JP5458483B2 - 太陽電池出力特性の測定方法、評価装置及びそのソフトウェア - Google Patents

Description

本発明は、光出力にリップルを持つ放電灯を光源とするソーラシミュレータを使用して太陽電池の出力特性を高速で評価する方法及び装置に関する。

太陽電池の特性評価は通常、所定の光を太陽電池に照射した状態で擬似負荷の値（例えばバイアス電圧）をステップ状に変化させ、出力電流、出力電圧及び出力電力を１００ポイントから数１００ポイント程度測定し、電流−電圧曲線及び電力−電圧曲線を導出し、その曲線から求められる最大出力電力、短絡電流、開放電圧、最大出力動作電流及び最大出力動作電圧で評価する。

図１に太陽電池出力特性を測定するための評価装置１０の構成を示す。太陽電池セル又はモジュール２には光源１からの光が照射される。これによって太陽電池セル２の両端に電圧が発生し、電流がバイアス電源３を介して電流検出用抵抗４に流れる。バイアス電源３の電圧はコンピュータ５２によって制御される。
そして、太陽電池セル２の両端に発生する電圧、及び電流検出用抵抗４によって測定される電流のデータがＩＶカーブトレーサ５のサンプリング手段５１によって取り込まれる。サンプリング手段５１によって取得されたデータに基づいて、電流−電圧曲線及び電力−電圧曲線が演算手段５２によって導出され、さらに、最大出力電力、短絡電流、開放電圧、最大出力動作電流及び最大出力動作電圧が演算される。

ここで、光源１には太陽光に比較的類似した分光特性を有する高輝度で設置が容易な高圧放電灯が用いられる。高圧放電灯は、図４に点灯電流波形を示すように、一般的には高圧放電灯は５０Ｈｚ〜数百Ｈｚの矩形波交流電流で点灯される。そのため、図４に示すように、点灯電流（１００Ｈｚ）に対して、その光出力には交流電流の極性反転に伴うリップル（２００Ｈｚ）が発生する。

なお、本明細書における用語の定義について、図２に示すように、「サンプリング期間（区間）」とは一群のサンプリングの期間又は区間を示し、「サンプリング周波数」とは１つのサンプリング期間におけるサンプリング数をサンプリング期間で除したものを示し、「測定周期」とは各サンプリング期間の間隔によって決まる周期を示すものとする。

上記のように光出力にリップルがある場合、従来のサンプリング方法では、適切に光出力の平均値をとることができなかった。
例えば、図４（ａ）のように狭いサンプリング区間でサンプリングを行うと、そのサンプリング区間が光出力の谷部を含むか山部を含むかによって得られるデータが異なってしまう。そして、測定周期が光出力リップル周期の整数倍に一致すると、得られるデータは常に平均値とは異なる値となってしまう。また、両者が一致していない場合は図５に示すように、両者が少しずつずれていくことによって、得られる電流−電圧曲線に周期的なリップル（以下、「長周期リップル」という）が現れてしまう。なお、破線は何らかのリップル対策を行った場合の本来得られるべき各曲線である。図５では、始点Ａから終点Ｂの間で数百ポイントの測定が行われる間に、長周期リップルがＣ、Ｄ、Ｅ及びＦ点付近で発生しているとともに、リップル間のデータも破線からやや外れている。そして、それに対応して電力−電圧曲線にも長周期リップルが現れている。

ここで、図４（ｂ）のようにサンプリング区間を広げた場合でも、サンプリング周波数が低い場合はそのサンプリングに光出力リップルの谷部を含むか山部を含むかによって、得られるデータは平均値とは異なるものとなり、結局、図５のような長周期リップルが発生してしまうことになる。

当然に、光出力波形に時定数の遅いフィルタをかけて光出力波形を平滑化してからサンプリングを行ったり、長いサンプリング期間にわたってサンプリングを行ったりすれば長周期リップルを防止できる。しかし、太陽電池の出力特性についてはその量産ラインでの高速な測定・評価が求められ、そのような対策は生産効率の観点から好ましくない。

上記問題に対して、例えば特許文献１では、光出力リップルの周期に同期させて負荷を変化させている。具体的には、光源の光出力を検出する照度モニタ（６）を設け、光源の照度波形から点灯周期を検出し、負荷電圧の変化をその点灯周期に同期させ、得られる出力特性に光源の交流成分（広い意味でリップル）の影響が出ないようにする構成が開示されている。

