JP2012205078A - 太陽光発電用監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池パネルの故障を検出することができ、かつ、一般家庭用から大規模発電所まで、多様な太陽光発電システムに簡易に適用することができる太陽光発電用監視システムを提供する。
【解決手段】複数の太陽電池パネル１〜３からの出力を集約して電力変換装置１１に送り込む太陽光発電システムについての監視システムであって、複数の太陽電池パネル１〜３からの出力電路が集約される接続箱４に計測装置５〜７を設け、各太陽電池パネル１〜３の発電量を計測する。また、計測装置５〜７に接続された子機のＰＬＣモデム８〜１０と、電力変換装置１１側に設けられる親機のＰＬＣモデム１５との間の電力線通信によって計測データを送信し、管理装置１６は、太陽電池パネル１〜３ごとの計測データを収集する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電に用いられる監視システムに関する。

太陽光発電は、最小単位であるセルの集合体によって構成された太陽電池パネルを複数個用意し、これらの出力を集約（並列接続）してから電力変換装置へ送り込む構成となっている（例えば、特許文献１参照。）。電力変換装置はインバータを搭載しており、太陽電池パネルから出力される直流電力を交流電力に変換して出力する。各太陽電池パネルは、逆流防止用のダイオードを内蔵しており、外部からは電流が流れ込まないようになっている。

複数の太陽電池パネルが互いに並列接続されている状態では、いずれかの太陽電池パネルが故障しても、他の太陽電池パネルが正常であれば、発電は特に支障なく持続される。また、太陽光発電は本来、時刻、天候、大気の状態等によって、刻々と発電量が変化するものであるため、いずれかの太陽電池パネルが故障しているという事実が発見されにくい。

一方、発電電力がＭＷ級の大規模な太陽光発電所では、インバータ機能を分散すべく各太陽電池パネルにマイクロインバータ（小容量インバータ）を内蔵したシステムが提案されており、これに付随して、太陽電池パネルごとの発電量を計測することも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このようなシステムによれば、計測結果に基づいて、特定の太陽電池パネルの故障を、発見することも可能である。

特開２０００−１１２５４５号公報（図５） 特開２０１０−２７９２３４号公報

しかしながら、上記のようなマイクロインバータを、既設の太陽電池パネルに採用するには、太陽電池パネルから直流出力を取り出すケーブルを途中で切断し、マイクロインバータを取り付けることが必要となる。このような作業は、現実には困難性を伴う。また、一般家庭用の太陽光発電システムでは、マイクロインバータまで必要ではない。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、太陽電池パネルの故障を検出することができ、かつ、一般家庭用から大規模発電所まで、多様な太陽光発電システムに簡易に適用することができる太陽光発電用監視システムを提供することを目的とする。

（１）本発明は、複数の太陽電池パネルからの出力を集約して電力変換装置に送り込む太陽光発電システムについて、前記太陽電池パネルの発電状況を監視する太陽光発電用監視システムであって、前記複数の太陽電池パネルからの出力電路が集約された場所に設けられ、各太陽電池パネルの発電量を計測する計測装置と、前記計測装置に接続され、前記計測装置による発電量の計測データを送信する機能を有する下位側通信装置と、前記下位側通信装置から送信される前記計測データを受信する機能を有する上位側通信装置と、前記上位側通信装置を介して前記太陽電池パネルごとの前記計測データを収集する機能を有する管理装置とを備えたものである。

上記のように構成された太陽光発電用監視システムでは、各太陽電池パネルの発電量が計測装置によって計測され、計測データは下位側通信装置から上位側通信装置へ送信され、さらに、管理装置により収集される。このようにして各太陽電池パネルの発電量を監視すれば、故障を迅速に発見し、取り替え等の適切な処置を施すことができる。また、計測装置は、複数の太陽電池パネルからの出力電路が集約された場所に設けられるので、当該監視システムは、多様な太陽光発電システムに対して簡易に適用できる。

（２）また、上記（１）の太陽光発電用監視システムにおいて、下位側通信装置及び上位側通信装置は電力線通信の機能を有しており、複数の太陽電池パネルから電力変換装置までの送電路を介して、下位側通信装置から上位側通信装置へ計測データの送信が行われるようにしてもよい。
この場合、太陽光発電システムの送電路を利用して計測データの送信を行うことができる。

