JP2005142249A - 太陽光発電システムのモジュール配線設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽光発電パネルのモジュールの配置や配線パターンを最適に設計する太陽光発電システムのモジュール配線設計方法を提供する。
【解決手段】 ストリングの配置及びモジュールの状態を入力し、ストリング毎にモジュールを分類し、この分類したモジュールの内、アレイ出力電力に影響がある日向と日陰状態の有効モジュールを抽出する。これによって、得られた有効モジュールの個数をストリング毎に算出し、算出された日向状態のモジュール数を基にストリングについて順位付けを行い、ストリングを並び替えて、日陰状態のモジュールの電流値を散乱比分減少させて配置し、その形状から最大出力動作点を算出する。ストリングの配置パターンを変えて、この最大出力値を繰り返し計算し、最大となる出力電力が得られるモジュールの配線パターンを求める。
【選択図】 図３

Description

本発明は、日陰による太陽光発電システムの出力への影響を最小限に抑えるために、太陽光発電パネルのモジュール配置や配線パターンを最適に設計する太陽光発電システムのモジュール配線設計方法に関するものである。

太陽光発電システムにおける出力電力は、周囲障害物による太陽電池アレイ（太陽光発電パネル）面の日陰により出力低下が起こる。この出力電力の低下現象は、太陽光発電パネルの各モジュールの配線接続の状態により大きく異なる。このことから、太陽光発電システムにおける最適設計では、周囲障害物による太陽電池アレイ面の日陰により出力低下を考慮して、モジュールの接続パターンを設計する手法が望ましい。

従来の太陽光発電システムの設計における太陽電池モジュールの設置では、その接続配置は、太陽電池アレイ（太陽光発電パネル）の設備の施工上の問題として、屋根面に対し容易に太陽電池アレイを設置することが優先され、周りの障害物の日陰等による影響を考慮せずに太陽電池アレイの各モジュール（太陽光発電パネル）を配置する設計が行われてきた。このことにより、太陽電池アレイの出力電力は、思わぬ出力低下が起こり、希望した出力電力を得ることができず、この出力低下現象を最小限に抑える簡便な設計技術の提供が望まれる。

従来、この種の太陽光発電システムにおいては、日陰や木陰等の影響を配慮して設計されることは、あまり行われてこなかった。日陰や木陰等の影響を配慮しているものとしては、例えば、特許文献１に示されるような「太陽光発電システム」が公知となっている。この太陽光発電システムは、補助太陽電池を複数以上併設して、主太陽電池の日射条件を正確に把握するようにしたものであり、これによれば、局部的な雲による日影、木陰およびごみ等により第１の補助太陽電池の日射が遮断されても、第２の補助太陽電池の出力値により主太陽電池の出力調整や、太陽光発電システムの起動・停止の制御を、より精度良く行えるようにしたものである。

また、これに関係する技術として、太陽電池モジュールを十分に有効利用できるように、それを設置する屋根の形状に合わせて太陽電池モジュールを斜めに切断したものを利用した太陽光発電システムが、特許文献２に示されるように公知である。この太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールを斜めに切断した場合でも、そのモジュールの面積に比例した発電量が得られるようにして、配置配線したものである。
特開平９−２５２５３９号公報 特開平９−２６１９８０号公報

ところで、太陽光発電システムにおける最適設計では、周囲障害物による太陽電池アレイ面の日陰により出力低下を考慮して、モジュールの接続パターンを設計する手法が望ましい。このような設計手法を用いるには、従来においては、太陽電池の等価回路により連立方程式を立て、その近似解を求めるような作業を必要とした。

しかしながら、この手法は複雑な偏微分方程式で構成されることから、計算された解に対し明確な太陽電池モジュールの接続配置の説明ができない。このことから、簡易的な設計技術および明快に説明できる直感的な太陽電池モジュールの配線設計手法が求められている。また、手軽に利用できる太陽電池モジュールの配線設計手法が求められている。

