JP6707494B2 - 太陽光モジュール、及びそれを備える太陽光システム - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光モジュール、及びそれを備える太陽光システムに関し、より詳細には、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタに蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断することができる太陽光モジュール、及びそれを備える太陽光システムに関する。
近年、石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予想されながら、これらに代わる代替エネルギーへの関心が高まっている。その中でも太陽電池は、半導体素子を用いて太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる次世代電池として脚光を浴びている。
一方、太陽光モジュールは、太陽光発電のための太陽電池が直列又は並列に接続された状態を意味する。
一方、複数の太陽光モジュールから出力される直流電源を用いて太陽光システムを具現する場合、異常動作時に、システムの保護のための迅速なシャットダウン動作が必要である。
本発明の目的は、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断することができる太陽光モジュールを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の実施例に係る太陽光モジュールは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、ジャンクションボックスは、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、キャパシタ部の前段に配置され、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含む。
上記目的を達成するための本発明の他の実施例に係る太陽光モジュールは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、ジャンクションボックスは、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲以内である場合、太陽電池モジュールからの直流電源をバイパスして出力し、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、太陽電池モジュールからの直流電源の出力を中止しながら、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含む。
一方、上記目的を達成するための本発明の実施例に係る太陽光システムは、太陽電池モジュールからの直流電源を変換し、変換された直流電源を出力する複数の太陽光モジュールと、複数の太陽光モジュールから出力される直流電源を交流電源に変換するストリングインバータとを含み、複数の太陽光モジュールは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部とを含み、複数の太陽光モジュールのうちの少なくとも1つは、キャパシタ部の前段に配置され、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部とをさらに含む。
本発明の実施例に係る、太陽光モジュール及びそれを備える太陽光システムは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、ジャンクションボックスは、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、キャパシタ部の前段に配置され、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含むことによって、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。
特に、複数の太陽光モジュールが直列に接続される太陽光システム下で、複数の太陽光モジュールのうちの少なくとも1つにシャットダウン部が備えられることによって、ストリングインバータでのシャットダウン時よりも、はるかに迅速に、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。したがって、太陽光システム全体の安定性を向上させることができるようになる。
一方、シャットダウン部が、第1スイッチング素子と、第1スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、第1スイッチング素子に並列接続される、抵抗素子及び第2スイッチング素子とを含み、第2スイッチング素子が、電流検出部で検出された信号に基づいて、ターンオン又はターンオフされることによって、自動でシャットダウンを行うことができるようになる。
一方、シャットダウン部が、バイパスダイオード部とキャパシタ部との間に配置されることによって、コンバータ部内の回路素子を保護できるようになる。
一方、シャットダウン部が、スイッチング動作によって、太陽電池モジュールからの直流電源をバイパスして出力し、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、ターンオフされて太陽電池モジュールからの直流電源を出力しないスイッチング部を含むことによって、許容範囲外の直流電源の供給時に電源の出力を迅速に中断できるようになる。
一方、本発明の他の実施例に係る太陽光モジュールは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、ジャンクションボックスは、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲以内である場合、太陽電池モジュールからの直流電源をバイパスして出力し、太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、太陽電池モジュールからの直流電源の出力を中止しながら、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含むことによって、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。
