JP6023458B2 - 太陽電池システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の太陽電池アレイから電力を出力する太陽電池システムに関するものである。

近年、化石燃料に代わるエネルギーとして、ほとんど無尽蔵でクリーンな太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池システムの開発が盛んである。また、太陽電池システムで発電をおこなうと同時に、発電状態の監視もおこなわれている。

たとえば、下記の特許文献１には、太陽電池パネルごとにMPPT（Maximum Power Point Tracking）制御をおこない、さらに通信コンポーネントを設け、電圧、電流、温度などの情報を収集している。

しかし、近年計画されている発電電力が１ＭＷ以上の大規模な太陽電池システムにおいて、収集した大量の情報から的確に故障箇所を求めることが必要である。特許文献１は、情報の収集のみでどのような処理をおこなうかは不明である。

特表２０１１−５０８３２２号公報（段落番号００２２、図２Ａ、図２Ｂ参照）

本発明の目的は、発電状態を適確におこなうことができる太陽電池システムを提供することにある。

本発明の太陽電池システムは、複数の太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイごとに備えられた制御モジュールと、前記制御モジュールとは独立して動作し、複数の制御モジュールの出力を受けて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、前記太陽電池アレイごとのデータを収集し、所定の演算をおこなうホスト・コンピュータと、前記太陽電池とホスト・コンピュータとの間で通信をおこなう通信装置とを備える。

前記制御モジュールは、前記太陽電池アレイの出力電圧および出力電流を計測する電力計測回路と、スイッチング素子を備え、スイッチングによって前記太陽電池アレイの直流電力を最大出力にするＤＣ−ＤＣコンバータと、前記電力計測回路で計測した電圧と電流のＶＩ特性の変動から、ＤＣ−ＤＣコンバータの直流電力の最大出力を求め、該最大出力となるようにスイッチング素子をスイッチングする制御回路とを備える。

前記データが電力計測回路で測定された出力電圧および出力電流を含む。前記ホスト・コンピュータがおこなう所定の演算は、前記データ同士の相対比較によって故障した太陽電池アレイを求めることを含む。

前記データが太陽電池アレイの電流、電圧、または電力の少なくとも１つの電気データを含む。前記相対比較は、一の領域に含まれる前記太陽電池アレイ同士のデータを相対比較する第１相対比較と、前記第１相対比較によって、一の領域に含まれる太陽電池アレイのデータの平均値から一定率離れたデータがあった場合に、一の領域の太陽電池アレイのデータの平均値と他の領域の太陽電池アレイのデータの平均値との相対比較をおこなう第２相対比較と含む。

前記ホスト・コンピュータは、一の領域の太陽電池アレイのデータの平均値と他の領域の太陽電池アレイのデータの平均値とが一定率離れた場合に、第１相対比較でデータの一定率離れた太陽電池アレイを故障と判定する。

前記太陽電池アレイごとに温度を計測する温度計を備え、前記データが温度の温度データを含む。前記ホスト・コンピュータは、電気データについて第１相対比較と第２相対比較をおこなった後、温度データについて第１相対比較と第２相対比較をおこなう。

前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を一定電圧にするフィードバック制御をせずに、制御回路からスイッチングがおこなわれ、前記制御回路とインバータ回路とが独立して動作する。

前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力に接続されたインピーダンスを備える。

本発明によると、太陽電池アレイ同士の電流などを相対比較することによって、故障している太陽電池アレイを判定することができる。太陽電池アレイの電流などの電気的要素だけでなく、太陽電池アレイの温度によっても故障を判定しているため、判定の精度が高い。

本発明の太陽電池システムの構成を示すブロック図である。 太陽電池アレイのＶＩ特性を示す図である。 電圧と電流とが反比例された特性を示す図である。 第１相対比較と第２相対比較をおこなうときの一の領域と他の領域の例を示す図である。

本発明の太陽電池システムについて図面を使用して説明する。

図１に示す太陽電池システム１０は、複数の太陽電池アレイ１２が備えられている。太陽電池アレイ１２ごとに制御モジュール１４が構成される。各太陽電池アレイ１２は、例えば約５０〜１００Ｗの出力である。制御モジュール１４同士は、直列、並列、または直列と並列を組み合わせて接続する。複数の太陽電池アレイ１２によって、１ＭＷ以上の大規模発電をおこなうことができる。

