JP6486115B2 - 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ものである。

太陽光発電システムにおいて故障が発生した際や、地震等の非常時に安全を確保するための技術として、太陽電池モジュールが直列接続された領域（ストリング）内で、太陽電池モジュールごとに開閉器を設け、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際には、その絶縁不良箇所の前後に配置された２つの開閉器のみを開状態とすることにより、ストリング内を電気的に分割する技術が開示されている（特許文献１の図７）。

しかし、太陽光発電システムを構成する各ストリングは、７５０〜１０００Ｖの出力電圧を有するものであり、特許文献１のように、ストリングを構成する太陽電池モジュールごとに設けた開閉器のうち、絶縁不良箇所の前後に配置された２つの開閉器のみを開状態とする場合、これら２つの開閉器には高電圧がかかるため、特許文献１の技術では、これらの高電圧に耐え得る高容量の開閉器の使用が前提となり、コンパクトな開閉器を使用できず不都合であるという問題があった。

特開２０００−１１４５６７号公報

本発明の目的は前記の問題を解決し、太陽光発電システム内で、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際、もしくは、地震等の非常時に、その太陽電池モジュールが含まれるストリング内を電気的に分割して安全を確保する手段として、小容量の開閉器を使用可能とする技術を提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、複数の太陽電池モジュールを直列に連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、直列接続された複数の太陽電池モジュールの全ての短絡開閉器を投入させた後に、各電路開閉器の開放を可能とする制御を行うことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、前記制御装置の制御信号を受けて、前記電路開閉器と前記短絡開閉器の開閉操作を行う開閉動作部を備えることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の太陽光発電システムにおいて、短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、該太陽電池モジュールの出力端子に設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の太陽光発電システムにおいて、前記モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備えることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の太陽光発電システムにおいて、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、該ストリングの出力端子と接続して設け、該統合センサにより異常判定がなされた際、前記の制御装置が前記の制御を行うことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１または２記載の太陽光発電システムにおいて、前記の制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備えることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、隣接する太陽電池ユニットの連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置したことを特徴とするものである。

請求項８記載の発明は、請求項１記載の太陽光発電システムにおいて、複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、前記短絡開閉器を前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成したことを特徴とするものである。

本発明では、複数の太陽電池モジュールを直列に連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、直列接続された複数の太陽電池モジュールの全ての短絡開閉器を投入させた後に、各電路開閉器の開放を可能とする制御を行う構成を採用しているため、例えば、特許文献１の技術のように絶縁不良箇所の前後に配置された２つの開閉器のみを開状態とする場合と比べて、開路手段を開路させる制御を行う際、各開路手段にかかる電圧を低減することができ、容量が小さくコンパクトな開閉器を使用することができる。

更に、本発明では、電路開閉器の開放に先立って、全ての短絡開閉器を投入する制御を行っているため、電路開閉器の開放時には、太陽電池モジュールの出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。

請求項３記載の発明のように、短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、該太陽電池モジュールの出力端子に設けることにより、太陽電池モジュール単位で異常を把握することができる。

太陽光発電システムを備えた建物に火災等の事故が起こった場合に、太陽光パネルを破壊して天井面を開放する処置が行われるケースがある。このような場合において、本発明を構成する短絡開閉器が投入されていると、感電事故のリスクがあるが、請求項４記載の発明のように、モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備える構成とすることにより、このような感電事故を回避することができる。また、短絡開閉器が投入されていると、各太陽電池モジュールの各素子に電流が流れ続ける状態となることに起因する各素子の故障を防止することができる。

請求項５記載の発明のように、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、該ストリングの出力端子と接続して設け、該統合センサにより異常判定がなされた際、前記の制御装置が前記の制御を行う構成とすることにより、ストリングに異常が発生した際、即座に、前記の制御を行わせることができる。

請求項６記載の発明のように、制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備える構成とすることにより、緊急時には手動でも、前記の制御を行わせることができる。

請求項７記載の発明のように、隣接する太陽電池ユニットの連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置する構成とすることにより、既設のジャンクションボックスを備えた設備にも、簡単な工事で本発明のシステムを導入することができる。

請求項８記載の発明のように、複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、前記短絡開閉器を前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成した構成することにより、太陽電池モジュール単位の他に、ストリングやアレイといった単位での電気的な分割を選択可能とすることができる。

太陽光発電システムの全体説明図である。 実施形態１におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 実施形態２におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 実施形態３におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。 実施形態３の別形態を説明する図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１に示すように、本実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール１が直列接続された領域（ストリング２）を複数並列に接続したアレイ３で発電した電力を、接続箱４に集めて、パワーコンディショナー１３を介して商用系統へ出力するものである。接続箱４の内部には、各ストリング２単位で電路の開閉を行う分岐開閉器６と、全てのストリング２から出力される電力を集めた電路の開閉を行う集電開閉器７を備えている。

