JP2006278706A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽光発電システムの異常検出において、昇圧装置の故障や太陽電池モジュールなどの動作不良や影などによるシステム不具合により昇圧装置が正常に動作をしていない場合に、使用者にいちはやく異常を知らせ、適切な処置を行うことができる機能を備えた太陽光発電システムを提供すること。
【解決手段】 太陽電池モジュールストリングの複数個を並列に接続し、且つこれらの太陽電池モジュールストリングの内の少なくとも一つの太陽電池モジュールストリングの出力に昇圧装置を取り付けた太陽電池アレイと、電力変換装置を備えた太陽光発電システムであって、前記昇圧装置は昇圧動作の状態信号を前記電力変換手段に出力する手段を有し、前記電力変換装置は前記状態信号及び出力に昇圧装置が取り付けていない太陽電池モジュールストリングの発電状態を基に前記太陽光発電システムが正常に動作しているかを判定する判定部を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池の発電電圧を昇圧する昇圧装置を有する太陽光発電システムにおいて、万一、太陽電池モジュールならびに昇圧装置が故障、動作不良が生じた場合の異常検出方法を検出する機能を有する太陽光発電システムに関するものである。

近年、地球環境問題、省エネルギーへの関心の高まりとともに、自然エネルギーを利用した新エネルギー技術が注目されている。そのひとつとして、太陽エネルギーを利用したシステムへの関心が高く、太陽光発電システムの住宅への普及が加速されてきている。

太陽光発電システムは太陽光を電気エネルギーに変換する太陽電池部と、太陽電池の直流出力電力を交流電力に変換する電力変換装置とから成り、電力変換装置から出力される交流電力を住宅内の交流負荷に電力供給したり、電力会社の商用電力系統に逆潮流（売電）することができる。

従来の太陽光発電システムについて図３に基づき説明する。

図３に示すように、太陽光発電システムＪは、太陽電池セルが複数接続された太陽電池モジュールを直列接続させて成る太陽電池モジュールストリング１ａ、１ｂ、１ｃ（太陽電池モジュールを直列または並列に接続したものを太陽電池モジュールストリングという）を逆流防止ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃを備えた接続箱４にて並列接続し、太陽電池アレイ１の発電電力を電力変換装置である電力変換装置５を介して商用電力系統６へ供給するようにしたものである。

ここで、太陽電池モジュールストリング１ｂ、１ｃには昇圧装置２ｂ、２ｃが接続されている。近年、太陽光発電システムでは寄棟屋根などへの設置を鑑み、昇圧装置が付加される場合が増加している。電力変換装置５では太陽電池の発電電力を最大限取り出すため、最大電力追尾機能を備えているものが一般的であるが、システム設計上、電力変換装置５への太陽電池の入力は各太陽電池モジュールストリングの電圧がそろっていないとロスを生じることとなる。このため各太陽電池モジュールストリングの太陽電池モジュール直列接続枚数を同じにしなければならず、南側と東側といった異方位の屋根面で設置面積が大きく異なったり、屋根面積が小さい場合には、屋根面積に応じた太陽電池モジュール配置が困難で、屋根の面積を大きく余らせて太陽電池を設置するということも多々ある。昇圧装置２はこの点に鑑み提案されたもので、少ない枚数の太陽電池モジュールストリングの電圧を昇圧し、出力させることで、他の太陽電池モジュールストリングの電圧にそろえ、電力変換装置５へ入力させるようにしたものである。また、昇圧装置２の昇圧制御方法については、接続箱４や電力変換装置５と分離独立している点で、また、施工上の容易さやシステム効率の点から、昇圧装置２内にも最大電力追尾機能を備え、昇圧比を出力側の電圧に合わせて自動制御する方法が一般に使われている。

ここで、太陽光発電システムＪに異常が生じた場合、電力変換装置５で検出しうる電力変換装置５の異常および商用電力系統６の異常については、電力変換装置５本体または表示装置７にて表示を行うことができるが、昇圧装置２に関する異常表示については、昇圧装置２に表示ランプなどを設け、昇圧装置２の運転・停止状態、装置の異常を表示できるようにしている。

また、昇圧装置がない太陽光発電システムでの太陽電池モジュールストリングの異常検出方法については、各太陽電池モジュールストリング毎の電圧を比較し、電力変換装置で異常を判断する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平０８−１８５２３５号公報

しかしながら、上述の昇圧装置の異常表示方法の表示を行う太陽光発電システムについては、温度異常や過電圧異常、制御異常などのエラー検出を行い個々に表示することはできるが、短絡故障や断線などの太陽電池モジュールおよび配線の不具合、また、影などのシステム上の不具合により昇圧動作が停止した場合、それが単に日射不足によるものなのか、システムの異常であるのかを分離独立された個々の装置で判断することができないという問題がある。昇圧装置単独では、太陽電池モジュールストリングからの入力電力が最大となるように出力側の電圧に合わせて昇圧動作を行なうにすぎず、太陽電池モジュールストリングからの入力電力が減少したり、出力側電圧が低下もしくは系統異常などにより電力変換装置が出力減少しても、それがシステムとして異常か正常かの判断ができないからである。

