JP4123673B2

JP4123673B2 - 融雪制御装置および太陽光発電システム

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Publication number: JP4123673B2
Application number: JP2000068744A
Authority: JP
Inventors: 雅夫馬渕; 佳弘上田; 信行豊浦; 勝隆田辺
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2020-03-13
Also published as: JP2001257377A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池上に積もった氷や雪を融雪する融雪装置を制御する融雪制御装置および該融雪制御装置を備えた太陽光発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽光発電（分散型電源）と系統電源（商用電源）とをインバータを介して連系し、太陽光発電によって使用機器の電力を供給して余った電力を系統側に逆潮流し、太陽光発電だけでは電力が賄えない場合に、その電力を系統側から供給するようにした太陽光発電システムが開発されている。
【０００３】
このような太陽光発電システムにおいては、日照によって発電するものであるから、日照が遮られると発電できない。この日照を遮るものの一つとして、太陽電池上の積雪がある。積雪の多い地域では、昼間の晴天であるにも拘わらず、太陽電池上の積雪によって日照が遮られる結果、太陽電池の発電を利用できないという不具合がある。
【０００４】
そこで、太陽電池上の積雪を融雪できるように融雪装置を備えた太陽光発電システムも既に開発されている。例えば、系統電源を、インバータを内蔵したパワーコンディショナに供給し、このパワーコンディショナで昇降圧処理して太陽電池に発熱電流を供給することにより、太陽電池を発熱させて融雪するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、融雪が完了したか否かの判断が容易でないため、従来では、例えば、予め定めた一定時間で融雪動作を停止させたり、あるいは、パワーコンディショナから太陽電池への過電流を検出して停止させていた。
【０００６】
融雪動作を、予め定めた一定時間で停止させる従来例では、実際には、太陽電池上の雪が融けて融雪が完了して発電できる状態であっても、融雪動作を継続する場合があり、システム使用効率が低下するという難点がある。
【０００７】
太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングの複数を、並列接続して構成されるのであるが、パワーコンディショナから太陽電池へ流れる過電流を検出して停止させる従来例では、ストリング毎の融雪状態に相違があって、特定のストリングに過電流が流れたようなときにも融雪動作を停止させる場合があり、他のストリングは、融雪が完了していないにも拘わらず、融雪動作を停止させて再度融雪動作を開始させねばならないといった難点がある。
【０００８】
本発明は、前記のような課題に鑑みて為されたものであって、融雪が完了したストリングに発熱電流を供給したり、あるいは、融雪が完了していないのも拘わらず、融雪動作を停止させるといった事態を回避してシステムの使用効率を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述の目的を達成するために、複数の太陽電池モジュールが直列に接続されてなるストリングを複数並列に接続して構成される太陽電池に発熱電流を供給して、該太陽電池上の氷雪を融かす融雪動作の制御を行う融雪制御装置において、前記各ストリング毎に、該ストリングに流れる電流をそれぞれ検出する電流検出手段を備え、更に、融雪動作時に前記各電流検出手段の検出値に基づいて前記各ストリング毎に融雪が完了したか否かの判定を行う判定手段と、該判定手段の判定結果に基づいて前記各ストリング毎に融雪動作の制御を行う制御手段とを備え、前記判定手段が、前記太陽電池に発熱電流を供給するために印加する電圧または電流を増減させた時に、この増減前後の前記各電流検出手段による検出値の変化に基づいて前記各ストリング毎に融雪が完了したか否かの判定を行うという手段を採用している。
【００１０】
よって、融雪が完了したと判定された前記ストリングの融雪動作を停止することができるので、融雪が完了したストリングに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことができ、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００１１】
前記電流検出手段は電流センサ等で構成され、また前記判定手段および前記制御手段はマイクロコンピュータ等で実現される。
【００１９】
さらに、本発明の他の実施の態様では、前記記載の融雪制御装置と、前記太陽電池と、通常動作時には、前記太陽電池からの発電電力を交流電力に変換する一方、融雪動作時には、系統電源からの交流電力を直流電力に変換して前記太陽電池に発熱電流を供給するパワーコンディショナとを備え、太陽光発電システムを構成している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、後述する実施の形態１〜６のうち、実施の形態３が請求項１もしくは２に係る発明に対応しており、他の実施の形態は参考例として示している。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、以下、この太陽光発電システム１の構成について、動作とともに説明する。
