JP7018786B2 - 保護回路、光発電システム - Google Patents

Description

本技術は、太陽光を光電変換して、電力を供給する太陽光発電システムに好適に用いられる保護回路に関する。

従来、太陽光発電システムの普及が急速に進んでいる。太陽光発電システムは、太陽電池を複数直列及び並列接続して高電圧、大電流を得ている。太陽光発電システムは電力機器であるため、家庭内の電気用品と同様に出火の危険性がある上、例えば直流３００Ｖと商用電源よりも高い電圧であることから放電時のエネルギーも大きい。そのため、火災や事故の際に、出火の可能性も高いと考えられる。

太陽光発電システムを備えた建物等が火災になった場合、建物に通じる通電経路をカットしてから消火活動が進められる。しかし、太陽光発電システムは発電装置でもあるため、出火したり火災に見舞われたりした場合に、日射や火炎光によって電力を供給し続けてしまう。また、火災が発生した場合、送電ケーブルの被覆が溶けて電線が露出するおそれもある。このため、消防士らが感電するリスクがある他、放電による再出火の可能性がある。

一般的に太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールを直列に接続してストリングとし、複数のストリングを並列に接続することで大きな出力を得ている。そこで、太陽電池モジュール毎に温度ヒューズを挿入することで、火災時の熱によってモジュールを分断し、大きな電力が発生するのを回避する技術も提案されている（特許文献１、特許文献２参照)。

ただし、半焼程度の場合には、全ての太陽電池モジュールが分断されないこともあり、接続が残った部分で大きな電力を発生してしまうリスクがある。また、温度ヒューズに代えてバイメタルを用いた場合には、消火後の温度が下がったときに太陽電池モジュール間の接続が復帰してしまい、大きな電力を発生してしまうリスクもある。

特開平１１－４０８３８号公報 特開２０１５－１３８８７５号公報

本技術は、火災時等の緊急時において、信号によって太陽電池等の光発電部の電流経路を不可逆的に遮断することができる保護回路、及び光発電システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本技術に係る保護回路は、電気的に接続された複数の光発電部と、複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、上記発熱体及び上記スイッチが直列に接続され、上記発熱体及び上記スイッチが上記可溶導体及び上記光発電部間の電流経路と並列接続され、上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路を不可逆的に遮断するものである。

また、本技術に係る光発電システムは、電気的に接続された複数の光発電部と、複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、上記発熱体及び上記スイッチが直列に接続され、上記発熱体及び上記スイッチが上記可溶導体及び上記光発電部間の電流経路と並列接続され、上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路を不可逆的に遮断するものである。

本技術によれば、太陽電池モジュール等の光発電部の出力部に、外部信号にて不可逆的に遮断する保護回路を配置する事で、火災等の異常時に強制的に発電電流の送電を停止し、感電等の二次災害を防止することができる。

図１は、太陽光発電システムの構成例を示す図である。 図２は、太陽電池アレイの構成例を示す図である。 図３は、太陽電池モジュールの構成例を示す図であり、（Ａ）は結晶シリコン系太陽電池モジュールであり、（Ｂ）は化合物半導体系太陽電池モジュールである。 図４は、太陽電池モジュールの回路構成例を示す回路図である。 図５は、保護回路の構成例を示す図である。 図６は、保護回路の構成例を示す図である。 図７は保護素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ－Ａ’断面図である。 図８は、可溶導体の一例を示す外観斜視図である。 図９は保護素子の回路図であり、（Ａ）は保護素子の作動前、（Ｂ）は保護素子の作動後を示す。 図１０は、作動後の保護素子を示す平面図である。 図１１は、保護回路の他の構成例を示す図である。 図１２は、保護回路の他の構成例を示す図である。 図１３は、保護回路の他の構成例を示す図である。 図１４は変形例に係る保護素子の作動前の状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ－Ａ’断面図、（Ｃ）は断面図である。 図１５は変形例に係る保護素子の第１の可溶導体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は回路図、（Ｃ）は断面図である。 図１６は変形例に係る保護素子の第２の可溶導体が溶断した状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は回路図、（Ｃ）は断面図である。

以下、本技術が適用された保護回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本技術は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがある。具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［保護回路１］
本発明が適用された保護回路１は、発電システムに用いられ、特に太陽光発電システムに好適に用いられるものであり、発電部位からの通電経路を遮断することで、火災等の異常時に強制的に発電電流の送電を停止し、感電や出火等の二次災害を防止するものである。以下では、本発明が適用された保護回路１が用いられる発電システムとして太陽光発電システムを例に説明する。

［太陽光発電システム］
太陽光発電システム１０は、一例として図１に示すように、太陽電池アレイ１１、接続箱１２、パワーコンディショナ１３、漏電遮断器１４、分電盤１５、電力量計１６、各部をつなぐ配線等から構成されている。

出力で見ると、メガソーラー発電所は文字通り数ＭＷ～数十ＭＷで、住宅用太陽光発電システムは数ｋＷである。太陽電池が発生する電力を集め作り出された直流電圧は、メガソーラー発電所が６００～１０００Ｖなのに対し、住宅用太陽光発電システムは２５０～３００Ｖである。

［太陽電池アレイ］
図２に示すように、太陽電池アレイ１１は、日射等を受けて光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池セル２１と、複数の太陽電池セル２１が直列に接続された太陽電池モジュール２２と、複数の太陽電池モジュール２２が直列に接続されたストリング２３から構成されている。通常、太陽電池モジュール２２が１枚の太陽電池パネルを構成する。なお、太陽電池モジュール２２の中はいくつかのクラスタ２４に分かれていて、不具合のある太陽電池セル２１に電流が流れ込まないようにするためのバイパスダイオード２５がクラスタ２４毎に組み込まれている（図４）。

