JP5480287B2

JP5480287B2 - 太陽電池パネル間の接続を選択的に構成することにより太陽電池アレイからの電力を制御するシステム

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Publication number: JP5480287B2
Application number: JP2011540674A
Authority: JP
Inventors: 亨竹原; 紳一高田
Original assignee: Paceco Corp
Current assignee: Paceco Corp
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CA2746630A1; WO2010068226A1; AU2009325101A1; JP2012511893A; US20100147354A1; CN102282680A; IL213444A0; US8115340B2; EP2377162A1

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２００８年１２月１２日出願の米国特許仮出願第６１／１２２，３１１号明細書からの優先権を主張する。

本発明は一般的には、太陽電池アレイから出力される電力量を制御するシステムに関し、より具体的には、直列電気接続、並列電気接続、あるいは直列電気接続と並列電気接続の組み合わせにより他の構成可能太陽電池パネルに選択的に接続するように適合された構成可能太陽電池パネルに関する。

電力グリッドに電気を供給するための太陽電池（ＰＶ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）発電システムはＰＶパネルのアレイとインバータとを含む。ＰＶアレイは、数個だけのＰＶパネルを含んでもよいし（例えば、住宅または小規模商店に電力を供給するためのＰＶ発電システム）、あるいは発電所規模のＰＶアレイのように何千ものパネルを有してもよい。ＰＶアレイ内のＰＶパネルのそれぞれから出力された電圧と電流は、電気回路内で組み合わされ、インバータの直流（ＤＣ）入力に入力される。インバータは、組み合わされたＰＶパネルからのＤＣ電力を、電力グリッドへの接続に好適な交流（ＡＣ）電圧を有するＡＣ電力出力に変換する。インバータへのＤＣ入力電圧に対応するＰＶアレイからのＤＣ出力電圧は、インバータのＡＣ出力電圧が電力グリッドへの接続の許容範囲内に入るように規定のＤＣ入力電圧範囲内になければならない。

ＰＶアレイ内の１つまたは複数のＰＶパネルの直流出力電圧の低下は、インバータへのＤＣ入力の電圧をインバータの規定最小ＤＣ入力電圧より低くし、インバータのＡＣ出力電圧の関連低下を引き起こすかもしれない。したがってシステムオペレータまたは自動制御システムは、ＰＶアレイにより生成される全電力量の低下を犠牲にして、十分に高い出力電圧を有する他のＰＶパネルがインバータからの所望出力電圧を維持するために、低ＤＣ出力電圧を有するＰＶパネルから出力される電力をインバータ入力から排除することを選択してもよい。低出力電圧を有するＰＶパネルの数が増加すると（例えば、雲の影がＰＶアレイを横切る場合、あるいは太陽が沈む場合）、インバータへの許容可能な大きさの入力電圧に寄与するＰＶパネルの数は減少し、ＰＶアレイからの電力出力は低下する。当該技術領域で公知のＰＶパネルを含むＰＶアレイでは、たとえＰＶアレイが依然としていくらかの電力を生成していても、電力グリッドに供給するには余りに低い電圧でＡＣ電力を出力することよりむしろＰＶアレイをインバータ入力から分離することが最終的に必要である。

雲の影と太陽の日運動による入射光の低下に加えて、ＰＶパネル出力電圧はまた、例えばパネル面上の汚れまたは水、降雨、煙、スモッグおよび塵等の日射に対する大気中の障害物、および近くの樹木または建物からの影により低減されることがある。ＰＶパネル電圧はまたパネル内の太陽電池が高温に晒されると低下する。エージング効果またはＰＶパネル内の電気的故障もまた出力電圧の低下に寄与することがある。正しく機能するＰＶパネルは十分な量の照明がパネル上に入射する限り電力を出力するが、入射照明が減少すると出力電圧も低下する。インバータと接続するには不十分な電圧を有するＰＶパネル出力電力は電力喪失と発電効率低下を意味する。

必要とされるのは、減少照明条件下で生成される電力を制御するためにＰＶアレイ内のＰＶパネル間の電気的接続を再構成するシステムである。さらに必要とされるのは、ＰＶアレイからの電力出力におけるＤＣ電圧の大きさがインバータの最小ＤＣ入力電圧以上となるようにＰＶパネル間の電気的接続を再構成するシステムである。

