JP5246866B2

JP5246866B2 - 太陽電池モジュール不具合検出装置

Info

Publication number: JP5246866B2
Application number: JP2009010016A
Authority: JP
Inventors: 隆夫山田; 祟大関; 卓也土井; 和彦加藤; 敬一岡島; 健一郎安田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010171065A

Description

本発明は、太陽光発電システムに用いられる太陽電池モジュール内部の接続不良や太陽電池セルの不具合を検出する装置に関する。

近年、エネルギー需要の増大や地球温暖化等の環境問題に対処するために、太陽光発電システムの研究・開発が盛んに行われるようになってきている。
一般的な太陽光発電システムは、多数の太陽電池セル（光電変換素子）からなる太陽電池モジュールを複数配列して構成されていて、その発電出力はパワーコンディショナで調整されて負荷に供給されるようになっている。

太陽光発電システムを構成しているこれらの太陽電池モジュールは、主に建物の屋根に設置されるため、直射日光、降雨、積雪等に晒される過酷な環境の中で使用される。太陽電池モジュール内部の各太陽電池セルの電極間は半田付け等によって繋がれている。

このような過酷な環境下に設置された太陽電池モジュールは、日陰で引き起こされる日射の変化に起因する電流・電圧の出力変化や熱変化によるストレスにより劣化し、モジュール内部で電極の剥がれや太陽電池セルのクラック発生等の種々の不具合を生じることがある。

従来、太陽電池モジュール内部の接触不良による不具合の検出方法としては、抵抗値を測定する方法や、電流を強制的に太陽電池モジュール内に流して発熱させ、熱放射された赤外線をサーモカメラ等で観測する方法が一般的に知られている。

また、太陽電池モジュール内部の電流経路に導体の一回以上のループを形成して磁界を発生させ、この磁界をモジュール外部から磁気センサで検出するようにした太陽電池モジュールの故障検出方法（特許文献１参照）や、太陽電池モジュール内に強制的に流し込んだ電流によって、太陽電池セルの半導体内部で生じるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）発光現象により発生する近赤外線域の光を観測するエレクトロルミネッセンス検出方法（特許文献２参照）も提案されている。

特許第３４８６１９７号公報国際公開ＷＯ２００６／０５９６１５号公報

太陽電池モジュールは、複数の直列接続された太陽電池セルをポリマー等で内部にパッケージングした密封構造になっていて分解が困難であるため、不具合が発生した場合、故障箇所を特定することは極めて難しい。

前述した、太陽電池モジュール内部の接触不良による不具合の検出に抵抗値を測定する方法においては、太陽電池セルをパッケージングする以前に電極間の抵抗値を検査する必要があり、完成品の太陽電池モジュールにはこの方法を適用できない問題がある。

また、太陽電池モジュールの発熱により熱放射された赤外線を観測する方法は、太陽電池モジュール内部の構造が複雑であるため、必ずしも発熱した部分が不具合箇所でない場合もある。

さらに、特許文献１に記載されている太陽電池モジュール内に導体ループを形成して発生させた磁界をモジュール外部で検出する故障検出方法においては、太陽電池モジュール内のループ位置で発生する磁界のみしか検出できないため、太陽電池モジュール内部の故障箇所を特定できない問題がある。

また、特許文献２に記載されている太陽電池セルの半導体内部で生じるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）発光現象により発生する近赤外線域の光を観測する方法においては、半導体内部の発光現象を観測するものであるため、太陽電池セル内部以外で発生している不具合については観測することができない問題がある。

そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、太陽電池モジュール内部の断線や接触不良等の不具合箇所を外側から非接触に、且つ、高い精度で見つけ出すことのできる太陽電池モジュール不具合検出装置を提供することを目的とする。

