JP7176611B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。
米国では、火災時等の緊急時に消防士を感電等から保護することを目的として、太陽光発電システムに対して、緊急時に太陽光発電システムによる発電を即座に停止するいわゆるラピッドシャットダウン機能の導入がＮＥＣ（米国電気工事規定）によって義務付けられている。例えば、特許文献１では、インバータの動作状態に応じて、太陽電池モジュールからインバータへの電力の出力を停止させる太陽光発電システムが開示されている。
特表２０１２－５１１２９９号公報
太陽光発電システムにおいて、火災時等における消防士のさらなる安全性の向上を図るには、例えば、ラピッドシャットダウン機能を備える遮断装置を太陽電池モジュール毎に設置することが好ましい。しかしながら、太陽電池モジュール毎に遮断装置を設置した場合、遮断装置の設置コストが高くなる。
本発明の課題は、太陽光発電システムにおいて、遮断装置の設置コストの低減、及び安全性の向上を両立できる太陽光発電システムを提供することにある。
本発明の一態様に係る太陽光発電システムは、ストリングと、インバータと、遮断装置と、を備える。ストリングは、互いに直列に接続された複数の太陽電池モジュールグループを含む。太陽電池モジュールグループは、複数の太陽電池モジュールを含む。インバータは、ストリングに接続され、太陽電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換する。遮断装置は、太陽電池モジュールグループ間を接続する電路にそれぞれ設置され、インバータからの制御信号に応じて太陽電池モジュールグループ間の接続を遮断する。
この太陽光発電システムでは、遮断装置によって太陽電池モジュールグループ間の接続を遮断することができる。すなわち、複数の太陽電池モジュールを遮断装置によってまとめて遮断することができる。これにより、太陽電池モジュール毎に遮断装置を設置する場合に比べて、遮断装置の設置コストの低減を図ることができる。また、ストリング単位で太陽電池モジュールとインバータとを遮断する場合に比べて、より安全性の高い太陽光発電システムを提供することができる
好ましくは、遮断装置は、太陽電池モジュールからの電力によって駆動される。この場合は、例えば、既存の太陽光発電システムに遮断装置を設置するときにおいて、インバータと遮断装置とを接続して遮断装置の電源を確保する必要がない。これにより、インバータと遮断装置とを接続する追加配線を省略することができるので、遮断装置の設置コストの低減を図ることができる。
好ましくは、インバータは、電力線通信によって遮断装置に制御信号を出力する。この場合は、既存の太陽光発電システムに遮断装置を設置するときに、インバータと遮断装置との通信を確保するための追加配線を省略することができるので、遮断装置の設置コストの低減を図ることができる。
好ましくは、遮断装置は、太陽電池モジュールに外付けされる。この場合は、既存の太陽光発電システムへの遮断装置の設置が容易にできる。
好ましくは、遮断装置は、インバータからの信号を受信する信号受信部と、太陽電池モジュールグループ間の接続が遮断された状態において信号受信部がインバータからの信号を受信するためのバイパス回路と、を含む。この場合は、太陽電池モジュールグループ間の接続が遮断された状態にあるときに、インバータからの信号に応じて、太陽電池モジュールグループ間の接続が遮断された状態を解除することができる。
好ましくは、遮断装置は、インバータからの制御信号に応じて太陽電池モジュールグループ間の接続を遮断した後、インバータに電圧信号を出力する。この場合は、遮断装置によって太陽電池モジュールグループ間の接続が遮断された後、インバータ側で遮断装置が正常に動作しているか否かを電圧信号によって確認することができる。
本発明によれば、太陽光発電システムにおいて、遮断装置の設置コストの低減、及び安全性の向上を両立できる太陽光発電システムを提供することができる。
図１は、本発明の一態様に係る太陽光発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図２は、遮断装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、レギュレータの構成を模式的に示す回路図である。 図４は、遮断装置の動作モードの一例を説明する図である。 図５は、遮断装置の構成を模式的に示すブロック図である。
図１は、本発明の一態様に係る太陽光発電システム１の構成を模式的に示すブロック図である。太陽光発電システム１は、ストリング２と、インバータ３と、複数の遮断装置４ａ～４ｃと、を備える。
ストリング２は、互いに直列に接続された複数の太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄを含む。太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれは、複数の太陽電池モジュール５ａを含む。本実施形態における太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれは、直列に接続された４個の太陽電池モジュール５ａを含む。すなわち、ストリング２は、直列に接続された１６個の太陽電池モジュール５ａを含む。なお、太陽光発電システム１は、ストリング２が並列に複数連結された太陽電池アレイを含んでもよい。
