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技術 太陽電池モジュール

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 坂部元哉白井靖泰
出願日 2014年11月13日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2014-230759
公開日 2016年5月26日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2016-096214
状態 特許登録済
技術分野 光起電力装置
主要キーワード 線形膨張係数 外周四辺 弾性曲線 軸ひずみ 各発電素子 曲げひずみ ルーフ高 四角形枠
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月26日)のものです。
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図面 (13)

課題

発電素子が積層している部分と発電素子が積層していない部分との応力差を低減させることができる構造の太陽電池モジュールを提供する。

解決手段

表面層L1と封止層L2と背面層L3とからなる積層構造を備え、封止層L2の内部に複数の発電素子2が配列されている太陽電池モジュール1において、封止層L2内に発電素子2が設けられている第一積層部10と、封止層L2内に発電素子2が設けられていない第二積層部20とによって構成され、背面層L3は、第二積層部20を構成する第二部分5bが第一積層部10を構成する第一部分5aよりも厚く形成されている。

概要

背景

上記のように構成された太陽電池モジュールの一例が、特許文献1に記載されている。特許文献1には、車両等に搭載される太陽電池モジュールとして、透明プラスチック板からなる表面層と、CFRP板からなる背面層と、それら表面層と背面層との間で発電素子封止している封止層とを有する積層構造に構成することが記載されている。

また、積層構造の太陽電池モジュールでは、表面層と背面層とを様々な材質によって構成することが知られている。例えば、特許文献2には、表面層をガラス基板で、背面層をFRP板で構成すること、特許文献3には、表面層を樹脂フィルムで、背面層をFRP板で構成することがそれぞれ記載されている。

さらに、特許文献4には、表面層を樹脂フィルム、背面層をカーボン製の補強板によって構成する場合に、補強板の表面を凹凸形状にすることが記載されている。特許文献5には、表面層をガラス基板、背面層をセラミック板樹脂板からなる押圧板によって構成する場合に、押圧板に凸部を設けることが記載されている。

概要

発電素子が積層している部分と発電素子が積層していない部分との応力差を低減させることができる構造の太陽電池モジュールを提供する。表面層L1と封止層L2と背面層L3とからなる積層構造を備え、封止層L2の内部に複数の発電素子2が配列されている太陽電池モジュール1において、封止層L2内に発電素子2が設けられている第一積層部10と、封止層L2内に発電素子2が設けられていない第二積層部20とによって構成され、背面層L3は、第二積層部20を構成する第二部分5bが第一積層部10を構成する第一部分5aよりも厚く形成されている。

目的

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、セルが積層している部分とセルが積層していない部分との応力差を低減させることができる構造の太陽電池モジュールを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

受光面を形成する表面層と、背面を形成する背面層と、前記表面層と前記背面層との間に形成された封止層とからなる積層構造を備え、前記封止層の内部に複数の発電素子が配列されている太陽電池モジュールにおいて、前記積層構造は、前記封止層内に前記発電素子が設けられている第一積層部と、前記封止層内に前記発電素子が設けられていない第二積層部とによって構成され、前記背面層は、前記第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする太陽電池モジュール。

請求項2

前記背面層は、相対的に薄く形成されている第一部分と、前記第一部分よりも厚く形成されている第二部分と、前記第一部分と前記第二部分との間で厚さが徐々に変化するように形成されている第三部分とからなる板状に形成され、前記第一部分は、前記第一積層部を構成する部分であり、前記第二部分は、前記第二積層部を構成する部分であ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

前記第一部分と前記第三部分との境界は、前記第一積層部内に位置していることを特徴とする請求項2に記載の太陽電池モジュール。

請求項4

前記背面層のうち前記封止層側の面は平坦面に形成され、前記背面は、前記第一部分を形成する第一背面が凹面に形成され、かつ前記第二部分を形成する第二背面が凸面に形成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の太陽電池モジュール。

請求項5

前記背面のうち前記第三部分を形成する第三背面は、厚さ方向に直交する方向に対して傾斜している傾斜面に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の太陽電池モジュール。

請求項6

前記表面層は、樹脂板により構成され、前記背面層は、CFRP板により構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

請求項7

前記積層構造の周縁付近には、前記発電素子が設けられていない周辺エリアが前記周縁部に沿った枠形状に形成されており、前記第二積層部には、前記周辺エリア内を構成する外側第二積層部が含まれ、前記背面層は、前記第二積層部のうち少なくとも前記外側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の太陽電池モジュール。

請求項8

前記発電素子同士は、所定間隔を空けて配列され、前記第二積層部は、前記発電素子同士に挟まれているエリア内を構成する内側第二積層部をさらに含み、前記背面層は、前記内側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする請求項7に記載の太陽電池モジュール。

技術分野

0001

この発明は、内部に複数の発電素子が配列されている積層構造太陽電池モジュールに関するものである。

背景技術

0002

上記のように構成された太陽電池モジュールの一例が、特許文献1に記載されている。特許文献1には、車両等に搭載される太陽電池モジュールとして、透明プラスチック板からなる表面層と、CFRP板からなる背面層と、それら表面層と背面層との間で発電素子を封止している封止層とを有する積層構造に構成することが記載されている。

