JP2016111849A - 太陽電池モジュール、太陽光発電システム、及び太陽電池モジュール用端子箱 - Google Patents

Abstract

【課題】故障した太陽電池モジュールを容易に判別する。
【解決手段】太陽電池モジュール１０は、太陽電池セル１１の正極と負極との出力間に接続されたバイパスダイオード２０と、太陽電池セル１１の出力取出し線を収容する端子箱１２と、を備える。太陽電池モジュール１０は、バイパスダイオード２０に電流が流れると、モジュール１０に故障が発生していることを報知する報知部を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、太陽電池モジュール及び太陽光発電システムに関し、特に、故障した太陽電池モジュールを容易に判別することができる太陽電池モジュール、太陽光発電システム、及び太陽電池モジュール用端子箱に関するものである。

太陽電池モジュールは、光起電力効果により光を電力に変換する太陽電池セルを基材の上に多数配列して例えば長方形の平板状に構成されている。昨今、多数枚の太陽電池モジュールを配置して高出力の発電を行う太陽光発電システムが注目されている。このような太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールが複数直列接続されてなる太陽電池ストリングが複数並列接続されて太陽電池アレイが構成されている。各太陽電池ストリングはパワーコンディショナに接続され、直流出力が交流出力に変換されて系統電源や負荷に接続されるか、又は充電コントローラを介して蓄電池に充電される。

太陽電池モジュールにおいて、セル同士を接続するハンダ付け部分の劣化や、セルにクラックが生じる等の不具合が生じ、電流経路が断たれると、この太陽電池モジュールに並列に接続されたバイパスダイオードに電流が流れ、太陽電池ストリング全体としての出力が低下する。そのため、太陽電池ストリング毎の出力（電圧／ＩＶ特性等）を監視することで、太陽電池モジュールが故障したか否かを検出していた。

このような従来の手法では、出力電圧の低下から、不具合を生じた太陽電池モジュールを含む太陽電池ストリングを特定することはできるが、その太陽電池ストリングを構成する複数の太陽電池モジュールのうちどのモジュールが故障したかは検出できなかった。上述したようなハンダ付け部分の劣化やクラックなどは外観からは分からないため、太陽電池ストリングを構成する太陽電池モジュールを１つずつ電気的に遮断して、正常に動作するか否か検査を行っていた。

特開２０１１−６６３２０号公報

しかし、このような従来の手法では、故障した太陽電池モジュールの検出に手間がかかっていた。特に、太陽電池アレイが家屋の屋根や壁面に設置されていたり、１つの太陽電池ストリングが多数の太陽電池モジュールで構成されていたりする場合、故障した太陽電池モジュールの検出に多大な手間がかかり、太陽光発電システムの保守管理コストが高くなっていた。

本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであり、故障した太陽電池モジュールを容易に判別することができる太陽電池モジュール、太陽光発電システム、及び太陽電池モジュール用端子箱を提供することを課題とする。

本発明の一態様による太陽電池モジュールは、太陽電池セルの正極と負極との出力間に接続されたバイパスダイオードと、前記太陽電池セルの出力取出し線を収容する端子箱と、を備える太陽電池モジュールであって、前記バイパスダイオードに電流が流れると、該モジュールに故障が発生していることを報知する報知部を有するものである。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記報知部は前記端子箱に設けられていてもよい。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記報知部は、前記バイパスダイオードと電気的に並列に接続された発光部であってもよい。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記発光部は発光ダイオードであってもよい。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記発光部は、電気的に直列に接続されているダイオード及びランプであってもよい。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記報知部は、音を出力する音出力部であってもよい。

本発明の一態様による太陽電池モジュールにおいて、前記報知部は、前記太陽電池モジュールの外表面に設けられ、加熱により不可逆的に変色する示温材であってもよい。この場合、前記バイパスダイオードに直列に接続された抵抗素子をさらに備えることが好ましい。

本発明の一態様による太陽光発電システムは上記太陽電池モジュールが複数直列接続されてなる太陽電池ストリングを、少なくとも１つ備えたものである。

本発明の一態様による太陽電池モジュール用端子箱は、太陽電池モジュールに故障が発生していることを報知する報知部とバイパスダイオードとを有する太陽電池モジュール用端子箱である。

本発明によれば、故障した太陽電池モジュールを光、色または音で感覚的かつ容易に判別することができる。

本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。 太陽電池ストリングの概略構成図である。 同実施形態による太陽電池モジュールの回路構成図である。 同実施形態による端子箱の外観図である。 変形例による太陽電池モジュールの回路構成図である。 変形例による太陽電池モジュールの回路構成図である。 変形例による端子箱の外観図である。 変形例による太陽電池モジュールの回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成図である。図１に示すように、太陽光発電システムは、少なくとも１つの太陽電池ストリング１（以下、ストリング１と略記する）を有する太陽電池アレイ３と、パワーコンディショナ２とを備える。ストリング１が複数設けられる場合、複数のストリング１は通常並列に接続されるが、必要に応じて直列に接続してもよい。

