JP5712951B2 - 太陽電池パネルの異常検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池パネルでのホットスポットの発生を検知する太陽電池パネルの異常検知装置に関するものである。

太陽電池パネルでは、部分的にかかる影や経年劣化の影響等により、太陽電池パネルの一部で電流負荷抵抗が上昇し、発電時に電流負荷抵抗が上昇した部分が発熱して、ホットスポットが発生する場合がある。太陽電池パネルでホットスポットが発生したまま放置すると、太陽電池パネルの発電量が低下するだけでなく、熱によりセルに損傷を引き起こす場合がある。よって、このような障害を避けるためにも、太陽電池パネルでホットスポットが発生したときには、これを速やかに検知し、ホットスポットが発生した太陽電池パネルを切り離すなどの対応を行うことが望まれる。

特許文献１では、赤外線カメラを使用してホットスポットの有無を確認する方法が提案されている。

特開２００９−３２７４３号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、太陽電池パネル上に常時赤外線カメラを配置すると、その赤外線カメラの影によりホットスポットが発生するおそれがあるため、検査の度に赤外線カメラの取り付け、取り外しを行う必要があり、ホットスポットの発生を常時監視することができない。そのため、ホットスポットが発生したときの検知が遅れ、セルの損傷を引き起こすおそれがある。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、ホットスポットの発生を常時監視することが可能な太陽電池パネルの異常検知装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、太陽電池パネルでのホットスポットの発生を検知する太陽電池パネルの異常検知装置であって、前記太陽電池パネルに交流電圧を印加する周波数可変の交流電源と、前記太陽電池パネルに流れる交流電流を測定する電流測定手段と、前記太陽電池パネルに印可した交流電圧と前記電流測定手段で測定した交流電流とを基に、前記太陽電池パネルの交流抵抗の周波数特性を求める交流抵抗周波数特性演算部と、前記交流抵抗周波数特性演算部で求めた交流抵抗の周波数特性と、予め測定しておいた正常時の交流抵抗の周波数特性とを比較して、前記太陽電池パネルでのホットスポットの発生の有無を判定する異常判定部と、を備え、前記異常判定部は、前記交流抵抗周波数特性演算部で求めた交流抵抗の周波数特性と前記正常時の交流抵抗の周波数特性の交流抵抗の極小値の乖離が所定の閾値以上であり、かつ、極小値よりも低い所定の周波数における交流抵抗値の乖離が所定の閾値以上であるときに、ホットスポットが発生したと判定するように構成される太陽電池パネルの異常検知装置である。

前記太陽電池パネルが発電しているときにのみ動作するように構成されてもよい。

本発明によれば、ホットスポットの発生を常時監視することが可能な太陽電池パネルの異常検知装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る太陽電池パネルの異常検知装置の概略構成図である。 本発明において、正常時およびホットスポット発生時の交流抵抗の周波数特性の一例を示すグラフ図である。 図１の太陽電池パネルの異常検知装置において、ホットスポットの発生を判定する際の制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る太陽電池パネルの異常検知装置の概略構成図である。

図１に示すように、太陽電池パネルの異常検知装置１は、太陽電池パネル２でのホットスポットの発生を検知するものであり、交流電源５と、電流測定手段としての交流電流計１１と、制御装置１０と、警報手段２０と、を主に備えている。

太陽電池パネル２は、太陽電池パネル本体３と、太陽電池パネル本体３の正極にカソードが電気的に接続され、太陽電池パネル本体３の負極にアノードが電気的に接続されたバイパスダイオード４と、を有している。図中、太陽電池パネル本体３の正極を＋、負極を−として示している。

