JP5938584B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Description
この発明は、太陽電池モジュールに関し、特に、フレームを備える太陽電池モジュールに関するものである。
近年、太陽光を光電変換し電力を取り出す太陽電池モジュールが広く利用されている。図１０、図１１に示す太陽電池モジュール１について、積雪荷重、風圧力等の様々な環境負荷に耐えるために、太陽電池１１を含む太陽電池パネル１０の周縁部がアルミニウム材などの金属で形成された金属製のフレーム２０に取り付けられる。
このような太陽電池モジュール１では、表面部材だけでなくフレーム２０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を大型化する際に表面部材１２を厚くする必要がなく、重量増加を抑えることができる。さらに、表面部材１２の厚みを薄くすることが可能となり、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利点もある。
上記したフレーム２０には、太陽電池パネル１０の周縁を支持する嵌合部２２が設けられる。太陽電池パネル１０の周縁は、溝の形状をした嵌合部２２に嵌め込まれる。そして、太陽電池パネル１０とそれを支持するフレーム２０との間の止水性能を確保するために、それらの間にポリプロピレン系またはポリスチレン系のエラストマー樹脂のパッキンである端面封止部材４０が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この端面封止部材４０が、太陽電池パネル１０の端部を覆った状態でフレーム２０の嵌合部２２に嵌め込まれる。
太陽電池パネル１０は複数の太陽電池１１を備え、複数の太陽電池１１が互いに銅箔等の導電材よりなる配線材（図示せず）により電気的に接続される。複数の太陽電池１１は、図１１に示すように、透光性を有するガラスなどの表面部材１２と、耐侯性フィルム等からなる裏面部材１３との間に、耐候性、耐湿性に優れたＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ、エチレン酢酸ビニル）等の封止材１４により封止される。
上記したように、太陽電池パネル１０とフレーム２０との間に端面封止部材４０を挿入する構造とすることで、太陽電池パネル１０とそれを支持するフレーム２０との間の止水性能を確保することができる。ところで、上記した端面封止部材４０とフレーム２０とは、接着剤により固定されているのではなく、フレーム２０に端面封止部材４０が嵌め込まれて固定されている。
太陽電池モジュール１を運搬する時に、矩形形状の太陽電池モジュール１の長辺側のフレーム２０の中央部を持って、太陽電池モジュール１を持ち上げることがある。このような場合、フレーム２０と端面封止部材４０とは嵌め込まれているだけなので、太陽電池パネル１０の重みにより、フレーム２０が湾曲する。フレーム２０の湾曲により、太陽電池パネル１０が脱落する、または、フレーム２０が変形するなどのおそれがあった。
この発明の目的は、上記の点に鑑みてなされたものにして、フレームの変形を防止した太陽電池モジュールを提供することにある。
この発明は、複数の太陽電池が封止材により表面部材と裏面部材との間に封止された太陽電池パネルと、この太陽電池パネルの周縁部を支持するフレームと、を備え、前記フレームは、本体部と、この本体部の上部に位置し、前記太陽電池パネルの周縁部が嵌め込まれる嵌合部と、前記本体部の嵌合部より下方から底面部までの間に、太陽電池パネルの周縁部から内側に向かう方向に延びた内鍔部と、を有する。
この発明によれば、フレームの断面二次モーメントが大きくなるので、フレームの中央部を持ったときの変位量を少なくすることができ、フレームの変形、フレームからの太陽電池パネルの脱落等を抑制できる。
第１の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
図１は、第１の実施形態にかかる太陽電池モジュールを示す平面図である。図１に示すように、第１の実施形態の太陽電池モジュール１は、太陽電池パネル１０と、太陽電池パネル１０を支持するフレーム２０と、を備える。フレーム２０は、太陽電池パネル１０の一対の短辺側に沿って設けられる第１フレーム２０ａと太陽電池パネル１０の一対の長辺側に沿って設けられる第２フレーム２０ｂとで構成される。第２フレーム２０ｂは、底面から太陽電池パネル１０に対して外方向に突出した鍔部２８が設けられている。鍔部２８の詳細な構成については後述する。
