JP5582601B2

JP5582601B2 - 出力緩和機能を備えた太陽電池

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Publication number: JP5582601B2
Application number: JP2010044812A
Authority: JP
Inventors: 茂相原; 健司中田; 武鎌田
Original assignee: Tempearl Industrial Co Ltd
Current assignee: Tempearl Industrial Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-03-02
Also published as: JP2011181705A

Description

本発明は、太陽電池に関し、特に太陽電池における短時間出力変動の緩和機能を有した太陽電池に係る。

昨今、分散電源電力供給システムの普及が進んでいる。例えば、太陽電池、燃料電池、マイクロガスタービンなどの分散電源を、一般家庭や集合住宅、小規模事業所など、ユーザ負荷に近接して設置し、ユーザに電力供給を行なうことが多い。

特許文献１の図２には、太陽電池を発電源とした分散電源システムの一例が示されている。この図２において、分散電源システムは太陽電池アレイ１とこの太陽電池アレイ１から出力される直流電力を交流電力に変えるインバータ２４を内蔵した電力変換手段４とを備えている。この電力変換手段４は商用電力系統１１から分散型電力を切り離す遮断器２５と、周波数変動や電圧変動に基づいて商用電力系統１１の遮断器２６の解列を検知して遮断器２５を解列させる単独運転検知手段２７とを含む系統連系保護装置を内蔵した構成となっている。

そして、特許文献２に開示されたように、太陽光発電装置に備えられるインバータは、内包される制御回路によりインバータの交流側出力電圧を一定電圧に制御する機能、即ち電圧上昇を抑制する機能、および単独運転を検出する機能を有している。

特開２００２−１５２９７６号公報特開２００８−７７３６９号公報

太陽電池は、該太陽電池の受光面に照射される光の増減に応じてその発電量が変化するものであり、商用電力や、燃料電池、マイクロガスタービンなどの分散電源に比べて、出力の変動が大きいものである。特に、短時間に光量が増加する時には、発電量が急激に増加することにより、太陽電池アレイと接続される前記インバータに印加される電圧も急激に上昇する。長期間に亘って急激な電圧上昇、下降が繰り返されると、インバータへの負担を増加させるおそれがある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、短時間での光量の増減に応じて発電量が急激に変化することを緩和し、インバータの負担を軽減させる出力緩和機能を備えた太陽電池を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽電池は、上述の課題を解決すべく構成されたもので、
金属電極層と、該金属電極層と接合される半導体層と、該半導体層と接合される透明電極層と、該透明電極層と接合される透光率制御層とが順次形成されて、導電性基板に配設されるとともに、
前記透明電極層に設けられた集電電極と、前記金属電極とに電気的に接続された前記透光率制御層制御ＩＣが前記導電性基板に配設されて、
前記制御ＩＣは、前記半導体層における発電量計測手段と、
計測した発電量の変化に応じて該発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させる比較演算手段を備え、発電量の変化の大きさを定めた閾値データを前記比較演算手段におけるメモリ部に記憶し、該閾値データと前記発電量計測手段により計測された発電量の変化データとを比較し、該発電量の変化データが閾値データを越えた場合に、透光率を変化させることを特徴として出力緩和機能を備えた太陽電池を構成するとよい。

かかる構成によれば、太陽電池を設置して使用開始後、光量の増加により発電量が変化した場合には、該発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させる制御を行うため、
太陽電池から出力される電力の急激な上昇を軽減させることができ、インバータの負担を軽減できる出力緩和機能を備えた太陽電池を提供できる。

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かかる構成によれば、所定の閾値に満たない発電量の変化の場合には、透光率を変化させず、制御に係る電力を削減することができる。

また、本発明に係る太陽電池は、発電量の変化データと透光率の変化データとを対応させた発電量−透光率対応データを予め前記比較演算手段におけるメモリ部に記憶し、
前記比較演算手段は、計測した発電量の変化に応じた透光率の変化データをメモリ部から読み出して、
発電量の変化に応じて変化させる透光率の大きさを演算し、
発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の出力緩和機能を備えた太陽電池を構成するとよい。

