JP3630967B2 - 太陽電池アレイおよび太陽光発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光発電装置の太陽電池アレイ構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、地球環境に対する意識の高まりから、クリーンなエネルギー源である太陽光発電装置に大きな期待が寄せられている。最近では、一般住宅向け太陽光発電系統連系装置が従来より安価になってきており、今後ますますの普及が期待されている。
【０００３】
太陽光発電装置を構築する場合には、太陽電池モジュールの特性に応じて、所望の電圧が得られるように太陽電池モジュールの直列に接続して太陽電池ストリングを構成し、所望の出力容量が得られるよう太陽電池ストリングを並列に接続して、太陽電池アレイを構成する。
【０００４】
系統連系装置では、太陽電池の出力先である系統連系インバータの入力電圧に応じて、太陽電池モジュールの直列数の選択可能範囲が決まる。また、太陽電池を設置する場所の広さから最大の太陽電池モジュールの設置枚数が決まり、最大設置可能な太陽電池出力容量も決まる。これらを元に所望の容量が得られるように、太陽電池モジュールの直列数Ａと太陽電池ストリングの並列数Ｂを決定し、Ａ直列×Ｂ並列の太陽電池アレイを構成する。従来、各ストリングを構成する太陽電池モジュールの数Ａはすべてのストリングで等しくし、各太陽電池ストリングの定格電圧が等しくなるように設定することが常識とされていた。
【０００５】
（１）例えば、図６のように太陽電池モジュールが５１枚設置可能な屋根設置の場合について考える。インバータの入力電圧範囲と太陽電池モジュールの特性から、選択可能な直列数が９から１５の範囲であるとする。実際に設置可能な太陽電池モジュール枚数は、５１以下の９、１０、１１、１２、１３、１４、１５のいずれかの倍数となる。これより、最大設置可能な太陽電池モジュールは５０枚となり、その配置は例えば図６（ａ）のようになる。太陽電池モジュールを１０直列して太陽電池ストリング１５１、１５２、１５３、１５４、１５５を構成し、これら５つの太陽電池ストリングを並列接続して太陽電池アレイを構成する。太陽電池モジュール１個分の空きエリアにはダミーモジュール４を設置する。
【０００６】
（２）また別の例として、図８のように太陽電池モジュールを南面、東面および西面の屋根に設置する場合について考える。太陽電池モジュールとしてキヤノン製建材一体型太陽電池モジュールＳＲ−０２を用いて、一文字葺きにて設置する。屋根面の形状と上記モジュールの葺き方により、各屋根面に最大設置可能な太陽電池モジュールの枚数は、南面の設置面Ａに７３枚、東面の設置面Ｂに１４枚、西面の設置面Ｃに１４枚となる。ここで、インバータとしてキヤノン製ＳＩ−０４を用いるとすると、インバータの入力電圧範囲と太陽電池モジュールの特性から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数は１０から２０の範囲となる。実際に各屋根面に設置可能な太陽電池モジュール枚数は、１０から２０までのいずれかの数値の倍数となる。これより、最大設置枚数となるのは、１４直列×５並列の構成（太陽電池ストリング１１′〜１５′）の場合であり、７０枚を設置できる。東面および西面は、それぞれ１４直列×１並列（１６′、１７′）の構成となり、各々１４枚を設置できる。全体としては１４直列×７並列の構成となる。南面には太陽電池モジュール３枚分の空きエリア１８ができるが、そこにはダミーモジュールを設置する。
【０００７】
また、別の装置の構成方法として、設置面で太陽電池アレイの構成を分けて、各太陽電池アレイにインバータを用意する方法がある。南面を１８直列×４並列の構成で一つの太陽電池アレイとして、１台のインバータを接続する。東面と西面は、どちらも１４直列で太陽電池ストリングを構成できるので、あわせて１４直列×２並列の太陽電池アレイを構成し、別の１台のインバータに接続する。このように、２つの太陽電池アレイを構成し、それぞれにインバータを接続する。
【０００８】
また、上記構成方法において、東面と西面で構成された太陽電池アレイを、各屋根面をそれぞれ１つの太陽電池アレイとすることもできる。この場合、東面用および西面用のインバータをそれぞれ用意して接続する。つまり、３つの太陽電池アレイとなるよう構成し、それぞれにインバータを接続する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記方法では以下の問題点を有する。できるだけ多くの太陽電池を設置して太陽電池からの出力を大きくしたいと考えても、従来は各太陽電池ストリングの定格出力を等しくする、あるいはストリングを構成する太陽電池モジュールの数をそろえていたため、設置可能面すべてを活用できない場合が有った。前述の従来例（１）では、太陽電池モジュール５１枚分の設置可能場所あるのに、アレイ構成の都合からそのうち５０枚しか設置できず、残り１モジュール分は設置できない。前述の従来例（２）では南面に太陽電池モジュール７３枚分の設置可能場所あるのに、アレイ構成の都合からそのうち７０枚しか設置できず、残り３モジュール分は設置できない。
【００１０】
また、屋根材一体型太陽電池モジュールでは、空きのモジュールの場所には太陽電池モジュールと同じ形状で太陽電池セルが使用されていないダミーモジュールが屋根材として設置されるが、色合いが異なる場合があり、屋根のデザイン上好ましくない。雨じまいの機能を有しない太陽電池モジュールでは、ダミーモジュールを設置しなくてもよいが、空きが生じてデザイン上かなり好ましくない。
【００１１】
従来例（１）において、設置可能な枚数でデザインを優先して図６（ｂ）のように４８枚の太陽電池モジュールを設置することも可能であるが、この場合設置可能枚数から３枚分ほど少なくなり、出力容量は更に小さくなる。
【００１２】
