JP2008091807A - 太陽光発電システム診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの出力低下等の不具合の状態を診断してその原因の解明を容易に行うことのできる太陽光発電システム診断装置を提供する。
【解決手段】 電圧検出部６、電流検出部７、基準電圧を可変に設定する基準電圧設定部、基準電流を可変に設定する基準電流設定部、ゲート回路８、電圧制御部１０、電流制御部１１を備え、制御信号切換部９の切換によって、基準電圧設定部で設定される基準電圧と、前記基準電圧に対応して電流検出部７で検出される電流、もしくは、基準電流設定部で設定される基準電流と、前記基準電流に対応して電圧検出部６で検出される電圧の何れかを、電圧出力部１２及び電流出力部１３から出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電システムにおける日陰、劣化や不具合等を診断するための太陽光発電システム診断装置に関する。

近年、エネルギー需要の増大や地球温暖化等の環境問題に対処するために、太陽光発電システムの研究・開発が盛んに行われるようになってきている。一般的な太陽発電システムは、太陽電池パネルを複数並べて構成した太陽電池アレイを日の当たる建物の屋根の上などに設置するもので、図４に示すように、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池アレイ（太陽電池パネル）Ａ１とパワーコンディショナＡ２から構成されており、太陽電池アレイＡ１の出力はパワーコンディショナＡ２で調整されて負荷Ａ３に供給されるようになっている。

また、負荷Ａ３は、曇天時や夜間等のように、太陽電池アレイＡ１から必要な発電量が得られない場合には、商用電源Ａ４側から電力供給が行えるようになっている。
一般的に、太陽電池アレイＡ１は、図５に示すように複数の太陽電池モジュールＡ５のストリング（直列接続）どうしをそれぞれ逆流防止ダイオードＡ６を介して複数並列に接続して構成されている。

それぞれの太陽電池モジュールＡ５は、さらに、図６に示すように複数直列に接続されたセルＡ７からなるクラスタＡ８どうしをさらに複数（同図の場合はクラスタ２つ）直列に接続して構成されている。また、それぞれのクラスタＡ８の両端にはバイパスダイオードＡ９が並列に接続されている。

なお、バイパスダイオードＡ９は、一部のクラスタＡ８が日陰に入って起電力が発生しなくなった場合に、日陰のクラスタの前後で電流がバイパスダイオードＡ９を抜けて流れるようにし、当該クラスタの内部抵抗による損失を防止するために設けられている。

また、クラスタＡ８の群からなるストリングのそれぞれに組み込まれた逆流防止ダイオードＡ６によって、起電力が低下したストリングへ他のストリングから電流が逆流して出力損失が生じることを防止するようにしている。

前述したように構成されている太陽光発電システムに出力低下が生じた場合は、太陽電池アレイの不具合が考えられる。この場合には、太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュール内部の抵抗値や、発電素子（セル）の電流変化に現れるケースが多い。

一方、太陽光発電システム自体の不具合とは別に、太陽電池アレイの一部が日陰に入っていることに起因する出力低下がある。日陰による出力低下現象は、太陽電池アレイが設置されている周囲の環境に起因するものである。

しかしながら、従来の太陽光発電システムの出力特性を測定する装置は、太陽電池アレイを構成している部品の長期の使用による劣化や不具合、及び、日陰に起因する出力低下を想定したものではなく、主に太陽電池アレイやこれを構成している個々の太陽電池モジュールの出力端子間の短絡電流や開放電圧、及び、最大出力動作点を測定するものであり、太陽電池アレイや太陽電池モジュールの異常の有無の診断は、その正常値（定格値）との比較によって性能を見極めているに過ぎなかった。
（例えば、特許文献１参照）
特開平８−６４６５３号公報

太陽電池アレイは、木立や建物等の障害物により生じる日陰や、風雨に晒される屋外における長期の使用による部品の劣化に影響されて、電流・電圧特性の曲線形状が正常な場合と比較して複雑になる場合がある。

そこで、本発明は、太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの出力低下等の不具合の状態を診断してその原因の解明を容易に行うことのできる太陽光発電システム診断装置を提供することを目的とする。

前記目的のために提供される、本発明の太陽光発電システム診断装置は、太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの正極側と負極側にそれぞれ接続される一対の入力端子と、前記一対の入力端子間の電圧を検出する電圧検出部と、前記一対の入力端子間に直列に接続された電流検出部とゲート回路と、基準電圧を可変に設定する基準電圧設定部と、基準電流を可変に設定する基準電流設定部と、前記基準電圧設定部で設定された基準電圧と前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて、前記一対の入力端子間の電圧が設定された前記基準電圧になるように、前記ゲート回路をフィードバック制御する電圧制御部と、前記基準電流設定部で設定された基準電流と前記電流検出部が検出した電流に基づいて、前記一対の入力端子間を流れる電流が設定された前記基準電流になるように前記ゲート回路をフィードバック制御する電流制御部と、前記電圧制御部と電流制御部からそれぞれ出力される信号の何れか一方を選択してゲート回路へ供給する制御信号切換部と、前記電圧検出部が検出した電圧に対応する信号を出力する電圧出力部と、前記電流検出部が出力した電流に対応する信号を出力する電流出力部とを備えたものである。

