太阳能发电系统用被覆材料及铺展了该材料的太阳能发电系统

摘要

太阳能发电系统用被覆材料，该材料的特征是，由基于JIS K7127的拉伸屈服强度大于等于10N/mm2、基于JIS R3106的太阳光照射透过率大于等于85％、且基于JIS B7753的太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时后的拉伸破坏强度对应初期值的保持率大于等于80％的薄膜形成。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能发电系统用被覆材料及铺展了该材料的太阳能发电系统。更具体涉及机械强度、透明度和耐候性良好的太阳能发电系统用被覆材料及铺展了该材料的太阳能发电系统。

背景技术

近年，由于石油能源的枯竭危机和环境问题，以环保的方式产出可再生能源的发电方法的开发有所进展。作为其代表例，可例举风力发电及太阳光聚光发电。风力发电虽然已在欧美被实用化，但存在如果风力较弱则发电量会明显下降的问题。此外，太阳光聚光发电是采用抛物线状的镜子聚集太阳光，利用所得的太阳能产生高温蒸气，将该高温蒸气作为发电的动力源的系统，但如果日照不足无法获得充分的太阳能是个问题。

最近，作为新的发电方法，提出了被称为太阳能烟囱(Solar Chimney)的太阳能发电系统(例如，非专利文献1)。太阳能发电系统的构造是由中央部具有高1km的烟囱的直径4km的圆形集热部形成。该集热部具备周围无壁的温室结构。被该集热部加热的空气在集热部的顶篷的内侧移向倾斜的较高的中央方向，到达中央的最高点。被加热的空气被吸入设置于集热部中央的烟囱。此时，通过设置于烟囱内的风力发电涡轮机发电。太阳能烟囱中，由于集热部内温高于外部气温，所以即使日照不够，集热部内的被加热的空气也会引发气流，能够持续发电。此外，通过在集热部内设置蓄热材料，即使是夜间也可利用来自蓄热材料的热释放来加热空气进行发电。

此外，对于太阳光聚光发电，提出了用使长方形的镜子弯曲、以直线状聚光、一次产生大量的高温蒸气的改良型太阳光聚光发电方法(例如，参考专利文献1)来替代以往的利用抛物线状的镜子在一点聚光的方法。

非专利文献1中，作为被用于太阳能发电系统的被覆材料，记载了可采用乙烯基树脂。作为以基本永久供电为目的的太阳能烟囱的集热部的被覆材料使用了耐候性不充分的材料时，必须定期地重铺，大面积的集热部顶篷的重铺作业费用提高。其结果是，存在电力成本升高的问题。此外，被集热部加热的空气随着向中央的移动而具备高风压力。因此，采用机械强度不够的材料时，必须以较窄的间隔设置支承构造体，存在太阳光被支承构造体遮蔽，发电效率下降的问题。另一方面，采用耐候性及机械强度良好的玻璃时，为了支承玻璃的质量，必须以较窄的间隔使用粗的支承构造体，这样就存在太阳光被遮蔽、发电效率下降的问题。

因此，希望开发出机械强度、耐候性及透明度良好的可用于太阳能发电系统的被覆材料。

专利文献1：日本专利特开2002-115917号公报

非专利文献1：NEDO海外报道No.860(2001年11月19日发行)

发明的揭示

本发明的目的是提供机械强度、透明度和耐候性良好，且对大面积集热部的被覆作业性良好的太阳能发电系统用被覆材料及铺展了该材料的太阳能发电系统。

本发明提供太阳能发电系统用被覆材料，该材料的特征是，由基于JISK7127的拉伸屈服强度大于等于10N/mm²、基于JIS R3106的太阳光照射透过率大于等于85％、且基于JIS B7753的太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时后的拉伸破坏强度对应初期值的保持率大于等于80％的薄膜形成。