また、設置面の形状が長方形ではない所、例えば寄棟屋根みたいに台形の場合がある。この場合、太陽電池ストリングの出力端子が設置面の端に位置しないので、配線が分かりにくく作業も行いにくい。
【００１３】
また、太陽電池アレイを複数に分けて複数のインバータを各アレイに接続する従来例（２）においては、余分にインバータが必要であり、その分高価になる。また、太陽電池アレイの出力容量がインバータ容量と比べてかなり小さい場合には、インバータの変換効率が低下して、得られる電力量が低下する。
【００１４】
本発明の目的は、太陽電池の設置可能エリアに太陽電池アレイの出力容量を最大に設計でき、また、デザイン上好ましい構成が可能である設計自由度が高く、また、低コストな装置構成となる太陽電池アレイを提供することである。また、設置・配線の行い易いアレイ構成方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、太陽電池ストリングを複数並列に接続した太陽電池アレイにおいて、前記太陽電池ストリングの定格電圧を２種類以上有し、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を少なくとも２種類以上有しており、前記太陽電池アレイの電圧−電力特性が１つの電力ピークを有することを特徴とする太陽電池アレイとする。
また、本発明は、太陽電池ストリングを複数並列に接続した太陽電池アレイであって、前記太陽電池ストリングの定格電圧を２種類以上有し、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を少なくとも２種類以上有しており、前記太陽電池アレイの電圧−電力特性が１つの電力ピークを有する太陽電池アレイと、該太陽電池アレイに接続された電力制御装置とを備えており、前記電力制御装置は入力電圧範囲を有し、前記２種類以上の太陽電池ストリングの定格電圧はそれぞれ前記入力電圧範囲内であることを特徴とする太陽光発電装置とする。
【００１６】
（作用）
一般に特性の異なる太陽電池ストリングを並列に組み合わせるとＩＶカーブのマッチングが取れないことにより、いわゆるＩＶミスマッチ損失が生じる。ここで言う「損失」とは太陽電池ストリングを並列に組み合わせた後の太陽電池アレイの最大出力が、個別の太陽電池ストリングの最大電力の和よりも小さくなる、ということを指し、以下の式で定義される。
【００１７】
ＩＶミスマッチ損失＝１−〔（太陽電池アレイの最大電力）／（個別の太陽電池ストリングの最大電力の和）〕
【００１８】
そのため従来は太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの数を（一部のストリングのみで）増やしたとしても、それに見合うだけの利得が得られないと考えられていた。その為、太陽電池のアレイを構成する場合、定格電圧の同じ太陽電池ストリングを並列接続していた。
【００１９】
しかし、筆者らは研究から、太陽電池ストリングの電圧が若干異なっていても出力低下は非常に小さいことを見出した。
【００２０】
これは、以下の理由による。各太陽電池ストリングの最適動作点電圧のずれが比較的小さく、太陽電池アレイの電圧−電力特性曲線がピークを一つだけ有するような場合では、太陽電池アレイの最適動作点電圧が各太陽電池ストリングの最適動作点電圧の間に位置することになる。その結果、各太陽電池ストリングの最適動作点電圧からみた太陽電池アレイの最適動作点電圧に対する電圧ずれ量は、各太陽電池ストリング間の電圧ずれ量より小さくなる。これにより、電圧ずれによる電力低下は抑制される。特に太陽電池の最適動作点付近での電圧−電力特性の形状がなだらかである場合、電圧ずれ量が小さくなった割合よりも電力低下の割合はより抑制され、ＩＶミスマッチによる電力低下は実用上問題無いレベルに抑えられる。
【００２１】
この事を図２０を参照して説明する。２つの太陽電池ストリング１及び２の電圧−電力特性が２０１、２０２で示されている。いま両者の最適動作点電圧の差はΔＶである。動作電圧が最適動作点電圧よりもΔＶだけずれた場合の出力を考えてみると、ストリング１ではΔＰ０、ストリング２ではΔＰ２だけ低下する。一方太陽電池ストリング１及び２を並列に接続して太陽電池アレイを構成した場合の電圧−電力特性が２０３で示されている。いま太陽電池アレイの最大出力電圧は、太陽電池ストリング１及び２の最大出力電圧の中間値であるとする。すると、各ストリングの最適動作電圧とアレイの最適動作電圧のずれ量はΔＶ／２であり、ストリング間の最適動作点電圧のずれ量ΔＶにくらべて半分となる。これにより電圧のずれによる電力低下は抑制される。太陽電池ストリング１をアレイに組み込んだ場合の電力低下量を見てみると、ストリング１は最適動作点よりもΔＶ／２だけずれた点で、ΔＰ３だけ小さい電力で動作することになる。これに対してストリング１がΔＶだけずれた点で動作する場合、即ちΔＰ２だけ小さい電力で動作する場合と比べると、前述のΔＰ３はΔＰ２／２よりも小さい。同様に、ストリング２の電力低下量ΔＰ１はΔＰ０／２よりも小さい。つまり、電力の低下量は電圧のずれ量に比べて相対的に抑えられることが分かる。このことは、特に本図のように電圧−電力曲線のピークがなだらかな場合（ＦＦの小さい素子の場合）に当てはまるものである。
【００２２】
太陽電池モジュールが複数の設置面に設置される太陽電池アレイの場合、太陽電池ストリングを同一の設置面の太陽電池モジュールにより構成することにより、太陽電池ストリング中の各太陽電池モジュールの最適動作点電流が同じとなり、時々刻々と変化する日照条件の中でいつもＩＶミスマッチ損失が極力抑制される。
【００２３】
また、アモルファスシリコン太陽電池であれば、最適動作点付近での電圧−電力特性の形状がなだらかであり、特に電力低下が抑制され、より適している。
【００２４】
特に太陽電池ストリングの電圧が太陽電池モジュール１個分異なる程度であれば、ＩＶミスマッチ損失は非常に小さく抑えられ非常に好ましい。また太陽電池モジュール直列数が１直列異なることを許容した太陽電池ストリングを用いて太陽電池アレイを構成することにより、従来アレイ構成不可能な太陽電池モジュールの設置枚数においてもアレイ構成可能となる。事実上あらゆる太陽電池モジュール設置枚数でもアレイ構成でき、設計自由度がきわめて大きくなる。これによりほとんどの出力容量の太陽電池アレイを構成することができる。
