JP7329433B2 - 太陽電池モジュールアレイ構造 - Google Patents

Description

本発明は、複数の太陽電池モジュールを含む太陽電池モジュールアレイ構造に関する。

太陽電池モジュールのようなパネルは、建造物の屋根等に設置される。下記特許文献１では、複数の太陽光発電モジュールが、一般住宅の屋根上に密に配列されている。

特開２０１５－６８０８０号公報

住宅や工場の屋根に設置される複数の太陽電池モジュールは、発電量を多くするため、一般的に互いに高密度に配置される。ここで、住宅の屋根は、屋根を支える桁と垂木が比較的高密度に配置されているので、太陽電池モジュールが高密度に配置されたとしても耐荷重性に問題が生じることは少ない。

ここで、例えば工場のような建造物の屋根は、強度の高い複数の第２柱部材（例えば大梁）と、第２柱部材と交差して延びる強度の低い複数の第１柱部材（例えば母屋又は小梁）とにより支えられている。互いに隣接する第２柱部材どうしの間隔が、比較的大きい、例えば互いに隣接する第１柱部材どうしの間隔よりも十分に大きいことがある。この場合、屋根の単位面積当たりの積載荷重（許容値）が低くなるため、複数の太陽電池モジュールは、互いに間隔をあけて配置されることがある。

ここで、本願の発明者は、以下のような課題を見出した。複数の太陽電池モジュールの単位面積当たりの荷重が屋根の単位面積当たりの積載荷重を超えなくても、強度の高い第２柱部材どうしの中心の領域に局所的に荷重がかかると、第１柱部材に高い負荷がかかってしまい、屋根の耐久性に懸念が生じ得る。

したがって、屋根に対する安全性をより確保できる太陽電池モジュールアレイ構造が望まれる。

一態様に係る太陽電池モジュールアレイ構造は、複数の太陽電池モジュールを含む太陽電池モジュールアレイと、前記太陽電池モジュールアレイが設置される屋根と、前記屋根を支え、互いに並んで設けられた複数の第１柱部材と、前記第１柱部材を支え、前記第１柱部材に交差し、前記第１柱部材よりも高い強度を有する第２柱部材と、を有する。前記第１柱部材の許容曲げ応力度を「ｆｂ」、前記第１柱部材の断面係数を「Ｚ」、互いに隣接する前記第２柱部材どうしの間の距離を「ｌ」、前記太陽電池モジュールアレイを構成する前記太陽電池モジュールの全荷重を「Ｐ」としたときに、前記太陽電池モジュールアレイは、前記第２柱部材から、「ａ×（ｌ－ａ）＜ｆｂ×Ｚ×ｌ／Ｐ」の不等式を満たすような距離ａの範囲内に設けられている。

上記態様によれば、屋根に対する安全性をより確保できる。

一実施形態に係る太陽電池モジュールアレイ構造の模式的上面図である。 図１の２Ａ－２Ａ線に沿った太陽電池モジュールアレイ構造の模式的断面図である。 参考例に係る太陽電池モジュールアレイ構造の模式的上面図である。 本実施形態に係る太陽電池モジュールアレイと参考例に係る太陽電池モジュールアレイにおいて、第１柱部材の撓みの大きさを示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施形態について説明する。以下の図面において、同一又は類似の部分には、同一又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り、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがあることに留意すべきである。

図１は、一実施形態に係る太陽電池モジュールアレイ構造の模式的上面図である。図２は、図１の２Ａ－２Ａ線に沿った太陽電池モジュールアレイ構造の模式的断面図である。

なお、図１では、太陽電池モジュールアレイ１００が設置される屋根は示されておらず、屋根を支える第１柱部材２１０及び第２柱部材２２０のみが点線にて示されている。また、図１では、それぞれの太陽電池モジュール１１０を屋根に固定するための固定具も便宜上示されていない。

太陽電池モジュールアレイ構造１０は、複数の太陽電池モジュール１１０を含む太陽電池モジュールアレイ１００と、太陽電池モジュールアレイ１００が設置される屋根２００と、を有する。太陽電池モジュールアレイ１００は、建造物の屋根２００上に設置されている。

