光電發電裝置的製作方法
2023-05-15 10:33:01 3
專利名稱：光電發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電發電裝置，以及其設計和安裝。
供住房使用的光電發電裝置開始推廣，並且積極進行了目的在於降低裝置費用的各種研究。作為降低費用的最後手段，正在考慮使一種太陽電池模件實用，這種太陽電池模件與不需要支架的屋頂材料及非絕緣式變換器，即所謂無變壓器的變換器相結合。無變壓器的變換器效率高，並且價格便宜，因此，無變壓器的變換器最近得到廣泛地使用。
圖1是一個方塊圖，說明一種可以與普通電力系統連接的光電發電裝置的布置。通過變換器2供電，電功率從太陽電池陣列1供給工業用交流電力系統3和/或用戶負荷6。在變換器2與工業用交流電力系統3之間，設有對地洩漏斷路器4a和4b，並且在用戶的住房或建築物中發生漏電時，使工業用交流電力系統3完全斷開。
然而，太陽電池陣列1要求相當大的室外安裝面積，例如，3kW發電能力的太陽電池陣列1要求約30m2的面積，因此太陽電池陣列1有相當大的對地電容5。因此，正如Furukawa等人在1996年日本工業應用學會電氣工程師協會(Institute of Electrical Engineers of Japan，IndustryApplication Society)的全國會議上所指出(文章編號No.77)，存在小洩漏電流流過對地電容5，並且可能不必要地使對地洩漏斷路器4a或4b動作(即斷開電路)的危險。在對地洩漏斷路器4a響應通過對地電容5的洩漏電流而動作情況下，負荷6與工業用交流電力系統3斷開，並且發生斷電。此外，在對地洩漏斷路器4b動作情況下，光電電源被斷開，因此，太陽電池陣列1產生的功率被浪費。
上述問題為使用無變壓器的變換器的情況所特有，該無變壓器的變換器直接把太陽電池陣列1連接到工業用交流電力系統3，而不用絕緣變壓器。此外，在與屋頂材料結合的太陽電池模件中(在下文稱為「屋頂太陽電池模件」)，它按這樣方式構成，即用樹脂使具有金屬襯底的太陽電池封裝到作為屋頂材料的金屬增強板上，金屬增強板則接地；因此，在金屬襯底與金屬增強板之間存在相當大的電容。因此，如上所述易於引起對地洩漏斷路器不希望有的操作(斷開電路)。
在Furukawa等人的文章中，敘述了洩漏(接地)電流的原因及其電流值，然而，在該文章中沒有提及對地電容5多大電容值會引起對地洩漏電路動作。因此，在安裝太陽電池陣列1時不清楚應該使對地電容5定界在多大電容。
本發明是在考慮到上述情況下實現的，並且其目的是提供一種光電發電裝置，以及設計和安裝該裝置，這種裝置能夠防止對地洩漏斷路器的不希望有的操作。
按照本發明，上述目的是通過提供一種與工業用交流電力系統連接使用的光電發電裝置來實現，該裝置包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容Ca[μF]和對地洩漏斷路器的斷路器斷路額定值EL[mA]具有關係Ca＜EL/3。
此外，上述目的還通過提供一種光電發電裝置的設計或安裝方法來實現，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，該方法包括步驟測量或估計太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容Ca[μF]；以及設定對地洩漏斷路器的斷路器斷路額定值EL[mA]，以便保持關係Ca＜EL/3。
此外，本發明的另一個目的是提供一種在設計或安裝光電發電裝置時所使用的圖表，該裝置能夠防止對地洩漏斷路器不希望有的操作。
按照本發明，上述目的是通過提供一種用於設計或安裝光電發電裝置的圖表來實現，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中在該圖表中記錄構成太陽電池陣列的太陽電池模件的數目與流過太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容的洩漏電流之間的關係。
此外，上述目的還通過提供一種用於設計或安裝光電發電裝置的圖表來實現，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中在該圖表中記錄太陽電池陣列的額定發電功率與流過太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容的洩漏電流之間的關係。
