WO2018003825A1 - 太陽光ストリングにおける電流信号の送信装置 - Google Patents

太陽光ストリングにおける電流信号の送信装置 Download PDF

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秀也 落合
洋行 池上
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国立大学法人東京大学
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for transmitting a current signal in a solar string.
  • the solar string is a series circuit for taking out electric power, which is configured by connecting a plurality of solar cell panels including solar cell elements in series via power lines.
  • a configuration in which sunlight strings are arranged in parallel may be referred to as a sunlight array.
  • the entire string is The flowing current value becomes small (for example, 0.1 A), and the power generation efficiency is significantly deteriorated.
  • Patent Document 1 describes a technique in which a current signal is superimposed on a current of a power line in a solar string and transmitted, and the current signal is received by a receiver.
  • JP 2014-155271 A (FIGS. 1 to 3)
  • a main object of the present invention is to provide a technique capable of efficiently identifying a fault location by improving the SN ratio of a current signal transmitted in a superimposed manner on a power line in a solar string.
  • a transmitter for transmitting monitoring information as a current signal in a solar string comprising a plurality of solar cell elements connected in series with each other via a power line, A current source, a controller, and a bypass capacitor;
  • the current source is connected to the power line so as to be parallel to the solar cell element,
  • the controller is configured to generate the current signal by controlling a current value in the current source,
  • the bypass capacitor is connected to the power line so as to be in parallel with the solar cell element and the current source, whereby the current signal sent from the negative electrode side of the solar string is connected to the positive electrode side.
  • a transmission device that can be sent.
  • the current source includes a pump capacitor that accumulates charges when the current signal is turned off and sends a current to the power line when the current signal is turned on according to a signal from the controller.
  • the transmitter according to the item.
  • the current source includes a discharge coil, The discharging coil draws current in accordance with an on signal from the controller and accumulates magnetic flux, and after sending out current to the power line for a time according to a time constant in accordance with an off signal from the controller Item 5.
  • the transmitter according to any one of Items 1 to 4, wherein the current signal is turned off.
  • (Item 7) Comprising the transmitting device according to any one of items 1 to 6 and a receiving unit;
  • the receiving unit is configured to receive the current signal transmitted through the power line.
  • a photovoltaic power generation system comprising: the monitoring device according to item 7; and a power extraction unit that extracts power transmitted through the power line.
  • the present invention it is possible to improve the S / N ratio of the current signal transmitted by being superimposed on the power line in the solar string, and to efficiently identify the failure location.
  • FIG.5 (a) is a detection waveform in a receiving part
  • FIG.5 (b) is after a smoothing process.
  • FIG. 4 is a graph showing pulse waveforms observed at a receiving unit corresponding to each type of current source shown in FIGS. It is explanatory drawing for demonstrating the example of the arrangement
  • FIG. 4 is a graph showing pulse waveforms observed at a receiving unit corresponding to each type of current source shown in FIGS. It is a graph which shows the detection result of the current signal produced
  • the photovoltaic power generation system of the present embodiment includes a sunlight string 1, a power extraction unit 2, and a reception unit 3 (see FIGS. 1 and 2).
  • the solar string 1 includes a plurality of solar panels 10 and power lines 11.
  • a suffix is added to the reference numeral as in the solar panel 10N.
  • the solar panel 10 it means any one of the solar panels.
  • the plurality of solar panels 10 are connected in series via the power line 11, whereby the power obtained by the solar cell can be transmitted through the power line 11.
  • each solar panel 10 Since the configuration of each solar panel 10 is basically the same, in the following, one solar panel 10 will be described as an example. However, the configuration of each solar panel can be changed as necessary.
  • the solar panel 10 includes a solar cell element 14 and a transmission unit 15.
  • the transmission unit 15 corresponds to one specific example of the transmission apparatus according to the present invention.
  • the solar cell element 14 can be grasped as one power source.
  • a solar cell element since it can be set as the structure similar to the past, it abbreviate
  • the transmission unit 15 includes a current source 151, a controller 152, and a bypass capacitor 153 (see FIG. 2). Furthermore, the transmission unit 15 of this example additionally includes a transmission diode 154 and a bypass diode 155.
  • the current source 151 is connected to the power line 11 so as to be in parallel with the solar cell element 14. A specific configuration example of the current source will be described later.
  • the current source 151 in this example is connected to the power line 11 so as to have the same current polarity as the solar cell elements 14 connected in parallel to the current source 151.
  • the controller 152 is configured to generate a current signal by controlling the current value in the current source 151.
  • a microprocessor MCU: Micro-controller unit
  • the controller is not limited to this, and may be any controller that can generate an appropriate current signal by performing current value control (for example, on / off control) of the current source 151 at a desired timing.
  • bypass capacitor 153 is connected to the power line 11 so as to be parallel to the solar cell element 14 and the current source 151.
  • the current signal sent from the negative electrode side in the solar string 1 can be sent to the positive electrode side (in the direction of the current I in FIG. 2).
  • the transmission diode 154 is connected between the current source 151 and the bypass capacitor 153. In the present embodiment, this prevents the current from the current source 151 to the bypass capacitor 153 and sends the current to the power line 11.
  • the bypass diode 155 is inserted in series between the (k ⁇ 1) th solar panel and the (k + 1) th solar panel.
  • k is the number of the solar cell panel of interest, and in this example, 1 ⁇ k ⁇ N.
  • the bypass diode 155 is for allowing a current to flow through the bypass diode 155 even when some failure occurs in the k-th solar panel. Since the bypass diode 155 can be configured in the same manner as that used in a conventional solar panel, further detailed description is omitted.
  • the power extraction unit 2 is configured to extract power from the power line 11 using an inverter (specifically, a DC / AC inverter or a DC / DC converter). Any power extraction unit 2 may be used as long as the power transmitted from the solar panel 10 can be extracted from the power line 11. As the power extraction unit of the present embodiment, an existing one can be used, and thus further detailed description is omitted.
  • an inverter specifically, a DC / AC inverter or a DC / DC converter.
  • the receiver 3 is configured to receive the current signal transmitted from the transmitter 15 via the power line 11.
