JP2006278758A - 太陽電池モジュール及び太陽電池アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 抵抗発熱体を利用した融雪機能付太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュールもしくは太陽電池モジュールの直列系統の出力配線を融雪用抵抗発熱体の配線と共用化し、施工性のよい単一電源で効率的な融雪システムを提供すること。
【解決手段】 複数の太陽電池素子からなる太陽電池素子ストリングスを有する太陽電池パネルの端部に枠体を取り付けた太陽電池モジュールを傾斜して設置して成る太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの下方に位置する枠体に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体に並列にダイオードを接続するとともに、前記太陽電池素子ストリングスの配線を前記発熱抵抗体に直列に接続したことを特徴とする。
【選択図】 図１

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及び太陽電池アレイにおいて、特に積雪地域における融雪機能を付加した太陽電池モジュール及び太陽電池アレイに関するものである。

近年、住宅などの建物の屋根に、太陽エネルギーを利用した太陽光発電システムの設置、普及が進んでいる。その中において積雪地域においては、冬期間の屋根上への積雪により太陽光が遮られるため、他地域に比較して年間発電電力が少なく、このことが普及を遅らせる要因となっている。

そこで、積雪地域での太陽光発電システムの普及促進のため、従来よりさまざまな融雪機能付太陽光発電システムの提案がなされている。具体的な例としては図７に示すような、太陽電池モジュールの裏面を発熱させてモジュール上の雪を溶かす方法がある。太陽電池モジュール２０は、太陽電池素子１を板ガラス１３などの透光性を有する基板と耐候性フィルム１８の間にラミネート材１４やシリコン樹脂などで充填固定した構造となっており、強度を向上させるために前記板ガラス１３と耐候性フィルム１８を金属フレーム枠６にて挟み込むようにしている。そして、太陽電池モジュール２０の裏面、すなわち耐候性フィルム１８の裏面にヒートパイプ１７のような温水を通す加熱部を貼付け固定し、積雪時にはヒートパイプ１７に温水を流すことによって熱伝導で板ガラス１３が温まり、太陽電池モジュール２０上の雪を溶かすことができる。このような太陽電池モジュールの裏面や枠体に温水の通過するパイプを配して、温水による加熱によって太陽電池表面の雪を融かす温水加熱型は、通常時には融雪用の温水は台所や風呂用の温水として使用できるようにしている。

また、他の融雪方法としては、特に図示しないがヒーターや太陽電池素子へ電気を逆通電すると太陽電池素子の内部抵抗によって発熱が生じる現象を利用し、その熱によって融雪を行なう電力印加型がある。

近年では太陽電池の発電電力を電力会社の売電する系統連系型太陽光発電システムが主流となっていることから、融雪時は電力会社から融雪用の電力を買って、融雪後は発電電力を家庭内の負荷消費や電力会社の売電に廻すことで融雪に用いた電力を返す電力印加型が増えている。また、電力印加型は温水型のような温水配管や温水過熱のための外部装置を必要とせずシステムが軽量・コンパクトであることや、融雪に用いた電力量を発電電力量で返しきれなくても屋根上の積雪をなくして屋根への重量負担を軽減させる効果はあり、家屋の倒壊防止や寿命を延ばすことができる。

上述した太陽電池モジュールを発熱させて太陽電池モジュール上の雪を溶かす電力印加型の方法の具体例としては、太陽電池モジュールのガラス面や裏面に発熱体を組み込んで、電気を通電させることにより太陽電池モジュール上の雪を溶かす方法（例えば、特許文献１を参照）がある。

また、太陽電池を利用した融雪システムにおいて、太陽電池モジュールの金属フレームにて、融解した雪が再氷結することを防止する温水加熱型の具体例としては、太陽電池モジュールの金属フレームに太陽電池素子、または、モジュール面の発熱体からの熱を伝導しやすくする、または、発熱体自体をフレーム枠に組み込む方法（例えば、特許文献２を参照）がある。
特開平８−２５０７５６号公報 特開２００１−８１９１８号公報

