(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池モジュールの出力を電力変換する過程での損失を低減する太陽光発電システムを得る。【解決手段】太陽光発電システムにおいて、各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュール１０と各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように負荷抵抗３を制御し、その出力を入力とする昇圧回路４を具備し、かつ各昇圧回路の出力電圧（又は出力電流）を所定の電圧値（又は出力電流）に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続（又は直列接続）し、所定の電力を得るようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュールと各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように負荷抵抗を制御し、その出力を入力とする昇圧回路を具備し、かつ各昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュールと各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように負荷抵抗を制御し、その出力を入力とする昇圧回路を具備し、かつ各昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を直列接続し、所定の電力を得るようにした特徴とする太陽光発電システム。
【請求項３】
前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電圧を所定値に制御し、かつ各々のモジュールごとに負荷抵抗と昇圧回路とを具備したことを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電流を所定値に制御し、かつ各々のモジュール毎に負荷抵抗と昇圧回路とを具備したことを特徴とする請求項２に記載の太陽発電システム。
【請求項５】
前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電圧を所定値に制御し、かつ各々のモジュール毎に負荷抵抗と昇圧回路とをセル毎に一体形成したことを特徴とする請求項３に記載の太陽発電システム。
【請求項６】
前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電流を所定値に制御し、かつ各々のモジュールごとに負荷抵抗と昇圧回路とをセル毎に一体形成したことを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
前記負荷抵抗及び前記昇圧器に加えて、さらに降圧器を具えたことを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
前記負荷抵抗及び前記昇圧器に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする請求項２に記載の太陽発電システム
【請求項９】
前記太陽電池モジュールに集光した光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１０】
前記太陽電池モジュールと前記昇圧回路が冷却装置内に配設されていることを特徴とする請求項1又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１１】
前記昇圧回路は、太陽電池からの出力電力を最大にするための負荷インピーダンスの制御機能を有し、かつその昇圧回路の出力電圧或いは出力電流をフィードバックするための制御装置と必要な情報を伝達する通信装置とを具えることを特徴とする請求項1又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１２】
上記の太陽電池モジュールと昇圧回路は冷却装置に内蔵され、該冷却装置は、導管を通じて冷却液を収納するとともに放熱器を具えたことを特徴とする請求項1又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１３】
各々の太陽電池モジュールが光学的に透明な絶縁体で狭窄されており、かつ絶縁体に配線とモジュールと負荷抵抗と昇圧回路とが配設されていることを特徴とする請求項1又は２に記載太陽光発電システム。
【請求項１４】
各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュール、各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、各昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項１５】
各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュール、各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、各昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項１６】
前記太陽電池モジュールがｐｎ接合型セルで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。
