JP2016082604A - 太陽電池モジュールの状態を示す状態値を送受信するマネジメントユニット - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池モジュール以外の電力供給源から供給される電力を利用して太陽電池モジュールの状態値を送信するマネジメントユニットを提供する。【解決手段】マネジメントユニット１３０は、通信を行うための線路１５０を介して給電装置から電力を受電する線路受電部と、少なくとも１つの太陽電池モジュールの状態を示す状態値を受信する受信部と、状態値を線路を介して送信する送信部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールの状態を示す状態値を管理サーバに送信するマネジメントユニットに関する。

太陽光発電システムは多数の太陽電池モジュールを用いて発電を行うため、保守員によって当該太陽電池モジュールの各々の点検を行うと膨大な手間がかかってしまう。そこで、太陽電池モジュールに接続されたセンサユニットにより当該太陽電池モジュールの発電電流や発電電圧等を測定し、その測定結果を遠隔に配置された管理サーバに送信し、当該管理サーバにおいて異常診断を行う異常診断システムが知られている（例えば、特開２０１０−１２３８８０号公報（引用文献１）及び特開２０１２−１１９６３２号公報（特許文献２）参照）。特許文献２に記載されているように、従来のセンサユニットを動作させるための電力は、太陽電池モジュールから供給されている。

特開２０１０−１２３８８０号公報 特開２０１２−１１９６３２号公報

しかしながら、太陽電池モジュールから動作電源の供給を受けると、当該太陽電池モジュールが故障したときに動作電力の供給が絶たれ、当該太陽電池モジュールの状態値を管理サーバに送信することができなくなるという問題がある。

多数の太陽電池モジュールを含む大規模な太陽光発電システム（「メガソーラーシステム」などと呼ばれる。）においては、各太陽電池モジュールの状態値は、センサユニットから管理サーバに対して直接送信されるのではなく、センサユニットと無線接続された通信親機において複数のセンサユニット（通信子機）からの状態値を集約し、当該通信装置から管理サーバに対して集約された状態値を送信することがある。この種の通信親機を「マネジメントユニット」と呼ぶことがある。このマネジメントユニットは、センサユニットの各々及び管理サーバと通信可能に接続され、当該各センサユニットからの測定情報を管理サーバに送信するように構成される。このマネジメントユニットは、各センサユニットと、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標、以下同じ。）等の近距離無線用の規格で無線接続されることが多く、無線通信の品質を確保するために各センサユニット及び当該センサユニットの監視対象である太陽電池モジュールの近傍に配置されることが多い。

このように太陽電池モジュールの近傍に配置されるマネジメントユニットに対して当該太陽電池モジュールから電力を供給することが考えられる。しかしながら、太陽電池モジュールから電源を供給すると、当該太陽電池モジュールが故障したときに当該マネジメントユニットに接続されているセンサユニットの全てについて測定した状態値を送信することができなくなる。この場合、管理サーバでは状態値を取得することができないため、故障原因の特定や、故障した太陽電池モジュールの特定が困難となる。

また、太陽電池モジュールは金属製のフレームを格子状に組み合わせて成る架台に設置されるため、太陽電池モジュールの近辺は電波環境が劣悪であることが多い。したがって、太陽電池モジュールから電力供給を受けるためにマネジメントユニットを太陽電池モジュールの近くに配置すると、状態値を送受信する際の通信品質が劣化するという問題がある。

このような問題があるため、マネジメントユニットに対しては、太陽電池モジュール以外の電源供給源から電力を供給することが望まれる。しかしながら、マネジメントユニットごとに給電装置を設置することは非効率である。

そこで、本明細書の開示は、太陽電池モジュール以外の電力供給源から供給される電力を利用して当該太陽電池モジュールの状態値を送信することができるマネジメントユニットを提供することを目的の一つとする。また、本明細書の開示は、マネジメントユニットへの電力供給を効率良く行えるようにすることを目的の一つとする。本発明のこれら以外の目的は、明細書全体の記載を通じて明らかにされる。

