特許 5730716 太陽光発電システムの故障診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5730716

(24)【登録日】2015年4月17日

(45)【発行日】2015年6月10日

(54)【発明の名称】太陽光発電システムの故障診断方法

(51)【国際特許分類】

   H02S 50/00 20140101AFI20150521BHJP

【ＦＩ】

   H02S50/00

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-190789(P2011-190789)

(22)【出願日】2011年9月1日

(65)【公開番号】特開2013-55132(P2013-55132A)

(43)【公開日】2013年3月21日

【審査請求日】2014年4月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】河野 亨

(72)【発明者】

【氏名】中村 明博

(72)【発明者】

【氏名】中村 知治

(72)【発明者】

【氏名】森川 弘基

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 聡

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健一

【審査官】 井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２０１８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２７８３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７７４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４６４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１９５７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０２−３１／０７８、３１／１８−３１／２０、

５１／４２−５１／４８

Ｈ０２Ｓ １０／００−５０／１５

Ｇ０１Ｒ ３１／０２

Ｈ０２Ｊ ３／００−５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の太陽電池セルが直列接続され、直列接続部の両端の電極に保護ダイオードが接続されたモジュールを一つの太陽電池モジュールの単位として、
前記モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングと、
前記太陽電池ストリングを並列に接続した太陽電池アレイと、
前記太陽電池アレイの出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記太陽電池アレイの出力電流を検出する電流検出部と、
日射計測手段とを有する太陽光発電システムの故障診断方法において、
前記日射計測手段により計測した日射量ｐｂの環境下における太陽電池アレイの常温における第１の動作電圧及び第１の動作電流を算出するステップと、
前記電圧検出部にて検出した第２の動作電圧と前記第１の動作電圧を用いて太陽電池アレイの動作温度Ｔｂを算出するステップと、
前記電流検出部にて検出した第２の動作電流と前記動作温度Ｔｂを用いて、常温における第３の動作電流を算出するステップと、
前記第１の動作電流と前記第３の動作電流を比較するステップと、
前記比較した結果をもとに前記太陽電池アレイ内における断線した太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備えることを特徴とする太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項2】

前記太陽電池モジュールの所定の損失に対する配線抵抗Ｒｓ’を設定するステップと、
前記算出された断線した太陽電池モジュール数と前記日射量ｐｂと前記動作温度Ｔｂの条件において算出される太陽電池アレイの第１の最大電力と、前記第２の動作電流と前記第２の動作電圧から算出される第２の最大電力を、前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を可変させながら比較するステップと、
前記比較した結果によって、前記太陽電池アレイ内における前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備え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故障診断方法。

【請求項3】

前記太陽光発電システムは、並列に接続された複数の前記太陽電池アレイと、それぞれの前記太陽電池アレイを選択するための選択手段とを更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池アレイを切り替えることによって、各太陽電池アレイに存在する断線した太陽電池モジュール数を算出するステップを備え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故障診断方法。

【請求項4】

前記太陽光発電システムは、並列に接続された複数の前記太陽電池アレイと、それぞれの前記太陽電池アレイを選択するための選択手段とを更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池アレイを切り替えることによって、各太陽電池アレイに存在する前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項5】

前記太陽光発電システムは、それぞれの前記太陽電池ストリングを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池ストリングを切り替えることによって、各太陽電池ストリングに存在する断線した太陽電池モジュール数を算出するステップを備え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故障診断方法。

【請求項6】

前記太陽光発電システムは、それぞれの前記太陽電池ストリングを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池ストリングを切り替えることによって、各太陽電池ストリングに存在する前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項7】

複数の太陽電池セルが直列接続され、直列接続部の両端の電極に保護ダイオードが接続されたモジュールを一つの太陽電池モジュールの単位として、
前記モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングと、
前記太陽電池ストリングを並列に接続した太陽電池アレイと、
前記太陽電池アレイの出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記太陽電池アレイの出力電流を検出する電流検出部と、
日射計測手段と、
前記太陽電池アレイの動作温度を計測する動作温度計測手段とを有する太陽光発電システムの故障診断方法において、
前記日射計測手段により計測した日射量ｐｂと前記動作温度計測手段により計測した動作温度Ｔｂの環境下における前記太陽電池アレイの最大動作電圧を算出するステップと、
前記最大動作電圧と前記電圧検出部において検出した動作電圧を比較するステップと、
前記比較した結果をもとに前記太陽電池アレイ内における断線した太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備えることを特徴とする太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項8】

