JP2020509734A - 光起電装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、２つの異なる電池の種類のＰＶ電池（１１、２１）を有するタンデム型ＰＶ電池群（１）に関する。各ＰＶ電池には別個の電力用電子機器部（３１、３２）が割り当てられ、各ＰＶ電池で生成された電圧または対応する電流出力がその割り当てられた電力用電子機器部に供給される。ＰＶ電池の１つとＰＶ電池に割り当てられた電力用電子機器部の１つとを有する各ＰＶサブシステムがその最適な動作点で動作するように、電力用電子機器部は、制御装置（４０）により、互いに独立して動作可能である。制御装置は、各ＰＶサブシステムの電力用電子機器部の動作時に、各電力用電子機器部に割り当てられたＰＶ電池の電流出力と電池電圧との積が最大になるように動作できる。

Description

本発明は、２つ以上の別個の太陽電池を備える光起電装置に関する。
光起電（ＰＶ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）の手法を用いる太陽光発電は、環境政策的理由から、また経済的理由からも、例えば、中央ヨーロッパにおいて、電力生産に貢献し、そのシェアを急増させている。しかし、この再生エネルギー源は、特に、従来のエネルギー源と比較して競争力を持つ必要があるため、ＰＶ発電コストを、例えば、ドイツなどの日射がそれほど強くない地域においても、従来の、特に化石燃料発電の発電コストを下回るように努力がなされている。
ＰＶ発電所のコストは、主に、システムのコストによって決定されているが、例えば、パネル全体、配線、パワーエレクトロニクス（電力または電流用の電子機器、以下、電力用電子機器と記載）、およびその他の建設コストによって決定されている。ここ数年、例えば、ＣＨ３ＮＨ３ＰｂＩ３（または、より一般的には、（ＣＨ３ＮＨ３）ＭＸ３−ｘＹｘ（Ｍ＝ＰｂまたはＳｎおよびＸ、Ｙ＝Ｉ、ＢｒまたはＣｌ））などのいわゆるペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）材料が、その光電子特性に基づいて、電磁放射エネルギーを電気エネルギーへと高効率で変換することを可能にし、その重要性を増していて、運用コストの削減の効果が見込まれているが、そのような新しい、費用対効果の高い太陽電池の単独使用はまだ十分ではない。これに対して、太陽電池の効率をさらに高める必要がある。
効率を高めるための１つの仕方として、２つ以上の光感受性の光起電電池（ＰＶセル）または層を、上下に重ねて配置させたいわゆるタンデム型（または積層型）光起電電池群を使用する場合がある。その場合、個々の電池（セル）は、スペクトル感度（分光感度）を相違させるのが理想的であり、すなわち、異なる電池は、太陽光の異なるスペクトル範囲に対してそれぞれの最大効率を有するようにする。これにより、タンデム型電池群が全体として、より広いスペクトル範囲で高い効率が得られるようにする。
前述のタンデム型電池群は、例えば、ペロブスカイト系ＰＶ電池を、例えば、伝統的なシリコン系ＰＶ電池の上に積層させることがある。ペロブスカイト材料は、シリコン系材料よりもバンドギャップが大きいため、ペロブスカイト系ＰＶ電池は、青色または短波長のスペクトル範囲での吸収が大きいものの、より長波長の光を透過させている。シリコン系ＰＶ電池は、より長波長のスペクトル領域でより強く吸収するため、ペロブスカイト電池またはペロブスカイト層を透過した光またはその少なくとも一部をシリコン電池によって吸収することができる。
図１には、上記のような既知のタンデム型光起電電池群１の側面図が示されている。タンデム型電池群１の上部の電池１１、すなわち、図示していない光源または太陽に面する電池１１は、第１のスペクトル範囲Ｓ１で最大効率を有する第１の材料からなる光起電電池である。下部の電池２１は、第２のスペクトル範囲Ｓ２で最大効率を有する第２の材料からなる光起電電池であり、それらのスペクトル範囲Ｓ１、Ｓ２および材料は相違する。基本的に、上記のタンデム型電池群は、入射光Ｌにより発生する電流Ｉが両方の電池１１、２１を順次流れるようにし、すなわち、電池１１、２１が、電気的に直列に接続されているという技術思想に従って動作する。ただし、この場合、両方の電池１１、２１に大きさが顕著に異なる電流が発生した場合、より少ない電流が発生した電池１１、２１の一方が、電池２１、１１の他方で発生したより大きな電流が流れることにより損傷する可能性があるという問題がある。さらに、両方の電池１１、２１は、光感受性表面ごとに同じ電流を流すことが理想的である。しかし、異なる電池１１、２１で使用される材料の性質が互いに異なるため、一般的には光感受性表面ごとに同じ電流を供給することにはならない。このため、タンデム型光起電電池群１の全体の効率または能率が、理論的に実現可能な値、あるいは個々の効率に基づいて予想される値よりも相当に低くなるという結果がもたらされている。
この問題は、原則的には、個々の電池１１、２１が等しい値の電流を流すように個々の電池１１、２１を形成する、「電流整合」と称する仕方を用いることで解決することができる。これを実現するために、２つの光起電電池１１、２１の、対応する照射下で電流を生成する光感受性領域１２、２２を互いに整合させることがある（領域１２は、第１の材料からなる第１の電池１１内にあり、領域２２は、第２の材料からなる第２の電池２１内にある）。この場合、領域１２、２２で生成される電流は、それぞれの領域１２、２２の表面領域（面積）に比例すると仮定する。したがって、領域１２、２２の面積および数は、図２に示すように異なって選択されていて、最終的に両方の電池１１、２１が同じ大きさの電流を流すようにする。この場合、この目的のために選択される面積の大きさおよび数は、それぞれの材料に基づく。しかしながら、この場合、異なる形状を重ね合わせた構造には技術的問題があることが判明した。