【請求項１７】
前記太陽電池モジュールがシリコンとシリコンカーバイドより構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の太陽光発電システム。
【請求項１８】
前記太陽電池モジュールがシリコンとアモルファスシリコンより構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の太陽光発電システム。
【請求項１９】
前記太陽電池モジュールがアモルファスシリコンとゲルマニュームより構成されていることを特徴とする請求項１６に記載の太陽光発電システム。
【請求項２０】
前記太陽電池モジュールが色素増感型セルで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載に太陽光発電システム。
【請求項２１】
太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路を並列接続し、所定の電力を得るようにした太陽光発電装置において、該負荷抵抗と該昇圧回路を対として、該対が少なくとも二対以上具備されていることを特徴とする太陽電池モジュール用接続ユニットボード。
【請求項２２】
太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路を直列接続し、所定の電力を得るようにした太陽光発電装置において、該負荷抵抗と該昇圧回路を対として、該対が少なくとも二対以上配設したことを特徴とする太陽電池モジュール用接続端子ユニットボード。
【請求項２３】
前記負荷抵抗及び前記昇圧回路に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする請求項２１に記載の太陽電池モジュール用接続端子ユニットボード。
【請求項２４】
前記負荷抵抗及び前記昇圧回路に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする請求項２２に記載の太陽電池モジュール用接続端子ユニットボード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システム及び太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池となるセルは、大別してｐｎ接合を形成する二種類の半導体を用いたものと色素増感型とよばれるセラミックに分散した色素を使用したものの二種類がある。  本発明の太陽電池とはその両方を意味する。太陽電池となるセルの開放電圧は通常、主に禁制帯幅より０．４Ｖ程度低くなることは知られている。また負荷インピーダンスを制御して最大電力量を得るが、通常動作電圧は開放電圧よりさらに低くなるので、太陽電池として使用する際には、セルを複数個直列接続して用いられる。通常複数個直列接続したものをモジュールと呼ぶ。
太陽電池モジュールの電圧は更にインバータの入力電圧を得るために複数個直列接続され使用される。太陽電池の性能を示す指標としては変換効率がある。通常シリコン半導体太陽電池のセルの変換効率は１４−２３％、モジュールでの変換効率は１２−２０％程度である。変換効率は太陽電池セル、モジュールはシステムコストに直接関係するので、変換効率を向上させる努力がなされている。半導体などに光は照射された場合、禁制帯幅に相当する光（フォトン）ではエネルギーに変換される効率、即ち量子効率（電子と正孔を作るエネルギーに対するフォトンエネルギーの割合）は高いが、禁制帯幅以上の光エネルギーは熱として半導体中に変換され、電気エネルギーとしては取り出されなくなるので、量子効率が下がる。しかし、太陽からの光スペクトルは紫外域から赤外域に亘る広いエネルギー分布を有するため、単一の禁制帯幅を有する半導体では限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このため、変換効率を大幅に向上させる方法として、異なる禁制帯幅の半導体を複数個積層する方法が用いられる。この方法は各々の波長領域で量子効率が高い半導体を適用することにより、熱エネルギーへの消滅を防ぐことにあり、当然禁制帯幅の大きい半導体を用いることは、高い動作電圧を得ることになるが、動作電流としては、光エネルギーを利用しない分だけ減少することになる。しかし、その動作電流と一定にすることにより、各々のｐｎ接合に相当する動作電流を得ることができるので、変換効率を向上することができる。このような太陽電池セルは通常、タンデム型セル、トリプル型セルと呼ばれるもので、広範囲に亘る光エネルギーを有効に取り出すための有効な方法であり、いかなる太陽電池を用いても効果は期待できる。
【０００４】
このようなものとしては、例えば、Ｇｅ基板に、ガリウムヒ素半導体、あるいはガリウムヒ素半導体の上にインジウムガリウムリン半導体を積層する構造を有する。具体的な半導体形成方法として、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法で積層するセルがある。タンデム型セル、トリプル型セルの各々はトンネル接合を用いて電気的に接続されている。
【０００５】
他の例としては、シリコン系薄膜太陽電池としては、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンカーバイドからなるｐｎ接合を３層積層化したものが検討されている。或いはマイクロクリスタルシリコンｐｎ接合とアモルファスシリコンｐｎ接合を積層化したものがある。これらセル・モジュールの共通した特徴は、いずれも直列接続されており、各々のｐｎ接合はトンネルダイオードで電気的に接続され、セル間を流れる電流は一定であるように設計される。
