JP2014165369A - 太陽電池動作点移動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池に生じた不具合（例えば、セルの劣化や異常、配線の断線、影の影響等）を、有効かつ簡便に検出する技術を提供する。
【解決手段】不具合により太陽電池の電流電圧特性に生じた変化を、太陽電池に定電流源を直列に接続し太陽電池の動作点を移動させることにより電流電圧曲線の変化を検知し、簡易に太陽電池の不具合を検出する太陽電池動作点移動計測法。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池に不具合が生じた場合に、その不具合を簡便に検出する太陽電池動作点移動計測方法に関する。

（太陽光発電システムの概要）
一般的な太陽光発電システムを図４に示す。図４に示すように、太陽電池モジュールが直列に接続されたストリングを複数本まとめて接続箱に配線し、パワーコンディショニングシステム（ＰＣＳ）により直流から交流に変換されて電力として供給される。

太陽光発電システムの性能評価手法に、電流-電圧特性曲線を取得する方法がある。測定の手順としては、接続箱から分離したストリングに電流−電圧特性測定器を接続し、電流−電圧特性曲線を取得する。
電流−電圧特性曲線の概念図を図５に示す。取得した電流−電圧特性曲線の形状や特性値を検証する事により、ストリングの特性や不具合を推測する事が出来る。また、電流−電圧特性曲線はモジュール単体や、セル単体の評価としても使用される。

（太陽電池モジュールの概要）
一般的な結晶系太陽電池モジュールには、日陰や故障による発電量の損失を少なくするためにバイパスダイオード（ＢＰＤ）が複数個接続されている。このＢＰＤで区切られた範囲をクラスタと呼ぶ。結晶系太陽電池モジュールの詳細を図６に示す。

（モジュールの不具合例）
モジュールの不具合例を説明する。ＢＰＤで区切られたクラスタ内に、不具合（セルの劣化や異常、配線の断線、影の影響）があると、電流はＢＰＤで迂回され、電流−電圧特性曲線の形状が変化する。
例として、図６のインターコネクタの半田付け部で経年変化により接触不良が起こり抵抗値の増加があった場合の電流の経路を図７に、電流−電圧特性曲線を図８に示す。

図８の不具合時にＢＰＤがない場合の電流−電圧特性曲線（一点鎖線）は不具合箇所の抵抗値が大きいほど直線部分の傾きが小さくなり、不具合時にＢＰＤがある場合の電流−電圧特性曲線（実線）との交点は下に移動する。
実際に不具合を含んだストリングを測定した時の電流−電圧特性曲線を図９に示す。図９の電流−電圧特性曲線より、ストリングＢの発電量が低下していることが分かる。
このストリングＢ内にはＢＰＤが発熱しているモジュールがあり、そのモジュールを目視したところ、インターコネクタの焦げが確認された。この場合、ＢＰＤで電流が迂回されているのでＢＰＤが発熱する。ＢＰＤが働いている状態をクラスタ落ちと呼ぶ。

次に、クラスタ落ちを検出するための従来の測定手法と問題点について説明する。
（電流−電圧特性測定器について）
上記の例のように電流−電圧特性を取得する事ができれば、その形状により不具合の有無を判断することも可能だが、電流−電圧特性測定器は一般に高価であるとともに、状況を正確に把握するためには良好な気象条件に加え、日射量測定、モジュール温度の測定なども必要になる。電流−電圧特性においては、日射量やセルの温度により短絡電流値や開放電圧値が変化するためである。

（赤外線熱画像について）
クラスタ落ちが発生している状況ではＢＰＤが動作し電流が迂回されているのでＢＰＤの発熱が観測される。この状況を赤外線カメラにより測定する事によりＢＰＤの発熱が確認されると、クラスタ落ち状態であると推測できる。
ただし、ＢＰＤはモジュールに影がかかることによっても動作するので、モジュールの日影状況の確認は必須である。また、陸屋根に設定されているシステムだと裏面からの観察が容易なのでＢＰＤの発熱を見つけやすいが、一般住宅のような寄棟や切り妻屋根などは屋根に登って観測する必要があるため、観測時の自身の影や足場の確保への注意が必要であるという問題が発生する。

（開放電圧測定について）
開放電圧を確認する事により不具合を確認できることもあるが、不具合の状況によっては開放電圧の値は健全なストリングの値とほとんど変化が無い場合もあり、数Ｖの差が不具合かどうかの判断は難しいという問題がある。

（開放電圧測定＋負荷抵抗接続について）
前記開放電圧測定で、電圧計と並列に抵抗を挿入し、電流−電圧特性曲線の動作点をずらして測定する方法がある。
しかし、太陽光発電システムはシステム毎に開放電圧が違うので、測定結果を比較検討するにはオームの法則を用いた動作点の計算が必要となる煩雑さがある。また、システムによって開放電圧は異なるが、例えば開放電圧Ｖｏｃ＝４００Ｖの場合には、負荷電流に１００ｍＡ流すためには４ＫΩの抵抗が必要となり、そのためには４０Ｗ 以上に耐えられるホーロー抵抗などが必要になる。

