JP6478171B2 - 太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュール - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池電力最適化装置、特に個々の太陽光ストリングに基づいて最大電力点追従（ＭＰＰＴ：ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ）を実行でき、フェールセーフなバイパス機能を提供できる太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールに関する。

太陽光パネルの電力伝送効率は、日射量によって左右され、また、負荷下での電気特性にも関係する。太陽光パネルに対する日射量が変動すると、最大電力伝送効率を提供する負荷曲線も変化する。負荷を、最大電力伝送効率に関連付けられる負荷曲線に応じて調整できれば、太陽光エネルギーシステムの最適効率は、保証できる。最大電力伝送効率と関連付けられる負荷特性は、最大出力点に関係する。所謂ＭＰＰＴは、最大出力点を見つけて、負荷特性を保つために、当該最大出力点に留めるプロセスであり、電力最適化プロセスに関する。

電力最適化機能を有する従来の太陽光パネルは、それ程市場占有率が高くなく、そうした市販の従来の太陽光パネルは、基本的に光発電モジュール全体に基づいて電力最適化を実行する。
各太陽光パネルは、典型的には、３ストリングの光発電モジュールを含み、これら３ストリングの光発電モジュールは、様々な形の木の葉、建物等によって遮光されると、異なる日射量を受けることがある。そうした状況下では、パネルレベルでの電力効率最適化は、実行できるものの、ストリングレベルの電力効率最適化は蔑ろにされる可能性がある。つまり、従来の太陽光パネルは、太陽光ストリングレベルの観点からすれば、太陽光パネルの最大電力効率最適化や最適効果を実行しない可能性がある。

本発明の目的は、従来の太陽光パネルにおけるパネルベースの電力最適化では、最大電力最適化及び最適効果を達成しないという問題に対処する解決方法として、太陽光パネルに対するストリングベースの電力最適化を目標とする太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールを提供することである。

前述の目的を達成するために、太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールは、複数の電力最適化モジュールブロックを含み、太陽光パネルは、複数の太陽光モジュールストリングを含む。電力最適化モジュールブロックは、ストリング接続ポート、電力出力ポート、シングルチッププロセッサ及びバイパススイッチを含む。

ストリング接続ポートは、太陽光パネルの対応する太陽光モジュールストリングの電力出力端子に接続される。

電力出力ポートは、正出力端子及び負出力端子を有し、電力最適化モジュールブロックに隣接する別の電力最適化モジュールブロックの電力出力ポートに直列接続される。

シングルチッププロセッサは、ストリング接続ポート及び電力出力ポートに接続され、対応する太陽光モジュールストリングに関して最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を実行する。

バイパススイッチは、電力出力ポートの正出力端子と負出力端子との間に接続される。

以上の構成によると、各電力最適化モジュールブロックは、対応する太陽光モジュールストリングに関して一対一でＭＰＰＴを実行する。そのため、太陽光パネル全体に関してストリングベースでの最大電力最適化及び最適効果が、達成できる。

本発明の他の目的、利点及び新規の特徴については、添付図を併用して解釈すると、以下の詳細な説明から、一層明白になるであろう。

太陽光パネルに適用可能な、本発明による太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールの略平面図である。 図１の太陽光パネルの拡大平面図である。 図１の太陽光パネルの拡大平面図である。 図１の太陽光パネルの拡大平面図である。 図１の太陽光パネルの拡大平面図である。 図１の太陽光パネルで使用される第１電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第１電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第１電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第２電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第２電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第２電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第３電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第３電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図１の太陽光パネルで使用される第３電力最適化モジュールに関する分割した回路図である。 図３Ａ〜図３Ｃ、図４Ａ〜図４Ｃ及び図５Ａ〜図５Ｃの電力最適化モジュールに内蔵されたシングルチッププロセッサの機能ブロック図である。

本発明は、太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールを主として提示し、該スプリット式電力最適化モジュールは、複数の電力最適化モジュールブロックを含む。各電力最適化モジュールブロックは、太陽光パネルにある太陽光モジュールストリングに一意に対応する。

図１を参照する。本発明による太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールは、３個の電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを含む。各電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、太陽光パネル１００にある光発電モジュールＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３の３ストリングの１つに接続される。

図２Ａ乃至図２Ｄを参照する。太陽光パネル１００にある光発電モジュールＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３の各ストリングは、電力出力端子１０１、１０２、１０３を有する。光発電モジュールＰＶ１のストリングの電力出力端子１０１は、正端子ＰＶ１＋及び負端子ＰＶ１−を有し、光発電モジュールＰＶ２のストリングの電力出力端子１０２は、正端子ＰＶ２＋及び負端子ＰＶ２−を有し、光発電モジュールＰＶ３のストリングの電力出力端子１０３は、正端子ＰＶ３＋及び負端子ＰＶ３−を有する。
電力出力端子１０１、１０２、１０３は、電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを通して、直列に接続される。各電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、光発電モジュールＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３の対応するストリングに関して電力最適化を実行する。

