JPH09170301A - 太陽電池瓦 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モジュール化後の変換効率を低下させること
のないように、セルの使用面積をできるだけ減らし、ま
たセルの使用枚数をできるだけ減らす。 【構成】 光の入射する領域の一部に反射面を設け、該
反射面に入射した光がこの面で反射してセル形成面上へ
と向かうようにする。反射面に入射した光のうち受光面
側に反射される光が受光面で全反射するようにする。桟
瓦形状の太陽電池瓦を、桟部に第１のセル形成面を有
し、第１の反射面を挟んで第２のセル形成面を有し、さ
らに第２のセル形成面に続いて第３のセル形成面を有
し、第３のセル形成面に続いて第２の反射面が形成され
ている構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、瓦形状の太陽電池
モジュール、特には桟瓦形状の太陽電池モジュールに関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、家屋の屋根に設置される太陽光発
電システムとして、平板パネル形状の太陽電池モジュー
ルを用いたものが種々実用化されている。しかしながら
一方では、このような形状の太陽電池モジュールは日本
家屋に多い瓦屋根に対しては必ずしも適したものではな
いため、これまでに瓦と同じ形状を有する太陽電池モジ
ュールも提案されている。例えば実開昭５９ー４２２１
６に開示されているような瓦形状を有する基台５１表面
上に太陽電池パネル５２を接着した構造（図７参照）
や、瓦形状の基板の表面に直接アモルファスシリコンを
形成した構造を有するものである。このような瓦形状を
有する太陽電池モジュールが実用化されれば、瓦屋根の
美しさを損なうことなく屋根に太陽光発電システムを設
置することが可能となるが、残念なことにこのような太
陽電池モジュールは未だ実用化するに至っていないのが
現状である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】屋根の限られた面積を
利用して効率良く発電を行うためにはできるだけ変換効
率の高い太陽電池モジュールを用いる必要がある。この
変換効率は主として使用する太陽電池セルの種類により
決まるが、セルの配置の仕方によりモジュールの変換効
率はセルの変換効率より低下する。このモジュール化後
の変換効率を落とさないためには、セルをモジュール内
でいかに隙間無く並べるかということが重要になるが、
瓦形状のモジュールを作る場合、瓦が曲面形状を有して
いるためにこの形状に沿って太陽電池セルを隙間無く並
べると、平板パネル形状のモジュールに隙間無く並べる
場合に比べて単位垂直日射面当たりの太陽電池セル使用
量が多くなり、モジュール変換効率は変わらないがセル
の利用率を落として使用していることとなり、実質的に
モジュール化後の変換効率が低下するという問題があ
る。また、変換効率を良くするために単結晶シリコン太
陽電池セル等を用いると、これらのセルの多くが柔軟性
を持たないために大きいセルをそのまま用いることがで
きず、小さいセルを多数並べることとなってセル間の隙
間が余計に生じ、モジュール化後の変換効率が低下して
しまうという問題がある。以上に鑑み、本発明は、モジ
ュール化後の変換効率を落とさずに瓦形状の太陽電池モ
ジュールを作製することを目的とし、このために太陽電
池セルの使用面積をできるだけ減らすこと、また太陽電
池セルの使用枚数をできるだけ減らすことを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の太陽電池瓦は、
従来の瓦の基本的な形状に変更を加えないようにして通
常の瓦との互換性を保ち、瓦の有する１５から２０ｍｍ
程度の厚さを有効に利用してこの中にセル形成面を設け
て太陽電池セルを配置するという設計思想に基づいた構
造となっている。そして、太陽電池セルの使用面積を減
らすために、光の入射する領域の一部に反射面を設け、
該反射面に入射した光がこの面で反射してセル形成面上
へと向かうようにすることで、光の利用効率を低下させ
ずにセル形成面積を減らそうとするものである。

【０００５】すなわち、本発明の太陽電池は瓦形状を有
しており、太陽電池セルが形成されるセル形成面と、そ
の対面に位置し光の入射面となるとともに瓦外面を構成
する受光面と、瓦の差込み部側に位置するセル形成面最
端部に瓦の流れ方向に沿って設けられて前記受光面から
入射した光を反射する反射面とを有する受光部構成を備
え、前記反射面に入射した光のうち受光面側に反射され
る光が受光面で全反射するように構成されていることを
特徴とする。瓦はその上に隣の瓦が重なるようにして屋
根に葺かれるため、セル形成面及び反射面は隣の瓦が重
ならない働き領域に対応して設けるのが良い。さらに反
射面は反射面の下端部がセル形成面の端からはじまり受
光面まで延び、受光面と反射面とで形成される境界線が
光の入射境界線と一致するようにするのが良い。このよ
うにすることで、反射面で光を戻せる分だけ受光量の減
少を抑えることができるので、差し込み部側端部側での
セル形成面を働き幅方向に短くすることが可能となり、
セル形成面積を小さくすることができる。

