JP2006278535A - 太陽電池モジュールの固定構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 防水・防錆・固定部の緩みなどの長期信頼性を損なうことなく、部材点数低減によって良施工性と低コストと軽量化を実現し、かつ太陽電池モジュールの高さを低く抑えることにより屋根面と太陽電池モジュールの一体感による概観向上を実現でき、しかも太陽電池モジュールの放熱による発電効率向上と金属屋根への太陽電池モジュールの固定構造およびそれを用いた太陽光発電装置を提供する。
【解決手段】 屋根上に設置される太陽電池モジュールと、
前記屋根と前記太陽電池モジュールとの間に配置され、前記太陽電池モジュールの周辺部を支持する第１の凸状、及び前記太陽電池モジュールの中央部を支持する第２の凸状を有する板体と、を備えたことを特徴とする太陽電池モジュールの固定構造。
【選択図】 図１

Description

本発明は傾斜した屋根上に太陽エネルギーを利用して発電を行う太陽電池モジュールの固定構造に関するものである。

近年、地球環境問題、省エネルギーへの関心の高まりとともに、自然エネルギーを利用した新エネルギー技術が注目されている。そのひとつとして、太陽エネルギーを利用したシステムの関心が高く、特に、太陽光発電システムの住宅への普及が加速されてきている。

太陽光発電システムは、その主要な構成要素である太陽電池モジュールにより太陽光エネルギーを電力に変換して利用することにより家庭の電気負荷を低減させるものである。住宅においては、家屋の屋根上に太陽電池モジュールを配設して利用されることが多いため、屋根上への太陽電池モジュールの取り付け構造も種々考案されている。この太陽光発電システムに使用される太陽電池モジュールは住宅屋根に代表される既設の設置面、また地上架台、陸屋根架台等に代表されるような新設された設置面に設置される。それらの設置面に設置するための太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子を直並列に接続し、強化ガラス・封入樹脂・耐候性フィルムで挟持する構造が一般的である。

図７は従来の太陽光発電装置に係る太陽電池モジュールの概略断面図である。

具体的には図７に示すように、太陽電池モジュール４０は例えばシリコン等から成る半導体の光電変換効果を利用して電力を発生させる太陽電池素子１０を複数個直列および並列に電気的に接続し、そして、耐候性のある素材で覆うように成し、所要の出力電圧や出力電流を得るようにしたものである。この太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池素子や、薄膜系太陽電池素子などにより構成する。太陽電池素子１０の受光面にはガラス板や合成樹脂板などの光透過板１１を配置し、その裏面である非受光面にはテフロン（登録商標）フィルムやＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＥＴ（ポレエチレンテレフタレート）などの耐候性フィルム１２を被着し、光透過板１１と耐候性フィルム１２との間には、例えばＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂）などから成る透明な合成樹脂を介在し、充填材１６と成している。そして、これら光透過板１１、太陽電池素子１０および耐候性フィルム１２の重ね構造の矩形状の本体に対し、その各辺周囲をアルミニウム金属やＳＵＳ等から成る枠体１５を挟み込むように装着し、太陽電池モジュール４０全体の強度を高めている。また、太陽電池モジュール４０の裏面、すなわち耐候性フィルム１２の上にはＡＢＳ樹脂などの合成樹脂やアルミニウム金属などで構成したジャンクションボックス１３を接着し、太陽電池モジュール４０の出力電力を取り出すターミナルと成している。

図８は従来の住宅の屋根上に太陽電池モジュールを複数載置し、太陽光発電装置とした様子を示す斜視図である。

図８に示す住宅の屋根上に複数の太陽電池モジュール４０を載置した太陽光発電装置３９によれば、太陽電池モジュール４０を複数配設して太陽電池アレイと成し、この太陽電池アレイで発電された電力を送電ケーブル３８および接続箱３７を通して系統連系インバータ３６へ送電する。さらに詳しく述べると、通常送電ケーブル３８の電線は複数本であることが多く、送電ケーブル３８の電線を接続箱３７で並列接続している。そして、太陽電池アレイで発電された直流電力を交流電力に変換する系統連系インバータ３６に入力し、一般の交流負荷に供給したり、もしくは系統連系により電力会社へ売電することができるようにしている。