前記太陽光発電システム診断装置においては、電圧出力部と電流出力部の出力信号に基づいて、太陽電池の電流・電圧特性曲線をモニタ画面に描画表示する画像表示手段をさらに備えていることが望ましい。

また、前記画像表示手段は、電流・電圧特性曲線を描画可能なモニタ画面を有するコンピュータにより構成されていることも望ましい。

さらに、前記基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、コンピュータにより構成されていることも望ましい。

さらに、前記基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、基準値を経時的に変化させる発信器を有することも望ましい。

さらに、前記基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、基準値を手動操作により任意に設定可能な手動設定部で構成されていることも望ましい。

さらに、前記基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、複数種類設けられているとともに、これらのうちの何れかの一つを選択して使用するための入力切換手段を備えていることも望ましい。

請求項１記載の発明によれば、太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの電流・電圧特性を簡単且つ詳細に測定することができ、太陽光発電システムの出力低下等の不具合の状態を診断してその原因の解明を容易に行うことができる。

この際、制御信号切換部により、ゲート回路の制御を基準電圧に基づく制御と、基準電流に基づく制御との何れかに切換可能になっているため、電流・電圧特性の計測を高精度で行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、電流・電圧特性を画像表示手段によりそのモニタ画面に描画表示しているため、電流・電圧特性曲線の形状の特徴を視覚的に把握することができ、太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの稼働状態の診断を容易且つ迅速に行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、モニタ画面を備えた画像表示手段をノートパソコン等のコンピュータにより簡単に実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方をコンピュータにより実現しているため、基準電圧または基準電流の設定値を順次変化させる操作をノートパソコン等を用いて簡単に行うことができる。

請求項５記載の発明によれば、発信器を用いることにより、基準電圧と基準電流の少なくとも一方の基準値を経時的に連続変化させることができる。

請求項６記載の発明によれば、基準電圧と基準電流の少なくとも一方を手動操作により任意の設定値に設定することができる。

請求項７記載の発明によれば、基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方を入力切換手段によって複数の中から選択して使用することができるため、診断する太陽電池アレイや太陽電池モジュールの特性や発電容量等に応じて、これに最適な基準電圧設定部や基準電流設定部を複数の種類の中から選択して用いることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る太陽光発電システム診断装置の１実施形態を示すブロック図であって、同図に示す太陽光発電システム診断装置１は、診断する太陽電池アレイ２の正極側と負極側に接続するための一対の入力端子３、４を有しており、これらの端子３、４間は線路５で連結されている。

前記線路５には、端子３、４間の電圧を電圧を検出するための電圧検出部６と、線路５を流れる電流を検出するための電流検出部７が接続されているとともに、ゲート回路８が設けられている。

前記ゲート回路８には制御信号切換部９を介して、電圧制御部１０または電流制御部１１から出力される制御信号の何れかが選択的に供給されて制御されるようになっており、電圧制御部１０または電流制御部１１の出力の選択は制御信号切換部９によって行われるようになっている。

一方、電圧検出部６からの出力信号は、電圧制御部１０へフィードバックされるとともに電圧出力部１２へ送られ、また、電流検出部７からの出力信号は、電流制御部１１へフィードバックされるとともに電流出力部１３へ送られる。

電圧出力部１２と電流出力部１３は、電圧検出部６が検出した電圧と電流検出部７が検出した電流にそれぞれ対応する信号を、画像表示手段として用いているコンピュータ１４に出力するようになっている。

一方、太陽光発電システム診断装置１は、電圧制御部１０と電流制御部１１へそれぞれ基準電圧と基準電流を設定して供給するための基準値設定部１５を内蔵している。前記基準値設定部１５で設定された基準電圧と基準電流は、入力切換部１６を介して電圧制御部１０と電流制御部１１へ選択的に供給されるが、前記入力切換部１６は、基準値設定部１５の他、前記コンピュータ１４と発信器１７のそれぞれから供給される基準電圧と基準電流を必要に応じて切り換えて電圧制御部１０と電流制御部１１へ供給する機能を有している。

次に、前述したように構成されている太陽光発電システム診断装置１を用いて太陽電池アレイ２、もしくは、太陽電池アレイ２を構成している個々の太陽電池モジュールを診断をする手順について説明する。なお、太陽電池モジュールは、先述した図６に示すように、さらに多数のクラスタやセルから構成されているが、一般には太陽電池モジュールを単位として市販されているため、ここでは、太陽電池アレイ２とこれを構成する太陽電池モジュールを診断の対象として取り扱う。

