(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に太陽電池素子を形成してなる一枚の太陽電池パネルの外縁部全周にわたって、当該外縁部を支持する枠状フレームを設けるとともに、
該枠状フレームで囲まれた内部空間に単又は複数のリブを渡設し、
前記一枚の太陽電池パネルを、前記枠状フレーム内側に位置する裏面側から、前記リブの上面により支持させてなることを特徴とする大型太陽電池モジュール。
【請求項２】
前記太陽電池パネルの端子ボックスを、裏面側における前記リブが位置しない部位に設けてなる請求項１記載の大型太陽電池モジュール。
【請求項３】
前記太陽電池パネルの裏面側に断熱材を設け、該断熱材を介して前記リブ上面により支持させてなる請求項１または請求項２記載の大型太陽電池モジュール。
【請求項４】
一枚の略方形の太陽電池パネルの四方を取り囲む枠状フレームを設け、前記リブを、該枠状フレームの互いに対向する辺、または隅部の間に渡設してなる請求項１〜３の何れか１項に記載の大型太陽電池モジュール。
【請求項５】
前記リブを十字形、梯子形または筋交い形に配置してなる請求項１〜４の何れか１項に記載の大型太陽電池モジュール。
【請求項６】
前記リブの断面形状をＩ型またはＨ型とすることを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載の大型太陽電池モジュール。
【請求項７】
前記リブの断面形状が中空円筒形状、中空三角形状、または中空四角形状であることを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載の大型太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電に用いられる太陽電池モジュールに関し、特に、大面積の大型太陽電池モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽光発電システムの実用化と低コスト化技術の開発が進められている。特に次世代の太陽電池として注目を集めているのが、薄膜系の太陽電池である。薄膜系太陽電池は、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池などに比べて、製造に要する原材料が少なく、大面積の集積型太陽電池として絶縁体基板上に直接作成することが容易なことから、低コストの太陽電池として注目されている。薄膜系太陽電池には、薄膜多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、化合物多結晶太陽電池（ＣｄＳ, ＣｄＴｅ, ＣＩＧＳ）などがあるが、そのなかで最も実用化が進んでいるのがアモルファスシリコン太陽電池である。ただし、アモルファスシリコン太陽電池は、屋外で長時間使用すると太陽光の影響で変換効率が低下してしまう現象、いわゆる光劣化が生じるという問題があった。このため、従来の実用例としては、電卓や腕時計など屋内で使用する用途に限られていた。
【０００３】
近年、光劣化はゼロにはならないものの、光劣化後の変換効率が１０％前後と高いアモルファスシリコン太陽電池が開発されている。それに伴い、太陽電池を屋根に載せて家庭の電力を賄うといった、屋外で使用する太陽電池発電システムの需要が拡大しつつある。こうした太陽電池は、単体の光電変換素子（太陽電池素子）の形ではなく、力学的な強度および耐候性を持たせた太陽電池パネルの形で利用される。この太陽電池パネルは、フレームにはめ込まれて太陽電池モジュールの形で用いられる。図９に示すように、従来の太陽電池モジュール２１は、太陽電池パネル２２と、このパネル２２をはめ込む枠状フレーム２３と、パネルから光電変換された電力を取り出すための端子ボックス２４とから構成される。枠状フレームは、パネルの保護および屋根などに据え付けるときのために用いられる。枠状フレームの素材には、アルミニウム合金、または樹脂製のものを使うことが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の大型太陽電池モジュールでは、枠状フレームを構成するアルミニウム合金は、鉄などと比較して、耐候性に優れ軽量ではあるが、高価な材料なので、太陽電池モジュールの製作コストを上昇させる原因の一つとなっている。また、樹脂製の素材を使う場合でも、押出し成型法によるものでは、フレーム構成材の板厚の下限に制限があり、それ以上板厚を薄くできないので、材料費を上昇させて、製作コストを上昇させる一因となっている。
【０００５】
