JP5792742B2 - 発電のための太陽光システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年１月２３日に出願した米国仮出願６１／２９７，７４７号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて主張するものであり、該出願の全体が本明細書に援用される。

本発明は、太陽光発電装置に関する。より具体的には、少なくとも部分的に遮光される機会の多い太陽電池において、太陽電池アレイによる発電の最大化を促進するための太陽光発電装置であって、十字ネットワーク構造を有する装置に関する。

光電池は、簡便に電気を発生させるために、様々な用途で広く使用されている。一般に、１つの太陽電池の出力電圧は約０．５Ｖであり、より高い電圧レベルを供給するために、複数個の、主としてシリコンベースの電池を、慣例的には直列に接続して使用する。図１ａを参照すると、太陽電池アレイモジュール２０において所望の出力電圧を得るために、複数個の太陽電池２２は慣例通り直列に接続されて太陽電池２２の「直列ユニット」２６を形成し、複数個の直列ユニット２６は直列に相互接続されて直列ユニットストリング２８を形成してもよい。直列ユニット２６はそれぞれ１以上の電池を含んでいてもよく、汚れ、空を覆う雲による遮光、他の部分的な遮光、それ以外の電池の不具合等の局所的な問題を回避するために付加されたバイパスダイオード２５によって保護されている。

直列に接続されている太陽電池２２には、以下のような問題がある。
ａ）太陽電池２２は、遮光および／または１以上のモジュールに蓄積した汚れにより、少なくとも一部において日射が遮蔽されるおそれがある。部分的に遮光された電池では、発生する電力は大幅に低下する。電池によって発生する電流は、光の強度の減少に比例して低下する。バイパスダイオード２５によって電流のフローは可能になるが、回避された直列ユニット２６から失われた電力は補われない。一般に、ダイオード２５における電圧降下は約０．２５Ｖである。
ｂ）一般に、太陽電池アレイモジュール２０は、別の太陽電池アレイモジュール２０で起こり得る逆の絶縁破壊電圧による影響を受けやすい。ダイオード２７により、太陽電池アレイモジュールの破損は防止される。ダイオード２７により、さらに太陽電池アレイモジュールの出力短絡が防止される。
ｃ）太陽電池２２のばらつきによってもまた、電力の損失が生じる。

典型的な配置では、名目上３０Ｖのシリコン太陽電池アレイモジュール発電システムの場合、約６０個の電池を直列に接続して３０Ｖの出力を得る。通常、コスト低減のために、１つの電池に１つのバイパスダイオードではなく、一群（たとえば５〜２０個）の電池を１つのバイパスダイオードが跨ぐように配置される。直列に接続され、バイパスダイオードを備えた電池は、多くの発電用途において有効であることが証明されている。

さらに図１ｂを参照すると、図１ｂは、慣用の太陽電池モジュール２０の出力保護直列ダイオードにおける電圧降下を示す略ブロック図である。
さらに：

式中、Ｖｏｕｔはモジュールで生じる総電圧を表し、直列ダイオード２７における電圧降下を含む。この電圧降下は、モジュールにおけるさらなる電力損失の理由となり得る。

実際には、ダイオード絶縁破壊電圧を回避するために、電気的に直列に接続された２つのダイオードが使用される。直列ユニット２６の電池の１つに何らかの不具合がある場合、その電池を含む直列ユニット２６全体から生じる電力が失われる。モジュールの生み出す電力は以下のように計算される：

式中、
Ｐｏｕｔ：モジュールが生み出す総電力を表し、これは直列ダイオード２７における電力損失を含む。
Ｐｐ：電池２２がすべて機能している場合に太陽電池アレイモジュール２０が生み出す最大電力である。
ｘ：１つの直列ユニット２６内の電池２２の数である。
ｎ：不具合のある直列ユニット２６の数である。
Ｖｄｓ：太陽電池アレイモジュール２０と電気的に直列に接続されたダイオード２７における電圧降下である。
Ｖｄｐ：直列ユニット２６と電気的に並列に接続されたバイパスダイオード２５における電圧降下である。
Ｖｐ：電池２２がすべて機能している場合に太陽電池アレイモジュール２０が生み出す電圧である。
等式（１）が近似式であり、ｘ＊ｎ≦４５の場合に適切であることに留意されたい。

次いで図２を参照すると、図２は、従来の太陽電池アレイモジュール３０を示すブロック図である。太陽電池アレイモジュール３０は、電気的に直列に接続されて直列ユニット２６を形成する太陽電池２２を含む。図２に示した例では、直列ユニット２６はそれぞれ４つの太陽電池２２を含む。太陽電池アレイモジュール３０において所望の電流生成能力を得るために、直列ユニット２６は相互に並列に接続されている（３２）。直列ユニット２６を形成する太陽電池２２の数によって太陽電池アレイモジュール３０の供給する電圧レベルが決まり、電気的に並列に接続された直列ユニット２６の数によって太陽電池アレイモジュール３０の供給する電流レベルが決まる。これにより、所定の電力が得られる。

たとえば、太陽電池モジュール３０は太陽電池２２を６０個含み、直列ユニット２６が太陽電池２２をそれぞれ４つ含み、１５個の直列ユニット２６が電気的に並列に相互接続されているものとする。太陽電池２２がそれぞれ０．５Ｖを生成するものであれば、直列ユニット２６はそれぞれ２Ｖを生成する。

電力変換装置３４は、モジュール３０において太陽電池２２のアレイの出口に接続され、入力電圧レベル（前述の例では２Ｖ）を著しく高い出力電圧レベル（前述の例ではたとえば３０Ｖ）に変換する。よって、このモジュールにおいて、ある直列ユニット２６に属する太陽電池２２の１つに不具合があれば、その直列ユニット２６全体の電力が失われる。

したがって、１つの太陽電池の不具合の結果としてその電池を含む直列ユニット２６全体の電力が失われることを避ける必要があり、また避けることができれば好都合であると言える。