しかしながら、上述のような温水を用いた融雪システムでは、温水加熱用のボイラーなどが必要となり、また、水道配管の配設工事も必要となるなど装置が大型化する。

また、ヒーターや逆電圧印加で太陽電池素子を暖める方法では、太陽電池モジュール面中央の発熱効率はよいが、太陽電池モジュール端部の金属フレーム部分には熱が伝わりにくく、太陽電池モジュール中央の雪が溶けても端部やフレーム部分には雪が残ってしまうため、最後まで完全に雪を溶かそうとする場合には、中央部の融雪の必要のない部分を含めて発熱を継続しなければならず、エネルギー的には非効率的な融雪システムとなるという課題が生じる。

また、住宅用太陽光発電システムの多くは傾斜した屋根上に設置されるので、太陽電池モジュールが発熱すると、積雪は太陽電池モジュールのガラス面との間に生じた水の層によって摩擦抵抗が減少し、滑り落ちようとするが、太陽電池モジュール下部の枠体付近の温度の低い部分で再度凍結し、モジュールの下側に溜まることによってより溶けにくくなる現象も生じやすい。

また、特許文献２においては、太陽電池モジュールの金属フレーム枠での再氷結防止の観点から提案されているものであるが、積極的・効率的な融雪方法として提案されているものではない。すなわち、通常長方形をしているモジュールの４辺の金属フレームのうちどれにどのような設置をすれば最も効率的であるかについては述べられていない。

また、いずれの提案でも、太陽光発電システムと電熱式ヒーターを単に組合せたシステムであり、太陽電池モジュールの発電用の配線とモジュールあるいは金属フレームの電気ヒーターに通電する配線が別々に行なわれており、施工面においては、太陽電池の配線接続と電気ヒーターの電気配線接続の両方を行わなければならず、施工が複雑化し、作業工数がかかるという課題があった。

さらに、太陽電池モジュールや電気ヒーターに通電する電源、制御回路は単にシステムを複合した場合、個別に設置されることになってしまうが、システム全体の効率性、施工性、使いよさから考えると共有化することが望ましい。

上記課題を解決するために、本発明の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子からなる太陽電池素子ストリングスを有する太陽電池パネルの端部に枠体を取り付けた太陽電池モジュールを傾斜して設置して成る太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの下方に位置する枠体に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体に並列にダイオードを接続するとともに、前記太陽電池素子ストリングスの配線を前記発熱抵抗体に直列に接続したことを特徴とする。

また、本発明の他の太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子からなる太陽電池素子ストリングスを有する太陽電池パネルの端部に枠体を取り付けた太陽電池モジュールを傾斜して設置して設置して成る太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの下方の枠体に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体を前記太陽電池素子ストリングスの配線に並列接続するとともに、前記発熱抵抗体と直列にこの抵抗発熱体に流れる電流を遮断するためのスイッチを設けたことを特徴とする。

また、本発明の太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池モジュールストリングスをレール状の架台に設置してなる太陽電池アレイであって、前記架台に融雪を行うための抵抗発熱体を取り付け、前記抵抗発熱体に並列にダイオードを接続するとともに、前記太陽電池モジュールストリングスの配線を前記抵抗発熱体に直列に接続したことを特徴とする。

さらに、本発明の他の太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池モジュールストリングスをレール状の架台に設置してなる太陽電池アレイであって、前記架台に融雪を行うための抵抗発熱体を取り付け、前記抵抗発熱体を前記太陽電池モジュールストリングスの配線に並列接続するとともに、前記抵抗発熱体と直列にこの抵抗発熱体に流れる電流を遮断するためのスイッチを設けたことを特徴とする。

