DE112012000396T5

DE112012000396T5 - Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften einer Solarzelle und Solarstromerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE112012000396T5
Application number: DE112012000396T
Authority: DE
Inventors: Tohru Kohno; Tomoharu Nakamura; Akihiro Nakamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-01-28
Also published as: WO2012105197A1; JP2012160498A; US20130311121A1; DE112012000396B4; JP5732873B2; US9651631B2

Abstract

Zur Bereitstellung eines Berechnungsverfahrens für die Reproduktion der Eigenschaften von Solarzellen mit hoher Genauigkeit unter Verwendung von Daten für einen Kurzschlussstrom, eine Leerlaufspannung und den Höchstleistungs-Betriebspunkt einer Solarzelle bei einer Temperatur und einer Sonnenstrahlungsintensität in einem Standardzustand werden die Parameterwerte zur Bestimmung der Eigenschaften im Standardzustand anhand von Daten für den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und den Höchstleistungs-Betriebspunkt der Solarzelle bei der Temperatur und der Sonnenstrahlungsintensität im Standardzustand berechnet. Als Nächstes werden die Temperaturkoeffizienten der Leerlaufspannung und des Sättigungssperrstroms anhand der berechneten Parameter berechnet, und ein Kurzschlussstrom, eine Leerlaufspannung und der Höchstleistungs-Betriebspunkt bei einer gegebenen Temperatur werden berechnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften einer Solarzelle.
Stand der Technik
1(a) zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarzellenmoduls, bei der ein elektrischer Strom mit einer Spannung von 0 V als ein Kurzschlussstrom Isc und eine Spannung mit einer Stromstärke von 0 A als eine Leerlaufspannung Voc bezeichnet werden. Außerdem zeigt 1(b) eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie. Wenn ein Punkt, an dem die Leistung maximal wird, als ein Arbeitspunkt definiert wird, werden eine Betriebsspannung bezogen auf den Arbeitspunkt als eine maximale Betriebsspannung Vop und ein Betriebsstrom als ein maximaler Betriebsstrom Iop bezeichnet.
Die Eigenschaften des Solarzellenmoduls können durch einen Ausdruck (1) mit den folgenden Parametern angegeben werden: I: Ausgangsstrom [A], Is: Sättigungssperrstrom [A], V: Ausgangsspannung [V], Isc: Kurzschlussstrom [A], T: absolute Temperatur des Solarzellenelements [K], k: Boltzmann-Konstante [J/K], Rs: Reihenwiderstand der Verdrahtung usw. zur Verbindung der Solarzellen miteinander [Ω], q: elektrische Ladungsmenge der Elektronen [C], Rsh: Parallelwiderstand [Ω], n: Diodenübergangskonstante, p: Sonnenstrahlungsintensität [kW/m²] und Ncell: Anzahl der Solarzellen in dem Solarzellenmodul. I = Isc·p – Is·{exp(q(V/Ncell + Rs·I)/(n·k·T))} – (V/Ncell + Rs·I)/Rsh (1)
Der Ausgangsstrom Ib [A] und die Ausgangsspannung Vb [V] bei einer Sonnenstrahlungsintensität Eb und einer Temperatur Tb können mit einem Ausdruck (2) und einem Ausdruck (3) unter Verwendung von Ia: Ausgangsstrom [A], Va: Ausgangsspannung [V], Isca: Kurzschlussstrom [A], Rsa: Reihenwiderstand [Ω], eines Temperaturkoeffizienten des Kurzschlussstroms α [A/°C], eines Temperaturkoeffizienten der Leerlaufspannung β [V/°C] und eines Kennlinienkorrekturfaktors K bei einer Sonnenstrahlungsintensität Ea (1 kW/m²) und einer Raumtemperatur Ta (298 K) berechnet werden. Ib = Ia + Isca·(Eb/Ea – 1) + α·(Tb – Ta) (2) Vb = Va + β·(Tb – Ta) – Rsa·(Ib – Ia) – K·Ib·(Tb – Ta) (3)
Patentliteratur 1 kann als Stand der Technik zur Erfassung der Eigenschaften von Solarzellenmodulen angeführt werden.
In Patentliteratur 1 werden grundlegende Kenngrößen von drei Temperaturpunkten als Referenzen berechnet, und diese Werte werden kurvenlinear interpoliert, um die grundlegenden Kenngrößen bei einer bestimmten Temperatur zu erhalten.
Patentliteratur 2 kann ebenfalls als weiterer Stand der Technik angeführt werden. In Patentliteratur 2 werden im Falle der Berechnung einer Stromerzeugungsmenge bei jeder Temperatur, wenn die Sonnenstrahlungsenergie 1 kW/m² beträgt, zuerst die Strom-Spannungs-Eigenschaften berechnet, indem die Sonnenstrahlungsenergie als 1 kW/m² und eine Solarzellentemperatur als 25°C definiert werden. Als Nächstes werden ein Erzeugungsstrom und eine Spannung in den Strom-Spannungs-Eigenschaften bei 25°C entsprechend der Temperatur durch Verwendung der Ausdrücke (2) und (3) als Korrekturausdrücke zur Korrektur des Erzeugungsstroms und der Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur in einer Stromerzeugungsmengen-Korrektureinheit korrigiert.
ZITIERLISTE
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP-A-2005-51014
Patentliteratur 2: JP-A-2003-5849

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Die Notwendigkeit zur Erfassung der Stromerzeugungsmenge einer Solarstromerzeugungsanlage mit hoher Genauigkeit wächst bei der Einführung eines Gesamtmengen-Abnahmesystems. Weil die Solarzellen gerätespezifische Schwankungen in den Moduleinheiten aufweisen und deren Eigenschaften je nach Sonnenstrahlungsintensität und Temperatur variieren, ist es folglich wichtig, die Eigenschaften oder Kenngrößen des Solarzellenmoduls mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Wenn die Solarstromerzeugungsanlage an einem bestimmten Stromerzeugungsstandort gebaut wird, wird ein in 2 gezeigtes Prüfprotokoll für Solarzellenmodule mitgeliefert. In dem Prüfprotokoll sind ein Kurzschlussstrom Isc, eine Leerlaufspannung Voc, eine Betriebsspannung Vop und ein Betriebsstrom Iop für jedes Solarzellenmodul bei einer Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und bei einer Raumtemperatur von 298 K angegeben. Um die Eigenschaften der jeweiligen Solarzellenmodule am Stromerzeugungsstandort mit hoher Genauigkeit zu erfassen, ist es wichtig, ein Verfahren zur Reproduktion der Eigenschaften der Solarzellenmodule mit hoher Genauigkeit anhand von Informationen für den Kurzschlussstrom Isc, die Leerlaufspannung Voc, die Betriebsspannung Vop und den Betriebsstrom Iop unter Berücksichtigung von Geräteschwankungen, Sonnenstrahlungsintensität und Temperatureigenschaften anzuwenden.
