(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池セルと、複数の前記太陽電池セルの直列接続数を切換える選択機構と、を備えた複数の太陽電池ストリングと、
複数の前記太陽電池ストリングが並列に接続された接続箱と、
それぞれの前記太陽電池セルの出力電力が前記接続箱において最大となる点で動作した際に、複数の前記太陽電池ストリングそれぞれの出力電圧が同じになるように、前記選択機構によって前記太陽電池セルの直列接続数を切替える装置と、を備える太陽光発電システム。
【請求項２】
前記太陽電池ストリングは、直列に接続された複数の前記太陽電池セルを含む太陽電池モジュールと、複数の前記太陽電池セルと前記選択機構とを含み、前記太陽電池モジュールと直列に接続する太陽電池サブモジュールと、を備え、
前記太陽電池モジュールと前記太陽電池サブモジュールとは着脱可能である請求項１記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
前記選択機構は、直列に接続された複数の前記太陽電池セル間の接続ラインと、前記太陽電池ストリングの出力ラインとの電気的接続を切換える請求項１または請求項２記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
直列に接続された複数の太陽電池セルを備えた太陽電池ストリングと、
複数の前記太陽電池ストリングが接続された太陽電池サブモジュールと、を備え、
前記太陽電池サブモジュールは、マトリクス状に配置された複数の接続ラインと、前記接続ラインが交差する位置において行方向に延びる前記接続ラインと列方向に延びる前記接続ラインとの接続を切換える選択機構と、列方向に延びる前記接続ライン間に直列に接続された複数枚の太陽電池セルと、を備え、
行方向に延びる前記接続ラインの一端は前記太陽電池ストリングの出力ラインと接続され、行方向に延びる前記接続ラインの他端は接続箱に接続し、
それぞれの前記太陽電池セルの出力電力が前記接続箱において最大となる点で動作した際に、複数の前記太陽電池ストリングそれぞれの出力電圧が同じになるように、前記選択機構によって前記太陽電池セルの直列接続数を切替える装置と、を備えた太陽光発電システム。
【請求項５】
前記選択機構は、連動して開閉して前記複数枚の太陽電池セルの両端に接続された２つの前記接続ラインと、行方向に延びる前記接続ラインとの接続を切換える一対の切換機構を備える請求項４記載の太陽光発電システム。
【請求項６】
前記太陽電池ストリングは、入力電極と出力電極との間に直列に接続された複数の前記太陽電池セルと、前記太陽電池セルのいくつかと前記出力電極とを夫々接続する複数の接続電極と、を備えた複数の薄膜太陽電池ストリングである、請求項１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】
本発明の実施形態は、太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムは、太陽電池セルに光が照射されることによって得られる電力を、パワーコンディショナーによって交流電力に変換し、電力系統に接続して発電電力を得る。
【０００３】
太陽光発電システムは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の太陽電池セルを含む太陽電池ストリング、接続箱、パワーコンディショナー、および、昇圧変圧器を備え、連系用変圧器を介して電力系統と接続されている。複数の太陽電池ストリングは接続箱に並列に接続され、複数の太陽電池ストリングから出力された直流電力は接続箱に入力される。
【０００４】
接続箱は直流電力を合わせてパワーコンディショナーに入力し、パワーコンディショナーにより直流電力を交流電力に変換し、電力を需要家で使用するのに適した電圧に変圧する昇圧変圧器を介して需要家内の負荷に供給される。
【０００５】
更に、昇圧変圧器で変圧された電力は連系用変圧器に入力される。連系用変圧器は系統電力に連系するのに適した電圧に変換し、系統電力へと出力する。なお、太陽電池モジュールに照射される光が強力であるほど太陽電池モジュールの出力電流が大きくなり、得られる電力は大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１４６７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽電池ストリングの最大動作電圧は、太陽電池セルの最大動作電圧と、太陽電池セルの直列接続数との積となる。また、太陽電池セルの最大動作電圧は製造状態や経年劣化によりばらつく。太陽電池セルの直列接続数が例えば１０００個に固定されている場合は、太陽電池セルの最大動作電圧が０．４８Ｖ、０．４９Ｖ、０．５０Ｖとばらつくと、太陽電池ストリングの最大動作電圧は４８０Ｖ、４９０Ｖ、５００Ｖとなる。
【０００８】
並列に接続された複数の太陽電池ストリングは動作電圧が同一となるように制御される。したがって、最大動作電圧が異なる太陽電池ストリングを並列に接続した場合、複数の太陽電池ストリングの動作電圧は最大動作電圧とならないことがあった。
【０００９】
例えば並列に接続された複数の太陽電池ストリングが電圧４９０Ｖで動作している場合は、最大動作電圧が４８０Ｖの太陽電池ストリングと最大動作電圧が５００Ｖの太陽電池ストリングとは最大動作電圧で動作しないこととなる。このような場合、太陽電池ストリングを並列に接続して得られる太陽電池ストリングの発電電力は最大発電電力よりも低くなる。したがって、最大動作電圧が異なる太陽電池ストリングを並列に接続した場合には本来発電可能な電力が出力されず、太陽電池システムを効率よく動作させることが困難であった。
