JP2019114580A - 太陽電池モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】車両前後方向で曲率の異なる太陽電池モジュールにおいて、所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化した太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】太陽電池モジュール１０は、車両前後方向の曲率の大きい部分ほど、表面層３０と封止層３４と背面層３６が積層された部分の板厚が薄くされている。もし、板厚が一定ならば、車両前後方向の曲率の大きい部分ほど太陽電池モジュール１０の曲げ剛性が高くなる。そこで、太陽電池モジュール１０では車両前後方向の曲率が大きい部分ほど板厚を薄くして車両前後方向における曲げ剛性の均一化を図った。すなわち、太陽電池モジュール１０では、車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど板厚を薄くしたため、太陽電池モジュール１０の全域に亘って所定の曲げ剛性を確保しつつ太陽電池モジュールの軽量化を達成することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。
従来、太陽電池セルを封止した封止層を太陽電池セルの受光面側に位置する表面層と受光面と反対側に位置する背面層で挟持する太陽電池モジュールが用いられている。車両のルーフとして太陽電池モジュールを採用する場合には、軽量化の観点から表面層等が樹脂で形成されている。また、表面層、封止層、背面層の厚さは、車両前後方向で一定とされている。
特開２０１５−０２３０７０号公報
ところで、車両のルーフは意匠性の観点から車両前後方向の曲率が車両前方から車両後方に向かって連続的に変化している。一般的に、曲率が大きいほど曲げ剛性が高くなるため、各層の厚さが一定に形成された太陽電池モジュールを車両のルーフに配設した場合には、曲率が最も小さい場所で所定の曲げ剛性を確保できる一定の板厚で太陽電池モジュールが形成されている。換言すれば、曲率が相対的に大きい場所では、太陽電池モジュールの曲げ剛性が過剰になっており、軽量化の点で改善の余地がある。
本発明は上記事実を考慮し、車両前後方向の曲率が異なる太陽電池モジュールにおいて、所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化した太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
請求項１記載の太陽電池モジュールは、発電素子が封止され、樹脂からなる封止層と、前記封止層における前記発電素子の受光面側に接合され、樹脂からなる表面層と、前記封止層における前記発電素子の受光面側と反対側に接合され、樹脂からなる背面層と、を備え、車両前後方向の曲率が大きい部分ほど、前記表面層と前記封止層と前記背面層とが積層された部分の板厚が薄く形成されている。
この構成によれば、樹脂からなる太陽電池モジュールは、車両前後方向において曲率の大きい部分ほど、表面層と封止層と背面層が積層された部分の板厚が薄く形成されている。もし、当該部分の板厚が一定ならば、曲率の大きい部分ほど太陽電池モジュール曲げ剛性が高くなる。したがって、太陽電池モジュールにおいて車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど板厚を薄くすることにより、車両前後方向における曲げ剛性の均一化を図ることができる。
一般的に、車両前後方向において最も曲率の小さい部分で所定の曲げ剛性を確保できるように、太陽電池モジュールの板厚は一定に設定されている。しかし、本太陽電池モジュールでは、車両前後方向において最も曲率の小さい部分と比較して曲率の大きい部分ほど板厚を薄くしたため、太陽電池モジュールの全域に亘って所定の曲げ剛性を確保しつつ太陽電池モジュールの軽量化を達成することができる。
請求項２記載の太陽電池モジュールは、請求項１記載の太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が大きい部分ほど前記表面層の板厚が薄く形成されている。
この構成によれば、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が大きい部分ほど、太陽電池モジュールの表面層の板厚が薄く形成されている。
したがって、太陽電池モジュール全体が所定の曲げ剛性を確保するために、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が最も小さい部分に設定された表面層の板厚に対して、車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど表面層の板厚を薄くすることができる。
この結果、表面層の板厚が車両前後方向で一定の太陽電池モジュールと比較して、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分では、表面層の板厚が相対的に薄くなるため太陽光の透過率が増大し、太陽電池モジュール全体の発電効率を向上させることができる。
請求項３記載の太陽電池モジュールでは、請求項２記載の太陽電池モジュールにおいて、前記背面層は、車両前後方向で板厚が一定に形成されている。
