JP2012004261A - 太陽電池モジュールの構造体および設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲で十分な接着性とコスト面の両方を実現した太陽電池モジュールの構造体および設置方法を提供する。
【解決手段】支持体に太陽電池モジュールを接着材により取り付けて構成される太陽電池モジュールの構造体において、温度特性の異なる粘着シートを少なくとも２つ以上組み合わせて用いることにより、広い温度範囲で剥がれない、剥離強度を有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールの屋根、壁などの支持体への接合に関するものであり、その接合を安価な接着材を用いることを特徴とする、太陽電池モジュールの構造体と設置方法に関するものである。

太陽電池モジュールを屋外に設置して電力を得るには、建築物、架台などの構造物に固定する必要がある。そのためには太陽電池モジュールを構造物の一部である金属板、樹脂シート、タイル、木板、コンクリートなどの支持体に取り付ける方法がある。

ガラス板を用いた例えば、シリコン単結晶型の太陽電池では、フレームや架台など、ガラスの重量に耐える設置方法が必要であったが、アモルファスシリコンなどを用いた薄膜タイプでは、ポリマーフィルムにて封止されたフレキシブルタイプは必ずしも大掛かりな架台やフレームは必要ない。これらのタイプはむしろ軽さを生かした設置が求められている。

従来のフレキシブル太陽電池モジュールの取り付け方法として、接着材により設置することが示されている。
例えば、下記の特許文献１では、太陽電池が両面テープにて金属屋根と接着し、両面テープの配置を水分や湿度が浸入しないような配置としている。
特許文献２では、横葺きの屋根に関して、耐水性を有する両面テープ又は接着剤で太陽電池を固定し、水抜きの細工が施されたテープを使用することが開示されている。

特開平６−８５３０６号公報 特開２００５−２１３９２６号公報

フレキシブル太陽電池モジュールの場合、軽さを生かした設置として、上述のような接着によるものは、施工の簡易性からみて非常に利点のあるものであることは周知の事実である。

しかしながら、市販の両面テープにおいては、太陽電池モジュールと支持体との接着性と材料コストの両方を満足させるものではなかった。一般的に両面粘着テープは、フォームと呼ばれる発泡ポリエチレン、発泡ポリウレタン、発砲アクリルなど発泡系の芯材の両面に粘着層を有しており、幅が数十ｍｍ程度に裁断され、はく離紙で巻き取られている。
図６に、従来の太陽電池モジュールの背面に配置した粘着シートの模式図を、図７に、従来技術により得られるフレキシブル太陽電池モジュールを支持体に貼り付けた場合の、太陽電池モジュール構造体断面の模式図を示す。

接着性を有するシート状の材料２は、太陽電池モジュール１と支持体３との熱膨張率の違いに由来する寸法変化差や、フレキシブルな太陽電池モジュール１と支持体３を合わせた構造体を変形させる際に生じる歪などを吸収して接着界面の破壊を回避するために、適度な弾性が求められる。一般に高分子からなる接着材は低温になると分子運動が鈍くなり硬く、ガラス状になる。この場合、接着材に必要な柔軟さは消失し、通常、変形で接着性を持たせていた機能がなくなってしまい、太陽電池モジュール１と接着材、または支持体３と接着材の界面で、瞬間はく離をする現象が起こりやすくなる。「瞬間はく離」とは、接着材が温度の影響により貯蔵弾性率が高くなる、すなわち、接着材がガラス状になり硬くなることにより、衝撃等のきっかけによって、一度に大きな面積ではく離がおきることを示す。
また、高温では、粘性が増し、飴状となり太陽電池モジュール１や支持体３が動くと、接着材は変形を起こすが元に戻る弾性はないため、凝集破壊と呼ばれる接着材内部での破壊を示す。従って、変形に対する復元力を持たせるためには、太陽電池モジュール１の使用温度範囲にてゴム弾性を示すことが重要である。太陽電池モジュール１と支持体３を接着した構造体に要求される温度範囲は−２０℃から８５℃と広いものであり、これらを一つの材料で長期間接着性を満足させる材料は見当たらなかった。
一方、シリコーンに代表される湿気硬化型、エポキシ樹脂に代表される反応硬化型の接着剤は、幅広い温度範囲で安定な接着性を有するが、価格面および施工面で問題を抱える場合が多い。特に２液タイプの場合、混合比の調整など熟練の作業を要する場合が多かった。
また、特許文献１では両面テープの貼り方のひとつとして挙げることができるが、太陽電池の面積に対して両面テープの設置面積が少なく、また太陽電池の角部に両面テープが取り付けられていないため、十分な接着強度を得られない可能性があり、且つ、強風により角部からのはく離を防げないことが懸念される。

