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JP4673921B2 - 太陽電池発電システムの異常検出装置及び方法 - Google Patents

太陽電池発電システムの異常検出装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池発電システムの太陽電池パネルの異常な発電状態を簡単に検出するための装置及び方法に関するものである。特に、本発明は、１ＭＷ以上の発電規模を有するメガソーラーシステムの異常検出に好適なものである。
太陽エネルギーを有効利用するために太陽電池パネルを多数並べた太陽電池発電システムが普及しつつある。この太陽電池発電システムは、家庭の屋根に設置する小規模なものから、地域の電力をまかなうことができるメガワット以上の発電電力を持つ大規模なものまで様々である。
一般的な太陽電池発電システムでは、例えば図１に示すように、バイパスダイオード１０４と組み合わせた太陽電池モジュール１１１，１１２，１１３が直列に接続されて太陽電池ストリング１０１を構成し、その電力出力端に逆流防止用ダイオード１４１，１４２が接続されている。太陽電池ストリング１０１の両端は集電のために電力ケーブル１５０，１５１に接続されている。太陽電池ストリング１０１は、このような構成で多数存在し、それぞれで発電された電気が電力ケーブル１５０，１５１を介して集電されて一箇所の集電力端末装置に送られ、太陽電池発電システムの出力とされる。
バイパスダイオード１０４は、太陽電池モジュールの起電力が低下したときに、他の太陽電池モジュールで発電した電流を迂回させる働きを有するものである。逆流防止用ダイオード１４１，１４２は、太陽電池ストリング間に電位差が生じた場合に、電位が低い太陽電池ストリングに電流が逆流するのを防止する働きを有するものであり、高電圧耐圧のために直列接続された二つのダイオードからなることが多い。
従来の太陽電池発電システムの異常検出は、太陽電池パネルを構成する太陽電池モジュール単位で行うか、又は複数の太陽電池モジュールからなる太陽電池ストリング単位で行うのが一般的である。
例えば、特許文献１では、太陽電池モジュール単位で電流又は電圧を検知する検出手段と、検出手段の出力に応じて通信を行う通信手段とを設け、太陽電池モジュールの故障の発生、故障した太陽電池モジュールの特定をより容易になしえる太陽電池モジュールが提案されている。
また、特許文献２では、複数の太陽電池モジュール単位で電流−電圧特性を計測する計測部と、計測された電気−電圧特性を所定の基準に換算する換算部と、複数の基準特性を格納するメモリと、前記基準状態に換算された電気−電圧特性と前記メモリから読み出した基準特性のそれぞれとを比較して判定する判定部とを備える太陽電池の特性評価装置が提案されている。
これらの検知装置又は評価装置は、その電源を、測定する太陽電池モジュール間から得るか、又は別途電池を設けてそこから得ているのが一般的である。従って、前者の場合は、得られた高電圧を１／１００程度の適切な使用電圧に低下させるために回路を必要とし、太陽電池で発電された電力の一部を消費する問題があり、後者の場合は、電池の消耗又は交換時の管理等の問題があり、装置全体を複雑にしていた。また、太陽電池発電システムの異常検出手段だけでなく、その検出データの伝達手段も複雑であった。さらに、太陽電池パネルを多量に使用するメガソーラーシステムでは、低コストの簡単な装置で異常検出を正確に行うことが求められていた。
特開２０００−２６９５３１公報 特開２００４−２６００１５公報
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み創案されたものであり、その目的は、太陽電池発電システムの太陽電池パネルの異常な発電状態を簡単に検出するための装置及び方法、特に、１０００個以上の太陽電池ストリングから構成される１ＭＷ以上の発電量を持つ大規模なメガソーラーシステムの異常検出に好適な装置及び方法を提供することである。
本発明者は、かかる目的を達成するために鋭意検討した結果、太陽電池発電システムの太陽電池ストリングの出力端に設けられる分岐箱内の逆流防止用ダイオードに着目し、この逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定するとともにここからその測定手段等の電気回路を駆動する電力を得ることによって、簡単な構成で太陽電池パネルの異常検出に有用なデータを得ることができることを見出し、本発明の完成に至った。
