(57)【要約】【課題】インバータ装置に昇圧機能を有することのない安価で信頼性の高い直接交流出力が得られる太陽光発電システムを実現すること。【解決手段】同一基板状に薄膜太陽電池１１を形成してパターン形成することにより、同一面積においてセルの直列接続数に大幅な自由度を得て出力電圧を最大３００Ｖ程度まで向上することができる太陽電池モジュール１２を有する太陽光発電システムとする。【選択図】  図１
2004327522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に複数の薄膜太陽電池を直列接続した太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールから出力される直流出力を交流に変換して出力するインバータ装置とを備えてなる太陽光発電モジュールから直接交流出力が得られることを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
薄膜太陽電池は１１００ｎｍ以上の吸収体をも有する請求項１に記載の太陽光発電システム。
【請求項３】
薄膜太陽電池はアモルファスシリコンあるいは銅インジウムセレンからなる請求項１又は２記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
インバータ装置は、系統に連系してなる請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【請求項５】
複数の太陽光発電モジュールを並列接続してなる請求項１から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】
太陽電池モジュールにかかる影の大きさに応じて、出力を連続的に変化させてなる請求項１から５のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【請求項７】
基板は放熱性の高い物質からなり、太陽電池モジュールとインバータ装置の間には断熱手段あるいは放熱手段を設けてなる請求項１から６のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
【請求項８】
インバータ装置と太陽電池モジュールの接続部、あるいはインバータ装置内部には乾式のコンデンサだけを使用する請求項１から７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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光を利用して発電する太陽光発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の太陽光発電システムでは、ＰＮ接合を有して定格出力で０．５Ｖ程度の起電力をもつ結晶シリコン製の太陽電池セルを複数個、長方形状に形成した枠体内に並置し、各セルを直接接続してパネル化した太陽電池モジュールにそれぞれインバータ装置を設けて太陽光発電モジュールとし、太陽電池モジュールの直流出力はインバータ装置で交流変換される。
【０００３】
図７は、従来使用している太陽光発電システムの構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）はブロック図である。インバータ装置３は昇圧手段４と交流変換手段５からなり、太陽電池モジュール２の出力は昇圧手段４で商用系統７のピーク電圧以上に昇圧され、交流変換手段５で正弦波状の電流波形として商用系統７に電流注入される構成である。
【０００４】
なお、同一日射条件において太陽電池セル１の出力電流は面積に比例するため、太陽電池モジュール２からの出力電力を一定にして高電圧化を図る場合、太陽電池セル１を切断する工数が増加することから、コスト面で不利になる場合が多い。そこで、現在１セルは一辺が１５０ｍｍ四方で６Ａ〜７Ａ程度が一般的である。また、近年普及しつつある住宅の屋根を形成する建材一体型太陽電池モジュールでは、並置する太陽電池セル１の間隔を広げて、故意にモジュール内に発電しない領域を設けることで、パネル外形を屋根の規格幅に合致させた構造としている。さらに日照条件によって太陽電池モジュール２の一部もしくは全部を影が覆った際、各セルは直列接続であることからいずれかの１セルが影で覆われた場合でも該太陽電池モジュール２からの出力は得られなくなる。またインバータ装置３の交流出力と商用系統７との間には他の電源系統で停電などの異常が発生した際に、これを検知して太陽光発電モジュール２を切り離すことのできる解列手段８が配置されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２０１０６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、太陽電池モジュールは太陽電池セルを複数個直列に接続してパネル化したものであり、一般的なモジュール形状では１５Ｖｄｃ程度の出力電圧しか得られないことから、家庭内配電である単相３線（１００Ｖまたは２００Ｖ）の系統に連系して電流を注入するにはインバータ装置に１５倍以上の昇圧機能を持たせるか、またはセルの直列接続数を大幅に増加（例えばセル数６００個の場合、約２ｋＷ出力に相当）して３００Ｖｄｃ程度を出力する太陽電池モジュールを構成するかのいずれかの手段が必要であるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、１００Ｗクラスといった小定格の太陽電池モジュールにおいて、同一定格出力の結晶シリコン太陽電池モジュールに比べて高電圧化を図り、インバータ装置に昇圧機能を有することのなく安価で信頼性の