JP5484102B2

JP5484102B2 - 太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP5484102B2
Application number: JP2010017727A
Authority: JP
Inventors: 幸貴内田; 満雄山下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP2011071462A

Description

本発明は太陽電池モジュールに関するものである。

従来の太陽電池モジュールは、多数の太陽電池セルを直列接続している。それゆえ、外部環境の影響等で一部の太陽電池セルに影が生じた場合は、該太陽電池セルからの発熱により逆バイアス電圧が印加され異常温度上昇を生じる。

図１２は従来の太陽電池モジュールの端子箱の断面図であり、一般的なダイオードが太陽電池パネルの非受光面側に配置されているものである。

直列接続された太陽電池セルは、枚数が増えるほど影になった太陽電池セルの異常温度上昇は大きくなるため、部分的に影になった太陽電池セルの異常温度上昇による破損を防ぐために、太陽電池セルの直列数が２０個程度以下毎にバイパスダイオードが接続されている。そして、部分的に影になった太陽電池セルがあると、バイパスダイオードの方に電流が流れるような仕組みになっている。

しかし、バイパスダイオードは端子箱内に収納されているため、放熱性が良くなく、温度が上がりやすい。また、端子箱の内部は絶縁性の樹脂にて封止してあることに加え、端子箱が樹脂成形品のため伝熱性が悪くバイパスダイオードの温度が上がりやすい。

さらに、従来の太陽電池セル１枚の大きさは１００ｍｍ角程度であったが、大型化し１５０ｍｍ角も実用化されている傾向にある。ここで、太陽電池セルの出力電流はその面積に比例するため、従来の１００ｍｍ角に比べて１５０ｍｍ角の太陽電池セルの出力電流は２倍以上となってダイオードの温度上昇がより高くなるという恐れがあった。

さらに、太陽光のエネルギーは熱として太陽電池セルの温度を上昇させる。ここで、この太陽電池セルの熱は裏面側にある端子箱に伝わり、内部のバイパスダイオードの温度も上昇させるというおそれもあった。

このような問題に対し太陽電池モジュールの端子箱の蓋を金属製にしたものが提案されている。さらに、端子箱の蓋の一部がダイオードの面に直接接触、又は充填剤を介して接触させたものも提案されている。またさらに、端子箱と太陽電池パネルの裏面との間に空気層を設けるとともに、端子箱の蓋を金属製にしたものなども提案されている（以上、特許文献１参照）。

特開平１１−２５１６１４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、ダイオードが端子箱内の太陽電池モジュール側の面と直接接触しているため、ダイオードの発熱による温度上昇でＥＶＡが発泡すること、及び、ダイオードから外気への放熱が効率よく行えないという問題については、まだ改善されていなかった。

これは、太陽電池モジュールの端子箱の蓋を金属製にして、さらに、端子箱の蓋の一部がダイオードの面に直接接触し、さらに、端子箱と太陽電池パネルの裏面との間に空気層を設けたとしても、太陽電池パネルから端子箱を伝って太陽電池モジュール裏面接合面に熱が伝導してしまうためである。

また、蓋を金属製にしただけでは外気温の影響を受けて蓋の温度が上がることもあり、喚起が悪い場所では蓋が熱くなり、逆に端子箱内の温度が上がってしまうという問題があった。また、蓋に直接接着されておらず、端子箱全体の熱膨張の影響で、蓋とダイオードとの接触度合いが変わるため、安定した冷却効果が得られないという問題があった。また、空気層を設けることでも強制的に空冷しなければ有効には働かないことがわかっている。