即ち、本発明は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持ち、前記太陽電池ストリングの各々の電力出力端に逆流防止用ダイオードを接続した太陽電池発電システムの異常検出装置において、前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定するための測定手段を含み、前記測定手段が、前記逆流防止用ダイオードの両端より取り出された電圧を電圧昇圧用ＤＣコンバータにおいて必要な電圧に変換した電力を供給されていることを特徴とする太陽電池発電システムの異常検出装置である。
本発明の太陽電池発電システムの好ましい態様は以下の通りである。
（１）測定手段が、逆流防止用ダイオードの両端の電圧を測定し、測定電圧から演算により前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を求める。
（２）測定手段が、逆流防止用ダイオードの周囲温度を測定するための測定機能と、測定手段で測定された電圧の値と前記測定機能で測定された周囲温度に基づいて正確な電流値を算出するための演算機能とをさらに有する。
（３）測定したデータを送信するための無線通信手段をさらに含む。
（４）無線通信手段が、その通信範囲内に存在する別の無線通信手段に測定データを伝達することができ、各無線通信手段を順に介して最終的に中央情報管理装置に伝達することができる。
（５）逆流防止用ダイオード、測定手段、及び無線通信手段が、単一の防水構造を持つ箱内に入れられている。
（６）太陽電池発電システムが１ＭＷ以上のメガソーラーシステムである。
また、本発明は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持ち、前記太陽電池ストリングの各々の電力出力端に逆流防止用ダイオードを接続した太陽電池発電システムの異常検出方法において、前記逆流防止用ダイオードの両端より取り出された電圧を電圧昇圧用ＤＣコンバータにおいて必要な電圧に変換して供給される電力を電源として前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定し、測定したデータをマルチホップ無線通信手段によって中央情報管理装置に送信することを特徴とする太陽電池発電システムの異常検出方法である。
本発明によれば、太陽電池ストリングの出力端に設けられる逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定するとともにここから測定等のための電源を得ているので、太陽電池で発生した電力を消費することなく、極めて簡単な構成で太陽電池パネルの発電状態の異常検出が可能である。また、逆流防止用ダイオードの入っている分岐箱内に異常検出のための装置を全て収納できるので、構成が簡単なうえに安全である。さらに、マルチホップ無線通信手段を設けて中央情報管理装置に太陽ストリングに関する測定データを簡単に送信できるので、多数の測定データの判定及び管理が容易である。従って、本発明は、多量の太陽電池パネルを使用するメガソーラーシステムにおいて極めて有用である。
図１は、従来の太陽電池発電システムの一例の説明図である。 図２は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置の一例を示す。 図３は、逆流防止用ダイオードの順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係を予め測定したグラフである。 図４は、周囲温度の測定機能と、周囲温度と測定電圧に基づいて正しい電流値を算出する演算機能を持つ異常検出装置の一例を示す。 図５（ａ）は、温度検出用ダイオードの順方向電圧ＶＦと温度の関係を示すグラフである。 図５（ｂ）は、温度ごとに測定された逆流防止用ダイオードの順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係を示すグラフである。 図６は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置の外観を示す。 図７は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置を使用した保守管理の一例の説明図である。
以下、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置について図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されない。
図２は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置の一例を示す。図２において、太陽電池パネルを搭載する太陽電池モジュール１１１，１１２，１１３が示されており、これらの太陽電池モジュールにはそれぞれバイパスダイオード１０４が並列に接続されている。バイパスダイオード１０４は、特定の太陽電池モジュールが故障又は日陰などで両端に電位がなく発電しない場合に前後から太陽電池モジュールからの発電電流をバイパスするために設けられている。なお、太陽電池ストリング１０１は、太陽電池モジュール１１１，１１２，１１３を直列に接続して構成される。