此外，本发明提供铺展了前述太阳能发电系统用被覆材料而构成的太阳能发电系统。

本发明的太阳能发电系统用被覆材料不仅拉伸屈服强度高、能够加大集热部的支承构造体间隔，而且透明度良好，所以发电效率较高。此外，由于耐候性良好，所以长期使用也无需重铺，可减少维护费用。另外，通过使用熔融粘接加工获得的宽幅薄膜，能够有效地被覆集热部。另外，通过在薄膜端部装载电缆，能够有效且方便地覆盖集热部。

附图的简单说明

图1为表示本发明的太阳能发电系统的一例的模式截面图。

图2为表示薄膜熔融粘接部分的例子的截面图(A)、(B)和(C)。

图3为表示装载了电缆的薄膜端部的一例的截面图。

图4为表示连结夹具的示例的截面图(A)、(B)和(C)。

图5为表示连结部的示例的截面图(A)、(B)。

图6为表示太阳能发电系统的集热部的一例的部分立体图。

符号说明：1为太阳能发电系统，10为通风部，20为集热部，21为集热部的外周部，22为集热部的中央部，30为发电部，201为薄膜，202、203、205为熔融粘接部分，204、206为补强用薄膜，207为电缆，208为薄膜端部的熔融粘接部分，209、210、211为连结夹具，212为C型管，213为补强用线材用管，214为拉伸用线材通环，220为补强用线材，221为拉伸用线材，230、231为连结部，240为支柱，241为装载了连结夹具的支承构造体。

实施发明的最佳方式

本发明的太阳能发电系统用被覆材料的薄膜的基于JIS K7127的拉伸屈服强度大于等于10N/mm²、基于JIS R3106的太阳光照射透过率大于等于85％、且基于JIS B7753的太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时后的拉伸破坏强度对应初期值的保持率大于等于80％。

本发明的薄膜的基于JIS K7127的拉伸屈服强度大于等于10N/mm²。较好为大于等于15N/mm²。薄膜的拉伸屈服强度如果大于等于10N/mm²，则耐风压性良好，所以可减少支承构造体的数量，加大设置间隔。其结果是，由于支承构造体的数量可减少，所以能够降低成本。另外，能够减少支承构造体对太阳光的遮蔽，可提高太阳光的利用率，提高发电效率。拉伸屈服强度越高越好。通常，拉伸屈服强度的上限为250N/mm²。

本发明的薄膜的基于JIS R3106的太阳光照射透过率大于等于80％。太阳光照射透过率是对紫外光、可见光和近红外光形成的太阳光的透过性的指标，该值越大表示透过性越佳。太阳光照射透过率较好为大于等于85％，更好为大于等于90％。太阳光照射透过率理论上小于等于100％。

此外，该薄膜对红外线照射的透过率、即对波长10μm的光线照射的透过率较好为小于等于50％，更好为小于等于30％，最好为小于等于10％。红外线照射的透过率越低表示红外线的照射越少。对波长10μm的光线照射的透过率如果在上述范围内，则在夜间被蓄积于集热部内部的热量很难释放至外部，适合于夜间发电。红外线照射的透过率理论上大于等于0％。

本发明的薄膜的基于JIS B7753的太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时后的拉伸破坏强度对应初期值的保持率大于等于80％，更好的是大于等于85％。该保持率理论上小于等于100％。太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时相当于进行10年的实际的室外暴露试验。因此，该保持率如果在上述范围内，则耐候性良好，所以该薄膜长期使用时无需重铺，适合于以永久性运转为前提的太阳能发电系统。

本发明的薄膜的厚度较好为1～1000μm，更好为10～500μm，最好为50～300μm。

作为用于本发明的薄膜的材料，可例举乙烯-四氟乙烯系共聚体(ETFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚体(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚体(FEP)、四氟乙烯-六氟丙烯-1，1-二氟乙烯共聚体(THV)、聚偏1，1-二氟乙烯(PVdF)及聚氟乙烯(PVF)等含氟树脂，聚丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸甲酯系共聚体等丙烯酸树脂，聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚体等甲基丙烯酸树脂，聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯等聚酯树脂，聚碳酸酯树脂等。

