JP5758748B2 - 太陽電池パネル固定治具と屋根との接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池パネル固定治具と屋根との接合構造に関する。

近年、資源節約や地球温暖化防止のため、化石燃料の代替エネルギーとして、原子力のほか、自然エネルギーを有効利用する技術が広く研究されている。中でも、太陽光は、工場生産された太陽電池パネルを住宅の屋根やビルの屋上等に設置するだけで利用できるため、化石燃料の代替エネルギーとして特に注目されている。

ところで、既設の屋根に太陽電池パネルを固定する際、鋼やアルミ等の金属材によって形成された固定治具と、瓦、スレート、金属板等で葺かれた屋根材とをボルトで接合し、上記固定治具に太陽電池パネルを別のボルトで固定する手法がとられる。しかし、この手法では、多数のボルトを締結する必要があり、施工に多くの時間を要するため、費用がかさむ。また、屋根材にボルト孔を設けることから、雨仕舞の課題も生じる。

施工時間、施工費用を軽減するため、まず、太陽電池パネルを支持する支持材の取付位置に防水ゴムシートを敷設し、支持材を防水ゴムシート上に配置し、鋼板屋根にビス止めした後、太陽電池パネルの縦枠及び横枠の底面に間隔をおいて接着剤を塗布し、上記支持材に接着剤塗布後の太陽電池パネルを突き当てることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−０６４８３５号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、支持材を屋根にビス止めするものであるため、雨仕舞の課題は依然として残る。また、図１及び図３によると、鋼板屋根は平板形状であるが、実際には、折板屋根や、瓦棒葺き、立平葺き、横葺き等、凹凸を有する場合がほとんどであり、屋根が平板であることはほとんどない。凹凸を有する屋根では、凸部の平面の広さが限られるため、支持材の小型化が求められる。また、作業性の向上のためにも、支持材の小型化が求められる。その結果、既設の屋根に太陽電池パネルを固定する際、平板形状の屋根に比べ、凹凸を有する屋根の方が高い接合強度が求められる。雨漏り防止の目的で、支持材と太陽電池パネルとの間だけでなく、凹凸を有する屋根と支持材との間も接着剤で固定しようとしたとしても、特許文献１の記載では、どのような接着剤を用いるかが不明であり、凹凸を有する屋根と太陽電池パネルとの間を接着剤で確実に固定できるとはいえない。

強度を有する接着剤として、従来より湿気硬化型のシリコーン系接着剤が知られているが、この接着剤は、硬化するまでに２４時間以上を要する。そのため、支持材に設けられた、屋根上の平面部と接合するための下部接合底面の全体に上記シリコーン系接着剤を用いたとしても、支持材を当初の載置場所に固定できない可能性がある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、固定治具の下部接合底面上における接着剤層を、速硬化接着剤からなる速硬化領域と、低弾性接着剤からなる低弾性領域とに分けることで、平板形状に限らず、凹凸を有する屋根であっても雨仕舞の課題を確実に克服した上で太陽電池パネルを固定できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に本発明は以下のものを提供する。

（１）本発明は、屋根上の平面部に、太陽電池パネルの固定治具が接着剤層を介して接合されており、前記固定治具は、前記太陽電池パネルを固定するための上部固定部と、前記屋根上の平面部と接合するための下部接合底面とを備え、前記接着剤層は、その接合面内において、下記接着剤層Ａが形成されている速硬化Ａ領域と、下記接着剤層Ｂが形成されている低弾性Ｂ領域とが存在する、太陽電池パネル固定治具と屋根との接合構造である。
接着剤層Ａ：ＪＩＳ Ｋ ６８６１ ８．２法によって定義される試験方法により測定したセットタイムが１８０分以下、かつ、ＪＩＳ Ｋ ６８５０ ５．１法によって定義されるせん断強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上
接着剤層Ｂ：ＪＩＳ Ｋ ７１６１ ４．６法によって定義される弾性率が０．１〜１００ＭＰａ

