JP2006278537A

JP2006278537A - 太陽電池アレイ

Info

Publication number: JP2006278537A
Application number: JP2005092809A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Takahashi; 輝之高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】太陽電池アレイに加わる荷重状態にあわせた強度の構造を枠体に有し、外力に対して強固な太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、
前記枠体の断面積は、前記支持領域よりも前記架台の配列方向中央領域で大きいことを特徴とする太陽電池アレイ。
【選択図】図１１

Description

本発明は、太陽エネルギーを利用して発電を行う太陽電池モジュールを複数用いて太陽電池アレイとした場合の構造に関するものである。

近年、地球環境問題に対する関心の高まりに伴い、自然エネルギーを利用した新エネルギーシステムの技術開発が進んでいる。そのなかで、太陽光を利用した太陽光利用機器は最も関心が高く、現在急速に世の中に普及しつつある。

太陽光利用機器の一例としては、太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池素子を複数接続した太陽電池モジュールがあり、前記太陽電池モジュールを複数枚設置して太陽電池アレイとした太陽光発電装置が住宅等の屋根上に設置されている。

また、その屋根への取り付け方法は様々であり、屋根部材と一体的に製造された屋根一体型太陽電池モジュールや、図１９に示すような地上やビルの屋上など、水平な設置面に鋼材やアルミニウム材などで構成された架台とよばれる台座を介して太陽電池モジュールを固定する陸屋根型の設置方法、さらには図１８に示すように屋根上の瓦材の上に縦桟や横桟を用いて架台を組んで、そこに太陽電池モジュールを設置する、いわゆる屋根置き型と呼ばれる設置方法がある。具体的には、図１９の陸屋根型の設置方法は屋根上にコンクリートなどの基礎９を設け、その上にラック７（７ａ〜７ｃ）を用いて傾斜を有する架台を構成し、その上に太陽電池モジュール２を配置するものである。また、図１８の屋根置き型は屋根上に縦桟１２を配し、この縦桟上にその方向に対して直交するように横桟１０を配置して架台として組付け、横桟上に太陽電池モジュール２を配置していくもので、陸屋根型に較べ屋根との一体感が得やすい。

図７に示すように、太陽光発電装置に用いられる太陽電池モジュール２は、シリコン等から成る太陽電池素子１８の光電変換効果を利用して電力が得られるように構成したものであって、このような太陽電池素子１８を複数個直列および並列に電気的に接続し、そして、耐候性のある素材で覆うように成し、所要の出力電圧や出力電流を得るようにしている。この太陽電池素子は単結晶や多結晶シリコンなどの結晶系太陽電池や、薄膜系太陽電池などにより構成する。

かかる太陽電池モジュール２においては、太陽電池素子１８の受光面にはガラス板や合成樹脂板などの光透過板１３を配置し、その裏面である非受光面にはテフロン（登録商標）フィルムやＰＶF（ポリフッ化ビニル）、ＰＥＴ（ポレエチレンテレフタレート）などの耐候性フィルム１４を被着し、光透過板１３と耐候性フィルム１４との間には、たとえばＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂）などから成る透明な合成樹脂を介在し、充填材１５と成し、前記耐候性フィルム面上に設けられたジャンクションボックス１７を介して太陽電池モジュールの発電電力を取り出すことができるようにしたものを発電部２０としている。

そして、前記発電部２０である矩形状の本体に対してその各辺周囲をアルミニウム金属やＳＵＳ等から成る枠体１６を挟み込むように装着し、これにより、太陽電池部全体の強度を高めるとともに、枠体１６に取付用の穴を開けて支持金具にボルトやねじで固定できるようにしている。この太陽電池モジュール２を前述した陸屋根型や屋根置き型の架台に枠体１６を介して取り付ける固定方法は、剛性を比較的高くすることができ、暴風や積雪などの大きな外力に対する耐力があり、住宅用屋根上などの中規模な太陽光発電装置を構築するのに適している。