高い直接交流出力が得られる太陽光発電モジュールを実現することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の太陽光発電システムは、同一基板状に薄膜太陽電池を形成してパターン形成することにより、同一面積においてセルの直列接続数に大幅な自由度を得ることができるため、結晶シリコン太陽電池モジュールでは通常２０Ｖ程度である出力電圧を最大３００Ｖ程度まで向上することができる太陽電池モジュールを生成することが可能となり、インバータ装置における昇圧機能が不要となることから、安価な構成の太陽光発電システム提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、同一基板上に複数の薄膜太陽電池を直列接続した太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールから出力される直流出力を交流に変換して出力するインバータ装置とを備えることで、太陽光発電モジュールから直接交流出力を得ることができ、安価な太陽光発電システムを実現することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１又は２記載の薄膜太陽電池を１１００ｎｍ以上の吸収体をもつ組成とすることで、１１００ｎｍ以上の波長では発電しないＳｉ太陽電池に比較して発電量を増加することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、薄膜太陽電池をアモルファスシリコンあるい銅インジウムセレン（以下ＣＩＳという）で構成することで、同一基板内において薄膜太陽電池のパターン形成で高出力電圧化が可能となるため、回路で昇圧することのない簡素な構成で商用電力の供給を実現するができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載のインバータ装置が系統に同期交流電力を供給することで、電力系統との売買が可能となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の複数の太陽光発電モジュールを並列接続できるので、システム構成を変更することなく容易に発電量アップを図ることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５に記載の太陽電池モジュールにかかる影の大きさに応じて、出力が連続的に変化することで、太陽電池モジュールの出力を無駄なく使うことができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６に記載の薄膜太陽電池を形成する基板を放熱性の高い物質にすることと、太陽電池モジュールとインバータ装置の間に、断熱手段あるいは放熱手段を設けることで、太陽電池モジュールとインバータ装置の温度上昇を抑えることができるため、発電量低下の防止と冷却構成の簡素化を実現することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７に記載の太陽光発電システムにおいて、電解コンデンサを使用しないインバータ装置とすることで、高温環境においても電解液不足による容量ダウンを発生することのない高信頼性のシステムを実現することができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図１〜６を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施例１）
本実施例は請求項１〜３に係わる。図１は本発明の第１の実施例の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）はプロック図である。太陽光発電モジュール１４は、基板上に形成された複数の薄膜太陽電池１１からなる太陽電池モジュール１２と、日照強度に比例して直流電力を出力する太陽電池モジュール１２の直流電力を交流電力に変換するインバータ装置１３で構成されている。ここで、インバータ装置１３は日射が当たる太陽電池モジュール１２内の薄膜太陽電池１１の形成面と基板を挟んで反対面に配置され、直接、太陽光による輻射熱を受けない構成となっている。
【００１９】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。太陽電池モジュール１２は薄膜太陽電池１１を基板状に形成する際に、複数の薄膜太陽電池１１が基板内で一方向に連続的に直列接続されるパターン構造としている。結晶シリコン太陽電池の場合、概ね外形が規格化（□１５０ｍｍ程度）されているため、例えば両辺が１ｍ程度の大きさの場合（晴天時に１５０Ｗ出力程度）、仮に結晶シリコン太陽電池のセルを全て直列に接続したとしても直列数は３０個程度が限界であり、そのときの太陽電池モジュールから得られる直流出力電圧は定格出力時に１５Ｖ程度である。もちろん規格形状の結晶シリコン太陽電池のセルを切断して、並置した上で全セルを直列接続すれば、高電圧化も可能であるが、切断のコストが大きくなると共に、セル間の接続工数も大幅に増加するため実用化する上で困難となる。一方、薄膜太陽電池１１は同一形状において、微細なパターニングを行った膜を基板に形成することで素子数を大幅に増加して、太陽電池モジュール１２の直流出力電圧を最大３００Ｖ程度にして、インバータ装置１３の入力に接続する。インバータ装置１３は、家庭用電気機器が使用可能な電圧である交流１００Ｖまたは２００Ｖに対して太陽電池モジュール１２の直流電圧を昇圧することなく、高周波パルス幅変調制御などで正弦波状の交流出力電圧を生成する。したがって結晶シリコン太陽電池では必要であった昇圧手段が不要となり、インバータ装置１３の電力変換効率も向上する。