JP2012094844A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】風害を抑え、低コストで設置が可能な太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】支持基板と、複数の第１のセルと、複数の第２のセルと、を有し、第１のセルは支持基板に対して角度ａをなして設置され、第２のセルは第１のセルに対して角度ｂをなし、かつ、第２のセルは支持基板に対して角度ａ＋角度ｂをなして設置され、第１のセルと第２のセルは、それぞれの受光面が向き合うように設置された太陽電池モジュールである。該モジュールは、発電能力を損なうことなく、平地に対して略水平に設置することができる。
【選択図】図１

Description

低コストで設置が可能な太陽電池モジュールに関する。

近年、地球温暖化対策として、発電時に二酸化炭素の排出の無い太陽電池が注目されている。太陽電池の発電量は太陽光の照度に依存するため、太陽電池モジュールは、年間を通しての発電量が最大となるような傾斜角をつけて設置されるのが一般的である。または、太陽高度が低い季節における発電量が最大となるような傾斜角をつけて設置することもある。

発電量を向上させるには、太陽電池モジュールに太陽光ができるだけ垂直に照射されるように設置することが望ましい。例えば、北緯が３０°乃至４０°の地域では、方位角が０°（南向き）、傾斜角が２０°乃至４０°になるように太陽電池モジュールを設置すると良い。

上記の様な適切な傾斜角をつけて太陽電池モジュールを設置するには架台が必要となる。傾斜角を有する太陽電池モジュールは、様々な方向から風を受けることになるため、架台は強風に耐えうるように強固でなければならない。架台の強度が十分でない場合には、太陽電池モジュールが強風で飛ばされる、または位置がずれるなどの風害が起きやすくなる。

風害を抑える手段として、架台の脚部の周囲を保護板で覆い、風圧力を分散する軽量な架台を構成する方法が特許文献１に開示されている。また、先端にかえしを有する矢じり部を設けた杭を地中に打ち込み、その杭に架台を固定することで風圧力による太陽電池モジュールの引き抜きを防止させる方法が特許文献２に開示されている。

特開平０８─２７４３６４号公報 特開平０５─３３３５号公報

しかしながら、上記のような対策を取ったとしても、太陽電池モジュールは、設置する国の法令で定められた風圧力に耐えうるように設置しなければならず、強固な架台を必要とすることに変わりはない。

太陽光発電システムの構築コスト全体に対して、架台及び工事費が占める割合は、太陽電池モジュールと同等、またはそれ以上となっており、太陽光発電の普及を妨げる一要因となっている。したがって、十分なコスト削減を伴える風害対策が望まれている。

したがって、本発明の一態様は、風害を抑え、低コストで設置が可能な太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

本明細書で開示する本発明の一態様は、発電能力を損なうことなく、平地に対して略水平に設置できる太陽電池モジュールに関する。

本明細書で開示する本発明の一態様は、支持基板と、複数の第１のセルと、複数の第２のセルと、を有し、第１のセルの下面は支持基板の上面に対して角度ａをなして設置され、第２のセルの下面は第１のセルの下面に対して角度ｂをなし、かつ、第２のセルの下面は支持基板の上面に対して角度ａ＋角度ｂをなして設置され、第１のセルと第２のセルは、それぞれの受光面が向き合うように設置されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

本明細書において「第１」、「第２」等の数詞の付く用語は、要素を区別するために便宜的に付与しているものであり、数的に限定するものではなく、また配置及び段階の順序を限定するものでもない。

上記角度ａは、３０°以上６０°以下であることが好ましい。また、角度ｂは、６０°以上７０°以下であることが好ましい。第１のセルと第２のセルのそれぞれの受光面が角度ｂをなして、向き合って設置されていることで、一方のセルの受光面で反射した入射光が他方のセルの受光面に入射し、反射光が有効に利用されることから発電量を増加させることができる。

また、第１のセルと第２のセルは電気的に並列接続することが好ましい。セルの発電量が第１のセルと第２のセルで異なる場合があるため、直列接続すると一方が抵抗となり、電力を損失することがある。

