(57)【要約】【課題】複数の太陽電池モジュールが接続された直並列回路を備える太陽電池アレイにおいて、一部の太陽電池モジュールが発電停止した場合、電力が低下してしまう。【解決手段】複数の太陽電池モジュール（１１、１２、１３、２１、２２、２３）がマトリクス状に直並列接続された太陽電池アレイ１００ｄにおいて、複数の太陽電池モジュール（１１、１２、１３、２１、２２、２３）の少なくとも一つの両端に、電圧源（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）が接続される。たとえば、複数の太陽電池モジュール（１１、１２、１３、２１、２２、２３）が直並列接続された直並列回路のそれぞれの並列段に、電圧源（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）が並列に接続されてもよい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池モジュールがマトリクス状に直並列接続された太陽電池アレイであって、
前記複数の太陽電池モジュールの少なくとも一つの両端に、電圧源が接続されることを特徴とする太陽電池アレイ。
【請求項２】
前記複数の太陽電池モジュールが直並列接続された直並列回路のそれぞれの並列段に、前記電圧源が並列に接続されることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池アレイ。
【請求項３】
前記電圧源は降圧回路であり、
それぞれの並列段に接続される降圧回路の出力端子は直列に接続され、
直列に接続された複数の降圧回路の入力端子は、前記太陽電池アレイの正極側出力端子と負極側出力端子との間に接続され、
前記複数の降圧回路の電源電圧に、前記太陽電池アレイの出力電圧が使用されることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の太陽電池モジュールを含む太陽電池アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化問題、原発事故などを受け、自然エネルギーへの注目が高まっている。とくに、太陽光発電は業務用だけでなく家庭用も普及してきている。一つの太陽電池セルが発電する電力は小さいため、複数の太陽電池セルが組み合わされて太陽電池モジュール（太陽電池パネルともいう）が形成され、さらに複数の太陽電池モジュールが組み合わされて太陽電池アレイが形成される。太陽電池アレイを形成する複数の太陽電池モジュールは、所望の電圧を確保するため直列接続され、さらに所望の電流を確保するために並列接続される（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７３５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽電池アレイを構成する複数の太陽電池モジュールの一部の太陽電池モジュールが影になった場合、その一部の太陽電池モジュールは発電しなくなるため、太陽電池アレイの出力電力が大きく低下する。この電力低下の主な原因は出力電流の低下にあり、バイパスダイオードを設けたとしても、電力低下を回避することはできない。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、複数の太陽電池モジュールが接続された直並列回路を備える太陽電池アレイにおいて、一部の太陽電池モジュールが発電停止した場合における電力低下を抑制する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様の太陽電池アレイは、複数の太陽電池モジュールがマトリクス状に直並列接続された太陽電池アレイであって、複数の太陽電池モジュールの少なくとも一つの両端に、電圧源が接続される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の太陽電池モジュールが接続された直並列回路を備える太陽電池アレイにおいて、一部の太陽電池モジュールが発電停止した場合における電力低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】比較例１に係る太陽電池アレイを示す図である。
【図２】比較例２に係る太陽電池アレイを示す図である。
【図３】本発明の基本原理を説明するための太陽電池アレイを示す図である。
【図４】本発明の基本原理を説明するためのＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図６】図５に示す太陽電池アレイの構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る太陽電池アレイの別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず、本発明の基本原理について説明する。図１は、比較例１に係る太陽電池アレイ１００ａを示す図である。比較例１に係る太陽電池アレイ１００ａは、複数の太陽電池モジュールが直列接続された直列回路を複数備え、その複数の直列回路が並列接続される構成である。図１の例では、第１太陽電池モジュール１１、第２太陽電池モジュール１２および第３太陽電池モジュール１３が直列接続された第１直列回路と、第４太陽電池モジュール２１、第５太陽電池モジュール２２および第６太陽電池モジュール２３が直列接続された第２直列回路とが並列接続される構成である。
