JP4936676B2

JP4936676B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP4936676B2
Application number: JP2005092810A
Authority: JP
Inventors: 健一郎隅田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006278538A

Description

本発明は、発電部の周縁部にフレームを取り付けた太陽電池モジュール、特にそのフレームのねじり強度を高めるフレーム構造に関する。

近年、環境保護や省エネルギー化のために、住宅やビルの屋上などに太陽電池装置を設置するようになった。太陽電池装置は、出力電圧と出力電流を必要な値まで高めるために、あるいは長期にわたって太陽電池セルを保護するために、通常、パッケージングして太陽電池モジュールを形成している。

このような太陽電池モジュール１は、図５に示すように、透光性パネル３の裏面側に複数の太陽電池セル４を直列および並列に接続してＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）などの透光性接着剤５で接着し、さらにＰＥＴ樹脂などからなる裏面保護材６で上記透光性接着剤５を覆って発電部２を形成し、その周縁部にアルミ材などからなるフレーム７を取り付けて構成される。

このような太陽電池モジュール１では、透光性パネル３だけでなくフレーム７によっても強度が確保されるため、太陽電池モジュール１を大型化した際にも透光性パネル３を厚くする必要がなく、重量増加を抑えることができ、取り扱いが容易になるとともに、透光性パネル３の厚みを薄くすることにより透過する光量を多くして発電効率を向上させることができるという利点がある。

近年、環境問題が取りざたされる中で太陽電池の需要は益々増してきているが、更なる普及のためには低コスト化が重要なポイントとなっている。低コスト化の方法のひとつとして、太陽電池モジュールの大型化が考えられる。すなわち、太陽電池モジュールを大型化することにより、単位発電量あたりのモジュール製造工数を減らすことが出来る。

太陽電池モジュールの大型化を実行する際に、発生する大きな問題のひとつとして強度の問題がある。太陽電池モジュールの表面積が増えたことにより、屋外に設置した場合は例えば受風面積や積雪面積が増えることにより、太陽電池モジュールに負荷される荷重が上昇するため、太陽電池モジュールを大型化するためには強度を上げることが必要となる。

ここで、太陽電池モジュールの強度を考えると、強度は主に透光性パネル３とフレーム７により確保される。この中で透光性パネル３の強度を大きくするためには板厚を大きくする、または透光性パネル３の材質を変更することが考えられるが、いずれの場合も使用材料の増加やコストアップの要因となる。よって、太陽電池モジュールの強度を大きくするためのもうひとつの手段としてフレーム７の強度を大きくすることが挙げられる。

フレーム７の強度を向上するために、フレーム７と発電部２の嵌合部の外れを防止する目的で、フレーム７の発電部２の裏面側にこの発電部の内側に張り出した張り出し部を設け、この張り出し部と前記発電部との間に弾性体を介装する技術が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００３-２８２９１７号公報

しかし、この場合、別途弾性体の部材を取り付けるために、弾性体部分の使用材料の増加、およびコストアップが避けられないという問題がある。

ここで、解決しようとする課題を明確にするために、図６に示される矩形の太陽電池モジュールにおいて発電部２の四辺がフレーム７により保護され、そのフレーム同士がネジや接着剤で固定された構造において外力を受けた場合の破壊挙動を説明する。

図６（ａ）は外力負荷前の太陽電池モジュールの様子を示した図であり、図６（ｂ）に外力負荷後の太陽電池モジュールの様子を示した図である。また、外力は図６（ｃ）に示すように太陽電池モジュール面に対して法線方向で上方に向かってかかる負圧方向風圧荷重とする。負圧方向風圧荷重は、例えば強風時に屋根上に設置された太陽電池モジュールに負荷される。

