(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽電池の効率及び電力出力を増大させる太陽電池管理システム及びこのシステムを製造し使用する方法を提供する。【解決手段】管理システムは、１つ又は複数の太陽電池にわたり電場を提供する。印加された電場は、太陽電池に入射した光によって生成される電子及び正孔の両方に力を及ぼし、電子−正孔対を太陽電池の電極に向けて加速させる。太陽電池管理システムは、太陽電池の構成の多様性を考慮して、太陽電池の電力出力を最大にする。加速された電子−正孔対は、電池の半導体材料内で再結合する確率がより低い。電子−正孔再結合率のこの低減は、太陽電池の効率を全体的に増大させるとともに、電力出力をより大きくする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又は複数の光起電デバイスを管理する方法であって、
電圧源によって生成された電圧信号の第１の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップであって、前記選択された光起電デバイスは、任意選択的にインバータを備える負荷を駆動するよう構成され、前記第１の構成要素は、前記選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成するオン状態を表す、第１の構成要素を印加するステップと、
前記電圧信号の第２の構成要素を前記選択された光起電デバイスに印加するステップであって、前記第２の構成要素はオフ状態を表す、第２の構成要素を印加するステップと、
前記第１の構成要素および前記第２の構成要素の所与の周波数および所与の持続時間の少なくともいずれかを制御するステップと、
前記選択された光起電デバイスによって生成された既存の電圧の上に前記第１の構成要素を重ねるステップ、
を含む、方法。
【請求項２】
前記選択された光起電デバイスによって生成されたＤＣ電圧および／または電流を、前記負荷を介して、ＡＣ電圧および／または電流へ変換するステップ、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記負荷は、前記選択された光起電デバイスの外部にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記選択された光起電デバイスを無線周波数領域の前記負荷から電気的に絶縁するステップをさらに備え、当該電気的な絶縁は、少なくとも１つのインダクタ、少なくとも１つのキャパシタ、少なくとも１つの電池、または、それらの組合せを介して、任意選択的に提供されることを特徴とする、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の構成要素を印加するステップは、前記選択された光起電デバイスの構造変更を伴わずに、前記選択された光起電デバイスへ前記第１の構成要素を印加することを含む、請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の構成要素を印加するステップは、前記選択された光起電デバイスの既存の電極を介して、前記選択された光起電デバイスに前記電圧信号の前記第１の構成要素を印加することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の構成要素を印加するステップは、前記選択された光起電デバイスに正の大きさを有する一連の電圧パルスとして前記第１の構成要素を印加するステップを含み、
前記第２の構成要素を印加するステップは、前記一連の電圧パルスの選択された隣り合う一連の電圧パルスの間に前記第２の構成要素を印可するステップを含む、
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の構成要素を印加するステップは、前記選択された光起電デバイスにわたって、所定の電場方向を有する前記外部電場を生成するステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の構成要素を印加するステップは、
前記選択された光起電デバイスの極性と同じ方向である前記所定の電場方向を有する前記外部電場を生成し、前記光起電デバイスの出力電力および／または、出力電流を増大させるステップ、または、
前記選択された光起電デバイスの極性と逆方向である前記所定の電場方向を有する前記外部電場を生成し、前記光起電デバイスの出力電力および／または、出力電流を低減させるステップ、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の構成要素を前記選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、前記第１の構成要素を第２の選択された光起電デバイスに印加するステップと、
前記第２の構成要素を前記選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、前記第２の構成要素を前記第２の選択された光起電デバイスに印加するステップと
を更に含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の構成要素を重ねるステップは、前記電圧源と前記選択された光起電デバイスとの間に結合される上昇注入回路を介して前記第１の構成要素に負の参照を生成するステップを含む、請求項１から１０の何れか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の構成要素を印加するステップは、前記電圧源と前記選択された光起電デバイスとの間に配置されるスイッチの第１の位置において、前記電圧源と前記光起電デバイスとを結合するステップを含み、前記第２の構成要素を印加するステップは、前記スイッチの第２の位置において、前記電圧源と前記選択された光起電デバイスとを切断するステップを含む、請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
１つまたは複数の光起電デバイスを管理するシステムであって、
任意選択的にインバータを含む負荷を駆動するよう構成された選択された光起電デバイスに結合され、電圧信号を生成し、当該電圧信号を前記選択された光起電デバイスに印可する電圧源であって、前記電圧信号は、選択された光起電デバイスにわたって外部電場を生成するオン状態を表す第１の状態と、オフ状態を表す第２の状態を有するものである、電圧源と、
前記電圧源に結合された制御回路であって、前記第１の状態と前記第２の状態の所与の周波数および所与の持続時間の少なくとも一つを制御する、制御回路、
を含み、
前記第１の状態は前記光起電デバイスによって生成された既存の電圧の上に重ねられるものである、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
前記負荷は、前記選択された光起電デバイスによって生成されたＤＣ電圧および／または電流を、ＡＣ電圧および／または電流へ変換するよう構成されることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記負荷は、前記選択された光起電デバイスの外部にあることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記選択された光起電デバイスは無線周波数領域の前記負荷から電気的に絶縁され、当該電気的な絶縁は、少なくとも１つのインダクタ、少なくとも１つのキャパシタ、少なくとも１つの電池、または、それらの組合せを介して任意選択的に提供されることを特徴とする、請求項１３から１５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電圧源は、前記選択された光起電デバイスの構造変更を伴わずに、前記選択された光起電デバイスへ前記第１の状態を印加し、前記第１の状態は、前記選択された光起電デバイスの既存の電極を介して、前記選択された光起電デバイスに印加される、請求項１３から１６の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１の状態は正の大きさの一連の電圧パルスを含み、前記第２の状態は、選択された隣り合う一連の電圧パルスの間に、前記選択された光起電デバイスへ印加されることを特徴とする、請求項１３から１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記電圧源は、電圧パルサを含むことを特徴とする、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記電圧源は、前記選択された光起電デバイスへ前記電圧信号を印加し、前記選択された光起電デバイスにわたって所定の方向の前記外部電場の生成することを特徴とする請求項１３から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記外部電場は、前記選択された光起電デバイスの極性と同じ方向である前記所定の電場方向を有し、前記光起電デバイスの出力電力および／または、出力電流を増大させる、または、
