JP2010153502A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】軽量でありながら剛性が高く反りの起きにくい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１は、複数の発電素子２ａと、複数の発電素子２ａの表面側に配置された透明プラスチック板３と、複数の発電素子２ａの裏面側に配置されたＣＦＲＰからなるＣＦＲＰ板４とを有する。太陽電池モジュール１は、透明プラスチック板３の厚さをＸ、ＣＦＲＰ板４の厚さをＹとしたときに次の関係式を満たしている。
０．９＋０．３Ｘ≦Ｙ≦６．５−０．７Ｘ
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される太陽電池モジュールに関する。

近年、自動車等の車両は搭載される電子機器の増加に伴い消費電力が増加しているため、従来、その一部をまかなうべく車両に太陽電池を搭載することが行われている。太陽電池は、長期信頼性を保証するため、例えば発電素子をガラス等透明材、封止材（透明接着剤）、バックシートで積層したモジュール構造となっている。

車両に搭載する太陽電池は、できるだけ軽量化することが望ましい。しかしながら、ガラスを用いたモジュール構造では、ガラスの重量が重いために軽量化が難しい。中には、透明プラスチックやＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）を用いて太陽電池モジュールを構成する、という考えがあった（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−３８１２６号公報

しかし、透明プラスチックやＦＲＰを用いて太陽電池モジュールを構成する場合、軽量化は可能でも、剛性が低下したり、反りが出てしまうおそれがあった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、軽量でありながら剛性が高く反りの起きにくい構造を備えた太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、複数の発電素子と、その複数の発電素子の表面側に配置された透明樹脂板と、複数の発電素子の裏面側に配置されたＣＦＲＰからなるＣＦＲＰ板とを有する太陽電池モジュールであって、透明樹脂板の厚さをＸ、ＣＦＲＰ板の厚さをＹとしたときに下記の関係式を満たす太陽電池モジュールを特徴とする。
０．９＋０．３Ｘ≦Ｙ≦６．５−０．７Ｘ

この太陽電池モジュールは、透明樹脂板を用いているため軽量であり、しかも、ＣＦＲＰ板を用いているため、剛性が高くなっている。

また、上記太陽電池モジュールの場合、ＣＦＲＰ板は、厚さ方向中間に金属性の板材が内挿されていることが好ましい。これにより、電磁波の遮蔽効果を高めることができる。

さらに、上記太陽電池モジュールの場合、ＣＦＲＰ板は、積層した複数のプリプレグを焼き固めて製造されていることが好ましい。

こうすると、ＣＦＲＰ板の成形工程と各部材を重ねる積層工程とを一体的に実行でき、また、ＣＦＲＰ板と封止層の境界面で高分子同士が絡み合い、高い接着強度を持たせることが可能となる。

以上詳述したように、本発明によれば、軽量でありながら剛性が高く反りの起きにくい構造を備えた太陽電池モジュールが得られる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池モジュール１の構成を示す断面図、図２はその平面図である。太陽電池モジュール１は、発電素子群２と、透明プラスチック板３と、ＣＦＲＰ板４と、封止層５とを有し、車両の屋根等に搭載して使用する車載用になっている。

発電素子群２は複数の発電素子２ａを有していて、各発電素子２ａが透明プラスチック板３とＣＦＲＰ板４との間にこれらと平行になるように縦横規則的に並んだ２次元格子状に配置されている。各発電素子２ａは、縦横等しいサイズ（例えば１２５ｍｍ）で一定の厚さ（例えば２００μｍ）を有している。各発電素子２ａは、単結晶シリコンやアモルファスシリコン等を用いて形成されており、隣接するもの同士がインターコネクタ６で電気的に接続されている。また、各発電素子２ａは封止樹脂５によって互いに絶縁されている。

透明プラスチック板３は、一定の厚さ（例えば厚さ１〜６ｍｍ程度）を備えた平坦な板材であって、発電素子群２の表面側に配置されている。透明プラスチック板３は、その厚さをＸとしたときに、厚さＸが後述する厚さ関係式を満たすものとなっている。

透明プラスチック板３は、透明な樹脂（プラスチック）素材からなり、次のようなプラスチック素材を用いることができる。例えば、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルイミド、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリブチレンテレフタレート、エポキシ樹脂、ブチラール樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリアリレート、ＥＴＦＥ、ポリフッ化ビニル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルフォン、ＡＢＳ樹脂等を用いることができる。これらのプラスチック素材のうち、好ましくは高光透過率、耐熱性、耐衝撃性等の観点から、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ＥＴＦＥ、ＡＢＳ樹脂を用いるとよい。さらに好ましくは汎用性、成形性等の観点からポリカーボネート、アクリル樹脂を用いるとよい。透明プラスチック板３は、例えば、三菱エンジニアリングプラスチックス（株）製のユーピロンＳ−２０００を用いることができる（ユーピロンは同社の商品名）。

