JP5393530B2

JP5393530B2 - 太陽光発電装置

Info

Publication number: JP5393530B2
Application number: JP2010039594A
Authority: JP
Inventors: 武山吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP2011176155A

Description

本発明は、太陽光発電装置に関するものである。

太陽光発電装置は、太陽電池モジュールを複数枚直列接続した太陽電池ストリングで発電した電力を、電力変換装置であるパワーコンディショナに入力し、負荷に適切な形態で電力供給される。

一般に、負荷は交流機器であることが多く、余剰電力は電力会社の商用電力系統に逆潮流して売電することもあることから、パワーコンディショナの出力電圧は単相２線式の交流１００V、または交流２００Vで、商用電力系統の交流波形に同期するよう制御される。

このように出力電圧が１００V以上の交流電力を作り出す場合、パワーコンディショナに入力する直流電力も同等の電圧があれば効率よく電力変換できるので、例えば２２Vの出力電圧の太陽電池モジュールを７直列にして、１５４Vの太陽電池ストリングをつくってパワーコンディショナに入力される。

このように太陽電池ストリングの直列枚数は、パワーコンディショナへの入力電圧によって決まってくるので、それ以上の太陽電池モジュールを設置する場合、同枚数の太陽電池ストリングを作って並列接続するのが一般的であるが、太陽電池モジュールの設置場所の面積が足りないなど同枚数にできないのであれば、電圧を昇圧する昇圧回路などの機器が用いられる。

このようにして作られた複数の太陽電池ストリングの出力を電気的に並列接続して集電するための機器として接続箱が太陽電池ストリングとパワーコンディショナの間に配置され、この接続箱には端子台が複数組み合わさって複数の太陽電池入力を１本の出力にまとめて集電回路を構成するとともに、太陽電池ストリングの出力の高いものが、出力の低いものへ引きずられて出力電圧が降下するのを防止するための逆流防止ダイオードが、各太陽電池ストリングに接続される。

さらに、太陽電池ストリングと接続箱とパワーコンディショナの間の送電距離が長くなるほど送電線を通じて雷サージなどからの影響を受けるようになるので、各太陽電池ストリングの正負極間にサージアブソーバなどの過電圧保護用電子部品が配置される。

このような接続箱としては、異なる直列枚数の太陽電池ストリングを２系統並列接続したものや（特許文献１参照）、同様に３系統並列接続したものがある（特許文献２参照）。

しかしながら、このように電子部品を接続しようとした場合、端子台や圧着端子などの接続子を用いて電気的・機械的に接触させる必要がある。

例えば端子台であれば施工ミスによるネジの締め付け不足や経年変化によるネジの緩みといった接触抵抗の増大により発熱が生じ、発電電力量の低下や最悪の場合機器の焼損といった問題が生じる。

これらのような異常な温度上昇を検出するには、熱電対等の温度センサーを電子部品上に配置して温度上昇を直接検出するのがよいとされ、例えば端子では１つの電極の温度が
１００℃に上昇しても、隣接する電極との間の熱伝導率が小さいので、温度センサーは各端子分必要となり、逆流防止ダイオードの温度測定用のセンサー等と合わせると多くのセンサー数が必要となり、その計測を行う回路も同数が必要となり、電子部品点数と回路が複雑化するので、一般的にはあまり用いられていない。

こうした背景に鑑みて、異常発熱を検出する方法は記述されていないが、プリント配線版に各種実装電子部品が搭載され、示温材を含有した示温塗料をプリント配線板前面に塗布して変色状態を目視することで熱解析を行うことが記載されている複数の電子部品に示温材を配して色の変化で異常な温度上昇の発生を検出する方法（特許文献３参照）や、また、温度被検知部の温度が輝度変化温度に達した以降に輝度変化を行う温度感応部と、輝度変化のない温度不感応部とを区分けした温度検知シールを温度被検知部に設け、カメラによって輝度を複数の画素の区分けをして信号処理する方法（特許文献４参照）などが記載されている。

特開２００４−１４６７９１号公報特開２００６−０１２９２０号公報特開平６−３４７３４１号公報特開平９−１５０６４号公報

しかしながら、特許文献３の示温材を用いた方法では、多数箇所の温度変化を見ることは出来るが、色の変化を見るための手段が別途必要であり、セイフティー制御を行おうとした場合、視覚センサーなどの高度な電子部品や判断回路が必要となって、よりコスト高となってしまい、また、特許文献４で示されているのは、電子部品の発熱部分の温度のセンシングまでであり、不良要因となる箇所を特定できるというものではなかった。

