JP5511749B2 - 太陽光発電用接続箱 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムにおいて太陽電池モジュールとパワーコンディショナとを接続する太陽光発電用接続箱に関する。

太陽光発電用接続箱は、工事業者が誤結線した時の保護などのため、各回路に逆流防止ダイオードを備えている。逆接防止ダイオードには、通常動作時、太陽電池モジュールの出力電流が流れるため、逆接防止ダイオードの電圧降下により損失する。上記損失により発熱するため、逆接防止ダイオードのジャンクション温度を超えないように放熱する必要がある。従来では、逆接防止ダイオードが発生する熱を、アルミ製放熱板を通して筐体外部に放熱している。

また、太陽光発電用接続箱には、太陽電池モジュールとパワーコンディショナ間の電流経路を開閉するための太陽電池開閉器（スイッチ）が設置されている。

特開２０００−２９９９３７号公報 特開２００１−６８７０６号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、逆接防止ダイオードの発熱により周辺温度が高くなると、太陽電池開閉器の使用温度範囲を超えてしまう可能性があり、太陽電池開閉器の寿命や信頼性に影響を与えるおそれがある。そのため、逆流防止ダイオードと太陽電池開閉器とが近接しないように距離をおいて配置する必要があり、太陽光発電用接続箱のサイズが大きくなってしまう、という問題があった。また、リード線による電気的な接続が煩雑な構成となり、組み立て時間がかかる、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サイズを小型化しつつ、組み立て時間を低減可能な太陽光発電用接続箱を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の電流経路となる回路を、各回路単位で開閉する直流開閉器と、前記各回路単位に直列に挿入され、ワイドバンドギャップ半導体による素子で構成された、前記直流開閉器と同数の逆流防止ダイオードと、前記逆流防止ダイオードを介して前記太陽電池モジュールからの出力を集約して前記パワーコンディショナへ出力する端子台と、前記直流開閉器の一方の出力端子である２次側−極と前記逆流防止ダイオードの一方の端子であるカソードとを各回路単位に接続する、前記直流開閉器と同数の第１のバスバーと、前記直流開閉器の他方の出力端子である２次側＋極の全てと、前記端子台の＋極とを接続する第２のバスバーと、前記逆流防止ダイオードの他方の端子であるアノードの全てと、前記端子台の−極とを接続する第３のバスバーと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、サイズを小型化しつつ、組み立て時間を低減できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の太陽光発電用接続箱の構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１の太陽光発電用接続箱の回路結線を示す図である。 図３は、一般的な太陽光発電用接続箱の構成例を示す図である。 図４は、実施の形態１の太陽光発電用接続箱の構成例を示す図である。 図５は、実施の形態１における各構成の配線を示す図である。 図６は、実施の形態２における各構成の配線を示す図である。

以下に、本発明にかかる太陽光発電用接続箱の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の太陽光発電用接続箱の構成例を示す図であり、例えば、上部カバーを外した状態における正面図である。太陽光発電用接続箱１は、直流開閉器２と、逆流防止ダイオード３と、端子台４と、放熱板５と、筐体９と、から構成される。直流開閉器２は、太陽電池モジュールとパワーコンディショナ間の電流経路を開閉する。逆流防止ダイオード３は、誤接続等の場合に生じる電流の逆流を防止する。端子台４は、各太陽電池モジュールで発生した直流の電力を集約してパワーコンディショナへ出力する。放熱板５は、逆流防止ダイオード３で発生する熱を放熱する。筐体９は、上記各構成を収納する箱である。

ここでは、逆流防止ダイオード３を、ＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体による素子で構成する。ワイドバンドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（炭化珪素）のほか、例えば、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドなどがある。

