專利名稱：太陽能電池的特性評價裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于評價太陽能電池的特性的技術。
背景技術：
近年來，在地球環境問題被關注之中，無窮盡地利用作為清潔能源的太 陽能的太陽光發電系統不斷普及。日本在世界太陽光發電系統的市場中占有
第一位的份額，在日本國內，作為一^l殳的地球溫暖化對策，目標為在2010年 引入相當于482萬kW的發電量的太陽光系統。
隨著太陽光發電系統向一般家庭普及，系統的維護/管理技術變得重要。 例如，在構成系統的各個太陽能電池中，由于施工時的布線差錯、附近的樹 木和建筑物等產生的陰影的影響、或者經時劣化等各種原因，有時得不到當 初提出的規定的輸出。但是， 一般由于太陽光發電系統的設置場所在屋頂， 因此系統購買者大多注意不到在系統設置之后產生的發電電力的降低。此外， 太陽能電池的輸出根據太陽能電池的設置狀態(傾斜角等)、季節(太陽高度)、 時刻(太陽方位角)、溫度等各種原因而變動，因此，難以判斷太陽能電池的 發電輸出是否正確。因此，4艮多情況下，在施工之后好久才感到異常。因此， 需要發現太陽光發電系統的輸出降低并確定其位置的方法。
目前為止，雖然有關于太陽能電池模塊的輸出降低的報告，但研究用于 確定系統化的太陽能電池陣列的輸出降低的位置的方法的報告很少(參照非 專利文獻l)。例如，有在住宅用太陽光發電系統的施工工程時，通過測試器 來確認開路電壓(參照非專利文獻2)，在該情況下，即使太陽光發電系統的 開路電壓正常，也存在輸出降低的情況。從而，在利用測試器的方法中，難 以正確診斷太陽光發電系統的異常。
非專利文獻1:高嶋、他「太陽電池7 O故障診斷方法O基礎的検 討」、太陽/風力発電工氺少年一講演論文集、105， pp. 425-428(2003)
非專利文獻2:西澤、他「太陽光発電0初歩^住宅^cD応用」、理工 図書株式會社、p159(1998)

發明內容
發明要解決的課題
因此，本發明的目的在于提供一種能夠更詳細進行太陽能電池的故障診 斷的技術。
用于解決課題的手段
為了解決上述課題，本發明的太陽能電池的特性評價裝置包括測定單 元，測定太陽能電池的電流-電壓特性；換算單元，將由所述測定單元測定 的所述電流-電壓特性換算為規定的基準狀態；存儲器(存儲單元)，存儲多
個基準特性；以及判定單元，將被換算為所述基準狀態的所述電流-電壓特
性和從所述存儲器讀出的各個所述基準特性進行比較，并判定所述電流-電 壓特性最近似于哪個所述基準特性(即，與哪個基準特性的差異少)。此外， 特性評價裝置優選還具有用于顯示上述判定單元的上述判定的內容的顯示單元。
在該結構中，例如預先準備用于應對幾個典型的故障的電流-電壓特性 的基準特性，通過將這些基準特性和實際測定太陽能電池而得到的電流-電 壓特性進行比較，從而估計故障的內容。從而，能夠更詳細的進行太陽能電 池的故障診斷。
所述換算單元優選將所迷電流-電壓特性換算為lkW/m2、 25。C的基準狀態。
由此，能夠更高精度地進行故障的估計。
所述換算單元優選取得所述太陽能電池的背面溫度和日射強度，并基于 它們進行向所述基準狀態的換算。
由此，由于能夠考慮太陽能電池的設置環境引起的誤差，從而進行向基 準狀態的換算，所以能夠更高精度地進行故障的估計。
所述換算單元優選還進行將所述電流_電壓特性歸一化的處理。
由此，能夠更高精度地進行故障的估計。
所述判定單元例如可以通過最小二乘法進行所述電流-電壓特性和各個 所述基準特性的比較。另外，也可以釆用其它的曲線回歸法。
如果采樣這樣的方法，則能夠得到簡便且可靠性高的比較結果。 所述測定單元優選在進行所述太陽能電池的電流的測定之前進行開路電
壓的測定，在所述開路電壓表示異常值的情況下，不轉移到所述電流的測定。 由此，在電流測定之前檢測太陽能電池的逆連接等異常，可以防止特性 評價裝置的損壞。
