JP2012512532A - 太陽光パネルにおけるホットスポットの検出および防止 - Google Patents

Abstract

電子モジュールは、太陽光パネルの出力電圧を予想値と比較し、この出力電圧が規定値以上に予想値と差がないように太陽光パネルからの電力要求を制御する。規定値は、太陽光パネルを具えるフォトダイオードの温度依存性に対する室温の値と、製造許容値を補正することで算出することができる。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、Ｋｅｒｎａｈａｎ等によって２００８年４月２日に出願された所有者共有の米国特許出願第１２／０６１，０２５号に関連しており、この出願はそのすべてが本書に組み込まれる。

太陽光パネルの製造業者は、太陽光パネルが少なくとも２５年持つと見積もっている。このように長い耐用年数を可能にするため対処すべき、多くの耐用年数を制限する状況のうちの１つがパネル上のホットスポットである。ホットスポットは、熱の発生によってパネルに損傷が起こることにより、および／または拡散劣化によってパネル電池材の長期的な劣化が起こることにより、耐用年数を制限することがある。故障モードは、はんだ接合部、ピンホールまたは電池の開回路の溶解、およびパネルケースへの損傷を含む。ホットスポットの原因の幾つかは、組立不備、標準以下の材料、太陽電池の汚れ、および常に起こる製造のばらつきといった、製造に関するものである。パネルに不備がある状態で製造されたとしても、期待より低いかもしれないが長時間にわたって整備することは可能である。他の原因は、製造業者または設置者の管理外のものである。例えば、パネルの幾つかの電池は、部分的な日陰、局部的な領域の汚れまたは鳥の糞、パネル全体の温度のばらつき、および電池ごとに不均一な拡散領域の劣化によって、他の電池よりも多いか少ない太陽光に曝されることがある。

ホットスポット加熱の破壊的な影響は、バイパスダイオードを使用することで避けることができる。バイパスダイオードは、太陽電池に対して並列だが、対向する両極側に連結される。通常の動作下では、各太陽電池には順バイアスが印加されるため、バイパスダイオードには逆バイアスが印加され、効率的に開回路となる。しかしながら、幾つか直列接続された電池間の短絡回路電流の不整合によって太陽電池に逆バイアスが印加された場合、バイパスダイオードが伝導し、その結果、有効な各電池に順バイアスを印加する代わりに、有効な太陽電池からの電流が外部回路に流れることができるようになる。不良な電池を通る最大の逆バイアスはバイパスダイオードによって１ダイオードドロップまで低下し、電流を制限してホットスポット加熱を防ぐ。

太陽光パネルの典型的な回路モデルを図１に示す。説明を明確にするため、この例では単に２つの電池が直列に接続されている。明らかに、通常のパネルは連続した更に多く直列接続された電池を有して「列」を形成しており、あるパネルでは並列に複数の列を有する。図１のモデルでは、各太陽電池は逆バイアスが印加されたダイオードと並列の電流源として図示されている。図１の例は、バイパスダイオード１１０、１１２をそれぞれ有する、電池１０４と直列接続された電池１０２を具えている。このモデルの電流は、十分な光に曝されたときにフォトダイオード１０６、１０８から生じる。我々は太陽電池について４つのケースを考慮しており、これは開回路および短回路の構造それぞれについて、電力容量が等しい場合と同等でないケースである。短回路の状態且つ整合した電池の状態では、双方の太陽電池とバイパスダイオードの両端の電圧はゼロである。すなわち、バイパスダイオードに影響はない。開回路（やはり、整合した電池の状態）の場合は、各電池からの短絡電流が電池に順バイアスを印加する。バイパスダイオードには逆バイアスが印加され、再び、回路には影響を及ぼさない。

ここで、電池１０４が遮光され、電池１０２の容量よりも低い電力を供給すると仮定すると。短回路の状態では、ある程度の電流が電池１０２から流れ、電池１０２に順バイアスを印加する。バイパスダイオード１１０には再び逆バイアスが印加され、影響はない。有効な電池１０２の電圧は微弱な電池１０４のバイパスダイオード１１２に順バイアスを印加し、電流を伝導させる。遮光された電池１０４自体には、ダイオードドロップが約−０．５ボルトで逆バイアスが印加される。第４の状態は、微弱な電池１０４および開回路の状態であり、遮光された電池１０４の電圧は低下する。バイパスダイオード１１０、１１２には逆バイアスが印加され、影響はない。

