JP2013033832A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ホットスポット現象による影響を低減するためのバイパスダイオードとセルとの組合せを実現する技術を提供する。
【解決手段】複数のセル群３８は、ふたつ以上の太陽電池セル３０をそれぞれ含む。複数のバイパスダイオード３６のそれぞれは、複数のセル群３８のそれぞれに対応して設けられる。複数のセル群３８のそれぞれにおいて、ふたつ以上の太陽電池セル３０が直列に接続されているとともに、複数のセル群３８は、並列に接続されている。複数のバイパスダイオード３６のそれぞれは、対応したセル群３８に並列に接続される。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽電池モジュールに関し、特に、複数の太陽電池セルにて形成された太陽電池モジュールに関する。

従来、光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換装置として、いわゆる太陽電池の開発が各方面で精力的に行われている。太陽電池は、クリーンで無尽蔵なエネルギー源である太陽からの光を直接電気に変換できることから、新しいエネルギー源として期待されている。このような光電変換装置では、例えば、複数の太陽電池セルが直列に接続されるが、ホットスポット現象による太陽電池セルの破壊を防止することが重要になる。これに対応するために、所定数の太陽電池セルに対してひとつのバイパスダイオードが並列に接続される。４８個の太陽電池セルが直列に接続されている場合、１６個の太陽電池セル毎に１個の割合で計３個のバイパスダイオードが設けられる（特許文献１参照）。

特開２０１０−２４５４１０号公報

複数の太陽電池セルを直列に接続している場合、各太陽電池セルに流れる電流が等しくなる。そのため、ホットスポット現象によって発電を行っていない太陽電池セルに流れ込む電流が大きくなる傾向にある。このような電流を低減するために、ひとつのバイパスダイオードに対して直列に接続される太陽電池セルの数が抑制されるべきである。例えば、１００個の太陽電池セル毎に１個のバイパスダイオードを設けるのではなく、背景技術のように１６個の太陽電池セル毎に１個のバイパスダイオードが設けられる。その結果、バイパスダイオードの数が増加するとともに、バイパスダイオードを接続するための電極の数も増加する。電極数が増加することによって、太陽電池モジュールの有効面積が小さくなり、発電量も低下する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ホットスポット現象による影響を低減するためのバイパスダイオードとセルとの組合せを実現する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の太陽電池モジュールは、複数のセルが直列に接続された第１のセル群と、第１のセル群に並列に接続された第１のバイパス用整流素子と、複数のセルが直列に接続された第２のセル群と、第２のセル群に並列に接続された第２のバイパス用整流素子とを備える。第１のセル群と第２のセル群とは並列に接続されている。

本発明によれば、ホットスポット現象による影響を低減するためのバイパスダイオードとセルとの組合せを実現できる。

本発明の実施例に係る太陽電池モジュールの構成を示す斜視図である。 図１のモジュール本体の構成を示す下面図である。 図１の接続ボックスの構成を示す図である。 図１の太陽電池モジュールの回路構成を示す図である。 図５（ａ）−（ｄ）は、ホットスポット現象による影響を説明するための図である。 図６（ａ）−（ｃ）は、ホットスポット現象による影響を説明するための別の図である。

本発明を具体的に説明する前に、概要を述べる。本発明の実施例は、太陽電池として使用可能な光電変換装置に関する。ここでは、薄膜光電変換モジュールとしての太陽電池モジュールを説明の対象にする。太陽電池モジュールの耐用年数を長期化するためには、ホットスポット現象への対策が必要となる。ホットスポット現象とは、落ち葉等の物体が太陽電池の表面に付着して影となった場合、その部分が発熱してしまう現象であり、それによって太陽電池セルが破損してしまうこともある。これは、太陽電池セルが直列に接続されていれば、発電を行わない太陽電池セルにも発電した電流が流れるが、影になった太陽電池が抵抗体となるので、そこに電流が通る際に「熱」を発生させてしまうからである。

また、破損に至らなくても、非発電の太陽電池セルが抵抗体となって、他の太陽電池セルが発電した電力を消費してしまい、発電量が低下する問題もある。影になった部分が発電しない以上に発電量が低下してしまう。このような現象を回避するために、バイパスダイオードが太陽電池セルと並列に接続される。影になって発電をしない太陽電池セルが存在する場合、電流がバイパスダイオードの方向に流れるので、影となった太陽電池セルが保護される。しかしながら、発電を行わない太陽電池セルに流れる電流が完全に遮断されるわけではないので、バイパスダイオードを使用する場合であっても、発電を行わない太陽電池セルでの発熱量を低減することが望まれる。また、前述のごとく、発電量低下を抑制するために、バイパスダイオードの数の抑制が望まれる。