本発明の一実施形態に係るマネジメントユニットは、通信を行うための線路を介して給電装置から電力を受電する線路受電部と、少なくとも１つの太陽電池モジュールの状態を示す状態値を受信する受信部と、前記状態値を前記線路を介して送信する送信部と、を備える。

当該実施形態に係るマネジメントユニットは、太陽電池モジュールの発電電力以外の電力、すなわち、通信を行うための線路を介して給電装置から供給される電力を利用して太陽電池モジュールの状態値を送信することができる。よって、太陽電池モジュールが故障した場合であっても、当該線路受電部によって受電した電力を利用して、当該故障した太陽電池モジュールに関する状態値を送信することができる。

本発明の一実施形態において、前記線路受電部は、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格又はＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格において規定されているＰｏＥに従って前記給電装置から電力を受電するように構成される。ＰｏＥでは、給電装置にＬＡＮケーブルを介して接続されているＰｏＥ受電デバイスに対して電力を供給することができる。よって、ＰｏＥを利用して電力を供給することにより、単一の給電装置を複数のマネジメントユニットで共用することができる。これにより、マネジメントユニットごとに個別の給電装置を設ける必要がなくなる。

本発明の一実施形態におけるマネジメントユニットは、前記少なくとも１つの太陽電池モジュールのうちの１つの太陽電池モジュールからその発電電力を受電するＰＶ受電部をさらに備える。当該実施形態によれば、太陽電池モジュールが発電した電力も利用することができる。ＰｏＥに準拠して電力の供給を受ける場合には、ＰｏＥ受電デバイスは給電装置から所定の距離（およそ１００ｍ）以内に配置される必要がある。したがって、マネジメントユニットへの給電方法がＰｏＥを利用したものに限定されると、マネジメントユニットの配置が給電装置からの距離によって制約される。マネジメントユニットを太陽電池モジュールからの電力も受電できるように構成すれば、当該マネジメントユニットをＰｏＥの給電装置（ＰｏＥ送電デバイス）から遠方に配置せざるを得ない場合でも、太陽電池モジュールからの電力によって状態値を送信することができる。このように、ＰｏＥ送電デバイスからの電力と太陽電池モジュールからの電力とをいずれも利用可能にマネジメントユニットを構成することにより、太陽光発電システムのレイアウトの自由度を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるマネジメントユニットは、前記線路受電部が受電した電力と前記ＰＶ受電部が受電した電力のうちの一方の電力を前記送信部に供給する切替回路をさらに備える。これにより、線路受電部からの電力とＰＶ受電部からの電力のうちの一方を受電できれば（つまり、仮に一方が故障等により受電できなくとも）、状態値を送信することができる。

本明細書の開示によれば、太陽電池モジュール以外の電力供給源から供給される電力を利用して当該太陽電池モジュールの状態値を送信することができるマネジメントユニットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマネジメントユニットが設けられた太陽光発電システムの機能を概略的に示すブロック図 図１の太陽光発電システムに設けられたセンサユニットの機能を概略的に示す模式図 図１の太陽光発電システムに設けられたマネジメントユニットの機能を概略的に示す模式図 本発明の他の実施形態に係るマネジメントユニットが設けられた太陽光発電システムの機能を概略的に示すブロック図 図４の太陽光発電システムに設けられたマネジメントユニットの機能を概略的に示す模式図

以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。なお、複数の図面において共通する構成要素には当該複数の図面を通じて同一の参照符号が付されている。

図１は、本発明の一実施形態に係るマネジメントユニットが設けられた太陽光発電システムの機能を概略的に示すブロック図である。図１に示す太陽光発電システムは、多数の太陽電池モジュール５を含むアレイ１１５と、当該アレイ１１５からの直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ１２０と、マネジメントユニット１３０と、を備える。

アレイ１１５は、並列に接続された複数のストリング１１０を有する。当該複数のストリング１１０の各々は、直列に接続された複数の太陽電池モジュール５と、この複数の太陽電池モジュール５のうちの一つに接続されたセンサユニット１０とを備える。この複数のストリング１１０が、パワーコンディショナ１２０に並列に接続される。