電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、光発電モジュールＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３の各ストリングの電力出力端子に接続されて、直列ループを構成する。

電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、同じ回路レイアウトを有する。図３Ａ乃至図３Ｃを参照する。電力最適化モジュールブロック１０Ａは、ストリング接続ポート２１Ａ、電力出力ポート２２Ａ及びシングルチッププロセッサ２３Ａを含む。本実施形態では、電力最適化モジュールブロック１０Ａは、バイパススイッチ２４Ａを更に含む。

ストリング接続ポート２１Ａは、光発電モジュールＰＶ１のストリングの電力出力端子１０１の正端子ＰＶ１＋及び負端子ＰＶ１−に接続される。つまり、ストリング接続ポート２１Ａは、光発電モジュールＰＶ１のストリングから伝送される電力を受付けるために、電力入力端子として扱われる。

電力出力ポート２２Ａは、他の電力最適化モジュールブロックと接続するための正出力端子ＯＵＴ１及び負出力端子ＰＶＯＵＴ−を含む。本実施形態では、正出力端子ＯＵＴ１は、それに隣接する電力最適化モジュールブロック１０Ｂの電力出力ポートに直列接続され、負出力端子ＰＶＯＵＴ−は、太陽光パネル１００の負電力端子と見なされる。バイパススイッチ２４Ａは、光発電モジュールＰＶ１のストリングに障害が発生した場合に、接続された光発電モジュールＰＶ１のストリングを、直列ループから分離するために、正出力端子ＯＵＴ１と負出力端子ＰＶＯＵＴ−との間に接続される。

シングルチッププロセッサ２３Ａは、ストリング接続ポート２１Ａ及び電力出力ポート２２Ａに接続され、接続された光発電モジュールＰＶ１のストリングに関するＭＰＰＴを実行する。

図４Ａ乃至図４Ｃを参照する。電力最適化モジュールブロック１０Ｂは、電力最適化モジュールブロック１０Ａと同じ回路レイアウトであり、ストリング接続ポート２１Ｂ、電力出力ポート２２Ｂ、シングルチッププロセッサ２３Ｂ及びバイパススイッチ２４Ｂを含む。

ストリング接続ポート２１Ｂは、光発電モジュールＰＶ２のストリングの電力出力端子１０２の正端子ＰＶ２＋及び負端子ＰＶ２−に接続される。電力出力ポート２２Ｂは、正出力端子ＯＵＴ２及び負出力端子ＯＵＴ１を含む。本実施形態では、正出力端子ＯＵＴ２は、それに隣接する電力最適化モジュールブロック１０Ｃの電力出力ポートに直列接続され、負出力端子ＯＵＴ１は、電力最適化モジュールブロック１０Ａのストリング接続ポート２１Ａの正出力端子ＯＵＴ１に直列接続される。

図５Ａ乃至図５Ｃを参照する。電力最適化モジュールブロック１０Ｃは、電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂと同じ回路レイアウトであり、ストリング接続ポート２１Ｃ、電力出力ポート２２Ｃ、シングルチッププロセッサ２３Ｃ及びバイパススイッチ２４Ｃを含む。

ストリング接続ポート２１Ｃは、光発電モジュールＰＶ３のストリングの電力出力端子１０３の正端子ＰＶ３＋及び負端子ＰＶ３−に接続される。電力出力ポート２２Ｃは、正出力端子ＰＶＯＵＴ＋及び負出力端子ＯＵＴ２を含む。
本実施形態では、正出力端子ＯＵＴ２は、それに隣接する電力最適化モジュールブロック１０Ｂのストリング接続ポート２１Ｂの正出力端子ＯＵＴ２に直列接続され、正出力端子ＰＶＯＵＴ＋は、太陽光パネル１００の正電源端子として見なされる。太陽光パネル１００は、その正電源端子及び負電源端子を使用することによって、他の太陽光パネルに接続されてもよい。

図６を参照する。各電力最適化モジュールブロック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃのシングルチッププロセッサは、一例として電力最適化モジュールブロック１０Ａを挙げると、ＭＰＰＴコントローラ２３１、電圧検知ユニット２３２、電流検知ユニット２３３、パルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路２３４、バックコンバータ２３５及び電圧安定装置２３６を含む。

