JP2012156343A - 太陽光発電システム、異常検出方法、及び異常検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電中であっても太陽電池の異常を検知・分類するシステムを提供する。
【解決手段】 発電中の太陽電池の出力電圧と出力電流を検出し、検出された電圧値・電流値と外部環境計測部の計測データを用いて、太陽電池特性式の数値演算と異常状態を検出するための閾値の演算を行う。特性式の演算結果と閾値を用いて、太陽電池の異常状態の種類を分類する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に太陽電池の異常を検出する技術に関する。

従来の太陽電池の異常検知システムの例として、特許文献１には電力の相対比較を用いた異常検知システムが開示されている。

特許文献１においては、複数の太陽電池アレイとPCS（パワーコンディショナ）と呼ばれる太陽電池の出力電力を制御する回路の間にセンサを直列に接続し、太陽電池の発電電力を太陽電池アレイ診断装置に入力する。太陽電池アレイ診断装置では複数日に渡り太陽電池アレイそれぞれの最大電力を測定し、基準値を作成する。基準値作成後の発電電力は基準値により規格化され、晴れや曇りの天候情報へと変換される。天候情報はアレイごとに時系列に比較され、比較結果に基づいて太陽電池の異常を検知する。例えば、異常なく太陽電池が動作している場合は、天候予測結果がすべてのアレイにおいて一致しているが、異常が発生すると比較結果が一致しない。

また、特許文献２には故障の種類が分類可能となるシステムが開示されている。まず、故障が疑われる太陽電池モジュールを発電システムから切り離し、故障検知システムに接続する。故障検知システムでは太陽電池モジュールの出力電圧を「０V〜開放電圧」まで変化させるために、可変負荷を動作させカーブトレース（電流−電圧特性の測定）を行う。測定した電流−電圧特性は、太陽電池測定中の日射量や温度などの計測情報をもとに２５℃、１kW/m²の標準条件データへ換算される。

特許文献２のシステムにはあらかじめ複数の故障時の電流−電圧特性が基準特性としてメモリに記憶されており、測定した電流−電圧特性と最小二乗法などを用いて最も近い基準特性を選択する。その後、選択した電流−電圧特性に対応する故障の種類をLCDにより表示をする。

特開２００５−３４０４６４ 特開２００７−３１１４８７

特許文献１に示される異常検知システムでは、PCSに接続された複数の太陽電池アレイの出力電力（天候情報）を相対比較することにより異常の検知を行う。しかしながら、異常が生じているか否かを検知するものであって、異常の種類を詳細に分類するものではない。太陽電池の故障にはいくつかの種類があり、早急に交換することが必要な場合とそうでない場合が存在する。特許文献１の方式では故障の種類を詳細に分類することができないため、適切なメンテナンスが難しくなる。

一方、特許文献２に示される故障検知システムは、故障の種類を分類している。しかしながら、太陽電池モジュールを発電システムから切り離して電流−電圧特性を測定する必要があるため、発電中に故障内容を特定することはできない。

本発明は、以上のような従来技術の課題を検討し、これらの課題を解決するためになされたものである。

従って、本発明の目的とするところは、発電中であっても異常を検知、分類できる異常検出システムを提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものについて簡単に説明すれば、下記のとおりである。

太陽電池セルを直列に接続して構成される太陽電池と、発電中の太陽電池の出力電圧値を検出する電圧検出部と、発電中の太陽電池の出力電流値を検出する電流検出部と、外部の環境を示す外部環境データを取得する外部環境計測部と、出力電圧値、出力電流値、及び外部環境データを用いて、異常状態における太陽電池の特性と異常状態を検出するための閾値を算出する特性演算部と、異常状態における太陽電池の特性と閾値とを用いて、太陽電池の異常状態を検出する異常検出部とを有する太陽光発電システムである。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、発電中であっても異常を検知、分類できる。

実施例１に係る異常検出システムの構成例を示すブロック図である。 実施例１に係る特性演算部のフローチャートの例を示す図である。 太陽電池の構成と等価回路の例を示す図である。 実施例１に係る太陽電池特性式数値演算部のフローチャートの例を示す図である。 図４で示したフローチャートを用いて算出した第一象限の太陽電池特性の例を示す図である。 図４で示したフローチャートを用いて算出した太陽電池特性の例と1つの数値演算方式のみで特性を計算した際の太陽電池特性の例を示す図である。 図６（ａ）における点線部分の拡大図の例を示す図である。 太陽電池にハンダ不良が発生した場合の電流−電圧特性の例を示した図である。 太陽電池に配線の断線が発生した場合の電流−電圧特性の例を示した図である。 太陽電池にバイパスダイオードの故障が発生した場合の電流−電圧特性の例を示した図である。 太陽電池に部分陰又は充填剤の変色が発生した場合の電流−電圧特性の例を示した図である。 実施例１に係る配線の断線を表すクラスタの電流−電圧特性の例を示す図である。 実施例１に係る太陽電池の直列抵抗値と３クラスタから構成されるモジュールの電力損失の関係の例を表した図である。 実施例１に係る異常検出部のフローチャートの例を示す図である。 実施例２に係る太陽光発電システムの構成例を示すブロック図である。 太陽電池モジュールにおいて、発電環境で配線の断線故障が発生した場合の電流−電圧特性の例を示した図である。

