(57)【要約】【課題】発電効率が低下することを抑制することができる太陽光発電システムを提供する。【解決手段】太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１０１と、太陽電池モジュール１０１の出力電圧を第１端子Ｔ１−第２端子Ｔ２間電圧として出力する第１切替部１０２とを複数組備える。太陽光発電システムは、さらに、電力変換装置１０４と、第１端子Ｔ１の少なくとも一つに接続される第３端子Ｔ３及び第２端子Ｔ２の少なくとも一つに接続される第４端子Ｔ４を有し、太陽電池モジュール１０１の出力電圧の少なくとも二つを直列加算した太陽電池モジュールストリング電圧Ｖを第３端子Ｔ３−第４端子Ｔ４間電圧として入力して電力変換装置１０４に供給する第２切替部１０３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池モジュールと、
第１端子及び第２端子を有し、前記太陽電池モジュールの出力電圧を前記第１端子−前記第２端子間電圧として出力するときに前記第１端子が前記第２端子よりも高電位になる第１状態と、前記太陽電池モジュールの出力電圧を前記第１端子−前記第２端子間電圧として出力するときに前記第１端子が前記第２端子よりも低電位になる第２状態とを切り替えることができる第１切替部とを複数組備え、
電力変換装置と、
前記第１端子の少なくとも一つに接続される第３端子及び前記第２端子の少なくとも一つに接続される第４端子を有し、前記太陽電池モジュールの出力電圧の少なくとも二つを直列加算した太陽電池モジュールストリング電圧を前記第３端子−前記第４端子間電圧として入力し、前記第３端子が前記電力変換装置の正極側入力端子に接続され、前記第４端子が前記電力変換装置の負極側入力端子に接続される第３状態と、前記第３端子が前記電力変換装置の負極側入力端子に接続され、前記第４端子が前記電力変換装置の正極側入力端子に接続される第４状態とを切り替えることができる第２切替部とを備えることを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
全ての前記第１切替部が前記第１状態であって前記第２切替部が前記第３状態である第１期間と、全ての前記第１切替部が前記第２状態であって前記第２切替部が前記第４状態である第２期間とを交互に繰り返すように前記第１切替部及び前記第２切替部を制御する制御部を備える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３】
前記太陽電池モジュールが、前記太陽電池モジュールの縁部を覆う導電性のモジュール枠を有しており、前記モジュール枠の電位は前記第３端子の電位と前記第４端子の電位との間の電位とすることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
前記モジュール枠が接地されていることを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
前記第１期間及び前記第２期間は共に前記太陽電池モジュールが発電する期間を含み、前記第１期間と前記第２期間とが周期的に切り替わることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記太陽電池モジュールが、Ｎ型シリコン基板の受光面とは反対側の裏面にＰ型集電層とＮ型集電層の双方を設けている裏面電極型太陽電池セルを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【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備える太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の発電効率向上のために、受光面である表面側に電極を設けず、受光面とは反対側の裏面にＰ型集電層（電極）とＮ型集電層（電極）の双方を設けて電極によるシャドーロスを無くした裏面電極型太陽電池が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２８２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、裏面電極型太陽電池を備える太陽電池モジュール（以下、裏面電極型太陽電池モジュールともいう）に太陽光を照射して発電を行うと、発電時間の経過に伴って発電効率が低下することが起こる場合がある。本発明者らはこの現象を分析した結果、従来から使用されている受光面側にも電極が設けられた太陽電池を備える太陽電池モジュールではこの現象が起こりにくいこと、裏面電極型太陽電池モジュール内の発電部の電位とモジュール枠など裏面電極型太陽電池モジュールの発電に寄与しない部分の電位との間の電位差が大きいほど発電効率が低下しやすいこと、及び、降雨などによって裏面電極型太陽電池モジュールの受光面に水の膜ができている状態において発電効率が低下しやすいことを突き止めた。
【０００５】