前記太陽電池モジュールの所定の損失に対する配線抵抗Ｒｓ’を設定するステップと、
前記算出された断線した太陽電池モジュール数と前記日射量ｐｂから算出される太陽電池アレイの第１の最大電力と、計測した動作電流と前記動作電圧から算出される第２の最大電力を、前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を可変させながら比較するステップと、
前記比較した結果によって、前記太陽電池アレイ内における前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備えることを特徴とする請求項７に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項9】

前記太陽光発電システムは、並列に接続された複数の前記太陽電池アレイと、それぞれの前記太陽電池アレイを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池アレイを切り替えることによって、各太陽電池アレイに存在する断線した太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項７に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項10】

前記太陽光発電システムは、並列に接続された複数の前記太陽電池アレイと、それぞれの前記太陽電池アレイを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池アレイを切り替えることによって、各太陽電池アレイに存在する前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項11】

前記太陽光発電システムは、それぞれの前記太陽電池ストリングを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて前記太陽電池ストリングを切り替えることによって、各太陽電池ストリングに存在する断線した太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項７に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【請求項12】

前記太陽光発電システムは、それぞれの前記太陽電池ストリングを選択するための選択手段を更に有し、
前記選択手段を用いて太陽電池ストリングを切り替えることによって、各太陽電池ストリングに存在する前記配線抵抗Ｒｓ’を持つ太陽電池モジュール数を算出するステップを備えることを特徴とする請求項８に記載の太陽光発電システムの故障診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多数の太陽電池モジュールで構成される太陽光発電システムの故障診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、メガソーラーなどの大規模な太陽光発電システムが注目されている。メガソーラーでは、数千枚〜数万枚におよぶ１００〜２００Ｗクラスの太陽電池モジュールが一箇所の発電サイトに配置される。

【0003】

太陽電池モジュールの故障を検出する方法として、目視による検査、サーモメーターによる発熱の検査、テスターによる電気的特性の検査が行われている。これらの検査は、太陽電池モジュール１つ１つに対して行われるので、太陽電池モジュールの数が増大すると、検査に要する労力と時間が増大するという課題がある。

【0004】

この課題に対し、太陽電池モジュールの状況を迅速に確認することを目的とし、太陽電池モジュール毎に計測手段と通信手段を設けることによって、計測した特性値と太陽電池モジュールの識別子を示す信号を制御装置へ送信する方法が、特許文献１に記されている。

【0005】

さらに、通信手段から送信されてきた結果について、太陽電池に故障が生じたか否かの判断を自動で行うために、送信された結果と閾値を比較することによって故障を判定する方法が、特許文献２に記されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４−２２１４７９号公報

【特許文献2】特開２０１０−１２３８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記の先行技術文献の技術を用いることによって、太陽電池モジュール１つ１つを計測するという労力の課題は解決するが、太陽電池モジュール毎に計測手段と通信手段を設けなければならないという新たな課題が生じる。

【0008】

上記の事情に鑑み、太陽光発電システムにおいて、余分な計測手段と通信手段を付加せず、時間や労力のかからない故障診断方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の一態様による太陽光発電システムの故障診断方法は、複数の太陽電池セルが直列接続され、直列接続部の両端の電極に保護ダイオードが接続されたモジュールを一つの太陽電池モジュールの単位として、前記モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングと、前記太陽電池ストリングを並列に接続した太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイの出力電圧を検出する電圧検出部と、前記太陽電池アレイの出力電流を検出する電流検出部と、日射計測手段とを有する太陽光発電システムの故障診断方法において、前記日射計測手段により計測した日射量ｐｂの環境下における太陽電池アレイの常温における第１の動作電圧及び第１の動作電流を算出するステップと、前記電圧検出部にて検出した第２の動作電圧と前記第１の動作電圧を用いて太陽電池アレイの動作温度Ｔｂを算出するステップと、前記第２の動作電流と前記動作温度Ｔｂを用いて、常温における第３の動作電流を算出するステップと、前記第１の動作電流と前記第３の動作電流を比較するステップと、前記比較した結果をもとに前記太陽電池アレイ内における断線した太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備えることを特徴とする。

【0010】

また、複数の太陽電池セルが直列接続され、直列接続部の両端の電極に保護ダイオードが接続されたモジュールを一つの太陽電池モジュールの単位として、前記モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングと、前記太陽電池ストリングを並列に接続した太陽電池アレイと、前記太陽電池アレイの出力電圧を検出する電圧検出部と、前記太陽電池アレイの出力電流を検出する電流検出部と、日射計測手段と、前記太陽電池アレイの動作温度を計測する動作温度計測手段とを有する太陽光発電システムの故障診断方法において、前記日射計測手段により計測した日射量ｐｂと前記動作温度計測手段により計測した動作温度Ｔｂの環境下における前記太陽電池アレイの最大動作電圧を算出するステップと、前記最大動作電圧と前記電圧検出部において検出した動作電圧を比較するステップと、前記比較した結果をもとに前記太陽電池アレイ内における断線した太陽電池モジュール数を算出するステップと、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明により、太陽光発電システムの故障診断方法において、余分な計測手段と通信手段を付加せず、時間や労力をかけずに、従来収集していたデータを利用して太陽電池アレイ内に存在する太陽電池モジュールの故障数を把握することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】太陽電池アレイの構成を示す図である。

