JP2004179637A - 太陽電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高度な専門知識を持たない人でも、太陽電池モジュール交換を安全かつ簡単にできるようにする。
【解決手段】 太陽電池セル、バイパスダイオード、電気出力接続部、および耐候性外囲体を有した太陽電池モジュールにおいて、バイパスダイオード定格電流値と太陽電池の公称短絡電流値に基づいて定められた電気的な互換性を示す手段として、所定の位置に所定の大きさの連結用の突起部１ａおよび孔部１ｂを設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モジュール交換の安全性および作業性の改善を図った太陽電池モジュールに関する。

住宅用太陽光発電システムの実用化が急速に進展し、多数の太陽光発電システムが市場で運転されるようになった。このように数が増えてくるにつれ、市場での故障の絶対件数も増加する傾向にあり、太陽電池モジュールの交換作業が必要になる事例も増えてきた。

太陽電池モジュール交換のための技術として、特許文献１では、グループ単位でセルを交換する方法が開示されている。

また、特許文献２では、電流定格の異なるモジュールの設置についての記述がある。

特開２００２−２２２９７８号公報 特開２０００−３０７１４４号公報

太陽光発電システムには、部分影対策として、バイパスダイオードが装備されることが多い。バイパスダイオードは太陽電池セルの短絡電流相当に耐えらるように設計されている。しかしながら、太陽電池セルの電流定格の異なるモジュールが交換用に選ばれた場合、電流定格の小さい太陽電池モジュールのバイパスダイオードに、電流定格の大きな太陽電池モジュールの電流が流れ込み過熱を引き起こすこともありうる。このような事態を防ぐためにはバイパスダイオード特性および太陽電池セルの発電特性を踏まえたモジュール互換性の検討が必要で、これは非常に面倒であり、現場の工事業者等では事実上ほぼ不可能である。

本発明は、上記のような現状を打破するために為されたものであって、高度な専門知識を持たない人でも、太陽電池モジュール交換を安全かつ簡単にできるようにすることを目的としている。

上記目的を解決するために、本発明は、少なくとも、一つ以上の太陽電池セル、一つ以上のバイパスダイオード、電気出力接続部、および耐候性外囲体を有した太陽電池モジュールであって、バイパスダイオード定格電流値と太陽電池の公称短絡電流値に基づいて定められた電気的な互換性を示す部材あるいは部位を具備していることを特徴とする太陽電池モジュールなる構成を採る。

本発明の太陽電池モジュールにおいては、前記電気的な互換性を示す部材または部位は互換性ランクまたは互換性コードを示すものであり、該互換性ランクまたは互換性コードは、それに属するすべての太陽電池モジュールのバイパスダイオードが、該互換性ランクまたは互換性コード内で最大の公称短絡電流値を有する太陽電池モジュールが必要とする最低限のバイパスダイオード定格電流値以上の定格電流値を有するように定められたものであることが好ましい。
また、前記電気的な互換性を示す部材または部位は、前記電気出力接続部および／または前記耐候性外囲体に設けることが好ましい。

本発明の太陽電池モジュールによれば、太陽電池セルの公称短絡電流値とバイパスダイオード定格電流値に基づいて定められた電気的な互換性を示す手段（部材あるいは部位）を有することにより、モジュールの電気的な互換性が合致する、すなわち交換しても不都合の生じないモジュールを容易に選べるようになり、現場での互換性確認作業が著しく簡単にできる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明を適用した太陽電池モジュールの一例を示すものである。本発明の太陽電池モジュールは、一般的には、太陽電池セルおよびバイパスダイオードを外囲体中に耐候性樹脂で封止した構造を持つ。以下、本発明の各構成要件について説明する。

［太陽電池セル］
太陽電池セルの種類は結晶シリコンやアモルファスシリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜など公知公用物で問題は無く、本発明の実施にあたって何ら制限事項は無い。重要なのは、その公称短絡電流値であり、これに基づいて後述する互換性ランクコードを決めることになる。ここで言う公称短絡電流値としては、一般的に、ＡＭ１．５、１００ｍＶ／ｃｍ²、２５℃の条件下での値を用いることができる。また、公称短絡電流と最適動作電流は概ね比例関係にあるので、本発明の実施にあたって最適動作電流を指標として選ぶことも不可能では無い。

