JP2014192443A

JP2014192443A - 直流高電圧印加装置

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Publication number: JP2014192443A
Application number: JP2013068319A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Naito; 高明内藤; Taiji Fukushige; 泰治福重; Yoshinobu Yonezawa; 慶信米澤
Original assignee: SUNTECH POWER JAPAN CORP
Current assignee: SUNTECH POWER JAPAN CORP
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】急速に反射防止膜の表面に蓄積した電荷を減少させると共に発電状態の検出・監視を自動で行うことで、発電時の出力が低下することのない直流高電圧印加装置を提供する。
【解決手段】直流高電圧印加装置２０は接続箱１１からの検出電圧ｖを検出する直流電圧検出部２１と、直流電圧を発生する直流電圧発生部２２と、直流電圧発生部２２の出力をモニタする高電圧モニタ部２３と、直流電圧発生部２２からの出力端子と電力線から分岐した端子との接続を切換えるスイッチ部２４と、設定時間Ｔの計時を行う計時部２５と、直流電圧検出部２１の検出電圧ｖに基づいて、又は計時部２５の計時時間に基づいて、スイッチ部２４の切換え制御を行う制御部２６とを備えている。
蓄積している正・負の電荷が直流高電圧印加装置２０から供給される負・正の電荷により結合して中和し、発電量が通常出力に回復する。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池によるソーラー発電時に発生するセル表面の電荷蓄積を予防する直流高電圧印加装置に関するものである。

近年、太陽光発電システムの大型化、高電圧化に伴い、従来の小規模太陽光発電システムでは殆どなかった太陽電池の分極による出力低下の劣化現象が発生することがある。この劣化現象は或る特殊な環境条件において、例えば高温多湿であって、ソーラーセルから成る発電モジュールのガラス表面が水分で覆われた環境下で、太陽光発電を行うような場合に発生し易いことが知られており、ＰＩＤ（Potential Induced Degradation）現象と呼ばれている。

ＰＩＤ現象の発生の仕組みは、特許文献１に記載されているように、発電モジュールの枠体であるフレームと発電モジュール回路内に大きな電位差が生じ、上記の特殊な環境条件下になると、漏れ電流がガラス表面の水分を介してフレームと発電モジュール回路の間に発生し、発電モジュールの内部で電荷の分極が生ずるためである。

発電モジュールがＰ型結晶シリコンセルの場合は、フレームが発電モジュールに対して高電位の状態となり、発電モジュールのガラスの表面が朝露等により覆われると絶縁体であったガラスも高電位状態となる。そして、太陽光によって分離した電子が、絶縁状態でなくなったガラスを介して高電位であるフレームに吸い寄せられ、微弱な漏れ電流がフレームから発電モジュールに対して発生する。その結果、ガラスの下に形成され太陽光の反射を防止する反射防止膜の表面で分極が生じ、この分極により反射防止膜の表面に溜まったプラスの電荷を持つナトリウムイオン又は漏れ電流により発生した正孔に、太陽光によって発生した電子が再結合してしまうことになる。

また、Ｎ型結晶シリコンセルの場合は、発電モジュールがフレームに対して高電位でかつガラスが上述のような非絶縁体状態になることにより、反射防止膜の表面で分極が生ずる。反射防止膜の表面にフレームから電子が引き寄せられ、微弱な漏れ電流が発電モジュールからフレームに発生する。そして、反射防止膜の表面に溜まった電子に、太陽光によって分離した正孔が再結合してしまうことになる。

このような再結合により、発電モジュールがＰ型結晶シリコンセルの場合は電子が負電極に集められなくなり、またＮ型結晶シリコンセルの場合は正孔が正電極へ集められなくなるので、電流が流れなくなり発電する電力量が大幅に減少する。

ＰＩＤ現象が発生の予防処置として、発電モジュールをプラス側又はマイナス側で接地することでゼロＶ基準が変化し、反射防止膜の表面に対し電荷の蓄積が防止される。しかし近年においては、太陽電池モジュールによる直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナは、電力交換効率が優れたトランスレス方式が主流となっている。このトランスレス型パワーコンディショナは発電モジュールの直流回路側と系統電力側は遮断されておらず、電気的に繋がっている。

従って、系統電力側が接地された状態であって、直流回路側を接地した場合に、系統電力側及び直流回路側間で短絡状態となり、地絡電流が系統電力側から直流回路側に流れるため、上述のように電荷の蓄積を防止するための接地ができない。