  • the receiving unit 3 of this example has a configuration in which a change in current value can be extracted as a signal using a current transformer CT. The detailed configuration of the receiving unit will also be described later.
  • a current signal can be generated by switching the current source 151 (on / off switching).
  • the current signal generated by the current source 151 is superimposed on the current flowing through the power line 11 and sent to the receiving unit 3.
  • the transmitting diode 154 since the transmitting diode 154 is installed, the current signal from the current source 151 does not flow in the direction of the bypass capacitor 153. If a part of the current signal flows in the direction of the bypass capacitor 153, the signal component passes through the capacitor, so that noise rides on the power line 11 and the SN ratio of the current signal is deteriorated.
  • the S / N ratio of the current signal can be improved by suppressing the occurrence of such noise.
  • the current signal generated on the upstream side in the current direction (for example, the (k ⁇ 1) th solar panel) is sent to the kth solar panel via the power line 11.
  • This current signal passes through the bypass capacitor 153 and the transmitting diode 154 in the kth solar panel and is sent to the downstream side (for example, the (k + 1) th solar panel).
  • the solar cell element 14 is a current source
  • the bypass capacitor 153 is not installed, the current signal is stopped by the current source and is not transmitted downstream.
  • a current signal can be transmitted downstream.
  • the current signal is transmitted by the capacitor 153 without depending on the parasitic capacitance of the solar panel, so that the SN ratio of the current signal can be increased.
  • the technique of the present embodiment is applicable.
  • a diode for preventing backflow since a diode for preventing backflow is inserted, it is possible to prevent a current signal flowing through one string from flowing into another string. Therefore, even in the case of the array configuration, the current signal can be detected by flowing in the direction of the receiving unit 3.
  • the transmission unit 15 (see FIG. 3A) of the first embodiment is of a capacitor pump type. This transmission unit is configured to generate a current using the electric charge stored in the capacitor C2.
  • the controller 152 (specifically, a microprocessor) turns on the transistor Q3 and turns off Q2 (that is, Q1 is also turned off as a result).
  • the capacitor C2 is in a state where charges are stored.
  • the transistor Q3 is turned off and Q2 is turned on (that is, Q1 is also turned on as a result).
  • Capacitor C2 delivers current through diode D3.
  • the magnitude of the current is controlled by the current flowing through the transistor Q1.
  • a current limiting diode D4 is connected to the transistor Q1, which controls the magnitude of the current flowing through the transistor Q1. While the pulse is being sent out (that is, during the sending of the ON waveform in the current signal), the potential of the capacitor C1 decreases, but the magnitude of the current drawn from the power supply line by connecting to the power supply line through the resistor R1 is , Smaller than the magnitude of the current sent by the capacitor C2.
  • the first embodiment is a specific example of “a configuration in which the current source includes a pump capacitor that accumulates electric charges when the current signal is turned off and sends current to the power line when the current signal is turned on according to a signal from the controller”.
  • the transmission unit 15 (see FIG. 3B) of the second embodiment can be called an inductor pump type.
  • the transmitter 15 uses a capacitor C2 for pushing current into the circuit.
  • controller 152 keeps transistor Q1 off.
  • the controller 152 first turns on the transistor Q1 for a predetermined time and then turns it off.
  • coil L1 gradually draws current from capacitor C1.
  • Diode D3 is a current controlled diode, which limits the maximum current generated by transistor Q2. With the passage of time thereafter, the transistor Q2 is turned off, and thus the current source 151 is turned off.
  • the transmission part 15 (refer FIG.3 (c)) of Example 3 can be called a coil direct connection type.
  • the transmitter 15 generates current (functions as a current source) using the magnetic flux stored in the coil L1.
  • the transistor Q1 is turned off.
  • the controller 152 first turns on the transistor Q1 for a certain period of time. Thereafter, the transistor Q1 is turned off. While the transistor Q1 is turned on, the coil L1 gradually draws current from the capacitor C1 and functions as a current source.
  • a current is sent from the coil L1 through the diode D2. The current to be sent will eventually stop (thus assuming that the current source 151 is turned off).
  • the current source includes a discharge coil, and the discharge coil draws current in accordance with an ON signal from the controller to accumulate magnetic flux, and in accordance with an OFF signal from the controller,
  • the discharge coil draws current in accordance with an ON signal from the controller to accumulate magnetic flux, and in accordance with an OFF signal from the controller
  • the transmission part 15 (refer FIG.3 (d)) of Example 4 can be called a reverse current type.
  • the transmitter 15 uses a transistor Q1 for drawing a current from the circuit, that is, for sending a current having a reverse polarity to the circuit.
  • the controller 152 switches the transistor Q1 off.
  • the controller turns on the transistor Q1 via the resistor R1.
  • the maximum current flowing through the transistor Q1 can be limited by appropriately setting the resistor R1 to a large value. In this example, since no positive current flows from the current source 151 in the direction of the transmission diode 154, the installation of the transmission diode 154 can be omitted.
  • the receiving unit 3 uses the current transformer CT to extract the change in the current I (see FIG. 2) flowing through the circuit in a non-contact manner with the power line 11, and transmit the change by observing it with the AD converter ADC.
  • the signal sent out from the unit 15 can be taken out.
  • AREF is a reference voltage of the AD converter
  • High frequency noise flowing through the power line 11 can be cut by inserting a capacitor C2 at both ends of the current transformer CT.
  • low frequency noise is often in a band of about 50 Hz / 60 Hz, it can be removed by signal processing (differential processing) after AD conversion.
  • the input voltage range of the AD converter ADC 1.5V to 3.5V (ie 1.5V ⁇ VADC ⁇ 3.5V) .
  • a smoothing step is required to detect a pulse. This is because the pulse shape is not an accurate square, and the signal intensity changes according to the configuration of the solar panel. For this reason, the receiving unit of this example calculates the following smoothed value.
  • S (t) is a sample value acquired by the AD converter (FIG. 5A)
  • V (t) is an initial smooth value (primary smoothed values)
  • Vmax (t) and Vavg (t) is a smooth value and gives the intensity and offset of the pulse signal (FIG. 5B).
  • ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 in the equation are time constants.
  • MINDIFF> 0 is a constant parameter that gives the minimum difference between Vmax (t) and Vavg (t).