【００１０】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、発電電力が低下することを回避して効率よく動作す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】
【００１１】
実施形態による太陽光発電システムは、複数の太陽電池セルと、複数の前記太陽電池セルの直列接続数を切換える選択機構と、を備えた複数の太陽電池ストリングと、複数の前記太陽電池ストリングが並列に接続された接続箱と、それぞれの前記太陽電池セルの出力電力が前記接続箱において最大となる点で動作した際に、複数の前記太陽電池ストリングそれぞれの出力電圧が同じになるように、前記選択機構によって前記太陽電池セルの直列接続数を切替える装置と、を備える太陽光発電システムである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図２】太陽電池ストリングの出力特性の一例について説明するための図である。
【図３】第１実施形態の太陽光発電システムの太陽電池ストリング毎の動作電圧の一例を説明するための図である。
【図４】第１実施形態の太陽光発電システムの効果の一例を説明するための図である。
【図５】第１実施形態の太陽光発電システムの他の構成例を概略的に示す図である。
【図６】第２実施形態の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図７】第３実施形態の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図８】比較例の太陽光発電システムの太陽電池ストリング毎の動作電圧の一例を説明するための図である。
【図９】比較例の太陽光発電システムの最大発電電力の一例について説明するための図である。
【図１０】比較例の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。  
図１に、第１実施形態の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す。本実施形態の太陽光発電システムは並列に接続された複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを含む太陽電池アレイ３を備えている。
【００１４】
太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃのそれぞれは、複数の太陽電池モジュール５と、複数の太陽電池モジュール５と直列に接続された太陽電池サブモジュール６とを備えている。太陽電池モジュール５と太陽電池サブモジュール６とはそれぞれが着脱可能であって、モジュール単位で交換することが可能となっている。
【００１５】
太陽電池モジュール５は、直列に接続された複数の太陽電池セル１を備えている。本実施形態では、複数の太陽電池モジュール５において１０００枚の太陽電池セル１が直列に接続されている。
【００１６】
太陽電池サブモジュール６は、直列に接続された複数の太陽電池セル１と、複数の太陽電池セル１の直列数を選択するための選択機構４と、を備えている。本実施形態では、例えば、太陽電池サブモジュール６は６３枚の太陽電池セル１を含み、直列に接続される太陽電池セル１の数を２１枚ずつ切換可能である。選択機構４は、直列に接続された２１枚の太陽電池セル１間の直列接続ラインと出力ラインとの間の電気的接続を、機械的あるいは電気的に切換える手段である。
【００１７】
接続箱１０は、複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃから出力された直流電力を合わせてパワーコンディショナー２０へ出力する。パワーコンディショナー２０は電力系統と接続され、接続箱１０から供給された直流電力を最大電力で動作させ、交流電力に変換して出力する。
【００１８】
図２に、太陽電池ストリングの出力特性の一例を示す。太陽電池ストリングの出力電力は電流値と電圧値との積となり、出力電力は電圧値が最大動作電圧Ｖｐｍのときに最大となる。太陽電池ストリングの電流値は、電圧値が最大動作電圧Ｖｐｍ辺りまでは緩やかに低下するが、最大動作電圧Ｖｐｍを超えた辺りで急激に低下している。したがって、太陽電池ストリングの出力電力も、電圧値が最大動作電圧Ｖｐｍを超えた辺りで急激に低下する。
【００１９】
一方、パワーコンディショナー２０は、接続箱１０から供給された直流電力が最大電力となるように、複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを共通の動作電圧で動作させる。したがって、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの最大動作電圧が異なる場合、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃのいくつかは最大動作電圧で動作せず、出力が低下することとなる。そこで、本実施形態では、複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの最大動作電圧Ｖｐｍが略等しくなるように太陽電池サブモジュール６で直列に接続する太陽電池セル１の数を調整している。
