JP4990367B2 - 太陽電池アレイ - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池アレイに関する。

近年、太陽電池アレイを住宅等の建造物に設置して、太陽光を電力として利用することが盛んに行われている。

太陽電池アレイは、架台などの固定部材を用いて、複数の太陽電池モジュール（太陽電池パネルという場合がある）を電気的に接続するとともに、構造的に一体化したものである。太陽電池モジュールは、複数の太陽電池素子を電気的に接続したものである。太陽電池素子としては、シリコン単結晶、シリコン多結晶、アモルファスシリコン、ＣｄＳ、ＣＩＳなどを用いた太陽電池素子、色素増感型太陽電池素子などが挙げられる。

太陽電池アレイに用いられる架台としては、一般に、屋根の傾斜に沿って設けられる縦ラック、あるいは屋根の傾斜に対して垂直に設けられる横ラックが挙げられる。現在においては、設置の制限が少ない点、および配置された太陽電池パネルの傾斜と垂直方向の水平性が保たれることによって色合いが統一される点から、横ラックが好適に用いられている。

しかしながら、横ラックは、太陽電池アレイの裏面側の空気（内気）の流路を横断して配置されるため、空気の流路が小さくなって、太陽電池アレイの裏面側における通気量が減少する。その結果、太陽電池素子の温度が上昇し、最大出力Ｐｍａｘが減少して発電効率の低下を招くという問題がある。

このような問題を解決するために、図８に示すように、横ラック１０２の側部に、軒棟方向に貫通する貫通孔１１８を設けることで、太陽電池アレイ１００の裏面側の空気の流路を大きくして、通気量を増大させ、太陽電池アレイ１００を冷却する方法が知られている（例えば、特開２０００−１０１１２０号公報および特開２０００−８７５１４号公報参照）。

しかしながら、上述のように横ラックの軒棟方向に貫通孔を設けた構造では、横ラック部分を通過する際の空気抵抗が大きいために太陽電池アレイの裏面側を流れる空気の流量が小さく、十分な冷却効果が得られないという問題がある。

また、上述の構造の場合、外気を太陽電池アレイの裏面側に導入するための取入れ口は、太陽電池アレイの軒側端部と棟側端部とに設けられるのみである。そのため、軒側端部から低温の外気が導入されたとしても、棟側に向けて流れるに従って空気の温度は上昇してしまう。結果として、同一系統に属する軒側の太陽電池パネルと棟側の太陽電池パネルとの間で、両者の温度差に起因した発電効率の不均一が生じ、冷却を行っているにも関わらず、系統全体として十分な発電量が得られないという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構造で効率的に太陽電池パネルを冷却することにより優れた発電効率を有する、太陽電池アレイを提供することである。

本発明によれば、太陽電池アレイは、第１と第２の太陽電池パネルと、傾斜面の傾斜方向に沿って、前記第１の太陽電池パネルの上側に前記第２の太陽電池パネルが位置するように設置するための設置部材とを備え、前記設置部材は、設置時において前記傾斜面と間隔を設けて配置され、前記第１の太陽電池パネルの上辺に沿った第１の端部と前記第２の太陽電池パネルの下辺に沿った第２の端部とに隙間を設けた状態で、前記第１と第２の太陽電池パネルを保持し、さらに前記第１太陽電池パネルの前記第１端部を保持する部分と、前記第２太陽電池パネルの前記第２端部を保持する部分のうち、前記第１の太陽電池パネルの前記第１の端部を保持する部分のみから前記傾斜面に向けて突出する障風壁と、前記隙間を介して前記第１の太陽電池パネルの表面側の空間と前記第２の太陽電池パネルの裏面側の空間とを連通する連通部とを有している。

係る太陽電池アレイにおいては、裏面側（例えば、傾斜面側）を流れる空気（内気）が障風壁を迂回することにより、受光面側（表面側）を流れる空気（外気）との間に生じる流速差が大きくなり、内気と外気との間に圧力差が生じる。この圧力差は、特に太陽電池アレイを傾斜面に設置する場合に顕著である。これにより、連通部から外気が効率よく傾斜面側の空間へと引き込まれ、該外気が吸熱媒体として作用することで太陽電池パネルの温度上昇が抑制される。