  • a function active (t) is introduced. This is a function that is 1 if the pulse signal is active and 0 otherwise. This function can be implemented as follows, for example.
  • ⁇ (0 ⁇ ⁇ 1) is a threshold for pulse detection.
  • the transmission diode 154 is connected in series with the bypass capacitor 153.
  • the transmission unit 15 includes a resistor R that is inserted in series with the bypass capacitor 153 and in parallel with the transmission diode 154.
  • the second embodiment has an advantage that the power generation efficiency can be improved because there is no voltage drop (that is, power loss) due to the transmission diode 154 with respect to the power generated from the solar cell element 14.
  • the resistance value of the resistor R is set to a value necessary to make the bypass capacitor function.
  • the load resistance in this experiment has an input capacitance of 190 ⁇ F and a variable resistance whose resistance value is variable between 100 ⁇ and 600 ⁇ .
  • the transmitter 15 was attached to the first (# 1) solar panel 10, and the current transformer CT of the receiver 3 was attached to the load portion.
  • different types of current sources 151 (each type shown in FIGS. 3A to 3D) were used.
  • Table 1 below shows values of parameters in the transmission unit 15 and the reception unit 3 used in this experimental example. Table 1 corresponds to the examples of FIGS. 3A to 3D in order from the top. Of course, these values are merely examples, and the present invention is not limited to these values.
  • ATmega328P-PU having a clock frequency of 16 MHz is used as the controller 152.
  • a pulse slot of 1000 ⁇ sec was used.
  • the current source 151 of the capacitor pump type (FIG. 3A) and the reverse current type (FIG. 3D) the first 500 ⁇ sec was set as the activation phase, and the subsequent 500 ⁇ sec was set as the inactivation phase.
  • the coil-based current source 151 FIGGS. 3B and 3C
  • the previous 200 ⁇ sec was used as the coil charging period
  • the subsequent 800 ⁇ sec was used as the current release time.
  • Example 1 pulse shape at different IV points
  • the electrical characteristics of the solar panel 10 depend on the situation of the IV curve. For example, it is assumed that ⁇ , ⁇ , and ⁇ ( ⁇ ⁇ ⁇ ) are operating voltages of the solar panel 10 and that the voltage ⁇ corresponds to the maximum power point. At the voltage ⁇ , the solar panel 10 operates as a constant current source, but at the voltage ⁇ , it operates as a constant voltage source.
  • Table 2 below shows the operating voltage (V) in this experimental example. Of course, these are examples, and the present invention is not limited thereto.
  • the columns in Table 2 below correspond to FIGS. 3A to 3D from left to right.
  • Figure 7 shows the results.
  • a positive pulse having a magnitude of +0.35 V and a subsequent negative pulse were obtained.
  • a negative voltage of ⁇ 0.1 V was initially generated. This is probably due to current charging to the coil. After that, a slightly unclear pulse of +0.3 V was generated for 200 ⁇ sec.
  • a negative voltage of ⁇ 1.0 V was similarly generated, but thereafter a clear and large pulse of +7 V was generated for 200 ⁇ sec.
  • a negative voltage pulse of -6V was then generated.
  • the reverse voltage type in FIG. 7 (d) the characteristics were reversed upside down from those in FIG. 7 (a).
  • Example 2 Next, as Experimental Example 2, the pulse shape corresponding to the array configuration of the solar panel 10 was examined.
  • 8A to 8C show three array configuration patterns.
  • 20 ⁇ 1 is a series of 20 panels connected in series (that is, one solar string)
  • 10 ⁇ 2 is a parallel arrangement of two strings of 10 panels
  • 5 ⁇ 4 is Four strings of five panels are arranged in parallel.
  • the voltage that gives the maximum power is the operating voltage. That is, 348V for 20 ⁇ 1, 174V for 10 ⁇ 2, and 87V for 5 ⁇ 4.
  • Example 3 In Experimental Example 3, the data frame transmission characteristics were examined. In this experimental example, a capacitor pump type (see FIG. 7A) and a direct coil type (see FIG. 7C) were used.
  • the data frame in this experimental example is set as follows. That is, the data frame begins with an 8-bit signal 11111111. This is followed by 4 bytes (eg, 1 byte each for panel ID, voltage, current, and temperature). Finally, a checksum by error detection CRC8 or the like is inserted. The total length of the data frame is 48 bits.
  • the values 1 and 0 are sent with an interval of 1000 msec. When the value is 1, the transmitter 15 generates a pulse of 500 ⁇ sec, and when the value is 0, the pulse is not generated. It was.
  • the capacitor pump type transmitting unit (0.25, 0.00001, 0.9, 0.5, 2) in the case, and (0.5, 0.00001, 0.999, 0.75, 2) in the case of the direct coil type transmitter. ).
  • the sampling interval was about 100 ⁇ sec. 10 and 11 (1) V (t), Vmax (t), Varg (t) (these are values obtained by smoothing S (t)), sampling data in the AD converter, and (2) A pattern of active (t) (detected as a pulse signal) is shown.
  • the pulse can be easily detected by the receiving unit 3.
  • time synchronization may be lost if a large number of zeros follow.
  • pulse modulation method is merely an example, and an appropriate modulation method such as pulse width modulation or pulse position modulation can be used.
  • an appropriate modulation method such as pulse width modulation or pulse position modulation can be used.
  • a method capable of identifying signals such as a spread coding method, can be used.
  • it is also possible to send a current signal by changing the signal transmission timing for each panel (that is, by a time division method).
  • the combination of the transmission unit and the reception unit described above corresponds to a specific example of the monitoring device according to the present invention.
  • this monitoring device and the power extraction unit 2 for extracting the power transmitted via the power line corresponds to a specific example of the photovoltaic power generation system according to the present invention.