各太陽電池モジュール１には、発電部を備え、発電部で数十Ｖ（３０〜４０Ｖ）電圧を発生させることができる。ストリング２は、太陽電池モジュール１を複数個直列に接続して構成され、その出力電圧は、数百Ｖ（７５０〜１０００Ｖ）となる。

ストリング２を構成する各太陽電池モジュール１は、各太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５を介して、図２に示すように直列接続されている。

（実施形態１）
図２に示すジャンクションボックス５には、バイパスダイオード等が内蔵されている。

本実施形態では、各太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５間を繋ぐ電路に、この電路を切断する電路開閉器８と、各太陽電池モジュール１から電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する短絡開閉器９と、電路開閉器８と短絡開閉器９の開閉操作を行う開閉動作部１０と、短絡回路を形成した状態で太陽電池モジュール１の出力状態を判定するモジュールセンサ１１を備えている。このように本実施形態では、ジャンクションボックス５間を繋ぐ電路に前記各機器を配置する構造としているため、既存のジャンクションボックス５を利用して本発明のシステムを構築することができる。

各電路開閉器８と短絡開閉器９は、太陽電池モジュール１の外部に設けた制御装置１２を介して、開閉制御が行われる。制御装置１２の設置箇所は特に限定されないが、例えば、接続箱４やパワーコンディショナー１３の内部に設置することができる。本実施形態では、全ての電路開閉器８と短絡開閉器９を、同一の制御装置１２で制御しているが、ストリング単位やアレイ単位ごとに、複数の制御装置１２で制御を行うこともできる。

制御装置１２は、１つの電路開閉器８と１つの短絡開閉器９ごとに配置された各開閉動作部１０に制御信号を送信し、この制御信号を受けた開閉動作部１０が、まず、短絡開閉器９を投入する制御を行い、続いて、電路開閉器８を開放する制御を行う。このように、電路開閉器８の開放に先立って、同一ストリング２内の全ての短絡開閉器９を投入する制御を行うことにより、電路開閉器８の開放時には、太陽電池モジュール１の出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。また、例えば、特許文献１の技術のように絶縁不良箇所の前後に配置された２つの開閉器のみを開状態とする場合と比べて、開路手段を開路させる制御を行う際、各開路手段にかかる電圧を低減することができ、特許文献１で使用される開閉器よりも、容量が小さくコンパクトな開閉器を使用することができる。

なお、前記の「開路手段を開路させる制御を行う際に各開路手段にかかる電圧を低減する」という作用を、短絡開閉器９を設けないという条件下で得るためには、同一ストリング２内の電路開閉器８を全て同時に開放する操作が必要となり、このような精密な操作を前提とするシステムは実用化に困難が予想される。これに対し、本発明では、まず、短絡開閉器９を投入して、短絡回路を形成させているため、電路開閉器８を全て同時に開放せずとも、最初に開放される電路開閉器８に高電圧が掛かることはないため、各電路開閉器８を全て同時に開放する操作は不要となる。

電路開閉器８の開放動作は、短絡開閉器９が投入状態にあることを検出できた場合にのみ可能とする制御を行うことで、安全性の向上を図ることができる。前記の検出方法は特に限定されないが、例えば、電路開閉器８の１次側（接続箱４側）に出力検出手段を設けて、短絡開閉器９の投入後所定時間ごとに電流（もしくは電圧）出力検出を行ったり、あるいは、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、このストリング２を構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサ１４を、ストリング２の出力端子に設けて、一定時間ごとに出力検出を行うことができる。

本実施形態では、制御装置１２は統合センサ１４の異常出力を検出時に自動で動作させるものであり、統合センサ１４によるストリングの出力検出を、短絡開閉器９の投入後に限定せず、システムの起動時に所定時間ごとに行っており、その検出結果が異常を示したとき、制御装置１２が電路開閉器８及び短絡開閉器９の開閉制御を開始する。例えば、統合センサ１４によるストリング２の出力値（電圧値や電流値）が規定値以下に低下した場合、もしくは、他のストリング２の出力値よりも著しく低下した場合に、短絡時のアークノイズを検出し電圧値が著しく高くなった場合などを検出した場合等に異常判定が行われて、制御装置１２による上記制御が開始される。

電路開閉器８を開放して、短絡開閉器９を投入した後、モジュールセンサ１１により、太陽電池モジュール１の出力検出および異常判定を行う。ここで、太陽電池モジュール１に異常が検出された場合、制御装置１２や、この太陽光発電システムを設置した建物の屋内に備えた表示装置等に異常表示が行われる。モジュールセンサ１１及び統合センサ１４は検出情報によってセンサの種類を決定され、モジュールセンサ１１は太陽電池モジュール１の出力端子に設け、統合センサ１４をストリング２の出力端子に設けるものである。例えば、モジュールセンサ１１の場合、出力端子に設ける構造として、太陽電池モジュール１の出力端子部より直接電圧等を測定するもの、ＣＴの場合は太陽電池モジュール１と短絡開閉器９間の電路に配置させるもの、分流器の場合は太陽電池モジュール１と短絡開閉器９間の電路にシャント抵抗を接続するものでモジュールセンサ１１の設置方法についてもセンサの種類により変更されるものである。統合センサ１４の設置方法も同様である。

