JP6408864B2 - 太陽光パネルの特性測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光パネルの特性測定方法およびその装置に関し、さらに詳しく言えば、太陽光パネルの特性測定時間を短縮する技術に関するものである。

図７に、被測定対象としての太陽光パネルＳＡの構成の一例と、その特性測定に用いられる従来の特性測定装置Ｍとを示し、これについて説明する。

この例において、太陽光パネルＳＡは、複数の太陽電池列１０（１０ａ〜１０ｎ）を備えている。各太陽電池列１０には、それぞれ、複数のｐｎ接合型太陽電池１１（１１ａ〜１１ｍ）が直列に接続されている。したがって、この太陽光パネルＳＡには、ｍ×ｎ個の太陽電池１１が含まれているが、特性測定は太陽電池列単位で行われる。以下、太陽電池列１０を「ストリング」と言うことがある。

各ストリング１０（１０ａ〜１０ｎ）は、ブレーカ２０（２０ａ〜２０ｎ）およびメインブレーカ３１を介してパワーコンディショナーシステム（以下「ＰＣＳ」と言う）３０に並列に接続されている。ブレーカ２０ａ〜２０ｎには、他のストリング１０からの電流の回り込みを阻止するためのブロッキングダイオード２１（２１ａ〜２１ｎ）が設けられている。

ＰＣＳ３０は、日射量に応じて太陽電池側から見た負荷を常に最適に保つ最大出力点追従手段であり、また、太陽電池により起電された直流電力を交流電力に変換する機能を備えている。

従来例としての特性測定装置Ｍは、電圧計１，電流計２，負荷スイープ回路としての可変抵抗器３および一対の電圧測定プローブ４ａ，４ｂを備え、電流計２と可変抵抗器３は直列として、電圧計１の両端間に接続されている。

太陽光パネルＳＡの特性を測定するには、まず、図７に示すように、ブレーカ２０（２０ａ〜２０ｎ）を「開」としてＰＣＳ３０への給電を停止する。そして、測定プローブ４ａ，４ｂをストリング１０の内の例えばストリング１０ｎのｐ端子とｎ端子とに接触させて、可変抵抗器３の抵抗値を実質的に０〜∞（短絡状態〜開放状態）にまで変化させ、その各時点での電圧，電流をプロットしグラフ化して、図８に示すようなストリング１０ｎについてのＩ−Ｖ特性曲線を得る。この測定を他のストリングについても同様に行う。

このようにして得たＩ−Ｖ特性曲線から、最大出力（最適動作点，最適負荷点とも言う）Ｐｍａｘを読み取り、また、開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃとから理想的な最大出力電力Ｐｍｐｐｔ（＝Ｖｏｃ×Ｉｓｃ）を算出し、Ｐｍａｘ／Ｐｍｐｐｔより曲線因子ＦＦ（フィルファクター）を求め、このＦＦ値から太陽光パネルが良好であるかどうかを判定するようにしている（特許文献１，２参照）。

特開２０００−１９６１１５号公報 特開２００３−０２８９１６号公報

各ストリング１０の発電特性は、そのＩ−Ｖ特性曲線により明確に示されるため、上記の測定方法は信頼性が高いと言える。

しかしながら、ストリング１０を短絡状態から開放状態にまで変化させ、その各時点の電圧、電流を測定している間の時間は、太陽光パネルＳＡの発電電力をＰＣＳ３０に供給することができない、すなわち、特性測定中は発電できないのと同じことになる。

