JP2012043981A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 内蔵する太陽電池の一部の発電能力が低下した場合に、太陽電池間の接続パターンを自律的に切換えて発電能力を最大限に発揮できる太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 太陽電池モジュール内部で縦横に配列された太陽電池４どうしを接続する格子状の電力線路５に、マイクロコンピュータにより制御されるスイッチマトリクス７とクロスバースイッチ８が設けられ、前記マイクロコンピュータは、電流センサで検出される各太陽電池の電流値に基づいて、これらのスイッチマトリクスとクロスバースイッチを制御し、全体の発電能力が最大になるように太陽電池の直並列の接続パターンを自律的に切り換える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、多数の太陽電池を直並列に接続して構成されている太陽電池モジュールに関し、特に、一部の太陽電池が日陰に入ったり、故障や劣化によって出力が低下した場合にも、モジュール全体の発電能力を最大限に発揮できるようにした太陽電池モジュールに関する。

従来の一般的な太陽光発電システムは、太陽電池モジュールを多数縦横に配列して構成されている太陽電池アレイと、パワーコンディショナとを統合したシステムとなっている。

このような、従来の太陽光発電システムにおいて用いられている一般的な太陽電池モジュールは、例えば、特許文献１に記載されているように、多数の太陽電池（太陽電池セル）から構成されている。

特開２００９−４３８４２号公報

従来の太陽電池モジュールは、多数の太陽電池が直並列に接続されて構成されているため、一部の太陽電池が日陰に入ったり、受光面に鳥の糞が付着して光が遮られて発電能力が低下した場合には、他の太陽電池が正常に発電していても、全体としての発電能力が著しく低下してしまう場合があった。

また、太陽電池モジュール内部の一部の太陽電池の不具合によって、太陽電池モジュールの発電能力が低下してしまった場合には、その太陽電池モジュールを交換する必要がある。

しかしながら、屋根等の架台に設置されている太陽電池アレイを構成している多数の太陽電池モジュールの中から、不具合のある太陽電池モジュールを見つけ出すためには、太陽電池モジュール全体を架台から取り出して、太陽電池モジュール間の配線を外さなければ確認することができず、太陽電池モジュールの交換作業に多大な労力と時間を要していた。

また、太陽電池アレイの中の一部の太陽電池モジュールを交換する際には、設置されてから年月が経ってしまい、同じ製品が製造されていないことがあり、既設の太陽電池モジュールとは、性能が異なるものと交換せざるを得ない場合がある。この場合、交換した一部の太陽電池モジュールは、周囲のものと電流電圧特性が異なるために、システム全体の発電効率に悪影響を及ぼす問題もあった。

そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解消し、内蔵する太陽電池の一部の発電能力が低下した場合に、太陽電池間の接続パターンを自律的に切換えて全体の発電能力を最大限に発揮できる太陽電池モジュールを提供すること目的とする。

前記目的のために提供される、本発明の太陽電池モジュールは、基板上に、並行する複数の導線からなる導線群どうしを縦横に格子状に交差して形成された電力線路と、前記電力線路の格子の目のそれぞれに一つずつ対応させて、前記基板に縦横に配列された複数の太陽電池と、前記電力線路を構成する縦横の導線群のそれぞれの交差部に設けられ、縦横に交差する導線どうしをそれぞれ一つの交差位置でのみ、所望方向への通電の切り換えを行う、複数のスイッチユニットからなるスイッチマトリクスと、前記電力線路のそれぞれの格子の目をなす４辺のうち、対向する一対の辺の一方を構成する複数の導線の何れかと、当該格子の目に対応する太陽電池の正電極との間を選択的に接続する第１のクロスバースイッチと、当該一対の辺の他方を構成する複数の導線のいずれかと、当該太陽電池の負電極との間を選択的に接続する第２のクロスバースイッチと、前記電力線路の何れかの格子目で、且つ、第１のクロスバースイッチを有しない一辺を構成する複数の導線の何れかと、正極側外部端子との間を選択的に接続する第３のクロスバースイッチと、前記電力線路の何れかの格子目で、且つ、第１のクロスバースイッチ、第２のクロスバースイッチ、第３のクロスバースイッチの何れも有しない一辺を構成する複数の導線の何れかと、負極側外部端子との間を選択的に接続する第４のクロスバースイッチと、前記それぞれの太陽電池の電流値を個別に検出する複数の電流センサと、前記それぞれの電流センサの出力信号に基づいて、各太陽電池の発電状態を判定し、太陽電池全体の発電出力が最大になるように、前記それぞれのスイッチマトリクスとクロスバースイッチを制御するマイクロコンピュータとを内蔵したものである。

