(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波によって太陽光発電装置内の電気アークを検出する方法であって、
太陽光発電モジュール上または複数の太陽光発電モジュールを支持するシャーシ上に超音波センサを配置するステップ、
前記超音波センサが受信した信号の信号振幅、信号時間、信号中心周波数のなかから少なくとも１つのパラメータを測定するステップ、
前記信号の少なくとも１つのパラメータの測定結果を所定値と比較し、前記測定結果が電気アークのものに対応するか否かを判定するステップ、
ことを特徴とする超音波による電気アーク検出方法。
【請求項２】
前記２番目の少なくとも１つのパラメータの測定結果を所定値と比較するステップは、
・前記受信した信号の振幅が４０ｄＢ以上である否かをチェックするステップ、および／または
・前記受信した信号の時間が１５μｓと２５μｓの間である否かをチェックするステップ、および／または
・前記受信した信号の中央周波数が２００ｋＨｚと３６０ｋＨｚの間である否かをチェックするステップ
を実施して前記信号が実際に電気アークによって生成されたか否かを判定するステップを有する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波による電気アーク検出方法。
【請求項３】
前記信号が実際に電気アークによって生成されたか否かを判定するため、記録されている信号の２乗平均平方根電圧が、５ｄＢＥＡと１５ｄＢＥＡの間の第１値から１５ｄＢＥ
Ａと２５ｄＢＥＡの間の第２値へ上昇するか否かをチェックするステップ
を有することを特徴とする請求項２記載の超音波による電気アーク検出方法。
【請求項４】
太陽光発電装置を安全管理する方法であって、
請求項１から３のいずれか１項記載の超音波による電気アーク検出方法を実施するステップ、
電気アークが検出されたとき、前記太陽光発電装置の電気回路を開放し、電気アークを消滅させるステップ、
を有することを特徴とする太陽光発電装置の安全管理方法。
【請求項５】
電気アーク検出に続いて前記電気回路を開放した後、前記太陽光発電装置を少なくとも１回動作に復帰させるステップ、
電気アークが再び検出された場合、前記太陽光発電装置の動作を停止させ、前記太陽光発電装置の故障に関する情報を送信するステップ、
を有することを特徴とする請求項４記載の太陽光発電装置の安全管理方法。
【請求項６】
前記太陽光発電装置内の電気アークの位置を特定するステップを有する
ことを特徴とする請求項４または５記載の太陽光発電装置の安全管理方法。
【請求項７】
前記太陽光発電装置内の電気アークの位置を特定するステップは、
各前記センサの信号受信時間を格納し、これらセンサを受信順にランク付けするステップ、
各センサにおける前記信号の到着順の関数として、電気アークの位置を判定するステップ、
を有することを特徴とする請求項６記載の太陽光発電装置の安全管理方法。
【請求項８】
前記太陽光発電装置が所定の発電閾値を超過した時点の後にのみ、前記電気アーク検出方法を初期化する準備ステップを有する
ことを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の太陽光発電装置の安全管理方法。
【請求項９】
電気アークを検出する超音波センサと、
前記超音波センサから処理部への通信リンクと、
を備えた太陽光発電モジュールであって、
電気アークを検出する前記超音波センサは、前記太陽光発電モジュールのフレーム上またはガラス上に配置されている
ことを特徴とする太陽光発電モジュール。
【請求項１０】
１以上のシャーシ上に配置された太陽光発電装置であって、
太陽光発電モジュール上または複数の太陽光発電モジュールを支持するシャーシ上に配置され、電気アークを検出する少なくとも１つの超音波センサと、
請求項１から３のいずれか１項記載の電気アーク検出方法を実施する処理部と、
ことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項１１】
２つの太陽光発電モジュール毎に少なくとも１つの超音波センサを備える
ことを特徴とする請求項１０記載の太陽光発電装置。
【請求項１２】