図２は、図１において破線で示した平面についてｙ方向から見た場合を示している。図２では、あたかも図１に示した電池１を展開させて、２つの層１１、２１を並置させたように示している。第１の電池１１の領域１２の表面領域（面積）は、第２の電池２１の領域２２の表面領域よりも大きいことが明らかである。この図では、図解を明確にするために、それぞれの領域１２、２２の一部にのみ参照記号を付している。それぞれの光起電電池１１、２１について、各電池１１、２１の領域１２、２２が直列に接続されていて、それぞれの領域群１３、２３が形成されている。さらに、２つの領域群１３、２３は、電気的に連続しており、すなわち、直列に接続されている。
光感受性領域１２、２２の表面領域を整合させるという技術思想は、上述の問題に対する解決策を理論的には提供している。ただし、実際には、このように構築されたタンデム型光起電電池群１の能率は、平均して、理論的に実現可能な値を下回り続けている。このことは、実際の光強度が経時的には一定ではなく、１日の間に多少の強い変動の影響を受けることとも関連し、この変動は、異なる電池によって生成される電圧または電流において様々な大きさで現れる。したがって、シリコン系ＰＶ電池（Ｓｉセル）は、光強度が大きい場合、すなわち、例えば、十分な日光がある場合に、特に、高い能率で動作する。ただし、前述のＳｉセルの能率は、光が弱い場合には、特に拡散した弱い光の場合に比較的良好な能率を有する有機系ＰＶ電池の能率を下回る。さらに、異なる電池は、異なる経年劣化効果および温度変化の影響を受けることが推測される。したがって、光感受性領域の表面領域を整合させた図２に示した仕方は、最終的には適切ではない。
したがって、本発明の課題は、高効率の光起電電池を得るための他の仕方を提供することである。
本課題は、請求項１に記載の光起電装置および請求項１０に記載の動作方法により解決される。各従属請求項は、有利な実施形態を説明している。
本発明に係る光起電（ＰＶ）装置は、少なくとも１つの第１の電池の種類の第１の光起電電池（ＰＶセル）および少なくとも１つの第２の電池の種類の第２の光起電電池を含むマルチＰＶ電池群（複数光起電電池群）を有しており、この際、第１の電池の種類および第２の電池の種類は、互いに異なり、これら光起電電池はいずれも、入射光によりそれぞれの光起電電池にて電池電圧（セル電圧）Ｕ１、Ｕ２を生成させる。さらに、本発明に係る光起電装置は電力用電子機器を備えるが、これには、第１の光起電電池に割り当てられた別個の第１の電力用電子機器部（パワーエレクトロニクス・ユニット）と、第２の光起電電池に割り当てられた別個の第２の電力用電子機器部とが含まれている。それぞれの光起電電池で生成される電池電圧Ｕ１、Ｕ２および対応する電流出力（電流量）Ｉ１、Ｉ２は、例えば、対応する電気接続を介して、それぞれの光起電電池に割り当てられた別個の電力用電子機器部に供給可能である。さらに、光起電装置は、電力用電子機器を制御するための制御装置（コントロール・デバイス）を有する。第１の電力用電子機器部および第２の電力用電子機器部は、制御装置によって、互いに独立して動作可能であって、それにより、光起電電池のうちの１つと、光起電電池に割り当てられた電力用電子機器部のうちの１つとを有する各光起電サブシステムが、その最適な動作点で動作するように制御される。言い換えると、光起電装置は、少なくとも１つの第１の光起電サブシステムおよび少なくとも１つの第２の光起電サブシステムを有し、この際、第１の光起電サブシステムは、第１の光起電電池および第１の電力用電子機器部を有し、かつ、第２の光起電サブシステムは、第２の光起電電池および第２の電力用電子機器部を有する。
照度（光の強さ）が変化する場合であっても、その高い効率性が失われないように形成された、本発明に係る高効率の複数光起電電池群においては、上記の「電流整合」の仕方を用いなくてもよい。タンデム型光起電電池群は、２つの電気的に分離した光起電電池を有し、それらは直列または他の方法で、直接、電気的に接続されていない。むしろ、照射時に、電池群の光起電電池によって生成された電圧およびその結果として得られる対応する電流は、それぞれ、別個の電力用電子機器部に供給される。異なる光起電電池に対して、個別の（独立した）電力用電子機器部を使用することによって、それぞれの光起電電池を最適な動作点で動作させることが可能となる。
制御装置は、各光起電サブシステムの電力用電子機器部の動作時に、それぞれの電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉ１、Ｉ２と電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる積が最大となるように、それぞれの電力用電子機器部を制御するように形成されている。なお、自明だが、この点について、以降、積が「最大」になるという表現は、その言及された積が絶対的な最大値に、常に、正確な時点で到達することを必ずしも意味しないものとする。実際には、制御装置に供給される値は、ある範囲内で常に変化していて、例えば、ある時点Ｔ１において理論上の実際の最大値は、次の時点Ｔ２ではもはや理論上の最大値ではなくなるなどが生じるため、上記のことは、技術的には実現困難だからである。したがって、それぞれの積が「最大」になるという表現は、制御の内容で、それぞれの電流と電圧の積が瞬間的に理論的に可能な最大値へと変化するように、各電力用電子機器部を常時調整するように、制御することを意味する。したがって、実際には、電流と電圧の積は、特定の期間にわたって、より小さくならないように制御される。すなわち、その積は、より大きくされるべきであるか、または理論的に可能な最大値に既に達している場合には一定のままでもよい。
この目的のために、制御装置は、それぞれの電力用電子機器部の制御時に、各電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電池電圧Ｕ１、Ｕ２と電流出力Ｉ１、Ｉ２とから得られる積が最大になるように、それぞれの電力用電子機器部の入力抵抗を調整可能なように動作できる。特に、制御装置は、電力用電子機器部を互いに独立して制御するように形成されている。この目的のために、制御装置は、例えば、光起電サブシステムの数に対応する数の制御器（コントローラ）を有していてもよい。これらの制御器は、例えば、いわゆるＰＩＤ制御器として形成することができる。
