JP6935353B2 - 電力制御装置、太陽光発電システム、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムにおける太陽電池モジュールの発電効率の低下を防止できる電力制御装置、当該電力制御装置を備える太陽光発電システム、およびプログラムに関する。

太陽電池モジュールにおいて、その発電効率が発電時間の経過に伴って低下するＰＩＤ（Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）と呼ばれる事象が知られている。そして、ＰＩＤを抑制する技術も知られている。例えば、特許文献１および２は、裏面電極型太陽電池モジュール内の発電部が接地電位よりも電位の高い状態にあることを防止することにより、発電効率の低下を抑制することができる電力制御装置および太陽光発電システムが開示されている。

特開２０１５−５６１１７号公報（２０１５年３月２３日公開） 特開２０１５−５６１１８号公報（２０１５年３月２３日公開）

しかしながら、上述のような従来技術は、太陽電池モジュールの正極を、高抵抗を介して接地する構成となるので、電力制御装置は絶縁型（商用系統と太陽電池入力側とがトランス等で絶縁された構成）のものである必要があり，多く普及している非絶縁型の電力制御装置には採用できない技術であった。

本発明の一態様は、簡単な構成で発電効率の低下を抑制することができる非絶縁型の電力制御装置、太陽光発電システム、およびプログラムを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電力制御装置は、フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュールおよび外部の系統電力網に接続され、当該太陽電池モジュールを含む太陽光発電システムにおける電力の入出力を制御する電力制御装置であって、前記太陽電池モジュールが正極と負極とを有し、前記電力制御装置が、前記太陽電池モジュールの前記正極に対応する正極側入力端子と前記負極に対応する負極側入力端子とを備え、前記太陽電池モジュールにおける起電圧にかかわらず常に、前記太陽電池モジュールの前記正極の対地電位をゼロまたは負とする対地電位負電圧を、前記正極側入力端子を通って前記正極に供給するための制御信号を生成することを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る太陽光発電システムは、フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュールと、本発明の一態様に係る電力制御装置と、を備えていることを特徴とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るプログラムは、本発明の一態様に係る電力制御装置としてコンピュータを機能させる。

本発明の一態様によれば、簡単な構成で発電効率の低下を抑制することができる非絶縁型の電力制御装置、太陽光発電システム、およびプログラムを実現することができる。

本発明の実施形態１に係る太陽光発電システムの要部構成の一例を示すブロック図である。 前記太陽光発電システムで用いる太陽電池モジュールの外観を示す模式図であり、（ａ）は受光面側から見た正面図であり、（ｂ）は裏面から透視的に見た図である。 前記太陽光発電システムで用いる太陽電池モジュールの断面図である。 図３に示す太陽電池モジュールにおける発電効率の低下の原因を推測した模式図である。 前記電力制御装置の回路図である。 実施形態２に係る電力制御装置の回路図である。 実施形態３に係る電力制御装置の回路図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。

（太陽光発電システムの構成）
本実施形態に係る太陽光発電システム１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、太陽光発電システム１の要部構成の一例を示すブロック図である。

太陽光発電システム１は、太陽電池モジュール１０、蓄電装置２０、および電力制御装置３０を備えており、太陽電池モジュール１０、蓄電装置２０は系統電力網２と電力制御装置３０を介して接続されている。

太陽光発電システム１は、フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュール１０にて発電した電力を電力制御装置３０にて変換し、蓄電装置２０および系統電力網２に出力することができる。太陽光発電システム１は、外部の系統電力網２と接続可能な構成であり、当該系統電力網２から電力を購入（買電）し、蓄電装置２０に蓄電することができる。さらに、太陽光発電システム１は、電力制御装置３０を用いた制御により、太陽電池モジュール１０の発電効率が発電時間の経過に伴って低下するＰＩＤの発生を抑制して発電効率の低下を防止することができる。

系統電力網２は、電力会社が管理および運用を行う外部の電力網である。太陽光発電システム１は、系統電力網２を介して電力会社から電力を購入（買電）したり電力会社に電力を売却（売電）することができる。図示の例において、系統電力網２は中点接地された単相三線の電源である。以下の説明において、図中上側、および下側の電源はそれぞれ交流１００Ｖの電源であり、電力制御装置３０へは交流２００Ｖが接続されるものとする。

太陽電池モジュール１０は、受光面の裏面側に正極と負極の両方が設けられている裏面電極型の太陽電池モジュールである。また、太陽電池モジュール１０は、接地しているフレーム（外枠）によって支持されている。太陽電池モジュール１０は、電池正極端子１４２（正極）と電池負極端子１４３（負極）とを備える。図示の例において、太陽電池モジュール１０と電力制御装置３０とを接続する２つの線のうち、電池正極端子１４２に接続された上側が正極側の出力を示し、電池負極端子１４３に接続された下側が負極側の出力を示している。なお、太陽電池モジュール１０は１つのモジュールから構成されたものであってもよいし、複数のモジュールを連結したものであってもよい。太陽電池モジュール１０の具体的な構成については後述する。