本発明の実施の形態に係る太陽電池アレイ２０を示す斜視図である。 図１の破線部Ｄの近傍を拡大して示す斜視図である。 太陽電池アレイ２０の横ラック２の長手方向各位置についての拡大断面図である。図３（ａ）は図１のＡ−Ａ´断面を、図３（ｂ）は図１のＢ−Ｂ´断面を、図３（ｃ）は図１のＣ−Ｃ´断面を、それぞれ示している。 図３（ａ）に示す破線部Ｅの近傍における空気の流れを説明する図である。 実施例１に係るシミュレーションにより得られた温度分布を示す図である。 実施例２および比較例に係る太陽電池アレイにおける、それらを構成する太陽電池パネルの温度分布を示す図である。 太陽電池アレイ２０の一部、特に図３（ａ）の破線部Ｅの近傍の構造についての変形例を示す図である。 横ラック１０２による太陽電池パネル１０１の固定の様子の一例を示す断面図である。

以下、本発明の太陽電池アレイについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、本発明において、太陽電池アレイとは、複数の太陽電池パネルを電気的に接続するとともに構造的に一体化したものである。太陽電池パネルは、複数の太陽電池素子を電気的に接続したものであり、太陽電池モジュールとも称されるものである。

本発明においては、太陽電池パネルを構成する太陽電池素子は、結晶系の半導体を用いてなるものには限られない。温度上昇により発電効率が低下する性質を有する太陽電池素子であれば、どのような種類のものであってもよい。

図１において、本実施の形態に係る太陽電池アレイ２０は、大略、傾斜面である屋根面５の上に、受光面を上側に向けた複数の太陽電池パネル１を、第１の設置部材（横ラック）２と第２の設置部材３とを用いて２次元的に（平面的に）配置した構造を有する。なお、図１においては、屋根面５の軒棟方向に２つ、桁行方向に３つの太陽電池パネルを配置した場合を例示しているが、太陽電池アレイ２０における太陽電池パネルの配列態様はこれに限られるものではない。また、本実施の形態においては、屋根面５の軒棟方向に配列された複数の太陽電池パネルのうち、隣り合う２つの太陽電池パネル１について、相対的に下側にあるものを第１の太陽電池パネル１ａと称し、相対的に上側にあるものを第２の太陽電池パネル１ｂと称することとする。以下、太陽電池アレイ２０の構造について具体的に説明する。

図１および図２に例示される太陽電池アレイは、第１の太陽電池パネル１ａの棟側端が横ラック２によって直接保持され、かつ第２の太陽電池パネル１ｂの軒側端が当該横ラック２に固定された第２の設置部材３によって保持されている。第２の設置部材３は、例えば、アルミニウムなどからなる。

横ラック２は、その長手方向が屋根面５の桁行方向と合致するように設置される。横ラック２の設置は、スレート材などからなる屋根材５ａ、垂木５ｂ、および野地板５ｃからなる屋根５の傾斜面の上に取り付けられた固定金具４に、横ラック２を固着することによって行われる。横ラック２は、例えばアルミニウムなどからなる。固定金具４は、例えばＳＵＳやメッキ鋼板などからなり、ビスなどを用いて屋根５の傾斜面に取り付けられる。

第２の設置部材３は、横ラック２の全長にわたって連続的に設けられるわけではなく、図１に示すように、横ラック２の長手方向に沿って所定の間隔にて離散的に設けられる。また、横ラック２と第２の設置部材３とは、図２に示すように、横ラック２と第２の太陽電池パネル１ｂの軒側端との間に隙間６が設けられる態様にて、第１の太陽電池パネル１ａの棟側端と第２の太陽電池パネル１ｂの軒側端とを保持する。なお、横ラック２と第２の設置部材３とは必ずしも別体に設けられる必要はなく、一体の設置部材として構成される態様であってもよい。