また上記のように構成した太陽電池モジュールは、地面と略並行な設置面に対して、傾斜角０°以上１０°未満で設置することが好ましい。このような角度で設置することで、風を受ける面積を減少させることができ、太陽電池モジュールが受ける風害を極力抑えることができる。

また、上記のように本発明の一態様における太陽電池モジュールは、その内部でセルが支持基板に対して角度をなして設置され、太陽光を効率良く取り込むことができる。したがって、平地に略水平に設置しても太陽電池モジュールに傾斜角を設けて設置する場合と同等以上の発電量を得ることができる。

本発明の一態様によって、太陽電池モジュールに対する風害を抑え、設置コストの低い太陽光発電システムを提供することができる。

太陽電池モジュールを説明する平面図及び断面図。 セル表面での光の反射を説明する断面図。 太陽電池モジュールの設置形態を説明する断面図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。また、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。

本実施の形態では、本発明の一態様である太陽電池モジュールの構造、及びその設置形態について説明する。

なお、本明細書において、「セル」とは太陽電池単体のことを言い、「モジュール」とは支持基板と保護基板との間で固定された複数のセルが電気的に接続されている状態のものを言う。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の一態様における太陽電池モジュールの平面図及び断面図の一例である。図１（Ａ）の線Ｘ−Ｙにおける断面図が図１（Ｂ）に相当する。本実施の形態における太陽電池モジュール１００は、支持基板１７０、セルの固定台１５０、第１のセル１１０ａ、１１０ｂ、第２のセル１２０ａ、１２０ｂ、第３のセル１３０、第４のセル１４０、封止樹脂１６０、保護基板１８０を含んで構成される。なお、第３のセル１３０、第４のセル１４０、封止樹脂１６０は省いても良い。また、太陽電池モジュールの構造を強化し、架台に据え付けるためのフレームは図示していない。

支持基板１７０には、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）などのシートを用いることができる。更にそれらにシリカなどの無機膜を形成したシートを用いるとガスバリア性が向上し、水蒸気などによるセルの劣化を抑えることができる。

セルの固定台１５０は三角柱状であり、その側面の１つが支持基板１７０側に固定され、他の側面にセルが固定される。セルの固定台１５０は中空とすることもでき、内部にバッテリーやＤＣ−ＤＣコンバータを入れることもできる。なお、図１では、セルの固定台１５０を３つ用いた例を示しているが、セルの固定台１５０の数は任意であり、実施者が決定すれば良い。また、セルの固定台１５０は箱状のものに限らず、板を階段状に折り曲げたもの、支持基板１７０の上部を切削加工したものであっても良い。

セルの材料は特に限定されず、単結晶シリコン、多結晶シリコン、またはアモルファスシリコンなどのシリコン系材料、カドミウムテルル（ＣｄＴｅ）またはＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２）などの化合物半導体材料で形成された太陽電池を用いることができる。なお、図１（Ａ）では、セルの固定台１５０の一側面に５枚のセルを設けた例を示しているが、枚数は任意であり、実施者が決定すれば良い。なお、薄膜系の太陽電池を用いる場合は、セルの固定台１５０の一側面に集積化された一つのサブモジュールを固定しても良い。

図示した通り、セルの固定台１５０が３つ隣接して設置してある場合について説明すると、右側のセルの固定台の一方の側面には第１のセル１１０ａ、他方の側面には第３のセル１３０が固定される。中央のセルの固定台の一方の側面には第１のセル１１０ｂ、他方の側面には第２のセル１２０ｂが固定される。左側のセルの固定台の一方の側面には第４のセル１４０、他方の側面には第２のセル１２０ｂが固定される。

このようにして、第１のセル１１０ａと第２のセル１２０ａ、第１のセル１１０ｂと第２のセル１２０ｂのそれぞれは、Ｖ字型に向かい合って固定される。なお、第１のセル１１０ａ、１１０ｂは支持基板１７０に対して３０°以上６０°以下の角度ａをなして固定されることが好ましい。また、第２のセル１２０ａ、１２０ｂは、第１のセル１１０ａ、１１０ｂに対して６０°以上７０°以下の角度ｂをなして固定されることが好ましい。角度ａ及び角度ｂの詳細については、後述するモジュールの効果とともに説明する。