（３）また、上記（２）の太陽光発電用監視システムにおいて、計測装置及び下位側通信装置は、複数の太陽電池パネルからの出力電路を集約する接続箱に設けられることが好ましい。
この場合、接続箱には、複数の太陽電池パネルから出力電路（ケーブル）が集まってくるので、計測装置及び下位側通信装置を設けるには最適な場所である。

（４）また、上記（２）又は（３）の太陽光発電用監視システムにおいて、上位側通信装置は、電力変換装置の筐体内又は、筐体外の近傍に設けられることが好ましい。
この場合、接続箱から電力変換装置までの送電路を、計測データの送信に利用することができ、また、上位側通信装置を電力変換装置に付随して簡易に設置することができる。

（５）また、上記（２）〜（３）のいずれかの太陽光発電用監視システムにおいて、複数の太陽電池パネルからの出力電路の各々と、対応する前記下位側通信装置との間に、電力線通信に用いる周波数の信号を遮断するブロッキングフィルタを設けてもよい。
この場合、電力線通信用の高周波信号が太陽電池パネルから空中に放射されることを、確実に防止することができる。

（６）また、上記（１）〜（５）のいずれかの太陽光発電用監視システムにおいて、管理装置は、各太陽電池パネルについての、同一時点における発電量の差に基づいて異常の有無を判定するようにしてもよい。
すなわち、大規模な太陽光発電システムのように複数の太陽電池パネルが同じ向きに同じ姿勢で並んでいる場合においては、同一時点であれば、各太陽電池パネル間の発電量に大差がない、という事実に基づき、例えば他の太陽電池パネルとの発電量の差が、所定の閾値を超える太陽電池パネルは、異常と判定することができる。

（７）また、上記（１）〜（５）のいずれかの太陽光発電用監視システムにおいて、管理装置は、各太陽電池パネルについての、所定期間の発電量の最大値又は積算値に基づいて異常の有無を判定するようにしてもよい。
すなわち、大規模な太陽光発電システムのように複数の太陽電池パネルが同じ向きに同じ姿勢で並んでいる場合においては、各太陽電池パネルについて、所定期間での発電量の最大値又は積算値には大差がない、という事実に基づき、例えば他の太陽電池パネルとの最大値又は積算値の差が、所定の閾値を超える太陽電池パネルは、異常と判定することができる。

本発明の太陽光発電用監視システムによれば、太陽電池パネルの故障を検出することができ、また、当該監視システムは、一般家庭用から大規模発電所まで、多様な太陽光発電システムに簡易に適用することができる。

太陽光発電システムに組み込まれた本発明の第１実施形態に係る太陽光発電用監視システムの主要部分を示す接続図である。 図１では図示を省略したブロッキングフィルタを示す回路図である。 多数の太陽電池パネルを使用した場合の、接続態様の一例を示す接続図である。 太陽光発電システムに組み込まれた本発明の第２実施形態に係る太陽光発電用監視システムの主要部分を示す接続図である。

図１は、太陽光発電システムに組み込まれた本発明の第１実施形態に係る太陽光発電用監視システムの主要部分を示す接続図である。図において、複数（ここでは３個のみ図示している。以下同様。）の太陽電池パネル１，２，３からの出力電路（ケーブル）は接続箱４に集約され、互いに並列に接続されている。すなわち、例えば正極の電路１ｐ，２ｐ，３ｐと、負極の電路１ｎ，２ｎ，３ｎとが、それぞれ、接続箱４の内部で互いに接続され、電路Ｐ，Ｎに直流電圧が出力される。なお、接続箱４は、主として屋外に設けられるものであり、一般に、商用交流電源等は供給されていない。一般家庭用太陽光発電システムの場合には、接続箱は、軒下等に設けられることが多い。

また、接続箱４の内部には、複数の計測装置５，６，７と、複数のＰＬＣ（Power Line Communication）モデム８，９，１０が設けられている。接続箱４には、複数の太陽電池パネル１〜３から出力電路が集まってくるので、計測装置５〜７や及びＰＬＣモデム８〜１０を設けるには最適な場所である。また、既設の接続箱（出力電路の並列接続のみを実現するもの）を、このような接続箱４に取り替えることも容易である。

