JP2015506658A - 光起電ストリングの開放電圧を制限する回路および方法 - Google Patents

Abstract

光起電ストリング（１００）は、光起電ストリング（１００）の開放電圧より低いリミッタ電圧を準備するために一方向に電流を伝導させて他方向に電流を伝導させる、開放電圧リミッタ（１２０）を備えることができる。１つ以上の開放電圧リミッタ（１２０）は、光起電ストリング（１００）全体にわたって、又は光起電ストリング（１００）の太陽電池（１１５）の選択されたグループ全体にわたって、接続され得る。リミッタ電圧は、最大電力点電圧より大きいが光起電ストリング（１００）の開放電圧より小さくすることが可能である。

Description

本明細書に記載する対象の実施形態は、広くは太陽電池に関する。特に、対象の実施形態は、光起電ストリングに関する。

太陽電池は、日射を電気エネルギーに変換する公知の装置であり、Ｐ型およびＮ型拡散領域を含む場合がある。太陽電池に日射が当たると電子および孔が生成され、これらの電子および正孔が拡散領域に移動することにより、拡散領域間に電位差が生じる。拡散領域は、対応する端子に電気的に接続されて、外部電気回路を太陽電池に接続し、太陽電池によって外部電気回路に給電を行うことを可能にする。太陽電池の正極端子はＰ型拡散領域に電気的に接続され、太陽電池の負極端子はＮ型拡散領域に電気的に接続される。

太陽電池は、電気的に直列接続され、光起電ストリングを形成する場合がある。光起電ストリングは、いくつかの太陽電池および／又は光起電モジュールを備える場合があり、それぞれの光起電モジュールは、同一のフレームに搭載された太陽電池を有する。光起電ストリングでは、一方の太陽電池の正極端子が別の太陽電池の負極端子と電気的に接続され、もう一方の太陽電池の正極端子が更に別の太陽電池の負極端子に電気的に接続される等、連続する。光起電ストリングの出力電圧は、ストリングの太陽電池の数に依存して変化する。

一実施形態では、光起電ストリングは、（ａ）複数の直列接続された太陽電池、（ｂ）光起電ストリングの対向する端部に設けられる正極リードおよび負極リードであって、複数の直列接続された太陽電池の一端が正極リードに接続され、複数の直列接続された太陽電池の反対端が負極リードに接続される、正極リードおよび負極リード、（ｃ）負極リードに接続される正極端子および前記正極リードに接続される負極端子を有し、開放電圧リミッタは、前記開放電圧リミッタを通過して一方向に流れる電流のために光起電ストリングの開放電圧より低いリミッタ電圧を有し、開放電圧リミッタを通過して別方向への電流の流れを可能にする、開放電圧リミッタ、を備える。

別の実施形態では、光起電ストリングは、複数の直列接続された太陽電池と、複数の直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタとを備え、第１開放電圧リミッタが、第１開放電圧リミッタを通過して一方向に流れる電流のために第１グループの太陽電池の最大電圧より低い第１リミッタ電圧を有し、第１開放電圧リミッタを通過して別方向に流れる電流のために第１正バイパス電圧を有する。光起電ストリングは、複数の直列接続された太陽電池の第２グループ全体にわたる第２開放電圧リミッタを更に備え、第２開放電圧リミッタは、第２開放電圧リミッタを通過して一方向に流れる電流のために第２グループの太陽電池の最大電圧より低い第２リミッタ電圧を有し、第２開放電圧リミッタを通過して別方向に流れる電流のために第２正バイパス電圧を有する。

別の実施形態では、光起電ストリングを動作させる方法は、光起電ストリングの直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタを準備する段階を備える。直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる最大電圧は、第１開放電圧リミッタを通過して第１方向に流れる電流のために第１開放電圧リミッタ全体にわたる第１リミッタ電圧に制限される。電流を、第１方向とは反対の第２方向に第１開放電圧リミッタを通過して流すことができる。

本発明のこれらおよびその他の特徴は、添付の図面および特許請求の範囲を含む本開示の全体を読むことにより、当業者には容易に理解されよう。

より完全な本主題の理解は、発明を実施するための形態、および特許請求の範囲を、以下の図面と併せて考察して、参照することによって導き出すことができ、同様の参照番号は、図面全体を通して同様の要素を指す。

本発明の一実施形態による光起電ストリングの概略図である。

本発明の一実施形態による図１の開放電圧リミッタの理想Ｉ−Ｖ曲線を示す。

本発明の一実施形態による図１の光起電ストリングを伴った光起電システムの構成要素を概略的に示す。

本発明の別の実施形態による光起電ストリングの概略図である。

ある実験でのいくつかの異なるツェナーダイオードのＩ−Ｖ曲線を示す。

ある実験での光起電ストリングのＩ−Ｖ曲線および電力−電圧曲線の例を示す。

本発明の別の実施形態による光起電ストリングの概略図である。

本発明の別の実施形態による光起電ストリングの概略図である。

本発明の別の実施形態による光起電ストリングの概略図である。

本発明の別の実施形態による開放電圧リミッタを示す。

本発明の別の実施形態による開放電圧リミッタを示す。

本発明の別の実施形態による開放電圧リミッタを示す。

本開示では、本発明の実施形態の十分な理解をもたらすために、電気回路、構成要素および方法の例など、多数の具体的な詳細が準備される。しかしながら、当業者であれば、本発明はこれらの具体的な詳細のうちの１つ以上を欠いても実施できることは理解されよう。他の例では、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるため、周知の詳細については図示又は説明をしていない。

光起電ストリングは、複数の太陽電池および／又は１つ以上の光起電モジュールを有することができ、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線によって特徴づけられる。Ｉ−Ｖ曲線は、光起電ストリングによって生成される所与の出力電圧に対する光起電ストリングによって生成される出力電流の量を示す。通常動作中、光起電ストリングはＩ−Ｖ曲線の最大電力点（ＭＰＰ）で維持され、ＭＰＰは、光起電ストリングが最大出力電力を生成する動作点である。最大電力点での光起電ストリングの出力電流は最大電力点電流Ｉｍｐであり、最大電力点での光起電モジュールの出力電圧は最大電力点電圧Ｖｍｐである。