代替的にまたは追加的に、光起電装置は、光起電電池の温度を測定するか、複数光起電電池群の周囲温度（環境温度）を測定するかの一方または双方のための装置を備えたセンサ装置を有し、温度と周囲温度の一方または双方を記述する１つ以上のパラメータが制御装置に入力変数として渡される（送信される）ようにする。追加的にまたは代替的に、センサ装置は、光起電装置、特に、第１の光起電電池に入射する光強度を測定するための装置を有していてもよく、光強度を記述するパラメータが制御装置に入力変数として渡されるようにする。同様に、追加的にまたは代替的に、センサ装置は、光起電装置、特に、第１の光起電電池に入射する光のスペクトルを測定するための装置を有していてもよく、スペクトルを記述するパラメータが制御装置に入力変数として渡されるようにする。制御装置は、この場合、渡される１つ以上の入力変数に基づいて、電力用電子機器部を制御するように形成されている。
この場合、制御装置は、特に、探索表（ルックアップテーブル）に基づいて、またはモデルに基づく仕方で、制御を行うように形成されていて、それによって、それぞれの電力用電子機器部の１つ以上の入力変数に応じて、それぞれの電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積が最大になる入力抵抗が決定かつ設定されるようにする。
好ましくは、第１の電池の種類および第２の電池の種類は、それらのＰＣＥ最大値（ＰＣＥ＝ｐｏｗｅｒ・ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ・ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、電力変換効率）が異なるスペクトル範囲内にあるように選択される。
特に、第２の光起電電池については、第１の光起電電池が実質的に透過となるスペクトル範囲内に、そのＰＣＥ最大値があるように、電池の種類が選択される。この場合、「実質的に透過」とは、第１の光起電電池では、この特徴的なスペクトル範囲内での吸光が、他のスペクトル範囲に比べて相当に少ないことを意味する。当然ながら、第１の光起電電池は、基本的に、この用途に関連するそれぞれのスペクトル範囲において、ある程度の吸収を有すると仮定する必要があるが、光スペクトルの特定の範囲における吸光係数が比較的小さいため、「実質的に透過」であると仮定することもできる。
例えば、第１の光起電電池は、ペロブスカイト系光起電電池であってもよく、および／または、第２の光起電電池は、シリコン系光起電電池であってもよい。
この場合、制御装置は、第１の光起電電池の出力変数のヒステリシス（履歴現象）が補償されるように、第１のペロブスカイト系光起電電池に割り当てられた電力用電子機器部を制御するように形成されている。この補償は、制御器の動作パラメータ、例えば、ＰＩＤパラメータを適切に調整させることによって実現される。
制御装置は、さらに、それぞれの光起電電池の経年劣化および／または複数光起電電池群もしくは個々の光起電電池の汚れが補償されるように、電力用電子機器部の制御を実行するように形成されている。この場合も同様に、それぞれの電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積の最適化が求められ、その際、電力用電子機器部の入力抵抗は、互いに独立して設定される。
上記の種類の複数光起電電池群、電力用電子機器、及び制御装置を備えた光起電装置を動作させるための本発明による方法では、第１の電力用電子機器部および第２の電力用電子機器部は、制御装置により互いに独立して動作可能であって、それにより、光起電電池のうちの１つと、光起電電池に割り当てられた電力用電子機器部のうちの１つとを有する、各光起電サブシステムがその最適な動作点で動作するようにする。
各光起電サブシステムの電力用電子機器部の動作時に、それぞれの電力用電子機器部は、各電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉ１、Ｉ２と電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる積が最大になるように制御される。
それぞれの電力用電子機器部の制御時に、各電力用電子機器部の入力抵抗は、各電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉ１、Ｉ２と電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる積が最大になるように調整される。
好ましくは、制御装置は、各電力用電子機器部を互いに独立して制御する。
光起電装置が上記の種類のセンサ装置を有する場合も同様に、電力用電子機器部は、制御装置に渡される１つ以上の入力変数に基づいて制御される。
この場合、制御は、特に、探索表（ルックアップテーブル）に基づいて、またはモデルに基づく仕方で行われて、それによって、それぞれの電力用電子機器部の１つ以上の入力変数に応じて、各電力用電子機器部に割り当てられた光起電電池の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積が最大になるように入力抵抗を決定し、設定する。この場合、電池状態の経年劣化曲線も探索表に保存することができる。
したがって、それぞれの電力用電子機器について、電圧レベルおよび電流レベルが調整され、それぞれの光起電電池の最大エネルギー出力が実現される。つまり、それぞれの光起電電池は、光起電電池が割り当てられた電力用電子機器により、その最適な動作点で動作する。
その調整は、例えば、それぞれの電力用電子機器の入力抵抗を制御することによって行うことができ、その際、入力抵抗の制御は、それらの電力用電子機器に接続された光起電電池での照射に応じた電池電圧Ｕに対応する電流出力Ｉに影響を及ぼす。照射時に光起電電池によって生成された電圧Ｕと対応する電流Ｉとの積は、光起電電池のエネルギー出力を表す。