前記外部電場は、前記選択された光起電デバイスの極性と逆方向である前記所定の電場方向を有し、前記光起電デバイスの出力電力および／または、出力電流を低減させる、
ことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電圧源は、前記電圧信号を前記選択された光起電デバイスに印加すると同時に、前記電圧信号を第２の選択された光起電デバイスに印加することを特徴とする、請求項１３から２１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
第２の選択された光起電デバイスに結合され、前記第２の選択された光起電デバイスにわたって第２の電圧信号を印加する、第２の電圧源をさらに含み、
前記第２の電圧信号は、前記電圧源によって前記選択された光起電デバイスへ印可される前記電圧信号の前記第１の状態と前記第２の状態と同時に、前記第１の状態と前記第２の状態を提供するものであることを特徴とする、請求項１３から２１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記電圧源と前記選択された光起電デバイスとの間に結合された上昇注入回路をさらに含み、
前記上昇注入回路は、前記第１の状態の前記電圧信号に負の参照を提供する、
ことを特徴とする請求項１３から２３の何れか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１４年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／９４３，１２７号明細書の利益を主張する、２０１５年２月２０日に出願された米国特許出願第１４／６２８，０７９号明細書、２０１４年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／９４３，１３４号明細書、２０１４年３月３日に出願された米国仮特許出願第６１／９４７，３２６号明明細書、及び２０１４年７月８日に出願された米国仮特許出願第６２／０２２，０８７号明細書の一部継続であり、それらの利益を主張するものであり、これらの開示は参照により本明細書に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般的には光起電デバイスに関し、より詳細には、例えば、太陽電池にわたり外部電場を印加して調整することにより、１つ又は複数の太陽電池の電力又は生成エネルギー及び全体効率を最大にするシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
太陽電池（光起電電池とも呼ばれる）は、「光起電効果」として知られるプロセスにより、光のエネルギーを電気に直接変換する電気デバイスである。光に露出されると、太陽電池は、いかなる外部電圧源にも取り付けられずに、電流を生成し、サポートすることができる。
【０００４】
最も一般的な太陽電池は、図１に示される太陽電池１００内の半導体材料等の半導体材料（例えば、シリコン）から製作されるｐ−ｎ接合１１０からなる。例えば、ｐ−ｎ接合１１０は、ｐ型シリコンのより厚い層の上にｎ型シリコンの超薄層からなる薄いウェーハを含む。これらの２つの層が接触する場所において、太陽電池１００の上面近傍で電場（図示せず）が生成され、高電子濃度の領域（ｐ−ｎ接合１１０のｎ型側）から低電子濃度の領域（ｐ−ｎ接合１１０のｐ型側）への電子の拡散が生じる。
【０００５】
ｐ−ｎ接合１１０は、２つの導電性電極１０１ａと１０１ｂとの間に封入される。上部電極１０１ａは、入射（太陽）放射線を透過するか、又は太陽電池１００の上部を全体的には覆わない。電極１０１ａ、１０１ｂは、直列結合される外部負荷３０に接続された抵抗金属半導体接点として機能することができる。抵抗性のみが示されるが、負荷３０は抵抗成分及び反応成分の両方を含むこともできる。
【０００６】
光子が太陽電池１００に衝突すると、光子は、太陽電池材料を直線で透過する−これは一般に、光子のエネルギーがより低い場合に生じる−か、太陽電池の表面から反射されるか、又は好ましくは、太陽電池材料に吸収される−光子エネルギーがシリコンバンドギャップよりも高い場合−電子−正孔対を生成する。
【０００７】
光子が吸収される場合、光子のエネルギーは太陽電子材料内の電子に与えられる。通常、この電子は荷電子帯にあり、近傍の原子間の共有結合において強く結合され、したがって、遠くに移動することができない。光子によって電子に与えられたエネルギーは、電子を伝導帯に「励起」させ、伝導帯では、電子は太陽電池１００内で自在に動き回ることができる。電子が前に一部であった共有結合はここでは、１つ少ない電子を有する−これは正孔として知られている。共有結合の欠損の存在により、近傍の原子の結合電子は正孔内に移動することができ、別の正孔を後に残す。このようにして、正孔も太陽電池１００を通して効率的に移動することができる。したがって、太陽電池１００に吸収された光子は、可動電子−正孔対を生成する。
【０００８】
可動電子−正孔対は、電極１０１ａ、１０１ｂに向かって拡散又はドリフトする。通常、電子は、負電極に向かって拡散／ドリフトし、正孔は正電極に向かって拡散／ドリフトする。キャリア（例えば、電子）の拡散は、キャリアが電場によって捕捉されるまで、ランダム熱運動に起因する。キャリアの拡散は、太陽電池１００の活性場にわたり確立される電場によって駆動される。薄膜太陽電池では、電荷キャリア分離の支配的なモードは、薄膜太陽電池の厚さ全体を通して延びるｐ−ｎ接合１１０の静電場によって駆動されるドリフトである。しかし、活性領域に電場が略ないより厚い太陽電池の場合、電荷キャリア分離の支配的なモードは拡散である。少数キャリアの拡散長（すなわち、光子生成キャリアが再結合される前に移動することができる長さ）は、より厚い太陽電池では長くなければならない。
【０００９】
最終的に、ｐ−ｎ接合１１０のｎ型側に生成され、ｐ−ｎ接合１１０によって「収集」され、ｎ型側に掃引される電子は、電力を外部負荷３０に提供し（電極１０１ａを介して）、太陽電池１００のｐ型側に戻る（電極１０１ｂを介して）ことができる。ｐ型側に戻ると、電子は、ｐ型側の電子−正孔対として生成されるか、又はｎ型側からｐ−ｎ接合１１０にわたり掃引された正孔と再結合することができる。
【００１０】
図１に示されるように、電子−正孔対は、電子−正孔対が生成されるポイントから電子−正孔対が電極１０１ａ、１０１ｂにおいて収集されるポイントまで回り道を移動する。電子−正孔対が移動する経路は長いため、電子又は正孔が別の正孔又は電子と再結合する十分な機会が存在し、再結合は、任意の外部負荷３０への電流の損失を生じさせる。別の言い方をすれば、電子−正孔対が生成されるとき、キャリアの１つはｐ−ｎ接合１１０に到達し（収集キャリア）、太陽電池１００によって生成される電流に寄与し得る。代替的には、キャリアは、セル電流に正味の寄与を有さずに再結合することができる。電荷再結合は、量子効率（すなわち、太陽電池１００場合、電流に変換される光子の割合）を下げ、したがって、太陽電池１００の全体効率を下げる。
【００１１】
太陽電池のコストを低減し、効率を増大させる最近の試みは、太陽電池に使用される様々な材料及び様々な製作技法をテストすることを含む。別の手法は、ｐ−ｎ接合１１０の周囲に形成される空乏領域を強化して、太陽電池１００を通る電荷キャリアの移動を強化しようと試みる。例えば、１９９１年５月３日に出願され、Ｈｉｎｇｏｒａｎｉらに付与された特許文献１（「Ｈｉｎｇｏｒａｎｉ」）及び２０１０年１２月３日の出願日への優先権を主張する２０１１年１２月２日に出願され、Ｆｏｒｎａｇｅに付与された特許文献２（「Ｆｏｒｎａｇｅ」）を参照のこと。これらの開示は全体的に、参照により本明細書に援用される。