【０００６】
効率を高める方法としては、同一あるいは異種の半導体を積層化することにあり、これにより、各々の半導体の禁制帯幅を利用して、太陽光のエネルギースペクトルに適合した感度を確保することにあるが、セルを流れる電流を一定設計にしなくては逆に損失が生じることにある。
【０００７】
上記のように高効率な太陽電池セル・モジュールを製造するためには、禁制帯幅の異なる半導体を積層化することが必要である。禁制帯幅の異なる半導体、即ち言い換えれば格子定数のことなる半導体を積層化することは現実に容易なことではない。しかし、タンデム型、トリプル型セルの製造工程において各々の構成する異なる半導体を積層化することは、半導体層が独自の格子定数を有するため、良好な半導体層を積むことは極めて困難なことである。従って、タンデム型、あるいはトリプル型太陽電池としては、例えば前述のＧｅ基板にガリウムヒ素半導体を積層化する場合、ＧｅとＧａＡｓの組み合わせは格子定数のミスマッチが小さいので、容易である。しかし、Ｇｅとシリコンやシリコンとガリウムヒ素のように各々の格子定数が大きく異なる場合には、両方の半導体層に極めて大きい歪応力が発生するために半導体層中に結晶欠陥を発生せしめ、この欠陥が重大な変換効率の低下を招く。また、各々のセルを電気的に接続するためのトンネル接合は極めて高濃度の半導体層を形成する必要があるが、高濃度層を作製すること自体は禁制帯幅の大きい半導体では不純物順位の大きくなり、良好なトンネルダイオードを形成することは難しい。
【０００８】
一方、アモルファスシリコン系半導体を利用する方法もあるが、アモルファス半導体は一般的に多くの結晶欠陥が存在するので、光で励起された電子あるいはホールが再結合してしまい、量子効率が高くないので、タンデム型、トリプル型を用いても変換効率は１５％を超える結果を得てはいない。
【０００９】
一方、異なる禁制帯幅を有する半導体を機械的に積層する手法も提案されている。例えば二種類のセル或はモジュールを積層化した場合には出力端子はプラスとマイナスが各々の２個となり、各々のセルの電圧と電流と負荷抵抗は異なるため、出力が２組必要となり、かつインバータも各々の二台必要となる。積層化する太陽電池の数が増えると配線も複雑になるので、現実には困難である。セルの電圧は上記の通り０．５−１Ｖ程度であり、この低い電圧を効率よく昇圧することは極めて難しい。昇圧回路は電気回路技術ではよく用いられるものであるが、各々の電力損失の低下、変換効率の向上を図ることは極めて難しい。特に昇圧回路においては、入力電圧が低い場合には、昇圧回路の電力変換効率は低い。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記のような問題点に鑑みて考案されたものである。
昇圧回路の電力損失を低減するために、昇圧回路の入力電圧の所定値になるように、太陽電池セルを直列にしておき、モジュールの動作電圧を所定値以上とする。太陽電池モジュールの負荷抵抗は最大電力点追尾機能を有するように可変制御される。当該モジュールの出力電圧は、昇圧回路の電力効率を高めるために適合する電圧に設定される。
異なる禁制帯幅を有する太陽電池セルでは動作電圧が異なるので、各々の太陽電池モジュールの出力電圧はその最小公倍数になる電圧あるいはその整数倍の電圧に高めておくように設定される。
【００１１】
昇圧回路は、低損失ＦＥＴと回路部品（リアクトル、キャパシター、ダイオード）から構成される。各々の昇圧回路は、相互にデータ通信で帰還制御され、各々の昇圧回路の出力電圧を同一の電圧になるように制御する。同時に負荷抵抗も同一のデータ通信により制御し、構成部品の簡略化を図る。
【発明の効果】
【００１２】
太陽電池モジュールは、その種類すなわち格子定数や禁制帯幅のいかんに問わず、縦方向に積層化できるので、太陽光スペクトルの特定領域における量子効率の高い半導体を組み合わせることができるので、太陽光の全領域のエネルギーを効率よく収集できる。そのエネルギーは最大電力点追尾機能を有する負荷抵抗を通して、電力を昇圧回路に入力される。昇圧回路を通して、所定の電圧に制御され、出力電力を有効に取り出すことができる。各々の昇圧回路からの出力電流は並列接続される。あるいは各々の昇圧回路の出力電流を一定に制御し、出力電圧を直列接続することにより電力を取り出すことが出来る。
【００１３】
本発明により、各モジュールからの出力を電力変換の過程で損失を低減でき、合成できる。このような手法を使うことにより、太陽光スペクトルをカバーする太陽電池を選択することができ、その作用として電力変換効率を飛躍的に高めることが出来る。
【００１４】
本発明により、セルの出力電流値のいかんに拘わらず、容易に積層化でき、かつ各々のセル・モジュールの出力を最大にすることができ、かつ電力を合成できるので太陽光発電の高効率化に有効である。
【００１５】
さらに本発明においては、発電システムを構成している各接続回路をユニット構成するとともに単一の絶縁ボードとして構成でき、このユニット化により、太陽光発電システムの組立構成を容易化することができる。
【００１６】
本発明のような構成を採用することにより、  接続回路の安定性とケーブル接続の信頼性を高めることができる。  
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】2つの異なるセルを積層化した太陽光発電システム概念説明図を示す。
