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表1 太陽電池モジュールの出力の仕様

Photovoltaic module
Large size	Small size
Manufacturer	Kyocera corporation
Model	KC80S	KC60S
Serial number	99644009	9990340003
Date	1999.6	1999.9
Nominal maximum output [W]	80	60
Nominal open circuit voltage [V]	21.5
Nominal short circuit current [A]	4.97	3.73
Nominal maximum output voltage [V]	16.9
Nominal maximum output current [A]	4.73	3.55
Maximum system voltage [V]	600

図２ モジュール及び機器類の設置状況と実験の様子

リック株式会社、SOLAX XC-500E）を6台用い、それぞれの光軸がモジュール中央に向くように目視により調整した。

### 2.4 計測条件

モジュール大を用いた時、実験開始時の試験室内の気温13℃、相対湿度29%、気圧1008hPaであり、モジュール小を用いた時、試験室内の気温12℃、相対湿度31%、気圧1009hPaであった。

図1に示した丸囲みの数字はモジュールの表面温度の経時変化を、丸囲みの英字はアルミニウム製枠の表面温度の経時変化を計測するためのK型熱電対(直径0.32mm)の設置位置を表す。サンプリング時間間隔は1秒である。

モジュールの脇（図1 $ ^{⑨} $ 付近、円形火皿中心からの離隔距離は1.07m）において、放射計（株式会社チノー、RE-Ⅲ型）によりモジュールへの放射受熱量の経時変化を、照度計（コニカミノルタセンシング株式会社、T-10）により人間が感覚的に感じる光の明るさの目安として照度の経時変化をそれぞれサンプリング時間間隔1秒で取得した。

モジュールの出力端子には、負荷抵抗として5Ωの抵抗器をデータロガーに対して並列に接続した。

熱電対をモジュール表面に設置したことにより、発電を妨げる要因になり得るが、熱電対を設置後のモジュールの出力電圧の低下は1～2%であり、照度計の計測誤差範囲内であることを確認した。

### 2.5 実験条件

照明灯の光の有無及びヘプタン火炎の光の有無の組み合わせとして、実験条件は4通りである。この照明灯の光のみの場合のモジュール中央における平均照度（5回計測した平均）は、モジュール大の時19300lx、モジュール小の時18500lxであった。

### 2.6 結果と考察

#### 2.6.1 モジュール表面及び枠の最高温度

実験中のモジュール表面の最高温度は、モジュール大の時、91℃（図1(a)、位置②④）であり、モジュール小の時、96℃（図1(b)、位置③③）であった。外観上、特に損傷はなかった。また、アルミニウム製のモジュール枠の最高温度は、モジュール大の時、53℃（図1(a)、位置⑤）であり、モジュール小の時、57℃（図1(b)、位置⑥）であった。モジュール表面温度よりもモジュール枠温度の方が約40℃低く、モジュールを加熱した時にモジュール枠が放熱に寄与すると考える。

#### 2.6.2 モジュール出力電圧と照度の関係

図3にモジュール大の出力電圧とその時の照度の関係を示す。ここで、出力電圧と照度の瞬時値は同期が取れていないため、それぞれのデータに10秒の移動平均を施してある。結果については、モジュール小も傾向としては同様であるので、モジュール大について考察する。

ヘプタン火炎がなく照明灯を点けない場合は、電圧の出力はない。

ヘプタン火炎があるとその照度に従って線形的に出力電圧が増加する。約2.6Vの出力には約670lxのヘプタン火炎の照度が必要である。

一方、ヘプタン火炎がなく照明灯を点灯した場合には、照度約13700lxで約2.6Vの出力電圧がある。つまり、ヘプタン火炎の照度が照明灯の5%程度で同じ出力電圧を生じることになる。

照明灯を点灯した状況でヘプタン火炎が存在する場合、ヘプタン火炎の発熱速度が増加するとモジュール出力電圧は増加するものの照度が低下する傾向が見られた（図4）。その理由として、図2に示す位置関係から、照明灯とモジュールの間にあるヘプタン火炎の発熱速度が大きい時に火炎が大きくなり、その時に火炎光の強度が増すよりも照明灯からモジュールを照らす光を火炎光が遮る効果の方が強いことから、照度が低下すると考える。

消防活動中では消防隊員が感覚的に感じる光の明るさが、太陽光発電システムの発電量に直接関連付けられれば単純であったが、可視光以外の光も発電に寄与し、光のスペクトルの赤外領域に大きなエネルギーを保有する
図3 モジュール大の出力電圧と照度の関係

図４　発熱速度とモジュール大の出力電圧及び照度の関係（ヘプタン火炎光受光、照明灯点灯時）

火炎は、暗くても太陽光発電システムの発電量が大きいことも考えられるので注意を要する。また、夜間の消防活動であっても火炎の光により太陽光発電システムは発電している恐れがあることも注意しなければならない。

### 3. 火炎に曝露されたモジュール出力電圧特性実験の概要

本実験は、図1に示す2種類の大きさのモジュールについて、モジュール1枚が火炎に曝露された際の出力電圧特性実験を実施した。

### 3.1 目的

モジュールから出火したり、出火建物に設置したモジュールが火炎に曝露されたりする場合にどの程度の損傷をモジュールが受けるのか、また、その時の発電特性を調べようとするものである。

### 3.2 実験日及び実験場所

2012年2月28日及び3月1日に試験室にて本実験を実施した。

### 3.3 実験装置 (図5)

モジュール長手方向の一辺を軸に地面に対して約23°傾けた状態で設置した。この設置角度は、「太陽電池モジュールの安全適格性確認－第2部：試験に関する要求事項JIS C 8992-2 (IEC 61730-2)」で設定するモジュール傾斜角度と同じである。

助燃剤を入れる容器として、ステンレス製の円形火皿1（内法として直径51mm、高さ14mm）、ステンレス製の円形火皿2（内法として直径146mm、高さ30mm）、鉄製の角形火皿1（内法として一辺355mm、高さ68mm）を用意した。円形火皿1にはn-ヘプタン10ml、水10ml、円形火皿2にはn-ヘプタン200ml、水100ml、角形火皿にはn-ヘプタン3l、水1lを入れた。