【００１２】
しかし、太陽電池１００を通る電荷キャリアの移動を強化するこれらの従来の手法では、太陽電池１００の基礎構造を変更する必要がある。Ｈｉｎｇｏｒａｎｉ及びＦｏｒｎａｇｅは、例えば、変更された太陽電池構造を使用する太陽電池に外部電場を印加することを開示している。外部電場を印加するには、電場を誘導する電極間に電圧を印加する必要がある（以下の式２を参照して更に詳細に説明する）。太陽電池１００の基礎構造を変更しない場合、電圧を太陽電池１００の既存の電極１０１ａ、１０１ｂに印加すると、外部負荷３０を通して印加電圧が短絡する。別の言い方をすれば、太陽電池１００の電極１０１ａ、１０１ｂへの電圧の印加は、外部電場を生成し、電荷キャリアの移動を強化するには非効率である。したがって、Ｈｉｎｇｏｒａｎｉ及びＦｏｒｎａｇｅに開示される手法等の従来の手法では、太陽電池１００のベースに１組の外部（且つ電気的に絶縁された）電極を挿入すること等により、太陽電池１００の基礎構造を変更する必要がある。この手法には幾つかの欠点がある。
【００１３】
例えば、外部電極は、製作プロセス中に太陽電池１００に配置されなければならない−外部電極を既存の太陽電池又はパネルに追加導入することは略不可能である。製作プロセスへのこの変更は、製造コストを大幅に増大させるとともに、製造歩留まりを大幅に低減する。さらに、太陽電池１００の前側、すなわち入射側を覆うように外部電極を配置することは、太陽電池１００に達する光エネルギーを低減させ、それにより、生成される電力出力を低下させる。
【００１４】
更なる欠点として、太陽電池１００の電力出力の大幅な改善をもたらすために、かなりの電圧を太陽電池１００の外部電極に印加しなければならない。例えば、Ｆｏｒｎａｇｅは、印加される電場を効率的にし、太陽電池１００の電力出力を増大させるために、約「１，０００代」のボルトの電圧を外部電極に供給しなければならないことを開示している。この電圧の大きさは、サービス提供に特殊な訓練と、既存又は新しい太陽パネル配備に現在存在していない追加の高電圧機器及び配線とを必要とする。例として、外部電極と太陽電池１００との間の絶縁層は、高い印加電圧に耐えるのに十分でなければならない。絶縁層の不具合が生じる場合、太陽電池１００のみならず、故障した太陽電池に直列接続又は並列接続された全ての太陽電池１００及び外部負荷３０も破損する大きなリスクがある。
【００１５】
更なる欠点として、太陽電池１００の典型的な設置は、太陽電池１００の電力出力に影響し得る、追加の配線、外部ハードウェア等の追加の要因を導入し得る。例えば、複数の太陽電池１００は一緒に結合されて（直列及び／又は並列で）、太陽パネル１０（図２Ａ〜図２Ｄに示される）を形成することができる。次に、各太陽パネル１０は、並列、直列、又はそれらの組合せを含め、本明細書に記載される任意の適する手段を使用して結合することができる。図２Ａ〜図２Ｄを参照して、少なくとも１つの太陽パネル１０を使用する典型的な設置構成を示す。
【００１６】
太陽パネル１０は、並列（図２Ａ）、直列（図２Ｂ）、又はそれらの組合せ（図２Ｃ）で接続することができる。図２Ａ〜図２Ｃのそれぞれでは、太陽パネル１０は、インバータ３１等の負荷を駆動することができる。図２Ａは、太陽パネル１０の直列結合を示す。図２Ｂを参照すると、太陽パネル１０は、直列に接続されて示され、インバータ３１を駆動する。図２Ｃは、並列及び直列の両方で接続された太陽パネル１０の代替の設置を示す。更に別の実施形態では、図２Ｄは、設置−通常、多くの住宅設備で見られる−各太陽パネル１０がそれ自体のインバータ３１に接続される−を示す。
【００１７】
太陽電池１００及び太陽パネル１０を接続する各方法は、電気特性／挙動及び接続された太陽パネル１０の対応する電力出力を変える異なる配線及び設置方法を必要とする。太陽電池の効率を上げる従来の努力は、複数の太陽電池１００及び／又は複数の太陽パネル１０を接続する様々な方法等の設置障害を説明することは希である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５，２１５，５９９号明細書
【特許文献２】米国特許第８，４６６，５８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記に鑑みて、従来の太陽電池システムの上述した障害及び欠陥を解消するために、電子−正孔対の可動性の増大投の効率及び電力出力を増大させる改善された太陽電池システム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本開示は、少なくとも１つの光起電デバイスの電力出力を最適化するシステム並びにそのシステムを使用する方法及び製作する方法に関する。本明細書に開示される第１の態様によれば、光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
電圧信号の第１の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップであって、第１の構成要素は、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成するオン状態を表す、第１の構成要素を印加するステップと、
電圧信号の第２の構成要素であって、オフサイクルを表す第２の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【００２１】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、上記第１の光要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、第１の構成要素を第２の選択された光起電デバイスに印加するステップと、
上記第２の構成要素を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に、第２の構成要素を第２の選択された光起電デバイスに印加するステップと
を更に含む。
【００２２】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記第１の構成要素を印加するステップは、高電圧の時変電圧パルスを電圧パルサ回路から印加するステップを含み、上記第２の構成要素を印加するステップは、電圧パルサ回路を遮断するステップを含む。
【００２３】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、選択された光起電デバイスによって生成された既存の電圧の上に第１の構成要素を重ねるステップを更に含み、上記第１の構成要素を重ねるステップは任意選択的に、上記電圧パルサ回路と選択された光起電デバイスとの間に結合される上昇注入回路を介して、第１の構成要素に負の参照を生成するステップを含む。
【００２４】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記第１の構成要素を印加するステップは、電圧源と選択された光起電デバイスとの間に配置されるスイッチの第１の位置において、電圧源と光起電デバイスとを接続するステップを含み、上記第２の構成要素を印加するステップは、スイッチの第２の位置において、電圧源と選択された光起電デバイスとを切断するステップを含む。
【００２５】
本明細書に開示される別の態様によれば、少なくとも１つの光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
電圧パルサを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
電圧パルサによって生成される電圧信号であって、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第１の状態と、オフサイクルを表す第２の状態とを有する電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【００２６】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、上昇注入回路を電圧パルサと選択された光起電デバイスとの間に結合して、第１の状態に負の参照を提供できるようにする選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第１の状態と、オフサイクルを表す第２の状態とを有する、電圧信号を更に含む。