また、太陽電池の出力測定に関する分野ではないが、制御動作や入力電源に起因するリップルが出力特性に現れないようにするために、制御動作又は入力電源の周期と測定周期とを同期又は対応させる方法が開示されている（例えば、特許文献２及び３）。
特許文献２では、ＰＷＭインバータの電流検出方法において、電圧スイッチングによる電流リップルノイズがサンプルに含まれないように電圧スイッチングのタイミング（即ち、電流リップルのタイミング）と所定の時間差でサンプルを取得する方法が開示されている。
特許文献３には、交流電流をサンプリングする電流検出装置において、交流電源電圧の周波数に対応した周波数で電流をサンプリングするものが開示されている。

また、他の解決方法として、データの取得は従来通り行い、そのデータを何らかの手段で補正する方法もある。太陽電池の出力測定において従来的に行われている方法として、測定対象の太陽電池セルと、予め特性の分かっているリファレンス用の太陽電池セルとを並置して、双方に同じ光源から照射してデータを取得し、測定対象の太陽電池セルのデータをリファレンス用太陽電池セルから得られたデータに基づいて補正する方法が用いられる場合もある。
特開２００３−３１８２５号公報 特開平５−２９２７５３号公報 特開平１１−３０４８５２号公報

しかし、特許文献１−３のように、所与の光源や電源の持つリップルに負荷の値又はサンプリング周波数を対応させる方法を既存の評価装置に適用しようとした場合、その光源や電源のリップル周期や駆動周期を検出するための手段が新たに必要となってしまう。
具体的には、特許文献１の場合は照度モニタ（６）を設置する必要がある。そもそも、同文献のように、検出された照度としきい値とを比較して交流周期を検出することは、もともと予定されている比較的大きな出力リップルを検出する場合には有効な方法であるが、図３のように理想的には乗らないはずの比較的小さなリップルを検出する場合には、しきい値の設定を非常に厳密なものとしなければならず現実的な方法とはいえない。

また、特許文献２及び３の技術を図１の評価装置１０に応用しようとした場合、光源１の点灯装置（図示せず）内にリップル周期の検出手段を設ける必要がある。通常、光源の点灯装置は各種規格を満たすために金属の筐体に覆われているとともに、使用中の修理・改造を想定して構成されていないので、既に設置されている点灯装置に新たな検出手段を付加するのは現実的ではない。仮に付加できたとしても、それによって点灯装置の各種規格を満たせなくなる可能性もある。

また、図１のコンピュータ５２の側からみても、コンピュータ５２が制御しているのは、あくまでもバイアス電圧の変化並びにデータのサンプリング及び演算だけであって、他の装置との配線等を付加するのは容易ではない。
従って、各特許文献の技術を図１のような既存の評価装置に適用することはできない。

またさらに、リファレンス用太陽電池セルを並置する方法は、測定用セル又はモジュールとリファレンス用セルとを並置する関係上、設備の大型化を招いてしまうという問題がある。さらに、使用する光源の照射エリアや配線もそれに応じて増やす必要があり設備にコストがかかるという問題も生じる。

上記を勘案すると、既存の評価装置にハード的な変更を加えることなく長周期リップルを回避するためには、サンプリング周波数を高くしてサンプリング期間を広げることに帰着する。しかし、サンプリング周波数を高くしてもそれが十分でない場合は結局リップルの影響が残り問題を解決できない。また、上記で説明したように、サンプリング期間の広げ方が十分でないと図４（ａ）の場合と同様の問題が残り、逆に広げすぎると高速評価の要求を満たせなくなる。

そこで本発明は、太陽電池の特性測定において、光源のリップルの影響を、測定精度を満たせる程度に確実にキャンセルし、しかも、出力特性を常に高速に評価できる方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、太陽電池出力特性の測定方法であって、周期的な出力リップルを含む交流点灯光源によって太陽電池セル又はモジュールに光を照射するステップ、太陽電池セル又はモジュールに接続する擬似負荷（例えばバイアス電圧）をステップ状に変化させるステップ、太陽電池セル又はモジュールからの出力電圧及び出力電流のデータをサンプリングするステップ、及び取得されたデータから少なくとも電流−電圧曲線を導出するステップからなり、リップルに含まれる周波数成分について予め取得された基本波ｆ_１から第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、サンプリングするステップにおいて、各バイアス電圧におけるサンプリング周波数が、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数であり、サンプリング期間が交流点灯波形の少なくとも１周期を含む長さである測定方法である。この構成により、測定要求精度に応じて確実に長周期リップルを防止することができる。
なお、測定要求精度αは０＜α≦０．５とすることが望ましい。また、サンプリング期間を交流点灯周期の２倍以下の長さとすれば高速評価を確実にできる。