本出願では、太陽電池アレイ１１を構成する、光電変換により発電を行うこれら太陽電池セル２１、太陽電池モジュール２２、ストリング２３、及びクラスタ２４を総称して光発電部２６と称する。

太陽電池アレイ１１は、太陽電池モジュール２２が直列に接続されたストリング２３が、複数並列されることで、所定の電圧及び所定の電流量を確保している。例えば住宅用太陽光発電システムでは、電圧約３０Ｖ、電流約１０Ａの太陽電池モジュール２２を用いて、出力約２５０～３００Ｗの太陽光発電システムを構築する。

太陽電池セル２１は、結晶シリコン系、薄膜シリコン系、化合物半導体等があり、製造コスト、発電効率、波長特性、電池の厚さ等を考慮して選択される。図３に、太陽電池セル２１の構造の一例として、結晶シリコン系太陽電池セル２１Ａを用いた太陽電池モジュール２２Ａと、化合物半導体系太陽電池セル２１Ｂを用いた太陽電池モジュール２２Ｂの断面構造を示す。

図３（Ａ）に示すように、結晶シリコン系太陽電池セル２１Ａは、太陽光の当たる表面に設けられた強化ガラス３０、セルを固定する樹脂製の封止材３１、裏面保護用の耐候性のあるバックシート３２で構成されている。図３（Ｂ）に示すように、化合物半導体系太陽電池セル２１Ｂは、太陽光の当たる表面に設けられた強化ガラス３０、樹脂製の封止材３１、太陽電池が蒸着されている基板ガラス３３、裏面保護用のバックシート３２で構成されている。

封止材３１は、一般的にEVA（Ethylene-vinyl acetate copolymer）が用いられる。バックシート３２は、一般的にPVF（Polyvinyl fluoride）、PTFE（Polytetrafluoroethylene）、PET（Polyethylene terephthalate）、アルミシート等が用いられる。

接続箱１２は、並列に構成された複数のストリング２３の出力を合成し太陽電池アレイ１１の出力としてパワーコンディショナ１３へ送り出すための接続端子が内蔵されている。接続箱１２は、電圧の高いストリング２３から低いストリング２３に電流が逆流するのを防止するためのブロッキングダイオードや、電路を遮断する開閉器、雷対策としての避雷器が内蔵されている。

パワーコンディショナ１３は、接続箱１２より供給されてくる電流と電圧を制御して最大の直流電力が得られるようにするとともに、直流電力を交流電力に変換し、住宅内コンセントへの供給や売電を行う。また、商用電力網に悪影響を及ぼさないように連係保護装置を内蔵している。なお、パワーコンディショナ１３に接続箱１２の機能を併用させてもよい。

漏電遮断器１４は、電力系統から漏電があった場合に電力を遮断する。分電盤１５は、電力をコンセント等の電気機器に分配するものであり、太陽光発電システム１専用のブレーカを持つ。電力量計１６は、電力会社へ売った電力の積算や、電力会社から購入した電力の積算を行う。その他に、発電状況や売電状況を表示する外部モニタ、発電した電力を貯めておくための蓄電池及び充電装置、太陽の日射をモニタリングする日射計等を付加してもよい。

［保護回路１］
図５は、本発明が適用された保護回路を示す回路図である。図５に示すように、本発明が適用された保護回路１は、光発電部２６と、光発電部２６の電流経路上に設けられた保護素子２と、保護素子２を作動させるスイッチ３とを備える。保護回路１は、スイッチ３の動作に応じて光発電部２６の電流経路上に設けられた保護素子２を作動させ、光発電部２６の電流経路を遮断するものである。これにより、保護回路１は、火災等の異常時に強制的に光発電部２６により発電された電流の送電を停止し、感電等の二次災害を防止することができる。

保護回路１は、光発電部２６の電流経路上に保護素子２が設けられ、好ましくは、図５に示すように、各太陽電池モジュール２２間に設けられる。これにより、各太陽電池モジュール２２間を分断し、複数の太陽電池モジュール２２が接続されることにより給電経路に流れる電力の増大を防止できる。また、電流経路の遮断時には太陽電池モジュール２２より保護素子２に電力が供給されるが、各保護素子２に印加される電圧は太陽電池モジュール２２で発電した電圧（例えば３０Ｖ前後）となるため、太陽電池モジュール２２の定格と同程度の定格を有する保護素子２を用いることができる。

なお、保護回路１は、複数の太陽電池モジュール２２が直列に接続された給電経路に複数の太陽電池モジュール２２間毎に間欠的に設けてもよく、太陽電池セル２１毎、クラスタ２４毎、あるいはストリング２３毎に設けてもよい。また、保護素子２を設ける間隔は、保護素子２の作動時に光発電部２６から保護素子２に流れる電力の許容量、光発電部２６を構成する太陽電池モジュール２２等の数や出力等に応じて適宜設計することができ、複数の光発電部２６毎に保護素子２を設けてもよく、例えば２つの太陽電池モジュール２２につき１つの保護素子２を設けてもよい。