所述測定單元優選測定所述太陽能電池的開路電壓并設定電壓量程，接 著，在最大量程測定在所述太陽能電池上連接了負載時的電流，基于該值設 定電流量程。
由此，能夠以自動量程(auto range )測定電流、電壓。 發明效果
根據本發明，能夠單獨地估計由于施工時的差^l昔、樹木和建筑物等周邊 環境、或者老化劣化等引起的太陽能電池的輸出降低，并進行檢測。從而， 能夠更詳細的進行太陽能電池以及使用它的系統的故障診斷。


圖1是說明一個實施方式的太陽能電池模塊的特性評價系統的結構的圖。
圖2是說明太陽能電池模塊的電路結構例子的圖。
圖3 ( A) ~圖3 (E)是概略說明特性評價裝置的功能的圖。
圖4是詳細地說明電流_電壓特性(I _ V特性)的圖。
圖5是表示太陽能電池的等效電路的圖。
圖6是用于說明特性評價裝置的詳細結構的方框圖。
圖7 ( A) ~圖7 (D)是說明基準特性的數據的概念圖。
圖8是說明特性評價裝置的動作步驟的流程圖。
圖9是說明向I-V特性的基準狀態的換算的曲線圖。
W 匸 付1H兌明
10..,.太陽能電池的特性評價裝置
12..,.計算機
14..,.溫度計
16....曰射強度計
18....參比池(reference cell)
20....溫度計
22....無線傳感器變換器32...模擬-數字變換器34...液晶顯示單元36...電容元件
38.,..電阻元件40..,晶體管42...晶體管
44....運算放大器
46..,.運算放大器
48..,.模擬-數字變換器
50..,.模擬-數字變換器
52..,.存儲器
100...太陽能電池的特性評價系統 200...太陽能電池模塊
具體實施例方式
以下，參照

本發明的實施方式。
圖1是說明一個實施方式的太陽能電池模塊的特性評價系統的結構的 圖。圖1所示的特性評價系統100用于進行太陽能電池模塊200的特性評價， 包含特性評價裝置10、計算機12、溫度計14、 20、日射強度計16、參比池 18而構成。
特性評價裝置IO經由布線與太陽能電池模塊200連接，評價太陽能電池 ^f莫塊的特性并顯示其結果。該特性評〗介裝置IO例如使用USB( Universal Serial Bus,通用串行總線)等有線或無線的通信部件與計算機12連接，可以將測 定后的特性值或評價結果等傳送到計算機12。本實施方式的特性評價裝置10 具有可手持程度的大小，通過安裝電池而能夠工作，不需要接受來自外部的 電源供給。此外，特性評價裝置IO包括顯示單元，可以單獨進行太陽能電池 模塊200的特性值的測定、評價以及顯示，而不用接受計算機12等外部裝置 的動作控制。關于特性評價裝置10的結構或動作的細節，進一步在后面敘述。
計算機12是通用的個人計算機，進行從特性評價裝置10取得的數據的 統計、分析、顯示等信息處理。另外，也可以使用計算機12控制特性評價裝 置10的動作。此外，也可以使用計算機12所配備的顯示單元來顯示特性評
價裝置10的特性評價結果的內容。
溫度計14被配置在太陽能電池模塊200的背面側，用于檢測該背面側的 溫度。這里，"背面側"是太陽能電池模塊200的與光接收面(應接收太陽光 的面)相反側的面。作為溫度計14，例如使用熱電偶。溫度計14例如被設 置在太陽能電池模塊200的背面中央附近。溫度計14的檢測信號(溫度檢測 結果)經由布線被輸入到特性評價裝置10。
日射強度計16被設置在例如接近太陽能電池模塊200的位置，以使太陽 光的入射狀態成為與太陽能電池模塊200相同條件。作為日射強度計16例如 使用全天日射強度計。日射強度計16的檢測信號(日射檢測結果)經由布線 被輸入到特性評價裝置10。
參比池18與日射強度計16同樣設置并使用。參比池18的檢測信號經由 布線被輸入到特性評價裝置10。作為參比池18，特別通過使用特性與被測定 太陽能電池一致的裝置，從而能夠進行更準確的向基準狀態的換算。
溫度計20被設置在接近太陽能電池模塊200的位置，用于檢測外部氣溫。 作為溫度計20，例如使用輻射溫度計。溫度計20的檢測信號(溫度檢測結 果)經由布線被輸入到特性評價裝置10。
