JPWO2011101916A1 - 太陽光発電システムの故障検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持つ太陽光発電システムの故障検出方法を開示する。この方法では、一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、太陽光発電システム全体の合計電流値とを測定し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、測定した太陽光発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値とを比較し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値がそれぞれ計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出し、それを表示又は通知する。

Description

本発明は、太陽光発電システムのモジュールまたはストリングごとに測定される発電量（電流値）が低下した場合に一時的な外的要因の影響を受けずに精度良く故障を検出する方法に関する。

太陽エネルギーを有効利用するために太陽電池パネルを多数並べた太陽光発電システムが普及しつつある。この太陽光発電システムは、家庭の屋根に設置する小規模なものから、地域電力をまかなうことができる１メガワット以上の発電量を持つ大規模なものまで様々なものが存在する。

大規模なシステムでは、例えば図１に示すように、複数の太陽電池モジュール１が直列に接続されて太陽電池ストリング２を構成し、必要によりその電力端に逆流防止用ダイオード４が接続されている。太陽電池ストリング２の両端は集電のために電力ケーブル３に接続されている。太陽電池ストリング２は、このような構成で多数存在し、それぞれのストリングで発電された電気が電力ケーブル３を介して集電されて一箇所の集電力端末装置に送られ、太陽光発電システムの出力となる。

太陽光発電システムにおいては、設置工事のミス、部品の欠陥、長年の使用による経年変化、雷などによる故障、または天候、メンテナンス、影などによる外的要因を理由として、太陽電池モジュールまたは太陽電池ストリングの発電量が低下する場合がある。一時的な外的要因による発電量の低下の場合は無視してもよいが、故障の場合は、できるだけ早く該当するモジュールまたはストリングを修理または交換することが望ましい。

しかしながら、多数の太陽電池モジュールまたは太陽電池ストリングからなる発電システムにおいて、外的要因を除いて純粋な故障だけを原因とするモジュールまたはストリングを見つけ出すことは時間的にも作業的にもかなりの量を必要とする。特に、図２に示すような数百メートル四方を越える広い敷地に千個以上のストリング、数千個以上のモジュールを並べた１メガワット以上の発電量を有するメガソーラシステムでは、故障そのものの存在を知ることは困難であるが、その場所の特定はそれ以上に困難であった。

従来の太陽光発電システムの異常検出は、太陽電池パネルを構成する太陽電池モジュール単位で行うか、又は複数の太陽電池モジュールからなる太陽電池ストリング単位で行うのが一般的である。

例えば、特許文献１では、太陽電池モジュール単位で電流又は電圧を検知する検知手段と、検知手段の出力に応じて通信を行う通信手段とを有する太陽電池モジュールが提案されている。この太陽電池モジュールは、通信手段によって点検作業者がモジュールの近くで故障を確認する必要性をなくそうとしたものであるが、電気的パラメータ値の異常を検出できるだけであり、天候などによる外的要因を除外して故障した太陽電池モジュールだけを正確に抽出することは困難であった。

また、特許文献２では、計算された一定期間の太陽電池の発電量データと、この発電量データが計測された状況に対応した状況で計測された記憶手段に既に記憶されている発電量データとを比較して太陽電池の異常の有無を判定する太陽電池の異常検出装置が提案されている。この装置は、天候が類似したときに計測された発電量データ同士を比較して判定することにより、天候による日射量の変化などの周囲の状況の変化の影響を少なくしたものであるが、過去の発電量データから類似される比較データを適切に抽出することが困難であり、しかも予想しえない一日の天候の変化が存在する場合には判定精度は極めて低くなるという問題があった。さらに、過去の発電量データを記憶させ、それらを天候や季節に合わせて比較用データに使用できるように加工するのは極めて煩雑な作業であり、システムの複雑さを招く問題があった。

また、特許文献３では、過去の発電データと現在の発電データの間に所定以上の変化があった場合に変化があった旨の表示を行うようにした太陽光発電システムが提案されている。このシステムもまた、現在の発電データを過去の発電データと比較するものであり、特許文献２と同様の問題を有している。

特開２００４−２６９５３１号公報 特開平７−１２３５９４号公報 特開２００６−３１０７８０号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み創案されたものであり、その目的は、太陽光発電システムの太陽電池モジュール又はストリングの故障を簡単な方法で一時的な外的要因の影響をほとんど受けずに高精度で検出する方法及びそのための装置を提供することにある。