上記の目的を達成するために本発明の太陽電池モジュールは、受光面及び該受光面の裏面に相当する非受光面と、外部に導出される配線と、を有する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの前記非受光面に配置される端子箱と、を有する。さらに、本発明の太陽電池モジュールは、前記端子箱内で前記配線と電気的に接続される出力ケーブルと、前記出力ケーブルと接続され、前記端子箱内に配置されるダイオードと、を備えている。そして、本発明の太陽電池モジュールにおいて、前記ダイオードは、前記太陽電池パネルの前記非受光面と非接触になるように配置されている。さらに、本発明の太陽電池モジュールにおいて、前記端子箱は、内部において互いに区画され、外部に開口する開口部をそれぞれ有する第１収納部及び第２収納部を有し、前記第１収納部には、前記配線が配置され、前記第２収納部には、前記ダイオード及び前記出力ケーブルが配置されており、前記第１及び第２収納部内には、それぞれ前記充填材が充填されている。

本発明の太陽電池モジュールによれば、端子箱内に配置されるダイオードが太陽電池パネルの非受光面と非接触になるように配置されていることにより、ダイオードが太陽電池モジュール側からの熱を直接受けないので、ダイオードの異常発熱を低減できる。

本発明の太陽電池モジュールの一実施形態に係る端子箱付近の断面図である。本発明の太陽電池モジュールの一実施形態に係る端子箱付近の製造工程の一部を説明する断面模式図であり、（ａ）はダイオードを放熱板と電極へ半田付けした状態、（ｂ）は端子箱に充填材を封入した状態を示すものである。本発明の太陽電池モジュールの一実施形態に係る端子箱付近の製造工程の一部を説明する断面模式図であり、（ａ）は図２（ｂ）の端子箱の向きを反転させた状態、（ｂ）は端子箱を太陽電池パネルの非受光面側に接着した状態を示すものである。本発明の太陽電池モジュールの他の実施形態に係る端子箱付近の製造工程の一部を説明する断面模式図であり、（ａ）はダイオードを放熱板と電極へ半田付けした状態、（ｂ）は端子箱を太陽電池パネルの非受光面側に接着した状態を示すものである。本発明の太陽電池モジュールの一実施形態および他の実施形態に共通して係る製造工程の一部を説明する端子箱付近の断面模式図であり、（ａ）は配線と電極板とを接続した状態、（ｂ）は配線と電極とが配された第１収納部内に充填材を封入した状態を示すものである。本発明の太陽電池モジュールの一実施形態および他の実施形態に共通して係る製造工程の一部を説明する端子箱付近の断面模式図であり、第１収納部の開口部にカバーを配置した状態を示すものである。本発明の太陽電池モジュールの一実施形態および他の実施形態に共通して係る端子箱の斜視図である。図７のＸ−Ｘの面から見た断面模式図である。図８と異なる実施形態において、図７のＸ−Ｘの面から見た断面模式図である。図７のＹ−Ｙの面から見た断面模式図である。図８と異なる実施形態において、Ｘ−Ｘの面から見た断面模式図である。従来の太陽電池モジュールの端子箱の断面図であり、ダイオードの位置を説明するためのものである。

以下、図面を参照して本発明について説明する。まず、本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールについて、図１〜図６を用いて説明する。

本発明の一実施形態に係る太陽電池モジュールは、図１及び図２に示すように、端子箱１と、非受光面２を有する太陽電池パネル１０と、を有している。また、本実施形態において、端子箱１の内部には、出力ケーブル５、電極６、太陽電池パネル１０から導出される配線７、及び出力ケーブルと電極６とに接続されるダイオード１１が収納されている。さらに、本実施形態では、端子箱１の内部に充填材３が充填されている。

