JP6491071B2

JP6491071B2 - 車載用太陽電池モジュール

Info

Publication number: JP6491071B2
Application number: JP2015199553A
Authority: JP
Inventors: 元哉坂部; 和義緒方; 博隆稲葉
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-10-07
Also published as: US10224863B2; JP2017073466A; US20170104440A1

Description

本発明は、車載用太陽電池モジュールに関する。

従来、太陽電池セルを封止した封止フィルムをバックシートとトップフィルムで挟んで積層した太陽電池モジュールが提案されている。この太陽電池モジュールは、特許文献１に示すように、フレーム状のサポート材によってバックシートの裏面が支持され、サポート材を介して車両のルーフに固定されている。

上記のように車両のルーフに太陽電池モジュールを取り付けるものに対して、太陽電池モジュール自体を車両のルーフとして車体（車両骨格部材）に取り付けるものが開発されている。この太陽電池モジュールは、表面層となる無機ガラス基板の裏側に太陽電池セルが封止材を介して固定され、その背面にバックシートが貼り付けられている。

特開２０１２−３３５７３号公報

ところで、上記のように車両のルーフに取り付けられる太陽電池モジュールは、車両のルーフに取り付けるのにサポート材が必要となり、部品点数が増加し、構造が複雑になる。

一方、車両のルーフとして用いられる太陽電池モジュールは、無機ガラスの質量が大きいため、軽量化のために表面層を無機ガラス基板から樹脂の板材に置換することが図られている。この際、太陽電池モジュールは、車体の車両骨格部材に固定されるが、表面層が車両骨格部材に固定されることが好ましい。背面層が車両骨格部材に固定されると、荷重の入力状態によっては太陽電池モジュールの表面層に剥離荷重が作用するおそれがあるためである。

また、太陽電池モジュールはバックリングを生じないように所定の曲げ剛性を有する必要がある。表面層（板材）を介して太陽電池モジュールを車両骨格部材に固定する場合には、表面層の裏面と車両骨格部材を接合する必要があるため、太陽電池モジュールにおいて車両骨格部材に固定する部分は表面層のみとなる。この部分において太陽電池モジュールが所定の曲げ剛性を確保するために、表面層の板厚を厚くせざるを得ず、軽量化の点において改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、簡易な構造で軽量化を達成しつつ、車体との取付部において所定の曲げ剛性を確保した車載用太陽電池モジュールを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、発電素子が封止された封止層と、前記封止層における前記発電素子の受光面側に接合され、樹脂の板材からなる表面層と、前記封止層における前記発電素子の受光面側と反対側に接合され、樹脂の板材からなる背面層と、を有し、前記表面層の延在方向において、前記背面層の端部は前記表面層の端部よりも内側に位置すると共に、前記表面層における、前記表面層と前記封止層の積層方向から視て少なくとも前記発電素子を覆う一般部よりも外側の端部側に形成され、前記一般部と比較して板厚が厚く、かつ先端が車体に固定される周縁部を備えており、前記背面層には、前記周縁部と対向する位置で、かつ前記周縁部が車体に固定される位置よりも内側に前記表面層側へ突出した凸部が形成されており、前記凸部と前記周縁部は空間を介して所定距離離間されている。

この構成によれば、車載用太陽電池モジュールの表面層が樹脂の板材で形成されているため、表面層に無機ガラスを用いたものと比較して車載用太陽電池モジュールが軽量化される。

また、表面層が樹脂で形成されている場合、無機ガラスと比較して線膨張係数が大きいが背面層も樹脂の板材で形成されているため、表面層と背面層の線膨張係数の差が小さくなり、車載用太陽電池モジュールのバックリングが抑制される。

さらに、表面層において封止層との積層方向から視て少なくとも発電素子を覆う一般部よりも表面層の延在方向において外側の端部側に一般部よりも板厚が厚い周縁部が形成されている。また、表面層の延在方向において、背面層の端部は表面層の端部よりも内側に位置する。したがって、表面層の周縁部の受光面と反対側の少なくとも一部は、封止層と背面層が積層されていない。この封止層や背面層が積層されていない部分で、表面層（周縁部）の発光素子の受光面側と反対側が車体に固定されている。すなわち、表面層の周縁部の少なくとも一部は、封止層と背面層が積層されていないため、当該部分で車載用太陽電池モジュールの曲げ剛性の低下が危惧される。しかしながら、表面層は、周縁部の板厚が一般部よりも厚いため、周縁部における太陽電池モジュールの曲げ剛性の低下が抑制される。このように、太陽電池モジュールが所定の曲げ剛性を確保するために表面層の必要な部分（周縁部）だけ板厚を厚くしているため、表面層の周縁部以外の部分（例えば、一般部）の板厚を必要以上に厚くする必要がなくなり、車載用太陽電池モジュールを一層軽量化することができる。
さらに、背面層には表面層の延在方向における外側端部側に表面層側へ突出した凸部が形成されている。すなわち、背面層の凸部が表面層の周縁部に空間を介して所定距離離間して対向配置されている。したがって、表面層が曲げ変形した場合に表面層の周縁部が背面層の凸部に当接することによって車載用太陽電池モジュールの曲げ変形が抑制される。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記表面層の前記一般部と前記周縁部とは一部材で形成され、前記周縁部と一般部との間には前記一般部から前記周縁部に向けて板厚が徐変する徐変部が形成されている。