最大電力点電圧Ｖｍｐより高い電圧では、光起電ストリングの出力電力は急速に減少し、開放電圧Ｖｏｃでゼロに到達する。開放電圧Ｖｏｃは、光起電ストリングが生成することができる最大可能出力電圧である。電圧Ｖｍｐと電圧Ｖｏｃとの間の領域は、通常の動作中ほとんど使用されないが、この領域の光起電ストリングの電気的特性はシステム設計仕様に強い影響を及ぼす。特に、光起電システムの電気構成要素（例えば、光起電インバータ、断路器、ケーブル、接合ボックス）を、開放電圧Ｖｏｃである、最大可能出力電圧に定格される必要がある。これは、所定の電圧（例えば、１０００Ｖ）の光起電ストリングに組み込むことができる太陽電池の数が開放電圧Ｖｏｃによって決定されることを意味する。

特定の例としては、電圧Ｖｍｐは、概して、開放電圧Ｖｏｃより約２０％低い。したがって、光起電ストリングが１０００Ｖに定められる場合には、光起電ストリングは概して約８００Ｖで動作する。しかしながら、光起電インバータのＭＰＰ追跡装置（ＭＰＰＴ）がオフラインであるか又は朝にＭＰＰＴの電源を入れる前などに、光起電ストリングに開放電圧Ｖｏｃを出力させる場合がある。この結果、最適ではない光起電ストリングの寸法および設計になる場合であっても、開放電圧Ｖｏｃに基づいた光起電ストリングの寸法仕様が必要となる。以下でより明らかになるように、本発明の実施形態は、電圧Ｖｍｐに影響を与えずに開放電圧Ｖｏｃを低下させることを可能にする。これは、有利には、光起電ストリングの太陽電池の数を増加させることを可能にし、その結果全電力出力を一定に保ちながら光起電システムの光起電ストリングの数を減少させる。光起電ストリングの数を減少させることにより、光起電システムの追跡装置、支柱、駆動装置、電気構成要素等の数といったバランス・オブ・システム（ＢＯＳ）コストの減少が可能となる。

図１を参照すると、本発明の一実施形態による光起電ストリング１００の概略図が示されている。図１の例では、光起電ストリング１００は、複数の太陽電池１１５（すなわち、１１５−１、１１５−２、１１５−３〜１１５−ｎ）を有する。太陽電池１１５は、第１太陽電池１１５の正極端子が第２太陽電池１１５の負極端子に接続され、第２太陽電池１１５の正極端子が第３太陽電池１１５の負極端子に接続される等、電気的に直列接続される。一方の端の太陽電池１１５（例えば、太陽電池１１５−１）の正極端子は正極出力リード１３０に接続され、他方の端の太陽電池１１５（例えば、太陽電池１１５−ｎ）の負極端子は負極出力リード１３１に接続される。出力リード１３０および１３１は、例えば、図３に示される光起電装置２００のような、光起電システムの他の光起電ストリングおよび他の構成要素に接続され得る。

太陽電池１１５のグループが、光起電モジュール１１４の同一のフレームに搭載されてもよい。光起電モジュール１１４はいくつかの太陽電池１１５を有するが、図を分かりやすくするために、少数だけが図１に示される。例えば、光起電モジュール１１４−１は太陽電池１１５−１〜１１５−３を備えることができ、光起電モジュール１１４−２は太陽電池１１５−４〜１１５−６を有することができ、光起電モジュール１１４−ｎは太陽電池１１５−７〜１１５−ｎを有することができる等、連続する。この例では、光起電ストリング１００は、複数の電気的に直列接続された光起電モジュール１１４を備えると考えることもでき、一方の光起電モジュール１１４の正極端子が別の光起電モジュール１１４の負極端子に接続される等、連続する。一方の端の光起電モジュール１１４（例えば、光起電モジュール１１４−１）の正極端子は正極出力リード１３０に接続され、他方の端の光起電モジュール１１４（例えば、光起電モジュール１１４−ｎ）の負極端子は負極出力リード１３１に接続される。

一実施形態では、光起電ストリング１００は、光起電ストリング１００の両端に電気的に接続された開放電圧リミッタ１２０を備える。図１の例では、リミッタ１２０は、光起電ストリング１００の正極出力リード１３０に接続された負極端子１２１、および光起電ストリング１００の負極出力リード１３１に接続された正極端子１２２を備える。

一実施形態では、開放電圧リミッタ１２０は、光起電ストリング１００の開放電圧Ｖｏｃを、最大電力点電圧Ｖｍｐより大きいが開放電圧Ｖｏｃより小さいリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔに制限するように構成される。すなわち、
Ｖｍｐ＞Ｖｌｉｍｉｔ＞Ｖｏｃ （数式１）

開放電圧リミッタ１２０は、所定の電圧を超えると一方向に電流を流し、別の電圧を超えると他方向に電流を流す電気装置、構成要素又は回路を有することができる。一実施形態では、開放電圧リミッタ１２０は、順逆両方の電流方向に非対称ダイオード様の特性を示す。図１に示される開放電圧リミッタ１２０の極性に関して言うと、矢印１２３がリミッタ１２０を介した順電流方向を示し、矢印１２４がリミッタ１２０を介した逆電流方向を示す。

