JP2005507169A - 交流光起電ビルディングブロック - Google Patents
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Abstract
光起電モジュールを介して、直流の形態で電力を発生させるステップと、モジュールに取り付けられた一つ以上の電力変換及び転送ユニットを介して、直流を交流に変換して電力を輸送するステップとを含み、各ユニットがモジュールの長さ又は幅に亘って延びる単一のハウジングを備え、このハウジングがモジュールから直流を受領するための接点手段と、一つ以上の直流交流インバータと、交流バスと、一つ以上のインバータから交流を受領するための接点手段とを備える、交流光起電力生成のためのモジュラ式装置及び方法。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光起電システムのモジュール化に関する。（関連出願の説明）本願は、２００１年１０月２５日提出の米国仮出願第６０／３３５，６６８号「新規なＡＣ光起電ビルディングブロックの開発」の出願の利益を主張するものであり、その明細書は出典を明記することにより本願明細書の一部とする。（政府の権利） 政府は、米国エネルギ省が与えた契約第ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００号に従って、本発明の権利を有する。本発明は、完全統合された自己内蔵型の交流（「ＡＣ」）光起電（「ＰＶ」）ビルディングブロックデバイスと、光起電の応用により真のプラグアンドプレイデバイスを形成する方法とを提供する。
【背景技術】
【０００２】
以下の説明では、多数の刊行物を（複数の）著者及び刊行年別に参照しており、特定の刊行物は、最近の刊行日であるため、本発明に対する従来技術とはみなされ得ないことに留意されたい。本明細書において、こうした刊行物の説明は、より完全な背景として提示されるものであり、こうした刊行物が従来技術であることの、特許性の決定を目的とした承認として解釈されるべきではない。
【０００３】
今日の光起電力システムは、一般に、単一の光起電モジュールか、或いは光起電アレイとして直列回路又は並列回路の組み合わせによって接続された多数のモジュールを備える。ＡＣ出力を生成する単一モジュールシステムの場合、光起電モジュールは、他のソース（例えば、公共の電気又は電池）からの逆給電が可能な場合に光起電モジュールを保護するためにヒューズを組み込んだジャンクションボックスを通じて、インバータ又は負荷に接続される。こうしたシステムで使用される光起電モジュールは、フレームを伴って、或いはフレームを伴わずに、構成される。フレームレスの光起電モジュールは、一般に、ラミネートと呼ばれる。多数のラミネート又はモジュールを利用する従来型システムでは、ラミネート又はモジュールは、ジャンクションボックス又はフライングリードと、耐日光性として評価され、定格電流を伝達するサイズにする必要のある外部配線とを介して相互接続される。一部の従来型光起電システム設備では、適切なサイズの固定されたコンジット内に直流（「ＤＣ」）及びＡＣ配線が設置される必要がある。
【０００４】
従来型光起電システムにおいてＤＣ回路を相互接続する代表的な方法では、ターミナルブロックを提供する、各光起電モジュール最上部のＪ−ボックスにより、モジュール回路をフライングリード導線に接続し、その後、フライングリード導線をコネクタに取り付ける。Ｊ−ボックスは、特に、コンバイナボックス又はインバータにおいて二列のモジュールを並列にする場合に、モジュールを保護するための規則及び規格で求められる場合が多い直列又は「ブロッキング」ダイオードを更に収容する。モジュールは、従来の光起電の応用で通常必要とされる（複数の）バイパスダイオードにより構築される場合が多い。
【０００５】
この仕組みは、モジュールを直列で接続するのに使用される。モジュールは、合計の動作電圧が中央又はストリングインバータの最適なＤＣ電圧ウィンドウ内に入るまで、直列で接続される。この接続は、通常、コネクタを共につなげること、或いは分散したジャンクションボックスにつなげることで、モジュールに基づいて行われる。一部の設備では、設置者が確実な接続を行う上で不十分なスペースしか残らない。中央インバータは、通常、光起電モジュールの多数の列を扱うことが可能であり、光起電モジュールの多数の列は、その後、ＤＣ電力がインバータに供給される前に、ストリングコンバイナ又はボックスにおいて並列で配線される。
【０００６】
図１は、代表的な従来のグリッド接続光起電システムを例示している。太陽電池１２のモジュール又はラミネート１１（それぞれバイパスダイオードを含む）のアレイ１０が利用され、モジュール又はラミネートは、直列及び並列の組み合わせとなっている。このアレイは、通常、接地する必要がある。モジュール相互接続配線１３（コンジットを必要とする場合がある）は、ヒューズ１４（通常はモジュールのＪ−ボックス内）を通じて、通常はコンバイナボックス１７（更にサージ保護を収容してもよい）内のブロッキング又は直列ダイオード１６に対する光起電ソース回路１５（配線、及び場合によってはコンジットを必要とする）に電力を提供する。光起電出力回路１８（コンジットを伴う配線）は、その後、ＰＶ出力過電流保護を伴うＤＣ切断ボックス１９に電力を伝える。
【０００７】
次に、配線９（コンジットを伴う場合がある）が、関連するハウジング（接地事故保護を含む場合が多い）を伴うインバータ８に電力を伝え、その後、インバータ８は、ＡＣ切断、ヒューズ、及びサージ保護６にＡＣ電力を伝え、その後、サービスパネルを起源とするＡＣ専用分岐回路５に伝える。
【０００８】
本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、全てのＤＣ配線と、ヒューズの要件と、バイパスダイオード又は直列ダイオード、Ｊ−ボックス、及び接続の必要性とを排除する。最終的なＡＣ接続を除く全ての接続は、本発明の統合パッケージの一部となる。
【０００９】
図２は、本発明による代表的なグリッド接続光起電システムを例示している。ＡＣ ＰＶビルディングブロックアレイ２２は、モジュール又はラミネート２４を備え、モジュール又はラミネート２４のそれぞれが太陽電池２６を備える。モジュールに取り付けられたパワーバー又はレール２０は、それぞれ、インバータ及びＡＣバスと、通常の通信及び保護用ハードウェアとを備える。複数の相互接続バー又はレール２８は、アレイの一部に取り付けられ、複数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを並列で接続するためにリンクされ、同時に、接続の中心点を介して電力及び通信を転送する。
【００１０】
電力は、配線２５（コンジットを伴う場合がある）上でＡＣ切断、ヒューズ、及びサージ保護２３に提供され、その後、サービスパネルを起源とするＡＣ専用分岐回路２１に伝達される。本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、全ての外部ＤＣハードウェアと、従来型システムに関連する問題とを排除し、集合的なＡＣバスを収容し、電気技術者及び電気工事請負業者によく知られているＡＣ側の切断、配線、及び相互接続に関する要件のみを残す。更に、モジュールが直列ではなく並列で接続されるため、ＰＶパネル／セルで見られる電圧は、決して高くならない。これにより、ＰＶパネルの接点の信頼性と、全体的な信頼性とが向上する。
【００１１】
本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、（１）公共電気グリッド、（２）ハイブリッドシステムと呼ばれる場合が多いＡＣ発電の他のソースを利用するミニグリッド、或いは（３）遠隔地の住居、通信局、非常照明、及びＡＣ電力を必要とする多数のリモートエネルギシステムといったオフグリッドの負荷にＡＣ電力を供給する電気エネルギ蓄積及びインバータを通常使用するスタンドアロンの電力システム、に対してＡＣ電力を提供する任意のサイズ及び又は形状の光起電システムにより利用することができる。
【００１２】
また、本発明を組み合わせ、単一又は複数の光起電モジュールを使用する完全な光起電エネルギシステムを形成することが可能であり、この場合、電力の相互接続、変換、保護、及び結合は、光起電モジュールの実装、取り付け、及び接合にも使用されるリストアップ済み又は承認済みの構造の内部で発生させることができる。
【００１３】
以下の米国特許は、一般に、光起電システムにおける最新技術に関するものである：ウィリスに対する米国特許第６，２１９，６２３号、オニズカに対する米国特許第６，２８５，５７２号、メイヤに対する米国特許第６，２０１，１８０号、ブに対する米国特許第６，１４３，５８２号、ガービソンに対するに対する米国特許第６，１１１，１８９号、ドラマに対する米国特許第６，０４６，４００号、バロンに対する米国特許第５，７４２，４９５号、及びブに対する米国特許第５，７０２，９６３号。
【００１４】
Ｐａｃｉｆｉｃ Ｓｏｌａｒでは、マイクロインバータを利用したＰｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ及びＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍを製造している。しかしながら、マイクロインバータは、光起電パネルに物理的に取り付けられていない別個の構成要素である。正確には、マイクロインバータは、別個のケーブルを介して、光起電パネルに電気的に相互接続される。更に、全ての相互接続は、ＤＣ側でも、ＡＣ側においても、ケーブルを介したものとなる。米国の電気規程（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｄｅ（登録商標））及び関連する規則及び規格では、依然として、Ｐａｃｉｆｉｃ ＳｏｌａｒのＰｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ／ＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒの設計において、ＤＣヒューズ、接地事故検出／遮断、ＤＣ切断、及びＤＣ側での接地が国際的に必要となる。更に、Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ／ＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒの設計の設置コストは、必要な相互接続デバイスと、別個のインバータハウジングの必要性と、Ｊ−ボックス及び又はコンバイナに必要なハウジングとによって増加する。
【００１５】
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳｕｎＳｉｎｅ（登録商標）３００製品も、マイクロインバータを利用している。しかしながら、各パネルのマイクロインバータを隣接するパネルのマイクロインバータに接続するために、露出したケーブル配線を利用している。
【００１６】
以下の参考文献もまた、光起電システムにおける最新技術に関するものである：Stevens, J., et al., 「公共事業に組み込んだ光起電システムでの非孤立化に対するアプローチの開発及び試験」, SAND2000-1939, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM (Aug. 2000)、光起電（ＰＶ）システムの公共事業インタフェースに関するＩＥＥＥ推奨案, IEEE Standards Coordinating Committee 21 on Photovoltaics, IEEE Std. 929-2000, IEEE, New York, NY (Apr. 2000)、光起電力システムにおいて使用する静電変換器及び充電コントローラに関する安全のためのＵＬ規格, UL1741, Underwriters Laboratories, First Edition (May 1999)、Ropp, M., et al., 「グリッド接続光起電システムにおける孤立化の防止」, 光起電の研究及び応用の進歩, John Wiley & Sons, Volume 7. Number 1 (Jan.-Feb. 1999)、Bower, W., et al., 「光起電力システム用途に関する接地事故保護デバイスの調査」, 第２８回ＩＥＥＥ光起電専門家会議議事録, Anchorage, AK (Sep. 15-22, 2000)、Kern, G., ＳｕｎＳｉｎe（登録商標）３００：ＡＣ光起電モジュールの製造, Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙによるＰＶＭａＴ請負業者の最終報告, Phases I & II, NREL/SR-520-26085, Golden, CO (Mar. 1999)、Begovic, M., et al., 「グリッド接続ＰＶシステムにおける孤立化防止のための標準保護継電の十分性の決定」, 光起電太陽エネルギ変換に関する第二回世界会議及び展示会議事録, Vienna, Austria (Jul. 6-10, 1998)、Kleinkauf, W., et al., 「ＰＶ電源に関するシステム技術の標準化――直列生成構成要素を伴うモジュラ構造」, 光起電太陽エネルギ変換に関する第二回世界会議及び展示会議事録, Hofburg Congress Center, Vienna Austria (Jul. 6-10, 1998)、Stern, M., et al., グリッド接続ＰＶ電力システム用途に関する低コスト統合２０ｋＷ ＡＣ太陽追跡サブアレイの開発, 公共電気グループによるＰＶＭａＴ最終技術報告, NREL/SR-520-24759 (Jun. 1998)、Kern, G. A., 「米国におけるＡＣ ＰＶモジュールの相互接続のガイドライン及び状態」, ＰＶシステムの公共事業相互接続に関するＩＥＡ ＰＶＰＳタスクＶワークショップ, Zurich, Switzerland (Sep. 15-16, 1997)、Russell, M., et al., Ｓｕｎｓｉｎｅ３００ ＡＣモジュール, Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙによるＰＶＭａＴ年次報告, NREL/SR-520-23432, Golden, CO (Aug. 1997)、Strong, S., et al., 標準化された低コストＡＣ ＰＶシステムの開発：Ｐｈａｓｅ Ｉ年次報告, Ｓｏｌａｒ Ｄｅｓｉｇｎ ＡｓｓｏｃｉａｔｅｓによるＰＶＭａＴ請負業者の報告, Solarex and Advanced Energy Systems, NREL/SR-520-23002, Golden, CO (Jul. 1997)、Odenkamp, H., et al., 「ＡＣモジュール実装ＯＫＥ４インバータの信頼性及び加速寿命試験」, 第２５回ＩＥＥＥ光起電専門家会議議事録, Washington, DC (May 13-17, 1996)、Bower, W., 「光起電用途での「スマートパワー」及び電力集積回路デバイスに関するサンディアのＰＶプログラムの見通し」, スマートパワー／電力集積回路技術及び応用に関する第二回ワークショップ議事録, Pasadena, CA (Dec. 8-9, 1994)、Bower, W., et al., 「接地及び非接地光起電システムの分析」, 光起電エネルギ変換に関する第一回世界会議議事録, Waikoloa, HI (Dec. 5-9, 1994)、Bower, W., et al., 「光起電インバータの認証」, 光起電システムシンポジウム議事録, Albuquerque, NM (Jul. 18-20, 2001)、Martin, B., 「ＰＶ実務者認証プログラムの策定」, ２００１ワークショップ研究論文, Sacramento, CA (Sep. 30, 2001)、Bower, W., et al., 「光起電インバータの認証：ＰＶシステム認証に向けた初期ステップ」,ＩＥＥＥ第２９回ＰＶ専門家会議記事録, New Orleans, LA (May 21-24, 2002)、太陽光起電システム設置者の目標及びタスクの分析, アメリカ認証エネルギ実務者会技術委員会文書, ｗｗｗ．ｎａｂｃｅｐ．ｏｒｇにて入手可能。