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Abstract

本発明は、太陽光ストリングにおける電力線に重畳して送られる電流信号のSN比を向上させて、故障個所の特定を効率的に行うためのものである。電流源151は、太陽電池素子14に対して並列となるように、電力線11に接続される。コントローラ152は、電流源151における電流値を制御することにより、電流信号を生成する。バイパスコンデンサ153は、太陽電池素子14及び電流源151に対して並列となるように、電力線11に接続される。これによって、バイパスコンデンサ153は、太陽光ストリングにおける負極側から送られた電流信号を正極側に送ることができる。

Description

太陽光ストリングにおける電流信号の送信装置
 本発明は、太陽光ストリングにおける電流信号を送信するための技術に関するものである。
 太陽光ストリングは、太陽電池素子を含む複数の太陽電池パネルを、電力線を介して直列接続して構成された、電力を取り出すための直列回路である。太陽光ストリングを並列配置した構成を、太陽光アレイと称することがある。太陽光ストリング(太陽光アレイの場合を含む)を用いることにより、太陽光により生じた電力を効率的に取り出すことができる。
 太陽光ストリングを構成するいずれかの太陽光パネルが故障すると、取り出せる電力が低くなってしまい、発電効率が劣化する。外部から視認できる故障の場合(外部的損傷など)は、作業員やカメラを用いた監視による異常検知を行うことができる。しかし、太陽光パネルの内部が故障した場合には、目視による異常パネル特定は難しい。このようなケースでは、太陽光ストリング全体の発電量に異常が見られたとしても、異常パネルの特定や交換の作業に費用が発生するため、太陽光発電所の経済効率に悪影響を及ぼしていた。特に、一般的な太陽電池パネルに用いられる太陽電池素子は、電流源(つまり抵抗無限大)として動作する。仮に、ストリング中の一部の太陽電池パネルが故障し、その太陽電池素子から流れる電流値が小さくなった(例えば1Aから0.1Aになった)場合は、電流の連続性から、ストリング全体を流れる電流値が小さくなる(例えば0.1Aになる)こととなり、発電効率が著しく劣化する。
 下記特許文献1の図1~3には、太陽光ストリングにおける電力線の電流に電流信号を重畳して送信し、受信機で電流信号を受け取る技術が記載されている。
 この技術では、太陽電池パネルにおける寄生容量を介して電流信号を送っているので、信号強度が弱く、信号のSN比が劣化しやすい傾向にあった。このため、直列接続されるパネル枚数(いわゆる段数)が増えた場合には、この技術は使いにくいという問題がある。
 個々の太陽電池パネルを並列接続とし、それらから個別に監視情報を電力線上で送信する構成も考えることができる。しかしながら、この構成は低い電圧で大電流を流すこととなり、電力線による電力伝送効率が下がるため、一般的ではなく、電力を受け取る側の装置(インバータ)がそのような構成に対応していないのが普通である。もちろん、太陽光パネルそれぞれに監視情報の送信のための配線(あるいは無線による送信の場合は無線設備)を、電力線とは別にそれぞれ配置するという手法もあるが、装置構成が複雑化するという問題がある。
特開2014-155271(図1~図3)
 本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、太陽光ストリングにおける電力線に重畳して送られる電流信号のSN比を向上させて、故障個所の特定を効率的に行うことができる技術を提供することである。
 前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
 (項目1)
 電力線を介して互いに直列に接続された複数の太陽電池素子を備える太陽光ストリングにおける監視情報を、電流信号として送信するための送信装置であって、
 電流源と、コントローラと、バイパスコンデンサとを備えており、
 前記電流源は、前記太陽電池素子に対して並列となるように、前記電力線に接続されており、
 前記コントローラは、前記電流源における電流値を制御することにより、前記電流信号を生成する構成となっており、
 前記バイパスコンデンサは、前記太陽電池素子及び前記電流源に対して並列となるように、前記電力線に接続されており、これによって、前記太陽光ストリングにおける負極側から送られた電流信号を正極側に送ることができる構成となっている
 送信装置。
 (項目2)
 前記電流源は、この電流源に対して並列接続された前記太陽電池素子と同じ電流極性となるように、前記電力線に接続されている
 項目1に記載の送信装置。
 (項目3)
 前記電流源と前記バイパスコンデンサとの間に接続された送信用ダイオードをさらに備えており、これにより、前記電流源から前記バイパスコンデンサへの電流を阻止して前記電力線に電流を送り込む構成となっている
 項目1又は2に記載の送信装置。
 (項目4)
 前記バイパスコンデンサに対して直列で、かつ、前記送信用ダイオードに対して並列に挿入された抵抗をさらに備えている
 項目3に記載の送信装置。
 (項目5)
 前記電流源は、前記コントローラからの信号に応じて、前記電流信号のオフ時には電荷を蓄積し、前記電流信号のオン時には前記電力線に電流を送り出すポンプ用コンデンサを備える
 項目1~4のいずれか1項に記載の送信装置。
 (項目6)
 前記電流源は、放電用コイルを備えており、
 前記放電用コイルは、前記コントローラからのオン信号に応じて、電流を引き込んで磁束を蓄積し、前記コントローラからのオフ信号に応じて、時定数に従う時間の間、前記電力線に電流を送り出した後、前記電流信号をオフにする構成となっている
 項目1~4のいずれか1項に記載の送信装置。
 (項目7)
 項目1~6のいずれか1項に記載の送信装置と、受信部とを備えており、
 前記受信部は、前記電力線を介して伝送された前記電流信号を受信する構成となっている
 監視装置。
 (項目8)
 項目7に記載の監視装置と、前記電力線を介して送られた電力を取り出すための電力取出部とを備える太陽光発電システム。
 本発明によれば、太陽光ストリングにおける電力線に重畳して送られる電流信号のSN比を向上させて、故障個所の特定を効率的に行うことが可能となる。