照明灯は、火炎光を受光したモジュール出力電圧特性実験で使用した人工太陽照明灯を6台用い、それぞれの光軸がモジュール中央に向くように目視により調整した。この時のモジュール中央における平均照度（照度計により5回計測した平均）はモジュール大の時29300lxである。

図５ モジュール大及び機器類の設置状況

### 3.4 計測条件

モジュール大を用いた時、実験開始時の試験室内の気温12℃、相対湿度39%、気圧1019hPaであり、モジュール小を用いた時、試験室内の気温9℃、相対湿度29%、気圧1019hPaであった。

火炎光を受光したモジュール出力電圧特性実験と同様に、図1に示した位置でモジュールの表面温度及びアルミニウム製枠の表面温度の経時変化をK型熱電対（直径0.32mm）で計測した。サンプリング時間間隔は1秒である。同時にモジュール表面の温度分布を計測するために赤外線サーモグラフィ装置（日本アビオニクス株式会社、TVS-500）を用いた。放射率は1.00とした。

モジュールの出力端子には、負荷抵抗として5Ωの抵
抗器をデータロガーに対して並列に接続した。

### 3.5 実験条件

モジュールの燃焼性状に関する情報がなかったため、モジュール小については、試みとして以下の様々な環境で実験を行った。まず、照明灯を消した状態で円形火皿1を用いて燃焼させた。次いで円形火皿2を用いて燃焼させ、照明灯を点けて円形火皿2を3回用いて燃焼させた。その合計5回の各実験の合間に出力電圧及び損傷状況を観察した。

モジュール大については、照明灯を点けた状態で角形火皿を用いて燃焼させ、モジュール大の出力電圧及び損傷状況を観察した。

### 3.6 結果と考察

#### 3.6.1 モジュール小について

## (1) 断面構造と燃焼性状

図6に示すようにモジュールの断面構造は層状構造である（モジュール大も同様）。図6の下側（モジュール裏面）から、白色ポリフッ化ビニル（以下、PVF）層、アルミニウム層、白色PVF層、白色エチレン・酢酸ビニル共重合樹脂（以下、EVA）層である。白色EVA層の上に、さらに太陽電池のシリコン発電素子（以下、セル）を透明EVAで封止した透明EVA層、強化ガラスがある。下側3層（白色PVF層、アルミニウム層、白色PVF層）はバックシートと呼ばれ、その厚みは各々約50μmである。各層の材質特定は、EVA層については、赤外分光法（以下、IR）を用いてEVAの標準スペクトルと一致していたことに基づく。また、PVF層では、IRでは特定出来なかったため、更に熱分解ガスクロマトグラフ／質量分析法（Py-GC/MS）を用い、パイログラム上に現れる熱分解時に生成する化合物からPVFと特定した。

n-ヘプタン 10mlの1回目の実験では、図7に示すようにヘプタン火炎に直接接していたモジュール裏面の最外側の薄い白色PVF層部分が膜状のまま黒色に炭化し、アルミニウム層を火炎が突き破ることはなかった。また、

図6 モジュール断面写真（マイクロスコープ）

炭化せずに白色のまま残っている部分は、はじめと同じ弾力性を有し、目視上での変化は見られなかった。2回目以降の燃焼では、アルミニウム層を除去し、更に内部の白色PVF層が火炎に曝される状態で燃焼させたが、その白色PVF層は最外側と同様の燃焼挙動が見られ、黒色薄膜状に燃焼して、その内側の白色EVA層が炭化しているのが認められた。

図7 モジュール小（裏面）の焼損状況

## (2) 燃焼後の損傷状況

図8に燃焼後のモジュールの損傷状況を写真と模式図で示す。アルミニウム層の除去が大きく影響しており、セルの目地が茶色く変色している領域（図8、Discolored area）はアルミニウム層を除去した領域に一致する。アルミニウム層の除去領域を拡大することにより、変色領域も拡大するものと考える。変色領域内にガラスに局所的に亀裂が入っている領域が存在した。加熱によるガラスの伸縮によるたわみに耐えきれなかった領域に亀裂が出来たと考える。

## (3) 発電特性

5 回目の加熱でモジュール表面の最高温度 290℃（図1(b)、位置②）に到達しようとした時にモジュール出力電圧が 1.1V まで急激に降下した（図9）。表面温度の低下に連れて出力電圧は 2.5V まで回復した。電圧が急激に低下したことと回復したことの理由は不明であるが、火災現場で損傷したモジュールがあっても発電している恐れがあることに留意しなければならない。

#### 3.6.2 モジュール大について

## (1) 燃烧性状

モジュール大がヘプタン火炎により加熱されている様子を図10に示す。ヘプタン火炎がモジュール側面から前面に廻り、枠部分からの火炎の侵入により、内部の透明EVA層が加熱され発泡する様子も認められた。ヘプタ
図8 モジュール小（表面）の損傷状況（左）とその模式図（右）

図9 モジュール小の出力電圧及び表面温度 (火炎曝露時)

図10 ヘプタン火炎によるモジュール大の加熱

ン火炎がなくなった後、モジュール自体が独立して燃焼

図11 燃焼後のモジュール大の損傷の様子

することはなかった（モジュール小も同様）。実験中のモジュール表面の最高温度は、367℃（図1(a)、位置①）であった。この図1(a)、位置①はモジュールの損傷が激しかったため（図11）、念のため赤外線サーモグラフィ装置で計測していた表面の最高温度を調べると383℃（放射率1.00として計算）であった。損傷の激しい部分については、概ねこのような温度であったと考える。

## (2) 燃焼後の損傷状況

図12に燃焼後のモジュールの損傷状況を写真と模式図で示す。モジュール大は広範囲に加熱されているため、表面の強化ガラスの圧縮応力が解放され、通常の板ガラスと同じ割れ方となる挙動が認められた。ガラスが冷えたときにモジュール一面に一様な亀裂が入った。セルからガラスが剥離している領域（図11）は、透明EVA層が加熱され発泡していた領域である。

## (3) 発電特性

モジュール小とは温度は異なるが、同様に、最高温度に到達した付近で急激に出力電圧が降下した（図13）。
図12 モジュール大（表面）の損傷状況（左）とその模式図（右）