【０００６】また、本発明の太陽電池瓦は、上記構成に
加え、上記受光面の働き幅方向の傾斜角が働き幅方向に
単調に変化して受光面が凹部を有し、これを挟んで両側
に平面形状の反射面が形成され、該受光面と該反射面と
の間の受光部内の屈折率が空気の屈折率よりも大きく、
該反射面と該受光面との成す角が上記二つの屈折率より
計算される臨界角以上となっていることを特徴とする。
このようにすることで、受光面から入射して反射面で反
射され再度受光面方向に向かった光はすべての受光面位
置で全反射されることになり、光の利用効率をより高め
ることができる。

【０００７】また、本発明の太陽電池瓦は、桟瓦形状を
有し、太陽電池セルが形成されるセル形成面と、その対
面に位置し光の入射面となるとともに瓦外面を構成する
受光面と、瓦の桟と谷の境界領域でセル形成面を分ける
ように瓦の流れ方向に沿って設けらた前記受光面から入
射した光を反射する反射面とを有する受光部構成を備
え、該反射面に入射した光は谷側へ反射されると共に、
このうち受光面側に反射される光は受光面で全反射する
ように構成されていることを特徴とする。このようにす
ることで、桟瓦に固有の形状がうまく利用されて反射面
で反射した光が谷部側のセル形成面上に向かうようにな
り、桟部と谷部との境目あたりに入射する光を太陽電池
セルに代えて反射面で受けるようになる分、太陽電池セ
ルの使用面積を減らすことができる。

【０００８】さらに、この桟瓦形状の太陽電池瓦におい
ては、反射面が瓦の差込み部側に位置するセル形成面最
端部に瓦の流れ方向に沿ってもう一つ設けられ、反射面
形状が共に平面形状であり、上記受光面と上記反射面と
の間の受光部内の屈折率が空気の屈折率よりも大きく、
いずれの反射面も該反射面と該受光面との成す角が上記
二つの屈折率より計算される臨界角以上となっている構
成とするのがなお良い。桟瓦の桟から谷にかけての表面
形状は、表面の働き幅方向の傾斜角が働き幅方向に単調
に変化して凹部を有しているため、このようにすること
で受光面から入射して反射面で反射されて再度受光面方
向に向かった光はすべて受光面で全反射されることにな
る。

【０００９】さらに、本発明の太陽電池瓦は、上記構成
に加え、上記反射面の下端から働き幅方向に上記受光面
に引いた接線がセル形成面と交わるように反射面と受光
面とセル形成面とが配置されていることを特徴とする。
桟瓦の場合、その独特の形状のためにこのような配置を
とることが可能で、このようにすることで反射面で反射
した光はすべてセル形成面上へ向かうようになる。

【００１０】また、太陽電池セルの使用枚数を減らすた
めに、本発明の太陽電池瓦は、桟瓦形状を有し、太陽電
池セルが形成されるセル形成面が働き幅方向に３つの平
面に分割されていることを特徴とする。これは桟瓦形状
を有する瓦の場合、その厚さを有効に利用すれば働き幅
方向に３つの平面に分割することで働き領域すべてに対
応できるセル形成面を構成できることを見い出したこと
に基づくものであり、このようにすることでセルの使用
枚数を最小に抑えることができる。