【発明の開示】
【００１７】
本発明は、交流光起電力生成のためのモジュラ式装置及び方法に関するものであり、光起電モジュールを介して、直流の形態で発電するステップと、モジュールに取り付けられた一つ以上の電力変換及び転送ユニットを介して直流を交流に変換し、電力を輸送するステップとを含み、各ユニットはモジュールの長さ又は幅で延びる単一のハウジングを備え、このハウジングは、モジュールから直流を受領するための接点手段と、一つ以上の直流交流インバータと、交流バスとを備える。バスに取り付けられた交流バスリンクにより、本発明による他の装置と並列に相互接続し、ＡＣ光起電アレイを形成することが可能となる。
【００１８】
ハウジングに含まれるデータ通信リンクを介して、データを通信してもよい。一つ以上の相互接続ユニットをモジュールに取り付け、電気サービスパネルへの交流電力のための外部接続ポイントへと続く交流バスに電気的に接続してもよい。ハウジングは、Ｉ形梁形状、チャネル形状、又はＴ形梁形状を利用することで、物理的なモジュール性を提供する。ハウジングは、以下のいずれか又は全てを更に備えてもよい：一つ以上のインバータ及び光起電モジュール用のサージ保護器、ステータス情報を報告する通信ネットワーク、ディスパッチ又はその他の選択基準に関する通信ネットワーク、耐候性を提供するシール、及び熱管理手段。モジュールは、フレーム式、屋根マウント式、オープン構造マウント式、ポールマウント式、或いは窓壁マウント式にしてよい。外部の直流ヒューズ又は直流切断は、必要としない。
【００１９】
本発明は、更に、先ほど説明した一つ又は複数のモジュラ式交流光起電力生成装置を備える交流光起電力生成システムに関するものである。
【００２０】
本発明は、更には、交流光起電力を生成するモジュラ式装置及び方法に関するものであり、光起電モジュールを介して、直流の形態で発電するステップと、直流を受領するステップ及び一つ以上の直流交流インバータを介して交流に変換するステップと、モジュールに取り付けられた一つ以上の電力転送ユニットを介して交流電流を輸送するステップとを含み、各ユニットはモジュールの長さ又は幅で延びる単一のハウジングを備え、このハウジングは、一つ以上のインバータへ直流を伝達する接点手段と、一つ以上のインバータから交流を受領するための接点手段と、交流バスとを備える。
【００２１】
本発明は、更に、エッジを備える光起電パネルと、パネルのエッジに取り付けられた中空構造部材と、構造部材に取り付けられた直流交流インバータモジュールとを備えるモジュラ式交流光起電力生成装置に関するものである。この装置は、中空構造部材の内部に配置された交流バスと、光起電パネルからインバータモジュールへ直流を転送する、中空構造部材の内部に配置された、相互接続手段とを更に備えてもよい。
【００２２】
本発明の目的、利点、及び新規の特徴と、利用可能性の更なる範囲は、添付図面と併せて以下の詳細な説明において一部記載され、また、一部は以下を検討することにより当業者には明らかとなり、或いは、本発明の実施によって学習され得よう。本発明の目的及び利点は、付記した特許請求の範囲において特に指摘した手段及び組み合わせを用いて実現且つ達成し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本明細書に組み込まれてその一部を形成する添付図面は、本発明の一つ以上の実施形態を例示すると共に、説明と併せて、本発明の原理を明らかにするためのものである。この図面は、本発明の一つ以上の好適な実施形態を例示する目的のみを有し、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２４】
本発明は、完全に統合された光起電構成要素（付随する発電方法）であり、光起電性の電源として使用可能であり、ＡＣ出力のみを有する、統合型交流（「ＡＣ」）光起電（「ＰＶ」）ビルディングブロック（以降「ＡＣ ＰＶビルディングブロック」）に関するものである。本発明は、光起電システムのほぼ全ての電気的及び機械的要素を組み合わせ、包含し、統合する。
【００２５】
本発明は、ＤＣ要素をＡＣ ＰＶビルディングブロック構造の内部に配置することで、今日の光起電システムのＤＣ電圧に関するあらゆる考慮事項を排除する。同じ構造内において、本発明は、光起電モジュールにより生成されたＤＣ電力を、用途の要件に応じて、ＡＣ公共電気グリッド、ミニグリッド、或いは小さなスタンドアロン及びハイブリッド電力システムに完全に適合するＡＣ電力へ変換し、相補的なインバータ又は発電機は、適合する基準電圧を維持することができる。
【００２６】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、ＡＣ電気出力のみを供給し、適合する電源及び負荷に接続された時のみ供給を行う。本発明は、結晶シリコンと、多結晶シリコンと、薄膜結晶シリコンと、結晶シリコン上のアモルファスシリコンと、薄膜アモルファスシリコンと、薄膜カドミウムテルル化物と、薄膜銅インジウム二セレン化物及び他の元素を使用した変異物と、結晶ガリウムヒ化物とのモジュールを含む技術を使用する既知のあらゆる光起電モジュール技術及び光起電モジュール設計に適合する。一般的に低い濃度を使用する特定のコンセントレータモジュールにも適合する。
【００２７】
本発明は、内部ＤＣ−ＡＣ変換デバイスの設計における僅かな変化により、多数の構成に応用できる。こうした構成は、相互接続の要件に応じて、接地すること又は非接地にすることができる。出力は、相互接続の要件に応じて、単相又は三相電力にすることができる。電圧及び周波数に関する動作の範囲は、ＤＣ−ＡＣ変換デバイスの設計により選択可能となる。
【００２８】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、ディスパッチ用、データロギング用、或いはＡＣ ＰＶビルディングブロックの動作状態又は履歴を伝達する、一方向又は双方向の通信を含む。通信は、別個の通信ケーブル（同じく構造内に含まれる）上で実行可能であり、或いは、様々な電力線搬送通信方法を利用することができる。通信は、従来型の通信ライン（例えば、電話回線）の近くに位置するユニットに対する、或いは光起電力を利用する建物又はその他の構造の内部にあるＡＣ回路／配電パネルの近くに位置するユニットに対する、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＧＨｚ帯域、超広帯域、無線周波数、又はその他の手段といったワイヤレス手段により実行することもできる。
【００２９】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、設置、方向性、モジュール技術、老化、破損、及び故障に関連して、無数の利点を提供する多数のモジュールの出力を並列化（合計）する性質は、内蔵された冗長性を提供し、単一のモジュールの故障又は破損は、合計出力において、一つのＡＣ ＰＶビルディングブロックと同等のものを減少させるのみである。同様に、樹木、煙突、通気管による影も、影響されるＡＣ ＰＶビルディングブロックの数のみ、出力を減少させる。出力の性質から、多数のモジュール技術を使用することが可能となり、一モジュールの老化又は劣化は、その出力のみに影響を与え、システム全体の最大出力点の追跡に関する問題を生成せず、或いは、特定のインバータが機能できなくなるレベルまでシステムの動作ウィンドウを低減させない。
【００３０】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックの概念は、世界中の従来型光起電力システムを相互接続することに関連する以下の要素又は問題を排除する完全統合設計又はパッケージである。この設計により排除される外部又は追加構成要素及び要素には、その一部として以下が含まれる：
１．ＤＣ配線及び関連するホルダ、ケーブルトレイ、コンジット、及びその他、
２．ＤＣ切断及び関連するハウジング、
３．ＤＣヒューズ及び関連するホルダ及びハウジング、
４．あらゆる商業タイプのＤＣコネクタ及びＤＣ過電流保護、
５．ＤＣ接地事故検出及び保護回路及びデバイス、
６．ＤＣサージ保護、
７．ＤＣコンバイナボックス、
８．個別のＤＣジャンクションボックス及びコネクタブロック、
９．光起電モジュール又はアレイに関連する「直列又はブロッキングダイオード」、
１０．全てではないとしても、殆どの光起電モジュールバイパスダイオード、
１１．従来型光起電力システムのインバータにおいて必要となるようなインバータハウジング
１２．ＡＣ公共電気グリッド又はハイブリッドマイクログリッドとの相互接続のための専用又は転用分岐回路との接続の一部として必要なものを除くＡＣ配線、及び
１３．ＤＣ配線用コンジット。
【００３１】
本発明及びその構成要素により置き換えられる、或いは、これらの内部に含まれる、今日の光起電システム設計において使用される従来のハードウェアの一部には、以下が含まれる：
１．光起電モジュール同士の配線及びコネクタ、
２．ＤＣ−ＡＣ変換（インバータ）
３．インバータのハウジング
４．光起電モジュールマウント用のハードウェア及びフレーム
５．光起電モジュールのＡＣ回路上でのサージ保護、
６．ＤＣ配線及び一部のＡＣ配線用コンジット、
７．フレーム又はレールといった機械式マウント用ハードウェア、及び
８．多数のＡＣ Ｊ−ボックス。
【００３２】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックの一部として含まれる縮小化されたＤＣ−ＡＣ変換デバイス（インバータ）は、好ましくは、以降「パワーバー」又は「パワーレール」と呼ばれる交換可能な要素の一体部分であり、「パワーバー」又は「パワーレール」は、多数のビルディングブロックを追加することが可能なＡＣバスバーとの統合的接続も有する。「パワーバー」−「相互接続バー」及び「パワーレール」−「相互接続レール」機械的組立体は、必要な電気的結合を維持し、二重絶縁特性を提供し、耐候性を提供する。ＤＣ−ＡＣ変換デバイスも、部分的に、或いは全体的に、交換可能である。したがって、本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、あらゆるタイプの光起電システムを構築可能な、基盤となるユニットにすることができる。本発明は、機械的組立体、光起電モジュールに対するＤＣ接続、電子ＤＣ−ＡＣ変換、サージ保護、通信バス、及び配電要素としての役割を果たす完全統合マウント構造を使用する。
【００３３】
代替実施形態では、マイクロインバータを、パワーバー又はパワーレールの外部に取り付けることができる。この実施形態は、インバータモジュールが容易に交換可能となり、容易に冷却できる点において、特定の利点を有する。インバータモジュールは、１２０Ｖプラグを（例えば、プロングを使用して）コンセントに差し込むのと全く同じように、パワーバー又はパワーレールに差し込むことができる。インバータモジュールは、パワーバー又はパワーレールのオプションの一体式雨よけフィンにより、パワーバー又はパワーレールの底部に取り付け、雨水がインバータに損傷を与える可能性を少なくすることもできる。
【００３４】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックで利用されるマイクロインバータは、以下の機械的特徴を有することができる：
１．完全に封入すること、部分的に封入すること、或いは封入されない回路基盤及び構成要素で構成することができる。
【００３５】
２．ＡＣバスに直接取り付け可能な接点タブを包含ができる。
【００３６】
３．光起電モジュールとの電気的接続を完成させるジャンパ及び接点を包含できる。
【００３７】
４．一体化ユニットにすること、或いは、通常は、電力切り替えセクション、制御セクション、通信セクション、相互接続セクション、及びその他に区分される多数の要素で構成することができる。
【００３８】
５．熱パイプ、フィン、三次元熱伝達、放射デバイス、及び近隣のハウジングへの熱伝導といった、様々な熱管理手段を使用できる。インバータとフレームとの間での良好な絶縁体は、酸化ベリリウムであり、これはＢｅＯが比較的良好な熱伝導体及び電気絶縁体となるためである。
【００３９】
６．ハウジング内を起源とする、或いはハウジングを通じて延びる、通信デバイス又はケーブルとの電気的接点を提供できる。
【００４０】
７．パワーバー又はパワーレールの恒久的部品となるように設計できる。
【００４１】
８．パワーバー又はパワーレールの交換可能部品となるように設計できる。
【００４２】
９．耐水性となるように設計できる。
【００４３】
１０．耐食性となるように設計できる。
【００４４】
１１．耐候性となるように設計できる。
【００４５】
マイクロインバータは、更に、以下の電気的又は電気制御的特徴を有することができる。
【００４６】
１．電界キャパシタのような寿命の短い構成要素の使用を最小化できる。
【００４７】
２．誘導性エネルギ蓄積を静電エネルギ蓄積に置き換えることができる。
【００４８】
３．光起電モジュール全体又は光起電モジュールの一部の電力を変換するように設計できる。
【００４９】
４．部品を排除するために、光起電モジュールとの高い近接性等の特徴を使用するように設計できる。
【００５０】
５．最大出力点追跡を提供するために、温度アルゴリズム等の方法の代用として光起電モジュールとの高い近接性等の特徴を使用するように設計できる。
【００５１】
６．サージ保護を含むように設計できる。
【００５２】
７．過電流保護又は切断といった機能の代用となるように設計できる。
【００５３】
８．データロギング、要求側管理、ステータス報告、及びその他の通信をインタフェースする、或いは提供するように設計できる。
【００５４】
９．ＡＣ接続点が、電圧、周波数、及びその他の必要な特徴を示した時のみ、ＡＣ出力を提供するように設計できる。
【００５５】
１０．モジュール利用率及びインバータ効率といった性能パラメータをトレードオフするように設計できる。
【００５６】
１１．既存の相互接続ガイドライン及び要件に適合するように設計できる。
【００５７】
１２．並列接続又はサービスパネルに接続された同様のインバータ又は他のインバータと、並列で動作するように設計できる。
【００５８】
１３．温度が事前に設定された限界に達した時に、電力の転送を制限するように、或いは折り返すように設計できる。本発明のフレーム内部での温度上昇の可能性から、高い信頼性及び長い寿命を伴う電解を使用しないキャパシタが選択される。
【００５９】
ＡＣ ＰＶビルディングブロック組立体は、あらゆるタイプ及び形状の光起電モジュールが利用可能となるような形で構築できる。本発明のその他の利点には、インバータハウジング、ジャンクションブロック、ジャンクションボックス、個別のコネクタ、サージ保護、通信回路及びケーブル、コンジット、光起電モジュールマウントオプション、光起電モジュール応用オプション、及び光起電アレイ内の殆どの配線を一部として含む、個別の光起電システムにおけるシステムのバランスに関する要素の交換、代用、又は統合が含まれる。
【００６０】
最終的な組立体は、共に嵌め込むこと、或いは、ネジ、ボルト、ナット、及びその他を使用して機械的に構築することが可能であり、結果として、屋上、建物統合式、ポールマウント式、又はオープン構造の光起電用途に適した環境保全型（耐候、耐湿、耐熱、耐日光性）の組立体となる。最終的な組立体は、機械的に堅牢であり、広範なマウント又は締め付けオプションにより取り付け、その後、必要なネジ及び留め具により取り付けて、機械及び電気的な規則又は規格に準拠させる。
【００６１】
このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、容易な実務者、設計者、及び設置者認証要件への道を開き、光起電技術の規則に準拠した設置及び建物との統合を優れた形で保証する。最終的な組立体は、いくつかの欧州の国々で使用される、或いは今日の多くの電気製品において行われているような、二重絶縁要件を満たすように構築できる。ＡＣ ＰＶビルディングブロックのＤＣシステムは、今日の従来型光起電システムのように、接地しないこと又は接地すること（但し、接地構成ではＤＣ側の利点の一部が失われる場合がある）が可能である。非接地構成の利点として、比較的敏感なインバータ電子機器を、近隣の落雷により発生する迷走電流から保護できる。
【００６２】
図３乃至図１１は、本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックを応用できる最も一般的な電気的構成のブロック図を示している。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力電圧及び周波数は、国の規格と、それぞれにおいて説明される接続とに応じて、異なるものにしてよい。
【００６３】
図３は、ＡＣ ＰＶビルディングブロック３０を使用し得る住宅用途での相互接続に関する最も一般的な応用を示している。米国において、大部分の住居施設では、単相２４０Ｖ、６０Ｈｚの電力が配線されている。この２４０Ｖは、二相電力と呼ばれるものを提供するために、更にセンタータップされる。殆どの家庭用回路は、米国において１２０Ｖ（国ごとに異なる）であり、センタータップの両側に接続され、可能な限り負荷のバランスを取る。電気衣服乾燥機又は電気オーブンといった高出力回路は、２４０Ｖを受領するように配線される。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋内の中性線に接続されることになる一端子が接地された状態において、１２０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。
【００６４】
「パワーバー」、「相互接続バー」、「パワーレール」、又は「相互接続レール」上で使用される時、全ての露出金属部５２は、米国の電気規程及び該当する国際設置規則の要件に応じて、機器接地回路５０に接続される。専用分岐回路３２は、通常、この用途でＡＣ ＰＶビルディングブロック又は多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを接続できる場所である。これも、米国の電気規程の要件となる。他の国でも、通常は、同様の分岐回路が必要だが、一部の国では、相互接続されるＡＣ ＰＶビルディングブロックの総数の出力が回路に指定された限界を超えない場合、既存の回路との接続が可能である。追加的な構成要素は、メインバス３６、分岐３８、及び本線４０を備えるサービスエントランスパネル３４と、負荷又はその他のＡＣ ＰＶビルディングブロックへの出力４２と、メータ４４と、配電トランス４６と、ＡＣ公共電気グリッド４８とである。
【００６５】
図４は、ＡＣ ＰＶビルディングブロック３０を使用し得る住宅用途での相互接続に関する別の一般的な応用を示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両方の端子が非接地の状態において、２４０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。
【００６６】
図５は、他のスタンドアロン電源と共にＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅用途での代表的な応用を示している。この構成（通常は小さなキャビンで使用される）は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって補足し得る接地ソースからの単相電力を引き込む。電気衣服乾燥機又は電気オーブンといった高出力回路は、通常２４０Ｖを受領するように配線されるが、このオプションは、この構成では利用できない。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、一端子が非接地の状態において、１２０Ｖ又は他の任意の供給単相電圧で電力を提供する。この構成は、他の負荷への出力５４と、スタンドアロンインバータ又はその他のＡＣ電源５６の回転ソースと、従来型ＰＶモジュール又はＰＶアレイ５８と、コントローラ６０と、蓄電池６２とを含む。
【００６７】
図６は、他のスタンドアロン電源（通常はインバータ）と共にＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅用途での代表的な応用を示している。この構成（通常は小さなキャビンで使用される）は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって補足し得る接地ソースからの単相電力を引き込む。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両端子が非接地の状態において、１２０Ｖ又は他の任意の供給単相接地電圧、或いは二相電圧で、電力を提供する。同期インバータ６６、６８は、この構成で求められる配電及び不平衡電流を提供する。この構成は、専用の２２０Ｖ分岐回路６４を提供する。
【００６８】
図７は、公共電気系統がミニグリッド又はハイブリッドシステム７２として分類される住宅用途での最も一般的な応用と、ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る相互接続とを示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋内の中性線に接続されることになる一端子が接地された状態において、１２０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。メータ７０は、オプションである。
【００６９】
図８は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅及び商業システムでの一般的な応用での相互接続を示している。世界中で、大部分の商業及び工業施設は、三相電力により配線されている。電圧は、電力要件及び国に応じて変化する。殆どの三相家庭用回路は、米国外のものである（国によって異なる）。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、任意のライン・中性線間又はライン間電圧（電圧一致のために適切なトランスを使用する場合が多い）を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力は、接地しても、接地しなくてもよい。
【００７０】
図８は、ライン・中性線間電圧が十分に低く、直接接続が可能となるケースを示している。更に高い電圧では、表示のように整合トランス７４、７４’、７４’’が必要となる（プライム符号又は二重プライム符号を伴う他の参照符号は、その他の点において、プライム符号のない対応する参照符号のものと同一である構成要素を示す）。この構成は、以下の構成要素を含む：三相ＡＣ公共電気グリッド７６、三相「Ｙ」配電７８、三相サービスエントランスパネル８０、及び三相メータ８８。
【００７１】
図９は、三相ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅及び商業システムでの一般的な応用に関する相互接続を示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、任意のライン・中性線間又はライン間電圧で（電圧一致のための適切なトランスを使用して）三相電力を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力は、接地しても、接地しなくてもよい。図９は、ライン・中性線間電圧が十分に低く、直接接続が可能となるケースを示している。更に高い電圧では、専用分岐回路上の整合トランスが必要となる。追加的な構成要素は、三相ＡＣ ＰＶビルディングブロック８２、専用又は転用三相分岐回路８４、三相分岐８６、三相配電トランス９０、及び「Ｙ字」又は「デルタ」トランス９２である。
【００７２】
図１０は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの相互接続が小さなステップダウントランスを介して電柱において行われる公共電気用途での一般的な応用を示している。有益な応用は、負荷プロフィールにほぼ一致する分散発電が長距離又はストレス送電線上でのラインのサポートを提供する場合に発生する。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両方の端子が非接地の状態又は一端子が接地された状態において、単相又は三相電圧で電力を提供する。図１０は、非接地の構成を示している。追加的な構成要素は、ポールマウント式分岐回路９４、ヒューズ及びコントロール９６、ステップダウントランス９８、Ｌ１バス１００、Ｌ２バス１０２、及び切断１０４である。
【００７３】
図１１は、広告板を夜間に点灯するが、光起電力を収集するのに便利な構造を提供する応用を例示している。既にグリッドに接続されている広告板は、日中の時間帯にはＡＣ ＰＶビルディングブロックを介して光起電力を公共電気に方向付け、夜間には広告板を公共電気グリッドにより供給される電力によって点灯し得る場合の接続方法となる。追加的構成要素は、広告板照明１０６及び配電盤１０８である。
【００７４】
図１２を参照すると、本発明のフレーム式ＡＣ ＰＶビルディングブロック２００は、好ましくは、完全に封入された、完全統合型光起電力システムである。全てのＤＣ回路及び構成要素は、パッケージに封入される。追加として、エネルギを収集し、相互接続分岐回路へのルートを定めることに関連するＡＣ回路、アレイ相互接続、及びサージ保護も、封入され、ＡＣ ＰＶビルディングブロックからの出力を開始させる基準として機能する適合ＡＣ電源にシステムが接続されるまで、消費者及び設置者にとって全く安全なものとなる。
【００７５】
同じ構造は、ディスパッチ、データ取得、及びＡＣ ＰＶビルディングブロック状態に関する通信も収容する。「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。この組立体は、トラック照明に類似しており、設置及び保守が同様に簡単である。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造（表示なし）を介して相互接続することができる。フレーム式の実施形態は、光起電モジュール１２と、相互接続バー２０２と、シール２０４と、ＡＣバスリンク／接続／ジャンパ２０６と、接地ネジ２０８（必要な場合）と、接合ネジ２１０（必要な場合）と、サージ保護付きＡＣバス２１２と、通信ケーブル又は光ファイバリンク２１４と、インバータ２１６（様々なサイズにしてよい）と、パワーバー２１８と、クラッディング２２０（耐日光性）と、オプションの絶縁材料２２２とを備える。
【００７６】
図１３は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの屋根マウント式実施形態３００を例示している。「パワーバー」の本体は、構造的な全体性を維持し、全ての必須要素を収容すると同時に、対応に対する最大の露出が可能となるように準備される。「インバータ」は、「パワーバー」内部に収容され、「光起電モジュール」によって生成された電力のＤＣ−ＡＣ変換と、光起電システムの相互接続を規定する様々な規格で求められる電圧範囲、出力電流制限、及び非孤立化といった必要な相互接続保護及び動作制限とを提供する。
【００７７】
ＡＣバスは、「パワーバー」が全体として交換可能要素であるか、或いはインバータを交換可能構成要素にすることが意図されているかに応じて、様々な取り付け方法でインバータに取り付けられる。いくつかのバージョンが開発中である「挿入接点」は、熱膨張／収縮の柔軟性を提供するように設計された「モジュール／インバータジャンパ」を介して、光起電モジュールとの電気的接続を形成する。「光起電モジュール」を「パワーバー」に接続する形態は、半田付け、ボルト締め、及び溶接によって全ての接続を恒久的にするためのものとなる。
【００７８】
これにより、「パワーバー」の現場での交換は、実行可能な修復方法となる。「パワーバー」及び「相互接続バー」は、耐候性金属、或いは耐候性及び耐日光性の非伝導体材料により構成されるクラッド材料を使用して構築してもよい。いずれの設計においても、二重絶縁設計が提供され、この場合、危険な電圧が人間に接触可能となる前に、二つの障壁を突破する必要がある状態となる。金属又は伝導性クラッディングが使用される時、「パワーバー」及び「相互接続バー」は、図１３において接地ネジ及び又は接合ネジによって表示するように、安全のための接地及び接合維持の方法を提供する必要がある。追加的な構成要素は、モジュール接点３０２（挿入接点及び又はインバータジャンパを備えてもよい）と、オプションのモジュールマウント３０４とである。
【００７９】
「ＡＣバスリンク」は、電気的接続及びジャンパを提供し、好ましくは３０年以上の電気的連続性を維持し、熱膨張及び収縮を補う十分な柔軟性を有する。「ＡＣバスリンク」は、光起電設備の特色である様々な屋外環境に関連する腐食に対する耐性を有する必要がある。「ＡＣバスリンク」は、更に、通信リンクを含んでもよい。「通信ケーブル」は、伝導体又は光ファイバ材料にしてよい。次のＡＣ ＰＶビルディングブロック、或いは建物の相互接続とのリンクは、「ＡＣバスリンク」の一部にしてもよく、或いは別個のリンクにしてもよい。
【００８０】
「相互接続バー」は、システムのレイアウトに応じて、使用してもよく、使用しなくてもよい。使用する時、その主要な目的は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の一方の側からの電力及び通信を、他方の側に転送すること、或いは、全てのＡＣ電力を接続の中心点に運ぶヘッダを提供することである。「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８１】
図１４は、光起電モジュールが窓ガラス又はその他の壁の構造及び材料に置き換わる窓壁用途４００での代表的な仕組みを例示している。光起電モジュールは、不透明又は半透明にしてよい。ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋及び高層建築物の従来のムリオンに置き換わる建物一体化部材を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって提供されるムリオンは、光起電システムのＡＣ伝導体のルートを定めるコンジットの役割を果たすことについてリストアップ及び承認されることになる。リストアップされたムリオンは、システムの配線及び機器の接地に関するリストアップ済み又は承認済みの方法を使用するための規則及び規格の要件を保証する。
【００８２】
「パワーバー」の本体は、建物の規則で求められる構造部材を提供しつつ、電力の変換と安全性とに関する全ての必須要素を収容すると同時に、太陽への露出を最大にするように準備される。「インバータ」は、「パワーバー」内部に収容され、「光起電モジュール」によって生成された電力のＤＣ−ＡＣ変換と、光起電システムの相互接続を規定する様々な規格で求められる電圧範囲、出力電流制限、及び非孤立化といった必要な相互接続保護及び動作制限とを提供する。ＡＣバスは、「パワーバー」が全体として交換可能要素であるか、或いはインバータを交換可能構成要素にすることが意図されているかに応じて、様々な取り付け方法でインバータに取り付けられる。
【００８３】