特許文献２も、両面テープによる接着であるが、太陽電池の面積に比べて両面テープ面積が少ない。また、水抜きについても本来、テープを角部に配置すべきところを欠くことにより実現しており、角部に対する配慮がなされていない。

これらの問題点に関して、本発明では、低コストの粘着シートを利用し、その特性を生かした太陽電池モジュールと支持体の貼り付けを行い、広い温度範囲で十分な接着性とコスト面の両方を実現した太陽電池モジュールの構造体および設置方法を提供することを目的とする。

本発明では、この目的の達成のために、金属板、樹脂シート、タイル、木板、コンクリートなどの支持体にフレキシブル太陽電池モジュールを接着による方法で取り付けて構成される太陽電池モジュールの構造体において、支持体へのフレキシブル太陽電池モジュールの取り付けを、接着性を有する接着材により行ない、かつ、弾性率の温度特性が異なる少なくとも２つ以上の接着材を配置し、接合することを特徴とする。
接着材は、感圧型粘着シートであり、太陽電池モジュールの構造体に要求される温度範囲−２０℃から８５℃の温度領域において、前記複数の接着材の少なくともいずれか１つが、貯蔵弾性率が０.００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａを示すことを特徴とする。
また、太陽電池モジュールの角部からの剥離を防ぐため、背面側の少なくとも角部に、他の部分に配置した粘着シートよりも相対的に低温においてゴム弾性領域を示す粘着シートを配置する。

本発明により、幅広い温度範囲で角部からのはく離がなく、且つ、太陽電池モジュールの位置ずれを発生しない、フレキシブル太陽電池モジュールと支持体との接着が実現できた。

本発明、実施例１におけるフレキシブル太陽電池モジュールの背面に配置した粘着シートの模式図である。 本発明における図１のモジュールの、Ａ-Ａ’断面の模式図である。 本発明における支持体に貼り付けた場合の、太陽電池モジュール構造体断面の模式図である。 実施例２におけるフレキシブル太陽電池モジュールの背面に配置した粘着シートの模式図である。 実施例３におけるフレキシブル太陽電池モジュールの背面に配置した粘着シートの模式図である 従来技術により得られるフレキシブル太陽電池モジュールの背面に配置した粘着シートの模式図である。 従来技術により得られるフレキシブル太陽電池モジュールを支持体に貼り付けた場合の、太陽電池モジュール構造体断面の模式図である。

以下、本発明の最良の形態を説明する。
図１〜図３は本発明の実施によって得られるフレキシブル太陽電池モジュールの粘着シートの配置図、断面図、支持体に貼り付けた断面図である。
ここで、フレキシブル太陽電池モジュール１と支持体３との間には粘着機能を有するシート状の接着材２ａおよび２ｂを配し、太陽電池モジュール積層構造体を構成している。太陽電池モジュール１の内部には太陽電池素子４が熱ラミネートにより内包されている。

粘着機能を有するシート状の材料２ａおよび２ｂは、太陽電池モジュール１と支持体２との間に隙間なく配置され、太陽電池モジュールの角部に配置された低温対応型粘着シート２ａは、高温対応型粘着シート２ｂに比べて、相対的に低温領域においてゴム弾性領域を示す。ここで、太陽電池モジュールの構造体に要求される温度範囲−２０℃から８５℃の温度領域において、粘着機能を有するシート状の材料２ａおよび２ｂの少なくともいずれか１つは、貯蔵弾性率が０.００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａを示している。
低温対応粘着剤２ａは、主に低温領域にてガラス状になりにくく、ゴム弾性を示すことを特徴としている。具体的には−３０℃〜７０℃、望ましくは−２０℃〜６０℃、にて貯蔵弾性率が０．００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａ、より好ましくは０．０１ＭＰａ〜１．０ＭＰａが良い。

高温対応粘着剤２ｂは、主に高温領域にて飴状になりにくく、ゴム弾性を示すことを特徴としている。具体的には、−１０℃〜１００℃、望ましくは０℃〜９０℃にて貯蔵弾性率が０.００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａ、より好ましくは０．０１ＭＰａ〜１．０ＭＰａが良い。