ところで、このような太陽光発電装置では耐荷重を高めるために太陽電池モジュールを屋根上に組まれた縦桟や横桟に固定させて設置する場合、暴風や積雪などの外力をほぼ全て縦桟や横桟で耐える構造となることから、桟や基礎を十分な強度を有するものとする必要があり、材質を強固なものにしたり、桟の厚みを増して強度を強めたりするため、太陽光発電システム全体の重量が非常に大きくなってしまう傾向にある。

そこで、太陽電池モジュールの枠体を折り曲げ強度を補強するリブを設けた形状として強度を増し、それによって太陽電池モジュールの枠体を桟の一部として代用するようにして部材削減とシステムの軽量化を図ることができる太陽光発電システムが考案されている。
あるいは太陽電池モジュールのたわみ量を抑える目的で、支持基体である向かい合う２辺の枠体間に、太陽電池モジュール主面に対して上下方向に弾性を有する弾性支持部材を設けている構造も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−１４６７６５号公報

しかしながら、耐荷重を高めるために太陽電池モジュールの枠体を折り曲げ強度を補強するリブを設けた形状として強度を増し、それによって太陽電池モジュールの枠体を桟の一部として代用する方法は先に述べたように枠体の重量増によってシステム全体が重くなり、太陽光発電システムを設置する住宅の屋根に負担をかけることになる。

また、支持基体である向かい合う２辺の枠体間に、太陽電池モジュール主面に対して上下方向に弾性を有する弾性支持部材を設けて太陽電池モジュールのたわみ量を抑える前述の構造は、太陽電池モジュール主面に対して上下方向のたわみ量を軽減させるために弾性支持部材を用いているが、弾性支持部材によって太陽電池モジュールの枠体を含めた全体の強度を高めたわけではない。また、弾性支持部材によってモジュールのたわみ量を抑える場合、太陽電池モジュールのガラス材よりも剛性が高い材料を使用しなければ効果が少なく、たわみ量の軽減を有効にするために用いる弾性材の物量をかなり増やさなければならなくなり、太陽電池モジュール全体の重量軽減にはなりにくいといった欠点がある。また、太陽電池モジュール全体の強度は、枠体のみによるため強度向上にはならない。

上記の問題を解決するために、本発明の太陽電池アレイは、互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、前記枠体の断面積は、前記支持領域よりも前記架台の配列方向中央領域で大きいことを特徴とする。

また本発明の太陽電池アレイは、互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、前記枠体の断面積は、前記支持領域と前記架台の配列方向の中央領域との間の領域よりも前記支持領域及び前記中央部で大きいことを特徴とする。

本発明の太陽電池アレイによれば、互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、前記枠体の断面積を、前記支持領域よりも前記架台の配列方向中央領域で大きくしたことから、曲げモーメントが大きくなる前記枠体の前記中央領域の強度を高くすることができ、枠体にかかる応力分布を好適化し、積雪や暴風による外乱に対しての耐力を向上させていると共に、モジュール主面の上下方向のたわみ量を小さく抑えることができる。

また本発明によれば、前記支持領域及び前記中央領域に位置する枠体の断面積を大きくしたことから、大きな静荷重が印加されやすい前記支持領域においても枠体の強度を高くすることができ、これによっても積雪や暴風による外乱に対しての耐力を向上させることができる。