本発明の太陽電池モジュールにおいては、基板が半導体からなり、太陽電池、電力線路、スイッチマトリクス、クロスバースイッチ、電流センサ、及びマイクロコンピュータは全て前記基板上に集積回路として一体に形成されていることが望ましい。

請求項１記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、受光面にかかる日陰等によって内蔵する一部の太陽電池の発電能力が低下した場合でも、最大の発電能力が得られるように、太陽電池間の直並列の接続パターンを自律的に変化させる機能を内蔵しているため、発電効率の低下を抑えることができる。

また、太陽電池モジュール内の一部の太陽電池が故障した場合に、太陽電池全体の直並列の接続パターンが自律的に切換えられ、全体の発電能力の低下を最小限に止めることができるため、故障した太陽電池を含む太陽電池モジュールであっても、交換せずに継続使用をできる可能性が高くなり、太陽電池モジュールを交換する作業の頻度を減らすことができる。

また、請求項２記載の発明に係る太陽電池モジュールによれば、太陽電池、電力線路、スイッチマトリクス、クロスバースイッチ、電流センサ、及びマイクロコンピュータが全て半導体の基板上に集積回路として一体に形成されているため、耐久性や信頼性を高めることができるとともに、量産が容易になるため製造コストを低減することができる。

本発明の太陽電池モジュールの内部構造を部分的に示す縦断面図である。 本発明の太陽電池モジュール内部の基板の裏面側の構造の一部を示す斜視図である。 本発明の太陽電池モジュール内部の太陽電池間の配線構造を示す概略平面図である。 本発明の太陽電池モジュールに用いられているスイッチマトリクスの概略構造図である。 図４におけるスイッチユニット内部の構造を説明する模式図である。 本発明の太陽電池モジュールに用いられているクロスバースイッチの概略構造図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける太陽電池間の配線パターンの１例を示す概略平面図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける太陽電池間の配線パターンの別の例を示す概略平面図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける太陽電池間の配線パターンのさらに別の例を示す概略平面図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける、電流センサの取り付け構造を示す概略図である。 本発明の太陽電池モジュールにおける各スイッチマトリクスとクロスバースイッチの制御システムのブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の太陽電池モジュールの内部構造を部分的に示す縦断面図であって、同図においては、太陽電池モジュール１は太陽光を受ける受光面を下向きにして表示してある。

太陽電池モジュール１の受光面には、肉厚の強化ガラス２が設けられている。この強化ガラス２は、太陽電池モジュール１の図示していないアルミニウム製の外枠の表面側に嵌め込まれている。

太陽電池モジュール１の内部には、基板３が設けられており、この基板３の表面（図１においては下面）には、多数の太陽電池４が縦横に配列されて固定されている。図２は、基板３の裏面側の構造の一部を示す斜視図であって、同図に示すように、基板３上には、並行する３組の導線５Ａ、５Ｂ、５Ｃからなる導線群どうしを縦横に格子状に交差して形成された電力線路５が設けられている。

前述した太陽電池４のそれぞれは、基板３を挟んで、電力線路５の格子のそれぞれの目の位置に対応させて配置されていて、各太陽電池４に設けられている図示していない正負の電極が、基板３を通してその裏面に対に配置されている正極側接続端子６Ａと負極側接続端子６Ｂにそれぞれ接続されている。

また、基板３の裏面側には、多数のスイッチマトリクス７とクロスバースイッチ８が取り付けられている。これらはＦＥＴ等からなる複数のスイッチ素子から構成されている制御素子であって、電力線路５の脇に並行して配線されている制御線路９を介し、後述するように、基板３上に実装されている図示していないマイクロコンピュータから送信される制御信号で制御されるようになっている。

これらのスイッチマトリクス７は、電力線路５を構成する縦横の導線５Ａ、５Ｂ、５Ｃの群どうしの交差部に設けられており、一方、クロスバースイッチ８は、正極側と負極側の接続端子６Ａ、６Ｂと電力線路５との間と、太陽電池モジュール１の正極側と負極側の外部端子と電力線路５との間にそれぞれ設けられている。なお、これらの外部端子については後述する。

また、図１に示すように、太陽電池モジュール１の裏側には、樹脂製のバックシート１０が貼られて密封されており、強化ガラス２とバックシート１０の間には、透明樹脂からなる充填材１１が充填されている。太陽電池４や基板３、スイッチマトリクス７、クロスバースイッチ８等はすべてこの充填材１１の中に封入されている。