本発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたものであり、日陰による太陽光発電システム出力への影響を最小限に抑えるために、太陽光発電パネルのモジュールの配置や配線パターンを最適に設計する太陽光発電システムのモジュール配線設計方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の第１の形態として、本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計方法は、太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュール状態のデータを格納するデータベースと、データベースのデータを参照してデータ処理を行う演算手段と、データの入出力を行う入出力処理手段とを備え、太陽光発電システムのモジュール配線設計を行う太陽光発電システムのモジュール配線設計方法であって、ストリングの配置パターンおよび各モジュールが日向、日陰、無効の何れかの状態を入力するステップと、ストリング毎にモジュールの状態を分類するステップと、ストリングごとの有効モジュールを抽出するステップと、抽出した有効モジュールの個数をストリング毎に算出するステップと、算出された日向状態のモジュールの個数に基づき、ストリングについて順位付けを行ってストリングを並び替えるステップと、日陰状態のモジュールの電流値を散乱比分減少させて配置し、その形状から最大出力動作点を算出するステップと、ストリングの配置パターンを変えて最大出力動作点を算出することを繰り返し計算し、最大となる出力電力が得られるストリングの配置パターンによる配線パターンを探し求めるステップと、からなることを特徴とするものである。

本発明の第２の形態として、本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計システムは、太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータを格納するデータベースと、前記データベースのデータにより、設計する太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータの指定を受け付ける入力手段と、各ストリングごとにモジュールを分類する分類手段と、ストリングごとの有効モジュールを抽出する抽出手段と、日向状態のモジュール個数を算出する算出手段と、ストリングのモジュール個数により位置づけを行う位置付け手段と、ストリング配置パターンにしたがってストリング配置を変更し、それぞれのストリング配置ごとの最大出力動作点を算出し、算出値が最大の場合に最適動作状態として確定し表示出力する出力手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明の太陽光発電システムのモジュール配線設計方法によれば、周囲の障害物による太陽電池アレイ面の日陰により出力低下を最小限に抑えるように、太陽電池モジュールの配線を行うことができ、太陽光発電システムにおける最適なモジュールの配置と配線接続を行う配線設計方法が提供される。

太陽光発電システムの太陽電池アレイにおいて、それぞれの太陽電池モジュールの配線は、直列および並列に接続した構成され、その配線パターンは無数に存在するが、太陽電池アレイ構成のそれぞれの太陽電池モジュールの配線を設計するには、出力低下を引き起こす日陰を考慮することで、設計段階から必要以上の損失を未然に防ぐことができる。また、太陽電池アレイのストリング配置およびストリングを形成するモジュールの日陰の状態により最も日陰による損失が少ないモジュール接続パターンを提供することができる。

以下、本発明を実施する場合の一形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明を実施するための太陽光発電システムのモジュール配線設計システムの概略の構成を示す図である。図１において、参照番号１００はキーボードおよびマウスからの入力操作を受け付ける入力部、参照番号１０１は例えば数値データ等の入力操作のためのキーボード、参照番号１０２は選択入力操作のためのポインティングデバイスのマウス、参照番号１０３はマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）とプログラムメモリおよびワークメモリなどのシステム装置から構成される演算部、参照番号１０４は例えばディスプレ装置から構成される表示部、参照番号１０５はハードディスク装置などから構成されるデータベースである。また、参照番号１０６として、表示部により表示される表示画面を模式的に示している。

太陽光発電システムのモジュール配線設計システムは、データベース１０５を備えており、このデータベース１０５には、太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュール状態のデータが格納されている。また、演算部１０３は、データベース１０５のデータを参照することによりデータ処理を行い、入力部１００および表示部１０４により、データ処理に関係してデータの入出力を行う。

太陽光発電システムのモジュール配線設計システムにおいては、表示画面１０６に、太陽光発電システムのモジュール配線設計のための条件データを入出力する入出力画面が表示されるので、その入出力画面にしたがって、必要なデータ（設計条件）を入力して、それぞれのストリング配置によるモジュールの状態の特性を考慮した配線パターンにおける太陽光発電システムのモジュール配線設計を行う。演算部１０３において、ここでの太陽光発電システムのモジュール配線設計のためのデータ処理を行う。

