JP2016187263A - 太陽電池モジュール及び太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐荷重性に優れた太陽電池モジュール及び太陽光発電装置を低コストで提供することである。【解決手段】本開示の一態様である太陽電池モジュール１１は、太陽電池パネル１２と、当該パネルの周縁部に設けられたモジュールフレーム１３とを備える。モジュールフレーム１３を構成する第１フレーム１４は、中空の角柱形状を有する本体部２０と、本体部２０の下部から当該モジュールの内側に張り出した内鍔部２３とを有する。内鍔部２３には、ボルト孔２４が形成されており、本体部２０の側壁２０ａには、内鍔部２３の側壁２０ａにおいてボルト孔２４の周縁に取り付けられるワッシャ４２との接触を避けるための開口部２５が形成されている。【選択図】図４

Description

本開示は、太陽電池モジュール及び太陽光発電装置に関する。

従来、架台フレーム等に太陽電池モジュールを固定して太陽光発電装置を構築する際に用いられる種々の固定構造が知られている。例えば、特許文献１には、モジュールフレームの外側に張り出した鍔部を利用して、架台フレーム上に太陽電池モジュールを固定する構造が開示されている。

特開２０１４−１９４１３３号公報

太陽光発電装置を構成する太陽電池モジュールには、例えば風等の影響で上方へ持ち上げる力が作用することがある。このため、太陽電池モジュールは、モジュールフレームの剛性が高く、耐荷重性に優れることが望ましい。一方、材料コストの削減は重要な課題である。本開示の目的は、材料コストを削減しながら、太陽電池モジュールの耐荷重性を向上させることである。

本開示の一態様である太陽電池モジュールは、太陽電池パネルと、太陽電池パネルの周縁部に設けられたモジュールフレームとを備えた太陽電池モジュールであって、モジュールフレームは、中空の角柱形状を有する本体部と、本体部の下部から当該モジュールの内側に張り出した内鍔部とを有し、内鍔部には、ボルト孔が形成されており、本体部の側壁には、内鍔部の上面においてボルト孔の周縁に取り付けられるワッシャとの接触を避けるための開口部が形成されている。

本開示の一態様である太陽光発電装置は、上記太陽電池モジュールと、第２ボルト孔を有し、太陽電池モジュールが載置される架台フレームと、内鍔部のボルト孔及び架台フレームの第２ボルト孔に挿通されるボルトと、ボルトに螺号されるナットと、内鍔部の上面においてボルト孔の周縁に取り付けられ、当該上面とボルトの頭部又はナットとの間に挟まれるワッシャとを備える。

本開示の一態様によれば、耐荷重性に優れた太陽光発電装置を低コストで提供できる。

実施形態の一例である太陽光発電装置を示す図である。 図１中のＡＡ線断面図である。 実施形態の一例である第１フレームを内側から見た図である（太陽電池パネルの図示省略）。 図１中のＢＢ線断面図である。 実施形態の一例である太陽光発電装置の第１フレームにおけるボルト締結位置及びその近傍を示す図である。 参考例の太陽光発電装置を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態の一例について詳細に説明する。
実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、実施形態の一例である太陽光発電装置１０を示す図であって、１枚の太陽電池モジュール１１を架台フレーム３０上から取り外し、もう１枚の太陽電池モジュール１１を架台フレーム３０の上に設置した状態を示している。

図１に示すように、太陽光発電装置１０は、太陽電池モジュール１１と、当該モジュールが載置される架台フレーム３０とを備える。太陽電池モジュール１１は、２本の架台フレーム３０上に載置され、当該各フレームにボルト４０等（後述の図４等参照）を用いて固定される。２本の架台フレーム３０は、所定の間隔をあけて互いに略平行に配置されている。当該２本の架台フレーム３０上には、複数の太陽電池モジュール１１を固定することができ、例えば架台フレーム３０の長手方向に沿って複数の太陽電池モジュール１１が隣接配置される。但し、太陽光発電装置１０は、１枚の太陽電池モジュール１１から構成されていてもよい。架台フレーム３０の形状、本数等も特に限定されず、また太陽電池モジュール１１はボルト４０等を用いて架台フレーム３０以外の部材に固定することも可能である。即ち、太陽光発電装置は、図１に示す形態に限定されない。