本実施例に係る太陽電池モジュールには、複数の太陽電池セルが配置される。各太陽電池セル群において、太陽電池セルは直列に接続され、さらに集電配線を介して接続ボックスに接続される。接続ボックス内において、各太陽電池セルからの集電配線が接続されることによって、複数の太陽電池セル群は並列に接続される。また、複数の太陽電池セル群のそれぞれに対して並列にバイパスダイオードが接続されており、これらのバイパスダイオードも接続ボックス内に収容される。このように太陽電池セル群が並列に接続されることによって、ホットスポット現象が発生した場合であっても、発電を行っていない太陽電池セルに流れる電流が小さくなるような動作点が使用される。その結果、発熱量が抑制される。また、太陽電池セル群を並列に接続するための構成とバイパスダイオードとが接続ボックスに集約されるので、太陽電池モジュールの製造が容易になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。

図１は、本発明の実施例に係る太陽電池モジュール１００の構成を示す斜視図である。太陽電池モジュール１００は、モジュール本体１０、接続ボックス２０、モジュール連結ケーブル２２と総称される第１モジュール連結ケーブル２２ａ、第２モジュール連結ケーブル２２ｂ、第１種端子２４、第２種端子２６を含む。モジュール本体１０の表面側には、図示しない複数の太陽電池セルが敷設されている。これらの太陽電池セルの接続については、後述する。モジュール本体１０の裏面側には、接続ボックス２０が配設されている。接続ボックス２０は、太陽電池セルにおいて発電された電力を取り出す。接続ボックス２０の構成についても後述する。

接続ボックス２０には、集電した電力を外部に出力するための第１モジュール連結ケーブル２２ａと第２モジュール連結ケーブル２２ｂが接続される。第１モジュール連結ケーブル２２ａの先端には、第１種端子２４が接合されており、第２モジュール連結ケーブル２２ｂの先端には、第２種端子２６が接合されている。第１種端子２４は、図示しない他の太陽電池モジュール１００における第２モジュール連結ケーブル２２ｂの先端に接合された第２種端子２６に連結可能である。第２種端子２６も、同様に、図示しない他の太陽電池モジュール１００における第１種端子２４に連結可能である。その結果、屋根上等に並設された複数の太陽電池モジュール１００は、直列に順次連結可能な構造になっている。さらに、複数の太陽電池モジュール１００は、図示しないインバータに接続され、インバータは、太陽電池モジュール１００らの直流電流を交流電流に変換する。このようにして、複数の太陽電池モジュール１００から電力が取り出される。

図２は、モジュール本体１０の構成を示す下面図である。モジュール本体１０は、セル群３８と総称される第１セル群３８ａ、第２セル群３８ｂ、第３セル群３８ｃ、第４セル群３８ｄを含む。第１セル群３８ａは、第１−１太陽電池セル３０ａａ、第１−２太陽電池セル３０ａｂ、第１−３太陽電池セル３０ａｃ、第１−４太陽電池セル３０ａｄ、第１−５太陽電池セル３０ａｅ、第１−６太陽電池セル３０ａｆ、第１−７太陽電池セル３０ａｇ、第１−８太陽電池セル３０ａｈ、第１−９太陽電池セル３０ａｉ、第１−１０太陽電池セル３０ａｊ、第１−１１太陽電池セル３０ａｋ、第１−１２太陽電池セル３０ａｌ、第１−１３太陽電池セル３０ａｍ、第１−１４太陽電池セル３０ａｎ、第１−１５太陽電池セル３０ａｏ、第１−１バスバー配線３２ａａ、第１−２バスバー配線３２ａｂ、第１−１取出し配線３４ａａ、第１−２取出し配線３４ａｂを含む。

また、第２セル群３８ｂも、第１セル群３８ａ等と同様に、第２−１太陽電池セル３０ｂａ〜第２−１５太陽電池セル３０ｂｏ、第２−１バスバー配線３２ｂａ、第２−２バスバー配線３２ｂｂ、第２−１取出し配線３４ｂａ、第２−２取出し配線３４ｂｂを含む。第３セル群３８ｃも、第１セル群３８ａ等と同様に、第３−１太陽電池セル３０ｃａ〜第３−１５太陽電池セル３０ｃｏ、第３−１バスバー配線３２ｃａ、第３−２バスバー配線３２ｃｂ、第３−１取出し配線３４ｃａ、第３−２取出し配線３４ｃｂを含む。第４セル群３８ｄも、第１セル群３８ａ等と同様に、第４−１太陽電池セル３０ｄａ〜第４−１５太陽電池セル３０ｄｏ、第４−１バスバー配線３２ｄａ、第４−２バスバー配線３２ｄｂ、第４−１取出し配線３４ｄａ、第４−２取出し配線３４ｄｂを含む。