作为前述材料，较好的是选自ETFE、PFA、FEP、THV、PVdF及PVF的1种或1种以上。更好的是选自ETFE、FEP及PVF的1种或1种以上，最好的是ETFE。ETFE的拉伸屈服强度、太阳光照射透过率和耐候性良好。

作为本发明的ETFE，较好的是四氟乙烯和乙烯的共聚体或四氟乙烯和乙烯及其它的单体的共聚体。

上述其它单体，可例举三氟氯乙烯、六氟丙烯(HFP)、全氟(烷基乙烯基醚)(PFVA)、1，1-二氟乙烯等氟烯烃类，CH₂＝CHR^f(R^f为碳原子数1～8的多氟烷基，下同)或CH₂＝CFR^f等多氟烷基乙烯类，CF₂＝CFOCH₂R^f等多氟烷基三氟乙烯基醚类等。它们可单独使用也可2种或2种以上并用。

上述其它单体，较好的是选自HFP、PFAV、CH₂=CHR^f及CH₂＝CFR^f的1种或1种以上。作为PFVA，较好的是CF₂＝CFOR^f，其中的R^f更好为碳原子数3～6的全氟烷基，最好为C₃F₇。CH₂＝CHR^f中的R^f更好为碳原子数3～6的全氟烷基，最好为C₄F₉。CH₂＝CFR^f中的R^f更好为碳原子数3～6的全氟烷基，最好为C₃F₇。作为其它单体，最好的是CH₂＝CHR^f。

作为前述ETFE的组成，基于四氟乙烯的单体单元/基于乙烯的单体单元的摩尔比较好为70/30～30/70，更好为65/35～40/60，最好为60/40～45/55。

含有基于其它的共聚单体的单体单元时，基于其它的共聚单体的单体单元的含量对应于基于四氟乙烯的单体单元和基于乙烯的单体单元的合计摩尔数较好为0.01～30摩尔％，更好为0.05～15摩尔％，最好为0.1～10摩尔％。

本发明的薄膜较好为单面具有亲水化处理面的薄膜。特别是薄膜在内侧～面具有亲水化处理面时，由于流滴性良好，所以即使结露水滴也很难附着于被覆材料的内侧。这种情况下，因水滴而导致的太阳光的遮蔽被减少，使发电效率变得更高。作为在薄膜的一面形成亲水化处理面的方法，采用湿式法或干式法。作为湿式法，可例举用辊筒涂布亲水性物质的溶液的方法，喷涂该溶液的方法，用毛刷涂布该溶液的方法及用涂布机涂布该溶液的方法等。较好的是利用涂布机涂布亲水性物质的溶液的方法或喷涂的方法。

作为干式法，可例举亲水性物质的溅射法、真空蒸镀法、CVD(化学气相沉积法)法、离子镀敷法等。较好的是生产性高、亲水性的持续性良好的亲水性物质的溅射法。

前述亲水性物质，可例举SiO₂、Al₂O₃等无机质胶体溶胶，聚乙烯醇、丙烯酸等亲水性树脂，Si、Sn、Ti、Nb、Al、Zn等金属的氧化物等。特好的是Si、Sn、Ti等金属的氧化物的溅射法。这种情况下，更好的是采用Si或Ti的金属的氧化物。

本发明的薄膜具有亲水化处理面时，较好的是使太阳能发电系统的集热部顶篷下面侧为亲水化处理面。

以下，采用附图对本发明进行说明，但本发明并不仅限于此。

图1为表示本发明的太阳能发电系统的一例的模式截面图。太阳能发电系统1由通风部10、集热部20和发电部30构成。集热部20具备包含薄膜201的顶篷215。顶篷215从集热部的外周部21开始朝向集热部的中央部22升高连续的倾斜。太阳光对集热部20内部的空气进行加热。被加热的空气沿集热部20的顶篷215朝向集热部的中央部22移动。即，空气在被加热的同时从集热部的外周部21向集热部的中央部22移动。该被加热的空气在集热部的中央部22被吸入通风部10，从通风部10的上部被排出。集热部的中央部22近旁的发电部30中设置了风力发电涡轮机。通过被加热的空气从集热部20移向通风部10来驱动该风力发电涡轮机而发电。