図１において、筐体９の内部には複数個の直流開閉器２が水平方向に並べて配置されている。さらに、直流開閉器２の上方（出力端子側）のスペースに、直流開閉器２に近接して複数個の逆流防止ダイオード３が配置されている。なお、逆流防止ダイオード３は、放熱板５と接続し、放熱板５上に配置されている。また、端子台４が、筐体９内部の空いたスペースに配置されている。各構成は、太陽電池モジュールで発電された電力が、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、端子台４、パワーコンディショナの順に出力されるように配線されている。ここでは、詳細な配線は省略し、後述する。

ここで、直流開閉器２から筐体９の外部に出る配線は、それぞれ太陽電池モジュールの各ストリング（複数枚の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池モジュール群１列分）の出力に接続される。また、端子台４から筐体９の外部に出る配線は、パワーコンディショナの入力に接続される。

つぎに、太陽光発電用接続箱１の動作について説明する。図２は、太陽電池モジュール列が４列（４ストリング）まで接続できる４回路用の場合の回路結線を示す図である。太陽電池モジュール列の出力は、直流開閉器２（ＳＴ１〜ＳＴ４）、逆流防止ダイオード３（ＳＤ１〜ＳＤ４）を介した後、一出力にまとめられて端子台４（ＴＢ）に接続される。直流開閉器２は、それぞれの太陽電池モジュール列の出力を接続／遮断するためのものである。端子台４（ＴＢ）で１本にまとめられた太陽電池モジュールの直流出力は、パワーコンディショナへと送られ、パワーコンディショナで交流電力に変換される。なお、逆流防止ダイオード３（ＳＤ１〜ＳＤ４）を太陽電池モジュールの−側に挿入しているが、図２に示す向きとは逆方向にして太陽電池モジュールの＋側に挿入してもよい。また、図２に示すツェナーダイオード（ＺＤ１〜ＺＤ４）は、このような回路において一般的に用いられるものであり、詳細な説明は省略する。

逆流防止ダイオード３は、工事業者が誤結線した時の保護などのために設けられている。例えば、太陽電池モジュールの＋側と−側を逆にしてシステムを結線すると、パワーコンディショナの入力に逆電圧が印加されてパワーコンディショナを破壊してしまうおそれがある。逆流防止ダイオード３は、このような場合に生じる逆電圧の印加を防ぐ。また、太陽電池モジュールの出力が低下した際に、パワーコンディショナ側から太陽電池モジュールへと電流が逆流することを防ぐことができる。さらに、何らかの原因で複数のストリングのうちのあるストリングが出力低下した際に、出力の高いストリングから出力の低いストリングへと電流が逆流することを防ぐことができる。通常、逆流防止ダイオード３には、太陽電池モジュールからの順方向電流が流れることになる。その値は５〜１０Ａであるため、逆流防止ダイオード３での損失（消費電力）は大きなものとなり、かなりの発熱を生ずる。そのため、逆流防止ダイオード３を放熱板５上に配置し、放熱できるように構成する。

ここで、本実施の形態では、逆流防止ダイオード３をＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体による素子で構成しているため、次のような効果を得ることができる。

すなわち、ワイドバンドギャップ半導体によるダイオードは、通常のＳｉによるダイオードと比較してそのＯＮ電圧が低いため、ＯＮ電圧×順方向電流で決まる損失が小さくなり、ダイオードでの発熱を軽減することができる。従来は、逆流防止ダイオードでの発熱が大きいため、直流開閉器２のすぐそばに逆流防止ダイオードを配置すると、その熱によって直流開閉器２も温度上昇し、直流開閉器２の使用温度範囲を超えてしまうおそれがあった。そのため、直流開閉器２と逆流防止ダイオードとを距離をおいて配置する必要があった。

しかしながら、逆流防止ダイオード３をワイドバンドギャップ半導体で構成することにより、逆流防止ダイオード３における発熱を軽減することができるため、直流開閉器２と逆流防止ダイオード３とを近接して配置することが可能となる。また、通常のＳｉによる逆流防止ダイオード同士もそれぞれの発熱が大きく、逆流防止ダイオード自体の高温での動作限界が低かったため、距離を置いて配置していたが、本実施の形態では、逆流防止ダイオード３同士も近接して配置することが可能となる。それぞれが近接して配置されるため、放熱板５および筐体９のサイズを小型化できることから、太陽光発電用接続箱１のサイズを小型化できる。

