JP2013131659A

JP2013131659A - 監視装置

Info

Publication number: JP2013131659A
Application number: JP2011280711A
Authority: JP
Inventors: Toru Kono; 亨河野; Akihiro Nakamura; 明博中村; Tomoharu Nakamura; 知治中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-07-04

Abstract

【課題】複数の温度を計測することなく、太陽電池アレイ内の温度分布を算出する。
【解決手段】太陽電池の監視装置であって、太陽電池アレイ単位での動作温度と日射量の情報と気温から前記太陽電池アレイにかかる風速を算出する機能を有し、前記太陽電池アレイにかかる風速と風向を用いた乱流解析によって前記太陽電池アレイ内の風速分布を算出する手段と、前記風速分布から太陽電池アレイ内の動作温度分布を算出する手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は監視装置に関し、より具体的には、太陽電池アレイの動作温度の分布を把握する監視装置およびそれを搭載したコンピュータプログラムに関する。

図１は、太陽電池アレイの構成を示す図である。直列接続された複数の太陽電池セルにバイパスダイオード２を並列接続する。このバイパスダイオードによって仕切られた複数の太陽電池セルを太陽電池モジュール１と呼ぶ。この太陽電池モジュールを直列接続したものがストリング４である。太陽電池アレイ５は、ストリングに逆流防止ダイオード３を介して、複数を並列接続することによって構成されている。（逆流防止ダイオード３は、起電力が低下したストリングに対して、他のストリングから電流が逆流することによって電力損失が発生することを防止することを目的として搭載されている。）
この太陽電池アレイの動作を制御するために、パワーコンディショナ６を用いる。パワーコンディショナには、太陽電池アレイから最大の出力を得るためのＭＰＰＴ(Maximum Power Point Tracking)制御機能と商用の系統電源に接続するためのＤＣ／ＡＣインバータ機能が搭載されている。

太陽電池アレイを構成する太陽電池モジュールは、pn接合で構成される半導体素子であることから製造ばらつきが生じる。モジュールの組み立て工程においても、半田面のとりつけ方による抵抗成分といった項目に関して、ばらつきが生じる。この特性ばらつきに起因して、太陽電池アレイから取り出せる最大電力は、太陽電池モジュールが取り出せる最大電力よりも少なくなることが、非特許文献１において示されている。太陽電池モジュールの製造ばらつきは、モジュール供給メーカーの出荷データ等の開示により把握できるため、製造ばらつきによる損失分は定量化することが可能である。

同様に、太陽電池アレイにおける日射量や温度の分布によって、太陽電池モジュールの特性が不均一となり、発電損失が生じる。図２に太陽電池の電流-電圧特性を示す。ある状態における電流―電圧特性を１００aに関して、１００ｂを開放電圧、１００ｃを短絡電流、１００ｄを動作電流、１００eを動作電圧と呼ぶ。太陽電池の動作温度が異なる場合、図２に示すように、１００a、１００ｂ、１００ｃといった異なった特性を示すため、アレイを構成するモジュール特性間に不均一性が発生し、損失に至る。太陽電池アレイ内の温度分布を把握する方法は、図３に示すように太陽電池モジュール１００の裏面に温度センサ１００ｂを付けることで達成される。この手法は、特許文献１の図１１にも記載されている。

特開２０１０−１２３８８０号公報

太陽 / 風力エネルギー講演論文集２００９ p.１４５-１４７

しかしながら、太陽電池モジュール毎に温度センサを付けるという方法は、温度センサの性能ばらつきの影響を受けるため、正確な計測を行うことができない。また、モジュール毎にセンサをつけて、その情報を管理するシステムを実際の発電サイトに設置するにあたり、設置と管理に多くの手間と労力を必要とする課題があった。

そこで、本発明は、太陽電池モジュールの温度を計測することなく、太陽電池アレイ内の温度分布を算出することを目的とする。

本願による課題を解決する手段のうち代表的なものを例示すれば、太陽電池アレイの監視装置であって、太陽電池アレイ単位での動作温度と日射量の情報と気温から前記太陽電池アレイにかかる風速を算出する機能を有し、前記太陽電池アレイにかかる風速と風向を用いた乱流解析によって、前記太陽電池アレイ内の風速分布を算出する手段と、前記風速分布から太陽電池アレイ内の動作温度分布を算出する手段を有することを特徴とする。

