(57)【要約】【課題】  本発明の太陽電池モジュールは、太陽電池モジュールの温度上昇を抑制することができる。【解決手段】  熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止し、かつ太陽電池モジュールの裏面に金属製枠を有し、前記絶縁性材料が金属製枠に接触している太陽電池モジュール。金属製枠に放熱フィンや風車などの空冷装置が施されている太陽電池モジュールが好ましい。風車が風力発電能力を有する太陽電池モジュールが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止し、かつ太陽電池モジュールの裏面に金属製枠を有し、前記絶縁性材料が金属製枠に接触している太陽電池モジュール。
【請求項２】
金属製枠に放熱フィンや風車などの空冷装置が施されている請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
風車が風力発電能力を有する請求項２に記載の太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に局所的な温度上昇を抑え、局所過熱による不具合を緩和する太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に太陽電池は、温度が高くなると発電効率が落ちる。特に結晶シリコン型セルが顕著で、最も影響が顕著なのは電圧で、０．４〜０．５％／℃の割合で低下し、結果的に出力も大幅に低下する。更に、電圧が低下するとセルが直列配線されている関係からこの部分が高電気抵抗となり、他の部分に比べて温度上昇が大きくなる。このため、日陰やゴミなどの何らかの原因で局所的に温度が高くなるとその部分が加速度的に温度上昇し、モジュール全体の発電効率を低下させるだけでなく、セルの電極や封止材などを熱劣化させる。
【０００３】
太陽光発電は光エネルギーを電気に変換するものであり、太陽光を受光することは必須であり、変換が完全でない限り、モジュールの温度は上昇する。自然の放熱も起こるが、通常の条件では蓄熱が上回り、モジュール温度は高温になる。これを抑制するために、いくつかのモジュール冷却手段が知られている。例えば、特許文献１〜８には、太陽電池モジュール裏面にフィンを設けるもの、太陽電池セルを水などの熱媒で冷却し同時にその熱で温水を利用するハイブリッドモジュール、放熱板を設けるもの、モジュール裏面に熱媒としての流体を満たすもの、水冷、空冷、放熱シート、ヒートパイプ等により冷却するものなどが開示されている。
【０００４】
この他、光電変換セルの非受光面側の熱伝導性を良くして、熱を逃がすことも検討されている。例えば、特許文献９には光電変換セルを挟む樹脂シートに、受光面側より非受光面側に熱伝導性の良好なものを用いることで非受光面側から熱を放出することが提案されている。また、特許文献１０では光電変換セルと非受光面側の充填材の間に熱伝導性の大きなシートを配設し、非受光面側の充填材に熱伝導性の大きな粒子を用いる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３６５４０号公報
【特許文献２】特開平１０−６２０１７号公報
【特許文献３】特開２００５−１２３４５２号公報
【特許文献４】特開平１１−３５４８１９号公報
【特許文献５】特開２００５−１８３５２号公報
【特許文献６】特開２００２−１７０９７４号公報
【特許文献７】特開２００５−１３６２３６号公報
【特許文献８】特開平９−１８６３５３号公報
【特許文献９】特開平１０−５６１８９号公報
【特許文献１０】特開２００４−３１１４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１〜８に開示されているように冷却装置を用いる場合は、大掛かりな付帯設備が必要となり、システムが複雑で大型化するだけでなく、コストアップとなる。このため、太陽熱温水が主体の場合を除き、費用対効果が乏しい。また、このような冷却装置を用いる場合は、太陽電池の内部保護が低下し、水分や酸素の侵入や冷却装置の加重による応力でモジュールを劣化させることが多い。
【０００７】