ここで、従来の構成における太陽光発電用接続箱との比較を行う。図３は、通常のＳｉによるダイオードを逆流防止ダイオードに用いた場合の一般的な太陽光発電用接続箱の構成例を示す図であり、例えば、上部カバーを外した状態における正面図である。太陽光発電用接続箱１ａは、直流開閉器２と、逆流防止ダイオード３ａと、端子台４と、放熱板５ａと、筐体９ａと、から構成される。なお、図１と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

逆流防止ダイオード３ａは、誤接続等の場合に生じる電流の逆流を防止する。ここでは、通常のＳｉによるダイオードとする。放熱板５ａおよび筐体９ａは、いずれも図１に示す放熱板５および筐体９と比較して、サイズが大きくなっている。

図３において、筐体９ａの内部には放熱板５ａが設置され、その上に複数個の直流開閉器２が水平方向に並べて配置されている。その放熱板５ａ上で、直流開閉器２の並びと垂直方向に複数個の逆流防止ダイオード３ａが配置されている。また、放熱板５ａ上で直流開閉器２の横に端子台４が配置されている。各構成は、図示しないが、図１と同様、太陽電池モジュールで発電された電力が、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３ａ、端子台４、パワーコンディショナの順に出力されるように配線されている。

ここで、直流開閉器２から筐体９ａの外部に出る配線は、それぞれ太陽電池モジュールの各ストリングの出力に接続される。また、端子台４から筐体９ａの外部に出る配線は、パワーコンディショナの入力に接続される。

このとき、太陽光発電用接続箱１ａでは、直流開閉器２が、逆流防止ダイオード３ａの発熱による影響を受けないようにするため、図３に示すように直流開閉器２と逆流防止ダイオード３ａが距離（Ｌ₁）をおいた配置となっている。

図４は、本実施の形態の太陽光発電用接続箱の構成例を示す図であり、例えば、上部カバーを外した状態における正面図である。直流開閉器２と逆流防止ダイオード３の距離を、Ｌ₁よりも小さいＬ₂にすることができる。このように、太陽光発電用接続箱１では、太陽光発電用接続箱１ａと比較して、構成部品の間隔を小さくできることから、図４に示すサイズ削減分だけ太陽光発電用接続箱１のサイズを小さくすることができる。

つぎに、太陽光発電用接続箱１において、筐体９内における各構成の配線（電気的な接続について説明する。図５は、本実施の形態における各構成の配線を示す図である。図５では、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、および端子台４との間を、バスバー６、７、８を用いて配線している。ここで、逆流防止ダイオード３は、自身で発熱した熱を放熱するための放熱部を備えており、放熱部が放熱板５上に接触するように設置されている。

従来、これらの各構成の間は、ハーネスによって結線されていた。しかしながら、上述したように、逆流防止ダイオード３の発熱を小さくすることにより、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、および端子台４を筐体９内の互いに近接した場所に配置することが可能となる。そのため、本実施の形態では、図５に示すように、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、および端子台４間の接続をバスバー方式としている。

すなわち、図２における各直流開閉器ＳＴ１〜ＳＴ４（直流開閉器２）の２次側−極と各逆流防止ダイオード３のカソードとの配線は、それぞれ第１のバスバー（バスバー６）にて行う。また、図２における各直流開閉器ＳＴ１〜ＳＴ４（直流開閉器２）の２次側＋極全てと端子台ＴＢ（端子台４）の＋極との配線は、第２のバスバー（バスバー７）にて行う。さらに、図２における各逆流防止ダイオード３のアノード全てと端子台ＴＢ（端子台４）の−極との配線は、第３のバスバー（バスバー８）にて行う。