本願において開示される発明の代表的な実施の形態について詳細に説明する。参照する図面の参照符号は、それが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

まず、本発明の第１の実施形態に係る異常検出システムについて説明する。

図１は、太陽電池（PV）１０１に接続された異常検出システムの構成を示すブロック図である。太陽電池１０１に接続された電流検出部１０２、電圧検出部１０３はセンサで構成され、太陽電池１０１が発電している際の動作電圧と動作電流の１点データを検出する。検出された電圧値と電流値は、特性演算部１に入力される。

特性演算部１は、太陽電池特性式数値演算部１０５、比較部１０６、直列抵抗値・日射量変更部（Rs、p変更部）１０７、閾値抵抗計算部１０８で構成される。これらの機能の一部あるいは全部は、マイコン、DSPやCPUが記録装置に記録されている各種ソフトウェアプログラムを読み出して実行することにより実現される。あるいは、半導体集積回路により構築されたハードウェアなどで実現してもよい。

センサなどにより構成される外部環境計測部１０４で計測された外部の環境を示す外部環境データ（例えば温度、日射量データ）は、太陽電池特性式数値演算部１０５に入力され、太陽電池特性式の演算に使用される。演算結果の電圧値・電流値は、比較部1（１０６）にて太陽電池から検出した電圧値・電流値と比較される。ここで、本実施例では、太陽電池の異常（故障や部分陰など）による特性変化が、主に直列抵抗値、日射量に起因することに着目し（詳細は、図７を用いて後述する）、比較部1（１０６）の結果に基づいて、Rs、p変更部１０７で太陽電池特性式の直列抵抗値Rsと日射量pを変更し、再度太陽電池特性式数値演算部１０５にて演算を行う。Rsとpの変更は、電流検出部１０２と電圧検出部１０３により検出した電圧値・電流値と一致するまで繰り返す。演算結果と検出した電圧値・電流値が一致すると、異常を判定するために、太陽電池特性式の演算結果として、特性式のパラメータを異常検出部２に入力する。同時に閾値抵抗計算部１０８から、故障を判定する際に使用する閾値抵抗値Rthを異常検出部2に入力する。

異常検出部２は、比較部２（１０９）、比較部３（１１０）、比較部４（１１１）、分類部１１２で構成される。これらの機能の一部あるいは全部は、特性演算部１と同様に、マイコン、DSPやCPUが記録装置に記録されている各種ソフトウェアプログラムを読み出して実行することにより実現される。あるいは、半導体集積回路により構築されたハードウェアなどで実現してもよい。

特性演算部１から出力された太陽電池特性式のパラメータはパラメータの種類ごとに、比較部２、比較部３、比較部４に入力され、閾値抵抗値Rthは比較部２に入力される。比較部2、比較部3、比較部4の比較結果は分類部１１２に入力され、異常（故障や部分陰）の判定、分類を行う。出力部１１３は、分類結果に応じた情報を、音声出力や液晶画面に表示するなどして外部に太陽電池の状態を知らせる。例えば、配線の断線やバイパスダイオードの故障は大きな電力損失を招くため、モジュールの交換を促すアラームを音声や液晶表示により外部へ出力する。

このように、本実施例では、太陽電池の異常（故障や部分陰）による特性変化が、主に直列抵抗値、日射量に起因することに着目し、発電中の太陽電池から測定した電圧値、電流値や温度、日射量を用いて、太陽電池特性式と異常状態を検出するための閾値抵抗値を演算する。その演算結果を用いて、異常状態を検知することを特徴とする。このようなシステム構成により、たとえ動作電圧と動作電流の１点データだけでも、言い換えれば発電中であっても、太陽電池の異常を検知・分類することが可能となる。

図２、図１０は、本発明の実施例１に係る異常検出システムの特性演算部１と異常検出部２のフローチャートであり、この図を参照しながらシステムの詳細を説明する。

まず、図２を用いて特性演算部１のフローを説明する。故障や部分陰の検知を開始すると、特性演算部では式（１）に示す太陽電池特性式の電流I、電圧V以外のパラメータを温度T=25[℃]、日射量p=1.0 [kW/m²]の標準条件において決定する（Ｓ２０１）。

Iscは短絡電流、pは日射量、Isは太陽電池セルの逆方向飽和電流、nfはダイオード接合定数、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Ncellはセル数、qは素荷量、Vは電圧、Iは電流、Rsは太陽電池セル同士を接続する配線などの直列抵抗値、Rshは太陽電池セルのシャント抵抗値を表す。

次に、温度や日射量を外部環境計測部１０４から決定し（Ｓ２０２）、測定した温度や日射条件に対する正常状態の特性を数値演算する（Ｓ２０３）。ここで、正常状態とは、異常（故障や部分陰）が発生していない特性を示す。また、太陽電池より電圧値・電流値を検出する（Ｓ２０４）。正常状態の演算終了後、閾値抵抗値Rthを計算するステップと（Ｓ２０５）、比較部１により発電環境に設置している太陽電池の電圧値・電流値と比較されるステップ（Ｓ２０６）に進む。比較部１において、比較結果が一致した場合は、直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vb、閾値抵抗値Rthを演算結果として出力するステップ（Ｓ２１０）に移行する。比較部１において、比較結果が一致しない場合は故障や部分陰が発生していると判断し、故障や部分陰における太陽電池の特性演算を行う（Ｓ２０７〜Ｓ２０９）。

