JP2004528708A - 太陽電池モジュールの管理方法と太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

電気的に直列に接続された複数の太陽電池（２）を具備する太陽電池モジュールであって、太陽電池モジュール上の瞬時的な入射光のセンサとして働く少なくとも１つの太陽電池（５，６）が同一の条件に置かれて他の太陽電池とは接続されず、センサに少なくとも間接的に服従して太陽電池モジュールの出力電力に作用するスイッチングデバイスを備えた太陽電池モジュールにおいて、本発明によれば、大きい距離で離れて配置された少なくとも２つの太陽電池（５，６）がセンサとして設けられ、瞬時的な入射光に応じて生成されたその出力電圧または電流は評価回路（７）へ供給され、評価回路（７）によって互いに比較され、評価回路（７）は２つのセンサの出力の間に閾値を超える差が存在するとき太陽電池モジュール（１）の太陽電池（２）の直列回路をバイパスする分路をスイッチングデバイス（８）により接続する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
本発明は、入射光に応じて太陽電池モジュールを管理する方法と太陽電池モジュールに関する。太陽電池モジュールは、電気的に互いに直列に接続された複数の太陽電池セルを具備し、その少なくとも１つの太陽電池セルは同一の条件のもとに置かれ、それは太陽電池モジュールへの瞬時的な入射光のセンサの役を果たし、さらに、センサに少なくとも間接的に服従可能なスイッチングデバイスを有する。
【０００２】
大規模な太陽電池となる光起電力性の設置物を用いる際には、１日のうちで太陽の位置が変化するため、例えば近隣の建物、アンテナ、木々などによって太陽電池の表面が部分的に影になるという問題を常に生じる。表面の影の面積が小さくても、これらの影が通過すると全体としていくつかの同一のモジュールからなるシステムの電力にかなりの損失を生じる可能性がある。一方で、影の領域において入力光が減少するのでそれに関連したモジュールの電力は減少する。さらに、１つのモジュール内の太陽電池は一般に電気的に直列に接続されている。影になっているモジュール（又はモジュール部分）における（入射光に応じて変化する）電流が減少すると、同一モジュール内の影になっていない隣接セルの電流も同時に制限される。さらに、同様にして、直列に接続された他のモジュールの電流も制限される。
【０００３】
このような不可避的な外乱を制限するため、各太陽電池モジュールまたは各全体システムは複数の部分システム（“ネットワーク”）に分割される。これらの各々には個々に整流器（“ネットワーク整流器”）が設けられる。標準化のため、これらの整流器は約７００ワットの最小電力を有している。これは、大きさにおいて約７〜８ｍ^２ の光起電力性の装置がつくる電力に相当する。
【０００４】
このような装置において、直列に接続された最新の電気設備といくつかのモジュールにより約５００〜６００ボルトに達する光起電力が生成されて処理され、個々の太陽電池セルは約０．５ボルトの動作電圧を有する。したがって、１つのネットワークは約１０００〜１２００個々の太陽電池セルを有する。少数の太陽電池（全表面積の１〜５％）の上が強い局所的な影になるとシステム全体として７５％の電力のロスを生じる。
【０００５】
影になっているかまたは損傷を受けている太陽電池に電流が流れることをいわゆる分流ダイオードにより阻止してその減少がシステム全体に強い影響を与えないようにする一般的技術が知られている。分流ダイオードは、太陽電池の内部抵抗がダイオードの電圧降下以上となったとき短絡電流の流れを許す。
【０００６】
ＥＰ−０ ８９６ ７３７ Ｂ１は外部スイッチングデバイスにより非活性化されるとモジュールの電力を無効にする集積化切断デバイスを備えた太陽電池装置を開示している。このデバイスは部分的な影による負の結果をさらに制限するものでなく、それが例えば許されていない方法で取り外された時に関連の太陽電池モジュールを非動作にするものである。この切断デバイスの取扱いはモジュール全体が破壊された後にのみ可能である。
【０００７】
その太陽電池セルが有効な太陽輻射を測定するセンサの役を果たす太陽電池要素（ＤＥ−Ａ１−４２ ０８ ４６９）が知られている。これらのセルで検出される値は、例えば関連するモジュールへの瞬時的な太陽輻射を表示スクリーンに表示するために使われる。
【０００８】
