JP2020048382A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱による処理部の損傷や誤動作を防止しつつ、バイパスダイオードの温度を迅速かつ正確に検知することが可能な太陽電池モジュールを提供する。【解決手段】実施形態の一例である太陽電池モジュールは、太陽電池セルおよび配線材をそれぞれ複数含む複数のストリングと、端子ボックスとを備える。端子ボックスは、複数の端子部と、出力線と、複数のバイパスダイオードと、複数のバイパスダイオードの少なくとも１つの温度を検知する検知部と、出力線を介して識別情報および検知情報を外部装置に出力する処理部と、筐体とを含む。処理部と複数のバイパスダイオードとの最短距離は、検知部と複数のバイパスダイオードとの最短距離よりも長い。【選択図】図２

Description

本開示は、太陽電池モジュールに関する。

従来、複数の太陽電池セルが直列接続されてなる複数のストリングに対して並列接続されたバイパスダイオードを含む端子ボックスを備える太陽電池モジュールが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。太陽電池モジュールを構成する一部の太陽電池セルが何らかの障害物の影になって発電が不十分になると、当該セルが発熱してホットスポットと呼ばれる現象が発生する場合がある。そこで、太陽電池セルの正常時の出力に対して逆バイアスとなるようにバイパスダイオードを接続することで、発電量が落ちた太陽電池セルを含むストリングを回避（バイパス）して電流を流し、ホットスポットの発生を防止している。即ち、この場合、バイパスダイオードを介して電流が流れる。

バイパスダイオードに電流が流れる状態では、バイパスされた一部のストリングが発電に寄与しないので、このような状態は迅速に解消されることが好ましい。バイパスダイオードに電流が流れると、ダイオードの温度が上昇するため、当該温度上昇を検知して検知情報を外部装置に送信すれば、一部のストリングがバイパスされていることを迅速に把握して問題に対処できる。

特開２０１３−０３０６２７号公報

ところで、バイパスダイオードの温度を検知して検知情報を外部装置に送信するには、ダイオードの温度を検知する検知部と、検知部の信号を処理して外部装置に送信する処理部とを太陽電池モジュールに設置する必要がある。しかし、処理部を構成する半導体素子は、一般的に熱に弱いため、熱による処理部の損傷を防止する必要がある。また、太陽電池モジュールの重量増、コスト増といった不具合を招くことなく、バイパスダイオードの温度を正確に検知することが重要である。

本開示に係る太陽電池モジュールは、太陽電池セルおよび配線材をそれぞれ複数含み、隣り合う前記太陽電池セルが前記配線材によって直列接続された複数のストリングと、前記複数のストリングの少なくとも１つから延びる出力用配線材が電気的に接続される複数の端子部を含む端子ボックスとを備える。前記端子ボックスは、前記複数の端子部と外部の直流交流変換装置とを電気的に接続する出力線と、前記複数の端子部と電気的に接続され、前記複数のストリングに対して電気的に並列接続される複数のバイパスダイオードと、前記複数のバイパスダイオードの少なくとも１つの温度を検知する検知部と、前記出力線を介して識別情報および検知情報を外部装置に出力する処理部と、少なくとも前記複数の端子部および前記複数のバイパスダイオードを収容する筐体とを含み、前記処理部と前記複数のバイパスダイオードとの最短距離は、前記検知部と前記複数のバイパスダイオードとの最短距離よりも長い。

本開示に係る太陽電池モジュールによれば、熱による処理部の損傷や誤動作を防止しつつ、バイパスダイオードの温度を迅速かつ正確に検知することができる。

実施形態の一例である太陽電池モジュールを受光面側から平面図であって、端子ボックスおよびその近傍を拡大して示す図である。 実施形態の一例である端子ボックスの平面図である。 端子ボックスの変形例を示す図である。 端子ボックスの変形例を示す図である。 端子ボックスの変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示に係る太陽電池モジュールの実施形態について詳細に説明する。なお、実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであるから、図面に描画された構成要素の寸法比率などは現物と異なる場合がある。具体的な寸法比率等は、実施形態の説明を参酌して判断されるべきである。本開示に係る太陽電池モジュールは以下で説明する実施形態に限定されず、また以下で説明する複数の実施形態の構成要素を組み合わせること、または一部の構成要素を削除することは当初から想定されている。

