专利名称：太阳能电池的特性评价装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于评价太阳能电池的特性的技术。
背景技术：
近年来，在地球环境问题被关注之中，无穷尽地利用作为清洁能源的太 阳能的太阳光发电系统不断普及。日本在世界太阳光发电系统的市场中占有
第一位的份额，在日本国内，作为一^l殳的地球温暖化对策，目标为在2010年 引入相当于482万kW的发电量的太阳光系统。
随着太阳光发电系统向一般家庭普及，系统的维护/管理技术变得重要。 例如，在构成系统的各个太阳能电池中，由于施工时的布线差错、附近的树 木和建筑物等产生的阴影的影响、或者经时劣化等各种原因，有时得不到当 初提出的规定的输出。但是， 一般由于太阳光发电系统的设置场所在屋顶， 因此系统购买者大多注意不到在系统设置之后产生的发电电力的降低。此外， 太阳能电池的输出根据太阳能电池的设置状态(倾斜角等)、季节(太阳高度)、 时刻(太阳方位角)、温度等各种原因而变动，因此，难以判断太阳能电池的 发电输出是否正确。因此，4艮多情况下，在施工之后好久才感到异常。因此， 需要发现太阳光发电系统的输出降低并确定其位置的方法。
目前为止，虽然有关于太阳能电池模块的输出降低的报告，但研究用于 确定系统化的太阳能电池阵列的输出降低的位置的方法的报告很少(参照非 专利文献l)。例如，有在住宅用太阳光发电系统的施工工程时，通过测试器 来确认开路电压(参照非专利文献2)，在该情况下，即使太阳光发电系统的 开路电压正常，也存在输出降低的情况。从而，在利用测试器的方法中，难 以正确诊断太阳光发电系统的异常。
非专利文献1:高嶋、他「太陽電池7 O故障診断方法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)
非专利文献2:西澤、他「太陽光発電0初歩^住宅^cD応用」、理工 図書株式会社、p159(1998)
发明内容
发明要解决的课题
因此，本发明的目的在于提供一种能够更详细进行太阳能电池的故障诊 断的技术。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的太阳能电池的特性评价装置包括测定单 元，测定太阳能电池的电流-电压特性；换算单元，将由所述测定单元测定 的所述电流-电压特性换算为规定的基准状态；存储器(存储单元)，存储多
个基准特性；以及判定单元，将被换算为所述基准状态的所述电流-电压特
性和从所述存储器读出的各个所述基准特性进行比较，并判定所述电流-电 压特性最近似于哪个所述基准特性(即，与哪个基准特性的差异少)。此外， 特性评价装置优选还具有用于显示上述判定单元的上述判定的内容的显示单元。
在该结构中，例如预先准备用于应对几个典型的故障的电流-电压特性 的基准特性，通过将这些基准特性和实际测定太阳能电池而得到的电流-电 压特性进行比较，从而估计故障的内容。从而，能够更详细的进行太阳能电 池的故障诊断。
所述换算单元优选将所迷电流-电压特性换算为lkW/m2、 25。C的基准状态。
由此，能够更高精度地进行故障的估计。
所述换算单元优选取得所述太阳能电池的背面温度和日射强度，并基于 它们进行向所述基准状态的换算。
由此，由于能够考虑太阳能电池的设置环境引起的误差，从而进行向基 准状态的换算，所以能够更高精度地进行故障的估计。
所述换算单元优选还进行将所述电流_电压特性归一化的处理。
由此，能够更高精度地进行故障的估计。
所述判定单元例如可以通过最小二乘法进行所述电流-电压特性和各个 所述基准特性的比较。另外，也可以釆用其它的曲线回归法。
如果采样这样的方法，则能够得到简便且可靠性高的比较结果。 所述测定单元优选在进行所述太阳能电池的电流的测定之前进行开路电
压的测定，在所述开路电压表示异常值的情况下，不转移到所述电流的测定。 由此，在电流测定之前检测太阳能电池的逆连接等异常，可以防止特性 评价装置的损坏。