上記の分析結果から本発明者らは、以下に示すメカニズムで裏面電極型太陽電池モジュールの発電効率の低下が起こると推定した。ここで、裏面電極型太陽電池モジュールの概略断面の一例を図５に示し、本発明者らが推定したメカニズムを図５の部分拡大図である図６を用いて説明する。
【０００６】
図５に示す裏面電極型太陽電池モジュールは、Ｎ型シリコン基板１と、Ｎ型シリコン基板１の受光面である表面側に設けられるパッシベーション膜２と、Ｎ型シリコン基板１の受光面とは反対側の裏面に設けられるＰ型集電層３及びＮ型集電層４を有する裏面電極型太陽電池セル５を複数備え、更に、隣接している２つの裏面電極型太陽電池セル５同士の隣接するＰ型集電層３とＮ型集電層４とを接続するための接続部材６も備える。なお、Ｎ型シリコン基板１内には、Ｐ型集電層３に接するようにＰ＋層１Ａが形成され、Ｎ型集電層４に接するようにＮ＋層１Ｂが形成される。図５に示す裏面電極型太陽電池モジュールでは、裏面電極型太陽電池セル５及び接続部材６が、エチレンビニルアセテート樹脂などの封止材７によって封止され、封止材７の表面側にガラス等の透光性基板８が設けられ、封止材７の裏面側に裏面保護シート９が設けられ、封止材７、透光性基板８、及び裏面保護シート９の側面と、透光性基板８の表面側周縁及び裏面保護シート９の裏面側周縁とを覆うゴム等の端面封止材１０が設けられ、端面封止材１０の外側にアルミ等の導電性のモジュール枠１１が設けられている。
【０００７】
（i）裏面電極型太陽電池モジュール内の発電部（Ｎ型シリコン基板１）と裏面電極型太陽電池モジュールの発電に寄与しない部分（モジュール枠１１）との電位差によって図６に示す電界が封止材７にかかると、封止材７に含まれる自由電子１２がパッシベーション膜２の受光面側に集められる。
（ii）Ｎ型シリコン基板１に含まれる正孔には、パッシベーション膜２の受光面側に集められた封止材７に含まれる自由電子１２と対を成すようにパッシベーション膜２側に引き寄せようとする力がかかる。
（iii）Ｎ型シリコン基板１内に光が照射されると、光励起により電子１３と正孔１４の対が発生する。これらはｐｎ接合部の電界によって、電子１３はＮ型集電層４に、正孔１４はＰ型集電層３に到達することで発電電力として外部に取り出すことが可能となるが、上記（ii）で説明した力により正孔１４がパッシベーション膜２に向かう確率が増えてしまう。図５に示すように太陽電池の基板がＮ型シリコン基板である場合は正孔１４が少数キャリアとなるため、光励起によって発生した正孔１４がＰ型集電層３に到達する割合が低下してしまうと、外部に取り出せる発電電力、すなわち発電効率が低下する。
【０００８】
本発明は、上記の状況に鑑み、発電効率が低下することを抑制することができる太陽光発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る太陽光発電システムは、太陽電池モジュールと、第１端子及び第２端子を有し、前記太陽電池モジュールの出力電圧を前記第１端子−前記第２端子間電圧として出力するときに前記第１端子が前記第２端子よりも高電位になる第１状態と、前記太陽電池モジュールの出力電圧を前記第１端子−前記第２端子間電圧として出力するときに前記第１端子が前記第２端子よりも低電位になる第２状態とを切り替えることができる第１切替部とを複数組備え、電力変換装置と、前記第１端子の少なくとも一つに接続される第３端子及び前記第２端子の少なくとも一つに接続される第４端子を有し、前記太陽電池モジュールの出力電圧の少なくとも二つを直列加算した太陽電池モジュールストリング電圧を前記第３端子−前記第４端子間電圧として入力し、前記第３端子が前記電力変換装置の正極側入力端子に接続され、前記第４端子が前記電力変換装置の負極側入力端子に接続される第３状態と、前記第３端子が前記電力変換装置の負極側入力端子に接続され、前記第４端子が前記電力変換装置の正極側入力端子に接続される第４状態とを切り替えることができる第２切替部とを備える構成とする。
【００１０】
また、全ての前記第１切替部が前記第１状態であって前記第２切替部が前記第３状態である第１期間と、全ての前記第１切替部が前記第２状態であって前記第２切替部が前記第４状態である第２期間とを交互に繰り返すように前記第１切替部及び前記第２切替部を制御する制御部を備えるようにしてもよい。
【００１１】
また、前記太陽電池モジュールが、前記太陽電池モジュールの縁部を覆う導電性のモジュール枠を有しており、前記モジュール枠の電位は前記第３端子の電位と前記第４端子の電位との間の電位とするようにしてもよい。
【００１２】
また、前記モジュール枠を接地するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記第１期間及び前記第２期間は共に前記太陽電池モジュールが発電する期間を含み、前記第１期間と前記第２期間とが周期的に切り替わるようにしてもよい。
【００１４】