図９は従来の住宅の屋根上に太陽電池モジュールを載置した様子を示す一部断面図である。

上記のようにして住宅等の屋根上に太陽光発電装置の発電部である太陽電池モジュールを設置する場合、図９に示すような瓦材や金属屋根材２が葺かれた屋根上に太陽電池モジュール４０のような平板物を設置するには、屋根の瓦材や金属屋根材２を通して野地板１上に固定金具４をタッピングビスや釘などのネジ５１で打ちつけ、固定金具４上に縦ラック５を固定して、この縦ラック５上に直接太陽電池モジュールの枠部を固定、もしくは横ラック６を嵌め込み部として固定カバー７との間で狭持固定するようにする工法が一般的である。

また、金属屋根材上に太陽電池モジュールを縦ラックや横ラックを用いずに磁力によって直接固定する方法も考案されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、金属屋根材と太陽電池モジュールを一体とした屋根材として屋根上に葺く方法も考案されている（例えば、特許文献２を参照）。

図１０は従来の住宅の屋根上に金属屋根材を載せ、その上に太陽電池モジュールを載置する工程を示す斜視図である。

図１０に示すように屋根材の一種として、プレス成型やロールフォーミング成型によって、金属板または塗装金属板を成型した金属屋根材９を用いる工法もある。金属屋根材は良施工性・低コスト・軽量・大面積化しやすいなどの理由から、新築時のみならず、従来屋根材の上に金属屋根材を重ね葺きするリフォーム工法に利用されている。これは屋根の野地板に屋根材を工場組み付けするプリセット工法にも適用可能であるため、大量生産される工業化住宅にも応用されている。

具体的には屋根の野地板１上に載置された波瓦のような瓦材８上に、複数の瓦材があるように模った金属屋根材９を固定金具４で固定し、この金属屋根材９の上に縦ラック５を固定して太陽電池モジュール４０を載置するというものである。このようにすることで、長年の使用で痛んでいる屋根材であっても新たに金属屋根材９が覆い被さることによって風雨や太陽光から瓦材８を保護できるので、瓦材の撤去にかかる工数や廃材の処分などの問題が解決されるとともに、屋根の美観も改善される。

また、太陽電池の冷却に関して、太陽電池モジュールと発泡金属を一体化して伝熱による背面放熱を行ない、かつ太陽電池の裏面に通気層を設け、太陽電池の温度を下げて発電効率を上げる通気による放熱構造も考案されている（特許文献３参照）。
特開平６−８５３０１号公報 特開２０００−１１４５７８号公報 特開２０００−２００９２０号公報

しかしながら、前述の方法においては、雨水が通る機会の多い平面部に貫通穴をあける必要があり、防水に関する長期信頼性の低下が懸念される。また、金属屋根材の山部を固定金具で狭持する場合には金属屋根材の変形による緩みや、板金の塗膜の欠損による防錆性能の低下が懸念されていた。

また、いずれの方法でも複雑な形状の固定金具や、縦方向かつ／または横方向のラック部材が必要となり、施工性・コスト・重量などの面で問題があった。

さらに、ラック部材等が介入するため、太陽電池モジュールの高さが高くなり、屋根面との一体感を損なうという外観面での問題もあった。

また、磁力で固定した場合などでは長期使用において磁力の低下による固定力の低下や金属屋根材自体が磁力を帯びるために砂鉄などが表面に付着して排水の阻害などが生じる。

また、金属屋根材と太陽電池モジュールを一体とした屋根材においては雨水が通る平面部に貫通穴をあける必要があり、防水に関する長期信頼性の低下は何ら改善されない。

また、上述の技術においては屋根自体は太陽電池の放熱についてなんら貢献することはなく、発泡金属を用いて背面に放熱するようにした特許文献においても同様である。

そこで、本発明では従来の上述した諸問題に鑑みて案出されたものである。

本発明の太陽電池モジュールの固定構造は、屋根上に設置される太陽電池モジュールと、前記屋根と前記太陽電池モジュールとの間に配置され、前記太陽電池モジュールの周辺部を支持する第１の凸状、及び前記太陽電池モジュールの中央部を支持する第２の凸状を有する板体と、を備えたことを特徴とする。