本発明は、太陽光発電装置において、最小限の温度検出手段数だけで異常な発熱が生じている電子部品を検出するとともに、適切な外部出力をすることを目的とする。

本発明の太陽光発電装置は、複数の太陽電池ストリングと、該複数の太陽電池ストリングからの電力を集電するための集電回路であって、配線材と、該配線材で接続されてなる電子部品と、前記配線材の合流した複数の合流部位のそれぞれに配置されるとともに前記電子部品と隣り合う複数の温度検出手段と、を有する集電回路と、前記温度検出手段の結果によって、異常要因となっている電子部品を判定する異常判定手段と、を備えたものである。

本発明の太陽光発電装置によれば、複数の太陽電池ストリングと、該複数の太陽電池ストリングからの電力を集電するための集電回路であって、配線材と、該配線材で接続されてなる電子部品と、前記配線材の合流した複数の合流部位のそれぞれに配置されるとともに前記電子部品と隣り合う複数の温度検出手段と、を有する集電回路と、前記温度検出手段の結果によって、異常要因となっている電子部品を判定する異常判定手段と、を備えたことにより、各電子部品の異常の兆候を事前に知ることができ、早期対処によって太陽光
発電装置全体に及ぶ機器の破損を低減することができる。

例えば、接続箱内の配線のネジの締め付け不足といった施工ミスに起因する異常発熱を早期に検知し、警報・電路遮断等の保護動作を行って太陽光発電装置の発電電力の低下や破損を低減できる。

また例えば、長期使用による経年劣化等の理由でネジの緩みや半導体のリークが生じたとしても、それによって生じる局部的な温度上昇を検知して、早期に警報等の警告を行って太陽光発電装置の破損を低減できる。

また、温度センサーの数量を少なくするとともに、複数箇所の温度上昇状態を有機的に比較して判定することができるので、異常の要因となっている電子部品を判定することが容易になる。

例えば、端子台−ダイオード間の配線材のように、発熱要素のある電子部品間の配線材の合流部位に温度検出手段を配したことにより、電子部品間での有機的な影響を把握することが可能となり、電子部品の温度上昇が単体による発熱に起因するものか否かを判定することうを可能とするものである。

本発明の太陽光発電装置の構成の模式図の一例である。本発明の太陽光発電装置の接続箱の回路図の一例である。本発明の太陽光発電装置の異常検出手段における判定基準の一例である。本発明における電子部品（ダイオード）に電流を流したときの温度上昇グラフである。

本発明にかかる太陽光発電装置の実施形態について、模式図に基づき詳細に説明する。

本発明の一実施形態によれば、複数の太陽電池ストリングと、該複数の太陽電池ストリングからの電力を集電するための集電回路であって、配線材と、該配線材で接続されてなる電子部品と、前記配線材の合流した複数の合流部位のそれぞれに配置されるとともに前記電子部品と隣り合う複数の温度検出手段と、を有する集電回路と、前記温度検出手段の結果によって、異常要因となっている電子部品を判定する異常判定手段と、を備えたものである。

図１では、太陽電池光発電装置１において、太陽電池セルを複数枚直列接続した太陽電池ストリング２の出力ケーブルを接続箱内の集電回路３に導入し、各出力ケーブルを配線材４を介して並列接続してからパワーコンディショナ５に直流電力を出力し、入力された直流電力を交流電力に変換して交流負荷（不図示）に供給することを示すものである。

図２は太陽電池ストリング２を集電回路３で並列接続した太陽光発電装置の配線図であり、集電回路３は太陽電池ストリング１に係る端子Ｐ１（正極側端子）、Ｎ１（負極側端子）と、太陽電池ストリング２に係る端子Ｐ２（正極側端子）、Ｎ２（負極側端子）と、太陽電池ストリング２ａと太陽電池ストリング２ｂの出力を並列接続した直流電力をパワーコンディショナ５に出力する端子ＰＶＯ（正極側）、ＮＶＯ（負極側）と、太陽電池ストリング２ｂの電流が太陽電池ストリング２ａに流れ込まないようにする逆流防止ダイオードＤ１と、太陽電池ストリング２ａの電流が太陽電池ストリング２ｂに流れ込まないようにする逆流防止ダイオードＤ２とから成る。

