JPH10322885A - 太陽光発電装置 - Google Patents

太陽光発電装置

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JPH10322885A
JPH10322885A JP9123989A JP12398997A JPH10322885A JP H10322885 A JPH10322885 A JP H10322885A JP 9123989 A JP9123989 A JP 9123989A JP 12398997 A JP12398997 A JP 12398997A JP H10322885 A JPH10322885 A JP H10322885A
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photovoltaic power
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Nobuyoshi Takehara
信善 竹原
Hiroshi Kondo
博志 近藤
Masamichi Kurokami
誠路 黒神
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の太陽電池モジュールを直列及び／又は
並列に接続してなる太陽電池アレイ、非絶縁型の系統連
系インバーター、及び漏電遮断器を備えた太陽光発電装
置の、漏電遮断器の不要動作を無くす事。 【解決手段】 少なくとも、太陽電池、非絶縁型の系統
連系インバーター、及び漏電遮断器を備えた太陽光発電
装置において、太陽電池の対地浮遊容量Ｃａ（μＦ）と
漏電遮断器の定格感度電流ＥＬ（ｍＡ）の間に、Ｃａ＜
ＥＬ／３ なる関係を有することを特徴とする太陽光発
電装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は太陽光発電装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】住宅用太陽光発電装置も、いよいよ普及
期を迎えており、コストダウンに向けた研究が盛んであ
る。この切り札として、架台の不要な屋根一体型の太陽
電池モジュールと非絶縁型（いわゆるトランスレス）イ
ンバーターが実用化されつつある。トランスレスインバ
ータは効率が高く且つ安価である為、近年広く用いられ
ている。
【０００３】図1は一般的な系統連係型太陽光発電装置
の例である。太陽電池アレイ1からインバーター2を介し
て電力系統３、及び／又は需要家内の負荷6に電力を送
出する。インバーターと電力系統の間には漏電遮断器4
a、4bが設けられ、需要家内で漏電故障が生じた場合に
電力系統を完全に切り離すようにしてある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが太陽電池は屋
外で比較的広い面積（たとえば３ＫＷの容量では３０ｍ
2程度）にわたって設置されるために、太陽電池アレイ
１と地面との間に浮遊容量５を持ってしまい、このため
に微少な漏電電流が生じて、漏電遮断器4a又は4bを不要
動作させてしまう恐れのあることが平成８年電気学会産
業応用部門全国大会論文番号７７にて古川氏らによって
指摘されている。
【０００５】実際に漏電遮断器、特に系統電力との接続
点の漏電遮断器4aが作動してしまうと需要家が停電して
しまう。また太陽光発電用インバーターと接続している
漏電遮断器4bの遮断動作が起きると太陽光発電が行われ
なくなり発電量損失を生じてしまう。
【０００６】このことは太陽電池アレイ1が電力系統3又
は負荷6に、絶縁トランスを介さずに直接接続されるト
ランスレスインバータを用いる場合に特有の問題であ
る。また、金属基板を有する太陽電池素子を金属補強板
(屋根材)上に樹脂封止した屋根材一体型太陽電池におい
ては、金属補強板が接地されており、金属基板と金属補
強板との間に比較的大きな浮遊容量を持つ為、前述のよ
うな漏電遮断器の不要動作が生じ易い。
【０００７】前記論文中では漏電（地絡）電流の生じる
原因と、その電流値について記述されているが、どの程
度の浮遊容量まで漏電遮断器が耐えられるのか明確にさ
れていなかった。このため、どういう感度の漏電遮断器
に対して、どの程度の浮遊容量までの太陽電池アレイを