本明細書において、太陽電池モジュールおよび太陽電池セルの「受光面」とは太陽光が主に入射（５０％超過〜１００％）する面を意味し、「裏面」とは受光面と反対側の面を意味する。受光面、裏面の用語は、端子ボックス等の他の構成要素についても使用する。

図１に例示するように、太陽電池モジュール１０は、太陽電池パネル１１と、太陽電池パネル１１の周縁に設置されたフレーム１２とを備える。太陽電池パネル１１は、複数の太陽電池セル１３と、太陽電池セル１３の受光面側に設けられた第１保護部材と、太陽電池セル１３の裏面側に設けられた第２保護部材とを備える。複数の太陽電池セル１３は、第１保護部材および第２保護部材によって挟持されると共に、各保護部材の間に充填された封止材により封止されている。なお、太陽電池モジュール１０は、フレーム１２を有さない所謂フレームレスモジュールであってもよい。

太陽電池セル１３は、太陽光を受光することでキャリアを生成する光電変換部を備える。光電変換部は、例えば半導体基板と、半導体基板上に形成された非晶質半導体層とを含む。光電変換部には、その受光面上に受光面電極が、裏面上に裏面電極がそれぞれ形成される。裏面電極は、受光面電極よりも大面積に形成される。電極は、複数のフィンガーおよび複数のバスバーを含んでいてもよい。フィンガーは光電変換部上の広範囲に形成される細線状の電極であり、バスバーはフィンガーからキャリアを収集する電極である。なお、太陽電池セル１３の構造は特に限定されず、光電変換部の裏面上のみに電極が形成された構造であってもよい。また、非晶質半導体層上に透明導電層が形成されていてもよい。

第１保護部材には、ガラス基板、樹脂基板、樹脂フィルム等の透光性を有する部材を用いることができる。これらのうち、耐火性、耐久性等の観点から、ガラス基板を用いることが好ましい。第２保護部材には、第１保護部材と同じ透明な部材を用いてもよいし、不透明な部材を用いてもよい。第２保護部材の一例は樹脂フィルムである。封止材に適用される樹脂の例としては、ポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等が挙げられる。

太陽電池モジュール１０は、太陽電池セル１３および配線材１４をそれぞれ複数含み、隣り合う太陽電池セル１３が配線材１４によって直列接続された複数のストリング１５を備える。配線材１４は、一般的に、アルミニウムまたは銅等の金属を主成分とする細長い導線であって、インターコネクタまたはセルタブと呼ばれる。配線材１４は、隣り合う太陽電池セル１３の間で太陽電池モジュール１０の厚み方向に曲がり、一方の太陽電池セル１３の受光面と、他方の太陽電池セル１３の裏面とに半田等の導電性接着剤等を用いてそれぞれ電気的に接続される。例えば、光電変換部の各面上に３本のバスバーが設けられ、配線材１４は各バスバー上にそれぞれ電気的に接続される。

太陽電池モジュール１０は、複数のストリング１５の少なくとも１つから延びる出力用配線材１６が電気的に接続される複数の端子部１８（後述の図２参照）を含む端子ボックス１７を備える。端子ボックス１７は、例えば、太陽電池パネル１１の裏面に接着剤を用いて固定される。出力用配線材１６は、複数のストリング１５と電気的に接続され、その一部より複数のストリング１５で発電された電力を太陽電池パネル１１の外部に取り出す。出力用配線材１６は、ストリング１５の端に配置された太陽電池セル１３の端部から延出する配線材１４に接続され、太陽電池パネル１１の裏面側に引き出されて、端子ボックス１７の端子部１８に接続される。

太陽電池モジュール１０は、一般的に、隣り合うストリング１５同士を電気的に接続する渡り配線材を備える。本実施形態では、６つのストリング１５が設けられ、複数の渡り配線材によって６つのストリング１５が直列接続されている。出力用配線材１６は４つ設けられ、そのうち出力用配線材１６Ｂ，１６Ｃは隣り合うストリング１５同士を接続する渡り配線材としても機能する。正常な発電状態では、直列接続されたストリング１５群、およびその両端に接続された出力用配線材１６Ａ，１６Ｂからなる回路を電流が流れる。