本発明の太陽電池モジュールによれば、融雪時は太陽電池モジュール面上の雪を溶かしつつ、下部の雪止め金具付近へ雪を滑らせ、雪止め金具部においては抵抗発熱体にて局所的に溜まった雪を溶かすことができるため、効率よく屋根面の融雪を行うことが可能になる。また、複合システムでありながら、通常の太陽光発電システムと同様の配線作業で工事を行う事が可能であり、施工性が向上する。さらに、出力配線を共用化できたことで、電源、制御回路も共通化することが可能になる。

また、本発明の太陽電池アレイによれば、上記同様の効果が得られる。

以下に本発明の融雪機能付太陽光発電システムの実施形態について、模式的に示した図面に基づいて詳細に説明する。

（例１）
図１は本発明に係る太陽電池モジュールの第一実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。

太陽電池モジュール７は、複数の太陽電池素子１を銅箔線などの配線材にて直列に接続した太陽電池素子ストリングスを、板ガラスと耐候性フィルムとで挟み、透明樹脂で充填またはラミネート加工を施したものを、アルミニウム等の金属フレーム枠６にて端面を保護するとともに補強した構造になっている。また、太陽電池素子ストリングスの出力配線を取出すためのジョイントボックス４が裏面に設けられている。なお、この太陽電池素子部分の積層構造は図７で述べた一般的な太陽電池モジュールと同様の構造であるので特に図示しない。

一方、金属フレーム枠６は、設置時に下方（住宅屋根の場合は軒側）に配置される一辺に後述する雪止め金具を一体化あるいは容易に取付け可能な構造としており、その枠構造の内部に融雪を行うための電熱線などの抵抗発熱体２を配している。なお、本例では抵抗発熱体２は電熱線などを金属フレーム枠６の枠内に通す構造としたが、面状発熱体を金属フレーム枠６の裏面や表面に貼付け固定することとしてもよい。

さらに、電気的接続としては前記抵抗発熱体２に並列にダイオード３を接続し、さらに、太陽電池素子のストリングスと直列回路を形成するように配線を接続する。このようにすることで、太陽電池モジュールの出力配線を発電用と融雪用の２つを共用化することが可能となり、通常の太陽電池モジュールと同様、プラス側、マイナス側の２本の線で送電と受電の両方の電路を確保することができる。なお、ダイオード３は太陽電池素子と一緒に充填材でモールドするようにしても良いが、前述したジョイントボックス４内に納めるようにしても良い。

以下に実際の電流の流れについて説明する。

通常発電時は太陽電池素子１で発電された電気はプラス側から出力される。そして太陽電池モジュール７が複数枚直列に接続された場合には、太陽電池モジュール７のマイナス側出力端子に隣接する太陽電池モジュールのプラス側が接続されるので、マイナス側端子から入力された電流はプラス側出力端子へ向かって電流が流れる。その際、抵抗発熱体２に較べ、並列して接続されたダイオード３の順方向の内部抵抗の方が十分に小さいため電流はダイオード３側に流れ、抵抗発熱体２には電流は流れない。

一方、融雪時は太陽電池モジュール７のプラス側出力端子に外部から電圧をかけ、逆電流を流すと、太陽電池素子１は内部抵抗によって発熱し、融雪用電熱ヒーターとして作用する。

