(57)【要約】【課題】  太陽電池パネルの劣化度合いを検知することができ、重大故障に至る前にパネルを修理あるいは取替えることが可能な太陽光発電モジュールを得る。【解決手段】  太陽電池パネルの発電出力を取り出す出力端子箱と、出力端子箱の出力線に挿入された逆流防止ダイオードと、太陽電池パネルのインピーダンス測定装置とを備え、インピーダンス測定装置は、出力線に周波数が可変の微小信号を重畳する信号発生部と、出力線に設けられて高周波信号を検知する高周波信号検出部と、検知された高周波信号から太陽電池パネルのインピーダンスの高周波特性を算出するインピーダンス算出部とを備える。【選択図】          図２
2014165232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力線を通じて太陽電池パネルの発電出力を取り出す出力端子箱を備えた太陽光発電モジュールであって、
前記出力端子箱は、
前記出力線に挿入された逆流防止ダイオードと、
前記太陽電池パネルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置と、
を備え、
前記インピーダンス測定装置は、
前記出力線に高周波信号を重畳する信号発生部と、
前記出力線に設けられて高周波信号を検知する信号検出部と、
前記信号検出部で検知された高周波信号から前記太陽電池パネルのインピーダンスの高周波特性を算出するインピーダンス算出部と、
を備える太陽光発電モジュール。
【請求項２】
出力線に重畳する前記高周波信号は、前記太陽電池パネルの共振周波数を含む周波数域で可変である、請求項１に記載の太陽光発電モジュール。
【請求項３】
前記高周波信号の周波数域は、３００Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲を含む、請求項２に記載の太陽光発電モジュール。
【請求項４】
前記信号発生部は、太陽電池パネルの出力線にブロッキングキャパシタを介して高周波信号を重畳させる、請求項１〜３のいずれか１つに記載の太陽光発電モジュール。
【請求項５】
前記信号発生部は、前記逆流防止ダイオードと前記太陽電池パネルとの間の前記出力線に高周波信号を重畳する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の太陽光発電モジュール。
【請求項６】
前記信号検出部はあらかじめ決められた周波数の間隔でサンプリングを行い、
測定する周波数範囲の中にあって、
前記太陽電池パネルの共振周波数を含む範囲の第一の周波数帯における平均サンプリング間隔が、
前記第一の周波数帯を含まない第二の周波数帯における平均サンプリング間隔より小さい、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の太陽光発電モジュール。
【請求項７】
前記出力線に重畳する高周波信号はパルス信号である、請求項１に記載の太陽光発電モジュール。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の太陽光発電モジュールを複数台備える太陽光発電システムであって、
前記インピーダンスの高周波特性から前記太陽電池パネルの等価回路定数を算出し、
前記等価回路定数の値と基準値との比較により、
前記太陽電池パネルの劣化を検知する太陽光発電システム。
【請求項９】
日没後に自動的に前記インピーダンスの高周波特性の測定を開始する、請求項８に記載の太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、太陽電池パネルの劣化検知および故障診断を行なうことができる太陽光発電モジュールおよびそれを用いた太陽光発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電は、火力発電や原子力発電の代替エネルギーとして大いに期待されており、近年の太陽電池の生産量は飛躍的に増加している。太陽電池は、単結晶あるいは多結晶のシリコン基板を用いて太陽電池セルを形成する結晶系太陽電池や、ガラス基板上にシリコン等の薄膜を堆積して太陽電池セルを形成する薄膜系太陽電池が用いられている。太陽光発電システムにおける太陽電池の設置単位は、太陽光発電モジュールである。上述の太陽電池セルを複数個、目的に合わせて直並列に接続してパネル化したものが太陽電池パネルであり、太陽電池パネルに外枠（フレーム）や接続ボックスを備えつけることで太陽光発電モジュールとして機能するようになる。架台上に設置された多数の太陽光発電モジュールと送電ケーブル、およびパワーコンディショナなどを組み合わせて太陽光発電システムが構成される。このようなシステムは、一般の家庭用発電用途に留まらず、１ＭＷ以上の発電量を持つ大規模な太陽光発電所にも使用されている。
