JP2011518427A - 太陽光発電モジュール用受動冷却システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ＰＶＳパネルの改良型受動冷却を提供する、太陽光発電（ＰＶＳ）パネル用の冷却フィンアセンブリを開示する。冷却フィンはそれ自体が、フィンの接触面の下で良好な局所冷却効果を提供する。しかし、冷却フィンの周囲の不均一な空気流のため、フィンの方向に対して横方向にわたる温度差が、高くなる可能性がある。これが冷却システムの有効性に深刻な劣化を引き起こし、および、結果としてＰＶＳパネルからの出力にも同様の劣化を引き起こす。本発明の開示によれば、横方向熱伝導材料の配置は、ＰＶＳパネルの裏面全体にわたって所定閾値未満の熱的緩和時間を与える熱橋を設け、それによってＰＶＳパネルの全体的な冷却効果を改善する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、太陽光発電（ＰＶＳ）パネルに関し、具体的には、ＰＶパネルの性能を向上させる受動冷却システムに関する。

世界中で成長しているエネルギー需要に対応するために、太陽エネルギーの利用がますます重要になっている。過去１０年間にわたって、太陽電池の使用は爆発的に増加してきた。これは、技術開発およびそれに伴う材料の価格低下、ならびに使用されるその他の技術（たとえばインバータ）に従って起こってきた。

温度が上昇したときに、太陽電池からの出力効果が低下するという問題がある。暑い夏の日に直射日光に曝されると、電池の温度はすぐに８０℃超まで上昇する。この問題は、当然ながらより暖かい気候での太陽電池使用に伴って増大し、集中光に基づく太陽電池と平坦な太陽光発電パネルの両方に該当する。そのため、太陽光発電装置用の冷却装置が多数開発されてきたが、しかしそれらのうち、通常の太陽光発電パネルの使用において商業的な成功を収めたものはない。集中光に基づく太陽電池は、動作するために冷却システムを有することに、ほぼ完全に依存しており、装置の冷却における開発のほとんどが、集光器技術に焦点を当ててきた。集中光に基づく太陽光発電装置用冷却装置の例は、米国特許第３，９９９，２８３号、米国特許第５，４９８，２９７号、および国際公開第９６／１５５５９号に見いだすことができる。

国際公開第０３／０９８７０５号は、太陽光発電材料と熱的に接触するヒートシンクを備える、太陽光発電モジュールを開示している。この公報のヒートシンクは、ヒートシンクの実装面と実質的に平行な第一位置と、ヒートシンクの実装面と非平行な第二位置との間で移動可能な、複数のフィン１２を備える。フィンの第一位置は、たとえばヒートシンクの太陽光発電材料への積層を容易にするために、モジュールを組み立てるときに、使用される。しかし、モジュールの生産時のヒートシンクの取り扱いが簡素化されたとしても、ヒートシンク自体の実際の製造は複雑である。この公報によるパネルの設置後にヒートシンクのフィンを位置決めおよび調整することに関する、付加的な問題も存在する。そこで、太陽光発電モジュールの製造および組み立てにおいてコスト効率の良い冷却システムの、簡素化された設計の需要がある。

冷却は、能動および受動システムによって提供することができる。能動冷却システムは、いずれも追加ハードウェアおよび費用を必要とする、ランキン・サイクル・システムおよび吸収システムを含む。受動冷却システムは、対流冷却、放射冷却、および大気に曝された水面からの蒸発冷却の３つの自然作用を利用する。

太陽光発電パネルおよびモジュールの温度が、周囲空気よりも３０〜５０℃高くなることが多い。この温度上昇の結果、太陽光発電パネルからの出力効果が５〜２０％減少する。従来技術による太陽光発電パネルおよびモジュール用冷却装置の多くにおける不都合は、その多くが製造するのには複雑で、比較的費用がかさむことである。さらに、冷却装置は頑丈でなければならず、モジュールの寿命である今後２５〜４０年にわたって保守不要でなければならないということが考慮されていなかった。したがって、既存のソリューションのいずれも、太陽光発電パネルの市場においてあまり興味を引くことがなかった。そのため、生産が簡単かつ安価であって、完全に保守不要な、太陽光発電パネルおよびモジュール用冷却システムの需要が存在する。

