JPWO2019082589A1 - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

日中に太陽を追尾する動作を実行する太陽光発電装置が複数基集まって構成される太陽光発電システムであって、太陽光発電装置の各基に対応して設けられた駆動制御部と、太陽光発電装置の各基に対応して設けられたパワーコンディショナと、複数のパワーコンディショナからの電力を集約する変電機器と、複数基の太陽光発電装置が設置されている場所の気象に関する情報を取得する気象センサと、駆動制御部を遠隔制御可能であり、また、全ての駆動制御部、全てのパワーコンディショナ、変電機器、及び、気象センサと通信可能であり、通信によって収集した情報に基づいて、異常の発生の検出、及び、異常の種類を判定する機能を有する監視制御部と、を備えている。

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。
本出願は、２０１７年１０月２６日出願の日本出願第２０１７−２０７４６４号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

集光型太陽光発電（ＣＰＶ：Concentrator Photovoltaic）では、発電効率の高い小さな発電素子に、フレネルレンズ等で集光させた太陽光を入射させ、発電する構成を基本としている。この基本構成を、マトリックス状に多数並べて構成された集光型太陽光発電モジュールを、さらに多数並べて集光型太陽光発電パネル（アレイ）とする（例えば、特許文献１参照。）。集光型太陽光発電パネルは、太陽を追尾するため、仰角及び方位角の２軸に駆動できる支持装置によって支持されている。

集光型太陽光発電パネル及びこれを支持する支持装置によって構成されるものを１基の太陽光発電装置とすると、このような太陽光発電装置を高日射地域の広大なエリアに多数並べた太陽光発電システムにより、例えば数十ＭＷの発電量を得ることができる。

特開２０１４−２２６０２５号公報

本発明の一表現に係る太陽光発電システムは、日中に太陽を追尾する動作を実行する太陽光発電装置が複数基集まって構成される太陽光発電システムであって、前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられた駆動制御部と、前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられたパワーコンディショナと、複数の前記パワーコンディショナからの電力を集約する変電機器と、前記太陽光発電装置が設置されている場所の気象に関する情報を取得する気象センサと、前記駆動制御部を遠隔制御可能であり、また、全ての前記駆動制御部、全ての前記パワーコンディショナ、前記変電機器、及び、前記気象センサと通信可能であり、通信によって収集した情報に基づいて異常を検出する機能を有する監視制御部とを備えている。

図１は、１基分の、集光型の太陽光発電装置を、受光面側から見た斜視図である。 図２は、１基分の、集光型の太陽光発電装置を、背面側から見た斜視図である。 図３は、太陽光発電パネルの受光面が、太陽に正対した状態の一例を示す斜視図である。 図４は、一例として、太陽光発電装置が、例えば縦横にそれぞれ８基ずつ並び、合計６４基の太陽光発電装置群を含む、太陽光発電システムとなっている状態を示す略図である。 図５は、個々の太陽光発電装置と、システム全体の共有部との接続図である。 図６は、図５の変形例としての接続図である。 図７は、監視制御部による監視制御動作の一例を示すフローチャートである。

［本開示が解決しようとする課題］
上記のような太陽光発電システムにおいては、例えば、多数の太陽光発電装置の１基ごとに、太陽光発電パネルの発電出力は、パワーコンディショナを介して、交流電力となり、全基に共通の変電機器に提供される。一方、太陽を追尾するための姿勢制御は、個々の太陽光発電装置ごとに行われる。但し、日射センサ等の気象センサを、個々の太陽光発電装置ごとに装備するのはコスト的に得策ではないため、太陽光発電システムが設置されている場所の一箇所に気象センサが設置されている。

そして、例えば夜間には全基が、太陽光発電パネルを水平にした共通の姿勢となるように、統括的な指示が与えられる。そのために、個々の太陽光発電装置には姿勢制御用のサブコントローラが設けられ、全基のサブコントローラに対して指示する共通のメインコントローラが、どこか特定の場所に設けられる場合もある。