【図２】モジュール回路の接続図を示す。
【図３】モジュール回路の接続図を示す。
【図４】モジュール回路の接続図を示す。
【図５】太陽光発電システム説明図を示す。
【図６】冷却装置を具えた太陽光発電システムを示す。
【図７】接続端子ユニットボードを示す。
【図８】接続端子ユニットボードを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、太陽光発電システムにおいて、各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュールと各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように負荷抵抗を制御し、その出力を入力とする昇圧回路を具備し、かつ各昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュールと各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように負荷抵抗を制御し、その出力を入力とする昇圧回路を具備し、かつ各昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を直列接続し、所定の電力を得るようにした特徴とする。
【００１９】
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電圧を所定値に制御し、かつ各々のモジュールごとに負荷抵抗と昇圧回路とを具備したことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電流を所定値に制御し、かつ各々のモジュール毎に負荷抵抗と昇圧回路とを具備したことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電圧を所定値に制御し、かつ各々のモジュール毎に負荷抵抗と昇圧回路とをセル毎に一体形成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールは一個以上の太陽電池セルをモノリシック化して直列接続し、集積化して出力電流を所定値に制御し、かつ各々のモジュールごとに負荷抵抗と昇圧回路とをセル毎に一体形成したことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記負荷抵抗及び前記昇圧器に加えて、さらに降圧器を具えたことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記負荷抵抗及び前記昇圧器に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールに集光した光を照射することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールと前記昇圧回路が冷却装置内に配設されていることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記昇圧回路は、太陽電池からの出力電力を最大にするための負荷インピーダンスの制御機能を有し、かつその昇圧回路の出力電圧或いは出力電流をフィードバックするための制御装置と必要な情報を伝達する通信装置とを具えることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、上記の太陽電池モジュールと昇圧回路は冷却装置に内蔵され、該冷却装置は、導管を通じて冷却液を収納するとともに放熱器を具えたことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、各々の太陽電池モジュールが光学的に透明な絶縁体で狭窄されており、かつ絶縁体に配線とモジュールと負荷抵抗と昇圧回路とが配設されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、太陽光発電装置において、各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュール、各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、各昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする。
本発明は、太陽光発電装置において、各々の禁制帯幅の異なる複数の太陽電池モジュール、各々の太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、各昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路の出力電圧を並列接続し、所定の電力を得るようにしたことを特徴とする。
【００２３】
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールがｐｎ接合型セルで構成されていることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールがシリコンとシリコンカーバイドより構成されていることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールがシリコンとアモルファスシリコンより構成されていることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールがアモルファスシリコンとゲルマニュームより構成されていることを特徴とする。