特に、シャットダウン部は、電流検出部で検出される検出電流の信号レベルが、第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル未満である場合、太陽電池モジュールからの直流電源をバイパスして出力し、電流検出部で検出される検出電流の信号レベルが、第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル以上である場合、太陽電池モジュールからの直流電源の出力を中止しながら、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費するように動作することによって、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。
本発明の一実施例に係る太陽光システムを示した図である。 図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の一例を示した図である。 図2のシャットダウン部の動作説明に参照される図である。 図1の太陽光システムとの比較説明のための太陽光システムを示した図である。 図4の太陽光システムの動作説明に参照される図である。 図1の太陽光モジュール内のジャンクションボックスの内部の回路図の一例を示した図である。 図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の他の例を示した図である。 図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の他の例を示した図である。 図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の他の例を示した図である。 本発明の他の実施例に係る太陽光システムを示した図である。 本発明の実施例に係る太陽光モジュールの正面図である。 図9の太陽光モジュールの背面図である。 図9の太陽電池モジュールの分解斜視図である。
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
以下の説明で使用される構成要素に対する接尾辞、「モジュール」及び「部」は、単に本明細書の作成の容易さのみを考慮して付与するもので、それ自体で特に重要な意味又は役割を付与するものではない。したがって、前記「モジュール」及び「部」は互いに混用して使用されてもよい。
図1は、本発明の一実施例に係る太陽光システムを示した図である。
図面を参照すると、本発明の実施例に係る太陽光システム10は、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cn、及びストリングインバータ80を備えることができる。
複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnは、複数のストリングで区分することができる。
同図では、第1ストリング内に、一部の太陽光モジュール50a1〜50anが直列接続され、第2ストリング内に、一部の太陽光モジュール50b1〜50bnが直列接続され、第3ストリング内に、一部の太陽光モジュール50c1〜50cnが直列接続される場合を例示する。
一つの太陽光モジュールが30V〜40Vの直流電源を出力することができ、10個〜12個の太陽光モジュールが一つのストリングを構成する場合、ストリングインバータ80に約300V〜480Vの電圧が供給されるようになる。
ストリングインバータ80は、数百ボルトの電圧の入力を受け、交流電源に変換して出力することができる。
例えば、ストリングインバータ80は、フルブリッジインバータ(full−bridge inverter)を備えることができる。すなわち、それぞれ互いに直列接続される上アームスイッチング素子(Sa,Sb)及び下アームスイッチング素子(S’a,S’b)が一対となり、計2対の上、下アームスイッチング素子が互いに並列(Sa&S’a,Sb&S’b)に接続される。各スイッチング素子(Sa,S’a,Sb,S’b)にはダイオードが逆並列に接続されてもよい。
一方、ストリングインバータ80から出力される交流電源は、グリッド(grid)の交流周波数と同じ周波数(約60Hz又は50Hz)を有することが好ましい。
一方、各国の規格によれば、許容範囲(allowable range)外の高電圧が発生する場合、機器の安定性の確保のために、瞬間的にシャットダウン(shut down)しなければならない。
特定の国の規格によれば、10秒以内に、30V以下に機器の出力電圧をダウンさせなければならない。
これによって、本発明では、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cn及びストリングインバータ80を備える太陽光システム10内で、許容範囲外の高電圧が発生する場合、瞬間的にシャットダウン(shut down)する方案を提示する。
具体的には、本発明の実施例によれば、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cn及びストリングインバータ80を備える太陽光システム10内で、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnのうちの少なくとも一部にシャットダウン部570が備えられるようにし、太陽光モジュールで許容範囲外の電圧が発生する場合、一時的に電源の出力を中断するようにシャットダウン部570が動作するものとする。
特に、太陽光モジュール内の太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するようにシャットダウン部570が動作することができる。これによれば、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費しながら、電源の出力を中断できるようになる。
特に、ストリングインバータ80でのシャットダウン時よりも、はるかに迅速に、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。したがって、太陽光システム10全体の安定性を向上させることができる。
図面では、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnのジャンクションボックス200a1〜200an,200b1〜200bn,200c1〜200cn内に、それぞれシャットダウン部570a1〜570an,570b1〜570bn,570c1〜570cnが備えられる場合を例示する。