ところが、このような構成では、発電と追尾制御と気象情報の収集とが、それぞれ独立して行われており、例えば、システム全体から見た個々の情報が、追尾制御に活かされない。
かかる課題に鑑み、本開示は、システム全体の監視と追尾制御とをさらに効率的に行う太陽光発電システムを提供することを目的とする。

［本開示の効果］
本開示の太陽光発電システムによれば、システム全体の監視と追尾制御とをさらに効率的に行うことができる。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、日中に太陽を追尾する動作を実行する太陽光発電装置が複数基集まって構成される太陽光発電システムであって、前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられた駆動制御部と、前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられたパワーコンディショナと、複数の前記パワーコンディショナからの電力を集約する変電機器と、前記太陽光発電装置が設置されている場所の気象に関する情報を取得する気象センサと、前記駆動制御部を遠隔制御可能であり、また、全ての前記駆動制御部、全ての前記パワーコンディショナ、前記変電機器、及び、前記気象センサと通信可能であり、通信によって収集した情報に基づいて異常を検出する機能を有する監視制御部と、を備えている。

このような太陽光発電システムでは、個々の太陽光発電装置についての追尾動作の情報や発電電力の情報が、全ての太陽光発電装置の分だけ、監視制御部に集約される。かかる監視制御部は、収集した情報に基づいて、異常を検出することができる。また、監視制御部は、全ての駆動制御部を管轄下に置き、追尾に関するマスターコントローラとしての役割を果たすことができる。従って、システム全体の監視と追尾制御とをさらに効率的に行うことができる。

（２）また、（１）の太陽光発電システムにおいて、例えば、前記監視制御部は、前記太陽光発電装置について、追尾の姿勢を方位角及び仰角のそれぞれについて前後に所定範囲内で振った場合の発電電力の反応に基づいて、太陽に対する追尾のずれの有無を判定し、追尾ずれがあると判定した場合は、該当する前記駆動制御部に対して、追尾ずれを解消する較正動作を行わせる。
この場合、複数基の太陽光発電装置の全体を監視制御する監視制御部により、該当する駆動制御部に較正動作を行わせることができる。

（３）また、（１）又は（２）の太陽光発電システムにおいて、前記監視制御部は、全ての前記太陽光発電装置で、発電電力が予測値に対して同程度にずれている場合、前記気象センサのうち、日射センサに異常があると判定するようにしてもよい。
この場合、全ての太陽光発電装置で同時に異常が発生しているとは考えにくいため、日射センサが、実際の日射より高い数値又は低い数値を検出している、と判定することができる。

（４）また、（１）〜（３）のいずれかの太陽光発電システムにおいて、前記監視制御部は、前記太陽光発電装置が設置されている場所からインターネット回線を介して存在するものであってもよい。
この場合、監視制御部は、太陽光発電装置が設置されている場所に制約されることなく、任意の場所に置くことができる。

［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムについて、図面を参照して説明する。

《太陽光発電装置》
図１及び図２はそれぞれ、１基分の、集光型の太陽光発電装置を、受光面側及び背面側から見た斜視図である。図１において、太陽光発電装置１００は、上部側で連続し、下部側で左右に分かれた形状の太陽光発電パネル１と、その支持装置２とを備えている。太陽光発電パネル（アレイ）１は、背面側の架台１１（図２）上に集光型太陽光発電モジュール１Ｍを並べて構成されている。図１の例では、左右のウイングを構成する（９６（＝１２×８）×２）個と、中央の渡り部分の８個との、合計２００個の集光型太陽光発電モジュール１Ｍの集合体として、太陽光発電パネル１が構成されている。

支持装置２は、支柱２１と、基礎２２と、２軸駆動部２３と、駆動軸となる水平軸２４（図２）とを備えている。支柱２１は、下端が基礎２２に固定され、上端に２軸駆動部２３を備えている。支柱２１の下端近傍には、電気接続や電気回路収納のためのボックス１３（図２）が設けられている。

