JP6940840B2 - 太陽光発電の出力停止装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電設備の技術分野に関し、太陽光発電モジュールを多数直列接続した直列ストリングでは、３００Ｖを越えるような直流高電圧になって、光があたれば電圧は常時発生して止める方法がない。この電力設備を安全に取り扱うために、発電運転時以外、緊急時、保守作業時などに、出力電流を短絡して低電圧にさせることが可能な発電出力の停止装置に関する。

太陽光発電は半導体製造技術の進歩によって、価格も下がって、クリーンな再生可能エネルギーとして期待されており、その設置が広く耕地や山野に拡大している。太陽電池は光があれば発電を継続するので、電圧を下げるには光を遮断するしかない。火災時や地震時、水害時などに緊急時に電圧を停止するのは困難であって電気安全上の問題がある。太陽電池は、定電流特性を持っているので、短絡して発電出力を停止することが可能である。

しかし、直流電流故に、従来の金属接点では、直流電流の開閉はアークが発生して遮断が困難である。例えば、直流アークの磁気吹き消し装置が必要で、アークの熱による電極消耗から開閉回数が限られている。近年、半導体スイッチの進歩により、絶縁ゲートを持ったパワー用MOSFETやIGBTなどでは，低コストで高電圧・大電流のオン・オフが、数ボルトの低電圧のゲート電圧制御で可能になっている。

さらに、シリコンカーバイド（SiC）系の半導体が実用化されて、MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）では数ｋＶの高耐電圧の半導体スイッチが実用化されている。この高耐電圧の半導体スイッチを使って、これまで金属接点では困難であったアークなしの高電圧の直流電力系の開閉器が提供できるようになった。MOSFETは絶縁ゲートに閾値電圧（Ｖｔｈ）３Ｖから５ＶのＶｔｈ以上の電圧を印加するとオン状態になり、オンの抵抗は１オーム以下で、ゲート電圧をスレッショルド電圧Ｖｔｈ、３Ｖ以下にすると高抵抗状態になる。

また、半導体スイッチのオン・オフをゲート電圧の制御で行なうには、磁界を与えるとオンするリードスイッチで可能である。接点であるリード部はガラス管内に封じ切られているので汚染される心配がなく高信頼、長寿命なスイッチである。ただし、大きな電流は扱えないが、リードリレーは付属の磁界コイルに電流を流して動作させるが、永久磁石を接近させてもオンできることも特徴である。リードリレーを電流でオンさせることと同じことが、磁石を安全に手動で脱着することで制御することができる。磁石を戻せば半導体スイッチは短絡電流を遮断し太陽光モジュールの開放電圧に耐える耐電圧を持っているので正常発電状態に復帰する。

特許５８６４００６号

上記特許文献１では、直流電力系の１０Ａ以上の電流通電、遮断するには半導体スイッチと金属接点との併用が必要であるとしてハイブリッド方式を双投スイッチのa接点、b接点を利用した方式を開示しているが、太陽光発電への安全短絡開閉装置としては、多くの太陽光パネルの最大短絡電流は１０Ａ以下であるので、多数のパネルがストリングに直列接続されても最大短絡電流は１０Ａ以下である。金属接点とのハイブリッドは通電発熱が無く電気的には優れているが、金属接点は水没した場合に問題がある。短絡して発電しないのであるから、電気的ロスは発熱が処理できれば問題は無い。

半導体スイッチのみで一般的な太陽光モジュール電流の短絡は最大電流１０Ａ程度で、これを連続通電すると半導体スイッチの発熱除去が必要になる。半導体スイッチのオン抵抗が１０ｍΩとしても、１０Ａの通電で１０Ｗの発熱を除去するには冷却器による自然空冷で可能な限度である。１０Ａ以内の範囲であれば、大きな冷却装置無しの半導体スイッチのみで直流電流を短絡する安全スイッチが可能になる。半導体スイッチを低損失で使うにはゲートを飽和駆動する必要があり、そのためにはゲート電圧をスレッショルド電圧Ｖｔｈより大きな電圧を供給する必要がある。その電圧をどこから得るかが問題である。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は、従来の半導体スイッチを短絡スイッチとしてパネルストリングに付加し、半導体スイッチのオン・オフはゲート電圧をリードスイッチなどで制御して、かつ、飽和駆動でオンする手段を提供することにある。

また、リードスイッチをゲート電圧の操作に使えば、スイッチ部はガラス管内にてガスに封入されて腐食に強く、水に濡れても動作する利点と、電磁駆動でリレーとして遠隔操作も可能であって、永久磁石を用いて手動操作による鍵としてインターロックも可能にする。このことで、太陽光発電の電気的安全と信頼を高くしようとするものである。