故障・部分陰の特性演算は、太陽電池特性式のパラメータである直列抵抗値Rs増加させ、日射量pを減少させることで実施する（Ｓ２０７）。パラメータ変更後、太陽電池特性式は再度数値演算され（Ｓ２０８）、比較部１において測定された電圧値・電流値と比較される（Ｓ２０９）。比較結果が一致するまでパラメータの変更と数値演算を繰り返す。なお、直列抵抗値と日射量の変更だけでは比較結果が一致しない場合、バイパスダイオードの接続条件を変更する。比較結果が一致した後、演算結果として直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vb、閾値抵抗値Rthを演算結果として出力するステップ（Ｓ２１０）に移行する。

このように、太陽電池から実測した温度、日射量を用いて、太陽電池特性式の数値演算を行う。その後、実測した電圧値、電流値と一致するように、太陽電池特性式のパラメータである直列抵抗値、日射量を変更することで太陽電池特性式の数値演算を行い、直列抵抗値、日射量、逆バイアス電圧の最小値を算出する。これにより、太陽電池の発電環境における特性を把握することができる。さらに、正常状態の特性を用いて閾値抵抗値Rthも算出することにより、異常検出部２にて、故障の詳細な分類を可能とする。

以下、太陽電池特性式、数値演算、故障・部分陰の特性演算、閾値抵抗値に着目し、特性演算部１の詳細を説明する。

はじめに、式（１）に示す太陽電池特性式の説明を行う。図３は太陽電池の等価回路を示し、式（１）はその等価回路の特性を示す。式（１）の第１項目は直流電流源１４で表され、第２項目は主にダイオード１５の特性を示し、第３項目はシャント抵抗値１６の特性を示す。直列抵抗値１７は、セル１０間などの接続抵抗値を示す。太陽電池モジュール１２は、セル１０の直列接続とバイパスダイオード１３からなる単位を複数接続することで構成される。この単位をクラスタ１１と呼ぶ。このように、太陽電池はセル１０やクラスタ１１など、さまざまな単位の集合体で構成されることが分かる。式（１）はこのような集合体の特性を表すことも可能であり、N=１が代入されると、セル１０の特性を表すことができる。セル１０が直列接続されたクラスタ１１やモジュール１２の特性を表す場合、セル同士の性能がほぼ一定であるという条件であれば、Nをクラスタ１１やモジュール１２を構成するセルの直列数に設定することで、大きな単位で演算が可能となる。これを、本明細書では演算単位と呼ぶことにする。

例えばモジュール１２の特性を計算する場合、以下のような選択、変更が可能となる。まずセル単位で演算をする場合、モジュール１２が例えば５４個のセルで構成されているとすれば、特性式を５４回計算し、それぞれを足し合わせることでモジュール１２の特性を導く。この場合、セル１０単位で特性を表現できるため、演算結果の精度が非常に高くなるが、計算負荷が大きくなる。

次に、モジュール１２やクラスタ１１単位で演算を行う場合、計算回数が大幅に削減することができる。セルの特性ばらつきが少ない太陽電池では、大きな演算単位を選択することも有効である。大きな演算単位を用いる場合は、温度や日射量がセルによって微妙にばらつくが、演算単位ごとで平均化して計算してもよい。

次に、式（１）に示した複数のパラメータを決定するステップ（Ｓ２０１）について説明する。本実施例においては、初期値として温度T=25[℃]、日射量p=1.0[kW/m²]の標準条件におけるパラメータを決定する。パラメータ設定方法は、従来から種々示されており、例えばモジュールメーカーより与えられる標準条件における開放電圧Voc、短絡電流Isc、動作電圧Vop、動作電流Iopとモジュール直列抵抗値、温度が１℃変化するごとのIscの変化量を示す温度係数α、温度が１℃変化するごとのVocの変化量を示す温度係数β、曲線補正因子Kにより各パラメータを決定する方法がある。

その後、発電環境の温度T、日射量pを外部環境計測部により計測したデータをもとに決定して太陽電池の温度特性、日射特性を計算し（Ｓ２０２）、特性式のパラメータを初期値から変更する（Ｓ２０３）。

ここで、外部環境計測部１０４とは太陽電池の温度と日射量を計測するセンサにより構成される。または、太陽電池と同じ素材で製造される基準セルと、基準セルの短絡電流と開放電圧を測定し温度と日射量を計算するCPUや半導体集積回路により構成することも出来る。基準セルの短絡電流と開放電圧は、電極を半導体集積回路などで構成されたスイッチを用いて、短絡または開放することで取得することが可能である。日射量は、実測短絡電流を標準条件の短絡電流で除算することで算出可能である。温度は、実測開放電圧から標準条件の開放電圧を引き、温度係数βとモジュールを構成するセル数で除算することにより25℃からの差分温度を求めることが出来る。

次に数値演算（Ｓ２０３、Ｓ２０８）の詳細について、図４を用いて説明する。特性式のパラメータが決定し、数値演算のステップに移行すると、最初に式（１）の電流IをI=0と設定し（Ｓ４０１）、対応する電圧Vを求める（Ｓ４０２）。電圧Vを求めるための数値演算方法は種々あるが、例えば周知であるニュートン法により演算を行う場合、ニュートン法を用いる上で必要な初期値Vtmpを式（２）に示すとおり設定する。