本発明の実施形態は、ＰＶアレイ内の他の構成可能ＰＶパネルとの直列電気接続、並列電気接続、または直列電気接続と並列電気接続の組み合わせに対して選択的に構成可能である構成可能太陽電池（ＰＶ）パネルを含む。いくつかの実施形態は、ＰＶアレイを形成するために電気的に相互接続される複数の構成可能ＰＶパネルを含む。電気的に並列接続された構成可能ＰＶパネルの数と電気的に直列接続された構成可能ＰＶパネルの数は随意的に、ＰＶアレイからの出力電圧をインバータの最小入力電圧より大きくするように選択されてよい。ＰＶアレイ内の電気的に直列接続された構成可能ＰＶパネルの数と電気的に並列接続された構成可能ＰＶパネルの数はさらに、ＰＶアレイ上に入射される照明の減少に関係するパラメータに応じて適応的に選択されてもよい。

本発明の実施形態による構成可能ＰＶパネルは、ＰＶモジュール、電気的制御バイパス選択器、電気的制御直並列選択器、ノード制御器、ノード制御器に制御信号および監視信号を伝達する電気的コネクタ、および電力用入力電気コネクタと出力電気コネクタを含む。第１の電力コネクタ上に存在するＤＣ電圧とＤＣ電流は第２の電力コネクタに電気的に接続される。ＰＶモジュールからのＤＣ電圧とＤＣ電流は、バイパス選択器の選択された切り替え状態に従って第１の電力コネクタ上の電圧と電流から選択的に排除される。ＰＶモジュールからのＤＣ電圧とＤＣ電流出力は、直並列選択器の選択された切り替え状態に従って直列電気接続、並列電気接続、または直列電気接続と並列電気接続の組み合わせで、ＰＶアレイ内の隣接ＰＶパネル上のＰＶモジュールからの電圧と電流に選択的に結合される。

ノード制御器は、ＰＶモジュール性能に関係するパラメータを監視し、制御および監視コネクタ上で受信された信号に応じてバイパススイッチと直並列スイッチの切り替え状態を制御する。あるいはいくつかの実施形態では、ノード制御器は、測定されたパラメータの変化に応じて直並列スイッチの切り替え状態を自律的に変える。ノード制御器は、ＰＶモジュールの性能に関係するデータと、バイパススイッチと直並列スイッチの切り替え状態と、を制御および監視コネクタ上に随意的に出力する。

この章では本発明のいくつかの特徴を要約した。本発明の実施形態のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明により、および以下の図面を参照することによりさらによく理解される。

本発明の実施形態による構成可能太陽電池（ＰＶ）パネルの例の回路図である。直列電気回路を形成するためにケーブルアセンブリにより相互接続された図１の整数「ｎ」個の構成可能ＰＶパネルを有するＰＶアレイを含む別の実施形態の例の回路図である。複数の構成可能ＰＶパネルが各ＰＶパネル内の電気的制御可能な直並列選択器の設定を選択することにより直列電気接続から並列電気接続に変更された図２の実施形態の別の電気的構成である。直列電気接続と並列電気接続により相互接続された３個の構成可能ＰＶパネルを含むＰＶアレイの例を示す。ＰＶアレイを形成するためにケーブルアセンブリにより電気的に相互接続された１２個の構成可能ＰＶパネルを含む本発明の実施形態の例を示す。本図の構成可能ＰＶパネルのそれぞれは図１の実施形態によるＰＶモジュールと電気的制御直並列選択器とを含む。本図の実施形態は、直並列選択器Ｘ１〜Ｘ１２の選択された設定に従って図６〜図１１の例のいずれかのように選択的に構成されてよい。図５のＰＶアレイ例のいくつかの選択可能な電気的構成の１つの単純化等価電気回路を示す。本図の例では、ＰＶアレイ内の構成可能ＰＶパネルのすべては「Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する並列電気回路で相互接続される。「２×Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する構成可能ＰＶパネル間の直列電気接続と並列電気接続との組み合わせを含む、図５の実施形態の別の電気的構成の等価電気回路を示す。「３×Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する構成可能ＰＶパネル間の直列電気接続と並列電気接続との組み合わせを含む、図５の実施形態の別の電気的構成の等価電気回路を示す。「４×Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する構成可能ＰＶパネル間の直列電気接続と並列電気接続との組み合わせを含む、図５の実施形態の別の電気的構成の等価電気回路を示す。「６×Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する構成可能ＰＶパネル間の直列電気接続と並列電気接続との組み合わせを含む、図５の実施形態の別の電気的構成の等価電気回路を示す。図５の実施形態の別の電気的構成の等価電気回路を示す。図１１の例では、ＰＶアレイ内の構成可能ＰＶパネルのすべては「１２×Ｅ」ボルトのＰＶアレイ出力電圧を有する直列電気回路で相互に接続される。