フレーム２０を構成する第１フレーム２０ａと第２フレーム２０ｂとは、それぞれ長手方向の終点部において互いに連結されており、フレーム２０によって太陽電池パネル１０が支持される。太陽電池モジュール１は、設置用の架台（図示せず）に、鍔部２８と係合部材（図示せず）とを用いて取り付けられる。
例えば、第１フレーム２０ａの長さは８００ｍｍ〜９００ｍｍ程度、第２フレーム２０ｂの長さは１３００ｍｍ〜１６００ｍｍ程度に形成されているが、これに限られるものではなく、種々の大きさとすることができる。
太陽電池パネル１０は、平面視において略矩形に形成される。太陽電池パネル１０は、図１ないし図３に示すように、銅箔等の導電材よりなる配線材１０２により複数の太陽電池１１が互いに電気的に接続され、透光性を有する表面部材１２と、耐候性を有する裏面部材１３との間に、透光性を有する封止材１４により封止される。封止財１４には、例えば、耐候性、耐湿性に優れたＥＶＡ等が用いられる。
また、配線材１０２により直列に接続された複数の太陽電池１１は、１単位ユニットであるストリングス１１０を構成する。図１に示す例では、直列に接続された１２個の太陽電池１１が、ストリングス１１０を構成する。隣接する複数のストリングス１１０は接続用配線、いわゆる渡り配線１１１により接続される。更に、複数の太陽電池１１からの出力を外部に引き出すための引き出し線１１２が設けられ、複数の引き出し線１１２の間に、複数の太陽電池１１が直列に接続される。
この太陽電池１１は、例えば、厚みが０．１５ｍｍ程度の単結晶シリコンや多結晶シリコンなどで構成される結晶系半導体からなり、１辺が１００ｍｍ程度の略正方形を有する。しかし、太陽電池１１の材料及び形状はこれに限るものではなく、他の太陽電池を用いても良い。
この太陽電池１１は、ｎ型領域とｐ型領域を備える。ｎ型領域とｐ型領域との界面に形成された接合部には、光電変換によって生じたキャリアを分離する電界が生じる。例えば、単結晶シリコン基板と非晶質シリコン層とによってｎ型領域とｐ型領域を形成した構造の太陽電池などが用いられる。単結晶シリコン基板と非晶質シリコン層との間に実質的に真性な非晶質シリコン層を挟み、その界面での欠陥を低減し、ヘテロ接合界面の特性を改善するものであってもよい。また、太陽電池１１は、受光面の反対側にｎ型領域とｐ型領域を有する裏面接合型の太陽電池であっても良い。
表面部材１２は、太陽電池１１に光を入射させる光透過性の板材である。例えば、白板ガラス、強化ガラス、熱反射ガラス等のガラス板やポリカーボネート樹脂などの合成樹脂板が表面部材１２として用いられる。
裏面部材１３は、耐侯性を有するフィルムである。例えば、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、或いはこれらを積層したものや、アルミニウム箔を間に挟んだＰＥＴフィルムなどが裏面部材１３として用いられる。必要に応じて端子ボックス（図示せず）が、例えば裏面部材１３の表面に設けられる。
第１の実施形態では、太陽電池パネル１０の周縁部が絶縁性のパッキン４０で覆われ、アルミニウム材などの金属からなるフレーム２０に嵌め込まれる。
このパッキン４０を構成する材料は、緩衝作用を有する絶縁性樹脂材料から選択される。例えば、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレンターポリマー、シリコーンゴム、ポリウレタン系ゴム、ポリアミド系ゴム、天然ゴム、ポリイソブチレン、ポリイソプレン、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルブチルゴム、スチレン・ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエン・スチレンゴム、スチレン・イソプレン・スチレンゴム、スチレン・エチレン・ブタジエンゴム、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレンゴム、スチレン・イソプレン・プロピレン・スチレンゴム、アクリルゴムなどの各種ゴムを用いることができる。