端子箱１は、太陽電池パネルから導出される配線７、ダイオード１１及び配線７とダイオード１１を電気的に接続する電極６等を収納するとともに、外部環境からこれらの部材を保護する機能を有している。また、端子箱１は、太陽電池パネルの非受光面２と対向する対向面１ａを有している。この対向面１ａは、非受光面２と対向する端子箱１の内側面を指す。端子箱１の材質は、強度が高く耐候性が良い樹脂や金属などを用いればよく、特に制限されない。このような樹脂材料としては、端子箱１からの漏電の発生を低減するという観点から、例えば、電気絶縁性の高い樹脂である変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ樹脂）が好適であるが、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエステル、ポリアリレート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン又はＡＢＳ樹脂を用いてもよい。また、樹脂材料の場合は、紫外線から保護する観点から、黒色に着色することが好ましい。樹脂を着色する方法としては、例えば、樹脂に顔料などを混合することなどが挙げられる。なお、樹脂材料で構成される端子箱１は、例えば、射出成型などにより成形することができる。一方で、金属材料としては、例えば、鉄又はアルミニウムを用いることができる。このような金属材料は、外部からの衝撃に対する強度が高く、耐火性にも優れている。加えて、上述の金属材料は、樹脂材料に比べて放熱性（熱伝導率が高い）に優れている。なお、金属材料で構成される端子箱１は、例えば、鋳造法で作製できる。

また、端子箱１は、図１等に示すように、太陽電池パネル１０から導出される配線７及び電極６の一部が配置されている第１収納部１ｂと、出力ケーブル５及び電極６の一部と、ダイオード１１と、が配置されている第２収納部１ｃと、を有している。また、第１収納部１ｂは、外部に開口する開口部８を有し、第２収納部１ｃは、外部に開口する開口部８’を有する。第１収納部１ｂの開口部８は、太陽電池パネル１０が位置する方向と反対方向、すなわち、外部側（外気側）に向かって開口し、第２収納部１ｃの開口部８’は、太陽電池パネル１０に向かって開口する。それゆえ、端子箱１が太陽電池パネル１０の非受光面２に配置されると、第２収納部１ｃの開口部８’は、太陽電池パネル１０の非受光面２で塞がれる。一方で、第１収納部１ｂの開口部８は、端子箱１をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の接着剤で太陽電池パネル１０と接着した後、カバー９で塞がれる。なお、第１収納部１ｂ及び第２収納部１ｃは、互いに区画されるように設けられている。

太陽電池パネル１０は、太陽光を電気に変換する光電変換機能を有している。また、太陽電池パネル１０は、主として光を受光する受光面２’と、該受光面２’の裏面に相当し、端子箱１が取り付けられる非受光面２と、を有している。太陽電池パネル１０は、例えば、多結晶又は単結晶シリコンからなる半導体基板を電気的に直列接続してなる結晶シリコン系太陽電池、アモルファスシリコンの薄膜をガラス基板等に積層してなる薄膜シリコ
ン太陽電池又はカルコパイライト系のＣＩＳやＣＩＧＳ系、ＧａＡｓ系の化合物をガラス基板等に積層してなるか化合物系太陽電池等を用いることができる。また、太陽電池パネル１０は、外部に出力を取り出すための出力取出電極（図示なし）と、該出力取出電極から端子箱１内に配置されている電極６に接続される配線７と、を有している。出力取出電極及び配線７は、導電性を有するもので構成されており、例えば、銀、銅の金属が用いられる。出力取出電極及び配線７は、例えば、半田で接続される。

充填材３は、端子箱１の内部に配置される部材（配線７、ダイオード１１等）の酸化（錆）抑制、金属腐食性ガスやカビ等による電気回路の腐食抑制及び高電圧などから作業者を保護するような機能を有する。このような充填材３として、例えば、硬化後に経時的な物性変化が少ないエポキシ樹脂、硬化後も一定の弾力を残して周囲の部品の熱膨張・熱収縮に沿って伸縮するウレタン樹脂などが好適に用いられる。

