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公開番号2020202730
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201217
出願番号2019110570
出願日20190613
発明の名称並列抵抗計算装置、太陽電池制御システム、並列抵抗計算方法
出願人株式会社日立パワーソリューションズ
代理人特許業務法人平木国際特許事務所
主分類H02S 50/00 20140101AFI20201120BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】日射の変動や計測器の誤差などの他の要因を受けている太陽電池のIV特性から、シャント抵抗の低下分を正確に求めることにより、太陽電池モジュールの充填剤の劣化や太陽電池そのものの劣化を正確に把握する。
【解決手段】本発明に係る並列抵抗計算装置は、並列抵抗の仮抵抗値を用いて、太陽電池のダイオード部分の逆飽和電流を計算し、その逆飽和電流が規定値と一致するまで、仮抵抗値を変更しながら計算を繰り返す。
【選択図】図6
特許請求の範囲【請求項1】
太陽電池のpn接合部の等価回路が有する並列抵抗を計算する並列抵抗計算装置であって、
前記太陽電池の電流−電圧特性を記述した特性データを取得するデータ取得部、
前記太陽電池の逆飽和電流を算出する演算部、
を備え、
前記演算部は、前記逆飽和電流の規定値を取得し、
前記演算部は、前記特性データが記述している電流−電圧特性と前記並列抵抗の仮抵抗値を用いて前記逆飽和電流を算出し、
前記演算部は、前記算出した逆飽和電流が前記規定値と一致するまで、前記仮抵抗値を変更しながら前記算出を繰り返すことにより、前記並列抵抗を算出する
ことを特徴とする並列抵抗計算装置。
続きを表示(約 2,400 文字)【請求項2】
前記演算部は、前記太陽電池の標準状態における標準短絡電流の第1仕様値と、前記太陽電池の標準状態における標準開放電圧の第2仕様値とを取得し、
前記演算部は、前記第1仕様値と前記第2仕様値を用いて、前記太陽電池に対する日射量と前記太陽電池の温度を推定し、
前記演算部は、前記推定した日射量と前記推定した温度を用いて、前記逆飽和電流を計算する
ことを特徴とする請求項1記載の並列抵抗計算装置。
【請求項3】
前記演算部は、前記太陽電池の開放電圧の仮電圧値を用いて前記日射量の仮日射量値を再帰計算することを繰り返すことにより、前記日射量を推定し、
前記演算部は、前記仮日射量値の再帰計算において、
前記第1仕様値を用いて、前記仮日射量値を計算し、
前記第2仕様値を用いて、前記日射量が前記仮日射量値である場合における前記仮電圧値を計算し、
前記並列抵抗が前記仮抵抗値であると仮定したとき、前記標準状態において前記太陽電池が出力する第1電流を計算し、
前記並列抵抗が前記仮抵抗値であると仮定したとき、前記日射量が前記仮日射量値でありかつ前記太陽電池の開放電圧が前記仮電圧値である場合において前記太陽電池が出力する第2電流を計算し、
前記第2電流に対する前記第1電流の比を用いて、前記仮電圧値を再計算する
ことを特徴とする請求項2記載の並列抵抗計算装置。
【請求項4】
前記演算部は、前記再計算した前記仮電圧値を用いて前記温度の仮温度値を再帰計算することを繰り返すことにより、前記温度を推定し、
前記演算部は、前記仮温度値の再帰計算において、
前記再計算した前記仮電圧値と、前記特性データから取得した前記太陽電池の開放電圧とを用いて、前記仮温度値を計算し、
前記第1仕様値と、前記仮温度値とを用いて、前記温度が前記仮温度値である場合における前記太陽電池の短絡電流を計算し、
前記第1仕様値を前記計算した短絡電流に置き換える
ことを特徴とする請求項3記載の並列抵抗計算装置。
【請求項5】
前記演算部は、前記太陽電池の動作状態における動作短絡電流の第3仕様値と、前記太陽電池の動作状態における動作開放電圧の第4仕様値とを取得し、
前記演算部は、前記第3仕様値を前記太陽電池の標準状態における標準電流に変換するとともに、前記第4仕様値を前記標準状態における標準電圧に変換し、
前記演算部は、前記変換した標準電流と前記変換した標準電圧を用いて、前記逆飽和電流を計算する
ことを特徴とする請求項1記載の並列抵抗計算装置。
【請求項6】
前記演算部は、前記太陽電池の温度特性を用いて、前記第3仕様値を標準温度における電流値に変換し、
前記演算部は、前記太陽電池の温度特性を用いて、前記第4仕様値を標準温度における電圧値に変換するとともに、その変換結果を、標準日射量における電圧値に変換し、