設置することができるか明らかではなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記問題点は、少なくと
も、太陽電池、非絶縁型の系統連系インバーター、及び
漏電遮断器を備えた太陽光発電装置において、太陽電池
の対地浮遊容量Ｃａ（μＦ）と漏電遮断器の定格感度電
流ＥＬ（ｍＡ）の間に、Ｃａ＜ＥＬ／３ なる関係を有
することを特徴とする太陽光発電装置によって解決でき
る。
【０００９】かかる太陽光発電装置にあっては、浮遊容
量による太陽電池からの漏れ電流が漏電遮断器の不感領
域になるために、漏電遮断器が不要動作を起こさないの
である。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の太陽光発電装置は、図1
において、太陽電池アレイ1の対地浮遊容量Ｃａ（μ
Ｆ）と漏電遮断器4ａ、4ｂの感度ＥＬ（ｍＡ）の間に、
Ｃａ＜ＥＬ／３なる関係が成り立つように、太陽電池ア
レイ1を構成する太陽電池モジュールの枚数、及び／又
は漏電遮断器4ａ、4ｂの定格感度電流を決定し、太陽光
発電装置を構成するものである。
【００１１】太陽電池アレイ1の対地浮遊容量Ｃａは、
図5に示すように、プラス端子31とマイナス端子32を短
絡し、接地面との間にインピーダンス測定器30を配して
測定することができる。
【００１２】以下、本発明の太陽光発電装置の構成要素
を説明する。
【００１３】（太陽電池アレイ1）太陽電池アレイ1は複
数の太陽電池モジュールを直列及び／又は並列に接続し
たものである。太陽電池モジュールとしては、補強板上
に太陽電池素子を充填材樹脂で封止したものが好適に用
いられる。
【００１４】太陽電池素子としては、結晶シリコン太陽
電池素子、多結晶シリコン太陽電池素子、アモルファス
シリコン太陽電池素子、銅インジウムセレナイド太陽電
池素子等の化合物半導体太陽電池素子等が挙げられる。
特に長尺の金属基板上にCVD法によって作製するアモル
ファスシリコン太陽電池素子は製造コスト削減に有利で
ある。
【００１５】補強板としては、金属、ガラス、プラスチ
ック、ＦＲＰなどを用いることができる。
【００１６】充填材としては、エチレン−酢酸ビニル共
重合体（ＥＶＡ）、エチレン−アクリル酸メチル共重合
体（ＥＭＡ）、エチレン−アクリル酸エチル共重合体
（ＥＥＡ）、ブチラール樹脂などのポリオレフィン系樹
脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【００１７】さらに、表面保護フィルムとして、フッ素
樹脂、アクリル樹脂などの樹脂フィルムを設ける。
【００１８】補強板として金属板を用いた太陽電池モジ
ュールの場合、該金属補強板を折り曲げ加工することに
より、壁材、屋根材などの建材とする事ができる。図8
はそのような屋根材一体型太陽電池モジュールの例で、
（a）は棟側係止部８１と軒側係止部８２を互いにはぜ
組む屋根材、（b）は野地板８５上に固定された固定部
材８４に係止部８３を嵌挿する屋根材、（c）は隣り合
う屋根材同士の係止部８６をキャップ８７で係止する屋
根材で、それぞれの屋根材の受光面には光起電力デバイ
ス８０が設けられている。
【００１９】補強板としてガラスを用いた太陽電池モジ
ュールの場合、周囲を金属フレームで補強したものが好
適に用いられる。
【００２０】（インバータ2）インバータ2は直流側（太
陽電池側）と交流側（商用系統・負荷側）との間に絶縁
トランスを使用しないトランスレスインバータで、トラ
ンスを使用しない為に変換効率が高く、軽量で、コスト
も安くなるという優れた利点がある。しかしながら、商
用交流系統（これは接地されている）との絶縁が取れな
いという宿命がある。
【００２１】また商用交流系統と連繋する為には「連繋
技術ガイドライン」によって定められた一連の保護機能
を具備しておく必要がある。
【００２２】（漏電遮断器4a、4b）漏電遮断機4a、4b
は、零相電流（正負電流の和）を検出し、それが定格感
度電流（漏電検出感度）を超える値になった時に遮断動
作を行う。また、定格不動作電流より小さい値の場合
（不感帯）には遮断動作は起こらない。一般に定格不動
作電流の大きさは定格感度電流の大きさの半分に設定さ
れている。定格感度電流は15mAから100mAの間で種々の
値に設定されたものが市販されており、使用する電気機
器に応じて適当なものが選択される。また、漏電遮断機
は過電流保護機能を併せ持つことが多い。
