JP2013105786A - 太陽光発電モジュール、太陽光発電パネル、および太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 支持体11と、支持体上で発電素子を保持するフレキシブルプリント配線板10とを備え、フレキシブルプリント配線板が、絶縁をとるための絶縁基材層1b、および、絶縁基材層に固着されて発電素子を直列に接続する金属層からなる導電層パターン1a、を有し、少なくとも導電層パターンの端縁に沿って、当該端縁と絶縁基材層との段差を埋めるように被覆する絶縁破壊防止膜3を備えることを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
直列接続された発電素子を載置する導電層パターン全体のどこか一箇所でも絶縁破壊が生じると、電圧が立ち上がらなくなり、発電装置として機能しなくなる。
なお、支持体は、フレキシブルプリント配線板を配置するために平面状の底板を有するものであれば、どのような形態であってもよく、たとえば平板、上面があいた偏平な直方体、などであってよい。材料も何であってもよい。支持体とフレキシブルプリント配線板との間に保護シートなどが介在していてもよい。
直列接続された発電素子によって後段ほど高電位になるが、絶縁破壊防止膜は、所定の電位以上になる領域に限って、上記の形態で配置してもよいし、電位に関係なく全領域に配置してもよい。
絶縁破壊防止膜は、上記の(E1)の場合、さらに、直流電圧または静電圧だけでなく、雷などのサージ電圧に対しても、絶縁破壊を防止するのに貢献することができる。
絶縁材料は、上述のように絶縁破壊電圧が高い。例を挙げると、たとえば絶縁性能が高いことで知られるポリエチレンテレフタレートでは、絶縁破壊電圧は300kV/mm、体積抵抗率は5×1018Ωcmである。このような絶縁材料は、主として上記の(E1)の働きにより、耐絶縁破壊性能を向上させることができる。(E1)の働きのうちには、部分放電を生じにくい作用も重要な要素として含まれる。絶縁材料は、樹脂でも、ガラス繊維でも、マイカ材料でも何でもよい。樹脂は、導電層パターンの端の段差を埋めるように配置するのに、取り扱いが容易であるので、好ましい。
また、抵抗体では、たとえば体積抵抗率が1kΩcm〜数十MΩcmの抵抗体を、導電層パターンの端縁から絶縁基材層にかけてその段差を埋めるように配置することで、局所的な高勾配の電位分布を、広い範囲にわたる緩和した勾配の電位分布に変えることができる。すなわち上記の(E2)の働きを主に作動させるものである。これによって、段差部の上部に位置する導電層パターンの角部に集中していた電気力線の分布を、角部の周辺部に分散させ、かつ電位勾配も緩くすることができる。これによって、耐絶縁破壊性能を向上することができる。抵抗体の材料は、適当な抵抗値を有するもので、導電層パターンの端の段差を埋めるように配置する上で取り扱いが容易な材料であれば何でもよい。たとえば、導電フィラー入り樹脂などを用いることができる。
上記のように広幅の絶縁破壊防止膜とすることで、導電層パターン/絶縁基材層の段差、および絶縁基材層/支持体の段差、の両方の段差を埋めることができる。このため、絶縁材料は上記(E1)の働き、抵抗体は(E2)の働きを、より確実に発揮することができる。この結果、耐絶縁破壊性能をより高くすることができる。
なお、上記の段差は、たとえば導電層パターンの端面と絶縁基材層の端面とがほとんど揃っている場合、(導電層パターン+絶縁基材層)の端面と、支持体との段差が埋められるように、絶縁破壊防止膜を配置することで、上記の働き(E1)または(E2)を得ることができる。
これによって、発電素子は導電層パターンによって直列接続され、後段に位置する導電層パターンの箇所ほど高電位となる。上記の絶縁破壊防止膜は、所定の電位以上の領域、または電位に関係なく全領域において、導電層パターンの端縁に沿って、当該端縁と絶縁基材層との段差を埋めるように被覆することができる。