しかも電力変換構成が概ね半分になったことから、小形で安価な構成となる。さらに高電圧化に伴い太陽電池モジュール１２の出力電流が小さくなり、配線のインピーダンスによる発熱も減少する。また、曇りや雨、または夜明けや夕暮れといった低照度時の太陽光は１１００ｎｍ以上の波長を有しており、本実施例では薄膜太陽電池１１を１１００ｎｍ以上の吸収体を有する組成にすることで、発電効率も向上させている。なお、薄膜太陽電池１１がアモルファスシリコンの場合、結晶シリコンのように高温時に出力低下を起こすことがなく、特に夏季においては昇圧手段が不要なことと合わせて高効率のシステムとなる。またＣＩＳで構成された薄膜太陽電池１１は結晶シリコンと同程度の発電効率を得ることから、昇圧手段がないことの効果が年間を通して反映された高効率システムとなる。
【００２０】
以上のように本実施例によれば、太陽光発電モジュールから直接高効率の交流出力を得ることができる小形で安価な太陽光発電システムを実現することができる。
【００２１】
（実施例２）
本実施例は請求項４に係わる。図２は本発明の第２の実施例の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）はプロック図である。図２において図１の回路構成と異なるのは、インバータ装置１３の出力と商用系統１５の間に解列手段１６を配置した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２２】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。薄膜太陽電池１１で構成される太陽電池モジュール１２は、素子を直列数を増加して系統電圧のピーク電圧より高い電圧（ＡＣ２００Ｖの時はＤＣ３００Ｖ）を出力するように膜のパターン形成を行い、インバータ装置１３は高周波スイッチング降圧動作によるパルス幅変調で、入力直流電力から正弦波電流を生成し、解列手段１６を通じて商用系統１５に同期交流電流を注入する。一方、解列手段１６は常時、商用系統１５の電圧、電流、周波数を検知しており、仮に商用系統１５に停電等の異常が発生した場合には、所定時間内に一般的に継電器で構成される解列手段１６によってインバータ装置１３を商用系統１５から切り離す。ここで、商用系統１５には家庭または工場といった設置者の使用する機器が接続されて電力を消費している。太陽光発電モジュール１４が発電する電力よりも家庭内電化機器で使用する電力が小さい場合、余剰電力は商用系統１５を通じて、電力事業者との間で売買される。
【００２３】
以上の様に本実施例によれば、インバータ装置が系統に同期交流電力を供給することで、電力系統を通じて電気事業者との間で電力売買が可能となる。
【００２４】
（実施例３）
本実施例は請求項５に係わる。図３（ａ）は本発明の第３の実施例の概略構成図、図３（ｂ）はブロック図である。図３において図２の回路構成と異なるのは、複数からなる太陽光発電モジュール１４が交流出力端で並列接続され、解列手段１６を経由して商用系統１５に連系された点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２５】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。出力端で並列接続された太陽光発電モジュール１４は、日射強度に応じてそれぞれの太陽電池モジュール１２から電力を取り出して個別にインバータ装置１３で交流電力に変換する。複数のインバータ装置１３の出力電力は合成されて、解列手段１６を経由して商用系統１５に同期交流電流として送られる。通常、太陽光発電モジュール１４の電力は１５０Ｗ程度で、標準家庭で使用される容量は概ね３ｋＷシステムであることから、その際２０個の太陽光発電モジュール１４が必要となる。各家庭や工場といった設置者は、インバータ装置１３が内蔵された太陽光発電モジュール１４を用意してその出力端を接続することで、いつでも容易にシステム容量が増加できる。なお、図３では各太陽電池モジュールの出力電圧が共に３００Ｖ程度までとしたが、インバータ装置１３が波形成形可能な範囲でそれぞれ異なる電圧となってもよいことは言うまでもない。
【００２６】
以上の様に本実施例によれば、複数の太陽光発電モジュールを並列接続できるので、システム構成を変更することなく容易に発電量アップを図ることができる。
【００２７】
（実施例４）
本実施例は請求項６に係わる。図４（ａ）は本発明の第４の実施例の概略構成図、図４（ｂ）は等価回路図、図４（ｃ）は影の面積と太陽電池モジュールの出力電力との関係図である。図４（ａ）において図２の回路構成と異なるのは、薄膜太陽電池１１を形成した面の一部に影がかかった状態を図示した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００２８】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。複数の薄膜太陽電池１１が基板内で一方向に連続的に直列接続されるパターン構造を持つ太陽電池モジュール１２に図４（ａ）で図示したように影が覆った場合、図４（ｂ）に図示した通り影のない領域の薄膜太陽電池１１は電気的に接続されている部分が存在するので、残された面から電力を取り出すことは可能である。したがって、図４（ｃ）に示すように影の面積と出力電力との関係は逆比例になる。一方、結晶シリコン太陽電池の場合、セルの形状が決まっていることから、いずれか１つのセルが影に覆われてしまった場合、全てが直接接続であれば太陽電池モジュール１２としては断線状態となり、全く電力を取り出すことができなくなる。
【００２９】