（２）また、本発明は、前記接着剤層Ａが反応型アクリル系又は反応型エポキシ系の接着剤層であり、前記接着剤層Ｂが一成分湿気硬化型のシリコーン系、変性シリコーン系、ウレタン系から選ばれる１種以上の接着剤層である、（１）に記載の接合構造である。

（３）また、本発明は、前記固定治具の下部接合底面における前記低弾性Ｂ領域が形成される位置に、大気に露出する貫通孔が形成されている、（２）に記載の接合構造である。

（４）また、本発明は、複数の固定治具が前記太陽電池パネルの周縁部に相当する位置に配置されている、（１）から（３）のいずれかに記載の接合構造である。

（５）また、本発明は、前記固定治具の下部接合底面の面積が前記固定治具の各々について１〜１０００ｃｍ^２である、（１）から（４）のいずれかに記載の接合構造である。

（６）また、本発明は、前記接着剤層の接合面内において、前記速硬化Ａ領域を挟んで、前記低弾性Ｂ領域が形成されており、前記速硬化Ａ領域と前記低弾性Ｂ領域との面積割合が１：９９〜５０：５０の範囲内である、（１）から（５）のいずれかに記載の接合構造である。

（７）また、本発明は、前記屋根の断面が凹凸形状をなし、凸部に前記平面部を有する折板屋根構造であり、この凸部の平面上に沿って、複数の前記固定治具の下部接合底面が配置される、（１）から（６）のいずれかに記載の接合構造である。

本発明によれば、平板形状に限らず、凹凸を有する屋根であっても雨仕舞の課題を確実に克服した上で太陽電池パネルを固定可能な点で、汎用性が極めて高い太陽電池パネル固定治具と屋根との接合構造を提供できる。

本発明に係る接合構造１の概略図である。 接合構造１を構成する固定治具２０の概略図である。 上部固定部２１ａ，２１ｂに太陽電池パネル４０が固定された状態を示す概略側面図である。 下部接合底面２２に接着剤層３０が形成されたときの概略底面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。

図１は、本発明に係る接合構造１の概略図である。接合構造１は、屋根１０上の平面部に、太陽電池パネルの固定治具２０が接着剤層３０を介して接合されている。そして、固定治具２０の上部固定部には、太陽電池パネル４０が固定されている。

図１では、１つの太陽電池パネル４０の周縁部に相当する位置に４つの固定治具２０が配置されているが、これに限るものではなく、固定治具２０の個数は、太陽電池パネル４０の荷重に耐えられる程度であれば、いくつであってもよい。

＜屋根１０＞
屋根１０は、金属で形成される。金属の種類はどのようなものであってもよいが、一般にガルバリウム鋼板、ステンレス鋼板、亜鉛メッキ鋼板（トタン板）、銅板等が広く用いられる。屋根１０の形状は平板に限らず、凸部１１が固定治具２０の下部接合底面の面積よりも広い平面部を有するものであれば、凹凸を有するものであってもよい。凹凸を有するものとして、折板屋根のほか、瓦棒葺き、立平葺き、横葺き等が挙げられる。

図１によると、屋根１０の断面が凹凸形状をなし、屋根１０の構造は、凸部１１に平面部１１ａを有する折板屋根構造である。そして、この平面部１１ａに沿って、複数の固定治具２０の下部接合底面が配置されている。この図１は、本発明に係る接合構造１を、平板形状に限らず、凹凸を有する屋根であっても利用できることの一例を示したものであり、屋根の形状が折板屋根構造に限定されるものではない。

＜固定治具２０＞
図２の（ａ）は、固定治具２０の概略平面図を示し、図２の（ｂ）は、固定治具２０の概略側面図を示す。固定治具２０は、上記太陽電池パネル４０を固定するための上部固定部２１ａ，２１ｂと、上記屋根１０上の平面部１１ａと接合するための下部接合底面２２とを備える。