図１に示す例では、太陽電池モジュールアレイ構造１０は、図１のＸ方向に互いに間隔をあけて設けられた２つの太陽電池モジュールアレイ１００を含む。この例に限られず、太陽電池モジュールアレイ構造１０は、複数の太陽電池モジュールアレイ１００を含んでいてよい。また、複数の太陽電池モジュールアレイ１００は、一方向にのみ並んでいてもよく、互いに交差する２つの方向に並んでいてもよい。

それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００に含まれる複数の太陽電池モジュール１１０は、互いに接して又は間隔をあけて並んでいてよい。それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００に含まれる複数の太陽電池モジュール１１０は、一方向にのみ並んでいてもよく、互いに交差する２つの方向に並んでいてもよい。一例として、図１では、それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００に含まれる太陽電池モジュール１１０は、Ｘ方向に４つ並んでおり、Ｙ方向に３つ並んでいる。

ここで、それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００に含まれる複数の太陽電池モジュール１１０どうしの間隔Ｇ２は、互いに隣接する太陽電池モジュールアレイ１００どうしの間の間隔Ｇ１よりも狭い。

それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００に含まれる複数の太陽電池モジュール１１０どうしの間隔Ｇ２は、例えば０ｃｍ～２０ｃｍ、好ましくは１ｃｍ～１０ｃｍ、より好ましくは２ｃｍ～５ｃｍの範囲であってよい。なお、「Ｇ２＝０ｃｍ」は、太陽電池モジュール１１０どうしが互いに接していることを意味する。このように、太陽電池モジュールアレイ１００は、密に配列されている複数の太陽電池モジュール１１０の群によって規定されていてよい。

それぞれの太陽電池モジュール１１０は、固定具３００によって屋根２００に取り付けられていてよい。固定具３００の種類や形状等は特に制限されず、固定具３００は太陽電池モジュール１１０を屋根２００に取り付け可能であればよい。なお、固定具３００は、互いに隣接する太陽電池モジュール１１０の両方を積載可能な構造を有していてもよい。図２に示す例では、Ｘ方向に互いに隣接する太陽電池モジュール１１０は、同一の固定具３００上に積載されている。この場合、太陽電池モジュールアレイ１００は、固定具３００によって連結された複数の太陽電池モジュール１１０の群によって規定されていてもよい。

それぞれの太陽電池モジュールアレイ１００は、複数の太陽電池モジュール１１０を含んでいてよい。太陽電池モジュール１１０は、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換パネルを含んでいてよい。光電変換パネルは、いわゆる薄膜系の光電変換素子を含んでいてもよく、いわゆる結晶系の光電変換素子、例えば結晶シリコンを用いた素子を含んでいてもよい。

次に、図２を参照しつつ、屋根２００及び屋根２００の支持構造の一例について説明する。本発明において屋根２００の構造は特に制限されない。図２に示す例では、屋根２００は、屋根材２０２と、断熱材２０４と、天井２０６と、を含んでいる。屋根材２０２は、屋根２００の上部に設けられ、太陽電池モジュール１１０に面する。この例に限らず、屋根２００は、吹きさらしの建造物のように断熱材２０４等が存在しない屋根であってもよい。

本実施形態において、屋根２００は、第１柱部材２１０及び第２柱部材２２０によって支えられている。第１柱部材２１０は、屋根２００を支えており、例えば母屋又は小梁のように比較的強度の低い部材によって構成される。第１柱部材２１０は例えば鋼材によって構成されていてよい。

第１柱部材２１０は、一方向、図のＸ方向に沿って延びている。複数の第１柱部材２１０が、Ｙ方向において互いに間隔をあけて設けられている。

第２柱部材２２０は、第１柱部材２１０を支えており、例えば大梁のように比較的強度の高い部材によって構成される。具体的には、第２柱部材２２０は、第１柱部材２１０よりも高い強度を有する。より好ましい例では、第２柱部材２２０は、屋根を構成する梁のうち、最も強度の高い部材によって構成されていてよい。第２柱部材２２０は例えば鋼材によって構成されていてよい。