ここでは、コンピュータ１４で設定される基準電圧値または基準電流値を用いて診断を行う。診断は、先ず太陽電池アレイ２の正極側と負極側をそれぞれ入力端子３、４に接続し、太陽光発電システム診断装置１内へ太陽電池アレイ２が発電する電力を取り込む。その電力を線路５に設けられたゲート回路８を短絡から開放へ、もしくは開放から短絡へと負荷を順次変化させる。

前記負荷を入力端子３、４間の電圧を制御することにより変化させる場合には、制御信号切換部９を電圧制御部１０側へ切り換えるとともに、入力切換部１６をコンピュータ１４側で設定される基準電圧が電圧制御部１０へ入力されるように切り換える。なお、太陽光発電システム診断装置１は、制御信号切換部９や入力切換部１６の切換動作制御をコンピュータ１４により行えるような入出力インターフェイスを備えていてもよい。

一方、電圧検出部６で検出される入力端子３、４間の電圧は、電圧電流制御部１０へフィードバックして、前記電圧制御部１０で、入力端子３、４間の電圧が基準電圧となるようにゲート回路８を制御する。

このとき、線路５を流れる電流は、電流検出部７により検出されて電流出力部１３を通してコンピュータ１４へ送られる。また、同時に電圧検出部６で検出された入力端子３、４間の電圧（基準電圧）は電圧出力部１２を通して同コンピュータ１４に送られる。

ここで、基準電圧をコンピュータ１４側で順次設定値を変化させることにより、これに応じて線路５を流れる電流も変化する。

コンピュータ１４は、電圧出力部１２ならびに電流出力部１３から送られてきた電圧と電流のデータに基づいてモニタ画面１４Ａに、図２に示すような電流・電圧特性を示すグラフａと、電力／電圧特性を示すグラフｂを描画表示する。

一方、太陽電池アレイ２の負荷を線路５に流れる電流を制御して変化させる場合には、制御信号切換部９を電流制御部１１側へ切り換えて、コンピュータ１４側から電流制御部１１へ基準電流を入力するとともに、電流検出部７で検出された電流を電流制御部１１へフィードバックして、前記電流制御部１１で、線路５を流れる電流が基準電流となるようにゲート回路８を制御する。

線路５を前記基準電流が流れているときに入力端子３、４間に生じている電圧は、電圧検出部６で検出され電圧出力部１２を通してコンピュータ１４へ送られる。また、このとき線路５に流れている電流（基準電流）も電流出力部７から電流出力部１３を通してコンピュータ１４に送られる。

ここで、前記基準電流の設定値をコンピュータ１４側で順次変化させることにより、これに応じて入力端子３、４間の電圧が変化する。コンピュータ１４は、電圧出力部１２ならびに電流出力部１３から送られてきた電圧と電流のデータに基づいて、前述した場合と同様に、モニタ画面１４Ａに電流・電圧特性と電力／電圧特性を示すグラフを描画表示する。

ここで、太陽電池アレイ２の負荷を変化させるために、基準電圧を設定してこれを変化させるか、あるいは、基準電流を設定してこれを変化させるかは、モニタ画面１４Ａに描かれる電流・電圧特性曲線で、電流の僅かな変化に対して電圧が大きく変化する領域では、基準電圧を設定して、電流の検出を行い、逆に、電圧の僅かな変化に対して電流が大きく変化する領域では、基準電流を設定して電圧の検出を行うことで、得られる電流・電圧特性曲線の描画精度を高めることができる。

図３は、前述した太陽光発電システム診断装置１によって診断された太陽電池アレイ２の電流・電圧特性の代表的なパターンを示すものであって、同図（Ａ）は、太陽電池アレイ２が正常に動作しているパターンを示している。

また、同図（Ｂ）は、太陽電池アレイ２の一部が日陰に入っているパターンで、太陽電池アレイ２自体は正常に動作しているが、その一部が日陰に入っているため、部分的に発電能力が低下している状態を示している。

また、同図（Ｃ）に実線で示す特性曲線のパターンは、太陽電池アレイ２に何らかの異常が生じてその内部抵抗が変化し、機能低下しているパターンで、正常の場合と比較して定格電圧における電流が減少している。なお、図中点線で示す曲線は同図（Ａ）に示す正常な場合の特性曲線のパターンを示している。

また、同図（Ｄ）に実線で示す特性曲線のパターンは、同図（Ｃ）の場合と同様に、太陽電池アレイ２に何らかの異常が生じてその内部抵抗が変化し、機能低下しているパターンであって、正常な場合と比較して、定格電流を取り出したときの電圧降下が大きい。なお、図中点線で示す曲線は同図（Ａ）に示す正常な場合の特性曲線のパターンを示している。