【００２５】
なお、太陽電池モジュール直列数が１直列異なる場合では、普通太陽電池アレイの電圧−電力特性曲線のピークは１つのみとなる。また、電圧−電力特性曲線のピークが１つとなるのは、直列数の大きいものと小さいものとの比で大体分かるので、これを用いてもよい。また、種々のケースについて電圧−電流特性を合成して調べてもよい。また、事前に調べておきデータベース化しておいてもよい。
【００２６】
また、設置される太陽電池モジュール数がアレイ構成からの制約がなくなり、デザイン上好ましい形で太陽電池モジュールを設置できる。屋根材一体型太陽電池などの建材一体型太陽電池の場合、太陽電池設置面の全体に太陽電池モジュールを設置でき、特に好ましい。
【００２７】
また、太陽電池ストリングを同じ定格電流をもち異なる定格電圧を有する２種類以上の太陽電池モジュールを用いる構成では、ストリング電圧が若干異なっても電力低下がほとんど無いのは先述の通りである。また、１種類の太陽電池モジュールでは配置できなかったエリアにも種類の違い太陽電池モジュールを設置でき、太陽電池アレイの出力容量を大きくでき、また、デザイン上も今まで太陽電池モジュールがなかったエリアにも太陽電池モジュールを敷きつめられ好ましい。
【００２８】
また、同じ設置面の太陽電池ストリングを同じ種類の太陽電池モジュールにより構成し、少なくとも１つの他の設置面の太陽電池ストリングを前記太陽電池モジュールと異なる種類のものを用いる構成では、各設置面に適した太陽電池モジュールを選択でき、太陽電池アレイの出力容量を大きくでき、デザイン上も一つの設置面が同じ太陽電池モジュールに統一されるので好ましい。
【００２９】
また、前記電力変換手段が前記太陽電池アレイの出力電力が最大となるよう制御する太陽光発電装置においては以下のとおりである。いま、ある設置面の太陽電池ストリングを合せたものを太陽電池サブアレイと呼ぶとする。太陽電池サブアレイの定格電圧が異なる場合には、日射条件の変化（例えば１日での日射の入射角度の変化）により太陽電池アレイの出力電力が最大となる電圧も変化する。そこに、電力変換手段に太陽電池アレイの出力電力が最大となるよう制御する、いわゆるＭＰＰＴ制御を行うことにより、変化する最大出力動作電圧を追従して太陽電池アレイから常に最大出力が引き出され、より多くの電力を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００３１】
（実施例１）
図１に本発明が適用される太陽光装置の構成の一例を示す。
【００３２】
太陽電池アレイ１は、所望の電圧が得られるよう太陽電池モジュールを直列接続して太陽電池ストリングを構成し、所望の出力容量が得られるよう太陽電池ストリングを並列接続して太陽電池アレイ１を構成する。太陽電池モジュールのセルの種類としてアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンあるいは化合物半導体などを用いたものがある。太陽電池モジュールの形態として、瓦棒葺きタイプや横葺きタイプなどの屋根材一体型や従来からあるアルミフレーム付きタイプなどが種々の形態がある。
【００３３】
太陽電池アレイ１の出力電力は電力変換装置２を介して負荷３に供給される。電力変換装置２としては、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの自己消弧型スイッチングデバイスを用いたＤＣ／ＤＣコンバータ、自励式ＤＣ／ＡＣインバータなどがある。この電力変換装置２は、ゲートパルスのオン／オフを制御することで電力潮流、入出力電圧、出力周波数などを制御できる。
【００３４】
負荷３として、電熱負荷や電動機負荷あるいは商用交流系統およびそれらの組合せがある。
【００３５】
次に、図２を用いて本発明の太陽電池アレイ構成について説明する。
【００３６】
図２は従来の図６と同じ太陽電池設置エリアで、キヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＢＳ−０３を５１枚設置できる。使用するキヤノン製系統連系インバータＳＩ−０１もしくはＳＩ−０２とすると、前記インバータの入力電圧範囲と前記太陽電池モジュールの電圧から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が９から１５の範囲となる。
【００３７】
太陽電池アレイ１は、４つの太陽電池ストリングからなり、太陽電池ストリング１０１は１２個の太陽電池モジュールが直列接続され、太陽電池ストリング１０２、１０３、１０４のそれぞれは１３個の太陽電池モジュールが直列接続されている。もちろん、太陽電池モジュールの直列数は前述の選択可能範囲に入っている。
【００３８】
図３は、各太陽電池ストリングと太陽電池アレイの電圧−電力特性を示しており、横軸は電圧、縦軸は電力である。図中の（ｂ）は太陽電池モジュール１２直列の太陽電池ストリング、（ｃ）は太陽電池モジュール１３直列の太陽電池ストリング、（ａ）は１２直列の太陽電池ストリングを１つと１３直列の太陽電池ストリングを３つ並列に接続した太陽電池アレイの電圧−電力特性である。太陽電池アレイの最適動作点電圧は１２直列の太陽電池ストリングと１３直列の太陽電池ストリングの間にあり、その位置はおよそ１２直列と１３直列の太陽電池ストリングの数の割合の逆数となっている。また電力ピークは一点のみである。
【００３９】
ある日射条件と温度の時の出力電力をみてみると、本構成の太陽電池アレイでは２７３９Ｗである。この時のＩＶミスマッチ損失は０．４４％となり非常に低く抑えられている。従来の１０直列×５並列のアレイ構成で太陽電池モジュールを５０枚設置する場合では同条件下での出力は２６９７Ｗとなる。よってこの条件下では従来より出力は４２Ｗ増加している。また従来の他のアレイ構成の１２直列×４並列で４８枚の太陽電池モジュールを設置する場合、同条件下での出力は２５８９Ｗである。よって本アレイ構成は従来より出力が１５０Ｗ増加している。
