JP7420675B2 - 電池診断装置、電池診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の状態を診断する技術に関するものである。

近年、ＰＰＡ（Ｐｏｗｅｒ Ｐｕｒｃｈａｓｅ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）による太陽光発電システムの設置が急激に普及している。ＰＰＡにおいては、需要家が敷地や屋根などのスペースを提供し、ＰＰＡ事業者が太陽光発電システムなどの発電設備の無償設置と運用・保守を実施する。これにともない、太陽光発電システムのメインとなる市場は、メガソーラーに代表される大規模な太陽光発電システムから、１０ｋＷ程度の中規模太陽光発電システムにシフトしている。

中規模以下の太陽光発電システムにおいては、メガソーラーのような十分な保守体制を整備することがなく、修理を要する故障を全体の約１割が経験しているにも拘らず、保守点検を全体の約７割が未実施という現状にある。そこで、現状の監視装置から取得される発電データを利用して、診断手法を搭載することが注目されている。

中規模以下の太陽光発電システムにおいては、一般に、敷地や屋根などのスペースを利用するために、日射計や気温計などは設置されない。そのため、部分陰やコネクタが断線した状況などを発電データ（太陽電池の動作電圧や動作電流などの計測値）のみから捉えることが必要となるが、これは一般に困難である。

下記特許文献１は、電流の変動の少ない時間帯を選択することにより、部分陰の影響がない安定した時間において、故障診断をすることを記載している。下記非特許文献１は、人工知能を活用して、電流の変動を学習し、部分陰と故障を切り分ける手法を記載している。

特許６２７８９１２号

"A Shadow Fault Diagnosis Method Based on the Quantitative Analysis of Photovoltaic Output Prediction Error", Photovoltaics IEEE Journal of, vol. 10, no. 4, pp. 1158-1165, 2020.

大規模な太陽光発電所は、設計段階において、鉄塔などによる陰の位置を把握可能である。また、太陽電池の動作電流の変動量を設計値と照らしあわせることにより、陰が掛かっているか否かを判断することができる。これに対して中規模以下の太陽光発電システムは、敷地や屋根などのスペースを利用するので、設置条件が多岐にわたる。したがって、様々な変動条件が考えられ、一概に、閾値や判別条件を設定するのが困難である。

特許文献１の技術は、安定と判定される電流変動の閾値を設定する必要がある。非特許文献１の技術は、変動の周期に応じて、適用する手法の組み合わせを設定する必要があり、陰かどうかを判定するためには、非常に多くの学習データや訓練データが必要であると考えられる。したがってこれらの従来技術は、多数の発電所が分散されて設置されている中規模太陽電池設備における陰や断線の判定には適していないと考えられる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、太陽電池において部分陰または部分断線が生じたことを、動作電流や動作電圧の測定値に基づき精度よく検出することができる、電池診断装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電池診断装置は、太陽電池の動作電流と動作電圧を、前記太陽電池が標準日射量と標準温度の下で動作していると仮定した場合における値へ換算し、前記太陽電池が前記標準日射量と前記標準温度の下で動作しているときの標準電流よりも換算標準電流のほうが閾値以上大きければ、前記太陽電池が部分陰状態または部分断線状態にあると診断する。

本発明に係る電池診断装置によれば、太陽電池において部分陰または部分断線が生じたことを精度よく検出することができる。上記以外の課題、構成、効果などについては、以下の実施形態の説明により明らかになる。

太陽電池ストリング１と太陽電池モジュール１ａの等価回路図である。 太陽光発電システムの構成例を示す図である。 太陽光発電システムの別構成例を示す図である。 部分陰状態を模式的に示す図である。 部分陰が生じたときにおける太陽電池の動作状態の変動を説明する図である。 部分断線状態を示す図である。 部分断線状態におけるＩＶ特性の例を示す。 正常動作時におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。 部分陰状態におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。 部分断線状態におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。 電池診断装置１００が太陽電池の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。 電池診断装置１００が太陽電池の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。 図１１Ａ～図１１Ｂの変形例である。 太陽電池が故障したときにおけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。 実施形態２において電池診断装置１００が太陽電池の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。

＜実施の形態１＞
図１は、太陽電池ストリング１と太陽電池モジュール１ａの等価回路図である。太陽電池ストリング１は、太陽電池モジュール１ａを複数枚直列に並べることによって構成される。太陽電池モジュール１ａは、太陽電池セル１２ａを複数枚直列に並べ、各太陽電池セル１２ａがバイパスダイオード１２ｂによってバイパスされたものとして表すことができる。太陽電池セル１２ａの等価回路は、電流源１２ｃ、ｐｎ接合ダイオード１２ｅ、シャント抵抗１２ｆ（並列抵抗）、直列抵抗１２ｇを有する。電流源１２ｃは日射量に比例した電流を供給する。太陽電池モジュール１ａ内のいずれかの太陽電池セル１２ａが故障すると、その故障した太陽電池モジュール１ａはバイパスダイオード１２ｂによってバイパスされる。