太阳能发电系统中的集热部20的直径较好为100～8000nm，更好为800～5000nm。通风部10的高度较好为100～2000m，更好为200～1500m。此外，通风部的直径较好为5～300m，更好为10～200m。

本发明的薄膜较好为由多片薄膜的端部经过熔融粘接加工而形成的宽幅薄膜。宽幅薄膜能够有效地覆盖集热部。作为熔融粘接加工的方法，可例举热熔融粘接、超声波熔融粘接、高频熔融粘接等方法。较好的是熔融粘接部分的强度高、生产性良好的热熔融粘接法。

图2为表示薄膜的熔融粘接部分的例子的截面图(A)、(B)和(C)。即，图2为表示2片薄膜的熔融粘接部分的3种熔融粘接形态的例子的截面图。图2(A)所示的薄膜的熔融粘接部分通过将2片薄膜201的端部重合、该重合部分被熔融粘接而形成。图2(B)所示的薄膜的熔融粘接部分通过将2片薄膜201的端部重合、再将补强用薄膜204重叠于该重合部分并进行熔融粘接而形成。图2(C)所示的薄膜的熔融粘接部分通过2片薄膜201的端部之间互相连接、再将补强用薄膜206重叠于该连接部分并进行熔融粘接而形成。

图2(A)的熔融粘接部分、图2(B)的熔融粘接部分中的重合部分的宽度较好为1～200mm，更好为3～100mm，最好为5～60mm。补强用薄膜204、补强用薄膜206的宽度较好为5～250mm，更好为10～100mm，最好为15～70mm。

本发明的薄膜较好为在其端部装载了电缆而形成的薄膜。如果在端部装载了电缆，则通过在被安装于支承构造体的连结夹具中插入该电缆，能够有效且简便地被覆集热部。在前述端部装载电缆的方法较好为折叠薄膜的边缘部，将电缆内包起来，对折叠的边缘部的各个表面进行热熔融粘接的方法。

图3为表示装载了电缆的薄膜端部的一例的截面图。在薄膜201的端部设置了电缆207。该薄膜端部被折叠，电缆被内包于其中。被折叠的薄膜201的端部和与该端部连接的薄膜201的重叠部分，即熔融粘接部分208的薄膜的各表面被热熔融粘接。这样就形成了装载了电缆207的薄膜201的端部。该电缆可例举树脂制电缆、树脂被覆金属制电缆、金属制电缆等。树脂制电缆由于不容易对薄膜造成机械损伤，所以比较理想。树脂制电缆中，更好的是聚乙烯醇树脂制电缆。电缆的直径较好为2～50mm，更好为5～30mm。对薄膜201的单面进行了亲水化处理时，最好对各非亲水化处理面进行热熔融粘接。各非亲水化处理面被热熔融粘接时，由于该熔融粘接部分的强度提高，熔融粘接部分不容易剥离，所以比较理想。

作为前述连结夹具，较好为具有狭缝、截面形状为C型的C型管背靠背结合的形状的夹具。

图4为表示连结夹具的例子的截面图(A)、(B)、(C)。图4(A)所示的连结夹具209呈C型管212、补强用线材用管213和C型管212以直线状结合的形状。图4(B)所示的连结夹具210呈C型管212、补强用线材用管213、C型管212以V字状结合的形状，在补强用线材用管213上设置拉伸用线材通环214。图4(C)所示的连结夹具211呈2个C型管212不通过补强用线材用管而结合的形状。连结夹具可具备补强用线材用管213，也可不具备该管。具有补强用线材用管213的情况下，由于可在补强用线材用管213中通入线材提高连结夹具的刚性，所以比较理想。C型管212的狭缝宽度L比薄膜201的厚度大，比电缆的直径小。L较好为电缆的直径的5～90％，更好为30～80％。作为连结夹具的材质，可例举树脂、纤维强化树脂、金属等。较好的材质为金属，其中最好为铝。