第２柱部材２２０は、一方向、図のＹ方向に沿って延びている。すなわち、第２柱部材２２０は、第１柱部材２１０の延在方向と交差する方向に延びている。複数の第２柱部材２２０は、Ｘ方向において互いに間隔をあけて設けられている。互いに隣接する第２柱部材２２０どうしの間隔Ｇ４は、互いに隣接する第１柱部材２１０どうしの間隔Ｇ３よりも大きい。

ここで、互いに隣接する第１柱部材２１０どうしの間隔Ｇ３は、例えば１ｍ～１０ｍの範囲であってよい。互いに隣接する第２柱部材２２０どうしの間隔Ｇ４は、例えば２ｍ～１５ｍの範囲であってよい。

第２柱部材２２０は、第２柱部材２２０の延在方向に直交する方向、すなわち図のＸ方向において、各太陽電池モジュールアレイ１０の中央に位置することが好ましい（図１参照）。この場合、Ｘ方向において、第２柱部材２２０から各太陽電池モジュールアレイ１０の端までの距離がなるべく小さくなるので、太陽電池モジュールアレイ１０の荷重が比較的強度の高い第２柱部材２２０によって支持されやすくなる。そのため、太陽電池モジュール１１０が高密度に配置されている場合であっても、屋根２００に対する安全性を確保し易くなる。

具体的には、比較的強度の高い第２柱部材２２０の近くに複数の太陽電池モジュール１１０を密集させることによって、同じ数の太陽電池モジュール１１０が等間隔で配置された場合と比較すると、屋根２００、特に比較的強度の低い第１柱部材２１０の耐久性を維持することができる。図１に示すように、第２柱部材２２０の近くに複数の太陽電池モジュール１１０を密集させ、それによって、第２柱部材２２０どうしの間に太陽電池モジュール１１０が配置されない領域（距離Ｇ１に相当する領域）が設けられる。本実施形態では、この領域は、太陽電池モジュールアレイ１０のメンテナンス用の通路として利用することもできる。

例えば、図３に示す参考例のように、太陽電池モジュール１１０が第２柱部材２２０どうしの間の領域全体に密に配置された場合、太陽電池モジュールアレイ１０の荷重が、互いに隣接する第２柱部材２２０どうしの間の中心に強くかかる。これにより、第１柱部材２１０は、第２柱部材２２０どうしの間の中心で最も大きく撓む。

図４は、本実施形態に係る太陽電池モジュールアレイと参考例に係る太陽電池モジュールアレイにおいて、第１柱部材２１０の撓みの大きさを示している。図４に示すように、本実施形態では、太陽電池モジュールアレイ１０が、互いに隣接する第２柱部材２２０どうしの間の中心付近で間隔Ｇ１を開けて配置されている。したがって、本実施形態における第１柱部材２１０の撓みは、第２柱部材２２０どうしの間の中心において、参考例における第１柱部材２１０の撓みよりも緩和される。これにより、第１柱部材２１０の耐久性を維持することができる。

次に、本実施形態において、各々の太陽電池モジュールアレイ１０の設置領域について、詳細に説明する。本願の発明者は、屋根２００を支える柱部材のうち比較的強度の低い第１柱部材２１０の耐久性という観点から、太陽電池モジュールアレイ１０の望ましい設置領域を見出した。

まず、第１柱部材２１０にかかる曲げモーメントについて検討する。第１柱部材２１０が単純梁であるとし、第１柱部材２１０の、互いに隣接する第２柱部材２２０によって支えられた箇所を支点とし、両支点からそれぞれ距離ａ，ｂのところに下向きの偏芯荷重Ｐがかかった場合を想定する（図２参照）。ここで、支点間の距離、すなわち互いに隣接する第２柱部材２２０どうしの間の距離を「ｌ」とする。この場合、「ａ＋ｂ＝ｌ」であることに留意されたい。この場合、偏芯荷重Ｐの位置で第１柱部材２１０にかかる曲げモーメントＭは、以下の式１によって算出される。
Ｍ＝（Ｐ×ａ×ｂ）／ｌ （式１）

一方、第１柱部材２１０の許容曲げモーメントＭｃ、すなわち許容される最大の曲げモーメントは、第１柱部材２１０の横座屈を考慮した許容曲げ応力度ｆｂと第１柱部材２１０の断面係数Ｚを用いて、以下の式２によって表される。
Ｍｃ＝ｆｂ×Ｚ （式２）