0003

また、積層構造の太陽電池モジュールでは、表面層と背面層とを様々な材質によって構成することが知られている。例えば、特許文献2には、表面層をガラス基板で、背面層をFRP板で構成すること、特許文献3には、表面層を樹脂フィルムで、背面層をFRP板で構成することがそれぞれ記載されている。

0004

さらに、特許文献4には、表面層を樹脂フィルム、背面層をカーボン製の補強板によって構成する場合に、補強板の表面を凹凸形状にすることが記載されている。特許文献5には、表面層をガラス基板、背面層をセラミック板樹脂板からなる押圧板によって構成する場合に、押圧板に凸部を設けることが記載されている。

先行技術

0005

特開2010−153502号公報
特開2003−204073号公報
特開2002−083990号公報
特開平11−026796号公報
特開2007−299545号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、積層構造の太陽電池モジュールでは、耐候性浸食防止など長期信頼性を確保するために、太陽電池モジュールの周縁付近にはセルと呼ばれる板状の発電素子を設けないことが一般的である。

0007

また、セルの大きさなどが理由となり、一つの太陽電池モジュールにおいて、封止層内に複数のセルが設けられている。例えば、複数のセルは、セルの周縁部同士が完全に密着するように配列されることは少なく、セル同士が間隔を空けて規則的に配列されることが多い。つまり、積層構造の太陽電池モジュールは、封止層内にセルが設けられている部分と、封止層内にセルが設けられていない部分とによって構成されていることになる。

0008

しかしながら、セルが積層している部分と、セルが積層していない部分とでは、異なる積層構造となるため、セルの有無によって太陽電池モジュール内で部分的に異なる応力が生じてしまう。そのため、例えば熱変化を受けることで太陽電池モジュールで部分的な歪みが生じてしまうことによって、部分的に反りが起きてしまうなどの変形を生じる可能性がある。

0009

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、セルが積層している部分とセルが積層していない部分との応力差を低減させることができる構造の太陽電池モジュールを提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0010

上記の目的を達成するために、請求項1に係る発明は、受光面を形成する表面層と、背面を形成する背面層と、前記表面層と前記背面層との間に形成された封止層とからなる積層構造を備え、前記封止層の内部に複数の発電素子が配列されている太陽電池モジュールにおいて、前記積層構造は、前記封止層内に前記発電素子が設けられている第一積層部と、前記封止層内に前記発電素子が設けられていない第二積層部とによって構成され、前記背面層は、前記第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とするものである。

0011

請求項2に係る発明は、上記請求項1の発明に加え、前記背面層は、相対的に薄く形成されている第一部分と、前記第一部分よりも厚く形成されている第二部分と、前記第一部分と前記第二部分との間で厚さが徐々に変化するように形成されている第三部分とからなる板状に形成され、前記第一部分は、前記第一積層部を構成する部分であり、前記第二部分は、前記第二積層部を構成する部分であることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0012

請求項3に係る発明は、上記請求項2の発明に加え、前記第一部分と前記第三部分との境界は、前記第一積層部内に位置していることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0013

請求項4に係る発明は、上記請求項2または3の発明に加え、前記背面層のうち前記封止層側の面は平坦面に形成され、前記背面は、前記第一部分を形成する第一背面が凹面に形成され、かつ前記第二部分を形成する第二背面が凸面に形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0014

請求項5に係る発明は、上記請求項4の発明に加え、前記背面のうち前記第三部分を形成する第三背面は、厚さ方向に直交する方向に対して傾斜している傾斜面に形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0015

請求項6に係る発明は、上記請求項1から5のいずれかの発明に加え、前記表面層は、樹脂板により構成され、前記背面層は、CFRP板により構成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0016

請求項7に係る発明は、上記請求項1から6のいずれかの発明に加え、前記積層構造の周縁部付近には、前記発電素子が設けられていない周辺エリアが前記周縁部に沿った枠形状に形成されており、前記第二積層部には、前記周辺エリア内を構成する外側第二積層部が含まれ、前記背面層は、前記第二積層部のうち少なくとも前記外側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

0017

請求項8に係る発明は、上記請求項7の発明に加え、前記発電素子同士は、所定間隔を空けて配列され、前記第二積層部は、前記発電素子同士に挟まれているエリア内を構成する内側第二積層部をさらに含み、前記背面層は、前記内側第二積層部を構成する部分が前記第一積層部を構成する部分よりも厚く形成されていることを特徴とする太陽電池モジュールである。

発明の効果

0018

請求項1の発明によれば、第一積層部と第二積層部という層数が異なる構造を備えた積層構造において、第一積層部の内部で生じる応力と第二積層部の内部で生じる応力との差を低減できる。これにより、温度変化を受けた際に、局所的な変形が生じることを抑制できるとともに、全体としても変形しにくくなる。

0019

請求項2の発明によれば、背面層の厚さが第一部分から第三部分を介して第二部分へと徐々に変化しているため応力集中を抑制することができる。

0020

請求項3の発明によれば、第一部分から第三部分へと厚さが変化し始める境界が第一積層部に含まれることにより、第一積層部と第二積層部とを跨ぐようにして第三部分を設けられるので、第一積層部と第二積層部との境界への応力集中を抑制することができる。