所定のストリング１１０に備えられているセンサユニット１０は、同じストリングに含まれている太陽電池モジュール５が出力する電流、電圧、又は電力のうちの少なくとも一つを測定することができるように配置及び構成される。この測定により得られた測定値は、センサユニット１０のアンテナからマネジメントユニット１３０に送信される。例えば、本発明の一実施形態に係るセンサユニット１０は、太陽電池モジュール５と接続される複数の外部端子を有している。この外部端子には、当該センサユニット１０よりも上流側に配置された太陽電池モジュール５の正電極５ａに接続される外部端子２２ａと、当該所定の太陽電池モジュール５よりも下流側にある太陽電池モジュール５の負電極５ｂに接続される外部端子２３ａと、外部端子２３ａが接続された太陽電池モジュール５の正電極５ａに接続される外部端子２３ｂと、当該センサユニット１０よりも下流側に配置された太陽電池モジュール５の負電極５ｂに接続される外部端子２２ｂとが含まれる。

マネジメントユニット１３０は、複数のセンサユニット１０と無線通信可能に構成されている。また、一実施形態におけるマネジメントユニット１３０は、管理サーバ１４０と通信用の線路１５０を介して通信可能に接続されており、センサユニット１０から受信した太陽電池モジュール５の状態値を当該管理サーバ１４０に送信することができる。

管理サーバ１４０は、マネジメントユニット１３０を介して各センサユニット１０から受信した各太陽電池モジュール５の状態値に基づいて、当該各太陽電池モジュールに異常がないか診断する。異常（故障）診断は、公知の任意のロジックを用いて実行することができる。例えば、異常判定ロジックの例が特開２０１０−１２３８８０号公報の段落［００３４］等に記載されている。異常診断は、管理サーバ１４０ではなく、センサユニット１０又はマネジメントユニット１３０で実行されてもよい。この場合、管理サーバ１４０には診断結果が送信され、当該管理サーバ１４０には、当該診断結果のログが蓄積される。

一実施形態における線路１５０は、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格又はＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格において規定されているＰｏＥに対応したイーサネット（登録商標、以下同じ。）ケーブルである。マネジメントユニット１３０は、この線路１５０を介して、管理サーバ１４０と様々な情報を送受信することができる。太陽電池モジュール５の状態値も、この経路１５０を介して管理サーバ１４０に送信される。また、マネジメントユニット１３０は、線路１５０を介して、管理サーバ１３０に備えられた給電装置から電力を受電するように構成される。

次に、図２を参照して、図１に示したセンサユニット１０の機能を説明する。図２は、図１の太陽光発電システムに設けられたセンサユニット１０の機能を概略的に示す模式図である。図２に示すとおり、本発明の一実施形態に係るセンサユニット１０は、電源ユニット１０１と、マイクロコンピュータ１０２と、電流センサ１０３と、無線モジュール１０４とを備える。電源ユニット１０１は、外部端子２３ａと外部端子２３ｂとの間に配置されており、例えば、これらの端子を介して太陽電池モジュール５から供給される電力で充電されるコンデンサを備える。電源ユニット１０１は、マイクロコンピュータ１０２、無線モジュール１０４等のセンサユニット１０に設けられている電子部品に電気的に接続されており、これらの電子部品に対して電力を供給することができる。

電流センサ１０３は、外部端子２２ａと外部端子２３ａとの間に配置され、当該ストリング１１０を流れる電流を測定するように構成される。電流センサ１０３は、例えば、シャント抵抗とオペアンプとを備える公知の電流センサであってもよい。

