JP2013093611A

JP2013093611A - 太陽電池モジュールの故障診断装置

Info

Publication number: JP2013093611A
Application number: JP2013007465A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yamashita; 征士山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP5534050B2; JP2009043987A

Abstract

【課題】太陽電池モジュールが移動体に搭載されている場合でも、太陽電池モジュールの使用中に太陽電池の故障診断を行うことができる故障診断装置を提供する。
【解決手段】故障診断装置１は、太陽電池３の実出力値を検出する検出手段と、複数のフォトダイオード５Ａ〜５Ｄの出力に基づいて推定される太陽光のスペクトル状態に対応する太陽電池３の第１出力予想値を取得する第１取得手段と、第１出力予想値と実出力値とを比較して太陽電池３の故障判断を行う第１判断手段と、光源からの検査光に対応する太陽電池３の第２出力予想値を取得する第２取得手段と、第２出力予想値と実出力値とを比較して太陽電池３の故障判断を行う第２判断手段とを備え、第２判断手段を用いる検査時診断処理と、第１判断手段を用いる使用時診断処理とを選択的に行い、検査時診断処理においては、太陽電池３の故障診断を行う前にフォトダイオード５Ａ〜５Ｄの故障診断を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の太陽電池を有する太陽電池モジュールの故障診断装置に関するものである。

従来における太陽電池モジュールの故障診断装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の故障診断装置は、複数のパネルからなる太陽電池に入射する光量を検出する光量検出部と、各パネルの発電電圧を検出する電圧検出部と、各パネル間の発電電圧の差を検出する電圧差検出部とを備え、各パネルの電圧値が所定値以下となったとき、または各パネル間の発電電圧に所定値以上の差が生じたときに、太陽電池の異常と判断する。

特開平５−１２２７６０号公報

しかしながら、上記従来技術のように車両等の移動体に太陽電池モジュールが搭載されている場合には、定置型の太陽電池モジュールに比して入力光の状態（強度等）が刻々と変化しやすくなるため、故障判断に用いられる基準値の設定が難しく、結果的に太陽電池の故障診断が困難になるという問題がある。

本発明の目的は、太陽電池モジュールが移動体に搭載されている場合でも、太陽電池モジュールの使用中に太陽電池の故障診断を行うことができる太陽電池モジュールの故障診断装置を提供することである。

本発明は、複数の太陽電池を有する太陽電池モジュールの故障を診断する故障診断装置であって、太陽電池の実出力値を検出する検出手段と、太陽電池モジュールに設けられた波長感度の異なる複数の受光素子と、複数の受光素子の出力に基づいて、太陽電池モジュールに入射される太陽光または人工光のスペクトル状態を推定する推定手段と、推定手段により推定された太陽光または人工光のスペクトル状態に対応する太陽電池の第１出力予想値を取得する第１取得手段と、第１出力予想値と実出力値とを比較して、太陽電池の故障判断を行う第１判断手段と、太陽電池モジュールに対する検査光を発生させる光源を有する検査用治具と、太陽電池モジュールに検査光が入射されたときの太陽電池の第２出力予想値を取得する第２取得手段と、第２出力予想値と実出力値とを比較して、太陽電池の故障判断を行う第２判断手段とを備え、第２判断手段を用いて太陽電池の故障判断を行う検査時診断処理と、第１判断手段を用いて太陽電池の故障判断を行う使用時診断処理とを選択的に行い、検査時診断処理においては、太陽電池の故障診断を行う前に、検査光を受光素子に入射させ、受光素子の出力に基づいて受光素子の故障診断を行うものである。

太陽光スペクトルの主要部は、可視光を中心とした波長４００〜１０００ｎｍの光からなっている。従って、その波長範囲内で波長感度の異なる複数の受光素子を太陽電池モジュールに設けることにより、太陽光が太陽電池モジュールに入射されたときに、各受光素子の出力から太陽光のスペクトル状態を推定することが可能となる。そこで本発明では、複数の受光素子の出力に基づいて、太陽電池モジュールに入射される太陽光または人工光のスペクトル状態を推定し、そのスペクトル状態に対応する太陽電池の第１出力予想値を取得する。そして、第１出力予想値と実出力値とを比較して、太陽電池の故障の有無を判断する。このとき、数多くの太陽光（人工光を含む）スペクトル状態に対応する太陽電池の出力予想値を予め記憶しておくことにより、太陽電池モジュールに入射される太陽光のスペクトル状態が刻々と変化しても、その太陽光スペクトル状態に対応する太陽電池の出力予想値を確実に取得することが可能となる。これにより、太陽電池モジュールが車両等の移動体に搭載されている場合でも、太陽電池モジュールの使用中に太陽電池の故障診断を行うことができる。