図１の形態において、低温対応粘着シート２ａを周囲に配置することにより、太陽電池モジュール１の外周部および角部からの低温にて粘着剤がガラス状になることによる瞬間はく離を防止できる。ここで、「瞬間はく離」とは、接着材が温度の影響により貯蔵弾性率が高くなる、すなわち、接着材がガラス状になり硬くなることにより、衝撃等のきっかけによって一度に、大きな面積ではく離がおきることを示す。
低温時の場合、低温対応粘着剤２ａにより周囲からのはく離を防止できるため、内部は高温対応粘着シート２ｂを配置しておいても問題はない。
一方、高温時は、周囲に配置した低温対応粘着シート２ａは粘性を帯びるため「瞬間はく離」は起こらない。また、内部に配した高温対応粘着シート２ｂにより、接着材の凝集破壊による太陽電池モジュールの位置ずれを防止できるため、周囲の低温対応粘着シート２ａに太陽電池モジュールの位置ずれは起きず、形態を保持できる。
太陽電池モジュール１は、背面と呼ばれる接着面側の素材にはポリエチレン、エチレン‐酢酸ビニル共重合体、フッ素系樹脂、ポリエステル樹脂などの高分子材料、または金属が使用できる。

支持体３は剛体でもフレキシブルなものでもよく、金属板、樹脂シート、タイル、木板、コンクリートなどが使用できる。これらはその主たる素材以外の素材で表面が被服されているものであっても構わない。

太陽電池モジュール１、支持体３ともに、接着性を有するシート状の材料２ａおよび２ｂとの接着力を高めるためにその表面にコロナ放電、プラズマなどによる表面処理を施したり、プライマーの塗布をしたりすることができる。

接着性を有するシート状の材料２ａおよび２ｂには感圧型粘着シートが使用できる。ブチルゴム系、発泡アクリル系、溶剤乾燥型アクリル系、発泡ポリエチレン系、発泡ポリウレタン系などのものが使用できるが、シート状の安価なものとなると、ブチルゴム系が望ましい。

実施例と比較例をあげて本発明をさらに説明する。
太陽電池モジュール積層体に要求される温度範囲は−２０〜８５℃である。設置環境などに基づいて需要者側が設定した接着強度に関する目標値は、はく離強度で１．２Ｎ/ｃｍ^２，せん断強度で３．０N／ｃｍ^２である。

（実施例１）
最良の形態である図１〜図３を実施例１として説明する。
太陽電池モジュールには厚さ０．８５ｍｍのフレキシブルタイプのものを使用した。接着面側の素材はエチレン‐四フッ化エチレン共重合体で、その表面はプラズマ処理されている。支持体には厚さ２．０ｍｍのフッ素塗装ガルバリウム鋼板を使用した。
接着性を有する材料には厚さ０．６ｍｍのシート状発泡ブチルゴム感圧型粘着シートを使用した。
低温対応型ブチルゴム粘着シートは、−２０〜７０℃にて貯蔵弾性率が０．００１〜１．０ＭＰａを示し、はく離強度で１．２Ｎ/ｃｍ，せん断強度で３．０N／ｃｍ^２を満たす。
高温対応型ブチルゴム粘着シートは０〜９０℃にて貯蔵弾性率が０．００１〜１．０ＭＰａを示し、はく離強度で１．３〜８．０Ｎ/ｃｍ^２，せん断強度で３．２〜２０．０N／ｃｍ^２ であり、目標数値であるはく離強度で１．２Ｎ/ｃｍ^２，せん断強度で３．０N／ｃｍ^２を満たす。

太陽電池モジュール１の寸法は長さ２０００ｍｍ、幅５００ｍｍである。
まず、太陽電池モジュールの背面にあたるエチレン‐四フッ化エチレン共重合体面に、図１に示すように、ブチルゴム粘着シートを配置する。低温対応型粘着シートの幅は２０〜５０ｍｍが望ましい。
粘着シートはスキージと呼ばれるポリプロピレンなどを素材としたヘラで十分にモジュール背面へ押し当て、空気が入らないように貼り付けられる。
その後、粘着シートのはく離紙を剥がし、支持体であるフッ素塗装ガルバリウム鋼板に２５ｋｇの転圧ローラーで、内部に空気が入って浮いた部分が無いように、目視で押し残しが無いように押圧した。
室温にて３日以上放置して養生した後、設置角度３０°にて屋外曝露試験（南向き）に掛けた。今回は、室内にて養生したが、室外にて養生しても問題は無い。