0021

請求項4の発明によれば、背面層の背面を凹凸面とすることにより背面層の厚さを部分的に変えているため、封止層と背面層との接合面が平坦面となる積層構造に構成することができる。これにより、封止層が背面層から剥離してしまうことを抑制できる。

0022

請求項5の発明によれば、第一背面と第二背面とを繋ぐ第三背面が傾斜面であることにより応力集中を抑制することができる。

0023

請求項6の発明によれば、表面層がガラス製の場合に比べて、軽量化が図れるとともに、表面層が樹脂製の場合も背面層のCFRP板によって変形しにくい構成とすることができる。また、CFRP板であることにより、背面層を部分的に厚さが異なる構造を、例えばプレス加工型成型、RTM( Resin Transfer Molding )、オートクレーブ射出成型などにより容易に製造することができる。

0024

請求項7の発明によれば、背面層のうち、周縁部を含む枠形状の周辺エリア内を構成する部分を厚くすればよく、第二積層部全体を厚くするよりも軽量化が図れる。

0025

請求項8の発明によれば、背面層のうち第二積層部を構成する部分を全体的に厚くするので、より局所的な変形が生じることを抑制できるとともに、全体として変形しにくい構造に構成することができる。

図面の簡単な説明

0026

この具体例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。
(a)は太陽電池モジュールの表面図である。(b)は太陽電池モジュールの背面側を示す斜視図である。(c)は太陽電池モジュールの背面図である。
図1の断面図を部分的に拡大した説明図である。
実施例と比較例の試験結果を示した図である。
(a)は実施例の第一積層部の多層ばりモデルを示した図である。(b)は実施例の第二積層部の多層ばりモデルを示した図である。
(a)は実施例の第一積層部で生じる軸力曲げモーメントを示した図である。(b)は実施例の第二積層部で生じる軸力と曲げモーメントを示した図である。
太陽電池モジュールを車両のソーラールーフに適用してサイドメンバとの取り付け構造を示した図である。
(a)は変形例の一例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。(b)は(a)に示す太陽電池モジュールの背面側を示す斜視図である。
変形例の一例における太陽電池モジュールにおける発電素子の配置を説明するための表面図である。
(a)は第一比較例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。(b)は第二比較例における太陽電池モジュールの積層断面を示した断面図である。
温度上昇し続けた場合に第一比較例の太陽電池モジュールが変形す過程を示した説明図である。
(a)は多層ばりの基本モデルを示す説明図である。(b)は(a)に示す多層ばりが温度変化を受けてたわんだ場合を示す説明図である。

実施例

0027

以下、図面を参照して、この発明に係る太陽電池モジュールの具体例について説明する。

0028

(1.積層構造)
図1は、この具体例における太陽電池モジュール内の積層構造を説明するための断面図である。太陽電池モジュール1は、受光面1aを形成する表面層L1と、内部に複数の発電素子2が設けられている封止層L2と、背面1bを形成する背面層L3とからなる積層構造に形成されている。表面層L1と背面層L3との間に封止層L2が形成されていることによって、表面層L1と封止層L2との界面は接合面に形成されているとともに、封止層L2と背面層L3との界面も接合面に形成されている。

0029

表面層L1は、樹脂板3によって全体が単層構造に形成されている。表面層L1の厚さは全体が均一に形成されている。樹脂板3は、透明の樹脂材料によってフィルム状に形成されている。樹脂板3を構成する樹脂材料として、透明性に優れている周知の樹脂を採用することができる。

0030

例えば、樹脂板3は、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリテトラフルオロエチレンPTFE)、アクリル樹脂PMMA)などの樹脂によって構成されている。特に、ポリカーボネートによって構成された樹脂板3が表面層L1として好適である。なお、樹脂板3の表面にコーティング処理を行い、耐候性を向上させてもよい。

0031

封止層L2は、発電素子2と封止材4との二つの構成部材からなり、内部で発電素子2が封止材4によって封止されている。封止層L2は全体が均一の厚さに形成されているが、内部に複数の発電素子2が配列されているため、全体としては、発電素子2の表面側および背面側に封止材4が設けられている三層構造となる部分と、発電素子2が設けられておらず封止材4のみで構成された単層構造となる部分とを含む。

0032

発電素子2は、シリコン系セルなどの周知の発電素子である。すなわち太陽電池モジュール1はシリコン系太陽電池である。そのため、図示しないが封止層L2内にはセル2同士の電極を接続する導線が設けられている。一例として、隣り合う発電素子2同士は、一方の発電素子2の表面側電極と他方の発電素子2の背面側電極とが導線によって接続されていることによって、一群の発電素子2では各発電素子2が電気的に直列に接続されている。

0033

封止材4は、透明の樹脂材料によってフィルム状に形成されている。封止材4を構成する樹脂材料として、シリコン系の太陽電池モジュールを形成する際に封止材として用いられている周知の樹脂を採用することができる。例えば、封止材4は、エチレン酢酸ビニルコポリマーEVA)、ポリオレフィンアイオノマーなどの樹脂によって構成されている。

