JP2007180314A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュール本体の周囲にフレーム部材を取り付けた太陽電池モジュールであって、部品点数および作成時の作業工程の軽減を図り、コストの低減が可能であるとともに、熱膨張によるフレーム部材の浮き上がりや離脱を防止する構造を備えた太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 太陽電池モジュール本体の少なくとも１つの角において、隣接する２辺に取り付けられたフレーム部材が、少なくとも一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮を許容するために間隙を備えるとともに、一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮による移動を規制するように係合した係合部を構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、太陽電池モジュールの周囲にフレーム部材を取り付けた太陽電池モジュールに関する。

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。特に、太陽電池を用いて太陽エネルギーを電力に変換する太陽光発電装置は、環境を汚染することなく機器への電力供給を可能とし、電力会社の商用電力系統の電力負担を低減する効果がある。このことから、太陽光発電装置は、住宅や公共施設、産業施設の屋根や地面などの様々な場所に設置されている。

太陽電池モジュールを住宅に設置する場合には、架台を屋根に固定し、その架台に太陽電池モジュールのフレーム部材を取り付けることにより設置が行われる。
太陽電池モジュールは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどの太陽電池素子を直並列に接続し、受光面側に配置される透光性パネルと、裏面側に配置される耐候性の保護部材との間に前記太陽電池素子を封入したものが一般的である。透光性パネルは、ガラス板や合成樹脂板などの光透過性を有するものが用いられ、裏面保護部材としてはフッ素樹脂フィルムやPVF（ポリフッ化ビニル）、PET（ポリエチレンテレフタレート）などの耐候性フィルムが用いられる。透光性パネルと裏面保護部材との間には、EVA（エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂）などからなる透明な合成樹脂が封止材として充填される。

このように受光面側に透光性パネルが配置され、裏面側に裏面保護部材が配置されて、太陽電池素子を狭持する太陽電池モジュール本体を、たとえば長方形状に構成し、その各辺にフレーム部材を装着して太陽電池モジュールを構成する。フレーム部材は、太陽電池モジュールの強度や耐候性などを考慮して、アルミニウム金属やステンレススティール（SUS）などの金属で構成される。また、フレーム部材は、太陽電池モジュール本体の周縁部を受け入れるための溝部を備え、この溝部を利用して太陽電池モジュール本体の各辺に取り付けられる。フレーム部材と太陽電池モジュール本体とは接着剤を介して固定される。

前述したような太陽電池モジュールでは、太陽電池モジュール本体とフレーム部材の熱膨張係数が異なることから、太陽電池モジュールの角部において隣接する辺に取り付けられたフレーム部材が浮き上がったり、太陽電池モジュール本体から離脱するという問題がある。
このような問題を解決するために、特許文献１に開示されたように、太陽電池モジュール本体の角部を被覆するための絶縁部材で構成されるコーナー部材を取り付けることが提案されている。
特開2004-22761号公報

特許文献１に記載されているような太陽電池モジュールでは、太陽電池モジュール本体の各辺に取り付けられるフレーム部材とは異なるコーナー部材を必要とすることから、部品点数が増加するとともに、作成時における製造工程が多くなるという問題を包含している。
本発明では、太陽電池モジュール本体の周囲にフレーム部材を取り付けた太陽電池モジュールであって、部品点数および作成時の作業工程の軽減を図り、コストの低減が可能であるとともに、熱膨張によるフレーム部材の浮き上がりや離脱を防止する構造を備えた太陽電池モジュールの提供を目的とする。

本発明の請求項１に係る太陽電池モジュールは、太陽電池モジュール本体と、フレーム部材とを備える太陽電池モジュールであって、太陽電池モジュール本体の少なくとも１つの角部において、隣接する２辺に取り付けられたフレーム部材が、少なくとも一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮を許容するために間隙を備えるとともに、一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮による移動を規制するように係合した係合部を構成する。

この場合、太陽電池モジュールの角部において、隣接する辺に取り付けられたフレーム部材同士が係合部により係合状態を維持するとともに、係合部の間隙により一方のフレーム部材の長さ方向への熱膨張・収縮による変形を吸収し、角部におけるフレーム部材の浮き上がりや脱落を防止することができる。
また、部品点数を増加させることなく、太陽電池モジュール作成時の作業工程も軽減できるため、コスト削減にもつながる。