【００４０】
このように、太陽電池アレイ構成時のＩＶミスマッチ損失をよく抑えながら、設置可能なエリアの全面に太陽電池モジュールを設置することができる。これにより、太陽電池アレイの出力容量を大きくでき太陽電池からの電力供給を増やすことができる。また、太陽電池を全面に設置できダミーモジュールなど設置する必要がなく、デザイン上好ましい。特に屋根材一体型太陽電池モジュールではデザイン上非常によい。また、太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を１直列のみ違えるように構成したことにより、ＩＶミスマッチ損失が必要よく抑制される。更に、アモルファスシリコン太陽電池を用いることにより、ＩＶミスマッチ損失が非常に抑えられる。
【００４１】
（実施例２）
図４に、本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールの設置の一例を示す。これは設置面の形状は寄棟屋根などにあるような台形の場合である。ここには、キヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＢＳ−０４を図中のように８４枚設置できる。系統連系インバータとして、キヤノン製ＳＩ−０１もしくはＳＩ−０２を使用する。前記インバータの入力電圧範囲と前記太陽電池モジュールの電圧から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が１８から３０の範囲となる。この条件の中で本発明を適用した太陽電池アレイは、太陽電池モジュールを２６直列した太陽電池ストリング１１１、２８直列した太陽電池ストリング１１２、３０直列した太陽電池ストリング１１３の３つのストリングを並列して構成される。
【００４２】
ある日射条件および温度の場合の太陽電池アレイおよび各太陽電池ストリングの電圧−電力特性を図５に示す。横軸が電圧、縦軸が電圧である。（ａ）がこの実施例で構成した太陽電池アレイ、（ｂ）は太陽電池モジュール１３直列の太陽電池ストリング１１１、（ｃ）は太陽電池モジュール１４直列の太陽電池ストリング１１２、（ｄ）は太陽電池モジュール１５直列の太陽電池ストリング１１３の電圧−電力特性である。この条件時のアレイの出力は２２３９Ｗであった。一方、図７に示すような従来のアレイ構成により太陽電池モジュール２８直列の太陽電池ストリング１７１、１７２、１７３の３つを並列に接続するものでは、同条件下では、２２６５Ｗの出力となる。よって、ＩＶミスマッチ損失は１．１５％となり、出力特性のマッチングのずれによる電力低下は実際上問題ないレベルに抑えられる。
【００４３】
各太陽電池ストリングの出力端は、従来は図７のように他の列にまたがって配置されていた。本実施例のアレイ構成の場合、各太陽電池ストリングはそれぞれ横一列に配置することができ、出力端子は左右の両端に位置する。これにより、配線が非常に分かり易くなり、設置作業も容易になる。
【００４４】
このように、設置面の形状にあわせて各太陽電池ストリングの直列数をｎ、ｎ＋ｍ、…、ｎ＋Ａｍのように構成することにより、ＩＶミスマッチ損失を抑えながらも、各太陽電池ストリングの出力端を端に配置でき、配線が非常に分かり易くなり、設置作業も容易となる。この他にも、例えば、太陽電池アレイをＡ直列×Ｂ並列と構成できる太陽電池モジュール設置枚数でも、本発明の太陽電池モジュール直列数の異なる構成により、太陽電池ストリング数を減らすことができる。これによって、ＩＶミスマッチ損失が生じるが、太陽電池ストリング数が減少し、また、太陽電池ストリングの電圧が高くなることで配線損失が減少する。よって、トータルの損失が減少して、より多くの出力が得られるアレイ構成も可能である。また、太陽電池のストリング数を減らすことにより、太陽電池ストリングからの接続ケーブルの使用数を減らすことができ、設置時のコストを低減することができる。また、通常、太陽電池と電力変換装置の間に各太陽電池ストリングの出力を並列接続して電力変換装置へ出力する接続箱（直流集電箱）を設けるが、同様に接続箱の回路数を減らすことができ、より安価な接続箱を使用でき、設置時のコストを低減することができる。
【００４５】
（実施例３）
図９は従来例（２）（図８）と同じ太陽電池設置エリアで、キヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＳＲ−０２を南面に７３枚、東面および西面にそれぞれ１４枚ずつ設置できる。使用するキヤノン製系統連系インバータＳＩ−０４とすると、前記インバータの入力電圧範囲と前記太陽電池モジュールの電圧から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が１０から２０の範囲となる。
【００４６】
太陽電池アレイは、７つの太陽電池ストリング１１〜１７から構成される。太陽電池ストリング１１〜１５は南面である設置面Ａに設置され、太陽電池ストリング１６は東面である設置面Ｂに設置され、太陽電池ストリング１７は西面である設置面Ｃに設置される。この時の太陽電池モジュールの設置枚数は１０１枚となる。設置面Ａの太陽電池ストリング１１および１２は１４個の太陽電池モジュールが直列接続され、太陽電池ストリング１３、１４および１５のそれぞれは１５個の太陽電池モジュールが直列接続されている。設置面Ｂの太陽電池ストリング１０６および設置面Ｃの太陽電池ストリング１７は１４個の太陽電池モジュールが直列に接続されている。もちろん、太陽電池モジュールの直列数は前述の選択可能範囲に入っている。
【００４７】