電気アークが検出されたとき前記電気回路を開放する機能を有する安全装置を備え、
前記太陽光発電装置は、請求項４から８のいずれか１項記載の安全管理方法を実施する
ことを特徴とする請求項１０または１１記載の太陽光発電装置。
【請求項１３】
前記安全装置は、前記太陽光発電装置の前記太陽光発電モジュールのアレイの出力端子上に配置され、または前記太陽光発電モジュールの全てもしくは一部に直接配置されている
ことを特徴とする請求項１２記載の太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムにおける電気アークを検出する方法、および太陽光発電システムの安全管理の方法に関する。また、電気アーク発生に対する安全装置を備えた太陽光発電モジュールおよび太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電設備は、高ＤＣ電圧およびＤＣ電流で動作する。これは、電気アーク発生のリスクにつながる。電気アークは、例えばオペレータが動作中コネクタを不注意に開放したときのような操作エラーの後に続いて、または設備の配線磨耗の後に発生する。このような電気アークは、大量のプラズマ熱を長時間にわたって生成する。これは、ＤＣ電圧はＡＣ系統とは異なり電圧値が０にならないからである。そのため、電気アークは人間と設備にとって非常に危険である。さらに、太陽光発電モジュールをビルの屋内に設置すると、電気アークの仕組みの中で火事が生じるリスクがある。
【０００３】
太陽光発電設備は、インバータによって電気回路網に接続することができる。この構成の下では、太陽光発電モジュールアレイとインバータの間の電気接続点において発生する可能性のある電気アークを検出する安全システムが存在する。しかし、電気アークは太陽光発電モジュールそのものの内部で生成されるので、これらシステムは不十分である。このリスクに対する安全手段は、知られていない。
【０００４】
フランス国特許文献ＦＲ２，８２７，６７５は、剛性導電対上の電気アークによって生じる超音波を測定する超音波センサを当該導電体上に配置することにより、導電体内の電気アークを検出することができる旨を開示している。この手法は、特定の従来からある電気回路の剛性金属導電体に適している。太陽光発電モジュールは、例えばガラスのような保護材質内に収容された非常に特殊な構造を備える。この構造の下では、超音波は単純な銅線の場合のようには全く動作しない。さらに、太陽光発電モジュールは、一般にストレスの多い外部環境の下に設置され、あらゆる種類の天候にさらされる。例えば、風、雨、寒気、熱気である。これらの理由により、銅製導電体に適用される従来の手法は、太陽光発電設備の非常に特殊かつ異質な分野には適用することができない。
【０００５】
電気アークが太陽光発電設備において発生すると、別の技術課題が生じる。同等のモジュールが多数あり、これらは必ずしも設備内の容易にアクセスできるような態様で設置されているとは限らないため、メンテナンスおよび修理作業に手間がかかるという課題を解決することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の全体的な目的は、設備の安全性を改善するため、太陽光発電設備内の電気アークを検出する手法を提供することである。
【０００７】
より正確には、本発明は以下に説明する全てまたはいくつかの目的を実現することを目的とする。
【０００８】
本発明の第１の目的は、太陽光発電モジュールの内部で実際に発生する電気アークを検出する手法を提供することである。
【０００９】
本発明の第２の目的は、電気アークが検出されたとき高速に割り込むことにより、電気アークが発生する太陽光発電設備を保護する手法を提供することである。
【００１０】
本発明の第３の目的は、電気アークが発生した太陽光発電設備のメンテナンスと修理を促進する手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、太陽光発電装置内の電気アークを超音波によって検出する方法に基づく。同方法は、以下のステップを有する。
・超音波センサが受け取った信号の信号振幅、信号時間、信号中心周波数のうち少なくとも１つのパラメータを測定するステップ