次に、本実施形態の充填材３の充填方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、端子箱１内（第２収納部１ｃ）に第１放熱部材４ａ、出力ケーブル５、電極６及びダイオード１１を配設する。次いで、図２（ｂ）に示すように、第２収納部１ｃの開口部８’から充填材３の前駆体となる充填材ペーストをディスペンサ等で注入して充填し、硬化させることにより、充填材３を形成する。このとき、充填材３は、太陽電池パネル１０の非受光面２と対向する対向面１ａを覆うように配置される。次いで、図３（ａ）に示すように、第２収納部１ｃの開口部８’が太陽電池パネル１０の非受光面２と対向するように配置する。最後に、図３（ｂ）に示すように、端子箱１を太陽電池パネル１０の非受光面２に接着剤を介して接着する。また、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、端子箱１を太陽電池パネル１０に接合する際、太陽電池パネル１０の非受光面２と充填材３とが非接触となるような空隙を設ければ、太陽電池パネル１０から充填材３への熱伝導を低減することができる。また、本実施形態によれば、第２収納部１ｃに予め充填材３を充填してなる端子箱１を太陽電池パネル１０に接着することができるため、従来のように、太陽電池パネルに端子箱を接合した後に、充填材３を注入する方法に比べて、充填材ペーストの乾燥硬化に使用する装置の小型化を実現できる。

次に、本実施形態において、第１収納部１ｂのみに充填材３を形成する場合について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、第１収納部１ｂに第２収納部１ｃから引き出された電極６の一部を配置した端子箱１を準備する。次いで、図４（ｂ）に示すように、第２収納部１ｃの開口部８’が太陽電池パネル１０の非受光面２と対向するように、端子箱１を太陽電池パネル１０の非受光面２と接着する。次いで、図５（ａ）に示すように、太陽電池パネル１０から導出された配線７と第１収納部１ｂ内の電極６とを半田で電気的に接続する。次いで、図５（ｂ）に示すように、第１収納部１ｂの開口部８から充填材３の前駆体となる充填材ペーストをディスペンサ等で注入して充填し、硬化させることにより、充填材３を形成する。最後に、第１収納部１ｂの開口部８をカバー９で塞ぐ。このような
形態によれば、太陽電池モジュールの使用環境に応じて、第２収納部１ｃに充填材３を充填しなくても信頼性を維持できる場合、第２収納部１ｃに充填材３を配することなく、第１収納部１ｂに充填材３を充填できるため、充填材３の使用量を低減できる。

放熱板４（第１放熱部材４ａ）は、ダイオード１１から発せられる熱を外部に効率良く放熱する機能を有している。本実施形態において、放熱板４（第１放熱部材４ａ）は、端子箱１の対向面１ａとダイオード１１との間に配置されている。換言すれば、ダイオード１１は、第１放熱部材４ａを介して対向面１ａと接着されている。放熱板４（第１放熱部材４ａ）の材質には、例えば、鉄、ステンレス、銅又はアルミニウムのような金属が用いられる。この金属では、熱伝導率が比較的高いという観点から、銅又はアルミニウムが好適である。また、放熱板４の材質は、上述した金属に限ることなく、熱伝導率が比較的高
いエポキシ系樹脂又はアクリル系樹脂を用いてもよく、これらの樹脂の放熱性をより高めるべく、上述した金属のフィラーを上記樹脂に含有させてもよい。さらに、放熱板４は、端子箱１よりも熱伝導性（熱伝導率）を高くすれば、より放熱性を高めることができる。また、このような放熱板４を設ければ、太陽電池パネル１０で生じた熱を、端子箱１を介して外部に放熱しやすくなるため、太陽電池パネル１０で使用されるＥＶＡ等の封止樹脂の熱による発泡等を低減できる。なお、第１放熱部材４ａは、本実施形態のような板状体に限定されることなく、種々の形状を選択することができる。

出力ケーブル５は、太陽電池パネル１０で発電された電気を外部負荷に導く機能を有している。そのため、出力ケーブル５及び配線７は、電気的に接続されている。なお、本実施形態において、出力ケーブル５及び配線７は、電極６を介して電気的に接続されている。このような出力ケーブル５としては、例えば、銅線に樹脂が被覆されたものを用いることができる。

ダイオード１１は、太陽電池パネル１０を構成する太陽電池セルが部分的に影になった場合に、当該太陽電池セルで生じる温度上昇を低減する機能を有する。具体的には、影になった太陽電池セルに流れるべき電流をダイオード１１に流すように作用させることによって、太陽電池セルの温度上昇を低減させている。ダイオード１１は、必要に応じて数を増やしてもよい。