【０００３】
太陽電池パネルは、機械的に動作する部分がなく、その寿命は一般に２０年以上と言われているが、実際には、様々な原因により、運転開始から数年足らずで不具合が発生した事例が報道されている。不具合の原因は、太陽電池セル内の発電層の劣化、電極・配線部の腐食による抵抗増大、太陽電池セルと金属製フレームとの間に充填している封止材の絶縁劣化、太陽電池パネルを固定している金属製架台の接地不良、等が知られている。
これらの不具合により、太陽電池パネルの特性劣化が起こり、最終的には動作不良に至る場合もある。太陽光発電の信頼度を高め、更なる普及を図るためにも、このような太陽電池パネルの劣化状態を早期に検知できる診断技術が求められている。
【０００４】
現状では、太陽電池パネルの動作状態を確認する方法として、各パネルの発電量をモニタリングすることが一般的である。また、太陽電池パネルの接続の不具合の有無を検知する診断方法して、太陽電池パネルの出力端子と、電気的には接地状態であるパネルの外周部にある金属製フレーム、あるいはパネルを取付けている金属製架台との間の静電容量をＬＣＲメータにより測定し、測定した静電容量の値とパネルが正常時の値とを比較することにより、太陽電池パネルの接地状態を診断する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、太陽電池パネルが複数個、直列に接続されている太陽電池ストリングの場合には、パネルの枚数を変えてストリングの出力端子とアース間との静電容量を予め測定してデータベース化しておくと、何番目のパネルが断線しているかを検知することができることが示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２４８７７９号公報
【特許文献２】特開２００８−９１８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光発電システム内の一部の太陽光発電モジュールが故障してしまうと、システム全体に及ぶ不具合が発生するおそれがあるため、各太陽光発電モジュールについて劣化が生じているかどうか判断して、適切なタイミングで太陽光発電モジュールないし太陽電池パネの修理や交換を行うことが理想的である。そのためには、個別の太陽電池パネルの劣化診断技術や故障予測技術が必要である。
【０００８】
しかしながら、太陽電池パネルの発電量は、その時の日射量や気象条件などの外的要因によって大きく変化するため、太陽電池パネルの電流、電圧や発電量をモニタリングするだけでは、パネルが正常に動作しているかどうかを判断するのは難しい。このような発電量モニタリングでは、パネルが“動作している”／“動作していない”、のようないわゆる“０”／“１”判定は可能であるが、日射量が刻々変動している実際の設置環境では、発電量が低下している状況をもって太陽電池パネルに異常が発生したかどうかを判断することは困難である。また、太陽光発電システムを施工する場合でも、施工が完了した時点で、パネルの結線に不具合があるかどうか、あるいは製品自体に問題があるかどうかを現場で判断することも難しい。
【０００９】
また、従来の静電容量の測定による診断方法では、ＬＣＲメータを用いて太陽電池パネルの出力端子とアース間との静電容量を測定するため、太陽電池パネル間の断線状況やパネルを取付けている架台やパネルのフレームとの接地不良を検知することはできても、太陽電池セルの発電層の劣化、電極・配線部の抵抗不良、セルの絶縁不良、等の太陽電池パネル自体の不具合や問題点を検知することはできなかった。また、静電容量の測定自体も精度が不充分であり、太陽電池ストリングのパネル間の断線の有無を判定することは可能であったが、断線に至る途中の劣化度合いを定量的に検知することは困難であった。さらに、測定作業においては、太陽電池パネルを設置している所に測定器であるＬＣＲメータを運び、パネル毎に静電容量を計測する必要があった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、簡便な方法で太陽電池パネルの劣化箇所の特定や劣化度合いを定量的に検知することが可能な太陽光発電モジュールを提供するとともに、このモジュールを用いた太陽光発電システムにおいて、各太陽光発電モジュールの故障を的確に把握するための情報を収集して、太陽光発電モジュールの保守を効率的に行うことで、発電能力の安定的に維持することができる太陽光発電システムを得ること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の太陽光発電モジュールは、出力線を通じて太陽電池パネルの発電出力を取り出す出力端子箱を備えており、出力端子箱は出力線に挿入された逆流防止ダイオードと、太陽電池パネルのインピーダンスを測定するインピーダンス測定装置とを備え、インピーダンス測定装置は、出力線に周波数が可変の高周波信号を重畳する信号発生部と、出力線に設けられて高周波信号を検知する信号検出部と、信号検出部で検知された高周波信号から太陽電池パネルのインピーダンスの高周波特性を算出するインピーダンス算出部とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、簡便な装置で太陽電池パネル毎の高周波インピーダンス特性を得て、高精度に等価回路定数を監視することにより、太陽電池パネルの劣化度合いを検知することができ、重大故障に至る前にパネルを修理あるいは取替えることが可能となる。これにより、太陽光発電システム全体の保守を効率よく行えるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１の太陽光発電モジュールを示す概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１の高周波インピーダンス測定装置の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１の高周波インピーダンス測定装置の回路構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１の高周波インピーダンス測定装置で得られた太陽電池パネルの出力端子における高周波電圧・電流波形の例である。
【図５】この発明の実施の形態１における高周波インピーダンス測定装置の高周波電圧・電流検出センサの回路図である。
【図６】この発明の実施の形態１の高周波インピーダンス測定装置で得られた太陽電池パネルのインピーダンスの高周波特性の例を示すグラフである。
【図７】この発明の実施の形態１における太陽電池パネルの高周波等価回路モデルを示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１の太陽電池パネルのインピーダンス特性と、等価回路解析を行った結果の例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２の高周波インピーダンス測定装置で得られたインピーダンスの高周波特性の例を示すグラフである。
【図１０】この発明の実施の形態３の高周波インピーダンス測定装置の信号波形を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態４の太陽光発電システムの構成を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態４の太陽光発電モジュール裏面の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる太陽光発電モジュールについて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態に記載された具体例によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による太陽光発電モジュールＧＭの概略的な構成を示す斜視図である。図１では受光面を下にして、裏面を上にした状態を示している。太陽電池パネル１は、例えば、ガラス基板上にシリコン等の発電層や透明電極膜などを積層して太陽電池セルを形成し、裏面をバックシート、合わせガラスなどで封止した構造の薄膜太陽電池である。太陽電池パネル１の裏面側には、発電出力を取り出すための導電路であるタブ線Ｔが張られており、太陽電池パネル１上に配置された出力端子箱２に接続されている。さらに、出力端子箱２から出力線３を通じて直流電力を取り出すように構成されている。太陽電池パネル１の外周は、端部を保護するためにアルミニウム合金からなるフレームＡＦが取り付けられている。
【００１５】
図２は、実施の形態１による太陽電池パネルの出力に接続される高周波インピーダンス測定装置ＭＤの構成図である。出力端子箱２内に設けられた、高周波特性を計測し演算を行なう装置の構成を示している。
タブ線Ｔを介して太陽電池セルの発電層に接続されている出力用の送電線は出力端子箱２に接続され、発電した直流電力を出力する出力線３として取り出される。出力線３には、微小電圧の高周波信号を重畳して給電する高周波信号発生部２５、出力線から電圧・電流を検出する高周波電圧・電流検出部２４が設けられている。高周波信号発生部２５は、周波数を連続的に変化させる機能を有しており、高周波信号の周波数は可変となっている。なお、出力線３中に高周波信号発生部２５および高周波電圧・電流検出部２４を設ける位置は、出力線３に挿入される逆電流防止ダイオード２６より太陽電池パネル側（逆流防止ダイオード２６を含まない）に取り付けられる。つまり、逆流防止ダイオード２６と太陽電池パネル１との間の出力線３に高周波信号が重畳される。