また、前記太陽電池モジュールが、Ｎ型シリコン基板の受光面とは反対側の裏面にＰ型集電層とＮ型集電層の双方を設けている裏面電極型太陽電池セルを有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、全ての前記第１切替部が前記第１状態であるときに発電部の電位が高くなる太陽電池モジュールの発電部の電位を、全ての前記第１切替部が前記第２状態であるときに低くすることができ、逆に、全ての前記第１切替部が前記第２状態であるときに発電部の電位が高くなる太陽電池モジュールの発電部の電位を、全ての前記第１切替部が前記第１状態であるときに低くすることができる。したがって、前記第１状態と前記第２状態を切り替えることで、特定の太陽電池モジュールの発電部が発電中に常に電位の高い状態になることを防止することができ、発電効率が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１切替回路が第１状態であり、第２切替回路が第３状態であるときの本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示す図である。
【図２】第１切替回路が第２状態であり、第２切替回路が第４状態であるときの本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示す図である。
【図３】第１切替回路が第１状態であり、第２切替回路が第３状態であるときの本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を部分的に示す図である。
【図４】第１切替回路が第２状態であり、第２切替回路が第４状態であるときの本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を部分的に示す図である。
【図５】裏面電極型太陽電池モジュールの概略断面の一例を示す図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【図７】図５の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１及び図２に示す通り、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１０１と、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２を有し、太陽電池モジュール１０１の出力電圧を第１端子Ｔ１−第２端子Ｔ２間電圧として出力するときに第１端子Ｔ１が第２端子Ｔ２よりも高電位になる第１状態と、太陽電池モジュール１０１の出力電圧を第１端子Ｔ１−第２端子Ｔ２間電圧として出力するときに第１端子Ｔ１が第２端子Ｔ２よりも低電位になる第２状態とを切り替えることができる第１切替部１０２とを四組備える。
【００１９】
また、図１及び図２に示す通り、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムは、電力変換装置１０４と、第１端子Ｔ１の一つに接続される第３端子Ｔ３及び第２端子Ｔ２の一つに接続される第４端子Ｔ４を有し、太陽電池モジュール１０１の出力電圧の四つを直列加算した太陽電池モジュールストリング電圧Ｖを第３端子Ｔ３−第４端子Ｔ４間電圧として入力し、第３端子Ｔ３が電力変換装置１０４の正極側入力端子に接続され、第４端子Ｔ４が電力変換装置１０４の負極側入力端子に接続される第３状態と、第３端子Ｔ３が電力変換装置１０４の負極側入力端子に接続され、第４端子Ｔ４が電力変換装置１０４の正極側入力端子に接続される第４状態とを切り替えることができる第２切替部１０３とを備える。
【００２０】
太陽電池モジュール１０１−第１切替部１０２間、第１切替部１０２−第１切替部１０２間、第１切替部１０２−第２切替部１０３間、第２切替部１０３−電力変換装置１０４間の各接続は例えばケーブル等を用いて行われる。
【００２１】
また、図１及び図２に示す通り、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムは、第１切替部１０２を制御する第１制御部１０５を第１切替部１０２毎に備え、更に、第２切替部１０３を制御する第２制御部１０６を備える。なお、四つの第１制御部１０５と、第２制御部１０６とが請求項中の「制御部」に相当する。
【００２２】
第１切替部１０２及び第１制御部１０５は、例えば太陽電池モジュール１０１の裏側に設けられ、太陽電池モジュール１０１の出力電圧を入力して、その入力した太陽電池モジュール１０１の出力電圧を端子を介して外部に出力するための端子ボックス内に設置するとよい。また、各第１制御部１０５の各電源及び第２制御部１０６の各電源は、例えばそれぞれの制御部内に設けられる電池にするとよい。
【００２３】
図１は、第１切替回路１０１が第１状態であり、第２切替回路１０３が第３状態であるときの本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示している。また、図２は、第１切替回路１０１が第２状態であり、第２切替回路１０３が第４状態であるときの本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示している。
【００２４】