米国特許第４，１７５，２４９号は、いくつかの直列な電流を生成する同一の太陽電池に対して付加的な独立の太陽電池が単に入射光センサとして使用されている、集積化された制御部を有する太陽電池の装置を開示している。センサの役をするこの太陽電池は電流生成太陽電池と同一の温度と光の条件に置かれる。その無負荷電圧が測定信号として使用され、増幅され、他のセルの瞬時的な出力電圧と比較される。この比較結果に応じて、装置の太陽電池はリレーにより直列及び並列接続という様々な状態において自動的に接続される。その都度これは最大の可能な出力充電電圧を生じる。
【０００９】
本発明の目的は、入射光に応じて太陽電池モジュールを管理する方法を創出し、上記の米国特許第４，１７５，２４９号の装置から出発して部分的な影の影響の観点から改善された太陽電池モジュールを創出することにある。
【００１０】
本発明によれば、この目的は、
−２つの外部接続の間に電気的に直列に接続された複数の太陽電池を具備する太陽電池モジュールを瞬時的な入射光に応じて管理する方法であって、
−太陽電池モジュール内で或る距離だけ離れて配置され検出セルに定められる少なくとも２つの太陽電池上で入射光に依存する少なくとも２つの可変測定信号を検出し、
−評価回路においてこれら測定信号を評価し、
−測定信号間に予め定めた閾値以上の不一致があるとき評価回路に服従したスイッチングデバイスにより太陽電池モジュールの外部接続をバイパスし、
−測定信号の不一致が閾値以下であるとき外部接続のバイパスを取り除くステップにより特徴付けられた方法により達成される。
【００１１】
１つの特徴によれば、検出セルによって直接的に生成された電気的出力信号（電圧、電流）が測定信号として評価される。
【００１２】
他の特徴によれば、検出セルにおいて検出された温度が測定信号として評価される。
【００１３】
本発明の目的は、大きい距離で離れて配置された太陽電池モジュールの少なくとも２つの太陽電池がセンサとして設けられ、瞬時的な入射光に応じて生成されたその測定信号は評価回路へ供給され、評価回路によって互いに比較されることと、評価回路は２つの測定信号の間に閾値を超える差が存在するとき太陽電池モジュールの太陽電池の少なくともいくつかの直列回路をバイパスする分路をスイッチングデバイスにより接続することを特徴とする太陽電池モジュールによっても達成される。
【００１４】
１つの特徴によれば、センサとして定められた太陽電池は他の太陽電池の直列回路に統合されず測定信号の転送のために評価回路のみに結合される。
【００１５】
他の特徴によれば、センサとして定められた太陽電池は他の太陽電池の直列回路に統合され測定信号の転送のために評価回路にさらに結合される。
【００１６】
好ましくは、評価回路およびスイッチング回路が太陽電池モジュール内に的確に配置される。
【００１７】
さらに他の特徴によれば、複数の太陽電池検出セルが設けられ、それらが対となって太陽電池モジュールの表面の定められた部分にそれぞれ関連付けられ、これら表面部分のそれぞれについて１つのスイッチングデバイスがそれぞれ設けられる。
【００１８】
好ましくは、スイッチングデバイスがさらに設けられ評価回路により活性化されると太陽電池の直列回路を外部接続の少なくとも１つから分離する。
【００１９】
好ましくは、センサとして使用される太陽電池は平坦な太陽電池モジュールの端の近傍に配置される。
【００２０】
スイッチングデバイスは、好ましくは電気機械的リレーを具備する。
【００２１】
一変形として、スイッチングデバイスは服従可能な半導体パワースイッチを具備する。
【００２２】
最後に、評価回路は２つの太陽電池検出セル上で同一の入射光が得られるときスイッチングデバイスを再度不活性状態に切り換える。
【００２３】
本発明により備えられた太陽電池モジュールを少なくとも１つ具備するいくつかの太陽電池モジュールの直列回路を想定することは可能である。
【００２４】
既に公知の、入射光に応じた太陽電池モジュールの自動電力制御から出発し、本発明は部分的な影が自動的に検出され、平坦なモジュールの少なくとも２つの異なる位置において入射光を比較することによって分流器が接続され、その分流器は影に関連したモジュール（またはモジュール部分）に電流が入ることを阻止する。このようにして、実際後者は「モジュールのアレイから抽出」され、直列に接続され影になっていない太陽電池または他のモジュールに流れる電流がブロックされない。結果として、影になっている間または分流接続の間、切り離されているモジュールの電力はなくなるが、他の太陽電池または他のモジュールの瞬時的な電力は完全な形で利用可能な状態にとどまる。
【００２５】