そして、本実施形態に係る太陽電池モジュールは、ダイオード１１が太陽電池パネル１０の非受光面２と非接触となるように、端子箱１内に配置されている。そのため、本実施形態では、ダイオード１１が太陽電池パネル１０側からの熱を直接受けにくいので、ダイオード１１の異常発熱を低減できる。さらに、本実施形態では、ダイオード１１が外気に近い側の端子箱１の対向面１ａに設けられているため、外気への放熱を効率よく行うことができる。なお、本実施形態では、端子箱１の対向面１ａにのみダイオード１１が配置されているが、これに限定されなくてもよい。すなわち、本発明では太陽電池パネル１０の非受光面２と非接触になるようにダイオード１１が配置されていればよく、例えば、端子箱１内の側面部にダイオード１１を配置してもよい。

次に、本発明の太陽電池モジュールの他の実施形態について図７〜図１０を参照しつつ説明する。

本実施形態では、端子箱１が基板部１２と蓋部１３とを有している点で上述した図１〜図６で示した実施形態と相違する。基板部１２は、図８に示すように、太陽電池パネル１０の非受光面２と接触するように接着されている。

一方で、蓋部１３は、図８に示すように、対向面１ａを含むとともに、太陽電池パネル１０の非受光面２と非接触となるように配置されている。また、蓋部１３は、ダイオード１１が配置されている対向面１ａの裏面に相当する位置において端子箱１内に向かって窪む凹部１３ａを有している。このような形態によれば、蓋部１３の外気との接触面積を大きくすることができるため、端子箱１の放熱性を高めることができる。

また、蓋部１３は、図９に示すように、凹部１３ａの裏面に相当する位置において対向面１ａから端子箱１内に向かって突出するとともに、頂面にダイオード１１が配置される複数の凸部１３ｂを有していてもよい。このとき、端子箱１内には、凸部１３ｂの頂面を除く部位と接触するように第２放熱部材４ｂが配置されている。すなわち、蓋部１３の凹凸形状に沿った形状を有する第２放熱部材４ｂを設ければ、放熱可能な領域を大きくできるため、より放熱性を高めることができる。このような第２放熱部材４ｂは、プレス成型等で所望の形状となるように形成すればよい。さらに、本実施形態では、ダイオード１１
を蓋部１３の対向面１ａだけでなく、端子箱１の内側面にも配置してもかまわない。

また、本実施形態のような構造を有する端子箱１は、図１０に示すように、例えば、凹部１３ａの深さを一定とし、且つ太陽電池パネル１０上で傾斜するように配置すると、外気が凹部１３ａ内を流れやすく（移動しやすく）なるため、端子箱１の冷却効率を向上させることができる。

また、上記した実施形態の変形例としては、図１１に示すように、ダイオード１１が隣り合う凸部１３ｂ間に配置されている形態がある。加えて、このような形態では、蓋部１３のダイオード１１が配置されていない凸部１３ｂの周面と接触するように第２放熱部材４ｂが設けられている。本実施形態では、上述した形態と同様に、蓋部１３の凹凸形状に沿った形状を有する第２放熱部材４ｂを設けているため、放熱可能な領域を大きくでき、より放熱性を高めることができる。

上記実施形態に沿って具体的な実施例を以下に説明する。

試料１として図１２に示す端子箱、試料２として図７に示す端子箱をそれぞれ用意した。

表１は外気温が常温の場合における端子箱内外の温度の測定結果である。また、表２は外気温が高温の場合における端子箱内外の温度の測定結果である。

電流については６Ａと８Ａでの２条件で測定し、端子箱内の温度を１箇所、端子部分３箇所とそれらに対応するダイオード３箇所の温度、端子箱の上面の温度を１箇所、測定環境の外気温度について測定した結果を表１及び表２に示す。