さらに図３を参照すると、図３は、従来の太陽電池アレイモジュール４０を示すブロック図である。太陽電池アレイモジュール４０は、直列ユニット２６のそれぞれに含まれる太陽電池２２が１個であることを除いては、太陽電池アレイモジュール３０と同様である。太陽電池２２の１つに不具合が生じても、失われる電力は不具合のある太陽電池２２を含んでいる直列ユニット２６の電力に限られるという点で、太陽電池モジュール４０は最適である。

最適な太陽電池モジュールでは、電力損失は非常に小さい。

一般に、従来の太陽電池２２の電圧レベルは比較的低い（約０．５Ｖ）。入力電圧がこのレベルであれば、たとえば太陽電池モジュール用電力変換装置４４の出力が２５０Ｗであるとすると、入力電流は非常に高くなるが（５００Ａを超える）、電力変換装置４４の効率はそのような電流レベルを供給できるほど高くない。したがって、電力変換装置４４に対して供給される入力電圧をより高くする必要があり、またそのような高い電圧の供給ができれば好都合であると言える。

本開示の全体にわたって、本文および関連する図面を使用して本発明が説明されることに留意されたい。等式は、当業者への助けとなることを見込んで含まれているに過ぎず、本発明を何らかの方法で制限するものと見なされるべきでない。当業者によって他の様々な等式が使用されてもよい。

したがって、太陽電池アレイモジュール内の１以上のシリコン太陽電池に不具合が生じても、該モジュールによって生み出される電力の最大化を促進するような太陽光発電のための装置、システム、および方法を保有することが必要であり、また保有できれば好都合であると言える。

導入として述べると、本発明の主要な目的として、１以上の太陽電池アレイモジュール含む太陽電池アレイシステムを提供することが挙げられる。太陽電池アレイモジュールはそれぞれ、複数の太陽電池を含む。群を成す太陽電池は電気的に直列に接続されて直列ユニットを形成する。電池の直列ユニットは複数存在し、それらが電気的に並列に接続されて電池のアレイを形成するが、該アレイに置いては、すべての太陽電池が電気的に相互に接続されて、太陽電池の十字ネットワークを形成している。すなわち、複数の直列ユニットがさらに直列に相互接続されて直列ユニットストリングを形成してもよく、この場合直列ユニットストリングもまた電気的に並列に相互接続されて、太陽電池の十字マトリクスアレイを形成している。

本発明は、すべての太陽電池が電気的に相互に接続され、十字構造を成すことによって太陽電池のネットワークを形成している太陽電池アレイモジュールを提供することを含む。太陽電池アレイモジュールはそれぞれ電力変換装置を含み、該電力変換装置は太陽電池アレイの出口と電気的に接続されており、入力電圧レベルを変換してパネルの出力部では著しく高い出力電圧レベルとすることが要求される。

該電力変換装置は、大きな入力電流を容易に処理することができる。そのような大電流は、低電圧で大きな電力を供給するために必要とされる。たとえば、２５０Ｗの電力変換装置において入力電圧が２Ｖ、効率が９５％であれば、必要な入力電流は１３２Ａである。

特定の太陽電池に光が当たらなければ、太陽電池アレイモジュール全体の電力は不具合のある電池の分だけ低下することとなる。直列ユニットストリング内の残りの電池はすべて、生成する電力を太陽電池アレイモジュールに供給し続ける。太陽電池アレイモジュール全体の電力は、次式（４）によって計算することができる。

式中、
Ｐｏｕｔ：１以上の太陽電池に不具合があるときに太陽電池アレイモジュールが生み出す総電力を表す。
Ｐｍａｘ：太陽電池がすべて機能している場合に太陽電池アレイモジュールが生み出す最大電力である。
ｘ：１つの直列ユニット内の太陽電池の数である。
ｎ：不具合のある直列ユニットの数である。
ｍ：太陽電池アレイモジュール内の太陽電池の数である。
η：電力変換装置の効率である。

本発明の教示するところによれば、所定の動作電力レベルおよび所定の動作電圧レベルを要求する所望の用途に適した動作電力を供給するための太陽光発電システムが提供される。該システムは１以上の太陽電池アレイモジュールを含み、該１以上の太陽電池アレイモジュールはそれぞれ、複数の太陽電池と高効率直流／直流電力変換装置とを含む。

あらかじめ設定した数の太陽電池が電気的に直列に接続され、直列ユニットストリングを形成する。該直列ユニットストリングは、第１の出力電圧レベルを容易に生成するが、該第１の出力電圧レベルは、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすには不十分である。また、あらかじめ設定した数の直列ユニットストリングが電気的に並列に接続され、太陽電池のアレイを形成する。該太陽電池のアレイは、第１の出力電力レベルを容易に生成する。

前記直列ユニットストリングのそれぞれにおいて選択された少なくとも１つの太陽電池が、さらに直列ユニットストリング間で互いに電気的に並列に接続されて太陽電池の十字マトリクスアレイを形成しており、該太陽電池十字マトリクスアレイによって、電流が不具合のある電池を回避することが可能になり、その結果、システムのパフォーマンスが向上する。

前記高効率直流／直流電力変換装置は、太陽電池の十字マトリクスアレイと電気的に接続されている。該電力変換装置は、第１の出力電圧レベルを、第１の出力電圧レベルよりも高い第２の出力電圧レベルまで上げるよう構成されている。好ましくは、第２の出力電圧レベルは、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすのに実質上十分なレベルである。

前記直列ユニットストリングのそれぞれにおけるすべての太陽電池がさらに直列ユニットストリング間で互いに電気的に並列に接続され、太陽電池の十字マトリクスアレイを形成していることが好ましい。

好ましくは、直列ユニットストリングはそれぞれ、電気的に直列に接続された同数の太陽電池から成る。

好ましくは、前記電力変換装置は、変圧器の一次コイルの両端を交互に直流電源に接続するための高速ＭＯＳＦＥＴトランジスタを含む。該高速ＭＯＳＦＥＴトランジスタの動作時のデューティーサイクルは一定しており、ほぼ５０％である。