太陽電池ストリング１０１で発電された電力出力は、接続コネクタ部１２１を介して逆流防止用ダイオード１４１，１４２に接続され、逆流防止用ダイオード１４１，１４２を通過して接続コネクタ部１２２を介して集電力端末につながる電力ケーブル１５０へ供給される。また、太陽電池ストリング１０１の一方の出力端も接続コネクタ部１２３を介して電力ケーブル１５１に接続されている。逆流防止用ダイオード１４１，１４２を２個直列接続している理由は、電力ケーブル１５０，１５１の電圧差が大きく、太陽電池モジュールが故障などで発電電圧が小さくなったときに逆流防止用ダイオード１４１，１４２に印加される逆方向電圧に対して十分耐えられるように逆方向ダイオード耐電圧を向上させるためである。
図２においては、太陽電池ストリング１０１が三つの太陽電池モジュールからなる例を示したが、逆流防止用ダイオードの耐電圧まで発電電圧を大きくするために太陽電池ストリング１０１中の太陽電池モジュールの直列数を１０個程度まで多くすることもできる。また、太陽電池発電システム中の太陽電池ストリング１０１の数は、発電規模によって異なるが、一般に数十個から数万個まで幅広く変化させることができる。
本発明の異常検出装置１００は、逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定するための測定手段を含み、逆流防止用ダイオードの両端から測定手段などの異常検出装置の構成要素の動作電力を取り出していることを特徴とする。逆流防止用ダイオード１４１のアノード側から取り出した電圧は、逆耐圧保護ダイオード１４３を介して電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１において必要な電圧に変換され、異常検出装置内の各回路に供給されている。夜間や日陰時に太陽電池が発電しないときや発電量が少ないときにも異常検出装置を動作させたい場合は、発電時に供給された逆流防止用ダイオードの両端からの電力をコンデンサー等で蓄電させておくことができる。
逆耐圧保護ダイオード１４３は、太陽電池ストリングで発生する電圧が何らかの要因で電力ケーブル１５０に発生している電位より低い場合に定格外の大きな負の破壊電圧より、電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１と測定手段等の電気回路を保護せしめている。同様の機能目的で前記逆流防止ダイオードでは２つを直列にしているが、逆耐圧保護ダイオード１４３の場合、順方向電流ＩＦでの定格電流は前記逆流防止ダイオードに比べ極端に小さくなるので、１つで必要な逆耐圧の定格電圧値を満たす性能のダイオードを選択採用することができる。
電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１の入力電圧は、逆流防止ダイオード１４１、１４２が直列接続された両端の順方向電圧すなわちＶＦの２倍の電圧から、逆耐圧保護ダイオード１４３が挿入された順方向降下電圧分すなわちＶＦ分低い電圧になり、結果として０．７Ｖ付近の小さな電圧である。一方、測定手段と無線通信手段等の電気回路に必要な電圧は３から５Ｖ付近で実現でき、これらの入出力電圧要望を満たす電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１は最近の技術進歩により容易に実現可能となっている。
太陽電池発電システムの発電状態の異常を検出するために最も重要な情報は電流値である。太陽電池ストリング１０１で発生した電流は逆流防止用ダイオードを通過するので、逆流防止用ダイオードの両端の電圧を測定し、予め測定された逆流防止用ダイオードの順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係から電流値を演算することによって太陽電池ストリング１００の発生する電流値を知ることができる。
逆流防止用ダイオード１４２の両端の電圧の測定は検出用ＡＤコンバータ１４４で行われ、その出力を演算制御回路１４５において測定電圧から電流値に換算する。図３は、逆流防止用ダイオードの順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係を予め測定したグラフであるが、検出用ＡＤコンバータ１４４の測定電圧が０．７５Ｖである場合、このグラフの関係に従えば電流値３Ａとなる。このように測定されたデータは、無線通信回路１４６とアンテナ１４７によって中央情報管理装置に送信され、これらのデータに基づいて太陽電池ストリングの発電状態の異常が判定される。これらの異常検出装置１００は、逆流防止用ダイオード１４１，１４２とともに単一の防水構造を持つ箱１４８内に入れられる。