以上の従来技術では、環境の変化により測定ができない、または不安定である、または費用が増大する等の問題があるため、太陽電池に不具合が生じた場合に、簡便かつ有効な検出手段がなかったといえる。

太陽電池に不具合が生じた場合、太陽電池の電流電圧特性に変化が生じるが、本特許は、簡易に太陽電池の動作点を移動させることにより、太陽電池の不具合（例えば、セルの劣化や異常、配線の断線、影の影響等）を有効かつ簡便に検出する手法を提供することを課題とする。

以上から、本発明は、以下の技術を提供する。
１）太陽電池に定電流源を直列に接続し、太陽電池の動作点を移動させることにより、電流電圧曲線の変化を検知し、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする太陽電池動作点移動計測方法。
２）電流−電圧特性平面において、定電流の直線と太陽電池の電流−電圧特性曲線の交点を太陽電池の動作点とすることを特徴とする上記１）に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
３）定電流源による通電時の太陽電池電圧Ｖｃ’を計測することにより、太陽電池の動作点（電圧、電流）を決定することを特徴とする上記１）又は２）に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
４）得られた動作点電圧Ｖｃ’と開放電圧Ｖｏｃまたは正常な動作点Ｖｃ（不具合がない太陽電池から取得）を比較することにより、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする上記１）〜３）のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
５）太陽電池に直列に接続する定電流源の通電電流を短絡電流値よりもずっと小さな値として検出することを特徴とする上記１）〜３）のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測方法。

６）太陽電池の不具合を検出する装置であって、太陽電池に定電流源を直列に接続し、太陽電池の動作点を移動させ、電流電圧曲線の変化を検知することを特徴とする太陽電池動作点移動計測装置。
７）電流−電圧特性平面において、定電流の直線と太陽電池の電流−電圧特性曲線の交点を太陽電池の動作点とすることを特徴とする上記６）に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
８）定電流源による通電時の太陽電池電圧Ｖｃ’を計測することにより、太陽電池の動作点（電圧、電流）を決定することを特徴とする上記６）又は７）に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
９）得られた動作点電圧Ｖｃ’と開放電圧Ｖｏｃまたは正常な動作点Ｖｃ（不具合がない太陽電池から取得）を比較することにより、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする上記６）〜８）のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
１０）太陽電池に直列に接続する定電流源の通電電流を短絡電流値よりもずっと小さな値とすることを特徴とする上記６）〜９）のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測装置。

太陽電池に不具合が生じた場合太陽電池の電流電圧特性に変化が生じるが、太陽電池に定電流源を直列に接続し太陽電池の動作点を移動させることにより、電流電圧曲線の変化を検知し太陽電池の不具合を検出する太陽電池動作点移動計測法を提供するものであり、簡易に太陽電池の動作点を移動させることにより、太陽電池の不具合（例えば、セルの劣化や異常、配線の断線、影の影響等）を有効かつ簡便に検出する技術を提供できる優れた効果を有する。

太陽電池特性曲線の概念図である。 本発明の回路構成を説明する図であり、太陽電池と直列に定電流源を接続し、定電流源端の電圧を計測する概要の説明図である。 定電流法の動作点概念図である。 太陽光発電システムの概要の説明図である。 電流−電圧特性曲線の概念図である。 結晶系太陽電池モジュールの詳細図である。 不具合時の電流経路の説明図である。 不具合を含む電流−電圧特性曲線の例を示す図である。 実際に測定した電流−電圧特性曲線を示す図である。 図９の一部拡大図である。 本願発明例の装置の仕様を示す図である。

本発明の太陽電池動作点移動計測方法は、開放電圧（Ｖｏｃ）は健全な太陽電池と同等の値が得られるものであるが、太陽電池の一部のブロックに不具合が存在し、電流−電圧特性が図１のように歪んでいる状態であっても、動作点を移動させることで容易に検出できる手法を提供するものである。
より具体的には、図２に示すように、太陽電池に定電流源を直列に接続し、太陽電池の動作点を移動させることにより、電流電圧曲線の変化を検知し、太陽電池の不具合を検出するものである。

本発明の太陽電池動作点移動計測は、図３の定電流法の動作点概念図に示すように、電流−電圧(電流−電圧特性)座標において、定電流の直線と太陽電池の電流−電圧特性曲線の交点を太陽電池の動作点とすることができる。
また、得られた動作点電圧Ｖｃ’と開放電圧Ｖｏｃまたは正常な動作点Ｖｃ（不具合がない太陽電池から取得）を比較することにより、太陽電池の不具合を検出することができる。さらに、測定時の安全性（感電、発熱）を考慮して、太陽電池に直列に接続する定電流源の通電電流を短絡電流値よりもずっと小さな値（例えば２００ｍＡ以下）とすることが望ましい。本願発明は、このような条件を可能とするものである。