本発明の実施形態は、ＰＶアレイ内の他の構成可能ＰＶパネルと直列電気接続、並列電気接続、または直列電気接続と並列電気接続の組み合わせで選択的に構成可能な構成可能太陽電池（ＰＶ）パネルを含む。いくつかの実施形態はさらに、複数の電気的に相互接続された構成可能ＰＶパネルを含む。複数の電気的に相互接続された構成可能ＰＶパネルは本明細書ではＰＶアレイと称する。実施形態による構成可能ＰＶパネルは、ＰＶアレイ上に入射する照明の量の低下に応じてＰＶアレイからの出力電圧を増加できるようにする。本発明の実施形態は、ＰＶアレイから出力される電力を制御するのに、および当該技術領域で公知のＰＶパネルを含むＰＶアレイにおいて浪費されるであろう太陽電池電力を再生するのに、好都合である。本発明の実施形態はさらに、ＰＶアレイ内の構成可能ＰＶパネルのいくつかが保守のために（例えば、ＰＶパネルを洗浄するあるいは破損したまたは誤動作ＰＶパネルを修理するために）ＰＶアレイから電気的に切断されたＰＶアレイからの電力の量を最大にするのに好都合である。

本発明の実施形態によるＰＶパネルの例の回路図を図１に示す。図１の実施形態１０は、ＰＶモジュール上に入射する日射から電力を生成するＰＶモジュール１０８と、ＰＶパネル１００を監視および制御するノード制御器１１４と、ＰＶモジュール１０８から出力される電流と電圧を第１の電力コネクタＰ１１０２上の電流と電圧から選択的に排除する電気的制御バイパス選択器１２０と、を有する構成可能ＰＶパネル１００を含む。図１の構成可能ＰＶパネル１００はさらに、第２の電力コネクタＰ２１５６と、直列電気接続、並列電気接続、または直列電気接続と並列電気接続の組み合わせで他の構成可能ＰＶパネル１００に選択的に接続する電気的制御直並列選択器Ｘｎ１３８と、を含む。

図１のノード制御器１１４は、ＰＶモジュール１０８とＰＶパネル１００の性能に関係するパラメータを監視し、バイパス選択器１２０の切り替え状態と直並列選択器Ｘｎ１３８の別の切り替え状態とを設定する。ノード制御器により監視されるパラメータの例としては、限定するものではないが、ＰＶモジュール１０８からの出力電流と出力電圧、ＰＶモジュール１０８上の異なる選択位置において測定された温度、ＰＶパネル１００の方位角と仰角、第２の電力コネクタＰ２１５６上のＰＶパネルへ入力される電流と電圧、および第１の電力コネクタＰ１１０２上のＰＶパネル１００から出力される電流と電圧が挙げられる。ノード制御器１１４は随意的に、ＰＶモジュール１０８またはＰＶパネル１００内の電気的故障状態、ＰＶモジュール１０８の部分的遮蔽、ＰＶモジュール１０８の表面上の降雨、塵、または破片による電力の低下、および塵、降雨、または雲量による入射光の低下を検出するように構成されてもよい。監視パラメータに関係するデータは随意的に、制御および監視信号入出力バス１６４を含む複数の電気導体によりノード制御器１１４に電気的に接続された監視および制御コネクタＰ３１６２上のノード制御器１１４から出力される。コネクタＰ３１６２上の出力データは随意的に、ＰＶアレイ内の他の構成可能ＰＶパネル１００によりあるいは外部監視および制御システムにより受信されてもよい。

電気的制御バイパス選択器１２０と電気的制御直並列選択器Ｘｎ１３８の切り替え状態は、ＰＶモジュール１０８から出力される電流と電圧が第１および第２の電力コネクタＰ１１０２とＰ２１５６を通って流れる電力にどのように組み合わされるかを決定する。図１に示すように、バイパス選択器１２０と直並列選択器Ｘｎ１３８は、双極双投（ＤＰＤＴ：ｄｏｕｂｌｅ−ｐｏｌｅ，ｄｏｕｂｌｅ−ｔｈｒｏｗ）電気機械式リレーである。選択器（１２０、１３８）のいずれか１つまたは両方は代替案として、固体リレーまたは個別電子部品から作られた固体スイッチ素子で置換されてもよい。いずれの選択器（１２０、１３８）も随意的に、単一のＤＰＤＴ電気的制御スイッチ素子から、ノード制御器１１４に電気的に接続された共通制御線を共有する１対の単極単投スイッチ素子に変更されてよい。

