JPH11299127A - 蓄電池付き太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛電池セル数と積層型アモルファス太陽電池
セル数の最適化を図る。 【解決手段】 ３層の光電変換層を積層して成る光電変
換層を有した太陽電池セルをＳ枚直列接続した太陽電池
と鉛単電池セルをＢ個直列接続してなる蓄電池および逆
流防止手段を有した充電制御装置とを備えた太陽光発電
システムにおいて、太陽電池セル数Ｓと鉛電池セル数Ｂ
の比Ｓ／Ｂを１０／６以上１２／６以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄電池を有した太陽
光発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】蓄電池付き太陽光発電システムは、商用
電力の活用しにくいような場所で、好んで用いられてい
る。従来、この分野では結晶セル３６枚を直列接続した
モジュールが鉛単電池を６個直列で使用した１２Ｖ系鉛
バッテリーの充電に用いられてきた。

【０００３】しかしながら、積層型のアモルファス太陽
電池の場合、鉛蓄電池に対する最適なセル数は未知であ
った。アモルファス太陽電池は、光劣化および、熱によ
る回復という結晶セルには無い特有の性質を有するため
に、最適セル数を求めるのが結晶セルに比べて困難であ
ることから、未だ詳細に研究されていなかったのであ
る。特に複数の光電変換層を有する積層型太陽電池にあ
っては、なおさら研究が進んでいない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、鉛電池セル
数と積層型アモルファス太陽電池セル数の最適化をはか
り、高効率な充電の行える蓄電池付き太陽光発電システ
ムを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、３層の光電
変換層を積層して成る光電変換層を有した太陽電池セル
をＳ枚直列接続した太陽電池と鉛単電池セルをＢ個直列
接続してなる蓄電池および逆流防止手段を有した充電制
御装置を備えた太陽光発電システムにおいて、太陽電池
セル数Ｓと鉛電池セル数Ｂの比、Ｓ／Ｂが１０／６以上
１２／６以下であることを特徴とする太陽光発電システ
ムによって解決される。

【０００６】

【作用】上記のような構成を採ることで、太陽電池の最
適動作点電圧（これは日射などの外的な要因で時々刻々
と決定される）と鉛畜電池の動作点電圧（これは主に蓄
電池の充電状態、いわゆるＳＯＣによって決定される）
が、システム動作期間を通じて近くなり、太陽電池の性
能を十分に発揮させて、損失の少ない状態で、充電が可
能になる。

【０００７】

【実施例】以下、実施例をもとに本発明にかかるシステ
ムを具体的かつ詳細に説明する。図１に、本発明の一実
施例に係る太陽光発電システムの一例を示した。ここで
は、具体的に太陽電池セル数を８枚から１３枚直列させ
たモジュールを用意し、単電池を６セル直列接続した鉛
バッテリーと適当な負荷を組み合わせてシステムを構成
し、その充電量の違いを示して、本発明の優位性を証明
する。以下、本実施例の各構成要素について説明する。

【０００８】［太陽電池セル］本実施例で用いた太陽電
池セルの構成を図２に示した。図２において、１０は集
電電極、１００は透明導電層、１０１は第１光電変換層
（トップ層）、１０２は第２光電変換層（ミドル層）、
１０３は第３光電変換層（ボトム層）、１０４は裏面反
射層、１０５は裏面導電層である。光電変換層は、光が
入射してくる方から順にトップ層１０１、ミドル層１０
２、ボトム層１０３となっており、ミドル層１０２およ
びボトム層１０３にはアモルファスゲルマニウムが含ま
れている。このようなセルの構成方法の詳細は、本出願
人による特開平６−２１４９４号等に詳解されており、
本発明の本質的部分には関わらないので、ここでは割愛
する。重要なことは、光電変換層が３層積層されてお
り、その成分にアモルファスシリコンとアモルファスゲ
ルマニウムを有することにある。これによって太陽電池
の電圧特性が決定づけられるからである。なお、セル面
積は４００ｃｍ² とし、後述する太陽電池モジュールと
同一の樹脂保護材で被覆した。