本発明の第1実施形態における太陽光発電システムの概略的な構成を示すためのブロック図である。 図1のシステムに用いられる太陽光ストリングの構成を説明するための説明図である。 図1のシステムにおいて用いられる送信部(送信装置)における電流源の構成例を示す回路図である。 図1のシステムにおいて用いられる受信部の構成例を示す回路図である。 受信部において検出される時間波形と、それについての円滑化処理を説明するための説明図であって、図5(a)は受信部における検出波形、図5(b)は円滑化処理後の波形、図5(c)は閾値との比較により得られたデジタル信号である。 本発明の第2実施形態における太陽光発電システムにおいて用いられる送信部の構成を説明するための説明図である。 図3(a)~(d)の各タイプの電流源に対応する、受信部で観察されたパルス波形を示すグラフである。 太陽電池パネルの配列状態の例を説明するための説明図であり、図8(a)は20×1アレイ、図8(b)は10×2アレイ、図8(c)は5×4アレイである。 図3(a)~(d)の各タイプの電流源に対応する、受信部で観察されたパルス波形を示すグラフである。 図3(a)に示すタイプの電流源により発生させた電流信号の検出結果を示すグラフである。 図3(c)に示すタイプの電流源により発生させた電流信号の検出結果を示すグラフである。
 以下、本発明の第1実施形態に係る太陽光発電システムを、添付の図面を参照しながら説明する。
 (第1実施形態の構成)
 本実施形態の太陽光発電システムは、太陽光ストリング1と、電力取り出し部2と、受信部3とを備えている(図1及び図2参照)。
 (太陽光ストリング)
 太陽光ストリング1は、複数の太陽光パネル10と、電力線11とを備えている。以下の説明においては、第N番目の太陽光パネルを参照するときは、太陽光パネル10Nのように、符号に添え字を付す。単に太陽光パネル10というときは、いずれかの太陽光パネルを指すものとする。
 (太陽光パネル)
 複数の太陽光パネル10は、電力線11を介して直列接続されており、これにより、太陽電池で得られた電力を電力線11により伝送できるようになっている。
 各太陽光パネル10の構成は、基本的に同様なので、下記においては、一つの太陽光パネル10を例として説明する。ただし、各太陽光パネルの構成を必要に応じて変更することは可能である。
 太陽光パネル10は、太陽電池素子14と、送信部15とを備えている。送信部15は、本発明に係る送信装置の一つの具体例に対応する。
 (太陽電池素子)
 太陽電池素子14は、図2に示されるように、一つの電源として把握できる。この電源は、動作モードにも依存するが、基本的には、電圧源(理想的には内部抵抗=0)ではなく、電流源(理想的には内部抵抗=∞)としての特性を持つ。太陽電池素子としては、基本的に、従来と同様の構成とすることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。
 (送信部)
 送信部15は、電流源151と、コントローラ152と、バイパスコンデンサ153とを備えている(図2参照)。さらに、本例の送信部15は、送信用ダイオード154とバイパス用ダイオード155とを追加的に備えている。
 (電流源)
 電流源151は、太陽電池素子14に対して並列となるように、電力線11に接続されている。電流源の具体的構成例については後述する。この例における電流源151は、この電流源151に対して並列接続された太陽電池素子14と同じ電流極性となるように、電力線11に接続されている。
 (コントローラ)
 コントローラ152は、電流源151における電流値を制御することにより、電流信号を生成する構成となっている。コントローラとしては、例えばマイクロプロセッサ(MCU: Micro-controller unit)を用いることができる。ただし、コントローラとしては、これに制約されるものではなく、所望のタイミングで電流源151の電流値制御(例えばオンオフ制御)を行うことにより、適切な電流信号を生成できるものであればよい。
 (バイパスコンデンサ)
 バイパスコンデンサ153は、太陽電池素子14及び電流源151に対して並列となるように、電力線11に接続されている。本実施形態では、この構成により、太陽光ストリング1における負極側から送られた電流信号を正極側に(図2においては電流Iの方向に)送ることができる構成となっている。
 (送信用ダイオード)
 送信用ダイオード154は、電流源151とバイパスコンデンサ153との間に接続されている。本実施形態では、これにより、電流源151からバイパスコンデンサ153への電流を阻止して電力線11に電流を送り込む構成となっている。
 (バイパス用ダイオード)
 バイパス用ダイオード155は、k-1番目の太陽光パネルとk+1番目の太陽光パネルとの間に直列に挿入されている。ここでkは、着目している太陽電池パネルの番号であり、本例では1≦k≦Nである。バイパス用ダイオード155は、k番目の太陽光パネルに何らかの障害を生じた場合でも、バイパス用ダイオード155を介して電流を流すためのものである。このバイパス用ダイオード155としては、従来の太陽光パネルにおいて用いられているものと同様に構成できるので、これ以上詳しい説明は省略する。
 (電力取出部)
 電力取出部2は、この実施形態では、インバータ(具体的にはDC/ACインバータ又はDC/DCコンバータ)を用いて電力線11から電力を取り出す構成となっている。電力取出部2としては、太陽光パネル10から送られた電力を電力線11から取り出せる構成であれば、どのようなものを用いてもよい。本実施形態の電力取出部としては、既存のものを利用可能なので、これ以上詳しい説明は省略する。
 (受信部)
 受信部3は、電力線11を介して送信部15から伝送された電流信号を受信する構成となっている。本例の受信部3としては、変流器CTを用いて電流値の変化を信号として取り出せる構成となっている。受信部の詳しい構成についても後述する。
 (本実施形態における送信部の動作)
 前記した本実施形態の送信部15においては、電流源151のスイッチング(オン/オフの切り替え)により、電流信号を発生させることができる。電流源151で生じた電流信号は、電力線11を流れる電流に重畳されて、受信部3に送られる。ここで、本実施形態では、送信用ダイオード154を設置しているので、電流源151からの電流信号は、バイパスコンデンサ153の方向には流れない。仮にバイパスコンデンサ153の方向に電流信号の一部が流れると、信号成分はコンデンサを通過するので、ノイズが電力線11に乗ってしまうことになり、電流信号のSN比が劣化する。本実施形態では、そのようなノイズの発生を抑えることにより、電流信号のSN比を向上させることができる。
 また、本実施形態では、電流方向における上流側(例えばk-1番目の太陽光パネル)において発生した電流信号が、電力線11を介して、k番目の太陽光パネルに送られる。この電流信号は、k番目の太陽光パネルにおけるバイパスコンデンサ153と送信用ダイオード154とを通過して、下流側(例えばk+1番目の太陽光パネル)に送られる。基本的に、太陽電池素子14は電流源となっているので、もしバイパスコンデンサ153を設置しないときは、電流信号は電流源によって止められてしまい、下流側に伝送されない。これに対して、本実施形態では、バイパスコンデンサ153を設けることにより、下流側に電流信号を伝送することができる。しかも、本実施形態では、太陽光パネルの寄生容量に依存することになく、コンデンサ153により電流信号を伝達するので、電流信号のSN比を高めることができる。