所述测定单元优选测定所述太阳能电池的开路电压并设定电压量程，接 着，在最大量程测定在所述太阳能电池上连接了负载时的电流，基于该值设 定电流量程。
由此，能够以自动量程(auto range )测定电流、电压。 发明效果
根据本发明，能够单独地估计由于施工时的差^l昔、树木和建筑物等周边 环境、或者老化劣化等引起的太阳能电池的输出降低，并进行检测。从而， 能够更详细的进行太阳能电池以及使用它的系统的故障诊断。
图1是说明一个实施方式的太阳能电池模块的特性评价系统的结构的图。
图2是说明太阳能电池模块的电路结构例子的图。
图3 ( A) ~图3 (E)是概略说明特性评价装置的功能的图。
图4是详细地说明电流_电压特性(I _ V特性)的图。
图5是表示太阳能电池的等效电路的图。
图6是用于说明特性评价装置的详细结构的方框图。
图7 ( A) ~图7 (D)是说明基准特性的数据的概念图。
图8是说明特性评价装置的动作步骤的流程图。
图9是说明向I-V特性的基准状态的换算的曲线图。
W 匸 付1H兌明
10..,.太阳能电池的特性评价装置
12..,.计算机
14..,.温度计
16....曰射强度计
18....参比池(reference cell)
20....温度计
22....无线传感器变换器32...模拟-数字变换器34...液晶显示单元36...电容元件
38.,..电阻元件40..,晶体管42...晶体管
44....运算放大器
46..,.运算放大器
48..,.模拟-数字变换器
50..,.模拟-数字变换器
52..,.存储器
100...太阳能电池的特性评价系统 200...太阳能电池模块
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。
图1是说明一个实施方式的太阳能电池模块的特性评价系统的结构的 图。图1所示的特性评价系统100用于进行太阳能电池模块200的特性评价， 包含特性评价装置10、计算机12、温度计14、 20、日射强度计16、参比池 18而构成。
特性评价装置IO经由布线与太阳能电池模块200连接，评价太阳能电池 ^f莫块的特性并显示其结果。该特性评〗介装置IO例如使用USB( Universal Serial Bus,通用串行总线)等有线或无线的通信部件与计算机12连接，可以将测 定后的特性值或评价结果等传送到计算机12。本实施方式的特性评价装置10 具有可手持程度的大小，通过安装电池而能够工作，不需要接受来自外部的 电源供给。此外，特性评价装置IO包括显示单元，可以单独进行太阳能电池 模块200的特性值的测定、评价以及显示，而不用接受计算机12等外部装置 的动作控制。关于特性评价装置10的结构或动作的细节，进一步在后面叙述。
计算机12是通用的个人计算机，进行从特性评价装置10取得的数据的 统计、分析、显示等信息处理。另外，也可以使用计算机12控制特性评价装 置10的动作。此外，也可以使用计算机12所配备的显示单元来显示特性评
价装置10的特性评价结果的内容。
温度计14被配置在太阳能电池模块200的背面侧，用于检测该背面侧的 温度。这里，"背面侧"是太阳能电池模块200的与光接收面(应接收太阳光 的面)相反侧的面。作为温度计14，例如使用热电偶。温度计14例如被设 置在太阳能电池模块200的背面中央附近。温度计14的检测信号(温度检测 结果)经由布线被输入到特性评价装置10。
日射强度计16被设置在例如接近太阳能电池模块200的位置，以使太阳 光的入射状态成为与太阳能电池模块200相同条件。作为日射强度计16例如 使用全天日射强度计。日射强度计16的检测信号(日射检测结果)经由布线 被输入到特性评价装置10。
参比池18与日射强度计16同样设置并使用。参比池18的检测信号经由 布线被输入到特性评价装置10。作为参比池18，特别通过使用特性与被测定 太阳能电池一致的装置，从而能够进行更准确的向基准状态的换算。