上記の太陽電池モジュール構造および外的条件において、太陽電池モジュールが破壊に至る過程を下記に示す。

（１）外力がかかり、発電部２が上向きにたわむ。

（２）発電部２がたわむことによりフレーム７は荷重を支えきれなくなり、フレーム７が捩れ変形を開始する。図６（ｂ）に示されるように、太陽電池モジュールの角部に近い位置のフレーム（端部）７ｄは角部で他のフレーム（端部）７ｄと締結されていることからフレーム（端部）７ｄの変形量は中央部のフレーム（中央部）７ｅの変形量に比べて小さい。このようにフレーム７の端部と中央部での変形量の違いによって捩れ変形が発生する。

（３）フレーム（中央部）７ｅの回転方向の捩れ変形量が大きくなり、発電部２との嵌合部分が外れ、発電部２が下方に脱落する。

また、ここでフレーム７の外れが発生した時点の断面図を図７に示す。図７（ａ）はフレームの端部における断面図であり、図７（ｂ）はフレームの中央部における断面図である。図７（ａ）に示されるように、フレーム（端部）７ｄは発電部２より抜けて落ちていないにもかかわらず、図７（ｂ）に示されるように、フレーム（中央部）７ｅは発電部２より抜けて落ちている。

このように、太陽電池モジュールの破壊の過程を観察した結果、フレーム（中央部）７ｅが捩れ変形を起こし、発電部２との嵌合が外れてしまうことを確認した。

よって、フレーム部材の厚みを厚くしたり、断面積を大きくすることによってフレームの変形を抑えることができると思われるが、単純に厚みを厚くしたり、断面積を大きくするとフレームの重量が増加して、太陽電池モジュールを固定している構造物、例えば住宅の屋根などに負担がかかってしまう。また、使用材料が増加してしまうため有限な資源の浪費につながり、太陽電池が環境商品であることを考慮すると好ましくない。また、使用材料の増加によりコストアップを招く。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、使用材料をできるだけ増加させずに太陽電池モジュールの破壊モードに対応した方向のフレーム剛性を増加させ、太陽電池モジュールの耐荷重性能を向上させることを可能とし、かつ量産性の高い太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の太陽電池モジュールは、発電部と、該発電部の周縁部に取り付けられるフレームと、を備えた太陽電池モジュールにおいて、前記フレームは、前記発電部の下部領域の内側に張り出した張り出し部を有し、該張り出し部に曲線部が配置されているとともに、前記張り出し部の下側に連続して前記内側とは反対側の外側に延びている固定用のインターフェースをさらに有していることを特徴とする。

本発明によれば、発電部の周縁部に取り付けられるフレームは従来よりも小さな断面積で捩れ応力に対する剛性を高めることが出来る。これにより、使用材料を少なくすることが可能であり、更にコストダウン効果を得ることが出来る。

以下、本発明に係わる太陽電池モジュールの構造を図面に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）は本実施形態に係わるフレームの形状、及びその特性値を示したものであり、図１（ｂ）は前記フレームを枠体として用いた太陽電池モジュールの断面図であり、また図４は比較のために従来のフレームの形状、及びその特性値を示したものである。図１に示すように１は太陽電池モジュール、２は発電部、３は透光性パネル、４は太陽電池セル、５は透光性接着剤、６は裏面保護材、７はフレームで、７ａは嵌合部、７ｂはインターフェース、７ｃは発電部の内側に張り出した張り出し部、８はジャンクションボックスである。

太陽電池モジュール１は、受光面にガラスや樹脂等の透光性パネル３が設けられ、この透光性パネル３に多数の太陽電池セル４がＥＶＡ樹脂（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ＶｉｎｙｌＡｃｅｔａｔｅ）等からなる透光性接着剤５によってラミネートされ、その裏面である非受光面にはテフロン（登録商標）フィルムやＰＶＦ（ポリフッ化ビニル）、ＰＥＴ（ポレエチレンテレフタレート）などの裏面保護材６が貼着されたものであり、太陽電池セル４としては、例えばシリコン系半導体やガリウムヒ素等から成る化合物半導体などの単結晶、多結晶や非晶質の材料が用いられ、互いに直列及び／または並列に電気的に接続された後、太陽電池モジュール６の裏面、すなわち裏面保護材６の上に接着されたＡＢＳ樹脂などの合成樹脂やアルミニウム金属などで構成したジャンクションボックス８を通して、太陽電池モジュール１の出力電力を送電ケーブル（不図示）により外部に出力が取り出されるものである。

