JP4604250B2 - 太陽電池アレイ故障診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池アレイ故障診断方法に関する。

太陽光発電システムの直流側である太陽電池アレイは、機械的に動作する部分がなく、メンテナンスフリーで、約２０〜３０年の長寿命を有すると言われている。しかしながら、実際は設置後数年程度で太陽電池アレイが故障したり不具合が発生したとの報告がある。太陽電池の商品価値を下げずに、また普及の妨げとならないためにも、故障や不具合を早期に発見し改善する必要がある。
しかし、従来の太陽光発電システムの診断方法では、出力端から電流・電圧を測定するだけであるので、太陽電池アレイ、太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングの異常状態を検出はできるものの、故障箇所が特定できず、故障箇所を発見しようとすると、１枚ずつ太陽電池モジュールを取り外し確認するしか方法がなく、時間と労力を要していた。

従来、太陽電池の故障を検出するものとしては、特許文献１に、太陽電池の地絡状態を検出しインバータを停止させる技術が開示されている。また、特許文献２には、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技術が開示されている。
特願２００２−２３３０４５ 特開２００４−２８７７８７号公報

上述のごとく、従来の太陽電池アレイの発電性能の診断法では、太陽電池アレイ中のどの位置（何番目の太陽電池モジュール）で断線が発生しているか検出することができず、断線位置を特定することができなかった。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、太陽電池ストリングの端子（正極または負極）または太陽電池アレイの端子（正極または負極）とアース間の静電容量を測定し、太陽電池モジュール間の断線位置を容易に検出することを可能にした太陽電池アレイ故障診断方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、ＬＣＲメータの一方の入力端に第１の太陽電池モジュールの一方の極を接続し、前記第１の太陽電池モジュールの他方の極を隣接する第２の太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、同様にして、第ｎ−１の太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を第ｎの太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、第ｎの太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を開放端とし、前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールの全ての太陽電池モジュールの金属製フレーム間を電気的に接続し、前記ＬＣＲメータの他方の入力端に前記第１の太陽電池モジュールの金属製フレームに接続してなる第１の接続形態と、前記第１の接続形態において前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールにおいていずれかの隣接する太陽電池モジュール間が断線状態にある第２の接続形態とからなり、前記第１の接続形態および前記第２の接続形態を屋内に配置し、前記ＬＣＲメータによって、前記第１の接続形態で測定された静電容量をＣｄとし、前記第２の接続形態で測定された静電容量をＣｘとするとき、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数＝（Ｃｘ／Ｃｄ）×nで求めることを特徴とする太陽電池アレイ故障診断方法である。ただし、前記nは２以上の任意の整数。
第２の手段は、ＬＣＲメータの一方の入力端に第１の太陽電池モジュールの一方の極を接続し、前記第１の太陽電池モジュールの他方の極を隣接する第２の太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、同様にして、第ｎ−１の太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を第ｎの太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、第ｎの太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を開放端とし、前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールの全ての太陽電池モジュールを１つの金属製架台に設置し該金属製架台をアースに接地し、前記ＬＣＲメータの他方の入力端をアースに接地してなる第１の接続形態と、前記第１の接続形態において前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールにおいていずれかの隣接する太陽電池モジュール間が断線状態にある第２の接続形態とからなり、前記第１の接続形態および前記第２の接続形態を屋外に配置し、前記ＬＣＲメータによって、前記第１の接続形態で測定された静電容量をＣｄとし、前記第２の接続形態で測定された静電容量をＣｘとするとき、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数＝（Ｃｘ／Ｃｄ）×nで求めることを特徴とする太陽電池アレイ故障診断方法である。ただし、前記nは２以上の任意の整数。

従来は、太陽電池アレイ中や太陽電池ストリング中の断線故障位置の特定のためには、太陽電池アレイや太陽電池ストリング中の太陽電池モジュールを取り外して検査する方法しかなかった。それに対して、本発明によれば、太陽電池アレイや太陽電池ストリングの端子からの静電容量の測定のみで容易に断線位置を特定することができ、断線修理や太陽電池モジュール交換の保守作業が非常に容易になる。

はじめに、静電容量計測法について説明する。静電容量計測法は電力ケーブルのような伝送線路における断線箇所の検出に用いられており、伝送線路の全長ｄ（ｍ）、断線箇所ｘ（ｍ）までの静電容量ｃ_ｘ（Ｆ）、伝送線路全長の静電容量ｃ_ｄ（Ｆ）とすると、健全相と故障相との静電容量の比から断線箇所までの距離ｘ（ｍ）は（１）式で求められる。
ｘ＝（ｃ_ｘ／ｃ_ｄ）×ｄ （１）