また、太陽電池モジュールに対する検査光を発生させる光源を有する検査用治具と、太陽電池モジュールに検査光が入射されたときの太陽電池の第２出力予想値を取得する第２取得手段と、第２出力予想値と実出力値とを比較して、太陽電池の故障判断を行う第２判断手段とを更に備える。

このため、例えば太陽電池モジュールの出荷検査時または入荷検査時に、光源を有する検査用治具を用いて太陽電池の故障診断を簡単に行うことができる。また、太陽電池モジュールの使用前に、各受光素子が故障しているかどうかを確認することもできる。

本発明によれば、太陽電池モジュールが移動体に搭載されている場合でも、太陽電池モジュールの使用中に太陽電池の故障診断を行うことができる。これにより、例えば太陽電池モジュールを保守点検する頻度を少なくすることが可能となる。

本発明に係わる太陽電池モジュールの故障診断装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１に示した太陽電池モジュールの電池セルとフォトダイオードとの配置関係を示す概略平面図である。図１に示した検査用治具の概略平面図である。図１に示した太陽電池モジュール上に検査用治具がセットされた状態を示す概略平面図である。太陽光のスペクトル分布の一例を示す図である。図１に示した故障判定用コントローラにより実行される故障判定処理手順を示すフローチャートである。図６に示した検査時診断処理の詳細を示すフローチャートである。図６に示した使用時診断処理の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明に係わる太陽電池モジュールの故障診断装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる太陽電池モジュールの故障診断装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の故障診断装置１は、例えば乗用車等のルーフに設置された太陽電池モジュール２の故障を診断するものである。

太陽電池モジュール２は、図２に示すように、複数（ここでは１６個）の太陽電池（セル）３を４行４列のマトリクス状に集合させてなるものである。これらの太陽電池３は、単結晶Ｓｉセルであり、直列接続されている。各太陽電池３により得られる発電電力は、バッテリー（図示せず）に蓄電される。

故障診断装置１は、各太陽電池３の発電電圧（出力電圧）を検出する複数の電圧計４と、波長感度の異なる４つのフォトダイオード５Ａ〜５Ｄと、入力器６と、検査用治具７と、故障判定用コントローラ８と、表示器９とを備えている。

フォトダイオード５Ａ〜５Ｄは、図２に示すように、太陽電池モジュール２に設けられている。フォトダイオード５Ａ〜５Ｄは、太陽電池モジュール２に入射される光の光量を検出する受光素子であり、異なる４つの太陽電池３間の隙間に配置されている。また、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄは、太陽光スペクトルの主要部の波長範囲（４００〜１０００ｎｍ）内で互いに異なる波長感度を有している。具体的には、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの受光中心波長は、それぞれ１０００ｎｍ、８００ｎｍ、６００ｎｍ、４００ｎｍである。なお、使用する受光素子としては、フォトトランジスタやＣｄＳ等であっても良い。

入力器６は、操作者が太陽電池モジュール２の故障診断を指示入力するものであり、太陽電池モジュール２の出荷検査時または入荷検査時（以下、単に検査時）の故障診断と太陽電池モジュール２の使用時（動作時）の故障診断とを選択することができる。

検査用治具７は、太陽電池モジュール２の検査時においてのみ使用される。検査用治具７は、図３に示すように、遮光シート１０と４つの光源１１とを有している。遮光シート１０は、光源１１以外の光が太陽電池モジュール２に入らないように遮光するものであり、例えば太陽電池モジュール２に対する位置決め機能を兼ね備えたフレーム付き遮光布で構成されている。光源１１は、太陽電池モジュール２に入射させる検査光として、例えば発光中心波長が７００ｎｍの光を発生させるＬＥＤである。

検査用治具７は、図４に示すように、太陽電池モジュール２上にセットされた状態で使用される。このとき、各光源１１は、検査光を全ての太陽電池３に入射させるように、検査用治具７におけるフォトダイオード５Ａ〜５Ｄに対応する位置に設けられている。

故障判定用コントローラ８は、各電圧計４及びフォトダイオード５Ａ〜５Ｄと検査用配線を介して接続されており、各セル３及びフォトダイオード５Ａ〜５Ｄの出力を監視して異常（故障）判定を行い、その判定結果を表示器９に表示させる。また、故障判定用コントローラ８は、光源１１のＯＮ／ＯＦＦ制御及び光量制御を行う。なお、光源１１から出射される検査光の光量は予め設定されている。

故障判定用コントローラ８のメモリ８ａには、太陽電池モジュール２に入射される複数の太陽光スペクトル分布の状態に対応する各セル３の出力予想値と、光源１１からの検査光が太陽電池モジュール２に入射されたときの各セル３の出力予想値とが予め記憶されている。