図３は、各太陽電池４間の配線構造を示す、太陽電池モジュール１の内部の概略平面図であって、本実施形態の太陽電池モジュール１には、同図に示すように、縦横９枚の太陽電池４が内蔵されている。

図３においては、９枚の太陽電池４を互いに区別するために、それぞれを１−１、１−２、１−３、２−１、２−２、２−３、３−１、３−２、３−３のように表示してある。同様に、スイッチマトリクス７は、それぞれＳ１〜Ｓ１６のように、また、クロスバースイッチ８は、Ｃ１〜Ｃ２０のように表示してある。

これらのクロスバースイッチ８のうち、Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７、Ｃ１０、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１５、Ｃ１７は、本発明における第１のクロスバースイッチとして、それぞれ太陽電池４の正極側接続端子６Ａ（図２参照）と電力線路５間に組み込まれている。

また、クロスバースイッチ８のうち、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１１、Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ１８、Ｃ２０は、本発明における第２のクロスバースイッチとして、それぞれ負極側接続端子６Ｂ（図２参照）と電力線路５間に組み込まれている。

また、クロスバースイッチ８のうち、Ｃ２は、本発明における第３のクロスバースイッチとして、太陽電池モジュール１の正極側外部端子１２Ａと電力線路５の間に組み込まれており、Ｃ１９は、本発明における第４のクロスバースイッチとして、負極側外部端子１２Ｂと電力線路５との間に組み込まれている。

図４は、スイッチマトリクス７の概略構造図であって、その内部には３組のスイッチユニット７Ａ、７Ｂ、７Ｃが組み込まれていて、このうちスイッチユニット７Ａは、縦横の導線５Ａどうしの交差部に、スイッチユニット７Ｂは、縦横の導線５Ｂどうしの交差部に、そして、スイッチユニット７Ｃは、縦横の導線５Ｃどうしの交差部にそれぞれ対応するように設けられている。

これら３つのスイッチユニット７Ａ、７Ｂ、７Ｃは全て同じ構造になっていて、図５に示すような回路からなり、４方向の端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間を６つのスイッチ素子ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆによりさまざまに接続することが可能になっている。

端子Ａと端子Ｃは縦方向の導線の両端にそれぞれ接続され、一方端子Ｂと端子Ｄは、横方向の導線の両端にそれぞれ接続されている。ただし、図３のＳ１のように電力線路５の格子の角に配置されるものにおいては、２つの端子（Ｓ１においては、端子Ａと端子Ｄ）は使用されず、また、Ｓ２のように格子の縁にあるものは、１つの端子（Ｓ２においては、端子Ａ）は接続されていない。

隣合った端子Ａと端子Ｂ間を接続するためには、スイッチ素子ａをＯＮにすることで接続することができる。同様に、端子Ｂと端子Ｃ間ではスイッチ素子ｂを、端子Ｃと端子Ｄ間ではスイッチ素子ｃを、端子Ｄと端子Ａ間ではスイッチ素子ｄをＯＮにすることでそれぞれ接続することができる。

さらに、対向する端子Ａと端子Ｃ間を接続するためにはスイッチ素子ｅを、同様に、端子Ｂと端子Ｄ間を接続するためにはスイッチ素子ｆをＯＮすることで接続することができる。

一方、クロスバースイッチ８は、図６に示すように、電力線路５を構成する個々の導線５Ａ、５Ｂ、５Ｃと端子Ｄ間に３つのスイッチ素子ａ１、ｂ１、ｃ１を並列に組み込んだ回路構成になっていて、端子Ｐを個々の導線５Ａ、５Ｂ、５Ｃに選択的に接続することが可能である。例えば、導線５Ａと端子Ｐを接続するためにはスイッチ素子ａ１を、同様に導線５Ｂと端子Ｐではスイッチ素子ｂ１を、導線５Ｃと端子Ｐではスイッチ素子ｃ１をＯＮにすることで接続可能となる。

例えば、図７に示すように、太陽電池３−１、太陽電池１−２と太陽電池３−３を直列に接続する場合、正極側外部端子１２ＡからクロスバースイッチＣ２に入り、スイッチマトリクスＳ３、クロスバースイッチＣ３を経由し、太陽電池３−１の＋極に繋ぐ。

また、太陽電池３−１と太陽電池１−２を直列接続するために、太陽電池３−１の−極からクロスバースイッチＣ８、スイッチマトリクスＳ７、クロスバースイッチＣ７、スイッチマトリクスＳ６、クロスバースイッチＣ１０を経由して、太陽電池１−２の＋極に繋ぐ。