次に、対象となる太陽電池ストリングにおける静電容量計測法の適用可能性について説明する。
図１は、太陽電池ストリングの等価回路を示す図である。太陽電池ストリングは単相結線であるので、太陽電池ストリングの端子とアース間の対地間静電容量を用いて静電容量計測を行う。
同図において、１は太陽電池ストリング、２は太陽電池モジュールであり、各太陽電池モジュール２は直列抵抗Ｒｓ（Ω）、並列抵抗Ｒｐ（Ω）、ｐｎ接合における接合容量Ｃｄ（Ｆ）で表される。ここで、Ｌ（Ｈ）は太陽電池モジュール２間の結線のインダクタンス、Ｃｇ（Ｆ）は太陽電池モジュール２間における対地間静電容量である。
明状態では、太陽電池モジュール２は発電状態にあるためｐｎ接合における障壁が低くなり、接合容量Ｃｄが無視できるようになると考えられ、抵抗のみの回路で表せる。従って、太陽電池ストリング１は電力ケーブルのような伝送線路として考えられ、静電容量計測法が適用可能であるといえる。

また、太陽電池ストリング１は不図示の設置架台を通じて太陽電池モジュールのフレームにアースが施されているので、対地間静電容量Ｃｇは、太陽電池ストリング１中の線路とフレーム間の静電容量となり、接続されている太陽電池モジュール枚数に比例して増加する。その結果、（２）式に示すように、断線箇所は断線箇所までの太陽電池モジュール枚数によって表現することができる。
断線箇所までの太陽電池モジュール枚数＝（故障時の静電容量／健全時の静電容量）×太陽電池ストリング中の太陽電池モジュール枚数 （２）

次に、本発明の第１の実施形態を図２ないし図５を用いて説明する。
図２は、屋内における各太陽電池モジュール間の接続が健全状態にある時の太陽電池モジュールの第１の接続形態を示す図、図３は、屋内における太陽電池モジュール間の接続のいずれかが断線状態にある時の太陽電池モジュールの第２の接続形態を示す図である。
これらの図において、３は太陽電池モジュール４が直列に接続された太陽電池ストリング、４は太陽電池モジュール、５は各太陽電池モジュール４の金属製フレーム、６はアース線、７はＬＣＲメータ９の入力端（正極側）、８はＬＣＲメータ９の入力端（負極側）、９は静電容量を測定するＬＣＲメータ、１０は太陽電池モジュール４間が断線状態にあるモジュール間開放端である。

これらの図に示すように、ＬＣＲメータ９の入力端（正極側）７には、太陽電池ストリング３の一端にある太陽電池モジュール４の正極が接続され、この太陽電池モジュール４の負極は隣接する太陽電池モジュール４の正極に接続される。同様にして、順次、太陽電池モジュール４の負極を隣接する太陽電池モジュール４の正極に接続する。また、ＬＣＲメータ９の入力端（負極側）８には、太陽電池ストリング３の一端にある太陽電池モジュールを支持する金属製フレーム５に接続する。屋内の太陽電池ストリング３はアースが施されていないので、互いに隣接する太陽電池モジュールを支持する金属製フレーム５間をアース線６で接続し、擬似的な接地極を作製する。

太陽電池モジュール４に用いたモジュールは、２種類の多結晶太陽電池モジュールＡおよび多結晶太陽電池モジュールＢを用いた。また太陽電池ストリング３中の太陽電池モジュール４の枚数は５枚である。日射条件は、屋内の蛍光灯と窓から入射される散乱光による擬似明状態である。

本実施形態の太陽電池モジュール間の断線検出は、まず、図２に示す構成において、太陽電池モジュール間の接続が健全状態にある時の太陽電池ストリング３の対地間静電容量ｃ５をＬＣＲメータ９によって測定する。次に、図３に示す構成において、各太陽電池モジュール間の接続が順次各々故障状態にある時の太陽電池ストリング３の対地間静電容量ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４をＬＣＲメータ９によって測定する。

図４は、図２および図３の測定において、第１の太陽電池モジュール４と第２の太陽電池モジュール４間、第２の太陽電池モジュール４と第３の太陽電池モジュール４間、第３の太陽電池モジュール４と第４の太陽電池モジュール４間、第４の太陽電池モジュール４と第５の太陽電池モジュール４間において断線がある場合、および第５の太陽電池モジュール４の終端が開放端である場合における、ＬＣＲメータ９によって測定された対地間静電容量ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｃ５を示すグラフである。
同グラフに示すように、対地間静電容量は断線箇所までの太陽電池モジュール４の枚数に比例して増加していることが分かる。これは、太陽電池ストリング３中の線路と接地されたフレーム５間との静電容量を測定しているため、接続されている太陽電池モジュール枚数に比例して対地間静電容量が増加したと考えられる。多結晶モジュールＡと多結晶モジュールＢとで対地間静電容量の増加量が異なるのは、構造や大きさや材料の違いにより静電容量が影響したものと考えられる。

