JP2004078911A - 系統連系型太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系統連系型太陽光発電装置において、ユーザの二酸化炭素の発生が如何に減少するのか認識できるようにする。
【解決手段】太陽電池アレイ２が発電した発電量と同じ電力量を石油火力発電により発電したと仮定して、石油火力発電に比べて太陽光発電による場合の二酸化炭素排出削減量を算出し二酸化炭素排出削減量をＬＥＤ５５で表示する。
【選択図】　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池出力を交流電力に変換し、電力会社の商用配電線と接続して運転を行う系統連系型太陽光発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
系統連系型太陽光発電装置は、太陽光発電により得られる電力量は認識できても、この太陽光発電により火力発電による二酸化炭素排出量を如何に削減できるかを認識するための手段がなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術では、ユーザは太陽光発電装置の発電により、火力発電に比して、二酸化炭素の発生がどの程度減少するのかを表示し、どの程度二酸化炭素排出削減に貢献しているか認識することができない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる系統連系型太陽光発電装置は、炭素原子重量比であれニ酸化炭素分子重量比であれニ酸化炭素排出削減量を表示するので、当該の系統連系型太陽光発電装置によってどの程度二酸化炭素排出削減に貢献しているかを一目でわからせることができ、地球温暖化防止への意識を強化する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる系統連系型太陽光発電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００６】
〔背景技術〕
図１は背景技術にかかわる系統連系型太陽光発電装置の概略的な構成を示すブロック図である。系統連系型太陽光発電装置１は、大きく分けて、太陽電池アレイ２と連系インバータ３とから構成されている。符号の４は住宅における分電盤、５は住宅における各種の負荷、６は電力会社の系統電源である。太陽電池アレイ２で発電した直流電力は連系インバータ３により系統電源６と同等の品質の交流電力に変換され、連系運転により分電盤４を介して負荷５に交流電力を供給するとともに、余剰電力は分電盤５を介して系統電源６に逆潮流するようになっている。最小単位の太陽電池セルを集合したものを太陽電池モジュールと称するが、太陽電池モジュール１１を直列に接続して太陽電池ストリングス１２を構成しており、各太陽電池ストリングス１２に逆流防止ダイオード１３を接続し、太陽電池ストリングス１２と逆流防止ダイオード１３との直列接続体の複数個を並列接続して太陽電池アレイ２を構成している。逆流防止ダイオード１３は、各太陽電池ストリングス１２間の出力電圧のばらつきにより電圧の高い方から低い方に電流が逆流するのを防止するためのものである。
【０００７】
連系インバータ３は、ＰＷＭ（パルス幅変調）を行うための複数のスイッチング素子と波形を整形するためのフィルタからなるインバータ回路２１と、そのインバータ回路２１を制御する制御回路２２と、太陽電池アレイ２とインバータ回路２１との間に直列に接続されて太陽電池アレイ２の出力電流Ｉａを検出する直流電流検出器（分流器）２３と、インバータ回路２１の出力側に直列に接続されてインバータ回路２１の出力電流Ｉｂを検出する交流電流検出器（分流器）２４と、開閉器２５と、表示部２６と、手動のスイッチ２７等から構成されている。
【０００８】