【００２２】
通常動作時には、複数の太陽電池モジュールが直列に接続されてなるストリング５ａ〜５ｃを複数（例えば図１に示す例では３つ）並列に接続して構成された太陽電池２で発電された直流電力は、該太陽電池２の各ストリング５ａ〜５ｃに個別的に対応する逆流防止ダイオード７ａ〜７ｃを介して、パワーコンディショナ４に送られる。該パワーコンディショナ４は、前記太陽電池２からの直流電力を一般の商用電源である系統電源６と同期のとれた交流電力に変換（ＤＣ／ＡＣ変換）して負荷に供給している。また、前記パワーコンディショナ４は、単独運転時やその他の異常時には開閉器を解列して動作を停止させるといった保護動作などを行う。
【００２３】
一方、スイッチ操作などによって融雪動作指令が与えられると融雪制御装置３の制御手段１１を介して前記各逆流防止ダイオード７ａ〜７ｃに並列にそれぞれ接続された各開閉器８ａ〜８ｃをオンする。同時に、前記パワーコンディショナ４は前記系統電源６からの交流電力を直流電力に変換（ＡＣ／ＤＣ変換）して前記各ストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給し、該各ストリング５ａ〜５ｃを発熱させてその上に積もっている雪あるいは凍結している氷を融かすという融雪動作を行う。
【００２４】
ところで、太陽電池は、照度および太陽電池の温度によって電流−電圧特性が相異しており、例えば図２に示すような電流−電圧特性を示す。この図２において、特性曲線▲２▼は積雪によって照度がない状態を、特性曲線▲１▼は夜間において積もった雪が融けて融雪した状態を、特性曲線▲３▼は昼間において融雪した状態を示している。
【００２５】
すなわち、融雪動作を行った場合、積雪した雪が太陽電池上に残って融けていない状態では、太陽電池２の発熱は、雪の融解に使用されるために太陽電池２の温度上昇はほとんどないが、雪が融けて融雪が完了すると、太陽電池２の自己発熱によって温度上昇を起こす。一定電圧Ｖｏを印加した状態で、太陽電池２のセル温度が上昇すると、夜間においては特性曲線▲２▼から特性曲線▲１▼へと変化していくことになる。一方、昼間においては雪が融けて融雪が完了すると、前記太陽電池２への照度が増すため特性曲線▲２▼から特性曲線▲３▼へと変化していくことになる。
【００２６】
さらに、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に積雪あるいは融雪の状態に差が生じる場合があるので、時間経過とともに前記各ストリング５ａ〜５ｃにおける電流−電圧特性は違ってくることになる。
【００２７】
よって、融雪動作時には、前記各ストリング５ａ〜５ｃにそれぞれ個別的に対応した電流センサ等の電流検出手段９ａ〜９ｃは、前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値を検出する。
【００２８】
前記検出された前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値は、判定手段１０に通知され、該判定手段１０ではこの検出値の平均を算出して判定値とする。次に、前記判定手段１０は、前記判定値と前記各ストリング５ａ〜５ｃの検出値とを比較することにより前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定を行う。すなわち、前記判定手段１０は、前記各ストリング５ａ〜５ｃの検出値が前記判定値に対して偏差が大きい場合（例えば前記判定値を基準に所定の値幅に含まれない場合等）に当該ストリングの融雪が完了したと判定し、制御手段１１に通知する。
【００２９】
該制御手段１１は融雪が完了したと判定されたストリング（ここでは前記ストリング５ａとする）に対応する各開閉器８ａをオフしてパワーコンディショナ４からの発熱電流を遮断する。そして、全ての開閉器８ａ〜８ｃがオフされた時点で全てのストリング５ａ〜５ｃの融雪動作が完了したことになり、前記制御手段１１は前記パワーコンディショナ４の融雪動作を停止させる。その後、通常動作指令を出力して前記パワーコンディショナ４を通常の発電動作に移行させる。なお、全てのストリング５ａ〜５ｃでの融雪動作の完了ではなく、融雪動作の完了したストリング５ａ〜５ｃが所定数以上になった場合に、前記制御手段１１は前記パワーコンディショナ４の融雪動作を停止させて通常の発電動作に移行させることも可能である。
【００３０】
また、本実施の形態では融雪が完了したとして対応する開閉器８ａをオフして前記パワーコンディショナ４からの発熱電流を遮断されたストリング５ａからの発電電流を、融雪が完了していない他のストリング５ｂ〜５ｃに供給できるように構成している。
【００３１】
なお、本実施の形態では前記判定手段１０では前記検出値の平均を算出して判定値としているが、これに限られるものではなく、例えば算出した平均値に任意のオフセット値を加算して判定値と、または全てのストリング５ａ〜５ｃの平均ではなく前記検出値が最大や最小になるストリングの検出値を除いた平均値を判定値とする等であっても構わない。
【００３２】
また、本実施の形態では、前記太陽電池２から前記パワーコンディショナ４へ流れる電流の向きを正としているが、判定基準が変わるだけで逆向きとしてもよい。さらに、前記開閉器８ａ〜８ｃは、トランジスタなどのスイッチング素子で構成してもよい。
