JP6216347B2 - 太陽電池熱・光ハイブリッド太陽電池モジュール用ゴム組成物 - Google Patents
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Description
太陽電池モジュールの反受光面側に接着させるオレフィン系ゴムコンパウンドであって、
熱伝導率が0.3(W/mK)以上、ゴム硬度(JISA)が80以上90以下、機械的強度が10MPa以上、伸びが150%以上700%以下、アセトン抽出量が5%以下である。
まず本発明のオレフィン系ゴムコンパウンドを使用する太陽熱・光ハイブリッド太陽電池について説明する。
ハイブリッド太陽電池は、太陽光発電のみを行う太陽電池パネルを製造する通常の成型ラインで生産できる。その断面構造は、図1、図2及び図3に示す構造を呈している。ガラス22、封止材23、発電素子(太陽電池セル)21、封止材23、バックシート24をレイアップし、その上に本発明のゴムコンパウンド50を樹脂管30の外径と同じ厚みのシートで敷き詰め、ガラスあるいは、金属、あるいは樹脂などの裏面側プレート51を積層して、ラミネータで成型して得る。尚本発明においては、太陽電池セル21はシリコンセルを用いた結晶型だけでなく、発電素子を蒸着した薄膜型でも良い。
次に本発明のオレフィン系ゴムコンパウンドについて説明する。以下の説明においては、「オレフィン系ゴムコンパウンド」は「ゴムコンパウンド」と略称する。
本発明のオレフィン系ゴムコンパウンドの架橋ゴムの硬度(JISA)は80〜90である。好ましくは、その硬度は83〜88である。その硬度が80未満では、樹脂管30が潰れ、図2及び図3の水路31を確保できない。その硬度が90より高いと、ハイブリッド太陽電池をラミネート加工する際の大気圧ではゴムコンパウンドが変形しにくくなり、太陽電池パネルの裏面(バックシート面)と樹脂管との密着が悪い部分が発生する。結果として、ハイブリット太陽電池としての実用の耐水圧が得られない。また、ゴムの機械的強度が、10MPa未満では、水圧によりハイブリット太陽電池が破損する場合がある。ゴムの伸びが150%未満では、ハイブリッド太陽電池を−40℃から100℃でのヒートサイクルに曝されると収縮と膨張に耐えられず、脆く、壊れることがある。ゴムの伸びが700%以上では、実使用での、停電などによるハイブリッド太陽電池の空焚きで、高温になり、樹脂管が大きく変形した際は、ゴムコンパウンドも同時に大きく変形し太陽電池パネルの表面側のシリコンセルの割れを誘引するため好ましくない。熱伝導率が0.3(W/mK)未満では、ハイブリッド太陽電池をラミネート加工(成型)する際に、熱の伝わりが悪く、通常の加工時間で成型体(ハイブリット太陽電池)を得ることができない。さらに太陽電池パネル側に気泡発生などの外観不良も発生し、また、成形タクトが長くなることにより、加工費がアップするため、好ましくない。
本発明のゴムコンパウンドは、三井EPT4021を用いている。本発明のゴムコンパウンドの調製方法は、例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、プラネタリーミキサー、インターミックスのようなインターナルミキサー(密閉式混合機)類、2本ロール、3本ロールなどの混練装置により、EPDMを、ゴム補強剤、無機充填剤、軟化剤等の成分と共に、好ましくは90〜180℃の温度で3〜40分間混練した後、オープンロールのようなロール類、あるいはニーダーを使用して、100℃未満で、有機過酸化物架橋剤を添加する。必要に応じて、アクリル酸などの架橋助剤を添加してもよい。
神戸製鋼製16Lバンバリーミキサーを用いて、以下の複合材料(A)を充填率75%にて全量投入し、10分間混練して、実温度150℃にてダンプアウトした。50℃になったことを温度計で確認後、10インチオープンロールにて、複合材料(B)を全量投入し、10分間分散させ、ハイブリッド用コンパウンドを得た。コンパウンドは、樹脂管の外径と同じ7mm厚さのシートに成型し、樹脂管2本を隙間なく400mm角ガラスモジュールに敷き詰めて準備した。
複合材料(A):オレフィン系ゴムとして三井EPT4021を100重量部;日本油脂社製ステアリン酸を1重量部;井上石炭社製メタZ(活性亜鉛華)を5重量部;ライオン社製ケッチェンブラックEC300Jを20重量部;BASF社製イルガノックス1075Jを0.5重量部
複合材料(B):精工化学社製ハイクロスMを3.0重量部;(株)日本触媒社製アクリル酸メチル0.5重量部;エチレングリコール#4000(東京化成工業(株))を1.0重量部;シランカップリング剤(SZ6030)東レダウコーニング社製0.5重量部
ケッチェンブラックEC300Jの20重量部を、アセチレンブラック(電気化学工業社製)の60重量部に変更した以外は、実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
複合材料(A)のオレフィン系ゴム三井EPT4021を三井EPT4010に変更し、ケッチェンブラックEC300Jの20重量部を、カーボンナノチュ−ブ(東海カーボン社製)4重量部と旭カーボン社製60Gの60重量部に変更した以外は、実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