また本発明の太陽電池モジュールの固定構造は、上記固定構造において、前記板体は前記屋根の表面形状に応じた形状を有することを特徴とする。

更に本発明の太陽電池モジュールの固定構造は、上記固定構造において、前記板体が放熱材料により形成されることを特徴とする。

また更に本発明の太陽電池モジュールの固定構造は、上記固定構造において、前記板体の前記第１及び第２の凸状が略等間隔に点在していることを特徴とする。

本発明の固定構造によれば、太陽電池モジュールの中央部を板体に設けられる凸状で支持することができるため、太陽電池モジュールの中央部が静荷重によって撓んだりすることが良好に防止される。

しかも、前記板体を放熱材料により形成することにより、太陽電池モジュールに蓄積した熱が良好に板体に放散されるため、太陽電池モジュールの発電効率を高く維持することができる。

また本発明によれば、屋根材に貫通孔を設けなくても良いため、防水・防錆などの長期信頼性を高く保つことができる。またラック部材を設けなくてもよいため、高さを低く抑え、外観を良好にできるし、良施工性や低コスト・軽量化の実現が容易になる。

以下に、本発明に係る太陽電池モジュールの固定構造の一実施形態について、模式的に図示した図に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る太陽光発電装置の一例を模式的に示した斜視図、図２は太陽電池モジュールが固定される様子を説明する斜視図、図３は本発明に係る板体である金属屋根材の一例を示した斜視図である。

図１に示すように本発明の太陽光発電装置は、屋根の野地板１上に垂木２２が略等間隔で施工された屋根上に、板体である金属屋根材２３が固定される。金属屋根材２３上には第１の凸状である載置部２０が略等間隔で形成されており、載置部２０上に太陽電池モジュール２６の周辺部の片辺が載せられたのち、外部挟持部材である固定カバー２４が金属屋根材２３にネジ５１で締め付け固定されることにより太陽電池モジュール２６が金属屋根材２３と固定カバー２４に狭持固定される。このとき金属屋根材２３の載置部２０の間には第２の凸状である当接支持部２１が設けられており太陽電池モジュール２６の裏面に当接するようにしている。

具体的には図２に示すように、屋根の野地板１上に金属屋根材２３が載せられ、その載置部２０上に太陽電池モジュール２６を載置する。このとき、太陽電池モジュール２６の片辺２６ａが載置部２０ａに、対向するもう一方の片辺２６ｂが金属屋根材２３のもうひとつ軒側（もしくは棟側）にある載置部２０ｂの支持部というように２つの載置部に跨って載置される。

そして固定カバー２４がタッピングビスや釘などのネジ５１によって野地板１に締め付け固定されることによって、太陽電池モジュール２６が固定カバー２４と金属屋根材２３の載置部２０（２０ａ、２０ｂ）に狭持固定され、屋根上に強固に固定される。

なお、載置部２０と固定カバー２４によって太陽電池モジュール２６を挟持するが、固定カバー２４と載置部２０を貫通して、垂木２２および野地板１にタッピングビスなどのネジ５１を締め付けると金属屋根材２３に貫通孔ができるが、雨水は主に載置部２０間にある載置部よりも高さが低い部分を流れるため、防水性能に悪影響が及ぶことはない。また、金属屋根材に直接太陽電池モジュールを載置できるので、架台を用いる方法に較べて設置面を低くでき、家屋の屋根外観を向上させる。また、風等の影響も受けにくい。

