JP5535107B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

太陽光発電システムは、一般に住宅の屋根や屋上等に太陽電池モジュールを複数枚直列あるいは直並列に設置して構成されている。また、太陽電池モジュールは、太陽電池セルを複数枚縦横に並べて一枚のパネル状に作製されたものである。

ところで、住宅の屋根等に設置された太陽電池モジュールの上に樹木や建物の影がかかったり、落ち葉が載ったりすると、それによって太陽光を遮られた太陽電池セルは発電することができなくなる。発電できない太陽電池セルは抵抗となるため、そこに電流が流れると発熱して温度上昇し、放置しておけば太陽電池セルの破壊に至ってしまう（ホットスポット現象）。

上記の不具合を防ぐために、一般に太陽電池モジュールでは構成する太陽電池セルに対し数枚毎にバイパスダイオードが接続されている。

落ち葉や影で発電できない太陽電池セルが存在する時、他の正常な太陽電池セルで発電された電流はその発電できない太陽電池セル部を迂回してバイパスダイオードに流れるため、その太陽電池セルでの温度上昇を回避することができる。また、太陽電池セル同士を電気的に接続しているタブ線が断線したような異常が生じた場合でも、その部分を迂回してバイパスダイオードに電流が流れるので、電流経路が寸断されることを防ぐことができ、他の正常な太陽電池モジュールでの発電が無駄になることを回避することができる。

しかし、発電できない太陽電池セルが発生してバイパスダイオードに迂回電流が流れると、バイパスダイオードが発熱し温度上昇するので、バイパスダイオードの温度が許容温度を超えてしまうとバイパスダイオード自体が破壊されてしまうことになる。

それに対して、特許文献１には、太陽電池パネル用端子ボックスにおいて、バイパスダイオードに並列に感熱式開閉器を接続し、バイパスダイオードが温度上昇したら感熱式開閉器が閉じて、感熱式開閉器を含むバイパス回路を接続状態に切り替えることが記載されている。これにより、特許文献１によれば、太陽電池パネルの異常発生時において、大部分の電流が電気抵抗の低いバイパス回路の方に流れてバイパスダイオードの発熱が最小限に抑えられるため、バイパスダイオードの温度を適正な使用温度内に抑えることができるとされている。

特開２００５−１７５３７０号公報

特許文献１に記載の構成によると、バイパスダイオードの温度上昇を防ぐことはできるが、バイパス電流が流れる原因である落ち葉や影、太陽電池セルの異常等を認識することはできないため、使用者はその後もずっとその状態で太陽光発電システムを使用し続けることになる。すなわち、本来ある量の電力を発電できるだけの太陽電池モジュールを設置していながら、それよりも少ない発電状態で運転し続けることになり、使用者の利益を損なう可能性が高い。特に、複数枚の太陽電池モジュールを使用した太陽光発電システムでは、特定の太陽電池モジュール内の特定の太陽電池セルに異常が生じて発電不能になった場合に、その異常の発生に気付くことが難しいため、修理等の処置が遅れる傾向にある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽電池モジュールにおける異常の発生を認識できる太陽光発電システム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、本発明の１つの側面にかかる太陽光発電システムは、互いに直列に接続された複数の太陽電池セルと、複数の太陽電池セルに並列に接続されたバイパスダイオードと、バイパスダイオードに並列に接続され、バイパスダイオードの温度が所定値より上昇すると閉じ、バイパスダイオードの温度が所定値より低下すると開き、周期的に開閉動作を繰り返すように構成され、バイパスダイオードの発生する熱を感知して開閉動作を行う感熱式開閉器とを有する太陽電池モジュールと、感熱式開閉器が、周期的に開閉動作を繰り返すことによる、複数の太陽電池セルによって発電された直流電力の電圧の変化を検知して太陽電池モジュールの異常の有無を判定する異常監視手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、異常監視手段は、太陽電池モジュールの出力電圧に感熱式開閉器の開閉周期的動作を示すパターンが現れた場合に、太陽電池モジュールにおける太陽電池セルに異常が発生したと認識できる。これにより、太陽光発電システムは、太陽電池モジュールにおける異常の発生を認識できる。

図１は、本発明の実施の形態１を示す太陽光発電システムの構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１を示す太陽光発電システムの動作の説明図である。 図３は、本発明の実施の形態２を示す太陽光発電システムの構成図である。

以下に、本発明にかかる太陽光発電システム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．
実施の形態１にかかる太陽光発電システム１００について図１を用いて説明する。図１は、太陽光発電システム１００の構成図である。

