JP2013209819A - 太陽光発電モジュールの建築物への設置方法 - Google Patents

太陽光発電モジュールの建築物への設置方法 Download PDF

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Abstract

【課題】生産性の良い部材を用いて、支持部材全体として耐食性に対する信頼性が顕著に改善される太陽光発電モジュールの設置方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを、鋼材からなる支持部材を介して建築物に設置するに際し、該支持部材の一部を少なくとも表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材で覆うことによって前記太陽光発電モジュールからの雨水の流れを該カバー部材の表面に流れ落ちるようにする。
ここでカバー部材としては溶融Alめっき鋼板、ドブ漬けAlめっき鋼材などが挙げられる。
【選択図】図2

Description

本発明は、Al合金製等のフレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを建築物の屋根などに設置する方法に関する。
近年、住宅やビルなどの建築物の屋上に太陽光発電モジュールを設置した発電システムを採用するケースが増えている。図1、3に(財)新エネルギー財団によりまとめられた「住宅用太陽光発電システム設計・施工指針」に示されている太陽光発電モジュールを建築物の屋根面に設置する場合の部材構成の一例を模式的に示す。太陽光発電モジュール(以下、単に「モジュール」ということがある)12は、多結晶シリコンなどの太陽電池セルを配置したパネルであり、周囲にフレーム枠11を有している。フレーム枠11はAl合金部材で構成されることが多く、通常、その表面には陽極酸化皮膜、あるいはさらに塗膜が形成されている。モジュール12を建築物に設置する際には、建築物とモジュール12の間に金属製の架台を介在させ、その架台を介してモジュール12を建築物に固定するのが一般的である。
図3の例では、太陽光発電モジュール12が、横桟21と縦桟22を結合してなる架台を介して傾斜した屋根面10に設置されている。この場合、モジュール12は横桟21と横桟21の間に挟まれて配置され、モジュール間カバー32と締結金具31を用いて固定されている。本明細書では、端部に配置されるモジュール12に取り付けられ、モジュール12どうしの間にないカバーも便宜上モジュール間カバー32と称している。横桟21は締結金具31によって縦桟22に固定されている。そして縦桟22は屋根面10に支持金具33を用いて固定されている。また、図1の例では、ほとんど勾配の無い陸屋根に勾配を付けた架台を介してモジュールが設置されている。この場合、架台は横桟21あるいは縦桟22に相当する部材の他にステー23や、必要に応じて筋交い等の補強部材が取り付けられて構築されている。
架台は、横桟21や縦桟22のように太陽光発電モジュールの荷重を受け持つ部材が、締結金具、ボルト、ナット、座金などによって結合された構造を有する。架台を構成する部材の中でも、横桟21、縦桟22、ステー23、支持金具33は、モジュールの荷重を受け持つ部材である。このような部材を本明細書では「支持部材」と呼び、締結金具、ボルト、ナット、座金などの結合部材や、筋交いなどの補強部材と区別している。一般的に太陽光発電モジュールの架台を構成する支持部材は、支持金具を除き、長手方向に一定の断面形状を持つ加工部材からなる。
太陽光発電モジュールのフレーム枠(単に「フレーム枠」ということがある)、および架台を構成する支持部材(単に「支持部材」ということがある)はアース線によって接地される。したがって、フレーム枠と支持部材は電気的に接続された状態となるが、Al合金製のフレーム枠は通常、陽極酸化皮膜や塗膜で被覆されて表面が絶縁状態となっているので、フレーム枠のAl合金素地と、支持部材の金属とをケーブルで接続することによって導通を確保するのが一般的である。
従来、太陽光発電モジュールの周辺部材(支持部材、モジュール間カバー、締結金具など)の材料としては、ドブ漬けZnめっき鋼材、ステンレス鋼材、Al合金材などが使われている。ドブ漬けZnめっき鋼材の場合、成形加工した後の部材を溶融Znめっき浴に浸漬することによりZnめっきを施したものであるから、例えば図3の符号40に示されるような切断端面にもめっき層が形成されている。
一方、Znめっき鋼板に代わる高耐食材料として、昨今、Zn−Al−Mg系めっき鋼板(例えば特許文献1、2)が種々の分野で使用されている。また、排ガス経路部材などの用途では耐熱性・耐食性に優れたAl系めっきステンレス鋼板が使用されている(例えば特許文献3、4)。
また、本発明者は、特許文献5に記載の通り、基材が7質量%以上のCrを含有する鋼板であってAl−3〜12質量%Si組成のAl系めっき層が片面あたり20g/m2以上の付着量で形成された溶融Al系めっき鋼板を、前記支持部材として用いる発明を行った。