【００２３】
【実施例】本発明の、太陽電池アレイの対地浮遊容量Ｃ
ａと漏電遮断器感度ＥＬとの関係は以下の実験により見
出されたものである。
【００２４】（実験1） 〔条件1〕図1に示す太陽光発電装置を作製した。太陽電
池アレイ1として、１００枚の太陽電池モジュールを接
続して構成した。これらは地上に金属架台を用いて設置
され、傾斜角を３０度とし、真南を向けて設置した。
【００２５】図2は太陽電池モジュール9の断面図で、金
属板補強板10の上にアモルファス太陽電池セル11をＥＶ
Ａ樹脂からなる樹脂接着剤12で固着し、その表面にはＥ
ＴＦＥフィルムからなる表面保護フィルム13を設けたも
のである。太陽電池モジュール9の裏側の金属板10はす
べて接地した。
【００２６】図3はアモルファス太陽電池セル11の断面
図で、金属基板14の上に金属層15、透明導電層16、光電
変換層17、透明電極18、集電電極19を積層したもので、
光電変換層17はアモルファス半導体のｐｉｎ接合を3層
積層したものを用いた。
【００２７】インバータ2として、トランスレスタイプ
のインバーター（東芝製、型名ＰＶＵＬ００３５）を使
用した。
【００２８】漏電遮断器4ａ及び4ｂには漏電検出感度１
５ｍＡ、不感帯７．５ｍＡ未満、定格電流３０Ａのもの
を用いた（松下電工製、ＢＪＪ３３０２２５Ｋ）。これ
を電力系統3（６０Ｈｚ）に接続し、実験用太陽光発電
装置を構成した。
【００２９】太陽電池モジュール9の1枚の浮遊容量を、
図4のようにして金属補強板10と、プラス端子14及びマ
イナス端子15を短絡した状態で、インピーダンス測定器
30（日置電機製、型名３５２０，ＬＣＲ―Ｈｉ―ＴＥＳ
ＴＥＲ）で測定した。アモルファス太陽電池モジュール
9（幅４５ｃｍｘ長さ１３０ｃｍ）の１枚あたりの浮遊
容量は２０ｎＦであった。測定周波数としては、インバ
ーターのリップル周波数である１２０Ｈｚを選んだ。
【００３０】次に、図5のようにして太陽電池アレイ1の
プラス端子31とマイナス端子32を短絡した状態で、太陽
電池アレイ1全体の対地浮遊容量を測定したところ、２
μＦであり、モジュール１枚の浮遊容量のちょうど１０
０倍であった。
【００３１】金属フレームを有し発電素子としてシリコ
ン結晶を用いたいわゆる結晶モジュールでは、金属フレ
ームと正負端子の間を測定すれば良い。要は、電気出力
端子と接地端子の間の容量を測定すれば良い。
【００３２】このように設置した太陽光発電装置を１ヶ
月にわたって運転したが、その間、一度も漏電遮断器は
動作しなかった。
【００３３】〔条件2〕そこで、太陽電池モジュールを
更に２００枚追加し、設置後１週間の間に３回、漏電遮
断器が不要動作した。この時の対地浮遊容量を測定した
ところ、６μＦであった。
【００３４】〔条件3〕次に太陽電池モジュールの数を
１００枚に戻し、太陽電池の正負電力線と大地の間に
１．５μＦずつ合計３μＦのフィルムコンデンサを付加
して、アレイ全体の浮遊容量を５μＦとして実際に動作
させたところ、４週間で１回、漏電遮断器が不要動作し
た。
【００３５】〔条件4〕次に付加するコンデンサ容量を
１μＦずつとし、アレイ全体の浮遊容量を４μＦとした
ところ、１ヶ月たっても不要動作は見られなかった。
【００３６】〔結果〕以上の実験の動作結果を表に示
す。これによれば、アレイ全体の浮遊容量を、漏電遮断
器の感度（１５ｍＡ）の大きさの１／３、すなわち５μ
Ｆ未満としたときに、漏電遮断器の動作が非常に安定し
ていることがわかる。
【００３７】
【表１】
【００３８】上述の関係はインバータ2としてトランス
レスのものを用いた太陽光発電装置にあっては、太陽電
池アレイ1、漏電遮断器4ａ、4ｂの種類によらず成り立
つものである。
【００３９】（実験2）本例では、太陽電池アレイを建
造物の屋根上に設置し、純粋に太陽電池パネル容量（す
なわち設置枚数）を変えて、浮遊容量を変更し、更に漏
れ電流を実測して、本設計が漏れ電流を漏電遮断器の不
感帯（通常、定格動作電流の５０％未満。感度３０ｍＡ
では１５ｍＡ未満が不感帯になる。）にしてしまう事を
より明確にする。また、インバーターとして、前記実施
例とは、異なるものを使用して、インバーターいかんに
関わらず、本発明が本質的効果を上げる事を実証する。
【００４０】図6は本例の太陽光発電装置の構成であ
る。インバーター2としてはトランスレスインバーター
（日本電池製、商品名ＬＩＮＥＢＡＣＫ−ＥＸ）を利用