0034

背面層L3は、バックシート背面板)5によって単層構造に形成されている。バックシート5は、相対的に厚さが薄く形成されている第一部分5aと、第一部分5aよりも厚く形成されている第二部分5bと、第一部分5aと第二部分5bとの間に形成されている第三部分5cとからなる板状に形成されている。第一部分5aおよび第二部分5bは、それぞれに厚さが一定に形成されている。第三部分5cは、厚さの異なる第一部分5aと第二部分5bとを接続している部分と言えるため、第一部分5a側から第三部分5c側へと厚さが徐々に厚くなるように形成されている。また、バックシート5を構成する材質として、例えば炭素繊維強化プラスチック(CFRP)やアルミ、鉄、ガラス繊維強化プラスチックGFRP)、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)などの軽量で剛性の高いものを採用することができる。

0035

このように構成された太陽電池モジュール1において、発電素子2が設けられていることによって三層構造となる封止層L2と、その表面側に位置する表面層L1と、その背面側に位置する背面層L3とからなる積層構造を、第一積層部10とする。第一積層部10は、表面1a側から背面1b側へ向けて、樹脂板3、表面側の封止材4、発電素子2、背面側の封止材4、バックシート5の順に積層する五層構造となる。

0036

同様に、太陽電池モジュール1において、発電素子2が設けられていないことによって封止材4のみの単層構造となる封止層L2と、その表面側に位置する表面層L1と、その背面側に位置する背面層L3とからなる積層構造を、第二積層部20とする。第二積層部20は、表面1a側から背面1b側へ向けて、樹脂板3、封止材4、バックシート5の順に積層する三層構造となる。

0037

要するに、第一積層部10には発電素子2が積層しているが、第二積層部20には発電素子20が積層していないことになり、太陽電池モジュール1は全体として第一積層部10と第二積層部20という、層数が異なる多層構造を含む構成を備えていることになる。

0038

また、太陽電池モジュール1の周縁部1cは、第二積層部20の一部として形成されている。第二積層部20には、周縁部1cを含む所定範囲(以下「周辺エリア」という)A内で太陽電池モジュール1の外周部分を形成している外側第二積層部21と、第一積層部10同士に挟まれている部分を形成している内側第二積層部22とが含まれる。エリアとは、長さ方向と幅方向とによって規定される範囲を表す。すなわち、長さ方向と幅方向とによって規定される平面上の面積を、エリアと表現できる。

0039

図2(a)に示すように、太陽電池モジュール1は、長方形の表面(受光面)1aと背面1b(図示せず)を有し、全体形状長方形板状に形成されている。周縁部1cは、太陽電池モジュール1の外周四辺として、長さ方向に延びる長辺部分と、幅方向に延びる短辺部分とを形成している。なお、図1図2(a)のS1−S1断面を示している。

0040

周辺エリアAは、発電素子2が設けられていないエリア、すなわち第二積層部20によって構成されているエリアであって、周縁部1cから内側へ向けた所定範囲として四角形枠状に形成されている。周縁部1cは、太陽電池モジュール1全体としての縁部であるとともに、周辺エリアAおよび外側第二積層部21の縁部を形成している。

0041

周辺エリアAの内側には、複数の発電素子2が一群をなすように配列されているエリア(以下「セルエリア」という)Bが形成されている。図2(a)に示す例では、セルエリアBが周辺エリアAに囲まれて太陽電池モジュール1の中央部分を含む四角形状のエリアに形成されており、そのセルエリアB内に、四角形板状に形成された発電素子2が、長さ方向に8列かつ幅方向に3列の合計24個、規則的に配列されている。すなわち、一群をなす複数の発電素子2がセルエリアB内に密集して設けられている。

0042

さらに、発電素子2同士が所定間隔を空けて配置されているため、セルエリアB内は、第一積層部10と第二積層部20(内側第二積層部22)とによって構成されていることになる。図2(a)に示す例では、セルエリアB内の第二積層部20(内側第二積層部22)は、セルエリアB内で、幅方向と長さ方向との少なくともいずれか一方向で第一積層部10同士に挟まれている部分を繋ぐように格子状に形成されている。

0043

周辺エリアAとセルエリアBとの境界Cは、図1に示すように、一群の発電素子2のうち相対的に周縁部1c側に配置されている発電素子2の外側の端部2aの位置によって規定することができる。そのような発電素子2は複数存在するため、各外側の端部2aを繋ぐようにした仮想線を境界Cと言うことができる。言い換えれば、複数の第一積層部10のうち相対的に周縁部1c側を形成している第一積層部10の端部の位置が境界Cの位置と言える。したがって、上述したようにして規定された境界Cによって、太陽電池モジュール1を周辺エリアAとセルエリアBとに分けることができる。

0044

一般的な太陽電池モジュールでは、腐食防止などの耐久性発電効率の長期保証などの観点から、太陽電池モジュールの端部(周縁部)付近には発電素子を設けないことが望ましい場合がある。そのため、この具体例の太陽電池モジュール1では、周縁部1c付近に発電素子2を設けない周辺エリアAを設けている。すなわち、セルエリアBとは、発電素子2を設置可能なエリアと言える。

0045

また、太陽電池モジュール1では、第二積層部20のうち周辺エリアAを構成する外側第二積層部21が、第一積層部10よりも厚く形成されている。図1に示すように、背面層L3となるバックシート5が第一から第三部分5a,5b,5cを有する構造であるために、太陽電池モジュール1が部分的に厚さの異なる構造に形成されていることになる。

