JP5555808B1 - ソーラー発電分極防止装置 - Google Patents

Abstract

ＰＩＤ現象が発生した場合に、後付けでソーラー発電分極防止装置３０を既設の発電モジュールストリング１１とパワーコンディショナ２０との電力線接続の間に介在するように設置する。ソーラー発電分極防止装置３０は、入力部４０、出力部５０、電源部６０、絶縁トランス部７０から構成されている。入力部４０は発電モジュールストリング１１と絶縁トランス部７０との間に、入力端子部４１、ＤＣ／ＡＣ変換部４２、交流波形整形部４３、漏電遮断部４４の順に電力線を介して接続され、入力端子部４１に接続された分極防止装置３０内の電力線の負極側の点Ａを接地する。

Description

本発明は、太陽電池によるソーラー発電時に発生するセル表面の電荷蓄積を予防するソーラー発電分極防止装置に関するものである。

近年、太陽光発電システムの大型化、高電圧化に伴い、従来の小規模太陽光発電システムでは殆ど発生しなかった太陽電池の分極による出力低下の劣化現象が発生することがある。この劣化現象は或る特殊な環境条件において、例えば高温多湿であってソーラーセルから成る発電モジュールのガラス表面が水分で覆われた環境下で、太陽光発電を行うような場合に発生し易いことが分かっており、ＰＩＤ（Potential Induced Degradation）現象と呼ばれている。

ＰＩＤ現象の発生の仕組みは、特許文献１に記載されているように、発電モジュールの枠体であるフレームと発電モジュール回路内に大きな電位差が生じ、上記の特殊な環境条件下になると、漏れ電流がガラス表面の水分を介してフレームと発電モジュール回路の間に発生し、発電モジュールの内部で電荷の分極が発生するためである。

発電モジュールがＰ型結晶シリコンセルの場合は、フレームが発電モジュールに対して高電位の状態となり、発電モジュールのガラスの表面が朝露等により覆われると絶縁体であったガラスも高電位状態となる。そして、太陽光によって分離した電子が絶縁状態でなくなったガラスを介して高電位であるフレームに吸い寄せられ、微弱な漏れ電流がフレームから発電モジュールに対して発生する。その結果、ガラス下に形成され、太陽光の反射を防止する反射防止膜の表面で分極が発生し、この分極により反射防止膜の表面に溜まったプラスの電荷を持つナトリウムイオン又は漏れ電流により派生した正孔に、太陽光によって発生した電子が再結合してしまう。

Ｎ型結晶シリコンセルの場合は、発電モジュールがフレームに対して高電位でかつガラスが上述のような非絶縁体状態になることで、反射防止膜の表面で分極が発生する。反射防止膜の表面にフレームから電子が引き寄せられ、微弱な漏れ電流が発電モジュールからフレームに発生する。そして、太陽光によって分離した正孔が反射防止膜の表面に溜まった電子と再結合してしまうことになる。

このように再結合することで、発電モジュールがＰ型結晶シリコンセルの場合は電子が負電極へ集められなくなり、またＮ型結晶シリコンセルの場合は正孔が正電極へ集められなくなるので電流が流れなくなり、発電する電力量が大幅に減少する。

なお、ＰＩＤ現象が発生し発電量が半分以下に低下した場合に、発電モジュール側を上述のように接地することで蓄積された電荷が徐々に減少し、発電量は回復する。回復までに時間を要する接地の対処法に対して、逆向きのバイアスの高電圧を発電モジュールに印加することで、蓄積した電荷が中和され、急速に消滅しセル表面の分極による出力劣化現象が解消することも知られている。

特開２０１０−２２５７７６号公報

近年においては、パワーコンディショナは直流から交流への電力交換効率が優れたトランスレス方式が主流となっている。このトランスレス型パワーコンディショナは発電モジュールの直流回路側と系統電力側は遮断されておらず、電気的に繋がっており、系統電力側が接地された状態であって、直流回路側を接地した場合に、系統電力側及び直流回路側間で地絡電流が流れて短絡状態になるため、上述のように接地することができない。

このように、トランスレス型パワーコンディショナを用いた既設の発電システムにおいて、ＰＩＤ現象を防止するための蓄積電荷を接地によるグランドへ流す処理を施すことができないという問題がある。特に、ＰＩＤ現象は前述のような特殊環境下において発生するため、トランスレス型パワーコンディショナを使用する太陽光発電システムを設置した後にＰＩＤ現象が発生したり、或いは発生し易い場所であることが運用後に判明した場合に、パワーコンディショナの交換やＰＩＤが発生し難い発電モジュールへの交換等、大規模な交換作業が免れ得ない。特に、パワーコンディショナ、発電モジュールは発電設備の保証、認証関係から、交換するとなると、個々の機器に対して十分な試験等を実施する必要がある。

