(57)【要約】【課題】太陽電池による融雪を効率良く行なうこと、および電力変換手段の耐久性を向上させること。【解決手段】複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、前記制御手段でもって今回通電させるストリングへの通電時間と次回に通電させるストリングへの通電時間とを、オーバーラップさせるように前記スイッチング手段を開閉させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、前記制御手段でもって今回通電させるストリングへの通電時間と次回に通電させるストリングへの通電時間とを、オーバーラップさせるように前記スイッチング手段を開閉させることを特徴とする融雪機能付き太陽光発電システム。
【請求項２】
前記外部電源は電力系統であり、該電力系統と前記太陽電池アレイとの間に、交流電力を直流電力に変換し、かつ直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の融雪機能付き太陽光発電システム。
【請求項３】
前記ストリングが設置屋根の傾斜方向に対し直交する方向に設けられており、最も軒側の前記ストリングから最も棟側のストリングにかけて、順次、通電時間が短くなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の融雪機能付き太陽光発電システム。
【請求項４】
複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、さらに、前記ストリングごとに接続された電圧センサと、前記制御手段に接続した日射計および温度センサとを有し、これら電圧センサ、日射計および温度センサから得られる情報から、前記制御手段が積雪のあるストリングを判別し、そのストリングのみに通電を行なうことを特徴とする融雪機能付きの太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は太陽電池モジュールを融雪板として利用する融雪機能付き太陽光発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池の出力をインバータにて交流に変換し、外部電源と連系する系統連系システムが実用化されている。この系統連系システムにおいては、図４（ａ）に示すように、太陽電池２０で発電した直流電力は、パワーコンディショナ等の電力変換手段１０にて例えば交流の２００Ｖに変換され、商用電力系統等の外部電源１６と連系接続されている。
【０００３】
ところで積雪の多い地域では家屋等の屋根上に積もった雪の重量により家屋が損傷を受けないように、屋根上に融雪装置を設置して積もった雪を解かかしたり、滑り落としたりする融雪装置や落雪装置が用いられているが、その一方式として太陽電池に外部から電力を印加して発熱させる方法がある。この方法では太陽電池を発電装置としてだけでなく融雪もしくは落雪装置としても利用できるため、融雪装置や落雪装置を太陽光発電装置とは別に設けなくてよく、設置場所の問題や重量増加が生じない。しかも融雪や落雪をすることで太陽電池の発電回復を促進できるので、発電電力量の改善にもなる。また、融雪に較べて落雪は太陽電池上に積もった雪の一部を解かすことで雪を落すことができるので加熱に必要な電力が少なくて済む。なお、融雪装置は雪をなるべく落さないよう雪を解かす間、雪が滑り落ちていかないよう屋根上に雪止め装置が設けられているが、融雪中に雪が自重で屋根斜面を滑り落ちるように雪止め装置を設けないようにすれば落雪装置としても働くので、設置するシステムの構成によって融雪、落雪どちらにすることも可能である。
【０００４】
一般に、太陽電池式式融雪装置もしくは落雪装置は、融雪時には外部電源１６から供給される交流電力を双方向タイプ（系統連系および太陽電池への電力供給機能を有する）の電力変換手段で直流電力に変換し、融雪制御を行なう制御手段１７を有する接続箱１８に結線された各太陽電池２０（２０ａ〜２０ｎ）に前記直流電力を供給する。この時そのままでは逆流防止ダイオード１２のため太陽電池側に電力を印加できないので、スイッチング手段１１を前記逆流防止ダイオード１２をバイパスするように配する。前記スイッチング手段１１の駆動は制御手段１７により行なわれる。外部から電力を入力された太陽電池は発熱し、その熱により太陽電池上の雪が解かされる。このとき太陽電池２０に熱電対等の温度センサ１５を取り付けておき、雪がなくなったかを検知できるようにすると良い。また、降雪センサー１４や日射計１３を設けて積雪状態や融雪／落雪状態をより確実に判断できるようにすると良い。一方、太陽光発電装置の太陽電池は図４（ｂ）に示すように家屋等の屋根上に複数枚の太陽電池が配された太陽電池アレイ２１となっている。一般に太陽電池アレイは系統連系を行なう電力変換手段への入力電圧の定格（およそ２８０〜３４０Ｖくらい）に合わせて直列接続数が制限されるため、ストリングと称される直列接続が複数構成されたものであることが多い（ストリング２０ａ〜ストリング２０ｅ）。そこで図４（ａ）の接続箱１８にある逆流防止ダイオード１２、スイッチング手段１１はこのストリングスの数だけ必要となるが、ストリングが増えることは並列数が増えることであり、融雪に必要な電流が大きくなる。