また、大型のモジュールを用いると、配線の簡素化や発電面積の増大に関して有利ではあるが、モジュールの強度を維持するために、枠状フレームの板厚を増加させたり、パネルの構成部材の厚みを増加させたり、特殊な強化ガラスなどの軽量で強度のあるものを用いる必要があり、小面積のパネルを複数枚使用することと比べて、全体の重量の増加や、構成部材のコストの増加に結びつき易かった。しかも、光入射側にガラス板などの透明部材を用いる太陽電池パネルの場合、必要な強度を得るために透明部材の厚みを増やすと、それに伴う光吸収の増加により、太陽電池素子に入射する光量が減り、光電変換効率が大幅に減少する問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みなされたものであり、太陽電池パネルの大面積化の際に、太陽電池パネルの構成部材の厚みをほとんど増やすことなく、太陽電池モジュールの力学的強度を維持する手段を提供し、それによって、軽量、かつ安価で出力特性の優れた太陽電池モジュールを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る大型太陽電池モジュールは、基板上に太陽電池素子を形成してなる一枚の太陽電池パネルの外縁部全周にわたって、当該外縁部を支持する枠状フレームを設けるとともに、該枠状フレームで囲まれた内部空間に単又は複数のリブを渡設し、前記一枚の太陽電池パネルを、前記枠状フレーム内側に位置する裏面側から、前記リブの上面により支持させてなる構成を有する。
【０００８】
ここで、前記太陽電池パネルの端子ボックスを、裏面側における前記リブが位置しない部位に設けることが好ましく、また、アニール効果を促すべく前記太陽電池パネルの裏面側に断熱材を設け、該断熱材を介して前記リブ上面により支持させることが好ましい。
また、一枚の略方形の太陽電池パネルの四方を取り囲む枠状フレームを設け、前記リブを、該枠状フレームの互いに対向する辺、または隅部の間に渡設することが好ましく、より具体的には、前記リブを十字形、梯子形または筋交い形に配置することで、モジュールの力学的強度が高まる。さらに、前記リブの断面形状をＩ型またはＨ型、もしくは、中空円筒形状、中空三角形、または中空四角形状とすると、リブの力学的強度が高まり、モジュールの力学的強度が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、具体的に本発明に係る太陽電池モジュールの種々の実施例を説明する。図１は、本発明に係る大型太陽電池モジュール１を裏面側から見た場合の図である。この太陽電池モジュール１は、太陽電池パネル２と、この太陽電池パネルの裏面に設けられたフォーム基材８と、この太陽電池パネル２から電力を出力する手段である端子ボックス５と、この太陽電池パネル２の外縁部を保持する枠状フレーム３と、この枠状フレーム３に固定したリブ６とからなる。このリブ６は、フォーム基材８および太陽電池パネル２の裏面を支持するとともに、モジュールの変形を防止して剛性を持たせ、モジュールの強度を高める役割を果たすものである。リブ６には、その断面がＨ型のアルミ棒を採用する。枠状フレーム３は、ロール成形加工により作られたアルミニウム合金製の構成部材３ａ〜３ｄを、太陽電池パネルの外縁形状に合わせて矩形に継ぎ合わせて作られたものである。
【００１０】
また、図２に、図１に示した太陽電池モジュール１のＡ−Ａ断面図を示すとともに、図３に、太陽電池パネル２、Ｈ型リブ６、および枠状フレーム３が互いに固定されている様子を示す。太陽電池モジュール１は、太陽電池パネル２と、クッション性および断熱性に優れたアクリル系フォーム基材８と、Ｈ型リブ６とを順次積層したものが、枠状フレーム３に嵌入接着されて構成されるものである。ここで、太陽電池パネル２の裏面とフォーム基材８、およびフォーム基材８とＨ型リブ６とは、アクリル系の接着剤を用いた両面テープで互いに粘着固定される。フォーム基材８は、パネル２とＨ型リブ６との間に挟まれることで、太陽電池モジュールにかかる外力の一部を吸収したり、後述するアニール効果を高める役目をも果たす。また、太陽電池パネル２の外縁部は、ブチルゴムなどの接着剤７でもって枠状フレーム上部に形成した溝部４ａ, ４ａに嵌入接着されるとともに、リブ６の両端部は、接着性樹脂でもって枠状フレーム下部に形成した溝部４ｂ, ４ｂに嵌入接着される。但し、本発明では、リブの端部とフレーム下部に形成した溝部４ｂとの固定方法を接着性樹脂によるものに限らず、単に、ネジで固定する方法を採用しても良い。枠状フレーム３には、太陽電池モジュール１を屋上等などに据え付けるための穴９, ９が開けられている。
【００１１】
このように、枠状フレームにリブを設ける構造を採用することによって、ガラス板にかかる力学的負荷が減るため、ガラス板の板厚を薄くすることができる。ガラスの板厚が大きくなると、光の吸収、特に近赤外域の波長についての吸収が大きくなり、これがロスとなってパネルの発電特性が低下する問題も、この様に厚みを薄くすることで解決するのである。