ここで、第１のセル１１０ａ、１１０ｂと第２のセル１２０ａ、１２０ｂのそれぞれは、サイズが異なっていても良く、セルの固定台１５０の側面に合わせたサイズのセルを用いれば良い。もちろん、同じサイズのセルを用いても良い。

なお、面積や太陽光の入射角が異なるようなセルは発電量が異なるため、これらを直列接続すると一方が抵抗となり、発電した電力を損失することがある。したがって、第１のセル１１０ａ、１１０ｂと第２のセル１２０ａ、１２０ｂは並列接続することが好ましい。例えば、図１（Ａ）に示す縦方向１列のセルを直列接続とし、それらを並列接続する構成を採用しても良い。なお、並列接続にはＤＣ−ＤＣコンバータを介する接続も含まれる。

セルの上部には封止樹脂１６０及び保護基板１８０が形成される。封止樹脂１６０にはＥＶＡ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｖｉｎｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）やシリコーン樹脂、保護基板１８０には、白板ガラスなどのガラス基板や耐候性の樹脂基板などを用いればよい。封止樹脂１６０には保護基板１８０と屈折率が近い材料を用いることで、モジュールの構成材料界面での光反射による損失を抑えることができる。なお、保護基板１８０は支持基板１７０と略並行になる構成とすることで、太陽電池モジュール表面が平滑となり、ゴミなどの堆積などによる変換効率の低下を防ぐことができる。

次に、太陽電池モジュール１００の構成の効果について説明する。

太陽電池モジュール１００の構成では、三角柱のセルの固定台側面にセルが固定されているため、支持基板１７０上の平面にセルを固定するよりも受光面積を増加させることができる。例えば、角度ａ、角度ｂが６０°であった場合、１枚のセルを設置するために支持基板が必要とする実効的な面積は、支持基板１７０上の平面に設置する場合と比べて約１／２となる。したがって、太陽電池モジュール１００は、従来の太陽電池モジュールに対して単位面積あたり約２倍の受光面を有する構成となる。ただし、セルの受光量も約１／２となるため、計算上のモジュール変換効率はほとんど変化しない。

しかしながら、図２に示すように、光３００がセルに照射されると、セルの表面でその一部が反射し、向かい合うセルに照射される。この反射光が発電に有効に利用されるため、従来の平面に設置するよりもモジュール変換効率を向上させることができる。なお、図２においては、図面を明確にするために封止樹脂１６０及び保護基板１８０は省いて図示してある。

ここで、第１のセルと第２のセルがなす角度ｂは、６０°以上７０°以下であることが好ましい。このようなセルがＶ字型に設置されている構成において光３００が適切な角度から入射されると、図示したように反射光が向かい合うセルに対して垂直に近くなるため、再反射する光の量が少なく、光の利用効率が向上する。なお、表面にテクスチャ構造が形成されたセルを用いれば、更に光の利用効率が向上し、発電量を増加させることができる。

実際に単結晶シリコンで作製した５インチ角のセル（表面テクスチャなし）を角度ａ＝角度ｂ＝６０°になるように支持基板上に設置し、支持基板に対して垂直に光を照射した場合、平面に設置したものに比べて変換効率が２％増加することが確かめられている。

このように、本発明の一態様は、Ｖ字型に設置されている一対のセルの構成において、一方のセルの反射光を直接他方のセルの光電変換に利用することを特徴の一つとしている。従来の平面にセルを設置するモジュールでは、一つのセルの反射光が保護基板などで反射され、別のセルに照射されることはあるが、反射光の減衰率が大きく、光電変換にはほとんど寄与しない。

