JP2017079568A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】不具合が生じた太陽電池モジュールのみを切り離し、その他の正常な太陽電池モジュールで発電可能とした太陽光発電システムを提供する。【解決手段】複数の太陽電池モジュール１を連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール１、１間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器８と、各太陽電池モジュール１の出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器９と、電路開閉器８と第１短絡開閉器９の開閉制御を行う制御装置１４と、太陽電池モジュール１の出力状態を検出するモジュールセンサ１１とを備え、第１短絡開閉器９を電路開閉器８の２次側に配置するとともに、何れかの太陽電池モジュール１の出力異常をモジュールセンサ１１により検出した際、出力異常が検出された太陽電池モジュール１に接続される第１短絡開閉器９を閉路するとともに、電路開閉器８を開路する。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電システムに関するものである。

太陽光発電システムにおいて故障が発生した際や、地震等の非常時に安全を確保するための技術として、太陽電池モジュールが直列接続された領域（ストリング）内で、太陽電池モジュールごとに開閉器を設け、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際には、その絶縁不良箇所の前後に配置された２つの開閉器のみを開状態とすることにより、ストリング内を電気的に切り離す技術が開示されている（特許文献１の図７）。

しかし前記の構造では、開閉器が開かれることにより、太陽電池モジュールが直列接続されたストリング単位で切り離されることとなる。このため、例えばストリング内で不具合が生じた太陽電池モジュールが１つのみであり、その他の太陽電池モジュールが正常に動作する場合であっても、ストリング毎の切り離しとなり、正常な太陽電池モジュールを有効に利用できない問題があった。

特開２０００−１１４５６７号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、不具合が生じた太陽電池モジュールのみを切り離し、その他の正常な太陽電池モジュールで発電可能とした太陽光発電システムを提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールの出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、前記太陽電池モジュールの出力状態を検出するモジュールセンサとを備え、前記第１短絡開閉器を、前記電路開閉器の２次側に配置するとともに、何れかの太陽電池モジュールの出力異常を前記モジュールセンサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、前記電路開閉器を開路すること特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、前記電路開閉器の１次側に、各太陽電池モジュールの出力端子間を連結して短絡経路を形成する複数の第２短絡開閉器を備え、何れかの太陽電池モジュールの出力異常、または複数の太陽電池モジュールを連結した太陽電池モジュール群の出力異常を検出した際には、電路開閉器の開路に先立って前記複数の第２短絡開閉器を閉路し、前記電路開閉器の１次側に設けられた各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の太陽光発電システムにおいて、複数の第２短絡開閉器を閉路した後に、前記複数の電路開閉器を開路することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の太陽光発電システムにおいて、各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出した後に、正常な太陽電池モジュールに対応する電路開閉器を閉路するとともに、全ての第２短絡開閉器を開路することを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、複数の太陽電池モジュールを連結した太陽電池モジュール群を有する太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール群間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュール群の出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、前記太陽電池モジュール群の出力状態を検出するモジュール群センサとを備え、前記第１短絡開閉器を、前記電路開閉器の２次側に配置するとともに、何れかの太陽電池モジュール群の出力異常を前記モジュール群センサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、前記電路開閉器を開路することを特徴とするものである。

本発明では、複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールの出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、太陽電池モジュールの出力状態を検出するモジュールセンサとを備え、第１短絡開閉器を、電路開閉器の２次側に配置するとともに、何れかの太陽電池モジュールの出力異常をモジュールセンサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、電路開閉器を開路する構成を採用している。したがって、不具合が生じた太陽電池モジュールのみを切り離し、その他の正常な太陽電池モジュールで発電動作を行うことができる。

請求項２に係る発明のように、出力異常を検出した際には第２短絡開閉器を閉路し、電路開閉器の１次側に設けられた各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出し、その後、請求項３に係る発明のように、複数の電路開閉器を開路することができる。このように、電路開閉器の開放に先立って、第２短絡開閉器を投入するため、電路開閉器の開放時には、太陽電池モジュールの出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。