【００１２】
また、太陽電池パネル２は、光入射側にガラス板などからなる透光性基板１０を配置し、この透光性基板１０の裏面側に、アモルファスシリコン膜を含む光電変換素子１１、接着性を有する充填材１２、および光入射側の反対面を保護する封止材１３を順次積層して構成されるものである。ここで、充填材には、ＥＶＡ（エチレンビニールアセテート）、ＰＶＢ（ポリビニールブチラール）、ポリイソブチレン系樹脂、シリコン樹脂などを用い、封止材には、テドラー（フッ化ビニールでデュポン社の登録商標）、またはこのテドラーとアルミニウム箔をサンドイッチ状に積層したものなど用いる。
【００１３】
本実施例では、最も好ましい光電変換素子１１として、アモルファス系半導体太陽電池素子を採用する。なぜならば、アモルファス太陽電池に代表される薄膜系太陽電池は、上述したように、単結晶シリコン太陽電池や多結晶シリコン太陽電池などに比べて、製造に要する原材料が少なく安価に製作でき、しかも大面積の集積型太陽電池として絶縁体基板上に直接作成することが容易であるという利点を有するからである。また、そのセル面積が広ければ、太陽電池を架台に取り付けるコストなどが低くなり、太陽電池モジュール製作の低コスト化に貢献し得る。アニール効果を生ぜしめるために断熱材を密着させた太陽電池パネル（例えば、特開平７ー２９７４３５号）を採用する場合、枠状フレームにリブを設けると太陽電池モジュールの強度が増すので、パネル内の断熱材の量を増やし、断熱層の形状をより効果的に定めることができて、アニール効果を向上させることが可能となる。
【００１４】
但し、本発明では、薄膜系太陽電池として、CdTe／CdS 太陽電池、CIGS(Cu(InGa)Se2) 太陽電池をも採用することができる。これらは、アモルファスシリコン太陽電池よりも変換効率を高くすることができて、光劣化が少なくという特徴を有するが、CdやInを含むため、環境に悪影響を与えやすいという欠点も有する。また、太陽電池パネルとして、ガラスに直接薄膜太陽電池素子を形成する構造、薄膜系太陽電池素子以外の結晶系太陽電池素子を有する構造、および鉄板にフレキシブルな素子を張り付けた構造などの、太陽電池の機能を有する板状の形状を有するもの全てを適用することも可能である。
【００１５】
また、枠状フレームの素材は、アルミニウム合金に限らない。他に、木材、鋼材、または合成樹脂製のものからなる枠状フレームを採用することも可能であり、さらに、耐候性を向上させるために、塩化ビニル樹脂、フッ素系樹脂、またはアクリル系樹脂などから成る樹脂皮膜で被覆した金属板を用いることも可能である。また、リブの断面はＨ型に限るものではなく、Ｉ型の断面を有するリブを用いることも有効である。Ｉ型およびＨ型の棒のように、座屈やねじれが生じない程度に、棒の中立面から遠い位置に材料が集まるように構成すると、棒の強度が増すので好ましい。さらに、リブとして中空円筒、中空三角柱、中空四角柱などを採用することも、リブの力学的強度の点から有効である。
【００１６】
図１では、一本のリブが枠状フレームの構成部材３ｃ−３ｄ間に架けられて、その両端部が固定されている。しかし、枠状フレームに固定するリブの数は一本に限らず、複数本でも良いし、リブの配置方法は図１に示したものに限らず、図４〜図８に示すように、種々の配置方法が可能である。図４では、２本のリブが構成部材３ｃ−３ｄ間に、これらの構成部材を三等分する位置に梯子形に架けられている。また、図５では、２本のリブが構成部材３ｃ−３ｄ間および３ａ−３ｂ間に、これらの構成部材の中間位置に十字形に架けられている。そして、図６では、１本のリブが枠状フレーム対角間に筋交い状に架けられている状態を示す。
【００１７】
そして、図１、図４、図５で示した本発明に係る大型太陽電池モジュールと、枠状フレームにリブを用いなかった従来型太陽電池モジュールとの比較実験について以下に説明する。この実験は、太陽電池モジュールの表面が風速60 mの風圧を受けた場合に、透光性基板であるガラス板の中央部が、どの程度変位するのかを計測したものである。一般に、透光性基板であるガラス板の中央部の変位がガラス板の板厚を越えないことが、安全基準内にあるとされている。図４および図５に示した太陽電池モジュール１は、リブの配置方法とガラス板の板厚を除いて、図１に示した太陽電池モジュールの構造と同じものを使用する。この比較試験に用いた太陽電池モジュールには、１メートル角の大きさのものを使用した。
【００１８】
