JP5640968B2

JP5640968B2 - 発電セルシステム回路及びこれを用いた発電システム

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Publication number: JP5640968B2
Application number: JP2011283108A
Authority: JP
Inventors: 平野　芳生; 芳生平野
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP2013135030A

Description

本発明は、太陽光などの光を電力に変換する太陽電池をはじめ、燃料電池や熱電変換素子等の発電セルを用いた発電セルシステム回路、及び、この発電セルシステム回路を複数接続した発電アレイを備えるようにした発電システムに関するものである。

低炭素社会へ向けて、省エネルギー技術、負荷平準化技術への要求が増すと共に、オンサイトでクリーンエネルギーを生成することができる発電システムへの関心が高まっている。

これらのシステムのなかで、例えば太陽電池を用いる場合、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳなどの発電を行う太陽電池から成るセル（太陽電池セル）と呼ばれる単位と、それら複数個の太陽電池セルを配線により直並列接続して一つの単位として構成するモジュール（パネル）、さらに複数個のモジュールをケーブルにより直並列してアレイと呼ばれるモジュールの集合体を構成して、システムで必要とする電圧、電流を出力するように設計されている。一般住居に設置する場合は、モジュール単位で屋根の上に設置し配線して接続箱と呼ばれるターミナルに各モジュールを通電するケーブルを結線して集約し、その接続箱の後段に電力制御変換機であるパワーコンディショナーを配置して、電圧の直流、交流変換や系統への連係を行い、安定した電力として利用される。

通常は屋根など、一般には簡単に近付くことができない場所に設置されることが多いため、モジュールの表面に付いた落葉やゴミなどの飛来物などを取り除くことは容易ではない。しかしながらこれらの飛来物は太陽光発電する際の各太陽電池セルの発電効率を著しく阻害する要因となるばかりか、飛来物が付着した部位の太陽電池セルは発電量が激減し、太陽電池セル間で構成する電気回路の中では等価的に電気抵抗体となることが知られている。

太陽電池セル単位では０．６〜数Ｖ（ボルト）の発電電圧しかなく、所望の電圧を得るために数十〜数百枚の太陽電池セルを直列接続してモジュールを構成するのが一般的であるが、ごみが付着した太陽電池セルの部分は電気抵抗値が高まって、ジュール熱が発生する。この部分はホットスポットなどと呼ばれており、放置しておけば太陽電池セルの性能劣化や配線接続した半田の溶解による接続不良、周辺部材の劣化を生じ、場合により隣接する太陽電池セルへも熱の影響が及び、被害を広げていた。このような問題を避けるために、個々の太陽電池セル、あるいは複数個の太陽電池セルを直列接続した列にバイパスダイオードを並列接続し、ごみの付着等による不具合で太陽電池セルの通電時の電気抵抗が高まり、バイパスダイオードの閾値電圧を超えると、電流はバイパス回路を迂回して流れる。これにより高抵抗太陽電池セルに流れ込む電流が少なくなるために発熱を抑制することができる。バイパスダイオードとしては一般にシリコンダイオードが用いられ、ｐｎ接合型ダイオードやショットキーバリアダイオードが用いられている。最近では閾値電圧が低く通電時のロスが少ないショットキーバリアダイオードが用いられるケースが増えつつある。ダイオードはモジュール単位でモジュール裏面の端子箱に集中配置されることが多い（非特許文献１参照）。

これらバイパスダイオードに電流が迂回しても、ダイオード自体の電気抵抗が存在するため、取扱いには十分注意する必要がある。一般に直流回路においてはダイオードの順方向通電時の電圧降下と通電電流値を乗じた値が電力損失となる。

これらバイパスダイオードが許容範囲以上に発熱する状況や熱により端子箱内の端子や半田などの部材へ影響を及ぼす場合もあった。これらを防止するため、従来技術として特許文献１にはバイパスダイオードに並列に接続された感熱式開閉機を接続し、ダイオードの発生する熱を検知してダイオード両端を短絡する方法が報告されている。また特許文献２には複数のバイパスダイオードを並列して各ダイオードの特性バラツキを抑制し、かつそれらダイオードを樹脂封印してダイオードの発熱問題を解決する方法が開示されている。