次に、初期値Vtmpの正負を判定し（Ｓ４０３）、初期値Vtmpが正であるときには、ニュートン法を用いて電流Iに対する電圧Vを算出する（Ｓ４０４）。初期値Vtmpが負であるときには、電圧Vにブレークダウン電圧に設定し（Ｓ４０５）、その電圧に対応する電流I0を計算する（Ｓ４０６）。電流I0が事前に設定した電流Iと一致するか否かを判定し（Ｓ４０７）、一致する場合には、バイパスダイオードの動作特性を演算するステップに移行する（Ｓ４０８）。

ここでは、バイパスダイオードが接続条件（バイパスダイオードが接続されている場合と接続されていない（故障している）場合）により計算方法を変更する。ステップＳ２０３では、太陽電池は正常状態であるとし、バイパスダイオードが接続されているものとして計算を進める。また、ステップＳ２０８において、直列抵抗値と日射量の変更だけでは比較結果が一致しない場合、バイパスダイオードが接続されていないと判断してブレークダウン電圧Vをそのまま出力する。バイパスダイオードが接続されている場合、バイパスダイオードの動作電圧Vbdが電圧Vより大きいか否かを判定し（Ｓ４１０）、大きい場合には電圧VをVbdとする（Ｓ４１１）。

ステップＳ４０７において、電流I0と電流Iが一致しない場合には、電圧VをΔV変化させ（Ｓ４０９）、再度電流I0を計算し電流Iと一致するまで再計算を行う。

電流Iに対する電圧Vの算出が終了し、電流Iが規定した電流Imaxになるかを判定し（Ｓ４１２）、電流Iが電流Imaxの場合には数値計算のフローを終了する。逆に、Imax以下であれば電流をΔI増加させ上述のフローを繰り返す（Ｓ４１３）。

この数値演算手法では、初期値Vtmpが正の電圧範囲（第１象限）か負の電圧範囲（第２象限）かによって、数値演算の方式を変更することを特徴とする。この演算方式は、象限を問わず数値計算が正確に実行できるため、例えばバイパスダイオードの故障を含めた、太陽電池の故障や部分陰の特性をより正確に演算することが出来る。以下、数値演算方法について詳細を記す。

図５は、正の電圧範囲（第１象限）のモジュール１２特性を、ニュートン法を用いて計算した結果である。電流Iをパラメータとし電圧Vを求めることで、電流-電圧特性の変曲点を精度良く表現できることが分かる。しかし、ニュートン法のみを用いた計算では負の電圧範囲（第2象限）において計算精度が著しく低下する。上述した式（２）を初期値として用いると、電流IがIsc・pより大きい時、つまり負の電圧を計算結果として出力する場合に、自然対数lnが不定値を出力する。このため、第2象限の特性を正確に演算することが出来ない。

そこで、図４に示すように正の電圧範囲（第１象限）の範囲ではニュートン法を使用し、負の電圧範囲（第２象限）では電圧を一度ブレークダウン電圧に設定し、電圧をΔVごとに逐次変更して電流I0を計算し、電流Iを探索する数値演算を実行する。これにより、象限を問わず太陽電池特性の計算が可能となる。

図６は、１種類の演算方法のみで特性を計算した場合と、2種類の演算方法を組み合わせた場合の演算結果である。図６（ｂ）は、図６（ａ）における、電圧−５０Ｖ〜＋５０Ｖを拡大表示したものである。演算方式が1種類で計算した場合、負電圧の範囲では正しい演算結果が出力されず、グラフに変曲点が発生している。しかし、2種類の演算を組み合わせると、正電圧から負電圧へ計算範囲は変わっても、滑らかな変化で特性を再現し、正確な特性を演算できていることが確認できる。この演算方式は特に、バイパスダイオードが故障した際の特性を再現する際に有効である。通常、負電圧の範囲（第2象限）では、バイパスダイオードが動作するためバイパスダイオードの動作電圧Vbdで計算結果が飽和する。しかし、バイパスダイオードが接続されていない、もしくは故障している場合は大きな負電圧がダイオード特性として発生する。この大きな負電圧の最小値を逆バイアス電圧の最小値Vbとする。このような計算結果の違いにより、バイパスダイオードの故障を判定することが出来る。

さらに、故障・部分陰の特性演算（Ｓ２０６〜Ｓ２０９）について詳細を説明する。故障・部分陰の特性演算は、図７に示す故障や部分陰による特性変化が、直列抵抗値Rsと日射量pのパラメータ変更によって再現できることを利用している。これにより、故障・部分陰特性の演算を容易にすることができる。以下、詳細を説明する。

発電状態での正常特性の演算終了後、太陽電池から測定した電圧値・電流値と正常特性の演算結果である電圧値・電流値を比較部１に入力する（Ｓ２０６）。比較部１においては、特性演算の計算誤差を考慮して比較結果を出力する必要がある。特性演算の結果が実測と所定値（例えば±１%）の誤差で一致するとあらかじめ分かっている場合、比較部１では±１%以内の誤差であれば演算結果と測定結果が一致していると判定する。逆に、特性演算結果と測定結果が±１%以上のずれを示した場合、故障や部分陰が発生していると考え、故障・部分陰の特性演算を開始する。