いくつかのバージョンが開発中である「挿入接点」は、熱膨張／収縮の柔軟性を提供するように設計された「モジュール／インバータジャンパ」を介して、光起電モジュールとの電気的接続を形成する。「光起電モジュール」を「パワーバー」に接続する形態は、半田付け、ボルト締め、及び溶接によって全ての接続を恒久的にするためのものとなる。これにより、「パワーバー」の現場での交換は、実行可能な修復方法となる。「パワーバー」及び「相互接続バー」は、耐候性金属、或いは耐候性及び耐日光性の非伝導体材料により構成されるクラッド材料を使用して構築してもよい。いずれの設計においても、二重絶縁設計が提供され、この場合、危険な電圧が人間に接触可能となる前に、二つの障壁を突破する必要がある状態となる。金属又は伝導性クラッディングが使用される時、「パワーバー」及び「相互接続バー」は、図１５において接地ネジ及び又は接合ネジによって表示するように、安全のための接地及び接合維持の方法を提供する必要がある。
【００８４】
「相互接続バー」は、システムのレイアウトに応じて、使用してもよく、使用しなくてもよい。使用する時、その主要な目的は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の一方の側からの電力及び通信を、他方の側に転送すること、或いは、全てのＡＣ電力を接続の中心点に運ぶヘッダを提供することである。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８５】
図１５は、別のマウントのオプションに関するＡＣ ＰＶビルディングブロックの「レールマウント」バージョン５００を例示している。「パワーレール」５０２及び「相互接続レール」５０４の全ての要素は、「パワーバー」及び「相互接続バー」と同様である。主要な違いは、レールが光起電モジュール又はラミネートの裏面に取り付けられることであり、これにより、小さな屋根面積又は効率の低い光起電モジュール技術に関して、光起電モジュールの優れたパッキングが可能となる。「レールマウント」バージョンは、電柱での直接的な接地又は広告板での接地及びその他、或いは、駐車場の日よけ構造、会議場、及びその他に関して、屋根マウントが実用的でないために使用し得るような自立式「地面マウント接地」に適合化し得るラック上でのＡＣ ＰＶビルディングブロックのマウントに関するオプションを提供する。
【００８６】
「パワーレール」又は「相互接続レール」のレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーレール」又は「相互接続レール」のレール部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８７】
図１６は、上面破断図において、この構造をパワーバー２１８及び相互接続バー２０２と共に表示しており、この構造はＡＣ ＰＶビルディングブロック又は負荷への最終接続に接続する開口部２０３を伴っている。
【００８８】
フレーム部材の一実施形態は、特に薄膜アモルファスＰＶシートに関して、ＰＶパネル接合部でガラス間接合を随意的に作り出すガラスのハウジングを形成することである。フレーム部材には、内部に収容する物品の移動を防止するために、発泡体材料を充填してもよい。現在市販される標準的なＰＶパネルでは、電気接点の位置の修正のみが必要となる。現在のパネルにおいて、こうした接点は、パネルのエッジから遠く離れて配置されているが、本発明において、こうした接点は、好ましくは、パネルのエッジ近く、或いはパネルのエッジ上に存在する。
【００８９】
まとめると、本発明は、以下を含む形式において有益である：
１．フレーム式又は非フレーム式にできる結晶又は薄膜光−電気エネルギ変換技術及び構築方法のいずれかを利用し、部材又はレール部材及び関連電気接続及びリンクの相互接続に対するアクセスを提供し、適合する相互接続回路にＡＣ電力のみを提供する任意の形状である、完全統合型光起電のモジュール。
【００９０】
２．全ての内部ＤＣ接続と、ＡＣ変換（インバータ）と、ＡＣ電力バスと、通信リンクと、サージ保護と、オプションの過電流保護と、次のモジュールフレーム又はレール或いはＡＣ負荷及び回路への接続に関する最終ジャンクションボックスに対する必要な全てのリンクとを収容及び包含することにも使用される部材を形成するために、伝導性、絶縁性、又は積層部材のいずれかにより構築された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９１】
３．インバータが封入されるかどうかに関係なく、ＤＣ−ＡＣインバータの全ての集合的な電気回路と、プリント基板と、構成要素とを収容するように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９２】
４．ＡＣエネルギのみを、適合するＡＣ電源に接続された時のみ生成する完全な光起電アレイに、光起電モジュールを電気的及び機械的に相互接続する形で、「相互接続バー」又は「相互接続レール」及び又は「パワーバー」又は「パワーレール」に結合された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９３】
５．ＤＣ−ＡＣインバータに関連する電力電子機器に関する必要なヒートシンク及び熱管理を提供するように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９４】
６．インバータ又はサージ保護の故障の際に、非破壊的に光起電モジュールから取り外される、或いは開放して修復が可能となるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９５】
７．インバータ又はサージ保護の故障の際に、修復のための選択肢として、非破壊的に光起電モジュールから取り外されるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９６】
８．光起電モジュールのエッジに取り付けることが可能で、同時に、挿入接点、ジャンパ、又は専用リンクを通じた、モジュールからインバータへのＤＣ電気接続を提供する、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」。
【００９７】
９．光起電モジュール又は光起電アレイを備えるモジュールの集合のための機械的マウント部材として使用され得るオプションのクランプ、フィッティング、マウンティング、スナップ、及びその他を伴う、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９８】
１０．「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材を光起電モジュールの両側で接着又はシーリングするオプションの接着剤及び又はシーリング材料を包含又は使用し得る、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９９】
１１．電気ＡＣ電力バス、通信ケーブル又は光学リンク、ＡＣサージ保護デバイス、及びＤＣ−ＡＣを共に収容し、同時に、専用ＡＣバスリンクを介して、安価かつ堅牢なＡＣバス相互接続を提供する電気コンジットとしてリストアップ、認証、又は承認され得る形で構築される、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１００】
１２．積層金属部を使用して構築する時、障害のある条件又は電圧を加えられた条件の下で、接触し得る人間への電気ショックのリスクを排除するために必要な接地及び接合を提供する、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０１】
１３．金属クラッディングが構造に使用されている場合でも「二重絶縁」電気デバイスとしての資格を有し、更に非接地光起電システムを運用するための要件を満たす様な形で、適切な絶縁材料を使用して構築されるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０２】
１４．傾斜屋根及び平屋根用の屋根上マウントシステム、建物正面マウントシステム、建物一体化システム、窓壁システム、天窓、建築システム、及びポールマウントシステムを一部として含む、あらゆるタイプの光起電設備に対応する、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材、及び様々な設計、構造、及び形状の適合する「相互接続バー」。
【０１０３】
１５．光起電モジュールに取り付けられ、雨又は吹き付ける水による水分の侵入から光起電モジュールのエッジを保護するシールを容易にするように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０４】
１６．光起電モジュールに取り付けられ、雨と、吹き付ける水と、海岸の空気によって運ばれる塩或いは工場用地近くで見られる硫黄又は腐食性の煙といった汚染物のような腐食性材料とからＤＣ相互接続点及び材料を保護するシールを容易にするように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０５】
１７．光起電モジュールのフレーム化を完成させるように設計され、「パワーバー」又は「パワーレール」と同様の形で構築された、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。ＡＣビルディングブロックの再構成のため、或いは屋根の修復を容易にするために、非破壊的に取り外すことも可能である。
【０１０６】
１８．ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の間で、必要なＡＣ電力及び通信の相互接続を提供する、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０７】
１９．モジュール全体で、モジュールの次の列に対する電力及び通信リンクを提供する、或いは最終相互接続部材又はボックスの配置に関するＡＣ電力の集合を可能にする、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０８】
２０．「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。
【０１０９】
２１．「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【０１１０】
以上、好適な実施形態を特に参照して本発明を詳細に説明してきたが、他の実施形態も同様の結果を達成し得る。本発明の変更及び変形は、当業者にとって自明であり、付記した特許請求の範囲にはこうした全ての変形及び等価物が包含される。上で参照した全ての参考文献、出願、特許、及び刊行物の開示内容全体は、出典を明記することにより本願明細書の一部とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】代表的な従来のグリッド接続光起電システムのブロック図
【図２】本発明による、代表的なグリッド接続光起電システムのブロック図
【図３】一相接地出力が使用される住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図４】一相非接地出力が使用される住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図５】スタンドアロンインバータからの単相が、一相接地サービスを介して、住宅に全ての電力を提供する、住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図６】一対のスタンドアロンインバータからの二相が、センタータップサービスを介して、住宅に電力を提供する、住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図７】スタンドアロンインバータからの電力が、一相接地サービスを介して、住宅に電力を提供する、住宅ハイブリッド用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図８】多数のインバータが、三相配電の単一相にそれぞれ接続される、商業又は住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図９】単一の三相インバータが三相配電に接続される、商業又は住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１０】本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックが、小さなステップダウントランスを介して、配電線に直接結合される、ポールマウント式公共電気用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１１】本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックが、広告板サービスに直接結合される、広告板マウント式公共電気双方向用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１２】本発明のフレーム式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの斜視図
【図１３】本発明の屋根マウント式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの側面破断図
【図１４】本発明の窓壁式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの側面破断図
【図１５】屋上、地面マウント式、又はポールマウント式用途のための本発明のレールマウント式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの斜視図
【図１６】「パワーバー」及び「相互接続バー」を利用した代表的なＡＣ ＰＶビルディングブロックレイアウトの上面破断図
【０００１】
本発明は、光起電システムのモジュール化に関する。（関連出願の説明）本願は、２００１年１０月２５日提出の米国仮出願第６０／３３５，６６８号「新規なＡＣ光起電ビルディングブロックの開発」の出願の利益を主張するものであり、その明細書は出典を明記することにより本願明細書の一部とする。（政府の権利） 政府は、米国エネルギ省が与えた契約第ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００号に従って、本発明の権利を有する。本発明は、完全統合された自己内蔵型の交流（「ＡＣ」）光起電（「ＰＶ」）ビルディングブロックデバイスと、光起電の応用により真のプラグアンドプレイデバイスを形成する方法とを提供する。
【背景技術】
【０００２】
以下の説明では、多数の刊行物を（複数の）著者及び刊行年別に参照しており、特定の刊行物は、最近の刊行日であるため、本発明に対する従来技術とはみなされ得ないことに留意されたい。本明細書において、こうした刊行物の説明は、より完全な背景として提示されるものであり、こうした刊行物が従来技術であることの、特許性の決定を目的とした承認として解釈されるべきではない。
【０００３】
今日の光起電力システムは、一般に、単一の光起電モジュールか、或いは光起電アレイとして直列回路又は並列回路の組み合わせによって接続された多数のモジュールを備える。ＡＣ出力を生成する単一モジュールシステムの場合、光起電モジュールは、他のソース（例えば、公共の電気又は電池）からの逆給電が可能な場合に光起電モジュールを保護するためにヒューズを組み込んだジャンクションボックスを通じて、インバータ又は負荷に接続される。こうしたシステムで使用される光起電モジュールは、フレームを伴って、或いはフレームを伴わずに、構成される。フレームレスの光起電モジュールは、一般に、ラミネートと呼ばれる。多数のラミネート又はモジュールを利用する従来型システムでは、ラミネート又はモジュールは、ジャンクションボックス又はフライングリードと、耐日光性として評価され、定格電流を伝達するサイズにする必要のある外部配線とを介して相互接続される。一部の従来型光起電システム設備では、適切なサイズの固定されたコンジット内に直流（「ＤＣ」）及びＡＣ配線が設置される必要がある。
