JPS59500690A - 被分極エネルギ−発生素子アレ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 被分極エネルギー発生素子アレー 技術分野 本発明は、被分極エネルギー発生素子又は被分極エネルギー蓄積素子の二次元ア レーに関する。このようなエネルギー発生素子には電池、熱電発生器及び太陽電 池が含まれる；エネルギー蓄積素子の一例はコンデンサである。本明細書におい ては、エネルギー発生素子とエネルギー蓄積素子とを合わせて便宜上エネルギー 発生素子と呼ぶことにする。゛本発明の発明者は太陽電池技術に特に関心がちシ 、本発明は太陽電池のアレーを使用して開発され、試験されたので、太陽電池ア レーに重点をおいて本発明を説明する。

背景技術 被分極エネルギー発生素子の二次元アレーは直列又は直並列方式で接続されるの が普通である（これらの構成は添付の図面に示されている）。このような従来の アレーにおいては、アレーの中の１つの素子の動作特性が悪くなったときに、ア レー全体の出力がかなり大きく低下するということが長い間問題になっていた。

たとえば、鉛蓄電池の直列接続形アレーの場合、その中の１つの電池のセルが破 壊されて高抵抗素子になると、故障したセルによりアレーの内部抵抗が高くなる ために、電池アレー全体の出力が低下する。また、太陽電池のアレーにおいても 、アレーの中の１つの電池が故障したとき、又はアレーの中の１つ又は複数の電 池が影になったときに、直列接続形アレー又は直並列接続形アレーの出力は著し く低下する。地上用及び人工衛星用として太陽電池を使用することに熟練してい る人ならば良く知っているように、電池が影になるのには多くの原因がある。

太陽電池のアレーにおける太陽光遮断及び電池故障の問題は、従来、いくつかの 保護ダイオードをアレーに組込むことによシ一部は克服されている。通常、１つ のダイオードはアレーのいくつかの電池を分路するように作用するが、ダイオー ドは、太陽光遮断又は電池の動作不良によりそれらの電池の中の１つの抵抗が高 くなって、出力を低下させるおそれが生じたときにのみ動作する。この問題解決 法は有効ではあるが、コストが高く（アレーを保護するだめに多数のダイオード が必要である場合）、しかも無駄が多い（唯一つの電池が影になった又は故障し た場合でも、いくつかの十分に機能しうる太陽電池の出力がアレーによシ発生さ れる電力から除外されてしまうだめ）。

最近では、Ｊ、Ｆｅｌｄｍａｎ、　Ｓ、Ｓｉｎｇｅｒ及びＡ、　Ｂｒａｕｎｓｔ ｅｉｎが論文［５ｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　１ｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ａ ｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈａｄｏｗ　ｐｒｏ−ｂｌｅｍ　Ｊの中で、太陽電池のアレー において保護ダイオードを使用せずに電池の太陽光遮断の問題を克服する試みに ついて報告している。この論文は雑誌［ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ　ｊの第２６巻 （１９８１年）の４１９−４２８ページに掲載された。この論文の中でＦｅｌｄ ｍａｎ他は太陽光遮断の問題を論じ、アレーに保護ダイオードを組込むことに頼 らずに太陽光遮断の悪影響を低減するだめに、アレーの電池のランダムな相互接 続を（従来の直列接続又は直並列接続の代わシに）使用することができると結論 づけている。Ｆｅｌｄｍａｎ他は、太陽電池を交さ結合する確率的方法、すなわ ちランダムチャンス法の明白な利点を示すばかシでなく、その論文の中で、規則 的な交さ結合パターンを採用したときに、アレーの出力の大きな低下が起こった ことを特に述べている（文献の４２１ページ、第２コラムの６〜１０行を参照） 。

被分極エネルギー発生素子アレーの素子について準ランダム交さ結合又はランダ ム交さ結合を形成し、次にそのような交さ結合構成の効果を発揮させることは、 そのような素子の規則的な交さ結合構成を採用したときよりも必然的に煩雑にな り、長時間を要する。従って、本発明の目的は、そのような素子のアレーについ て、太陽光遮断（太陽電池の場合）及び素子の部分的な又は全体的な故障の問題 を保護ダイオードに頼らずに克服する規則的な交さ結合構成を提供することであ る。