あらかじめ設定した数の太陽電池アレイモジュールが電気的に直列に接続され、太陽電池アレイモジュールストリングを形成していてもよい。該太陽電池アレイモジュールストリングは第３の出力電圧レベルを生成するが、該第３の出力電圧レベルは、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たす上で実質的に十分なレベルである。あらかじめ設定した数の太陽電池アレイモジュールストリングが電気的に並列に接続され、太陽電池アレイモジュールのアレイを形成していてもよい。該太陽電池アレイモジュールのアレイは第３の出力電力レベルを生成するが、該第３の出力電力レベルは、所望の用途における動作電力レベル要求を満たす上で実質的に十分なレベルである。

前記電力変換装置は平面変圧器を含んでもよく、該変圧器は、２つの開口窓部が自体の両端部に形成されている強磁性コア、一次コイル、二次コイル、入力側コイルリード部、および出力側コイルリード部を含む。この電力変換装置は、入力用プリント基板と出力用プリント基板とをさらに含む。入力用プリント基板には受け穴が形成され、これによって入力側コイルリード部との直接的な電気的接続が容易になされる。出力用プリント基板にも受け穴が形成され、これによって出力側コイルリード部との直接的な電気的接続が容易になされる。入力用プリント基板および出力用プリント基板は、それぞれ強磁性コアの開口窓部に配置される。これによって、一次コイルから入力用プリント基板までの配線および二次コイルから出力用プリント基板までの配線の長さを、それぞれ最小にできる。

前記電力変換装置は正の導電性パッドおよび負の導電性パッドを含んでいてもよく、各直列ユニットストリングはそれぞれ別個に、正の導電性パッドおよび負の導電性パッドに接続される。

前記太陽電池アレイモジュールはそれぞれ、前記直流／直流電力変換装置を起動するための、低電力の第２の太陽電池アレイをさらに含んでいてもよい。

本発明の太陽光発電システムは１以上の太陽電池アレイモジュールを含んでいてもよく、該１以上の太陽電池アレイモジュールはそれぞれ、複数の太陽電池、高効率直流／直流電力変換装置、および起動装置を含む。あらかじめ設定した数の太陽電池が電気的に直列に接続され、直列ユニットストリングを形成する。該直列ユニットストリングは、第１の出力電圧レベルを容易に生成するが、該第１の出力電圧レベルは、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすには不十分である。また、あらかじめ設定した数の直列ユニットストリングが電気的に並列に接続され、太陽電池のアレイを形成する。該太陽電池のアレイは、第１の出力電力レベルを容易に生成する。

さらにまた、この太陽光発電システムでは、あらかじめ設定した数の太陽電池が電気的に直列に接続されて直列ユニットストリングを形成し、該直列ユニットストリングが第１の出力電圧レベルを容易に生成し、また、あらかじめ設定した数の直列ユニットストリングが電気的に並列に接続されて太陽電池のアレイを形成し、該太陽電池のアレイが第１の出力電力レベルを容易に生成する。さらにまた、この太陽光発電システムでは、高効率直流／直流電力変換装置が太陽電池のアレイと電気的に接続されており、該電力変換装置は、第１の出力電圧レベルを、第１の出力電圧レベルよりも高い第２の出力電圧レベルまで上げるよう構成されている。前記第１の出力電圧レベルは、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすには不十分であり、前記太陽電池アレイモジュールはそれぞれ、直流／直流電力変換装置を起動するための、低電力の第２の太陽電池アレイを含んでいる。

これらの実施形態およびさらなる実施形態は、以下の詳細な説明および実施例から明らかになるであろう。

本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面により完全に理解されることとなるが、それらは説明および例示のみを目的としたものであり、いかなる形においても本発明を限定するものではない。

（従来技術） 電気的に直列に接続されて直列ユニットを形成している複数個の電池を備えた従来の太陽電池モジュールを示す略ブロック図である。直列ユニットはそれぞれバイパスダイオードによって保護され、直列ユニット同士が相互に直列に接続されて直列ユニットストリングを形成していてもよく、各モジュールは直列ダイオードによって保護されている。 （従来技術） 直列ダイオードにおける電圧降下を含む、モジュールの両端の電圧を示す略ブロック図である。 （従来技術） 本発明の実施形態による、電気的に並列に接続された複数の直列ユニットを含む太陽電池アレイシステムを示す略ブロック図である。 （従来技術） 図３の最適な太陽電池アレイシステムを示す略ブロック図であり、直列ユニットはそれぞれ１つの太陽電池を含み、直列ユニット同士が電気的に並列に接続されている。 太陽電池アレイモジュールを示す略ブロック図である。本発明の実施形態により、電池は電気的に相互に接続されて十字マトリクス構造を成し、その結果電流は、不具合のある太陽電池を回避して流れる。 また別の太陽電池アレイモジュールを示す略ブロック図である。本発明の実施形態により、電池は電気的に相互に接続されてまた別の代表的な十字マトリクス構造を成している。 図２のような太陽電池アレイモジュールを示す略ブロック図である。本発明の実施形態により、太陽電池アレイモジュールは、変換装置を起動するための第２の太陽電池アレイをさらに含む。 太陽電池アレイモジュールを示す略ブロック図である。本発明の実施形態及び変形形態により、太陽電池アレイモジュールは、変換装置を起動するための第２の太陽電池アレイをさらに含む。 本発明の実施形態による、図４のような太陽電池アレイモジュールを複数個含む太陽電池アレイシステムを示す略ブロック図である。 本発明の実施形態による、様々な太陽電池アレイモジュールを含む太陽電池アレイシステムを示す略ブロック図である。 （従来技術） プッシュプル式トポロジー設計を使用した直流／直流電力変換装置を示す電気回路図である。 出力側コイルを備えず、電気的に十字マトリクスアレイ状に接続された太陽電池を使用する太陽電池アレイモジュールと併用される直流／直流電力変換装置を示す電気回路図である。 従来の電力変換装置のスイッチングタイムを示す図である。 電気的に直列および／または並列に接続された太陽電池を使用する太陽電池アレイモジュールと併用される電力変換装置のスイッチングタイムを示す図である。 本発明の実施形態による、直流／直流電力変換装置の構造の斜視図である。 太陽電池アレイモジュールの略ブロック図であり、複数の直列ユニットストリングは、共通の導線によって、直流／直流電力変換装置の各パッドにそれぞれ電気的に接続されている。 太陽電池アレイモジュールの略ブロック図であり、各直列ユニットストリングはそれぞれ別個に、直流／直流電力変換装置の２つのパッドと電気的に接続されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照しつつ、より詳細に説明する。しかしながら、本発明は様々な別の形態で実施されてもよく、本明細書で説明する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。これらの実施形態はむしろ、本開示を完全なものとし、本発明の請求の範囲を当業者に十分に伝えることを目的として提供される。