【図2】大規模太陽光発電システムの構成を示す図である。

【図3】太陽光発電システムにおけるパワーコンディショナ（ＰＣＳ）の構成の一部とＰＣＳ内の計測器を用いて太陽電池の特性をモニターする構成を示す図である。

【図4】太陽電池モジュールの電流経路を示す図であり、（ａ）は正常な場合、（ｂ）ははんだ剥がれ故障が生じた場合、（ｃ）は断線故障が生じた場合を示す。

【図5】太陽電池モジュールが故障した場合の特性の変化を示す図である。

【図6】太陽電池アレイのアレイ演算の手法を示す図であり、（ａ）はストリング解析の場合、（ｂ）はアレイ解析の場合である。

【図7】本発明の実施例１に係る太陽光発電システムであり、太陽電池アレイの特性を監視するための構成を示した図である。

【図8(a)】本発明の実施例１に係る故障診断方法の手順を示すフローチャートであり、太陽電池アレイ内にどれだけ断線故障した太陽電池モジュールが存在するかを算出するためのアルゴリズムを示した図である。

【図8(b)】本発明の実施例１に係る故障診断方法の手順を示すフローチャートであり、太陽電池アレイ内にどれだけはんだ剥がれ故障した太陽電池モジュールが存在するかを算出するためのアルゴリズムを示した図である。

【図9】本発明の実施例２に係る太陽光発電システムであり、太陽電池アレイの特性を監視するための構成を示した図である。

【図10(a)】本発明の実施例２に係る故障診断方法の手順を示すフローチャートであり、太陽電池アレイ内にどれだけ断線故障した太陽電池モジュールが存在するかを算出するためのアルゴリズムを示した図である。

【図10(b)】本発明の実施例２に係る故障診断方法の手順を示すフローチャートであり、太陽電池アレイ内にどれだけはんだ剥がれ故障した太陽電池モジュールが存在するかを算出するためのアルゴリズムを示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施例により詳細に説明する。

【実施例1】

【0014】

図１は、太陽光発電アレイ１の構成図である。太陽電池アレイ１は、太陽電池モジュール２を複数枚直列に並べた太陽電池ストリング３と呼ばれる単位が並列に並べられることによって構成される。各太陽電池モジュール２には、逆バイアスが掛かった時に逆方向電流が流れるのを防止するためのバイパスダイオード４が取り付けられており、各ストリング単位でも、逆方向に電流が流れ込むのを防止するための逆流防止ダイオード５が取り付けられている。スイッチ６を選択することにより、各ストリングの電流経路を選択することも可能である。なお、同一符号は同一構成要素を示す。

【0015】

図２は、太陽光発電システムの機能構成を示すブロック図である。複数の太陽電池ストリング３は、接続箱７の中で、逆流防止ダイオード５とスイッチ６を介して並列接続される。この並列接続によって構成された太陽電池アレイは、集電ラック８にて、スイッチ９を介して、さらに並列接続される。これら複数の太陽電池アレイが並列接続された大規模な単位の両端電極に、パワーコンディショナ１０が接続される。パワーコンディショナ１０は、複数並列接続された太陽電池アレイから最大電力が取り出せるように直流電力を制御する制御部１０ａと、制御によって生成された直流電力を交流信号に変換し出力する直流交流変換部１０ｂによって構成される。

【0016】

図３は、パワーコンディショナの直流電力を制御する制御部１０ａについてのブロック図である。太陽電池アレイから最大電力が取り出せるように直流電力を制御することをＭＰＰＴ制御（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）と呼ぶ。このＭＰＰＴ制御は、制御部１０ａにおける電流計２０と電圧計２１において、計測した直流電力を用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を制御することによって達成されるものである。一般に、大規模太陽光発電システムにおいては、ＭＰＰＴ制御中に計測される直流電圧、直流電流と、発電サイトに設置された日射計２２によって計測される日射量が、監視モニター１０ｃに送信される。つまり、直流電圧、直流電流に関しては、パワーコンディショナ単位での発電量を監視している。

