JP2017201868A - 太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱及び電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気接続をオン／オフする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱により電圧を早急に下げることのできる太陽光発電電力システムを提供する。
【解決手段】接続箱は箱本体内にプリント基板を設け、プリント基板にはＮ個の母線接続端及び２つのケーブル接続端が印刷され、各母線接続端は母線を介して太陽電池パックに接続され、隣接の母線接続端同士はダイオードによって接続され、第１母線接続端と第１ケーブル接続端との間には、電気スイッチが直列に接続され、この電気スイッチは、受信した制御信号によりオン・オフが制御され、第Ｎ母線接続端は第２ケーブル接続端と接続され、２つのケーブル接続端は、それぞれケーブルを介して外部と接続されている。電力システムでは制御信号により接続箱を制御している。不測の事態が発生した場合、電力システム内の電圧を安全範囲にまで下げることができ、処置を早急に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電技術分野に属し、特に太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱、及びこの接続箱を用いる太陽光発電電力システムに関する。

近年、太陽光発電が迅速に発展し、その基本的な構成は、ブラケットに取り付けられた太陽電池パック、及び電池パックを接続する接続箱を含む。ここで、接続箱は非常に重要な部品であり、太陽光発電アセンブリの電気接続に用いられる。太陽電池パックによって発生した電圧は、接続箱によって集積された後に、インバーターによって直流電流が交流電流に変化されて配電網に取り込まれる。従来技術では通常、接続箱の構造は箱本体を含み、箱本体内には、複数の導電片が設けられており、これらの導電片は、それぞれ母線を通じて太陽電池パックに接続されている。隣接の導電片同士はダイオードで接続され、両端にある導電片はケーブルを介して外部と接続されている。複数の接続箱が直列に接続されることにより、電池パックで発生した電圧を集積する。

従来の接続箱は切断機能を有しておらず、すなわち物理的な接続が切断されなければ、電気接続が常時に存在し、しかも電圧が相当に高い。通常の設計案では、単一の電池パックが生じる電圧が３０Ｖであり、１４組が直列に接続されると、電圧が４２０Ｖに達する。こうした電力システムでは火災や地震などの不測の事態が発生した場合は、システムにおいて高い電圧がまだ存在するため、救助者による迅速の救援を妨害するおそれがある。

本発明の第１の目的は、必要なときに電気接続をオン／オフすることのできる太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱を提供することである。

本発明の第２の目的は、上記接続箱を用いて、直流側の電圧を早急に下げることのできる太陽光発電電力システムを提供することである。

第１の目的を実現するために、本発明にかかる太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱は、箱本体を含み、箱本体内にはプリント基板が設けられており、プリント基板には、Ｎ個の母線接続端及び２つのケーブル接続端が印刷されており、各母線接続端は母線を介して太陽電池パックに接続され、隣接の母線接続端同士はダイオードによって接続されており、第１母線接続端と第１ケーブル接続端との間には、電気スイッチが直列に接続されており、この電気スイッチは、受信した制御信号によりそのオン・オフが制御され、第Ｎ母線接続端は第２ケーブル接続端と接続されており、２つのケーブル接続端は、それぞれケーブルを介して外部と接続されている。

前記電気スイッチは、信号がないときにオフとされ、信号があるときにオンとされる。

さらに、２つのケーブル接続端の間にバイパスダイオードが架橋するように接続されている。

母線接続端、ダイオード、ケーブル接続端、バイパスダイオード、電気スイッチがあわせて接続箱の主回路を構成し、対応の母線接続端とケーブル接続端との間には、サンプリング増幅回路が直列に接続されており、サンプリング増幅回路の出力端は電気スイッチと接続されている。

母線接続端、ダイオード、ケーブル接続端、バイパスダイオード、電気スイッチがあわせて接続箱の主回路を構成し、２つのケーブル接続端の間には、サンプリング増幅回路が架橋するように接続されており、サンプリング増幅回路の出力端は電気スイッチと接続されている。

負極の母線接続端は第１母線接続端であり、負極のケーブル接続端は第１ケーブル接続端である。

第２の目的を実現するために、本発明にかかる太陽光発電電力システムは、接続箱を介して直列に接続されて一群となる複数の太陽電池パックを含み、これらの電池パックによって発生した電圧は集積された後に、インバーターによって直流電流が交流電流に変化される太陽光発電電力システムにおいて、前記接続箱の少なくとも一部は前述のフェイルセーフ切断接続箱であり、前記電力システムにおいて制御信号発生器が設けられており、制御信号により前記フェイルセーフ切断接続箱における電気スイッチのオン・オフが制御される。

さらに、制御信号発生器は、直列にまたは並列に回路に接続され、発生した制御信号はケーブルを通じて各接続箱に出力し、あるいは制御信号発生器は無線信号を生成して各接続箱に送信する。

