JP2005044824A - 太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】太陽電池モジュール15a等により並列接続回路の太陽光アレイ10を構成する場合、各太陽電池モジュール15a等において発電素子2a等の+側配線と直列に逆流防止ダイオード4a等を挿入する。太陽光アレイ10において太陽電池モジュールの1個(例。太陽電池モジュール15b)が故障し、その電圧が異常に低下した場合、他の正常な太陽電池モジュール(例。太陽電池モジュール15a、15c)との間の電圧差により逆流防止ダイオード4bが逆バイアス状態となる。一方、故障検出回路17b内の発光ダイオード6bは順バイアス状態となるため点灯する。発光ダイオード6bの点灯状態は端子ボックス16bの透明部分(不図示)から確認する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽光アレイを構成する太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2003−23171号公報
【特許文献2】特開2001−68706号公報
【0003】
太陽光発電システムでは、複数の太陽電池モジュールが直列または並列に接続されて構成された太陽電池アレイにより電力を供給している。ここで、上記太陽電池モジュールのサブモジュールである発電素子の一部が破損した場合、当該破損部分には直列に接続された他の発電素子の電流が流れ込むことにより、異常な発熱が発生して焼損に至る恐れがある。このため、上述のような破損により故障した太陽電池モジュールを早期に検出し、当該太陽電池モジュールの交換等の処置を施すことが必要である。
【0004】
太陽電池アレイは通常数10個から数100個の太陽電池モジュールにより構成されている。このため、それらの太陽電池モジュールの中から故障した太陽電池モジュールを検出または特定するには、太陽光発電システムの運転を停止した上で個々の太陽電池モジュールを点検する必要があった。しかし、上述のように太陽電池モジュールの数は多数であるため、点検には多くの時間と労力とを要するという問題があった。
【0005】
上述の問題を解決するために、従来、バイパスダイオードを用いた太陽電池モジュールの故障検出が行なわれていた。図3は、従来のバイパスダイオードを用いた太陽電池モジュールの故障検出方法による太陽光アレイ30を示す。図3において、符号35aは太陽電池モジュール、2aは太陽電池モジュール35aのサブモジュールである発電素子、3aは発電素子2aと並列に接続されたバイパスダイオードである。符号35b、35cは太陽電池モジュール35aと同様に構成された太陽電池モジュールであり、各々発電素子2bおよびバイパスダイオード3b、発電素子2cおよびバイパスダイオード3cを有している。図3に示されるように、太陽電池モジュール35a、35bおよび35cは直列に接続されており、太陽電池モジュール35aは出力端子部11aと接続され、太陽電池モジュール35cは出力端子部11bと接続されている。
【0006】
太陽光アレイ30の故障検出方法の動作概要は、発電素子2a等に並列に挿入されたバイパスダイオード3a等の電流を検出することにより、故障した太陽電池モジュールを特定するというものである。図3に示されるように、例えば太陽電池モジュール35aの発電素子2aが正常な場合、バイパスダイオード3aの逆方向に電圧が印加されるためバイパスダイオード3aには電流は流れない。しかし、発電素子2aが故障した場合、他の太陽電池モジュール1b等の電流がバイパスダイオード3aに流れるため、当該電流を測定することができる。バイパスダイオード3a等として発光ダイオードを用いると、故障した太陽電池モジュール35a等の発光ダイオードが点灯するため、故障した太陽電池モジュール35a等の特定を行なうことができる。
【0007】
特許文献1には他の故障検出方法が記載されている。特許文献1の太陽光モジュール2では、太陽電池素子A1等のA列と太陽電池素子B1等のB列とが並列接続されており、このA列とB列との間にダイオードまたは発光ダイオードをバイパスさせる方法が示されている。この方法は、並列回路を構成する各部分回路(A列、B列の各回路)が太陽電池素子A1等、B1等の直列接続回路である場合、その直列接続回路の等電位端子間をダイオードでバイパスさせることにより、太陽電池素子A1等の故障によって上記等電子端子間のバランスが崩れた際にダイオードに電流が流れることを利用したものである。
【0008】
一方、特許文献2には、各太陽電池ストリング1が並列接続された回路において、逆流防止ダイオード4の両端の電圧検出手段7を用いる方法が記載されている。電圧検出手段7の出力により交流ノイズを重畳させ、この交流ノイズを検出することにより故障の有無を判別する方法が示されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述の太陽光アレイ30の故障検出方法および特許文献1の方法のいずれにおいても、太陽電池素子A1等、B1等が各々直列接続されていることを必須の要件としていた。従って、故障検出回路30の方法および特許文献1の方法は、太陽光モジュール2が太陽電池素子A1等の並列接続のみから構成される場合には適用することができないという問題があった。