【００１０】
太陽電池モジュールは、入射光に比例する光電流を発生させる電流源Ｉ、ダイオードＤ、ｐｎ接合部の漏れ電流に起因する並列抵抗Ｒｓｈ（シャント抵抗）および電流を端子に集める結線の直列抵抗Ｒｓにより近似される。
【００１１】
図１に示す回路において、第２太陽電池モジュール１２が影になった場合、第２太陽電池モジュール１２が発電しなくなる。この場合、第２太陽電池モジュール１２の電流が無効になるだけでなく、第２太陽電池モジュール１２を含む第１直列回路全体の電流が無効となる。したがって、太陽電池アレイ１００ａ全体の出力電力は約１／２となる。また、第１太陽電池モジュール１１および第３太陽電池モジュール１３により発電された電力により第２太陽電池モジュール１２に不具合が発生する可能性もある。
【００１２】
図２は、比較例２に係る太陽電池アレイ１００ｂを示す図である。比較例２に係る太陽電池アレイ１００ｂは、比較例１に係る太陽電池アレイ１００ａと比較し、第１直列回路と第２直列回路の対応する段のノード間が接続された構成である。すなわち、第１太陽電池モジュール１１と第２太陽電池モジュール１２との間のノードと、第４太陽電池モジュール２１と第５太陽電池モジュール２２との間のノードとが接続され、第２太陽電池モジュール１２と第３太陽電池モジュール１３との間のノードと、第５太陽電池モジュール２２と第６太陽電池モジュール２３との間のノードとが接続される。
【００１３】
これにより、第２太陽電池モジュール１２が影になった場合でも、第５太陽電池モジュール２２の起電圧によって第２太陽電池モジュール１２が順バイアスに保たれる。したがって、第２太陽電池モジュール１２に不具合が発生することを抑制できる。しかしながら、太陽電池アレイ１００ｂ全体の出力電力が約１／２となる点は、比較例１と同様である。
【００１４】
図３は、本発明の基本原理を説明するための太陽電池アレイ１００ｃを示す図である。当該太陽電池アレイ１００ｃは、比較例２に係る太陽電池アレイ１００ｂと比較し、第２電圧源Ｅ２が追加された構成である。第２電圧源Ｅ２は第２太陽電池モジュール１２および第５太陽電池モジュール２２の両端に接続される。すなわち、第２電圧源Ｅ２は影になっていて非発電中の第２太陽電池モジュール１２の代替電池として機能する。
【００１５】
図４は、本発明の基本原理を説明するためのＩ−Ｖ特性を示す図である。横軸が電圧、縦軸が電流を示す。図４は、図１に示す太陽電池アレイ１００ａ（部分影なし）のＩ−Ｖ特性、図１に示す太陽電池アレイ１００ａ（部分影あり）のＩ−Ｖ特性、図２に示す太陽電池アレイ１００ｂ（部分影あり）のＩ−Ｖ特性および図３に示す太陽電池アレイ１００ｃ（部分影あり）のＩ−Ｖ特性の実験データを示している。なお便宜上、各太陽電池モジュールを、出力の小さい太陽電池セルに置き換えて実験した。各太陽電池セルの最大パワーポイントにおける出力電圧は約１Ｖ、その際の出力電流は約７０ｍＡとする。第２電圧源Ｅ２の起電圧は約１Ｖとする。上述の「部分影あり」とは第２太陽電池モジュール１２に対応する太陽電池セルが影になり、その太陽電池セルが発電しない状態を指す。以下、説明の分かりやすさから図１〜図３の説明の表記例にしたがい、太陽電池セルを太陽電池モジュールと表記する。
【００１６】
実験の結果、図１に示す太陽電池アレイ１００ａ（部分影なし）の最大パワーポイントは４１５．４ｍＷ、図１に示す太陽電池アレイ１００ａ（部分影あり）の最大パワーポイントは２０６．９ｍＷ、図２に示す太陽電池アレイ１００ｂ（部分影あり）の最大パワーポイントは２４８．８ｍＷ、および図３に示す太陽電池アレイ１００ｃ（部分影あり）の最大パワーポイントは４１８．７ｍＷと計測された。また、図３に示す太陽電池アレイ１００ｃ（部分影あり）の最大電流ポイントは１４１．４ｍＡと計測された。
【００１７】
図１に示す太陽電池アレイ１００ａ（部分影あり）と図３に示す太陽電池アレイ１００ｃ（部分影あり）の最大パワーポイントを比較すると、前者が２０６．９ｍＷであり、後者が４１８．７ｍＷである。すなわち、図３に示す回路構成を採用することにより、４１８．７−２０６．９＝２１１．８ｍＷの増分が得られることになる。第２電圧源Ｅ２が太陽電池アレイ１００ｃに投入する電力を７０．７ｍＷとすると、正味の増分は２１１．８−７０．７＝１４１．１ｍＷとなる。第２電圧源Ｅ２が太陽電池アレイ１００ｃに投入する電力は、太陽電池アレイ１００ｃの最大パワーポイントにおける電流の半分（１４１．４／２）の電流と第２電圧源Ｅ２の起電圧（１Ｖ）から仮定した。
【００１８】
非発電中の太陽電池モジュールが属する直列回路は基本的に無効となるが、その太陽電池モジュールと並列に、その太陽電池モジュールと同等の起電圧の電圧源を接続することにより、その太陽電池モジュールが属する直列回路を擬似的に復活させることができる。すなわち、その電圧源の起電力により、その直列回路の起電力を復活させることになり、差し引き大きなプラスとなる。
【００１９】