この太陽電池モジュールでは、背面層の板厚が車両前後方向で一定に形成されている。 したがって、太陽電池モジュール全体が所定の曲げ剛性を確保するために、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が最も小さい部分に設定された板厚に対して、車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど板厚を薄くする場合、表面層の変化割合が増大する。すなわち、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分では、表面層の板厚の相対的な減少割合が増加するため、太陽光の透過率が一層増大し、太陽電池モジュール全体の発電効率を一層向上させることができる。
請求項４記載の太陽電池モジュールでは、請求項１〜３のいずれか１項記載の太陽電池モジュールにおいて、前記表面層の曲げ剛性が前記背面層の曲げ剛性よりも高く設定されている。
この太陽電池モジュールでは、表面層の曲げ剛性が背面層の曲げ剛性よりも高く設定されている。一般的に、太陽電池モジュールに表面層側から衝撃荷重が入力され、発電素子が割れる原因は、衝撃荷重の入力により発電素子が大きく撓むことによる。この発電素子の撓み量を低減させるためには、表面層の剛性を高くすれば良い。ここで、背面層と比較して表面層の曲げ剛性を高くすれば、太陽電池モジュール全体の質量増加を抑制しつつ（軽量化を図りつつ）発電素子の割れを抑制することができる。
請求項５記載の太陽電池モジュールは、請求項１〜４のいずれか１項記載の太陽電池モジュールにおいて、前記封止層は、車両前後方向で板厚が一定に形成されている。
この太陽電池モジュールは、封止層の板厚が車両前後方向で一定である。したがって、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率の増加に伴って太陽電池モジュールの板厚を減少させた場合でも、封止層の板厚は減少されない。すなわち、太陽電池モジュールの車両前後方向の板厚が一定のものと比較して、太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率の増加に伴って板厚を減少させて軽量化させた場合でも、封止層の板厚を車両前後方向で一定に維持して発電素子の保護機能を車両前後方向で一定に維持する。
請求項１記載の発明の太陽電池モジュールは、上記構成としたので、所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化することができる。
請求項２、３記載の発明の太陽電池モジュールは、上記構成としたので、発電効率を向上させることができる。
請求項４、５記載の発明に係る太陽電池モジュールは、上記構成としたので、発電素子の保護性能に優れる。
本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの車体取付状態を説明する分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの車体取付状態を説明する平面図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールの車両前後方向に沿った縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の領域Ｊの断面拡大図であり、（Ｃ）は（Ａ）の領域Ｋの断面拡大図である。 （Ａ）は、アーチの荷重作用状態図であり、（Ｂ）はアーチの断面の応力作用状態図を示し、（Ｃ）は単純梁の荷重作用状態図であり、（Ｄ）は単純梁の断面の応力作用状態図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールの車両前後方向に沿った縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の領域Ｊの断面拡大図であり、（Ｃ）は（Ａ）の領域Ｋの断面拡大図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態に係る太陽電池モジュールの車両前後方向に沿った縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の領域Ｊの断面拡大図であり、（Ｃ）は（Ａ）の領域Ｋの断面拡大図である。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る太陽電池モジュールについて図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態に係る太陽電池モジュールは、車体のルーフとして車両骨格部材に取り付けられるものである。また、各図は模式的なものであり、本発明と関連性の低いものは図示を省略している。さらに、各図において矢印ＦＲは車両前方、矢印Ｗは車幅方向、矢印ＵＰは車両上方を示す。
（構成）
図１に示すように、本実施形態に係る自動車の太陽電池モジュール１０は、車体１２にルーフとして取り付けられるものである。車体１２には、太陽電池モジュール１０を支持する部材として、車両幅方向両端部に設けられ車両前後方向に延在する一対のルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂを備えている。ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂは、フロントピラー１６Ａ、１６Ｂ等と一体的に形成されているものである。