なお、断続部は、連続部の端縁方向に直交するような矩形領域とは限らない。たとえば、一方の連続部の端縁から断続部を挟んで位置する相手側の連続部へと細く延びて、相手側はそれに応じて後退してL字状に凹み、その延びた連続部とL字状に凹んだ連続部との間のような形態(平面形状)であってもよい。また、そのような形態の断続部に逆流防止のダイオードが配置されていてもよい。ダイオードは、正常に発電している操業時には、両方の連続部を電気的に断続している。
また、断続部には、発電素子を設置するための設置部(台座、電極部など)が形成されていてもよい。設置部は、発電素子の一方の電極に導通されて一方側の連続部に導電接続する台座と、他方の電極に導通されて他方側の連続部に導電接続する電極部と、で構成される。これによって、膨大な数の発電素子の設置が非常に簡単になり、自動化なども可能になる。
発電素子付近に絶縁破壊防止膜を配置する場合、導電層パターンが途切れている断続部が存在するが、その断続部も含めて絶縁破壊防止膜を連続して配置する。これによって、絶縁破壊防止膜の配置の作業を能率よく行うことができ、かつ耐絶縁破壊性能を確実に高めることができる。
これによって、フレキシブルプリント配線板の製造における積層工程において、導電層パターンの端縁にのみ限定して絶縁破壊防止膜を配置するのは、比較的多くの工数を要する。これに対して、導電層パターンの両端縁も含めて全幅にわたって絶縁破壊防止膜を配置するのは、比較的簡単に実施できる。また、絶縁破壊防止という見地からも、全幅にわたって配置するほうが好ましい。とくに絶縁破壊防止膜を抵抗体で構成する場合に好ましい。
これによって、耐絶縁破壊性能に優れた太陽光パネルを得ることができるので、太陽光発電モジュールを多段に接続して、使用や蓄電が容易な電位の高い電力を得ることができる。
これによって、多段に直列接続された発電素子を含むフレキシブルプリント配線板を得ることができる。絶縁破壊防止膜は、フレキシブルプリント配線板という形態において配置されず、支持体を含む太陽光モジュールが完成する段階において配置される場合がある。すなわち太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板として製造されたあと、支持体を含む太陽光モジュールが完成する段階において、はじめて絶縁破壊防止膜が形成される場合がある。上記本発明の太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板は、そのような場合も含めた形態を示すものである。
これによって、支持体と関係なく、太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線それ自体において、絶縁破壊防止膜が配置されたものとして、支持体への取り付け時または取り付け後に、絶縁破壊防止膜の配置工程を省略することができる。
これによって、フレキシブルプリント配線板の製造における積層工程において、導電層パターンの端縁にのみ限定して絶縁破壊防止膜を配置するのは、比較的多くの工数を要する。これに対して、導電層パターンの両端縁も含めて全幅にわたって絶縁破壊防止膜を配置するのは、比較的簡単に実施できる。また、絶縁破壊防止という見地からも、全幅にわたって配置するほうが好ましい。とくに絶縁破壊防止膜を抵抗体で構成する場合に好ましい。
図1は、本発明の実施の形態1における太陽光発電モジュール50を示す図である。この太陽光発電モジュールは、集光型である。この太陽光発電モジュール50では、支持体である収容箱11の底面11bにフレキシブルプリント配線板10が、折り返し部1箇所で折り返しながら並行に、またはU字状に、配置されている。発電素子5は、フレキシブルプリント配線板10ごとに直列接続され、このあと説明するように最終的に高い電圧を出力する。図1のモジュールでは、比較的少ない数の発電素子が直列接続されているが、より多数の発電素子が直列接続され、高電位の導電層部分が生じる傾向にある。