【００２０】
図３に、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの太陽電池セル数および最大動作電圧の一例を示す。本実施形態では、太陽電池ストリング２Ａを構成する１つの太陽電池セル１の最大発電電力電圧は略０．４８Ｖである。従って、複数の太陽電池モジュール５の１０００枚の太陽電池セル１を直列に接続した状態では、最大動作電圧は略４８０Ｖとなる。これに対し、本実施形態では太陽電池サブモジュール６の選択機構４の太陽電池モジュール５側の２つを解除し、接続箱１０側の１つの選択機構４を接続して４２枚の太陽電池セル１をさらに直列に接続している。従って、１０４２枚の太陽電池セル１を直列に接続した状態で、太陽電池ストリング２Ａの最大動作電圧は略５００Ｖとなる。
【００２１】
太陽電池ストリング２Ｂを構成する１つの太陽電池セル１の最大発電電圧は略０．４９Ｖである。従って、複数の太陽電池モジュール５の１０００枚の太陽電池セル１を直列に接続した状態では、最大動作電圧は略４９０Ｖとなる。これに対し、本実施形態では太陽電池サブモジュール６の選択機構４の太陽電池モジュール５側の１つを解除し、接続箱１０側の２つの選択機構４を接続して２１枚の太陽電池セル１をさらに直列に接続している。従って、１０２１枚の太陽電池セル１を直列に接続した状態で、太陽電池ストリング２Ｂの最大動作電圧は略５００Ｖとなる。
【００２２】
太陽電池ストリング２Ｃを構成する１つの太陽電池セル１の最大発電電圧は略０．５０Ｖである。従って、複数の太陽電池モジュール５の１０００枚の太陽電池セル１を直列に接続した状態で、最大動作電圧は略５００Ｖとなる。そこで本実施形態では、太陽電池サブモジュール６の選択機構４を全て接続し、直列に太陽電池セル１を接続していない。
【００２３】
上記のように太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの最大動作電圧が略５００Ｖとすると、全ての太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを最大動作電圧で動作させることが可能となる。
【００２４】
図９に、太陽電池サブモジュール６により直列に接続される太陽電池セル１の数を調整しない場合に、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃと太陽電池アレイ３とのＰ−Ｖ特性の一例を示す。この場合、太陽電池ストリング２Ａの最大動作電圧は４８０Ｖとなり、太陽電池ストリング２Ｂの最大動作電圧は４９０Ｖとなり、太陽電池ストリング２Ｃの最大動作電圧は５００Ｖとなる。この例では、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの動作電圧が４９０Ｖの例を示している。太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを４９０Ｖで動作すると、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｃは最大動作電圧での動作とならない。
【００２５】
図４に、本実施形態の太陽光発電システムにおいて、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃと太陽電池アレイ３とのＰ−Ｖ特性の一例を示す。本実施形態では、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの最大動作電圧が略等しいため、３つの太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃが共通の電圧において動作する場合に全ての太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを最大動作電圧で動作させることが可能となる。
【００２６】
図９に示すＰ−Ｖ特性と図４に示すＰ−Ｖ特性とを比較すると、図４に示す太陽電池セル１数を調整した場合では、図９に示す太陽電池セル１数を調整しない場合よりも発電電力が高くなっている。
【００２７】
すなわち、本実施形態では、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを効率よく動作させ、発電電力が低下することを回避して効率よく動作する太陽光発電システムを提供することができる。
【００２８】
また、図１０に、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２ＣにＤＣＤＣコンバータ７を接続して、各太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃから出力される電圧を変換する場合の構成例を示す。この場合には、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを最大動作電圧で動作することが可能となるが、新たな部品を追加することにより故障等の不具合が発生する可能性が増し、太陽光発電システムの信頼性が低下する場合がある。またＤＣＤＣコンバータ７が動作するための電力が必要となる。
【００２９】
これに対し、本実施形態では新たな部品を増加させることがないため、太陽光発電システムの信頼性を低下させることもなく、新たな部品の動作のために電力が必要となることもない。