【０００９】このセルを、標準光 (スペクトル、エアマ
ス１．５Ｇ、強度１００ｍＷ／ｃｍ² ）、セル温度５０
℃の条件下で光劣化させて、安定化させた後に、標準測
定条件（光は前記と同様で、セル温度は２５℃）で測定
したときの結果を下表に示す。なお、本出願人は、この
安定化した特性をもって、モジュールの公称出力を決定
している。

【００１０】

【表１】

【００１１】［太陽電池モジュール］太陽電池セルを複
数枚直列接続して、表面保護樹脂材で表面を被覆し、適
切な強度の金属補強板に取り付け、端子取り出し部を設
けてモジュールを構成した。このようなモジュールの外
観を図３に、被覆材の構成を図４に示した。このような
モジュールの製造方法は特開平６−１９６７４３号や特
開平９−１８６４７１号などに詳解されており、発明の
本質的部分には関わらないので、ここでは詳しく説明し
ない。図３および４において、３０１は金属補強板（補
強材）、３０２は端子取り出し部、３０３は接続線、３
０４は接続コネクタ、３０５は金属板立ち上がり部、４
０１は表面保護材（被覆材）、４０２は封止樹脂（被覆
材）、４０３は太陽電池セルである。

【００１２】このようなモジュールにあって、補強材や
被覆材などは、耐候性があれば種々の変更が可能であ
る。要は、セルの直列接続が行われ、耐候性のある材料
でセルが被覆されたモジュールを得る事が大事なのであ
る。当然、表面保護材は結晶モジュールでよく用いられ
るような強化ガラスなどでも構わない。このようにして
得られたモジュールを屋外で受光面を南に向けて設置し
た。傾斜角度は約３０度とした。

【００１３】［充電制御手段］実用システムでは、過充
電防止のために一定電圧に達した際に太陽電池を短絡し
たり、蓄電池の過放電を防ぐために一定電圧まで電池電
圧が下がった時に負荷を切り離す機能のあるものがよく
使用されている。また、蓄電池から太陽電池への逆流を
防ぐ逆流防止手段が必ず必要である。

【００１４】本実施例では、逆流防止手段としてショッ
トキーバリアダイオードを使用した。ショットキーバリ
アダイオードは、逆方向耐圧が３０Ｖ程度と低いのでシ
ステム電圧が高い場合には使用できないが、順方向電圧
降下が０．３から０．４Ｖと通常のＰＮ接合シリコン整
流ダイオードよりも電圧損失を小さくできるので、低電
圧の系には好適である。当然ながら、動作電圧が高いシ
ステムにあってはシリコン整流ダイオードのような高耐
圧のものを使用する必要がある。この他に特開平８−２
５１８１８号で開示されているようなＭＯＳＦＥＴやリ
レーを用いた、より電圧損失の少ない逆流防止手段の適
用も可能である。

【００１５】過充電防止手段は、本実施例では採用して
いない。過放電防止手段は蓄電池電圧が１１．０Ｖにな
った時に負荷を切り離すものを装備した。なお、本発明
において必須な部分は、逆流防止手段のみであり、その
他の充電制御機能の有無は何ら本発明の本質に影響を与
えない事を付記しておく。

【００１６】［蓄電池］本実施例では６セルの単電池を
直列接続した密閉型鉛バッテリー（定格電圧１２Ｖ，容
量３０Ａｈ）を採用した。バッテリーに関しては、いわ
ゆる鉛蓄電池であれば、密閉式／開放式のいずれでもよ
い。なお、本実験では、実際にバッテリーを接続したの
は１１直列のモジュールのみであり、あとのモジュール
には、そのバッテリーと同じ電圧で動作するような電子
負荷を利用した。公平性を保つためには、太陽電池の出
力に応じた容量のバッテリーが必要になるのだが、事実
上これは不可能なので、このような実施形態とした。

【００１７】［配線材］配線材には芯線の断面積が２平
方ミリメートルのビニル絶縁電線を使用した。太陽電池
から蓄電池までの距離は約５ｍとし、使用した線の長さ
は約１１ｍであった。配線抵抗は約０．２Ω以下であっ
た。しごく当然のことだが、一般的に言って、配線は損
失が少なくなるように適切な配線材を用いるべきであ
る。特に太陽光発電システムにあっては、通常推奨され
ているような太さよりも１ランク上の電線を使用するの
が損失を減少させる上で実用上のぞましい。