上述したように、ストリング１１０に設けられているセンサユニット１０は、当該ストリング１１０を構成する太陽電池モジュール５から供給される電流、電圧、及び電力や、当該太陽電池モジュール５の温度（本明細書においては、これらを「状態値」、「ストリングの状態値」、又は「太陽電池モジュールの状態値」と総称することがある。）のうちの少なくとも一つを測定するように構成される。図２には、電流センサ１０３のみが図示されているが、センサユニット１０は、電流センサ１０３以外にも、電圧センサや温度センサを備えることができる。電圧センサや温度センサとしては、公知の各種センサを用いることができるので、詳細な説明は省略する。センサユニット１０が生成する太陽電池モジュール５の状態値は上述した電流、電圧、電力、及び温度の測定値に限られず、本発明で用いることができる太陽電池モジュール５の状態値には太陽電池モジュール５の異常や故障の判定に用いることができる任意の測定値が含まれ得る。

本発明の一実施形態におけるマイクロコンピュータ１０２は、電流センサ１０３等の各種内蔵センサから受信したストリング１１０の状態値に基づいて、ストリング１１０に異常がないか診断する。異常（故障）診断は、公知の任意のロジックを用いて実行することができる。また、マイクロコンピュータ１０２は、測定されたストリング１１０の状態値の平均値算出やピーク値算出といった様々な演算処理を行うこともできる。本明細書においては、状態値に任意の演算を行って得られた演算値も、太陽電池モジュールの動作状況を示すことができる限り「状態値」に含められる。一実施形態において、太陽電池モジュール５の状態値の平均値やピーク値、及び、センサユニット１０やマネジメントユニットで診断された太陽電池モジュール５の故障の有無を示すデータも「状態値」に含まれる。

無線モジュール１０４は、測定した状態値等の各種情報を他のセンサユニット１０やマネジメントユニット１３０に無線送信するように構成される。この無線モジュール１０４は、例えば、Ｚｉｇｂｅｅ（商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標、以下同じ。）等の近距離無線用の規格や、ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮやＷｉＭＡＸ等の無線通信規格を用いた無線通信を行うように構成される。無線モジュール１０４は、これらの通信規格で用いられる周波数の電磁波を放射するアンテナを備える。無線モジュール１０４は、マネジメントユニット１３０との距離に応じて、マネジメントユニット１３０に対して情報を直接無線送信してもよいし、近傍にある他のセンサユニット１０にまず送信し、当該他のセンサユニット１０からマネジメントユニット１３０に対して送信するようにしてもよい（つまり、複数のセンサユニット１０によりマルチホップ通信を行ってもよい）。

次に、図３を参照して、図１に示したマネジメントユニット１３０の機能を説明する。図３は、図１の太陽光発電システムに設けられたマネジメントユニット１３０の機能を概略的に示す模式図である。図３に示すとおり、本発明の一実施形態に係るマネジメントユニット１３０は、ＬＡＮコネクタ１３１と、受電部１３２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３３と、送受信ドライバ１３４と、マイクロコンピュータ１３５と、無線モジュール１３６と、を備える。図３において、電力を供給するための電源ラインはブロック間を接続する点線で示されており、信号が伝送される信号ラインはブロック間を接続する実線で表されている。

ＬＡＮコネクタ１３１は、線路１５０をマネジメントユニット１３０に結合するためのコネクタであり、例えば公知のＲＪ４５コネクタである。一実施形態におけるＬＡＮコネクタ１３１は、例えば、ブリッジダイオード、信号絶縁用の絶縁トランス及び平滑用のチョークコイルを有する。このブリッジダイオードは、線路１５０のストレートケーブル及びクロスケーブルから供給される電圧の極性を揃えるために設けられる。

一実施形態における受電部１３２は、ＰｏＥ送電デバイス（ＰｏＥ−ＰＳＥ又は給電装置）から線路１５０を介して送信される検出信号に応答して、マネジメントユニット１３０がＰｏＥ受電デバイス（ＰｏＥ−ＰＤ）であることを認証し、当該認証結果を当該ＰｏＥ送電デバイスに通知するように構成される。例えば、受電部１３２は、所定の抵抗値（例えば、２５ｋΩ）の検出抵抗を有しており、ＰｏＥ送電デバイスによって所定の電位差の電圧が線路１５０に印加されると、当該電位差に応じた電流をＬＡＮコネクタ１３１を介して線路１５０に流すように構成される。ＰｏＥ送電デバイスは、この電流を検出することにより、マネジメントユニット１３０がＰｏＥ受電デバイス（ＰｏＥ−ＰＤ）であることを検出することができる。また、一実施形態における受電部１３２は、ＰｏＥ送電デバイスからのクラス検出用の検出信号に応答して所定の電流を線路１５０に流す。これにより、ＰｏＥ送電デバイスは、マネジメントユニット１３０の消費電力クラスを検出することができる。また、一実施形態における受電部１３２は、ロードスイッチの機能を有する。図４に示す実施形態においては、管理サーバ１４０にＰｏＥ送電デバイスが設けられているが、ＰｏＥ送電デバイスは管理サーバ１４０とは別体に設けられてもよい。