【００３０】
なお、太陽電池サブモジュールにおいて、直列に接続される太陽電池セルの数の選択機構４としては、半導体スイッチを用いても良く、スイッチを用いずに配線をレーザ光などで切断してもよい。図５に、薄膜太陽光発電ストリングの配線をレーザ光で切断する際の構成の一例を示す。複数の太陽電池セル１は入力電極ＥＩＮと出力電極ＥＯＵＴとの間に直列に接続されている。複数の太陽電池セル１のうちのいくつかが接続電極ＥＣにより出力電極ＥＯＵＴと電気的に接続されている。この場合には、接続電極ＥＣをレーザ光などで切断することにより、直列に接続される太陽電池セル１の数を選択することができる。このような選択機構を設けることにより、図１に示す場合と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、この選択機構４は太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃとともに太陽電池パネルと同一基板上に収納しても良く、太陽電池サブモジュール６に収納しても良く、外部に取り付けても良い。その場合であっても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、本実施形態では、複数の太陽電池モジュール５に接続する太陽電池サブモジュール６を２つ以上とすることにより、直列に接続する太陽電池セル１の数をさらに増加させることが可能となるため、複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの最大動作電圧の差が大きかった場合でも調整することが容易である。
【００３３】
次に、第２実施形態の太陽光発電システムについて図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
図６に、本実施形態の太陽光発電システムの太陽電池アレイ３の一構成例を示す。本実施形態の太陽光発電システムは、並列に接続された複数の太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを含む太陽電池アレイ３を備えている。太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃのそれぞれは、直列に接続された複数の太陽電池セル１と、太陽電池セル１の接続数を選択するための選択機構４と、を備えている。本実施形態では、各太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃは１０６３枚の太陽電池セル１を備えている。
【００３５】
選択機構４は各太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの出力端側から太陽電池セル１を２１枚ずつ合計６３枚の接続を切換可能としている。選択機構４は、直列に接続された太陽電池セル１間の直列接続ラインと出力ラインとの間の電気的接続を機械的あるいは電気的に切換えて、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃにおいて直列に接続される太陽電池セルの数を切換える手段である。
【００３６】
太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃから出力された直流電力は接続箱１０へ供給されて合算され、接続箱１０から出力された直流電力はパワーコンディショナー２０で交流電力へ変換される。
【００３７】
上記のように、本実施形態では太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃにあらかじめ追加する太陽電池セルの数を０枚、２１枚、４２枚、６３枚から選択できるように、選択機構４を接続しておくことで、所望の太陽電池ストリングの最大動作電圧になるように、直列に接続される太陽電池セル１の数を容易に変更することができる。
【００３８】
例えば、図６に示す場合では、太陽電池ストリング２Ａでは太陽電池セル１が１０４２枚直列に接続され、太陽電池ストリング２Ｂでは太陽電池セル１が１０２１枚直列に接続され、太陽電池ストリング２Ｃでは太陽電池セル１が１０００枚直列に接続されている。これら太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの太陽電池セル数および最大動作電圧の一例は図３に示す第１実施形態の場合と同様である。
【００３９】
本実施形態では、上記第１実施形態の太陽光発電システムのように複数の太陽電池モジュール５を接続した太陽電池ストリングを採用しない場合であっても、選択機構４を設けることにより、複数の太陽電池ストリングの最大動作電圧を略同一となるように調整して、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。本実施形態では太陽光発電システムの規模を大きくすることなく第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
すなわち、本実施形態によれば、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃを効率よく動作させ、発電電力が低下することを回避して効率よく動作する太陽光発電システムを提供することができる。
【００４１】
次に、第３実施形態の太陽光発電システムについて図面を参照して以下に説明する。  
