JP2002359385A - 太陽電池アレイ及び太陽光発電システム - Google Patents
太陽電池アレイ及び太陽光発電システムInfo
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Abstract
る人体への影響が少ない太陽電池アレイ、太陽光発電シ
ステムを提供する。 【解決手段】 複数の太陽電池からなる太陽電池アレイ
200の最大出力時の正極端101の対地電圧をV1、
負極端102の対地電圧をV2としたときに、V2<0、
V1+V2>0の関係を満たすことを特徴とする太陽電池
アレイ、及び該アレイを有する太陽光発電システムを提
供する。
Description
らなる太陽電池アレイ及び太陽電池アレイを有する太陽
光発電システムに関する。
陽光発電システムが注目されている。屋外の標識や時計
用として用いる場合、単一の太陽電池セルもしくは太陽
電池モジュールと二次電池とを組み合わせて太陽光発電
システムを構成する場合もあるが、公共施設や一般の住
宅、発電所等で太陽光発電システムを採用する場合、数
kW以上の電力の太陽光発電システムを設計するのが一
般的である。一方、太陽電池セルや太陽電池モジュール
の1個あたりの電力は通常数W〜数百Wであるので、数
kW以上の電力を得るために、複数の太陽電池からなる
太陽電池アレイを用いるのが普通である。なお、複数の
太陽電池を直列に接続したものを、一般に太陽電池スト
リングと呼び、複数の太陽電池もしくは太陽電池ストリ
ングを並列に接続したものを狭義の太陽電池アレイと呼
ぶことが多いが、本明細書中で、太陽電池アレイという
場合、太陽電池ストリングも包含する。
陽光発電システムでは、高電圧、大電力ゆえに、電路に
触れると感電するおそれがある。通常の太陽光発電シス
テムにおいては、電路を被覆したり、発電システム周辺
を立ち入り禁止にしたりするなどして、感電対策がなさ
れている。しかしながら、電路を被覆する被覆材が破れ
た場合や、施工やメンテナンスを行う場合などに、電路
に人が触れてしまう場合もありうる。
た場合の人体への影響を低減する方法としては、トラン
スを用いるなどして、アレイの電路全体と大地との間を
完全に絶縁して(フローティング状態にして)、人が電
路に接触した場合に電流のループができないようにする
方法がある。しかしながら、この場合でも、電路の一部
で地絡が生じてしまった状態で電路の他の部分に人が接
触した場合には、人体への影響を制御することができな
い。
であっても、感電による人体への影響が少ない太陽電池
アレイ、太陽光発電システムを提供することを目的とす
る。
太陽電池からなる太陽電池アレイにおいて、該太陽電池
アレイの最大出力時の正極端の対地電圧をV1、該太陽
電池アレイの最大出力時の負極端の対地電圧をV2とし
たときに、V2<0、V1+V2>0の関係を満たすこと
を特徴とする太陽電池アレイを提供する。
の関係を満たすものである。また、前記太陽電池内部で
はない電路上に対地電圧が0の点が存在し、V1+2V2
の絶対値が、該対地電圧が0の点以外の太陽電池内部で
はない電路上の点の対地電圧を0としたときのV1+2
V2の絶対値以下である態様も好ましい。また、前記太
陽電池アレイを構成する個々の太陽電池の最大出力時の
正極端と負極端の電位差がV3であり、V1+2V2−2
V3≦0≦V1+2V2+V3の関係を満たすようにしたも
のも好ましい態様である。対地電圧が0の点は接地する
ことが好ましい。
と、該太陽電池アレイの正極端と該太陽電池アレイの負
極端とに接続された負荷及び/又は太陽電池アレイの直
流出力を交流出力に変換するインバータとを有する太陽
光発電システムを提供する。
る太陽電池アレイと、該太陽電池に接続され該太陽電池
アレイの直流出力を交流出力に変換するインバータとを
有する太陽光発電システムにおいて、該太陽電池アレイ
の負極端と該太陽電池アレイの最大出力時の電気的中点
との間に太陽電池アレイの最大出力時の対地電圧が0V
である点を有することを特徴とする太陽光発電システム
を提供する
