(57)【要約】  本発明は、ソーラーセル（１０）の直列回路と、直列回路のセクションと並列に配置される、スイッチ（１２）と、スイッチ（１２）の制御回路（１３）とを有するソーラーモジュール（１）に関する。制御回路（１３）は、デューティサイクルを用いたスイッチ（１２）のクロック制御用に構成され、デューティサイクルは、直列回路または直列回路の一部の両端間の電圧降下に基づいて決定される。ソーラーモジュール（１）は、太陽光発電システム（２）の一部として使用することができる。本発明はさらに、ソーラーモジュール（１）を動作させるための方法に関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  ソーラーセル（１０）の直列回路と、
−  前記直列回路のセクションと並列に配置される、スイッチ（１２）と、
−  前記スイッチ（１２）の駆動回路（１３）と、
を含むソーラーモジュール（１）において、
前記駆動回路（１３）は、デューティサイクルを用いた前記スイッチ（１２）のクロック駆動用に構成され、前記デューティサイクルは、前記直列回路または前記直列回路の一部分における電圧降下に応じて決定される
ことを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のソーラーモジュール（１）において、前記直列回路の前記セクションは、前記直列回路全体であることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項３】
請求項１または２に記載のソーラーモジュール（１）において、前記直列回路の前記セクションは、前記直列回路の前記部分と同一であることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のソーラーモジュール（１）において、開かれるとき、回路遮断器（１４）が前記ソーラーモジュール（１）の前記端子（１５、１６）の１つから前記直列回路の前記セクションを電気的に隔離するように配置された、前記回路遮断器（１４）をさらに含むことを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項５】
請求項４に記載のソーラーモジュール（１）において、前記駆動回路は、前記スイッチ（１２）の前記クロック駆動とともにクロック方式で前記回路遮断器（１４）を開くように構成され、前記回路遮断器（１４）は、前記スイッチ（１２）が閉じられる前に開かれ、前記スイッチ（１２）が開かれた後に閉じられることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のソーラーモジュール（１）において、前記駆動回路（１３）は、前記スイッチ（１２）が開いているとき前記電圧を決定するように構成されることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のソーラーモジュール（１）において、前記駆動回路（１３）は、前記クロック閉鎖の周波数を変更するように、特に前記周波数を統計的に変更するように構成されることを特徴とするソーラーモジュール（１）。
【請求項８】
直列におよび／または並列に相互接続された複数のソーラーモジュール（１）を含む太陽光発電設備（２）において、前記ソーラーモジュール（１）のうちの少なくともある割合は、請求項１乃至７の何れか１項に記載のソーラーモジュール（１）であることを特徴とする太陽光発電設備（２）。
【請求項９】
請求項８に記載の太陽光発電設備（２）において、前記ソーラーモジュール（１）のスイッチ（１２）の前記クロック駆動を前記複数のソーラーモジュール（１）のための接続線上の周波数信号として検出するように構成されたインバータ（４０）をさらに含み、前記インバータ（４０）は、前記周波数信号の検出に応答して、前記複数のソーラーモジュール（１）の動作点をシフトするように、特に前記接続線上のより高い電流に前記動作点をシフトするように構成されることを特徴とする太陽光発電設備（２）。
【請求項１０】
ソーラーセル（１０）の直列回路を含むソーラーモジュール（１）における電圧制限のための方法において、スイッチ（１２）が前記直列回路のセクションと並列に配置され、
−  前記直列回路の一部分の両端間の電圧を決定するステップと、
−  前記電圧に応じてデューティサイクルを決定するステップと、
