(57)【要約】【課題】  構造が簡単で、内蔵する太陽電池を効率良く略一定温度に冷却できる太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】  太陽電池モジュール１内には、太陽電池５の裏面に近接して、格子状に多数配列された冷却体収容区画６Ａを有する伝熱格子６が設けられている。それぞれの冷却体収容区画６Ａには、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却体８が収容され、日射により太陽電池５が受ける熱を、伝熱格子６に拡散して各冷却体収容区画６Ａ内の冷却体８に伝熱し、これらの冷却体８に含浸された潜熱蓄熱物質に固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることによって、当該太陽電池５を略一定温度に冷却する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状のフレーム内に配置された太陽電池の裏面に近接して設けられ、格子状に多数配列された冷却体収容区画を有する伝熱格子と、
前記伝熱格子の冷却体収容区画のそれぞれに収容される、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却体とを備え、
日射により太陽電池が受ける熱を、伝熱格子に拡散して各冷却体収容区画内の冷却体に伝熱し、これらの冷却体に含浸された潜熱蓄熱物質に固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることによって、当該太陽電池を略一定温度に冷却するようにしたことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項２】
冷却体が多孔質セラミックス材料からなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
【請求項３】
枠状のフレーム内に配置された太陽電池の裏面に近接して設けられ、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却板を備え、
日射により太陽電池が受ける熱を冷却板に伝熱拡散し、当該冷却板に含浸されている潜熱蓄熱物質に固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることによって、当該太陽電池を略一定温度に冷却するようにしたことを特徴とする太陽電池モジュール。
【請求項４】
冷却板が、多孔質セラミックス材料からなることを特徴とする請求項３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、夜間の気温の低下によって冷やされた潜熱蓄熱物質が固体から液体に相変化する際に吸収する潜熱を利用して、昼間、日射を受ける太陽電池を略一定温度に冷却する機能を有する太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムに使用されている太陽電池モジュールに組み込まれている太陽電池は、一般に温度が高くなると出力電圧が落ちて発電効率が低下する特性を有することが知られている。
【０００３】
特に、一日のうちで日射量が最大となる太陽の南中時には、太陽電池の温度が上昇して発電効率が低下する傾向にあり、太陽電池が最も発電する時間帯に、発電損失が大きくなることになる。
【０００４】
この温度上昇による発電効率の低下は、現在最も普及している結晶シリコン系の太陽電池が比較的大きく、この損失を回避することは、現在設置されている大半の太陽光発電システムの発電効率の向上に繋がり大きな効果がある。
【０００５】
そこで、従来においては、太陽電池モジュールの温度上昇に対する対策として、太陽電池モジュールの設置架台の裏面に通風溝を設けて風が抜けるようにしたり、太陽電池モジュールの裏面とこれが設置される屋根面との間に空気の対流を起こして、太陽電池モジュールを空冷する方法や、太陽電池モジュールの内部や裏面に冷却水を通す管を付設して水冷する方法等が提案されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献１に記載されているように、太陽電池の裏側に３０℃〜６０℃で相変化する潜熱蓄熱材を配置してこれに熱を吸収させたり、特許文献２に記載されているように、太陽電池モジュールの裏面に夜間自然冷却する流体を密封した容器を取り付け、昼間この流体が入った容器に熱を吸収させて、太陽電池の温度上昇を抑える方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１４１６１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述したような、空冷や水冷によって太陽電池モジュールの温度上昇を抑える方法においては、十分な冷却効果が得られず太陽電池アレイを構成している太陽電池モジュール間に温度ムラが生じてしまう問題があった。
