JP2013207175A - 太陽電池異常回避装置及び太陽電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイパスダイオードを用いずにホットスポット発生時に太陽電池セルや周辺の素材の損傷を防ぐことができる太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムを提供すること。
【解決手段】電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セル２を有する太陽電池パネル３に対して、対応する太陽電池セル２に直接またはその近傍に設置され太陽電池セル２の温度を検出する複数の温度センサＳと、温度センサＳに電気的に接続され温度センサＳで検出した太陽電池セル２の温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった太陽電池セル２を迂回する迂回回路５に電流を流す制御部Ｃを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の太陽電池セルで構成された太陽電池パネルのホットスポット現象の影響を抑制することができる太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムに関する。

一般に、太陽電池パネルは、高発電電圧を得るために太陽電池素子からなる複数の太陽電池セルを電気的に直列に接続して配置されているが、部分的に影ができて一部の発電が不十分となると、いわゆるホットスポット現象が生じる場合がある。このホットスポット現象は、太陽電池セルの一部に影ができた際に、その部分が抵抗部分になって他の領域に迂回して電流が偏って流れることで電流が集中し、このように抵抗化した太陽電池セルに電流が流れ続けると、異常に発熱して温度が高い領域（いわゆるホットスポット）が生じる現象である。

このようなホットスポットが発生した場合、太陽電池セルや周辺の素材に破損を生じさせるおそれがある。例えば、太陽電池セルだけでなく、インターコネクタに電流が集中して温度が上昇し、接続部分のハンダ材が溶融してしまうおそれもある。

この対策のため、従来、例えば特許文献１に記載されているように、バイパスダイオードを接続し、ホットスポット発生により太陽電池セルの抵抗が増加した際にバイパスダイオードに電流を流して太陽電池セルを迂回させる技術が採用されている。なお、特許文献１に記載の技術では、正特性サーミスタをバイパスダイオードに直列に接続することで、迂回電流によってバイパスダイオードの温度が増大し、最大定格温度を超えることを防ぎ、バイパスダイオードの破壊を防止している。

特開２００４−２２１２１０号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、太陽電池セルが影により抵抗化した場合であっても、バイパスダイオードに電流が迂回しない状態が存在し、やはり抵抗化した太陽電池セルに電流が流れ続けてホットスポットが発生してしまう問題があった。すなわち、１つの太陽電池セルの中で部分的に影の領域ができた場合、その領域が抵抗部分になり、１つの太陽電池セル内の影のできていない領域に電流が偏り、集中して流れてしまう。このように部分的に抵抗化した領域のある太陽電池セルの場合、バイパスダイオードによる迂回が機能せず、異常発熱する不都合があった。また、特許文献１の技術の場合、ホットスポットの熱が正特性サーミスタに伝達してしまうと、バイパスダイオードによる迂回路は完全に閉ざされ、太陽電池セルは発熱継続してしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、バイパスダイオードを用いずにホットスポット発生時に太陽電池セルや周辺の素材の損傷を防ぐことができる太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明の太陽電池異常回避装置は、電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セルを有する太陽電池パネルに対して、対応する前記太陽電池セルに直接またはその近傍に設置され前記太陽電池セルの温度を検出する複数の温度センサと、前記温度センサに電気的に接続され前記温度センサで検出した前記太陽電池セルの温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった前記太陽電池セルを迂回する迂回回路に電流を流す制御部を備えていることを特徴とする。

この太陽電池異常回避装置では、温度センサで検出した太陽電池セルの温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった太陽電池セルを迂回する迂回回路に電流を流すので、ホットスポット発生を温度センサで直接検出し、バイパスダイオードを設けずとも制御部が迂回回路へ電流を迂回させることで、異常温度になった太陽電池セルへの電流を遮断させることができる。したがって、バイパスダイオードによる電流の迂回が効かない場合でも、確実に電流を迂回させることができ、ホットスポットによる太陽電池セルや周辺の素材の損傷を防ぐことができる。

第２の発明の太陽電池異常回避装置は、第１の発明において、前記制御部が、いずれかの前記太陽電池セルの温度が前記所定値以上になった際に、電気的に直列に接続された前記太陽電池セル全体における両端を電気的に短絡させる全体迂回回路を有していることを特徴とする。
すなわち、この太陽電池異常回避装置では、制御部が、いずれかの太陽電池セルの温度が前記所定値以上になった際に、電気的に直列に接続された太陽電池セル全体における両端を電気的に短絡させる全体迂回回路を有しているので、迂回回路が簡単で済み、低コスト化することができる。