実施形態では、リミッタ１２０全体にわたる電圧がリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを超えるとき、リミッタ１２０は、逆電流を矢印１２４に従って負極端子１２１から正極端子１２２へと流す。リミッタ１２０は、リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを超えるリミッタ１２０全体にわたる電圧に対して、リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを維持する。この状態は、出力リード１３０又は出力リード１３１が別の回路に接続されないとき、すなわち光起電ストリング１００が開放されるときなどの、光起電ストリング１００の開放回路の間に生じ得る。この場合、光起電ストリング１００は、開放電圧Ｖｏｃである、その最大可能出力電圧を生成することになる。この状態が生じるとき、リミッタ１２０は、光起電ストリング１００全体にわたる電圧をリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔに制限することになり、このリミッタ電圧は、説明されたように、開放電圧Ｖｏｃより低い。これは、有利には、光起電ストリング１００の最大可能出力電圧を低下させ、最大可能出力電圧を増加させずにより多くの太陽電池１１５を光起電ストリング１００に追加することを可能にする。

リミッタ１２０全体にわたる電圧がバイパス電圧Ｖｂｙｐａｓｓを超えるとき、リミッタ１２０は、順電流を矢印１２３に従って正極端子１２２から負極端子１２１へと流す。バイパス電圧Ｖｂｙｐａｓｓは、リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔと比較して非常に低い電圧である。例えば、バイパス電圧Ｖｂｙｐａｓｓを、０．４Ｖの低さか又はショットキー若しくはｐ−ｎ接合ダイオードの順電圧降下とすることができる。

光起電システムから最大電力を得るために、電気的不整合の影響を最小限に抑える必要がある。この電気的不整合は、性能の不一致又は影といった要素から生じる場合があり、これらの要素は、光起電ストリング電流に対応するために、被害を受けた光起電モジュールの動作電圧の減少をもたらす可能性がある。最悪の場合には、被害を受けた光起電モジュール（又はその太陽電池のストリング）が強制的に逆方向バイアスにされることがあり、結果として、酷い加熱、性能の劣化および信頼性の問題がもたらされる場合がある。これらの影響を緩和するために、光起電ストリング１００が逆方向バイアスに入るときにリミッタ１２０が電流を分流して被害を受けた光起電モジュール１１４の電力消費を制限できるように、リミッタ１２０は電圧Ｖｂｙｐａｓｓを超えると順電流を通過させる。

バイパスダイオードは、前述した電気的不整合状態の間に、１つの光起電モジュール内に又は光起電モジュール全体内の個々のサブストリングを保護するために、光起電モジュールで通常使用される。例えば、ショットキーおよびｐ−ｎ接合ダイオードが、バイパスダイオードとして使用されている。ショットキーダイオードは、概して、ｐ−ｎ接合ダイオードより低い順電圧を有するため、順方向バイアス、すなわちバイパスモードにあるときに、より小さな電力を損失し、より低温で動作する。しかしながら、ショットキーダイオードは、高い漏れ電流を呈し、限られた逆降伏電圧特性を有する。これに対して、ｐ−ｎ接合ダイオードは、非常に低い漏れ電流を示しそして非常に高い電圧で降伏するように設計することができるため、より多くの電池を含む光起電ストリング全体にわたるバイパスダイオードとして適切なものにする。しかしながら、バイパスダイオードは、一般に、逆方向で電流を伝導させず十分に高い電圧を表さないため、開放電圧リミッタとして使用するには不適切なものとなる。

図２は、本発明の一実施形態による開放電圧リミッタ１２０の理想Ｉ−Ｖ曲線を示す。図２のＩ−Ｖ曲線は、リミッタ１２０全体にわたる電圧の関数として、リミッタ１２０に流れる電流を示す。図２に示されるように、順電流では、リミッタ１２０は、正バイパス電圧Ｖｂｙｐａｓｓの後まで電流を伝導させず、正バイパス電圧は、数ボルト、例えば０．４Ｖとすることができる。逆電流では、リミッタ１２０全体にわたる電圧の大きさがリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔの大きさを超えるまで、リミッタ１２０は電流を理想的には伝導させない。図２に示されるように、リミッタ１２０はリミッタ１２０全体にわたる電圧の大きさをリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔに制限し、電流は逆方向に進む、すなわち電流は矢印１２４に従って負極端子１２１から正極端子１２２へと流れる（図１参照）。電流が逆方向にリミッタ１２０を通っているので、リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔは図２の例では負電圧である。リミッタ１２０はリミッタ１２０全体にわたる電圧をバイパス電圧Ｖｂｙｐａｓｓに制限し、電流は順方向に進む、すなわち電流は矢印１２３に従って正極端子１２２から負極端子１２１へと流れる（図１参照）。

図３は、本発明の一実施形態による光起電システム２００の構成要素を概略的に示す。図３の例に示される光起電システム構成要素は、コンバイナボックス１１２、複数の光起電パネル１１４および光起電インバータ１１０を含む。光起電システムは複数の光起電インバータおよびコンバイナボックスを備えることができるが、それぞれの１つのみが、図を分かりやすくするために図３に示される。また、光起電システム２００は、１つ、２つ又はそれ以上の光起電ストリング１００を備えることができる。コンバイナボックス１１２は、光起電モジュール１１４を並列に組み合わせるかおよび／又は他の構成要素に接続することができる接合を準備する。開放電圧リミッタ１２０は、コンバイナボックス１１２の光起電ストリング１００全体にわたって設置されてもよい。光起電ストリング１００の出力は、光起電インバータ１１０に電気的に接続され、光起電インバータは、太陽電池１１５によって生成された直流（ＤＣ）を、例えば公共送電網への伝送に適した交流（ＡＣ）に変換する。図を分かりやすくするために、図３においては一部の太陽電池１１５のみに記号を付している。

図４は、本発明の一実施形態による光起電ストリング１００Ａの概略図である。光起電ストリング１００Ａは、開放電圧リミッタ１２０Ａの使用法を除いて、光起電ストリング１００と同じである。光起電ストリング１００Ａの構成要素は、図１を参照して説明したものと他の点では同じである。