前述の部分的な影は、評価、例えば検出セルの出力電圧または電流の差の決定により直接的に検出することができる。しかしながら例えば検出セルが影になることによる温度差を検出しそれらを評価回路における差信号として評価することによる間接的な検出を使用することも可能である。或いは、検出セルを他の太陽電池とは別に設けずそれらを直列回路の電流発生に使用することも可能である。
【００２６】
本発明の発展形においては、特に大面積を有するモジュールについては、太陽電池検出セルが複数設けられ、これらのセルはそれぞれ対となってモジュールの表面の定められた部分を監視しこの表面部分の切り離しの制御の動作をすることができる。これは、適切なスイッチングデバイスがモジュール自身に設けられるかまたは各々の表面領域の出力導体を外部の端子に別々に接続し得ることを要し、それによってそれらをスイッチングデバイスによりそこでバイパスし得る。
【００２７】
好ましくは、切り離されるモジュールまたはモジュールの切り離される部分の電極がバイパスされると同時に２つの導体の一方が完全に切り離される。このようにして、他のモジュールから依然として供給されている電圧が切り離されたモジュールまたはモジュールの部分に印加されることが回避されこのモジュールまたはこの部分に起こり得る過充電が回避される。この分離はスイッチ／転極器により容易に行なうことができる。
【００２８】
スイッチングデバイスは電気機械的または電子的スイッチ手段（リレー、トランジスタやサイリスタなどの受動スイッチ）を具備することができる。
【００２９】
さらに、太陽電池モジュールは評価回路を具備し、それは好ましくは電子的であり、検出信号の差に関して定められた許容値内であるか閾値以上であるときのみ切り離しの動作を行なう。これらの後者のことはセンサとして使用される太陽電池セルの無負荷電圧から、或いは（それが直列に接続されていなければ）それらの電流から、或いはまた、既に示したように、温度が適切な手段で決定できれば検出セルの領域の瞬時的な局所温度から、等しく導き出すことができる。
【００３０】
太陽電池モジュールのこの構成の重要な利点は太陽電池検出セルが電流の生成に使われるものと同じ構造の太陽電池セルである点にある。結果として、太陽電池モジュールは通常の結晶技術に加えて薄膜技術による大規模な表面として製造することができる。このことはその後、従来技術による連続フィルムの構造化または分離によって個々の太陽電池を互いに分離でき、特に検出セルもまた分離できるという利点を有する。検出セルを別に処理しなければならないのは電気的接続が設けられるときのみである。それらの外部接続は（互いに直列に接続しなければならない）他の太陽電池セルのそれとは別の方法で設けなければならないかもしれない。
【００３１】
他の実施形態において、検出セルは直列回路内に残されそれらの有効電圧が並列電圧タップにより検出される。これらの電圧信号は例えばフォトカプラにより直流デカップリングの後、評価回路へ入力信号として供給される。同様に温度センサを付加的に設けることができる。
【００３２】
言うまでもなく、瞬間的で部分的または局所的な影を監視することによってトリガされる切り換え動作は太陽電池モジュールの一時的な切り離しを考慮してのみ提供され従ってそれぞれに関連する太陽電池検出セル上で均一な入射光が確立された後はこのモジュールは自動的に再活性化またはアレイに組み込まれる。太陽電池モジュールの表面全体が暗くなったりすることやその他の正規の影はここで記述されている形でのスイッチングデバイスに何の影響も与えない。
【００３３】
本発明のその他の詳細および利点は２つの例示的な実施形態の図からおよび以下に続くその説明から明らかになるであろう。
【００３４】
図１において、複数の太陽電池２が太陽電池モジュール１においてそれ自身公知の手法で直列に接続されている。太陽電池モジュール１はさらに２つの外部接続３および４を備えており、動作時にはこれに太陽電池の装置の出力電圧が印加されるかまたはこれから太陽電池モジュール１の電力が取り出される。既に述べられ、個々の太陽電池または太陽電池群と関連付けられる分流ダイオードは、簡単化のためここに示されていない。
【００３５】
多くの適用分野において、これらの太陽電池モジュール１のいくつかが、さらに電気的に直列に接続されて数百ボルトのサービス電圧が得られる。このことは、上流に接続された太陽電池モジュールの電流のすべてがここに表わされたモジュールを通過することを意味している。したがって、もし後者が影になったとしたら、たとえ部分的であっても、あるいはこのモジュールのみへの入射光が減少したとしたら、その出力電力は減少する。その抵抗値は増加するので他のモジュールの電流の流れを阻止する。