前述したように、太陽光発電システム診断装置１によって、モニタ画面１４Ａに電流・電圧特性曲線を描かせ、その特性曲線のパターンを前述した図３に示す各パターンと比較することによって、太陽電池アレイ２が正常に動作しているか否かを簡単に診断することができる。

なお、本実施形態においては、電圧出力部１２と電流出力部１３から出力される信号を画像表示手段として使用しているコンピュータ１４に入力してそのモニタ画面１４Ａに電流・電圧特性曲線を描画表示させているが、前記特性曲線はプリンタやプロッタ等に出力してもよい。また、電圧出力部１２と電流出力部１３の出力信号はオシロスコープに入力して、前記特性曲線を表示するようにしてもよい。

さらに、本実施形態においては、画像表示手段として利用しているコンピュータ１４を基準電圧設定部及び基準電流設定部として用い、基準電圧値または基準電圧値を可変に設定しているが、本実施形態においては、入力切換部１６の切換によって、基準値設定部１５で基準電圧値と基準電流値を手動で設定して、これらの基準値を電圧制御部１０または電流制御部１１に供給するようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、基準値設定部１５は、基準電圧設定部と基準電流設定部の２つの機能を併せ持っているが、基準電圧設定部と基準電流設定部は独立させて設けてもよい。

また、入力切換部１６の切換によって、発信器１７が経時的に変化させて出力する基準電圧または基準電流を、前記電圧制御部１０または電流制御部１１に供給するようにしてもよい。

本発明は、建物等に設置されている太陽光発電システムの日陰状態や、故障の診断に利用することができる。

本発明に係る太陽光発電システム診断装置の１実施形態を示すブロック図である。 モニタ画面に表示される電流・電圧特性、及び、電力／電圧特性の一例を示す図である。 モニタ画面に表示される太陽電池アレイの電流・電圧特性の典型的なパターンを示す図であって、同図（Ａ）は理想状態の電流・電圧特性パターン、（Ｂ）は、日陰がある場合の電流・電圧パターン、（Ｃ）、（Ｄ）は、太陽電池アレイに異常が生じて内部抵抗が変化した場合の電流・電圧特性パターン。 一般的な太陽光発電システムの概略構成を示す図である。 一般的な太陽電池アレイ内部の概略構成図である。 図５中に示す太陽電池モジュール内部の概略構成図である。

符号の説明

１ 太陽光発電システム診断装置
２ 太陽電池アレイ
３、４ 入力端子
５ 線路
６ 電圧検出部
７ 電流検出部
８ ゲート回路
９ 制御信号切換部
１０ 電圧制御部
１１ 電流制御部
１２ 電圧出力部
１３ 電流出力部
１４ コンピュータ（画像表示手段）
１４Ａ モニタ画面
１５ 基準値設定部
１６ 入力切換部
１７ 発信器

Claims (7)

1. 太陽電池アレイもしくは太陽電池モジュールの正極側と負極側にそれぞれ接続される一対の入力端子と、
   前記一対の入力端子間の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記一対の入力端子間に直列に接続された電流検出部とゲート回路と、
   基準電圧を可変に設定する基準電圧設定部と、
   基準電流を可変に設定する基準電流設定部と、
   前記基準電圧設定部で設定された基準電圧と前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて、前記一対の入力端子間の電圧が設定された前記基準電圧になるように、前記ゲート回路をフィードバック制御する電圧制御部と、
   前記基準電流設定部で設定された基準電流と前記電流検出部が検出した電流に基づいて、前記一対の入力端子間を流れる電流が設定された前記基準電流になるように前記ゲート回路をフィードバック制御する電流制御部と、
   前記電圧制御部と電流制御部からそれぞれ出力される信号の何れか一方を選択してゲート回路へ供給する制御信号切換部と、
   前記電圧検出部が検出した電圧に対応する信号を出力する電圧出力部と、
   前記電流検出部が出力した電流に対応する信号を出力する電流出力部と、
   を備えたことを特徴とする太陽光発電システム診断装置
2. 電圧出力部と電流出力部の出力信号に基づいて、太陽電池の電流・電圧特性曲線をモニタ画面に描画表示する画像表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム診断装置。
3. 画像表示手段は、電流・電圧特性曲線を描画可能なモニタ画面を有するコンピュータにより構成されていることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システム診断装置。
4. 基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、コンピュータにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の太陽光発電システム診断装置。
5. 基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、基準値を経時的に変化させる発信器を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の太陽光発電システム診断装置。
6. 基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、基準値を手動操作により任意に設定可能な手動設定部で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の太陽光発電システム診断装置。
7. 基準電圧設定部と基準電流設定部の少なくとも一方は、複数種類設けられているととも、これらのうちの何れかの一つを選択して使用するための入力切換手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３記載の太陽光発電システム診断装置。

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