そこで、図５に示す特許文献１のトランスレス型のパワーコンディショナ１を備える太陽光発電システムでは、昼間は系統電力側及び直流回路側間で短絡状態となるため発電モジュール２側を接地できないので、発電を行わない夜間においてスイッチ３による切換えにより発電モジュール２側の接地を行い、昼間に蓄積した電荷を放出している。

特開２０１０−２２５７７６号公報

昼間の短期間でＰＩＤ現象により急速電荷が蓄積され、発電量が半分以下に低下したような場合に、特許文献１の発電停止後の夜間に発電モジュール２側を接地したとしても、電荷の現象は徐々に減少し、一晩では十分に発電量が回復しない。そして、このように十分に発電量を回復しないまま、昼間となって発電を開始した後に再び反射防止膜の表面に電荷が蓄積することもある。特許文献１の発明のように夜間にのみ接地を繰り返すと、環境条件によっては全出力を回復するまで数週間を必要とすることもあり、発電量の回復に時間がかかるという問題がある。

また、特許文献１の太陽光発電システムでは接地するスイッチ３の切換えを夜間開始時刻及び夜間終了時刻を設定して行っており、このような切換え処理のために太陽光発電システムは時計手段を備えている。しかし、この時計手段が何らかの不具合により現在時刻とのずれが生じ、場合によっては発電中の昼間にスイッチ３が切換わることも考えられる。このような場合は、上記のように系統電力側と直流回路側とで短絡状態となり、系統電力側で使用する電力を供給することができなくなる。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、効果的に反射防止膜の表面に蓄積した電荷を減少させると共に発電モジュールの発電状態の検出・監視を行い、蓄積した電荷を中和することで、発電時の出力が低下することのない直流高電圧印加装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る直流高電圧印加装置は、発電モジュールとトランスレス型パワーコンディショナとの間の電力線の出力電圧を検出する電圧検出部と、直流高電圧を発生する直流電圧発生部と、該直流電圧発生部の端子及び前記電力線から分岐した端子の接続を切換えるスイッチ部と、前記電圧検出部の検出電圧に基づいて、前記スイッチ部の切換え制御を行う制御部とを備える直流高電圧印加装置において、前記制御部は前記電圧検出部の検出電圧が設定電圧値以下の場合に前記スイッチ部をオフからオンに切換えて、前記発電モジュールの前記電力線のプラスマイナス極に対して、該プラスマイナス極を逆にしたマイナスプラス極となる逆バイアスの直流高電圧を前記直流電圧発生部から印加することを特徴とする。

本発明に係る直流高電圧印加装置を用いることで、発電中である昼間に蓄積した電荷を夜間に中和することができ、効果的に発電量を回復することができる。

また、発電時の電圧に基づいて、発電中か否かを判定し、発電を行わない日没後と判定した場合に、直流高電圧印加装置をソーラー発電システムに切換え接続するので、昼間の発電中に直流高電圧印加装置を接続することはない。

更に、上記判定による切換え処理に加えて、タイマを用いた安全対策を施すことにより、発電中に直流高電圧印加装置が接続され、発電モジュール側から電流が直流高電圧印加装置側に流れて本体が破壊されるということもない。

直流高電圧印加装置を接続したソーラー発電システムの回路構成図である。一日の発電量の推移を示すグラフ図である。一日の発電量及び電圧値の推移を示すグラフ図である。直流高電圧印加装置の制御フローチャート図である。従来例の太陽電池モジュール表面に蓄積した電荷を除去する太陽光発電システムの回路構成図である。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る一般的な家庭用のソーラー発電システムの回路構成図であり、発電モジュール１０は接続箱１１、トランスレス型パワーコンディショナ１２、直流高電圧印加装置２０から構成されている。

発電モジュール１０は単結晶、多結晶の結晶系シリコン、アモルファスシリコン等の非結晶系シリコンの何れかの基材から成る数１０枚のソーラーセルを接続している。両面に電極を設けた単数又は複数の発電モジュール１０の出力が接続箱１１により集約され、直流高電圧印加装置２０を介してトランスレス型パワーコンディショナ１２に接続されている。

発電モジュール１０は屋外に設置され、太陽光を受けて発電を開始するとその出力を集約し、接続箱１１を介してパワーコンディショナ１２に直流電力を出力する。通常では、家庭用であれば４ｋＷ程度の発電量があり、パワーコンディショナ１２は１００〜４００Ｖ程度の直流電圧を入力し、１００Ｖ程度の交流電圧を出力する。