特開２００５−１７５３７０号公報特開平１１−２９８０２２号公報

「太陽光発電システムの設計と施工」オーム社、平成８年７月２５日第１版

個々の太陽電池セル単位、あるいは数十個の太陽電池セル単位でバイパスダイオードを設ける方法においては、モジュール（パネル）の表面の一部が汚れた場合の太陽電池セルの電力損失による発熱防止には効果的であるが、更に大きな規模の太陽電池セルの発電不良が発生した場合には端子箱内で隣接する各バイパスダイオードが発熱して、端子箱内の部材に影響を与える。またさらに大規模にモジュール全体を覆うような影ができた場合は、アレイ間で見て、そのモジュールに関わるバイパスダイオードの多くが発熱するような場合も生じる。具体的にはモジュールに隣接する庭木の成長や季節の木々の茂り、新設された建屋の影、季節による太陽光入射経路の変動などである。

バイパスダイオードの発熱を防止するために、従来技術として個々のバイパスダイオードを並列化して、個々に流れる電流値を抑制する方法があるが大量のバイパスダイオードが必要となり不経済であった。またダイオードの発熱を検知してバイパスダイオードの両端を短絡する方法が提案されているが、主として野外で使われる状況下で検知回路や開閉機器の故障による信頼性低下、または多くの部品を必要とし不経済であった。

本発明は、上記課題を鑑みて、特殊で部品点数の多い複雑な回路構成を必要とせず、簡便な回路構成でバイパスダイオードの発熱を抑制し、信頼性の高い発電システムが得られるようにすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を要旨とする。
（1）１又は２以上の発電セルからなる発電セル体と、この発電セル体に並列接続されて発電セル体への通電を迂回させることができる第１バイパスダイオードとを有した発電回路部を複数備えて、発電回路部における第１バイパスダイオードの２以上が直列接続した第１ダイオード列に対して、１又は２以上の第２バイパスダイオードを有した電流バイパス回路が並列接続された発電セルシステム回路であって、
第２バイパスダイオードが、ワイドバンドギャップ半導体材料からなるバイポーラダイオードであり、第１バイパスダイオード単体での順方向電圧降下をＶ_fとしたとき、電流バイパス回路が整流作用で通電する際の閾値電圧Ｖ_thは、下記関係式（１）を満たすことを特徴とする発電セルシステム回路。
Ｖ_f×ｎ＞Ｖ_th＞Ｖ_f （１）
（ただし、ｎは第１ダイオード列を形成する第１バイパスダイオードの個数を示し、ｎ≧２である。）
（2）第１バイパスダイオードが、シリコンダイオードからなることを特徴とする(1)記載の発電セルシステム回路。
（3）（1）又は（2）に記載の発電セルシステム回路の２以上を直列接続させた発電アレイを含むことを特徴とする発電システム。

本発明によれば、複数の発電セルにゴミ等が付着したり、あるいはモジュール全体が汚れたり、反射光も少ない日陰に隠れたような状況で、かつ他の発電セルやモジュールには日が当たり発電を行っている場合に、発電しなくなった発電セルに接続された第１バイパスダイオードが複数同時に導通（ＯＮ）して、その導通損失による発熱の影響で不具合が生じるのを回避すべく、第２バイパスダイオードをＯＮして更なる迂回路を形成することにより、第１バイパスダイオードの発熱を緩和・防止でき、システムの安全性を確保できる。またダイオードという受動部品だけで構成できるため、制御は全く不要で信頼性は高い。

