JP2016220471A - 太陽光発電システムの評価方法および評価システム - Google Patents
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Abstract
Description
太陽電池パネルは、結晶シリコンの集合体で構成され、結晶シリコン太陽電池パネルの長期信頼性を損なう欠陥として、結晶シリコンのクラックなどの機械的欠陥や電極不良がある。一方、結晶シリコンの結晶粒界や転位などの結晶欠陥は安定しており、長期信頼性には大きな影響を与えない。
1)太陽電池パネルが複数直列接続されたストリング単位に、電圧を印加して順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の電圧印加手段
2)電流を注入している状態のストリングの発光を撮像するビデオカメラであって、近赤外領域に感度を有する非冷却型センサーを用いた近赤外域ビデオカメラ
3)近赤外域ビデオカメラによって撮像した動画データを入力し、無線ネットワークを介して表示端末に当該動画データを配信するモニターユニット
4)無線ネットワークを介して動画データを受信し表示する表示端末
5)動画データとストリングの識別情報を関連付けする手段
6)動画データにおける発光強度を指標として、太陽電池パネルを評価するパネル評価手段
上記1)の電圧印加手段として用いる電源としては、直流電圧印加でもパルス変調を用いたパルス電圧印加でもよく、通常の直流電源(DC power supply)を用いることができる。具体的には、太陽電池素子に電流密度1×10−3〜5A/cm2で注入が可能なものであり、個々の太陽電池素子を発光させる場合は5V程度であるが、太陽電池モジュールの集合体である太陽電池パネルを発光させる場合は100V程度必要であり、太陽電池パネルを15〜20枚直列接続したストリング単位では、1.5〜2kV程度必要となる。
TV仕様などの汎用簡易型ビデオカメラを用いることで、撮影した画像をその場で、リアルタイムで転送し、複数人が同時に観察し解析でき、検査の利便性を向上させることができる。また、汎用システムをEL検査に用いることが可能となるため、システム導入のコストを削減することができる。
上記5)の動画データとストリングの識別情報を関連付けする手段は、上記4)の表示端末を用いて、ストリングを識別できる情報(例えば、位置情報、ストリングに一意に割り当てられた番号など)を、動画データの一部を保存する際に入力できるようにした操作画面である。
上記6)のパネル評価手段は、発光強度の測定基準となる基準太陽電池パネルと、当該基準太陽電池パネルに電圧を印加し順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の基準パネル電圧印加手段を備える。そして、基準太陽電池パネルとストリング内の評価対象パネルが、同じ発光強度となるように調整された各々の電流値に基づいて算定される単位面積あたりの電流密度の比の逆数から、同じ電流値を基準太陽電池と評価対象パネルに注入した時のエレクトロルミネッセンス強度の比を判定して評価を行う。
上述の通り、ストリング単位のEL発光では1.5〜2kV程度必要となるため、常時供給すると消費電力が非常に大きくなり、経済的ではない。そこで、パルス変調を用いたパルス電流を順方向に注入することにより、電源容量の大幅な低減が可能となり、省エネの評価システムを構築できることになる。パルス幅は特に限定されるものでないが、1〜10msec程度である。
表示端末に表示された画像を確認することで、不具合箇所の大まかな位置確認は可能であるが、マーカを使用することでより正確な不具合箇所の同定できる。なお、マーカは近赤外域の反射体であれば良く、特に形状の限定はないが、円形、星形、矢印、バーコード形状その他の形状であっても良い。また、材質は、太陽光パネルに傷をつけないため、軟質の素材が用いられることが好ましい。
メガソーラーシステムの場合、評価対象の太陽電池パネルは、広大な敷地に南北方向に傾斜して設置されている。そのため、近赤外域ビデオカメラは、太陽電池パネルの上方の位置からパネル全体をカメラレンズが捉えるように、やや下方を向くような姿勢で配置される必要がある。カメラを3脚の上に取付けて撮影してもよいが、専用ポールを仮設し、カメラを取付けてもよい。専用ポールを動かしてカメラの高さや視野範囲を調整してもよい。
また、ストリング単位に発光するため、できるだけストリング全体をカメラレンズが捉えるように配置される必要があるが、必要に応じて、カメラ自体が移動できるような機構を設けてもよい。カメラ自体が移動できるような機構は、例えば、移動ロボットや仮設レール上の走行できる装置である。これらが、位置姿勢調整手段であり、カメラ自体のパン/ズーム機能と組み合わせて、太陽電池パネルの欠陥の有無を検査する。