そして、前述した透光性パネル３から裏面保護材６までが積層された発電部２の周縁部にはアルミ材などからなる枠体であるフレーム７が取り付けられている。このフレーム７は端面から太陽電池モジュール１へ衝撃が加わった際の衝撃を緩和したり、ゴミなどが侵入することを防止したりするとともに、建物などへの取り付けの際の取付部材や太陽電池モジュールの強度確保のために取り付けられる。また、このようなフレームは、例えば、押し出し成形やロール成形によって作製される。最後に、発電部２の周縁部に取り付けられたフレーム同士をねじや溶接、接着等で締結することにより、フレーム７が発電部２にしっかりと固定される。このとき、太陽電池モジュールの形状は特に限定されないが、一般的には正方形や長方形等の矩形形状に形成される。

本実施形態のフレームの形状の特徴について図１（ａ）を用いて説明を行なう。フレーム７は、発電部２を嵌合する断面コ字状の嵌合部７ａと、太陽電池モジュールを構造物に固定するためのインターフェース７ｂと、フレーム７の強度を向上させるための張り出し部７ｃとからなる。本発明においては、フレーム７の外形形状の一部分に曲線部分を有することを特徴としており、図１（ａ）においては張り出し部７ｃを曲線形状に施している。

この理由としては、先にも図６の説明で述べたように従来のフレームの破壊過程をみるに、フレームの端部は回転しないがフレームの中央部は回転し嵌合部分が外れることに着目すると、太陽電池モジュールの枠部分の脱落を防止するにはフレームの捩れに対する剛性向上が必要となることに着目した。そして、このような捩れに対する剛性は断面二次極モーメントで表され、これを大きくすることにより捩れ変形を抑制することができる。よって、捩れに対するフレームの変形挙動を考慮して、フレーム７の断面形状の一部に曲線形状を形成した。

これは、同一断面積で考えたときに最も断面二次極モーメントが大きくなる断面形状は円筒形状であり、図２に示すように同一断面積の角パイプと丸パイプの断面二次極モーメントを比較した結果においても明らかである。以下に、そのような同一外接半径とし、パイプの肉厚もほぼ同じになるようにした角状フレームと丸状フレームの比較について説明する。

図２（ａ）に角状フレームの断面図およびその特性値を、図２（ｂ）に丸状フレームの断面図およびその特性値を示す。角状フレームと丸状フレームの断面二次極モーメントを比較すると、角状フレームでは断面二次極モーメントが１９０．２ｃｍ^４であるのに対して、丸状フレームでは３０１．１ｃｍ^４と断面二次極モーメントが１．５倍の値となる。また、外接円半径が大きい方が断面二次極モーメントは大きくなるため、可能な限り外接円半径を大きくすることが望まれるが、太陽電池モジュールの枠体に用いられるフレームは太陽電池モジュールを構造物に固定するためのインターフェースであり、またフレームを大きくすることで屋根の上に占めるフレームの割合が大きくなると、設置面積に対するフレームの占有比率が増加し、それは太陽光発電システムの大型化、もしくは限られた設置場所に配置できる太陽電池素子の数が減ることになり、発電電力量に影響を与えることを考慮すると、外接円半径は制限されべきである。さらに、構造物への接続を考慮すると、フレームが完全に円筒形状で継ぎ手などない場合、屋根などの外部構造物への設置には専用の固定装置を要するなどの施工上の制限が生じ不便である。そこで、フレームのインターフェースとしての機能を保った上で、一部に曲線形状を導入することが好適な選択といえる。そこで太陽電池モジュールの枠体であるフレームの中央の脱落が、太陽電池モジュールの発電部に対して下方外側に向けた力（捩れ変形）によるものであることに着目し、図１（ｂ）のような太陽電池モジュールの内側に向けて張り出し部を設け、前記張り出し部を曲線部とすることで、枠体であるフレームの脱落方向への捩れ変形に対する抵抗力を特に強化するものである。

