JP2014020187A - 太陽電池モジュール構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュールを支え固定するための工事費用の負担が、太陽光発電を行う者にとって大きな懸念事項となっていた。また、風除けのために太陽電池モジュールと土台となる面とを全て覆う構成がとる従来技術では、太陽電池モジュールに対し気圧傾度力が生じてしまい、鉛直方向上向きに持ち上げられる力が生じてしまうため、太陽電池モジュールが風に飛ばされないようにするための好適な構造とは言い難かった。
【解決手段】太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの裏面側を支持する枠体と、前記枠体を太陽電池モジュールが水平面に対し前低傾斜するように支持する支柱と、前記枠体に載置された太陽電池モジュールの裏面後側に配置される防風板とを備えた太陽電池モジュール構造体を提案する。
【選択図】図２

Description

本発明は太陽電池モジュールへの風力を低減することを目的とする太陽電池モジュール構造体に関する。

近年、太陽光のエネルギーを用いて発電を行う太陽光発電は、自然環境に過度の負荷をかけない再生可能エネルギーとしてますます注目度が高まっている。すなわち、太陽光発電は、太陽光のエネルギーを太陽電池を用いることで直接電力に変換する発電方法であり、従来の主要発電手段である火力発電や原子力発電により懸念される二酸化炭素や放射能による環境汚染というリスクを低減できる。さらに太陽光は、石油のように将来枯渇が危惧される資源ではないため、将来に向けて安定的な電力を供給できる可能性をも秘めている。このようなメリットに着目し、大量の太陽電池モジュールを用いて発電を行うメガソーラー発電に関する構想が様々な場面で練られている。

しかしながら、このような太陽光発電の利点が注目されるにしたがい、同時に、太陽光発電のデメリットもまた指摘されるようになっている。具体的には、太陽光発電に不可欠な要素である太陽電池モジュールは、太陽光を効率よく吸収するために平板状形状をしており、その形状により揚力などからなる風力の影響を少なからず受けることが挙げられている。

図１は太陽電池モジュール構造体に対し加わる風力の動き及び大きさの一例を示す図である。同図（ａ）ないし（ｃ）の各図はいずれも左側が太陽電池モジュール構造体の後側から風が吹いている様子を風が吹く方向と同じ方向（後側）から見た図であり、各図右側が同じ様子を太陽電池モジュール構造体の側面から見た図である。同図（ａ）において示したように、太陽電池モジュール構造体の背面から吹きこんだ一定程度以上の風力を分散、低減することなくそのまま受けることによって、太陽電池モジュールが破壊されてしまうのみならず、当該太陽電池モジュールが飛散して周囲の設置物をも破壊してしまう問題点が指摘されている。太陽電池モジュールの大型化、メガソーラー化に伴い前記問題は深刻さを増しており、太陽電池モジュールの耐風性をどのようにして確保するかに関しては、様々な技術が開示されている。

ここで、上記問題の一般的な解決方法としては、太陽電池モジュールを枠体に固定し、当該枠体を指示する支柱を設けたうえで、当該支柱と土台とをコンクリートや鉄筋等を用いて頑丈に固定するような工事を行う方法が知られている。また、特許文献１においては、陸屋根面に設置される太陽電池モジュールの固定構造として、太陽電池モジュールと陸屋根面との間の空間を覆ってソーラーパネル下方に進入する風を減衰させる風除け部を設けた技術が公開されている。

特開２００７−２１１３９９

しかしながら、太陽電池モジュールの大型化に伴い、これを支える枠体や支柱などからなる構造体の大型化、重量化も進んだことから、これらを支えるためには、優れた強度を有しかつ耐久性に富んだ材料を大量に用いて固定工事を行う必要があり、当該工事の費用負担は、特に太陽光発電を大規模に行う者にとって大きな懸案となっていた。また、特許文献１に記載の技術においては、太陽電池モジュール構造体と土台となる接地面とを全て覆う構成がとられているため、太陽電池モジュール構造体が風を受ける際、太陽電池モジュールの裏側には風が入り込む余地がない。そして、当該構造のもとで太陽電池モジュール背面から風が吹いた場合、風力は図１（ｃ）で示されるように太陽電池モジュールの表裏両面に分散して加えられるのではなく、同図（ｂ）で示されるようにその多くが太陽電池モジュール表面に加えられることになる。その結果、太陽電池モジュールの表面部分の気圧が裏面部分の気圧に比して低くなることから、太陽電池モジュールに対して気圧傾度力が生じる。すなわち、気圧の差によって太陽電池モジュールが鉛直方向上向きに持ち上げられる力が生じてしまう結果飛散や故障の誘因となってしまっており、特許文献１において特徴づけられている従来技術の太陽電池モジュールの設置構造は、結局は太陽電池モジュールが風に飛ばされないようにするための好適な構造とは言い難いものであった。