図13 モジュール大の出力電圧及び表面温度（火炎曝露時）

助燃剤である n-ヘプタンの燃焼が終わったのが16分18秒（978秒）であるが（モジュール自体が自発的に燃焼することはなかった）、それ以降も徐々に電圧は降下し実験後に0.003～0.004Vで一定となった。この状態で照明灯を消灯したところ出力電圧は0Vになったので、わずかながら電圧を出力していたことになる。実験後、照明灯を点灯しモジュールの損傷状況を調べている際に電圧が回復していることに気付き、その時に1分間データを取得した時間平均出力電圧は3.2Vであった。実験前の電圧が3.8Vであったのでほぼ出力がなかった状態から84%まで電圧が回復した。モジュール小と同様に損傷したモジュールが発電している恐れがあった。

### 4. まとめ

本研究では、ヘプタン火炎から放出する光によるモジュールの発電性状を調べた。その結果、同じ照度での照明灯とヘプタン火炎では、ヘプタン火炎の方がモジュール出力電圧は高かった。太陽光発電システムが設置された建物が火災に見舞われた際、夜間の消防活動であっても火炎の光により発電している恐れがあるという知見を得た。

また、ヘプタン火炎に曝露したモジュールの損傷及び加熱中の発電特性を調べた。その結果、モジュールは損傷を受けて出力電圧が低下もしくは0Vになっても、時間の経過を追って電圧が回復することがあることに注意を要する。

## 参考文献

(1) 小室修：住宅用太陽光発電システムが設置された建物火災の消防活動について、第59回全国消防技術者会議資料、pp.127-131、2011

(2) Backstrom, R., Dini, D. A.: Firefighter Safety and Photovoltaic Installations Research Project, Underwriters Laboratories Inc., 2011
# Electricity Generation Characteristic of a Photovoltaic Module in a Fire

(Abstract)

Nobuyuki Abe, Takahiro Tsukame, Hiroyuki Tamura, Sanae Matsushima, Yoshio Ogawa, Daisuke Kozeki, and Norimasa Morii

(Accepted March 9, 2013)

Photovoltaic power systems, using solar energy among renewable energy, become now widely used in houses, mega solar power plants, and so on. On the other hand, we have insufficient knowledge about fire behavior, firefighting and safety management for firefighters in a photovoltaic power system fire. To start, we carried out fire experiments to find out output voltage characteristics of a photovoltaic module when n-heptane flames lightened it and it exposed to flame. As a result, we find out that in case of the same illuminance of artificial sunlight lamps and n-heptane flames, the photovoltaic module lightened by n-heptane flames may output a higher voltage, and the reduced output voltage of the fire-damaged photovoltaic module can be recovered after the fire.
技術報告

# 模擬家屋の屋根に設置した太陽電池モジュールの火災時発電特性

阿部 伸之、松島 早苗、田村 裕之、塚目 孝裕、尾川 義雄、高梨 健一、河関 大祐

(平成25年3月18日 受理)

太陽光発電システム火災に対して有効な防火対策を確立するために必要な太陽電池モジュールの燃焼性状を調べた。モジュールを模擬家屋の屋根に設置し、隣接した模擬家屋が火災になった際に生じる火炎による発電特性やモジュールを設置した模擬家屋自身が火災になった際に延焼するモジュールの燃焼性状や発電特性に関する実験を実施した。その結果から、火炎によりモジュールは発電するが、同時に発生する煙により光が遮られ発電を抑制する状況が観察出来た。また、モジュールの背面に回り込んだ火はバックシートを燃焼させ、消防隊の放水に対してモジュール自身が散水障害となってモジュール背面の火が消火しにくいという状況もわかった。

### 1. はじめに

太陽光発電システム（Photovoltaic power system、以下、PV）が広く普及しつつあるものの、それが火災に見舞われたことを想定した場合の防火対策は決して万全ではない。そのため、PVの燃焼性状、消火方法、消防活動上の安全管理について、早急に調査研究する必要がある。

前報¹）では、多結晶シリコン太陽電池モジュール（以下、モジュール）について火災時における発電性状を実験的に調べ、夜間の消防活動であっても火災の光により発電する可能性があり、モジュールは熱的損傷を受けて出力電圧が0Vになっても、時間の経過を追って電圧が回復することがあることがわかった。それを踏まえ、本研究では、模擬的に作成した家屋の屋根の上に設置し、実際に火災に見舞われた際にモジュールがどのような発電特性を示すかについて、隣接建物が火災になった場合と、モジュールを設置した建物が火災になった場合について、それぞれ調べたので報告する。

## 2 ．屋外における24時間モジュール出力電圧特性実験の概要

まず、基本的なモジュールの発電特性を調べるために、屋外において24時間のモジュールの出力電圧を計測する実験を行った。

### 2.1 目的

モジュール1枚を24時間発電させた実験により、太陽を含む外界からの入射光の照度とモジュールの出力電圧の基本的な関係を調べることを目的とする。

### 2.2 実験日及び実験場所

2012 年 5 月 30 ～ 31 日に消防研究センター・本館屋上にて本実験を実施した。

### 2.3 実験装置

本実験で用いるモジュール（シャープ株式会社、ND-114CA、以下同様のモジュールを使用）は、156mm × 156mm の 30 枚のセルから構成される。モジュールの仕様を図1及び表1に示す。モジュールの厚さは 4.5mm であり、モジュールの周囲はアルミニウム製枠（厚さ 46mm）で囲まれている。

図2に実験装置の設置状況を示す。比較のためモジュール2枚（モジュールA、B）を用意し、長手方向の一辺を軸に地面に対して約23°傾けた状態で設置した。この設置角度は、「太陽電池モジュールの安全適格性確認－第2部：試験に関する要求事項 JIS C8992-2 (IEC 61730-2)」で設定するモジュール傾斜角度と同じである。モジュールAとBの間の距離は、171mmである。

図1 実験で使用した多結晶シリコン太陽電池モジュール（図中の $ ^{⑤} $ は表面、 $ ^{⑥} $ は裏面の熱電対設置位置を示す）
表1 太陽電池モジュールの出力の仕様

