JP2004287787A

JP2004287787A - 故障検出装置およびその方法

Info

Publication number: JP2004287787A
Application number: JP2003078371A
Authority: JP
Inventors: Masashige Tamechika; 正成爲近
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】相対的な比較ではなく、絶対的な測定値により太陽電池の故障を検出する。
【解決手段】太陽電池ストリングの出力と負荷とが接続されているか否かを判定し（Ｓ１−Ｓ２）、太陽電池ストリングの出力と負荷とが非接続の場合、太陽電池ストリングに電圧を印加して、その抵抗値を測定し（Ｓ３−Ｓ９）、測定した抵抗値に基づき集合体の故障を判定する（Ｓ１０−Ｓ１２）。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は故障検出装置およびその方法に関し、例えば、太陽電池のシャント抵抗値を測定して太陽電池の故障を検出する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池の故障検出には様々な方法がある。図１に一般的な太陽電池の故障検出装置９０６の構成を示す。
【０００３】
複数の太陽電池ストリング９０２の出力電力は、それぞれ接続箱９０７へ導かれ、接続箱９０７内の直流遮断機９０３、サージアブソーバ９０４および逆流防止ダイオード９０５を通った後、並列接続される。その後、太陽電池の出力電力は、パワーコンディショナ９０８に供給される。
【０００４】
故障検出装置９０６の電流測定器９０９は、各太陽電池ストリング９０２とパワーコンディショナ９０８との間を流れる電流を測定して、測定結果を制御回路９１０に入力する。制御回路９１０は、常時、各太陽電池ストリング９０３の電流値を積算して、単位時間当りの平均電流を算出する。そして、平均電流が最大のストリングの平均電流値に対する各ストリングの平均電流値の割合が設定値以下になると、制御回路９１０は、その内部のカウンタをカウントアップする。さらに、そのカウント数が所定値を超えると、制御回路９１０は、想定以上に出力が低下していると判断して警報を発する。
【０００５】
このような構成の太陽電池故障検出装置は、例えば特開２０００−２１４９３８公報に開示されている。
【０００６】
上記の太陽電池の故障検出方法には、次の問題がある。
（１）ストリング同士の比較で判定しているため、一つの太陽電池ストリングだけが出力低下を起こすような突発的な故障には対応できるが、太陽電池アレイが全体的に出力低下を起こしているような故障や、太陽電池の寿命推定には使用できない。
（２）例えば隣家の工事により、十数日間に亘って、一部のストリングが陰になる場合や、近くの大木により、冬になると必ず一部のストリングが陰になる場合など、故障でないにもかかわらず警報が発せられるケースに対処するには、一々、設定値を変更する必要がある。
【０００７】
なお、複数の太陽電池セルが直列化または並列化されたストリングやアレイを集合体と呼ぶ場合があるが、便宜上、一つの太陽電池セルだけの場合でも集合体と呼ぶことにする。
【０００８】
【特許文献】
特開２０００−２１４９３８公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を個々にまたはまとめて解決するためのもので、相対的な比較ではなく、絶対的な測定値により太陽電池の故障を検出することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１１】
本発明は、一つまたは複数の太陽電池セルが直列化または並列化された集合体の故障を検出する際に、集合体の出力と負荷とが接続されているか否かを判定し、集合体の出力と負荷とが非接続の場合、集合体に電圧を印加して集合体の抵抗値を測定し、測定した抵抗値に基づき集合体の故障を判定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［概要］
図２はシャント抵抗値低下による発電電力量への影響を示す図で、実際に日本各地で測定されたシャント抵抗値の充分高いサンプル（すなわち正常品サンプル）の発電電力量データを基に、シャント抵抗値の変化によって発電電力量がどのように変化するかをシミュレートした結果を示す。勿論、このシミュレート結果と、実際に短絡故障したサンプルの発電電力量とを比較して、シミュレートの確度は検証済みである。図２に示す結果からみると、シャント抵抗値の低下は、５０ｋΩ・ｃｍ２以下になった辺りから徐々に発電電力量に影響を及ぼし始め、１０ｋΩ・ｃｍ２を切ると急激に発電電力量の低下を引き起こす。
【００１３】
本実施形態は、太陽電池のシャント抵抗値の低下に着目して太陽電池の故障を検出するものである。太陽電池のシャント抵抗値の低下を検出することで、太陽電池の故障を、上述したような、相対比較により行う必要がなくなる。
【００１４】
さらに、太陽電池のシャント抵抗値を検知する方法は、太陽電池アレイの一部を交換したとしても、その影響を故障の判断において完全に無視することができる。そのため、未交換の太陽電池のシャント抵抗値が、経年劣化などによって低下していき、最終的に発電に影響を及ぼすまで低下した時点で故障とみなすことができるため、太陽電池の寿命を最大限利用できるほか、太陽電池のシャント抵抗値から残りの寿命を推定することもでき、寿命が短い太陽電池を予め交換することも可能になる。
【００１５】
なお、本実施形態の故障検出方法は、短絡故障モードが比較的多い、薄膜太陽電池においてとくに有効である。なお、太陽電池は、常に、短絡故障モードに陥るわけではなく、様々な故障モードが存在する。従って、太陽電池の故障判定は、一つ方法だけで行うのではなく、周知の幾つかの故障検出方法を併用することが好ましい。
【００１６】
［構成］
以下、本発明にかかる実施形態の太陽電池の故障検出装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図３は実施形態の接続箱３および太陽電池の故障検出装置９の基本構成例を示すブロック図である。なお、図１に示した接続箱９０７と同様、接続箱３は直流遮断機９０３およびサージアブソーバ９０４を備えているが、図３では省略する。
【００１８】
太陽電池の集合体である太陽電池ストリング１の出力は、接続箱３に供給され、接続箱３内の逆流防止ダイオード２を通してパワーコンディショナ４に供給される。なお、故障検出装置９は、一般的に多用されるストリング構成の太陽電池の集合体を接続する例を示すが、太陽電池を並列接続した集合体を接続する場合も同様に使用できる。
【００１９】
故障検出装置９において、出力可変式のバイポーラ直流電源装置５は、リレー６を通して太陽電池ストリング１に接続されている。直流電源装置５の正極側は太陽電池ストリング１の正極に、同負極側は太陽電池ストリング１の負極に接続されている。
【００２０】
太陽電池ストリング１の出力電圧は、抵抗分圧器７によって分圧され、制御回路１０に入力され、制御回路１０内のＡ／Ｄコンバータによってディジタル情報に変換される。
【００２１】
太陽電池ストリング１からパワーコンディショナ４に供給される電流値は、電流測定器８によって電圧信号に変換されて制御回路１０に入力され、制御回路１０内のＡ／Ｄコンバータによってディジタル情報に変換される。
【００２２】
図４は制御回路１０の構成例を示すブロック図である。
【００２３】
ＣＰＵ１０４は、メモリ１０５のＲＯＭ領域に格納されたプログラムに従い、メモリ１０５のＲＡＭ領域をワークメモリに使用して、故障検出装置９の動作を制御する。そして、ＣＰＵ１０４は、プログラムに組み込まれた試験を実行すると、Ｄ／Ａコンバータ１０６に直流電源装置５に入力する制御電圧Ｖｃを出力させる。直流電源装置５は、制御電圧Ｖｃに応じた出力電圧を出力する。
【００２４】
電流測定器８から出力されるストリングの電流値を示す電圧信号１０１、分圧器７から出力されるストリングの出力電圧値を示す電圧信号１０２は、Ａ／Ｄコンバータ１０３によってディジタル信号に変換され、ＣＰＵ１０４に入力される。
【００２５】
ＣＰＵ１０４に接続されたＩ／Ｏポート１０８には、警報機１１およびリレー６が接続され、ＣＰＵ１０４は警報器１１を鳴動させたり、リレー６の開閉を行うことができる。