図１を参照すると、ＰＶアレイ内の他のＰＶパネルからの電力は随意的に、第１の端子１５８と第２の端子１６０を含む第２の電力コネクタＰ２１５６上のＰＶパネル１００に接続されてもよい。Ｐ２第１端子１５８とＰ２第２端子１６０上の電圧と電流は、後述するように、バイパス選択器１２０と直並列選択器Ｘｎ１３８の選択された切り替え状態に従って、ＰＶモジュール１０８から出力される電圧と電流に選択的に組み合わされる。Ｐ２第１端子１５８は直並列選択器Ｘｎ１３８内の第１のＳ−Ｐスイッチ１４０の並列端子１４４に電気的に接続される。Ｐ２第１端子１５８はさらに直並列選択器Ｘｎ１３８内の第２のＳ−Ｐスイッチ１４８の直列端子１５４に電気的に接続される。Ｐ２第２端子１６０は第２のＳ−Ｐスイッチ１４８の並列端子１５２に電気的に接続される。

第１のＳ−Ｐスイッチ１４０の直列端子１４６はバイパス選択器１２０内の第１のバイパススイッチ１２２の共通端子１２８に電気的に接続される。第１のＳ−Ｐスイッチ１４０の共通端子１４２はバイパス選択器１２０内の第２のバイパススイッチ１３０の共通端子１３２に電気的に接続される。第１のＳ−Ｐスイッチ１４０の共通端子１４２はさらにコネクタＰ１の第１の端子１０４に電気的に接続される。第２のＳ−Ｐスイッチ１４８の共通端子１５０は、ＰＶモジュール１０８上の負端子１１２に、コネクタＰ１の第２の端子１０６に、およびバイパス選択器１２０内の第１のバイパススイッチ１２２のバイパス端子１２６に、電気的に接続される。

図１を続けると、ＰＶモジュール１０８の正端子１１０は、バイパス選択器１２０内の第２のバイパススイッチ１３０の通常端子１３４に電気的に接続される。バイパス選択器制御線１１８は、制御信号をノード制御器１１４からバイパス選択器１２０の制御入力に搬送する。バイパス選択器制御線１１８上のノード制御器１１４からの第１の制御信号は、バイパス選択器１２０を、ＰＶモジュール１０８からの出力が第１の電力コネクタＰ１１０２の端子上の電圧と電流から排除される「バイパス」切り替え状態に設定する。「バイパス」切り替え状態は本明細書では「Ｂ」切り替え状態とも称する。バイパス選択器制御線１１８上のノード制御器１１４からの第２の制御信号は、バイパス選択器１２０を、ＰＶモジュール１０８からの出力が直並列選択器Ｘｎ１３８の２つの交互切換状態の１つに従ってコネクタＰ１１０２の端子上の電圧と電流に選択的に組み合わされる「通常」切り替え状態に設定する。「通常」切り替え状態は本明細書では「Ｎ」切り替え状態とも称する。図１の例では、バイパス選択器１２０内の第１のバイパススイッチ１２２と第２のバイパススイッチ１３０は「通常」切り替え状態で示される。図１はさらに、第１のバイパススイッチ１２２の通常端子１２４と、未終端としての第２のバイパススイッチ１３０のバイパス端子１３６とを示す。回路内に結合される雑音の量を減らすために受動素子を随意的に未終端端子に電気的に接続し得るということを当業者は理解するだろう。

直並列選択器制御線１１６はノード制御器１１４からの制御信号を直並列選択器Ｘｎ１３８の制御入力に搬送する。直並列選択器制御線１１６上のノード制御器１１４からの第３の制御信号は、直並列選択器Ｘｎ１３８を「直列」切り替え状態（本明細書では、「Ｓ」切り替え状態とも称する）に設定する。直並列選択器制御線１１６上のノード制御器１１４からの第４の制御信号は、直並列選択器Ｘｎ１３８を「並列」切り替え状態（本明細書では、「Ｐ」切り替え状態とも称する）に設定する。図１の例では、直並列選択器Ｘｎ１３８内の第１のＳ−Ｐスイッチ１４０と第２のＳ−Ｐスイッチ１４８は「直列」切り替え状態で示される。