前記目的のために提供される、本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置は、複数の太陽電池セルが封入された太陽電池モジュールのパッケージの内部で太陽電池セルどうしを直列に接続している配線の不具合を検出するための装置であって、検査対象とする太陽電池モジュールの受光面または裏面に平行に設定したＸＹ平面内で、当該太陽電池モジュールに対して相対的にＸ軸及びＹ軸の両方向に移動自在に設けられ、太陽電池モジュール内部を流れる電流により誘起される磁界の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びこれらに垂直なＺ軸方向の成分をそれぞれ検出する磁気センサと、前記磁気センサと前記太陽電池モジュールの少なくとも一方をＸＹ平面内で移動させ、当該磁気センサを太陽電池モジュールの受光面または裏面の所望の検査位置へ位置決めする移動位置決め手段と、前記移動位置決め手段を制御して前記検査位置を順次変えながら、前記太陽電池モジュールの各検査位置で前記磁気センサが逐次検出した磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の成分のデータを収集するデータ収集手段と、前記データ収集手段が取得した各検査位置における前記データに基づいて、前記太陽電池モジュールの受光面または裏面の磁界の分布状態を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各成分毎に可視化した画像データを生成する画像生成手段と、前記画像生成手段が生成した画像データを表示する表示手段とを備えたものである。

本発明の太陽電池不具合検出装置においては、検査対象とする太陽電池モジュールに光を当てて発電させるための光源を有していることが望ましい。また、検査対象とする太陽電池モジュールに電流を供給するための直流電流源を有していることも望ましい。

請求項１記載の発明によれば、太陽電池モジュール内部を流れる電流が生成する磁界を可視化して画像表示することができ、この画像を分析することによってモジュール内部の太陽電池セル間の接触不良や太陽電池セル自体の不具合が生じている箇所を容易に把握することができる。

また、正常な太陽電池セルは、受光面に対して均一に発電し、その電流は、導体である裏面電極に集結し、後続の太陽電池セルの表面電極に流れる。このことから、電流が生成する磁界を感知する磁気センサは、主に電極部に強い反応を示すが、太陽電池セルやその電極に不具合が生じたときには、通常とは異なる電流経路をとる。

特に、半田付け不良等の電極の不具合は、電極部で起こるため、一軸方向の磁界検出では不具合を判断し難いが、本発明においては、太陽電池モジュール内部を流れる電流が生成する磁界をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各成分毎に可視化画像を得ているため、モジュール内部の不具合箇所を高い精度で発見することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、光源を備えることにより、太陽光の利用できない室内や夜間であっても太陽電池モジュールを発電させて太陽電池モジュールの検査を行うことができる。また、天候や時刻によって変化する太陽光と比較して、均一な照光条件のもとで検査を行うことができる。

さらに、請求項３記載の発明によれば、複数の太陽電池セルの直列接続から構成されている太陽電池モジュールは、一部のセルの発電出力が低下した場合に、その前段の正常なセルから当該セルに強制的に電流が注入されるため、直流電流源を付設することで、このような場合を再現して検査を行うことができる。

本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置の概略構造を示すブロック図である。太陽電池セルへの電極の取付状態を示す概略図である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置で太陽電池モジュールの表面（受光面）側を検査する場合の説明図である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置で太陽電池モジュールの裏面側を検査する場合の説明図である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置に太陽電池モジュールに直流電流源から電流を供給した状態で検査を行う場合の説明図である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置の動作フローを示す図である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置によって生成された、太陽電池モジュールの受光面側の磁界の電流方向と直交する方向の成分（Ｘ軸方向）の可視化画像である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置によって生成された、太陽電池モジュールの受光面側の磁界の電流方向の成分（Ｙ軸方向）の可視化画像である。本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置によって生成された、太陽電池モジュールの受光面側の磁界の垂直方向の成分の可視化画像である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の太陽電池モジュール不具合検出装置の１実施形態における概略構造を示すブロック図であって、同図に示す太陽電池モジュール不具合検出装置１は、検査対象とする太陽電池モジュールＭの受光面または裏面に沿って移動する磁気センサ２を有している。

磁気センサ２は、図示していない固定枠に設けられた一対の走行ガイド３、４に案内されて図１におけるＸ軸方向に移動自在に設けられた横行ガイド５上を、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に移動自在に設けられている。

横行ガイド５は、一方の走行ガイド３の一端に設けられているＸ軸駆動モータ６により、図示していない送りねじ機構を介して駆動されるようになっている。一方、磁気センサ２は、横行ガイド５の一端に設けられているＹ軸駆動モータ７によって、これも図示していない送りねじ機構を介して駆動されるようになっている。

したがって、磁気センサ２は、Ｘ軸駆動モータ６とＹ軸駆動モータ７をそれぞれ正逆方向に回転制御することによって、ＸＹ平面内を太陽電池モジュールＭ上の所望の検査位置に移動させることができるようになっている。