【０００９】
太陽電池アレイは、太陽電池モジュールを複数直列に繋げて構成されるストリングを複数並列に繋げて構成されているため、太陽電池モジュールの間に温度のバラツキが生じると、これらの太陽電池モジュール間で発電電圧にバラツキが生じる。そのため、各ストリングにおいては、発電電圧の異なる太陽電池モジュールどうしが直列に繋がっていることにより、それぞれ異なる電圧を持つことになる。
【００１０】
このような互いに異なる電圧のストリングどうしが並列に繋がっていると、太陽電池アレイ全体の出力特性に悪影響を及ぼすため、一部の太陽電池モジュールの温度上昇によって、太陽電池アレイ全体の発電効率の低下を招くおそれがあった。また、空冷や水冷のための機能を付加する必要があるため構造が複雑になり、コストアップに繋がる問題もあった。
【００１１】
一方、前述した特許文献１や特許文献２に記載されているように、太陽電池モジュール内部の太陽電池の裏側に潜熱蓄熱材や流体を密封した容器を配置しているものは、前述したような空冷や水冷によって太陽電池モジュールを冷却する場合のような問題は解消できるが、太陽電池と潜熱蓄熱材や流体を密封した容器との間の伝熱効率が低く、十分な冷却効果を発揮することが難しかった。
【００１２】
そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、構造が簡単で、内蔵する太陽電池を効率良く略一定温度に冷却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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的のために提供される、本発明の太陽電池モジュールの第１のものは、枠状のフレーム内に配置された太陽電池の裏面に近接して設けられ、格子状に多数配列された冷却体収容区画を有する伝熱格子と、前記伝熱格子の冷却体収容区画のそれぞれに収容される、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却体とを備え、日射により太陽電池が受ける熱を、伝熱格子に拡散して各冷却体収容区画内の冷却体に伝熱し、これらの冷却体に含浸された潜熱蓄熱物質に固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることによって、当該太陽電池を略一定温度に冷却するようにしたものである。
【００１４】
本発明の太陽電池モジュールの第１のものにおいては、冷却体が多孔質セラミックス材料からなることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の太陽電池モジュールの第２のものは、枠状のフレーム内に配置された太陽電池の裏面に近接して設けられ、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却板を備え、日射により太陽電池が受ける熱を冷却板に伝熱拡散し、当該冷却板に含浸されている潜熱蓄熱物質に固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることによって、当該太陽電池を略一定温度に冷却するようにしたものである。
【００１６】
本発明の太陽電池モジュールの第２のものにおいては、冷却板が、多孔質セラミックス材料からなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、日射によって太陽電池に吸収された熱は、その裏面に近接して設けられた伝熱格子に伝わって拡散し、さらに、格子状に多数配列された冷却体収容区画の壁面からそれぞれの冷却体に吸収される。
【００１８】
伝熱格子内に収容されたそれぞれの冷却体は、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料で構成されているため、冷却体内に浸透している潜熱蓄熱物質と当該冷却体間の伝熱面積は極めて大きく、伝熱格子から各冷却体に伝わった熱は、潜熱蓄熱物質が固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることにより、太陽電池モジュール内の太陽電池を簡単な構造で効率的に長時間一定温度に冷却することができる。