【００２７】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、電圧信号を第２の選択された光起電デバイスを印加するステップを更に含み、上記電圧信号を任意選択的に第２の選択された光起電デバイスに印加するステップは、上記電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと同時に行われる。
【００２８】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、第２の電圧パルサ回路を第２の選択された光起電デバイスに結合して、同時に、第１の状態及び第２の状態を提供する第２の時変電圧パルスを第２の選択された光起電デバイスにわたり提供できるようにするステップを更に含む。
【００２９】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記電圧信号を印加するステップは、調整可能な電圧を選択された光起電デバイスに印加するステップを含む。
【００３０】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、電圧パルサに結合される制御回路を介して、第１の状態及び第２の状態の周波数及び持続時間のうちの少なくとも一方を制御するステップを更に含む。
【００３１】
本明細書に開示される別の態様によれば、１つ又は複数の光起電デバイスを管理する方法が記載され、本方法は、
スイッチの第１のポートを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
スイッチの第２のポートを、選択された光起電デバイスによって駆動される負荷に結合できるようにするステップと、
スイッチの第３のポートを電圧源に結合できるようにするステップであって、スイッチは、選択された光起電デバイスと電圧源との間に電流路を提供する第１の位置及び選択された光起電デバイスと負荷との間に電流路を提供する第２の位置で動作することができる、第３のポートを電圧源に結合できるようにするステップと、
電圧源によって生成される電圧信号であって、スイッチが第１の位置にあるとき、選択された光起電デバイスにわたり外部電場を生成する第１の状態と、スイッチが第２の位置にあるとき、電圧源と負荷との間に電気的絶縁を提供する第２の状態とを有する電圧信号を選択された光起電デバイスに印加するステップと
を含む。
【００３２】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、
第２のスイッチの第１のポートを第２の選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップと、
第２のスイッチの第２のポートを、選択された光起電デバイス及び第２の選択された光起電デバイスによって駆動される前記負荷に結合できるようにするステップと、
第２のスイッチの第３のポートを電圧源に結合できるようにするステップであって、第２のスイッチは、第２の選択された光起電デバイスと電圧源との間に電流路を提供する第１の位置及び第２の選択された光起電デバイスと負荷との間に電流路を提供する第２の位置において動作することができる、電圧源に結合できるようにするステップと、
電圧源によって生成された電圧信号を選択された光起電デバイス及び第２の選択された光起電デバイスの両方に同時に印加するステップであって、スイッチ及び第２のスイッチが第１の位置にある場合、第１の状態は、選択された光起電デバイス及び第２の選択された光起電デバイスの両方にわたり外部電場を生成し、スイッチ及び第２のスイッチが第２の位置にある場合、第２の状態は、電圧源と負荷との間に電気的絶縁を提供する、印加するステップと
を更に含む。
【００３３】
開示される方法の幾つかの実施形態では、上記スイッチの第１のポートをできるようにするステップは、双投スイッチの第１のポートを選択された光起電デバイスに結合できるようにするステップを含む。
【００３４】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、双投スイッチに結合されるスイッチコントローラを介して、第１の位置と第２の位置とを切り換える周波数及び持続時間のうちの少なくとも一方を制御するステップを更に含む。
【００３５】
開示される方法の幾つかの実施形態では、本方法は、第１の構成要素の任意の電圧降下を軽減するデバイスを負荷と選択された光起電デバイスとの間に結合できるようにするステップを更に含む。
【００３６】
開示される方法の幾つかの実施形態では、電圧信号を印加するステップは、調整可能な電圧を選択された光起電デバイスに印加するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術の太陽電池の実施形態を示す例示的な上部レベル断面図である。
【図２Ａ】図１の太陽電池を使用する従来技術の太陽パネルアレイの一実施形態を示す例示的な上部レベルブロック図である。
【図２Ｂ】各太陽パネルが直列結合される、図１の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図２Ｃ】各太陽パネルが直列及び並列の両方で結合される、図１の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図２Ｄ】各太陽パネルが負荷に直接結合される、図１の太陽電池を使用する従来技術による太陽パネルアレイの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図３】太陽電池管理システムの実施形態を示す例示的な上部レベルブロック図である。
【図４】太陽パネルアレイが、図２Ａに示される構成に従って並列に配線され、スイッチを通して電圧源に結合される、図３の太陽電池管理システムの実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図５】太陽パネルアレイが、図２Ａに示される構成に従って並列に配線され、電圧パルサ回路に結合される、図３の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図６】太陽パネルアレイが、図２Ｂに示される構成に従って直列結合される、図４の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図７】図６の太陽電池管理システムの各太陽パネルにわたる電圧に相対する印加電圧ＶＡＰＰを示すグラフである。
【図８】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、１つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図６の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図９】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、１つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図４の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１０】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、図２Ｄに示される構成に従って直列及び並列の両方で配線され、スイッチを通して電圧源に結合される、図４の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１１】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、１つ又は複数のスイッチを通して電圧源に結合される、図１０の太陽電池管理システムの別の代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１２Ａ】図２Ｅの太陽パネルアレイと協働する図４の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１２Ｂ】図２Ｅの太陽パネルアレイと協働する図４の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１３】太陽パネルアレイが、図２Ｂの太陽パネルアレイに従って直列に配線される、図５の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１４】図１３の太陽電池管理システムの各太陽パネルにわたる電圧に相対した印加電圧ＶＡＰＰを示すグラフである。
