JP2015523847A - 太陽電池パネルにおける逆電流障害の防止 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 複数の直流電源を合成するシステムが提供される。当該システムは、各前記電源からの電流を監視して特定の電源に伴う誤動作または他の問題があるかどうか評価するように動作可能な電流センサーを含むことができる。前記誤動作としては、正しい方向と逆方向に流れる電流があり、このような逆方向は前記センサーで検出することができる。スイッチは、逆電流が前記センサーで検出された時点で開状態となり前記特定の電源を接続解除するように構成されており、それより、当該システムに電流障害保護が提供される。【選択図】 図１

Description

本願は、２０１２年７月９日付で出願された米国仮特許出願第６１／６６９，４８２号に対して優先権の利益を主張するものであり、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、異常な電流の検出に関し、より具体的には、単一の出力を提供するため複数の電源を合成するシステム、例えば複数の太陽電池パネルアレイにより生成された電力を合成するシステムにおける逆電流の検出を含むが、これに限定されるものではない。

発電用の太陽電池パネル使用は、個人および企業が電気コストと温室効果ガス排出量の軽減方法を追求していることにより、ますます普及している。太陽光電力の使用が増すに伴い、太陽光発電に使用されるアレイサイズも増大している。そのエネルギーを活用するには、アレイ各部からの電気出力を合成し、当該システムの初期段階で障害を検出して、そのような障害による潜在的な損傷を最小限に抑えることが望ましい。

本発明は、その一態様において、太陽電池パネルアレイの複数の電流源回路を合成して単一の合成出力回路を作製するシステムに関する。特に、本発明は、設計された電流の流れ、若しくは通常の電流の流れと逆方向に流れる電流を検出することにより、障害を検出ように動作することができる。この場合、本発明は、複数の光起電力要素により生じた逆電流を検出し中断するシステムを提供する。このシステムは、それぞれ第１の極性の各導体と電気的に通信可能に設けられた複数のセンサーを含むことができる。前記センサーは、前記第１の極性の各導体内の電流の方向を検出するように構成でき、前記検出された電流の方向の出力を提供するように構成できる。また、複数のスイッチが各前記センサーとそれぞれ電気的に通信可能に設けられ、前記検出された電流の方向を受信する。前記スイッチは、逆方向の電流の可能性がある前記検出された方向に応答して、前記第１の極性の各導体からの前記電流を接続解除するように構成できる。前記スイッチは、複数の接触器を含むことができ、および／または常時開路式接触器含むことができ、また当該スイッチは、ホール効果センサーを含むことができる。

前記システムは、各センサーおよび各スイッチと電気的に通信可能に設けられ、前記検出された電流の方向を受信するコンパレータを含むこともできる。前記コンパレータは、前記導体へ向かって逆流する電流を示す出力を各スイッチに提供するように構成され、逆電流の場合はスイッチをオフにするように構成される。さらに、複数の過電流保護要素を、それぞれ前記第１の極性の導体の１つに電気接続でき、当該複数の過電流保護要素は、その内部を通過する電流が閾値を超えた場合に開回路を生じるように動作可能にできる。

また、前記システムは、前記第１の極性の各導体と電気的に通信可能な第１のバスバーを含むことができ、前記光起電力要素からの直流が当該バスバーで合成されて単一の電流が形成される。そのような場合、前記複数のセンサーは、それぞれ前記第１のバスバーと、前記複数のスイッチのうち前記第１のバスバーに関連するスイッチとの間に設けることができる。また、前記第１の極性と反対の第２の極性の導体と電気的に通信可能な第２のバスバーを設けることもできる。前記複数のセンサーは、それぞれ前記第１のバスバーと電気的に通信可能に設けることができ、前記複数のスイッチは、それぞれ前記第２のバスバーと電気的に通信可能に設けることができる。