図５は、図４の測定結果を用いて、（２）式により断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を算出したグラフである。なお、健全時の静電容量は上記ｃ５を用いた。同グラフに示すように、算出した太陽電池モジュール枚数の誤差は全て０．１枚以内となった。従って、断線箇所に対応した太陽電池モジュール枚数が算出でき、この算出法は断線箇所の検出に極めて有効である。

次に、本発明の第２の実施形態を図６ないし図９を用いて説明する。
図６は、屋外における太陽電池モジュール間の接続が健全状態にある時の太陽電池モジュールの第１の接続形態を示す図、図７は、屋外における太陽電池モジュール間の接続のいずれかが断線状態にある時の太陽電池モジュールの第２の接続形態を示す図である。
これらの図において、１１はアースに接地され、個々の太陽電池モジュール４を一体に支持する金属製架台である。なお、その他の構成は図２および図３に示した同符号の構成に対応するので説明を省略する。

これらの図に示すように、ＬＣＲメータ９の入力端（正極側）７には、太陽電池ストリング３の一端にある太陽電池モジュール４の正極が接続され、この太陽電池モジュール４の負極は隣接する太陽電池モジュール４の正極にされる。同様にして、順次、太陽電池モジュール４の負極を隣接する太陽電池モジュール４の正極に接続する。また、ＬＣＲメータ９の入力端（負極側）８はアースに接地される。

太陽電池モジュール４として多結晶太陽電池モジュールを用いた。また太陽電池ストリング３中の太陽電池モジュール４の枚数は、図６および図７には５枚示されているが、実際は１０枚用いた。日射条件は、日射強度の影響を調べるために、晴れの日（日射強度８００Ｗ／ｍ^２以上）と曇りの日（日射強度２４０Ｗ／ｍ^２程度）の測定を行った。

本実施形態の太陽電池モジュール間の断線検出は、まず、図６に示す構成において太陽電池モジュール４が１０個直列接続された場合の、太陽電池モジュール４間の接続が健全状態にある時の太陽電池ストリング３の対地間静電容量Ｃ１０をＬＣＲメータ９によって測定する。次に、図７に示す構成において太陽電池モジュール４が１０個直列接続された場合の、各太陽電池モジュール４間の接続が順次断線状態にある時の太陽電池ストリング３の対地間静電容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９をＬＣＲメータ９によって測定する。

図８は、図６および図７に示す構成において太陽電池モジュール４が１０個直列接続された場合の、第１の太陽電池モジュール４と第２の太陽電池モジュール４間、第２の太陽電池モジュール４と第３の太陽電池モジュール４間、第３の太陽電池モジュール４と第４の太陽電池モジュール４間、第４の太陽電池モジュール４と第５の太陽電池モジュール４間、第５の太陽電池モジュール４と第６の太陽電池モジュール４間、第６の太陽電池モジュール４と第７の太陽電池モジュール４間、第７の太陽電池モジュール４と第８の太陽電池モジュール４間、第８の太陽電池モジュール４と第９の太陽電池モジュール４間、第９の太陽電池モジュール４と第１０の太陽電池モジュール４間において順次断線状態にある場合、および第１０の太陽電池モジュール４の終端が開放端である場合における、ＬＣＲメータ９によって測定された対地間静電容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９を示すグラフである。
同グラフに示すように、対地間静電容量は断線箇所までの太陽電池モジュール４の枚数に比例して増加していることが分かる。これは、太陽電池ストリング３中の線路と接地された金属製架台１１間との静電容量を測定しているため、接続されている太陽電池モジュール枚数に比例して対地間静電容量が増加したと考えられる。また、晴れた日も曇りの日もほとんど同じ値を示していることから、日射強度の影響を受けないことも分かる。

図９は、図８の測定結果を用いて、（２）式により断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を算出したグラフである。なお、健全時の静電容量は上記Ｃ１０を用いた。同グラフに示すように、算出した太陽電池モジュール枚数の最大誤差は、第１の太陽電池モジュール４と第２の太陽電池モジュール４間の断線状態と第９の太陽電池モジュール４と第１０の太陽電池モジュール４間の断線状態の時に０．３３枚となった。よって、ほぼ断線箇所に対応した太陽電池モジュール枚数を算出することができ、この算出法は屋外で稼動している太陽電池ストリングにおいても断線検出箇所の検出に有効であることが分かる。しかも、ＬＣＲメータ内のアースを利用し、かつ使用する装置がＬＣＲメータのみで、簡便に測定することができる。