【図１５Ａ】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、１つ又は複数の電圧パルサに結合される、図１３の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１５Ｂ】太陽パネルアレイのうちの１つ又は複数が、１つ又は複数の電圧パルサに結合される、図１３の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１６】太陽パネルアレイが、図２Ｃに示される構成に従って配線される、図５の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１７Ａ】太陽パネルアレイが、図２Ｄに示される構成に従って配線される、図５の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１７Ｂ】太陽パネルアレイが、図２Ｄに示される構成に従って配線される、図５の太陽電池管理システムの代替の実施形態を示す例示的なブロック図である。
【図１８】図５の太陽電池管理システムと併用されるパルス上昇回路の実施形態を示す例示的な回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図が一定の縮尺で描かれておらず、同様の構造又は機能の要素が一般に、図全体を通して、例示のために同様の参照番号によって表されることに留意されたい。図が、好ましい実施形態の説明の促進のみを意図することにも留意されたい。図は、説明される実施形態のあらゆる態様を示しているわけではなく、本開示の範囲を限定しない。
【００３９】
現在利用可能な太陽電池システムは、光起電電池の電力出力を最大にすることができないため、電子−正孔対の可動性を増大させ、半導体材料での再結合電流を低減する太陽電池システムは、太陽パネルとして構成された太陽電池の効率及び電力出力を増大させる等のために、望ましい太陽電池システムを提供するとともに、多種多様な太陽電池システムのベースを提供することができる。この結果は、図３に示されるような太陽電池管理システム３００により、本明細書に開示される一実施形態により達成することができる。
【００４０】
図３を参照すると、太陽電池管理システム３００は、多種多様な光起電デバイスとの併用に適する。一実施形態では、太陽電池管理システム３００は、図１に示される太陽電池１００との併用に適することができる。例えば、太陽電池１００は、結晶シリコンのウェーハベース電池（第一世代）、非晶質シリコン電池を含む薄膜太陽電池（第二世代）、及び／又は第三世代電池等の太陽電池の任意の適する世代を表すことができる。太陽電池管理システム３００は有利なことに、構造的変更及び関連する欠点なしで、任意の世代の太陽電池１００と併用することができる。
【００４１】
別の実施形態では、太陽電池管理システム３００は、図２Ａ〜図２Ｄに示される太陽パネル１０等の複数の太陽電池１００との併用に適することができる。上述したように、複数の太陽電池１００を一緒に結合して（直列及び／又は並列）、太陽パネル１０を形成することができる。太陽パネル１０は、地面搭載、屋根搭載、ソーラー追跡システム、固定ラック等を介して支持構造体（図示せず）に搭載することができ、地上用途及び衛星搭載用途の両方に利用することができる。同様に、太陽電池管理システム３００は有利なことに、太陽パネル１０の構造的変更及び関連する欠点なしで、任意の世代の太陽パネル１０と併用することができる。
【００４２】
図３に示されるように、光起電デバイス２００は電場２５０と協働する。幾つかの実施形態では、電場２５０の極性は、光起電デバイス２００内の電極１０１ａ、１０１ｂ（図１に示される）の極性と同じ方向又は逆の方向のいずれかで印加することができる。例えば、電場２５０を光起電デバイス２００内の電極１０１ａ、１０１ｂの極性と同じ方向で印加する場合、電場２５０は、光起電デバイス２００内の電子−正孔対に作用して、力−ｅ−Ｅ又はｈ＋Ｅを電子又は正孔にそれぞれかけ、それにより、各電極に向けた電子及び正孔の可動性を加速化させる。代替的には、電場２５０の極性が逆になる場合、光起電デバイス２００内の電子−正孔対の可動性は低減し、それにより、光起電デバイス２００内の再結合電流を増大させる。したがって、光起電デバイス２００の効率は、光起電デバイス２００の電力出力の管理等のために、所望に応じて低減することができる。
【００４３】
さらに、光起電デバイス２００に印加される電場２５０は、所望に応じて静的又は時変であることができる。電場２５０は、時変である場合、非ゼロの時間平均大きさを有する。別の言い方をすれば、電子及び正孔への正味の力は非ゼロであり、光起電デバイス２００の電子−正孔対の可動性の増大を提供する。
【００４４】
太陽電池管理システム３００は、図４に示されるスイッチ５５の使用を含め、本明細書に記載される任意の適する手段を使用して、外部電圧ＶＡＰＰを光起電デバイス２００に印加することができる。図４を参照すると、光起電デバイス２００は、示される太陽電池１００及び／又は太陽パネル１０等の任意の数の光起電デバイスを表すことができる。太陽パネル１０は、並列に配線されて示され（図２Ａにも示される）、単極双投（又は三路）スイッチ等のスイッチ５５に接続される。しかし、図６及び図８〜図１２を参照して考察するように、太陽パネル１０は、直列、直列及び並列の組合せ、及び互いから独立して配線することもできる。一実施形態では、スイッチ５５は、電圧源５０及び外部負荷ＲＬ（例えば、インバータ３１として示される）にも結合される。インバータ３１は、抵抗性構成要素及び反応性構成要素の両方を含むことができる。幾つかの実施形態では、インバータ３１は、ＤＣ電圧及び電流をＡＣ電圧及び電流に変換することができ、これは通常、従来のＡＣ送電網の電圧及び周波数と互換性を有する。インバータ３１の出力周波数及びＡＣ電流／電圧の振幅は、国、ロケーション、及び地域送電要件に基づくことができる。
【００４５】
電圧源５０は、理想的な電圧源、被制御電圧源等を含め、定電圧を維持する任意の適する手段を含むことができる。しかし、幾つかの実施形態では、電圧源５０は、可変の調整可能な出力（例えば、時変電圧）を有することができる。スイッチ制御デバイス（又はコントローラ）４５がスイッチ５５に結合されて、太陽パネル１０への接続の持続時間及び／又は電圧源５０とインバータ３１との切り換え等の切り換えの周波数を制御する。スイッチコントローラ４５は、一定の切り換え持続時間Ｄ及び切り換え周波数ｆで動作するように予め設定することができる。幾つかの実施形態では、電圧源５０によって印加される電圧ＶＡＰＰの大きさ、接続の持続時間Ｄ、及び／又は切り換えの周波数ｆは、予め設定してもよく、且つ／又は負荷の状況に基づいて変更されてもよい。
【００４６】
例えば、スイッチ５５は、第１の位置（図４のスイッチ５５において矢印で示されるように）において、太陽パネル１０を電圧源５０に接続する。第１の位置で接続される場合、電圧源５０は、電圧を太陽パネル１０の電極１０１ａ、１０１ｂ（図１に示される）にわたり電圧ＶＡＰＰを印加し、電場２５０を各太陽パネル１０にわたり誘導する（図３に示される）。電場２５０が太陽パネル１０にわたり確立されると、スイッチ５５は、第２の位置において太陽パネル１０をインバータ３１（すなわち、負荷ＲＬ）に接続するように切り替わる。したがって、電圧源５０は、太陽パネル１０及びインバータ３１に同時に接続せずに、電場２５０を提供することができる。したがって、外部電圧ＶＡＰＰの印加は、負荷ＲＬ（例えば、インバータ３１）に電圧源５０から直接電流を消費させない。
【００４７】