上述の構成では、太陽電池ストリングで発生する電流値を簡単な装置で得ているが、周囲の環境温度が大きく変化する場合には得られた電流値に大きな誤差を伴う。従って、そのような場合でも正確な電流値の情報を得るための装置の一例を以下に説明する。
図４は、周囲温度の測定機能と、周囲温度と測定電圧に基づいて正確な電流値を算出する演算機能を持つ異常検出装置の一例を示す。図４において、電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１は測定手段および無線通信手段等の電気回路を動作させるのに適した電圧を生じさせ、接続コネクタ部１３２，１３３は太陽電池ストリングの出力端と電力ケーブル１５０に接続し、逆流防止用ダイオード１４１，１４２は太陽電池ストリングで発生する電圧が何らかの要因で電力ケーブル１５０に発生している電位より低い場合に太陽電池パネルに電流が逆流しないようにしている。逆耐圧保護ダイオード１４３も太陽電池ストリングで発生する電圧が何らかの要因で電力ケーブル１５０に発生している電位より低い場合に電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１と測定手段等の電気回路を保護せしめている。さらに、本異常検出装置は、演算制御回路１４５、無線通信回路１４６、アンテナ１４７、防水筐体１４８から構成されている。
温度検出用ダイオード１５７は、電圧昇圧用ＤＣコンバータ１３１の温度的に安定した高い出力電圧に接続された抵抗１５６を介して一定の電流が供給されている。さらに、温度検出用ダイオード１５７の両端のダイオード順方向電圧ＶＦを多チャンネルＡＤコンバータ１５８で測定した電圧値を、演算制御回路１４５に温度情報として供給する。一方、逆流防止用ダイオードの両端のダイオード順方向電圧ＶＦは多チャンネルＡＤコンバータ１５８で測定され、前記の演算制御回路１４５に伝送される。
演算制御回路１４５では、予め測定した温度ごとの逆流防止用ダイオード１４２の順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係が記憶されており、この関係に基づいて前記の温度情報と電圧ＶＦから演算することによって、太陽電池ストリングで発生する電流値をより正確に知ることができる。
図５（ａ）は、温度検出用ダイオードの順方向電圧ＶＦと温度の関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、温度ごとに測定された逆流防止用ダイオードの順方向電圧ＶＦと電流ＩＤの関係を示すグラフである。このグラフでは、温度検出用ダイオードには１ｍＡの一定電流を流している。例えば温度検出用ダイオードの順方向電圧ＶＦが０．６０Ｖである場合、温度は図５（ａ）のグラフから周囲温度は７５℃となり、逆流防止用ダイオードの両端の測定電圧が０．７５Ｖである場合、図５（ｂ）の７５℃での特性カーブデータから流れる電流は４Ａであると演算される。上記の方法では、前述の方法よりも太陽電池ストリングで発生する電流を周囲温度に影響されずに正確に測定することができる。
図６は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置の外観を示す。図６において、防水筐体１４８は屋外での使用に耐えうる構造であり、この中に上述の逆流防止用ダイオード、測定手段、及び無線通信手段などの構成要素が全て入れられる。接続コネクタ１３２，１３３は、誤接続を避けるために電気的極性の構造を持つ。電力ケーブル１５３，１５４は、集電力端末装置につながる電力ケーブル１５０，１５１と接続するのに作業性の良い接続長さを持たせている。
図７は、本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置を使用した保守管理の一例の説明図である。図７において、各太陽電池ストリング１０１で発生した電流は、逆流防止用ダイオードを内在する異常検出装置１００を通過し、電力ケーブル１５０，１５１を通して集電力端末装置２０１に集められ、太陽光発電装置の最終出力として商用電源として加工される。各太陽電池ストリングで発生している電流の状態等の情報は、中央受信装置２０３からの指令で各異常検出装置から情報をアンテナより電波発信し、中央アンテナ２０２で捕らえられ、前記中央受信装置２０３に送られる。前記中央受信装置２０３では、電流等の情報を予め決められたデータに基づいて異常かどうか判断し、中央情報管理装置２０４を使って発電状況の表示とともに異常箇所を特定し、必要があれば保守管理の指示を出すことができる。また、異常検出装置１００の無線通信回路は、その通信範囲内に存在する別の異常検出装置の無線通信回路に測定データ等の情報を伝達して、各無線通信手段を順に経由して最終的に中央情報管理装置に伝達できるようにすると（マルチホップ無線通信）、簡単な構成で、太陽電池パネルの設置面積の規模が大きく、中央情報管理装置と大きく離れる条件でも容易に太陽電池ストリングの状態を監視することができる。