図３において、Ａ−Ａ′断面およびＢ−Ｂ′断面はいずれも、第２の設置部材３が設けられていない位置についての断面である。Ｃ−Ｃ′断面は、第２の設置部材３が設けられている位置についての断面である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、太陽電池アレイ２０は、第２の設置部材３が設けられていない位置に、隙間６を通じた表面側（受光面側）と裏面側との間で空気の出入りが可能な連通部８を有する。連通部８は、太陽電池パネルの表面側の空間と、第２の太陽電池パネルの傾斜面側の空間とを連通させてなることが好ましい。

図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、固定金具４が設けられていない位置では、太陽電池アレイ２０と屋根材５ａとは接触せず、太陽電池パネル１ａ、１ｂおよび横ラック２が、屋根材５ａと所定間隔を隔てて存在しているので、横ラック２の下方を空気が通過可能となっている。なお、図３（ｃ）は固定金具４が存在しない位置に第２の設置部材３が設けられた場合を例示しているが、垂木５ｂの上に固定金具４が設けられ、さらにその直上において第２の設置部材３が設けられてもよい。

一方、図３（ｂ）は、固定金具４が設けられている位置についての断面である。固定金具４は、直下に垂木５ｂが存在する屋根５の傾斜面上の位置に配置され、屋根材５ａ及び野地板５ｃを貫通して垂木５ｂにまで達する木ネジなどを用いて、屋根５に固定される。

また、図２および図３に示すように、横ラック２は、その下部側の全長にわたって、屋根５の傾斜面に向けて突出する障風壁２ａを有する。障風壁２ａは、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、太陽電池アレイ２０の裏面側近傍の空気（内気）の流れを屋根５の傾斜面の方へと迂回させる作用を有する。

図３（ａ）に示す破線部Ｅの近傍における空気の流れを図４を用いて説明する。内気１１は、いわゆる煙突効果によって軒側から太陽電池パネル１と屋根５との間の傾斜空間に導入され、棟側に移動する。なお、以下においては傾斜空間において軒側（第１の太陽電池パネル１ａの裏面側）から棟側（第２の太陽電池パネル１ｂの裏面側）への方向（図４の場合、左斜め下から右斜め上に向かう方向）を「上り坂方向」と称することとする。

ただし、横ラック２が設けられている箇所においては、障風壁２ａが太陽電池パネル１の裏面側から傾斜空間に向けて張り出しているため、内気１１は、該横ラック２を迂回して移動する。その結果、第２の太陽電池パネル１ｂの裏面側において、横ラック２の前方の空間７への内気１１の通気（回り込み）が抑制される。加えて、横ラック２が張り出すことによって流路が狭められるので、横ラック２の下方を通過する内気１１の流速は大きくなる。

一方、空間７は、隙間６および連通部８を通じて太陽電池パネル１の表面側とも通じている。そして、この表面側を流れる外気９には、内気１１のような流速変化が生じていない。そのため、空間７においては、流体力学におけるベルヌーイの定理に基づき、流速が小さい外気９から受ける圧力よりも、流速の大きい内気１１から受ける圧力の方が低い状態が生じる。係る圧力差が生じることにより、連通部８を通じて、外気１０が太陽電池パネル１の表面側から空間７へと引き込まれることになる。

一般に、内気１１は、棟側に移動するに従って太陽電池パネル１からの対流熱伝達により温められる。これに対して、外気１０は、内気１１のように暖められてはいないので、内気１１に比べて低温である。そのため、傾斜空間内の空間７あるいはさらに上り坂方向の領域に、外気１０が流入することによって、第２の太陽電池パネル１ｂからの対流熱伝達が促進される。すなわち、外気１０が吸熱媒体として作用し、特に外気１０の流入部である空間７の付近における、第２の太陽電池パネル１ｂの温度上昇を効果的に抑制する。

以上のように、本実施の形態に係る太陽電池アレイは、隣り合う太陽電池パネルの間に、表面側（受光面側）と裏面側との間で空気の出入りが可能な連通部を設けるとともに、該太陽電池アレイの裏面側の空気（内気）の流れを迂回させるような障風壁を有する横ラックを設けてなる。これにより、内気と受光面側の空気（外気）との流速差を大きくして圧力差を生じさせ、連通部から外気を効率よく太陽電池パネルの（軒側端部近傍の）裏面側に引き込む。そして、引き込まれた外気は吸熱媒体として作用するため、太陽電池パネルの温度上昇が抑制される。