以下の説明では、図５に示すように、保護素子２を各太陽電池モジュール２２間に設けた保護回路１を例に説明する。図６に示すように、保護素子２は、太陽電池モジュール２２の電流経路に直列に接続された第１、第２の電極４１，４２と、第１、第２の電極４１，４２間に接続されたヒューズ４３と、スイッチ３により導通が制御される発熱体４４とを有する。

発熱体４４は、通電により発熱することによりヒューズ４３を溶断させ太陽電池モジュール２２の電流経路を遮断するものであり、一端を太陽電池モジュール２２間の電流経路に接続され、他端をスイッチ３に接続されている。

スイッチ３は、例えばＦＥＴにより形成され、火災などの緊急時に光発電部２６の電流経路を一斉に遮断する制御回路４５と接続されるとともに、発熱体４４と太陽電池モジュール２２間の電流経路との間に設けられている。そして、スイッチ３は、正常時には太陽電池モジュール２２で発生した電気の発熱体４４への通電を停止しており、制御回路４５から出力される太陽光発電システム１０の遮断信号を受信すると太陽電池モジュール２２で発生した電気を発熱体４４に通電させる。

制御回路４５は、太陽光発電システム１０の電流経路の遮断を一元的に管理するための回路であり、緊急時に操作されることによりスイッチ３を発熱体４４が通電されるように切り替える。この制御回路４５の操作は、太陽光発電システム１０の非常停止ボタンの操作等の非常停止動作や、ネットワークを介した遠隔操作等により行ってもよく、熱・煙・震度等に応じて駆動するスイッチに連動するようにしてもよい。

［保護素子２の具体例］
次いで、保護素子２の具体例について説明する。図７に示すように、保護素子２は、絶縁基板５０と、絶縁基板５０に設けられ、光発電部２６の電流経路に直列に接続された第１、第２の電極４１，４２と、絶縁基板５０に設けられ、スイッチ３により導通が制御される発熱体４４と、絶縁基板５０上に発熱体４４と重畳するように積層され、発熱体４４に電気的に接続された発熱体引出電極５６と、両端が第１、第２の電極４１，４２にそれぞれ接続され、中央部が発熱体引出電極５６に接続された可溶導体５４（ヒューズ４３）とを備える。また、保護素子２は、絶縁基板５０上に内部を保護するカバー部材（図示せず）が取り付けられている。保護素子２は、発熱体４４の発熱で可溶導体５４を溶断させることにより、光発電部２６の電流経路を遮断することができる。

絶縁基板５０は、たとえば、アルミナ、ガラスセラミックス、ムライト、ジルコニアな
どの絶縁性を有する部材によって方形状に形成される。その他、絶縁基板５０は、ガラス
エポキシ基板、フェノール基板等のプリント配線基板に用いられる材料を用いてもよい。

絶縁基板５０の相対向する両端部には、第１、第２の電極４１，４２が形成されている。第１、第２の電極４１，４２は、それぞれ、ＡｇやＣｕ配線等の導電パターンによって形成することができる。また、第１、第２の電極４１，４２は、絶縁基板５０の表面５０ａより、キャスタレーションを介して裏面５０ｂに形成された第１、第２の外部接続電極４１ａ，４２ａと連続されている。保護素子２は、裏面５０ｂに形成された第１、第２の外部接続電極４１ａ，４２ａが、保護素子２が実装される回路基板に設けられた接続電極に接続されることにより、回路基板上に形成された電流経路の一部に組み込まれる。

発熱体４４は、通電すると発熱する導電性を有する部材であって、たとえばニクロム、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ等又はこれらを含む材料からなる。発熱体４４は、これらの合金あるいは組成物、化合物の粉状体を樹脂バインダ等と混合してペースト状にしたものを、絶縁基板５０上にスクリーン印刷技術を用いてパターン形成して、焼成する等によって形成することができる。

また、保護素子２は、発熱体４４が絶縁部材５８によって被覆され、絶縁部材５８を介して発熱体４４と対向するように発熱体引出電極５６が形成されている。発熱体引出電極５６は可溶導体５４が接続され、これにより発熱体４４は、絶縁部材５８及び発熱体引出電極５６を介して可溶導体５４と重畳される。絶縁部材５８は、発熱体４４の保護及び絶縁を図るとともに、発熱体４４の熱を効率よく可溶導体５４へ伝えるために設けられ、例えばガラス層からなる。

なお、発熱体４４は、絶縁基板５０に積層された絶縁部材５８の内部に形成してもよい。また、発熱体４４は、第１、第２の電極４１，４２が形成された絶縁基板５０の表面５０ａと反対側の裏面５０ｂに形成してもよく、あるいは、絶縁基板５０の表面５０ａに第１、第２の電極４１，４２と隣接して形成してもよい。また、発熱体４４は、絶縁基板５０の内部に形成してもよい。

また、発熱体４４は、一端が第１の発熱体電極５９と接続されるとともに第１の発熱体電極５９を介して発熱体引出電極５６と接続され、他端が第２の発熱体電極６０と接続されている。発熱体引出電極５６は、絶縁基板５０の表面５０ａ上に形成されるとともに発熱体４４と接続された第１の発熱体電極５９と接続され、発熱体４４と対向して絶縁部材５８上に積層されるとともに可溶導体５４と接続される。これにより、発熱体４４は、発熱体引出電極５６を介して可溶導体５４と電気的に接続されている。なお、発熱体引出電極５６は、絶縁部材５８を介して発熱体４４に対向配置されることにより、可溶導体５４を溶融させるとともに、溶融導体を凝集しやすくすることができる。