コスト効率よく冷却問題を解決するための従来技術による手法の１つは、ＰＶＳパネルの裏面に取り付けられる冷却フィンを提供することである。たとえば、米国登録特許第４１１８２４９号を参照されたい。ヒート・シンク・フィン形状は、モジュールの裏面までの対流空気流によって冷却するように作用する。これにより、裏面から迅速にモジュールを冷却する。しかし、空気流に対して垂直な熱伝導は、比較的低めである。この現象は、たとえばＡｒｉｚｏｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＡＳＵ）によって記録されている。ＡＳＵの実地試験測定結果から、ヒートシンク配置を備えるモジュールは、モジュールの中心から縁まで２５℃の温度差を有する可能性がある。これは、モジュール全体の（材料膨張の変動による）不均一な電流フローおよび応力勾配のため、モジュールの性能および寿命を低下させる。

モジュール表面上のこのような不均一な温度差は、モジュールに様々な問題をもたらす。ソーラーパネルの表面にわたって均一な冷却速度が必要な理由は多数ある：
パネルにおける均一な電流フロー。バイパスダイオード上の過負荷の削減。
温度変化によるモジュールの応力勾配の削減。この結果、モジュールの寿命が長くなる。
モジュールの高性能化。高出力化。
良好な熱伝導も、シャドーイング中に発生する「ホットスポット」の性能の劣化を抑える。

したがって、横方向冷却効果が改善されたコスト効率の良い冷却を提供する、改良型受動冷却モジュールの需要が存在する。

本発明の実施形態の一例によれば、冷却フィンを含み、そのフィンが、ＰＶＳパネルの底縁からＰＶＳパネルの上縁まで冷却フィンの間に空気流を流す、上向き配置で配向されている、ヒートシンクが配置され、ＰＶＳパネルはＰＶＳパネルの裏面と熱的に接触して取り付けられ、ヒートシンク装置は冷却フィンの向きに対して横方向配置で配置された少なくとも１つの熱橋（ヒートブリッジ）を含み、熱橋は、所定の閾値レベル未満の緩和期間内にＰＶＳパネルの全面にわたって実質的に均一な温度を提供する。

本発明の一態様によれば、熱的緩和時間の閾値レベルは、実際にＰＶＳパネルと熱的に接触しているときの実際の冷却モジュールの関数である。本発明の実施形態の一例によれば、緩和時間閾値は、熱橋の両端のそれぞれに位置する２つの遠位点の温度をもたらす際の経過時間として定義され、この温度は、太陽光発電パネルの当業者に知られるように、標準検査条件（ＳＴＣ）の下で、これらの各点のＰＶＳパネル表面上で測定される。ＰＶＳパネルの表面にわたって実質的に等しい温度の効果を提供するその他の手段であれば、緩和時間のその他の定義の使用も、本発明の範囲に含まれる。

本発明の実施形態の別の例によれば、熱橋は、冷却フィンを支持するアルミニウム製の底板として配置され、底板は、熱的緩和時間を所定の閾値未満にさせることが可能な、底板の横方向熱伝導能力を提供するのに十分な厚さである。

本発明の実施形態の別の例によれば、熱橋は、冷却フィンの上縁と、または冷却フィンの底縁で、または上および下縁の両方で、それぞれ熱的に接触する熱伝導材料のストリップとして配置され、それによって熱橋の横方向配置に所定の閾値レベル未満の熱的緩和時間を与える。

本発明の実施形態の別の例によれば、熱橋は、組み立てられたときにヒートシンク装置とＰＶＳパネルの裏面との間に配置される熱伝導材料のストリップまたはパッチとして配置され、ストリップまたはパッチの材料は、所定の閾値レベル未満の熱的緩和時間を与える熱伝導能力を提供する。

本発明の実施形態の別の例によれば、熱橋は、ＰＶＳパネルの外周を包囲するフレームとして配置され、フレームは、所定の閾値レベル未満の熱的緩和時間を与える熱伝導材料を含む。

本発明の実施形態の別の例によれば、熱橋は、ＰＶＳパネルの利用のためにＰＶＳパネルをある位置に実装するときに使用される支持外部構造の横方向部分として配置される。

受動冷却フィンを備える、従来技術によるＰＶＳパネルを示す。 図１のＰＶＳパネルの裏面に取り付けられた冷却フィンの図を示す。 ＰＶＳパネル上の離れた位置の間の不均一な温度の効果を示す。 本発明の実施形態の一例を示す。 本発明の実施形態の別の例を示す。 熱的緩和時間の概念を示す。

