JP2010027985A - 太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で高い信頼性が得られるとともに、高精度な測定を可能とする太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置を提供する。
【解決手段】
太陽電池モジュールＭ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２、３間にＰＴＣサーミスタからなる可変負荷素子６を接続してある。ＰＴＣサーミスタは、通電すると自己発熱して温度上昇し、所定の温度範囲において温度変化に伴って抵抗値が略単調に変化するため、入力端子間の電流と電圧を経時的に変化させることができる。したがって、これらの電流と電圧をそれぞれ電流センサ５と電圧センサ７で逐次測定することにより、太陽電池モジュールＭの電流電圧特性を高精度に測定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに用いられる太陽電池モジュールの電流電圧特性を測定する装置に関する。

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、日の当たる建物の屋根の上などに設置される太陽電池パネル（太陽電池アレイ）を備えている。

太陽光発電システムは、多数の光電変換素子からなる太陽電池モジュールを複数配列して構成されていて、その発電出力はパワーコンディショナで調整されて負荷に供給されるようになっている。なお、ここで用いている「太陽電池モジュール」という語は、複数個の発電素子を直列に連結して平面的に配列しユニット化したものを意味している。

このような太陽電池システムの性能評価や故障診断を行うためには、個々の太陽電池モジュールの電流電圧特性（出力特性）を測定する必要があり、従来においては、例えば、特許文献１に記載されているように、光電変換素子に、短絡状態と開放状態との間で変化していくバイアス電圧を印加させながら、前記光電変換素子で生成される電圧値と電流値を逐次測定し、両者の関係からその電流電圧特性を測定する方法が提案されている。
特願２００５−３１７８１１

図７は、従来の一般的な太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置の一例を示すブロック図であって、電流電圧特性測定装置Ａ１は、太陽電池モジュールＭ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Ａ２、Ａ３を有しており、これらの入力端子Ａ２、Ａ３間には、制御部Ａ４により制御される可変負荷素子Ａ５と電流センサＡ６が直列に接続されていると共に、可変負荷Ａ５と並列に電圧センサＡ７が接続されている。

太陽電池モジュールＭの電流電圧特性を測定する場合には、同図に示すように一対の入力端子Ａ２、Ａ３間に測定を損なう太陽電池モジュールＭを接続して太陽光に当てた状態で可変負荷素子Ａ５の負荷を変化させながら、電流センサＡ６と電圧センサＡ７により、入力端子Ａ２、Ａ３間の電流と電圧を逐次測定している。

前述したように構成されている従来の電流電圧特性測定装置においては、可変負荷素子にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のパワー素子やコンデンサを用いているが、可変負荷素子にＦＥＴが用いられているものは、測定する太陽電池モジュールの発電出力が大きい場合にＦＥＴの発熱量が大きくなって、長時間電流を流し続けるとＦＥＴが熱で破損してしまうおそれがあるため、できる限り短時間のうちに測定を完了する必要がある。

ところが、太陽電池モジュールの中には、それ自体の電気容量が大きく、電気を一時的に蓄える特性を有するものがあり、このような特性をもつ太陽電池モジュールは、測定装置を起動させた時や、電流電圧特性を測定するためにＦＥＴの負荷を急激に変化させた時に、太陽電池モジュールに蓄えられている電気が突入電流となってＦＥＴに一気に流入して、これを焼損したり、さらに、当該ＦＥＴを制御する制御部にも損傷を及ぼす場合がある。

一方、可変負荷素子にコンデンサが用いられているものは、ＦＥＴを用いた場合のように負荷を変化させるための回路は不要であるため、測定装置の構造を簡略化できる利点はあるが、ＦＥＴと比較して寿命が短い問題がある。

また、可変負荷素子にコンデンサを用いた場合は測定時の負荷の時間変化が速く、電流と電圧のデータを細かい間隔でサンプリングすることができないため、電流電圧特性の測定を高精度で行うことが困難となる問題がある。

そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、構造が簡単で高い信頼性が得られるとともに、高精度な測定を可能とする太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定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における電流電圧特性測定装置は、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センサと、前記一対の入力端子間に直列に接続された電流センサ、可変負荷素子、及び、開閉スイッチを備え、前記可変負荷素子が、所定の温度範囲において通電による温度変化に伴って抵抗値が略単調に変化するＰＴＣサーミスタ（Positive Temperature Coefficient Thermistor）で構成されていることを特徴としている。

本発明の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置においては、可変負荷素子が、抵抗値が増加し始める温度がそれぞれ異なる複数種類のＰＴＣサーミスタを並列接続して構成されていることが望ましい。