太陽電池の特性について説明する。開放電圧時は、電流源１２ｃの電流が、ｐｎ接合ダイオード１２ｅとシャント抵抗１２ｆの組み合わせ１２ｄに流れ込む。簡単のため、シャント抵抗１２ｆが十分に大きいと設定し、直列抵抗１２ｇが十分に小さいと設定する。電圧Ｖにおいて、セル数がＮ_ｃｅｌｌで構成される太陽電池式は、下記式１で表すことができる。Ｉ：太陽電池セルの出力電流［Ａ］、Ｉｓ：ダイオードの逆飽和電流［Ａ］、Ｖ：太陽電池セルの出力電圧［Ｖ]、Ｉｓｃ：短絡電流［Ａ］、Ｔ：太陽電池セルの絶対温度［Ｋ］、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：電子の電荷量［Ｃ］、ｎｆ：接合定数、ｐ：日射量［ｋＷ／ｍ^２］である。

Ｉ＝Ｉｓｃ・ｐ－Ｉｓ・｛ｅｘｐ（（ｑ・（Ｖ／Ｎ_ｃｅｌｌ））／（ｎ_ｆ・ｋ・Ｔ））｝・・・（１）

図２は、太陽光発電システムの構成例を示す図である。太陽光発電システムは、複数の太陽電池ストリング１を束ねるパワーコンディショナ２１、ＤＣ・ＤＣコンバータ２３、インバータ２４によって構成される。パワーコンディショナ２１は、太陽電池ストリング１に電流が流れ込むのを防止するための逆流防止ダイオード２１ａおよび２１ｃ、電流経路を遮断するための遮断器２１ｂおよび２１ｄ、を備える。ＤＣ・ＤＣコンバータ２３によって、複数の太陽電池ストリング１は一括で制御される。ＤＣ・ＤＣコンバータ２３によって昇降圧された直流電圧と直流電流は、インバータ２４によって交流に変換され系統に連系される。

電池診断装置１００は、太陽電池モジュール１ａ（または太陽電池ストリング１）の状態を診断する装置である。電池診断装置１００は、データ取得部１１０と演算部１２０を備える。データ取得部１１０は、太陽電池モジュール１ａの動作電圧と動作電流を記述したデータを取得する。例えばパワーコンディショナ２１に接続された計測器からこれらを取得してもよいし、その他適当な計測装置からこれらを取得してもよい。演算部１２０は、その動作電圧と動作電流を用いて、太陽電池モジュール１ａの状態を診断する。診断手順については後述する。

図３は、太陽光発電システムの別構成例を示す図である。図２においては、単一のＤＣ・ＤＣコンバータ２３に対して複数の太陽電池ストリング１が並列接続されているが、図３においては太陽電池ストリング１ごとにＤＣ・ＤＣコンバータ２３（それぞれ２３ａと２３ｂ）を備えている。各ＤＣ・ＤＣコンバータ２３は、インバータ２４に対して並列接続されている。

図４は、部分陰状態を模式的に示す図である。太陽電池ストリング１からの出力電圧は、各太陽電池モジュール１ａからの出力電圧の総和である。太陽電池ストリング１が有する太陽電池モジュール１ａのうちいずれか一部が陰状態になると、太陽電池ストリング１の動作状態が変動する。同様に、太陽電池モジュール１ａの一部が陰状態になった場合においても、太陽電池モジュール１ａの動作状態が変動する。いずれの場合においても、太陽電池制御装置は、陰状態の下で発電効率が最大となるように、動作電圧や動作電流を制御する。

図５は、部分陰が生じたときにおける太陽電池の動作状態の変動を説明する図である。図５上段はＩＶ特性（太陽電池の動作電流Ｉと動作電圧Ｖ）を示し、図５下段はＰＶ特性（太陽電池の出力電力Ｐと動作電圧Ｖ）を示す。太陽電池は正常動作時において、出力電力Ｐが最大となる動作点で動作する。部分陰が生じると、動作電流Ｉと出力電力Ｐが低下する。太陽電池制御装置はその後、新たな最適動作点（出力電力Ｐが最大となる動作点）を探索する。この新たな最適動作点は、局所解に捕捉されることによって必ずしも最適ではない場合がある。

特に部分陰が生じた場合においては、動作電流Ｉと出力電力Ｐの低下量がわずかなことがある。このとき、新たな最適動作点へ遷移したとしても、その遷移幅もわずかであるので、部分陰が生じたことを検出できない可能性がある。したがって、部分陰を精度よく検出することができる手法が望まれる。

