JP2012044066A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 精度の高い監視・異常検出を、大幅なコストアップを生ずること無く実現することのできる太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】 太陽電池モジュール２の状態を表す少なくとも一つの物理量を検出するセンサ回路１１と、検出した少なくとも一つの物理量を通信信号に変換する処理部１２と、通信信号を電力ケーブル５に供給して発電電圧に重畳させる第１の送受信部１３とを有するセンサ情報取得部と、電力ケーブルを介して供給される発電電圧に重畳した通信信号を抽出する第２の送受信部１５と、抽出した通信信号から少なくとも一つの物理量を取得する物理量取得部１６と、この物理量に基づいて太陽電池モジュールの異常有無を判定する判定部１６とを有する太陽光発電システムである。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、太陽光発電システムに関する。

近年、自然エネルギーを利用した発電システムが注目され、太陽光発電システムが盛んに導入されている。太陽光発電は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池（ＰＶ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）を利用するものである。太陽電池は、１枚ではパワーコンディショナ等の動作可能電圧を満たさないため、複数枚の太陽電池パネルを直列に接続して用いられる。

ところで、大規模な太陽光発電システムにおいては、数万枚単位の太陽電池パネルを備えていることから、太陽電池パネルが故障した場合に故障したパネルの特定が困難である。このような問題の解決方法として、物理故障を特定し情報を伝達するための光ファイバを用いるもの（例えば特許文献１参照）がある。

特開２００１−８４３４３号公報

特許文献１に記載の技術は、電圧・電流の監視のみではどの太陽電池パネルが異常原因となっているのかを特定することが困難であるとして、太陽電池パネルごとに異常検出センサとして光ファイバを設けるものである。従って、各太陽電池パネルに光ファイバーケーブルを敷設するとともに、その検知信号を送信するための通信ケーブルを敷設しなければならない。即ち、特許文献１に記載の技術では、光ファイバーケーブルの敷設及びその検知信号を送信するための通信ケーブルの敷設が必要となり、大きなコストアップを生じる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、精度の高い監視・異常検出を、大幅なコストアップを生ずること無く実現することのできる太陽光発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、複数の太陽電池モジュールを直列に接続したストリングと、前記ストリングを複数並列接続して発電電圧を得る接続装置と、前記発電電圧を交流に変換するインバータと、前記接続装置と前記インバータとを接続して前記インバータに前記発電電圧を供給する電力ケーブルとを有する太陽光発電システムにおいて、前記太陽電池モジュールの状態を表す少なくとも一つの物理量を検出するセンサ回路と、前記物理量を通信信号に変換する処理部と、前記通信信号を前記電力ケーブルに供給して前記発電電圧に重畳させる第１の送受信部とを有するセンサ情報取得部と、前記電力ケーブルを介して供給される前記発電電圧に重畳した前記通信信号を抽出する第２の送受信部と、前記抽出した通信信号から少なくとも一つの前記物理量を取得する物理量取得部と、この物理量に基づいて前記太陽電池モジュールの異常有無を判定する判定部とを備えた太陽光発電システムが提供される。

第１の実施の形態の太陽光発電システムの構成を示す図。 第１の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図。 センサ情報を収集して異常の有無を判定する手順を示すフロー図。 ＰＶモジュールのセル温度毎の、日射量と開放電圧との関係を示したグラフ。 第２の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図。 第３の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図。

[第１の実施の形態]
図１は、第１の実施の形態の太陽光発電システム１の構成を示す図である。
第１の実施の形態の太陽光発電システム１は、ＰＶモジュール（太陽電池パネル）２、ストリング配線３、接続装置４（４ａ、・・・、４ｎ）、電力ケーブル５、及び電力制御部（ＰＣＳ）６を備えている。以下、接続装置４と記載して説明する。

ＰＶモジュール２は、光起電力効果をもつ太陽電池（セル）を、例えば平面状に配列して形成される。ストリング配線３は、複数のＰＶモジュール２を直列に接続する。ここで、１つのストリング配線３によって直列に接続された複数のＰＶモジュール２の構成を１ストリングと呼ぶ。接続装置４は、並列に接続されたストリングの直流（ＤＣ）電圧を電力ケーブル５を介してＰＣＳ６に出力する。ＰＣＳ６は、複数の接続装置４から入力した直流（ＤＣ）電圧を交流（ＡＣ）電圧に変換して電力系統に供給する。