第３の発明の太陽電池異常回避装置は、第１の発明において、前記制御部が、温度が前記所定値以上になった前記太陽電池セルだけ又は該太陽電池セルと共にその近傍の前記太陽電池セルを迂回して電流を流す複数の個別迂回回路を有していることを特徴とする。
すなわち、この太陽電池異常回避装置では、制御部が、温度が前記所定値以上になった太陽電池セルだけ又は該太陽電池セルと共にその近傍の太陽電池セルを迂回して電流を流す複数の個別迂回回路を有しているので、異常温度になった太陽電池セル又は該太陽電池セルと共にその近傍の太陽電池セル以外は、そのまま電流が流れて発電に寄与するため、ホットスポット発生による電流迂回時の発電効率低下を極力抑制することが可能になる。

第４の発明の太陽電池異常回避装置は、第１から３のいずれかの発明において、前記制御部が、前記太陽電池セルの温度が前記所定値以上になったことを検出した際に、異常検出信号を無線または有線で送信する送信部を有していることを特徴とする。
すなわち、この太陽電池異常回避装置では、制御部が、温度センサが太陽電池セルの温度が前記所定値以上になったことを検出した際に、異常検出信号を無線または有線で送信する送信部を有しているので、外部で異常検出信号を受信してホットスポット発生による異常を外部から検知することが可能になる。

第５の発明の太陽電池異常回避装置は、第１から４のいずれかの発明において、前記制御部が、前記太陽電池セルに接続され前記太陽電池セルにより生じた電力により駆動されることを特徴とする。
すなわち、この太陽電池異常回避装置では、制御部が、太陽電池セルに接続され太陽電池セルにより生じた電力により駆動されるので、別途外部電源に接続する必要が無く、太陽電池セルとの配線だけですむ。また、迂回回路と電源用の配線とを兼用することも可能になり、より配線を簡易にすることができる。

第６の発明の太陽電池システムは、電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セルを有する太陽電池パネルと、第１から第５のいずれかの発明の太陽電池異常回避装置とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムによれば、温度センサで検出した太陽電池セルの温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった太陽電池セルを迂回する迂回回路に電流を流すので、ホットスポット発生を温度センサで直接検出し、バイパスダイオードを設けずとも迂回回路へ電流を迂回させることで、ホットスポットによる太陽電池セルや周辺の素材の損傷を防ぐことができる。

本発明に係る太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムの第１実施形態を示す回路構成図（ａ）および太陽電池パネルを示す平面図（ｂ）である。 本発明に係る太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムの第２実施形態を示す回路構成図（ａ）および太陽電池パネルを示す平面図（ｂ）である。

以下、本発明に係る太陽電池異常回避装置及び太陽電池システムの第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態の太陽電池システム１は、図１に示すように、電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セル２を有する太陽電池パネル３と、太陽電池異常回避装置４とを備えている。
本実施形態の太陽電池異常回避装置４は、上記太陽電池パネル３に対して、対応する太陽電池セル２に直接またはその近傍に設置され太陽電池セル２の温度を検出する複数の温度センサＳと、温度センサＳに電気的に接続され温度センサＳで検出した太陽電池セル２の温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった太陽電池セル２を迂回する迂回回路５に電流を流す制御部Ｃを備えている。

上記太陽電池セル２は、従来より知られている例えば高純度シリコン単結晶ウエハを基板としたもの、ガラス板に多結晶シリコン薄膜やアモルファスシリコン薄膜を形成したものなどであって、ＰＮ接合による光起電力効果を利用して電力を得る太陽電池素子である。太陽電池パネル３は、図１の（ｂ）に示すように、太陽電池セル２が複数枚、電気的に直列接続されてパネル状とされた太陽電池モジュールである。

なお、本実施形態では、１６枚の太陽電池セル２が電気的に直列接続されていると共に、２列に配列されて長方形状の太陽電池パネル３を構成している。また、この太陽電池パネル３には、４つの温度センサＳが互いに離間した位置に、かつ対応する太陽電池セル２の近傍に設置されている。すなわち、各温度センサＳが、対応する４つの太陽電池セル２の近傍にそれぞれ設置されている。

上記温度センサＳは、接触型または非接触型の温度検出器であり、例えばＮＴＣ型のチップサーミスタが採用される。この温度センサＳは、予め太陽電池パネル３に内蔵させても構わないが、ボルト締めや接着剤などにより後付けで太陽電池パネル３に設置しても構わない。このように後付けで温度センサＳを取付可能な場合、本実施形態の太陽電池異常回避装置４は、既存の太陽電池パネル３に後付け可能である。

上記制御部Ｃは、太陽電池パネル２と別体に設けた制御ボックス等に設けられているが、太陽電池セル２の邪魔にならないスペースに太陽電池パネル２と一体に設けても構わない。
この制御部Ｃは、上記迂回回路５として、いずれかの太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になった際に、電気的に直列に接続された太陽電池セル２全体における両端を電気的に短絡させる全体迂回回路を有している。すなわち、直列に接続された複数の太陽電池セル２からなるセル直列回路の両端に、迂回回路５の両端が接続されている。前記所定値は、太陽電池セル２にホットスポットが発生した際の温度に設定される。

上記迂回回路５は、直列に接続された太陽電池セル２全体における両端に設けられた外部配線用のプラス側およびマイナス側の端子部３ａに両端が接続され、ＦＥＴなどで構成されたスイッチ部５ａを有している。すなわち、通常時は、スイッチ部５ａが開いているが、いずれかの温度センサＳで異常温度を検出した際には、制御部Ｃによりスイッチ部５ａが閉じられて迂回回路５が短絡するように設定されている。

また、制御部Ｃは、温度センサＳが対応する太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になったことを検出した際に、異常検出信号を無線または有線で送信する送信部７を有している。なお、送信部７としては、異常検出信号を無線で送信することが配線が不要になるため好ましい。また、太陽電池パネル３から離間した場所（例えば、建物内や屋内）には、送信部７から送信された異常検出信号を受信可能であり、異常検出信号を受信した際には、ホットスポットが発生して十分な発電が行われていないことを警告ランプの点灯や警報で知らせる警告装置８が設置されている。

さらに、制御部Ｃは、迂回回路５を介して太陽電池セル２に接続され太陽電池セル２により生じた電力により駆動される。すなわち、迂回回路５が、制御部Ｃの駆動回路部分に接続され電源用の配線と兼用されており、制御部Ｃは、太陽電池セル２から出力される発電電圧を駆動電圧として利用している。なお、迂回回路５に接続された蓄電部（バッテリー）を制御部Ｃに設けることで、ホットスポット発生時に太陽電池セル２からの電力が低下しても、蓄電部からの電力で制御部Ｃの動作を維持することも可能である。

このように本実施形態の太陽電池異常回避装置４および太陽電池システム１では、温度センサＳで検出した太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった太陽電池セル２を迂回する迂回回路５に電流を流すので、ホットスポット発生を温度センサＳで直接検出し、バイパスダイオードを設けずとも制御部Ｃが迂回回路５へ電流を迂回させることで、異常温度になった太陽電池セル２への電流を遮断させることができる。したがって、バイパスダイオードによる電流の迂回が効かない場合でも、確実に電流を迂回させることができ、ホットスポットによる太陽電池セル２や周辺の素材の損傷を防ぐことができる。

また、制御部Ｃが、迂回回路５として、いずれかの太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になった際に、電気的に直列に接続された太陽電池セル２全体における両端を電気的に短絡させる全体迂回回路を有しているので、迂回回路５が簡単で済み、低コスト化することができる。
さらに、制御部Ｃが、温度センサＳが太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になったことを検出した際に、異常検出信号を無線または有線で送信する送信部７を有しているので、外部で異常検出信号を受信してホットスポット発生による異常を外部から検知することが可能になる。

また、制御部Ｃが、太陽電子セル２に接続され太陽電子セル２により生じた電力により駆動されるので、別途外部電源に接続する必要が無く、太陽電池セル２との配線だけですむ。また、迂回回路５と太陽電池セル２に接続される電源用の配線とを兼用することで、より配線を簡易にすることができる。

次に、本発明に係る太陽電池異常回避装置および太陽電池システムの第２実施形態について、図２を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、温度センサＳが４つ設置され、各温度センサＳがそれぞれ対応する４つの太陽電池セル２の近傍に設置されているのに対し、第２実施形態の太陽電池異常回避装置２４および太陽電池システム２１では、図２に示すように、温度センサＳが８つ設置され、各温度センサＳがそれぞれ対応する２つの太陽電池セル２の近傍に設置されている点である。

また、第２実施形態では、制御部Ｃが、迂回回路として温度が前記所定値以上になった太陽電池セル２およびこれに隣接する太陽電池セル２の２つだけを迂回して電流を流す複数の個別迂回回路２５を有している点でも第１実施形態と異なっている。すなわち、直列に接続され互いに隣接する２つの太陽電池セル２の両端に、個別迂回回路２５の両端が接続され、２つの太陽電池セル２とこれらに対応する個別迂回回路２５とが並列に接続されている。

各個別迂回回路２５には、メーク接点型スイッチ２５ａが接続されており、各メーク接点型スイッチ２５ａは、制御部Ｃにスイッチ配線２５ｂによりそれぞれ接続されている。すなわち、制御部Ｃは、特定のメーク接点型スイッチ２５ａに対してスイッチ配線２５ｂを介して動作指令となるスイッチ制御信号により電圧を印加することで、メーク接点型スイッチ２５ａをメーク動作に移行させスイッチＯＮにし、個別迂回回路２５を導通させて接続されている２つの太陽電池セル２に流れる電流を迂回させることができる。

通常時、太陽電池セル２の近傍に配置された各温度センサＳが、対応する太陽電池セル２の温度を逐次検出してセンシング信号を制御部Ｃへ送信しているが、例えば、図２の（ａ）に示すように、太陽電池セル２の一つでホットスポットＨＳが発生すると、太陽電池セル２の内部が抵抗化し発熱する。

この際、太陽電池セル２の温度が前記所定値以上になった場合に、制御部Ｃでは対応する温度センサＳからのセンシング信号に基づきホットスポットＨＳが発生したと判断して、その太陽電池セル２に対応する個別迂回回路２５のメーク接点型スイッチ２５ａへスイッチ制御信号を送信し、その太陽電池セル２とこれに隣接する太陽電池セル２とへ流れる電流を個別迂回回路２５へ迂回させる。その際の迂回電流は、図２の（ａ）に示す流れＩとなる。

なお、一つの太陽電池セル２の発電電圧が０．５Ｖ／１Ａの場合、太陽電池パネル３全体の発電電圧が０．５×１６＝８Ｗとなるが、図２の（ａ）に示すように、従来技術で接続されるバイパスダイオードＤに電流が迂回した場合、太陽電池の発電電力は０Ｗとなってしまう。これに対して、本実施形態では、一つの太陽電池セル２にホットスポットが発生して個別迂回回路２５に電流が迂回した場合、太陽電池パネル３全体の発電電力は０．５×１４＝７Ｗとなる。このように、従来技術に比べて、本実施形態では、ホットスポット発生による電流迂回時の発電効率の低下を大きく改善することができる。なお、ＯＮ抵抗の小さいＦＥＴ等をメーク接点型スイッチ２５ａのスイッチング素子として用いた場合、バイパスダイオードよりも発熱が小さくなる利点もある。

このように第２実施形態では、制御部Ｃが、温度が前記所定値以上になった太陽電池セル２だけ又は該太陽電池セル２と共にその近傍の太陽電池セル２を迂回して電流を流す複数の個別迂回回路２５を有しているので、異常温度になった太陽電池セル２又は該太陽電池セル２と共にその近傍の太陽電池セル２以外は、そのまま電流が流れて発電に寄与するため、ホットスポット発生による電流迂回時の発電効率低下を極力抑制することが可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、１つの温度センサに対して４つの太陽電池セルが配置された場合と１つの温度センサに対して２つの太陽電池セルが配置された場合とを示したが、１つの温度センサに対して１つの太陽電池セルが対応するように配置し、１個の太陽電池セル単位で個別迂回回路を配置しても良い。

１，２１…太陽電池システム、２…太陽電池セル、５…迂回回路、４，２４…太陽電池異常回避装置、７…送信部、２５…個別迂回回路、２５ａ…メーク接点型スイッチ、Ｃ…制御部、Ｓ…温度センサ

Claims (6)

1. 電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セルを有する太陽電池パネルに対して、対応する前記太陽電池セルに直接またはその近傍に設置され前記太陽電池セルの温度を検出する複数の温度センサと、
   前記温度センサに電気的に接続され前記温度センサで検出した前記太陽電池セルの温度が所定値以上になった際に、少なくとも温度が前記所定値以上になった前記太陽電池セルを迂回する迂回回路に電流を流す制御部を備えていることを特徴とする太陽電池異常回避装置。
2. 請求項１に記載の太陽電池異常回避装置において、
   前記制御部が、いずれかの前記太陽電池セルの温度が前記所定値以上になった際に、電気的に直列に接続された前記太陽電池セル全体における両端を電気的に短絡させる全体迂回回路を有していることを特徴とする太陽電池異常回避装置。
3. 請求項１に記載の太陽電池異常回避装置において、
   前記制御部が、温度が前記所定値以上になった前記太陽電池セルだけ又は該太陽電池セルと共にその近傍の前記太陽電池セルを迂回して電流を流す複数の個別迂回回路を有していることを特徴とする太陽電池異常回避装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池異常回避装置において、
   前記制御部が、前記太陽電池セルの温度が前記所定値以上になったことを検出した際に、異常検出信号を無線または有線で送信する送信部を有していることを特徴とする太陽電池異常回避装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池異常回避装置において、
   前記制御部が、前記太陽電池セルに接続され前記太陽電池セルにより生じた電力により駆動されることを特徴とする太陽電池異常回避装置。
6. 電気的に直列に接続されて配置された複数の太陽電池セルを有する太陽電池パネルと、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽電池異常回避装置とを備えていることを特徴とする太陽電池システム。

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