JP3655097B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として住宅用の発電に利用する太陽電池モジュールにかかわり、特には光電効果によるエネルギー変換の変換効率が発電時の温度上昇に起因して低下するのを抑制するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の住宅用の太陽電池モジュールの一例を示す垂直断面図である。図５において、符号の１はガラスなどの透明基板、２は光電変換を行う太陽電池セル、３はモジュール裏面を保護する裏面保護フィルム、４は透明基板１と裏面保護フィルム３との間を充填する透明な充填材、５はモジュール全体の外周面に嵌合した金属製の外枠である。
【０００３】
太陽電池モジュールは、太陽光によって発電され、太陽の日射量が多いほど最大発電電力が増大する。しかし、同時に日射量が多いときは一般的に温度上昇も大きくなる。「太陽エネルギー工学・太陽電池」（浜川圭弘・桑野幸徳著 培風館 １９９４年 Ｐ２３０〜２３２参照）には次のように記載されている。通常、晴天時には太陽電池モジュールの温度は外気温に比べて２０〜３０℃程度高くなる。この傾向は、太陽電池セルの構成材料のいかんにかかわらず単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンのいずれにも共通する。温度上昇に伴って、開放電圧Ｖocおよび最大出力Ｐmax は低下し、短絡電流Ｉscは増大する。つまり、光の増加は出力電流の増加をもたらすが、熱による温度上昇は出力電圧の低下をもたらし、出力電圧の低下の度合いが出力電流の増加の度合いよりも大きいので、結果として最大出力Ｐmax の低下を招くのである。図６（ａ）はアモルファスシリコンの場合の、図６（ｂ）は単結晶シリコンの場合の、図６（ｃ）は多結晶シリコンの場合の温度−出力特性を示す。図６（ｃ）の多結晶シリコンの太陽電池モジュールの場合は、上昇温度１℃について、短絡電流Ｉscが約０．１６％上昇するのに対して、開放電圧Ｖocが０．５９％低下し、総合して、最大出力Ｐmax が約０．６６％低下するという特性がある。より詳しくは、太陽電池モジュールの温度を外気温と同じ２５℃として、そのときの最大出力Ｐmax を１００％とする。晴天時に太陽電池モジュールの温度が５０℃になっていたとすると、そのときの最大出力Ｐmax は８３．５％となる。上昇温度１℃についての最大出力Ｐmax の低下の割合を示す温度係数は、−（１００−８３．５）／（５０−２５）＝−０．６６〔％／℃〕となる。つまり、２５℃から５０℃への温度上昇に対して、変換効率が１６．５％低下するのである。図６（ｂ）の単結晶シリコンの場合は、温度係数が−０．７１〔％／℃〕で変換効率は１７．７５％低下し、図６（ａ）のアモルファスシリコンの場合は、温度係数が−０．３〜−０．２〔％／℃〕で変換効率は５〜７．５％低下する。
【０００４】
そこで、日射量が大きいときに太陽電池モジュールを冷却することにより、温度上昇に起因する変換効率の低下を抑制することが考えられる。ホースで水道水を放水することにより太陽電池モジュールを冷却する場合には、人手がかかるとともに、水道のランニングコストが高くつく。温度センサを設けて、所定温度以上を検出したときに自動的にバルブを開いて冷却水を供給するシステムも考えられるが、設備が煩雑となる上に、水道と電気の両方でランニングコストが高くつく。
【０００５】
特開平５−１８３１７９号公報には、ソーラーカー用の太陽電池モジュールとして、モジュールの背面に空気流路を形成するとともに、その空気流路の出口側にクロスフローファンと、その駆動用のモーターと、モジュールの表面温度を検出する温度センサと、空気流路の温度を検出する温度センサと、両温度センサの検出信号を入力して所要の演算処理を行ってモーターを制御しファンを駆動するための制御回路などを備えた空冷式の太陽電池モジュールが開示されている。
【０００６】
特開平７−１３７７８８号公報には、建物の屋上に設置される水道用の水タンクの壁面に太陽電池モジュールを取り付け、水タンク内の２０℃前後の水道水との熱交換により太陽電池モジュールを冷却して、温度上昇を抑えるように構成した技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術には次のような問題点がある。前者の特開平５−１８３１７９号公報の場合には、空冷式であるから、冷却媒体である空気そのものは外気温度以下にはならず、冷却用の空気が太陽電池モジュールの背面を冷却する作用は、空冷しないものに比べると一定の効果がありはするが、それでも自ずと限界があり、効果的な冷却作用ではなく、変換効率の低下の抑制も不充分である。変換効率の低下を抑制するのは発電量を増すためであるが、冷却のためのクロスフローファンを駆動するモーターおよび制御回路を用いており、これらに電力を消費することは一種の矛盾である。また、クロスフローファン、モーター、温度センサ、制御回路を必要とし、構造が複雑になっているとともに、コスト面の負担も大きすぎる。