太陽光発電システム１００は、複数枚の太陽電池モジュール３−１〜３−３、異常監視手段４、及びパワーコンディショナ（以下、パワコンとする）５を備える。

複数枚の太陽電池モジュール３−１〜３−３は、互いに直列に接続され、太陽電池ストリングを構成する。太陽電池ストリングは、異常監視手段４経由でパワコン５に接続されている。太陽電池ストリングにおいて発電された直流電力は異常監視手段４を経由してパワコン５で交流電力に変換され外部に供給される。

各太陽電池モジュール３−１〜３−３は、複数枚の太陽電池セル６ａ〜６ｎ、バイパスダイオード１、及び感熱式開閉器２を有する。複数枚の太陽電池セル６ａ〜６ｎは、互いに直列に接続されている。なお、各太陽電池モジュール３−１〜３−３は、複数枚の太陽電池セル６ａ〜６ｎからなる直列群を複数有していても良い。バイパスダイオード１は、その太陽電池セルの直列群ごとに、その対応する直列群に対して並列に接続されている。感熱式開閉器２は、バイパスダイオード１ごとに、その対応するバイパスダイオード１に対して並列に接続されている。感熱式開閉器２は、例えばサーモスタットなどで実現できる。

異常監視手段４は、例えば、太陽電池ストリングの両端の電圧及びその変化を検出するセンサ回路である。センサ回路は、例えば、太陽電池ストリングの一端とパワコン５における第１の端子との間に接続されるとともに太陽電池ストリングの他端とパワコン５における第２の端子との間に接続される。

次に、太陽光発電システム１００の動作について図２を用いて説明する。図２は、太陽光発電システム１００の動作を示す波形図である。

例えば図１に示すように、複数枚の太陽電池モジュール３−１〜３−３のうち太陽電池モジュール（以下、異常太陽電池モジュールとする）３−２に、落ち葉や影の影響や太陽電池セルそのものの異常で発電できない太陽電池セル（以下、異常太陽電池セルとする）が生じたとする。そのままではその異常太陽電池セルが高抵抗となり、異常太陽電池セルをバイパスする電流経路を形成できなければ、異常太陽電池セルを含む系列の太陽電池ストリングは他の太陽電池モジュール３−１、３−３が正常に発電できる状態であってもその出力を十分に取り出すことができなくなる可能性がある。

本実施の形態では、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、複数枚の太陽電池セル６ａ〜６ｎに対してバイパスダイオード１が並列に接続されているので、他の正常な太陽電池モジュール３−１、３−３による発電電流は異常太陽電池モジュール３−２における異常太陽電池セルを迂回してバイパスダイオード１を経由して流れる。したがって全体の太陽電池ストリングとしては異常太陽電池モジュール３−２の分だけ電圧が低下するものの正常な太陽電池モジュール３−１、３−３による出力電流は取り出すことができる。

そのとき、異常太陽電池モジュール３−２のバイパスダイオード１には正常な太陽電池モジュール３−１、３−３による発電電流が流れるため、バイパスダイオード１での順方向電圧×順方向電流による消費電力が発生し、それによる発熱のためにバイパスダイオード１の温度が上昇する。その温度上昇を受けて、異常太陽電池モジュール３−２では、バイパスダイオード１の近傍に配置された感熱式開閉器２が動作する。すなわち、図２（ａ）の波形に示すようにバイパスダイオード１がある所定の温度以上になったとき、図２（ｂ）の波形に示すように感熱式開閉器２が閉じる（ＯＮ状態になる）。それによって、異常太陽電池モジュール３−２では、今までバイパスダイオード１に流れていた迂回電流は感熱式開閉器２の閉じた接点に流れるようになる。異常太陽電池モジュール３−２において、バイパスダイオード１に迂回電流が流れている時はバイパスダイオード１の順方向電圧降下が生じていたが、感熱式開閉器２に流れている時は短絡状態となり、電圧降下が生じない。従って、全体の太陽電池ストリングの電圧でみると、異常太陽電池モジュール３−２のバイパスダイオード１に流れている場合より、異常太陽電池モジュール３−２の感熱式開閉器２に流れている場合の方が、図２（ｃ）の波形に示すように出力電圧が高くなる。

一方、異常太陽電池モジュール３−２において、図２（ｂ）の波形に示すように感熱式開閉器２が閉じてそこに電流が流れると、バイパスダイオード１には流れなくなるため、バイパスダイオード１での消費電力はなくなり、発熱がなくなるので、図２（ａ）の波形に示すように温度が低下してくる。ある程度まで低下すると、図２（ｂ）の波形に示すように感熱式開閉器２がそれを感知して今度は開状態に動作する。すると、異常太陽電池モジュール３−２において、再びバイパスダイオード１に電流が流れ、その順方向電圧降下により、全体の太陽電池ストリングの出力電圧は、図２（ｃ）の波形に示すように下がる。