特許文献９，１０に開示されているように、非受光面の熱伝導性を高めて放熱する方法もある程度の効果はあるが、太陽電池モジュール全体に蓄積する熱量を減らす、即ち取り除く熱量を増やさない限り、効果は限定的である。本発明の目的は、太陽電池モジュール外部への放熱量を無理なく簡単に増加させる技術によって、モジュール当たりの発電量を増加させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料で光電変換セルの非受光面側を封止し、かつ太陽電池モジュールの裏面に金属製枠を有し、前記絶縁性材料が金属製枠に接触している太陽電池モジュール。
（２）金属製枠に放熱フィンや風車などの空冷装置が施されている前記（１）に記載の太陽電池モジュール。
（３）風車が風力発電能力を有する前記（２）に記載の太陽電池モジュール。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の太陽電池モジュールは、簡便且つ安価な方法で、受光による熱を非受光面から放熱することにより、太陽電池モジュールの温度上昇を抑制し、発電効率の低下を抑えると共に太陽電池モジュールの劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】裏面にハブダイナモ型自家発電機を有する風車を取り付けた太陽電池モジュール。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、強度に優れ、熱伝導性も高く、分子遮蔽性も高い金属製枠をモジュールの裏面に配し、これと光電変換セルの非受光面側を熱伝導率が良好な絶縁性材料を介在させて絶縁性と熱伝導性を確保する太陽電池モジュールに関する。また、本発明は金属製枠の外側に空冷装置を設け、通気させることで放熱性を向上させるが、通気性を確保しながら気流を乱して空冷効果を向上させると同時に、風力発電で気流を更に有効活用するものである。
【００１２】
本発明において光電変換セルとは、光のエネルギーを電気エネルギーに変換する素子を示し、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、アモルファスシリコン型、化合物半導体型、有機半導体型、光増感型など多様な種類が知られている。本発明では特に限定しないが、最も普及が進んでいて実用データが豊富であり、最も温度上昇の影響が大きな単結晶や多結晶シリコン型太陽電池を主な対象とする。
【００１３】
本発明において非受光面とは太陽光を受光する受光面の逆面を示す。受光面は太陽光を多く取り入れるために光透過性が必要だが、非受光面はこの必要性が少なく、むしろ入射した太陽光の変換効率を高めるために不透明にして光を散乱させることも行われている。
【００１４】
本発明において光電変換セルの非受光面を封止する絶縁性材料には、熱伝導性が０．５Ｗ／ｍ・ｋ以上、好ましくは１．０Ｗ／ｍ・Ｋ、さらに好ましくは２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の絶縁性材料が用いられる。ここで熱伝導性が低ければ熱を拡散する効果が低下する。
【００１５】
本発明において光電変換セルの非受光面を封止する絶縁性材料には、好ましくは１０８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０１０Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を持つ絶縁性材料が用いられる。体積抵抗値が小さければ電流漏れや不必要な通電を起こしやすく、発電量の低減や故障の原因となる。
【００１６】
本発明の絶縁性材料に用いられる絶縁性無機充填材としては、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、かつ体積抵抗率が好ましくは１０８Ω・ｃｍ以上、さらに好ましくは１０１０Ω・ｃｍ以上の絶縁性無機充填材が用いられる。このような無機充填材としては、好ましくはＢ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｒなどの金属元素の酸化物や水酸化物、窒化物、炭化物、硼化物などが用いられる。これらの中でも熱伝導性や吸湿性、化学的な安定性や価格などを考慮すると、Ａｌ、Ｍｇの酸化物であるＡｌ２Ｏ３やＭｇＯ、水酸化物であるＡｌ(ＯＨ)３やＭｇ(ＯＨ)２、窒化物のＡｌＮやＢＮなどが特に好ましい。これらの絶縁性無機充填材は、単独で用いることもできるが２種類以上の複数で用いることができる。この場合の熱伝導性は絶縁性無機充填材個々の熱伝導率を体積分率で加重平均して求められる。
