JP6365911B2

JP6365911B2 - 太陽電池モジュール

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Publication number: JP6365911B2
Application number: JP2017509203A
Authority: JP
Inventors: 和生太田; 亮治内藤; 村上　洋平; 洋平村上; 裕幸神納
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2036-02-19
Also published as: JP6532046B2; JPWO2016157696A1; JP2018142747A; WO2016157696A1

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関する。

太陽電池は、クリーンで無尽蔵に供給される太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができるため、新しいエネルギー源として期待されている。

一般に、太陽電池セルは、厚さ２００μｍ程度の光電変換素子であって、１枚当たりの出力は数ワット程度であり、かつ脆い。そのため、家屋やビル等の電源として太陽電池を用いる場合には、複数の太陽電池セルを電気的に接続することによって出力を増大させ、太陽電池セルを衝撃から保護するように構成した太陽電池モジュールが用いられる。太陽電池モジュールは以下のように構成される。

まず、導電性を有するセル間配線材を用いて複数の太陽電池セルを電気的に直列に接続した太陽電池ストリングを準備する。続いて、ストリング間配線材を用いて複数の太陽電池ストリングを更に電気的に接続し、太陽電池モジュールの端に配置された太陽電池ストリングからは、端子ボックスへと繋がる電力取り出し配線材を設ける。全体をエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等の樹脂中に封止し、更にその外部に、衝撃から保護するためのガラスや複合樹脂シートを保護部材として配置する。

ところで、太陽電池モジュールには、単位面積当たりの発電量を増加させたいという要求がある。そこで、ストリング間配線材や電力取り出し配線材を太陽電池ストリングの背面側に配置して、太陽電池モジュールの面積を減少させる取り組みがされている。このとき、配線材同士の間や、配線材と太陽電池ストリングとの間には、回路の短絡を防止するための絶縁シートが配置される。

特開２００７−２９４８６６号公報

本発明は、信頼性が向上した太陽電池モジュールを提供する。

本発明の一態様に係る太陽電池モジュールは、複数の太陽電池ストリングと、前記複数の太陽電池ストリングの裏面側に配置される樹脂シートからなる絶縁シートと、前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれを電気的に接続するストリング間配線材および前記複数の太陽電池ストリングから延びる電力取り出し配線材の少なくとも一方と、を備える太陽電池モジュールであって、前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれは、一方向に並んで配置される複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを接続する複数のセル間配線材と、を有し、前記複数のセル間配線材のそれぞれは、前記複数の太陽電池セルのうち前記一方向に隣り合う一の太陽電池セルの受光面と他の太陽電池セルの裏面とを接続し、前記絶縁シートは、前記太陽電池モジュールを断面視した場合、前記ストリング間配線材および前記電力取り出し配線材の少なくとも一方と、前記複数の太陽電池ストリングとの間に配置され、前記絶縁シートは、前記複数の太陽電池ストリングを平面視した場合、隣接する太陽電池ストリングに跨って配置され、前記絶縁シートの最大伸縮方向は、前記複数の太陽電池ストリングの配列方向と異なっている。

本発明によれば、信頼性が向上した太陽電池モジュールを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュールの配置図である。図２は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュールの表面側の平面図である。図３は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュールの裏面側の平面図である。図４は、太陽電池モジュールに適用される前段階の樹脂シートの状態を示す図である。図５は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュールの配置図である。図６は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの表面側の平面図である。図７は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの裏面側の平面図である。

本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであって、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１の実施形態］
（太陽電池モジュールの構成）
図１は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール１００の配置図である。後述する複数の太陽電池ストリング１０は、樹脂シートからなる充填材５０ａ及び５０ｂによって表裏両面から保護されている。また、太陽電池モジュール１００は、充填材５０ａを保護する表面側保護板６０と、充填材５０ｂを保護する裏面側保護材７０と、を備えている。

充填材５０ａ及び５０ｂの材料は、ポリオレフィン類、ポリエチレン類、ポリフェニレン類及びそれらの共重合体を始めとした熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂からなる群より選択されるのが好ましい。充填材５０ａ及び５０ｂは、加熱圧着により硬化される。本実施形態では一例として、充填材５０ａにポリオレフィン系樹脂、充填材５０ｂにエチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）が用いられているが、組み合わせはこれに限定されない。

表面側保護板６０は、光透過性が高く、かつ太陽電池モジュール１００の表面を落下物等から保護できる程度に硬い材料で形成させることが望ましい。アクリル板等の樹脂材料でもよいが、本実施形態では強化ガラスが用いられている。また、裏面側保護材７０は、表面側保護板６０と同様に、ガラス板やアクリル板等で形成されてもよいが、耐侯性の高い複合樹脂シートが用いられてもよい。本実施形態では、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）を基材とした複合樹脂シートが用いられている。

