JP3986503B2 - 回路構造、追加モジュール、およびソーラー設備システム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの太陽発電機で生成された直流電圧を交流電圧に変換するための回路構造に関するものであり、この回路構造はコンデンサと、コンデンサに後置されたインバータ回路とを含んでいる。

本発明は、少なくとも１つの太陽発電機で生成された直流電圧を電力消費部または電気回路で利用するための回路構造も対象としており、この回路構造はコンデンサと、コンデンサに後置された消費部ないし回路とを含んでいる。

さらに本発明は、請求項８に記載の追加モジュール、ならびに請求項９ないし１０に記載のソーラー設備システムも対象としている。

電気エネルギーを生成するためのソーラー設備は、基本的に、太陽発電機とインバータで構成されている。

結晶シリコン太陽電池や、アモルファスシリコン太陽電池、いわゆる薄膜太陽電池からなる太陽発電機が利用されている。太陽電池は、太陽電池モジュールにまとめられる。前者の電池は比較的優れた効率を有しているのに対して、薄膜太陽電池は著しいコスト上のメリットを提供する。

結晶シリコン太陽電池用としてのみ使用可能なインバータが公知である。すなわち薄膜太陽電池は比較的高い無負荷電圧を有しており、ないしは、−１０℃での無負荷電圧と公称電圧（＋７０°でのＶｍｐｐ）とのたとえば２．６：１の電圧比率を有している（たとえばＢＰソーラーのＭＳＴ−４３ＬＶ）。それに対して結晶シリコン太陽電池の場合、この比率はたとえば１．８：１にすぎない（たとえばＢＰソーラーのＢＰ５８５）。このインバータは電位分離部を備えるストリングインバータとして施工されるのが好ましく、すなわち変圧器を備えている。低周波変圧器を備えるフルブリッジ回路を有しているこの種のインバータの設計は、インバータの効率が下がるので、薄膜電池用としては特に不都合である。このことは、動作点での入力電圧（Ｖｍｐｐ）に依存してインバータの効率が決まるという事実で説明することができる。しかし薄膜電池の最善の動作点は、経年劣化状態や電池の温度に伴って大きく変わる。インバータ、またはこれに直接つながれている（直流電圧）消費部は、それに伴って広い電圧範囲で作動しなくてはならず、このことは効率の最適化を不可能にしてしまう。

薄膜太陽電池用のものとしては、昇圧チョッパが前置され、電源電位に拘束されるフルブリッジを有し、前述した動作条件の下では是認できる効率を有している、変圧器のないストリングインバータしか公知となっていない。

本発明の課題は、電位分離部または電力消費部または電気回路を備える市販のインバータの使用が、薄膜太陽電池用としても、改善された効率で可能となるような、低コストの解決法を見出すことである。

この課題は、コンデンサにスイッチング素子が前置されており、回路構造は、太陽発電機の所定の第１の発電機電圧を上回るとスイッチング素子が開き、第１の発電機電圧を下回ると、または第１の発電機電圧に比べて低い第２の発電機電圧を下回ると、スイッチング素子が閉じるように構成されており、それにより、インバータ回路にとって可能な電圧範囲が増加することによって解決される。

前述の課題は、請求項１１の構成要件によっても解決される。電圧範囲の効果的な増加により、たとえばＳｕｎｎｙ Ｂｏｙ，７００，１１００Ｅ，２５００または３０００の型式シリーズの市販のインバータを、薄膜太陽電池を使いながら、効率の有意な低下なしに利用することができる。一方では、高い無負荷電圧が発生したとき、すなわちインバータに負荷がかかっていないとき、もしくは非常にわずかな負荷しかかかっていないとき、スイッチング素子がインバータを保護する。無負荷のときには、接続されている太陽電池モジュールがインバータから事実上切り離される。他方では、特にＭＯＳＦＥＴトランジスタを使用した場合、閉じた状態におけるスイッチング素子の損失出力が非常にわずかであることによって、効率がマイナスの影響を事実上うけない。インバータの効率は、たとえば０．０５％だけ低下するにすぎず、これは事実上無視することができる。回路構造は、特に、結晶太陽電池を備える太陽電池特性曲線に合わせて、薄膜太陽電池特性曲線の特性曲線適合化が行われるように構成される。