図２、図３に示すように、フレーム２０を構成する第１フレーム２０ａ及び第２フレーム２０ｂは、例えば、アルミニウム、鉄、或いはステンレス鋼等で形成され、押し出し成形等で作成される。この実施形態においては、アルミニウムの押し出し成形で形成している。これらフレーム２０ａ、２０ｂは、中空構造の本体部２１と、本体部２１の上部に位置し太陽電池パネル１０が嵌め込まれる断面がＣ字状の嵌合部２２とを有する。
フレーム２０ａ、フレーム２０ｂの端部には、フレーム２０ａ、フレーム２０ｂを固定するコーナーピース（図示せず）が挿入される矩形状の取り付け部２７が設けられる。また、長辺側の第２フレーム２０ｂには、底面から太陽電池パネル１０に対して外方向に突出した鍔部２８が設けられる。鍔部２８は、第２フレーム２０ｂの底面から外側に突出し、更に上方向に延びた構造を備える。
取り付け部２７に挿入されるコーナーピースは、アルミニウム合金で形成される。
フレーム２０ｂ（２０ａ）の取り付け部２７にコーナーピースの一方を挿入して、コーナーピースを固定する。その後、フレーム２０ａ（２０ｂ）の取り付け部２７にコーナーピースの他方を挿入して、フレーム２０ａ、２０ｂが固定される。
パッキン４０は、図２及び図３に示すように、横断面が略Ｃ字状に形成され、長手方向に線状に延びて形成される。このパッキン４０は、表面側に位置する表面部４０ａ、裏面側に位置する裏面部４０ｂ、太陽電池パネル１０の側面と接する側面部４０ｃとを備える。パッキン４０の厚みは、太陽電池パネル１０とフレーム２０間の絶縁性を確保できる厚みがあればよい。表面部４０ａ、裏面部４０ｂ及び側面部４０ｃの厚みは、例えば、０．５ｍｍから２ｍｍである。
さて、第１の実施形態におけるフレーム２０ａ、２０ｂは、断面二次モーメントを大きくするために、フレームの底面部に太陽電池パネル１０に対して内側方向に延びた内鍔部２９が設けられる。内鍔部２９の幅は、フレーム２０に必要とされる断面二次モーメントにより決定され、１９ｍｍ以上であることが好ましく、第１の実施形態では約２０ｍｍに設定する。
第１の実施形態におけるフレーム２０ｂの各寸法は次に記述するとおりである。図３に示すように、嵌合部２２の上面部（Ａ）が１１．３ｍｍ、嵌合部２２の高さ（Ｄ）が９ｍｍ、本体部２１の高さ（Ｅ）が２３．５ｍｍ、フレーム２０ｂの全体高さ（Ｂ）が３５ｍｍ、鍔部２８の幅（Ｆ）が７ｍｍ、内鍔部２９の幅（Ｇ）が２０．５ｍｍ、鍔部２８から内鍔部２９の先端までの長さ（Ｃ）が３８．８ｍｍである。この時のＸ軸方向の断面二次モーメントは、０．２４ｃｍ4、Ｙ軸方向の断面二次モーメントは１．６６ｃｍ4となる。
一方、内鍔部を設けない従来のフレームの各寸法は次に記述するとおりである。図１１に示すように、次の通りである。嵌合部２２の上面部（Ａ）が１１．３ｍｍ、嵌合部２２の高さ（Ｄ）が６ｍｍ、本体部２１の高さ（Ｅ）が２７ｍｍ、フレーム２０ｂの全体高さ（Ｂ）が３５ｍｍ、鍔部２８の幅（Ｆ）が７ｍｍ、鍔部２８から本体部２１の端までの長さ（Ｈ）が１８．３ｍｍである。この時のＸ軸方向の断面二次モーメントは、１．７６ｃｍ4、Ｙ軸方向の断面二次モーメントは０．３８ｃｍ4となる。
このように、第１の実施形態においては、フレーム２０の断面二次モーメントが従来のフレーム２０に比べて大きくなる。その結果、フレーム２０の変形量を少なくできる。例えば、長辺側のフレーム２０ｂの中央部を持ち、図１の矢印方向にフレーム２０を持ち上げた際にも変形量は少なくできる。
図１〜図３に示す第１の実施形態によるフレーム２０を用いた太陽電池モジュール１と、図１１に示す従来のフレーム２０を用いた太陽電池モジュール１とについて、長辺側のフレーム２０ｂの中央を持った場合の変位量を求めた。
図５は、太陽電池モジュール１において、フレーム２０ｂの中央部を持った場合を示し、図中矢印方向に太陽電池モジュール１の重量が加わることになる。太陽電池モジュール１の重量を約１４ｋｇとした場合、変位量Ｘは５ｍｍである。なお、この図５においては、太陽電池等の図示は省略している。
同様に、従来の太陽電池モジュール１において、図１２に示すようにフレーム２０ｂの中央部に太陽電池モジュール１の重量が加わる場合、変位量Ｙは２１ｍｍである。
このように、この発明によれば、断面二次モーメントが大きくなるので、変位量が少なくなり、太陽電池パネル１０のフレーム２０からの脱落を防止することができる。