【0017】

太陽電池モジュール２の故障に関しては、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようなメカニズムで進行する。太陽電池モジュール２は、太陽電池セル１１が複数個、直列に接続されていることで構成される。セル間の接続ははんだ付けで行われている。このはんだが剥がれてくると、配線の抵抗成分１３が大きくなる。この時、図４（ａ）の正常状態からホットスポット１２ｂを持った図４（ｂ）の状態に移行する。ホットスポットとは、はんだ剥がれを起こしているセルが周囲に比べて高温になる現象のことであり、サーモカメラ等を用いた故障診断が一般的な手法として用いられている。

【0018】

さらに、ハンダが剥がれてくると、配線抵抗の値もさらに大きくなり、ホットスポット１２ｂを有する太陽電池モジュール２の電流駆動能力が著しく低下する。この時、バイパスダイオード４が動作する。この状態が、図４（ｃ）である。この現象は、バイパスダイオード４が搭載されているジャンクションボックスの発熱を観測することによって診断されるのが一般的である。なお、符号１２ｃは断線セルを示す。また、１４ａは正常なストリングを流れる電流、１４ｂはホットスポットを含むストリングを流れる電流、１４ｃは断線セルを含むストリングを流れる電流を示す。

【0019】

ここで、故障（はんだ剥がれと断線）の主要因である配線抵抗と損失の関係を定量化する。配線抵抗をRsとし、損失をPlossとすると、Plossは、式（１）に示すように、ある損失値P0とRsに対する変化(∂Ploss/∂Rs)によって表すことができる。

Ploss ＝ P0 ＋ (∂Ploss/∂Rs)・ΔRs …(１)

図４に示すように、故障したモジュールの配線抵抗Rsが大きくなると、ある時点から電流はバイパスダイオード４を経由して流れる。図５に、この時の太陽電池特性の変化を示す。太陽電池の電流−電圧特性は、配線抵抗Rsが大きくなるにつれて、特性１５ａから１５ｂに変化し、n個のモジュールが直列接続された太陽電池ストリングのうち、m個のモジュールが断線したとすると、図５に示すように、正常に対して、電流Ipmaxを保ちながら、ｍ/nの割合ほど電圧シフトした特性１５ｃのようになる。この時、損失はm/nであるため、これをP0として設定する。

【0020】

セル数がNcellで構成される太陽電池モジュールの式は、I ：出力電流 [A] Is ：逆方向飽和電流[A] V ：出力電圧 [V] Isc ：短絡電流 [A] T ：太陽電池素子絶対温度[K] k ：ボルツマン定数[J/K] Rs ：配線抵抗[Ω] q ：電子の電荷量[Ｃ] Rsh ：並列抵抗[Ω] ｎf：接合定数 p：日射強度[kW/m²] のパラメータを用いて、式（２）で表すことができる。

I ＝ Isc ・p − Is・{exp(q・(V/(Ncell) ＋ Rs・I) / (nf・k・T))}
− (V/(Ncell)＋Rs・I) / Rsh …(２)

日射強度Ea（1 kW/m²）、常温(Ta ＝ 298K)におけるIa ：出力電流 [A] Va ：出力電圧 [V] Isca ：短絡電流 [A] とRs：配線抵抗[Ω] 、短絡電流の温度係数α[A/℃]、開放電圧の温度係数β[V/℃]、曲線補正因子Kを用いて、日射強度Eb、温度TbにおけるIb：出力電流 [A] とVb：出力電圧 [V]は、式(３)、式(４)を用いて算出することができる。

Ib ＝ Ia ＋ Isca・(Eb/Ea − 1) ＋ α・(Tb − Ta) …(３)

Vb ＝ Va ＋ β・(Tb − Ta) − Rs・(Ib − Ia) − K・Ib・(Tb − Ta) …(４)

n個のモジュールが直列接続された太陽電池ストリングの正常時でのVpmaxは、正常時のRsが十分小さく、かつ漏れ抵抗Rshが十分に大きく無視できるとすると、式(２)を変形して、式(５)と表すことができる。したがって、Pmax は、VpmaxにIpmaxを掛けた式(５)として表すことができる。

Vpmax ＝ n・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − Ipmax)/Is)} …(５)

Pmax ＝ n・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − Ipmax)/Is)}・Ipmax …(６)

一方、n個中、m個のモジュールが断線した太陽電池ストリングの電流Iが流れた時の電圧と電力に関しては、Rs増加による影響が現れるので、式(７)と式(８)として表すことができる。

V ＝ (n−m)・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − I)/Is)}
− m・Ncell ・Rs・I …(７)

P ＝ (n−m)・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − I)/Is)}・I − m・Ncell
・Rs・I^２ …(８)