図１０は、ある日射条件での各太陽電池ストリングと太陽電池アレイの電圧−電力特性を示しており、横軸は電圧、縦軸は電力である。図中の（ｂ）は太陽電池モジュール１４直列の太陽電池ストリングの合成の電圧−電力特性、（ｃ）は太陽電池モジュール１５直列の太陽電池ストリングの合成の電圧−電力特性、（ａ）は１４直列の太陽電池ストリングと１５直列の太陽電池ストリングを並列に接続した太陽電池アレイの電圧−電力特性である。
【００４８】
設置面Ａ、ＢおよびＣの日射条件は異なり、各日射条件に応じた出力特性をもつ。そして、太陽電池モジュールが１４直列接続された設置面Ａの太陽電池ストリング１１および１２、設置面Ｂの太陽電池ストリング１６並びに設置面Ｃの太陽電池ストリング１７の合成の出力特性は図２（ｂ）となる。また、太陽電池モジュールが１５直列接続された設置Ａの太陽電池ストリング１３、１４及び１５の合成の出力特性は図２（ｃ）のようになる。
【００４９】
この時の太陽電池アレイの最大出力は２４７３Ｗである。この時のＩＶミスマッチ損失は０．４６％となり非常に低く抑えられている。この損失は他の装置損失、例えば太陽電池モジュール表面の汚れ損失（これは３％〜１０％と言われている）と比べても大変小さいもので、実質的には問題無いレベルである。従来の１４直列×７並列のアレイ構成で太陽電池モジュールを９８枚設置する場合（モジュール３枚分の空きエリア１５１ができる）では同条件下での出力は２４１０Ｗとなる。よってこの条件下では従来より出力が６３Ｗ、割合にして２．６１％増加している。
【００５０】
このように、複数の設置面に設置する太陽電池アレイにおいて、同一設置面に太陽電池ストリングを構成し、太陽電池ストリングの太陽電池モジュールの直列数を２種類以上組み合わせることにより、太陽電池アレイ構成時のＩＶミスマッチ損失をよく抑えながら、設置可能なエリアの全面に太陽電池モジュールを設置することができる。これにより、太陽電池アレイの出力容量を大きくでき太陽電池からの電力供給を増やすことができる。また、太陽電池を全面に設置できダミーモジュールなど設置する必要がなく、デザイン上好ましい。特に屋根材一体型太陽電池モジュールではデザイン上非常によい。また、太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を１直列のみ違えるように構成したことにより、ＩＶミスマッチ損失がよく抑制される。更に、アモルファスシリコン太陽電池を用いることにより、ＩＶミスマッチ損失が非常に抑えられる。
【００５１】
（実施例４）
図１１に、本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールの設置の一例を示す。ここには、キヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＳＲ−０３を図中のように１５０枚設置できる。系統連系インバータとして、キヤノン製ＳＩ−０４を使用する。前記インバータの入力電圧範囲と前記太陽電池モジュールの電圧から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が１３から２７の範囲となる。この条件の中で本発明を適用して以下のような太陽電池アレイを構成する。南面である設置面Ｄに太陽電池モジュールを１４直列した太陽電池ストリング２１、２２、２３、２４、２５、２６および２７を構成する。東面である設置面Ｅに太陽電池モジュールを１３直列した太陽電池ストリング２８、２９、３０および３１を構成する。
【００５２】
ある日射条件での太陽電池アレイおよび各太陽電池ストリングの電圧−電力特性を図１２に示す。横軸が電圧、縦軸が電圧である。（ｂ）は太陽電池モジュール１４直列の太陽電池ストリング２１〜２７の合成の電圧−電力特性、（ｃ）は太陽電池モジュール１３直列の太陽電池ストリング２８〜３１の合成の電圧−電力特性、（ａ）が太陽電池アレイ全体の電圧−電力特性である。この時のアレイの出力は２７６０Ｗであった。
【００５３】
一方、図１３に示すような従来のアレイ構成により太陽電池モジュール１３直列の太陽電池ストリング２１′〜３１′を１１並列するもの（モジュール６枚分の空きエリア３２ができる）では、同条件下では、２６４２Ｗの出力となる。よってこの条件下では従来と比べて出力は１１８Ｗ、割合にして４．４６％増加する。また、ＩＶミスマッチ損失は０．５３％となり、出力特性のマッチングのずれによる電力低下は他の装置損失と比べて非常に小さいもので、実際上問題ないレベルに抑えられる。
【００５４】
各太陽電池ストリングの定格電圧は同一設置面において等しくなるように構成してある。設置作業時の接続確認および出力確認のために行う電圧チェックの際には、同じ設置面の太陽電池ストリングは同じ基準値でよく、可否の判断がしやすい。これにより、設置作業も容易になる。
【００５５】
このように、同一設置面の太陽電池ストリングの定格電圧を同じとなるようにし、設置面間で定格電圧が異なるように構成することにより、ＩＶミスマッチ損失を抑え、出力電力が増加し、また、確認作業も間違いなく行え、設置作業も容易となる。
【００５６】
また、南面と北面に太陽電池アレイを設置する場合に、上記のように同一設置面の各太陽電池ストリングの定格電圧を等しくし、南面の定格電圧を北面の定格電圧より若干高く、例えば１モジュール分高く構成することもできる。このような構成により、南面の温度が北面よりも高くなり最大出力動作電圧が低下することにより、実際の最大出力動作電圧の差が小さくなり、さらにＩＶミスマッチ損失を抑制することができる場合もある。
【００５７】
（実施例５）
図１４に、本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールの設置の一例（切妻屋根）を示す。ここには、キヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＳＲ−０１を図中のように７６枚設置できる。系統連系インバータとして、キヤノン製ＳＩ−０４を使用する。前記インバータの入力電圧範囲と前記太陽電池モジュールの電圧から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が５から１０の範囲となる。この条件の中で本発明を適用して以下のような太陽電池アレイを構成する。東面である設置面Ｆに太陽電池モジュールを１０直列した太陽電池ストリング４１、４２、４３および４４を構成する。西面である設置面Ｇに太陽電池モジュールを９直列した太陽電池ストリング４５、４６、４７および４８を構成する。