図３は、上部固定部２１ａ，２１ｂに太陽電池パネル４０が固定された状態を示す概略側面図である。固定治具２０の下部接合底面２２に対向する位置には、ボルト挿入部２３が設けられている。このボルト挿入部２３には、ボルト５０の頭部５１が挿入され、この頭部５１がボルト挿入部２３の上面に接触するとともにねじ部５２が固定治具２０の上部に向けて突出されている。そして、太陽電池パネル固定金具５３の穴（図示せず）がねじ部５２に通され、かつ、ナット５４とねじ部５２とが螺合されることによって、一方の上部固定部２１ａと太陽電池パネル固定金具５３とで１つの太陽電池パネル４０が固定され、他方の上部固定部２１ｂと太陽電池パネル固定金具５３とでもう１つの太陽電池パネル４０が固定されている。すなわち、１つの固定治具２０で２つの太陽電池パネル４０が固定されている。

図４は、下部接合底面２２に接着剤層３０が形成されたときの概略底面図である。接着剤層３０は、その接合面内において、接着剤層Ａが形成されている速硬化Ａ領域３１と、接着剤層Ｂが形成されている低弾性Ｂ領域３２とにより構成される。後に詳しく説明するが、本実施形態では、速硬化Ａ領域３１で固定治具２０を屋根１０に仮接着し、低弾性Ｂ領域３２で固定治具２０を屋根１０に本接着する。速硬化Ａ領域３１及び低弾性Ｂ領域３２の配置は、どのような配置であってもよいが、初期段階で有効に仮接着し、その後確実に本接着するためには、速硬化Ａ領域３１を挟んで低弾性Ｂ領域３２が形成されることが好適である。

また、速硬化Ａ領域と低弾性Ｂ領域との面積割合は、１：９９〜５０：５０の範囲内であることが好適である。速硬化Ａ領域の面積割合が全体に対して１％未満であると、仮接着段階での接着強度が不十分であり、固定治具２０を当初の載置場所に固定できない可能性がある点で好ましくない。低弾性Ｂ領域の面積割合が全体に対して５０％未満であると、本接着後の接着強度が不十分であり、太陽電池パネル４０や屋根１０の耐用期間という極めて長期の間、固定治具２０を固定し続けることができない可能性がある点で好ましくない。

接着剤層Ａ及び接着剤層Ｂの形成の仕方は、どのような態様であってもよい。例えば、図４に示すように、接着剤層Ａ及び接着剤層Ｂを棒状に形成することが考えられる。固定治具２０を屋根１０に取り付けると、接着剤層Ａ及び接着剤層Ｂは各々の領域３１，３２の略全体に広がるため、固定治具２０が屋根１０に取り付けられた後は、接着剤層Ａ及び接着剤層Ｂは、各々の領域３１，３２の略全体を占める１つの層として形成される。

図２の（ａ）に戻り、固定治具２０の下部接合底面２２における低弾性Ｂ領域３２が形成される位置に、大気に露出する貫通孔２４が形成されていることが好適である。貫通孔２４が形成されていると、大気中の水分が貫通孔２４を通じて、接着剤層Ｂを構成する低弾性接着剤に接触するため、低弾性接着剤の硬化時間を短縮できる点で好適である。また、接着剤層Ｂを構成する低弾性型接着剤が低弾性Ｂ領域３２の略全体に行き渡ったか否かを目視で確認できる点でも好適である。

固定治具２０の下部接合底面２２の面積は、１ｃｍ^２以上１０００ｃｍ^２以下であることが好適であり、５ｃｍ^２以上５００ｃｍ^２以下であることがより好適であり、１０ｃｍ^２以上１００ｃｍ^２以下であることがさらに好適である。１ｃｍ^２未満であると、固定治具２０にかかる太陽電池パネル４０の荷重が過大となり、固定治具２０が太陽電池パネル４０を十分に支えきれない可能性がある点で好ましくない。１０００ｃｍ^２を超えると、固定治具２０の製造コストがかさむ点で好ましくない。また、作業者が片手で固定治具２０を持ち、反対の手で接着剤を塗布することは難しくなるため、作業性が劣る点でも好ましくない。また、固定治具２０に太陽電池パネル４０を載置したときの太陽光発電システム全体の重量が重くなる点で好ましくない。