【０００８】
後者の特開平７−１３７７８８号公報の場合には、水道水貯留用の水タンクを太陽電池モジュールの冷却に利用しているので、適用箇所に大幅な制限を受ける。つまり、水タンクを屋上に設置するのは、オフィスビルやマンション等に限られることが多く、一般家屋にはそのまま適用することは現実的解決とはならない。この技術は、オフィスビルやマンション等の屋上に太陽電池モジュールを設置するに際して、たまたまそこに水道水貯留用の水タンクがあるときには、それを有効に利用するという適用範囲のごく狭いものである。一般家屋の屋根に太陽電池モジュールを設置するに際して、その設置のためにわざわざ水タンクも設置するというのであれば、コスト負担が大きすぎるし、屋根の耐荷重性も問題となる。また、水タンク内の水も太陽熱によって相当に昇温するので、冷却効果は不充分となりがちである。冷却を効果的にするには水の使用によって新たな水の補給をすればよいのであるが、太陽電池モジュールの昇温防止のためだけに多量の水道水を入れ替えることは省エネルギーの思想に矛盾を生じる。
【０００９】
本発明は上記した課題の解決を図るべく創案したものであって、温度上昇に伴う変換効率の低下を充分効率良く抑制することができる太陽電池モジュールを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる太陽電池モジュールは、温度上昇に伴う変換効率の低下を効率良く抑制するために、モジュール本体に冷却体を設けるのであるが、空冷式や単純な冷却式よりも抑制の効果を大とするために、水の気化熱を利用する蒸発式冷却体を設けてある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる太陽電池モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態にかかわる太陽電池モジュールの概略の構造を示す垂直断面図、図２はその要部を拡大した断面図である。図１、図２において、符号の１は光透過性や耐衝撃性にすぐれた白板強化ガラス等の透明基板、２は光電変換を行う太陽電池セル、３はモジュール裏面を保護しかつ入射した光を反射させる裏面保護フィルム、４は太陽電池セル２の外周面を被覆する状態で透明基板１と裏面保護フィルム３との間を充填する透明な充填材、５は強度確保とともに取り付け部として機能するようにモジュール全体の外周面４辺に嵌合したアルミニウムなどの金属製の外枠である。複数の太陽電池セル２は図示しないリボン状の金属箔により電気的に接続されている。充填材４としては、透光性にすぐれたエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）やポリビニルブチラール（ＰＶＢ）やシリコーン樹脂などが用いられる。なかでも作業性やコスト面ですぐれているＥＶＡが好ましい。裏面保護フィルム３としては、アルミニウムなどの金属箔をポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂でサンドイッチした複合フィルムなどがある。なお、端子ボックスは図示を省略している。このような構造の太陽電池モジュールはスーパーストレート構造と呼ばれる。太陽電池セル２としては、多結晶シリコンタイプでも単結晶シリコンタイプでもよい。以上のように構成されたモジュール本体ｍの構造については、一般の太陽電池モジュールと同様である。
【００１２】
以上のように構成されたモジュール本体ｍの裏面保護フィルム３の裏面の全面に蒸発式冷却体６を取り付けてある。この蒸発式冷却体６の下端部６ａはモジュール本体ｍの下端部よりも延出させてある。ここで「下端」というのは、住宅の屋根に設置したときの姿勢において下側となる方の端部をいう。蒸発式冷却体６としては、毛細管現象により水の吸収および引き上げが良好でかつ水の蒸発作用が良好な合成繊維で編んだものや織ったものなどが好ましい。不織布でもよい。モジュール本体ｍの下端部分にアルミニウム製や耐候性のある合成樹脂製の貯水部７を取り付けてある。蒸発式冷却体６の下端部６ａは貯水部７の内部に入り込んでいる。透明基板１の上面の下端部に対応して、貯水部７の上端部に上下に突出するフランジ７ａが一体的に設けられている。フランジ７ａと透明基板１との間には雨水入口７ｂが形成されている。