[論文レビュー] Geometrical design of thin film PV modules for improved shade tolerance and performance

Sourabh Dongaonkar, Muhammad A. Alam|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、部分日影条件下における耐性を高めるために、径方向およびらせん形状のセル配置を用いた薄膜太陽電池（TFPV）モジュールの新しい幾何学的設計を提案する。セルの形状と配置を最適化することで、日影を受けたセルにおける逆方向破壊を防止し、部分日影下での出力電力の向上とシート抵抗損失の低減を実現。従来の長方形レイアウトと比較して、より高い耐障害性と効率性を示している。

ABSTRACT

Partial shading in photovoltaic modules is an important reliability and performance concern for all photovoltaic technologies. In this paper, we show how cell geometry can be used as a design variable for improved performance and resilience towards partial shading in monolithic thin film photovoltaic (TFPV) modules. We use circuit simulations to illustrate the geometrical aspects of partial shading in typical TFPV modules with rectangular cells, and formulate rules for shade tolerant design. We show that the problem of partial shading can be overcome by modifying the cell shape and orientation, while preserving the module shape and output characteristics. We discuss two geometrical designs with cells arranged in radial and spiral patterns, which (a) prevent the reverse breakdown of partially shaded cells, (b) improve the overall power output under partial shading, and (c) in case of spiral design, improve the module efficiency by reducing sheet resistance losses. We compare these designs quantitatively using realistic parameters, and discuss the practical approaches to their implementation.

研究の動機と目的

• 薄膜太陽電池（TFPV）モジュールにおける部分日影の深刻な課題に取り組むこと。これは、性能と信頼性の低下を引き起こす。
• セルの幾何学的形状、特に形状と配置が、部分日影下での耐障害性を向上させる設計パラメータとしてどのように活用できるかを調査すること。
• モジュールの外形を維持しつつ、電気的性能を向上させるために、代替的な幾何学的レイアウト（径方向およびらせん形状）を考案・評価すること。
• 実際のパrameterを用いた回路シミュレーションを通じて、部分日影条件下での出力電力および効率の向上を定量化すること。

提案手法

• 部分日影条件下における従来の長方形TFPVモジュールの電気的挙動を分析するための回路シミュレーションを実施する。
• 部分日影セル内の電流分布および電圧分布に基づき、日影耐性に関する設計ルールを策定する。
• 2つの代替的幾何的配置（モジュール内での径方向およびらせん形状のセル配置）を提案する。
• 日陰セルにおける逆電流および電圧ストレスを最小限に抑えるために、セルの形状と配置を最適化する。
• 実際のモジュールパrameterを用いて、径方向およびらせん形状の設計と標準的な長方形レイアウトとの性能を比較する。
• らせん形状におけるシート抵抗損失の低減が、全体のモジュール効率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルの幾何学的形状は、部分日影下におけるTFPVモジュールの逆方向破壊への感受性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 径方向およびらせん形状のセル配置は、部分日影下において、従来の長方形レイアウトと比較して、どれほど出力電力を向上させることができるか？
• RQ3 非長方形のセル幾何学は、同じモジュール形状と出力特性を維持しつつ、性能を向上させることができるか？
• RQ4 シート抵抗損失は全体のモジュール効率にどのように影響を与えるか？また、らせん形状はこれを緩和できるか？
• RQ5 径方向およびらせん形状のセルレイアウトをTFPVモジュールに実装するにあたり、実用的な課題と利点は何か？

主な発見

• 径方向およびらせん形状のセル設計は、電流のより均等な分布と電圧ストレスの低減により、部分日影セルにおける逆方向破壊を防止する。
• らせん形状は、シート抵抗損失を低減し、従来の長方形レイアウトと比較して、モジュール効率の向上をもたらす。
• 両方の代替的形状は、部分日影下において顕著に出力電力を向上させ、標準的な長方形モジュールを上回る。
• 回路シミュレーションにより、最適化されたセル幾何学が、望ましいモジュール出力特性を維持しながら耐障害性を向上させられることを確認した。
• 提案された設計は、全体のモジュール外形を変更せずに、TFPVモジュールの信頼性と性能を向上させる実現可能な道筋を提供する。
• 実際のパrameterを用いた定量的比較により、性能および日影耐性の明確な向上が確認され、この設計アプローチの有効性が裏付けられた。