図２は制御回路２２のより具体的な構成を示すブロック図である。制御回路２２は、太陽電池アレイ２からの出力電流を抵抗分割によってに変換することにより太陽電池アレイ２の出力電圧Ｖａを検出する分圧器３１と、インバータ回路２１からの出力電流を抵抗分割によってに変換することによりインバータ回路２１の出力電圧Ｖｂを検出する分圧器３２と、４つのアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３３と、演算処理を実行するＭＰＵ（マイクロ・プロセッサ・ユニット；中央演算処理装置）３４と、データ入力手段３５とから構成されている。ＭＰＵ３４は、その機能として、Ａ／Ｄ変換器３３による４つの電圧信号（太陽電池アレイ２の出力電圧Ｖａ、出力電流Ｉａ、インバータ回路２１の出力電圧Ｖｂ、出力電流Ｉｂ）を計測する電圧計測手段４１と、その計測データに基づいて各種の演算を実行するデータ演算処理手段４２と、データ入力手段３５から入力された出力評価に必要な太陽電池アレイ２やインバータ回路２１の仕様値のデータを記憶するとともにデータ演算処理手段４２による演算結果のデータを記憶するデータ記憶手段４３と、データ演算処理手段４２による演算結果に基づいてインバータ回路２１を制御するインバータ制御手段４４と、データ演算処理手段４２が前記４つの電圧信号に基づいて演算した結果に基づいて異常を特定する異常特定手段４５と、異常特定手段４５から異常の有無の信号を入力して表示部２６に表示するように制御する表示制御手段４６などを備えている。
【０００９】
太陽電池セルは日射量やセル温度によって出力特性が変動する。すなわち、日射量が増えるに従って最大発電電力も増大し、セル温度が高くなるに従って最大発電電力は減少する。連系インバータ３におけるインバータ回路２１はこのように日射量やセル温度の変動の影響を受ける太陽電池アレイ２を電源としており、制御回路２２におけるインバータ制御手段４４は、データ演算処理手段４２による演算結果に基づいて変動する日射量およびセル温度の各現在値において最大発電電力を取り出すように太陽電池最大出力点追尾方式を採用している。この方式は、インバータ回路２１の入力インピーダンスの制御により、インバータ回路２１と直結している太陽電池アレイ２の動作点が最大発電電力になるように調整する制御方式である。図３は、日射量とセル温度で決定される太陽電池アレイの出力電圧−出力電流特性曲線上において、太陽電池アレイの出力が最大となる最大発電電力点Ｐｍａｘ　を直線で示す負荷特性直線が通るようにインバータ回路２１の入力インピーダンスを制御するのである。図４を用いて具体的に説明する。連系インバータ３の起動時には太陽電池アレイ２の出力電圧Ｖａが開放電圧Ｖｏｃに近く、出力電流Ｉａはほとんど流れないので入力インピーダンスが大きい。そこで、入力インピーダンスを徐々に小さくして（出力電圧Ｖａを小さくするとともに出力電流Ｉａを大きくして）、出力電圧−出力電流特性上の動作点を開放電圧側から最大発電電力点Ｐｍａｘ　に向かって上昇させ、最大発電電力点Ｐｍａｘ　を追尾する。なお、入力インピーダンスの可変回路はインバータ回路２１内にあり、インバータ制御手段４４によって制御するようになっている。
【００１０】
このようなインバータ制御手段４４によるインバータ回路２１の入力インピーダンス制御を用いて、太陽電池アレイ２の出力性能評価を行う。すなわち、あらかじめ設定した計測インターバル（例えば１回／月）で、インバータ回路２１の出力が一定以上のときに自動的に行う運転シーケンスとして、一旦、連系運転を停止させた後に、図５で矢印ａで示すようにインバータ回路２１の入力インピーダンスを無限大から徐々に小さくしていき、インバータ回路２１の入力電圧範囲ｂ内で太陽電池アレイ２の動作電圧を変化させ、そのときの太陽電池アレイ２の出力電圧Ｖａと出力電流Ｉａを制御回路２２における電圧計測手段４１によって計測するとともに、データ演算処理手段４２によって太陽電池アレイ２の出力電力Ｐａ（＝Ｖａ×Ｉａ）を計算し、計測したインバータ回路２１の入力電圧範囲ｂ内での最大電圧値Ｖａ_{［ｍａｘ］}　、出力電力の最大値Ｐａ_{［ｍａｘ］}　、最大電流値Ｉａ_{［ｍａｘ］}　を求める。一方であらかじめデータ入力手段３５により太陽電池アレイ２の定格時の電気的特性データすなわち日射強度１．０ｋＷ／ｍ^２　、セル温度２５℃での開放電圧Ｖｏｃ、短絡電流Ｉｓｃ、定格最大出力Ｐｍａｘ　をデータ記憶手段４３に設定しておく。データ演算処理手段４２は、前記の入力インピーダンス制御によって得られた３つの値Ｖａ_{［ｍａｘ］}　、Ｐａ_{［ｍａｘ］}　、Ｉａ_{［ｍａｘ］}　とデータ記憶手段４３から読み出した３つの値Ｖｏｃ、Ｉｓｃ、Ｐｍａｘ　とに基づいて太陽電池アレイ２の定格仕様に対する出力性能評価を次のように行う。