前記演算部は、前記標準温度における電流値、前記標準温度における電圧値、および前記標準日射量における電圧値を用いて、前記標準電流を計算する
ことを特徴とする請求項5記載の並列抵抗計算装置。
【請求項7】
前記演算部は、前記計算した標準電流を用いるとともに、前記第4仕様値から変換した前記標準温度と前記標準日射量における電圧値を用いて、前記太陽電池が出力する第3電流を計算し、
前記演算部は、前記第3仕様値から変換した前記標準温度における電流値を用いるとともに、前記第4仕様値から変換した前記標準温度における電圧値を用いて、前記太陽電池が出力する第4電流を計算し、
前記演算部は、前記第4仕様値から変換した前記標準温度と前記標準日射量における電圧値、前記第3電流、および前記第4電流を用いて、前記標準電圧を計算する
ことを特徴とする請求項6記載の並列抵抗計算装置。
【請求項8】
前記演算部は、前記計算した標準電圧を用いて前記標準電流を計算することを繰り返すことにより、前記第3仕様値を前記太陽電池の標準状態における標準電流に変換するとともに前記第4仕様値を前記標準状態における標準電圧に変換する
ことを特徴とする請求項7記載の並列抵抗計算装置。
【請求項9】
前記演算部は、前記太陽電池に対する日射量の計測値と前記太陽電池の温度の計測値を取得し、
前記演算部は、前記日射量の計測値と前記温度の計測値を用いて、前記逆飽和電流を計算する
ことを特徴とする請求項1記載の並列抵抗計算装置。
【請求項10】
請求項1記載の並列抵抗計算装置、
前記太陽電池の電流−電圧特性を計測する計測器、
を備えることを特徴とする太陽電池制御システム。
【請求項11】
太陽電池のpn接合部の等価回路が有する並列抵抗を計算する並列抵抗計算方法であって、
前記太陽電池の電流−電圧特性を記述した特性データを取得するステップ、
前記太陽電池の逆飽和電流を算出する演算ステップ、
を有し、
前記演算ステップにおいては、前記逆飽和電流の規定値を取得し、
前記演算ステップにおいては、前記特性データが記述している電流−電圧特性と前記並列抵抗の仮抵抗値を用いて前記逆飽和電流を算出し、
前記演算ステップにおいては、前記算出した逆飽和電流が前記規定値と一致するまで、前記仮抵抗値を変更しながら前記算出を繰り返すことにより、前記並列抵抗を算出する
ことを特徴とする並列抵抗計算方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池のpn接合部の等価回路が有する並列抵抗を計算する技術に関するものである。
続きを表示(約 7,000 文字)【背景技術】
【0002】
近年、太陽光発電システムが急激に普及している。家庭用の太陽光発電については、FIT(Feed In Tariff:固定価格買取制度)が終了し、その活用方法が検討されている。他方で経年劣化に伴う事故も多々報告されており、太陽光発電システムの健全性を評価するニーズが高くなっている。メガソーラに代表されるような大規模太陽光発電においても、セカンダリ市場が活性化し、発電所の長期的な価値を評価するニーズが高くなっている。これらのような太陽光発電システムのテクニカル・デューデリジェンスにおいて、太陽電池モジュールの経年劣化は重要なファクターである。
【0003】
太陽電池モジュールの劣化については、近年、シャント抵抗の低下が注目されている。シャント抵抗の低下は、太陽電池モジュールを構成する充填剤の劣化や太陽電池そのものの劣化を示すパラメータである。下記特許文献1は、太陽電池に光を複数回照射させながら、シャント抵抗を精度よく算出する方法を記載している。下記特許文献2は、実験により取得した電流−電圧特性(IV特性)の変化関係に基づいて、太陽電池モジュールのパラメータを抽出し、シャント抵抗を高精度に算出する方法を記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2011−049299号
特開2009−168559号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
大量に普及した太陽電池モジュールのシャント抵抗を評価する場合、モジュール設置場所において簡易的にシャント抵抗の影響を評価することが望ましい。モジュールごとに抵抗値を測定するのは多大な手間が必要だからである。したがって、例えばあらかじめ室内測定を実施することが必要な手法は、大量の太陽電池モジュールのシャント抵抗を評価するためには適していないと考えられる。
【0006】