特許第3179401号公報 特許第3149129号公報 特許第2132539号公報 特開平07−233451号公報 特開2009−33066号公報
上記従来の支持部材には、以下のような問題点がある。
〔ドブ漬けZnめっき鋼材の問題点〕
太陽光発電モジュールは勾配を付けた状態で設置される。モジュール面に降った雨はその勾配にしたがってモジュールの表面やモジュール間カバーの表面を流れ、一部は支持部材の表面や、締結金具の表面を伝って流れ落ちる。そのため、これら部材には雨水が集中して流れる流路ができる。これらの部位ではドブ漬けZnめっき材のめっき層の消耗は一般の暴露環境に比べると著しく速く、耐久性が不十分となることが多い。これは、一般の暴露環境ではめっき層の表面に生成した腐食生成物が保護皮膜となってその後の腐食を抑制するのに対し、雨水の流路となる箇所では生成した腐食生成物が流失して保護皮膜を形成できないことによるものと考えられる。
また、これらの部材表面に雨水が滞留する箇所ができると夏季にはこの滞留水は熱せられ50〜60℃の温水となることもある。特にフレーム枠と支持部材との接触部には隙間が形成されて雨水が滞留しやすく、温水との接触により腐食が促進される。
また、Al合金製のフレーム枠は一般に塗膜等により表面が絶縁されているが、支持部材への取り付け箇所などでは据付時に表面疵が生じてAl合金が露出した状態となることがある。アース用ケーブル接続箇所でも、Al合金がわずかに露出することがある。Al合金が露出した箇所が雨水で濡れ、フレーム枠を取り付けた支持部材のZnめっき層との間に雨水を介して電気的な回路が形成されると、自然電位がAlに対して「卑」であるZnめっき層において腐食が促進されることになる(異種金属接触腐食)。
さらに、ドブ漬けZnめっき鋼材は成形加工後の部材を高温のめっき浴に浸漬することにより製造されるため熱歪の影響が出やすく、支持部材に用いる「桟」などの長尺材では高い寸法精度を得ることが難しい。成形加工後のめっき作業は生産性が悪いという問題もある。
特許文献1、2に示される耐食性に優れたZn−Al−Mg系めっき鋼材で代替すれば、耐久性は改善される。しかし、Zn−Al−Mg系めっき層はAlに対して「卑」であることに変わりはなく、異種金属接触腐食に関しては抜本的な対策にならない。
〔ステンレス鋼材の問題点〕
太陽光発電モジュールの支持部材や締結金具は、上述のように、雨水に曝され、場合によっては高温の滞留水に接触する。このような用途にステンレス鋼材を適用することによって十分な耐食性を確保するためには、Cr含有量の高い鋼種、NiやMoを含有する鋼種など、比較的耐食性グレードの高いステンレス鋼を適用する必要がある。そのため、必然的に部材コストが高くなる。
また、ステンレス鋼製の支持部材や締結金具を使用した場合は、フレーム枠の疵つき箇所などに生じたAl合金素地露出部との間に上記のような雨水を介した回路が形成されると、ステンレス鋼に対し電位的に「卑」となるAl合金の方で異種金属接触腐食が生じる。
〔Al系合金材の問題点〕
支持部材や、モジュール間カバーをAl合金製とすれば、上記のような異種金属接触腐食の問題は回避される。しかし、これらの部材をAl合金で構成するには、強度の観点から厚肉化する必要がある。このようなAl合金部材は一般に押出し成形により作られる。種々の屋根面への設置を考えた場合、支持部材等にもそれぞれの屋根に応じた種々の形状が求められるが、押出し成形によるため多様な形状の部材を用意することが困難であり、設計の自由度がかなり制約されてしまう。
〔Al−Si系めっきCr含有鋼材の問題点〕
本発明者が先に発明した前記のAl−Si系めっきCr含有鋼材を支持部材として用いることによって、上記のドブ漬けZnめっき鋼材、ステンレス鋼材、Al系合金材等を支持部材等として用いた場合の問題点が一掃された。一方、ドブ漬けZnめっき鋼材やステンレス鋼材を使った支持部材において耐食性に問題の発生する箇所はフレーム枠と接触する箇所やモジュール面からの雨水が集中する流路などに限られ、このような箇所が支持部材全体に占める割合は僅かである。このような箇所の耐食性確保のためだけにAl−Si系めっきCr含有鋼材を適用することは支持部材の大部分の箇所では必要以上の過剰品質となることを意味しており、部材のコストアップに繋がるものであった。
本発明はこのような現状に鑑み、耐食性向上が必要とされる箇所の耐食性をピンポイントで向上させ、支持部材全体として耐食性に対する信頼性が顕著に改善される太陽光発電モジュールの設置方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、フレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを、鋼材からなる支持部材を介して建築物に設置するに際し、該支持部材の一部を少なくとも表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材で覆うことによって前記太陽光発電モジュールからの雨水の流れを該カバー部材の表面に流れ落ちるようにする、太陽光発電モジュールの建築物への設置方法を提供する。