このように、太陽電池モジュール１００は、太陽電池セル３０と総称される第１−１太陽電池セル３０ａａ等、バスバー配線３２と総称される第１−１バスバー配線３２ａａ等、取出し配線３４と総称される第１−１取出し配線３４ａａ等を含む。モジュール本体１０では、複数のセル群３８が並列に接続されている。ここでは、４つのセル群３８が配置されているが、４つに限定されない。各セル群３８では、１５の太陽電池セル３０が直列に接続されている。なお、太陽電池セル３０が並設されている方向は、セル群３８が並設されている方向に対して垂直である。

太陽電池セル３０では、図示しない表面ガラス板、光電変換ユニット、裏面ガラス板が断面方向に積層されている。表面ガラス板は、光が入射される面に設けられる。光電変換ユニットは、例えば、アモルファスシリコン光電変換ユニット（ａ−Ｓｉユニット）や微結晶シリコン光電変換ユニット（μｃ−Ｓｉユニット）等であり、表面ガラス板上に形成される。

光電変換ユニットは、タンデム型やトリプル型のように複数の光電変換ユニットを積層した構造としてもよい。裏面電極は、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）や反射性金属、それらの積層構造とされる。透明導電性酸化物（ＴＣＯ）として、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等が使用され、反射性金属として、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が使用される。光電変換ユニットは、表面ガラス板を介して入射された光に応じて電力を発生させる。裏面ガラス板は、光電変換ユニットに対して、表面ガラス板とは反対側に設けられる。セル群３８に含まれた複数の太陽電池セル３０は、図示しないインターコネクトを通じて直列に接続されている。例えば、第１セル群３８ａにおいて、第１−１太陽電池セル３０ａａから第１−１５太陽電池セル３０ａｏまでが直列に接続される。また、他のセル群３８においても同様の接続がなされる。

バスバー配線３２は、セル群３８に含まれた複数の太陽電池セル３０の出力電力を取り出すために形成される。具体的に説明すると、セル群３８に含まれた複数の太陽電池セル３０のうち、両端部の太陽電池セル３０のそれぞれにバスバー配線３２が設けられる。例えば、第１セル群３８ａにおいて、第１−１太陽電池セル３０ａａに第１−１バスバー配線３２ａａが設けられ、第１−１５太陽電池セル３０ａｏに第１−２バスバー配線３２ａｂが設けられる。なお、第１−１バスバー配線３２ａａが正電極に相当し、第１−２バスバー配線３２ａｂが負電極に相当する。他のセル群３８においてもバスバー配線３２は同様に形成される。バスバー配線３２は、集電に十分な導電性を有する材料を含んで構成されればよい。バスバー配線３２として、例えば、導電性物質が表面や内部に混入されている導電性テープ、ライン状のハンダ、スクリーン印刷法等で銀ペーストを塗布したもの等が使用される。

取出し配線３４は、各セル群３８に設けられたバスバー配線３２を図示しない接続ボックス２０へ接続するための電極である。つまり、取出し配線３４は、バスバー配線３２と接続ボックス２０とを電気的に接続するものであり、集電に十分な導電性を有する材料を含んで構成されればよい。取出し配線３４として、例えば、導電性物質が表面や内部に混入されている導電性テープやハンダメッキされた銅泊等が使用される。取出し配線３４は、バスバー配線３２と接続ボックス２０との間において裏面電極や光電変換層と接触しないように絶縁材を挟んで設けることが望ましい。

図３は、接続ボックス２０の構成を示す。接続ボックス２０は、モジュール連結ケーブル２２、取出し配線３４、バイパスダイオード３６を含み、さらに並列用集電配線４２と総称される第１並列用集電配線４２ａ、第２並列用集電配線４２ｂを含む。接続ボックス２０は、モジュール本体１０の裏面側に、接着剤により接着して装着された構造とされている。なお、この際、防水、防湿、放熱、結露防止等を目的として、以下に述べる各部材が取り付けられた接続ボックス２０内部にシリコンが充填されて蓋体が接着される。