温度计20被设置在接近太阳能电池模块200的位置，用于检测外部气温。 作为温度计20，例如使用辐射温度计。温度计20的检测信号(温度检测结 果)经由布线被输入到特性评价装置10。
无线传感器变换器22将各温度计14、 20、日射强度计16、参比池18各 自的输出信号变换为无线通信用信号，并发送到特性评价装置10。该无线传 感器变换器22作为可选项而被准备，也可以省略。通过利用无线通信，各温 度计14、 20、日射强度计16、参比池18的每一个和特性评价装置IO之间不 需要布线，具有能够进一步简化特性评价的优点。
图2是说明太阳能电池模块200的电路结构例子的图。各太阳能电池板 (panel) 201包含一个或多个太阳能电池而构成。各板组202a、 202b分别将 多个太阳能电池板201串联连接而构成。将这些板组202a、 202b并联连接而 构成。本实施方式的太阳能电池模块200包含一个或多个如上述这样将两个 板组202a、 202b并联连接而构成的模块。特性评价装置10被连接到该模块 的两端，测定电压、电流。另外，太阳能电池模块200的电路结构不限定于 此。
接着，更详细说明特性评价装置10。
图3是概略说明特性评价装置10的功能的图。在图3中，示出了特性评 价装置10的显示单元中的显示画面例子。本实施方式的特性评价装置10对
太阳能电池模块200包括(1 )测定电流-电压特性(I - V特性)的功能、(2 )
测定功率_电压特性(P -V特性)的功能、(3)测定电流-时间特性(I - T 特性)的功能、(4)测定电压-时间特性(V-T特性)的功能。而且，图3 (A)表示1-V特性的显示例子，图3 (B)表示P-V特性的显示例子，图 3(C)表示I-T特性的显示例子，图3 (D)表示V-T特性的显示例子， 图3 (E)表示数值数据的显示例子。
图4是详细说明电流-电压特性(I-V特性)的图。太阳能电池的特性 评价基准之一的I - V特性是指将光对向太阳能电池并使负载的电压变化时， 从太阳能电池的输出端得到的电流和电压的特性。如图4所示，作为评价太 阳能电池的特性的重要的参数，有短路电流Isc、开路电压Voc、最大输出功 率Pmax等。短路电流Isc是指在太阳能电池的输出端短路时流过的电流。能 够根据该短路电流Isc的值评价该太阳能电池具有流过多大电流的能力。开路 电压Voc是指在太阳能电池的输出端不连接负载的状态(无负载状态)时的 电压。能够根据该开路电压Voc的值评价该太阳能电池具有能够产生多大电 压的能力。最大输出功率Pmax是指在I _ V特性的曲线上运算电流和电压的 积即功率P，并且功率最大的点的输出值。这里，图5表示太阳能电池的等 效电路。关于图5所示的太阳能电池板201,通过一边变化负载(Z) —边测 定负载两端的电压v和电流i，从而得到I-V特性。由于电压和电流的积算 值是功率，因此如果在该功率值成为最大之处(参照图4的虚线)使太阳能 电池工作，则成为效率高的使用方法。本实施方式的特性评价装置IO测定该 I - V特性，并通过从该数据计算P - V特性从而计算最大输出功率Pmax。
图6是用于说明特性评价装置IO的详细结构的方框图。图6所示的特性 评价装置10包含CPU(Central Processing Unit)30、模拟-数字变换器(A/D) 32、 48、 50、液晶显示单元(LCD) 34、电容元件(电容器)36、电阻元件 38、晶体管40、 42、运算放大器44、 46、存储器52而构成。
CPU30控制特性评价装置10的整体动作。关于CPU30的细节进一步在 后面叙述。
模拟-数字变换器32将温度计14的输出信号(太阳能电池背面温度)、 日射强度计16的输出信号、温度计20的输出信号(外部气温)、参比池的输 出信号分别变换为数字信号。数字信号被输入到CPU30。
液晶显示单元34被从CPU30提供图像信号，并显示与该图像信号对应