池アレイの電路の一部に人の手が触れた場合に心臓に与
える影響が小さくなるように設計された太陽電池アレイ
乃至太陽光発電システムである。そして、このような影
響を最小に抑えた太陽電池アレイ乃至太陽光発電システ
ムが本発明の最適な実施態様である。
の上部から下部に向かって直流電流が流れた場合に細動
が起こる閾値は、動物の下部から上部に向かって直流電
流が流れた場合に細動が起こる閾値の約2倍であること
が、動物実験の結果から明らかになっている。本発明者
らは、このような関係が人体にも妥当すると考えた。
電池を複数直列に接続した太陽電池ストリング100を
示す。図1中、最大出力時の正極端101の対地電圧を
V1、最大出力時の負極端102の対地電圧をV2とす
る。ここで、太陽電池ストリング100が最大出力とな
っている時に、人が地面に立った状態で、その手が電路
の正極端と負極端との間(端部も含む)に触れた場合
に、人体に流れる直流電流及びその直流電流が心臓に与
える影響について検討する。
ると、V1≧0≧V2の関係が満たされる場合、足裏から
手に向かって(下部から上部に向かって)人体に流れる
直流電流の最大値は−V2/Rとなり、手から足裏に向
かって(上部から下部に向かって)人体に流れる直流電
流の最大値はV1/Rとなる。ここで、それぞれの場合
に直流電流が心臓に与える影響の大きさをEff.とい
う仮想のパラメータで表すとすると、それぞれの場合の
Effは、aV1/R及び−2aV2/Rで与えられる
(aは比例定数)。
を小さくする構成である。Eff.の最大値とは、スト
リング中のEff.が最も大きい点に人の手が触れた場
合のEff.の値のことである。
極端の対地電圧V1を0とすれば、人の手が負極端に触
れた場合にEff.は最大となり、Eff.の最大値は
−2aV2/Rとなる。一方、負極端102を接地する
などして負極端の対地電圧V2を0とすれば、人の手が
正極端に触れた場合にEff.は最大となり、Eff.
の最大値はaV1/Rとなる。また、正極端と負極端と
の電気的な中点を接地するなどしてその点の対地電圧を
0とすれば、V1=−V2となるので、人の手が負極端に
触れた場合にEff.は最大となり、Eff.の最大値
は−2aV2/R(=2aV1/R)となる。
(0≦k≦1)となるようにしたときのEff.の最大
値は、0≦k≦1/3ではaV1/Rとなり、1/3≦
k≦1では−2aV2/Rとなる。
0の正極端と負極端の電位差(=V 1−V2)が一定(=
Vc)となるようにストリングを設計する。このように
設計した場合、kVc+V2=0(0≦k≦1)、V1−
(1−k)Vc=0(0≦k≦1)となるので、Ef
f.の最大値は、0≦k≦1/3ではa(1−k)Vc
/Rとなり、1/3≦k≦1では2akVc/Rとな
る。そして、0<k<1/2とすると、Eff.の最大
値をaVc/R未満に(換言すればストリング100の
端部もしくは電気的な中点の対地電圧を0とした場合の
値よりも小さく)することができる。そして、0<k<
1/2とkV1+(1−k)V2=0から、V1+V2>0
が得られる。
の、正極端の対地電圧をV1、負極端の対地電圧をV2と
したときに、V1>0、V2<0、V1+V2>0の関係を
満たすように太陽電池ストリングを設計する(もっと
も、V2<0、V1+V2>0の関係が満たされれば、必
然的にV1>0となる)。換言すれば、正極端と負極端
の電気的な中点と、負極端と、の間の電路上の点(中
点、負極端は除く)の対地電圧が0になるように、太陽
電池ストリングを設計する。
ストリングを設計することにより、単にストリング10
0の端部もしくは電気的な中点の対地電圧を0とした場
合と比べて、太陽電池ストリングの電路に人の手が接触
した場合の心臓への影響を低減できる。
めに最も簡便な方法は、対地電圧を0にしたい点を接地
することである。他の方法としては、電路上の一点(ス
トリングの外側の点でも構わない)の対地電圧を0以外
の電圧に固定する手段を設けることによって、電路上の
所望の点の対地電圧を0に制御する方法が挙げられる。
ちV1+2V2=0を満たすように対地電圧が0となる点