また、ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂ間には、車幅方向に延在するフロントヘッダ１８、リヤヘッダ２２が、車両前方側から順に配設されている。
太陽電池モジュール１０は、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、光透過性を有する表面層３０と、表面層３０の車両下方側に配置され発電素子（太陽電池セル）３２が封止された封止層３４と、封止層３４を車両下方側から支持する背面層３６とを備えている。換言すれば、封止層３４の発電素子３２の受光面側に表面層３０、発電素子３２の受光面と反対側に背面層３６が積層されて太陽電池モジュール１０が形成されている。これらの表面層３０、封止層３４、背面層３６が積層された太陽電池モジュール１０は、車両前方側から車両後方側に向って車両のルーフ形状に対応して車両前後方向の曲率が単調減少するように形成されている。
太陽電池モジュール１０は、図２に示すように、平面視で表面層３０のみが封止層３４や背面層３６の外周部に突出した周縁部３９を有し、周縁部３９を介してフロントヘッダ１８、リヤヘッダ２２、ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂに取り付けられている。
なお、図３（Ａ）では、太陽電池モジュール１０の車両前方側端部や車両後方側端部に位置する表面層３０の周縁部３９や、封止層３４の外周部に位置して表面層３０の下面と接合される背面層３６の凸部等は、図示省略されている。
表面層３０は、図２に示すように、平面視で略矩形状の樹脂板から形成されている。樹脂板は、透明で対候性に優れているポリカーボネート（ＰＣ）から形成されている。ポリカーボネートからなる樹脂板（ＰＣ板）は、耐候性に優れると共に軽量であるため、車両に搭載される太陽電池モジュール１０の表面層３０として好適である。なお、本実施形態における「樹脂」とは、光透過性を有するものである。
また、表面層３０は、図３（Ａ）に示すように、車両前方から車両後方に向って曲率半径方向の厚さ（以下、「板厚」という）が増加するように形成されている。すなわち、表面層３０の車両前後方向の曲率が大きい部分ほど板厚が薄くなるように形成されている。例えば、太陽電池モジュール１０において相対的に車両前後方向の曲率が大きい車両前方側端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｊ参照）の表面層３０の板厚Ａ２（図３（Ｂ）参照）は、相対的に車両前後方向の曲率か小さい車両後方側端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｋ参照）の表面層３０の板厚Ａ１（図３（Ｃ）参照）よりも薄く形成されている。
封止層３４は、図２及び図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、複数の発電素子３２と、発電素子３２を封止する封止材３８とから構成されている。複数の発電素子３２は、封止層３４内に規則的に配置され、封止材３８によって封止されている。発電素子３２は、シリコン系セル等の周知の発電素子である。封止材３８は、透明で弾性や接着性を有するエチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）にシランカップリング剤を混合させてフィルム状に形成されている。
なお、封止層３４は、図３（Ａ）に示すように、車両前方から車両後方まで板厚が一定に形成されている。すなわち、封止層３４は、相対的に曲率が大きい車両前方側端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｊ参照）でも、相対的に曲率が小さい車両後端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｋ参照）でも板厚Ｂで一定である（図３（Ｂ）、（Ｃ）参照）。
背面層３６は、背面板により構成されている。背面板は、表面層３０にＰＣを採用したことによる太陽電池モジュール１０のバックリングを防止するために、表面層３０と同じＰＣから形成されている。
背面層３６は、車両前方から車両後方に向って板厚が増加するように形成されている。すなわち、背面層３６の車両前後方向の曲率が大きい部分ほど板厚が薄くなるように形成されている。例えば、太陽電池モジュール１０において、相対的に車両前後方向の曲率が大きい車両前方側端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｊ参照）の背面層３６の板厚Ｃ２（図３（Ｂ）参照）は相対的に車両前後方向の曲率の小さい車両後方側端部近傍（図３（Ａ）、領域Ｋ参照）の背面層３６の板厚Ｃ１（図３（Ｃ）参照）よりも薄く形成されている。
このように、太陽電池モジュール１０は、車両前後方向の曲率が車両前方側端部から車両後方側端部に向けて単調減少するのに対応して、表面層３０と背面層３６の板厚が単調増加するように形成されている。一方、封止層３４は、車両前方側端部から車両後方側端部まで板厚が一定である。すなわち、太陽電池モジュール１０は、車両前後方向の曲率が車両前方側端部から車両後方側端部に向けて単調減少するのに対応して、所定の曲げ剛性を確保するように設定された太陽電池モジュール１０の板厚が単調増加するように形成されている。
これにより、太陽電池モジュール１０は、車両前後方向における曲げ剛性が均一化され、各位置で所定の曲げ剛性を確保することができる構成である。すなわち、車両前後方向の各位置で板厚を最小限として所定の曲げ剛性を確保することができる構成である。