一実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１３３は、ＰｏＥ送電デバイスから線路１５０を介して供給される電圧を所定の回路駆動電圧に変換する降圧コンバータであり、この回路駆動電圧をマネジメントユニット１３０に備えられた回路の各々に供給する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３３は、ＰｏＥ送電デバイスからの４８ｖの電圧を３．３ｖの回路駆動電圧に変換する。

一実施形態における送受信ドライバ１３４は、マイクロコンピュータ１３５からのＭＡＣ層情報を送信信号に変換し、この変換により得られた送信信号をＬＡＮコネクタ１３１を介して送信し、また、ＬＡＮコネクタ１３１を介して受信した受信信号をＭＡＣ層情報に変換し、このＭＡＣ層情報をマイクロコンピュータ１３５に提供するように構成される。

一実施形態におけるマイクロコンピュータ１３５は、データを線路１５０を介して送受信するための様々な制御を行う。例えば、マイクロコンピュータ１３５は、イーサネットで使用するＭＡＣアドレスを管理する。

一実施形態における無線モジュール１３６は、センサユニット１０と無線通信を行うように構成された無線通信モジュールである。無線モジュール１３６は、例えば、Ｚｉｇｂｅｅ（商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）等の近距離無線用の規格や、ＩＥＥＥ８０２．１１系の無線ＬＡＮやＷｉＭＡＸ等の無線通信規格を用いた無線通信を行うように構成される。

このように構成された太陽光発電システムにおいては、センサユニット１０において太陽電池モジュール５（又はストリング１１０）の状態値が測定され、当該状態値がマネジメントユニット１３０に対して無線送信される。マネジメントユニット１３０は、マイクロコンピュータ１３５の制御に従って、受信した状態値を線路１５０を介して管理サーバ１４０に送信する。管理サーバ１４０は、受信した状態値に基づいて太陽電池モジュール５（又はストリング１１０）における故障の有無を診断する。マネジメントユニット１３０は、線路１５０を介してＰｏＥ送電デバイスから供給される電力を利用して太陽電池モジュールの状態値を送信しているので、マネジメントユニット１３０（又はマネジメントユニット１３０に無線接続されているセンサユニット１０）が監視対象としている太陽電池モジュール５が故障した場合であっても、当該太陽電池モジュール５の状態値を送信することができる。

また、管理サーバ１４０には、線路１５０を介して複数のマネジメントユニット１３０を接続することができるので、管理サーバ１４０に設けられた単一の給電装置（例えば、ＰｏＥ送電デバイス）から複数のマネジメントユニットに対して電力を供給することができる。これにより、複数のマネジメントユニット１３０ごとに給電装置を設ける必要がなくなる。

次に、図４及び図５を参照して、本発明の他の実施形態に係るマネジメントユニットについて説明する。図４は、本発明の他の実施形態に係るマネジメントユニットが設けられた太陽光発電システムの機能を概略的に示すブロック図である。図４に示す実施態様においては、センサユニット１０からの状態値を管理サーバ１４０に送信するマネジメントユニットへの給電方法が図１に示す実施形態と異なっている。図４においては、ストリング２１０やマネジメントユニット２３０を一つのみ示しているが、図１の実施形態と同様に、ストリング２１０やマネジメントユニット２３０は複数設けられてもよい。