計測装置５は、電流センサ５１、電圧センサ５２及び計測部５３を備えている。電流センサ５１は、例えばホール素子やシャント抵抗を用いたもので、太陽電池パネル１からの出力電流を検知する。電圧センサ５２は、太陽電池パネル１の出力電圧（電路１ｐ−１ｎ間の電圧）を検知する。計測部５３は、電流センサ５１から出力される電流値（瞬時値）及び、電圧センサ５２から出力される電圧値（瞬時値）を読み取り、定期的にＰＬＣモデム８に出力する。また、計測部５３は、電流値と電圧値との積により電力値も出力することができる。なお、これらの計測データは、一時的に計測部５３に記憶させて、随時、ＰＬＣモデム８に出力するようにしてもよい（以下同様。）。

また、計測装置６は、電流センサ６１、電圧センサ６２及び計測部６３を備えている。電流センサ６１は、太陽電池パネル２からの出力電流を検知する。電圧センサ６２は、太陽電池パネル２の出力電圧（電路２ｐ−２ｎ間の電圧）を検知する。計測部６３は、電流センサ６１から出力される電流値（瞬時値）及び、電圧センサ６２から出力される電圧値（瞬時値）を定期的に読み取り、ＰＬＣモデム９に出力する。また、計測部６３は、電流値と電圧値との積により電力値も出力することができる。

さらに、計測装置７は、電流センサ７１、電圧センサ７２及び計測部７３を備えている。電流センサ７１は、太陽電池パネル３からの出力電流を検知する。電圧センサ７２は、太陽電池パネル３の出力電圧（電路３ｐ−３ｎ間の電圧）を検知する。計測部７３は、電流センサ７１から出力される電流値（瞬時値）及び、電圧センサ７２から出力される電圧値（瞬時値）を定期的に読み取り、ＰＬＣモデム１０に出力する。また、計測部７３は、電流値と電圧値との積により電力値も出力することができる。

ＰＬＣモデム８〜１０は、後述のＰＬＣモデム１５を親機（上位側通信装置）として電力線通信を行う子機（下位側通信装置）のモデムである。モデムの変調方式としては、例えばＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）を採用することができる。使用帯域としては、例えば、２〜３０ＭＨｚを用いることができるが、他にも、１０〜４５０ｋＨｚや、１０ｋＨｚ以下の帯域も使用可能である。ＰＬＣモデム８〜１０は、接続箱４の出力用の電路Ｐ，Ｎから自身の電源電圧を得るとともに、これらの電路Ｐ，Ｎを通信線としても使用する。

なお、計測装置５〜７に必要な電源電圧は、電路Ｐ，Ｎから取ってもよいし、ＰＬＣモデム８〜１０から供給しても良い。また、計測部５３，６３，７３の機能を、それぞれ、ＰＬＣモデム８，９，１０に内蔵することも可能である。要するに、帰属主体に関わらず、全体として、計測装置５〜８及びＰＬＣモデム８〜１０の機能が実現されればよい。

次に、電力変換装置１１は、インバータ１２及び、その前段に大容量（例えば数千μＦ）の平滑コンデンサ１３を備え、これらは図示のように接続されている。電路Ｐ，Ｎ間に出力される電圧は、平滑コンデンサ１３により平滑化（安定化）され、インバータ１２に供給される。インバータ１２は、例えばＰＷＭ制御されたスイッチング動作によって、直流電力を交流電力に変換して出力する。

また、本実施形態では、電力変換装置１１内に、ＣＴ（変流器）１４及び、親機としてのＰＬＣモデム１５が搭載されている。ＰＬＣモデム１５は、ＣＴ１４を介して電路Ｎと電気的に誘導結合し、これによって、通信信号の抽出及び注入が可能である。例えば子機のＰＬＣモデム８と、親機のＰＬＣモデム１５との間での電力線通信は、ＰＬＣモデム８から電路Ｐ、平滑コンデンサ１３、ＣＴ１４を介して誘導結合したＰＬＣモデム１５、及び、電路Ｎを経て、ＰＬＣモデム８に戻る閉ループを利用して実現される。すなわち、大容量の平滑コンデンサ１３は、電力線通信の高周波信号に対して低インピーダンスであり、そのため、インバータ１２のバイパスラインが形成され、これにより、上記の閉ループが形成されている。他のＰＬＣモデム９，１０についても同様である。なお、ＣＴ１４は、インバータ１２へ入力される直流電流によって磁気飽和を生じないように、コアにエアギャップ１４ｇを設けることが好ましい。