このように、本実施の形態によれば、簡素な構造で効率的に太陽電池パネルを冷却することができ、太陽電池パネルの温度上昇に伴う発電効率の低下が抑制された、横ラック設置型の太陽電池アレイが実現される。

なお、本実施の形態においては、主に、軒棟方向に２枚の太陽電池パネルが配列される場合を例として説明しているが、上述の温度上昇低減効果は、軒棟方向にさらに多くの太陽電池パネルが配列される場合に、より顕著となる。本実施の形態に係る太陽電池アレイは、軒側から棟側に至る全ての太陽電池パネルの裏面側に外気が導入されるので、軒側から棟側に至る全ての太陽電池パネルにおいて同様の温度上昇抑制効果が得られる。

（実施例１）
本実施例においては、上述の実施形態に係る太陽電池アレイ２０における内気の温度上昇抑制の効果を、ＣＡＥ（computer aided engineering）を用いた温度分布および空気の流れに関するシミュレーションによって確認した。なお、ＣＡＥには、Solid Works社製のCOSMOS FloWorksを用いて定常熱伝導解析を行った。

ここで、ＣＡＥのシミュレーション条件は、外気温を３９℃、傾斜面角度を２６．５°、垂直面日射量を１０００Ｗ／m²、水平に傾斜面に向かう風速を０．１ｍ／ｓとした。太陽電池パネル１は、流れ方向（軒棟方向）長さが１．０３ｍ、隙間部の距離が１０ｍｍ、障風壁の高さが６２ｍｍであった。

図５に示す温度分布によれば、太陽電池パネル１（第１の太陽電池パネル１ａおよび第２の太陽電池パネル１ｂ）の受光面側において、当該受光面から一定距離離れた領域における空気の温度（外気温）は、３０℃〜４０℃の範囲であることが分かる。そして、その領域から太陽電池パネル１に近づくほど、空気の温度は上昇し、太陽電池パネル１との接触領域に存在する空気の温度は、５０℃〜７０℃であることが分かる。

一方で、太陽電池パネル１の裏面側においては、屋根５に近い領域における空気の温度が４０℃〜５０℃と最も低くなっている。そして、その領域から太陽電池パネル１に近づくに従って、空気の温度は上昇し、太陽電池パネル１との接触領域における空気の温度は７５℃〜８０℃である。

図５に示すように、外気（５０℃〜７０℃）が太陽電池パネル１ｂの裏面側の空間に導入されることによって、太陽電池パネル１ｂの裏面側の７５℃以上の領域が、上り坂方向に向かうに従って減少していることがわかる。

（実施例２）
軒棟方向に４枚の太陽電池パネル１を配列させた太陽電池アレイを用いて、軒側から棟側に渡る温度分布を測定した。なお、比較例として、従来の太陽電池アレイについても、同様に温度分布の測定を行った。従来の太陽電池アレイとしては、図８に示すような、横ラックに穴を備える構造のものに代えて、横ラックが上下に分断されたものを用意した。

図６に示すように、実施例２においては、いずれの太陽電池パネルにおいても、その軒側端部において温度が６５℃程度にまで急峻に低下し、そこから棟側に向けてなだらかに温度が上昇する傾向がみられる。各太陽電池パネルにおける温度分布の傾向は類似している。

これに対し、比較例は、棟側に近い太陽電池パネルほど、下限温度が高くなっているとともに、各太陽電池パネルにかかる熱も急激に大きくなることがわかる。例えば、最も棟側の（軒側から４枚目の）太陽電池パネルについてみれば、実施例２では、比較例に比して、約５℃の冷却効果が得られている。

＜変形例＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正および変更を加えることが出来る。例えば、スレート材からなる屋根材を用いた屋根に代えてコンクリート材や鋼材のトラス構造等により構成された屋根を用いる場合であっても、冷却効果などの本発明の効果を得ることができる。