Bei den in Patentliteratur 1 und 2 beschriebenen Verfahren sind Werte für Isc, Voc, Vop, Iop, Rs, α, β und K bei der Raumtemperatur von 298 K oder Werte für Isc, Voc, Vop und Iop bei der Raumtemperatur von 298 K und einer weiteren Temperatur, zum Beispiel Tb, nötig.
Für ein großes Solarkraftwerk oder einen industriellen Stromerzeugungsstandort, die zehntausende von Solarzellenmodulen benötigen, werden im Prüfprotokoll für die Solarzellenmodule nur der Kurzschlussstrom Isc, die Leerlaufspannung Voc, die Betriebsspannung Vop und der Betriebsstrom Iop bei der Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und bei der Raumtemperatur von 298 K angegeben. Es ist schwierig, Isc, Voc, Vop und Iop bei einer anderen Temperatur zu messen, ebenso wie es aus Kostengründen schwierig ist, Rs sowie α, β und K im Hinblick auf zehntausende von Solarzellenmodulen zu messen, und das Festlegen von Werten für Isc, Voc, Vop und Iop bei einer anderen Temperatur als der Raumtemperatur oder von Werten für Rs, α, β und K erfordert eine unrealistische Menge an Informationen.
Darüber hinaus können Werte für α, β und K anhand der Temperatureigenschaften geschätzt werden, die von den Herstellern von Solarzellenmodulen erhältlich sind. Die verfügbaren Daten betreffen jedoch die Temperatureigenschaften im Hinblick auf Solarzellenmodule, die bei einem typischen Wert (Standard) angeordnet sind. Daher ist es ein Nachteil, dass es schwierig ist, Schwankungen von α, β und K in den jeweiligen Solarzellenmodulen in einem Modell abzubilden, und die Genauigkeit zum Zeitpunkt der Schätzung der Stromerzeugungsmenge ist gering.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Berechnung der Eigenschaften eines Solarzellenmoduls mit hoher Genauigkeit im Hinblick auf Schwankungen der Eigenschaften aufgrund von Geräteschwankungen, Sonnenstrahlungsintensität und Temperatur anhand des Kurzschlussstroms Isc, der Leerlaufspannung Voc, der Betriebsspannung Vop und des Betriebsstroms Iop bei der Sonnenstrahlungsintensität und der Temperatur, die im Prüfprotokoll angegeben sind, das beim Hersteller der Solarzellenmodule erhältlich ist (insbesondere die Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und die Raumtemperatur von 298 K), ohne die vorstehend genannten Parameter des Solarzellenmoduls zu messen.
Lösung des Problems
Repräsentative Erfindungen unter den in dieser Anmeldung offengelegten Erfindungen werden nachstehend kurz erläutert.
Ein Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften einer Solarzelle umfasst die Schritte Eingabe von Daten für einen Kurzschlussstrom, eine Leerlaufspannung, eine Betriebsspannung und einen Betriebsstrom der Solarzelle bei einer Temperatur und einer Sonnenstrahlungsintensität in einem Standardzustand, Berechnen der Parameter für jede Solarzelle unter Verwendung der Daten, die zur Bestimmung der Eigenschaften der Solarzelle im Standardzustand dienen und in jeder Solarzelle variieren, Berechnen der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und der Temperatureigenschaften eines Sättigungssperrstroms anhand der berechneten Parameter und Berechnen des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms bei einer gegebenen Temperatur auf der Grundlage der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und der Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Eigenschaften des Solarzellenmoduls mit hoher Genauigkeit anhand des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms bei der im Prüfprotokoll angegebenen Sonnenstrahlungsintensität und Temperatur zu berechnen, ohne den Reihenwiderstand, den Temperaturkoeffizienten des Kurzschlussstroms, den Temperaturkoeffizienten der Leerlaufspannung und den Kennlinienkorrekturfaktor oder den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und den Betriebsstrom bei einer anderen Temperatur in jedem Solarzellenmodul zu messen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1(a) zeigt ein Beispiel für eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solarzellenmoduls.
1(b) zeigt ein Beispiel für eine Leistungs-Spannungs-Kennlinie des Solarzellenmoduls.
2 zeigt ein Beispiel eines Prüfprotokolls für Solarzellen, die an einen Stromerzeugungsstandort geliefert werden.
3 zeigt ein Beispiel für ein Diagramm des gesamten Ablaufs nach der ersten Ausführungsform.
4 zeigt ein Beispiel für die Berechnung im Standardzustand in dem Ablauf nach der ersten Ausführungsform.
5 zeigt ein Beispiel für die Berechnung der Temperatureigenschaften in dem Ablauf nach der ersten Ausführungsform.
6 zeigt ein Beispiel einer Solarstromerzeugungsanlage nach der zweiten Ausführungsform.
7 zeigt ein Beispiel einer Solarstromerzeugungsanlage nach der dritten Ausführungsform.
8 zeigt ein Beispiel für die Verarbeitung in einer Umweltdatenberechnungseinheit nach der dritten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Modellierungsverfahrens nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Berechnung der Schwankungen im Hinblick auf variierende Parameter in den jeweiligen Solarzellenmodulen mit dem charakteristischen Ausdruck (1) für die Solarzellenmodule auf der Grundlage eines Kurzschlussstroms, einer Leerlaufspannung, einer Betriebsspannung und eines Betriebsstroms in den jeweiligen Solarzellenmodulen, die in einem Prüfprotokoll angegeben sind, um so die Parameter zu bestimmen. Die Temperatureigenschaften eines Sättigungssperrstroms und der Leerlaufspannung werden anhand der bestimmten Parameter berechnet, und der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und der Betriebsstrom bei einer gegebenen Temperatur werden berechnet. Danach wird ein Reihenwiderstand Rs anhand der berechneten Ergebnisse bestimmt.