この構成によれば、表面層の一般部と周縁部は一部材で形成され、一般部と周縁部の間には一般部から周縁部に向けて板厚が徐変する徐変部が形成されている。したがって、一般部と周縁部との境界領域に応力が集中することが抑制される。

請求項１記載の発明の車載用太陽電池モジュールは、上記構成としたので、簡易な構成で車載用太陽電池モジュールの曲げ剛性を確保して車体に固定することができると共に、軽量化することができる。

請求項２記載の発明の車載用太陽電池モジュールは、板厚の異なる表面層の一般部と周縁部との境界領域が破壊されることを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る車載用太陽電池モジュールの車体取付状態を説明する分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る車載用太陽電池モジュールの車両下方から見た底面図であるである。図２におけるＡ−Ａ線断面図である。両端支持梁の模式図である。両端固定梁の模式図である。本発明の他の実施形態に係る車載用太陽電池モジュールの図３に対応する断面図である。

本発明の一実施形態に係る車載用太陽電池モジュールについて図１〜図６を参照して説明する。なお、本実施形態に係る車載用太陽電池モジュールは、車体のルーフとして車両骨格部材に取り付けられるものである。また、各図は模式的なものであり、本発明と関連性の低いものは図示を省略している。さらに、図１において矢印ＦＲは車両前方、矢印Ｗは車幅方向、矢印ＵＰは車両上方を示す。

（構成）
図１に示すように、本実施形態に係る自動車の車載用太陽電池モジュール１０は、車体１２にルーフとして取り付けられるものである。車体１２には、車載用太陽電池モジュール１０を支持する部材として、車両幅方向両端部に設けられ車両前後方向に延在する一対のルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂを備えている。ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂは、フロントピラー１６Ａ、１６Ｂ等と一体的に形成されているものである。

また、ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂ間には、車幅方向に延在するフロントヘッダ１８、ルーフセンターリイオフォースメント（以下、「センターＲ／Ｆ」という）２０、リヤヘッダ２２が、車両前方側から順に配設されている。また、フロントヘッダ１８とセンターＲ／Ｆ２０、センターＲ／Ｆ２０とリヤヘッダ２２との間にそれぞれ１つと２つのルーフデントリインフォースメント２４が配設されている。

なお、本実施形態に係る車載用太陽電池モジュール１０は、車両骨格部材であるルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂと、フロントヘッダ１８と、リヤヘッダ２２とに接合（固定）されるものである。

車載用太陽電池モジュール１０は、図３に示すように、光透過性を有する表面層３０と、表面層３０の背面側に配置され発電素子（太陽電池セル）３２が封止された封止層３４と、封止層３４を背面側から支持する背面層３６とを備えている。

表面層３０は、矩形状の樹脂板から形成されている。樹脂板は、透明で対候性に優れている樹脂材料、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等によって板状に形成されている。ポリカーボネートからなる樹脂板（ＰＣ板）は、耐候性に優れると共に軽量であるため、車両に搭載される車載用太陽電池モジュール１０の表面層３０として好適である。なお、本実施形態における「樹脂」とは、光透過性を有するものである。

なお、表面層３０には、図２及び図３に示すように、車両上下方向（封止層３４との積層方向）から視て少なくとも封止層３４の発電素子３２を覆う一般部３０Ａと、表面層３０の延在方向に沿って一般部３０Ａの車両外側に位置し、表面層３０の外周に沿って位置する周縁部３０Ｂとを備えている。この一般部３０Ａの板厚と比較して周縁部３０Ｂの板厚が発電素子３２の受光面側と反対側（車両下方側）へ厚く設定されている。ここで、「(車両)外側」とは、車幅方向又は車両前後方向（表面層３０の延在方向）において対象物（例えば、表面層３０）の端部側（封止層３４と離間する方向の端部側）のことをいい、「(車両)内側」とは車幅方向又は車両前後方向において対象物の中心側（封止層３４側）のことをいう。

また、図２及び図３に示すように、一般部３０Ａと周縁部３０Ｂの間には、一般部３０Ａから周縁部３０Ｂに向かって板厚が徐々に厚くなっていく（徐変する）傾斜面を備える徐変部３０Ｃが形成されている。