本文で使用している「アレイ」とは、太陽電池（セル）を複数枚直並列接続して必要な電圧と電流を得られるようにしたパネル状の製品単体のことを云い、「ソーラーパネル」もしくは単に「太陽光パネル」と呼ばれている。

制御モジュール１４は、太陽電池アレイ１２に接続された電力計測回路１６、電力計測回路１６の出力を受けるＤＣ−ＤＣコンバータ１８、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８を制御する制御回路２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力に接続されたインピーダンス２２を備える。

電力計測回路１６は、太陽電池アレイ１２の出力電圧および出力電流を計測する回路である。電力計測回路１６は、電圧計と電流計が含まれる。計測された出力電圧および出力電流は制御回路２０に入力される。電流値は、シャント抵抗などで電流を測定し、電流値に応じた電圧値に変換し、その電圧値を制御回路２０で利用しても良い。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、太陽電池アレイ１２が出力した直流電力の値を変換する回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、スイッチング素子を備える。スイッチング素子が制御回路２０によってスイッチングされる。このスイッチングによって太陽電池アレイ１２の直流電力が最大出力になるようにする。スイッチング素子としては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴが挙げられる。パワーＭＯＳＦＥＴのゲートにパルスが入力されて、スイッチングされる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８には、リアクトルを設け、スイッチング素子のスイッチングによって、電気エネルギーの蓄電と放電をおこなう。さらに、ダイオードを介してインピーダンス２２に最大電力を出力するようにする。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、出力電圧を一定電圧にするためのフィードバック制御をおこなわない。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は独立制御され、スイッチング素子を制御するための制御回路２０を単純にすることができる。制御回路２０は、小型のマイコンで構成することができる。

制御回路２０は、電力計測回路１６で計測された電圧と電流のＶＩ特性の変化を検出し、このＶＩ特性における最大電力点を検出する（図２）。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力がこの最大電力点になるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８のスイッチング素子に対してパルス幅変調（PWM：Pulse Width Modulation）されたパルスを入力する。すなわち、制御回路２０はＭＰＰＴ制御をおこなう回路であり、制御モジュール１４ごとにＭＰＰＴ制御をおこなっている。各太陽電池アレイ１２への光量が変化しても、その光量において最大電力となるように制御される。

制御回路２０の制御によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力は、太陽電池アレイ１２のＶＩ特性における電圧と電流との関係が反比例する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力は、電圧と電流の関係が図２から図３になる。図３では、どの値がインバータ回路２４に入力されても最大電力となる。

図３においては、光量の異なる特性が示されているが、４つの太陽電池アレイ１２への光量が図３のようにそれぞれ異なるとする。制御モジュール１４が直列接続されている場合、直列動作点を選択すれば各制御モジュール１４の電流値は同じになる。制御モジュール１４が並列接続されている場合、並列動作点を選択すれば各制御モジュール１４の電圧値は同じになる。電圧値または電流値の一方によって他方が決定されるが、上記のように図３においては、決定された電圧値と電流値とから得られる電力は最大値である。最大電力がインバータ回路２４に入力される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力にインピーダンス２２が接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力に含まれる交流成分を除去する働きがある。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力が変化する時間を長くし、変化率を小さくできる。安全範囲で長く動作させることができる。

インピーダンス２２としては、例えば、２．２μＦ、２００Ｖの電解コンデンサが挙げられる。電解コンデンサの＋端子がＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力に接続され、−端子がアース電位になるようにする。

直列、並列、または直並列に接続された複数の制御モジュール１４の出力が１つのインバータ回路２４に入力される。上述したように、制御モジュール１４がどのように直列または並列に接続されても、各制御モジュール１４の最大電力をインバータ回路２４に入力することができる。

インバータ回路２４は、直流電力を交流電力に変換する。インバータ回路２４はスイッチング素子やスイッチングを制御する回路を備え、スイッチングによって交流電力を出力する。インバータ回路２４は、制御回路２０と通信接続されていず、制御回路２０に対して独立して駆動する。インバータ回路２４は、入力に対して所定の電力を出力するように駆動する。このため従来のように入力電圧範囲の広い設計ではなく、固定入力電圧設計が出来る。この効果によりインバータ回路２４の構成が簡単になり、低価格化が容易になる。