一般に太陽光のスペクトル分布は、図５に示すように、朝と昼と夕方とで変化する。図５において、横軸は波長を表し、縦軸はスペクトル強度を表している。また、太陽電池モジュール２が車両等の移動体に備えられている場合には、太陽電池モジュール２に対する太陽光の入射状態（入射角や入射光量等）が刻々と変化し、また太陽光だけでなく人工光も入射されやすくなる。従って、数多くの太陽光（人工光を含む）のスペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値を事前に設定しておく。なお、太陽光スペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値の設定は、例えば太陽光シミュレータを使用して行う。

図６は、故障判定用コントローラ８により実行される故障判定処理手順を示すフローチャートである。

同図において、まず入力器６により太陽電池モジュール２の故障診断が指示入力されたかどうかを判断し（手順Ｓ５１）、故障診断が指示入力されたときは、引き続いて検査時の故障診断が選択されたか使用時の故障診断が選択されたかを判断する（手順Ｓ５２）。このとき、検査時の故障診断が選択されたときは、検査時診断処理を実行し（手順Ｓ５３）、使用時の故障診断が選択されたときは、使用時診断処理を実行する（手順Ｓ５４）。

上記手順Ｓ５３の検査時診断処理の詳細を図７に示す。なお、この検査時診断処理を実行するときには、太陽電池モジュール２上には、図４に示すように検査用治具７がセットされた状態となっている。

図７において、まず光源１１をオンにし、太陽電池モジュール２の各セル３に検査光を入射させる（手順Ｓ６１）。そして、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの出力値（電圧値）を入力し、光源１１から照射される検査光の光量に応じた出力値が得られるか否かを判断することによって、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの故障診断を行う（手順Ｓ６２）。

このとき、検査光の光量に応じた出力値が得られるときは、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄが故障していないと判断し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ６３）。一方、検査光の光量に応じた出力値が得られないときは、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの何れかが故障していると判断し、故障しているフォトダイオードを特定し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ６４）。

上記の手順Ｓ６３を実行した後、検査光の光量に応じた各セル３の出力予想値をメモリ８ａから読み出す（手順Ｓ６５）。そして、各電圧計４の測定値（各セル３の実出力値）を入力し、各電圧計４の測定値と各セル３の出力予想値との差が所定値以下であるかどうかを判断することによって、各セル３の故障診断を行う（手順Ｓ６６）。

各電圧計４の測定値と各セル３の出力予想値との差が所定値以下であるときは、各セル３が故障していないと判断し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ６７）。一方、各電圧計４の測定値と各セル３の出力予想値との差が所定値以下でないときは、何れかのセル３が故障していると判断し、故障しているセル３及びその故障モード（開放、短絡、出力低下等）を特定し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ６８）。

なお、上述した検査時診断処理では、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの故障診断を一括して行い、続いて各セル３の故障診断を一括して行うようにしたが、特にこの方法には限られない。例えば、まずフォトダイオード５Ａの故障診断と当該フォトダイオード５Ａの周囲に位置する４つのセル３の故障診断とを行い、続いてフォトダイオード５Ｂの故障診断と当該フォトダイオード５Ｂの周囲に位置する４つのセル３の故障診断とを行うというように、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄ毎に故障診断を実施しても良い。

上記手順Ｓ５４の使用時診断処理の詳細を図８に示す。なお、この使用時診断処理を実行するときには、検査用治具７が太陽電池モジュール２から取り外された状態となっている。

図８において、まずフォトダイオード５Ａ〜５Ｄの出力値に基づいて、太陽電池モジュール２が現在受けている太陽光のスペクトル状態を推定し（手順Ｓ７１）、この推定した太陽光スペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値をメモリ８ａから読み出す（手順Ｓ７２）。このとき、推定した太陽光スペクトル状態と一致するデータがメモリ８ａに無い場合には、推定した太陽光スペクトル状態に最も近いデータに対応する各セル３の出力予想値を取得する。

続いて、各電圧計４の測定値（各セル３の実出力値）を入力し、各電圧計４の測定値と推定した太陽光スペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値との差が所定値以下であるかどうかを判断することによって、各セル３の故障診断を行う（手順Ｓ７３）。

各電圧計４の測定値と各セル３の出力予想値との差が所定値以下であるときは、各セル３が故障していないと判断し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ７４）。一方、各電圧計４の測定値と各セル３の出力予想値との差が所定値以下でないときは、何れかのセル３が故障していると判断し、故障しているセル３及びその故障モード（開放、短絡、出力低下等）を特定し、その旨を表示器９に表示させる（手順Ｓ７５）。