0046

図1および図2(b),(c)に示すように、バックシート5では、第一部分5aがセルエリアBを構成する部分となり、第二部分5bが周辺エリアAを構成する部分となる。また、第三部分5cは境界C上を構成する部分となる。そのため、バックシート5の背面50のうち、第一部分5aを形成する第一背面50aがセルエリアB内に、第二部分5bを形成する第二背面50bが周辺エリアA内に設けられていることになる。第一背面50aは四角形状に形成され、第二背面50bは四角形枠状に形成されている。さらに、第三部分5cを形成する第三背面50cは、第一背面50aを囲み、かつ第二背面50bに囲まれるようにして四角形枠状に形成されている。つまり、背面50は内側から外側へ向けて、第一背面50aから第三背面50cを介して第二背面50bへ到る連続面である。

0047

バックシート5のうち封止層L2側の接合面51は、表面1aに沿った形状に形成されており、幅方向に平行に沿った平坦面に形成されている。一方、第二部分5bが第一部分5aよりも背面側に突出しているため、第一背面50aは背面50における凹面を形成し、かつ第二背面50bは背面50における凸面を形成する。そのため、凹面としての第一背面50aを有する第一部分5aが相対的に薄く、かつ凸面としての第二背面50bを有する第二部分5bが相対的に厚くなっている。図1に示すように表面1aが幅方向に沿った平坦面の場合、第一および第二背面50a,50bはいずれも、受光面1aと平行すなわち幅方向に平行な平坦面となる。したがって、第一部分5aおよび第二部分5bでは、それぞれに一定の厚さに形成されている。

0048

図3に示すように、第一部分5aは厚さt10に、第二部分5bは第一部分5aよりも厚い厚さt20に、第三部分5cは厚さt10〜t20の範囲内に形成されている。第三背面50cは、第一背面50aと第二背面50bとを繋ぐ面として、幅方向に対して傾斜している傾斜面に形成されている。接合面51が平坦面、かつ第三背面50cが傾斜面であるため、第三部分5cは、第一部分5aと第二部分5bとの間で厚さが徐々に変化する構造を備えていることになる。また、第三背面50cが傾斜面である場合、図示しないが長さ方向で第一背面50aと第二背面50bとを繋ぐ部分は、長さ方向に対して傾斜している。さらに、背面50には、第一背面50aと第三背面50cとの第一境界部50dと、第三背面50cと第二背面50bとの第二境界部50eとが含まれる。

0049

第一境界部50dは、境界Cよりも内側、すなわち発電素子2の外側の端部2aよりも内側に位置している。第一境界部50dは背面層L3のうち第一積層部10を構成する部分に含まれていることになる。言い換えれば、背面層L3のうち発電素子2と対向している部分の背面50に第一境界部50dが設けられていることになる。

0050

つまり、セルエリアBのうち第一境界部50dから境界Cに到るエリアでは、背面層L3が第三部分5cによって構成されている。そのため、セルエリアB内の積層構造の厚さは、境界C付近が中央部分よりも厚く形成されており、第一境界部50dから境界Cに向けて徐々に厚くなる。

0051

第二境界部50eは、境界Cよりも外側、すなわち発電素子2の外側の端部2aよりも外側に位置している。第二境界部50eは背面層L3のうち第二積層部20(外側第二積層部21)を構成する部分に含まれていることになる。したがって、第三部分5c(第三背面50c)は、境界Cを跨ぐようにして、周辺エリアAの内周縁側、およびセルエリアBの外周縁側を形成するエリア内に設けられている。

0052

なお、バックシート5が炭素繊維強化プラスチック板(以下「CFRP板」という)によって構成されている場合、炭素繊維二方向へ編み込まれていることによって、背面50は微細スケールでは凹凸面に形成されていることになるが、炭素繊維は樹脂で含浸されているため、その表面はほぼ平坦となる。樹脂の含浸量や製法によっては凹凸面となる可能性はあるが、上述した平坦面とは、CFRP板の背面50が微細なスケールでは凹凸面であるものの、太陽電池モジュール1全体的なスケールとしては直線状に延びている面を形成していることを意味する。また、CFRP板は上述のような炭素繊維が編み込まれたものに限らず、炭素繊維を短繊維としたものであってもよい。

0053

(2.実施例と比較例)
次に、太陽電池モジュール1が変形しにくい構造であることを、実施例と比較例とを比較して説明する。実施例は、上述した構成を備える太陽電池モジュール1のことである。比較例として、図10(a)に示す第一比較例の太陽電池モジュール100と、図10(b)に示す第二比較例の太陽電池モジュール200とを用意した。各比較例は、実施例とは異なり、背面層L3の厚さt100,t200が一定であるために全体として積層構造の厚さが一定に構成された太陽電池モジュールのことである。第二比較例の背面層L3の厚さt200は、第一比較例の背面層L3の厚さt100の二倍に形成されている。