発電モジュール１０の筐体であるフレームは、セルのガラスによりセル内回路とは絶縁されており、感電防止等のために隣続するフレームを連結し、１個所で接地している。複数の発電モジュール１０は分かり易いように直列の１列を図示したが、複数の発電モジュール１０を直列に接続したものを並列に接続してもよく、その場合も接続箱１１に集約する。

直流高電圧印加装置２０は接続箱１１とパワーコンディショナ１２間の正極、負極の電力線を分岐点Ｆにおいて分岐して接続し、接続箱１１からの検出電圧ｖを検出する直流電圧検出部２１と、直流電圧を発生する直流電圧発生部２２と、直流電圧発生部２２の出力をモニタする高電圧モニタ部２３と、直流電圧発生部２２からの出力端子と電力線から分岐した端子との接続を切換えるスイッチ部２４と、設定時間Ｔの計時を行う計時部２５と、直流電圧検出部２１の検出電圧ｖに基づいて、又は計時部２５の計時時間に基づいて、スイッチ部２４の切換え制御を行う制御部２６とを備えている。

分岐点Ｆは、接続箱１１とパワーコンディショナ１２間としたが複数の発電モジュール１０が直列の１列のような場合は、発電モジュール１０と接続箱１１間としてもよい。更には、一部の発電モジュール１０だけに電荷が蓄積するような場合は、一部の発電モジュールから出力される電力線から分岐するようにしてもよい。

直流高電圧印加装置２０は内部回路の破壊、感電を防止するために本体フレームを接地し、かつ外部の家庭用電源から各回路に電源供給を行う。なお、家庭用電源に代えて、昼間に発電した電力を蓄積したバッテリを利用するようにしてもよい。

直流電圧発生部２２は、家庭用のＡＣ電源であればＡＣ−ＤＣ変換、バッテリ電源であればＤＣ−ＤＣ変換を行い、定格電圧として３００Ｖ程度、定格電流が２ｍＡ程度を出力する。また、高電圧モニタ部２３から得られる出力電圧値から出力電圧異常状態を検出することで、図示しない異常ランプ等で異常を知らせる機能を備えている。異常状態検出時には、スイッチ部２４への切換え制御は行わない。

このようなトランスレス型パワーコンディショナ１２を含む発電システムにおいて、直流高電圧印加装置２０を予め接続箱１１とパワーコンディショナ１２との間に接続して設置する。また、ＰＩＤ現象が発生した場合やＰＩＤ現象が発生し易い場所があることが判明した場合に、後付けで直流高電圧印加装置２０を既設の発電モジュール１０とパワーコンディショナ１２との電力線接続の間に介在するように設置してもよい。

直流高電圧印加装置２０は発電を停止している夜間時間に用いて、逆バイアスの高電圧を発電モジュール１０に印加する。つまり、発電モジュール１０の出力のプラスマイナスを逆にしたマイナスプラスの状態で発電が停止している発電モジュール１０に対し、高電圧を印加する。その結果、蓄積している正・負の電荷が直流高電圧印加装置２０から供給される負・正の電荷により結合して中和し、発電量が通常出力に回復する。

中和に要する時間は、特許文献１の地絡による蓄積電荷の除去に比べて早いものの、昼間の発電状態での電荷が蓄積に要した時間と同等の時間が必要である。従って、逆バイアスの高電圧を印加する時間を長くするため、直流高電圧印加装置２０に発電モジュール１０が発電を行わない夜間であることが分かる日没、日の出の判定処理機能を付加している。

図２に示すように、ソーラーシステムの１日の出力電力の推移は、晴れ（ａ１）、曇り（ａ２）、雨（ａ３）の日は発電量のピークは異なるものの、何れも太陽の日射量が最大となる南中時刻を頂点としたピーク波状になる。

また、晴れ（ａ１）の日における出力電力及び出力電圧の推移は、図３のグラフ図に示すように、出力電圧は日射量、外気温度及びパネル温度の影響から、南中時刻を頂点としたピーク波にはならず、日の出後の約１．５時間後及び日没前の約１．５時間前の２つのピークを有する。出力電圧は日の出直後に発電を開始すると共に急上昇し、上昇後は緩やかに変化し、日没直前の発電の停止に伴い急速に下降する。図３は晴れの日の出力電圧のグラフ図であるが、出力電圧は曇り及び雨の日も同様な２つのピークを有する波形状となり、日の出、日没時の発電の開始、停止に伴って急上昇、急下降する。