本発明の開示 本発明の目的は、いくつかの素子行と素子列とじて被分極エネルギー発生素子の 規則的なマトリクスを形成し、各行の素子と各列の素子は同じ方向に分極される ようにし、マトリクス内部においては、ａ）各列の各素子の正極をその列の次に 隣接する素子の負極に接続し； ｂ）　１つの列の各第２の素子の正極を２つの隣接する列の一方の対応する素子 （すなわち、同じ行における素子）の正極に接続し；且つ ｃ）　１つの列の残シの各第２の素子の正極を２つの隣接する列のうち他方の列 の対応する素子（すなわち、同じ行における素子）の正極に接続することによシ 達成される。

マトリクスの縁部にある素子の接続方法はマトリクスの用途によって異なる。

上述のマトリクスに関するもう１つの方法は、被分極素子群の行と列から成る規 則的マトリクスとしてであシ、各群は同じ方向に分極され、４つのエネルギー素 子を含み、そのうち２つの素子は直列に接続され、他の２つの直列の素子とは並 列に接続されており；しかも、 ａ）　、−＝ｒ　）リクスの１つの列の各群は同じ列の他の群と直列に接続され ；且つ ｂ）　１つの群の中の２つの直列の素子の間の各接続点は、隣接する群の列の中 の対応する群の直列接続された素子の間の最も近い接続点に接続される。

マトリクスには偶数の列が設けられ、マトリクスの２つの側縁部を互いに接続し て、数学的には素子又は素子群の管形アレーと同等であるものを形成することが できる。

発明者は、本発明に従って構成されるエネルギー発生素子アレーについて「ブリ ッジ結合アレー」という用語を新しく作った。

本発明に従って構成される太陽電池のブリッジ結合アレーは、影になっていない とき、アレー内に同じ数の電池を有し且つ保護ダイオードを備えた直並列接続形 太陽電池アレーに劣らない出力特性を有し、アレーのいくつかの電池が影になっ ているときには著しく改善された出力を有することが実験により明らかとなった 。

本発明をさらに良く理解するため、以下、添付の図面を参照して説明する。

図面の簡単な説明 第１図は、先行技術の直列接続形波分極エネルギー発生素子アレーの（、）保護 ダイオードを含む場合と、（ｂ）保護ダイオードを含まない場合の図、 第２図は、先行技術の直並列接続形波分極エネルギー発生素子アレーの（、）保 護ダイオードを含む場合と、（ｂ）保護ダイオードを含まない場合の図、第３図 は、本発明に従って構成されたブリッジ結合形エネルギー発生素子アレーの図、 第４（ａ）図及び第４（ｂ）図は、第３図のブリッジ結合形アレーを異なる方式 により示した図、 第５図は、太陽電池が第３図又は第４図に示される種類のアレーに相互接続され る方式を概略的に示す図、第６図は、本発明に従って構成されるブリッジ結合形 太陽電池アレーのモジュールを形成するように相互に接続される実際の太陽電池 を示す図、第７図は、２つの太陽電池アレー〇特性を比較するために使用される 装置の図、及び 第８図は、第７図により示される装置を使用して得られる一対の特性を示す特性 図である。

図示実施例の詳細な説明 第１図及び第２図において、被分極エネルギー発生素子１０（前述のように、太 陽電池、電池、熱電発生器、コンデンサなどである）のアレーは、従来の直列接 続方式（第１（ａ）図）及び直並列接続方式（第２（ａ）図）で接続されている 。第１（ｂ）図及び第２（ｂ）図では、保護ダイオード１１が３つの素子１０か ら成る１グループを分路する。第１（ｂ）図及び第２（ｂ）のアレーの全ての素 子が正常に機能している場合、各素子の内部抵抗は小さく、ダイオード１１はい ずれも導通していない。しかしながら、いずれか１つの素子が故障するか、又は 素子の内部抵抗が高くなると、故障した素子が含まれる素子群を保護するダイオ ード１１は導通し、その素子群を分路する。この明細書において先に述べたより に、ダイオードが導通したときのこのような分路により、２つの完全に有効な素 子はアレー〇出力に全くかかわらなくなる。

第３図に示される素子アレーは保護ダイオードを含まない。このアレーは、２４ のエネルギー発生素子のマトリクスから構成される（しかし、これが図解例とし て示したアレーであることは明らかであり、さらに大きな素子アレーのごく一部 又は１モジユールを示しているにすぎない）。マトリクスは４つの素子行と、６ つの素子列とから構成される。第１行の素子２０Ａ、２０Ｂ１２０Ｃ及び２０Ｃ は直列に接続され、第２列の素子２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｇ及び２１Ｄ並びに他の 各列の素子も同様に直列に接続される。

