジュールの構成を示
す回路図である。実施例１に示した構成によれば、雪で
はなく、たとえば枯れ葉などが太陽電池モジュール２の
表面を覆った場合においても発熱体５が発熱する。２
［Ｗ］程度の発熱であれば危険は無いが、無駄なエネル
ギーを消費してしまうことに変わりはないため、できれ
ば雪であることを検知した上で発熱体５に通電すべきで
ある。

【００２５】そこで本実施例では、図３に示すように、
実施例１の回路に加え、発熱体５と並列にサーモスタッ
ト７（７−ａ、７−ｂ）を接続している。サーモスタッ
ト７は温度が高くなればＯＮになるように設定されてい
る。

【００２６】通常、雪によって太陽電池表面が覆われた
ときには太陽電池モジュール２の表面温度は０℃付近に
なる。そして着雪がなくなれば、徐々に温度が上がって
きて十分な日照がある場合には冬でも３０度以上になる
こともある。したがって太陽電池モジュール２の温度を
検出する場合、サーモスタット７の温度設定は０℃以上
３０℃以下にすべきであり、１０〜１５℃程度に設定す
るのが望ましい。

【００２７】太陽電池モジュール２の温度を検出する場
合、太陽電池セル３の表面温度を検出するのが望ましい
が、通常、太陽電池セル３の表面には光を遮るものは設
置しないため、太陽電池セル３の裏面温度を検出して
も、またたとえば、太陽電池モジュール２が裏面材とし
て金属板を具備していれば、その金属板の温度を検出し
たとしても実用上はまったく問題が無い。

【００２８】また、必ずしも太陽電池モジュール２の温
度を検出しなくても、たとえば気温を測定して大まかな
判断をしても実用上大きな問題は無い。その場合、サー
モスタット７は太陽電池モジュール２の内部ではなく、
外部にむき出す形になる。雪が降り始める気温は２℃以
下である場合がほとんどで、気温が１０℃になれば積雪
は自ら融け落ちる。したがってこの場合のサーモスタッ
ト７の温度設定は、２℃以上１０℃以下にすべきであ
り、５〜６℃に設定するのが望ましい。以上のような構
成を採ることによって、着雪ではなく、枯れ葉などの影
によってパーシャルシェード（部分的に影になること）
が起きたときには発熱体５が動作しないようにすること
ができる。

【００２９】なお、本実施例では温度検出手段としてサ
ーモスタットを使用したが、回路の組込みスペースや電
源等の制限さえなければ、この代わりに、熱電対や測温
抵抗体、サーミスタ、ダイオードなどの温度検出可能な
素子を使用した温度検出回路を作成して太陽電池モジュ
ール２内に組み込んだとしても本発明の趣旨から外れる
ことはない。

【００３０】（実施例３）図４は本発明の第３の実施例
に係る太陽電池アレイを示す模式図である。本実施例で
は、自己融雪機能付き太陽電池モジュール２を４枚直列
接続して構成した直列体を３本組み合わせて太陽電池ア
レイ１を構成している。もちろん自己融雪機能付き太陽
電池モジュール２の直列数や直列体の数は説明上便宜的
に決めたものであって、これ以外の組み合わせであって
も何ら構わない。

【００３１】図４において、Ａ、Ｂ、Ｃは直列体、２−
Ａａ〜２−Ａｄ、２−Ｂａ〜２−Ｂｄ、２−Ｃａ〜２−
Ｃｄはそれぞれ直列体Ａ、Ｂ、Ｃを構成する太陽電池モ
ジュールである。直列体Ａ、Ｂ、Ｃでは、それぞれ、太
陽電池モジュール２−Ａａから２−Ａｄ、２−Ｂａから
２−Ｂｄ、２−Ｃａから２−Ｃｄの順で、物理的に上方
から下方に向けて配置されている。

【００３２】この構成において、太陽電池アレイ１の表
面に積雪があったとした場合、図９に示すように、雪の
自重によって下の方に雪が集まってくる。その結果、太
陽電池モジュール２−Ａｄ、２−Ｂｄ、２−Ｃｄのみに
着雪し、太陽電池モジュール２−Ａａ〜Ａｃ、２−Ｂａ
〜Ｂｃ、２−Ｃａ〜Ｃｃは太陽光を受けて発電する。す
ると、太陽電池モジュール２−Ａａ〜Ａｃが発電した電
流は直列体Ａを流れ、太陽電池モジュール２−Ａｄ内の
発熱体が発熱して、着雪を取り除く。同様に、太陽電池
モジュール２−Ｂａ〜Ｂｃ、２−Ｃａ〜Ｃｃが発電した
電流がそれぞれ直列体Ｂ、Ｃを流れ、同じように着雪が
取り除かれる。

【００３３】したがって、本発明に従った自己融雪機能
付き太陽電池モジュールを使って太陽電池アレイを構成
する場合は、上記のように設置することによって最良の
効果が得られる。

【００３４】（実施例４）図５は本発明の第４の実施例
に係る太陽電池アレイを示す模式図である。本実施例で
は、自己融雪機能付き太陽電池モジュール２を６枚直列
接続して構成した直列体を２本組み合わせて太陽電池ア
レイ１を構成している。図５において、ＡおよびＢは直
列体、２−Ａａ〜２−Ａｆおよび２−Ｂａ〜２−Ｂｆは
それぞれ直列体ＡおよびＢを構成する太陽電池モジュー
ルである。本実施例では、各々の直列体ＡおよびＢにつ
いて物理的な上方と下方に分けて、上部群を太陽電池モ
ジュール２−Ａａ〜２−Ａｃおよび２−Ｂａ〜２−Ｂ
ｃ、下部群を太陽電池モジュール２−Ａｄ〜２−Ａｆお
よび２−Ｂｄ〜２−Ｂｆとしている。

【００３５】この構成において、太陽電池アレイ１の表
面に積雪があったとした場合、図９に示すように、雪の
自重によって下の方に雪が集まってくる。その結果、太
陽電池モジュール２−Ｂｄ〜Ｂｆのみに着雪し、太陽電
池モジュール２−Ａａ〜Ａｆおよび２−Ｂａ〜Ｂｃは太
陽光を受けて発電する。その場合、直列体Ａについては
まったく着雪が無いために通常の発電となるが、直列体
Ｂについては下半分に着雪しているため、太陽電池モジ
ュール２−Ｂａ〜Ｂｃが発電した電流が直列体Ｂを流
れ、太陽電池モジュール２−Ｂｄ〜Ｂｆ内の発熱体が発
熱して、着雪を取り除く。

【００３６】このように、必ずしも実施例３に示すよう
な縦方向の接続を行なわなくても、各々の直列体が上部
群と下部群とに分けて設置されてさえいれば、融雪効果
が得られることがわかる。

【００３７】（実施例５）図６は本発明の第５の実施例
に係る自己融雪機能付き太陽電池モジュールの構成を示
す回路図である。本実施例では、自己融雪機能付き太陽
電池モジュール２は、切替えスイッチ９を通して負荷ま
たはインバータ６あるいは融雪用電源８のどちらかに接
続されるように構成されている。融雪用電源８は自己融
雪機能付き太陽電池モジュール２の短絡電流値を超えな
いように電流制限がかけてあるものとする。

【００３８】これまでの実施例では太陽電池アレイ１を
構成する直列体の一部に日射が当たっていることが前提
だったが、このように構成することによって、たとえば
太陽電池アレイ１の設置角度が浅くて太陽電池アレイ１
の全面が雪で覆われたままになっている場合や、夜間に
融雪を行いたいときなどにも融雪を行うことが可能とな
る。言うまでもないが、融雪用電源８がインバータ６に
内蔵されていても本発明の趣旨には変わりがない。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
イパスダイオードに直列に接続して発熱体を設けるよう
にしたため、特別に融雪用の装置を用いることなく、太
陽電池モジュールの表面に付着した雪を溶かすことがで
きる。また、雪が降って太陽電池モジュールの表面が覆
われると自動的に融雪を行い、融雪が終わると自動的に
発熱を止めることができる。したがって、特別な積雪セ
ンサも不要で、人為的な作業を伴うこともない。