しかしながら、実際には、太陽電池につき１つのバイパスダイオードは一般的に非常に高価であり、代わりに、バイパスダイオードは太陽電池のグループにわたって通常は設置される。遮光されるか低電流の太陽電池の両端の電圧は、同一のバイパスダイオードを共有する他の直列電池の順バイアス電圧とバイパスダイオードの電圧の加算に等しい。日陰ではない太陽電池の両端の電圧は、低電流の電池における遮光の程度に左右される。例えば、電池が完全に日陰となった場合、日陰ではない太陽電池は短絡回路電流によって順バイアスが印加され、電圧は約０．６Ｖとなる。不良な電池が部分的にのみ遮光されている場合は、有効な電池からの電流の一部が回路を通って流れることができ、残りの電流を利用して各太陽電池の接合に順バイアスを印加し、各電池の両端に低い順バイアス電圧を生じさせる。遮光された電池の最大電力損失は、そのグループにある全ての電池の発電能力とほぼ等しい。損傷させない、ダイオード毎の最大のグループの大きさは、シリコン系電池で約１５電池／バイパスダイオードである。従って、通常の３６の電池モジュールに対して、確実にモジュールが「ホットスポット」の損傷を受けにくくするために２つのバイパスダイオードが使用される。

ここで、典型的な太陽光パネルの構造および部分的な遮光に対する反応を考えてみる。直列に接続された２５のモジュールのセットは、１１．２３Ａまたは５，２５０Ｗで４６７．５Ｖの公称Ｖｍｐｐを形成する。各モジュールがそれぞれ３８の電池（ｍｐｐが４９２ｍＶ、３．７４３Ａ）の３列で構成され、各列の上部中央と底部が接続されていると仮定する。上部中央と底部中央の間がバイパスダイオード（Ｖｆ４１０ｍＶ）である。電流が３７４ｍＡ（１０％）以上降下する程度まで１つの電池が遮光されるか汚損した場合、ＭＰＰＴをスキャンすることによって、この列について２つの動作点の候補、すなわち：
１０．８５３Ａまたは５，０７５Ｗでおよそ４６７．５Ｖ、あるいは
１１．２３０Ａまたは５，１４０Ｗでおよそ４５７．７Ｖ
を検出する。

遮光された電池を有するモジュール部分は１０．８５３Ａしか生成しないため、そのバイパスダイオードは、このモジュールの電圧からバイパスダイオードの４１０ｍＶと１９のバイパスした電池の９．３５０Ｖを差し引いて（モジュールの列から合計９．７６０Ｖの損失）伝導させられる。バイパスした１９の電池の範囲内では、有効な１８の電池の両端の電圧と遮光した電池の両端の電圧の合計は、（１９の電池すべてが直列接続しているため）遮光された電池の電流で−４１０ｍＶ（バイパスダイオードの両端の電圧）と等しくなくてはならない。

この解は、遮光された電池における３．３６９Ａまたは３１．２Ｗの電力損失で、およそ１８の有効な電池の両端８．８５６Ｖおよび遮光された電池の両端−９．２６６Ｖである。他の２組の１９の電池もバイパスダイオードの−４１０ｍＶを加算するため、同様の状況が起こることに注目されたい。

バイパスダイオードは、モジュールの列からバイパス区間を引いた差異の電流を有する。このモジュールは、５４％の損失に対して９７．０２６Ｗを生成し、熱として更に１００Ｗを消費する。ＡＤＣのような列をモニタする手段は、列に対する公称Ｖｍｐについて１０Ｖの低下を記録する。調査のために派遣された技術者は、１８Ｖを予想していた場合に９Ｖで動作するモジュールを検出し、モジュールの半分にわたって影を落としたときに電力に変化が無く、モジュールの幾つかの電池が異常に熱い（全ての標準的な故障点検観察）ことを見出すであろう。技術者は、モジュールが８０％限界を下回ったと判断し、故障したと断定するかも知れない。しかしながら工場では、このモジュールは約８．９４０Ｖで３７４ｍＡ（３．３％）の電流ステップを表すにも関わらず、フラッシュ試験では１８．７Ｖおよび１０．８５３Ａまたは２０３Ｗで公称値の３．４％程度しか下回らない。