−  前記デューティサイクルを用いてクロック方式で前記スイッチ（１２）を閉じるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記直列回路の前記セクションの両端間の前記電圧が決定されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の方法において、前記電圧は、前記スイッチ（１２）が開いているとき決定されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の方法において、開かれるとき、回路遮断器（１４）が前記ソーラーモジュール（１）の端子（１５、１６）から前記直列回路の前記セクションを電気的に隔離するように配置された、前記回路遮断器（１４）がさらに提供され、前記回路遮断器（１４）は、前記スイッチ（１２）の前記クロック閉鎖とともにクロック方式で開かれ、前記回路遮断器（１４）は、前記スイッチ（１２）が閉じられる前に開かれ、前記スイッチ（１２）が開かれた後に閉じられることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３の何れか１項に記載の方法において、所定の電圧制限値より下の所定の電圧では、前記決定されたデューティサイクルは、ゼロであり、前記電圧制限値より上では、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％の最小値を有することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４の何れか１項に記載の方法において、前記クロック閉鎖は、２００Ｈｚよりも高く、好ましくは２ｋＨｚよりも低い周波数で行われることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５の何れか１項に記載の方法において、前記クロック閉鎖の前記周波数は、変更され、特に統計的に変更されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーラーモジュール、ソーラーモジュールの直列回路を含む太陽光発電設備（ＰＶ設備）、およびソーラーモジュールにおける電圧制限のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＶモジュールを活用した経済的な発電のために、前記ＰＶモジュールは、接続されてますます大きい長さのストリングを形成している。増大するストリング長のために上昇する、ストリング電圧を管理可能とするために、接続されたインバータを過電圧から保護し、不必要な過電圧から保護するためにストリングからインバータを分離する、安全回路が必要とされる。
【０００３】
インバータからストリングを分離する代わりに、文献独国特許出願公開第１０２０１０００９１２０Ａ１号明細書は、ストリング電圧が臨界値を超えるときスイッチを介してストリングの一部を短絡させることを提案する。この結果として、残りのストリングは、インバータに接続し続けることができ、太陽光発電設備は、エネルギーを生産し続けることができる。しかしながら、この解決策は、付加的な短絡経路の提供およびその駆動のために費用のレベルの増加を引き起こす。
【０００４】
電圧低減短絡手段は、しかしながら、同様に、文献国際公開第２０１５／０９５４１４号パンフレットに従ってＰＶモジュールに組み込むことができ、その結果として、付加的なケーブル配線費用が回避される。短絡手段は、過電圧の場合にそれぞれのサブモジュールを短絡させることができ、したがってソーラーモジュールの接続端子における電圧を、例えば、全電圧の７５％まで、下げることができる。
【０００５】
過電圧が生じるとき、電圧がただ必要な範囲までだけ減少し、ソーラーモジュールのエネルギー生成が必要最小限だけ制約されるように、ソーラーモジュールの電圧制限を連続的になるように構成することが望ましいことになる。
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、ストリングの付加的なケーブル配線費用を必要とせずに、保護回路を活用してエネルギー生成に対する最小の損失で電圧制限の遵守を自律的に確実にする、ストリング用ソーラーモジュールを提供することである。
【０００７】
この目的は、独立請求項１に記載のソーラーモジュールによって、および同等の請求項８に記載の太陽光発電設備によって、ならびに独立請求項１０に記載の方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に説明される。
【０００８】
１つの実施態様で、本発明は、ソーラーセルの直列回路と、直列回路のセクションと並列に配置される、スイッチと、スイッチを駆動するための駆動回路とを含む、ソーラーモジュールに関する。駆動回路は、デューティサイクルを用いたスイッチのクロック駆動用に構成され、ここでデューティサイクルは、直列回路または直列回路の一部分における電圧降下に応じて決定される。クロック駆動を通して、ソーラーモジュールの電圧は、第１の期間に下げられ、ソーラーモジュールは、第２の期間に非制限電圧を供給する。デューティサイクルは、したがって、第１および第２の期間の長さの比率、ならびに、その結果として、経時的にソーラーモジュールによって供給される電圧の平均値を決定する。たとえソーラーモジュールの電圧が２つの値の間で前後にジャンプしても、ストリングで本発明によるいくつかの類似したソーラーモジュールを使用することによって電圧ジャンプを重ね合わせることによって、経時的なストリング電圧のほんのわずかだけの変動が達成される。これを目指して、ソーラーモジュールの駆動回路は、好ましくは、可能な限り均等に時間にわたってスイッチの切替時間を分散させるために、非同期的に動作する。これは、例えば、駆動回路がクロック駆動の周波数を変更するように、特に前記周波数を統計的に変更するように構成されることにより、達成することができる。これは、駆動回路内で周波数を生成するための乱数発生器によって達成することができる。