图5为表示连结部的例子的截面图(A)、(B)。图5(A)所示的连结部中，通过在连结夹具209的2个C型管212内分别嵌入装载了电缆207的2片薄膜201的端部，2片薄膜通过连结夹具209被连结。通过在补强用线材用管213中通入补强用线材220，连结夹具209的刚性得到了提高。图5(B)所示的连结部中，通过在连结夹具210的2个C型管212内分别嵌入装载了电缆207的2片薄膜201的端部，2片薄膜通过连结夹具210被连结。通过在补强用线材用管213中通入补强用线材220，连结夹具210的刚性得到了提高。通过在拉伸用线材通环214中穿入拉伸用线材221，将拉伸用线材221向下方拉伸，薄膜201被铺开。

作为补强用线材220及拉伸用线材221，可例举树脂线材、树脂被覆金属线材、金属线材等。金属线材由于刚性较高，所以比较理想。补强用线材220的直径较好为2～50mm，更好为5～30mm。拉伸用线材221的直径较好为2～50mm，更好为5～30mm。

图6为表示太阳能发电系统的集热部的一例的部分立体图。支柱240以一定间隔立于地面被配置。采用连结夹具209及连结夹具210连结了多片薄膜201的顶篷215被设置于该支柱240的上侧。顶篷215的连结夹具209被装载于支承构造体241。装载了连结夹具209的支承构造体241以与支柱240的上端部对接的状态被配置。拉伸用线材221被穿入连结夹具210的拉伸用线材通环214中。该拉伸用线材221的端部被配置在支柱240的下部。通过该拉伸用线材221将连结夹具210向下方拉伸，顶篷215被铺展，形成集热部20。集热部20中还可配置蓄水管等吸热体。通过配设该吸热体，能够进一步提高太阳能发电系统的发电效率。此外，即使在夜间也可利用来自该吸热体的热释放来加热吸热部20内的空气进行发电。

本发明的太阳能发电系统用被覆材料由机械强度、透明度和耐候性良好的薄膜形成，所以可用于太阳能发电系统以外的用途，例如，用于栽培温室、畜舍、堆肥舍、简易仓库、门廊、拱廊、体育馆、博览会用帐篷、植物园、汽车棚、游泳池等的被覆材料。

实施例

以下，举例对本申请的发明进行详细说明，本申请的发明并不仅限于此。

[薄膜的评价方法]

利用以下的方法测定拉伸屈服强度、太阳光照射透过率及拉伸破坏强度的保持率。

[拉伸屈服强度(N/mm²)]根据JIS K7127进行测定。具体来讲，采用刀片由薄膜获得宽20mm×长50mm的试验片，利用拉伸试验机(东洋ボ一ルドウィン株式会社制，大型坦锡伦(Tensilon))，以5mm/分钟的拉伸试验速度进行拉伸试验。将在记录仪上记录的拉伸应力-应变曲线中的最初的弯曲点作为屈服负荷，通过下式(1)算出拉伸屈服强度T。

T＝P/S  (1)

T[N/mm²]：拉伸屈服强度，P[N]：屈服负荷，S[mm²]：试验片截面积

[太阳光照射透过率(％)]：根据JIS R3106进行测定。具体来讲，采用刀片由薄膜获得50mm见方的试验片，利用紫外可见分光光度计(岛津制作所，UV3100PC)，测定波长340nm～1800nm的透过率，利用在JIS R3106所附的表2中记载的加权系数及计算式算出太阳光照射透过率。

[拉伸破坏强度的保持率(％)]根据JIS B7753实施太阳光炭弧灯式耐候性试验5000小时。基于JIS K7127对试验前后的薄膜的拉伸破坏强度进行测定。由试验前后的拉伸破坏强度，通过下式(2)算出保持率M。保持率M越高耐候性越佳。

M＝(Q/R)×100  (2)