ここで、発明の効果を明らかとするために図１（ａ）に示す本発明のフレームの形状と、図４に示す従来のフレームの形状の特性値の比較を行なう。なお、この比較では条件をできるだけ揃えるために尺度を変更し、ほぼ同一断面積としている。従来のフレームの形状では、断面二次極モーメントが５．４４ｃｍ^４であるのに対し、本発明のフレームの形状では、断面二次極モーメントが８．１５ｃｍ^４と大きく、本発明によれば、明らかに断面二次極モーメントを向上することができる。その結果、捩れ変形に対する強度を向上することができ、これにより図１（ｂ）におけるフレーム７から発電部２が外れるといった問題を防止することができる。また、使用材料をできるだけ増加させずに太陽電池モジュールの破壊モードに対応した方向のフレーム剛性を増加させ、太陽電池モジュールの耐荷重性能を向上させることができ、かつ量産性の高い太陽電池モジュール全体への外力に対する剛性を向上することができる。

また、例えば、応用として従来の使用形態からの変更を少なくするために発電部２との嵌合部７ａを変更せず、また板厚についても変更せずに、図３に示すように、張り出し部７ｃの一部に曲線を盛り込んで、従来のフレームとの断面二次極モーメントの違いを確認すると、張り出し部７ｃの形状の一部を変更するのみであっても、若干ではあるが断面二次極モーメントが上昇していることが確認できる。よって、太陽電池モジュールの破壊モードが発電部２とフレーム７との嵌合のはずれであることを認識し、予め断面形状に曲線を盛り込むことで強度が上がることを考慮に入れて設計することにより、より少ない断面積で大きな断面二次極モーメントの強度向上を得ることができ、捩れ変形に対する剛性を増すことが出来る。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ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変更を加え得る。

例えば、フレームの断面形状を完全な円筒形状として接続部分としての継ぎ手を適宜取り付けることによっても、本発明の効果を好適に得ることが可能である。

（ａ）本発明にかかる太陽電池モジュールの一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は太陽電池モジュールのフレームの構造を示す一部拡大断面図である。本発明の理論を説明するための図であり、（ａ）は中空の角パイプの断面二次極モーメント、（ｂ）は中空の丸パイプの断面二次極モーメントを示す。本発明にかかる太陽電池モジュールに用いるフレームの他の実施形態を示す断面図である。従来の太陽電池モジュールとフレームの一実施形態を示す断面図である。従来の太陽電池モジュールの構造を示す断面図である。本発明の背景を説明するための図であり、（ａ）は破壊過程の中で破壊前の太陽電池モジュールのフレーム部の様子を示し、（ｂ）は破壊過程の中で破壊後の太陽電池モジュールのフレーム部の様子を示し、（ｃ）は太陽電池モジュールに負荷される荷重の方向を示す図である。本発明の背景を説明するための図であり、（ａ）は破壊過程の中で破壊後の太陽電池モジュールのフレーム端部における断面図を示し、（ｂ）は破壊過程の中で破壊後の太陽電池モジュールのフレーム中央部における断面図を示す図である。

符号の説明

１：太陽電池モジュール
２：発電部
３：透光性パネル
４：太陽電池セル
５：透光性接着材
６：裏面保護材
７：フレーム
７ａ：嵌合部
７ｂ：インターフェース
７ｃ：張り出し部
７ｄ：フレーム（端部）
７ｅ：フレーム（中央部）
８：ジャンクションボックス

Claims

発電部と、該発電部の周縁部に取り付けられるフレームと、を備えた太陽電池モジュールにおいて、
前記フレームは、前記発電部の下部領域の内側に張り出した張り出し部を有し、該張り出し部に曲線部が配置されているとともに、前記張り出し部の下側に連続して前記内側とは反対側の外側に延びている固定用のインターフェースをさらに有していることを特徴とする太陽電池モジュール。