・上記少なくとも１つのパラメータの測定結果を所定の値と比較し、測定結果が電気アークのものに対応するか否かを判定するステップ
【００１２】
２番目の、少なくとも１つのパラメータの測定結果を所定の値と比較するステップは、信号が実際に電気アークによって生成されたか否かを判定するための、以下のチェックステップを含むことができる。
・受信した信号の振幅が４０ｄＢ以上であるか否かをチェックするステップ、および／または
・受信した信号の時間が１５〜２５μｓであるか否かをチェックするステップ、および／または
・受信した信号の中心周波数が２００〜３６０ｋＨｚであるか否かをチェックするステップ
【００１３】
電気アークを超音波によって検出する方法は、信号が判定実際に電気アークによって生成されたか否かを判定する以下のステップをさらに含むことができる。
・記録されている信号の２乗平均平方根が、５〜１５ｄＢＥＡの第１値から１５〜２５ｄＢＥＡの第２値へ増加するか否かをチェックするステップ
【００１４】
本発明はまた、太陽光発電装置の管理作業を保護する方法に関する。同方法は、上述した電気アークを超音波によって検出する方法を含む。すなわち、電気アークが検出されたとき、太陽光発電装置の電気回路を開放し、電気アークを消滅させるステップを有する。
【００１５】
上記方法は、以下のステップをさらに含むことができる。
・電気アークの検出に続いて電気回路を開放した後、太陽光発電装置を少なくとも１回動作状態に戻すステップ
・電気アークが再び検出された場合、太陽光発電装置の動作を停止させ、太陽光発電装置が故障している旨の情報を送信するステップ
【００１６】
上記管理方法は、太陽光発電装置内の電気アークを見つけるステップを含むことができる。
【００１７】
太陽光発電装置内の電気アークを見つけるステップは、以下のサブステップを含むことができる。
・各センサの信号受信時間を記録してこれらセンサを受信順にランク付けするステップ
・各センサへの信号到着順の関数として、電気アークの位置を判定するステップ
【００１８】
さらに、太陽光発電装置の管理作業を保護する方法は、太陽光発電装置が所定の発電閾値を超過した時点の後にのみ電気アーク検出方法を初期化する、準備ステップを含むことができる。
【００１９】
本発明はまた、電気アークを検出するための超音波センサと、超音波センサから処理部までの通信手段とを備える太陽光発電モジュールに関する。
【００２０】
電気アークを検出するための超音波センサは、モジュールのフレーム上またはガラス上に配置することができる。
【００２１】
本発明はまた、１以上のシャーシ上に取り付けられた太陽光発電モジュールを備える太陽光発電装置に関する。同装置は、電気アークを検出するための少なくとも１つの超音波センサを備える。超音波センサは、太陽光発電モジュール上または複数の太陽光発電モジュールを支持するシャーシ上に配置されている。同装置はまた、上述の電気アーク検出方法を実施する処理部を備える。
【００２２】
太陽光発電装置は、２つの太陽光発電モジュール毎に少なくとも１つの超音波センサを備えることができる。
【００２３】
太陽光発電装置は、電気アークが検出されたとき電気回路を開放する機能を有する安全装置を備えることができる。太陽光発電装置は、上述の保護管理方法を実施する。
【００２４】
安全装置は、太陽光発電装置の太陽光発電モジュールアレイの出力端子上に配置し、または太陽光発電モジュールの全部もしくは一部に直接配置することができる。
【００２５】
本発明の上記目的、特徴、および利点は、以下の実施形態の説明において詳細に説明する。これらは、本発明を限定するものではない。説明は、以下の図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の概略図である。
【図２】太陽光発電装置内で電気アークによって生成された音波を示す。
【図３】太陽光発電装置内で太陽光発電モジュールの熱膨張によって生成された音波を示す。
【図４】本発明の代替実施形態に係る太陽光発電装置の概略図である。