【００３３】
以上のように、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かを判定して融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａ〜５ｃには、前記パワーコンディショナ４からの発熱電流を遮断するようにしているので、融雪が完了したストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことができ、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００３４】
（実施の形態２）
本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムについて説明するが、システムの構成は前記実施の形態１と同様であり、以下相異する点を説明する。
【００３５】
上述したように前記太陽電池は、照度および太陽電池の温度によって電流−電圧特性が相異しており、例えば図３に示すような電流−電圧特性を示す場合もあり得る。このような場合における前記判定手段１０の前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定動作について、以下説明する。
【００３６】
この図３において、特性曲線▲１▼▲２▼は図２と同じであるが、昼間において融雪した状態を示す特性曲線▲３▼ｂは照度および太陽電池の温度等の関係により図３に示すように特性曲線▲２▼と前記パワーコンディショナ４が制御している一定電圧Ｖｏ付近で交差している。このような場合には、前記一定電圧Ｖｏでの電流の検出値では例えば所定の値との比較によって、前記各ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したか否かの判定できない。
【００３７】
そこで、本実施の形態では、まず所定時間ごとに前記パワーコンディショナ４が制御している一定電圧Ｖｏを任意に変化させる。例えば図３では一定電圧Ｖｏを一定電圧Ｖａに変化させている。次に、前記電流検出手段９ａ〜９ｃは前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値が検出し、前記判定手段１０に通知する。該判定手段１０では、この一定電圧Ｖａにおける検出値とあらかじめ設定された所定の値とを比較することで前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定を行う。例えば、昼間であれば前記一定電圧Ｖａにおける検出値が０Ａ以上の時に前記ストリング５ａ〜５ｃで発電が行われていることになり、融雪が完了したと判定する。このようにして融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａ〜５ｃを、前記制御手段１１に通知することになる。以降の動作については、実施の形態１と同様である。
【００３８】
なお、本実施の形態では前記パワーコンディショナ４が印加している一定電圧Ｖｏを任意に変化させているが、電圧に代えて電流を任意に変化させた後、前記電流検出手段９ａ〜９ｃにより前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値を検出することも可能である。
【００３９】
また、前記判定を前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎ではなく、全てのストリング５ａ〜５ｃを一括で行うことももちろん可能である。
【００４０】
以上のように、前記パワーコンディショナ４が制御している一定電圧Ｖｏでの電流の検出値では前記判定を行うことできような場合であっても、前記判定を行うことができ、融雪が完了したストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くして、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００４１】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２における前記判定手段１０で行っている前記各ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したか否かの判定を他の方法で行う場合であり、以下に説明する。
【００４２】
まず、実施の形態２と同様に、所定時間ごとに前記パワーコンディショナ４が制御している一定電圧Ｖｏを任意に変化させる。次に、前記電流検出手段９ａ〜９ｃは前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値が検出し、前記判定手段１０に通知する。該判定手段１０では、この一定電圧Ｖａにおける検出値と、電圧を変化させる前の一定電圧Ｖｏにおける検出値との変化（電流変化量または電流の向き）に基づいて前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定を行う。
【００４３】
