JP2009295615A - 車載用太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】バイパスダイオードの発熱を抑えるとともに効率良く放熱することができ、しかもコンパクトで軽量な車載用太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】車載用太陽電池モジュールは、太陽電池セルと、前記太陽電池セルに接続される主回路部と、前記太陽電池セルに影が掛かって抵抗が増大したときに前記主回路部から電流がバイパスされるバイパス回路部7と、を有する。前記バイパス回路部7は、フラットケーブル3と、バイパスダイオード4と、を備える。フラットケーブル3は、平角導体1に絶縁層2が施されてなり、断面扁平形状を呈する。バイパスダイオード4は窒化ガリウムを含む材料で構成されるとともに、前記フラットケーブル3上に実装されている。
【選択図】図1
【解決手段】車載用太陽電池モジュールは、太陽電池セルと、前記太陽電池セルに接続される主回路部と、前記太陽電池セルに影が掛かって抵抗が増大したときに前記主回路部から電流がバイパスされるバイパス回路部7と、を有する。前記バイパス回路部7は、フラットケーブル3と、バイパスダイオード4と、を備える。フラットケーブル3は、平角導体1に絶縁層2が施されてなり、断面扁平形状を呈する。バイパスダイオード4は窒化ガリウムを含む材料で構成されるとともに、前記フラットケーブル3上に実装されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、車載用太陽電池モジュールに関する。
近年、自動車では、蓄電用に太陽電池を利用することが検討されている。図7には、車載用の太陽電池81をルーフ部に搭載した自動車82の例が示されている。図7では図示していないが、前記太陽電池の端末部には端子を収納した箱状の部品(端子ボックス)が設けられるのが一般的であり、この端子ボックスの中にはバイパスダイオードと呼ばれる半導体が実装されている。
図8は、従来の太陽電池モジュール101を模式的に示したものである。この太陽電池モジュール101は、端子ボックス103と太陽電池パネル102とを主要な構成要素として備えている。
図8では簡略的に描かれているが、前記太陽電池パネル102のセルは数ブロックに分割されており、それぞれのブロックの電極が接続電線105を介して中間端子106に接続されている。太陽電池モジュール101は、外部接続電線107を介して他の太陽電池モジュールや外部抵抗などに接続されている。
前記中間端子106は一列に並べて配置されており、隣接する中間端子106の間がバイパスダイオード104を介して接続されている。このバイパスダイオード104は、それぞれの前記ブロックの並列出力電圧と逆方向になるように接続されることによりバイパス機能を発揮できる構造とされている。
このバイパスダイオード104は、あるブロックのみが太陽の影になった場合に逆方向バイアスが生じ、太陽電池セルを破壊することを防ぐためのものである。即ち、セルに逆方向バイアスが生じたときは、当該セルと並列に接続されたバイパスダイオード104が、電流を流すバイパス路として機能する。このバイパスダイオード104により、太陽電池セルへの不均一な光の入射があっても、影になった部分のセルが過剰に発熱して破損することを防止できる。
バイパスダイオードは上記のように有用なものであるが、発熱量が大きいため、モジュールの設計の際はバイパスダイオードからの放熱を工夫する必要があった。そこで従来から、例えば特許文献1に開示されるように放熱フィンを設置したり、特許文献2の構成のように幅広の放熱部を設けたり、特許文献3が開示するように金属のクリップを用いたりする技術が検討されてきた。
実用新案登録第3108179号公報
特開2003−303988号公報
特開2006−59990号公報
しかしながら、上記の特許文献1〜3の構成は何れも、特別な放熱部品を設けたり、筐体自体を大きくしたりする必要があった。従って、従来の技術では、例えば家屋の屋根に載せて用いるための構成においては問題になりにくいものの、小型化及び軽量化が強く要求される車載用の太陽電池モジュールにおける発熱対策としては適切とはいえなかった。従って、上記特許文献の構成は、バイパスダイオードの発熱の問題を良好に解決しつつ、構成を一層簡素化する観点から改善の余地が残されていた。