蓄電装置２０は、電力の蓄電および放電を行うことができる。具体的には、蓄電装置２０は、電力制御装置３０を介して、太陽電池モジュール１０が発電した電力や系統電力網２を介して電力会社から購入した買電電力を蓄電することができる。また、蓄電装置２０は、自身が蓄えた電力を放電し、図示しない電気機器を駆動させたり、系統電力網２に電力を逆潮流し、売却（売電）したりすることができる。

電力制御装置３０は、太陽電池モジュール１０、蓄電装置２０、および系統電力網２に接続されており、太陽光発電システム１における電力の入出力を制御する。電力制御装置３０は、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２に接続されてその出力電圧の正極側を入力する正極側入力端子１３１と、電池負極端子１４３に接続されて負極側を入力する負極側入力端子１３２とを有している。ここで、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２および電力制御装置３０の正極側入力端子１３１は、共通の電位を有する配線上に接続されている。

電力制御装置３０は、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、昇圧回路１０１、双方向ＰＷＭインバータ１０２、交流リアクトル１０３、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、切替負荷１０５、連系リレー１０６、および切替制御部１０７を備えている。

対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１は、太陽電池モジュール１０と昇圧回路１０１との間に配置され、太陽電池モジュール１０の正極側に対する電圧を昇圧した電圧を分圧した分圧電圧を昇圧回路１０１に供給する。

昇圧回路１０１は、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１と双方向ＰＷＭインバータ１０２との間に配置され、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１から供給された分圧電圧を昇圧する。昇圧回路１０１は、コイル、ダイオード、および昇圧比をコントロールするスイッチングパワー素子として機能するＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）を用いた公知の回路構成のものであってもよい。図示の例において、昇圧回路１０１は、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１から供給された分圧電圧を入力として受け付けるようになっている。また、昇圧回路１０１は、負極側の入力端子と出力端子との間が、直流的かつ双方向に短絡状態となる回路構成である。

双方向ＰＷＭインバータ１０２は、昇圧回路１０１、交流リアクトル１０３、および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４に接続されている。双方向ＰＷＭインバータ１０２は、電圧を制御することで、太陽電池モジュール１０が発電した直流電力、および蓄電装置２０が放電し、後述する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４にて変換された直流電力を交流電力に変換し、系統電力網２に逆潮流することができる。また、双方向ＰＷＭインバータ１０２は、電圧を制御することで、系統電力網２を介して電力会社から買電した交流電力を直流電力に変換し、昇圧回路１０１または双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４へ出力することができる。換言すれば、双方向ＰＷＭインバータ１０２は、系統電力網２から入力された交流電圧を順変換動作によって直流電圧に変換する。また、双方向ＰＷＭインバータ１０２は、逆変換動作によって直流電圧を交流電圧に変換して系統電力網２へ出力する。なお、順変換動作は、高力率化を達成するために昇圧作用を伴うものであってもよい。図示の例において、昇圧回路１０１および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、その出力端が並列接続されており、双方向ＰＷＭインバータ１０２は、並列接続された出力端を直流入力としている。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、蓄電装置２０と、昇圧回路１０１および双方向ＰＷＭインバータ１０２との間に配置されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、蓄電装置２０に電力を出力して蓄電装置２０に電力を蓄電する降圧モードと、蓄電装置２０からの出力電圧を入力として蓄電装置２０に電力を放電させる昇圧モードの２つの動作モードを切り替えて動作する。ここで、降圧モードは、太陽電池モジュール１０にて発電した直流電力、および双方向ＰＷＭインバータ１０２によって交流電力から変換された直流電力の少なくともいずれかを、蓄電装置２０が蓄電可能となるように変調などの処理を行うモードである。一方、昇圧モードは、蓄電装置２０に放電させた直流電力を、双方向ＰＷＭインバータ１０２が交流電力に変換可能となるように変調などの処理を行うモードである。

切替負荷１０５は、昇圧回路１０１と双方向ＰＷＭインバータ１０２との間に配置された、オンオフを切り替え可能な負荷である。切替負荷１０５は、少なくとも太陽電池モジュール１０が発電を行っておらず、かつ後述する連系リレー１０６が通電状態であるときにオンとなり、双方向ＰＷＭインバータ１０２を介して系統電力網２から僅かでも電力消費される構成であればどのようなものであってもよい。また、切替負荷１０５は常時ＯＮである負荷としてもよい。図示の例において、切替負荷１０５は、昇圧回路１０１の出力の正極と負極との間に接続されている。