図３は従来の一般的な家庭用のソーラー発電システムの回路構成図であり、単結晶、多結晶の結晶系シリコン、アモルファスシリコン等の非結晶系シリコンの何れかの基材から成る数１０枚のソーラーセルを接続し、両面に電極を設けた発電モジュール１０と、複数の発電モジュール１０を直列に接続した発電モジュールストリング１１と、トランスレス型パワーコンディショナ２０とから構成されている。

発電モジュールストリング１１の発電モジュール１０の筐体であるフレームは、セルのガラスによりソーラーセル内回路とは絶縁されており、感電防止等のために隣合うフレームを連結し、一個所で接地している。発電モジュール１０内のセルは故障等を考慮して並列に接続されている。発電モジュールストリング１１は分かり易いように直列の１列を図示したが、実際のソーラー発電システムでは複数の発電モジュール１０を直列に接続したものを並列にし、接続箱に集約して発電を行っている。

発電モジュールストリング１１は屋外に設置され、発電モジュール１０が太陽光を受けて発電を開始すると、その出力を集約し、パワーコンディショナ２０に直流電力を出力する。通常では、家庭用であれば１０ｋＷ程度の発電量があり、パワーコンディショナ２０は２００〜４００Ｖの電圧を出力する。

パワーコンディショナ２０は入力した直流電力を交流電力に変換し、系統電力側に交流出力を行う。交流である系統電力側では、系統電力側に接続する機器保護のために中性点接地を行っている。しかし、この従来例のソーラー発電システムでは、発電モジュールストリング１１の出力側である直流回路側を接地することができないので、ＰＩＤ現象が発生した場合は対応が困難である。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、発電モジュールストリングスとトランスレス型パワーコンディショナの間に絶縁トランス部を介在するソーラー発電分極防止装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るソーラー発電分極防止装置は、ソーラーセルから成る複数の発電モジュールの出力を接続した既設の発電モジュールストリングと、既設のトランスレス型パワーコンディショナとの電力線接続の間に後付けで設置するソーラー発電分極防止装置において、前記発電モジュールストリングからの電力線を接続する入力部と、前記トランスレス型パワーコンディショナへの電力線と接続する出力部と、前記入力部と前記出力部とを絶縁する絶縁トランス部と、入力部に電力を供給する電源部とから構成し、これらの各部を筐体内に配置し、前記発電モジュールストリングからの電力線の一極を接地することを特徴とする。

本発明に係るソーラー発電分極防止装置によれば、既設のトランスレス型パワーコンディショナを使用するソーラー発電システムにおいても、発電モジュールストリングスとパワーコンディショナとの間を電気的に絶縁することができ、発電モジュールストリングス側の接地を可能とし、発電モジュール内への電子又は正孔の蓄積を抑制でき、ＰＩＤ現象の発生を防止することができる。

また、発電モジュール側の電力線を接地することで、電力線に乗畳したノイズ等を除去することもでき、ソーラー発電分極防止装置の入力側と出力側とを電気的に絶縁することで、入力側のノイズが出力側まで伝達することはない。従って、ソーラー発電システムにノイズ等の不具合が発生した場合に、電力会社等が管轄する系統電力側に原因があるのか、ソーラー発電側に原因があるのかの探究が容易になる。

実施例１のセルがＰ型結晶シリコンセルの場合のソーラー発電システムの回路構成図である。 実施例２のセルがＮ型結晶シリコンセルの場合のソーラー発電システムの回路構成図である。 従来例のソーラー発電システムの回路構成図である。

本発明を図１、図２に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１はソーラーセルから成る発電モジュール１０のセルがＰ型結晶シリコンセルの場合のソーラー発電システムの回路構成図である。トランスレス型パワーコンディショナ２０を含む発電システムにおいて、ＰＩＤ現象が発生した場合に、後付けでソーラー発電分極防止装置３０を既設の発電モジュールストリング１１とパワーコンディショナ２０との電力線接続の間に介在するように設置する。或いは、ＰＩＤ現象が発生し易い場所があることが判明した場合に、分極防止装置３０を予め発電モジュールストリング１１とパワーコンディショナ２０との間に設置するようにしてもよい。発電分極防止装置３０の設置個所は、パワーコンディショナ２０の近傍でもよいし、適宜に設置しやすい場所にしてもよい。