図１は、突出している冷却フィン１０によって冷却されているＰＶＳパネルの一例を示す。冷却フィンは、（図１に示されるように）パネルの裏面上に組み立てられたモジュールの集合として、またはＰＶＳモジュールの裏面全体を覆う分離されないモジュールとして、製造することが可能である。冷却フィン１０を太陽電池１３に接続するために、熱伝導接着剤１１が使用される。しかし、ＰＶＳモジュールのいくつかの例では、たとえばＴｅｄｌａｒでできた、中間層が存在してもよい。ガラス製のカバー１４は、ＰＶＳモジュールの太陽に対向する面である。

図２は、ＰＶＳパネルの裏面上のフィンの配置を示す。ＰＶＳモジュールの底縁からモジュールの上縁へ、空気が流れてもよい。しかし、横方向の冷却効果は、非常に変化しやすい。冷却フィンの配置の効果は、フィンの突出特性のため、フィンの上向き方向に対して横方向の空気流が実際に空気流を損なうことである。Ａｒｉｚｏｎａ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙの研究チームによって実施された現場実験によれば、ＰＶＳパネルの中央部断面と周辺に近い断面との間の温度差は、２５℃にもなり得る。これはＰＶＳパネルの性能を著しく損なう可能性があり、冷却フィンの効果は、たとえばパネルの長寿命を促進するのではなく、実際にはＰＶＳパネルの損傷の一因となる可能性がある。冷却フィンによって提供される不均一な冷却もまた、局所的に、冷却フィン断面の直下で、冷却が極端に効果的になり得るという事実による。これもまた、ＰＶＳパネル全体の不均一な温度プロファイルの一因である。このように不均一な温度は太陽電池の有効性に直接的に影響し、異なる電池からの出力が極端に異なる。したがって、パネル中のバイパスダイオードが損傷する可能性があり、より高い機械的応力が構造中に誘発され、予想よりも低い出力という結果になる。したがって、本発明の一態様は、ＰＶＳパネル表面上の異なる位置の間の温度差を実質的に均等化する、この方向に熱伝導性を与える、フィン形状に対して横方向に、熱橋を配置することである。

図３は、２つの異なる箇所Ｔ１およびＴ２が異なる温度を有する状態を示す。ＰＶＳパネルのこの例の裏面は、パネルの底側からパネルの上縁へ有効な冷却を提供する、冷却フィン（図示せず）を有する。したがって、冷却フィンの上端と比較して、冷却フィンの底端で温度を測定するとき、冷却フィンの下層断面に沿ったいかなる温度差も、最小となる。それぞれの冷却フィンの下の異なる局所断面の間にあり得る温度差、および不均一な空気流条件による、ＰＶＳパネル表面の異なる断面の間に存在する可能性のある温度差が問題となり得る。したがって、フィン形状の横方向でそれぞれの冷却フィンの間の良好な熱伝導能力を提供する、付加的な熱伝達経路または橋は、冷却パネルのそれぞれの縦方向断面の間の温度を均一化するのに十分である。これは、配置された熱橋によってまずＴ２領域から横方向に熱が流れ、その後冷却フィンに沿った縦方向に沿ってＴ１で記された領域に流れるように、図３に示されている。それぞれＴ１およびＴ２領域を備える２つの断面の間の熱橋の位置が、必ずしもＴ１およびＴ２のいずれかの領域の付近に位置する必要がないことを理解することが重要である。冷却フィンは良好な縦方向熱伝達能力（空気流による）を提供するので、熱橋の冷却能力がＰＶＳパネルの遠位の領域の間で妥当な早さで実質的な温度の均一化をもたらす限り、横方向でそれぞれの冷却フィンと熱的に接続している熱橋のいずれの位置も、本発明の目的を達成するのに十分である。

図４は、４つの横方向熱橋を備える、本発明による冷却装置の実施形態の一例を示す。矢印は、ＰＶＳパネルの中間断面からＰＶＳパネルの外側断面への熱伝達を例示する。

図５は、熱橋がＰＶＳパネルの底部および上部に配置されている、本発明の実施形態の別の例を示す。

熱橋はまた、ＰＶＳパネル全体を包囲するフレームとして実現されてもよく、またはＰＶＳパネルを所定位置に設置するときに使用される支持フレームの一部であってもよい。

熱橋は、本発明による熱の伝達を提供するいずれの材料でできていてもよく、熱を伝達するのに経過する時間は短くあるべきである。良質な熱導体は、ほぼ瞬時にパネル全体に均等な温度プロファイルを提供するＰＶＳパネルのための迅速な緩和時間を実証する。