さらに、太陽電池１−２と太陽電池３−３を直列接続するために、太陽電池１−２の−極からクロスバースイッチＣ９、スイッチマトリクスＳ９、クロスバースイッチＣ１３、スイッチマトリクスＳ１０、クロスバースイッチＣ１４、スイッチマトリクスＳ１１、クロスバースイッチＣ１５を経由し太陽電池３−３の＋極に繋ぐ。

さらに、太陽電池３−３と負極側外部端子１２Ｂを接続するために、太陽電池３−３の−極からクロスバースイッチＣ２０、スイッチマトリクスＳ１５、クロスバースイッチＣ１９を経由し負極側外部端子１２Ｂに繋ぐ。

また、図８に示すように、太陽電池２−１、太陽電池１−１と太陽電池１−３を直列に接続する場合には、正極側外部端子１２ＡからクロスバースイッチＣ２に入り、スイッチマトリクスＳ３、クロスバースイッチＣ５を経由して太陽電池２−１の＋極に繋ぐ。

次に、太陽電池２−１と太陽電池１−１を直列接続するために、太陽電池２−１の−極からクロスバースイッチＣ４、スイッチマトリクスＳ２、クロスバースイッチＣ１を経由し太陽電池１−１の＋極に繋ぐ。

また、太陽電池１−１と太陽電池１−３を接続するために、太陽電池１−１の−極からクロスバースイッチＣ６、スイッチマトリクスＳ５、クロスバースイッチＣ９、スイッチマトリクスＳ９、クロスバースイッチＣ１３を経由して太陽電池１−３の＋極に繋ぐ。

さらに、太陽電池１−３と負極側外部端子１２Ｂを接続するために、太陽電池１−３の−極からクロスバースイッチＣ１８、スイッチマトリクスＳ１４、クロスバースイッチＣ１９を経由し負極側外部端子１２Ｂに繋ぐ。

また、図９に示すように、太陽電池１−１、太陽電池２−１と太陽電池１−２を並列接続し、これらに太陽電池１−３を直列に接続することも可能である。この例においては、まず、正極側外部端子１２ＡからクロスバースイッチＣ２に入り２つに分岐する。

その一方は、太陽電池１−１の＋極に接続するために、スイッチマトリクスＳ２、クロスバースイッチＣ１を経由して太陽電池１−１の＋極に至る。もう一方は、太陽電池２−１の＋極に接続するために、スイッチマトリクスＳ３、クロスバースイッチＣ５を経由し、太陽電池２−１の＋極に至る。

また、太陽電池２−１の＋極と太陽電池１−２の＋極を接続するために、クロスバースイッチＣ５で分岐させ、スイッチマトリクスＳ７、クロスバースイッチＣ７、スイッチマトリクスＳ６、クロスバースイッチＣ１０を経由し太陽電池１−２の＋極に繋ぐ。

太陽電池１−１の−極と太陽電池２−１の−極を並列接続するために、クロスバースイッチＣ６、スイッチマトリクスＳ６、クロスバースイッチＣ４を経由して繋ぐ。また、太陽電池１−２の−極に接続させるために、クロスバースイッチＣ６で分岐させ、スイッチマトリクスＳ５、クロスバースイッチＣ９を経由し、太陽電池１−２の−極に繋ぐ。

以上の手順によって、太陽電池１−１、太陽電池２−１、及び、太陽電池１−２が並列接続されることになる。次に、これらに太陽電池１−３をさらに直列に接続するために、クロスバースイッチＣ９、スイッチマトリクスＳ９、クロスバースイッチＣ１３を経由し、太陽電池１−３の＋極に繋ぐ

太陽電池１−３の−極と負極側外部端子１２Ｂを接続するために、クロスバースイッチＣ１８、スイッチマトリクスＳ１４、クロスバースイッチＣ１９を経由して、負極側外部端子１２Ｂに繋ぐ。

以上のように、スイッチマトリクスＳ１〜Ｓ１６とクロスバースイッチＣ１〜Ｃ２０を様々に切り換えることにより、太陽電池１−１、１−２、１−３、２−１、２−２、２−３、３−１、３−２、３−３間のより複雑な接続も可能となる。

本実施形態の太陽電池モジュール１においては、これらのスイッチマトリクス７（Ｓ１〜Ｓ１６）とクロスバースイッチ８（Ｃ１〜Ｃ２０）の切換制御は、各太陽電池４（１−１、１−２、１−３、２−１、２−２、２−３、３−１、３−２、３−３）に、図１０に示すように電流センサ１３を設け、これらの電流センサ１３によって検出される電流値に基づいて行っている。