太陽電池モジュール５ａは、太陽光を受けて電力を発電し、発電した電力をインバータ３に出力する。太陽電池モジュール５ａの開放電圧は、例えば、５０Ｖである。
インバータ３は、電力線６を介してストリング２に接続される。インバータ３は、太陽電池モジュール５ａから出力される直流電力を交流電力に変換する。インバータ３は、電力系統７に接続されており、交流電力を商用電力系統や負荷装置に供給する。
詳細には、インバータ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂと、制御部３ｃと、を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａは、太陽電池モジュール５ａから出力される電力の電圧を所定の電圧に変換して、ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂに入力する。ＤＣ／ＡＣインバータ３ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａを介して、太陽電池モジュール５ａから出力される直流電力を交流電力に変換する。制御部３ｃは、ＣＰＵやメモリ等を含み、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａ及びＤＣ／ＡＣインバータ３ｂを制御する。また、制御部３ｃは、電力線通信によって遮断装置４ａ～４ｃに制御信号を出力する。
遮断装置４ａ～４ｃは、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間を接続する電路８ａ～８ｃにそれぞれ設置される。遮断装置４ａ～４ｃは、太陽電池モジュール５ａに外付けされている。遮断装置４ａ～４ｃは、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号に応じて太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断する。また、遮断装置４ａ～４ｃは、インバータ３からの制御信号に応じて太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断した後、インバータ３に電圧信号（例えば１Ｖ）を出力する。
電路８ａは、太陽電池モジュールグループ５Ａと太陽電池モジュールグループ５Ｂとを接続する電路である。遮断装置４ａは、電路８ａに設置され、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号に応じて電路８ａを遮断する。
電路８ｂは、太陽電池モジュールグループ５Ｂと太陽電池モジュールグループ５Ｃとを接続する電路である。遮断装置４ｂは、電路８ｂに設置され、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号に応じて電路８ｂを遮断する。
電路８ｃは、太陽電池モジュールグループ５Ｃと太陽電池モジュールグループ５Ｄとを接続する電路である。遮断装置４ｃは、電路８ｃに設置され、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号に応じて電路８ｃを遮断する。
図２は、遮断装置４ａの構成を模式的に示すブロック図である。遮断装置４ａは、太陽電池モジュール５ａで発電された電力によって駆動される。詳細には、遮断装置４ａは、レギュレータ１１と、信号受信部１２と、リレー制御部１３と、リレー１４と、バイパス回路１５と、を含む。
レギュレータ１１は、太陽電池モジュールグループ５Ａの太陽電池モジュール５ａで発電された電力を電源として遮断装置４ａを駆動させる駆動電源を生成し、遮断装置４ａに安定した駆動電源を供給する。図３は、レギュレータ１１の構成を模式的に示す回路図である。レギュレータ１１の構成は、周知の構成であり、入力端子２１ａ，２１ｂ、出力端子２２ａ，２２ｂ、ラインフィルタ２３、コンデンサ２４，２５、昇圧回路２６、スイッチング素子２７、制御回路２８、トランス２９、ダイオード３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１、フィードバック回路３２等を含む。
信号受信部１２は、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号を受信して、受信した制御信号をリレー制御部１３に出力する。詳細には、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号を検出する信号検出部１６を介して、信号受信部１２はインバータ３の制御部３ｃからの制御信号を受信する。また、信号受信部１２は、インバータ３からの制御信号に応じて太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続が遮断された後、インバータ３に電力線６を介して電圧信号（例えば１Ｖ）を出力する。
リレー制御部１３は、信号受信部１２から出力された信号に基づいて、リレー１４のコイルに流れる電流値を制御して、リレー１４の接点を開閉制御する。
リレー１４は、例えば、接点が直列に接続されたメカニカルリレーであり、高電圧の直流電流を開閉可能である。遮断装置４ａに駆動電源が供給されていないとき、リレー１４の接点は、常に開いた状態にある。すなわち、遮断装置４ａ～４ｃが駆動していないときは、太陽電池モジュールグループ５Ａと～５Ｄ間の接続が遮断された状態にある。