［バイパスダイオード］
バイパスダイオードは、太陽電池セルと並列に接続されたダイオードであって、セル遮光時に他のセルからの発電電流をバイパスするために用いられる。その動作や必要数量については『電気学会 太陽電池調査専門委員会編 太陽電池ハンドブック』等の公知資料に開示されているので、ここでは詳解しない。ダイオードの種別としては、シリコンのＰＮ接合ダイオードやショットキーダイオードが使用される。本発明で重要なのは、このバイパスダイオードの定格電流値であって、この値に基づいて後述する互換性ランクコードを決める一要素になる。ここで言う定格電流値としては、カタログ上の絶対最大定格電流、もしくは温度上昇を考慮した安全係数を前記絶対最大定格電流に乗じたもの等を利用することができ、要するに「ダイオードに通電可能な電流値」と捉えればよい。

［外囲体］
外囲体は太陽電池セルを外気や水分から守り、太陽電池モジュールに堅牢性を持たせるためのものである。ごく一般的な構成は、太陽電池ハンドブック『電気学会 太陽電池調査専門委員会編 太陽電池ハンドブック』等の公知資料に開示されているが、耐候性樹脂、裏面用金属ラミネートシート、アルミフレームから構成される。また、特開２０００−２５２５１０号公報等で開示されている建材一体型と呼ばれるものでは、アルミフレームや裏面シートの代わりに金属屋根材上に太陽電池セルを置き耐候性樹脂で封止したような構成となっている。本発明の実施にあたって、格別な要求事項は無い。

［電気出力接続部］
太陽電池モジュール内部で太陽電池セルは直列接続され、その出力を電気出力接続部から出力する。この部分はケーブル５とコネクタ４、あるいはジャンクションボックスで構成されることが多く、昨今は接続作業の簡便性のためにケーブルとコネクタを使用するタイプが好んで用いられる。

［互換性を表示するためのランク分けコード］
本発明の中核を為す概念が、電気的な互換性を表すランクである。互換性ランクの表示方法は文字・突起物・色など種々のものが考えられ、無線ＩＤチップのようなものに記憶させても良い。肝要なのは、太陽電池モジュールの外部から何らかの方法で互換性ランクを知り得るように構成することである。具体的な互換性ランクコードの振り方を図４を用いて説明する。

図４において、縦軸には太陽電池の公称短絡電流値、横軸はバイパスダイオードの定格電流値を示している。直線２００は、ある公称短絡電流値を有する太陽電池モジュールに対して用いるために、最低限必要とされるバイパスダイオードの定格電流値を表す直線である。１０１から１０４で表される長方形領域が、それぞれ一区分の互換性ランクを表している。１０１から１０４までの長方形領域は、左上の頂点を直線２００上、あるいは、直線２００を超えない近傍に有しており、それぞれの長方形には重なりが無い。このような状態でランク分けすれば、常に「短絡電流（最悪条件）に対してバイパスダイオードの定格電流が大きくなる」という条件が満足でき、上記に従って、本発明の目的である「適正なモジュールへの交換作業」が可能になる。長方形領域の大きさは適宜決めれば良いが、長方形領域の右下部は短絡電流が小さいのにバイパスダイオード定格電流が大きいという条件なのでコスト的には不利であり、この観点からは直線２００の近傍に沿って互換性ランク領域を配置した図４のような形態が望ましい。

直線２００は原則的には原点を通る直線であり、短絡電流に対するバイパスダイオード定格電流の比を一定に保つものである。太陽電池モジュールに関するＩＥＥＥ１２６２−１９９５（ＩＥＥＥ Ｒｅｃｏｍｍｎｅｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（ＰＶ） Ｍｏｄｕｌｅｓ）によれば、バイパスダイオードは短絡電流の１．２５倍の電流に耐えることとされており、これに合わせるならば、公称短絡電流に対するバイパスダイオード定格電流の比は１．２５以上とすれば良く、直線２００はそのような起こり得る最悪条件に合致したものにすれば良い。

上記のような長方形領域を互換性ランクとすることは実用上は便利であるが、本発明の本質的な要件としては、その互換性ランクに属するすべての太陽電池モジュールのバイパスダイオードが、該ランク内で最大の公称短絡電流を有する太陽電池モジュールが必要とする最低限のバイパスダイオード定格電流値以上の定格電流値を有することである。図４を用いて図形的に表現すれば、長方形領域の左辺より右かつ上辺より下に広がった領域ということである。この条件を満足すれば、例えば図５のように３０１から３０３で表される台形領域にしてもよいし、同一定格電流のバイパスダイオードに対してランクが重ならないような分け方でもよく、全く領域が重ならないように領域間に隙間をあけて島のようにランクを設定することも差し支えない。