このとき、電圧計４の測定値の瞬間値、積分値、微分値の何れかをセル３の出力予想値と比較すると、故障しているセル３の特定をより正確に行うことができる。そして、故障したセル３がある場合には、そのセル３のみを回路から電気的に切り離し、例えば直列接続から並列接続へ切り換えるようにする。

以上において、図８に示す手順Ｓ７１の処理は、複数の受光素子５Ａ〜５Ｄの出力に基づいて、太陽電池モジュール２に入射される太陽光のスペクトル状態を推定する推定手段を構成する。メモリ８ａ及び図８に示す手順Ｓ７２の処理は、推定手段により推定された太陽光のスペクトル状態に対応する太陽電池３の出力予想値を取得する第１取得手段を構成する。図８に示す手順Ｓ７３の処理は、第１取得手段により取得された太陽電池３の出力予想値と検出手段４により検出された太陽電池３の実出力値とを比較して、太陽電池３の故障判断を行う第１判断手段を構成する。メモリ８ａ及び図７に示す手順Ｓ６１，Ｓ６５の処理は、太陽電池モジュール２に検査光が入射されたときの太陽電池３の出力予想値を取得する第２取得手段を構成する。図７に示す手順Ｓ６６の処理は、第２取得手段により取得された太陽電池３の出力予想値と検出手段４により検出された太陽電池３の実出力値とを比較して、太陽電池３の故障判断を行う第２判断手段を構成する。

以上のように本実施形態にあっては、波長感度の異なるフォトダイオード５Ａ〜５Ｄを太陽電池モジュール２に設けると共に、複数の太陽光スペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値を故障判定用コントローラ８のメモリ８ａに予め記憶させておく。そして、太陽電池モジュール２を使用する際には、フォトダイオード５Ａ〜５Ｄの出力値から、太陽電池モジュール２に入射される現在の太陽光のスペクトル状態を推定し、この太陽光スペクトル状態に対応する各セル３の出力予想値と各セル３の実出力値とを比較することにより、各セル３の故障を判断する。従って、太陽電池モジュール２への太陽光の入力状態が刻々と変化しても、各セル３の故障診断を行うことができる。これにより、太陽電池モジュール２が移動車両に搭載されている場合でも、太陽電池モジュール２の使用（動作）中の故障診断を確実に行うことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば１つの太陽電池モジュール２に含まれる太陽電池（セル）３及び受光素子の数としては、特に上記実施形態のものには限られない。

また、太陽電池モジュール２における各太陽電池３の接続形態については、上記実施形態のような直列接続ではなく並列接続でも良く、あるいは直列接続及び並列接続の両方を含むものであっても良い。各太陽電池３の接続形態が並列接続である場合には、太陽電池３の出力を検出する手段としては、上記の電圧計の代わりに電流計を用いる。

さらに、本発明の故障診断装置１は、上記実施形態のように車両等の移動体に太陽電池モジュール２が搭載されるものだけでなく、住宅用等のような定点設置型の太陽電池モジュールにも適用できることは言うまでもない。

１…故障診断装置、２…太陽電池モジュール、３…太陽電池（セル）、４…電圧計（検出手段）、５Ａ〜５Ｄ…フォトダイオード（受光素子）、７…検査用冶具、８…故障判定用コントローラ（推定手段、第１取得手段、第１判断手段、第２取得手段、第２判断手段）、８ａ…メモリ（第１取得手段、第２取得手段）、１１…光源。

Claims

複数の太陽電池を有する太陽電池モジュールの故障を診断する故障診断装置であって、
前記太陽電池の実出力値を検出する検出手段と、
前記太陽電池モジュールに設けられた波長感度の異なる複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の出力に基づいて、前記太陽電池モジュールに入射される太陽光または人工光のスペクトル状態を推定する推定手段と、
前記推定手段により推定された太陽光または人工光のスペクトル状態に対応する前記太陽電池の第１出力予想値を取得する第１取得手段と、
前記第１出力予想値と前記実出力値とを比較して、前記太陽電池の故障判断を行う第１判断手段と、
前記太陽電池モジュールに対する検査光を発生させる光源を有する検査用治具と、
前記太陽電池モジュールに前記検査光が入射されたときの前記太陽電池の第２出力予想値を取得する第２取得手段と、
前記第２出力予想値と前記実出力値とを比較して、前記太陽電池の故障判断を行う第２判断手段とを備え、
前記第２判断手段を用いて前記太陽電池の故障判断を行う検査時診断処理と、前記第１判断手段を用いて前記太陽電池の故障判断を行う使用時診断処理とを選択的に行い、前記検査時診断処理においては、前記太陽電池の故障診断を行う前に、前記検査光を前記受光素子に入射させ、前記受光素子の出力に基づいて前記受光素子の故障診断を行う、太陽電池モジュールの故障診断装置。