ソーラー発電分極防止装置３０は、入力部４０、出力部５０、電源部６０、絶縁トランス部７０から構成され、各部は小型の筐体内に配置されている。入力部４０は発電モジュールストリング１１からの電力線を接続する入力端子部４１と、発電モジュールストリング１１からの出力が直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部４２と、ＤＣ／ＡＣ変換部４２の出力を出力波形を整形する交流波形整形部４３と、短絡事故や漏電事故が発生した場合に正・負間の電流差を検出することで地絡等を検知し、ブレーカを起動して正負両極を遮断する漏電遮断部４４とから構成されている。この漏電遮断部４４を設けることで、モジュールの近傍での地絡があった場合でも迅速に回路遮断を可能にする。

入力部４０は発電モジュールストリング１１と絶縁トランス部７０との間に、入力端子部４１、ＤＣ／ＡＣ変換部４２、交流波形整形部４３、漏電遮断部４４の順に電力線を介して接続され、入力端子部４１に接続された分極防止装置３０内の電力線の負極側の点Ａを接地する。

出力部５０は絶縁トランス部７０からの交流出力を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部５１と、出力波形を整形する直流波形整形部５２と、パワーコンディショナ２０への電力線を接続する出力端子部５３とから構成されている。出力部５０は絶縁トランス部７０とパワーコンディショナ２０との間に、ＡＣ／ＤＣ変換部５１、直流波形整形部５２、出力端子部５３の順で電力線を介して接続されている。

電源部６０は入力端子部４１に接続された分極防止装置３０の筐体内の電力線を分岐し、ＤＣ／ＤＣ処理により降圧後に５Ｖ〜１２Ｖ程度の直流電源を、ＤＣ／ＡＣ変換部４２、交流波形整形部４３及び漏電遮断部４４に対して供給している。

絶縁トランス部７０は単相複巻トランスであり、容量は５ｋＶＡ程度のものを使用する。この容量はソーラー発電システムの規模に応じて適宜に最適なものを採用する。絶縁トランス部７０は入力部４０の漏電遮断部４４と出力部５０のＡＣ／ＤＣ変換部５１との間に配置され、絶縁トランス部７０は入力部４０と出力部５０とを絶縁状態で交流電力同士を誘導により接続している。なお、絶縁トランス部７０、ＡＣ／ＤＣ変換部５１及び直流波形整形部５２は電源用電力は不要である。

このように、発電モジュールストリング１１からのソーラー発電分極防止装置３０への直流電力の入力に対しパワーコンディショナ２０への直流電力の出力を行うものであり、絶縁トランス部７０によるＡＣ／ＡＣ変換は変圧を目的とするものではなく、絶縁トランス部７０を用いることで、前述のように分極防止装置３０の入力側において電力線の地絡を可能とするために用いられている。従って、絶縁トランス部７０の１次巻数と２次巻数は基本的に１対１の関係である。しかし、この分極防止装置３０で絶縁トランス部７０を介することによる電力の損失や、曇り等の天候による発電量不足から、トランス機能によりパワーコンディショナ２０の入力電圧の範囲内で昇圧を行うようにしてもよい。この場合は、タップ等を設けて状況に合わせて適宜に切換えるようにすることが考えられる。

ソーラーセルがＰ型結晶シリコンセルの場合には、入力端子部４１に接続されたソーラー発電分極防止装置３０内の電力線の負極側の点Ａを接地させることで電圧はゼロＶ基準となり、発電モジュールストリング１１の電位は、発電モジュール１０の図１の下から上に向かうにつれて高くなり、常にフレームの電位よりも高くなる。

Ｐ型結晶シリコンセルのＰＩＤ現象は、背景技術で記載したようにフレームがソーラーセルに対して高電位の状態となることが発生原因の１つであるため、電力線の負極側のＡ点を接地させることで、常に発電モジュール１０の電位をフレームの電位よりも高くし、太陽光によって分離した電子がフレーム側に引き寄せられることを防止する。このため、反射防止膜の表面で分極が発生することがなくなり、たとえ高温多湿であって発電モジュール１０のガラス表面が水分で覆われた環境になったとしても、発電する電力量が減少することはない。

特許文献１のソーラー発電システムでは、太陽電池モジュールから分極により表面に蓄積した電荷を取り除くための処理を夜間においてスイッチ動作制御装置により行うため、処理をするために太陽光発電とは別に電源を確保する必要がある。これに対し、本実施例はソーラー発電システムが発電している間に、作動する装置であるため、電源供給源を別途に用意する必要はない。

