JP7204910B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、太陽電池モジュールに関する。

再生可能エネルギーを利用する一例として、太陽光発電が普及している。太陽光発電においては、発電効率を向上する観点から、複数の太陽電池セルが隙間なく配列した太陽電池モジュールを設置することが一般的である。

特開２０１６－１６７９３４号公報

近年、太陽光により発電する太陽光発電事業と、植物を育てて収穫する農業とを両立させるソーラーシェアリングが普及しつつある。しかし、上記のような太陽電池セルを隙間なく配列した太陽電池モジュールを設置すると、当該モジュールの下方に日陰が生じる。太陽電池モジュールが大きいほど、その日陰の大きさが大きくなり、一部の植物に太陽光が当たらない又は当たりにくくなることにより成長を阻害し、収穫率が低下する場合があった。

上記のような日陰の発生による光量の減少は、上記のように農業の場合だけでなく、施設内で所定の光量を必要とする場合にも当てはまる問題である。

本発明の実施形態は、上記のような問題を解決するものであり、太陽光による発電と必要な光量の確保とを両立することのできる太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本実施形態の太陽電池モジュールは、施設の透明材を含み構成された屋根又は外壁に設置される太陽電池モジュールであって、太陽光を受光して発電する複数の発電部と、太陽光を通す複数の通光部と、を有し、前記発電部と前記通光部は、隣接する前記通光部と前記発電部の一辺の少なくとも一部を共有するように２方向に交互に配置されていることを特徴とする。

実施形態に係る太陽電池モジュールが設置される施設を示す図である。 施設の屋根に設置される太陽電池モジュールの構成図である。 施設の外壁に設置される太陽電池モジュールの構成図である。 実施形態に係る太陽電池モジュールの回路図である。 施設の屋根に設置される他の実施形態に係る太陽電池モジュールの構成図である。 施設の外壁に設置される他の実施形態に係る太陽電池モジュールの構成図である。

［実施形態］
以下、本実施形態に係る太陽電池モジュールについて、図面を参照しつつ説明する。

［構成］
本実施形態に係る太陽電池モジュールは、施設に設置される太陽電池である。図１は、本実施形態に係る太陽電池モジュールが設置される施設を示す図である。施設１は、透明材１ｂで設けられた屋根１１又は外壁１２を有している。ここでは、図１に示すように、施設１は、ビニールハウスである。ビニールハウスは、ビニールハウスの骨格を形成する骨材１ａと、骨材１ａにより形成された骨格の表面を覆う透明材１ｂとを有する。骨材１ａは、例えば、鋼材又は木材で構成される。透明材１ｂは、例えば、ポリオロレンフィルム、農業用塩化ビニルフィルム、フッ素系フィルムなどの樹脂フィルムで構成される。屋根１１及び外壁１２は、骨材１ａに透明材１ｂが張られて構成される。ビニールハウスの形状は、屋根１１と外壁１２を有していれば任意の形状とすることができる。ここでは、ビニールハウスは、外壁１２が地面に対して略垂直に設けられ、外壁１２から続く屋根１１がアーチ形状を成すアーチ型であるとする。

太陽電池モジュール２は、その端部が骨材１ａ上に位置するように、屋根１１又は外壁１２に設置される。図２は、屋根１１に設置される太陽電池モジュール２の構成図である。図３は、外壁１２に設置される太陽電池モジュール２の構成図である。

図２及び図３に示すように、太陽電池モジュール２は、太陽光を受光して発電する複数の発電部２１と、太陽光を通す複数の通光部２２とを有する。発電部２１は、複数の太陽電池セル２０が直列接続されて構成されている。ここでは、太陽電池セル２０は長方形であり、同じ大きさの太陽電池セル２０がその短辺方向に直列に接続されることで、太陽光の受光面を構成している。

太陽電池セル２０は、太陽光を受光し、電気エネルギーに変換する半導体素子である。太陽電池セル２０としては、公知のものを用いることができ、例えば、単結晶、多結晶、アモルファス、多接合等のシリコン系、ＣＩＳ系、ＣＩＧＳ系、ＧａＡｓ系、ＣｄＴｅ系等の化合物系、色素増感、有機半導体系の太陽電池セル、ペロブスカイト太陽電池セル、量子ドット太陽電池セルを用いることができる。