また、本発明の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置においては、可変負荷素子を予熱するためのヒータを備えていることも望ましい。さらに、可変負荷素子を冷却するためのファン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、可変負荷が所定の温度範囲において通電による温度変化に伴って抵抗値が略単調に変化するＰＴＣサーミスタで構成されているため、可変負荷にＦＥＴを用いている従来の測定装置に不可欠なＦＥＴを制御するための制御回路が不要となる。

しかも、ＰＴＣサーミスタは耐熱性を有しており、ヒートシンク等の冷却構造が設ける必要が無いため、測定装置の構造を簡略化できるとともにコンパクトに設計することができ、且つ、測定装置としての耐久性を高めることができる。

また、ＰＴＣサーミスタの負荷特性は発熱による抵抗値の変化に起因するため、時間的に緩やかであり、従来の可変負荷としてコンデンサを用いるものと比較して、太陽電池モジュールへの負荷を短絡状態から開放状態まで緩やかに変化させることができるので、電流値と電圧値を細かくサンプリングすることができ、太陽電池モジュールの電流電圧特性を高精度に測定することができる。

さらに、ＰＴＣサーミスタは本来電流制限素子として用いられるものであるため、突入電流を阻止することができるとともに、万一素子が破壊した場合には、電気的に回路が開放状態となって電流が遮断されるフェールセーフとしての役割を果たすため、高い安全性と信頼性が得られる。

請求項２記載の発明によれば、可変負荷素子の抵抗値の時間変化を緩やかにすることができるため、時間とともに変化する電流と電圧をより細かくサンプリングすることが可能となり、太陽電池モジュールの電流電圧特性の測定精度をより高めることができる。

また、可変負荷素子を構成するＰＴＣサーミスタの数や温度特性を適宜選択することによって、抵抗値が変化する速度を所望の値に調整することができる。

また、請求項３記載の発明によれは、可変負荷素子の周囲温度が低く、当該可変負荷素子を流れる電流による自己発熱のみでは、抵抗値が増加し出す温度まで可変負荷素子の温度が上昇しない場合においても、可変負荷素子をヒータで予熱することで、測定装置を動作が可能な状態にすることができる。

さらに、請求項４記載の発明によれば、太陽電池モジュールの測定完了後に、温度上昇によって開放状態のままになっているＰＴＣサーミスタをファンにより強制的に冷却し、速やかに再び測定可能な状態に復帰させることができる。

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における電流電圧特性測定装置の１実施形態における概略構成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における電流電圧特性測定装置（以下、単に測定装置という。）１は、測定する太陽電池モジュールＭの正極側と負極側にそれぞれ接続するための一対の入力端子２、３を有しており、これらの端子２、３間は線路４で連結されている。

前記線路４には、電流を検出するための電流センサ５と、後述する可変負荷素子６が直列に設けられているとともに、端子２、３間の電圧を検出するための電圧センサ７が接続されており、また、端子２、３間で形成される回路の開閉を行うスイッチ８が設けられている。

また、電流センサ５の出力信号と電圧センサ７の出力信号はそれぞれ信号線９、１０を通して、コンピュータ１１に入力されるようになっている。
前記コンピュータ１１には、種々の情報を表示するためのモニタ１２が接続されているとともに、可変負荷素子６近傍に配置されて当該負荷抵抗素子６の周囲温度を検出する温度センサ１３が接続されており、また、可変負荷素子６の近傍には、前記コンピュータ１１によりそれぞれ制御されるヒータ１４と冷却ファン１５が配置されている。

本実施形態においては、可変負荷素子６に、ポリエチレン等のポリマー中にカーボン粒子等の導電性粒子を混入して構成したＰＴＣサーミスタが用いられている。このＰＴＣサーミスタは、低温時には、導電性粒子どうしが接触していて、高い導電性を有しており、通電による抵抗発熱によりポリエチレンの温度が上昇して熱膨張すると、この中に混入されている導電性粒子間の接触状態が低下することで電気抵抗が増加する性質を有している。

次に、前述したように構成されている測定装置１を用いて、太陽電池モジュールＭの電流電圧特性を測定する手順を以下に説明する。
先ず、スイッチ８を開放（ＯＦＦ）した状態で、太陽電池モジュールＭの正極側と負極側にそれぞれ入力端子２、３を接続し、コンピュータ１１を起動させる。

コンピュータ１１は、可変負荷素子６の周囲温度を温度センサ１３によって検出し、前記周囲温度が、所定の温度Ｔｓよりも低い場合にはヒータ１４に通電して可変負荷素子６の周囲温度を前記温度Ｔｓに達するまで予熱する。ここで、温度Ｔｓは、可変負荷素子６として用いているＰＴＣサーミスタの抵抗値が増加し始める温度Ｔ１よりやや低く設定してある。