また、本発明を構成する第２短絡開閉器が投入されていると、各太陽電池モジュールの各素子に電流が流れ続ける状態となり、各素子の故障を招く恐れがある。したがって、請求項４に係る発明のように、各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出した後に、正常な太陽電池モジュールに対応する電路開閉器を閉路するとともに、全ての第２短絡開閉器を開路することで、各素子の故障を防止することができる。

請求項５に係る発明は、複数の太陽電池モジュールを連結した太陽電池モジュール群を有する太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール群間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュール群の出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、太陽電池モジュール群の出力状態を検出するモジュール群センサとを備え、第１短絡開閉器を、電路開閉器の２次側に配置するとともに、何れかの太陽電池モジュール群の出力異常をモジュール群センサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、電路開閉器を開路するものである。このような構成を採用すれば、請求項１に記載した太陽電池モジュール単位の他に、複数の太陽電池モジュールからなる太陽モジュール群、ストリング、アレイといった単位での電気的な切り離しを選択可能とすることができる。

太陽光発電システムの全体説明図である。 実施形態１におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 実施形態１におけるシステムの開閉手順１である。 実施形態１におけるシステムの開閉手順２である。 実施形態１におけるシステムの開閉手順３である。 実施形態１におけるシステムの開閉手順４である。 実施形態２におけるシステムの開閉手順１である。 実施形態２におけるシステムの開閉手順２である。 実施形態３におけるシステムの開閉手順１である。 実施形態３におけるシステムの開閉手順２である。 実施形態３におけるシステムの開閉手順３である。 実施形態３におけるシステムの開閉手順４である。 実施形態４におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 実施形態５におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 その他の実施形態を説明する図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１に示すように、本実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１が直列接続された領域（ストリング２）を複数並列に接続したアレイ３で発電した電力を、接続箱４に集めて、パワーコンディショナ１５を介して商用系統へ出力するものである。接続箱４の内部には、各ストリング２単位で電路の開閉を行う分岐開閉器６と、全てのストリング２から出力される電力を集めた電路の開閉を行う集電開閉器７を備えている。

各太陽電池モジュール１は、数十Ｖ（３０〜４０Ｖ）の電圧を発生させることができる。ストリング２は、太陽電池モジュール１を複数個直列に接続して構成され、その出力電圧は、数百Ｖ（７５０〜１０００Ｖ）となる。

ストリング２を構成する各太陽電池モジュール１は、各太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５を介して、図２に示すように直列接続されている。

（実施形態１）
図２に示すジャンクションボックス５には、バイパスダイオード等が内蔵されている。

本実施形態では、各太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５間を繋ぐ電路に、太陽電池モジュール１間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器８と、各太陽電池モジュール１から電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する第１短絡開閉器９及び第２短絡開閉器１０とを備える。第１短絡開閉器９は、電路開閉器８の２次側に配置され、第２短絡開閉器１０は、電路開閉器８の１次側に配置されるものである。ここで、電路開閉器８の１次側とは太陽電池モジュール１側を指し、電路開閉器８の２次側とは太陽電池モジュール１の反対側を指すものである。

また、短絡回路を形成した状態で各太陽電池モジュール１の出力状態を検出する複数のモジュールセンサ１１が電路開閉器８の１次側に設けられている。モジュールセンサ１１は、例えばＣＴ等であり各モジュールの出力電流を検出可能な機能を備えたものである。さらに、複数の太陽電池モジュール１を連結した太陽電池モジュール群（ストリング２）の出力状態を検出する統合センサ１２が、ストリング２から出力される電力を集めた電路上に設けられている。

各電路開閉器８と各短絡開閉器（第１短絡開閉器９、第２短絡開閉器１０）の開閉操作は開閉動作部１３により行われ、また開閉動作部１３の動作制御は、太陽電池モジュール１の外部に設けられた制御装置１４により行われる。なお、開閉動作部１３としては、電路開閉器８や第１、第２短絡開閉器９、１０のハンドルの開閉を行う自動開閉装置を用い、ハンドルの操作や操作規制を行うことができるものとすることが好ましい。また、電路開閉器８、第１短絡開閉器９、第２短絡開閉器１０は、何れもリレーで構成するものとしても良い。この場合、開閉動作部１３は制御装置１４の制御によって動作制御信号を出力するものとする。