本発明第１の参考例に係わる図。本発明第１の参考例のモジュール外観に係わる図。本発明第１の参考例のシステム全体を説明するための図。本発明第１の参考例の動作を説明するための図。従来技術の構成を説明するための図。本発明第１の参考例の動作を説明するための電流電圧グラフ図。本発明第２の参考例に係わる図。本発明第２の参考例のシステム全体を説明するための図。本発明第２の参考例の動作を説明するための図。本発明第３の実施形態に関わる図。本発明第４の実施形態に関わる図。本発明第５の実施形態に関わる図。本発明第５の実施形態に関わる図。本発明第５の動作を説明するための図。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、１又は２以上の発電セルからなる発電セル体と、この発電セル体に並列接続されて発電セル体への通電を迂回させることができる第１バイパスダイオードとを有した発電回路部を複数備えて、発電回路部における第１バイパスダイオードの２以上が直列接続した第１ダイオード列に対して、１又は２以上の第２バイパスダイオードを有した電流バイパス回路が並列接続された発電セルシステム回路に関する。例えば、発電セルが太陽電池の場合であって、その一部にゴミ等が付着したり、日陰に隠れてしまうような発電セル体の部分的なトラブルなど、小規模な発電障害で電流バイパス回路を形成する第２バイパスダイオードをＯＮさせると、第２バイパスダイオードの並列接続に関わる太陽電池セル全てが短絡されてしまうため、発電可能な太陽電池セルを無駄にする。このような状況では、第２バイパスダイオードをＯＮする必要はなく、第１バイパスダイオードだけで迂回路を形成すればよい。なお、以下では発電セルを太陽電池に見立てて説明するが、燃料電池や熱電変換素子等の場合についても本発明を適用することができる。すなわち、内部抵抗が増加したり開放状態となるような故障モードを有した発電セルでは、本発明における第１バイパスダイオードと第２バイパスダイオードとを備えた発電セルシステム回路を形成することで、バイパスダイオードの発熱を抑制しながら、信頼性の高い発電システムが得られるようになる。

そのため本発明では、１又は２以上の第２バイパスダイオードを有した電流バイパス回路をＯＮさせる閾値電圧を、並列接続する対象の第１ダイオード列を構成する個々の第１バイパスダイオードの順方向閾値電圧とその合計に応じて決定する。具体的には、想定するシステム発電電流値Ｉstにおいて、例えば、第１バイパスダイオード１個の順方向電圧降下がＶ_fであり、かつ第１バイパスダイオードをｎ個直列接続した第ダイオード列の両端に１又は２以上の第２バイパスダイオードからなる電流バイパス回路を並列接続した場合、電流バイパス回路が整流作用で通電するときの閾値電圧Ｖ_thは以下の関係で設計される。
Ｖ_f×ｎ＞Ｖ_th＞Ｖ_f （式１）

（式１）から明らかなように１個の第１バイパスダイオードがＯＮして順方向の電圧降下が生じても電流バイパス回路の両端電圧は閾値電圧以下のため、電流バイパス回路を形成する第２バイパスダイオードはＯＮしない。第２バイパスダイオードを接続したｎ個の第１バイパスダイオードが全てＯＮするような状況下では、電流バイパス回路の閾値電圧を第１ダイオード列の順方向電圧が超えるため、電流バイパス回路を形成する第２バイパスダイオードはＯＮして、さらなる迂回路を形成することを（式１）は意味している。なお、電流バイパス回路が迂回路を形成するといっても全ての電流が電流バイパス回路に流れずに、一部が第１ダイオード列に流れるような場合も含まれる。

電流バイパス回路は、保護したい第１バイパスダイオードの配置や性能により取り付け位置を決める。具体的には数枚〜数十枚の太陽電池セルの保護の場合は、それらに関わる第１バイパスダイードの直列回路（第１ダイオード列）を挟んで第２バイパスダイオードを並列接続してもよい。モジュール（パネル）１枚単位や、あるいはアレイの一部分にあたる第１バイパスダイオードを束ねた第１ダイオード列に対して、並列に接続して、その集団をまとめて保護してもよい。すなわち、電流バイパス回路が保護する発電回路部の数は任意に選択することができ、例えば、モジュール単位の第１ダイオード列に対して電流バイパス回路を接続したり、複数のモジュールの第１ダイオード列をまとめて管理するようにして電流バイパス回路を接続してもよい。なお、複数のモジュールをまとめて管理する場合、モジュール単位での第１ダイオード列の合計閾値電圧（各モジュールの第１ダイオード列がｍ個の第１バイパスダイオードからなる場合はＶ_f×ｍ）を超えた場合に電流バイパス回路が整流作用で通電するようにしてもよい。