本発明者は、かかる目的を達成するために、まず太陽電池モジュール又はストリングが故障状態にあるとき、その電流値（発電量）は同じ条件下で露出されている他の正常に発電している大多数の太陽電池モジュール又はストリングの電流値より一定割合以上低下していること、また、太陽電池モジュール又はストリングの故障は存在しても全体の極一部であり、大多数は正常に作動していること、さらに、太陽電池モジュール又はストリングの電流値に対する天候等の外的要因の影響はどの場所に存在するものであっても一定時間でとらえれば大きな差がないことに着目した。そして、かかる知見に基づき、個々の太陽電池モジュール又はストリングの電流値を全体の太陽電池モジュール又はストリングの合計電流値から計算された一つあたりの平均電流値と比較することにより、天候等の外的要因による影響をほぼ相殺して故障候補を高い精度で簡単に検出することができることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、本発明は、以下の（１）〜（６）の構成を採用するものである。
（１）複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持つ太陽光発電システムの故障検出方法であって、一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、太陽光発電システム全体の合計電流値とを測定し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、測定した太陽光発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値とを比較し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値がそれぞれ計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出し、それを表示又は通知することを特徴とする太陽光発電システムの故障検出方法。
（２）電流値の測定及び比較が連続的に又は間欠的に行われることを特徴とする（１）に記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
（３）電流値低下状態が一定時間以上経っても確認される太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出することを特徴とする（１）又は（２）に記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
（４）電流値の低下割合が３０％以上ある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
（５）複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持つ太陽光発電システムであって、一つの太陽電池モジュールごとの電流値及び／又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、太陽光発電システム全体の合計電流値とを測定するための測定装置と、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値及び／又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、測定した太陽光発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値及び／又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値とを比較し、測定した一つの太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングの電流値が計算された一つあたりの太陽電池モジュール及び／又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出するための手段と、その故障候補を表示又は通知するための表示又は通知手段とを含む太陽光発電システム。
（６）太陽光発電システムが１メガワット以上の発電量を有することを特徴とする（５）に記載の太陽光発電システム。

本発明の太陽光発電システムの検出方法は、個々の太陽電池モジュール又はストリングの測定電流値が、システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュール又はストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール又はストリングを故障候補として抽出するだけであるので、極めて簡単な方法で故障の検出を達成することができる。また、比較される電流値は、天候などの外的要因による影響をほぼ等しく受けた同じ時間のほぼ同じ環境下にある太陽電池モジュール又はストリングに基づいているので、過去のデータを参照したり複雑な処理をしたりせずに外的要因による影響を除外して故障候補を高い精度で抽出することができる。特に、本発明の太陽光発電システムの故障検出方法は、極めて広い敷地に太陽電池モジュール又はストリングが多数存在する１メガワット以上の発電量を有するメガソーラシステムの故障検出のコストを大幅に低減するものである。

図１は、太陽光発電システムの一例の説明図である。 図２は、メガソーラシステムの一例の説明図である。 図３は、図２のメガソーラシステムにおけるシステム全体の合計電流量から計算された一つあたりの太陽電池ストリングの平均電流値と、特定の太陽電池ストリングの電流値とを時間ごとにプロットしたグラフである。

以下、本発明の太陽光発電システムの故障検出方法について図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されない。

本発明の方法の対象となる太陽光発電システムは、図１に示すような複数の同じ太陽電池モジュール１を直列に接続した同じ太陽電池ストリング２を複数持つものであり、本発明の方法は、その太陽電池モジュール１又は太陽電池ストリング２の故障を高精度で検出しようとするものである。

本発明の方法は、家庭用住宅の屋根に設置される小規模なシステムから１メガワット以上の発電量の大規模なシステムまで使用可能であるが、極めて多数の太陽電池モジュール又はストリングが設置され、それらの点検作業に多大な労力を要する１メガワット以上の発電量のメガソーラシステムにおいて効果が絶大である。

メガソーラシステムは、図２に示すように、同じ発電量の太陽電池パネルを搭載した太陽電池モジュール１１が多数並べられており、そのうちの一部であるＡ部の部分拡大図からわかるように、太陽電池モジュール１１で発電された各電力は例えば１８個のモジュール１１を１個のストリング１２としてストリング１２ごとに接続箱１３に送られるようになっている。そして、さらに、全ての接続箱１３の電力は集合箱１４に集められ、そしてパワーコンディショナー（図示せず）に送られ、外部に送電されるようになっている。本発明の方法の対象となる太陽光発電システムでは、一つのストリングあたりのモジュールの数は複数である限り、特に限定されず、また、システム中のストリングの数も複数である限り、特に限定されない。本発明の方法では、ストリングあたりのモジュールの数が３〜１００個、システム中のストリングの数が１００〜１００００個であることが好ましい。但し、システム中で使用される個々の太陽電池モジュール、及びストリングあたりのモジュールの数は、電流値の正確な比較を行うために同じものに設定することが必要である。