（１）Ｐａ_{［ｍａｘ］}　を計測したときの受光日射強度Ｅｏ、太陽電池セル動作温度Ｔｃ（℃）を算出する。
【００１１】
Ｅｏ＝Ｉａ_{［ｍａｘ］}　／Ｉｓｃ　…………………………………………………▲１▼
また、太陽電池アレイ２の開放電圧温度係数をＫｖ（Ｖ／℃）として、
Ｖａ_{［ｍａｘ］}　＝Ｖｏｃ−（２５−Ｔｃ）・Ｋｖ・Ｖｏｃより、
Ｔｃ＝２５−（Ｖｏｃ−Ｖａ_{［ｍａｘ］}　）／（Ｋｖ・Ｖｏｃ）　………………▲２▼
（２）太陽電池アレイ２の定格最大出力Ｐｍａｘ　の受光日射強度をＥｏ、太陽電池セル動作温度をＴｃ（℃）、太陽電池アレイ２の最大出力電力温度係数をＫｐ（Ｗ／℃）として、
Ｐｍａｘ′＝Ｅｏ・Ｐｍａｘ・｛１−（２５−Ｔｃ）・Ｋｐ｝　……………▲３▼
のように受光日射強度Ｅｏ、動作温度Ｔｃのときの理論的な最大発電電力Ｐｍａｘ′を日射計や温度計を用いずに算出することができる。
（３）Ｐａ_{［ｍａｘ］}　とＰｍａｘ′との比Ｒｎを算出する。
【００１２】
Ｒｎ＝Ｐａ_{［ｍａｘ］}　／Ｐｍａｘ′　……………………………………………▲４▼
表示制御手段４６を介して表示部２６に比較結果Ｒｎを出力性能評価として表示することにより、太陽電池アレイ２の定格仕様に対する性能を確認することができる。また、異常特定手段４５において異常・正常の判定を行い、その結果を表示部２６に表示することもでき、太陽電池アレイ２の定格仕様に対する性能を確認することができる。例えば０．９＜Ｒｎ≦１であれば太陽電池アレイ出力を正常とし、例えば０．７＜Ｒｎ≦０．９であれば要点検となし、例えばＲｎ≦０．７であれば太陽電池アレイ出力を異常としてそれぞれ表示する。
【００１３】
上記の比Ｒｎを上記のインターバルで計測し、履歴データとして保存しておくことにより、太陽光発電装置１を設置したときから以降の太陽電池アレイ２の定格出力に対する経時的変化を明確にすることができる。
【００１４】
また、データ演算処理手段４２において、太陽電池アレイの開放電圧から最適動作点を経てインバータ回路２１の最低入力電圧まで電圧を変化させた場合の、電圧変化に対する電流変化の割合ｄＩ／ｄＶが、大→小へと遷移するときには正常とし、大→小→大→小と遷移する（これは出力電圧−出力電流特性曲線において特徴で凹みが生じていることに相当する）ときには異常（太陽電池アレイの受光障害、出力異常）とし、それぞれ表示部２６に表示するようにしてもよい。
【００１５】
さらに、図５で矢印ａで示すようにインバータ回路２１の入力インピーダンスを無限大から徐々に小さくしていき、インバータ回路２１の入力電圧範囲ｂ内で太陽電池アレイ２の動作電圧を変化させて太陽電池アレイ２の出力電圧Ｖａと出力電流Ｉａを計測する際に、一定の電圧変化幅でＶａとＩａとを複数組取得して、それらの対応データをデータ記憶手段４３に記憶し、また、所定の操作によってそれらの数値データを表として表示部２６に表示させるようにしてもよい。あるいは、Ｘ軸方向を出力電圧とし、Ｙ軸方向を出力電流としてそれぞれの値をプロットして表示させれば、太陽電池アレイ２の出力電圧−出力電流特性曲線を容易に取得することができる。
【００１６】
上記の一連の計測に要する時間は数分程度とごく短い。一連の計測が終了した後は、太陽光発電装置１は連系運転に戻る。
【００１７】
以上では所定の計測インターバルで自動的に計測を繰り返し行うようにしたが、ユーザーや検査員が必要に応じて手動のスイッチ２７を操作したときに上記の計測動作を行うように構成してもよい。