M[％]：拉伸破坏强度的保持率，Q[N]：试验后的拉伸破坏强度，R[N]：试验前的拉伸破坏强度

[实施例1]薄膜制作的实施例

通过日本专利特开平6-157616中记载的溶液聚合法制备ETFE。ETFE的共聚组成是基于四氟乙烯的单体单元/基于乙烯的单体单元/基于CH₂＝CHC₄F₉的单体单元＝52.4/46.4/1.2(摩尔比)。采用装载了T型模的熔融挤出机，于模温300℃使该ETFE成形，制得厚100μm的薄膜。测定所得ETFE的拉伸屈服强度、太阳光照射透过率、耐候性。结果示于表1。

[比较例1及2]比较例的薄膜

对聚氯乙烯薄膜(三菱化学MKV株式会社制ノ一ビエ一ス(注册商标)，厚100μm)和聚乙烯薄膜(三菱化学MKV株式会社制アグリスタ一(注册商标)，厚100μm)实施与实施例1同样的测定。结果示于表1。

                   表1

 实施例1  比较例1 比较例2  薄膜 ETFE  PVC PE  厚度[μm] 100  100 100  拉伸屈服强度T  [N/mm²] 15  无屈服点 8  太阳光照射透过率[％] 94  93 88  保持率M(耐候性)[％] 90  0 30

[实施例2]宽幅薄膜的制作例

用热熔融粘接机(クインライト电子精工株式会社制，热密封机LHP-W705)，在260℃的熔融粘接温度下进行熔融粘接加工。重复此操作，制得宽5m的宽幅薄膜。ETFE薄膜A通过只将薄膜端部的3cm重合，然后进行熔融粘接加工而获得(图2(A)的熔融粘接部分)。ETFE薄膜B通过将薄膜端部的1cm重合，然后在该重合部分之上再重合宽3.5cm的补强用薄膜并进行熔融粘接加工而获得(图2(B)的熔融粘接部分)。ETFE薄膜C通过将薄膜的端部互相连接，再跨越该连接部分重合宽3.5mm的补强用薄膜并进行熔融粘接加工而获得(图2(C)的熔融粘接部分)。这些ETFE薄膜A1、ETFE薄膜A2及ETFE薄膜A3的熔融粘接部分的截面图示于图2。

[实施例3]太阳能发电系统的构筑

在ETFE薄膜的端部装载直径1cm的聚乙烯醇树脂制电缆(PVA电缆)。具体来讲，折叠ETFE薄膜的边缘部，将PVA电缆内包于其中。对被折成环状的该ETFE薄膜的边缘部的各个表面进行热熔融粘接处理，将PVA电缆固定于薄膜端部，制得装载了PVA电缆的ETFE薄膜。装载了PVA电缆的ETFE薄膜的端部的截面图如图3所示。然后，采用连结夹具及连结夹具，将装载了PVA电缆的ETFE薄膜插入连结夹具209及连结夹具210。连结夹具209被支承构造体固定，该ETFE薄膜覆盖支承构造体及支柱。将拉伸用线材穿入连结夹具210的拉伸用线材通环。通过将拉伸用线材的端部固定于支柱的下方，由该拉伸用线材将连结夹具拉向下方，藉此铺展顶篷，形成集热部。此外，形成通风部，在集热部的中央部近旁设置风力发电涡轮机形成发电部，构筑太阳能发电系统。连结夹具209及连结夹具210的截面图示于图4，此外，嵌有装载了PVA电缆的ETFE薄膜的连结夹具的截面示于图5，被该薄膜覆盖的支承构造体及支柱的立体图、即集热部的立体图示于图6。

从表1可知，ETFE薄膜具有良好的拉伸屈服强度、太阳光照射透过率和耐候性，可作为优良的太阳能发电系统用被覆材料使用。此外，通过重复图2的截面形状的熔融粘接加工，能够容易地获得宽幅薄膜。如图3及图4所示，采用在端部装载了PVA电缆的薄膜和连结夹具，通过图5所示的被覆方法，采用宽幅的大面积的ETFE薄膜，能够有效且容易地被覆太阳能发电系统的集热部。

产业上利用的可能性

本发明的太阳能发电系统用被覆材料由机械强度、透明度和耐候性良好的薄膜形成，所以作为可长期使用的太阳光的利用率良好的太阳能发电系统用被覆材料极为有用。