太陽電池モジュール又はストリングの発電量（電流値）の低下の原因は、無視してもよい一時的なものと、修理又は交換を必要とする永続的なものとが存在する。一時的な原因としては、日照時間や雲の存在、雨天などの天候、建物の影、定期的メンテナンス等があり、永続的な原因としては、太陽電池モジュールの故障、断線、逆流防止ダイオードの破損、測定装置や通信手段の故障、鳥の糞等がある。本発明の方法では、無視してもよい一時的な原因によって発電量が低下しているものを除外して、真に修理又は交換を必要とする永続的な原因による発電量の低下に至っている太陽電池モジュール又はストリングのみを故障しているものとして検出する。

一時的な発電量の低下の原因となるものを見ると、一つのモジュール又はストリングだけが被るものはほとんどなく、例えば日照時間、雲の存在、雨天などの天候はシステム中の全てのモジュール又はストリングがほぼ等しく影響を受けるものである。従って、特定の個々の太陽電池モジュール又はストリングの発電量（電流値）が通常より低下していたとしても、上記のような一時的な原因で低下している場合は他の個々の太陽電池モジュール又はストリングの発電量もまた同様の原因で同程度低下しているはずである。本発明は、かかる知見に基づいて、個々の太陽電池モジュール又はストリングの測定電流値を、ほぼ同じ環境下で同じ時間に測定したシステム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュール又はストリングの平均電流値と比較し、測定電流値が平均電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にあるモジュール又はストリングを故障候補として抽出する。この比較方法により、一時的な外的要因による影響を受けずに故障状態にあるモジュール又はストリングのみを正確に検出することができる。

電流値の測定は、故障を検出したい単位によって、一つの太陽電池モジュールごと又は一つの太陽電池ストリングごとのいずれかで行われる。太陽光発電システムの規模が小さい場合はモジュールごとに測定することが好ましく、規模が大きいか又はコスト的な観点から測定装置を少なくしたい場合はストリングごとに測定することが好ましい。電流値の比較は、測定される単位によって異なり、一つのモジュールの測定電流値と一つあたりのモジュールの平均電流値の間で行うか、又は一つのストリングの測定電流値と一つあたりのストリングの平均電流値の間で行われる。一つあたりのモジュールの平均電流値又は一つあたりのストリングの平均電流値は、測定した太陽電池発電システム全体の合計電流値をモジュールの数又はストリングの数で割算して計算される。

本発明の方法では、上記のようにして比較した結果、測定した一つの太陽電池モジュールの電流値又は一つの太陽電池ストリングの電流値がそれぞれ上記のように計算された一つあたりの太陽電池モジュールの平均電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの平均電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出する。抽出する際の電流値の低下割合は、抽出時のノイズを拾わないようにするため、好ましくは３０％以上、より好ましくは４０％以上とする。また、システム全体の合計電流値が予想最大電流値の２０％以下のように低くなっている場合は、比較しても精度が低下している可能性があるので、故障候補の抽出を一時的に止めてもよく、あるいは、抽出を行う場合は抽出時の電流値の低下割合の条件を５０％以上のように高くすることが好ましい。

太陽電池モジュール又はストリングの電流値の測定及び比較は連続的に行ってもよいが、数秒ごと、数分ごと、数十分ごと、数時間ごとのように間欠的に行ってもよい。また、システム全体の合計電流値がゼロ又は極めて低い値を示すときは、故障候補の抽出が困難であるので、測定又は比較を一時的に中止することが好ましい。故障候補の太陽電池モジュール又はストリングの抽出は、ある時間の時点でのみの比較結果で行ってもよいが、精度を向上させるためには、一定時間以上経っても電流値が一定割合以上低下しているモジュール又はストリングのみを故障候補として抽出することが好ましい。この場合の抽出に必要なモジュール又はストリングの電流値の低下状態の継続時間は好ましくは１０分以上、３０分以上、１時間以上、３時間以上、４時間以上、８時間以上、１日以上、３日以上、７日以上であることができる。故障候補が抽出されても太陽電池モジュール又はストリングの点検作業にすぐ着手できないので、この時間は点検作業者の点検の間隔に合わせてもよい。故障候補を抽出した後は、この故障候補を管理者又は点検作業者に知らせるために表示又は通知する。

図３は、図２のようなメガソーラシステムの三つの特定の太陽電池ストリング（ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３）の電流値とシステム全体の合計電流値から計算した一つのストリングあたりの平均電流値の動きを３日間の期間（日照時間のみ）で示したものである。図３において、三つの個々の太陽電池ストリングの測定電流値と平均電流値を３日間の期間にわたって比較すると、個々の測定電流値の平均電流値からの低下割合がほとんどなく、３０％未満であることが認められる。これは、測定した三つの太陽電池ストリング（ｓｔ１，ｓｔ２，ｓｔ３）が一時的に電流値を低下している期間があったとしても、一時的な外的要因のためであり、故障に該当しないことを示す。本発明の方法は、この考え方に基づいて、全ての太陽電池モジュール又はストリングの電流値を測定して個々に平均電流値と比較し、平均電流値より一定割合以上低下しているもの又は低下が継続しているものを故障候補として抽出する。本発明の方法は極めて簡単でありながら、故障候補の抽出にノイズが少ないことが特徴である。