無線傳感器變換器22將各溫度計14、 20、日射強度計16、參比池18各 自的輸出信號變換為無線通信用信號，并發送到特性評價裝置10。該無線傳 感器變換器22作為可選項而被準備，也可以省略。通過利用無線通信，各溫 度計14、 20、日射強度計16、參比池18的每一個和特性評價裝置IO之間不 需要布線，具有能夠進一步簡化特性評價的優點。
圖2是說明太陽能電池模塊200的電路結構例子的圖。各太陽能電池板 (panel) 201包含一個或多個太陽能電池而構成。各板組202a、 202b分別將 多個太陽能電池板201串聯連接而構成。將這些板組202a、 202b并聯連接而 構成。本實施方式的太陽能電池模塊200包含一個或多個如上述這樣將兩個 板組202a、 202b并聯連接而構成的模塊。特性評價裝置10被連接到該模塊 的兩端，測定電壓、電流。另外，太陽能電池模塊200的電路結構不限定于 此。
接著，更詳細說明特性評價裝置10。
圖3是概略說明特性評價裝置10的功能的圖。在圖3中，示出了特性評 價裝置10的顯示單元中的顯示畫面例子。本實施方式的特性評價裝置10對
太陽能電池模塊200包括(1 )測定電流-電壓特性(I - V特性)的功能、(2 )
測定功率_電壓特性(P -V特性)的功能、(3)測定電流-時間特性(I - T 特性)的功能、(4)測定電壓-時間特性(V-T特性)的功能。而且，圖3 (A)表示1-V特性的顯示例子，圖3 (B)表示P-V特性的顯示例子，圖 3(C)表示I-T特性的顯示例子，圖3 (D)表示V-T特性的顯示例子， 圖3 (E)表示數值數據的顯示例子。
圖4是詳細說明電流-電壓特性(I-V特性)的圖。太陽能電池的特性 評價基準之一的I - V特性是指將光對向太陽能電池并使負載的電壓變化時， 從太陽能電池的輸出端得到的電流和電壓的特性。如圖4所示，作為評價太 陽能電池的特性的重要的參數，有短路電流Isc、開路電壓Voc、最大輸出功 率Pmax等。短路電流Isc是指在太陽能電池的輸出端短路時流過的電流。能 夠根據該短路電流Isc的值評價該太陽能電池具有流過多大電流的能力。開路 電壓Voc是指在太陽能電池的輸出端不連接負載的狀態(無負載狀態)時的 電壓。能夠根據該開路電壓Voc的值評價該太陽能電池具有能夠產生多大電 壓的能力。最大輸出功率Pmax是指在I _ V特性的曲線上運算電流和電壓的 積即功率P，并且功率最大的點的輸出值。這里，圖5表示太陽能電池的等 效電路。關于圖5所示的太陽能電池板201,通過一邊變化負載(Z) —邊測 定負載兩端的電壓v和電流i，從而得到I-V特性。由于電壓和電流的積算 值是功率，因此如果在該功率值成為最大之處(參照圖4的虛線)使太陽能 電池工作，則成為效率高的使用方法。本實施方式的特性評價裝置IO測定該 I - V特性，并通過從該數據計算P - V特性從而計算最大輸出功率Pmax。
圖6是用于說明特性評價裝置IO的詳細結構的方框圖。圖6所示的特性 評價裝置10包含CPU(Central Processing Unit)30、模擬-數字變換器(A/D) 32、 48、 50、液晶顯示單元(LCD) 34、電容元件(電容器)36、電阻元件 38、晶體管40、 42、運算放大器44、 46、存儲器52而構成。
CPU30控制特性評價裝置10的整體動作。關于CPU30的細節進一步在 后面敘述。
模擬-數字變換器32將溫度計14的輸出信號(太陽能電池背面溫度)、 日射強度計16的輸出信號、溫度計20的輸出信號(外部氣溫)、參比池的輸 出信號分別變換為數字信號。數字信號被輸入到CPU30。
液晶顯示單元34被從CPU30提供圖像信號，并顯示與該圖像信號對應
的圖像。顯示內容的具體例子如上所述(參照圖3)。另外，也可以使用液晶 以外的顯示裝置(例如，電致發光裝置、電泳裝置等)構成顯示單元。