これによって、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnのジャンクションボックス200a1〜200an,200b1〜200bn,200c1〜200cnのそれぞれに対するシャットダウンが行われるので、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnの安定性はもちろん、太陽光システム10全体の安定性を向上させることができるようになる。
一方、本発明の他の実施例に係る太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnは、複数の太陽電池を備える太陽電池モジュール100、及び太陽電池モジュール100の背面に取り付けられるジャンクションボックス(図6の200)を含み、ジャンクションボックスは、太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部(図6の520)と、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲以内である場合、太陽電池モジュール100からの直流電源をバイパスして出力し、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲を外れた場合、太陽電池モジュール100からの直流電源の出力を中止しながら、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費するように動作するシャットダウン(shut down)部570とを含むことによって、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。
特に、シャットダウン部570は、電流検出部で検出される検出電流の信号レベルが、第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル未満である場合、太陽電池モジュールからの直流電源をバイパスして出力し、電流検出部で検出される検出電流の信号レベルが、第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル以上である場合、太陽電池モジュールからの直流電源の出力を中止しながら、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費するように動作することによって、許容範囲外の直流電源の供給時に、迅速に、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を消費しながら電源の出力を中断できるようになる。
図2は、図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の一例を示した図であり、図3は、図2のシャットダウン部の動作説明に参照される図である。
図2の(a)は、シャットダウン部570の回路を例示する。
図面を参照すると、シャットダウン部570は、第1スイッチング素子stt1と、第1スイッチング素子stt1に流れる電流Ixを検出する電流検出部574と、第1スイッチング素子stt1に並列接続される、抵抗素子Ra及び第2スイッチング素子stt2とを含むことができる。
電流検出部574は、第1スイッチング素子stt1に流れる電流Ixを検出し、検出された電流Ixに対応する検出信号Idtを出力することができる。
第2スイッチング素子stt2は、電流検出部574で検出された信号検出信号Idtに基づいて、ターンオン又はターンオフされてもよい。
例えば、検出信号Idtのレベルが、第2スイッチング素子stt2をターンオンさせるためのレベル以上である場合、第2スイッチング素子stt2はターンオンされ得る。
一方、第2スイッチング素子stt2をターンオンさせるためのレベルは、上述した太陽光モジュール50の直流電源レベルの許容範囲に対応する値であってもよい。
このようなレベルの対応のために、図面での抵抗素子Rbの抵抗値をマッチングして使用することが好ましい。
このように、第2スイッチング素子stt2のターンオン又はオフが、電流検出部574で検出された信号に基づいて自動で行われるため、自動でシャットダウンが可能となり、したがって、太陽光モジュール50の安定性を向上させることができる。
図2の(b)は、シャットダウン部570の第1スイッチング素子stt1がターンオンされた状態で、第2スイッチング素子stt2のターンオフ時に、電流パスがPath1のように形成され、入力される直流電源をバイパス(bypass)して出力することを例示する。
また、図2の(b)は、第1スイッチング素子stt1がターンオンされた状態で、第2スイッチング素子stt2がターンオンされる場合、電流パスがPath2のように形成されて、抵抗素子Raを介して、入力される直流電源を消費することを例示する。すなわち、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源を迅速に消費できるようになる。
図2の(c)は、第2スイッチング素子stt2のターンオンの後、第1スイッチング素子stt1がターンオフされ、入力される直流電源を出力しないことを例示する。このような動作によって、シャットダウン部570は、太陽電池モジュール100からの直流電源を出力しなくなる。
このような図2のシャットダウン部570の動作による太陽光モジュール50の電圧出力波形(Vx)は、図3のように例示することができる。
図3の(a)を参照すると、太陽光モジュール50内のキャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電圧Vc1が、許容範囲Vallo内である、約30V〜40Vの間のV1a電圧である場合、第1スイッチング素子stt1はターンオン、第2スイッチング素子stt2はターンオフされる。
一方、太陽光モジュール50内のキャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電圧Vc1が、Ta1時点以降、許容範囲Valloを外れ、図示のように、許容範囲Valloよりも低くなる場合、第2スイッチング素子stt2がターンオンされ得る。これによって、図2の(b)のpath2のような電流パスが形成され、これによって、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源が消費される。したがって、図3の(c)のように、太陽光モジュール50の出力電圧が下降するようになる。
そして、図2の(c)のように、第2スイッチング素子stt2のターンオンの後、第1スイッチング素子stt1がターンオフされる場合、太陽光モジュール50の出力電圧は、図3の(c)のように、グラウンド(GND)まで下降するようになる。
このようなシャットダウン部570の動作によって、許容範囲外の時点であるTa1から、グラウンド(GND)までの下降時点であるTb1まで、約Pa1の期間がかかるようになる。
これによって、太陽光モジュール50は、許容範囲外の直流電源の供給時に電源の出力を迅速に中断できるようになる。
さらに、太陽光システム10は、シャットダウン時、迅速に電圧を下降できるようになる。
または、図3の(b)を参照すると、太陽光モジュール50内のキャパシタ部(図6の520)に流れる直流電流Ic1が、許容範囲Iallo内である、I1a電圧である場合、第1スイッチング素子stt1はターンオン、第2スイッチング素子stt2はターンオフされ得る。
一方、太陽光モジュール50内のキャパシタ部(図6の520)に流れる直流電流Ic1が、Ta1時点以降、許容範囲Ialloを外れ、図示のように、許容範囲Ialloよりも低くなる場合、第2スイッチング素子stt2がターンオンされ得る。これによって、図2の(b)のpath2のような電流パスが形成され、これによって、キャパシタ部(図6の520)に蓄えられた直流電源が消費される。したがって、図3の(c)のように、太陽光モジュール50の出力電圧が下降するようになる。
そして、図2の(c)のように、第2スイッチング素子stt2のターンオンの後、第1スイッチング素子stt1がターンオフされる場合、太陽光モジュール50の出力電圧は、図3の(c)のように、グラウンド(GND)まで下降するようになる。
このようなシャットダウン部570の動作によって、許容範囲外の時点であるTa1から、グラウンド(GND)までの下降時点であるTb1まで、約Pa1の期間がかかるようになる。
これによって、太陽光モジュール50は、許容範囲外の直流電源の供給時に電源の出力を迅速に中断できるようになる。
さらに、太陽光システム10は、シャットダウン時、迅速に電圧を下降できるようになる。
図4は、図1の太陽光システムとの比較説明のための太陽光システムを示した図であり、図5は、図4の太陽光システムの動作説明に参照される図である。
図4の太陽光システム20は、図1の太陽光システム10と同様に、複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cn、及びストリングインバータ80を備えることができる。
複数の太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnは、複数のストリングで区分することができる。
一方、図4の太陽光システム20は、許容範囲外の電圧の発生時のシャットダウン機能を、ストリングインバータ80が備えることにその特徴がある。
すなわち、ストリングインバータ80はシャットダウン部82を備えることができる。このときの許容値は、図1乃至図3で述べた太陽光モジュールの許容値の約10倍〜12倍であり得る。
一方、図示のように、ストリングインバータ80がシャットダウン部82を備える場合、数百ボルトの電圧をグラウンド電圧まで下降させるのにかなりの時間がかかるようになる。
図5は、ストリングインバータ80の入力電圧波形Vdcyを例示する。
図面を参照すると、ストリングインバータ80に流れる電流が、許容範囲Iallox内であるI1axを維持し、Ta2時点以降、許容範囲Ialloxを外れ、許容範囲Ialloxよりも低くなる場合、ストリングインバータ80内のシャットダウン部82が動作することができ、結局、グラウンドまで下降することができる。
このとき、許容範囲を外れた時点であるTa2時点から、グラウンドまでの下降時点であるTsb2までの間の期間は、図示のように、Pa2として例示できる。
図3のPa1と比較すると、図5のPa2がかなり長い時間であることがわかる。
一方、ストリングインバータ80に供給される電圧が、許容範囲Valloxを外れた場合、ストリングインバータ80内のシャットダウン部82が動作することができ、このときにも、高電圧により、シャットダウン時に、グラウンドまでの下降時間がかなりかかるようになる。
結局、図4及び図5の方式によれば、上述した各国の規格に対応することが難しいという欠点がある。
したがって、図1乃至図3のように、太陽光システム10内の少なくとも1つの太陽光モジュールに、シャットダウン部570が備えられて動作することが好ましい。
図6は、図1の太陽光モジュール内のジャンクションボックスの内部の回路図の一例を示した図である。
図面を参照すると、ジャンクションボックス200は、太陽電池モジュール100からの直流電源を変換し、変換された電源を出力することができる。
特に、本発明と関連して、ジャンクションボックス200は直流電源を出力することができる。
そのために、ジャンクションボックス200は、直流電源を蓄えるためのキャパシタ部520、コンバータ部530及びこれを制御する制御部550を含むことができる。
また、ジャンクションボックス200は、バイパスのためのバイパスダイオード部510をさらに含むことができる。
一方、ジャンクションボックス200は、外部の他の太陽光モジュール又はストリングインバータ80との通信のための通信部580をさらに備えることができる。
一方、ジャンクションボックス200は、本発明と関連して、キャパシタ部520の前段に配置され、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲を外れた場合、キャパシタ部520に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部570をさらに備えることができる。
シャットダウン(shut down)部570は、バイパスダイオード部510とコンバータ部530との間に配置することができる。
より具体的には、シャットダウン(shut down)部570は、バイパスダイオード部510とキャパシタ部520との間に配置することができる。
一方、ジャンクションボックス200は、入力電流感知部(A)、入力電圧感知部(B)、コンバータ部出力電流検出部(C)、コンバータ部出力電圧検出部(D)、インバータ出力電流検出部(E)、インバータ出力電圧検出部(F)をさらに備えることができる。
一方、制御部550は、コンバータ部530及びシャットダウン部570を制御することができる。