電流バイパス回路を形成する第２バイパスダイオードは上記（式１）の関係から、複数の第１バイパスダイオードが直列接続した第１ダイオード列を保護し、適切な値でＯＮするために閾値電圧をある程度高める必要があるが、例えばシリコンダイオードは閾値電圧が通常、０．２〜１．０Ｖ程度であるため、その場合には第２バイパスダイオードを複数個直列接続して電流バイパス回路の閾値電圧が所望の電圧となるように構成する必要がある。具体的には複数のダイオードを直列化して構成した第２バイパスダイオードの列の閾値電圧は、個々のダイオードの閾値電圧を加算して求めることができる。

第２バイパスダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたＰＮ接合型ダイオードを適用することが好ましい。炭化ケイ素や、ＧａＮなどからなるワイドバンドギャップ半導体でｐｎ型ダイオードを作製した場合は、閾値電圧が約２．５〜３．０Ｖ程度になることが知られているため、電流バイパス回路を形成する第２バイパスダイオードとして用いれば、シリコンダイオードよりも少ない個数で直列回路を構成できる利点がある。さらにワイドバンドギャップ半導体は５００℃の高温でも動作するなど、優れた半導体特性を持つため発熱の影響を受けにくく、信頼性の高い回路を形成できる。

以下、図面を用いながら本発明をより具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の参考例を説明するための構成図である。
１は太陽電池セルであり、それぞれ約１５０ｍｍ角の多結晶シリコンから形成されて、太陽光発電時の定格出力動作電圧は約０．６Ｖ／枚であり、定格電流値は約８．０Ａである。２は第１バイパスダイオードであってシリコンのショットキーバリアダイオードからなり、通電電流が８Ａにおける順方向電圧（ダイオード両端間の電位差）が０．４Ｖである。この図１の例ではひとつの太陽電池セル１が発電セル体を構成しており、個々の太陽電池セルには各１個の第１バイパスダイオードが並列接続されて、それぞれ発電回路部を形成している。３は第２バイパスダイオードであって閾値電圧（Ｖ_th）が１．０ＶのシリコンのＰＮ型接合ダイオード（バイポーラダイオード）からなり、第１バイパスダイオードを４個直列接続した第１ダイオード列に対して並列に１個接続されて電流バイパス回路を形成している。

５は太陽電池セル１、第１バイパスダイオード２、第２バイパスダイオード３をそれぞれ含む回路群（発電セルシステム回路）を示しており、５の前後の回路群４および、回路群６も図中では省略しているが、回路群５と同じ回路構成になっている。各太陽電池セル１が太陽光発電を実施している場合は、発電電流は端子７および各太陽電池セルを通り、端子１０へ流れる。

これらの回路構成からなる太陽電池パネルの外観図を、図１−１に示す。太陽電池セル３×４のマトリックスで１枚のモジュールＭ１を形成している。太陽光による発電時には電流は点線１１の経路で流れる。なお、モジュールを形成する際には、保護基板や耐候性フィルム等に太陽電池セルを挟持させてパネルにしたり、樹脂モールドにより一体化するなど、公知の方法を採用することができる。

図２はモジュールＭ１を含めた発電システム全体を示した図であり、発電電力は端子７、１０を通じで配線を集約した接続箱１２を経由して、直流電圧を交流電圧に変換するパワーコンディショナー１３へ接続されている。なお、図１に記載した第１バイパスダイオード、及び第２バイパスダイオードは、モジュール裏面に設置した端子箱に集約配置されている。