太陽電池モジュール１１は、複数の太陽電池セルがガラス板等の保護部材で挟持された太陽電池パネル１２と、当該パネルの周縁部に設けられたモジュールフレーム１３とを備える。図１に例示する太陽電池モジュール１１及び太陽電池パネル１２は、平面視において矩形形状を有する。そして、架台フレーム３０の長手方向に対して太陽電池モジュール１１の長辺が略直交する状態で、架台フレーム３０上に太陽電池モジュール１１が固定されている。平面視とは、太陽電池パネル１２の受光面に対して垂直方向から見た場合である。なお、太陽電池モジュール１１の平面視形状は矩形形状に限定されない。

モジュールフレーム１３は、太陽電池パネル１２の周縁部を保護し、ボルト４０等を用いて太陽電池モジュール１１を架台フレーム３０に固定する際に利用される。モジュールフレーム１３は、例えばアルミニウム等の金属材料を押出成形して形成される長尺状の部材である。モジュールフレーム１３は、太陽電池パネル１２の長辺に沿って取り付けられた第１フレーム１４と、太陽電池パネル１２の短辺に沿って取り付けられた第２フレーム１５とを含み、太陽電池パネル１２の四方を囲んでいる。本実施形態では、第１フレーム１４が架台フレーム３０と略直交しており、それらが重なる部分にボルト４０等が取り付けられる。第１フレーム１４と第２フレーム１５とは、例えばコーナーピースを用いて互いに接続される。

架台フレーム３０は、ボルト４０が挿通されるボルト孔３１（第２ボルト孔）を有する。架台フレーム３０は、例えば屋根のような設置対象物（図示せず）に固定されている。図１に例示する架台フレーム３０は、上壁部、下壁部、及び上壁部と下壁部とを接続する側壁部を有する長尺状の部材であって、当該上壁部に太陽電池モジュール１１が載置され、下壁部が設置対象物に固定される。ボルト孔３１は、上壁部に形成されている。図１に示す例では、太陽電池モジュール１１が架台フレーム３０上に直接載置されているが、それらの間に他の部材が介在していてもよい。

図２は図１中のＡＡ線断面図、図３は第１フレーム１４を内側から見た図である。
図２及び図３に示すように、第１フレーム１４は、中空の角柱形状を有する本体部２０と、本体部２０の受光面側と反対の下部から太陽電池モジュール１１の内側に張り出した内鍔部２３とを有する。内鍔部２３は、ボルト４０等を用いて架台フレーム３０に締結される取付部（被締結部）である。第２フレーム１５は、例えば第１フレーム１４よりも長さが短い点を除き、第１フレーム１４と同様の構成を有する。但し、本実施形態では、第２フレーム１５は太陽電池モジュール１１の架台フレーム３０との固定に利用されないので、内鍔部を有さなくてもよい。

本体部２０は、受光面に対して垂直方向に長い矩形の断面を有し、互いに略平行に配置された側壁２０ａ，２０ｂを有する。側壁２０ａは、側壁２０ｂよりも太陽電池モジュール１１の内側に位置する。本体部２０は、軽量化、材料コスト削減等の観点から、中空構造を有する。但し、本体部２０は、第１フレーム１４の剛性を高めるため、例えば第１フレーム１４の長手方向両端部、後述の開口部２５、必要により形成される水抜き孔以外に、中空部と連通する開口部を有さない。側壁２０ａ，２０ｂには、中空部に張り出した補強用のリブ２０ｃがそれぞれ形成されている。なお、本体部２０の形状は図２に示す四角柱形状に限定されず、例えば受光面に対して水平方向に長くてもよく、五角柱形状等であってもよい。