電容元件36和電阻元件38如圖所示這樣串聯連接，并連接到太陽能電 池模塊200的輸出端(+ 、-)之間。本實施方式的特性評價裝置10使用電 容元件36作為負載，利用該電容元件36的充電/放電來測定太陽能電池板的 I-V特性等各種特性。
晶體管40的柵極與CPU30連接，源極、漏極分別與電容元件36的兩端 連接。該晶體管40接受從CPU30提供給柵極的控制信號并切換導通狀態和 截止狀態。
晶體管42的柵極與CPU30連接，源極-漏極路徑串聯連接在電容元件 36和電阻元件38之間。該晶體管42接受從CPU30提供給柵極的控制信號并 切換導通狀態和截止狀態，從而作為對由電容元件36和電阻元件38構成的 電流路徑進行開閉的開關起作用。
運算放大器44將特性評價裝置10的一個輸入端(+ )上表示的電壓放 大。放大后的電壓信號由模擬-數字變換器48變換為數字信號，并被取入 CPU30。
運算放大器46將電阻元件38的一端(與特性評價裝置的另一個輸入端 未連接一側的端子)上表示的電壓放大。放大后的電壓信號由模擬-數字變 換器50變換為數字信號，并被取入CPU30。
存儲器52存儲CPU30進行太陽能電池模塊200的特性評價所需的各種 數據。作為該存儲器52，例如舉出ROM (Read Only Memory,只讀存儲器)、 可進行數據保持和重寫的非易失性RAM、或者硬盤裝置等。這里，本實施方 式的特性評價裝置10通過將預先存儲在存儲器52中的基準特性的數據和從 太陽能電池模塊200取得的I-V特性的數據進行擬合(fitting),從而進行特 性評價。此外，存儲器52中，除了上述基準特性的數據之外，還存儲了測定 的I - V特性的數據。存儲器52例如存儲300組左右的I - V特性的數據。
圖7是說明存儲器52中存儲的基準特性的數據的概念圖。圖7 (A)是 表示太陽能電池本來所具有的I-V特性(正常的特性)的曲線圖。該特性曲 線對應于上述圖4。圖7 (B)表示在太陽能電池^t塊、板或構成板的各個太 陽能電池單元中產生了斷路或短路的情況下的典型的I - V特性的曲線圖。該 特性曲線的特征在于在開路電壓Voc附近產生特異的變化點(折線)(參照點
劃線部分)。圖7 (C)是表示在太陽能電池模塊的一部分產生由任何的外因 (例如障礙物等)產生陰影，這一部分的發電量降^f氐的情況下的典型的I-V
特性的曲線圖。該特性曲線的特征在于，由于i-v特性在某一特異的變化點
下降，從而曲線分為2段(參照點劃線部分)。圖7 (D)是表示太陽能電池 模塊產生由經時劣化引起的輸出降低的情況下的典型的I _ V特性的曲線圖。 本來是實線所示的I-V特性，但如虛線所示，特征在于成為發電量整體降低 的1-V特性。另外，由于輸出特性受天氣等左右，所以實測時的經時劣化的 判斷很難，但如果使用JIS標準所記載的基準狀態換算式，則可以比較太陽 能電池模塊的設置時的特性和當前的特性，所以能夠掌握劣化狀態。
另外，上述CPU30、電容元件36、電阻元件38、晶體管40、 42、運算 ;改大器44、 46、 ^t擬-^:字變換器48、 50對應于"測定單元"，CPU30對應 于"換算單元，，和"判定單元"，液晶顯示單元34對應于"顯示單元"。
本實施方式的太陽能電池模塊的性能評價系統具有如上述的結構，接著， 使用流程圖說明特性評價裝置10的動作。圖8是說明特性評價裝置10的動 作步驟的流程圖。
首先，CPU30測定連接著的太陽能電池模塊200的開路電壓(步驟S100 )。 具體來說，CPU30通過提供控制信號，從而使晶體管42成為截止狀態(源極 -漏極間非導通的狀態)。 一邊保持該狀態，CPU30 —邊取入從模擬-數字變 換器48輸出的數字信號。該數字信號表示在特性評價裝置的一個輸入端(+ ) 示出的電壓即開路電壓。
