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技術 太陽光発電システム

出願人 日東工業株式会社
発明者 宮本淳史伊藤裕幸
出願日 2015年1月20日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2015-008539
公開日 2016年7月25日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2016-135016
状態 特許登録済
技術分野 光起電力装置
主要キーワード 電路開閉器 破壊作業 太陽光モジュール 閉路操作 非常停止ボタン 直接電圧 分流器 太陽光パネル
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年7月25日)のものです。
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図面 (6)

課題

太陽光発電システム内で、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュール故障が生じた際、その太陽電池モジュールが含まれるストリング内を電気的に分割して安全を確保することができ、かつ、ストリング内を電気的に分割する為に使用する開閉器として、小容量の開閉器を使用可能とする技術を提供すること。

解決手段

太陽電池モジュール間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、前記電路開閉器の開放に先立って、前記短絡開閉器を投入する制御を行う。

概要

背景

太陽光発電システムにおいて故障が発生した際や、地震等の非常時に安全を確保するための技術として、太陽電池モジュール直列接続された領域(ストリング)内で、太陽電池モジュールごとに開閉器を設け、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際には、その絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とすることにより、ストリング内を電気的に分割する技術が開示されている(特許文献1の図7)。

しかし、太陽光発電システムを構成する各ストリングは、750〜1000Vの出力電圧を有するものであり、特許文献1のように、ストリングを構成する太陽電池モジュールごとに設けた開閉器のうち、絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とする場合、これら2つの開閉器には高電圧がかかるため、特許文献1の技術では、これらの高電圧に耐え得る高容量の開閉器の使用が前提となり、コンパクトな開閉器を使用できず不都合であるという問題があった。

概要

太陽光発電システム内で、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際、その太陽電池モジュールが含まれるストリング内を電気的に分割して安全を確保することができ、かつ、ストリング内を電気的に分割する為に使用する開閉器として、小容量の開閉器を使用可能とする技術を提供すること。太陽電池モジュール間の連結を、複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、前記電路開閉器の開放に先立って、前記短絡開閉器を投入する制御を行う。

目的

本発明の目的は前記の問題を解決し、太陽光発電システム内で、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際、もしくは、地震等の非常時に、その太陽電池モジュールが含まれるストリング内を電気的に分割して安全を確保する手段として、小容量の開閉器を使用可能とする技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、前記電路開閉器の開放に先立って、前記短絡開閉器を投入する制御を行うことを特徴とする太陽光発電システム。

請求項2

前記制御装置の制御信号を受けて、前記電路開閉器と前記短絡開閉器の開閉操作を行う開閉動作部を備えることを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システム。

請求項3

短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、該太陽電池モジュールの出力端子に設けたことを特徴とする請求項1または2記載の太陽光発電システム。

請求項4

前記モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備えることを特徴とする請求項3記載の太陽光発電システム。

請求項5

複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、該ストリングの出力端子と接続して設け、該統合センサにより異常判定がなされた際、前記の制御装置が前記の制御を行うことを特徴とする請求項1または2記載の太陽光発電システム。

請求項6

前記の制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載の太陽光発電システム。

請求項7

隣接する太陽電池ユニット連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置したことを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システム。

請求項8

複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、前記短絡開閉器を、前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成したことを特徴とする請求項1記載の太陽光発電システム。

技術分野

0001

本発明は、太陽光発電システムに関するものである。

背景技術

0002

太陽光発電システムにおいて故障が発生した際や、地震等の非常時に安全を確保するための技術として、太陽電池モジュール直列接続された領域(ストリング)内で、太陽電池モジュールごとに開閉器を設け、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際には、その絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とすることにより、ストリング内を電気的に分割する技術が開示されている(特許文献1の図7)。

0003

しかし、太陽光発電システムを構成する各ストリングは、750〜1000Vの出力電圧を有するものであり、特許文献1のように、ストリングを構成する太陽電池モジュールごとに設けた開閉器のうち、絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とする場合、これら2つの開閉器には高電圧がかかるため、特許文献1の技術では、これらの高電圧に耐え得る高容量の開閉器の使用が前提となり、コンパクトな開閉器を使用できず不都合であるという問題があった。

先行技術

0004

特開2000−114567号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明の目的は前記の問題を解決し、太陽光発電システム内で、絶縁不良箇所の発生等、太陽電池モジュールに故障が生じた際、もしくは、地震等の非常時に、その太陽電池モジュールが含まれるストリング内を電気的に分割して安全を確保する手段として、小容量の開閉器を使用可能とする技術を提供することである。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するためになされた請求項1記載の発明は、複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、前記電路開閉器の開放に先立って、前記短絡開閉器を投入する制御を行うことを特徴とするものである。