【００１８】次に、実験方法とその結果について説明す
る。 ［実験方法］以下のステップに従い実験を実施した。 ステップ１（夜間の動作）…蓄電池を、電圧が放電停止
電圧１１Ｖになるか、または放電電流量が１５Ａｈにな
るまで放電する。放電電流は１．５Ａとした。 ステップ２（昼間の動作）…太陽電池で充電。この時の
充電電流を電流検出用抵抗を介して継続して測定した。 ステップ３…ステップ１に戻る。

【００１９】このようなテストを夏（６月）と冬（２
月）にそれぞれ１ケ月間、本発明者らの勤務する研究所
の屋外にて実施し、それらを時間平均して充電電流量を
求めた。

【００２０】［結果］試験結果を下表に示す。下表にお
いて「相対充電量」は１１直列のモジュールの充電量を
１００として算出した充電電流量であり、以下の式で
求められる。 相対充電量＝（実充電量／１１直列の実充電量）×１００‥‥‥ また、「損失」とは理想の充電量に対する実充電量の減
少分であり、下記に示した式で求める。 損失＝（相対理想充電量−相対充電量）／相対理想充電量‥‥‥ ここで相対理想充電量とは、理想の充電量の１１直列を
基準とする相対値であり、例えば１２直列では１２／１
１×１００＝１０９、 １０直列では９１であり、当然直
列数に比例することになる。

【００２１】なお、基準となる直列値は、この試験の性
質上、最も効率良く充電できる系を選んだ方が良いとい
うことを付記しておく。そのように選ばずに恣意的に基
準を選択すると、基準に選ばれたところは常に損失が０
となり、充電効率がそれより良いところは損失が負の値
（すなわちゲイン）になり結果がわかりにくくなる。但
し、実際には、恣意的に基準を選んだとしても、適切に
換算すれば同様の結果が得られる。

【００２２】

【表２】

【００２３】上記表２からわかるように、１０直列（Ｓ
／Ｂが１０／６）から１２直列（Ｓ／Ｂが１２／６）ま
での時に損失が少なくなっていることがわかる。特に１
０直列と１１直列にあっては、ほとんど損失の生じてい
ない事が明らかである。日本工業標準調査会発行の「太
陽電池アレイ用電気回路設計標準 ＴＲＣ０００５」に
よれば、「アレイミスマッチ損失は５％以下とすること
がのぞましい」ならびに「集電回路損失は４％以内がの
ぞましい」と記述されており、これと同様の基準で見て
良否判断すれば、本発明の範囲での充電は「良」と判断
できるとして良い。

【００２４】なお、このテストにあっては、平均太陽電
池出力端電圧は１３．６Ｖ、平均蓄電池端電圧は１２．
９Ｖで、電圧損失は０．７Ｖ（太陽電池出力電圧に対し
て５．１％）であった。太陽電池の価格は、セル枚数に
ほぼ比例すると考えられるので、コスト対性能比が良い
のは、表中の損失の少ないものとなる。このように本発
明の範囲内でシステムを構成すれば、非常に効率よく充
電を行える事が明らかになった。

【００２５】

【他の実施例】本実施例では、マレーシアで試験を行
い、熱帯地域でも本発明が有効なことを実証する。マレ
ーシアのクアラルンプールにある当社関連工場に、前実
施例と同様の発電システムを設置し、１ケ月間、前実施
例と同様の試験を行った。ただし、設置場所の問題で配
線長さは約４０ｍになってしまった。設置角度は、設置
場所の緯度に合わせて約４度に設定した。

【００２６】

【表３】

【００２７】配線長が長く気温も高いので、太陽電池動
作電圧は低くなりがちであり、ややセル数の少ない方に
厳しい結果が得られている。実際、充電動作時の平均太
陽電池電圧と同蓄電池電圧の間の電圧降下は約１．１Ｖ
に達しており、これは平均太陽電池電圧の８．６％であ
った。