第２の素子列の第１の素子（２１Ａ）と第２の素子（２１Ｂ）との間の接続点は 、第３の素子列の第１の素子（２２Ａ）と第２の素子（２２Ｂ）との間の接続点 に接続される。同様に、第２の素子列の第３の素子（２１Ｃ）と第４の素子（２ １Ｄ）との間の接続点は、第３列の対応する素子（２２Ｃ及び２２Ｄ）の間の接 続点に接続される。さらに大規模なアレーにおいては、この接続点の相互接続方 式はさらに一般的な原則によシ説明される゛。

ａ）各列の素子は直列に接続される（すなわち、各列の端部素子を除いて、各素 子の正極はその列の次の隣接する素子の負極に接続される）；ｂ）マトリクスの １つの列の素子は１つおきにその正極が、マ）　ＩＪクスの２つの隣接する列の いずれか一方の対応する素子の正極に接続される；Ｃ）マトリクスの１つの列の 残シの１つおきの素子の正極は、２つの隣接する列のうち他方の列の対応する素 子の正極に接続される。

第３図に示されるアレーにおいて、マトリクスの列の端部２６．２７及び２８は 互いに接続されないように図示されているが、列の他端は端子２９．３０及び３ １において一対ごとに接続される。実際には、素子アレーから単一の出力が要求 される場合、各列の端部２６．２７及び２８は共通の正の端子に接続され、端子 ２９．３０及び３１は共通の負の端子に接続される。図示される素子アレーから ３つの別個の出力が要求される場合は、１つの出力端が２つの端部２６にある正 の端子と負の端子２９とを有し、第２の出力端が２つの端部２７にある正の端子 と負の端子３０とを有し、第３の出力端が２つの端部２８にある正の端子と負の 端子３１とを有するような構成にすると好都合である。複数の出力端を含む他の 構成を提供できることはいうまでもない。

第３図に示されるアレーはアレーマトリクスに偶数の列がちシ、次のような利点 を有する。

ａ）同様なモジュールを端子２９．３０．３１．３２．３３．３２Ａ及び３３Ａ と、端部２６．２７及び２８に設ける端子とによシ互いに接続することにより、 大規模なアレーのモジュールを形成することができる；ｂ）端子３２及び３２Ａ を電気的に共通接続し、且つ端子３３及び３３Ａを共通接続することにょシ、管 形マトリクスアレーと数学的に等価であるアレーが形成される−このアレーけ、 アレーの性能を測定するだめの数学的なアレー分析が縁部接続点が接続されてい ないアレーの分析に比べて簡単であるという点で特に好都合である。

第４（ａ）図及び第４（ｂ）図は別の方式による第３図のアレーを示すが、第３ 図、第４（ａ）図及び第４（ｂ）図のアレーが実際には電気的には全く同じもの であることは、当業者には明らかであろう。

第４（ｂ）図は簡略化したアレー構成を示す。この簡略化したアレー〇構成要素 は、それぞれ、４つの被分極エネルギー素子４１．４２．４３及び４４から成る 素子群を含む。各素子群は二対の直列に接続された素子（４１と４２　；　４３ と４４）を有し、直列接続素子の対は並列に接続される。直列接続素子の各対の 直列接続点（４５，４６）はそれぞれの端子（３３，４７）に接続され、端子は 隣接する素子群の一方の素子対の直列接続点にも接続される。第４（ｂ）図のア レーの基本構成ブロックとして使用される、４つの素子から成る素子群は、大規 模アレーを形成するのに便利なように、単一のモジュールとして構成することが できる。

本発明を形成するために接続される素子のアレーを他の構成によシ図示すること も可能である。

第５図においては、複数個の太陽電池５工、５２、・−・５８．５９は薄い矩形 のウェーハとして示されている。

各ウェーハは、導電性基板５０Ａ上に配置される不純物添加シリコン層５０から 構成される。複数本の導電性ストラップ６０け各シリコン層５ｏの上面にある表 面接点（図示せず）を隣接する太陽電池の基板５０Ａとそれぞれ接続して、（１ ）太陽電池５１．５２及び５３と、（Ｈ）太陽電池５４．５５及び５６と、（ｌ ｌｌｌ）太陽電池５７．５８及び５９とから構成される３列の直列接続太陽電池 列を形成する。複数本の別の導電性ストラップ６１は、（、）太陽電池５２及び ５５、（ｂ）太陽電池５４及び５７、並びに（ｃ）太陽電準５６及び５９の基板 ５０Ａを接続する。シリコン太陽電池の種類が同じであるとき、上面は、太陽か らの照射を受けると、光にさらされない面（通常は基板が装着されている）に対 して負の電圧を発生する。この種の電池を使用する場合、第５図に示されるスト ラップ６１による太陽電池の相互接続は、（ａ）太陽電池５２及び５５　、（ｂ ）太陽電池５４及び５７、並びに（ｃ）太陽電池５６及び５９の正極を互いに接 続することと同等である。