バイパスダイオード部510は、太陽電池モジュール100の第1〜第4導電性ライン(図示せず)の間にそれぞれ配置されるバイパスダイオードDc,Db,Daを備えることができる。このとき、バイパスダイオードの個数は、1つ以上であり、導電性ラインの個数よりも1つ少ないことが好ましい。
バイパスダイオードDc,Db,Daは、太陽電池モジュール100から、特に、太陽電池モジュール100内の第1〜第4導電性ライン(図示せず)から太陽光直流電源が入力される。そして、バイパスダイオードDc,Db,Daは、第1〜第4導電性ライン(図示せず)のうちの少なくとも1つからの直流電源で逆電圧が発生する場合、バイパスさせることができる。
一方、バイパスダイオード部510を経た直流電源は、シャットダウン部570に入力され得る。
シャットダウン部570は、図2で述べたように、太陽電池モジュール100からの直流電源のレベルが許容範囲を外れた場合、一時的に電源の出力を中断するように動作することができる。
これによって、バイパスダイオード部510を経た直流電源が許容範囲を外れた場合、一時的に電源の出力を中断することができるため、迅速なシャットダウンが可能となる。さらに、シャットダウン部570の出力端に配置される、キャパシタ部520、コンバータ部530の内部の回路素子を保護できるようになる。
一方、シャットダウン部570は、第1スイッチング素子stt1と、第1スイッチング素子stt1に流れる電流を検出する電流検出部574と、第1スイッチング素子stt1に並列接続される、抵抗素子Ra及び第2スイッチング素子stt2とを含み、第2スイッチング素子stt2は、電流検出部574で検出された信号に基づいてターンオン又はターンオフされてもよい。
一方、シャットダウン部570を経た直流電源は、キャパシタ部520に入力され得る。
キャパシタ部520は、太陽電池モジュール100及びバイパスダイオード部510を経て入力される入力直流電源を蓄えることができる。
一方、図面では、キャパシタ部520が、互いに並列接続される複数のキャパシタCa,Cb,Ccを備える場合を例示するが、これとは異なり、複数のキャパシタが、直並列混合で接続されるか、または直列に接地端に接続されることも可能である。または、キャパシタ部520が一つのキャパシタのみを備えることも可能である。
コンバータ部530は、バイパスダイオード部510及びキャパシタ部520を経た太陽電池モジュール100からの入力電圧のレベルを変換することができる。
特に、コンバータ部530は、キャパシタ部520に蓄えられた直流電源を用いて、電力変換を行うことができる。
例えば、コンバータ部530は、複数の抵抗素子または変圧器を備え、設定された目標電力に基づいて、入力電圧に対する電圧分配を行うことができる。
図面では、コンバータ部530の一例として、タップインダクタコンバータ部を例示するが、これとは異なり、フライバックコンバータ部、バックコンバータ部、ブーストコンバータ部などが可能である。
図面に示されているコンバータ部530、すなわち、タップインダクタコンバータ部は、タブインダクタT、タブインダクタTと接地端との間に接続されるスイッチング素子S1、及びタブインダクタの出力端に接続されて一方向導通を行うダイオードD1を含むことができる。
一方、ダイオードD1の出力端、すなわち、カソード(cathod)と接地端との間に、dc端キャパシタ(図示せず)が接続されてもよい。
具体的には、スイッチング素子S1は、タブインダクタTのタブと接地端との間に接続され得る。そして、タブインダクタTの出力端(2次側)はダイオードD1のアノード(anode)に接続され、ダイオードD1のカソード(cathode)と接地端との間にdc端キャパシタ(C1)が接続され得る。
一方、タブインダクタTの1次側と2次側は反対の極性を有する。一方、タブインダクタTは、スイッチングトランスフォーマ(transformer)と呼ぶこともできる。
一方、コンバータ部530内のスイッチング素子S1は、制御部550からのコンバータ部スイッチング制御信号に基づいて、ターンオン/オフ動作を行うことができる。これによって、レベル変換された直流電源が出力され得る。
一方、入力電流感知部(A)は、太陽電池モジュール100からキャパシタ部520に供給される入力電流ic1を感知することができる。
一方、入力電圧感知部(B)は、太陽電池モジュール100からキャパシタ部520に供給される入力電圧Vc1を感知することができる。ここで、入力電圧Vc1は、キャパシタ部520の両端に蓄えられた電圧と同一であり得る。
感知された入力電流ic1及び入力電圧vc1は、制御部550に入力され得る。
一方、コンバータ部出力電流検出部(C)は、コンバータ部530から出力される出力電流ic2、すなわち、dc端電流を感知し、コンバータ部出力電圧検出部(D)は、コンバータ部530から出力される出力電圧vc2、すなわち、dc端電圧を感知する。感知された出力電流ic2及び出力電圧vc2は制御部550に入力され得る。
一方、制御部550は、コンバータ部530のスイッチング素子S1を制御する制御信号を出力することができる。特に、制御部550は、検出された入力電流ic1、入力電圧vc1、出力電流ic2、出力電圧vc2、出力電流ic3、または出力電圧vc3のうちの少なくとも1つに基づいて、コンバータ部530内のスイッチング素子S1のターンオンタイミング信号を出力することができる。
一方、制御部550は、太陽電池モジュール100に対する最大電力地点を演算し、それによって、最大電力に該当する直流電源を出力するようにコンバータ部530を制御することができる。
一方、制御部550は、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲を外れた場合、例えば、検出された入力電流ic1、入力電圧vc1がそれぞれの許容範囲を外れた場合、シャットダウン部570が動作するように制御することもできる。
例えば、制御部550は、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲を外れた場合、まず、図2の(b)のように、第1スイッチング素子S1がターンオンされた状態で、第2スイッチング素子S2がターンオンされるように制御することができる。これによって、キャパシタ部520に蓄えられた直流電源が消費され、したがって、回路素子の保護が可能となる。
次に、制御部550は、図2の(c)のように、第1スイッチング素子S1がターンオフされるように制御することができる。これによって、太陽電池モジュール100からの直流電源が出力されず、太陽光モジュール50の出力電源がグラウンドに下降するようになる。したがって、迅速なシャットダウンが可能となる。