図４に示す太陽光発電システムにおいては、センサユニット１０が取得した太陽電池モジュール５（ストリング２１０）の状態値はマネジメントユニット２３０に送信される。マネジメントユニット２３０の機能を図５を参照して説明する。図３において、電力を供給するための電源ラインはブロック間を接続する点線で示されており、信号が伝送される信号ラインはブロック間を接続する実線で表されている。図５に示すように、本発明の一実施形態に係るマネジメントユニット２３０は、マネジメントユニット１３０の構成要素に加えて、ＰＶコネクタ２３１及びＯＲ回路２３２を備える。ＰＶコネクタ２３１は、所定の太陽電池モジュール５の正電極５ａとそれよりも下流にある太陽電池モジュール５の負電極５ｂとを接続するケーブルに設けられた分岐コネクタＣ１、及び、当該下流の太陽電池モジュール５の正電極５ａとそれよりもさらに下流にある太陽電池モジュール５の負電極５ｂとを接続するケーブルに設けられた分岐コネクタＣ２に電気的に接続されており、これらの分岐コネクタＣ１及び分岐コネクタＣ２を介して太陽電池モジュール５が発電した発電電力を受電する。このようにして、太陽電池モジュール５から供給された電力は、ＰＶコネクタ２３１からＯＲ回路２３２に出力される。

ＯＲ回路２３２は、太陽電池モジュールから供給された電力をＰＶコネクタ２３１から受けるとともに、ＰｏＥ送電デバイスから供給された電力を受電部１３２から受け、この２つの電力のいずれかをＤＣ／ＤＣコンバータ１３３に出力するように構成される。ＯＲ回路２３２は、例えば、一組の定電圧ダイオードを備えるカソードコモン型のダイオードオア回路である。この場合、当該一組の定電圧ダイオードのうちの一方のダイオードのアノードが受電部１３２に接続されるとともに他方のダイオードのアノードがＰＶコネクタ２３１に接続され、これらのダイオードのコモンカソードがＤＣ／ＤＣコンバータ１３３に接続される。ＯＲ回路２３２は、半導体スイッチであってもよい。

このように、マネジメントユニット２３０は、ＰｏＥ送電デバイスからの電力と太陽電池モジュール５からの電力とをいずれも利用可能に構成されている。これにより、マネジメントユニット２３０は、ＰｏＥ送電デバイスから遠方にも配置することができるので、太陽光発電システムのレイアウトの自由度を向上させることができる。

以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。上述した各部材の素材、形状、及び配置は、本発明を実施するための実施形態に過ぎず、発明の趣旨を逸脱しない限り、様々な変更を行うことができる。

５ 太陽電池モジュール
１０ センサユニット
１１０、２１０ ストリング
１１５、２１５ アレイ
１２０ パワーコンディショナ
１３０、２３０ マネジメントユニット
１３１ ＬＡＮコネクタ
１３２ 受電部
１３３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３４ 送受信ドライバ
１３５ マイクロコンピュータ
１３６ 無線モジュール
１４０ 管理サーバ
１５０ 線路
２３１ ＰＶコネクタ
２３２ ＯＲ回路

Claims (5)

1. 通信を行うための線路を介して給電装置から電力を受電する線路受電部と、
   少なくとも１つの太陽電池モジュールの状態を示す状態値を受信する受信部と、
   前記状態値を前記線路を介して送信する送信部と、
   を備えるマネジメントユニット。
2. 前記線路受電部は、ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格又はＩＥＥＥ８０２．３ａｆ規格において規定されているＰｏＥに従って前記給電装置から電力を受電することを特徴とする請求項１に記載のマネジメントユニット。
3. 前記少なくとも１つの太陽電池モジュールのうちの１つの太陽電池モジュールからその発電電力を受電するＰＶ受電部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマネジメントユニット。
4. 前記線路受電部が受電した電力と前記ＰＶ受電部が受電した電力のうちの一方の電力を前記送信部に供給する切替回路をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のマネジメントユニット。
5. 前記太陽電池モジュールの状態を示す状態値は、当該太陽電池モジュールに接続されたセンサユニットから送信されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマネジメントユニット。

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