本発明の太陽光発電システムの評価方法は、エレクトロルミネッセンスを利用する評価方法であって、下記1)〜6)のステップから成り、ストリング単位に電流を順方向に注入し、ストリング単位に太陽電池パネルを発光させ、近赤外域ビデオカメラでストリングの発光画像を撮像し、発光画像からストリングを構成する個々の太陽電池パネルを評価する。
1)太陽電池パネルが複数直列接続されたストリング単位に、電圧を印加して順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の電圧印加ステップ
2)電流を注入している状態のストリングの発光を、近赤外領域に感度を有する非冷却型センサーを用いた近赤外域ビデオカメラのシャッター速度を所定値より遅くして撮像する撮像ステップ
3)近赤外域ビデオカメラによって撮像した動画データを入力し、無線ネットワークを介して表示端末に動画データを配信する動画配信ステップ
4)表示端末を用いて無線ネットワークを介して動画データを受信し表示する表示ステップ
5)動画データとストリングの識別情報を関連付けするデータ関連付けステップ
6)動画データにおける発光強度を指標として、太陽電池パネルを評価するパネル評価ステップ
本発明の太陽光発電システムの評価方法における上記パネル評価ステップは、発光強度の測定基準となる基準太陽電池パネルとストリング内の評価対象パネルが、同じ発光強度となるように各々の電流値を調整し、調整した電流値に基づいて算定される単位面積あたりの電流密度の比の逆数から、同じ電流値を基準太陽電池と評価対象パネルに注入した時のエレクトロルミネッセンス強度の比を判定して評価を行う。
図1に示されるように、メガソーラーシステム12は、6つのストリング1から成り、ストリング1は、それぞれ分電盤5と接続され、発電時は、ストリング1で発電された電力は分電盤5へと送られる構造である。ストリング1は、14個の太陽電池パネル11が直列接続されている。図示しないが、分電盤5には端子台が設けられ、ストリング単位にプラス端子とマイナス端子が存在する。
電圧印加手段である電源装置4は、分電盤5と接続され、太陽電池パネルに順方向のパルス電流を注入し、ストリング1全体を発光させる。具体的には、発光させるストリングに接続されているプラス端子とマイナス端子に、電源装置4のプラス端子とマイナス端子を繋げて、太陽電池パネルに電圧を印加し、順方向に電流を注入する。
カメラ2はストリング1における太陽電池パネルの発光状態を撮像するためのカメラである。カメラ2で撮像された画像データは無線送信手段6により画像表示端末(3a,3b)へと送信される。
図2は、太陽電池パネルへ電流を注入した際に生じる光の発光強度(EL Intensity)と波長(Wavelength)との関係を示した図である。これは、多結晶のシリコン半導体製の太陽電池素子を複数備えている太陽電池パネルに対して、順方向に電流を注入したときに生じる光を解析したものである。
図2において、点線はSi−CCDカメラの感度を示し破線は近赤外域に感度を有するセンサーを用いて測定したEL発光の波長依存性を示している。Si−CCDカメラでEL発光を観測した場合、実線で示される波長域(900〜1200nm)の光が検出でき、撮像されることになる。
電流を注入している状態のストリングの発光を撮像するカメラ2は、波長800nm〜1300nmの近赤外域に感度を有し、かつ、可搬性の高い非冷却型センサーを用いた近赤外域ビデオカメラを用いる。これにより、鮮明な発光画像が得られることになる。
図3に示されるように、従来のEL検査法においては、カメラ21と画像表示端末3cを、ケーブル7を用いて接続している。このような方法では、検査時に画像表示端末の移動が困難であり不便であった。また、複数台の画像表示端末を同時に利用するためにはカメラ21に台数分の接続端子が必要であり、かかる点でも不便であった。
図4に示されるように、本実施例では、無線6により、カメラ200と画像表示端末(3a,3b)を接続している。無線6を利用することにより、複数台での画像確認が容易である。また、端末を持った状態での移動にも適している。
図5に示されるように、1回の撮像におけるシャッター開放時間T1は、パルス周期T2の3倍以上となっている。これにより、正確な撮像が可能となっている。
図6に示されるように、まず、太陽電池パネルに、パルス変調を用いた電流を順方向に注入する(S01)。次に、太陽電池素子から生じた発光の強度及び箇所を、非冷却型センサーを用いた簡易型の近赤外域カメラにより計測する(S02)。計測によって得られた発光の強度及び箇所に関するデータを用いて、画像を生成する(S03)。近赤外域カメラによって撮像したカメラ画像データを画像表示端末へと伝送する(S04)。画像表示端末において受信された画像が表示される(S05)。
図7に示されるように、メガソーラーシステム12は、6つのストリング(1a〜1f)から成り、ストリング(1a〜1f)は、それぞれ分電盤5と接続され、発電時は、ストリング1で発電された電力は分電盤5へと送られる構造である。ストリング1は、14個の太陽電池パネル11から成る。