本発明の請求項２に係る太陽電池モジュールは請求項１に記載の太陽電池モジュールであって、隣接する２辺に取り付けられたフレーム部材のうち、他方のフレーム部材が一方のフレーム部材側に突出する突部を備え、一方のフレーム部材が他方のフレーム部材の突部を受け入れる嵌合部を備える。
この場合、一方のフレーム部材の嵌合部と他方のフレーム部材の突部による嵌合状態を維持することにより、フレーム部材が長さ方向に熱膨張した場合に、移動することを規制して太陽電池モジュールから離脱することを防止できる。

本発明の請求項３に係る太陽電池モジュールは請求項１または２に記載の太陽電池モジュールであって、フレーム部材は、粘着性および弾性を有する樹脂材料を介して太陽電池モジュール本体に取り付けられることを特徴とする。
この場合、粘着性と弾性を有する樹脂を介してフレーム部材を太陽電池モジュール本体に取り付けることにより、周囲環境の温度変化に伴って太陽電池モジュール本体とフレーム部材との熱膨張率の差により剥がれなどを防止することができる。

本発明の請求項４に係る太陽電池モジュールは請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池モジュールであって、太陽電池モジュール本体は長辺と短辺を有する平面視長方形状に構成され、一方のフレーム部材が太陽電池モジュール本体の長辺に取り付けられることを特徴とする。
この場合、熱膨張・収縮の度合いが大きい長辺側に取り付けられたフレーム部材の変形を角部において吸収し、フレーム部材の浮き上がりや脱落を確実に防止できる。

本発明の請求項５に係る太陽電池モジュールは請求項４に記載の太陽電池モジュールであって、フレーム部材の熱膨張率をα、太陽電池モジュールの最大温度をｔ２、常温をｔ１、太陽電池モジュールの長辺の長さをＬとするとき、係合部に設けられる間隙は、α（ｔ２−ｔ１）Ｌより長いことを特徴とする。
この場合、長辺側に取り付けられたフレーム部材の熱膨張・収縮を、角部の嵌合状態を維持したまま確実に吸収し、フレーム部材の浮き上がりや脱落を防止できる。

本発明に係る太陽電池モジュールでは、角部におけるフレーム部材の浮き上がりや離脱を防止することができる。

本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールを図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの斜視図であり、図２はその縦断面図である。
太陽電池モジュール10は、太陽電池モジュール本体11と、太陽電池モジュール本体11の周縁部に取り付けられるフレーム部材12,13,14,15とを備える。

太陽電池モジュール本体11は、受光面側に配置される透光性パネル22、裏面側に配置される裏面保護部材23、透光性パネル22と裏面保護部材23との間に狭持される太陽電池素子21を備えている。透光性パネル22は、ガラス板や合成樹脂板などの透光性を備える板状部材で構成される。裏面保護部材23は、フッ素樹脂フィルムやポリフッ化ビニル（PVF）などの耐候性樹脂フィルムで構成される。

太陽電池素子21は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどのシリコン半導体で構成される太陽電池素子であり、１つの太陽電池素子で構成することも可能であり、また複数の太陽電池素子を適宜直列および／または並列に接続したもので構成することが可能である。
太陽電池素子21は、透光性パネル22と裏面保護部材23との間に配置され、EVA（エチレン−酢酸ビニル共重合体）などの透明合成樹脂で構成される封止材24により封入される。

太陽電池モジュール本体11は、短辺と長辺を有する長方形状に構成され、各辺にフレーム部材12〜15が取り付けられる。フレーム部材12〜15は、たとえば、アルミニウム金属やステンレススティール（SUS）などの金属材料や合成樹脂材料で構成され、太陽電池モジュール本体11の周縁部を受け入れるための溝部を備える断面コ字形状のものが多く用いられている。

フレーム部材12〜15は、太陽電池モジュール本体11の周縁部に、粘着性および弾性を有する樹脂材料を介して取り付けられる。太陽電池モジュール本体11とフレーム部材12〜15の間に介在する樹脂材料としては、たとえば、ブチルゴムなどの合成樹脂材料を用いることが可能であり、その他接着剤などを介在させることが可能である。
太陽電池モジュール本体11の裏面側には、太陽電池モジュール本体11からの出力を取り出すためのターミナルとしてのジャンクションボックス25が取り付けられる。このジャンクションボックス25は、ABS樹脂などの合成樹脂材料またはアルミニウム金属やステンレススティールなどの金属材料で構成され、たとえば裏面保護部材23の表面に接着剤を介して接着される。