実際には、通常の太陽電池は、電気接続が可能な正の電極を形成する基板５０Ａ を有する。また、シリコン層の上面に（公知技術によシ）蒸着される細い金属系 から構成される表面接点を有する。導体は太陽電池から電流を収集すると共に、 表面接点への電気的接続を提供する。すなわち、細い金属系とテーパ状導体の構 成は、太陽電池の１負電極」を形成する。（基板が負電極を形成し、表面接点構 成が正電極を形成するようにシリコン層に不純物を添加した太陽電池のように、 「負電極」を別の方法によシ形成することもできる。）本発明に従って接続され た太陽電池のアレーが第６図に示されている。この図は、（ａ）通常、太陽電池 間に設けられる間隔と、（ｂ）　５ｏｌａｒｅｘ　Ｃｏｍｐａｎｙ製太陽電池の 負電極の構成と、（ｃ）　５ｏｌａｒｅｘ太陽電池の基板（正電極）の間の二重 電気接続を使用するに当たって実際に注意すべき事項とを示すだめに含めた。

本発明に従って形成されるエネルギー発生素子アレーの出力を数学的に分析する ことは困難である。本発明の十分に機能しうるアレーが従来の直並列接続形アレ ーと同等の出力を有するか否かを調べるだめに、５Ｏ−１ａｒｅｘ太陽電池を使 用して３６個の太陽電池から成る２つのアレーを構成した。これらのアレーのう ち一方は、第３図に示されるように接続される６行×６列のマトリクスを形成す るが、ただし、端子３２．３３．３２Ａ及び３３Ａに対応する側部端子は他の端 子には接続されていない。他方のアレーは、直列の６個の電池により発生される 電圧と同等の電圧出力を有する直並列接続形アレーとして構成した。次に、計− の照明条件の下で第７図に示される装置を使用して、これら２つのアレー〇性能 を比較した。

第７図に示される装置は、開回路電圧及び短絡電流を含む、負荷時の太陽電池の 特性を測定するために設計された。太陽電池アレーの発生特性の比較にも、この 装置を使用した。

第７図において、電源は電池７０と、独立して調節することができる加減抵抗器 ７１Ａ及び７２Ｂとから構成される。この電源によシ発生される電圧は、０１オ ームの抵抗器７３Ａを介して、太陽電池アレー７２Ａの出力端子に印加される。

０１オームの抵抗器７３Ａ（実際には、通常はある一定の長さの抵抗線である） の両端に発生する電圧により、アレーの出力電流を計算することができる。抵抗 器７３Ａの両端の電圧は、通常けＸＹ記録装置７４の７人力となる。記録装置７ ４のＸ入力は、太陽電池アレー７２Ａの正の端子と負の端子との間に現われる電 圧である。

異なる太陽電池アレーの出力特性を測定するために、各アレーを順番にアレー７ ２Ａとする。それぞれのアレーの照明条件が確実に同じになるようにするため、 測定装置に固定アレー７２Ｂを含める。アレー７２Ｂは、抵抗器７３Ａと同じ種 類であシ且つ同じ値を有する抵抗器７３Ｂの両端に電圧を発生する。太陽電池ア レー７２Ｂによシ照明条件を監視することにより、次々に測定される太陽電池ア レー７２Ａを正確知比較するととができる。

電圧計７５は、スイッチ７６の位置に従って、抵抗器７３Ａ又は抵抗器７３Ｂの 両端の電圧を表示する。

第７図に示される電源を使用すれば、アレーの両端の電圧を正負のいずれにもす ることができる。この装置では、アレーを流れる開回路電圧を越える逆電流を測 定することもできる。

第８図は、測定されたアレーの動作特性を構成するＸ−Ｙ記録装置の実際のトレ ースを示す。この実験的なアレー比較において、本発明に従って構成されたアレ ーの出力は常に直並列接続形太陽電池アレーよシすぐれていることは明らかであ る。すなわち、本発明を採用したときに、直並列接続形太陽電池アレーを使用し たときに比べて不利になることは全くない。