【０００９】
直列回路のセクションは、有利にはソーラーセルの直列回路全体であり、その結果、最大可能電圧制限が可能になる。しかしながら、ソーラーセルの直列回路の部分領域、例えばソーラーモジュールの３つのサブモジュールのうちの１つまたは２つだけが同様にセクションを形成してもよい。
【００１０】
駆動回路は、好ましくは、スイッチが開いているとき直列回路の部分の両端間の電圧を決定するように構成される。その結果として、測定された電圧は、スイッチの閉鎖によって引き起こされる電圧の減少によって悪影響を受けず、測定結果は、使用されるデューティサイクルに依存しない。
【００１１】
本発明の１つの好ましい実施形態で、ソーラーモジュールは、開かれるとき、ソーラーモジュールの端子から直列回路のセクションを電気的に隔離する、回路遮断器を含む。前記回路遮断器は、好ましくは、スイッチによって迂回される直列回路のセクションの一端に配置される。特に、回路遮断器の端子は、スイッチの端子とソーラーモジュールの端子の両方に接続される。回路遮断器は、他端を通してソーラーセルの直列回路に接続される。駆動回路は、スイッチのクロック駆動とともにクロック方式で回路遮断器を開くように構成することができ、ここで回路遮断器は、スイッチが閉じられる前に開かれ、スイッチが開かれた後に閉じられる。その結果として、スイッチが閉じられるときのソーラーセルの直列回路と関連付けられた静電容量の放電が回避される。このような放電は、特に高い切替周波数で、スイッチの望まれない熱負荷につながる。
【００１２】
スイッチおよび回路遮断器は、好ましくは半導体スイッチとして、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴとして構成され、固有のまたは別個のフリーホイーリングダイオードを有し得る。ソーラーモジュールの端子に関して、スイッチのフリーホイーリングダイオードは、バイパスダイオードと平行に方向づけられ、回路遮断器のフリーホイーリングダイオードは、逆平行に方向づけられる。
【００１３】
駆動回路、スイッチおよび回路遮断器は、好ましくはソーラーモジュールの接続箱に収容することができる。エネルギーは、好ましくはソーラーセルの直列回路またはその一部分から駆動回路に供給される。
【００１４】
本発明のさらなる実施態様で、太陽光発電設備は、直列におよび／または並列に相互接続された複数のソーラーモジュールを含み、それらのうちの少なくともある割合は、本発明によるソーラーモジュールである。本発明によるソーラーモジュールを専ら使用する太陽光発電設備の設計が同様に考えられる。ソーラーモジュールのうちの一部だけが本発明によるソーラーモジュールであり、かつ太陽光発電設備が並列のストリングを含むとき、本発明によるソーラーモジュールの割合は、不均等な電圧低下に起因する個別のストリングにおけるリターン電流を防止するために、等しくなるように選択されるべきである。
【００１５】
本発明による太陽光発電設備は、本発明によるソーラーモジュールのスイッチのクロック駆動を複数のソーラーモジュールのための接続線上の周波数信号として検出するように構成されたインバータをさらに含み得る。このような周波数信号は、太陽光発電設備の部分領域において確認された過電圧の指標である。特に、インバータは、周波数信号の検出に応答して、したがってソーラーモジュールによって確認された過電圧を打ち消すために、複数のソーラーモジュールの動作点を、例えば接続線上のより高い電流またはより低い電圧を有する動作点にシフトするように構成することができる。特に、動作点の電圧は、周波数信号が消えるまで段階的にまたは連続的に下げることができる。
【００１６】
本発明の付加的な実施態様は、ソーラーセルの直列回路を含むソーラーモジュールにおける電圧制限のための方法に関し、ここでスイッチが直列回路のセクションと並列に配置される。方法は、直列回路の一部分の両端間の電圧を決定することおよび電圧に応じてデューティサイクルを決定すること、ならびに決定されたデューティサイクルを用いたスイッチのクロック駆動を含む。好ましくは、スイッチが並列に接続される直列回路のセクション全体の両端間の電圧が決定される。スイッチの閉鎖が電圧決定に影響を与えることを防止するために、電圧は、スイッチが開いているときに決定される。