本発明の例示的な実施形態に関する以上の要約および以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むとさらに理解が深まるであろう。
図１は、本発明に係る逆電流センサーを含んだ、直流電流を合成する例示的なシステムの平面図を概略的に例示したものである。 図２は、図１に例示したシステムの一部を概略的に例示した図である。 図３は、本発明に係る例示的な接触器、電流センサー、および過電流保護要素アセンブリを概略的に示したものである。 図４は、図３の電流センサーアセンブリを概略的に例示した図である。 図５は、本発明に係る逆電流センサーの要素および機能を示すブロック図を概略的に例示したものである。 図６は、図５のブロック図に対応して本発明に係る逆電流センサーの回路図を概略的に例示したものである。

本出願人は、電力合成器（コンバイナー）・再合成器（リコンバイナー）システム、特に太陽電池パネルアレイにより電流が提供されるものに、付加的なレベルの保護を提供できることを発見した。具体的にいうと、本出願人は、一種の障害（ｆａｕｌｔ）が、本来の方向とは反対方向に流れる電流により特徴付けられることを発見した。さらに、この逆電流は、低電流レベルで早期に検出できるため、従来の過電流保護要素、例えばヒューズに付加的なレベルの保護を提供できる。逆電流の存在の検出とそれへの対処は、特に２４時間の周期にわたり電流の生成量が一定ではない太陽電池パネルシステムにおいて望ましい。具体的にいうと、ソース電流は、通常、日光が太陽電池パネルを照らし始める夜明けから流れ始め、この電流は、南中時に期待される電流と比較すると小さい。ただし、従来のヒューズは、通常、南中時に生じる可能性が高い過電流状態での保護を提供するためだけに設計されている。これと対照的に、本発明によれば、障害を示す逆電流は、より低い電流レベルで、より早い時刻、例えば日の出時に検出可能であり、早期の検出および介入により、逆電流をもたらす障害による損傷を防ぐことができる。

そのため、本発明は、その一態様において、逆電流を検出するシステムであって、逆電流源を当該システムの他の構成要素から絶縁するシステムを提供する。具体的に、ここで図を参照すると、同様な要素が全体的に同じ参照番号で採番されており、直流電力を再合成する例示的なシステムは全般的に１０で示している。このシステム１０は、例示的な太陽光電力用途の１つを例示したもので、本発明の逆電流検出が使用可能である。このシステム１０は、複数の発電装置、例えば図２のＰＶＡ１、ＰＶＡ２、ＰＶＡ３、．．．ＰＶＡ１２で示された複数のストリングコンバイナーボックスからの出力回路からの出力を受電するリコンバイナーボックス２０を含むことができる。

ここで図１を参照し、逆電流検出態様について説明する前に、前記システム１０の電力合成態様をさらに詳しく説明する。発電要素は、電気を生じる種々の装置のいずれであってもよい。現在の例では、発電要素は光起電力（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）セルとすることができる。より具体的にいうと、この発電要素は、単一の電気出力を提供するように相互接続された複数の太陽電池パネルとすることができる。次いでこれらの各出力は、当該システム１０により接続されて、出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２からの合成出力を提供する。本システム１０は、特に太陽光電力用途に適しているが、太陽光発電要素以外とも動作可能である。太陽光用途以外では、ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２は代替発電要素を表す。

複数の太陽電池パネルからの出力は、コンバイナーボックス、例えばＳｏｌａｒＢＯＳ Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ）から販売されているストリングコンバイナーボックス品番ＣＳ−１２−１５−Ｎ３により、単一の出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２へと合成できる。これら各ストリングコンバイナーボックスの前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２は、次に、再び前記コンバイナーボックスからの出力を合成するため、当該システム１０に接続される。例えば、各ストリングコンバイナーボックスは、複数の光電池アレイからの入力を合成し、約６００Ｖ／２００Ａの合成ＤＣ出力を提供する。当該システム１０は、再びこれらの出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２を合わせて、より大きな合成出力を生成する。