【００２６】
また、詳細は後述するが、メモリ１０５のＲＯＭ領域には規定の抵抗閾値が格納されている。さらに、制御回路１０および直流電源装置５を駆動するための電源は、商用電源から得るか、太陽電池ストリングの出力および接続箱３内に設置した太陽電池ストリングの出力で充電される二次電池から得ればよい。
【００２７】
【第１実施形態】
図５は第１実施形態の接続箱および故障検出装置の構成例を示すブロック図である。
【００２８】
制御回路１０は、太陽電池ストリング１が発電している間、リレー６をオフ状態に維持する。
【００２９】
故障検出動作時は、測定対象の太陽電池ストリング１がパワーコンディショナ４などの負荷に接続されていないことが必要である。また、シャント抵抗値の測定は太陽電池に充分な光が当たっていない時が望ましく、言い換えれば、非発電時のシャント抵抗値の測定が好ましい。なお、この非発電時のシャント抵抗値とは、必ずしも、暗室に太陽電池をおいた時のダークシャント抵抗値を意味するものではなく、太陽電池の故障を絶対値で評価できる程度のごく弱い日射状態におけるシャント抵抗値も含む。シャント抵抗値は、外部環境に影響され難い特性を有するが、日射が非常に強い時、シャント抵抗値の測定結果には、日射変動などによる影響が生じる。従って、本実施形態では、このような影響を排除するために、非発電時のシャント抵抗値を測定する。
【００３０】
図６は制御回路１０が実行する故障検出動作を示すフローチャートである。
【００３１】
制御回路１０は、非発電状態であることを判断するために、各ストリング１からパワーコンディショナ４に流れる電流を測定する（Ｓ１）。パワーコンディショナ４は、太陽電池の発電量が小さい、または、非発電状態と判断すると、太陽電池とパワーコンディショナ４の出力側（例えば商用電力系統）との接続を遮断する。従って、各ストリング１からパワーコンディショナ４に流れる電流が零または極めて小さくなれば非発電状態と判断（Ｓ２）することができる。制御回路１０は、ステップＳ１およびＳ２を周期的に実施することで、非発電状態を検出し、以降の故障検出動作を実行する。
【００３２】
制御回路１０は、非発電状態を検出すると、直流電源装置５に、太陽電池ストリング１の開放電圧の約１／３から１／２程度の電圧Ｖ１を出力させ（Ｓ３）、試験対象の太陽電池ストリング１に接続されたリレー６を閉じ（Ｓ４）、試験対象の太陽電池ストリング１の端子電圧および電流を測定する（Ｓ５）。
【００３３】
次に、制御回路１０は、直流電源装置５に、太陽電池ストリング１内のバイパスダイオードの順方向降下電圧Ｖｆに、バイパスダイオードの直列数を掛けた電圧、例えばＶｆ＝０．８Ｖで直列数が１０ならば８Ｖ以内の負電圧Ｖ２（例えば−８Ｖから０Ｖ）を出力させる（Ｓ６）。なお、この負電圧は、太陽電池ストリング１が発電時に発生する電圧の向きに対して逆向きの極性をもつ電圧である。そして、試験対象の太陽電池ストリング１の端子電圧および電流を測定し（Ｓ７）、その後、リレー６を開く（Ｓ８）。
【００３４】
次に、制御回路１０は、試験対象の太陽電池ストリング１に加える電圧をＶ１からＶ２に変化させた時の、測定電圧の変化値ΔＶおよび電流変化ΔＩからシャント抵抗値Ｒｓｈを計算する（Ｓ９）。
Ｒｓｈ＝ ΔＶ／ΔＩ …（１）
【００３５】
そして、制御回路１０は、算出したシャント抵抗値Ｒｓｈと、メモリ１０５に格納された規定の抵抗閾値Ｔｈとを比較し（Ｓ１０）、Ｒｓｈ＜Ｔｈであれば試験対象のストリングが故障と（Ｓ１１１）、Ｒｓｈ≧Ｔｈであれば正常と判断する（Ｓ１２）。
【００３６】
制御回路１０は、ステップＳ３からＳ１１の処理を太陽電池ストリング１の数分繰り返し、各太陽電池ストリング１の故障・正常を判断する。そして、太陽電池ストリングすべての試験が終了したと判断（Ｓ１３）すると、処理を終了する。なお、故障した太陽電池ストリングが合った場合の警報の発生は、ステップＳ１１の判断直後でもよいし、上記処理の終了後でもよい。
【００３７】
なお、直流電源５は電圧を上記２点の電圧Ｖ１、Ｖ２を出力できれば、安価なスイッチング電源であっても、太陽電池から充電された２次電池にレギュレータを付けたような回路であっても構わない。また、故障の報知方法は、警報の鳴動に限らず、例えば、各太陽電池ストリング１に対応するＬＥＤを点滅したり、正常な太陽電池ストリングに対してグリーンのＬＥＤを点灯し、故障した太陽電池ストリングに対してレッドのＬＥＤを点灯するなどでもよい。
