JP2013225579A - 太陽電池の特性評価装置及び太陽電池の特性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の接合容量の影響を排除し、太陽電池の短絡電流を正確に測定することが可能な太陽電池の特性評価装置を提供する。
【解決手段】太陽電池モジュール１１の出力端の間に接続される負荷コンデンサー１４と、負荷コンデンサー１４と直列に接続された主回路スイッチ１５と、主回路スイッチ１５と負荷コンデンサー１４に並列に設けられたバイパススイッチ１６と、太陽電池モジュール１１の出力端の間の電圧を計測する電圧検出器１２と、太陽電池モジュール１１から流れる電流を計測する電流検出器１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の特性評価装置及び太陽電池の特性評価方法に関する。

近年、地球環境問題が注目される中、無尽蔵でクリーンなエネルギーである太陽エネルギーを利用した太陽光発電システムの普及が進んでいる。太陽光発電システムを構成する太陽電池の性能を測る指標として、太陽光を受光した時の電流・電圧特性が一般的に用いられている。例えば特許文献１には、コンデンサーの充電と放電を利用して太陽電池パネルのＩ−Ｖ特性を計測するコンデンサー負荷方式の装置が開示されている。

特開２００７−３１１４８７号公報

太陽電池は、接合容量と寄生容量を有しており、コンデンサーを太陽電池に接続した直後には、この接合容量と寄生容量に起因する電流が流れる。なお、寄生容量は接合容量に比べて小さいため、接続直後の電流の大部分は接合容量に起因するものである。特許文献１に記載された装置では、コンデンサーを太陽電池に接続した直後には、太陽電池の接合容量（及び寄生容量）に起因する電流が流れるため、太陽電池の出力端を短絡させたときに流れる値、すなわち短絡電流Ｉｓｃを正確に測定することができなかった。

そこで、本発明の目的は、太陽電池の接合容量の影響を排除し、太陽電池の短絡電流を正確に測定することが可能な太陽電池の特性評価装置を提供することである。

本発明に係る太陽電池の特性評価装置は、太陽電池の出力端の間に接続される負荷コンデンサーと、前記負荷コンデンサーと直列に接続された主回路スイッチと、前記主回路スイッチと前記負荷コンデンサーに並列に設けられたバイパススイッチと、前記太陽電池の出力端の間の電圧を計測する電圧検出器と、前記太陽電池から流れる電流を計測する電流検出器と、を備えたものである。

また、前記主回路スイッチと前記バイパススイッチに制御信号を供給する処理装置を備え、前記処理装置は、前記主回路スイッチをオフ状態、前記バイパススイッチをオン状態にして前記太陽電池の接合容量に充電された電荷を放電させ、前記バイパススイッチをオンにした状態で前記主回路スイッチをオン状態にし、続いて前記バイパススイッチをオフ状態にし、前記太陽電池から流れる電流で前記負荷コンデンサーを充電することが望ましい。

また、前記電圧検出器により検出される電圧および前記電流検出器により検出される電流をデジタルデータに変換して前記処理装置に供給するアナログ／デジタル変換器を備え、前記処理装置は、前記デジタルデータに変換された電圧および電流の値から、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成することが望ましい。

また、前記負荷コンデンサーと並列に接続された放電回路スイッチを備え、前記処理装置は、前記負荷コンデンサーの充電後、前記放電回路スイッチに制御信号を供給することにより前記放電回路スイッチをオン状態にして前記負荷コンデンサーを放電させる、ことが望ましい。

また、前記処理装置は、前記負荷コンデンサーの放電後、前記主回路スイッチと前記バイパススイッチに制御信号を供給し、再び前記太陽電池の電流−電圧特性の計測を行うよう制御することが望ましい。

本発明に係る太陽電池の特性評価方法は、コンデンサーの充電と放電を利用して太陽電池の電流−電圧特性を計測する太陽電池の特性評価方法であって、前記コンデンサーと直列に接続された主回路スイッチ、および前記主回路スイッチと前記負荷コンデンサーに並列に設けられたバイパススイッチに制御信号を供給することにより、前記主回路スイッチをオフ状態、前記バイパススイッチをオン状態にして前記太陽電池の接合容量に充電された電荷を放電させる工程と、前記バイパススイッチをオンにした状態で前記主回路スイッチをオン状態にし、続いて前記バイパススイッチをオフ状態にし、前記太陽電池から流れる電流で前記コンデンサーを充電する工程と、前記充電に伴って変化する前記太陽電池の出力端の間の電圧および前記太陽電池から流れる電流を検出する工程と、を有するものである。