Photovoltaic module
A	B
Manufacturer	Sharp corporation
Model	ND-114CA
Serial number	11Y127082	11Y127089
Nominal maximum output [W]	114
Nominal open circuit voltage [V]	18.3
Nominal short circuit current [A]	8.42
Nominal maximum output voltage [V]	15.16
Nominal maximum output current [A]	7.52
Maximum system voltage [V]	600

図２ モジュール及び機器類の設置状況（消防研究センター・本館屋上）

### 2.4 計測条件

天気は、晴れ時々曇りである。

図1に示すの位置において、K型熱電対（直径0.32mm）を用いてモジュールの表面温度の経時変化を計測した。また、K型熱電対にて実験中の雰囲気温度を計測した。温度計測のサンプリング時間間隔は10秒である。

モジュール A と B の間において、照度計（コニカミノルタセンシング株式会社、T-10）により人間が感覚的に感じる光の明るさの目安として照度の経時変化をそれぞれサンプリング時間間隔 10 秒で取得した。

各モジュールの出力端子には、負荷抵抗として2Ωの抵抗器をデータロガーに対して並列に接続した。

計測開始日時は30日9時45分0秒であり、24時間以上経過した31日10時49分10秒に計測を終了した。

### 2.5 結果と考察

#### 2.5.1 実験中の照度及び雰囲気温度

図3に実験中の太陽からモジュールに当たる光の照度及び雰囲気温度を示す。ここで、横軸は時刻ではなく実験開始（9時45分）からの経過時間である。

実験開始から50分30秒後(日時:30日10時35分30秒)に実験中最大の照度124500lxを観測した。また、夜間（日時:30日19時3分20秒～31日4時14分50秒）に最低照度200lxを観測した。実験中の照度の範囲は、200～124500lxであり、太陽光からの照度としては広範囲である。

実験中の雰囲気温度については、実験開始から5時間37分30秒後（日時:30日15時22分30秒）及びそれから2分後に実験中最大の温度27.6℃を観測した。ここで、実験開始時～30秒及び6時間59分20秒～7時間0分10秒（日時:30日16時44分20秒～同45分10秒）に雰囲気温度が31.2℃及び28.7℃まで上昇しているが、原因は不明ではあるもののこの急な変化を除けばその前後は連続的に変化していることから一時的に観測者がK型熱電対の温度センサー部に触れていたものと考え、最高温度から除外した。また、実験開始から18時間54分20秒後（日時:31日4時39分20秒）に最低温度16.6℃を観測した。実験中の雰囲気温度は、16.6～27.6℃（平均21.1℃）であり、気温差は11.0℃であった。

以上の周囲環境において実験を実施した。

図3 照度及び雰囲気温度の24時間経時変化

#### 2.5.2 実験中のモジュールの出力電圧及び表面温度

モジュール A と B の出力電圧及び表面温度の全体的な経時変化は同様である（図4）。

前述した実験開始から50分30秒後（日時：30日10時35分30秒）の最大照度124500lxを観測したときに、モジュール出力電圧も最大値14.6V（モジュールA、B同じ）を観測した。夜間時の照度200lxでは出力電圧は0Vになりモジュールからの出力はなくなる。実験中のモジュールからの出力電圧の範囲は0～14.6Vである。モジュールの公称最大出力動作電圧は15.16Vなので（表1）、約96％の作動範囲のデータが取得出来たことになる。

実験開始から37分30秒後(日時:30日10時22分30秒)にモジュール表面の最高温度51.4℃（モジュールA）及び50.3℃（モジュールB）を観測した。一方、最低温度は、実験開始から17時間38分10～40秒後（日時:31日3時23分10秒～同40秒）に16.9℃（モジュールA）及び16.2℃（モジュールB）を観測した。雰囲気の最低温度が
16.6℃なので同程度である。日没後の温度変化を見ると、日照がなくなると速やかにモジュール表面温度と雰囲気温度はほぼ同じ温度変化になり、また日の出とともにモジュール表面温度が上昇するため、モジュールの表面温度は日照に影響を受けやすい。

図4 モジュールの出力電圧及び表面温度の24時間経時変化

#### 2.5.3 照度とモジュール出力電圧の関係

図5に太陽光による照度とモジュールAとBの出力電圧の関係を示す。モジュールAとBは同じ特徴を持ち、0～7000lx程度までは直線性が良いが、7000lxを超えると照度の上昇に対してモジュール出力電圧の上昇が鈍化する性質があることに注意を要する。この分布を最小二乘法による3次多項式での近似式により定式化するとモジュールAの出力電圧 $ V_{1} $ 及びモジュールBの出力電圧 $ V_{2} $ は式(1)及び(2)になる。

$$ \begin{aligned}V_{1}=1.33287\times10^{-4}L+7.01578\times10^{-10}L^{2}\\ -6.91188\times10^{-15}L^{3}\end{aligned} $$

$$ \begin{aligned}V_{2}=1.3333\times10^{-4}L+6.84299\times10^{-10}L^{2}\\ -6.73038\times10^{-15}L^{3}\end{aligned} $$

図５ 照度とモジュール出力電圧の関係

ここで、Lは照度[lx]である。式(1)及び(2)の決定係数 $ R^{2} $ は0.99919及び0.99915であるので近似精度は高い。このように3次多項式で近似すれば広い照度域に対してモデリング出来るが、直線性の良い0～70000lxの範囲において最小二乘法による線形近似を行った際の近似式の係数を求めてみると1.48647×10^{-4}V/lx ( $ R^{2}=0.99914 $ )及び1.48286×10^{-4}V/lx ( $ R^{2}=0.99910 $ )である。3次元多項式による近似の方が照度域全体を精度良く近似できるが、線形近似した方がモジュール表面に遮蔽物を置いた際のその効果を定量的に評価する際に重要な指標となる。