図２において、基礎２２は、上面のみが見える程度に地中に堅固に埋設される。基礎２２を地中に埋設した状態で、支柱２１は鉛直となり、水平軸２４は水平となる。２軸駆動部２３は、水平軸２４を、方位角（支柱２１を中心軸とした角度）及び仰角（水平軸２４を中心軸とした角度）の２方向に回動させることができる。水平軸２４は、架台１１を固定し補強する補強材１２に直交するように、固定されている。従って、水平軸２４が方位角又は仰角の方向に回動すれば、太陽光発電パネル１もその方向に回動する。

なお、図１，図２では１本の支柱２１で太陽光発電パネル１を支える支持装置２を示したが、支持装置２の構成は、これに限られるものではない。要するに、太陽光発電パネル１を、２軸（方位角、仰角）で可動なように支持できる支持装置であればよい。

図３は、太陽光発電パネル１の受光面が、太陽に正対した状態の一例を示す斜視図である。太陽光発電パネル１は、２軸駆動部２３により、太陽に常に正対するよう姿勢を変えていく。
日没後の太陽光発電装置１００は、例えば、太陽光発電パネル１の受光面を下向きにした水平な姿勢となり、翌日の日の出まで待機する。

《太陽光発電システム》
図４は、一例として、太陽光発電装置１００が、例えば縦横にそれぞれ８基ずつ並び、合計６４基の太陽光発電装置群２００を含む、太陽光発電システム３００となっている状態を示す略図である。監視制御部６は、全ての太陽光発電装置１００と通信可能に接続されており、各太陽光発電パネル１の姿勢を個別に、又は、統括的に制御することができる。

図５は、個々の太陽光発電装置１００と、システム全体の共有部との接続図の一例である。図において、太陽光発電装置１００は、前述の、支持装置２に支持された太陽光発電パネル１の他、例えばボックス１３に内蔵され２軸駆動部２３を制御する駆動制御部３と、パワーコンディショナ４とを含む。駆動制御部３は例えば追尾センサ（図示せず。）の出力信号に基づいて２軸駆動部２３を制御し、太陽光発電パネル１に太陽の追尾動作をさせることができる。すなわち、太陽の追尾動作は、太陽光発電装置１００ごとに独立して行うことができる。パワーコンディショナ４は、太陽光発電パネル１の出力を交流電力に変換し、変電機器５へ送り込む。変電機器５は、送電網（図示せず。）と接続されている。

駆動制御部３は、通信部８を介して監視制御部６と、双方向に通信が可能である。また、パワーコンディショナ４、変電機器５、及び、気象センサ７からのそれぞれの情報は、通信部８を介して、監視制御部６に送られる。監視制御部６は、駆動制御部３に対するマスターコントローラの役割を果たす。すなわち、駆動制御部３に対して、追尾動作についての指示を与えることができる。また、監視制御部６は、駆動制御部３から追尾動作に関する情報やエラー情報を受け取ることができる。さらに、監視制御部６は、パワーコンディショナ４から発電電力に関する情報及びエラー情報を受け取ることができ、変電機器５からも、システム全体としての発電電力に関する情報及びエラー情報を受け取ることができる。なお、図５における通信部８は、監視制御部６の一機能として、監視制御部６と一体化することもできる。

気象センサ７は、太陽光発電装置１００が設置されている場所近傍の気象に関する情報を取得して、取得した情報を、監視制御部６に送る。気象に関する情報とは、例えば、日射センサ７ｓ、風向センサ７ｄ、風速センサ７ｖ、温度センサ７ｔ等の各情報である。

なお、図５は、図示の便宜上、１基の太陽光発電装置１００のみを図示しているが、全ての太陽光発電装置１００が同様に、変電機器５及び監視制御部６と接続されている。従って、変電機器５は全ての太陽光発電装置１００のパワーコンディショナ４からの出力（交流電力）を集約する。監視制御部６は、全ての太陽光発電装置１００のパワーコンディショナ４から発電電力に関する情報及びエラー情報を取得し、変電機器５からもシステム全体の発電電力に関する情報及びエラー情報を取得することができる。また、監視制御部６は、全ての太陽光発電装置１００の駆動制御部３を自己の管轄下に置き、全ての駆動制御部３から追尾動作に関する情報及びエラー情報を取得することができる。

