JP2015032820A - 太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池パネルを効率よく昇温でき、かつ、太陽電池パネルの変形が太陽電池パネルを支持する支持構造体に及ぶ影響を抑制できる太陽電池装置を提供することである。
【解決手段】太陽電池装置１０は、支持構造体に支持された太陽電池パネル１８と、太陽電池パネル１８の受光面とは反対側に配置されるヒータ２０と、ヒータ２０に直接に、または別の部材を介して押し付けられ、太陽電池パネル１８にヒータ２０を弾性的に押し付ける第１の曲面部４８の支持部を有し、支持構造体に支持される弾性支持部材とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池装置に関する。

特許文献１には、金属屋根材の表面に固定された太陽電池モジュールと、金属屋根材の裏面に固着された発熱ヒータとを備え、発熱ヒータに太陽電池モジュールが電気的に接続され、発熱ヒータの発熱で太陽電池モジュールの上側の雪を除去するために用いられる融雪屋根材が記載されている。

特許文献２には、制御装置に融雪指令が入力された場合に、制御装置が外部交流電源からパワーコンディショナのコンデンサに充電電流を供給させ、屋根上の太陽電池を外部交流電源からの電流で発熱させ融雪させる融雪構造が記載されている。

特許文献３には、太陽電池パネルと屋根面材との間に形成された通気路と、通気路に暖機を供給し、太陽電池パネルの上側の雪を除去する融雪構造が記載されている。

特許第３４１８７８１号公報 特許第３９１５８３２号公報 特開平１１−２５６７８０号公報

建物の屋根の上側等、屋外に設置され太陽電池パネルを含む太陽電池装置では、太陽電池パネルの上側における積雪等による太陽電池パネルの性能低下を防止するために、太陽電池パネルにヒータを一体化させ、太陽電池パネルを昇温させることが考えられる。例えば、太陽電池パネルの裏側にヒータを接着する場合がある。しかしながら、この構成では、ヒータが太陽電池パネルから剥がれ落ちて、太陽電池パネルを効率よく昇温できない場合がある。また、太陽電池パネルを支持する架台等の支持構造体に固定された高剛性の鉄製のブロック材と太陽電池パネルとの間でヒータを挟む構成では、太陽電池パネルが撓んだ場合に、その撓みに伴う荷重がヒータに加わって、ヒータの性能に影響を与えるおそれがある。

本発明の目的は、太陽電池パネルを効率よく昇温でき、かつ、太陽電池パネルの変形が太陽電池パネルを支持するヒータに及ぶ影響を抑制できる太陽電池装置を提供することである。

本発明に係る太陽電池装置は、支持構造体に支持された太陽電池パネルと、太陽電池パネルの受光面とは反対側に配置されるヒータと、支持構造体に支持され、ヒータを直接または別の部材を介して支持する弾性支持部材と、を備える。

本発明の太陽電池装置によれば、太陽電池パネルを効率よく昇温でき、かつ、太陽電池パネルの変形がヒータに及ぶ影響を抑制できる。

本発明の実施の形態における太陽電池装置を屋根上に設置した状態を上から見た図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図２から弾性支持部材を取り出して示す斜視図である。 図２において、太陽電池パネルが積雪により下側に撓んだ状態を示す図である。 本発明の実施の形態の別例における太陽電池装置を示している図２に対応する図である。 図５から弾性支持部材を取り出して示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態における太陽電池装置１０を屋根上に設置した状態を上から見た図である。太陽電池装置１０は、建物の屋根材１１の上側に支持されている。

屋根材１１は、例えば野地板、または屋根材としての鋼材、または野地板の上側に固定された瓦、または波形スレートである。瓦として、スレート瓦、アスファルトシングル、粘土瓦、またはプレスセメント瓦の平板状の瓦が用いられてもよい。野地板の下側に設けられる鋼材を屋根材として用いて、野地板上に配置される瓦の上側に架台１２が固定される場合、鋼材に固定して野地板の上側に突出し瓦を貫通した図示しないボルトを架台１２に挿通させ、そのボルトのねじ部にナットをねじ結合して、鋼材に架台１２が固定されてもよい。図１、図２では屋根材１１を平板状に簡略化して示している。屋根は、切妻屋根等の水平面に対し傾斜した形状の屋根面を有する構成に限定せず、水平な屋根面を有する平屋根としてもよい。例えば、屋根材は、上側面が水平面であるコンクリートであってもよい。

架台１２は、縦プレートと呼ばれるもので、屋根材１１の上側に、水平方向（図１の矢印α方向）に間隔をあけて複数本並んで配置される。架台１２は、棟-軒方向である傾斜方向（図１の矢印β方向）に沿って伸びるように、屋根材１１の上側に固定されている。