図１の各第１バイパスダイードの動作について、図３を用いて詳細に説明する。図３の（Ｂ）は図１に示したなかの回路群５を示しており、すべての太陽電池セルが太陽光を受けて８Ａの定格電流の発電を行っている状況では、発電電流は経路11-Bを通り流れる。図（B'）はモジュールパネルの太陽光が当たる表面状態を示している。この場合は太陽光を遮断する影となる障害は何もないため、第１バイパスダイオードの回路へ電流が迂回することなく、太陽電池セルに流れている。

図３の（Ｃ）は、図３の（Ｂ）の状態に対して、意図的に一枚の太陽電池セル1C-1を黒布で覆った場合を示している。この場合、太陽電池セル1C-1は発電に寄与せず回路上、単なる抵抗体となるため、電流は２Cの第１バイパスダイオードを迂回して流れる。その際、第２バイパスダイオードの両端に生じる電位差は、８Ａ時の第１バイパスダイオードの順方向電圧に相当する電圧０．４Ｖに配線の抵抗による若干の電圧降下を加えた値となるため、閾値電圧１．０Ｖ以上の電位差に達せず、導通しない。

図３の（Ｄ）は回路群５の太陽電池セル１列全部に黒布を張り付けた場合を示す。この状態では回路群４、６は定格で動作しているのに対して、回路群５の太陽電池セル集団1D-Aは全体のシステムの中で全て電気抵抗体となる。図４は、図３の（Ｄ）の状態で第２バイパスダイオードが存在しない場合を示した従来の技術を表す。第４図中の11Eに示したように、第１バイパスダイオード2E-A全てがＯＮして電流は迂回することになる。この状態が続くと、第１バイパスダイオードはダイオードの電力損失により発熱する。

しかしながら本発明の図３の（Ｄ）の回路であれば、定格電流８Ａにおいては、直列に接続した第１バイパスダイドードの順方向電圧の合計が第２バイパスダイオードの閾値１．０Ｖを超えるために、第２バイパスダイオードも同時にＯＮして電流が転流するようになる。この場合、第１バイパスダイオードの電流は減少し電力損失は低減し発熱量も減少する。

以上の動作を今度は図５のグラフ上であらためて説明する。図５はダイオードの室温時の電流電圧特性（IV特性）を示した図である。図中のIV-1は第１バイパスダイオードのショットキーバリアダイオード単体のＩＶ特性、IV-2は第１バイパスダイオードの４個直列した場合のＩＶ特性、IV-3は第２バイパスダイオードであるＰＮ型ダイオード単体のＩＶ特性である。

図３の（Ｃ）の状態における定格動作電流８Ａにおいては、第２バイパスダイオード3Cの両端の電位差はIV-1から読み取れる第１バイパスダイード１個の順方電圧である０．４Ｖと、配線の導通抵抗による若干の電圧降下となるが、IV-3から読み取れる第２バイパスダイオードの閾値電圧である１．０Ｖは超えない。このため第２バイパスダイオードは導通しなかった。

図３の（Ｄ）にあたる状況では、４個の第１バイパスダイオードの８Ａ時の順方向電圧はIV-2から読み取れるようにおよそ１．６Ｖである。この電圧に達する以前に第２バイパスダイオードの両端間の閾値電圧１．０Ｖを超えるため、第２バイパスダイオードはＯＮする。この結果、電流は第１バイパスダイオードと第２バイパスダイオードを並行して流れるようになる。これにより第１バイパスダイオードの電流は減少して発熱等は抑制可能となった。第２バイパスダイオードも発熱するが、バイポーラ型であるため少数キャリア注入による伝導変調が発生し、図５のIV-3のようにＯＮ後の電流は急速に立ち上がるので、結果的に第２バイパスダイオードを接続しない第１バイパスダイオード４列の順方向電圧の電位差よりも小さくて済む。具体的な並列時のバイパス回路全体の順方向の電位差は原理的には、2D-Aと3Dの合成により求めることとなるが、半導体の電流電圧特性（IV特性）には温度依存性があり、単純な計算で厳密に求めることは難しい。このため具体的な設計の方法としては、前記（式１）でダイオードを選択し、実装して回路上でダイオードの動作を見ながら動作点を確認いくことが現実的な設計方法である。