図２は、太陽光発電システムのモジュール配線設計システムの入出力画面を示す図である。入出力画面２００には、モジュール配列の入力フィールド２０１、ストリング配置を識別する選択入力フィールド２０２、設定条件の入力フィールド２０３、モジュール状態の入力フィールド２０４、計算開始ボタン２０５、クリアボタン、モジュールの電圧・電流特性の表示フィールド２０６が設けられている。これらのフィールドを用いて設計条件を入力する。また、画面に特性を示す出力データが得られる。

図３は、太陽光発電システムのモジュール配線設計の処理フローを示すフローチャートである。この処理フローにかかるデータ処理は、システム構成の演算部１０３を主体として処理が実行される。図示されていないが、演算部１０３のメモリには、オペレーティングシステムのプログラムに加えて、各処理を実行するためのプログラムが読み込まれて、システム要素の処理手段が構成される。すなわち、後述するように、それぞれの処理を行う入力手段、分類手段、抽出手段、算出手段、位置付け手段、出力手段が構成される。

データベース１０５には、太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータが格納されており、演算部１０３において、入力手段が、データベース１０５のデータにより、設計する太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータを指定する入力を受け付けると、分類手段が、各ストリングごとにモジュールを分類する。そして、抽出手段が、ストリングごとの有効モジュールを抽出し、算出手段が、日向状態のモジュール個数を算出する。

この算出結果に基づいて、位置付け手段が、ストリングの日向状態のモジュール個数により位置づけを行い、ストリングを並び替える。そして、最終的に、出力手段により、ストリング配置パターンにしたがってストリング配置を変更し、それぞれのストリング配置ごとの最大出力動作点を算出し、算出値が最大の場合に最適動作状態として確定して、その結果を表示出力する。

つぎに、図３を参照して、太陽光発電システムのモジュール配線設計の処理フローについて説明する。この処理では、まず、ストリングの配置パターンおよび各モジュールが日向、日陰、無効の何れかの状態を入力し、ストリング毎にモジュールの状態を分類する（ステップ３０１〜３０３）。そして、次に、分類したモジュールのうちアレイ出力電力に影響がある日向と日陰状態の有効モジュールを抽出する（ステップ３０４）。次に、抽出したモジュールの個数をストリング毎に算出し、算出された日向状態のモジュールの個数に基づき、ストリングについて順位付けを行ってストリングを並び替える（ステップ３０５〜３０６）。次に、後述するように、日陰状態のモジュールの電流値を散乱比分減少させて配置し、その形状から最大出力動作点を算出し、ストリングの配置パターンを変えて最大出力動作点を算出することを繰り返し計算し、最大となる出力電力が得られるストリングの配置パターンによる配線パターンを探し求める（ステップ３０７〜３１１）。このような処理を行い、太陽光発電システムの最適動作状態を求める。これにより、太陽光発電システムのモジュール配線設計方法の最適設計が可能となる。

図４〜図１１は、本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計の手法の原理を説明する図である。図４〜図１１を参照して説明する。

太陽光発電システムは、一般に、太陽電池アレイとパワーコンディショナから構成される。太陽電池アレイで得られた直流出力電力は、電流・電圧（Ｉ−Ｖ）特性を持ち、その特性の最大出力点をパワーコンディショナが検出することで太陽光発電システムの交流出力電力として得ることができる。Ｉ−Ｖ特性は、アレイを構成するモジュールの直列接続により電圧が、並列接続により電流が決定され、カーブを描く。

太陽光発電システムでは、図６および図７にそれぞれに示すように、ストリング（モジュール並列接続）毎に逆流防止ダイオード、モジュール毎にバイパスダイオードが着装されている。これらのダイオードはモジュールの出力低下現象を最小限に防ぐために設けられているものであり、太陽光が十分に照射されて日陰の無いような状態では、つまり、安定したシステムの稼働時においては、特に機能することはない。

しかし、日陰が発生した状態の場合には、日陰に掛かるモジュール（ストリング）の出力は、これらのダイオードにより回避されて、当該モジュールが並列接続から切り離されるので、太陽光発電システムの出力に大きく影響する。