図６は、部分断線状態を示す図である。ここでは１つの太陽電池ストリング１とパワーコンディショナ２１との間のケーブルが断線した例を示した。断線した太陽電池ストリング１はパワーコンディショナ２１から切断され、その他の太陽電池ストリング１は接続されたままとなる。

図７は、部分断線状態におけるＩＶ特性の例を示す。ここでは２つの太陽電池ストリングのうち１つが断線した例を示した。正常動作時における動作電流は、部分断線状態において日射量が２倍であるときの動作電流と略同じである。太陽電池の動作状態は、動作電流と動作電圧によって判断するので、動作電流が同じであれば同じ動作状態とみなされる可能性がある。したがって図７のような例においては、制御装置は部分断線が生じたことを検知できない場合がある。換言すると制御装置は、部分断線が生じたとしても、部分断線が生じたのではなく日射量が変動したものとして、正常時における制御処理を継続する可能性がある。したがって、部分断線を精度よく検出することができる手法が望まれる。

本発明者は、太陽電池の動作特性を、標準日射量と標準温度の下における値へ換算することにより、部分陰や部分断線が生じた場合であってもこれらを検知できることを見出した。以下ではその原理について説明する。

図８は、正常動作時におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。太陽電池が動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥにおいて動作しているものとする（図８（ａ））。正常動作時において、後述する手順によって太陽電池の温度を算出した場合、その算出した温度は太陽電池の実際の温度とよく合致する（図８（ｂ））。さらに、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、後述する手順によって標準日射量と標準温度（ＳＴａｎｄａｒｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ：ＳＴＣと呼ぶ）の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算したとき、その換算値は、標準日射量と標準温度における製品仕様値として定められている標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}および標準動作電圧Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}とよく合致する（図８（ｃ））。

図９は、部分陰状態におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。部分陰発生後、制御装置が動作電圧と動作電流を再調整することにより、太陽電池が動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥにおいて動作しているものとする（図９（ａ））。部分陰状態において、後述する手順によって太陽電池の温度を算出した場合、その算出した温度は太陽電池の実際の温度よりも小さい（図９（ｂ））。この場合、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、後述する手順によって標準日射量と標準温度の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算したとき、その換算値は、標準日射量と標準温度における製品仕様値として定められている標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりも大きくなる（図９（ｃ））。これは、計算した温度Ｔが実際温度よりも小さいので、補正が小さく発生することによると考えられる。

図１０は、部分断線状態におけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。部分断線時、太陽電池が動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥにおいて動作しているものとする（図１０（ａ））。部分断線状態において、後述する手順によって太陽電池の温度を算出した場合、その算出した温度は太陽電池の実際の温度よりも小さい（図１０（ｂ））。この場合、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、後述する手順によって標準日射量と標準温度の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算したとき、その換算値は、標準日射量と標準温度における製品仕様値として定められている標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりも大きくなる（図１０（ｃ））。これは、計算した温度Ｔが実際温度よりも小さいので、補正が小さく発生することによると考えられる。

図９～図１０によれば、動作電流と動作電圧を、標準日射量と標準温度の下における値へ換算したとき、換算標準電流Ｉ_Ｐ０が標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりも大きければ、少なくとも部分陰または部分断線が発生していると推定できることが分かる。本実施形態１においてはこのことを利用し、動作電流と動作電圧を用いて部分陰や部分断線を検知することができないと従来は考えられていた場合であっても、これらを検知可能とした。

図１１Ａ～図１１Ｂは、電池診断装置１００が太陽電池の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。電池診断装置１００は、例えば診断を実施するように指示されたときや所定周期ごとなどの適当なタイミングで、本フローチャートを実施する。以下図１１Ａ～図１１Ｂの各ステップを説明する。各ステップにおける計算式の導出過程については後述する。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０１：その１）
データ取得部１１０は、太陽電池の動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを記述した測定データを取得する。ここでいう太陽電池とは、診断対象となっている電池のことである。したがってデータ取得部１１０は、太陽電池セル１２ａを診断するのであれば太陽電池セル１２ａの動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを取得し、太陽電池モジュール１ａを診断するのであれば太陽電池モジュール１ａの動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを取得する。以下のステップにおいても同様に、太陽電池とは、診断対象となっている電池のことである。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０１：その２）
データ取得部１１０はさらに、太陽電池の仕様値を記述した仕様データを取得する。仕様データは以下の仕様値を記述している。（ａ）短絡電流Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}、（ｂ）開放電圧Ｖ_{ＯＣ＿ＳＴ}、（ｃ）最適動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}、（ｄ）最適動作電圧Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}、（ｅ）後述する計算式における係数αとβ。αは短絡電流の温度特性［％／℃］であり、βは動作電圧の温度特性［ｍＶ／℃］である。仕様データは例えばパワーコンディショナ２１から取得してもよいし、電池診断装置１００が備える記憶装置にあらかじめ格納しておいてもよい。その他適当な手段によって取得してもよい。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０２）
演算部１２０は、短絡電流Ｉ_ＳＣを仕様値Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}によって初期化する。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０３）
図１１Ａ～図１１Ｂは、太陽電池に対する日射量を検出するセンサと太陽電池の温度を検出するセンサを用いないことを前提としている。そこで演算部１２０は、太陽電池に対する想定日射量ｐを計算する。想定日射量ｐは、標準日射量時の短絡電流Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}に対する現在日射量時の短絡電流の比として表すことができる。現在日射量における現在動作電流はＩ_ＰＥであるから、現在日射量における短絡電流はＩ_ＰＥ／ｊと定義できる。したがって想定日射量ｐは、（現在日射量における短絡電流）／Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}、すなわち下記式２によって表される。この式を用いるのは、現在日射量における最大電力動作点を特定できない事情がある場合において有用である。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０３：計算式）
ｐ＝（Ｉ_ＰＥ／ｊ）／Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ} ・・・（２）
ｊ＝（現在日射量における現在動作点の動作電流）／（現在日射量における短絡電流）