逆電流防止ダイオード２６は、複数の太陽光発電モジュールＧＭを用いて発電システムを構成する場合、その内の１台が故障してショート状態になったときに、他のパネルから過大な電流が流れ込んで焼損することを防止するためのものである。
【００１６】
出力線から検出された高周波電圧と電流のデータは、インピーダンス算出部２３でインピーダンスの高周波特性データに変換され、制御部２１を経て、データ通信部２２から外部のホストコンピュータＨＣと通信手段２８を介して送受信される。
【００１７】
また、出力線３には太陽電池パネルで発電した電力の一部を蓄電して、上記の各ブロックへ電力を給電する電源部２７が設けられている。（電源部２７からの給電線は図示せず。）
図３は、実施の形態１による太陽電池パネルの出力端子に接続される高周波インピーダンス測定装置ＭＤの回路構成図であり、出力端子箱２に収納されたインピーダンスの高周波特性を計測・算出する回路をブロック図で示している。出力線３には、太陽電池パネルで発電される直流電力のプラス側線とマイナス側線があり、図３においては、出力線３１がマイナス側線、出力線３２がプラス側線である。太陽電池パネルを複数枚接続した状態で、他のパネルが故障した際に健全なパネルを保護するために、プラス側線には逆流防止ダイオード２６が挿入される。図３の出力線３の左端は、その先で太陽電池パネル１に接続されている。
【００１８】
出力線３に高周波を重畳させる高周波信号源３３は、ブロッキングコンデンサ３４を介して、逆流防止ダイオードより発電層側位置から高周波信号を供給する。高周波信号源３３からは、制御部４２で設定された周波数範囲の高周波が出力される。高周波信号源３３はブロッキングコンデンサ３４と組み合わされて高周波信号発生部２５を構成している。
【００１９】
出力線３１と出力線３２との間には、出力線間の高周波電圧を検出する電圧センサ３７が配設され、プラス側線の出力線３２には高周波電流を検出する電流センサ３６が挿入される。電圧センサ３７と電流センサ３６で検出された信号は、電圧と電流の位相差比較部４０とインピーダンス算出部４１で、高周波インピーダンスに変換される。
【００２０】
高周波信号源３３で重畳する高周波の周波数をあらかじめ決められた範囲で変化させるとともに、サンプリングの周波数ポイントごとに検出値を取得することにより、各周波数ポイントでのインピーダンスに変換され、制御部４２（２１）でインピーダンスの高周波特性として算出される。得られたインピーダンスの高周波特性は、データ通信部４３（２２）から太陽電池パネルのインピーダンスデータとして外部のホストコンピュータＨＣへ送信される。電源部２７は、両出力線間に配設され、太陽電池パネル１が昼間に発電している時に蓄電し、インピーダンスを算出する際に回路を動作させる電源として用いられる。
【００２１】
出力端子箱については、ＭＨｚ程度の高周波信号を用いてインピーダンスの検知・算出を行うことから、太陽電池パネルの設置環境下でのノイズが問題となる。そこで本実施の形態では、出力端子箱２の内面に、導電性の金属メッキを施した筐体を用いた。これにより、太陽電池パネルの出力線に微弱な高周波信号を重畳する場合に、外部のノイズに影響されることなく精度良くインピーダンスを検知・算出することができる。
【００２２】
次に、インピーダンスを計測・算出する方法について詳細に説明する。高周波信号源３３で発生した高周波信号は、ブロッキングコンデンサ３４を介して太陽電池の出力線３に重畳される。この場合、ブロッキングコンデンサ３４は、出力線３に流れる発電された直流電流が高周波信号源３３に流入しないようにブロックする役目を果たす。逆に、測定のための高周波信号は、周波数が充分に高いためにブロッキングコンデンサ３４を容易に通過し、太陽電池パネル１にまで伝播することができる。
【００２３】
また、高周波信号は、逆流防止ダイオード２６の位置に対して太陽電池パネル１の側から供給されて、太陽電池パネル１側に伝送される。伝送された高周波は、出力線３２に挿入した電流センサ３６と、出力線間に接続した電圧センサ３７で、太陽電池パネルのインピーダンスに対応した高周波信号が検出される。この場合、電流センサ３６は、ピックアップコイル型を用いることにより、出力線３とは直流的に絶縁した状態で信号を検出できる。また電圧センサ３７は、静電結合型を用いることにより、出力線に直接触れることなく信号を検出できる。