（実施例２）
太陽電池モジュール１および支持体３は実施例１と同じものを使用した。
太陽電池モジュール１の背面へのブチルゴム粘着シートの配置を図４に示す。

粘着シートの貼付け、養生、屋外曝露試験は実施例１と同じである。
（実施例３）
太陽電池モジュール１および支持体３は実施例１と同じものを使用した。

太陽電池モジュール１の背面へのブチルゴム粘着シートの配置を図５に示す。
粘着シートの貼付け、養生、屋外曝露試験は実施例１と同じである。
（比較例１）
比較例として、従来の単独の低温対応型粘着シートを用いていた例を示す。
太陽電池モジュール１および支持体３は実施例１と同じものを使用した。

太陽電池モジュール１の背面へのブチルゴム粘着シートの配置を図６（a）に示す。
粘着シートの貼付け、養生、屋外曝露試験は実施例１と同じである。
（比較例２）
比較例として、従来の単独の高温対応型粘着シートを用いていた例を示す。
太陽電池モジュールおよび支持体は実施例１と同じものを使用した。

太陽電池モジュール背面へのブチルゴム粘着シートの配置を図６（ｂ）に示す。
粘着シートの貼付け、養生、屋外曝露試験は実施例１と同じである。
実施例１〜３および比較例１〜２における屋外曝露試験１年後のモジュールの位置ずれ量と、粘着シートの角部の剥がれ目視観察を行った結果を表１にまとめる。

屋外暴露試験の結果、実施例１と実施例２の太陽電池モジュールの構造体は、太陽電池モジュールの位置ずれがなく、角部の剥がれも無かった。実施例３の太陽電池モジュールの構造体は、角部の剥がれは無かった。太陽電池モジュールの位置が、初期からずれていたが、位置ずれの量は1ｍｍ以下であった。太陽電池モジュールの初期からの位置ずれの許容範囲は５ｍｍ以下であるため、継続して使用可能な範囲であった。
比較例１は、全面を低温対応型粘着シートで接着したため、角部の剥がれが無かったが、太陽電池モジュールの位置が初期から１０ｍｍ移動していたため、継続使用不可能と判断した。
比較例２は、全面を高温対応型粘着シートで接着したため、太陽電池モジュールの初期からの位置ずれはなかったが、太陽電池モジュールの角部の剥がれが観察され、継続使用不可能であった。

１ 太陽電池モジュール
２ 粘着機能を有するシート状の材料
２ａ 粘着機能を有するシート状の材料 低温対応型粘着シート
２ｂ 粘着機能を有するシート状の材料 高温対応型粘着シート
３ 支持体
４ 太陽電池素子

Claims (10)

1. 太陽電池モジュールと支持体とを接合させる構造において、
   前記支持体への前記太陽電池モジュールの取り付けを、接着性を有する接着材により行ない、かつ、接着材は弾性率の温度特性が異なる、少なくとも２つ以上の接着材を配置し、接合することを特徴とする、太陽電池モジュールの構造体。
   
2. 前記接着材は、感圧型粘着シートであ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の構造体。
   
3. 前記接着材は、−２０℃から８５℃の温度領域において、前記複数の接着材の少なくともいずれか１つが、貯蔵弾性率が０.００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａを示すことを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の太陽電池モジュールの構造体。
   
4. 太陽電池モジュールの少なくとも背面側角部に、他の部分に設置した粘着シートよりも、相対的に低温においてゴム弾性領域を示す粘着シートを配置することを特徴とする、請求項１から３のいずれか少なくとも一つに記載の太陽電池モジュールの構造体。
   
5. 前記支持体は、金属板、樹脂シート、タイル、木板、コンクリートなどであ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の構造体。
   
6. 太陽電池モジュールと支持体とを接合させる構造において、
   前記支持体への前記太陽電池モジュールの取り付けを、接着性を有する接着材により行ない、かつ、接着材は弾性率の温度特性が異なる、少なくとも２つ以上の接着材を配置し、接合することを特徴とする、太陽電池モジュールの設置方法。
   
7. 前記接着材は、感圧型粘着シートであることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池モジュールの設置方法。
   
8. 前記接着材は、−２０℃から８５℃の温度領域において、前記複数の接着材の少なくともいずれか１つが、貯蔵弾性率が０.００１ＭＰａ〜１.０ＭＰａを示すことを特徴とする、請求項６または請求項７のいずれかに記載の太陽電池モジュールの設置方法。
   
9. 太陽電池モジュールの少なくとも背面側角部に、他の部分に設置した粘着シートよりも相対的に低温においてゴム弾性領域を示す粘着シートを配置することを特徴とする、請求項６から８のいずれか少なくとも一つに記載の太陽電池モジュールの設置方法。
   
10. 前記支持体は、金属板、樹脂シート、タイル、木板、コンクリートなどであることを特徴とする、請求項６に記載の太陽電池モジュールの設置方法。