並列用集電配線４２は、複数の取出し配線３４を接続するとともに、モジュール連結ケーブル２２も接続することによって、それらを電気的に接続する。ここでは、並列用集電配線４２として、第１並列用集電配線４２ａと第２並列用集電配線４２ｂとが使用されるが、第１並列用集電配線４２ａが正電極に相当し、第２並列用集電配線４２ｂが負電極に相当する。第１並列用集電配線４２ａは、各セル群３８に接続された正電極の第１−１取出し配線３４ａａ、第２−１取出し配線３４ｂａ、第３−１取出し配線３４ｃａ、第４−１取出し配線３４ｄａを接続する。第２並列用集電配線４２ｂは、各セル群３８に接続された負電極の第１−２取出し配線３４ａｂ、第２−２取出し配線３４ｂｂ、第３−２取出し配線３４ｃｂ、第４−２取出し配線３４ｄｂを接続する。このような接続によって、複数のセル群３８が並列に接続される。

バイパスダイオード３６は、同一のセル群３８に接続されたふたつの取出し配線３４間に接続される。例えば、第１バイパスダイオード３６ａは、第１セル群３８ａに接続された第１−１取出し配線３４ａａと第１−２取出し配線３４ａｂとの間に接続される。他のバイパスダイオード３６も同様に接続される。このような接続によって、バイパスダイオード３６は、セル群３８に並列に接続される。さらに、第１並列用集電配線４２ａは、第１モジュール連結ケーブル２２ａを接続し、第２並列用集電配線４２ｂは、第２モジュール連結ケーブル２２ｂを接続する。

図４は、太陽電池モジュール１００の回路構成を示す。太陽電池モジュール１００は、図２と同様に、セル群３８、太陽電池セル３０を含み、さらにバイパスダイオード３６と総称される第１バイパスダイオード３６ａ、第２バイパスダイオード３６ｂ、第３バイパスダイオード３６ｃ、第４バイパスダイオード３６ｄを含む。これは、図２に示したモジュール本体１０と図３に示した接続ボックス２０を組み合わせた回路構成に相当する。

各セル群３８では、図２の構成と同様に、複数の太陽電池セル３０が直列に接続されている。また、図３で示したように、複数のバイパスダイオード３６のそれぞれが、複数のセル群３８のそれぞれと１対１で対応するように設けられている。さらに、複数のバイパスダイオード３６のそれぞれは、対応したセル群３８に並列に接続されている。さらに、複数のセル群３８は、並列に接続されている。ここで、複数のセル群３８を並列に接続するための構成、複数のバイパスダイオード３６は、図３の接続ボックス２０内に収容されている。

図５（ａ）−（ｄ）は、ホットスポット現象による影響を説明するための図である。これらは、太陽電池モジュールによって発電される電圧と電力との関係（以下、単に「電圧と電力との関係」という）を示す。また、これらは、本実施例に係る太陽電池モジュール１００の比較対象であり、複数の太陽電池セルが直列に接続されている場合である。横軸が電圧であり、縦軸が電流である。図５（ａ）は、ホットスポット現象が生じていない場合の電圧と電流との関係を示す。これは、発電が理想的になされている場合に相当する。また、電圧と電流の積が電力であるので、図中のＰ１において発電される電力が最大になる。図５（ｂ）および図５（ｃ）は、ホットスポット現象が生じている場合の電圧と電流との関係を示す。これらでは、一部の太陽電池セルにおいて発電が行われていない。ここで、図５（ｃ）において発電を行わない太陽電池セルの数は、図５（ｂ）において発電を行わない太陽電池セルの数よりも多い。

ホットスポット現象によって、図５（ａ）のＰ１のような電力のピークがなくなり、ふたつの特異点が生じる。図５（ｂ）においては、Ｐ２あるいはＰ３において発電される電力が最大になる。図５（ｄ）は、ホットスポット現象によって、図５（ａ）の関係が、図５（ｂ）、図５（ｃ）の関係になることを説明するための図である。Ｌ３は、ホットスポット現象が生じていない太陽電池セルでの関係を示す。一方、Ｌ１やＬ２は、ホットスポット現象が生じている太陽電池セルでの関係を示す。太陽電池モジュールでの関係は、Ｌ１あるいはＬ２と、Ｌ３との重ね合わせになるので、図５（ｂ）、図５（ｃ）のように示される。

図６（ａ）−（ｃ）は、ホットスポット現象による影響を説明するための別の図である。図６（ａ）−（ｃ）は、図５（ａ）−（ｄ）と同様に示される。また、図６（ａ）−（ｂ）も、本実施例に係る太陽電池モジュール１００の比較対象であり、複数の太陽電池セルが直列に接続されている場合である。図６（ａ）は、ホットスポット現象が生じている場合の消費電力を説明するための図である。Ｐ１において発電がなされている場合、電流は「Ｉ１」になる。その結果、発電を行わない太陽電池セルには、Ｉ１の電流が流れ、図中の斜線部分に対応した電力が消費される。図６（ｂ）も、ホットスポット現象が生じている場合の消費電力を説明するための図である。図６（ｂ）は、インバータによって最適動作点が検出された場合を示す。最適動作点とは、太陽電池モジュールによって発電される電力が大きくなる点に相当する。ここでは、最適動作点としてＰ２が検出されているので、電流は「Ｉ２」になる。