第２の発熱体電極６０は、絶縁基板５０の表面５０ａ上に形成され、キャスタレーションを介して絶縁基板５０の裏面５０ｂに形成された発熱体給電電極と連続されている。

保護素子２は、第１の電極４１から発熱体引出電極５６を介して第２の電極４２にわたって可溶導体５４が接続されている。可溶導体５４は、接続用ハンダ等の接続材料を介して第１、第２の電極４１，４２及び発熱体引出電極５６上に接続されている。

可溶導体５４は、例えば、全体の厚さが略１００μｍ程度の略矩形板状に形成され、図８に示すように、第１、第２の電極４１，４２及び発熱体引出電極５６にハンダ接続されている。可溶導体５４は、内層を構成する低融点金属層６３と、低融点金属層６３よりも融点が高く外層を構成する高融点金属層６４とを有する。

低融点金属層６３は、例えばＳｎ又はＳｎを主成分とする合金でＰｂフリーハンダと一般的に呼ばれる材料、その他の低融点金属が好適に用いられる。低融点金属層２の融点は、必ずしもリフロー炉の温度よりも高い必要はなく、２００℃程度で溶融してもよい。また、低融点金属層２は、さらに低い１２０℃～１４０℃程度で溶融するＢｉ、Ｉｎ又はＢｉ若しくはＩｎを含む合金を用いてもよい。

高融点金属層６４は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ若しくはＣｕを主成分とする合金が好適に用いられ、可溶導体５４をリフロー炉によって絶縁基板５０上に実装を行う場合においても溶融しない高い融点を有する。

このような可溶導体５４は、図７（Ｂ）に示すように、保護素子２の絶縁基板５０に設けられた第１、第２の電極４１，４２間にわたって搭載された後、リフロー加熱される。これにより、可溶導体５４は、接続用ハンダを介して第１、第２の電極４１，４２にハンダ接続される。

また、可溶導体５４は、低抵抗の高融点金属層６４が積層されて構成されているため、従来の鉛系高融点ハンダを用いた可溶導体に比べ、導体抵抗を大幅に低減することができ、同一サイズの従来のチップヒューズ等に比して、電流定格を大幅に向上させることができる。また、同じ電流定格をもつ従来のチップヒューズよりも小型化を図ることができる。

さらに、可溶導体５４は、高融点金属層６４よりも融点の低い低融点金属層６３を備えているため、発熱体４４の通電による発熱により、低融点金属層６３の融点から溶融を開始し、速やかに溶断させることができる。例えば、低融点金属層６３をＳｎ‐Ｂｉ系合金やＩｎ‐Ｓｎ系合金などで構成した場合、可溶導体５４は、１４０℃や１２０℃前後という低温度から溶融を開始する。そして、溶融した低融点金属層６３が高融点金属層６４を浸食（ハンダ食われ）することにより、高融点金属層６４が自身の融点よりも低い温度で溶融する。したがって、可溶導体５４は、低融点金属層６３による高融点金属層６４の浸食作用を利用して、更に速やかに溶断させることができる。

［フラックス］
また、保護素子２は、高融点金属層６４又は低融点金属層６３の酸化防止と、溶断時の酸化物除去及びハンダの流動性向上のために、可溶導体５４の表面や裏面にフラックス６５をコーティングしてもよい。フラックス６５をコーティングすることにより、保護素子２の実使用時において、低融点金属層２（例えばハンダ）の濡れ性を高めるとともに、低融点金属が溶解している間の酸化物を除去し、高融点金属（例えばＡｇ）への浸食作用を用いて溶断特性を向上させることができる。

また、フラックス６５をコーティングすることにより、最外層の高融点金属層６４の表面に、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーハンダ等の酸化防止膜を形成した場合にも、当該酸化防止膜の酸化物を除去することができ、高融点金属層６４の酸化を効果的に防止し、溶断特性を維持、向上することができる。

なお、第１、第２の電極４１，４２、発熱体引出電極５６及び第１、第２の発熱体電極５９，６０は、例えばＡｇやＣｕ等の導電パターンによって形成され、適宜、表面にＳｎメッキ、Ｎｉ／Ａｕメッキ、Ｎｉ／Ｐｄメッキ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキ等の保護層が形成されていることが好ましい。これにより、表面の酸化を防止するとともに、可溶導体５４の接続用ハンダ等の接続材料による第１、第２の電極４１，４２及び発熱体引出電極５６の浸食を抑制することができる。

［保護回路の動作］
［回路図］
本技術が適用された保護素子２は、図９に示すような回路構成を有する。すなわち、保護素子２は、発熱体引出電極５６を介して第１、第２の電極４１，４２間にわたって直列接続された可溶導体５４（ヒューズ４３）と、可溶導体５４の接続点を介して通電して発熱させることによって可溶導体５４を溶融する発熱体４４とからなる回路構成である。そして、保護素子２は、第１、第２の電極４１，４２及び第２の発熱体電極６０とそれぞれ接続された第１、第２の外部接続電極４１ａ，４２ａ及び発熱体給電電極が、外部回路基板に接続される。これにより、保護素子２は、可溶導体５４が第１、第２の電極４１，４２を介して太陽電池モジュール２２の電流経路上に直列接続され、発熱体４４が第２の発熱体電極６０を介してスイッチ３と接続される。

［溶断工程］
このような回路構成からなる保護素子２は、太陽光発電システム１０の電流経路を遮断する必要が生じた場合に、外部回路に設けられたスイッチ３によって発熱体４４が通電される。