前記リコンバイナーボックス２０は、図１の負端子アセンブリ２４および正端子アセンブリ３０を含むことができる。前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２を、正および負端子アセンブリ２４、３０に接続して合成すると、単一のＤＣ出力を生成できる。前記負端子アセンブリ２４に端子台２５を含めると、前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２からの前記負導体すべてに共通する導体を提供できる。前記負端子アセンブリ２４は、各前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２からの導体を受容して保持する複数のソケットとそれに対応するコネクタを含むことができる。また、前記負端子アセンブリ２４は、前記端子台２５の出力において１若しくはそれ以上の出力ラグ端子２６を含むことができる。これらのラグ端子２６は、出力の負導体に接続できる。現在の例では、前記負端子アセンブリ２４に、２つのデュアル出力ラグ端子２６を含めることができる。

前記正端子アセンブリ３０は、複数の過電流保護要素、例えばブレーカーまたはヒューズ３１などに取り付けられたバスバー４０を含むことができる。本図では、例示的な過電流保護要素は、図１、２のヒューズ３１として例示されている。前記正端子アセンブリ３０は、前記正導体が、すべて当該正端子アセンブリ３０の両側に接続するように構成できる。ただし、本図では、前記正端子アセンブリ３０は、片側で複数の入力部と接続する片側のみの構成を含む。１若しくはそれ以上の出力ラグ端子３５は、前記バスバー４０に電気接続されて、当該バスバー４０から単一の出力接続を提供する。現在の例では、前記正端子アセンブリ３０に、前記負端子アセンブリ２４と同様な２つのデュアル出力ラグ端子３５を含めることができる。前記出力ラグ端子３５は、ソケットを含むことができ、このソケットは、前記出力ラグ端子の当該ソケット内に出力導体を保持するための導体およびコネクタ、例えば止めネジまたは他のネジ式要素を受容する。これにより、出力導体は、前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２から前記正端子アセンブリ３０に接続された電力の合成電流出力を提供することができる。前記正出力導体および前記負出力導体は、当該回路の下流要素と接続できる。例えば、前記リコンバイナーボックス２０からの出力は、インバータと接続することができる。前記インバータは、直流電流の電力を交流電流に変換できる。前記リコンバイナーボックス２０からの出力はインバータと接続できるが、当該システムは、出力がインバータに供給される回路に限定されるものではない。一定数の出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２が前記リコンバイナーボックス２０で合成されることを考慮すると、そのような出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２のいずれか１つでも障害が生じると、全体的なシステム障害につながってしまう。したがって、逆電流など障害の兆候を示す個々の出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２があれば早期段階で検出し、他のシステム要素の損傷が起こる前に、そのような出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２を当該システム１０から絶縁することが望ましい。

次に本発明の逆電流態様に移ると、前記システム１０は、図３、４の前記正端子アセンブリ３０に流れる電流を監視する電流センサーアセンブリ６０を含むこともできる。この電流センサーアセンブリ６０は、当該システムへの入力回路のうち１若しくはそれ以上から供給される電流に減少がないか検出するように構成できる。より具体的にいうと、この電流監視システム６０は、電流が前記正端子アセンブリ３０から前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２の１つへ逆流しているかどうか、すなわち逆電流を検出することができる。例えば、前記電流センサーアセンブリ６０が誤動作を検出すると、誤動作している出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２を、コントローラが前記リコンバイナーボックス２０から自動的に接続解除するようにできる。