を決定する。このようにすることによって、Eff.の
最大値を最も小さくすることができる。
個々の太陽電池(太陽電池モジュール又は太陽電池セ
ル)の正極端と負極端の電位差がばらついていたり、直
列接続された太陽電池の個数が3の倍数ではなかったり
する等の理由により、V1+2V2=0を満たすように対
地電圧が0となる点を選択できない場合も考えられる。
その場合には、V1+2V2の絶対値が最も小さくなるよ
うに、太陽電池(太陽電池モジュール又は太陽電池セ
ル)外の電路上の点から対地電圧が0となる点を選択す
るのが最適の態様となる。例えば、太陽電池ストリング
を構成する個々の太陽電池の最大出力時の正極端と負極
端の電位差が、製造上の誤差を無視した場合に一定値V
3である場合には、V1+2V2−2V3≦0≦V1+2V2
+V3の関係を満たすように設計するのが好ましい。
く、並列接続された部分を有する太陽電池アレイの場合
も上述の考え方と全く同じ考え方で設計することができ
る。
施態様例を示す。図2に示す太陽電池ストリング200
は同一の出力特性を有するように設計された太陽電池モ
ジュール103を6個直列に接続したものであり、正極
端101と負極端102とを有する。太陽電池モジュー
ル103としては、バイパスダイオードを有するモジュ
ールを用いることが好ましい。なお、必要に応じて、正
極端101、負極端102は、インバータの直流側端子
もしくは負荷(いずれも不図示)に接続する。
00の負極側から数えて2番目のモジュールと3番目の
モジュールの間の電路上の点104を接地する。
ュールの出力が揃っている場合には、太陽電池モジュー
ルの製造工程上の誤差を無視すれば、V1+2V2=0を
満たす点の対地電圧が0となる。
のEff.の最大値を最も小さくでき、太陽電池ストリ
ング200の電路の一部に人の手が触れた場合に心臓に
与える影響を最も小さくすることができる。
トリングの電路上の一点を接地する構成とした場合に
は、ストリングが最大出力となっていなくても、全ての
太陽電池モジュールの出力電圧が均等であればEff.
の最大値を最も小さくすることができる。また、仮に、
パーシャルシェイドなどによって一部の太陽電池モジュ
ールの出力電圧が低下したとしても、Eff.の最大値
は太陽電池ストリングの最大出力時よりも小さくなる。
されている場合に、ストリング(もしくはアレイ)の正
負極端をインバータの直流側端子に接続する場合には、
トランス内蔵型インバータ(絶縁型インバータ)を用い
るか、インバータの交流側にトランスを設けることが好
ましい。トランスを用いないと、通常、直流側の正極端
子もしくは負極端子の対地電圧が固定されてしまうから
である。一方、トランスを設けることにより電路上の所
望の点の対地電圧を0にすることができる。
な実施態様例を示す。図3中300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、303は非絶縁
型インバータ、304は漏電遮断器付き回路遮断器、3
05は負荷、306は商用系統である。また、301は
インバータ303の直流側負極端子、302はインバー
タ303の直流側正極端子であり、それぞれ太陽電池ス
トリング300の負極端、正極端と接続されている。
タは直流側正極端子302もしくは直流側負極端子30
1の対地電圧が一定に制御されているものである。
がV4となるように制御されており、太陽電池ストリン
グ300の最大出力時の正極端と負極端の電位差がV5
である場合、V4<0、2V4+V5>0の関係を満たす
ように設計する(この場合、V4+V5>0の関係は必然
的に満たされることになる)。一方、直流側正極端子3
02の対地電圧がV6となるように制御されており、太
陽電池ストリング300の最大出力時の正極端と負極端
の電位差がV5である場合、V6−V5<0、2V6−V5
>0の関係を満たすように設計する(この場合、V6>
0の関係は必然的に満たされることになる)。
リング300の最大出力時に大地と人体とを経由した直
流電流の閉ループが形成されてしまった場合のEff.