本実施形態では、太陽電池パネル１２の周縁部を保持するための構成として、本体部２０の上面２０ｄに立設した鉤部２１と、本体部２０の上面２０ｄと鉤部２１との間に形成された内溝２２とを有する。鉤部２１は、側壁２０ｂの延長線上に設けられ、途中で側壁２０ａ側（内側）に折れ曲がって断面Ｌ字状に形成されている。そして、本体部２０の上面２０ｄと鉤部２１との間に太陽電池パネル１２を挿入可能な隙間である内溝２２が形成されている。内溝２２は、第１フレーム１４の上部において、第１フレーム１４の長手方向に沿って形成される。内溝２２には太陽電池パネル１２の周縁部が挿入され、太陽電池パネル１２と内溝２２の隙間には、例えば接着剤が充填される。

内鍔部２３は、上記のように、本体部２０の下部からモジュールの内側に向かって張り出している。内鍔部２３は、例えば本体部２０の下端部から延出し、側壁２０ａに対して略垂直に設けられる。そして、本体部２０の下面２０ｄと内鍔部２３の下面２３ｅとが連続した段差のない平坦な面を形成することが好適である。内鍔部２３は、架台フレーム３０と重なる部分のみに形成されてもよいが、好ましくは第１フレーム１４の長手方向に沿って連続的に形成される。

内鍔部２３は、ボルト４０が挿通されるボルト孔２４を有する。本実施形態では、太陽電池モジュール１１の各長辺に沿って取り付けられる２つの第１フレーム１４が同じ形状を有し、太陽電池モジュール１１は４箇所で２本の架台フレーム３０に固定される。このため、各第１フレーム１４の内鍔部２３には、架台フレーム３０と重なる部分に１つずつ、合計２つのボルト孔２４が形成されている。

本体部２０の側壁２０ａには、内鍔部２３の上面２３ｄにおいてボルト孔２４の周縁に取り付けられるワッシャ４２（後述の図４参照）との接触を避けるための開口部２５が形成されている。開口部２５は、内鍔部２３に沿って、即ち第１フレーム１４の長手方向に沿って長く形成されてもよいが、好ましくはボルト孔２４の位置に対応して小さく形成される。第１フレーム１４には２つのボルト孔２４が形成されているので、開口部２５もボルト孔２４の位置に合せて２つ形成される。ボルト孔２４の位置に合せて開口部２５を形成し、側壁２０ａの開口面積をできるだけ小さくすることで、第１フレーム１４の剛性を維持しながら本体部２０とワッシャ４２との干渉（接触）を防止することができる。図３に示す例では、側壁２０ａの下部を長さＴ₂₅，Ｗ₂₅の矩形形状に切り欠いて開口部２５が形成されている。

なお、第２フレーム１５が内鍔部を有さない場合、又は内鍔部にボルト孔が形成されない場合は、側壁２０ａに開口部を有さないことが好ましい。本実施形態では、モジュールフレーム１３全体の剛性を高めるため、第１フレーム１４のみに開口部２５が形成されることが好ましい。

以下、図４〜図６をさらに参照しながら、第１フレーム１４の内鍔部２３、開口部２５、及び内鍔部２３を利用した太陽電池モジュール１１の固定構造等について詳説する。図４は、図１中のＢＢ線断面図である。図５は、第１フレーム１４におけるボルト締結位置及びその近傍を上から見た図（一部断面図）である。図６は、太陽光発電装置１０の構成、作用効果を説明するために参考例として示す太陽光発電装置１００の断面図である。

図４に示すように、太陽電池モジュール１１は、架台フレーム３０の受光面側に載置され、内鍔部２３のボルト孔２４及び架台フレーム３０のボルト孔３１に挿通されるボルト４０等によって架台フレーム３０に固定される。即ち、架台フレーム３０のボルト孔３１と内鍔部２３のボルト孔２４とが重なるように、太陽電池モジュール１１を架台フレーム３０上に載置する。太陽光発電装置１０は、ボルト４０と、ボルト４０に結合されるナット４１と、内鍔部２３の上面２３ｄにおいてボルト孔２４の周縁に取り付けられ、上面２３ｄとボルト４０の頭部４０ａとの間に挟まれるワッシャ４２とを備える。また、太陽光発電装置１０は、内鍔部２３の下面２３ｅにおいてボルト孔２４の周縁に取り付けられ、下面２３ｅとナット４１との間に挟まれるワッシャ４３を備える。