以上のような課題を解決するために、本件発明は、太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの裏面側を支持する枠体と、前記枠体を太陽電池モジュールが水平面に対し前低傾斜するように支持する支柱と、前記枠体に載置された太陽電池モジュールの裏面後側に配置される防風板と、を備えた太陽電池モジュール構造体を提案する。

主に以上のような構成をとる本件発明によって、基礎工事や補強工事のために過度の費用を要することなく、かつ、太陽電池モジュールに対し過度の気圧傾度力を加えることなく太陽電池モジュールに対して加わる風力を低減することが可能になることから、風が吹くことによって太陽電池モジュールが飛ばされて飛散や破損、故障などの様々な被害が生じることを未然に防ぐことが可能になる。

太陽電池モジュールに対し加わる風力の動き及び大きさの一例を示す図 実施形態１の太陽電池モジュール構造体の構成の一例を示す図 実施形態１の太陽電池モジュール構造体の構成の別の一例を示す図 実施形態２の太陽電池モジュール構造体における防風板の配置位置の変化に伴う風力係数の変化を示すグラフ 実施形態４の太陽電池モジュール構造体における防風板の高さの変化に伴う風力係数の変化を示すグラフ 実施形態５の太陽電池モジュール構造体における防風板の充実率の変化に伴う風力係数の変化を示すグラフ

以下、本発明の各実施形態について図面と共に説明する。実施形態と請求項の相互の関係は、以下のとおりである。まず、実施形態１は、主に請求項１などに対応する。実施形態２は、主に請求項２などに対応する。実施形態３は、主に請求項３などに対応する。実施形態４は、主に請求項４などに対応する。実施形態５は、主に請求項５などに対応する。なお、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、様々な態様で実施し得る。
<<実施形態１>>
<概要>

図２は、本実施形態の太陽電池モジュール構造体の構成の一例を示す斜視図である。この図にあるように、本実施形態の「太陽電池モジュール構造体」０２００は、「太陽電池モジュール」０２０１と、太陽電池モジュールの裏面側を支持する「枠体」０２０２と、前記枠体を太陽電池モジュールが水平面に対し前低傾斜するように支持する「支柱」０２０３と、前記枠体に載置された太陽電池モジュールの裏面後側に配置される「防風板」０２０４と、を備えていることを特徴としている。このような構成をとることにより、太陽電池モジュールに対して加わる空力を適度に分散、低減させ、太陽電池モジュールが飛散したり破損、故障したりする事態を防止することを可能にする。
<機能的構成>

「太陽電池モジュール」は、平板状の太陽電池を単数（セル）あるいは複数接続することにより構成されており、当該太陽電池へ入射した太陽光のエネルギーを利用して発電を行う。太陽電池モジュールを構成する太陽電池の大きさ、枚数は適宜設定可能であり、このように適宜の設定のもと構成される太陽電池モジュールを複数枚直列あるいは並列に配列しアレイ状に配列してもよい。

「枠体」は、太陽電池モジュールの裏面側を支持する機能を有する。前記のとおり太陽電池モジュールが平板状形状であるため、枠体の形状は当該太陽電池モジュールの外枠に沿い、太陽電池モジュールを支持固定する形状となる。枠体の素材としては、太陽電池モジュールを支持するに足りるだけの素材を用いていれば良く、具体的には、例えば木製であっても、鋼製、アルミ製、プラスチック製、そしてこれらの合金製であってもいずれでもよい。