低い電池温度によって生じる発電機の比較的高い無負荷電圧も、後置されたインバータにとってクリティカルではない。

本発明の有利な発展例では、スイッチング素子によって制限される電圧範囲が、インバータ回路の許容される（インバータの製造者が指定する）入力電圧範囲よりも狭いか、またはこれと等しいことが意図される。この場合、インバータの電圧範囲は完全に利用し尽くされる。このとき効率は最善である。

所定の電圧を上回るとスイッチング素子の開放を惹起するようにつながれた、インバータ回路の入力電圧を検出するための第１の手段が設けられていると、インバータコンデンサ（コンデンサ）のコンデンサ電圧を直接監視することが可能になるという利点があり、この電圧は、スイッチング素子が閉じているときにはほぼ発電機電圧である。

スイッチング素子の順損失を少なく抑え、絶縁耐力の低いスイッチング素子の使用を可能にし、コンデンサ、特に電解コンデンサが放電しているときに閉路保護が行われるようにするために、特定の電圧値を上回るとスイッチング素子の閉止を惹起するようにつながれた、スイッチング素子に印加されている電圧を検出する手段が設けられるのが目的に適っている。このようにしてスイッチング素子は、コンデンサ（特に電解コンデンサ）が放電しているとき、高すぎる阻止電圧から守られる。

少なくとも１つの太陽発電機のための入力側の電気接続部と、インバータモジュールのための出力側の電気接続部とを備える追加モジュールが使用されると格別に好ましく、この場合、スイッチング素子は追加モジュールに格納され、コンデンサはインバータモジュールに格納される。追加モジュールは、外部モジュールとして構成されていても内部モジュールとして構成されていてもよく、内部モジュールの場合にはすべての接続部が差込接続部として施工されるのが好ましく、外部モジュールの場合には、インバータに配置された接続配線を介して差込接点と接続され、特にインバータの既存の差込ブッシュと接続された、はんだ付け接続部が設けられるのが好ましい。この方策は、さまざまな太陽発電機用として、ないしはさまざまな発電機特性曲線用として、市販のインバータを迅速かつ簡単に設備転換することを可能にする。

インバータの代わりに、電力消費部またはその他の回路を接続することもできる。

その他の利点は従属請求項に記載されている。

図１は、本発明による回路構造１の有利な実施形態を示している。

回路構造１は、薄膜太陽電池発電機ないし太陽電池モジュール２（ＰＶモジュール）で生成された直流電圧を、たとえば５０Ｈｚの交流電圧に変換する役目を果たすものである。回路構造１は、コンデンサ３、有利には電解コンデンサと、低周波変圧器５を備える、コンデンサ３に後置されたインバータ回路４とを含んでいる。コンデンサ３、インバータ回路４、および変圧器５は、それ自体は結晶太陽電池用として設計された、電位分離部を備える市販のインバータモジュール６に格納されている。

インバータモジュール６の発電機入力部７と、ＰＶモジュール２との間には、ＰＶモジュール２の薄膜太陽電池特性曲線（図３のＫｄｆ参照）を、インバータモジュール６が最善の効率を有する結晶太陽電池での発電機特性曲線（図３のＫｋｒ参照）に近づけるために、追加回路ないし追加モジュール８が介在している。図３には、最大出力の動作点が符号Ｐで示されており、この動作点は、薄膜電池と結晶電池（Ｋｄｆ，Ｋｋｒ）について同一に選択されている。

本発明によれば、コンデンサ３にはスイッチング素子９、有利にはＭＯＳＦＥＴトランジスタが前置されている。回路構造１は、ＰＶモジュール２（太陽発電機）の所定の第１の発電機電圧Ｕ１（図２）を上回るとトランジスタ９が開き、すなわち高抵抗になり、第１の発電機電圧Ｕ１を下回ると、ないしこれよりも低い第２の発電機電圧Ｕ２を下回ると、下側のクロックパルスＴで図示しているようにトランジスタ９が閉じられるように構成されている。それにより、自動的な特性曲線適合化で、図３に示すようにインバータ回路４にとって可能な電圧範囲が増加し、このときＫｄｆは追加回路のない特性曲線であり、Ｋｘは追加回路のある特性曲線である。特性曲線Ｋｘは、上側の電圧領域では、結晶電池の特性曲線Ｋｋｒにほぼ一致している。