0054

実施例と各比較例では、背面層L3の構造および厚さが異なるのみで、太陽電池モジュールを構成するその他の構成部材、例えば表面層L1や封止層L2の構成は同じである。実施例の背面層L3における第二部分5dの厚さt20は、第一比較例の背面層L3の厚さt100と同じ厚さである。さらに、図2(a)に示す幅方向寸法および長さ方向寸法は、実施例と各比較例ともに同じ大きさに形成されている。具体的には、実施例と各比較例ともに、表面層L1はポリカーボネートからなる樹脂板3によって構成され、背面層L3はCFRP板からなるバックシート5によって構成されている。したがって、実施例が最も軽く、第一比較例、第二比較例の順に重くなる。

0055

この試験では、実施例と第一比較例と第二比較例とのそれぞれに対して、同一条件下で太陽電池モジュール1,100,200の温度が変化した場合における変位を測定した。その試験結果を図4に示してある。図4は、温度差ΔTによって生じる変位Dを表す試験結果であり、実線が実施例の試験結果を、一点鎖線が第一比較例の試験結果を、点線が第二比較例の試験結果を示している。

0056

図4に示す試験結果から、温度上昇が同様であった場合、実施例は各比較例よりも変位が小さいことが分かる。例えば、所定の温度差の場合、実施例の変位が最も小さく、次いで第二比較例の変位、そして第一実施例の変位が最も大きい。仮に温度差ΔTが変化しても、実施例と各比較例との間には、常に上述した変位の大小関係成立する。したがって、太陽電池モジュール1は、各比較例よりも変形しにくい構造であることが分かる。さらに、第二比較例のように背面層L3を全体的に厚くするよりも、実施例のように第二積層部20のみを第一積層部10よりも厚くしたほうが変形しにくくなることが分かる。

0057

図11には、第一比較例の太陽電池モジュール100が温度上昇によって変形する過程を、変形初期と変形中期と変形後期として示してある。第一比較例の幅方向寸法および長さ方向寸法は、実施例と同様であるため、図11に示す太陽電池モジュール100は図2(a)のS2−S2断面とみなせる。変形前の太陽電池モジュール100の形状、特に図11に示す幅方向に沿った断面形状は、長さ方向中央部分が表面側に凸状の湾曲状である。図11に示すように、変形初期では、温度上昇に伴いわずかに形状が変化するものの、ほぼ温度上昇を受ける前の形状に保たれている。その後、温度上昇を受けて変形中期に到ると、周辺エリアAにおいて背面側に向けて凸となる反り変形が生じて直線状になる。さらに温度が上昇して変形後期に到ると、周辺エリアAは背面側に凸の湾曲状に変形する。また、図示しないが、変形後期からさらに温度が上昇すると、周辺エリアAに続き、セルエリアBが背面側に凸の湾曲状に変形してしまい、いわゆるバックリングが生じてしまう。このように、周辺エリアAは発電素子2が設けられていないために、セルエリアBに比べて早く変形するとともにその変形量が大きくなってしまう。図11に示すような変形が生じる要因は、太陽電池モジュール100が各層が接合されている多層構造に形成されていることが挙げられる。

0058

(3.太陽電池モジュールの応力)
そこで、多層ばり理論により太陽電池モジュール1の応力について説明する。

0059

まず、図12(a),(b)に示す片持ちn層ばりの多層ばりモデルを用いて、多層ばり理論について説明する。n層ばりにおいて、温度変化を受けることにより、i層内では、熱膨張によるひずみ(以下「熱ひずみ」という)ε ’i、軸力Piによるひずみ(以下「軸ひずみ」という)ε ’’i、曲げモーメントMiによるひずみ(以下「曲げひずみ」という)ε ’’’iが生じる。そして、各層に生じるひずみεiは、熱ひずみε ’iと軸ひずみε ’’iと曲げひずみε ’’’iとの和で表すことができるので、下記式1で表すことができる。

0060

0061

上記式1のαiは線形膨張係数を、ΔTは温度変化を、Aiは断面積を、Eiはヤング率を、Piは軸力を、Rは各層の中立面における曲率半径を、tiは各層の厚さを表す。ここで、各層では厚さtiが曲率半径Riに比べて微小であることを考えると、いずれの層についても曲率半径Riは略等しくなると仮定できる。そのため、全ての層について同一の曲率半径Rを用いることができる。なお、図12(b)に示すδはたわみを表す。

0062

二層間の接合面におけるひずみの連続性から、接合面におけるひずみは等しくなるため、下記式2で表すことができる。

0063

0064

また、軸力のつりあいから、下記式3を得ることができる。

0065

0066

全層における曲げモーメントと曲げ剛性と曲率半径との関係は、弾性曲線方程式から、下記式4で表すことができる。

0067

0068

上記式4のMiは各層に生じる曲げモーメントを、EiIiは曲げ剛性を、Iiは断面二次モーメントを表す。上記式4に示す全層における曲げモーメントは、曲げモーメントの釣り合いから、下記式5で表すことができる。

0069

0070

上記式5のyはn層ばり全体の中立面から表面までの距離を表す。また、各層に生じる応力σiは、各層に生じるひずみ、すなわち上記式1に各層のヤング率Eiを乗じることによって得られるが、熱ひずみε ’iは応力を生じさせないため、下記式6のように表すことができる。