そのため電力変換手段１０の電流供給能力が不足する場合も生じ、容量の大きな電力変換手段が必要になるといった問題が生じる。また、全ストリングスに同時に電力を供給すると、各ストリングのインピーダンスの違いにより一部のストリングに電流が集中してしまい、温度上昇にムラが生じたり、太陽電池を破損させたりするので、各ストリングに均等に電流が流れるようにする機器を接続箱１８内に設けなければならず、部品点数の増加や重量増、接続箱の大型化といった問題があった。そこで、スイッチング手段１１を同時にＯＮにせず、各ストリングスを順番に通電し、ＯＮ状態とＯＦＦ状態をローテーションさせることで太陽電池を加熱するようにして、電力変換手段の電力容量を増やさずに済み、大型化させずに済む方法が提案されている。（例えば特許文献１を参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２５１６１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の方法においては、図５に示すように、太陽電池２０への電力供給において、電力を印加するストリングを変更するときに一旦電力をＯＦＦにしてから次のストリングへの電力印加をＯＮにするため、ストリングの数が増えると１ストリングでは数秒のＯＦＦ状態（Ｔ１ｂ）でもストリングトータルでは停止総時間が増加し、冷却時間が長くなるために加熱の効率低下が生じる。また、電力変換手段１０の出力を頻繁にＯＮ−ＯＦＦさせることにより、過度の電流が流れないようにする制御等を行なうことから電源用素子（ＩＧＢＴトランジスタ等）などに負担がかかり、パワーサイクルの寿命（ある電力でＯＮ−ＯＦＦした場合の寿命）が短くなるといった問題も生じる。
【０００７】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、太陽電池による融雪を効率良く行なうこと、および電力変換手段の耐久性を向上させることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の融雪機能付き太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、前記制御手段でもって今回通電させるストリングへの通電時間と次回に通電させるストリングへの通電時間とを、オーバーラップさせるように前記スイッチング手段を開閉させることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、全てのストリングに対しひととおり通電する１サイクルの時間を短縮することができ、その結果、各ストリングにおける通電時間に対する非通電時間の割合を小さくすることができる。したがって、太陽電池による落雪または融雪を効率良く行なうことができる。
【００１０】
次に、請求項２の融雪機能付き太陽光発電システムは、前記外部電源は電力系統であり、該電力系統と前記太陽電池アレイとの間に、交流電力を直流電力に変換し、かつ直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、通電するストリングを切り替える際に通電の途切れがないので、電力変換手段の出力を頻繁にＯＮ−ＯＦＦする必要がない。したがって、電源用素子（ＩＧＢＴトランジスタ等）などに負担をかけないので、電力変換手段の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
また、請求項３の融雪機能付き太陽光発電システムによれば、前記ストリングが設置屋根の傾斜方向に対し直交する方向に設けられており、最も軒側の前記ストリングから最も棟側のストリングにかけて、順次、通電時間が短くなるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、最も軒側の前記ストリングから最も棟側のストリングにかけて、順次、通電時間が短くなるようにしたことから、融雪／落雪いずれにおいても上方から落ちてくる雪塊や流れてきた冷水による再凍結を処理する能力が向上する。
【００１４】
また、請求項４の融雪機能付き太陽光発電システムによれば、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、さらに、前記ストリングごとに接続された電圧センサと、前記制御手段に接続した日射計および温度センサとを有し、これら電圧センサ、日射計および温度センサから得られる情報から、前記制御手段が積雪のあるストリングを判別し、そのストリングのみに通電を行なうことを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、各ストリングにそれぞれ接続された電圧センサと、前記制御手段に接続した日射計および温度センサとを有し、これら電圧センサ、日射計および熱電対から得られる情報から、ストリング上の積雪の有無を自動的に判別し、積雪のある場合に融雪機能を作動させることができる。さらに、積雪のあるストリングを特定し、そのストリングのみに通電を行なうことができるので、太陽電池による融雪を効率良く行なうことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１、図２に従い本発明に係る第１実施形態について説明する。