材料の例は、カーボン紙、熱伝導プラスチック材料、二相材料、伝導性接着性材料、などがあり得る。いかなるタイプの材料、材料の組成、および／または所定の閾値レベル未満の必要な緩和時間を与えるような材料を使用するいかなる形状の機械的配置の使用も、本発明の範囲に含まれる。図６は、本発明の実施形態の一例のための、経過時間の関数としての、降下温度を示す。時間軸上の曲線６０の公差は、緩和時間の閾値レベルを示す。

本発明の実施形態の一例によれば、緩和時間閾値は、熱橋のそれぞれの末端にそれぞれ位置する２つの遠位点の温度をもたらすときの経過時間として定義され、この温度は、太陽光発電パネルの当業者に知られるように、標準検査条件（ＳＴＣ）の下で、これらの各点のＰＶＳパネル表面上で測定される。本発明の実施形態の別の例によれば、緩和時間の所定の閾値は、ＳＴＣ環境下で動作する際に、冷却フィンアセンブリがパネルの裏面に取り付けられているとき、ＰＶＳパネルに使用される実際の冷却フィンアセンブリの横方向メートル当たりの横方向熱伝達の経過時間として定義される。

本発明による熱橋配置の別の効果は、ＰＶＳパネル表面上の「ホットスポット」問題を解決することである。ＰＶＳパネルは、通常は建物の屋根の上に、またははっきりと空を見渡すことができるその他の屋外領域に配置され、パネル表面は太陽に向けられる。これにより、一日中太陽に曝されることを確実にする。しかし、その他の建物、樹木などが１つまたは複数のパネルの表面に陰を落とす可能性がある。この陰はまた、表面の一部しか覆わない可能性がある。これが「ホットスポット」と呼ばれる状態を生み出す。パネルのいくつかの領域が陰に入ってその他の部分が日に当たっているとき、パネルの電力および熱的条件は、パネルの出力および寿命が永久的に損なわれる可能性がある程度まで、下がる可能性がある。当業者によって理解されるように、本発明による熱橋は、ホットスポットに関する問題を実質的に容易にする。

実施形態の一例において、冷却システムを備えるソーラーパネルの性能を改善するために、ソーラーパネルに熱橋が含まれる。実施形態のこの例において、熱橋は、ソーラーパネルの熱的緩和時間を短縮する。このように、ソーラーパネルを通る熱の流れが強化され、約５分の熱的緩和時間が観察された。

実質的に均一にパネルを冷却する、本発明によるソーラーパネルを製造する方法の一例において、熱橋がパネルに含まれる。ソーラーパネルの熱橋によって、表面上にわたって実質的に均一な温度差が実現されるように、モジュール上で突出している冷却フィンの方向を横断するように、熱を伝達することができる。

方法ステップの例は：
１．従来技術において周知の方法でソーラーパネルを組み立てる。
２．モジュールおよび／または冷却フィンに接着剤を塗布する。
３．その後冷却フィンを取り付ける。

ステップ２の後に架橋材料を塗布：
架橋は、ステップ２の後に追加されることが可能であって、各外形断面の間の接点を形成する高熱伝導材料が塗布される。本発明の別の態様によれば、架橋は、接着剤を伝導性熱源として働かせる、接着剤中の何らかの熱伝導性添加物であってもよい。

ステージ３の後に架橋材料を塗布：
モジュールに冷却プロファイルが取り付けられた後、フィンを熱的に接続するために熱橋が追加される。たとえばペースト、テープ、または金属ストリップなどの熱伝導材料は、冷却プロファイルの間に取り付けられ、または冷却フィンの間および冷却フィンの下側に位置することができ、また、冷却フィンの裏面および冷却フィンが取り付けられるモジュールの表面に取り付けることも可能である。材料の例は、下の表１に記載されている。実施形態のその他の例において、架橋および架橋材料は、ストリップ全体に沿って、または縁に、または冷却プロファイルの間の点に、配置することができる。