したがって、Plossは、式(９)となり、Rsに対する変化(∂Ploss/∂Rs)は、式（１０）として表すことができる。

【0021】

Ploss ＝ P/Pmax
＝ {(n−m)・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − I)/Is)}・I − m・Ncell
・Rs・I^２} / {n・{Ncell・(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − Ipmax)/Is)}・Ipmax}
…(９)

(∂Ploss)/∂Rs
＝ (− m・I^２) / {n・{(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − Ipmax)/Is)}・Ipmax}
…(１０）

ここで、式(１１)のようにRthを定義して、式(１０)に代入すると、式(１２)のように表すことができる。

Rth ＝ {(nf・k・T)/q・ln((Isc・p − Ipmax)/Is)}/ Ipmax …(１１）

(∂Ploss)/∂Rs ＝ (− (m/n))・(I/ Ipmax)²・(1/Rth) …(１２)

1つ余分に断線した状態を基準とするため、式(１)において、P0＝(m＋1)/nとし、 さらに、ΔRs＝（Rth−Rs）とすると、Plossは、式(１３)のように表すことができる。

Ploss ＝ ((m＋1)/n) − (m/n)・(I/ Ipmax)²・(1 − Rs/Rth) …(１３)

式(１３)において、Rs＝Rthとなった時に、P0＝(m＋1)/nとなる。つまり、RthとはバイパスダイオードがONし始める配線抵抗の閾値であり、バイパスダイオードが動作を開始する地点での損失を基準としたRsについての変化分を算出するによって、直列接続されたパネルの損失を容易に定量化することが可能となる。

【0022】

以上より、式(１１)と式（１３）を用いることによって、損失に応じたRsを量子化することが可能になる。

【0023】

ここで、図６に太陽電池アレイ１の計算方法を示す。このアレイの計算をアレイ演算と呼ぶこととする。アレイ演算は、ストリング解析とアレイ解析の組み合わせによって実現される。ストリング解析を行うときは、複数のモジュールに流れる電流は共通であるので、図６(ａ)に示すように、ある電流 I が流れている場合における各太陽電池のモジュール電圧 ：V[1]、V[2]、V[3]、・・・ V[N−1]、V[N]を式(２)から求め、その和 Vstring を求める。式(２)から電圧を計算する場合、逆関数となるが、ニュートン法などの繰り返し演算を適用することで簡単に求めることが可能である。モジュールに、はんだ剥がれや断線が掛かると、正常時のモジュール電圧に比べて、電圧が下がり、断線の場合には、バイパスダイオードが機能するため、モジュール電圧≒0として考える。アレイ解析を行うときは、複数のストリングに掛かる電圧は共通であるので、図６（ｂ）に示すように、ある電圧 V が掛かっている場合における各ストリングから取り出される電流: I[1]、I[2]・・・I[N]を式(２)から求め、その和:Iarray を求めればよい。アレイ演算は、ストリング解析とアレイ解析の組み合わせにより太陽電池アレイの電流−電圧特性を求める演算である。

【0024】

診断のために得られる情報は、図７に示すように、太陽電池アレイ１を制御するパワーコンディショナ１０内の制御部１０ａに搭載された電圧計２１と電流計２０から得られる最大動作電圧:Vpmax_bと最大動作電流: Ipmax_bのログデータと発電サイト内に設置された日射計２２から得られる日射強度: pbのログデータ、太陽電池アレイの温度センサ１６から得られる動作温度:Tbのログデータである。これらのデータは、監視モニター１０ｃに送信される。

【0025】

日射計２２で計測される日射強度: pbは、式（２）の p：日射強度[kW/m²] に代入すればよい。

【0026】

温度センサ１６で計測される動作温度:Tbに関しては、式（２）の中で、動作温度そのものを示す T ：太陽電池素子絶対温度[K] にTbを代入し、温度に対して変化が大きい Isc：短絡電流 [A]、 Is ：逆方向飽和電流[A] についての計算を行う。

【0027】

動作温度:Tb における Isc：短絡電流 [A] は、式（３）の変形である式（１４）を用いて求めることが可能である。

Isc ＝ Isca ＋ α・(Tb − Ta) …(１４)

ここで、Isca は、常温(Ta ＝ 298K)における短絡電流 [A] であり、α[A/℃]は、短絡電流の温度係数である。

【0028】

動作温度:Tb におけるIs ：逆方向飽和電流[A]は、開放電圧Voc と開放電圧の温度係数β[V/℃]を介して算出する。まず、常温 Ta における逆方向飽和電流[A]をIsaとして、常温 Ta における開放電圧Voc_a を式（２）から求めると、式（１５）のようになる。