また、特許文献１のソーラー発電システムでは、本実施例のように昼間の発電時に接地することができないため、昼間に急激なＰＩＤ現象が発生し、発電モジュールのガラス表面に電荷が蓄積した場合には夜間まで待つ必要があり、また、夜間のグランド接地だけでは電荷の蓄積が解消できない場合も生ずる。これに対し、本実施例のようにソーラー発電分極防止装置３０を介在することにより、入力部４０側を接地することでセル表面の電荷の蓄積自体を未然に防ぐことができ、ＰＩＤ現象が発生しなくなる。

また、ソーラー発電分極防止装置３０は既設のパワーコンディショナ２０の入力側に接続可能となり、パワーコンディショナ２０を交換することなく、分極防止装置３０の設置による他の機器に関する調整作業も発生することはない。

図２は実施例２の発電モジュール１０のセルがＮ型結晶シリコンセルの場合の回路構成図である。セルがＰ型結晶シリコンセルの場合には、ソーラー発電分極防止装置３０において、発電モジュールストリング１１の電力線の正極側の点Ｂを接地することで、ＰＩＤ現象の発生を防止することができる。この実施例２の分極防止装置３０の構成は、実施例１とほぼ同様であるが、接地点が異なっている。

Ｎ型結晶シリコンセルのＰＩＤ現象は、背景技術で記載したように発電モジュール１０がフレームに対して高電位の状態となることが発生原因の１つであるため、電力線の正極側のＢ点を接地することで、常に発電モジュール１０の電位をフレームの電位より低くし、フレームからの電子の移動によるセル表面の電荷蓄積を防止することができる。

なお、接地点であるＡ点、Ｂ点の接続の切換えは設定スイッチ等の切換手段により、Ｐ型、Ｎ型結晶シリコンセルに合わせて適宜に選択できるようにしてもよい。

本願発明の実施例１、２では、家庭用のソーラー発電システムにソーラー発電分極防止装置３０を適用したが、家庭用に限定されるものではなく、小規模、中規模の商業用ソーラ発電システムに分極防止装置３０を用いてもよいことは勿論である。

１０ 発電モジュール
２０ パワーコンディショナ
３０ ソーラー発電分極防止装置
４０ 入力部
４１ 入力端子部
４２ ＤＣ／ＡＣ変換部
４３ 交流波形整形部
４４ 漏電遮断部
５０ 出力部
５１ ＡＣ／ＤＣ変換部
５２ 直流波形整形部
５３ 出力端子部
６０ 電源部
７０ 絶縁トランス部

Claims (7)

1. ソーラーセルから成る複数の発電モジュールの出力を接続した既設の発電モジュールストリングと、既設のトランスレス型パワーコンディショナとの電力線接続の間に後付けで設置するソーラー発電分極防止装置において、
   前記発電モジュールストリングからの電力線を接続する入力部と、前記トランスレス型パワーコンディショナへの電力線と接続する出力部と、前記入力部と前記出力部とを絶縁する絶縁トランス部と、入力部に電力を供給する電源部とから構成し、これらの各部を筐体内に配置し、前記発電モジュールストリングからの電力線の一極を接地することを特徴とするソーラー発電分極防止装置。
2. 前記入力部は前記発電モジュールストリングからの電力線を接続する入力端子部と、前記発電モジュールストリングからの出力が直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部と、該ＤＣ／ＡＣ変換部の出力を出力波形を整形する交流波形整形部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のソーラー発電分極防止装置。
3. 前記入力部は地絡、漏電を検知し、ブレーカを起動して正負両極を遮断する漏電遮断部を備え、該漏電遮断部は前記交流波形整形部と前記絶縁トランス部との間に配置したことを特徴とする請求項２に記載のソーラー発電分極防止装置。
4. 前記出力部は前記絶縁トランス部からの交流出力を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、出力波形を整形する直流波形整形部と、前記トランスレス型パワーコンディショナへの電力線を接続する出力端子部とを備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載のソーラー発電分極防止装置。
5. 前記電源部は前記入力端子部に接続された筐体内の電力線を分岐し、ＤＣ／ＤＣ処理により降圧後に前記入力部に電力を供給することを特徴とする請求項２〜４の何れか１つの請求項に記載のソーラー発電分極防止装置。
6. 前記電力線の接地は、前記発電モジュールのソーラーセルがＰ型結晶シリコンセルの場合は前記発電モジュールストリングからの電力線の負極を接地し、前記発電モジュールのソーラーセルがＮ型結晶シリコンセルの場合は前記発電モジュールストリングからの電力線の正極を接地することを特徴とする請求項１〜５の何れか１つの請求項に記載のソーラー発電分極防止装置。
7. 前記電力線の負極の接地及び正極の接地は切換手段によって切換え可能としたことを特徴とする請求項６に記載のソーラー発電分極防止装置。

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