こうして、接続箱４から電力変換装置１１までの送電路を、計測データの送信に利用することができ、また、ＰＬＣモデム１５を電力変換装置１１に付随して、その筐体内に簡易に設置することができる。但し、ＰＬＣモデム１５は、必ずしも電力変換装置１１の筐体内に設けなくてもよい。例えば、筐体外の近傍に設けることも可能である。

ＰＬＣモデム１５は、電力変換装置１１とは別に設けられる管理装置１６と、例えばイーサネット（登録商標）により接続されている。管理装置１６は、情報処理や表示の機能を有する端末であり、例えばパソコンである。一般家庭用太陽光発電システムの場合には、発電量表示等を行うモニタ装置を利用して当該管理装置１６とすることも可能である。
なお、通常、電力変換装置１１及び管理装置１６は屋内に設けられ、インバータ１２（駆動用の制御回路も含む。）、ＰＬＣモデム１５及び管理装置１６には、必要な電源が供給される。

上記のように構成された太陽光発電用監視システムでは、日の出により太陽電池パネル１〜３に太陽光が当たると、電路１ｐ−１ｎ間、２ｐ−２ｎ間、３ｐ−３ｎ間、及び、それらを並列接続した電路Ｐ−Ｎ間に直流電圧が発生し、太陽光発電が開始される。この電圧は、光量に限らずほぼ一定である。但し、光量によって電流は大きく変化する。また、電路Ｐ−Ｎ間に直流電圧が発生すると、計測装置５〜７及びＰＬＣモデム８〜１０が起動する。

これにより、各太陽電池パネル１〜３の発電量が計測装置５〜７によって計測され、計測データは、ＰＬＣモデム８〜１０から電力線通信によりＰＬＣモデム１５に送信される。そして、ＰＬＣモデム１５に届いた計測データは、管理装置１６により収集される。このようにして、太陽光発電システムにおける接続箱４から電力変換装置１１への送電路を利用した計測データの送信を行うことができる。

送信する計測データは、基本的には、前述の各電流値、電圧値の瞬時値である。また、これに加えて、あるいは、これに代えて、計測継続時間内の発電量（電流若しくは電力）の最大値又は積算値を送信するようにしてもよい。当該最大値又は積算値は、計測部５３，６３，７３にて演算し、取得することができる。
なお、ＰＬＣモデム８〜１０は瞬時値のみを送信し、管理装置１６にて最大値又は積算値を求めるようにしてもよい。

基本的には、計測データの送信は、定期的に、各太陽電池パネル１〜３について一定のタイミングで行われる。このタイミングを、各太陽電池パネル１〜３で相互に合わせるためには、ＰＬＣモデム８〜１０が内蔵電池により動作する時計を持っているか、又は、親機のＰＬＣモデム１５から時刻同期させる信号を送るようにすればよい。

一方、管理装置１６は逐次送られてくる計測データを記憶する。また、日没により、電路Ｐ−Ｎ間の電圧が失われると、計測装置５〜７及びＰＬＣモデム８〜１０は電源電圧を喪失し、オフの状態となるので、自然に計測データの送信停止となる。なお、計測装置５〜７やＰＬＣモデム８〜１０の消費電力は太陽電池パネル１〜３の発電量に比べて極めて僅かであり、従って、日の出直後や日没直前の日照条件の悪いときでも、計測装置５〜７やＰＬＣモデム８〜１０をオンの状態にするための所要電力を供給することは可能である。

なお、上記とは別に、親機のＰＬＣモデム１５から子機のＰＬＣモデム８〜１０に対して所定のタイミングで情報の提供を求める信号を送り、子機のＰＬＣモデム８〜１０は、求められた時にのみ送信する、という要領で、計測データを送信してもよい。この場合には、子機のＰＬＣモデム８〜１０は、自身で時刻の管理をしなくてもよい。