Voc_a ＝ n・{Ncell・(nf・k・Ta)/q・ln((Isca・p) /Isa)} …(１５)

同様に、アレイの動作温度Tb における開放電圧は、式（１６）と式（１７）で表される。

Voc ＝ Voc_a ＋ β・(Tb − Ta) …(１６)

Voc ＝ n・{Ncell・(nf・k・Tb)/q・ln((Isc・p) /Is)} …(１７)

式（１５）と（１７）を解くことで、常温時の各パラメータ値と計測された動作温度 Tb から、Tbにおける逆方向飽和電流 Is を算出することが可能である。

【0029】

これら、動作温度 Tb におけるIsc：短絡電流 [A]、Is ：逆方向飽和電流[A]の値を用いて、アレイ演算を行うことによって、太陽電池アレイの暴露状態(日射量：pb、動作温度：Tb)におけるIpmaxとVpmaxが算出される。さらに、Ipmax は、式（１１）で定義したRth の算出にも用いられる。一旦、Rth が算出されれば、式（１３）を用いて、故障に応じたRsの量子化が可能となる。

【0030】

以上で述べたアレイ演算、式（２）を構成するパラメータの演算、Rsの量子化、そして、計測した最大動作電圧:Vpmax_bと最大動作電流: Ipmax_bを活用することで、太陽電池アレイ内に存在するモジュール故障数を求めることができる。太陽光発電システムの故障診断方法の手順を示す演算フローを図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。

【0031】

太陽電池アレイ内におけるモジュールの故障数の算出は、まず、断線が発生したモジュール数を求め、次に、はんだ剥がれが発生したモジュール数を求めるという順で行っていく。

【0032】

第１段階として、図８(ａ)のフローを用いて、断線が発生したモジュール数の求め方を説明する。まず、計測データの日射量：pbと動作温度：Tbを取り込み、暴露条件におけるパラメータを演算する（Ｓ８０１）。次に、アレイ演算を行い、故障がない条件における最大動作電圧Vpmaxを算出する（Ｓ８０２）。ここで、算出したVpmaxから計測した最大動作電圧Vpmax_bを差し引いた値をΔＶとする（Ｓ８０３）。次にこのΔＶと０とを比較し（Ｓ８０４）、算出値Vpmaxの方が大きければ（ΔＶ＞０）、断線したモジュール数を示すxをインクリメント（Ｓ８０５）、Vpmaxと同じであれば（ΔＶ＝０）、xはそのまま（Ｓ８０６）、Vpmaxの方が小さければ（ΔＶ＜０）、xをデクリメントし（Ｓ８０７）、再度、アレイ演算を行う。アレイ演算において、どのモジュールを断線させるかについては、モンテカルロ法等を用いて無作為に選択する。以上の動作をCountでモニターし（Ｓ８０８）、太陽電池アレイを構成するモジュール数までCountがアップするまで、アレイ演算と断線数の設定を繰り返し行う（Ｓ８０９）。

【0033】

第２段階として、図８(ｂ)のフローを用いて、はんだ剥がれが発生したモジュール数の求め方を説明する。まず、図８(ａ)と同様に、計測データの日射量：pbと動作温度：Tbを取り込み、暴露条件におけるパラメータを演算する（Ｓ８１１）。この演算と同時に、式（１１）と式（１３）を用いて、モジュール損失が１０％となる配線抵抗値 Ｒｓ’を設定しておく。次に、図８(ａ)で設定した断線数xを取り込み、アレイ演算を行う（Ｓ８１２）。断線させるモジュールに関しては、前述のように、モンテカルロ法等を用いて無作為に抽出する。ここでのアレイ演算では、断線の情報を含んだ太陽電池アレイの最大動作電圧Vpmax と最大動作電流 Ipmaxが算出され、これらを掛け合わせることによって最大電力 Pmax が算出される。算出されたPmaxから計測された最大電力Pmax_bを差し引いた値をΔＰとする（Ｓ８１３）。次にこのΔＰと０とを比較し（Ｓ８１４）、算出値Pmaxの方が大きければ（ΔＰ＞０）、配線抵抗Rs’を有するモジュール数を示すｙをインクリメント（Ｓ８１５）、Pmaxと同じであれば（ΔＰ＝０）、yはそのまま（Ｓ８１６）、Pmaxの方が小さければ（ΔＰ＜０）、yをデクリメントし（Ｓ８１７）、再度、アレイ演算を行う。アレイ演算において、どのモジュールの配線抵抗に Rs’を設定するかについては、モンテカルロ法等を用いて無作為に選択する。以上の動作をCountでモニターし（Ｓ８１８）、太陽電池アレイを構成するモジュール数までCountがアップするまで、繰り返し行う（Ｓ８１９）。なお、本実施例ではモジュール損失を１０％としたが、必ずしも１０％には限定されない。