Folglich können die Eigenschaften des Solarzellenmoduls aus dem Kurzschlussstrom, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und dem Betriebsstrom, die im Prüfprotokoll angegeben sind, berechnet werden, ohne den Reihenwiderstand Rs, einen Temperaturkoeffizienten eines Kurzschlussstroms α, einen Temperaturkoeffizienten einer Leerlaufspannung β und einen Kennlinienkorrekturfaktor K oder den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und den Betriebsstrom bei einer anderen Temperatur in jedem Solarzellenmodul zu messen. Weil die Berechnung durch Abbildung von Geräteschwankungen und Temperatureigenschaften durchgeführt wird, ist es außerdem möglich, die Eigenschaften des Solarzellenmoduls mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
Die einzugebenden Daten sind die im Prüfprotokoll angegebenen Daten (der Betriebsstrom, die Betriebsspannung, die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom), feste Parameter (eine Boltzmann-Konstante k, eine elektrische Ladungsmenge der Elektronen q und die Anzahl der Solarzellen in dem Solarzellenmodul Ncell) und Umweltparameter (Sonnenstrahlungsintensität 1 kW/m² und Raumtemperatur 298 K).
Zuerst wird das Berechnen der variierenden Empfindlichkeiten im Standardzustand (Sonnenstrahlungsintensität 1 kW/m², Raumtemperatur 298 K) durchgeführt (S401). Daher werden die Parameter für den Ausdruck (1) zur Angabe der Eigenschaften der Solarzelle wie folgt klassifiziert:

(i) Feste Parameter (variierende Empfindlichkeit = 0)

k:: Boltzmann-Konstante (= 1,38 × 10^–23 J/K)
q:: Elektrische Ladungsmenge der Elektronen (= 1,592 × 10^–12 C)
Ncell:: Anzahl der Solarzellen in jedem Solarzellenmodul

(ii) Umweltparameter (in diesem Fall Standardbedingungen einsetzen)

p:: Sonnenstrahlungsintensität (= 1 kW/m²)
T:: Absolute Temperatur des Solarzellenelements (= 298 K)

(iii) Variable Parameter

Isc:: Kurzschlussstrom [A]
n:: Diodenübergangskonstante
Rsh:: Parallelwiderstand [Ω]
Rs:: Reihenwiderstand [Ω]
Is:: Sättigungssperrstrom [A]

Weil „Isc” ein im Prüfprotokoll angegebener Wert ist, ist er bestimmt. Daher werden die Berechnungen von Rs: Reihenwiderstand [Ω], Rsh: Parallelwiderstand [Ω], n: Diodenübergangskonstante und Is: Sättigungssperrstrom [A] unter Berücksichtigung von Schwankungen durchgeführt.
Der Kurzschlussstrom Isc, die Leerlaufspannung Voc, die Betriebsspannung Vop und der Betriebsstrom Iop bei einer Sonnenstrahlungsintensität Ea (1 kW/m²) und einer Raumtemperatur Ia (298 K) des zu modellierenden Solarzellenmoduls werden eingegeben, und die Berechnung der Schwankungen in Schritt S401 für Rs, Rsh, n und Is sowie eine Anpassung in Schritt S402 werden bei der Berechnung im Standardzustand in Schritt S400 durchgeführt. Folglich werden die Parameter des Solarzellenmoduls im Standardzustand bestimmt.
Als Nächstes wird die Aufmerksamkeit auf die Temperatureigenschaften gelenkt. Die Berechnung der Temperatureigenschaften in Schritt S500 umfasst einen Schritt zur Berechnung der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und des Sättigungssperrstroms (S501), einen Schritt zur Berechnung des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms bei einer gegebenen Temperatur (S502) und einen Schritt zur Anpassung des Reihenwiderstands (S503).
In Schritt S501 werden die Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung Voc und die Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms Is für jedes Solarzellenmodul mit einem größeren Temperaturkoeffizienten berechnet, wodurch die Temperaturabhängigkeit mit hoher Genauigkeit modelliert wird.
Als Nächstes werden eine Leerlaufspannung Voc [Tb] und ein Sättigungssperrstrom Is [Tb] bei einer Temperatur Tb als ein Stromerzeugungszustand unter Verwendung der berechneten Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung Voc und der Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms Is berechnet. Danach werden Isc [Tb], Vop [Tb] und Iop [Tb], bei denen es sich um die Werte für den Kurzschlussstrom Isc, die Betriebsspannung Vop und den Betriebsstrom Iop an einem Stromerzeugungsstandort handelt, berechnet (S502b).
Zuletzt wird ein Wert für den Reihenwiderstand Rs, der in einem Halbleiterbauteil schwierig zu berechnen ist, angepasst (S503). Dementsprechend werden die Parameter bestimmt, die die Eigenschaften der Solarzelle im Stromerzeugungszustand angeben; danach können Kurven, die die Eigenschaften der Solarzelle angeben, zum Beispiel die Strom-Spannungs-Kennlinie und die Leistungs-Spannungs-Kennlinie, berechnet werden (S504).
4 zeigt ein ausführliches Ablaufdiagramm des Berechnungsschritts S400 im Standardzustand. Wie vorstehend beschrieben, sind die Parameter zur Angabe der Eigenschaften der Solarzelle in feste Parameter, Umweltparameter und variable Parameter eingeteilt. Bei den Umweltparametern sind die Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und die Raumtemperatur von 298 K fest. Weil der Kurzschlussstrom Isc ein im Prüfprotokoll angegebener Wert ist, ist er bestimmt. Daher werden die variierenden Empfindlichkeiten von Rs: Reihenwiderstand [Ω], Rsh: Parallelwiderstand [Ω], n: Diodenübergangskonstante und Is: Sättigungssperrstrom berechnet.
