JP2006269609A - 太陽電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池モジュールの全面に使用されていたガラス板や金属板といった重い補強板を省略しつつ、リブとフレームのみで実用上十分な機械的強度を付与した太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 複数枚の光起電力素子１１を、ギャップ１５を設けて配置し、これを封止してなる可撓性を有する太陽電池パネル１０、突起部１３ｂと被接着部１３ａで構成され太陽電池パネルの非受光面に設けられたリブ１３、太陽電池パネルの端辺に設けられたフレーム１４で構成され、リブ１３はフレーム１４に交差するように配され、被接着部１３ａが、光起電力素子の端部からギャップ１５をまたいで前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するよう配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図１ｃ

Description

本発明は、太陽電池パネルとリブとフレームで構成される太陽電池モジュールに関する。

太陽エネルギーは無尽蔵且つクリーンなエネルギーであるため、化石燃料の枯渇、環境問題の深刻化に伴い、注目度が年々増してきている。現在、太陽エネルギーを利用して発電する太陽光発電システムは、一般住宅の屋根、高層ビルの壁面など多様な場所に施設されている。

太陽電池モジュールのサイズは様々であるが、発電所や公共施設の屋根など設置エリアが比較的広い場合、大面積の太陽電池モジュール（以下、『大面積モジュール』と呼ぶ）が好適に用いられる。その理由として、（１）大面積モジュールを用いれば単位面積当たりのモジュール使用枚数が少なくなるため、モジュールの設置作業及びモジュール間の電気接続作業が削減されること、（２）小面積の太陽電池モジュールに比べて、大面積モジュールのワットコストが安いことなどが挙げられる。

一方、太陽電池モジュールは、強風時や積雪時に受ける荷重が受光面の面積に比例して大きくなるため、大面積モジュールの場合、前記荷重に耐え得るように機械的強度を向上させる必要がある。

市場に流通している太陽電池モジュールの多くは、図４ａ及び図４ｂに示すような構成を有している。即ち、複数枚の光起電力素子４１が、ガラス板４２と耐候性フィルム４３の間に配され、充填材４４により封止された太陽電池パネル４０と、フレーム４５とで構成されている。前記構成のモジュールを補強する一般的な方法としては、補強板であるガラス板４２を厚くする方法が挙げられる。しかし、前記方法ではモジュール重量が増すため、施工作業時にハンドリングが困難となり作業効率が低下すること、モジュールの重量アップに伴い設置架台の補強が必要となること等が懸念される。

そこで、特許文献１には、凹凸による補強構造が形成されたリブを設けることで太陽電池モジュールの強度を補強し、ガラス板を厚くする必要性をなくすことで重量の増大を抑制するアイデアが提案されている。

特許第３０６９５０２号公報

しかし、ガラス板や金属板といった比較的重い補強板を太陽電池モジュールの全面に使用している限り、大面積モジュールの重量を大幅に削減することはできない。

大面積モジュールの軽量化を実現するためには、太陽電池モジュールの全面に設けられていた補強板を省略し、リブ及びフレームで機械的強度を付与した図５ａ、図５ｂ及び図５ｃに示す様なモジュール形態が望ましい。この太陽電池モジュールは、複数枚の光起電力素子５１を被覆材にて封止した太陽電池パネル５０とリブ５３とフレーム５４で構成される。前記被覆材は、光起電力素子の受光面側に配される表面保護フィルム５２ａ、非受光面側に配される裏面保護フィルム５２ｂ、前記各フィルムと光起電力素子を接着する封止材５２ｃからなる。

前記太陽電池パネルは、フィルム材で光起電力素子を挟み込んでいる構成であるため、光起電力素子が存在しない光起電力素子間のギャップ５５（図５ｃ参照）において高い柔軟性を有する。したがって、図５ａ、図５ｂ及び図５ｃに示す構成のように、フレームとリブで補強しても、太陽電池パネルに荷重がかかると、前記光起電力素子間のギャップにおいては大きく変形する現象が見られる。

前記ギャップには、光起電力素子が含まれず、隣接する２枚の光起電力素子同士を電気接続するための配線材のみが含まれるため、繰り返しギャップが変形すれば前記配線材が金属疲労を起こし断線する可能性がある。また、ギャップが大きく変形することで、前記ギャップに存在する被覆材が破れ、太陽電池モジュールの耐候性が著しく低下する可能性もある。このため、このような太陽電池パネルをリブで補強するには、最も柔軟性を有する光起電力素子間のギャップに対向する箇所にリブを配することが望ましい。

