JP2006278703A - 太陽光発電システムの出力電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽光発電システムにおいて、太陽電池に影の影響や、故障した際に生じるホットスポットの影響を回避し、かつ、警告することによって、太陽電池モジュールの劣化を防ぎ、また、システム全体の発電効率の低下を最小限に留めること。
【解決手段】 太陽電池パネルの受光面に液晶シャッター素子を設けた太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池モジュールストリングを複数個並列接続した太陽電池アレイを用いた太陽光発電システムの出力電力制御方法であって、前記太陽光発電システムのそれぞれの太陽電池モジュールストリングの出力電力と出力電圧に対応して前記液晶シャッター素子の光透過度を変化させるようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、太陽電池パネルの受光面に液晶シャッター素子を設けた太陽電池モジュールを太陽光発電システムの出力電力を増大させるための太陽光発電システムの出力電力制御方法に関するものである。

従来の住宅用太陽光発電システムについて、図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように太陽光発電システム１００は、太陽電池モジュール１０１を数枚直列接続し、接続箱１０２でひとつのストリングに並列接続で集電され、電力変換装置１０３に入力され、前記電力変換装置１０３は交流分電盤１０４を介して商用電力系統１０６あるいは交流負荷１０５に接続されており、前記発電電力を商用電力系統１０６に逆潮流して売電、あるいは家庭用負荷へ電力供給を行っている。

また、前記太陽光発電システム１００の動作状態にいてエラー情報や前記太陽電池モジュール１０１の発電電力量や売買電力量などの情報を表示する表示装置１０７が設置されていることが多い（例えば、参考文献１を参照）。

また、近年、太陽光発電システムにおいて液晶シャッター素子を用いた太陽電池モジュールが考案されており、図２に示すように、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール２００は太陽電池セル２０１を配線材２０２で数枚を接続し、接続された前記太陽電池セル２０１を液晶シャッター素子２０３と液晶シャッター素子を保護するための強化ガラス２０４と発電効率を高めるためのバックシート２０５、モジュールの強度を高めるための裏面材２０６で挟み込み、フレーム２０７でモジュールの枠を固定したものである。そして、液晶シャッター素子の光学特性を変化させるために電圧を印加する駆動装置２０８が設置され、この液晶駆動による光学特性の変化によって光の透過光量を可変することができるようにしたものもある（例えば参考文献２を参照）。

また、前述したような液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール２００においてはシースルー太陽電池として屋内の調光に利用したものもある。この場合、太陽電池モジュール２００の裏面材２０６が透明な材質で出来ており、一般的な太陽電池モジュールと比較し、採光性が非常に高く、かつ、デザイン性にも優れた太陽電池モジュールである。調光能力を併せ持った太陽電池モジュールを用い、発電と同時に液晶シャッター素子で調光を行うことが可能な調光ガラスとしての役割も果たすものである。また、日射量が多くなった場合、自動的に調光が行われるように太陽電池が日射センサーを兼ねているものもある（例えば、参考文献３を参照）。
特開２００２−３０５８４４号公報 特開平１−８６７８号公報 特開２００２−１４８５７３号公報

しかしながら、上述した太陽光発電システムの表示装置においては、システムの状態を把握できるのは電源系統の状態と電力変換装置の機器的異常のみである。太陽電池モジュールの出力低下に関しては太陽電池の全体の出力低下としては把握できるものの、どの系統のどのモジュールが故障しているか、また、影になっているかなどを判断し、表示することは困難である。

また、影や故障によって発電が出来なくなった太陽電池セルは抵抗成分として作用する。そのため、発電しない太陽電池セルに接続された他の発電中の太陽電池セルから電力が印加され、熱として消費するのでホットスポットとして熱を帯びるため太陽電池モジュールを劣化させる原因となる。一般的にその解決策として、故障や影になったモジュールを電気的に切断する方法が考えられる。しかし、この方法では、電気系統を遮断するだけの容量を持ったスイッチや機器的な機構が必要となり、複雑な配線、機器構成の太陽光発電システムとなってしまう。