このように本発明の本質の要諦は、発電機の電圧の大きさが、そのスイッチオンの直後に、充電されるべきコンデンサと接続されたトランジスタによる複数の切換サイクルによって、インバータに耐えられる電圧まで低減されることにある。

図２（上側の信号）には、コンデンサ３における電圧の推移が示されている。ＰＶモジュール２の無負荷電圧が高すぎると、すなわち太陽光入射が多く、インバータモジュール６の出力部１１における負荷が切断されているか、ないしはわずかであるとき、特に低温の電池状態のとき、トランジスタ９が開き（時点ｔ１参照）、このときコンデンサ３は事前に（少なくとも部分的に）充電されている。コンデンサ３は、降下するランプ部が図示しているように、インバータの自己損失により、および／または図示しない接続された消費部（負荷）により、放電される。コンデンサ電圧が下側の値Ｕ２を下回ると、２点制御の原理に基づき、上昇するランプ部に見られるように、コンデンサ３は再び充電される。発生するパルス周波数は、実質的に、インバータの自己容量と、ＰＶモジュール２の出力とによって規定される。

逆に十分な負荷が接続されているときは、太陽電池特性曲線（図３参照）に基づき、発電機電圧が自動的に切換閾値Ｕ１よりも下に低減するので、この場合にはトランジスタ９は恒常的に閉じたままに保たれ、すなわちＰＶモジュール２を接続する。

発電機電圧はコンデンサ３で直接測定するのが好ましい。特に、インバータ回路４の入力電圧を検出するための第１の手段１２、特に測定回路が設けられる。この手段は、閾値電圧Ｕ１を上回るとトランジスタ９の開放を惹起するように（特にコンデンサ３と並列に）つながれている。電圧Ｕ２を下回ると、この手段はトランジスタ９の閉止を惹起する。

すなわち、たとえば７５０ボルトのＰＶモジュールの高すぎる無負荷電圧は、使用開始から連続動作に至るまでの第１の時間のあいだ、インバータにとって役に立つたとえば６００ボルトの値まで制限され、このときコンデンサ３は、トランジスタ９がオンのときに６００ボルトまで充電される。連続動作をしていると動作点が特性曲線（図３）で変位し、すなわち、発電機電圧が低くなり（６００ボルト以下）、その結果、トランジスタをオンにすることができるようになる。

トランジスタ９により、ＰＶモジュール２の実際の電圧範囲は、製造に基づいて許容されるインバータ回路の入力電圧範囲（たとえば０から６００ボルト）よりも狭いか、もしくはこれと同じになり、ないしはコンデンサ３の許容される電圧値よりも低いか、もしくはこれと同じになる。このとき太陽電池特性曲線Ｋｄｆに基づく無負荷電圧は、インバータモジュール６の許容される入力電圧よりも大きい。追加回路ないし追加モジュール８がなければ、たとえば０から７５０ボルトの範囲はインバータモジュール６にとって許容されない大きさである。たとえば７５０ボルトの過電圧は無負荷のときしか発生しないので、発生するパルス周波数（図２参照）およびこれに伴うトランジスタ９の切換損失を低く保つことができる。

発電機の無負荷電圧（Ｖｏｃ，開路、すなわち開いた回路）と、最善の動作電圧（ＰｍａｘでのＶｍｐｐ）との電圧比率が約２．２：１から約３：１、有利には２．６：１であり、インバータ回路にとって基準となる電圧比率が約１．５：１から約２．０：１、特に約１．８：１まで低減されると、回路の有利な設定が得られる。１．８：１の比率をもつインバータは、電位分離部を備える市販のモジュールとして入手可能であり、薄層太陽電池は連続動作では２．６：１の典型的な比率を有している。

無負荷の場合、トランジスタ９が開いているとき、すなわち高抵抗のときに（開いているスイッチ）、トランジスタが高すぎる阻止電圧で負荷されないようにするために、ないしは、抵抗が小さく（ＲＤＳ（ｏｎ））、それに伴って絶縁耐力も低い（たとえば２００ボルト）型式のトランジスタを利用可能にするために、特にトランジスタ９の阻止電圧の監視をするのが好ましい。この場合、トランジスタ９に印加される電圧を検出するための第２の手段１３、特に測定回路が設けられる。この手段は、特定の電圧値を上回ると、特にトランジスタ９の絶縁耐力によって規定される値に安全余裕を加えた値を上回ると、トランジスタ９の閉止すなわち導電状態を惹起するように、および／またはトランジスタ９が閉じられ、すなわち低抵抗に保たれることが保証されるようにつながれている。したがって手段１３は、コンデンサ３が放電しているときの閉路保護をもたらす。