表１では試料１よりも試料２の方が端子箱１内の温度が低いことがわかるとともに、端子箱１の上面の温度が高くなっていることから、有効に端子箱１の外部に放熱されていることがわかる。

なお、ダイオード１１の温度自体は試料１よりも試料２の方が高いが、これは太陽電池パネル１０の熱容量の方が端子箱１の対向面１ａよりも大きく、且つ試料１の端子箱が太陽電池パネルの非受光面に対して直に接着されているため、ダイオード１１の熱が太陽電池パネル１０に移動（放熱）しやすいからである。それゆえ、試料１では、太陽電池パネル１０にＥＶＡが使用される場合、当該熱によって該ＥＶＡに発泡等の不具合が発生するおそれがある。

表２では試料１よりも試料２の方が端子箱１内の温度が低いことが判るとともに、端子箱１の上面の温度が高くなっていることから、有効に端子箱１の外部に放熱されていることがわかる。

また、ダイオード１１の温度は試料１よりも試料２の方が高いが、理由については上記のとおりである。

１；端子箱
１ａ；対向面
１ｂ：第１収納部
１ｃ：第２収納部
２；太陽電池パネルの非受光面
２’；太陽電池パネルの受光面
３；充填材
４；放熱板
４ａ：第１放熱部材
４ｂ：第２放熱部材
５；出力ケーブル
６；電極
７；配線
８、８’；開口部
９；カバー
１０；太陽電池パネル
１１；ダイオード
１２：蓋部
１３：基板部
１３ａ：凹部
１３ｂ：凸部

Claims

受光面及び該受光面の裏面に相当する非受光面と、外部に導出される配線と、を有する太陽電池パネルと、
前記太陽電池パネルの前記非受光面に配置される端子箱と、
前記端子箱内で前記配線と電気的に接続される出力ケーブルと、
前記出力ケーブルと接続され、前記端子箱内に配置されるダイオードと、を備え、
前記ダイオードは、前記太陽電池パネルの前記非受光面と非接触になるように配置されており、
前記端子箱は、内部において互いに区画され、外部に開口する開口部をそれぞれ有する第１収納部及び第２収納部を有し、
前記第１収納部には、前記配線が配置され、
前記第２収納部には、前記ダイオード及び前記出力ケーブルが配置されており、
前記第１及び第２収納部内には、それぞれ前記充填材が充填されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
前記端子箱は、内部に前記太陽電池パネルの前記非受光面に対向する対向面を有し、
前記ダイオードは、前記端子箱内の前記対向面側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記ダイオードは、前記対向面と第１放熱部材を介して配置されており、
前記放熱部材は、前記端子箱よりも熱伝導性が高いことを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
前記対向面を覆うように前記端子箱内に充填される充填材をさらに備え、
該充填材は、前記端子箱内における前記太陽電池パネルの前記非受光面と非接触であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の太陽電池モジュール。
前記端子箱は、前記太陽電池パネルの前記非受光面と接触する基板部と、該基板部と接合されており、前記対向面を具備する蓋部と、を備え、
前記蓋部は、前記ダイオードが配置されている前記対向面の裏面に相当する位置において前記端子箱内に向かって窪む凹部を有していることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。
前記蓋部は、前記凹部の裏面に相当する位置において前記対向面から前記端子箱内に向
かって突出するとともに、頂面に前記ダイオードが配置される凸部を有し、
前記凸部の前記頂面を除く部位と接触するように配置される第２放熱部材をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュール。
前記端子箱は、前記太陽電池パネルの前記非受光面と接触する基板部と、該基板部と接合されており、前記対向面を具備する蓋部と、を備え、
前記蓋部は、前記対向面から前記端子箱内に向かって突出する複数の凸部を有し、
前記ダイオードは、隣り合う前記凸部間に配置されるとともに、前記蓋部の前記ダイオードが配置されていない前記凸部の周面と接触するように配置される第２放熱部材をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュール。