JP2013509635A - エネルギ収集システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

過大動作及び過小動作を定義する異なるＩＶ特性を有する複数のエネルギ生成器からのエネルギ収集を最適化するシステム及び方法。エネルギ収集の最適化は、複数の電気的に接続されたエネルギ生成器に電気接続される電力再分配ユニットを提供することにより実現される。電力再分配ユニットは、バスコネクタと、バスコネクタに電気的に接続可能な少なくとも二つの電気結合組立体とを含む。各電気結合組立体は、一つ以上のエネルギ生成器に連結され、所定の時間パターンに従って、バスコネクタと少なくとも二つのエネルギ生成器との間に選択的電気結合を提供するように構成されかつ制御動作可能である。システム動作中、一つ以上のエネルギ生成器の各々に対する電気接続内に少なくとも一つの結合組立体が常に存在し、それによって少なくとも二つのエネルギ生成器の間での電力の再分配を可能にし、それらからのエネルギ収集を最適化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力生成量が変動する電力生成器のアレイからのエネルギ収集に関する。特に、本発明は、光起電システム又はバッテリパックと共に使用することに非常に適合し、複数の光起電セル又はバッテリセルによって生成される電力を取り入れる方法を最適化する。
多くの電気エネルギ製造技術（エネルギ生成／変換技術）では、互いに直列及び／又は並列接続で接続されている複数の電気エネルギ生成セルを含んでいるエネルギ生成モジュールを利用している。一般に、セルの動作は、前記セルの電流電圧曲線（つまり、Ｉ−Ｖ曲線）に従っている。Ｉ−Ｖ曲線は、（例えば、光起電セルの場合、セルの寸法、並びに、例えば、単結晶／多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＤＴＥ及び他の材料等の材料によって定義される）所定のセルに対して、並びに、例えば、光起電セルの（その効率に影響を与える可能性がある）動作温度、及び前記セルによって電気エネルギに変換される入力エネルギの量によって決定される前記セルの所定の動作条件に対して、エネルギ生成セルの動作を特徴付ける。
一般にセルストリング又はストリングと呼ばれる、互いに直列に接続されている複数のエネルギ生成セルは、所定の電流を備えている電気出力を提供し、前記電流は、前記ストリングの全てのセル内に等しく流れる。このようなストリングの出力電圧は、セルの対応するＩ−Ｖ曲線、及び、前記ストリングのセルを介して流れる前記所定の電流に従って、各セルによって生成される電圧の合計となる。言い換えると、各セルは、そのＩ−Ｖ曲線に沿った所定の固定点において動作するように拘束され、前記固定点は、前記所定の電流の値に従って決定される。更に、前記所定の電流は、セルストリング全体の電気負荷に依存している。
一般的なエネルギ生成モジュールは、互いに対して並列の電気接続で配置された複数のセルストリングによる構成を含み、そのように接続されたセルストリングからの出力電流を蓄積させる。
図１は、太陽光発電システム（モジュール）１００の既知の「中央インバータ」構成を概略的に示している。システム１００は、複数の光起電セルを各々含んでいる二つのセルストリング１０７ａと１０７ｂを含み、前記光起電セルは本明細書では、互いに直列に電気的に接続されている太陽光パネル１０１とも呼ばれる。各ストリング（１０７ａ、１０７ｂ）内のセル１０１の数は、ストリング（１０７ａ、１０７ｂ）の各々から、十分に高い出力電圧を提供するように設計されている。これは、セル（１０１）によって生成されるＤＣ電気から一般的な標準供給網のＡＣ電圧（約１００Ｖ、１２０Ｖ、２４０Ｖ又は４８０Ｖ ＡＣ等）への効率的な変換が、比較的高い入力ＤＣ電圧を必要とするためである（およそ数百ＶのＤＣが、インバータの入力として提供されるべきである）。一般的なセルストリングは、複数の太陽光パネルを含み、前記太陽光パネルの数及び種類を選択し、（約４００〜６００Ｖの）ストリングからの高ＤＣ出力電圧を提供する。セルストリング１０７ａと１０７ｂは、電気的に並列に接続され、出力電流が、前記ストリングからの前記電流となる並列構成１０７を形成する。このような構成のストリングの数は、太陽光発電システム１００からの必要な電流出力によって決定される。
このようなエネルギ生成モジュール１００は、前記モジュール内の全てのセルストリングのＩＶ曲線に関連付けられた対応するＩ−Ｖ曲線を備えているが、あるストリングのＩ−Ｖ曲線は、個々のセルのＩ−Ｖ曲線と、前記ストリングのセルの間の電気接続の性質とに関連付けられる。このようなモジュールでは、セルストリングの間の並列接続のために、前記セルストリングは、同様の出力電圧で動作するように強いられる。理想的には、最大電力（エネルギ）は、全てのセルが、その最大電力点で動作しているときに、複数のセルから収集される。「中央インバータ」構造によると、ストリング構成１０７は、最大電力点追跡器（ＭＰＰＴ）１０５のユニットを介して、ＤＣ−ＡＣインバータ１０３に接続されている。ＭＰＰＴ１０５のユニットは、モジュールからの全出力電力を最大化することを目的としている。一般に、単一のＭＰＰＴユニットは、ストリング上の負荷（抵抗）を制御し、それらの共通の出力電圧、及びそこを介した全出力電流を制御することで、モジュールがＩ−Ｖ曲線に沿って動作する点（動作点）を制御することによって、全モジュールからのエネルギ生成量を最大化するために用いられる。
各ストリングの出力電圧は、前記ストリングのセルの出力電圧の合計である。前記ストリング内の各セルは、迂回ダイオード１０９で連結され、迂回ダイオード１０９は、前記ストリングに沿った電流が、そこに連結されたセルを迂回できるようにする。これは、そのセルの少なくとも一つがうまく機能していない場合（例えば、高抵抗のセル、又は遮光条件下で動作し、必要な電流を提供できないセル）でも、ストリングの動作を可能にする。迂回ダイオードは実際には、うまく機能しない又は「弱い」セル（ストリングに沿って流れる電流値を生成できないセル）を全体的に中和するように動作する。並列接続のストリングが、異なる電圧を生成したとき、電流の逆流を避けるために、各ストリングは、個々の直列ストリングの端部で、遮断ダイオード１０６と連結されている。ＭＰＰＴ１０５は、最大ＤＣ電力を生成する並列構成１０７のＩ／Ｖ動作点を選択するように動作する。
ＭＰＰＴユニットは、（上記の全てのストリング用の単一のＭＰＰＴを用いる代わりに）個々のセル及び／又は個々のストリングと連結できる。例えば、特許文献１は、電源に各々連結させたＭＰＰＴユニットを用いて、ＤＣ電源からの電力を結合するシステム及び方法を開示している。このシステムでは、各電源は、変換器に結合されている。各変換器は、入力電力を監視し、最大電力点でそれを維持することによって、入力電力を出力電力に変換する。実質的には、全ての入力電力は、出力電力に変換され、制御は、変換器の出力電圧を変更可能にすることによって実行される。変換器は、直列に結合されている。インバータは、変換器の直列接続と並列に接続され、変換器へのＤＣ入力をＡＣ出力に反転させる。前記インバータは、変換器から取り出される電流の量を変化させることによって、所望の電圧にインバータ入力の電圧を維持する。変換器の電流及び出力電力は、各変換器の出力電圧を決定する。
米国特許出願公開第２００８／０１４３１８８号明細書
電力生成量が変動している（異なるＩ−Ｖ曲線を備えている）複数の電力生成器から効率的にエネルギ収集を行う必要性が技術的に存在している。本発明は、新規なエネルギ収集システム、及び、それらのＩ−Ｖ曲線に関して不可避的に「同一ではない」複数の電力生成器によって構成されたエネルギ生成システムと共に用いる方法を提供することによって、この必要性を解決する。特に、本発明は、光起電システム又はバッテリパックと共に用いることができ、複数の光起電セル、又は複数のセルバッテリパックによって生成された電力を前記システムから読み出す（収集する）方法を最適化し、従って、本発明は、この特定の用途を参照しながら以降で説明される。しかし、本発明はこの用途には限定されず、例えば、バッテリ等の、任意の他の適切な電力生成器を考慮してもよいことも理解されるべきである。
複数の光起電セルからエネルギを収集する既存の方式に伴う問題は、次のものに関連している。上記のように、電力生成器（セル）は一般に、それらの間で電気的に接続され、一つ以上の多セルストリングを構成する。ＭＰＰＴユニットを利用して、制御可能な方法で、多セル又は多ストリング電力生成システムからの出力電力を最大化することが知られている。しかし、この方式は、電力最適化の過程を制御する必要性に悩まされ、また、次の欠点にも悩まされている。
多セルモジュールからの動作及び電力生成量を最適化するために、単一のＭＰＰＴ（図１参照）を使用することは一般に、抽出されない所定の未獲得のエネルギに関連している。これは主に、セルストリングが各々、セルストリングの残りのもののＩ−Ｖ曲線とは異なるＩ−Ｖ曲線に関連付けられ、従って、その最適な電圧出力値に関して、異なる最大電力点に関連付けられるためである。セルストリングは、互いに並列に接続されているので、同じ出力電圧で動作するように拘束され、前記出力電圧は、個々のストリングの（前記ストリングから最大電力が得られる）最適電圧と必ずしも等しくならない。
ストリング専用のＭＰＰＴモジュールを利用すれば、各ストリングが、前記ストリングの特定のＩ−Ｖ曲線に関連付けられた、その個々の最大電力点で動作可能になる。しかし、このような構成でもなお、大量の未獲得のエネルギ又は損失エネルギが存在する。これは主に、ストリング内の各セルが、一般に異なるＩ−Ｖ曲線を備えているためである。従って、セルは、各ストリングを介して共通に流れる等しい電流で動作するように拘束されるので、ストリング専用のＭＰＰＴを利用してもなお、（それらの個々のＩ−Ｖ曲線の）それらのＭＰＰでのセルの動作を提供することはない。
セル専用のＭＰＰＴを使用する（つまり、太陽光パネル又はバッテリパック等の、セル群（アレイ）毎の専用ＭＰＰＴの構成を含んでいる）場合、これは、専用の電圧変換器の使用を必要とする。しかし、前記電圧変換器は、特に低電圧を処理する場合に、効率の低さに悩まされることになる。
従って、複数のエネルギ生成器（セル）からエネルギを取り入れる既存の方式は、複数のエネルギ生成セルの構成（電気相互接続）が、共通の出力電圧又は共通の出力電流で動作するように、セルを拘束するということに悩まされる。従って、個々のセルの大部分は、それらのＭＰ点で動作せず、多セル発電システム全体の効率は低くなる。
本発明は、直列及び並列構成の組合せでセルを接続する一般的な方法では、最も低性能のセルが、「より良い」セルの性能を低下させるために、（電気エネルギ生成器のアレイを構成している）多セル光起電パネルの潜在的性能の全てを実際には利用していないという理解に基づいている。このような多セルパネルを、それらの間で接続している場合でも、同じことが発生する。
既存の光起電システムでは、光起電セル、従って、多セルパネルのバラツキを補償することは非常に困難である。入射光に対して、全てのセルを同じ方向に配置できない場合、このようなシステムには、更に複雑さと費用が追加される。更に、例えば、物体の影が、セル、又はセルの一部、又は複数のセル（パネル）の一部を横切っている場合、一つ又は複数のセル内で発生する電力低下が、遮蔽効果のために、セルの性能を低下させるだけでなく、更に、遮蔽されたセル（パネル）が、他の遮蔽されていないセル（パネル）からの電力を消費したり、又は、他の遮蔽されていないセル（パネル）からシステムに電力が送られないようにする。
既存の光起電システムでは、ＭＰＰＴユニットは一般に、各セル／パネルに個々にではなく、多セル構造全体に接続され、影響を与える。前記構造内の接続されたセルの全構成の合計からの最大出力は、別個に生成され、システム内の他のセルのものと共に合計される、各セルの最大電力の合計より小さくなる。この全電力の相違は、実際には、正確に同一の特性（Ｉ−Ｖ曲線）を備えた、任意のシステム内の全てのセルを見出すことが非常に難しく、その結果、全てのセルが共に結合されると、よく動作していないセルが、よく動作しているセルの性能を低下させるためである。光起電多セルパネルの製造公差は、一般に５〜１０％である。
従って、既存の光起電システムでは、前記システムの性能を最適化するために、セルの特性を互いに一致させる必要がある。光起電パネルの特性を一致させると、後でシステムにセルを追加することや、故障したセル／パネルを交換することが非常に困難になる。光起電システム内のセルの一つが故障し、交換する必要があり、例えば、このようなセルがもはや市販されていないと仮定すると、このような場合、Ｉ−Ｖ曲線等の、異なる特性を備えている異なるセルが用いられる。このように別個のセルを適合させる場合、設計が非常に困難になる。本発明は、異なる特性、例えば、異なるＩ−Ｖ曲線を備えているセルを共に機能させ、システム全体の高効率電力点を獲得可能にする。
既存のシステムの上記の問題を解決することを目的とした既知の技術では、中央処理ユニットと共に、パネル毎にＭＰＰＴユニットとＤＣ−ＤＣ変換器ユニットの組合せを利用する（例えば、米国特許出願番号２００８／０１４３１８８号参照）。このようなシステムでは、太陽光パネルによって生成される全てのエネルギが、異なる電圧でＤＣ電流に変換され、全ての出力が、直列接続の場合は同じ電流を提供し、並列接続の場合は同じ電圧を提供するようにする。しかし、このような構成でも、ＤＣ−ＤＣ変換は実際には１００％の効率ではないので、システムの効率は制限される。従って、セルによって生成される全ての電力を変換すると、大きな電力損失を発生させる。また、電力経路を介して、ＭＰＰＴ又はＤＣ−ＤＣ変換器等の、追加の能動素子を設置することは、（特定の素子の故障による）システム障害の危険性を増大させ、従って、システム全体の平均故障間隔が短くなる。また、このような高エネルギシステム用のＭＰＰＴ及びＤＣ−ＤＣ変換器は、太陽光設置全体の複雑さとコストを追加する高価な素子となる。
本発明は、光起電システム等の、エネルギ生成システムの上記の問題を解決する新規な方式を提供する。本発明は、複数のエネルギ生成器（例えば、太陽光セル、バッテリ等）を互いに接続している電力分配ユニットを利用する。エネルギ分配ユニットは、直列に接続されたエネルギ生成器の各々の電圧を均一化し、高性能のエネルギ生成器（セル）上の電圧を低下させ、低性能のセル上の電圧を上昇させる。基本的に、本発明によると、ストリング内の全てのセルの性能は、前記ストリングのいわゆる「仮想的平均セル」の性能に均一化される。これは、共通バスラインを介して、セルアレイ内の他のセルのグループに各セルを接続し、前記セルの間の全てのセルによって生成されるエネルギを同時自己分配させることによって実現される。セル間のエネルギの分配は、接続された高電圧及び低電圧接合部の間の電位（電圧）平衡に基づいている。このような電位平衡は自発的に生じ、それを管理する必要もなく、任意の特定の制御ユニットも不要である。
従って、本発明の包括的態様によると、各々電流電圧特性を有する複数の電気的に接続されたエネルギ生成器からエネルギを収集する電子システムが提供される。前記電子システムは、前記複数の電気的に接続されたエネルギ生成器に電気接続される電力再分配ユニットを含み、前記電力再分配ユニットは、バスコネクタと、前記バスコネクタに電気的に接続可能な少なくとも二つの電気結合組立体とを含み、前記電気結合組立体は各々、一つ以上のエネルギ生成器に連結され、前記バスコネクタと少なくとも二つのエネルギ生成器との間で選択的電気結合を提供するように構成されかつ制御動作可能であり、それによって、前記少なくとも二つのエネルギ生成器の間の電力の再分配を可能にし、それらからのエネルギ収集を最適化する。
電気結合組立体は好ましくは、所定の時間パターンに従って構成され、かつ動作可能である。
いくつかの実施形態では、時間パターンは、システム動作中、一つ以上のエネルギ生成器の各々への電気接続内に少なくとも一つの結合組立体が常に存在するように選択される。いくつかの実施形態では、時間パターンは、システム動作中、バスラインとの電気接続内に少なくとも一つの結合組立体が常に存在するようにしてもよい。
電気結合組立体は、少なくとも一つの結合器を含んでいてもよい。前記結合器は、各エネルギ生成器との電気的接続用に構成された電気エネルギ蓄積用のエネルギ蓄積ユニットと、スイッチ組立体とを含んでいる。前記スイッチ組立体は、第一及び第二動作モードで連続的に動作可能である。前記第一動作モードでは、前記スイッチ組立体は、蓄積ユニットの対応する一つと、各エネルギ生成器との電気接続を提供し、前記第二動作モードでは、蓄積ユニットとバスコネクタとの接続を提供し、それによって前記少なくとも一部のエネルギ生成器の間の電力再分配を実行する。
電力再分配ユニットは、バスコネクタを介して、少なくとも一部の蓄積ユニットの間の並列接続を提供するように構成されてもよい。これは、バスに電気的に接続されている間、蓄積ユニットの間の電力の再分配を可能にする。
本発明のいくつかの実施形態では、蓄積ユニットは、少なくとも一つの電荷蓄積素子を含んでいる。
スイッチ組立体は、対応するエネルギ生成器又はバスコネクタのどちらか一方と、各蓄積ユニットの排他的並列接続を行うように構成され、かつ動作可能であってもよい。
本発明のいくつかの実施形態では、電気結合組立体は、少なくとも二つの結合器が、エネルギ生成器の共通の一つと連結されるように構成される。この場合、システム動作中、少なくとも一つの結合器が、スイッチ組立体の第一動作モードに対応しているその動作状態にあるか、又は代替的に、少なくとも一つの結合器が、スイッチ組立体の第二動作モードに対応している動作状態にある。
システムは、第一及び第二モードでスイッチ組立体の連続動作を行うように構成され、かつ動作可能である、同期化ユニットに連結されてもよい（つまり、それに接続可能であるか、又はその構成部品として含んでいてよい）。同期化ユニットは、各エネルギ生成器に連結された一つ以上の結合器に各々接続された、複数の同期化器を含んでいてもよい。
本発明のいくつかの実施形態では、電力蓄積ユニットは、二つ以上の電荷蓄積素子を含み、スイッチ組立体は、電荷蓄積素子の間の並列又は直列接続のどちらかを選択的に実装するように構成される。これによって、電力蓄積ユニット上の電位を制御できる。
電力再分配ユニットは、各エネルギ生成器（各蓄積ユニットに連結されている）の電気パラメータが、全てのエネルギ生成器の前記パラメータの平均値に近づくように構成され、かつ動作可能であってよい。電気パラメータは、電力、電流及び電圧の少なくとも一つを含んでいる。電力蓄積ユニットは、少なくとも二つのコンデンサを含んでいてもよく、コンデンサの間の異なる電気接続に対応している異なる電気条件の間で選択的にシフト可能であってよく、電力蓄積ユニットの異なる有効静電容量を生じさせる。その結果、電力蓄積ユニットの出力電圧変動を提供し、エネルギ生成器の間の電流の再分配を実現する。電力蓄積ユニットは、異なる静電容量によって各々特徴付けられているその異なる電気条件の間で、前記電力蓄積ユニットの選択的シフトを実装するように構成され、かつ動作可能な追加のスイッチング組立体を含んでいてもよい。例えば、電気結合組立体の結合器は各々、各々のスイッチング組立体の第一及び第二動作モードの間でのスイッチングと同調して、その異なる電気条件の間で、電力蓄積ユニットの選択的シフトを実行するように構成され、かつ動作可能な同期化ユニットに連結できる。
本発明の別の包括的形態によると、電流電圧特性を各々備えている電気的に接続されたエネルギ生成器のアレイと、電気的に接続されたエネルギ生成器の前記アレイからエネルギを収集するエネルギ収集システムとを含んでいるエネルギ生成システムが提供される。エネルギ収集システムは、前記エネルギ生成器によって生成された電力を各々蓄積するための、エネルギ生成器のアレイとの電気接続用の蓄積ユニットのアレイと、電力蓄積ユニットのアレイに接続可能なバスコネクタと、スイッチ組立体のアレイとを含み、前記スイッチ組立体は各々、第一動作モードと第二動作モードで制御可能に連続動作可能であり、前記スイッチ組立体は、前記第一動作モードでは、電力蓄積ユニットの対応する一つと、各エネルギ生成器との電気接続を提供し、前記第二動作モードでは、電力蓄積ユニットとバスコネクタとの間の接続を提供し、エネルギ生成器の間の電力再分配を実行する。
本発明の更に別の包括的形態によると、複数の電気的に接続されたエネルギ生成器からエネルギを収集する際に用いる電気結合組立体が提供され、前記エネルギ生成器は各々、電流電圧特性を備え、前記電気結合組立体は、複数のエネルギ生成器に各々連結された複数の結合器を含み、前記結合器は各々、エネルギ生成器との電気接続用、及び前記エネルギ生成器によって生成された電力の蓄積用の電力蓄積ユニットと、第一及び第二動作モードで連続的に動作可能なスイッチ組立体とを含み、前記スイッチ組立体は、第一動作モードでは、電力蓄積ユニットの対応する一つと、各エネルギ生成器との電気接続を提供し、第二動作モードでは、前記電力蓄積ユニットと、外部の全てのエネルギ生成器に共通のバスコネクタとの間の接続を提供し、前記結合器組立体はそれによって、前記エネルギ生成器の間で電力の再分配を実行する。
本発明の更に別の形態によると、直列に電気的に接続されている複数のエネルギ生成器からのエネルギ収集を最適化する方法が提供され、前記エネルギ生成器は、過大動作及び過小動作エネルギ生成器を定義している異なるＩＶ特性を備え、前記方法は、所定の時間パターンで、前記エネルギ生成器の共通バスコネクタへの並列電気接続を操作することを含み、それによって、前記エネルギ生成器の間でエネルギを均一化することによって、前記エネルギ生成器の間でエネルギの再分配を発生させ、過大動作エネルギ生成器から過小動作エネルギ生成器にエネルギを移動させる。
本発明を理解し、それを実際に実行可能な方法を確認するために、添付の図面を参照しながら、限定するものではない単に一例である実施形態について以下に説明する。
太陽光発電システムの従来の中央インバータ構成の概略図である。 過小動作及び過大動作中のエネルギ生成器の間の電力再分配用の、本発明の基となる原理を示す概略図である。 複数のエネルギ生成器からのエネルギ収集用の、本発明による電子システムを利用する電気エネルギ生成システムの一実施形態を示すブロック図である。 エネルギ生成システムを示す全体図である。 図４Ａのシステム内での使用に適した結合組立体の構成の一例を示す図である。 結合組立体内で使用するための結合器の一例を示す図である。 結合器に連結した局所制御部の動作を示す図である。 結合器内での使用に適した電力蓄積ユニットの構成の一例を示す概略図である。 結合器内での使用に適した電力蓄積ユニットの構成の一例を示す概略図である。 結合器内での使用に適した電力蓄積ユニットの構成の一例を示す概略図である。 結合器内での使用に適した電力蓄積ユニットの構成の一例を示す概略図である。 少なくとも二つの電力再分配モジュールを利用することによって、ストリング内のセルに連続的電力最適化を提供するように構成した、本発明の一実施形態を示す図である。 セルストリング内のセルに連続的電力最適化を提供するために、単一の電力再分配モジュールを構成した、本発明の別の実施形態を示す図である。 セルストリング内のセルに連続的電力最適化を提供するために、単一の電力再分配モジュールを構成した、本発明の別の実施形態を示す図である。 標準１００Ｖ高速ＦＥＴスイッチを用いて、高電圧の両端を備えている長いストリングを処理するように、電力再分配システムを設計した、本発明の別の実施形態を例示的に示す図である。 標準１００Ｖ高速ＦＥＴスイッチを用いて、高電圧の両端を備えている長いストリングを処理するように、電力再分配システムを設計した、本発明の別の実施形態を例示的に示す図である。 標準１００Ｖ高速ＦＥＴスイッチを用いて、高電圧の両端を備えている長いストリングを処理するように、電力再分配システムを設計した、本発明の別の実施形態を例示的に示す図である。 結合組立体内の結合器の局所側と、最適化されるべき各太陽光セル出力との間に電圧ギャップを形成するように設計した、本発明の原理を利用するエネルギ生成システムを示す図である。 結合組立体内の結合器の局所側と、最適化されるべき各太陽光セル出力との間に電圧ギャップを形成するように設計した、本発明の原理を利用するエネルギ生成システムを示す図である。 複数のストリング構造と共に構成した、本発明のエネルギ生成システムを例示的に示す図である。 複数のストリング構造と共に構成した、本発明のエネルギ生成システムを例示的に示す図である。
本発明は、エネルギ生成器の一つ以上のアレイ／ストリングによって形成された、エネルギ生成システムの性能を改善することを目的とする。より詳細には、本発明は、光起電ストリング／アレイからのエネルギ取り入れ効率を改善するために用いられ、従って、この具体的な用途であるが、限定的ではない用途について以降で説明する。
図１は、多セル／多パネル太陽光発電システム用の既知の構成の一つを概略的に示している。このシステムは、ストリングのセルが直列に接続されている複数のストリング内に配置されたセル／パネルを利用している。前記システムは更に、全てのストリングに共通のＭＰＰＴユニットを利用している。
図２を参照すると、本発明の基となっている原理が概略的に示されている。ここで、（異なる環境条件に曝されている等の）異なる条件下で動作している、同じ種類及びサイズの（電気エネルギ生成器を構成している）四つの太陽光セルＣ１〜Ｃ４を含む、一般的な直列ストリングＳが示されている。セルＣ１は、照明及び動作温度について最適な条件下で動作している。セルＣ２とＣ３は、弱い照明条件、つまり、遮光条件及びセル表面の汚れによる弱い集光での、それらの動作による過小動作セルである。セルＣ４は、十分な照明条件に曝されているが、比較的高い動作温度によって同様に過小動作している。
四つの太陽光セルＣ１〜Ｃ４の動作に各々対応している、得られたＩ−Ｖ曲線ＩＶ１〜ＩＶ４がグラフで示されている。セルＣ１〜Ｃ３に対応しているＩ−Ｖ曲線ＩＶ１〜ＩＶ３では、異なる照明条件の主な影響は、前記セルから得られる最大出力電流にあり、前記セルから得られる最大電圧は、実質的に変化していない。セルＣ４の場合、動作中、セルＣ４の高温の影響は、セルＣ４から得られる最大電圧の低下で主に表され、得られる最大電流は、セルＣ１から得られる最大電流と同様のままであることを、そのＩ−Ｖ曲線ＩＶ４は示している。
電力セルがバッテリである場合、異なるＩ−Ｖ曲線と異なる最大電力点は、例えば、セルの異なる化学的劣化や、異なる動作温度から生じる可能性があることにも注意すべきである。
更にグラフに示されているように、Ｉ−Ｖ曲線ＩＶ１〜ＩＶ４は、セルＣ１〜Ｃ４の最大出力点ＭＰ１〜ＭＰ４によって特徴付けられる。それらの各ＭＰ点での動作中、セルＣ１〜Ｃ３上の異なる照明条件の影響は主に、前記セルからの出力電流に及ぼされ、それらの出力電圧は、これらの点においてほぼ同様な値ＶＭとなることが示されている。
図３は、複数の電気的に接続されたエネルギ生成器を利用する、電気エネルギ生産システム５００の一実施形態を示すブロック図であり、一般に５０１の前記エネルギ生成器は、それらの電流電圧特性が異なっていることを意味する異なるセルＣ１〜Ｃ４であり、エネルギ生成器５０１からエネルギを収集するために、本発明による電子システム５１０を利用している。エネルギ収集システム５１０は、少なくとも一部のセルの間で、セル５０１の全てによって生成される電力／エネルギの自己分配を提供するように構成され、かつ動作可能な電力再分配器として動作し、エネルギ生成器５０１の少なくとも一部（一般に少なくとも二つ）からのエネルギ収集を最適化する。
この例では、エネルギ生産システム５００は、太陽光発電システムであり、それに応じて、エネルギ生成（生産）セル５０１は、太陽光セル又は光起電セルとなる。しかし、本発明は、太陽光エネルギ生産に限定されず、バッテリ、発電機等の、様々なＤＣ電気エネルギ源（ＤＣ電源）から電気エネルギを効率的に取り入れるために用いてもよく、前記エネルギ源は、一般的な太陽光セルのものとは異なるＩ−Ｖ曲線で特徴付けられる。
一般に、電気エネルギ生産システム５００は、一つ以上のセルストリング５０７（このようなストリングの一つだけが示されている）内に配置された複数のセル５０１を含み、セルストリング５０７は、互いに並列に電気的に接続され、完全な光起電装置を形成する。セルストリング５０７は、複数の、直列に接続された、エネルギ生産セル（太陽光セル／パネル）５０１を含んでいる。エネルギ生産システム５００の電力再分配器の場合、一つ以上の電力再分配ユニット５１０を含んでいてもよく、各々が、ストリング内の少なくとも一部のセルに連結され、個々のセルが動作する電力点を最適化することによって、ストリング５０７（又はストリング部）からのエネルギ生産を改善するように構成され、かつ動作可能である。電力再分配ユニット５１０の構成及び動作については、以降で更に説明する。
更に一般に、電力生成システム５００内には、ＤＣ−ＡＣインバータ５０３が提供され、インバータ５０３は、ＭＰＰＴベースの制御部５０５を介して、セル５０７のアレイ（ストリング）に接続され、ＡＣ出力５０４を提供する。上記のように、ＭＰＰＴユニットは、セルストリングの全Ｉ−Ｖ曲線に従って、最適電圧で最適電流を引き出すことによって、そこに接続されたセルストリングの動作条件を最適化するように構成され、かつ動作可能である。本発明は、ＭＰＰＴの原理を利用し（一つ以上のストリングを共通のＭＰＰ、つまり最大電力点に持ってくる）、セル／パネル間に適切なエネルギ再分配を提供し、各セル／パネルをそれ自体のＭＰＰに持ってきながら、ストリング全体をそのＭＰＰに維持することを理解されるべきである。インバータ５０３は、セルストリングのＤＣ電気出力を、所望の電圧及び周波数のＡＣ電力に変換するように動作する。電力変換用のインバータ５０３の使用は選択可能であり、このようなインバータ５３０は、システムからの必要な出力に従って、ＤＣ−ＤＣ変換器等の、他の電気的変換器と置き換えてもよいことを理解されるべきである。
同様に上で説明したように、セル５０１の数と種類は、ストリング５０７の公称出力電圧が、効率的なＤＣ−ＡＣ変換ができるように十分高くなるよう選択され、例えば、一般的なＤＣ電圧は、４００〜６００Ｖの範囲であってもよい。
選択的に、エネルギ生成システム５００では、ストリング５０７は、各セル５０１と並列電気接続で配置された迂回ダイオード５０９と連結されている。これは、ストリング５０７を介した電流が、任意の故障／欠陥太陽光セルを迂回できるようにし、セルストリング５０７の堅牢性を提供し、一つ以上のセルが適切に動作していなくても、セルストリング５０７が機能できるようにする。迂回ダイオード５０９を含むセルストリング内では、前記ストリングを介した電流は、任意の故障又は「より弱い」（過小動作）セルを迂回できる。この点では、ストリング内の各セルは、ストリング５０７に沿って流れる同じ電流を生成し、このような電流に対応している、そのＩ−Ｖ曲線に沿った電力点に従う電圧を生成するように動作する。セルが故障しているか、又は他のセルより実質的に弱い（例えば、このような電流に対応する、そのＩ−Ｖ曲線に沿った電力点でゼロ電圧が得られる）場合、セルは機能せず、ストリングに沿った電流は、迂回ダイオード５０９を介してセルを迂回する。迂回ダイオード５０９がない場合、このような故障又は弱いセルは、ストリング５０７全体からのエネルギ生産を損ない、停止させる。従って、迂回ダイオードの使用は、実質的に弱いセルの全体的な中和を可能にすることによって、多セルストリングからの電力生産を改善でき、前記実質的に弱いセルの動作からの電力利得は、これらの弱いセルが中和された場合に得られる電力より低く、ストリングを介した電流は増大する。実際には、過小動作セル／パネル５０１の二つの動作状態（例えば、動作中又は停止中）の間の選択は、迂回ダイオード５０９によって可能になり、ストリングのＭＰＰＴ（存在している場合）、又はシステム５００全体のＭＰＰＴ５０５によって制御される。
本発明の電力再分配ユニット又はモジュール５１０は、ストリング５０７を、より高いエネルギ生産率（より高い電力点、つまりＰＰ）で動作可能にする。以降で更に詳しく説明するように、これは、全てのセル５０１用のエネルギ（電力）交換器としての、モジュール５１０の構成及び動作によって実現され、モジュールは連結されており、過大動作セルからの余分な電力を自動的に排出し、過小動作中のセルに電力を供給し、電力生産におけるそれらの不足を補償する。更に以降で詳しく説明するように、電力再分配ユニットは、二つの連続モードのシステム動作を提供する。これらの動作モードの一つでは、電力再分配ユニットは、複数のセルから、前記複数のセルによって生成されたエネルギの収集を行い、他方のモードでは、電力再分配ユニットは、前記セルの間で収集されたエネルギの自己分配を可能にし、電力生成に対してセルを最適な状態にする。これらの二つの動作モードは、交互に実行され、目的の用途でのセルからのエネルギの同時収集を可能にする。
より詳細には、セルストリング５０７は、図２を参照しながら上で説明したセルストリングＳと同様の電気的特性を備え、つまり、同様の対応するＩ−Ｖ曲線を備えた同様のＣ１〜Ｃ４を含んでいると仮定する。電力再分配モジュール５１０と連結していない、ストリングの従来の動作下では、前記ストリングを介した電流ＩＥは、ＩＳ（図２に示す）と等しく、セルＣ１、Ｃ３、及びＣ４は、それらの各ＭＰ点未満で動作する。前記セルは、より大きな出力電流を生成できるが、ストリング電流ＩＳのものによって制限された電流を提供するように拘束される。このために、電力再分配モジュール５１０は、エネルギ交換器として機能し、セルＣ１、Ｃ３及びＣ４が、それらのＭＰ点（つまり、セルの最適動作状態）により近い電力点（ＰＰ）で動作し、より高い出力電流を供給可能にする。これにより、セルＣ１、Ｃ３及びＣ４が、ストリングを介した電流ＩＥより大きな電流を生成可能にする。これらのセルによって生成された追加の電流は、モジュール５１０によって収集され、それを介して排出され、セルＣ２の電流不足を補償する。実際には、セルＣ２によって提供された低電流は、モジュール５１０から引き出された電流に自動的に追加される。これにより、セルＣ２が、ストリング電流値ＩＳで電流／エネルギを生成し、ストリングの全出力電力点を上昇させることができる。
ここで、図４Ａ〜４Ｄを参照すると、エネルギ取り入れシステム５００の典型的な構成、つまり、本発明の電力再分配システム５１０の構成が、更に具体的に示されている。理解を容易にするために、全ての例の同様の要素は、同じ参照番号で示されている。
図４Ａに示されているように、電力再分配モジュール５１０は、バスコネクタ５０６と、複数の（一般に少なくとも二つの）電気結合組立体５０２を含んでいる。電気結合組立体５０２は、所定の時間パターンに従って、バスコネクタ５０６と、ストリング５０７のセル（一般にそれらの少なくとも一部、例えば、少なくとも二つ）との間の選択的電気結合を提供するように、（例えば、とりわけ、同期化器機能／モジュールを含んでいる適切な管理部機能によって）構成され、かつ動作可能なように同調させる。この限定的ではない例では、バスコネクタ５０６は、結合組立体５０２を互いに並列に接続する二つの導電体によって実装されている。一般に、本発明で用いられる管理部機能は、所定の時間パターンに従って、各セル／パネルに接続されたスイッチの動作を制御するように事前にプログラム可能であり、好ましくは、本実施形態に示されているように、それら自体の間のこれらのスイッチを同期化することも理解されるべきである。更に、この例では、各結合組立体５０２は、セル５０１の各々に連結されている（接続可能である）。しかし、同じ結合組立体は、一つより多くのセル、例えば、セルの直列ストリング等のセルのグループと連結することもできることに注意すべきである。複数の結合組立体５０２は、バスコネクタ５０６を介して、それらの間の並列電気接続内に配置されている。各結合組立体５０２は、対応する一つ以上のエネルギ生産セル５０１と連結されている（例えば、電気的に並列に接続されている）。この例では、結合組立体５０２は、その対応するセル５０１の動作のバランスをとる目的で動作する。結合組立体５０２は、各セル５０１によって生成された電力を収集し、この電力をバスコネクタ５０６に送ることで、複数のセルから、それらの各結合組立体を介してであるが、均一的に、複数のセルに、複数の結合組立体によって収集された電力の自己分配を生じさせる。
セル５０１が、過大動作している（つまり、ストリング５０７に沿って、電流値によって課されるものとは異なる電力点で動作していることによって、余分な電力を生成できる）場合、各結合組立体５０２の動作は、前記結合組立体による前記セルからの余分なエネルギの抽出によって、より高い電力点で前記セルを動作可能にする。セル５０１によって生成された余分な電力は、結合組立体５０２によって排出され、蓄積される。代替的に、セル５０１が、過小動作している場合、（従来の方式のように）中和する代わりに、各結合組立体５０２は、過大動作セルの前記余分なエネルギの自己分配によって、過小動作セルに必要な電力を補償し、過小動作セルを機能させ、それが生成可能なエネルギを生成可能にする。従って、電力は、そうでない場合は全体的に中和される過小動作セルからも抽出される。
エネルギ生成器（セル）５０１は、システム５００によって、その上に課された電気的拘束下で生成不可能な場合、過小動作と呼ばれると理解すべきである。例えば、直列セルストリング５０７の場合、ストリング５０７に沿って流れる電流値ＩＳより上の電流ＩＥを生成できないとき、セル５０１は、電力不足となる。この場合、従来の方式では、ストリングを介して流れるものより低い電流値だけを生成でき、任意の電力（例えば、ゼロ電圧）を生成できず、その対応する迂回ダイオード５０９によって迂回されているので、セルは全体的に中和される。太陽光エネルギ生産システムの一部のセルは、例えば、故障又は照明がない（陰／汚れ）及び高温によって、過小動作となることがよく発生する。逆に、過大動作セル５０１は、例えば、システム５００によって課されるものとは異なる電力点で動作することによって、余分な電力を生成できるセル５０１である。例えば、直列セルストリング５０７の場合、ストリング５０７に沿って流れる電流値ＩＳより上の出力電流ＩＥを生成できる場合、セル５０１は過大動作している。
従って、過大動作セル及び過大電力セルという用語、及び各々の反対の過小動作セル及び過小電力セルという用語は、各セルストリング内の他のセルによって得られる公称最大電力に対して、動作中の所定の条件下で、所定のセルによって生成される最大電力の間の関係を指している。例えば、あるセルが、ストリング内のセルの最大電力（ＭＰ）の平均より大きな電力を生成できる場合、このセルは過大動作しており、ストリング内のセルの平均最大電力（ＭＰ）を生成できない場合、過小動作している。
バスコネクタ５０６は、それらの間の結合組立体５０２を接続し、それらの間でのエネルギの流れ（例えば、平衡化）を可能にする。これは、過大電力セルによって生成された余分な電力を、過小電力セルへ送り、それによって、過小電力セルの電力生産の不足を補償する。ＤＣ−ＤＣ変換器による電圧変換が行われていないので、電力再分配モジュール５１０の効率は高い。例えば、このような多セルシステムでは、全エネルギの約４％を、過大動作セル／パネルから過小動作セル／パネルに提供しながら、取り入れエネルギの約９９．９％の効率が実現でき、つまり、９７．５％の効率で４％のエネルギを処理することで、０．１％のエネルギ損失となる。実際には、それらの対応する結合組立体によって過大動作セルから排出されるエネルギは、バスコネクタによって送られ、それらの対応する結合組立体によって過小動作セルに提供されるエネルギと実質的に等しい。従って、再分配モジュール５１０の動作は、各々その最大、又はほぼ最大の電力点（ＰＰ）で、様々なセルの動作を生じさせる。
システム５００が、太陽光エネルギシステムとして実装されている（つまり、セル５０１が太陽光パネルである）場合、結合組立体５０２の第一動作モードでは、結合組立体５０２は、過大動作中の各太陽光セル５０１（例えば、直射日光下に配置されたもの）からの余分な電力を一時的に蓄積する。それから、第二動作モードでは、結合組立体５０２内に蓄積された電力は、前記結合組立体を接続しているバスコネクタ５０６を介して均一化される。次の期間では、第一動作モードで、電力は、各結合組立体５０２から過小動作中の太陽光セル５０１に送られる。
直列ストリング５０７は、ＭＰＰＴユニット５０５に並列に接続され、ＭＰＰＴユニット５０５は、全体のストリング５０７から最大ＤＣ電力を生成する最大Ｉ／Ｖ動作点を選択するように動作する。上記のように、電力再分配モジュール５１０がない場合、ストリングの最大動作点は一般に、前記ストリング５０７内の個々のセル５０１の全ての最大電力点とは異なっている。これは、直列接続構成によって、全てのセル５０１がストリング５０７に沿って同じ電流値を生成するように強いられるが、個々のセル５０１は一般に、異なるＩ−Ｖ曲線に関連付けられているからである。しかし、本発明の電力再分配モジュール５１０を使用する場合、ストリング内の各セルは、前記セルの最大電力点に近い点で動作でき、従って、全ストリング５０７の全体の電力は、このような電力再分配がないストリングの全体の電力より高くなる。
セル５０１と結合組立体５０２によって形成された構成を考えると、このような構成のＭＰ点は一般に（標準的なストリング１０７Ａの構成下では）、セル５０１自体の動作点より高くなる。上記のように、これは、結合組立体５０２に接続されている場合、過大動作セル５０１は、過小動作中の太陽光セル５０１より高い電力点で動作し、各セル５０１が、それ自体の最大電力点に近い個々の動作点で動作するためである。
電圧変換器（例えば、ＤＣ−ＡＣインバータ及びＤＣ−ＤＣ変換器）とは異なり、本発明の電力再分配モジュール５１０の効率Ｅ、及び各結合組立体５０２の効率は、実質的に高い。これは、結合組立体が電圧を上昇させず、比較的低い効率（例えば、降圧ＤＣ−ＤＣ変換器）のＤＣ−ＤＣ変換を利用しない（上昇させない）ことに関連している。
図４Ｂは、本発明の一実施形態による結合組立体５０２の構成を更に詳しく示している。図４Ｂに示されている結合組立体は、図４Ａに示されているように、電力再分配システム／モジュール５１０内での使用に適している。この結合組立体５０２は、電力再分配モジュール５１０の一部である（例えば、モジュール５１０のバスコネクタ５０６に接続されている）として示され、対応するエネルギ生産セル５０１に接続されている。
一般に、電気結合組立体５０２は、少なくとも一つのセル５０１に連結された少なくとも一つの結合器５１１を含み、つまり、結合器５１１は、セル５０１と、バスコネクタ５０６とに電気的に結合されている。この例では、結合器５１１は、電力蓄積ユニット５２１（この限定的ではない例ではコンデンサとして実装されている）と、この例では、スイッチ５２６と５２７によって形成されているスイッチ組立体とを含んでいる。これは更に、図４Ｃでより詳細に詳しく説明する。
本発明は、様々な種類の電気エネルギ蓄積要素を利用して実装できることにも注意すべきである。このような要素の限定的ではない具体的な例は、電気コイル、圧電素子及びコンデンサを含んでいる。簡略化のために、以降の説明では、電気エネルギ蓄積部は主に、コンデンサを含んでいると考える。しかし、任意の他の適切なエネルギ蓄積ユニットを使用できることは、当業者には理解される。
電力蓄積ユニット５２１は、スイッチング組立体５２６と５２７を介して、各セル５０１とバスコネクタ５０６に並列に接続され、各セルによって生成された電力の収集、蓄積及び分配を行うように動作する。スイッチング組立体は、第一及び第二動作モードで連続的に動作するように（ストリング全体に連結された、中央制御システムによって、又はこの例で示されているように、局所的制御部５１２によって）構成され、かつ動作可能である。第一動作モードでは、スイッチ組立体は、電力蓄積ユニット５２１と各セル５０１との間に電気接続を提供し、第二動作モードでは、電力蓄積ユニット５２１とバスコネクタ５０６との間に接続を提供する。これらの二つの動作モード内の結合組立体５０２の連続動作によって、セルによって生成された電力は、前記セルの間で再分配される。
より詳細には、電力蓄積ユニット５２１は、一対の電子スイッチ５２６（バススイッチとも呼ばれる）を介して、バスコネクタ５０６に並列に接続されている。更に、電力蓄積ユニット５２１は、スイッチング組立体の別の対の電子スイッチ５２７（セルスイッチ）を介して、セル／パネル５０１に並列に電気的に接続されている。
本明細書で説明されている電力蓄積ユニット５２１は、電気エネルギの蓄積用に適した一つ以上のコンデンサの構成の形態であってもよい。図５Ａ〜５Ｄを参照しながら、以降で更に説明するように、電力蓄積ユニット５２１は、固定コンデンサであってもよく、その場合、結合器５１１は、等電圧結合器と呼ばれることもある。代替的に、以降でも説明するように、可変静電容量を用いることもできる。これは、バスコネクタ５０６の一つ、又はそこに接続されているセル５０１のどちらかへ結合器によって印加される出力電圧上での一部の制御を可能にする。可変静電容量の場合、結合器は、電圧増倍結合器と呼ばれる。図４Ａ〜４Ｄの例では、等電圧結合器５１１は、所定の固定静電容量値Ｃを備えていると考えられるが、一般に及び図４Ａ〜４Ｃのシステム構成では、電圧増倍結合器を使用できることにも注意すべきである。
一般に、結合器５１１は、システム５００内の他のエネルギ生成セルの動作から、及びセルストリング５０７によって課されるセルの動作上の拘束から、その対応するセル５０１の動作特性を分離するように機能する。上で示したように、分離は、結合器のスイッチング組立体の第一及び第二動作モードを介して実装される結合器５１１の二つの動作モードによって実現される。第一動作モード（いわゆる局所−蓄積（ＬＴＳ）モード）では、結合器５１１は、その対応するセルに排他的に並列に接続される（つまり、結合器のスイッチ組立体は、セルを備えている各蓄積ユニット５２１の排他的並列接続用に構成され、かつ動作可能であり、バスコネクタから切断されている）。このモードでは、（コンデンサベースの蓄積の例では）蓄積ユニット５２１上の電圧は、セル５０１上の電圧に均一化される。セル５０１が過大動作中である場合、結合器５１１上の電圧は、セルに排他的に接続される前は、セル５０１の電圧より低い。これは、セル／パネル５０１によって生成される余分なエネルギの排出、及びエネルギ／電力貯蔵部（コンデンサ）５２１内のこのエネルギの貯蔵を生じさせる。セル５０１が過小動作中である場合は、蓄積ユニット５２１上の電圧は、セルに排他的に接続さる前は、前記セルの電圧より高く、結合器５１１の動作は、エネルギ／電力貯蔵部５２１からのエネルギを前記セルに提供し（取り込み）、セル５０１のエネルギ不足を補償する。
第二動作モード（いわゆる分配（Ｄ）モード）では、結合器５１１は、バスコネクタ５０６に排他的に並列に接続される。このモードでは、電力蓄積ユニット５２１内に蓄積されるエネルギは再分配される。実際には、全ての結合器５１１と蓄積ユニット５２１は同様であり、エネルギは、バスコネクタ５０６で連結及び接続され、第二モードで動作している全ての結合器５１１の蓄積ユニット５２１の間で均一化される。
この例では、結合器５１１の第一動作モード中、バススイッチ５２６は切断され（開又はオフ状態）、セルスイッチ５２７は接続される（閉又はオン状態）。従って、この動作モード中では、電力蓄積ユニット５２１の電圧は、セルの出力電圧で平衡化する。電圧平衡化が発生している間、コンデンサ５２１は、コンデンサ５２１とセル５０１との間の電圧差に従って充電又は放電される。第二動作モード中、バススイッチ５２６はオン状態であり、セルスイッチ５２７はオフ状態である。この動作モードでは、電力蓄積ユニット５２１は、バスコネクタ５０６によって互いに電気的に接続されている。結合器５１１内に蓄積されるエネルギは、結合器の間で再分配され、ストリング５０７の仮想平均セルの性能まで、各結合器内のエネルギを均一化する。
一般に、図２に示されているように、固定出力電流値（ＩＳ）で動作するように強いられる過大動作セルＣ１は、同じ出力電流値（ＩＳ）で動作している過小動作セルＣ３の電圧より高い電圧を出力する。従って、静電容量方程式ＣＶ＝Ｑを利用し、ここで、Ｃは（電力蓄積ユニット５２１を構成している）コンデンサの静電容量であり、Ｖはコンデンサ上の安定状態の電圧であり、Ｑは、コンデンサ上に蓄積される安定状態の電荷である。結合器（スイッチング組立体）の第一動作モード中、過大動作セルに連結されたコンデンサ５２１上の電荷及び電圧は、過小動作セルに連結された同様のコンデンサ５２１上の電荷及び電圧より高くなる。
結合器（スイッチング組立体）の第二動作モード中、電力蓄積ユニット（コンデンサ）は、バスコネクタ５０６に並列に接続され、電圧（及び同様の静電容量を考慮する場合の電荷）は、前記バスコネクタに接続され、第二モードで動作している結合器の全てのコンデンサ５２１の間で平衡化する（それらの安定状態に近づく）。その結果、過大動作セルに連結された異なる結合器のコンデンサの電圧は低下し、過小動作セルに連結されたコンデンサの電圧は上昇する。従って、第一動作モードに戻ると、過大動作セルに連結された結合器のコンデンサは、それらの対応するセルより低い電圧を備え、従って、放電され、各セルから電流（電力）を排出する。逆に、過小動作セルに連結された結合器のコンデンサは、それらの対応するセルより高い電圧を備え、従って、セルストリングに放電され、各セルの電流不足を補償する。
結合器５１１（スイッチング組立体）の第一及び第二動作モード中、その電力蓄積ユニット５２１は、各セル５０１とバスコネクタ５０６のいずれか一方に排他的に接続される。第一モードでは、セルスイッチ５２７は両方とも閉であるが、バススイッチ５２６は両方とも開であり、第二モードではその逆になる。その第一及び第二モードの間の結合器５１１のシフト中、両方のセルスイッチ５２７と、両方のバススイッチ５２６は、開状態に切り替えられ、バスコネクタ５０６がセルストリング５０７を近道しないようにする。スイッチ５２６と５２７は全て、一つ以上の二重モードの排他的ＯＲ電子スイッチによって実装できることにも注意すべきである。
本発明のいくつかの実施形態では、電力結合組立体５０２は、結合器の局所的同期化器５１２を含み、同期化器５１２は、スイッチ５２６と５２７を同期化するように動作し、その第一及び第二動作モードの間で結合器を切り替える。いくつかの他の実施形態によると、電力結合組立体５０２は、外部の同期化器に連結されている。このような外部の同期化器は、複数の電力結合組立体の動作と連結させることもできる。
結合器局所的同期化器５１２は、例えば、有線又は無線通信を介して、セル及びバススイッチ（５２７、５２６）と通信を行う。セルスイッチ及びバススイッチ（５２７、５２６）の動作は、二つの出力信号、局所−蓄積（ＬＴＳ）信号５１４及び分配（Ｄ）信号５１３によって各々制御される。これらの出力信号は、スイッチを動作させ、その第一（ＬＴＳ）及び第二（Ｄ）動作モードの間で、結合器を遷移させる。ＬＴＳ信号５１４がオンであり、Ｄ信号５１３がオフである期間中は、結合器５１１はその第一（ＬＴＳ）モードで動作し、その各セル５０１の出力電圧でその電圧を均一化する。ＬＴＳ信号５１４がオフであり、Ｄ信号５１３がオンである期間中は、結合器５１１はその第二（Ｄ）モードで動作し、バスコネクタ５０６を介して、他の電力結合組立体と電力を分配する。ＬＴＳ信号５１４とＤ信号５１３が両方ともオン又はオフの場合、結合器５１１のコンデンサ５２１は完全に切断される。
結合器の局所的同期化器５１２の動作を一目瞭然に示している図４Ｄを参照する。同期化器５１２は、信号ＬＴＳとＤをそれらのオン及びオフ状態に交互に設定するように動作する。ＬＴＳ信号とＤ信号のオン状態の時間帯の間には重複はなく、バスコネクタ５０６がセルストリング又はその一部を近道しないようにする。ＬＴＳ時間帯ＴＬＴＳ中、ＬＴＳ信号はオンであり、Ｄ信号はオフであり、結合器５１１は、その第一（ＬＴＳ）モードで動作している。分配時間帯ＴＤ中、ＬＴＳ信号はオフであり、Ｄ信号はオンであり、結合器はその第二（Ｄ）モードで動作している。時間帯ＴＬＴＳとＴＤの持続時間は必ずしも等しくはなく、第一動作モード中のセルとの、コンデンサの実質的な電圧平衡化に必要な時間に従って、及び第二モード中の異なる結合器の間の実質的な電荷分配に必要な時間に従って決定される。これらの持続時間は、更に、電力蓄積ユニット５２１の静電容量、システムに沿った電気配線の特性、及び前記システムの特性電圧に依存している場合もある。
時間帯ＴＬＴＳとＴＤは、それらの間のできるだけ短い遷移期間ＴＲで、周期的に交互に繰り返される。時間帯ＴＲ（遷移期間）中、ＬＴＳ信号とＤ信号は両方ともオフである。これは、それらのオン状態とオフ状態との間で、スイッチ５２６と５２７を切り替えるために実際的に所定の時間が必要とされるために、求められる場合がある。結合器の局所的同期化器５１２の動作は、同じ電力再分配モジュールの（つまり、同じバスコネクタ５０６に接続されている）他の結合組立体５０２の他のこのような同期化器と同期化される。このような同期化構成により、結合器の第二動作モード中、ストリングに沿った他の全てのセルと連結された全ての他の結合器との電力の再分配が保証される。
同期化構成は、任意の既知の適切な同期化技術を利用して実装できる。例えば、同期化器５１２は、有線又は無線通信によって、異なる結合組立体５０２に接続されてもよい。このような通信は、対応する結合器（５１１）の第二動作モード（Ｄモード）の期間（開始及び終了）を、同期的にスケジュールするために用いられる場合がある。これらの期間中、全ての結合器５１１に蓄積される電力が再分配される（例えば、均一化される）。
代替的に、いくつかの場合、結合器の第一（ＬＴＳ）モードと第二（Ｄ）モードとの間の遷移が、他の結合器の動作と相関していない同期化器５２１の非同期動作を利用することが望ましい。図６Ｂと６Ｃを参照しながら、以降で更に説明するように、システムのいくつかの構成では、結合組立体５０２は、複数の結合器（一般に少なくとも二つ）を含み、他の結合組立体（５０２）と電力を連続的に再分配する。どの瞬間においても、電力は全てのセルの間で再分配されているので、このような構成では、異なる結合組立体の結合器の動作は、それらの間で同期化させる必要はない。それは、全ての結合組立体が、その第二（Ｄ）モードで少なくとも一つの結合器を常に利用しているためである。
上記の結合器内での使用に適した電力蓄積ユニット５２１の構成を概略的に示している図５Ａ〜５Ｄを参照する。
上記のように、エネルギ／電力蓄積部は、一つ以上の電気コンデンサを利用している電荷蓄積ユニットとして実装し、点ＡとＢとの間に所定の有効静電容量を提供できる。この例では、エネルギ／電力蓄積部５２１は、単一のコンデンサ（図５Ａ）、一対の直列接続のコンデンサ（図５Ｃ）及び互いに並列に接続されている一対のコンデンサ（図５Ｂ）を含んでいる電荷貯蔵部として実装されている。エネルギ／電力蓄積部５２１（この場合は電荷蓄積部）用のこれらの構成は、点ＡとＢとの間に所定の固定静電容量を示し、上記のように、等電圧型の結合器内で使用できる。
図５Ａは、所定の静電容量Ｃの単一のコンデンサＣＰ１によって実装されるエネルギ／電力蓄積部５２１を示している。所定の電圧Ｖの下でこのようなコンデンサに蓄積される電気エネルギの量は、ＣＶ２／２によって与えられる。図５Ｂは、この例では同様の静電容量Ｃである二つのコンデンサＣＰ２とＣＰ３によって実装されるエネルギ電力蓄積ユニット５２１の並列構成ＰＣを示している。この構成では、コンデンサＣＰ２とＣＰ３は互いに並列に接続されているため、それらの（つまり、点ＡとＢとの間の）等価静電容量は２Ｃである。図５Ｃは、二つの直列接続のコンデンサＣＰ２とＣＰ３によって実装されるエネルギ電力蓄積ユニット５２１の直列構成ＳＣを示している。この例では、各コンデンサは静電容量Ｃを備え、（点ＡとＢとの間の）等価静電容量はＣ／２である。電荷蓄積部の形態で、エネルギ／電力蓄積ユニット５２１を実装するために、直列及び／又は並列接続の複数のコンデンサを含んでいる多くの他の構成を使用できることも理解されるべきである。
図５Ｄは、電圧増倍を実行可能で、動的可変有効静電容量を備え、電圧増倍型電気蓄積部を提供しているエネルギ／電力蓄積ユニット５２１の実装を示している。この例では、蓄積ユニット５２１は、各々が静電容量Ｃを備えている、二つのコンデンサＣＰ２とＣＰ３を含み、コンデンサは、一組の電気スイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３によって電気的に相互接続されている。異なるオンオフ状態へのスイッチＳ１、Ｓ２及びＳ３の設定は、コンデンサの間の接続をシフトさせ、蓄積ユニットの出力点ＡとＢとの間の有効静電容量を変化させる。
より詳細には、この例によると、蓄積ユニット５２１の一つの動作状態では、スイッチＳ１は閉であり、スイッチＳ２とＳ３は開である。この状態では、コンデンサＣＰ２とＣＰ３は直列に相互接続され（図５Ｃに示した構成ＳＣ）、有効静電容量Ｃ／２を備えている。蓄積ユニット５２１の他の状態では、スイッチＳ１は開であり、スイッチＳ２とＳ３は閉である。この状態では、コンデンサＣＰ２とＣＰ３は、互いに並列に相互接続され（図５Ｂに示した構成ＰＣ）、ユニット５２１の有効静電容量は２Ｃである。
その上に蓄積される電気エネルギの量を変化させずに、その異なる構成（ＰＣ、ＳＣ）の間の電圧増倍型蓄積ユニット５２１を切り替えることで、ユニット５２１の（点ＡとＢとの間の）出力電圧を実質的に変化させる。実際には、図５Ｂと５Ｃに示したＰＣ及びＳＣ構成の間で、電圧増倍型蓄積ユニット５２１を切り替えることは、個々のコンデンサの出力電圧に対して、蓄積ユニット５２１の出力電圧の係数２又は１／２で増倍を各々提供する。各ＰＣ及びＳＣ構成における出力電圧の間では、全増倍係数の４が得られる。
電圧増倍型蓄積ユニットの上記の例は、前記蓄積ユニットからの出力電圧上で、二つの増倍係数（２又は１／２）だけを可能にすることも理解されるべきである。しかし、二つより多くのコンデンサ、及び前記コンデンサの間の様々な電気相互接続を可能にする複数のスイッチを利用することで、蓄積ユニットの複数の別個の有効静電容量値を提供し、複数の電圧増倍係数を各々提供できる。
上記のことに従って、図４Ｂに戻ると、電圧増倍型蓄積ユニット５２１を利用している結合器５１１のユニットは実際には、前記結合器の端子５２２と５２５（例えば、バス及びセルポート）における電圧に関連している増倍値の別個の組に関連した非常に効率的なＤＣ−ＤＣ電圧変換を提示する。増倍結合器の使用は、生成器側においてより高い又はより低い電圧を提供可能にする。
電圧増倍型蓄積ユニットの使用は、過大動作セルの出力電圧が、過小動作セルの出力電圧より低い場合でも、電力／エネルギ生成セルからの非常に効率的な電力最適化を提供する。例えば、これは、セルのＩ−Ｖ曲線がかなり異なり、過大動作セルの最大電力点ＭＰが、過小動作セルのそれより低い電圧（しかし高い電流）を備えている場合であってもよい。図４Ｂに例示されている結合器の構成では（例えば、等電圧型蓄積部５２１が用いられている）、各セルとバスコネクタとの間の電力ポンピングの方向は、前記バスコネクタに同時に接続されている各セルの間の電位差（及び電圧降下）に依存している。一つのセルにおけるより高い電位は、電力が、結合器によってそこから排出されることを意味し、他の一つのセルにおけるより低い電圧は、電力電圧を、そのセルに向かってポンピングさせる。
いくつかの場合、過大動作エネルギ生産セルは、過小動作エネルギ生産セルに対応しているＭＰにおいて提供される電圧より、それらの各ＭＰにおいて低い電圧を提供してもよい。例えば、セルストリングは、図２に示したセルＣ２とＣ４のＩＶ２とＩＶ４と同様のＩ−Ｖ特性で動作しているセルを含んでいてもよい。これらのＩ−Ｖ特性は、陰になっている太陽光セル及び過熱状態の太陽光セルの動作に各々対応している。この場合、ＩＶ４と同様のＩ−Ｖ特性曲線を備えているセルは、Ｉ−Ｖ特性ＩＶ２に関連したセルに対して過大動作している。それは、それらの最大電力点ＭＰ４が、ＩＶ２と同様のＩ−Ｖ曲線を備えているセルのＭＰ２に関連した出力電力より大きな出力電力に関連付けられているためである。このような場合、等電圧型の結合器を備えた、例えば、図４Ａ〜４Ｃの本発明の電力最適化システムを利用する場合、過大動作セルから過小動作セルへの電力のポンピングを行うことはできない。これは、等電圧結合器が、高い電圧源から低い電圧源への一方向の電力ポンピングを可能とするためである。しかし、この例では、過大動作セル（Ｉ−Ｖ曲線ＩＶ４に関連したセル）から過小動作セル（Ｉ−Ｖ曲線ＩＶ２）にエネルギをポンピングする際、過大動作セルの動作電力点は、それらの各ＭＰ４に向かって押され、過小動作セルの出力電圧未満に、過大動作セルからの出力電圧を低下させ、その結果、電力は、過大動作セルから過小動作セルに送られない。
低い出力電圧で動作している過大動作エネルギ生産セルと、より高い出力電圧で動作している過小動作セルを含んでいる太陽光ストリングからの電力最適化は、図５Ｄを参照しながら、以降で更に例示されるものと同様の、電圧増倍型蓄積ユニットを利用している結合器５１１を備えた、図４Ａ〜４Ｄに示したものと同様のシステムを利用することによって可能になる。
図４Ｂに戻って、結合器５１１が、電圧増倍型結合器であると考えると、セル毎の特定の最大電力点に到達するために、結合器５１１の局所的端子５２５（セル側）と分配端子５２２（バス側）で異なる電圧が必要となる。高電圧で動作している過小動作セルに電力を取り込むために、結合器の第一ＬＴＳ動作モード中、電力蓄積ユニットは、高電圧出力に、例えば、図５Ｃによる直列構成ＳＣに設定される。従って、過小動作セルに接続された局所的セル側端子５２５における出力電圧は高くなる（増倍される）。結合器５１１の第二（分配）モードでは、蓄積ユニット５２１は、低電圧構成に、例えば、図５Ｂによる並列構成ＰＣに設定される。この例では、バスコネクタ５０６の電圧の上昇は、それに電力ポンピングを強制するために、過小動作セルを用いて実行される。
低出力電圧を備えている過大動作セルからの電力排出の強制は、逆の手順で実現される。結合器の第一ＬＴＳ動作モードにおいて、その蓄積ユニット（電圧増倍型蓄積ユニット）は、低電圧出力に、例えば、図５ＢのＰＣ構成に設定される。過小動作セルに接続されている局所的端子５２５における出力電圧は、低くなる（例えば、バスコネクタ電圧より低い）。結合器５１１の第二（分配）モードでは、蓄積ユニット５２１は、高電圧構成に、例えば、図５ＣのＳＣ構成に設定される。
ＰＣ及びＳＣ構成は、図５Ｄの蓄積ユニット５２１を参照しながら説明した低電圧及び高電圧状態を例示しているだけである。図５Ｄに示した同じ原理は、複数の（二者択一の高／低状態だけではない）電圧状態で実装でき、蓄積ユニットは、任意の数の組のスイッチ及びコンデンサを用いて実装でき、必要な任意の組の電圧増倍を可能にする。代替的に又は追加的に、ＤＣ−ＤＣ変換器又は任意の他の電圧変換技術を結合器５１１と共に（例えば、電力蓄積部５２１と共に）用いて、バスコネクタ５０６とセル５０１に異なる電圧を印加できる。高電圧増倍係数に関連した複数の電圧状態を含む蓄積ユニットを用いる場合、各々がより低い電圧増倍係数を構成しているスイッチとコンデンサのグループの段階的な組を用いて、指数関数的な電圧増倍値を獲得することが望ましい。
上記のように、結合器５１１は、周期的な形態で、その第一及び第二モードのどちらか一方で排他的に動作する。しかし、各結合器５１１に連結されているセル５０１の電力最適化は、各結合器５１１の第一動作モード中にのみ行われる。以降で説明するいくつかの解決策は、セル５０１上での連続的な電力最適化を可能にするように提案されている。
図４Ｂに戻ると、結合組立体５０２は、各セル５０１に並列に接続されている局所的電力蓄積素子（局所的コンデンサ）５１５を選択的に含んでいてもよい。この局所的コンデンサ５１５は、第一動作モード中に行われる電力の供給／排出を拡散し、結合器の第二動作モード中も続くようにする。
結合器５１１の第一動作モード中、局所的蓄積部５１５は、結合器５１１の電力蓄積ユニット５２１及び各セル５０１と並列に接続され、それらとの電圧を平衡化する。従って、結合器５１１の第一動作モード中、局所的蓄積部５１５上の電圧は、ストリング５０７の仮想平均セルの出力電圧に関連したある平均値に近づく。結合器の第二動作モード中は、局所的コンデンサ５１５上の電圧は、セル５０１の出力電圧と平衡化する。従って、第二動作モード中は、局所的蓄積部５１５は、セルにエネルギを排出／供給することによって、前記セルの過大／過小動作を補償する。セル５０１が過小動作中である場合（その出力電圧が、前記平均値より低い可能性がある場合）、局所的コンデンサ５１５は、ストリングに電力を取り込む（例えば、電流は、局所的コンデンサ５１５から流れ、それに接続されたセル５０１の出力電流に追加される）。セル５０１が過大動作中である場合（その出力電量が一般に、前記平均値より高い場合）、局所的コンデンサ５１５は、例えば、その各セル５０１から電力を排出する。セルストリングを介して流れる電流を超えて、セル５０１によって生成された余分な電流は、局所的コンデンサ５１５を充電する。この意味では、局所的蓄積部５１５は、結合器がその第二モードである期間まで、更に結合器５１１の第一動作モードを延長するように機能する。これらの期間中、局所的コンデンサ５１５は、その電力点から、その各セル（太陽光パネル）５０１の電力点に向かってドリフトしている。電力は、過大動作セル５０１の場合、セル５０１から局所的コンデンサ５１５に取り出され、過小動作セルの場合、局所的コンデンサ５１５からセル５０１に取り込まれる。
太陽光パネルの間の電力生産の不整合は一般に小さいが、陰になっている状態下では、過大動作及び過小動作太陽光パネルの間の違いは、５０％以上にまで増大する場合がある。この場合、バスコネクタ内の余分な電流は、１０Ａ以上にまで増加する場合がある。連続的電力収集最適化用の上記のような局所的コンデンサの解決策を使用することは、結合器の第二動作モード用の時間の半分だけを使用するため、電流を著しく（例えば２倍に）増加させる。しかし、複数の非同期結合器を利用する場合、平均では、バスコネクタを介して流れる電流を均一化できる。
局所的コンデンサ５１５がない場合、結合器５１１は、その第二動作モードである間は、接続されているセルストリング５０７に対して動作していない（つまり、セル５０１からの電力生成を最適化するために、この時間には動作していない）。従って、セルストリング５０７用の連続的な電力最適化を可能にするために、少なくとも二つの結合器５１１を好ましくは使用し、任意の所定の時間、少なくとも一つの結合器５１１が、その第一動作モードであるようにする。
セルストリング５０７のセル５０１に、連続的な電力最適化を提供するように構成された、本発明の二つの実施形態を示している図６Ａと６Ｂを参照する。図６Ａと６Ｂの両方の実施形態の共通の特徴は、最適化される電力生成セル５０１が各々、少なくとも二つの結合器５１１と連結されている、つまり、並列に接続されていることである。連続的な電力最適化は、任意の所定の時間に、少なくとも一つの結合器５１１が、その第一（ＬＴＳ）動作モードで動作するように、少なくとも二つの結合器５１１を構成することによって実現される。
図６Ａには、電気エネルギ生産システム５５０が示されている。システム５５０は、図４Ａを参照しながら説明したシステムのものと同様の要素を含んでいる。つまり、システム５５０は、セルストリング５０７と電力再分配モジュール５１０を含んでいる。図６Ａのこの例では、システム５００は、一つの追加の電力再分配モジュール５１０Ａと、モジュール５１０及び５１０Ａの結合組立体５０２の動作を同期化するように構成した同期化器モジュール５５１とを含んでいる。
モジュール５１０と５１０Ａは、同じセルストリング５０７に連結され、上記のように、個々のセルが動作している電力点を最適化することによって、ストリング５０７からのエネルギ生産を改善するように構成され、かつ動作可能である。この例では、各セル５０１は、異なる電力再分配モジュール５１０と５１０Ａに各々対応している二つの結合組立体５０２に連結されている。二つの結合組立体５０２は、同期化器５５１によって同期化され、それらの結合器が、第一モードと第二モードで交互に動作し、任意の所定の時間には、それらの結合器の少なくとも一つが、その第一動作モードにあるようにする。実際には、この例では、モジュール５１０と５１０Ａは、（同期化器５５１によって）同期化され、同じモジュール（５１０又は５１０Ａ）に連結されている全ての結合組立体５０２の結合器５１１が、同じ動作モード（例えば、第一（ＬＴＳ）モード又は第二（Ｄ）モードのどちらか）で同時に動作するようにする。従って、この実施形態の以降の説明では、電力再分配モジュール自体は、第一（ＬＴＳ）動作モードと第二（Ｄ）動作モードを備えていると見なされる。
二つの電力再分配モジュール５１０と５１０Ａは、補完的に共に動作し、セルストリング５０７からの電力生成を連続的に最適化する。これは、モジュールの第一動作モードと第二動作モードの持続時間ＴＬＴＳ及びＴＤと、モード間のスイッチング（遷移）時間ＴＲを、ＴＬＴＳ≧ＴＤ＋２ＴＲとなるように構成することによって実現される。この場合、少なくとも一つの電力再分配モジュールが、第一モードで動作するだけで十分であり、これにより、ストリングの連続的電力最適化を可能にする。
簡略化のために、単一のセルストリング５０７と二つの（同様の）対応するモジュール５１０と５１０Ａだけが、図６Ａには示されていることにも注意すべきである。しかし、一般に、二つより多くのこのような電力再分配モジュール５１０を用いることができる。これは、ストリング５０７の連続的な電力最適化を可能にするためである。より詳細には、ストリング５０７の連続的な電力最適化を可能にするために、電流構成に必要な最小の数のモジュールは、（ＴＤ＋２ＴＲ）／ＴＬＴＳ）の上側整数値として、つまり、第一動作モードと第二動作モードの必要な相対的持続時間と、これらのモードの間の遷移時間によって決定される。
図６Ａを参照しながら説明した構成は、同じセル５０１に連結された、異なる電力再分配モジュールの異なる結合組立体の間の同期化を必要とする。従って、同期化器５１１は、結合組立体５０２を同期化するために用いられ、好ましい構成では更に、異なる電力再分配モジュール（５１０と５１０Ａ）の各々の結合組立体５０２の統一された動作を同期化するために用いられる。更に、複数のモジュールの使用は、前記複数のモジュールに対応している複数のバスコネクタ５０６と関連している。
図６Ｂは、本発明のエネルギ取り入れシステムとの使用に適した結合組立体５０２の別の可能な構成を概略的に示している。この図に示した結合組立体５０２は、電力再分配モジュール５１０の一部であり（図４Ａのものと同様であり、この図には全体的には示されていない）、追加的な、好ましくは同様の、結合組立体が接続されている前記モジュールのバスコネクタ５０６に接続されている。この図を参照しながら説明される結合組立体５０２の構成は、それに連結したセル５０１に連続的な電力最適化（１００％の時間）を提供するように設計されている。更に、この構成は、上記の二つの要件、つまり、複数の電力再分配モジュール（複数のバスコネクタ）を利用することと、異なるモジュールの結合組立体の間で同期化を行うことを不要にする。
この実施形態によると、結合組立体５０２は、少なくとも二つの結合器５１１と局所的同期化器５１２Ａを含んでいる。実際には、同期化器５１２Ａは、所定の事前に決められた同期化方式／時間パターンに従って、そこに接続されている各結合組立体５０２の結合器５１１の各々の動作モードを同期化するように機能する。
この例では、結合組立体５０２は、同期化器５１２Ａによって制御されている三つの同様の結合器５１１（１）、５１１（２）及び５１１（３）を含んでいる。同期化器５１２Ａの機能は、様々な方法で実装できるが、その機能的動作の説明を簡略化するために、同期化器５１２Ｂと、複数の結合器の同期化器、一般に、図４Ｂを参照しながら既に説明した同期化器５１２と同様の、５１２（ｉ）を利用して実装されるように説明する。この例では、同期化器５１２Ａは、三つの結合器５１１（１）〜５１１（３）と各々連結され、その動作モードを同期化するように適合させた三つの同期化器５１２（１）〜５１２（３）を含んでいる。図４Ｂの同期化器５１２と同様に、この例でも、結合器同期化器５１２（ｉ）は各々、信号Ｄ（ｉ）とＬＴＳ（ｉ）を用いて、その各結合器５１１（ｉ）の動作モードを制御する。信号ＬＴＳ（ｉ）がオンで、信号Ｄ（ｉ）がオフであれば、５１１（ｉ）の第一ＬＴＳモードに対応し、信号ＬＴＳ（ｉ）がオフで、信号Ｄ（ｉ）がオンであれば、５１１（ｉ）の第二（分配）モードに対応している。同期化器５１２Ｂは、結合器同期化器５１２（１）〜５１２（３）と通信を行い、それらの動作を同期化する。好ましくは、同期化器５１２（１）〜５１２（３）の動作は、任意の時間に、少なくとも一つの結合器５１１（ｉ）が、その第一（ＬＴＳ）モードになるように同期化される。
図６Ｃは、図６Ｂの例の同期化器５１２Ｂによって実装される結合器５１１（１）〜５１１（３）の動作の同期化をグラフ的に例示している。期間ＴＬＴＳ（ｉ）中、各結合器５１１（ｉ）の動作モードは、ＬＴＳ（第一）モードに対応し、そこでは、結合器５１１（ｉ）は、セル５０１とその電力蓄積を均一化する。従って、これらの期間中、各信号ＬＴＳ（ｉ）はオンであり、信号Ｄ（ｉ）はオフである。期間Ｄ（ｉ）中、各結合器５１１（ｉ）の動作モードは、分配（第二）モードであり、その期間中、前記各結合器５１１（ｉ）は、バスコネクタ５０６を介して、他の結合組立体５０２とその電力を均一化する。上記のように、同じ結合器５１１（ｉ）の信号ＬＴＳ（ｉ）とＤ（ｉ）が両方ともオン、又は両方ともオフである場合、各結合器５１１（ｉ）は完全に切断される。同期化器５１２Ｂは、同じ結合組立体の結合器５１１（１）〜５１１（３）の動作を同期化するように動作する。一般に、図６Ｃに見られるように、結合器５１１（１）〜５１１（３）の動作は、ＬＴＳ期間ＴＬＴＳ（ｉ）（ｉは、１、２及び３である）をスケジューリングすることによって同期化され、その期間中、対応する結合器５１１（ｉ）の信号ＬＴＳ（ｉ）とＤ（ｉ）は、異なる結合器５１１（ｉ）の動作に対して、連続的な周期的形態で、各々オン及びオフである。スケジューリングは、少なくとも一つの結合器が、任意の動作時間にＬＴＳモード中であるように行われる。一般に、結合器の第一動作モードの間には重複があり、つまり、一つの結合器がＬＴＳ動作モードに入り、そのときだけは、別の結合器も、そのＬＴＳ動作モードに存在している。これは、セル５０１に連結され、連続的にＬＴＳモード中である少なくとも一つの結合器が存在しているように行われる。
各結合器が、時間の半分より長い間、その第一（ＬＴＳ）動作モード中であることが可能な場合、そのＬＴＳモードで動作している結合器を、セル５０１に連続的に提供するには、結合組立体５０２内の二つの結合器５１２（１）と５１２（２）を利用すれば十分であることにも注意すべきである。しかし、結合器５１１の第一及び第二動作モードの間のスイッチング時間がゼロより大きいことを考慮すると、ＬＴＳモードでの連続動作を提供するには、結合組立体５０２毎に、少なくとも三つの結合器５１１が必要となる。そこで、任意の時刻に、少なくとも一つの結合器に連結されている各結合組立体５０２が、バスコネクタに接続され（第二動作モード）、少なくとも一つの結合器が、セル５０１に接続される（第一動作モード）。従って、電力分配モジュール５１０の（バスコネクタ５０６に接続されている）全ての結合組立体上で（同期的であっても、なくても）、図６Ｃに例示された時間シーケンスを実行することは、全ての時間に、各結合組立体が、バスコネクタ５０６に接続されている（つまり、その第二モードで動作している）少なくとも一つの結合器５１１（ｉ）を備えていることを保証し、電力再分配モジュール５１０の結合組立体の間での定電力交換を確実にする。同じ結合組立体５０２の二つの隣接している結合器（例えば、５１１（１）と５１１（２））が、第二動作モードで同時に動作している重複期間中、電力も、隣接する結合組立体の間で伝達される（例えば、電圧均一化される）。
上記のように、エネルギ／電力再分配は、それらの第二動作モード中である、つまり、バスコネクタに接続されている、全ての結合器の間で発生する。異なる結合器の間のエネルギ電力の伝達の大部分が完了している（例えば、無視できる電力だけが、異なる結合器の間で再分配されていないままである）安定状態は一般に、所定の安定状態の持続時間ＴＳ後に到達する。安定状態の持続時間ＴＳは一般に、バスコネクタ５０６の抵抗、用いられる結合器の静電容量、含まれる電圧差等の、電力再分配モジュールの所定の特性に関連している。更に好ましくは、結合器の動作の各サイクルにおいて、第二モード（分配）の持続時間ＴＤは、安定状態持続時間ＴＳと同程度であり、第二モード中の有効な電力再分配を可能にする。
システムのいくつかの実施形態では、例えば、同じ静電容量等の、同じ電気特性を備えている同様の結合器が用いられ、その結果、安定状態において、結合器の間の電力及び電圧平衡化が得られる。従って、動作の各サイクルにおいて、結合器の第二動作モード中、バスコネクタ５０６の共通電圧に電圧を均一化する。その結果、三つの結合器５１１（１）〜５１１（３）を利用して、セル５０１上の電圧は、ＬＴＳ（ｉ）信号のサイクル毎に三度、バスコネクタ５０６の共通電圧に向かって均一化する。
図１のもの等の、一般的な電力生成システム（例えば、太陽光システム）は、高電圧ストリングを含み、前記高電圧ストリングは、多数のエネルギ生成セルを含んでいてもよい。一般的なストリングは、両端で４００又は６００又は更に１０００Ｖ ＤＣ等の高ＤＣ電圧を生成する。このような高電圧ストリングを備えた本発明の電力再分配モジュール（図４に示した５１０）を利用する場合、結合組立体の動作サイクル中、この高電圧は、一つ以上の結合組立体の二つのスイッチ（例えば、図４Ａ〜４Ｂのスイッチ５２６及び／又は５２７の二つ）を全体として下に設定し、つまり、一つ以上の結合組立体の二つの直列接続のスイッチだけで、セルストリング５０７の近道を防止する（スイッチの数及び識別は、各時点の結合組立体の各動作モードに依存している）。近道を防止するこのような回路は、バスコネクタに沿った異なる結合組立体の各々の二つの直列スイッチによって開に保持される。このような電圧を保持できるスイッチは、比較的低速で、拡張的である。
ここで、本発明の別の実施形態を例示している図７Ａ〜７Ｃを参照すると、そこでは、電力再分配モジュール／システムは、標準的な１００Ｖの高速ＦＥＴスイッチを用いて、両端に高電圧を備えた長いストリングを処理するように設計されている。図７Ａに示されているように、電力再分配モジュール５１０は、複数の別個のコネクタを備えているバスコネクタ５０６を含み、各コネクタは、多セルストリング５０７からのセルのグループ（好ましくは連続的な直列接続セル）に連結されている。更に、モジュール５１０は、二つの種類５０２Ａと５０２Ｂの結合組立体を含み、ここで、種類５０２Ａの結合組立体は、上記の結合組立体５０２と同様に構成され、つまり、各々が単一のバスコネクタ要素に連結されているが、種類５０２Ｂの結合組立体は、一つより多くのバスコネクタ要素に連結されている。バスコネクタ５０６は各々、二つの導電体によって実装され、各結合組立体（５０２Ａ及び／又は５０２Ｂ）は並列に接続されている。このような構成では、種類５０２Ａの結合組立体は使用しなくてもよく、電力再分配モジュール内の全ての結合組立体は、種類５０２Ｂの結合組立体であってもよいことにも注意すべきである。
図７Ｂは、種類５０２Ｂの結合組立体の構成及び動作を更に具体的に示している。結合組立体５０２Ｂは、四つの結合器５１１と局所的同期化器５１２を備えている。四つの結合器５１１（ｉ）は、バスコネクタ５０６の二つのバスコネクタ要素５０６Ｌと５０６Ｒに連結され、結合器５１１（１）と５１１（２）は、バスコネクタ要素５０６Ｌに連結され、結合器５１１（３）と５１１（４）は、バスコネクタ５０６Ｒに連結されている。同期化器５１２は、二つの出力信号のグループＬＴＳ（ｉ）とＤ（ｉ）を送信できる。ＬＴＳ（ｉ）信号がオンであり、Ｄ（ｉ）がオフである期間ＴＬＴＳ（ｉ）中、各結合器５１１は、太陽光セル５０１とその電力蓄積を均一化する。ＬＴＳ（ｉ）信号がオフであり、Ｄ（ｉ）信号がオンである期間ＴＤ（ｉ）中、結合器５１１は、その電力を、各バスコネクタ要素に連結されている他の結合組立体と均一化する。ＬＴＳ（ｉ）及びＤ（ｉ）信号が両方ともオン又はオフである場合、各結合器は完全に切断されている。同期化器５１２は、最小の遷移時間で信号Ｄ（１）、Ｄ（２）のオン期間と、信号ＬＴＳ（１）、ＬＴＳ（２）のオフ期間を連続でスケジュールし、周期的にそれらの間に重複期間はなく、それらの相互のオン時間が最大であり、全体の時間の５０％より多くなるようにし、同様に、信号Ｄ（３）、Ｄ（４）のオン期間と、信号ＬＴＳ（３）、ＬＴＳ（４）のオフ期間をスケジュールする。同様の時間シーケンスが、電力再分配モジュールの全ての結合組立体５０２Ｂに適用される。結合器５１１が任意のバスコネクタ要素に接続されているときは常に、モジュールは、少なくとも一部の時間に、同じバスコネクタ要素の他方の端部に接続されている別の結合器を備え、前記結合器が、それらの電圧を均一化させることを、この構成は提供する。このようなタイミングシーケンスは、次のことを保証する。セル５０１は、提供する全ての時間に少なくとも一つの結合器５１１に接続され、過大動作の太陽光セルの場合の余分な電流の連続排出、又は過小動作の太陽光セルの場合の不足している電流の供給を実現し、重複期間中は、同じ結合組立体の隣接する結合器が、それらの間の電圧を均一化し、結合組立体内の全ての結合器の間の電圧均一化は、同じ結合組立体５０２Ｂに連結されたバスコネクタ要素の間の電圧を均一化し、その結果、ＬＴＳ（ｉ）信号のサイクル毎に四回、全てのバスコネクタ５０６上の電圧は、共通電圧に向かって均一化し、セル５０１上の電圧は、バスコネクタ５０６の共通電圧に向かって均一化する。このような構成は、同じバスコネクタ要素に連結されていない任意の他の結合器から結合器を切断し、従って、結合組立体によって処理される最大電圧は、同じバスコネクタ要素に連結されているセルの全出力電圧に制限される。この技術は、長いセルストリングを標準的なＦＥＴスイッチで動作可能にするが、前記ストリングによって生成される電圧は、スイッチの最大負荷より高くてもよい。
図１のもの等の、一般的な太陽光システムでは、大部分の太陽光パネル／セルは、かなり同様の電気特性を備えている。セルの異なる温度又は照明等の環境条件は、セルの間で異なっていて、太陽光セルの電圧に影響を与える可能性がある。本発明は、各太陽光セルが、他のセルの電流にかかわらず、その最適な電流で動作可能となるが、同時に、電力再分配に関連している全ての太陽光セル上の電圧を均一化する。
図８Ａを参照すると、本発明の原理を利用し、結合器のエネルギ生成器側と、実際の生成器接続部との間の電圧差を制御するように設計された、エネルギ生成システム５７０が示されている。より詳細には、このシステムでは、結合組立体５０２内の結合器５１１の局所側と、その特定のＭＰＰ電圧に最適化されるべき各太陽光セル出力部との間に、電圧ギャップが生成される。
この例では、上記の例と同様に、結合器組立体５０２は、一方の端部でバスコネクタ５０６に連結され、局所端子５２５を介して、電圧制御モジュール１０００に接続されている。電圧制御モジュール１０００は、電力が最適化されるセル／パネル５０１に、その他のポートで接続されている。電圧制御モジュール１０００は、セル５０１に印加される結合器組立体５０２の出力電圧を修正するように構成され、かつ動作可能である。従って、電圧制御モジュール１０００は、セル５０１と、結合器組立体５０２の局所端子５２５との間に、電気的に相互接続されている適切な電圧段差器１００１を備えている。電圧段差器１００１は、例えば、双方向降圧ＤＣ−ＤＣ変換器、又は一つのコンデンサと二つのスイッチを備えている負荷サイクル素子として実装されてもよい。
電圧制御モジュール１０００は、その各結合器組立体５０２によって、セル５０１に印加される電圧の値を制御するように適応され、バスコネクタ５０６の電圧とは別個に、セル５０１の電圧を制御できるようにする。これは、セルの動作電力点の正確な調整を可能にする（つまり、個々のセルをそのＭＰＰに向かって押し進める）。
この目的のために、電圧制御モジュール１０００は、一つ以上のセンサ、電圧段差器１００１、及びそこに接続されている電圧段差器制御部１００２を含んでいる。センサは、個々のセル５０１の動作状態、ストリング（５０７）の動作状態、及び環境条件の、少なくとも一つを示すデータを提供するように適応される。電圧段差器制御部１００２は、センサの出力データを処理し、セル５０１に印加される電圧の決定及び調整を行うように構成され、かつ動作可能である。セル５０１への電圧の調整は、そこに連結されている電圧段差器１００１を利用することによって行われる。
電圧段差器制御部１００２は、基準データベース（ここには示されていない）と選択的に連結されている。電流センサ１００４は、電圧段差器１００１の端子１０１２を介した電流を測定するために用いられる。この電流は、その各結合器組立体５０２によって、「セル５０１に押し込められる」又は「セル５０１から排出される」電流を示している。追加の電流センサ１００５は、セルストリング５０７に沿った電流を測定するために用いられる。電圧計１０１０は、結合器組立体５０２の局所端子５２５における電圧を測定するために用いられ、追加の電圧計１０１１は、セル５０１の（つまり、セル端子１０１２における）電圧を測定するために用いられる。更に、太陽光強度及び温度等の環境データは、対応するセンサ（具体的には示されていない）を用いることによって読み取られる。電圧段差器制御部１００２は、環境データ１００９と、データベースからの基準データを利用して、セルにかかる（端子１０１２における）予想電圧を計算する。この予想電圧は、端子１０１２において電圧計１０１１によって測定された実際の電圧と比較され、セルが、その予想ＭＰＰで動作しているかどうか、又はその動作点の修正を必要とするかどうかを決定する。
セルが補正を必要とする場合、電圧段差器制御部１００２は、センサ１００４と１００５によって測定される電流値と、結合器組立体５０２の端子１０１１において測定される電圧との測定に基づいて、電圧段差器１００１用の新しい動作パラメータを計算する。従って、セル５０１の電圧（センサ１０１１によって測定される）は、制御部１００２によって計算されるその要求値に設定され、結合器組立体からの出力電圧（局所端子５２５における電圧）は変化しない。
結合器組立体及び結合器が、図５Ｄを参照しながら説明したものと同様の、電圧増倍型からなる場合、結合器組立体５０２の局所端子５２５上の電圧は、上下に調整（増倍）できる。この場合、電圧段差器１００１は、高効率双方向降圧プログラム可能ＤＣ−ＤＣ変換器、又は簡単な電流チョーク部等の電圧低減素子であってもよい。
更に、本発明のシステムの異なる実装では、電圧段差器１００１は、異なる場所で、前記システムの各部品に電気的に接続されることも理解されるべきである。例えば、電圧段差器は、この例のように、結合器組立体５０２の分配端子５２２（バス側）、及び／又は局所端子５２５における電圧を制御するために用いられることもある。更に、電圧段差器は、結合器組立体内に一体化することもでき、この場合、図５Ｄに示されているもの等の、電圧結合器は、電圧段差器として機能させることもできる。
図８Ｂは、エネルギ生成システム５７０の構成を示している（図８Ａに部分的に示されている）。システム５７０は、図４Ａを参照しながら上で説明したシステム５００と同様に構成されている。しかし、システム５００の要素に加えて、この例のシステム５７０は、図８Ａに示したもの等の、電圧制御素子１００を備えている。電圧制御素子１０００の電圧段差器１００１は、各セル／パネル５０１とその対応する結合器組立体５０２との間で、図８Ａで説明したように、結合組立体５０２、及びセル５０１と並列に各々電気的に相互接続されている。従って、システム５７０は、システム５００の効率と同様に、セルの間での効率的な電力再分配を可能にする。更に、電圧制御素子１０００の機能を利用して、システム５７０は、それ自体のＭＰＰにセル５０１の各々を維持できる。
電圧制御素子１０００の多くの要素は、他のこのような電圧制御素子と共通であっても、そうでなくてもよいことも理解されるべきである。例えば、各電圧制御素子１０００は、それ自体のセンサ及びデータベースを含んでいる別個のユニットとして実装できる。このようなユニットは、一体型の構造として全体的に実装でき、太陽光パネル／セル又はバッテリセル上に収容することもできる。代替的に、共通の環境センサと共に、単一のデータベースを用いることもできる。更に、複数の電圧段差器制御部（具体的には示されていない）を、単一の制御部モジュール（計算ユニット）として、又は複数の別個のモジュールによって、実装することもできる。
更に、本発明は、多セル電力生成システム用の従来の方式に関連した別の問題の解決策を提供する。図１に戻ると、「大型」エネルギ生成システム１００、つまり、複数のセルストリング構成を含むシステムが示されている。複数のセルストリング（１０７ａ及び１０７ｂ）のこのようなエネルギ生成システム１００を動作させる場合、異なるストリング１０７ａと１０７ｂは一般に、（例えば、異なる環境条件又は異なるセルパラメータによって）異なる出力電圧を備えている。ストリングはＭＭＰＴ１０５及びインバータ１０３に並列に接続されているので、遮断ダイオード１０６は、より低い電圧ストリングを介して、電流の逆流を防止するために用いられている。
実際には、ストリング１０７ａが（比較的）高出力電圧を備え、ストリング１０７ｂが（より低い）低出力電圧を備えていると見なすと、より高い電圧ストリング（１０７ａ）の端部における遮断ダイオード１０６ａは、その上の逆バイアス電圧で動作し、セルストリング１０７ａからの出力電圧は、ストリング１０７ｂのより低い電圧まで低減される（低下する）。従って、遮断ダイオード１０６ａは、ストリング１０７ａによって生成される余分な電力を消費する。ダイオードによって消費される余分な電力（浪費電力）は、電圧降下（つまり、ストリングの出力電圧の差）とストリング電流の積とに関連付けられる。
図９Ａは、複数のストリング構造で構成され、二つのストリング５０７ａと５０７ｂを含んでいるエネルギ／電力生成システム５８０を示している。各ストリングは、本発明による電力再分配モジュール５１０と各々連結されている。この例では、図８Ａ及び８Ｂの例と同様に、電力再分配モジュール５１０は、ストリングのセル５０１に連結されている電圧制御素子１０００を含んでいる。従って、ストリング５０７ａ及び５０７ｂは、図８Ａ及び８Ｂのセルストリングと同様に動作し、各セルを、その最大電力点の近傍で動作させる。
この例では、ストリング（５０７ａ及び５０７ｂ）の各々の電力再分配モジュール５１０ａ、５１０ｂは、各ストリング終端素子（１２１０Ａ、１２１０Ｂ）を備えている。各ストリング終端素子は、その各ストリングに直列に接続されている電圧源として構成されている。この例では、ストリング終端素子は、各ストリングの遮断ダイオード１３０４に並列に接続されている。しかし、一般に、ストリング終端素子を用いる場合、遮断ダイオードは使用しなくてもよいことにも注意すべきである。
ストリング終端素子１２１０Ａ、１２１０Ｂは、制御可能な電圧源として動作させることによって、それらの各ストリング５０７ａ、５０７ｂの出力電圧を補償（上昇）するように構成されている。実際には、ストリング終端素子１２１０Ａは、所定のより高い電圧まで、その各ストリング５０７ａの電圧を上昇させる。前記所定のより高い電圧は一般に、前記ストリング５０７Ａに並列に接続されている、この例では、他のストリング５０７ｂによって生成される、最高出力電圧として一般に決定されるか、又は全てのストリングを調整する所定の固定電圧である。
その動作中、ストリング終端素子（例えば、１２１０Ａ）は、電源として、ストリング５０７ａに各々連結されている電力再分配モジュール５１０ａを利用する。この目的のために、ストリング終端素子１２１０Ａは、電力再分配モジュール５１０ａのバスコネクタ５０６ａに並列に接続されている。その各ストリングの出力電圧を調整し、前記所定の所望する高電圧（いわゆる「目標」電圧）に一致させるために、ストリング終端素子１２１０Ａは、バスコネクタ５０６ａからの電力を利用する。
目標電圧とストリング（５０７Ａ）の出力電圧（つまり、点Ｐ１とＰ２との間）の電圧差は、ストリング終端素子によって補償される。この接続では、ストリング終端素子は、第一動作方式に従って動作し、（例えば、このギャップをブリッジするその動作の前に）電圧ギャップの大きさを決定し、及び／又は、第二動作方式に従って動作し、ストリング終端素子の動作中、この電圧ギャップ／電圧差の大きさに関連している任意の事前知識を取得するストリング終端素子なしに、電圧ギャップをなくしてもよい。
第一動作方式に従って、電圧差は、ＭＰＰＴ５０５に印加される（例えば、点Ｐ２とＰ４との間に印加される）目標電圧を定義することによって決定される。それから、ストリング５０７ａの出力電圧を（例えば、点Ｐ１とＰ２との間の電圧を測定することによって）決定する。それから、これらの二つの電圧の間の違いである電圧ギャップを、ストリング終端素子１２１０Ａによって補償する。
しかし、この（第一）動作方式は、補償される（ブリッジされる）電圧ギャップの結果としての先行決定を可能にするために、電圧目標の予備決定を必要とする。目標電圧は、任意のストリングが生成可能な任意の妥当な電圧より高いと予想される独立した（つまり、ストリングの実際の電圧とは別個の）固定電圧値であってもよい。この固定電圧値は、ストリング終端素子１２１０内に「コード化」又は「ハードコード」することも、測定によって獲得することもできる。例えば、（目標電圧値として機能する）高電圧値は、外部モジュール（例えば、ＭＰＰＴ上の電圧）によって点Ｐ３、Ｐ４の間で維持できる。それから、この電圧をストリング終端素子で各々測定し、それらの目標電圧を決定できる。
第二動作方式によって、個々のストリング終端素子は、目標電圧値を獲得することなく動作可能になり、個々のストリング終端素子が、ＭＰＰＴにおける電圧、又はバッチ内の他のストリングの電圧を示すデータを決定する必要がなくなる。これは、ストリング５０７ａの出力電圧ＶＳ（Ｐ１とＰ２との間）が、他のストリングからの前記所定の出力電圧Ｖｍｐｐｔ（Ｐ３とＰ４との間）より高い場合、ストリングは、過大動作ストリングであり、その各遮断ダイオード１３０４上で余分なエネルギを浪費しなければならないという理解に基づいている。従って、遮断ダイオード上の電圧Ｖｄは、負Ｖｄ＜０（つまり逆バイアス電圧）になり、Ｖｓ＋Ｖｄ≒Ｖｍｐｐｔになるようにする。これは、ストリングの出力電圧が、他のストリングからの出力電圧Ｖｍｐｐｔより低い場合と異なっている。この場合、ストリングは、過小動作ストリングであり、ダイオード上の逆バイアス電圧は最小になる（例えば、Ｖｄ≧０）。従って、その各ストリングの遮断ダイオード上の電圧を測定することによって、ストリング終端素子は、その対応するストリングが、バッチ内の他のストリングに対して過小動作しているか、過大動作しているかを決定し、それに応じて、ストリングの出力電圧を上昇又は低下させるように動作できる。その結果、ストリング終端素子の第二動作方式に従って、それは、その各ストリングの遮断ダイオード１３０４上の電圧Ｖｄを測定するための電圧計センサに連結されるか、又はそれを備える。ダイオード上の測定電圧Ｖｄがゼロ以上である限り（又は、多数のストリング終端素子による結果的に「無限の」電圧上昇を防止するために、ゼロより低い所定の閾値より高い場合）、ストリングは、過小動作していると見なされ、ストリング終端素子は、前記ストリングへの電圧供給を増加させる。ストリングへの電圧供給が、電圧Ｖｍｐｐｔを超えて増大すると、ダイオード上の電圧はゼロを下回り、ストリングは過大動作する。この点では、ストリング終端素子は、電圧の上昇を停止し、ストリング及びそのストリング終端素子からの全電圧出力は、所望の値に維持される。
それらの各電力再分配モジュール５１０のバスコネクタに接続されているストリング終端素子１２１０は、過大動作ストリングのバスコネクタ５０６からの電力を利用／排出し、過小動作ストリングの出力電圧を増大させる。これは、過小動作ストリング（より低い電圧）及び過大動作ストリング（より高い電圧）の間の電圧を最小化する。このように、全てのストリングのストリング終端部の（ストリングの並列接続点Ｐ３、Ｐ４における）出力電圧は、最高電圧ストリングの電圧に均一化される。従って、本発明のこの特徴は、並列接続点Ｐ４上の電圧である基準点の一つを提供することによって、等しい電圧ストリングを生成するために用いられてもよい。この基準電圧は、並列接続ストリングの領域内の任意の他のストリング電圧より高い。ストリングの電圧を均一化することによって、異なるストリングの遮断ダイオード１３０４上の電圧は最小化され、前記ダイオードの飽和電圧まで下がる。従って、ダイオードによって消費されるエネルギは一般に、ダイオード電圧の線形関数であるので、それは同様に最小化される。一般に、基準点Ｐ４とストリング電圧との間の電圧ギャップがゼロより大きい限り、ダイオードを介して電流は流れない。
図９Ｂは、（図９Ａのストリング終端素子１２１０Ａ及び１２１０Ｂと同様に）ストリング終端素子１２１０の構成を更に詳しく例示している。一般に、ストリング終端素子１２１０は、その各ストリング５０７の電力再分配モジュール５１０に結合されている。上記の（例えば、図４Ａ〜４Ｄ、６Ａ、６Ｂ）と同様の構成であってもよい電力再分配モジュール５１０は、ストリング終端素子１２１０用の電源として機能し、ストリング終端素子が、その各ストリング５０７に電圧を供給できるようにする。
ストリング終端素子１２１０は、ストリング終端制御部１３０７と、一つ以上の電圧補償ユニット１３１０とを備え、このような電圧補償ユニット１３１０は、一般に一つ又は二つが用いられる。
ストリング終端制御部１３０７は、一つ以上のセンサ（電圧計）と連結され、前記センサは、ストリングの出力電圧と基準電圧との間の電圧ギャップ（例えば、図９Ａの点Ｐ２、Ｐ４における）を測定するように適応される。それから、センサからの測定結果を利用して、ストリング終端制御部１３０７は、ストリングの出力電圧の不足（つまり、電圧ギャップを補うためにストリング電圧を上げるべき所定の値）を決定する。
更に、ストリング終端制御部１３０７は、電圧補償ユニット１３１０と通信を行う（つまり、電圧補償ユニット１３１０に接続されている）。ストリング終端ユニットは、補償ユニット１３１０によって、ストリングに供給される電圧を制御するために利用される。各電圧補償ユニット１３１０は、ストリング内の電圧源として機能し、前記ストリングと直列に電気的に接続されている。更に、電圧補償ユニット１３１０は、その各ストリングの電力再分配モジュール５１０のバスコネクタ５０６と並列に電気的に接続されている。
電圧補償ユニット１３１０は、結合組立体５０２と電圧低減段差器（ＶＤＳ）１３０２を含んでいる。上記の結合組立体と同様であってもよい結合組立体５０２は、その分配端子５２２を介して、バスコネクタ５０６に電気的に接続されている。更に、結合組立体５０２は、端子５２５を介して、電圧低減段差器１３０２の入力端子に接続されている。電圧低減段差器１３０２は、上記の電圧制御部１０００と同様に構成され、かつ操作される。
更に、電圧低減段差器１３０２は、その出力端子を介して、ストリング５０７に直列に電気的に接続され、電圧低減段差器１３０２からの任意の出力電圧は、ストリング５０７の出力電圧に追加され、ストリング５０７の全電圧を上昇させる。選択的に、電圧低減段差器１３０２は更に、その出力端子によって、迂回ダイオード１３０３と並列に接続され、前記迂回ダイオードは安全のために役立つ。
上記の結合組立体の動作に従って、各結合組立体５０２は、その局所端子５２５上の電圧と、バス側端子５２２の電圧を均一化、又は増倍する。従って、電圧低減段差器１３０２がない場合、つまり、電圧補償ユニットが、結合組立体５０２と共に構成され、結合組立体５０２が、（その局所端子５２５を介して）ストリング５０７に電気的に直列に直接接続されている場合、ストリングの出力電圧は、バス電圧の値、又は前記ストリングに接続されている各電圧補償ユニット毎の電圧の任意の整数倍だけ上昇する。しかし、ストリング電圧を上昇させる電圧を調整可能にするために、電圧段差器は、ストリングと結合器組立体との間の電圧操作及び相互接続用に用いられる。
それらのエネルギ効率は一般的に高いので、電圧低減段差器を利用することが望ましい。更に、電圧低減段差器を利用している間、ストリングの電圧を上昇させる上限は、バスコネクタの公称電圧と、ストリング終端素子で用いられる電圧補償ユニット１３１０の数との積、及び更に、結合器５０２の増倍係数との積によって拘束される。バスコネクタの公称電圧は一般に、電力再分配モジュール５１０内で等しい電圧結合器を用いている場合、ほぼストリングのセル５０１からの平均出力電圧である。従って、電圧低減段差器は、ストリング終端素子１２１０内に、十分な数の電圧補償ユニット１３１０が含まれている場合に用いられ、ストリングの間の標準電圧偏差が、電圧を漸増させることなく補償できるようにする。電圧低減段差器１３０２は、高効率降圧ＤＣ−ＤＣ変換器又は電流チョーク部等の、高エネルギ効率で、任意の所定の電圧から任意の他の所望のより低い電圧に、電圧を低減可能な任意の適切な既知の素子を用いて実装できる。
従って、電圧低減段差器１３０２は、バスコネクタ５０６上の電圧を入力として受け取り、ストリング終端制御部１３０７から受け取った命令／指示に従って、この電圧の一部をストリング５０７に送る。電圧低減段差器１３０２の出力電圧が、迂回ダイオード１３０３の飽和電圧より高くなる場合（この飽和電圧は一般に、−０．４〜−０．７Ｖである）、ダイオード１３０３を介した電流は停止し、電圧低減段差器１３０２は負荷を受ける。
その結果、ストリング終端素子１２１０を介した電流は、常にストリング電流と等しくなる。電圧低減段差器１３０２は全て、０と、バスコネクタ５０６の公称電圧に対応している所定の最大電圧との間の出力電圧値を提供する。
上で示したように、いくつかの場合、各ストリングの電圧を上昇させる目標／基準出力電圧は、ストリング内の最高出力電圧に従って決定される。ストリング終端制御部１３０７は、図９Ａの点Ｐ２とＰ４との間の電圧ギャップを測定することによって、目標電圧を決定するように構成されている。しかし、いくつかの場合、目標／基準電圧は、電圧並列接続点（図９ＡのＰ３とＰ４）として設定される。これらの場合、これらの点の間の電圧は、中央インバータによって制御することができる。
従って、本発明は、複数のエネルギ生成器を利用するエネルギ生産システム内に元々存在している問題を解決する。解決される問題は、生成器が異なる性能を備えている可能性があるという事実に関連している。添付の請求項内、及び添付の請求項によるその範囲から逸脱することなく、これまで説明してきたように、本発明の実施形態に様々な修正及び変更を適用できることは、当業者には容易に理解される。

Claims (24)

  1. 各々電流電圧特性を有する複数の電気的に接続されたエネルギ生成器からエネルギを収集する電子システムであって、
    前記複数の電気的に接続されたエネルギ生成器に電気接続される電力再分配ユニットを備え、前記電力再分配ユニットが、バスコネクタと、前記バスコネクタに電気的に接続可能な少なくとも二つの電気結合組立体とを含み、前記電気結合組立体が各々、一つ以上のエネルギ生成器に連結され、前記バスコネクタと少なくとも二つのエネルギ生成器との間の選択的電気結合を提供するように構成され且つ制御動作可能であり、それによって前記少なくとも二つのエネルギ生成器の間での電力の再分配を可能にし、それらからのエネルギ収集を最適化する、電子システム。
  2. 前記電気結合組立体が、少なくとも二つの結合器を含み、前記結合器が、
    各エネルギ生成器との電気的接続用に構成された電気エネルギ蓄積用のエネルギ蓄積ユニットと、
    第一及び第二動作モードで順次動作可能なスイッチ組立体と、を含み、前記スイッチ組立体が、前記第一動作モードで、対応するエネルギ蓄積ユニットと各エネルギ生成器との電気接続を提供し、前記第二動作モードで、前記エネルギ蓄積ユニットとバスコネクタとの間の電気接続を提供し、それによって前記少なくとも二つのエネルギ生成器の間で電力再分配を実行する、請求項１に記載の電子システム。
  3. 前記電力再分配ユニットが、前記バスコネクタを介して少なくとも一部の前記蓄積ユニットの間の並列接続を提供するように構成され、それによって、前記バスコネクタに電気的に接続されている間、前記蓄積ユニットの間の電力の再分配を可能にする、請求項２に記載の電子システム。
  4. 前記電気結合組立体が、所定の時間パターンに従って動作可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子システム。
  5. 前記時間パターンは、システム動作中、前記一つ以上のエネルギ生成器の各々への電気接続内に少なくとも一つの結合組立体が常に存在するように選択される、請求項４に記載の電子システム。
  6. 前記時間パターンは、システム動作中、前記バスコネクタへの電気接続内に少なくとも一つの結合組立体が常に存在するように選択される、請求項４又は５に記載の電子システム。
  7. 前記蓄積ユニットが少なくとも一つの電荷蓄積素子を含む、請求項２〜６のいずれか一項に記載の電子システム。
  8. 前記スイッチ組立体が、所定の時間パターンに従って、前記対応するエネルギ生成器又は前記バスコネクタのいずれかと、各蓄積ユニットとの排他的並列接続を行うように構成されかつ動作可能である、請求項２〜７のいずれか一項に記載の電子システム。
  9. 前記電気結合組立体は、少なくとも二つの前記結合器が前記エネルギ生成器の共通の一つと連結され、システム動作中、前記少なくとも二つの結合器のうち少なくとも一方が、前記スイッチ組立体の第一動作モードに対応している動作状態にあるように構成されている、請求項２〜８のいずれか一項に記載の電子システム。
  10. 前記電気結合組立体は、少なくとも二つの前記結合器が前記エネルギ生成器の共通の一つと連結され、システム動作中、前記少なくとも二つの結合器のうち少なくとも一方が、前記スイッチング組立体の第二動作モードに対応している動作状態にあるように構成されている、請求項２〜８のいずれか一項に記載の電子システム。
  11. 所定の時間パターンで事前プログラムされて、第一及び第二モードのスイッチ組立体の連続的な動作を同期化するように構成されかつ動作可能な管理部機能を備える請求項２〜１０のいずれか一項に記載の電子システム。
  12. 前記管理部機能が複数の同期化器を含み、前記同期化器が各々、各エネルギ生成器と連結された一つ以上の結合器に接続されている、請求項１１に記載の電子システム。
  13. 前記電力蓄積ユニットが、少なくとも二つの電荷蓄積素子と、スイッチ組立体とを含み、前記スイッチ組立体が、前記少なくとも二つの電荷蓄積素子の間の並列又は直列接続のいずれかを選択的に実装するように構成されており、それによって前記電力蓄積ユニット上の電位制御を可能にする、請求項２〜１２のいずれか一項に記載の電子システム。
  14. 前記電力再分配ユニットは、蓄積ユニットを一体に含む各エネルギ生成器の所定の電気パラメータが前記少なくとも二つのエネルギ生成器の全ての前記パラメータの平均値に近づく条件を提供するように構成されかつ動作可能である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電子システム。
  15. 前記電気パラメータが、電力、電流及び電圧の少なくとも一つである、請求項１４に記載の電子システム。
  16. 前記電気パラメータが電流である、請求項１４に記載の電子システム。
  17. 前記電力蓄積ユニットが少なくとも二つのコンデンサを含むとともに、前記少なくとも二つのコンデンサの間の異なる電気接続に対応した異なる電気接続状態の間で選択的にシフト可能であり、それによって前記電力蓄積ユニットの異なる有効静電容量を生じさせることにより、前記電力蓄積ユニットの出力電圧変動を提供し、前記エネルギ生成器の間の電流の再分配を実現する、請求項１６に記載の電子システム。
  18. 前記電力蓄積ユニットが、異なる静電容量によって各々特徴付けられた異なる電気条件の間で前記電力蓄積ユニットの前記選択的シフトを実装するように構成されかつ動作可能な追加のスイッチング組立体を含む、請求項１７に記載の電子システム。
  19. 直列接続された前記エネルギ生成器の各アレイと連結されるとともに、前記電力再分配ユニットのバスコネクタに接続された少なくとも一つの終端素子を備え、前記終端素子が、前記バスコネクタからの電力を利用して、前記エネルギ生成器のアレイの出力電圧を制御して上昇させるように構成されかつ動作可能である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電子システム。
  20. 前記少なくとも一つの終端素子に各々連結された少なくとも一つの終端制御部を備え、前記終端制御部が、前記エネルギ生成器のアレイの出力電圧を上昇させる目標電圧を決定するように構成されかつ動作可能である、請求項１９に記載の電子システム。
  21. 前記終端素子が、前記バスコネクタに接続され前記バスコネクタから電力を排出するように動作可能である少なくとも一つの結合組立体と、前記結合組立体に並列に接続され前記エネルギ生成器のアレイに直列に接続されている少なくとも一つの電圧低減段差器とを含む、請求項１９又は２０に記載の電子システム。
  22. エネルギ生成システムであって、
    各々電流電圧特性を有する複数の電気的に接続されたエネルギ生成器のアレイと、
    前記複数の電気的に接続されたエネルギ生成器のアレイからエネルギを収集するエネルギ収集システムと、を備え、前記エネルギ収集システムが、
    前記複数のエネルギ生成器のアレイと電気接続され、前記複数のエネルギ生成器によって生成された電力を各々蓄積するための複数の蓄積ユニットのアレイと、
    前記複数の蓄積ユニットのアレイに接続可能なバスコネクタと、
    複数のスイッチ組立体のアレイと、を含み、前記複数のスイッチ組立体が各々、第一動作モードと第二動作モードとで順次動作可能に制御され、前記第一動作モードでは、前記複数の蓄積ユニットの対応する一つと各エネルギ生成器との電気的接続を提供し、前記第二動作モードでは、前記蓄積ユニットと前記バスコネクタとの間の接続を提供し、それによって前記複数のエネルギ生成器の間で電力再分配を行う、エネルギ生成システム。
  23. 各々電流電圧特性を有する複数の電気的に接続されたエネルギ生成器からエネルギを収集する際に用いる電気結合組立体であって、
    前記複数のエネルギ生成器に各々連結された複数の結合器を備え、前記複数の結合器が各々、各エネルギ生成器と電気接続されるとともに前記エネルギ生成器によって生成された電力を蓄積するための電力蓄積ユニットと、第一及び第二動作モードで順次動作可能なスイッチ組立体とを含み、前記スイッチ組立体は、前記第一動作モードで、対応する前記電力蓄積ユニットと各エネルギ生成器との電気接続を提供し、前記第二動作モードで、前記電力蓄積ユニットと外部の全てのエネルギ生成器に共通のバスコネクタとの間の接続を提供し、それによって前記複数のエネルギ生成器の間で電力の再分配を行う電気結合組立体。
  24. 直列に電気的に接続されている複数のエネルギ生成器からのエネルギ収集を最適化する方法であって、前記複数のエネルギ生成器が、過大動作エネルギ生成器と過小動作エネルギ生成器とを定義している異なるＩＶ特性を有し、当該方法が、
    所定の時間パターンで、前記複数のエネルギ生成器の全てを共通のバスコネクタに対して並列電気接続することを備え、
    前記複数のエネルギ生成器の間でエネルギを均一化することによって前記複数のエネルギ生成器の間でエネルギの再分配を発生させ、前記過大動作エネルギ生成器から前記過小動作エネルギ生成器にエネルギを移動させる、方法。
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