の最大値を最も小さくすることができる。
大出力となっていない場合には、Eff.の最大値は太
陽電池ストリングの最大出力時よりも小さくなる。
3として三相交流式のインバータを用いているが、二相
交流式のインバータを用いることもできる(以下の実施
態様例でも同様である)。
な実施態様例を示す。本実施態様例は実施態様例2の変
形例であり、図3の太陽電池ストリング300を太陽電
池アレイ(狭義の太陽電池アレイ)400に変えた点以
外は実施態様例2と同様である。
の対地電圧がV4となるように制御されており、太陽電
池ストリング300の最大出力時の正極端と負極端の電
位差がV5である場合、V4<0、2V4+V5>0の関係
を満たすように設計する。一方、直流側正極端子302
の対地電圧がV6となるように制御されており、太陽電
池ストリング300の最大出力時の正極端と負極端の電
位差がV5である場合、V6−V5<0、2V6−V5>0
の関係を満たすように設計する。
な実施態様例を示す。本実施態様例は実施態様例1の変
形例であり、狭義の太陽電池アレイ500の例である。
500は、一つの太陽電池ストリング200と二つの太
陽電池ストリング100を並列に接続したものである。
そして、このアレイ500は、ストリング200中の一
点104のみが接地されており、他のストリング中の点
(対地電圧が0の点)は接地されていない。なお、この
接地点104は実施態様例1と同様、太陽電池ストリン
グ200の負極側から数えて2番目のモジュールと3番
目のモジュールの間の電路上の点である。このようにア
レイ500中の一点のみを接地するのは、個々のモジュ
ールの出力が変動した場合に、大地を経由した直流電流
の閉ループが形成されるおそれがあるからである。
のEff.の最大値を最も小さくでき、太陽電池アレイ
500の電路の一部に人の手が触れた場合に心臓に与え
る影響を最も小さくすることができる。アレイ500が
最大出力となっていなくても、全ての太陽電池モジュー
ルの出力電圧が均等であればEff.の最大値を最も小
さくすることができる。
モジュールの一部のみの出力電圧がパーシャルシェイド
の影響、モジュールの故障等によって低下した場合、正
極端101の対地電圧、負極端102の対地電圧が変動
して、Eff.の最大値が大きくなってしまう場合があ
り得る。そこで、ストリング200は、他のストリング
と比べて日陰になりにくい場所に設置することが好まし
い。また、正極端101及び負極端102と大地との間
に電圧計(不図示)を設けて、それぞれの出力を不図示
の演算装置(コンピュータなど)に入力して、演算装置
でEff.の最大値を計算し、その値が所定値を越えた
場合に、不図示の警報装置から音、光などの警報を発す
るようにしてもよい。また、演算装置で、正極端の対地
電圧と負極端の対地電圧との和を求め、それが0以下に
なった場合に警報装置から警報を発するようにしてもよ
い。
トリング200同様、インバータ、負荷等に接続するこ
とができる。また、本実施態様例のアレイ500は、一
つの太陽電池ストリング200と二つの太陽電池ストリ
ング100を並列に接続して構成されているが、並列接
続するストリング100の数は二つに限られない。
な実施態様例を示す。本実施態様例は実施態様例4の変
形例である。
04aと大地とが開閉器608aを介して接続される太
陽電池ストリング200aと、点204bと大地とが開
閉器608bを介して接続される太陽電池ストリング2
00bと、を並列に接続したものである。
閉じ、開閉器608bを開いた状態としておく。また、
正極端101の対地電圧は電圧計609aでモニターさ
れ、負極端102の対地電圧は電圧計609bでモニタ
ーされる。これらの対地電圧は、開閉器制御装置607
に入力される。そして開閉器制御装置607では、正極