【図５】本発明の実施形態に係る、太陽光発電装置の保護管理方法のステップを示すため、先の図面を再び示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、太陽光発電モジュールとそのアレイによって構成される収容箇所内部の電気アークが出射した超音波の分析に基づき、電気アークの音響的特徴を検出し識別する。したがって本発明のコンセプトは、太陽光発電モジュールに配置された１以上の超音波センサを用い、このセンサを用いて実施する特定の測定処理を定義し、太陽光発電設備の内部における電気アークの存在または不存在を正確に識別することにある。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の概略を示す。同装置は、シャーシ３上に配置され、インバータ４によって従来の電気回路網５に接続された、２つの太陽光発電モジュール２を備える。本発明によれば、この装置は太陽光発電モジュール２に配置され、接続リンク７によって信号処理部８に接続された、超音波センサ６を備える。信号処理部８は、センサ６が送信したデータを分析することができる。処理部８は、接続手段９によって安全装置１０に接続されている。安全装置１０は、電気アークが発生したとき処理部８のリクエストに応じて電気回路を開放する機能を有する。太陽光発電装置のこれら構成要素には、太陽光発電モジュールによってエネルギーが直接提供される。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、超音波センサ６は、太陽光発電装置の音波を拾い出すため、最適に配置されている。例えば、フレーム上もしくはガラス上に配置し、またはモジュールの接続ボックス上に配置することができる。変形例として、モジュール２を支持するシャーシ３上に配置することもできる。
【００３０】
処理部８の機能は、アナログまたはデジタル的な手法で、ハードウェアおよび／またはソフトウェア部品によって、超音波センサ６が受信したデータを分析し、電気アーク検出方法を実施することである。同方法については以下に詳述する。この方法を用いて、電気アークの特定の音響的特徴を認識することにより、センサが送信する様々なデータのなかで、電気アークが出射したノイズに特に対応するデータを認識することができる。可能な実施形態によれば、処理部８は複数の入力と出力を備えることができる。特に、インバータ４への出力および／またはその他の太陽光発電装置の管理もしくはエネルギー管理のための構成要素への出力が挙げられる。処理部８はまた、マイクロコントローラのような計算部と、電気アークに対応する所定のデータを格納するメモリ部品とを備えることができる。
【００３１】
以下に、本発明に係る電気アーク検出方法を説明する。
【００３２】
最初に、準備ステップＥ０に基づき、上記方法は動作を開始しない。すなわち、例えば規格パワーの１０％のような所定の発電閾値を太陽光発電装置が超過する後まで、超音波を検出し続ける。この閾値未満であれば、電気アークのリスクは生じず、監視の必要はない。
【００３３】
電気アークの音響的特徴を検出するために必要なステップは、センサ６が受信したデータを、図２に示すあらかじめ記録されている電気アークの音響的特徴と比較するステップを含む。本発明によれば、この音響的特徴に対応する音波は、いくつかの特定のパラメータを有する。これらパラメータは、所定範囲内の値を想定することができる。これらパラメータは以下のものである。
・４０ｄＢ以上の信号振幅。このパラメータにより、例えば全ての低振幅ノイズを考慮に入れないステップを実施することができる。
・１５〜２５μｓの信号時間。
・２００〜３６０ｋＨｚの信号中心周波数。
・一般に１１ｄＢＥＡから約２５ｄＢＥＡに徐々に上昇する、信号電圧の２乗平均平方根。このパラメータは、上記３つに対して予備的なものであり、上記３つのパラメータのうち１以上と組み合わせて用いることができる。
【００３４】
したがって、本発明に係る検出方法は、これら３つのパラメータの全てまたはいくつかを測定し、これらパラメータが、電気アークの値に対応する所定のあらかじめ記録されている範囲内にあるか否かをチェックするステップを有する。
【００３５】