(作用)
このように構成された太陽電池モジュール１０の作用について説明する。
太陽電池モジュール１０は、図１及び図３に示すように、車両のルーフとして車体１２に載置されるものであり、車両のルーフ形状に対応して車両側方視で車両前方から車両後方に向かって車両前後方向の曲率が連続的に変化するように流線型形状とされている。換言すると、太陽電池モジュール１０は、車両前方から車両後方に向って車両前後方向の曲率が単調減少するように形成されている。
一般的に、アーチは単純梁と比較して曲げ剛性が高い。アーチ４０（図４（Ａ）参照）は、アーチの中央に下向き荷重を受けた場合に、図４（Ｂ）に示すように、断面に一様な圧縮応力が作用するのに対して、単純梁４２（図４（Ｃ）参照）は、単純梁の中央に下向き荷重を受けた場合に、図４（Ｄ）に示すように、断面の中立軸よりも下側部分に引張応力が作用するためである。
また、アーチの曲げ剛性は、アーチの板厚が一定ならば曲率が大きい部分ほど高くなる。
そこで、太陽電池モジュール１０では、車両前後方向の曲率の相対的に大きい部分で板厚（表面層３０と封止層３４と背面層３６とを積層した板厚）を薄くしている。特に、太陽電池モジュール１０の曲率が最小の部分で所定の曲げ剛性を確保するために設定された板厚に対して、曲率が相対的に大きい部分ほど板厚を低減させている。これにより、曲率が最も小さい部分で所定の曲げ剛性を確保するために設定された一定の板厚で形成された太陽電池モジュール（以下、「板厚一定の太陽電池モジュール」という場合がある）と比較して、太陽電池モジュール１０の質量を軽減させることができる。
すなわち、太陽電池モジュール１０において車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分の板厚を曲率が相対的に小さい部分の板厚よりも低減することにより、太陽電池モジュール１０は車両前後方向の全域で所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化することができる。
特に、表面層３０において、曲率が最小の部分と比較して曲率が相対的に大きい部分の板厚を低減することによって表面層の板厚が車両前後方向で一定のものと比較して太陽光の透過率を増大させ、太陽電池モジュール１０の発電効率を増大させることができる。
また、封止層３４の板厚を車両前後方向で一定とすることによって、太陽電池モジュール１０の板厚が車両前後方向で変化しても、封止層３４による発電素子３２の保護性能は一定に維持される。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る太陽電池モジュールについて図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と異なるのは、表面層３０と背面層３６の形状のみなので、当該部分のみ説明する。
太陽電池モジュール５０は、車両前後方向の曲率が大きい部分ほど表面層３０の板厚が薄く形成されている。一方、封止層３４と背面層３６は、車両前後方向に一定の板厚で形成されている。
すなわち、太陽電池モジュール５０の表面層３０と封止層３４と背面層３６とが積層された部分の板厚を車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど薄くなるように、表面層３０の板厚のみで調整するものである。したがって、太陽電池モジュール５０において、車両前後方向の曲率に対応して所定の曲げ剛性を確保するために最小限の板厚で形成する場合、表面層３０の板厚の変化のみで対応することになる。すなわち、第１実施形態の太陽電池モジュール１０のように表面層３０と背面層３６の板厚を変化させることによって板厚を調整していたものと比較して、表面層３０の板厚の変化度合いが大きい。この結果、表面層３０の板厚が車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分で一層削減され、表面層３０における太陽光の透過率が向上する。
この結果、太陽電池モジュール５０は、所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化が達成されると共に、発電効率を一層増大させることができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る太陽電池モジュールについて図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と異なるのは、表面層３０と背面層３６の形状のみなので、当該部分のみ説明する。
（構成）
太陽電池モジュール６０は、車両前後方向の曲率が大きい部分ほど背面層３６の板厚が薄く形成されている。一方、表面層３０と封止層３４は、車両前後方向に一定の板厚で形成されている。
すなわち、太陽電池モジュール６０において、表面層３０と封止層３４と背面層３６とが積層された部分の板厚を車両前後方向の曲率が相対的に大きい部分ほど薄くなるように、背面層３６の板厚のみで調整するものである。したがって、太陽電池モジュール６０において、車両前後方向の曲率に対応して所定の曲げ剛性を確保するために最小限の板厚で形成した場合、背面層３６の板厚の減少のみで対応することになる。