このように、太陽電池モジュールが発電できない異常状態が生じると、太陽電池ストリングの電圧がバイパスダイオードの順方向電圧降下分だけ上がったり下がったりすることになり、異常監視手段４がその状態を監視することによって、太陽電池ストリング内に異常太陽電池モジュールが存在しないかどうかを判定することができる。その結果は例えばパワコン５に送って、パワコン５の表示器（図示せず）、スピーカ、ランプ等を使って使用者に知らせることができる。

以上のように、実施の形態１では、各太陽電池モジュール３−１〜３−３においてバイパスダイオード１と並列に感熱式開閉器２を取り付ける。太陽電池モジュールの異常発生時にバイパスダイオード１に電流が流れることによってバイパスダイオード１が温度上昇すると、感熱式開閉器２が閉じて感熱式開閉器２側に電流が流れるようになるため、バイパスダイオード１には電流が流れなくなる。それによりバイパスダイオード１は再び温度が低下し、やがて感熱式開閉器２は開く。このように、感熱式開閉器２は周期的に開閉を繰り返す。異常監視手段４は、この感熱式開閉器２の開閉周期的動作による太陽電池ストリングの電圧変化を検出することにより、異常発生を検知（判定）する。言い換えると、異常監視手段４は、太陽電池ストリングの出力に感熱式開閉器２の開閉周期的動作を示すパターンが現れた場合に、太陽電池モジュールにおける太陽電池セルに異常が発生したと認識できる。これにより、太陽光発電システム１００は、太陽電池モジュールにおける異常の発生を認識できる。

また、実施の形態１では、異常検出は特別な点検等を必要とせず、パワコンでの常時監視・検知が可能である。すなわち、太陽電池モジュールにおいて異常発生があった場合、特別な点検等を必要とすることなく、常時異常の有無を監視することができるため、異常発生に気付かずに放置しておくことによる発電ロスを回避することができる。

また、実施の形態１では、各太陽電池モジュール内に既にあるバイパスダイオードの熱を利用することで、太陽電池モジュールとして大きなロスや大幅な配線の変更を必要としせずに異常検知を行うことができる。

なお、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、バイパスダイオード１から感熱式開閉器２への熱伝導量が固有に設定されていてもよい。例えば、太陽電池モジュール３−１〜３−３における熱伝導量をそれぞれＱ１、Ｑ２、Ｑ３とし、Ｑ１＞Ｑ２＞Ｑ３の関係にあるとする。このとき、図２（ｃ）に示すような、太陽電池モジュール３−１〜３−３のそれぞれで異常が発生した場合の感熱式開閉器２の開閉周期的動作による太陽電池ストリングの電圧変化パターンが異なったものとなる。例えば、電圧の低い部分に対する高い部分の時間的割合を太陽電池モジュール３−１〜３−３のそれぞれに対してＤ１、Ｄ２、Ｄ３とすると、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３となる。異常監視手段４は、このような感熱式開閉器２の開閉周期的動作による太陽電池ストリングの電圧変化パターンの違いに応じて、太陽電池ストリングにおけるどの太陽電池モジュールにおいて異常が発生したのかを検出することができる。

具体的には、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、バイパスダイオード１と感熱式開閉器２との距離をそれぞれ異なった値にしておくと、バイパスダイオード１から感熱式開閉器２への熱の伝わり方がそれぞれ異なるため、感熱式開閉器２のＯＮ／ＯＦＦのパターンもそれぞれ異なってくる。これによって、複数の太陽電池モジュールから構成された太陽電池ストリングの中のどの太陽電池モジュールが異常なのかを特定することができる。

あるいは、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、バイパスダイオード１と感熱式開閉器２との間に熱遮蔽量の互いに異なる遮蔽手段を設けてもよい。例えば、各太陽電池モジュール３−１〜３−３の間で、遮蔽手段の寸法あるいは材質等を変える。この場合も、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、バイパスダイオード１から感熱式開閉器２への熱の伝わり方がそれぞれ異なるため、感熱式開閉器２のＯＮ／ＯＦＦのパターンもそれぞれ異なってくる。これによって、複数の太陽電池モジュールから構成された太陽電池ストリングの中のどの太陽電池モジュールが異常なのかを特定することができる。

あるいは、各太陽電池モジュール３−１〜３−３において、感熱式開閉器２の動作温度が互いに異なっていても良い。例えば、太陽電池モジュール３−１〜３−３における感熱式開閉器２の動作温度をそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とし、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３の関係にあるとする。このとき、図２（ｃ）に示すような、太陽電池モジュール３−１〜３−３のそれぞれで異常が発生した場合の感熱式開閉器２の開閉周期的動作による太陽電池ストリングの電圧変化パターンが異なったものとなる。例えば、電圧の低い部分に対する高い部分の時間的割合を太陽電池モジュール３−１〜３−３のそれぞれに対してＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３とすると、Ｄ１１＜Ｄ１２＜Ｄ１３となる。異常監視手段４は、このような感熱式開閉器２の開閉周期的動作による太陽電池ストリングの電圧変化パターンの違いに応じて、太陽電池ストリングにおけるどの太陽電池モジュールにおいて異常が発生したのかを検出することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる太陽光発電システム２００について図３を用いて説明する。図３は、太陽光発電システム２００の構成図である。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