【００３６】
本発明によれば、太陽電池モジュール１はさらに、太陽電池２から独立して接続された第１の太陽電池５と第２の太陽電池６を具備し、それらが瞬時的な入射光を検出するための検出セルに定められる。現実の実施形態において、それらは離れた距離に、例えば太陽電池モジュール１の端の近くに置かれる。それらの外部接続はそれぞれ測定電圧Ｕ_５ またはＵ_６ で表わされており、それらは記号的にのみ表わされている評価回路７へ供給される。後者は、後にその動作が説明されるスイッチングデバイス８の駆動のために設けられている。測定電流Ｉ_５ およびＩ_６ は、評価回路７においては検出セル５および６への瞬時的な入射光の測定値の役割を果たすものであるが、一点鎖線の矢印で表わされている。
【００３７】
太陽電池モジュール１のまわりに描かれた枠は、外部接続３および４以外はすべての構成要素はモジュール内に構成されることを示している。
【００３８】
図２の実施形態において、２つの検出セル５および６は太陽電池モジュール１′に太陽電池２の直列回路の形で組み込まれておりその他の構成には変化はない。同様に１組の測定電圧Ｕ_５ およびＵ_６ で表わされている（付加的な）測定導体を介して２つのセルの瞬時的な出力電圧が２つの接続から高抵抗で取り出される。自明なことであるが、測定電圧の取り出しは直列回路内の検出セル５および６の出力に影響を及ぼすものであってはならない。これらの測定電圧は図１と同じような評価回路へ供給される。最初に述べられた実施形態と比較すると、この構成は検出セルが太陽電池モジュール１′の電流の生成に統合されたままであるという利点を有している。さらに、並列な測定導体が付加的に導入されなければならず、測定信号は適当な方法で直流的にデカップルされなければならない。
【００３９】
どちらの実施形態においても、スイッチングデバイス８は太陽電池２の直列回路と太陽電池モジュール１または１′の外部接続４の間を結合する不活性状態を有する。この状態では、外部接続３と外部接続４の間に太陽電池２の直列回路による連結した電流パスが存在する。（破線で示す）活性状態においては、スイッチングデバイスは太陽電池モジュール１／１′の２つの外部接続３と４の間をショートさせる。同時に、外部接続４から太陽電池２の直列回路を分離する。これは直列回路に外部からいかなる電圧も印加されないことを保証する。明確化のためにスイッチングデバイス８は電気機械的スイッチ（リレー）の形で表わされているが、適切な半導体スイッチもそこで使用可能であることは理解される。
【００４０】
評価回路７は特に、通常のコンパレータ回路を具備しており、これは２つの太陽電池検出セルによって印加される出力信号（例えば電圧Ｕ_５ −Ｕ_６ または電流Ｉ_５ −Ｉ_６ ）の間に不一致がないか検出する。必要に応じて、検出セル５および６の信号の直流的デカップリングの手段も備える。図２の装置においては、２つの検出セルを流れる電流を評価しても、直列接続のためこれらの電流は常に等しいから所望の結果が得られない。
【００４１】
太陽電池モジュールの表面全体にわたってもしくは少なくとも２つの太陽電池検出セルの上で入射光が等しければ、それらの出力電圧または電流は異なることはないかまたは異なっても無視できる程度である。一方、太陽電池モジュールが局所的に影になることにより、太陽電池検出セルの一方が他方よりも光が少なくなれば、それらの出力電圧の間に著しい差が現われる（図１の装置においては電流においても）。この差異は（評価回路において調節可能な形で定め得る）予め定められた閾値と比較される。差異が閾値よりも大きければ、評価回路７の切換の段はスイッチングデバイス８を活性状態に活性化する。上流または下流に取り出された他のモジュールを起源とする電流は太陽電池の外部接続３と４の間に確立された直接結合（シャント）を介して抵抗なく通過することができる。同様にして、切り離された太陽電池モジュールにおける電流の非生産的な消費も安全に防止される。（例えば太陽の位置が変わったために）太陽電池モジュール上の局所的な影がなくなると、或いは、２つの太陽電池検出セル上の入射光が同じ状態になったら、出力電圧間の（または図１においては電流間の）差は減少しゼロに戻る。評価回路７はこの状態を検出してスイッチングデバイス８を場合によっては或る遅延時間後に（ヒステリシスを持って）不活性状態に戻す。太陽電池モジュール１は再び接続され、その出力を供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