また、制御部そのものが故障してしまった場合は異常信号を出力することができず、当然、異常表示を行うことはできない。

いずれの場合も昇圧装置の状態表示ランプなどの状態とシステム全体の発電状況から使用者が異常であるのかどうかを類推するしかないが、専門技術を有している使用者でない限り異常を察知するのは困難である。さらに、昇圧装置は太陽電池モジュールストリングと接続箱機能を有する装置の間に設置されることから、屋外や高所に設置されることが多く、昇圧装置本体の表示ランプにて使用者に異常を知らせることが困難な場合が多い。以上のことから、昇圧装置を含むシステムでは使用者がいち早く異常を知り、適切な処置を行うことができず、故障により発電損失が生じたまま長期間放置される可能性がある。

上記課題を解決する為、請求項１に係る太陽光発電システムは、各昇圧装置から電力変換装置へ昇圧動作の停止、運転の状態信号を送り、電力変換装置で昇圧装置が正常に動作しているかを判断し異常検出することにより、室内に設置される電力変換装置本体または表示装置にて昇圧装置の異常表示を行なうことができる。

また、請求項２に係る太陽光発電システムは、電力変換装置の入力あるいは出力電力と昇圧動作の運転の状態を比較判定し、システムが正常に動作しているかを判断し異常検出することにより、室内に設置される電力変換装置本体または表示装置にて太陽光発電システムの異常表示を行なうことができる。

また、請求項３に係る太陽光発電システムは、電力変換装置に過去の昇圧動作開始時の入力あるいは出力電力を記憶する不揮発性記憶素子を備え、システムが正常に動作しているかを前記昇圧動作開始時の入力あるいは出力電力と昇圧装置の運転状態を比較し判定する基準とする太陽光発電システムとする。

本発明の太陽光発電システムによれば、昇圧装置単独の機器異常を室内に設置される電力変換装置本体または表示装置にて異常表示を行なうことができる。また、システムの中での昇圧装置の制御異常、太陽電池モジュールおよび配線材などの異常、影などの設置環境に伴うシステム異常、さらには昇圧装置自体が故障した場合でも、屋内の電力変換装置本体や表示装置に異常を表示し、使用者にいち早く異常を知らせ処置対応を行うことができるので、長期にわたり異常に気づかないまま発電ロスを生じることを防止することができる。

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１に示すように、太陽光発電システムＳは太陽電池素子が複数接続された太陽電池モジュールを直列接続させて成る太陽電池モジュールストリング１ａ、１ｂ、１ｃを逆流防止ダイオード３ａ、３ｂ、３ｃを備えた接続箱４にて並列接続し、太陽電池アレイ１の発電電力を電力変換装置である電力変換装置５を介して商用電力系統６へ供給するようにしたものであり、太陽電池モジュールストリング１ｂ、１ｃには昇圧装置２ｂ、２ｃが接続されているところは従来とかわらないが、昇圧装置２ｂ、２ｃから昇圧動作の停止、運転の状態信号８を外部に出力する手段を有し、電力変換装置５には昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８を入力する手段と太陽光発電システムが正常に動作しているかを判断する判定部９を有することが従来と異なる。

また、太陽光発電システムＳに関わるシステムの異常表示は昇圧装置２ｂ、２ｃの異常も含め、電力変換装置５で検出しうる電力変換装置５の異常、および商用電力系統６の異常と合わせて、電力変換装置５本体または表示装置７にて表示を行う。

次に異常判定の方法について、詳細に説明する。

昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８は最も簡単な例として、昇圧動作の停止の場合はＬ、昇圧動作中はＨとする。この時、昇圧動作の停止、運転の状態信号８はおおむね夜間などの運転停止中はＬ、朝方発電が開始され、昇圧動作を開始するとＨ、日没になり昇圧動作を行う十分な発電量がなくなるとＬとなる。これを毎日繰り返し出力するのが正常動作となる。

ただし、発電状態は天候に左右されるため、発電するのに十分な日射が得られないくもりや雨の日では日中でも昇圧せず、Ｌ信号を出力する場合がありえるため、この信号だけを見て正常か異常かを論ずることはできない。