0007

請求項2記載の発明は、請求項1記載の太陽光発電システムにおいて、前記制御装置の制御信号を受けて、前記電路開閉器と前記短絡開閉器の開閉操作を行う開閉動作部を備えることを特徴とするものである。

0008

請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の太陽光発電システムにおいて、短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、該太陽電池モジュールの出力端子に設けたことを特徴とするものである。

0009

請求項4記載の発明は、請求項3記載の太陽光発電システムにおいて、前記モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備えることを特徴とするものである。

0010

請求項5記載の発明は、請求項1または2記載の太陽光発電システムにおいて、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、該ストリングの出力端子と接続して設け、該統合センサにより異常判定がなされた際、前記の制御装置が前記の制御を行うことを特徴とするものである。

0011

請求項6記載の発明は、請求項1または2記載の太陽光発電システムにおいて、前記の制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備えることを特徴とするものである。

0012

請求項7記載の発明は、請求項1記載の太陽光発電システムにおいて、隣接する太陽電池ユニット連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置したことを特徴とするものである。

0013

請求項8記載の発明は、請求項1記載の太陽光発電システムにおいて、複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、前記短絡開閉器を前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成したことを特徴とするものである。

発明の効果

0014

本発明では、複数の太陽電池モジュールを連結して構成された太陽光発電システムにおいて、太陽電池モジュール間の連結を複数個所で解除する複数の電路開閉器と、各太陽電池モジュールから電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する複数の短絡開閉器と、これらの電路開閉器と短絡開閉器の開閉制御を行う制御装置を備え、前記短絡開閉器を、太陽電池モジュールと該太陽電池モジュールと連結した電路開閉器との間に配置するとともに、該制御装置が、前記電路開閉器の開放に先立って、前記短絡開閉器を投入する制御を行う構成を採用しているため、例えば、特許文献1の技術のように絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とする場合と比べて、開路手段を開路させる制御を行う際、各開路手段にかかる電圧を低減することができ、容量が小さくコンパクトな開閉器を使用することができる。

0015

更に、本発明では、電路開閉器の開放に先立って、全ての短絡開閉器を投入する制御を行っているため、電路開閉器の開放時には、太陽電池モジュールの出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。

0016

請求項3記載の発明のように、短絡開閉器を投入し、かつ、電路開閉器を開放した後に、短絡回路を形成した太陽電池モジュールの出力状態を判定するモジュールセンサを、該太陽電池モジュールの出力端子に設けることにより、太陽電池モジュール単位で異常を把握することができる。

0017

太陽光発電システムを備えた建物火災等の事故が起こった場合に、太陽光パネル破壊して天井面を開放する処置が行われるケースがある。このような場合において、本発明を構成する短絡開閉器が投入されていると、感電事故リスクがあるが、請求項4記載の発明のように、モジュールセンサにより異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器を、自動により、開放可能とする機能を備える構成とすることにより、このような感電事故を回避することができる。また、短絡開閉器が投入されていると、各太陽電池モジュールの各素子電流が流れ続ける状態となることに起因する各素子の故障を防止することができる。

0018

請求項5記載の発明のように、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、該ストリングを構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサを、該ストリングの出力端子と接続して設け、該統合センサにより異常判定がなされた際、前記の制御装置が前記の制御を行う構成とすることにより、ストリングに異常が発生した際、即座に、前記の制御を行わせることができる。

0019

請求項6記載の発明のように、制御装置を手動で動作させる制御装置手動操作手段を備える構成とすることにより、緊急時には手動でも、前記の制御を行わせることができる。

0020

請求項7記載の発明のように、隣接する太陽電池ユニットの連結手段として、隣接する太陽電池ユニット間にジャンクションボックスを備え、該ジャンクションボックス間を結ぶ電路に、前記の電路開閉器と短絡開閉器とを、組み込んで配置する構成とすることにより、既設のジャンクションボックスを備えた設備にも、簡単な工事で本発明のシステムを導入することができる。

0021

請求項8記載の発明のように、複数の太陽電池モジュールから構成されるストリングを複数有し、前記電路開閉器を、前記ストリング間の連結を複数個所で解除する位置に配置し、前記短絡開閉器を前記ストリングからの出力端子間を連結して短絡回路を形成した構成することにより、太陽電池モジュール単位の他に、ストリングやアレイといった単位での電気的な分割を選択可能とすることができる。

図面の簡単な説明

0022

太陽光発電システムの全体説明図である。
実施形態1におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。
実施形態2におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。
実施形態3におけるシステムの一部を抜き出した説明図である。
実施形態3の別形態を説明する図である。