電気的に固定結合された光起電電池を用いて、実際には常に１つの電池の種類が準最適の仕方で動作される場合と比較して、独立した電力用電子機器部を用いることで可能となる個別の調整の場合、損失が相当に少なくなる。したがって、この技術思想は、従来の共通の電気機器（エレクトロニクス）を有する複数光起電電池群の個々の電池を直列接続させる一般的な典型例から離れて、個々の光起電電池を並列化させる技術思想を採用しており、その際、別個の主要な電子機器により両方の光起電電池を最適条件で動作させることができるため、利用可能なエネルギーが電子機器のレベルで与えられることができる。
この仕方により、異なる光起電電池の異なる通電容量に係る前述の欠点を克服できる。同時に、電池群の各光起電電池を、それぞれの最適な動作点で動作させることができる。すなわち、双方の光起電電池に対して別個の電力用電子機器が設けられることによって、光起電電池は双方とも、それぞれの最適な動作点で連続して動作することができる。
さらに、上記の仕方によると、複数光起電電池群に関する他の問題点も解決できる。つまり、光起電電池は、一般に経年劣化過程の影響を受ける。従来技術による電池群の電池の一般的な直列接続では、経年劣化過程によって、必然的に個々の電池の整合の離調（変調）がもたらされている。本発明の仕方では、もはやこのような影響を受けないようにできる。
さらに、「電流整合」が不要となるので、個々の電池の設計自由度が大幅に広がる。したがって、例えば、電池群の両方の光起電電池の表面領域は、可能な限り自由に選択できる。すなわち、光起電電池はそれぞれの技術に最適に適合する電池の表面領域を使用することができる。同様に、当然ながら、同じ大きさで上下方向に重ね合わされた光起電電池を使用することができる。これは、個々の光起電電池に薄膜システムを使用する場合に特に有利である。なぜなら、薄膜システムでは、層の境界および対応する段が、しばしば、その上に積積される層にとって技術的障壁になるからである。
上述のように個々の電池への電池群の分割化によって、そして特に、別個の独立した電力用電子機器の使用によって、それぞれの光起電電池に対して最適な電子機器を使用することができる。本発明によれば、別個の電子機器を用いることによって、それぞれの最適な動作点に調整することができることに加えて、新しいペロブスカイト系光起電電池を用いる場合に特徴的に現れる他の問題点にも対処することができる。例えば、ペロブスカイト系電池の場合、電池の出力特性変化のヒステリシスを示すことがあり、すなわち、電池の出力特性が、電池の前の動作に応じて変化することがある。このことは、例えば、ペロブスカイト系光起電電池の電力用電子機器に統合されたＰＩＤ制御器のＰＩＤパラメータを調整することで補償することができる。
さらに、ペロブスカイト系光起電電池は、従来の光起電電池とは対照的に、しばしば、いわゆるインフロー効果（または慣らし効果）を示すことがある。インフロー効果とは、一定の照射下で得られる、「電力変換効率」（ＰＣＥ）と称する電池の最大効率が、電池を起動してからある程度の遅延時間後に初めて到達することに関する。ペロブスカイト系電池とは対照的に、シリコン系光起電電池のＰＣＥは、ほぼ電池の起動直後に得られる。この場合も、独立した電力用電子機器部および異なる光起電サブシステムの個別の制御に基づいて、両方のサブシステムは、最適な動作点で動作することができる。ペロブスカイト系電池のエネルギー出力は、インフロー効果の影響下では、他の電池の出力と比較して減少するにもかかわらず、個々の制御が可能であるため、既存の条件に対して最適化が可能となる。
この技術思想は、ペロブスカイト系電池とシリコン系電池との組み合わせの場合だけでなく、原則として他の光起電電池の種類の任意の所望の組み合わせにも適用可能であり、例えば、薄膜太陽電池などに適用可能でありまたはＩＩＩ／Ｖ（族の）半導体電池を用いてもよい。
さらなる利点および実施形態は、図面および対応する以下の説明から明らかになる。
以下、本発明および例示的な実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。図面では、同一の構成要素については、異なる図においても同一の参照番号が付されている。
従来技術に係るタンデム型光起電電池群の図である。 従来技術に係るタンデム型光起電電池群の断面図である。 本発明に係る光起電装置の図である。 一般的な光起電電池における電流出力Ｉと電池電圧Ｕとの関係を示す図である。 本発明の第１の変形例に係る光起電装置の図である。 本発明の第２の変形例に係る光起電装置の図である。
以下、異なる図における同一の参照番号は、同一の構成要素を示している。
図３には、第１の電池の種類の第１の光起電電池１１、すなわち、照射時に電圧Ｕ１を生成する第１の材料からなる１つ以上の第１の光感受性領域１２と、第２の電池の種類の第２の光起電電池２１、すなわち、同様に照射時に電圧Ｕ２を生成する第２の材料からなる１つ以上の第２の光感受性領域２２（図示せず）と、を有する、複数光起電電池群１を備える、光起電装置１００が示されている。したがって、２つの光起電電池１１、２１を有する複数光起電電池群１は、タンデム型光起電電池群である。以下では記載を簡単にするために、それぞれの光起電電池が電圧（または同様物）を生成するという表現を一般的に使用するが、この表現は、これら電圧が、電池の各光感受性領域によって生成されることを意味する。
電池群１は、光源、例えば、太陽に対して第１の光起電電池１１が面するように動作中に配置される。したがって、光源から放射されて電池群１に入射する光Ｌは、最初に第１の光起電電池１１に入射し、これにより、既知の方法で、第１の光起電電池１１または第１の材料からなるその光感受性領域１２は、第１の電池電圧Ｕ１を生成する。第１の光起電電池１１を通過した後、対応する残留光は、第２の光起電電池２１に入射し、同様に、既知の方法で、第２の光起電電池２１または第２の材料からなるその光感受性領域２２は、第２の電池電圧Ｕ２を生成する。