図５は、本発明の実施の形態に係る太陽電池アレイ１００ｄの一例を示す図である。実施の形態に係る太陽電池アレイ１００ｄは、複数の太陽電池セルがマトリクス状に直並列接続された直並列回路を備える。図５に示す太陽電池アレイ１００ｄは、図３、４に示す太陽電池アレイ１００ｂ、１００ｃと同様に、直列数が３、並列数が２の直並列回路である。なお、直列数、並列数はこれらの数に限るものではない。ただし、直列数は複数であることを前提とする。なお、後述するように並列数は１でもよい。
【００２０】
実施の形態に係る太陽電池アレイ１００ｄでは、当該直並列回路のそれぞれの並列段に、太陽電池モジュール以外の電圧源が並列に接続される。それぞれの並列段に接続される電圧源は直列に接続され、直列に接続された複数の電圧源は、太陽電池アレイ１００ｄの正極側出力端子と負極側出力端子との間に接続される。
【００２１】
図５に示す例では、第１電圧源Ｅ１が第１太陽電池モジュール１１および第４太陽電池モジュール２１と並列に接続され、第２電圧源Ｅ２が第２太陽電池モジュール１２および第５太陽電池モジュール２２と並列に接続され、第３電圧源Ｅ３が第３太陽電池モジュール１３および第６太陽電池モジュール２３と並列に接続される。第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３は直列に接続され、その直列回路は太陽電池アレイ１００ｄの正極側出力端子と負極側出力端子との間に接続される。
【００２２】
図５に示す回路構成において、キルヒホッフの電流則により各並列段に流れる電流の和はすべて等しくなる。したがって、第１太陽電池モジュール１１、第２太陽電池モジュール１２、第３太陽電池モジュール１３、第４太陽電池モジュール２１、第５太陽電池モジュール２２および第６太陽電池モジュール２３のいずれか一つに影が発生した場合、非発電中の太陽電池モジュールの代替電源としての第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２または第３電圧源Ｅ３により電流が補填される。よって、太陽電池アレイ１００ｄの出力電力の低下量は、電流を補填する電圧源の起電力を差し引いても、第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３が接続されない状態より縮小される。
【００２３】
同じ直列回路に属する二つの太陽電池モジュール（たとえば、第１太陽電池モジュール１１および第２太陽電池モジュール１２）に影が発生した場合も同様である。ただし、同じ直列回路に属するすべての太陽電池モジュールに部分影が発生した場合、太陽電池アレイ１００ｄの出力電力の低下量が電流を補填する電圧源の起電力とほぼ等しくなるため、第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３が接続されない状態とほぼ等しくなる。
【００２４】
同じ並列段に属する二つの太陽電池モジュール（たとえば、第１太陽電池モジュール１１および第４太陽電池モジュール２１）に影が発生した場合、非発電中の太陽電池モジュールの代替電源としての第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２または第３電圧源Ｅ３により太陽電池モジュール一個分の電流が補填される。第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３が接続されない状態では、上記直並列回路は無効になってしまうが、それらが接続された状態では一つの直列回路は有効となる。なお、二つの直列回路を有効にするには、各並列段に接続される電圧源も並列に二つ設ければよい。
【００２５】
図６は、図５に示す太陽電池アレイ１００ｄの構成例を示す図である。図６に示す太陽電池アレイ１００ｅでは、電圧源として降圧回路（より具体的には降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）が使用される。すなわち、第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３として第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３が使用される。
【００２６】
第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の正極側出力端子＋Ｖｏｕｔは太陽電池アレイ１００ｅの正極側出力端子に接続され、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の負極側出力端子−Ｖｏｕｔは第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の正極側出力端子＋Ｖｏｕｔに接続される。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の負極側出力端子−Ｖｏｕｔは第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の正極側出力端子＋Ｖｏｕｔに接続され、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の負極側出力端子−Ｖｏｕｔは太陽電池アレイ１００ｅの負極側出力端子に接続される。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の正極側入力端子＋Ｖｉｎは太陽電池アレイ１００ｅの正極側出力端子に接続され、それらの負極側入力端子−Ｖｉｎは太陽電池アレイ１００ｅの負極側出力端子に接続される。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３の電源電圧には、太陽電池アレイ１００ｅの出力電圧が使用される。