太陽電池モジュール１０１としては、例えば図５に示す裏面電極型太陽電池モジュールを用いることができる。図５に示す裏面電極型太陽電池モジュールを用いる場合、耐久性等を向上させる観点から、モジュール枠１１は例えば金属等の導電性物質を含むことが好ましい。また、図５に示す裏面電極型太陽電池モジュールを用いる場合、モジュール枠１１の電位は第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位との間の電位とすることが好ましく、第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位との中間電位にすることがより好ましい。そして、モジュール枠１１が金属等の導電性物質を含んでいる場合、モジュール枠１１を接地することが安全上好ましい。なお、裏面電極型太陽電池モジュールの構造としては、図５に示す構造に限らず、例えば、図５に示す構造のパッシベーション膜２上に反射防止膜を設けたり、Ｎ型シリコン基板１の裏面にパッシベーション膜を設けたりしてもよい。また、裏面電極型太陽電池モジュールでは、Ｎ型シリコン基板の代わりにＰ型シリコン基板を用いることもできる。
【００２５】
電力変換装置１０４は、直流電圧である正極側入力端子―負極側入力端子間電圧をＤＣ／ＡＣ変換して出力する電力変換装置であってもよく、直流電圧である正極側入力端子―負極側入力端子間電圧をＤＣ／ＤＣ変換して出力する電力変換装置であってもよい。また、電力変換装置１０４は、最大出力動作点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）機能を有し、正極側入力端子―負極側入力端子間に供給される電力が最大となるようにＭＰＰＴ制御を行い、各太陽電池モジュール１０１の動作電圧及び動作電流を決定する構成であることが好ましい。
【００２６】
全ての第１切替部１０２が前記第１状態であって第２切替部１０３が前記第３状態である第１期間と、全ての第１切替部１０２が前記第２状態であって第２切替部１０３が前記第４状態である第２期間とを交互に繰り返すように、各第１制御部１０５は各第１切替部１０２を制御し、第２制御部１０６は第２切替部１０３を制御する。この制御を実現するために、各第１制御部１０５及び第２制御部１０６がそれぞれ通信部（不図示）を有し、各第１制御部１０５と第２制御部１０６とが互いに通信可能となっている。前記通信部としては、例えばＰＬＣ（Power Line Communication）を行う通信部、無線通信を行う通信部などが挙げられる。
【００２７】
そして、太陽電池モジュール１０１がモジュール枠１１を備えている場合には、上述した通り、モジュール枠１１の電位を、第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４との間の電位とすることが好ましく、さらに接地電位とすることがより好ましい。モジュール枠１１の電位を接地電位にした場合には、前記第１期間では、図１に示す状態になり、紙面上部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位がモジュール枠１１の電位である接地電位よりも高くなるので、上述した推定メカニズムにより、発電時間の経過に伴って紙面上部の太陽電池モジュール１０１の発電効率が低下するおそれがある。また、前記第１期間では、紙面下部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位がモジュール枠１１の電位である接地電位よりも低くなるので、紙面下部の太陽電池モジュール１０１は、前記第１期間になる直前に上述した推定メカニズムによって発電効率が低下していた場合、接地電位に対する紙面下部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位が前記第１期間になる前と比べて逆向きにほぼ同一値となるため、発電効率が低下している状態から発電効率が低下しない状態に回復する。
【００２８】
これは、
（i）裏面電極型太陽電池モジュール内の発電部（Ｎ型シリコン基板１）と裏面電極型太陽電池モジュールの発電に寄与しない部分（モジュール枠１１）との電位差によって図７に示す電界が封止材７にかかると、パッシベーション膜２の受光面側に集められていた封止材７に含まれる自由電子１２がパッシベーション膜２の受光面側から離れる。
（ii）パッシベーション膜２の受光面側に集められた封止材７に含まれる自由電子１２が離れるため、Ｎ型シリコン基板１に含まれる正孔にかかるパッシベーション膜２の方向に引きつけられる力が弱くなる。
（iii）Ｎ型シリコン基板１内に光が照射されると、光励起により電子１３と正孔１４の対が発生する。これらはｐｎ接合部の電界によって、電子１３はＮ型集電層４に、正孔１４はＰ型集電層３に到達することで発電電力として外部に取り出すことが可能となるが、上記（ii）で説明したことにより、光励起によって発生した正孔１４がＰ型集電層３に到達する割合を低下させる要因が無くなり、発電効率が低下した状態から回復できるためである。
【００２９】