図３に示すように、金属屋根材２３は一枚の板金を折り曲げもしくはプレス成型して波型や起伏を設けた形状としたものであり、総じて瓦屋葺き屋根のようなに質感のある屋根の形状を用いて屋根外観を向上させるようにしたものである。たとえば図５に示すような平板瓦のような凹凸をつけて外観的に段差を有する瓦屋根のような屋根に見せる金属屋根材２３ａのようなものであり、１枚の金属屋根材に複数の瓦材が連なっているように見せる凹凸がつけられた構造であり、その外観を複数の瓦材が連結したような形状に成型したことで、太陽電池モジュールを施工しないで、単に屋根材として使用することができ、その汎用性を高めることができる。このように平板陶器瓦屋根に類似した外観を有し、瓦材を葺いたような外観となるので、住宅の外観向上に寄与することができる。

構造としては太陽電池モジュールの周辺部を載置支持する第１の凸状である載置部２０と、前記太陽電池モジュールの裏面の中央付近を支持する第２の凸状である当接支持部２１とから成る。前記当接部２１は中央付近が盛り上がり端部付近は高さが低くなるような形状としており、載置部２０間に配置されている。当接支持部２１の最も高い部分である当接部１７は太陽電池モジュールの裏面に当接するだけの高さを有したものとするが、板金の屈曲性を利用して当接部１７が太陽電池モジュールの裏面に当接したとき、当接部１７が太陽電池モジュールの重量により押し下げられることで変形するような高さにしておけば当接部１７と太陽電池モジュール裏面の密着性が良く、寸法誤差や屋根の歪みを吸収できて好適である。載置部２０は前述した当接支持部２１の裾野から斜め上方もしくは垂直に立ち上がるようにして高くなり、その上面は太陽電池モジュールを載置するように平坦になっている。太陽電池モジュールは前記載置部２０を２つ以上用いてその間に載置される。なお、本例の図では載置部２０は太陽電池モジュールの脱落防止と位置合わせの簡素化、および固定カバーの取り付けのために平坦部１９（１９ａ、１９ｂ）の間に突出したガイド部１８を設けたものとしている。そして住宅の屋根上にはこのような金属屋根材を複数用いて屋根全面に葺いていく。

上述した金属屋根材による太陽電池モジュールが固定される様子を図４を用いて説明する。

図４に示すように、太陽電池モジュール２６は屋根の野地板１上に配された金属屋根材２３の第１の凸状である載置部２０ａの平坦部１９ｂに太陽電池モジュールの周辺部の片辺２６ａそして第２の凸状である載置部２０ｂの平坦部１９ｂ上に太陽電池モジュールの周辺部の対向する片辺２６ｂが載置され、固定カバー２４をネジ５１で垂木２２に取り付けることによって金属屋根材２３と固定カバー２４により挟持され、屋根上に固定される。このとき、金属屋根材２３の当接支持部２１の当接部１７が太陽電池モジュール２６の裏面に当接し太陽電池モジュール２６の中央部を支持する。

一般に、太陽電池モジュールの受光面である光透過板はガラスやポリカーボネイトであり、そのままでは自重によってとくに中央部が大きくたわんでしまうため、外周を囲む枠体によってそれを支えている。しかし、太陽電池モジュールが大型化したり、本例で用いる図７のような枠体を小型化した太陽電池モジュールとした場合には、枠体の支える力だけでは中央部のたわみを無くすことができない。よって、本発明の金属屋根材を用いた太陽電池モジュールの固定方法とすることにより、太陽電池モジュールの中央部を支持してたわみを無くすことができる。これにより、太陽電池モジュールの受光面側からの正圧荷重に対する強度が向上し、例えば作業者が上に乗るなどしても太陽電池モジュールが割れたり、たわみによって挟持固定部分から外れたりすることがなくなる。また、たわみが無いので太陽電池モジュール内部の太陽電池素子にかかるストレスも軽減されセル割れ等の破損を無くし、故障の回避と寿命を延ばすことができる。また、太陽電池モジュール中央部のたわみに雨水が溜まってさらにたわみを助長することがない。また、太陽電池モジュールの表面が歪んだ屋根外観となり住宅の美観を損なうことも無い。