【0034】

以上のフローから、太陽電池毎に計測手段や通信手段を付加せずとも、太陽電池アレイ内に存在する太陽電池モジュールの故障数を把握することが可能となる。

【0035】

本フローを図２の選択スイッチ９が全てオンした状態で適用し、故障数が多いと判断した場合には、選択スイッチ９により、太陽電池アレイ１の単位で故障数のモニタリングを実現することができる。さらに、故障数が多いと判断した太陽電池アレイ１については、図１の選択スイッチ６を切り替えることで、太陽電池ストリング単位での故障検査を行うことができる。

【実施例2】

【0036】

第２の実施例について図９、図１０（ａ）、図１０（ｂ）を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

【0037】

図９は、診断のために得られる情報として、太陽電池アレイを制御するパワーコンディショナ１０内の制御部１０ａに搭載された電圧計２１と電流計２０から得られる最大動作電圧:Vpmax_bと最大動作電流: Ipmax_bのログデータと発電サイト内に設置された日射計２２から得られる日射強度: pbのログデータのみの場合を示したものである。

【0038】

通常、温度センサには、熱電対といったものが用いられるが、一般的に、計測精度が低い。したがって、本実施例では、Vpmax_b、 Ipmax_bと pbのログデータのみから故障を算出する。

【0039】

まず、開放電圧の温度係数β[V/℃]より、開放電圧：Vocは、常温：Ta における開放電圧をVoc_a とすると、式（１８）のように表すことができる。

Voc ＝ Voc_a ＋ β・(Tb − Ta） …（１８）

次に、式（２）、式（３）、式（１４）により、以下の関係を求めておく。常温：Ｔａの条件においては、

Ipmax_a ≒ j・Isca (ｊ:定数) …（１９）

であり、同様に動作温度：Ｔｂの条件においては、

Ipmax ≒ i・Isc (l :定数) …(２０)

である。

【0040】

式（５）と式（１７）よりIsを消去し、動作温度Tbとすると、式（２１）で表すことができる。

(Vpmax−Voc) / Tb ＝ n・{Ncell・(nf・k・Tb)/q}・ln{(Isc・p − Ipmax)/Isc}
…(２１)

常温：Ｔａに関しても同様に求めると、式（２２）が得られる。

(Vpmax_a−Voc_a) / Ta ＝ n・{Ncell・(nf・k・Ta)/q}・ln{(Isca・p
− Ipmax_a)/Isca} …(２２)

ここで、式(１９)、式(２０)を用いて、式(２１)と式(２２)の関係性を求めると、式(２３)のように、Vpmax を求めることができる。

Vpmax ＝ {ln (1−i)}/ {ln (1−l)}・{(Vpmax_a−Voc_a) / Ta}・Tb ＋ Voc
…(２３)

簡単のため、i ＝ j と仮定すると、式(２４)を得る。

Vpmax ＝ {(Vpmax_a−Voc_a) / Ta}・Tb ＋ Voc …(２４)

Vpmax を計測値 Vpmax_bとして、式（１８）を式（２４）に代入すると、

Tb ＝ (Vpmax _b − Voc_a ＋β・Ta) / {((Vpmax_a−Voc_a) / Ta) ＋β} …(２５)

となり、常温(Ta ＝ 298K)における開放電圧：Voc_a 、開放電圧の温度係数β[V/℃] 、最大動作電圧：Vpmax_a と計測したVpmax_bから、太陽電池アレイの動作温度：Tb を求めることが可能となる。

【0041】

Tbを求めた後、式（３）を変形した式（４）より、常温における動作電流Ipmax_a’ が、日射強度：pb、太陽電池アレイの動作温度：Tb、常温：Ta 、常温における短絡電流：Isca 、短絡電流の温度係数αと計測値：Ipmax_b より求まる。

Ipmax_a’＝ Ipmax_b − Isca・(pb − 1) ＋ α・(Tb − Ta) …(２６)

以上の太陽電池アレイの動作温度の計算値 Tb と常温における動作電流の計算値Ipmax_a’を実施例１のフローに組み込む。これにより、パワーコンディショナ内に搭載された電圧計と電流計から得られる最大動作電圧:Vpmax_bと最大動作電流: Ipmax_bのログデータと発電サイト内に設置された日射計から得られる日射強度: pbのログデータのみから太陽電池アレイ内の故障数を算出することが可能になる。太陽光発電システムの故障診断方法の手順を示す演算フローを図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す。