これは、他の言い方で言い換えるならば、「上記領域内に含まれるモジュールのバイパスダイオード定格電流と公称短絡電流値を上記領域の左上隅の値と見なす」ことと同義である。その観点から言えば、互換性コードは、より具体的には、モジュール公称短絡電流値とバイパスダイオード定格電流値の特定の組み合わせに対して、１対１で対応するものと考えて差し支えない。また太陽電池モジュールの短絡電流は、最大出力や最適動作電流に概略比例するから、それらの値を短絡電流の代わりにランク分けパラメータとして利用することも可能である。しかしながら、その技術的意味は上述したように、あくまで短絡電流とバイパスダイオード定格電流との関係であることに注意を払う必要がある。

本発明では、電気的な互換性を示す手段（部材あるいは部位）として、上記のようにして決定された互換性ランクまたは互換性コードを利用するのが好ましい。この互換性ランクの利用形態には、例えばランクの異なるモジュール同士では形状互換性を無くしたものと、色分けをするなどして視認性を付与したものの２種類のカテゴリに分けられる。

本発明においては、上記の電気的な互換性を示す手段は、電気出力接続部および／または耐候性外囲体に設けることが好ましい。これにより、太陽電池モジュール交換時に高度な専門知識を持たない人でも容易に電気的な互換性の有無を確認することができ、太陽電池モジュール交換を安全かつ簡単に行えるようになる。

尚、上述した互換性ランクまたは互換性コードを利用する方式は、本発明者により独自に考案されたもので、太陽電池の種別や製造メーカーを超えても成り立ち、本方式を採用すれば事実上どのような太陽電池であっても互換性の確保ができるものである。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例の太陽電池モジュールは、互換性ランクの異なるモジュール間で外囲体の形状互換性を無くしたタイプである。本実施例に係る太陽電池モジュールの一例を図１に示した。

図１に示す太陽電池モジュール２は、いわゆるスーパーストレート方式のものであって、太陽電池セルが耐候性樹脂によって表面防護ガラスと裏面積層シート間に封止されており、周囲を金属フレーム３で保護して堅牢性を持たせてある。

本発明の実施にあたっては、金属フレーム３上にボルト・ナットによる突起１ａおよび突起をはめ込む孔部１ｂを付与し、突起１ａおよび孔部１ｂの位置と互換性ランクコードを対応させるようにした。

なお、本実施例では、互換性ランクコードを以下のように割り当てた。これは図４のような形態である。
１．バイパスダイオード定格電流６Ａ（６Ａ以上９Ａ未満）、公称短絡電流５Ａ（３．６Ａを超えて５Ａ以下）に対して互換性ランクコード「Ａ」
２．バイパスダイオード定格電流８Ａ（８Ａ以上１１Ａ未満）、公称短絡電流６．４Ａ（５Ａを超えて６．４Ａ以下）に対して互換性ランクコード「Ｂ」
３．バイパスダイオード定格電流１０Ａ（１０Ａ以上１３Ａ未満）、公称短絡電流８Ａ（６．４Ａを超えて８Ａ以下）に対して互換性ランクコード「Ｃ」

このように、互換性コードは、バイパスダイオード電流値と公称短絡電流値の特定の組み合わせに対してただひとつ与えられるものであり、その区切り方は任意である。そして、それらの値に「見なせる」ようなモジュール群を、ひとつの領域として扱うものであって、そうすることで完全にモジュール直列時の互換性を維持することができる。

領域外のモジュール、たとえば上記でバイパスダイオード定格電流が７Ａかつ公称短絡電流が５．６Ａのモジュールは、上記ＡにもＢにも分類されない。このようなモジュールはいわゆる「規格外」であって、本実施例でのモジュール群とは、直列接続における安全性は保障されないことになる。本発明の効果を享受するためにはバイパスダイオードを８Ａ以上のものを採用し、互換性ランクコードＢに入れるか、あるいはランクコードの分け方を再配分し、もっと細かく設定することが必要になる。

互換領域は広すぎると、短絡電流に対して、相対的に大容量のバイパスダイオード定格が必要になり、モジュールコスト増の要因となる。また、狭すぎると、結局のところ互換性のあるモジュールが細分化されてしまい、利便性が落ちる。そのため、実用上は、上記のように数Ａ程度のきざみで、互換性コードを決めることが望ましいと考えられる。