【００１１】さらに、本発明の太陽電池瓦は、上記３分
割面の構成に加え、桟部に第１のセル形成面を有し、第
１の反射面を挟んで第２のセル形成面を有し、さらに第
２のセル形成面に続いて第３のセル形成面を有し、第３
のセル形成面に続いて第２の反射面が形成されているこ
とを特徴とする。このようにすることで、反射面を最も
有効に利用することができ、セル形成面の働き幅方向の
長さを効率的に短くすることができ、セルの使用面積も
減らすことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明について、図を参照
しながらさらに具体的に説明する。図５は本瓦葺き屋根
に用いられる平瓦に対応する本発明太陽電池瓦を説明す
る概略構成図である。本例の太陽電池瓦は、基台５１と
表面透明部材５３の間に太陽電池セル５２が挟み込まれ
た積層構造を有するもので、全体の外形状は通常の平瓦
と同じである。セル形成面５７は基台５１に設け、この
上に瓦の大きさに応じて適当な大きさの太陽電池セルを
載置する。使用する太陽電池セルは、単結晶シリコン太
陽電池セル、多結晶シリコン太陽電池セル、アモルファ
スシリコン太陽電池セル等、要求される性能に応じて適
宜選択する。なお、太陽電池セルは基台５１を基板とし
て直接製膜して形成することもでき、例えば基台５１を
ステンレスを用いて作り、この上に直接アモルファスシ
リコン薄膜を形成することによって形成できる。また、
セル形成面を表面透明部材５３のセル形成面５７に対面
する面とすることもできる。基台５１の材質には種々の
ものを用いることができるが、金属とすると太陽電池瓦
の耐火特性を向上させることができ、その特性から薄く
しても強度を維持することができるので、太陽電池瓦の
軽量化も可能となる。さらに、加工も容易となる。金属
材料としては、例えば鉄、アルミニウム、ステンレス、
銅、亜鉛メッキ鋼板等を用いることができる。

【００１３】表面透明部材５３は、働き領域に対応した
大きさをもち、例えば白板強化ガラスで作り、受光面は
表面透明部材５３の表面がこれに該当する。反射面５
４、５５は表面透明部材５３の側面に例えばＡｌ，Ａｇ
等の金属をメッキして形成する。なお、基台５１に反射
面を設けることも可能である。本例の場合、表面透明部
材５３の表面と反射面５４、５５とセル形成面５７で囲
まれた領域が受光部である。

【００１４】平瓦の場合、働き幅方向の両端に丸瓦が重
ねられるため、差し込み部は両端に２つあることになる
が、反射面の、目的からしてこの場合は両方に反射面を
設けるのが良い。そして、セル形成面を小さくするため
に、反射面の位置は瓦の端よりもできるだけ内側によせ
て働き領域に多く入るようにした方が良く、反射面の上
端部（受光面側の端部）を丸瓦が重なる境界ぎりぎりに
位置するようにするのが最も光の利用効率が良くなると
共に、セル形成面も小さくできる。

【００１５】反射面の形状は単一平面でも複数平面また
は曲面形状でも良いが、本例では単一平面形状とし、受
光面と反射面５４、５５とのなす角αを表面透明部材５
３の屈折率ｎ１と大気の屈折率ｎ０より決まる臨界角θ
０＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ０／ｎ１）以上の大きさとする。
尚、表面透明部材５３の材質はｎ１＞ｎ０となるよう
に選び、また、受光面形状は平瓦表面の形状に合わせ自
動的に働き幅方向の傾斜角が働き幅方向に単調に変化し
て凹部を有するものとなっている。

【００１６】次に、反射面での作用について説明する。
図６は反射面での光の反射を説明する図である。受光面
に入射した光は、最大で臨界角θ０の屈折角ａを有した
屈折光となって反射面に達する。屈折角ａと反射角θ１
及びなす角αとの関係は、 θ１＝９０ーα＋ａ となるので、屈折角ａがθ０のときなす角αがθ０であ
れば、反射角θ１は９０°となり、この反射光は受光面
に達して臨界角で入射し全反射することが分かる。そし
てθ０より小さい屈折角を有する屈折光の反射角はいず
れも９０°より小さくなり、受光面に達する場合の入射
角は臨界角よりも大きくなる。実際の屈折光はすべて臨
界角より小さい屈折角を有することになるので、なす角
をθ０とすればどの方向から受光面に光が入射しても、
反射面に入射しここで反射されて受光面に光が達したと
しても、すべて全反射されるので外に光が出てしまうこ
とが無くなる。

【００１７】また、このことは、なす角がθ０より大き
い場合すべてにあてはまる。しかしながら、上記のこと
は受光面が反射面に対してすべての位置でなす角αを有
している場合であって、反射面から離れた場所での受光
面の傾きが変わっておれば、必ずしも全反射するとは限
らない。そこで、受光面形状が受光面の働き幅方向の傾
斜角が働き幅方向に単調に変化して凹部を有する形状と
なっていると、反射光の受光面への入射角は受光面のす
べての位置で上記で説明された入射角より小さいか等し
くなり、すべての受光面上の位置で光が受光面から外に
出ることが防がれる。さらに、本例の場合、反射面での
反射光の一部が対向する反射面に向かい、ここで反射さ
れて受光面より外へ出て行ってしまうため、これを防ぐ
ために受光面とセル形成面との間隔を狭くするのが好ま
しい。