フレーム部材12〜15のうち、フレーム部材12,14が太陽電池モジュール本体11の長辺に取り付けられ、フレーム部材13,15が太陽電池モジュール本体11の短辺に取り付けられる。短辺側に取り付けられるフレーム部材13,15の端部には、長さ方向に突出する突部が形成されており、長辺側に取り付けられるフレーム部材12,14の端部には、フレーム部材13,15に設けられた突部を受け入れるための嵌合部が形成されており、各角部において嵌合部に突部が係合した係合部を構成している。

このような太陽電池モジュール10の角部におけるフレーム部材の構造を図３に基づいて説明する。図３は、図１における右上の角部を拡大したものであり、フレーム部材12とフレーム部材13の係合状態を示す図である。
図３に示すように、太陽電池モジュール本体11の短辺側に取り付けられるフレーム部材13は、端部においてフレーム部材12側に突出する突部32を備えている。また、太陽電池モジュール本体11の長辺側に取り付けられるフレーム部材12の端部には、フレーム部材13の突部32を受け入れるための嵌合部31が形成されている。

フレーム部材12の長さ方向における嵌合部31の幅は、フレーム部材13に設けられた突部３２の幅よりも大きく形成されており、その間隙G1は、フレーム部材12の熱膨張・収縮を吸収する大きさに設定されている。たとえば、太陽電池モジュール10の長辺の長さをL1とし、フレーム部材12の熱膨張係数をα１とし、常温（20℃）をt1、太陽電池モジュール10が置かれる設計上の最大温度をt2とするとき、フレーム部材12の熱膨張による伸びΔL1は、
ΔL1＝α１（t2−t1）L1
で表すことができる。

このことから、フレーム部材12の嵌合部31とフレーム部材13の突部32との間に設けられる間隙G1は、このΔL1以上に設定する必要がある。間隙G1の値はΔL1に近い値に設定することにより、嵌合部31の形状を最小にして剛性を高く維持することができる。
図３に示すようなフレーム部材12,13の係合構造を太陽電池モジュールの各角部に適用する場合には、長辺側に取り付けられるフレーム部材12,14の熱膨張・収縮を両側端部の係合部で吸収することができるので、各角部における嵌合部と突部との間隙G1を（ΔL1／２）以上に設定することができる。この場合も、間隙G1の値を（ΔL1／２）に近づけることにより、嵌合部31の形状を最小化して剛性を高めることが可能であるため、太陽電池モジュールの強度を高く維持することができる。

本実施形態では、フレーム部材12とフレーム部材13とは、太陽電池モジュール10の角部において、嵌合部31と突部32による係合構造を構成している。太陽電池モジュール10の他の角部においても、同様の係合構造を構成している。このことから、太陽電池モジュール本体11の短辺側に取り付けられるフレーム部材13,15が、長辺側に取り付けられるフレーム部材12,14に嵌合固定され、この太陽電池モジュール10を単品で取り扱う際に、短辺側のフレーム部材13,15側を持って持ち上げられるなどの引っ張り加荷重が集中した場合であっても、抜けたり外れたりすることがなくなる。また、太陽電池モジュール本体11の長辺側に取り付けられるフレーム部材13,15は、係合構造による嵌合固定がなされていないが、短辺側に取り付けられるフレーム部材12,14に比して太陽電池モジュール本体11に対する接着面積が大きいことから、接着力が強く、単品取り扱い時における抜けのおそれが少ない構成となっている。

図３に示された太陽電池モジュール10の１つの角部を裏面側から見た拡大図を図４に示す。
ここでは、太陽電池モジュール10の裏面側において、フレーム部材12とフレーム部材13とが、受光面側と同様の係合構造を形成していない場合を示している。
フレーム部材12の端部には切欠部41が形成されている。切欠部41は、フレーム部材12の長さ方向における幅が、フレーム部材13の幅よりも大きく設定されている。フレーム部材12の切欠部41の幅とフレーム部材13の幅との差（間隙）G2は、受光面側における嵌合部31と突部32の間隙G1と同一の値に設定することができる。

太陽電池モジュール10の他の角部においても、各フレーム部材の係合状態を同様の構造とすることが可能である。
この例では、受光面側において、太陽電池モジュール本体11の長辺側に取り付けられるフレーム部材に嵌合部31を設け、短辺側に取り付けられるフレーム部材に突部32を設けることで係合構造を構成していることから、フレーム部材のはずれの問題を解決することができ、裏面側における係合構造を省略できる。