以上に示した太陽電池モジュール１００の概略構成は、第１〜第３の実施形態すべてに共通するものであるため、以降の実施形態においては説明を省略する。

図２は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール１００の表面側の平面図である。図２に示すように、太陽電池モジュール１００は、複数の太陽電池セルをセル間配線材２０により直列に接続した太陽電池ストリング１０を複数備えている。複数の太陽電池ストリング１０は、ストリング間配線材３０により電気的に接続されており、太陽電池モジュール１００の端に位置する太陽電池ストリングからは、電力取り出し配線材４０が延びている。太陽電池モジュール１００では、ストリング間配線材３０及び電力取り出し配線材４０は、太陽電池ストリング１０の背面側に配置されている。

図３は、第１の実施形態に係る太陽電池モジュール１００の裏面側の平面図である。なお、図３には、本実施形態の特徴を説明するのに不要な部品は図示していない。

太陽電池モジュール１００を裏面側から見ると、図３に示すように、複数の太陽電池ストリング１０が、ストリング間配線材３０を用いて電気的に接続されている。更に、複数の太陽電池ストリング１０から電力を取り出して端子ボックス（図示せず）と接続するために、太陽電池モジュール１００の端にある太陽電池ストリング１０からは、電力取り出し配線材４０が延びている。

ここで、ストリング間配線材３０及び電力取り出し配線材４０は、太陽電池ストリングと重なる位置に配置されている。このため、ストリング間配線材３０及び電力取り出し配線材４０と太陽電池ストリング１０とが接触して短絡しないように、ストリング間配線材３０及び電力取り出し配線材４０と太陽電池ストリング１０との間には、樹脂材料からなる絶縁シート８０が配置されている。

絶縁シート８０は、絶縁体からなる軟質なものであれば材料は特に限定されないが、ＰＥＴやポリエチレン等からなる、薄い複合樹脂シートであるのが好ましい。本実施形態では、ＰＥＴフィルムを基材とした複合樹脂シートが用いられている。なお、絶縁シート８０の幅は、太陽電池セル１枚分よりも狭いことが好ましい。

（絶縁シート８０の配置形態）
図４は、太陽電池モジュールに適用される前段階の樹脂シートの状態を示す図である。複合樹脂シートは、製造工程の最終段階において強く引っ張られながら一本のロール状に巻き取られ、その後切断又は打ち抜き等の手法を用いて成型される。このとき、巻き取りの方向はＭＤ（ＭａｃｈｉｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれ、ＭＤと垂直の方向はＴＤ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。

こういった方法で製造された樹脂シートには、ＭＤ方向の伸縮応力が内在している。このような樹脂シートが熱によって伸縮する場合には、ＭＤ方向の伸縮率のほうがＴＤ方向の伸縮率よりも大きくなる。このことから、本明細書中では、このＭＤ方向を「最大伸縮方向」と定義する。なお、樹脂シートの巻き取り方向は、化学分析の手法を用いて樹脂中の分子の配向を確認することによっても測定することができる。

太陽電池ストリング１０と、ストリング間配線材３０及び電力取り出し配線材４０との絶縁を目的として複合樹脂シートからなる絶縁シート８０が配置される場合、太陽電池モジュール１００の製造工程において、充填材５０ａ及び５０ｂを加熱圧着する際に、絶縁シート８０に変形や伸縮が生じることがある。

本願発明者は、特定の条件を満たすように絶縁シート８０を配置すると、絶縁シート８０が収縮し、太陽電池ストリング１０同士の間隔が狭まることを見出した。太陽電池ストリング１０同士の間隔が狭くなることによって、太陽電池ストリング１０を構成する太陽電池セル同士の接触、つまり短絡のリスクが高くなる。すなわち本実施形態は、絶縁シート８０の収縮に起因する、太陽電池ストリング１０の短絡リスクを低くするための構成である。

太陽電池ストリング１０の短絡リスクを低くするという上記観点から、第１の実施形態においては、図３に示すように絶縁シート８０を配置した。すなわち、太陽電池ストリング１０の配列方向（ｘ方向）と絶縁シート８０の最大伸縮方向とを一致させないように、絶縁シート８０が配置されている。具体的には、図３において、ｘ方向を複数の太陽電池ストリング１０の配列方向とした場合、絶縁シート８０の最大伸縮方向がｙ方向となるように絶縁シート８０が配置されている。つまり、太陽電池ストリング１０の配列方向と、絶縁シート８０の最大伸縮方向とが直交している。