次に、管理装置１６における異常判定について説明する。
管理装置１６は、ＰＬＣモデム１５を介して、太陽電池パネル１〜３ごとの計測データを収集する機能を有する。そして、管理装置１６は、太陽電池パネル１〜３ごとの計測データに基づき、各太陽電池パネルについての、同一時点における発電量の差に基づいて、異常の有無を判定することができる。例えば、全太陽電池パネルの発電量の平均値を求め、当該平均値との差が所定の閾値以下であれば正常、閾値を超える差となる低い発電量である場合には異常、と判定することができる。

この判定は、大規模な太陽光発電システムのように複数の太陽電池パネルが同じ向きに同じ姿勢で並んでいる場合においては、各太陽電池パネル間の発電量に大差がない、という事実に基づいている。また、一般家庭用の太陽光発電システムであっても、設置条件によって、発電量のパネル間格差が比較的少ない場合には、このような判定を適用することができる。なお、例えば一般家庭用の太陽光発電システムで、全体として発電量のパネル間格差が比較的多い場合には、日照条件が近似したエリア単位で発電量の平均値を求め、これとの比較において閾値を超える差となる低い発電量である場合には異常、とすることもできる。

一方、他の観点による判定として、例えば、管理装置１６は、太陽電池パネル１〜３ごとの計測データを所定時間（例えば１日）にわたって収集し、当該所定期間の発電量の最大値又は積算値に基づいて異常の有無を判定するようにしてもよい。例えば、全太陽電池パネルの最大値又は積算値の平均値を求め、当該平均値との差が所定の閾値以下であれば正常、閾値を超える差となる低い最大値又は積算値である場合には異常、と判定することができる。

この判定も、大規模な太陽光発電システムのように複数の太陽電池パネルが同じ向きに同じ姿勢で並んでいる場合においては、各太陽電池パネルについて、所定期間での発電量の最大値又は積算値には大差がない、という事実に基づいている。また、一般家庭用の太陽光発電システムであっても、設置条件によって、各太陽電池パネルの最大値又は積算値の差が比較的少ない場合には、このような判定を適用することができる。なお、例えば一般家庭用の太陽光発電システムで、全体として最大値又は積算値のパネル間格差が比較的多い場合には、日照条件が近似したエリア単位で最大値又は積算値の平均値を求め、これとの比較において閾値を超える差となる低い最大値又は積算値である場合には異常、とすることもできる。

以上のようにして各太陽電池パネルの発電量等を監視すれば、特定の太陽電池パネルの故障を迅速に発見し、取り替え等の適切な処置を施すことができる。当該監視システムは、特に大規模な太陽光発電システムに極めて有用である。
なお、上記のような平均値を基準とした比較は一例に過ぎず、平均値を求めずに、パネル間で相互比較することにより、異常の有無を判定してもよい。

図２は、図１では図示を省略したブロッキングフィルタ２０を示す回路図である。なお、図２では太陽電池パネル１のみを図示しているが、他の太陽電池パネル２，３についても同様に、ブロッキングフィルタが設けられる。ブロッキングフィルタ２０は、インダクタ２１と、キャパシタ２２とからなるＬＣフィルタであり、電力線通信の高周波信号が太陽電池パネル１に達しないように、ここで阻止している。このようなブロッキングフィルタ２０を設けることにより、電力線通信の高周波信号が太陽電池パネル１から空中に電磁波として放射されることを防止することができる。なお、高周波信号が放射されると、他の無線機器の通信に干渉を与える恐れがある。但し、このような高周波信号の放射に関する規制は、各国の法による違いもあり、ブロッキングフィルタが必ず必要とは限らない。