図８に第３実施形態の太陽光発電システムの一構成例を概略的に示す。本実施形態の太陽光発電システムは、並列に接続された複数の太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´と、複数の太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´の一端に接続された太陽電池サブモジュール６´と、を備えている。太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´と太陽電池サブモジュール６´とは太陽電池アレイ３を構成する。
【００４２】
太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´のそれぞれは、直列に接続された複数の太陽電池モジュール５を備えている。太陽電池モジュール５は直列に接続された複数の太陽電池セル１を備えている。
【００４３】
太陽電池サブモジュール６´は、マトリクス状に配置された接続ラインと、接続ラインが交差する位置において行方向に延びる接続ラインと列方向に延びる接続ラインとの接続を切換える選択機構４´と、列方向に延びる接続ライン間に直列に接続された複数枚の太陽電池セル１と、を備えている。行方向に延びる接続ラインは太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´の出力ラインＬと電気的に接続されている。
【００４４】
本実施形態の太陽電池サブモジュール６´の選択機構４´は、太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´に接続する複数の太陽電池セル１を、２１枚ずつ選択可能としている。選択機構４´は、２１枚の太陽電池セル１の両端と太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´の出力ラインＬとの接続を切換える一対の切換機構４Ｌ、４Ｒを備えている。一対の切換機構４Ｌ、４Ｒは、連動して開閉動作する。
【００４５】
図８に示す場合では、太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´側の４２枚の太陽電池セル１は太陽電池ストリング２Ａに直列に接続され、接続箱１０側の２１枚の太陽電池セル１は太陽電池ストリング２Ｂに直列に接続されている。その結果、太陽電池ストリング２Ａ´と太陽電池サブモジュール６´とで１０４２枚の太陽電池セル１が直列に接続され、太陽電池ストリング２Ｂ´と太陽電池サブモジュール６´とで１０２１枚の太陽電池セル１が直列に接続される。なお、図８中の切換機構４Ｌ、４Ｒ近傍に記載された矢印は、上記接続時における電流の流れを示している。
【００４６】
太陽電池サブモジュール６´の３つの出力ラインから出力された直流電力は接続箱１０へ供給されて合算され、接続箱１０から出力された直流電力はパワーコンディショナー２０で交流電力へ変換される。
【００４７】
このように、太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´に直列に接続する太陽電池セル１の数を選択的に切換えることにより、太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´の最大動作電圧を略等しくすることが可能となる。
【００４８】
したがって、本実施形態では、選択機構４´を設けることにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、太陽電池サブモジュール６´は複数の太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´に共有されるため、選択的に接続を切換えるための太陽電池セル１の数を少なくすることができる。すなわち、本実施形態では少ない太陽電池セル１を複数の太陽電池ストリング２Ａ´、２Ｂ´、２Ｃ´に割り振ることができるため、より効率よく太陽電池システムを動作させることができる。
【００４９】
なお、上記の複数の実施形態において、選択機構４、４´は太陽光発電システムを設置する際や点検の際に作業員によって開閉を切換られるものであってもよく、太陽光発電システムを制御するコントローラ（図示せず）からの指令により開閉を切換られるものであってもよい。
【００５０】
また、上記の複数の実施形態において、選択機構４、４´により接続を切換えられる太陽電池セル１の枚数は、太陽電池ストリング２Ａ、２Ｂ、２Ｃの発電電力に応じて設計されればよく、上記複数の実施形態における太陽電池セル１の枚数に限定されるものではない。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
Ｖｐｍ…最大動作電圧、ＥＩＮ…入力電極、ＥＯＵＴ…出力電極、ＥＣ…接続電極、Ｌ…出力ライン、１…太陽電池セル、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…太陽電池ストリング、３…太陽電池アレイ、４…選択機構、４Ｌ、４Ｒ…一対の切換機構、５…太陽電池モジュール、６…太陽電池サブモジュール、７…ＤＣＤＣコンバータ、１０…接続箱、２０…パワーコンディショナー。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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