【００１８】
インバータ回路２１の出力性能評価はインバータ回路２１の入出力電力の比（電力変換効率）で行うものとする。その電力変換効率が定格の１／３以上の場合に、インバータ回路２１の電力変換効率ηを、
η＝（Ｉｂ・Ｖｂ）／（Ｉａ・Ｖａ）　…………………………………▲５▼
によって算出する。したがって、電力変換効率を電力計を用いずに、またランニングコストを消費することなしに算出することができる。太陽光発電装置１の設置時の初期電力変換効率η_０　を基準としてデータ記憶手段４３に記憶させておき、計測の都度の▲５▼式による電力変換効率ηをη_０　と比較すること、および推移を表示することにより、インバータ回路２１の出力性能評価を行うことができる。
【００１９】
〔実施の形態〕
実施の形態は図１に示す連系インバータ３とそれに対するリモートコントローラ７とに関するものである。図６はリモートコントローラ７の正面図である。図６において、５１は７セグメントＬＥＤよりなる表示部、５２は発電量（ワット）の瞬時値を表示するときに点灯するＷ表示ＬＥＤ、５３はある期間内の積算電力量を表示するときに点灯する期間積算電力量表示ＬＥＤ、５４は装置の設置時から現在までの積算電力量を表示するときに点灯する通算積算電力量表示ＬＥＤ、５５は二酸化炭素排出削減量を表示するときに点灯するＣＯ_２　排出削減量ＬＥＤ、５６は停電時に復電してからの経過時間を秒単位で表示するときに点灯する秒ＬＥＤ、５７は連系運転動作状態を示すＬＥＤ、５８は運転停止状態を示すＬＥＤ、５９は系統電源６からの電力供給は受けず連系インバータ３からの電力のみで負荷５を運転している場合の自立運転動作状態を示すＬＥＤ、６１は連系インバータ３の運転／停止を指示する運転／停止ボタン、６２は二酸化炭素排出削減量の表示を行わせるための環境貢献モニターボタン、６３は期間積算電力量表示と通算積算電力量表示とを切り換えるための表示切換ボタン、６４は記憶されている期間積算電力量をリセットクリアするための積算電力量リセットボタンである。文献「太陽光発電システムのＣＯ_２　排出原単位に関する考察」（出版：化学工業会）および「発電プラントの温暖化影響分析」（出版：電力中央研究所１９９１年）によると、二酸化炭素（ＣＯ_２　）の排出量は炭素換算として、石油火力発電について、１ｋＷｈ当たりにつき、０．１９６ｋｇ‐Ｃ／ｋＷｈとなる（ｋｇ‐Ｃは炭素換算質量を表す）。一方、結晶形太陽電池では、太陽電池等のシステム機器を製造するするときに排出されるＣＯ_２　の量を、使用年数２０年として、２０年間の発電量で割った値を太陽光発電による排出量とする。その値は、炭素換算で、０．０１７ｋｇ‐Ｃ／ｋＷｈである。石油火力発電分から太陽光発電分を減算した値、すなわち、０．１９６−０．０１７＝０．１７９ｋｇ‐Ｃ／ｋＷｈが１ｋＷｈ当たりのＣＯ_２　の排出削減量（炭素換算）である。太陽電池アレイ２によって発電された直流電力を連系インバータ３のインバータ回路２１によって交流電力に変換し、系統電源６と連系運転を行うが、このように系統連系型太陽光発電装置１によって発電された電力をＡｋＷｈとする。環境貢献モニターボタン６２を押すと、ＣＯ_２　排出削減量ＬＥＤ５５が点灯するとともに、０．１７９×Ａｋｇ‐Ｃ／ｋＷｈをＣＯ_２　の排出削減量（炭素換算）としてリモートコントローラ７の７セグメントＬＥＤよりなる表示部５１に表示する。二酸化炭素の分子量換算を行うときには、炭素換算の値に、ＣＯ_２　／Ｃの分子量比４４／１２を乗算して、０．６５６×Ａｋｇ‐Ｃ／ｋＷｈを表示すればよい。なお、表示部５１としては７セグメントＬＥＤによるものに限定するものではなく、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイや蛍光管ディスプレイなどであってもよい。また、炭素原子重量比による二酸化炭素排出削減量と二酸化炭素分子重量比による二酸化炭素排出削減量とを同時に表示するように構成してもよいし、交互に切り換えて表示するように構成してもよい。表示切り換えの場合は表示切換ボタン６３を押すたびに切り換えるようにする。上記の数値は暫定的に定めたものであり、数値が変更になっても算出方法は同じでよい。上記のような表示により、ユーザーに二酸化炭素排出削減にどの程度貢献しているかを認識させることができる。