一方、温度センサ１３が検出した周囲温度が前記温度Ｔｓよりも高い場合には、冷却ファン１５を駆動して可変負荷素子６の周囲温度が温度Ｔｓに下がるまで冷却する。なお、温度センサ１３、ヒータ１４、冷却ファン１５は、可変負荷素子６を使用する温度環境によっては、必ずしも測定装置１に設けなくてもよい。

次に、太陽電池モジュールＭは、実際に太陽光を当てるか、または太陽光を模した光源からの光を照射して起電力が生じている状態にする。

こうして、可変負荷素子６の周囲温度が前記所定温度Ｔｓ付近に安定したら、スイッチ８を閉じる（ＯＮ）。そうすると、太陽電池モジュールＭの起電力によって線路４で構成される回路に電流が流れる。

可変負荷素子６は、前記温度Ｔｓ付近では、抵抗値が低くほとんど短絡状態となっているため、回路には大きな電流が流れる。可変負荷素子６は、前述したように、ＰＴＣサーミスタで構成されているため、ここを流れる電流によって自己発熱し、図２に示すように、温度上昇に伴って、温度Ｔ１から抵抗値が温度Ｔ２に至るまでほぼ単調に増加する。

そして、温度Ｔ２以降は、抵抗値の増加はほとんど無く、極めて高い抵抗値となり、その結果、可変負荷素子６を流れる電流は極めて小さくなり回路はほぼ開放された状態となる。

可変負荷素子６が温度Ｔ１からＴ２に上昇する間、可変負荷素子６を流れる電流値と、太陽電池モジュールＭが接続されている入力端子２、３間の電圧値は、それぞれ電流センサ５と電圧センサ７によって検出されて信号線９、１０を通してコンピュータ１１に送られる。

コンピュータ１１は 電流センサ５と電圧センサ７から入力される時々刻々変化する電流値と電圧値を微細な時間間隔でサンプリングし、これに基づいて電流電圧特性曲線を生成して、モニタ１２の表示画面に描画表示する。

なお、コンピュータ１１が生成した電流電圧特性曲線は、前記コンピュータ１１に接続した図示していないプリンタ等に出力しても良いし、ＬＡＮ等を介して離れた場所からモニタできるようにしてもよい。

また、太陽光発電システムを構成しているそれぞれの太陽電池モジュールＭの中に、前述した電流センサ５、可変負荷素子６、電圧センサ７、スイッチ８、温度センサ１３、ヒータ１４、冷却ファン１５等を組み込んでおいて、それぞれの太陽電池モジュールＭに組み込まれている電流センサ５と電圧センサ７から得られる電流・電圧データを信号線９、１０を通して離れた場所にある一つのコンピュータ１１に取り込み、ここで、各太陽電池モジュールＭ毎の電流電圧特性を一括して監視できるようにしてもよい。

この場合、各太陽電池モジュールＭは、スイッチ８を閉じて電流電圧特性を測定する際は、他の太陽電池モジュールＭや外部負荷との電気的接続が切り離される構造とし、その切り替えをコンピュータ１１側から個別に遠隔操作できるようにしておけばよい。

なお、前述した実施形態においては、可変負荷素子６としてポリマー中にカーボン粒子等の導電性粒子を混入して構成したＰＴＣサーミスタを用いているが、ＰＴＣサーミスタはこれに限定するものではなく、チタン酸バリウムに微量の希土類元素の添加物を混入したものを用いてもよい。

チタン酸バリウムからなるＰＴＣサーミスタは、通電による自己発熱でチタン酸バリウムのキュリー点温度を超えると、抵抗値が温度上昇にともなって増加する性質を有している。

次に、図３は、本発明に係る太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置の別の実施形態における概略構造を示すものであって、同図に示す測定装置１Ａは、可変負荷素子６Ａを温度特性の異なる２つのＰＴＣサーミスタ（サーミスタＡ、サーミスタＢ）を並列接続して構成している他は、前述した図１に示す測定装置１と同一構造である。なお、図３においては、線路４に設けられている部分以外は、図示を省略してある。

図４は、可変負荷素子６Ａを構成している２つのＰＴＣサーミスタのうち、サーミスタＡ単独の抵抗値の温度特性を示すグラフであって、同図に示すように、サーミスタＡはその抵抗値が温度Ｔａから温度の上昇とともに単調に増加する特性を有している。なお、図中Ｔｓは、線路４に通電を開始した時点における可変負荷素子６Ａの温度である。