特許文献1の技術は、例えば室内などにおいて光照射する環境を準備する必要がある。また特許文献2の技術は、事前に取得した値と比較するためのリファレンス値をあらかじめ室内において取得することが必要となる。したがってこれらの技術は、大量の太陽電池モジュールのシャント抵抗を評価するために用いるのは適していないと考えられる。
【0007】
一方で、モジュール設置場所のような曝露環境において太陽電池のIV特性を取得すると、日射の変動や計測器の誤差などの影響を大きく受ける可能性がある。太陽電池モジュールは広面積のプレート上に配置されており、計測箇所に応じて日射量や温度が異なる可能性があるからである。特にIV特性上におけるシャント抵抗を計測するために用いる領域は、そのような誤差の影響を大きく受け、特性曲線が大きく変化する。したがって特許文献1〜2記載のように室内データをあらかじめ取得したとしても、その室内データと設置場所における計測結果を単純比較するのみでは、太陽電池の劣化状況を正確に把握することは困難である。
【0008】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、日射の変動や計測器の誤差などの他の要因を受けている太陽電池のIV特性から、シャント抵抗の低下分を正確に求めることにより、太陽電池モジュールの充填剤の劣化や太陽電池そのものの劣化を正確に把握することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る並列抵抗計算装置は、並列抵抗の仮抵抗値を用いて、太陽電池のダイオード部分の逆飽和電流を計算し、その逆飽和電流が規定値と一致するまで、仮抵抗値を変更しながら計算を繰り返す。
【発明の効果】
【0010】
本発明に係る並列抵抗計算装置によれば、日射変動や計測器の誤差の大きい状態においても、太陽電池モジュールのシャント抵抗の劣化を高精度に把握することができる。上記以外の課題、構成、効果などについては、以下の実施形態の説明により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
太陽電池ストリング1と太陽電池モジュール1aの等価回路図である。
太陽光発電システムの構成を示す図である。
太陽光発電システムが設置されている発電サイトにおいて、接続箱21を介して太陽電池ストリング1のIV特性を取得する構成を示す図である。
IV特性4の例である。
太陽電池セル12aの状態ごとのIV特性を例示するグラフである。
並列抵抗計算装置100がシャント抵抗12fの抵抗値を求める手順を説明するフローチャートである。
S630の詳細を説明するフローチャートである。
S640の内容を概念的に示すグラフである。
S640の詳細を説明するフローチャートである。
S650の詳細を説明するフローチャートである。
並列抵抗計算装置100が提供するGUIの例である。
実施形態2に係る並列抵抗計算装置100がシャント抵抗値を計算する手順を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
<実施の形態1>
図1は、太陽電池ストリング1と太陽電池モジュール1aの等価回路図である。太陽電池ストリング1は、太陽電池モジュール1aを複数枚直列に並べることによって構成される。太陽電池モジュール1aは、太陽電池セル12aを複数枚直列に並べ、各太陽電池セル12aがバイパスダイオード12bによってバイパスされたものとして表すことができる。太陽電池セル12aの等価回路は、電流源12c、pn接合ダイオード12e、シャント抵抗12f(並列抵抗)、直列抵抗12gを有する。電流源12cは日射量に比例した電流を供給する。太陽電池モジュール1a内のいずれかの太陽電池セル12aが故障すると、その故障した太陽電池モジュール1aはバイパスダイオード12bによってバイパスされる。
【0013】
太陽電池の半導体としての性能は、簡易的には、pn接合ダイオード12eとシャント抵抗12fの組み合わせ12dによって示すことができる。太陽電池セル12aが正常であれば、シャント抵抗12fの値は十分に大きい。太陽電池セル12aが劣化すると、シャント抵抗12fの値が小さくなり、線形の漏れ電流が大きくなるので、pn接合ダイオード12e特性が低下する。
【0014】
太陽電池の特性について説明する。開放電圧時は、電流源12cの電流が、pn接合ダイオード12eとシャント抵抗12fの組み合わせ12dに流れ込む。電圧Vにおいて、セル数がNcellで構成される太陽電池式は、下記式1で表すことができる。I:太陽電池セルの出力電流[A]、Is:ダイオードの逆飽和電流[A]、V:太陽電池セルの出力電圧[V]、Isc:短絡電流[A]、T:太陽電池セルの絶対温度[K]、k:ボルツマン定数、q:電子の電荷量[C]、nf:接合定数、p:日射量[kW/m