【００２８】大変興味深いことには、上記のような電圧
降下があるにも関らず１３直モジュールの損失が意外と
多いことで、これは熱帯地方の場合には太陽光に含まれ
る短波長成分が多く、屋外でのＦＦ値（フィルファク
タ）が、屋内標準測定条件のそれよりも大きくなってい
る事が原因と推測される。このことを説明するために図
５に太陽電池の出力電流−電圧カーブ（以下ＩＶカー
ブ）の一例を示した。おそらく熱帯地方では、ＦＦが上
昇してＩＶカーブの定電流域が広がるために、セル数を
増やしても充電量が増えなくなって、結果的に損失が増
えた事になるのだと推測される。上記のように、マレー
シアのような熱帯地方であっても、本発明の範囲にある
ような構成を取れば、効率よく充電できることが明確に
なった。

【００２９】

【さらに他の実施例】次に本発明が結晶太陽電池モジュ
ールに比べても大変有利に充電動作を行える事を示す。
実施例１と同様の実験を、１１直モジュール（実施例１
と同一のもの）と結晶セルを用いたモジュール（最大出
力５０Ｗｐ）を使用して実施した。その結果、下表が得
られた。

【００３０】

【表４】

【００３１】このように本発明の充電システムは、結晶
型太陽電池に比べても大変効率よく充電できることが明
らかになった。なお、本発明のシステムは、このような
電圧の低い系でなく、もっと大容量のアレイであっても
適用できることは明らかであろう。高電圧のアレイで
は、直流回路損失が小さくなり、またＳ／Ｂも本発明の
範囲内で、より細かく設定できるので、さらに低損失を
目指した調整も不可能ではない。

【００３２】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明は、３層
の光電変換層を積層して成る光電変換層を有した太陽電
池セルをＳ枚直列接続した太陽電池と鉛単電池セルをＢ
個直列接続してなる蓄電池および逆流防止手段を有した
充電制御装置を備えた太陽光発電システムにおいて、太
陽電池セル数Ｓと鉛電池セル数Ｂの比、Ｓ／Ｂが１０／
６以上１２／６以下であることを特徴とする太陽光発電
システムであり、以下の効果を有する。 （１）損失を発生させることなく効率よく充電が可能で
ある。 （２）損失を減少させることで充電量が増加し、発電コ
ストの削減になる。 （３）結晶太陽電池と比べても、効率の良い充電が行え
る。 このような優れた効果を有する本発明の産業上の利用価
値は高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る蓄電池付き太陽光発
電システムの構成を示す図である。

【図２】 図１のシステムで用いられる太陽電池セルの
構造の一例を表す図である。

【図３】 図１のシステムで用いられる太陽電池モジュ
ールの外観図の一例である。

【図４】 太陽電池モジュールの被覆材の構成の一例を
示す図である。

【図５】 太陽電池の電圧−電流曲線の例である。

【符号の説明】

１：太陽電池、１１，１２，‥‥，１Ｓ：太陽電池単セ
ル、２：充電制御装置、３：鉛畜電池、３１，３２，‥
‥，３Ｂ：鉛電池単セル、４：負荷、１０：集電電極、
１００：透明導電層、１０１：第１光電変換層（トップ
層）、１０２：第２光電変換層（ミドル層）、１０３：
第３光電変換層（ボトム層）、１０４：裏面反射層、１
０５：裏面導電層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３層の光電変換層を積層して成る光電変
   換層を有した太陽電池セルをＳ枚直列接続した太陽電池
   と、鉛単電池セルをＢ個直列接続してなる蓄電池および
   逆流防止手段を有した充電制御装置とを備えた太陽光発
   電システムにおいて、太陽電池セル数Ｓと鉛電池セル数
   Ｂの比Ｓ／Ｂが１０／６以上１２／６以下であることを
   特徴とする太陽光発電システム。
2. 【請求項２】 前記太陽電池セルがアモルファスシリコ
   ンおよびアモルファスゲルマニウムを成分として含んだ
   光電変換層を有することを特徴とする請求項１記載の太
   陽光発電システム。
3. 【請求項３】 前記３層の光電変換層のうち、ミドル層
   およびボトム層にアモルファスシリコンならびにアモル
   ファスゲルマニウムが含まれていることを特徴とする請
   求項２記載の太陽光発電システム。
4. 【請求項４】 前記太陽電池セル数Ｓと鉛単電池個数Ｂ
   の比が、１０／６以上かつ１１／６以下である請求項１
   〜３のいずれか１つに記載の太陽光発電システム。