図２は、上述の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図である。
接続装置４には、センサ回路１１、処理部１２及び送受信部１３が設けられている。また、ＰＣＳ６は、送受信部１５ａ、・・・１５ｎ、制御部１６及びディスプレイ１７から構成されている。そして、ＰＣＳ６は、通信回線７を介して管理センタ端末８と接続している。

センサ回路１１は、各ＰＶストリングの状態を検出する。ここで、センサ回路１１が検出する物理量には、例えば電圧、電流、セル温度、日射量などがある。どのような物理量を検出するかは、ＰＶストリングにどのようなセンサを取り付けるかによって決定される。従って、センサ回路１１が検出する物理量は、上述の内容には限定されない。また、複数の物理量を検出するようにセンサ回路１１を設定しても良い。なお、センサ回路１１の動作電力は、ＰＶモジュールから供給しても良いし、電力系統から供給してもよい。

処理部１２は、センサ回路１１から物理量を収集し、所定のタイミングで収集した情報を送受信部１３に出力する。送受信部１３は、収集した情報を通信信号に変換すると共に、その通信信号を発電電圧に重畳して電力ケーブル５を介してＰＣＳ６に出力する。

ＰＣＳ６の送受信部１５ａは、送信された通信信号から測定したセンサ情報を抽出して制御部１６に出力する。制御部１６は、取得した情報に基づいてＰＶストリング単位でＰＶモジュール２の異常の有無を判定する。そして、制御部１６は、判定結果をディスプレイ１７に表示する。更に、制御部１６は、判定結果を送受信部１５ａに出力する。送受信部１５ａは、抽出した情報と判定結果とを通信回線７を介して管理センタ端末８に送信する。管理センタ端末８は、送信されたデータを管理情報として保存する。

図３は、接続装置４とＰＣＳ６との間でセンサ情報を収集して異常の有無を判定する手順を示すフロー図である。

ＰＣＳ６の制御部１６は、第１の定周期毎（例えば、１０分周期毎）に起動する。ステップＳ０１において、制御部１６は、接続装置４の識別データ（ＩＤ）を指定してセンサ情報を要求する。即ち、電力ケーブル５の発電電圧に重畳して、センサ情報要求信号を供給する。そして、接続装置４からの応答を待機する。

一方、接続装置４の処理部１２は、第２の定周期毎（第１の定周期よりも短い、例えば１分周期毎）に起動してセンサ情報の収集処理を実行し、あるいはＰＣＳ６からセンサ情報要求が入力された時に起動してセンサ情報を送信する。

ステップＴ０１において、処理部１２は、起動原因を調べる。定周期での起動の場合（ステップＴ０１ Ｎｏ）は、ステップＴ０２において、処理部１２はセンサ回路１１を介してＰＶストリング単位でセンサ情報を収集する。ステップＴ０３において、処理部１２は収集したＰＶストリング単位のセンサ情報を時系列データとして保存する。

センサ情報要求入力による起動の場合（ステップＴ０１ Ｙｅｓ）は、ステップＴ０４において、保存した時系列データを取り出してその平均値、最大値、最小値等のセンサ情報を算出する。そして算出したセンサ情報をＰＣＳ６に送信する。

ＰＣＳ６では、ステップＳ０２において、制御部１６がセンサ情報を受信する。そして、ステップＳ０３において、ＰＣＳ６に接続する全ての接続装置４からセンサ情報を受信したかどうかを調べる。

まだセンサ情報を取得していない接続装置４がある場合（ステップＳ０３ Ｎｏ）は、ステップＳ０１に戻り、その接続装置４の識別データ（ＩＤ）を指定してセンサ情報を要求する。ＰＣＳ６に接続する全ての接続装置４からセンサ情報を受信している場合（ステップＳ０３ Ｙｅｓ）は、ステップＳ０４において、制御部１６は、センサ情報に基づいてＰＶモジュールに異常が発生しているかどうかを調べる。ステップＳ０４の内容については後述する。