0071

0072

この多層ばり理論を、図11に示す変形を生じた第一比較例に適用すると、第一比較例における五層構造の第一積層部10の曲率半径R10と、三層構造の第二積層部20の曲率半径R20とを予測することができる。上記式4から第一比較例において、第一積層部10の曲率半径R10が第二積層部20の曲率半径R20よりもかなり大きくなってしまうことが分かる。曲率半径Rが小さいということは太陽電池モジュール100が大きく変形していることになるので、第一比較例では第一積層部10よりも第二積層部20のほうが曲率半径が小さい、すなわち変形量が大きくなってしまう。そのため、第一比較例の太陽電池モジュール100では局所的な変形が生じてしまう。例えば、第一比較例では、第一積層部10の曲率半径R10は第二積層部20の曲率半径R20の二倍以上の値になる場合がある。

0073

つまり、図11を参照して上述した第一比較例の変形が生じる一つ目の要因として、太陽電池モジュール100が異なる構成部材を接合させた多層構造であることが挙げられる。各層の界面が接合されているため、温度上昇により各層で生じる軸力の大きさおよび作用方向が異なることが変形の要因として挙げられる。この一つ目の要因は実施例の太陽電池モジュール1にも共通するが、第一比較例では、実施例とは異なり、全体の厚さが均一に構成されているので、これが二つ目の要因となり、各積層部10,20で温度差ΔTによるひずみの生じ方が異なってしまう。そのため、第一比較例では、第二積層部20は第一積層部10よりも変形しやすい構造となっている。これは第一比較例よりも背面層L3が厚い第二比較例についても同様である。

0074

一方、実施例では、第二積層部20、特に周辺エリアA内の外側第二積層部21が、第一積層部10よりも厚く形成されているため、温度変化を受けた場合に第一積層部10と第二積層部20とで生じる応力の差が小さくなる。そのため、太陽電池モジュール1全体として変形しにくい構造を有していることになる。具体的には、図5(a),(b)および図6(a),(b)を参照して、実施例の太陽電池モジュール1に多層ばり理論を適用して説明する。

0075

図5(a)に示すように、実施例の第一積層部10を片持ちの五層ばりモデルとすると、樹脂板3は第一層L11、表面側の封止材4は第二層L12、発電素子2は第三層L13、背面側の封止材4は第四層L14、そしてバックシート5は第五層L15となる。断面積A11〜A15は、各層L11〜L15の厚さt11〜t15により決まる。線形膨張係数αとヤング率Eは、形状によらず構成部材の材質に固有である。つまり、α11,E11は樹脂板3、α12,α14,E12,E14は封止材4、α13,E13は発電素子2、α15,E15はバックシート5のそれぞれを構成する材料により決まる。

0076

また、図5(b)に示すように、実施例の第二積層部20を片持ちの三層ばりモデルとすると、樹脂板3は第一層L21、封止材4は第二層L22、バックシート5は第三層L23となる。断面積A21〜A23は、各層L21〜L23の厚さt21〜t23により決まる。α21(=α11),E21(=E11)は樹脂板3、α22(=α12=α14),E22(=E12=E14)は封止材4、α23(=α15),E23(=E15)はバックシート5のそれぞれを構成する材料により決まる。また、第一積層部10と第二積層部20との厚さtについては、t21=t11 、t22=t12+t13+t14 、t23>t15 の関係が成り立つ。

0077

例えば、樹脂板3がポリカーボネート板に、バックシート5がCFRP板により、発電素子2が結晶シリコン系により、封止材4がエチレン酢酸ビニルコポリマによりそれぞれ構成されている場合、各線形膨張係数α11〜α15の関係は、α15<α12<<α11<α12=α14 の大小関係が成り立つ。そのため、図6(a)に示すように、第一積層部10の各層L11〜L15には軸力P11〜P15が生じて、第一積層部10全体としての曲げモーメントM10が生じる。第一積層部10において、P11,P12,P14は引っ張り荷重であり、P13,P15は圧縮荷重である。さらに、図6(b)に示すように、第二積層部20の各層L21〜L23には軸力P21〜P23が生じて、第二積層部20全体としての曲げモーメントM20が生じる。第二積層部20において、P21,P22は引っ張り荷重であり、P23は圧縮荷重である。なお、各積層部10,20では、温度変化を受けた場合に各層は熱膨張によるひずみが生じ、各層の界面が接合面となっているために軸力が生じて曲げモーメントを生じる。

0078

そして、上記式4を用いて、実施例の太陽電池モジュール1における第一積層部10の曲率半径R10と第二積層部20の曲率半径R20とをそれぞれ求めると、各曲率半径R10,R20が近い値となる。つまり、太陽電池モジュール1では局所的な変形が生じにくい構造を備えていることになる。これは、太陽電池モジュール1の背面層L3が第一積層部10を構成する部分よりも第二積層部20を構成する部分を厚く形成されていることによって、上記式6から求めることができる第一積層部10で生じる応力σ10と第二積層部20で生じる応力σ20とが近い値となることが要因のひとつと考えられる。要するに、実施例では、各比較例よりも各積層部10,20の応力σ10,σ20の差が低減されていることが明らかであり、全体として第一積層部10と第二積層部20とで生じる応力をバランスすることができるため、局所的な変形が生じにくい。

0079

なお、上述した「近い値」とは、各曲率半径R10,R20が一致する場合、あるいは各応力σ10,σ20が一致する場合を含む。すなわち、曲率半径R10と曲率半径R20との差、あるいは応力σ10と応力σ20との差が、を含む所定範囲内の値になることを表す。