図４の例では、開放電圧リミッタ１２０Ａは、開放電圧リミッタ１２０の特定の実施形態である。開放電圧リミッタ１２０Ａは、同じＩ−Ｖ曲線および電気的特性を有し、負極端子１２１および正極端子１２２を有する。図４の例では、開放電圧リミッタ１２０Ａは、ツェナーダイオード１４０を有する。ツェナーダイオード１４０のカソードは負極端子１２１に接続され、ツェナーダイオード１４０のアノードは正極端子１２２に接続される。これにより、ツェナーダイオード１４０のカソードは光起電ストリング１００Ａの正極出力リード１３０に、そしてツェナーダイオード１４０のアノードは光起電ストリング１００Ａの負極出力リード１３１に電気的に接続される。

一般的に、ツェナーダイオードは、逆降伏モードで動作するように特別に設計された特定の種類のダイオードである。このため、順逆両方のバイアス方向に、電流を伝導させることが可能となる。ツェナー電圧は、ツェナーダイオードが逆方向に電流を通過させ始める電圧である。ツェナー電圧は、負で、概してツェナーダイオードの順電圧より絶対値で非常に高い。ツェナーダイオードは、標準的なダイオードと非常に類似した順方向バイアス特性を示すので、バイパス用途でも使用され得る。図４の例では、このため、ツェナーダイオード１４０を、電圧リミッタとして、そして電気的不整合から保護するためにバイパスダイオードとして使用することが可能となる。

図５は、ある実験でのいくつかの異なるツェナーダイオードのＩ−Ｖ曲線を示す。図５の例では、Ｉ−Ｖ曲線５０２は１８Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用、Ｉ−Ｖ曲線５０３は１７Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用、Ｉ−Ｖ曲線５０４は１５Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用、Ｉ−Ｖ曲線５０５は１４Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用、Ｉ−Ｖ曲線５０６は１２Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用、そしてＩ−Ｖ曲線５０７は１０Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード用である。前述したツェナーダイオードは１２Ｖのツェナーダイオードを除いて全て、アキシャルパッケージを有し５Ｗに定格され、１２Ｖのツェナーダイオードは、スタッド取り付け型のパッケージを有し５０Ｗに定格される。１２Ｖのツェナーダイオードの抵抗の傾斜（５０６参照）は、低いパッケージ抵抗のために、他の装置より著しく急勾配である。図５は、比較のためにショットキーダイオードのＩ−Ｖ曲線５０１も示す。図５に示されるように、一度ツェナー電圧を超えると、ツェナーダイオードは負電圧方向に電流を伝導させ始める。ツェナーダイオードの順方向バイアス特性は、従来のショットキー又はｐ−ｎ接合ダイオードと類似する。非常に大きな逆電圧に到達する（例えば４０Ｖ）まで、ショットキーダイオードは負電圧方向に電流を伝導させない（５０１参照）。

図４のように、ツェナーダイオード１４０のアノードを負極出力リード１３１に、ツェナーダイオード１４０のカソードを正極出力リード１３０に接続することによって、光起電ストリング１００Ａがツェナー電圧より高い電圧で動作することが防止され、ツェナー電圧は、この場合リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔである。ツェナー電圧で、ツェナーダイオード１４０は電流を通過させ始め、効果的に光起電ストリング１００Ａを分流して、ツェナー電圧で光起電ストリング１００Ａをピン止めする。一実施形態では、ツェナー電圧は、数式１に従って光起電ストリング１００Ａの公称最大電力点電圧Ｖｍｐと開放電圧Ｖｏｃとの間にあるように選択され、有利には、光起電ストリング１００Ａの電力出力に影響を与えずに、光起電ストリング１００Ａの最大可能出力電圧をリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔに制限することを可能にする。したがって、ツェナーダイオード１４０による開放電圧リミッタ１２０Ａは、最大電力点電圧Ｖｍｐと開放電圧Ｖｏｃとの間の光起電ストリング１００ＡのＩ−Ｖ曲線特性を修正する。

図６は、ある実験における、２４個の太陽電池を有する単一の低集光型光起電（ＬＣＰＶ）受光モジュールを伴った光起電ストリング１００ＡのＩ−Ｖ曲線（上側のグラフ）および電力−電圧曲線（下側のグラフ）の例を示す。図６の例では、Ｉ−Ｖ曲線５２３は１７Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、Ｉ−Ｖ曲線５２４は１５Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、Ｉ−Ｖ曲線５２５は１４Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、およびＩ−Ｖ曲線５２６は１２Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用である。Ｉ−Ｖ曲線５２０は、リミッタ１２０Ａのない光起電ストリング１００Ａのためで、基準線として提示される。図６のＩ−Ｖ曲線に示されるように、ツェナーダイオード１４０を備えるリミッタ１２０Ａの追加は、光起電ストリング１００ＡのＩ−Ｖ曲線を修正し、基準線の開放電圧からツェナーダイオード１４０のツェナー電圧まで光起電ストリング１００Ａの最大可能電圧出力を低下させる。

図６は、また、単一の２４−電池低集光型光起電（ＬＣＰＶ）受光モジュールを伴った光起電ストリング１００Ａの電力−電圧曲線（下側のグラフ）の例も示す。電力−電圧曲線５３３は１７Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、電力−電圧曲線５３４は１５Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、電力−電圧曲線５３５は１４Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用、および電力−電圧曲線５３６は１２Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオード１４０用である。電力−電圧曲線５３０は、リミッタ１２０Ａを有さない基準線構成用である。図６のＩ−Ｖ曲線では、Ｉ−Ｖ曲線の大きな部分は留められて、ツェナー電圧が光起電ストリング１００Ａの開放電圧Ｖｏｃから漸次減少するにつれて、光起電ストリング１００Ａの開放電圧Ｖｏｃは最大電力点電圧Ｖｌｉｍｉｔへと収束する。１２Ｖのツェナー電圧のツェナーダイオードの場合には（５３６参照）、ツェナー電圧はＶｍｐを下回り、結果として、低下したストリングの電力出力をもたらす。