【００１８】

【実施例】以下実施例により、本発明についてさらに詳
しく説明する。図１は桟瓦形状を有する太陽電池瓦の働
き幅方向の断面構造図、図２はセルの配置を示す本太陽
電池瓦の平面図、図３は表面透明部材３の働き幅方向の
断面形状図、図４は基台１の働き幅方向の断面形状図で
ある。本太陽電池瓦は５３Ａ型桟瓦と同じ外形状を有す
るもので、全長及び全幅が共に３０５ｍｍ、働き長さが
２３５ｍｍ，働き幅が２６５ｍｍ，厚さが１８ｍｍであ
る。本太陽電池瓦は、図１に示されるようにステンレス
板からなる基台１の上に、エチレンビニルアセテートフ
ィルムを重ね、さらにこの上の基台１のセル形成面に対
応する位置に多結晶シリコン太陽電池セル２を配線をす
るとともに重ね、さらにこの上にエチレンビニルアセテ
ートフィルムを重ね、最後に強化ガラスからなる表面透
明部材３を重ねて真空熱圧着することにより一体に構成
されたものである。

【００１９】図３に示されるように基台１には第１のセ
ル形成面７と第２のセル形成面８と第３のセル形成面９
が設けられており、各セル形成面の働き幅方向の長さは
それぞれ６３ｍｍ、６３ｍｍ、１２５ｍｍであり、働き
長さ方向（流れ方向）の長さは共に２６５ｍｍである。
また、光を有効に利用するために、桟側端面が鏡面加工
されて反射面６が形成されている。さらに、裏面はステ
ンレス板端部が裏側に折り返されて通常の桟瓦と同じよ
うにして屋根に葺けるような形状に成型されている。使
用される太陽電池セルは、一辺１２５ｍｍの正方形状の
多結晶シリコンセルを半分に切断したものが４枚とさら
にこのセルを半分に切断した正方形状のものが８枚で、
これらが上記セル形成面上に載置されて働き幅方向に各
３枚、働き長さ方向に各４枚配置され、瓦の頭側最端部
の３枚がセル下側で働き幅方向に並列に接続され、働き
長さ方向の各４枚が頭から尻に向かってセルの上、下、
上、下の各面を接続するようにして直列に接続され、尻
の部分でこうして引き出される４本の配線が並列に接続
されている。

【００２０】反射面は表面透明部材３に設けられてお
り、銀をメッキすることにより第１のセル形成面と第２
のセル形成面との間に対応する部分に第１の反射面４
が、第３のセル形成面の差し込み部側に対応する部分に
第２の反射面５が形成されている。表面透明部材３の屈
折率１．５、空気の屈折率１．０から計算される臨界角
は４１．８°であるので反射面と受光面となる表面透明
部材３の表面とのなす角αは共に４１．８°としてあ
る。また、受光面は第１の反射面４の位置から第２の反
射面５の位置に向かってその働き幅方向の傾斜角が徐々
に減少したのち増加するというふうに単調に変化してい
る。また、各反射面のセル形成面側端部から働き幅方向
に引いた受光面への接線（図４中の点線で示す）がとも
にセル形成面で交わるようになっている。尚、第１の反
射面４の受光面側端部と受光面との間隔は３ｍｍとなっ
ており、瓦に組み上がるまでのこの部分の強度が弱くな
るので、表面透明部材３はこの部分で分割して２つにし
ても良い。また、本例ではできるだけガラスの使用量を
減らして瓦の重量を軽くするために、表面透明部材３は
図２の点線で囲まれた領域で示される働き領域でだけ使
用している。尚、反射面４または５に対応する基台１の
部分を鏡面加工して反射面とすることもできる。