また、同様に、全体の太陽電池の出力低下を知らせる機能ならば表示装置にもあるが、電気の知識が乏しい一般利用者が故障の情報を得られたとしても、具体的な回避策がとれないのが現状である。そのため、専門のメンテナンス技術者による対処が行なわれるまで前述したホットスポットが放置されることとなり、太陽電池モジュールの劣化を招くことになる。また、発電効率が低下するために太陽光発電システムの発電量が低下し、環境貢献の効果が低下することとなる。

さらに、専門のメンテナンス技術者においても太陽電池モジュールの故障を検知するためには太陽電池モジュールの出力を一枚ずつ活線状態で測定することが必要であり、太陽電池の出力は１００Ｖを超えるものも少なくなく、その直流発電電力は感電した場合には同電圧の交流電力よりも死に至る危険性があるため作業を行なう上で注意が必要である。また、液晶シャッター素子を用いた太陽電池モジュールは主に調光に使用されることが多く、液晶シャッター素子を用いた太陽電池モジュールは窓や屋根上の採光窓といった外観・意匠性を求められるところに設置されることが多く、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュールは調光以外の意匠性も優れる必要がある。

上記課題を解決する為に、本発明の太陽光発電システムの出力電力制御方法は、太陽電池パネルの受光面に液晶シャッター素子を設けた太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池モジュールストリングを複数個並列接続した太陽電池アレイを用いた太陽光発電システムの出力電力制御方法であって、前記太陽光発電システムのそれぞれの太陽電池モジュールストリングの出力電力と出力電圧に対応して前記液晶シャッター素子の光透過度を変化させるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の他の太陽光発電システムの出力電力制御方法は、前記液晶シャッター素子が格子状に前記太陽電池パネルの受光面に設置され、各格子状の部分が個別に制御できるようにしたことを特徴とする。

本発明の太陽光発電システムの出力電力制御方法によれば、太陽電池パネルの受光面に液晶シャッター素子を設けた太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池モジュールストリングを複数個並列接続した太陽電池アレイを用いた太陽光発電システムの出力電力制御方法であって、前記太陽光発電システムのそれぞれの太陽電池モジュールストリングの出力電力と出力電圧に対応して前記液晶シャッター素子の光透過度を変化させるようにしたことで、太陽光発電システムの出力を抑えるホットスポットの発生を抑えることが可能となる。

また、複数の系統を比較した場合に、影や故障などの影響により、電力が小さいが電圧が高いものと、電力が大きいが電圧が低いものがあった場合には、電力は小さいが電圧が高いものが優先され接続箱を通じてパワーコンディショナに入電されると出力電力が小さいものがシステム全体の出力となり発電効率を低下させてしまう。そこで、各系統の電力を比較して最も高い電力の電圧に調整されるように、電圧は高いが電力が低い系統の電圧を太陽電池モジュールの液晶シャッター素子を遮光することによって電圧を低くする。これによって発電電力量の大きいストリングを生かす事ができ、太陽光発電システム全体の出力電力を高めることが可能となり、システム全体の発電効率を高める。

また、本発明の他の太陽光発電システムの出力電力制御方法によれば、前記液晶シャッター素子が格子状に前記太陽電池パネルの受光面に設置され、各格子状の部分が個別に制御できるようにしたことで、上記よりさらによい効果が得られる。

以下に、本発明に係る太陽光発電システムの実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。

図３に示すように、太陽光発電システム３００は液晶シャッター素子付き太陽電池３０１と接続箱３０２、電力変換装置３０３が交流分電盤３０４を介して、家庭内負荷３０５と商用系統３０６に接続される。

太陽電池は太陽電池モジュールもしくは前記太陽電池モジュールが複数集まった太陽電池アレイであり、ここで発電された電力は電力変換装置３０３に入力される。ここで、太陽電池としては、多結晶シリコン太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン等の薄膜太陽電池などが好適に使用され、複数枚の太陽電池セルを集めた太陽電池モジュールをさらに直並列に並べて太陽電池アレイとしたものが一般的である。

液晶シャッター素子付き太陽電池３０１の構成は、図２に示すように太陽電池セル２０１を配線材２０２で数枚を接続し、接続された前記太陽電池セル２０１を液晶シャッター素子２０３と液晶シャッター素子を保護するための強化ガラス２０４と発電効率を高めるためのバックシート２０５、太陽電池モジュールの強度を高めるための裏面材２０６で挟み込み、フレーム２０７でモジュールの枠を固定したものである。また、液晶シャッター素子の光学特性を変化させるために電圧を印加する駆動装置２０８が設置される。