マルチホップ無線通信は、前記中央アンテナ２００では電波が届かない位置の異常検出装置と中央アンテナとの両者に通信できる異常検出装置の前記無線通信回路１４６に、あらかじめ前記の電波が届かない位置の異常検出装置からの電波を識別できる機能を持たせ、前記電波を受信した場合にはその識別情報とともに測定されたデータを再送信し前記中央アンテナ２００に再送信することで実現できる。
本発明の太陽電池発電システムの異常検出装置は、簡単な構成で太陽電池パネルの発電状態の正確な異常検出が可能である。また、逆流防止用ダイオードに入っている分岐箱内に容易に設置できるので、設置作業が少なく、そのためのコストが低い。従って、太陽電池パネルを多数持つ大規模なメガソーラーシステムの異常検出に対して極めて有用である。
１００ 異常検出装置
１０１ 太陽電池ストリング
１１１ 太陽電池モジュール
１１２ 太陽電池モジュール
１１３ 太陽電池モジュール
１２１ 接続コネクタ部
１２２ 接続コネクタ部
１２３ 接続コネクタ部
１３１ 電圧昇圧用ＤＣコンバータ
１３２ 接続コネクタ部
１３３ 接続コネクタ部
１４１ 逆流防止用ダイオード
１４２ 逆流防止用ダイオード
１４３ 逆耐圧保護ダイオード
１４４ 検出用ＡＤコンバータ
１４５ 演算制御回路
１４６ 無線通信回路
１４７ アンテナ
１４８ 防水筐体
１５０ 電力ケーブル
１５１ 電力ケーブル
１５３ 電力ケーブル
１５４ 電力ケーブル
１５６ 抵抗
１５７ 温度検出用ダイオード
１５８ 多チャンネルＡＤコンバータ
２０１ 集電力端末装置
２０２ 中央アンテナ
２０３ 中央受信装置
２０４ 中央情報管理装置

Claims (9)

  1. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持ち、前記太陽電池ストリングの各々の電力出力端に逆流防止用ダイオードを接続した太陽電池発電システムの異常検出装置において、前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定するための測定手段を含み、前記測定手段が、前記逆流防止用ダイオードの両端より取り出された電圧を電圧昇圧用ＤＣコンバータにおいて必要な電圧に変換した電力を供給されていることを特徴とする太陽電池発電システムの異常検出装置。
  2. 前記逆流防止用ダイオードの両端より取り出された電圧が逆耐圧保護ダイオードを介して電圧昇圧用ＤＣコンバータに供給されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  3. 測定手段が、逆流防止用ダイオードの両端の電圧を測定し、測定電圧から演算により前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  4. 測定手段が、逆流防止用ダイオードの周囲温度を測定するための測定機能と、測定手段で測定された電圧の値と前記測定機能で測定された周囲温度に基づいて正確な電流値を算出するための演算機能とをさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  5. 測定したデータを送信するための無線通信手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  6. 無線通信手段が、その通信範囲内に存在する別の無線通信手段に測定データを伝達することができ、各無線通信手段を順に介して最終的に中央情報管理装置に伝達することができることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  7. 逆流防止用ダイオード、測定手段、及び無線通信手段が、単一の防水構造を持つ箱内に入れられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  8. 太陽電池発電システムが１ＭＷ以上のメガソーラーシステムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の太陽電池発電システムの異常検出装置。
  9. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持ち、前記太陽電池ストリングの各々の電力出力端に逆流防止用ダイオードを接続した太陽電池発電システムの異常検出方法において、前記逆流防止用ダイオードの両端より取り出された電圧を電圧昇圧用ＤＣコンバータにおいて必要な電圧に変換して供給される電力を電源として前記逆流防止用ダイオードに流れる電流を測定し、測定したデータをマルチホップ無線通信手段によって中央情報管理装置に送信することを特徴とする太陽電池発電システムの異常検出方法。
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