ＣＦＲＰ板４は一定の厚さ（例えば２ｍｍ程度）を備えた平坦な板材であって、発電素子群２の裏面側に配置されている。また、ＣＦＲＰ板４はその厚さをＹとしたときに、厚さＹが以下の厚さ関係式を満たすものとなっている（ＣＦＲＰ板４の線膨張係数は４０ｐｐｍ程度）。
厚さ関係式：０．９＋０．３Ｘ≦Ｙ≦６．５−０．７Ｘ

ＣＦＲＰ板４はＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）からなりＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系、ピッチ系のどちらを用いてもよいが、高強度、高弾性を有するＰＡＮ系を用いることが好ましい。例えば、ＣＦＲＰ板４は東邦テナックス（株）製のＷ３１０１／Ｑ１１２Ｊを用いることができる。

また、ＣＦＲＰ板４は成形の際、次の成形法を適用することができる。例えば、射出成形法、プレス法、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法、ＦＷ（Filament Winding）法、オーブン法、オートクレーブ法を適用することができる。これらのうち、高強度および高弾性が期待でき、また、生産性の観点から、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法、オーブン法、オートクレーブ法を適用することが好ましい。

封止層５は透明プラスチック板３とＣＦＲＰ板４との間に充填されて透明プラスチック板３とＣＦＲＰ板４との間を封止している。封止層５は各発電素子２ａを絶縁するための透明な接着剤によって構成されている。封止層５の厚さは１ｍｍ程度で例えばＥＶＡによって構成されている。封止層５は三井化学ファブロ（株）社製のＳＣ−５０Ｂを用いることができる。

そして、以上の構成を有する太陽電池モジュール１は、表面側が透明プラスチック板３によって構成されているので、表面側がガラスからなる場合に比べて軽量化が達成できている。一方、透明プラスチック板３（例えばポリカーボネート）はガラスに比べてヤング率が低く、線膨張係数が高いので（図３参照）、製造時や使用時に線膨張係数の差によって太陽電池モジュール１に反り返りが発生するおそれがある。例えば、太陽電池モジュール１はＣＦＲＰ板４をラミメータ機にセットし封止材を加熱しながら溶かして発電素子群２を封止することによって製造するが、製造過程で１５０℃前後に加熱して冷却するため、反りが発生する。また、太陽電池モジュール１は季節間の温度差や昼夜の温度差によって反りが発生することもある。

しかしながら、ＣＦＲＰが低膨張係数であるため、裏面側をＣＦＲＰ板４として、透明プラスチック板３とＣＦＲＰ板４とを組み合わせた構成にしたことによって、太陽電池モジュール１は反り返りが低減され、高耐久化が実現できている。また、ＣＦＲＰが高剛性であるため、その分、透明プラスチック板３の厚さを薄くすることもでき、より一層の軽量化を実現することもできる。

そして、太陽電池モジュール１は透明プラスチック板３の厚さＸとＣＦＲＰ板４の厚さＹとが前述した厚さ関係式を満たしている。そのため、図４に示すように、太陽電池モジュール１の両端を固定部材１００により固定した上で透明プラスチック板３の上側から、透明プラスチック板３の全体にわたって一様な大きさの荷重（ここでは２４００Ｐａを想定しているが、これには限られない。）を加えたときのたわみ量δは、太陽電池モジュール１の長手方向の長さをＬとしたときに次の式１のようにして表わされる。
式１：（δ／Ｌ）≦０．８５

また、外気との温度差が１３０℃であったとき（例えば、太陽電池モジュール１の温度が１３０℃で、室温が２０℃であったとき）、太陽電池モジュール１の反り量ｈ（図５参照）は次の式２を満たすようになる。
式２：（ｈ／Ｌ）≦０．０６

したがって、太陽電池モジュール１は軽量でありながら剛性が高く、反りの起きにくい構造となっている。

ここで、厚さ関係式について詳しく述べれば次のとおりである。荷重時または熱応力時の変形量は各部材のヤング率、厚み、線膨張係数がパラメータとなって変化する。そのため、サイズは変形の仕方には影響を与えない。また、式１や式２は反り量ｈや長さＬを用いており、サイズは用いていないことからみてもサイズは変形の仕方に影響を与えないと考えられる。

また、厚さ関係式の本質は太陽電池モジュール１を構成する各部材の剛性に起因している。その剛性は、厚さの３乗とヤング率とによって決定されるので、厚さはその３乗で剛性に直に影響を与える。車両用のＣＦＲＰはヤング率として７０ＧＰａから３００ＧＰａを有するためその範囲は最大で２．５倍程度である。一方、厚さは２倍にすると、２の３乗＝８倍の大きさで剛性に影響を与える。