前記電流センサーアセンブリは、複数のセンサーを相互接続する中央電流センサーアセンブリを利用できる。あるいは、例示的な本システム１０で図示するように、図１、２の前記負または正端子アセンブリ２４、３０のどちらかの各入力部で、電流センサーアセンブリ６０を提供することもできる。各電流センサーアセンブリ６０は、図１〜４のように、前記入力部（例えば、ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２）と前記正端子アセンブリ３０間の電流の特徴を検出するように動作可能なセンサー６１を含むことができる。このセンサー６１は、種々の電流検出センサーのいずれであってもよく、例えば前記電流検出センサー６１は、ホール効果センサーである。電流検出を補助するため、ギャップ付きトロイダル（ｇａｐｐｅｄ ｔｏｒｏｉｄ）６２を前記センサー６１周囲に設けて、当該センサー６１に磁場を集束させることもできる。

前記電流センサー６１は、当該センサー６１からの信号を処理する制御要素または信号処理要素を含む回路基板６３にマウント６４で取り付けられ、前記制御要は当該センサー６１からの信号を受信および分析して、前記信号が前記正端子３０と接続された入力部において、出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２内の問題を意味する逆電流（または前記入力電流および／または電圧の変動）を示しているかどうか検出する。換言すると、ＰＶＡ１が第１のバスバー入力部に接続され、その第１のバスバー入力部に伴う前記電流センサーアセンブリ６０が逆電流を検出すると、前記回路基板６３は、その第１のセンサー６１からの信号を処理して、ＰＶＡ１における誤動作、例えば前記バスバー４０から前記入力部ＰＶＡ１へ向かって逆流する電流を示す信号を提供できる。前記バスバー４０から入力部を通じて逆流する電流は、一般に障害を示す。さらに、逆流電流は前記ヒューズ３１の定格レベルより小さいため、前記ヒューズ３１により前記回路が前記バスバー４０から切断されることはない。そのため、前記センサー６１は、前記バスバー４０から入力部へ逆流する電流があるかどうか決定するように構成できる。前記電流センサーアセンブリ６０は、前記信号を閾値と比較して、逆流電流の大きさが誤動作を示すかどうかを評価することができる。

また、付随する前記電流センサーアセンブリ６０で逆電流が検出されたことに応答して、誤動作源、例えばＰＶＡ１を、前記リコンバイナーボックス２０から自動的に接続解除することが望ましい場合もある。その場合は、図１、３のように、前記回路内の前記入力回路接続部と前記正端子アセンブリ３０との間に、接触器１１５を配置できる。例えば、当該システム１０は、前記バスバー４０に接続された入力回路ごとに別個の接触器１１５を含むことができる。代替態様として、前記電流センサーアセンブリ６０を、前記負端子アセンブリ２４と電気的に通信可能に設け、接触器１１５を前記正端子アセンブリ３０と電気的に通信可能にすることもできる。任意選択で、前記接触器１１５および過電流保護要素３１を、シャントトリップ対応ブレーカーの形態で設けてもよい。前記接触器１１５は、１若しくはそれ以上の常時開路式スイッチを含むことができ、これにより前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２からの入力は、通常、オフにされ、前記リコンバイナーボックス２０から切り離される。例示的な接触器１１５は、４００アンペアおよび１０００ボルトを扱うように構成できる。電源１２０は前記接触器１１５に供電し、当該接触器１１５に通電してこれを閉じ、前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２から前記バスバー４０へ電流が流れて再合成されるようにする。前記電源１２０から前記接触器１１５への電力が中断されると、前記接触器１１５は前記回路を開き、前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２のうち１若しくはそれ以上との間の電流を阻止する。

特定の入力と前記バスバー間の特定の接触器１１５は、前記特定の接触器１１５に伴う前記電流センサーアセンブリ６０が許容範囲外の逆電流を検出した場合、オフにできる。例として、前記電流センサー６１がゼロ未満の電流を検出すると、その電流は、当該電流が前記回路を前記バスバー４０から前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２へ逆流していることを意味する。さらに一般には、前記センサー６１が閾値未満の電流を検出すると、その低下した電流は、電流源回路内の障害を示唆する前記閾値はゼロとしても、またはゼロ未満の何らかの値、例えば前記バスバー４０から出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２へと戻る１０アンペア以上の電流を示す閾値としてもよい。所定のレベル未満に低下した電流が検出されたことに応答して、前記出力回路ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２から前記バスバー４０への回路は、自動的に中断される。具体的にいうと、前記電流センサーアセンブリ６０は、スイッチを含むことができ、または付随する前記接触器１１５を制御して前記電力を前記電源１２０から接続解除するように動作可能であってよい。前記電源１２０から前記接触器１１５への電力が中断されると、前記接触器１１５は、開位置に自動的に切り替わり、これにより前記入力部と前記バスバー４０間の回路が開かれる。