【００２４】
検出された高周波電圧、高周波電流は、それぞれ電圧測定部３８と電流測定部３９で増幅される。図４は、実施の形態１による高周波インピーダンス測定装置ＭＤで得られた太陽電池パネルの出力端子に接続された出力線３における高周波電圧・電流波形の例である。図４の波形は、ある周波数Fにおける、電圧測定部３８と電流測定部３９から出力される電圧波形Ｗｖと電流波形Ｗｉを示す。位相差ＰＤは、電圧波形Ｗｖと電流波形Ｗｉとの位相差を示す。なお、電圧波形Ｗｖと電流波形Ｗｉは、太陽電池パネル１のインピーダンスに対応して、振幅と位相差ＰＤが変化する。
【００２５】
次に、高周波電圧と電流は、インピーダンス算出部２３に含まれる、位相比較部４０とインピーダンス算出部４１で演算され、ある周波数Ｆにおける高周波インピーダンスに変換される。太陽電池パネルのインピーダンス［ＺＰＶ］は、電圧と電流の振幅［Ｉ０，Ｖ０］と位相差ＰＤ［θ］から次式より求められる。
2014165232.tif 000003
【００２６】
なお、高周波の電流・電圧からインピーダンスを求める場合は、電圧センサと電流センサの取り付け位置を厳密に同一にできないと位相差を生じるため、センサの測定位置の僅かな違いが問題となる。特に、出力線に重畳する高周波信号の周波数の桁がＭＨｚ程度になると、位相差θを正確に測定するのが難しいため、インピーダンスＺＰＶに誤差が含まれやすい。したがって、後述するように、あらかじめ使用する周波数帯域で位相差を測定しておき、実測値に補正をかける必要がある。
【００２７】
図５は、実施の形態１における高周波インピーダンス測定装置ＭＤの高周波電圧・電流検出センサの回路図である。本実施の形態では、図５に示す電流センサ５２と電圧センサ５３を一つのセンサユニット５１として構成し、電流センサ５２（電流センサ３６に対応）と電圧センサ５３（電圧センサ３７に対応）の配置を固定した。端子５４、端子５５、端子５６、端子５７は、それぞれ太陽電池の出力線に接続され、端子５４と端子５５は太陽電池パネル１側に、端子５６と端子５７は高周波信号源３３側に接続される。
【００２８】
あらかじめ、上記のセンサユニットを用いて、端子５４、端子５５側に５０Ωのダミーロードを接続して、高周波信号源３３から発生される周波数範囲において位相差ＰＤを測定しておき、実際の太陽電池パネルに接続して電流センサ５２、電圧センサ５３で検出した波形から位相差ＰＤを算出する際の校正値とする。
【００２９】
ここで高周波信号源３３から出力される高周波信号の周波数を変化させ、サンプリングポイントごとの高周波電流・電圧の計測と、高周波インピーダンスの算出を行うことにより、太陽電池パネル１の高周波インピーダンス特性すなわち、インピーダンスの周波数依存性が得られる。得られた太陽電池パネル１のインピーダンスの高周波特性データは、データ通信部４３から外部のホストコンピュータＨＣへ送信される。
【００３０】
図６は、実施の形態１による高周波インピーダンス測定装置で得られた太陽電池パネルのインピーダンスの高周波特性の例を示すグラフである。上記の検出・演算方法を用いて、太陽電池パネル１１のインピーダンス特性を算出したもので、使用した太陽電池パネル１１は、大きさ１．０ｍ×１．４ｍのガラス基板上にアモルファスシリコン層と微結晶シリコン層を積層したタンデム構造の薄膜シリコン太陽電池セルを用いて、封止材を挟んでガラス板とで封止したものを用いた。
【００３１】
図６のグラフ（Ａ）は、インピーダンスＺＰＶの周波数Ｆに対する依存性を、グラフ（Ｂ）は位相差ＰＤの周波数Ｆに対する依存性を表している。これらのインピーダンス特性の測定は、太陽電池パネル１１が発電しない夜間帯（暗状態）に行い、下限周波数をＦ１＝３００ｋＨｚ、上限周波数をＦ２＝１０ＭＨｚに設定し、高周波信号源３３で周波数ＦをＦ１からＦ２まで変化させて、そのサンプリングポイントの周波数に対して太陽電池パネル１１のインピーダンスＺＰＶを算出した。
【００３２】
図６のグラフ（Ａ）に示すように、周波数Ｆが３００ｋＨｚから高くなるに従い、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺＰＶの強度は初めに減少し、矢印で示されている、周波数がＦ＝１．８ＭＨｚあたりで最小値を示した後、再び増加した。一方、図６のグラフ（Ｂ）に示すように、インピーダンスＺＰＶの位相差ＰＤは、周波数がＦ〜１．８ＭＨｚで、−９０°（容量性の負荷）から＋９０°（誘導性の負荷）に急激に変化しており、矢印で示す点で正負が反転している。このことから、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺＰＶの周波数特性は、Ｆ＝１．８ＭＨｚあたりで共振特性を示していることが分かる。共振周波数Ｆｒｅｓは、インピーダンスＺＰＶの値が最小で、その位相が０°になるときの周波数であり、この太陽電池パネル１１の例では、Ｆｒｅｓ＝１．７７４ＭＨｚであった。また、インピーダンスＺＰＶの最小値は１２．３３Ω（＠１．７７４ＭＨｚ）であった。