他に定義されない限り、本明細書で使用される科学技術用語はすべて、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で提供される方法および実施例は例示に過ぎず、限定を意図するものではない。

導入として述べると、本発明の主要な目的としては、１以上のシリコン太陽電池に不具合のある太陽電池アレイモジュールにおいて生み出される電力の最大化を促進するような、太陽光発電のための装置およびシステムを提供することが挙げられる。

図４を参照すると、これは太陽電池アレイモジュール２００を示す略ブロック図であるが、太陽電池はすべて、本発明の変形形態にしたがって電気的に相互に接続されて十字マトリクス構造を成しており、電流は不具合のある太陽電池を回避して流れる。

太陽電池アレイモジュール２００において、太陽電池２１０はすべて電気的に相互に接続されて十字マトリクス構造を成し、太陽電池２１０のネットワーク２０５を形成している。このように個々の直列ユニット２２２が含む太陽電池２１０はただ１つであるため、太陽電池２１０の１つに不具合が生じても、電力損失は当該太陽電池２１０の１個分にとどまる。太陽電池２１０のアレイに導線２３２を追加することにより、不具合のある電池２１０による損失、すなわちコストおよびモジュール領域の損失が低減される。一般に、太陽電池アレイモジュール２００は、電気的に直列に接続されて直列ユニットストリング２２０を形成する直列ユニット２２２をいくつ含んでもよい。図４の例では、太陽電池アレイモジュール２００は、電気的に直列に接続されて直列ユニットストリング２２０を形成する直列ユニット２２２を４つ含んでいる。電気的に直列に接続された４つの直列ユニット２２２の電圧レベルは、比較的高い（約２Ｖ）。この入力電圧の場合、電力変換装置２５０の入力電流は、電力変換装置４４（図３）の入力電流の４分の１であり、また電力変換装置２５０の効率は、電力変換装置４４の効率よりも高い。

さらに図５を参照すると、これは、本発明の別の変形形態によるまた別の太陽電池アレイモジュール３００を示す略ブロック図である。太陽電池アレイモジュール３００では、太陽電池３１０のアレイにおける太陽電池３１０同士の電気的相互接続性は、コスト削減のために太陽電池アレイモジュール３０（図２参照）と太陽電池アレイモジュール２００との間を取った妥協案となっている。そのため、直列ユニット２６の要素である太陽電池２２の１つに不具合がある場合、モジュールはその電池を含む直列ユニット２６全体の電力を失う。直列ユニット３２２ｂの要素である太陽電池３１０の１つに不具合がある場合、モジュールは直列ユニット３２２ｂ全体の電力を失う。また直列ユニット３２２ａの要素である太陽電池３１０の１つに不具合がある場合、モジュールは不具合のある当該太陽電池３１０の電力を失う。太陽電池アレイモジュール３００は、電気的に直列に接続されて直列ユニットストリング３２０を形成する直列ユニット３２２をいくつ含んでもよい。

提案されるこの解決策（図４および図５）は、一方では電力変換装置（３４、４４、２５０または３５０）の入口における大電流の問題を解決し、他方では不具合のある太陽電池直列ユニット（２６、２２２または３２２）に起因する電力損失の問題を解決する。提案されるこの解決策は、太陽電池アレイモジュール設計における一般的解決策を提供し、かつ柔軟性を与えるものである。選択された用途に適した解決策を提供するために、適切な太陽電池アレイモジュール構造を選択することができる。

たとえば、太陽電池（２１０または３１０）に不具合がある場合（「不具合のある太陽電池」）、不具合のある太陽電池が属する太陽電池直列ユニット（２２２または３２２）は、「不具合のある直列ユニット」となり、不具合のある太陽電池直列ユニット（２２２または３２２）が属する直列ユニットストリング（２２０または３２０）は、「不具合のある直列ユニットストリング」（２２０または３２０）となる。不具合のある直列ユニットストリング（２２０または３２０）に属する他の太陽電池（２１０または３１０）は電力の生成を継続し、それらの電流Ｉ_Σを、電気的に並列に接続された、機能している太陽電池直列ユニットストリング（２２０または３２０）（先に説明した通り、すべて十字マトリクスネットワーク状に電気的に接続されている）を通じて出力することができる。電気的に並列に接続された、機能している太陽電池直列ユニットストリング（２２、２２０、または３２０）を流れる電流Ｉ_Σの一部が、電流Ｉ_ｕである：

式中、
ｍ：太陽電池アレイモジュール内の太陽電池の数である。
ｘ：直列ユニットストリング内の太陽電池の数である。
ｎ：不具合のある直列ユニットストリングの数である。