複合材料(A)のオレフィン系ゴム三井EPT4021を三井EPT4045に変更し、ケッチェンブラックEC300Jの20重量部をアセチレンブラック60重量部に変更し、更に低密度ポリエチレンとしてノバテックLF244E(日本ポリエチレン(株))を10重量部加えた以外は、実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
複合材料(A)のオレフィン系ゴムとして三井EPT4021を三井EPT4045に変更し、ケッチェンブラックEC300Jの20重量部を、アセチレンブラック40重量部とケッチェンブラック10重量部とブレンドとした以外は、実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
複合材料(A)のオレフィン系ゴム三井EPT4021を三井EPT14030に変更し、ケッチェンブラックEC300J20重量部をファーネスブラック50重量部とケッチェンブラック10重量部とのブレンドとした以外は、実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
ケッチェンブラックEC300Jの20重量部に代えて、通常のカーボンブラックを使用し、旭60Gの90重量部及びパラフィンオイル(出光興産製)30重量部を添加した以外は実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
ケッチェンブラックEC300Jの20重量部に代えて、通常のカーボンブラックを使用し、旭50Gの70重量部を添加した以外は実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
ケッチェンブラックEC300Jの20重量部に代えて、ケッチェンブラックEC300Jの40重量部を使用し、旭60Gの10重量部及び旭50Gの10重量部を添加した以外は実施例1と同様にしてゴムコンパウンドを得た。
<1>試料準備
以下の部材1から部材6を準備する。
部材1:ガラスとして400mm角×厚さ3.2t白板ガラスを使用する。
部材2:発電素子として六インチ単結晶シリコン(ジンテック社製)を使用する。
部材3:EVA封止材として450μm厚み(ブリヂストン社製)を使用する。
部材4:バックシートとしてFUJIフィルム社製FIHF32を使用する。
部材5:ハイブリッドゴムコンパウンド(シート厚み7mm)を使用する。
部材6:樹脂チューブ40cm 内径φ5mm 架橋ポリエチレン管(イノアック社製)5A(外径7mm)を使用する。
下から、部材1、部材3、部材2、部材3、部材4、部材5と部材6、部材1の順に積層する。部材6の樹脂管は、ガラス端から80mmの位置に樹脂管を置き、その樹脂チューブを挟む様に部材5のハイブリッドゴムコンパウンドを隙間無く敷き詰め、ハイブリッド太陽電池用部材とする。
<2>でレイアップしたハイブリッド太陽電池用部材を日清紡社製ラミネータPVL1537にセットし、熱板温度160℃、真空6分(保持ピン起立時間5分)、プレス15分にてハイブリッド太陽電池を得た。
本発明のゴムコンパウンドの基本物性は、これを、テストシート型(140mm×140mm×2.0mm)の金型にて、有機過酸化物架橋剤の1分半減期温度で、コータキ多段プレスで得られた架橋ゴムシートで評価した。尚架橋条件は、2分予熱し、160℃×15分とした。架橋ゴムシート試験片の各性状を以下の方法で基本物性を測定または評価した。基本物性の評価結果を表1に示す。
(1)硬さ
JIS K6253に準拠して、測定温度23℃でデュロメータ法にてA硬度を測定した。
(2)引張試験(強度・伸び)
JIS K6251-2010に準拠して、測定温度23℃、引張速度500mm/分の条件で引張試験を行い、架橋ゴムシートの破断時の引張強度と伸びを測定した。
(3)アセトン抽出(重量%)
ASTMD494に準拠して測定した。
(4)熱伝導率(W/m・K)
JISH8453に準拠して測定した。
(5)架橋密度測定
なお架橋密度は、以下の溶剤膨潤法(Flory−Rehner法)と呼ばれる方法によって測定されたものである。作成したハイブリッド太陽電池用の架橋ゴム部分から20mm×20mm×2mmの試験片を打ち抜き、JIS K6258に準拠し、37℃のトルエン100ml中に72時間浸漬し膨潤させ、平衡膨潤を利用した下記Flory−Rehnerの式(式1)から求めた。
ν={VR+ln(1−VR)+μVR 2}/{-V0(VR 1/3-VR/2)} (式1)
ν:架橋密度(mol/cm3)
VR:膨潤した試験片中における純ゴムの容積分率
μ:ゴム− 溶剤間の相互作用定数 (0.49)
V0:トルエンの分子容(108.15cm3)
VR=Vr/(Vr+Vs) (式2)
Vr:試験片中の純ゴム容量(cm3)
Vs:試験片に吸収された溶剤の容量(cm3)
各実施例及び比較例で作成されたゴムコンパウンドを使用して作成されたハイブリッド太陽電池モジュールを以下の項目について評価した。製品評価結果を表1に示す。
(1)ハンドリング試験
ハンドリング試験の評価点は、以下の通りとし表1に記載した。