太陽電池システムは複数のＰＶパネルを有するＰＶアレイを含む。図２に、直列電気的構成でケーブルアセンブリ１６６により電気的に接続された整数「ｎ」個の構成可能ＰＶパネル１００を有する実施形態１０の例を示す。図２に示すように、直並列選択器（１３８Ｘ１，１３８Ｘ２，．．．，１３８Ｘｎ）は「Ｓ」切り替え状態で示される。「ｎ」個のパネル内のバイパス選択器１２０のすべては図２の例では「Ｎ」切り替え状態に設定される。ＰＶアレイ負出力端子１７０とＰＶアレイ正出力端子１６８間で測定されたＰＶアレイからの出力電圧Ｖｏｕｔは「ｎ」個のＰＶモジュールの出力電圧の和である。図２に示す構成では、実施形態１０の出力電圧はさらに、番号「ｎ」のＰＶパネル内のコネクタＰ２の端子１１５８と番号１のＰＶパネル内のコネクタＰ１の端子１１０４間で測定されたＰＶアレイ出力電圧Ｖｏｕｔに対応する。「Ｓ」状態に設定された直並列選択器と「Ｂ」状態に設定されたバイパス選択器１２０とを有するＰＶパネルの場合、ＰＶパネルのＰＶモジュールからの出力電圧は、第１の電力コネクタＰ１と第２の電力コネクタＰ２間のＰＶモジュールのまわりのＰＶパネル内の回路経路により出力電圧Ｖｏｕｔから排除される。

図３に、図２の実施形態１０におけるＰＶアレイを形成するために電気的に接続された「ｎ」個のＰＶパネルの多くの別の電気的構成の１つを示す。図３では、整数「ｎ」個のＰＶパネル１００は、「Ｐ」切り替え状態の直並列選択器（１３８Ｘ１，１３８Ｘ２，．．．，１３８Ｘｎ）を有する並列電気的構成でケーブルアセンブリ１６６により電気的に相互接続される。バイパス選択器１２０は「Ｎ」切り替え状態で示される。ＰＶアレイ負出力端子１７０とＰＶアレイ正出力端子１６８間で測定されたＰＶアレイからの出力電圧Ｖｏｕｔは、この例の目的のためにそのすべてが等しい出力電圧を有するＰＶパネル１００の任意の１つからの出力電圧に等しい。異なる出力電圧を有する構成可能ＰＶパネルの場合、ＰＶアレイ出力電圧は、並列電気回路を解析するための従来方法により計算されてよい。図３のＰＶアレイ例からの出力電流は、「ｎ」個のパネルのそれぞれから出力される電流と、番号１のＰＶパネル１００上のコネクタＰ１に入力される随意電流と、番号「ｎ」のＰＶパネル１００上のコネクタＰ２に入力される随意電流と、の算術和に等しい。ＰＶアレイ負出力端子１７０は、図３の点線の接続線により示されるように、番号ｎのＰＶパネル１００上のコネクタＰ２の端子２１６０あるいは番号１のＰＶパネル１００上のコネクタＰ１の端子２１０６に交互に電気的に接続されてもよい。ＰＶアレイ正出力端子１６８は、図３の点線の接続線により示されるように、番号１のパネル上のコネクタＰ１の端子１１０４あるいは番号ｎのパネル上のコネクタＰ２の端子１１５８に交互に電気的に接続されてもよい。

図３に示す並列構成は、所与のレベルの照明に対するＰＶアレイ出力電流の最大量を生成するという利点を持つ。しかしながら図３の例におけるＰＶパネルの１つまたは複数からの出力電圧が低下する（例えば、ＰＶパネル上のＰＶモジュールにかかる影のために）場合、ＰＶアレイ全体の出力電圧は低下する。ＰＶアレイ出力電圧Ｖｏｕｔが照明の減少に応じて低下すると、出力電圧は最終的にインバータの最小入力電圧仕様を下回り、アレイにより生成されるそれ以上の電力はインバータを介し電力グリッドに結合することができない、すなわち発生電力は浪費電力となる。