Die Berechnung der variierenden Empfindlichkeiten ist in Schritt S401 gezeigt. Zuerst werden provisorische Werte Rs0, Rsh0, n0 und Is0 im Hinblick auf die jeweiligen variablen Parameter bestimmt. Rs wird so gewählt, dass der Verlust im Modul aufgrund der Wärmeerzeugung unter einem bestimmten Wert liegt. Rs wird zum Beispiel mit Rs = 0,001 Ω gewählt, so dass der Verlust im Modul aufgrund der Wärmeerzeugung unter 2 liegt, das heißt Iop × Rs² [W] beträgt weniger als 2 der Nennleistung (Vop × Iop). Was Rsh: Parallelwiderstand [Ω] und n: Diodenübergangskonstante angeht, können provisorische Werte aus den Ausdrücken (4) und (5) ermittelt werden, indem Isc, Voc, Vop und Iop bei der im Prüfprotokoll angegebenen Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und Raumtemperatur von 298 K verwendet werden. Der Ausdruck (4) kann durch Einsetzen von „0” in „I” im Ausdruck (1) zum Transformieren des Ausdrucks hergeleitet werden. Der Ausdruck (5) kann durch Einsetzen von „Iop” in „I” und Einsetzen von „Vop” in „V” im Ausdruck (1) zum Transformieren des Ausdrucks erhalten werden. n0 = q·(Voc/Ncell)/(k·T)·{1/In(Isc/Is)} (4) Rsh0 = (Vop/Ncell)/{Isc – Is·exp((q·Vop)/(n·k·T·Ncell)) – Iop} (5)
Is0 wird auf 1,68 × 10^–5 [A] als einen Wert für den Sättigungssperrstrom eines Silizium-Halbleiters eingestellt. Die variierende Empfindlichkeit des Solarzellenmoduls, angegeben durch den Ausdruck (1), wird mit den vorstehend als provisorische Werte berechneten Werten berechnet. Die variierende Empfindlichkeit kann mit einem Ausdruck (6) berechnet werden, wobei der Strom I(x) mit Rs, Rsh, n bzw. Is als Variablen „x” verwendet wird. S^I(x)x = {x/I(x)}·{∂I(x)/∂x} (6)
Als Nächstes wird die Berechnung der Anpassung in absteigender Reihenfolge der variierenden Empfindlichkeiten durchgeführt (S402). Bei der Ausführungsform wird die Anpassung in absteigender Reihenfolge der variierenden Empfindlichkeiten durchgeführt, nämlich in der Reihenfolge von n: Diodenübergangskonstante, Rs: Reihenwiderstand [Ω], Is: Sättigungssperrstrom [A] und Rsh: Parallelwiderstand [Ω].
Was n: Diodenübergangskonstante angeht, wird die Aufmerksamkeit auf die hohe Empfindlichkeit bezogen auf die Leerlaufspannung gelenkt, und die Anpassung erfolgt durch Transponieren eines Wertes für „n” unter Vergleich von Voc', die in einem Ausdruck (7) durch Austausch von „n” erhalten wird, mit Voc, wie im Prüfprotokoll angegeben (S402a). Wie in 4 gezeigt, wird die Anpassung eine vorgegebene Anzahl von Malen (zum Beispiel 10.000-mal) durchgeführt, und der als Ergebnis der Anpassung erhaltene Wert „n0” wird als „n” bestimmt. Voc = {((n·k·T)/q)·ln(Isc/Is)}·Ncell (7)
Was Rs: Reihenwiderstand [Ω], Rsh: Parallelwiderstand und Is: Sättigungssperrstrom [A] angeht, wird die Aufmerksamkeit auf die hohe Empfindlichkeit bezogen auf den Betriebsstrom und die Betriebsspannung gelenkt, und die Anpassung erfolgt durch Transponieren von Werten für die jeweiligen Parameter unter Vergleich eines Füllfaktors: FF = (Iop·Vop)/(Isc·Voc), berechnet aus dem Prüfprotokoll, mit einem Füllfaktor FF' unter Verwendung von Iop', wie im Ausdruck (1) berechnet (S402b, S402c und S402d). Rs0, Rsh0 und Is0, die als Ergebnisse der Anpassung für eine vorgegebene Anzahl von Malen erhalten wurden, werden in derselben Weise wie in Schritt S402a als Rs, Rsh und Is bestimmt. Damit ist das Einstellen der variablen Parameter im Standardzustand (Sonnenstrahlungsintensität 1 kW/m², Raumtemperatur 298 K) abgeschlossen (S402e).
Wenn die durch die vorstehende Berechnung der variierenden Empfindlichkeiten und die Anpassung erhaltenen variablen Parameter verwendet werden, kann das mit dem Ausdruck (1) im Standardzustand bei der Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und der Raumtemperatur von 298 K erhaltene Modell für die Strom-Spannungs-Kennlinie des Solarzellenmoduls mit hoher Genauigkeit bezogen auf die Strom-Spannungs-Kennlinie reproduziert werden, die durch tatsächliche Messung erhalten werden.
5 zeigt ein ausführliches Ablaufdiagramm des Berechnungsschritts S500 für die Temperatureigenschaften. Für die Temperatureigenschaften kann die sehr genaue Modellierung durch Berechnung der Temperatureigenschaften von Voc und der Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms Is für jedes Solarzellenmodul in Schritt S501 realisiert werden. Die Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung Voc sind durch einen Ausdruck (8) durch Differenzierung des Ausdrucks (7) bezüglich der Temperatur gegeben. ∂Voc/∂T = {((n·k)/q)·ln(Isc/Is) – ((k·T)/(q·Is))·(∂Is)/(∂T)}·Ncell = {Voc/T – ((k·T)/(q·Is))·(∂Is)/(∂T)}·Ncell (8)
Wenn eine Bandlückenspannung Ego (= 1,205 eV) verwendet wird, gilt hier: Is = K·T³·exp(–(Ego/k·T)) (9) ∂Is/∂T = 3·K·T²·exp(–(Ego/k·T)) + ((K·T·Ego)/k)exp(–(Ego/k·T)) = (3/T + Ego/(k·T²))·Is (10)
Die Temperatureigenschaften von Is: Sättigungssperrstrom werden berechnet. Wenn der Ausdruck (10) in den Ausdruck (8) eingesetzt wird, werden die Temperatureigenschaften der in Ausdruck (1) gezeigten Leerlaufspannung berechnet. ∂Voc/∂T = {(Voc/T) – (1/T)·((3·n·k·T)/q + (Ego)/q))}·Ncell (11)
Nach den vorstehenden Verfahren kann der Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung β [V/°C] in jedem Bauteil berechnet werden.
Wenn der vorstehende Temperaturkoeffizient verwendet wird, werden Voc[Tb], Is[Tb], Isc[Tb], Vop[Tb] und Iop[Tb] bei der Temperatur Tb als Stromerzeugungszustand in Schritt S502 berechnet. Is[Tb] und Vop[Tb], die erhalten werden, wenn die Temperatur Tb geändert wird, werden mit dem Ausdruck (10) und einem Ausdruck (12) berechnet, und der Kurzschlussstrom Isc[Tb] bei der Temperatur Tb wird durch Einsetzen dieser Werte in Ausdruck (12) berechnet. Isc[Tb] ≈ Is[Tb]·exp((q/(n·k·Tb))·Voc[Tb]) (12)
Der Temperaturkoeffizient des Kurzschlussstroms α [A/°C] in jedem Element kann durch Berechnung eines Verhältnisses zwischen Isc bei Raumtemperatur und Isc[Tb] berechnet werden.