（図１１Ａ：ステップＳ１１０４）
演算部１２０は、式１において、２９８Ｋ時のｋＴ／ｑ＝０．０２６を用いて、想定日射量ｐと電池温度Ｔ＝２９８Ｋにおける動作電圧Ｖ_Ｐを、下記式にしたがって算出する。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０４：計算式）
Ｖ_ｐ＝ｎ_ｆ・０．０２６・Ｎ_ｃｅｌｌ・ｌｎ（ｐ）＋Ｖ_{ｏｐ＿ＳＴ}

（図１１Ａ：ステップＳ１１０５）
演算部１２０は、太陽電池の想定温度Ｔを、下記式７にしたがって計算する。βは一般にシリコンの温度特性であり、約－２ｍＶ／Ｋである。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０５：計算式）
Ｔ＝２９８＋（Ｖ_ＰＥ－Ｖ_ｐ）／（Ｎ_ｃｅｌｌ・β） ・・・（７）

（図１１Ａ：ステップＳ１１０６）
演算部１２０は、Ｓ１１０３～Ｓ１１０５を所定回数以上（例えば３回）繰り返した場合はステップＳ１１０８へスキップ、繰り返していない場合はＳ１１０７を実施した後にＳ１１０３へ戻る。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０７）
演算部１２０は、短絡電流Ｉ_ＳＣを、下記式にしたがって更新し、ステップＳ１１０３へ戻る。

（図１１Ａ：ステップＳ１１０７：計算式）
Ｉ_ＳＣ＝Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}・｛１＋（α・（Ｔ－２９８））／１００｝

（図１１Ｂ：ステップＳ１１０８）
演算部１２０は、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、それぞれ下記式にしたがって、標準日射量と標準温度の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算する。

（図１１Ｂ：ステップＳ１１０８：計算式）
Ｖ_Ｐ０＝（Ｖ_ＰＥ－（Ｎ_ｃｅｌｌ・ｎ_ｆ・０．０２６／２９８・Ｔ・ｌｎ（ｐ））） －Ｎ_ｃｅｌｌ・β・（２９８－Ｔ）
Ｉ_Ｐ０＝｛（Ｉ_ＰＥ／ｊ）／ｐ・（１＋α・（２９８－Ｔ）／１００）｝・ｊ

（図１１Ｂ：ステップＳ１１０９）
演算部１２０は、Ｓ１１０８において計算したＩ_Ｐ０が、標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりも大きいか否かを判定する。Ｉ_Ｐ０のほうが大きければＳ１１１０へ進み、それ以外であればＳ１１１１へ進む。Ｉ_Ｐ０がＩ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりもわずかでも大きければＳ１１１０へ進んでもよいし、判定閾値を設けてもよい。例えば、Ｉ_Ｐ０－Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}＞判定閾値であればＳ１１１０へ進み、それ以外であればＳ１１１１へ進んでもよい。

（図１１Ｂ：ステップＳ１１１０～Ｓ１１１１）
演算部１２０は、Ｓ１１０９の判断がＹｅｓであれば、太陽電池に部分陰または部分断線が生じていると判定し、その旨の診断結果を出力する。Ｓ１１０９の判断がＮｏであれば、太陽電池が正常動作している旨の診断結果を出力する。

図１２は、図１１Ａ～図１１Ｂの変形例である。太陽電池に対する日射量ｐと太陽電池の温度Ｔそれぞれの計測値を取得できるのであれば、Ｓ１１０２～Ｓ１１０７は省略することができる。ただしこの場合は、Ｓ１１０１において、日射量ｐと温度Ｔを記述した測定データをデータ取得部１１０が取得する必要がある。測定データは例えばパワーコンディショナ２１から取得してもよいし、その他適当な計測器などから取得してもよい。