本発明は、太陽電池アレイ内の温度分布を気温と日射量と風向の計測値のみ、もしくは、気温と風向の計測値のみから把握することができる。

太陽電池アレイの構成を示す図である。太陽電池モジュールの温度の違いに起因した特性ばらつきを示す図である。太陽電池モジュールの動作温度を測定する従来実施形態を説明するための図である。本発明の太陽電池アレイの動作温度の分布を把握する方法の実施形態を示す図である。本発明の太陽電池アレイの動作温度の分布を把握する方法に関して、図４と別の実施形態を示す図である。図４もしくは図５に示した実施例をソフトウェアにした場合のインターフェイスを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面については、同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４と図５は、本発明の実施例を示したものである。まず、アレイとしての日射強度1.0kW/m²、常温298Kにおける短絡電流、開放電圧、動作電圧、動作電流を算出しておく。ここで、パワーコンディショナ内にて測定される最大出力点の動作電流I’opに定数ｊを掛けることにより、短絡電流I’scを算出し、アレイとしての日射強度1.0 kW/m²、常温 298Kにおける短絡電流で割ることにより、日射量の暫定値p’0を算出する。ここで算出された日射量は、温度の補正が入っていないため、あくまで暫定値である。

次に、開放電圧Vocについては、式(1)で表され、その温度特性については、式(２)のように表すことができる。
Voc=((n・k・T)/q)・ln(Isc/Is)…(1)
∂Voc/∂T=(Voc/T)−(1/T)・((3・n・k・T)/q＋(Ego/q))…(2)
ここで、Is：逆方向飽和電流[A]、Isc：短絡電流[A]、T：太陽電池素子絶対温度[K]、k：ボルツマン定数[J/K]、q：電子の電荷量[Ｃ]、ｎ：接合定数、Ego：バンドギャップ[eV]である。

基準温度における最大出力点における動作電圧Vopと動作電流Iopに注目すると、
Vop=((n・k・T)/q)・ln((Isc−Iop)/Is)…(3)
式(1)と式(3)よりIsを消去すると、
(Vop−Voc)/T=((n・k)/q)・ln((Isc−Iop)/Isc)…(4)
異なる温度Tbに関しても同様に求めて、
(Vop[Tb]−Voc[Tb])/Tb=((n・k)/q)・ln((Isc[Tb]−Iop[Tb])/Isc[Tb])…(5)
ここで、非特許文献“Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques”Esram Trishan, IEEE Transactions on Energy Conversion Vol.11, No2, pp.439-449, 2007の中において、日射量や温度といった環境が変動した場合においても、Iop≒j・Isc (ｊ:定数)の関係が成り立つと記載されているので、
((n・k)/q)・ln((Isc−Iop)/Isc)=((n・k)/q)・ln((Isc[Tb]−Iop[Tb])/Isc[Tb])…(6)
が成り立ち、Vopの温度変化の式が算出されることとなる。
Vop[Tb]=((Vop−Voc)/(T))・Tb+Voc[b])…(7)
次に、アレイとしての暫定の日射強度p’0 kW/m²、常温 298Kにおける、開放電圧Voc、動作電圧Vopを算出しておく。ここで、暴露サイトにて測定される動作電圧V’op と開放電圧Voc、動作電圧Vopを用いて、暴露サイトの温度T’を算出する。算出式は、式(２)と式(7)を変形した式(8)である。
Tz={V’op−Voc}・298−{((3・n・k・298)/q＋(Ego/q))−Voc}・Ncell・298
T’=Tz/{(Vop−Voc}−{((3・n・k・298)/q＋(Ego/q))−Voc}・Ncell…(8)
この演算により、暴露サイトの温度が判明する。この算出されたアレイの動作温度を基に、日射強度1.0kW/m²、温度T’における短絡電流が求め、短絡電流I’scを割ると、実際の日射量p’が求まる。

図４は、求めた太陽電池アレイの動作温度と日射量から、気温と風向の計測値のみを用いて、太陽電池アレイ内の温度分布を把握する実施形態を示したものである。太陽電池アレイの動作温度と日射量は、PV(Photovoltaic)アレイ温度演算部＆PV(Photovoltaic)アレイ日射演算部10bにおいて上述の手順で計算される。算出された太陽電池アレイの動作温度、日射量と気温計５によって計測された気温から、例えば、式(10)によって太陽電池アレイに掛かる風速を求めることができる。
T’=TA＋{(A/(B×Va^0.8+1)＋2}×p’−2…(10)
ここで、A：設置方式できまる係数１、B：設置方式できまる係数２、TA：気温、Va：風速である。例えば、JIS C 8907の規格においては、架台設置型においてA=46、B=0.41である。式(10)の計算は、PVアレイ内の風速演算部によって行われる。ここで求まったVa：風速とPVアレイを設置する架台の構造情報１２と風向計９において計測された風向から、PVアレイ内の風速分布演算部１３において、乱流解析を用いて、PVアレイ内の風速分布を求める。乱流解析の一例としては、レイノルズ平均とよばれる平均操作に基づく方法とLarge Eddy Simulation(LES)があり、どちらも一般的な解析手法であり、これらの解析により、容易にPVアレイ内の風速分布が求まる。