通光部２２は、太陽光を通し、施設１内に太陽光を取り入れるための部位である。本実施形態では、太陽電池モジュール２は、透明なフィルム又はシートからなるベース上に発電部２１及び通光部２２が配列されている。すなわち、発電部２１は、接着剤等によりベースに固定される。この接着剤としては、シリコーン樹脂、ＥＶＡ材、ポリオレフィン系エラストマー（ＰＯＥ）等を用いることができる。通光部２２は、ベース上において、発電部２１が配置されていない空間部分である。但し、通光部２２は、太陽光を通せば良いので、上記ベース、透明な板、又は、透明材１ｂとしても良い。このように、ベース上に発電部２１と通光部２２が配列されることにより一塊のモジュールとすることができる。なお、発電部２１及び通光部２２の表面側、すなわち、ベースとは反対側には、発電部２１を保護するために、透明なフィルム、シート又は板などの保護部材を設けても良い。ベース、保護部材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などにより構成することができる。

図２及び図３に示すように、発電部２１と通光部２２は、隣接する通光部２２と発電部２１の一辺の少なくとも一部を共有するように２方向に交互に配置されている。ここでは、発電部２１及び通光部２２は、四角形状である。発電部２１と通光部２２の配列としては、発電部２１と通光部２２の大きさが同じで、１つの発電部２１に４つの通光部２２が隣接するように配列しても良い。すなわち、発電部２１同士が角で接するようにしても良い。また、図２及び図３に示す本実施形態のように、発電部２１は、隣接する発電部２１と一辺の一部が重なるように配置しても良い。本実施形態では、発電部２１の両端に設けられた太陽電池セル２０の短辺で重なっており、この重なった部分において配線することにより、隣接する発電部２１が電気的に接続されている。換言すれば、図４に示すように、複数の発電部２１は、直列かつ並列に電気的に接続されている。

具体的には、発電部２１には、陽極及び陰極が設けられ、陽極及び陰極には、隣接する発電部２１と電気的に接続するための配線２３が２箇所設けられている。配線２３は、発電部２１の両端に設けられた太陽電池セル２０の短辺を跨ぐように設けられ、隣接する発電部２１の陽極又は陰極と電気的に接続されている。例えば、発電部２１の陰極に設けられた２本の配線２３は、一方が隣接する発電部２１の陽極に接続され、他方が隣接する他の発電部２１の陽極に接続される。また、発電部２１の陽極に設けられた２本の配線２３は、一方が隣接する発電部２１の陰極に接続され、他方が隣接する他の発電部２１の陰極に接続される。

図３に示すように、通光部２２は、外壁１２に設置される太陽電池モジュール２において、地表に近い下方の通光部２２の方が、当該通光部２２より地表から遠い上方の通光部２２よりも上下方向の長さが長い。太陽光の地表に対する入射角が浅くても、施設１の奥まで太陽光が入るようにするためである。なお、上下方向とは、地表に垂直な方向である。

発電部２１の背面、すなわち施設１内の面は、光反射性を有する。例えば、発電部２１の背面は、大気との屈折率の差が大きい材料が施されていることが望ましく、発電部２１の背面には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の金属膜、金属光沢膜、又は、プラスチック、フィラーを有する膜、白色バックシート、白色ＥＶＡ材が設けられている。

発電部２１の端部には、発電部２１が発電した電力を集めるケーブル２４が設けられている。このケーブル２４は、施設１の骨材１ａに固定されている。固定の方法としては、例えば、骨材１ａにケーブル２４をワイヤで巻き付けて固定するワイヤ固定などが挙げられる。

ここでは、２本の平行な骨材１ａ間を架橋するように太陽電池モジュール２が設けられており、ケーブル２４は、太陽電池モジュール２の両端部に設けられているが、骨材１ａ間に１つの発電部２１が設けられる場合は、発電部２１の両端部にケーブル２４が設けられていても良い。

ケーブル２４は、例えば、不図示の接続箱、又は、接続箱及び集電箱を介して、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーに接続され、太陽電池モジュール２から集電した直流電力をパワーコンディショナーに出力する。