【００１９】
その結果、温度上昇に起因する太陽電池モジュールの出力電圧の低下を回避できるため複数の太陽電池モジュールの直並列によって構成される太陽電池アレイ全体の発電効率を高めることができるとともに、太陽電池の熱ストレスを低減することができるため、太陽電池モジュールの耐久性を高めることができる。
【００２０】
また、夜間に外気温が低下すると、昼間、太陽電池から潜熱蓄熱物質が吸収した熱は、冷却体表面から伝熱格子を伝わって、太陽電池モジュールの外面から大気中に効率良く放熱され、その結果、昼間熱を吸収して液体になっていた潜熱蓄熱物質は融点以下に冷却されて固体に相変化し、再び昼間に太陽電池を略一定温度に冷却するために利用可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、さらに、冷却体が多孔質セラミックス材料で形成されているため、冷却体の製造が容易であり、且つ、化学的に安定で潜熱蓄熱物質との接触によって腐食や劣化を生じる虞がないため、太陽電池モジュールの製造コストを低減できるとともに、耐久性を高めることができる。
【００２２】
請求項３記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、日射によって太陽電池に吸収された熱は、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質材料からなる冷却板に伝熱拡散する。冷却板に浸透している潜熱蓄熱物質と当該冷却板間の伝熱面積は極めて大きく、冷却板に伝わった熱は、潜熱蓄熱物質が固体から液体へ相変化する際の潜熱として吸熱させることにより、太陽電池モジュール内の太陽電池を効率的に長時間一定温度に冷却することができる。
【００２３】
その結果、請求項１に記載の発明に係る太陽電池モジュールと同様に、太陽電池アレイ全体の発電効率を高めることができるとともに、太陽電池の熱ストレスを低減することができるため、太陽電池モジュールの耐久性を高めることができる。
【００２４】
しかも、本発明の太陽電池モジュールは、従来構造の太陽電池モジュールと比較して、潜熱蓄熱物質を含浸させた冷却板のみを追加した簡単な構造であるため、太陽電池を略一定温度に冷却する機能を有する太陽電池モジュールを極めて低コストで提供することができる。
【００２５】
また、夜間に外気温が低下すると、昼間、太陽電池から潜熱蓄熱物質が吸収した熱は、冷却板を介して太陽電池モジュールの外面から大気中に効率良く放熱され、その結果、昼間熱を吸収して液体になっていた潜熱蓄熱物質は融点以下に冷却されて固体に相変化し、再び昼間に太陽電池を冷却するために利用可能となる。
【００２６】
請求項４に記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、さらに、冷却板が多孔質セラミックス材料で形成されているため、冷却板の製造が容易で且つ潜熱蓄熱物質との接触によって腐食や劣化を生じる虞がないため、太陽電池モジュールの製造コストをより低減することができるとともに、耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の太陽電池モジュールの１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す太陽電池モジュールをフレームとバックシートを除いた状態で裏側から見た部分斜視図である。
【図３】太陽電池の出力電圧と日射強度の相関関係を概略的に示すグラフである。
【図４】本発明の太陽電池モジュールの別の実施形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の太陽電池モジュールの１実施形態を示す縦断面図であって、同図に示す太陽電池モジュール１は、一般的な太陽光発電システムの太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールとして用いられるものである。
【００２９】
同図に示すように、本発明の太陽電池モジュール１は、地上に設置した架台や建物の屋根面に取り付けられるアルミニウム製の矩形枠状のフレーム２を有している。フレーム２には、肉厚の強化ガラス３が太陽電池モジュール１の表側をカバーするように装着されていて、その裏側には透明樹脂からなる充填材４が充填されている。
【００３０】
この充填材４の中には、複数の矩形板状の太陽電池５が縦横に配列された状態で埋め込まれていて、これらの太陽電池５どうしは、図示していない電力線によって相互に直並列に接続されている。
【００３１】