連系リレー１０６は、交流リアクトル１０３と系統電力網２との間に設けられた切替回路であり、切替制御部１０７から受信した制御信号にしたがって、系統電力網２との接続の有無を切り替える。連系リレー１０６は、太陽光発電システム１が系統電力網２と電力のやり取りを行う場合にオンになっていればよいが、系統連系規程で要求される系統保護が必要な場合は、連系保護による解列を実行し、当該系統電力網２との接続を切断する。逆に言えば、系統電力網２を保護する必要のない場合、連系リレー１０６はオンの状態を継続し、当該系統電力網２との接続を継続してもよい。ここで、系統連系規程で要求される保護とは、系統過電圧／不足電圧、系統周波数上昇／低下、単独運転検出等である。

切替制御部１０７は、電力制御装置３０の各部を制御する制御信号を生成するコントローラである。具体的には、切替制御部１０７は昇圧回路１０１、双方向ＰＷＭインバータ１０２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、切替負荷１０５、および連系リレー１０６の動作を制御信号によって制御する。切替制御部１０７は、制御信号によって双方向ＰＷＭインバータ１０２や双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４の動作モードを切り替えることにより、蓄電装置２０における電力の蓄電および放電を切り替えることができる。

（太陽電池モジュールの構成例）
本実施形態における太陽電池モジュール１０の構成例について、図２〜４を用いて説明する。図２は、太陽光発電システム１で用いる太陽電池モジュール１０の外観を示す模式図であり、（ａ）は受光面側から見た正面図であり、（ｂ）は裏面から透視的に見た図である。

図２の（ａ）は、太陽電池モジュール１０の正面図を示している。太陽電池モジュール１０は、周囲をフレーム１８で囲まれた複数の太陽電池セル１３から構成されている。複数の太陽電池セル１３は行列状に配置されており、さらに各太陽電池セル１３は、受光面の裏面側に設けられた第１電極（図４で後述するｐ型集電層１３ｅに相当）が、別の太陽電池セル１３の同じく裏面側に設けられた第２電極（図４で後述するｎ型集電層１３ｆに相当）と接続されている。これにより、太陽電池モジュール１０に含まれるすべての太陽電池セル１３は直列に接続されている。

図２の（ｂ）は、太陽電池モジュール１０の裏面側の外観を示している。直列に接続されている複数の太陽電池セル１３の端部は、別の配線によって裏面側に設けられた端子ボックスへ導かれる。端子ボックスには、太陽電池モジュール１０の出力電圧の正極側の端子である電池正極端子１４２、および、太陽電池モジュール１０の出力電圧の負極側の端子である電池負極端子１４３がそれぞれ設けられている。これらの電池正極端子１４２および電池負極端子１４３によって、直列に接続された複数の太陽電池セル１３において発電した電力を外部へ出力することができる。この電池正極端子１４２が特許請求の範囲に記載の「太陽電池モジュール」の「正極」に相当する。そして、電池負極端子１４３が特許請求の範囲に記載の「太陽電池モジュール」の「負極」に相当する。また、複数個の太陽電池モジュールが直列接続される場合は、電池正極端子１４２は最も高電圧側に位置する太陽電池モジュールの正極となり、電池負極端子は最も低圧側に位置する太陽電池モジュールの負極となる。

図３は、太陽電池モジュール１０の断面図である。図示の例において、太陽電池モジュール１０は、第１封止樹脂１１ａの中に埋設されている複数の裏面電極型の太陽電池セル１３を備えている。第１封止樹脂１１ａは、受光面側に設けられたカバーガラス１９と裏面側に設けられた裏面保護シート１５との間に挟み込まれるように固定されており、カバーガラス１９、第１封止樹脂１１ａ、および裏面保護シート１５の周囲は第２封止樹脂１１ｂで固定されている。第２封止樹脂１１ｂは、さらにフレーム１８で支持されており、当該フレーム１８は接地している。

裏面電極型の太陽電池セル１３は、パッシベーション膜１３ａ、ｎ型シリコン基板１３ｂ、ｐ＋層１３ｃ、ｎ＋層１３ｄ、ｐ型集電層１３ｅ、およびｎ型集電層１３ｆを備えている。パッシベーション膜１３ａは、ｎ型シリコン基板１３ｂにて発生した正孔および電子が当該ｎ型シリコン基板１３ｂの表面で再結合することを抑制するための被膜である。ｎ型シリコン基板１３ｂは太陽電池セル１３における発電部位にあたり、内部にｐ＋層１３ｃおよびｎ＋拡散層１３ｄを備えている。ｐ型集電層１３ｅはｐ＋層１３ｃに当接しており、太陽電池セル１３の第１電極（正極）として機能する。ｎ型集電層１３ｆはｎ＋層１３ｄに当接しており、太陽電池セル１３の第２電極（負極）として機能する。