## 3 ．火炎光を受光したモジュール出力電圧特性実験の概要

モジュールを模擬家屋の屋根に設置し、隣接建物が火災になった際に生じる火炎でどの程度発電するかを調べる実験を行った。

### 3.1 目的

隣接した模擬家屋を燃焼させ、そこから生じる火炎や煙が離隔したモジュールの発電に与える影響を調べることを目的とする。

### 3.2 実験日及び実験場所

2012年6月18日に消防研究センター・大規模火災実験棟主実験場（以下、実験場）にて本実験を実施した。

### 3.3 実験装置

図6に示す模擬家屋は1階建て木造家屋で、間取りは1Kである。主な開口部は玄関扉、腰高窓、掃き出し窓であり、台所に換気扇、天井裏に換気口がある。模擬家屋はA、B、C、D棟と言う名称で4棟あり、各棟の構造上の違いは天井材のみで、A、D棟は合板、B、C棟は石膏ボードを使用している。

屋外における24時間モジュール出力電圧特性実験で使用したモジュールAをD棟の屋根に設置し（設置角は床面に対して約15°）、実験場中央にA、B、C棟を実験毎に1棟ずつ設置し3回実験を行った。A、B、C棟とD棟の位置関係を図7に示す。D棟に設置したモジュールは実験場中央に向けて設置してある。

A、B、C 棟に収納されている可燃物はすべて異なる（図8）。A 棟は和室で、出火元はテーブルタップに継ぎ足した電源プラグのトラッキングである。B 棟も和室で、出火元はゴミ箱に捨てられたタバコである。C 棟は洋室で、出火元はガスコンロにかけた天ぷら油の過熱放置である。

### 3.4 計測条件

各実験開始時の環境について、A 棟の時は雰囲気温度 $ 23^{\circ}C $ 、相対湿度 64% 、気圧 1005hPa 、B 棟の時は雰囲気温度 $ 25^{\circ}C $ 、相対湿度 58% 、気圧 1005hPa 、C 棟の時は雰囲気温度 $ 24^{\circ}C $ 、相対湿度 63% 、気圧 1005hPa であった。

図1に示す $ ^{⑤} $ 及び $ ^{⑥} $ の位置において、K型熱電対（直
図6 実験場の中央に設置した模擬家屋の外観（D棟）

(a) 写真（実験場中央に A 棟を設置した場合）

(b) 平面図

図7 モジュールを設置した模擬家屋（D棟）と火災家屋（A,B,C棟）の位置関係（実験毎にA,B,C棟をそれぞれ1棟ずつ置き換えて3回実験を実施）

図8 模擬家屋（A,B,C 棟）内部の状況
径 0.32mm）を用いてモジュールの表面及び裏面温度の経時変化を計測した。また、K型熱電対にて実験中の雰囲気温度を計測した。温度計測のサンプリング時間間隔は10秒である。

### 3.5 結果と考察

#### 3.5.1 火災時の発生する煙が発電に与える影響

図9に A、B、C 棟が燃焼した際に生じた火炎によって D 棟の屋根に設置したモジュールが受光した照度とそれによりモジュールが出力した電圧の経時変化を示す。天井材が石膏ボードである B 棟、C 棟の場合に比べて、合板である A 棟では天井裏から屋根に抜ける火炎が大きくなるため、モジュールの出力電圧が大きくなり 0.3V 程度の出力が出た。着火から 397 秒後に最大電圧 1.096V を観測したが、それは消防隊が消火のために放水開始した際に瞬間的に大きく吹き上げた火炎を捕らえた時である (図 10)。B、C 棟では、火炎が大きくならず、ともに 0.1V 前後の出力電圧であった。B、C 棟の照度の経時変化を見ると (A 棟の照度データは不正のため取得できなかった)、実験開始とともに実験場に既設の照明灯（水銀灯）がバッ

図9 照度とモジュール出力電圧の経時変化

クグランドとして存在するための照度約130lxから徐々に減少していく。これは火災時に発生する煙により照明灯の光が遮られた結果、煙量の増加により照度が減少する。ちょうどモジュール出力電圧が生じた当たりで火災に起因した発電となっており、その時間帯で照度が増加しているが、煙による遮光効果の方が優勢であった。今回は実験場内での排煙が作動する前での実験結果だったが、屋外では風向きにより煙による遮光効果が弱まるため、火災による発電も無視できない状況も考えられる。

#### 3.5.2 火炎光と水銀灯の場合の発電特性の違い

図11に照度とモジュール出力の関係を示す。B、C棟ともにL字形状の同じ性状を示すのでC棟について考察する。実験場内の水銀灯により実験開始時には約130lxの照度のもと0.01V弱のモジュール出力電圧が、火災による煙により83lxまで減光して0.006Vまで出力低下する。その後、火炎からの光により実験開始時の照度以下であっても0.142Vまで電圧が生じる。つまり、同じ照度でも人工太陽照明灯よりヘプタン火炎の方が高いモジュール出力電圧を観測した¹のと同じく、水銀灯より

図11 照度とモジュール出力電圧の関係

図10 最大照度時の様子（A棟）
図 12 模擬家屋（D 棟）内部の状況

(平面図（左上）、台所周辺写真（右上）、全景写真（左下）、ベッド周辺写真（右下）)

も火災による火炎の方が高いモジュール出力電圧となった。

火災による火炎光を受光していた時のグラフの勾配は、前述の方法と同様に最小二乘法による線形近似よりB棟で0.00361V/lx ( $ R^{2}=0.81033 $ )、C棟で0.00491V/lx ( $ R^{2}=0.73817 $ )であり、水銀灯により電圧出力を無視すると、火災による火炎光は日照時に比べて単位照度当たりB棟で24倍、C棟で33倍の電圧出力をもたらす。

### 4. 火炎に曝露されたモジュール出力電圧特性実験の概要

モジュールを設置した建物火災を念頭に、モジュールを模擬家屋の屋根に設置し、実火災に近い状況下におけるモジュールの発電状況及び燃焼性状を調べる実験を行った。

### 4.1 目的

モジュールの発電状況や燃焼性状が、実火災に近い環境や屋根の存在によって、どのような影響を受けるか調べることを目的とする。

### 4.2 実験日及び実験場所

2012年6月18日に実験場にて本実験を実施した。

### 4.3 実験装置

モジュール A を模擬家屋の屋根に設置した D 棟を用いた（図6）。

D 棟は洋室でベッドやテーブル、衣類等が可燃物として存在する（図12）、出火元は天ぷら油が浸みた布の酸化発熱である。

### 4.4 計測条件

実験開始時の環境について、雰囲気温度 26℃、相対湿度 58%、気圧 1005hPa であった。

火炎光を受光したモジュール出力電圧特性実験と同様に図1に示す及びの位置において、K型熱電対（直径0.32mm）を用いてモジュールの表面及び裏面温度の経時変化を計測した。D棟の室内温度（以下、火災室温度）として居室天井の中央から1cm下方においてもK型熱電対により温度を計測した。また、K型熱電対に実験中の雰囲気温度を計測した。温度計測のサンプリング時間間
図13 温度とモジュール出力電圧の経時変化