図１では架台１２を２本のみ示しているが、実際には、矢印α方向に沿って間隔をあけた図示しない複数個所に複数本の架台１２が同様に配置されている。架台１２は、傾斜方向に配置された縦プレートと、縦プレートに対し直交する水平方向に配置された横プレートとが一部で交差するように上下に重ねて結合固定されることにより形成されてもよい。例えば、野地板上側に上記と同様にして横プレートがボルトにより固定され、横プレートの上側に縦プレートがボルト等の結合手段により固定されてもよい。

太陽電池パネル１８は、後述するように複数本の架台１２の上側に支持固定される。図１では、２本の架台１２の上側に１つの太陽電池パネル１８が支持される場合を示すが、１つの太陽電池パネル１８を支持する架台１２の本数は２本に限定するものではなく、１本でも３本以上でもよい。

太陽電池パネル１８は、複数の太陽電池素子がガラス板等の保護部材で挟持されたパネルである。太陽電池パネル１８は、平面視である受光面に対し垂直方向から見た場合の形状が略矩形である。太陽電池パネル１８は、長手方向が屋根の水平方向（矢印α方向）に沿い、短手方向が屋根の傾斜方向（矢印β方向）に沿うように、屋根上に配置される。

太陽電池素子は、縦方向及び横方向のそれぞれに複数個並んで配置され、互いに配線材３０で接続される。太陽電池パネル１８の長手方向一端部（図１の右端部）には、配線材３０に接続された出力端子３２，３４が設けられる。

図１では太陽電池パネル１８を１つのみ示しているが、複数個の太陽電池パネル１８が横方向及び縦方向のそれぞれに並ぶように配置されてもよい。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。太陽電池装置１０は、支持構造体である架台１２と、架台１２の上側に固定されたスペーサ１４と、取付フレーム１６と、太陽電池パネル１８と、ヒータ２０と、板状部材２２と、弾性支持部材である板バネ２４とを備える。

太陽電池パネル１８の周縁部には、金属等からなる複数のフレーム材を組み合わせて取付フレーム１６が形成され、太陽電池パネル１８の外周縁を囲むように枠状に設けられる。

取付フレーム１６は、中空状の断面形状を有する本体部３６と、本体部３６の上端部に一体に設けられた固定部３８とを有する。固定部３８は凹部４０を有し、凹部４０に太陽電池パネル１８の外周縁部が差し込まれて、接着剤等により太陽電池パネル１８が固定される。

スペーサ１４は、架台１２と取付フレーム１６との間に設けられ、架台１２の上側にボルト等の結合手段により固定される。取付フレーム１６は、スペーサ１４の上面にボルト等の結合手段により固定される。これによって、太陽電池パネル１８に取付フレーム１６が取り付けられ、取付フレーム１６は架台１２にスペーサ１４を介して支持固定され、積雪等の荷重が加わった場合に太陽電池パネル１８やヒータ２０が架台１２に接触し、破損することを抑制することができる。

ヒータ２０は、断面略Ｕ字形のシート状に形成され、太陽電池パネル１８の受光面Ｓ１とは反対側の裏面Ｓ２に接触する第１領域４２と、第１領域の外縁に位置する第２領域４４とを有する。第２領域４４は、第１領域４２の棟側端部及び軒側端部から直交する下側に伸びるように設けられる。

ヒータ２０は、第１領域４２及び第２領域４４を含む部分において、例えばアルミニウム箔、アルミニウム薄板、銅箔、銅薄板等の薄膜状の電熱材を撓み可能な変形性を有する樹脂からなる絶縁材で被覆して形成されたヒータを用いることができる。第１領域４２は、太陽電池パネル１８の裏面に接触し、第２領域４４のそれぞれは、板バネ２４により取付フレーム１６の軒側端部及び棟側端部を形成する本体部３６の側面に接触するように配置される。

ヒータ２０は、太陽電池パネル１８に接着剤により接着されておらず、太陽電池パネル１８の下側面Ｓ２に対する変位を許容された状態で、太陽電池パネル１８の下側に配置される。

ヒータ２０は、電熱材に接続された図示しない接続端子を有し、接続端子に太陽電池パネル１８または、太陽電池パネル１８とは別の図示しない電源が電気的に接続される。ヒータ２０の使用時には、太陽電池パネル１８または別の電源からヒータ２０に通電されることにより、ヒータ２０自身が昇温し、ヒータ２０に接触した部材を昇温させる。