【0010】
太陽電池素子を直列に接続する理由は、太陽光発電システムのPV(Photo Voltaic)インバータに200〜300Vの高電圧を供給して、太陽電池素子A1等の太陽電池モジュールで発生した電流を交流へ変換するためである。しかし、富士電機株式会社製のSCAF(Series Connection through Apertures formed on Film)セルは高電圧出力のサブモジュール(発電素子)を使用しているため、太陽電池モジュールは200〜300Vの出力電圧を持っており、太陽電池アレイは太陽電池モジュールの並列接続のみから構成されている。従って、このような場合に対しても太陽電池モジュールの故障を検出し、故障した太陽電池モジュールを特定する必要がある。
【0011】
上述の特許文献2には電圧検出手段7の具体例が示されていなかった。このため実施が困難であるという問題があった。電圧検出手段7として警報回路を備えた電圧計を容易に想到することができるが、それならば敢えて交流ノイズを重畳させる必要はない。従って、特許文献2の方法には実用性に欠けるという問題があった。
【0012】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、太陽光モジュールまたはアレイが太陽電池モジュールの並列接続のみから構成されている場合であっても適用可能な、実用性を備えた太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明の太陽電池モジュールの故障検出方法は、太陽光アレイを構成する太陽電池モジュールの故障検出方法であって、該太陽光アレイは複数の太陽電池モジュールを並列接続して構成され、該太陽電池モジュールは該太陽電池モジュール内の発電素子の+側配線と直列に接続された逆流防止ダイオードと並列に接続した故障検出回路を有しており、前記太陽光アレイ中の太陽電池モジュールが故障した場合、前記故障検出回路により、故障した太陽電池モジュールの電圧低下によって前記逆流防止ダイオードに発生するカットオフ状態を検出すると共に、該故障した太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする。
【0014】
ここで、この発明の太陽電池モジュールの故障検出方法において、前記故障検出回路は定電流素子(好適には定電流ダイオード)と発光ダイオードとを直列に接続した回路であり、該故障検出回路により、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記発光ダイオードを発光させることにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することができる。
【0015】
ここで、この発明の太陽電池モジュールの故障検出方法において、前記故障検出回路は定電流素子(好適には定電流ダイオード)とソリッドステートリレーの入力端子部とを直列に接続し、該ソリッドステートリレーの出力側と発光ダイオードとを接続した回路であり、該故障検出回路により、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記ソリッドステートリレーを動作させて前記発光ダイオードを発光させ、該ソリッドステートリレーの出力を外部へ送信することにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することができる。
【0016】
この発明の太陽電池モジュールの故障検出回路は、太陽光アレイを構成する太陽電池モジュールが有する故障検出回路であって、該太陽光アレイは複数の太陽電池モジュールを並列接続して構成されており、前記太陽電池モジュール内の発電素子の+側配線と直列に接続された逆流防止ダイオードと並列に接続され、前記太陽光アレイ中の太陽電池モジュールが故障した場合、故障した太陽電池モジュールの電圧低下によって前記逆流防止ダイオードに発生するカットオフ状態を検出すると共に、該故障した太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする。
【0017】
ここで、この発明の太陽電池モジュールの故障検出回路は定電流素子(好適には定電流ダイオード)と発光ダイオードとを直列に接続した回路であり、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記発光ダイオードを発光させることにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
概要.
