JP2022191038A

JP2022191038A - 蓄電池付き太陽光発電システム

Info

Publication number: JP2022191038A
Application number: JP2021099648A
Authority: JP
Inventors: 康弘牧野; Yasuhiro Makino
Original assignee: Diamond and Zebra Electric Mfg Co Ltd
Current assignee: Diamond and Zebra Electric Mfg Co Ltd
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2041-06-15
Also published as: JP2023055882A; JP7483070B2; JP7223066B2

Abstract

【課題】太陽電池モジュールとパワーコンディショナの間に設けた通電調整回路のスイッチを利用して太陽電池モジュールの性能劣化現象を抑制でき、またスイッチの接点の消耗を防止できる、蓄電池付き太陽光発電システムを提供する。【解決手段】蓄電池付き太陽光発電システム１は、太陽電池モジュール２と、太陽電池モジュールまたは系統電源からの電力を蓄電する蓄電池３と、太陽電池モジュールおよび蓄電池と電気的に接続されて、太陽電池モジュールで発電された直流電力を変換するパワーコンディショナ５と、太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間で、太陽電池モジュールが発電しているときに正電流が流れ、発電していないときに負電流が流れる主電路に設けられた通電調整回路４と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池モジュールと、太陽電池モジュールまたは系統電源からの電力を蓄電する蓄電池とを有し、太陽電池モジュールの出力低下現象を抑制する蓄電池付き太陽光発電システムに関する。

従来から、蓄電池を有効活用する、蓄電池付き太陽光発電システムが知られている。このシステムにおいて、太陽電池モジュールが劣化してその発電量が大幅に低下するＰＩＤ（Potential Induced Degradation：性能劣化現象）を抑制する必要がある。

この太陽電池モジュールのＰＩＤは、保護用ガラス基板と光電変換セルとの間の電位差によってガラス基板からイオンが封止材中に拡散して光電変換セルに移動することによって、性能劣化が発生する。

上記性能劣化現象を抑制する装置として、太陽電池モジュールが発電していないときに、パワーコンディショナから太陽電池モジュールに高電圧がかかることが性能劣化の原因との知見に基づき、太陽電池モジュールと蓄電池との電気的接続を遮断することにより、インバータからの電圧が太陽電池モジュールに印加されるのを防止することが知られている（例えば、特許文献１）。

図６に示す従来の太陽光発電システム５１は、太陽電池モジュール５２と、太陽電池モジュール５２または系統電源６５からの電力を蓄電する蓄電池５３と、太陽電池モジュール５２および蓄電池５３と電気的に接続されて、太陽電池モジュール５２および蓄電池５３からの直流電力を交流電力に変換するインバータ６１を含むパワーコンディショナ５５を備えている。インバータ６１からの高電圧が、夜間であるなどのために発電していない太陽電池モジュール５２に印加されることを防止するように、太陽電池モジュール５２と蓄電池５３の間の電気的接続をスイッチ７０により遮断する。これにより、太陽電池モジュール５２が発電していないときインバータ６１からの高電圧が太陽電池モジュール５２に印加されることを防止してその性能劣化を抑制する。

特許第６１４８７８２号公報

しかし、太陽電池モジュール５２が発電しているとき（主に昼間）から発電していないとき（主に夜間）にスイッチ７０が切り替わるとき、スイッチオン（閉）からスイッチオフ（開）となる瞬間、電流が遮断されるために、スイッチ６０の両端に過大電圧が発生する。

この場合、スイッチ開閉時の過大電圧により、スイッチ７０の接点が消耗してスイッチ７０の寿命が短くなるおそれがある。

本発明は、太陽電池モジュールとパワーコンディショナの間に設けた通電調整回路のスイッチを利用して太陽電池モジュールの性能劣化現象を抑制することができ、またスイッチの接点の消耗を防止することができる、蓄電池付き太陽光発電システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る蓄電池付き太陽光発電システムは、太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールまたは系統電源からの電力を蓄電する蓄電池と、前記太陽電池モジュールおよび前記蓄電池と電気的に接続されて、前記太陽電池モジュールで発電された直流電力を変換するパワーコンディショナと、前記太陽電池モジュールと前記パワーコンディショナとの間で、前記太陽電池モジュールが発電しているときに正電流が流れ、発電していないときに負電流が流れる主電路に設けられた通電調整回路とを備え、
前記通電調整回路は、少なくとも前記主電路の一方に並列回路が設けられ、前記並列回路の一方の電路にスイッチが設けられ、他方の電路にダイオードが設けられており、前記ダイオードは、その順方向が前記負電流の流れる方向に配置されている。