【００１７】
開かれるとき、回路遮断器がソーラーモジュールの端子の１つから直列回路のセクションを電気的に隔離するように配置された、回路遮断器をさらに提供することが有利であり、ここで回路遮断器は、スイッチのクロック駆動とともにクロック方式で開かれ、回路遮断器は、スイッチが閉じられる前に開かれ、スイッチが開かれた後に閉じられる。すでに説明したように、直列回路セクションの静電容量の繰り返される放電を原因とするスイッチの負荷は、結果として防止される。
【００１８】
１つの有利な実施形態で、所定の電圧制限値より下の決定された電圧では、スイッチがクロック方式で動作しないように、決定されたデューティサイクルはゼロである。電圧制限値より上では、デューティサイクルは、少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％の最小値を有する。電圧が増加するにつれて、デューティサイクルはそのとき、最大値までさらに増加することができ、最大値は、１００％とし得るが、より低く、例えば９５％に選択してもよい。最大値として１００％が選択される場合、それにもかかわらず、少なくとも直列回路のセクションの両端間の電圧を決定するために、スイッチが繰り返し短時間開かれることを確実にして考慮に入れるべきである。
【００１９】
太陽光発電設備内で電圧の低いリップルを達成するために、高いクロック周波数が有利である。例えば、２ｋＨｚの周波数は、インバータ内で通常使用されるリンク回路静電容量の場合にインバータの入力電圧の低い残留変動さえも達成するのに十分であることが示された。他方、１つのソーラーモジュールでスイッチが閉じられるとき、ストリングの他のソーラーモジュールの動作点がその１つのソーラーモジュールにおける電圧低下に従って変化するので、可能な限り低いクロック周波数は、低いスイッチング損失につながる。他のソーラーモジュールの動作点の変化は、前記ソーラーモジュールのソーラーセルに結合された発電機静電容量の電荷反転につながり、したがって付加的な電力損失につながる。これらの損失と残った電圧リップルとの間の折衷は、通常、２００Ｈｚから２ｋＨｚの間のクロック周波数の範囲で達成される。
【００２０】
本発明による他のソーラーモジュール内の他のスイッチとのスイッチの切替処理の同時発生を最小化し、その代わりに切替時間の可能な限り均一な分散を達成するために、クロック駆動の周波数を変更することができ、特に統計的に変更することができる。周波数の統計的変動は、駆動回路の一部として乱数発生器によって達成することができる。
【００２１】
以下の本文で、図を活用して本発明を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、ソーラーモジュールの本発明による一実施形態を示す。
【図２】図２は、ソーラーモジュールの本発明によるさらなる実施形態を示す。
【図３】図３は、本発明によるソーラーモジュールで使用されるスイッチの切替処理の時間プロファイルを示す。
【図４】図４は、電圧に応じたデューティサイクルの決定を例示するためのグラフを示す。
【図５】図５は、本発明によるソーラーモジュールを使用する太陽光発電設備を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、第１の端子１５および第２の端子１６を含む、本発明によるソーラーモジュール１を示す。それぞれのバイパスダイオード１１がセクションで並列に接続されている、ソーラーセル１０の直列回路が端子１５、１６間に配置される。ソーラーモジュール１を形成するソーラーセル１０のセクションと並列に、例えば３つのサブモジュールのうちの１つと並列に、スイッチ１２がさらに接続され、前記スイッチは、駆動ユニット１３がスイッチ１２を閉じるとき、すなわち前記スイッチをオンにするとき、ソーラーセル１０のセクションを迂回する。駆動回路１３は、デューティサイクルを用いてクロック方式でスイッチ１２を駆動するように構成され、ここでデューティサイクルは、駆動回路１３の入力１７に印加される電圧に応じて決定される。入力１７は、それらがソーラーセル１０の一部分の両端間の電圧を検出するように、ソーラーセル１０の直列回路に接続されている。ここで示されるように、部分は、ソーラーセル１０のセクションと同一とし得るが、ソーラーセル１０の直列回路の別の部分の両端間、または直列回路全体の両端間でさえも、同様に電圧を検出することができる。電圧は、スイッチ１２のクロッキングと時間的に調和した方式で検出することができ、特にスイッチ１２が開いているとき検出することができる。
【００２４】
駆動回路１３は、有利には、同じく入力１７を介して、すなわち入力１７が接続されている直列回路の部分から、動作のために必要とされる電気エネルギーを引き出す。その結果として、さらなるエネルギー源が駆動回路のために必要とされない。
【００２５】