いくつかのＰＶパネルを直列に、他のＰＶパネルを並列に選択的に接続することで、ＰＶアレイからの出力電圧を、ＰＶパネル間の並列接続だけのＰＶアレイと比較し増加する。インバータ最小入力電圧より大きなＰＶアレイ出力電圧を作るために最小数のＰＶパネルを直列に接続することにより、アレイから出力される電流を減少照明状態下で最大にする。アレイ内のすべてのパネルが直列に接続され最大可能ＰＶアレイ出力電圧が生成されるまで、照明レベルの低下（例えば、太陽が沈む、あるいは厚い雲の層が、ＰＶアレイ上に入射する日光を徐々に遮る）に応じてさらに多くのＰＶパネルを選択的に電気的に直列に接続してもよい。

図４は、直列電気接続と並列電気接続の組み合わせで接続された３個のＰＶパネルを含む実施形態１０の例を示す。図４の例では、番号１のＰＶパネル１００は「Ｐ」切り替え状態に設定された直並列選択器１３８Ｘ１を有する。番号２のＰＶパネル１００内の直並列選択器１３８Ｘ２は「Ｓ」切り替え状態にあり、番号３のＰＶパネルは「Ｓ」切り替え状態に設定された直並列選択器１３８Ｘ３を有する。図４におけるＰＶアレイ正出力端子１６８とＰＶアレイ負出力端子１７０間で測定されたＰＶアレイ出力電圧Ｖｏｕｔは、図３の例に示すように並列に接続されたＰＶパネルのＰＶアレイ出力電圧の約２倍である。したがって図４のように構成されたＰＶアレイは、図３のＰＶアレイの例より低いレベルの照明下でインバータの最小入力電圧以上の出力電圧を生成することになる。ＰＶパネル間の選択可能な直列接続と並列接続とを有するＰＶアレイは、図４の例のように、並列だけで相互接続されたＰＶパネルがインバータ入力に接続するには余りに低い電圧で電力を出力するという条件下で、電力グリッドへ出力される電力を獲得する。

図５の実施形態は、直列電気接続と並列電気接続の組み合わせの例（１２個の構成可能ＰＶパネルを有するＰＶアレイにより生成されるＰＶアレイ出力電圧に対応する）を示すために使用されてよい。図５の実施形態１０の例は、それぞれが図１の実施形態によるものでありそれぞれがケーブルアセンブリ１６６によりＰＶアレイ内で電気的に相互接続された１２個の構成可能ＰＶパネルを含む。ＰＶアレイからの出力電圧ＶｏｕｔはＰＶアレイ正出力端子１６８とＰＶアレイ負出力端子１７０間で測定される。番号１のＰＶパネル１００上のコネクタＰ１の端子１１０４はＰＶアレイ１０の正出力端子１６８に電気的に接続され、さらにインバータ１７２上の第１のＤＣ入力に電気的に接続される。番号１２のＰＶパネル１００上のコネクタＰ２の端子１１５８はＰＶアレイ１０の負出力端子１７０に電気的に接続され、さらにインバータ１７２上の第２のＤＣ入力に電気的に接続される。図５において単純化された形式で表されたＰＶパネル１００のそれぞれは、ＰＶモジュール１０８と直並列選択器（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，．．．，Ｘ１２）とを含む。

図６の単純化等価電気回路に示す第１の別の構成では、図５の実施形態の１２個のＰＶパネル（図６ではＰＶモジュール１０８により表される）は並列電気回路で接続される。正端子１１０と負端子１１２間で測定されたＰＶモジュール１０８からの出力電圧は電圧「Ｅ」により表される。１２個の直並列選択器（Ｘ１〜Ｘ１２）すべてに対し選択された「Ｐ」切り替え状態に対応する図６の並列電気的構成では、第１と第２の出力端子（１６８、１７０）間で測定されたＰＶアレイの出力電圧Ｖｏｕｔは「Ｅ」に等しい。

表１に、図５〜図１１の例における１２個の直並列選択器の切り替え状態を纏める。

図７〜図１１は、図５の例示的な実施形態のさらに別の電気的構成を示す。図７は、各グループ内で並列に接続された６個の構成可能ＰＶパネルを有する２つの直列接続グループの等価電気回路を示す。図７のＰＶアレイ構成は、２×Ｅの第１と第２のＰＶアレイ出力端子（１６８、１７０）間出力電圧を有する。ここで「Ｅ」は図６に定義される。ＰＶアレイ内の１２個の直並列選択器のスイッチ状態は表１に示される。