以下、本発明の太陽光発電装置の一実施形態について、模式的に示した図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示す様に、本発明に係る太陽電池アレイに用いられる太陽電池モジュール２は、前述した図７のような太陽電池素子の積層構造であって、矩形状発電部２０の外周の４辺を枠体である枠体１（１ａ、１ｂ）で囲ったものである。枠体１（１ａ、１ｂ）はアルミニウム合金やステンレス等の押し出し成型で生成されたレール状の構造物であり、その断面形状は例えば図中の枠体１ｂのように両端部の断面積あるいは断面デプスが小さく、中央寄りほど大きくなるようにしたものである。このようにすることにより、例えば屋根面上に太陽電池モジュールを、隣り合う太陽電池モジュールどうしを連結せずに１枚ずつ固定する場合を考えると、両端部を単純支持した梁要素として扱うことができる。また、前述の枠体１ｂの形状を枠体１ａの部分にも採用し、図２のように４辺全てが中央部のデプスが大きい枠構造としても同様である。そして、この太陽電池モジュール２を複数連結して太陽電池アレイとすると、風などの等分布荷重がかかった場合、図９のＢＭＤ図のような曲げモーメント線図となり、固定架台５により支持される太陽電池モジュール２の曲げモーメントは枠体１ｃの両端ではゼロ、枠体１ｃの中央部で最大値となる。従って、枠体１ｃの断面積或いは断面デプスを両端から中央部に向かって連続的に大きくしていけば枠体１ｃにかかる応力状態にムラが生じ難く、枠体１ｃの長手方向において曲げ応力値の差が小さくなることから、最小限の材料で枠体１ｃを製作することができる。なお、本例では枠体１ｃを基に説明したが、同様の枠構造を有する枠体１ｂにおいても同様である。

なお、図１０に示すように、前述の太陽電池モジュール２を複数連結するとき、特に太陽電池モジュール同士を物理的に連結しない太陽電池アレイとし、固定架台５で支持した場合も同様の効果が得られる。

一方、図３にあるように、枠体１ｅの断面積あるいは断面デプスを端部から中央部に向かって小さくなるようにし、図８に示すように複数の太陽電池モジュール２の端部どうしを剛連結して両端部を屋根などに剛固定し、固定架台５間に複数の太陽電池モジュール２が配置されるようにした太陽電池アレイとした場合には、各太陽電池モジュールに等分布荷重を加えると、曲げモーメント線図は図８のＢＭＤ図のように断面積あるいは断面デプスが曲げモーメント値の変化と同調するようになる。それによって枠体にかかる応力状態が最適になり、前述のような効果を同様に得ることができる。また、図４に示すように枠体１ｆも枠体１ｅと同様の枠構造とすることにより、同様の効果が太陽電池アレイの横連結方向だけでなく縦連結方向でも得られるようにできる。

また、前述した方法を太陽電池モジュールの枠体でのみで実施してもよい。この場合、図５および図６に示すように、枠体１ｈの断面積或いは断面デプスを図両端と中央部で大きくした構造のものを用いる。このようにすることで、例えば、先に紹介した図１９の太陽光発電装置のように隣り合う太陽電池モジュールを複数固定した太陽電池アレイに荷重が加わると、図１１のＢＭＤ図のような曲げモーメント線図となり、連結部材６で連結された各太陽電池モジュール２の枠体１ｄの中央部で最大、両端部で中央部の半分、また端部と中央部の間にモーメントがゼロとなるので、最適な応力状態をとることが可能になり、前述と同様に太陽電池モジュールおよび太陽電池アレイのたわみ量を軽減しつつ、使用材料を最小限に抑えることができる。

次に、本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの枠体の形状の構成方法について説明する。特に図示しないが、本発明の枠体の断面形状は、例えば図１１に示す太陽電池モジュール２の側面図のように、枠体１の両端、もしくは中央もしくは複数箇所に断面デプスの大きい部分と小さい部分を配したものである。図中では端部の断面デプスが大きく、枠体１ｈのＧ点での断面形状は図１４のように枠体は広い断面積を有しており、断面デプスの小さいＨ点では図１７のように枠体の断面積は小さくなる。

枠体１（図中では１ｈ、１ｇ）は、鉄やステンレスやアルミ材などの押出し成型によって形成するのが好適であるが、先に紹介した図１〜図６に示す太陽電池モジュール２の枠体１のように、長手方向に対して断面が変化する構造は、前記押出し成型では製造することができない。そこで、このような断面に形状変化のある枠体を作る場合には、断面デプスの大きいところを溶接で接続して１本のフレームとする方法や、例えば鋳型にて鋳物として枠体を形成したり、あるいは板材を曲げ加工にて形成するなどの加工方法を用いると良い。