更に、従来の構成では、太陽電池に影が掛かって発電量が低下した場合でも、そのことを外部から容易に確認できる方法がなく、この点でも改善の余地があった。
本願発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、バイパスダイオードの発熱を抑えるとともに効率良く放熱することができ、しかもコンパクトで軽量な車載用太陽電池モジュールを提供することにある。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、以下の構成の車載用太陽電池モジュールが提供される。即ち、この車載用太陽電池モジュールは、太陽電池セルと、前記太陽電池セルに接続される主回路部と、前記太陽電池セルに影が掛かって抵抗が増大したときに前記主回路部から電流がバイパスされるバイパス回路部と、を備える。そして、前記バイパス回路部は、導体が絶縁被覆されてなり断面扁平形状を呈するフラットケーブルと、前記フラットケーブル上に実装されたダイオード部と、を備える。
これにより、ダイオード部の熱をフラットケーブルにより放熱させることができる。従って、ダイオード部が温度上昇により破壊されることを防止し、その機能を維持することができる。また、バイパス回路部の導体を表面積の広い断面扁平形状のフラットケーブルに構成することで、当該導体が放熱部材としての役割も兼ねることとなって、小さいスペースで機能を実現することができ、車載用途に特に好適である。更に、防水や防塵が不要な場合等、条件によっては、バイパス回路部を覆う筐体を廃止して一層の簡素化を実現することも期待できる。また、スペースのみならず重量も大幅に削減できるので、車両の軽量化や燃費向上等に顕著に寄与することができる。
前記の車載用太陽電池モジュールにおいては、前記ダイオード部は、窒化ガリウム系半導体からなることが好ましい。
これにより、通常のシリコンダイオードとする構成に比べて、発熱を半分から1桁程度小さくすることができる。従って、ダイオード部が温度上昇により破壊されることを防止し、その機能を維持することができる。また、発熱そのものを抑制しているので、放熱のための構成を更に小型化することができる。
前記の車載用太陽電池モジュールにおいては、前記バイパス回路部に電流が流れたときに可視光を発するLED部を有することが好ましい。
これにより、ダイオード部に電流が流れると同時にLED部が可視光を発するため、乗員は、太陽電池モジュールの一部に影が掛かったことを容易に知ることができる。従って、乗員は車両を影にならない位置に移動させたり、太陽電池モジュールの角度や位置を移動させるなどの方法で適切に対応することができる。
前記の車載用太陽電池モジュールにおいては、前記LED部と前記ダイオード部とが統合されて一体の半導体部品として構成されていることが好ましい。
これにより、部品点数が減って回路構成が簡素となるため、製造コストの削減及び回路基板の小型化を実現することができる。
前記の車載用太陽電池モジュールにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記バイパス回路部は、前記ダイオード部のリードを前記導体に接続するためのピアス部を備える。前記ピアス部は突刺し片を備え、当該突刺し片によって前記ピアス部が前記導体に突刺し状に接続されている。
これにより、ダイオード部の実装の際に被覆を剥くことなく、機械的な接合によって短時間で接続できる。従って、加工コストを抑制することができる。また、接合部にハンダを使わなくて済むので、環境負荷の低減ニーズに応えることができる。
前記の車載用太陽電池モジュールにおいては、前記フラットケーブルは複数の導体を並列に並べて一括被覆したものであることが好ましい。
これにより、複数の導体がバラバラになることを防止でき、取扱いが容易になる。また、導体上にダイオード部を実装する際の位置決めが行い易くなるので、組立時の作業性が向上する。
以下に本発明の好適な実施形態について説明する。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が備える端子ボックスの内部を示す斜視図である。図2(a)は端子ボックスの内部構成の一部を示す平面図、図2(b)は同じく側面図である。
最初に、本発明の第1実施形態を説明する。本実施形態の車載用の太陽電池モジュールは例えば合成樹脂製の端子ボックスを備え、この端子ボックスの内部には、当該太陽電池モジュールのバイパス回路部7が収納されている。図1及び図2に示すように、このバイパス回路部7は、フラットケーブル3及び複数のバイパスダイオード(ダイオード部)4を備えている。