すなわち、本発明は、上記特許文献１で開示された太陽光発電設備における直流電力系の安全開閉装置の改良版として、半導体スイッチの発熱を低減させるとともに、高信頼で汚損に強いが、弱電用のリードスイッチでゲートとソース間を開放・短絡することで制御する。また手動でのフェライト磁石、遠方からの指令でリードリレーのオン・オフで個々の太陽光発電モジュールや、太陽光発電モジュールのストリングを半導体スイッチで短絡させて、モジュールの短絡状態の低電圧にして発電を停止して、電気的安全確保のための発電出力停止装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、パネル電圧を短絡するために、パネルのプラス端子とパネルのマイナス端子の間にMOSFET半導体スイッチを接続するが、抵抗Ｒ１によってドレイン端子とゲートに接続するとスレッショルド電圧Ｖｔｈで導通状態にすることができる。これはMOSFETの線形領域の電圧で、飽和駆動時のオン電圧より大きく発熱が大きい。
通常の５００Ｖ、１０Ａ程度のMOSFETのスレッショルド電圧は３Ｖから５Ｖ程度で、ドレイン−ソース間電圧Ｖonはスレッショルド電圧程度で、その導通状態では通電発熱が大きく、Ｖon×（通電電流）の消費電力となって、パネル短絡電流１０Ａとすると、数10ワットの発熱が予想されるので、大型の冷却装置が必要である。
即ち、ゲートに飽和駆動の電圧を供給してオン電圧を１Ｖ以下にしたいが、MOSFETを飽和駆動するゲート電圧を得るために、あえてドレインに直列に０．５オーム程度の低抵抗値を有する抵抗器Ｒｄを入れて、図１に示すようにスレッショルド電圧より大きな電圧を得て、半導体の発熱を外部の高温動作可能な抵抗器Ｒｄに集中させる。発熱に関しては、抵抗器の方が半導体デバイスより高信頼性化、小形化も可能であるからである。

このように本発明の短絡開閉器によって、太陽光発電モジュールやその直列接続したストリングを半導体スイッチ（MOSFET）で短絡することで直流電圧を約５Ｖ以下にすることで、発電電圧は安全な停止状態になる。さらに外付け抵抗Ｒｄを付加することにより、ゲート電圧をMOSFETが飽和領域で駆動できる電圧にして短絡すると半導体スイッチの損失が大幅に小さくなる。

このような構成の直流電流の半導体開閉装置は、高信頼なリードスイッチでオン・オフが確実になされる。またリードスイッチは永久磁石や磁界コイルで電気的に絶縁されて安全に操作できる。永久磁石の場合は磁石がリードスイッチから離れると太陽光発電パネル、ストリングの発電電力は短絡されて低電圧状態で出力停止するのでフェールセーフになっている。

太陽電池モジュール単体では、開放電圧が３０Ｖ程度で人体に被害の心配の無い電圧であるが、２モジュール以上が直列接続すると６０Ｖになるので人体には危険であるので、本発明の半導体スイッチをモジュール毎に接続箱に取り付ける提案は推奨される。実際の方法としては、例えば、短絡回路を接続箱に磁石で吸着させておけば、衝撃を受けて離れると自動的に短絡して開放電圧３０Ｖが数Ｖになるという応用が考えられる。この際、耐電圧の低い６０Ｖ程度のMOSFETはオン抵抗が１０ｍΩ以下で、価格も安く、スレッショルド電圧（Vth）が１Ｖから２Ｖのものがある。この場合はMOSFETの通電発熱は数Ｗであるので発熱分散用の抵抗Ｒｄがなくても半導体自身で処理可能でさらに小型になる可能性がある。
また、発熱分散抵抗Ｒｄの代わりに１つ以上のダイオードにして、その順方向ドロップ電圧にすることも可能である。順方向ダイオードは電流に因らず一定の電圧をゲートに印加することで、半導体スイッチを飽和駆動することができる。この方法は逆電流阻止のダイオードとも考えられるので、逆電流阻止の短絡装置とする場合は良い方法である。