有利には、異なる電池１１、２１の「電力変換効率」（ＰＣＥ）とも称する最大効率が、異なるスペクトル範囲内にあるように、２つの電池の種類が選択されている。特に、第２の光起電電池２１は、第１の光起電電池１１が実質的に透過であるスペクトル範囲内に、ＰＣＥ最大値がある電池の種類が選択される。この場合、「実質的に透過」とは、第１の光起電電池１１が、この特徴的なスペクトル範囲内では、他のスペクトル範囲に比べて吸光が大幅に少ないことを意味する。当然ながら、第１の光起電電池１１は、基本的に、この用途に関連する各スペクトル範囲内である程度の吸光を有すると仮定する必要があるが、光スペクトルの特定の範囲内で吸光の程度（吸光係数）が比較的小さいため、第１の光起電電池１１は、そのスペクトル範囲について「実質的に透過」であると仮定することもできる。
この実施例では、第１の光起電電池１１は、ペロブスカイト系光起電電池であり、すなわち、第１の光起電電池１１の光感受性領域１２は、ペロブスカイト材料を有する。それに対して、第２の光起電電池２１は、シリコン系光起電電池である。ペロブスカイト材料は、シリコン系材料よりもバンドギャップが大きいため、ペロブスカイト系光起電電池１１は、青色または短波長のスペクトル領域での吸収割合が大きく、そしてより長波長の光を透過させる。シリコン系光起電電池２１は、より長い波長スペクトル範囲でより大きな割合で吸収するため、ペロブスカイト電池１１またはその少なくとも一部を透過した光は、シリコン電池２１によって吸収され得る。
光起電装置１００は、第１の電力用電子機器部３１および第２の電力用電子機器部３２を備えた電力用電子機器３０を有し、これら電力用電子機器部３１、３２は、別個に互いに独立して動作する。第１の電力用電子機器部３１は、第１の光起電電池１１に割り当てられ、第２の電力用電子機器部３２は、第２の光起電電池２１に割り当てられる。この場合、第１の光起電電池１１および第１の電力用電子機器部３１は、電池群１のうちの第１の光起電サブシステム１０を形成する。同様に、第２の光起電電池２１および第２の電力用電子機器部３２は、電池群１のうちの第２の光起電サブシステム２０を形成する。照射時に、光起電電池１１、２１によって生成された電池電圧Ｕ１、Ｕ２は、対応する電気接続１４、２４を介して、それぞれの電力用電子機器部３１、３２に供給される。電力用電子機器部３１、３２のそれぞれの入力抵抗に応じて、対応する電流出力Ｉ１、Ｉ２が得られる。
光起電装置１は、各光起電サブシステム１０、２０の電力用電子機器部３１、３２の動作時に、それぞれの電力用電子機器部３１、３２に割り当てられた光起電電池１１、２１の電流出力Ｉ１またはＩ２と電池電圧Ｕ１またはＵ２とから得られる積が最大になるように、それぞれの電力用電子機器部３１、３２を制御するように形成された制御装置４０をさらに有する。これにより、それぞれの光起電サブシステム１０、２０のエネルギー出力が最大になるが、この場合の重要な点は、光起電サブシステム１０、２０が個別に互いに独立して、最適な動作点に到達することである。
この内容に関して、制御装置４０の動作を説明するために、一般的な光起電電池について、一定照射時の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとの関係を示す図４を参照する。最大エネルギー出力または最適エネルギー生成時の最適な動作点は、グラフにおいて、ＭＡＸと記された点、つまり電池電圧Ｕと電流出力Ｉとの積が最大になる点にある。使用条件が変化する場合、すなわち、例えば、光（照射）条件が変化する場合、光強度および温度などの変化に対して通常異なる反応を示す、電池群１の光起電電池１１、２１の異なる性質に基づいて、光起電電池１１、２１のうちの少なくとも１つが、もはや最適な動作点で動作しなくなる状況が必然的に生じる。これは、電池群１全体が総体的に最適な動作点で使用できないことを意味する。最適な動作点での電池群１の動作は、電池群１を形成する個々の光起電電池１１、２１または光起電サブシステム１０、２０が、別々に最適な動作点で動作する場合にのみ可能となる。これを達成するために、別個の電力用電子機器３１、３２を使用するが、それらの個別の独立した使用により、各光起電電池１１、２１または各光起電サブシステム１０、２０の動作パラメータを個別に最適化することができる。
制御装置４０は、この場合、それぞれの電力用電子機器部３１、３２の制御時に、各電力用電子機器部３１、３２に割り当てられた光起電電池１１、２１の電流出力Ｉ１またはＩ２と、電池電圧Ｕ１またはＵ２との積が最大になるように、各電力用電子機器部３１、３２の入力抵抗、つまり、各光起電サブシステム１０、２０の電流出力Ｉを調整するように形成されている。その際、制御装置４０は、電力用電子機器部３１、３２を、特に、互いに独立して制御する。この目的のために、制御装置４０は、例えば、光起電サブシステム１０、２０の数に対応する複数の制御器（コントローラ）４１、４２を有していてもよく、それぞれの電力用電子機器部３１、３２またはそれぞれの光起電サブシステム１０、２０には、制御器４１、４２が割り当てられている。これらの制御器４１、４２は、例えば、いわゆるＰＩＤ制御器として形成することができる。
制御装置４０または個々の制御器４１、４２は、例えば、各光起電サブシステム１０、２０について、その電流出力Ｉ１またはＩ２、および電池電圧Ｕ１またはＵ２を別々に測定するように動作する。具体的には、例えば、第１の制御器４１は、第１の制御器に供給されるＩ１およびＵ１の値に基づいて、第１の電力用電子機器部３１の入力抵抗を変化させることができ、その際、電流出力Ｉ１および電池電圧Ｕ１またはこれらの測定値から得られる積を監視することができる。その場合、入力抵抗は、すでに述べたように、電流出力Ｉ１と電池電圧Ｕ１とから得られる積が最大になると共に、第１の光起電サブシステム１０のエネルギー出力が最大になるように設定される。第２の光起電サブシステム２０の制御器４２は、同様に、第２の電力用電子機器部３２の入力抵抗を変化させて、第２の光起電サブシステム２０の電流出力Ｉ２と電池電圧Ｕ２とから得られる積が最大になると共に、第２の光起電サブシステム２０のエネルギー出力が最大になるように動作する。したがって、電力用電子機器部３１、３２と制御器４１、４２との間の両矢印で示した電気接続４３、４４によって、これら構成部品３１、４１または３２、４２は互いに接続されて、相互作用するため、制御器４１、４２に電流値および電圧値Ｉ１、Ｉ２、Ｕ１、Ｕ２が提供され、そして制御器４１、４２は、これらの値に基づいて、電力用電子機器部３１、３２に対して、その入力抵抗を制御するように影響を及ぼす。
