JP2009540550A - 個々のソーラーパネルの過熱保護のための接続ボックス - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明はソーラーパネルの保護ダイオード、MOSFETまたはその他のこれに相当するパワー半導体内において生じた熱を良好に伝導するソーラーパネル用の接続ボックスに関する。接続ボックス内において電子コンポネントが圧力エレメントによりケース（1）に対して、またはコンポネントの外形に相当する凹み（3）に押し付けられ、その際ケース（1）とコンポネント間には電気絶縁、好ましくは熱伝導性のシリコンゴムがある。

Description

本発明は、ソーラーパネルの保護ダイオード内に生じた熱を良好に伝導する接続ボックスに関する。

従来技術によるとソーラー設備内には異なるサイズのソーラーパネルがあり、そのサイズは、何枚のソーラーセルが一列に接続されるかにより規定される。大きなパネルでは更に多数のセルアレーが一列に接続される。各セルアレーは逆方向において動作する保護ダイオードでブリッジされている。順方向における電圧降下が従来のシリコンダイオードよりも少ないことを理由に、ショットキーダイオードをこのために使用するのが普通である。

しかしながらソーラーセル運転時に個々のソーラーセルが遮断されることが生じる。この結果、陰極においてより低い電位が占めることを理由に、保護ダイオードは伝導性となる。

保護ダイオードなしでは遮断されたソーラーセル内においていわゆるツェナー効果（Zener-Effect）による多大なパワーロスが生じ、これはセル内における「ホットスポット（Hot Spot）」、そしてこれによるセルのほぼ常時破壊を招くことになる。ソーラーパネルはそれ自体、一列に接続されており、これにより最大6アンペアの達成可能な電流での直流電圧が、公共電力網への給電に必要な交流電圧を生み出すインバーターへと到達する。

インバーターは、例としてソーラー設備のパワーアウトプットを直接ディスプレイあるいはコンピュータ制御で監視するために、通信モジュールを搭載しているのが普通である。この通信モジュールは、例として電話あるいはインターネットによる遠隔問い合わせの可能性も提供する。

セルアレー上に配置されたショットキーダイオードは、遮断時に各セルアレーをブリッジし、これにより影で覆われていないセルにより生じた電流がソーラーセル破壊の危険なしで継続して流れることを保証する、非常に重要なコンポネントである。順方向において動作するダイオードでの電圧降下は、約0.3 から0.5 Vと比較的少ない。

例として落雷による過温度と高い電界強度はダイオードの破壊を招く。フェールの際にダイオードは開く、つまり陽極と陰極間において中断が生じるか、または陽極と陰極が「アーク溶接（Lichtbogen-Verschweissung）」により相互に融合し、ダイオードが短絡する場合がある。

短絡したダイオードでは運転時に当該セルアレーが停止するだけであり、パワー降下が生じるが、これはパネルを多数使用する際には実用的にはそう重要な問題とはならない。しかしながらダイオードが開くと、セルアレーが十分なパワーを供給しているならば、運転時にこれに気づくことはまずない。これに反してシャドーイングが生じると、ダイオードはもはや伝導できず、これにより影に覆われたセル内においてセル破壊を招く恐れのある「ホットスポット（Hot Spot）」が生じる。

従来、ソーラー設備全体のパワーアウトプットだけが監視されているが、個々のパネルのパワーアウトプットは監視されていない。フェールの際、つまりソーラー設備のパワー降下時には、欠陥パスを見出すまでパネル毎に検査しなければならない。これは現場の状況によっては時間と手間がかかり、そして例として屋根上での作業のように場合によっては危険である。それゆえに大きなソーラー設備では修理は大体手間のかかるものであり、その結果コストも高くなる。

ソーラーパネルにとってより危険なケースとなる中断による保護ダイオードの停止は、現在監視されていない。その結果、保護ダイオードのこのような停止が高価なソーラーセルの破壊を往々にして引き起こすことになる。

保護ダイオード機能の監視とともに、ソーラーパネルの確実な運転と長い寿命を達成するために、保護ダイオードが熱の過負荷に対して保護されることが重要である。 保護ダイオードは一般にソーラーセル遮断時には多大なパワーを受容しなければならず、つまり非常に加熱する。ダイオードが劣質あるいは全く冷えていないならば、これは極端なケースにおいては即時停止を招く。いかなる場合においても過度の加熱時にはダイオードの寿命が持続的に短くなる。これに対してダイオードを、熱導出のための特別な対策なしで作動し、その際実用においては熱を伝導しにくいプラスチックケースだけを使用することが普通である。

特許文献１では、それゆえに保護ダイオードを外面が冷却フィンともなり得る、熱をより良好に伝導する金属製ケースの内面とねじ止めすることが提案されている。しかしながらケースに対するダイオードの電気絶縁をいかに行うかの教義は示されていない。実用においてはあらゆるダイオードにおいて、常に陰極または陽極がダイオードケースの金属面に接続しているゆえに、表示されたこの解決方法は強制的に保護ダイオード下での短絡をひき起こすであろう。更に温度振れの影響により、そしてこれを原因とするダイオードの金属面の湾曲により、提案されたダイオードのねじ止めが緩み、ケースとダイオード間の熱接触が中断する結果となる。更にボックス内のコンポネントの欠陥時には、ボックスは粘着されており且つ鋳込まれているゆえに、このボックスを開ける、修理する、あるいは解体することはできない。モジュールがあまりにも高い位置に構成されており、それゆえに今日使用されている組立て構成ではソーラーモジュールと屋根間に適合しないことも不都合である。更に接続様式は軸方向においてなされており、同様にこのための場所が無い。これら不都合の理由により、提案された解決方法は紙上での技術の現状である。