ここで、上記のように太陽電池モジュール１００の変換効率を向上させるには、モジュールの設置方向や光３００の照射方向を適切にする必要がある。

まず、モジュールの設置方向は、図１のＸ−Ｙ方向を南北またはその逆とすることが好ましい。このような方向に設置することで、例えば南中時に図２のような角度で光３００がモジュールに照射される場合は、日の出や日の入り近くの太陽高度が低い場合でもセルに陰が生じることはなく、高い発電量を得ることができる。一方で、Ｘ−Ｙ方向を東西またはその逆とした場合は、太陽高度が高い時間帯は問題無いが、太陽高度が低い場合には三角柱型のセルの固定台１５０で生じる陰がセルに及ぶため、発電量が極端に低下してしまう。

モジュールに対する光の照射方向の制御は、セルの固定台１５０の角度ａを制御することで行う。角度ａを制御することでセルに照射される光の角度を制御できるため、モジュールを傾斜させずに設置することができる。

角度ａは、モジュールを設置する地点の緯度や季節によって適切な値が異なるため、その時点での南中高度を考慮し決定すれば良い。ただし、３０°未満とした場合は、第１のセルと第２のセルのサイズが大きく異なるため、上記反射光の効果が十分でなくなってしまう。したがって、角度ａは、３０°以上６０°以下とすることが好ましい。また、わずかにモジュールを傾斜（１０°未満）させて角度ａを補うこともできる。

このように、太陽電池モジュール１００は、傾斜角が０°以上１０°未満のほとんど傾きのない状態で架台に設置することにより、発電量を増大させることのできる構成となっている。

図３（Ａ）に示すように、従来の太陽電池モジュール２００は、発電量を増大させるために架台２１０に搭載して傾けて設置するため、風の当たる面積が大きく、風害を受ける可能性が高まる。なお、架台には基礎や土台が含まれない場合もあるが、ここでは太陽電池モジュールを設置するための支持具を架台と表現する。

風４００が太陽電池モジュール２００の裏側から入ると、モジュールを持ち上げる力５００が発生するため、モジュールが飛ばされる場合や架台が破損する場合がある。そのため、従来の太陽電池モジュール２００の設置には、風害防止に強固な架台を必要とした。

一方、本発明の一態様の太陽電池モジュール１００は、発電量を低下させることなく、平地に対して略水平に設置することができるため、図３（Ｂ）に示すように風を受ける面積は小さくなり、モジュールを持ち上げる力が発生しにくい。したがって、太陽電池モジュール１００の設置には、少なくともモジュールを傾斜させて設置するための強固で高価な架台は不要であり、モジュールを地面と略並行に設置するための安価な架台２２０を用いれば良い。

以上説明した通り、太陽電池モジュール１００を用いることで、設置コストが低く、設置する国の法令で定められた風圧力に耐えうる風害に強い太陽光発電システムを構築することができる。

１００ 太陽電池モジュール
１１０ａ 第１のセル
１１０ｂ 第１のセル
１２０ａ 第２のセル
１２０ｂ 第２のセル
１３０ 第３のセル
１４０ 第４のセル
１５０ 固定台
１６０ 封止樹脂
１７０ 支持基板
１８０ 保護基板
２００ 太陽電池モジュール
２１０ 架台
２２０ 架台
３００ 光
４００ 風
５００ 力

Claims (6)

1. 支持基板と、
   複数の第１のセルと、
   複数の第２のセルと、
   保護基板と、
   を有し、
   前記第１のセルの下面は前記支持基板の上面に対して角度ａをなして設置され、
   前記第２のセルの下面は前記第１のセルの下面に対して角度ｂをなし、かつ、前記第２のセルの下面は前記支持基板の上面に対して角度ａ＋角度ｂをなして設置され、、
   前記第１のセルと前記第２のセルは、それぞれの受光面が向き合うように設置されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 請求項１において、前記角度ａは、３０°以上６０°以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 請求項１または２において、前記角度ｂは、６０°以上７０°以下であることを特徴とする太陽電池モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、前記第１のセルと前記第２のセルは電気的に並列接続されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記支持基板と前記保護基板は略並行であることを特徴とする太陽電池モジュール。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の太陽電池モジュールを傾斜角０°以上１０°未満で設置することを特徴とする太陽光発電システム。

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