弾性支持部材である板バネ２４は、平板状の固定部４６と、固定部４６に続く曲面部５１とを有する。固定部４６は、架台１２とスペーサ１４との間に固定されることによって、板バネ２４を架台１２に支持する。図１に斜格子部で示すように、太陽電池パネル１８を平面視で見た場合に、架台１２と太陽電池パネル１８とが重なる部分の棟側端部と軒側端部とのそれぞれ２個所の合計４個所に板バネ２４が配置される。

図２、図３に示すように、板バネ２４は、固定部４６の一方側（図３の左側）から続く少なくとも２つの変曲点を有する曲面部５１を断面形状に含むように形成される。曲面部５１は、固定部４６の一方面側（上方）に折り曲げられ、固定部４６から一方側へ凸となる第３の曲面部５２と、第３の曲面部５２から他方側へ凸となる第２の曲面部５０と、第２の曲面部５０から固定部４６の一方面側に向かう第１の曲面部４８と、を有するように構成される。第１の曲面部４８は、固定部４６の一方面側、つまり上側に支持部が形成される。第２の曲面部５０は、固定部４６の他方側（図３の右側）に向かって凸となるように湾曲した曲面形状とされ、押え部が形成される。板バネ２４は、鋼板等の金属板を曲げ変形することにより形成される。

図２に示すように、第１の曲面部４８の支持部が接触することにより、ヒータ２０の第１領域４２は別の部材である板状部材２２を介して支持され、太陽電池パネル１８に第１領域４２が図２の矢印γ方向（受光面方向）に弾性的に押し付けられる。第２の曲面部５０の押え部が接触することにより、ヒータ２０の第２領域４４は、取付フレーム１６の側面、図２の矢印δ方向に弾性的に押し付けられる。板バネ２４の剛性は、太陽電池パネル１８の剛性に比べて低い。図２の左右両側に配置される板バネ２４は互いに同一の形状を有し、図１の左側に配置される板バネ２４も、図２の右側に配置される板バネ２４と同一の形状を有する。

板状部材２２は、平板状に形成されており、ヒータ２０の第１領域４２と板バネ２４との間に配置され、第１領域４２と面接触している。板状部材２２としては、中空構造等を有し、断熱性及び強度を有する樹脂材料を用いることが好ましい。その他、ヒータの接地を目的として鉄、銅、アルミニウム等を用いたもの単体、又は中空構造を有する樹脂材料等を組み合わせ、用いてもよい。

上記の太陽電池装置１０の使用時には、太陽電池パネル１８または図示しない電源からヒータ２０へ通電されることにより、ヒータ２０が接触する太陽電池パネル１８を昇温できる。このため、太陽電池パネル１８上に積雪がある場合でも、効率よく雪を除去できるので、太陽電池パネル１８の発電性能を維持できる。また、積雪以外に低温で太陽電池パネル１８の受光面上に溜まった水が低温で氷結した場合でも、ヒータ２０の熱で氷を効率よく除去できる。

上記の太陽電池装置１０によれば、板バネ２４によって太陽電池パネル１８にヒータ２０が弾性的に押し付けられるので、太陽電池パネル１８の下側にヒータ２０を単に接着する場合と異なり、太陽電池パネル１８からヒータ２０が剥がれ落ちるのを防止できる。このため、太陽電池パネル１８を効率よく昇温できる。したがって、豪雪地域での冬季の効率のよい発電が可能となる。

また、太陽電池パネル１８が上側の積雪等により下側に撓むように変形した場合でも、板バネ２４によりその変形を吸収できる。このため、その変形によって生じる太陽電池パネル１８及びヒータ２０の破損等を抑制できる。

図４は、太陽電池パネル１８の上側に雪５３が積もって、太陽電池パネル１８が下側に変形する場合を示している。この場合、ヒータ２０の正常時の通電状態ではヒータ２０が昇温することによって雪５３を除去できる。一方、ヒータ２０の通電停止の場合に、太陽電池パネル１８の上側には図４のように雪５３が積もって、太陽電池パネル１８が下側に変形する場合がある。この場合でも、板バネ２４が下側に弾性変形して太陽電池パネル１８の変形を吸収して、太陽電池パネル１８の変形が板バネ２４に支持されたヒータ２０に及ぶ影響を抑制できる。

さらに板バネ２４を用いることで、ヒータ２０の厚みが限定されないので、種々の厚みのヒータを用いることが可能である。また、ヒータ２０の故障時に交換作業が容易である。

また、板バネ２４とヒータ２０との間に板状部材２２が配置され、板状部材２２はヒータ２０と面接触するので、板バネ２４の第１の曲面部４８の支持部から板状部材２２の一部に押し付け力が集中して加わる場合でも、板状部材２２からヒータ２０へは、広い接触部でほぼ均等な力で上側に押し付けることができる。このため、ヒータ２０の熱を太陽電池パネル１８にほぼ均等に伝えることができるので、太陽電池パネル１８の全体を効率よく昇温できる。