図３の構成による実験時のバイパスダイオード回路全体（第１ダイオード列）の電力損失は端子間の電圧と電流測定から求めることができ、図３の（Ｃ）の状態３．６Ｗ、（Ｄ）の状態で１０．４Ｗであった。従来の技術にあたる図４では１２Ｗであった。

以上の参考例のように、太陽電池セルの個々に部分的に生じた障害に対しては第１バイパスダイオードを動作させ、太陽電池セルを迂回させることにより太陽電池セルが破壊しないように保護する。複数の第１バイパスダイオードに関わる、広範囲な光遮断障害に対しては第２バイパスダイオードを接続し、新たな迂回路を形成することで、系全体の電力ロスを低減でき、かつ第１バイパスダイオードの熱的な負担を軽減することで、回路の故障発生を未然に防ぐことができる。

図６は本発明の第２の参考例である。太陽電池セル1Fは図１と同じ約１５０ｍｍ角の多結晶シリコンから形成され、発電時定格動作電圧は０．６Ｖ／枚であり、定格電流値は約８．０Ａのものである。2F-1は第１バイパスダイオードで太陽電池セル１６個からなる発電セル体に対して１個の第１バイパスダイオードを並列接続して発電回路部4Fを構成している。2F-2、2F-3の第１バイパスダイオードに関わる構成も発電回路部4Fと全く同じで、それぞれ発電回路部5F、発電回路部6Fを構成している。太陽光発電時には、電流は端子14から、それぞれの太陽電池セルを流れて、17端子からその先の負荷へと繋がる。本参考例で用いられている第１、第２バイパスダイオードはすべて同じ種類のシリコンのＰＮ型接続のバイポーラダイオードであり、基本特性として閾値電圧は１．０Ｖ、電流８Ａ通電時の個々の順方向電圧は、１．２Ｖである。

以上の構成における第２バイパスダイオードは発電回路部4F，5F及び6Fの第１バイパスダイオードが直列接続した第１ダイオード列に対して並列接続されて電流バイパス回路を形成しており、この電流バイパス回路の閾値電圧は前記（式１）に準じるために、第１バイパスダイオードの個々の８Ａの電流通電時の順方向電圧１．２Ｖより大きく、かつその順方向電圧の３倍の３．６Ｖ未満でなければならない。この条件を満たすために、第２バイパスダイオードは閾値電圧１．０Ｖのダイオード3F-1及び3F-2を２個直列接続してある。これにより直列化された第２バイパスダイオードの閾値は２．０Ｖとなるため、前記（式１）を満足する。

図６の（Ｆ'）は上述した図６（Ｆ）の回路をモジュール化した外観図であり、系全体での太陽電池セルの総数は４８枚の直列接続にて１枚のモジュールＭ２を形成している。加えて本モジュールと同構成の３枚のモジュールを用意し、図７に示したようにモジュールＭ２，Ｍ３，Ｍ４を３枚直列接続したシステムを構成した。１８は接続箱であり、１９はパワーコンディショナーである。

以上のシステムで本発明の有効性を確認するため、図８の（Ｆ'）ようにモジュールＭ２のうち、発電回路部６Ｆ，５Ｆと発電回路部４Ｆのなかの８枚の太陽電池セルに相当する部分とを黒布で覆い（図中灰色部）、システム全体として８Ａ定格電流の太陽光発電を行った。モジュールＭ３、モジュールＭ４には太陽光を遮断するものは何もない。この結果、図６の状態のように黒布を覆う前には、第１、第２バイパスダイオードそれぞれには電流が流れていなかったが、図８の（Ｆ'）のように一部の太陽電池セルを黒布で覆うと、第１バイパスダイオード、第２バイパスダイオードがそれぞれＯＮしで、太陽電池セルに流れていた電流が転流を開始した。この状態で、個々のバイパスダイオードの温度を測定したが、第１バイパスダイオードが約３０℃、第２バイパスダイオードが８０℃であった。温度の違いは第２バイパスダイオードに電流の大半が転流したためと考えられる。このような場合を想定して、第１バイパスダイオードと第２バイパスダイオードとは熱的に隔離された場所に設置する方が、信頼性の観点から好ましい。本参考例ではモジュールの背面に端子箱を２個設けて、第１バイパスダイオード、第２バイパスダイードをそれぞれ格納した。