図６に、図１の太陽電池モジュールを組み合わせて作った太陽電池アレイを示す（ケーブル５とコネクタ４は不図示）。突起１ａと孔部１ｂがはめ込みされることで、隙間無くアレイが組み立てられる。突起位置が違っていると嵌め込みができないので、専門知識の無い人間でも互換性の無さに気づくことができる。なお、この例は、一例であり、フレーム上のどの位置にどのような形状の突起および孔部をどれくらいの数量もうけるか等については、本発明の意図・目的に反しない限り種々の変更が可能である。肝要なのは、「互換性ランク」と対応させた位置や大きさの加工をモジュールに施すことであり、これによって誰にでも互換性を認識させることが可能になるのである。これに対して図７に示した従来の太陽電池モジュールでは、互換性に関する部材が装備されていないので、誤った交換作業の実施される恐れがあった。

［実施例２］
本実施例の太陽電池モジュールは、互換性ランクコードに対応した形状をコネクタに付与したタイプである。本実施例に係る太陽電池モジュールの一例を図２に示した。互換性ランクコードの付与は前実施例と同様とした。

図２に示す太陽電池モジュール２は、オス型コネクタ４１には互換性ランクに対応した形状の突起１１ａ、メス型コネクタ４２には互換性ランクに対応した形状の孔部１１ｂを設けてある。こうすることで、電気接続時に、コネクタの嵌合の可否で互換性ランクを認識することが可能である。太陽電池用コネクタ内部構造の詳細は、特開平１１−３２９５４９号公報等で開示されており、また本発明の本質とは無関係なので、ここでは詳述しない。

［実施例３］
本実施例は、互換性ランクコードに基づく視認性を太陽電池モジュールに付与したものである。本実施例に係る太陽電池モジュールの一例を図３に示した。互換性ランクコードの付与は前実施例と同様とした。

図３に示す太陽電池モジュール２には、ケーブル部に互換性ランクに対応した色をもたせたタグ１２を付与してある。このタグ１２の色は任意であり、上述のランクごとに赤・黒・黄・青などの色を適宜決めればよい。また、タグの材料や付与する位置には制限は無い。最近よく用いられるようになった無線ＩＤチップなども使用可能であるが、認識の簡単さという点では色等による直接表示のほうが本発明の実施には適している。尚、互換性コードに基づく視認性を付与するための、この他の実施形態として、例えばケーブルやコネクタへの刻印などでもよく、文字や記号による種別も可能である。文字の場合には、ランクに対応したアルファベット等を１文字で表現して、周知の定格表示ラベル等に記載すればよい。

本実施例のような互換性コードに基づく視認性の付与は、先の実施例のような形状変更と併せて実施すれば、さらにわかりやすく、互換性を維持した太陽電池モジュールの交換作業を極めて効率良く行うことが可能である。

本発明の太陽電池モジュールの一例を示す模式図である。 本発明の太陽電池モジュールの別の例を示す模式図である。 本発明の太陽電池モジュールの更に別の例を示す模式図である。 本発明に利用される互換性ランク領域の一例を説明する図である。 本発明に利用される互換性ランク領域の別の例を説明する図である。 本発明の太陽電池モジュールを用いて構成した太陽電池アレイの例である。 従来の太陽電池モジュールの例である。

符号の説明

１ａ，１１ａ 突起部
１ｂ，１１ｂ 孔部
２ 太陽電池モジュール
３ 金属フレーム
４，４１，４２ 接続コネクタ
５ ケーブル
１２ 表示タグ
１０１〜１０４、３０１〜３０３ 単一の互換性ランクを表す領域
２００ 太陽電池の公称短絡電流とバイパスダイオード定格電流の限界を表す線

Claims (3)

1. 少なくとも、一つ以上の太陽電池セル、一つ以上のバイパスダイオード、電気出力接続部、および耐候性外囲体を有した太陽電池モジュールであって、バイパスダイオード定格電流値と太陽電池の公称短絡電流値に基づいて定められた電気的な互換性を示す部材あるいは部位を具備していることを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記電気的な互換性を示す部材または部位は互換性ランクまたは互換性コードを示すものであり、該互換性ランクまたは互換性コードは、それに属するすべての太陽電池モジュールのバイパスダイオードが、該互換性ランクまたは互換性コード内で最大の公称短絡電流値を有する太陽電池モジュールが必要とする最低限のバイパスダイオード定格電流値以上の定格電流値を有するように定められたものであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記電気的な互換性を示す部材または部位が、前記電気出力接続部および／または前記耐候性外囲体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。

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