【００３８】
なお、シャント抵抗値の低下を太陽電池ストリング１の故障と表現したが、それ自体危険な故障ではなく、太陽電池の寿命を示すものである。従って、シャント抵抗値の低下した太陽電池ストリング１があっても太陽光発電装置の運転を継続しても問題なく、その点を考慮すれば、ブザーなどの警報を鳴動させるよりは、ＬＥＤ表示などの静かな警報手段を用いることが望ましい。
【００３９】
測定頻度は一日一回で充分である。また、リレー６にはメカニカルリレーを使用してもよいが、フォトＭＯＳリレーなどの半導体部品で構成すれば信頼性を向上することができる。
【００４０】
また、直流電源装置５の出力電圧を正確に制御することができれば、電圧ΔＶを測定するための分圧器７やＡ／Ｄコンバータを省略することができる。
【００４１】
試験は、太陽電池ストリング１が負荷から切り離されていれば昼間でも構わないが、昼間の太陽光の急激な変化などによる外乱を避けることを考慮すると、タイマにより、ある時間範囲（例えば夜間）を試験条件としたり、太陽電池ストリング１の電圧測定値０Ｖを測定条件としたり、それらを組み合わせるなどして、安定な測定を行うことが望ましい。勿論、試験条件に夜間を加えればパワーコンディショナ４が停止していることは自明であるから、ステップＳ１およびＳ２は省略可能である。
【００４２】
また、太陽電池ストリング１の開放電圧が０Ｖであることを正確に計測することができれば、Ｖ２を０Ｖとしたときの電流値は０Ａであると仮定することも吝かではない。その場合、測定電圧範囲が狭い分精度は低下するが、Ｖ１を印加したときの電圧値および電流値からシャント抵抗値Ｒｓｈ（＝Ｖ１／Ｉ１）を計算できる。
【００４３】
【第２実施形態】
以下、本発明にかかる第２実施形態の故障検出装置を説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００４４】
図７は第２実施形態の故障検出装置の構成例を示すブロック図である。第１実施形態と異なるのは、故障検出装置９が、接続箱３の中ではなく、パワーコンディショナ４に内蔵されている点である。試験時の動作は第１実施形態と同様である。ただし、直流電源５は前記二点の電圧Ｖ１およびＶ２を出力することができれば、独立した電源でなくとも、商用電力系統から整流して電力を供給するような回路であっても構わない。
【００４５】
また、電流測定器８は非発電状態を確認する必要があるために、電力変換回路４１へ接続されるラインに配置する。もし、試験時の電流を正確に測定したければ、接続箱３と分圧器７との間の試験用の各ライン上に配置すればよい。
【００４６】
【第３実施形態】
以下、本発明にかかる第３実施形態の故障検出装置を説明する。なお、第３実施形態において、第１実施形態と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００４７】
太陽電池ストリング１に印加する電圧Ｖ１の制御が正確に行われるとすれば、試験対象の太陽電池ストリング１の端子電圧を測定する必要はない。そして、シャント抵抗値Ｒｓｈの下限を示す抵抗閾値Ｔｈから、試験時の電流の最大値Ｉｔｈ＝Ｖ１／Ｔｈが計算可能である。従って、試験時の電流値Ｉが最大値Ｉｔｈを超えなければ、シャント抵抗値Ｒｓｈは規定より高いと判断することができる。
【００４８】
図８は試験時の電流値で故障を判定する回路の構成例を示すブロック図である。
【００４９】
電流測定器８から送られてくる、電流値を表す電圧Ｖ（ｉｎ）をヒステリシスコンパレタ５１に供給し、上記の試験時の電流の最大値Ｉｔｈに対応する電圧Ｖｒｅｆと比較させる。Ｖ（ｉｎ）＞Ｖｒｅｆであればコンパレータ５１から信号が出力され、後段のラッチ５２にラッチされ、ラッチ５２の出力端に接続されたＬＥＤ５３が点灯し、対応する太陽電池ストリング１の故障を報知する。
【００５０】
なお、この例では、Ｖ２＝０Ｖのときの電流値が０Ａであることを前提とするため、太陽電池ストリング１の開放電圧が０Ｖのときを測定条件にするなどして、なるべく正確な試験ができるようにすることが好ましい。