「支柱」は、前記枠体を太陽電池モジュールが水平面に対し前低傾斜するように支持する機能を有する。「水平面に対し前低傾斜するように支持する」とは、具体的には、枠体ひいては枠体が支持する太陽電池モジュールが、太陽電池モジュールに対する太陽光の入射角として好適な角度を保つために傾斜させるよう枠体と接地面とを固定することを意味している。前記のように、太陽電池モジュールは太陽光の入射によって発電を行うところ、効率的に前記太陽光を受け入れるためには、太陽の位置との関係で相対的に好適な傾斜角を保持していることが望ましい。ここでいう好適な傾斜角としては太陽電池モジュール構造体を設置する方位や季節によって差があるものの、およそ１５°ないし３０°程度が望ましい。

支柱の設置形態としては、具体的には、前記枠体の各角部から太陽電池モジュール接地面に対し垂設されることが考えられるほか、前低傾斜する太陽電池モジュールの側面を覆うように垂設されてもよく、その他太陽電池モジュールを支持するに十分な設置形態であれば特にその形態は問わないが、傾斜した太陽電池モジュール前部は風が通り抜けるよう支柱にて覆わない構成とすることが望ましい。

「防風板」は、前記枠体に載置された太陽電池モジュールの裏面後側にその一部を覆うように配置されている。防風板とは、具体的には、薄く平たい板状形状に成形された素材であれば必ずしも木製その他の素材からなる板そのものである必要はない。防風板は枠体と固定するように配置してもよいし、支柱と固定するように配置してもよい。
また、防風板は太陽電池モジュールの裏面後ろ側の「一部」を覆うように配置されていればよい。そのため、防風板は、例えば図３において示すように、裏面後ろ側に開口が生じないように配置しつつ空洞を設ける構造や、実施形態５において詳しく説明するように防風板をメッシュ状にする構造であってもよい。

防風板は、前記位置に配置されることにより、太陽電池モジュールの後側に設けられる開口から入り込む風が直接当該モジュールの裏面全体に吹きつける事態を避けることを可能にする。すなわち、先に図１（ｃ）を用いて説明したように、前記開口から入り込む風は、一部は太陽電池モジュールに直接吹き付けるが、他の一部は防風板に接触し、その風力を分散させる。その結果、太陽電池モジュールの裏面全体に対する風力が低減される。

なお、既に説明したように、太陽電池モジュールの後側が全て覆われる構成をとると、気圧傾度力が生じることにより、太陽電池モジュールが鉛直方向上向きに持ち上げられる力が生じてしまう。そのため本実施形態における防風板の形状も、太陽電池モジュールの後側を全て覆う形状は採用しない。このような配置関係にある防風板を備える構造をとることにより、太陽電池モジュールに対して加わる風力を低減することが可能になる。
<効果>

本実施形態の構成をとる太陽電池モジュール構造体によって、太陽電池モジュールに対して加わる空力を適度に分散、低減させる結果、太陽電池モジュールが飛散したり破損や故障したりする事態を防止することを可能にする。
<<実施形態２>>
<概要>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体は、基本的に実施形態１で説明した太陽電池モジュール構造体と同様であるが、防風板は、太陽電池モジュールと幅長が等しく、前記支柱と枠体によって太陽電池モジュール後側に構成される開口の最上部から央部にわたる領域に設けられることを特徴とする。当該特徴を有することによって、より効率的に太陽電池モジュールに対して加わる風力を分散、低減することが可能になる。
<機能的構成>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体の基本的な構成は、実施形態１の図２を用いて説明した太陽電池モジュール構造体と共通する。したがって、以下では相違点である防風板の形状や配置領域を中心に説明する。

「太陽電池モジュールと幅長が等しく」とは、具体的には、防風板が太陽電池モジュールの全幅に該当する幅をもって覆うように配置されていることを意味している。当該構成をとることによって、開口から入り込もうとする風が防風板に吹きつけた際に当該風が分散するため、太陽電池モジュール裏面に対し加わる風力を低減することが可能になる。

「前記支柱と枠体によって太陽電池モジュール後側に構成される開口の最上部から央部にわたる領域に設けられる」とは、具体的には、防風板が太陽電池モジュール裏面に設けられる空間のうち、開口側すなわち後方の領域に設けられることを意味している。太陽電池モジュール裏面に加わる風力をより事前に分散させることを可能とする当該構成をとることによって、太陽電池モジュール裏面に対して直接加わる風力を低減することが可能となる。