上記主要な３つのパラメータのなかから使用するものを選択することは、意図している電気アークの認識精度と所望の計算時間の間で妥協することを表す。全てのパラメータを考慮する場合、ゼロに近いエラー率で電気アークを検出することができるが、計算の実施はやや長くなり、回路に対して割り込むのが遅れる。同様に、各３つのパラメータについて所定の値を選択することは、電気アークがないときに回路を開放することを避けるために、異なるイベントに起因する状況をできる限りなくしつつ、できる限り多くの電気アークを検出する要望に対して妥協することを表す。
【００３６】
したがって、上記検出方法により、音波を形成するその他の発生し得るイベントのなかから、電気アークを選択したエラー率で認識することができる。この課題は、太陽光発電設備に固有のものである。これは、太陽光発電設備の外部環境が様々なノイズを生成することによるが、これとともに、電気回路を収容スペース内に配置すること、およびガラスのような特定の材質に基づく構造による。例えば、太陽光発電モジュールの熱膨張により、クラッキングの形態でノイズが生成される。これもまた、超音波センサによって測定され、処理部に送信される。図３は、そのようなイベントの間に測定された音波を示す。バースト時間は一般に、２５μｓ以上である。さらに、記録されている信号の２乗平均平方根の値は一定であり、電気アークの場合のように増加しない。太陽光発電モジュールにおいて生じるその他の主要なノイズは、上述のような熱衝撃と膨張現象を生じさせる最初の落下を除いて電気アークとは異なる継続的なノイズを生成する雨、低振幅の背景音を生成する風、電気アークのものとは異なる周波数を有する低エネルギー音波を生成する霰、および例えば地震に起因するもののような電気アークよりずっと低い周波数を有する外部振動に起因する。
【００３７】
したがって、本発明に係る電気アーク検出方法は、以下の２ステップを有する。
・Ｅ１−センサが受信した音響信号の振幅、波形時間、中央周波数のなかから少なくとも１つのパラメータを測定するステップ
・Ｅ２−格納されている上記少なくとも１つのパラメータの測定結果を比較し、測定結果が電気アークのものに対応するか否かを判定するステップ
【００３８】
２番目のステップＥ２は、より正確には以下のチェックステップを有する。同ステップにより、受信した信号が実際に電気アークに対応するか否かを判定することができる。
・Ｅ２１−振幅が４０ｄＢ以上であるか否かをチェックするステップ、および／または
・Ｅ２２−信号時間が１５〜２５μｓであるか否かをチェックするステップ、および／または
・Ｅ２３−中央周波数が２０〜３６０ｋＨｚであるか否かをチェックするステップ
【００３９】
２番目のステップＥ２はさらに、以下のステップを含むこともできる。
・Ｅ２４−記録されている電気信号の２乗平均平方根電圧が上昇するか否かをチェックするステップ。チェックは、上記値が、１１ｄＢＥＡに近い、より一般的には５〜１５ｄＢＥＡである第１値から、２５ｄＢＥＡに近い、より一般的には１５〜２５ｄＢＥＡである第２値へと増加するか否かについてすることができる。
【００４０】
安全装置１０は、太陽光発電アレイのいずれか１つの出力端子上に配置することもできるし、太陽光発電モジュール毎に例えば接続ボックス内に配置することもできる。電気アークを検出した後、処理部８は、安全装置に対し、その旨の情報と、電気回路を開放するよう指示する命令を送信する。これにより、電気回路を遮断して電気アークを停止し、電気アークが続くことによる、特に火事のようなリスクを抑えることができる。安全装置は、単一の遠隔制御スイッチを用いて構成することができる。
【００４１】
本発明はまた、上述の電気アーク検出方法を実装した太陽光発電設備を安全に管理する方法に関する。同方法は、電気アークが検出されたとき電気回路を開放し、電気アークを消滅させるステップを含む、ステップＥ３を有する。同方法はさらに、以下のステップを含むこともできる。
Ｅ４−電気アークの検出に続いて電気回路を開放した後、太陽光発電装置を少なくとも１回動作状態に戻すステップ
Ｅ５−電気アークが再び検出された場合、動作を停止し、設備の異常に関する情報を送信するステップ。この情報は、警報灯または任意の適当なマンマシンインターフェースによってオペレータに送信することができる。
【００４２】
