JP2013131658A - 太陽電池および太陽光発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 まず、温度と日射量が基準状態における太陽電池の短絡電流、開放電圧のデータのみを用いて、所定の逆方向飽和電流値と前記所定の逆方向飽和電流の式を構成するパラメータ値を基準として、前記太陽電池の性能を示す接合定数とキャリアの不純物濃度を算出し、次に、算出したパラメータを用いて開放電圧と逆方向飽和電流の温度係数を求め、それらによって得られた値から所定の温度における短絡電流、開放電圧、最大電力動作点を算出する。
【選択図】 図3
Description
I=Isc・p-Is1・{exp(q(V+Rs・I)/(n1・k・T))}―(V+Rs・I)/Rsh…(1)
日射強度Ea(1kW/m2)、常温(Ta=298K)におけるIa:出力電流[A]、Va:出力電圧 [V]、Isca:短絡電流[A]、Rsa:直流抵抗[Ω]と短絡電流の温度係数α[A/℃]、開放電圧の温度係数β[V/℃]、曲線補正因子Kを用いて、日射強度Eb、温度TbにおけるIb:出力電流[A]とVb:出力電圧[V]は、式(2)、式(3)を用いて算出することができる。
Ib=Ia+Isca・(Eb/Ea-1)+α・(Tb-Ta)…(2)
Vb=Va+β・(Tb-Ta)-Rsa・(Ib-Ia)-K・Ib・(Tb-Ta)…(3)
特許文献1では、日射エネルギーが1kW/m2のときの各温度における発電量を求める場合、まず、日射エネルギーを1kW/m2とし、太陽電池温度を25℃として電流‐電圧特性を求め、次に、発電量補正部において、温度により上記発電電流を補正する補正式である式(2)と式(3)を用いて、25℃の電流‐電圧特性における発電電流と電圧を、温度に対応して補正している。
感度の高い順に従ってフィッティングを行うことでパラメータの値を確定する。
Is1=K1・T3・exp{−(Ego1/(n1・k・T))}…(4)
モデリングしたい太陽電池モジュールの日射強度Ea(1kW/m2)、常温(Ta = 298K)における短絡電流Isc、開放電圧Voc、動作電圧Vop、動作電流Iopを入力し、演算S400において、Is1、K1、n1の算出S401とフィッティングS402a、シャント抵抗の算出S402bを行う。これにより、基準状態における太陽電池モジュールのパラメータが確定する。
式(4)を用いS401において、Is1、K1、n1の算出を行う。リファレンスとなる正常な(結晶シリコンの)逆方向飽和電流:Is0を構成する各パラメータの値を基準値とし、求めたいモジュールの逆方向飽和電流:Is1を算出する。リファレンスとなる正常な(結晶シリコンの)逆方向飽和電流:Is0をK0:不純物濃度、Ego:バンドギャップ[eV]、T:太陽電池素子絶対温度[K]、k:ボルツマン定数[J/K]、n0:接合定数のパラメータを用い、式(5)のように表す。
Is0=K0・T3・exp{−(Ego/(n0・k・Ta))}…(5)
式(4)と式(5)からIs1を算出すると、
Is1=(K1/K0)・Is0・exp{Ego1/(n1・k・Ta)}/exp{Ego/(n0・k・Ta)}…(6)
ここで、リファレンスとして、Is0:1.68×10−5[A]、K0:0.1、Ego:1.205[eV]、n0:1.8と定める。また、Ta=298Kであり、k:1.3806503×10-23である。Ego1は、モデリングの対象がシリコン結晶系の場合、1.205[eV] を用い、CISの場合、1.15〜1.20[eV] を用いる。
n1=q−(Voc/Ncell)/(k・Ta)・{1/ln(Isc/Is1)}…(7)
式(7)により求まったn1をさらに式(6)に代入しIs1を求める。ここで算出されたn1とIs1を式(8)に代入して開放電圧Voc1を求める。
Voc1=((n1・k・Ta)/q)・ln(Isc/Is1)…(8)
S401の最後に、算出した開放電圧:Voc1と検査シートのVocを比較し、Voc1>Vocであれば、K1=K1+0.0001とし、それ以外であれば、K1=K1−0.0001として、キャリアの不純物濃度を調整する。
∂Voc/∂T=((n1・k)/q)・ln(Isc/Is1)−((k・T)/(q・Is1))・(∂Is1)/(∂T)
=Voc/T−((k・T)/(q・Is1))・(∂Is1)/(∂T)…(9)
ここで、式(4)を変形して、