【００５８】
ある日射条件での太陽電池アレイおよび各太陽電池ストリングの電圧−電力特性を図１５に示す。横軸が電圧、縦軸が電圧である。（ｂ）は太陽電池モジュール１０直列の太陽電池ストリング４１〜４４の合成の電圧−電力特性、（ｃ）は太陽電池モジュール９直列の太陽電池ストリング４５〜４８の合成の電圧−電力特性、（ａ）が太陽電池アレイ全体の電圧−電力特性である。この時のアレイの出力は３６４９Ｗであった。
【００５９】
一方、図１６に示すような従来のアレイ構成により太陽電池モジュール１３直列の太陽電池ストリング（４１′〜４８′）を１１並列するもの（モジュール４枚分の空きエリア４９ができる）では、同条件下では、３４９９Ｗの出力となる。よってこの条件下では従来と比べて出力は１５０Ｗ、割合にして４．２９％増加する。また、ＩＶミスマッチ損失は１．１％となるが、出力特性のマッチングのずれによる電力低下は他の装置損失と比べるととても小さいもので、実際上問題ないレベルに抑えられる。
【００６０】
また、本実施例の設置例では、東面（設置面Ｆ）と西面（設置面Ｇ）の日射量が朝夕で大きくなる。朝方は東面での発電量が多くなりアレイの最大出力動作電圧が東面の太陽電池ストリングの最大出力動作電圧に近づく。夕方は西面での発電量が多くなりアレイの最大出力動作電圧が西面の太陽電池ストリングの最大出力動作電圧に近づく。このように、東面と西面の発電量の割合の違いにより、太陽電池アレイの最大出力動作電圧は変化する。この観点からも、電力変換装置に太陽電池アレイの出力が最大となるように太陽電池アレイの動作点を制御する、いわゆるＭＰＰＴ制御を搭載すると、より多くの電力が得られよりよい。
【００６１】
（実施例６）
図１７に、本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池モジュールの設置の一例を示す。ここには、図中のように設置面Ｈにはキヤノン製屋根材一体型アモルファスシリコン太陽電池モジュールＳＲ−０２を８４枚、設置面ＩにはＳＲ−０３を４０枚設置できる。系統連系インバータとして、キヤノン製ＳＩ−０４を使用する。前記ＳＲ−０２を用いる場合には前記インバータの入力電圧範囲から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が１０から２０の範囲となる。前記ＳＲ−０３を用いる場合には前記インバータの入力電圧範囲から、選択可能な太陽電池モジュールの直列数が１３から２７の範囲となる。この条件の中で本発明を適用して以下のような太陽電池アレイを構成する。設置面Ｈと設置面Ｉは方位が等しく傾斜角が若干異なるようになっている。設置面Ｈおよび設置面Ｉにおいて、各設置面毎に全て一種類の太陽電池モジュールを敷き詰めた時に出力が最大となる種類の太陽電池モジュールを選択する。設置面Ｈには太陽電池モジュールＳＲ−０２を選択し、１４直列した太陽電池ストリング５１、５２、５３、５４、５５および５６を構成する。設置面Ｉには太陽電池モジュールＳＲ−０３を選択し、２０直列した太陽電池ストリング５７および５８を構成する。
【００６２】
ある日射条件での太陽電池アレイおよび各太陽電池ストリングの電圧−電力特性を図１８に示す。横軸が電圧、縦軸が電圧である。（ｂ）は太陽電池モジュールＳＲ−０２が１４直列の太陽電池ストリング５１〜５６の合成の電圧−電力特性、（ｃ）は太陽電池モジュールＳＲ−０３の２０直列の太陽電池ストリング５７〜５８の合成の電圧−電力特性、（ａ）が太陽電池アレイ全体の電圧−電力特性である。この時のアレイの出力は２８３１Ｗであった。
【００６３】
一方、従来のアレイ構成によると、図１９に示すように設置面Ｈには太陽電池モジュールＳＲ−０２を１２直列・７並列（５１′〜５７′）と構成し、設置面Ｉには太陽電池モジュールＳＲ−０２を１２直列・２並列（５８′、５９′）と構成し、太陽電池アレイとしては１２直列・９並列となる。設置面Ｉの左右の空きエリアが本実施例より広くなっている。この太陽電池アレイでは同じ条件下では２６９１Ｗの出力となる。よってこの条件下では従来と比べて出力は１４０Ｗ、割合にして５．２０％増加する。また、ＩＶミスマッチ損失は０．３４％となるが、他の装置損失と比較すると非常に小さいものであり、実際上問題ないレベルに抑えられる。
【００６４】
また、同一設置面が同じ種類の太陽電池モジュールにて構成されているので、同一設置面の外観が統一感がとれ、美観上すぐれる。
【００６５】
このように、各太陽電池ストリングを同一設置面の太陽電池モジュールにより構成し、太陽電池ストリングの定格電圧を２種類以上組み合わせ、同一設置面には同じ種類の太陽電池モジュールを選択し、太陽電池アレイ全体では太陽電池モジュールを２種類以上組み合わせるよう算出するように構成することにより、ＩＶミスマッチ損失を抑えながら出力電力が増加し、また、同一設置面の外観が統一感がとれ美観上すぐれる。
【００６６】
上記例では、同一設置面で同じ定格電圧を持つように構成したが、同一設置面の太陽電池ストリングの定格電圧が２種類以上あってもよい。
【００６７】
なお、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の太陽電池アレイでは、以下の効果を有する。
【００６９】
（１）全ての太陽電池モジュール枚数でアレイ構成可能であり、設計自由度が極めて高くなる。
【００７０】
これにより、設置可能場所の全面に無駄なく太陽電池を敷き詰めることができ、太陽電池アレイの出力を大きくすることができる。
【００７１】
（２）また、設置可能場所の全面に太陽電池があり、ダミーモジュールなど無く、デザイン面で優れる。
【００７２】