金属屋根材２３の当接支持部２１は必ずしも野地板１に支えられる必要はなく、板金の弾性を生かして太陽電池モジュールの自重によって押し下げられ、板金の張力によって太陽電池モジュール２６の中央を支持するようにすればよいが、太陽電池モジュールが大型化した場合には張力では支持力が不足する可能性がある。そこで図４のように当接支持部２１の裾野が太陽電池モジュールに押し下げられて野地板１に着地し、野地板１を支持点として太陽電池モジュール２６の中央部を支えるようにすれば十分な支持力を持たせることができる。しかも、図中矢印のように太陽電池モジュール２６の自重によって押さえられた力は載置部２０（２０ａ、２０ｂ）を押す力として働くので、太陽電池モジュール２６の重量によって当接支持部２１側へ曲がろうとする力に対抗させることができ、大型太陽電池モジュールや重量型太陽電池モジュールの載置に有利な構造とできる。

ところで、太陽電池モジュールは太陽電池素子の温度が上がるほど発電効率が低くなることが知られており、太陽電池モジュールの温度を下げて発電効率を上げるために、太陽電池モジュール裏面に通気用の通路を設けて冷却する放熱構造も多数考案されている。そのような太陽電池モジュールの放熱構造の多くは特別な設備のいらない構造の簡単な空冷方式であり、空気の流れによって冷却を行うものであるが、太陽電池モジュールの裏面の面積以上には放熱面積を得ることはできない。そこで本発明の金属屋根材による太陽電池モジュールの載置構造は、熱伝導体である板金を素材とした金属屋根材２３を太陽電池モジュール２６に接触させることで熱伝導を可能とし、金属屋根材２３を太陽電池モジュール２６の放熱を行う放熱材料として活用することができるようにしたものである。具体的には図４で述べたように金属屋根材２３の当接支持部２１の当接部１７は太陽電池モジュール２６の裏面中央部に当接しており、その熱を金属屋根材２３全体に熱伝導させる。これにより太陽電池モジュールの裏面の放熱面積は太陽電池モジュール２６自体の裏面面積と金属屋根材２３の面積を合わせたものとなり、しかも風を通す通風路３は太陽電池モジュール２６と金属屋根材２３に囲まれた形になるので、短時間でも効率よく加熱され排出されることになり放熱効果は飛躍的に向上する。なお、太陽電池モジュール２６の熱は片辺２６（２６ａ、２６ｂ）によっても載置部２０（２０ａ、２０ｂ）に熱伝導され放熱が行われるが、発明者の実験では太陽電池モジュールの温度は中央ほど高く、周辺になるほど温度が低くなることが確認されており、１．５ｍ四方のモジュールでは５℃程度の温度差があるので、より温度が高く、しかも太陽電池素子の有る部分である中央部の放熱が発電効率の向上により大きな効果がある。

また、金属屋根材２３を太陽電池モジュール２６を施工しない形で屋根材として使用してもかまわない。その場合、図１に示した屋根の太陽電池モジュールの非設置部分のように、屋根は第１の凸状と第２の凸状が略等間隔に配されることによって平板陶器瓦屋根に類似した概観を有しており、瓦材を葺いたような外観となるので、住宅の外観向上に寄与することができる。また、載置部２１は落雪防止の効果を発揮する。

また、前述した図４のような構造では第１の凸状と第２の凸状が略等間隔に配されることによって金属屋根材２３と太陽電池モジュール２６間の通風路３や空気層３０が断熱層となり、夏場の太陽熱の遮蔽や、冬場の放射冷却の防止、飛行機などの外部からの騒音の遮音効果がある。特に断熱効果については空気の流れが生じない空気層３０の効果が大きい。