実施例

0023

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図1に示すように、本実施形態の太陽光発電システムは、太陽電池モジュール1が直列接続された領域(ストリング2)を複数並列に接続したアレイ3で発電した電力を、接続箱4に集めて、パワーコンディショナー13を介して商用系統へ出力するものである。接続箱4の内部には、各ストリング2単位で電路の開閉を行う分岐開閉器6と、全てのストリング2から出力される電力を集めた電路の開閉を行う集電開閉器7を備えている。

0024

各太陽電池モジュール1には、発電部を備え、発電部で数十V(30〜40V)電圧を発生させることができる。ストリング2は、太陽電池モジュール1を複数個直列に接続して構成され、その出力電圧は、数百V(750〜1000V)となる。

0025

ストリング2を構成する各太陽電池モジュール1は、各太陽電池モジュール1の背面側に設置されたジャンクションボックス5を介して、図2に示すように直列接続されている。

0026

(実施形態1)
図2に示すジャンクションボックス5には、バイパスダイオード等が内蔵されている。

0027

本実施形態では、各太陽電池モジュール1の背面側に設置されたジャンクションボックス5間を繋ぐ電路に、この電路を切断する電路開閉器8と、各太陽電池モジュール1から電力を出力する出力端子間を連結して短絡回路を形成する短絡開閉器9と、電路開閉器8と短絡開閉器9の開閉操作を行う開閉動作部10と、短絡回路を形成した状態で太陽電池モジュール1の出力状態を判定するモジュールセンサ11を備えている。このように本実施形態では、ジャンクションボックス5間を繋ぐ電路に前記各機器を配置する構造としているため、既存のジャンクションボックス5を利用して本発明のシステムを構築することができる。

0028

各電路開閉器8と短絡開閉器9は、太陽電池モジュール1の外部に設けた制御装置12を介して、開閉制御が行われる。制御装置12の設置箇所は特に限定されないが、例えば、接続箱4やパワーコンディショナー13の内部に設置することができる。本実施形態では、全ての電路開閉器8と短絡開閉器9を、同一の制御装置12で制御しているが、ストリング単位やアレイ単位ごとに、複数の制御装置12で制御を行うこともできる。

0029

制御装置12は、1つの電路開閉器8と1つの短絡開閉器9ごとに配置された各開閉動作部10に制御信号を送信し、この制御信号を受けた開閉動作部10が、まず、短絡開閉器9を投入する制御を行い、続いて、電路開閉器8を開放する制御を行う。このように、電路開閉器8の開放に先立って、同一ストリング2内の全ての短絡開閉器9を投入する制御を行うことにより、電路開閉器8の開放時には、太陽電池モジュール1の出力端子からの出力はゼロとなり、開路時のアーク発生を確実に防止することができる。また、例えば、特許文献1の技術のように絶縁不良箇所の前後に配置された2つの開閉器のみを開状態とする場合と比べて、開路手段を開路させる制御を行う際、各開路手段にかかる電圧を低減することができ、特許文献1で使用される開閉器よりも、容量が小さくコンパクトな開閉器を使用することができる。

0030

なお、前記の「開路手段を開路させる制御を行う際に各開路手段にかかる電圧を低減する」という作用を、短絡開閉器9を設けないという条件下で得るためには、同一ストリング2内の電路開閉器8を全て同時に開放する操作が必要となり、このような精密な操作を前提とするシステムは実用化に困難が予想される。これに対し、本発明では、まず、短絡開閉器9を投入して、短絡回路を形成させているため、電路開閉器8を全て同時に開放せずとも、最初に開放される電路開閉器8に高電圧が掛かることはないため、各電路開閉器8を全て同時に開放する操作は不要となる。

0031

電路開閉器8の開放動作は、短絡開閉器9が投入状態にあることを検出できた場合にのみ可能とする制御を行うことで、安全性の向上を図ることができる。前記の検出方法は特に限定されないが、例えば、電路開閉器8の1次側(接続箱4側)に出力検出手段を設けて、短絡開閉器9の投入後所定時間ごとに電流(もしくは電圧)出力検出を行ったり、あるいは、複数の太陽電池モジュールを連結して構成したストリング単位で、このストリング2を構成する太陽電池モジュールの出力状態を判定する統合センサ14を、ストリング2の出力端子に設けて、一定時間ごとに出力検出を行うことができる。

0032

本実施形態では、制御装置12は統合センサ14の異常出力を検出時に自動で動作させるものであり、統合センサ14によるストリングの出力検出を、短絡開閉器9の投入後に限定せず、システムの起動時に所定時間ごとに行っており、その検出結果が異常を示したとき、制御装置12が電路開閉器8及び短絡開閉器9の開閉制御を開始する。例えば、統合センサ14によるストリング2の出力値電圧値電流値)が規定値以下に低下した場合、もしくは、他のストリング2の出力値よりも著しく低下した場合に、短絡時のアークノイズを検出し電圧値が著しく高くなった場合などを検出した場合等に異常判定が行われて、制御装置12による上記制御が開始される。