前記回路基板６３上に設けることのできる例示的な制御回路に移ると、図６は、逆電流の検出と、誤動作していることが検出された入力、例えば前記システム１０のＰＶＡ１の絶縁とを実施するため使用できる回路図を概略的に例示している。図６に例示した回路の機能は、図５と関連付けて見るとより適切に理解することができる。特に、前記ギャップ付きトロイダル（フェライト）コア６２および電流センサー６１は、回路要素５１０に設けられる。回路要素５１０で前記電流センサー６１により検出された電流は、回路要素５２０に提供され、増幅および信号調整される。また、増幅および信号調整の一環として、回路要素５２０は、要素５７０にゼロ設定点を提供し、また要素５８０にスケール係数を提供する。この場合、回路要素５２０は、当該システム１０における電流の「順」および「逆」方向を定義する。増幅後は、前記電流センサー６１により検出された電流は、コンパレータ５０３で分析され、回路要素５９０により設定された逆電流閾値と比較される。前記コンパレータ５３０のピン１からの出力「ＣＯＭＰ」は、図６のように、マイクロプロセッサ５４０のピン２に入力として提供される。前記マイクロプロセッサ５４０は、表示灯５６０を作動させて、電流障害が発生したかどうか示すことができる。前記マイクロプロセッサ５４０は、電流障害を識別すると、ピン３に出力信号「ＣＯＮＴ」を生成し、これが接触器リレー５５０への入力として提供され、その接触器リレー５５０を開状態にして、前記電流センサー６１により検出された、当該システム１０からの電流を絶縁する。図５、６の前記接触器リレー５５０は、図１〜３に例示したように、接触器１１５の形態で設けることができる。

また、当該システム１０は、前記電流監視アセンブリ６０からの信号がデータロギング要素へエクスポートされるようにデータ通信要素を含んでもよい。例えば、前記電流監視アセンブリ６０は、一般的なプロトコル、例えばＭｏｄＢｕｓを使って、前記センサーデータをリモート装置に通信する信号を提供する通信要素、例えばＭｏｄＢｕｓ対応データロガー、インバータ、または電力計を含むことができる。前記リモート装置は、前記回路基板６３からのデータをログおよび／または分析し、そのデータが、前記電力入力要素（すなわち、ＰＶＡ１〜ＰＶＡ１２）のうち１若しくはそれ以上のエラーまたは誤動作を示すかどうか決定するとともに、どの入力要素を分析して誤動作の有無を決定すべきか識別する。前記リモート装置は、次いで検出された誤動作を示す信号または警告と、誤動作または性能に関する他の問題があると見られる電力入力要素とを作業者に提供する。

さらに、前記回路は、前記センサーアセンブリ６０のセンサー６１ごとに検出された信号に関するデータをログするデータロガーを含むことができる。利用者は、各センサー６１について前記データロガーが記録したデータを分析して、どのセンサーによってシャットダウンが起きたか決定できる。また、前記回路は、データロガーが前記電流検出アセンブリから受信されたデータをログして、どのセンサー６１によってシャットダウンがトリガーされたか特定するように構成できる。