また、断面二次モーメントは、Ｙ軸方向においても大きくなるので、太陽電池パネル１０が受光面側からの風圧などより圧力を受けても、フレームの変形を抑制することができる。
この実施形態の太陽電池モジュール１の組み立て方法について説明する。
図４に示すように、太陽電池パネル１０の周縁部をパッキン４０に嵌め込む。次いで、フレーム２０（２０ｂ）の嵌合部２２にパッキン４０を装着した太陽電池パネル１０を挿入する。また、フレーム２０（２０ａ）の嵌合部２２にも同様に、パッキン４０を装着した太陽電池パネル１０が挿入される。
これにより、パッキン４０がフレーム２０の嵌合部２２に狭まれて、太陽電池モジュール１０の周縁部が、パッキン４０を介してフレーム２０に固定される。
なお、フレーム２０によるパッキン４０の支持によって、パッキン４０は、元の容積に対して、所定の割合に圧縮されることが好ましい。例えば、パッキン４０は、１０〜９０容積％、好ましくは、２０〜８０容積％に圧縮されることが好ましい。
パッキン４０は、緩衝層として作用するので、太陽電池パネル１０のフレーム２０への良好な固定を確保することができる。また、断面二次モーメントが大きくなるので、変位量が少なくなり、フレーム２０の変形、太陽電池パネル１０のフレーム２０からの脱落を防止することができる。
更に、パッキン４０は、耐電圧性を有しているので、太陽電池モジュール１に優れた耐電圧性を付与でき、耐久性に優れた太陽電池モジュール１を得ることができる。
次に、第２の実施形態につき図６を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、その説明は割愛する。
図６に示すように、第２の実施形態は、裏面部材１３側に配置されるパッキン４０の裏面部４０ｂは、表面部材１２側に配置されるパッキン４０の表面部４０ａよりも、太陽電池パネル１０の周端部から内側に向かう方向に長く形成される。具体的には、裏面部材１３に配置されるパッキン４０の裏面部４０ｂは、表面部材１２側に配置されるパッキン４０の表面部４０ａより、例えば、１〜３０ｍｍ、好ましくは、１０〜２０ｍｍ長く形成される。このように、裏面部４０ｂを長く形成することで、太陽電池１１とフレーム２０との間の絶縁性が大きくなる。
次に、この発明の第３の実施形態につき図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、その説明は割愛する。
第３の実施形態では、内鍔部２９ａが本体部２１上方で嵌合部２２の近傍に設けられる。このように、本体部２１の上方に内鍔部２９ａを設けても断面二次モーメントを向上させることができる。内鍔部２９ａの長さを第１の実施形態の内鍔部２９と同じ長さにし、その他のフレームの諸寸法は第１の実施形態と同様である。この時のＸ軸方向の断面二次モーメントは、２．５４ｃｍ4、Ｙ軸方向の断面二次モーメントは１.６６ｃｍ4となる。
このように、内鍔部２９ａを本体部２１の上方に設けてもＹ軸方向の断面二次モーメントは、第１の実施形態と略同じになる。したがって、フレーム中央部を持ち上げた時のフレーム２０ｂ変位量も、第１の実施形態と同様に５ｍｍとなる。
図９に示すように、フレーム２０の本体部２１の上方に内鍔部２９ａを設けると、太陽電池パネル１０が正圧（受光面側からの風圧）により曲がると内鍔部２９ａに接触する虞がある。
これに対して、本体部２１の下方に内鍔部２９を設けた場合は太陽電池パネル１０が変位しても接触する虞はない。従って、内鍔部２９は太陽電池パネル１０から所定の距離を隔てて本体部２１に設けることが好ましい。
また、本体部２１の下方に内鍔部２９を設けた場合、内鍔部２９の内側に太陽電池モジュール間を接続するケーブルを配置することができる。さらに、本体部２１の下方に内鍔部２９があるので、フレーム２０を手で保持するのが容易になり、太陽電池モジュール１を設置する場合の作業性が向上する。さらに、内鍔部２９に穴を設けることで、電気的なアースを採るときの配線を簡素に行える。
フレームの断面二次モーメントを向上させることを考えると、内鍔部の位置は第１の実施形態及び第３の実施形態の位置に限定されず、使用する態様などにより、適宜設ける位置を決定すればよい。