かかる構成によれば、太陽電池の特性に応じた発電量−透光率対応データを記憶させることにより、実際の太陽電池に応じて適切に透光率を変化させる制御を行うことができる。

以上の如く、本発明によれば、短時間での光量の増減に応じて、太陽電池における発電量が急激に変化することを緩和し、太陽電池と接続されるインバータの負担を軽減させる出力緩和機能を備えた太陽電池を提供することができる。

第１の実施形態を示す太陽電池素子の概略構成図を示す。同実施形態に係る透光率制御層の概略構成図を示す。同実施形態に係る制御ＩＣのブロック構成図を示す。同実施形態に係る制御ＩＣのメモリ内に記憶されるデータを示す。同実施形態に係る光量、発電量及び透光率の変化を示す。太陽電池を複数接続して設けた図を示す。

次に本発明の実施形態を図１乃至図６を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
（太陽電池の説明）
図１は、本発明における太陽電池の第１の実施形態を示した概略構成図である。図１は、太陽電池１における層状構成をなす太陽電池素子の断面を示したもので、該太陽電池素子は、導電性基板１０１上に層状に形成される。該導電性基板１０１上には、金属電極層１０２と、該金属電極層１０２と接合される半導体層１０３と、該半導体層１０３と接合される透明電極層１０４と、該透明電極層１０４と接合される透光率制御層１０５とが順次層状に形成される。

また、前記導電性基板１０１上には、前記透光率制御層１０５を制御するための制御ＩＣ１０６が配設され、該制御ＩＣ１０６は、前記透明電極層に設けられた集電電極１０７と、前記金属電極層１０２とに電気的に接続されて電源を得る。

前記制御ＩＣ１０６は、前記半導体層における発電量を計測して、該発電量の変化を経時的な変化として検出するとともに、発電量の変化に応じて、該発電量の変化を打ち消す方向に透光率制御層における透光率を変化させる比較演算手段を備えるものである。

図３には、制御ＩＣ１０６のブロック構成図を示した。
制御ＩＣ１０６は、前記集電電極から電源を得る電源入力部１０６１と、該電源入力部１０６１からの電圧値、電流値の時間的な変化を計測するとともに、該電圧値、電流値の時間的な変化に応じて透光率制御層における透光率の変化量を定める比較演算部１０６３と、該比較演算部１０６３で定められた透光率の変化量に相当する電圧値を出力する電圧出力部１０６２とを備えている。

前記比較演算部１０６３は、該電源入力部から入力される電圧の時間的な変化を計測する発電量計測部１０６３１と、透光率を変化させる範囲を定める透光率変化データを記憶させたメモリ部１０６３３と、電圧の時間的な変化の大きさと透光率変化データとを比較し、電圧の時間的な変化の大きさに応じて透光率の変化量を定める比較演算部１０６３２と、時間の経過をカウントするタイマー部とを備えている。

（透光率制御層の説明）
前記透光率制御層１０５は、前記半導体層１０３に照射される光の透光率の大小を制御するもので、これにより前記半導体層１０３への太陽光の照射量の大小が制御される。本実施例では、電圧を印加することにより分子の配向を変化させる液晶を用いて構成している。
図２に、前記透光率制御層１０５の概略構成図を示した。

図２は、透光率制御層１０５の断面を示したもので、該透光率制御層１０５は、前記透明電極層１０４上に層状に形成される。透光率制御層１０５は、前記透明電極層１０４に接合される偏光板１０５１と、該偏光板１０５１に接合される透明電極層１０５２と、該透明電極層１０５２と接合され２つの配向層１０５３、１０５４に挟まれる液晶層１０５５と該液晶層１０５５に接合される透明電極層１０５６と、該透明電極層１０５６に接合される偏光板１０５７とにより層状に形成される。

前記透光率制御層１０５における透明電極１０５２、１０５６は、前記制御ＩＣ１０６と電気的に接続される。前記液晶１０５５は、制御ＩＣ１０６から電源の印加状態を制御されることにより該液晶１０５５の配向を変化させる。

（制御の説明）
次に、制御の流れについて説明を行う。
前記発電量計測部１０６３１は、電源入力部１０６１から入力される電圧値、電流値をＡ／Ｄ変換によってデジタルデータ化し、前記比較部１０６３２に出力する。