なお、太陽電池セル１３において、ｎ型集電層１３ｆは別の太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅと、接続部材１６によって電気的に接続されている。さらに、直列に接続された複数の太陽電池セル１３の両端に相当するｐ型集電層１３ｅおよびｎ型集電層１３ｆは、太陽電池モジュール１０全体の正極および負極として機能し、それぞれ、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２、電池負極端子１４３に接続される。

受光面から入射した光は、カバーガラス１９および第１封止樹脂１１ａを経由して太陽電池セル１３へ到達する。そして、太陽電池セル１３のｎ型シリコン基板１３ｂにおいて、正孔および自由電子を光電効果によって生じた結果、電極間に電圧を生じる。太陽電池モジュール１０は、複数の太陽電池セル１３において生じた電圧を合成し、当該太陽電池モジュール１０の起電圧として図１および図２（ｂ）に示される電池正極端子１４２、電池負極端子１４３を通して外部へ出力する。

（裏面電極型太陽電池モジュールにおけるＰＩＤ発生原因の推測）
図３を用いて説明したように、太陽電池モジュール１０は、受光面より入射した光が太陽電池セル１３に到達するまでの間に、複数の部材を経由する構成となっている。このことから本発明者らは、本実施形態に係る太陽電池モジュール１０を含む裏面電極型太陽電池モジュールにおいて、ＰＩＤが生じる原因を、以下のように推測した。推測した内容について、図４を用いて以下に説明する。図４は、図３に示す太陽電池モジュールにおける発電効率の低下の原因を推測した模式図である。なお、太陽電池モジュール１０は接地しているフレーム１８によって支持されており、さらにフレーム１８とカバーガラス１９が当接している構成である。

太陽電池モジュール１０が発電を行うと、ｎ型シリコン基板１３ｂにおいて、正孔および自由電子が発生し、電極間を結ぶ電界が生じる。具体的には、ｐ型集電層１３ｅおよびｎ型シリコン基板１３ｂのｐ＋層１３ｃの電位が、ｎ型集電層１３ｆおよびｎ型シリコン基板１３ｂのｎ＋層１３ｄの電位よりも高くなる。このとき、カバーガラス１９とｎ型シリコン基板１３ｂのｐ＋層１３ｃとの間で、電極間とは別の電界がさらに生じる。具体的には、ｐ＋層１３ｃの対地電位が正であり、カバーガラス１９の対地電位をゼロとした電界が生じる（図中の上向きの矢印）。

カバーガラス１９とｐ＋層１３ｃとの間に電界が生じると、第１封止樹脂１１ａに含まれる自由電子が電界にしたがって移動する。具体的には、自由電子がｎ型シリコン基板１３ｂの方へ移動し、第１封止樹脂１１ａとパッシベーション膜１３ａとの間の境界面上に堆積する。

前述の状態で太陽電池モジュール１０がさらに発電を行うと、光電効果によって発生した正孔の一部が正電極である裏面側のｐ型集電層１３ｅに当接するｐ＋層１３ｃではなく、境界面上に堆積した自由電子に引き寄せられる。このような反応が内部で行われることで、裏面電極型太陽電池モジュールにおいてＰＩＤが生じるものと推測される。

前述の推測内容に基づけば、カバーガラス１９とｐ＋層１３ｃとの間に、ＰＩＤが生じる場合とは逆方向の電界を生じさせることができれば、第１封止樹脂１１ａ中の自由電子が境界面上からカバーガラス１９の方向へ移動すると考えられる。これにより、発電によって生じた正孔が境界面に引き寄せられることがなくなり、太陽電池モジュール１０の発電効率の低下が抑制されるものと考えられる。

ＰＩＤが生じる場合とは逆方向の電界を生じさせるためには、ｐ＋層１３ｃに当接するｐ型集電層１３ｅの電位をカバーガラス１９の電位以下にする必要がある。このとき、カバーガラス１９は、接地されているフレーム１８に当接しているので、ｐ型集電層１３ｅの対地電位がゼロまたは負となるよう制御可能な回路構成とすることが好適である。ｐ型集電層１３ｅは電池正極端子１４２に接続されている。従って、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２にゼロまたは負の電位を供給すれば、太陽電池セル３のＰＩＤの発生を抑制することができる。

（回路の構成例）
本実施形態に係る電力制御装置３０の回路の構成例について、図５を用いて説明する。図５は、電力制御装置３０の回路の構成例を示す模式図である。

対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１は、ＦＥＴ１０８とコイル１０９とダイオード１１０と一対のコンデンサ１４６・１４９とを有する。ＦＥＴ１０８のドレインはコイル１０９を介して正極側入力端子１３１と接続される。コイル１０９の一端は正極側入力端子１３１に接続され、他端はＦＥＴ１０８のドレイン及びダイオード１１０のアノードに接続される。ＦＥＴ１０８のソースは負極側入力端子１３２に接続されている。