本発明は、太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールが色素増感型セルで構成されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、太陽電池モジュール用接続ユニットボードにおいて、太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、昇圧回路の出力電圧を所定の電圧値に制御して、該昇圧回路を並列接続し、所定の電力を得るようにした太陽光発電装置において、該負荷抵抗と該昇圧回路を対として、該対が少なくとも二対以上具備されていることを特徴とする。
本発明は、太陽電池モジュール用接続ユニットボードにおいて、太陽電池モジュールの出力を最大値になるように制御する負荷抵抗、前記出力電圧を昇圧する昇圧回路とを具備し、昇圧回路の出力電流を所定の電流値に制御して、該昇圧回路を直列接続し、所定の電力を得るようにした太陽光発電装置において、該負荷抵抗と該昇圧回路を対として、該対が少なくとも二対以上配設したことを特徴とする。
本発明は、太陽電池モジュール用接続ユニットボードにおいて、前記負荷抵抗及び前記昇圧回路に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする。
本発明は、太陽電池モジュール用接続ユニットボードにおいて、前記負荷抵抗及び前記昇圧回路に加えて、さらに降圧回路を具えたことを特徴とする。
【００２５】
図３は、本発明に係るモジュール回路の接続図を示す。複数の異なる禁制帯幅を有する太陽電池は禁制帯幅の大きな半導体から順に表面から並べる。各々の太陽電池の出力は太陽光のエネルギーに対応して、最大電力が得られるように、負荷抵抗を制御する。図３は負荷抵抗を制御して、電流を一定に制御する。各々の負荷抵抗からの電圧は異なる。各々の電圧は直列に接続するので、端子の電圧は加算された電圧値となる。（電流制御方式）
図４は負荷抵抗を制御して、電圧を一定に制御する。各々の負荷抵抗からの電流は異なる。各々の電流は並列に接続され、端子の電流は加算された電流値となる。（電圧制御方式）
この場合、必要に応じて、降圧回路を設ける。
【００２６】
図５は本発明に係る太陽光発電システム説明図である。光（４０）を受光した太陽電池モジュール（５１）、（５２）、（５３）、（５４）からの出力は各々負荷抵抗（３）を通じて、高効率コンバータ（５６）を介して、電圧制御され出力が取り出されている。高効率コンバータ（５６）の電圧は各々同一になるように制御されている。当然各々のコンバータの出力が異なるが、出力としては電圧が同じであるので出力電流が異なり、各々の出力は並列に接続される。また、高効率のコンバータの電流を同じに制御して、直列に接続し電圧を加算する電流制御方式が可能である。送電線（２００）に電力が供給される。またこの場合において、必要に応じて、降圧回路が設けられる。
【００２７】
昇圧回路の変換効率を最大に制御することを目的として、昇圧回路の入力電圧の所定値以上になるように、同じ太陽電池セルを直列に配列して、モジュールの動作電圧を所定値以上とする。異なる禁制帯幅を有する太陽電池セルでは動作電圧が異なるので、各々の太陽電池モジュールの出力電圧はその最小公倍数になる電圧あるいはその整数倍の電圧近傍に設定する。
太陽電池モジュールの負荷抵抗は最大電力が得られるよう負荷抵抗を通して制御できるが、当該モジュールの出力電圧は昇圧回路の変換効率を高めるために適合する電圧に設定するよう制御する。  昇圧回路は低損失ＦＥＴと回路部品（リアクトル、キャパシター、ダイオード）から構成される。各々の昇圧回路は相互に通信用ICチップによりデータ通信で制御され、常時各々の昇圧回路の出力電圧を同一の電圧になるように制御する。同時に負荷抵抗も同一のデータ通信により制御し、構成部品の簡略化を図る。データ通信は別の線路を使用することも可能であるが、電力線通信技術を使い、電力線に重畳されることも可能である。これによりアレイを構成する際、配線や工事を簡略化できる。太陽電池モジュールの負荷抵抗、電力検出器、コンバータ、通信用ICチップ、逆流防止ダイオードを同一基板上に搭載することにより出力電圧の安定化を図る。
【００２８】
図８に示すように複数の太陽電池モジュールごとの出力接続端子を有し、かつ負荷抵抗（３）、電力検出器（６）、コンバータ、逆流防止回路（５）をそれぞれ複数の対にしたユニットから共通の出力端子（１００）、（１１０）を設けて電力を取り出すことにより配線の複雑さを解消する。太陽電池モジュールからの入力数を２，３，４，５と増設することが可能になるように、入力端子（１）、（２）を具備する。また図７に示すように並列接続するユニットを構成する。
【００２９】
さらにFETは通常、シリコン、GaN、SiCなどの半導体から作製できるので、太陽電池となる半導体中にモノリシックに組み込むことにより、製造コストの低減化を図ることができる。
【００３０】
図６は本発明の集光用冷却ユニットを示す。図に示すように、集光するレンズユニットを有しかつ、複数の太陽電池と昇圧回路の対を有しかつこれらを冷却ユニットに導入して冷媒により満たし、かつ冷媒を放熱器に輸送して、太陽電池モジュールおよび昇圧回路で発生した熱を回収し、かつ放熱する。これにより、大量の太陽エネルギーをレンズやミラーで集めても、発熱による太陽電池出力の低下を抑制し、かつ昇圧回路からの発熱による温度の上昇を抑制して、損失を低減し動作特性を高める。