ＭＰＰＴコントローラ２３１は、電圧検知ユニット２３２及び電流検知ユニット２３３に接続される。電圧検知ユニット２３２の入力端子は、光発電モジュールＰＶ１のストリングの出力電圧を検出するために、光発電モジュールＰＶ１のストリングの電力出力端子１０１の正端子ＰＶ１＋に接続される。電流検知ユニット２３３は、光発電モジュールＰＶ１のストリングの平均出力電流を取得するために、バックコンバータ２３５の出力端子ＳＷに接続される。
ＭＰＰＴコントローラ２３１は、光発電モジュールＰＶ１のストリングに関してＭＰＰＴを実行するために、光発電モジュールＰＶ１のストリングの出力電圧及び平均出力電流に応じて計算を行い、ＰＷＭ回路２３４を使用してバックコンバータ２３５への制御信号を調整する。

電圧安定装置２３６は、ストリング接続ポート２１Ａを介して光発電モジュールＰＶ１のストリングの正端子ＰＶ１＋に接続されて、光発電モジュールＰＶ１のストリングから出力される電力を取得し、該電力を、シングルチッププロセッサ２３Ａへの動作電力として、安定したＤＣ（直流）電力に変換する。

ＰＷＭ回路２３４は、コンパレータ２３４１、ＰＷＭ論理ユニット２３４２、基準電圧ユニット２３４３、ランプ生成器２３４４、及び発振器ＯＳＣを含む。基準電圧ユニット２３４３は、ＭＰＰＴコントローラ２３１からのＭＰＰＴに関する計算結果に応じて基準電圧値を生成する。コンパレータ２３４１は、ランプ生成器２３４４によって生成された信号を、基準電圧値と比較して、比較結果を生成する。ＰＷＭ論理ユニット２３４２は、比較結果に応じて、バックコンバータ２３５への制御信号を調整する。

本実施形態では、シングルチッププロセッサ２３Ａは、温度過昇防止ユニット２３７及びイネーブルコンパレータ２３８を更に含む。温度過昇防止ユニット２３７は、温度検知機能を有する。温度過昇防止ユニット２３７によって検出されたシングルチッププロセッサ２３Ａの温度が、設定された値を超えている場合、温度過昇防止ユニット２３７は、シングルチッププロセッサ２３Ａが保護状態に入るように、バックコンバータ２３５のスイッチをオフにする。

イネーブルコンパレータ２３８は、２つの入力端子及び１つの出力端子を有する。イネーブルコンパレータ２３８の２入力端子は、シングルチッププロセッサ２３Ａのイネーブル（ＥＮ）ピンと内部電圧ＡＶＤＤ（５Ｖ）に其々接続される。ＥＮピンは、外部回路がＥＮピンの電圧レベルを変動できるように、シングルチッププロセッサ２３Ａ外にある外部回路と接続するために使用される。イネーブルコンパレータ２３８の出力端子は、バックコンバータ２３５に接続される。

イネーブルコンパレータ２３８は、ＥＮピンの電圧レベルを、シングルチッププロセッサ２３Ａの内部電圧ＡＶＤＤと比較する。正常な状態の場合、ＥＮピンは、高電圧レベルのままとされ、イネーブルコンパレータ２３８は、不能にされる。
ＥＮピンの電圧レベルが、外部回路によって低電圧レベルになると、イネーブルコンパレータ２３８は、バックコンバータ２３５のスイッチをオフにし、バイパススイッチ２４Ａを介して、光発電モジュールＰＶ１の対応するストリングをバイパスして、確実に太陽光パネル１００の光発電モジュールＰＶ２、ＰＶ３の他のストリングを正常に動作可能にする。

以上の説明からわかるように、太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールは、温度過昇、過電圧、過少電圧、及び過電流状態を防止でき、且つ光発電モジュールの不良ストリングをバイパスすることによって、光発電モジュールの各ストリングを保護でき、その結果、太陽光パネルの製品寿命中に性能が低下するのを減少できる。
また、シングルチッププロセッサに、各電力最適化モジュールブロックでストリングレベルの電力最適化を実行する大部分の核心要素の回路を集中させるアプローチにより、電力最適化モジュールブロックが、全体的な性能を向上させた組込構造を有することが可能である。

スプリット式電力最適化モジュールは、太陽光パネルにある光発電モジュールの各ストリングに接続された３個の電力最適化モジュールブロックを含む。各電力最適化モジュールブロックが、光発電モジュールの対応するストリングに関して電力最適化を実行するため、太陽光パネルにある光発電モジュールの複数のストリングが、建物、樹木等によって遮光されて異なる日射量を受ける場合に、電力最適化モジュールブロックは、太陽光パネルの最大電力最適化及び最適効果を達成するために、日射量の異なる状態に基づいて、ＭＰＰＴ処理を実行できる。