【００５１】
図８に示すような判定回路を使用すれば、制御回路１０には、必ずしもＣＰＵなどを使用する必要がなく、回路も簡略化されコストダウンも可能である。
【００５２】
以上説明した実施形態によれば、次の効果などが得られる。
（１）簡単な構成により、太陽電池全体の故障検出や寿命推定ができる。
（２）正確な故障検出ができる。
（３）バイパスダイオードの影響を受けずに故障検出や寿命推定ができる。
（４）定量的に故障検出や寿命推定ができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、相対的な比較ではなく、絶対的な測定値により太陽電池の故障を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な太陽電池の故障検出装置の構成を示す図、
【図２】シャント抵抗値低下による発電電力量への影響を示す図、
【図３】接続箱および故障検出装置の基本構成例を示すブロック図、
【図４】制御回路の構成例を示すブロック図、
【図５】第１実施形態の接続箱および故障検出装置の構成例を示すブロック図、
【図６】制御回路が実行する故障検出動作を示すフローチャート、
【図７】第２実施形態の故障検出装置の構成例を示すブロック図、
【図８】試験時の電流値で故障を判定する回路の構成例を示すブロック図である。

Claims

一または複数の太陽電池セルが直列化または並列化された集合体の故障を検出する検出方法であって、
前記集合体の出力と負荷とが接続されているか否かを判定し、
前記集合体の出力と前記負荷とが非接続の場合、前記集合体に電圧を印加して前記集合体の抵抗値を測定し、
測定した抵抗値に基づき前記集合体の故障を判定することを特徴とする故障検出方法。
前記抵抗値は、前記電圧印加時の前記集合体の端子電圧および前記集合体に流れる電流の測定値から計算することを特徴とする請求項１に記載された故障検出方法。
前記集合体に電圧値が異なる電圧を順次印加し、各電圧印加時に前記集合体に流れる電流値を測定し、電圧に対する電流の傾きから前記抵抗値を計算することを特徴とする請求項１に記載された故障検出方法。
前記集合体に印加する電圧は、前記集合体の開放電圧の１／２以下であることを特徴とする請求項３に記載された故障検出方法。
前記集合体に負電圧を印加する場合、前記集合体に組み込まれたバイパスダイオードの順方向電圧と前記バイパスダイオードの直列数の積より小さい絶対値の電圧を印加することを特徴とする請求項３または請求項４に記載された故障検出方法。
さらに、前記集合体の数分、前記接続判定、前記測定および前記故障判定を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載された故障検出方法。
前記抵抗値が、５０ｋΩを前記集合体を構成する太陽電池セルの総面積で除した値以下の場合、前記集合体を故障と判定することを特徴とする請求項１に記載された故障検出方法。
前記集合体から負荷に出力される電流を測定し、前記負荷電流がなくなった場合に前記非接続と判定することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載された故障検出方法。
現在時刻が夜間である場合に前記非接続と判定することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載された故障検出方法。
前記集合体の発生電圧を測定し、前記発生電圧と所定の電圧閾値とを比較して前記非接続を判定することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載された故障検出方法。
一または複数の太陽電池セルが直列化または並列化された集合体に電力を供給する電源と、
前記電源と前記集合体との間に流れる電流を測定する測定手段と、
前記電源を制御し、前記測定手段の測定結果を取得する制御手段とを有し、
前記制御手段は、測定手段の測定結果に基づき前記集合体の出力と負荷とが非接続と判定される場合、前記電源を制御して、前記集合体に電圧を印加し、前記測定手段の測定結果に基づき前記集合体の故障を判定することを特徴とする故障検出装置。