隔は10秒である。

### 4.5 結果と考察

表 2 模擬家屋（D 棟）の火災進展状況

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#### 4.5.1 火災進展状況とモジュール出力電圧

時間	状況
00分00秒	着火(出火元:食用油が浸みた布の酸化発熱)
01分50秒	室内が白煙で充満する
03分40秒	換気扇と玄関扉の上端から煙が出てくる。
04分30秒	ゴミ袋から火炎が見える。床面からの火炎高さ20～30cm位。
06分16秒	床面からの火炎高さ60～70cm位。
10分20秒	玄関扉を開放する。その時、火勢が大きくなる。
10分54秒	玄関扉を閉鎖する。
12分12秒	腰高窓のガラスを薫口で割り、外気を入れる。
13分16秒	腰高窓から黒煙が噴出する。屋根に設置したモジュールが煙に包まれる。
13分23秒	腰高窓から火炎が噴出する。
14分00秒	掃き出し窓から火炎が噴出する。
14分15秒	火炎の高さは、模擬家屋の屋根から3m位上方に立ち上る。
15分25秒	消防隊が2線で消火を開始する。
18分00秒	モジュール裏面に火炎が残っている。モジュールの下半分が欠損している。
18分38秒	モジュール裏面の火炎を消火した。

図14 モジュール最大出力電圧時の様子

図13は火災室温度とD棟の屋根に設置したモジュールの表面及び裏面温度と出力電圧の経時変化、表2は実験中に記録した火災進展状況である。

まず火災室温度を見ていくと、着火から徐々に温度上昇し、着火10分（600秒）を経過した後、玄関扉を開放したことから酸素が少ない室内に外気が入り込み火勢が大きくなる。玄関扉を閉鎖するものの火災室温度は上昇し約100℃から600℃弱まで到達する。その後、火災室温度は低下していくが、着火12分（720秒）を経過した後、腰高壁のガラスを鷲口で破壊し開口したことから、再度外気が室内に取り込まれ盛期火災を迎える。火災室温度は約800℃になる。

モジュール出力電圧は、着火13分23秒（803秒）後に腰高窓から火炎が噴出したときから、その火炎の光をモジュールが受光し上昇を始める。既に盛期火災を迎えた着火14分39秒（879秒）後に最大電圧8.882Vを観測した。その時の様子を図14に示す（図中右上のモジュールをズームで記録した写真はハレーションにより一面が白くなっている）。最大電圧を迎えた後、火炎からの光にモジュールが照らされているにもかかわらず、約40秒かけて電圧が降下し、そして、電圧が出力されなくなった。着火18分（1080秒）後に後述するモジュールの下部が欠損していることを確認するが、それ以前火炎と煙で確認出来なかったが、電圧が降下していく過程でモジュールが熱的損傷していったものと考える。

#### 4.5.2 モジュールの消火困難要因

モジュールの表面及び裏面温度については、モジュールの出力電圧が上昇したのと同時に表面及び裏面温度が上昇をはじめ、表面は約150℃、裏面は約760℃に到達した。火災室の天井は合板であり、屋根には瓦がないため、火災室の火炎がそのまま屋根を燃え抜け、モジュール裏面を直接加熱していたため、
(a) 消防隊による消火の様子

(b) モジュールの裏面で燃焼が継続

図 15 散水障害になっているモジュール

図16 火炎に曝露されて損傷したモジュール

図17 マイクロスコープによるモジュール断面写真（下がモジュール表面（ガラス面））

図18 モジュール内の電気回路図と損傷箇所

ジュール表面よりも裏面の方が高温であったと考える。着火15分25秒（925秒）後に消防隊が消火を開始すると（図15(a)）、モジュール表面温度は低下していくが、一方で、モジュール裏面温度は上昇した。火災室を放水した際に屋根を燃え抜けた火炎の勢いが一時的に大きくなり温度上昇したものと考える。また、モジュール裏面で燃焼が継続し、モジュール自体が散水障害になって消火が困難であった（図15(b)）。

#### 4.5.3 モジュールの構造と熱的損傷状況

図16は実験後に取り出したモジュールであり、下部2/5程度が欠損している。モジュール表面は強化ガラス、裏面はバックシートや封止材（エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)）と言った樹脂系シートで構成されており（図
17)、常に火炎に曝露されていたモジュール下部のバックシート等が燃焼することにより、ガラスも破壊されていることからモジュールの形状を維持出来なく欠損するに至ったと考える。また、前報 $ ^{1} $ では熱的損傷したモジュールでも発電したが、本実験ではモジュールが実験後に発電することはなかった。図18は今回使用したモジュール内の電気回路図である。モジュールを構成する各セルは直列接続になっており、3箇所にバイパスダイオードが入っており縦方向に3つのクラスタに分かれる。そのクラスタ単位で欠損があってもバイパスダイオードを経由することにより他のクラスタで発電は継続するが、横方向に各クラスタを横断するような欠損はすべてのクラスタの発電を停止させるため、本実験で熱的損傷したモジュールは再び発電することはなかったと考える。

### 5. まとめ

本研究では、実火災に近い状況を摸擬するためにモジュールを模擬家屋の屋根の上に設置し、実大実験を通してモジュールの発電特性や燃焼性状を調べ、以下の結論を得た。

(1) 水銀灯及び日照よりも火災による同照度の火炎光を受光した方がモジュールは高い出力電圧を示す。

(2) 火災で生じる煙によりモジュールが受光する光が遮られ発電を抑制する。

(3) モジュールの背面に回り込んだ火炎はバックシートを燃焼させ、消防隊の放水に対してモジュール自身が散水障害となってモジュール背面が消火困難になる。

## 謝辞

消防大学校火災調査科第23期・模擬家屋調査実習における模擬家屋火災実験に合わせて火災光を受光したモジュール出力電圧特性実験及び火災に曝露されたモジュール出力電圧特性実験を実施させていただきました。ここに記して御協力いただきました関係各位へ感謝の意を表します。