本願発明を、図１０を用いて説明する。図１０は上記図９のＶｏｃ付近を拡大したグラフである。このグラフから、ストリングＡは０Ａ時の電圧値と１００ｍＡ 時の電圧値にほとんど差は見られないが、ストリングＢは０Ａ時の電圧値と１００ｍＡ時の電圧値で２０Ｖほどの変化がある。
なお、上記１００ｍＡ通電時の電圧をＶｃとする。

ここで［１−Ｖｃ／Ｖｏｃ］を電圧減少率とするとストリングＡは０．１％程度でほとんど変化はなく、ストリングＢは８．４％程度となる。
３クラスタで構成されるモジュールが１２枚直列接続で構成されたストリングの場合、１クラスタで不具合がある場合の電圧減少率は１／３６≒２．８％となる。
このことから、およそ電圧減少率が１％以上あるストリングは、何らかの不具合を含むと容易に推測することができる。

電流−電圧特性測定器は電流・電圧を掃引して電流−電圧特性曲線を取得する方式のために、装置によっては１０〜２０Ａ流せる回路が必要になる。上記にある電圧減少率を算出する手法を用いれば回路に流す電流は１００ｍＡ 程度で良く、これにより装置の小型化や低価格化が可能になるという優れた効果がある。
さらに、本願発明は、１００ｍＡ 程度の定電流負荷で、簡易にＶｏｃ 値とＶｃ値を測定し、減少率も同時に算出し表示することが出来る効果がある。

なお、本願発明で判定できない状況もある。例えば、図８のインターコネクタに不具合があり、抵抗値（数１０Ω以上）を持った場合でも全体の回路としては繋がっているので、開放時の電圧（Ｖｏｃ）は正常に近い値になる場合である。この状態を「クラスタの半落ち」とする。一方、上記不具合箇所が断線してしまった場合には電流はＢＰＤ を迂回して流れるが、電圧は１クラスタ分低下する。この状態を「クラスタの完全落ち」とする。
ここで、クラスタの完全落ちの場合はＶｏｃ自体が下がるのでＶｃとの差が無くなり、本願発明では、判定できない状況となる。しかし、この場合はストリングの定格Ｖｏｃ値と測定されたＶｏｃ値を比較すれば良い。また、ストリングのインピーダンス測定で、クラスタ落ちを推測する事もできる。

装置構成の具体例を、図１１に示す。なお、この構成は一例を示すもので、この例に制限されるものではない。本願発明（特許請求の範囲）の技術思想に基づく展開が可能である。

本発明は、太陽電池に不具合が生じた場合太陽電池の電流電圧特性に変化が生じるが、太陽電池に定電流源を直列に接続し太陽電池の動作点を移動させることにより電流電圧曲線の変化を検知し、太陽電池の不具合を検出する太陽電池動作点移動計測法を提供するものである。このように、簡易に太陽電池の動作点を移動させることにより、太陽電池の不具合（例えば、セルの劣化や異常、配線の断線、影の影響等）を、有効かつ簡便に検出する技術を提供できる優れた効果を有するので、産業上極めて有用である。

Claims (10)

1. 太陽電池に定電流源を直列に接続し、太陽電池の動作点を移動させることにより、電流電圧曲線の変化を検知し、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする太陽電池動作点移動計測方法。
2. 電流−電圧平面において、定電流の直線と太陽電池の電流−電圧特性曲線の交点を太陽電池の動作点とすることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
3. 定電流源による通電時の太陽電池電圧Ｖｃ’を計測することにより、太陽電池の動作点（電圧、電流）を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
4. 得られた動作点電圧Ｖｃ’と開放電圧Ｖｏｃまたは正常な動作点Ｖｃ（不具合がない太陽電池から取得）を比較することにより、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
5. 太陽電池に直列に接続する定電流源の通電電流を短絡電流値よりもずっと小さな値として検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測方法。
6. 太陽電池の不具合を検出する装置であって、太陽電池に定電流源を直列に接続し、太陽電池の動作点を移動させ、電流電圧曲線の変化を検知することを特徴とする太陽電池動作点移動計測装置。
7. 電流−電圧平面において、定電流の直線と太陽電池の電流−電圧特性曲線の交点を太陽電池の動作点とすることを特徴とする請求項６に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
8. 定電流源による通電時の太陽電池電圧Ｖｃ’を計測することにより、太陽電池の動作点（電圧、電流）を決定することを特徴とする請求項６又は７に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
9. 得られた動作点電圧Ｖｃ’と開放電圧Ｖｏｃまたは正常な動作点Ｖｃ（不具合がない太陽電池から取得）を比較することにより、太陽電池の不具合を検出することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測装置。
10. 太陽電池に直列に接続する定電流源の通電電流を短絡電流値よりもずっと小さな値とすることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の太陽電池動作点移動計測装置。