この構成によれば、太陽電池モジュールが発電しているときは、太陽電池モジュールからパワーコンディショナへ正電流が流れる。発電していないときにスイッチは並列回路の一方の電路を遮断するものの、並列回路の他方の電路はダイオードを通じて負電流が流れて、太陽電池モジュールと蓄電池との間は常に通電状態にあり、太陽電池モジュールにはダイオードの順電圧降下により電圧を低下させた所定電圧が印加される。この低下させた電圧は、太陽電池モジュールの劣化を抑制させ得るものに設定される。すなわち、ダイオードでの順電圧降下を利用して太陽電池モジュールＰＶのＰＩＤ（性能劣化現象）を一定程度抑制することができる。この場合、安価な深夜電力を蓄電した蓄電池の電力を通電に使用することができる。

本発明では、前記太陽電池モジュールが発電しているか否かを検出する検出手段をさらに備え、前記太陽電池モジュールが発電しているとき前記スイッチをオンにして前記並列回路の一方の電路を正電流が流れ、発電していないとき前記スイッチをオフにし、前記ダイオードで順電圧降下された状態で前記並列回路の他方の電路を負電流が流れることが好ましい。この場合、容易にダイオードでの順電圧降下を利用して太陽電池モジュールのＰＩＤ（性能劣化現象）を一定程度抑制することができる。

また、本発明では、前記スイッチがオンからオフに切り替わるときに当該スイッチに過大電圧が発生し、これが前記ダイオードに逆方向に印加されて、当該過大電圧を逆降伏電圧に抑制することも好ましい。

この構成によれば、スイッチの両端に過大電圧が発生しても、過大電圧が並列回路のダイオードに逆バイアスとして印加される。過大電圧に対してダイオードは降伏し、逆電流が流れる。このダイオードが降伏するのにあわせて過大電圧はダイオードの逆降伏電圧に抑えられるので、スイッチの接点の消耗を防止してスイッチの寿命を長くすることができる。

好ましくは、前記通電調整回路は、さらに前記並列回路におけるダイオードと直列にヒューズが設けられていてもよい。この場合、ダイオードが故障して高電圧がかかってもヒューズで遮断されるので、より安全に太陽電池モジュールのＰＩＤ（性能劣化現象）を抑制することができる。

本発明では、太陽電池モジュールとパワーコンディショナの間に、スイッチおよびダイオードの並列回路を有する通電調整回路を設けて、太陽電池モジュールが発電していないときに、ダイオードでの順電圧降下を利用して太陽電池モジュールのＰＩＤ（性能劣化現象）を一定程度抑制することができる。また、スイッチの接点の消耗を防止してスイッチの寿命を長くすることができる。

本発明の一実施形態に係る蓄電池付き太陽光発電システムを示すブロック図である。図１の蓄電池付き太陽光発電システムの概略を示す回路図である。（Ａ）、（Ｂ）は本発明の蓄電池付き太陽光発電システムの動作を示す回路図である。本発明の蓄電池付き太陽光発電システムの動作を示す回路図である。本発明の蓄電池付き太陽光発電システムの他例を示す回路図である。従来の蓄電池付き太陽光発電システムを示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施形態に係る蓄電池付き太陽光発電システム１を示すブロック図である。この太陽光発電システム１は、太陽電池モジュール（ＰＶ）２、蓄電池３、通電調整回路４およびパワーコンディショナ５を備えており、蓄電池３を有効活用し、太陽電池モジュール２の性能劣化の抑制を図るものである。

図２は図１の蓄電池付き太陽光発電システム１の概略を示す回路図である。図２の蓄電池付き太陽光発電システム１は、太陽電池モジュール（ＰＶ）２と、太陽電池モジュール２または系統電源１５からの電力を蓄電する蓄電池３と、太陽電池モジュール２および蓄電池３と電気的に接続されて、太陽電池モジュール２で発電された直流電力を、交流電力に変換（インバータ１１）して系統電源１５に電力供給し、また直流電力に変換（図示しないＤＣ／ＤＣコンバータ）して蓄電池３に供給するパワーコンディショナ５とを備えている。この太陽電池モジュール２とパワーコンディショナ５の間の主電路Ｌａ、Ｌｂでは、太陽電池モジュール１が発電しているとき（主に昼間）に正電流が流れ、発電していないとき（主に夜間）に負電流が流れる。