一方、通信部580は、他の太陽光モジュール又はストリングインバータ80と通信を行うことができる。
例えば、通信部580は、電力線通信によって、他の太陽光モジュール又はストリングインバータ80とデータを交換することができる。
一方、通信部580は、他の太陽光モジュール又はストリングインバータ80からシャットダウン信号を受信することができる。
制御部550は、受信されるシャットダウン信号に基づいて、シャットダウン部570が動作するように制御することができる。特に、第1スイッチング素子stt1がターンオフされるように制御することができる。
一方、通信部580は、他の太陽光モジュール又はストリングインバータ80に、太陽光モジュール50の電流情報、電圧情報、電力情報などを伝送することもできる。
一方、図6とは異なり、シャットダウン部570の位置が、コンバータ部530の出力端に配置されることも可能である。
シャットダウン部570は、図2で述べたように、コンバータ部530の直流電源のレベルが許容範囲を外れた場合、一時的に電源の出力を中断するように動作することができる。
このように、コンバータ部530の直流電源が許容範囲を外れた場合、一時的に電源の出力を中断することができるため、迅速なシャットダウンが可能となる。
図7A乃至図7Cは、図1の太陽光モジュール内のシャットダウン部の他の例を示した図である。
図7A乃至図7Cのシャットダウン部670は、スイッチング動作によって、太陽電池モジュール100からの直流電源をバイパスして出力し、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲を外れた場合、ターンオフされて太陽電池モジュール100からの直流電源を出力しないスイッチング部630を含むことができる。
一方、図7A乃至図7Cのシャットダウン部670は、太陽電池モジュール100からの直流電源に基づいて、スイッチング動作電源を生成する動作電源生成部610、及び太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲外であるか否かを比較する比較部620をさらに含むことができる。
動作電源生成部610は、初期動作時に、SMPSの動作のための電源を生成し、その後、正常動作時に、スイッチング部630内のスイッチング素子のためのゲート駆動電源を生成することができる。
生成されるゲート駆動電源は、スイッチング部630内のスイッチング素子に供給され得る。
一方、比較部620は、op AMP(オペアンプ)を備えることができ、太陽電池モジュール100からの直流電源が許容範囲外であるか否かを比較することができる。
比較部620は、許容範囲を外れた場合にハイレベル信号を出力し、許容範囲内である場合にローレベル信号を出力することができる。
一方、スイッチング部630内のスイッチング素子は、ハイレベル信号によってターンオフされ、ローレベル信号によってターンオンされ得る。
図7A及び図7Bは、太陽電池モジュール100の直流電圧が下限値(LL)以上であり、許容値(UL)以下である場合を例示する。これによって、スイッチング部630はターンオンされ、太陽電池モジュール100の直流電圧がバイパスされて出力される。
図7Cは、太陽電池モジュール100の直流電圧が許容値(UL)以上である場合を例示する。これによって、スイッチング部630はターンオフされて、太陽電池モジュール100の直流電圧の出力が中断される。これによって、迅速なシャットダウンが可能となる。
図7A乃至図7Cに示されたシャットダウン部670は、図6のように、バイパスダイオード部510とキャパシタ部520との間に配置されることが可能であり、または、コンバータ部530の出力端に配置されることも可能である。
図8は、本発明の他の実施例に係る太陽光システムを示した図である。
図8の太陽光システム30は、図1の太陽光システム10と類似しているが、シャットダウン部が、全ての太陽光モジュール50a1〜50an,50b1〜50bn,50c1〜50cnにそれぞれ備えられるものではなく、各ストリングの終端に配置される太陽光モジュール50a1,50b1,50c1にのみ配置される点で異なる。
図9は、本発明の実施例に係る太陽光モジュールの正面図であり、図10は、図9の太陽光モジュールの背面図である。
図面を参照すると、本発明の実施例に係る太陽光モジュール50は、太陽電池モジュール100、及び太陽電池モジュール100の背面に位置するジャンクションボックス200を含むことができる。
ジャンクションボックス200は、陰影が発生するなどの場合、ホットスポットの防止のために、バイパスされる、少なくとも1つのバイパスダイオードを備えることができる。
図6などでは、図9の4つの太陽電池ストリングに対応して3つのバイパスダイオード(図6のDa,Db,Dc)を備えることを例示する。
一方、ジャンクションボックス200は、太陽電池モジュール100から供給される直流電源を変換することができる。これについては、図6以下を参照して述べる。
一方、太陽電池モジュール100は、複数の太陽電池を備えることができる。
図面では、複数の太陽電池がリボン(図11の133)によって一列に接続されて太陽電池ストリング140が形成される場合を例示する。これによって、6個のストリング140a,140b,140c,140d,140e,140fが形成され、各ストリングは、10個の太陽電池を備える場合を例示する。一方、図示とは異なり、様々な変形が可能である。
一方、各太陽電池ストリングは、バスリボンによって電気的に接続されてもよい。図9は、太陽電池モジュール100の下部に配置されるバスリボン145a,145c,145eによって、それぞれ第1太陽電池ストリング140aと第2太陽電池ストリング140bとが、第3太陽電池ストリング140cと第4太陽電池ストリング140dとが、第5太陽電池ストリング140eと第6太陽電池ストリング140fとが電気的に接続される場合を例示する。
また、図9は、太陽電池モジュール100の上部に配置されるバスリボン145b,145dによって、それぞれ第2太陽電池ストリング140bと第3太陽電池ストリング140cとが、第4太陽電池ストリング140dと第5太陽電池ストリング140eとが電気的に接続される場合を例示する。
一方、第1ストリングに接続されたリボン、バスリボン145b,145d、及び第4ストリングに接続されたリボンは、それぞれ第1〜第4導電性ライン(図示せず)に電気的に接続され、第1〜第4導電性ライン(図示せず)は、太陽電池モジュール100に形成された開口を介して、太陽電池モジュール100の背面に配置されるジャンクションボックス200内のバイパスダイオード(図6のDa,Db,Dc)と接続され得る。