]、Rsh:シャント抵抗[Ω]である。
【0015】
I=Isc・p
−Is・{exp((q・(V/Ncell))/(nf・k・T))}
−Rsh/Ncell・・・(1)
【0016】
図2は、太陽光発電システムの構成を示す図である。太陽光発電システムは、複数の太陽電池ストリング1を束ねる接続箱21、複数の接続箱21を束ねる集電ラック22、DC・DCコンバータ23、インバータ24によって構成される。接続箱21は、太陽電池ストリング1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21a、電流経路を遮断するための遮断器21b、全体のブレーカ21c、を備える。複数の太陽電池ストリング1は集電ラック22を介して集約され、DC・DCコンバータ23に接続される。集電ラック22内にもブレーカ22aが設置されている。DC・DCコンバータ23によって、複数の太陽電池ストリング1は一括で制御される。DC・DCコンバータ23によって昇降圧された直流電圧と直流電流は、インバータ24によって交流に変換され系統に連系される。
【0017】
図3は、太陽光発電システムが設置されている発電サイトにおいて、接続箱21を介して太陽電池ストリング1のIV特性を取得する構成を示す図である。計測器3の一方の端子を太陽電池ストリング1のp側に接続し、もう一方の端子を太陽電池ストリング1のn側に接続する。測定が開始されると、計測器3内の電子負荷33の負荷が可変される。電流計31は、電子負荷33を変化させながら、太陽電池ストリング1から流れ込んでくる電流を計測し、電圧計32はその時の太陽電池ストリング1の電圧を計測する。これにより太陽電池ストリング1のIV特性を得ることができる。太陽電池モジュール1aについても同様に計測することができる。
【0018】
並列抵抗計算装置100は、シャント抵抗12fの抵抗値を計算する装置である。並列抵抗計算装置100は、データ取得部110と演算部120を備える。データ取得部110は、計測器3からIV特性を記述したデータを取得する。演算部120は、そのデータを用いてシャント抵抗12fの抵抗値を計算する。計算手順については後述する。
【0019】
図4は、IV特性4の例である。図4(a)は太陽電池セル12aの等価回路を説明の便宜上再掲した。シャント抵抗12fが太陽電池ストリング1全体において低下すると、図4(b)のIV特性4に示すように、領域4aが右下がりに傾く。領域4aは、シャント抵抗12fの低下のみではなく、計測時の日射変動や部分陰の影響を受けやすい。また領域4aにおいては、計測器の負荷が短絡に近い状態が要求され、かつ、太陽電池ストリング1から大きな電流が流れるので、計測誤差の影響が出やすい。さらに、バイパスダイオード12bが劣化する場合においても、領域4aの傾きに反映される。したがってIV特性を用いてシャント抵抗を計算するためには、これらの要因のうちシャント抵抗に起因する部分を抽出することが必要である。
【0020】
図5は、太陽電池セル12aの状態ごとのIV特性を例示するグラフである。図5(a)は、日射量p0かつ温度TにおけるIV特性4を示す。太陽電池セル12aが標準温度(298K)かつ標準日射量(単位日射量)に置かれている状態のことを標準状態という。標準短絡電流Isc_stは、標準日射量かつ標準温度における太陽電池セル12aの短絡電流なので、日射量p0かつ標準温度における短絡電流はIsc_stに対して日射量p0を乗算することにより求められる(Isc_st・p0)。同様に日射量p0かつ温度Tにおける短絡電流は、Isc_stを温度Tにおける短絡電流に換算したIsc(T)に対して日射量p0を乗算することにより求められる(Isc(T)・p0)。このときの開放電圧をVocと定義する。並列抵抗RLは、図5(a)の傾斜部分の傾きΔV/Ncell/ΔIによって求められる。RLは、後述するシャント抵抗の収束計算における下限値として用いられる。
【0021】
図5(b)は、図5(a)を常温298Kに換算したIV特性51を示す。このときの短絡電流は、標準状態における短絡電流Isc_stと日射量p0をかけたものである。図5(b)の開放電圧はV’oc0である。図5(c)は、並列抵抗を理想値RH(>RL)に設定した時のIV特性52を示す。図5(c)の開放電圧は、V’’oc0 である。V’’oc0>V’oc0となる。RHは、後述するシャント抵抗の収束計算における上限値として用いられる。