接著，CPU30基于取得了的開路電壓的值，判定太陽能電池模塊200是 否被逆連接(步驟S101 )。具體來說，在太陽能電池模塊200被逆連接的情 況下，開路電壓的值大致為0,或者為負的值，所以CPU30例如判斷開路電 壓是否為正的值。也可以設置一定的閾值(正的值，例如幾伏特左右)，在開 路電壓為該閾值以上的情況下，判斷為逆連接。
在太陽能電池模塊200逆連接的情況下(步驟S101:是)，CPU30在液 晶顯示單元34中顯示規定的警告畫面(步驟S102)。這樣，在太陽能電池模 塊200逆連接的情況下，進行警告顯示，并且不進行以后的電流測定等，從 而能夠防止特性評價裝置10的故障。
在太陽能電池模塊200未逆連接的情況下(步驟S101:否)，CPU30進 行電壓量程(range )的設定(步驟S103 )。在電壓量程的設定中，通過CPU30 的指令設定運算放大器44的增益。運算放大器44的增益例如從1倍、1/10 倍、1/100倍的其中一個來選擇。
接著，CPU30在最大量程測定電流，并基于該值將電流量程設定為最佳 (步驟S104)。具體來說，CPU40通過提供控制信號從而使各晶體管40、 42 分別成為導通狀態(源極-漏極間導通的狀態)。通過使晶體管40成為導通 狀態，從而從太陽能電池模塊200輸出的電流不通過電容元件36 (即，不對 電容元件36充電荷)而流過。 一邊保持該狀態，CPU30 —邊取入從模擬 - 數 字變換器50輸出的數字信號。該數字信號表示在電阻元件38的一端示出的 電位，通過測定該電位，從而間接地測定電流值。這里，在電流量程的設定 中，通過CPU30的指令設定運算放大器46的增益。運算放大器46的增益例 如從1倍、IO倍、IOO倍的其中一個來選擇。
接著，CPU30測定I - V特性(步驟S105 )。具體來說，CPU30通過提 供控制信號從而使晶體管40成為截止狀態(源極-漏極間非導通的狀態)， 同時通過提供控制信號從而使晶體管42成為導通狀態(源極-漏極間導通的 狀態)。 一邊保持該狀態，CPU30—邊取入從模擬-數字變換器48、 50分別 輸出的數字信號。此時，來自太陽能電池模塊200的電荷被充電到電容元件 36中，并緩慢接近開路電壓。該電壓的變化經由運算放大器44、模擬-數字 變換器48被依次取入到CPU30中。此外，伴隨對電容元件36的充電，流過 電阻元件38的電流緩慢降低。該電流的變化經由運算放大器46、模擬-數 字變換器50被依次取入到CPU30中。在該電流的值極小的時刻(例如，短 路電流Isc的1/100 ~ 1/1000倍左右)，CPU30將晶體管42控制為截止狀態， 并結束I - V特性的測定。CPU30將測定了的I - V特性的數據存儲在存儲器 52中。
接著，CPU30將測定了的I - V特性換算為lkW/m2、 25。C的基準狀態(步 驟S106 )。該換算使用通過模擬-數字變換器32取得的太陽能電池模塊200 的背面溫度、日射強度(根據日射強度計16以及參比池18而得到)、外部氣 溫。換算方法基于JIS-C8913。具體來說，如以下這樣換算I-V特性。如 圖9所示，將基準狀態下的電壓設為Vd(ste)，將電流設為Id(ste)，將日射強度 設為Er(ste)，將太陽能電池溫度設為T(ste)，將測定了的電壓設為Vd，將電流 設為Id，將日射強度設為Er，將太陽能電池溫度設為T，將短路電流設為Isc 時，通過使用以下的換算式，可以將測定結果分別換算為基準電壓Vd(ste)、基
準電流Id(stc)。
Id(stc) [A]=Id+Isc((Er(stc)/Er)-l)+ a (T(stc)-T)
Vd(stc) [V]=Vd+ P (T(stc)-T)-RS(Id(stc)-Id)-K Id(stc) (T(stc)-T)
其中，Rs:串聯電阻[Q] K:曲線校正因數 a:電流溫度系數[ATC] (3:電壓溫度系數[V廠C]
接著，CPU30將被換算為基準狀態的I-V特性的數據進行歸一化，以 使短路電流Isc和開路電壓Voc (參照圖4)分別成為1 (步驟S107)。