Wenn die Aufmerksamkeit auf Vop gerichtet wird, kann außerdem Vop mit einem Ausdruck (13) in derselben Weise wie mit Ausdruck (7) berechnet werden. Vop = {((n·k·T)/q)·ln((Isc – Iop)/Is)}·Ncell (13)
Wenn Is aus dem Ausdruck (7) und dem Ausdruck (13) eliminiert wird, kann ein Ausdruck (14) erhalten werden. (Vop – Voc)/T = {((n·k/q)·ln((Isc – Iop)/Isc)}·Ncell (14)
Mit der Durchführung der Berechnung für Tb in derselben Weise kann ein Ausdruck (15) erhalten werden. (Vop[Tb] – Voc[Tb])/Tb = {((n·k/q)·ln((Isc[Tb] – Iop[Tb])/Isc[Tb])}·Ncell (15)
Da bekannt ist, dass die Beziehung Iop ≈ j·Isc (j: Konstante) auch gilt, wenn die Umgebungsbedingungen wie z. B. die Sonnenstrahlungsintensität oder die Temperatur variieren, gilt hier ein, Ausdruck (16). (n·k/q)·ln((Isc – Iop)/Isc) = ((n·k)/q)·ln((Isc[Tb] – Iop[Tb])/Isc[Tb]) (16)
Ein Ausdruck (17) für die Temperaturschwankung von Vop wird aus dem Ausdruck (15) und dem Ausdruck (16) berechnet. Vop[Tb] = ((Vop – Voc)/T)·Tb + Voc[Tb] (17)
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Berechnung in Schritt S502b der Ausdruck (12) zur Berechnung von Isc[Tb] verwendet, der Ausdruck (17) wird zur Berechnung von Vop[Tb] verwendet und Isc[Tb] wird mit einer Konstanten „j” multipliziert, die mit Iop ≈ j·Isc zur Berechnung von Iop[Tb] berechnet wird. Folglich können der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und der Betriebsstrom bei einer gegebenen Temperatur berechnet werden.
Da Schwankungen des Reihenwiderstands Rs in einem Montageprozess für das Solarzellenmodul auftreten, ist es schwierig, den Reihenwiderstand Rs anhand der Eigenschaften von Halbleiterbauteilen zu berechnen. Daher wird nach Anwenden der Leerlaufspannung Voc[Tb], des Kurzschlussstroms Isc[Tb], der Betriebsspannung Vop[Tb] und des Betriebsstroms Iop[Tb] bei der Temperatur Tb auf den charakteristischen Ausdruck für das Solarzellenmodul die Berechnung für die Anpassung des Reihenwiderstands Rs durchgeführt (S503).
Als ein Verfahren für die Anpassung konzentriert sich die Aufmerksamkeit auf die hohe Empfindlichkeit bezogen auf den Betriebsstrom und die Betriebsspannung, und die Anpassung erfolgt durch Transponieren von Werten für die jeweiligen Parameter unter Vergleich eines Füllfaktors: FF = (Iop·Vop)/(Isc·Voc), berechnet aus dem Prüfprotokoll, mit dem Füllfaktor FF' unter Verwendung von Iop', wie im Ausdruck (1) berechnet, in derselben Weise wie in Schritt S402d in 4.
Das Modell für die Strom-Spannungs-Kennlinien bzw. Eigenschaften des Solarzellenmoduls, das durch Verwendung der Parameter für die Berechnung der Temperatureigenschaften S500 und den Ausdruck (1) erhalten wird, kann mit hoher Genauigkeit im Hinblick auf die Strom-Spannungs-Eigenschaften reproduziert werden, die durch tatsächliche Messung am Stromerzeugungsstandort erhalten werden, da die variablen Parameter durch Durchführung der Berechnung der variierenden Empfindlichkeiten und weiter der Berechnung der Temperatureigenschaften des Kurzschlussstroms und des Leerlaufstroms angepasst werden.
Als zusätzliche Erklärung werden die Temperatureigenschaften von Rsh: Parallelwiderstand [Ω] erläutert. Rsh gibt den Leckstrom an einem pn-Übergang der Solarzelle an, in der der elektrische Strom entsprechend einem Grundprinzip von Halbleiterbauteilen um das Doppelte steigt, wenn die Temperatur um 10°C erhöht wird. In den heute handelsüblich erhältlichen Solarzellenmodulen wird der normale Leckstrom jedoch auf ein sehr geringes Maß unterdrückt, und der Leckstrom kann in der Größenordnung von mehreren Dutzend Mikroampere (μA) geschätzt werden, wenn er aus Rsh nach dem Ausdruck (5) berechnet wird; daher hat die Schwankung des Leckstroms in einem Temperaturbereich für den tatsächlichen Gebrauch keinen Einfluss auf die Eigenschaften des Solarzellenmoduls. Daher wird die Temperaturschwankung von Rsh ignoriert.
Zweite Ausführungsform
6 zeigt ein Blockdiagramm einer Solarstromerzeugungsanlage 1, in der eine Überwachungsfunktion der MPPT-Regelung angeordnet ist, nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Solarstromerzeugungsanlage 1 umfasst ein Solarzellen-Array 2, einen Stromdetektor 3, einen Spannungsdetektor 4, eine Lastwechseleinheit 5, eine elektrische Last 6, einen Trennverstärker 7, einen Analog-Digital-Wandler ADC 1 (8), einen ADC 2 (9), eine Arbeitspunktregeleinheit (MPPT-Einheit 10), eine Pulsweitenmodulationseinheit (PWM-Einheit 11), eine Kenngrößenberechnungseinheit 12 und eine Vergleichseinheit 13.
Da das Solarzellen-Array 2 am Ausgang Gleichstrom ausgibt, ist das Solarzellen-Array 2 über eine Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichterschaltung an eine handelsübliche Systemstromquelle angeschlossen. In der Solarstromerzeugungsanlage fungieren die Wechselrichterschaltung und die handelsübliche Systemstromquelle als elektrische Last 6.