図５に示す配線にすることにより、各構成間の配線作業が極めて容易に行うことが可能となり、太陽光発電用接続箱１の組み立て時間を低減することができる。また、整然とした配線となるので誤配線のおそれも格段に減少する。説明の便宜上、図５では、直流開閉器２と逆流防止ダイオード３の間隔が大きくなっているが、実際には、図１、図４に示すようにそれぞれを近接して配置することができる。

なお、各直流開閉器ＳＴ１〜ＳＴ４（直流開閉器２）の２次側＋極全てと端子台ＴＢ（端子台４）の＋極とを第２のバスバー（バスバー７）にて配線することとしたが、これに限定するものではない。例えば、各直流開閉器ＳＴ１〜ＳＴ４（直流開閉器２）の２次側＋極全てを第２のバスバー（バスバー７）で配線し、第２のバスバー（バスバー７）と端子台ＴＢ（端子台４）の＋極との間を他の導電体、例えば、ハーネスを用いて結線することも可能である。

同様に、各逆流防止ダイオード３のアノード全てと端子台ＴＢ（端子台４）の−極とを第３のバスバー（バスバー８）にて配線することとしたが、これに限定するものではない。例えば、各逆流防止ダイオード３のアノード全てを第３のバスバー（バスバー８）で配線し、第３のバスバー（バスバー８）と端子台ＴＢ（端子台４）の−極との間を他の導電体、例えば、ハーネスを用いて結線することも可能である。

以上説明したように、本実施の形態では、逆流防止ダイオード３をワイドバンドギャップ半導体による素子で構成し、逆流防止ダイオード３での損失による発熱を軽減することとした。これにより、筐体９内において、複数の直流開閉器２を一列に並べ、直流開閉器２に近接して端子台４および逆流防止ダイオード３を配置することが可能となり、筐体９内での配線が合理的に実施でき、スペースを有効に活用し、コンパクトで無駄のない部品配置ができることから、太陽光発電用接続箱１のサイズを小型化することができる。また、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、および端子台４の間をバスバーを用いて配線することとした。これにより、太陽光発電用接続箱１のサイズを小型化した場合において、配線作業が極めて容易に行うことが可能となり、太陽光発電用接続箱１の組み立て時間を低減することができる。

実施の形態２．
本実施の形態では、放熱板５を削除する構成について説明する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図６は、本実施の形態における各構成の配線を示す図である。図６では、直流開閉器２、逆流防止ダイオード３、および端子台４との間を、バスバー６、７、８ａを用いて配線している。ここで、図１、図５と異なり、逆流防止ダイオード３は放熱板５上に設置されておらず、バスバー８ａ上に設置されている。すなわち、逆流防止ダイオード３の放熱部をバスバー８ａに接続させている。

このように、図６では、第３のバスバー（バスバー８ａ）を用いて逆流防止ダイオード３の放熱を行うことにより、実施の形態１における放熱板５を削除する構成とした。なお、この場合、逆流防止ダイオード３の放熱部が逆流防止ダイオード３の各端子と絶縁されていることが必要となる。第３のバスバー８ａにおいて短絡状態になるアノード端子であれば非絶縁でもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、放熱板５を削除し、バスバー８ａを用いて逆流防止ダイオード３の放熱を行うこととした。これにより、放熱板５が不要となるため、太陽光発電用接続箱１のコストを低減することができる。

１、１ａ 太陽光発電用接続箱
２ 直流開閉器
３、３ａ 逆流防止ダイオード
４ 端子台
５、５ａ 放熱板
６ バスバー（第１のバスバー）
７ バスバー（第２のバスバー）
８、８ａ バスバー（第３のバスバー）
９、９ａ 筐体

Claims (6)