すなわち、前記判定手段１０は、例えば夜間であれば、前記電流変化量があらかじめ設定された所定の値以上の時に、前記各ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したと判定する。一方、昼間であれば、前記判定手段１０は、前記一定電圧Ｖａにおける検出値と前記一定電圧Ｖｏにおける検出値とで電流の向きが反転した時に、前記各ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したと判定する。このようにして融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａ〜５ｃを、前記制御手段１１に通知することになる。以降の動作については、前記各実施の形態と同様である。
【００４４】
なお、本実施の形態についても前記パワーコンディショナ４が印加している一定電圧ＶｏＶを任意に変化させているが、これに代えて前記パワーコンディショナ４の出力電流を任意に変化させた後、前記電流検出手段９ａ〜９ｃにより前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる電流の向きおよびその値を検出することも可能である。
【００４５】
以上のように、前記パワーコンディショナ４が制御している一定電圧Ｖｏでの電流の検出値では前記判定を行うことできような場合であっても、前記判定を行うことができ、融雪が完了したストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くして、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００４６】
（実施の形態４）
図４は、本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、以下この太陽光発電システムについて説明する。なお、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００４７】
本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に、該ストリング５ａ〜５ｃにかかる電圧をそれぞれ検出する電圧検出手段１２ａ〜１２ｃを備えている。
【００４８】
融雪動作時には、前記各ストリング５ａ〜５ｃに前記パワーコンディショナ４より発熱電流が供給されているが、所定時間ごとに一旦前記開閉器８ａ〜８ｃをオフすることにより前記発熱電流の供給を停止する。
【００４９】
この時、前記各逆流防止ダイオード７ａ〜７ｃのカソード側は前記パワーコンディショナ４の出力電圧、アノード側は前記各ストリング５ａ〜５ｃの開放電圧になる。よって、前記各電圧検出手段１２が前記各ストリング５ａ〜５ｃの開放電圧をそれぞれ検出し、前記判定手段１０に通知する。該判定手段１０では、この検出値と、あらかじめ設定された所定の値とを比較することで前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定を行う。例えば前記開放電圧が発生していれば、前記ストリング５ａ〜５ｃで発電が行われていることになり、融雪が完了したと判定する。このようにして融雪が完了したと判定されたストリング（ここでは前記ストリング５ａとする）を、前記制御手段１１に通知することになる。該制御手段１１は融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａに対応する各開閉器８ａをオフのままとして、それ以外のストリング５ｂ〜５ｃに対応する各開閉器８ｂ〜８ｃをオンすることによりパワーコンディショナ４からの発熱電流の供給を再開する。そして、全ての開閉器８ａ〜８ｃがオフされた時点で全てのストリング５ａ〜５ｃの融雪動作が完了したことになり、前記制御手段１１は前記パワーコンディショナ４の融雪動作を停止させる。その後、通常動作指令を出力して前記パワーコンディショナ４を通常の発電動作に移行させる。
【００５０】
以上のように、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かを判定して融雪が完了したと判定された前記ストリングには、前記パワーコンディショナ４からの発熱電流を遮断するようにしているので、融雪が完了したストリングに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことができ、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００５１】
（実施の形態５）
図５は、本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、以下この太陽光発電システムについて説明する。なお、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００５２】
本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に該ストリング５ａ〜５ｃをそれぞれ短絡させる短絡手段１３ａ〜１３ｃを備えている。
【００５３】
融雪動作時には、前記各ストリング５ａ〜５ｃに前記パワーコンディショナ４より発熱電流が供給されているが、所定時間ごとに一旦前記開閉器８ａ〜８ｃをオフすることにより前記発熱電流の供給を停止する。次に、前記各短絡手段１３ａ〜１３ｃがそれぞれ前記各ストリング５ａ〜５ｃを短絡させる。そして、前記各電流検出手段９ａ〜９ｃが前記各ストリング５ａ〜５ｃに流れる短絡電流をそれぞれ検出し、前記判定手段１０に通知する。該判定手段１０では、この検出値と、あらかじめ設定された所定の値とを比較することで前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かの判定を行う。例えば前記短絡電流が発生していれば、前記ストリング５ａ〜５ｃで発電が行われていることになり、融雪が完了したと判定する。このようにして融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａ〜５ｃを、前記制御手段１１に通知することになる。以降の動作については、実施の形態４と同様である。