上記の各実施形態では、太陽電池モジュールとして、多結晶モジュールを用いる場合について説明したが、図１で説明したように、太陽電池固有の接合容量Cｄは発電状態では
太陽電池モジュール間の対地間静電容量Cｇに比べて無視できる程度に小さくなるため、
単結晶モジュールや薄膜ハイブリッドモジュールやアモルファスシリコンモジュールを用いた太陽電池モジュール間の断線検出方法にも適用可能である。
また、上記の各実施形態では図示されていないが、正極と負極を入れ替えて測定しても、断線箇所までのモジュール枚数を同様に求めることができる。

太陽電池ストリングの等価回路を示す図である。 屋内における各太陽電池モジュール間の接続が健全状態にある時の太陽電池モジュールの第１の接続形態を示す図である。 屋内における太陽電池モジュール間の接続のいずれかが断線状態にある時の太陽電池モジュールの第２の接続形態を示す図である。 図２の第１の接続形態および図３の第２の接続形態において測定された、第５の太陽電池モジュールの終端が開放端である場合および各太陽電池モジュール間において断線がある場合の対地間静電容量を示すグラフである。 図４の測定結果を用いて、（２）式により断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を算出したグラフである。 屋外における太陽電池モジュール間の接続が健全状態にある時の太陽電池モジュールの第１の接続形態を示す図である。 屋外における太陽電池モジュール間の接続のいずれかが断線状態にある時の太陽電池モジュールの第２の接続形態を示す図である。 図６の第１の接続形態および図７の第２の接続形態において太陽電池モジュール４が１０個直列接続された状態で測定された、第１０の太陽電池モジュールの終端が開放端である場合および各太陽電池モジュール間において断線がある場合の対地間静電容量を示すグラフである。 図８の測定結果を用いて、（２）式により断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を算出したグラフである。

符号の説明

１，３ 太陽電池ストリング
２，４ 太陽電池モジュール
５ フレーム
６ アース線
７ ＬＣＲメータの入力端（正極側）
８ ＬＣＲメータの入力端（負極側）
９ ＬＣＲメータ
１０ モジュール間開放端
１１ 金属製架台

Claims (2)

1. ＬＣＲメータの一方の入力端に第１の太陽電池モジュールの一方の極を接続し、前記第１の太陽電池モジュールの他方の極を隣接する第２の太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、同様にして、第ｎ−１の太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を第ｎの太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、第ｎの太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を開放端とし、前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールの全ての太陽電池モジュールの金属製フレーム間を電気的に接続し、前記ＬＣＲメータの他方の入力端に前記第１の太陽電池モジュールの金属製フレームに接続してなる第１の接続形態と、前記第１の接続形態において前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールにおいていずれかの隣接する太陽電池モジュール間が断線状態にある第２の接続形態とからなり、前記第１の接続形態および前記第２の接続形態を屋内に配置し、前記ＬＣＲメータによって、前記第１の接続形態で測定された静電容量をＣｄとし、前記第２の接続形態で測定された静電容量をＣｘとするとき、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を下式、
   断線箇所までの太陽電池モジュール枚数＝（Ｃｘ／Ｃｄ）×n
   で求めることを特徴とする太陽電池アレイ故障診断方法。
   ただし、前記nは２以上の任意の整数。
2. ＬＣＲメータの一方の入力端に第１の太陽電池モジュールの一方の極を接続し、前記第１の太陽電池モジュールの他方の極を隣接する第２の太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、同様にして、第ｎ−１の太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を第ｎの太陽電池モジュールの前記一方の極と同極に接続し、第ｎの太陽電池モジュールの前記他方の極と同極を開放端とし、前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールの全ての太陽電池モジュールを１つの金属製架台に設置し該金属製架台をアースに接地し、前記ＬＣＲメータの他方の入力端をアースに接地してなる第１の接続形態と、前記第１の接続形態において前記第１の太陽電池モジュールから第ｎの太陽電池モジュールにおいていずれかの隣接する太陽電池モジュール間が断線状態にある第２の接続形態とからなり、前記第１の接続形態および前記第２の接続形態を屋外に配置し、前記ＬＣＲメータによって、前記第１の接続形態で測定された静電容量をＣｄとし、前記第２の接続形態で測定された静電容量をＣｘとするとき、断線箇所までの太陽電池モジュール枚数を下式
   断線箇所までの太陽電池モジュール枚数＝（Ｃｘ／Ｃｄ）×n
   で求めることを特徴とする太陽電池アレイ故障診断方法。
   ただし、前記nは２以上の任意の整数。