天候、季節に関係なく、日没直前における出力電圧である検出電圧ｖは所定値以下となるので、この所定値を検知することで日没を検出することが可能となる。この所定値を設定電圧値Ａとして設定し、パワーコンディショナ１２が起動可能となる最低電圧以下の電圧値に設定する。設定電圧値Ａは、完全に発電を停止した０Ｖを設定してもよい。

検出電圧ｖの推移と計時部２５を利用して、制御部２６は図４に示すフローチャート図に従って、以下のステップＳ１〜Ｓ８の発電モジュール１０の中和処理のフローを行う。

直流高電圧印加装置２０は電源投入後に、ステップＳ１において、入力電源Ｐの電圧等のチェックを行う。ステップＳ１の入力電源Ｐ等のチェック処理は所定時間間隔でループ処理を行っており、異常が発見された場合はスイッチ部２４を切り離す等安全対策を行う。チェックに問題がなければ、ステップＳ２において直流高電圧印加装置２０の初期化動作を行う。

ステップＳ３においては、発電モジュール１０が一定電圧以上であるか否かの判定を行う。直流電圧検出部２１で得られる検出電圧ｖが一定電圧以上であれば、発電モジュール１０は正常に接続され発電していると見倣してステップＳ４に進む。一定電圧以下であれば、ステップＳ３の判定処理を繰り返す。

ステップＳ４では日中の発電状態から日没となったか否かを判定し、検出電圧ｖが設定電圧値Ａ以下、例えば５Ｖ以下であるか否か判定する。監視する検出電圧ｖが設定電圧値Ａ以下である場合には日没と見倣してステップＳ５に進み、検出電圧ｖが設定電圧値Ａ以上である場合には昼間の発電中と判断できるのでステップＳ５に進まず、ステップＳ４の日没の判定処理を繰り返す。

また、日没の判定処理は所定時間、例えば１分間継続して検出電圧ｖが５Ｖ以下であるか否かを判定するようにしてもよい。また、設定時間毎における検出電圧ｖの負の傾き値Ｒを監視し、この傾き値Ｒが図３の日没直前の出力電圧の負の傾きと略一致する所定の範囲に含まれるか否かを判定し、傾き値Ｒが所定の範囲に含まれ、かつ検出電圧ｖが設定電圧値Ａ以下であるか否か判定するようにしてもよい。このようにすることで、直流電圧検出部２１の一時的な故障や接触不良が原因で、昼間の発電状態のときに検出電圧ｖが瞬間的に５Ｖ以下になった場合を日没と判定する誤判定を防止することができる。

これらの日没の判定処理は、逆バイアスの高電圧印加による中和に要する時間が昼間の発電状態での電荷が蓄積に要した時間と同等の時間が必要であるので、日没の判定を行うことで、より長い時間、逆バイアスの高電圧印加を可能にするためのものである。

ステップＳ５においては、直流電圧発生部２２の出力をオンにし、オフであったスイッチ部２４をオンに切換えて直流電圧発生部２２を接続箱１１からの電力線に接続する。このように接続することで、発電モジュール１０に高電圧印加し、蓄積電荷の中和を行うことができる。また、発電モジュール１０からの出力が微小であるため、直流高電圧印加装置２０を接続したとしても、直流高電圧印加装置２０自体が故障することはない。

また、ステップＳ５では計時部２５の計時を開始する。予め、計時部２５には設定時間Ｔが設定されており、この設定時間Ｔは夜間に該当する時間より若干長い時間を設定する。

ステップＳ６においては、計時部２５の経過時間が設定時間Ｔ以下であるか否か判定し、設定時間Ｔ以下であれば夜間状態であると判定してＳ７に進み、設定時間Ｔ以上であれば夜明けと判定してステップＳ８に進む。

ステップＳ７は日の出となったか否かを判定するステップであり、検出電圧ｖが設定電圧値Ｂ以上であるか否かを判定する。この設定電圧値Ｂは３０Ｖ程度を設定し、この３０Ｖを検出した場合は、日の出直後の発電を開始したと見倣してステップＳ８に進む。設定電圧値Ｂは検出電圧ｖが設定電圧値Ｂ以上でない場合は、ステップＳ６に戻る。

設定電圧値Ｂはノイズ等として検出する可能性がある数Ｖよりも大きい値であって、パワーコンディショナ１２が起動可能となる最低電圧以下の電圧値の範囲で適宜に設定する。なお、設定電圧値Ｂと設定電圧値Ａは同じ値に設定してもよい。