制御装置４０は、上述した電流および電圧の測定に基づく手順に対して、追加的にまたは代替的に、センサ装置５０からのデータを受信することができる。センサ装置５０は、光起電電池１１、２１の温度を測定するか、タンデム型光起電電池群１の周囲温度を測定するかの一方または双方のための装置５１を有する。温度と周囲温度の一方または双方を記述する１つまたは複数のパラメータは、制御装置４０および別個の制御器４１、４２に入力変数として渡される。代替的にまたは追加的に、センサ装置５０は、複数光起電電池群１、特に、第１の光起電電池１１に入射する光強度を測定するための装置５２を備えていてもよく、光強度を記述するパラメータは、制御装置４０または制御器４１、４２に入力変数として渡される。さらに、センサ装置５０は、複数光起電電池群１、特に、第１の光起電電池１１に入射する光のスペクトルを測定するための装置５３を備えていてもよく、スペクトルを記述するパラメータは、制御装置４０または制御器４１、４２に入力変数として渡される。制御装置４０は、この場合、制御装置４０に渡された１つまたは複数（１つ以上）の入力変数に基づいて、それぞれの電力用電子機器部３１、３２に割り当てられた光起電電池１１、２１の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積が最大になるように、電力用電子機器部３１、３２を制御するように形成されている。この制御は、この場合、それぞれの電力用電子機器部３１、３２の入力抵抗を適切に調整することにより行うことができる。この場合、入力抵抗が設定される目標値は、例えば、モデルに基づく仕方で決定されるか、または探索表に基づいて決定されることができ、その際、それぞれの電力用電子機器部３１、３２の１つ以上の入力変数に応じて、それぞれの電力用電子機器部３１、３２に割り当てられた光起電電池１１、２１の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積が最大になるように、入力抵抗が対応する探索表から決定されてもよい。
さらに、制御装置４０を用いて、電池１１、２１の経年劣化過程も観察することができ、場合によってはそれを考慮に入れることができる。両方の電力用電子機器部３１、３２において、最適な動作点を見出すように有効性が監視されている場合、電池のうちの１つが劣化したという警告を発するか、または経年変化の状態を監視することができる。
一般的に、乾燥した砂漠地域での太陽電池の汚れは、特に、ほこりの堆積によって発生しているが、しばしば、塩分を含有するエアゾール（煙霧質）によってさらに汚されることがある。湿った自然環境では、（グリーン）セルの堆積によって汚れが生じており、工業地域では、粒子、例えば、すすの堆積によって汚れが生じている。ほこりやグリーンセルの堆積物は、明白に認識できる色を有しているため、実際の光起電電池に到達する光のスペクトル組成を変化させている。一見すると色が無い、すなわち、実質的に黒色に見えるすす堆積物の場合、黒ずんだ外観のすす粒子もまた、スペクトルに応じた吸光があることが、詳細な検査で明らかになっている。表面の機械的変化の場合、例えば、砂の粒子によって無光沢な表面が生じる場合、対照的に光は散乱されて、主としてスペクトルのシフトは生じない。汚れの結果として光のスペクトル組成が変化する場合、タンデム型電池１の２つのスペクトルの異なる個々の光起電電池１１、２１の電流生成の変調（離調）が不可避となる。汚れが生じるにもかかわらず、以前と同様に両方の電池１１、２１を安定して最適に動作させることができる唯一の方法は、上記の仕方に従って、両方の電池を個別に制御するか、または両方の光起電サブシステム１０、２０を個別に制御することであり、その際、各サブシステム１０、２０について、それぞれの電力用電子機器部３１、３２は、その電力用電子機器部３１、３２に割り当てられた光起電電池１１、２１の電流出力Ｉと電池電圧Ｕとから得られる積が最大になるように制御される。この場合、光起電電池１１、２１の汚れおよび同様に起こり得る経年劣化を補償する場合についても、制御は、上記の積が最大になるように、それぞれの電力用電子機器部３１、３２の入力抵抗を設定する。
したがって、本明細書において提案された仕方は、多様な状況または環境条件の補償に適しており、その際、重要な点として、光起電サブシステム１０、２０または電力用電子機器部３１、３２が、互いに独立して制御される。
図５には、電池群１と電力用電子機器４０との間のケーブル接続の複雑さ（労力）を削減させた光起電装置１００の実施形態が示されている。このため、電池１１、２１は、共通電位に設定されるか、または互いに接続されて、電力用電子機器４０への３本の電線のみが接続されるようにしている。
図６に示した実施形態は、個々の電池１１、２１の総発生電圧を最小限に抑えて、従ってケーブル配線の絶縁要件を最小限に抑えることができるという効果を有する。そのために、両方の電池１１、２１は、それらの電圧Ｕ１、Ｕ２が互いに反対になるように配置されている。この配置は、当然のことながら、従来のタンデム型光起電電池群では有用ではないが、本発明では有利に利用することができる。さらに、この場合もまた、図５に示した実施形態のように、電池１１、２１の対向する端子を共通電位にすることは可能である。
１ 複数光起電電池群（マルチＰＶセル群）
１１ 第１の光起電電池（第１のＰＶセル）
２１ 第２の光起電電池（第２のＰＶセル）
３０ 電力用電子機器（パワーエレクトロニクス）
３１ 第１の電力用電子機器部（第１のパワーエレクトロニクス・ユニット）