フェイルセーフ切断接続箱に対する上記説明から分かるように、第１母線接続端と第１ケーブル接続端とは対応関係を有し一組となる。第Ｎ母線接続端と第２ケーブル接続端とは対応関係を有し一組となる。通常、これらの接続端がプリント基板の両側に位置し、正極または負極になる。サンプリング増幅回路が主回路に直列に接続された場合は２つのパターンが考えられる。１つは、第１母線接続端と第１ケーブル接続端との間に電気スイッチが直列に接続され、第Ｎ母線接続端と第２ケーブル接続端との間にサンプリング増幅回路が直列に接続されるパターンである。もう１つは、第１母線接続端と第１ケーブル接続端との間に電気スイッチ及びサンプリング増幅回路が直列に接続され、第Ｎ母線接続端と第２ケーブル接続端とが直接に接続するパターンである。

サンプリング増幅回路の作用は、制御信号を採取した後にこれを増幅させて電気スイッチに送信することである。なお、この制御信号は回路に存在するキャリア信号でも良く、無線信号でも良い。

電気スイッチは２つのロジックが選択でき、すなわち「デフォルトオン」または「デフォルトオフ」である。デフォルトオンでは、信号がない場合はスイッチがオンとされ、信号がある場合はスイッチがオフとされる。デフォルトオフでは、信号がない場合はスイッチがオフとされ、信号がある場合はスイッチがオンとされる。本発明においては、以下の理由によりデフォルトオフが好ましい。すなわち、不測の事態が発生したとき、制御信号はその不測の事態により自動的に失われる可能性があり、この場合は接続箱が自動的にオフとされ、これは「緊急事態において早急に電気を切断する」という目的を実現することに有利である。

本発明における電気スイッチは追加の給電回路が必要であり、電気スイッチを負極の母線接続端とケーブル接続端との間に設置する場合は、接続箱と同じ接地を共用することができ、正極に設置する場合と比較して、設計を最適化し、コストを低減することができる。ケーブル接続端の間に設けられたバイパスダイオードは非常に重要な作用を有する。初期状態においては、電気スイッチのデフォルト状態がオフであるため、各接続箱の間には回路が形成されておらず、制御信号が各接続箱に到達できず、システムは起動できない。バイパスダイオードを設置することにより、システムは初期状態において順調に起動することができるようになる。また、所定の接続箱またはこれが接続された電池パックが故障により作動できない場合においても、バイパスダイオードにより回路を形成し、直列に接続された他の接続箱及び電池パックが正常に作動できるようになる。

本発明の電力システムでは制御信号により接続箱を制御している。１つの制御信号により複数の接続箱を制御できるため、信号が反転する際に、複数の接続箱が全て切断し、太陽電池パックの間の直列接続が切断される。各接続箱に電気スイッチが設けられる場合、スイッチがオフとされた後、電力システムに存在する電圧は単一の電池パックによる電圧であり、前述の例では約３０Ｖになる。２つの接続箱毎に電気スイッチが設けられる場合、スイッチがオフとされた後、電力システムに存在する電圧は２つの電池パックによる電圧であり、前述の例では約６０Ｖになる。他の場合は同じように計算できる。

制御信号は有線または無線の手段により電気スイッチを制御できる。無線の手段としては、ＷＩＦＩ、高周波等の多数の規格を選択できる。有線の手段としては、既存のケーブルを利用してキャリア信号の形で送信し、制御信号発生器は接続箱と直列に接続しても良く、並列に接続しても良い。

以上の説明から分かるように、本発明の技術によれば、不測の事態が発生した場合は、人工的にまたは自動的に電力システム内の電圧を安全範囲にまで下げることができ、現場の処置を早急に行うことに有利である。

電力システムのブロック図である。 接続箱の回路図である。 接続箱の主回路図Ａ１である。 接続箱のサンプリング増幅回路図Ａ２である。 接続箱の駆動出力回路Ａ３である。 接続箱の給電回路Ａ４である。 電力システムの回路図である。 制御信号発生機のシミュレーション回路図である。 接続箱のＰＣＢ図である。

そのうち、図２におけるＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６は全て接続端であり、同じ符号の両端が接続される。
図３〜７におけるＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５は全て接続端であり、同じ符号の両端が接続される。
図８におけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６は全て接続端であり、同じ符号の両端が接続される。

図面を参照して説明する。本実施形態にかかるフェイルセーフ切断接続箱は箱本体を含み、箱本体内にはプリント基板が設けられている。プリント基板には、Ｎ個の母線接続端１及びケーブル接続端が印刷されており、ケーブル接続端は負極ケーブル接続端３１と正極ケーブル接続端３２とに分けられる。各母線接続端１は、母線を介して太陽電池パックに接続され、隣接の母線接続端１同士はダイオード２によって接続されている。そのうち、第１母線接続端と負極ケーブル接続端３１との間には、電気スイッチ４が直列に接続されており、この電気スイッチ４は、受信した制御信号によりそのオン／オフが制御される。第Ｎ母線接続端は正極ケーブル接続端３２と接続されている。２つのケーブル接続端は、それぞれケーブルを介して外部と接続されている。２つのケーブル接続端の間には、バイパスダイオード５が架橋するように接続されている。母線接続端１、ダイオード２、ケーブル接続端、バイパスダイオード５、電気スイッチ４はあわせて接続箱の主回路を構成し、対応の母線接続端とケーブル接続端との間のＳ１，Ｓ２には、サンプリング増幅回路が直列にまたは架橋するように接続されており、サンプリング増幅回路の出力端は電気スイッチ４と接続されている。