また、日の出の判定処理は、ステップＳ４の日没の判定処理同様に、所定時間継続するか否かの条件又は正の傾き値Ｒが図３の日の出直後の出力電圧の正の傾きと略一致するか否かの条件を、アンド条件として付加するようにしてもよい。

ステップＳ８においては、日の出の判定又は夜明け直前と判定した後に直流高電圧印加装置２０の中和処理を停止する。具体的には、逆バイアスの高電圧を発電モジュールに印加する直流電圧発生部２２の出力をオフにして停止状態とし、接続状態であったスイッチ部２４をオフに切換えて直流電圧発生部２２を接続箱１１から切り離す。更に計時部２５による計時も停止、リセットを行い、日没判定処理であるステップＳ４に戻る。

このように、検出電圧ｖを監視することで、日没、日の出を検出することができ、スイッチ部２４を切換えることができる。また、二重に安全対策を施した計時部２５の計時によるスイッチ部２４をオフにする処理は、直流電圧検出部２１の故障等により検出電圧が０ｖを常に出力するようになった場合等に、昼間の発電時の発電モジュール１０と直流高電圧印加装置２０との接続を防止する。

また、スイッチ部２４の故障等により昼間の発電時にオフからオンに接続され、直流高電圧印加装置２０と発電モジュール１０とが接続したとしても、直流高電圧印加装置２０に保護回路を設けることで、直流高電圧印加装置２０が故障することを防止できる。

また、夜間の状態で緊急に中和処理を行う場合は、ステップＳ３、Ｓ４を省略する中和処理フローを用いてもよい。この場合は、ステップＳ１、Ｓ２の電源投入チェック、リセット処理後に、ステップＳ５の高電圧の出力、ソーラー発電システムへの接続処理を開始する。開始後の処理は、ステップＳ６〜Ｓ８の順で処理を行う。

更に、パワーコンディショナ１２と分岐点Ｆの間であって、パワーコンディショナ１２近傍の電力線に第２のスイッチ部を設け、スイッチ部２４がオフからオンに切換えるタイミングで、接続箱１１とパワーコンディショナ１２との接続を第２のスイッチ部のオンからオフになるようにスイッチ部２４を連動して切換えるようにしてもよい。このようにスイッチ部２４と第２のスイッチ部の切換え制御することで、直流高電圧印加装置２０からの直流高電圧をパワーコンディショナ１２に印加されることを防止することができる。パワーコンディショナ１２の逆バイアスの直流高電圧印加装置２０からの電圧印加は故障等の原因になり得るので、スイッチ部２４を設けることでより安全に運用することができる。

１０発電モジュール
１１接続箱
１２パワーコンディショナ
２０直流高電圧印加装置
２１直流電圧検出部
２２直流電圧発生部
２３高電圧モニタ部
２４スイッチ部
２５計時部
２６制御部
Ｐ入力電源
Ｆ分岐点

Claims

発電モジュールとトランスレス型パワーコンディショナとの間の電力線の出力電圧を検出する電圧検出部と、直流高電圧を発生する直流電圧発生部と、該直流電圧発生部の端子及び前記電力線から分岐した端子の接続を切換えるスイッチ部と、前記電圧検出部の検出電圧に基づいて、前記スイッチ部の切換え制御を行う制御部とを備える直流高電圧印加装置において、前記制御部は前記電圧検出部の検出電圧が設定電圧値以下の場合に前記スイッチ部をオフからオンに切換えて、前記発電モジュールの前記電力線のプラスマイナス極に対して、該プラスマイナス極を逆にしたマイナスプラス極となる逆バイアスの直流高電圧を前記直流電圧発生部から印加することを特徴とする直流高電圧印加装置。
前記設定電圧値は前記パワーコンディショナが起動可能となる最低電圧値以下の値に設定することを特徴とする請求項１に記載の直流高電圧印加装置。
前記制御部は設定時間毎における前記検出電圧の負の傾き値を監視し、該傾き値が所定の範囲に含まれ、かつ前記検出電圧が前記設定電圧値以下である場合に、前記スイッチ部をオフからオンに切換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流高電圧印加装置。
計時部を更に備え、該計時部の計時時間に基づいて、前記スイッチ部をオンからオフに切換えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の直流高電圧印加装置。
前記パワーコンディショナ近傍の前記電力線に第２のスイッチ部を更に設け、前記直流電圧発生部の端子及び前記電力線から分岐した端子の接続を切換えるスイッチ部がオフからオンに切換えるタイミングで、前記第２のスイッチ部のオンからオフに連動して切換えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つの請求項に記載の直流高電圧印加装置。