1. 複数の太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の電流経路となる回路を、各回路単位で開閉する直流開閉器と、
   前記各回路単位に直列に挿入され、ワイドバンドギャップ半導体による素子で構成された、前記直流開閉器と同数の逆流防止ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードを介して前記太陽電池モジュールからの出力を集約して前記パワーコンディショナへ出力する端子台と、
   前記直流開閉器の一方の出力端子である２次側−極と前記逆流防止ダイオードの一方の端子であるカソードとを各回路単位に接続する、前記直流開閉器と同数の第１のバスバーと、
   前記直流開閉器の他方の出力端子である２次側＋極の全てと、前記端子台の＋極とを接続する第２のバスバーと、
   前記逆流防止ダイオードの他方の端子であるアノードの全てと、前記端子台の−極とを接続する第３のバスバーと、
   を備えることを特徴とする太陽光発電用接続箱。
2. 複数の太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の電流経路となる回路を、各回路単位で開閉する直流開閉器と、
   前記各回路単位に直列に挿入され、ワイドバンドギャップ半導体による素子で構成された、前記直流開閉器と同数の逆流防止ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードを介して前記太陽電池モジュールからの出力を集約して前記パワーコンディショナへ出力する端子台と、
   前記直流開閉器の一方の出力端子である２次側−極と前記逆流防止ダイオードの一方の端子であるカソードとを各回路単位に接続する、前記直流開閉器と同数の第１のバスバーと、
   前記直流開閉器の他方の出力端子である２次側＋極の全てを接続する第２のバスバーと、
   前記逆流防止ダイオードの他方の端子であるアノードの全てを接続する第３のバスバーと、
   を備え、
   前記第２のバスバーは、バスバー以外の導電体を用いて前記端子台の＋極と接続し、
   前記第３のバスバーは、バスバー以外の導電体を用いて前記端子台の−極と接続する、
   ことを特徴とする太陽光発電用接続箱。
3. 複数の太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の電流経路となる回路を、各回路単位で開閉する直流開閉器と、
   前記各回路単位に直列に挿入され、ワイドバンドギャップ半導体による素子で構成された、前記直流開閉器と同数の逆流防止ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードを介して前記太陽電池モジュールからの出力を集約して前記パワーコンディショナへ出力する端子台と、
   前記直流開閉器の一方の出力端子である２次側＋極と前記逆流防止ダイオードの一方の端子であるアノードとを各回路単位に接続する、前記直流開閉器と同数の第１のバスバーと、
   前記直流開閉器の他方の出力端子である２次側−極の全てと、前記端子台の−極とを接続する第２のバスバーと、
   前記逆流防止ダイオードの他方の端子であるカソードの全てと、前記端子台の＋極とを接続する第３のバスバーと、
   を備えることを特徴とする太陽光発電用接続箱。
4. 複数の太陽電池モジュールとパワーコンディショナとの間の電流経路となる回路を、各回路単位で開閉する直流開閉器と、
   前記各回路単位に直列に挿入され、ワイドバンドギャップ半導体による素子で構成された、前記直流開閉器と同数の逆流防止ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードを介して前記太陽電池モジュールからの出力を集約して前記パワーコンディショナへ出力する端子台と、
   前記直流開閉器の一方の出力端子である２次側＋極と前記逆流防止ダイオードの一方の端子であるアノードとを各回路単位に接続する、前記直流開閉器と同数の第１のバスバーと、
   前記直流開閉器の他方の出力端子である２次側−極の全てを接続する第２のバスバーと、
   前記逆流防止ダイオードの他方の端子であるカソードの全てを接続する第３のバスバーと、
   を備え、
   前記第２のバスバーは、バスバー以外の導電体を用いて前記端子台の−極と接続し、
   前記第３のバスバーは、バスバー以外の導電体を用いて前記端子台の＋極と接続する、
   ことを特徴とする太陽光発電用接続箱。
5. 前記逆流防止ダイオードが、自身で発熱した熱を放熱する放熱部を備え、前記他方の端子と前記放熱部が非絶縁の場合、
   前記第３のバスバーは、さらに、前記逆流防止ダイオードの放熱部と接続する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽光発電用接続箱。
6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽光発電用接続箱。

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