前記比較部１０６３２は、所定の時間間隔で、前記デジタルデータ化された発電量をモニタするとともに、発電量の時間変化を演算処理により求める。発電量の時間変化があった場合には、前記メモリ部１０６３３から透光率変化データを読み出し、該透光率変化データに基づいて、透光率を変化させるための印加電圧データを求める。そして、比較部１０６３２から前記印加電圧データを電源出力部１０６２に出力し、該電源出力部１０６２は、印加電圧データに基づいて、透光率制御層に印加する電圧を制御し、透光率を変化させる。

前記メモリ部１０６３３に記憶されるデータとしては、例えば、透光率の変化量、入力電圧変化量、出力電圧値を対応付けたデータテーブルを記憶しておく。これにより、前記比較部１０６３２は、入力電圧の変化量に対応する出力電圧の大きさを一義的に読み取ることができ、入力電圧値の時間的な変化に追随して速やかに透光率の制御を行うことができる。

次に、図５を用いて、前記制御ＩＣ１０６による前記透光率制御層１０５を制御した場合の光量、発電量及び透光率の変化を説明する。図５（ａ）は、光量の時間変化、図５（ｂ）は、太陽電池における発電量の変化、図５（ｃ）は、透光率の変化を示す。
いずれも横軸が時間を示し、夫々縦軸が光量、発電量、透光率を示す。

まず、光量がＡ_０からＡ_Ｂに大きく増加した場合、一般に太陽電池における発電量は光量の増加に追随して大きく増加する。本実施形態における太陽電池１においては、前記発電量計測部１０６３１においてデジタルデータ化された発電量のデータを用いて、該発電量の時間変化を演算処理により求め、メモリ部１０６３３に記憶された透光率変化データに基づき、該発電量の時間変化に応じた印加電圧データを求める。該印加電圧データに基づいて電源出力部１０６２から出力された電圧により、透光率は、光量の時間変化による発電を打ち消す方向に、τ_０からτ_Ｂに変化させられ、光量の時間変化が収まった場合には、τ_Ｂからτ_０に近づくよう所定の時間をかけて、緩和的に変化させられる。即ち、前記電源出力部１０６２からの出力電圧が所定の時間をかけて徐々に変化するように、比較部１０６３２が制御を行う。これにより、太陽電池１における発電量の変化は、光量の増加に追随してＰ_０からＰ_Ｂに向けて急激に増加する変化とはならず、Ｐ_０からＰ_Ｂに向けて、徐々に緩和的に増加する変化となる。

続いて、光量がＡ_BからＡ_Aに減少した場合、本実施形態における太陽電池１においては、先と同様に、透光率は、光量の時間変化による発電を打ち消す方向に、τ_Aからτ₀に変化させられ、光量の時間変化が収まった場合には、τ_Aからτ_０に近づくよう所定の時間をかけて緩和的に変化させられる。これにより、太陽電池１における発電量の変化は、Ｐ_BからＰ_Aに向けて、徐々に緩和的に増加する変化となる。光量がＡ_AからＡ₀に減少した場合についても同様な制御が行われる。

このように、光量の変化（ΔＡ１、ΔＡ２）に伴う発電量の変化の大きさ（ΔＰ１、ΔＰ２）は一般的な太陽電池と同じであるが、光量の変化の大きさと時間変化に応じて求めた、透光率の変化分（τ₁、τ₂）を所定の時間をかけて緩和的に変化させるため、発電量の時間変化が徐々に緩和的に変化することとなり、太陽電池１に接続されたインバータは、電圧の急激な上昇による負担を軽減することができる。

なお、例えば、τ_Ｂからτ_０に近づくよう緩和的な変化をさせる場合の所定時間の長さについては、発電量の変化の大きさ（ΔＡ１、ΔＡ２など）に基づいて、発電量が大きく変化した場合には、インバータへの負荷を軽減できるよう緩和時間を長く設定し、発電量の変化が小さな場合には、インバータの負荷も小さくなるため緩和時間を短く設定するなど、発電量の変化の大きさに比例して緩和時間の長さの長短が設定される制御が行われるよう比較演算部を構成してもよい。この場合には、メモリ部１０６３３に発電量の変化の大きさと緩和時間の長さとを対応させたデータを記憶させて、比較部１０６３２により読み出し制御するとよい。また、発電量の変化の大きさと緩和時間の長さとの変化の関係式を記憶させておき、発電量計測部１０６３１により計測した発電量の変化の大きさを該関係式に当てはめて、緩和時間の長さを求める制御を行うよう構成してもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明を行う。
第１の実施形態との違いは、演算処理により求めた発電量の時間変化の大きさをモニタし、該発電量の時間変化の大きさが、メモリ部１０６３３に記憶された閾値データを超えた場合に、透光率を変化させる制御を行う点である。