また、検出された電圧および電流の値から、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成する工程をさらに有することが望ましい。

また、前記負荷コンデンサーの充電後、前記負荷コンデンサーと並列に接続された放電回路スイッチに制御信号を供給することにより、前記放電回路スイッチをオン状態にして前記負荷コンデンサーを放電させる工程を有することが望ましい。

また、前記負荷コンデンサーの放電後、再び前記太陽電池の電流−電圧特性を計測することが望ましい。

本発明によれば、太陽電池の接合容量の影響を排除し、太陽電池の短絡電流を正確に測定することができる。

本発明の実施の形態による、太陽電池の特性評価装置の構成を示す図。 太陽電池の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）について説明する図。 太陽電池の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）について説明する図。 本発明の実施の形態による、太陽電池の特性評価装置の動作のフローチャート。 本発明の実施の形態による、電圧と電流の時間経過に伴う変化を示す図。 本発明の実施の形態の他の例による、太陽電池の特性評価装置の動作のフローチャート。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
実施の形態
図１は、本発明の実施の形態による太陽電池の特性評価装置１０の構成を示す図である。特性評価装置１０は、太陽電池モジュール１１、電圧検出器１２、電流検出器１３、負荷コンデンサー１４、主回路スイッチ１５、バイパススイッチ１６、アナログ／デジタル変換器１７、処理装置１８、放電回路スイッチ２１、抵抗２２を備えている。

太陽電池モジュール１１は、１つ以上の太陽電池を含んでいる。太陽電池には接合容量と寄生容量が含まれるが、寄生容量は接合容量に比べて小さいため、以後、接合容量のみを考慮して説明する。負荷コンデンサー１４は、主回路スイッチ１５と直列に接続され、太陽電池モジュール１１の出力端（＋、−）の間に接続されている。バイパススイッチ１６は、負荷コンデンサー１４と主回路スイッチ１５に並列に設けられている。主回路スイッチ１５およびバイパススイッチ１６はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor）によって構成される。なお、主回路スイッチ１５およびバイパススイッチ１６は、ＩＧＢＴに限られず、ＭＯＳＦＥＴやシリコンカーバイドトランジスタ等、高速のオンオフ操作（導通・非導通動作）が可能で、耐圧が４００〜２０００Ｖ程度のものであれば用いることができる。

放電回路スイッチ２１は、負荷コンデンサー１４と並列に設けられており、抵抗２２は放電回路スイッチ２１と直列に設けられている。放電回路スイッチ２１は、機械式リレーでもよいし、半導体スイッチでもよい。抵抗２２を設けたことにより、放電回路スイッチ２１に一度に大量の電流が流れて放電回路スイッチ２１が破損することを防ぐことができる。

処理装置１８は、ハードウェアとして、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、各種の情報を格納する外部記憶装置、入力インタフェース、出力インタフェース、通信インタフェース及びこれらを結ぶバス等を備えている。処理装置１８は、主回路スイッチ１５とバイパススイッチ１６に制御信号を供給して、スイッチをオン状態またはオフ状態にする。オン状態とはスイッチのソース−ドレイン間が導通状態となることであり、オフ状態とはスイッチのソース−ドレイン間が非導通状態となることである。また、処理装置１８は、電圧検出器１２により検出される電圧および電流検出器１３により検出される電流をアナログ／デジタル変換器１７を介して受信し、メモリや外部記憶装置に格納する。また、受信した電圧および電流の測定値から時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成する機能を有する。
また、処理装置１８は、放電回路スイッチ２１に制御信号を供給してスイッチをオン状態またはオフ状態にする機能を有する。

処理装置１８が制御信号を供給して主回路スイッチ１５を閉じることにより、負荷コンデンサー１４に太陽電池モジュール１１から電流が流れ、負荷コンデンサー１４が充電される。負荷コンデンサー１４の充電に伴って電圧検出器１２により検出される電圧Ｖと、電流検出器１３により検出される電流Ｉを計測することにより、太陽電池モジュール１１の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を計測する。電圧検出器１２により検出される電圧Ｖは太陽電池モジュール１１の出力端の間の電圧であり、電流検出器１３により検出される電流Ｉは、太陽電池モジュール１１から流れる電流である。電圧検出器１２により検出される電圧Ｖおよび電流検出器１３により検出される電流Ｉは、アナログ／デジタル変換器１７においてデジタルデータに変換され、処理装置１８において処理される。