フレーム２内の充填材４の下方には、後述するアルミニウム製の伝熱格子６が嵌め込まれており、その下面側は樹脂製のバックシート７によって外部から密封されている。図２は、フレーム２とバックシート７を取り除いた状態で、太陽電池モジュール１を裏側から見た部分斜視図であって、同図に示すように、伝熱格子６は、多数の角孔状の冷却体収容区画６Ａが縦横に格子状に配列されて構成されている。
【００３２】
また、伝熱格子６は、図１に示すように、上面を充填材４の下面と密着させた状態でフレーム２の内側に位置決め固定されていて、それぞれの冷却体収容区画６Ａには、直方体状に形成された冷却体８が収容されている。なお、図２においては、冷却体８の図示は省略してある。
【００３３】
伝熱格子６は、その上面に近接して配置されている太陽電池５と、各冷却体収容区画６Ａ内に収容された冷却体８と間で熱を伝える役割と、太陽電池モジュール１のフレーム２を内側から補強して剛性を高めるための補強材としての役割とを兼ねている。
【００３４】
なお、本実施形態のものにおいては、太陽電池モジュール１全体の重量を軽減するために、伝熱格子６の素材にアルミニウムを用いているが、これに限定するものではなく、伝熱格子は、熱伝導性に優れ、且つ、必要な剛性を備えた他の素材、例えば、ステンレスや銅等によって形成してもよい。
【００３５】
また、本実施形態において、冷却体８は、相互につながった無数の微細な孔が全体に形成されている多孔質セラミックス材料で製作されていて、孔の中には潜熱蓄熱物質が含浸させてある。
【００３６】
潜熱蓄熱物質は、固体から液体に相変化するときに周囲から熱を吸収し、一方、液体から固体に相変化するときに周囲に熱を放出する物質であって、本実施形態においては、潜熱蓄熱物質は、水を取り込んで結晶化した物質（水和物）が、周囲の温度が上昇すると自身が取り込んだ水の飽和水溶液になる潮解性を示す物質を用いている。
【００３７】
このような物質としては、例えば、塩化カルシウム水和物、酢酸ナトリウム水和物、水酸化バリウム水和物等がある。これらの水和物はそれぞれ異なった温度で相変化を起こすため、太陽電池モジュール１を設置する地域の昼夜の温度条件によって、夜間に気温が低下すると固体になり、昼間、周囲の温度が上昇すると、周囲から熱を吸収しつつ固体から液体に相変化するようなものを適宜選択する。
【００３８】
なお、伝熱格子６に形成されている冷却体収容区画６Ａは、上下両端が開放されて角孔状になっているが、伝熱格子６はフレーム２内で充填材４とバックシート７との間で液密に挟み込まれているため、冷却体８に含浸されている潜熱蓄熱物質が液体の状態になった時に、太陽電池モジュール１の外部に漏れ出たり蒸発して消失することはない。
【００３９】
前述したように構成されている太陽電池モジュール１は、夜間、設置されている場所の周囲の気温が低下すると、周囲がフレーム２に接触している伝熱格子６やバックシート７を通じて冷却体８から外部に放熱され、冷却体８に含浸されている潜熱蓄熱物質は冷却されて固体に相変化する。
【００４０】
特に、太陽電池モジュール１が建物の屋根や屋上に設置してある場合には、晴天日には夜間に太陽電池モジュール１から天空に向かって放射冷却現象が起き、太陽電池モジュール１が外気温より低くなるため、潜熱蓄熱物質からの放熱が効果的に行われる。
【００４１】
なお、本実施形態のものにおいては、バックシート７には樹脂製のものを使用しているが、潜熱蓄熱物質の冷却効率をより高めるために、金属や金属と樹脂のラミネート材等の熱伝導率の高いものを用いてもよい。
【００４２】
一方、昼間に太陽電池モジュール１が日射を受けてこれに内蔵されている太陽電池５の温度が上昇してくると、太陽電池５が日射から受けた熱は、その下面に近接して配置されている伝熱格子６から冷却体８に伝わり、さらに、潜熱蓄熱物質に伝達される。  
【００４３】
潜熱蓄熱物質は、太陽電池５から伝わる熱を潜熱（融解熱）として吸収して徐々に融解して固体から液体に相変化し、その間、太陽電池５が一定の低温状態に維持される。冷却体８は、潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔質セラミックス材料で形成されているため、冷却体８内に浸透している潜熱蓄熱物質と当該冷却体８間の伝熱面積は極めて大きく、両者の間で効率的な熱交換が行われる。
【００４４】
図３は、太陽電池モジュール１に内蔵されている太陽電池５の出力電圧と日射強度の相関関係を概略的に示すグラフであって、同図においては、６：００の日の出から１８：００の日没までの間で測定したものである。同図に細い実線グラフで示すように、日射強度は午前中日の出から徐々に強くなり、太陽の南中時（１２：００）に最大になり、午後は、日没に向かって徐々に弱まっていく。