図２に例示するように、端子ボックス１７は、複数の端子部１８と、複数の端子部１８と外部の直流交流変換装置５０とを電気的に接続する出力線１９と、複数のストリング１５に対して並列接続される複数のバイパスダイオード２０と、筐体２１とを備える。１つのバイパスダイオード２０は、２つの端子部１８と電気的に接続される。端子部１８には、出力用配線材１６が溶接や半田等で電気的に接続される。端子部１８Ａには出力用配線材１６Ａが、端子部１８Ｂには出力用配線材１６Ｂが、端子部１８Ｃには出力用配線材１６Ｃが、端子部１８Ｄには出力用配線材１６Ｄがそれぞれ接続される。

端子ボックス１７は、さらに、複数のバイパスダイオード２０の少なくとも１つの温度またはその異常状態を検知する検知部２５と、出力線１９を介して検知部２５の識別情報および検知情報を監視装置５１に出力する処理部２６とを備える。監視装置５１は、例えば、太陽電池モジュール１０の発電状態を監視するためのエネルギ管理システムのコントローラ、サーバー等である。監視装置５１は、タブレット端末、スマートフォン等であってもよい。なお、検知部２５の検知情報は、監視装置５１以外の種々の外部装置に出力されてもよい。

電力線である出力線１９を介して、処理部２６から所定の情報を含む信号を監視装置５１に送信する方法としては、従来公知の低速電力線搬送通信（低速ＰＬＣ）、高速電力線搬送通信（高速ＰＬＣ）等を用いることができる。監視装置５１は、例えば、電気と信号を分離するフィルタを含むＰＬＣモデムを備える。

図２では、監視装置５１の下流側に直流交流変換装置５０を図示しているが、直流交流変換装置５０と監視装置５１の接続関係は特に限定されない。出力線１９は、直流交流変換装置５０および監視装置５１に対して並列接続されてもよい。なお、直流交流変換装置５０は、太陽電池モジュール１０で発電された直流電力を通常の電子機器で使用される交流電力に変換する装置であって、一般的にパワーコンディショナーと呼ばれる。

複数の端子部１８は、複数のバイパスダイオード２０を介して直列接続され、これにより一部の太陽電池セル１３に異常が発生した際の迂回路が形成される。迂回路は、隣り合う２つのストリング１５からなるグループに対してバイパスダイオード２０を並列接続することで形成される。本実施形態では、端子部１８が４つ、バイパスダイオード２０が３つ設けられ、ストリング１５の群には３つのグループ（クラスタ）が含まれている。

複数のバイパスダイオード２０は、各太陽電池セル１３の正常時の出力に対して逆バイアスとなるように各クラスタと並列接続される。本実施形態では、４つの端子部１８が一列に並んで配置され、列の両端に配置された端子部１８Ａ，１８Ｄに出力線１９がそれぞれ接続されている。また、バイパスダイオード２０Ｘは端子部１８Ａ，１８Ｂに、バイパスダイオード２０Ｙは端子部１８Ｂ，１８Ｃに、バイパスダイオード２０Ｚは端子部１８Ｃ，１８Ｄにそれぞれ接続されている。

端子ボックス１７の筐体２１は、少なくとも複数の端子部１８および複数のバイパスダイオード２０を収容する。本実施形態では、さらに、検知部２５および処理部２６も筐体２１に収容されている。筐体２１は、平面視において略矩形形状を有し、端子部１８、バイパスダイオード２０等が配置される基部２３と、基部２３の周縁部に立設した側壁部２４とを含む。

筐体２１は、太陽電池パネル１１側を向いた面が大きく開口しており、当該開口部は筐体２１を太陽電池パネル１１の裏面に取り付けることでパネルによって塞がれる。基部２３には、複数の端子部１８が並ぶ方向に長い、出力用配線材１６を通すための開口２２が形成されている。なお、端子ボックス１７には、シリコーン樹脂等が充填されて開口２２が塞がれ、端子部１８、バイパスダイオード２０等が封止される。

太陽電池モジュール１０の発電状態が正常である場合、バイパスダイオード２０に電流は流れず、出力用配線材１６Ｂ，１６Ｃおよび端子部１８Ｂ，１８Ｃにも電流は流れない。他方、一部の太陽電池セル１３が何らかの障害物の影になって発電が不十分になると、当該セルが抵抗体となって電力を消費して逆バイアスが生じるので、バイパスダイオード２０が作動する。これにより、当該太陽電池セル１３を含むストリング１５（クラスタ）がバイパスされる。バイパスダイオード２０に電流が流れると、バイパスダイオード２０の温度が上昇するため、当該温度上昇を検知して検知情報を監視装置５１に送信すれば、一部のストリング１５がバイパスされていることを迅速に把握して問題に対処することが可能となる。

