JP4985795B2

JP4985795B2 - 太陽光発電装置及び太陽光発電システム

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Publication number: JP4985795B2
Application number: JP2010018765A
Authority: JP
Inventors: 伸二佐藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: TWI456866B; JP2011159715A; CN102163938A; CN102163938B; TW201145763A

Description

本発明は、太陽電池を直列に接続した太陽光発電装置及び太陽光発電システムに関する。

太陽光発電装置は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するもので、ＣＯ2を発生しないクリーンエネルギーとして注目されている。
太陽電池の単位セル（太陽電池素子）あたりの発生電圧は１Ｖ以下と低いため、複数の太陽電池素子を直列に接続したブロックを直並列に接続する。

直列に接続された太陽電池素子の一部が影に隠れると、その太陽電池素子は発電できないだけでなく、高抵抗となる。この場合には、直列に接続された太陽電池素子の全ての発電エネルギーの回収効率が低下する。

このため、太陽電池素子（単セル）又は数セルに対して並列にダイオードを接続し、発電エネルギーを高抵抗となる太陽電池素子から迂回させ、全体の発電エネルギーの回収効率を改善している。

図４は従来の太陽光発電装置の一例を示す回路構成図である（特許文献１）。図４に示す太陽光発電装置は、３つの太陽電池素子１が直列に接続された直列回路とこの直列回路の両端に並列に接続されたダイオード２（迂回ダイオード）とにより太陽電池ブロック３を構成している。

この太陽電池ブロック３を直列に接続して構成された太陽光発電装置４は、負荷５に対して電力を供給する。負荷５は、蓄電池又は系統連係インバータなどにより構成され、発電されたエネルギーの蓄積や交流系統に回生する。

また、図５に示すように、太陽光発電装置４−１〜４−ｎをダイオード６−１〜６−ｎを介して負荷５に並列に接続することにより、図４に示す太陽光発電装置よりもさらに高出力を得ることもできる。

特開昭５６−６９８７１号公報

しかしながら、３つの太陽電池素子１の直列回路に並列にダイオード２を接続する図４に示す太陽光発電装置では、ダイオード２の電圧降下による発熱が大きく、この発熱がシステム全体の効率を低下させていた。

また、太陽光発電装置４−１〜４−ｎを並列に接続する図５に示す太陽光発電装置では、ダイオード２のバイパスする数によって、それぞれの太陽光発電装置の発電電圧にばらつきが生ずる。

この場合、最大発電電圧を発生する太陽光発電装置によって、最小発電電圧の太陽光発電装置の出力電力が低下し、太陽光発電システム全体の発電効率が低下していた。

本発明は、迂回ダイオードによる損失を低減させるとともに、システム全体の発電効率を向上することができる太陽光発電装置及び太陽光発電システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、直列に接続された１以上の太陽電池素子と前記１以上の太陽電池素子に並列に接続されるとともに太陽光が照射されているときにオフし且つ前記太陽光が照射されているときにオンする半導体スイッチとから構成される複合素子を、複数個直列に接続してなり、前記半導体スイッチは、ノーマリオン型のスイッチからなり、前記半導体スイッチのゲート−ソース間に第２太陽電池素子を接続してなることを特徴とする。

本発明によれば、１以上の太陽電池素子に並列に接続された半導体スイッチは、太陽光が照射されているときにオフし、太陽光が照射されていないときにオンするので、半導体スイッチのオン電圧は、迂回ダイオードの順方向電圧Ｖｆよりも電圧降下が小さいため、１以上の太陽電池素子をバイパスする際の損失を低減できる。

実施例１の太陽光発電装置を示す回路構成図である。実施例１の太陽光発電装置の半導体スイッチの特性と従来のダイオードの特性とを示す図である。実施例２の太陽光発電システムを示す回路構成図である。従来の太陽光発電装置の一例を示す回路構成図である。従来の太陽光発電システムの他の一例を示す回路構成図である。

以下、本発明の太陽光発電装置及び太陽光発電システムの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は実施例１の太陽光発電装置を示す回路構成図である。図１に示す実施例１の太陽光発電装置４ａは、３つの太陽電池素子１が直列に接続された直列回路と、この直列回路の両端にドレイン−ソースが接続された半導体スイッチ７と、半導体スイッチ７のゲートとソースとの間に接続された太陽電池素子１ａとにより太陽電池ブロック３ａを構成し、太陽電池ブロック３ａを複数個直列に接続して構成されている。

半導体スイッチ７は、窒化ガリウム（ＧａＮ），炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体からなるノーマリオン型のスイッチからなり、太陽光が照射されているときにオフし、太陽光が照射されていないときにオンする。

なお、ＧａＮ，ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体の代わりに、ＧａＮによる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）を用いても良い。

次に、このように構成された実施例１の太陽光発電装置の動作を説明する。太陽光が太陽電池素子１に照射されていないときには、太陽電池素子１に電圧が発生し、半導体スイッチ７のゲート−ソース間は、略零であるので、半導体スイッチ７はオンする。

一方、太陽光が太陽電池素子１に照射されたときには、半導体スイッチ７のゲート−ソース間に陰極電圧が印加されるため、半導体スイッチ７はオフになる。このため、太陽電池素子１の発電電力が出力される。

このように実施例１の太陽光発電装置によれば、半導体スイッチ７は、太陽光が照射されているときにオフし、太陽光が照射されていないときにオンするので、図２に示すように、半導体スイッチ７のオン電圧Ｖｏｎ７は、迂回ダイオード２の順方向電圧Ｖｆ２よりも電圧降下が小さいため、１以上の太陽電池素子１をバイパスする際の損失を低減できる。

