JP2009200445A - 太陽光発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力する。
【選択図】図1
Description
そのため、複数の太陽電池モジュールを直列接続して出力電圧を高め、所望の出力電圧に設定して電力変換装置に接続することはよく知られている。例えば、特許文献1は、太陽電池モジュールを4枚直列接続した電池アレイを有する発電ブロックを住宅屋根に設置し、発電ブロックからの幹線ケーブルを接続箱に集めて並列に接続し、これをDC/AC変換装置の入力側に接続する例を示している。この特許文献1の場合、各電池モジュールの1枚あたりの発電電圧は50Vであり、これを4枚直列接続しているので、発電ブロックの出力電圧は200Vになる。
このようなシステムごとの出力電圧の差を吸収するため、一般的なDC/AC変換装置の入力電圧は装置固有の入力範囲(例えば、80V〜380V)を持って設計され、太陽電池アレイはこの範囲に収まるように太陽電池モジュールの直列数の設定を行う。DC/AC変換装置は、様々な電圧で入力される電力を、昇圧回路によって一定の電圧(例えば、400V)に昇圧し、DC/AC変換を行っている。
しかしながら、昇圧回路を必要とする電力変換回路は、変換効率が落ちてしまうという問題点があった。
また、複数の太陽電池アレイを持つ太陽光発電システムの場合、それぞれの太陽電池アレイに昇圧回路を設け、太陽電池アレイ毎の出力電圧の差を吸収してから電力変換を行う必要があり、システムが煩雑になってコストの増大を招いていた。
本発明はこのような問題に鑑みて、太陽電池を電力変換装置に接続してなる太陽光発電システムにおいて、高効率、抵コストのシステムを提供することを目的としている。
これにより、電力変換装置は、太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧することなく、電力変換することにより、電力変換装置の構成が簡単になり、変換効率が高くなり、低コストのシステムを提供することができる。
これにより、電力変換装置は太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧せずに、電力変換することができ、その結果電子機器、電機機器を接続するシステム系に電源供給する事が可能になる。特に、2〜5倍であれば、より高効率になる。
これにより設置条件が多様な住宅用等系統連係システムにおいてもその多様性の影響を受けずに、安定した太陽光発電システムを提供することができる。
薄膜太陽電池素子は、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコンなどシリコン系薄膜太陽電池モジュール、及びCu(InGa)Se2、CdTe、CuInSe2などの化合物からなる化合物系薄膜太陽電池モジュールのように、薄膜技術を用いて製造される太陽電池素子であり、この薄膜太陽電池素子は、結晶系太陽電池、アモルファス太陽電池素子及び多結晶太陽電池素子より高電圧を出力すると共に、集積技術を用いることにより直列接続段数を多くすることにより、電子機器や電機機器に供給する電圧よりも高電圧を出力することが可能である。例えば、数100V〜1000V程度の高電圧を出力することが可能である。従って、本発明のシステムはより高い電圧で使用することができる。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールは他の薄膜太陽電池モジュールから保護され、他の薄膜太陽電池モジュールの発電出力の影響を受けない。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールを保護することができる。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。
これにより、接続線の抵抗を利用して各薄膜太陽電池モジュールの出力電圧を電力変換装置の入力電圧に一致させることができる。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールの出力電力を有効に取出すことができる。
n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1 ・・・(1)
ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流
これにより、ホットスポット耐性を高くし、出力電圧を高くすることができる。
これにより、薄膜太陽電池素子の直列接続段数適正に定めることができる。