前記主電路Ｌａ、Ｌｂには通電調整回路４が設けられており、この通電調整回路４は、例えば主電路Ｌａ、Ｌｂのそれぞれに並列回路６ａ、６ｂが設けられ、並列回路のそれぞれ一方の電路にスイッチ７ａ、７ｂが設けられ、他方の電路にダイオード８ａ、８ｂが設けられている。

前記ダイオード８ａ、８ｂは、太陽電池モジュール２が発電していないときに前記主電路Ｌａ、Ｌｂで負電流が流れる方向を、順方向として配置されている。つまり、主電路Ｌａのダイオード８ａはそのカソード（Ｋ）が太陽電池モジュール２側に、アノード（Ａ）がパワーコンディショナ５側に接続され、主電路Ｌｂのダイオード８ｂはそのアノード（Ａ）が太陽電池モジュール２側に接続され、カソード（Ｋ）がパワーコンディショナ５側に接続されている。また、ダイオード８ａ、８ｂと直列にそれぞれヒューズ９ａ、９ｂが設けられている。

太陽電池モジュール２が発電しているか否かを、例えばその出力電圧で検出する検出手段１２をさらに備えている。太陽電池モジュール２の発電状態に応じてスイッチ７ａ、７ｂのオンオフ制御を行うとともに、システム全体を制御する制御回路１０も設けられている。蓄電池３の直流電力はインバータ１１により交流電力に変換され、系統電源１５や負荷１３に供給される。

太陽電池モジュール２が発電しているときスイッチ７ａ、７ｂをオンにして正電流が流れ、発電していないときスイッチ７ａ、７ｂをオフにし、ダイオード８ａ、８ｂで順電圧降下された状態で負電流が流れる。

図３（Ａ）のように、太陽電池モジュール２が発電しているとき（主に昼間）、主電路Ｌａのスイッチ７ａおよび主電路Ｌｂのスイッチ７ｂがオン（閉）となり、主電路Ｌａでは太陽電池モジュール２からパワーコンディショナ５へ、主電路Ｌｂではパワーコンディショナ５から太陽電池モジュール２へ、正電流ＰＡが流れる。これにより、太陽電池モジュール２で発電された直流電力がパワーコンディショナ５に供給される。

図３（Ｂ）のように、太陽電池モジュール２が発電していないとき（主に夜間）、スイッチ７ａ、７ｂがオフ（開）となり、主電路Ｌａではパワーコンディショナ５から太陽電池モジュール２へ、主電路Ｌｂでは太陽電池モジュール２からパワーコンディショナ５へ、それぞれダイオード８ａ、８ｂを通じて負電流ＮＡが流れる。これにより太陽電池モジュール２にはダイオード８ａ、８ｂで順電圧降下された電圧がかかる。

このように、太陽電池モジュール２が発電していないとき、スイッチ７ａは並列回路６ａの電路の一方を遮断するものの、並列回路６ａの電路の他方はダイオード８ａにより通電する。また、スイッチ７ｂは並列回路６ｂの電路の一方を遮断するものの、並列回路６ｂの電路の他方はダイオード８ｂにより通電して、太陽電池モジュール２と蓄電池３との間は常に通電状態にある。そして、太陽電池モジュール２にはダイオード８ａ、８ｂの順電圧降下により電圧を低下させた所定電圧が印加される。

この低下させた電圧は、太陽電池モジュール２の性能劣化を抑制させ得るものに設定される。すなわち、ダイオード８ａ、８ｂでの順電圧降下を利用して太陽電池モジュール２のＰＩＤ（性能劣化現象）を一定程度抑制することができる。この点で、太陽電池モジュールとパワーコンディショナの間の主電路を単に遮断する従来技術と異なる。この場合、安価な深夜電力を蓄電した蓄電池３の電力を負荷１３に供給するだけでなく、上記順電圧降下の通電に使用することができる。

また、並列回路６ａ、６ｂにダイオード８ａ、８ｂと直列にヒューズ９ａ、９ｂを設けることにより、ダイオード８ａ、８ｂが故障して高電圧がかかってもヒューズ９ａ、９ｂで遮断されるので、より安全に太陽電池モジュールのＰＩＤ（性能劣化現象）を抑制することができる。これにより従来技術にない安全性を高める効果を有する。

図３（Ａ）、（Ｂ）のように、スイッチ７ａ、７ｂがオンからオフに切り替わるときに当該スイッチ７ａ、７ｂに過大電圧が発生し、これがダイオード８ａ、８ｂに逆方向に印加されて、当該過大電圧を逆降伏電圧に抑制する。