コンデンサ１４６の一端とコンデンサ１４９の一端との間の中点１４８が正極側入力端子１３１及びコイル１０９に接続される。コンデンサ１４６の他端はダイオード１１０のカソードに接続される。コンデンサ１４９の他端はＦＥＴ１０８のソース及び負極側入力端子１３２に接続される。

昇圧回路１０１は非絶縁型であり、ＦＥＴ１０８ａとコイル１０９ａとダイオード１１０ａとを有する。ＦＥＴ１０８ａのドレインは、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１のダイオード１１０のカソードにコイル１０９ａを介して接続される。コイル１０９ａの一端はダイオード１１０のカソードに接続され、他端はＦＥＴ１０８ａのドレイン及びダイオード１１０ａのアノードに接続される。ＦＥＴ１０８ａのソースは対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の中点１４８を介して正極側入力端子１３１に接続される。

（回路の動作例）
このように構成された太陽光発電システム１は以下のように動作する。

まず、太陽電池モジュール１０にて発電が行われる。発電した電力は、双方向ＰＷＭインバータ１０２などを介して系統電力網２へ出力（売電）されるか、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４などを介して蓄電装置２０へ蓄電されるか、または売電しつつ蓄電されるか、図示しない電気機器にて消費される。

太陽電池モジュール１０が発電しているとき、切替制御部１０７から昇圧回路１０１へ第１の制御信号が送信され、また双方向ＰＷＭインバータ１０２へ第２の制御信号が送信され、太陽電池モジュール１０にて発電した電力を系統電力網２へ出力するように動作する場合を考える。このとき太陽電池モジュール１０の起電圧Ｖ_ＰＶは、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１に入力され、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１のＦＥＴ１０８、コイル１０９、及びダイオード１１０により昇圧される。例えばＦＥＴ１０８のスイッチングデューティを５０％程度にすると約２倍程度に起電圧Ｖ_ＰＶは昇圧される。そして、一対のコンデンサ１４６・１４９により、昇圧された起電圧Ｖ_ＰＶは分圧され、コンデンサ１４６に対応する分圧電圧が昇圧回路１０１に出力される。

対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１から出力された分圧電圧は、昇圧回路１０１によって図５中のＶ_ｏｕｔに昇圧され、双方向ＰＷＭインバータ１０２の逆変換動作により、直流電力を交流に変換して系統電力網２へ出力される。

ここでＶ_ｏｕｔを３６０Ｖと仮定すると、双方向ＰＷＭインバータ１０２の逆変換動作により、昇圧回路１０１の図の右側から接続された２つの入力のうち、双方向ＰＷＭインバータ１０２の正極インバータ端子１４４に対応する上側に＋１８０Ｖの直流対地電圧が印加され、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５に対応する下側の対地電圧は−Ｖ_ｏｕｔ／２となり、−１８０Ｖの直流対地電圧が印加される。

このとき、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２には、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５、昇圧回路１０１、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の中点１４８、及び正極側入力端子を通って−１８０Ｖの直流対地電圧が印加される。

次に、例えば日没などの理由によって太陽電池モジュール１０が発電を行わない、または発電における起電圧が所定の電圧を下回る場合を考える。所定の電圧は、夜間や雨天などの場合に太陽電池モジュール１０に生じる起電圧に基づいて設定されることが好適である。

太陽電池モジュール１０が発電しないときに、切替制御部１０７から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４へ第１の制御信号が送信され、双方向ＰＷＭインバータ１０２へ第２の制御信号が送信されて、蓄電装置２０が系統電力網２から購入した電力を蓄電するように動作する場合を考える。このとき、系統電力網２から２００Ｖの交流電圧が印加される。その後、双方向ＰＷＭインバータ１０２の順変換動作により、直流電圧に変換される。双方向ＰＷＭインバータ１０２の順変換動作は高力率化を達成するために昇圧作用を伴うことから、図５中にＶ_ｏｕｔとして記載された電圧は、ダイオード全波整流で得られる直流電圧（２００Ｖ×√２＝２８２Ｖ）より高くなり、たとえば３６０Ｖとなる。

このとき、昇圧回路１０１には、図の右側から接続された２つの入力のうち、双方向ＰＷＭインバータ１０２の正極インバータ端子１４４に対応する上側には対地で＋１８０Ｖの直流電圧が印加され、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５に対応する下側に−Ｖ_ｏｕｔ／２として−１８０Ｖの直流電圧が印加される。

このとき、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２には、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５、昇圧回路１０１、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の中点１４８、及び正極側入力端子を通って−１８０Ｖの直流対地電圧が印加される。