絶縁シート８０の最大伸縮方向が太陽電池ストリング１０の配列方向に対して直交することにより、絶縁シート８０のｘ方向の伸縮量を減少させることができる。絶縁シート８０のｘ方向の伸縮量が減少することにより、絶縁シート８０と接するように配置されている太陽電池ストリング１０同士の間隔が狭くなることが抑制されるので、太陽電池ストリング１０を構成する太陽電池セル同士の短絡の可能性を低くすることができる。

なお、本実施形態における、太陽電池ストリング１０の配列方向と絶縁シート８０の最大伸縮方向とが“直交”とは、９０度±１０度程度の範囲であることを示す。なお、太陽電池ストリング１０の配列方向と絶縁シート８０の最大伸縮方向とが一致しないように配置されていれば、一致している場合と比較してｙ方向の伸縮量を小さくすることができるため効果がある。一定の効果を持たせるためには、太陽電池ストリング１０の配列方向と絶縁シート８０の最大伸縮方向との交差角度の範囲が、９０度±４５度の範囲となるように配置されていることが好ましい。

なお、絶縁シート８０の幅が太陽電池セル１枚分よりも狭くなっている場合、絶縁シート８０が収縮した場合でも、絶縁シート８０に接触している太陽電池セルと、配線材によって電気的に接続されて隣接している太陽電池セルとの間隔が小さくなることはない。したがって、絶縁シート８０の最大伸縮方向における太陽電池セル同士の接触の虞はきわめて小さい。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る太陽電池モジュール２００の配置図である。なお、太陽電池モジュール２００の概略構成、太陽電池ストリング１０の配置、太陽電池ストリング１０とストリング間配線材３０との位置関係、及び太陽電池ストリング１０と電力取り出し配線材４０との位置関係は、第１の実施形態と同じであるので説明を省略する。

第２の実施形態では、太陽電池モジュール２００を構成する樹脂シートについて、絶縁シート８０の配置向きに加え、絶縁シート８０以外の樹脂シート、すなわち充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０の配置向きが定められている。

本実施形態において、太陽電池ストリング１０を封止する充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０は、いずれも、絶縁シート８０と類似の製造工程を経て成型された樹脂シートであり、ＭＤ方向の伸縮応力が内在している。このとき、図５に示すように、太陽電池ストリング１０の延在方向と、それぞれの樹脂シートの最大伸縮方向（ＭＤ方向）とが直交するように、それぞれの樹脂シートが配置される。すなわち、図５の座標を参照すると、太陽電池ストリング１０はｙ方向に延在しており、複数の太陽電池ストリング１０はｘ方向に配列されている。このとき、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０の最大伸縮方向はｘ方向であり、絶縁シート８０の最大伸縮方向がｙ方向である。

太陽電池ストリング１０は既述の通り、セル間配線材２０を用いて複数の太陽電池セルを直列に連結させた構成を備えている。太陽電池ストリング１０の延在方向は、セル間配線材２０の長さ方向と同じである。太陽電池モジュールを屋外で使用することによって、太陽電池モジュール２００には熱サイクルがかかる。この熱サイクルによって、一旦加熱硬化された充填材５０ａ及び５０ｂも僅かに伸縮し、太陽電池ストリング１０を構成する太陽電池セル同士の間隔が広がったり狭まったりする。

セル間配線材２０はその長さの大部分が太陽電池セルと電気的・物理的に接続されて固定されているため、太陽電池セル同士の間隔が変化するとき、セル間配線材２０のうち太陽電池セルと接続されていない部分が屈曲する。長期間にわたってセル間配線材２０の屈曲が繰り返されると、セル間配線材２０が金属疲労によって劣化するリスクが高まる。

本実施形態では、セル間配線材２０の金属疲労による劣化を抑制するために、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０の最大伸縮方向を、太陽電池ストリング１０の延在方向、すなわちセル間配線材２０の長さ方向に対して垂直の向き（ｘ方向）としている。一方、絶縁シート８０の最大伸縮方向は、前述の通りｙ方向である。このような構成により、太陽電池ストリング１０の延在方向、すなわちセル間配線材２０の長さ方向の伸縮応力が緩和され、太陽電池モジュール２００の信頼性はいっそう高いものとなる。

なお、第２の実施形態においては、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０の最大伸縮方向を、全てセル間配線材２０の長さ方向に対して垂直の向きにしているが、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０のうち少なくとも１枚についてこの配置方法を選択してもよい。これによっても、セル間配線材２０の長さ方向の伸縮応力が緩和されるという効果がある。すなわち、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０のうち１種類、または２種類についてのみ、最大伸縮方向とセル間配線材２０の長さ方向とを異ならせてもよい。