太陽電池モジュールの第１の実施形態に係る簡略化された配線ブロック図である。
【図２】
他の実施形態の同様な配線ブロック図である。

Claims (14)

1. ２つの外部接続の間に電気的に直列に接続された複数の太陽電池を具備する太陽電池モジュールを瞬時的な入射光に応じて管理する方法であって、
   −太陽電池モジュール内で或る距離だけ離れて配置され検出セルに定められる少なくとも２つの太陽電池上で入射光に依存する少なくとも２つの可変測定信号を検出し、
   −評価回路においてこれら測定信号を評価し、
   −測定信号間に予め定めた閾値以上の不一致があるとき評価回路に服従したスイッチングデバイスにより太陽電池モジュールの外部接続をバイパスし、
   −測定信号の不一致が閾値以下であるとき外部接続のバイパスを取り除くステップにより特徴付けられた方法。
2. 検出セルによって直接的に生成された電気的出力信号（電圧、電流）が測定信号として評価されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 検出セルにおいて検出された温度が測定信号として評価されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 電気的に直列に接続された複数の太陽電池（２）を具備する太陽電池モジュールであって、太陽電池モジュール上の瞬時的な入射光のセンサとして働く少なくとも１つの太陽電池（５，６）が同一の条件に置かれ、センサに少なくとも間接的に服従して太陽電池モジュールの出力電力に作用するスイッチングデバイスを備えた太陽電池モジュールにおいて、太陽電池モジュール（１）の、大きい距離で離れて配置された少なくとも２つの太陽電池（５，６）がセンサとして設けられ、瞬時的な入射光に応じて生成されたその測定信号は評価回路（７）へ供給され、評価回路（７）によって互いに比較されることと、評価回路（７）は２つの測定信号の間に閾値を超える差が存在するとき太陽電池モジュール（１）の少なくともいくつかの太陽電池（２）の直列回路をバイパスする分路をスイッチングデバイス（８）により接続することを特徴とする太陽電池モジュール。
5. センサとして定められた太陽電池（５，６）は他の太陽電池（２）の直列回路に統合されず測定信号の転送のために評価回路のみに結合される請求項４記載の太陽電池モジュール。
6. センサとして定められた太陽電池（５，６）は他の太陽電池（２）の直列回路に統合され測定信号の転送のために評価回路にさらに結合される請求項４記載の太陽電池モジュール。
7. 評価回路（７）およびスイッチング回路（８）が太陽電池モジュール内に的確に配置される請求項４〜６のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
8. 複数の太陽電池検出セルが設けられ、それらが対となって太陽電池モジュールの表面の定められた部分にそれぞれ関連付けられ、これら表面部分のそれぞれについて１つのスイッチングデバイスがそれぞれ設けられる請求項４〜７のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
9. スイッチングデバイス（８）がさらに設けられ評価回路（７）により活性化されると太陽電池の直列回路を外部接続（３，４）の少なくとも１つから分離する請求項４〜８のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
10. センサとして使用される太陽電池は平坦な太陽電池モジュール（１）の端の近傍に配置される請求項４〜９のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
11. スイッチングデバイス（８）は電気機械的リレーを具備する請求項４〜１０のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
12. スイッチングデバイスは服従可能な半導体パワースイッチを具備する請求項４〜１０のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
13. 評価回路（７）は２つの太陽電池検出セル（５，６）上で同一の入射光が得られるときスイッチングデバイス（８）を再度不活性状態に切り換える請求項１〜１２のいずれか１項記載の太陽電池モジュール。
14. 請求項４〜１３のいずれか１項記載の太陽電池モジュールを少なくとも１つ具備するいくつかの太陽電池モジュールの直列回路。