そこで、本発明の課題は、太陽光パネルの特性測定時における給電停止時間をより短縮して、太陽光パネルの発電電力をより有効に利用できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数のｐｎ接合型太陽電池を直列に接続してなる太陽電池列を有し、上記太陽電池列がブレーカを介して最大出力点追従手段に接続されている太陽光パネルの特性測定方法において、
上記太陽電池列のｐ端子とｎ端子とに接続される電圧センサを有する電圧検出部と、上記電圧センサ間を短絡もしくは開放するスイッチと、上記太陽電池列に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、
上記最大出力点追従手段の動作中で、かつ、上記ブレーカが「入」の状態時に、上記スイッチを「開」として、上記電圧検出部により上記太陽電池列のｐ端子−ｎ端子間の最大出力動作電圧Ｖｐｍを測定するとともに、上記電流検出部により上記太陽電池列に流れる最大出力動作電流Ｉｐｍを測定する第１ステップと、
上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「開」としてｐ端子−ｎ端子間を開放して、上記電圧検出部により開放電圧Ｖｏｃを測定する第２ステップと、上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「閉」としてｐ端子−ｎ端子間を短絡させて、上記電流検出部により短絡電流Ｉｓｃを得る第３ステップとを含み、上記最大出力動作電圧Ｖｐｍ，上記最大出力動作電流Ｉｐｍ，上記開放電圧Ｖｏｃおよび上記短絡電流Ｉｓｃに基づいて上記太陽電池列の特性を測定することを特徴としている。

ステップの実行順序について、上記第１ステップ、第２ステップ、第３ステップは、どの順序で実行されてもよいが、好ましくは、まず、上記第１ステップが実行され、次に上記第２ステップもしくは上記第３ステップのいずれか一方が実行され、その後に上記第２ステップもしくは上記第３ステップのいずれか他方が実行されるとよい。

本発明では、上記最大出力動作電圧Ｖｐｍと上記最大出力動作電流Ｉｐｍとから、上記太陽電池列の最大出力Ｐｍａｘを算出し、Ｐｍａｘ／Ｐｍｐｐｔ（＝Ｖｏｃ×Ｉｓｃ）により上記太陽電池列の曲線因子ＦＦを求める。

上記電流検出部は、被測定線路を活線状態のまま内包し得るクランプ電流センサを備えていることが好ましい。

上記最大出力点追従手段に対して、複数の上記太陽電池列がそれぞれブレーカを介して並列に接続されている態様においては、上記太陽電池列の特性測定が一列ずつ交代的に実行される。

また、本発明には太陽光パネルの特性測定装置も含まれている。すなわち、本発明は、複数のｐｎ接合型太陽電池を直列に接続してなる太陽電池列を有し、上記太陽電池列がブレーカを介して最大出力点追従手段に接続されている太陽光パネルの特性測定装置において、上記太陽電池列のｐ端子とｎ端子とに接続される電圧センサを有する電圧検出部と、上記電圧センサ間を短絡もしくは開放するスイッチと、上記太陽電池列に流れる電流を検出する電流検出部と、上記スイッチの開閉を制御するとともに、上記電圧検出部および上記電流検出部からの情報に基づいて所定の演算を行う制御部とを備え、上記制御部は、上記最大出力点追従手段の動作中で、かつ、上記ブレーカが「入」の状態時に、上記スイッチを「開」として、上記電圧検出部により上記太陽電池列のｐ端子−ｎ端子間の最大出力動作電圧Ｖｐｍを測定するとともに、上記電流検出部により上記太陽電池列に流れる最大出力動作電流Ｉｐｍを測定する第１ステップと、上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「開」としてｐ端子−ｎ端子間を開放して、上記電圧検出部により開放電圧Ｖｏｃを測定する第２ステップと、上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「閉」としてｐ端子−ｎ端子間を短絡させて、上記電流検出部により短絡電流Ｉｓｃを得る第３ステップとを実行し、上記最大出力動作電圧Ｖｐｍ，上記最大出力動作電流Ｉｐｍ，上記開放電圧Ｖｏｃおよび上記短絡電流Ｉｓｃに基づいて上記太陽電池列の特性を測定することを特徴としている。

本発明によれば、最大出力点追従手段（ＰＣＳ）の動作中で、かつ、ブレーカが「入」の状態時に、太陽電池列（ストリング）のｐ端子−ｎ端子間の最大出力動作電圧Ｖｐｍと、最大出力動作電流Ｉｐｍとが求められ、ブレーカを「切」にするのは、太陽電池列（ストリング）の開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃとを求めるときだけであるため、ＰＣＳに対する給電停止時間をより短縮することができる。