本実施形態では、例えば、雷サージ保護用のサージアブソーバＺＮＲ１〜ＺＮＲ４を太陽電池ストリング２ａ、２ｂの受電側に配置したものという前提で説明すると、電子部品数としては、端子６個、逆流防止ダイオード２個、サージアブソーバ６個の計１４個となる。

各々の電子部品に温度センサーを配するのであれば１６個の温度センサーが必要となるが、本発明によれば温度センサーの配置は、例えば、図２中の信号創出部ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＮ１、ＬＮ２、ＬＰＯ、ＬＤＮの６箇所に配置されればよい。

温度センサーとしては熱電対が一般的であるが、温度を電圧に変換できるものであればサーミスタなどのように温度で抵抗値が変化する電子部品を用いたものでも良い。

本発明における集電回路３には、集電回路３内の配線材４の合流部位４ａに接続された温度検出手段３ａ、その温度情報により正常時の温度情報と比較した結果により異常な電子部品を判断する異常判定手段３ｂが設けられている。

ここで電子部品とは、例えば逆流防止ダイオード、端子、サージアブソーバなどがあるが、その他のものであっても構わず、電流を流して発熱するものが対象となる。

さらに本発明は、前記異常判定手段は、前記温度検出手段の測定値から、前記太陽電池ストリングからの電力により発熱した温度を差し引いた補正値により判定することが好ましい。

これにより発電による発熱か、故障による発熱かを区別して判定することができる。

例えば、逆流防止ダイオードＤ１に太陽電池ストリング２で発電された電流がほぼ全量流れた場合、逆流防止ダイオードＤ１の性能劣化によって損失が増えて発熱量が増加する。

しかし、太陽電池ストリング２の発電状態によって電流は増減するため、温度上昇が異常による損失によるものか、発電電流の増加によるものかを判別して補正する必要がある。

例えば図４は、逆流防止ダイオードＤ１、２に定格電流に対する各割合の発電電流を流したときの逆流防止ダイオードＤ１、２の温度上昇を示したグラフである。

縦軸は電子部品の温度であり、グラフの中の％は電子部品の定格電流に対する発電電流の割合、例えば、１００Ａの電子部品の定格電流に対して、発電電流が５０Ａなら５０％とであることを示す。

横軸は時間の経過であり、グラフの曲線の上昇下降は発電電流の増減で決まるものである。

発電電流と電子部品の温度とは正の相関があるので、逆流防止ダイオードＤ１，２に流れる電流をモニターすることで、温度上昇が異常による損失によるものか、発電電流の増加によるものかを判別して補正することができる。

さらに本発明は、前記異常判定手段の結果を出力するための外部出力手段を備えたことが好ましい。

前記異常判定手段の結果に応じて、予め決められた外部出力をすることが好ましい。

これにより損傷箇所を検知するだけでなく、要因となっている電子部品を特定することができるので、繰り返しの再発を低減することができる。

さらに本発明は、前記外部出力手段は警報もしくは前記電子部品への制御信号であることが好ましい。

図３は集電回路３内の各部に配置された温度センサーの温度上昇の検出の有無と、有無の結果により異常発生要因となる電子部品を判定するロジックを示したものである。

異常検出回路４はこのロジックを基に異常の判定を行い、回路保護のための制御、もしくは使用者等への警報・通知などを行う。

なお、本発明の一実施形態においては、配線材を熱が伝わっていくことで異常を検知するものであるが、配線の太さ、長さ、および基板に対するヒートシンクの影響などについては、使用環境に合わせて随時最適な条件で設計すればよい。

以下、本発明の一実施形態にかかる実施例を説明する。

（実施例１）
施工ミスによって端子Ｎ１のネジに緩みが生じていた場合、太陽電池ストリング１の出力ケーブル先端の圧着端子と端子Ｎ１との間の接触抵抗が増大して発熱が生じる。