バイパス回路１５は、遮断装置４ａが遮断状態のときに制御部３ｃからの制御信号を信号受信部１２が受信できるようにするための回路である。太陽電池モジュールグループ５Ａと～５Ｄ間の接続が遮断された状態のとき、信号受信部１２は、バイパス回路１５を介して、制御部３ｃからの制御信号を受信することができる。また、バイパス回路１５を設けることで、信号受信部１２から出力される電圧信号をインバータ３側で受信することができる。なお、遮断装置４ｂ及び遮断装置４ｃの構成は、遮断装置４ａと同様の構成であるため説明を省略する。
次に、図４を参照して遮断装置４ａの動作モードの一例について説明する。遮断装置４ａの動作モードは、スタートモード、アクティブモード、安全モードの３つの動作モードを含む。安全モードは、通常遮断モードと、緊急安全遮断モードと、を含む。したがって、遮断装置４ａは、スタートモード、アクティブモード、通常遮断モード、及び緊急安全遮断モードの４つの動作モードで動作する。
スタートモードとは、太陽電池モジュール５ａに太陽光が当たり始めたときのモードである。このとき、太陽電池モジュール５ａは、太陽光を受けて電力を発電する。そして、太陽電池モジュール５ａで発電された電力からレギュレータ１１が生成した駆動電源によって遮断装置４ａが駆動される。遮断装置４ａが駆動されてリレー制御部１３が信号受信部１２を介してインバータ３の制御部３ｃからの制御信号を受信すると、図５に示すように、リレー制御部１３はリレー１４の接点を閉じるように制御する。これにより、太陽電池モジュールグループ５Ａと太陽電池モジュールグループ５Ｂが遮断装置４ａを介して接続され、太陽電池モジュール５ａで発電された電力がインバータ３に出力される。
アクティブモードは、太陽電池モジュール５ａが日中に太陽光を受けて発電している状態であり、実質的にスタートモードと同じである。したがって、アクティブモードでは、遮断装置４ａを介して太陽電池モジュールグループ５Ａと太陽電池モジュールグループ５Ｂが接続された状態にある。すなわち、遮断装置４ａ～４ｃを介して太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間が接続された状態にあり、太陽電池モジュール５ａが発電した電力がインバータ３に出力される。
通常遮断モードは、夜間、或いは雨等の天候の影響で、太陽電池モジュール５ａが太陽光を受けていないときのモードである。したがって、通常遮断モードでは、太陽電池モジュール５ａによって電力が発電されておらず、遮断装置４ａに駆動電源が供給されていない。このため、通常遮断モードでは、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続が遮断されている。通常遮断モードでは、インバータ３の制御部３ｃから遮断装置４ａ～４ｃに制御信号は出力されない。なお、通常遮断モードにおいてインバータ３にＡＣ電源から電力が供給されている場合は、制御信号がＯＮ状態、すなわち、インバータ３の制御部３ｃからの制御信号が常に出力されている状態であってもよい。
通常遮断モードにおいて、天候が不安定で太陽電池モジュール５ａの発電が不安定な状態のときは、インバータ３の制御部３ｃの制御信号に応じてリレー制御部１３がリレー１４の接点を開閉制御する。
緊急安全遮断モードは、スタートモード、或いはアクティブモード中に、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断して、太陽電池モジュール５ａからインバータ３への電力の出力を停止させるモードである。本実施形態では、図１に示すように、操作スイッチ３５がインバータ３に接続されており、遮断装置４ａがスタートモード、或いはアクティブモード中のときに操作スイッチ３５が操作されると、遮断装置４ａの動作モードが緊急安全遮断モードに切り替わる。
詳細には、操作スイッチ３５が操作されると、制御部３ｃは、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断させるための緊急遮断用の制御信号を出力する。緊急遮断用の制御信号を信号検出部１６が検出すると、信号受信部１２及びリレー制御部１３を介して、リレー１４の接点が開かれ、図１に示すように、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続が遮断される。なお、遮断装置４ａ～４ｃは、緊急遮断用の制御信号が出力された場合だけでなく、スタートモード、或いはアクティブモード中にインバータ３の制御部３ｃから出力されている制御信号が一定周期停止されたことを検出した場合も、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断するように構成してもよい。
上記構成の太陽光発電システム１では、遮断装置４ａ～４ｃの動作モードが緊急安全遮断モードのときに、遮断装置４ａ～４ｃによって太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続が遮断される。これにより、複数の太陽電池モジュール５ａ（本実施形態では４個の太陽電池モジュール）をまとめて遮断することができるので、太陽電池モジュール５ａ毎に遮断装置を設置する場合に比べて、遮断装置の設置コストの低減を図ることができる。