本発明は、例えば、図７に示すような種々の変形を行うことが可能である。以下、これらを変形例１〜変形例３として説明する。

（変形例１）
本変形例は、図７（ａ）に示すように、第２の太陽電池パネル１ｂの枠部の軒側端部に、受光面側に向けて突出する案内板１４を設けたことを特徴とする。

この案内板１４を設けることにより、第１の太陽電池パネル１ａの受光面側の表面近傍を流れてきた空気が連通部８から第２の太陽電池パネル１ｂの裏面側へと導入され易くなる。これにより、裏面側への外気の導入量を増加させ、放熱効率を上昇させることができる。

＜変形例２＞
本変形例は、図７（ｂ）に示すように、太陽電池パネル１ｂの枠部の軒側端部に、裏面側に対し翼状に突出する翼状枠（膨出部）１６を用いたことを特徴とする。

この翼状枠１６を設けることによって、連通部８より裏面側へと流入する空気が第２の太陽電池パネル１ｂの裏面に沿って流れやすくなるので、連通部８近傍における乱流の発生が抑制される。その結果、第２の太陽電池パネル１ｂの裏面側の軒側端部における温度上昇をより低減させることができる。なお、翼状簡易枠１６をアルミ等の軽金属を用いて構成するとともに、第２の太陽電池パネル１ｂに密着させることで、第２の太陽電池パネル１ｂからの放熱をより促進することができる。

＜変形例３＞
本変形例は、図７（ｃ）に示すように、横ラック２の障風壁２ａの部分に、傾斜部材１７を設けたことを特徴とする。

この傾斜部材１７を設けることによって、図５に示したような、第１の太陽電池パネル１ａの裏面側の障風壁２ａ近傍における高温空気の滞留を抑制することができる。特に、傾斜部材１７は第１の太陽電池パネル１ａに密着させることが好ましい。係る場合、第１の太陽電池パネル１ａからの放熱が促進されるので、第１の太陽電池パネル１ａの棟側端部における温度上昇が抑制される。

Claims (7)

1. 第１と第２の太陽電池パネルと、
   傾斜面の傾斜方向に沿って、前記第１の太陽電池パネルの上側に前記第２の太陽電池パネルが位置するように設置するための設置部材と、を備える太陽電池アレイであって、
   前記設置部材は、設置時において前記傾斜面と間隔を設けて配置され、前記第１の太陽電池パネルの上辺に沿った第１の端部と前記第２の太陽電池パネルの下辺に沿った第２の端部とに隙間を設けた状態で、前記第１と第２の太陽電池パネルを保持し、さらに
   前記第１太陽電池パネルの前記第１端部を保持する部分と、前記第２太陽電池パネルの前記第２端部を保持する部分のうち、前記第１の太陽電池パネルの前記第１の端部を保持する部分のみから前記傾斜面に向けて突出する障風壁と、前記隙間を介して前記第１の太陽電池パネルの表面側の空間と前記第２の太陽電池パネルの裏面側の空間とを連通する連通部とを有している、
   太陽電池アレイ。
2. 前記設置部材が、前記障風壁を構成する部分と前記第１の太陽電池パネルの前記第１の端部を保持する部分とを含む第１の設置部材と、
   前記第２の太陽電池パネルの前記第２の端部を保持する部分を含む第２の設置部材と、
   から構成されてなることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池アレイ。
3. 前記第１の設置部材が、前記第１の太陽電池パネルの前記第１の端部の略全域を保持する、請求項２に記載の太陽電池アレイ。
4. 前記第２の設置部材が、前記第１の設置部材に沿って間隔をおいて設けられる、請求項３に記載の太陽電池アレイ。
5. 前記設置部材は、前記障風壁から前記第１の太陽電池パネルの前記傾斜面側の面に向かう傾斜部を有する、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
6. 前記第２の太陽電池パネルは、前記第２の端部から前記第２の太陽電池パネルの表面側空間へと突出する案内部材を有する、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の太陽電池アレイ。
7. 前記第２の太陽電池パネルは、前記第２の端部の傾斜面側の面に膨出部を有する、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の太陽電池アレイ。

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