本發明的其他特點和優點將從以下連同附圖所作的敘述變得顯而易見，其中在所有圖中相同標號表示同樣或類似部件。
附圖結合在本說明書之中，並且構成本說明書的一部分，它們說明本發明的實施例，並且與敘述一起用作說明本發明的原理。
圖1是說明光電發電裝置的系統互連的布置的方塊圖；圖2是表示太陽電池模件的結構的斷面圖；圖3是表示太陽電池的示例結構的斷面圖；圖4是表示測量太陽電池模件的對地電容的一種方法的視圖；圖5是表示測量太陽電池陣列的對地電容的一種方法的視圖；圖6是說明用於實驗2的光電發電裝置的布置的方塊圖；圖7是表示洩漏電流的測量結果與對地電容之間關係的曲線圖；圖8A至圖8C是表示屋頂太陽電池模件的透視圖；圖9是表示實驗1結果的表；以及圖10是供光電發電裝置的設計者或安裝者所使用的設計圖表。
按照附圖將詳細地敘述本發明的光電發電裝置的優選實施例。參考圖1，在本發明的光電發電裝置中，確定構成太陽電池陣列1的太陽電池模件的數目，及/或對地洩漏斷路器4a和4b的斷路器斷路額定值，以便太陽電池陣列1相對於地電位的雜散電容Ca[μF](在下文稱為「對地電容」)和對地洩漏斷路器4a和4b的洩漏電流檢測靈敏度EL[mA]具有關係Ca＜EL/3。於是，本發明的光電發電裝置根據該確定結果構成。
如圖5所示，例如通過把太陽電池陣列1的陽極31和陰極32短路，並且在陽極31和陰極32之間的短路點與作為屋頂材料的金屬增強板之間連接一個阻抗計30，可以測量太陽電池陣列1的對地電容Ca。
以下將說明構成本發明的光電發電裝置的各個元件。
太陽電池陣列1包括多個串聯和/或並聯連接的太陽電池模件。對於太陽電池模件，優選地使用用樹脂封裝並密封在作為屋頂材料的增強板上的元件。
對於太陽電池，可以使用結晶矽太陽電池，多晶矽太陽電池，以及非晶矽太陽電池，或化合物半導體太陽電池，例如銅銦硒化物太陽電池。特別是，有利地使用通過化學汽相澱積而在長金屬襯底上形成的非晶矽太陽電池，以降低製造費用。
對於增強板材料，例如可以使用金屬，玻璃，塑料，以及纖維增強塑料(FRP)。
對於用來封裝和密封的樹脂，可以使用聚烯烴樹脂，例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)，乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)，乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)，以及丁醯樹脂，氨基甲酸乙酯樹脂，以及矽樹脂。太陽電池模件表面塗有透明樹脂膜，例如氟樹脂膜和丙烯酸樹脂膜，以作為保護層。對於用來封裝和密封的樹脂及膜樹脂，優選那些具有高陽光透射特性的樹脂。
當在太陽電池模件中使用金屬增強板時，通過彎曲處理金屬增強板，可以使太陽電池模件用作建築材料，例如牆壁材料和屋頂材料。圖8A至圖8C表示結合式屋頂太陽電池模件的例子。圖8A表示具有脊嚙合部分81和簷嚙合部分82的屋頂材料，它們向相對方向彎曲；圖8B表示其嚙合部分83通過固定在屋頂板85上的固定部件84插入並嚙合的屋頂材料；以及圖8C表示其鄰接對屋頂材料的嚙合部分86通過蓋87保持在一起的屋頂材料。在圖8A至圖8C所示的各屋頂材料的接收表面，設置太陽電池模件80。
當在太陽電池模件中用玻璃作加強板時，優選地周圍用金屬框加強。
變換器2為無變壓器的變換器，它在直流側(太陽電池陣列1側)與交流側(工業用交流電力系統3和負荷6側)之間不用絕緣變壓器。由於不用變壓器，所以無變壓器的變換器具有變換效率高，重量輕，以及費用低的顯著優點。然而，因為工業用交流電力系統3接地，所以不能使直流側的無變壓器的變換器與工業用交流電力系統3絕緣。
此外，為了使無變壓器的變換器與工業用交流電力系統3連接，需要對變換器2提供一系列保護功能，它們符合由運輸部(Ministry of Transport)制定的「發電機與電力系統電氣互連技術導則」(Technical Guideline forElectric Interconnection of Generators with Power System)。