最後に、PVアレイ内の風速分布をメッシュ分割し、メッシュ毎に求まるVaを式（10）に代入すると、アレイ内の動作温度の分布に変化する。

図５は、求めた太陽電池アレイの動作温度と日射計７において計測した日射量、気温と風向の計測値のみを用いて、太陽電池アレイ内の温度分布を把握する実施形態を示したものである。太陽電池アレイ内の温度分布の算出方法は、図４と同様であるが、日射量は、演算によって求まったものではなく、計測器によって得られたという点で図４と異なる。また、乱流解析前の太陽電池アレイに掛かる風速を求める段階にて活用する太陽電池アレイの動作温度について、式(8)から算出されたものではなく、図３に示すような温度センサをアレイ単位に設置して得られる値であっても良い。

図６は、図５に示した温度分布の把握手法をソフトウェアにした場合の画面を示したものである。まず、図６(a)に示すように、パワーコンディショナ６から取り込んだ直流電流と直流電圧、日射計７、気温計８、風向計９から計測した日射量、気温、風向の値を取り込み、計算ボタンをクリックする。PVアレイ温度演算部１０aにおいて計算された太陽電池アレイの動作温度は図６(b)に示す画面に表示され、同時に太陽電池アレイの動作温度T’を式(10)に代入することによって得られる太陽電池アレイ全体に掛かる風速値が表示される。

次に、求まった風速と計測から得られた風向きと架台情報を図６(ｃ)に代入し、有限要素法のメッシュ設定を行うことにより、Large Eddy Simulationが実行され、太陽電池アレイ内の風速分布が、図６(d)に示すような画面で表示される。

最後に、式(8)のVa部分に風速分布を代入することにより、太陽電池アレイ内の温度分布に変換され、図６(e)に表示される。また、算出されたアレイの動作温度を基準として、A：設置方式できまる係数１もしくは、B：設置方式できまる係数２にフィードバックし、再設定することによって、より精度の高い温度分布が得られる。

１：太陽電池モジュール、１００：太陽電池モジュール、２：バイパスダイオード、３：逆流防止ダイオード、４：ストリング、５：太陽電池アレイ、６：パワーコンディショナ、７：日射計、８：気温計、９：風向計、１０ａ：温度演算部、１０ｂ：温度演算部および日射演算部、１１：風速演算部、１２：配置情報、１３：風速分布演算部、１４：温度分布演算部、１００ａ：電流―電圧特性、１００ｂ：開放電圧、１００ｃ：短絡電流、１００ｄ：動作電流、１００ｅ：動作電圧、Is：逆方向飽和電流、Isc：短絡電流、T：太陽電池素子絶対温度、k：ボルツマン定数、q：電子の電荷量、ｎ：接合定数、Ego：バンドギャップ、A：設置方式できまる係数１、B：設置方式できまる係数２、TA：気温、Va：風速。

Claims

太陽電池アレイ単位での動作温度と日射量の情報と気温から前記太陽電池アレイにかかる風速を算出する機能を有し、前記太陽電池アレイにかかる風速と風向を用いた乱流解析によって前記太陽電池アレイ内の風速分布を算出する手段と、
前記風速分布から太陽電池アレイ内の動作温度分布を算出する手段と、を有する太陽電池アレイの監視装置。
前記太陽電池アレイの動作温度は、パワーコンディショナの動作電圧と動作電流から算出されることを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
前記太陽電池アレイの日射量は、パワーコンディショナの動作電圧と動作電流から算出されることを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
前記太陽電池アレイの動作温度と日射量は、パワーコンディショナの動作電圧と動作電流から算出されることを特徴とする請求項１に記載の監視装置。
前記太陽電池アレイの動作温度を基準とし、前記風速分布から太陽電池アレイ内の動作温度分布を算出する手段の調整を行うことを有する請求項１に記載の監視装置。