監視制御部６は、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な監視制御機能を実現する。ソフトウェアは、監視制御部６の記憶装置（図示せず。）に格納される。監視制御部６は、太陽光発電装置１００が設置されている場所にあってもよいし、遠隔地のサーバーとして存在していてもよい。

図６は、図５の変形例としての接続図である。図５との違いは、太陽光発電装置１００が設置されている場所又はその近傍には通信部８のみが存在し、インターネット回線９を介して監視制御部６が接続されている点であり、その他は同様である。このように、監視制御部６は、太陽光発電装置１００が設置されている場所に制約されることなく、任意の場所に置くことができる。

《監視制御動作》
次に、監視制御部６による監視制御動作の一例について図７のフローチャートを参照して説明する。このフローチャートの処理は定期的に実行される。図において、気象センサ７の検出出力に基づいて、監視制御部６は、日射量から発電電力を予測する（ステップＳ１）。次に、監視制御部６は、いずれかの太陽光発電装置１００の発電電力が、予測値の９０％以下まで低下したか否かを判定する（ステップＳ２）。通常、実際の発電電力は予測値の９０％より高い値となる。ここで９０％より上であれば、問題は無いので、処理は終了となる。

一方、ステップＳ２においていずれかの発電電力が、予測値の９０％以下である場合、監視制御部６は、エラーフラグの判定を行う（ステップＳ３）。エラーフラグとは、駆動制御部３、パワーコンディショナ４、及び、変電機器５から送られてくる、故障等を示すエラー情報である。エラーフラグが確認できれば、そのエラーフラグが意味する故障等を知らせるＡ判定を行う（ステップＳ１０）。具体的には例えば、追尾動作の不具合、パワーコンディショナ４の不具合、変電機器５内の不具合である。

エラーフラグが無い場合は、監視制御部６は、全ての太陽光発電装置１００で同様の傾向（９０％以下）があるか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、同様の傾向があれば、Ｂ判定となる（ステップＳ１１）。Ｂ判定とは、具体的には日射センサ７ｓの不具合である。すなわち、全ての太陽光発電装置１００で同時に異常が発生しているとは考えにくいため、日射センサ７ｓが、実際の日射より高い数値を検出している、と判定することができる。

ステップＳ４にて同様の傾向が見られない場合は、監視制御部６は、発電電力が予測値の９０％以下となっている問題の太陽光発電装置１００について、パワーコンディショナ４及び駆動制御部３の情報を確認する（ステップＳ５）。そして、監視制御部６は、まず、パワーコンディショナ４の情報から電流・電圧の情報を考慮して数値的な矛盾があるか否かを判定する（ステップＳ６）。矛盾とは例えば、電圧が十分あるのに、電流が少ないことである。このような場合は、Ｃ判定となる（ステップＳ１２）。Ｃ判定とは例えば、太陽光発電パネルからパワーコンディショナ４までの配線の不具合が予想される、という判定である。原因確定には現地調査が必要である。

ステップＳ６において「Ｎｏ」であれば、残る原因として追尾が正確に行われていない、すなわち、追尾ずれがあると推定される。そこで、監視制御部６は、問題の太陽光発電装置１００に対して、方位角及び仰角のそれぞれについて順番に、＋０．３度、−０．３度振る指示を駆動制御部３に対して行う（ステップＳ７）。ここで、例えば、＋０．３度振ると、発電電力が上昇し、−０．３度振ると発電電力が低下した、という反応が見られれば、追尾がマイナス側にずれていることになる。逆に、−０．３度振ると、発電電力が上昇し、＋０．３度振ると発電電力が低下した、という反応が見られれば、追尾がプラス側にずれていることになる。従って、発電電力が上昇した場合は（ステップＳ８）、Ｄ判定となる（ステップＳ１３）。Ｄ判定とは、追尾ずれがある、ということである。この場合、監視制御部６は、問題の太陽光発電装置１００の駆動制御部３に対して較正動作を指示する（ステップＳ１４）。