しかしながら、我々の検討の中で光起電力素子間のギャップ５５にリブの突起部５３ａ（図５ｃ参照）がかかると、ギャップの変形に伴いリブの断面形状も変形してしまい、リブの座屈応力が低下し、太陽電池モジュールの機械的強度が不足するという問題が発生することが判明した。また、前記突起部が存在する領域においては、中立面と太陽電池パネル非受光面との距離が他の領域に比べて大きくなるため、太陽電池パネルの前記突起部が存在する領域では、被覆材や配線材に応力が集中するため、実用上十分な強度を得られないことが判明した。

本発明は、上述の問題点を解決するために考案されたもので、従来、太陽電池モジュールの全面に使用されていたガラス板や金属板といった重い補強板を省略しつつ、リブとフレームのみで実用上十分な機械的強度を付与した太陽電池モジュールを提案することを目的とする。

上記課題を解決するための手段を以下に示す。
本発明の太陽電池モジュールは、少なくとも、複数枚の光起電力素子を、ギャップを設けて配置し、これを封止してなる可撓性を有する太陽電池パネル、突起部と被接着部で構成され前記太陽電池パネルの非受光面に設けられたリブ、前記太陽電池パネルの端辺に設けられたフレームで構成され、前記リブは前記フレームに交差するように配され、前記被接着部が、光起電力素子の端部からギャップをまたいで前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するよう配置されていることを特徴とする。
本発明の太陽電池モジュールでは、前記リブが、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に配置されていることが好ましい。
また、前記リブの被接着部が、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に形成された全てのギャップ上に配置されていることが好ましい。
また、前記リブが、被接着部を２つ有しており、前記被接着部と被接着部の間に突起部が設けられていることが好ましい。
また、前記フレームが、前記リブに直交するように配置され、且つ太陽電池パネルの長辺側端辺又は短辺側端辺にのみ設けられていることが好ましい。
また、前記フレームが、太陽電池パネルの端部を差し込むための溝を有しており、前記溝にリブの突起部を嵌合するための切り欠きが設けられていることが好ましい。

本発明によれば、可撓性を有する太陽電池パネルの機械的な弱点である光起電力素子間のギャップをまたいでリブの被接着部が配置されるため、前記ギャップが荷重を受けて変形する現象を抑制し、前記ギャップに含まれる配線材の破断及び被覆材の破損を防ぐことができる。
また、光起電力素子間のギャップをまたいでリブの被接着部を配するため、前記ギャップから中立面までの距離が短くなり、仮に変形が生じても機械的に弱いギャップの被覆材や配線材に高い応力が作用するのを防ぐことができる。
さらに、ガラス板や金属板といった補強板を使用せず、リブとフレームのみで太陽電池モジュールに機械的強度を付与するため、従来の太陽電池モジュールに比べて軽量化でき、施工作業時のハンドリングが容易で且つ、設置架台の簡易化が可能である。

また、前記リブを太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に配置したり、リブの被接着部を太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に形成された全てのギャップに配置した場合には、荷重を受けた際に生じる太陽電池パネルの撓みを極めて効果的に抑制することができる。
また、前記リブが被接着部を２つ有しており、被接着部と被接着部の間に突起部が設けられている場合には、被接着部が１つのリブに比べて、太陽電池パネルとリブの接着強度が強くなるうえに、リブ断面の形状変形が起こりにくくなる。
また、前記フレームを、太陽電池パネルの長辺側端辺又は短辺側端辺にのみ、前記リブに直交するように配置した場合には、削減したフレームの重量分さらに太陽電池モジュールを軽量化することができる。
また、前記フレームが太陽電池パネルの端部を差し込むための溝を有しており且つ、前記溝にリブの突起部を嵌合するための切り欠きを有する場合には、太陽電池パネルとリブとフレームの結合をより強靭なものとすることができる。

以下、本発明の太陽電池モジュールの好適な実施態様について詳細に説明する。

本発明の実施態様例に係る太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図を図１ａに、非受光面側から見た平面図を図１ｂに、図１ａ中のＡ−Ａ’断面図を図１ｃに示す。

本例の太陽電池モジュールは、表面フィルム１２ａ、複数枚の光起電力素子５１、封止材１２ｃ及び裏面フィルム１２ｂからなる太陽電池パネル１０と、リブ１３と、フレーム１４ａ，１４ｂを有する。前記太陽電池パネルには、ガラス板や金属板といった補強板を全面に設けていないため、非常に軽量である。なお、太陽電池パネル１０の非受光面側には、Ｊ−Ｂｏｘ１６及び出力ケーブル１７が取り付けられている。