前記フラットケーブル3はリボン状に構成されており、その内部に平角導体1が配置されている。この平角導体1に対し、前記バイパスダイオード4が備えるリード41が、機械的なカシメ部を介して電気的に接続されている。
以下、詳細に説明する。端子ボックスの内部に配置されるフラットケーブル3は、その断面が扁平形状を呈するように構成されている。このフラットケーブル3は、厚みが一様で断面が扁平な矩形である複数の平角導体1を所定のピッチで複数本(図1では4本)並べ、その上に、PET(ポリエチレンテレフタレート)などの絶縁樹脂からなる絶縁層2を一括で被覆することにより構成されている。
それぞれの前記平角導体1は、図略の電線を介して、図示しない太陽電池セルの電極に接続されている。この平角導体1としては、銅や銅合金、アルミやアルミ合金などの金属材料を用いることができる。
以上の構成のフラットケーブル3は、通常の丸断面の電線(丸電線)に比べて、同じ放熱面積でより小さな導体断面積とすることができるため、軽量化を達成することができる。
前記端子ボックスの内部には複数(図1では3個)のバイパスダイオード4が配置され、これらのバイパスダイオード4はフラットケーブル3の上に実装されている。それぞれのバイパスダイオード4はGaN系の材料により形成されており、そのため、通常のSi系のダイオードに比べて順方向抵抗が約1桁小さく、発熱量も1桁程度小さい特性を有している。なお、このようなGaN系のダイオードとしては、例えば特開2004−31896号公報に記載のものを使用することができる。
このバイパスダイオード4は、フラットケーブル3の厚み方向の一方の面において、当該フラットケーブル3の長手方向に3つ並べて実装されている。放熱効果を高めるため、隣接するバイパスダイオード4同士の間隔は、フラットケーブル3の長手方向に十分な間隔をあけて配置されている。
それぞれのバイパスダイオード4は、放熱を容易とするために矩形板状に形成された本体を備えており、この本体がフラットケーブル3に対して垂直となる姿勢で当該フラットケーブル3に取り付けられている。
また、それぞれのバイパスダイオード4は、前記本体の底部から引き出される2本のリード41を備えている。この2本のリード41は、本体近傍においてフラットケーブル3に向かって延びた後に適宜曲げられ、その先端部は前記フラットケーブル3の平角導体1と平行に延出される。この先端部における2本のリード41の間隔は、前記フラットケーブル3における平角導体1のピッチとほぼ一致させている。
3つの前記バイパスダイオード4は、フラットケーブル3に配置される4本の平角導体1のうち、互いに隣接する2本の平角導体1を接続するように配置されている。具体的には、バイパスダイオード4のそれぞれは、フラットケーブル3の幅方向の一方から数えて1番目と2番目、2番目と3番目、3番目と4番目の平角導体1の間をそれぞれ繋ぐように配置されている。
このため、3つのバイパスダイオード4は、例えば図2(a)に示すように、フラットケーブル3の幅方向に平角導体1の1ピッチ分ずつ位置をズラしながら配置されている。隣り合うバイパスダイオード4同士は、フラットケーブル3の長手方向に見たときに、その本体同士が一部重複する位置関係となっている。
以上のように、本実施形態では、バイパスダイオード4としてGaNダイオードを用いることで当該バイパスダイオード4からの発熱そのものを抑制し、かつ、発生した熱をフラットケーブル3(平角導体1)によって効果的に放熱させることができるので、端子ボックス内の過剰な昇温を防止することができる。また、導体としてフラットケーブル3を用いることで、軽量化及び小型化を実現することができる。
バイパスダイオード4は上述のとおり2本のリード41を備えており、このリード41がフラットケーブル3の平角導体1にピアス端子5を介して電気的に接続される。即ち、バイパスダイオード4をフラットケーブル3上に配置し、図3のようなピアス端子(ピアス部)5をフラットケーブル3に機械的に打ち込むことにより、フラットケーブル3の平角導体1に新生面が生じるとともにピアス端子5表面の金属と接合される。
図3に示すように、ピアス端子5は、略半円弧の板状に形成されたカバー部51と、その半円弧の両端の部分に一体形成された複数の爪部(突刺し片)52と、を備えている。前記カバー部51の内部には、前記バイパスダイオード4のリード41を収容可能になっている。また、前記爪部52はほぼ直線状に延びるように形成されるとともに、その先端は尖り形状とされている。