次に、実際の降雪時の作用について、図５の概略構造断面図を用いて説明する。

融雪通電時は太陽電池素子１と抵抗発熱体２の両方が発熱体として作用する。太陽電池素子１が発熱することで板ガラス１３が暖められ、前記板ガラス１３上に積もった雪の底面を溶かして摩擦抵抗を小さくし、積雪１５を下段の金属フレーム枠６ａの雪止め金具６ｃまで滑らせる。下段の金属フレーム枠６ａには抵抗発熱体２が設置されており、局所的に積雪１５を融雪するようにしている。このとき、下段以外のフレーム枠においても下段の金属フレーム枠６ｂやガラスパネルと接触しているため、熱伝導によって融解水の再氷結を防ぐことができるので、金属フレーム枠６ａ以外のフレームに再氷結した積雪によって、積雪１５を雪止め金具位置まで落雪させる動作の障害にならないようにできる。なお、この時の太陽電池素子１の発熱量は抵抗発熱体２の発熱量に比べ少なめに設定すると良い。これは、太陽電池素子１を発熱させた場合、屋根面の傾斜によりガラス面で滑りが発生し、積雪１５の大半は太陽電池モジュールの下段近くにすぐに落ちてしまうので、太陽電池素子１の発熱量を大きく設定して融雪を行なおうとしても、融雪に至る前に積雪が滑り落ちて積雪のない部分を暖めることになり融雪のエネルギー効率が悪くなるからである。よって、太陽電池素子１の発熱は少なくし、ガラス面での落雪効果だけを狙うものとすると消費電力を少なく出来る。一方、抵抗発熱体２の発熱量は大きく設定し、太陽電池モジュールからすべり落ちてきた積雪が蓄積される場所を局所的に融雪するものである。

（例２）
図２は本発明に係る太陽電池モジュールの第二実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。

太陽電池モジュール７７の構造は、上述した実施例１とほぼ同様であるが、回路の接続方法とダイオード３の替わりに切替回路８を用いる点が異なる。

抵抗発熱体２は切替回路８ａを介して、太陽電池素子１のストリングスと並列回路を形成するように接続する。こうすることで太陽電池モジュールの出力配線を発電用と融雪用の２つを共用化し、通常の太陽電池モジュールと同様、プラス、マイナスの２本の線で構成することができる。この切替回路８ａはジョイントボックス４内に納めるものとしている。また、本例では太陽電池素子の出力配線にも切替回路８ｂを設けたが、本目的を達成するために必ず必要とするものではない。

ここで、実際の電流の流れについて説明する。

通常発電時は太陽電池で発電した電気がプラス側から出力される。太陽電池モジュール７７が直列に接続された場合、太陽電池モジュール７７内部ではマイナス側出力端子からプラス側出力端子へ向かって電流が流れる。この際、抵抗発熱体２の切替回路８ａはＯＦＦ、太陽電池素子の出力配線の切替回路８ｂをＯＮとすればよい。

次に、融雪時は太陽電池モジュール７７のプラス側出力端子に電圧をかけ、逆電流を流すようにする。この時、抵抗発熱体２の切替回路８ａをＯＮ、太陽電池素子の出力配線の切替回路８ｂもＯＮとすれば太陽電池素子１は逆電流により、抵抗体として発熱し、抵抗発熱体２にも電流が流れ、融雪用電熱ヒーターとして作用する。

次に、実際の降雪時の作用について説明する。実施例１と同様の説明となるが、より効率的な融雪を行える点で実施例１とは異なる。

図５に示すように、実施例１では太陽電池モジュール面と下段の金属フレーム枠６の発熱度合いを制御することができなかったが、本実施例では積雪状況に合わせて、図４で述べた抵抗発熱体２の切替回路８ａ、太陽電池素子の出力配線の切替回路８ｂのＯＮ／ＯＦＦ時間比率を変化させることで、制御することが可能である。例えば、雪がモジュール全面に積雪している場合は太陽電池素子の出力配線の切替回路８ｂのＯＮ時間比率を増やし、滑雪により下段の金属フレーム枠の雪止め６ｃに雪が偏った場合は抵抗発熱体２の切替回路８ａのＯＮ時間比率を増やすという方法である。なお、これらの回路は太陽電池モジュールと別体でもよいし、防水ケースなどに収納して太陽電池モジュールと一体的に構成してもよく、特に場所は限定されない。

次に本発明の融雪機能付太陽光発電システムの実施形態について、太陽電池モジュールの構造から太陽電池システムへ発展させても同様の効果を得ることができることについて説明する。