太陽電池アレイ３は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流電力としてパワーコンディショナ２へ供給する。パワーコンディショナ２は、太陽電池アレイ３から供給された直流出力を交流出力に変換し、この交流出力を後段の負荷装置（図示せず）へ供給する。各ストリング１には、逆方向に電流が流れ込むことを防止する逆流防止ダイオード４が取り付けられている。

ストリング１は、直列に接続された複数の太陽電池モジュール１０（以下、モジュール１０と略記する）を有する。モジュール１０は、平面形状が長方形のシート状の基板の表面に多数の太陽電池セル（以下、セルと略記する）を配列して構成される。太陽電池セルは、通常、基板と表面保護層との間に設置され、必要に応じて基板と表面保護層との間は封止材により封止される。モジュール１０の外周をフレームで補強してもよい。

セルとしては、公知のセル、例えば単結晶シリコン系、多結晶シリコン系、アモルファスシリコン系、微結晶シリコン系、球状シリコン系等のシリコン系セル、ＧａＡｓ系、ＣＩＳ系、ＣＩＧＳ系等の化合物系セル、色素増感型セル、有機系セル等を用いることができる。施工性の点では薄膜系セルが好ましい。薄膜系セルとしては、アモルファスシリコン系、球状シリコン系、化合物系、色素増感型、有機系のセルが好ましく、意匠性の点で、有機系のセルが好ましい。

後述する報知部は、太陽電池モジュールに設置され、その設置の位置は限定されないが、通常、太陽電池モジュールの受光面の反対側の面に設置する。このとき、該報知部が光や色等の目視により認識できる信号を発する場合、太陽電池モジュールをシースルーにすると、太陽電池モジュールの受光面側から信号を認識できる点で好ましい。太陽電池セルが非透光性の場合、該報知部は、太陽電池モジュールの受光面側から見て太陽電池セルと重複しない箇所に設置すると受光面側から視認しうるため好ましい。

基板および表面保護層、ならびに必要に応じて用いられる封止材は透明であることが好ましい。透明な基板および表面保護層の材質としては、ガラスや、アクリル、ポリカーボネート、ポリエステル等の樹脂等が用いられる。透明な封止材としては、ＥＶＡが良く知られている。太陽電池モジュールの、太陽電池セルと重複しない箇所の光線透過率は通常１０％以上、好ましくは２０％以上、より好ましくは５０％以上、更に好ましくは８０％以上であり、通常９９％以下、好ましくは９５％以下、より好ましくは９０％以下である。

また、太陽電池セルとして、有機系セルやアモルファスシリコン型のシリコン系セル等、シースルーのセルも知られている。シースルーのセルを使用する場合には、報知部の設置位置は限定されず、太陽電池モジュールの任意の位置に設置してよい。シースルーのセルを用いた、シースルー型太陽電池モジュールの、セルと重複する箇所の光線透過率は、通常５％以上、好ましくは１０％以上、より好ましくは２０％以上、更に好ましくは３０％以上、特に好ましくは５０％以上であり、通常８０％以下、好ましくは７０％以下である。なお、上記光線透過率は、ＪＩＳ Ｋ ７３７５：２００８に準じて測定したものである。

また、報知部が発光部である場合、報知部を非透光性の太陽電池モジュールの受光面の反対側の面に設置すると、発光の輝度が低くても視認しやすい点で好ましい。

また、発光部や音出力部はバイパスダイオードと電気的に並列に接続するが、バイパスダイオードは端子箱に収納されていることが多い。従って、報知部を端子箱に設けることで、バイパスダイオードと接続する配線や報知部の施工が容易となり、また、配線による電力損失やそれに伴う報知部の機能低下を抑制しうる点で好ましい。

セルは順次に直列に接続されている。モジュール１０は、表面に樹脂を積層することによりセルを絶縁・封止して構成される。モジュール１０における積層構造は、例えば、基板の表面に絶縁材／封止材／セル／封止材／保護フィルムを順次に積層して構成される。

図２に示すように、モジュール１０は、裏面に端子箱（ジャンクションボックス）１２が取り付けられている。端子箱１２を取り付ける位置は限定されず、モジュール１０の長辺部でも短辺部でもよいが、通常は短辺部である。端子箱１２は、樹脂や金属など耐蝕性のある材料を成形して作製される。端子箱１２は、セルの正極側及び負極側にそれぞれ対応する出力取出し線（出力端子）を収容し、出力取出し線はケーブル１４に電気的に接続されている。各モジュール１０の端子箱１２はケーブル１４で結線される。左右に隣接するモジュール１０、１０の端子箱１２からそれぞれ伸長されたケーブル１４を使用して、各モジュール１０を直列接続し、ストリング１が構成される。

