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研究によると、30度を超える傾斜角は太陽光発電モジュールの熱故障を遅らせることが示されています。
中国とイタリアの研究者グループは、太陽光発電モジュールの熱故障に及ぼす傾斜角度の影響を調査した。その結果、傾斜角度が30度を超えると、故障までの時間が長くなることが分かった。
科学者たちは、均一な放射パネルと傾斜パネルを用いた実験装置を使用し、ガラスの熱破壊、表面温度、入射熱流束、および破壊特性を追跡した。また、有限要素法（FEM）モデルでこの装置をシミュレーションし、平均誤差を測定した。
「太陽光発電モジュールはガラスでできており、ガラスは火災にさらされるとすぐに割れたり脱落したりする可能性のある脆い素材です。ガラスにひびが入ると、太陽光発電パネルの可燃性物質が直接火災の放射熱を受け、酸素を取り込むため、太陽光発電システムの故障を招きます。さらに、太陽光発電モジュールのガラスが割れて脱落すると、露出した太陽光発電パネルの表面が大きな可燃面となる可能性があります」と、同グループは述べています。「しかしながら、太陽光発電パネルは広く普及し、その重要性も高いにもかかわらず、様々な傾斜角度での性能はテストされていません。」
研究グループは、均一な熱源として、600 mm x 600 mmのプロパン燃焼式放射パネルを使用した。その上に、最高1,200℃の温度に耐えられる亜鉛メッキ鋼フレーム製のPVマウントを設置した。内部には、厚さ3.2 mmの焼きなまし処理された非強化ガラス層を含む、300 mm x 300 mmの単結晶シリコンPVパネルを配置した。合計15枚のパネルをテストし、傾斜角0°、15°、30°、45°、60°の各シナリオにつき3枚ずつ使用した。
分析の結果、PVパネルが熱放射にさらされると、ガラスのひび割れは、火災にさらされた表面で温度差が最大となる端部で発生することが多いことが分かった。また、PVパネルの下部に収束したリボンが存在するため、傾斜が45°を超えると、パネルの端部よりも下部でひび割れが発生しやすいことも明らかになった。
さらに、ガラス層と太陽電池層の間、およびバックプレートと太陽電池層の間に可燃性の気泡が発見され、科学者らは、これらは点火プラグや実際の火災で引火する可能性があると述べている。
さらに、測定結果によると、太陽光発電パネルの傾斜角度が0°から60°に変化するにつれて、パネルの初回故障までの平均時間が増加する傾向が見られました。具体的には、傾斜角度が0°、15°、30°、45°、60°の場合、初回故障までの平均時間はそれぞれ36秒、33秒、40秒、62秒、71秒でした。
「太陽光発電パネルの傾斜角度が30度を超えると、故障までの時間が著しく増加しました。30度は太陽光発電パネルの熱故障の臨界傾斜角度です」と研究者らは述べています。「故障までの時間はケースによって異なりましたが、臨界温度差は61～84度と近く、亀裂の大部分は8～15kW/m2の範囲内で発生しました。」
研究グループはその後、Abaqusソフトウェアを用いてシステムの数値有限要素法（FEM）モデルを開発した。ガラスの最初の破損はこの期間内に発生すると考えられるため、シミュレーション時間を100秒に制限した。実験結果と比較したところ、FEMモデルは温度分布において平均13.5%の誤差、最初の破損時間において15%未満の誤差を達成した。
「エチレン酢酸ビニル（EVA）の気泡やテドラー・ポリエステル・テドラー（TPT）の膨張によって生じる困難を考慮すると、この合意は、熱モデルがPVパネルの温度分布を予測できることを示唆している」と科学者たちは結論付けた。「3層構造の温度上昇という仮定は、傾斜角が大きい場合に適切であることが証明された。」