また、太陽電池モジュール６０では、最も背面層３６の板厚が大きい車両後方側端部で表面層３０の板厚が背面層３６の板厚よりも厚く設定されている。表面層３０の板厚は車両前後方向で一定であるため、太陽電池モジュール６０の車両前後方向の全域で、表面層３０の板厚は背面層３６の板厚よりも厚く形成されている。例えば、太陽電池モジュール１０の車両前方側端部近傍（図６（Ａ）、領域Ｊ参照）でも車両後方側端部近傍（図６（Ａ）、領域Ｋ参照）でも、表面層３０の板厚Ａ１が背面層３６の板厚Ｃ３、Ｃ１よりも厚く設定されている（図６（Ｂ）、（Ｃ）参照）。
ここで、表面層３０と背面層３６は、共にポリカーボネート（ＰＣ）から形成されているため、相対的に板厚の大きい表面層３０の方が背面層３６よりも曲げ剛性が高い。
（作用）
太陽電池モジュール６０では、車両前後方向の曲率が大きい部分ほど、板厚（表面層３０と封止層３４と背面層３６とを積層した部分の板厚）を薄くしている。特に、曲率が最も小さい部分で所定の曲げ剛性を確保するために設定された板厚に対して、相対的に曲率が大きい部分ほど板厚を低減させている。これにより、板厚一定の太陽電池モジュールと比較して、太陽電池モジュール６０の質量を軽減させる（太陽電池モジュール６０を軽量化させる）ことができる。
すなわち、太陽電池モジュール１０において、曲率が相対的に大きい部分の板厚を曲率が相対的に小さい部分の板厚よりも低減することにより、太陽電池モジュール１０が車両前後方向の全域で所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化される。
また、外部（車両上方）から太陽電池モジュール６０に衝撃荷重が入力されることにより発電素子３２が損傷するのを防止するには、衝撃荷重による発電素子３２の撓みを抑制することが重要である。太陽電池モジュール６０の軽量化を達成しつつ、発電素子３２の撓みを抑制するには、表面層３０の剛性を高めることが必要である。
太陽電池モジュール６０の表面層３０と背面層３６は同一材料（ポリカーボネート）から形成され、車両前後方向の全域に亘って表面層３０の板厚が背面層３６の板厚よりも大きいため、表面層３０の曲げ剛性が背面層３６の曲げ剛性よりも高い。
したがって、車両のルーフに設置された太陽電池モジュール６０に対して車両上方から衝撃荷重が入力された場合でも、表面層３０の曲げ変形が抑制され、発電素子３２の損傷（割れ）等が防止又は抑制される。すなわち、太陽電池モジュール６０の耐衝撃性の向上が図られている。
特に、太陽電池モジュール６０では、板厚の調整を背面層３６の板厚の変化のみで対応しているため、表面層３０及び封止層３４の板厚が車両前後方向で一定に保持されている。したがって、太陽電池モジュール６０は、表面層３０や封止層３４の板厚が車両前方に向って減少するものと比較して耐衝撃性で一層優れる。
このように、太陽電池モジュール６０では、最も曲率の小さい車両後方側端部で表面層３０の板厚を背面層３６の板厚よりも厚く設定し、背面層３６の板厚のみを車両前方に向って漸減する構成としているため、太陽電池モジュール６０は所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化が達成されると共に、耐衝撃性の向上を図ることができる。
（バリエーション）
なお、太陽電池モジュール６０では、表面層３０と背面層３６とを同一の樹脂から形成したため、板厚の大小関係によって表面層３０の曲げ剛性を背面層３６の曲げ剛性よりも高く設定したが、これに限定するものではない。例えば、表面層３０と背面層３６を異なる樹脂から形成することにより、表面層３０の曲げ剛性を背面層３６の曲げ剛性よりも高くなるように設定しても良い。
また、第１実施形態や第２実施形態の太陽電池モジュール１０、４０でも、表面層３０の板厚が背面層３６の板厚よりも厚ければ、本実施形態と同様の作用を奏する。
［その他］
一連の実施形態では、ルーフ形状を車両前方から車両後方に向って車両前後方向の曲率が単調減少する構成としたが、これに限定されるものではない。ルーフの車両前後方向の曲率が変化するものであれば、適用可能である。また、ルーフ形状に拘らず、車両前後方向の曲率に応じて太陽電池モジュールの板厚を調整するものであれば適用可能である。
また、一連の実施形態では、封止層３４の板厚は一定としたが、車両前後方向の曲率に応じて板厚を変化させる構成としても良い。
１０、５０、６０ 太陽電池モジュール
３０ 表面層
３２ 発電素子
３４ 封止層
３６ 背面層

Claims (5)

  1. 発電素子が封止され、樹脂からなる封止層と、
    前記封止層における前記発電素子の受光面側に接合され、樹脂からなる表面層と、
    前記封止層における前記発電素子の受光面側と反対側に接合され、樹脂からなる背面層と、
    を備え、車両前後方向の曲率が大きい部分ほど、前記表面層と前記封止層と前記背面層とが積層された部分の板厚が薄く形成された太陽電池モジュール。
  2. 前記太陽電池モジュールの車両前後方向の曲率が大きい部分ほど前記表面層の板厚が薄く形成された請求項１記載の太陽電池モジュール。
  3. 前記背面層は、車両前後方向で板厚が一定に形成された請求項２記載の太陽電池モジュール。
  4. 前記表面層の曲げ剛性が前記背面層の曲げ剛性よりも高く設定された請求項１〜３のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
  5. 前記封止層は、車両前後方向で板厚が一定に形成された請求項１〜４のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
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