図４は、防風板の配置位置の変化に伴う風力係数の変化を示すグラフである。この図のグラフにおける縦軸は平均風力係数の値を示しており、防風板を設置していない状態の風力係数を１．３としている。横軸は太陽電池モジュールの縦幅に対する防風板の配置位置の割合を示した数値であり、Ｌが太陽電池モジュールの縦幅を表しｄが前記開口の最上部から防風板の配置位置までの距離を意味している。以上の前提のもと、幅を２２５ｍｍ、高さを３００ｍｍとした太陽電池モジュールを傾斜角１５°で前低傾斜させ、後方開口の高さが１４５ｍｍとなるような模型を用いた風洞実験を行った（上記模型は、本明細書における他の実施形態における風洞実験においても用いるものとする。）。なお、本実施形態における風洞実験においては、防風板の高さは６０ｍｍ（開口の高さの約４割）に設定している。

ここで、風力係数について説明する。ＪＩＳ規格においては、風圧加重（風力）の大きさを表すために以下の式を用いている。

ここで風力は

で表わされ、

とは風力係数を示し、

は設計用速度圧を示す。そして

は風力を受ける太陽電池モジュールの表面積である受風面積を示している。

は予め定められた固定値であり、

も使用する太陽電池モジュールの大きさによって定まる固定値である。したがって、風力の低減を図るためには、

で表わされている風力係数を低減することが必要になる。

この図のグラフにおいて示されているように、防風板を配置することにより、その配置位置が開口の最上部（ｄ／Ｌ＝０）である場合から央部近く（ｄ／Ｌ＝０．４）である場合にかけてほぼ等しく風力係数が０．９ないし１程度となっている。すなわち、防風板を開口の最上部から央部にわたる領域に設けることにより、風力係数ひいては風力が３割程度低減することが確認された。
<効果>

本実施形態の構成をとる太陽電池モジュール構造体によって、より効率的に太陽電池モジュールに対して加わる風力を分散、低減することが可能になる。
<<実施形態３>>
<概要>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体は、基本的に実施形態１で説明した太陽電池モジュール構造体と同様であるが、防風板は、前記領域のうち最も後方に配置されることを特徴とする。当該特徴を有することによって、より効率的に太陽電池モジュールに対して加わる風力を分散、低減することが可能になる。
<機能的構成>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体の基本的な構成は、実施形態１の図２を用いて説明した太陽電池モジュール構造体と共通する。したがって、以下では相違点である防風板の位置を中心に説明する。

「前記領域のうち最も後方に配置される」とは、太陽電池モジュール裏面に設けられる空間のうち太陽電池モジュール後側に構成される開口の最上部から央部にわたる領域のなかでも、前記開口の最上部に防風板を配置することを意味している。当該構成のもとでは、枠体の縁と支柱の双方とで防風板を固定することが可能になるため、より強固に固定された状態で防風板を配置することが可能になる結果、強大な風力を受けても吹き飛ばされることなく、的確に当該風力を分散させることが可能になる。

そして、先に図４のグラフを用いて説明したように、防風板の設置位置は、前記領域の最上部に設置することにより最も効果的に風力を低減することが可能である。
<効果>

本実施形態の構成をとる太陽電池モジュール構造体によって、太陽電池モジュールに対して加わる風力をより効率的にかつ強大な風力にも対応可能なように分散、低減することが可能になる。
<<実施形態４>>
<概要>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体は、基本的に実施形態１で説明した太陽電池モジュール構造体と同様であるが、前記開口の最上部から央部にわたり開口全体の四割程度を覆うように設けられることを特徴とする。当該特徴を有することによって、実施形態１における効果をより低廉なコストで実現することが可能になる。
<機能的構成>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体の基本的な構成は、実施形態１の図２を用いて説明した太陽電池モジュール構造体と共通する。したがって、以下では相違点である防風板の寸法を中心に説明する。

「前記開口の最上部から央部にわたり開口全体の四割程度を覆うように設けられる」とは、具体的には、前記開口のうち、太陽電池モジュール裏面に設けられる空間とつながり、当該空間に風が入り込む入り口となる面が、接地面から上六割程度の高さとなることを意味している。

ここで、図５は、防風板の高さの変化に伴う風力係数の変化を示すグラフである。この図における縦軸は平均風力係数の値を示しており、防風板を設置していない状態の風力係数を１．３である。横軸は太陽電池モジュールの後側最上部から太陽電池モジュール接地面までの高さＨに対する防風板の高さｌの割合（ｌ／Ｈ）を示している。