［作用・効果］
（１）本実施形態の太陽電池モジュール２は、施設１の透明材１ｂを含み構成された屋根１１又は外壁１２に設置される太陽電池モジュール２であって、太陽光を受光して発電する複数の発電部２１と、太陽光を通す複数の通光部２２と、を有し、発電部２１と通光部２２は、隣接する通光部２２と発電部２１の一辺の少なくとも一部を共有するように２方向に交互に配置するようにした。

これにより、太陽光により発電することができるとともに、施設１内の物又は人への必要な光量を確保することができる。例えば、施設１がビニールハウスである場合、内部で植物が栽培される。ビニールハウスの屋根１１又は外壁１２に発電部２１を敷き詰めて配置した場合、太陽光がビニールハウス内部に入らず、日陰になってしまい、植物の成長が阻害される。

これに対し、本実施形態では、発電部２１と通光部２２を、隣接する通光部２２と発電部２１の一辺の少なくとも一部を共有するように２方向に交互に配置したので、太陽光の一部は発電部２１に入射して発電することができる。また、残りの部分は、通光部２２を透過してビニールハウス内に入射し、ビニールハウス内の植物が当該光を浴びることで成長が促進される。発電部２１と通光部２２を上記のように配置したことで、特定箇所が日陰のままとなることがない。そのため、一部の植物の成長を阻害することなく、高い収穫率を維持することができる。収穫率は例えば単位面積当たりの収穫量である。

植物は、光飽和点を超える光量を得ても成長に使い切れず、却ってダメージとなり得る。一方、光量が少なすぎると成長が阻害される。発電部２１と通光部２２を上記のように配置したことで、発電と植物の収穫をバランス良く実現することができる。

（２）発電部２１は、複数の太陽電池セル２０を直列接続して構成するようにした。これにより、発電部２１の大きさ、ひいては通光部２２の大きさを調節することができる。そのため、施設１内の光量を調節することができ、発電と植物の収穫のバランスを調整することができる。

（３）発電部２１は、隣接する発電部２１と一辺の一部が重なるように配置した。これにより、この重なり部分で配線することができるので、配線を容易にすることができる。また、発電部２１が隣の発電部２１と離間して配置される場合と比べて、隣接する発電部２１同士が近くに配置されることになるので、発電部２１同士を電気的に接続する配線の長さを短くすることができ、インピーダンスを低くすることができる。つまり、発電した電気が配線を流れることによる損失を低減することができる。また、配線が短いので、強風や障害物の引っかかり等による断線を抑制することができる。

（４）発電部２１には、陽極及び陰極が設けられ、陽極及び陰極には、隣接する発電部２１と電気的に接続するために、それぞれ二箇所に配線するようにした。これにより、発電部２１が直列かつ並列に接続されるので、ホットスポットの影響を小さくすることができる。すなわち、発電部２１が直列に接続されているだけであると、太陽電池モジュール２の何れかの発電部２１に落ち葉や鳥のフンなどの付着物により当該発電部２１が日陰となり、発電できなくなる。この場合、当該発電部２１が抵抗となり、発熱する場合がある。これに対し、発電部２１が直列かつ並列に接続されるので、日陰となった発電部２１を避けるように他の経路で電流を流すことができ、ホットスポットの影響を小さくすることができる。

（５）発電部２１の背面が光反射性を有するようにした。これにより、地表で散乱した光が発電部２１の背面で反射され、再び地表に向かうことになるので、発電部２１を設けたことによる日陰部分を照らすことができ、施設１内の植物に均一に光を当てることができる。

（６）地表に近い下方の通光部２２の方が、当該通光部２２より地表から遠い上方の通光部よりも上下方向の長さを長くした。これにより、下方の通光部２２の、太陽光の入射方向に直交する面への投影面積を大きくすることができるので、施設１内のより奥まで太陽光を入り込ませることができ、施設１内の必要な光量を確保することができる。

（７）発電部２１の端部には、発電部２１が発電した電力を集めるケーブル２４が設けられ、ケーブル２４は、ビニールハウスの骨材１ａに固定するようにした。これにより、ケーブル２４が骨材１ａによって支持されるので、ケーブル２４による局所的荷重が透明材１ｂの負担になるのを防止でき、耐久性を向上させることができる。特に、ケーブル２４は、骨材１ａに沿って固定することで、耐久性をより向上させることができる。