＜実施の形態１：Ｓ１１０４における計算式の導出過程＞
式１において、Ｉ_ＳＣ＝Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}、２９８Ｋ時のｋＴ／ｑ＝０．０２６、Ｉ＝Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}・ｐ・ｊを用いると、Ｖ_ｐは下記式３によって表すことができる。

Ｖ_ｐ＝ｎ_ｆ・０．０２６・ｌｎ（（（１－ｊ）・Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}・ｐ）／Ｉｓ）・・・（３）

ｐ＝１．０の時の標準動作電圧Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}は、下記式４によって表される。

Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}＝ｎ_ｆ・０．０２６・ｌｎ（（（１－ｊ）・Ｉ_{ＳＣ＿ＳＴ}）／Ｉｓ）・・・（４）

式３から式４を引いて、電圧差を算出すると、下記式５を得る。

Ｖ_ｐ－Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}＝ｎ_ｆ・０．０２６・ｌｎ（ｐ）・・・（５）

したがって下記式６を導出できる。Ｓ１１０４においてはこの式６を用いる。

Ｖ_ｐ＝（Ｖ_ｐ－Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}）＋Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}
＝ｎ_ｆ・０．０２６・ｌｎ（ｐ）＋Ｖ_{ＯＰ＿ＳＴ}・・・（６）

＜実施の形態１：Ｓ１１０８における計算式の導出過程＞
ＳＴＣは、日射量１．０ｋＷ／ｍ^２、温度２９８Ｋである。温度Ｔにおける逆方向飽和電流をＩ_Ｓ＿Ｔとすると、式３を変形して下記式８と式９を得る。

Ｖ_ＰＥ＝ｎ_ｆ・０．０２６／２９８・Ｔ・ｌｎ（（（１－ｊ）・Ｉｓｃ・ｐ）／Ｉ_Ｓ＿Ｔ）・・・（８）
Ｖ_Ｐ１＝ｎ_ｆ・０．０２６／２９８・Ｔ・ｌｎ（（（１－ｊ）・Ｉｓｃ）／Ｉ_Ｓ＿Ｔ）・・・（９）

式８から式９をひくと、下記式１０を得る。

Ｖ_ＰＥ－Ｖ_Ｐ１＝ｎ_ｆ・０．０２６／２９８・Ｔ・ｌｎ（ｐ）・・・（１０）

したがってＶ_Ｐ１は下記式１１によって表すことができる。

Ｖ_Ｐ１＝Ｖ_ＰＥ－（Ｖ_ＰＥ－Ｖ_Ｐ１）
＝Ｖ_ＰＥ－ｎ_ｆ・０．０２６／２９８・Ｔ・ｌｎ（ｐ）・・・（１１）

Ｖ_Ｐ１を常温であるＶ_Ｐ０に変換すると下記式１２を得る。式１１を式１２へ代入することにより、Ｓ１１０８における計算式を得る。

Ｖ_Ｐ０＝Ｖ_Ｐ１－β・Ｎ_ｃｅｌｌ・（２９８－Ｔ）・・・（１２）

Ｖ_Ｐ０を算出した後で、Ｉ_Ｐ０を求める。温度ＴにおけるＩｓｃは、下記式１３で表される。

Ｉｓｃ＝（Ｉ_ＰＥ／ｊ）／ｐ・・・（１３）

Ｉｓｃを常温時におけるＩｓｃ０に戻すと、下記式１４を得る。

Ｉｓｃ０＝（（Ｉ_ＰＥ／ｊ）／ｐ）・（１＋α・（２９８－Ｔ）／１００）・・・（１４）

よって、Ｉ_Ｐ０は下記式１５で表される。Ｓ１１０８においてはこの式１５を用いる。

Ｉ_Ｐ０＝Ｉｓｃ０・ｊ
＝ｊ・（（Ｉ_ＰＥ／ｊ）／ｐ）・（１＋α・（２９８－Ｔ）／１００）・・・（１５）

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る電池診断装置１００は、動作電流Ｉ_ＰＥと動作電圧Ｖ_ＰＥを、ＳＴＣにおける値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算し、その換算標準電流Ｉ_Ｐ０が標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}を超えていれば、部分陰または部分断線が生じていると診断する。Ｉ_ＰＥをＳＴＣにおける値Ｉ_Ｐ０へ換算した後に標準電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}と比較することにより、動作電流Ｉ_ＰＥから診断することが困難な部分陰や部分断線を、精度よく検知することができる。