## 参考文献

1）阿部伸之、塚目孝裕、田村裕之、松島早苗、尾川義雄、河関大祐、森井統正：火災時における太陽電池モジュールの発電特性、消防研究所報告、No.114、pp.1-8、2013
# Electricity Generation Characteristic of a Photovoltaic Module Mounted on the Roof of a Mock House in a Fire

(Abstract)

Nobuyuki Abe, Sanae Matsushima, Hiroyuki Tamura, Takahiro Tsukame, Yoshio Ogawa, Ken-ichi Takanashi, and Daisuke Kozeki

(Accepted March 18, 2013)

It is necessary to know fire behavior for taking measures to prevent photovoltaic power system fire. Therefore, we carried out fire experiments to study electricity generation characteristic of a photovoltaic module mounted on the roof of an actual-size mock house in a fire. As a result, we find out the following. Firstly, the module generates higher electric power caused by flame light of the fire than light of mercury lamp or the sun. Secondly, smoke arising from the fire stops the module from generating electricity power. Thirdly, the module itself may prevent discharged water extinguishing the fire under it.
解說

# 太陽光発電システムの火災と消防活動上の問題点

田村 裕之、阿部 伸之、河関 大祐、松島 早苗、塚目 孝裕、尾川 義雄、高梨 健一

(平成25年3月8日 受理)

2011年の東日本大震災以降、太陽光発電システムは住宅用のみならず大規模なソーラー発電所としても全国に作られるようになっている。このような中、太陽光発電システムを設置した住宅の火災や消防活動中に消防隊員が感電する事例が報告されている。太陽光発電システムが設置された建物火災に対する消防活動上の対策が必要であると考え、我々は実験的な研究を開始した。ここでは、太陽光発電システムの構造や特徴と製品の技術基準、太陽光発電システム火災の事例と消防活動事例、火災危険と消防活動上の問題点について述べる。

### 1. はじめに

太陽電池の発電原理である光起電力効果は、1839年に電解液にて見出され、1876年には固体のセレンで確認された。ここから光発電の歴史がスタートしたと言える $ ^{1} $ 。その後、宇宙や地上での利用と用途が広がっていったが、現在のように多くの住宅の屋根の上に太陽光発電システムを見ることができるようになるには長い時間を要した。日本で太陽光発電システムが住宅に普及し始めたのは1990年以降で、1992年には電力会社が余剰電力の買い取りを開始し、1994年には政府が住宅用システムの導入費用を補助する制度を開始したことによるところも大きい $ ^{2} $ 。一般社団法人太陽光発電協会（JPEA）は、国内の住宅用太陽光発電システムの設置件数が、2012年4月末までに100万件を突破したことを発表した。近年は、住宅用のみならず大規模なメガソーラー発電所も全国に作られるようになっている。

普及が進む中、国内の太陽光発電システムにおける不具合事故 $ ^{3)} $ や海外の火災などの情報 $ ^{4)} $ 、 $ ^{5)} $ を見聞きするようになった。例えば、太陽光発電システムが設置された住宅の火災における消防活動中に消防隊員が感電する事例 $ ^{6)} $ が報告されている。また、4章で述べるように東日本大震災で発生した火災の中に、太陽光発電システムからの出火事例を把握した。このように、太陽光発電システムに対し、防火対策、消防活動上の安全対策が必要となってきているが、まだ整備が遅れていると言わざるを得ない。このような状況の中、我々は、太陽光発電システムの出火の可能性、太陽電池モジュール（以下、モジュール）が火災に曝露された時の挙動、消防活動における感電等の危険性などの調査を行うことおよびそれらへの対策の検討が必要であると考える。

現在、我々はこれらの検討のために実験的研究を進めているところであるが、ここでは、太陽光発電システムの概要、設備としての火災危険に関する技術基準、火災事例および消防活動事例、火災危険と消防活動上の問題点について述べる。

### 2. 太陽光発電システムの概要

一般的な住宅用の太陽光発電システムについて紹介する。システム構成の概略図を図1に示す。太陽電池、接続箱、パワーコンディショナ、漏電遮断器、売電用積算電力量計、買電用積算電力量計などからなる $ ^{7} $ 。それぞれの主な働きは次のとおり。

## (1) 太陽電池

太陽からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。電池材料には、結晶シリコン、薄膜シリコン、化合物半導体などがある。製造コスト、発電効率、波長特性、電池の厚さなど、それぞれに違いがある。

図1 一般的な住宅用太陽光発電システムの機器構成 $ ^{7)} $
図2 太陽電池アレイの構成

図3 結晶シリコン太陽電池モジュールの断面

図4 太陽電池モジュール内の回路構成 (36 セル、2 クラスタ、2 バイパスダイオード)

太陽電池を小さい単位から表現すると、セル、クラスタ、モジュール、ストリング、アレイとなる（図2）。モジュールの構造の一例として、結晶シリコン系のモジュールの断面構造を図3に示す。太陽光の当たる表面は強化ガラス、太陽電池セルを固定する樹脂製の封止材（一般的にEVA (Ethylene-vinyl acetate copolymer)が用いられる。）、裏面保護用の耐候性のあるバックシート（一般的にPTFE (Polytetrafluoroethylene)、PET (Polyethylene terephthalate)、アルミシートなどが用いられる。）で構成されている。モジュールが一般的なパネル1枚に相当し、モジュール内のセルは直列に接続されている。モジュールをいくつか直列に接続したものをストリングと呼び、ストリングを数個並列に接続してアレイを形成する。アレイが住宅一軒分の太陽電池全体である。

ひとつのストリングで設定の電圧（約300V）にまで上昇させて、ストリングを並列にすることで電流量を確保している。モジュールの中はいくつかのクラスタに分かれていて、不具合のあるセルに電流が流れ込まないようにするためのバイパスダイオードがクラスタ毎に組み込まれている（図4）。太陽電池は割れたセルであっても、可視光線を受ければ発電を行う物理特性がある。発電を止めるには完全な遮光を行うしかない。