光量の変化は、経時的に随時発生するものであるが、僅かな光量の変化においても、透光率を変化させる制御を行う場合には、常に制御ＩＣの駆動電力が必要となる。このため、制御ＩＣにて検出される発電量の時間変化の大きさが、インバータに負担がかからない程度の電圧変化の大きさに相当する大きさを閾値データとして設け、該閾値データよりも発電量の時間変化の大きさのデータが小さな場合には、比較部１０６３２における透光率を変化させる制御を行わず、該閾値データよりも発電量の時間変化の大きさのデータが大きな場合には、比較部１０６３２における透光率を変化させる制御を行うよう比較演算部を構成した。

例えば、太陽電池１の発電可能電圧が１Ｖとした場合において、電圧値の時間変化の大きさが前記発電可能電圧の半分となる０．５Ｖを前記閾値データと設定し、前記メモリ部１０６３３に記憶しておく。前記比較部１０６３２が、発電量計測部１０６３１で得られた発電電圧値データと、前記閾値データとを比較し、発電電圧値データが閾値データに満たない場合には、透光率の制御を行わない。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明を行う。
第１の実施形態との違いは、発電量の変化データと透光率の変化データとを対応させた発電量−透光率対応データを予め前記メモリ部に記憶し、前記比較演算部１０６３は、計測した発電量の変化に応じた透光率の変化データをメモリ部から読み出して、発電量の変化に応じて変化させる透光率の大きさを演算し、変化させる制御を行う点である。

図４に、発電量−透光率対応データの例を示した。このデータは、太陽電池１における半導体層に適した、発電量の時間変化の大きさに対する、透光率の変化の大きさ、並びに透光率制御層に印加する印加電圧の大きさを対応させたデータである。太陽電池に用いる半導体層は、用いる半導体の種類に応じて、光量に対する発電量の大きさが異なる。このため、太陽電池を構成する半導体に適した発電量の時間変化に対する透光率の変化量、該透光率の変化量に対応する印加電圧の大きさを夫々対応させたデータを前記メモリ部１０６３３に記憶させておき、前記比較部１０６３２における比較演算処理の時に、該発電量−透光率対応データを読み出して、発電量の時間変化に応じて変化させる透光率の大きさを演算し、発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させる。

これにより、太陽電池に使用される半導体層の発電特性に応じて適切に透光率を変化させる制御を行うことができる。

（制御対象となる太陽電池の種類について）
また、太陽電池に用いる半導体として、結晶系となる単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファス系となるアモルファスシリコンに代表されるＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＣｕＩｎＳｅ２等、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族などの化合物半導体、フタロシアニンなどの有機半導体を用いた太陽電池、また、湿式太陽電池に代表される色素増感太陽電池においても、本願における透光率制御層を設けて経時的に透光率を制御し、これら半導体等に照射される太陽光の大小を制御することにより、出力を制御することが可能である。この他、太陽光や照明などの光が照射されることにより発電が行われる電池であれば、太陽光や照明などの照射量を調整することにより制御が可能である。

（他の例）
また、太陽電池１を複数用いてモジュール化する場合には、太陽電池１を直列接続したり、並列接続して用いるとよい。図６（ａ）には、前記導電性基板１０１上に太陽電池１を複数形成した例を示している。それぞれの太陽電池は、前記導電性基板１０１上に形成された電極１０８にて接続されており、また、制御ＩＣ１０６はそれぞれの太陽電池に設けられている。モジュール同士を接続する場合には電極１０８を順次接続するとよい。

前記導電性基板１０１上に設けた制御ＩＣ１０６について、該制御ＩＣと電極との電気的接続を微小ワイヤで接続してもよいし、導電性基板上にパターン配線を設けて接続してもよい。