さらに、透明プラスチック板３や封止層５は添加材を加えることで耐候性を向上させることは可能である。その場合においても黄変度を抑制する効果はあるものの、ヤング率や線膨張係数は厚さ関係式に影響を与えるほどは変化しない。ガラスフィラーを導入することで線膨張係数を抑制したものもあるが、ガラスフィラーの影響で透明度が非常に悪化し、光の入射を要する太陽電池モジュール１には適さない。

以上のとおり、太陽電池モジュール１の剛性は、ＣＦＲＰのヤング率よりも厚さに影響され、物性に起因する要素が少ないと考えられることを考慮し、必要な剛性を備えていながらできるだけ軽量化を促進するため、本実施の形態では前述の厚さ関係式を定めたものである。

そして、太陽電池モジュール１は、以上の式１、式２を満たすことにより、そのねじれやたわみに起因して発電素子群２の発電素子２ａが割れたり、透明プラスチック板３と封止層５との接着が剥離したり、封止層５とＣＦＲＰ板４との接着が剥離したりする事態を回避することができる。

また、ＣＦＲＰ板４は表面に微小な凹凸を有するので、封止層５との接着面積がＣＦＲＰ板４の封止層５側の表面積よりも広く、したがって接着強度を向上させることができる。そして、ＣＦＲＰ板４の黒色を生かすことにより、太陽電池モジュール１の表面を黒色に統一することもできる。そのため、デザイン性の高い太陽電池モジュール１が得られる。

一方、太陽電池モジュール１を車両に搭載すると、金属性のインターコネクタ６が櫛歯状に配置されていることでアンテナのような機能を発揮してしまい、太陽電池モジュール１が電磁波の発生源となる。また、太陽電池モジュール１は電流を発生させる装置であり、その電流は車両への光照射量にほぼ比例している。太陽電池モジュール１を車載にすると車両の走行中における光照射量が短時間で変化する（例えば、影のある個所を通過したときなど）ため、出力が不連続に変化し、その結果電磁波が発生する。こうしたことから、太陽電池モジュール１は車両における高電圧システムへのノイズ発生原因となる。発生したノイズはハイブリッド車両や電気自動車といった電力を走行に必要な駆動源としている車両の制御システムに影響を与えるおそれがある。

しかしながら、太陽電池モジュール１は裏面側がＣＦＲＰ板４によって構成されているので、電磁波遮蔽効果を奏するものとなっており、車載用に適したものとなっている。

（第２の実施の形態）
図６は第２の本発明の実施の形態に係る太陽電池モジュール１１の構成を示す断面図である。太陽電池モジュール１１は、太陽電池モジュール１と比較してアルミプレート７を有する点で相違している。

アルミプレート７は一定の厚さを備えた平坦な板材であって、ＣＦＲＰ板４の厚さ方向ほぼ中間部分に透明プラスチック板３およびＣＦＲＰ板４に対して平行になるようにして内挿されている。アルミプレート７は、アルミニウム単体から構成されているが（例えばＡ１０５０Ｐとすることができる）、他の金属との合金でもよい。アルミプレート７は、不燃性および軽量化の両立が可能な厚みを有することが好ましく、例えば０．０２〜３ｍｍ程度が好ましい。

太陽電池モジュール１１も太陽電池モジュール１と同様に透明プラスチック板３の厚さＸとＣＦＲＰ板４の厚さＹが前述した厚さ関係式を満たしている。そのため、剛性が高いので反り返りが少なく、しかも軽量である。特に、太陽電池モジュール１１は、ＣＦＲＰ板４にアルミプレート７が内挿されているので、電磁波の遮蔽効果がいっそう高くなっている。また、アルミプレート７が内挿されていることにより、非受光面側（裏面側）のガスや水蒸気の遮蔽効果が向上しているため、耐久性がより高められている。

さらに、太陽電池モジュール１１はアルミプレート７が内挿されていることで耐火性が高く、表面側からの延焼をアルミプレート７によってブロックできるため、不燃性が高められ、より安全性の高いものとなっている。太陽電池モジュール１１はアルミプレート７が１層だけ内挿されているが、複数層内挿されていてもよい。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る太陽電池モジュール１は、第１の実施の形態に係る太陽電池モジュール１と同様の構造を有するが、ＣＦＲＰ板４がプリプレグを用いて製造されている点で相違している。

本実施の形態に係るＣＦＲＰ板４は、図７（ａ）に示すように、接着樹脂を合浸させて得たプリプレグ４ａ（厚さ０．２ｍｍ程度）を同図（ｂ）に示すように複数積層し、それを図示しないオーブンを用いて焼き固めて同図（ｃ）にように一体化して製造されている。