【００１７】
本発明における絶縁性材料は絶縁性無機充填材とガラス転移温度が１００℃以下、好ましくは８０℃以下、さらに好ましくは６０℃以下の樹脂を含むものである。樹脂のガラス転移温度が高ければ絶縁性材料が硬く、脆くなり、光電変換セルを保護する封止機能が低下する。このため、本発明では、樹脂と絶縁性無機充填材と共に樹脂を軟化させる可塑剤を用いることも可能である。この場合、絶縁性材料のガラス転移点は樹脂のガラス転移温度が適用される。
【００１８】
本発明において用いられる樹脂としては、特に限定されないが、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）やエチレンやプロピレンなどのオレフィン系モノマーとアクリル酸、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸オクチルなどのアクリル系やメタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸オクチルなどのメタクリル系のモノマーやスチレンなどとの共重合体、エチレンやプロピレンとマレイン酸や無水マレイン酸、マレイン酸メチル、マレイン酸エチルエなどのマレイン酸系モノマーとの共重合体、エチレンやプロピレンとブタジエンやアクリロニトリルなどの共重合体、ポリエチレングリコールやポリプロピレングリコールなどの単独または共重合の高分子量樹脂、アクリル系やメタクリル系やスチレンなどのモノマーの単独または共重合体、ポリビニルブチラール樹脂、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などが用いられる。これらの樹脂は光電変換セルを保護の効果や絶縁性無機系充填材の安定保持などの効果などから分子量は大きい方が好ましく、一般には重量平均分子量が１万以上の樹脂を用いる。この他、低分子量の樹脂を用いて絶縁性材料を作製し、光電変換セルとの位置関係を固定しながら架橋結合を形成することも可能である。
【００１９】
本発明における絶縁性材料で用いられる可塑剤は樹脂に応じて選択されるが、実質的に揮発性しないものが好ましい。実質的に揮発しないとは太陽電池モジュールが使用される環境では１００℃程度の高温になることがあるが、この温度でも蒸気圧が無いものを言う。一般的に用いられる可塑剤としては、樹脂と類似した組成の低分子量体やポリエチレングリコールやポリプロレングリーコール、長鎖脂肪族アルコール、グリセリン、糖類などや長鎖脂肪酸、ソルビタン酸、フタル酸、マレイン酸、リン酸、アジピン酸、トリメリット酸、クエン酸などのエステル類やエーテル類などが用いられる。
【００２０】
本発明における絶縁性材料は、絶縁性無機充填材５０〜９０質量部と樹脂１０〜５０質量部を含むものである。ここで絶縁性無機充填材が少なければ熱導電性が低くなり、多ければ脆くなって光電変換セルを保護する機能が低下する。樹脂が少ないと脆くなり、多ければ熱伝導性が低くなる。また、本発明では熱伝導性や絶縁性などの特性が外れない範囲で絶縁性有機充填材や導電性無機充填材などを併用することができる。
【００２１】
本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の厚さが、最も薄い部分で０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以上、さらに好ましくは０．３ｍｍ以上である。絶縁性材料が薄ければ熱伝導の隘路となり、熱拡散性を阻害し、厚過ぎれば高価格な絶縁性材料の使用量が増え、コストアップになる。
【００２２】
本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の熱伝導率の異方性が少ないものが好ましく、光電変換セルに対する水平面と垂直面の熱伝導率の比率が好ましくは５以下、さらに好ましくは３以下である。これは、光電変換セルで発生した熱は垂直方向で伝わった後、水平方向の伝熱で拡散されることから、熱伝導性の異方性が大きければ熱伝導率の伝達が小さな方に制約されることになる。また、