ここで、保護素子２を各太陽電池モジュール２２間に設けた保護回路１では、図５に示すように、各保護素子２の第２の発熱体電極６０が発熱体給電電極を介してそれぞれスイッチ３に接続されている。また、図５に示す保護回路１では、各スイッチ３は、制御回路４５に接続され、制御回路４５により統一的にスイッチ３のオンとオフが制御され、正常時においては各保護素子２の作動が停止されている。そして、火災等の太陽電池モジュール２２の電流経路を遮断する必要が生じた場合には、非常停止ボタンの操作等に応じて制御回路４５により各スイッチ３へ作動信号が出力される。各スイッチ３は、制御回路４５の作動信号を受信することにより、発熱体４４への通電を可能とする。

これにより、保護素子２は、発熱体４４の発熱により、光発電部２６の電流経路上に組み込まれた可溶導体５４が溶融され、図１０に示すように、可溶導体５４の溶融導体が、濡れ性の高い発熱体引出電極５６及び第１、第２の電極４１，４２に引き寄せられることにより可溶導体５４が溶断される。これにより、可溶導体５４は、確実に第１の電極４１～発熱体引出電極５６～第２の電極４２の間を溶断させ（図９（Ｂ））、太陽電池モジュール２２間の電流経路を遮断することができる。また、可溶導体５４が溶断することにより、発熱体４４への給電も停止される。

このとき、可溶導体５４は、発熱体４４の発熱により、高融点金属層６４よりも融点の低い低融点金属層６３の融点から溶融を開始し、高融点金属層６４を浸食し始める。したがって、可溶導体５４は、低融点金属層６３による高融点金属層６４の浸食作用を利用することにより、高融点金属層６４が溶融温度よりも低い温度で溶融され、速やかに太陽電池モジュール２２の電流経路を遮断することができる。

そして、図５に示す保護回路１は、太陽電池モジュール２２間に設けた各保護素子２が作動することにより、太陽電池モジュール２２間の電流経路が遮断されるため、太陽電池モジュール２２の送電を強制的に停止することができ、電圧が３０Ｖ程度、電流が１０Ａ程度の太陽電池モジュール２２が複数直並列されることにより生み出される大きな電力による感電事故や出火等の二次災害を防止することができる。

また、保護回路１は、保護素子２の可溶導体５４が溶断することにより不可逆的に電流経路を遮断するため、消火後の温度が下がったとき等においても太陽電池モジュール２２間の接続が復帰し、大電流が流れることもない。

［保護回路の変形例１（リレースイッチ）］
また、本技術が適用された保護回路は、保護素子２を作動させるスイッチを、リレースイッチによって構成してもよい。なお、以下の説明において、上述した保護回路１、及び保護素子２と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細を省略する。

図１１に示す保護回路７０は、スイッチとしてリレースイッチ７１を用いている点を除き、上記保護回路１と同じ構成を有する。保護回路７０は、保護素子２の発熱体４４がリレースイッチ７１を経て太陽電池モジュール２２の電流経路と接続されている。リレースイッチ７１は、オフとオンが切り替えられる出力系が太陽電池モジュール２２と並列されるとともに上記発熱体４４と接続されている。また、リレースイッチ７１は、出力系を切り替える入力系が制御回路４５と接続されている。そして、リレースイッチ７１は、入力系が制御回路４５から作動信号を受信すると発熱体４４への給電経路を閉じるように出力系が切り替えられる。

保護回路７０は、スイッチとしてリレースイッチ７１を用いているため、制御回路４５からの入力系の定格電圧を太陽電池モジュール２２の電圧と切り離して設定することができる。したがって、保護回路７０は、定格の大きなデバイスを用いることなく簡易かつ安価に構成することができる。

［保護回路の変形例２（電気・熱分離）］
また、本技術が適用された保護回路は、太陽電池モジュール２２の電流経路を遮断する保護素子として、電流経路に接続され可溶導体を有する作動経路と、スイッチと接続されるとともに可溶導体を溶断する発熱体を備える制御経路とを有し、作動経路と制御経路とが電気的に独立して形成されている保護素子を用いてもよい。なお、以下の説明において、上述した保護回路１、及び保護素子２と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細を省略する。

図１２に示す保護回路８０は、光発電部２６の電流経路上に接続される保護素子８１と、保護素子８１を駆動させるスイッチ３とを備える。図１３に示すように、保護素子８１は、光発電部２６の電流経路に接続され第１のヒューズ８２（第１の可溶導体９７）を有する作動経路８３と、スイッチ３と接続されるとともに第１のヒューズ８２を溶断する発熱体４４を備える制御経路８４とを有する。作動経路８３は、第１のヒューズ８２によって接続された第１、第２の電極４１，４２が光発電部２６の電流経路に直列に接続されている。制御経路８４は、発熱体４４の一端がスイッチ３を介して外部電源８６と接続され、発熱体４４の他端がアース１０５に接続されている。なお制御経路８４は、第２のヒューズ８５が設けられ、発熱体４４の熱により第１のヒューズ８２の遮断後に第２のヒューズ８５が発熱体４４の熱によって遮断され、外部電源８６からの給電が停止される。

保護素子８１は、スイッチ３によって発熱体４４への通電が制御されるとともに、発熱体４４の近傍に第１のヒューズ８２が設けられ、発熱体４４が通電発熱すると第１のヒューズ８２が溶融遮断される。すなわち、保護素子８１は、作動経路８３と制御経路８４とが電気的に独立し、熱的に接続されている。