本発明に関する多数の特徴及び利点について、本発明の構造及び機能の詳細と共に、以上の説明で記載したが、この開示は、一例に過ぎない。細部、特に形状、大きさ、及び部品の配置について、本発明の原理内で、付記したクレームを表現する用語の広義で示される範囲において、変更してもよいものとする。

Claims (8)

1. 太陽光パネルの太陽光モジュールストリング用スプリット式電力最適化モジュールであり、該電力最適化モジュールは、複数の電力最適化モジュールブロックを含み、前記太陽光パネルは、複数の太陽光モジュールストリングを含むスプリット式電力最適化モジュールであって、
   各電力最適化モジュールブロックは、
   前記太陽光パネルの対応する太陽光モジュールストリングの電力出力端子に接続されるストリング接続ポートと、
   正出力端子及び負出力端子を有し、前記対応する電力最適化モジュールブロックに隣接する別の電力最適化モジュールブロックの電力出力ポートに直列接続される電力出力ポートと、
   前記ストリング接続ポート及び前記電力出力ポートに接続され、前記対応する太陽光モジュールストリングに関して最大電力点追従（ＭＰＰＴ）を実行するシングルチッププロセッサと、
   前記電力出力ポートの前記正出力端子と前記負出力端子との間に接続されるバイパススイッチと、を備えることを特徴とする、
   スプリット式電力最適化モジュール。
2. 前記シングルチッププロセッサは、ＭＰＰＴコントローラ、該ＭＰＰＴコントローラに接続され、前記対応する太陽光モジュールストリングの出力電圧を検出するために、前記対応する太陽光モジュールストリングの前記正出力端子に接続される入力端子を有する電圧検知ユニット、出力端子を有するバックコンバータ、前記ＭＰＰＴコントローラに接続され、前記対応する太陽光モジュールストリングの平均出力電流を取得するために、前記バックコンバータの出力端子に接続される電流検知ユニット、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路、及び電圧安定装置を含み、前記ＭＰＰＴコントローラは、前記対応する太陽光モジュールストリングの前記出力電圧及び前記平均出力電流に応じて、前記対応する太陽光モジュールストリングに関してＭＰＰＴを実行し、前記ＰＷＭ回路を使用して前記バックコンバータへの制御信号を調整することを特徴とする、請求項１に記載のスプリット式電力最適化モジュール。
3. 前記ＰＷＭ回路は、前記ＭＰＰＴコントローラからのＭＰＰＴに関する計算結果に応じて、基準電圧値を生成する基準電圧ユニット、ランプ生成器、該ランプ生成器によって生成した信号を、前記基準電圧値と比較して、比較結果を生成するコンパレータ、前記比較結果に応じて、前記バックコンバータへの前記制御信号を調整するＰＷＭ論理ユニット、及び発振器を含むことを特徴とする、請求項２に記載のスプリット式電力最適化モジュール。
4. 前記シングルチッププロセッサは、該シングルチッププロセッサの温度を検出する温度過昇防止ユニットを更に含み、前記検出された温度が、設定値を超える場合に、前記温度過昇防止ユニットは、前記シングルチッププロセッサが保護状態に入るように、前記バックコンバータのスイッチをオフすることを特徴とする、請求項２に記載のスプリット式電力最適化モジュール。
5. 前記シングルチッププロセッサは、イネーブルコンパレータを更に含み、該イネーブルコンパレータは、前記シングルチッププロセッサのイネーブルピン及び内部電圧に其々接続される２つの入力端子、及び前記バックコンバータに接続される出力端子を有することを特徴とする、請求項２に記載のスプリット式電力最適化モジュール。
6. 前記対応する太陽光モジュールストリングから出力された電力を取得し、前記電力を、安定したＤＣ（直流）動作電力に変換するために、前記電圧安定装置は、前記対応する太陽光モジュールストリングの前記電力出力端子に、前記ストリング接続ポートを介して、接続されることを特徴とする、請求項２に記載のスプリット式電力最適化モジュール。
7. 前記複数の電力最適化モジュールブロックの総数は、前記太陽光パネルの前記複数の太陽光モジュールストリングの総数に対応することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載のスプリット式電力最適化モジュール。
8. ３個の電力最適化モジュールブロックを備え、前記太陽光パネルは、前記３個の電力最適化モジュールブロック其々に対応する３つの太陽光モジュールストリングを含むことを特徴とする、請求項７に記載のスプリット式電力最適化モジュール。

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