（３）各太陽電池ストリングを構成する直列数を太陽電池モジュール１個分のみ違うようにアレイ構成することにより、ＩＶミスマッチ損失を極めて低く抑えることができ、より出力を多くとれる。
【００７３】
（４）設置面の形状に合わせて太陽電池モジュールの直列数をｎ、ｎ＋ｍ、・・・ｎ＋Ａｍとすることにより、各太陽電池ストリングの出力端を設置面の端に配置でき、配線がわかりやすく且つ配線作業も行いやすい。
【００７４】
（５）また、アモルファスシリコン太陽電池を用いることにより、その電圧−電力特性の形状が緩やかなことから、ＩＶミスマッチ損失をより少なくできる。
【００７５】
（６）建材一体型太陽電池モジュールでは、屋根デザインなどにあわせて太陽電池を設置することができ、デザイン上、美観上優れる。
【００７６】
（７）定格電流が同じで定格電圧の異なる太陽電池モジュールを用いることにより、従来太陽電池が置けなかった隙間のエリアにも設置でき、より多くの出力を得ることができる。
【００７７】
（８）同一設置面には同じ種類の太陽電池モジュールを選択し、太陽電池アレイ全体では太陽電池モジュールを２種類以上組み合わせることにより、同一設置面で外観の統一感がとれ美観上すぐれる。
【００７８】
（９）電力変換手段でのＭＰＰＴ制御により、日射変動による定格電圧毎の出力比の変動に伴う最大出力動作電圧の変動をも追尾でき、効率的に電力で得られる。
【００７９】
このように、本発明は大変有用であり、特に、建材一体型太陽電池モジュールを用いる場合はその効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽光発電装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図３】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の一例を示す図である。
【図４】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの他の例を示す図である。
【図５】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の他の例を示す図である。
【図６】本発明と比較する従来の太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図７】本発明と比較する従来の太陽電池アレイの他の例を示す図である。
【図８】従来の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図９】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１０】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の一例を示す図である。
【図１１】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１２】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の一例を示す図である。
【図１３】従来の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１４】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１５】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の一例を示す図である。
【図１６】従来の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１７】本発明の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図１８】本発明の太陽電池アレイの電圧−電力特性の一例を示す図である。
【図１９】従来の太陽電池アレイを用いた太陽電池アレイの一例を示す図である。
【図２０】ストリング間の電圧ずれ量と、電力の低下の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ 太陽電池アレイ
２ 電力変換装置
３ 負荷
４ ダミーモジュール

Claims (28)

1. 太陽電池ストリングを複数並列に接続した太陽電池アレイにおいて、前記太陽電池ストリングの定格電圧を２種類以上有し、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を少なくとも２種類以上有しており、前記太陽電池アレイの電圧−電力特性が１つの電力ピークを有することを特徴とする太陽電池アレイ。
2. 前記２種類以上の定格電圧は、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルの一つあたりの定格電圧の少なくとも整数倍分異なることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
3. 前記太陽電池ストリングはそれぞれ少なくとも２つの直列化された太陽電池モジュールからなり、前記太陽電池モジュールそれぞれの大きさは同じであることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
4. 前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルの直列数を２種類以上有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
5. 太陽電池モジュール直列数がｎ個、（ｎ＋ｍ）個、（ｎ＋２ｍ）個、…、及び（ｎ＋Ａｍ）個（ただしｎ、ｍ、Ａは正の整数）の太陽電池ストリングを有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