【０００４】
従来型光起電システムにおいてＤＣ回路を相互接続する代表的な方法では、ターミナルブロックを提供する、各光起電モジュール最上部のＪ−ボックスにより、モジュール回路をフライングリード導線に接続し、その後、フライングリード導線をコネクタに取り付ける。Ｊ−ボックスは、特に、コンバイナボックス又はインバータにおいて二列のモジュールを並列にする場合に、モジュールを保護するための規則及び規格で求められる場合が多い直列又は「ブロッキング」ダイオードを更に収容する。モジュールは、従来の光起電の応用で通常必要とされる（複数の）バイパスダイオードにより構築される場合が多い。
【０００５】
この仕組みは、モジュールを直列で接続するのに使用される。モジュールは、合計の動作電圧が中央又はストリングインバータの最適なＤＣ電圧ウィンドウ内に入るまで、直列で接続される。この接続は、通常、コネクタを共につなげること、或いは分散したジャンクションボックスにつなげることで、モジュールに基づいて行われる。一部の設備では、設置者が確実な接続を行う上で不十分なスペースしか残らない。中央インバータは、通常、光起電モジュールの多数の列を扱うことが可能であり、光起電モジュールの多数の列は、その後、ＤＣ電力がインバータに供給される前に、ストリングコンバイナ又はボックスにおいて並列で配線される。
【０００６】
図１は、代表的な従来のグリッド接続光起電システムを例示している。太陽電池１２のモジュール又はラミネート１１（それぞれバイパスダイオードを含む）のアレイ１０が利用され、モジュール又はラミネートは、直列及び並列の組み合わせとなっている。このアレイは、通常、接地する必要がある。モジュール相互接続配線１３（コンジットを必要とする場合がある）は、ヒューズ１４（通常はモジュールのＪ−ボックス内）を通じて、通常はコンバイナボックス１７（更にサージ保護を収容してもよい）内のブロッキング又は直列ダイオード１６に対する光起電ソース回路１５（配線、及び場合によってはコンジットを必要とする）に電力を提供する。光起電出力回路１８（コンジットを伴う配線）は、その後、ＰＶ出力過電流保護を伴うＤＣ切断ボックス１９に電力を伝える。
【０００７】
次に、配線９（コンジットを伴う場合がある）が、関連するハウジング（接地事故保護を含む場合が多い）を伴うインバータ８に電力を伝え、その後、インバータ８は、ＡＣ切断、ヒューズ、及びサージ保護６にＡＣ電力を伝え、その後、サービスパネルを起源とするＡＣ専用分岐回路５に伝える。
【０００８】
本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、全てのＤＣ配線と、ヒューズの要件と、バイパスダイオード又は直列ダイオード、Ｊ−ボックス、及び接続の必要性とを排除する。最終的なＡＣ接続を除く全ての接続は、本発明の統合パッケージの一部となる。
【０００９】
図２は、本発明による代表的なグリッド接続光起電システムを例示している。ＡＣ ＰＶビルディングブロックアレイ２２は、モジュール又はラミネート２４を備え、モジュール又はラミネート２４のそれぞれが太陽電池２６を備える。モジュールに取り付けられたパワーバー又はレール２０は、それぞれ、インバータ及びＡＣバスと、通常の通信及び保護用ハードウェアとを備える。複数の相互接続バー又はレール２８は、アレイの一部に取り付けられ、複数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを並列で接続するためにリンクされ、同時に、接続の中心点を介して電力及び通信を転送する。
【００１０】
電力は、配線２５（コンジットを伴う場合がある）上でＡＣ切断、ヒューズ、及びサージ保護２３に提供され、その後、サービスパネルを起源とするＡＣ専用分岐回路２１に伝達される。本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、全ての外部ＤＣハードウェアと、従来型システムに関連する問題とを排除し、集合的なＡＣバスを収容し、電気技術者及び電気工事請負業者によく知られているＡＣ側の切断、配線、及び相互接続に関する要件のみを残す。更に、モジュールが直列ではなく並列で接続されるため、ＰＶパネル／セルで見られる電圧は、決して高くならない。これにより、ＰＶパネルの接点の信頼性と、全体的な信頼性とが向上する。
【００１１】
本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、（１）公共電気グリッド、（２）ハイブリッドシステムと呼ばれる場合が多いＡＣ発電の他のソースを利用するミニグリッド、或いは（３）遠隔地の住居、通信局、非常照明、及びＡＣ電力を必要とする多数のリモートエネルギシステムといったオフグリッドの負荷にＡＣ電力を供給する電気エネルギ蓄積及びインバータを通常使用するスタンドアロンの電力システム、に対してＡＣ電力を提供する任意のサイズ及び又は形状の光起電システムにより利用することができる。
【００１２】
また、本発明を組み合わせ、単一又は複数の光起電モジュールを使用する完全な光起電エネルギシステムを形成することが可能であり、この場合、電力の相互接続、変換、保護、及び結合は、光起電モジュールの実装、取り付け、及び接合にも使用されるリストアップ済み又は承認済みの構造の内部で発生させることができる。
【００１３】
以下の米国特許は、一般に、光起電システムにおける最新技術に関するものである：ウィリスに対する米国特許第６，２１９，６２３号、オニズカに対する米国特許第６，２８５，５７２号、メイヤに対する米国特許第６，２０１，１８０号、ブに対する米国特許第６，１４３，５８２号、ガービソンに対するに対する米国特許第６，１１１，１８９号、ドラマに対する米国特許第６，０４６，４００号、バロンに対する米国特許第５，７４２，４９５号、及びブに対する米国特許第５，７０２，９６３号。
【００１４】
Ｐａｃｉｆｉｃ Ｓｏｌａｒでは、マイクロインバータを利用したＰｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ及びＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍを製造している。しかしながら、マイクロインバータは、光起電パネルに物理的に取り付けられていない別個の構成要素である。正確には、マイクロインバータは、別個のケーブルを介して、光起電パネルに電気的に相互接続される。更に、全ての相互接続は、ＤＣ側でも、ＡＣ側においても、ケーブルを介したものとなる。米国の電気規程（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｄｅ（登録商標））及び関連する規則及び規格では、依然として、Ｐａｃｉｆｉｃ ＳｏｌａｒのＰｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ／ＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒの設計において、ＤＣヒューズ、接地事故検出／遮断、ＤＣ切断、及びＤＣ側での接地が国際的に必要となる。更に、Ｐｌｕｇ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ／ＳｕｎＥｍｐｏｗｅｒの設計の設置コストは、必要な相互接続デバイスと、別個のインバータハウジングの必要性と、Ｊ−ボックス及び又はコンバイナに必要なハウジングとによって増加する。
【００１５】
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳｕｎＳｉｎｅ（登録商標）３００製品も、マイクロインバータを利用している。しかしながら、各パネルのマイクロインバータを隣接するパネルのマイクロインバータに接続するために、露出したケーブル配線を利用している。
【００１６】
以下の参考文献もまた、光起電システムにおける最新技術に関するものである：Stevens, J., et al., 「公共事業に組み込んだ光起電システムでの非孤立化に対するアプローチの開発及び試験」, SAND2000-1939, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM (Aug. 2000)、光起電（ＰＶ）システムの公共事業インタフェースに関するＩＥＥＥ推奨案, IEEE Standards Coordinating Committee 21 on Photovoltaics, IEEE Std. 929-2000, IEEE, New York, NY (Apr. 2000)、光起電力システムにおいて使用する静電変換器及び充電コントローラに関する安全のためのＵＬ規格, UL1741, Underwriters Laboratories, First Edition (May 1999)、Ropp, M., et al., 「グリッド接続光起電システムにおける孤立化の防止」, 光起電の研究及び応用の進歩, John Wiley & Sons, Volume 7. Number 1 (Jan.-Feb. 1999)、Bower, W., et al., 「光起電力システム用途に関する接地事故保護デバイスの調査」, 第２８回ＩＥＥＥ光起電専門家会議議事録, Anchorage, AK (Sep. 15-22, 2000)、Kern, G., ＳｕｎＳｉｎe（登録商標）３００：ＡＣ光起電モジュールの製造, Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙによるＰＶＭａＴ請負業者の最終報告, Phases I & II, NREL/SR-520-26085, Golden, CO (Mar. 1999)、Begovic, M., et al., 「グリッド接続ＰＶシステムにおける孤立化防止のための標準保護継電の十分性の決定」, 光起電太陽エネルギ変換に関する第二回世界会議及び展示会議事録, Vienna, Austria (Jul. 6-10, 1998)、Kleinkauf, W., et al., 「ＰＶ電源に関するシステム技術の標準化――直列生成構成要素を伴うモジュラ構造」, 光起電太陽エネルギ変換に関する第二回世界会議及び展示会議事録, Hofburg Congress Center, Vienna Austria (Jul. 6-10, 1998)、Stern, M., et al., グリッド接続ＰＶ電力システム用途に関する低コスト統合２０ｋＷ ＡＣ太陽追跡サブアレイの開発, 公共電気グループによるＰＶＭａＴ最終技術報告, NREL/SR-520-24759 (Jun. 1998)、Kern, G. A., 「米国におけるＡＣ ＰＶモジュールの相互接続のガイドライン及び状態」, ＰＶシステムの公共事業相互接続に関するＩＥＡ ＰＶＰＳタスクＶワークショップ, Zurich, Switzerland (Sep. 15-16, 1997)、Russell, M., et al., Ｓｕｎｓｉｎｅ３００ ＡＣモジュール, Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙによるＰＶＭａＴ年次報告, NREL/SR-520-23432, Golden, CO (Aug. 1997)、Strong, S., et al., 標準化された低コストＡＣ ＰＶシステムの開発：Ｐｈａｓｅ Ｉ年次報告, Ｓｏｌａｒ Ｄｅｓｉｇｎ ＡｓｓｏｃｉａｔｅｓによるＰＶＭａＴ請負業者の報告, Solarex and Advanced Energy Systems, NREL/SR-520-23002, Golden, CO (Jul. 1997)、Odenkamp, H., et al., 「ＡＣモジュール実装ＯＫＥ４インバータの信頼性及び加速寿命試験」, 第２５回ＩＥＥＥ光起電専門家会議議事録, Washington, DC (May 13-17, 1996)、Bower, W., 「光起電用途での「スマートパワー」及び電力集積回路デバイスに関するサンディアのＰＶプログラムの見通し」, スマートパワー／電力集積回路技術及び応用に関する第二回ワークショップ議事録, Pasadena, CA (Dec. 8-9, 1994)、Bower, W., et al., 「接地及び非接地光起電システムの分析」, 光起電エネルギ変換に関する第一回世界会議議事録, Waikoloa, HI (Dec. 5-9, 1994)、Bower, W., et al., 「光起電インバータの認証」, 光起電システムシンポジウム議事録, Albuquerque, NM (Jul. 18-20, 2001)、Martin, B., 「ＰＶ実務者認証プログラムの策定」, ２００１ワークショップ研究論文, Sacramento, CA (Sep. 30, 2001)、Bower, W., et al., 「光起電インバータの認証：ＰＶシステム認証に向けた初期ステップ」,ＩＥＥＥ第２９回ＰＶ専門家会議記事録, New Orleans, LA (May 21-24, 2002)、太陽光起電システム設置者の目標及びタスクの分析, アメリカ認証エネルギ実務者会技術委員会文書, ｗｗｗ．ｎａｂｃｅｐ．ｏｒｇにて入手可能。
【発明の開示】
【００１７】
本発明は、交流光起電力生成のためのモジュラ式装置及び方法に関するものであり、光起電モジュールを介して、直流の形態で発電するステップと、モジュールに取り付けられた一つ以上の電力変換及び転送ユニットを介して直流を交流に変換し、電力を輸送するステップとを含み、各ユニットはモジュールの長さ又は幅で延びる単一のハウジングを備え、このハウジングは、モジュールから直流を受領するための接点手段と、一つ以上の直流交流インバータと、交流バスとを備える。バスに取り付けられた交流バスリンクにより、本発明による他の装置と並列に相互接続し、ＡＣ光起電アレイを形成することが可能となる。
【００１８】
ハウジングに含まれるデータ通信リンクを介して、データを通信してもよい。一つ以上の相互接続ユニットをモジュールに取り付け、電気サービスパネルへの交流電力のための外部接続ポイントへと続く交流バスに電気的に接続してもよい。ハウジングは、Ｉ形梁形状、チャネル形状、又はＴ形梁形状を利用することで、物理的なモジュール性を提供する。ハウジングは、以下のいずれか又は全てを更に備えてもよい：一つ以上のインバータ及び光起電モジュール用のサージ保護器、ステータス情報を報告する通信ネットワーク、ディスパッチ又はその他の選択基準に関する通信ネットワーク、耐候性を提供するシール、及び熱管理手段。モジュールは、フレーム式、屋根マウント式、オープン構造マウント式、ポールマウント式、或いは窓壁マウント式にしてよい。外部の直流ヒューズ又は直流切断は、必要としない。
【００１９】
本発明は、更に、先ほど説明した一つ又は複数のモジュラ式交流光起電力生成装置を備える交流光起電力生成システムに関するものである。
【００２０】
本発明は、更には、交流光起電力を生成するモジュラ式装置及び方法に関するものであり、光起電モジュールを介して、直流の形態で発電するステップと、直流を受領するステップ及び一つ以上の直流交流インバータを介して交流に変換するステップと、モジュールに取り付けられた一つ以上の電力転送ユニットを介して交流電流を輸送するステップとを含み、各ユニットはモジュールの長さ又は幅で延びる単一のハウジングを備え、このハウジングは、一つ以上のインバータへ直流を伝達する接点手段と、一つ以上のインバータから交流を受領するための接点手段と、交流バスとを備える。
【００２１】
本発明は、更に、エッジを備える光起電パネルと、パネルのエッジに取り付けられた中空構造部材と、構造部材に取り付けられた直流交流インバータモジュールとを備えるモジュラ式交流光起電力生成装置に関するものである。この装置は、中空構造部材の内部に配置された交流バスと、光起電パネルからインバータモジュールへ直流を転送する、中空構造部材の内部に配置された、相互接続手段とを更に備えてもよい。
【００２２】