太陽電池パネルの異常検知装置１では、太陽電池パネル本体３の正極側に交流電源５が設けられる。交流電源５としては、出力する交流電圧の周波数が可変であるものを用いる。

また、太陽電池パネルの異常検知装置１では、太陽電池パネル本体３の負極側に電圧測定手段６が設けられる。電圧測定手段６は、太陽電池パネル２から出力される電圧（出力電圧）Ｖ_outを測定するものであり、検出抵抗７と出力側交流電圧計８とから構成される。検出抵抗７は、一端が太陽電池パネル本体３の負極に電気的に接続され、他端が接地される。出力側交流電圧計８は、検出抵抗７と並列に設けられる。また、交流電流計１１は、検出抵抗７と直列に設けられる。

さらに、太陽電池パネルの異常検知装置１では、太陽電池パネル本体３の正極側に、交流電源５から太陽電池パネル２に印加する入力電圧Ｖ_inを測定する入力側交流電圧計９が設けられている。

制御装置１０の出力端１４と交流電源５とは、出力用制御信号線１６を介して接続されており、制御装置１０から交流電源５に、交流電源５が太陽電池パネル２に印加する交流電圧（入力電圧Ｖ_in）の電圧値と周波数を制御する信号（以下、電源制御信号という）を送信できるようになっている。

また、制御装置１０の入力端１５と、出力側交流電圧計８および入力側交流電圧計９および交流電流計１１とは、それぞれ入力用制御信号線１７を介して接続されており、出力側交流電圧計８で測定した出力電圧Ｖ_out、入力側交流電圧計９で測定した入力電圧Ｖ_in、および交流電流計１１で測定した交流電流Ｉが、それぞれ制御装置１０に入力されるようになっている。

制御装置１０は、太陽電池パネル２の交流抵抗（インピーダンス）の周波数特性を求める交流抵抗周波数特性演算部１２と、交流抵抗周波数特性演算部１２で求めた交流抵抗の周波数特性を用いて太陽電池パネル２でのホットスポットの発生の有無を判定する異常判定部１３と、を有している。交流抵抗周波数特性演算部１２および異常判定部１３は、制御装置１０の制御基板１０ａ内の基本回路１０ｂに実装され、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ）やＣＰＵ、Ｉ／Ｏインターフェイス、ソフトウェア等を適宜組み合わせて実現される。

交流抵抗周波数特性演算部１２は、本実施の形態において、交流電源５を制御して太陽電池パネル２に印加する交流電圧（入力電圧Ｖ_in）の電圧値および周波数を制御すると共に、太陽電池パネル２に印可した交流電圧（入力側交流電圧計９で測定した入力電圧Ｖ_in）と、出力側交流電圧計８で測定した出力電圧Ｖ_outと、交流電流計１１で測定した交流電流Ｉとを基に、下式（１）
Ｚ＝（Ｖ_out−Ｖ_in）／Ｉ ・・・（１）
を用いて交流抵抗Ｚを演算することを周波数毎に繰り返し、太陽電池パネル２の交流抵抗の周波数特性を求めるよう構成される。なお、交流抵抗周波数特性演算部１２は、交流抵抗の周波数特性を求めるようにのみ構成されてもよく、この場合、交流抵抗周波数特性演算部１２とは別途に、交流電源を制御して太陽電池パネル２に印加する交流電圧の周波数を制御する制御部を設けるとよい。

異常判定部１３は、交流抵抗周波数特性演算部１２で求めた交流抵抗の周波数特性と、予め測定し記憶しておいた正常時（健全時）の交流抵抗の周波数特性とを比較して、太陽電池パネル２でのホットスポットの発生の有無を判定するように構成される。

正常時およびホットスポット発生時の交流抵抗の周波数特性の一例を図２に示す。図２に示すように、正常時（図示破線）と比較して、ホットスポット発生時（図示実線）には、周波数２００〜４００ｋＨｚに存在する交流抵抗の極小値がより小さくなり、また、極小値よりも小さい周波数（例えば１０ｋＨｚ付近の周波数）において交流抵抗値がより大きくなる。