ここで、断面係数Ｚは、第１柱部材２１０の断面形状に応じて定まる。第１柱部材２１０の横座屈を考慮した許容曲げ応力度ｆｂは、例えば日本建築学会による鋼構造許容応力度設計規準によって定められる計算式によって算出されればよい。

第１柱部材２１０に付加される曲げモーメントＭは、許容曲げモーメントＭｃ未満になることが望まれる。すなわち、以下の式３で表される不等式が満たされることが望まれる。
Ｍ＜Ｍｃ （式３）

上記の式３に、前述の式１及び式２を代入すると、以下の式４によって表される不等式が得られる。
Ｐ×ａ×ｂ／ｌ＜ｆｂ×Ｚ （式４）

「ｂ＝ｌ－ａ」を式４に代入し、式を整理すると、以下の式５によって表される不等式が得られる。
ａ×（ｌ－ａ）＜ｆｂ×Ｚ×ｌ／Ｐ （式５）

式５は、第１柱部材２１０の安全性が維持される条件を表す。本実施形態では、太陽電池モジュールアレイ１０のＸ方向における端の位置（図２の位置Ａ）に、偏芯荷重Ｐがかかると仮定する。ここで、偏芯荷重Ｐは、ある太陽電池モジュールアレイ１０を構成する複数の太陽電池モジュール１１０の全荷重であると仮定すればよい。なお、前述の全荷重は、太陽電池モジュール１１０を設置するための固定具３００の荷重を含むものであることが好ましい。ここで、全荷重がＸ方向における端の位置（図２の位置Ａ）に偏芯荷重Ｐとしてかかるという仮定は、等分布荷重の場合よりも高い負荷が第１柱部材２１０の位置Ａにかかることを意味する。すなわち、前述した仮定は、実際の負荷よりも高い負荷が第１柱部材２１０の位置Ａにかかることを意味しており、これにより式５は、第１柱部材２１０の安全性をより確保することができる条件を表すものとなることに留意されたい。

本実施形態では、太陽電池モジュールアレイ１０は、第２柱部材（支点）２２０から、「ａ×（ｌ－ａ）＜ｆｂ×Ｚ×ｌ／Ｐ」の不等式を満たすような距離ａの範囲内に設けられる。これにより、第１柱部材２１０の耐久性をより確実に維持することができる。

より好ましくは、各々の太陽電池モジュールアレイが、各々の第２柱部材２２０に対して設けられており、当該第２柱部材２２０から前述した距離ａの範囲内に設けられていてよい。

次に、前述した横座屈を考慮した許容曲げ応力度ｆｂの設計の一例について検討する。例えば曲げ材の横座屈を考慮した許容曲げ応力度ｆｂは、曲げ材の細長比λｂに応じて、以下の式６～式８により表されることが知られている（日本建築学会「鋼構造設計規準（２００５）」参照）。本実施形態では、曲げ材は、第１柱部材２１０である。

（１）「λｂ≦ｐλｂ」の条件を満たす場合
ｆｂ＝Ｆ／ν （式６）
（２）「ｐλｂ＜λｂ≦ｅλｂ」の条件を満たす場合
ｆｂ＝（（１－０．４×（（λｂ－ｐλｂ）／（ｅλｂ－ｐλｂ））×Ｆ）／ν（式７）
（３）「ｅλｂ＜λｂ」の条件を満たす場合
ｆｂ＝（１／λｂ^２）×（Ｆ／２．１７） （式８）

式６～式８中に表記されたパラメータは以下のとおりである。
ｐλｂ：第１柱部材２１０の塑性限界細長比
ｅλｂ：第１柱部材２１０の弾性限界細長比
Ｆ ：第１柱部材２１０の長期応力に対する許容応力度
ν ：安全率