収容箱11の側壁の上面にはフランジ部11fが形成されて、蓋状の集光板13がそのフランジ部11f当接して固定される。集光板13には、フレキシブルプリント配線板10に固定された発電素子5に位置を合わせたフレネルレンズ13fが形成されている。発電素子5ごとに1つのフレネルレンズ13fが設けられている。集光板13はガラス板を基材として、その裏面(内側)にシリコーン樹脂膜を形成したものを用いるのがよい。フレネルレンズ13fは、このシリコーン樹脂膜に形成される。収容箱11の側壁を貫通して外部へと太陽光発電モジュール50の出力を取り出すためのコネクタ14が設けられている。
図3は、太陽光発電モジュール50もしくはフレキシブルプリント配線板10の部分平面図である。図3に示す平面図では、導電層パターン1aは、絶縁膜3の下に位置するが、識別が容易であり間違えることがないので、すべて実線で示している。この点、斜視図である図2と相違する。図2では、直線が多く、識別を容易にするために下層に位置する導電層パターン1aに対して、破線を用いて区別を容易にした。また図4(a)は図3中のIVA−IVA線に沿う断面図である。
支持体の底面11bに接して絶縁基材層1bが固定され、その絶縁基材層1b上に導電層パターン1aが固着されている。そして、少なくとも導電層パターン1aの端縁を覆い、かつ導電層パターン1aと絶縁基材層1bとの段差を埋めるように、絶縁膜3が配置されている。絶縁膜3によって被覆されていない領域は、上述のように、開口部3hであり、発電部Gまたは導電層パターン1aの断続部Dの一部に対応している。開口部3hには、発電素子の設置部5a,5bが設けられ、この設置部の台座(電極部でもある)5bに底面電極を導通させながら図示しない発電素子が搭載される。対をなす電極のもう一方は電極部5aに導電接続される。この断絶部Dを挟んで、一方の導電層と、他方の導電層とは電気的に隔てられているが、逆流防止のためのダイオード6が橋渡しのように設けられている。
図4(b)の拡大図に示すように、導電層パターン1aの端縁と絶縁基材層1bとの段差に面する導電層の角部Kは、突状であり、電界集中が生じやすい。絶縁破壊を生じる放電は、高電位の導電層パターン1aの端縁、とくに絶縁基材層1bとの段差部に位置する角部K先端において発生する傾向が強い。絶縁破壊の形態には、一気に絶縁破壊が生じる場合、小規模の放電を持続させながら絶縁材料の劣化の末に完全に絶縁破壊する場合などがある。導電層パターン1aは発電素子を直列接続するので、直列段数が多くなると、非常に高い電位になる導電層パターン1aの部分が生じる。直列段の最終段に近い部分では、数百ボルトから数千ボルトに達する箇所も生じる。導電層パターン1aは、たとえば10μm〜30μm程度の厚みの絶縁基材層1bに固着されているので、絶縁基材層1bが間に介在するといっても支持体の底面11aとの距離は小さい。この結果、高電位の導電層パターンの端縁角部Kと支持体11aとの間で放電が発生し、絶縁破壊してしまう。
乾燥空気の直流的な絶縁破壊電圧は3MV・m−1(3kV/mm)である。20μmの厚みの絶縁基材層1bが介在したとして、乾燥空気の絶縁破壊電圧は300V/20μm(15kV/mm)程度と換算される。発電素子を直列接続する導電層パターン1aの所定の部分では、上記のような段数が大きい直列接続の最終段近くでは、何も対策をとらずに放置すれば絶縁破壊の可能性は低くはない。むしろ高いといえる。一気に絶縁破壊に進まなくても、部分放電が続いたあと何かのきっかけで絶縁破壊に至る場合も多い。
直列接続された発電素子を載置する導電層パターン全体のどこか一箇所でも絶縁破壊が生じると、電圧が立ち上がらなくなり、発電装置として機能しなくなる。
なお、支持体は、フレキシブルプリント配線板を配置するために平面状の底板を有するものであれば、どのような形態であってもよく、たとえば平板、上面があいた偏平な直方体、などであってよい。材料も何であってもよい。支持体とフレキシブルプリント配線板との間に保護シートなどが介在していてもよい。放熱性を確保する上では、アルミニウムなどの金属で形成されるのがよい。