ここで、図７に故障や部分陰の種類を電流−電圧特性として示す。図７（ａ）は、ハンダ不良を呼ばれる故障モードであり、セル１０とセル１０の間などの配線接続部のハンダが劣化し、図３で示した直列抵抗値１７が大きくなる現象である。高抵抗になったセルは発熱し温度が高くなり、電流−電圧特性としてはダイオード特性が劣化し出力電力が減少する。

図７（ｂ）は、配線の断線と呼ばれる故障モードであり、ハンダが完全にはがれセル間が開放状態になっている状態を示す。断線したセルは直列抵抗値１７が非常に大きくなっている状態と等価であり、断線セルを含むクラスタには電流が流れにくくなる。他のクラスタが正常の場合は、必要とする動作電流を流そうとするため、故障クラスタではバイパスダイオードが動作し電流経路が迂回する。電流−電圧特性としては大きな変曲点が発生する。

図７（ｃ）は、バイパスダイオードの故障を示す電流−電圧特性である。この故障の特徴は、太陽電池の特性が負電圧の範囲（第2象限）において、バイパスダイオードの動作電圧Vbdで飽和しないことと、直列抵抗値の劣化が特徴として挙げられる。Vbdで飽和しない電圧は図6に示したように、大きな負電圧（Ｖbdより小さい逆バイアス電圧の最小値Vb）で飽和する。

図７（ｄ）は、部分陰や充填剤の変色を示す特性である。この２つの現象は、一部のクラスタにおける日射量が他のクラスタに比べて低くなることが特徴であり、配線の断線とは違った形状で電流−電圧特性に変曲点が発生する。

上述のように、故障・部分陰は日射量p、直列抵抗値Rsが主な原因として特性変化を生むことがわかる。つまり、故障や部分陰の特性演算は、正常状態の特性式パラメータに対して、Rsを増加、日射量pを減少させることで実行することが出来る（Ｓ２０７）。パラメータ変更後、数値演算を再度行い（Ｓ２０８）太陽電池から測定した電圧値・電流値と比較し（Ｓ２０９）、比較結果が一致するまでRsやpを変更する。パラメータの変更方法としては、例えば最小二乗法を用いても良い。また、故障すると太陽電池の一部が発熱する場合やパイパスダイオードの接続条件が変化する場合があるため、ステップＳ２０８において、太陽電池特性式数値演算部では、演算単位ごとに温度やバイパスダイオードの接続条件を変更して再計算を行う。演算結果と測定結果が一致すると、演算単位ごとに直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vbを特性演算部の演算結果として、異常検出部２へ入力を行う（Ｓ２１０）。

次に、閾値抵抗値Rthの計算（Ｓ２０５）について、詳細を説明する。閾値抵抗値Rthは抵抗の劣化が原因となるハンダ不良と配線の断線を分類するために使用する値であり、直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vbとともに異常検出部２に入力される。異常検出部２では、特性演算部から入力されるデータを用い、太陽電池の故障や部分陰を図７に示す特性に分類する。

ここで、直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vbだけで分類できない故障はハンダ不良と断線故障である。図7で示したとおり、ハンダ不良と配線の断線故障は直列抵抗値の劣化度合いによって決まる。この2つの故障は特性演算部から出力された抵抗値に閾値を設けることで分類が可能となる。閾値抵抗値Rthは以下のように決定する事が出来る。

はじめに、配線の断線を検出するための閾値抵抗値1（Rth1）の算出方法について説明する。配線の断線故障は、セルとセルを繋ぐハンダがはがれ、故障セルを含むクラスタに、他の正常なクラスタの動作電流が流せなくなる状態を示す。この時、故障したクラスタに接続されたバイパスダイオードが動作し、必要な動作電流を流すための迂回路が形成される。

これを電流−電圧特性として表すと、図８に示すように故障したクラスタの発電環境における最大電流Isc*p（短絡電流Isc×日射量p）が、発電環境における正常クラスタの動作電流Iopoと一致する状態まで抵抗値が劣化した状態として示すことが出来る。この時の直列抵抗値Rsは、式（１）において、電圧Vに0を代入し、電流Iに発電状態における正常状態の動作電流Iopo、日射量pに発電サイトの日射量、Ncellにクラスタを構成するセル数を入力することで算出可能である。なお、Rshは、一般的に非常に大きいと仮定できる。その結果、式（３）が配線の断線故障を示す閾値抵抗値1（Rth1）である。

次に、ハンダ不良を分類するための閾値抵抗値２（Rth2）の算出方法について説明する。閾値抵抗値２（Rth2）は、モジュールの発電電力がどの程度損失したかで定義することができる。ＪＩＳ規格においては、電力損失１０％になる故障が、ハンダ不良と定義されている。