なお、カバー部材は表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金であれば足り、表面以外の部分までもがアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを要しないため、任意形状の鋼材・鋼板の表面を溶融めっきまたはドブ漬けめっきによってアルミニウムまたはアルミニウム合金とすればよい。また、鋼材・鋼板の表面を溶融めっきによってアルミニウムまたはアルミニウム合金とした後に加工して任意の形状とすることもできる。
ここでフレーム枠は通常、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。また、本発明においては、前記の支持部材となる鋼材としては普通鋼鋼板を基材とした溶融Zn系めっき鋼板とすることができる。めっき層中にはAl、Mgをそれぞれ、Al:0〜60質量%、Mg:0〜10質量%の範囲で含有させてもよく、さらにはSiを0〜2質量%の範囲で含有させても構わない。
上記のカバー部材で覆われる「支持部材の一部」は、支持部材においてフレーム枠と接触する箇所を含む箇所であることが好ましい。
なお、「支持部材の一部をカバー部材で覆う」とは、支持部材の一部の上にカバー部材を載置することを含むが、支持部材とフレーム枠との接触箇所において支持部材とフレーム枠との間にカバー部材を介在させることによって「支持部材の一部をカバー部材で覆う」ことが好ましい。この場合、フレーム枠、カバー部材、支持部材の3層を接触して積層し、相互に電気的接続を形成することがさらに好ましい。
また、「支持部材の一部をカバー部材で覆う」ことの一態様として表面がアルミニウムである合成樹脂テープを支持部材の一部の表面に貼付することも含まれる。
ここで、「建築物」は土地に定着する構造物をいうが、地面に太陽光発電モジュールを設置する場合の土台もここでは建築物として扱う。「Al合金」は少なくともAlが90質量%以上を占める合金であり、具体的にはJIS H4000に規定される範囲の合金を選択することができる。「表面がAl合金からなる部材」としては、各種Al合金板、各種溶融Alめっき鋼板・鋼材、防水Alテープなどのことで、化成処理や陽極酸化皮膜、塗装を施した状態のものも含まれる。
本発明によれば、フレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを降雨に曝される環境に設置することにより生じていた耐食性に関わる問題(保護性の腐食生成物が生成されないために促進されるZnめっき部材の腐食、Al合金との異種金属接触腐食)が解消する。また、太陽光発電モジュール周辺部材を「ドブ漬けめっき」により製造する必要がなくなり、生産性の向上および寸法精度の向上が実現する。したがって本発明は、既存の太陽光発電モジュールを使用した太陽光発電システムにおいて、コスト増を抑えながら全体としての顕著な耐久性向上をもたらすものである。
また、太陽光発電モジュールから雨水が集中して流れ落ちる部位はカバー部材で覆われることにより、支持部材表面を直接雨水が集中して流れ落ちることがなくなり支持部材の腐食の発生が防止される。このため支持部材の鋼材として材料コスト、加工コスト、設計の自由度の点において優れた普通鋼鋼板を基材とした溶融Zn系めっき鋼板を採用することができる。
さらに、長期に亘って使用したことによってカバー部材が腐食した場合はカバー部材のみを更新することにより、低コストで早期に当初の設置時の状態に復帰させることができる。ひいては、長期使用によってカバー部材が腐食する都度、カバー部材のみを更新することによって、繰り返し当初の設置時の状態に復帰させることができ、建築物に設置された当初の支持部材を長期に亘ってそのまま使用することができる。
太陽光発電モジュールを陸屋根面に設置する場合の部材構成の一例を模式的に示した図。 図1の構成に本発明を適用した場合であって、縦桟に取り付けるカバー部材の取り付け位置とカバー部材の形状の一例を模式的に示した図。 太陽光発電モジュールを建築物の傾斜屋根面に設置する場合の部材構成の一例を模式的に示した図。 図3の構成に本発明を適用した場合であって、横桟に取り付けるカバー部材の取り付け位置とカバー部材の形状の一例を模式的に示した図。
本発明では、少なくとも表面がAl合金からなるカバー部材として各種Al合金板、各種溶融Alめっき鋼板・鋼材、防水Alテープを使用でき、これらは化成処理や陽極酸化皮膜、塗装を施してあってもよい。表面がAlまたはAl合金からなるカバー部材を用いることで、モジュール面に降った雨が集中して流れる箇所や雨水が滞留する箇所での耐食性を良好なものとすることができる。これは、AlまたはAl合金表面に生成する酸化物皮膜がこれらの環境において、安定に保護皮膜として存在するからであると考えられる。さらに、カバー部材表面がAlまたはAl合金であることからフレーム枠のAlまたはAl合金との間での異種金属接触腐食を防止できる。
[実施例1]
〔支持部材〕