一般的に、電力出力は最大電力点より著しく低いので、最大電力点電圧Ｖｍｐと開放電圧Ｖｏｃとの間で動作する値は限られている。しかしながら、本明細書に記載される開放電圧制限は、光起電ストリングの開放電圧Ｖｏｃを低下させ（したがって充填率を増加させ）、低ピーク電圧に基づいた多くのシステム設計の最適化を可能にする。ツェナー電圧を超える場合には、ツェナーダイオード１４０は、負荷としての機能を果たしそれ以外の場合には光起電ストリング１００Ａストリングから出力リード１３０および１３１へと流れているであろう電流を受ける。

ツェナー電圧を、数ボルトから数百ボルトまでのどの値にも調整することができ、したがって、ツェナーダイオードを、様々な長さの太陽電池のストリング全体にわたる電圧を制限するために使用することができる。ツェナーダイオードを開放電圧リミッタとして使用するときに考慮すべき１つの要素は、ツェナー降伏モードで生じる電力損失である。電力はツェナー電圧に直接比例し、そして分流される電流が大きい場合にはこれが極端に高くなることがある。制限する電圧が増加し、ツェナー電圧が開放電圧Ｖｏｃから最大電力点電圧Ｖｍｐまで低下するに従って、ツェナーダイオードによる電力損失は増加する。このトレードオフは、回路設計でバランスが保たれる必要があり、熱拡散部材、ヒートシンクおよび他の受動的又は能動的熱管理解決策を使用することによって、熱負荷を適切に管理することができる。

図４の例では、ツェナーダイオード１４０は、光起電ストリング全体にわたって接続される。別の実施形態では、ツェナーダイオードが、１つ又は少数のみの太陽電池全体にわたって接続されてもよく、制限効果に必要なツェナー電圧を低下させる。この場合、複数のツェナーダイオードが、光起電モジュールの積層体内に接続されてもよく、又は特定の太陽電池若しくは太陽電池のグループが電圧制御のために選択されてもよい。例えば、直線直列の太陽電池を包む直線ＬＣＰＶ受光器では、ツェナーダイオードを、インターコネクトを介して太陽電池の対全体にわたって接続することができる。全光起電ストリングの電圧制限がツェナー電圧だけなくツェナーダイオードの数によって調節されてもよいので、この手法は、設計の高い柔軟性を可能にする。電気的不整合に対処するために、ストリング−レベルバイパスダイオードを並列接続することによって、この手法を強化してもよい。更に別の実施形態では、ツェナーダイオードが、システムレベルで実施されてもよく、一連のモジュールの電圧を制限する。

開放電圧リミッタ１２０を、いろいろな構成で光起電ストリング１００に組み込むことができる。図７は、本発明の一実施形態による光起電ストリング１００Ｂの概略図である。光起電ストリング１００Ｂは、特定のグループの太陽電池１１５全体にわたる最大可能電圧を制限して光起電ストリング１００Ｂ全体を取り扱うために、複数の開放電圧リミッタ１２０（すなわち１２０−１、１２０−２および１２０−３）が利用される図１の光起電ストリング１００の特定の実施形態である。光起電ストリング１００Ｂ全体にわたる開放電圧リミッタ１２０を有することによって、任意の特定の開放電圧リミッタ１２０の、リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔ要求を、つまり電力損失を、低下させることができる。

図７の例では、開放電圧リミッタ１２０−１は、太陽電池１１５−１、１１５−２、１１５−３および１１５−４全体にわたる最大可能電圧を制限し、開放電圧リミッタ１２０−２は、太陽電池１１５−５および１１５−６全体にわたる最大可能電圧を制限し、開放電圧リミッタ１２０−３は、太陽電池１１５−７、１１５−８〜および１１５−ｎ全体にわたる最大可能電圧を制限する。開放電圧リミッタ１２０−１の負極端子１２１は正極出力リード１３０に接続され、開放電圧リミッタ１２０−２の負極端子１２１は開放電圧リミッタ１２０−１の正極端子１２２に接続され、開放電圧リミッタ１２０−３の負極端子１２１は開放電圧リミッタ１２０−２の正極端子１２２に接続され、開放電圧リミッタ１２０−３の正極端子１２２は負極出力リード１３１に接続される。全体の光起電ストリング１００Ｂ全体にわたる全リミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔは、複数の開放電圧リミッタ１２０に分配されており、個々の開放電圧リミッタ１２０が、低下したリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを有することが可能で、したがって単一の開放電圧リミッタ１２０に光起電ストリング１００Ｂ全体を覆わせる場合と比較して、電圧制限モードでのより低い電力損失を可能にする。

図８は、本発明の一実施形態による光起電ストリング１００Ｃの概略図である。光起電ストリング１００Ｃは、１つ以上の開放電圧リミッタ１２０が光起電ストリング１００Ｃの太陽電池の全てではなく一部のグループ全体にわたってのみ利用される図１の光起電ストリング１００の特定の実施形態である。これは、利用される開放電圧リミッタ１２０の数および個々の開放電圧リミッタ１２０によって制限される太陽電池１１５の数によって、全体の光起電ストリング１００Ｃ全体にわたる開放電圧Ｖｏｃを制限することができるという点で、より多くの設計の選択肢を可能にする。

図８の例では、開放電圧リミッタ１２０−１は太陽電池１１５−１、１１５−２および１１５−３全体にわたる最大可能電圧を制限し、開放電圧リミッタ１２０−２は太陽電池１１５−７、１１５−８および１１５−ｎ全体にわたる最大可能電圧を制限する。太陽電池１１５−４、１１５−５および１１５−６全体にわたる最大可能電圧は制限されない。しかしながら、光起電ストリング１００Ｃ全体にわたる、すなわち出力リード１３０と１３１との間の、全最大可能電圧は、リミッタ１２０−１および１２０−２によって低下する。