図1は、本発明の実施形態1のブロック図を示す。図1に示すように、太陽電池モジュールMは4個あり、4個の太陽電池モジュールMは並列接続されて、DC/AC変換装置DAのDC入力端に接続される。ここで、各太陽電池モジュールMは、薄膜太陽電池素子により構成され、各太陽電池モジュールMの出力電圧はDC/AC変換装置DAのAC出力電圧(実効値)より高電圧である。更に、各太陽電池モジュールMの出力電圧VMは、DC/AC変換装置DAの入力電圧より高くなるように設定される。図1は、太陽電池モジュールを4個並列接続した太陽光発電システムを示すが、太陽電池モジュールの数に制限はなく、大規模発電に必要な数の太陽電池モジュールを接続することが可能である。
これらの特徴は、特に住宅用など、設置条件が多様な太陽光発電システムにおいて有効である。
<薄膜太陽電池ストリング1> −53段×12並列×2ブロック直列の例―
図2は、薄膜太陽電池ストリング1に係る集積型薄膜太陽電池モジュールを示し、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)のA−B線断面図、図2(c)は、図2(a)のC−D線断面図を示す。図3は回路図を示す。
複数の光電変換層4を積層する場合、各半導体層は、すべてが非晶質半導体または微結晶半導体であってもよく、また非晶質半導体または微結晶半導体の任意の組合わせであってもよい。即ち、第1光電変換層が非晶質半導体であり、第2及び第3光電変換層が微結晶半導体である積層構造、又は第1及び第2光電変換層が非晶質半導体であり、第3光電変換層が微結晶半導体である積層構造、又は第1光電変換層が微結晶半導体であり、第2及び第3光電変換層が非晶質半導体である積層構造でもよい。
光電変換層4は、シリコンに限定されることはなく、炭素が添加されたシリコンカーバイド、またはゲルマニウムが添加されたシリコンゲルマニウムのようなシリコン系半導体、またはCu(InGa)Se2、CdTe、CuInSe2などの化合物からなる化合物系半導体によって構成することができる。
なお、薄膜太陽電池ストリング1の光電変換層4は、それぞれp-i-n接合よりなり、アモルファスシリコン/アモルファスシリコン/微結晶シリコンにより、3セルを積層した3接合型薄膜太陽電池である。
このとき、薄膜太陽電池素子の直列接続段数nが、下記式(1)の整数倍となるように分離スクライブライン3、コンタクトライン5c、セル分離溝6を形成する。即ち、セルストリングにおける薄膜太陽電池素子の直列接続の段数nを下記式(1)のようにする。
n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1 ・・・(1)
ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流
この電流の流れやすさの一つの目安として、薄膜太陽電池素子に0〜数V程度の逆電圧を印加したときの電流電圧特性から算出される短絡抵抗をRsh[Ω]とすると、この短絡抵抗Rshが上記の光が当たっている(n-1)段のセルに対して最適負荷 Rshpmとなったときがもっとも短絡部分に電力が集中する場合である。従って、短絡抵抗Rshがその値に近くならないようにモジュールを設計する必要がある。
Rshpm = Vpm / Ipm × (n-1) ・・・(2)
実際の短絡抵抗Rshは、ゴミや傷や突起による面内の短絡部や、レーザースクライブ周辺の低抵抗部分など種々の原因によって生じる。これらは、製造段階の様々な理由によりばらつき、ある範囲を持って分布する。代表的なシリコン薄膜太陽電池のI-V特性から、短絡抵抗Rshがばらついた場合の短絡抵抗Rshと、そこで消費される電力Prshの関係を図4に示す。上記短絡抵抗Rshが最適負荷Rshpmからずれた場合、大体最適負荷Rshpmの2.5倍で、電力Prshが半分以下となる。即ち、図4では、最適負荷Rshpmが約330Ωのとき、電力はほぼ8Wであり、短絡抵抗Rshが130Ω、電力はほぼ4Wである。従って、短絡抵抗Rshが最適負荷Rshpmから2.5倍以上ずれたところで製造できれば、ホットスポットによる剥離の発生は大幅に低減できる。2.5倍以上ずれればよいので、最適負荷Rshpmに対して短絡負荷Rshは2.5倍以上いくらずれてもかまわない。
リーク電流の要因が面内の短絡の場合、ホットスポット現象が起きると、面内の短絡部分が剥離するかもしくは焼ききられて高抵抗になり、そのセルのF.F.を改善させるので、剥離によるIscの低下を相殺し、その結果、特性が大きく低下することは少ない。しかし、リーク電流の要因が分離スクライブラインのリーク電流の場合、ホットスポット現象が起きると、分離スクライブラインから剥離が発生し、正常な部分の太陽電池素子を巻き込んで剥離が進行したり、近くのコンタクトラインにも影響を及ぼしたりするので、面内の短絡の場合と比較すると特性も信頼性も大きく低下する。