ステップＳ０５において、制御部１６は、判定結果をディスプレイ１７に表示する。なお、異常が発生した場合にのみディスプレイ１７にその内容を表示しても良い。ステップＳ０６において、制御部１６は、接続装置４から受信したセンサ情報と判定結果とを管理センタ端末８に送信する。

ここで、管理センタ端末８に送信されたデータは、長期の履歴データとして保存される。そして、管理センタ端末８は、この長期データに基づいて種々の異常判定解析処理を実行する。

続いて、ステップＳ０４の異常判定処理の内容について説明する。制御部１６は、受信したセンサ情報と予め定められた判定基準値とを比較して、異常の有無を判断する。例えば、ＰＶストリングの発生電圧が所定値以下の場合、異常と判断する。また、ＰＶストリングのセンサ情報を相互に比較して、異常と判断する。例えば、ある物理量に対して２つのセンサ情報が所定値よりも大きかった場合、いずれかのＰＶストリングに異常が発生していると判断する。判定基準値を使用する絶対判定方式に対して、相互データを比較する相対判定方式を適用する。ある物理量とは、上述のように電流、電圧、セル温度、日射量等であり、二つ以上の物理量が含まれていてもよい。

さらに、制御部１６は、開放電圧に基づいてＰＶモジュールの異常の有無を判定する。「ＰＶモジュール２の開放電圧」とは、ＰＶモジュール２に負荷を接続していない場合の、ＰＶモジュール２の発電電圧である。ＰＶモジュール２に負荷が接続されている場合は、その負荷によって測定した発電電圧が変化する。従って、負荷が接続されていない状態で測定した発電電圧が負荷による影響を受けないＰＶモジュール２の発電電圧を表している。そこで、負荷が接続されていない状態における発電電圧を判定基準値を使用して評価する。

ところでＰＣＳ６は、ＰＶモジュール２のＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するインバータの機能を備えている。太陽光発電システム１において、ＰＣＳ６は、ＰＶストリング電圧がインバータ動作開始電圧を超えたときから動作を開始し、ＰＶストリング電圧がインバータ動作開始電圧よりも低くなったときに動作を停止する。即ち、太陽光発電システム１では、ＰＶストリング電圧は朝日が昇るとともに上昇する。そしてＰＶストリング電圧が所定値（インバータ動作開始電圧）を超えたときから電力系統の負荷が接続されＰＣＳ６が自動で動作を始める。そして、夕方になりＰＶストリング電圧が一定値（インバータ動作停止電圧）以下となったときに電力系統との接続が開放されＰＣＳ６は自動で動作を停止する。従って、ＰＣＳ６がインバータ動作を停止している状態でのＰＶストリング電圧が開放電圧を表している。

図４は、ＰＶモジュール２のセル温度毎の、日射量と開放電圧との関係を示したグラフである。ＰＶモジュール２の開放電圧は、主として「ＰＶモジュールへの日射」と「ＰＶモジュールのセル温度」とによって支配される。このグラフに示すように、開放電圧は日射量が少なくなることで低下する。また、開放電圧はセル温度が高くなれば低下する。

そこで、制御部１６は、負荷が開放されている状態での電圧、セル温度、日射量をセンサ回路１１から取得し、図４の特性と比較することで異常発生の有無を判断することができる。

第１の実施の形態では、接続装置側でセンサ情報を表す通信信号を直流の発電電圧に重畳する。そしてＰＣＳ側で重畳した通信信号を取り出してセンサ情報をデコードする。このように、直流の発電電圧に通信信号を重畳させることで、接続装置４とＰＣＳ６との間に通信ケーブルを敷設する必要がなくなる。

また第１の実施の形態では、開放電圧、セル温度、日射量に基づいて異常の有無を判断する。そのため、電力系統の負荷の変動に影響されることがなく精度の高い判定が可能である。

更に、第１の実施の形態では、収集したセンサ情報は管理センタ端末８に送信し、長期データとして保存する。従って、瞬時のセンサ情報のみでなく、長期間の劣化傾向を把握するなど長期データに基づいた解析手法を用いて異常を判定することができる。