對地洩漏斷路器4a和4b檢測零相序電流，它是流過構成電路的多條電線的電流總計，並且當零相序電流超過斷路器斷路額定值(洩漏電流檢測靈敏度)EL時，對地洩漏斷路器斷開電路。此外，當零相序電流小於非操作電流額定值，即在對地洩漏斷路器的死區時，那麼對地洩漏斷路器不斷開電路。一般地，使非操作電流額定值的值設定為斷路器斷路額定值EL的一半值。市場上有各種各樣的對地洩漏斷路器，它們的斷路器斷路額定值EL設定在15mA與100mA之間，並且可以根據待連接的電氣設備來選擇一種具有適當斷路器斷路額定值EL的對地洩漏斷路器。此外，許多對地洩漏斷路器具有過電流保護功能。
對地電容Ca與對地洩漏斷路器4a和4b的斷路器斷路額定值EL之間的關係由下述實驗結果來確定。
(實驗1)條件1在圖1所示光電發電裝置中，太陽電池陣列1是通過連接100個太陽電池模件9(圖2)而構成。太陽電池陣列1以30度傾斜角面朝南安裝在地上的金屬支架上。
圖2是太陽電池模件9的斷面圖，並且非晶太陽電池11用樹脂12，例如EVA樹脂封裝並密封在金屬增強板10上。太陽電池模件表面塗有保護膜13，例如乙烯-四氟乙烯(ETFE)膜。太陽電池模件9背面的金屬板10接地。
圖3是非晶太陽電池11的斷面圖，它按這樣方式構成，即在金屬襯底20上層疊金屬層21，透明導電層22，光電轉換層23，透明電極24，以及集電極25。光電轉換層23是通過層疊三層非晶矽的pin結構成。
對於變換器2，使用無變壓器式變換器(可從Toshiba Corp.買得，產品型號PVUL0035)。
對於對地洩漏斷路器4a和4b，使用那些洩漏電流檢測靈敏度EL為15mA，非操作電流額定值小於7.5mA，以及額定電流為30A的斷路器(可從Matsusita Electric Works，Ltd.買得，產品型號BJJ330225K)。這些對地洩漏斷路器連接到工業用交流電力系統3(60Hz，200V)，以形成供實驗用的光電發電裝置。
如圖4所示，各太陽電池模件9的電容Cx由阻抗計30(可從Hioki E.E.Corp.買得，產品型號3620 LCR-Hi-TESTER)測量，它連接在陽極14和陰極15之間的短路點與金屬增強板10之間。太陽電池模件9(寬45cm，長130cm)的測量電容Cx為20nF。對於測量頻率，選擇120Hz，這個頻率為變換器2的脈動頻率。
其次，在太陽電池陣列1的陽極31和陰極32如圖5所示被短路下，測量太陽電池陣列1的對地電容Ca，為2μF，它剛好比各太陽電池模件9的電容Cx大100倍。
因此，在使用太陽電池模件的具有金屬框，例如金屬增強板10的太陽電池陣列中，可以在接地金屬框與太陽電池陣列的電輸出端之間短路點之間測量太陽電池陣列的對地電容Ca。
使上述那樣安裝的光電發電裝置運行一個月，在這段時間期間對地洩漏斷路器沒有動作。
條件2對上述光電發電裝置布置添加200個太陽電池模件9。在光電發電裝置運行期間的一周內，觀察到三次對地洩漏斷路器不希望有的操作。在這些次所測量的對地電容Ca為6μF。
條件3其次，使構成太陽電池陣列1的太陽電池模件的數目減少到100，於是在陽極31與地之間及陰極32與地之間形成1.5μF的薄膜電容器，形成患計3μF的電容。在這種布置下，太陽電池陣列1的對地電容Ca為5μF。在實驗的四周期間，對地洩漏斷路器不希望有地動作一次。
條件4其次，使所添加的電容器的電容降低到1μF，以使太陽電池陣列1的總對地電容Ca等於4μF。在這樣條件下，在實驗的一個月期間沒有觀察到對地洩漏斷路器不希望有的操作。
結果實驗1的結果示於圖9。參考圖9，可知當太陽電池陣列1的對地電容Ca[μF]設定約為對地洩漏斷路器的靈敏度EL(15mA)的三分之一，即EL[mA]/3＝5[μF]時，不發生對地洩漏斷路器不希望有的操作。
上述關係適用於大多數用無變壓器的變換器作變換器2的光電發電裝置，而與太陽電池陣列1和對地洩漏斷路器4a和4b的型號無關。
(實驗2)在實驗2中，太陽電池陣列1設置在建築物的屋頂上，並且通過改變太陽電池陣列的額定發電功率，即改變構成太陽電池陣列1的太陽電池模件9的數目，來改變對地電容Ca。於是，對於不同數目的太陽電池模件9，測量洩漏電流，以根據實驗1的結果通過設計光電發電裝置，澄清洩漏電流落在一個對地洩漏死區之內(一般地，小於洩漏電流檢測靈敏度EL的50％。當洩漏電流檢測靈敏度EL為30mA時，死區保持小於15mA)。對於變換器2，選擇不同於實驗1所使用型號的變換器，以便證明本發明的光電發電裝置提供基本相同的效果，而與變換器的型號無關。
圖6是一個方塊圖，說明實驗2中所使用的光電發電裝置的布置。從Japan Storage Battery Co.，Ltd.可買到的產品名為LINEBACK-EX的無變壓器的變換器用作變換器2。