図４に示すように、太陽電池モジュール11の短辺側に取り付けられるフレーム部材13に、裏面側に突出する突起42を設けることが可能である。この突起42の説明のために、図３の太陽電池モジュール10を上方から見た状態を図５に示す。図５に示すように、突起42は、フレーム部材13の長さ方向全域に設けることができ、外側面から延長されるように設けることができる。この突起42は、太陽電池モジュール10を架台に取り付ける際に、架台の金属部分と接触して、フレーム部材を接地する役割を果たす。したがって、フレーム部材13が、アルミ酸化膜で被覆されたアルミニウム金属や絶縁塗装がなされた金属材料で構成される場合、突起42の先端の被膜や塗装を削る必要がある。

太陽電池モジュール10を架台に取り付けて太陽電池アレイを構成する例を図６および図７に示す。
太陽電池モジュール10は、架台62と金属枠61とによって狭持固定される。架台62は、太陽電池モジュール10の長辺方向に延設されるものであって、屋根または屋根に固定される治具にボルト74により固定される。この架台62は、アルミニウム金属やステンレススティールなどの金属材料で構成される。

また、金属枠61は、太陽電池モジュール10の長辺方向に延設され、太陽電池モジュール10の受光面側に配置される。金属枠61と架台62とは、太陽電池モジュール10の長辺側に取り付けられたフレーム部材71を狭持する状態で、ボルト72によって結合される。このとき、太陽電池モジュール10の短辺側に取り付けられたフレーム部材63は、図4,5のフレーム部材13と同様に裏面側に突出した突起を有しており、この突起が金属材料で構成された架台62と接触することにより、架台62とフレーム部材63との電気導通を得ることができる。

このように、架台62と金属枠61とによって太陽電池モジュール10を狭持固定することによって、複数の太陽電池モジュール10を併設した太陽電池アレイを構成することができるとともに、太陽電池モジュール10の短辺側のフレーム部材６３（13,15）に設けられた突起（42）と架台62との電気的接続が可能であり、太陽電池アレイに１本のアース線を用いるだけで各太陽電池モジュール10のフレーム部材を容易に接地することができる。この時、部品点数を軽減することができ、作成時における作業工数を少なくして、施工不良の発生率や故障の発生確率を下げることが可能となる。

太陽電池モジュール10のフレーム部材12〜15（63,７１）としては、導電性を有する点や比重、耐食性、取り扱いの容易性などの観点から、アルミニウムを用いることが好ましいが、他の金属材料で構成することも可能である。また、架台62の材質は、ステンレススティール、溶融亜鉛メッキ鋼板などの強度と耐食性を備え、導電性を有する材質を用いることが好ましい。
（変形例）
図８に示すように、太陽電池モジュール本体11の長辺に取り付けられるフレーム部材12に嵌合部81を設け、短辺に取り付けられるフレーム部材13に突部82を設けるように構成することができる。

このフレーム部材12の嵌合部81は、フレーム部材12の長さ方向において、フレーム部材13の突部82の幅よりも大きい幅を備える構成であり、嵌合部81内の間隙G1は、上述の実施形態と同様に、長辺側のフレーム部材12の熱膨張・収縮のサイズより大きく設定されている。また、フレーム部材13に設けられた突部82の先端と嵌合部81の底部とは所定の間隙G3を有している。さらに、フレーム部材13の突部82の基部84と、フレーム部材12の縁部85は、所定の間隙G4を有している。この間隙G3,G4は同一値に設定することが可能であり、太陽電池モジュール本体11の短辺側に取り付けられるフレーム部材13の熱膨張・収縮を吸収する大きさに設定することができる。たとえば、太陽電池モジュール10の短辺の長さをL2とし、フレーム部材13の熱膨張係数をα2とし、常温（20℃）をt1、太陽電池モジュール10が置かれる設計上の最大温度をt2とするとき、フレーム部材13の熱膨張による伸びΔL2は、
ΔL2＝α2（t2−t1）L2
で表すことができる。

このことから、フレーム部材12の嵌合部31とフレーム部材13の突部32との間に設けられる間隙G3およびG4は、このΔL2以上に設定する必要がある。
図９に、図８の裏面側の構成を示す。
図９に示すように、太陽電池モジュール10の裏面側において、フレーム12の端部には切欠部91が形成されている。フレーム13の長さ方向端部92は、フレーム部材12の切欠部91の縁部93との間に、所定の間隙G5を有するように配置される。この間隙G5は、太陽電池モジュールの受光面側に設けられる間隙G3,G4と同一値に設定することができ、前述のΔL2以上に設定することが好ましい。