前記太陽電池パネルの非受光面には、突起部１３ｂと被接着部１３ａで構成されるリブ１３が複数設けられている。ここで、前記リブは、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に配置されており、２つの被接着部と１つの突起部を有し、前記リブの１つの被接着部が、光起電力素子の端部からギャップ１５をまたいで前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するよう配置されている。また、前記太陽電池パネルの４つの端辺にはフレーム１４ａ，１４ｂが設けられている。

前記リブ１３と太陽電池パネルの長辺側端辺に設けたフレーム１４ａは直交しており、前記リブが、太陽電池パネルの長辺側端辺に配置されたフレーム１４ａに嵌合されている。

以下に、本発明を構成する構成要件を更に詳しく記載する。

（光起電力素子）
本発明における光起電力素子の例としては、単結晶シリコン系光起電力素子、多結晶シリコン系光起電力素子、微結晶シリコン系光起電力素子、非晶質シリコン系光起電力素子、多結晶化合物系光起電力素子などが挙げられる。中でも好ましいのは、外部から加えられた力によって光起電力素子を構成する各層が破損しないように支持する支持基板を有する光起電力素子であり、透明導電膜を有するガラス基板などが好適に用いられる。

（太陽電池パネル）
本発明の太陽電池パネルは可撓性を有する。
前記太陽電池パネルの好適な構成としては、複数枚の光起電力素子を２枚のフィルム材で挟み込み、その間を封止材で充填した構成、１枚のフィルム上に複数枚の光起電力素子を配し、封止材で被覆した構成、複数枚の光起電力素子を金属板とフィルム材で挟み、その間を封止材で充填した構成、封止材だけで光起電力素子の全面を被覆した構成などが挙げられる。

光起電力素子の受光面側に配するフィルムとしては、フッ化物重合体フィルムが好適に用いられるがこれに限定されるものではない。フッ化物重合体としては例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン系共重合体（ＥＣＴＦＥ）、パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＰＦＡ）、ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン系共重合体、あるいはこれらのうち２種以上を混合したものなどがある。このうち、ＥＴＦＥは耐候性及び機械的強度の両立と透明性の観点より太陽電池モジュールの表面部材としての適正に優れていることから好んで用いられる。また、ＥＴＦＥは放電処理によってフィルム表面に反応物を生成しやすいことも選択される理由のひとつである。

一方、光起電力素子の非受光面側に配するフィルムとしては、ポリフッ化ビニルフィルム、ナイロンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルムなどが好適に用いられる。

また、光起電力素子を封止する封止材としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）樹脂、エチレン−アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ）樹脂、エチレン−アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）樹脂、エチレン−メタクリル酸共重合体（ＥＭＡＡ）樹脂、アイオノマー樹脂、ポリビニルブチラール樹脂などが挙げられるが、中でもＥＶＡ樹脂は耐候性、接着性、充填性、耐熱性、耐寒性、耐衝撃性など太陽電池用途としてバランスのとれた物性を有しているので好適に用いられる。

（リブ）
本発明におけるリブは、強風や積雪により光起電力素子が破損しないよう、太陽電池パネルに機械的強度を付与する役割を果たす。
前記リブには、太陽電池パネルに接着する際に利用される被接着部と、リブの長手方向に対して垂直方向への撓みを抑制する働きをする突起部が存在する。リブの形状は様々であるが、図１ｄに示すように断面形状がＬ字型のリブ、１つの突起部と２つの被接着部からなるハット型のリブ、２つの突起部と３つの被接着部からなる複数突起型のリブが好適に用いられる。厚みとしては、０．２〜２．５ｍｍくらいが軽量化と加工性の両立から好適である。

リブの好適な材料として、亜鉛メッキ鋼板、フッ素樹脂や塩化ビニルなどの耐候性物質を有する鋼板、ステンレス鋼板等が挙げられる。尚、金属板は曲げ加工により容易に突起部を形成することができるため特に好ましいが、これらに限定されるものではなく、ＦＲＰやセラミック等も利用できる。

（フレーム）
フレームは太陽電池パネル及びリブに対して機械的強度を補うものである。通常は太陽電池パネルの周囲４辺に設けられるが、長辺側または短辺側の２辺のみに設けてもよい。フレームのない端辺は、折り曲げて長辺側又は短辺側のフレームに固定することで機械的強度を補うことが望ましい。

本発明におけるフレームは、剛性を有する材料からなり、前記材料のヤング率が５０ＧＰａ以上であることが望ましい。具体的な材料としては、加工性に優れたアルミニウム合金が特に好適に用いられる。