0080

また、太陽電池モジュール1が図1に示すような平板状から図11に示すような湾曲状に変形するものと仮定すれば、曲率半径Rが小さいということは積層構造は大きく変形していることになってしまう。そのため、上述した第一比較例のように厚さが均一の場合に第一積層部10のほうが大きな曲率半径となる場合に、相対的に小さな第二積層部20の曲率半径が大きくなるようにすることが望ましい。上記式4から分かるように、実施例の太陽電池モジュール1ではそれが実現しているので、上述したような局所的に変形が生じにくい構造に加えて、全体としても変形しにくい構造を備えていることになる。

0081

以上説明した通り、この具体例の太陽電池モジュールによれば、発電素子が積層している第一積層部の背面層よりも発電素子が積層していない第二積層部の背面層を厚く形成することによって、第一積層部と第二積層部という層数が異なる構造を備えた積層構造において、第一積層部の内部で生じる応力と第二積層部の内部で生じる応力との差を低減できる。これにより、温度変化を受けた際に、局所的な変形が生じることを抑制できるとともに、全体としても変形しにくくなる。さらに、背面層の一部を厚くすればよいため、全体が均一に厚く形成された場合よりも、太陽電池モジュールの軽量化を図れる。

0082

背面層のうち、第一積層部と第二積層部との境界を跨ぐ範囲に、厚さが徐々に変化している構造を備えた第三部分が設けられていることにより、応力集中を抑制することができる。また、背面層の表面が平坦面であるため、封止層と背面層との接合面で剥離が生じることを抑制できる。

0083

背面層となるバックシートを部分的に厚さが異なる構造に構成すればよく製造が容易である。特に、バックシートが金属製の場合には、上述したような部分的に異なる厚さに製造するには削りだし加工など加工が困難であるとともに工数がかかるが、バックシートがCFRP板などの場合、例えばプレス加工、型成型、RTM( Resin Transfer Molding )、オートクレーブ、射出成型などにより容易に製造することができる。

0084

そして、周辺エリアの背面層を厚くするため、太陽電池モジュールを車両のソーラールーフとして適用する場合に、車体構造との段差が生じてしまうなどの意匠性不都合を抑制することができる。例えば、図7に示すように、太陽電池モジュール1の周縁部1cがモール6に覆われており、その太陽電池モジュール1がモール6を介してサイドメンバ7に取り付けられている。この場合、背面層L3となるバックシート5のうち第二部分5bの厚さを増大させることでルーフ高さをかさ上げすることができるため、サイドメンバ7との段差をコントロールすることが可能になる。

0085

なお、この発明に係る太陽電池モジュールは、上述した具体例に限定されない。例えば、上述した具体例の変形例として、図8(a),(b)に示すように、背面層L3のうち、セルエリアB内に設けられている第二積層部20を構成する部分を、第一積層部10を構成する部分よりも厚く形成した太陽電池モジュール1を構成することができる。つまり、この変形例では、セルエリアB内で第一積層部10同士に挟まれるエリアを形成している第二積層部20を含めて、第二積層部20全体が第一積層部10よりも厚く形成されていることになる。なお、上記実施例のように第一境界部50dは、境界Cよりも内側、すなわち発電素子2の外側の端部2aよりも内側に位置するものとすることが、応力集中を緩和させる観点から好ましいが、これは必須の構成ではない。設計上、応力集中を許容できるのであれば、第一境界部50dは、境界Cと同じ位置、あるいは境界Cよりも外側に位置してもよい。

0086

図8(a)に示すように、第一境界部50dは各発電素子2の両端部よりも内側に位置している。つまり、第一積層部10と第二積層部20との境界C2に対して、全ての第一境界部50dが第一積層部10内に設けられていることになり、セルエリアB内にも第二背面50bが設けられていることになる。また、図8(b)に示すように、セルエリアB内では、バックシート5のうち相対的に厚く形成されている第二部分5bが幅方向および長さ方向に格子状に設けられている。この場合、周辺エリアA内の第二部分5bもセルエリアB内の第二部分5bも同じ厚さに形成されている。

0087

さらに、別の変形例として、一群をなす複数の発電素子2が設けられているセルエリアBを複数備える太陽電池モジュール1を構成することができる。例えば、図9に示すように、一群をなす発電素子2が二つのセルエリアB1,B2に設けられている場合、背面層L3のうち、各セルエリアB1,B2同士に挟まれているエリアA2を構成する部分が、第二部分5bによって構成されていることになる。また、図9に示すセルエリアB1,B2同士に挟まれているエリアA2は、エリアの大きさに相違はあるが、上述した図8(a)に示す発電素子2同士に挟まれているエリアとみなせる。

0088

1…太陽電池モジュール、 2…セル(発電素子)、 3…樹脂板、 4…封止材、 5…バックシート、 5a…第一部分、 5b…第二部分、 5c…第三部分、 10…第一積層部、 20…第二積層部、 50…背面、 50a…第一背面、 50b…第二背面、 50c…第三背面、 L1…表面層、 L2…封止層、 L3…背面層、 A…周辺エリア、 B…セルエリア、 C…境界。

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