太陽電池陣列1有696個集成的屋頂太陽電池模件，各如圖8A所示，它們排列成58個串，各串包括12個串聯連接的模件，並且這些串並聯連接。除光電轉換層是通過壓凹結合兩層非晶矽的pin結構成外，太陽電池80的布置與實驗1所用布置相同。各屋頂太陽電池模件的電容Cx大約與實驗1所用太陽電池模件9的電容相同。使用上述屋頂太陽電池模件的太陽電池陣列1的面積約為300m2。一串太陽電池模件(即12個串聯連接的模件)的測量對地電容Cs為240nF。
對於對地洩漏斷路器4，選擇額定電流50A，洩漏電流檢測靈敏度30mA，以及非操作電流額定值15mA的斷路器(可從Matsusita ElectricWorks，Ltd.買得，產品型號BJ35025K1)，並且通過絕緣變壓器7連接到60Hz及200V的工業用交流電力系統3。使用絕緣變壓器7的理由是使得有可能在絕緣變壓器7的二次側(即太陽電池陣列1側)用洩漏安培計8測量洩漏電流，而且對本發明的實施例無影響。換句話說，對於實際操作本發明的光電發電裝置，則不用絕緣變壓器7。
使太陽電池陣列1的額定發電功率增加10串，即對地電容Ca增加2.4μF，並且記錄相應的洩漏電流(頻率等於或小於1kHz)。設定頻率範圍等於或小於1kHz來測量洩漏電流的理由是由於對地洩漏斷路器的靈敏度的頻率範圍設定等於或小於1kHz。圖7是一個曲線圖，表示如上述獲得的洩漏電流相對於對地電容Ca的測量結果。注意，在曲線圖中直線上由方塊點標寫的數字表示太陽電池模件的連接串的數目。
如從測量結果清楚所見，把對地電容Ca限制在小於洩漏電流檢測靈敏度EL的三分之一，即EL/3＝30/3＝10μF，則洩漏電流落在對地洩漏電流的死區之內(小於15mA)。因此，證明了當改變變換器2和安裝位置時，由實驗1獲得的知識適用。因此，在根據實驗1獲得的知識設計的本發明的光電發電裝置中，可能防止由於太陽電池陣列的對地電容而引起對地洩漏斷路器不希望有地動作。
根據實驗1和2獲得的知識設計的光電發電裝置提供下列效果。
(1)把由於太陽電池陣列的對地電容所引起的洩漏電流限制在對地洩漏斷路器的死區之內，則可能防止由於太陽電池陣列的對地電容所引起的對地洩漏斷路器不希望有的操作。
(2)在安裝光電發電裝置的地方，可能防止由於太陽電池陣列的對地電容引起對地洩漏斷路器不希望有的操作而造成的對用戶的斷電。
(3)由於(2)中所說明的斷電通常同時造成光電發電裝置中斷操作，所以通過防止斷路，可能避免浪費發電功率。
因此，本發明光電發電裝置所提供的效果非常顯著，並且工業實用價值非常高。
顯然，本發明光電發電裝置的對地洩漏斷路器的洩漏電流檢測靈敏度EL和/或非操作電流額定值是根據實驗1和2的結果，按照圖7所示曲線圖(設計圖表)來設計的。此外，圖10設計圖表表示太陽板中所用太陽電池模件的數目或額定發電功率與洩漏電流之間的關係。通過測量或估計太陽板的對地電容，或根據太陽電池模件的希望數目或太陽板的希望額定發電功率，光電發電裝置的設計者或安裝者能夠由圖7或圖10所示設計圖表來確定待設計或安裝的光電發電裝置的洩漏電流。於是，設計者或安裝者能夠根據所獲得的洩漏電流來設定洩漏電流檢測靈敏度EL和/或非操作電流額定值，以便不發生由於太陽電池陣列的對地電容所引起的不希望有的斷路，並且可能使設計者或安裝者選擇具有上述洩漏電流靈敏度EL和/或非操作電流額定值的對地洩漏斷路器。換句話說，圖7和圖10中設計圖表的例子表示太陽板對地電容或太陽電池模件的數目或額定發電功率與洩漏電流之間的關係，它們構成本發明。
注意，圖7和圖10設計圖表並不總是以記錄在媒介例如紙上的可見形式提供。為了適應用計算機設計或安裝光電發電裝置情況，可能以表示太陽板的對地電容或太陽電池模件的數目或額定發電功率與洩漏電流之間關係的信息，以表格或數學函數，按照計算機中所用磁記錄媒介或光記錄媒介上記錄的或通過通信媒介交換的程序碼或數據形式，提供本發明。更具體地說，在媒介帶有程序碼或數據情況下，這些媒介也構成本發明，這裡媒介可以由計算機用作上述測量媒介，而程序碼或數據則表示太陽板的對地電容或太陽電池模件的數目或額定發電功率與洩漏電流之間的關係。
注意，圖7和圖10所示設計圖表以工業用交流電力系統的電壓和頻率作為參數。此外，對本領域技術人員來說顯而易見，還可以包括太陽電池模件的產品名或型號作為參數。