【0042】

太陽電池アレイ内における故障したモジュール数の算出は、実施例１と同様に、まず、断線が発生したモジュール数を求め、次に、はんだ剥がれが発生したモジュール数を求めるという順で行っていく。

【0043】

第１段階として、図１０（ａ）のフローを用いて、断線が発生したモジュール数の求め方を説明する。まず、計測データの日射量：pb を取り込み、日射量：pb、常温：Ta におけるパラメータを演算する（Ｓ１０１）。次に、アレイ演算を行い、故障がない条件における最大動作電圧 Vpmax_a と最大動作電流 Ipmax_a を算出する（Ｓ１０２）。ここで、算出したVpmax_aと計測した最大動作電圧Vpmax_b、さらに、式（２）やアレイ演算を用いて算出される常温Ta における開放電圧 Voc_a、開放電圧の温度係数βを用いて、式（２５）に代入し、太陽電池アレイの動作温度 Tb を算出する（Ｓ１０３）。算出されたTb と計測された最大動作電流 Ipmax_b を式（２６）に代入し、常温における動作電流Ipmax_a’を算出する（Ｓ１０４）。Ipmax_a’とアレイ演算により求まるIpmax_a は、共に常温：Ta、日射強度pb kW/m2 の条件のもとでの算出された値であるが、実測では、断線以外の劣化条件も入っていることを考慮すると、計測値から求まる値は、理論値と同等もしくは小さい値になるので、Ipmax_a ≧ Ipmax_a’が成り立つ。ΔI ＝ Ipmax_a − Ipmax_a’とした時（Ｓ１０５）、ΔI ＞ 0 （Ｓ１０６）を満たし、かつ Ipmax_a ≒ Ipmax_a’ （Ｓ１０８）となるまで、断線数ｘをＵＰさせ（Ｓ１０７）、動作温度 Tb算出、Ipmax_a’算出の演算を繰り返し行っていく。ΔI ＜ 0 （Ｓ１０６）となった場合は、繰り返し演算の1つ前の状態にxとTbを戻し（Ｓ１０９）、繰り返し演算を終了させることで、ΔI ＞ 0 、かつ Ipmax_a ≒ Ipmax_a’の条件が満たされる。

【0044】

どのクラスタを断線させるについては、実施例１と同様に、モンテカルロ法等の方法を用いて無作為に選択する。

【0045】

次に、第２段階について図１０（ｂ）のフローを用いて説明する。このフローは、図８(ｂ)のフローに対して、計測した動作温度：Tbから第１段階で算出した動作温度：Tbに置き換わったのみであり、計算のフローは実施例１と同じである。即ち、図１０（ｂ）に示すステップＳ１１１〜ステップＳ１１９は、それぞれ図８（ｂ）に示すステップＳ８１１〜ステップＳ８１９に対応する。

【0046】

以上のフローから、太陽電池毎に計測手段や通信手段、さらに温度の計測手段を付加せずとも、太陽電池アレイ内に存在する太陽電池モジュールの故障数を把握することが可能となる。

【0047】

実施例１と同様に、本フローを図２の選択スイッチ９が全てオンした状態で適用し、故障数が多いと判断した場合には、選択スイッチ９により、太陽電池アレイ１の単位で故障数のモニタリングを実現することができる。さらに、故障数が多いと判断した太陽電池アレイ１については、図１の選択スイッチ６を切り替えることで、どのストリングに故障が多く含まれているかまで絞り込むことができる。

【0048】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0049】

計測手段や通信手段を付加せずに、時間や労力のかからない故障診断が、太陽電池システムにおいて可能になる。

【符号の説明】

【0050】

１…太陽電池アレイ、２…太陽電池モジュール、３…太陽電池ストリング、４…バイパスダイオード、５…逆流防止ダイオード、６…スイッチ、７…接続箱、８…集電ラック、９…スイッチ、１０…パワーコンディショナ、１０ａ…制御部、１０ｂ…直流交流変換部、１０ｃ…監視モニター、１１…太陽電池セル、１２ｂ…ホットスポット、１２ｃ…断線セル、１３…配線抵抗成分、１４ａ…正常なストリングを流れる電流、１４ｂ…ホットスポットを含むストリングを流れる電流、１４ｃ…断線セルを含むストリングを流れる電流、１５ａ…正常な場合の特性、１５ｂ…ホットスポット（はんだ剥がれ）を含む場合の特性、１５ｃ…断線セルを含む場合の特性、１６…温度センサ、２０…電流計、２１…電圧計、２２…日射計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8(a)】

【図8(b)】

【図9】

【図10(a)】

【図10(b)】