【００３３】
共振周波数や最小インピーダンスの値は太陽電池パネル１の状態により決定されるので、これらの数値を把握することで、パネルの状態を把握・管理することができる。しかし、これらの数値が変化したことを検知しただけでは、パネルのどの部材の、どの箇所に問題が生じているかを知ることはできない。不具合箇所を特定するためには、太陽電池パネル１のインピーダンス特性を電気的な等価回路に置き換えて、仮想的な素子による定数回路を想定して、各素子の特性を算出すればよい。等価回路中の特定の素子のうち、例えば、シリーズ抵抗の値が変化すれば、この素子に対応する箇所（すなわち、電極や配線部）に不具合が生じたと考えることができる。このように、太陽電池パネル固有の等価回路定数を把握・管理することが不具合箇所を特定するために有効である。
【００３４】
以下に、太陽光発電システムのホストコンピュータＨＣ上で、インピーダンスの高周波特性から、太陽電池パネルの状態を把握・管理する方法を記述する。
図７は、太陽電池パネルの高周波等価回路モデルを示す図であり、具体的には図１に示す太陽電池パネル１の出力端子箱に至るまでの、暗状態における等価回路モデルを表す。太陽電池パネル１内の電極や配線部は、シリーズ抵抗ｒｓと寄生インダクタンスＬとの直列接続で表されている。また、電極／発電層／電極の内部構成を持つ太陽電池セル部は、電極部のシリーズ抵抗ｒｓと発電層のシャント抵抗Ｒｓｈに加え、光照射が無い暗状態では、発電層のｐｎ接合部の接合容量Ｃｄを用いて、図７に示すような直列並列回路で表すことができる。
【００３５】
よって、出力端子箱２から見た太陽電池パネル１の全インピーダンスＺＰＶは、次式により表せると考えられる。
2014165232.tif 000004
ここで、ωは角周波数（Ｆ＝ω／２π）、ｊは複素数の虚数単位を表し、ωと回路定数（Ｌ、Ｒｓｈ、Ｃｄ）の値が
2014165232.tif 000005
の関係を満たすときに、ＺＰＶの虚部の値はゼロになり、このときＺＰＶの強度は最小、位相は０°になる。すなわち、これが回路の共振条件であり、Ｌ、Ｒｓｈ、Ｃｄの値が与えられているときには、共振周波数Ｆｒｅｓは次式により得られる。
2014165232.tif 000006
図６に示したように、太陽電池パネル１のインピーダンスＺＰＶは共振特性を示し、共振周波数Ｆｒｅｓの前後の周波数領域でＺＰＶが大きく変化するので、この領域で（２）式および（４）式を実測値にフィッティングさせると、式中のフィッティング・パラメータである４つの回路定数（ｒｓ、Ｒｓｈ、Ｌ、Ｃｄ）を比較的容易に求めることができる。なお、（２）式をフィッティングする際、必ずしもこのような共振特性を利用する必要はないが、フィッティングの精度を向上させるには共振周波数Ｆｒｅｓの前後の周波数領域でフィッティングを行うのが望ましい。
【００３６】
図８は、太陽電池パネルのインピーダンス特性と、等価回路解析を行った結果の例を示す図である。図８では、共振周波数（Ｆｒｅｓ＝１．７７４ＭＨｚ）を含む領域として、周波数Ｆが５００ｋＨｚから４ＭＨｚまでの周波数領域でフィッティングを行った結果を示す。ここで、丸印はインピーダンスＺＰＶの実測値であり、実線は（１）式をフィッティングした結果である。実測値とフィッティングの結果は比較的良く一致しているのがわかる。このフィッティングにより得られた等価回路定数の値は、シリーズ抵抗ｒｓ＝１２．２Ω、寄生インダクタンスＬ＝３．２μＨ、シャント抵抗Ｒｓｈ＝５．３ｋΩ、接合容量Ｃｄ＝４．５ｎＦであった。このようにして太陽電池パネル１の等価回路定数を求めることができる。
【００３７】
次に、等価回路解析で得られる回路定数を基に太陽電池パネルを診断する方法及び、太陽電池パネル１の劣化度合いを診断した結果について説明する。ここでは、前述した太陽電池パネル１１を用いて、高温・高湿試験を実施し、試験後にパネルの発電特性および高周波特性を評価した。高温・高湿試験の条件は、気温が８５℃、湿度が８５％ＲＨである。なお、試験時間は１，０００時間および２，０００時間とし、試験前の初期値も含めて、計３回特性評価を行った。また、高周波特性評価の結果から、既に述べた計測・解析方法により、太陽電池パネル１１の等価回路定数（ｒｓ、Ｒｓｈ、Ｌ、Ｃｄ）を求めた。
【００３８】