太陽電池モジュールＭは、図２に示すような太陽電池セルＣを複数直列接続して構成されている。同図に示す太陽電池セルＣは、結晶系シリコンをｐｎ接合して構成されている一般的なものであって、これらの太陽電池セルＣの受光面となる表面側には、できるだけ入射光を妨げないように必要最小限の面積を有する格子状のｎ電極が設けられている。

一方、太陽電池セルＣの裏面には、十分な電流が流れるように面状に形成されたｐ電極が取り付けられており、隣り合う一方の太陽電池セルＣのｐ電極が他方のｎ電極に配線Ｗで接続されることにより、複数の太陽電池セルＣが直列に繋げられている。

これらの太陽電池セルＣは、太陽電池モジュールＭのパッケージ内に封入されているが、内部の電極や配線に電流が流れるとその周囲に磁界が生じる。本発明は、この磁界を磁気センサ２で検出することにより、太陽電池モジュールＭ内を流れる電流の状態をその外部から非接触で検査できるようにしたものである。

磁気センサ２は、前記電流によって生成される磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びこれらに垂直なＺ軸方向の成分を独立して検出できるものであり、磁気センサ２により検出された情報は、磁気センサインターフェース８を介してコンピュータ９に入力されるようになっている。

本実施形態のものにおいては、検査対象の太陽電池モジュールＭを太陽電池セルＣの直列に配列した方向、すなわち図２中の配線Ｗの長手方向が図１のＸ軸またはＹ軸方向に向くように、太陽電池モジュール不具合検出装置１にセットする。

一方、磁気センサ２のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置情報は、図示していないＸ軸位置センサ及びＹ軸位置センサにより検出され、モータ制御インターフェース１０を介してコンピュータ９に入力されるようになっている。

なお、本実施形態のものにおいては、これらの位置センサには、横行ガイド５のＸ軸方向の移動量や磁気センサ２のＹ軸方向移動量の移動量を直接検出するリニアスケールを用いているが、Ｘ軸駆動モータ６とＹ軸駆動モータ７の回転量を検出するロータリエンコーダを用いてもよい。

前記モータ制御インターフェース１０はまた、コンピュータ９からの指令信号を受けてＸ軸駆動モータ６とＹ軸駆動モータ７を駆動し、磁気センサ２を所望の位置へ移動位置決めする機能を有している。

なお、本実施形態では、モータ制御インターフェース１０には、前述したＸ軸位置センサとＹ軸位置センサからの位置情報がフィードバックされて、磁気センサ２をコンピュータ９の指定する位置へ高精度で位置決め制御する機能が組み込まれている。

また、ここで用いているコンピュータ９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等から構成されている汎用のものであり、前記ＣＰＵで実行される検査プログラムにより、本発明におけるデータ収集手段ならびに画像生成手段として機能するものである。

前記コンピュータ９には、本発明における表示手段として用いられるモニタ１１が接続されているほか、図示していないが、必要な入力を行うためのキーボードやマウス等の入力機器が接続されている。

また、前述した一対の走行ガイド３、４、横行ガイド５、Ｘ軸駆動モータ６、Ｙ軸駆動モータ７、モータ制御インターフェース１０等、磁気センサ２を移動位置決めする構成部分が本発明における移動位置決め手段を構成している。

ここで、太陽電池モジュールＭの受光面（表面）側の検査を行う場合には、図３に示すように、磁気センサ２の下方に太陽電池モジュールＭの受光面（表面）が対向するようにセットし、また、太陽電池モジュールＭには負荷を接続する。

太陽電池モジュールＭの受光面には光を当てて、太陽電池モジュールＭ内に電流が流れる状態にして検査を行う。この際、受光面が受ける光の強さを一定にするために、同図に示すように光源を用いることが望ましい。

また、太陽電池モジュールＭの裏面側の検査を行う場合には、図４に示すように、太陽電池モジュールＭを裏返して磁気センサ２の下方に太陽電池モジュールＭの裏面が対向するようにセットするとともに、太陽電池モジュールＭの下方に光源を配置する。

また、図５は、太陽電池モジュールＭに直流電流源となる外部電源を接続して、電流を強制的に流入させて検査を行う場合を示すものであって、太陽電池モジュールＭの受光面（表面）側と裏面側の検査は、それぞれ受光面側を上向きあるいは下向きにセットして行う。