Die Lastwechseleinheit 5 ist durch einen Boost-Chopper (Leistungszerhacker) usw. realisiert, der die Last wechseln und den Ausgang des Solarzellen-Arrays 2 regeln kann, indem ein Leitungsverhältnis als Ein/Aus-Verhältnis von Schaltvorgängen in Schaltgeräten geändert wird.
Ein von dem Stromdetektor 3 erfasster Stromwert und ein von dem Spannungsdetektor 4 erfasster Spannungswert werden durch die Analog-Digital-Wandler ADC 1 und ADC 2 jeweils in digitale Werte umgewandelt und sodann in die MPPT-Einheit eingegeben.
Die MPPT-Einheit 10 bestimmt die Zunahme/Abnahme des Spannungswertes und des Stromwertes zur Überwachung des optimalen Arbeitspunkts und erzeugt ein Steuersignal mit einem bestimmten Leitungsverhältnis. Es ist möglich, ein Verfahren zur Steuerung der Überwachung des optimalen Arbeitspunkts zu verwenden, das im Allgemeinen als Aufstiegsverfahren bezeichnet wird, um eine hocheffiziente Stromleistung aus der Solarstromerzeugungsanlage zu erhalten. Die Steuerung zur Überwachung des optimalen Arbeitspunkts wird als MPPT-Regelung (Maximum Power Point Tracking) bezeichnet. Die MPPT-Einheit 10 ist durch einen Mikrocomputer, einen DSP oder eine CPU realisiert, die verschiedene Software-Programme lesen und ausführen, die auf einem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet sind. Sie kann auch mit Hardware realisiert werden, die mit einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut ist.
Die PWM-Einheit 11 führt eine Pulsweitenmodulation zur Übertragung des Steuersignals an die Lastwechseleinheit 5 durch. Das Signal von der PWM-Einheit 11 wird durch den Trennverstärker 7 im Pegel gewandelt und treibt die Schaltgeräte in der Lastwechseleinheit 5.
Es ist möglich, mit der MPPT-Regelung zu bestimmen, ob die maximale Leistung des Solarzellen-Arrays erhalten werden kann oder nicht, indem das für die erste Ausführungsform beschriebene Modellierungsverfahren verwendet wird. Die Kenngrößenberechnungseinheit 12 führt die Berechnung im Standardzustand S400 und die Berechnung der Temperatureigenschaften S500, wie für die erste Ausführungsform beschrieben, auf der Grundlage der in einem Prüfprotokoll 14 angegebenen Daten und der mit einem Thermometer 15 erfassten Temperaturdaten durch, wodurch die Parameter für die jeweiligen Solarzellenmodule berechnet werden. Danach wird der optimale Arbeitspunkt (der Betriebsstrom, die Betriebsspannung oder die maximale Leistung) des Solarzellen-Arrays berechnet, indem eine Array-Berechnung unter Verwendung der mit einem Pyrheliometer 16 erhaltenen Sonnenstrahlungsintensität durchgeführt wird. Ein Teil der oder alle Funktionen der Kenngrößenberechnungseinheit 12 ist bzw. sind durch einen Mikrocomputer, einen DSP oder eine CPU realisiert, die verschiedene Software-Programme lesen und ausführen, die auf einem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet sind. Sie kann auch mit Hardware realisiert werden, die mit einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut ist.
Das Solarzellen-Array ist durch parallele Anordnung von Einheiten gebildet, die jeweils als ein String bezeichnet werden, in dem mehrere Solarzellenmodule in Reihe angeordnet sind. Jedes Solarzellenmodul ist außerdem mit einer Bypass-Diode ausgestattet, um das Fließen eines Sperrstroms zu verhindern, wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird.
Die in der Kenngrößenberechnungseinheit 12 ausgeführte Array-Berechnung erfolgt durch Kombination einer String-Analyse und einer Array-Analyse. Bei der Durchführung der String-Analyse werden Modulspannungen der jeweiligen Solarzellen für den Fall, dass ein bestimmter Strom fließt, aus dem Ausdruck (1) berechnet, und die Summe davon wird berechnet, da elektrischer Strom üblicherweise in mehreren Modulen fließt. Wenn die Spannung aus dem Ausdruck (1) berechnet wird, ist der Wert die umgekehrte Funktion; dabei ist die Berechnung jedoch einfach, indem eine wiederholte Berechnung wie etwa das Newton-Verfahren angewendet wird. In dem Fall, dass die Modulspannung negativ ist, etwa weil das Modul abgeschattet ist, arbeitet die Bypass-Diode, so dass die Modulspannung nahezu „0” beträgt. Bei der Durchführung der Array-Analyse werden Ströme aus den jeweiligen Strings für den Fall, dass eine bestimmte Spannung anliegt, aus dem Ausdruck (1) berechnet, und die Summe davon wird berechnet, da die Spannung üblicherweise an mehreren Strings anliegt.
Die aus den wie vorstehend berechneten Array- oder Modul-Eigenschaften erhaltene maximale Leistung wird in die Vergleichseinheit 13 eingegeben. Die Vergleichseinheit 13 vergleicht die von der Kenngrößenberechnungseinheit 12 berechnete maximale Leistung mit der MPPT-geregelten Leistung, die aus dem Stromdetektor 3 und dem Spannungsdetektor 4 erhalten wird, wodurch kontrolliert wird, ob die MPPT genau arbeitet oder nicht. Das Vergleichsergebnis wird in die MPPT-Einheit eingegeben, und die MPPT-Einheit 10 gibt ein Steuersignal auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses aus, wodurch die Regelbarkeit des optimalen Arbeitspunkts verbessert wird.
Dritte Ausführungsform
7 zeigt ein Blockdiagramm einer Solarstromerzeugungsanlage nach der dritten Ausführungsform der Erfindung. Die dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Umweltdatenberechnungseinheit 17 zur Berechnung der Temperatur und der Sonnenstrahlungsintensität des Solarzellen-Arrays 2 auf der Grundlage des Stromwertes und des Spannungswertes umfasst, die durch Anwendung des für die erste Ausführungsform beschriebenen Verfahrens aus dem Stromdetektor 3 bzw. dem Spannungsdetektor 4 erhalten werden. Identische Komponenten, die bei der ersten und zweiten Ausführungsform erläutert worden sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, und auf ihre Erläuterung wird hier verzichtet.