太陽光発電システム２００における各太陽電池モジュール２０３−１〜２０３−３では、感熱式開閉器２（図１参照）の代わりに、温度検知手段２０５をバイパスダイオード１の近傍に配置してある。温度検知手段２０５は、バイパスダイオード１の温度２０６を検知し、検知した温度２０６が閾値以上だったら、太陽電池モジュールの出力にパルス信号２０７を重畳させる。このパルス信号２０７を異常監視手段２０４が検知して、実施の形態１同様に太陽電池モジュールの異常を判定し、使用者に報知することができる。

このように、実施の形態２では、異常監視手段２０４が、太陽電池ストリングの出力にパルス信号を示すパターンが現れた場合に、太陽電池モジュールにおける太陽電池セルに異常が発生したと認識できる。これにより、太陽光発電システム２００は、太陽電池モジュールにおける異常の発生を認識できる。

なお、温度検知手段２０５が温度２０６を検知する方法は、伝達される熱で検知する方法であっても良いし、放射される赤外線を検知するなど他の方法であってもよい。

また、各太陽電池モジュール２０３−１〜２０３−３の間でパルス信号の周期もしくはデューティ比を固有の値に設定しておけば、複数の太陽電池モジュールから構成された太陽電池ストリングの中のどの太陽電池モジュールが異常なのかを特定することができる。

以上のように、本発明にかかる太陽光発電システムは、住宅の屋根や屋上等に設置される太陽電池モジュールに有用である。

１ バイパスダイオード
２ 感熱式開閉器
３−１〜３−３ 太陽電池モジュール
４ 異常監視手段
５ パワコン
１００ 太陽光発電システム
２００ 太陽光発電システム
２０３−１〜２０３−３ 太陽電池モジュール
２０４ 異常監視手段
２０５ 温度検知手段
２０６ 温度
２０７ パルス信号

Claims (7)

1. 互いに直列に接続された複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルに並列に接続されたバイパスダイオードと、前記バイパスダイオードに並列に接続され、前記バイパスダイオードの温度が所定値より上昇すると閉じ、前記バイパスダイオードの温度が前記所定値より低下すると開き、周期的な開閉動作を繰り返すように構成された感熱式開閉器とを有する太陽電池モジュールと、
   前記感熱式開閉器および前記バイパスダイオードが、前記周期的な開閉動作を繰り返すことによる、前記太陽電池モジュールの出力電圧の変化を検知して前記太陽電池モジュールの異常の有無を判定する異常監視手段と、
   を備えたことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記太陽光発電システムでは、複数の前記太陽電池モジュールが直列に接続されており、
   複数の前記太陽電池モジュールのそれぞれでは、前記バイパスダイオードから前記感熱式開閉器への熱伝導量が固有に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 複数の前記太陽電池モジュールのそれぞれでは、前記バイパスダイオードから前記感熱式開閉器までの距離が互いに異なることにより、前記熱伝導量が固有に設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 複数の前記太陽電池モジュールのそれぞれでは、前記バイパスダイオードと前記感熱式開閉器との間に熱遮蔽量の互いに異なる遮蔽手段が配されていることにより、前記熱伝導量が固有に設定されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
5. 複数の前記太陽電池モジュールのそれぞれでは、前記感熱式開閉器の開閉動作を行う温度が互いに異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
6. 互いに直列に接続された複数の太陽電池セルと、前記複数の太陽電池セルに並列に接続されたバイパスダイオードと、前記バイパスダイオードの温度を検知して前記温度が閾値以上のときに前記複数の太陽電池セルの出力にパルス信号を重畳させる温度検知手段と、を有する太陽電池モジュールと、
   前記太陽電池モジュールの出力に重畳されたパルス信号を検知して前記太陽電池モジュールの異常の有無を判定する異常監視手段と、
   を備え、
   前記太陽電池モジュールの出力に前記パルス信号を示すパターンが現れた時に、異常発生を認識できるようにした
   ことを特徴とする太陽光発電システム。
7. 前記太陽光発電システムでは、複数の前記太陽電池モジュールが直列に接続されており、
   複数の前記太陽電池モジュールのそれぞれでは、前記温度検知手段により重畳されるべきパルス信号の周期又はディーティー比が固有に設定されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システム。

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