したがって、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２に接続された太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅの対地電位が−１８０Ｖの負となり、図４を用いて説明したような理由によって、太陽電池モジュール１０のＰＩＤの発生を抑制し発電効率の低下を防止することができる。

また、切替制御部１０７から双方向ＰＷＭインバータ１０２へ第２の制御信号を与えない場合においても、連系リレー１０６がオン状態であれば、双方向ＰＷＭインバータ１０２の全波整流作用により、系統電力網２の電圧を整流して、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２には−１４１Ｖの対地電圧が印加される。このため、太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅの対地電圧は−１４１Ｖの負となり太陽電池モジュール１０のＰＩＤの発生を抑制することができる。

図５に示したような回路構成により、本実施形態に係る電力制御装置３０は、太陽電池モジュール１０における起電圧が所定の電圧を下回るか否かにかかわらず常に、制御信号によって、当該太陽電池モジュール１０の太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅの対地電位をゼロ又は負にするための対地電位負電圧を、正極側入力端子１３１を通って電池正極端子１４２に供給する。これにより、太陽電池モジュール１０の太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅとカバーガラス１９との間には、発電時とは逆方向の電界が対地で生じ、当該電界によって、太陽電池モジュール１０におけるＰＩＤの発生が抑制される。したがって、太陽電池モジュール１０の発電効率の低下を防止できる電力制御装置３０を提供することができるという効果を奏する。

前記の説明は、太陽電池モジュール１０が発電しておらず、かつ蓄電装置２０が系統電力網２から電力を購入（買電）する場合について述べたものであった。しかしながら、太陽電池モジュール１０が発電していないときに、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１に図の右側から接続される２つの入力のうち、中点１４８に入力される下側の入力の対地電位が負となる構成であれば、どのようなものであってもよい。

また、太陽電池モジュール１０が発電している場合においても、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１、および昇圧回路１０１でＶ_ｏｕｔは３６０Ｖに昇圧されているため、太陽電池セル１３のｐ型集電層１３ｅには−１６０Ｖの対地電位負電圧が、正極側入力端子１３１を通って太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２に供給される。

また、蓄電装置２０の代わりに、図１に示すような切替負荷１０５を昇圧回路１０２と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４および双方向ＰＷＭインバータ１０２との間に備える構成であってもよい。太陽電池モジュール１０が発電していないとき、連系リレー１０６がオン状態で、切替負荷１０５をオンにすると、系統電力網２から購入した電力を双方向ＰＷＭインバータ１０２を介して切替負荷１０５にて消費する。このとき、前述のごとく、双方向ＰＷＭインバータ１０２の全波整流作用により、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２には、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５、昇圧回路１０１、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の中点１４８、及び正極側入力端子１３１を通って−１４１Ｖの対地電圧が印加され、太陽電池モジュール１０における発電効率の低下を防止することができる。

なお、なんらかの理由によって系統電力網２を保護する必要があるときは、連系リレー１０６をオフにする必要があるため、前述の操作によって太陽電池モジュール１０の発電効率の低下を防止することはできない。すなわち、切替制御部１０７は、系統電力網２を保護する必要のない場合は、切替負荷１０５を接続するための第３の制御信号と、系統電力網２との接続を継続するために連系リレー１０６をオンの状態で維持するための第４の制御信号と、を生成することが好適である。これにより、蓄電装置２０の代わりに切替負荷１０５を用いる構成であっても、太陽電池モジュール１０における発電効率の低下を防止することができる。また、切替負荷１０５は、切替制御部１０７の動作電力を供給するための電源回路で代替してもよい。また、連系リレー１０６がオフのときは、商用系統と太陽電池入力側とは絶縁された状態となるので特許文献１の技術も有用である。

さらに、太陽光発電システム１が、蓄電装置２０と切替負荷１０５の両方を備える構成であってもよい。このとき、切替制御部１０７は、系統電力網２を保護する必要のない場合は、第４の制御信号によって系統電力網２との接続を継続し、さらに第１の制御信号および第２の制御信号によって蓄電装置２０に電力の蓄電を実行させる。これにより、電力制御装置３０は、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２にかかる対地電位を、より低くすることができる。したがって、太陽電池モジュール１０のｐ型集電層１３ｅとカバーガラス１９との間の電界をより強くできるので、自由電子を素早く移動させ、発電効率の低下をより効果的に防止することができる。
〔変形例〕
前記実施形態１において、電力制御装置３０は、例えば図示しないＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）コントローラとの間で情報を送受信してもよい。例えば、切替制御部１０７は、ＨＥＭＳコントローラから太陽電池モジュール１０の発電量や発電時間に関する履歴情報を取得し、取得した履歴情報に基づいて、太陽電池モジュール１０の発電効率を回復させるよう各部を制御してもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図６は実施形態２に係る電力制御装置１Ａの回路図である。