封止層３４は、複数の発電素子３２と、発電素子３２を封止する封止材３８とから構成されている。封止層３４内に複数の発電素子３２は、規則的に配置され、封止材３８によって封止されている。発電素子３２は、シリコン系セル等の周知の発電素子である。封止材３８は、透明で弾性や接着性を有する樹脂材料によってフィルム状に形成されており、例えば、エチレン酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）やポリオレフィン等のセル封止材として周知の樹脂により構成されている。

また、図３に示すように、表面層３０の延在方向において、封止層３４の端部は表面層３０の端部よりも車両内側（発電素子３２側）に位置している。したがって、図３に示すように、表面層３０の周縁部３０Ｂの下面は、少なくとも車両外側部分が封止層３４と接合されておらず、車両下方に露出している。

背面層３６は、背面板により構成されている。背面板は、表面層３０に無機ガラスよりも線膨張係数の大きい樹脂を採用したことによる車載用太陽電池モジュール１０のバックリングを防止するために、表面層３０を構成する樹脂の線膨張係数と略等しい線膨張係数を有する樹脂材料から形成されている。図３に示すように、背面層３６は、その板厚が略一定であるが、車両外側端部において車両上方（表面層３０側）に突出形成された凸部４０が外周に沿って形成されている。

なお、図３に示すように、背面層３６は、積層方向から視て封止層３４を覆うものである。したがって、表面層３０の延在方向において、背面層３６の端部は封止層３４の端部よりも車両外側に位置している。この結果、背面層３６の車両外側端部に形成された凸部４０は、封止層３４の車両外側で車両上方に突出形成されており、表面層３０の周縁部３０Ｂの下面に所定距離離間して対向配置されている。また、周縁部３０Ｂにおける背面層３６の凸部４０との対向位置は、表面層３０の延在方向において、後述する車両骨格部材に対する接着位置よりも車両内側となる。

図３に示すように、車載用太陽電池モジュール１０の車幅方向端部は、ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂのフランジ部４２Ａ、４２Ｂ上に配設されている。車載用太陽電池モジュール１０の表面層３０の周縁部３０Ｂの車両下側面とフランジ部４２Ａ、４２Ｂとは接着剤４４Ａ、４４Ｂによって固定されている。

なお、車載用太陽電池モジュール１０（表面層３０）の車両前後方向端部（周縁部３０Ｂ）も、同様にしてフロントヘッダ１８、リヤヘッダ２２に固定されている。

(作用)
このように構成された車載用太陽電池モジュール１０の作用について説明する。

本実施形態の車載用太陽電池モジュール１０は、表面層３０に樹脂板を採用しているため、表面層３０に無機ガラスを採用した車載用太陽電池モジュールと比較して軽量化することができる。

車載用太陽電池モジュール１０は、図３に示すように、表面層３０の車両外側端部には一般部３０Ａよりも板厚が厚い周縁部３０Ｂが形成されているため、車両骨格部材（ルーフサイドレール１４Ａ、１４Ｂ、フロントヘッダ１８、リヤヘッダ２２）に対する接着位置である周縁部３０Ｂは封止層３４や背面層３６と積層されていなくても所定の曲げ剛性が確保される。

換言すれば、所定の曲げ剛性を確保するために板厚を厚くする必要がある周縁部３０Ｂのみ表面層３０の板厚を厚くし、封止層３４や背面層３６と積層（接合）されるため相対的に曲げ剛性が小さくて済む一般部３０Ａの板厚を薄くすることができる。すなわち、表面層３０の樹脂材料使用量を抑制しつつ、太陽電池モジュール１０が所定の曲げ剛性を確保することができる。この結果、車載用太陽電池モジュール１０のバックリングを抑制しつつ、車載用太陽電池モジュール１０を一層軽量化することができる。

また、背面層３６の車両外側端部に車両上方側（表面層３０側）へ突出された凸部４０が形成され、周縁部３０Ｂに対向配置されているため、太陽電池モジュール１０が曲げ変形したときに表面層３０（周縁部３０Ｂ）が凸部４０に当接して曲げ変形が抑制される。すなわち、太陽電池モジュール１０のバックリングが抑制される。

さらに、車載用太陽電池モジュール１０は、背面層３６にも表面層３０と線膨張係数が略等しい樹脂材料を用いているため、表面層３０に線膨張係数の大きい樹脂を採用しても車載用太陽電池モジュール１０の曲げ変形が抑制されてバックリングを抑制することができる。