図９は第３の実施例を示す構成図である。図中の太陽電池セル、第１バイパスダイオードの配置は第２参考例と同じ構成であるが、第２バイパスダイオードをＳｉＣのＰＮ型ダイオード3F-Sに変更した。ＳｉＣはシリコンＰＮ型ダイオードに比較して閾値電圧が高く、本実施例では２．５Ｖのものを用いた。第２バイパスダイオードを変えた点以外の条件は第２参考例と全く同じ条件として、図８の（Ｆ'）のように黒布を太陽電池セル上に配置して、動作確認を実施した。この結果、第１バイパスダイオード、第２バイパスダイオードがそれぞれＯＮして、太陽電池セルに流れていた電流の転流を開始した。この状態で、個々のバイパスダイオードの温度を測定したが、第１バイパスダイオードが平均して約５０℃、第２バイパスダイオードが５０℃であった。第２の参考例と異なり、ほぼ同じ温度となった。これはＳｉＣダイオードが第２バイパスダイオードとして閾値電圧が第２参考例の２．０Ｖより２．５Ｖと高いため電圧に対する電流の立ち上がりが遅くなり、電流は第１バイパスダイオード、第２バイパスダイオード双方に流れたためと考えられる。

図１０は第４の実施例を示す構成図である。図中の太陽電池セル、第２バイパスダイオードの配置は第３実施例と同じであるが、第１バイパスダイオードそれぞれに2F-1'，2F-2'，2F-3'の同じ種類のダイオードを並列接続した。本実施例のように第１バイパスダイオードを並列化しても第１ダイオード列としての端子14-17間の８Ａ通電時の順方向電圧特性はほぼ同じであるので、第２参考例同様に動作させることができる。実際に図８（Ｆ'）のようにして黒布で覆い、個々のダイオードの温度を測定した。その結果、第１バイパスダイオードが平均して約３０℃、第２バイパスダイオードが５０℃であった。第１バイパスダイオードの温度が低下したのは並列化により通電電流が半減したのが原因と考えられる。

図１１は第５の実施例を説明するための構成図である。
８枚のモジュールＭ５−１〜８が直列接続されており、発電時には端子２０から端子２１に向かって電流が流れるように構成してある。個々のモジュールの回路を図１２に示した。以下で説明する第２バイパスダイオードの配置を除いて、第２参考例の図６の（Ｆ'）に示したものと同じである。

本実施例ではＳｉＣダイオードからなる第２バイパスダイオード3F-S-1、3F-S-2を直列化し、モジュール２枚を挟んで、並列接続した。このような組み合わせに基づき、第２バイパスダイオード3F-S-4〜8を用いて同様な配置とした。すなわち、本実施例は２つのモジュールに含まれる第１ダイオード列をまとめて管理するものであり、モジュール１枚には図１２で示したように第１バイパスダイオード３個が接続されているため、前記（式１）に第２バイパスダイオードを準拠して設計するには、モジュール１枚分の計３個の第１バイパスダイオードの定格電流８Ａにおける順方向電圧３．６Ｖ（＝1.2V×3個）より大きく、かつモジュール２枚分に相当する計６個の第１バイパスダイオードの定格電流８Ａにおける順方向電圧７．２Ｖ（＝1.2V×6個）未満の閾値を持った第２ダイオードを設置する必要がある。このため閾値電圧２．５ＶのＳｉＣのＰＮ型ダイオードを２個直列化し（モジュールM5-1，M5-2に対して3F-S-1及び3F-S-2を直列接続したように）、それぞれ閾値電圧５Ｖ（＝2.5V×2個）の電流バイパス回路を形成した。