次に、本発明の方法を実現するための太陽光発電システムについて説明する。太陽光発電システムは、前述のように複数の同じ太陽電池モジュールを直列に接続した同じ太陽電池ストリングを複数持つものであり、１メガワット以上の発電量を有するものが好ましい。本発明の太陽光発電システムには、個々の太陽電池モジュールごとの電流値及び／又は個々の太陽電池ストリングごとの電流値、さらには太陽光発電システム全体の合計電流値を測定するための測定装置が必要である。電流値の測定装置としては、従来公知の手段を採用すればよく、例えば、測定箇所に直列に計測用抵抗を入れて抵抗両端の電圧に変換する方法で電流を計測する方法を採用することができる。測定装置はモジュールごと又はストリングごと又は集電箱に適宜設置されるが、システム全体の合計電流値は全てのモジュール又はストリングの測定電流値を合計したものを採用してもよい。

また、本発明の太陽光発電システムには、測定電流値と平均電流値を比較し、その結果に基づいて故障候補の太陽電池モジュール及び／又はストリングの故障候補を抽出する手段が必要である。かかる手段は、測定装置によって測定された電流値のデータを有線又は無線等の通信手段によって取得し、個々の太陽電池モジュールの測定電流値及び／又は個々の太陽電池ストリングの測定電流値と、測定された太陽電池発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの平均電流値及び／又は一つあたりの太陽電池ストリングの平均電流値とをそれぞれ比較し、測定電流値が平均電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出する機能を有することが必要である。かかる手段は、従来公知の計算機手段を使用すればよく、上記のような比較条件、抽出条件を予めプログラムして作動させればよい。

また、本発明の太陽光発電システムは、抽出された故障候補の太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングを管理者に知らせるために、故障候補を表示又は通知するための表示又は通知手段が必要である。表示手段としては、例えば故障候補を文字又は記号又はグラフで表示する液晶又はＬＥＤの表示装置を使用することができ、通知手段としては、例えば故障候補を音声で知らせるスピーカ等の音響装置を使用することができる。本発明の太陽光発電システムでは、上記の装置や手段以外に、従来公知の過去のデータとの比較を利用した異常検出手段をさらに組み合わせてもよく、また、測定されたパラメータも電流値以外の測定パラメータをさらに追加してもよい。

本発明によれば、特に１メガワット以上の太陽光発電システムにおける太陽電池モジュール又はストリングの故障の抽出を簡単な方法で高精度で行うことができるので、システム中の故障箇所に対して迅速に対応することができる。また、本発明の装置及び方法は、既に存在する太陽光発電システムに対しても簡単に追加して導入することができる。

１ 太陽電池モジュール
２ 太陽電池ストリング
３ 電力ケーブル
４ 逆流防止用ダイオード
１１ 太陽電池モジュール
１２ 太陽電池ストリング
１３ 接続箱
１４ 集合箱

【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２６９５３１号公報
【特許文献２】特開平７−１２３５９４号公報
【特許文献３】特開２００６−３１０７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】

Claims (6)

1. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持つ太陽光発電システムの故障検出方法であって、一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、太陽光発電システム全体の合計電流値とを測定し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、測定した太陽光発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値とを比較し、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値がそれぞれ計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出し、それを表示又は通知することを特徴とする太陽光発電システムの故障検出方法。
2. 電流値の測定及び比較が連続的に又は間欠的に行われることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
3. 電流値低下状態が一定時間以上経っても確認される太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出することを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
4. 電流値の低下割合が３０％以上ある太陽電池モジュール又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の太陽光発電システムの故障検出方法。
5. 複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングを複数持つ太陽光発電システムであって、一つの太陽電池モジュールごとの電流値及び／又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、太陽光発電システム全体の合計電流値とを測定するための測定装置と、測定した一つの太陽電池モジュールごとの電流値及び／又は一つの太陽電池ストリングごとの電流値と、測定した太陽光発電システム全体の合計電流値から計算された一つあたりの太陽電池モジュールの電流値及び／又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値とを比較し、測定した一つの太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングの電流値が計算された一つあたりの太陽電池モジュール及び／又は一つあたりの太陽電池ストリングの電流値より一定割合以上低下している場合にその低下状態にある太陽電池モジュール及び／又は太陽電池ストリングを故障候補として抽出するための手段と、その故障候補を表示又は通知するための表示又は通知手段とを含む太陽光発電システム。
6. 太陽光発電システムが１メガワット以上の発電量を有することを特徴とする請求項５に記載の太陽光発電システム。

Images