図11は、図9の太陽電池モジュールの分解斜視図である。
図11を参照すると、図9の太陽電池モジュール100は複数の太陽電池130を含むことができる。その他に、複数の太陽電池130の下面と上面にそれぞれ位置する第1密封材120及び第2密封材150、第1密封材120の下面に位置する後面基板110、及び第2密封材150の上面に位置する前面基板160をさらに含むことができる。
まず、太陽電池130は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子であって、シリコン太陽電池(silicon solar cell)、化合物半導体太陽電池(compound semiconductor solar cell)、積層型太陽電池(tandem solar cell)、染料感応型またはCdTe、CIGS型太陽電池、薄膜太陽電池などであってもよい。
太陽電池130は、太陽光が入射する受光面、及び受光面の反対側である裏面を有する。例えば、太陽電池130は、第1導電型のシリコン基板と、シリコン基板上に形成され、第1導電型と反対の導電型を有する第2導電型半導体層と、第2導電型半導体層の一部の面を露出させる少なくとも1つ以上の開口部を含み、第2導電型半導体層上に形成される反射防止膜と、少なくとも1つ以上の開口部を介して露出された第2導電型半導体層の一部の面に接触する前面電極と、前記シリコン基板の後面に形成された後面電極とを含むことができる。
各太陽電池130は、電気的に直列、並列または直並列に接続されてもよい。具体的に、複数の太陽電池130は、リボン133によって電気的に接続されてもよい。リボン133は、太陽電池130の受光面上に形成された前面電極と、隣接する他の太陽電池130の裏面上に形成された後面電極とに接合可能である。
図面では、リボン133が2列に形成され、このリボン133によって、太陽電池130が一列に接続されて太陽電池ストリング140が形成される場合を例示する。
これによって、図9で説明したように、6個のストリング140a,140b,140c,140d,140e,140fが形成され、各ストリングは10個の太陽電池を備えることができる。
後面基板110は、バックシートであって、防水、絶縁及び紫外線遮断機能を果たし、TPT(Tedlar/PET/Tedlar)タイプであってもよいが、これに限定するものではない。また、図11では、後面基板110が矩形状に図示されているが、太陽電池モジュール100が設置される環境に応じて、円形、半円形などの様々な形状に製造することができる。
一方、後面基板110上には、第1密封材120が後面基板110と同じ大きさで付着されて形成されてもよく、第1密封材120上には、複数の太陽電池130が数個の列をなすように互いに隣接して位置することができる。
第2密封材150は、太陽電池130上に位置し、第1密封材120とラミネーション(Lamination)によって接合することができる。
ここで、第1密封材120及び第2密封材150は、太陽電池の各要素が化学的に結合できるようにする。このような第1密封材120及び第2密封材150は、エチレン酢酸ビニル樹脂(Ethylene Vinyl Acetate;EVA)フィルムなどの様々な例が可能である。
一方、前面基板160は、太陽光を透過するように第2密封材150上に位置し、外部の衝撃などから太陽電池130を保護するために強化ガラスであることが好ましい。また、太陽光の反射を防止し、太陽光の透過率を高めるために、鉄分が少なく含有された低鉄分強化ガラスであることがより好ましい。
本発明に係る太陽光モジュール及びそれを備えた太陽光システムは、上記のように説明された実施例の構成と方法が限定されて適用されるものではなく、上記実施例は、様々な変形が可能なように各実施例の全部又は一部が選択的に組み合わされて構成されてもよい。
また、以上では本発明の好ましい実施例について図示し、説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって様々な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は、本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはならない。

Claims (6)

  1. 複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、
    前記太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、
    前記ジャンクションボックスは、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、
    前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源をレベル変換するコンバータ部と、
    前記キャパシタ部の前段に配置され、前記太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含み、
    前記シャットダウン部は、
    第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記第1スイッチング素子に並列接続される、抵抗素子及び第2スイッチング素子を含み、
    前記第2スイッチング素子は、
    前記電流検出部で検出された信号に基づいて、ターンオンまたはターンオフされ、
    前記電流検出部で検出された信号のレベルが前記第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル以上である場合、前記第2スイッチング素子がターンオンし、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲以内である場合、前記第2スイッチング素子はターンオフされ
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲を外れた場合、前記第2スイッチング素子はターンオンされ
    前記シャットダウン部は、
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子のターンオフ時に、入力される直流電源を出力し
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子がターンオンされる場合、前記抵抗素子を介して、入力される直流電源を消費し