直列接続された発電素子によって後段ほど高電位になるが、絶縁膜3は、所定の電位以上になる領域に限って、上記の形態で配置してもよいし、電位に関係なく全領域に配置してもよい。
なお、雷などの外部からのサージ電圧が印加された場合、上記の絶縁膜3は、無体策の場合に比べて、絶縁破壊防止に貢献することは言うまでもない。
また、導電層パターン1aの厚みは、たとえば2μm〜25μmの範囲にある。導電層パターン1aは、無電解めっき、電解めっき等を駆使して形成されており、無電解めっきやスパッタリングによるシード膜としてクロム膜、銅膜が0.05μm〜0.2μm積層され、そのあと電解めっきによってたとえば銅層が形成されている。
また、とくに絶縁破壊電圧が高い、ポリイミドカプトン(絶縁破壊電圧280kV/mm)、ポリエチレンテレフタレート(絶縁破壊電圧300kV/mm)、ポリサルフォン(絶縁破壊電圧300kV/mm)、ポリエーテル(絶縁破壊電圧100kV/mm)、四ふっ化エチレン−六ふっ化プロピレン共重合体(絶縁破壊電圧280kV/mm)などを用いてもよい。絶縁破壊電圧、体積抵抗率等は、JIS規格等に基づいて測定することができる。
絶縁膜3の厚みとしては、市販の絶縁テープの種類により、どのような厚みでもよい。たとえば10μm以上とするのがよい。より好ましくは導電層パターン1aの厚みより厚いほうが好ましく、20μm以上とすることもできる。
図5は、実施の形態1の変形例を示す太陽光発電モジュール50もしくはフレキシブルプリント配線板10を示し、(a)は平面図、(b)はVB−VB線に沿う断面図である。この変形例も、本発明の太陽光発電モジュール50もしくはフレキシブルプリント配線板10を例示するものである。この変形例では、絶縁膜3は、導電層パターン1aと絶縁基材層1bとの段差を埋めて、導電層パターン1aの幅中央を被覆していない。絶縁膜3の材料および厚みについては、実施の形態1での説明がそのまま当てはまる。
放電は、導電性パターン1aの端縁に集中して生じやすい。このため、図5(a),(b)に示す形態で絶縁膜を配置することで、絶縁破壊を実施の形態1の図3の場合と、同じレベルで防止することができる。この結果、耐絶縁破壊性能を確保した上で、たとえば絶縁テープを広幅から狭幅に変更することができ、たとえば絶縁テープのコストの低減を得ることができる。
図6は、本発明の実施の形態2における太陽光発電モジュール50もしくはフレキシブルプリント配線板10を示す図である。また、図7(a)は、図6におけるVIIA−VIIA線に沿う断面図である。そして図7(b)は、絶縁破壊防止膜がない場合の従来のものの対応する断面図である。
本実施の形態では、フレキシブルプリント配線板10は、帯状のフレキシブルプリント配線板本体の全幅を含み、支持体11の底面11bにまで至るように、絶縁破壊防止膜3が覆っている。この絶縁破壊防止膜3は、高抵抗体もしくは抵抗体で形成される。本実施の形態では、絶縁破壊防止膜3を抵抗体とするので、抵抗体3にも同じ符合3を用いる。抵抗体3を構成する材料の体積抵抗は1kΩ・cm以上、より好ましくは100kΩ・cm以上とする。抵抗値の上限は、たとえば絶縁体と呼ばれるレベルでなければよいとする。たとえば100MΩ・cm(108V・cm)以下とするのがよい。
導電層パターン1aに生成される高電位Voと、接地電位Eoとが、図7(b)に示すように近接すると、その局所的な空間に大きな電位勾配すなわち大きな電界が分布する。この結果、放電が生じやすく絶縁破壊を生じやすくなる。これに対して、抵抗体3を、導電層パターン1aの全幅を含めて支持体の底面11bに至るまで被覆すると、図7(a)に示すように、導電層パターン1aに生成する高電位Voが抵抗体3に沿って、接地電位Eoまで徐々に低下する。図7(a)では、Vo→Vo/2→Vo/4、のように電位がEoに近づく状況を示している。この結果、この空間では、比較的緩い勾配の電位となり、電界もそれに応じて限定的となり、放電が生じにくくなる。