太陽電池モジュールにより並列接続回路を構成する場合、各太陽電池モジュールに逆流防止ダイオードを挿入する。この逆流防止ダイオードは、並列接続回路を構成する各太陽電池モジュール間で発電能力のバランスが崩れた場合、自動的に出力電流を調整して、出力電圧を揃える機能を有している。故障した太陽電池モジュールは出力電圧が大きく低下し調整範囲を超えてしまうため、逆流防止ダイオードが逆バイアス状態となってカットオフとなる。この場合、逆バイアス電圧は太陽電池モジュールの開放電圧の約25%以上である。太陽電池モジュールの並列接続のみから構成される太陽光アレイにおいて太陽電池モジュールの1個が故障した場合、逆流防止ダイオードに逆バイアス電圧が発生するため、これを検出することにより故障を検知し、故障した太陽電池モジュールを特定することができる。
【0019】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路を用いた太陽光アレイ10を示す。図1において、符号15aは太陽電池モジュール、2aは太陽電池モジュール15aのサブモジュールである発電素子、16aは太陽電池モジュール15aの端子ボックス、4aは発電素子2aの+側配線と直列に接続された端子ボックス16a内の逆流防止ダイオード、6aは端子ボックス16a内の発光ダイオード、7aは発光ダイオード6aと直列に接続された端子ボックス16a内の定電流ダイオードである。発光ダイオード6aおよび定電流ダイオード7aにより故障検出回路17aが構成され、故障検出回路17aは端子ボックス16a内で逆流防止ダイオード4aと並列に接続されている。太陽電池モジュール15aは発電素子2aの電極から端子ボックス16aを経由して配線され、出力母線12a、12bに接続されている。
【0021】
図1において、符号15b、15cは太陽電池モジュール15aと同様に構成された太陽電池モジュールである。太陽電池モジュール15b内の各要素、例えば発電素子2bは後部に付けられた符号bが符号aと異なるだけで上述の太陽電池モジュール15a内の発電素子2aと同様の機能を有しているため、説明は省略する。太陽電池モジュール15cについても太陽電池モジュール15aと同様であるため説明は省略する。図1では出力母線12a、12bに並列に接続された太陽電池モジュール15a、15bおよび15cの3モジュールのみ示しているが、これは例示であって本発明の適用対象は3モジュールに限定されるものではない。以下では、特に区別する場合を除き、太陽電池モジュール15a、15bおよび15cを総称して太陽電池モジュール15a等と言う。同様に、他の要素、例えば発電素子2a、2bおよび2cについても発電素子2a等と言う。
【0022】
次に、太陽光アレイ10における太陽電池モジュール15a等の故障検出方法について説明する。太陽光アレイ10が正常運転の場合、各太陽電池モジュール15a等は等しい出力電圧で動作している。この出力電圧はサブモジュール(発電素子)2a等から供給されるため、逆流防止ダイオード4a等は順方向にバイアスされ、発光ダイオード6aは逆バイアスとなるため点灯することはない。例えば太陽電池モジュール15bが故障し、その電圧が異常に低下した場合、正常な太陽電池モジュール15a、15cとの間の電圧差により逆流防止ダイオード4bが逆バイアス状態となる。一方、故障検出回路17b内の発光ダイオード6bは順バイアス状態となるため点灯する。定電流ダイオード7aを発光ダイオード6aと直列に接続する理由は、上記逆バイアス状態における逆バイアス電圧が故障状態によって不安定になるため、発光ダイオード6aの電流を一定に保ち発光状態を安定させるためである。
【0023】
例えば、太陽電池モジュール15a等は開放電圧が280Vの特性を有し、最大出力電圧が210Vで動作しているものとする。故障検出回路17a等の定電流ダイオード7a等および発光ダイオード6a等の定格は各々10mAとする。ここで、太陽電池モジュール15bが故障して、その出力電圧が130Vへ低下した場合を想定すると、逆流防止ダイオード4bの作用により太陽電池モジュール15bの電流が減少する。電圧の低下は210V−130V=80Vであるため、太陽電池モジュール15bの電圧は280V−80V=200Vを超えることができない。このため太陽電池モジュール15bの逆流防止ダイオード4bは、太陽電池モジュール15a、15cの電圧との差、210V−200V=10Vで逆バイアスされ、カットオフになる。この時、故障検出回路17bは10Vで順バイアスされるため、定電流ダイオード7bにより10mAが発光ダイオード6aに供給され、発光ダイオード6aが点灯する。端子ボックス6bの透明部分(不図示)から発光ダイオード6bの点灯状態を確認できるようになっているため、太陽光アレイ10における故障した太陽電池モジュール15bを確認することができる。
【0024】