【００３１】
太陽電池モジュールは、二種類以上の太陽電池モジュールを縦方向に積層化して太陽光スペクトルの特定領域での量子効率の高い半導体を組み合わせることができるので、太陽光からの広い領域のエネルギーを効率よく収集し、かつ電圧制御と電流制御の両方で電力を合成することができる。従って二種類以上の半導体を同一基板に必ずしも積層化する必要はなく、かつ太陽電池の種類も所望する光波長領域に応じで、任意に選ぶことが出来る。各々の太陽電池エネルギーは最大電力追尾機能を有する負荷抵抗を通して、電力を昇圧回路に入力される。太陽の照度が変化し、各々の太陽電池の出力が変化しても都度最大電力が得ることができる。また２種類以上の太陽電池を積層化する場合においても、上記したように、所定の電圧に制御した後並列に接続して、出力を合成するか、あるいは所定の電流に制御して直列に接続して出力を合成し、最大の電力を取り出すことができる。これにより、各モジュールからの出力を電力変換の過程での損失を低減でき、容易に合成できる。また、トンネルダイオードを使わないので、製造工程を簡略化でき、またこれによる光の吸収損失を解消できる。このような手法を使うことにより、太陽光スペクトルをカバーする太陽電池を選択することができ、その作用として電力変換効率を飛躍的に高めることが出来る。また、電力線に送電する際、電圧を高めるので、送電損失を減らすことができる。
【００３２】
図７に示すように、昇圧回路の入力電圧は太陽電池セルの直列数を制御したモジュールから提供されるので、昇圧回路の変換効率を高めることが出来る。透明絶縁基板上に、太陽電池モジュール、負荷抵抗、昇圧回路、電流検出回路を搭載することができるので、製造工程と検査工程を簡略化できる。図８に示すように太陽電池モジュール以外の接続端子（１）（２）、負荷抵抗（３）、昇圧回路（４）、逆流防止回路（５）、電流検出器（６）、（７）接続端子（８）、（９）、（１０）からなる回路を一ユニットとして、かつ複数のユニットを構成し、最終段での出力端子（１００）、（１１０）と通信用ICチップ（１２０）を具備することにより、製造工程の簡略化を図ることができる。通信線（１３０）として、出力端子と繋がる電力線を利用することも可能となる。
【実施例】
【００３３】
以下に、本発明の実施例を図１〜８とともに説明する。
【００３４】
実施例  １
図１は、本発明に係る太陽光発電システムの基本的概念の説明図である。
シリコンとゲルマニュームは各々のダイヤモンド構造をとり、各々の格子定数は０．５４３ｎｍと０．５６５ｎｍである。お互いに格子整合はしていない半導体材料である。基板はいずれも単結晶の〈１００〉方位のｐ型基板とした。表面層にはｎ型拡散が施されている。ｎ型の電極は表面の一部に銀電極、ｐ型電極は裏面の一部にアルミニューム電極がそれぞれ施されている。ゲルマニュームセル(１３)は１１×１１の１２１個に分割され、透明絶縁基板（１４）それぞれ直列接続されている。また  シリコンセル(１１)は７×７の４９個に分割され、石英の透明絶縁基板（１２）直列接続されている。分割前のセルの面積は１ｃｍ２としたが、セルの面積自体は本発明に関係するものではない。
【００３５】
セルの接続は銀メッキを施した銅のタブであり、溶接により接続した。各々のセルは透明石英基板（１２）に部分的にチタン/銀からなる配線が施されている。各々のセルの出力には電流検出器を付加した負荷抵抗が配置され、最大出力点を追尾することが出来る。なお、（３）、（４）は、回路に接続される負荷抵抗と昇圧回路を示している。  
【００３６】
最大出力点は電流検出器からの信号は通信用チップを通して外部のデジタル信号プロセッサで演算され、負荷抵抗のインピーダンスを制御する。当該負荷抵抗からの出力は昇圧回路の入力に導入される。昇圧回路（４）は同一石英基板上に形成された昇圧回路はオン抵抗の小さなシリコンMOSFETとリアクトルとキャパシタと低抵抗ダイオードから構成される。各々の昇圧回路（４）の出力電圧は電流検出器で、常時モニターされ所定の電圧にそれぞれ制御する。電流検出器の情報は同一基板に搭載された通信用ICチップを通じでデジタルプロセッシングされ昇圧回路と負荷抵抗にフィードバックされる。
【００３７】
本実施例を説明するために表１にゲルマニュームセル、シリコンセル、シリコンセル下のゲルマニュームセル、および各々をモジュールとした時の諸元を、また表２に３００倍集光時の性能を示す。  
【００３８】
表１  
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表２
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【００３９】
本実施例の効果をより分かりやすく示すために表１にはゲルマニュームセル、モジュールの開放電圧、短絡電流、曲率因子、動作電流、動作電圧を各々示している。また、表２には本発明によるシリコンモジュールとその下に配置されるゲルマニュームモジュールの集光時の開放電圧、短略電流、曲率因子、動作電流、動作電圧を各々示している。
【００４０】
さらに、積層化した場合のシリコンセルの下層に来るゲルマニュームセルの開放電圧、短絡電流、曲率因子、動作電流、動作電圧を示している。これらの積層化したモジュールを３００倍に集光した時のモジュールの動作電圧、動作電流、モジュールの出力、昇圧回路後の出力、および本発明の結果である電力合成後の特性を示している。  本発明によるシリコンとゲルマニュームを積層化し、３００倍に集光し、昇圧回路で合成した後の出力は７．８２W、また出力電圧３７５V、出力電流は０．２９Aであった。これらの特性はシリコンセル単体での出力５．２８Wに比較して４８％の出力増が確認できた。コンバータの変換効率は９７％であった。