Rshm > 2.5 × Rshpm = 2.5 × Vpm ÷ Ipm × (n-1) ・・・(3)
(1)が求められ、これによって、ホットスポット耐性を保てる最大集積段数が決まる。
n < Rshm ÷ 2.5 ÷ Vpm × Ipm + 1 ・・・(1)
現実的には、太陽電池素子の形状にもよるが、短絡抵抗Rshはあまり低いと、太陽電池素子特性に影響が出るので、リーズナブルな太陽電池素子ではRshm > 2000Ω程度であり、Vpm/Ipm は5〜10Ω程度である。このとき、n < 80〜160となる。最適動作電圧がVpm = 1.0V程度の太陽電池素子の場合、薄膜太陽電池モジュールの最適動作電圧が80〜160V程度のものまではおのずとこの範囲に収まる。
この問題が顕著になるのはモジュールの最適動作電圧が160Vを越えた辺りからであり、その場合の対策として、前述の式(1)を守るように集積段数を決めれば良い事を、我々は見出したのである。
Pa=(P/S)×Sa ・・・(4)
Pは薄膜太陽電池モジュールの出力
Sは薄膜太陽電池モジュールの有効発電部面積
Saは単位セルストリング10aの面積
1つの単位セルストリング10aが影になった場合、他の全てのセルストリングで発生した電力が影になった単位セルストリング10aに印加される。影になった単位セルストリング10aに印加される電力の値は、(P−Ps)となる。(P−Ps)の値は、単位セルストリング10aの出力Paの値が小さいほど大きくなるので、並列分割数を増やして単位セルストリング10aの出力Paを減らすと、影になった単位セルストリング10aに印加される電力が増大する。
並列分割数を増やすと、図2(b)に示すコンタクトライン5cの長さLが短くなり、その結果、コンタクトライン5cの面積Scが小さくなる。その結果、コンタクトライン5cの抵抗値が増大する。
上記の通り、並列分割数を増やすと、(P−Ps)の値が増大し、且つコンタクトPラインの面積Scが小さくなる。従って、コンタクトライン5cに印加される電力密度(P−Ps)/Scが増大し、コンタクトライン5cが損傷されやすくなる。
まず、薄膜太陽電池ストリング1の薄膜太陽電池モジュールを作製し、5V〜8Vの逆方向電圧をかけ、逆方向電流が0.019mA/cm2〜6.44mA/cm2になるように変化させたときの電流(RB電流と言う)及びI−Vを測定する。測定したサンプルの中から、逆方向電流が異なるサンプルを並列分割して、評価対象ストリングの出力が5〜50Wになるようにする。次に、薄膜太陽電池素子(1セル)のホットスポット耐性試験を行う。ホットスポット耐性試験はICE61646 1stEDIYIONに準拠し、ここでは合格ラインを外観をよくする観点から10%より厳しくした。剥離面積は、薄膜太陽電池モジュールの基板側からサンプル表面を撮影し、膜剥離が起こった部分の面積を測定した。セルストリングの出力又はRB電流が異なるサンプルを測定した結果、RB電流が中程度の大きさの場合(0.31〜2.06mA/cm2)に膜剥離がおきやすいことが分かった。また、セルストリングの出力が12W以下の場合、RB電流の大きさによらず剥離面積は5%以下に抑えることができることが分かった。これにより、単位セルストリングの出力Psの出力は12W以下に設定された。
まず、薄膜太陽電池ストリング1の薄膜太陽電池モジュールを作製し、発電電流の方向とは逆方向に過電流を流して、コンタクトラインの損傷を調べることにより、逆方向過電流耐性試験を行った。ここで流す電流は、IEC61730の規定に準ずると、耐過電流仕様値の1.35
倍となるが、ここでは70Vで、5.5A流した。
薄膜太陽電池モジュールに上記電圧、電流を加えると、並列接続したセルストリングに電流が分割して流れるのであるが、セルストリングの抵抗値はそれぞれ異なり、そのため電流は均等に分割されない。最悪の場合、70V、5.5A全部が1つのセルストリングに印加されることがある。この最悪の場合にもセルストリングが損傷されないかどうか試験する必要がある。そこで、コンタクトラインの幅を20μmと40μmに変化させ、長さを8.2mm〜37.5cmに変化させて、サンプルを作製し、コンタクトラインの損傷を目視判定した。その結果、コンタクトラインの面積を20μm×18cmまたは40μm×9cm=0.036cm2以上にすればよいことが分かった。セルストリングに印加した電力は、385Wであるから、385W÷0.036cm2=10.7(kW/cm2)である。