フランジ７ａの内側面にフィン状の合成ゴム製の弁体８が取り付けられている。この弁体８は、その遊端部分が下側向きに屈曲した状態で透明基板１の上面に密着しており、貯水部７の内部を雨水入口７ｂにおいて外気に対して密閉している。９は弁体８を透明基板１に密着させるためのスプリング（つる巻きばね）である。なお、ゴム製の弁体８自体が充分な弾性を有していて、その弾性で透明基板１の上面に密着する場合には、スプリング９は省略してよい。屋根への設置状態で、モジュール本体ｍの透明基板１の上面に降った雨水１０は透明基板１に沿って流下し、貯水部７の雨水入口７ｂにおいて弁体８により一旦せき止められるが、ある一定量の水が溜まることにより、水の重量が弁体８のスプリング９の力に勝り、その結果として弁体８が下がって水が貯水部７内へ入り、貯水部７に冷却用水１１として貯留される。この冷却用水１１に合成繊維製の蒸発式冷却体６の下端部６ａが浸漬するようになっている。上記のような構造をもって、気化熱冷却方式の太陽電池モジュールＭが構成されている。
【００１３】
図３は気化熱冷却方式の太陽電池モジュールＭを一般住宅の屋根に設置した様子を示す。図３において、符号の２１は垂木、２２は野地板、２３は瓦桟、２４は瓦（屋根材）である。３１は取り付けのための補強材、３２は支持金具、３３は架台である。瓦２４を取り外して補強材３１を介して支持金具３２を野地板２２や垂木２１に対して図示しない釘で固定し、瓦２４を置き、必要に応じて防水処理を施し、支持金具３２に架台３３を固定し、架台３３に太陽電池モジュールＭを固定する。この取り付け方式は屋根置き型方式と呼ばれるものである。太陽電池モジュールＭにおける蒸発式冷却体６と屋根材である瓦２４との間には架台３３の高さ分に相当する通気路４１が確保されている。継続使用中においては上述したように雨水１０をもって冷却用水１１とする。以上のような気化熱冷却方式の太陽電池モジュールＭを複数台同様に設置し、各モジュールＭどうしを直列接続してストリングスを構成し、各ストリングスどうしを逆流防止ダイオードを介して並列接続して太陽電池アレイを構成し、太陽電池アレイを接続箱を介してインバータに接続し、さらに分電盤を介して各種電気機器（負荷）に接続するとともに売買電用の電力量計を介して商用の電力系統に対して連系する。
【００１４】
次に、上記のように構成された気化熱冷却方式の太陽電池モジュールＭの動作を説明する。雨が降ったときに、透明基板１の上面に降った雨水１０が流下し、雨水入口７ｂから弁体８と透明基板１との間の微細な隙間を通って貯水部７内へとしみ込み、貯水部７に冷却用水１１として貯留される。合成繊維製の蒸発式冷却体６に貯水部７の冷却用水１１が毛細管現象によりしみ込む。
【００１５】
晴天時には、太陽電池モジュールＭにふりそそぐ太陽光により発電が行われ、インバータで交流電力に変換され、分電盤から負荷または電力系統へと供給される。いま、外気温が２５℃で、もし冷却作用がなければ太陽電池モジュールＭの温度が５０℃まで上昇され得る状態になっているとする。そのままでは、従来の技術の項で説明したように、太陽電池セル２が多結晶シリコンの場合、２５℃のときの最大出力を１００％として、−０．６６×（５０−２５）＝−１６．５％だけ低下し、最大出力Ｐmax ＝８３．５％となってしまうところである。しかし、本実施の形態の気化熱冷却方式の太陽電池モジュールＭの場合には、貯水部７から毛細管現象によって合成繊維製の蒸発式冷却体６に吸い上げた水がモジュールＭの有する熱によって蒸発され、そのとき気化熱が奪われて温度が下降する。太陽電池モジュールＭと屋根との間には通気路４１が確保されており、この通気路４１を通り抜ける空気によって蒸気が流されていく。したがって、蒸発式冷却体６からの水の蒸発が継続して良好に行われることになる。ところで、気温が２５℃で湿度が例えば７６％のときは、通風乾湿計で乾球と湿球の温度差は約３℃となる（「理科年表」 東京天文台編 丸善株式会社 昭和６２年 Ｐ３８４〜３８５参照）。温度係数が−０．６６〔％／℃〕であるから、３℃の温度降下は、−０．６６×（−３）＝１．９８％すなわち約２％の変換効率の上昇をもたらす。すなわち、理論的には、合成繊維製の蒸発式冷却体６からの水分の蒸発による冷却作用によって太陽電池モジュールＭの温度上昇を抑え、太陽電池モジュールＭの温度を外気温と同じ２５℃に保つことによる最大出力の１６．５％の低下をなくすことと、気化熱によるさらなる温度降下による最大出力の２％の上昇との相乗により、理論的には、約１８．５％も最大出力Ｐmax を向上させることができる。もっとも、これは計算上でのことである。実際上は、冷却効果もある程度妨げられると考えられ、仮に太陽電池モジュールＭの温度が４０℃になるまで冷却できるとした場合、１００−０．６６×（４０−２５）＝９０．１％の最大出力Ｐmax となり、従来の技術の場合の８３．５％に比べて６．６％の変換効率の向上が可能である。