【００２３】
本発明の太陽電池モジュールは、封止した絶縁性材料の絶縁性の異方性が少ないものが好ましく、光電変換セルに対する水平面と垂直面の電気抵抗の比率が好ましくは５以下、さらに好ましくは３以下である。これは、絶縁性の異方性が大きい場合は異方導電性が存在することであり、封止工程や使用中のモジュールに応力がかかった場合に異方性が乱れて、故障や不具合の原因となりやすい。
【００２４】
本発明の太陽電池モジュールの受光面側は特に限定されない。太陽光を受光するために透明であることは必須だが、最も多く用いられている構造は、最外層に強化ガラスを用い、エチレン／酢ビ共重合樹脂やエチレン／アクリル酸共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂で封止している。本発明でもこのまま用いることが好ましいが、特に限定されない。
【００２５】
本発明の太陽電池モジュールは裏面に金属製の枠を用いることが特徴である。光電変換セルで発生した熱は熱伝導性の高い絶縁性材料で相対的に温度が低い裏面に伝わるが、ここで放熱されないと熱が蓄積する。本発明では裏面を金属製の枠にすることで強度を確保し、外部から水分や酸素などが侵入するのを防ぐと共に放熱性を高めるものである。金属としては特に制限されないが、強度や安定性、密度や価格などからアルミニウムやその合金、マグネシウム合金、鉄やその合金、チタン合金などが用いられる。この中でも特にアルミニウムとその合金が好ましい。
【００２６】
太陽電池モジュールの裏面の金属製枠は、表面積を増やす放熱フィンや空気流を乱す風車などの空冷装置がついているものが好ましい。特に風車は表面積を増やして放熱量を増やすと同時に、空気流を変化させることで冷却能力が大きく、放熱フィンと併せて使われることが特に好ましい。
【００２７】
本発明では裏面に冷却装置として風車を用いることができるが、この場合風車の回転によって発電することも可能である。これによって、太陽電池モジュールの内部の熱を放熱すると同時に風力発電を直射日光から遮蔽し、効果的に発電することが可能となる。ここで用いる風力発電は小型の垂直翼型が好ましい。また、太陽電池モジュールの裏面に強度の高い金属製枠を用いることで、風力の発電部分は太陽電池モジュールの裏面に配置することが可能となる。これによって、電気系統を共通化することができるので、装置を小型化することが可能である。また、外側が太陽光発電、内側が風力発電の機能を備えるため、道路や鉄道などの屋外輸送経路の太陽光活用と自動車、電車等の空気抵抗によるエネルギーロス回収に有効である。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例によって本発明を詳細に説明する。
実施例１〜４
１）熱伝導性絶縁性材料の作製
ＰＶＢ樹脂としてデンカＰＶＢ３０００−Ｋ（電気化学工業製、平均重合度８００、ＰＶＢ率８１％、ガラス転移温度６７℃）、絶縁性無機充填材のアルミナとしてＤＡＷ７０（電気化学工業社製、平均粒径７０μｍ、３２Ｗ／ｍ・Ｋ）及びＤＡＷ０５（電気化学工業社製、平均粒径５μｍ、３２Ｗ／ｍ・Ｋ）、ポリプロピレングリコール系可塑剤としてエクセノール２３０（旭硝子社製、分子量３０００，水酸基価５６、エチレンオキシド変性タイプ）を表１に示した配合で用い、エタノール（純度９９．５％以上、関東化学株式会社）３００質量部とともに万能混合機で、５０℃で６０分混合し、高粘度の熱伝導性絶縁性材料の溶液を得た。
この熱伝導性絶縁性材料の溶液を厚さ１００μｍのＰＥＴ樹脂フィルムにドクターブレードで４ｍｍ厚に塗布し、防爆型送風乾燥機中で、１００℃で８時間乾燥した。乾燥処理した熱伝導性絶縁性材料の上面にＰＥＴ樹脂フィルムを乗せて、ＰＥＴ樹脂フィルムに挟んで、油圧プレス機で温度１００℃、圧力１ＭＰａで成形し、厚さが１．０ｍｍのシート１〜４を作製した。
【００２９】
２）熱伝導率、体積抵抗率、硬度の測定
作製したシートの熱伝導率と体積抵抗率（ＪＩＳ  Ｋ  ７１９４準拠）、硬度（アスカーＣ）を測定した。
（熱伝導率）