光起電ストリング１００、１００Ａおよび１００Ｂのような、全体の光起電ストリング全体にわたる開放電圧の制限を準備することによって、有利には、１つ以上のリミッタ１２０を介した順電流の伝導を可能にし、結果として、電気的不整合の際のバイパス保護を準備する。図８の光起電ストリング１００Ｃは、バイパス保護を有さないが、図９の光起電ストリング１００Ｄのようなバイパスダイオードを備えることができる。光起電ストリング１００Ｄは、バイパスダイオード２５１を追加した光起電ストリング１００Ｃの特定の実施形態である。バイパスダイオード２５１は、順電流の伝導により光起電ストリング１００Ｄを分流させることによって、電気的不整合に対する保護を準備する。バイパスダイオード２５１は、ショットキー又はｐ−ｎ接合ダイオードを含んでもよい。光起電ストリング１００Ｄは、光起電ストリング１００Ｃと他の点では同じである。

明らかなように、開放電圧リミッタ１２０は、電気回路として実施されてもよく、ツェナーダイオード以外の装置を使用していてもよい。利用することができる他の装置としては、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ又はＢＪＴ）、特別に調整された順電圧を有する逆向きの並列ダイオード、サイリスタ等が挙げられ、単独でおよび／又は電気回路、例えばトランジスタを備える電気回路、を形成する他の装置と組み合わせて、利用することができる。基本的に、一バイアス方向への具体的な閾値電圧および他のバイアス方向への異なる閾値電圧を越える電流を分流できる任意の装置又は回路を、開放電圧リミッタ機能を実現するために使用することができる。

図１０は、本発明の一実施形態による開放電圧リミッタ１２０Ｂを示す。開放電圧リミッタ１２０Ｂは、開放電圧リミッタ１２０の特定の実施形態で、開放電圧リミッタ１２０と同じように作動する。したがって、図４の開放電圧リミッタ１２０Ａのように、開放電圧リミッタ１２０Ｂは、光起電ストリング１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄおよび他の光起電ストリングで開放電圧リミッタとして利用され得る。

図１０の例では、開放電圧リミッタ１２０Ｂは、順方向ダイオード１７２および逆方向ダイオード１７１を有する。順方向ダイオード１７２のカソードは負極端子１２１に接続され、順方向ダイオード１７２のアノードは正極端子１２２に接続される。逆方向ダイオード１７１のカソードは正極端子１２２に接続され、逆方向ダイオード１７１のアノードは負極端子１２１に接続される。

ダイオード１７１および１７２は、ショットキー又はｐ−ｎ接合ダイオードを有することができ、したがって一方向のみに電流を伝導させる。しかしながら、図１０の例では、ダイオード１７１および１７２は逆並列構成で、一方のダイオードは一方向に電流を流すように配置され、他方のダイオードは反対方向に電流を流すように配置される。これにより、開放電圧リミッタ１２０Ｂが両方向に電流を流すことが可能となる。ダイオード１７１および１７２の順方向特性の適切な設計により、ダイオード１７１および１７２が電流を伝導させる電圧を超えて最適化することができる。

例えば、順方向ダイオード１７２はバイパスモードで使用されるので、順方向ダイオード１７２の順電圧降下をできる限り低くなるように設計することができる。この例では、逆方向ダイオード１７１の順電圧降下を、数式１のように最大電力点電圧Ｖｍｐより高いが開放電圧Ｖｏｃより低いリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを準備するように設計することができる。開放電圧状態の間に、リミッタ１２０Ｂ全体にわたる電圧がリミッタ電圧Ｖｌｉｍｉｔを超えるときは、電流は、負極端子１２１から逆方向ダイオード１７１を通過して正極端子１２２に流れることになり、この電圧は、逆方向ダイオード１７１全体にわたる。逆方向バイアスされることになるので、順方向ダイオード１７２は、開放電圧状態の間、電流を伝導させないことに留意されたい。電気的不整合の際、順方向ダイオード１７２は順方向バイアスされ、光起電ストリングから離れて電流を分流することになる。逆方向ダイオード１７１は、その時、逆方向バイアスされ、したがって電流を伝導させないことになる。

図１１は、本発明の一実施形態による開放電圧リミッタ１２０Ｃを示す。開放電圧リミッタ１２０Ｃは、開放電圧リミッタ１２０の特定の実施形態で、開放電圧リミッタ１２０と同じように作動する。したがって、リミッタ１２０Ｃを、光起電ストリング１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄおよび他の光起電ストリングで開放電圧リミッタとして利用することができる。開放電圧リミッタ１２０Ｃは、複数の順方向ダイオード１７２（すなわち１７２−１、１７２−２〜１７２−ｎ）および複数の逆方向ダイオード１７１（すなわち１７１−１、１７１−２〜１７１−ｎ）の使用を除いて、開放電圧リミッタ１２０Ｂと同じである。複数の順方向ダイオード１７２および／又は逆方向ダイオード１７１を使用することにより、開放電圧リミッタ１２０Ｃのダイオードの順電圧降下又は電流容量の最適化が可能となる。開放電圧リミッタ１２０Ｃは、開放電圧リミッタ１２０Ｂと他の点では同じである。

図１２は、本発明の一実施形態による開放電圧リミッタ１２０Ｄを示す。開放電圧リミッタ１２０Ｄは、開放電圧リミッタ１２０の特定の実施形態で、開放電圧リミッタ１２０と同じように作動する。したがって、リミッタ１２０Ｄを、光起電ストリング１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄおよび他の光起電ストリングで開放電圧リミッタとして利用することができる。開放電圧リミッタ１２０Ｄは、順方向ダイオード１７２と直列な更なるダイオードおよび逆方向ダイオード１７１と直列な更なるダイオードの使用を除いて、開放電圧リミッタ１２０Ｃと同じである。特に、開放電圧リミッタ１２０Ｄのダイオードの順電圧降下又は電流容量の更なる最適化を可能にするために、１つ以上のダイオードを、順方向ダイオード１７２および／又は逆方向ダイオード１７１と直列に設けることができる。開放電圧リミッタ１２０Ｄは、開放電圧リミッタ１２０Ｃと他の点では同じである。