本実施例の動作を確認するため、図１３に示したようにモジュールＭ５−３、及びＭ５−４のモジュールの表面すべてを黒布で覆い、他のモジュールは定格発電可能な環境にて試験を実施した。この結果、モジュールＭ５−３、及びＭ５−４に並列接続していた３Ｆ−Ｓ−１、及び３Ｆ−Ｓ−２の第２バイパスダイオードがＯＮして、電流が転流していることが確認できた。モジュールＭ５−３、及びＭ５−４に関わる第１バイパスダイオードの個々の平均温度は３０℃程度であった。本状態で第２バイパスダイオードの効果を知るため、３Ｆ−Ｓ−１及び３Ｆ−Ｓ−２を外して、第１バイパスダイオードの温度を測定したところ、平均して８０℃となり、第２バイパスダイオードに大半の電流が転流していたことが確認できた。

以上の実施例では多結晶シリコンの太陽電池セルを用いて実施したが、本発明では、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＣＩＧＳなど、太陽光が遮断された際に等価的に電気抵抗体とみなすことができる太陽光発電素子に適用可能である。また、実施例で示したように、本発明を用いることにより、表面にごみが付着した個々の太陽電池セルを保護する比較的小規模な構成から、ビル陰による各モジュールへの日当たりの変化で複数のモジュール単体がシステムにおいて電気抵抗体となった場合にも適用が可能で、安全性が高く信頼性の高い太陽光発電システムを提供することができる。更には、太陽電池セル以外の発電セルについても本発明を適用することができ、例えば、燃料電池、熱電変換素子等の発電セルの場合にも同様の効果を得ることができる。

１，1C-1，1F 太陽電池セル
２第１バイパスダイオード
３第２バイパスダイオード
４，５，６回路群
７，８，９，１０，１４，１５，１６，１７接続端子
１１，11D，11F，11F' 電流経路
１２，１８，２０接続箱
１３，１９パワーコンディショナー
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，M5-1〜8 モジュール
2B-A，2D-A，2E-A 第１ダイオード列
3B，3C，3D，3F-1，3F-2，3F-S，3F-S-1〜8 第２バイパスダイオード
2C，2F-1、2F-2、2F-3 第１バイパスダイオード
11C 電流経路
1D-A，1E-A，1F-A 太陽電池セル集団
IV-1 ショットキーバリヤダイオードの電流電圧特性
IV-2 ＰＮ接合型ダイオードの電流電圧特性
IV-3 直列化したショットキーバリヤダイオードの電流電圧特性

Claims

１又は２以上の発電セルからなる発電セル体と、この発電セル体に並列接続されて発電セル体への通電を迂回させることができる第１バイパスダイオードとを有した発電回路部を複数備えて、発電回路部における第１バイパスダイオードの２以上が直列接続した第１ダイオード列に対して、１又は２以上の第２バイパスダイオードを有した電流バイパス回路が並列接続された発電セルシステム回路であって、
第２バイパスダイオードが、ワイドバンドギャップ半導体材料からなるバイポーラダイオードであり、第１バイパスダイオード単体での順方向電圧降下をＶ_fとしたとき、電流バイパス回路が整流作用で通電する際の閾値電圧Ｖ_thは、下記関係式（１）を満たすことを特徴とする発電セルシステム回路。
Ｖ_f×ｎ＞Ｖ_th＞Ｖ_f （１）
（ただし、ｎは第１ダイオード列を形成する第１バイパスダイオードの個数を示し、ｎ≧２である。）
第１バイパスダイオードが、シリコンダイオードからなることを特徴とする請求項１記載の発電セルシステム回路。
請求項１又は２に記載の発電セルシステム回路の２以上を直列接続させた発電アレイを含むことを特徴とする発電システム。