太陽電池アレイモジュール３００、たとえば、６０個の太陽電池３１０が１５列の直列ユニットストリング３２０を成すよう配置されている２５０Ｗの太陽電池アレイモジュール３００において、図５に示すように、ある直列ユニット３２２が２個の太陽電池３１０を含み、１５列の直列ユニット３２２が電気的に並列に接続され、別の２つの機能している太陽電池３１０が直列ユニット３２２のそれぞれと直列に接続され、直列ユニット３２２の太陽電池３１０がすべて電気的に相互に接続されて十字マトリクス構造を成すものとする。１つの太陽電池３１０に不具合があると、その電池を含んでいる直列ユニット３２２全体に不具合が生じる。不具合のある直列ユニット３２２と電気的に直列に接続された、残りの２つの機能している太陽電池３１０は、電気的に並列に接続された太陽電池直列ユニットストリング３２０を通じて、生成する電流を供給し続ける。

同様に、太陽電池アレイモジュール２００、たとえば、８０個の太陽電池２１０が２０列の直列ユニットストリング２２０を成すよう配置されている２５０Ｗの太陽電池アレイモジュール２００において、図４に示すように、直列ユニットはそれぞれ太陽電池２１０を１個含み、２０列の直列ユニット２２２が電気的に並列および直列に接続され、直列ユニット２２２の太陽電池２１０がすべて電気的に相互に接続されて十字マトリクス構造を成すものとする。１つの太陽電池２１０に不具合がある場合、その電池を含んでいる１つの直列ユニット２２２に不具合が生じ、不具合のある直列ユニットストリング２２０に属する残りの太陽電池２１０は、電気的に並列に接続された太陽電池２１０を通じて、生成する電流を供給し続ける。

本発明の任意の一態様においては、太陽電池アレイモジュール（２００または３００）の電力変換装置（２５０または３５０）のコントローラー（２５２または３５２）を作動させるために必要とされる高電圧を供給するための、起動装置（２４０または３４０）が提供される。起動装置は、電力変換装置（２５０または３５０）のコントローラー（２５２または３５２）用の電源電圧を生成するために必要とされる。起動装置（２４０または３４０）は面積の小さい低電力太陽電池（２４５または３４５）を複数個含み、これらが電気的に直列に接続されて、少なくとも１つの太陽電池ストリング（２４２または３４２）を形成する。部分的な日射遮蔽による影響を低減するために、数個の起動装置（２４０または３４０）をモジュール（２００または３００）内に分散させて配置してもよい。起動装置のすべてが電気的に並列に接続されていてもよい。起動装置（２４０または３４０）のアレイは、電力変換装置（２５０または３５０）と電気的に接続される。太陽電池アレイモジュール（２００または３００）および／または電力変換装置（２５０または３５０）の仕様によって、１つの太陽電池ストリングに含まれる電池の数が変化し得ることに留意されたい。

電気的に直列に接続された６０個の太陽電池２２を有する従来の太陽電池モジュールにおいて、それぞれ６個の太陽電池に対して１つのバイパスダイオード２５が電気的に並列に接続され、ユニットストリングを形成している。ここで、従来の太陽電池モジュールを、太陽電池の数は等しいが個々の電池が図５に示すようなネットワーク状に相互接続されている本発明の太陽電池モジュールと比較する。いずれのモジュールも、２５０Ｗの電力を生成するよう設計されている。

太陽電池アレイモジュール４００を示す略ブロック図である図６を参照する。これは、図２に示した太陽電池アレイモジュール３０と似ているが、太陽電池アレイモジュール４００は、本発明の実施形態により、変換装置４５０を起動するための起動装置４４０をさらに含む。起動装置４４０は、太陽電池４４５で構成される第２のアレイ４４２を含む。また、太陽電池アレイモジュール５００を示す略ブロック図である図７を参照すると、これは、図３に示した太陽電池アレイモジュール４０と似ているが、太陽電池アレイモジュール５００は、本発明の実施形態により、変換装置５５０を起動するための起動装置５４０をさらに含む。起動装置５４０は、太陽電池５４５で構成される第２のアレイ５４２を含む。起動装置は、電力変換装置（４５０または５５０）のコントローラー（４５２または５５２）用の電源電圧を生成するために必要とされる。

本発明の一態様においては、複数の太陽電池アレイモジュールから構成される、発電のための太陽電池アレイシステムが提供される。図８を参照すると、これは本発明の実施形態による、太陽電池アレイモジュール２００を複数個（この例では４個）含む太陽電池アレイシステム６００を示すブロック図である。太陽電池アレイモジュール２００は、それぞれのモジュールに配置された電力変換装置２５０を通じて電気的に直列に接続され、太陽電池アレイモジュールストリング６２０を形成する。太陽電池アレイシステム６００によって生成する電圧は、太陽電池アレイモジュールストリング６２０の各電力変換装置２５０によって供給される電圧の和である。

太陽電池アレイシステム６００は、同様の太陽電池アレイモジュールストリング６２０の１以上をさらに含み、これらのストリングは電気的に並列に接続され（６３０）、該システムに設けられた唯一の電圧出力（ＤＣ Ｖｏｕｔ）を通じて所望の総電力を供給する。

システム６００の出力電圧（ＤＣ Ｖｏｕｔ）は、これを交流出力に変換するよう構成されたインバータ６５０に供給されてもよく、該インバータは好ましくは公共の配電網と電気的に接続される。

さらに図９を参照すると、これは本発明の実施形態による、複数個（この例では４個）の様々な太陽電池アレイモジュール（２００、３００、４００および４８０）を含む太陽電池アレイシステム７００を示すブロック図である。太陽電池アレイモジュール２００、３００、４００、４８０、およびこれらとは別の構成の太陽電池アレイモジュール７４０は、それぞれのモジュール（２００、３００、４００、４８０および７４０）に配置された電力変換装置（２５０、３５０、４５０および５５０）を通じて電気的に直列に接続され、太陽電池アレイモジュールストリング７２０を形成する。太陽電池アレイシステム７００によって生成する電圧は、太陽電池アレイモジュールストリング７２０の各電力変換装置（２５０、３５０、４５０および５５０）によって供給される電圧の和である。