電力変換装置５は昇圧装置２ｂ、２ｃを経由した太陽電池モジュールストリング１ｂ、１ｃだけではなく、昇圧装置２ｂ、２ｃを経由しない太陽電池モジュールストリング１ａからの発電電力も入力されており、この太陽電池モジュールストリング１ａからの発電電力のみで発電が可能である。電力変換装置５は昇圧動作の停止、運転の状態信号８を監視しつつ、電力変換装置５自体は発電できる十分な電力が太陽電池モジュールストリング１ａから得られているにもかかわらず、昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８がＬになれば、昇圧装置２ｂ、２ｃ内で温度異常、過電圧異常などの装置異常が発生した、または、昇圧装置２ｂ、２ｃ制御部自体が故障し、信号を送ることができなくなった、または、昇圧装置２ｂ、２ｃに接続されている太陽電池モジュールが短絡した、または、昇圧装置２ｂ、２ｃに接続されている太陽電池モジュールが影などの影響で十分な発電ができなくなった、または、その他、システム上の不具合で昇圧動作が行われなくなったと判定部９にて判断することができるので、本体あるいは表示装置７で昇圧装置あるいは昇圧装置に付随するシステムの異常表示を行うことが可能となる。

次に本発明の発展例を述べる。

電力変換装置５の判定部９にて、太陽光発電システムが正常に動作しているかをより確実に判断するため、電力変換装置５の入力電力あるいは出力電力を異常判定の条件に加える。

太陽光発電システムでは東、南、西面の３方位に太陽電池モジュールが設置される可能性があり、昇圧装置自身は自分がどの方位の屋根面に設置された太陽電池モジュールが入力されているかを知ることはできない。設置される方位が異なると、朝方、夕方などの時間帯によって、電力変換装置５および昇圧装置２ｂ、２ｃの起動、停止のタイミングにずれが生じる可能性があり、電力変換装置５が動作している場合でも昇圧装置２ｂ、２ｃに接続されている太陽電池モジュールストリング１ｂ、１ｃが必ずしも昇圧装置２ｂ、２ｃが昇圧動作を行うに足りる十分な発電があるとは言えない場合がある。

そこで、図２に示す通り、電力変換装置５の入力電力または出力電力が所定の値以上（例えば５００Ｗ以上）の場合という条件を判定部９に加え、昇圧動作の停止、運転の状態信号８がＬになれば異常と判断するようにする。

さらに発展させた方法として、電力変換装置５の判定部９に不揮発性記憶素子を備え、前回もしくは過去に昇圧動作を開始した時（昇圧動作の停止、運転の状態信号８がＬからＨにかわった時）の発電電力を記憶するようにしてもよい。判定部９の電力判定条件は前述の固定値ではなく、不揮発性記憶素子に記憶された数値よりも若干高め（ヒステリシスを設ける）に設定する。そうすることで、特殊な設置条件にあっても、その条件に応じた条件設定が可能となり、ある日突然故障などの不具合が生じた場合、昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８の変化から確実に異常を検出することが可能である。

なお、本実施形態では昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８は最も簡単な例として、昇圧動作の停止の場合はＬ、昇圧動作中はＨとしたが、より明確に情報を伝達する上では、昇圧装置２ｂ、２ｃの回路内にて異常検出可能な温度上昇異常、過電圧異常、その他の制御異常についてはＬ信号とは区別して一定周期のＯＮ、ＯＦＦ信号を異常発生時に出力させてもよい。そうすることで機器異常の場合は瞬時に異常を検出し、その内容を表示させることができるため、発生状況に応じた対応が可能となり処置が容易になる。

また、本実施形態では昇圧装置２ｂ、２ｃからの昇圧動作の停止、運転の状態信号８は有線による送り配線方式にて説明したが、これに限定されるものではなく、信号伝達手段は個々の昇圧装置から電力変換装置に配線してもよく、無線方式を用いてもよい。

また、判定部９は電力変換装置５に内蔵を限定するものではなく、例えば表示装置７に内蔵してもよく、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。

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異常判定方法を模式的に説明する図である。 従来の太陽光発電システムにおける隣接設置における事例の概略図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ：太陽電池モジュールストリング
２ｂ、２ｃ：昇圧装置
３ａ、３ｂ、３ｃ：逆流防止ダイオード
４：接続箱
５：電力変換装置
６：商用電力系統
７：表示装置
８：昇圧停止、運転の状態信号
９：判定部

Claims (3)

1. 太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池モジュールストリングの複数個を並列に接続し、且つこれらの太陽電池モジュールストリングの内の少なくとも一つの太陽電池モジュールストリングの出力に直流電圧を昇圧する昇圧装置を取り付けた太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイで発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えた太陽光発電システムであって、前記昇圧装置は昇圧動作の状態信号を前記電力変換手段に出力する手段を有し、前記電力変換装置は前記状態信号及び出力に昇圧装置が取り付けられていない太陽電池モジュールストリングの発電状態を基に前記太陽光発電システムが正常に動作しているかを判定する判定部を有することを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記電力変換装置は前記状態信号及び出力に昇圧装置が取り付けられていない太陽電池モジュールストリングの発電状態の他、さらに前記電力変換装置の入力電力または出力電力から前記太陽光発電システムが正常に動作しているかを前記判定部で判定す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。
3. 前記太陽光発電システムに表示装置を設け、前記判定部で判定した結果を前記表示装置に表示するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。

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