図４に示す例では、本体部２０の下面２０ｅ及び内鍔部２３の下面２３ｅが架台フレーム３０に接触した状態で、ボルト４０、ナット４１、及びワッシャ４２，４３を用いて太陽電池モジュール１１が固定されている。ボルト４０は内鍔部２３の上面２３ｄ側からワッシャ４２の孔４２ａ及びボルト孔２４に挿通され、内鍔部２３の下面２３ｅ側に突き出たボルト４０の軸部４０ｂにワッシャ４３及びナット４１が取り付けられている。内鍔部２３の下面２３ｅとナット４１との間には、架台フレーム３０（上壁部）が介在している。ボルト４０、ナット４１により、内鍔部２３と架台フレーム３０とが締結されている。なお、ボルト４０を内鍔部２３の下面２３ｅ側から取り付け、内鍔部２３の上面２３ｄ側に突き出た軸部４０ｂにワッシャ４２及びナット４１を取り付けてもよい。この場合、ワッシャ４２は上面２３ｄとナット４１との間に挟まれることになる。以下では、ワッシャ４２が内鍔部２３の上面２３ｄとボルト４０の頭部４０ａとの間に配置されるものとして説明するが、ナット４１を上面２３ｄ側に配置した場合についても、「ボルト４０」を「ナット４１」に読み替えることで当該内容が同様に適用できる。

図４及び図５に示すように、ワッシャ４２の直径Ｄ₄₂は、ボルト４０の頭部４０ａの直径よりも大きい。このため、ワッシャ４２の端部４２ｂは、ボルト４０の頭部４０ａよりも本体部２０側に位置している。また、ワッシャ４２の端部４２ｃは、ボルト４０の頭部４０ａよりも内鍔部２３の先端側に位置している。ここで、ワッシャ４２の端部４２ｂとは本体部２０に最も近い端部（又はワッシャ４２の一部が本体部２０内に入り込んでいる場合は最も入り込んだ部分）を意味し、端部４２ｃとは内鍔部２３の先端に最も近い端部を意味する。内鍔部２３の延出長さ（側壁２０ａから内鍔部２３の先端までの長さ）は、ワッシャ４２の端部４２ｃが内鍔部２３の上面２３ｄから食み出さない長さとすることが好ましい。内鍔部２３の延出長さは、例えばワッシャ４２の直径Ｄ₄₂と略同一又は直径Ｄ₄₂の１．２倍以下である。

図４では、ボルト４０の頭部４０ａとナット４１の直径が、またワッシャ４２，４３の直径が、またワッシャ４２，４３の孔４２ａ，４３ａとボルト孔２４，３１の孔径が、それぞれ同じであるように図示しているが、これらは互いに異なっていてもよい。例えば、ワッシャ４２の孔径は、ボルト孔２４の孔径より小さくてもよく、或いは大きくてもよい。また、ボルト孔２４，３１は、真円形状でなくてもよく、例えば第１フレーム１４の長手方向に沿って長くなった長孔であってもよい。この場合、ボルト４０の軸方向長さが、太陽電池パネル１２の下面と内鍔部２３の上面２３ｄとの間隔より長くても、ボルト４０をボルト孔２４，３１に挿入することができる。

ワッシャ４２は、特に限定されず、例えば平ワッシャ、スプリングワッシャ、ウェーブワッシャ等を用いることができる。ワッシャ４３にもワッシャ４２と同様のものを適用できる。また、ボルト４０、ナット４１も特に限定されない。ナット４１及びワッシャ４３の代わりに、ワッシャ付きナットを用いてもよい。