接著，CPU30讀出存儲器52中存儲的基準特性的數據(參照圖7),對 這些基準特性和在步驟S107中歸一化了的I - V特性的數據進行比較，并進 行選擇誤差最少的基準特性的處理(curve fitting,曲線擬合)(步驟S108 )。 例如使用最小二乘法進行各基準特性數據和被歸一化了的I-V特性的數據 之間的誤差的評價。其結果，例如在I-V特性最接近圖7 (B)所示的基準 特性(即，誤差最少)的情況下，判定為成為評價對象的太陽能電池模塊200 中包含的板或太陽能電池單元中產生斷路或短路。CPU30將該判定結果顯示 在液晶顯示單元34中(步驟S109)。以上， 一系列的特性評價處理結束。
如以上這樣，根據本實施方式，能夠單獨地估計、檢測施工差錯、樹木 和建筑物等周邊環境、經時劣化等引起的太陽能電池的輸出降低。從而，能 夠更詳細地進行太陽能電池和使用其的系統的故障診斷。
另外，本發明不限定于上述實施方式，在本發明的主旨范圍內能夠進行 各種變形來實施。例如，上述實施方式的特性評價裝置IO采用電容負載方式 作為I-V特性的檢測方法，但J險測方法不限定于此，也可以采用X-Y記錄 器方式、偏置電源方式、電子負載方式等各種方式。
權利要求
1.一種太陽能電池的特性評價裝置，包括:測定單元，測定太陽能電池的電流-電壓特性；換算單元，將由所述測定單元測定的所述電流-電壓特性換算為規定的基準狀態；存儲器，存儲多個基準特性；以及判定單元，將被換算為所述基準狀態的所述電流-電壓特性和從所述存儲器讀出的各個所述基準特性進行比較，并判定所述電流-電壓特性最近似于哪個所述基準特性。
2. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，還包括顯示所述判定 單元的所述判定的內容的顯示單元。
3. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述換算單元 將所述電流-電壓特性換算為lkW/m2、 25。C的基準狀態。
4. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述換算單元 取得所述太陽能電池的背面溫度和日射強度，并基于它們進行向所述基準狀 態的換算。
5. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述換算單元 還進行將所述電流-電壓特性歸一化的處理。
6. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述判定單元 通過最小二乘法進行所述電流_電壓特性和各個所述基準特性的比較。
7. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述測定單元 在進行所述太陽能電池的電流的測定之前進行開^各電壓的測定，在所述開路 電壓表示異常值的情況下，不轉移到所述電流的測定。
8. 如權利要求1所述的太陽能電池的特性評價裝置，其中，所述測定單元 測定所述太陽能電池的開路電壓并設定電壓量程，接著，在最大量程測定在 所述太陽能電池上連接了負載時的電流，基于該值設定電流量程。
全文摘要
本發明目的在于更詳細地進行太陽能電池的故障診斷。太陽能電池的特性評價裝置包括測定單元(30、36、38、40、42、44、46、48、50)，測定太陽能電池的電流-電壓特性；換算單元(30)，將由所述測定單元測定的所述電流-電壓特性換算為規定的基準狀態；存儲器(52)，存儲多個基準特性；以及判定單元(30)，將被換算為所述基準狀態的所述電流-電壓特性和從所述存儲器讀出的各個所述基準特性進行比較，并判定所述I-V特性最近似于哪個所述基準特性。
文檔編號H01L31/04GK101375408SQ20078000336
公開日2009年2月25日 申請日期2007年4月16日 優先權日2006年5月17日
發明者加藤正, 長谷川壽一 申請人:英弘精機株式會社