図７は、図２と同じ断面図であって、リブを除いた図である。この図に示すように、パネルには一辺の長さＳが略1000 mm の正方形状のものを使用し、枠状フレームには、肉厚が略1 mm、高さＨが略30 mm 、上部固定部１４ａおよび中間固定部１４ｂの横幅Ｔ１が略7 mm、下部固定部１４ｃの横幅Ｔ２が略20 mm 、枠状フレーム上部に形成した溝部の幅Ｄ１がガラス板の板厚に略2 mm加えたものを使用した。そして、図８は、図１、図４、および図５で用いたリブの断面を示す図である。この図に示すように、リブは、肉厚が略2 mm、幅ｋが略20 mm のものを用いた。その比較試験結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
ここで、実施例１が図１、実施例２が図４、実施例３が図５のモジュール構造に相当する。従来例の場合、安全基準内にあるためには、ガラスの板厚が6 mmのものを必要とした。しかし、本発明の場合、安全基準内にあるためには、実施例１の場合が4 mmの板厚、実施例２の場合が3 mmの板厚、実施例３の場合が2 mmの板厚で充分な強度を得られることが分かり、ガラスの板厚を少なくとも３割程度薄くして、軽量化できることが分かった。従って、上述したように、ガラスが表面にある構造を有する太陽電池パネルの場合には、ガラスの板厚を薄くして、パネルの発電効率を向上させることができ、断熱層を設けた非晶質半導体太陽電池パネルの場合には、断熱材の量や断熱層の形状を定める自由度が増すので、アニーリングの効果を高めることが可能となる。
【００２１】
さらに、本発明では、図１〜図４のリブの配置を組み合わせたものを使用することも可能であることは、云うまでもない。このようにリブの形状を組み合わせることで、リブにかかる荷重が分散されるため、より細い形状のリブを採用することが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
以上の如く、本発明によれば、基板上に太陽電池素子を形成してなる一枚の太陽電池パネルの外縁部全周にわたって、当該外縁部を支持する枠状フレームを設けるとともに、該枠状フレームで囲まれた内部空間に単又は複数のリブを渡設し、前記一枚の太陽電池パネルを、前記枠状フレーム内側に位置する裏面側から、前記リブの上面により支持させることによって、太陽電池パネルの大面積化をする際に、太陽電池パネルを構成する部材、特に透光性基板などのガラス板の板厚を増やすことなく力学的強度を維持できるので、軽量かつ低コストの太陽電池モジュールを製作することが可能となり、また、ガラス板の厚みを薄くすることが可能になるため、入射光の近遠赤外領域の波長についての吸収が減り、出力特性の優れた太陽電池パネルを製作することが可能になる。さらに、太陽電池パネルにかかる力学的負荷が減るため、断熱材の使用量や断熱層の形状を定める自由度が増すので、アニーリングの効果を高めることが可能となる。
【００２３】
そして、枠状フレームに、単または複数本のリブを十字形または梯子形に配置して設ける方法や、単または複数本のリブを筋交い形に配置して設ける方法を採用すると、モジュールの力学的強度が高まり、上記した効果を一層高めることが可能となる。さらに、前記リブの断面形状をＩ型またはＨ型、もしくは、中空円筒形、中空三角形、または中空四角形状とすると、リブおよび太陽電池モジュールの力学的強度が向上し、上記した効果をさらに高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る太陽電池モジュールの第１の実施例を示す図。
【図２】第１の実施例を示す図のＡ−Ａ断面を示す図。
【図３】第１の実施例での枠状フレーム、パネル、およびリブの接合状態を示す斜視図。
【図４】本発明に係る太陽電池モジュールの第２の実施例を示す図。
【図５】本発明にに係る太陽電池モジュールの第３の実施例を示す図。
【図６】本発明に係る太陽電池モジュールの第４の実施例を示す図。
【図７】太陽電池モジュールを示す断面図。
【図８】本発明に係るリブの断面図。
【図９】従来の太陽電池モジュールを示す図。
【符号の説明】
１  太陽電池モジュール      ２  太陽電池パネル
３  枠状フレーム
３ａ〜３ｂ  フレーム構成部材
４ａ, ４ｂ  枠状フレームに形成した溝部
５  端子ボックス          ６  リブ
７  接着剤                ８  フォーム基材
９  据え付け穴            １０  透光性基板
１１  光電変換素子        １２  充填材
１３  封止材              １４ａ  上部固定部
１４ｂ  中間固定部        １４ｃ  下部固定部
２１  従来の太陽電池モジュール
２２  太陽電池パネル      ２３  枠状フレーム
２４  端子ボックス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003674234.tif 000010
【図９】
0003674234.tif 000011