本実施の形態では、抵抗体3の機能は、主として(E2)導電層パターンの端縁における局所的な急勾配の電位分布を広い範囲にわたる緩い勾配の電位勾配に変えること、に基づく。また抵抗体が空気に比べて絶縁破壊電圧が高い材料である場合、副次的に、(E1)空気の代わりに絶縁破壊電圧の高い物を配置すること、の作用も得ることができる。
Claims (10)
- 発電素子を備える太陽光発電モジュールであって、
支持体と、
前記支持体上で前記発電素子を保持するフレキシブルプリント配線板とを備え、
前記フレキシブルプリント配線板が、絶縁をとるための絶縁基材層、および、前記絶縁基材層に固着されて前記発電素子を直列に接続する金属層からなる導電層パターン、を有し、
少なくとも前記導電層パターンの端縁に沿って、当該端縁と前記絶縁基材層との段差を埋めるように被覆する絶縁破壊防止膜を備えることを特徴とする、太陽光発電モジュール。 - 前記絶縁破壊防止膜が、絶縁材料、および抵抗体、のうちのいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の太陽光発電モジュール。
- 前記絶縁破壊防止膜が、前記導電層パターンの端縁および前記絶縁基材層の端部さらに前記支持体の面にまで、各段差を埋めるように幅をとっていることを特徴とする、請求項1または2に記載の太陽光発電モジュール。
- 前記導電層パターンは、前記絶縁基材層上において、帯状の連続部と、その連続部間の断続部とが交互に配置されており、前記発電素子は、該断続部に位置して、対をなす一方の電極を、前記断続部に面する一方側の連続部に導電接続し、他方の電極を、該断続部に面する他方側の連続部に導電接続していることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の太陽光発電モジュール。
- 前記絶縁破壊防止膜は、前記導電層パターンの連続部および断続部にわたって、少なくとも当該導電層パターンの端縁に沿って連続的に配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の太陽光発電モジュール。
- 前記絶縁破壊防止膜は、前記発電素子が配置される領域を除いて、前記導電層パターンの全幅を覆い、かつ該導電層パターンの両端縁における前記段差を埋めるように配置されていることを特徴とする、請求項4または5に記載の太陽光発電モジュール。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の太陽光発電モジュールが面状に配置されていることを特徴とする、太陽光発電パネル。
- 絶縁基材層と、
前記絶縁基材層に固着され、帯状の金属層からなる連続部と、該連続部の間の断続部とが交互に設けられた導電層パターンと、
前記断続部に位置し、対をなす電極を備える発電素子とを備え、
前記発電素子は、前記対をなす電極の一方を、前記断続部に面する一方側の連続部と導電接続し、他方を、該断続部に面する他方側の連続部と導電接続していることを特徴とする、太陽光発電モジュール用フレキシブル配線板。 - 少なくとも前記導電層パターンの端縁に沿って、当該端縁と前記絶縁基材層との段差を埋めるように被覆する絶縁破壊防止膜を備えることを特徴とする、請求項8に記載の太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板。
- 前記絶縁破壊防止膜は、前記発電素子が配置される領域を除いて、前記導電層パターンの全幅を覆い、かつ該導電層パターンの両端縁における前記段差を埋めるように配置されていることを特徴とする、請求項8または9に記載の太陽光発電モジュール用フレキシブルプリント配線板。
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