太陽パネル１０への電場２５０の印加は、太陽パネル１０が続けて、第２の位置においてインバータ３１に接続される場合、所定量だけ太陽パネル１０の電流及び電力出力を増大させることができる。所定量は、太陽パネル１０に入射する光の強度、電圧源５０によって太陽パネル１０に印加される電圧ＶＡＰＰ、太陽パネル１０の厚さ、電圧源５０が太陽パネル１０に接続される周波数ｆ、及び第１の位置と第２の位置との切り換えプロセスのデューティサイクルに依存し、デューティサイクルは、太陽パネル１０が電圧源５０に接続される時間量を切り換え時間１／ｆで除算（すなわち、周波数ｆで乗算するか、又は信号の全周期で除算）したものとして定義される。切り換え持続時間Ｄ、切り換え周波数ｆ、及びデューティサイクルが全て、任意の２つの数量の定量化により、第３の数量の特定が可能なように相互に関連する数量であることに留意されたい。例えば、切り換え周波数及びデューティサイクルの指定により、切り換え持続時間Ｄを特定することができる。例えば、高強度光状況下では、電力出力の改善は約２０％であることができ、低光状況下では、５０＋％であることができる。
【００４８】
図４に示される実施形態は有利なことに、追加の外部電極を含むように太陽パネル１０及び／又は太陽電池１００を変更する必要なく、電場２５０を光起電デバイス２００に提供する。
【００４９】
幾つかの実施形態では、キャパシタ４１、インダクタ４２、及び／又は電池４３等のエネルギー貯蔵デバイスをインバータ３１の前に配置して、スイッチ５５が第１の位置にある間、インバータ３１によって見られる任意の電圧降下を軽減することができる。したがって、スイッチ５５が第１の位置にあり、電場２５０が太陽パネル１０にわたり確立されているとき、インバータ３１（すなわち、負荷）が太陽パネル１０から切断されている間、エネルギー貯蔵デバイスは、エネルギーをインバータ３１に供給して、この切り換え期間中、電流が流れている状態を保つ。別の言い方をすれば、エネルギー貯蔵デバイスは、太陽パネル１０がインバータ３１から切断されている間、放電することができる。
【００５０】
したがって、電圧源５０からの定電圧−これは電場２５０を生成する−は、太陽パネル１０の電力出力を改善するために、常に印加される必要はない。例えば、持続時間切り換え時間Ｄが公称１０〜２０００ｎｓであり、ＶＡＰＰが公称１００〜５００＋ボルトであり、切り換え周波数ｆが２０μ秒である場合、公称０．１〜１０％のデューティサイクルを使用することができる。インダクタ４２、キャパシタ４１、及び／又は電池４３は、太陽パネル１０が切断され、電場２５０が太陽パネル１０にわたり配置されて、インバータ３１の出力を降下させないようにしている間、十分な放電を提供するのに十分なサイズのものが選ばれる。
【００５１】
図５は、図３の太陽電池管理システム３００の代替の実施形態を示す。図５を参照すると、光起電デバイス２００は、示されたような太陽電池１００及び／又は太陽パネル１０等の任意の数の光起電デバイスを表すことができる。示されるように、太陽パネル１０は並列に配線される（図２Ａにも示される）が、直列並びに図１３及び図１５〜図１７を参照して考察されるようなそれらの任意の組合せで配線することもできる。
【００５２】
高電圧パルス生成器等の電圧パルサ６０が、時変電圧パルスを太陽パネル１０のうちの１つ又は複数にわたり印加することができる。一実施形態では、電圧パルスの持続時間ＤＰは、短い−公称で１０〜２０００ｎｓ−ことができ、大きさは高い−公称で１００〜５００＋ボルト−であることができる。図５に示される実施形態では、印加電圧、パルス幅、及びパルス反復率は、選択された動作条件下で最適な性能を提供する所定のレベルに固定される。例えば、電圧パルスは、約１０００ｎｓの持続時間ＤＰを有することができ、この電圧パルスは、１／ｆの周期で繰り返される。電圧パルスの持続時間ＤＰ及び電圧パルスの周波数ｆは、電圧インバータ３１内のインダクタのリアクタンスが電圧パルサ６０に対して高いインピーダンスを提示するように選ばれ、この高いインピーダンスは、太陽パネル１０の電極１０１ａ、１０１ｂ（図１に示される）にわたり、インバータ３１によって短絡されない高電圧を生成させることができる。
【００５３】
さらに、直列インダクタ（図示せず）をインバータ３１の入力に配置することができ、直列インダクタは、インバータ３１への電流入力を取り扱い、電圧パルスがインバータ３１の抵抗構成要素によって減衰されない（又は事実上短絡しない）ように、ＲＦチョークとして機能する。デューティサイクル（パルスがオンである時間／パルスがオフである時間）は公称で０．１〜１０％であることができる。
【００５４】
光起電デバイス２００に課される電場２５０の強度は、光起電デバイス２００の厚さ、光起電デバイス２００の材料及び誘電率、光起電デバイス２００の最大絶縁破壊電圧等の光起電デバイス２００の構造の関数である。
【００５５】
上述したように、光起電デバイス２００は、任意の数の太陽電池１００及び／又は太陽パネル１０を含むことができ、各太陽電池１００及び太陽パネル１０は、例えば、並列、直列、及び／又はそれらの組合せで結合される。幾つかの実施形態では、選択された光起電デバイス２００への電場２５０の印加は、光起電デバイス２００の構成の多様性を説明することができる。
【００５６】
図２Ａ〜図２Ｄを参照して考察される各設置選択肢において、太陽電池管理システム３００は、外部電圧ＶＡＰＰを光起電デバイス２００に印加することができる。例えば、図４のスイッチ５５を使用して、太陽電池管理システム３００は、外部電圧ＶＡＰＰを、直列（図２Ｂに示される）並びに直列及び並列の両方（図２Ｃに示される）で接続された太陽パネル１０に印加することもできる。図６を参照すると、太陽パネル１０は、直列に配線され、図４の単極双投（又は三路）スイッチ等のスイッチ５５に接続される。一実施形態では、スイッチ５５は、電圧源５０及び外部負荷ＲＬ（例えば、インバータ３１等）にも結合される。
【００５７】
図６では、各太陽パネル１０にわたって印加される電場２５０（図３に示される）は、所定の最小電場Ｅｍｉｎを超えなければならない。したがって、各太陽パネル１０に印加される印加外部電圧ＶＡＰＰは、所定の最小印加電圧Ｖｍｉｎを超えなければならない。幾つかの実施形態では、各太陽パネル１０に印加される外部電圧ＶＡＰＰはまた、太陽パネル１０への電圧遮断及び破損又は少なくとも、太陽パネル１０の１つ又は複数の太陽電池１００への破損を回避するために、最大印加電圧Ｖｍａｘ未満でなければならない。別の言い方をすれば、式１は、印加外部電圧ＶＡＰＰの上限及び下限を表す。
【００５８】
Ｖｍａｘ＞ＶＡＰＰ＞Ｖｍｉｎ＞ｋＶｐ    （式１）
式１中、ＶＰは、太陽パネル１０の電圧出力であり、ｋは構成でのｋ番目のパネルである。印加外部電圧ＶＡＰＰと式１の最小／最大印加電圧との関係が維持される限り、スイッチ５５は、太陽パネル１０にわたり電場２５０を効率的に印加することができる。
【００５９】
図７は、スイッチ５５が第２の位置にある間の、図６に示される各連続太陽パネル１０にわたり（例えば、ノードＡからノードＢ、Ｃ、・・・、Ｎにわたり）測定された電圧に相対する外部電圧ＶＡＰＰを示す。図７に示されるように、各太陽パネル１０にわたる電圧は、太陽パネル１０の電圧出力だけ増大する。例えば、各太陽パネル１０は、約２４ボルトである電圧を生成し、ノードＡと任意の測定ノードとの間で測定される電圧は、約ｋ×２４ボルトであり、ここで、ｋは、電圧が測定されている太陽パネル１０の数である。式１の不等式を満たすことができない場合、図６に示される実施形態は、追加のスイッチ５５を含むように変更することができる。例えば、一実施形態では、図８に示されるように、第２のスイッチ５５（スイッチ５５ｂ）を一連の太陽パネル１０に結合することができる。しかし、所望に応じて、２つ以上のスイッチ５５（すなわち、スイッチ５５ａ、５５ｂ、・・・、５５ｎ）を太陽パネル１０に結合することができる。
【００６０】