そこで、本実施の形態では、異常判定部１３を、以下の２つの条件を共に満たすときに、ホットスポットが発生したと判定するように構成した。
（条件１）交流抵抗周波数特性演算部１２で求めた交流抵抗の周波数特性と正常時の交流抵抗の周波数特性の交流抵抗の極小値の乖離が所定の閾値（第１閾値という）以上である。
（条件２）極小値よりも低い所定の周波数（例えば１０ｋＨｚ付近の周波数）における交流抵抗値の乖離が所定の閾値（第２閾値という）以上である。

本実施の形態では、条件１，２における乖離を表すパラメータとして、交流抵抗値（極小値、または所定の周波数での交流抵抗値）の差の絶対値を用いた。ただし、これに限らず、条件１，２における乖離を表す値として、例えば交流抵抗値の比などを用いることも可能である。第１閾値、第２閾値は、予め適切な値に設定しておくとよい。

上述のように、条件１における交流抵抗の極小値は周波数２００〜４００ｋＨｚに存在し、条件２における極小値よりも低い所定の周波数は１０ｋＨｚ程度とすればよいので、交流抵抗の周波数特性を測定する際には、交流電源５が出力する交流電圧の周波数の最小周波数ｆ_minを１０ｋＨｚ程度、最大周波数ｆ_maxを４００ｋＨｚ程度に設定し、ｆ_min〜ｆ_maxの範囲で交流電源５の周波数を変化させるように交流抵抗周波数特性演算部１２を構成すればよい。

なお、本実施の形態では、条件１と条件２の両方を満たすとき（つまり条件１と条件２のアンド条件を満たしたとき）にホットスポットが発生したと判定するように異常判定部１３を構成したが、これに限らず、条件１と条件２のどちらか一方のみを満たすとき（つまり条件１と条件２のオア条件を満たすとき）にホットスポットが発生したと判定するように異常判定部１３を構成することも勿論可能である。

さらに、条件２を全く考慮せず条件１のみでホットスポットの発生を判定するように構成してもよいし、逆に、条件１を考慮せず条件２のみでホットスポットの発生を判定するように構成してもよい。なお、条件２のみでホットスポットの発生を判定する場合には、交流電源５として１０ｋＨｚ程度で周波数が固定のものを用いればよく、交流特性の周波数特性を求める必要がなくなるので、システムを簡素化でき低コスト化が可能になる。この場合、交流抵抗周波数特性演算部１２に代えて、太陽電池パネル２に印可した交流電圧（入力電圧Ｖ_in）と交流電流計１１で測定した交流電流Ｉとを基に、太陽電池パネル２の交流抵抗を求める交流抵抗演算部を備えるようにし、異常判定部１３を、交流抵抗演算部で求めた交流抵抗と、予め測定しておいた正常時の所定の周波数での交流抵抗とを比較して、太陽電池パネル２でのホットスポットの発生の有無を判定するように構成すればよい。

また、本実施の形態では、入力側交流電圧計９で測定した入力電圧Ｖ_inを用いて交流抵抗を演算したが、これに限らず、交流電源５へ送信する指示値（電源制御信号の指示値）をそのまま入力電圧Ｖ_inとして用いて交流抵抗を演算するように、交流抵抗周波数特性演算部１２を構成してもよい。この場合、入力側交流電圧計９は省略可能である。

警報手段２０は、異常判定部１３がホットスポットが発生したと判定したときに、警報を発するものである。

本実施の形態では、警報手段２０は、異常判定部１３から異常信号を受信すると、警告灯２１を点灯してホットスポットが発生したことを管理者に知らせると共に、モニタ２２にホットスポットが発生したことを表示し、これと同時期に、警報メール送信手段２３により、管理者の携帯電話等に警報メールを送信して、ホットスポットが発生したことを通知するよう構成されている。

なお、ホットスポットの発生が問題となるのは発電時であるから、太陽電池パネルの異常検知装置１は、太陽電池パネル２が発電しているときにのみ動作するように構成される。太陽電池パネル２の発電時には、交流電源５から出力する交流電圧が太陽電池パネル２が発電する直流電圧に重畳される状態となるので、バイパスダイオード４は常に逆バイアスされた状態となり、バイパスダイオード４に電流は流れない。

次に、太陽電池パネルの異常検知装置１におけるホットスポットの発生を判定する際の制御フローを図３を用いて説明する。図３の制御フローは、例えば、太陽電池パネル２の発電時に、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

図３に示すように、ホットスポットの発生を判定する処理は、太陽電池パネル２の交流抵抗の周波数特性を求めるステップＳ１と、ステップＳ１で求めた交流抵抗の周波数特性を用いてホットスポットの発生を判定するステップＳ２と、に大きく分かれている。

ステップＳ１では、まず、ステップＳ１１にて、交流抵抗周波数特性演算部１２が、周波数ｆを最小周波数ｆ_min（例えば１０ｋＨｚ）に設定し、ステップＳ１２にて、交流電源５に電源制御信号を送信して、周波数ｆの交流電圧を太陽電池パネル２に印可する。その後、ステップＳ１３にて、入力側交流電圧計９で入力電圧Ｖ_inを、出力側交流電圧計８で出力電圧Ｖ_outを、交流電流計１１で交流電流Ｉを検出する。ステップＳ１３にて検出された入力電圧Ｖ_in、出力電圧Ｖ_out、および交流電流Ｉは、入力端１５から制御装置１０に入力される。

その後、ステップＳ１４にて、交流抵抗周波数特性演算部１２が、上述の式（１）により交流抵抗を演算し、求めた交流抵抗を周波数と対応付けて記憶し、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、周波数ｆが最大周波数ｆ_max（例えば４００ｋＨｚ）より大きいかを判断する。ステップＳ１５でＮＯと判断されれば、ステップＳ１６で周波数ｆを増加してステップＳ１２に戻る。つまり、周波数ｆがｆ_maxより大きくなるまでステップＳ１２〜１４を繰り返す。ステップＳ１６での周波数ｆの増加分をｆ_aとすると、ステップＳ１２〜Ｓ１５をｎ回繰り返したときの周波数ｆは、ｆ＝ｆ_min＋ｆ_a×ｎとなり、ｆ_minからｆ_maxまで間のｆ_aごとの周波数ｆで交流抵抗が得られ、交流抵抗の周波数特性が得られることになる。ステップＳ１５でＹＥＳと判断された場合、つまりｆ_min〜ｆ_maxの周波数範囲で交流抵抗を求め終わった場合には、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、まず、ステップＳ２１にて、異常判定部１３が、上述の条件１を満たすか否かを判断する。具体的には、測定した交流抵抗の極小値と、予め測定しておいた正常時の交流抵抗の極小値の差の絶対値が、第１閾値より大きいかを判定する。ステップＳ２１でＮＯと判断された場合、ステップＳ２５にて、異常判定部１３がホットスポットが発生していないと判定し、処理を終了する。

ステップＳ２１でＹＥＳと判断された場合、ステップＳ２２にて、異常判定部１３が、上述の条件２を満たすか否かを判断する。具体的には、測定した所定の周波数（最小値よりも低い周波数、ここでは１０ｋＨｚとしている）での交流抵抗値と、予め測定しておいた正常時の所定の周波数での交流抵抗の差の絶対値が、第２閾値より大きいかを判定する。ステップＳ２２でＮＯと判断された場合、ステップＳ２５にて、異常判定部１３が、太陽電池パネル２にホットスポットが発生していないと判定し、処理を終了する。

ステップＳ２２でＹＥＳと判断された場合、すなわち、上述の条件１と条件２の両方を満たす場合には、ステップＳ２３にて、異常判定部１３が、太陽電池パネル２にホットスポットが発生したと判定し、ステップＳ２４にて、警報手段２０に異常信号を送信した後、処理を終了する。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る太陽電池パネルの異常検知装置１では、太陽電池パネル２に交流電圧を印加する周波数可変の交流電源５と、太陽電池パネル２に流れる交流電流を測定する電流測定手段としての交流電流計１１と、太陽電池パネル２に印可した交流電圧と交流電流計１１で測定した交流電流とを基に、太陽電池パネル２の交流抵抗の周波数特性を求める交流抵抗周波数特性演算部１２と、交流抵抗周波数特性演算部１２で求めた交流抵抗の周波数特性と、予め測定しておいた正常時の交流抵抗の周波数特性とを比較して、太陽電池パネル２でのホットスポットの発生の有無を判定する異常判定部１３と、を備えている。