端子ボックス１７は、上述の通り、検知部２５および処理部２６を備える。検知部２５がバイパスダイオード２０の温度上昇を検知し、処理部２６が当該検知信号を処理して監視装置５１に送信する。なお、検知部２５と処理部２６は、図示しないケーブルによって接続されており、検知部２５の検知信号は処理部２６に出力される。検知部２５は、複数のバイパスダイオード２０の温度をそれぞれ検知するために、複数設けられることが好ましい。

検知部２５は、例えば、バイパスダイオード２０の温度を検知可能なサーミスター等の半導体素子を含む。検知部２５は、バイパスダイオード２０の温度を正確に測定するために、バイパスダイオード２０の近傍に設置されることが好ましい。検知部２５は、バイパスダイオード２０の表面に固定されてもよく、バイパスダイオード２０の近傍において筐体２１の基部２３に固定されてもよい。本実施形態では、バイパスダイオード２０と同数の検知部２５が設けられている。複数の検知部２５は、各々の識別信号（アドレス）と共に、バイパスダイオード２０の温度またはその異常状態の検知信号を処理部２６に出力する。個々の検知部２５は検知部情報以外にも様々な識別情報を出力してもよい。

処理部２６は、例えば、検知部２５の検知信号を処理し、監視装置５１に送信する半導体素子を含む。処理部２６は、出力線１９と電気的に接続され、出力線１９を介して検知部２５の識別情報および検知情報を監視装置５１に送信する。即ち、処理部２６によって、検知部２５を特定する識別情報と、バイパスダイオード２０の温度に関する検知情報とが関連付けられた状態で監視装置５１に送信される。なお、識別情報には、端子ボックス１７を搭載している太陽電池モジュール１０を特定する識別情報やその関連情報を含めてもよい。例えば、製品番号や製造年月日等である。

処理部２６は、例えば、マイクロコンピュータで構成され、演算処理部であるプロセッサ（ＣＰＵ）、ＲＡＭ、ＲＯＭ等で構成される記憶部、および入出力ポートなどを含む。ＣＰＵは、記憶部に予め記憶された制御プログラムを読み出して実行する機能を有する。処理部２６（ＣＰＵ）は、検知部２５の検知信号に基づいてオンオフすることで検知情報を含む信号を生成するスイッチング素子を含んでいてもよい。

処理部２６と複数のバイパスダイオード２０との最短距離Ｌ１は、検知部２５と複数のバイパスダイオード２０との最短距離Ｌ２よりも長い。検知部２５はバイパスダイオード２０の近傍に設置されることが好ましいが、処理部２６を構成する半導体素子は検知部２５を構成する半導体素子と比べて熱に弱いので、バイパスダイオード２０から離れた位置に設置されることが好ましい。このため、少なくとも最短距離Ｌ１＞最短距離Ｌ２となるように、処理部２６を配置する。この場合、バイパスダイオード２０の熱による処理部２６の損傷や誤動作を防止しつつ、バイパスダイオード２０の温度を正確に検知できる。

図２に示す例では、端子ボックス１７の平面視において、バイパスダイオード２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚが並ぶ方向（以下、横方向とする）と直交する方向（以下、縦方向とする）に、バイパスダイオード２０Ｙと処理部２６が並んで配置されている。なお、端子部１８およびバイパスダイオード２０は筐体２１の縦方向中央部に配置されている。処理部２６は、各バイパスダイオード２０のうち最も近いバイパスダイオード２０Ｙとの間に、検知部２５とバイパスダイオード２０の最短距離Ｌ２よりも長い隙間を隔てて配置される。処理部２６は、バイパスダイオード２０と縦方向に重ならないように配置されてもよい。

処理部２６は、出力線１９が引き出される筐体２１の縦方向一端側に配置される。この場合、処理部２６を出力線１９に接続することが容易である。処理部２６は、筐体２１の基部２３に固定されてもよく、側壁部２４に固定されてもよい。処理部２６は、複数のバイパスダイオード２０との最短距離Ｌ１が、検知部２５同士の最短距離Ｌ３よりも長くなるように配置されてもよい。