本発明による太陽光パネルの特性測定装置の実施形態を示す模式図。 第１ステップで最大出力動作電圧と最大出力動作電流とを測定する状態を示す説明図。 第２，第３ステップで開放電圧と短絡電流とを測定する状態を示す説明図。 第１ステップで得られた実測のＩ−Ｖ特性曲線を示すグラフ。 測定された開放電圧と短絡電流とを含むＩ−Ｖ特性曲線を示すグラフ。 本発明の動作を説明するためのフローチャート。 太陽光パネルの構成例と従来の特性測定装置とを示す模式図。 太陽光パネルのＩ−Ｖ特性曲線を示すグラフ。

次に、図１ないし図６により、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係る太陽光パネルの特性測定装置１００は、基本的な構成として、電圧検出部１１０と、電流検出部１２０と、制御／演算部（以下、制御部）１３０と、表示部１４０とを備えている。

電圧検出部１１０は、一対の電圧センサ１１１，１１２と、電圧センサ１１１，１１２間を短絡もしくは開放するスイッチ１１３とを備えている。電圧センサ１１１，１１２にはワニ口クリップが好ましいが、プローブピン（針状の接触子）が用いられてもよい。

図示しないが、電圧検出部１１０にはＡ／Ｄ変換器が内蔵されており、電圧センサ１１１，１１２により検出されたアナログ電圧をデジタル信号に変換して制御部１３０に与える。

電流検出部１２０は、被測定線路を活線状態のまま内包し得るクランプ電流センサ１２１を備えている。図示しないが、電流検出部１２０にもＡ／Ｄ変換器が内蔵されており、クランプ電流センサ１２１により検出されたアナログ電流をデジタル信号に変換して制御部１３０に与える。

制御部１３０には、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）やマイクロコンピュータが用いられる。制御部１３０は、電圧検出部１１０から供給される電圧データと、電流検出部１２０から供給される電流データとから電力等を演算し、また、電圧検出部１１０のスイッチ１１３のオンオフを制御する。

表示部１４０には液晶パネル等が用いられてよい。表示部１４０には、制御部１３０の指示に基づいて太陽光パネルの特性値等が表示されるが、制御部１３０をＬＡＮ等のネットワークを介して外部のパソコンに接続してもよく、また、制御部１３０に所定のインターフェイスを介してＨＤＤやＵＳＢメモリを接続してもよい。

次に、この実施形態に係る太陽光パネルの特性測定装置１００による測定方法について説明する。なお、測定対象物は、先の図７で説明した構成の太陽光パネルＳＡである。

まず、前提として、各ストリング（太陽電池列）１０ａ〜１０ｎのブレーカ２０ａ〜２０ｎおよびメインブレーカ３１が「入（オン）」で、ＰＣＳ３０が正常に動作しており、各ストリング１０ａ〜１０ｎが、ＰＣＳ３０により最大出力Ｐｍａｘが引き出されるように、電圧Ｖｐｍと電流Ｉｐｍとが日射量に応じて自動的に調整されているものとする（図６のステップＳＴ１００）。

図２に示すように、例えばｎ番目のストリング１０ｎから測定を始めるとして、電圧検出部１１０のスイッチ１１３をオフ（開）にして（ステップＳＴ１０１）、電圧センサ１１１，１１２をストリング１０ｎのｐ端子とｎ端子とに接続するとともに、クランプ電流センサ１２１をストリング１０ｎのｐ側配線もしくはｎ側配線（この例ではｎ側配線）に取り付けて、ストリング１０ｎの電圧Ｖｐｍと電流Ｉｐｍとを測定する（ステップＳＴ１０２，ＳＴ１０３）。

ここで測定される電圧Ｖｐｍと電流Ｉｐｍは、ストリング１０ｎがＰＣＳ３０にて最大出力Ｐｍａｘとなるように日射量に応じて追従制御されていることから、電圧Ｖｐｍは最大出力動作電圧、電流Ｉｐｍは最大出力動作電流であるが、図４に示すＩ−Ｖ特性曲線の概略的な実測グラフに表されているように、通常、最大出力Ｐｍａｘは日射量の変動により幾分揺らいでいる。