図８を参照すると、トグルスイッチ７２を電圧源５０とｋ個の太陽パネル１０の各群との間に追加することができる。図を簡易化するために、説明のみを目的として、図８の異なるポイント間の相互接続は、縁取られた大文字Ａ及びＢで示されており、ＡはＡに結合し、ＢはＢに結合する。トグルスイッチ７２は、単極単投（二路）スイッチを表すことができる。特に、トグルスイッチ７２は、Ｎ個の入力ポート及び１個の出力ポートを含むことができる。トグルスイッチ７２は、オン状態及びオフ状態を更に定義する。オン状態では、Ｎ個の入力ポートの全ては、単一の出力ポートに同時に接続される。オフ状態では、いずれの入力ポートも単一の出力ポートに接続されない。トグルスイッチ７２は、スイッチコントローラ４５によってアクティブ化することができ、スイッチコントローラ４５は、スイッチ５５ａ、５５ｂ等も制御する。図８に示されるように、トグルスイッチ７２は、スイッチ５５ａ、５５ｂが第１の位置（図４を参照して考察したように）にある場合、電圧源５０にリターン電気路を提供する。トグルスイッチ７２は、スイッチ５５ａ、５５ｂが電圧源５０に接続され、電場２５０（図３に示される）が太陽パネル１０に印加される場合、アクティブ化（オン状態）される。トグルスイッチ７２は、太陽パネル１０がインバータ３１に電力を提供している間、非アクティブ化（オフ状態）される。
【００６１】
好ましい実施形態では、スイッチ制御デバイス４５は、トグルスイッチ７２が同時にオン状態にアクティブ化される間、スイッチ５５ａ、５５ｂが第１の位置に同時に配置され、電圧源５０に接続されるように同期することができる。同様に、スイッチコントローラ４５は、スイッチ５５ａ、５５ｂを第２の位置に同時に配置するとともに、トグルスイッチ７２を非アクティブ化（オフ状態）する。幾つかの実施形態では、キャパシタ４１、インダクタ４２、及び／又は電池４３等のエネルギー貯蔵デバイスをインバータ３１の前に配置して、スイッチ５５ａ、５５ｂが第１の位置にある間、インバータ３１が受ける任意の電圧降下を軽減することができる。
【００６２】
図４を参照して考察したように、太陽電池管理システム３００は、外部電圧ＶＡＰＰを、並列接続された太陽パネル１０に印加することもできる。図９を参照すると、２つ以上のスイッチ５５をスイッチコントローラ４５によって制御することができる。好ましい実施形態では、スイッチ５５ａ、５５ｂのそれぞれは、スイッチコントローラ４５によって同期することができ、同時に接続及び切断される。前と同様に、キャパシタ４１、インダクタ４２、及び／又は電池４３等のエネルギー貯蔵デバイスは、インバータ３１の前に配置され、スイッチ５５ａ、５５ｂが第１の位置にある間、インバータ３１が受ける任意の電圧降下を軽減することができる。
【００６３】
図４のスイッチ５５を使用して、太陽電池管理システム３００は、外部電圧ＶＡＰＰを、直列及び並列の両方で接続された太陽パネル１０（図２Ｃに示される）に印加することもできる。図１０を参照すると、太陽パネル１０のうちの２つ以上が直列に配線されて示されている。次に、直列配線太陽パネル１０は並列に相互接続される。直列及び並列に配線される太陽パネル１０の数は、所望に応じて予め選択することができる。
【００６４】
図１０に示されるように、１つ又は複数のスイッチ５５が使用されて、太陽パネル１０にわたり電場２５０（図３に示される）を印加することができる。２つ以上のスイッチ５５が使用される場合、太陽パネル１０は図１１に示されるように配線することができる。図１１を参照すると、直列配線太陽パネル１０は、並列に配線され、次に、スイッチ５５ａ、５５ｂに相互接続される。好ましい実施形態では、スイッチコントローラ４５は、スイッチ５５ａ、５５ｂを同期させて、インバータ３１から同時に切断する。同様に、スイッチコントローラ４５は、スイッチ５５ａ、５５ｂの両方を電圧源５０に同時に接続する。幾つかの実施形態では、キャパシタ４１、インダクタ４２、及び／又は電池４３等のエネルギー貯蔵デバイスは、インバータ３１の前に配置されて、スイッチ５５ａ、５５ｂが第１の位置にある間、インバータ３１が受ける任意の電圧降下を軽減することができる。
【００６５】
更に別の実施形態では、太陽電池管理システム３００は、多くの住宅設備で通常見られる太陽パネルと協働することができる−この場合、太陽パネル１０のそれぞれはそれ自体のインバータ３１に接続される（図２Ｄに示される）。図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、スイッチ５５は、多くの方法で太陽パネル１０と協働することができる。一実施形態では、図１２Ａは、インバータ３１に集積されたスイッチ５５、電圧源５０、及びスイッチコントローラ４５を示す。インバータ３１は通常、電源に接続されるため、キャパシタ４１はインバータ３１内に配置することができる。代替的には、図２Ｄに示されるように、複数の太陽パネル１０は通常、組み合わせて使用され、キャパシタ４１が使用されないように、それぞれはそれ自体のインバータ３１に結合される。幾つかの実施形態では、各インバータ３１は他の全てのインバータ３１から独立して動作し、それにより、スイッチ５５はインバータ３１間で同期されない。したがって、選択された太陽パネルでの電力の瞬間的な降下は、複数の太陽パネル１０及びインバータ３１からの電力品質に目立つほどには影響しない。
【００６６】
図１２Ａに示される実施形態は有利なことに、任意の新しい太陽パネル配備をターゲットにすることができる。代替の実施形態では、図１２Ｂを参照すると、太陽パネル１０及びインバータ３１の各対は、それ自体のスイッチ５５ａ〜５５ｎを含むことができる。各スイッチ５５は、スイッチコントローラ７２によって制御される中央スイッチ４６及び電圧源５０に接続される。
【００６７】
中央スイッチ４６は、２つの同時出力を各太陽パネル１０、各スイッチ５５、及び各インバータ３１に提供することができる。中央スイッチ４６からの第１の出力は、Ａ１、Ｂ１、・・・、Ｎ１を含み、図４を参照して考察したように、各スイッチ５５を第１の位置にアクティブ化させる。外部電圧ＶＡＰＰは、Ａ２、Ｂ２、・・・、Ｎ２を含む中央スイッチ４６の第２の出力を通して電圧源５０から印加される。
【００６８】
スイッチコントローラ７２は、中央スイッチ４６を通して、選択されたスイッチ５５を一度に１つずつアクティブ化し、外部電圧ＶＡＰＰを電圧源５０から太陽パネル１０及びインバータ３１の各対に直列に印加する。個々の各スイッチ５５のデューティサイクルは低い−通常、２％未満−ため、スイッチコントローラ７２は、多数のスイッチ５５、太陽パネル１０、及びインバータ３１を制御し駆動する。
【００６９】
各パネルに印加される電圧がＶｍｉｎよりも大きい限り、電圧源５０を複数の太陽パネル１０に切り換え接続することからスイッチコントローラ７２を除外するこの実施形態に限定されない。代替の実施形態では、２つ以上のスイッチコントローラ７２を追加することができ、各スイッチコントローラ７２は、所定数の太陽パネル１０を受け持つ。各スイッチコントローラ７２は独立して挙動することができる。
【００７０】
図５を参照して上述したように、太陽電池管理システム３００は、太陽パネル１０の幾つかの構成で、電圧パルサ６０を使用して光起電デバイス２００に外部電圧ＶＡＰＰを印加することもできる。図１３を参照すると、電圧パルサ回路６０は、直列に配線された太陽パネル１０に接続される。上述したように、式１の不等式が満たされる限り、電圧パルサ６０は図１４に示されるように挙動する。図１４は、直列になった各連続太陽パネル１０にわたる電圧（ノードＢ、Ｃ、・・・、Ｎでの太陽パネル１０のそれぞれへのノードＡにわたり測定される）に相対する外部電圧ＶＡＰＰを示す。図１４に示されるように、各太陽パネル１０での電圧は、太陽パネル１０の電圧出力だけ増大する。例えば、各太陽パネル１０は、約２４ボルトの電圧を生成し、任意の太陽パネル１０にわたり（ノードＡからノードＢ、Ｃ、・・・、Ｎまで）測定される電圧は約ｋ×２４ボルトであり、ここで、ｋは、電圧が測定されている太陽パネル１０の数である。式１の不等式を満たすことができない場合、図１３に示される実施形態は、追加の電圧パルサ６０を含むように変更することができる。
【００７１】
図５を参照すると、１組の太陽電池１００又は太陽パネル１０にわたる電場２５０の強度を最大にするために、太陽管理システム３００は、太陽電池１００又は太陽パネル１０それら自体のそれぞれによって生成されているＤＣ電圧を考慮する。一実施形態では、上昇注入回路９０（図１８に示される）等の高電圧上昇回路が電圧パルサ６０と共に使用されて、電圧パルスを太陽パネル１０それら自体のＤＣ電圧の上に重ねることができる。太陽パネル１０によって生成されるＤＣ電圧の上への電圧パルサ６０からの電圧パルスのこの重ね合わせは、太陽パネル１０によって運ばれる正ＤＣ電圧に等しい注入高電圧パルス信号の負参照を生み出すことによって行うことができる。
【００７２】