【００４０】また、温度検出手段を設け、温度に応じて
発熱体に通電するようにしたため、太陽電池モジュール
表面を覆っているものが雪でない場合には発熱を行わな
いようにして、無駄な電力の消費を抑えることができ
る。また、温度検出手段により、最も雪の温度の影響を
受ける太陽電池セルの温度を検出するようにしたため、
正確な融雪制御を行うことができる。また、温度検出手
段により、太陽電池モジュールの裏面材としての金属板
の温度を検出して、太陽電池モジュールそのものの温度
を検出するようにしたため、太陽電池セルが幾つあって
も温度検出手段を各モジュールに１つ設けるだけです
む。また、太陽電池セルを非晶質シリコンを用いて構成
するようにしたため、太陽電池モジュールの光電変換効
率を向上させることができる。また、本発明の自己融雪
機能付き太陽電池モジュールを複数枚直列に接続して構
成した直列体により太陽電池アレイを構成するようにし
たため、融雪用の配線を不要とし、通常の太陽光発電シ
ステムの工事と同じ安価な設置工事により太陽光発電シ
ステムの設置を行うことができる。また、太陽電池アレ
イを、その直列体を構成するモジュールを２以上の複数
の群に分けた場合にそれぞれの群が物理的に上下方向に
広がるように設置するようにしたため、本発明の自己融
雪機能付き太陽電池モジュールの融雪効果を最大限に引
き出し、わずかな発電でもアレイ全体の融雪を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る自己融雪機能付
き太陽電池モジュールを示す回路図である。

【図２】 図１の自己融雪機能付き太陽電池モジュール
の模式的な平面図である。

【図３】 本発明の第２の実施例に係る自己融雪機能付
き太陽電池モジュールを示す回路図である。

【図４】 本発明の第３の実施例に係る太陽電池アレイ
を示す図である。

【図５】 本発明の第４の実施例に係る太陽電池アレイ
を示す図である。

【図６】 本発明の第５の実施例に係る自己融雪機能付
き太陽電池モジュールを示す回路図である。

【図７】 従来の一般的な太陽電池モジュールを示す回
路図である。

【図８】 一般的な太陽電池アレイの設置形態を示す説
明図である。

【図９】 一般的な太陽電池アレイの設置形態における
着雪状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１：太陽電池アレイ、２（２−Ａａ〜Ａｆ，２−Ｂａ〜
Ｂｆ，２−Ｃａ〜Ｃｄ）：太陽電池モジュール、３（３
−ａ，３−ｂ）：太陽電池セル、４（４−ａ，４−
ｂ）：バイパスダイオード、５（５−ａ，５−ｂ）：発
熱体、６：負荷またはインバータ、７（７−ａ，７
ｂ）：サーモスタット、８：融雪用電源、９：切替えス
イッチ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池セルと、これに並列に接続され
   たバイパスダイオードおよび発熱体の直列回路とを具備
   することを特徴とする自己融雪機能付き太陽電池モジュ
   ール。
2. 【請求項２】 前記太陽電池モジュール上への積雪状態
   に対応する温度を温度検出手段により検出し、この検出
   温度があらかじめ定められたしきい値を下回っている場
   合に前記発熱体への通電を許容する手段を有することを
   特徴とする請求項１に記載の自己融雪機能付き太陽電池
   モジュール。
3. 【請求項３】 前記温度検出手段は前記太陽電池セルの
   温度を検出するものであることを特徴とする請求項２に
   記載の自己融雪機能付き太陽電池モジュール。
4. 【請求項４】 前記太陽電池モジュールの裏面材として
   の金属板を備え、前記温度検出手段はこの金属板の温度
   を検出するものであることを特徴とする請求項２に記載
   の自己融雪機能付き太陽電池モジュール。
5. 【請求項５】 前記太陽電池セルは非晶質シリコンを用
   いて構成されていることを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれか１項に記載の自己融雪機能付き太陽電池モジュー
   ル。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかの自己融雪機能
   付き太陽電池モジュールを複数枚直列に接続して構成し
   た直列体を具備することを特徴とする太陽電池アレイ。
7. 【請求項７】 前記直列体を構成するモジュールを２以
   上の複数の群に分けた場合にそれぞれの群が物理的に上
   下方向に広がるように設置されることを特徴とする請求
   項６に記載の太陽電池アレイ。