した。
【００４１】太陽電池アレイ1としては、図8(a)に示す
屋根材一体型の太陽電池モジュールを６９６枚（１２直
列ｘ５８並列）接続したものとした。太陽電池素子80の
構造は、光電変換層にアモルファスシリコンのpin接合
を２層の積層とした他は、実験1と同様のものを用い
た。太陽電池モジュールの浮遊容量は実験1とは全く変
わらなかった。この屋根材形状の太陽電池アレイ1の面
積は約３００ｍ2であった。１ストリング（１２直列一
つ分）の浮遊容量を測定したところ、２４０ｎＦであっ
た。
【００４２】漏電遮断器4には定格電流５０Ａ、定格感
度３０ｍＡ、不感領域１５ｍＡ未満のもの（松下電工製
ＢＪ３５０３２５Ｋ１）を採用し絶縁トランス7を介し
て６０Ｈｚの商用系統3に接続した。絶縁トランス7を使
用したのは、その２次側でアースを取って、漏れ電流計
8によって全漏れ電流を実測できるようにするためであ
り、本発明の実施とは別段関係は無い。
【００４３】そして、アレイ容量を１０ストリング刻み
で漸増し（すなわち、浮遊容量を２．４μＦずつ漸増
し）、漏れ電流（周波数１ＫＨｚ以下）を記録した。漏
れ電流測定の周波数帯域を１ＫＨｚ以下としてあるの
は、通常、漏電ブレーカーの感度範囲がその範囲以下に
なっていることによる。図7にその結果を示した。
【００４４】結果を見れば明らかなように、漏電感度Ｅ
Ｌの１／３である１０μＦ未満に浮遊容量を抑えれば、
漏れ電流が不感領域に入っていることがわかる。このよ
うにインバーターや設置場所を変更しても、本発明のシ
ステムでは漏電遮断器の不要動作が起きないのである。
【００４５】
【発明の効果】本発明は以下の効果を有する。 （１）太陽電池の浮遊容量による漏れ電流を漏電遮断器
の不感領域にできるので、漏電遮断器の不要動作がなく
なる。 （２）漏電遮断器の不要動作がなくなるので、発電装置
を設置した住宅が不要に停電状態に陥ることを防げる。 （３）不要な停電は太陽光発電装置の不要な停止をも同
時に引き起こすので、これを防ぐことにより発電電力量
を損失することがなくなる。 このように、本発明の住宅用太陽光発電装置に与える効
果は大変大きく、産業上の利用価値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】系統連係型太陽光発電装置の例である。
【図２】漏電遮断器の動作と浮遊容量の関係を示した図
である。
【図３】太陽電池モジュールの構造の一例である。
【図４】太陽電池セルの構造の一例である。
【図５】モジュールの浮遊容量測定の方法を示した図で
ある。
【図６】アレイの浮遊容量の測定法を示した図である。
【図７】漏れ電流と浮遊容量の関係を示した図である。
【図８】屋根材一体型太陽電池モジュールの例である。
【符号の説明】
１ 太陽電池アレイ ２ 非絶縁型インバーター ３ 商用電力系統 ４ 漏電遮断器 ５ 浮遊容量 ６ 負荷

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも、太陽電池、非絶縁型の系統
    連系インバーター、及び漏電遮断器を備えた太陽光発電
    装置において、太陽電池の対地浮遊容量Ｃａ（μＦ）と
    漏電遮断器の定格感度電流ＥＬ（ｍＡ）の間に、Ｃａ＜
    ＥＬ／３ なる関係を有することを特徴とする太陽光発
    電装置。
  2. 【請求項２】 太陽電池が、補強板上に太陽電池素子が
    樹脂封止された構造を有することを特徴とする請求項１
    記載の太陽光発電装置。
  3. 【請求項３】 補強板が金属からなることを特徴とする
    請求項2記載の太陽光発電装置。
  4. 【請求項４】 太陽電池素子が金属基板を有することを
    特徴とする請求項2記載の太陽光発電装置。
  5. 【請求項５】 太陽電池素子が非単結晶半導体を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置。
  6. 【請求項６】 太陽電池が、建材を構成することを特徴
    とする請求項１記載の太陽光発電装置。
  7. 【請求項７】 回路の対地浮遊容量Ｃａ（μＦ）と漏電
    遮断器の定格感度電流ＥＬ（ｍＡ）の間に、Ｃａ＜ＥＬ
    ／３ なる関係を有することを特徴とする漏電遮断器。
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