＜接着剤層３０＞
上記のとおり、接着剤層３０は、その接合面内において、接着剤層Ａが形成されている速硬化Ａ領域３１と、接着剤層Ｂが形成されている低弾性Ｂ領域３２とが存在する。

［接着剤層Ａ］
接着剤層Ａは、ＪＩＳ Ｋ ６８６１ ８．２法によって定義されるシアノアクリレート系接着剤のセットタイムを、接着剤層Ａを構成する速硬化型接着剤のセットタイムに置き換えて測定したセットタイムが１８０分以下、かつ、ＪＩＳ Ｋ ６８５０ ５．１法によって定義されるせん断強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上であれば、どのようなものであってもよい。セットタイムは、６０分以下であることが好適であり、３０分以下であることがより好適である。せん断強度は、１０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好適である。セットタイムが１８０分を超えると、仮接着段階での接着強度が不十分であり、固定治具２０を当初の載置場所に固定できない可能性がある点で好ましくない。せん断強度が５Ｎ／ｍｍ^２未満であると、接着剤層Ａを構成する速硬化型の接着剤が硬化した後であっても、その後、接着剤層Ｂを構成する低弾性型の接着剤が硬化するまでの間に、固定治具２０が当初の載置場所からずれる可能性があるため、好ましくない。

接着剤層Ａを構成する速硬化型の接着剤として、反応型アクリル系又は反応型エポキシ系の接着剤が挙げられるが、耐熱性、耐久性に優れ、硬化時間が短いことから、反応型アクリル系の接着剤が好適である。

反応型アクリル系の接着剤として、（メタ）アクリル系モノマーと有機過酸化物とを含有するＡ液と、（メタ）アクリル系モノマーと上記有機過酸化物とレドックス触媒系を形成する還元剤とを含有するＢ液とからなる反応型二液アクリル系接着剤が挙げられる。また、エラストマー成分と（メタ）アクリル系モノマーとをベースに構成されたＳＧＡ系反応型アクリル系接着剤も挙げられる。この場合、エラストマー成分として、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、クロロスルホン化ポリエチレン等が挙げられる。反応型二液アクリル系接着剤の市販品として、例えばＹ６１０、Ｙ６１８（いずれもセメダイン社製）が挙げられる。

反応型エポキシ系の接着剤として、エポキシ樹脂を含有する反応型二液エポキシ系接着剤ハイクイック、ＥＰ３３０（いずれもセメダイン社製）が挙げられる。

［接着剤層Ｂ］
接着剤層Ｂは、ＪＩＳ Ｋ ７１６１ ４．６法によって定義される弾性率が０．１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であれば、どのようなものであってもよい。弾性率は、１ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることが好適であり、１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下であることがより好適である。弾性率が０．１ＭＰａ未満であると、必要な接着強度が得られない可能性があるため、好ましくない。弾性率が１００ＭＰａを超えると、日射による屋根材の膨張や風によるたわみに対して十分に追従できず、結果として、長期間経過すると屋根１０から固定治具２０が剥離する可能性があるため、好ましくない。

接着剤層Ｂを構成する低弾性型の接着剤として、一成分湿気硬化型のシリコーン系、変性シリコーン系、ウレタン系から選ばれる１種以上の接着剤が挙げられる。中でも、ウレタン系に比べて耐熱性に優れ、シリコーン系に比べて撥水汚染を防止できる点で、変性シリコーン系の接着剤が好適である。

一成分湿気硬化型のシリコーン系接着剤として、反応性シリル基含有ポリオルガノシロキサン系有機重合体をベースにした室温湿気硬化型接着剤が挙げられる。そして、市販品として、例えば、８０６０、８０５１Ｎ（いずれもセメダイン社製）が挙げられる。

一成分湿気硬化型の変性シリコーン系接着剤として、反応性シリル基含有ポリオキシアルキレン系有機重合体、架橋性シリル基含有アクリル系重合体及び架橋性シリル基含有アクリル変性ポリオキシアルキレン系重合体からなる群から選択される少なくとも１種の重合体をベースにした室温湿気硬化型接着剤が挙げられる。そして、市販品として、例えば、ＰＯＳシールスピード、ＰＭ１００（いずれもセメダイン社製）が挙げられる。