∂Is1/∂T=3・K1・T2・exp(−(Ego1/k・T))+((K1・T・Ego1)/k)exp(−(Ego1/k・T))=(3/T+Ego1/(k・T2))・Is1…(10)
より、Is1:逆方向飽和電流の温度特性が求まる。式(10)を式(9)に代入すると、式(11)に示すような開放電圧の温度特性が求まる。
∂Voc/∂T=(Voc/T)−(1/T)・((3・n1・k・T)/q+(Ego1/q))…(11)
以上より、デバイス毎の開放電圧の温度係数β[V/℃]を求めることができる。この温度係数を用いることで、S502において、暴露条件である温度TbにおけるVoc[Tb] 、Is[Tb]、Isc[Tb]、Vop[Tb]、Iop[Tb]を算出する。
ここで、常温におけるIscとIsc[Tb]との比率を求めることによって、デバイス毎の短絡電流の温度係数α[A/℃]を求めることができる。
Vop=((n1・k・T)/q)・ln((Isc-Iop)/Is1)…(13)
式(8)と式(13)よりIs1を消去すると、
(Vop−Voc)/T=((n1・k)/q)・ln((Isc-Iop)/Isc)…(14)
Tbに関しても同様に求めて、
(Vop[Tb]‐Voc[Tb]) / Tb = ((n1・k) / q) ・ln ((Isc[Tb]-Iop[Tb])/Isc[Tb])…(15)
ここで非特許文献“Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques” Esram Trishan、 IEEE Transactions on Energy Conversion Vol.11、 No2、 pp.439-449、 2007の中において、日射量や温度といった環境が変動した場合においても、Iop≒j・Isc(j:定数)の関係が成り立つと記載されているので、
((n1・k) / q) ・ln ((Isc-Iop)/Isc) =((n1・k) / q)・ln ((Isc[Tb]-Iop[Tb])/Isc[Tb])…(16)
が成り立ち、Vopの温度変化の式が以下の通り算出されることとなる。
Vop[Tb]=((Vop−Voc)/(T))・Tb+Voc[b])…(17)
つまり、S502における演算は、Isc[Tb]の算出には式(12)を、Vop[Tb]の算出には式(17)を、Iop[Tb]の算出には、Iop≒j・Iscで求まる定数jをIsc[Tb]にかけることを行う。
Vop_N=((n1・k・Tb)/q)・ln((Isc・Eb[N]−Iop[N])/Is1(Tb))…(18)
Vop_N+1=((n1・k・Tb)/q)・ln((Isc・Eb[N+1]−Iop[N+1])/Is1(Tb))…(19)
(Vop_N+1/Vop_N)={ln(Isc・Eb[N+1]−Iop[N+1])−ln(Is1(Tb))}/{ln(Isc・Eb[N]−Iop[N]) -ln( Is1(Tb))} (20)
ここで、電圧検出部3によって検出されたVop[N+1]とVop[N]の比と式(20)を比較することによって、MPPT制御がきちんと行われているか監視することが可能となる。
Tz={V’op−Voc}・298−{((3・n・k・298)/q+(Ego/q))−Voc}・Ncell・298
T’=Tz/{(Vop−Voc}−{((3・n・k・298)/q+(Ego/q))−Voc}・Ncell…(21)
この演算により、暴露サイトの温度が判明するので、式(10)(11)と式(12)より、アレイとしての日射強度1.0kW/m2、温度T’における短絡電流が求まるので、この値で、短絡電流I’scを割ることによって、実際の日射量p’が求まる。
Claims (14)
- 温度と日射量が基準状態における太陽電池の短絡電流、開放電圧のデータを用いて、所定の逆方向飽和電流値および前記所定の逆方向飽和電流の式を構成するパラメータ値を基準として、前記太陽電池の性能を示す接合定数と前記太陽電池のキャリアの不純物濃度を算出することを特徴とする太陽電池。