各制御モジュール１４の最大電力が出力されており、インバータ回路２４から出力される電力は最大になる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力のフィードバックをおこなっていず、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８への制御か簡単である。制御回路２０とインバータ回路２４とが通信によって最大電力を出力するような複雑な構成にはなっていず、制御回路２０とインバータ回路２４とが互いに独立して動作するため、構成が単純になる。そのため、安価に太陽電池システム１０を構成することができる。

太陽電池システム１０は、各太陽電池アレイ１２からのデータを収集し、所定の演算をおこなうことによって、各太陽電池アレイ１２の状態を監視するホスト・コンピュータ２６を備える。ホスト・コンピュータ２６と各太陽電池アレイ１２とは、通信装置２８によって接続される。

通信装置２８は、Zigbee（登録商標）などの無線通信が挙げられる。Zigbee（登録商標）を使用した場合、双方向通信をおこなうことができる。ホスト・コンピュータ２６が所望の太陽電池アレイ１２に対して呼び出しをおこない、太陽電池アレイ１２が応答する。大規模な太陽電池システム１０であれば、ホスト・コンピュータ２６から所望の太陽電池アレイ１２まで、他の太陽電池アレイ１２の通信装置２８を介したリレー形式で通信をおこなっても良い。

双方向通信をおこなう以外に、各太陽電池アレイ１２からホスト・コンピュータ２６への一方向通信であっても良い。この場合、所定時間ごとに、各太陽電池アレイ１２からホスト・コンピュータ２６へデータを送信する。

ホスト・コンピュータ２６が太陽電池アレイ１２から収集するデータは、電力計測回路１６で測定された電流値および電圧値の電気データを含む。制御回路２０が電流値と電圧値から所定期間の積算電力を求め、電気データに含めても良い。所定期間として、データ収集の間隔が挙げられる。

通信装置２８は制御回路２０から電流値および電圧値を取得しているが、電力計測回路１６から電流値および電圧値を取得しても良い。太陽電池アレイ１２ごとに識別子（太陽電池アレイ１２のアドレス）を付与し、データにその識別子を含める。太陽電池アレイ１２の呼び出しや、所定の演算をおこなうに当たって、太陽電池アレイ１２を識別できるようにする。

また、各太陽電池アレイ１２の温度を測定する温度計３０を備え、上記データに温度データも含める。太陽電池アレイ１２に異常が生じたとき、電力変換できずに温度上昇することがあるためである。

ホスト・コンピュータ２６がおこなう演算について説明する。ホスト・コンピュータ２６がおこなう演算は、通信装置２８によって太陽電池アレイ１２からホスト・コンピュータ２６に送られたデータを用いる。ホスト・コンピュータ２６のソフトウェアとハードウェアによって、後述する演算がおこなわれる。

演算をおこなうに当たって、太陽電池システム１０を複数の領域に分けておく。各領域に複数の太陽電池アレイ１２が含まれる。領域分けは任意であるが、たとえば、図１の太陽電池システム１０を複数にする場合、インバータ回路２４ごとに領域分けをおこなっても良い。

（１）一の領域にある一群の太陽電池アレイ１２について、太陽電池アレイ１２同士のデータを第１相対比較する。相対比較するデータは、電圧、電流、または電力の少なくとも１つの電気データである。電力は所定期間の積算の電力であっても良い。たとえば、図４において斜線で示す６枚の太陽電池アレイ１２が一の領域３２にあれば、６枚の太陽電池アレイ１２で第１相対比較がなされる。

第１相対比較は、一の領域３２において、一の太陽電池アレイ１２と他の全ての太陽電池アレイ１２の平均とを比較することが挙げられる。また、一の領域３２の全ての太陽電池アレイ１２の平均と領域３２の中の一の太陽電池アレイ１２とを比較しても良い。一の領域３２の中にある全ての太陽電池アレイ１２について第１相対比較をおこなう。

（２）上記（１）で一の領域３２にある太陽電池アレイ１２の中で、一定率以上離れた電気データの太陽電池アレイ１２があった場合、一の領域３２の全ての太陽電池アレイ１２の電気データの平均値と他の領域３４の全ての太陽電池アレイ１２の電気データの平均値とを第２相対比較する。第２相対比較する電気データは、上記（１）と同種の電気データを使用する。