    前記第2スイッチング素子のターンオンの後、前記第1スイッチング素子がターンオフされて、入力される直流電源を出力しない、太陽光モジュール。
  2. 前記ジャンクションボックスは、
    前記太陽電池モジュールからの導電性ラインに電気的に接続されるバイパスダイオードを備えるバイパスダイオード部をさらに含み、
    前記シャットダウン部は、
    前記バイパスダイオード部と前記キャパシタ部との間に配置される、請求項1に記載の太陽光モジュール。
  3. 前記ジャンクションボックスは、
    前記コンバータ部及び前記シャットダウン部を制御する制御部をさらに含む、請求項1に記載の太陽光モジュール。
  4. 複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、
    前記太陽電池モジュールの背面に取り付けられるジャンクションボックスとを含み、
    前記ジャンクションボックスは、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、
    前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源をレベル変換するコンバータ部と、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲以内である場合、前記太陽電池モジュールからの直流電源を出力し、前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲を外れた場合、前記太陽電池モジュールからの直流電源の出力を中止して、前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費するように動作するシャットダウン(shut down)部とを含み、
    前記シャットダウン部は、
    第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記第1スイッチング素子に並列接続される、抵抗素子及び第2スイッチング素子を含み、
    前記第2スイッチング素子は、
    前記電流検出部で検出された信号に基づいて、ターンオンまたはターンオフされ、
    前記電流検出部で検出された信号のレベルが前記第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル以上である場合、前記第2スイッチング素子がターンオンし、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲以内である場合、前記第2スイッチング素子はターンオフされ、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲を外れた場合、前記第2スイッチング素子はターンオンされ
    前記シャットダウン部は
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子のターンオフ時に、入力される直流電源を出力し
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子がターンオンされる場合、前記抵抗素子を介して、入力される直流電源を消費し
    前記第2スイッチング素子のターンオンの後、前記第1スイッチング素子がターンオフされて、入力される直流電源を出力しない、太陽光モジュール。
  5. 太陽電池モジュールからの直流電源を変換し、変換された直流電源を出力する複数の太陽光モジュールと、
    前記複数の太陽光モジュールから出力される直流電源を交流電源に変換するストリングインバータとを含み、
    前記複数の太陽光モジュールは、
    複数の太陽電池を備える太陽電池モジュールと、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源を蓄えるキャパシタ部と、
    前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源をレベル変換するコンバータ部とを含み、
    前記複数の太陽光モジュールのうちの少なくとも1つは、
    前記キャパシタ部の前段に配置され、前記太陽電池モジュールからの直流電源が許容範囲を外れた場合、前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断するように動作するシャットダウン(shut down)部をさらに含み、
    前記シャットダウン部は、
    第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
    前記第1スイッチング素子に並列接続される、抵抗素子及び第2スイッチング素子を含み、
    前記第2スイッチング素子は、
    前記電流検出部で検出された信号に基づいて、ターンオンまたはターンオフされ、
    前記電流検出部で検出された信号のレベルが前記第2スイッチング素子をターンオンさせるためのレベル以上である場合、前記第2スイッチング素子がターンオンし、
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲以内である場合、前記第2スイッチング素子はターンオフされ
    前記太陽電池モジュールからの直流電源が前記許容範囲を外れた場合、前記第2スイッチング素子はターンオンされ
    前記シャットダウン部は、
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子のターンオフ時に、入力される直流電源を出力し
    前記第1スイッチング素子がターンオンされた状態で、前記第2スイッチング素子がターンオンされる場合、前記抵抗素子を介して、入力される直流電源を消費し
    前記第2スイッチング素子のターンオンの後、前記第1スイッチング素子がターンオフされて、入力される直流電源を出力しない、太陽光システム。
  6. 前記複数の太陽光モジュールのうち第1太陽光モジュールは、
    他の太陽光モジュールまたは前記ストリングインバータからのシャットダウン信号に基づいて、前記シャットダウン部を動作させて、前記キャパシタ部に蓄えられた直流電源を消費し、一時的に電源の出力を中断する、請求項に記載の太陽光システム。
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