制御装置１４は、１つの太陽電池モジュール１毎に設けられた、１つの電路開閉器８及び２つの短絡開閉器（第１短絡開閉器９、第２短絡開閉器１０）を動作制御する開閉動作部１３に対して制御信号を送信し、各開閉器の動作制御を行う。なお、本実施形態の制御装置１４は各開閉動作部１３に対して一斉同時遮断させる制御も可能であり、これによりストリング２の出力が停止されるため、接続箱４内の分岐開閉器６や集電開閉器７の点検及び内部の部品交換等が可能となる。

制御装置１４の設置箇所は特に限定されないが、例えば、接続箱４やパワーコンディショナ１５の内部に設置することができる。本実施形態では、同一ストリング２内の電路開閉器８と第１、第２短絡開閉器９、１０とを同一の制御装置１４で制御しているが、太陽電池モジュール１毎、即ち開閉動作部１３毎に制御するものであっても良く、またはアレイ３単位で制御を行うものとしても良い。

ここで、統合センサ１２により出力異常が検出された場合には、制御装置１４から発信された制御信号を受けた開閉動作部１３が、まず、図３のように同一太陽電池モジュール群（ストリング２）の全ての第２短絡開閉器１０を投入する制御を行い、続いて、図４のように全ての電路開閉器８を開放する制御を行う。このように、電路開閉器８の開放に先立って、同一太陽電池モジュール群（ストリング２）内の全ての第２短絡開閉器１０を投入する制御を行うことにより、電路開閉器８の開放時には、太陽電池モジュール１の出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。また、特許文献１で使用される開閉器よりも、容量が小さくコンパクトな開閉器を使用することができる。なお、出力異常の検出は、モジュールセンサ１１により行うものとしても差し支えない。

電路開閉器８の開放動作は、第２短絡開閉器１０が投入状態にあることを検出できた場合にのみ可能とする制御を行うことで、安全性の向上を図ることができる。前記の検出方法は特に限定されないが、例えば、電路開閉器８の１次側（接続箱４側）に出力検出手段を設けて、第２短絡開閉器１０の投入後所定時間ごとに電流（もしくは電圧）出力検出を行い、出力が検出されない場合にのみ電路開閉器８を開放させるものとしても良い。これにより、電路開閉器８の開放時には確実に無アークとなり、安全性をさらに向上させることができる。

本実施形態では、統合センサ１２による出力異常の検出は、出力値（電圧値や電流値）が規定値以下に低下した場合、出力値が他のストリング２の出力値よりも著しく低下した場合、または短絡時のアークノイズを検出し電圧値が著しく高くなった場合等を検出した際に制御装置１４で異常と判定し、制御装置１４による上記制御が開始されるものとした。なお、モジュールセンサ１１による出力異常の検出も、統合センサ１２と同様に、出力値が規定値以下に低下した場合や、他のモジュールセンサ１１の出力値よりも著しく低下した場合等に制御装置１４で異常として判定するものとしても良い。なお、統合センサ１２として線間電圧を検出する電圧センサや、短絡時等に発生するアークノイズを検出するノイズセンサ等（ＣＴ等）を用いるものであっても良い。

以上のように第２短絡開閉器１０を閉路し、電路開閉器８を開放した後には、各モジュールセンサ１１によって太陽電池モジュール１の出力検出が行われる。図４に示す左側の太陽電池モジュール１ａにおいて出力異常が検出された場合には、図５のようにこの出力異常が検出された太陽電池モジュール１ａに接続される第１短絡開閉器９ａを閉路するとともに、第２短絡開閉器１０ａを開路する。その後、図６に示すように、正常な太陽電池モジュール１ｂにおいては、電路開閉器８ｂを閉路するとともに、第２短絡開閉器１０ｂを開路する。以上の構成により、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａのみをストリング２の回路から切り離すことができるため、その他の正常な太陽電池モジュール１ｂで発電動作を行うことができる。また、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａを切り離すことで、交換時や点検時の安全性を確保するものとしている。