【００４１】
昇圧回路は入力電圧と入力電力の依存性があることは一般的に知られているが、本実施例では入力電圧が３０V、入力電力５W〜10W近傍では、出力電圧３７５Vとした時、電力変換効率は９７％であった。合成後の出力電流は０．２９であった。各々の出力からの電流は０．１８Aと０．０８６Aであった。FETのオン抵抗を低減できれば、更に電力変換効率を高めることができることは勿論である。昇圧回路のFETのスイッチング周波数を上げると、リアクトルとキャパシタの容量を小型化できる。本実施例では５０ｋHzとした。
【００４２】
昇圧回路の出力電圧は３７５Vとし、各々の昇圧回路の出力は並列に接続して、電力線に接続し電力を提供した。さらに本実施例では、太陽電池にシリコンを適用したが、MOSFETもシリコン単結晶で作られるので、太陽電池基板にMOSFETをモノリシックに作製することができる。
モノリシック化することにより、材料の節約に加えて、回路長の短縮化が図れるので設計が容易になる。
【００４３】
本実施例においては、昇圧回路（４）は、同一石英基板上に形成された昇圧回路はオン抵抗の小さなシリコンMOSFETとリアクトルとキャパシタと低抵抗ダイオードから構成される。各々の昇圧回路（４）の出力電圧は電力検出器（６）で、常時モニターされ所定の電圧にそれぞれ制御する。本実施例では、昇圧回路（４）の出力電圧は４００Vとし、各々の昇圧回路の出力は並列に接続して、電力線に接続し、電力を提供する。
【００４４】
上記の説明において、昇圧回路に加えて、必要により降圧回路を接続することは勿論である。
太陽電池セル・モジュールにおいては、アモルファスシリコン薄膜太陽電池のように高い動作電圧、低い動作電流の方が出力を得やすい場合がある。このようなモジュールにおいては、昇圧回路に加えて、必要に応じて降圧回路を設ける。
【００４５】
実施例２
【００４６】
シリコンとガリウムアルミニュームアルセナイド（GaAlAs）の格子定数は、それぞれ０．５４３ｎｍと０．５６２−０．５６３ｎｍであり、エピタキシャル成長を試みると歪が大きく不可能な系である。セル単位面積当たりの特性とモジュール１００ｃｍ２当たりの諸元を表３に示す。
下層の第一のセルはシリコンセルとした。上層の第二のセルはGaAlAsを用いた。GaAlAsセルとシリコンセルは石英などの透明絶縁体に搭載され、かつ積層化している。各々のセルは昇圧回路を含む負荷抵抗で出力を取り出す。AM1.5の照度の時、電流を一定の０．０２７Aに制御しており、各々の出力回路の出力電圧は１７．４Vと１６．６Vであった。この電圧は直列に合成されており、合計の電圧は４０Vであった。照度が変化すると、それに応じて各々の出力電圧が変化する様に設計されている。
【００４７】
一般には太陽のスペクトルが日中で変化することは知れているが、従来の積層化セルでは、セルごとの電流が変化した場合、電流一定の法則により、セルの最も小さい電流値で決まるので、モジュール全体の出力が低下する問題があった。本発明によると各々のセルで最大電力が得られるようにできるので、例えスペクトルが変化しても、出力を最大になるように有効に取り出すことができる。
【００４８】
表３  シリコンセルとガリウムアルミニュームアルセナイドセルの諸元
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【００４９】
実施例３
積層化された太陽電池モジュールを生産する場合、モジュールにはいずれも端子ボックスが必要であるが、その端子ボックス内に接続端子ユニットを組み込むものである。接続端子ユニットの接続図を図７に示す。太陽電池モジュールからの入力は端子１および端子２から導入される。端子１は端子２に対して高い電位とする。端子は負荷抵抗（３）に接続されており、昇圧回路（４）に入力される。昇圧回路（４）からの出力は逆流防止ダイオード（５）から接続端子（８）（９）（１０）に導入され合成される。合成後の電力は出力端子（１００）（１１０）から取り出される。通信用IC チップ（１２０）は通信回線に接続される。図７では入力を２つとしたが、入力数を更に３つ、４つと増設できることは言うまでのない。図８は電圧制御型の接続ユニットの構成である
図７は、本発明に係る太陽光発電システムのモジュールの接続回路であって、図３に示されるような電流制御型のものである。
負荷抵抗３、昇圧器（４）、逆流防止回路（５）、電力検出器（６）、通信用チップ（１２０）が各々設けられており、並列接続されて出力電力を得ており、本発明においては、これらの接続回路をユニット構成するとともに単一の絶縁ボードとして構成しようとするものである。また、絶縁ボードには接続性と回路の安定性を得るための出力端子（１００）、（１１０）を設ける。これらのユニット化により、発電システムの組み立て構成を容易化することができる。また、モジュールの通常設けられる端子ボックスの中に組み込むことができる。このようなモジュールでは、モジュールの出力電圧を上げることができるので、送電用ケーブルの径を小さくすることができる。また通信用チップの信号はパルス幅変調などの技術を使って電力線通信することにより、ケーブルの本数を減らすことが可能である。（１３０）は通信線である。
【００５０】
図８は、本発明に係る太陽光発電システムのモジュールの接続回路であって、図４に示されるような電圧制御型のものである。