太陽電池アレイシステム７００は、同様の太陽電池アレイモジュールストリング７２０の1以上をさらに含み、これらのストリングは電気的に並列に接続され（７３０）、該システムに設けられた唯一の電圧出力（ＤＣ Ｖｏｕｔ）を通じて所望の総電力を供給する。

システム７００の出力電圧（ＤＣ Ｖｏｕｔ）は、これを交流出力に変換するよう構成されたインバータ７５０に供給されてもよく、該インバータは好ましくは公共の配電網と電気的に接続される。

次いで図１０を参照する。これは、従来技術で知られた、プッシュプル式トポロジーを使用した直流／直流電力変換装置の一例を示す電気回路図６０である。スイッチングトランジスタ７６、７２は、変圧器６２の一次コイルの両端を、直流電源６６の（−）側に交互に接続する。一方、一次コイルの中心は、直流電源６６の（＋）側に固定して接続されている。トランジスタ７６、７２は、それぞれ入力制御電圧７８、７４によって作動し、ＯＮまたはＯＦＦの状態へと切り替わる。

図１１は、本発明による直流／直流プッシュプル式電力変換装置の電気回路図８００を詳細に示すものである。出力側コイル６４（図１０参照）はもはや必要ではないため、図から除かれている。入力コンデンサ８６８は、より小さな値のものでもよく、あるいはまったく使用しなくてもよい。出力コンデンサ８６５は、より小さな値のものでもよく、あるいはまったく使用しなくてもよい。

図１２Ａは、従来のプッシュプル式電力変換装置６０のスイチッング時間を詳細に示す図であり、時間７３５に対するＭＯＳＦＥＴトランジスタ７６および７２の制御電圧を示している。従来技術においては、これらのパルスのデューティーサイクルは５０％を大幅に下回り、また一定でない。すなわち、ＯＮ状態の時間７３２は、周期時間７３１の半分よりも顕著に短い。ＭＯＳＦＥＴトランジスタは例として示されているに過ぎず、用途に適したものであれば他の種類のトランジスタを本発明の範囲内で使用してもよいことに留意されたい。

これらの波形では回路にリップルが生じるため、入力コンデンサ６８、出力コイル６４および出力コンデンサ６５は比較的大きな値のものが必要となる。そのような大きな値の部品は、実装にコストがかかり、また、かさ高くなる。大電流用の定格を有する入力コンデンサ６８は、非常に高価であり得る。

さらに、コンデンサ６８および６５における大電流ならびに大型コイル６４の抵抗によって著しい抵抗損が生じ、変換装置の効率を低下させることになる。したがって、この従来技術の電力変換装置は、高価でかさ高い上、低効率であるかもしれない。

本発明の目的は、太陽電池アレイモジュールおよび太陽電池アレイシステムにおける太陽電池アレイの十字マトリクスと併用される、高効率かつ低コストの電力変換装置である革新的な電力変換装置を提供することである（たとえば図４、５、８、９を参照のこと）。

図１２Ｂは、電力変換装置８００のスイチッング時間を詳細に示す図であり、時間７３５に対するＭＯＳＦＥＴトランジスタ８７６および８７２の制御電圧を示している。

図１２ＢのＭＯＳＦＥＴトランジスタでは、ＯＮ時間７４１はほぼ５０％である。図１２ＢのＭＯＳＦＥＴトランジスタでは、ＯＦＦ時間７４２もまたほぼ５０％である。このように、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ８７６および８７２の動作デューティーサイクルは一定であり、５０％をわずかに下回る程度（ほぼ５０％）である。ここで、デューティーサイクルは以下のように定義される。

２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタ８７６および８７２が同時に通電することを防ぐために、１つのＭＯＳＦＥＴトランジスタがＯＮからＯＦＦへと切り替わるスイチッングタイムと、もう１つのＭＯＳＦＥＴトランジスタがＯＦＦからＯＮへと切り替わるスイッチングタイムとの間に「デッド」タイム７４３が設けられているが、これはＯＮ時間やＯＦＦ時間の期間と比べると非常に短い。「デッド」タイム７４４についても同じことが言える。図において、電力変換装置８００は変圧器８６２を通じて電流を流すが、この電流が中断されるのは、非常に短い「デッド」タイム区間である７４３および７４４に限られる。この電力変換装置は、直流／直流変圧器とほぼ同様に機能し、小さな入力電圧を高い出力電圧に変換する。このように、「デッド」タイム区間である７４３および７４４による中断が非常に短いことから、電力変換装置の入出力回路におけるリップルは大幅に低減される。入力コンデンサ８６８、出力コイル８６４、および出力コンデンサ８６５は大幅に値の小さなものに変えてもよく、また完全に省いてもよい。そうすることにより、電力変換装置のコスト、重量、大きさを抑え、かつ効率を上げることができる。

図１３は、本発明の変形形態による、平面変圧器９００を有する直流／直流電力変換器の構造を詳細に示す図である。変圧器９００は強磁性コア９１０、コイル、入力側コイルリード部９１２、および出力側コイルリード部（変圧器９００の下側、図示せず）を含む。強磁性コア９１０は、自体の両端部に形成されている２つの開口窓部を含む。

一次コイルまでの回路構造のみを詳細に説明するが、これは、ここでの電圧が低く、大電流が流れるからである。二次コイルでは電圧が高いために電流が低く、そのため、配線における損失はかなり少ない。

変圧器の一次コイルリード部９１２は入力用プリント基板９２０に、変圧器の二次コイルリード部は出力用プリント基板９３０に、それぞれ接続される。必要に応じた配線を行うために、入力用プリント基板９２０には、入力コイルリード部９１２との電気的な直接接続を容易に達成するための受け穴９２２、および直列ユニットストリングの線１０１０用の穴９２４が形成されている。出力用プリント基板９３０には出力コイルリード部（図示せず）用の受け穴９３２および電力変換装置の出力線９５４用の穴がある。