6. 太陽電池モジュール直列数がｎ個の太陽電池ストリングと（ｎ＋１）個の太陽電池ストリングを有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。ただし、ｎは正の整数。
7. 前記太陽電池ストリングの少なくとも１つは、同じ定格電流をもち異なる定格電圧を有する２種類以上の太陽電池モジュールを有することを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
8. 前記複数の太陽電池ストリングは１つの設置面に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池アレイ。
9. 前記複数の太陽電池ストリングは複数の設置面に設置されており、且つそれぞれの太陽電池ストリングは単一の設置面に設置されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
10. 前記複数の太陽電池ストリングはそれぞれ同じ種類の太陽電池モジュールからなり、且つ太陽電池アレイ全体では２種類以上の太陽電池モジュールを有することを特徴とする請求項９記載の太陽電池アレイ。
11. 同一の設置面に設置された複数の太陽電池ストリングの定格電圧がそれぞれ等しく、且つ該定格電圧は他の設置面に設置された太陽電池ストリングの定格電圧と異なることを特徴とする請求項９記載の太陽電池アレイ。
12. 前記太陽電池アレイの太陽電池セルがアモルファスシリコン太陽電池であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
13. 前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールが建材一体型太陽電池モジュールであることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
14. 同じ種類の太陽電池モジュールからなることを特徴とする請求項１記載の太陽電池アレイ。
15. 太陽電池ストリングを複数並列に接続した太陽電池アレイであって、前記太陽電池ストリングの定格電圧を２種類以上有し、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールの直列数を少なくとも２種類以上有しており、前記太陽電池アレイの電圧−電力特性が１つの電力ピークを有する太陽電池アレイと、該太陽電池アレイに接続された電力制御装置とを備えており、前記電力制御装置は入力電圧範囲を有し、前記２種類以上の太陽電池ストリングの定格電圧はそれぞれ前記入力電圧範囲内であることを特徴とする太陽光発電装置。
16. 前記２種類以上の定格電圧は、前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルの一つあたりの定格電圧の少なくとも整数倍分異なることを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
17. 前記太陽電池ストリングはそれぞれ少なくとも２つの直列化された太陽電池モジュールからなり、前記太陽電池モジュールそれぞれの大きさは同じであることを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
18. 前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池セルの直列数を２種類以上有することを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
19. 太陽電池モジュール直列数がｎ個、（ｎ＋ｍ）個、（ｎ＋２ｍ）個、…、及び（ｎ＋Ａｍ）個（ただしｎ、ｍ、Ａは正の整数）の太陽電池ストリングを有することを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
20. 太陽電池モジュール直列数がｎ個の太陽電池ストリングと（ｎ＋１）個の太陽電池ストリングを有することを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。ただし、ｎは正の整数。
21. 前記太陽電池ストリングの少なくとも１つは、同じ定格電流をもち異なる定格電圧を有する２種類以上の太陽電池モジュールを有することを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
22. 前記複数の太陽電池ストリングは１つの設置面に設置されていることを特徴とする請求項１５に記載の太陽光発電装置。
23. 前記複数の太陽電池ストリングは複数の設置面に設置されており、且つそれぞれの太陽電池ストリングは単一の設置面に設置されていることを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
24. 前記複数の太陽電池ストリングはそれぞれ同じ種類の太陽電池モジュールからなり、且つ太陽電池アレイ全体では２種類以上の太陽電池モジュールを有することを特徴とする請求項２３記載の太陽光発電装置。
25. 同一の設置面に設置された複数の太陽電池ストリングの定格電圧がそれぞれ等しく、且つ該定格電圧は他の設置面に設置された太陽電池ストリングの定格電圧と異なることを特徴とする請求項２３記載の太陽光発電装置。
26. 前記太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールが建材一体型太陽電池モジュールであることを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
27. 同じ種類の太陽電池モジュールからなることを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。
28. 前記電力制御装置は前記太陽電池アレイの出力電力が最大となるよう制御することを特徴とする請求項１５記載の太陽光発電装置。

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