ポール2aの上端部にはカメラ2が設置されており、レンズ部2bはストリング1eの方向に向けられている。ポール2aは、地面への固定、移動、高さ調整、角度調整が容易に行える構造である。本実施例では、カメラ2のレンズ部2bを、発光させるストリングの方向に向けて撮像しているが、ズームアウトして複数のストリングを同時に撮像しても良い。
マーカの形状は、星形に限られず、円形その他の幾何学的形状であっても良い。マーカ(9a,9b)は反射体であり、赤外線を照射すると発光する性質を有している。そこで、ポール10aの上端に設けられた赤外線照明10によってストリング1eに赤外線を照射し、マーカ(9a,9b)の存在をカメラ2で撮像することができる。ポール10aは、地面への固定、移動、高さ調整、角度調整が容易に行える構造である。また、赤外線の照射は特定のストリングに向けて行っても良いし、複数のストリングに向けて行っても良い。また、自発光のマーカでも同様にパネル同定が行えるので良い。
図12に示されるように、太陽電池パネル11の表面には基準太陽電池パネル13が配置されている。太陽電池パネル11と分電盤5はケーブル7で接続されており、分電盤5と電源装置4もケーブル7で接続されている。これにより、太陽電池パネル11に電流を注入することが可能である。電源装置41は、ケーブル(7a,7b)でそれぞれ基準太陽電池パネル13のプラス端子とマイナスの端子に接続されている。これにより、太陽電池パネル11とは別に、基準太陽電池パネル13に電流を注入することが可能である。電源装置を別に設けるのは、太陽電池パネル11と基準太陽電池パネル13の電流値をそれぞれ調整できるようにするためである。
基準太陽電池パネル13は、太陽電池パネル11の表面に配置されているため、カメラ2でまとめて撮像することが可能であり、また、同時に電流を注入したときの発光強度の差も容易に判別できる。但し、同じカメラで一度に撮像して発光強度の差を判別することができるのであれば、基準太陽電池パネル13は、太陽電池パネル11に隣接して配置、或は、離して配置しても良い。
先ず、基準太陽電池パネル13と評価測定対象の太陽電池パネル11に対して、別々の電源装置(4,41)から電流を注入する。そして、カメラ2で撮像した画面上で、同じ明るさになるようにそれぞれの電流値を調整する。次に、基準太陽電池パネル13と太陽電池パネル11が同じ明るさになるようにした時の電流値の比から、単位面積あたりの電流密度の比を算出する。単位面積あたりの電流密度の比の逆数が、同じ電流値を基準太陽電池パネル13と太陽電池パネル11に注入した時のEL発光強度の比となる。このEL発光強度の比から、太陽電池パネル11を評価することができる。
同一設定で撮像して、同じEL発光強度になる電流注入条件を求めていることから、カメラの撮像条件(例えば、露光時間、絞り、感度など)や画像取得ソフト上の条件(コントラスト、明るさなど)に影響されないといった利点がある。
なお、基準太陽電池パネル13の開放端電圧を基にして、評価測定対象の太陽電池パネル11の開放端電圧を導出することも可能である。
図13に示されるように、本実施例では、実施例1と異なり基準太陽電池パネル13と電源装置41が設けられ、基準太陽電池パネル13と電源装置41はケーブル7によって接続されている。基準太陽電池パネル13は太陽電池パネル11の表面に配置されている。
ストリング1eに電流を注入する際に、同時に、電源装置41を用いて基準太陽電池パネル13に電流を注入すると、それぞれの発光強度の差をカメラ2で撮像することができる。
撮像した画像を元に、発光強度の差を判別するために基準太陽電池パネル13の位置を変更しても良い。また、不具合があると思われる太陽電池パネル11の電流値を測定するため、電源装置(4,41)を操作して電流値を調整し、発光強度を一定にすることで、電流値の差を測定することもできる。
2,200 カメラ
2a ポール
2b レンズ部
3a,3b,3c 画像表示端末
4,41 電源装置
5 分電盤
6 無線ネットワーク
7 ケーブル
8a,8b,8c 部位
9a,9b マーカ
10 赤外線照明器
10a ポール
11,11a,11b 太陽電池パネル
12 メガソーラーシステム
13 基準太陽電池パネル
21a シャッター開放時
21b シャッター閉鎖時
22a 電力注入時
22b 電力注入停止時
T 時間
Claims (9)
- エレクトロルミネッセンスを利用する太陽光発電システムの評価システムであって、
1)太陽電池パネルが複数直列接続されたストリング単位に、電圧を印加して順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の電圧印加手段と、
2)電流を注入している状態の前記ストリングの発光を撮像するビデオカメラであって、近赤外領域に感度を有する非冷却型センサーを用いた近赤外域ビデオカメラと、