一定率は、たとえば約１５〜２０％であり、自由に変更できるようにする。一の領域３２の太陽電池アレイ１２の中で、電気データが一定率以上離れた太陽電池アレイ１２があれば、第１相対比較から第２相対比較に進む。電気データであるため、故障している太陽電池アレイ１２は一定率以上低い値となる。

第１相対比較で一の領域３２にある全ての太陽電池アレイ１２の電気データが一定率の範囲内にあれば、全ての太陽電池アレイ１２が同等の発電をおこなっていることになる。気象条件によって発電電力が変化しても、太陽電池アレイ１２の正常と異常を判断することができる。

また、第２相対比較で比較をおこなう一の領域３２と他の領域３４とは、同一環境条件になるようにする。大規模発電の太陽電池システム１２は広大な敷地に設置されるが、たとえば、一の領域３２から３０ｍ以内にある領域を他の領域３４とする。図４であれば、他の領域３４は一の領域３２に隣接している。故障の判断で、環境条件の違いによる発電の違いを排除することができる。

（３）上記（２）で一の領域３２の太陽電池アレイ１２の電気データの平均値が他の領域３４の太陽電池アレイ１２の電気データの平均値から一定率離れた場合、温度データについても上記（１）と（２）を同様におこなう。すなわち、一の領域３２の太陽電池アレイ１２の中で太陽電池アレイ１２の温度を相対比較し、一定率離れる太陽電池アレイ１２があれば、さらに一の領域３２と他の領域３４の太陽電池アレイ１２の平均温度で相対比較する。

（４）一の領域３２の太陽電池アレイ１２の平均温度と他の領域３４の太陽電池アレイ１２の平均温度とが一定率離れれば、上記（１）や（３）で一定率離れた太陽電池アレイ１２が故障していると判定する。故障している太陽電池アレイ１２であれば、電力変換ができずに温度上昇していることが考えられる。

故障している太陽電池アレイ１２の場所などをホスト・コンピュータ２６のモニタに表示したりする。故障の中には、発電を完全におこなっていない場合の他に、太陽電池アレイ２６が劣化して、所定の発電量に足りない場合も含む。保守員などが、故障している実際の太陽電池アレイ１２を確認して、修理や交換をおこなう。たとえば、太陽電池アレイ１２の表面の汚れの清掃、電気接続の確認、電圧などを実際に測って出荷時の既定値との比較、または新しい太陽電池アレイ１２に交換することが挙げられる。

本発明の太陽電池システム１０は、上記のように各制御モジュール１４からインバータ回路２４に最大出力を入力しており、各制御モジュール１４の出力の違いが相互に影響されない。直ちに故障した太陽電池アレイ１２の修理などをおこなわなくても、他の太陽電池アレイ１２に影響が出ない。故障した太陽電池アレイ１２を電気的に切り離す回路を設ける必要はない。

上記（１）〜（３）のいずれかで上述したようなデータが一定率離れることが無ければ、一の領域３２にある太陽電池アレイ１２は正常と判定する。

一の領域３２にある全ての太陽電池アレイ１２について上記（１）〜（４）の工程で故障の有無を判定できれば、他の領域３２にある一群の太陽電池アレイ１２についてもおこなう。

以上のように、本発明は太陽電池アレイ１２同士の電流などを相対比較することによって、故障している太陽電池アレイ１２を判定することができる。大規模発電の太陽電池システム１０であれば、全ての太陽電池アレイ１２を相対比較することは難しいが、同一条件にある一群の太陽電池アレイの中で相対比較し、さらに一の領域３２と他の領域３４の太陽電池アレイ１２の中で相対比較することによって、故障を判定できる。

太陽電池アレイ１２の電流値などの電気的要素だけでなく、太陽電池アレイ１２の温度によっても故障を判定しているため、判定の精度が高い。太陽電池アレイ１２ごとに故障を判定できるため、故障した太陽電池アレイ１２の修理や交換が容易になる。

また、電流や電圧を測定するに当たり、電力計測回路１６で測定された電流値や電圧値を利用するため、電流計などを別途設ける必要はない。発電規模が大きくなれば太陽電池アレイ１２の数も多くなるが、電流計などを別途設けないため、発電規模が大きくなるほど電流計などを設けた場合に比べて構成部品が非常に少なくなる。