- 前記接合定数を用いて算出される第2の逆方向飽和電流と、前記接合定数を第2の逆方向飽和電流を用いて算出される第2の開放電圧と前記開放電圧を比較し、前記キャリアの不純物濃度の値を確定することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記所定の逆方向飽和電流をIs0とし、前記所定の逆方向飽和電流の式を構成するパラメータ値をK0:不純物濃度、Ego:バンドギャップ [eV]、Ta:常温298[K]、k:ボルツマン定数[J/K]、n0:接合定数とし、前記太陽電池について、Is1:逆方向飽和電流、K1:不純物濃度、Ego1:バンドギャップ[eV]、n1:接合定数、Voc1:前記第2の開放電圧とし、前記太陽電池の検査仕様から得られる短絡電流をIsc [A]とした場合、Is1:逆方向飽和電流とn1:接合定数は、下記の2式によって得られ、K1:不純物濃度は、前記太陽電池の検査仕様から得られるVoc:開放電圧と前記第2の開放電圧Voc1を比較しフィッティングを行うことを特徴とする請求項2に記載の太陽電池。
Is1=(K1/K0)・Is0・exp{Ego1/(n1・k・Ta)}/exp{Ego/(n0・k・Ta)}
Voc1=((n1・k・Ta)/q)・ln(Isc/Is1) - 所定の温度におけるIs1:逆方向飽和電流[A]、K1:不純物濃度、n1:接合定数の値を前記2式に適用し、Rs:直流抵抗[Ω]のフィッティングを行うことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池。
- 所定の温度におけるIs1:逆方向飽和電流[A]、K1:不純物濃度、n1:接合定数の値を前記2式に適用し、Rs :直流抵抗[Ω]のフィッティングを行うことを特徴とする請求項3に記載の太陽電池。
- 前記算出されたK1:不純物濃度、n1:接合定数を用いて、開放電圧と逆方向飽和電流の温度係数を算出し、それらによって得られた値から所定の温度における短絡電流、開放電圧、最大電力動作点を算出することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池。
- 前記算出されたK1:不純物濃度、n1:接合定数と、所定の温度におけるIs1:前記算出された短絡電流、開放電圧、最大電力動作点から所定の温度におけるRs :直流抵抗[Ω]、Rsh :シャント抵抗[Ω]を算出することによって得られる所定の温度、所定の日射強度における前記太陽電池の特性と計測により得られる特性の差分を求めることによって、前記太陽電池の光照射効果を定量化することを特徴とする請求項6に記載の太陽電池。
- 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを一つの単位として、複数の前記の太陽電池ストリングを並列接続することによって構成された太陽電池アレイと、
前記太陽電池アレイの動作電圧を制御する電圧制御部と、
前記電圧制御部での制御情報として前記太陽電池アレイの出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記太陽電池アレイの出力電流を検出する電流検出部と、を有し、
請求項1に記載の算出を行うことを特徴とする太陽光発電システム。 - 前記電圧制御部の制御によって前記電圧検出部と前記電流検出部から得られる電力と請求項1に記載の通り算出される最大電力を比較する比較手段を特徴とする請求項8に記載の太陽光発電システム。
- 前記比較手段の結果をもとに、前記電圧制御部によって制御する電圧の値を可変させることを特徴とする請求項9に記載の太陽光発電システム。
- 前記電流検出部から得られる電流と所定の温度におけるIs1:逆方向飽和電流[A]から最大電力の電圧移動比を算出し、前記電圧検出部から得られる電圧比を比較する比較手段を特徴とする請求項8に記載の太陽光発電システム。
- 前記請求項1に記載の通り算出される開放電圧と逆方向飽和電流の温度係数と前記電圧検出部と前記電流検出部から得られる動作電圧と動作電流の値から太陽電池の温度を算出することを特徴とする請求項8に記載の太陽光発電システム。
- 前記算出された温度と開放電圧と逆方向飽和電流の温度係数から日射量が基準状態で前記算出された温度における短絡電流を算出し、前記短絡電流と前記動作電流に定数を掛けた値の比を取ることによって太陽電池に掛かっている日射量を算出することを特徴とする請求項8に記載の太陽光発電システム。
- 前記定数は、温度と日射量が基準状態における太陽電池の短絡電流と最大電力点における動作電流の比であることを特徴とする請求項13に記載の太陽光発電システム。
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