主回路スイッチ１５が閉じられ、負荷コンデンサー１４が太陽電池モジュール１１に接続されると、電圧Ｖは充電とともに上昇する。電圧が開放電圧（Ｖｏｃ）に近づくに従い、太陽電池からの出力電流Ｉは減少し、電圧Ｖの上昇率が低下する。

図２は、太陽電池の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）について説明する図である。太陽電池の特性評価基準の１つであるＩ−Ｖ特性とは、太陽電池に光をあてたときに、太陽電池の出力端から得られる電流と電圧の特性をいう。

図２に示すように、太陽電池の性能を評価する重要なパラメータとしては、短絡電流Ｉｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、最大出力電力Ｐｍａｘ、などがある。短絡電流Ｉｓｃとは、太陽電池の出力端を短絡させたときに流れる電流をいう。この短絡電流Ｉｓｃの値に基づき、その太陽電池がどれだけ電流を流す能力があるかを評価できる。開放電圧Ｖｏｃとは、太陽電池の出力端に負荷を接続しない状態（無負荷状態）にしたときの電圧をいう。この開放電圧Ｖｏｃの値に基づき、その太陽電池がどれだけ電圧を発生する能力があるかを評価できる。最大出力電力Ｐｍａｘは、Ｉ−Ｖ特性の曲線上において電流と電圧の積である電力Ｐを演算し、電力が最大となる点の出力値をいう。

しかし、実際の太陽電池には接合容量があるため、主回路スイッチ１５を閉じた直後には、この接合容量電荷がまず放電される。この接合容量電荷に起因する電流を突入電流という。測定開始時は、突入電流の影響により、測定される電流Ｉが図３のように増大し、正確な短絡電流Ｉｓｃを測定することは困難である。

また、接合容量電荷が負荷コンデンサーに再配分されるため測定開始時の電圧Ｖも上昇し、電圧０Ｖでの測定を行うことが困難である。一般に、短絡電流Ｉｓｃは、外挿法により算出するが、初期電流、初期電圧が接合容量の影響を受けると、外挿法により得られる短絡電流Ｉｓｃの値の精度が低くなる。

そのため、本実施形態では主回路スイッチ１５を閉じて負荷コンデンサー１４を充電する前に、バイパススイッチ１６を閉じて接合容量電荷を放電することにより、突入電流の影響を排除する。

本実施形態による特性評価装置１０の動作について図４のフローチャートを用いて説明する。
特性評価装置１０は、主回路スイッチ１５とバイパススイッチ１６がオフ状態（ソース−ドレイン間が非導通状態）、放電回路スイッチ２１がオン状態（導通状態）で待機している（ステップＳ１０）。放電回路スイッチ２１がオン状態なので、負荷コンデンサー１４は放電した状態となっている。

特性評価装置１０は、ステップＳ１０の状態で測定開始指示を受けると、処理装置１８が、放電回路スイッチ２１、主回路スイッチ１５、およびバイパススイッチ１６に制御信号を供給することにより、放電回路スイッチ２１をオフ状態（非導通状態）、主回路スイッチ１５をオフ状態（ソース−ドレイン間が非導通状態）とし、バイパススイッチ１６をオン状態（ソース−ドレイン間が導通状態）にする。これにより、太陽電池モジュール１１の接合容量に起因する電流（突入電流）がバイパス回路（負荷コンデンサー１４を通らない回路）に流れる（ステップＳ１１）。

次に、処理装置１８が主回路スイッチ１５とバイパススイッチ１６に制御信号を供給することにより、バイパススイッチ１６をオンにしたままの状態で主回路スイッチ１５をオン状態とし（ステップＳ１２）、続いてバイパススイッチ１６をオフ状態とする（ステップＳ１３）。これにより、主回路に太陽電池モジュール１１から電流が流れ、負荷コンデンサー１４が充電される。

電圧検出器１２および電流検出器１３は、負荷コンデンサー１４の充電に伴って変化する電圧Ｖおよび電流Ｉを検出し、アナログ／デジタル変換器１７に供給する（ステップＳ１４）。アナログ／デジタル変換器１７は電圧Ｖおよび電流Ｉをデジタルデータに変換し、処理装置１８に供給する（ステップＳ１５）。