なお、第２短絡開閉器１０が閉路された状態が継続すると、各太陽電池モジュール１の各素子に電流が流れ続ける状態となる。各素子に電流を流し続けると、各素子に負担がかかり、素子寿命の低下や素子の故障の要因となり好ましくない。更に、太陽光発電システムを備えた建物に火災等の事故が起こった場合に、太陽光パネルを破壊して天井面を開放する処置が行われるケースがある。このような場合において、第２短絡開閉器１０が投入されていると、太陽光モジュール１の破壊作業中の感電事故のリスクがある。そこで、本実施形態では、モジュールセンサ１１や統合センサ１２により出力異常が検出された際、もしくは、第２短絡開閉器９を投入して所定時間経過した後には、前記の第２短絡開閉器１０を、自動により、開放可能とするシステム構成として、前記したような各素子の故障や感電事故の回避を図っている。

（実施形態２）
第１の実施形態においては、太陽電池モジュール群（ストリング２）の全ての第２短絡開閉器１０を閉路した後に全ての電路開閉器８を開放させているが、図７に示す本実施形態のように、全ての第２短絡開閉器１０を閉路した後には、出力異常を検出した左側の太陽電池モジュール１ａの電路開閉器８ａのみを開放しても良い。この場合、図８のように不具合の生じた太陽電池モジュール１ａに接続される第１短絡開閉器９ａを閉路するとともに、第２短絡開閉器１０ａを開路し、次に正常な太陽電池モジュール１ｂの第２短絡開閉器１０ｂを開路して第１の実施形態と同じく図６の状態とする。このような構成によっても、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａのみを切り離し、その他の正常な太陽電池モジュール１ｂで発電動作を行うことができる。

（実施形態３）
図９に示す第３の実施形態は、請求項１記載の発明に対応する実施形態として電路開閉器８の２次側に第１短絡開閉器９を備えたものであり、電路開閉器８の１次側に第２短絡開閉器１０を設けない点で、第１、第２の実施形態と相違する。本実施形態においては、統合センサ１２またはモジュールセンサ１１により出力異常が検出された場合には、制御装置１４からの制御信号を受けた開閉動作部１３が、まず同一太陽電池モジュール群（ストリング２）２の全ての第１短絡開閉器９を閉路して図１０に示す状態となる。次に、各モジュールセンサ１１により太陽電池モジュール１の出力検出が行われる。図１０に示す左側の太陽電池モジュール１ａにおいて出力異常が検出された場合には、図１１のようにこの出力異常が検出された太陽電池モジュール１ａの電路開閉器８ａを開路する。その後、図１２に示すように、正常な太陽電池モジュール１ｂにおいては、第１短絡開閉器９ｂを開路する。

以上の構成により、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａのみをストリング２の回路から切り離すことができる。また、本実施形態は第２短絡開閉器１０を有しないため、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａに対応する電路開閉器８ａを開放した際にアークが生じるが、全太陽電池モジュール１を直列状態で接続した従来技術と比較すると、アークを抑えた状態で電路開閉器８ａを開放することができる利点がある。

（実施形態４）
図１３に示すように、太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５内に、電路開閉器８、第１短絡開閉器９、及び第２短絡開閉器１０を内蔵させることもできる。