このような保護素子８１を備える保護回路８０によれば、光発電部２６の電流経路上に組み込まれる作動経路８３と、作動経路８３を遮断させる制御経路８４とが、電気的に独立しているため、光発電部２６の定格によらず、発熱体４４に対して第１のヒューズ８２を溶断させるのに十分な発熱量を得る電力を供給することができる。

［保護素子８１］
次いで、保護素子８１の構成例について説明する。保護素子８１は、図１４に示すように、絶縁基板９０と、絶縁基板９０に形成され、作動経路８３を構成する第１の電極９１及び第２の電極９２と、絶縁基板９０に形成され、制御経路８４を構成する第３の電極９３、第４の電極９４及び第５の電極９５と、第１及び第２の電極９１，９２間にわたって搭載された第１の可溶導体９７（第１のヒューズ８２）と、第３及び第４の電極９３，９４間に接続された発熱体４４と、第４及び第５の電極９４，９５間にわたって搭載された第２の可溶導体（第２のヒューズ８５）９９とを備える。図１４（Ａ）は、保護素子８１の平面図であり、図１４（Ｂ）は、Ａ－Ａ‘断面図であり、図１４（Ｃ）は断面図である。

絶縁基板９０は、上述した絶縁基板５０と同じ部材によって形成することができる。

［第１及び第２の電極：作動経路］
第１及び第２の電極９１，９２は、絶縁基板９０の表面９０ａ上に形成されるとともに、後述する絶縁部材１０１上に積層されている。また、第１及び第２の電極９１，９２は、スルーホール１００を介して絶縁基板９０の裏面９０ｂに形成された外部接続端子９１ａ，９２ａと連続され、外部接続端子９１ａ，９２ａを介して光発電部２６の電流経路上に接続されている。

第１及び第２の電極９１，９２は、第１の可溶導体９７が搭載されることにより電気的に接続されている。これにより、保護素子８１は、第１の電極９１～第１の可溶導体９７～第２の電極９２に至る作動経路８３を構成し、作動経路８３は、保護素子８１が実装される回路基板上に形成された太陽電池モジュール２２の電流経路の一部に組み込まれる。

［発熱体］
発熱体４４は、絶縁基板９０の表面９０ａに積層され、絶縁部材１０１に覆われている。発熱体４４は、一端が第３の電極９３と接続され、他端が第４の電極９４と接続されている。

発熱体４４を覆うように絶縁部材１０１が配置され、この絶縁部材１０１を介して発熱体４４と重畳するように第１の電極９１、第２の電極９２、第４の電極９４及び第５の電極９５が積層されている。絶縁部材１０１としては、例えばガラスを用いることができる。なお、保護素子８１は、発熱体４４の熱を効率良く第１の可溶導体９７に伝えるために、発熱体４４と絶縁基板９０の間にも絶縁部材を積層し、発熱体４４を絶縁基板９０の表面に形成された絶縁部材１０１の内部に設けても良い。

［第３～第５の電極：制御経路］
第３の電極９３は、絶縁基板９０の表面９０ａ上に形成され、発熱体４４の一端と接続されている。第４の電極９４は、絶縁基板９０の表面９０ａ上に形成されることにより発熱体４４の他端と接続されるとともに、絶縁部材１０１上に積層されている。第５の電極９５は、絶縁部材９０の表面９０ａ上に形成されるとともに、絶縁部材１０１上に積層されている。なお、第３の電極９３及び第５の電極９５は、スルーホール１００を介して絶縁基板９０の裏面９０ｂに形成された外部接続端子９３ａ，９５ａと連続されている。制御経路８４は、外部接続端子９３ａ，９５ａを介して一端がスイッチ３と接続され、他端がアース１０５と接続されている。

第４及び第５の電極９４，９５は、絶縁部材１０１上において、第２の可溶導体９９が搭載されることにより電気的に接続されている。これにより、第３～第５の電極９３～９５は、上記作動経路８３と電気的に独立した制御経路８４を構成する。制御経路８４は、作動経路８３の第１の可溶導体９７を加熱、溶断するための回路であり、第１の可溶導体９７を溶断し作動経路８３を遮断した後は、第２の可溶導体９９を溶断することで自身も遮断し、発熱体４４への給電を停止する。

［可溶導体］
第１、第２の可溶導体９７，９９は、上述した可溶導体５４と同じ材料、構成により形成することができる。

なお、第１、第２の可溶導体９７，９９は、第１及び第２の電極９１，９２上、第４及び第５の電極９４，９５上へ、ハンダ等を用いて接続されている。また、第１の可溶導体９７の外層として、高周波特性の良好な銀メッキ層を形成することが好ましい。これにより、第１の可溶導体９７は、表皮効果による低抵抗化を図り高周波特性を向上させるとともに、瞬間的な大電流が流れた際にも外層の銀メッキ層を流れ、自己発熱による溶断を防止する耐パルス性を向上させることができる。

［第１の可溶導体の先溶融］
ここで、保護素子８１は、作動経路８３の第１の可溶導体９７が、制御経路８４の第２の可溶導体９９よりも先に溶断するように形成されている。第１の可溶導体９７よりも先に第２の可溶導体９９が溶断すると、発熱体４４への給電が停止され、第１の可溶導体９７を溶断することができなくなるからである。