以上、本発明について一実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。たとえば、温度を相対比較したが、電気データについて上記（１）と（２）のみをおこなって太陽電池アレイ１２の故障を判断しても良い。一の領域３２の太陽電池アレイ１２の電気データの平均値が他の領域３４の太陽電池アレイ１２の電気データの平均値から一定率離れた場合、上記（１）で一定率離れた太陽電池アレイ１２が故障していると判定する。

上記（１）〜（３）をおこなう際、所定期間を空けて複数回行い、複数回ともデータが一定率離れた場合に、故障と判定しても良い。複数回おこなうことによって、判定の制度を高める。また、上記（１）〜（３）をおこなう際、各工程をおこなうときに所定期間空けて複数回おこない、複数回ともデータが一定率離れた場合に、次の工程に移行しても良い。

太陽電池アレイ１２からホスト・コンピュータ２６に送信されるデータは上記のデータに限定されない。たとえば、各制御モジュール１４の最大電力が出力されるようになっており、電圧計で制御モジュール１４の出力電圧を計測し、出力電圧の値をデータに含めても良い。上記（１）と（２）において、出力電圧を相対比較する対照とする。

双方向通信をおこなう場合、ホスト・コンピュータ２６が収集したいデータを要求し、太陽電池アレイ１２から要求されたデータを返信しても良い。たとえば、ホスト・コンピュータ２６が電流値のデータを要求すれば、太陽電池アレイ１２は電流値のデータを返信する。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：太陽電池システム
１２：太陽電池アレイ
１４：制御モジュール
１６：電力計測回路
１８：ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０：制御回路
２２：インピーダンス
２４：インバータ回路
２６：ホスト・コンピュータ
２８：通信装置
３０：温度計
３２：一の領域
３４：他の領域

Claims (4)

1. 複数の太陽電池アレイと、
   前記太陽電池アレイごとに備えられた制御モジュールと、
   前記制御モジュールとは独立して動作し、複数の制御モジュールの出力を受けて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記太陽電池アレイごとのデータを収集し、所定の演算をおこなうホスト・コンピュータと、
   前記太陽電池とホスト・コンピュータとの間で通信をおこなう通信装置と、
   を備えた太陽電池システムであって、
   前記制御モジュールが、
   前記太陽電池アレイの出力電圧および出力電流を計測する電力計測回路と、
   スイッチング素子を備え、スイッチングによって前記太陽電池アレイの直流電力を最大出力にするＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記電力計測回路で計測した電圧と電流のＶＩ特性の変動から、ＤＣ−ＤＣコンバータの直流電力の最大出力を求め、該最大出力となるようにスイッチング素子をスイッチングする制御回路と、
   を備え、
   前記データが太陽電池アレイの電流、電圧、または電力の少なくとも１つの電気データを含み、
   前記ホスト・コンピュータがおこなう所定の演算が、前記データ同士の相対比較によって故障した太陽電池アレイを求めることを含み、
   前記相対比較は、
   一の領域に含まれる前記太陽電池アレイ同士のデータを相対比較する第１相対比較と、
   前記第１相対比較によって、一の領域に含まれる太陽電池アレイのデータの平均値から一定率離れたデータがあった場合に、一の領域の太陽電池アレイのデータの平均値と他の領域の太陽電池アレイのデータの平均値との相対比較をおこなう第２相対比較と、
   含み、
   前記ホスト・コンピュータは、一の領域の太陽電池アレイのデータの平均値と他の領域の太陽電池アレイのデータの平均値とが一定率以上離れた場合に、第１相対比較でデータの一定率離れた太陽電池アレイを故障と判定する
   太陽電池システム。
2. 前記太陽電池アレイごとに温度を計測する温度計を備え、
   前記データが温度の温度データを含み、
   前記ホスト・コンピュータが、電気データについて第１相対比較と第２相対比較をおこなった後、温度データについて第１相対比較と第２相対比較をおこなう請求項１の太陽電池システム。
3. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を一定電圧にするフィードバック制御をせずに、制御回路からスイッチングがおこなわれ、
   前記制御回路とインバータ回路とが独立して動作する
   請求項１または２の太陽電池システム。
4. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力に接続されたインピーダンスを備えた請求項１から３のいずれかの太陽電池システム。

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