【００１６】
図４は太陽電池モジュールＭの設置の別形式である屋根一体型方式の場合を示す。符号の２１は垂木、２２は野地板、２５はアスファルトルーフィング、２６は樋、５１は支持金具、５２は架台、５３はシール材である。支持金具５１を野地板２２および垂木２１に図示しない釘で固定し、支持金具５１に架台５２を固定し、架台５２に太陽電池モジュールＭを固定する。太陽電池モジュールＭの下面と野地板２２との間に通気路６１を確保している。蒸発式冷却体６は通気路６１に臨んでいる。この場合、太陽電池モジュールＭが瓦やスレートなどの屋根材の代替をしている。その他の構成および動作については図１〜図３の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００１７】
なお、貯水部１１の容量は、その地方の平均降水量に応じて常に冷却用水が貯留されているように定めるものとする。それでも不足することが想定されるので、貯水部に水道配管を接続し、晴天が続くようなときには補給するようにすればよい。
【００１８】
太陽電池モジュールのタイプとしては、上記の実施の形態で説明したスーパーストレート構造のほか、サブストレート構造のものでもよいし、ガラスパッケージ構造のものでもよい（「ここまできた太陽光発電住宅」桑野幸徳著 工業調査会 １９９５年 Ｐ７３〜７９参照）。
【００１９】
【発明の効果】
太陽電池モジュールについての請求項１にかかわる発明によれば、モジュール本体の裏面に蒸発式冷却体を設け、モジュール本体の下端部に貯水部を設け、貯水部に蒸発式冷却体の一部を浸漬し、毛細管現象により蒸発式冷却体に水を供給し、蒸発式冷却体からの水の蒸発により気化熱を利用してモジュール本体を冷却するように構成してある。したがって、強制空冷式の場合のようなファンやモータや温度センサの制御回路など複雑な機構を必要とせず、冷却のために電気を消費することもなく、コスト面で非常に有利である。また、水タンクの壁面の外側に取り付けする場合のような間接的な冷却ではなく、水の蒸発に伴う気化熱を利用した直接的な冷却であるから、きわめて効果的な冷却を行うことができる。その結果として、温度上昇に伴う変換効率の低下をきわめて効率良く抑制することができる。
【００２１】
請求項２にかかわる発明によれば、冷却用水として雨水を利用するので、水道水を用いる場合のような費用がかからないですむ。また、雨水入口を弁体で塞いで貯水部から冷却用水が蒸発して減少するのを抑制しているから、気化熱を利用した蒸発式冷却において雨水を効果的にかつ継続して利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態にかかわる太陽電池モジュールの概略の構造を示す垂直断面図
【図２】 実施の形態の太陽電池モジュールの要部の拡大断面図
【図３】 実施の形態の太陽電池モジュールを住宅の屋根に設置した状態を示す一部破断の断面図
【図４】 太陽電池モジュールを屋根材として設置した場合の断面図
【図５】 従来の技術にかかわる太陽電池モジュールを示す垂直断面図
【図６】 温度−出力特性の特性図
【符号の説明】
１……透明基板、 ２……太陽電池セル、 ３……裏面保護フィルム、 ４……充填材、 ５……外枠、 ６……蒸発式冷却体（合成繊維製）、 ６ａ……蒸発式冷却体の下端部、 ７……貯水部、 ７ｂ……雨水入口、 ８……弁体、
９……スプリング、 １０……雨水、 １１……冷却用水、 ｍ……モジュール本体、 Ｍ……太陽電池モジュール、 ２１……垂木、 ２２……野地板、 ２３……瓦桟、 ２４……瓦、 ２５……アスファルトルーフィング、 ２６……樋、 ３１……補強材、 ３２……支持金具、３３……架台、 ４１……通気路、 ５１……支持金具、 ５２……架台、 ５３……シール材、 ６１……通気路

Claims (2)

1. モジュール本体の裏面に蒸発式冷却体が設けられ、毛細管現象により蒸発式冷却体に水を供給する貯水部がモジュール本体の下端部分に取り付けられ、気化した蒸気を通気路側に排出するように蒸発式冷却体が通気路側に面して配置されている太陽電池モジュール。
2. 貯水部はモジュール本体の上面から流下する雨水を取り込む雨水入口を有しているとともに、その雨水入口をほぼ気密的に塞いで貯水部からの冷却用水の蒸発を抑制する弁体を備えている請求項１に記載の太陽電池モジュール。

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