その結果、発電を行わない太陽電池セルには、Ｉ２の電流が流れ、図中の斜線部分に対応した電力が消費される。図６（ｂ）での斜線の面積は、図６（ａ）での斜線の面積よりも狭いので、前者での消費電力は後者での消費電力よりも小さくなる。消費電力が小さくなると発熱量も小さくなるので、太陽電池セルの破壊が抑制される。これらを考慮すると、電圧の減少を抑制しながら、電流を減少させることが、ホットスポット現象に対して有効であるといえる。なお、ホットスポット現象における電圧と電流の関係はさまざまであり、インバータを接続する場合であっても、図６（ａ）のＰ１が最適動作点として検出されることもある。そのため、図６（ｂ）のＰ２が最適動作点として検出されやすくなるような太陽電池セルの構成が望まれる。

図６（ｃ）は、本実施例に係る太陽電池モジュール１００においてホットスポット現象が生じた場合の電圧と電流との関係を示す図である。太陽電池モジュール１００は、複数のセル群３８が並列に接続されているので、各セル群３８の電流は合成される。そのため、各セル群３８での電圧と電流との関係Ｌ５を電流について加算することによって、太陽電池モジュール１００での電圧と電流との関係Ｌ６が得られる。それにより、ひとつのセル群３８に含まれた太陽電池セル３０においてホットスポット現象が生じている場合、最適動作点の候補は、Ｐ３およびＰ４になる。

ここで、Ｐ３における電圧を「Ｖ３」とし、電流を「Ｉ３」とし、Ｐ４における電圧を「Ｖ４」とし、電流を「Ｉ４」とすると、図示のごとく、Ｖ３＞Ｖ４、Ｉ４＞Ｉ３の関係が成立する。複数のセル群３８が並列に接続されている場合、並列に接続された複数のセル群３８の数に応じて、Ｉ３とＩ４との差が小さくなる。一方、並列に接続された複数のセル群３８の数にかかわらず、Ｖ３とＶ４との差はほぼ一定である。その結果、Ｐ４における電力（Ｖ４×Ｉ４）は、Ｐ３における電力（Ｖ３×Ｉ３）よりも大きくなるので、Ｐ４の方が最適動作点として選択されやすくなる。前述のごとく、複数のセル群３８が並列に接続されているので、図中の斜線部分に対応した電力が消費される。このように斜線部分の面積が小さくなり、発熱量が抑制される。

本発明の実施例によれば、複数のセル群を並列に接続し、それぞれに並列にバイパスダイオードを接続するので、ホットスポット現象が生じた場合であっても、インバータに接続したときの最適動作点として低電流側の動作点を選択されやすくでき、その結果、発電を行ってない太陽電池セルに流れる電流を抑制できる。ひいては、発熱量を抑制できる。また、太陽電池セルの破壊を回避できるので、太陽電池モジュールの耐用年数を増加できる。また、接続ボックス内において、複数のセル群を並列に接続するとともに、バイパスダイオードも接続するので、太陽電池モジュール全体の構成を簡易にでき、その結果、メンテナンス性を向上できる。

以上、本発明を上述の実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、実施例の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施例における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施例に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施例も本発明の範囲に含まれうる。

１０ モジュール本体、 ２０ 接続ボックス、 ２２ モジュール連結ケーブル、 ２４ 第１種端子、 ２６ 第２種端子、 ３０ 太陽電池セル、 ３２ バスバー配線、 ３４ 取出し配線、 ３６ バイパスダイオード、 ４２ 並列用集電配線、 １００ 太陽電池モジュール。

Claims (2)

1. 複数のセルが直列に接続された第１のセル群と、
   前記第１のセル群に並列に接続された第１のバイパス用整流素子と、
   複数のセルが直列に接続された第２のセル群と、
   前記第２のセル群に並列に接続された第２のバイパス用整流素子とを備え、
   前記第１のセル群と前記第２のセル群とは並列に接続されていることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記第１のバイパス用整流素子と前記第２のバイパス用整流素子を収容する端子ボックスをさらに備え、
   前記端子ボックスは、前記第１のセル群と前記第２のセル群とを並列に接続す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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