図９は、直列抵抗値Rsと、３つのクラスタから構成されるモジュールにおいて１クラスタが故障した場合の電力損失量を示したグラフである。グラフが示すとおり、直列抵抗値RsがRth1まで劣化する場合、直列抵抗値Rsに対して電力損失量が変化している。また、直列抵抗値RsがRth1以上になると、配線が断線するため、バイパスダイオードが動作し電力損失量は一定になる。このグラフは、式(８)により表現することができる。式(４)〜(５)は、式(８)の導出過程を示す。ｎはモジュールを構成するクラスタ数、mは故障したクラスタ数、I_Eは発電環境において故障した太陽電池の動作電流である。式(８)により、例えば、電力損失量が１０%となる直列抵抗値Rsをハンダ不良と定義すると、P_lossに0.1、I_Eに電力損失量が１０%となる場合の動作電流を代入し、直列抵抗値Rsについて方程式を解くことでRth2を算出できる。

また、直列抵抗値Rsと動作電流IEを発電サイトにおいて測定することが出来れば、ソーラーシミュレータなどを用いて室内で電力損失量を測定することなく、発電サイトで直列抵抗値Rsの劣化による電力損失量を容易に算出することもできる。

ここで、式(８)の導出過程を説明する。式(４)は式(１)を用いて、劣化した直列抵抗によるモジュールの電力損失量を示した式である。分母は正常状態の発電電力量を表し、分子は直列抵抗値Rsによる電力損失量を表す。式(５)は式(４)を直列抵抗Rsにより微分した式であり、直列抵抗値Rsの変化に対する電力損失量の変化量を示す。式(６)は式(５)を用いて、改めてモジュールの電力損失量を表した式である。第1項目は直列抵抗値RsがRth1以上になった場合、つまり配線が断線した場合の電力損失量を表し、第2項目は配線の断線が起こるまでの電力変化量を示す。

図１２に、配線が断線した場合のクラスタの電流−電圧特性を示す。図示したように、配線が断線すると発電環境における動作電流Iopoが正常状態と同一で、発電環境における動作電圧Vopoのみ故障したクラスタ分減少するという特徴が見られる。つまり、電力損失量は故障したクラスタの数mとモジュールを構成するクラスタの数nの比で定義することができる。このように、配線が断線した場合の電力損失量と、配線の断線が起こるまでの電力変化量を足し合わせることで、電力損失量を容易に表すことができ、式変形を式(７)、(８)と行うことで、Rth1により電力損失量を定義できる。

このように、演算単位ごとに電流−電圧特性を算出し、算出された電流−電圧特性を用いることで、配線の断線を検出するための閾値抵抗値１（Rth1）とハンダ不良を検出するための閾値抵抗値２（Rth2）を算出する。これにより、配線の断線とハンダ不良に起因する直列抵抗値によって、配線の断線とハンダ不良を分類することが可能となる。

次に、図１０を用いて、異常検出部２の説明を行う。異常検出部2に入力された演算単位ごとの直列抵抗値Rs、日射量p、逆バイアス電圧の最小値Vbは異常検出部に入力後、それぞれに対して比較演算を行う。その後、分類部１１２において、正常と異常、具体的には正常、故障（ハンダ不良、配線の断線、バイパスダイオードの故障、充填剤の変色）、部分陰の検知、分類がなされる。

演算単位ごとの逆バイアスの最小値Vb1〜Vbn（n個の演算単位がある場合）は比較部４に入力され（Ｓ１００１）、比較部４はバイパスダイオードの動作電圧と一致するか否かを判定する（Ｓ１００２）。バイパスダイオードの動作電圧と一致する演算単位は、「バイパスダイオード異常なし」と判定され（S１００３）、バイパスダイオードの動作電圧と一致しない演算単位は、「バイパスダイオードの故障」と判定する（Ｓ１００４）。

演算単位ごとの直列抵抗値Rs1〜Rsn（n個の演算単位がある場合）は比較部２に入力され（Ｓ１００５）、閾値抵抗値Rth1、Rth2と比較される（Ｓ１００６、Ｓ１００７）。Rht2<「Rs1〜Rsn」<Rth1の場合に該当する演算単位は「ハンダ不良」と分類部にて判定し（Ｓ１００８）、Rth1<「Rs1〜Rsn」の場合に該当する演算単位は「配線の断線」と分類部にて判定される（Ｓ１００９）。また、「Rs1〜Rsn」<Rth2の場合には、「直列抵抗値異常なし」と判定される（Ｓ１０１０）
演算単位ごとの日射量p1〜pn（n個の演算単位がある場合）は比較部３に入力され（Ｓ１０１１）、n個の演算単位間の日射量が一致しているか否かを判定する（Ｓ１０１２）。部分陰および充填剤の変色が生じていない場合には、それらに起因する日射量がすべての演算単位間で一致すると捉え、n個の演算単位間の日射量が一致しているときには「日射量異常なし」と判定する（Ｓ１０１３）。一方、日射量がすべて一致していない場合、部分陰および充填剤の変色と分類される。この時、常時不一致か否かを判定し（Ｓ１０１４）、慢性的に不一致が続いている場合には充填剤の変色と判定し（Ｓ１０１５）、一定時間のみ不一致の場合には部分陰と判定する（Ｓ１０１６）。ここで、慢性的か一定時間かの判断は、すべての測定回数に対する不一致の回数の割合が所定値を超えるか否かで判断すればよい。

その後、すべての項目について異常なしか否かが判定され（Ｓ１０１７）、異常なしと判定される場合、正常であると判定される（Ｓ１０１８）。一方、異常ありと判定される場合、その分類内容に応じて、出力部１１３から各種アラームが出力される（Ｓ１０１９）。