この図において示されているように、防風板を設置することによりその高さに関わらず風力を低減することが可能となっているが、特に前記割合が０．４程度の場合に最も好適な風力低減効果が表れている。したがって、最も風力低減効果をもたらす防風板の高さとしては、太陽電池モジュールの後側最上部から接地面までの高さの４割程度であることが望ましい。

なお、さらに防風板の高さｌを高くしていき前記割合を０．６程度にしても、風力低減効果はほとんど変わらない（ｌ／ｈが０．４の時に比べて微増しているように見えるのは計測誤差の範疇である。）。したがって、風力低減という効果を導き出すためには、前記高さが開口全体の４割程度を覆うほどの大きさであればさらに大きな防風板を用いる必要はない。このように防風板が過度に大型化することを回避するような寸法をとることによって、防風板の生産や運搬等にかかる様々なコストを軽減することが可能になる。
<効果>

本実施形態の構成をとる太陽電池モジュール構造体によって、実施形態１における効果をより低廉なコストで実現することが可能になる。
<<実施形態５>>
<概要>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体は、基本的に実施形態１で説明した太陽電池モジュール構造体と同様であるが、防風板は、充実率が六割以上であることを特徴とする。当該特徴を有することによって、より効率的に太陽電池モジュールに対して加わる風力を分散、低減することが可能になる。
<機能的構成>

本実施形態の太陽電池モジュール構造体の基本的な構成は、実施形態１の図２を用いて説明した太陽電池モジュール構造体と共通する。したがって、以下では相違点である防風板の充実率を中心に説明する。

「充実率」とは、防風板の全面積に対する遮風の割合を示す値である。したがって、充実率が高ければ高いほど多くの風力を低減する効果があるといえる。木製や金属製の板で防風板を構成する場合であれば、特段に空洞を設けない限り充実率は１であるが、防風板表面を例えばメッシュ加工し、空洞を設けるような構成をとれば、当該メッシュ構造によって風が防風板を通り抜けることが可能になるため、充実率は低下する。充実率が低下することに伴い防風板の重量も軽量化されることから、運搬や設置の際の負担を低減することが可能になる。

ここで、図６は、防風板の充実率の変化に伴う風力係数の変化を示すグラフである。この図における縦軸は平均風力係数の値を示しており、防風板を設置していない状態の風力係数を１．３とする。横軸は配置される防風板の充実率の割合値を示している。

この図において示されているように、防風板の充実率が１であるとき、すなわち防風板表面全体に風が当たる構成であるときに最も顕著な風力低減効果がもたらされる。しかしながら、防風板の充実率が０．６の場合であっても、風力係数は充実率が１の場合とほぼ同様である。ここから、充実率が０．６程度の防風板であっても、充実率１の防風板と同様の風力低減効果を実現可能であることが確認された。
<効果>

本実施形態の構成をとる太陽電池モジュール構造体によって、実施形態１の効果に加えて、簡易に持ち運び可能な防風板を提供することが可能になる。

０１０１…枠体
０１０２…支柱
０１０３…防風板
０１１０…気圧傾度力
０３００…太陽電池モジュール構造体
０３０１…太陽電池モジュール
０３０２…枠体
０３０３…支柱
０３０４…防風板

Claims (5)

1. 太陽電池モジュールと、
   太陽電池モジュールの裏面側を支持する枠体と、
   前記枠体を太陽電池モジュールが水平面に対し前低傾斜するように支持する支柱と、
   前記枠体に載置された太陽電池モジュールの裏面後側にその一部を覆うように配置される防風板と、
   を備えた太陽電池モジュール構造体。
2. 防風板は、
   太陽電池モジュールと幅長が等しく、前記支柱と枠体によって太陽電池モジュール後側に構成される開口の最上部から央部にわたる領域に設けられる請求項１に記載の太陽電池モジュール構造体。
3. 防風板は、
   前記領域のうち最も後方に配置される請求項１または２に記載の太陽電池モジュール構造体。
4. 防風板は、
   前記開口の最上部から央部にわたり開口全体の四割程度を覆うように設けられる請求項１から３のうちいずれか一に記載の太陽電池モジュール構造体。
5. 防風板は、
   充実率が六割以上であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一に記載の太陽電池モジュール構造体。

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