このピアス端子5による突刺し接続は、フラットケーブル3上の所定の位置にバイパスダイオード4のリード41を位置決めし、前記ピアス端子5をリード41の上から機械的に下方に向けて打ち込むことにより行われる。これにより、ピアス端子5の爪部52はフラットケーブル3の絶縁層2を突き破り、扁平な平角導体1及び反対側の絶縁層2を更に貫通して、フラットケーブル3の下部に突出する。
そして、この状態で、ピアス端子5の爪部52の先端側を内側にカールするように変形させる。これにより、ピアス端子5とフラットケーブル3とが機械的に結合(固定)され、引抜き方向の外力を受けても容易に抜けないようにすることができる。なお、この爪部52の曲げは単に外力による抜けを防止するためのものであり、仮に曲げを行わなかったとしても、ピアス端子5と平角導体1との電気的な導通は前記の突刺し接続によって確保されている。従って、バイパスダイオード4をフラットケーブル3に保持する手段が別途確保されるのであれば、上述の爪部52の曲げ作業を省略することもできる。
また、本実施形態において前記ピアス端子5はバイパスダイオード4のリード41と別部品として構成されているが、予めバイパスダイオード4のリード41の先端に尖鋭部(ピアス部)を一体的に形成し、当該尖鋭部をフラットケーブル3に突き刺して接続してもよい。このように突刺し状に接続する構成とすることで、バイパスダイオード4をフラットケーブル3上に容易に固定できるとともに、そのリード41と平角導体1との電気的な接続をも同時に図ることができ、構成の簡素化を良好に実現することができる。
図4(a)には、本実施形態の太陽電池モジュールにおいて、端子ボックス及び太陽電池セルが形成する回路図が示されている。なお、本実施形態で用いられている太陽電池セルは周知の構成であるので、ここでは説明を省略する。
図4(a)に示すように、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セル6を接続する主回路部12を備えている。図4(a)において太陽電池セル6は3つ備えられており、この3つの太陽電池セル6が前記主回路部12により直列接続されるとともに、自動車が備える適宜の負荷11に対し端子ボックス13内の回路を介して接続される。端子ボックス13内には、前記フラットケーブル3や3つのバイパスダイオード4等によるバイパス回路部7が配置されている。このバイパス回路部7において、バイパスダイオード4は太陽電池セル6のそれぞれに対して並列に接続される。
この構成で、何れの太陽電池セル6にも影が掛かっていない場合は、図4(a)に示す通常発電状態となる。この場合、図中の矢印で示すようにすべての太陽電池セル6に電流が流れ、バイパス回路部7側(バイパスダイオード4)には電流は流れない。
一方、図4(b)には、複数の太陽電池セル6のうち一部(ここでは図の中央のもの)に影が掛かった場合が示されている。このときは中央の太陽電池セル6が抵抗となるが、当該太陽電池セル6よりもバイパスダイオード4の方が低抵抗となるので、矢印で示すようにバイパス回路部7に電流がバイパスされる。これにより、当該太陽電池セル6の破壊を防止できるとともに、他の太陽電池セル6では継続して発電が可能となる。
以上で説明したように、本実施形態の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セル6と、前記太陽電池セル6に接続される主回路部12と、前記太陽電池セル6に影が掛かって抵抗が増大したときに前記主回路部12から電流がバイパスされるバイパス回路部7と、を備える。そして、バイパス回路部7は図1等に示すように、平角導体1に絶縁層2が被覆されて構成されるとともに断面扁平形状を呈するフラットケーブル3と、このフラットケーブル3上に実装されたバイパスダイオード4と、を備えている。
これにより、バイパスダイオード4の熱をフラットケーブル3により放熱させることができる。従って、バイパスダイオード4が温度上昇により破壊されることを防止し、その機能を維持することができる。また、バイパス回路部7の導体を表面積の広い断面扁平形状のフラットケーブル3に構成することにより、当該導体(平角導体1)が放熱部材としての役割を兼ねることとなって、小さいスペースで優れた冷却効果を実現することができ、特に車載用途に好適な構成とすることができる。更に、防水や防塵が不要な場合等、条件によっては、端子ボックス13の筐体自体を廃止して更なる簡素化を図ることも期待できる。また、スペースのみならず重量も大幅に削減できるので、車両の軽量化や燃費向上等に顕著に寄与することができる。