また、板バネ２４は、取付フレーム１６にヒータ２０を弾性的に押し付ける第２の曲面部５０の押え部を有するので、ヒータ２０の通電時に取付フレーム１６も昇温でき、取付フレーム１６上に積雪がある場合でも、その雪も太陽電池パネル１８上の雪と同様に除去できる。なお、第２の曲面部５０の押え部と第２領域４４との間に図示しない板状部材を設けて、第２の曲面部５０の押え部をヒータ２０に板状部材を介して押し付けて、取付フレーム１６にヒータ２０を弾性的に押し付ける構成を採用することもできる。

また、板バネ２４の固定部４６は、太陽電池パネル１８と架台１２との間に挟持するように固定されるので、板バネ２４を架台１２に固定するために、特別な構造及び特別な工法を用いる必要がない。例えば、架台１２にスペーサ１４を結合手段により固定する場合に、架台１２とスペーサ１４との間に固定部４６を挟んだ状態で結合手段を用いて固定するだけでよい。この場合、ヒータを含まない太陽電池装置を屋根上に設置する通常の施工方法に比べて、ヒータ２０及び板バネ２４の取付作業に過度な負担は生じない。また、架台１２として汎用品を用いることができるので、取付コストは安価である。

また、スペーサ１４が設けられるので、太陽電池パネル１８の下側面と架台１２との間の距離を大きくできる。このため、ヒータ２０の通電停止時等において、太陽電池パネル１８の上側に積雪があり、太陽電池パネル１８が下側に大きく撓んだ場合でも、太陽電池パネル１８の下側の板バネ２４等の部材が架台１２に接触することを防止できる。なお、スペーサ１４は省略してもよい。この場合、板バネ２４の固定部４６は、取付フレーム１６と架台１２との間に直接に挟んで固定される。なお、板バネ２４の端部は、架台１２にボルト等の結合手段により固定することもできる。

なお、上記では、板状部材２２を介して板バネ２４の第１の曲面部４８の支持部をヒータ２０に押し付ける場合を説明したが、板状部材２２を設けずに、ヒータ２０に直接に第１の曲面部４８の支持部を弾性的に押し付けてもよい。

また、上記では、傾斜方向に沿って配置される架台１２に板バネ２４を固定する場合を説明したが、太陽電池パネル１８の下側に水平方向（図１の矢印α方向）に沿って架台が配置される場合に、この架台に固定された板バネ２４によりヒータ２０を太陽電池パネル１８に押し付けてもよい。

図５は、本発明の実施の形態の別例における太陽電池装置１０を示している図２に対応する図であり、図６は、図５から弾性支持部材である板バネ６０を取り出して示す斜視図である。本例の場合、図２で示した棟側及び軒側の２つの板バネ２４の代わりに、１つの板バネ６０を用いている。

板バネ６０は、図６に示した形状を有するもので、両端部に設けられた固定部６２と、中間部に少なくとも３つの変曲点を有する曲面部６４と、を断面形状に含むように形成される。曲面部６４は、固定部６２の一方面側に凸となるように、第１の曲面部６８を中心として対称的となるように形成される。固定部６２から第１の曲面部６８までは、固定部６２の一方面側（上方）に折り曲げられ、固定部６２から続く一方側へ凸となる第３の曲面部６６と、第３の曲面部６６から続く他方側へ凸となる第２の曲面部７０と、第２の曲面部７０から続く固定部６２の一方面側へ向かう第３の曲面部６６と、を有するように構成される。曲面部６４は、固定部６２の上面側、つまり上側に第１の曲面部６８の支持部と、外側が凸となるように湾曲した第２の曲面部７０の２つの押え部とを有する。

図５に示すように、固定部６２のそれぞれは、架台１２とスペーサ１４との間の棟側及び軒側の２個所に固定される。第１の曲面部６８の支持部が、板状部材２２に接触することにより太陽電池パネル１８の第１領域４２に板状部材２２を介してヒータ２０を弾性的に押し付ける。第２の曲面部７０の押え部は、ヒータ２０の第２領域４４に押し付けられ、取付フレーム１６の本体部３６の側面にヒータ２０を弾性的に押し付ける。

このような板バネ６０によっても、図１から図４の構成と同様に、太陽電池パネル１８を効率よく昇温でき、かつ、太陽電池パネル１８の変形がヒータ２０に及ぶ影響を抑制できる。その他の構成及び作用は、図１から図４の構成と同様である。