なお、接地しているモジュール枠１１の電位（接地電位）を第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位との間の電位にする場合、太陽光発電システム全体としての接地電位からの電位範囲を小さくする観点から、上述した通り、モジュール枠１１の電位を第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位の中間電位とすることがより好ましい。第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位の中間電位は、任意の方法で形成することができ、一例として太陽光発電システムが発生する電流にほとんど影響を与えない例えば１０ＭΩ以上の同値の抵抗Ｒ１及びＲ２を図１〜図４に示すように２個直列に第３端子Ｔ３と第４端子Ｔ４との間に接続して、２個の抵抗の接続点を接地するとともにモジュール枠１１も接地する方法が挙げられる。また、第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位とを入力として、第３端子Ｔ３の電位と第４端子Ｔ４の電位の中間電位を出力する増幅器回路などを設けてもよい。
【００３０】
一方、前記第２期間では、図２に示す状態になり、紙面下部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位がモジュール枠１１の電位である接地電位よりも高くなるので、上述した推定メカニズムにより、発電時間の経過に伴って紙面下部の太陽電池モジュール１０１の発電効率が低下するおそれがある。また、前記第２期間では、紙面上部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位がモジュール枠１１の電位である接地電位よりも低くなるので、紙面上部の太陽電池モジュール１０１は、前記第２期間になる直前に上述した推定メカニズムによって発電効率が低下していた場合、接地電位に対する紙面上部の太陽電池モジュール１０１内の発電部の電位が前記第２期間になる前と比べて逆向きにほぼ同一値となるため、発電効率が低下している状態から発電効率が低下しない状態に回復する。
【００３１】
したがって、上述したように前記第１期間と前記第２期間が共に太陽電池モジュールが発電する期間で、この前記第１期間と前記第２期間とを交互に繰り返すようにすることで、太陽電池モジュール１０１において発電時間の経過に伴って発電効率が低下しても発電効率を回復させることができるため、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムは発電効率が低下することを抑制することができる。
【００３２】
また、例えば第２制御部１０６にタイマー（不図示）を設け、当該タイマーを用いて前記第１期間と第２期間とを周期的（例えば１日毎）に切り替えてもよい。この場合、前記第１期間と第２期間との切替タイミングは、発電が行われない夜間であることが好ましい。
【００３３】
＜第２実施形態＞
図３及び図４に示す通り、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１０１と、第１切替部１０２とを八組備え、第１制御部１０５を八つ備えている。また、図示は省略しているが、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムは、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムと同様に、第２切替部１０３、電力変換部１０４、及び第２制御部１０６も備えている。ただし、本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムでは、第２の切替部１０３の第３端子Ｔ３は第１端子Ｔ１の二つに接続され、第２の切替部１０３の第４端子Ｔ４は第２端子Ｔ２の二つに接続される。
【００３４】
本発明の第２実施形態に係る太陽光発電システムは、前記第１期間に図３に示す状態になり、前記第２期間に図４に示す状態になり、本発明の第１実施形態に係る太陽光発電システムと同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３５】
１  Ｎ型シリコン基板
１Ａ  Ｐ＋層
１Ｂ  Ｎ＋層
２  パッシベーション膜
３  Ｐ型集電層
４  Ｎ型集電層
５  裏面電極型太陽電池セル
６  接続部材
７  封止材
８  透光性基板
９  裏面保護シート
１０  端面封止材
１１  モジュール枠
１２  自由電子
１３  光励起により発生した電子
１４  光励起により発生した正孔
１０１  太陽電池モジュール
１０２  第１切替部
１０３  第２切替部
１０４  電力変換装置
１０５  第１制御部
１０６  第２制御部
Ｒ１、Ｒ２  抵抗
Ｔ１  第１端子
Ｔ２  第２端子
Ｔ３  第３端子
Ｔ４  第４端子
【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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