また、液晶シャッター素子付き太陽電池３０１の出力は接続箱３０２に系統毎（太陽電池モジュールストリングス毎）に入力され、一つの出力に合成されて電力変換装置３０３に入力される。前記電力変換装置３０３では入力された直流電力を交流電力に直交変換するとともに液晶シャッター素子付き太陽電池３０１で発電された瞬時電力値や積算電力量、売電・買電の電力量などを検出・演算しており、そのデータを表示部で表示したり、外部の表示装置へデータを送出することができる。電力変換装置３０３で交流に変換された電力は交流分電盤３０４を介して商用電力系統３０６に逆潮流あるいは家庭用負荷３０５へ電力供給を行なっている。

一方、前記電力変換装置３０３で検出・演算されたデータを基に瞬時電力値や積算電力量、売電・買電の電力量、運転状態などを表示する部分が表示装置３０７である。このとき送信されるデータは測定された数値をそのまま送って、表示装置３０７内で積算電力などの演算を行なわせるようにしてもよいし、前記電力変換装置３０３から表示装置３０７にデータを送るようにしてもよく、また、データ通信方法は有線でも無線でも適宜どちらを利用してもよい。

上記のように太陽電池で発電した電力を商用電力系統や商用負荷へ供給する太陽光発電システムにおいて、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュールの液晶の駆動制御方法について図４を用いて説明する。

図４は図３における液晶シャッター素子付き太陽電池３０１と接続箱３０２と電力変換装置３０３の部分の拡大図である。まず、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール４０１が数枚毎に接続されて一つの太陽電池モジュールストリングを形成している。この各々の太陽電池モジュールストリングが接続箱４０２に接続され、１つの電路として集電されたのち電力変換装置に接続される。

ここで接続箱４０２には各太陽電池モジュールストリングの電圧と電流を計測する電圧・電流検出部４０５と液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール４０１に設置されている液晶シャッター素子の駆動パターンを制御する制御部４０４が内蔵されている。前記制御部４０４の基本的な構成部として、計測部４０６、記憶部４０７、タイマー部４０８、判定部４０９、信号発生部４１０、電源部４１２によって構成されている。前記制御部４０４の各構成部の役目を示す。まず、電圧・電流検出部４０５より太陽電池モジュールストリングごとの電圧・電流を検出する。この検出された電圧・電流を数値化する部分が計測部４０６である。検出は断続的に行われ、各太陽電池モジュールストリングの電圧・電流が定期的に記憶部４０７に記憶される。また、記憶部に記録されるデータに時間的な要素も加えるためにタイマー部４０８より時間要素を出力する。これらデータを基に、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュールの液晶シャッター素子をどのような状態にすればよいか判定する部分が判定部４０９である。ここで、前述判定部４０９の判定した結果は記憶部４０７に記憶される。前述判定部４０９の判定結果を受けて液晶シャッター素子付き太陽電池４０１の液晶シャッター素子を駆動させる駆動部４１１へ動作信号を送信する部分が信号発生部４１０である。前述信号発生部４１０が発生させた信号を受けて、駆動部４１１が動作し、液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール４０１の液晶シャッター素子が動作する。

液晶シャッター素子付き太陽電池４０１の詳細について図５を用いて説明する。図５は液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール５０１の太陽電池セル一つ分の液晶シャッター素子部の拡大図である。液晶シャッター素子は図５に示すように太陽電池セル一つに対して格子状に区切られている。例えば、斜線部分が遮光部分で、それ以外の部分が透過状態であるように、格子毎に液晶シャッター素子の光学的特性を変化させることができる。各格子については濃淡の変化も行うことができる。なお、液晶シャッター素子の初期の光学特性は遮光されている状態であり、駆動信号を受信したときに液晶シャッター素子が透過状態となるようにする。ここで、液晶シャッター素子は太陽電池セルの全面ではなく、一部覆われていない部分を残す。この覆われていない部分に日が当たることによって、液晶シャッター素子の駆動信号を発生させ、液晶を透過状態にする。また、各太陽電池モジュールストリング、各液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール、液晶シャッター素子に認証ＩＤ番号を持たせる。これによって、液晶シャッター素子の光学的特性を変化させる部分を特定することが可能となる。