１以上の電池が転極した結果は、異なる太陽電池技術によって変化する。単結晶タイプの電池については、継続的な損傷はないが、効率損失がある場合がある。薄膜構造の電池については、所与の電池における電圧の転極は直ちに破壊的となる。そこで、部分的な遮光または他の微弱な電池の原因によって起こるホットスポットを軽減するために、バイパスダイオードが必要且つ効果的な方法となる。しかしながら、図２を見てみると、列２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２がある大きさの導体の相互接続部を有することが見て取れ、このサイズを「Ｘ」と称することにする。バイパスダイオード２１３、２２２が伝導している場合、バイパスダイオードは１列の３倍（３Ｘ）程度の電流を伝えることができ、従って、各バイパスダイオードの導体は一般に、１列の導体のサイズの３倍（３Ｘ）に作られる。バイパスダイオードの相互接続部２３０、２３２のサイズは、太陽光パネルを構成している最小の領域にかなりの領域を加える。バイパスダイオードがなくともホットスポットを防ぎ、太陽光パネルに付帯する領域を増加させる手段が必要である。

本発明は、性能を低下させる保護ダイオードを使用せずに、ホットスポット状態を防ぐ。本発明の方法は、装置を利用してパネルの動作状態を制御すると仮定しており、この装置は列の両端の合計電圧を測定する手段と、パネルの動作状態を変更する手段とを具えている。バイアスダイオードは不要で使用されず、先行技術では一般的なように、相互接続に必要な領域を不要にしている。本発明では、動作温度を測定するため、瞬間電圧を予想電圧と比較する。電圧が一定量以上に予想よりも低い場合、電圧が予想電圧のダイオードドロップよりも低くなるようにパネルから要求される電力（電流）が低下し、結果的にホットスポットを防止する。ホットスポット、つまり微弱な電池への逆バイアスの印加が防止されるため、バイパスダイオードは必要ない。

図１は、太陽光パネルの電子モデルである。 図２は、特に相互接続に必要な領域に関連する、一般的な太陽光パネルの物理的な配置の例である。 図３は、太陽光パネルの出力電圧を太陽光パネルの温度と関連付けるグラフである。

幾つかの用語の定義：

本発明によると、太陽光パネルは電子モジュールによって制御され、このモジュールは、パネル電池の温度、パネル両端の電圧を測定し、パネルによって供給される電力（電流）を制御する手段を具えている。太陽光パネルは、有効な動作状態の下で、仕様、特性評価データによって、あるいは長期にわたる性能データの蓄積から得られた経験によって算出されるような、特定の出力電圧を供給すると期待されている。利用可能な電流はパネル上の瞬間的な太陽光の強度と相関関係があり、電圧は電池の温度と相関関係があり、電池の通常状態を仮定している。本書に記載するように、損傷、劣化、汚損、または単にパネルの部分的な遮光によって微弱な電池は、他の影響を受けていない電池と同等の電力を供給しない。列の全ての電池は電気的に直列のため、電流は共通でなければならない。従って、瞬間的に低い電力容量に対して微弱な電池を調整することができる唯一の方法は、その電池について電圧を下げることである。やはり、電池は電気的に直列に接続されているため、列の両端の電圧は列のすべての電池の電圧の合計となる。明らかに、列の電池がある程度の電圧を損失する場合には、列全体も損失する。