図３はモジュール１０の回路構成図である。図３に示すように、モジュール１０では、複数のセル１１が直列接続され、電気出力を取り出す正極の出力端子と負極の出力端子との間に１つ以上のバイパスダイオード２０が接続されている。また、モジュール１０の出力端子間には、バイパスダイオード２０と並列に発光ダイオード３０が接続されている。発光ダイオード３０は、必要に応じて、抵抗、トランジスタ、ダイオード等の電流制限素子と直列に接続され、バイパスダイオード２０に電流が流れる際に発光ダイオード３０にも電流が流れるように調整することができる。

バイパスダイオード２０と、発光ダイオード３０の配線部材とは端子箱１２に収容され、端子箱１２の内部は絶縁樹脂が充填される。例えば、図４に示すように、端子箱１２は矩形の箱体であり、いずれかの面がモジュール１０の裏面に接着されている。端子箱１２のモジュール１０への接着面以外の面に、発光ダイオード３０の発光部が配置される。発光ダイオード３０の取り付け方法は特に限定されず、発光ダイオード３０の発光の有無が端子箱１２の外部から目視できればよい。例えば、端子箱１２の一部が透明になっており、端子箱１２内の発光ダイオード３０が目視できるようになっている。あるいはまた、発光ダイオード３０の配線部材が端子箱１２から伸長し、発光部が端子箱１２の外部に位置していてもよい。

セル１１同士を接続するハンダ付け部分の劣化や、セル１１にクラックが生じる等の不具合が生じ、モジュール１０の電流経路が断たれると、バイパスダイオード２０に電流が流れる。このとき、バイパスダイオード２０により生じた電圧降下の分だけ、発光ダイオード３０にも電圧が印加され、発光ダイオード３０が発光する。つまり、発光ダイオード３０の発光は、バイパスダイオード２０に電流が流れていることを意味する。そのため、発光ダイオード３０の発光の有無により、このモジュール１０が故障しているか否かを目視確認することができる。

バイパスダイオード２０の電圧降下と、発光ダイオード３０の点灯に必要な電圧とから、バイパスダイオード２０の設置数（直列接続される個数）が定まる。例えば、１個のバイパスダイオード２０の電圧降下が０．６Ｖであり、発光ダイオード３０の点灯に必要な電圧が１．２Ｖである場合、モジュール１０には、直列接続された少なくとも２つのバイパスダイオード２０が設けられる。

発光ダイオード３０の発光色は特に限定されないが、点灯に必要な電圧が低く、屋外において発光の有無が確認しやすい可視光の発光ダイオードが好ましい。可視光の発光ダイオードは限定されないが、赤色、緑色、青色、および白色等が挙げられ、視認性の点で赤色および緑色が好ましく、赤色が最も好ましい。

発光ダイオード３０の輝度は、通常、１００ｍｃｄ以上、好ましくは３００ｍｃｄ以上、より好ましくは５００ｍｃｄ以上、更に好ましくは１０００ｍｃｄ以上、特に好ましくは５０００ｍｃｄ以上、最も好ましくは１００００ｍｃｄ以上であり、通常１００ｃｄ以下、好ましくは５０ｃｄ以下である。上記下限以上であると視認性が高い点で好ましく、上記上限以下であると消費電力が少ない点で好ましい。

このようなモジュール１０を有する太陽光発電システムでは、パワーコンディショナ２において、各ストリング１の出力電圧が監視されている。例えば、各モジュール１０の出力電圧が５０Ｖであり、各ストリング１が１２個のモジュール１０を有する場合、各ストリング１の出力電圧は６００Ｖとなる。いずれかのストリング１の出力電圧が５５０Ｖとなった場合、このストリング１を構成する１２個のモジュール１０のうちのいずれか１個に不具合が生じていると推測される。本実施形態では、検査員により、このストリング１を構成する１２個のモジュール１０の端子箱１２に設けられた発光ダイオード３０が発光しているか否かが確認される。発光ダイオード３０が発光していた場合、そのモジュール１０が不具合の生じたものであると即座に特定できる。

従って、ストリングを構成するモジュールを１つずつ取り外して検査を行う場合と比較して、故障したモジュールを容易に判別することができ、太陽光発電システムの保守管理コストを削減することができる。