0033

電路開閉器8を開放して、短絡開閉器9を投入した後、モジュールセンサ11により、太陽電池モジュール1の出力検出および異常判定を行う。ここで、太陽電池モジュール1に異常が検出された場合、制御装置12や、この太陽光発電システムを設置した建物の屋内に備えた表示装置等に異常表示が行われる。モジュールセンサ11及び統合センサ14は検出情報によってセンサの種類を決定され、モジュールセンサ11は太陽電池モジュール1の出力端子に設け、統合センサ14をストリング2の出力端子に設けるものである。例えば、モジュールセンサ11の場合、出力端子に設ける構造として、太陽電池モジュール1の出力端子部より直接電圧等を測定するもの、CTの場合は太陽電池モジュール1と短絡開閉器9間の電路に配置させるもの、分流器の場合は太陽電池モジュール1と短絡開閉器9間の電路にシャント抵抗を接続するものでモジュールセンサ11の設置方法についてもセンサの種類により変更されるものである。統合センサ14の設置方法も同様である。

0034

なお、短絡開閉器9が投入されていると、各太陽電池モジュール1の各素子に電流が流れ続ける状態となる。各素子に電流を流し続けると、各素子に負担がかかり、素子寿命の低下や素子の故障の要因となり好ましくない。更に、太陽光発電システムを備えた建物に火災等の事故が起こった場合に、太陽光パネルを破壊して天井面を開放する処置が行われるケースがある。このような場合において、短絡開閉器9が投入されていると、太陽光モジュール1の破壊作業中の感電事故のリスクがある。そこで、本実施形態では、モジュールセンサ11や統合センサ14により異常判定がなされた際、もしくは、短絡開閉器9を投入して所定時間経過した後には、前記の短絡開閉器9を、自動により、開放可能とするシステム構成として、前記したような各素子の故障や感電事故の回避を図っている。

0035

本実施形態では、統合センサ14がストリング2の異常を検出した際に、制御装置12による上記制御が開始されるシステム構成としたが、その他の実施形態として、太陽電池モジュール1単位の異常を直接検出する手段(例えば、モジュールセンサ11)を備え、この手段が太陽電池モジュール1の異常を検出した際に、制御装置12による上記制御が開始されるシステム構成とすることもできる。更に、その他の実施形態として、太陽電池モジュール1の外部に形成した非常停止ボタン(制御装置手動操作手段)のON動作を起点として通信手段を通じて制御装置12を動作させるシステム構成とすることもできる。この非常停止ボタンのON操作が解除された後、開閉動作部10により開閉動作部10を閉路操作させ、手動操作で復帰動作するものとすることもできる。

0036

また、本実施形態では、太陽電池モジュール1ごとに開閉動作部10を設けているが、その他の実施形態として、開閉動作部10を省略し、制御装置12から送信される通信信号PLC)によって、この制御装置12に繋がれた太陽電池モジュール1を一括して、開閉操作することもできる。

0037

(実施形態2)
図3に示すように、太陽電池モジュール1の背面側に設置されたジャンクションボックス5内に、電路開閉器8と短絡開閉器9を内蔵させることもできる。

0038

(実施形態3)
図4に示すように、太陽電池モジュール1を複数まとめたストリング単位ごとに、ストリング2間の連結を解除する電路開閉器15とストリング2からの出力端子間を連結して短絡回路を形成する短絡開閉器16とストリング2の出力状態を判定するモジュールセンサ17と電路開閉器15と短絡開閉器16の開閉操作を行う開閉動作部18を配置することもできる。同様に、複数のストリング2を連結した出力状態を判定する統合センサ14も配置することもできる。

0039

この場合、例えば、図5に示すように、ストリング2ごとに、電路開閉器15と短絡開閉器16を配置するものとし、各ストリング2単位で電路の開閉を行う分岐開閉器6を電路開閉器15として兼用することもできる。

0040

なお、図4及び図5のような実施形態において、短絡開閉器16を投入した状態で、ストリング2内で、2つの地絡が起こった場合には、回路が構成されてしまうため、危険が生じる。そこで、本実施形態では、各太陽電池モジュール1単位にも、電路開閉器8と短絡開閉器9を備える構成とすることにして安全性の向上を図っている。

0041

1太陽電池モジュール
2ストリング
3アレイ
4接続箱
5ジャンクションボックス
6分岐開閉器
7集電開閉器
8電路開閉器
9短絡開閉器
10開閉動作部
11モジュールセンサ
12制御装置
13パワーコンディショナー
14統合センサ
15 電路開閉器
16 短絡開閉器
17 モジュールセンサ
18 開閉動作部

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