一成分湿気硬化型のウレタン系接着剤として、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール等のポリオールとポリイソシアネートとの反応によって得られるイソシアネート末端ウレタンプレポリマーをベースとした室温湿気硬化型接着剤が挙げられる。そして、市販品として、例えば、ＵＭ６００、Ｓ７００Ｖ（いずれもセメダイン社製）が挙げられる。

＜固定治具２０の屋根への接合方法＞
続いて、固定治具２０の屋根１０への接合方法について、図４、図１の順に説明する。まず、図４に示すように、作業者は、固定治具２０の下部接合底面２２に接着剤を塗布し、接着剤層３０を形成する。その際、貫通孔２４が形成されていない箇所に接着剤層Ａを構成する速硬化型接着剤を塗布し、貫通孔２４が形成されている箇所に接着剤層Ｂを構成する低弾性型接着剤を塗布する。

続いて、図１に示すように、作業者は、屋根１０の凸部１１に形成された平面部１１ａに沿って、複数の固定治具２０の下部接合底面２２を、太陽電池パネル４０の周縁部に相当する位置に配置する。そして、作業者は、貫通孔２４の中の状態を視認することで、接着剤層Ｂを構成する低弾性型接着剤が低弾性Ｂ領域３２の略全体に行き渡ったか否かを確認する。

以上で、固定治具２０の屋根への接合方法は終わりであるが、太陽電池パネル４０の固定治具２０への接合は次のようにして行う。速硬化型接着剤が硬化した後、作業者は、図３に示すように、固定治具２０のボルト挿入部２３にボルト５０の頭部５１を挿入し、この頭部５１をボルト挿入部２３の上面に当てながらねじ部５２を固定治具２０の上部に向けて突出させる。そして、作業者は、一方の上部固定部２１ａの上に１つの太陽電池パネル４０を載置し、他方の上部固定部２１ｂの上にもう１つの太陽電池パネル４０を載置する。そして、作業者は、太陽電池パネル固定金具５３の穴（図示せず）をねじ部５２に通す。そして、作業者は、ナット５４をねじ部５２と螺合させることで、２つの太陽電池パネル４０を１つの固定治具２０上に固定する。そして、この作業を繰り返すことで、図１に示すように多数の太陽電池パネル４０が連続して載置される。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例＞
図２に示される形状のアルミニウム製固定治具２０とガルバニウム鋼製折板屋根１０の凸部１１にウレタン樹脂系プライマー（商品名：ＭＰ１０００，セメダイン社製）を塗布し、アルミニウム製固定治具２０に、接着剤層Ａを構成する反応型アクリル系接着剤（商品名：Ｙ６１８，ＪＩＳ Ｋ ６８６１ ８．２法によって定義される試験方法により測定したセットタイム：８分，硬化物についてＪＩＳ Ｋ ６８５０ ５．１法によって定義されるせん断強度：１８．０Ｎ／ｍｍ^２，セメダイン社製）及び接着剤層Ｂを構成する変成シリコーン系接着剤（商品名：ＰＯＳシールスピード，硬化物についてＪＩＳ Ｋ ７１６１ ４．６法によって定義される弾性率：３．８８ＭＰａ，セメダイン社製）とを塗布し、ガルバニウム鋼製折板屋根１０の凸部１１の平面１１ａと貼り付けた。この貼り付けは、図４に示す態様で行った。すなわち、貫通孔２４が形成されていない箇所には、接着剤層Ａを構成する反応型アクリル系接着剤を塗布し、貫通孔２４が形成されている箇所には、接着剤層Ｂを構成する変成シリコーン系接着剤を塗布した。その後、２３℃，５０％ＲＨの条件下において７日間養生することで、実施例に係る接合構造１を得た。