本発明に従って構成される太陽電池アレーに照明が当たらないようにしてゆき、 その様々な段階を調べる実験において、前述の論文の４２１ページ（コラム２． ９〜１０行）でＦｅｌｄｍａｎ他が述べている「出力の大きな低下」の証拠とな るものは全く見られなかった。

本発明を太陽電池アレーに適用する場合、従来の太陽電池アレーと両面太陽電池 （Ｃｕｅｖａｓ他がｌ　ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ　Ｊ第２９巻、第５号、１９８ ２年刊の論文（４１９〜４２０ページ）の中で説明しているような種類の両面太 陽電池など）の双方に本発明を適用しうろことけ、太陽電池を使用する者には明 白であろう。

本発明の利点の中に、とのような技術（太陽電池など）に従ったエネルギー発生 素子のプリントアレーを作製することができること、また、特に太陽電池に嘔し て、アレーを構成するときに茗子の特性を整合させる必要性を軽減できることな どがある。

産業上の利用可能性 本発明は、太陽電池、電池、熱電発生器及びコンデンサのアレーに適用すること ができる。太陽電池技術に適用する場合、大形地上アレー及び人工衛星に搭載さ れる太陽電池アレーにおける、Ｊ、Ｆｅｌｄｍａｎ他が前述の論文の中で述べて いる照明遮断状態で特に有□利である。

２６　２７　２Ｂ ２６ｉ　２７　２８ Ｆｔ６．４（々）。

ＦＩＧ、５ ７ｃ／６．６ Ｆｔｃ、７ Ｆｔａ、　８゜ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アレー内の素子が複数の素子行と、複数の素子列とを有するマトリクスとし て形成され、各行の素子と各列の素子は同じ方向に分極されている被分極エネル ギー発生素子（２０Ａ、２０Ｂ、・・・・・・、２０Ｄ　；　２１Ａ、・・・・ ・・・、２１Ｄ　；　２２Ａ、・・・　、　２２Ｄ　；　２３Ａ、・・・・・・ 、　２３Ｄ　；　２４Ａ、・・・・・・、２４Ｄ　；　２５Ａ、・・・・・、２ ５Ｄ）のアレーにおいて、ａ）各列の各素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２０，２２Ｄ ）の正極はその列の次に隣接する素子の負極に接続され；ｂ）　１つの列の各第 ２の素子（１２Ｂ、２２Ｄ）、の正極が２つの隣接する列の一方の対応する素子 （２１Ｂ、２１Ｄ）の正極に接続され；且つ ｃ）　１つの列の残りの各第２の素子（２２０）の正極は、２つの隣接する列の うち他方の列の対応する素子（２３Ｇ）の正極に接続されること を特徴とするアレー。 ２　各列の正の端部にある（２０Ａ、２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ１２４Ａ、２５Ａ ）の正極は共通の正の端子に接続され、各列の負の端部にある素子（２０Ｄ、２ １Ｄ、、２２Ｄ、２３Ｄ、２４Ｄ、２５Ａ）の負極は共通の負の端子に接続され ることをさらに特徴とする請求の範囲第１項に記載のア列の素子対（２０Ａ、２ ０Ｂ；２０Ｃ１２０Ｄ）の間の接続点（３２，３３）は、マトリクスの右側の素 子対（ｚ　５　Ａ。 ２５Ｂ；’２５Ｃ：、２５Ｄ）の間の接続点（：３２Ａ、３３Ａ）にそれぞれ接 続されることをさらに特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載のアレー。 ４　素子（４１，４２，４３，４４）の数が４であシ、それぞれ２つの素子から 成る２つの列と、２つの行として配置される別個のユニットから構成される請求 の範囲第１項に記載のアレーにおいて、該ユニットは。 ａ）各列の素子（４１及び４２　；　４３及び４４）は直列に接続され； ｂ）　２つの素子列は並列に接続され、且つＣ）各列の直列に接続された素子の 間の接続点（４５，４６）はそれぞれの端子（３３，４７）に接続され、そのた め、ユニットをさらに大規模な素子アレーのモジュールとして使用しうろこと をさらに特徴とするアレー。 ５、各素子が太陽電池である請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項に記載 のアレー。 ６　各太陽電池が両面太陽電池である請求の範囲第５項に記載のアレー。 ７、　各素子が電池である請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項に記載 のアレー。 ８　各素子が熱電発生器である請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項に 記載のアレー。 ９　各素子がコンデンサである請求の範囲第１項、第２項、第３項又は第４項に 記載のアレー。