本実施形態１に係る電池診断装置１００は、日射量の測定値と電池温度の測定値が得られない場合は、動作電流Ｉ_ＰＥと動作電圧Ｖ_ＰＥと仕様値を用いて想定日射量ｐと想定温度Ｔを計算することを繰り返すことにより、日射量と電池温度を推定する。これにより、例えば小規模設備などのように測定値が得られない環境においても、部分陰や部分断線を精度よく検知することができる。

＜実施の形態２＞
実施形態１においては、部分陰または部分断線のいずれかを診断することを説明した。本発明の実施形態２では、これに加えて太陽電池自体の故障が発生しているか否かを診断する動作例を説明する。さらに、部分陰と部分断線を区別する動作例を説明する。太陽電池システムの構成は実施形態１と同じである。

図１３は、太陽電池が故障したときにおけるＩＶ特性を標準日射量と標準温度の下における値へ換算する例を示す。故障時において、太陽電池が動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥにおいて動作しているものとする（図１３（ａ））。故障状態において、図１１Ａの手順によって太陽電池の温度を算出した場合、その算出した温度は太陽電池の実際の温度よりも大きい（図１３（ｂ））。これにより、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、図１１Ａ～図１１Ｂの手順によって標準日射量と標準温度の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算したとき、その換算値は、標準日射量と標準温度における製品仕様値として定められている標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}よりも小さくなる（図１３（ｃ））。これは、計算した温度Ｔが実際温度よりも大きいので、過補正が発生することによると考えられる。

太陽電池が故障しているとは、太陽電池が正常な電圧や電流を出力できない状態のことである。例えば以下の状態がこれに該当する。（ａ）太陽電池モジュール１ａ内のいずれかの太陽電池セル１２ａが破損して動作しなくなった場合、その太陽電池セル１２ａは故障している。（ｂ）さらにバイパスダイオード１２ｂが動作して太陽電池モジュール１ａがバイパスされるようになった場合、その太陽電池モジュール１ａも故障していることになる。（ｃ）太陽電池セル１２ａまたは太陽電池モジュール１ａが経年劣化し、その劣化程度が許容範囲を超えた場合、その太陽電池セル１２ａまたは太陽電池モジュール１ａは故障している。

図１４は、本実施形態２において電池診断装置１００が太陽電池の状態を診断する手順を説明するフローチャートである。電池診断装置１００は、例えば診断を実施するように指示されたときや所定周期ごとなどの適当なタイミングで、本フローチャートを実施する。以下図１４の各ステップを説明する。

（図１４：ステップＳ１４００）
データ取得部１１０は、測定データを取得する。測定データは例えば、太陽電池の動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを１分間隔である程度の長時間（例：１日）にわたって記述したデータである。データ取得部１１０はさらに、仕様データを取得する。

（図１４：ステップＳ１４０１）
演算部１２０は、動作電圧Ｖ_ＰＥと動作電流Ｉ_ＰＥを、標準日射量と標準温度の下における値（Ｖ_Ｐ０，Ｉ_Ｐ０）へ換算する。計算手順は図１１Ａ～図１２で説明したものと同じである。

（図１４：ステップＳ１４０２）
演算部１２０は、標準日射量と標準温度の下における値へ換算した換算標準電流Ｉ_Ｐ０が標準動作電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}以下であるか否かを判定する。Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}以下であればＳ１４０３へ進み、それ以外であればＳ１４０４へ進む。Ｓ１１０９と同様に、判定閾値を設けてもよい。例えば、Ｉ_Ｐ０＞Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}＋判定閾値であればＳ１４０４へ進み、Ｉ_Ｐ０≦Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}－判定閾値であればＳ１４０３へ進み、それ以外であればＳ１４０３へ進んで太陽電池が正常であると診断してもよい。

（図１４：ステップＳ１４０３）
演算部１２０は、Ｉ_Ｐ０がＩ_{ＯＰ＿ＳＴ-}よりも閾値以上下回っていれば、太陽電池が故障していると診断する。演算部１２０は、Ｉ_Ｐ０とＩ_{ＯＰ＿ＳＴ-}との間の差分が閾値以内であれば、太陽電池が正常であると診断する。

（図１４：ステップＳ１４０４）
演算部１２０は、太陽電池が部分陰または部分断線していると診断する。

（図１４：ステップＳ１４０５～Ｓ１４０６）
演算部１２０は、測定データが記述している測定値のうち所定時間分（例えば８時間分）にわたってＳ１４０１～Ｓ１４０４を完了した場合はＳ１４０７へ進み（Ｓ１４０５：Ｙｅｓ）、完了していなければ（Ｓ１４０５：Ｎｏ）次の測定データに進んで（Ｓ１４０６）Ｓ１４０１～Ｓ１４０４を実施する。