このように、異常検出部２では、太陽電池特性式のパラメータと閾値抵抗値Rthを用いることで、正確に故障と部分陰の分類を可能としている。

なお、すべての演算単位に部分陰又は充填剤の変色が生じた場合、演算単位ごとの日射量p1〜pnが一致していまい、部分陰又は充填剤の変色と判定されないおそれがある。そこで、外部環境計測部１０４で取得した日射量を比較部３に入力し、その日射量と演算単位ごとの日射量p1〜pnとを比較する。演算単位ごとの日射量p1〜pnが仮に一致していたとしても、日射量p1〜pnが外部環境計測部１０４で取得した日射量よりも小さい場合、すべて演算単位において部分陰又は充填剤の変色が生じていると判定することができる。

図１１は、実施例２に係る太陽光発電システムの構成図である。図１１に示す太陽光発電システムは、太陽電池とパワーコンディショナ（PCS）と電気的負荷より構成され、実施例１の異常検出システムを適用している。図１と同構成については同符号を付し、ここでの説明は割愛する。

太陽電池からの出力はＤＣであるため、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を介して、商用の系統電源に接続する。太陽光発電システムにおいて、インバータ回路と商用の系統電源は、電気的負荷１１０２の役割を担っているとみなすことができる。

パワーコンディショナ（PCS）３の内部では、電流検出部１０２と電圧検出部１０３から太陽電池の動作電圧、動作電流値を検出する。検出された電圧値はアイソレーションアンプ１１０３を介してＡＤ変換器ADC2（１１０５）に入力されてデジタル値に変換後、最大電力点追従部４に入力される。また、検出された電流値はＡＤ変換器ADC1（１１０４）に入力されてデジタル値に変換後、最大電力点追従部４に入力される。

最大電力追従部４は、MPPT部１１０６とパルス幅変調部（PWM部１１０７）から構成され、MPPT部１１０６は検出された電流値や電圧値により最大電力点を追従するために電圧・電流値の増加および減少を決定し、制御信号を発生させる。PWM部１１０７はその制御信号を負荷変動部１１０１に伝えるためのパルス幅変調を行う。PWM部１１０７からの信号はアイソレーションアンプ１１０３を介して負荷変動部１１０１に入力される。負荷変動部１１０１はPWM信号をもとに太陽電池に対する負荷を変化させることで、出力する電圧または電流を制御し、最適な動作点で太陽電池を発電させる。具体的には、負荷変動部１１０１はスイッチング素子を有する直流−直流変換機（DC−DCコンバータ）で構成され、スイッチング素子のスイッチング動作におけるオンとオフである通流率をPWM信号で制御することにより、最適な動作点で太陽電池を発電させる。

一方、電流検出部１０２と電圧検出部１０３から検出された動作電圧と動作電流値は特性演算部１へも入力される。さらに、外部環境計測部１０４で取得された外部環境データもＡＤ変換器ADC3（１１０８）に入力されてデジタル値に変換後、特性演算部１へ入力される。特性演算部１の演算結果は異常検出部２に入力される。分類結果は出力部へと入力されると同時に、最大電力点追従部４にもフィードバックする。最大電力点追従部４は、その分類結果に基づいて制御信号を出力する。このフィードバックループにより、部分陰などで発生する局所的な電力損失を把握できるため、フィードバック信号を元に、MPPT部は最大電力を再度探索することが可能となる。つまり、最大電力点の追従性が向上する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、本発明は、結晶系太陽電池の故障や部分陰検知・分類において有効であるが、薄膜系など異種の太陽電池でもモデルや判定を行う等価回路パラメータを変更することで、正確な故障・部分陰検知・分類が実現可能である。

１…特性演算部
２…異常検出部
３…パワーコンディショナ（PCS）
４…最大電力点追従部
１０…太陽電池セル
１１…太陽電池クラスタ
１２…太陽電池モジュール
１３…バイパスダイオード
１４…直流電流源
１５…ダイオード
１６…シャント抵抗値
１７…直列抵抗値
１０１…太陽電池（ＰＶ）
１０２…電流検出部
１０３…電圧検出部
１０４…外部環境計測部
１０５…太陽電池特性式数値演算部
１０６…比較部１
１０７…直列抵抗値・日射量変更部
１０８…閾値抵抗計算部
１０９…比較部２
１１０…比較部３
１１１…比較部４
１１２…分類部
１１３…出力部

Claims (20)