【００５４】
以上のように、前記各ストリング５ａ〜５ｃ毎に融雪が完了したか否かを判定して融雪が完了したと判定された前記ストリング５ａ〜５ｃには、前記パワーコンディショナ４からの発熱電流を遮断するようにしているので、融雪が完了したストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことができ、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００５５】
（実施の形態６）
図６は、本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図であり、以下この太陽光発電システムについて説明する。なお、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。
【００５６】
上述したように融雪動作を行っている場合、太陽電池は照度および太陽電池の温度によって電流−電圧特性が変化する。このため、前記ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したと判定する条件を、昼間と夜間において同じに規定することは実施の形態１以外では困難であった。
【００５７】
そこで、本実施の形態では、昼間には照度のある状態で有効となる判定条件を、夜間には照度のない状態で有効となる判定条件を使用するように、時間に応じて前記判定条件を変更する変更手段１４を備えている。該変更手段１４はタイマー機能を有し、例えば所定の時間帯を夜間として実施の形態２に示したように前記ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したか否かの判定を行い、それ以外の時間帯を昼間として実施の形態４に示したように前記ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したか否かの判定を行うように変更している。
【００５８】
このように、昼間と夜間とで前記ストリング５ａ〜５ｃの融雪が完了したとする判定条件を切り替えることにより、より確実に融雪が完了したとする判定を行っているので、融雪が完了したストリング５ａ〜５ｃに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことが確実にでき、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【００５９】
なお、上述の各実施の形態では、前記パワーコンディショナ４によって前記太陽電池２の発熱電流を供給しているが、本発明は、前記パワーコンディショナ４に限らず、他の融雪装置から発熱電流を前記太陽電池２へ供給する構成に適用してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、各ストリング毎に融雪が完了したか否かを判定して融雪が完了したと判定された前記ストリングには、前記パワーコンディショナからの発熱電流を遮断するようにしているので、融雪が完了したストリングに発熱電流を供給するといった電力の無駄を無くすことができ、システムの使用効率を一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図２】融雪動作を説明するための太陽電池の電流−電圧特性図である。
【図３】融雪動作を説明するための太陽電池の電流−電圧特性図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成図である。
【符号の説明】
１太陽光発電システム
２太陽電池
３融雪制御装置
４パワーコンディショナ
５ａ〜５ｃストリング
６系統電源
７ａ〜７ｃ逆流防止ダイオード
８ａ〜８ｃ開閉器
９ａ〜９ｃ電流検出手段
１０判定手段
１１制御手段
１２ａ〜１２ｃ電圧検出手段
１３ａ〜１３ｃ短絡手段
１４変更手段

Claims

複数の太陽電池モジュールが直列に接続されてなるストリングを複数並列に接続して構成される太陽電池に発熱電流を供給して、該太陽電池上の氷雪を融かす融雪動作の制御を行う融雪制御装置において、
前記各ストリング毎に、該ストリングに流れる電流をそれぞれ検出する電流検出手段を備え、
更に、融雪動作時に前記各電流検出手段の検出値に基づいて前記各ストリング毎に融雪が完了したか否かの判定を行う判定手段と、
該判定手段の判定結果に基づいて前記各ストリング毎に融雪動作の制御を行う制御手段とを備え、
前記判定手段が、前記太陽電池に発熱電流を供給するために印加する電圧または電流を増減させた時に、この増減前後の前記各電流検出手段による検出値の変化に基づいて前記各ストリング毎に融雪が完了したか否かの判定を行うことを特徴とする融雪制御装置。
請求項１に記載の融雪制御装置と、
複数の太陽電池モジュールが直列に接続されてなるストリングを複数並列に接続して構成される太陽電池と、
通常動作時には、前記太陽電池からの発電電力を交流電力に変換する一方、融雪動作時には、系統電源からの交流電力を直流電力に変換して前記太陽電池に発熱電流を供給するパワーコンディショナとを備えることを特徴とする太陽光発電システム。