 仮に、太陽光ストリング1が並列接続されており、アレイ構成となっている場合においても、本実施形態の技術は適用可能である。通常の太陽光ストリングでは、逆流防止用のダイオードが挿入されているため、あるストリングを流れる電流信号が他のストリングに流れ込むことは防止できる。したがって、アレイ構成の場合においても、電流信号を受信部3の方向に流して検出することができる。
 (電流源の実施例)
 以下、図3(a)~(d)を参照しながら、前記実施形態における送信部15に用いられる電流源151(コントローラ152を含む)のさらに具体的な実施例を説明する。なお、これらの実施例の説明においては、抵抗R1やコンデンサC1のように共通する符号を用いているが、それぞれの回路構成に応じて適切な特性が採用される。また、図3における端子a及びbが図2における端子a及びbに対応する。
 (電流源の実施例1)
 実施例1の送信部15(図3(a)参照)は、キャパシタポンプ型のものである。この送信部は、コンデンサC2に蓄えられた電荷を使って、電流を生み出す構成となっている。電流源151をオフにするときは、コントローラ152(具体的にはマイクロプロセッサ)は、トランジスタQ3をONにし、Q2をOFF(つまり結果的にQ1もOFF)にする。これにより、コンデンサC2は電荷が蓄えられた状態になる。電流源151をONにするには、トランジスタQ3をOFFにし、Q2をON(つまり結果的にQ1もON)にする。これによって、コンデンサC2の、ダイオード(D3又はD2)側の電位は、倍近くに上昇する(コンデンサC1の電位に対し、C2の電位が上乗せされるため)。コンデンサC2はダイオードD3を通して、電流を送出する。その電流の大きさは、トランジスタQ1を流れる電流によって制御される。トランジスタQ1には電流制限ダイオードD4が接続され、これが、トランジスタQ1を流れる電流の大きさを制御する。パルス送出中(つまり、電流信号におけるオン波形の送出中)は、コンデンサC1の電位は下がっていくが、抵抗R1を通して、電源線に接続されていることにより、電源線から引き込む電流の大きさは、コンデンサC2が送出する電流の大きさよりも小さい。
 この実施例1は、「電流源が、コントローラからの信号に応じて、電流信号のオフ時には電荷を蓄積し、電流信号のオン時には電力線に電流を送り出すポンプ用コンデンサを備える構成」の一具体例に対応する。
 (電流源の実施例2)
 実施例2の送信部15(図3(b)参照)は、インダクタポンプ型と呼べるものである。この送信部15は、回路に電流を押し込むためのコンデンサC2を用いている。電流源151がオフのとき、コントローラ152は、トランジスタQ1をオフに保つ。電流源151をオンにしてパルスを生成するために、コントローラ152は、まずトランジスタQ1を、所定時間の間、オンにし、その後オフにする。オン状態の間、コイルL1はコンデンサC1から電流を徐々に引き込む。その後トランジスタQ1がオフ状態になると、コイルL1からの電流はダイオードD2を通ってコンデンサC2に流れ、その電圧を上昇させる。ダイオードD3は電流制御ダイオードであり、それは、トランジスタQ2が生成する最大電流を制限する。その後の時間経過により、トランジスタQ2がオフになり、したがって、電流源151がオフになる。
 (電流源の実施例3)
 実施例3の送信部15(図3(c)参照)は、コイル直結型と呼べるものである。この送信部15では、コイルL1に蓄えられた磁束を使って、電流を生み出す(電流源として機能させる)ようになっている。電流源151をOFFにするときは、トランジスタQ1をOFFにしておく。電流源151からパルス電流を生成する場合は、コントローラ152が最初にトランジスタQ1を一定時間ONにする。そして、その後、このトランジスタQ1をOFFにする。トランジスタQ1をONにしている間、コイルL1は、徐々に電流をコンデンサC1から引き込んでいき、電流源として機能するようになる。トランジスタQ1をOFFにすると、コイルL1からダイオードD2を通じて電流が送出される。送出される電流はやがて停止する(これにより電流源151がOFFになったとみなす)。
 この実施例3は、「電流源が放電用コイルを備えており、放電用コイルが、コントローラからのオン信号に応じて、電流を引き込んで磁束を蓄積し、コントローラからのオフ信号に応じて、時定数に従う時間の間、電力線に電流を送り出した後、電流信号をオフにする構成」の一具体例に対応する。
 (電流源の実施例4)
 実施例4の送信部15(図3(d)参照)は、逆電流型と呼べるものである。この送信部15では、回路から電流を引き込むための、つまり、回路に逆極性の電流を送り込むためのトランジスタQ1を用いる。電流源151がオフのとき、コントローラ152はトランジスタQ1をオフに切り替える。電流源151をオンにするためには、コントローラは、抵抗R1を介して、トランジスタQ1をオンにする。ここで、抵抗R1を適宜に大きな値に設定することにより、トランジスタQ1に流れる最大電流を制限することができる。なお、この例では、電流源151から送信用ダイオード154の方向に正の電流が流れることはないので、送信用ダイオード154の設置を省略することができる。
 (受信部の実施例)
 つぎに、受信部3の具体的な構成例を図4に基づいて説明する。この受信部3は、変流器CTを用いることで、電力線11に非接触で、回路を流れる電流I(図2参照)の変化分を取り出し、それをADコンバータADCで観測することで、送信部15から送り出された信号を取り出すことができる。図4において、AREFをADコンバータの参照電圧とし、抵抗R1とR2で分圧された電圧(通常は R1=R2とする)に変流器CTの片側の接点を取り付ける。変流器CTの両接点の間に抵抗R3を取り付ける。変流器CTの他側の接点をADコンバータADCの入力に接続すれば、電流の変化分を電圧の変化分として観測できるようになる。
 電力線11を流れる高周波のノイズは、変流器CTの両端にコンデンサC2を挿入することで、カットすることができる。また、低周波のノイズは、50Hz/60Hz程度の帯域にあることが多いので、AD 変換後の信号処理(差分処理)で除去できる。
 (受信部における受信動作の実施例)