【0022】
IV特性のうちシャント抵抗を求めるために用いる領域(図5(a)の点線部分)は、様々な要因によって変動するので、この領域を用いて求めたシャント抵抗は精度が低いと考えられる。他方でIV特性のうち、太陽電池のダイオードの逆飽和電流を反映している領域(すなわちIV特性の右端に近い部分)は、これらの要因による影響が小さい。そこで本発明は、まずIV特性から逆飽和電流を再帰的に繰り返し計算し、その計算した逆飽和電流が標準状態における逆飽和電流(すなわち太陽電池の仕様値から計算できる逆飽和電流)と一致した時点で、改めてシャント抵抗を計算することとした。これによりシャント抵抗の計算結果に対して影響を与える要因を除去することを図る。
【0023】
図6は、並列抵抗計算装置100がシャント抵抗12fの抵抗値を求める手順を説明するフローチャートである。本フローチャートは、シャント抵抗12fの抵抗値を仮に設定し(仮抵抗値)、その仮抵抗値を用いて各パラメータを計算することにより逆飽和電流を計算する。逆飽和電流が規定値と一致するまで、仮抵抗値を少しずつ変更しながら同様の計算を再帰的に繰り返し実施する。逆飽和電流が規定値と一致した時点における仮抵抗値が、シャント抵抗12fの抵抗値を表していると想定される。以下図6の各ステップについて説明する。
【0024】
(図6:ステップS610〜S620)
データ取得部110は、計測器3から、太陽電池モジュール1aのIV特性を記述した特性データを取得する(S610)。以下では、特性データが記述している短絡電流の計測値をI1[A]、開放電圧の計測値をVoc[V]とする。演算部120は、シャント抵抗Rshの初期値として、図5(c)で説明したRH(例えば1000Ωのような大き目の値)を設定する(S620)。
【0025】
(図6:ステップS630)
演算部120は、太陽電池セル12a(または太陽電池モジュール1a)の仕様書が記述している、標準状態における標準短絡電流Isc_stと標準開放電圧Voc0_stを取得する。仕様値は、あらかじめ演算部120が記憶しておいてもよいし、適当な記憶装置などから取得してもよい。演算部120は、これらの仕様値を用いて、太陽電池モジュール1aの日射量と温度を推定する。IV特性は日射量とモジュール温度によって変動するが、計測器は必ずしも全てのモジュールについてこれらを計測するとは限らないので本ステップによって推定することとした。本ステップの詳細は後述する。
【0026】
(図6:ステップS640)
演算部120は、標準状態における動作電流Iop_stと標準状態における動作電圧Vop_stを、仕様値から取得する。Iop_stとVop_stは、太陽電池モジュール1aの最大効率が得られる電流値と電圧値に相当する。演算部120は、S630における推定結果、Iop_st、およびVop_stを用いて、IV特性上の動作点を標準状態におけるIV特性の対応する値に換算する。本ステップの詳細は後述する。
【0027】
(図6:ステップS650)
演算部120は、S640において換算した電圧値と電流値を式1に代入することにより、常温における逆飽和電流を算出する。標準状態における仕様値は与えられているので、S640においてIV特性を標準状態におけるものへ変換することにより、既知の仕様値を基準として以後の計算(S650以降)を実施できる意義がある。本ステップの詳細は後述する。
【0028】
(図6:ステップS660〜S680)
S650において算出した逆飽和電流が、仕様値から算出することができる規定値と一致する場合、その時点におけるRshの値をシャント抵抗12fの抵抗値として採用し、本フローチャートを終了する。一致しない場合はRshをディクリメントし(S670)、S630に戻ってそのRshを用いて同様の計算を再帰的に繰り返す。ただしRshが下限値RLに到達した場合は、その時点でフローチャートを終了する(S680)。
【0029】
図7は、S630の詳細を説明するフローチャートである。以下図7の各ステップについて説明する。
【0030】
(図7:ステップS631)
演算部120は、標準短絡電流Isc_stと計測した短絡電流I1から、日射量p0の初期値を下記式2により求める。標準短絡電流は標準日射量における短絡電流なので、日射量p0における短絡電流I1はIsc_stとp0の積である。式2はこの関係を表している。
(【0031】以降は省略されています)

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