（例３）
図３は本発明に係る太陽電池システムの第三実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。

抵抗発熱体組込み太陽電池架台システム１２は、複数の太陽電池モジュールを接続ケーブルにて直列に接続した太陽電池モジュールのストリングス９（太陽電池モジュールストリングスは複数の太陽電池モジュールを直列または並列接続したものである）を、太陽電池取付けレール１０を用いて住宅などの屋根面に設置し、太陽電池ストリングスの出力配線は太陽電池ストリングスの出力配線を中継、接続、あるいは、太陽電池モジュールストリングスの出力配線を昇圧出力する接続ボックス１１に接続されているものとする。太陽電池取付けレール１０は、設置時に横方向になるモジュール固定用レール部材であり、雪止め金具を一体化あるいは容易に取付け可能な構造とした上で、融雪を行うための電熱線などの抵抗発熱体２をレール内に施設している。本例では抵抗発熱体２は電熱線などを太陽電池取付けレール１０のレール内、本体とカバーの間に施設する構造としたが、面状発熱体を取付けレール１０に貼付け固定してもよい。

そして、この抵抗発熱体２に並列にダイオード３を接続し、さらに、太陽電池モジュールのストリングス９と直列回路を形成するようにケーブルを接続し、ダイオード３は接続ボックス１１内に納める。こうすることで抵抗発熱体２への接続ケーブルが１本増えるものの、太陽電池モジュールのストリングス９の出力配線作業は通常の太陽電池モジュールと同様、プラス、マイナスの２本の線で構成することができ、接続ボックス１１以降の配線は発電用と融雪用の２つを共用化することができる。

ここで、実際の電流の流れについて説明する。

通常発電時は太陽電池で発電した電気がプラス側から出力される。太陽電池架台システム１２では接続ボックス１１のマイナス側出力端子からプラス側出力端子へ向かって電流が流れる。この際、抵抗発熱体２は並列してダイオード３の順方向の回路が形成されているため、電流は流れない。

次に融雪時は接続ボックス１１のプラス側出力端子に電圧をかけ、逆電流を流すようにする。この時、太陽電池モジュールのストリングス９は逆電流により、抵抗体として発熱する。また、ダイオードが電流阻止をするため、抵抗発熱体２にも電流が流れ、融雪用電熱ヒーターとして作用する。

次に、実際の降雪時の作用について、図６の概略構造断面図を用いて説明する。

融雪通電時は太陽電池素子１と抵抗発熱体２両方が発熱体として作用し、太陽電池素子１が発熱することで板ガラス１３が暖められ、積雪１５を下の太陽電池取付けレールの雪止め１０ｃまで滑らせる。太陽電池取付けレール１０は本体１０ｂに太陽電池モジュールをカバー１０ａにてレールカバー固定ネジ１６を用いて挟み込み固定するようになっており、抵抗発熱体２は太陽電池取付けレール本体１０ｂとカバー１０ａの間に施設され、局所的に積雪１５を融雪することができる。

（例４）
図４は本発明に係る太陽電池モジュールの第四実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。

抵抗発熱体組込み太陽電池架台システム２２の構造は、上述の実施例３とほぼ同様であるが、回路の接続方法とダイオード３の替わりに切替回路８を用いる点が異なる。

抵抗発熱体２は切替回路８ａを介して、太陽電池モジュールのストリングス９と並列回路を形成するように接続する。こうすることで抵抗発熱体２への接続ケーブルが１本増えるものの、太陽電池モジュールのストリングス９の出力配線作業は通常の太陽電池モジュールと同様、プラス、マイナスの２本の線で構成することができ、接続ボックス１１以降の配線は発電用と融雪用の２つを共用化することができる。この切替回路８ａは接続ボックス１１内に納めるものとしている。また、本例では太陽電池モジュールのストリングス９の出力配線にも切替回路８ｂを設けたが、本目的を達成するために必ず必要とするものではない。