表１は、太陽電池パネルに高温・高湿試験（１，０００時間、２，０００時間）を実施した後のパネルの等価回路定数（ｒｓ、Ｒｓｈ、Ｌ、Ｃｄ）と変換効率（η）の変化を示している。ここで、回路定数や変換効率の値は試験前の初期値で規格化している。高温・高湿試験１，０００時間経過後では、太陽電池パネルの変換効率ηは殆ど変化していない。しかしながら、パネルの回路定数に関しては、太陽電池セルの発電層の接合容量Ｃｄとシャント抵抗Ｒｓｈの値が試験前と比較して少し低下している。
【００３９】
【表１】
2014165232.tif 000007
【００４０】
すなわち、１，０００時間の高温・高湿試験では、太陽電池パネルの発電特性には殆ど変化は認められないが、発電層には、僅かな劣化が発生していることが認められる。この太陽電池パネル１１に高温・高湿試験を継続すると、表１に示すように、２，０００時間後には、変換効率ηは０．８６にまで大きく低下した。
一方、回路定数に関しては、配線の寄生インダクタンスＬや配線や電極部のシリーズ抵抗ｒｓは殆ど変化していないが、発電層の接合容量Ｃｄは０．８５に、シャント抵抗Ｒｓｈは０．９０に、大きく低下した。これらの結果から、発電層の劣化が変換効率ηの低下を引き起こしたといえる。また、配線や電極部に対応するシリ−ズ抵抗ｒｓの値が一定であることから、２，０００時間までの高温・高湿試験では、金属の腐食は起こっていないといえる。
【００４１】
このように、本発明の太陽光発電モジュールによれば、太陽電池パネルの変換効率が低下する前の、早い段階で、ＣｄやＲｓｈの低化を検知することができる。太陽電池パネル毎にインピーダンスの高周波特性を検出・算出し、そのデータを用いて太陽電池パネルの劣化を判定することにより、従来の発電量モニタリングに比べて、より敏感に劣化を検知することが可能である。
【００４２】
この発明にかかる太陽光発電モジュールは、太陽電池パネル１の出力線に、逆流防止ダイオードを含まない位置で、ブロッキングコンデンサを介して測定周波数可変の高周波信号を重畳し、出力線に取り付けた電圧・電流センサから重畳された高周波信号を検出し、得られた信号から高周波インピーダンスの周波数依存性を算出して、外部に送信する。太陽光発電システムは、得られたインピーダンス周波数依存性の共振点前後の特性から、太陽電池パネル１の高周波等価回路定数を求め、この等価回路定数の経時変化や、正常な太陽電池パネル１における回路定数を基準値として、その相対比較により太陽電池パネルの劣化状態や故障の有無を詳細に診断することができるものである。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態１では、高周波信号発生部２５の周波数を３００KHｚから１０MHｚまで等間隔で変化させた。しかし、インピーダンス測定におけるサンプリングは、必ずしも高周波信号の帯域全体で均等である必要は無い。図９は、高周波インピーダンス測定装置ＭＤで得られたインピーダンスの高周波特性の例を示すグラフであり、プロットの密度が周波数に対して一定ではない。すなわち、プロットが密な帯域では周波数に対して細かく特性を取得し、プロットが粗の帯域では粗く周波数特性を取得している。プロットが密な帯域は、共振周波数を中心にした帯域となっている。ここでは、測定対象の周波数範囲の中にあって、太陽電池パネル１の共振周波数を含む範囲の周波数帯における平均サンプリング間隔が、その外側の周波数帯における平均サンプリング間隔より小さく決められている。
【００４４】
このように、共振点の周辺の周波数帯と、共振点から離れた周波数帯で、高周波電流・電圧の検出および、インピーダンスの算出のサンプリング間隔を変化させてもよい。図９では、８００ｋＨｚから２．６ＭＨｚの間でサンプリング間隔＝１６ＫＨｚの密度の高いサンプリングを実施している。一方、上記周波数範囲の外側では、サンプリング間隔＝１６０ＫＨｚの密度の低いサンプリングを実施した。
共振周波数の周辺では特性の変化が急激であるが、それ以外では変化が緩やかであることから、得られるインピーダンス特性の精度は概ね同等であり、その特性から算出される等価回路定数も実施の形態１とほぼ同等の精度が得られる。この場合、重要な共振点前後の周波数帯域は以外の領域では粗く測定を行うので、検出および演算に要する時間が短縮できる。又、算出したインピーダンスデータの量を低減できるので、出力端子箱内の回路構成をコンパクトにできるとともに、転送するデータ量を削減できるという利点がある。そのため、多数の太陽光発電モジュールを用いた大規模な太陽光発電システムにおいても、短時間で太陽電池パネルの劣化状態や故障の有無を診断することができる。
【００４５】
実施の形態３．