前述した実施形態１と比べて異なる点は、昇圧回路１１が存在せず、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１Ａが、昇圧回路１１の昇圧分も太陽電池モジュール１０から出力された起電圧を昇圧する点である。対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１Ａは、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking、最大電力点追従）も行う。

そして、実施形態１と同様に、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２が、双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５と、正極側入力端子１３１、及び対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の中点１４８を介して接続されるので、負極インバータ端子１４５の電圧−（Ｖｏｕｔ／２）が電池正極端子１４２に供給される。このため、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２に、対地電極に対してマイナスの電位が供給される。従って、ＰＩＤが生じる場合とは逆方向の電界がｐ型集電層１３ｅとカバーガラス１９との間に生じる。この結果、ＰＩＤの発生、発電効率の低下が抑制される。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図７は実施形態３に係る電力制御装置１Ｂの回路図である。

前述した実施形態２と比べて異なる点は、抑制コンデンサ１４７を設けた点である。対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１Ｂは、太陽電池モジュール１０の出力電圧の昇圧比を抑制するための抑制コンデンサ１４７をさらに有する。抑制コンデンサ１４７は、その一端が中点１４８に接続される。抑制コンデンサ１４７の他端は、その一端が太陽電池モジュール１０の電池負極端子１４３に接続されるコンデンサ１４９Ａの他端に接続される。双方向ＰＷＭインバータ１０２の負極インバータ端子１４５は、コンデンサ１４９Ａと抑制コンデンサ１４７との間に接続される。抑制コンデンサ１４７は、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１Ｂの昇圧比が高くなって太陽電池モジュール１０の電力損失が増加することを防止する。

そして、抑制コンデンサ１４７の電圧がＶｏｕｔ／２以下になるように容量を選定すれば、太陽電池モジュール１０の電池正極端子１４２に、対地電位に対してゼロもしくはマイナスの電位が供給される。従って、ＰＩＤが生じる場合とは逆方向の電界がｐ型集電層１３ｅとカバーガラス１９との間に生じる。この結果、ＰＩＤの発生、発電効率の低下が抑制される。

〔ソフトウェアによる実現例〕
電力制御装置３０の制御ブロック（特に切替制御部１０７）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、電力制御装置３０は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば少なくとも１つのプロセッサ（制御装置）を備えていると共に、前記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な少なくとも１つの記録媒体を備えている。そして、前記コンピュータにおいて、前記プロセッサが前記プログラムを前記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。前記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。前記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、前記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、前記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して前記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、前記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る電力制御装置３０・３０Ａ・３０Ｂは、フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュール１０および外部の系統電力網２に接続され、当該太陽電池モジュール１０を含む太陽光発電システム１・１Ａ・１Ｂにおける電力の入出力を制御する電力制御装置３０・３０Ａ・３０Ｂであって、前記太陽電池モジュール１０が正極（電池正極端子１４２）と負極（電池負極端子１４３）とを有し、前記電力制御装置３０・３０Ａ・３０Ｂが、前記太陽電池モジュール１０の前記正極（電池正極端子１４２）に対応する正極側入力端子１３１と前記負極（電池負極端子１４３）に対応する負極側入力端子１３２とを備え、前記太陽電池モジュール１０における起電圧にかかわらず、前記太陽電池モジュール１０の前記正極（電池正極端子１４２）の対地電位をゼロまたは負とする対地電位負電圧を、前記正極側入力端子１３１を通って前記正極（電池正極端子１４２）に供給するための制御信号を生成する。

上記の構成によれば、太陽電池モジュールの正極の対地電位をゼロまたは負とする対地電位負電圧が、正極側入力端子を通って正極に供給される。このため太陽電池セルのｐ＋層に当接するｐ型集電層の電位がカバーガラスの電位以下になる。従って、ＰＩＤが生じる場合とは逆方向の電界が生じる。この結果、ＰＩＤの発生が抑制され、簡単な構成で発電効率の低下が防止される。

本発明の態様２に係る電力制御装置３０・３０Ａ・３０Ｂは、上記態様１において、前記太陽電池モジュール１０の出力電圧を入力とするＤＣ／ＤＣコンバータ（対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１）と、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ（対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１）の出力を入力として前記系統電力網２に対して順変換動作および逆変換動作のいずれかを実行する双方向インバータ回路（双方向ＰＷＭインバータ１０２）とをさらに備え、前記双方向インバータ回路（双方向ＰＷＭインバータ１０２）が、前記太陽電池モジュール１０の前記正極（電池正極端子１４２）に対応する正極インバータ端子１４４と、前記太陽電池モジュール１０の前記負極（電池負極端子１４３）に対応する負極インバータ端子１４５とを有し、前記双方向インバータ回路（双方向ＰＷＭインバータ１０２）の前記負極インバータ端子１４５から前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１）と前記正極側入力端子１３１とを通って前記対地電位負電圧が前記太陽電池モジュール１０の正極（電池正極端子）に供給されてもよい。