次に、第４の実施形態につき図８を参照して説明する。なお、第３の実施形態と同様の部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるために、その説明は割愛する。
図８に示すように、第４の実施形態では、第３の実施形態と同様に、内鍔部２９ａが本体部２１上方で嵌合部２２の近傍に設けられる。さらに、第４の実施形態は、第２の実施形態と同様に、裏面部材１３側に配置されるパッキン４０の裏面部４０ｂは、表面部材１２側に配置されるパッキン４０の表面部４０ａよりも、太陽電池パネル１０の周端部から内側に向かう方向に長く形成される。このように、裏面部４０ｂを長く形成することで、さらに、太陽電池パネル１０とフレーム２０との間の絶縁性が大きくなる。
尚、上記各実施形態においては、長辺側のフレーム２０ｂ部分の太陽電池モジュールの要部を断面図において示している。要部の断面図として表してはいないが、短辺側のフレーム２０ａ部分は、鍔部２８を除いて、長辺側のフレーム２０ｂと同様に構成されている。また、上記各実施形態は、短辺側のフレーム２０ａ、長辺側のフレーム２０ｂにそれぞれ内鍔部２９を設けているが、変形量が多くなる長辺側のフレーム２０ｂにだけ内鍔部２９を設けるように構成しても良い。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０ 太陽電池パネル
１１ 太陽電池
１２ 表面部材
１３ 裏面部材
２０ フレーム
２０ａ 第１フレーム
２０ｂ 第２フレーム
２１ フレーム本体
２２ 嵌合部
２７ 取り付け部
２９、２９ａ 内鍔部
３０ａ 切り欠き
３０ 隙間
４０ パッキン
４０ａ パッキンの表面部
４０ｂ パッキンの裏面部
４０ｃ パッキンの端面部
５０ 止水性封止材
１１ 太陽電池
１２ 表面部材
１３ 裏面部材
２０ フレーム
２０ａ 第１フレーム
２０ｂ 第２フレーム
２１ フレーム本体
２２ 嵌合部
２７ 取り付け部
２９、２９ａ 内鍔部
３０ａ 切り欠き
３０ 隙間
４０ パッキン
４０ａ パッキンの表面部
４０ｂ パッキンの裏面部
４０ｃ パッキンの端面部
５０ 止水性封止材
Claims (4)
- 複数の太陽電池が封止材により表面部材と裏面部材との間に封止された矩形状の太陽電池パネルと、
この太陽電池パネルの周縁部を支持するフレームと、を備え、
前記フレームは、太陽電池パネルの一対の短辺側に沿って設けられる第一のフレームと一対の長辺側に沿って設けられる第二のフレームで構成され、
前記第一のフレームと前記第二のフレームは、それぞれ、短手方向における断面が矩形形状の中空構造を備える第一および第二の本体部と、前記第一および第二の本体部の上部にそれぞれ位置し前記太陽電池パネルの周縁部が嵌め込まれる第一および第二の嵌合部と、前記第一のフレームの底面部と共通している前記第一の本体部の底面部および前記第二のフレームの底面部と共通している前記第二の本体部の底面部にそれぞれ連接し、かつ前記太陽電池パネルの周縁部から内側に向かう方向に延びた第一および第二の内鍔部と、を有し、
前記第一のフレームの長手方向における前記第一の本体部と前記第一の嵌合部と前記第一の内鍔部の端面と、前記第二のフレームの長手方向における前記第二の本体部と前記第二の嵌合部と前記第二の内鍔部の端面とがそれぞれ係合している、
太陽電池モジュール。 - 前記フレームは、前記第一の本体部の底面部に連接し前記太陽電池パネルの周縁部から外側に向かう方向に延びた鍔部を有する、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
- 前記太陽電池パネルの周縁部と前記フレームの前記第一および第二の嵌合部との間に挿入され、前記太陽電池パネルを前記フレームの前記第一および第二の嵌合部に固定するパッキンと、をさらに備え、
前記太陽電池パネルの周縁部は、前記パッキンを介して前記第一および第二の嵌合部に嵌め込まれ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。 - 前記太陽電池パネルの裏面側に配置されるパッキンは、表面側に配置されるパッキンよりも、前記太陽電池パネルの周縁部から内側に向かう方向において長く形成されている、請求項３に記載の太陽電池モジュール。
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