端の対地電圧と負極端の対地電圧の和が計算される。こ
の値が0以下になった場合には、開閉器608aを開
き、開閉器608bを閉じる制御を行う。開閉器608
bが閉じた状態で正極端の対地電圧と負極端の対地電圧
の和が0以下となった場合には、逆に開閉器608aを
閉じ、開閉器608bを開く制御を行う。
正極端の対地電圧と負極端の対地電圧の和が0以下であ
る場合には、不図示の警報装置から警報を発するように
してもよい。また、開閉器として機械的な開閉器を用い
る場合、短時間の間に何回も開閉を行うと開閉器が劣化
するおそれがあるので、いったん開閉動作を行ってから
10秒程度は開閉動作を行わないようにすることが好ま
しい。さらに、人が電路に接触するおそれが全くない場
合には、制御装置607を停止しておいてもよい。
に接続してアレイとしているが、さらに多くのストリン
グを並列接続してアレイを形成してもよい。この場合、
開閉器のうちの一つのみが閉状態になるように制御す
る。また、開閉器が608a、608b、608c、6
08dである場合には、正極端の対地電圧と負極端の対
地電圧の和が0以下となった場合には、順番に閉状態に
なる開閉器を選択する(例えば、608aの次は608
b、608bの次は608c、608cの次は608
d、608dの次は608aというように選択する)こ
とが、正極端の対地電圧と負極端の対地電圧の和が0を
超える点を速やかに見つけるために好ましい。また、機
械的開閉器を用いる場合、順番に選択することによっ
て、開閉器の劣化を抑制することができる。
に示すように、同一の出力特性(最大出力電圧V3)を
有するように設計された太陽電池モジュール703を1
0個直列接続して太陽電池ストリング700を構成して
いる。
極端の対地電圧をV1、該太陽電池アレイの最大出力時
の負極端の対地電圧をV2としたときに、V1+2V2=
0を満たすように接地点を決めようとすると、モジュー
ル内部の点を接地することになってしまい、困難であ
る。そこで、モジュール内部の点を接地できないという
前提でEff.の最大値を最も小さくするために、モジ
ュール間の電路上の点でV1+2V2−2V3<0<V1+
2V2+V3の関係を満たす点を接地点とする。
n番目のモジュールとn+1番目のモジュールの間の電
路上の点を接地する場合、V1=nV3、V2=(n−1
0)V3、となるので、V1+2V2−2V3≦0≦V1+
2V2+V3は、nV3+2(n−10)V3−2V3≦0
≦nV3+2(n−10)V3+V3となり、V3>0か
ら、19≦3n≦22となる。nは自然数だから、n=
7となる。
1側から7番目のモジュールと8番目のモジュールの間
の点704を接地している。
いて他のアレイまたはシステムに簡単に適用できる。例
えば、太陽電池ストリングを並列に接続したものにさら
に別の太陽電池ストリングを直列に接続した太陽電池ア
レイにも、実施態様例3,4,5の考え方を適用でき
る。また、実施態様例6の考え方は、異なる出力の太陽
電池モジュールを接続した場合にも容易に適用できる。
また、実施態様例4、5のアレイを構成するストリング
のモジュールの直列数が3の倍数でない場合に、実施態
様例6の考え方が適用できるのは言うまでもない。な
お、以上の実施形態では、太陽電池ストリングの構成要
素として太陽電池モジュールを用いたが、モジュール化
されていない太陽電池(いわゆる太陽電池セル)を用い
ても構わない。これら以外にも、以上の実施形態は種々
の変形が可能である。
太陽電池アレイの電路に人の手が接触した場合の心臓へ
の影響を低減することができる。
り、本発明の概要を説明するための説明図である。
ストリングの一例を示す模式図である。
図である。
図である。
ある。
ある。