また、表面層３０は一部材から形成され、一般部３０Ａと一般部３０Ａよりも板厚が厚い周縁部３０Ｂとの境界部分に板厚が徐々に増加していく（徐変する）傾斜面を備えた徐変部３０Ｃが形成されたため、板厚が異なる一般部３０Ａと周縁部３０Ｂの境界領域に応力が集中することが抑制される。

さらに、車載用太陽電池モジュール１０は、表面層３０の車両外側端部において一般部３０Ａよりも板厚の厚い周縁部３０Ｂが、車両骨格部材、例えば、ルーフサイドレール１４Ａのフランジ部４２Ａに接合されている。この車両骨格部材に接合される車載用太陽電池モジュール１０の表面層３０の周縁部３０Ｂの板厚が薄い場合には、図４に示すように、車載用太陽電池モジュール１０は両端単純支持梁に相当すると考えられる。これに対して、周縁部３０Ｂの板厚が厚い場合には、図５に示すように、車載用太陽電池モジュール１０は両端が固定された梁に相当すると考えられる。

それぞれの場合に梁の全長に亘って等分布荷重が作用した場合の梁の撓みδは、次式で与えられる。

ここで、
β：係数
Ｐ：入力荷重
ＥＩ：曲げ剛性
（Ｅ：ヤング率）
（Ｉ：断面二次モーメント）
ｌ：支持ピッチ
である。

なお、係数βは両端支持梁の（周縁部３０Ｂの板厚が薄い）場合には５／３８４、両端固定梁の（周縁部３０Ｂの板厚が厚い）場合には１／３８４となる。

すなわち、周縁部３０Ｂの板厚を一般部３０Ａの板厚よりも厚くすることによって、車載用太陽電池モジュール１０のバックリングを抑制することができる。

さらにまた、周縁部３０Ｂの板厚を変更するだけで、車両骨格部材と車載用太陽電池モジュール１０の表面層３０との高さ（接着剤４４Ａ、４４Ｂの高さ）を調整することができる。

（その他の実施形態）
なお、本実施形態では車載用太陽電池モジュール１０の表面層３０を一体的に成形したもので説明したが、図６に示すように、表面層３０の周縁部３０Ｂと徐変部３０Ｃにおいて一般部３０Ａよりも板厚の厚い部分（下方部分４６（図６、ハッチングの異なる部分））を二色成形で黒色部分として成形することが考えられる。

このように発電素子３２が車両下方（発電素子３２の受光面と反対側）に配設されておらず、また、接着剤４４Ａ、４４Ｂ等が車両下方に位置する表面層３０の周縁部３０Ｂと徐変部３０Ｃの下方部分４６を黒色とすることで、表面層３０を通して接着剤４４Ａ、４４Ｂ等が視認されることを回避でき、車載用太陽電池モジュール１０の見栄えが向上する。

なお、一連の実施形態では、背面層３６に凸部４０が形成されていると共に、表面層３０に徐変部３０Ｃが形成されていたが、いずれも形成されていなくても良いし、いずれか一方のみ形成されていても良い。

また、一連の実施形態では、周縁部３０Ｂの板厚は、一般部３０Ａよりも板厚方向で発電素子３２の受光面側と反対側に厚く形成されたものについて説明したが、発電素子３２の受光面側に厚く形成されたものでも良い。

さらに、車載用太陽電池モジュール１０は、車両骨格部材に固定されるとしたが、車体の他の部材に固定されるものでも良い。

１０車載用太陽電池モジュール
１４Ａ、１４Ｂルーフサイドレール（車体）
１８フロントヘッダ（車体）
２２リヤヘッダ（車体）
３０表面層
３０Ａ一般部
３０Ｂ周縁部
３０Ｃ徐変部
３２発電素子
３４封止層
３６背面層
４０凸部

Claims

発電素子が封止された封止層と、
前記封止層における前記発電素子の受光面側に接合され、樹脂の板材からなる表面層と、
前記封止層における前記発電素子の受光面側と反対側に接合され、樹脂の板材からなる背面層と、
を有し、前記表面層の延在方向において、前記背面層の端部は前記表面層の端部よりも内側に位置すると共に、
前記表面層における、前記表面層と前記封止層の積層方向から視て少なくとも前記発電素子を覆う一般部よりも外側の端部側に形成され、前記一般部と比較して板厚が厚く、かつ先端が車体に固定される周縁部を備えており、
前記背面層には、前記周縁部と対向する位置で、かつ前記周縁部が車体に固定される位置よりも内側に前記表面層側へ突出した凸部が形成されており、前記凸部と前記周縁部は空間を介して所定距離離間されている車載用太陽電池モジュール。
前記表面層の前記一般部と前記周縁部とは一部材で形成され、前記周縁部と一般部との間には前記一般部から前記周縁部に向けて板厚が徐変する徐変部が形成された請求項１記載の車載用太陽電池モジュール。