図１１は、前述した太陽電池モジュール１における各スイッチマトリクス７とクロスバースイッチ８を切換制御するための制御システムのブロック図であって、基板３上に実装されているマイクロコンピュータ１４は、一定の時間間隔で、電流値データを各太陽電池４の電流センサ１３から取り込んでいる。

前記マイクロコンピュータ１４には、各太陽電池４の電流値に対応させて、太陽電池モジュール１の発電出力が最大になるような、各太陽電池４間の直並列の最適な接続パターンを数多くメモリに記憶させてある。

マイクロコンピュータ１４は、各電流センサ１３から電流値のデータを取得する毎に、太陽電池モジュール１の発電能力が最大限に発揮できる最適の接続パターンをメモリから読み出して、各スイッチマトリクス７とクロスバースイッチ８内のそれぞれのスイッチ素子を図２に示す制御線路９を介して動的に切換制御する。

ここで、マイクロコンピュータ１４や、スイッチマトリクス７、クロスバースイッチ８に内蔵されるスイッチ素子を動作させる電力は、太陽電池モジュール１で発電した電力の一部を利用している。

なお、前述した実施形態の太陽電池モジュール１においては、電力線路５を３本の導線５Ａ、５Ｂ、５Ｃで構成しているが、これに限定するものではなく、太陽電池モジュールに内蔵する太陽電池の数に応じて、電力線路は２本または４本以上の導線によって構成してもよい。

また、本実施形態のものにおいては、図１及び図２に示すように、スイッチマトリクス７やクロスバースイッチ８等は、それぞれ独立したＩＣチップとして、電力線路５を形成している基板３に太陽電池４とともに実装しているが、本発明の太陽電池モジュールはこれに限定するものではなく、スイッチマトリクス、クロスバースイッチ、電流センサ、マイクロコンピュータ等は、太陽電池とともに、シリコン等の半導体基板上に集積回路として一体に形成してもよい。

本発明の太陽電池モジュールは、地上の架台上や建物の屋根上等に太陽電池アレイが設置される太陽光発電システムに利用できる他、人工衛星に搭載する発電システム等においても利用可能である。

１ 太陽電池モジュール
２ 強化ガラス
３ 基板
４ 太陽電池
５ 電力線路
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 導線
６Ａ 正極側接続端子
６Ｂ 負極側接続端子
７ スイッチマトリクス
８ クロスバースイッチ
９ 制御線路
１０ バックシート
１１ 充填材
１２Ａ 正極側外部端子
１２Ｂ 負極側外部端子
１３ 電流センサ
１４ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）

Claims (2)

1. 基板上に、並行する複数の導線からなる導線群どうしを縦横に格子状に交差して形成された電力線路と、
   前記電力線路の格子の目のそれぞれに一つずつ対応させて、前記基板に縦横に配列された複数の太陽電池と、
   前記電力線路を構成する縦横の導線群のそれぞれの交差部に設けられ、縦横に交差する導線どうしをそれぞれ一つの交差位置でのみ、所望方向への通電の切り換えを行う、複数のスイッチユニットからなるスイッチマトリクスと、
   前記電力線路のそれぞれの格子の目をなす４辺のうち、対向する一対の辺の一方を構成する複数の導線の何れかと、当該格子の目に対応する太陽電池の正電極との間を選択的に接続する第１のクロスバースイッチと、
   当該一対の辺の他方を構成する複数の導線のいずれかと、当該太陽電池の負電極との間を選択的に接続する第２のクロスバースイッチと、
   前記電力線路の何れかの格子目で、且つ、第１のクロスバースイッチを有しない一辺を構成する複数の導線の何れかと、正極側外部端子との間を選択的に接続する第３のクロスバースイッチと、
   前記電力線路の何れかの格子目で、且つ、第１のクロスバースイッチ、第２のクロスバースイッチ、第３のクロスバースイッチの何れも有しない一辺を構成する複数の導線の何れかと、負極側外部端子との間を選択的に接続する第４のクロスバースイッチと、
   前記それぞれの太陽電池の電流値を個別に検出する複数の電流センサと、
   前記それぞれの電流センサの出力信号に基づいて、各太陽電池の発電状態を判定し、太陽電池全体の発電出力が最大になるように、前記それぞれのスイッチマトリクスとクロスバースイッチを制御するマイクロコンピュータとを内蔵したことを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 基板が半導体からなり、太陽電池、電力線路、スイッチマトリクス、クロスバースイッチ、電流センサ、及びマイクロコンピュータは全て前記基板上に集積回路として一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。

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