また、ストリング２単位で太陽電池モジュール５ａとインバータ３とを遮断する場合に比べて、より安全性の高い太陽光発電システム１を提供することができる。具体的には、太陽電池モジュール５ａの開放電圧が５０Ｖの場合、本実施形態における太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ毎の開放電圧は２００Ｖであり、ストリング２の開放電圧は８００Ｖとなる。したがって、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続が遮断された後、太陽電池モジュール５ａが発電を継続した場合、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄの電圧は最大で２００Ｖとなり、ストリング２単位でインバータ３との接続を遮断した場合に比べてより安全性が高くなる。
また、太陽光発電システム１では、電力線６を利用して遮断装置４ａ～４ｃの駆動電源及びインバータ３との通信を確保することができる。これにより、例えば、既存の太陽光発電システムに遮断装置４ａ～４ｃを設置するときに、インバータ３と遮断装置４ａ～４ｃとを接続する追加配線を必要としない。このため、既存の太陽光発電システムに遮断装置４ａ～４ｃを設置する際の設置コストの低減を図ることができる。
また、遮断装置４ａ～４ｃにバイパス回路１５を設けることで、遮断装置４ａ～４ｃの動作モードを、制御部３ｃの制御信号に応じて緊急安全遮断モードからスタートモードに切り替えることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
前記実施形態では、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれが、４個の太陽電池モジュール５ａを含んでいたが、太陽電池モジュール５ａの個数は前記実施形態に限定されるものではない。また、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄのそれぞれが必ずしも同じ個数の太陽電池モジュール５ａを含む必要はない。例えば、太陽電池モジュールグループ５Ａが４個の太陽電池モジュール５ａを含み、太陽電池モジュールグループ５Ｂが５個の太陽電池モジュール５ａを含んでもよい。
前記実施形態では、ストリング２が４つの太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄを含んでいたが、太陽電池モジュールグループの数は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、ストリング２が５つの太陽電池モジュールグループを含んでもよい。また、遮断装置４ａ～４ｃの配置や設置個数は、前記実施形態に限定されるものではない。
前記実施形態では、操作スイッチ３５の操作によって緊急安全遮断モードへの切り替えを実施していたが、スタートモード、或いはアクティブモードから緊急安全遮断モードへの切り替えは、前記実施形態に限定されるものではない。例えば、太陽光発電システム１に太陽電池モジュール５ａの出力状態を検出するセンサを設けてもよい。インバータ３の制御部３ｃは、センサで検出された太陽電池モジュール５ａの出力状態から異常を検出したときに制御信号を停止して、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断してもよい。或いは、インバータ３に火災報知器又は火災警報器を接続して、インバータ３が火災報知器又は火災警報器から信号を受信したときに、制御部３ｃからの制御信号を停止して、太陽電池モジュールグループ５Ａ～５Ｄ間の接続を遮断してもよい。
本発明によれば、太陽光発電システムにおいて、遮断装置の設置コストの低減、及び安全性の向上を両立できる太陽光発電システムを提供することができる。
１ 太陽光発電システム
２ ストリング
３ インバータ
４ａ～４ｃ 遮断装置
５Ａ～５Ｄ 太陽電池モジュールグループ
５ａ 太陽電池モジュール
６ 電力線
８ａ～８ｃ 電路
１２ 信号受信部
１５ バイパス回路

Claims (6)

  1. 複数の太陽電池モジュールをそれぞれ含み互いに直列に接続された複数の太陽電池モジュールグループを含むストリングと、
    前記ストリングに接続され、前記太陽電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    前記太陽電池モジュールグループ間を接続する電路にそれぞれ設置され、前記インバータからの制御信号に応じて前記太陽電池モジュールグループ間の接続を遮断する遮断装置と、
    を備える、太陽光発電システム。
  2. 前記遮断装置は、前記太陽電池モジュールからの電力によって駆動される、
    請求項１に記載の太陽光発電システム。
  3. 前記インバータは、電力線通信によって前記遮断装置に制御信号を出力する、
    請求項１又は２に記載の太陽光発電システム。
  4. 前記遮断装置は、前記太陽電池モジュールに外付けされる、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
  5. 前記遮断装置は、前記インバータからの信号を受信する信号受信部と、前記太陽電池モジュールグループ間の接続が遮断された状態において前記信号受信部が前記インバータからの信号を受信するためのバイパス回路と、を含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。
  6. 前記遮断装置は、前記インバータからの制御信号に応じて前記太陽電池モジュールグループ間の接続を遮断した後、前記インバータに電圧信号を出力する、
    請求項５に記載の太陽光発電システム。
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