負荷抵抗（３）、昇圧回路（４）、逆流防止回路（５）、電力検出器（６）、通信用チップ（１２０）が各々設けられており、直列接続されて出力電力を得ている。本発明においては、これらの接続回路をユニット構成するとともに単一の絶縁ボードとして構成しようとするものである。本絶縁ボードには出力端子（１００）、（１１０）を配置する。このような構成を採用することにより、接続回路の安定性とケーブル接続の信頼性を高めることができる。  
（１３０）は、通信線である。
【００５１】
実施例  ４
【００５２】
図６は、セルモジュールを冷却装置内に設置した例である。
実施例２に示すモジュールを用いて、冷却装置付き集光装置を製作した。
モジュールを冷却装置（６２）に封入した。装置内は冷却液（６４）で満たされている。図示すように、レンズ（６１）により集光され、シリコンセルとガリウムアルミニュームアーセナイドセルの動作時のセル温度が上昇しても、瞬時に冷却液が熱を奪い、導管（６５）を通じて温度が上がった冷却液が、放熱器（６３）に輸送され冷却される。この冷却液が導管により集光部に戻されるため、再びセル・モジュールが冷却される。特に禁制帯幅の小さい太陽電池については温度による出力低下を防止することに有効である。
【００５３】
この実施例では昇圧回路（４）も冷却するので、高い変換効率を実現することが出来る。昇圧回路とセル・モジュール（１０），（１０’）はフレキシブル導線（６５）で接続されている。冷却液はエタノールを用いたが、水溶液や有機溶媒、フロンなどが適用できる。この結果、昇圧回路後の出力電流は０．００３５A、出力電圧は３７５Vであった。
【００５４】
実施例５
【００５５】
ゲルマニュームセルとシリコンセルとアモルファスシリコンカーバイドセルとシリコンカーバイドセルの構成である。
【００５６】
本発明においては、多数のセルを積層化することである。各々のセルの電流値を一定にする必要がないので、積層化が容易となる。本実施例ではゲルマニュームセル、シリコンセル、アモルファスシリコンカーバイドセル、シリコンカーバイドセルの4つのセルを用いた。太陽光の分光照度に対応して、波長ごとのフォトン数とその累計を出している。
最大出力を得るためには、出来るだけ禁制帯幅の大きな半導体を用いることは得策である。従来の考え方であるとセルを流れる電流を一定にしなければ、一番小さい電流値で、積層化モジュールの電流は規定されてしまい、他のモジュールの電流が大きくても、その差は取り出すことが出来ない。本発明によるとこのような制約は解消できるので、工業的に利用可能な太陽電池セルを自由度をもって選択できる。
太陽電池モジュールの種類の数に応じて上記のように本発明によると、セルの出力電流値のいかんに拘わらず、容易に積層化でき、かつ各々のセル・モジュールの出力を最大にすることができ、かつ電力を合成できるので太陽光発電の高効率化に有効である。また、本発明では半導体セルを中心に述べたが、有機半導体や色素増感型太陽電池の積層化についても有効である。また、半導体セルと色素増感型セルとの積層化にも有効であるとは言うまでもない。
【００５７】
実施例５の各々の１ｃｍ２当たりの諸元を表４に示す。
【００５８】
表４は、  各々の１ｃｍ２当たりの諸元を示す。
【００５９】
表５は、  実施例５の各モジュールの特性と合成出力を表５に示す。
【００６０】
2010278405.tif 000006
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【００６１】
なお上記の説明においては、半導体セルを中心に述べたが、有機半導体や色素増感型太陽電池の積層化についても、同様に構成をすることができ、有効である。また、半導体セルと色素増感型セルとの積層化についても、同様に構成することができ、有効である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
上記のように本発明によると、セルの出力電流値のいかんに拘わらず、容易に積層化でき、かつ各々のセル・モジュールの出力を最大にすることができ、かつ電力を合成できるので太陽光発電の高効率化に有効である。
さらに本発明においては、発電システムを構成している各接続回路をユニット構成するとともに単一の絶縁ボードとして構成でき、これのユニット化により、太陽光発電システムの組立構成を容易化することができる。
太陽電池セル・モジュールにおいては、アモルファスシリコン薄膜太陽電池のように高い動作電圧、低い動作電流の方が出力を得やすい場合がある。このようなモジュールにおいては、昇圧回路に加えて、必要に応じて降圧回路を設けることもできる。
【符号の説明】
【００６３】
３      負荷抵抗
４      昇圧回路
５      逆流防止回路
６      電力検出器
１０    太陽電池モジュール
６１    レンズ
６２    冷却装置
６３    放熱器
６４    冷却液
１２０  通信用チップ  
１３０  通信線
２００  送電線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010278405.tif 000012
【図６】
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【図７】
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【図８】
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