評価点 3点:コンパウンドの粘着性が少なく、レイアップ工程を短時間で行うことができる。
評価点 2点:コンパウンドの粘着性が強く、ハイブリッド太陽電池のレイアップ作業に時間がかかる。
評価点 1点:コンパウンドの粘度が低く形状がくずれレイアップできない。
(2)耐水圧試験
耐水圧試験の評価点は、以下の通りとし表1に記載した。
評価点 3点:樹脂管部の両側のガラス部がまったく変化がない。
評価点 2点:樹脂管部の両側のガラス部が若干ふくれる。
評価点 1点:樹脂管部の両側のガラス部が大きくふくれる。
(3)シリコンセル割れ評価
シリコンセル4枚中の割れ・欠けが存在するシリコンセルの枚数を表1に記載した。
(4)外観評価
外観評価は、以下の通りとし表1に記載した。
評価点 3点:発電部に気泡や発泡が全面積の0%存在する。
評価点 2点:発電部に気泡や発泡が全面積の3%存在する。
評価点 1点:発電部に気泡や発泡が全面積の10%存在する。
(5)樹脂管高さ割合(%)
内径φ5mm、外径7mm管の直径(A)に対して、成型後の直径(B)の高さ割合=B/A×100%の数値を表1に記載した。
(1)実施例1のコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、導電性のカーボンブラックを使用しており、熱伝導率がは0.3W/m・K以上であり、硬度も85と硬いため、内包した樹脂管が潰れることがなく、表面セルの封止材部分に気泡などの不具合なく、ハイブリッド太陽電池が得られる。
(2)実施例2のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、アセチレンブラックを60重量部含有しており実施例1と同様良好である。
(3)実施例3のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、カーボンナノチューブと通常のカーボンブラックを使用しており、作製されたハイブリッド太陽電池は実施例1と同様良好である。
(4)実施例4のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、ポリエチレン樹脂を添加したものであり、作製されたハイブリッド太陽電池は実施例1と同様良好である。
(5)実施例5のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、導電性ケッチェンブラックにアセチレンブラックをブレンドしたものであり、作製されたハイブリッド太陽電池は実施例1と同様良好である。
(6)実施例6のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、導電性ケッチェンブラックにファーネスブラックをブレンドしたものであり、作製されたハイブリッド太陽電池は実施例1と同様良好である。
(7)比較例1のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、通常のカーボンブラックの添加では熱伝導性が不十分で柔らかいため外観が不良で樹脂管も潰れ、ハイブリッド太陽電池が作製できない。またアセトン抽出量が多く、つまり、オイル成分が樹脂管に浸透し樹脂管が柔らかくなり、機械的強度が低下することとなり、耐水圧性能が著しく低下するので好ましくない。
(8)比較例2のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、通常のカーボンブラックの添加では発電部が発泡し、外観不良及び架橋度が低くなり耐水圧が低くなり水圧に耐えられない。
(9)比較例3のゴムコンパウンドを使用して作製したハイブリッド太陽電池は、導電性のケッチェンブラックを多量に配合していることによりゴムコンパウンドは硬くなりすぎるため外観不良と耐水性不良となり、ハイブリッド太陽電池モジュールが作製できない。
20 太陽光パネル
21 太陽電池セル
22 表面ガラス
23 封止材(EVA)
24 バックシート
30 樹脂管
31 樹脂管内部
50 ゴムコンパウンド
51 裏面ガラス(裏面側プレート)
60 空気層
Claims (5)
- 太陽電池モジュールの反受光面側に接着させるオレフィン系ゴムコンパウンドであって、
熱伝導率が0.3(W/mK)以上、ゴム硬度(JISA)が80以上90以下、機械的強度が10MPa以上、伸びが150%以上700%以下、アセトン抽出量が5%以下であることを特徴とするオレフィン系ゴムコンパウンド。 - エチレン−α−オレフィン共重合体であることを特徴とする請求項1に記載のオレフィン系ゴムコンパウンド。
- 導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フィラーを含むことを特徴とする請求項1に記載のオレフィン系ゴムコンパウンド。
- 一分間半減期温度が、182℃以下である有機過酸化物架橋剤を添加してなる請求項1に記載のオレフィン系ゴムコンパウンド。
- 樹脂密度0.89以上0.92以下であるポリエチレン樹脂の含有量が10重量部以上35重量部以下であることを特徴とする請求項1に記載のオレフィン系ゴムコンパウンド。
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