## (2) 接続箱

並列に構成された複数のストリングの出力を合成しアレイの出力としてパワーコンディショナへ送り出すための接続端子を持った箱である。電圧の高いストリングから低いストリングに電流が逆流するのを防止するためのブロッキングダイオードや、電路を遮断する開閉器、雷対策としての避雷器が内蔵されている。

## (3) パワーコンディショナ

接続箱より供給されてくる電流と電圧を制御して最大の直流電力が得られるようにするとともに、直流電力を交流電力に変換し、住宅内コンセントへの供給や売電を行う。また、商用電力網に悪影響を及ぼさないように連係保護装置を内蔵している。接続箱の機能を持ったパワーコンディションもある。

## (4) 分電盤

電力をコンセントなどの電気機器に分配する。太陽光発電システム専用のブレーカを持つ。

## (5) 漏電遮断器

電力系統から漏電があった場合に電力を遮断する。

## (6) 壳電用積算電力量計

電力会社へ売った電力の積算を行う。

## (7) 買電用積算電力量計

電力会社から購入した電力の積算を行う。逆電防止機能が付く。

これらのほかに、外部モニタ、蓄電池、日射計などが
付加される場合がある。

### 3. 太陽光発電システムの技術基準

太陽光発電システムの技術基準は、電気特性、力学的特性、耐火性、耐熱性、耐候性など多岐に多岐にわたっている。JIS規格においては、JIS C 8992-1:2010（太陽電池モジュールの安全適格性確認－第1部：構造に関する要求事項）およびJIS C 8992-2:2010（太陽電池モジュールの安全適格性確認－第2部：試験に関する要求事項）で規定されている。なお、JIS C 8992-1およびJIS C 8992-2は、それぞれIEC 61730-1:2004（Photovoltaic (PV) module safety qualification－Part 1: Requirements for construction (IDT)）とIEC 61730-2:2004（Photovoltaic (PV) module safety qualification－Part 2: Requirements for testing (IDT)）を基に、技術的内容及び構成を変更することなく作成している。また、米国においてはUL1703（Flat-Plate Photovoltaic Modules and Panels）等で規定されている。

ここでは主に JIS で規定されている火災に関連した試験項目について述べる。

### 3.1 温度試験 (JIS C 8992-2 MST21)

モジュールの構成に用いている様々な部品や材料の適切な使用法を確立するために、最大温度を決定する試験である。試験方法は、周囲温度20～55℃、風速1m/s以下の環境において、放射照度1000W/m²の光をモジュールに照射する。判定は、モジュールを短絡と開放の両方の運転において、

・モジュール受光面の中央のセル

・モジュール裏面の中央のセル

・端子箱の内部表面

・端子箱の内部気温

·現地配線端子

・現地配線リードの絶縁部

・外部接続のコネクタ本体（取り付けている場合）

・ダイオード本体（取り付けている場合）

の各箇所の温度を計測し、部材ごとの温度限界以下であることを確認する。

### 3.2 火災試験 (JIS C 8992-2 MST23)

火災が発生した状況下でのモジュールの耐火性を評価する試験であり、UL 790 で定められている飛び火試験と火炎伝ば試験に適合しなければならない。また、屋根被覆材料としての役割を果たすモジュールは建築基準法に適合することが必要である。

## (1) 飛び火試験

飛び火に対する安全性能を評価する試験である。試験方法は、38.1mm×38.1mm×19.8mmの燃焼木片をモジュール上に20個置く。判定基準は、モジュール表面の燃焼拡大、モジュールからの燃焼物落下等がないことである。

## (2) 火炎伝ば試験

モジュール上部表面が火炎にさらされた場合の安全性能を評価する試験である。試験方法は、ガスバーナの炎を風で煽り、モジュール表面に4分間接炎させる。判定基準は3.9m以上の燃焼拡大、モジュールからの燃焼落下物等がないことである。

### 3.3 逆電流過負荷試驗（JIS C 8992-2 MST26）

逆電流故障条件における発火又は火災の危険性を調べる試験である。試験方法は、松材の板上に単層の白い薄葉紙を敷き、その上にモジュール表面を下向きに置き、モジュールの裏面を単層の粗綿布で覆い過電流保護定格の135％の逆電流をモジュールの出力端子に供給する。なお、逆流防止ダイオードが設けられている場合は、短絡（無機能化）する。判定基準は、モジュールが炎を出して燃えたり、モジュールに接触している粗綿布及び薄葉紙が炎を出して燃えたり焦げたりしないことである。

### 4. 火災事例および感電のあった消防活動事例

第3章の技術基準を製品としてクリアしている太陽光発電システムにおいても、発熱による事故や火災が発生している。また、太陽光発電システムが設置された建物から出火し、システムが火炎に曝露される事例も起こっている。

我々は、東日本大震災で発生した火災の中で、3件の太陽光発電システムの焼損被害を把握している。この3件は、津波の被害を受けた地区で発生している。また、この震災とは別の時期の火災で、消火活動をしているときに消防隊員が感電した事例が報告されている。ここでは、これら火災事例と消防活動事例について紹介する。

### 4.1 東日本大震災での火災事例

以下の火災事例はすべて津波の被害を受けた住宅において発生している。配線が脱落したものを除き、海水の塩分等が端子部分に付着することで、端子の腐食、端子台等の絶縁劣化等が起こったのではないかと思われる。なお、内陸の火災には消防本部が把握した太陽光発電システムに関係した火災はなかった。

## (1) 事例 1

3 階建て住宅の1階車庫内に設置された太陽光発電システムのパワーコンディションナが津波により浸水し、パワーコンディションナ内部の配線から出火した。津波被害を受けた翌日の午前中に焼損を発見した。発見時は日射のある天気で、発電による電力で発火したものである。住民は避難所にいたため建物は無人であった。発見時、パワーコンディションナ内はまだ湿っていた。駆け付けた消防隊員が粉末消火器で消火した。被害はパワーコンディションナ内部だけである。