的图像。显示内容的具体例子如上所述(参照图3)。另外，也可以使用液晶 以外的显示装置(例如，电致发光装置、电泳装置等)构成显示单元。
电容元件36和电阻元件38如图所示这样串联连接，并连接到太阳能电 池模块200的输出端(+ 、-)之间。本实施方式的特性评价装置10使用电 容元件36作为负载，利用该电容元件36的充电/放电来测定太阳能电池板的 I-V特性等各种特性。
晶体管40的栅极与CPU30连接，源极、漏极分别与电容元件36的两端 连接。该晶体管40接受从CPU30提供给栅极的控制信号并切换导通状态和 截止状态。
晶体管42的栅极与CPU30连接，源极-漏极路径串联连接在电容元件 36和电阻元件38之间。该晶体管42接受从CPU30提供给栅极的控制信号并 切换导通状态和截止状态，从而作为对由电容元件36和电阻元件38构成的 电流路径进行开闭的开关起作用。
运算放大器44将特性评价装置10的一个输入端(+ )上表示的电压放 大。放大后的电压信号由模拟-数字变换器48变换为数字信号，并被取入 CPU30。
运算放大器46将电阻元件38的一端(与特性评价装置的另一个输入端 未连接一侧的端子)上表示的电压放大。放大后的电压信号由模拟-数字变 换器50变换为数字信号，并被取入CPU30。
存储器52存储CPU30进行太阳能电池模块200的特性评价所需的各种 数据。作为该存储器52，例如举出ROM (Read Only Memory,只读存储器)、 可进行数据保持和重写的非易失性RAM、或者硬盘装置等。这里，本实施方 式的特性评价装置10通过将预先存储在存储器52中的基准特性的数据和从 太阳能电池模块200取得的I-V特性的数据进行拟合(fitting),从而进行特 性评价。此外，存储器52中，除了上述基准特性的数据之外，还存储了测定 的I - V特性的数据。存储器52例如存储300组左右的I - V特性的数据。
图7是说明存储器52中存储的基准特性的数据的概念图。图7 (A)是 表示太阳能电池本来所具有的I-V特性(正常的特性)的曲线图。该特性曲 线对应于上述图4。图7 (B)表示在太阳能电池^t块、板或构成板的各个太 阳能电池单元中产生了断路或短路的情况下的典型的I - V特性的曲线图。该 特性曲线的特征在于在开路电压Voc附近产生特异的变化点(折线)(参照点
划线部分)。图7 (C)是表示在太阳能电池模块的一部分产生由任何的外因 (例如障碍物等)产生阴影，这一部分的发电量降^f氐的情况下的典型的I-V
特性的曲线图。该特性曲线的特征在于，由于i-v特性在某一特异的变化点
下降，从而曲线分为2段(参照点划线部分)。图7 (D)是表示太阳能电池 模块产生由经时劣化引起的输出降低的情况下的典型的I _ V特性的曲线图。 本来是实线所示的I-V特性，但如虚线所示，特征在于成为发电量整体降低 的1-V特性。另外，由于输出特性受天气等左右，所以实测时的经时劣化的 判断很难，但如果使用JIS标准所记载的基准状态换算式，则可以比较太阳 能电池模块的设置时的特性和当前的特性，所以能够掌握劣化状态。
另外，上述CPU30、电容元件36、电阻元件38、晶体管40、 42、运算 ;改大器44、 46、 ^t拟-^:字变换器48、 50对应于"测定单元"，CPU30对应 于"换算单元，，和"判定单元"，液晶显示单元34对应于"显示单元"。
本实施方式的太阳能电池模块的性能评价系统具有如上述的结构，接着， 使用流程图说明特性评价装置10的动作。图8是说明特性评价装置10的动 作步骤的流程图。
首先，CPU30测定连接着的太阳能电池模块200的开路电压(步骤S100 )。 具体来说，CPU30通过提供控制信号，从而使晶体管42成为截止状态(源极 -漏极间非导通的状态)。 一边保持该状态，CPU30 —边取入从模拟-数字变 换器48输出的数字信号。该数字信号表示在特性评价装置的一个输入端(+ ) 示出的电压即开路电压。