上記薄膜太陽電池ストリング1は、端子ボックス11内で各単位セルストリングを接続したが、薄膜太陽電池モジュールの支持基板1上に配線を施し、この配線を用いて接続してもよい。この場合に支持基板1上に施す配線は、集電電極7の形成と同時に形成してもよく、またジャンパ線のように、別配線を用いてもよい。
Rshm = 4000[Ω]
Vpm=1.80[V]
Ipm=62[mA]
n < Rshm ÷ 2.5 ÷ Vpm × Ipm + 1 = 56.1
よって、式(1)に従い、nは56段以下にすればよいので、薄膜太陽電池ストリング1では106段の直列構造の真ん中に中間取出し電極7cを設けて、単位セルストリング10aは、53段としている。
また、この薄膜太陽電池ストリング1では中間取り出し線7cは1本であるが、基板全体の集積段数や個々のセル電圧に応じて、分割数を増やし中間取り出し線の数を増やして1領域あたりの集積段数を減らしても良い。また、出力電圧が式(1)の段数によって得られる電圧以下である場合は、1ブロックとしてもかまわない。
図6は、薄膜太陽電池ストリング2に係る集積型薄膜太陽電池モジュールを示し、図6(a)は平面図、図6(b)は図6(a)のE−F線断面図、図6(c)は、図6(a)のG−H線断面図を示す。図7は回路図を示す。
4ブロック直列接続する為の配線は、各ブロックからリード線を導出して薄膜太陽電池モジュール内で直接繋いでもいいし、図7に示すように各ブロックから導出したリード線を端子ボックス内で繋いでも、一旦モジュール外部に引き出してから直列に繋いでもかまわない。
この薄膜太陽電池ストリング2のように、太陽電池素子の集積方向と異なる方向、例えば直交する方向に分割し、それを接続し直すと、薄膜太陽電池ストリング1の場合のように集積方向にのみ分割した場合と違い、最適な集積ピッチを保ったまま高電圧化することができ、モジュール変換効率を落とすことなく高電圧化することができる。
薄膜太陽電池ストリング1と2では支持基板そのものが大きく、その上に全てのセルストリングを形成した薄膜太陽電池モジュールの例を示したが、小さな支持基板を複数組み合わせて大きな太陽電池モジュールを作る場合にも同様の課題に直面する。その場合、個々の支持基板内のセルストリングを式(1)に示した条件を満たす様に形成し、それらを繋ぎ合わせれば信頼性を確保しつつ高電圧のモジュールを作製できる。即ち、セルストリングは、薄膜太陽電池ストリング1及び2と同じようにして構成し、これを図8に示すように、小型集積基板2枚をひとつの集積基板9上で、並列接続する。すなわち、図8に示すように、2つの薄膜太陽電池モジュールの支持基板1を、1つのカバーガラスからなる集積基板9上に載置し、一つにまとめるように構成する。これを図9に示すように端子ボックス11内で、直列接続する。
上記小さい支持基板は、それぞれ個別に封止して、それらを図8に示すように集積基板上に一体化してもよいし、または枠を用いて一体化してもよい。また、上記のように2つの小さい支持基板を1つの集積基板上に載置して、それらをひとつに纏めるように封止してもよい。
また、二つの支持基板を別々に封止し、枠でまとめてひとつの薄膜太陽電池モジュールにしてもよい。
また、上記薄膜太陽電池ストリング1〜3は、端子ボックスを1つ備えるが、端子ボックスを複数備え、複数の端子ブック間を配線することによりセルストリングを直列接続してもよい。
また、上記薄膜太陽電池ストリング1〜3は、セルストリングを2個形成して2分割したが、出力電圧がセルストリングの段数nによって満足できるときは、1個であってもよい。また、セルストリングは、偶数個でなく奇数個であってもよい。
また、上記薄膜太陽電池ストリング1〜3は、バイパスダイオードに接続して、セルストリングを直列接続したが、バイパスダイオードをなくしてセルストリングを直接接続してもよいし、バイパスダイオードに代えて抵抗、負荷に接続してもよい。
図10は、太陽光発電システムの実施形態2のブロック図を示す。図10に示すように、薄膜太陽電池モジュールMは、DC/AC変換装置DAに並列接続する接続線K1、K2に対して、それぞれ保護部BDを挿入したことを特徴とする。保護部BDは、ブロッキングダイオード、ヒューズである。これ以外に、薄膜太陽電池モジュールMを他の薄膜太陽電池モジュールから保護する機能素子を用いてもよい。その他の構成は、実施形態1と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング1〜3も実施形態1と同様である。