入力用プリント基板９２０および出力用プリント基板９３０は、それぞれ窓部９６２および９６４において、平面変圧器９００と密接して配置されている。

入出力スイッチング回路は、２枚の小さなプリント基板９２０および９３０に分配され、各基板は、強磁性コア９１０の両端部にそれぞれ形成された開口部に近接して取り付けられる。したがって、変圧器の一次コイルのリード部９１２および二次コイルのリード部は、可能な最短の経路で直接スイッチング回路に到達することになる。この構造により、配線の長さおよび電力変換装置の寸法を最小にできる。

構造９００により、配線における銅損が低減され、電力変換装置の効率が改善される。電流はすべて、プリント基板９２０および９３０を流れる。これらの基板は抵抗が非常に小さくなるように設計されている。変圧器９１０において、入力用プリント基板９２０と一次コイルとの間で必要とされる配線は非常に短く、また出力用プリント基板９３０と二次コイルとの間で必要とされる配線も非常に短い。

さらに、スイッチング用の配線を短くすることにより、スイッチング用入出力電気回路において無線周波数干渉（ＲＦＩ）の起こるループの領域が狭まり、無線周波数干渉が軽減される。

プリント基板９２０および９３０は、アースされたシールド面を有する多層プリント基板（ＰＣＢ）として実装されることが好ましい。これはさらに、電磁放射の回避に寄与する。さらに、変圧器は、たとえばフェライト等で作られた強磁性構造体に収容される。これもまた電磁放射の回避に寄与し、かつ環境に対する無線周波数干渉の回避に寄与する。この構造は、ファラデーエンクロージャとして機能する。こうして「環境にやさしい」製品が達成される。

図１４は、太陽電池２１０から変換器のパッド９２０および９３０までの通常の電気的接続を説明するものである。図１４は太陽電池アレイモジュール２０２の略ブロック図であり、複数の直列ユニットの太陽電池ストリング２２０は、共通の導線２０４および２０６によって、直流／直流電力変換装置のパッド９２０および９３０にそれぞれ電気的に接続されている。

低電圧の太陽電池に関して起こり得る問題として、直列ユニットストリング２２０から直流／直流電力変換装置２５０までの配線における抵抗損がある。たとえば、２５０Ｗの太陽電池アレイモジュールが６０個の太陽電池２１０を有し、４つの太陽電池２１０が電気的に直列に接続されて直列ユニットストリング２２０を形成し、さらに直列ユニットストリング２２０が電気的に並列に相互接続された、各々４つの太陽電池を含む直列ユニットストリング２２０を１５列有する十字マトリクスを形成しているものと仮定する（たとえば図１４参照）。このような構成における電力変換装置２５０への入力電圧は約２Ｖであり（太陽電池２１０はそれぞれ約０．５Ｖを生成し、４つの太陽電池が直列に接続されている）、電力変換装置２５０への総入力電流は、電力変換装置２５０の効率によれば、１２５Ａを越えることとなる。

太陽電池２１０（約８．３Ａ）の直列ユニットストリング２２０の１本が生成する電流に、並列になった直列ユニットストリング２２０の数である１５を掛けると、直列ユニットストリング２２０から電力変換装置２５０までの線２０４および２０６に流れる総電流が計算できる。このように、総電流は、１２５Ａという値を超えることもある。

たとえば、太陽電池アレイモジュールの幅が約０．９ｍであるとする。従来の実施形態において、厚さ１ｍｍ、幅１０ｍｍの銅線２０４および２０６を使用する場合、これらの線での抵抗損は約２６．５Ｗである。これは、２５０Ｗの電力変換装置としては１０．６％の損失であり、許容し難い値である。

より厚い線を使用すると、抵抗損は減少する。たとえば、横断面が１５ｍｍ×１０ｍｍの線２０４および２０６を使用する場合、抵抗損は約１．８Ｗとなる。

この値はさほど大きくはないが、厚い線２０４および２０６には柔軟性がなく、その寸法、重量およびコストも許容し難い大きな値となる。

図１５は、本発明による、太陽電池から電力変換器のパッドまでの電気的接続を説明するものである。図１５は太陽電池アレイモジュール１０００の略ブロック図であり、複数の直列ユニットストリング２２０はそれぞれ別個に、直流／直流電力変換装置の２つのパッド９２０および９３０と電気的に接続されている。本発明の開示の全体にわたって、ストリングは、複数個の太陽電池が直列に接続されたものと定義される。また、直列ユニットストリング２２０は、複数個の太陽電池２１０が電気的に直列に接続されると同時に、隣接した直列ユニットストリング２２０内の太陽電池２１０とも並列にそれぞれ電気的に接続されたものと定義される。本実施例において、直列ユニットストリング２２０はそれぞれ４つの太陽電池を含む。

この太陽電池アレイモジュールは、複数個の直列ユニットストリング２２０と１個の直流／直流電力変換器２５０を含む。各直列ユニットストリング２２０の（＋）側は、電力変換装置の（＋）のパッド９２０と電気的に接続されている。電力変換装置２５０の（＋）のパッド９２０は面積の広いパッドとして実装され、銅損を低減するために電力変換装置２５０の入力に近接して取り付けられる。各直列ユニットストリング２２０の（−）側は、電力変換装置２５０の（−）のパッド９３０と電気的に接続されるが、該パッドもまた面積の広いパッドとして実装され、銅損を低減するために電力変換装置２５０の入力に近接して取り付けられる。

上記の実施例において、太陽電池アレイモジュールのマトリクスアレイ１０００（たとえば２５０Ｗ）は、１５列の直列ユニットストリング２２０を含み、各直列ユニットストリングを流れる電流は約８．３Ａとなる。我々の実施例では、各直列ユニットストリング２２０を通る最大電流は、太陽電池２１０のそれぞれが生成できる約８．３Ａである。これは比較的低電流であり、結果として銅損も低減される（従来の太陽電池アレイと比較して低減されている）。大電流が流れるのは、いずれも面積の広い、電力変換装置２５０の（＋）のパッド９２０と（−）のパッド９３０とに限られる。パッド９２０および９３０に到達する電流は、すべての直列ユニットストリング２２０が生成した電流の和となる。本実施例において、総電流は約１２５Ａであってもよい。