（８）太陽電池モジュール２は、透明なフィルム又はシートであるベースを備え、発電部２１を、当該ベース上に設けるようにした。これにより、発電部２１を支持するためのアルミニウム等の金属製のフレームを設けなくても、１つのバルク体として太陽電池モジュール２を構成することができる。透明なベースは、金属製のフレームよりも軽量であるため、ビニールハウスの透明材１ｂへの荷重を低減することができ、耐久性を向上させることができる。

［他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複実施形態を説明したが、上記実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

（１）施設１は、透明材１ｂで設けられた屋根又は外壁を有する施設であって、内部に光を必要とするものであれば良い。例えば、施設１は、ガラス板を透明な被覆材とするガラスハウスであっても良いし、カーポート、スポーツジム、テントなどであっても良い。これらの施設では、人が滞在することがあり、ある程度の明るさが必要である。

（２）上記実施形態では、発電部２１及び通光部２２を四角形としたが、三角形、五角形、六角形などの多角形としても良いし、複数の多角形状を組み合わせても良い。

（３）上記実施形態では、図２及び図３に示すように、発電部２１は、隣接する発電部２１と端部の太陽電池セル２０の短辺を共有するように配列したが、図５及び図６に示すように、端部の太陽電池セル２０の長辺の一部を共有するように配列しても良い。図２に示すような、発電部２１を、隣接する発電部２１と端部の太陽電池セル２０の短辺を共有する配列（以下、「図２に示すような配列」ともいう。）によれば、太陽電池セル２０の溝部分であるスクライブ部分を揃えて配線されるため、デザイン性に優れる。また、図５に示すような、発電部２１を、隣接する発電部２１と端部の太陽電池セル２０の長辺の一部を共有する配列（以下、「図５に示すような配列」ともいう。）によれば、配線２３が地面に対して垂直方向に設置されることとなり、重力による引っ張りに対する強度が強く、配線２３の断線が抑制できる。また、図２に示すような配列は、図５に示すような配列と比べて、通光部２２が大きく発電部２１が小さい配列となるため、植物が成長するために必要とする光量（光適応性、光飽和点）によって通光部２２を大きくするか、発電部２１を大きくするかを選択することができる。例えば、トマトやメロンは比較的強光を必要とするため、図２に示すような配列が好ましく、葉物やアスパラガスは弱光で良いため、図５に示すような配列により発電量を増大させることができる。

（４）上記実施形態の太陽電池モジュール２には、日陰の発生等により電流が流れにくくなった発電部２１を迂回するために、バイパスダイオードを設けても良い。

１ 施設
１ａ 骨材
１ｂ 透明材
１１ 屋根
１２ 外壁
２ 太陽電池モジュール
２０ 太陽電池セル
２１ 発電部
２２ 通光部
２３ 配線
２４ ケーブル

Claims (9)

1. 施設の透明材を含み構成された屋根又は外壁に設置される太陽電池モジュールであって、
   太陽光を受光して発電する複数の発電部と、
   太陽光を通す複数の通光部と、
   を有し、
   前記発電部と前記通光部は、隣接する前記通光部と前記発電部の一辺の少なくとも一部を共有するように２方向に交互に配置され、
   前記発電部は、複数の太陽電池セルが直列接続されて構成され、
   前記発電部は、隣接する前記発電部と一辺の一部が重なるように配置され、
   前記発電部には、陽極及び陰極が設けられ、
   前記陽極及び陰極には、隣接する前記発電部と電気的に接続するために、それぞれ二箇所に配線されている、
   太陽電池モジュール。
2. （削除）
3. （削除）
4. （削除）
5. 前記発電部の背面が光反射性を有する、
   請求項１記載の太陽電池モジュール。
6. 地表に近い下方の前記通光部の方が、当該通光部より前記地表から遠い上方の前記通光部よりも上下方向の長さが長い、請求項１又は請求項５記載の太陽電池モジュール。
7. 前記施設は、ビニールハウスである、
   請求項１、請求項５又は請求項６記載の太陽電池モジュール。
8. 前記発電部の端部には、前記発電部が発電した電力を集めるケーブルが設けられ、
   前記ケーブルは、前記ビニールハウスの骨材に固定されている、
   請求項７記載の太陽電池モジュール。
9. 透明なフィルム又はシートであるベースを備え、
   前記発電部は、前記ベース上に設けられている、
   請求項１、請求項５～８の何れか記載の太陽電池モジュール。

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