Ｉ−Ｖ特性の形状において、この現象は、電流に関しては逆流防止ダイオードが起因し、電圧に関してはバイパスダイオードが起因する。このダイオードの機能が日陰の有無によることから複数のモジュールの並列接続から構成される太陽光発電システムは、配線設計する場合に、その配線パターンの構成が、発電出力に影響する。

太陽電池のＩ−Ｖカーブにおける最大出力付近の特性は、太陽電池がｐｎ結合で構成されているダイオードデバイスであるため等価回路上のダイオード特性に起因する。１ダイオードモデルの太陽電池等価回路（図４）とした場合、回路構成は太陽光によって発生する直流電流源（Ｉｐｈ）、ｐｎ結合によるダイオード（Ｄ）、ｐｎ結合内で発生する漏れ電流によるシャント抵抗（Ｒｓｈ）、太陽電池の半導体としての電気抵抗や電極抵抗である直列抵抗（Ｒｓ）から成り立つ。

太陽電池の等価回路において、直流電流源はダイオードの逆特性にバイアス電流をかけたもので、回路内の並列抵抗及び直列抵抗が存在することにより電位を生じ、直流電圧源を持つ構成と見なすことができる。ここで太陽電池等価回路のダイオードが理想特性であるとした場合、図５のようなＩ−Ｖ特性となり、直流電流および直流電圧要素が明確となる。

太陽光発電システムにおけるアレイ（モジュール）構成を考えた場合、図６および図７にそれぞれ示すように、各モジュールに１バイパスダイオード、各ストリングに１逆流防止ダイオードが挿入されていたとすると、アレイ構成の最大動作点の動きであるＩ−Ｖカーブの形状の変化は、アレイの日陰位置であるモジュールの日陰状態により把握できる。

Ｉ−Ｖカーブの形状は、太陽電池等価回路のダイオードが理想特性であるとすると、図６および図７にそれぞれ示すように、直流電流回路網と直流電圧回路網に分離でき、その電流特性は直流電流回路網の電流源の個数に、電圧特性は直流電圧回路網の電圧源の個数に依存することになる。即ち、Ｉ−Ｖカーブの形状は、モジュールの状態（日向か日陰か）により独立した電流特性及び電圧特性が決まることになる。

ところで、太陽電池アレイ構成において、図８（ａ）に示すように、各ストリング（一単位のモジュール）をハッチングの模様により分けて示している当該太陽電池アレイ構成において、日陰がかかり、Ｘ−Ｘ線で示す斜線のように、日陰が、太陽電池アレイにかかったとする。

その日陰がかかった状態において、そのときの日向状態をＡとして、日陰状態をＭとし、また、欠陥や積雪等により発電不可能な無効状態をＮとすると、それぞれストリングの状態は、図８（ｂ）に示すように表記される。

その状態の各ストリングについて、この状態を、各ストリングを横並びに配置すると、図９（ｃ）に示すようになる。前述したように、Ｉ−Ｖカーブの電圧特性は、バイパスダイオードが働くか否かで決まることから、バイパスダイオードの順方向電圧とモジュールの電圧の間に電位差が生じたときに変化する。モジュールの電圧は、日陰になったことにより、モジュールの電流源が制約を受けて直列するモジュール間に電流差が発生しインピーダンスをもつために生じる。

分類したモジュールの内、欠陥や積雪等による発電不可能な無効状態のモジュールについて、バイパスダイオードによりそのモジュールが回避されることから、図９（ｄ）に示すように取り除く。そして、図１０（ｅ）に示すように、ここで得られた有効なモジュールの個数をストリング毎に算出する。

電流特性ではストリングが並列接続であるため、各ストリングの電流は加算される。太陽電池アレイ構成のＩ−Ｖ特性におけるこのストリングの電流加算は、各ストリングの電圧をキーに各ストリングの電流を大きい順に並び変えたのと等しいので、図１０（ｆ）に示すように、電圧で順位付けをして並び変えを行う。

日陰状態のモジュールは、前述したように、日陰の日射である散乱日射による発電であるので、その発電は電流に依存し日射強度に比例することから、図１１（ｇ）に示すように、そのモジュールの電流特性が抑えられている。この操作により、Ｉ−Ｖカーブの形状が確定できる。