 変流器CTの巻き数比をN:1とすると、電力線11(一次側)を流れる電流ΔI(電流Iの変化量をΔIとする)の1/Nの電流を二次側に生じる。抵抗R1, R2及びキャパシタC1は、定電圧を生成する。通常、R1=R2として、1/2AREF(ここでは、アナログ参照電圧をAREFとする)を生成する。変流器CTで生成された電流は、抵抗R3を流れ、したがって、ADコンバータADCの入力電圧は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
となる。
 例えば、もしAREF=5V、N=3000、100mA<ΔI<100mA、抵抗R3=30kΩであれば、ADコンバータADCの入力電圧範囲=1.5V~3.5V(すなわち1.5V<VADC<3.5V)である。図5に示されるように、パルスを検出するためには、円滑化ステップが必要となる。なぜならパルス形状が正確な方形でないからであり、また、太陽光パネルの構成に応じて、信号強度が変化するからである。このため、本例の受信部では、下記のような平滑化された値を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
 ここで、S(t)は、ADコンバータで取得されたサンプル値であり(図5(a))、V(t)は、初期円滑値(primary smoothed values)であり、Vmax(t) 及びVavg(t)は、円滑値であって、パルス信号の強度及びオフセットを与える(図5(b))。式中のα1,α2,及びα3は時定数である。MINDIFF > 0 は定数パラメータであり、これは、Vmax(t)とVavg(t)との間の最小の差分を与える。
 円滑化後は、パルス検出段階である。本実施形態では、関数active(t)を導入する。これは、パルス信号がアクティブの場合に1、そうでなければ0になる関数である。この関数は例えば下記のようにして実装できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
 ここで、β(0<β<1)は、パルス検出のための閾値である。
 (第2実施形態)
 次に、図6を参照しながら、本発明の第2実施形態に係る太陽光発電システムに用いられる送信部15を説明する。なお、この第2実施形態の説明においては、前記した第1実施形態の構成要素と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
 第2実施形態の送信部15では、送信用ダイオード154がバイパスコンデンサ153と直列に接続されている。また、この送信部15では、バイパスコンデンサ153に対して直列で、かつ、送信用ダイオード154に対して並列に挿入された抵抗Rを備えている。第2実施形態では、太陽電池素子14からの発電電力に対する、送信用ダイオード154による電圧降下(すなわち電力のロス)が無くなるので、発電効率を向上させることができるという利点がある。抵抗Rの抵抗値は、バイパスコンデンサを機能させるために必要な値に設定される。
 第2実施形態の太陽光発電システムにおける他の構成及び利点は、前記した第1実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
 (実験例)
 前記した第1実施形態の太陽光発電システムに用いられる送信部15及び受信部3の実験例を以下に説明する。以下においては、
(1)異なる太陽電池動作モードにおけるパルス波形、及び
(2)異なる太陽光アレイの構成におけるパルス波形
について検討する。また、受信部で検出されるデータフレームについても検討する。
 (実験の前提及び条件)
 本実験では、20枚の太陽光パネルを用いたデータ伝送について検討する。用いる太陽電池素子のモデルは、SY-M12W-12(SUNYOOO solar limited製)である。その開放電圧は21.8V、短絡電流は0.73Aである。最大電力は12W(17.4V、0.69Aのとき)である。
 また、バイパスコンデンサ153として、1000μFを用い、各太陽光パネル間にバイパス用ダイオード155を挿入した。この実験における負荷抵抗は、190μFの入力キャパシタンスと、100Ω~ 600Ωの間で抵抗値が可変な可変抵抗とを備える。
 実験においては、1番目(#1)の太陽光パネル10に送信部15を取り付け、負荷の部分に受信部3の変流器CTを取り付けた。また、実験においては、異なるタイプ(図3(a)~(d)に示す各タイプ)の電流源151を用いた。下記表1は、本実験例において用いた、送信部15と受信部3におけるパラメータの値である。この表1においては、上から順に図3(a)~(d)の例に対応している。もちろんこれらの値は単なる一例であり、本発明はこれらの値に制約されない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 また、本実施形態では、コントローラ152として、16MHz のクロック周波数を持つATmega328P-PUを用いた。
 さらに、本実施例の測定のため、オシロスコープ(Tektronix製 MDO3014)を用いた。
 また、本実験例では、1000μsecのパルススロットを用いた。キャパシタポンプ型(図3(a))と逆電流型(図3(d))の電流源151については、初めの500μsecを活性化フェーズとし、その後の500μsecを不活性化フェーズとした。コイルベース型の電流源151(図3(b)と(c))については、先の200μsecを、コイル充電期間とし、その後の800μsecを電流開放時間とした。
 (実験例1:異なるI-V点におけるパルス形状)
 太陽光パネル10の電気的特性は、I-V曲線の状況に依存する。例えば、α、β、γ(α<β<γ)を太陽光パネル10の動作電圧とし、電圧βを最大電力点に対応すると仮定する。電圧αでは、太陽光パネル10は、定電流源として動作するが、電圧γでは、定電圧源として動作する。この実験例では、直列接続された10枚の太陽光パネル10を用いた例におけるパルス波形の変化を調べた。下記表2は、この実験例における動作電圧(V)を示す。もちろんこれらは一例であり、本発明はこれらに制約されない。下記表2の欄は、左から右に向けて、図3(a)~(d)に対応している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 図7に結果を示す。図7(a)のキャパシタポンプ型の場合は、+0.35Vの大きさの明確な正のパルスと、その後の負のパルスを得られた。図7(b)のインダクタポンプ型の場合は、初め、-0.1Vの負電圧を生じた。これはおそらく、コイルへの電流チャージのためである。その後、+0.3Vのやや不明確なパルスを200μsecの間生じた。図7(c)のコイル直接型の場合は、同様に-1.0Vの負電圧を生じたが、その後、200μsecの間、+7Vの明確で大きいパルスを生成した。その後、-6Vの負電圧パルスを生じた。図7(d)の逆電圧型の場合は、図(a)のものと上下反転した特性となった。