1. 太陽電池セルを直列に接続して構成される太陽電池と、
   発電中の前記太陽電池の出力電圧値を検出する電圧検出部と、
   発電中の前記太陽電池の出力電流値を検出する電流検出部と、
   外部の環境を示す外部環境データを取得する外部環境計測部と、
   前記出力電圧値、前記出力電流値、及び前記外部環境データを用いて、異常状態における前記太陽電池の特性と前記異常状態を検出するための閾値を算出する特性演算部と、
   前記異常状態における太陽電池の特性と前記閾値とを用いて、前記太陽電池の異常状態を検出する異常検出部と、を有する太陽光発電システム。
2. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記特性演算部は、所定数の前記太陽電池セルが直列に接続される演算単位ごとに、直列抵抗値、日射量、逆バイアス電圧の最小値、及び前記異常状態を検出するための閾値抵抗値を算出する太陽光発電システム。
3. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記特性演算部は、前記外部環境データを用いて前記演算単位ごとに正常状態における電流−電圧特性を算出し、前記正常状態における電流−電圧特性を用いて、配線の断線を検出するための第１の閾値抵抗値とハンダ不良を検出するための第２の閾値抵抗値を算出する太陽光発電システム。
4. 請求項３に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記第１の閾値抵抗値は、発電サイトにある前記演算単位の最大電流と、前記正常状態における電流−電圧特性の示す動作電流とが一致することを条件として算出された直列抵抗値である太陽光発電システム。
5. 請求項３に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記第２の閾値抵抗値は、前記太陽電池の電力損失量が所定値になることを条件として算出された直列抵抗値である太陽光発電システム。
6. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記特性演算部は、前記外部環境データを用いて前記演算単位ごとに正常状態における電流−電圧特性を算出し、前記正常状態における電流−電圧特性と、前記出力電圧値及び前記出力電流値とが一致するように変化させた、直列抵抗値と日射量を算出する太陽光発電システム。
7. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記異常検出部は、前記太陽電池のハンダ不良、配線の断線、バイパスダイオードの故障、充填剤の変色、及び部分陰を検出する太陽光発電システム。
8. 請求項３に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記異常検出部は、前記直列抵抗値が前記第２の閾値抵抗値より大きく前記第１の閾値抵抗値より小さい場合にハンダ不良と判定し、前記直列抵抗値が前記第１の閾値抵抗値より大きい場合に配線の断線と判定する太陽光発電システム。
9. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
   前記異常検出部は、前記逆バイアス電圧の最小値がバイパスダイオードの動作電圧と等しくない場合に、前記バイパスダイオードの故障と判定する太陽光発電システム。
10. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記異常検出部は、前記演算単位間の日射量が一定時間のみ不一致である場合に部分陰と判定し、前記演算単位間の日射量が慢性的に不一致である場合に充填剤の変色と判定する太陽光発電システム。
11. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記演算単位は、前記太陽電池セルの直列接続数に応じて変更できる太陽光発電システム。
12. 請求項２に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記特性演算部は、前記演算単位ごとに電流−電圧特性を算出するときに、初期電圧値の象限に応じて算出方法を変更する太陽光発電システム。
13. 請求項１２に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記特性演算部は、前記初期電圧値が第１象限の場合にニュートン法を用い、前記初期電圧値が第２象限の場合に電圧の逐次変更による演算を用いる太陽光発電システム。
14. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記外部環境計測部は、センサにより温度と日射量を計測するか、又は、基準セルの短絡電流と開放電圧から温度と日射量を算出する太陽光発電システム。
15. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記特性演算部は、前記異常状態における太陽電池の特性を用いて直列抵抗の劣化による電力損失量を計算する太陽光発電システム。
16. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記異常検出部の検出結果に応じた情報を外部へ出力する出力部を有する太陽光発電システム。
17. 請求項１に記載の太陽光発電システムにおいて、
    前記太陽電池に接続される負荷変動部と、
    前記出力電圧値と前記出力電流値に基づいて、前記太陽電池の出力電力値が最大電力値となるように前記負荷変動部に制御信号を出力する最大電力点追従部と、をさらに有し、
    前記異常検出部は、前記太陽電池の異常状態の検出結果を前記最大電力点追従部に出力し、
    前記最大電力点追従部は、前記検出結果に基づいて前記制御信号を出力する太陽光発電システム。
18. 太陽電池セルを直列に接続して構成される太陽電池の異常検出方法であって、
    発電中の前記太陽電池の出力電圧値を検出し、
    発電中の前記太陽電池の出力電流値を検出し、
    外部の温度と日射量を取得し、
    前記温度と前記日射量を用いて正常状態における前記太陽電池の特性を算出し、
    前記出力電圧値と前記出力電流値に基づいて、前記正常状態における太陽電池の特性が示す直列抵抗値と日射量とバイパスダイオードの接続条件を変動させることで、異常状態における前記太陽電池の特性と前記異常状態を検出するための閾値を算出し、
    前記異常状態における太陽電池の特性と前記閾値とを用いて、前記太陽電池のハンダ不良、配線の断線、バイパスダイオードの故障、充填剤の変色、及び部分陰を検出する異常検出方法。
19. 請求項１８に記載の異常検出方法において、
    所定数の前記太陽電池セルが直列に接続される演算単位ごとに、直列抵抗値、日射量、逆バイアス電圧の最小値、及び前記異常状態を検出するための閾値抵抗値を算出する異常検出方法。
20. 太陽電池セルを直列に接続して構成される太陽電池の異常検出システムであって、
    発電中の前記太陽電池の出力電圧値を検出する電圧検出部と、
    発電中の前記太陽電池の出力電流値を検出する電流検出部と、
    外部の環境を示す外部環境データを取得する外部環境計測部と、
    前記出力電圧値、前記出力電流値、及び前記外部環境データを用いて、異常状態における前記太陽電池の特性と前記異常状態を検出するための閾値を算出する特性演算部と、
    前記異常状態における太陽電池の特性と前記閾値とを用いて、前記太陽電池の異常状態を検出する異常検出部と、を有する異常検出システム。

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