パワーコンディショナの検出可能な出力電力の動作点は、アレイの電力・電圧特性の極値であることから、日陰である場合においては、図１１（ｈ）のように、複数のポイントが存在する。このポイントの内、電流と電圧の積が最大となるポイントが最大出力動作点となる。

このように、本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計方法によれば、太陽光発電システムの出力電力は、モジュールの配線パターンにより異なることから、その接続パターンであるストリングの配置及びモジュールが日向、日陰、無効の何れかの状態の入力条件を用い、ストリング毎にモジュールを分類し、この分類したモジュールの内、アレイ出力電力に影響がある日向と日陰状態の有効モジュールを抽出し、これによって、得られた日向状態のモジュールの個数をストリング毎に算出する。この算出された日向状態のモジュール数を基にストリングについて、順位付けを行い、ストリングを並び替える。日陰状態のモジュールの電流値を散乱比分減少させて配置し、その形状から最大出力動作点を算出する。ストリングの配置パターンを変えて、この最大出力値を繰り返し計算し、最大となる出力電力が得られるモジュールの配線パターンを探し求めることにより、太陽光発電システムの最適動作状態が求まる。以上により、太陽光発電システムのモジュール配線設計方法の最適設計が可能となる。

本発明を一態様で実施するための太陽光発電システムのモジュール配線設計システムの概略の構成を示す図である。 モジュール配線設計システムの入出力画面を示す図である。 太陽光発電システムのモジュール配線設計の処理フローを示すフローチャートである。 太陽電池等価回路を示す図である。 太陽電池等価回路による理想ダイオードの電流・電圧特性を示す図である。 太陽電池モジュールの直流電流回路網を示す図である。 太陽電池モジュールの直流電圧回路網を示す図である。 本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計の手法の原理を説明する第１の図である。 本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計の手法の原理を説明する第２の図である。 本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計の手法の原理を説明する第３の図である。 本発明による太陽光発電システムのモジュール配線設計の手法の原理を説明する第４の図である。

符号の説明

１００ 入力部、
１０１ キーボード
１０２ マウス
１０３ 演算部、
１０４ 表示部
１０５ データベース
１０６ 表示画面

Claims (2)

1. 太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュール状態のデータを格納するデータベースと、データベースのデータを参照してデータ処理を行う演算手段と、データの入出力を行う入出力処理手段とを備え、太陽光発電システムのモジュール配線設計を行う太陽光発電システムのモジュール配線設計方法であって、
   ストリングの配置パターンおよび各モジュールが日向、日陰、無効の何れかの状態を入力するステップと、
   ストリング毎にモジュールの状態を分類するステップと、
   分類したモジュールの内、太陽電池アレイの出力電力に影響がある日向と日陰状態の有効モジュールを抽出するステップと、
   抽出した有効モジュールの個数をストリング毎に算出するステップと、
   算出された日向状態のモジュールの個数に基づき、ストリングについて順位付けを行ってストリングを並び替えるステップと、
   日陰状態のモジュールの電流値を散乱比分減少させて配置し、その形状から最大出力動作点を算出するステップと、
   ストリングの配置パターンを変えて最大出力動作点を算出することを繰り返し計算し、最大となる出力電力が得られるストリングの配置パターンによる配線パターンを探し求めるステップと、
   からなることを特徴とする太陽光発電システムのモジュール配線設計方法。
2. 太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータを格納するデータベースと、
   前記データベースのデータにより、設計する太陽光発電パネルの各モジュールのストリング配置パターンおよび各モジュールの設置位置における日陰変化に対応するモジュールの状態のデータの指定を受け付ける入力手段と、
   各ストリングごとにモジュールを分類する分類手段と、
   ストリングごとの有効モジュールを抽出する抽出手段と、
   日向状態のモジュール個数を算出する算出手段と、
   ストリングの日向状態のモジュール個数により位置づけを行う位置付け手段と、
   ストリング配置パターンにしたがってストリング配置を変更し、それぞれのストリング配置ごとの最大出力動作点を算出し、算出値が最大の場合に最適動作状態として確定し表示出力する出力手段と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電システムのモジュール配線設計システム。
   
   

Images