フレームの形状は様々であるが、太陽電池パネルを挿入できる溝を有しており、例えば断面がＥの字状やＦの字状のフレームが好ましい。

（実施例１）
本実施例は、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直にリブを配置し、太陽電池パネルの長手方向にのみフレームを取り付けた太陽電池モジュールの例である。

本実施例の太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図を図２ａに、非受光面側から見た平面図を図２ｂに、図２ａ中のＢ−Ｂ’断面図を図２ｃに、電気結線図を図２ｄに示す。また、太陽電池パネルを受光面側からみた平面図を図２ｅに示す。

本例の太陽電池モジュールは、太陽電池パネル２０、リブ２３、フレーム２４、Ｊ−Ｂｏｘ２６及び出力ケーブル２７で構成される。

前記太陽電池パネル２０は、アモルファスシリコン系の光起電力素子２１を１６枚有する。前記光起電力素子は、ギャップを２ｍｍ設けて長手方向に８枚、ギャップを３ｍｍ設けて短手方向に２枚配置されている。

前記光起電力素子は、受光面側より樹脂層、透明電極層、光電変換層、裏面反射層、裏面電極層という構成になっており、樹脂層はアクリルウレタン系の樹脂、透明電極層はＩＴＯ、光電変換層はＰ−Ｉ−Ｎ型の非晶質シリコン、裏面反射層はＺｎＯ及びＡｌ、裏面電極層はステンレスによりそれぞれ構成されている。また、透明電極層の受光面には銀メッキ銅箔からなる正極電極、裏面電極層の非受光面には銅箔からなる負極電極がそれぞれ設けられている。

光起電力素子の正極電極は、前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の負極電極に電気接続されており、これにより光起電力素子１６枚を直列に電気接続した直列接続体が形成されている。

また、各光起電力素子には、バイパスダイオード２８が設けられている。これは、前記直列接続体の一部に影がかかると、太陽光が当たらず未発電状態となった光起電力素子に、前記未発電状態の光起電力素子と直列に電気接続されている発電状態の光起電力素子から負荷を経由して逆バイアス電圧が印加され、光起電力素子が破損する可能性が高いためである。ここで、前記バイパスダイオードは、図２ｇに示すようにＬ字型の銅箔２８ａを介して、一方の光起電力素子の負極電極及び隣接する光起電力素子の負極電極に半田にて電気接続されている。

前記直列接続体及びバイパスダイオードの受光面側には、厚さ２５μｍのＥＴＦＥフィルム２２ａ、非受光面側には厚さ５０μｍのＰＥＴフィルム２２ｂがそれぞれ配されており、各フィルムと光起電力素子とが厚さ８００μｍのＥＶＡ２２ｃにより接着されている。

前記直列接続体の両端に位置する光起電力素子には、出力ケーブルを電気接続するための取り出し電極が設けられている。前記取り出し電極は、直列接続体と同様に封止されているが、一部にＰＥＴフィルム及びＥＶＡが設けられていない露出部が存在する。前記露出部には、防水コネクターを有する出力ケーブル２７が電気接続されている。また、前記露出部及びその周辺部はＪ−Ｂｏｘ２６でカバーされており、Ｊ−Ｂｏｘの内部はシリコーンシーラントにより充填されている。

前記太陽電池パネルの非受光面には厚さ１ｍｍの亜鉛めっき鋼板からなるリブ２３が９本設けられており、全てのリブが太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に配置されている。前記リブには太陽電池パネルの非受光面に接着固定するための被接着部２３ａが２つ設けられており、被接着部と被接着部の間に突起部２３ｂが設けられている。リブの１つの被接着部が、光起電力素子の端部からギャップ２５をまたいで、前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するように配置されている（図２ｃ参照）。更に、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直の方向に形成されるすべてのギャップに対して、リブの１つの被接着部が配置されている。

本例のフレーム２４の斜視図を図２ｆに示す。前記フレームは、アルミからなる。フレームには、太陽電池パネルの端辺を挿入するための溝２４ａが設けられており、前記溝には切り欠き２４ｂが設けられている。フレームは太陽電池パネルの長辺側の２辺にのみ設けられており、各リブの突起部端部が前記溝の切り欠きに嵌合されている。

（実施例２）
本実施例は、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直にリブを配置し、太陽電池パネルの周囲四辺にフレームを取り付けた太陽電池モジュールの例である。

本例の太陽電池モジュールは、図３ａに示すように、太陽電池パネル３０とリブ３３とフレーム３４で構成される。

前記太陽電池パネルは、多結晶薄膜系の光起電力素子３１を８枚ギャップ３５を設けて配置し、それらを直列に電気接続してなる直列接続体及び前記直列接続体を封止する被覆材で構成される。