図２に示される本発明によるソーラーモジュール１の実施形態は、最初に、スイッチ１２が今、ソーラーセル１０の直列回路全体と並列に配置され、したがってソーラーモジュール１全体を迂回するという点で図１からのソーラーモジュール１と異なる。さらに、ソーラーセル１０の直列回路は、駆動回路１３によって同じく駆動される、回路遮断器１４で補完されている。回路遮断器１４は、スイッチ１２によって迂回されるソーラーセル１０の直列回路のセクションで任意の場所に原則として配置され、この場合それは、ソーラーモジュール１の端子１６に直接接続されている。
【００２６】
１つの好ましい実施形態で、回路遮断器１４は、駆動回路１３によってスイッチ１２とともにクロック方式で動作し、ここで回路遮断器１４は、スイッチ１２が閉じられる前に開かれ、スイッチ１２が開かれた後に再び閉じられる。すなわち、回路遮断器１４は、スイッチ１２がソーラーセル１０の直列回路のセクションを迂回する時間全体の間ずっと開いている。この状況は、図３の切替プロファイルに例示される。上部の線図は、回路遮断器１４の切替状態の時間プロファイルを示し、下部の線図は、スイッチ１２の切替状態の時間プロファイルを示す。
【００２７】
回路遮断器１４の使用は、ソーラーセル１０の直列回路が高い静電容量を有するとき特に有利であり、その静電容量は、スイッチ１２が閉じられるときこれを介して放電することになり、スイッチの著しい熱負荷につながることになるが、それは回路遮断器１４を開くことによって防止される。
【００２８】
図４は、駆動回路１３が、グラフの横軸上のソーラーセル１０の直列回路の部分における電圧から縦軸上で使用されるデューティサイクルをどのように決定するかを例示し、直列回路のこの部分は、駆動回路１３の入力１７に接続されている。電圧の第１の閾値Ｕ１より下では、デューティサイクルはゼロであり、すなわち、スイッチ１２は、恒久的に開いたままであり、回路遮断器１４は、存在する場合、閉じたままである。第１の閾値Ｕ１に到達するとき、スイッチ１２および回路遮断器１４のクロック動作は、最小デューティサイクルＴＧｍｉｎ以上のデューティサイクルで始まる。第１の閾値Ｕ１より上では、デューティサイクルは、所定の特性曲線３０に基づいて選択され、最大デューティサイクルＴＧｍａｘ、例えば９５％まで増加し得る。図４は、線形特性曲線３０を示すが、別の特性曲線、特に単調増加特性曲線が同様に使用され得る。特性曲線３０は、第２の閾値Ｕ２において、最小デューティサイクルＴＧｍｉｎ、例えば５％に到達する。第２の閾値Ｕ２は、第１の閾値Ｕ１以下である。駆動回路１３の入力１７における電圧が第２の閾値Ｕ２より下に下がる場合、ゼロのデューティサイクルが再び適用され、すなわちスイッチ１２のクロック動作は終了する。最小デューティサイクルをゼロに等しく設定すること、またはスイッチ１２の最小可能パルス幅に従ってそれを選択することが同様に可能である。
【００２９】
図５は、太陽光発電設備２の一部として本発明によるソーラーモジュールの使用を示す。ソーラーモジュール１は、ストリング４１として直列に相互接続され、ここで複数のストリング４１は、インバータ４０への接続線の間で互いに並列に接続することができる。インバータ４０は、ストリング４１によって生成されたＤＣ電力を、グリッド接続点４２に接続されたグリッドに送り込むためのＡＣ電力に変換する。最大ストリング電圧は、第１の閾値Ｕ１を上まわる電圧の場合にソーラーモジュール１がスイッチ１２および回路遮断器１４のクロック動作によってそれらの電圧を自動的に下げることにより、前記ソーラーモジュールとは独立に、本発明によるソーラーモジュール１を使用することによって制限される。その結果として、１つまたは複数のストリング４１の最大理論開回路電圧、すなわちスイッチのクロック動作なしの開回路電圧がインバータ４０の最大入力電圧を越えるように、１つまたは複数のストリング４１の長さを延長することが可能である。これは、ソーラーモジュール１が本発明の使用により最大開回路電圧に到達することを防止するので可能である。増加したストリング長により、いっそう費用対効果の高い太陽光発電設備２が可能になる。
【符号の説明】
【００３０】
１  ソーラーモジュール
２  太陽光発電設備
１０  ソーラーセル
１１  バイパスダイオード
１２  スイッチ
１３  駆動回路
１４  スイッチ
１５、１６  端子
１７  入力
３０  特性曲線
４０  インバータ
４１  ストリング
４２  グリッド接続点
【図１】
2019530411.tif 000003
【図２】
2019530411.tif 000004
【図３】
2019530411.tif 000005
【図４】
2019530411.tif 000006
【図５】
2019530411.tif 000007
【国際調査報告】
2019530411.tif 000008
2019530411.tif 000009
2019530411.tif 000010
2019530411.tif 000011