光起電ストリングの開放電圧を制限する電気回路および方法が、開示された。本発明の具体的な実施形態が準備されたが、これらの実施形態は説明を目的としたものであり、限定的なものでないことは理解されよう。多くの追加的実施形態が、本開示を読む当業者にとっては明らかとなろう。

光起電ストリングの開放電圧を制限する電気回路および方法が、開示された。本発明の具体的な実施形態が準備されたが、これらの実施形態は説明を目的としたものであり、限定的なものでないことは理解されよう。多くの追加的実施形態が、本開示を読む当業者にとっては明らかとなろう。
（項目１）
光起電ストリングであって、
複数の直列接続された太陽電池と、
上記光起電ストリングの対向する端部に設けられる正極リードおよび負極リードと、
上記複数の直列接続された太陽電池全体にわたる開放電圧リミッタと、を備え、
上記複数の直列接続された太陽電池の一端が上記正極リードに接続され、上記複数の直列接続された太陽電池の反対端が上記負極リードに接続され、
上記開放電圧リミッタは、上記負極リードに接続される正極端子および上記正極リードに接続される負極端子を有し、
上記開放電圧リミッタは、上記開放電圧リミッタを通過して電流を一方向に流すために上記光起電ストリングの開放電圧より低いリミッタ電圧を有し、上記開放電圧リミッタを介して別方向への電流の流れを可能にする、光起電ストリング。
（項目２）
上記開放電圧リミッタがツェナーダイオードを有し、
上記リミッタ電圧が上記ツェナーダイオードのツェナー電圧である、項目１に記載の光起電ストリング。
（項目３）
上記開放電圧リミッタが、
上記開放電圧リミッタの上記正極端子に接続されるカソード、および、上記開放電圧リミッタの上記負極端子に接続されるアノードを有する第１ダイオードと、
上記開放電圧リミッタの上記負極端子に接続されるカソード、および、上記開放電圧リミッタの上記正極端子に接続されるアノードを有する第２ダイオードと、
を有する、項目１に記載の光起電ストリング。
（項目４）
上記開放電圧リミッタが、
上記開放電圧リミッタの上記正極端子に接続されるカソード、および、上記開放電圧リミッタの上記負極端子に接続されるアノードを有する第３ダイオードを、
更に有する、項目３に記載の光起電ストリング。
（項目５）
上記開放電圧リミッタが、電気回路を有する、項目１に記載の光起電ストリング。
（項目６）
上記リミッタ電圧が、上記光起電ストリングの最大電力点電圧より大きい、項目１に記載の光起電ストリング。
（項目７）
複数の直列接続された太陽電池と、
上記複数の直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタとを備え、
上記第１開放電圧リミッタが、上記第１開放電圧リミッタを通過して一方向に電流を流すために上記第１グループの太陽電池の最大電圧より低い第１リミッタ電圧を有し、上記第１開放電圧リミッタを通過して別方向に電流を流すために第１正バイパス電圧を有する、光起電ストリング。
（項目８）
上記第１開放電圧リミッタがツェナーダイオードを有し、上記第１リミッタ電圧が上記ツェナーダイオードのツェナー電圧を含む、項目７に記載の光起電ストリング。
（項目９）
上記第１開放電圧リミッタが、
上記第１開放電圧リミッタの正極端子に接続されるカソード、および、上記第１開放電圧リミッタの負極端子に接続されるアノードを有する第１ダイオードと、
上記第１開放電圧リミッタの上記負極端子に接続されるカソード、および、上記第１開放電圧リミッタの上記正極端子に接続されるアノードを有する第２ダイオードと、
を有する、項目７に記載の光起電ストリング。
（項目１０）
上記第１開放電圧リミッタが、
上記第１開放電圧リミッタの上記正極端子に接続されるカソード、および、上記第１開放電圧リミッタの上記負極端子に接続されるアノードを有する第３ダイオードを、
更に有する、項目９に記載の光起電ストリング。
（項目１１）
上記第１開放電圧リミッタが、電気回路を有する、項目７に記載の光起電ストリング。
（項目１２）
上記光起電ストリング全体にわたるバイパスダイオードを更に備える、項目７に記載の光起電ストリング。
（項目１３）
上記複数の直列接続された太陽電池の第２グループ全体にわたる第２開放電圧リミッタを更に備え、
上記第２開放電圧リミッタは、上記第２開放電圧リミッタを通過して一方向に電流を流すために上記第２グループの太陽電池の最大電圧より低い第２リミッタ電圧を有し、第２開放電圧リミッタを通過して別方向に電流を流すために第２正バイパス電圧を有する、項目７に記載の光起電ストリング。
（項目１４）
太陽電池の上記第１グループおよび太陽電池の上記第２グループが、上記光起電ストリングの太陽電池の全体を含む、項目１３に記載の光起電ストリング。
（項目１５）
光起電ストリングを動作させる方法であって、
上記光起電ストリングの直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタを準備する段階と、
直列接続された太陽電池の上記第１グループの最大電圧を、上記第１開放電圧リミッタを通過して第１方向に流れる電流のための第１開放電圧リミッタの第１リミッタ電圧に制限する段階と、
上記第１方向とは反対の第２方向に上記第１開放電圧リミッタを通過して電流を流す段階と、を備える方法。
（項目１６）
上記太陽電池の第１グループが、上記光起電ストリングにおける全ての太陽電池を含む、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
上記第１リミッタ電圧が、上記光起電ストリングの開放電圧より小さい、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
上記第１リミッタ電圧が、上記光起電ストリングの開放電圧より小さいが上記光起電ストリングの最大電力点電圧より大きい、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
直列接続された太陽電池の第２グループの最大電圧を、第２開放電圧リミッタを通過して第３方向に電流を流すために上記第２開放電圧リミッタの第２リミッタ電圧に制限する段階と、
上記第３方向とは反対の第４方向に上記第１開放電圧リミッタを通過して電流を流す段階と、を更に備え、
直列接続された太陽電池の上記第２グループが直列接続された太陽電池の上記第１グループと直列接続される、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
直列接続された太陽電池の上記第１グループおよび上記第２グループ全体にわたるバイパスダイオードを設ける段階を更に備える、項目１９に記載の方法。