次に上述した機器構成を基に具体的な動作について説明する。まず、この場合の太陽光発電システムの状況について説明する。例えば、３つの太陽電池モジュールストリングがある。ある一つの太陽電池モジュールストリングが影の影響で残りの２つの太陽電池モジュールストリングと出力特性が異なったとする。例えば影の影響を受けているものは発電電力量が少なく、電圧が高く、電流が少ない状態であり、逆に影の影響を受けていないものは、発電電力量が多いが、電圧が低く、電流が多い状態である。この場合、システム全体としての発電電力量を見たとき、影の影響を受けている太陽電池モジュールストリングの方の電圧が高いため、接続箱にて各太陽電池モジュールストリングの電力を集電した場合には影の影響を受けている太陽電池モジュールストリングの方の電力が優先されてしまい、システム全体として発電効率の悪い状態となってしまう。そこで、影の影響を受けている太陽電池モジュールストリングの電圧が低下するように液晶シャッター素子による遮光部分を広げてゆく。

この一連の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。まず、各系統の電圧・電流を測定し、測定結果より電力量を求める。次に各系統の電圧を比較する。各系統とも電圧が同じであれば、液晶シャッター素子を用いて出力調整を行う必要が無いので、一連のフローチャートから抜ける。逆に系統間で電圧に差異があった場合、最も電圧の高い系統の電力が他の系統に比べ電力がどのようになっているかを比較する。ここで、最も電圧の高い系統が他の２つの系統の電力の和より大きければ、一連のフローチャートから抜ける。逆に他の２つの系統の電力の和より低ければ電圧を下げるように液晶シャッター素子の駆動信号を発信する。そして、徐々に液晶シャッター素子による遮光面を増加させ電圧を低下させてゆく。ここで、液晶シャッター素子にて遮光する際には特定の太陽電池セル一枚を全て遮光するのではなく、太陽電池モジュールの太陽電池セル全体を一部ずつ遮光していく形態とする。このことにより、太陽電池モジュール全体の太陽電池セルに影ができる状態となるので、一部のところに影ができるものと違って影による抵抗が分散されるためホットスポットが起こりにくい。そして影を徐々に増やし、電圧が他の系統と等しくなってシステム全体として最大電力を得られたときに一連のフローから抜ける。また、この一連の動作は予め定められた一定期間毎に繰り返し行われるようにする。

このようにすることによって、影の影響や太陽電池モジュールの故障などによってシステムの発電電力が低下した状況で、出力低下に起因する要因を液晶シャッター素子の光学特性を変化させることにより回避することが可能となる。これにより太陽光発電システムの、影や太陽電池モジュールの故障に対する影響度を低く抑えることができる。

また、液晶シャッター素子モジュールを用いることでホットスポットに対する対応も可能となる。ホットスポットとは、太陽電池セルが数枚接続された状態で、ある一部が、故障や影の影響で発電ができ悪なった場合、その太陽電池セルは太陽電池モジュールストリングの中では抵抗として作用してしまう。そのため、太陽電池モジュールが発電を行うと、影の影響を受けたり、故障した太陽電池セルは発熱し、太陽電池モジュールの劣化の原因となってしまう。そこで、このホットスポットの状態を回避する方法について、図７のフローチャートに基づき説明する。

最初に各系統の電力を測定する。その測定した電力の低下がある閾値を超えた場合にホットスポットが発生したと判断する。閾値を超えなかった場合はホットスポットが発生していないと判断し、一連のフローチャートから抜ける。ホットスポットが発生したと判断した場合は、太陽電池モジュールの出力を低下させるように液晶シャッター素子を遮光するように動作させる。そして、ホットスポットの温度がある一定の温度以上にならないような電力範囲になるまで遮光部分を増やしてゆき、出力電力範囲が目的とする電力範囲に入った時点で一連のフローチャートから抜ける。このことにより、ホットスポットを回避し、加熱による太陽電池モジュールの劣化を防ぐことが可能となる。