3)前記近赤外域ビデオカメラによって撮像した動画データを入力し、無線ネットワークを介して表示端末に当該動画データを配信するモニターユニットと、
4)無線ネットワークを介して前記動画データを受信し表示する前記表示端末と、
5)前記動画データと前記ストリングの識別情報を関連付けする手段、
6)前記動画データにおける発光強度を指標として、太陽電池パネルを評価するパネル評価手段、
を備え、
ストリング単位に電流を順方向に注入し、ストリング単位に太陽電池パネルを発光させ、前記近赤外域ビデオカメラのシャッター速度を所定値より遅くして当該ストリングの発光画像を撮像し、発光画像から当該ストリングを構成する個々の太陽電池パネルを評価することを特徴とする太陽光発電システムの評価システム。 - 前記電圧印加手段は、パルス変調を用いてパルス電圧を印加する場合に、前記近赤外域ビデオカメラのシャッター速度が、シャッター開放時間がパルス変調のパルス周期の3倍以上になるように調整されることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電システムの評価システム。
- 前記動画データに基づいて、不具合のある太陽電池パネルを同定するために、太陽電池パネルに対して着脱自在の近赤外光発光/反射マーカを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽光発電システムの評価システム。
- 前記近赤外域ビデオカメラの位置および姿勢を調整する位置姿勢調整手段を備えたことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の太陽光発電システムの評価システム。
- 前記パネル評価手段は、
発光強度の測定基準となる基準太陽電池パネルと、
当該基準太陽電池パネルに電圧を印加し順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の基準パネル電圧印加手段を備え、
前記基準太陽電池パネルと前記ストリング内の評価対象パネルが、同じ発光強度となるように調整された各々の電流値に基づいて算定される単位面積あたりの電流密度の比の逆数から、同じ電流値を前記基準太陽電池と評価対象パネルに注入した時のエレクトロルミネッセンス強度の比を判定して評価を行うことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の太陽光発電システムの評価システム。 - エレクトロルミネッセンスを利用する太陽光発電システムの評価方法であって、
1)太陽電池パネルが複数直列接続されたストリング単位に、電圧を印加して順方向に電流を注入するための直流電圧印加もしくはパルス変調を用いたパルス電圧印加の電圧印加ステップと、
2)電流を注入している状態の前記ストリングの発光を、近赤外領域に感度を有する非冷却型センサーを用いた近赤外域ビデオカメラのシャッター速度を所定値より遅くして撮像する撮像ステップと、
3)前記近赤外域ビデオカメラによって撮像した動画データを入力し、無線ネットワークを介して表示端末に当該動画データを配信する動画配信ステップと、
4)前記表示端末を用いて無線ネットワークを介して前記動画データを受信し表示する表示ステップと、
5)前記動画データと前記ストリングの識別情報を関連付けするデータ関連付けステップと、
6)前記動画データにおける発光強度を指標として、太陽電池パネルを評価するパネル評価ステップ、
から成り、
ストリング単位に電流を順方向に注入し、ストリング単位に太陽電池パネルを発光させ、前記近赤外域ビデオカメラで当該ストリングの発光画像を撮像し、発光画像から当該ストリングを構成する個々の太陽電池パネルを評価することを特徴とする太陽光発電システムの評価方法。 - 前記電圧印加ステップは、パルス変調を用いてパルス電圧を印加する場合に、
前記撮像ステップにおける近赤外域ビデオカメラのシャッター速度が、シャッター開放時間がパルス変調のパルス周期の3倍以上になるように調整されることを特徴とする請求項6に記載の太陽光発電システムの評価方法。 - 前記動画データに基づいて、不具合のある太陽電池パネルを同定するために、太陽電池パネルに対して着脱自在の近赤外光発光/反射マーカを配置するマーカ配置ステップを備えたことを特徴とする請求項6又は7に記載の太陽光発電システムの評価方法。
- 前記パネル評価ステップは、
発光強度の測定基準となる基準太陽電池パネルと前記ストリング内の評価対象パネルが、同じ発光強度となるように各々の電流値を調整し、調整した電流値に基づいて算定される単位面積あたりの電流密度の比の逆数から、同じ電流値を前記基準太陽電池と評価対象パネルに注入した時のエレクトロルミネッセンス強度の比を判定して評価を行うことを特徴とする請求項6〜8の何れかに記載の太陽光発電システムの評価方法。
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