なお、短絡開閉器９が投入されていると、各太陽電池モジュール１の各素子に電流が流れ続ける状態となる。各素子に電流を流し続けると、各素子に負担がかかり、素子寿命の低下や素子の故障の要因となり好ましくない。更に、太陽光発電システムを備えた建物に火災等の事故が起こった場合に、太陽光パネルを破壊して天井面を開放する処置が行われるケースがある。このような場合において、短絡開閉器９が投入されていると、太陽光モジュール１の破壊作業中の感電事故のリスクがある。そこで、本実施形態では、モジュールセンサ１１や統合センサ１４により異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器９を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器９を、自動により、開放可能とするシステム構成として、前記したような各素子の故障や感電事故の回避を図っている。

本実施形態では、統合センサ１４がストリング２の異常を検出した際に、制御装置１２による上記制御が開始されるシステム構成としたが、その他の実施形態として、太陽電池モジュール１単位の異常を直接検出する手段（例えば、モジュールセンサ１１）を備え、この手段が太陽電池モジュール１の異常を検出した際に、制御装置１２による上記制御が開始されるシステム構成とすることもできる。更に、その他の実施形態として、太陽電池モジュール１の外部に形成した非常停止ボタン（制御装置手動操作手段）のＯＮ動作を起点として通信手段を通じて制御装置１２を動作させるシステム構成とすることもできる。この非常停止ボタンのＯＮ操作が解除された後、開閉動作部１０により開閉動作部１０を閉路操作させ、手動操作で復帰動作するものとすることもできる。

また、本実施形態では、太陽電池モジュール１ごとに開閉動作部１０を設けているが、その他の実施形態として、開閉動作部１０を省略し、制御装置１２から送信される通信信号（ＰＬＣ）によって、この制御装置１２に繋がれた太陽電池モジュール１を一括して、開閉操作することもできる。

（実施形態２）
図３に示すように、太陽電池モジュール１の背面側に設置されたジャンクションボックス５内に、電路開閉器８と短絡開閉器９を内蔵させることもできる。

（実施形態３）
図４に示すように、太陽電池モジュール１を複数まとめたストリング単位ごとに、ストリング２間の連結を解除する電路開閉器１５とストリング２からの出力端子間を連結して短絡回路を形成する短絡開閉器１６とストリング２の出力状態を判定するモジュールセンサ１７と電路開閉器１５と短絡開閉器１６の開閉操作を行う開閉動作部１８を配置することもできる。同様に、複数のストリング２を連結した出力状態を判定する統合センサ１４も配置することもできる。

この場合、例えば、図５に示すように、ストリング２ごとに、電路開閉器１５と短絡開閉器１６を配置するものとし、各ストリング２単位で電路の開閉を行う分岐開閉器６を電路開閉器１５として兼用することもできる。

なお、図４及び図５のような実施形態において、短絡開閉器１６を投入した状態で、ストリング２内で、２つの地絡が起こった場合には、回路が構成されてしまうため、危険が生じる。そこで、本実施形態では、各太陽電池モジュール１単位にも、電路開閉器８と短絡開閉器９を備える構成とすることにして安全性の向上を図っている。

１ 太陽電池モジュール
２ ストリング
３ アレイ
４ 接続箱
５ ジャンクションボックス
６ 分岐開閉器
７ 集電開閉器
８ 電路開閉器
９ 短絡開閉器
１０ 開閉動作部
１１ モジュールセンサ
１２ 制御装置
１３ パワーコンディショナー
１４ 統合センサ
１５ 電路開閉器
１６ 短絡開閉器
１７ モジュールセンサ
１８ 開閉動作部

Claims (8)

1. 複数の太陽電池モジュールを直列に連結して構成された太陽光発電システムにおいて、
   太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、
   各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、
   これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、
   前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、
   該制御装置が、直列接続された複数の太陽電池モジュールの全ての短絡開閉器を投入させた後に、各電路開閉器の開放を可能とする制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記制御装置の制御信号を受けて、前記電路開閉器と前記短絡開閉器の開閉操作を行う開閉動作部を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
3. 短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、
   該太陽電池モジュールの出力端子に設けたことを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。
4. 前記モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、
   前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備えることを特徴とする請求項３記載の太陽光発電システム。
5. 複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、
   該ストリングの出力端子と接続して設け、
   該統合センサにより異常判定がなされた際、
   前記の制御装置が前記の制御を行うことを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。
6. 前記の制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の太陽光発電システム。
7. 隣接する太陽電池ユニットの連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、
   該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。
8. 複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、
   前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、
   前記短絡開閉器を、前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成した
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電システム。