本実施例にかかる太陽光発電電力システムは、複数の太陽電池パックを含み、これらの電池パックは接続箱を介して直列に接続されて一群になっている。これらの電池パックによって発生した電圧は、接続箱によって集積された後に、インバーターによって直流電流が交流電流に変化される。前記接続箱のうち少なくとも一部は前述したフェイルセーフ切断接続箱である。電力システムにおいて制御信号発生器が設けられており、制御信号により前記フェイルセーフ切断接続箱のオン・オフを制御する。制御信号発生器は、直列にまたは並列に回路に接続することができ、発生した制御信号は有線、すなわちケーブルを通じて各接続箱に出力することができるし、無線、すなわちＷＩＦＩ、高周波等により無線信号を生成して各フェイルセーフ切断接続箱に送信することもできる。

本実施例の作動時に、制御信号発生器によって生じた制御信号によりフェイルセーフ切断接続箱を制御する。初期段階では複数群の電池セルが接続箱に対して通常給電を行う。特殊の状況があれば、制御信号発生器が反転信号を発信し、接続箱内にある電気スイッチがオフとされる。１つの制御信号が複数のフェイルセーフ切断接続箱を同時に制御するため、制御信号発生器が反転信号を発信すれば、複数の接続箱内の電気スイッチが全てオフとされて太陽電池セル間の直列接続が切断される。これにより、電力システムにおける電圧は単一の電池セルによる電圧になり、電力システム内の電圧が安全範囲に下がり、早急に現場の処置を行うことに有利である。

１…母線接続端；２…ダイオード；３１…負極ケーブル接続端；３２…正極ケーブル接続端；４…電気スイッチ；５…バイパスダイオード；Ｕ…演算増幅器；Ｒ…抵抗；Ｃ…キャパシタンス；Ｄ…ダイオード；Ｑ２…三極管；ＶＲ…電位差計；Ｔｒａｎｓ…鉄芯付きの変圧器

Claims (9)

1. 箱本体を含む太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、
   箱本体内にはプリント基板が設けられており、プリント基板には、Ｎ個の母線接続端及び２つのケーブル接続端が印刷されており、各母線接続端は母線を介して太陽電池パックに接続され、隣接の母線接続端同士はダイオードによって接続されており、
   第１母線接続端と第１ケーブル接続端との間には、電気スイッチが直列に接続されており、この電気スイッチは、受信した制御信号によりそのオン／オフが制御され、第Ｎ母線接続端は第２ケーブル接続端と接続されており、２つのケーブル接続端は、それぞれケーブルを介して外部と接続されていることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
2. 請求項１に記載の太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、前記電気スイッチは、信号がないときにオフとされ、信号があるときにオンとされることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
3. 請求項２に記載の太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、２つのケーブル接続端の間にバイパスダイオードが架橋するように接続されていることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
4. 請求項３に記載の太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、母線接続端、ダイオード、ケーブル接続端、バイパスダイオード、電気スイッチがあわせて接続箱の主回路を構成し、対応の母線接続端とケーブル接続端との間には、サンプリング増幅回路が直列に接続されており、サンプリング増幅回路の出力端は電気スイッチと接続されていることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
5. 請求項３に記載の太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、母線接続端、ダイオード、ケーブル接続端、バイパスダイオード、電気スイッチがあわせて接続箱の主回路を構成し、２つのケーブル接続端の間には、サンプリング増幅回路が架橋するように接続されており、サンプリング増幅回路の出力端は電気スイッチと接続されていることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱において、負極の母線接続端は第１母線接続端であり、負極のケーブル接続端は第１ケーブル接続端であることを特徴とする太陽光発電アセンブリ用のフェイルセーフ切断接続箱。
7. 接続箱を介して直列に接続されて一群となる複数の太陽電池パックを含む太陽光発電電力システムであって、これらの電池パックによって発生した電圧は集積された後に、インバーターによって直流電流が交流電流に変換される太陽光発電電力システムにおいて、
   請求項１〜６の何れか一項に記載のフェイルセーフ切断接続箱を備え、前記電力システムにおいて制御信号発生器が設けられており、制御信号により前記フェイルセーフ切断接続箱における電気スイッチのオン・オフが制御されることを特徴とする太陽光発電電力システム。
8. 請求項７に記載の太陽光発電電力システムにおいて、制御信号発生器は、直列にまたは並列に回路に接続されており、発生した制御信号はケーブルを通じて各接続箱に出力することを特徴とする太陽光発電電力システム。
9. 請求項７に記載の太陽光発電電力システムにおいて、制御信号発生器は無線信号を発生して各接続箱に送信することを特徴とする。

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