【００２１】本実施例の太陽電池瓦に光が入射すると、
その大部分は表面透明部材３を透過して直接太陽電池セ
ルへ達し、その他の光は反射面４または反射面５に達す
る。反射面に達した光は、反射面への入射角に応じて受
光面へと戻るものと、太陽電池セル上に向かうものとに
分かれる。受光面へと向かった光は上記で説明したよう
にすべて受光面で全反射されるが、各反射面のセル形成
面側端部から受光面への接線がセル形成面と交わるよう
に受光面と反射面とセル形成面からなる受光部が構成さ
れているので、全反射した光はすべて太陽電池セル上に
向かう。すなわち、受光面から反射面上へと入射した光
はすべて太陽電池セル上に入射することになる。なお、
受光面の形状は完全に単調に変化していなくても良く、
なす角αも臨界角より少し小さくても良く、これらはあ
る程度の許容範囲を有している。

【００２２】このようにして、本例の太陽電池では、働
き領域の面積すなわち有効な垂直日射受光面積６２２ｃ
ｍ２に対してセルの総使用面積６２５ｃｍ２での対応が
可能となっており、平板パネル形状のモジュールと同等
のセル使用量となっていることがわかる。また、セルの
使用枚数も非常に少なくなっているとともに、高低をつ
けてセルを配置しているので平面上に並べる場合に比べ
てセルとセルとの間に設けられるすき間を少なくできて
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】桟瓦形状を有する本実施例太陽電池瓦の働き幅
方向の断面構造図である。

【図２】セルの配置を示す本実施例太陽電池瓦の平面図
である。

【図３】本実施例の表面透明部材３の働き幅方向の断面
形状図である。

【図４】本実施例の基台１の働き幅方向の断面形状図で
ある。

【図５】平瓦に対応する本発明太陽電池瓦を説明する概
略構成図である。

【図６】反射面での光の反射を説明する図である。

【図７】従来の太陽電池瓦の例を示す概略図である。

【符号の説明】

１：基台 ２：太陽電池セル ３：表面透明部材 ４、５：反射面 ７、８、９：セル形成面

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 太陽電池セルが形成されるセル形成面
   と、その対面に位置し光の入射面となるとともに瓦外面
   を構成する受光面と、瓦の差込み部側に位置するセル形
   成面最端部に瓦の流れ方向に沿って設けられて前記受光
   面から入射した光を反射する反射面とを有する受光部構
   成を備え、前記反射面に入射した光のうち受光面側に反
   射される光が受光面で全反射するように構成されている
   ことを特徴とする瓦形状を有する太陽電池瓦。
2. 【請求項２】 上記受光面の働き幅方向の傾斜角は働き
   幅方向に単調に変化して受光面が凹部を有し、これを挟
   んで両側に平面形状の反射面が形成され、該受光面と該
   反射面との間の受光部内の屈折率が空気の屈折率よりも
   大きく、該反射面と該受光面との成す角が上記二つの屈
   折率より計算される臨界角以上となっていることを特徴
   とする請求項１記載の太陽電池瓦。
3. 【請求項３】 太陽電池セルが形成されるセル形成面
   と、その対面に位置し光の入射面となるとともに瓦外面
   を構成する受光面と、瓦の桟と谷の境界領域でセル形成
   面を分けるように瓦の流れ方向に沿って設けらた前記受
   光面から入射した光を反射する反射面とを有する受光部
   構成を備え、該反射面に入射した光は谷側へ反射される
   と共に、このうち受光面側に反射される光は受光面で全
   反射するように構成されていることを特徴とする桟瓦形
   状を有する太陽電池瓦。
4. 【請求項４】 反射面が瓦の差込み部側に位置するセル
   形成面最端部に瓦の流れ方向に沿ってもう一つ設けら
   れ、反射面形状が共に平面形状であり、上記受光面と上
   記反射面との間の受光部内の屈折率が空気の屈折率より
   も大きく、いずれの反射面も該反射面と該受光面との成
   す角が上記二つの屈折率より計算される臨界角以上とな
   っていることを特徴とする請求項３記載の太陽電池瓦。
5. 【請求項５】 上記反射面の下端から働き幅方向に上記
   受光面に引いた接線がセル形成面と交わるように反射面
   と受光面とセル形成面とが配置されていることを特徴と
   する請求項４記載の太陽電池瓦。
6. 【請求項６】 太陽電池セルが形成されるセル形成面が
   働き幅方向に３つの平面に分割されていることを特徴と
   する桟瓦形状を有する太陽電池瓦。
7. 【請求項７】 桟部に第１のセル形成面を有し、第１の
   反射面を挟んで第２のセル形成面を有し、さらに第２の
   セル形成面に続いて第３のセル形成面を有し、第３のセ
   ル形成面に続いて第２の反射面が形成されていることを
   特徴とする請求項６記載の太陽電池瓦。