なお、上記の各実施の形態では、ヒータ２０がシート状である場合を説明したが、ヒータ２０はシート状以外の形状を有するものでもよい。例えばヒータ２０は、らせん状に形成された電熱線、温水ヒータ等であってもよい。また、ヒータ２０は、第１領域４２と、第２領域４４を有するものとしたが、少なくとも第１領域４２を有しているものであればよい。

なお、板バネとして、図２，３，５，６以外の形状を有する板バネが用いられてもよい。例えば、板バネは、取付フレーム１６にヒータ２０を押し付ける第２の曲面部５０，７０の押え部がない形状としてもよい。この場合、第１領域４２の熱を取付フレーム１６に伝える伝熱板を設けることが好ましい。伝熱板は、一部をヒータ２０と板状部材２２の間に配置し、他の部分を取付フレーム１６に接触させ、配置する。これにより、第１領域のみしか有さないヒータであっても取付フレーム１６に熱を伝えることができる。なお、板ばねを、板ばねの一部をヒータに接触させる構成とすることにより、ヒータ２０の熱を伝える伝熱板の役割を兼ねさせてもよい。

また、弾性支持部材は、板バネ２４以外としてもよい。弾性支持部材は、ヒータの第１領域を太陽電池パネルの裏面に押しつけ、支持することができる様なものであればよく、例えば、弾性支持部材として、コイルばね、または発砲ウレタン、ゴム等を用いてもよい。この場合、支持構造体と、太陽電池パネルと、の間に弾性支持部材が配置される。なお太陽電池パネルと弾性支持部材の間に板状部材を介した構成とし、支持する構成としてもよい。弾性支持部材でヒータを支持することにより、下側に弾性変形して太陽電池パネル１８の変形を吸収することができ、太陽電池パネル１８の変形がヒータ２０に及ぶ影響を抑制することができる。

また、上記では、板バネ２４等の弾性支持部材が架台１２に対してヒータ２０を弾性的に支持する場合を説明したが、弾性支持部材は架台１２を介さずに、瓦またはスレート等の屋根材を支持構造体として、屋根材に対してヒータ２０を弾性的に支持してもよい。例えば、屋根材上に設置された弾性支持部材が太陽電池パネル１８に、ヒータ２０を弾性的に押し付けてもよい。

また、上記では、太陽電池装置が屋根上に配置される場合を説明したが、太陽電池装置は屋根以外、例えば陸置き設置される構成としてもよい。このように陸置きされる場合、複数本平行に配置される架台、または枠状に形成される架台を支持構造体として、支持構造体に弾性支持部材と太陽電池パネルとを支持してもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 太陽電池装置、１１ 屋根材、１２ 架台、１４ スペーサ、１６ 取付フレーム、１８ 太陽電池パネル、２０ ヒータ、２２ 板状部材、２４ 板バネ、３０ 配線材、３２，３４ 出力端子、３６ 本体部、３８ 固定部、４０ 凹部、４２ 第１領域、４４ 第２領域、４６ 固定部、４８ 第１の曲面部、５０ 第２の曲面部、５１ 曲面部、５２ 第３の曲面部、５３ 雪、６０ 板バネ、６２ 固定部、６４ 曲面部、６６ 第３の曲面部、６８ 第１の曲面部、７０ 第２の曲面部。

Claims (6)

1. 支持構造体に支持された太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルの受光面とは反対側に配置されるヒータと、
   前記支持構造体に支持され、前記ヒータを直接または別の部材を介して支持する弾性支持部材と、を備える太陽電池装置。
2. 請求項１に記載の太陽電池装置において、
   前記弾性支持部材は板バネであり、
   前記板バネと前記ヒータとの間に配置され、前記ヒータと面接触する板状部材を備える太陽電池装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の太陽電池装置において、
   前記太陽電池パネルの周縁部に固定された取付フレームを備えることを特徴とする太陽電池装置。
4. 請求項３に記載の太陽電池装置において、
   前記弾性支持部材は、前記取付フレームに前記ヒータを弾性的に押し付ける押さえ部を有する太陽電池装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の太陽電池装置において、
   前記支持構造体は、屋根構成部材の上側に固定され、前記取付フレームを介して前記太陽電池パネルが支持される架台であり、
   前記弾性支持部材は、前記架台に支持される太陽電池装置。
6. 請求項３から請求項５のいずれか１に記載された太陽電池装置において、
   前記弾性支持部材は、前記取付フレームと前記架台との間に固定された固定部を有する太陽電池装置。

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