処理装置１８は、受信した電圧および電流のデジタルデータをメモリや外部記憶装置に蓄積する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４〜Ｓ１６は、負荷コンデンサー１４の充電が完了するまで繰り返される（ステップＳ１７）。

負荷コンデンサー１４の充電が完了したら、処理装置１８は、蓄積した電圧および電流の測定値に基づいて、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成する（ステップＳ１８）。なお、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフの作成は、図４のフローチャートのように、電圧・電流の測定が完了してから行うようにしてもよいし、アナログ／デジタル変換器１７からデジタルデータを受信する度にリアルタイムで作成するようにしてもよい。

図５は、特性評価装置１０において、電圧検出器１２によって検出される電圧Ｖと、電流検出器１３によって検出される電流Ｉの時間経過に伴う変化を示したグラフである。

図５に示すように、バイパススイッチ１６をオン状態にした直後、突入電流が検出され、その後、電流Ｉは急激に減少し、その後一定値になる。この一定値が短絡電流Ｉｓｃである。次に、主回路スイッチ１５をオン状態、バイパススイッチ１６をオフ状態にした直後から電圧Ｖが充電とともに上昇し、開放電圧Ｖｏｃまで上昇して一定値となる。また、電流Ｉは、Ｉｓｃから徐々に減少していく。

このように、本実施形態によれば、主回路スイッチ１５をオン状態にして負荷コンデンサー１４と太陽電池モジュール１１を接続する前に、バイパススイッチ１６のみをオン状態にして太陽電池モジュール１１の接合容量に充電された電荷を放電させるようにした。これにより、接合容量の影響を排除した太陽電池モジュール１１の電流−電圧特性を計測することができる。

すなわち、測定される初期電流が突入電流の影響を受けず、初期電圧も接合容量の電荷再配分の影響を受けないため、精度の高いＩｓｃ値を得ることができる。

また、特性評価装置１０を用いてＩｓｃ値を計測することもできる。図５からも明らかなように、バイパススイッチ１６をオン状態にするだけで、太陽電池モジュール１１の接合容量に充電された電荷を放電させた後にＩｓｃ値を計測することができる。なお、この場合には、バイパススイッチ１６をオンにした状態で主回路スイッチ１５をオン状態にする必要はなく、バイパススイッチ１６をオフ状態にしてから主回路スイッチ１５をオン状態にすることができる。計測したＩｓｃ値に基づいて、太陽電池モジュール１１のＩ−Ｖ特性を測定する際の適正な電流の測定レンジを決めることができる。また、Ｉｓｃ値に基づいて、負荷コンデンサー１４の充電に要する時間も推定することができる。

また、バイパススイッチ１６をオン状態にしている間に流れた電流の積分値を得ることにより、太陽電池モジュール１１の接合容量を推定することができる。

なお、本実施形態は、コンデンサーの充電と放電を利用して太陽電池パネルのＩ−Ｖ特性を計測するコンデンサー負荷方式の特性評価装置であるが、バイパススイッチ１６を抵抗として利用することにより、電子負荷方式の特性評価装置として用いることもできる。電子負荷方式の場合は、抵抗値を変化させて電流と電圧を測定し、Ｉ−Ｖ特性を計測する。コンデンサー負荷方式では、負荷コンデンサーの充電に伴う電圧と電流の変化を測定するため、測定時間が短いというメリットがあるが、電圧が０からＶｏｃへ上昇する方向での掃引となる。一方、電子負荷方式では、逆に電流が０からＩｓｃへ上昇する方向での掃引が可能である。

なお、図６のフローチャートに示すように、太陽電池モジュール１１のＩ−Ｖ特性の計測を繰り返し行うように、特性評価装置１０を動作させるようにしてもよい。

図６のフローチャートにおいて、ステップＳ１０〜ステップＳ１８の動作は図４と同様である。
ステップＳ１８におけるデータ処理が終了したら、ステップＳ１９において、処理装置１８が、連続測定が終了したか否かを判断する。

ステップＳ１９で測定が終了していないと判断された場合には、ステップＳ１０へ戻り、主回路スイッチ１５とバイパススイッチ１６をオフ状態とすると共に、放電回路スイッチ２１をオン状態にする。これにより、負荷コンデンサー１４に蓄積された電荷が放電される。

ステップＳ１０において、負荷コンデンサー１４の放電が完了したら、ステップＳ１１へ移行し、次の電流−電圧特性の計測を開始する。なお、次の計測の開始は、処理装置１８の制御により一定時間経過後に行うようにしてもよい。