以上より、本発明の実施の形態1によれば、太陽電池モジュール15a等により並列接続回路の太陽光アレイ10を構成する場合、各太陽電池モジュール15a等において発電素子2a等の+側配線と直列に逆流防止ダイオード4a等を挿入する。太陽光アレイ10において太陽電池モジュールの1個(例えば太陽電池モジュール15b)が故障し、その電圧が異常に低下した場合、他の正常な太陽電池モジュール(例えば太陽電池モジュール15a、15c)との間の電圧差により逆流防止ダイオード4bが逆バイアス状態となる。一方、故障検出回路17b内の発光ダイオード6bは順バイアス状態となるため点灯する。端子ボックス6bの透明部分(不図示)から発光ダイオード6bの点灯状態を確認することができるため、太陽光アレイ10における故障した太陽電池モジュール15bを確認することができる。従って、太陽光アレイ10が太陽電池モジュール15a等の並列接続のみから構成されている場合であっても適用可能な、実用性を備えた太陽電池モジュール15a等の故障検出方法を提供することができる。
【0025】
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2における太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路を用いた太陽光アレイ20を示す。図2で図1と同じ符号を付した要素は同じ機能を有するため説明は省略する。図2において、符号27aは故障検出回路、26aは故障検出回路27aを有する端子ボックス、8aは定電流ダイオード7aと入力端子部が直列に接続されたソリッドステートリレーである。ソリッドステートリレー8aの出力側は発光ダイオード6aと接続されており、故障警報回路(不図示)側の配線13a、13bと接続されている。
【0026】
図2において、符号25b、25cは太陽電池モジュール25aと同様に構成された太陽電池モジュールである。太陽電池モジュール25b内の各要素、例えば故障検出回路27bは後部に付けられた符号bが符号aと異なるだけで上述の太陽電池モジュール25a内の故障検出回路27aと同様の機能を有しているため、説明は省略する。太陽電池モジュール25cについても太陽電池モジュール25aと同様であるため説明は省略する。図2では出力母線12a、12bに並列に接続された太陽電池モジュール25a、25bおよび25cの3モジュールのみ示しているが、これは例示であって本発明の適用対象は3モジュールに限定されるものではない。以下では、特に区別する場合を除き、太陽電池モジュール25a、25bおよび25cを総称して太陽電池モジュール25a等と言う。同様に、他の要素、例えば故障検出回路27a、27bおよび27cについても故障検出回路27a等と言う。
【0027】
次に、太陽光アレイ20における太陽電池モジュール25a等の故障検出方法について説明する。太陽光アレイ20が正常運転の場合、各太陽電池モジュール25a等は等しい出力電圧で動作している。この出力電圧はサブモジュール(発電素子)2a等から供給されるため、逆流防止ダイオード4a等は順方向にバイアスされる。ソリッドステートリレー8a等はオフ状態であるため発光ダイオード6aは点灯することはない。例えば太陽電池モジュール25bが故障し、その電圧が異常に低下した場合、正常な太陽電池モジュール25a、25cとの間の電圧差により逆流防止ダイオード4bが逆バイアス状態となる。この逆流防止ダイオード4bの逆バイアス電圧によりソリッドステートリレー8bがオン状態となる。上述のように、ソリッドステートリレー8bの出力は、出力母線12a、12bとは独立に設けられた故障警報回路側の配線13a、13bと接続されているため、故障警報回路を通して供給される電圧により発光ダイオード6bが点灯すると同時に、故障信号を送出することができる。
【0028】
以上より、本発明の実施の形態2によれば、太陽電池モジュール25a等により並列接続回路の太陽光アレイ20を構成する場合、各太陽電池モジュール25a等の故障検出回路27a等にソリッドステートリレー8a等を用いる。太陽電池モジュール25a等が故障した場合、逆流防止ダイオード4a等の逆バイアス電圧によりソリッドステートリレー8a等をオン状態となる。ソリッドステートリレー8a等の出力は故障警報回路側の配線13a、13bと接続されているため、故障警報回路を通して供給される電圧により発光ダイオード6a等が点灯すると同時に、故障信号を送出することができる。端子ボックス26a等の透明部分(不図示)から発光ダイオード6a等の点灯状態を確認することができるため、太陽光アレイ20における故障した太陽電池モジュール25a等を確認することができる。従って、太陽光アレイ20が太陽電池モジュール25a等の並列接続のみから構成されている場合であっても適用可能な、実用性を備えた太陽電池モジュール25a等の故障検出方法を提供することができる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の太陽電池モジュールの故障検出方法によれば、太陽電池モジュールにより並列接続回路の太陽光アレイを構成する場合、各太陽電池モジュールにおいて発電素子の+側配線と直列に逆流防止ダイオードを挿入する。