熱伝導性シートの熱伝導率はＴＯ−３型銅製ヒーターケースと銅板の間にシート厚さが１０％圧縮されるようにネジ止めした後、ヒーターケースに電力１５Ｗをヒーターケースと銅板との温度差が一定になるまでかけ、その温度差を測定し下記式(１)より熱抵抗を算出した。
熱抵抗（℃／Ｗ）＝温度差（℃）／印加電圧（Ｗ）              式（１）
得られた熱抵抗の値をもとに下記式（２）より熱伝導率を算出した。なお、ここでの熱伝導性シートの厚みは熱抵抗測定時の厚み（シート厚さが１０％圧縮されるようにネジ止めし、熱抵抗を測定した厚み）である。また伝熱面積は、ＴＯ−３型の伝熱面積０．０００６ｍｍ２である。
熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）＝
熱伝導性シート厚み（ｍ）／{熱抵抗（℃／Ｗ）×伝熱面積（ｍ２）}      式（２）
（アスカーＣ硬度）
作製したシートの温度２３℃でのアスカー硬度Ｃを測定した。ここでアスカーＣ硬度とは、日本ゴム協会標準規格で定めるＳＲＩＳ０ｌ０ｌである。  
【００３０】
３）モジュール作製
５００ｍｍ×５００ｍｍ×３ｍｍ（厚さ）の太陽電池用カバーガラス上に、受光面側充填材として厚さが０．８ｍｍの太陽電池封止材用ＥＶＡシート（ＳＯＬＡＲ  ＥＶＡ、三井化学ファブロ社製）を敷いた。その上にモジュール外部に電気を取り出せるように直列に接続した３枚の光電変換セル（多結晶シリコン、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を中心に１ｃｍ間隔で直列に載せ、さらにその上に非受光面側充填材としてのシート１〜４及び比較例１として受光面側充填材と同じＥＶＡシートを敷き、更に裏面材として厚さ１ｍｍのアルミニウム板を載せ、太陽電池製造用ラミネーターで封止処理して、実施例５〜８と比較例１の太陽電池モジュールを作製した。処理条件は温度１２０℃で真空２分の後、大気圧加圧１０分、更に大気圧加圧下１５０℃で３０分圧着した。端面処理は特に行わなかった。
【００３１】
４）太陽電池モジュールの初期評価
得られた太陽電池モジュールはガラス側表面の中心セルの中央部分を直径３ｃｍの円形アルミ板（厚さ１ｍｍ）で遮蔽し、裏面アルミ板部分に熱電対を付けて温度を測定した。これらを快晴の屋外で日射が均等になるように地上１ｍに裏面を空けて並べ、日照開始時の温度とその解放電圧、最高温度とそれに達した時間とその解放電圧を測定した。結果を表２にまとめた。
【００３２】
実施例９〜１２及び比較例２
５）空冷フィンを設けたモジュールの作製と評価
実施例５〜８及び比較例１のモジュールの裏面に熱電対を付けたままで、シート１を挟んで、縦横５ｍｍ、長さ１０ｍｍの突起が縦横５ｍｍ間隔で出ているアルミニウム製空冷板（突起が無い部分の厚さは５ｍｍ）を圧着し、クランプで止めた。このモジュールについて日を改めて、実施例５〜８、比較例１と同様に日照照射試験を行った。結果を表３にまとめた。
【００３３】
実施例１３〜１６及び比較例３
６）風車を設けたモジュールの作製と評価
自転車のハブダイナモ型自家発電機から作製した図１の風車を、実施例９〜１２及び比較例２で作成したモジュールの裏側にネジ止めし、同様の日照評価を行った。同時に風車による風力発電の電圧を記録した。結果を表４にまとめた。
【００３４】
【表１】
2011077310.tif 000003
【００３５】
【表２】
2011077310.tif 000004
【００３６】
【表３】
2011077310.tif 000005
【００３７】
【表４】
2011077310.tif 000006
【００３８】
実施例と比較例から本発明の太陽電池モジュールは、日陰によるホットスポットが起こってもそのセルの温度上昇を小さくし、発電効率の低下を抑制するができた。ホットスポットが鳥の糞などが原因となる場合はセルの温度上昇は繰り返し引き起こされることになるが、モジュールの温度上昇を小さくすることでその部分の熱劣化を抑えることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  太陽電池モジュール（アルミ製裏面放熱板）
２  ＰＰ樹脂製羽根
３  ハブダイナモ型自家発電機
４  風車固定板
５  風車板固定ねじ
【図１】
2011077310.tif 000007