このように、１回のＩ−Ｖ特性の計測が終了したら、放電回路スイッチ２１をオンにして負荷コンデンサー１４を放電した後、次の計測を開始することにより、太陽電池モジュール１１のＩ−Ｖ特性の計測を繰り返し行うことが可能である。これにより、１日の間の日照量の変化に伴う太陽電池モジュール１１のＩ−Ｖ特性の変化などを効率よく計測することができる。例えば、午前６時から午後６時までの間、１０分おきに計測を行わせるような制御が可能である。

１０ 特性評価装置、１１ 太陽電池モジュール、１２ 電圧検出器、１３ 電流検出器、１４ 負荷コンデンサー、１５ 主回路スイッチ、１６ バイパススイッチ、１７ アナログ／デジタル変換器、１８ 処理装置、２１ 放電回路スイッチ、２２ 抵抗

Claims (9)

1. 太陽電池の出力端の間に接続される負荷コンデンサーと、
   前記負荷コンデンサーと直列に接続された主回路スイッチと、
   前記主回路スイッチと前記負荷コンデンサーに並列に設けられたバイパススイッチと、
   前記太陽電池の出力端の間の電圧を計測する電圧検出器と、
   前記太陽電池から流れる電流を計測する電流検出器と、を備えた太陽電池の特性評価装置。
2. 前記主回路スイッチと前記バイパススイッチに制御信号を供給する処理装置を備え、
   前記処理装置は、
   前記主回路スイッチをオフ状態、前記バイパススイッチをオン状態にして前記太陽電池の接合容量に充電された電荷を放電させ、
   前記バイパススイッチをオンにした状態で前記主回路スイッチをオン状態にし、続いて前記バイパススイッチをオフ状態にし、前記太陽電池から流れる電流で前記負荷コンデンサーを充電する、請求項１に記載の太陽電池の特性評価装置。
3. 前記電圧検出器により検出される電圧および前記電流検出器により検出される電流をデジタルデータに変換して前記処理装置に供給するアナログ／デジタル変換器を備え、
   前記処理装置は、
   前記デジタルデータに変換された電圧および電流の値から、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成する請求項２に記載の太陽電池の特性評価装置。
4. 前記負荷コンデンサーと並列に接続された放電回路スイッチを備え、
   前記処理装置は、
   前記負荷コンデンサーの充電後、前記放電回路スイッチに制御信号を供給することにより前記放電回路スイッチをオン状態にして前記負荷コンデンサーを放電させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽電池の特性評価装置。
5. 前記処理装置は、
   前記負荷コンデンサーの放電後、前記主回路スイッチと前記バイパススイッチに制御信号を供給し、再び前記太陽電池の電流−電圧特性の計測を行うよう制御する、請求項４に記載の太陽電池の特性評価装置。
6. コンデンサーの充電と放電を利用して太陽電池の電流−電圧特性を計測する太陽電池の特性評価方法であって、
   前記コンデンサーと直列に接続された主回路スイッチ、および前記主回路スイッチと前記負荷コンデンサーに並列に設けられたバイパススイッチに制御信号を供給することにより、前記主回路スイッチをオフ状態、前記バイパススイッチをオン状態にして前記太陽電池の接合容量に充電された電荷を放電させる工程と、
   前記バイパススイッチをオンにした状態で前記主回路スイッチをオン状態にし、続いて前記バイパススイッチをオフ状態にし、前記太陽電池から流れる電流で前記コンデンサーを充電する工程と、
   前記充電に伴って変化する前記太陽電池の出力端の間の電圧および前記太陽電池から流れる電流を検出する工程と、を有する太陽電池の特性評価方法。
7. 検出された電圧および電流の値から、時間経過に伴う電流と電圧の変化を示すグラフを作成する工程をさらに有する、請求項６に記載の太陽電池の特性評価方法。
8. 前記負荷コンデンサーの充電後、前記負荷コンデンサーと並列に接続された放電回路スイッチに制御信号を供給することにより、前記放電回路スイッチをオン状態にして前記負荷コンデンサーを放電させる工程を有する請求項６または７に記載の太陽電池の特性評価方法。
9. 前記負荷コンデンサーの放電後、再び前記太陽電池の電流−電圧特性を計測する、請求項８に記載の太陽電池の特性評価方法。

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