本発明の第２の側面は、太陽電池出力特性を測定する評価装置であって、太陽電池セル又はモジュールに周期的な出力リップルを含む光を照射する交流点灯光源、太陽電池セル又はモジュールに接続する負荷をステップ状に変化させる機器（例えばバイポーラ電源）、太陽電池セル又はモジュールからの出力電圧及び出力電流のデータを取得するサンプリング手段、及び取得されたデータから少なくとも電流−電圧曲線を導出する演算手段からなり、リップルに含まれる周波数成分について予め取得された基本波ｆ_１から第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、サンプリング手段において、各バイアス電圧におけるサンプリング周波数が、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数であり、サンプリング期間が交流点灯波形の少なくとも１周期を含む長さである評価装置である。この構成により、測定要求精度に応じて確実に長周期リップルを防止することができる。
なお、測定要求精度αは０＜α≦０．５とすることが望ましい。また、サンプリング期間を交流点灯周期の２倍以下の長さとすれば高速評価を確実にできる。
またさらに、光源を矩形波交流電流で点灯される高圧放電灯とした。

本発明の第３の側面は、太陽電池セル及びモジュールに周期的な出力リップルを含む光を照射する交流点灯光源、太陽電池セルに接続する擬似負荷（例えばバイアス電源）、太陽電池セルからの出力電圧及び出力電流のデータを取得する測定器、出力特性を評価するコンピュータからなる評価装置において、コンピュータにインストールされるソフトウェアであって、バイアス電圧をステップ状に変化させ、各バイアス電圧について出力電圧及び出力電流のデータをサンプリングし、及びサンプリングされたデータから少なくとも電圧−電流曲線を導出するよう構成され、リップルに含まれる周波数成分の予め取得された基本波ｆ_１から第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数をサンプリング周波数として選択し、交流点灯波形の少なくとも１周期を含む時間をサンプリング期間として選択するよう動作するソフトウェアである。この構成により、測定要求精度に応じて確実に長周期リップルを防止することができる。
なお、要求精度の上限をα＝０．５とすることが望ましい。また、サンプリング期間を交流点灯波形の周期の２倍以下の長さとすれば、高速評価を確実にできる。

本発明の方法によれば、電流−電圧曲線に（従って電力−電圧曲線にも）長周期リップルが現われなくなり、最大出力電力、最大出力動作電流及び最大出力動作電圧の再現性が改善される。しかも、評価の高速性も確保される。
また、既存の評価装置においてサンプリング速度が十分であればハードウェアに変更を加えることなく上記の効果が得られるので実施が容易である。

本発明の評価装置の構成は図１と同じである。
ここで、サンプリングの改善において重要なのは、サンプリング周波数とサンプリング期間の選択である。サンプリング期間が必要程度に長いという前提の下、サンプリング周波数を高くすれば測定精度は改善される方向に向かうが、確実に測定要求精度を満たすためにはどの程度のサンプリング周波数が必要かということが問題となる。即ち、サンプリングポイントが光出力波形の特定部分を偏重して含まないようにして測定要求精度を満たすためのサンプリング周波数を特定する必要がある。

そこで、発明者らは適切なサンプリング周波数を決定するために、リップルの周波数成分と測定要求精度の関係に着目した。
表１は、図３及び４の光出力におけるリップルの高調波（最大２５次、５ｋＨｚまで）の累計パーセンテージの例を示したものである。

表１から分かるように、本実施例においては、点灯電流が矩形波であることから成分のほとんどが直流成分であり、これが９７.２５％を占めている。そして、リップルの基本波ｆ_１（２００Ｈｚ）の整数倍の第ｎ次高調波について、その累計パーセンテージは、第４次（８００Ｈｚ）までで９８％を超え、第９次（１.８ｋＨｚ）までで９９％を超えている。

ここで、例えば、測定の要求精度が±０.５％（レンジとして１％）の場合、累計パーセンテージが９９％以上あればリップルの影響が許容範囲内に収まることになる。言い換えると、累計パーセンテージが９９％以上となる周波数（１.８ｋＨｚ）以下のリップル周波数成分の影響をなくせば光出力リップルの影響を許容範囲内に収めることができるので、サンプリング周波数を上記の１.８ｋＨｚの２倍以上とすればよい。即ち、測定要求精度±０.５％を満たすためには、サンプリング周波数を３.６ｋＨｚ以上とすればよい。
なお、ここでいう要求精度±０.５％とは、JIS C8913で規定されている計測器精度０．５級によるものである。