実施の形態１では、太陽電池パネルの出力線に正弦波の高周波信号を重畳する場合について述べたが、出力線に矩形のパルス信号を重畳しても良い。図１０は、本実施の形態における太陽電池パネルの高周波インピーダンス測定装置の信号波形を示す図である。同図に示すパルス信号１０１を出力線３に重畳させた場合、電圧センサ３７からは下図に示した電圧波形１０２が得られた。同様に電流センサ３６においても、類似の電流波形が得られる。
得られた電圧波形および電流波形は、専用の演算部によりフーリエ変換を行うことで、正弦波の組み合わせに分解する計算が実行される。計算で得られた正弦波信号から、実施の形態１で述べた方法を用いて高周波インピーダンスを算出する。
重畳するパルス信号１０１の立ち上がり時間は、ｎｓｅｃオーダー（１ｎｓ以上１０ｎｓ以下）の値が選ばれる。パルスの繰り返し周期は１０ｎｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ程度から一つが選ばれる。パルス信号１０１は、立ち上がりが速いため高周波成分を含んでおり、本発明においては繰り返し周期に関わらず高周波信号と考えることができる。
【００４６】
なお、フーリエ変換して得られた正弦波からインピーダンスを算出する場合、実用的な電流・電圧信号として用いることができるのは、基本波〜５次波程度までとなる。したがって、基本波から５次波までの波形を用いてインピーダンス特性を得るには、基本波の周波数がインピーダンスの共振周波数以下の範囲になることが望ましい。
この場合、太陽電池パネルの出力線に矩形のパルス信号を重畳するので、パルス信号発生部はロジック回路の発生方式でよい。そのため、比較的簡単な構成で太陽電池パネルの劣化状態や故障の有無を診断するシステムを実現できる利点がある。
【００４７】
実施の形態４．
図１１は、上述の太陽光発電モジュールＧＭを用いた太陽光発電システムの構成を示す概略図である。このシステムにおいては、複数の太陽光発電モジュールＧＭが配置され、出力線３および通信手段２８が接続されている。通信手段２８は必ずしも有線でなくともよく、無線でもよいことは言うまでもない。出力線３は、パワーコンディショナ６０に接続され、パワーコンディショナ６０で直流電流が交流電流に変換される。通信手段２８は、ホストコンピュータＨＣに接続されて、太陽光発電モジュールＧＭからのインピーダンス情報をホストコンピュータＨＣに送信するとともに、ホストコンピュータＨＣからの指令を太陽光発電モジュールＧＭに送信する。通信手段２９は、パワーコンディショナ６０とホストコンピュータＨＣを接続するデータ伝送手段であり、ホストコンピュータＨＣにパワーコンディショナ６０の運転状況に関する情報を伝達することが出来る。
図１２は、太陽光発電モジュールＧＭ裏面の構成を示す図である。出力線３および通信手段２８が出力端子箱２に接続され、太陽電池パネル１の裏面に取り付けられている。出力端子箱２には、高周波インピーダンス測定装置ＭＤが実装されており、制御部２１、データ通信部２２を経てホストコンピュータＨＣにデータが送信される。ホストコンピュータＨＣでは、得られたインピーダンスの高周波特性からそれぞれの太陽電池パネル１について等価回路定数を算出し、基準値との比較により太陽電池パネル１の劣化の程度を検出する。
【００４８】
上記のような太陽光発電システムは、ホストコンピュータＨＣからデータ通信部２２を経て制御部２１に対して、高周波インピーダンス測定装置ＭＤの動作を制御してもよい。高周波インピーダンス測定装置ＭＤを制御することで、太陽光発電システム全体の各太陽電池パネル１のインピーダンス測定を順次実行すれことができる。インピーダンス測定は、日光の当らない夜間が好ましいため、ホストコンピュータＨＣに内蔵されている時計を用い、日没とともに各モジュールにおいて自動的に測定を開始して不具合の発生の有無を調査することができる。不具合の発生した太陽光発電モジュールを検知した場合は、太陽電池パネル１の交換や、出力端子箱２の修理など、早急に必要なメンテナンスを行なうことにより、日中の発電量が低減しないように太陽光発電システムを運用することが可能になる。
【符号の説明】
【００４９】
１  太陽電池パネル
２  出力端子箱
３  出力線
２１  制御部
２２  データ通信部
２３  インピーダンス算出部
２４  電流・電圧検出部
２５  高周波信号発生部
２６  逆流防止ダイオード
２７  電源部
３３  高周波信号源
３４  ブロッキングダイオード
３６  電流センサ
３７  電圧センサ
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図１１】
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【図１２】
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