次に本発明の他の実施形態について模式的な図を用いて説明する。

図６に示すように、板金をプレス成型して太陽電池モジュール用設置構造にするに当り、金属屋根材２３ｂを第１の凸状である載置部２０と第２の凸状である当接支持部２１を左右方向と上下方向におのおの略等間隔の島状に略等間隔に配置することによって太陽電池モジュールの周辺部を支持するようにすれば、さまざまな長さの太陽電池モジュールを載置することができ、太陽電池モジュールの中央部を当接支持部２１で支えると共に放熱を行うことができる。しかも、載置部２０と当接支持部２１を島状に配置することにより図中矢印のように棟−軒方向へ凹凸の少ない雨水の流れる通路を確保できるようになり、大雨時に太陽電池モジュール２６の裏面側へ流れ込んだ雨水の排出性能を向上させることができる。

また、複数の太陽電池モジュールの裏面を上下左右に繋ぐ空間を有するので、太陽電池モジュール２６の出力ケーブルが通る場所を確保することができ、配線作業が容易になる。

また、本例では載置部２０を屋根の棟−軒方向に連なった形状としているが、横方向に連なった形状としても良い
なお、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等はなんら差し支えない。

例えば、上記実施形態例においては、正方形状もしくは矩形状の太陽電池モジュールを用いたが、この形状に限らず、その他の形状、例えば三角形状、台形状、楕円形状、円形状などでもよく、その形状に応じて適宜、太陽電池モジュール用設置構造の配置部位を設定すればよい。

本発明に係る太陽電池モジュールの固定構造を用いた太陽光発電装置の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの固定構造を用いた太陽光発電装置を屋根上に葺く組立て例を模式的に示した斜視図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの固定構造を用いた金属屋根材の実施形態の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明の太陽電池モジュールの固定構造を用いた太陽光発電装置の構造を模式的に示す断面図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの固定構造の実施形態の外観例を模式的に示した斜視図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの固定装置の他の一実施形態を模式的に示した斜視図である。 従来の太陽光発電装置に係る太陽電池モジュールの概略断面図である。 従来の住宅の屋根上に太陽電池モジュールを複数載置し、太陽光発電装置とした様子を示す斜視図である。 従来の住宅の屋根上に太陽電池モジュールを載置した様子を示す一部断面図である。 従来の住宅の屋根上に金属屋根材を載せ、その上に太陽電池モジュールを載置する工程を示す斜視図である。

符号の説明

１：野地板
２：金属屋根材
３：通風路
４：固定金具
５：縦ラック
６：横ラック
７：固定カバー
８：瓦材
９：金属屋根材
１０：太陽電池素子
１１：光透過板
１２：耐候性フィルム
１３：ジャンクションボックス
１５：枠体
１６：充填材
１７：当接部
１８：ガイド部
１９：平坦部
２０：載置部
２１：当接支持部
２２：垂木
２３：金属屋根材
２４：固定カバー
２６：太陽電池モジュール
２６ａ、２６ｂ：片辺
３０：空気層
３６：系統連系インバータ
３７：接続箱
３８：送電ケーブル
３９：太陽光発電装置
４０：太陽電池モジュール

Claims (4)

1. 屋根上に設置される太陽電池モジュールと、
   前記屋根と前記太陽電池モジュールとの間に配置され、前記太陽電池モジュールの周辺部を支持する第１の凸状、及び前記太陽電池モジュールの中央部を支持する第２の凸状を有する板体と、
   を備えたことを特徴とする太陽電池モジュールの固定構造。
2. 前記板体は前記屋根の表面形状に応じた形状を有することを特徴とする請求項１に太陽電池モジュールの固定構造。
3. 前記板体が放熱材料により形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽モジュールの固定構造。
4. 前記板体の前記第１及び第２の凸状が略等間隔に点在していることを特徴とする請求項１乃至３に記載の太陽モジュールの固定構造。

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