そこで、この例では、最大出力動作電圧Ｖｐｍおよび最大出力動作電流Ｉｐｍを複数回サンプリングし、その都度、Ｖｐｍ×Ｉｐｍなる演算を行って最大出力Ｐｍａｘを算出し、Ｐｍａｘの平均値を求めるようにしている（ステップＳＴ１０４）。

次に、図３に示すように、ストリング１０ｎのブレーカ２０ｎを「切り（オフ）」にして（ステップＳＴ１０５）、電圧検出部１１０でストリング１０ｎのｐ端子−ｎ端子間の開放電圧Ｖｏｃを測定する（ステップＳＴ１０６）。

その後、スイッチ１１３をオン（閉）にして（ステップＳＴ１０７）、ｐ端子−ｎ端子間を短絡させて電流検出部１２０にて短絡電流Ｉｓｃを測定する（ステップＳＴ１０８）。

短絡電流Ｉｓｃの測定後、スイッチ１１３をオフ（開）にするとともに、ブレーカ２０ｎを「入（オン）」にして、ストリング２０ｎを給電状態に復帰させる（ステップＳＴ１０９）。

そして、開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃとから理想的な最大出力電力Ｐｍｐｐｔ（＝Ｖｏｃ×Ｉｓｃ）を算出し、Ｐｍａｘ／Ｐｍｐｐｔより曲線因子ＦＦ（フィルファクター）を求め（ステップＳＴ１１０）、これらの値Ｐｍａｘ，ＦＦとともに，Ｖｏｃ，Ｉｓｃ等を表示部１４０に表示する（ステップＳＴ１１１）。

ストリング２０ｎの特性測定終了後、次の例えば隣接するストリング２０ｍ番目の特性測定を行う。これをストリング２０ａまで交代的に行う。

なお、ステップＳＴ１０５，ＳＴ１１０でのブレーカ２０の「入」，「切」は手動で行うが、その場合、例えば特性測定装置１００にタイマーを設けて、ステップＳＴ１０３での電圧、電流測定時、または、ステップＳＴ１０９での短絡電流測定時から所定時間が経過した時点でランプ表示もしくはブザー鳴動等により、作業者にブレーカ２０の「入」，「切」時を報知するようにしてもよい。

また、上記実施形態での太陽光パネルＳＡには、ブレーカ２０（２０ａ〜２０ｎ）のほかにメインブレーカ３１が設けられているが、場合によっては、メインブレーカ３１は省略されてもよい。さらに、ストリング（太陽電池列）１０は、一列であってもよく、必ずしも複数列であることを要しない。

また、上記実施形態では、最大出力動作電圧Ｖｐｍと最大出力動作電流Ｉｐｍを測定してから、開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃとを測定しているが、この順序に特に制約はなく、逆に開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃとを測定してから、最大出力動作電圧Ｖｐｍと最大出力動作電流Ｉｐｍを測定してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ＰＣＳによる最大出力電力の追従制御運転中において最大出力動作電圧Ｖｐｍと最大出力動作電流Ｉｐｍとを計測し、太陽光発電を止めるのは、開放電圧Ｖｏｃと短絡電流Ｉｓｃの測定時だけであり、Ｉ−Ｖ特性測定の中で比較的時間のかかる特性曲線用のデータを取得しないので、より短時間で太陽光パネルの特性を測定することができる。

また、カーブトレーサのような表示装置や負荷スイープ回路（図７における可変抵抗器３）等が不要であり、装置が小型になり部品のコストダウンもはかれる。また、負荷スイープ回路のようなジュール熱を発生する発熱部品を持たないため、発熱部品の冷却期間をおくことなく、次のストリングの特性測定を行うことができる。

１０（１０ａ〜１０ｎ） 太陽電池列（ストリング）
１１（１１ａ〜１１ｍ） 太陽電池
２０（２０ａ〜２０ｎ） ブレーカ
３０ ＰＣＳ（パワーコンディショナー）
１００ 太陽光パネルの特性測定装置
１１０ 電圧検出部
１１１，１１２ 電圧センサ
１１３ スイッチ
１２０ 電流検出部
１２１ クランプセンサ
１３０ 制御／演算部（制御部）
１４０ 表示部

Claims (6)