そこで、保護素子８１は、発熱体４４が発熱すると、第１の可溶導体９７が先に溶断するように形成されている。具体的に、保護素子８１の第１の可溶導体９７は、第２の可溶導体９９よりも、発熱体４４の発熱中心に近い位置に搭載されている。

ここで、発熱体４４の発熱中心とは、発熱体４４が発熱することにより発現する熱分布のうち、発熱初期の段階で最も高温となる領域をいう。発熱体４４より発せされる熱は絶縁基板９０からの放熱量が最も多く、絶縁基板９０を、耐熱衝撃性に優れるが熱伝導率も高いセラミックス材料により形成した場合などには、絶縁基板９０に熱が拡散してしまう。そのため、発熱体４４は通電が開始された発熱初期の段階では、絶縁基板９０と接する外縁から最も遠い中心が最も熱く、絶縁基板９０と接する外縁に向かうにつれて放熱されて温度が上がりにくくなる。

そこで、保護素子８１は、第１の可溶導体９７を、第２の可溶導体９９よりも、発熱体４４の発熱初期において最も高温となる発熱中心に近い位置に搭載することにより、第２の可溶導体９９よりも早く熱が伝わり、溶断するようにする。第２の可溶導体９９は、第１の可溶導体９７より遅れて加熱されるため、第１の可溶導体９７が溶断した後に溶断される。

また、保護素子８１は、第１、第２の可溶導体９７，９９の形状を変えることにより、第１の可溶導体９７が先に溶断するようにしてもよい。例えば、第１、第２の可溶導体９７，９９は、断面積が小さいほど溶断が容易となることから、保護素子８１は、第１の可溶導体９７の断面積を第２の可溶導体９９の断面積よりも小さくすることにより、第２の可溶導体９９よりも先に溶断させることができる。

また、保護素子８１は、第１の可溶導体９７を第１、第２の電極９１，９２間の電流経路に沿って幅狭かつ長く形成し、第２の可溶導体９９を第４，第５の電極９４，９５間の電流経路に沿って幅広かつ短く形成してもよい。これにより、第１の可溶導体９７は、第２の可溶導体９９よりも相対的に溶断しやすい形状となり、発熱体４４の発熱により、第２の可溶導体９９よりも先に溶断する。

また、保護素子８１は、第１の可溶導体９７の材料として、第２の可溶導体９９の材料よりも融点の低いもので形成してもよい。これによっても、発熱体４４の発熱により第１の可溶導体９７を第２の可溶導体９９よりも溶断しやすくし、確実に第１の可溶導体９７を第２の可溶導体９９よりも先に溶断させることができる。

その他にも、保護素子８１は、第１の可溶導体９７と第２の可溶導体９９の層構造を変えることによって融点に差を設け、相対的に第１の可溶導体９７を第２の可溶導体９９よりも溶断しやすくし、発熱体４４の発熱により、第１の可溶導体９７を第２の可溶導体９９よりも先に溶断させるようにしてもよい。

［その他］
なお、第１、第２の可溶導体９７，９９の酸化防止、及び第１、第２の可溶導体９７，９９の溶融時における濡れ性を向上させるために、第１、第２の可溶導体９７，９９の上にはフラックス１０２が塗布されている。

また、保護素子８１は、絶縁基板９０がカバー部材１０３に覆われることによりその内部が保護されている。カバー部材１０３は、上記絶縁基板９０と同様に、たとえば、熱可塑性プラスチック，セラミックス，ガラスエポキシ基板等の絶縁性を有する部材を用いて形成されている。

［回路構成］
保護素子８１を各太陽電池モジュール２２間に設けた保護回路８０は、図１２に示すように、各保護素子８１の外部接続端子９５ａがそれぞれスイッチ３に接続されている。また、保護回路８０は、各スイッチ３が制御回路４５に接続され、制御回路４５により統一的にスイッチ３のオンとオフが制御され、正常時においては各保護素子８１の作動が停止されている。そして、火災等の太陽電池モジュール２２の電流経路を遮断する必要が生じた場合には、非常停止ボタンの操作等に応じて制御回路４５により各スイッチ３へ作動信号が出力される。各スイッチ３は、制御回路４５の作動信号を受信することにより、発熱体４４への通電を可能とする。

これにより、保護素子８１は、発熱体４４の発熱により、太陽電池モジュール２２の電流経路上に組み込まれた第１の可溶導体９７が溶融され、図１５に示すように、第１の可溶導体９７の溶融導体が、濡れ性の高い第１、第２の電極９１，９２に引き寄せられることにより第１の可溶導体９７が溶断される。これにより、第１の可溶導体９７は、確実に第１の電極９１～第２の電極９２間の作動経路８３を溶断させ（図１５（Ｂ））、太陽電池モジュール２２間の電流経路を遮断することができる。

また、第１の可溶導体９７が第２の可溶導体９９よりも先に溶断されるため、制御経路８４は、作動経路８３が遮断するまで確実に発熱体４４に給電し、発熱させることができる。発熱体４４は、第１の可溶導体９７の溶断後も発熱を続けるが、第１の可溶導体９７に続き第２の可溶導体９９も溶断することにより、制御経路８４も遮断される（図１６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ））。これにより、発熱体４４への給電も停止される。

このような保護回路８０によれば、光発電部２６の電流経路に組み込まれる作動経路８３と、作動経路８３を遮断させる制御経路８４とが、電気的に独立しているため、光発電部２６の定格によらず、発熱体４４に対して第１の可溶導体９７を溶断させるのに十分な発熱量を得る電力を供給することができる。したがって、保護回路８０によれば、発熱体４４への給電を制御するスイッチ３を、作動経路８３の定格に関わらず、発熱体４４の定格に応じて選択することができ、定格の大きなデバイスを用いることなく簡易かつ安価に制御経路８４を構成することができる。