太陽電池モジュール10の各角部にそれぞれ間隙G3,G4,G5を設ける場合は、その大きさを（ΔL2／２）以上の値に設定することも可能である。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールを図10及び図11を用いて説明する。
この第２実施形態では、太陽電池モジュール本体11の長辺側に取り付けられるフレーム部材102と、短辺側に取り付けられるフレーム部材101とを備えている。

太陽電池モジュール本体11の短辺側に取り付けられるフレーム部材101には、長辺側に取り付けられるフレーム部材102側に突出した係合軸103が設けられている。また、太陽電池モジュール11の長辺側に取り付けられるフレーム部材102には、フレーム部材101に設けられた係合軸103を受け入れる嵌合孔104が形成されている。係合軸103がたとえば断面円形の円柱形状であれば、フレーム部材102に設けられる嵌合孔104は、図10の上下方向の寸法が係合軸103の径とほぼ同一でありフレーム部材102の長さ方向に長い長円形状とすることができる。

フレーム部材101および102はそれぞれアルミニウムやステンレススティールなどの金属材料で構成することができ、太陽電池モジュール本体11の周縁部を受け入れるための溝部が形成されている。フレーム部材101および１０２と太陽電池モジュール本体11との間には粘着性および弾性を有する樹脂材料を介在するように、太陽電池モジュール本体11にフレーム部材101,102が取り付けられる。このとき、フレーム部材101の係合軸103がフレーム部材102の嵌合孔104に嵌合するように２つのフレーム部材101,103が係合される。同様にして、太陽電池モジュール本体11の各角部においてフレーム部材が係合するとともに各辺にフレーム部材が取り付けられる。

フレーム部材102の嵌合孔104内において係合軸103はフレーム部材102の長さ方向に間隙を有するように設定されている。この係合軸103の嵌合孔104内における間隙は、前述した実施形態と同様に、フレーム部材102の長さ方向の熱膨張・収縮の度合いに応じて設定される。
この第２実施形態においても、フレーム部材から裏面側に突出する突起を設け、架台との電気的導通を得るように構成することが可能である。

本発明に係る太陽電池モジュールでは、フレーム部材の係合構造により、フレーム部材の熱膨張・収縮に伴う変形や離脱を防止することができ、また部品点数を減少するとともに作業工数を減少してコストダウンを図ることが可能となる。

第１実施形態に係る太陽電池モジュールの斜視図。 その縦断面図。 係合部の受光面を示す部分拡大図。 係合部の裏面を示す部分拡大図。 図３のV-V線から見た部分拡大図。 太陽電池アレイの取付構造を示す説明図。 図６のVII-VII線断面図。 第１実施形態の変形例による係合部の受光面を示す部分拡大図。 第１実施形態の変形例による係合部の裏面を示す部分拡大図。 第２実施形態の部分拡大分解斜視図。 第２実施形態の部分拡大斜視図。

Claims (5)

1. 太陽電池モジュール本体と、フレーム部材とを備える太陽電池モジュールであって、
   前記太陽電池モジュール本体の少なくとも１つの角部において、隣接する２辺に取り付けられたフレーム部材が、少なくとも一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮を許容するために間隙を備えるとともに、前記一方のフレーム部材の長さ方向に対する熱膨張・収縮による移動を規制するように係合した係合部を構成することを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記隣接する２辺に取り付けられたフレーム部材のうち、他方のフレーム部材が前記一方のフレーム部材側に突出する突部を備え、前記一方のフレーム部材が前記他方のフレーム部材の突部を受け入れる嵌合部を備え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. 前記フレーム部材は、粘着性および弾性を有する樹脂材料を介して前記太陽電池モジュール本体に取り付けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記太陽電池モジュール本体は長辺と短辺を有する平面視長方形状に構成され、前記一方のフレーム部材が前記太陽電池モジュール本体の長辺に取り付けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池モジュール。
5. 前記フレーム部材の熱膨張率をα、太陽電池モジュールの最大温度をｔ２、常温をｔ１、太陽電池モジュールの長辺の長さをＬとするとき、前記係合部に設けられる間隙は、α（ｔ２−ｔ１）Ｌより長いことを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池モジュール。