本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施形態を示す回路図である。 （１）ＰＶモジュールまたはストリングの発電の出力停止装置の外観である。 （２）ＰＶモジュールの裏面に発電出力の停止装置を取り付けた例である。 本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施例２の回路図である。 本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施例３の回路図である。 本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施例４の回路図である。 本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施例５の回路図である。 本発明に係る太陽光発電の出力停止装置の実施例６の磁石の移動で制御モードを切りかえる回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
〔実施形態：図１〕図１は、本発明に係る実施形態を示す回路図である。
図１において、参照符号１で示すものは、太陽光発電の太陽電池モジュールである。これが複数直列接続されて太陽電池ストリングとなる。光の起電力で電圧Ｖｓが発生する。 電圧は温度の影響を受けて３０％程度変化するが、光量にはよってはあまり変わらない。
電流は光量にほぼ比例して１００％変化すると言える。多数のモジュールを直列接続することで、数百ボルトから数ｋＶにして出力する。本装置は太陽光モジュールの直流出力のプラス、マイナスの２線間に挿入する。

上記特許文献１の直流系の安全装置は、出力端子間をMOSFETで直接短絡するが、MOSFETはゲート−ソース間を機械金属接点で短絡するとオフし、開放するとオンになる。
本発明ではMOSFETを直接の短絡スイッチとしないで、発熱分散のための抵抗６、ここでは０．５Ωがあることが特徴で、この抵抗６の電圧、短絡電流が８Ａでは、0.5×８=４Ｖがゲートに戻されることで、MOSFET２を飽和駆動することができる。短絡するMOSFETは飽和駆動のオン抵抗となって通電発熱は小さくなる。抵抗６では大きく熱が発生するが、抵抗体の温度上昇は半導体スイッチよりも技術的に対処が容易であり、小型化、軽量化が可能で信頼性が増す。Ｒｇはゲート抵抗１０で、ここでは１ｋΩを推奨する。これはMOSFETが高感度であるので正帰還で発振するのを防ぐ役目である。
なお、抵抗器６の抵抗値を低いものにするのは、抵抗器６による発熱（損失）をできるだけ抑えるためであるが、具体的に抵抗値をいくらに設定するかは、MOSFET２のオン時のドレイン電流と、オン時のゲート電圧をいくらに設定するのかで決まる。この実施例では、Ｒｄ＝0.5Ω、ドレイン電流＝８Ａとした場合にゲート電圧に0.5×８＝４Ｖ分戻されるので、MOSFETが飽和領域で駆動され、オン電圧は１Ｖ以下になる。

上記特許文献１の直流系の安全装置は、MOSFETのゲート−ソース間を機械金属接点で短絡することを主に提案しているがここではリードリレー３で短絡する。リードリレー３はリモート制御スイッチ回路１４と絶縁してMOSFET２をON/OFFすることができ、かつ小電流で駆動でき、接点は信頼性があり、汚染に強い。すなわちリードリレー３がオン状態でのみ、ＰＶモジュールは出力可能である。リードリレー３がオフ状態では、ＰＶモジュールは短絡されて低電圧状態である。リードリレー３は永久磁石７を接近させてもオン状態になるので、リレー駆動の代用になって、リレー駆動が無くても、永久磁石７を接近させることで代用することができる。すなわち、永久磁石７を外せば、ＰＶモジュール１は短絡するのである。もちろん、リードリレー駆動電源が無くなればＰＶモジュール１は短絡する。またリードリレー駆動回路はリモート制御スイッチ１４によって、例えば火災報知器、地震検知器、各種警報器などによって、太陽光発電の出力を停止させることができる。
なお、Ｒ１は高抵抗値を有する抵抗器５である。リードリレー３を短絡すると、MOSFETがオフとなり、ＰＶモジュールからの電流が抵抗器５に流れ込むので、その損失電流をできるだけ少なくする必要があり、高い抵抗値にする必要がある。

図２の（１）は、本出力停止装置の試作回路の写真を示す。これはＰＶモジュールを２０台直列に接続したストリングで開放電圧６００Ｖを想定した試作試験ボードである。
図２の（２）は、ＰＶモジュールの裏面にリードリレーを外部からオンできる永久磁石に吸着させておく。永久磁石が離れるか脱落するとＰＶモジュールはMOSFETによって短絡されて発電出力を停止するが、その取り付けた例である。
本出力停止装置は、ＰＶモジュールが水没、地震、何らかの事故で破壊された場合、永久磁石の吸引力よりも大きな衝撃で脱落することにより、リードリレー３が開放状態となって、ＰＶモジュールは短絡する。また、図１のリードリレーの駆動電流が事故により断線することによってもＰＶモジュールは短絡する。