ソーラーパネルにおいて熱の十分な緩和を達成するための、ソーラーパネル設計の重要な要件は、熱橋が冷却フィンプレートの間で熱的に接触していなければならないことである。実施形態の一例において、材料は
・熱的に十分に伝導する。
・外形がモジュールに交わる十分な領域を被覆する。
・架橋の伝導性ｋｂが少なくとも１０^−２．５×ｋ_ａｌｕであって、ｋ_ａｌｕはアルミニウムの伝導性である。

本発明の一態様によれば、十分な熱伝達を達成するために、架橋範囲（Ａ_ｂ／Ａ_Ｔ）および熱伝導性（Ｋ_ｂ／Ｋ_ａｌ）の領域は、適切な熱伝達を提供するのに十分であるべきである。本発明の実施形態の一例によれば、これらのパラメータの間の以下の関係は、
（Ａ_ｂ／Ａ_Ｔ）×（Ｋ_ｂ／Ｋ_ａｌ）＞１０^−２．５

たとえば、これは冷却プロファイルの間に銀伝導性ペーストを使用して満足させることができる。さらに、同じまたはより高い伝導性の金属を架橋に塗布する際に、冷却プロファイルは、冷却縁の長さの少なくとも１％である。架橋の位置は、可能な限り均一に広がっていることが好ましい。

Claims (11)

1. ヒートシンク装置を備える太陽光発電（ＰＶＳ）パネルであって、
   前記ヒートシンク装置は冷却フィンを備え、前記冷却フィンは、当該ＰＶＳパネルの底縁から当該ＰＶＳパネルの上縁へ上向きに配向され、当該ＰＶＳパネルの前記底縁から当該ＰＶＳパネルの前記上縁まで該冷却フィン間に空気流を流し、
   当該ＰＶＳパネルは、ＰＶＳパネルの裏面と熱的に接触して取り付けられ、
   前記ヒートシンク装置は、前記冷却フィンの方向に対して横方向に配置された少なくとも１つの熱橋を含み、
   前記熱橋は、所定の閾値レベル未満の、当該ＰＶＳパネルの熱的緩和時間を与える、ＰＶＳパネル。
2. 前記熱橋は、前記冷却フィンを支持するアルミニウム製の底板として配置され、前記底板の厚さは、前記底板の横方向熱伝導能力を前記所定の閾値レベル未満の必要な前記緩和時間に従わせることができる、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
3. 前記熱橋は、前記冷却フィンの上縁と、若しくは前記冷却フィンの底縁で、または前記上縁および前記下縁の両方で、それぞれ熱的に接触する熱伝導材料のストリップとして配置され、それによって前記熱橋の前記横方向配置に前記所定の閾値レベル未満の熱的緩和時間を与える、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
4. 前記熱橋は、組み立てられたときに前記ヒートシンク装置と前記ＰＶＳパネルの前記裏面との間に配置される熱伝導材料のストリップまたはパッチとして配置され、前記ストリップまたはパッチの前記材料は、前記所定の閾値レベル未満の前記熱的緩和時間を与える熱伝導能力を提供する、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
5. 前記ストリップまたはパッチがカーボン紙から作られている、請求項４に記載のＰＶＳパネル。
6. 前記ストリップまたはパッチが熱可塑性二つ折り用紙から作られている、請求項４に記載のＰＶＳパネル。
7. 前記ストリップまたはパッチが熱伝導性接着性材料から作られている、請求項４に記載のＰＶＳパネル。
8. 前記熱橋は、前記ＰＶＳパネルの外周を包囲するフレームとして配置され、前記フレームは、前記所定の閾値レベル未満の前記熱的緩和時間を与える熱伝導材料を含む、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
9. 前記熱橋は、当該ＰＶＳパネルの利用のために当該ＰＶＳパネルをある位置に実装するときに使用される支持外部構造の横方向部分として配置される、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
10. 前記緩和時間の前記所定の閾値レベルは、前記冷却フィンアセンブリが前記パネルの前記裏面に取り付けられているとき、当該ＰＶＳパネルを冷却するのに使用される実際の前記冷却フィンアセンブリの横方向メートル当たりの横方向熱伝達の経過時間として定義され、当該ＰＶＳパネルは標準検査条件下で動作する、請求項１に記載のＰＶＳパネル。
11. 前記緩和時間閾値は、前記熱橋の両端のそれぞれに位置する２つの遠位点の温度をもたらす際の前記経過時間として定義され、前記温度は、標準検査条件下で太陽に対向する当該ＰＶＳパネルの表面上で測定される、請求項１に記載のＰＶＳパネル。

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