以上の様に本実施例によれば、太陽電池モジュールにかかる影の大きさに応じて、出力が連続的に変化することで、太陽電池モジュールの出力を無駄なく利用することができる。
【００３０】
（実施例５）
本実施例は請求項７に係わる。図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の第５の実施例の概略構成図である。Ａ−Ａ’線は図５（ａ）における断面図であり、Ｂ−Ｂ’線は図５（ｂ）（ｃ）における断面図である。薄膜太陽電池１１は基板１８上に一定の厚みを有する絶縁手段１７を介してパターン配置される。薄膜太陽電池１１が配置された面には太陽光が入射し、一部が熱となって空気中に放出されている。また、薄膜太陽電池１１を形成する基板１８と反対の面にはインバータ装置１３が断熱手段１９または放熱手段２０を介して配置されている。
【００３１】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。太陽電池モジュール１２に入射した太陽光のうち１５％程度は電力に変換されるが、残りのエネルギーは反射されるか、または熱に変換されて太陽電池モジュール１２の温度を上昇させる。ここで薄膜太陽電池１１のパターンを形成する基板１８を放熱性の高い物質で構成することで、発生した熱が基板１８を通して空気中に放熱される。また、図５（ｂ）に図示した通り、インバータ装置１３と太陽電池モジュール１２との間には断熱手段１９を配置して、太陽電池モジュール１２からの熱伝導がインバータ装置１３の温度を上昇させることを防止する。さらに図５（ｃ）に図示したように、インバータ装置１３と太陽電池モジュール１２との間に配置した放熱板が太陽電池モジュール１２からの熱を放熱すると共に、インバータ装置１３の電力変換時に発生する損失によって発生した熱も放熱している。
【００３２】
以上のように本実施例によれば、薄膜太陽電池を形成する基板を放熱性の高い物質にすることと、太陽電池モジュールとインバータ装置の間に、断熱材あるいは放熱板を設けることで、太陽電池モジュールとインバータ装置の温度上昇を抑えることができるため、発電量低下の防止と冷却構成の簡素化を実現することができる。
【００３３】
（実施例６）
本実施例は請求項８に係わる。図６は本発明の第６の実施例のブロック図である。図６において図２の回路構成と異なるのは、太陽電池モジュール１２の出力インバータ装置１３との間に並列に乾式コンデンサ２１を配置した点である。上記以外の構成要素は第２の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３４】
以上の様に構成された太陽光発電システムについて説明する。太陽電池モジュール１２で発電した直流電力をインバータ装置１３で交流電力に変換する際、商用系統１５に入力する交流電力は概ね力率１でなければならないため、交流の１周期内で瞬時電力は大幅に変化する。一方、直流電力は一定の日照条件において出力電力は変化しないため、交流電力の変動を吸収する安定化手段として、通常インバータ装置１３の入力段には大容量の電解コンデンサが使用されている。数ｋＷシステムの場合、数千μＦの容量が必要であるが、薄膜太陽電池１１で構成された太陽電池モジュール１２の容量は１００Ｗ級であることと、出力電圧が最大３００Ｖと高くできることから、コンデンサに必要とされる容量は１００μＦ以下となる。したがって乾式コンデンサ２１が使用可能となり、インバータ装置１３が太陽電池モジュール１２の近傍といった高温環境下で使用されても、電解コンデンサを使用したときのように交換が必要になることはない。
【００３５】
以上のように本実施例によれば、電解コンデンサを使用しないインバータ装置とすることで、高温環境においても電解液不足による容量ダウンを発生することのない高信頼性のシステムを実現することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、太陽光発電モジュールからの出力を昇圧手段なしで商用交流出力に変換することが可能となるため、安価で且つ高効率の太陽光発電システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施例である太陽光発電システムの側面図
（ｂ）同装置の背面図
（ｃ）同装置のブロック図
【図２】（ａ）本発明の第２の実施例である太陽光発電システムの側面図
（ｂ）同装置の背面図
（ｃ）同装置のブロック図
【図３】（ａ）本発明の第３の実施例である太陽光発電システムの概略構成図
（ｂ）同装置のブロック図
【図４】（ａ）本発明の第４の実施例である太陽光発電システムの概略構成図
（ｂ）同装置の等価回路図
（ｃ）同装置における影の面積と太陽電池モジュールの出力電力との関係図
【図５】（ａ）本発明の第５の実施例である太陽光発電システムの概略構成図
（ｂ）同装置の概略構成図
（ｃ）同装置の概略構成図
【図６】本発明の第６の実施例である太陽光発電システムのブロック図
【図７】（ａ）従来の太陽光発電システムの側面図
（ｂ）同装置の背面図
（ｃ）同装置のブロック図
【符号の説明】
１１  薄膜太陽電池
１２  太陽電池モジュール
１３  インバータ装置
１４  太陽光発電モジュール
１５  商用系統（系統）
１６  解列手段
１８  基板
１９  断熱手段
２０  放熱手段
２１  乾式コンデンサ
【図１】
2004327522.tif 000003
【図２】
2004327522.tif 000004
【図３】
2004327522.tif 000005
【図４】
2004327522.tif 000006
【図５】
2004327522.tif 000007
【図６】
2004327522.tif 000008
【図７】
2004327522.tif 000009