以下、前述した太陽電池不具合検出装置１を用いた太陽電池モジュールＭの検査手順を図６に示すフロー図にしたがって説明する。先ず、図３乃至図５の何れかの状態に太陽電池モジュールＭをセットし、太陽電池不具合検出装置１を起動する。

そうすると、コンピュータ９内の検査プログラムが実行され、モニタ１１の画面に太陽電池モジュールＭの表面または裏面の検査範囲の設定画面を表示するので、図示していないキーボード等の入力機器から検査開始位置の座標値（Ｘｓ、Ｙｓ）と検査終了位置の座標値（Ｘｅ、Ｙｅ）を入力する（図６のステップＳ１）。

検査範囲の入力が完了した後、入力機器から検査開始の指令を入力すると、コンピュータ９は、モータ制御インターフェース１０を介して、Ｘ軸駆動モータ６、Ｙ軸駆動モータ７を回転させて、磁気センサ２を、設定された検査開始位置（Ｘｓ、Ｙｓ）に移動させる（ステップＳ２）。

磁気センサ２の位置は、先に述べた図示していない位置センサによって検出され、この位置情報はモータ制御インターフェース１０を経由してコンピュータ９に入力される（ステップＳ３）。

一方、磁気センサ２は、太陽電池モジュールＭの検査面に生じる磁界Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向成分を個別に検出し、その測定データは、モータ制御インターフェース１０を介してコンピュータ９に取り込まれる（ステップＳ４）。

コンピュータ９は、検査開始位置における位置情報と、同位置における磁界の各軸方向成分の測定データを対にして記憶するとともに、これらに基づいて、磁界の強さに白黒の濃淡を対応させて可視化した画像データを生成してモニタ１１に画像表示する（ステップＳ５）。

次いで、コンピュータ９は、磁気センサ２の現在位置のＸ座標の値が検査終了位置の座標値Ｘｅであるか否かを判定し（ステップＳ６）、Ｘｅでない場合には、磁気センサ２の位置をＸ軸方向に予め設定した変位量ΔＸだけ移動させるように、モータ制御インターフェース１０に指令信号を出力する（ステップＳ７）。

その後、ステップＳ３〜Ｓ６の手順を反復し、磁気センサ２が新たな位置に移動する毎に、モニタ１１に表示される部分は、既に表示されている部分はそのままで新たな部分が逐次増加していく。

そして、コンピュータ９がステップＳ６において、磁気センサ２の現在位置のＸ座標の値が検査終了位置の座標値Ｘｅとなったと判定した場合には、次に、磁気センサ２の現在位置のＹ座標の値が検査終了位置の座標値Ｙｅであるか否かを判定する。（ステップＳ８）。

そして、Ｙｅでないと判定した場合には、磁気センサ２の位置をＸ軸方向に検査開始位置Ｘｓまで戻し、且つ、Ｙ軸方向に予め設定した変位量ΔＹだけ移動させるように、モータ制御インターフェース１０に指令信号を出力する（ステップＳ９）。

その後、コンピュータ９は、ステップＳ３〜Ｓ９の手順を反復し、ステップＳ８において、磁気センサ２の現在位置のＹ座標の値が検査終了位置の座標値Ｙｅとなったと判定した場合には、ここで動作を終了する。

図７は、前述した手順によって、太陽電池モジュール不具合検出装置１のモニタ１１の画面に表示された太陽電池モジュールＭの受光面側に生じた磁界のＸ軸方向成分の可視化画像である。

また、図８は、同じくモニタ１１の画面に表示された太陽電池モジュールＭの受光面側に生じた磁界のＹ軸方向成分の可視化画像である。

また、図９は、同じくモニタ１１の画面に表示された太陽電池モジュールＭの受光面側に生じた磁界のＺ軸方向成分の可視化画像である。

これらの図においては、図２に示す太陽電池セルＣの連結方向、すなわち、隣接する太陽電池セルＣの一方のｐ電極と後続のｎ電極間をつないでいる配線の方向を、Ｙ軸方向（同図に示す画面の縦方向）に一致させてある。

図７乃至図９に示す画像からわかるように、本発明の太陽電池モジュール不合検出装置１によれば、太陽電池モジュールＭ内を流れる電流によって生成される磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各成分は、それぞれ特有なパターンをもつ可視化画像として表示される。