【００１７】
図１に示すように、融雪／落雪機能付き太陽光発電装置は、ｎ個の太陽電池ストリングで構成される太陽電池アレイ２１と、各太陽電池ストリングスで発電された直流電力を結合する接続箱８、前記接続箱８で結合された直流電力を交流電力に変換して商用電力系統等の外部電源１６に系統連系するパワーコンディショナ等の電力変換手段７とから構成される。前記電力変換手段７は外部電源１６の電力を用いて太陽電池２０側に直流電力を供給することができる双方向型と呼ばれるものが使用される。
【００１８】
太陽電池が発電状態である時、各太陽電池ストリング２０（２０ａ〜２０ｎ）で発電された電力は接続箱８に入り、前記接続箱８内に各ストリングごとに配された逆流防止ダイオード１２を介して全てのストリングスの出力が結合される。結合された電力は電力変換手段７に入力され、直流電力を交流電力に変換した後、外部電源１６に送られて商用負荷で消費されたり、電力会社に売電される。
【００１９】
一方、太陽電池２０に積雪が生じた時は、電力変換手段７により外部電源１６の交流電力が直流電力に変換され、太陽電池側に供給される。接続箱８内には逆流防止ダイオード１２をバイパスさせるスイッチング手段１１が各ストリングスごとに配されており、前記直流電力が太陽電池２０に流れるようにしている。前記スイッチング手段１１のＯＮ−ＯＦＦ制御は同じく接続箱８内にある制御手段６にて行なわれており、融雪／落雪の状態を外部センサーである温度センサ１５や降雪センサー１４を接続することにより、より正確な制御を行なう事が可能となる。また、前記制御手段６は電力変換手段７と連系した制御とする事が望ましく、このようにすることで融雪／落雪制御への切替を容易に判断もしくは知る事ができるようになるだけでなく、日射計１３や温度センサ１５による情報で電力変換手段７の最大出力点への追従・予測制御を向上させたり、制御手段６の主制御を電力変換手段７側に兼任させることにより部品点数を削減したり、制御手段６を小型化して接続箱８の大型化を防止することができる。
【００２０】
次に融雪／落雪制御について説明する。図２に示すように、６個のストリングで構成される太陽電池アレイにおいて、屋根の軒側をストリング１、一番棟側をストリング６とした場合、まずストリング１へ電力を供給し、太陽電池を加熱する。次にＴ４ａ時間後に前記ストリング１に電力を供給した状態でストリング２にも電力を供給し、Ｔ４ｇ時間後にストリング１への電力供給を停止する。同様にＴ４ｂ時間後にストリング３へ電力供給を開始し、そのＴ４ｇ時間後にストリング３への電力供給を停止する。このようにストリングへの電力供給を停止するＴ４ｇ時間前に次に電力供給するストリングへの電力供給を開始し、軒側の太陽電池ストリングから順番に棟側の太陽電池ストリングへ電力供給を移動させる。最終的に棟側の太陽電池ストリングを加熱したらＴ４ｆ時間後に再びストリング１へ電力供給を開始し、太陽電池上の雪の融雪もしくは落雪が完了するまで前記動作を繰り返す。なお、各ストリングスへの電力供給は各ストリングスに配されたスイッチング手段１１を制御手段６でＯＮ−ＯＦＦ制御することにより行なわれる。また、軒側の太陽電池ストリングから電力を供給するのは、屋根斜面下部の雪を解かすことによって斜面上部の自重により落雪が加速されること、及び再凍結しないように配慮したものであり、融雪を行なう場合はこの限りではない。
【００２１】
一方、斜面に積もった雪は必ず下方に落ちるので、例えば軒側のストリング１への電力供給時間を一番長く、棟側に行くほど短くすれば、融雪／落雪いずれにおいても上方から落ちてくる雪塊や流れてきた冷水による再凍結を処理する能力が向上し、結果的に発電再開までの時間を短く出来る。また、図３（ｂ）に示すように、融雪もしくは落雪が進み、ストリング４、５、６に積雪が残った時にはストリング１、２、３への電力供給を停止し、ストリング４、５、６のみで融雪もしくは落雪動作のサイクルを実行すれば、融雪に要する電力を削減することができる。
【００２２】
この制御手段により、電力を印加するストリングを変更するときにＯＦＦ状態（Ｔ４ｇ）が生じないため、冷却時間を最小限にして加熱の効率低下が生じにくい。また、ストリングへの電力供給が途切れず、またストリングに重複して電力供給する場合でも電力変動が小さくできるので、電力変換手段７の出力を頻繁にＯＮ−ＯＦＦさせることがなく、過度の電流が流れることも少ないので電源用素子（ＩＧＢＴトランジスタ等）などへの負担が少なく、パワーサイクルの寿命（ある電力でＯＮ−ＯＦＦした場合の寿命）を延ばす事ができる。また、電力変換手段の停止時間を無くすことにより、再起動時に電源用コンデンサーなどへかかる突入電流の印加回数が少なくなり、他の電子部品の寿命も延ばすことが出来る。
【００２３】
次に本発明に係る他の実施形態について説明する。
【００２４】