（図１４：ステップＳ１４０７～Ｓ１４０９）
演算部１２０は、Ｓ１４０２においてＩ_Ｐ０がＩ_{ＯＰ＿ＳＴ}を超えている（またはＩ_{ＯＰ＿ＳＴ}を閾値以上超えている、以下同様）時間が一時的である場合は（Ｓ１４０７：Ｙｅｓ）、太陽電池に部分陰が生じていると診断する（Ｓ１４０８）。演算部１２０は、Ｓ１４０２においてＩ_Ｐ０がＩ_{ＯＰ＿ＳＴ}を超えている時間が一時的ではない場合は（Ｓ１４０７：Ｎｏ）、太陽電池に部分断線が生じていると診断する（Ｓ１４０９）。

（図１４：ステップＳ１４０７：補足）
本ステップにおいて、一時的であるか否かは、例えば所定時間連続してその状態が継続しているか否かによって判断すればよい。このときの判断時間長は、Ｓ１４００において取得する測定データの測定期間と必ずしも同じでなくてもよい。例えばＳ１４００においては１日分の測定データを蓄積し、Ｓ１４０７においてはＩ_Ｐ０がＩ_{ＯＰ＿ＳＴ}を超えている状態が８時間以上連続していれば部分断線と判断してもよい。

＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る電池診断装置１００は、換算標準電流Ｉ_Ｐ０が標準電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}を閾値以上下回っていれば、太陽電池が故障していると診断する。これにより、部分陰と部分断線に加えて故障を診断することができる。

本実施形態２に係る電池診断装置１００は、換算標準電流Ｉ_Ｐ０が標準電流Ｉ_{ＯＰ＿ＳＴ}を超えている状態が一時的であれば部分陰と診断し、一時的でなければ部分断線と診断する。これにより、部分陰と部分断線を区別することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態において、電池診断装置１００はパワーコンディショナ２１に接続されているが、電池診断装置１００の配置はこれに限るものではなく、太陽電池の動作電圧と動作電流を取得できるのであればその他任意の配置をとることができる。例えばパワーコンディショナ２１の一部を電池診断装置１００として構成することもできる。

以上の実施形態において、データ取得部１１０と演算部１２０は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。

１：太陽電池ストリング
１ａ：太陽電池モジュール
１２ａ：太陽電池セル
１００：電池診断装置
１１０：データ取得部
１２０：演算部

Claims (14)