［せん断強度の評価］
せん断強度の評価は、ＪＩＳ Ｋ ６８５０ ５．１法に準拠して行った。引張試験機ＵＴＭ−２．５Ｔ（ティ・エス・エンジニアリング社製）を用いて５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で固定治具２０を引っ張り、そのときの値をせん断強度とした。結果を表１に示す。１．０ｋＮ以上を“○”とし、０．５ｋＮ以上１．０ｋＮ未満を“△”とし、０．５ｋＮ未満を“×”とした。

［平面引張強度の評価］
平面引張試験は、ＪＩＳ ５５５７法に準拠して行った。上記引張試験機を用いて５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で固定治具２０を引っ張り、そのときの値を平面引張強度とした。結果を表１に示す。１．０ｋＮ以上を“○”とし、０．５ｋＮ以上１．０ｋＮ未満を“△”とし、０．５ｋＮ未満を“×”とした。

太陽電池パネル４０を固定するための上部固定部２１ａ，２１ｂと、屋根１０上の凸部１１に設けられた平面部１１ａと接合するための下部接合底面２２とを備えた固定治具２０において、下部接合底面２２に速硬化型接着剤からなる接着剤層Ａが形成された速硬化Ａ領域と、低弾性接着剤からなる接着剤層Ｂが形成された低弾性Ｂ領域とを設けた結果、せん断強度、平面引張強度ともに１．０ｋＮ以上であり、極めて良好であった。すなわち、平板形状に限らず、凹凸を有する屋根であっても雨仕舞の課題を確実に克服した上で太陽電池パネルを固定でき、しかも長期間放置しても良好であることが確認された。

１ 接合構造
１０ 屋根
２０ 固定治具
２１ａ，２１ｂ 上部固定部
２２ 下部接合底面
３０ 接着剤層
３１ 速硬化Ａ領域
３２ 低弾性Ｂ領域

Claims (7)

1. 屋根上の平面部に、太陽電池パネルの固定治具が接着剤層を介して接合されており、
   前記固定治具は、前記太陽電池パネルを固定するための上部固定部と、前記屋根上の平面部と接合するための下部接合底面とを備え、
   前記接着剤層は、その接合面内において、下記接着剤層Ａが形成されている速硬化Ａ領域と、下記接着剤層Ｂが形成されている低弾性Ｂ領域とが存在する、太陽電池パネル固定治具と屋根との接合構造。
   接着剤層Ａ：ＪＩＳ Ｋ ６８６１ ８．２法によって定義される試験方法により測定したセットタイムが１８０分以下、かつ、ＪＩＳ Ｋ ６８５０ ５．１法によって定義されるせん断強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上
   接着剤層Ｂ：ＪＩＳ Ｋ ７１６１ ４．６法によって定義される弾性率が０．１〜１００ＭＰａ
2. 前記接着剤層Ａが、反応型アクリル系又は反応型エポキシ系の接着剤層であり、
   前記接着剤層Ｂが、一成分湿気硬化型のシリコーン系、変性シリコーン系、ウレタン系から選ばれる１種以上の接着剤層である、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記固定治具の下部接合底面における前記低弾性Ｂ領域が形成される位置に、大気に露出する貫通孔が形成されている請求項２に記載の接合構造。
4. 複数の固定治具が、前記太陽電池パネルの周縁部に相当する位置に配置されている請求項１から３のいずれかに記載の接合構造。
5. 前記固定治具の下部接合底面の面積が、前記固定治具の各々について１〜１０００ｃｍ^２である請求項１から４のいずれかに記載の接合構造。
6. 前記接着剤層の接合面内において、前記速硬化Ａ領域を挟んで、前記低弾性Ｂ領域が形成されており、前記速硬化Ａ領域と前記低弾性Ｂ領域との面積割合が１：９９〜５０：５０の範囲内である請求項１から５のいずれかに記載の接合構造。
7. 前記屋根の断面が凹凸形状をなし、凸部に前記平面部を有する折板屋根構造であり、
   この凸部の平面上に沿って、複数の前記固定治具の下部接合底面が配置される請求項１から６のいずれかに記載の接合構造。

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