図４は、他実施形態に係る太陽光発電装置を示す。本実施形態は、８つの太陽光発電モジュール１２と４つの超音波センサ１６を備える点において、上述の装置とは異なる。モジュール２つ毎にセンサ１つを設ける比率は維持されている。しかし、本発明のコンセプトから逸脱することなく。その他の比率を採用することもできる。これらモジュールは、基板１３上に配置され、インバータ１４を介してネットワーク１５に電気的に接続されている。本発明のコンセプトは、ネットワーク１５に接続されていない太陽光発電設備にも適していることを付言しておく。これは、実際には太陽光発電モジュール内で実施される測定に基づいているからである。超音波センサ１６は、リンク１７を介して処理部１８と通信する。処理部１８は、リンク１９を介して安全装置２０と通信する。後者は上述の構成要素に類似している。
【００４３】
この装置は、上述の装置と同様に動作し、上述の電気アーク検出方法と太陽光発電設備の安全管理方法を実施する。この装置は、電気アークの位置を特定する機能を実装する。同機能は特に、非常に広い設備における異常発生時のメンテナンス作業と修理作業を改善するために有用である。したがって同機能により、設備の経済的な継続性と可用性レベルを増加させることができる。これは、例えば電力生産設備において重要である。
【００４４】
したがってこの装置は、設備における電気アークの発生箇所を特定するステップＥ６を有する管理方法を実施する。このステップは、各センサによる電気アーク信号の受信時間の情報に基づき実施される。これは、信号波が送信元からセンサへ伝搬する時間に依拠するので、その発生元を示唆する。
【００４５】
したがって、位置を特定するステップＥ６は、以下のサブステップに掘り下げることができる。
Ｅ６１−他のセンサのための参照時間として用いる、第１センサ１６が電気アーク音波を受信した時間ｔ０を格納するステップ
Ｅ６２−他の各センサｉの音波の受信時間ｔｉを格納し、これらセンサを受信順にランク付けするステップ
Ｅ６３−太陽光発電モジュール１２の各センサ１６における音波の到着順の関数として、電気アークの位置を判定するステップ
【００４６】
図５は、この方法を実施する例を示す。設備の複数の太陽光発電モジュールは、図４の太陽光発電モジュールに対応し、符号１２ａ〜１２ｈと複数のセンサ１６ａ〜１６ｄで参照される。電気アーク音波を受信する第１センサはセンサ１６ａであり、音波は１６ｂ、１６ｃ、１６ｄの順に到達すると仮定する。この場合、電気アークの位置は太陽光発電モジュール１２ｃであることが分かる。
【００４７】
位置特定方法は、本発明によって実現される。例えば、モジュールとセンサの間の正確な距離を考慮し、信号の伝搬時間の関数として、各センサからの距離を復元して正確な位置を特定するような、他の方法も可能である。
【００４８】
続いて装置は、処理部１８に配置されているマンマシンインターフェース、または任意の送信手段によって、インバータ１４またはエネルギー管理センタを介して位置情報を設備の責任者に送信する、最終ステップＥ７を実施する。
【００４９】
本発明のコンセプトは、上述の太陽光発電装置に限られるものではなく、複数の太陽光発電モジュールおよび様々な超音波センサ比率を有する任意の種類の太陽光設備において実施することができる。もっとも、２つの太陽光発電モジュール毎に少なくとも１つのセンサを設けるのは、有用である。
【００５０】
したがって、本発明を適用することにより、意図した目的を実現することができ、さらに以下の利点を有する。
・超音波出力はガラス内を非常に高速（５０００ｍ／ｓ）に伝搬し、数ミリ秒で超音波センサに到達するので、装置は電気回路を非常に高速に切断することができる。
・モジュール内部であっても、電気アークの検出により、太陽光発電設備が火災で全破損することを回避することができる。
・本発明の装置は、例えば強化コンクリートビルのような金属構造物の近傍に配置された場合でも、効果的に機能する。
・本解決手法は当然、太陽光発電モジュール外の電気アーク検出に関するその他の解決手法と互換性があり、相補的なものである。したがって、これら解決手法と組み合わせることができる。
【図１】
0005596051.tif 000002
【図２】
0005596051.tif 000003
【図３】
0005596051.tif 000004
【図４】
0005596051.tif 000005
【図５】
0005596051.tif 000006