図５（ａ）に示すように、太陽電池式融雪／落雪装置の主な構成は前記の図１と同様であるが、接続箱８内に太陽電池２０の発電電圧を検知する電圧センサー９を設けている。前記電圧センサー９は検知した電圧データーを制御手段６に送るようにしており、日射計１３で日射量が十分であることが検知されているのに太陽電池２０の各ストリングの発電電圧が不充分であるときには、太陽電池２０に取り付けられた熱電対等の温度センサ１５などで得られる太陽電池温度や周囲温度の情報と合わせて制御手段６もしくは電力変換手段１０で総合的に判断し、必要なストリングへ融雪または落雪の動作を行なうようにする。この方法であれば融雪動作を行なっている最中にそれ以外の太陽電池２０の発電電圧を監視することが容易となり、先に述べた図５（ｂ）のような融雪／落雪が完了した太陽電池には電力供給を行なわないようにする制御において、一旦融雪／落雪が完了したと判断した太陽電池に再度積雪が生じたかどうかを検知し、再度融雪／落雪制御のサイクルに組み込むといった状況に合わせた制御が行なえるようにできる。
【００２５】
【発明の効果】
上記説明したように本発明の太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、前記制御手段でもって今回通電させるストリングへの通電時間と次回に通電させるストリングへの通電時間とを、オーバーラップさせるように前記スイッチング手段を開閉させることから、全てのストリングに対しひととおり通電する１サイクルの時間を短縮することができ、その結果、各ストリングにおける通電時間に対する非通電時間の割合を小さくすることができる。したがって、太陽電池による落雪または融雪を効率良く行なうことができる。
【００２６】
次に、前記外部電源は電力系統であり、該電力系統と前記太陽電池アレイとの間に、交流電力を直流電力に変換し、かつ直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を設けた場合、通電するストリングを切り替える際に通電の途切れがないので、電力変換手段の出力を頻繁にＯＮ−ＯＦＦする必要がない。したがって、電源用素子（ＩＧＢＴトランジスタ等）などに負担をかけないので、電力変換手段の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
また、前記ストリングが設置屋根の傾斜方向に対し直交する方向に設けられており、最も軒側の前記ストリングから最も棟側のストリングにかけて、順次、通電時間が短くなるようにした場合、最も軒側の前記ストリングから最も棟側のストリングにかけて、順次、通電時間が短くなるようにしたことから、融雪／落雪いずれにおいても上方から落ちてくる雪塊や流れてきた冷水による再凍結を処理する能力が向上する。
【００２８】
次に、本願の別発明に係る融雪機能付き太陽光発電システムによれば、複数の太陽電池モジュールを直列接続してなるストリングを複数並列接続した太陽電池アレイと、前記ストリングごとに設けられた開閉可能なスイッチング手段と、該スイッチング手段の開閉を個別に行なう制御手段とを備え、前記スイッチング手段を介して前記ストリングと外部電源とを接続可能にして成り、前記制御手段によって該スイッチング手段を閉成し、かつ前記外部電源によって前記ストリングごとに順次通電し、前記ストリングを発熱させることで前記太陽電池モジュールの表面に積もった雪を融解させる融雪機能付き太陽光発電システムであって、さらに、前記ストリングごとに接続された電圧センサと、前記制御手段に接続した日射計および温度センサとを有し、これら電圧センサ、日射計および温度センサから得られる情報から、前記制御手段が積雪のあるストリングを判別し、そのストリングのみに通電を行なうことから、各ストリングにそれぞれ接続された電圧センサと、前記制御手段に接続した日射計および温度センサとを有し、これら電圧センサ、日射計および熱電対から得られる情報から、前記制御手段がストリング上の積雪の有無を自動的に判別し、積雪のある場合に融雪機能を作動させることができる。さらに、積雪のあるストリングを特定し、そのストリングのみに通電を行なうことができるので、太陽電池による融雪を効率良く行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の融雪機能付き太陽光発電システムの概略回路構成図である。
【図２】図１の太陽光発電システムにおける、太陽電池への電力供給の形態を説明するタイムチャート図である。
【図３】本願別発明に係る太陽光発電システムの形態を示す概略説明図であり、（ａ）はシステム構成を示すブロック図、（ｂ）は太陽電池への電力供給の形態を説明するタイムチャート図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は従来の融雪／落雪制御付き系統連系システムの形態を示す概略説明図であり、（ａ）はシステム構成を示すブロック図、（ｂ）は太陽電池の配設の状態を示す斜視図である。
【図５】従来の融雪／落雪制御付き系統連系システムにおける、太陽電池への電力供給の形態を説明するタイムチャート図である。
【符号の説明】
６：制御手段
７：電力変換手段
８：接続箱
９：電圧センサー
１０：電力変換手段
１１：スイッチング手段
１２：逆流防止ダイオード
１３：日射計
１４：降雪センサ
１５：温度センサ
１６：外部電源
１７：制御手段
１８：接続箱
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｎ：太陽電池
２１：太陽電池アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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