たとえばトランジスタに阻止状態で１５０ボルトの電圧が印加されるとトランジスタ９は閉じ、すなわち低抵抗になり、このとき、トランジスタの許容される阻止電圧は２００ボルトであり（１５０ボルト、プラス安全余裕５０ボルト）、それによってトランジスタは許容されない阻止電圧から保護される。

コンデンサ３が使用開始時に空であれば、充電電流が大きいために６００ボルトを超える無負荷電圧にはもともと達しないので、閉路保護（手段１３によって閉じたトランジスタ９）が作用することができる。コンデンサ３が６００ボルトの値まで充電されると、無負荷では無負荷電圧保護（手段１２）が作用し、トランジスタ９は図２に示すようにクロッキングないしパルス化される。手段１２および１３はトランジスタ９を直接制御する。

トランジスタ９は直列につながれてはいるが、たとえば保護ダイオードまたはその他の構造を通じてのＰＶモジュールの短絡、たとえば降圧チョッパの使用などは原則として可能であり、同じ作用をもつ実施形態である。

図１に示されているように、追加モジュール８が、ＰＶモジュール２のための入力側の電気接続部１４と、インバータモジュール６のための出力側の電気接続部１５とを備えていると格別に好ましく、この場合、状態モジュール８は差込接続部および／またははんだ付け接続部１４，１５を備え、内部または外部の追加モジュール８として施工される。

スイッチング素子９は、原則として、任意の半導体スイッチであってよい。

インバータに代えて、電力消費部またはその他の回路、たとえば直流変換器などが接続されていてもよい。この場合にも、同じく無負荷電圧の低減ないし効率の最適化が行われる。その場合、上述した方策を同様に適用することができる。

追加回路を備える本発明の回路構造である。 インバータコンデンサの充電・放電プロセスである。 追加回路がある場合とない場合における、太陽発電機の特性曲線の比較である。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの太陽発電機（２）で生成された直流電圧を利用するための回路構造（１）であって、この回路構造（１）はコンデンサ（３）、特にコンデンサと、コンデンサ（３）に後置された消費部（６）または電気回路とを含んでいる形式のものにおいて、
   コンデンサ（３）にスイッチング素子（９）が前置されており、回路構造（１）は、太陽発電機の所定の第１の発電機電圧（Ｕ１）を上回るとスイッチング素子が開き、第１の発電機電圧を下回ると、または第１の発電機電圧に比べて低い第２の発電機電圧（Ｕ２）を下回るとスイッチング素子が閉じるように構成されており、それにより、消費部（６）または電気回路にとって可能な入力電圧範囲が増加することを特徴とする回路構造。
2. スイッチング素子（９）に印加される電圧が、スイッチング素子（９）の絶縁耐力によって規定される値に２５％の安全マージンを加えた値を上回ると、スイッチング素子（９）の閉止を惹起するようにつながれた、スイッチング素子（９）に印加されている電圧を検出する手段（１３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回路構造。
3. スイッチング素子（９）がＭＯＳＦＥＴトランジスタであることを特徴とする請求項１または２に記載の回路構造。
4. 少なくとも１つの太陽発電機（２）と接続するための少なくとも１つの入力側の電気接続部（１４）と、インバータモジュール（６）と接続するための少なくとも１つの出力側の電気接続部（１５）とを備えた追加モジュール（８）であって、追加モジュール（８）の中にスイッチング素子（９）が配置され、インバータモジュール（６）の中にコンデンサ（３）が配置され、請求項１から３のいずれか１項に記載の回路構造（１）を生成するための追加モジュール。
5. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の回路構造と、少なくとも１つの薄層太陽電池発電機モジュール（２）とを備えるソーラー設備システム。
6. 請求項４に記載の追加モジュールを備えており、インバータモジュール（６）は結晶太陽電池発電機用として電気的に設計されており、電位分離のために変圧器を備えるストリングインバータとして構成されている、請求項５に記載のソーラー設備システム。

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