電子モジュールは通常、一時間に一度というように定期的にパネルを検査し、最大電力点（ＭＰＰＴ）の動作状態を測定する。これは、パネルから要求される電流を変化させ、パネルの両端の電圧を測定した後に、電圧と電流を乗算した積としてその状態の電力を算出することによって実施される。電流を特定の範囲にわたって変化させることにより、ピークの電力点を見つけることができる。先行技術では、このようなＭＰＰＴ検査は、選択された状態が列の中にある微弱な電池を順バイアス状態に駆動させるかどうかに関係なく実施され、それにより、本書に記載するようにバイパスダイオードに順バイアスを印加させる。本発明によると、電子モジュールは最初に太陽光パネルの電池の温度を測定し、得られた温度に対する予想のパネル電圧を算出し、電流に予想電圧より下に規定量以上に電圧を降下させない。例えば、一実施形態では、可能なＭＰＰより低い最大値は、
ＲＴ_ＭＰＰ−許容値−低下値（温度）
であって、ＲＴ_ＭＰＰは室温に対する最大電力点の状態であり、「許容値」は太陽光パネルの製造業者によって与えられる数値であり、低下値（温度）は温度上昇によって生じるダイオードドロップ値であって、例えばシリコン系太陽電池については−２．１ｍｖ／℃である。当然ながら、これらの数値は他の太陽電池の化学的性質については異なる。

結果的には、実際にバイパスダイオードがある場合はバイパスダイオードには決して順バイアスが印加されず、その結果ダイオードが必要なくなり、本発明による電子モジュール用に設計された太陽光パネルはバイパスダイオードなしに作られて、バイパスダイオードの相互接続に必要とされる領域が不要となる。

例を考えてみると、１組の２５のモジュールが並列に接続され、合計５，２５０Ｗのアレイを形成している。各パネルは、米国特許出願第１２／０６１，０２５号の明細書に開示されているようなアレイコンバータなどの、パネルに接続されたそれぞれの電子モジュールによって制御されており、この電子モジュールは、列の両端の電圧を測定し、パネルから要求された電流を制御する手段を具えている。各モジュールは、１列１１４の電池（ｍｐｐが４９２ｍＶ、３．７４３Ａ）で構成されていると仮定する。電流が３７４ｍＡ（１０％）降下する範囲まで１つの電池が遮光されるか汚損した場合、このモジュールの電力のみが１０％低下する。アレイコンバータは、約５６．０８８Ｖ×３．３６９または１８９Ｗ（１０％損失）のＭＰＰ手法のみで認められる。これは、測定温度で公称Ｖｍｐの９０％（プログラム可能な限界）よりも低い手法は、ＭＰＰＴ手法として認められないためである。これにより、ＭＰＰＴを検出している間でさえ、アレイコンバータが５．６Ｖ（バイパスダイオード手法の半分の量）以上で確実に電池を転極しないようにする。

他の２４のアレイコンバータのモジュールが影響を受けずに残っているため、合計電力は、列のインバータの場合の５，１４０Ｗに対して５，２２８Ｗである。１つの遮光された電池を有する１つのモジュールは、追加の電力を消費しない。

Claims (8)

1. 電子モジュールによって太陽光パネルの動作を制御する方法において：
   前記太陽光パネルの温度を測定するステップと；
   前記温度の関数として前記太陽光パネルの予想出力電圧を算出するステップと；
   前記太陽光パネルの現在の出力電圧を測定するステップと；
   前記現在の出力電圧を前記予想出力電圧と比較するステップと；
   前記太陽光パネルから取り出される電流の値が、前記出力電圧の瞬間値が前記予想出力電圧より下に規定量以上降下するのを防ぐように、前記太陽光パネルを制御するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記予想出力電圧が、前記太陽光パネルの仕様から算出されることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記予想出力電圧が、特性データから算出されることを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記予想出力電圧が、気象データによって算出されることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記予想出力電圧が、長時間にわたる移動平均を計算することで算出されることを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記予想出力電圧が、規定の太陽光パネルの前記出力電圧を共通のシステムにおける他の太陽光パネルの前記出力電圧と比較することによって算出されることを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記規定量が、前記太陽光パネルの製造業者によって算出されることを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、前記規定量が、許容値を差し引き、前記太陽光パネルの温度補正要因の特性を差し引くことにより、最大電力点の電圧状態を調整することで算出されることを特徴とする方法
   

Images