（実施例２）
図３はリードリレー３を、赤外線発光ダイオードで駆動されるホトカプラ１２で置換した実施例２である。
ホトカプラ１２は駆動電流１０ｍＡ程度で、絶縁した状態で出力側のホトトランジスタを短絡状態にすることができる。これはリードリレー３の代わりであって、さらに小型で信頼性も十分である。ホトカプラ１２の駆動電力は遠方または隣接するＰＶモジュールの発電電力を用いても良い。この図では逆阻止用のダイオード１１が図１における発熱分散抵抗６の代わりになっている。ダイオードの順方向電圧ドロップは１Ｖから２Ｖであるから、MOSFETのVthに応じて２段、３段と直列にする。
抵抗６に代わってダイオード１１の良い点は、MOSFETの電流によらずにほぼ一定の電圧をゲート電圧に上乗せできるので、MOSFETスイッチの発熱低減の効果が大きいことである。

（実施例３）
図４は、永久磁石７とリードスイッチ３とホトカプラ１２を併用した実施例３である。図４ではリードスイッチ３とホトカプラ１２の並列であるが直列も可能で、永久磁石の効果が異なってくる。並列の場合は、永久磁石７が離れると、リードリレーの状態によらずに発電出力は停止する。また、図４ではLEDが高抵抗（Ｒ１）５と直列にあって、太陽光発電の電圧が危険であるならばLEDが点灯し、発電中の表示・動作状態を表示する。このLEDはゲートに電圧を与える高抵抗（Ｒ１）５と直列に接続するとよい。
また、MOSFET２のゲートを飽和駆動するために５Ｖ程度の電圧源を用意することが考えられるが、長寿命のリチウム電池、充電池、光電池なども可能であるが、信頼性が重要な本装置に鑑みて、ＰＶモジュールの発電電力を利用することが推奨される。

（実施例４）
図５は、太陽光発電の出力停止装置の制御のために通信制御装置を内蔵した実施例４である。無線の通信機能を有した通信制御装置である。ＰＶモジュールやそのストリングの電流、電圧、温度などの計測を行い、その制御に利用する。さらに、リードスイッチ３を永久磁石７で開閉して通信制御装置に優先して発電出力を停止することができる。通信制御装置に必要な電力はＰＶモジュール１から得る。
本発明によってＰＶモジュールを短絡しても、完全な短絡ではなく５Ｖ程度電圧が残っている回路なのも特徴で、外部電力なしでこれが可能である。永久磁石を外すと、通信制御装置の指令に因らず、MOSFETは短絡状態で太陽光発電装置は低電圧になって安全になる。これは現場優先の安全ルールである。

（実施例５）
図６は、リードリレー回路のカスケード結線による制御の実施例５である。半導体スイッチのゲート電圧を短絡するためのリードリレーの駆動電圧を、隣接する他の太陽光モジュールから得るように接続することで、連鎖的に多数の太陽光モジュールを短絡することで全モジュールを発電停止状態にする制御方式である。リードリレーは、例えば１２Ｖでオン、５Ｖでオフするようにすれば、ＰＶモジュールの運転時電圧は１２Ｖ以上あるのでリードリレーはオン状態である。すると、隣接する短絡MOSFETはオフ状態である。最も左のリードリレーを指令でオフすれば、左のＰＶモジュールは短絡、電圧低下して、数Ｖになる。それが右のリードリレーへと伝搬してカスケード的に短絡が進む。出力停止装置のリードリレーの制御を、例えばストリング毎に行なうのも良い。これは、ＰＶモジュールの洗浄などを行う際、ストリング毎に発電を停止して行える方法である。

（実施例６）
図７は、永久磁石７の置く位置によって制御モードを切り換えることを目的としている実施例６である。永久磁石７は１つで、半導体スイッチ２にゲート電圧を短絡するリードスイッチ３をホトカプラ１２の出力側に並列に接続してある。さらにリモート制御用のホトカプラ１２の駆動電源ライン上にもリードスイッチ３を直列接続してある。なお、永久磁石７としては、フェライト磁石が利用可能である。

永久磁石７が図の左側のリードスイッチ３の近くにある場合は、半導体スイッチ２はオフで、図の右側のリードスイッチの近くにある場合は、リモートでの制御モードになる。これを切り替えるが、さらに永久磁石７が脱落又は外れると何れの場合も発電出力を停止する。このように永久磁石７の置き場所によって制御モードをローカルとリモートに切り換えることができる。