接着，CPU30基于取得了的开路电压的值，判定太阳能电池模块200是 否被逆连接(步骤S101 )。具体来说，在太阳能电池模块200被逆连接的情 况下，开路电压的值大致为0,或者为负的值，所以CPU30例如判断开路电 压是否为正的值。也可以设置一定的阈值(正的值，例如几伏特左右)，在开 路电压为该阈值以上的情况下，判断为逆连接。
在太阳能电池模块200逆连接的情况下(步骤S101:是)，CPU30在液 晶显示单元34中显示规定的警告画面(步骤S102)。这样，在太阳能电池模 块200逆连接的情况下，进行警告显示，并且不进行以后的电流测定等，从 而能够防止特性评价装置10的故障。
在太阳能电池模块200未逆连接的情况下(步骤S101:否)，CPU30进 行电压量程(range )的设定(步骤S103 )。在电压量程的设定中，通过CPU30 的指令设定运算放大器44的增益。运算放大器44的增益例如从1倍、1/10 倍、1/100倍的其中一个来选择。
接着，CPU30在最大量程测定电流，并基于该值将电流量程设定为最佳 (步骤S104)。具体来说，CPU40通过提供控制信号从而使各晶体管40、 42 分别成为导通状态(源极-漏极间导通的状态)。通过使晶体管40成为导通 状态，从而从太阳能电池模块200输出的电流不通过电容元件36 (即，不对 电容元件36充电荷)而流过。 一边保持该状态，CPU30 —边取入从模拟 - 数 字变换器50输出的数字信号。该数字信号表示在电阻元件38的一端示出的 电位，通过测定该电位，从而间接地测定电流值。这里，在电流量程的设定 中，通过CPU30的指令设定运算放大器46的增益。运算放大器46的增益例 如从1倍、IO倍、IOO倍的其中一个来选择。
接着，CPU30测定I - V特性(步骤S105 )。具体来说，CPU30通过提 供控制信号从而使晶体管40成为截止状态(源极-漏极间非导通的状态)， 同时通过提供控制信号从而使晶体管42成为导通状态(源极-漏极间导通的 状态)。 一边保持该状态，CPU30—边取入从模拟-数字变换器48、 50分别 输出的数字信号。此时，来自太阳能电池模块200的电荷被充电到电容元件 36中，并緩慢接近开路电压。该电压的变化经由运算放大器44、模拟-数字 变换器48被依次取入到CPU30中。此外，伴随对电容元件36的充电，流过 电阻元件38的电流緩慢降低。该电流的变化经由运算放大器46、模拟-数 字变换器50被依次取入到CPU30中。在该电流的值极小的时刻(例如，短 路电流Isc的1/100 ~ 1/1000倍左右)，CPU30将晶体管42控制为截止状态， 并结束I - V特性的测定。CPU30将测定了的I - V特性的数据存储在存储器 52中。
接着，CPU30将测定了的I - V特性换算为lkW/m2、 25。C的基准状态(步 骤S106 )。该换算使用通过模拟-数字变换器32取得的太阳能电池模块200 的背面温度、日射强度(根据日射强度计16以及参比池18而得到)、外部气 温。换算方法基于JIS-C8913。具体来说，如以下这样换算I-V特性。如 图9所示，将基准状态下的电压设为Vd(ste)，将电流设为Id(ste)，将日射强度 设为Er(ste)，将太阳能电池温度设为T(ste)，将测定了的电压设为Vd，将电流 设为Id，将日射强度设为Er，将太阳能电池温度设为T，将短路电流设为Isc 时，通过使用以下的换算式，可以将测定结果分别换算为基准电压Vd(ste)、基
准电流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:串联电阻[Q] K:曲线校正因数 a:电流温度系数[ATC] (3:电压温度系数[V厂C]
接着，CPU30将被换算为基准状态的I-V特性的数据进行归一化，以 使短路电流Isc和开路电压Voc (参照图4)分别成为1 (步骤S107)。