本体部２０の側壁２０ａには、上記のように、内鍔部２３の上面２３ｄに配置されるワッシャ４２との接触を避けるための開口部２５が形成されている。太陽光発電装置１０では、開口部２５によって本体部２０とワッシャ４２との干渉が防止されるので、本体部５０の側壁５０ａに開口部２５を有さない太陽光発電装置１００（図６参照）と比べて、ワッシャ４２を本体部２０に近づけて配置することができる。即ち、ボルト孔２４の形成位置を本体部２０に近づけることができ、本体部２０の近くにボルト４０を締結することができる。詳しくは後述するが、これにより、太陽電池モジュール１１の耐荷重性が向上し、また内鍔部２３の短尺化、薄肉化等により材料コストが削減できる。

内鍔部２３の上面２３ｄにおいて、ワッシャ４２は、本体部２０との間に隙間（太陽光発電装置１００の場合よりも小さな隙間）をあけて配置されてもよいが、好ましくはワッシャ４２の一部が、開口部２５を介して本体部２０内に入り込んだ状態で配置される。即ち、ワッシャ４２の端部４２ｂは本体部２０内に存在する。開口部２５は側壁２０ａの一部を切り欠いて形成された中空部に連通する貫通孔であるから、開口部２５を介してワッシャ４２の一部を中空部に導入することが可能である。ワッシャ４２の一部を本体部２０内に導入することで、ボルト４０の締結位置を本体部２０にさらに近づけることができる。ボルト４０の締結位置は、頭部４０ａが側壁２０ａに接触しない範囲で、側壁２０ａに近いことが好適である。ボルト４０が回転したときに頭部４０ａが側壁２０ａと干渉する程度にまで、ボルト４０を側壁２０ａに近づけて配置することも可能である。

開口部２５は、側壁２０ａの下部においてワッシャ４２と干渉する部分を切り欠いて形成されている。具体的には、内鍔部２３の上面２３ｄとの境界位置である側壁２０ａの下端部から上方に長さＴ₂₅で形成される。長さＴ₂₅は、第１フレーム１４の受光面に対して垂直方向に沿った開口部２５の長さである。開口部２５は、受光面に対して垂直方向長さＴ₂₅よりも第１フレーム１４の受光面に対して水平方向に沿った長さＷ₂₅の方が長くなった矩形形状を有する。但し、開口部２５の形状は、当該矩形形状に限定されず、例えば半円形状や楕円形状であってもよい。

開口部２５の長さＴ₂₅は、ワッシャ４２の厚みＴ₄₂より大きく、ボルト４０の頭部４０ａの高さＴ₄₀よりも小さいことが好ましい（図４参照）。ワッシャ４２だけでなく、ボルト４０と側壁２０ａとの干渉も避けるべく、開口部２５の長さＴ₂₅を頭部４０ａの高さＴ₄₀より大きくすることも可能であるが、開口部２５の拡大による剛性低下の影響を考慮すると、Ｔ₂₅＜Ｔ₄₀とすることが好ましい。開口部２５の長さＴ₂₅の好適な一例は、ワッシャ４２の厚みＴ₄₂の１．１倍〜２倍（例えば、１ｍｍ〜２ｍｍ）である。

開口部２５の長さＷ₂₅は、ワッシャ４２の直径Ｄ₄₂より大きくてもよいが、好ましくは直径Ｄ₄₂以下である（図５参照）。ワッシャ４２は開口部２５を介して本体部２０内に導入されるが、ボルト４０の頭部４０ａが側壁２０ａと干渉するため、本体部２０内に入り込むのはワッシャ４２の一部である。ゆえに、不要な開口面積を減らして第１フレーム１４の剛性を高めるべく、開口部２５の長さＷ₂₅は、ワッシャ４２の直径Ｄ₄₂以下に設定され、より好ましくはＷ₂₅＜Ｄ₄₂とする。開口部２５の長さＷ₂₅の好適な一例は、ワッシャ４２の直径Ｄ₄₂の０．５倍〜１倍（例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍ）である。