なお、太陽電池モジュールＭが正常であれば、ほとんどの電流が電極に流れる込むため電流方向と直交するＸ軸方向とＺ軸方向で強い磁界が生じ、Ｙ軸方向の成分は、ほとんど検出されないが、電極部に半田付け不良等があると電流の経路が正常時と異なるため、Ｙ軸方向にも磁界が生じることもある。

したがって、検査対象の太陽電池モジュールから得られた可視化画像を正常な太陽電池モジュールから得られた可視化画像と、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向成分それぞれで比較して画像解析を行うことで、内部配線の半田付け不良等の不具合箇所を高い精度で発見することができる。

前述した太陽電池モジュール不具合検出装置１においては、検査対象とする太陽電池モジュールＭを定位置にセットして、その受光面（表面）または裏面側に沿って磁気センサ２を移動させて検査を行うようにしているが、磁気センサを定位置に固定し、太陽電池モジュール側をＸＹ両軸方向に移動させて磁界を測定するようにしてもよい。
さらに、磁気センサと太陽電池モジュールの何れか一方をＸ軸方向に移動させ、他方をＹ軸方向に移動させて磁界の測定を行うようにしてもよい。

また、本実施形態の太陽電池モジュール不具合検出装置１では、汎用のコンピュータ９をデータ収集手段ならびに画像生成手段として機能させているが、これらの手段はそれぞれ、個別な、あるいは一体化した専用のハードウェアとして太陽電池モジュール不具合検出装置に組み込んであってもよい。

また、本実施形態のものにおいては、可視化画像の表示手段としてモニタ１１を用いているが、表示手段はこれに限るものではなく、例えばプリンタとして、得られた可視化画像を印刷して出力するようにしてもよい。

また、太陽電池モジュール不具合検出装置を太陽電池パネルが設置されている現場へ持ち運び可能とし、少なくとも、磁気センサを太陽電池モジュール上の所望の検査位置へ移動位置決めする手段を、既設の太陽電池パネルの外枠等の固定部に着脱できるようにして、パネル太陽電池モジュールを取り外すことなく現場で検査できるようにしてもよい。

本発明の太陽電池不具合検出装置は、太陽電池製造工程における検査において生産品質向上の手法として利用可能であり、また、非接触で太陽電池モジュール内部の状況を把握することができるため、既設の太陽電池モジュールを現場で調査する場合にも利用可能である。

１太陽電池モジュール不具合検出装置
２磁気センサ
３、４走行ガイド
５横行ガイド
６Ｘ軸駆動モータ
７Ｙ軸駆動モータ
８磁気センサインターフェース
９コンピュータ
１０モータ制御インターフェース
１１モニタ
Ｍ太陽電池モジュール
Ｃ太陽電池セル

Claims

複数の太陽電池セルが封入された太陽電池モジュールのパッケージの内部で太陽電池セルどうしを直列に接続している配線の不具合を検出するための装置であって、
検査対象とする太陽電池モジュールの受光面または裏面に平行に設定したＸＹ平面内で、当該太陽電池モジュールに対して相対的にＸ軸及びＹ軸の両方向に移動自在に設けられ、太陽電池モジュール内部を流れる電流により誘起される磁界の、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びこれらに垂直なＺ軸方向の成分をそれぞれ検出する磁気センサと、
前記磁気センサと前記太陽電池モジュールの少なくとも一方をＸＹ平面内で移動させ、当該磁気センサを太陽電池モジュールの受光面または裏面の所望の検査位置へ位置決めする移動位置決め手段と、
前記移動位置決め手段を制御して前記検査位置を順次変えながら、前記太陽電池モジュールの各検査位置で前記磁気センサが逐次検出した磁界のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の成分のデータを収集するデータ収集手段と、
前記データ収集手段が取得した各検査位置における前記データに基づいて、前記太陽電池モジュールの受光面または裏面の磁界の分布状態を、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各成分毎に可視化した画像データを生成する画像生成手段と、
前記画像生成手段が生成した画像データを表示する表示手段とを備えたことを特徴とする太陽電池モジュール不具合検出装置。
検査対象とする太陽電池モジュールに光を当てて発電させるための光源を有していることを特徴とする請求項１記載の太陽電池モジュール不具合検出装置。
検査対象とする太陽電池モジュールに電流を供給するための直流電流源を有していることを特徴とする請求項１または２記載の太陽電池モジュール不具合検出装置。