本発明の目的、利点、及び新規の特徴と、利用可能性の更なる範囲は、添付図面と併せて以下の詳細な説明において一部記載され、また、一部は以下を検討することにより当業者には明らかとなり、或いは、本発明の実施によって学習され得よう。本発明の目的及び利点は、付記した特許請求の範囲において特に指摘した手段及び組み合わせを用いて実現且つ達成し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本明細書に組み込まれてその一部を形成する添付図面は、本発明の一つ以上の実施形態を例示すると共に、説明と併せて、本発明の原理を明らかにするためのものである。この図面は、本発明の一つ以上の好適な実施形態を例示する目的のみを有し、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２４】
本発明は、完全に統合された光起電構成要素（付随する発電方法）であり、光起電性の電源として使用可能であり、ＡＣ出力のみを有する、統合型交流（「ＡＣ」）光起電（「ＰＶ」）ビルディングブロック（以降「ＡＣ ＰＶビルディングブロック」）に関するものである。本発明は、光起電システムのほぼ全ての電気的及び機械的要素を組み合わせ、包含し、統合する。
【００２５】
本発明は、ＤＣ要素をＡＣ ＰＶビルディングブロック構造の内部に配置することで、今日の光起電システムのＤＣ電圧に関するあらゆる考慮事項を排除する。同じ構造内において、本発明は、光起電モジュールにより生成されたＤＣ電力を、用途の要件に応じて、ＡＣ公共電気グリッド、ミニグリッド、或いは小さなスタンドアロン及びハイブリッド電力システムに完全に適合するＡＣ電力へ変換し、相補的なインバータ又は発電機は、適合する基準電圧を維持することができる。
【００２６】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、ＡＣ電気出力のみを供給し、適合する電源及び負荷に接続された時のみ供給を行う。本発明は、結晶シリコンと、多結晶シリコンと、薄膜結晶シリコンと、結晶シリコン上のアモルファスシリコンと、薄膜アモルファスシリコンと、薄膜カドミウムテルル化物と、薄膜銅インジウム二セレン化物及び他の元素を使用した変異物と、結晶ガリウムヒ化物とのモジュールを含む技術を使用する既知のあらゆる光起電モジュール技術及び光起電モジュール設計に適合する。一般的に低い濃度を使用する特定のコンセントレータモジュールにも適合する。
【００２７】
本発明は、内部ＤＣ−ＡＣ変換デバイスの設計における僅かな変化により、多数の構成に応用できる。こうした構成は、相互接続の要件に応じて、接地すること又は非接地にすることができる。出力は、相互接続の要件に応じて、単相又は三相電力にすることができる。電圧及び周波数に関する動作の範囲は、ＤＣ−ＡＣ変換デバイスの設計により選択可能となる。
【００２８】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、ディスパッチ用、データロギング用、或いはＡＣ ＰＶビルディングブロックの動作状態又は履歴を伝達する、一方向又は双方向の通信を含む。通信は、別個の通信ケーブル（同じく構造内に含まれる）上で実行可能であり、或いは、様々な電力線搬送通信方法を利用することができる。通信は、従来型の通信ライン（例えば、電話回線）の近くに位置するユニットに対する、或いは光起電力を利用する建物又はその他の構造の内部にあるＡＣ回路／配電パネルの近くに位置するユニットに対する、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＧＨｚ帯域、超広帯域、無線周波数、又はその他の手段といったワイヤレス手段により実行することもできる。
【００２９】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、設置、方向性、モジュール技術、老化、破損、及び故障に関連して、無数の利点を提供する多数のモジュールの出力を並列化（合計）する性質は、内蔵された冗長性を提供し、単一のモジュールの故障又は破損は、合計出力において、一つのＡＣ ＰＶビルディングブロックと同等のものを減少させるのみである。同様に、樹木、煙突、通気管による影も、影響されるＡＣ ＰＶビルディングブロックの数のみ、出力を減少させる。出力の性質から、多数のモジュール技術を使用することが可能となり、一モジュールの老化又は劣化は、その出力のみに影響を与え、システム全体の最大出力点の追跡に関する問題を生成せず、或いは、特定のインバータが機能できなくなるレベルまでシステムの動作ウィンドウを低減させない。
【００３０】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックの概念は、世界中の従来型光起電力システムを相互接続することに関連する以下の要素又は問題を排除する完全統合設計又はパッケージである。この設計により排除される外部又は追加構成要素及び要素には、その一部として以下が含まれる：
１．ＤＣ配線及び関連するホルダ、ケーブルトレイ、コンジット、及びその他、
２．ＤＣ切断及び関連するハウジング、
３．ＤＣヒューズ及び関連するホルダ及びハウジング、
４．あらゆる商業タイプのＤＣコネクタ及びＤＣ過電流保護、
５．ＤＣ接地事故検出及び保護回路及びデバイス、
６．ＤＣサージ保護、
７．ＤＣコンバイナボックス、
８．個別のＤＣジャンクションボックス及びコネクタブロック、
９．光起電モジュール又はアレイに関連する「直列又はブロッキングダイオード」、
１０．全てではないとしても、殆どの光起電モジュールバイパスダイオード、
１１．従来型光起電力システムのインバータにおいて必要となるようなインバータハウジング
１２．ＡＣ公共電気グリッド又はハイブリッドマイクログリッドとの相互接続のための専用又は転用分岐回路との接続の一部として必要なものを除くＡＣ配線、及び
１３．ＤＣ配線用コンジット。
【００３１】
本発明及びその構成要素により置き換えられる、或いは、これらの内部に含まれる、今日の光起電システム設計において使用される従来のハードウェアの一部には、以下が含まれる：
１．光起電モジュール同士の配線及びコネクタ、
２．ＤＣ−ＡＣ変換（インバータ）
３．インバータのハウジング
４．光起電モジュールマウント用のハードウェア及びフレーム
５．光起電モジュールのＡＣ回路上でのサージ保護、
６．ＤＣ配線及び一部のＡＣ配線用コンジット、
７．フレーム又はレールといった機械式マウント用ハードウェア、及び
８．多数のＡＣ Ｊ−ボックス。
【００３２】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックの一部として含まれる縮小化されたＤＣ−ＡＣ変換デバイス（インバータ）は、好ましくは、以降「パワーバー」又は「パワーレール」と呼ばれる交換可能な要素の一体部分であり、「パワーバー」又は「パワーレール」は、多数のビルディングブロックを追加することが可能なＡＣバスバーとの統合的接続も有する。「パワーバー」−「相互接続バー」及び「パワーレール」−「相互接続レール」機械的組立体は、必要な電気的結合を維持し、二重絶縁特性を提供し、耐候性を提供する。ＤＣ−ＡＣ変換デバイスも、部分的に、或いは全体的に、交換可能である。したがって、本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックは、あらゆるタイプの光起電システムを構築可能な、基盤となるユニットにすることができる。本発明は、機械的組立体、光起電モジュールに対するＤＣ接続、電子ＤＣ−ＡＣ変換、サージ保護、通信バス、及び配電要素としての役割を果たす完全統合マウント構造を使用する。
【００３３】
代替実施形態では、マイクロインバータを、パワーバー又はパワーレールの外部に取り付けることができる。この実施形態は、インバータモジュールが容易に交換可能となり、容易に冷却できる点において、特定の利点を有する。インバータモジュールは、１２０Ｖプラグを（例えば、プロングを使用して）コンセントに差し込むのと全く同じように、パワーバー又はパワーレールに差し込むことができる。インバータモジュールは、パワーバー又はパワーレールのオプションの一体式雨よけフィンにより、パワーバー又はパワーレールの底部に取り付け、雨水がインバータに損傷を与える可能性を少なくすることもできる。
【００３４】
ＡＣ ＰＶビルディングブロックで利用されるマイクロインバータは、以下の機械的特徴を有することができる：
１．完全に封入すること、部分的に封入すること、或いは封入されない回路基盤及び構成要素で構成することができる。
【００３５】
２．ＡＣバスに直接取り付け可能な接点タブを包含ができる。
【００３６】
３．光起電モジュールとの電気的接続を完成させるジャンパ及び接点を包含できる。
【００３７】
４．一体化ユニットにすること、或いは、通常は、電力切り替えセクション、制御セクション、通信セクション、相互接続セクション、及びその他に区分される多数の要素で構成することができる。
【００３８】
５．熱パイプ、フィン、三次元熱伝達、放射デバイス、及び近隣のハウジングへの熱伝導といった、様々な熱管理手段を使用できる。インバータとフレームとの間での良好な絶縁体は、酸化ベリリウムであり、これはＢｅＯが比較的良好な熱伝導体及び電気絶縁体となるためである。
【００３９】
６．ハウジング内を起源とする、或いはハウジングを通じて延びる、通信デバイス又はケーブルとの電気的接点を提供できる。
【００４０】
７．パワーバー又はパワーレールの恒久的部品となるように設計できる。
【００４１】
８．パワーバー又はパワーレールの交換可能部品となるように設計できる。
【００４２】
９．耐水性となるように設計できる。
【００４３】
１０．耐食性となるように設計できる。
【００４４】
１１．耐候性となるように設計できる。
【００４５】
マイクロインバータは、更に、以下の電気的又は電気制御的特徴を有することができる。
【００４６】
１．電界キャパシタのような寿命の短い構成要素の使用を最小化できる。
【００４７】
２．誘導性エネルギ蓄積を静電エネルギ蓄積に置き換えることができる。
【００４８】
３．光起電モジュール全体又は光起電モジュールの一部の電力を変換するように設計できる。
【００４９】
４．部品を排除するために、光起電モジュールとの高い近接性等の特徴を使用するように設計できる。
【００５０】
５．最大出力点追跡を提供するために、温度アルゴリズム等の方法の代用として光起電モジュールとの高い近接性等の特徴を使用するように設計できる。
【００５１】
６．サージ保護を含むように設計できる。
【００５２】
７．過電流保護又は切断といった機能の代用となるように設計できる。
【００５３】
８．データロギング、要求側管理、ステータス報告、及びその他の通信をインタフェースする、或いは提供するように設計できる。
【００５４】
９．ＡＣ接続点が、電圧、周波数、及びその他の必要な特徴を示した時のみ、ＡＣ出力を提供するように設計できる。
【００５５】
１０．モジュール利用率及びインバータ効率といった性能パラメータをトレードオフするように設計できる。
【００５６】
１１．既存の相互接続ガイドライン及び要件に適合するように設計できる。
【００５７】
１２．並列接続又はサービスパネルに接続された同様のインバータ又は他のインバータと、並列で動作するように設計できる。
【００５８】
１３．温度が事前に設定された限界に達した時に、電力の転送を制限するように、或いは折り返すように設計できる。本発明のフレーム内部での温度上昇の可能性から、高い信頼性及び長い寿命を伴う電解を使用しないキャパシタが選択される。
【００５９】
ＡＣ ＰＶビルディングブロック組立体は、あらゆるタイプ及び形状の光起電モジュールが利用可能となるような形で構築できる。本発明のその他の利点には、インバータハウジング、ジャンクションブロック、ジャンクションボックス、個別のコネクタ、サージ保護、通信回路及びケーブル、コンジット、光起電モジュールマウントオプション、光起電モジュール応用オプション、及び光起電アレイ内の殆どの配線を一部として含む、個別の光起電システムにおけるシステムのバランスに関する要素の交換、代用、又は統合が含まれる。
【００６０】
最終的な組立体は、共に嵌め込むこと、或いは、ネジ、ボルト、ナット、及びその他を使用して機械的に構築することが可能であり、結果として、屋上、建物統合式、ポールマウント式、又はオープン構造の光起電用途に適した環境保全型（耐候、耐湿、耐熱、耐日光性）の組立体となる。最終的な組立体は、機械的に堅牢であり、広範なマウント又は締め付けオプションにより取り付け、その後、必要なネジ及び留め具により取り付けて、機械及び電気的な規則又は規格に準拠させる。
【００６１】
このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、容易な実務者、設計者、及び設置者認証要件への道を開き、光起電技術の規則に準拠した設置及び建物との統合を優れた形で保証する。最終的な組立体は、いくつかの欧州の国々で使用される、或いは今日の多くの電気製品において行われているような、二重絶縁要件を満たすように構築できる。ＡＣ ＰＶビルディングブロックのＤＣシステムは、今日の従来型光起電システムのように、接地しないこと又は接地すること（但し、接地構成ではＤＣ側の利点の一部が失われる場合がある）が可能である。非接地構成の利点として、比較的敏感なインバータ電子機器を、近隣の落雷により発生する迷走電流から保護できる。
【００６２】
図３乃至図１１は、本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックを応用できる最も一般的な電気的構成のブロック図を示している。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力電圧及び周波数は、国の規格と、それぞれにおいて説明される接続とに応じて、異なるものにしてよい。
【００６３】
図３は、ＡＣ ＰＶビルディングブロック３０を使用し得る住宅用途での相互接続に関する最も一般的な応用を示している。米国において、大部分の住居施設では、単相２４０Ｖ、６０Ｈｚの電力が配線されている。この２４０Ｖは、二相電力と呼ばれるものを提供するために、更にセンタータップされる。殆どの家庭用回路は、米国において１２０Ｖ（国ごとに異なる）であり、センタータップの両側に接続され、可能な限り負荷のバランスを取る。電気衣服乾燥機又は電気オーブンといった高出力回路は、２４０Ｖを受領するように配線される。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋内の中性線に接続されることになる一端子が接地された状態において、１２０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。
【００６４】
「パワーバー」、「相互接続バー」、「パワーレール」、又は「相互接続レール」上で使用される時、全ての露出金属部５２は、米国の電気規程及び該当する国際設置規則の要件に応じて、機器接地回路５０に接続される。専用分岐回路３２は、通常、この用途でＡＣ ＰＶビルディングブロック又は多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを接続できる場所である。これも、米国の電気規程の要件となる。他の国でも、通常は、同様の分岐回路が必要だが、一部の国では、相互接続されるＡＣ ＰＶビルディングブロックの総数の出力が回路に指定された限界を超えない場合、既存の回路との接続が可能である。追加的な構成要素は、メインバス３６、分岐３８、及び本線４０を備えるサービスエントランスパネル３４と、負荷又はその他のＡＣ ＰＶビルディングブロックへの出力４２と、メータ４４と、配電トランス４６と、ＡＣ公共電気グリッド４８とである。
【００６５】
図４は、ＡＣ ＰＶビルディングブロック３０を使用し得る住宅用途での相互接続に関する別の一般的な応用を示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両方の端子が非接地の状態において、２４０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。