[第２の実施の形態]
第１の実施の形態ではＰＶストリング毎にセンサ情報のモニタリングが可能な構成であったが、第２の実施の形態ではＰＶモジュール毎にセンサ情報のモニタリングが可能に構成している。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、その詳細の説明は省略する。

図５は、第２の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図である。
ＰＶモジュール２はそれぞれ処理回路２０を備えている。処理回路２０には、第１の実施の形態で説明したセンサ回路、処理部及び送受信部が設けられている。従って、ストリング電圧にセンサ情報を変換した通信信号が重畳されてストリング配線３を介して接続装置４に入力する。接続装置４では、第１の実施の形態とは異なり、並列に接続された複数のストリング配線３を１つの電力ケーブル５に接続する。従って、通信信号は発電電圧に重畳して電力ケーブル５を介してＰＣＳ６に入力する。

第２の実施の形態では、制御部１６は、接続装置４の識別データ（ＩＤ）を指定してセンサ情報を要求し、ＰＶモジュール単位でセンサ情報を収集する。なお、これ以外の処理手順は、第１の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態ではＰＣＳ６に日射量の補正機能を備えている点が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、その詳細の説明は省略する。

図６は、第３の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成を示す図である。
ＰＣＳ６は、さらに日射計３０と補正器３１を備えている。接続装置４から電力ケーブル５を介して入力される電圧には、日射変動によるＤＣ電圧変動（１００Ｈｚオーダー）と、重畳データ（ｋＨｚ以上オーダー）によるＤＣ電圧変動とが含まれている。補正器３１は、日射計３０の測定値を用いて、入力される電圧を補正して、日射変動によるＤＣ電圧変動の影響を低減する。これによって、送受信部１５ａは、重畳データであるセンサ情報を精度良く抽出することができる。

第３の実施の形態における接続装置４とＰＣＳ６との間でセンサ情報を収集して異常の有無を判定する手順は、第１の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

[第４の実施の形態]
第４の実施の形態では、接続装置４の発電機能に関する構成が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、その詳細の説明は省略する。

第４の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成は、図２と同じである。
図２の接続装置４には、バッテリとＤＣＤＣコンバータ（不図示）とがそれぞれのＰＶストリングに設けられている。上述のように日射量は変動するため、ＰＶストリング電圧も変動する。そこで、バッテリの蓄電機能を利用して接続装置４からの発電電圧の変動を低減する。また、ＤＣＤＣコンバータは、発電電圧が最大電力点（ＭＰＰ）電圧よりも低下した場合は、最大電力点電圧に昇圧することで、発電効率を向上させ、バッテリへの過充電、逆流等を防ぐ。

例えば、ＰＶストリングの出力を最大電力点電圧まで昇圧する昇圧器（ＤＣＤＣコンバータ）に接続し、その出力に蓄電池（バッテリ）を接続する事で変動を低減することができる。これによって、送受信部１５ａは、重畳データであるセンサ情報を精度良く抽出することができる。

第４の実施の形態における接続装置４とＰＣＳ６との間でセンサ情報を収集して異常の有無を判定する手順は、第１の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

[第５の実施の形態]
第５の実施の形態では、ＰＶモジュール２の発電機能に関する構成が第２の実施の形態と異なっている。第２の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付して、その詳細の説明は省略する。

第５の実施の形態の太陽光発電システムにおいてＰＶモジュールの異常を検知するための構成は、図５と同じである。
図５の処理回路２０には、センサ回路、処理部及び送受信部に加え、バッテリとＤＣＤＣコンバータとが設けられている。上述のように日射量は変動するため、ＰＶモジュール電圧も変動する。そこで、バッテリの蓄電機能を利用して接続装置４からの発電電圧の変動を低減する。また、ＤＣＤＣコンバータは、発電電圧が最大電力点（ＭＰＰ）電圧よりも低下した場合は、最大電力点電圧に昇圧することで、発電効率を向上させ、バッテリへの過充電、逆流等を防ぐ。