図３に例示するように、端子ボックス１７は、処理部２６と複数のバイパスダイオード２０との間に設けられた遮蔽壁３０を備えていてもよい。遮蔽壁３０は、複数のバイパスダイオード２０が並ぶ横方向に沿って、処理部２６と各バイパスダイオード２０とを隔離するように設けられている。遮蔽壁３０は、例えば基部２３に立設し、太陽電池パネル１１の裏面に当接する。遮蔽壁３０を設けることで、バイパスダイオード２０の熱を遮断でき、処理部２６に熱が伝わり難くなる。

図４に例示するように、処理部２６は、筐体２１の外側表面に配置されていてもよい。この場合、処理部２６を筐体２１の内部に配置する場合と比べて、処理部２６と複数のバイパスダイオード２０との最短距離Ｌ１が長くなると共に筐体２１による放熱効果により、処理部２６に対する熱影響をさらに低減できる。筐体２１には、側壁部２４が内側に窪んだ凹部３１が形成されていてもよく、処理部２６は凹部３１に取り付けられていてもよい。処理部２６は、例えば、筐体２１の外側表面に対して接着剤を用いて固定される。
筐体２１の放熱特性向上のため、金属筐体や放熱シート等を用いることが望ましい。

図５に例示するように、処理部２６は、出力用配線材１６を通す開口２２を挟んで複数のバイパスダイオード２０と反対側に配置されてもよい。また、処理部２６とバイパスダイオード２０の間には、開口２２と端子部１８が存在する。この場合、処理部２６と複数のバイパスダイオード２０との最短距離Ｌ１を長くすることができるとともに、開口２２により熱伝導性が低下するので、処理部２６に対する熱影響をさらに低減できる。処理部２６は、例えば、開口２２の縁部に設けられた側壁部２４に接着剤等を用いて固定される。図５に示す例では、処理部２６が端子部１８を介して出力線１９に接続されている。

以上のように、上記構成を備えた太陽電池モジュール１０によれば、バイパスダイオード２０の熱による処理部２６の損傷や誤動作を防止しつつ、検知部２５によってバイパスダイオード２０の温度や異常状態を迅速かつ正確に検知することができる。そして、バイパスダイオード２０の温度上昇を検知して検知情報を監視装置５１に送信することで、一部のストリング１５がバイパスされていることを迅速に把握して問題に対処できる。

１０ 太陽電池モジュール、１１ 太陽電池パネル、１２ フレーム、１３ 太陽電池セル、１４ 配線材、１５ ストリング、１６ 出力用配線材、１７ 端子ボックス、１８ 端子部、１９ 出力線、２０ バイパスダイオード、２１ 筐体、２２ 開口、２３ 基部、２４ 側壁部、２５ 検知部、２６ 処理部、３０ 遮蔽壁、５０ 直流交流変換装置、５１ 監視装置

Claims (6)

1. 太陽電池セルおよび配線材をそれぞれ複数含み、隣り合う前記太陽電池セルが前記配線材によって直列接続された複数のストリングと、
   前記複数のストリングの少なくとも１つから延びる出力用配線材が電気的に接続される複数の端子部を含む端子ボックスと、
   を備える太陽電池モジュールであって、
   前記端子ボックスは、
   前記複数の端子部と外部の直流交流変換装置とを電気的に接続する出力線と、
   前記複数の端子部と電気的に接続され、前記複数のストリングに対して電気的に並列接続される複数のバイパスダイオードと、
   前記複数のバイパスダイオードの少なくとも１つの温度を検知する検知部と、
   前記出力線を介して識別情報および検知情報を外部装置に出力する処理部と、
   少なくとも前記複数の端子部および前記複数のバイパスダイオードを収容する筐体と、
   を含み、
   前記処理部と前記複数のバイパスダイオードとの最短距離は、前記検知部と前記複数のバイパスダイオードとの最短距離よりも長い、太陽電池モジュール。
2. 前記識別情報は、前記検知部の識別情報または当該太陽電池モジュールの識別情報の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記検知部は、複数設けられ、
   前記処理部と前記複数のバイパスダイオードとの最短距離は、前記検知部同士の最短距離よりも長い、請求項１または２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記処理部は、前記筐体の外側表面に配置される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記端子ボックスには、前記出力用配線材が挿入される開口が形成され、
   前記処理部は、前記開口を挟んで前記複数のバイパスダイオードと反対側に配置される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記端子ボックスは、前記処理部と前記複数のバイパスダイオードとの間に設けられた遮蔽壁を含む、１乃至３の何れか一項に記載の太陽電池モジュール。

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