前記光起電力素子３１は、受光面側より、透明電極層、光電変換層、裏面反射層、裏面電極層という構成になっており、透明電極層はＭＯ、光電変換層はＣｕＩｎＳｅ₂及びＣｄＳ、裏面反射層はＺｎＯ及びＡｌ、裏面電極層はステンレス基板によりそれぞれ構成されている。

また、前記被覆材は、直列接続体の受光面側に配されるＥＴＦＥフィルム３２ａ、非受光面側に配されるテドラフィルム３２ｂ、前記各フィルムと光起電力素子を接着するＥＭＡＡ３２ｃで構成される。

前記太陽電池パネルの非受光面には、２つの突起部３３ｂと３つの被接着部３３ａで構成されるリブ３３が複数本設けられている。ここで、３つの被接着部の内、リブの中央に位置する被接着部が、１つの光起電力素子の端部から、ギャップ３５をまたいで前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するように配置されている。

前記太陽電池パネルの周囲４辺にはフレーム３４が設けられている。図３ｂに示す短辺側の２辺に配されるフレームには、太陽電池パネルの端辺を差し込むための溝３４ａのみが設けられているが、図３ｃに示す長辺側の２辺に配されるフレームには、前記溝３４ａに加えてリブの突起部３３ｂを嵌合するための切り欠き３４ｂが設けられている。

本発明の実施形態例に係わる太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図である。 本発明の実施形態例に係わる太陽電池モジュールを非受光面側から見た平面図である。 図１ａ中のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の太陽電池モジュールに好適に用いられるリブの模式的断面図である。 本発明の実施例１に係わる太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図である。 本発明の実施例１に係わる太陽電池モジュールを非受光面側から見た平面図である。 図２ａ中のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施例１に係わる太陽電池モジュールの電気結線図である。 本発明の実施例１に係わる太陽電池パネルを受光面側から見た平面図である。 本発明の実施例１に係わるフレームの斜視図である。 本発明の実施例１に係わる太陽電池パネルのダイオード形成領域を非受光面側から見た平面図である。 本発明の実施例２に係わる太陽電池モジュールの断面図である。 本発明の実施例２に係わる太陽電池パネルの短辺側の２辺に配されるフレームの斜視図である。 本発明の実施例２に係わる太陽電池パネルの長辺側の２辺に配されるフレームの斜視図である。 従来の太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図である。 図４ａ中のＣ−Ｃ’断面図である。 従来のリブ付き太陽電池モジュールを受光面側から見た平面図である。 従来のリブ付き太陽電池モジュールを非受光面側から見た平面図である。 図５ａ中のＤ−Ｄ’断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０：太陽電池パネル
１１、２１、３１、４１、５１：光起電力素子
１２ａ、２２ａ、３２ａ、５２ａ：表面フィルム
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４３、５２ｂ：裏面フィルム
１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ、４４、５２ｃ：封止材
１３、２３、３３、５３：リブ
１３ａ、２３ａ、３３ａ：被接着部
１３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、５３ａ：突起部
１４ａ：長辺側フレーム
１４ｂ：短辺側フレーム
１５、２５、３５、５５：光起電力素子間のギャップ
１６、２６：Ｊ−Ｂｏｘ
１７、２７、５６：出力ケーブル
２４、３４、４５、５４：フレーム
２４ａ、３４ａ：溝
２４ｂ、３４ｂ：切り欠き
２８：バイパスダイオード
２８ａ：銅箔
４２：ガラス板

Claims (6)

1. 少なくとも、複数枚の光起電力素子を、ギャップを設けて配置し、これを封止してなる可撓性を有する太陽電池パネル、突起部と被接着部で構成され前記太陽電池パネルの非受光面に設けられたリブ、前記太陽電池パネルの端辺に設けられたフレーム、で構成される太陽電池モジュールであって、
   前記リブは前記フレームに交差するように配され、前記被接着部が、光起電力素子の端部からギャップをまたいで前記光起電力素子に隣接する光起電力素子の端部に延在するよう配置されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記リブが、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に配置されてい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. 前記リブの被接着部が、太陽電池パネルの長手方向に対して垂直に形成された全てのギャップ上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記リブが、被接着部を２つ有しており、前記被接着部と被接着部の間に突起部が設けられてい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。
5. 前記フレームが、前記リブに直交するように配置され、且つ太陽電池パネルの長辺側端辺又は短辺側端辺にのみ設けられてい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。
6. 前記フレームが、太陽電池パネルの端部を差し込むための溝を有しており、前記溝にリブの突起部を嵌合するための切り欠きが設けられてい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。

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