図１８を参照すると、上昇注入回路９０は、キャパシタ９１を含み、インダクタ９２と協働し、キャパシタ９１が太陽パネル１０によって運ばれる電圧に等しい電荷を保持できるようにする。キャパシタ９１及びインダクタ９２は、キャパシタ９４及び９５を通して電圧パルサ６０に接続された注入高電圧パルス信号の上昇負参照を生み出す。電圧パルサ６０からの正の参照は、ダイオード９３を通して接続され、ダイオード９３は、太陽パネル１０に接続するインターフェース及びインバータ３１に接続するインターフェースに接続される正電圧線に逆バイアス保護を提供する。電圧パルサ６０からの電圧パルスがインバータ３１により短絡されないようにＲＦ絶縁を提供するため、及び上昇注入回路９０とインバータ３１との間に接続される他の太陽パネル１０間にＲＦ絶縁を更に提供するために、インダクタ９６及び９７をインバータ３１と電圧パルサ６０との間に直列に配置して、ＲＦチョークを任意の高電圧パルスに提供することができる。インダクタ９６及び９７は、インダクタにわたって通る、電圧パルサ６０からの任意の電圧パルスを減衰させ、電圧パルサ６０をインバータ３１に向かう回路の残りの部分から絶縁する。
【００７３】
図１８に示されるように、インダクタ９２は、高リアクタンス保護を注入高電圧パルス信号に提供し、信号がキャパシタ９１にフィードバックされないようにする。その結果は、太陽パネル１０によって運ばれたＤＣ電圧の上にあり、ＤＣ電圧と共に立ち上がり立ち下がる注入高電圧パルス信号であり、それにより、電圧パルスを最大にする。
【００７４】
好ましい実施形態では、上昇注入回路９０は、各電圧パルサ６０と幾つかの太陽パネル１０との間のインターフェースの部分として組み込むことができる。
【００７５】
幾つかの実施形態では、図１５Ａに示されるように、２つ以上の電圧パルサ６０を所定数の太陽パネル１０に使用することができる。図１５Ａを参照すると、太陽パネル１０は、直列及び並列の両方で配置され、電圧パルサ６０と相互接続される。各電圧パルサ６０は、ｋ個のパネルを受け持ち、インバータ３１に相互接続される。幾つかの実施形態では、図６及び図８〜図１１において上述された切り換えシステムと同様に、２つ以上の電圧パルサ６０の使用は同期することができる。しかし、図１５Ａに示される実施形態では、２つ以上の電圧パルサ６０の使用は有利なことに、異なる電圧パルサ６０間の同期を必要としない。各電圧パルサ６０からの電圧パルスは、相互接続される１組の太陽パネル１０にとって局所的であるため、電圧パルスの印加はインバータ３１の出力に影響しない。
【００７６】
直列に配線された太陽パネル１０に複数の電圧パルサを実施する別の実施形態を図１５Ｂに示す。図１５Ｂを参照すると、電圧パルサ６０は、直列スイッチ７０を介して各太陽パネル１０に接続される。直列スイッチ７０は、図１５Ｂに示されるように、ｋ個の太陽パネル１０を結合するＮ個の出力ポートを含むことができる。図１５Ｂに示される実施形態では、図を簡易化するために、例示のみを目的として、回路内の異なるポイント間の相互接続は、大文字Ａ１及びＢ１で示され、Ａ１はＡ１に接続し、Ｂ１はＢ１に接続し、以下同様である。
【００７７】
直列スイッチ７０は、電圧パルサ６０に接続された１つの入力ポートを含む。直列スイッチ７０のＮ個の出力ポートは、一度にｋ個のパネル１０にわたり電圧パルサ６０を接続する。一例では、直列スイッチ７０は、電圧パルサ６０を出力ポートＡ１及びＡ２に接続する。電圧パルサ６０は、外部電圧ＶＡＰＰを太陽パネル１〜ｋにわたり印加する。直列スイッチ７０は、電圧パルサ６０を出力Ａ１及びＡ２から切断し、電圧パルサ６０を出力Ｂ１及びＢ２に接続する。アクティブ化される場合、電圧パルサ６０は、直列配線された太陽パネル１０のその脚部内のｋ個のパネルにわたり電圧パルスＶＡＰＰを印加する。同様にして、直列スイッチ７０は、全てのポートを通って循環し、印加電圧ＶＡＰＰを一度にｋ個のパネルに印加する。直列内のｎ個全ての太陽パネル１０に電圧パルスＶＡＰＰが印加された後、直列スイッチ７０はリードＡ１及びＡ２に再接続し、プロセスが繰り返される。このようにして、単一の電圧パルサ６０を利用して、電圧パルスＶＡＰＰを多数の太陽パネル１０に印加することができる。電圧パルスのデューティサイクルは低い−通常２％未満−ため、単一の電圧パルサ６０は複数の太陽パネル１０を制御することができる。
【００７８】
図１６を参照すると、電圧パルサ６０は、図２Ｃを参照して上述したように直列及び並列の両方で配線された太陽パネル１０と協働する。電圧パルサ６０は、２ｋ個の太陽パネル１０とインバータ３１とにわたり接続される。大半の状況では、大半の太陽パネル１０で見られる直列のシャント抵抗の大きさ（＞＞１ＭΩ）は、電圧パルサ６０が多数の太陽パネル１０と協働できるようにする。
【００７９】
図１７Ａ及び図１７Ｂは、太陽パネル１０の典型的な住宅設備と協働する電圧パルサ６０を示す。一実施形態では、図１７Ａを参照すると、電圧パルサ６０は、太陽パネル１０にわたり接続されたインバータ３１に集積される。
【００８０】
図１７Ｂは、太陽パネル１０の典型的な住宅設備と協働し、各太陽パネル１０と、直列スイッチ７０を介して中央電圧パルサ６０に接続されるインバータ３１とを含む代替の実施形態を示す。中央電圧パルサ６０は、電圧パルスＶＡＰＰを直列スイッチ７０を通して各太陽パネル１０に直列に印加する。図１７Ｂの直列スイッチ７０は、Ｎ×１スイッチとして示されている。直列スイッチ７０は、図１７Ｂに示されるように、電圧パルサ６０に接続される１つの入力ポートと、個々の各太陽パネル１０にわたり接続されるＮ個の出力ポートとを有する。直列スイッチ７０は、一度に１つずつ、電圧パルサ６０を各パネル１０にわたり接続する。
【００８１】
一例では、直列スイッチ７０は、電圧パルサ６０を出力ポートＡ１及びＡ２に接続する。アクティブ化される場合、電圧パルサ６０は、電圧パルスＶＡＰＰを、直列スイッチ７０に結合された、選択された太陽パネル１０にわたり印加する。次に、直列スイッチ７０は、電圧パルサ６０を出力ポートＡ１及びＡ２から切断し、電圧パルサ６０を出力ポートＢ１及びＢ２に接続する。ここでも、アクティブ化される場合、電圧パルサ６０は電圧パルスＶＡＰＰを、直列スイッチ７０に結合された、選択された別の太陽パネル１０にわたり印加する。同様にして、直列スイッチ７０は全てのアクティブポートを通って循環し、一度に電圧パルスＶＡＰＰを選択された太陽パネル１０に印加する。ｎ個全ての太陽パネル１０に電圧パルスＶＡＰＰが印加された後、直列スイッチ７０は出力ポートＡ１及びＡ２に再接続し、プロセスが繰り返される。このようにして、単一の電圧パルサ６０を利用して、電圧パルスＶＡＰＰを多数の太陽パネル１０に印加することができる。電圧パルスのデューティサイクルは非常に低い−通常２％未満−ため、単一の電圧パルサ６０は多数の太陽パネル１０及びインバータ３１を制御することができる。
【００８２】
各パネルに印加される電圧がＶｍｉｎよりも大きい限り、電圧パルスを複数の太陽パネルに同時に切り換えることから中央高電圧パルス生成器を除外するこの実施形態に限定されない。高電圧パルススイッチを複数の太陽パネル１０に同時に印加する選択肢が存在するが、好ましい実施形態は、直列等で太陽パネル１０間を切り換える単一の電圧パルサ６０を含む。太陽パネル１０の数が大きくなる場合、追加の電圧パルサ６０及び直列スイッチ７０を追加することができ、各電圧パルサ６０は幾つかの太陽パネル１０を受け持つ。
【００８３】
記載した実施形態は、様々な変更及び代替の形態を受けやすく、その特定の例が図面において例として示され、本明細書において詳細に説明されている。しかし、記載された実施形態が、開示される特定の形態又は方法に限定されるべきではなく、逆に、本開示が、全ての変更、均等物、及び代替を包含するべきであることを理解されたい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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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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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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