１ 保護回路、２ 保護素子、３ スイッチ、１０ 太陽光発電システム、１１ 太陽電池アレイ、１２ 接続箱、１３ パワーコンディショナ、１４ 漏電遮断器、１５ 分電盤、１６ 電力量計、２１ 太陽電池セル、２２ 太陽電池モジュール、２３ ストリング、２４ クラスタ、２５ バイパスダイオード、２６ 光発電部、３０ 強化ガラス、３１ 封止材、３２ バックシート、３３ 基板ガラス、４１ 第１の電極、４１ａ 第１の外部接続電極、４２ 第２の電極、４２ａ 第２の外部接続電極、４３ ヒューズ、４４ 発熱体、４５ 制御回路、５０ 絶縁基板、５０ａ 表面、５０ｂ 裏面、５４ 可溶導体、５６ 発熱体引出電極、５８ 絶縁部材、５９ 第１の発熱体電極、６０ 第２の発熱体電極、６５ フラックス、７０ 保護回路、７１ リレースイッチ、８０ 保護回路、８１ 保護素子、８２ 第１のヒューズ、８３ 作動経路、８４ 制御経路、８５ 第２のヒューズ、８６ 外部電源、９０ 絶縁基板、９０ａ 表面、９０ｂ 裏面、９１ 第１の電極、９２ 第２の電極、９３ 第３の電極、９４ 第４の電極、９５ 第５の電極、９７ 第１の可溶導体、９９ 第２の可溶導体、１００ スルーホール、１０１ 絶縁部材、１０２ フラックス、１０３ カバー部材、１０５ アース

Claims (13)

1. 電気的に接続された複数の光発電部と、
   複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、
   上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、
   上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、
   上記発熱体及び上記スイッチが直列に接続され、
   上記発熱体及び上記スイッチが上記可溶導体及び上記光発電部間の電流経路と並列接続され、
   上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路を不可逆的に遮断する保護回路。
2. 上記スイッチを制御する制御回路を有し、
   上記スイッチは、上記制御回路に繋がる入力系と上記発熱体に繋がる出力系からなり、
   上記スイッチは、上記入力系の電圧と上記出力系の電圧を切り離して設定可能である請求項１に記載の保護回路。
3. 電気的に接続された複数の光発電部と、
   複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、
   上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、
   上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、
   上記光発電部間の電流経路に接続された上記可溶導体を有する作動回路と、上記スイッチと接続されるとともに上記可溶導体を溶断する上記発熱体を備える制御回路は、電気的に独立し、熱的に接続されている保護回路。
4. 上記光発電部は、太陽電池セル、太陽電池モジュール、クラスタ、又はストリングである請求項１～３のいずれか１項に記載の保護回路。
5. 上記保護素子は、全ての光発電部毎、又は複数の光発電部毎に設けられている請求項１～４のいずれか１項に記載の保護回路。
6. 上記スイッチは、全ての上記保護素子を一斉に作動させる請求項１～５のいずれか１項に記載の保護回路。
7. 上記スイッチは、遮断信号に応じて作動する請求項１～６のいずれか１項に記載の保護回路。
8. 上記遮断信号は、火災による煙又は温度感知、若しくは非常停止の動作により出力する請求項７に記載の保護回路。
9. 上記保護素子は、
   絶縁基板と、
   上記絶縁基板に設けられ、上記光発電部の電流経路に直列に接続された第１、第２の電極と、
   上記第１、第２の電極間に接続された上記可溶導体と、
   上記絶縁基板に設けられ、上記スイッチにより導通が制御される上記発熱体とを有し、
   上記発熱体の発熱で上記可溶導体を溶断させることにより、上記光発電部の電流経路を遮断する請求項１～８のいずれか１項に記載の保護回路。
10. 上記スイッチは、リレースイッチであり、
    上記リレースイッチは、オフとオンが切り替えられる上記出力系が上記発熱体と接続されるとともに、上記光発電部と並列接続され、
    上記出力系を切り替える上記入力系が上記制御回路と接続されている請求項２に記載の保護回路。
11. 電気的に接続された複数の光発電部と、
    複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、
    上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、
    上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、
    上記発熱体及び上記スイッチが直列に接続され、
    上記発熱体及び上記スイッチが上記可溶導体及び上記光発電部間の電流経路と並列接続され、
    上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路を不可逆的に遮断する光発電システム。
12. 上記スイッチを制御する制御回路を有し、
    上記スイッチは、上記制御回路に繋がる入力系と上記発熱体に繋がる出力系からなり、
    上記スイッチは、上記入力系の電圧と上記出力系の電圧を切り離して設定可能である請求項１１に記載の光発電システム。
13. 電気的に接続された複数の光発電部と、
    複数の上記光発電部間の電流経路上に設けられた保護素子と、
    上記保護素子を作動させるスイッチとを備え、
    上記保護素子は、上記光発電部間の電流経路に直列に接続された可溶導体と、上記スイッチにより通電が制御される発熱体を有し、
    上記光発電部間の電流経路に接続された上記可溶導体を有する作動回路と、上記スイッチと接続されるとともに上記可溶導体を溶断する上記発熱体を備える制御回路は、電気的に独立し、熱的に接続されている光発電システム。

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