３２ 第２の電力用電子機器部（第２のパワーエレクトロニクス・ユニット）
４０ 制御装置
５１ 温度または周囲温度の測定用の装置
５２ 光強度の測定用の装置
５３ 光のスペクトルの測定用の装置
１００ 光起電装置（ＰＶ装置）
Ｉ１ 電流出力
Ｉ２ 電流出力
Ｕ１ 電池電圧（セル電圧）
Ｕ２ 電池電圧（セル電圧）

Claims (15)

  1. 少なくとも１つの第１の電池の種類の第１の光起電電池（１１）と、少なくとも１つの第２の電池の種類の第２の光起電電池（２１）とを含む複数光起電電池群（１）であって、前記第１の電池の種類および前記第２の電池の種類は、互いに異なり、前記光起電電池（１１、２１）はいずれも、入射光により前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれに電池電圧Ｕ１、Ｕ２を生成させる、前記複数光起電電池群（１）と、
    前記第１の光起電電池（１１）に割り当てられた別個の第１の電力用電子機器部（３１）と、前記第２の光起電電池（２１）に割り当てられた別個の第２の電力用電子機器部（３２）とを備える電力用電子機器（３０）であって、前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれで生成された電池電圧Ｕ１、Ｕ２および対応する電流出力Ｉ１、Ｉ２が、前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれに割り当てられた前記別個の電力用電子機器部（３１、３２）に供給可能である、前記電力用電子機器（３０）と、
    前記電力用電子機器（３０）を制御するための制御装置（４０）と、
    を備える、光起電装置（１００）であって、
    前記光起電電池（１１、２１）のうちの１つと、前記光起電電池（１１、２１）に割り当てられた前記電力用電子機器部（３１、３２）のうちの１つとを有する各光起電サブシステム（１０、２０）が、その最適な動作点で動作するように、前記第１の電力用電子機器部（３１）および前記第２の電力用電子機器部（３２）は、前記制御装置（４０）により互いに独立して動作可能である、光起電装置（１００）。
  2. 前記制御装置（４０）は、前記各光起電サブシステム（１０、２０）の前記電力用電子機器部（３１、３２）の動作時に、それぞれの前記電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉ１、Ｉ２と前記電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる積が最大になるように、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）を制御するように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光起電装置（１００）。
  3. 前記制御装置（４０）は、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）の制御時に、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉ１、Ｉ２と前記電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる前記積が最大になるように、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）の入力抵抗を調整するように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の光起電装置（１００）。
  4. 前記光起電電池（１１、２１）の温度を測定するか、前記複数光起電電池群（１）の周囲温度を測定するかの一方または双方のための装置（５１）であって、前記温度と前記周囲温度の一方または双方を記述する１つ以上のパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５１）と、
    前記光起電装置（１００）、特に、前記第１の光起電電池（１１）に入射する光強度を測定するための装置（５２）であって、前記光強度を記述するパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５２）と、
    前記光起電装置（１００）、特に、前記第１の光起電電池（１１）に入射する光のスペクトルを測定するための装置（５３）であって、前記スペクトルを記述するパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５３）と、
    のうちの少なくとも1つを有する、センサ装置（５０）を備え、
    前記制御装置（４０）は、前記制御装置（４０）に提供される前記１つ以上の入力変数に基づいて前記電力用電子機器部（３１、３２）を制御するように形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光起電装置（１００）。
  5. 前記制御装置（４０）は、それぞれの前記電力用電子機器部（３１、３２）の前記１つ以上の入力変数に応じて、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉと前記電池電圧Ｕとから得られる前記積が最大になるように入力抵抗が決定かつ設定されるように、前記制御を、特に、探索表に基づいて、またはモデルに基づく仕方で実行するように形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の光起電装置（１００）。
  6. 前記第１の電池の種類および前記第２の電池の種類は、それらのＰＣＥ最大値が異なるスペクトル範囲内にあるように選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光起電装置（１００）。