1. 複数のｐｎ接合型太陽電池を直列に接続してなる太陽電池列を有し、上記太陽電池列がブレーカを介して最大出力点追従手段に接続されている太陽光パネルの特性測定方法において、
   上記太陽電池列のｐ端子とｎ端子とに接続される電圧センサを有する電圧検出部と、上記電圧センサ間を短絡もしくは開放するスイッチと、上記太陽電池列に流れる電流を検出する電流検出部とを備え、
   上記最大出力点追従手段の動作中で、かつ、上記ブレーカが「入」の状態時に、上記スイッチを「開」として、上記電圧検出部により上記太陽電池列のｐ端子−ｎ端子間の最大出力動作電圧Ｖｐｍを測定するとともに、上記電流検出部により上記太陽電池列に流れる最大出力動作電流Ｉｐｍを測定する第１ステップと、
   上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「開」としてｐ端子−ｎ端子間を開放して、上記電圧検出部により開放電圧Ｖｏｃを測定する第２ステップと、
   上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「閉」としてｐ端子−ｎ端子間を短絡させて、上記電流検出部により短絡電流Ｉｓｃを得る第３ステップとを含み、
   上記最大出力動作電圧Ｖｐｍ，上記最大出力動作電流Ｉｐｍ，上記開放電圧Ｖｏｃおよび上記短絡電流Ｉｓｃに基づいて上記太陽電池列の特性を測定することを特徴とする太陽光パネルの特性測定方法。
2. まず上記第１ステップが実行され、次に上記第２ステップもしくは上記第３ステップのいずれか一方が実行され、その後に上記第２ステップもしくは上記第３ステップのいずれか他方が実行されることを特徴とする請求項１に記載の太陽光パネルの特性測定方法。
3. 上記最大出力動作電圧Ｖｐｍと上記最大出力動作電流Ｉｐｍとの積から、上記太陽電池列の最大出力Ｐｍａｘを算出し、Ｐｍａｘ／（Ｖｏｃ×Ｉｓｃ）により上記太陽電池列の曲線因子ＦＦを求めることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光パネルの特性測定方法。
4. 上記電流検出部はクランプ電流センサを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の太陽光パネルの特性測定方法。
5. 上記最大出力点追従手段に対して、複数の上記太陽電池列がそれぞれブレーカを介して並列に接続されており、上記太陽電池列の特性測定が一列ずつ交代的に実行されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の太陽光パネルの特性測定方法。
6. 複数のｐｎ接合型太陽電池を直列に接続してなる太陽電池列を有し、上記太陽電池列がブレーカを介して最大出力点追従手段に接続されている太陽光パネルの特性測定装置において、
   上記太陽電池列のｐ端子とｎ端子とに接続される電圧センサを有する電圧検出部と、上記電圧センサ間を短絡もしくは開放するスイッチと、上記太陽電池列に流れる電流を検出する電流検出部と、上記スイッチの開閉を制御するとともに、上記電圧検出部および上記電流検出部からの情報に基づいて所定の演算を行う制御部とを備え、
   上記制御部は、上記最大出力点追従手段の動作中で、かつ、上記ブレーカが「入」の状態時に、上記スイッチを「開」として、上記電圧検出部により上記太陽電池列のｐ端子−ｎ端子間の最大出力動作電圧Ｖｐｍを測定するとともに、上記電流検出部により上記太陽電池列に流れる最大出力動作電流Ｉｐｍを測定する第１ステップと、
   上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「開」としてｐ端子−ｎ端子間を開放して、上記電圧検出部により開放電圧Ｖｏｃを測定する第２ステップと、
   上記ブレーカを「切」の状態として上記太陽電池列と上記最大出力点追従手段とを電気的に切り離し、上記スイッチを「閉」としてｐ端子−ｎ端子間を短絡させて、上記電流検出部により短絡電流Ｉｓｃを得る第３ステップとを実行し、
   上記最大出力動作電圧Ｖｐｍ，上記最大出力動作電流Ｉｐｍ，上記開放電圧Ｖｏｃおよび上記短絡電流Ｉｓｃに基づいて上記太陽電池列の特性を測定することを特徴とする太陽光パネルの特性測定装置。

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