図８には、グループ毎に並列接続された４個の構成可能ＰＶパネルを有する３つの直列接続グループの等価電気回路と、３×Ｅに等しいＰＶアレイ出力電圧Ｖｏｕｔとを示す。図９には、グループ当たり３つの並列の構成可能ＰＶパネルを有する４つの直列接続グループと４×ＥのＰＶアレイ出力電圧とを示す。６×Ｅに等しいＰＶアレイ出力電圧Ｖｏｕｔは、各グループが２つの並列の構成可能ＰＶパネルを有する６つの直列接続グループを示す図１０の構成により実現される。最後に図１１に、ＰＶアレイ出力電圧の最大値を有する構成を示す。図１１では、１２個の構成可能ＰＶパネルはすべて直列電気的組み合わせで接続される。

図５のＰＶアレイ例の、図６〜図１０の例に図示しない他の構成が選択されてもよい。例えば、選択された整数「ｊ」個のＰＶパネルは電気的に直列に接続され、ＰＶアレイの残りの整数「ｋ」個のＰＶパネルはそれぞれが整数「ｙ」個の並列接続ＰＶパネルの整数「ｘ」個のグループに配置されてよい。あるいは、並列接続ＰＶパネルの異なるグループがグループ当たり異なる数のＰＶパネルを有してもよい。

図５〜図１１の例は、何百または何千ものパネルを含む極めて大きなＰＶアレイに拡張されてもよい。いくつかの極めて大きなアレイでは、最小ＤＣ入力電圧として大きな値を有するインバータが好適である。例えば、当該技術領域で公知のグリッド接続インバータの例では、最小ＤＣ入力電圧は単一ＰＶパネルから出力される電圧の約１５倍である。すなわち、少なくとも１５個のＰＶパネルが、インバータに入力するのに十分に大きな出力電圧を生成するために電気的に直列に接続される。このような場合、ＰＶアレイは、さらに互いに並列に接続されかつインバータの入力に接続された一連のパネルを有する多くの直列接続の一連のＰＶパネルを有する。本発明の実施形態は、並列電気回路で複数の直列接続された一連の構成可能ＰＶパネルを含む極めて大きなＰＶアレイにおいて使用するのに好適である。一例における単一パネルを直列接続の一連の構成可能ＰＶパネルで置換することにより、大きなアレイにおける実施形態の動作と本明細書において先に説明された例における動作とを比較してもよい。例えば、大きな最小入力電圧を有するインバータに電力を供給するＰＶアレイ内の極めて多くのＰＶパネルの振る舞いをモデル化するために、添付図面ではＰＶモジュール１０８で表される図６〜図１１の例における構成可能ＰＶパネルのそれぞれは直列接続の一連の構成可能ＰＶパネルにより置換されるだろう。

本明細書において特にことわらない限り、一般的用語はそれらの表現のそれぞれの情況内のそれらの対応する通常の意味を有し、当該技術の一般的用語はそれらの対応する通常の意味を有する。