更に特許文献２では床プレートが高熱伝導性マテリアルからできており、この床プレートと保護ダイオード間に電気絶縁層のあることを特徴とするソーラーセルパネル用の接続ボックスが説明されている。しかしこれでも上述の問題、つまりケースとダイオード間の確実な接触の常時保証は解決されない。
ドイツ連邦共和国特許第１００ ５０ ６１４号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０ ２００４ ０３６ ６９７号明細書

本発明はこの技術の現状の不都合を除去する、特に個々のソーラーパネルを過熱から保護するための接続ボックスを製造することをその課題とする。

この課題は本発明に基づいて請求項1に記載の特徴により解決される。更に有利な様式は従属請求項から判明する。

本発明にもとづく接続ボックスのために、金属、好ましくはアルミニウム製のケースが使用される。その際ケースの一面あるいは多数面において、冷却フィンが形成されていることは可能である。本発明に応じてその中に取り付けられたダイオード、MOSFET（酸化金属半導体電解効果トランジスタ）または適当なパワー半導体は、プレッシャーユニット、本発明にもとづきスプリング、により直接内側にあるケース壁またはパワー半導体の形に相応するその中にある凹みに押し付けられる。パワー半導体の電気接続はこの際、ケースから電気絶縁される。簡単に実現でき、廉価であり、そしてその結果として好ましいバリエーションは、ダイオードをスプリングクリップで内側のケース壁に切り込まれている溝に押し付けることである。電気絶縁は、プラスチックまたはセラミックスの薄板小片、あるいはプラスチックホイルで行われる。熱を伝導するシリコンゴムがこれに特に適切であることが実験により判明した。シリコンゴムは非常な形適合能力をその特徴とし、コンポネントの全く平らでない熱導出面においても優れた熱導出を保証する。

このようにして達成した良好な冷却により、保護ダイオードの事前停止が阻止される。特に中断によるダイオード停止の結果としてソーラーパネルが危険に晒されることが少なくなり、同時に停止時間とメンテナンスの手間が少なくなる。最終的には短絡によるダイオード停止時のソーラー設備のパワー低下が最小のものになる。更なるスイッチユニットが同じケース内に入っているならば、これも良好な熱伝導の利を得る。

本発明を実施例にもとづき以下に詳しく説明する。図1はここにおいて接続ボックスを示す。

図1に示される接続ボックスは、外壁に冷却フィン2が形成されている金属製のケース1から構成される。ケース1の内面には、ショットキーダイオード4がそれぞれスプリングクリップ5により押し付けられている取付け具3がある。更に接続ブロック6が目視可能である。

ダイオード4とケース1間には熱伝導性シリコンゴムとして、熱伝導性であるが電気絶縁されている層がある。この構成によりダイオード4は過熱による破壊から保護される。

内部の接続ブロック6は、この領域での電気的破壊耐性を高めるためにプラスチック被覆がなされている。これに関してより厳格なものになりつつある安全要求事項が将来においても問題なく遵守されることが、これにより保証される。

図2に示されるように、ケースカバー7には丸い開口部8がある。この中にフレキシブルで、そして全天候型のシリコンゴムからなる固定リング9が取り付けられ、この中に防水性であるが通気性のメンブラン10がパックされている。リング9は軽く押し付けて取り付けられており、つまりシリコンゴムはケースカバー7への接触個所において常に軽く押し付けられている。これにより簡単な方法で気密性の接続が保証される。更にリング9とメンブラン10は、例としてメンブラン10に、埃またはその他微粒子が付着した際に、多大な手間なく交換することができる。

メンブラン10の直径は約4 mmである。この直径では小型から中型のケースにとって最適な通気とこれに相当するケースからの湿気の確実な導出が保証される。しかしながらより大型のケースでは多数のこのような通気開口部を、好ましくはケースの向かい側の面に取り付けることも考えられる。

例として無線またはバスシステムによる報知システム等の追加スイッチが同じケース内に取り付けられているならば、これらもケースの良好な熱特性と通気の利を得る。ケース1は普通、保護パネルに直接取り付けられる。

本発明の実施の形態による接続ボックスの図である。 ケースカバーの図である。

符号の説明

1 ケース
2 冷却フィン
3 ショットキーダイオードの取付け具
4 ショットキーダイオード
5 スプリングクリップ
6 接続ブロック
7 ケースカバー
8 開口部
9 固定リング
10 メンブラン

Claims (4)

1. 保護ダイオード（4）、MOSFET（酸化金属半導体電解効果トランジスタ）またはその他のこれに相当するパワー半導体が入っている、外側に配置された冷却フィン（2）を有する金属製ケース（1）から構成されるソーラーパネル用の接続ボックスにおいて、
   電子コンポネントが、それぞれ圧力エレメントとしてのスプリングクリップ（5）により、ケース（1）に対して、または、コンポネントの外形に相応する切欠き部（3）内へと、それぞれ押し付けられており、且つ、ケース（1）とこれらコンポネント間に電気絶縁があることを特徴とする接続ボックス。
2. 電子コンポネント（4）は、それぞれスプリングクリップ（5）でもって、ケース（1）に切り込まれている溝（3）にそれぞれ押し付けられていることを特徴とする請求項1に記載の接続ボックス。
3. 電気絶縁がプラスチックまたはセラミックの薄板小片、またはプラスチックホイルにより実現されていることを特徴とする請求項1に記載の接続ボックス。
4. 電気絶縁が熱を伝導し得るシリコンゴムにより行われることを特徴とする請求項1または３に記載の接続ボックス。

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