 これらの結果においては、電圧α、β、γの間の差異は小さかった。
 (実験例2)
 次に、実験例2として、太陽光パネル10のアレイ構成に応じたパルス形状を調べた。図8(a)~(c)に、三つのアレイ構成パターンを示した。20×1は、20枚のパネルを直列接続したもの(つまり太陽光ストリングとしては一つ)、10×2は、10枚のパネルによるストリングを2本並列配置としたもの、5×4は、5枚のパネルによるストリングを4本並列配置としたものである。この実験例では、それぞれの構成において、最大電力を与える電圧を動作電圧とした。すなわち、20×1の場合は348V、10×2の場合は174V、5×4の場合は87Vとした。
 結果を図9(a)~(d)に示す。これらのグラフと電流源のタイプとの関係は図7の場合と同様である。これらの結果を通して考察すると、得られるパルス信号強度の大きさは、10×2アレイ>20×1アレイ>5×4アレイとなった。しかしながら、いずれのケースでも、これらの信号強度は検出レベルを越えている。したがって、本発明の技術は、太陽光ストリングを並列配置して構成された太陽光アレイにも使用可能であることがわかる。
 (実験例3)
 実験例3では、データフレーム伝送特性を調べた。この実験例では、キャパシタポンプ型(図7(a)参照)と、コイル直接型(図7(c)参照)とを用いた。
 この実験例におけるデータフレームは、以下のように設定される。すなわち、データフレームは、8ビットシグナル11111111で始まる。続いて、4バイト(例えばパネルのID,電圧、電流、及び温度についてそれぞれ1バイトを割り当て)が続く。最後に、エラー検出用のCRC8などによるチェックサムが挿入される。データフレームの全長は48ビットとされる。また、この例では、1及び0の値を、1000msecのインターバルを挿入して送り、値1のときは、送信部15は500μsecのパルスを生成し、値0のときは、パルスを生成しないこととした。
 この実験例では、前記した受信部3の具体的構成例(前記式(1)~(5)参照)におけるパラメータセット(α1,α2,α3,β,MINDIFF)として、キャパシタポンプ型の送信部の場合に(0.25,0.00001,0.9,0.5,2)とし、コイル直接型の送信部の場合に(0.5,0.00001,0.999,0.75,2)とした。サンプリング間隔は約100μsecとした。図10及び11は、
(1)V (t), Vmax(t),Varg(t) (これらはS(t)を平滑化した値)及び ADコンバータにおけるサンプリングデータ、及び、
(2)active(t)(パルス信号として検出されたもの)のパターン
を示す。
 この結果に示すように、パルスは受信部3によって容易に検出可能である。しかしながら、多数の0が続く場合には、時間同期を失する可能性がある。
 なお、前記のパルス変調方式はあくまで一例であり、例えばパルス幅変調、パルス位置変調など、適宜の変調方式を利用可能である。また、複数の電流源151からの電流信号を電力線11に重畳する場合は、拡散符号化方式のように、信号の識別を行える方式を用いることもできる。もちろん、パネルごとに信号発信時期を異ならせることにより(つまり時分割方式により)、電流信号を送ることもできる。
 なお、前記した送信部と受信部との組み合わせは、本発明における監視装置の一具体例に対応する。
 また、この監視装置と、電力線を介して送られた電力を取り出すための電力取出部2との組み合わせは、本発明に係る太陽光発電システムの一具体例に対応する。
 なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。例えば、前記した実施形態において用いられる各回路素子は、等価な機能を有する各種の素子又は電子デバイスである場合を含む。
 1 太陽光ストリング
 10 太陽光パネル
 11 電力線
 14 太陽電池素子
 15 送信部
 151 電流源
 152 コントローラ
 153 バイパスコンデンサ
 154 送信用ダイオード
 155 バイパス用ダイオード
 2 電力取出部
 3 受信部
 ADC ADコンバータ
 CT 変流器

Claims (8)

  1.  電力線を介して互いに直列に接続された複数の太陽電池素子を備える太陽光ストリングにおける監視情報を、電流信号として送信するための送信装置であって、
     電流源と、コントローラと、バイパスコンデンサとを備えており、
     前記電流源は、前記太陽電池素子に対して並列となるように、前記電力線に接続されており、
     前記コントローラは、前記電流源における電流値を制御することにより、前記電流信号を生成する構成となっており、
     前記バイパスコンデンサは、前記太陽電池素子及び前記電流源に対して並列となるように、前記電力線に接続されており、これによって、前記太陽光ストリングにおける負極側から送られた電流信号を正極側に送ることができる構成となっている
     送信装置。
  2.  前記電流源は、この電流源に対して並列接続された前記太陽電池素子と同じ電流極性となるように、前記電力線に接続されている
     請求項1に記載の送信装置。
  3.  前記電流源と前記バイパスコンデンサとの間に接続された送信用ダイオードをさらに備えており、これにより、前記電流源から前記バイパスコンデンサへの電流を阻止して前記電力線に電流を送り込む構成となっている
     請求項1又は2に記載の送信装置。
  4.  前記バイパスコンデンサに対して直列で、かつ、前記送信用ダイオードに対して並列に挿入された抵抗をさらに備えている
     請求項3に記載の送信装置。
  5.  前記電流源は、前記コントローラからの信号に応じて、前記電流信号のオフ時には電荷を蓄積し、前記電流信号のオン時には前記電力線に電流を送り出すポンプ用コンデンサを備える
     請求項1~4のいずれか1項に記載の送信装置。
  6.  前記電流源は、放電用コイルを備えており、
     前記放電用コイルは、前記コントローラからのオン信号に応じて、電流を引き込んで磁束を蓄積し、前記コントローラからのオフ信号に応じて、時定数に従う時間の間、前記電力線に電流を送り出した後、前記電流信号をオフにする構成となっている
     請求項1~4のいずれか1項に記載の送信装置。
  7.  請求項1~6のいずれか1項に記載の送信装置と、受信部とを備えており、
     前記受信部は、前記電力線を介して伝送された前記電流信号を受信する構成となっている
     監視装置。
  8.  請求項7に記載の監視装置と、前記電力線を介して送られた電力を取り出すための電力取出部とを備える太陽光発電システム。
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