  7. 前記第１の光起電電池（１１）はペロブスカイト系光起電電池であるか、前記第２のＰＶ電池（２１）はシリコン系光起電電池であるか、の一方または双方であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光起電装置（１００）。
  8. 前記制御装置（４０）は、前記第１の光起電電池（１１）の出力変数、特に、前記電池電圧Ｕ１および前記電流出力Ｉ１のヒステリシスが補償されるように、前記第１のペロブスカイト系光起電電池（１１）に割り当てられた前記電力用電子機器部（３１）を制御するように形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の光起電装置（１００）。
  9. 前記制御装置（４０）は、前記それぞれの光起電電池（１１、２１）の経年劣化と、前記複数光起電電池群（１）の汚れの一方または双方を補償するように、前記電力用電子機器部（３１、３２）の前記制御を実行するように形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の光起電装置（１００）。
  10. 少なくとも１つの第１の電池の種類の第１の光起電電池（１１）と、少なくとも１つの第２の電池の種類の第２の光起電電池（２１）とを含む複数光起電電池群（１）であって、前記第１の電池の種類および前記第２の電池の種類は、互いに異なり、前記光起電電池（１１、２１）はいずれも、前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれへの入射光により、電池電圧Ｕ１、Ｕ２を生成させる、前記複数光起電電池群（１）と、
    前記第１の光起電電池（１１）に割り当てられた別個の第１の電力用電子機器部（３１）と、前記第２の光起電電池（２２）に割り当てられた別個の第２の電力用電子機器部（３２）とを備える電力用電子機器（３０）であって、前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれで生成された電池電圧Ｕ１、Ｕ２および対応する電流出力Ｉ１、Ｉ２が、前記光起電電池（１１、２１）のそれぞれに割り当てられた前記別個の電力用電子機器部（３１、３２）に供給される、前記電力用電子機器（３０）と、
    前記電力用電子機器（３０）を制御するための制御装置（４０）と、
    を備える、光起電装置（１００）を動作させるための方法であって、
    前記光起電電池（１１、２１）のうちの１つと、前記光起電電池（１１、２１）に割り当てられた前記電力用電子機器部（３１、３２）のうちの１つとを有する各光起電サブシステム（１０、２０）が、その最適な動作点で動作するように、前記第１の電力用電子機器部（３１）および前記第２の電力用電子機器部（３２）が、前記制御装置（４０）により互いに独立して動作される、方法。
  11. 前記各光起電サブシステム（１０、２０）の前記電力用電子機器部（３１、３２）の動作時に、それぞれの前記電力用電子機器部（３１、３２）が、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉ１、Ｉ２と前記電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる積が最大になるように制御されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）の制御時に、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）の入力抵抗が、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉ１、Ｉ２と前記電池電圧Ｕ１、Ｕ２とから得られる前記積が最大になるように調整されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記光起電装置（１００）は、
    前記光起電電池（１１、２１）の温度を測定するか、前記複数光起電電池群（１）の周囲温度を測定するかの一方または双方のための装置（５１）であって、前記温度と前記周囲温度の一方または双方を記述する１つ以上のパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５１）と、
    前記光起電装置（１００）、特に、前記第１の光起電電池（１１）に入射する光強度を測定するための装置（５２）であって、前記光強度を記述するパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５２）と、
    前記光起電装置（１００）、特に、前記第１の光起電電池（１１）に入射する光のスペクトルを測定するための装置（５３）であって、前記スペクトルを記述するパラメータが前記制御装置（４０）に入力変数として渡される前記装置（５３）と、
    のうちの少なくとも1つを有する、センサ装置（５０）を含み、
    前記電力用電子機器部（３１、３２）は、前記制御装置（４０）に渡された前記１つ以上の入力変数に基づいて制御される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記制御は、それぞれの前記電力用電子機器部（３１、３２）の前記１つ以上の入力変数に応じて、前記それぞれの電力用電子機器部（３１、３２）に割り当てられた前記光起電電池（１１、２１）の前記電流出力Ｉと前記電池電圧Ｕとから得られる積が最大になるように入力抵抗が決定かつ設定されるように、特に、探索表に基づいて、またはモデルに基づく仕方で実行されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記電力用電子機器部（３１、３２）は、それぞれの前記光起電電池の経年変化による影響と、前記複数光起電電池群（１）の汚れによる影響の一方または双方が補償されるように制御されることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
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