上記構成を備えた太陽光発電装置１０によれば、開口部２５を形成したことによってボルト４０の締結位置を本体部２０に近づけることができる。風等の影響により太陽電池モジュール１１を上方へ持ち上げる力（負圧）が発生する場合があるが、太陽光発電装置１０は、特に負圧荷重に対する耐久性に優れる。例えば、太陽電池モジュール１１の上面を流れる強風により当該モジュールを上方へ持ち上げる負圧が発生した場合、内鍔部２３のボルト締結部には大きな荷重が作用する。しかし、太陽光発電装置１０の内鍔部２３にかかる荷重は、太陽光発電装置１００の内鍔部５３にかかる荷重よりも小さい。これは、負圧が発生すると本体部２０の下面２０ｅを持ち上げる力が作用するが、太陽光発電装置１０では支点である内鍔部２３のボルト締結部から本体部２０までの距離が短いため、本体部２０の下面２０ｅにかかるモーメントが小さくなるからである。ゆえに、内鍔部２３，５３の強度が同程度である場合、太陽光発電装置１０は、開口部２５を有さない場合（太陽光発電装置１００）と比べて優れた耐荷重性を有する。

さらに、太陽光発電装置１０では、ボルト４０の締結位置が本体部２０に近いため、開口部２５を有さない場合と比べて内鍔部２３の延出長さを短くすることができる。また、太陽光発電装置１０では、開口部２５を有さない場合と比べて、ボルト締結部にかかる負圧荷重が小さくなるので、内鍔部２３を薄肉化することも可能である。即ち、開口部２５を設けることにより、材料コストを削減することができる。

１０ 太陽光発電装置、１１ 太陽電池モジュール、１２ 太陽電池パネル、１３ モジュールフレーム、１４ 第１フレーム、１５ 第２フレーム、２０ 本体部、２０ａ，２０ｂ 側壁、２０ｃ リブ、２０ｄ 上面、２０ｅ 下面、２１ 鉤部、２２ 内溝、２３ 内鍔部、２３ｄ 上面、２３ｅ 下面、２４ ボルト孔、２５ 開口部、３０ 架台フレーム、３１ ボルト孔、４０ ボルト、４０ａ 頭部、４０ｂ 軸部、４１ ナット、４２，４３ ワッシャ、４２ａ，４３ａ 孔、４２ｂ，４２ｃ 端部

Claims (4)

1. 太陽電池パネルと、
   前記太陽電池パネルの周縁部に設けられたモジュールフレームと、
   を備えた太陽電池モジュールであって、
   前記モジュールフレームは、中空の角柱形状を有する本体部と、前記本体部の下部から当該モジュールの内側に張り出した内鍔部とを有し、
   前記内鍔部には、ボルト孔が形成されており、
   前記本体部の側壁には、前記内鍔部の上面において前記ボルト孔の周縁に取り付けられるワッシャとの接触を避けるための開口部が形成されている、太陽電池モジュール。
2. 前記太陽電池パネルは、平面視において矩形形状を有し、
   前記モジュールフレームは、前記太陽電池パネルの長辺に沿って取り付けられる第１フレームと、前記太陽電池パネルの短辺に沿って取り付けられる第２フレームとを含み、
   前記本体部の前記開口部は、前記第１フレームのみに形成されている、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の前記太陽電池モジュールと、
   第２ボルト孔を有し、前記太陽電池モジュールが載置される架台フレームと、
   前記内鍔部の前記ボルト孔及び前記架台フレームの前記第２ボルト孔に挿通されるボルトと、
   前記ボルトに結合されるナットと、
   前記内鍔部の上面において前記ボルト孔の周縁に取り付けられ、当該上面と前記ボルトの頭部又は前記ナットとの間に挟まれる前記ワッシャと、
   を備える、太陽光発電装置。
4. 前記ワッシャの一部が、前記本体部の側壁に形成された前記開口部を介して前記本体部内に入り込んでいる、請求項３に記載の太陽光発電装置。

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