ここで、実際の電流の流れについて説明する。

通常発電時は太陽電池で発電した電気がプラス側から出力される。太陽電池システム１２では接続ボックス１１のマイナス側出力端子からプラス側出力端子へ向かって電流が流れる。この際、抵抗発熱体２の切替回路８ａはＯＦＦ、太陽電池モジュールのストリングス９の出力配線の切替回路８ｂをＯＮとすればよい。

次に融雪時は接続ボックス１１のプラス側出力端子に電圧をかけ、逆電流を流すようにする。この時、抵抗発熱体２の切替回路８ａをＯＮ、太陽電池モジュールのストリングス９の出力配線の切替回路８ｂもＯＮとすれば太陽電池モジュールのストリングス９は逆電流により、抵抗体として発熱し、抵抗発熱体２にも電流が流れ、融雪用電熱ヒーターとして作用する。

実際の降雪時の作用については、図６の概略構造断面図を用いれば、実施例３と同様の説明となり、より効率的な融雪を行える点では実施例２の切替回路８のＯＮ／ＯＦＦ時間比率を変化させる制御と同様となる。

本発明に係る太陽電池モジュールの第一実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの第二実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る太陽電池システムの第三実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る太陽電池システムの第四実施例を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの第一および第二実施例を模式的に説明するための概略構造断面図である。 本発明に係る太陽電池モジュールの第三および第四実施例を模式的に説明するための概略構造断面図である。 従来の太陽電池モジュールの融雪構造を模式的に説明する断面図である。

符号の説明

１：太陽電池素子
２：抵抗発熱体
３：ダイオード
４：ジョイントボックス
５：太陽電池モジュール
６：金属フレーム枠
６ａ：金属フレーム枠（下段）
６ｂ：金属フレーム枠（上段）
６ｃ：金属フレーム枠（雪止め）
７、７７：抵抗発熱体組込み太陽電池モジュール
８ａ：抵抗発熱体配線切替回路
８ｂ：太陽電池配線切替回路
９：太陽電池モジュールのストリングス
１０：太陽電池取付けレール
１０ａ：太陽電池取付けレール（カバー）
１０ｂ：太陽電池取付けレール（本体）
１０ｃ：太陽電池取付けレール（雪止め）
１１：接続ボックス
１２、２２：抵抗発熱体組込み太陽電池架台システム
１３：板ガラス
１４：ラミネート材
１５：積雪
１６：レールカバー固定ネジ
１７：ヒートパイプ
１８：耐候性フィルム
２０：太陽電池モジュール

Claims (4)

1. 複数の太陽電池素子からなる太陽電池素子ストリングスを有する太陽電池パネルの端部に枠体を取り付けた太陽電池モジュールを傾斜して設置して成る太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの下方に位置する枠体に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体に並列にダイオードを接続するとともに、前記太陽電池素子ストリングスの配線を前記発熱抵抗体に直列に接続したことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 複数の太陽電池素子からなる太陽電池素子ストリングスを有する太陽電池パネルの端部に枠体を取り付けた太陽電池モジュールを傾斜して設置して設置して成る太陽電池モジュールにおいて、前記太陽電池モジュールの下方の枠体に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体を前記太陽電池素子ストリングスの配線に並列接続するとともに、前記発熱抵抗体と直列にこの抵抗発熱体に流れる電流を遮断するためのスイッチを設けたことを特徴とする太陽電池モジュール。
3. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池モジュールストリングスをレール状の架台に設置してなる太陽電池アレイであって、前記架台に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体に並列にダイオードを接続するとともに、前記太陽電池モジュールストリングスの配線を前記発熱抵抗体に直列に接続したことを特徴とする太陽電池アレイ。
4. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池モジュールストリングスをレール状の架台に設置してなる太陽電池アレイであって、前記架台に発熱抵抗体を取り付け、前記発熱抵抗体を前記太陽電池モジュールストリングスの配線に並列接続するとともに、前記発熱抵抗体と直列にこの発熱抵抗体に流れる電流を遮断するためのスイッチを設けたことを特徴とする太陽電池アレイ。

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