支持部材(図1、3の符号21〜23に相当する部材)として、板厚1.6mmで片面あたりのめっき付着量を150g/m2とした溶融Zn−6質量%Al−3質量%Mg組成(Zn−6Al−3Mgと表す。)のめっき普通鋼鋼板に公知の無機系クロムフリー化成処理(Ti−Mg系)を施し、C型チャンネルに加工したものを用いた。曲げ部の内側曲げ半径は1.6mm(外側曲げ半径は3.2mm)であり、これら部材はいずれも曲げ部の外側面でめっき層が割れて鋼素地が露出している。
〔太陽光発電モジュール〕
Al合金製のフレーム枠(JIS H8602:陽極酸化塗装複合皮膜)を持つ市販の太陽光発電モジュールを用意した。
〔太陽光発電モジュールの設置〕
前記支持部材を用いて図1、3に相当する架台を作製してそれぞれ陸屋根、傾斜屋根に固定し、この架台にモジュールを取り付けた。フレーム枠、横桟、縦桟は、アース線ケーブルにより電気的に接続され、接地された。設置箇所は大阪府堺市の臨海工業地帯とした。
〔カバー部材〕
これら架台においては、モジュールから縦桟あるいは横桟に雨水の流れ込む箇所が雨水の流路あるいは雨水の滞留部となることから、モジュールの取り付けに先立ちこれらの部位に、図2、4のように流路となる箇所を覆うようにフレーム枠11と支持部材との間に各種材料からなるカバー部材41を介在させて取り付けた(表1参照)。
まず、No.101〜104は、板厚1.0mmのAl合金板を曲げ加工して製作したカバー部材である。それらの組成を表2に示す。
No.105、106は普通鋼鋼板を基材として、また、No.107は11質量%Cr含有鋼板を基材として、それぞれ表3に示す溶融めっき浴を用いて溶融めっきを施した後、カバー形状に加工したものである。それぞれの板厚と溶融めっきの付着量は、表1に示したとおりである。
No.108は、厚さ2.3mmの普通鋼鋼板をカバー部材の形状に加工した後、溶融めっきを施した。付着量は、110g/m2であった。その浴組成は、表3に示したとおりである。
No.101〜108のカバー部材の曲げ加工部における内側曲げ半径は3.2mm(支持部材の外側曲げ半径に一致)とした。
No.109には株式会社ニトムズ製、防水アルミテープブチルゴムタイプを用いた。これはアルミ箔表面にポリエステルフィルムを接合し、カバー部材への貼付け面にブチルゴム系粘着剤を塗布したものである。
〔耐食性評価〕
雨水の流路および滞留部となる部位を覆うカバー部材と該カバー部材に覆われていた支持部材について、設置後2年経過した時点での腐食状況を評価した。評価方法と評価基準は次のとおりである。
なお、実施例における本発明に係る太陽光発電モジュールの建築物への設置は設置時およびその後の経過期間ともに秘密として管理された状況のもとで行った。
(腐食状況)
カバー部材外観を目視観察して雨水の流路や滞留部となる箇所での腐食にともなう変色と錆発生の有無を以下の基準で評価し、○評価以上を合格と判定した。
◎:変色無し
○:わずかに変色
△:変色が目立つ
×:錆が発生
結果を表1にまとめて示す。
表1からわかるように、表面がAlまたはAl合金からなるカバー部材を用いた本発明例では、カバー部材には変色は見られなかった。また、カバー部材に覆われていた箇所の支持部材にも変色はみられなかった。これに対し、カバー部材を取り付けなかった比較例No.110は支持部材と太陽光発電モジュールのAlフレーム枠との接触部近傍で雨水の滞留に伴う異種金属接触腐食が生じ、電位的に「卑」な支持部材に腐食にともなう変色が目立った。
10 屋根面
11 フレーム枠
12 太陽光発電モジュール
21 横桟
22 縦桟
23 ステー
31 締結金具
32 モジュール間カバー
33 支持金具
40 切断端面
41 カバー部材

Claims (3)

  1. フレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを、鋼材からなる支持部材を介して建築物に設置するに際し、該支持部材の一部を少なくとも表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材で覆うことによって前記太陽光発電モジュールからの雨水の流れを該カバー部材の表面に流れ落ちるようにする、太陽光発電モジュールの建築物への設置方法。
  2. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるフレーム枠を持つ太陽光発電モジュールを、鋼材からなる支持部材を介して建築物に設置するに際し、該支持部材の一部を少なくとも表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるカバー部材で覆うことによって前記太陽光発電モジュールからの雨水の流れを該カバー部材の表面に流れ落ちるようにする、太陽光発電モジュールの建築物への設置方法。
  3. 前記鋼材が普通鋼鋼板を基材とした溶融Zn系めっき鋼板である、請求項1または2に記載の設置方法。
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