上記の構成によれば、簡単な構成で太陽電池モジュールの正極に対地電位負電圧が供給される。

本発明の態様３に係る電力制御装置３０・３０Ａ・３０Ｂは、上記態様２において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１）が、前記太陽電池モジュール１０の出力電圧を昇圧するためのスイッチ素子（ＦＥＴ１０８）と、前記昇圧された出力電圧を分割して出力するための一対のコンデンサ１４６・１４９とを有し、前記一対のコンデンサ１４６・１４９の間の中点１４８が前記正極側入力端子１３１に接続されてもよい。

上記の構成によれば、昇圧された出力電圧を分割して出力する回路構成により、双方向インバータ回路の負極インバータ端子を電池モジュール１０の正極に直接接続することができる。

本発明の態様４に係る電力制御装置３０Ｂは、上記態様３において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１）が、前記出力電圧の昇圧比を抑制するための抑制コンデンサ１４７をさらに有してもよい。

上記の構成によれば、対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の昇圧比が高くなって対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４１の電力変換損失が増加することを防止することができる。

本発明の態様５に係る太陽光発電システム１・１Ａ・１Ｂは、フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュール１０と、態様１から４のいずれか１態様に記載の電力制御装置と、を備えている。

本発明の態様６に係るプログラムは、態様１に記載の電力制御装置としてコンピュータを機能させる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 太陽光発電システム
２ 系統電力網
１０ 太陽電池モジュール
１１ａ 第１封止樹脂
１１ｂ 第２封止樹脂
１３ 太陽電池セル
１３ａ パッシベーション膜
１３ｂ ｎ型シリコン基板
１３ｃ ｐ＋層
１３ｄ ｎ＋層
１３ｅ ｐ型集電層
１３ｆ ｎ型集電層
１５ 裏面保護シート
１６ 接続部材
１８ フレーム
１９ カバーガラス
２０ 蓄電装置
３０ 電力制御装置
１０１ 昇圧回路
１０２ 双方向ＰＷＭインバータ（双方向インバータ回路）
１０３ 交流リアクトル
１０４ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０５ 切替負荷
１０６ 連系リレー
１０７ 切替制御部
１０８ ＦＥＴ（スイッチ素子）
１０９ コイル
１１０ ダイオード
１３１ 正極側入力端子
１３２ 負極側入力端子
１４１ 対地電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
１４２ 電池正極端子（正極）
１４３ 電池負極端子（負極）
１４４ 正極インバータ端子
１４５ 負極インバータ端子
１４６ コンデンサ
１４７ 抑制コンデンサ
１４８ 中点
１４９ コンデンサ

Claims (6)

1. フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュールおよび外部の系統電力網に接続され、当該太陽電池モジュールを含む太陽光発電システムにおける電力の入出力を制御する電力制御装置であって、
   前記太陽電池モジュールが正極と負極とを有し、
   前記電力制御装置が、前記太陽電池モジュールの前記正極に対応する正極側入力端子と前記負極に対応する負極側入力端子とを備え、
   前記太陽電池モジュールにおける起電圧にかかわらず、前記太陽電池モジュールの前記正極の対地電位をゼロまたは負とする対地電位負電圧を、前記正極側入力端子を通って前記正極に供給するための制御信号を生成することを特徴とする電力制御装置。
2. 前記太陽電池モジュールの出力電圧を入力とするＤＣ／ＤＣコンバータと、
   当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を入力として前記系統電力網に対して順変換動作および逆変換動作のいずれかを実行する双方向インバータ回路とをさらに備え、
   前記双方向インバータ回路が、前記太陽電池モジュールの前記正極に対応する正極インバータ端子と、前記太陽電池モジュールの前記負極に対応する負極インバータ端子とを有し、
   前記双方向インバータ回路の前記負極インバータ端子から前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記正極側入力端子とを通って前記対地電位負電圧が前記太陽電池モジュールの正極に供給される請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記太陽電池モジュールの出力電圧を昇圧するためのスイッチ素子と、
   前記昇圧された出力電圧を分割して出力するための一対のコンデンサとを有し、
   前記一対のコンデンサの間の中点が前記正極側入力端子に接続される請求項２に記載の電力制御装置。
4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記出力電圧の昇圧比を抑制するための抑制コンデンサをさらに有する請求項３に記載の電力制御装置。
5. フレームが接地している裏面電極型の太陽電池モジュールと、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力制御装置と、を備えていることを特徴とする太陽光発電システム。
6. 請求項１に記載の電力制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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