また、半導体スイッチ７をオフさせるために、ゲート電圧をマイナス電位にするのみで、ゲート駆動損失を発生せず、太陽光発電時の効率を低下させない。

即ち、ダイオード２を使用していた従来の太陽光発電装置に比較して、半導体スイッチ７によるバイパス回路の抵抗が小さいため、太陽電池素子１が日陰などで隠れたときでも、太陽光発電システム全体に与える影響は少ない。

図３は実施例２の太陽光発電システムを示す回路構成図である。図３に示す太陽光発電システムは、太陽光発電装置４ａ−１〜４ａ−４をダイオード６−１〜６−４を介して負荷５に並列に接続することにより構成されている。なお、太陽光発電装置の並列数は４個に限定されるものではない。

太陽光発電装置４ａ−１〜４ａ−４の各々は、３つの太陽電池素子１が直列に接続された直列回路と、この直列回路の両端にドレイン−ソースが接続された半導体スイッチ７と、半導体スイッチ７のゲートとソースとの間に接続された太陽電池素子１ａとにより太陽電池ブロック３ａ−１〜３ａ−４を構成し、太陽電池ブロック３ａ−１〜３ａ−４を複数個直列に接続して構成されている。

太陽光発電装置４ａ−１〜４ａ−４の各々には、直列に電流検出抵抗８−１〜８−４（検出部）が接続されている。電流検出抵抗８−１〜８−４で検出された電流信号は制御回路１０に入力される。

なお、太陽光発電装置４ａ−１〜４ａ−４に流れる電流を検出する代わりに、太陽光発電装置４ａ−１〜４ａ−４の電圧を検出しても良い。
実施例２では、制御回路１０に最も近い太陽電池ブロック３ａ−１〜３ａ−４内の半導体スイッチ７−１〜７−４のゲートとソースとは制御回路１０に接続されている。

制御回路１０は、複数の電流検出抵抗８−１〜８−４から複数の電流を入力して比較し、複数の電流値に基づいて、複数の電流値の内の最も小さい電流値を除く残りの電流値に対応する太陽光発電装置内の半導体スイッチ７のゲートとソースとの間に制御信号を印加することにより、その半導体スイッチ７をオンさせる。

又は、制御回路１０は、太陽発電装置４ａ−１〜４ａ−４の電圧を入力して比較し、複数の電圧値に基づいて、複数の電圧値の内の最も小さい電圧値を除く残りの電圧値に対応する太陽光発電装置内の半導体スイッチ７のゲートとソースとの間に制御信号を印加することにより、その半導体スイッチ７をオンさせる。

次に、このように構成された実施例２の太陽光発電システムの動作を説明する。

まず、複数の電流検出抵抗８−１〜８−４により複数の太陽光発電装置４a−１〜４ａ−４に流れる電流が検出され、これらの電流は制御回路１０に入力される。

制御回路１０は、複数の電流検出抵抗８−１〜８−４からの複数の電流値に基づいて、複数の電流値の内の最も小さい電流値、例えば電流検出抵抗８−１を流れる最も小さい電流値を除く残りの各電流値に対応する太陽光発電装置３ａ−２〜３ａ−４内の半導体スイッチ７−２〜７−４のゲートとソースとの間に制御信号を印加することにより、ゲートとソースとの間を略零にして、その半導体スイッチ７−２〜７−４をオンさせる。このため、太陽光発電装置３ａ−２〜３ａ−４の電圧が太陽光発電装置３ａ−１の電圧に揃うように近づけられる。

即ち、各太陽光発電装置４a−１〜４ａ−４の発電量を比較し、発電量の多い太陽光発電装置の一部の太陽電池ブロックを短絡し、端子電圧を低下させる。太陽光発電装置の端子電圧を低下させることにより、各ライン電圧を揃えて発電電圧の低い太陽光発電装置からの発電量を得ることで、発電電圧の低い太陽光発電装置以外の発電量の低下分を差し引いても、発電電圧の低い太陽光発電装置のラインからの発電量の方が上回る条件において半導体スイッチ７をオンさせることで、太陽光発電システム全体の発電効率を向上することができる。
なお、本発明は実施例１及び実施例２の太陽光発電装置及び太陽光発電システムに限定されるものではない。例えば、半導体スイッチ７のゲートとソースとの間にコンデンサや抵抗を挿入して、半導体スイッチ７のオン・オフに対する時定数やしきい値を調整することもできる。

本発明は、蓄電池、インバータなどに適用可能である。

１，１ａ太陽電池素子
２ダイオード
３，３ａ，３ａ−１〜３ａ−４太陽電池ブロック
４，４ａ，４−１〜４−ｎ太陽光発電装置
５負荷
６−１〜６−ｎダイオード
７，７−１〜７−４ノーマリオン型のスイッチ
８−１〜８−４電流検出抵抗
１０制御回路

Claims

直列に接続された１以上の太陽電池素子と前記１以上の太陽電池素子に並列に接続されるとともに太陽光が照射されているときにオフし且つ前記太陽光が照射されていないときにオンする半導体スイッチとから構成される複合素子を、複数個直列に接続してなり、
前記半導体スイッチは、ノーマリオン型のスイッチからなり、前記半導体スイッチのゲート−ソース間に第２太陽電池素子を接続してなることを特徴とする太陽光発電装置。
請求項１記載の太陽光発電装置が複数並列に接続された並列回路と、
前記複数の太陽光発電装置に対応して設けられ、前記複数の太陽光発電装置の電流又は電圧を検出して複数の検出信号を出力する複数の検出部と、
前記複数の検出部からの複数の検出信号に基づき、前記複数の太陽光発電装置の内の１以上の前記半導体スイッチをオンさせる制御回路と、
を備えることを特徴とする太陽光発電システム。