1. 太陽電池の状態を診断する電池診断装置であって、
   前記太陽電池の動作点における動作電流と前記動作点における動作電圧を取得するデータ取得部、
   前記動作電流と前記動作電圧を用いて前記太陽電池を診断する演算部、
   を備え、
   前記演算部は、前記動作電流と前記動作電圧を、前記太陽電池が標準日射量と標準温度の下で動作していると仮定した場合における値へ換算した、換算標準電流と換算標準電圧へ換算し、
   前記演算部は、前記太陽電池が前記標準日射量と前記標準温度の下で動作しているときの標準電流よりも、前記換算標準電流のほうが第１閾値以上大きければ、前記太陽電池が部分陰状態であるかまたは前記太陽電池が部分断線状態にある旨の診断結果を出力する
   ことを特徴とする電池診断装置。
2. 前記データ取得部は、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを記述した測定データを取得し、
   前記データ取得部はさらに、前記太陽電池の仕様値を記述した仕様データを取得し、
   前記演算部は、前記測定日射量と前記測定温度と前記仕様値を用いて、前記換算標準電流と前記換算標準電圧を計算する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池診断装置。
3. 前記データ取得部は、前記太陽電池の仕様値を記述した仕様データを取得し、
   前記演算部は、前記仕様値を用いて前記太陽電池に対する仮想日射量を計算するとともに前記仕様値を用いて前記太陽電池の仮想温度を計算する、推定処理を繰り返し実施することにより、前記太陽電池に対する日射量と前記太陽電池の温度を推定する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池診断装置。
4. 前記仕様データは、前記仕様値として、前記太陽電池の短絡電流と前記太陽電池の最適動作電圧を記述しており、
   前記演算部は、前記推定処理のなかで、前記動作電流と前記短絡電流を用いて、前記仮想日射量を計算し、
   前記演算部は、前記推定処理のなかで、前記仮想日射量と前記最適動作電圧を用いて、前記仮想日射量と前記標準温度の下における前記太陽電池の仮想動作電圧を計算し、
   前記演算部は、前記推定処理のなかで、前記仮想動作電圧と前記動作電圧を用いて、前記仮想温度を計算する
   ことを特徴とする請求項３記載の電池診断装置。
5. 前記演算部は、前記標準電流よりも、前記換算標準電流のほうが第２閾値以上小さければ、前記太陽電池が故障している旨の診断結果を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池診断装置。
6. 前記データ取得部は、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを、測定期間にわたって記述した測定データを取得し、
   前記演算部は、前記標準電流と前記換算標準電流を比較する処理を、前記測定期間のうち所定時間にわたるものに対して実施し、
   前記演算部は、前記標準電流よりも前記換算標準電流のほうが前記第１閾値以上大きい状態が前記所定時間以上連続している場合は、前記太陽電池が部分断線状態にある旨の診断結果を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池診断装置。
7. 前記データ取得部は、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを、測定期間にわたって記述した測定データを取得し、
   前記演算部は、前記標準電流と前記換算標準電流を比較する処理を、前記測定期間のうち所定時間にわたるものに対して実施し、
   前記演算部は、前記標準電流よりも前記換算標準電流のほうが前記第１閾値以上大きい状態が、前記所定時間のなかで一時的に生じている場合は、前記太陽電池が部分陰状態にある旨の診断結果を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池診断装置。
8. 太陽電池の状態を診断する電池診断方法であって、
   前記太陽電池の動作点における動作電流と前記動作点における動作電圧を取得するステップ、
   前記動作電流と前記動作電圧を用いて前記太陽電池を診断するステップ、
   を有し、
   前記診断するステップにおいては、前記動作電流と前記動作電圧を、前記太陽電池が標準日射量と標準温度の下で動作していると仮定した場合における値へ換算した、換算標準電流と換算標準電圧へ換算し、
   前記診断するステップにおいては、前記太陽電池が前記標準日射量と前記標準温度の下で動作しているときの標準電流よりも、前記換算標準電流のほうが第１閾値以上大きければ、前記太陽電池が部分陰状態であるかまたは前記太陽電池が部分断線状態にある旨の診断結果を出力する
   ことを特徴とする電池診断方法。
9. 前記取得するステップにおいては、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを記述した測定データを取得し、
   前記取得するステップにおいてはさらに、前記太陽電池の仕様値を記述した仕様データを取得し、
   前記診断するステップにおいては、前記測定日射量と前記測定温度と前記仕様値を用いて、前記換算標準電流と前記換算標準電圧を計算する
   ことを特徴とする請求項８記載の電池診断方法。
10. 前記取得するステップにおいては、前記太陽電池の仕様値を記述した仕様データを取得し、
    前記診断するステップにおいては、前記仕様値を用いて前記太陽電池に対する仮想日射量を計算するとともに前記仕様値を用いて前記太陽電池の仮想温度を計算する、推定処理を繰り返し実施することにより、前記太陽電池に対する日射量と前記太陽電池の温度を推定する
    ことを特徴とする請求項８記載の電池診断方法。
11. 前記仕様データは、前記仕様値として、前記太陽電池の短絡電流と前記太陽電池の最適動作電圧を記述しており、
    前記診断するステップにおいては、前記推定処理のなかで、前記動作電流と前記短絡電流を用いて、前記仮想日射量を計算し、
    前記診断するステップにおいては、前記推定処理のなかで、前記仮想日射量と前記最適動作電圧を用いて、前記仮想日射量と前記標準温度の下における前記太陽電池の仮想動作電圧を計算し、
    前記診断するステップにおいては、前記推定処理のなかで、前記仮想動作電圧と前記動作電圧を用いて、前記仮想温度を計算する
    ことを特徴とする請求項１０記載の電池診断方法。
12. 前記診断するステップにおいては、前記標準電流よりも、前記換算標準電流のほうが第２閾値以上小さければ、前記太陽電池が故障している旨の診断結果を出力する
    ことを特徴とする請求項８記載の電池診断方法。
13. 前記取得するステップにおいては、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを、測定期間にわたって記述した測定データを取得し、
    前記診断するステップにおいては、前記標準電流と前記換算標準電流を比較する処理を、前記測定期間のうち所定時間にわたるものに対して実施し、
    前記診断するステップにおいては、前記標準電流よりも前記換算標準電流のほうが前記第１閾値以上大きい状態が前記所定時間以上連続している場合は、前記太陽電池が部分断線状態にある旨の診断結果を出力する
    ことを特徴とする請求項８記載の電池診断方法。
14. 前記取得するステップにおいては、前記太陽電池に対する日射量を測定することにより得た測定日射量と、前記太陽電池の温度を測定することにより得た測定温度とを、測定期間にわたって記述した測定データを取得し、
    前記診断するステップにおいては、前記標準電流と前記換算標準電流を比較する処理を、前記測定期間のうち所定時間にわたるものに対して実施し、
    前記診断するステップにおいては、前記標準電流よりも前記換算標準電流のほうが前記第１閾値以上大きい状態が、前記所定時間のなかで一時的に生じている場合は、前記太陽電池が部分陰状態にある旨の診断結果を出力する
    ことを特徴とする請求項８記載の電池診断方法。

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