【００４５】
また、太陽電池モジュール１の発電能力は、日射強度の増減とともに変化し、太陽の南中時に最大になるが、太陽の日射を浴びる太陽電池モジュール１の温度もこの時点で最大となり、潜熱蓄熱物質を使用しない場合には、温度上昇による太陽電池５の出力電圧の低下も図３に太い実線グラフで示すように、南中時に最大となる。
【００４６】
一方、潜熱蓄熱物質を用いて太陽電池５を冷却した場合には、同図に太い点線グラフで示すように、日の出から日没までの太陽電池の出力電圧をほぼ一定に維持することができ、温度上昇による発電電力の損失を防止することができる。
【００４７】
なお、本実施形態のものにおいては、伝熱格子６の冷却体収容区画６Ａの形状を角孔状としているが、これに限定するものではなく、円形断面や多角形断面形状としてもよい。また、冷却体８の形状についても、本実施形態のものにおいては、冷却体収容区画６Ａの形状に適合する直方体状に形成しているが、これに限定するものではなく、例えば冷却体を潜熱蓄熱物質を含浸させたペレット状として、それぞれの冷却体収容区画６Ａ内に多数の冷却体を充填するようにしてもよい。
【００４８】
また、本実施形態の太陽電池モジュール１においては、冷却体８を多孔質セラミックス材料で形成しているが、冷却体８の材料としては、これに限定するものではなく、潜熱蓄熱物質を含浸可能な他の多孔質材料、例えば、発泡ポリウレタン等の発泡樹脂を用いてもよい。さらに、より冷却効率を高めるために、発泡アルミニウム等の多孔質金属や発泡カーボンのような熱伝導率の大きい多孔質材料を用いることも可能である。
【００４９】
次に、図４は、本発明の太陽電池モジュールの別の実施形態を示す縦断面図であって、本実施形態の太陽電池モジュール１Ａは、前述した図１及び図２に示す太陽電池モジュール１で使用されている伝熱格子６の位置に、これに代えて、前述したような潜熱蓄熱物質を含浸させた多孔性セラミックス材料で形成された冷却板９を組み込んだものである。なお、図４において、図１及び図２と同一の番号で示す部分については、太陽電池モジュール１と共通の構造になっている。
【００５０】
前述したように構成されている太陽電池モジュール１Ａは、夜間、設置されている場所の周囲の気温が低下すると、内蔵されている冷却板９の温度も低下し、これに含浸されている潜熱蓄熱物質は、潜熱を放出して相変化して結晶化する。
【００５１】
一方、昼間に太陽電池モジュール１Ａが日射を受けて、これに内蔵されている太陽電池５の温度が上昇してくると、太陽電池５が日射から受けた熱は、その下面に近接して配置されている冷却板９に伝わり、その中に含浸されている潜熱蓄熱物質を温める。  
【００５２】
潜熱蓄熱物質は、太陽電池５から伝わる熱を吸収して徐々に融解して固体から液体に相変化し、その間、潜熱として太陽電池５から熱を吸収し続ける。なお、冷却板９に含浸される潜熱蓄熱物質の量は、少なくとも太陽の日射量が最大になる時間帯まで、太陽電池５の温度上昇を抑えられるだけの潜熱を蓄積可能に設定することが望ましい。
【００５３】
また、図４に示す実施形態の太陽電池モジュール１Ａに使用している冷却板９は多孔性セラミックス材料によって形成しているが、これに限定するものではなく、図１及び図２に示す太陽電池モジュール１に使用している冷却体８と同様に、潜熱蓄熱物質を含浸可能なものであればよく、より伝熱性に優れた発泡アルミニウムや発泡カーボン等を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の太陽電池モジュールは、地上の架台上や建物の屋根上等に設置される太陽光発電システムの太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールとして幅広く利用することができ、特に、砂漠等の昼夜の寒暖の差が大きい地域において好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ    太陽電池モジュール
２          フレーム
３          強化ガラス
４          充填材
５          太陽電池
６          伝熱格子
６Ａ        冷却体収容区画
７          バックシート
８          冷却体
９          冷却板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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