また、図５は、サーミスタＢ単独の抵抗値の温度特性を示すグラフであって、同図に示すように、サーミスタＢはその抵抗値が前述したサーミスタＡの抵抗値が変化し始める温度Ｔａよりも高い温度Ｔｂから温度Ｔｃの間において温度の上昇とともに抵抗値が単調に増加する特性を有している。

図３のスイッチ８をＯＮにした直後では、サーミスタＡとサーミスタＢは、両者とも低抵抗（短絡状態）であるため、サーミスタＡを流れる電流ｉＡと、サーミスタＢを流れる電流ｉＢはほぼ等しい。

サーミスタＡは、この電流ｉＡによる自己発熱で温度が上昇すると、前述した図４に示す特性によって、素子温度がＴａに達した時点で他方のサーミスタＢよりも早く抵抗値が増加し始め、その結果、サーミスタＡを流れる電流ｉＡは減少する。

一方、サーミスタＢも電流ｉＢの自己発熱により温度は上昇するが、図５に示すように温度がＴｂに達するまでは低い抵抗値を維持しているため、電流ｉＢはほとんど減少せず、温度がＴｂに達した時点から抵抗値が増加し始め、これに伴って電流ｉＢも減少し、温度がＴｃに達すると、両方のサーミスタＡ、Ｂともに高抵抗になって回路は開放状態となる。

図６は、前述したような、２つの異なった温度特性を有するサーミスタＡ、Ｂの連続した動作によって得られる可変負荷素子６Ａ全体の抵抗値の時間的変化を示したグラフであって、同図に示すように、可変負荷素子６Ａの抵抗値は、素子温度がＴａからＴｃに上昇する間略単調に増加する傾向にある。

したがって、可変負荷素子６Ａの抵抗値は、それぞれのサーミスタＡ、Ｂが単独で抵抗値が変化する温度範囲を合わせた広い温度範囲の中で温度の上昇につれて略単調に増加するため、可変負荷素子６Ａへの通電後の抵抗値の時間変化を緩やかにすることができる。

その結果、可変負荷素子を単一のＰＴＣサーミスタで構成した場合と比較して、負荷の変化に伴う電流と電圧の変化をより細かくサンプリングすることが可能となるため、太陽電池モジュールの電流電圧特性の測定精度をより高めることができる。

なお、本実施形態においては、可変負荷素子６Ａを抵抗値の温度特性が異なる２つのＰＴＣサーミスタを並列に接続して構成しているが、これに限定するものではなく、可変負荷素子は、抵抗値の温度特性がそれぞれ異なる３つ以上のＰＴＣサーミスタを、連続する温度範囲において全体の抵抗値が温度変化に伴って略単調に変化するように並列接続して構成してもよい。

可変負荷素子を構成するＰＴＣサーミスタの数や温度特性を適宜選択することによって、抵抗値の変化する速度を所望の値に調整することができる。

本発明の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置は、太陽電池モジュールを複数連結して構成される太陽光発電システムの発電出力の評価や、故障診断等に利用することが可能である。

本発明の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置の１実施形態における概略構成を示すブロック図である。 図１に示す装置に用いられている、ＰＴＣサーミスタの抵抗値の温度特性を示すグラフである。 本発明の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置の別の実施形態における概略構成を示すブロック図である。 図３に示す測定装置に用いられているサーミスタＡ単独の抵抗値の温度特性を示すグラフである。 図３に示す測定装置に用いられているサーミスタＢ単独の抵抗値の温度特性を示すグラフである。 図３に示す測定装置に用いられているサーミスタＡとサーミスタＢを並列接続して構成された可変負荷素子全体の抵抗値の時間変化を示すグラフである。 従来の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、１Ａ 電流電圧特性測定装置
２、３ 入力端子
４ 線路
５ 電流センサ
６、６Ａ 可変負荷素子
７ 電圧センサ
８ スイッチ
９、１０ 信号線
１１ コンピュータ
１２ モニタ
１３ 温度センサ
１４ ヒータ
１５ 冷却ファン
Ｍ 太陽電池モジュール

Claims (4)

1. 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センサと、
   前記一対の入力端子間に直列に接続された電流センサ、可変負荷素子、及び、開閉スイッチを備え、
   前記可変負荷素子が、所定の温度範囲において通電による温度変化に伴って抵抗値が略単調に変化するＰＴＣサーミスタで構成されていることを特徴とする太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置。
2. 可変負荷素子が、抵抗値が増加し始める温度がそれぞれ異なる複数種類のＰＴＣサーミスタを並列接続して構成されていることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置。
3. 可変負荷素子を予熱するためのヒータを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システムにおける電流電圧特性測定装置。
4. 可変負荷素子を冷却するためのファンを備えた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における電流電圧特性測定装置。

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