【００２７】
第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３には、一般的なスイッチング電源を使用可能である。スイッチング電源の種類はとくに限定しない。
【００２８】
図７は、本発明の実施の形態に係る太陽電池アレイ１００ｆの別の例を示す図である。図７に示す太陽電池アレイ１００ｆは、複数の太陽電池モジュールが直列接続された直列回路を備える。より具体的には、第１太陽電池モジュール１１、第２太陽電池モジュール１２および第３太陽電池モジュール１３が直列接続された直列回路を備える。
【００２９】
図７に示す太陽電池アレイ１００ｆでは、複数の太陽電池モジュールのそれぞれの両端に、電圧源が接続される。それぞれの太陽電池モジュールに接続される電圧源は直列に接続され、直列に接続された複数の電圧源は、太陽電池アレイ１００ｆの正極側出力端子と負極側出力端子との間に接続される。
【００３０】
図７に示す例では、第１電圧源Ｅ１が第１太陽電池モジュール１１と並列に接続され、第２電圧源Ｅ２が第２太陽電池モジュール１２と並列に接続され、第３電圧源Ｅ３が第３太陽電池モジュール１３と並列に接続される。第１電圧源Ｅ１、第２電圧源Ｅ２および第３電圧源Ｅ３は直列に接続され、その直列回路は太陽電池アレイ１００ｆの正極側出力端子と負極側出力端子との間に接続される。すなわち、図５に示す太陽電池アレイ１００ｄと比較し、第４太陽電池モジュール２１、第５太陽電池モジュール２２および第６太陽電池モジュール２３が省略された構成である。第１太陽電池モジュール１１、第２太陽電池モジュール１２および第３太陽電池モジュール１３は、図６に示したように第１ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３２および第３ＤＣ−ＤＣコンバータ３３により構成されてもよい。
【００３１】
以上説明したように本実施の形態によれば、複数の太陽電池モジュールが接続された直並列回路を備える太陽電池アレイにおいて、太陽電池モジュールと並列に電流補填用の電圧源を接続したことにより、一部の太陽電池モジュールが発電停止した場合における電力低下を抑制できる。また、その電圧源の電源電圧を太陽電池アレイの出力から取得することにより、自己完結型のシステムを構築できる。この場合、電力系統からの配線は不要である。
【００３２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３３】
上述した実施の形態では電圧源の動作電源を太陽電池アレイの出力から取得する回路構成を示したが、それに限るものではない。電力系統から供給される交流電圧を整流して使用してもよい。また、太陽光発電システムと蓄電システムとが連携したシステムでは、太陽電池または電力系統から蓄電池に充電された電圧を使用してもよい。
【００３４】
図５、６、７に示す太陽電池アレイ１００ｄ、１００ｅ、１００ｆでは、直並列回路または直列回路のすべての段に一つの電圧源を接続したが、必ずしもすべての段に電圧源を接続する必要はない。たとえば、影になる確率が低い段には、電圧源を接続しないことも考えられる。
【００３５】
また、各段に属する太陽電池モジュール数の範囲内で一つの段に複数の電圧源を並列に接続してもよい。電圧源の数が多いほど電流を補填できる太陽電池モジュールの数は多くなるが、コストや回路規模が増大する。すなわち、両者はトレードオフの関係にある。
【符号の説明】
【００３６】
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ  太陽電池アレイ、  １１  第１太陽電池モジュール、  １２  第２太陽電池モジュール、  １３  第３太陽電池モジュール、  ２１  第４太陽電池モジュール、  ２２  第５太陽電池モジュール、  ２３  第６太陽電池モジュール、  Ｉ  電流源、  Ｄ  ダイオード、  Ｒｓ  直列抵抗、  Ｒｓｈ  並列抵抗、  Ｅ１  第１電圧源、  Ｅ２  第２電圧源、  Ｅ３  第３電圧源、  ３１  第１ＤＣ−ＤＣコンバータ、  ３２  第２ＤＣ−ＤＣコンバータ、  ３３  第３ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【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】
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【図６】
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【図７】
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