これにより、各薄膜太陽電池モジュールMは独立し、他の薄膜太陽電池モジュールMの影響を受けない。即ち、1つの太陽電池モジュールが影になり出力電圧が低下しても出力電圧が低下した太陽電池モジュールに逆流することがない。
図11は、太陽光発電システムの実施形態3のブロック図を示す。図11に示すように各薄膜太陽電池モジュールMを並列接続する接続線K1、K2の各間にそれぞれ抵抗R1、R2、R3、R4を接続する。抵抗R1、R2、R3、R4は、DC/AC変換装置DAに近い方が抵抗値が小さくなるようにする。また、抵抗R1、R2、R3、R4は、接続線K1及びK2の内部抵抗により形成することができる。図11の抵抗R1、R2、R3、R4は接続線K1、K2にそれぞれ接続したが、接続線K1またはK2のいずれか一方であってもかまわない。また接続線K1、K2の内部抵抗により抵抗R1、R2、R3、R4を形成する場合、必要に応じて接続線K1及びK2の線の太さを変えたり、線の数を変えたりするとよい。この抵抗R1、R2、R3、R4により、DC/AC変換装置DAの入力端で等しい電圧になるようにする。
その他の構成は、実施形態1と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング1〜3も実施形態1と同様である。
図12は、太陽光発電システムの実施形態4のブロック図を示す。図12に示すように複数の薄膜太陽電池モジュールMは、DC/AC変換装置DAに遠い方が出力電圧が高く、近い方が出力電圧が低くなるようにする。そして、DC/AC変換装置DAの入力端で等しい電圧になるようにする。複数の薄膜太陽電池モジュールMの出力電圧にバラツキがあるとき、出力電圧の順に並べ、出力電圧の低い薄膜太陽電池モジュールMがDC/AC変換装置DAの入力端になるように配置するとよい。
その他の構成は、実施形態1と同様である。薄膜太陽電池モジュールを形成する薄膜太陽電池ストリング1〜3も実施形態1と同様である。
実施形態1〜4では、電力変換装置としてDC/AC変換回路を用いた例で説明しているが、本発明の効果はDC/AC変換回路に限るものではない。例えば、DC/AC変換回路を電力変換回路に用いた太陽光発電システムでも、同様の効果が得られる。
DA DA/AC変換装置
BD 保護部
R1,R2,R3,R4 抵抗
VM1,VM2,VM3、VM4 薄膜太陽電池モジュールの出力電圧
Claims (12)
- 太陽電池モジュールが複数並列に電力変換装置に接続される太陽光発電システムであって、前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置の出力電圧より高電圧の電圧を出力する太陽光発電システム。
- 前記太陽電池モジュールの出力電圧は、前記電力変換装置の出力電圧の√2乃至10倍である請求項1に記載の太陽光発電システム。
- AC商用電力系統と連係する請求項1または2に記載の太陽光発電システム。
- 前記太陽電池モジュールは、表面電極、光電変換層及び裏面電極をこの順に積層した複数の薄膜太陽電池素子を互いに直列接続してなる薄膜太陽電池ストリングを備えた薄膜太陽電池モジュールである請求項1から3のいずれか1項に記載の太陽光発電システム。
- 前記太陽電池モジュールは、前記電力変換装置に並列接続する接続線間にそれぞれ保護部を挿入した請求項1に記載の太陽光発電システム。
- 前記保護部は、ブロッキングダイオード、ヒューズである請求項5に記載の太陽光発電システム。
- 前記複数の太陽電池モジュールを並列接続する線間にそれぞれ抵抗を接続した請求項1に記載の太陽光発電システム。
- 前記抵抗は、前記電力変換装置に近い方が抵抗値が小さい請求項7に記載の太陽光発電システム。
- 前記抵抗は、複数の太陽電池モジュールを前記電力変換装置に並列接続する接続線よりなる請求項7または8に記載の太陽光発電システム。
- 前記複数の太陽電池モジュールは、前記電力変換装置に近い方が出力電圧が低い請求項1に記載の太陽光発電システム。
- 前記薄膜太陽電池ストリングは、下記式(1)を満足する薄膜太陽電池素子の直列接続段数を有する請求項4に記載の太陽光発電システム。
n < Rshm / 2.5 / Vpm × Ipm + 1 ・・・(1)
ここで、Rshmは、薄膜太陽電池素子の短絡抵抗値の最頻値
Vpmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電圧
Ipmは、薄膜太陽電池素子の最適動作電流 - 前記薄膜太陽電池ストリングは、開放電圧が160Vを超える請求項11に記載の太陽光発電システム。
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