［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュール３００の表面側の平面図である。太陽電池モジュール３００の概略構成は第１の実施形態と同じであり、充填材５０ａ及び５０ｂ、ならびに裏面側保護材７０の配置方向は第２の実施形態と同じであるので説明を省略する。

図７は、第３の実施形態に係る太陽電池モジュール３００の裏面側の平面図である。なお、図７では、本実施形態の特徴を説明するのに不要な部品は図示していない。

本実施形態において、太陽電池ストリング１０とストリング間配線材３１との位置関係、及び、太陽電池ストリング１０と電力取り出し配線材４１との位置関係は、図６及び図７に示す通りである。すなわち、図６及び図７から判るように、本実施形態では、ストリング間配線材３１は太陽電池ストリング１０と重ならない位置に配置されており、電力取り出し配線材４１は太陽電池セルの裏面側に配置されている。

太陽電池セルは、上述の通り、薄くて脆い部品である。そのため、太陽電池ストリング１０を充填材５０ａ及び５０ｂで挟んで加圧加熱し、充填材５０ａ及び５０ｂを硬化させるにあたっては、太陽電池セルの表面側及び裏面側には、なるべく凹凸や段差がないほうがよい。そのため、接続部分が多くなりがちなストリング間配線材３１とセル間配線材２０との接続部分は、太陽電池セルと重ならないように配置されている。これによって、太陽電池モジュール３００の面積あたりの発電量を高めつつ、太陽電池モジュール３００の製造歩留まりを高く維持することができる。

なお、太陽電池ストリング１０と重複しない位置にストリング間配線材３１が配置され、電力取り出し配線材４１が太陽電池ストリング１０の裏面側に配置された上で、第１の実施形態と同様に、絶縁シート８１の配置方向だけを限定してもよい。さらに、裏面側保護材７０には、複合樹脂シートに代えて強化ガラスやアクリル板等が用いられてもよい。

なお、第１〜第３の実施形態において、太陽電池セルにセル間配線材２０を接続する方法は特に限定されない。具体的には、銅の芯線をはんだコートした構成の銅製セル間配線材を用いて、はんだづけして接続してもよい。この他、はんだコートした銅製セル間配線材、又ははんだコートのない銅製のセル間配線材等を準備し、樹脂接着剤を用いて太陽電池セルに接続してもよい。

なお、第１〜第３の実施形態に係る太陽電池モジュールの外形は、太陽電池ストリング１０を平面視した（ＸＹ平面を見た）場合、長辺及び短辺を有する矩形であり、当該長辺の方向と複数の太陽電池ストリング１０の配列方向とは、直交していてもよい。

１０太陽電池ストリング
２０セル間配線材
３０、３１ストリング間配線材
４０、４１電力取り出し配線材
５０ａ、５０ｂ充填材
６０表面側保護板
７０裏面側保護材
８０、８１絶縁シート
１００、２００、３００太陽電池モジュール

Claims

複数の太陽電池ストリングと、
前記複数の太陽電池ストリングの裏面側に配置される樹脂シートからなる絶縁シートと、
前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれを電気的に接続するストリング間配線材および前記複数の太陽電池ストリングから延びる電力取り出し配線材の少なくとも一方と、を備える太陽電池モジュールであって、
前記複数の太陽電池ストリングのそれぞれは、一方向に並んで配置される複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルを接続する複数のセル間配線材と、を有し、
前記複数のセル間配線材のそれぞれは、前記複数の太陽電池セルのうち前記一方向に隣り合う一の太陽電池セルの受光面と他の太陽電池セルの裏面とを接続し、
前記絶縁シートは、前記太陽電池モジュールを断面視した場合、前記ストリング間配線材および前記電力取り出し配線材の少なくとも一方と、前記複数の太陽電池ストリングとの間に配置され、
前記絶縁シートは、前記複数の太陽電池ストリングを平面視した場合、隣接する太陽電池ストリングに跨って配置され、
前記絶縁シートの最大伸縮方向は、前記複数の太陽電池ストリングの配列方向と異なっている
太陽電池モジュール。
前記絶縁シートの最大伸縮方向は、前記複数の太陽電池ストリングの配列方向と直交している
請求項１に記載の太陽電池モジュール。
前記複数の太陽電池ストリングを平面視した場合、前記太陽電池モジュールの平面形状は、長辺と短辺とを有する矩形であり、
前記長辺の方向と前記複数の太陽電池ストリングの配列方向とは、直交している
請求項２に記載の太陽電池モジュール。
前記複数の太陽電池ストリングを平面視した場合、
前記絶縁シートは、前記複数の太陽電池セルのうち全てでない一部の太陽電池セルと重なる、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。