そして、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１は、図８（ａ）に示すように、熱板２０の上に、事前に図７のようにして焼き固めたＣＦＲＰ板４を載置して、封止層５を構成する封止材５ａで発電素子２ａを挟み込み、さらにその上から透明プラスチック板３を載置した上で、図示しないプレス機を用いて加熱しながらのプレスＰを行って製造する。また、同図（ｂ）に示すように、熱板２０の上に、複数枚のプリプレグ４ａを載置して、封止材５ａで発電素子２ａを挟み込み、さらにその上から透明プラスチック板３を載置した上で、図示しないプレス機を用いて加熱しながらのプレスＰを行って製造することもできる。

プリプレグ４ａを用いることにより、図８（ｂ）に示すようにして製造することが可能となり、ＣＦＲＰ板４の成形工程と各部材を重ねる積層工程とを一体的に実行できる。そのため、製造工程を簡略化でき、製造時間を短縮化することができる。また、ＣＦＲＰ板４を成形するためのオーブンを不要とすることもできる。プリプレグ４ａを用いると、合浸されている樹脂と封止材５ａとが同じタイミングで溶解するため、ＣＦＲＰ板４と封止材５ａの境界面で高分子同士が絡み合い、高い接着強度を持たせることが可能となる。これにより、太陽電池モジュール１に高耐久性を持たせることが可能となる。

ここで、図９は、図８（ｂ）に示した手順で太陽電池モジュール１を製造するためのラミネータ機（製造装置）３０の概略構造を示した図、図１０はその製造手順を示した図である。ラミネータ機３０は、太陽電池モジュール１を構成する各部材が格納される格納室３１と、その上側に設けられている上室３２と、格納室３１と上室３２とを仕切るダイアフラム３３とを有している。

そして、太陽電池モジュール１は、図９に示すように、各部材を熱板２０上に載置して製造する。この場合、まず、図１０のＳ１に示すように、格納室３１と上室３２とを真空引きにする（３０Ｐａ程度まで）。続いて、Ｓ２に示すように熱板２０を加熱し、その状態を９０℃で９０分間保持する。さらに、３０経過した後に上室３２を大気開放してダイアフラム３３を下に下げ、これによって、積層されている部材を上からプレスする（Ｓ３）。その後、１３０度に昇温してその状態を１時間半程度保持する（Ｓ４）。それから格納室３１を大気開放することで太陽電池モジュール１を製造することができる。

なお、図示はしないが、複数のプリプレグ４ａを積層する際に、アルミプレート７を介在させてもよい。

以上の説明は、本発明の実施の形態についての説明であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。又、各実施形態における構成要素、機能、特徴あるいは方法ステップを適宜組み合わせて構成される装置又は方法も本発明に含まれるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池モジュールの構成を示す平面図である。 図１の太陽電池モジュールを構成するポリカーボネートおよびガラスの密度、ヤング率、線膨張係数を示す図である。 図１の太陽電池モジュールに荷重を加えるときの様子を模式的に示した図である。 図１の太陽電池モジュールにおける反りを模式的に示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池モジュールの構成を示す断面図である。 （ａ）は１枚のプリプレグを示す断面図、（ｂ）は複数のプリプレグを積層した状態を示す断面図、（ｃ）は複数のプリプレグを焼き固めて製造したＣＦＲＰ板を示す断面図である。 複数のプリプレグを焼き固めて製造したＣＦＲＰ板を用いて太陽電池モジュールを製造するときの手順を示し、（ａ）は事前に製造したＣＦＲＰ板を用いる場合の断面図、（ｂ）は複数のプリプレグを積層したまま太陽電池モジュールを製造するときの手順を示す断面図である。 図８（ｂ）の手順で太陽電池モジュールを製造するときに用いる製造装置およびその構成部材を示す断面図である。 図８（ｂ）の手順で太陽電池モジュールを製造するときの製造手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…太陽電池モジュール、２…発電素子群、３…透明プラスチック板、４…ＣＦＲＰ板、５…封止層、６…車内温度検知部、７…アルミプレート、２ａ…発電素子。

Claims (3)

1. 複数の発電素子と、該複数の発電素子の表面側に配置された透明樹脂板と、前記複数の発電素子の裏面側に配置されたＣＦＲＰからなるＣＦＲＰ板とを有する太陽電池モジュールであって、
   前記透明樹脂板の厚さをＸ、前記ＣＦＲＰ板の厚さをＹとしたときに下記の関係式を満たすことを特徴とする太陽電池モジュール。
   ０．９＋０．３Ｘ≦Ｙ≦６．５−０．７Ｘ
2. 前記ＣＦＲＰ板は、厚さ方向中間に金属性の板材が内挿されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール。
3. 前記ＣＦＲＰ板は、積層した複数のプリプレグを焼き固めて製造されていることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池モジュール。

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