太陽光発電設備は、光があれば常に直流電圧が発生しており、光を遮断する以外発電を停止することが困難である。組み立て時、保守時、また電気的故障又は事故時、災害時に発電出力を停止したいが、現状は容易ではなく、所謂活線作業を余儀なくされている。
本発明の太陽光発電の出力停止装置によれば、ＰＶモジュール、またはそのＰＶモジュールのストリングの直流出力を永久磁石を外すことで安全に短絡操作をすることができる。永久磁石が安全キーの代わりをして、安全管理をすることができる。ＰＶモジュールが冠水、土砂崩れなどで破壊されても、永久磁石が衝撃で外れれば、ＰＶモジュールは電気的に短絡されて低電圧になる。リードスイッチをリードリレーとしてリレー駆動コイル電源を隣のＰＶモジュールから得ると、連鎖的に１つの短絡が伝搬して上流のＰＶモジュールを一斉に短絡して、発電出力を安全に停止することができる。

１：ＰＶセル、ＰＶモジュール、または、ＰＶモジュールのストリング
２：絶縁ゲートの半導体スイッチ（MOSFET）
３：リードスイッチ
４：逆流阻止ダイオード
５：高抵抗：Ｒ１
６：低抵抗：発熱分散抵抗Ｒｄ
７：永久磁石
８：リレー駆動コイル
１０：ゲート抵抗：Ｒｇ
１１：ダイオード
１２：ホトカプラ
１４：リモート制御スイッチ

Claims (7)

1. 太陽光発電モジュール又はそれを複数直列接続したストリング（以下「太陽光発電モジュール等」という。）の直流出力の端子間に接続する太陽光発電の出力停止装置（以下単に「出力停止装置」という。）であって、該出力停止装置は、
   前記太陽光発電モジュール等の前記端子間を短絡することにより発電電力の出力を停止させる１個のn型MOSFET（以下単に「MOSFET」という。）と、高抵抗値を有する第１の抵抗器と、低抵抗値を有する第２の抵抗器と、前記MOSFETのゲート−ソース間の開閉を行う接点とを備え、
   前記第１の抵抗器の一端が前記太陽光発電モジュール等のプラス端子に接続され、かつ、他端が前記MOSFETのゲートに接続され、
   前記第２の抵抗器の一端が前記太陽光発電モジュール等のプラス端子に接続され、かつ、他端が前記MOSFETのドレインに接続され、
   前記MOSFETのソースが前記太陽光発電モジュール等のマイナス端子に接続されるとともに、
   前記接点が閉極のときは、前記MOSFETがオフとなって、前記太陽光発電モジュール等の出力を行い、前記接点を開極したときは前記MOSFETがオンになって前記太陽光発電モジュール等の出力を短絡することにより前記太陽光発電モジュール等の発電電力の出力を停止することを特徴とする出力停止装置。
2. 前記第２の抵抗器を、１個以上のダイオードを直列接続した回路で置き換えた（アノード側を前記太陽光発電モジュール等のプラス端子側に接続）ことを特徴とする請求項１に記載の出力停止装置。
3. 前記接点がリードスイッチであって、近接して設けられた永久磁石によって閉極し、前記永久磁石を離した時に開極することを特徴とする請求項１又は２に記載の出力停止装置。
4. 前記接点がリードリレーであって、該リードリレーは、駆動コイルと該駆動コイルを駆動する電源及び該電源のオン／オフを行うリモート制御スイッチを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の出力停止装置。
5. 前記接点がホトカプラであって、該ホトカプラの入力側に発光素子を駆動する電源及び該電源のオン／オフを行うリモート制御スイッチを接続するとともに、前記ホトカプラの出力側を前記MOSFETのゲートとソース間に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の出力停止装置。
6. 前記リモート制御スイッチは、有線又は無線の指令により外部から遠隔制御されることを特徴とする請求項４又は５に記載の出力停止装置。
7. 前記MOSFETのゲート−ソース間に第１のリードスイッチを接続し、さらに前記ホトカプラの入力側の発光素子を駆動する電源ラインの途中に第２のリードスイッチを挿入するとともに、１個の永久磁石をさらに備え、
   前記永久磁石を前記第１のリードスイッチに近接して設置した場合は、前記永久磁石を脱落させることによって前記第１のリードスイッチをオフして前記MOSFETをオンすることにより前記太陽光発電モジュールの出力を停止させ、
   前記永久磁石を前記第２のリードスイッチに近接して設置した場合は、前記第２のリードスイッチをオンして前記リモート制御スイッチによるリモート制御モードに切り替えるとともに、前記リモート制御スイッチがオンのときは前記太陽光発電モジュールの発電電力を出力し、前記リモート制御スイッチをオフ又は前記永久磁石が脱落したときは前記太陽光発電モジュールの発電電力の出力を停止することを特徴とする請求項５に記載の出力停止装置。
   

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