なお、表１の例において、サンプリング周波数は、測定要求精度が±１％（レンジとして２％）である場合は１.６ｋＨｚ（＝８００Ｈｚ×２）以上とすればよいし、測定要求精度が±０.２５％（レンジとして０.５％）である場合は、５.２ｋＨｚ（＝２.６ｋＨｚ×２）とすればよい。このように、測定の要求精度に応じてサンプリング周波数を決定することができる。

これにより、常にリップル周波数成分の影響を受けないようにサンプリングポイントが分布されることになる。当然に、光源の点灯電流の周波数が異なる実施例についても同様の手法を適用できる。

まとめると、リップルに含まれる周波数成分の基本波ｆ_１から第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計パーセンテージを予め求めておき、その合計をＳ_ｎ％、測定の要求精度を±α％とした場合、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波の周波数ｆ_ｋが決まる。そして、サンプリング周波数を周波数ｆ_ｋの２倍以上とすればよい。
なお、サンプリング周波数の上限は取得されたデータの処理時間等を考慮して適宜定めればよいが、上記の方法により算出した周波数（２×ｆ_ｋ）よりも高くすることに実益がない場合は、サンプリング周波数は２×ｆ_ｋとするのが好適である。

次に、サンプリング期間は図４（ａ）のような問題を回避するために、交流点灯の１周期よりも長くする必要がある。なお、交流点灯周期の情報は光源１の点灯装置の仕様から予め得られるものである。従って、ここでいう１周期とは積極的な同期を意味するものではない。

また、サンプリング期間は、高速な測定の要求を満たすために長過ぎないように設定すべきである。ここで、上述したサンプリング周波数によって少なくとも交流点灯周期１周期分のサンプリングを行えば十分平均化されたサンプルが得られることになるので、交流点灯周期の２倍以下であれば十分である。従って、上記の実施例では、交流点灯周期は１０ｍｓであるから、サンプリング期間は１０ｍｓ〜２０ｍｓとするのが望ましい。サンプリング期間を２０ｍｓとして、５００個の測定点についてサンプリングを行った場合でも、１つの太陽電池セルについてサンプリング自体にかかる合計時間は１０ｓ（＝２０ｍｓ×５００）であり、高速評価の要求を満たすことができる。
また逆に、サンプリング期間は交流点灯周期の２倍以上であっても１０ｍｓ以下であれば高速評価の要求は満たすことはできる。
しかし、可能な高速評価という観点では、上述したようにサンプリング期間は交流点灯周期の１〜２倍とすることが望ましい。

以上により、光源の光出力にリップルがあっても、電流−電圧曲線及び電力−電流曲線に長周期リップルを防止することができ、しかも高速な測定が達成できる。
また、光源の動作を検出したり同期を取ったりする必要がなく、光源の動作とは独立して実施できるので、既存のあらゆる評価装置において容易に実施できる。

上記の手法は、点灯電流波形が交流矩形波でない場合でも、その光出力に周期的なリップルが含まれるものであれば適用できる。
例えば、光源１に白熱電球（ハロゲン電球等）や放電灯（蛍光灯等）を用いて比較的低い周波数（例えば、５０Ｈｚ、６０Ｈｚ等）で正弦波点灯される場合に適用してもよい。
また、実施例と同様に光源に高圧放電灯を用いて矩形波で点灯する場合でも、その矩形波がフリッカ抑制用の特殊な変形波形（極性反転直前に電流値を高くするもの、高周波電流を挿入するものなど）からなっていてもよい。
また、光源１に直流点灯用高圧放電灯、直流用ハロゲン電球、ＬＥＤ等を用いて直流点灯される場合に適用してもよい。この場合、実施例の矩形波点灯の場合と同様に、理想的には光出力にリップルはないはずであるが、光源の点灯装置への入力電圧や制御方法に起因するリップルが発生することがある。
また、光源１に蛍光灯等の放電灯を用いて高い周波数（例えば数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ）で点灯する場合に適用してもよい。この場合は、光出力波形は高周波電流波形そのものには追従しないので極性反転に伴うリップルは発生しないが、直流点灯の場合と同様に、光源の点灯装置への入力電圧や制御方法に起因するリップルが発生することがある。

また、本発明のサンプリング手法は、測定方法、評価装置、評価装置に用いるコンピュータにインストールされるソフトウェア、そのソフトウェアがインストールされたコンピュータ、そのソフトウェアを記録したコンピュータ可読記憶媒体などの各形態として、あらゆる可能な態様で実施することができる。