また、ステップＳ８において発電電力の上昇が見られなかった場合は、Ｅ判定となる（ステップＳ９）。Ｅ判定とは例えば、太陽光発電パネル１自体の異常である。
なお、日射センサ７ｓの異常に関しては、日射センサ７ｓの感度が低下することも考えられる。その場合は、図７のステップＳ１における予測値が低下し、発電電力が予測値を上回ることもあり得る。そのような場合も想定すれば、ステップＳ２において例えば予測値の１１０％以上まで上昇という事象と、全装置で同様の傾向あり（ステップＳ４）の事象とにより、日射センサ７ｓの異常を検出することも可能である。

《まとめ》
以上のように、この太陽光発電システム３００では、監視制御部６が、駆動制御部３を遠隔制御可能である。また、監視制御部６は、全ての駆動制御部３、全てのパワーコンディショナ４、変電機器５、及び、気象センサ７と通信可能であり、通信によって収集した情報に基づいて、異常の発生の検出、及び、異常の種類を判定する機能を有する。

このような太陽光発電システム３００では、個々の太陽光発電装置１００についての追尾動作の情報や発電電力の情報が、全ての太陽光発電装置１００の分だけ、監視制御部６に集約される。かかる監視制御部６は、収集した情報に基づいて、異常の発生を検出し、また、その異常の種類を判定することができる。また、監視制御部６は、全ての駆動制御部３を管轄下に置き、追尾に関するマスターコントローラとしての役割を果たすことができる。すなわち、監視制御部６は、全ての駆動制御部３に対して、監視と制御との両方を行うことができる。このような太陽光発電システムによれば、システム全体の監視と追尾制御とをさらに効率的に行うことができる。

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 太陽光発電パネル
１Ｍ 集光型太陽光発電モジュール
２ 支持装置
３ 駆動制御部
４ パワーコンディショナ
５ 変電機器
６ 監視制御部
７ 気象センサ
７ｄ 風向センサ
７ｓ 日射センサ
７ｔ 温度センサ
７ｖ 風速センサ
８ 通信部
９ インターネット回線
１１ 架台
１２ 補強材
１３ ボックス
２１ 支柱
２２ 基礎
２３ ２軸駆動部
２４ 水平軸
１００ 太陽光発電装置
２００ 太陽光発電装置群
３００ 太陽光発電システム

Claims (4)

1. 日中に太陽を追尾する動作を実行する太陽光発電装置が複数基集まって構成される太陽光発電システムであって、
   前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられた駆動制御部と、
   前記太陽光発電装置の各基に対応して設けられたパワーコンディショナと、
   複数の前記パワーコンディショナからの電力を集約する変電機器と、
   前記太陽光発電装置が設置されている場所の気象に関する情報を取得する気象センサと、
   前記駆動制御部を遠隔制御可能であり、また、全ての前記駆動制御部、全ての前記パワーコンディショナ、前記変電機器、及び、前記気象センサと通信可能であり、通信によって収集した情報に基づいて異常を検出する機能を有する監視制御部と、
   を備えている太陽光発電システム。
2. 前記監視制御部は、前記太陽光発電装置について、追尾の姿勢を方位角及び仰角のそれぞれについて前後に所定範囲内で振った場合の発電電力の反応に基づいて、太陽に対する追尾のずれの有無を判定し、追尾ずれがあると判定した場合は、該当する前記駆動制御部に対して、追尾ずれを解消する較正動作を行わせる請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記監視制御部は、全ての前記太陽光発電装置で、発電電力が予測値に対して同程度にずれている場合、前記気象センサのうち、日射センサに異常があると判定する請求項１又は請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記監視制御部は、前記太陽光発電装置が設置されている場所からインターネット回線を介して存在する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。

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