Claims (20)

1. 光起電ストリングであって、
   複数の直列接続された太陽電池と、
   前記光起電ストリングの対向する端部に設けられる正極リードおよび負極リードと、
   前記複数の直列接続された太陽電池全体にわたる開放電圧リミッタと、を備え、
   前記複数の直列接続された太陽電池の一端が前記正極リードに接続され、前記複数の直列接続された太陽電池の反対端が前記負極リードに接続され、
   前記開放電圧リミッタは、前記負極リードに接続される正極端子および前記正極リードに接続される負極端子を有し、
   前記開放電圧リミッタは、前記開放電圧リミッタを通過して電流を一方向に流すために前記光起電ストリングの開放電圧より低いリミッタ電圧を有し、前記開放電圧リミッタを介して別方向への電流の流れを可能にする、光起電ストリング。
2. 前記開放電圧リミッタがツェナーダイオードを有し、
   前記リミッタ電圧が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧である、請求項１に記載の光起電ストリング。
3. 前記開放電圧リミッタが、
   前記開放電圧リミッタの前記正極端子に接続されるカソード、および、前記開放電圧リミッタの前記負極端子に接続されるアノードを有する第１ダイオードと、
   前記開放電圧リミッタの前記負極端子に接続されるカソード、および、前記開放電圧リミッタの前記正極端子に接続されるアノードを有する第２ダイオードと、
   を有する、請求項１に記載の光起電ストリング。
4. 前記開放電圧リミッタが、
   前記開放電圧リミッタの前記正極端子に接続されるカソード、および、前記開放電圧リミッタの前記負極端子に接続されるアノードを有する第３ダイオードを、
   更に有する、請求項３に記載の光起電ストリング。
5. 前記開放電圧リミッタが、電気回路を有する、請求項１に記載の光起電ストリング。
6. 前記リミッタ電圧が、前記光起電ストリングの最大電力点電圧より大きい、請求項１に記載の光起電ストリング。
7. 複数の直列接続された太陽電池と、
   前記複数の直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタとを備え、
   前記第１開放電圧リミッタが、前記第１開放電圧リミッタを通過して一方向に電流を流すために前記第１グループの太陽電池の最大電圧より低い第１リミッタ電圧を有し、前記第１開放電圧リミッタを通過して別方向に電流を流すために第１正バイパス電圧を有する、光起電ストリング。
8. 前記第１開放電圧リミッタがツェナーダイオードを有し、前記第１リミッタ電圧が前記ツェナーダイオードのツェナー電圧を含む、請求項７に記載の光起電ストリング。
9. 前記第１開放電圧リミッタが、
   前記第１開放電圧リミッタの正極端子に接続されるカソード、および、前記第１開放電圧リミッタの負極端子に接続されるアノードを有する第１ダイオードと、
   前記第１開放電圧リミッタの前記負極端子に接続されるカソード、および、前記第１開放電圧リミッタの前記正極端子に接続されるアノードを有する第２ダイオードと、
   を有する、請求項７に記載の光起電ストリング。
10. 前記第１開放電圧リミッタが、
    前記第１開放電圧リミッタの前記正極端子に接続されるカソード、および、前記第１開放電圧リミッタの前記負極端子に接続されるアノードを有する第３ダイオードを、
    更に有する、請求項９に記載の光起電ストリング。
11. 前記第１開放電圧リミッタが、電気回路を有する、請求項７に記載の光起電ストリング。
12. 前記光起電ストリング全体にわたるバイパスダイオードを更に備える、請求項７に記載の光起電ストリング。
13. 前記複数の直列接続された太陽電池の第２グループ全体にわたる第２開放電圧リミッタを更に備え、
    前記第２開放電圧リミッタは、前記第２開放電圧リミッタを通過して一方向に電流を流すために前記第２グループの太陽電池の最大電圧より低い第２リミッタ電圧を有し、第２開放電圧リミッタを通過して別方向に電流を流すために第２正バイパス電圧を有する、請求項７に記載の光起電ストリング。
14. 太陽電池の前記第１グループおよび太陽電池の前記第２グループが、前記光起電ストリングの太陽電池の全体を含む、請求項１３に記載の光起電ストリング。
15. 光起電ストリングを動作させる方法であって、
    前記光起電ストリングの直列接続された太陽電池の第１グループ全体にわたる第１開放電圧リミッタを準備する段階と、
    直列接続された太陽電池の前記第１グループの最大電圧を、前記第１開放電圧リミッタを通過して第１方向に電流を流すための第１開放電圧リミッタの第１リミッタ電圧に制限する段階と、
    前記第１方向とは反対の第２方向に前記第１開放電圧リミッタを通過して電流を流す段階と、を備える方法。
16. 前記太陽電池の第１グループが、前記光起電ストリングにおける全ての太陽電池を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１リミッタ電圧が、前記光起電ストリングの開放電圧より小さい、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１リミッタ電圧が、前記光起電ストリングの開放電圧より小さいが前記光起電ストリングの最大電力点電圧より大きい、請求項１７に記載の方法。
19. 直列接続された太陽電池の第２グループの最大電圧を、第２開放電圧リミッタを通過して第３方向に電流を流すために前記第２開放電圧リミッタの第２リミッタ電圧に制限する段階と、
    前記第３方向とは反対の第４方向に前記第１開放電圧リミッタを通過して電流を流す段階と、を更に備え、
    直列接続された太陽電池の前記第２グループが直列接続された太陽電池の前記第１グループと直列接続される、請求項１５に記載の方法。
20. 直列接続された太陽電池の前記第１グループおよび前記第２グループ全体にわたるバイパスダイオードを設ける段階を更に備える、請求項１９に記載の方法。

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