（実施形態５）
図１４に示すように、複数の太陽電池モジュール１が連結された太陽電池モジュール群１６間の連結を複数個所で解除する電路開閉器１７と、太陽電池モジュール群１６から電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する第１短絡開閉器１８及び第２短絡開閉器１９とを備えるものとすることもできる。ここで、第１乃至第４の実施形態と同様、第１短絡開閉器１８は、電路開閉器１７の２次側に配置され、第２短絡開閉器１９は、電路開閉器１７の１次側に配置される。そして、これら電路開閉器１７、第１短絡開閉器１８、第２短絡開閉器１９の開閉を制御する制御装置２０が設けられている。また、電路開閉器１７の１次側には太陽電池モジュール群１６の出力状態を検出するモジュール群センサ２１を配置するとともに、ストリング２から出力される電力を集めた電路上に、ストリング２の出力状態を検出する統合センサ２２を配置するものとした。このような構成によっても、異常出力を検出した太陽電池モジュール群１６の第１短絡開閉器１８を閉路することで、太陽電池モジュール群１６をストリング２から切り離すことができる。

前記構造を採用することにより、図１５にその他の実施形態として示すように、第１乃至第４の実施形態に示した太陽電池モジュール１単位や、第５の実施形態に示した太陽電池モジュール群１６単位の他に、ストリング２単位でアレイ３からの電気的な切り離しを選択可能とすることができる。これと同様に、アレイ単位での切り離しも可能であることは言うまでもない。

以上に示した何れの実施形態においても、太陽電池モジュール１の電路開閉器８、１７の２次側に第１短絡開閉器９、１８を配置することで、不具合が生じた太陽電池モジュール１ａを安全に切り離すとともに、正常な太陽電池モジュール１ｂで発電を継続して行うことができるものとしている。

１ 太陽電池モジュール
２ ストリング
３ アレイ
４ 接続箱
５ ジャンクションボックス
６ 分岐開閉器
７ 集電開閉器
８ 電路開閉器
９ 第１短絡開閉器
１０ 第２短絡開閉器
１１ モジュールセンサ
１２ 統合センサ
１３ 開閉動作部
１４ 制御装置
１５ パワーコンディショナ
１６ 太陽電池モジュール群
１７ 電路開閉器
１８ 第１短絡開閉器
１９ 第２短絡開閉器
２０ 制御装置
２１ モジュール群センサ
２２ 統合センサ

Claims (5)

1. 複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、
   太陽電池モジュール間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、
   各太陽電池モジュールの出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、
   これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、
   前記太陽電池モジュールの出力状態を検出するモジュールセンサとを備え、
   前記第１短絡開閉器を、前記電路開閉器の２次側に配置するとともに、
   何れかの太陽電池モジュールの出力異常を前記モジュールセンサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、前記電路開閉器を開路すること特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記電路開閉器の１次側に、各太陽電池モジュールの出力端子間を連結して短絡経路を形成する複数の第２短絡開閉器を備え、
   何れかの太陽電池モジュールの出力異常、または複数の太陽電池モジュールを連結した太陽電池モジュール群の出力異常を検出した際には、電路開閉器の開路に先立って前記複数の第２短絡開閉器を閉路し、前記電路開閉器の１次側に設けられた各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出することを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 複数の第２短絡開閉器を閉路した後に、前記複数の電路開閉器を開路することを特徴とする請求項２記載の太陽光発電システム。
4. 各モジュールセンサにより各太陽電池モジュールの出力を検出した後に、
   正常な太陽電池モジュールに対応する電路開閉器を閉路するとともに、
   全ての第２短絡開閉器を開路することを特徴とする請求項２または３記載の太陽光発電システム。
5. 複数の太陽電池モジュールを連結した太陽電池モジュール群を有する太陽光発電システムにおいて、
   太陽電池モジュール群間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、
   各太陽電池モジュール群の出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の第１短絡開閉器と、
   これらの電路開閉器と第１短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置と、
   前記太陽電池モジュール群の出力状態を検出するモジュール群センサとを備え、
   前記第１短絡開閉器を、前記電路開閉器の２次側に配置するとともに、
   何れかの太陽電池モジュール群の出力異常を前記モジュール群センサにより検出した際には、この出力異常が検出された太陽電池モジュールに接続される第１短絡開閉器を閉路するとともに、前記電路開閉器を開路することを特徴とする太陽光発電システム。