また、また、本実施形態の太陽電池モジュールにおいて、バイパスダイオード4は、窒化ガリウム系半導体から構成されている。
これにより、通常のシリコンダイオードとする構成に比べて、発熱を半分から1桁程度小さくすることができる。従って、バイパスダイオード4が温度上昇により破壊されることを防止し、その機能を維持することができる。また、発熱そのものを抑制しているので、放熱のための構成を更に小型化し、端子ボックス13の筐体自体も更にコンパクトにすることができる。
また、本実施形態の太陽電池モジュールにおいて、前記バイパス回路部7は、バイパスダイオード4のリード41を平角導体1に接続するためのピアス端子5を備える。そして、このピアス端子5は爪部52を備え、当該爪部52によって前記ピアス端子5が平角導体1に突刺し状に接続されている。
これにより、バイパスダイオード4の実装の際に絶縁層2を剥くことなく、機械的な接合によって短時間で接続できる。従って、加工コストを抑制することができる。また、接合部にハンダを使わなくて済むので、環境負荷の低減ニーズに応えることができる。
また、本実施形態の太陽電池モジュールにおいては、フラットケーブル3は複数の平角導体1を並列に並べて一括被覆したものとして構成されている。
これにより、複数の平角導体1がバラバラになることを防止でき、取扱いが容易になる。また、平角導体1上にバイパスダイオード4を実装する際の位置決めが行い易くなるので、組立時の作業性が向上する。
次に、本発明の第2実施形態について図5及び図6を参照して説明する。なお、この第2実施形態において前記第1実施形態と同一又は類似する構成には、図面に同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
この第2実施形態は、前記バイパス回路部に通電されたときに可視光を発するLED部を有する構成としたものである。これにより、一部の太陽電池セルに影が掛かってそのセルの発電量が低下した場合は、前記LED部から可視光を発して運転手に報知することができる。
ここで前記LED部は、前記バイパス回路部に配置されるバイパスダイオードと一体的に統合されて単一の半導体部品(チップ)として構成されると、小型化や回路形成の省力化等の効果が大きく、好ましい。このような構成の具体例としては、図5に示すような、バイパスダイオード(ダイオード部)8とLED(LED部)9とを隣接状態に備えてなるGaN系半導体ダイオードを挙げることができる。
以下、図5の構成を詳細に説明する。即ち、この図5に示される半導体部品は、バイパスダイオード8と、LED9と、を備えている。前記バイパスダイオード8においては、GaNn+層77上にGaNn−層75が形成され、更にその上に第1アノード電極72と第2アノード電極73が形成されている。また、前記LED9においては、前記GaNn+層77上にP層76が形成され、その上に第3アノード電極74が形成されている。更に、前記GaNn+層77の上にはカソード電極71が適宜形成されている。
この構成で、バイパスダイオード8では電流抵抗が通常の回路より低くなるので、電流が流れ易くなっており、バイパス回路として機能する。即ち、電流は、第1アノード電極72、第2アノード電極73、GaNn−層75及びGaNn+層77を経由し、カソード電極71へ流れる。また、LED9でも電流抵抗が通常の回路より低くなるので、電流が流れるとともに、P層76とGaNn+層77の接合部分で発光する。即ち、電流は、第3アノード電極74、P層76及びGaNn+層77を経由し、カソード電極71へ流れる。
図6には第2実施形態の車載用太陽電池モジュールの回路図が示されている。この図6の構成では、図4と異なり、それぞれのバイパスダイオード8にLED9が並列接続されている。この構成により、バイパス回路部7に電流が流れた場合にLED9を発光させることができる。
前記LED9は、発光する当該LED9を運転手が車室内から確認できるように、ルーフ部において車室内に向けて配置されている。これにより、運転手は、太陽電池セル6の何れかに影が掛かっていることを容易に知ることができる。なお、図5のように一体的な構成とすることに限定されず、GaN系のバイパスダイオードと別にGaN系、GaAs系、InP系、GaP系等の発光ダイオードを用意して図6の回路図のように接続しても良いことは勿論である。