図４に示すように、太陽電池モジュール２が発電しているとき（主に昼間）から発電していないとき（主に夜間）にスイッチ７ａ、７ｂが切り替わるとき、スイッチオン（閉）からスイッチオフ（開）となる瞬間、電流が遮断されるために、スイッチ７ａ、７ｂの両端に過大電圧が発生する。その場合、過大電圧が並列回路６ａ、６ｂのダイオード８ａ、８ｂに逆バイアスとして印加される。過大電圧に対してダイオード８ａ、８ｂは降伏し、逆電流が流れる。このダイオード８ａ、８ｂが降伏するのにあわせて過大電圧はダイオード８ａ、８ｂの逆降伏電圧に抑えられる。

このように、スイッチ開閉時の過大電圧により、スイッチ７ａ、７ｂの接点が消耗して寿命が短くなるおそれがあるが、並列回路６ａ、６ｂにおける逆バイアスのダイオード８ａ、８ｂにより過大電圧が抑制されるので、スイッチ７ａ、７ｂの接点の消耗を防止して寿命を長くできる効果を有する。これによって従来技術の課題を解決することができる。過大電圧が消滅すると、図３（Ａ）、（Ｂ）の状態に戻る。

図５は、他例の蓄電池付き太陽光発電システム１Ａを示す。この他例では、図１が主電路Ｌａ、Ｌｂの両方にそれぞれ並列回路６ａ、６ｂが設けられているのと異なり、主電路Ｌａにのみ並列回路６が設けられている。並列回路６の一方の電路にはスイッチ７、他方の電路にダイオード８およびヒューズ９が設けられている。なお、主電路Ｌｂにのみ並列回路６を設けるようにしてもよい。その他の構成は、図１と同様である。

この場合も同様に、太陽電池モジュール２が発電していないとき、ダイオード８での順電圧降下を利用して太陽電池モジュール２のＰＩＤ（性能劣化現象）を一定程度抑制することができる。

なお、上記各実施形態では、太陽電池モジュール２が発電しているか否かを検出するために、太陽電池モジュール２の出力電圧を検出する検出手段１２を使用しているが、これに代えて、太陽光の照射量を検出したり、十分な発電が行われる時間帯を計測してもよい。

前記太陽光の照射量を検出する場合、例えば照度センサを使用して、太陽光が照射されている期間を検出してもよい。また、前記十分な発電が行われる時間帯を計測する場合は、例えばタイマーを使用し、季節に応じて発電が行われる時間帯を計測してもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１、１Ａ：蓄電池付き太陽光発電システム
２：太陽電池モジュール
３：蓄電池
４：通電調整回路
５：パワーコンディショナ
６、６ａ、６ｂ：並列回路
７、７ａ、７ｂ：スイッチ
８、８ａ、８ｂ：ダイオード
９、９ａ、９ｂ：ヒューズ
１０：制御部
１１：インバータ
１２：検出手段
１３：負荷
１５：系統電源
Ｌａ、Ｌｂ：主電路

Claims

太陽電池モジュールと、前記太陽電池モジュールまたは系統電源からの電力を蓄電する蓄電池と、前記太陽電池モジュールおよび前記蓄電池と電気的に接続されて、前記太陽電池モジュールで発電された直流電力を変換するパワーコンディショナと、前記太陽電池モジュールと前記パワーコンディショナとの間で、前記太陽電池モジュールが発電しているときに正電流が流れ、発電していないときに負電流が流れる主電路に設けられた通電調整回路とを備え、
前記通電調整回路は、少なくとも前記主電路の一方に並列回路が設けられ、前記並列回路の一方の電路にスイッチが設けられ、他方の電路にダイオードが設けられており、
前記ダイオードは、その順方向が前記負電流の流れる方向に配置されている、蓄電池付き太陽光発電システム。
請求項１において
前記太陽電池モジュールが発電しているか否かを検出する検出手段をさらに備え、
前記太陽電池モジュールが発電しているとき前記スイッチをオンにして前記並列回路の一方を正電流が流れ、発電していないとき前記スイッチをオフにし、前記ダイオードで電圧降下された状態で前記並列回路の他方を負電流が流れる、蓄電池付き太陽光発電システム。
請求項２において
前記スイッチがオンからオフに切り替わるときに当該スイッチに過大電圧が発生し、これが前記ダイオードに逆方向に印加されて、当該過大電圧を逆降伏電圧に抑制する、蓄電池付き太陽光発電システム。
請求項１において、
前記通電調整回路は、さらに前記並列回路におけるダイオードと直列にヒューズが設けられている、蓄電池付き太陽光発電システム。