また、他の方法としては、枠体の断面形状は上述した例のような図１４の枠体４ａや図１７の枠体４ｂのように枠体断面が閉断面のものを使用することが、枠体自体の曲げ強度や、せん断強度以外に、ねじり強度も向上することから好ましいが、図１５の枠体１ｂ、図１６の枠体３ｂに示すような開断面として、鋳型による形成やプレス加工、曲げ加工などで製作可能とできるようにしてもよい。このような開断面は、枠体自体のねじり強度は先に述べた閉断面のものに劣るので、曲げ強度およびせん断強度は物量を１０％程度増やして同等の強度とする。図１２の枠体１ａ、図１３の枠体３ａはそのような枠体を用いて太陽電池モジュールとした場合の図１１における断面形状の例を示したものである。

なお、縦および横桟にて強度を保つ場合は、変化をつけた断面形状の枠体は桟が無い２辺のみでよく、残りの２辺は図１、図３、図５のように太陽電池モジュール４辺のうち、向かい合う２辺のみ断面形状の変化をつけ、残りの２辺は従来通り長手方向に断面形状が変化しない枠体としてもよい。

そして、上述したような枠体を有する太陽電池モジュールを複数組み合わせることにより、本発明に係る太陽電池アレイが完成する。

本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールを模式的に示す斜視図である。本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの他の第１の実施形態を模式的に示す斜視図である。本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの他の第２の実施形態を模式的に示す斜視図である。本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの他の第３の実施形態を模式的に示す斜視図である。本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの他の第４の実施形態を模式的に示す斜視図である。本発明に係る太陽電池アレイに用いる太陽電池モジュールの他の第５の実施形態を模式的に示す斜視図である。一般的な太陽電池モジュールの構造を模式的に示す断面図である。本発明に係る太陽電池アレイを固定架台に載置した場合の曲げモーメントを示したＢＭＤ図である。本発明に係る太陽電池アレイの配置図とフレームに加わる曲げモーメントを示したＢＭＤ図である。本発明に係る太陽電池アレイにおいて各太陽電池モジュールを個別に固定架台上に設置した様子と、フレームに加わる曲げモーメントを示したＢＭＤ図である。本発明に係る太陽電池アレイを固定架台に載置した場合のフレームに加わる曲げモーメントを示したＢＭＤ図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイに用いるフレームの他の第１の実施形態の枠体のＧ点での断面形状を示す断面図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイの他の第２の実施形態の枠体のＧ点での断面形状を示す断面図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイの枠体のＧ点での断面形状を示す断面図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイの他の第２の実施形態の枠体のＨ点での断面形状を示す断面図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイの他の第２の実施形態の枠体のＨ点での断面形状を示す断面図である。図１１における本発明に係る太陽電池アレイの枠体のＨ点での断面形状を示す断面図である。従来の太陽光発電装置を陸屋根に設置した様子を示す斜視図である。従来の太陽光発電装置を傾斜屋根に設置した様子を示す斜視図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ：枠体
２：太陽電池モジュール
３ａ、３ｂ：枠体
４ａ、３ｂ：枠体
５：固定架台
６：連結部材
７、７ａ〜７ｄ：ラック
９：基礎
１０：横桟
１２：縦桟
１３：ガラス板
１４：耐候性フィルム
１５：充填材
１６：枠体枠
１７：ジャンクションボックス
１８：太陽電池素子
２０：発電部

Claims

互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、
前記枠体の断面積は、前記支持領域よりも前記架台の配列方向中央領域で大きいことを特徴とする太陽電池アレイ。
互いに間隔を空けて所定の方向に配列される複数の長尺状の架台と、
発電部及び該発電部の外周に取着される枠体を有し、前記架台によって下方より支持される支持領域を有する複数の太陽電池モジュールと、を備え、
前記枠体の断面積は、前記支持領域と前記架台の配列方向の中央領域との間の領域よりも前記支持領域及び前記中央部で大きいことを特徴とする太陽電池アレイ。