弾性限界細長比ｅλｂは、以下の式９により得られる。
ｅλｂ＝１／（０．６）^１／２ （式９）

安全率νは、以下の式１０により得られる。
ν＝３／２＋（２／３）×（λｂ／ｅλｂ）^２ （式１０）

細長比λｂは、（Ｍｙ／Ｍｅ）^１／２によって表される。ここで、「Ｍｙ」は、第１柱部材２１０の降伏モーメントであり、「Ｍｅ」は第１柱部材２１０の弾性横座屈モーメントである。ここで、降伏モーメントＭｙは、以下の式１１によって得られる。
Ｍｙ＝Ｆ×Ｚ （式１１）

弾性横座屈モーメントＭｅは、以下の式１２によって得られる。
Ｍｅ＝Ｃ×（π⁴×Ｅ²×Ｉ_ｙ×Ｉ_ｗ／ｌ⁴＋（π²×Ｅ×Ｉ_ｙ×Ｇ×Ｊ）／ｌ²）^１／２
（式１２）

ここで、式１２中に表われる各記号は以下のとおりである。
Ｃ：許容曲げ応力度の補正係数
π：円周率
Ｅ：第１柱部材２１０のヤング係数
Ｉ_ｙ：第１柱部材２１０の弱軸まわりの断面二次モーメント
Ｉ_ｗ：第１柱部材２１０の曲げねじり定数
ｌ：支点間の距離
Ｇ：第１柱部材２１０のせん断弾性係数
Ｊ：第１柱部材２１０のサンブナンのねじり定数

したがって、式５中の「ｆｂ」は、式６～式８に式９～式１２を代入することよって算出することができる。ここで、式６～式１２中に記載のパラメータは、第１柱部材２１０の材質や形状に応じて決まることに留意されたい。

上述したように、実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０ 太陽電池モジュールアレイ構造
１００ 太陽電池モジュールアレイ
１１０ 太陽電池モジュール
２００ 屋根
２１０ 第１柱部材
２２０ 第２柱部材

Claims (4)

1. 複数の太陽電池モジュールを含む太陽電池モジュールアレイと、
   前記太陽電池モジュールアレイが設置される屋根と、
   前記屋根を支え、互いに並んで設けられた複数の第１柱部材と、
   前記第１柱部材を支え、前記第１柱部材に交差し、前記第１柱部材よりも高い強度を有する第２柱部材と、を有し、
   前記第１柱部材の許容曲げ応力度を「ｆｂ」、前記第１柱部材の断面係数を「Ｚ」、互いに隣接する前記第２柱部材どうしの間の距離を「ｌ」、前記太陽電池モジュールアレイを構成する前記複数の太陽電池モジュールの全荷重を「Ｐ」としたときに、前記太陽電池モジュールアレイは、前記第２柱部材から、「ａ×（ｌ－ａ）＜ｆｂ×Ｚ×ｌ／Ｐ」の不等式を満たすような距離ａの範囲内に設けられている、太陽電池モジュールアレイ構造。
2. 前記第１柱部材の細長比を「λｂ」とし、前記第１柱部材の塑性限界細長比を「ｐλｂ」とし、前記第１柱部材の弾性限界細長比を「ｅλｂ」とし、前記第１柱部材の長期応力に対する許容応力度を「Ｆ」とし、安全率を「ν」としたときに、前記許容曲げ応力度ｆｂは、
   「λｂ≦ｐλｂ」の場合に、
   ｆｂ＝Ｆ／ν
   「ｐλｂ＜λｂ≦ｅλｂ」の場合に、
   ｆｂ＝（（１－０．４×（（λｂ－ｐλｂ）／（ｅλｂ－ｐλｂ））×Ｆ）／ν
   「ｅλｂ＜λｂ」の場合に、
   ｆｂ＝（１／λｂ^２）×（Ｆ／２．１７）
   によって規定されている、請求項１に記載の太陽電池モジュールアレイ構造。
3. 前記第１柱部材は、前記第１柱部材の延在方向に直交する方向において、前記太陽電池モジュールアレイの中央に位置する、請求項１又は２に記載の太陽電池モジュールアレイ構造。
4. 複数の前記太陽電池モジュールアレイを含み、
   各々の前記太陽電池モジュールアレイが、各々の前記太陽電池モジュールアレイの領域を通る前記第２柱部材から前記距離ａの範囲内に設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池モジュールアレイ構造。
   
   
   

Images