8 zeigt die Einzelheiten der Verarbeitung mit der Umweltdatenberechnungseinheit 17. Ein Teil der oder alle Funktionen der Umweltdatenberechnungseinheit 17 ist bzw. sind durch einen Mikrocomputer, einen DSP oder eine CPU realisiert, die verschiedene Software-Programme lesen und ausführen, die auf einem Aufzeichnungsgerät aufgezeichnet sind. Sie kann auch mit Hardware realisiert werden, die mit einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut ist.
Zuerst führt die Umweltdatenberechnungseinheit 17 die Berechnung S400 im Standardzustand und die Berechnung S501 der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und des Sättigungssperrstroms auf der Grundlage der im Prüfprotokoll 14 angegebenen Daten durch. Danach wird die Array-Berechnung auf der Grundlage der Berechnung im Standardzustand durchgeführt (S801). Die Array-Berechnung wird nach demselben Verfahren wie bei der zweiten Ausführungsform durchgeführt, wobei jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und der Betriebsstrom der Array bzw. des Moduls im Standardzustand (Sonnenstrahlungsintensität 1 kW/m², Raumtemperatur 298 K) berechnet werden (S802).
Hier wird ein Kurzschlussstrom I'sc durch Multiplizieren eines am Stromerzeugungsstandort gemessenen und eingegebenen Betriebsstroms I'op mit der Konstante „j” berechnet (S803). Danach wird ein provisorischer Wert für die Sonnenstrahlungsintensität p'0 durch Dividieren des Ergebnisses durch den Kurzschlussstrom bei der Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und der Raumtemperatur von 298 K als Array berechnet (S804). Die hier berechnete Sonnenstrahlungsintensität ist nur ein provisorischer Wert, da die Temperatur nicht korrigiert wird.
Als Nächstes werden die Leerlaufspannung Voc und die Betriebsspannung Vop bei der provisorischen Sonnenstrahlungsintensität p'0 (kW/m²) als Array und bei der Raumtemperatur von 298 K mit den in Schritt S802 berechneten PV-Parametern im Standardzustand und dem in Schritt S804 berechneten provisorischen Wert für die Sonnenstrahlungsintensität p'0 berechnet (S805).
Eine Temperatur T' am Stromerzeugungsstandort wird unter Verwendung einer am Stromerzeugungsstandort gemessenen und eingegebenen Betriebsspannung V'op und der in Schritt S805 berechneten Leerlaufspannung Voc und Betriebsspannung Vop berechnet (S806). Ein Berechnungsausdruck ist der Ausdruck (18), der durch Transformieren des Ausdrucks (11) und des Ausdrucks (17) hergeleitet wird. Tz = (V'op – Voc)·298 – {((3·n·k·298)/q + (Ego/q)) – Voc)·Ncell·298 T = Tz/{(Vop – Voc} – {((3·n·k·298)/q + (Ego/q)) – Voc}·Ncell (18)
Weil die Temperatur am Stromerzeugungsstandort mit der Berechnung berechnet wird, wird der Kurzschlussstrom bei der Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und der Temperatur T' am Stromerzeugungsstandort als Array mit den Ausdrücken (10) und (11) sowie mit dem Ausdruck (12) berechnet. Der aus dem Betriebsstrom I'op berechnete Kurzschlussstrom I'sc wird durch den Kurzschlussstrom bei der Sonnenstrahlungsintensität von 1 kW/m² und der Temperatur T' dividiert, wodurch eine tatsächliche Sonnenstrahlungsintensität p' berechnet wird (S807).
Die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung gemachte Erfindung ist auf der Grundlage der Ausführungsformen im Vorstehenden ausführlich erläutert worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise innerhalb des Umfangs derselben modifiziert werden, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Solarstromerzeugungsanlage
2: Solarzellen-Array
3: Stromdetektor
4: Spannungsdetektor
5: Lastwechseleinheit
6: Elektrische Last
7: Trennverstärker
8: A/D-Wandler
9: A/D-Wandler
10: Arbeitspunktregeleinheit (MPPT-Einheit)
11: Pulsweitenmodulationseinheit (PWM-Einheit)
12: Kenngrößenberechnungseinheit
13: Vergleichseinheit
14: Prüfprotokoll
15: Thermometer
16: Pyrheliometer
17: Umweltdatenberechnungseinheit

Claims

Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften einer Solarzelle mit den Schritten: Eingabe von Daten für einen Kurzschlussstrom, eine Leerlaufspannung, eine Betriebsspannung und einen Betriebsstrom der Solarzelle bei einer Temperatur und einer Sonnenstrahlungsintensität in einem Standardzustand, unter Verwendung der Daten, Berechnen von Parametern für jede Solarzelle, die zur Bestimmung der Eigenschaften der Solarzelle im Standardzustand dienen und in jeder Solarzelle schwanken, Berechnen der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und der Temperatureigenschaften eines Sättigungssperrstroms anhand der berechneten Parameter und Berechnen des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms bei einer gegebenen Temperatur auf der Grundlage der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und der Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms.
Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften der Solarzelle nach Anspruch 1, weiter mit den Schritten: Berechnen von variierenden Empfindlichkeiten der Parameter und Durchführen einer Anpassung in absteigender Reihenfolge der variierenden Empfindlichkeiten zur Bestimmung der Werte für die Parameter.
Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften der Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die Parameter, die Schwankungen aufweisen, ein Sättigungssperrstrom der Solarzelle, ein Reihenwiderstand der Solarzelle, ein Parallelwiderstand der Solarzelle und eine Diodenübergangskonstante in dem Fall sind, bei dem die Eigenschaften der Solarzelle durch den folgenden Ausdruck (1) gegeben sind: I = Isc·p – Is·{exp(q(V/Ncell + Rs·I)/(n·k·T))} – (V/Ncell + Rs·I)/Rsh (1), in dem „I” ein Ausgangsstrom der Solarzelle, „Is” ein Sättigungssperrstrom der Solarzelle, „V” eine Ausgangsspannung der Solarzelle, „Isc” ein Kurzschlussstrom der Solarzelle, „T” eine Temperatur der Solarzelle, „k” eine Boltzmann-Konstante, „Rs” ein Reihenwiderstand der Solarzelle, „q” eine elektrische Ladungsmenge der Elektronen, „Rsh” ein Parallelwiderstand der Solarzelle, „n” eine Diodenübergangskonstante, „p” eine Sonnenstrahlungsintensität und „Ncell” die Anzahl der Solarzellen in dem Solarzellenmodul ist.
Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften der Solarzelle nach Anspruch 1, wobei der Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und der Betriebsstrom bei der gegebenen Temperatur auf den Ausdruck angewendet werden, der die Eigenschaften der Solarzelle angibt, und eine Anpassung des Reihenwiderstands der Solarzelle durchgeführt wird.
Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften der Solarzelle nach Anspruch 1, wobei die Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms durch den folgenden Ausdruck (2) und die Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung durch den folgenden Ausdruck (3) gegeben sind: ∂dIs/∂T = (3/T + Ego/(k·T²)·Is (2) ∂Voc/∂T = {(Voc/T) – (1/T)·((3·n·k·T)/q + (Ego)/q))}·Ncell (3), in denen „Is” ein Sättigungssperrstrom der Solarzelle, „Voc” eine Leerlaufspannung der Solarzelle, „n” eine Diodenübergangskonstante der Solarzelle, „T” eine Temperatur der Solarzelle, „k” eine Boltzmann-Konstante, „q” eine elektrische Ladungsmenge der Elektronen, „Ego” eine Bandlückenspannung der Solarzelle und „Ncell” die Anzahl der Solarzellen in dem Solarzellenmodul ist.
Verfahren zur Berechnung der Eigenschaften der Solarzelle nach Anspruch 5, wobei der Sättigungssperrstrom und die Leerlaufspannung bei der gegebenen Temperatur mit dem vorstehenden Ausdruck (2) bzw. Ausdruck (3) berechnet werden, ein Kurzschlussstrom bei der gegebenen Temperatur mit dem folgenden Ausdruck (4) berechnet wird, ein Betriebsstrom bei der gegebenen Temperatur mit dem folgenden Ausdruck (5) berechnet wird und eine Betriebsspannung bei der gegebenen Temperatur mit dem folgenden Ausdruck (6) berechnet wird: Isc[Tb] ≈ Is[Tb]·exp((q/(n·k·Tb))·Voc[Tb]) (4) Iop[Tb] ≈ j·Isc[Tb] (5) Vop[Tb] = ((Vop – Voc)/T)·Tb + Voc[Tb] (6), in denen „Tb” die gegebene. Temperatur, „Isc[Tb]” der Kurzschlussstrom bei der gegebenen Temperatur, „Is[Tb]” der Sättigungssperrstrom bei der gegebenen Temperatur, „Voc[Tb]” die Leerlaufspannung bei der gegebenen Temperatur, „Iop[Tb]” der Betriebsstrom bei der gegebenen Temperatur, „j” eine Konstante und „Vop[Tb]” die Betriebsspannung bei der gegebenen Temperatur ist.
Solarstromerzeugungsanlage mit: einem Solarzellen-Array, gebildet durch Einbeziehung mehrerer Solarzellen-Strings, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Solarzellenmodule aufweisen, und durch Parallelschaltung mehrerer Solarzellen-Strings, einer mit dem Solarzellen-Array verbundenen Lastwechseleinheit, einem Stromdetektor zur Erfassung eines Ausgangsstroms des Solarzellen-Arrays, einem Spannungsdetektor zur Erfassung einer Ausgangsspannung des Solarzellen-Arrays, einer Regeleinheit zur Regelung einer Betriebsspannung des Solarzellen-Arrays durch Ausgabe eines Steuersignals an die Lastwechseleinheit basierend auf dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung und einer Kenngrößenberechnungseinheit zur Berechnung der Eigenschaften des Solarzellen-Arrays, wobei die Kenngrößenberechnungseinheit die Eingabe von Daten für einen Kurzschlussstrom, eine Leerlaufspannung, eine Betriebsspannung und einen Betriebsstrom für jedes der mehreren Solarzellenmodule bei einer Temperatur und einer Sonnenstrahlungsintensität in einem Standardzustand erhält, unter Verwendung der Daten Parameter für jedes Solarzellenmodul berechnet, die zur Bestimmung der Eigenschaften des Solarzellenmoduls im Standardzustand dienen und in jedem Solarzellenmodul schwanken, anhand der berechneten Parameter die Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und die Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms berechnet, auf der Grundlage der Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und der Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und den Betriebsstrom bei einer gegebenen Temperatur berechnet und auf der Grundlage des Kurzschlussstroms, der Leerlaufspannung, der Betriebsspannung und des Betriebsstroms bei der gegebenen Temperatur in jedem der mehreren Solarzellenmodule die Eigenschaften des Solarzellen-Arrays berechnet.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 7, weiter aufweisend: eine Vergleichseinheit zum Vergleichen der höchsten Leistung, die aus dem mit der Kenngrößenberechnungseinheit berechneten Ergebnis erhalten wird, mit einer aus dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung erhaltenen Leistung, wobei die Steuereinheit das Steuersignal auf der Grundlage des Vergleichsergebnisses von der Vergleichseinheit ausgibt.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 7, wobei die Kenngrößenberechnungseinheit variierende Empfindlichkeiten der Parameter berechnet und eine Anpassung in absteigender Reihenfolge der variierenden Empfindlichkeiten durchführt, um dadurch die Werte für die Parameter zu bestimmen.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 7, wobei die Kenngrößenberechnungseinheit den Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung, die Betriebsspannung und den Betriebsstrom bei der gegebenen Temperatur auf einen Ausdruck anwendet, der die Eigenschaften des Solarzellenmoduls angibt, um eine Anpassung eines Reihenwiderstands des Solarzellenmoduls durchzuführen.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 7, weiter aufweisend: eine Umweltdatenberechnungseinheit zur Berechnung einer Temperatur des Solarzellen-Arrays aus den Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung, den Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms, dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 11, wobei die Umweltdatenberechnungseinheit einen Kurzschlussstrom bei der Temperatur des Solarzellen-Arrays mit der Sonnenstrahlungsintensität im Standardzustand aus der Temperatur des Solarzellen-Arrays, den Temperatureigenschaften der Leerlaufspannung und den Temperatureigenschaften des Sättigungssperrstroms berechnet und die auf das Solarzellen-Array einfallende Sonnenstrahlungsintensität berechnet, indem ein Verhältnis zwischen einem Wert, der durch Multiplizieren des Ausgangsstroms mit einer Konstanten erhalten wird, und dem berechneten Kurzschlussstrom gebildet wird.
Solarstromerzeugungsanlage nach Anspruch 12, wobei die Konstante ein Verhältnis zwischen einem Kurzschlussstrom des Solarzellenmoduls bei der Temperatur und der Sonnenstrahlungsintensität im Standardzustand und einem Betriebsstrom am optimalen Arbeitspunkt ist.