例えば、ＰＶモジュールの出力を最大電力点電圧まで昇圧する昇圧器（ＤＣＤＣコンバータ）に接続し、その出力に蓄電池（バッテリ）を接続する事で変動を低減することができる。これによって、送受信部１５ａは、重畳データであるセンサ情報を精度良く抽出することができる。

第５の実施の形態における接続装置４とＰＣＳ６との間でセンサ情報を収集して異常の有無を判定する手順は、第１の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

上述の各実施の形態で説明したＰＶモジュールの異常を検出するための各機能の構成は実施例に記載の構成に限られない。これら各機能は、ＰＶモジュール２、接続装置４、ＰＣＳ６に含まれず独立した装置として構成しても良い。例えば、上述のＰＣＳ６の機能のうち異常を判定する機能は、ＰＣＳ６に設けなくとも良い。ＰＣＳ６ではデータの収集と送信を行い、送信されたデータに基づいてクラウドコンピューティングで判定を実施しても良い。

上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウェアを用いて構成するに留まらず、ソフトウェアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウェア、ハードウェアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

従って、フローチャートとして記載され、説明された処理は、その処理を実現するハードウェアで構成することができる。例えば、図３のステップＳ０３における通信信号から少なくとも一つの物理量を取得する処理は、物理量取得部として構成しても良い。図３のステップＳ０４における太陽電池モジュールの異常有無を判定する処理は判定部として構成しても良い。ステップＳ０１における物理量を判定部に送信するように要求する信号を前記電力ケーブルに供給して前記発電電圧に重畳させる処理は要求信号出力部として構成しても良い。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…太陽光発電システム、２…ＰＶモジュール、３…ストリング配線、４…接続装置、５…電力ケーブル、６…ＰＣＳ、７…通信回線、８…管理センタ端末、１１…センサ回路、１２…処理部、１３…送受信部、１５ａ…送受信部、１６…制御部、１７…ディスプレイ、２０…処理回路、３１…補正器。

Claims (6)

1. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続したストリングと、前記ストリングを複数並列接続して発電電圧を得る接続装置と、前記発電電圧を交流に変換するインバータと、前記接続装置と前記インバータとを接続して前記インバータに前記発電電圧を供給する電力ケーブルとを有する太陽光発電システムにおいて、
   前記太陽電池モジュールの状態を表す少なくとも一つの物理量を検出するセンサ回路と、前記物理量を通信信号に変換する処理部と、前記通信信号を前記電力ケーブルに供給して前記発電電圧に重畳させる第１の送受信部とを有するセンサ情報取得部と、
   前記電力ケーブルを介して供給される前記発電電圧に重畳した前記通信信号を抽出する第２の送受信部と、
   前記抽出した通信信号から少なくとも一つの前記物理量を取得する物理量取得部と、
   この物理量に基づいて前記太陽電池モジュールの異常有無を判定する判定部と
   を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記ストリング毎に、前記ストリングの発電電圧を所定電圧まで昇圧するＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータの出力を蓄電すると共に電圧を発電電圧として供給するバッテリとを有し、
   前記接続装置は、少なくとも一つの前記バッテリの発電電圧から前記発電電圧を生成して電力ケーブルに出力する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. 前記センサ情報取得部は、前記ストリング毎に少なくとも一つの前記物理量を取得する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。
4. 前記太陽電池モジュール毎に、当該モジュールの発電電圧を所定電圧まで昇圧するＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータの出力を蓄電すると共に電圧を発電電圧として供給するバッテリとを有する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。
5. 前記センサ情報取得部は、前記太陽電池モジュール毎に少なくとも一つの前記物理量を取得することを特徴とする請求項１又は４に記載の太陽光発電システム。
6. 前記センサ情報取得部に対して前記物理量を前記判定部に送信するように要求する信号を前記電力ケーブルに供給して前記発電電圧に重畳させる要求信号出力部を更に有し、
   前記センサ情報取得部は、前記電力ケーブルを介して送信される前記発電電圧に重畳した前記要求する信号を受信した際、少なくとも一つの前記物理量に関する情報を前記第１の送受信部を介して前記第２の送受信部に送信する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。

Images