以上に述べた本発明の利点等は、当業者であれば、本明細書の上記説明から明確に理解されるであろう。そのため、当業者であれば、本発明の広義の発明概念を逸脱しない範囲で上記の実施形態を変更または修正できることが理解されるであろう。例えば、本発明についてはリコンバイナーボックス２０の文脈で例示したが、本発明のシステム、例えば電流センサー監視装置６０、接触器１１５、および過電流保護要素３１は、他の装置、例えばコンバイナーボックス（例えば、ＳｏｌａｒＢＯＳ，Ｉｎｃ．から販売されているストリングコンバイナーボックス品番ＣＳ−１２−１５−Ｎ３）でも利用できる。従って、本発明は本明細書に説明した特定の実施形態に限定されず、添付の請求項に記載した本発明の要旨に含まれるすべての変更形態を含むように意図されていると理解すべきである。

Claims (15)

1. 複数の光起電力要素により生じた逆電流を検出し中断するシステムであって、
   複数のセンサーであって、各センサーはそれぞれ第１の極性の各導体と電気的に通信可能に設けられているものであり、前記第１の極性の各導体内の電流の方向を検出するように構成され、かつ、前記検出された電流の方向の出力を提供するように構成されているものである、前記複数のセンサーと、
   各前記センサーとそれぞれ電気的に通信可能に設けられ、前記検出された電流の方向を受信する複数のスイッチであって、前記検出された方向に応答して前記第１の極性の各導体からの前記電流を接続解除するように構成されているものである、前記複数のスイッチと、
   を有するシステム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記複数のスイッチは、前記検出された方向が電流の正しい方向と逆である場合、前記第１の極性の各導体から前記電流を接続解除するように構成されるものであるシステム。
3. 請求項１および２のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   前記第１の極性の各導体と電気的に通信する第１のバスバーであって、前記光起電力要素からの直流が当該バスバーで合成され、単一の電流を形成するものである、前記第１のバスバーを有するものであるシステム。
4. 請求項３記載のシステムにおいて、前記複数のセンサーは、それぞれ前記第１のバスバーと、前記複数のスイッチのうち前記第１のバスバーに関連するスイッチとの間に設けられるものであるシステム。
5. 請求項３記載のシステムにおいて、
   前記第１の極性と反対の第２の極性の導体と電気的に通信可能な第２のバスバーであって、前記複数のセンサーは、それぞれ前記第１のバスバーと電気的に通信可能に設けられ、前記複数のスイッチは、それぞれ前記第２のバスバーと電気的に通信可能に設けられるものである、前記第２のバスバーを有するものであるシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   各センサーおよび各スイッチと電気的に通信可能に設けられ、前記検出された電流の方向を受信するコンパレータであって、逆電流の場合に前記スイッチをオフにするように構成されているものである、前記コンパレータを有するものであるシステム。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のシステムにおいて、
   複数の過電流保護要素であって、各過電流保護要素は、それぞれ前記第１の極性の各導体の１つに電気接続され、その内部を通過する電流が閾値を超えた場合に開回路を生じるように動作可能である、前記複数の過電流保護要素を有するものであるシステム。
8. 請求項７記載のシステムにおいて、前記複数の過電流保護要素は、ヒューズを有するものであるシステム。
9. 請求項７記載のシステムにおいて、前記複数の過電流保護要素は、ブレーカーを有するものであるシステム。
10. 請求項７記載のシステムにおいて、前記複数の過電流保護要素および前記複数のスイッチは、シャントトリップ対応ブレーカーを有するものであるシステム。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載のシステムにおいて、前記複数のスイッチは、複数の接触器を有するものであるシステム。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載のシステムにおいて、前記複数のスイッチは、常時開路式の接触器を有するものであるシステム。
13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載のシステムにおいて、前記複数のセンサーは、ホール効果センサーを有するものであるシステム。
14. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載のシステムにおいて、前記複数のセンサーは、前記第１の極性の各導体の周囲に設けられるものであるシステム。
15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載のシステムにおいて、前記複数のセンサーは、前記電流の大きさを検出するように構成されているものであるシステム。

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