【００６６】
図５は、他のスタンドアロン電源と共にＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅用途での代表的な応用を示している。この構成（通常は小さなキャビンで使用される）は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって補足し得る接地ソースからの単相電力を引き込む。電気衣服乾燥機又は電気オーブンといった高出力回路は、通常２４０Ｖを受領するように配線されるが、このオプションは、この構成では利用できない。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、一端子が非接地の状態において、１２０Ｖ又は他の任意の供給単相電圧で電力を提供する。この構成は、他の負荷への出力５４と、スタンドアロンインバータ又はその他のＡＣ電源５６の回転ソースと、従来型ＰＶモジュール又はＰＶアレイ５８と、コントローラ６０と、蓄電池６２とを含む。
【００６７】
図６は、他のスタンドアロン電源（通常はインバータ）と共にＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅用途での代表的な応用を示している。この構成（通常は小さなキャビンで使用される）は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって補足し得る接地ソースからの単相電力を引き込む。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両端子が非接地の状態において、１２０Ｖ又は他の任意の供給単相接地電圧、或いは二相電圧で、電力を提供する。同期インバータ６６、６８は、この構成で求められる配電及び不平衡電流を提供する。この構成は、専用の２２０Ｖ分岐回路６４を提供する。
【００６８】
図７は、公共電気系統がミニグリッド又はハイブリッドシステム７２として分類される住宅用途での最も一般的な応用と、ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る相互接続とを示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋内の中性線に接続されることになる一端子が接地された状態において、１２０Ｖ又は他の任意の単相電圧で電力を提供する。メータ７０は、オプションである。
【００６９】
図８は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅及び商業システムでの一般的な応用での相互接続を示している。世界中で、大部分の商業及び工業施設は、三相電力により配線されている。電圧は、電力要件及び国に応じて変化する。殆どの三相家庭用回路は、米国外のものである（国によって異なる）。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、任意のライン・中性線間又はライン間電圧（電圧一致のために適切なトランスを使用する場合が多い）を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力は、接地しても、接地しなくてもよい。
【００７０】
図８は、ライン・中性線間電圧が十分に低く、直接接続が可能となるケースを示している。更に高い電圧では、表示のように整合トランス７４、７４’、７４’’が必要となる（プライム符号又は二重プライム符号を伴う他の参照符号は、その他の点において、プライム符号のない対応する参照符号のものと同一である構成要素を示す）。この構成は、以下の構成要素を含む：三相ＡＣ公共電気グリッド７６、三相「Ｙ」配電７８、三相サービスエントランスパネル８０、及び三相メータ８８。
【００７１】
図９は、三相ＡＣ ＰＶビルディングブロックを使用し得る住宅及び商業システムでの一般的な応用に関する相互接続を示している。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、任意のライン・中性線間又はライン間電圧で（電圧一致のための適切なトランスを使用して）三相電力を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックの出力は、接地しても、接地しなくてもよい。図９は、ライン・中性線間電圧が十分に低く、直接接続が可能となるケースを示している。更に高い電圧では、専用分岐回路上の整合トランスが必要となる。追加的な構成要素は、三相ＡＣ ＰＶビルディングブロック８２、専用又は転用三相分岐回路８４、三相分岐８６、三相配電トランス９０、及び「Ｙ字」又は「デルタ」トランス９２である。
【００７２】
図１０は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの相互接続が小さなステップダウントランスを介して電柱において行われる公共電気用途での一般的な応用を示している。有益な応用は、負荷プロフィールにほぼ一致する分散発電が長距離又はストレス送電線上でのラインのサポートを提供する場合に発生する。このＡＣ ＰＶビルディングブロックは、両方の端子が非接地の状態又は一端子が接地された状態において、単相又は三相電圧で電力を提供する。図１０は、非接地の構成を示している。追加的な構成要素は、ポールマウント式分岐回路９４、ヒューズ及びコントロール９６、ステップダウントランス９８、Ｌ１バス１００、Ｌ２バス１０２、及び切断１０４である。
【００７３】
図１１は、広告板を夜間に点灯するが、光起電力を収集するのに便利な構造を提供する応用を例示している。既にグリッドに接続されている広告板は、日中の時間帯にはＡＣ ＰＶビルディングブロックを介して光起電力を公共電気に方向付け、夜間には広告板を公共電気グリッドにより供給される電力によって点灯し得る場合の接続方法となる。追加的構成要素は、広告板照明１０６及び配電盤１０８である。
【００７４】
図１２を参照すると、本発明のフレーム式ＡＣ ＰＶビルディングブロック２００は、好ましくは、完全に封入された、完全統合型光起電力システムである。全てのＤＣ回路及び構成要素は、パッケージに封入される。追加として、エネルギを収集し、相互接続分岐回路へのルートを定めることに関連するＡＣ回路、アレイ相互接続、及びサージ保護も、封入され、ＡＣ ＰＶビルディングブロックからの出力を開始させる基準として機能する適合ＡＣ電源にシステムが接続されるまで、消費者及び設置者にとって全く安全なものとなる。
【００７５】
同じ構造は、ディスパッチ、データ取得、及びＡＣ ＰＶビルディングブロック状態に関する通信も収容する。「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。この組立体は、トラック照明に類似しており、設置及び保守が同様に簡単である。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造（表示なし）を介して相互接続することができる。フレーム式の実施形態は、光起電モジュール１２と、相互接続バー２０２と、シール２０４と、ＡＣバスリンク／接続／ジャンパ２０６と、接地ネジ２０８（必要な場合）と、接合ネジ２１０（必要な場合）と、サージ保護付きＡＣバス２１２と、通信ケーブル又は光ファイバリンク２１４と、インバータ２１６（様々なサイズにしてよい）と、パワーバー２１８と、クラッディング２２０（耐日光性）と、オプションの絶縁材料２２２とを備える。
【００７６】
図１３は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの屋根マウント式実施形態３００を例示している。「パワーバー」の本体は、構造的な全体性を維持し、全ての必須要素を収容すると同時に、対応に対する最大の露出が可能となるように準備される。「インバータ」は、「パワーバー」内部に収容され、「光起電モジュール」によって生成された電力のＤＣ−ＡＣ変換と、光起電システムの相互接続を規定する様々な規格で求められる電圧範囲、出力電流制限、及び非孤立化といった必要な相互接続保護及び動作制限とを提供する。
【００７７】
ＡＣバスは、「パワーバー」が全体として交換可能要素であるか、或いはインバータを交換可能構成要素にすることが意図されているかに応じて、様々な取り付け方法でインバータに取り付けられる。いくつかのバージョンが開発中である「挿入接点」は、熱膨張／収縮の柔軟性を提供するように設計された「モジュール／インバータジャンパ」を介して、光起電モジュールとの電気的接続を形成する。「光起電モジュール」を「パワーバー」に接続する形態は、半田付け、ボルト締め、及び溶接によって全ての接続を恒久的にするためのものとなる。
【００７８】
これにより、「パワーバー」の現場での交換は、実行可能な修復方法となる。「パワーバー」及び「相互接続バー」は、耐候性金属、或いは耐候性及び耐日光性の非伝導体材料により構成されるクラッド材料を使用して構築してもよい。いずれの設計においても、二重絶縁設計が提供され、この場合、危険な電圧が人間に接触可能となる前に、二つの障壁を突破する必要がある状態となる。金属又は伝導性クラッディングが使用される時、「パワーバー」及び「相互接続バー」は、図１３において接地ネジ及び又は接合ネジによって表示するように、安全のための接地及び接合維持の方法を提供する必要がある。追加的な構成要素は、モジュール接点３０２（挿入接点及び又はインバータジャンパを備えてもよい）と、オプションのモジュールマウント３０４とである。
【００７９】
「ＡＣバスリンク」は、電気的接続及びジャンパを提供し、好ましくは３０年以上の電気的連続性を維持し、熱膨張及び収縮を補う十分な柔軟性を有する。「ＡＣバスリンク」は、光起電設備の特色である様々な屋外環境に関連する腐食に対する耐性を有する必要がある。「ＡＣバスリンク」は、更に、通信リンクを含んでもよい。「通信ケーブル」は、伝導体又は光ファイバ材料にしてよい。次のＡＣ ＰＶビルディングブロック、或いは建物の相互接続とのリンクは、「ＡＣバスリンク」の一部にしてもよく、或いは別個のリンクにしてもよい。
【００８０】
「相互接続バー」は、システムのレイアウトに応じて、使用してもよく、使用しなくてもよい。使用する時、その主要な目的は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の一方の側からの電力及び通信を、他方の側に転送すること、或いは、全てのＡＣ電力を接続の中心点に運ぶヘッダを提供することである。「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８１】
図１４は、光起電モジュールが窓ガラス又はその他の壁の構造及び材料に置き換わる窓壁用途４００での代表的な仕組みを例示している。光起電モジュールは、不透明又は半透明にしてよい。ＡＣ ＰＶビルディングブロックは、家屋及び高層建築物の従来のムリオンに置き換わる建物一体化部材を提供する。ＡＣ ＰＶビルディングブロックによって提供されるムリオンは、光起電システムのＡＣ伝導体のルートを定めるコンジットの役割を果たすことについてリストアップ及び承認されることになる。リストアップされたムリオンは、システムの配線及び機器の接地に関するリストアップ済み又は承認済みの方法を使用するための規則及び規格の要件を保証する。
【００８２】
「パワーバー」の本体は、建物の規則で求められる構造部材を提供しつつ、電力の変換と安全性とに関する全ての必須要素を収容すると同時に、太陽への露出を最大にするように準備される。「インバータ」は、「パワーバー」内部に収容され、「光起電モジュール」によって生成された電力のＤＣ−ＡＣ変換と、光起電システムの相互接続を規定する様々な規格で求められる電圧範囲、出力電流制限、及び非孤立化といった必要な相互接続保護及び動作制限とを提供する。ＡＣバスは、「パワーバー」が全体として交換可能要素であるか、或いはインバータを交換可能構成要素にすることが意図されているかに応じて、様々な取り付け方法でインバータに取り付けられる。
【００８３】
いくつかのバージョンが開発中である「挿入接点」は、熱膨張／収縮の柔軟性を提供するように設計された「モジュール／インバータジャンパ」を介して、光起電モジュールとの電気的接続を形成する。「光起電モジュール」を「パワーバー」に接続する形態は、半田付け、ボルト締め、及び溶接によって全ての接続を恒久的にするためのものとなる。これにより、「パワーバー」の現場での交換は、実行可能な修復方法となる。「パワーバー」及び「相互接続バー」は、耐候性金属、或いは耐候性及び耐日光性の非伝導体材料により構成されるクラッド材料を使用して構築してもよい。いずれの設計においても、二重絶縁設計が提供され、この場合、危険な電圧が人間に接触可能となる前に、二つの障壁を突破する必要がある状態となる。金属又は伝導性クラッディングが使用される時、「パワーバー」及び「相互接続バー」は、図１５において接地ネジ及び又は接合ネジによって表示するように、安全のための接地及び接合維持の方法を提供する必要がある。
【００８４】
「相互接続バー」は、システムのレイアウトに応じて、使用してもよく、使用しなくてもよい。使用する時、その主要な目的は、ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の一方の側からの電力及び通信を、他方の側に転送すること、或いは、全てのＡＣ電力を接続の中心点に運ぶヘッダを提供することである。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーバー」又は「相互接続バー」のフレーム部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８５】
図１５は、別のマウントのオプションに関するＡＣ ＰＶビルディングブロックの「レールマウント」バージョン５００を例示している。「パワーレール」５０２及び「相互接続レール」５０４の全ての要素は、「パワーバー」及び「相互接続バー」と同様である。主要な違いは、レールが光起電モジュール又はラミネートの裏面に取り付けられることであり、これにより、小さな屋根面積又は効率の低い光起電モジュール技術に関して、光起電モジュールの優れたパッキングが可能となる。「レールマウント」バージョンは、電柱での直接的な接地又は広告板での接地及びその他、或いは、駐車場の日よけ構造、会議場、及びその他に関して、屋根マウントが実用的でないために使用し得るような自立式「地面マウント接地」に適合化し得るラック上でのＡＣ ＰＶビルディングブロックのマウントに関するオプションを提供する。
【００８６】
「パワーレール」又は「相互接続レール」のレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。「パワーレール」又は「相互接続レール」のレール部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【００８７】
図１６は、上面破断図において、この構造をパワーバー２１８及び相互接続バー２０２と共に表示しており、この構造はＡＣ ＰＶビルディングブロック又は負荷への最終接続に接続する開口部２０３を伴っている。
【００８８】
フレーム部材の一実施形態は、特に薄膜アモルファスＰＶシートに関して、ＰＶパネル接合部でガラス間接合を随意的に作り出すガラスのハウジングを形成することである。フレーム部材には、内部に収容する物品の移動を防止するために、発泡体材料を充填してもよい。現在市販される標準的なＰＶパネルでは、電気接点の位置の修正のみが必要となる。現在のパネルにおいて、こうした接点は、パネルのエッジから遠く離れて配置されているが、本発明において、こうした接点は、好ましくは、パネルのエッジ近く、或いはパネルのエッジ上に存在する。
【００８９】
まとめると、本発明は、以下を含む形式において有益である：