太陽光アレイにおいて太陽電池モジュールの1個が故障した場合、他の正常な太陽電池モジュールとの間の電圧差により逆流防止ダイオードが逆バイアス状態となる。この時、故障検出回路内の発光ダイオードは順バイアス状態となるため点灯する。端子ボックスの透明部分から発光ダイオードの点灯状態を確認することができるため、太陽光アレイにおける故障した太陽電池モジュールを確認することができる。従って、太陽光アレイが太陽電池モジュールの並列接続のみから構成されている場合であっても適用可能な、実用性を備えた太陽電池モジュールの故障検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路を用いた太陽光アレイ10を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態2における太陽電池モジュールの故障検出方法および故障検出回路を用いた太陽光アレイ20を示す図である。
【図3】従来のバイパスダイオードを用いた太陽電池モジュールの故障検出方法による太陽光アレイ30を示す図である。
【符号の説明】
2a,2b,2c 発電素子、 3a,3b,3c バイパスダイオード、 4a,4b,4c 逆流防止ダイオード、 6a,6b,6c 発光ダイオード、 7a,7b,7c 定電流ダイオード、 8a,8b,8c ソリッドステートリレー、 10、20、30 太陽光アレイ、 11a,11b 出力端子部、 12a,12b 出力母線、 13a,13b 故障警報回路側配線、 15a,15b,15c,25a,25b,25c,35a,35b,35c 太陽電池モジュール、 16a,16b,16c,26a,26b,26c 端子ボックス、 17a、17b,17c,27a,27b,27c 故障検出回路。
Claims (5)
- 太陽光アレイを構成する太陽電池モジュールの故障検出方法であって、該太陽光アレイは複数の太陽電池モジュールを並列接続して構成され、該太陽電池モジュールは該太陽電池モジュール内の発電素子の+側配線と直列に接続された逆流防止ダイオードと並列に接続した故障検出回路を有しており、
前記太陽光アレイ中の太陽電池モジュールが故障した場合、前記故障検出回路により、故障した太陽電池モジュールの電圧低下によって前記逆流防止ダイオードに発生するカットオフ状態を検出すると共に、該故障した太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする太陽電池モジュールの故障検出方法。 - 請求項1記載の太陽電池モジュールの故障検出方法において、前記故障検出回路は定電流素子と発光ダイオードとを直列に接続した回路であり、該故障検出回路により、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記発光ダイオードを発光させることにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする太陽電池モジュールの故障検出方法。
- 請求項1記載の太陽電池モジュールの故障検出方法において、前記故障検出回路は定電流素子とソリッドステートリレーの入力端子部とを直列に接続し、該ソリッドステートリレーの出力側と発光ダイオードとを接続した回路であり、該故障検出回路により、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記ソリッドステートリレーを動作させて前記発光ダイオードを発光させ、該ソリッドステートリレーの出力を外部へ送信することにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする太陽電池モジュールの故障検出方法。
- 太陽光アレイを構成する太陽電池モジュールが有する故障検出回路であって、該太陽光アレイは複数の太陽電池モジュールを並列接続して構成されており、
前記太陽電池モジュール内の発電素子の+側配線と直列に接続された逆流防止ダイオードと並列に接続され、前記太陽光アレイ中の太陽電池モジュールが故障した場合、故障した太陽電池モジュールの電圧低下によって前記逆流防止ダイオードに発生するカットオフ状態を検出すると共に、該故障した太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする太陽電池モジュールの故障検出回路。 - 請求項4記載の太陽電池モジュールの故障検出回路は定電流素子と発光ダイオードとを直列に接続した回路であり、前記逆流防止ダイオードの両端に発生した逆バイアス電圧で前記発光ダイオードを発光させることにより、故障した前記太陽電池モジュールを外部へ判別可能に表示することを特徴とする太陽電池モジュールの故障検出回路。
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