Claims

Ａ）正端子と負端子を有するＰＶモジュールと；
Ｂ）直並列選択器であって、
１）直列端子、並列端子および共通端子を有する第１のＳ−Ｐスイッチと、
２）前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記並列端子に電気的に接続された直列端子、並列端子および共通端子を有する第２のＳ−Ｐスイッチと、
を有してなる直並列選択器と；
Ｃ）バイパス選択器であって、
１）前記ＰＶモジュールの前記負端子および前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記共通端子に電気的に接続されたバイパス端子、通常端子、および、前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記直列端子に電気的に接続された共通端子を有する第１のバイパススイッチと、
２）バイパス端子、前記ＰＶモジュールの前記正端子に電気的に接続された通常端子、および、前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記共通端子に電気的に接続された共通端子を有する第２のバイパススイッチと、
を有してなるバイパス選択器と；
Ｄ）第１の電力コネクタであって、
１）前記第２のバイパススイッチの前記共通端子に電気的に接続された第１の端子と、
２）前記第１のバイパススイッチの前記バイパス端子に電気的に接続された第２の端子と、を有する第１の電力コネクタと；
Ｅ）第２の電力コネクタであって、
１）前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記並列端子に電気的に接続された第１の端子と、
２）前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記並列端子に電気的に接続された第２の端子と、を有する第２の電力コネクタと；
Ｆ）前記直並列選択器および前記バイパス選択器に電気的に接続されたノード制御器と、を含む直並列構成の変更が可能なＰＶパネルを有してなるシステム。
前記第２のバイパススイッチの前記共通端子が、前記第２のバイパススイッチの前記通常端子に、前記第２のバイパススイッチにより電気的に接続され、かつ、前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記直列端子が、前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記共通端子に、前記第２のＳ−Ｐスイッチにより電気的に接続されたとき、前記ＰＶモジュールが、直列電気回路で前記第１の電力コネクタの前記第１の端子および前記第２の電力コネクタの前記第２の端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記第２のバイパススイッチの前記共通端子が、前記第２のバイパススイッチの前記通常端子に、前記第２のバイパススイッチにより電気的に接続され、かつ、前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記共通端子が、前記第１のＳ−Ｐスイッチの前記並列端子に、前記第１のＳ−Ｐスイッチにより電気的に接続され、かつ、前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記共通端子が、前記第２のＳ−Ｐスイッチの前記並列端子に、前記第２のＳ−Ｐスイッチにより接続されたとき、前記ＰＶモジュールが、並列電気回路で、前記第１の電力コネクタの前記第１の端子および前記第１の電力コネクタの前記第２の端子、および、前記第２の電力コネクタ前記第１の端子および前記第２の電力コネクタの前記第２の端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ノード制御器が前記第１のバイパススイッチの前記共通端子を前記第１のバイパススイッチの前記通常端子に電気的に接続されるようにしたとき、前記ＰＶモジュールの電圧出力および電流出力が、前記第１の電力コネクタの電圧および電流と電気的に組み合わされることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ノード制御器が前記第１のバイパススイッチの前記共通端子を前記第１のバイパススイッチの前記バイパス端子に電気的に接続されるようにし、さらに、前記第２のバイパススイッチの前記共通端子を前記第２のバイパススイッチの前記バイパス端子に電気的に接続されるようにしたとき、前記ＰＶモジュールの電圧出力と電流出力は前記第１の電力コネクタ上の電圧と電流から電気的に絶縁されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ノード制御器がさらに、
前記ノード制御器と前記バイパス選択器に電気的に接続されるバイパス選択器制御線と、
前記ノード制御器と前記直並列選択器に電気的に接続される直並列選択器制御線と、
制御および監視用入出力コネクタと、
前記ノード制御器と前記制御および監視用入出力コネクタとの間の複数の電気的接続を形成する制御および監視用入出力バスと、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記ノード制御器は、前記バイパス選択器の切り替え状態を変更するための命令と、前記制御および監視用入出力コネクタ上の前記直並列選択器の切り替え状態を変更するための命令とを受信するように適合されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
前記ノード制御器は、前記バイパス選択器を前記通常切り替え状態に設定するための第１の制御信号と、前記バイパス選択器を前記バイパス切り替え状態に設定するための第２の制御信号と、前記直並列選択器を前記直列切り替え状態に設定するための第３の制御信号と、前記直並列選択器を前記並列切り替え状態に設定するための第４の制御信号とを出力するように適合されることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
前記ノード制御器は前記バイパス選択器と前記直並列選択器の切り替え状態を自律的に変更するように適合されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記システムが、電気回路で電気的に接続される、ＰＶアレイを形成する複数のＰＶパネルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
前記複数のＰＶパネルは、互いに、直列電気回路で選択可能にかつ電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
前記複数のＰＶパネルは、互いに、並列電気回路で選択可能にかつ電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
前記複数のＰＶパネルは、互いに、直列電気回路と並列電気回路の組み合わせで選択可能にかつ電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
電気的に直列接続されたＰＶパネルの数と、電気的に並列接続されたＰＶパネルの別の数は、前記ＰＶアレイからの出力電圧をインバータの入力電圧仕様以上にするように選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
電気的に直列接続されたＰＶパネルの数と、電気的に並列接続されたＰＶパネルの別の数は、前記ＰＶアレイから出力される電力量を最大にするように選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
電気的に直列接続されたＰＶパネルの数と、電気的に並列接続されたＰＶパネルの別の数は、前記構成可能ＰＶパネル上に入射する照明量の変化に応じて選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
請求項１０に記載のＰＶアレイ内のＰＶパネル間の電気的接続を再構成するためのシステムであって、
電気的に直列接続されたＰＶパネルの数と、電気的に並列接続されたＰＶパネルの別の数は、保守のために電気的に絶縁される選択されたＰＶパネルに応じて選択される、システム。