上記実施形態において、発光ダイオード３０に直列接続する定電流ダイオードを設けてもよい。これにより、発光ダイオード３０の輝度をほぼ一定とすることができる。

上記実施形態ではバイパスダイオード２０と並列に接続する発光手段として発光ダイオード３０を用いていたが、ランプなど他の発光手段を用いてもよい。該ランプとしては、電球や蛍光灯等、電流の方向によらず発光しうるものが挙げられる。図５に示すように、ランプ４０を用いる場合は、ランプ４０にダイオード４２を直列に接続する。モジュール１０に不具合が生じ、電流経路が断たれると、バイパスダイオード２０に電流が流れる。このとき、バイパスダイオード２０により生じた電圧降下の分だけ、ランプ４０及びダイオード４２にも電圧が印加され、ランプ４０が発光する。このランプ４０の発光の有無により、このモジュール１０が故障しているか否かを目視確認することができる。

モジュール１０の不具合を報知する報知部は、発光ダイオード３０やランプ４０のような発光部に限定されず、スピーカのような音出力部としてもよい。報知部が発光部の場合は、報知部は視認できる箇所に設ける必要があるが、音出力部は視認できなくてもよいため、太陽電池モジュールの外表面に設ける必要がない。つまり、報知部として音出力部を用いると、設置箇所の自由度が上がる点で好ましい。

報知部として音出力部を用いる場合、例えば、図６に示すように、スピーカ５０とダイオード５２とを直列に接続した回路を、バイパスダイオード２０とダイオード５２との極性を合わせて並列に接続する。モジュール１０に不具合が生じ、電流経路が断たれると、バイパスダイオード２０に電流が流れる。このとき、バイパスダイオード２０により生じた電圧降下の分だけ、スピーカ５０とダイオード５２とを直列に接続した回路にも電圧が印加され、スピーカ５０からブザー音等の音が出力される。このスピーカ５０からの音出力の有無により、このモジュール１０が故障しているか否かを確認することができる。

スピーカ５０の音の大きさは、通常４０ｄＢ以上、好ましくは５０ｄＢ以上、より好ましくは６０ｄＢ以上、更に好ましくは７０ｄＢ以上であり、通常１２０ｄＢ以下、好ましくは１００ｄＢ以下である。上記下限よりも大きいと、周囲に騒音がある場合でも確認できる点で好ましく、上記上限以下であると、電力の消費が抑えられる点で好ましい。

モジュール１０の不具合を報知する報知部は、バイパスダイオード２０を電流が流れることによるバイパスダイオード２０の発熱を利用するものでもよい。例えば、図７に示すように、端子箱１２の外表面に、加熱により不可逆的に変色するサーモペイントやサーモシール等の示温材６０を設ける。モジュール１０に不具合が生じ、電流経路が断たれると、バイパスダイオード２０に電流が流れる。このとき、バイパスダイオード２０が発熱し、示温材６０が変色する。この示温材６０の変色の有無により、このモジュール１０が故障しているか否かを確認することができる。

示温材６０を設ける場合は、図８に示すようにバイパスダイオード２０に抵抗素子７０を直列接続し、より大きな発熱が得られるようにしてもよい。これにより、示温材６０が変色しやすくなり、モジュール１０が故障しているか否かを容易に確認することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 太陽電池ストリング
２ パワーコンディショナ
３ 太陽電池アレイ
４ 逆流防止ダイオード
１０ 太陽電池モジュール
１１ セル
１２ 端子箱
１４ ケーブル
２０ バイパスダイオード
３０ 発光ダイオード

Claims (10)

1. 太陽電池セルの正極と負極との出力間に接続されたバイパスダイオードと、
   前記太陽電池セルの出力取出し線を収容する端子箱と、
   を備える太陽電池モジュールであって、
   前記バイパスダイオードに電流が流れると、該モジュールに故障が発生していることを報知する報知部を有することを特徴とする太陽電池モジュール。
2. 前記報知部は前記端子箱に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュール。
3. 前記報知部は、前記バイパスダイオードと電気的に並列に接続された発光部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
4. 前記発光部は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
5. 前記発光部は、電気的に直列に接続されているダイオード及びランプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
6. 前記報知部は、音を出力する音出力部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
7. 前記報知部は、前記太陽電池モジュールの外表面に設けられ、加熱により不可逆的に変色する示温材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池モジュール。
8. 前記バイパスダイオードに直列に接続された抵抗素子をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池モジュール。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の太陽電池モジュールが複数直列接続されてなる太陽電池ストリングを、少なくとも１つ備えた太陽光発電システム。
10. 太陽電池モジュール用端子箱であって、太陽電池モジュールに故障が発生していることを報知する報知部とバイパスダイオードとを有する太陽電池モジュール用端子箱。

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