ストリングの一例を示す模式図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 複数の太陽電池からなる太陽電池アレイ
において、該太陽電池アレイの最大出力時の正極端の対
地電圧をV1、該太陽電池アレイの最大出力時の負極端
の対地電圧をV2としたときに、V2<0、V1+V2>0
の関係を満たすことを特徴とする太陽電池アレイ。 - 【請求項2】 V1+2V2=0の関係を満たすことを特
徴とする請求項1に記載の太陽電池アレイ。 - 【請求項3】 前記太陽電池内部ではない電路上に対地
電圧が0の点が存在し、V1+2V2の絶対値が、該対地
電圧が0の点以外の太陽電池内部ではない電路上の点の
対地電圧を0としたときのV1+2V2の絶対値以下であ
ることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池アレイ。 - 【請求項4】 前記太陽電池アレイを構成する個々の太
陽電池の最大出力時の正極端と負極端の電位差がV3で
あり、V1+2V2−2V3≦0≦V1+2V2+V3の関係
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池ア
レイ。 - 【請求項5】 対地電圧が0の点が接地されていること
を特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の太陽電
池アレイ。 - 【請求項6】 対地電圧が0の点が複数存在し、そのう
ちの一点のみが接地されていることを特徴とする請求項
5に記載の太陽電池アレイ。 - 【請求項7】 複数の太陽電池が直列接続された太陽電
池ストリングが並列接続された部分を少なくとも有する
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の太
陽電池アレイ。 - 【請求項8】 前記複数の太陽電池ストリングが、それ
ぞれの開閉器を介して大地と接続された電路上の点を有
し、該開閉器のうち一つのみが閉状態になっていること
を特徴とする請求項7に記載の太陽電池アレイ。 - 【請求項9】 太陽電池アレイの正極端の対地電圧と負
極端の対地電圧を測定する電圧計と、該電圧計の値に基
づいて前記開閉器の開閉状態を制御する開閉器制御装置
とを有することを特徴とする請求項8に記載の太陽電池
アレイ。 - 【請求項10】 請求項1乃至9のいずれかに記載の太
陽電池アレイと、該太陽電池アレイの正極端と該太陽電
池アレイの負極端とに接続された負荷とを有する太陽光
発電システム。 - 【請求項11】 請求項1乃至9のいずれかに記載の太
陽電池アレイと、該太陽電池アレイの正極端と該太陽電
池アレイの負極端とに接続され、該太陽電池アレイの直
流出力を交流出力に変換するインバータと、を有する太
陽光発電システム。 - 【請求項12】 前記インバータの内部もしくは外部に
トランスを有することを特徴とする請求項11に記載の
太陽光発電システム。 - 【請求項13】 複数の太陽電池からなる太陽電池アレ
イと、該太陽電池に接続され該太陽電池アレイの直流出
力を交流出力に変換するインバータとを有する太陽光発
電システムにおいて、該太陽電池アレイの負極端と該太
陽電池アレイの最大出力時の電気的中点との間に太陽電
池アレイの最大出力時の対地電圧が0Vである点を有す
ることを特徴とする太陽光発電システム。 - 【請求項14】 前記対地電圧が0Vの点が接地されて
いることを特徴とする請求項13に記載の太陽光発電シ
ステム。 - 【請求項15】 前記インバータの直流側端子のうちの
一つが一定の対地電圧を有していることを特徴とする請
求項13に記載の太陽光発電システム。
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