図３は、多数の太陽電池パネルを使用した場合の、接続態様の一例を示す接続図である。図において、接続箱４Ａ内では、太陽電池パネル１Ａ，２Ａ，３Ａの出力が並列に接続される。接続箱４Ｂ内では、太陽電池パネル１Ｂ，２Ｂ，３Ｂの出力が並列に接続される。さらに、接続箱４Ｃ内では、太陽電池パネル１Ｃ，２Ｃ，３Ｃの出力が並列に接続される。そして、接続箱４Ｄにおいて、接続箱４Ａ，４Ｂ，４Ｃの出力が並列に接続される。このように複数段に接続箱を設けることで、多数の太陽電池パネルを並列接続することができる。この場合、パネル直近の接続箱４Ａ，４Ｂ，４Ｃに図１と同様の計測装置や子機のＰＬＣモデムを設け、電力変換装置内に親機のＰＬＣモデムを設けることにより同様に、電力線通信を行うことができる。

図４は、太陽光発電システムに組み込まれた本発明の第２実施形態に係る太陽光発電用監視システムの主要部分を示す接続図である。図１との違いは、接続箱４内の構成にあり、その他の構成は図１と同様である。すなわち、接続箱４の内部には、１つの計測装置１７と、１つのＰＬＣモデム１８が設けられている。電流センサ１７１及び電圧センサ１７２は、それぞれ、太陽電池パネル１，２，３に対応して複数組設けられている。計測部１７３は、これら全てのセンサ入力を同時に取り込むことができ、ＰＬＣモデム１８へは、順番に計測データを出力する。ＰＬＣモデム１８は、順番に、全ての計測データを上位側のＰＬＣモデム１５に送信する。

このような接続箱４内の構成は、子機のＰＬＣモデム１８が１個であり、計測部１７３も１個である点で、簡素化される。但し、その分、計測部１７３やＰＬＣモデム１８の機能負担は相対的に重くなる。

なお、上記各実施形態において、通信装置としてはＰＬＣモデムを使用した。これは、太陽光発電の送電路を利用できる点で好適である。但し、基本的には必ずしもＰＬＣモデムでなくてもよく、無線通信機を使用することも可能である。

また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１〜３：太陽電池パネル
４：接続箱
５〜７：計測装置
８〜１０：ＰＬＣモデム（下位側通信装置）
１１：電力変換装置
１５：ＰＬＣモデム（上位側通信装置）
１６：管理装置
１７：計測装置
１８：ＰＬＣモデム（下位側通信装置）
２０：ブロッキングフィルタ

Claims (7)

1. 複数の太陽電池パネルからの出力を集約して電力変換装置に送り込む太陽光発電システムについて、前記太陽電池パネルの発電状況を監視する太陽光発電用監視システムであって、
   前記複数の太陽電池パネルからの出力電路が集約された場所に設けられ、各太陽電池パネルの発電量を計測する計測装置と、
   前記計測装置に接続され、前記計測装置による発電量の計測データを送信する機能を有する下位側通信装置と、
   前記下位側通信装置から送信される前記計測データを受信する機能を有する上位側通信装置と、
   前記上位側通信装置を介して前記太陽電池パネルごとの前記計測データを収集する機能を有する管理装置と
   を備えていることを特徴とする太陽光発電用監視システム。
2. 前記下位側通信装置及び前記上位側通信装置は電力線通信の機能を有しており、
   前記複数の太陽電池パネルから前記電力変換装置までの送電路を介して、前記下位側通信装置から前記上位側通信装置へ前記計測データの送信が行われる請求項１記載の太陽光発電用監視システム。
3. 前記計測装置及び前記下位側通信装置は、前記複数の太陽電池パネルからの出力電路を集約する接続箱に設けられる請求項２記載の太陽光発電用監視システム。
4. 前記上位側通信装置は、前記電力変換装置の筐体内又は、筐体外の近傍に設けられる請求項２又は３に記載の太陽光発電用監視システム。
5. 前記複数の太陽電池パネルからの出力電路の各々と、対応する前記下位側通信装置との間に、電力線通信に用いる周波数の信号を遮断するブロッキングフィルタを設けた請求項２〜４のいずれか１項に記載の太陽光発電用監視システム。
6. 前記管理装置は、前記各太陽電池パネルについての、同一時点における発電量の差に基づいて異常の有無を判定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光発電用監視システム。
7. 前記管理装置は、前記各太陽電池パネルについての、所定期間の発電量の最大値又は積算値に基づいて異常の有無を判定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽光発電用監視システム。

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