接着，CPU30读出存储器52中存储的基准特性的数据(参照图7),对 这些基准特性和在步骤S107中归一化了的I - V特性的数据进行比较，并进 行选择误差最少的基准特性的处理(curve fitting,曲线拟合)(步骤S108 )。 例如使用最小二乘法进行各基准特性数据和被归一化了的I-V特性的数据 之间的误差的评价。其结果，例如在I-V特性最接近图7 (B)所示的基准 特性(即，误差最少)的情况下，判定为成为评价对象的太阳能电池模块200 中包含的板或太阳能电池单元中产生断路或短路。CPU30将该判定结果显示 在液晶显示单元34中(步骤S109)。以上， 一系列的特性评价处理结束。
如以上这样，根据本实施方式，能够单独地估计、检测施工差错、树木 和建筑物等周边环境、经时劣化等引起的太阳能电池的输出降低。从而，能 够更详细地进行太阳能电池和使用其的系统的故障诊断。
另外，本发明不限定于上述实施方式，在本发明的主旨范围内能够进行 各种变形来实施。例如，上述实施方式的特性评价装置IO采用电容负载方式 作为I-V特性的检测方法，但J险测方法不限定于此，也可以采用X-Y记录 器方式、偏置电源方式、电子负载方式等各种方式。
权利要求
1.一种太阳能电池的特性评价装置，包括:测定单元，测定太阳能电池的电流-电压特性；换算单元，将由所述测定单元测定的所述电流-电压特性换算为规定的基准状态；存储器，存储多个基准特性；以及判定单元，将被换算为所述基准状态的所述电流-电压特性和从所述存储器读出的各个所述基准特性进行比较，并判定所述电流-电压特性最近似于哪个所述基准特性。
2. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，还包括显示所述判定 单元的所述判定的内容的显示单元。
3. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述换算单元 将所述电流-电压特性换算为lkW/m2、 25。C的基准状态。
4. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述换算单元 取得所述太阳能电池的背面温度和日射强度，并基于它们进行向所述基准状 态的换算。
5. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述换算单元 还进行将所述电流-电压特性归一化的处理。
6. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述判定单元 通过最小二乘法进行所述电流_电压特性和各个所述基准特性的比较。
7. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述测定单元 在进行所述太阳能电池的电流的测定之前进行开^各电压的测定，在所述开路 电压表示异常值的情况下，不转移到所述电流的测定。
8. 如权利要求1所述的太阳能电池的特性评价装置，其中，所述测定单元 测定所述太阳能电池的开路电压并设定电压量程，接着，在最大量程测定在 所述太阳能电池上连接了负载时的电流，基于该值设定电流量程。
全文摘要
本发明目的在于更详细地进行太阳能电池的故障诊断。太阳能电池的特性评价装置包括测定单元(30、36、38、40、42、44、46、48、50)，测定太阳能电池的电流-电压特性；换算单元(30)，将由所述测定单元测定的所述电流-电压特性换算为规定的基准状态；存储器(52)，存储多个基准特性；以及判定单元(30)，将被换算为所述基准状态的所述电流-电压特性和从所述存储器读出的各个所述基准特性进行比较，并判定所述I-V特性最近似于哪个所述基准特性。
文档编号H01L31/04GK101375408SQ20078000336
公开日2009年2月25日 申请日期2007年4月16日 优先权日2006年5月17日
发明者加藤正, 长谷川寿一 申请人:英弘精机株式会社