１．フレーム式又は非フレーム式にできる結晶又は薄膜光−電気エネルギ変換技術及び構築方法のいずれかを利用し、部材又はレール部材及び関連電気接続及びリンクの相互接続に対するアクセスを提供し、適合する相互接続回路にＡＣ電力のみを提供する任意の形状である、完全統合型光起電のモジュール。
【００９０】
２．全ての内部ＤＣ接続と、ＡＣ変換（インバータ）と、ＡＣ電力バスと、通信リンクと、サージ保護と、オプションの過電流保護と、次のモジュールフレーム又はレール或いはＡＣ負荷及び回路への接続に関する最終ジャンクションボックスに対する必要な全てのリンクとを収容及び包含することにも使用される部材を形成するために、伝導性、絶縁性、又は積層部材のいずれかにより構築された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９１】
３．インバータが封入されるかどうかに関係なく、ＤＣ−ＡＣインバータの全ての集合的な電気回路と、プリント基板と、構成要素とを収容するように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９２】
４．ＡＣエネルギのみを、適合するＡＣ電源に接続された時のみ生成する完全な光起電アレイに、光起電モジュールを電気的及び機械的に相互接続する形で、「相互接続バー」又は「相互接続レール」及び又は「パワーバー」又は「パワーレール」に結合された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９３】
５．ＤＣ−ＡＣインバータに関連する電力電子機器に関する必要なヒートシンク及び熱管理を提供するように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９４】
６．インバータ又はサージ保護の故障の際に、非破壊的に光起電モジュールから取り外される、或いは開放して修復が可能となるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９５】
７．インバータ又はサージ保護の故障の際に、修復のための選択肢として、非破壊的に光起電モジュールから取り外されるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９６】
８．光起電モジュールのエッジに取り付けることが可能で、同時に、挿入接点、ジャンパ、又は専用リンクを通じた、モジュールからインバータへのＤＣ電気接続を提供する、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」。
【００９７】
９．光起電モジュール又は光起電アレイを備えるモジュールの集合のための機械的マウント部材として使用され得るオプションのクランプ、フィッティング、マウンティング、スナップ、及びその他を伴う、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９８】
１０．「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材を光起電モジュールの両側で接着又はシーリングするオプションの接着剤及び又はシーリング材料を包含又は使用し得る、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【００９９】
１１．電気ＡＣ電力バス、通信ケーブル又は光学リンク、ＡＣサージ保護デバイス、及びＤＣ−ＡＣを共に収容し、同時に、専用ＡＣバスリンクを介して、安価かつ堅牢なＡＣバス相互接続を提供する電気コンジットとしてリストアップ、認証、又は承認され得る形で構築される、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１００】
１２．積層金属部を使用して構築する時、障害のある条件又は電圧を加えられた条件の下で、接触し得る人間への電気ショックのリスクを排除するために必要な接地及び接合を提供する、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０１】
１３．金属クラッディングが構造に使用されている場合でも「二重絶縁」電気デバイスとしての資格を有し、更に非接地光起電システムを運用するための要件を満たす様な形で、適切な絶縁材料を使用して構築されるように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０２】
１４．傾斜屋根及び平屋根用の屋根上マウントシステム、建物正面マウントシステム、建物一体化システム、窓壁システム、天窓、建築システム、及びポールマウントシステムを一部として含む、あらゆるタイプの光起電設備に対応する、「パワーバー」又は「パワーレール」のフレーム部材又はレール部材、及び様々な設計、構造、及び形状の適合する「相互接続バー」。
【０１０３】
１５．光起電モジュールに取り付けられ、雨又は吹き付ける水による水分の侵入から光起電モジュールのエッジを保護するシールを容易にするように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０４】
１６．光起電モジュールに取り付けられ、雨と、吹き付ける水と、海岸の空気によって運ばれる塩或いは工場用地近くで見られる硫黄又は腐食性の煙といった汚染物のような腐食性材料とからＤＣ相互接続点及び材料を保護するシールを容易にするように設計された、「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０５】
１７．光起電モジュールのフレーム化を完成させるように設計され、「パワーバー」又は「パワーレール」と同様の形で構築された、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。ＡＣビルディングブロックの再構成のため、或いは屋根の修復を容易にするために、非破壊的に取り外すことも可能である。
【０１０６】
１８．ＡＣ ＰＶビルディングブロックの列の間で、必要なＡＣ電力及び通信の相互接続を提供する、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０７】
１９．モジュール全体で、モジュールの次の列に対する電力及び通信リンクを提供する、或いは最終相互接続部材又はボックスの配置に関するＡＣ電力の集合を可能にする、「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材。
【０１０８】
２０．「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材のいずれかは、仕上げアタッチメント又は相互接続アタッチメントにより、終点として終端処理することができる。
【０１０９】
２１．「パワーバー」又は「パワーレール」の「相互接続バー」又は「相互接続レール」のフレーム部材又はレール部材は、多数のＡＣ ＰＶビルディングブロックを完全な組立体にする相互接続を提供するために、同様の封入構造を介して相互接続することができる。
【０１１０】
以上、好適な実施形態を特に参照して本発明を詳細に説明してきたが、他の実施形態も同様の結果を達成し得る。本発明の変更及び変形は、当業者にとって自明であり、付記した特許請求の範囲にはこうした全ての変形及び等価物が包含される。上で参照した全ての参考文献、出願、特許、及び刊行物の開示内容全体は、出典を明記することにより本願明細書の一部とする。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】代表的な従来のグリッド接続光起電システムのブロック図
【図２】本発明による、代表的なグリッド接続光起電システムのブロック図
【図３】一相接地出力が使用される住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図４】一相非接地出力が使用される住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図５】スタンドアロンインバータからの単相が、一相接地サービスを介して、住宅に全ての電力を提供する、住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図６】一対のスタンドアロンインバータからの二相が、センタータップサービスを介して、住宅に電力を提供する、住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図７】スタンドアロンインバータからの電力が、一相接地サービスを介して、住宅に電力を提供する、住宅ハイブリッド用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図８】多数のインバータが、三相配電の単一相にそれぞれ接続される、商業又は住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図９】単一の三相インバータが三相配電に接続される、商業又は住宅用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１０】本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックが、小さなステップダウントランスを介して、配電線に直接結合される、ポールマウント式公共電気用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１１】本発明のＡＣ ＰＶビルディングブロックが、広告板サービスに直接結合される、広告板マウント式公共電気双方向用途での本発明の使用に関する相互接続図
【図１２】本発明のフレーム式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの斜視図
【図１３】本発明の屋根マウント式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの側面破断図
【図１４】本発明の窓壁式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの側面破断図
【図１５】屋上、地面マウント式、又はポールマウント式用途のための本発明のレールマウント式ＡＣ ＰＶビルディングブロックの斜視図
【図１６】「パワーバー」及び「相互接続バー」を利用した代表的なＡＣ ＰＶビルディングブロックレイアウトの上面破断図
Claims (22)
- モジュラ式交流光起電力生成装置であって、
直流の形態で電力を発生させる光起電モジュールと
前記モジュールに取り付けられた一つ以上の電力変換及び転送ユニットと、
を備え、
各前記ユニットが、前記モジュールの長さ又は幅に亘って延びる単一のハウジングを備え、
前記ハウジングが、
前記モジュールから直流を受領するための接点手段と、
一つ以上の直流交流インバータと、
交流バスと、
を備える装置。 - 前記バスに取り付けられ、他の前記装置に並列に相互接続することにより交流光起電アレイの形成を可能にする交流バスリンクを更に備える、請求項１記載の装置。
- 前記ハウジングが、データ通信リンクを更に備える、請求項１記載の装置。
- 前記モジュールに取り付けられると共に前記交流バスに電気的に接続され、電気サービスパネルへの交流電力用の外部接続ポイントを提供する一つ以上の相互接続ユニットを更に備える、請求項１記載の装置。
- 前記ハウジングが、Ｉ形梁形状、チャネル形状、及びＴ形梁形状から選択された形状を備える、請求項１記載の装置。
- 前記ハウジングが、前記一つ以上のインバータ及び光起電モジュール用のサージ保護器と、個々の前記装置のステータスを報告する通信ネットワークと、ディスパッチ又はその他の選択基準に関する通信ネットワークと、耐候性を提供するシールと、前記装置用の熱管理手段とのうち一つ以上を更に備える、請求項１記載の装置。
- 前記モジュールをフレーム化する手段と、前記装置を屋根にマウントする手段と、オープン構造マウント用の手段と、ポールマウント用の手段と、前記装置を窓壁にマウントする手段とから成るグループから選択された手段を更に備える、請求項１記載の装置。
- 外部の直流ヒューズ又は直流切断を必要としない、請求項１記載の装置。
- 請求項１記載のモジュラ式交流光起電力生成装置を備える交流光起電力生成システム。
- 複数の前記装置を備える、請求項９記載のシステム。
- 交流光起電力生成方法であって、
光起電モジュールを介して、直流の形態で電力を発生させるステップと、
モジュールに取り付けられた一つ以上の電力変換及び転送ユニットを介して、直流を交流に変換して電力を輸送するステップと、を備え、
各ユニットが、モジュールの長さ又は幅に亘って延びる単一のハウジングを備え、
前記ハウジングが、
モジュールから直流を受領するための接点手段と、
一つ以上の直流交流インバータと、
交流バスと、を備える
方法。 - 輸送するステップが、バスに取り付けられ、光起電モジュールと一つ以上の電力変換及び転送ユニットとを備える他の装置に並列に相互接続することにより交流光起電アレイの形成を可能にする交流バスリンクを利用するステップを含む、請求項１１記載の方法。
- ハウジングが備えるデータ通信リンクを介して、データを通信するステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
- 輸送するステップが、モジュールに取り付けられると共に交流バスに電気的に接続され、電気サービスパネルへの交流電力用の外部接続ポイントを提供する一つ以上の相互接続ユニットを利用するステップを含む、請求項１１記載の方法。
- ハウジングが、Ｉ形梁形状、チャネル形状、及びＴ形梁形状から選択された形状を備える、請求項１１記載の方法。
- ハウジングが、一つ以上のインバータ及び光起電モジュール用のサージ保護器と、ステータス情報を報告する通信ネットワークと、ディスパッチ又はその他の選択基準に関する通信ネットワークと、耐候性を提供するシールと、熱管理手段とのうち一つ以上を更に備える、請求項１１記載の方法。
- 前記モジュールをフレーム化する手段と、前記装置を屋根にマウントする手段と、オープン構造マウント用の手段と、ポールマウント用の手段と、前記装置を窓壁にマウントする手段とから成るグループから選択された手段を利用するステップを更に含む、請求項１１記載の方法。
- 前記方法が、外部の直流ヒューズ又は直流切断を必要としない、請求項１１記載の方法。
- モジュラ式交流光起電力生成装置であって、
直流の形態で電力を発生させる光起電モジュールと、
前記光起電モジュールから直流を受領する一つ以上の直流交流インバータと、
前記モジュールに取り付けられた一つ以上の電力転送ユニットと、
を備え、
各前記ユニットが、前記モジュールの長さ又は幅に亘って延びる単一のハウジングを備え、
前記ハウジングが、
前記一つ以上のインバータから交流を受領するための接点手段と、
交流バスと、を備える、
装置。 - 交流光起電力を生成する方法であって、
光起電モジュールを介して、直流の形態で電力を発生させるステップと、
直流を受領し、一つ以上の直流交流インバータを介して交流に変換するステップと、
モジュールに取り付けられた一つ以上の電力転送ユニットを介して交流電流を輸送するステップと、
を備え、
各ユニットが、モジュールの長さ又は幅に亘って延びる単一のハウジングを備え、
前記ハウジングが、
一つ以上のインバータへ直流を送給する接点手段、及び一つ以上のインバータから交流を受領するための接点手段と、
交流バスと、
を備える、
方法。 - モジュラ式交流光起電力生成装置であって、
エッジを有する光起電パネルと、
前記パネルの前記エッジに取り付けられた中空構造部材と、
前記構造部材に取り付けられた直流交流インバータモジュールと、
を備える装置。 - 前記中空構造部材の内部に配置された交流バスと、
前記中空構造部材の内部に配置され、前記光起電パネルから前記インバータモジュールへ直流を転送する相互接続手段と、
を更に備える、請求項２１記載の装置。
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