また、図６（ｂ）には、太陽電池１を複数形成し、これら太陽電池を１つの制御ＩＣにて制御する例を示している。この場合、制御ＩＣへの電源供給は一つの太陽電池から行ってもよいし、複数の太陽電池から行ってもよい。また、配線の効率化を図るため、制御ＩＣ１０６を基板の中ほどに設けている。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、第一の実施形態において、透光率制御層１０５には液晶を用いた例を示した。この液晶は、電圧の印加とともに、分子の配向が変化するものとして説明を行ったが、制御ＩＣにおける制御電力を減少させ、省電力化を図るため、例えば、電圧の印加を断っても液晶の配向状態が維持されるメモリ効果を有した強誘電性液晶を用いて構成してもよい。これにより、常に電圧を印加しておく必要がなくなる。透光率を変化させる場合には、短時間の電圧印加を行い、徐々に透光率を変化させていくことが可能である。

また、複数の太陽電池を制御する場合において、制御する太陽電池と制御しない太陽電池を設けて、制御しない太陽電池は前記制御ＩＣ１０６の電源として用いるよう構成してもよい。

さらに、図６（ｃ）に示したように、制御ＩＣの回路パターンを、予め太陽電池に用いる半導体層に隣接させて作成し、太陽電池と一体化して制御ＩＣを設けてもよい。この場合は、制御ＩＣ用の電源接続のための配線を不要とでき、また、太陽電池と制御ＩＣを個別生産する場合と比較して生産の効率化が図れる。

また、他の制御の例を示す。光量の時間的な変化量が一定量以上生じ、大きな発電量の変化が予測される場合には、次のように透光率を時間的に変化させる制御を行う。

例えば、発電量計測部１０６３１により計測した入力電圧の時間的な変化量が、発電可能電圧に近い場合、即ち、出力電力がゼロ近くから、一気に最高出力まで変化するような場合には、第１の実施形態のように透光率をτ_０からτ_Ｂに変化させる一方、その後の透光率をτ_Ｂから大きくしていく場合に、τ_０よりも透光率が低いτ_０´に近づくよう所定の緩和的な変化をさせる。τ_０よりも透光率が低いτ_０´である状態を所定時間維持させる制御を行い、発電量の時間変化が収まっても、しばらくは、透光率がτ_０よりも低い状態を維持させ、発電量の急激な上昇を抑制する。

発電量が減少してきたことが検出された場合には、透光率をτ_０に戻すよう制御を行う。このような制御を行うことにより、発電量の増加が非常に大きな場合には、発電量そのものが減少するように、透光率を小さく維持させることで、インバータへの負担を低減させる。

１太陽電池
１０１導電性基板
１０２金属電極層
１０３半導体層
１０４透明電極層
１０５透光率制御層
１０５１偏光板
１０５２透明電極
１０５３透明電極
１０５４配向層
１０５５配向層
１０５６液晶
１０５７偏光板
１０６制御ＩＣ
１０６１電源入力部
１０６２電源出力部
１０６３比較演算部
１０６３１発電量計測部
１０６３２比較部
１０６３３メモリ部
１０７集電電極

Claims

金属電極層と、該金属電極層と接合される半導体層と、該半導体層と接合される透明電極層と、該透明電極層と接合される透光率制御層とが順次形成されて、導電性基板に配設されるとともに、
前記透明電極層に設けられた集電電極と、前記金属電極とに電気的に接続された前記透光率制御層制御ＩＣが前記導電性基板に配設されて、
前記制御ＩＣは、前記半導体層における発電量計測手段と、
計測した発電量の変化に応じて該発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させる比較演算手段を備え、発電量の変化の大きさを定めた閾値データを前記比較演算手段におけるメモリ部に記憶し、該閾値データと前記発電量計測手段により計測された発電量の変化データとを比較し、該発電量の変化データが閾値データを越えた場合に、透光率を変化させることを特徴とする出力緩和機能を備えた太陽電池。
更に、発電量の変化量データと透光率の変化量データとを対応させた発電量−透光率対応データを予め前記比較演算手段におけるメモリ部に記憶し、
前記比較演算手段は、計測した発電量の変化量に応じた透光率の変化量データをメモリ部から読み出して、
発電量の変化に応じて変化させる透光率の大きさを演算し、
発電量の変化を打ち消す方向に透光率を変化させることを特徴とする請求項１記載の太陽電池。