端子Ｎ１の電極の温度が上昇すると、配線材４が熱伝導率の良い銅などの導体であるため、配線材４を通じて逆流防止ダイオードＤ１とサージアブソーバＺＮＲ２に向かって熱伝導されるが、熱は電子部品自体の放熱性能で十分冷却されるので、逆流防止ダイオードＤ１とサージアブソーバＺＮＲ２のそれぞれ反対側にある温度センサーＬＤＮとＬＰ１の温度はほとんど上昇しない。

よって、温度センサーＬＮ１の温度上昇だけが検知されたのであれば、端子Ｎ１で異常が生じていると判定できる。

これは図３における１番に該当し、異常判定手段３ｂは端子Ｎ１で異常が発生しているとして予め定められた制御（回路保護動作、もしくは警報・通知）を行う。

（実施例２）
サージアブソーバは雷サージ等の高電圧の外来ノイズに対して回路の保護を行うものであるが、定格以上の高電圧や電流が流れた場合には、内部の電子部品が劣化、破損して太陽電池ストリング２の発電電流をリークさせて発熱してしまう。

よって、温度センサーＬＰ１、ＬＮ１で温度上昇が検出されたのであれば、サージアブソーバＺＮＲ１、２で異常が発生していると判定できる。

これは図３における２番に該当し、異常判定手段３ｂはサージアブソーバＺＮＲ１、２で異常が発生しているとして予め定められた制御（回路保護動作、もしくは警報・通知）を行う。

（実施例３）
異常判定手段３ｂによる判定は、発電電流による温度の補正をして行う例である。

例えば、前述のようにして逆流防止ダイオードＤ１の温度上昇が、発電電流による発熱も鑑みて正常範囲か、異常値であるかを判定した後、温度センサーＬＮ１、ＬＤＮで温度上昇が検出されたのであれば、逆流防止ダイオードＤ１で異常が発生していると判定できる。

これは、図３における３番に該当し、異常判定手段３ｂは逆流防止ダイオードＤ１で異常が発生しているとして予め定められた制御（回路保護動作、もしくは警報・通知）を行う。

また一方、上述の温度センサーＬＮ１、ＬＤＮに加えて、温度センサーＬＰ１も温度上昇が認められる場合は、逆流防止ダイオードＤ１に異常が発生することは３番と同様であるが、その要因は異なるものであり、太陽電池ストリング２の正極、負極の逆接続による過電圧破壊であると判定できる。

（その他の実施例）
前述した実施例１〜３以外にも、図３にあるように温度上昇した電子部品の異常を察知することが可能である。

さらには、例えば温度センサーＬＮ１、ＬＮ２に流れる電流と温度上昇とを比較して、逆流防止ダイオードＤ１，２の劣化具合を比較して寿命予測し、使用者に情報提供する機能を持たせることも可能であり、これは他の電子部品にも適用が可能である。

以上述べたように、本発明の太陽光発電装置の異常判定手段によれば、少ない温度検出手段だけで、各電子部品の異常状態を検出できる。

１：太陽光発電装置
２、２ａ、２ｂ：太陽電池ストリング
３：集電回路
３ａ：温度検出手段
３ｂ：異常判定手段
４：配線材
４ａ：合流部位
５：パワーコンディショナ
Ｄ１、Ｄ２：逆流防止ダイオード
Ｐ１、Ｐ２：端子（＋側）Ｎ１、Ｎ２：端子（−側）
ＰＶＯ、ＮＶＯ：端子台
ＺＮＲ１〜４：入力側サージアブソーバ
ＺＮＲ５、６：出力側サージアブソーバＬＰ１、ＬＰ２、ＬＮ１、ＬＮ２、ＬＰＯ、ＬＤＮ：温度センサーの信号送出部

Claims

複数の太陽電池ストリングと、該複数の太陽電池ストリングからの電力を集電するための集電回路であって、
配線材と、該配線材で接続されてなる電子部品と、前記配線材の合流した複数の合流部位のそれぞれに配置されるとともに前記電子部品と隣り合う複数の温度検出手段と、を有する集電回路と、
前記温度検出手段の結果によって、異常要因となっている電子部品を判定する異常判定手段と、を備えた太陽光発電装置。
前記異常判定手段は、前記温度検出手段の測定値から、前記太陽電池ストリングからの電力により発熱した温度を差し引いた補正値により判定することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置。
前記異常判定手段の結果を出力するための外部出力手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電装置。
前記外部出力手段は警報もしくは前記電子部品への制御信号であることを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電装置。