太陽電池出力特性の評価装置の図である。 用語の定義を説明する図である。 本発明のサンプリングを説明する図である。 従来のサンプリングを説明する図である。 従来のサンプリングを説明する図である。

符号の説明

１．光源
２．太陽電池セル又はモジュール
３．バイアス電源
４．電流検出用抵抗
５．ＩＶカーブトレーサ
１０．評価装置
５１．サンプリング手段
５２．演算手段（コンピュータ）

Claims (10)

1. 太陽電池出力特性の測定方法であって、
   周期的な出力リップルを含む交流点灯光源によって太陽電池セル又はモジュールに光を照射するステップ、
   該太陽電池セル又はモジュールに接続する擬似負荷の状態をステップ状に変化させるステップ、
   該太陽電池セル又はモジュールからの出力電圧及び出力電流のデータをサンプリングするステップ、及び
   取得されたデータから少なくとも電流−電圧曲線を導出するステップからなり、
   前記出力リップルに含まれる周波数成分について予め取得された、直流成分及び基本波ｆ _１ から最大次高調波までの累計照度に対する、前記直流成分及び前記基本波ｆ_１から前記最大次以下の第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計照度の割合である累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、
   前記サンプリングするステップにおいて、各負荷状態におけるサンプリング周波数が、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数であり、サンプリング期間が光源の交流点灯周期の少なくとも１周期を含む長さで取得したデータの平均値を取得する測定方法。
2. 請求項１記載の測定方法において、前記要求精度αが０＜α≦０．５である測定方法。
3. 請求項１記載の測定方法において、さらに、サンプリング期間が前記交流点灯周期の２倍以下の長さである測定方法。
4. 太陽電池出力特性を測定する評価装置であって、
   太陽電池セル又はモジュールに周期的な出力リップルを含む光を照射する交流点灯光源、
   該太陽電池セルに接続する擬似負荷の状態をステップ状に変化させる機器、
   該太陽電池セルからの出力電圧及び出力電流のデータを取得するサンプリング手段、及び
   取得されたデータから少なくとも電流−電圧曲線を導出する演算手段
   からなり、
   前記出力リップルに含まれる周波数成分について予め取得された、直流成分及び基本波ｆ _１ から最大次高調波までの累計照度に対する、前記直流成分及び前記基本波ｆ_１から前記最大次以下の第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計照度の割合である累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、
   前記サンプリング手段において、各擬似負荷の状態におけるサンプリング周波数が、Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数であり、サンプリング期間が光源の交流点灯周期の少なくとも１周期を含む長さである評価装置。
5. 請求項４記載の評価装置において、前記要求精度αが０＜α≦０．５である評価装置。
6. 請求項４記載の評価装置において、さらに、サンプリング期間が光源の交流点灯周期の２倍以下の長さである評価装置。
7. 請求項４記載の評価装置において、前記光源が矩形波交流電流で点灯される高圧放電灯である評価装置。
8. 太陽電池セル又はモジュールに周期的な出力リップルを含む光を照射する交流点灯光源、該太陽電池セルに接続する擬似負荷、該太陽電池セルからの出力電圧及び出力電流のデータを取得する測定器、出力特性を評価するコンピュータからなる評価装置において、該コンピュータにインストールされるソフトウェアであって、
   前記擬似負荷をステップ状に変化させ、各負荷状態について前記出力電圧及び出力電流のデータをサンプリングし、及びサンプリングされたデータから少なくとも電圧−電流曲線を導出するよう構成され、
   前記出力リップルに含まれる周波数成分の予め取得された、直流成分及び基本波ｆ _１ から最大次高調波までの累計照度に対する、前記直流成分及び前記基本波ｆ_１から前記最大次以下の第ｎ次高調波ｆ_ｎまでの累計照度の割合である累計パーセンテージをＳ_ｎ（％）、測定の要求精度を±α（％）とした場合に、
   Ｓ_ｎ≧（１００−２α）を満たす範囲で最も低い次数の高調波ｆ_ｋの２倍以上の周波数をサンプリング周波数として選択し、光源の交流点灯周期の少なくとも１周期を含む時間をサンプリング期間として選択するよう動作するソフトウェア。
9. 請求項８記載のソフトウェアにおいて、前記要求精度の上限をα＝０．５としたソフトウェア。
10. 請求項８記載のソフトウェアにおいて、さらに、前記サンプリング期間を前記交流点灯周期の２倍以下の時間で選択するよう動作するソフトウェア。
    

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