以上に示すように、本実施形態の太陽電池モジュールは、バイパス回路部7に電流が流れたときに可視光を発するLED9を有する。
これにより、バイパスダイオード8に電流が流れると同時にLED9が可視光を発するため、乗員は、太陽電池モジュールの一部に影が掛かったことを容易に知ることができる。従って、乗員は太陽電池セルに影が掛からない位置に車両を移動させたり、発電量を増大させるために太陽電池モジュールの角度や位置を変更する等、適切に対応することができる。
また本実施形態の太陽電池モジュールにおいては、前記LED9とバイパスダイオード8とが統合されて一体の半導体部品として構成されている。
これにより、部品点数が減って回路構成が簡素となるため、製造コストの削減及び回路基板の小型化を実現することができる。
以上に本発明の好適な複数の実施形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
太陽電池セル6の数は任意に変更することができ、それに応じて、フラットケーブル3における平角導体1の本数や実装されるバイパスダイオード4(バイパスダイオード8)の個数を変更することができる。
バイパスダイオード4における本体及びリード41の形状は、図1の構成に限定されることなく、適宜変更することができる。また、複数のバイパスダイオード4を、フラットケーブル3の厚み方向両側に配置するように変更することができる。
上記実施形態において、バイパスダイオード4は互いに隣り合う2本の平角導体1を繋ぐように構成されている。しかしながらこれに代えて、例えば1つおきの平角導体1同士をバイパスダイオード4で接続するように変更したり、フラットケーブル3の幅方向両端部の平角導体1同士を繋ぐように変更することができる。
上記実施形態の太陽電池モジュールは、図7のようにルーフ部に設置されることに代えて、他の部分に設置するように変更することができる。また、上記実施形態の太陽電池モジュールは、自動車以外の車両に搭載するように変更することができる。
1 平角導体
2 絶縁層
3 フラットケーブル
4 バイパスダイオード(ダイオード部)
5 ピアス端子(ピアス部)
6 太陽電池セル
7 バイパス回路部
8 バイパスダイオード(ダイオード部)
9 LED(LED部)
12 主回路部
13 端子ボックス
52 爪部(突刺し片)
2 絶縁層
3 フラットケーブル
4 バイパスダイオード(ダイオード部)
5 ピアス端子(ピアス部)
6 太陽電池セル
7 バイパス回路部
8 バイパスダイオード(ダイオード部)
9 LED(LED部)
12 主回路部
13 端子ボックス
52 爪部(突刺し片)
Claims (6)
- 太陽電池セルと、
前記太陽電池セルに接続される主回路部と、
前記太陽電池セルに影が掛かって抵抗が増大したときに前記主回路部から電流がバイパスされるバイパス回路部と、
を備える車載用太陽電池モジュールであって、
前記バイパス回路部は、
導体が絶縁被覆されてなり断面扁平形状を呈するフラットケーブルと、
前記フラットケーブル上に実装されたダイオード部と、
を備えることを特徴とする車載用太陽電池モジュール。 - 請求項1に記載の車載用太陽電池モジュールであって、
前記ダイオード部は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする車載用太陽電池モジュール。 - 請求項1又は2に記載の車載用太陽電池モジュールであって、
前記バイパス回路部に電流が流れたときに可視光を発するLED部を有することを特徴とする車載用太陽電池モジュール。 - 請求項3に記載の車載用太陽電池モジュールであって、
前記LED部と前記ダイオード部とが統合されて一体の半導体部品として構成されていることを特徴とする車載用太陽電池モジュール。 - 請求項1から4までの何れか一項に記載の車載用太陽電池モジュールであって、
前記バイパス回路部は、前記ダイオード部のリードを前記導体に接続するためのピアス部を備え、
前記ピアス部は突刺し片を備え、当該突刺し片によって前記ピアス部が前記導体に突刺し状に接続されていることを特徴とする車載用太陽電池モジュール。 - 請求項1から5までの何れか一項に記載の車載用太陽電池モジュールであって、
前記フラットケーブルは複数の導体を並列に並べて一括被覆したものであることを特徴とする車載用太陽電池モジュール。
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