【００２０】
連系インバータ３が正常である場合にはＷ表示ＬＥＤ５２を点灯状態とする。
連系インバータ３が連系運転している状態のときに系統電源６の電圧が連系運転協議で規定した設定値を超えて出力制御機能が動作した場合と、太陽光発電装置１の連続運転に起因した温度上昇で出力電力を抑制制御している場合には、Ｗ表示ＬＥＤ５２を点滅させる。これにより、正常状態と出力抑制状態とを区別してユーザーや点検者に知らせることができる。また、Ｗ表示ＬＥＤ５２の点滅間隔を変えることにより、系統電源６の電圧が連系運転協議で規定した設定値を超えて出力制御機能が動作した場合と、太陽光発電装置１の連続運転に起因した温度上昇で出力電力を抑制制御している場合とを区別するように構成してもよい。さらには、ブザーを設けて、連系インバータ３が正常である場合にはブザーは不動作とし、連系インバータ３が連系運転している状態のときに系統電源６の電圧が連系運転協議で規定した設定値を超えて出力制御機能が動作した場合と、太陽光発電装置１の連続運転に起因した温度上昇で出力電力を抑制制御している場合には、ブザーを鳴動させるようにしてもよい。この場合に、ブザーの発振周波数を変えることにより、系統電源６の電圧が連系運転協議で規定した設定値を超えて出力制御機能が動作した場合と、太陽光発電装置１の連続運転に起因した温度上昇で出力電力を抑制制御している場合とを区別するように構成してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本願発明によれば、炭素原子重量比であれ二酸化炭素分子重量比であれ二酸化炭素排出削減量を表示するので、当該の系統連系型太陽光発電装置によってどの程度二酸化炭素排出削減に貢献しているかを一目でわからせることができ、地球温暖化防止への意識を強化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の背景技術にかかわる系統連系型太陽光発電装置の概略的な構成を示すブロック図
【図２】背景技術におけるインバータ回路の制御回路の具体的な構成を示すブロック図
【図３】背景技術についての太陽電池アレイの出力電圧−出力電流特性を示す特性図
【図４】背景技術についての太陽電池アレイの出力動作点を示す説明図
【図５】背景技術についてのインバータ回路に対するインピーダンス制御によって得られるインバータ回路の入力電圧範囲内での最大電圧値、出力電力の最大値、最大電流値の説明図
【図６】実施の形態における連系インバータに対するリモートコントローラの外観を示す正面図
【符号の説明】
１……系統連系型太陽光発電装置、　２……太陽電池アレイ、　３……連系インバータ、　４……分電盤、　５……負荷、　６……系統電源、　７……リモートコントローラ、　１１……太陽電池モジュール、　１２……太陽電池ストリングス、　１３……逆流防止ダイオード、　２１……インバータ回路、　２２……制御回路、　２３……直流電流検出器、　２４……交流電流検出器、　２６……表示部、　５１……表示部、　５２……Ｗ表示ＬＥＤ、　５５……ＣＯ_２　排出削減量ＬＥＤ、　６２……環境貢献モニターボタン

Claims (1)

1. 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回路を前記太陽電池アレイの出力電流と出力電圧とに基づいて太陽電池アレイの出力が最大発電電力となるように制御する制御回路を有する系統連系型太陽光発電装置において
   太陽電池アレイにより発電した発電量と同じ電力量を石油火力発電により発電したと仮定して、石油火力発電に比べて太陽光発電による場合の二酸化炭素削減量を算出し表示するように構成してある系統連系型太陽光発電装置。

Images