さらに、ホットスポットが発生した場合、液晶シャッター素子部が遮光の状態に変化するため、外部から見た場合、太陽電池セルのところだけが黒くなる。これにより、太陽電池や電気の知識に乏しい一般の利用者でも、太陽電池モジュールの異常を視認することができ、早期に発見・対処することが可能となる。さらに、太陽光発電システムに一般的に使用されている表示装置やエラー表示装置能では、表示を行うことが可能でも太陽電池モジュールのホットスポットに対する対策までは行えない。しかし、本発明の提案によれば、ホットスポットの回避対策と同時に、警告表示の意味合いも備えた非常に保守点検機能に優れた、太陽光発電システムである。

また、手動にて液晶シャッター素子の光学特性を変化させる機能を追加することによって、施工面において、より安全性の高い太陽電池発電装置となる。発電している際は、液晶シャッター素子面は透過している。この状態で配線作業や点検作業を行うと感電の恐れがあり、非常に危険である。また、太陽電池の出力を停止しようとした場合、太陽電池に太陽光を遮光するものを覆いかぶせなければならない。その際には屋根の上などに上らなければならず、非常に手間がかかるとともに高所作業が伴い危険度が増す。そこで、手動にて液晶シャッター素子の光学特性を遮光にすることによって太陽電池の出力を止めることが可能となれば、晴れた日でも配線作業や点検作業を太陽電池の出力を止めることができ、安全に作業を行うことが可能となるという効果が期待できる。

また、本提案では液晶の駆動信号を制御部から有線にて伝達する方法を提案したが、無線で行う方法でもよい。無線で行うことにより、まず、信号線をなくすることができるため、機構面での簡素化が図れる。また、前述の手動にて液晶シャッター素子の光学特性を変化させる場合において、無線ならば駆動信号を発生させる場所をえらばない。例えば、現在、接続箱や電力変換装置は一般に人が触りにくいところに設置されているのが一般的である。そのため、液晶の光学特性を変化させるためにスイッチを押すために非常に手間がかかる。そこで、現在太陽光発電システムの表示装置は無線のものがある。このような表示装置側に無線にて、液晶シャッター素子の光学特性を変化させる手動スイッチ部を設けることによって、利便性がより高まった太陽光発電システムとなる。

なお、本実施形態では住宅用太陽光発電システムと周辺装置を例にとり説明したが、これに限定されるものではなく、大規模太陽光発電システムで使用してもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し実施が可能である。

従来の太陽光発電システムの実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。 一般的な液晶シャッター素子付き太陽電池の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。 本発明に係る太陽光発電システムの実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る太陽光発電システムの制御部の実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。 本発明に係る液晶シャッター素子付き太陽電池の液晶シャッター素子部の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。 本発明に係る液晶シャッター素子の液晶動作の概略フローチャートである。 従来の太陽光発電システムの実施形態を模式的に説明する概略回路構成図である。

符号の説明

１００：太陽光発電システム
１０１：太陽電池モジュール
１０２：接続箱
１０３：電力変換装置
１０４：交流分電盤
１０５：交流負荷
１０６：商用電力系統
１０７：表示装置
２００：液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール
２０１：太陽電池セル
２０２：配線材
２０３：液晶シャッター素子
２０４：ガラス
２０５：バックシート
２０６：裏面材
２０７：フレーム
２０８：駆動装置
３００：太陽光発電システム
３０１：液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール
３０２：接続箱
３０３：電力変換装置
３０４：交流分電盤
３０５：交流負荷
３０６：商用電力系統
３０７：表示装置
４０１：液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール
４０２：接続箱
４０３：電力変換装置
４０４：制御部
４０５：電流・電圧検出部
４０６：計測部
４０７：記憶部
４０８：タイマー部
４０９：判定部
４１０：信号発生部
４１１：駆動部
４１２：電源部
５０１：液晶シャッター素子付き太陽電池モジュール
５０２：液晶部の各大図

Claims (2)

1. 太陽電池パネルの受光面に液晶シャッター素子を設けた太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池モジュールストリングを複数個並列接続した太陽電池アレイを用いた太陽光発電システムの出力電力制御方法であって、前記太陽光発電システムのそれぞれの太陽電池モジュールストリングの出力電力と出力電圧に対応して前記液晶シャッター素子の光透過度を変化させるようにしたことを特徴とする太陽光発電システムの出力電力制御方法。
2. 前記液晶シャッター素子が格子状に前記太陽電池パネルの受光面に設置され、各格子状の部分が個別に制御できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの出力電力制御方法。

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