太陽電池アレイモジュール１０００において、各直列ユニットストリング２２０はそれぞれ別個に、いずれも面積の広い、電力変換装置２５０の（＋）のパッド９２０と（−）のパッド９３０に対し、電気的に接続される。この抵抗損は約２．３Ｗ、すなわち総出力電力２５０Ｗの０．９２％となる。このような損失低減は、別個の線１０１０を用いることによって線における抵抗損を低減するという革新的な配線スキームにより達成される。本実施例の太陽電池アレイモジュール１０００において提示される配線スキームは、同種の線を用いた従来技術の配線と比較して、抵抗損を実質的に低減させる。
＊従来の配線スキーム：
抵抗損＝２１．２５％
＊本発明の新規な配線スキーム：
抵抗損＝０．９２％

したがって本発明の新規な配線スキームは、比較的薄い線（たとえば、厚さ１ｍｍ、幅１０ｍｍ）を用いながら、抵抗損を顕著に低減させる。

本発明をいくつかの実施形態および実施例に関して説明してきたが、本発明が多くの方法で多様に変更されてもよいことは理解されるであろう。そのような変更は本発明の精神および範囲から逸脱するものではなく、また、当業者に自明の修正も、本発明において想定されるものである。

Claims (14)

1. 所定の動作電力レベルおよび所定の動作電圧レベルを要求する所望の用途に適した動作電力を供給するための太陽光発電システムであって、
   該システムが１以上の太陽電池アレイモジュールを含み、該１以上の太陽電池アレイモジュールがそれぞれ、
   ａ）あらかじめ設定した数の太陽電池が電気的に直列に接続されて直列ユニットストリングを形成し、該直列ユニットストリングが第１の出力電圧レベルを生成すること、あらかじめ設定した数の直列ユニットストリングが電気的に並列に接続されて太陽電池のアレイを形成し、該太陽電池のアレイが第１の出力電力レベルを生成すること、前記直列ユニットストリングのそれぞれにおいて選択された少なくとも１つの太陽電池が、さらに直列ユニットストリング間で互いに電気的に並列に接続されて太陽電池の十字マトリクスアレイを形成していること、
   および
   前記太陽電池の十字マトリクスアレイによって、電流が不具合のある電池を回避することが可能となること
   を特徴とする複数の太陽電池、
   ならびに
   ｂ）前記太陽電池の十字マトリクスアレイと電気的に接続され、第１の出力電圧レベルを、第１の出力電圧レベルよりも高い第２の出力電圧レベルまで上げるよう構成されている直流／直流電力変換装置を含み、
   前記第１の出力電圧レベルが、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすには不十分である太陽光発電システムにおいて、
   前記直流／直流電力変換装置が、変圧器の一次コイルの両端を交互に直流電源に接続するための高速トランジスタを含み、該高速トランジスタの動作時のデューティーサイクルが一定しており、オンからオフへと切り替わるスイッチングタイムと、オフからオンへと切り替わるスイッチングタイムとの間に、複数の高速トランジスタが同時に通電されることを防ぐためのデッドタイムを有することを特徴とする、太陽光発電システム。
2. 前記直列ユニットストリングのそれぞれにおけるすべての太陽電池がさらに直列ユニットストリング間で互いに電気的に並列に接続され、太陽電池の十字マトリクスアレイを形成していることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の出力電圧レベルが、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすのに実質上十分なレベルであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 直列ユニットストリングのそれぞれが、電気的に直列に接続された同数の太陽電池から成ることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記トランジスタがＭＯＳＦＥＴトランジスタであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. あらかじめ設定した数の太陽電池アレイモジュールが電気的に直列に接続されて太陽電池アレイモジュールストリングを形成し、該太陽電池アレイモジュールストリングが第３の出力電圧レベルを生成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 第３の出力電圧レベルが、所望の用途における動作電圧レベル要求を満たすのに実質上十分なレベルであることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. あらかじめ設定した数の太陽電池アレイモジュールストリングが電気的に並列に接続されて太陽電池アレイモジュールのアレイを形成し、該太陽電池アレイモジュールのアレイが第３の出力電力レベルを生成することを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
9. 前記第３の出力電力レベルが、所望の用途における動作電力レベル要求を満たすのに実質上十分なレベルであることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 前記電力変換装置が
    ａ）i）自体の両端部に２つの開口窓部が形成されている強磁性コア、
    ii）一次コイル、
    iii）二次コイル、
    iv）入力コイルリード部、
    および
    v）出力コイルリード部；
    を含む平面変圧器、
    ｂ）自体に受け穴が形成されており、これによって入力コイルリード部との電気的な直接接続が達成される入力用プリント基板、
    ならびに
    ｃ）自体に受け穴が形成されており、これによって出力コイルリード部との電気的な直接接続が達成される出力用プリント基板
    を含み、
    入力用プリント基板および出力用プリント基板がそれぞれ強磁性コアの開口窓部に配置され、これによって、一次コイルから入力用プリント基板までの配線および二次コイルから出力用プリント基板までの配線の長さを、それぞれ最小にできることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
11. 前記太陽電池アレイモジュールがそれぞれ、直流／直流電力変換装置を起動するために使用される出力電圧を生成する第２の太陽電池アレイをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
12. 前記電力変換装置が正の導電性パッドおよび負の導電性パッドを含み、各直列ユニットストリングがそれぞれ別個に、正の導電性パッドおよび負の導電性パッドに接続されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
13. 直流／直流電力変換装置が出力コイルを有しないことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
14. 直流／直流電力変換装置は入力コンデンサおよび出力コンデンサの少なくともどちらかを有しないことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

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