従来のように赤外線カメラを用いる場合、赤外線カメラの影がホットスポット発生の原因となることから、ホットスポットの発生を常時監視することができなかったが、本発明によれば、太陽電池パネル２の電気特性（交流抵抗）をモニタすることでホットスポットの発生を監視するため、ホットスポットの発生を常時監視することが可能になる。よって、ホットスポットの発生を速やかに検知することが可能になり。ホットスポットの検知が遅れてセルの損傷を引き起こしてしまうことがなくなる。

また、従来用いていた赤外線カメラは高価であり、システム全体が高コストとなっていたが、本発明では、高価な赤外線カメラを使用せず、安価な交流電源５、交流電圧計８，９、交流電流計１１を用いてシステム構成しているため、低コストである。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、１つの太陽電池パネル２におけるホットスポットの発生を検知する場合について説明したが、複数の太陽電池パネル２を直列に接続した太陽電池モジュールにおけるホットスポットの発生を検知することも可能である。この場合、太陽電池モジュール全体における正極側に交流電源５と入力側交流電圧計９を設け、負極側に電圧測定手段６と交流電流計１１を設けるとよい。このように構成することで、太陽電池モジュールを構成する太陽電池パネルのうち、いずれかの太陽電池パネル２でホットスポットが発生したときに、そのホットスポットの発生を検知することが可能になる。

さらに、太陽電池モジュールを構成する各太陽電池パネル２に、各太陽電池パネル２での電圧降下を測定する手段を設けておけば、各太陽電池パネル２の交流抵抗を監視し、どの太陽電池パネル２でホットスポットが発生しているかを判定することも可能になる。この場合、交流電源５や交流電流計１１については、各太陽電池パネル２で共通に用いることが可能である。

１ 太陽電池パネルの異常検知装置
２ 太陽電池パネル
３ 太陽電池パネル本体
４ バイパスダイオード
５ 交流電源
６ 電圧測定手段
７ 検出抵抗
８ 出力側交流電圧計
９ 入力側交流電圧計
１０ 制御装置
１１ 交流電流計（電流測定手段）
１２ 交流抵抗周波数特性演算部
１３ 異常判定部

Claims (2)

1. 太陽電池パネルでのホットスポットの発生を検知する太陽電池パネルの異常検知装置であって、
   前記太陽電池パネルに交流電圧を印加する周波数可変の交流電源と、
   前記太陽電池パネルに流れる交流電流を測定する電流測定手段と、
   前記太陽電池パネルに印可した交流電圧と前記電流測定手段で測定した交流電流とを基に、前記太陽電池パネルの交流抵抗の周波数特性を求める交流抵抗周波数特性演算部と、
   前記交流抵抗周波数特性演算部で求めた交流抵抗の周波数特性と、予め測定しておいた正常時の交流抵抗の周波数特性とを比較して、前記太陽電池パネルでのホットスポットの発生の有無を判定する異常判定部と、
   を備え、
   前記異常判定部は、前記交流抵抗周波数特性演算部で求めた交流抵抗の周波数特性と前記正常時の交流抵抗の周波数特性の交流抵抗の極小値の乖離が所定の閾値以上であり、かつ、極小値よりも低い所定の周波数における交流抵抗値の乖離が所定の閾値以上であるときに、ホットスポットが発生したと判定するように構成される
   ことを特徴とする太陽電池パネルの異常検知装置。
2. 前記太陽電池パネルが発電しているときにのみ動作するように構成される
   請求項１に記載の太陽電池パネルの異常検知装置。

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