本發明不限於上述實施例，而是在本發明的精神和範圍內可以作出種種改變和變更。因此，為了公布本發明的範圍，提出如下權利要求。
權利要求
1.一種與工業用交流電力系統連接使用的光電發電裝置，所述裝置包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把所述太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在所述非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中所述太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容Ca[μF]和所述對地洩漏斷路器的斷路器斷路額定值EL[mA]具有關係Ca＜EL/3。
2.按照權利要求1的光電發電裝置，其中所述太陽電池陣列包括多個太陽電池模件，各有多個固定在一個增強板上的太陽電池。
3.按照權利要求2的光電發電裝置，其中所述增強板由金屬製成。
4.按照權利要求2的光電發電裝置，其中所述太陽電池在金屬襯底上構成。
5.按照權利要求2的光電發電裝置，其中所述太陽電池具有非晶體半導體。
6.按照權利要求2的光電發電裝置，其中所述太陽電池模件構成建築材料。
7.一種光電發電裝置的設計或安裝方法，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把所述太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在所述非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，所述方法包括步驟測量或估計所述太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容Ca[μF]；以及設定所述對地洩漏斷路器的斷路器斷路額定值EL[mA]，以便保持關係Ca＜EL/3。
8.一種用於設計或安裝光電發電裝置的圖表，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把所述太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在所述非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中在所述圖表中記錄構成所述太陽電池陣列的太陽電池模件的數目與流過所述太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容的洩漏電流之間的關係。
9.按照權利要求8的圖表，其中用工業用交流電力系統的頻率和電壓作為參數，記錄太陽電池模件的數目與洩漏電流之間的關係。
10.一種用於設計或安裝光電發電裝置的圖表，該裝置與工業用交流電力系統連接使用，包括一個太陽電池陣列；一個非絕緣式變換器，以把所述太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；以及一個對地洩漏斷路器，裝設在所述非絕緣式變換器與工業用交流電力系統之間，其中在所述圖表中記錄所述太陽電池陣列的額定發電功率與流過所述太陽電池陣列相對於地電位的雜散電容的洩漏電流之間的關係。
11.按照權利要求10的圖表，其中用構成所述太陽電池陣列的太陽電池模件的型號作為參數，記錄所述太陽電池陣列的額定發電功率與洩漏電流之間的關係。
12.按照權利要求10的圖表，其中用工業用交流電力系統的頻率和電壓作為參數，記錄所述太陽電池陣列的額定發電功率與洩漏電流之間的關係。
全文摘要
一種光電發電裝置,其所用的太陽電池陣列覆蓋相當大的室外安裝面積,並且在太陽電池陣列與地之間存在相當大的對地電容Ca。很小洩漏電流流過對地電容Ca,而對地電容Ca會引起置於變換器與工業用交流電力系統之間的對地洩漏斷路器不希望有的操作。因此,通過對其進行設計,以便對地電容Ca[μF]與對地洩漏斷路器的洩漏電流檢測靈敏度EL[mA]之間的關係為Ca EL/3,則防止由於洩漏電流所引起的對地洩漏斷路器不希望有的操作。
文檔編號H02J3/38GK1200589SQ9810847
公開日1998年12月2日 申請日期1998年5月14日 優先權日1997年5月14日
發明者竹原信善, 近藤博志, 黑神誠路 申請人:佳能株式會社