(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から供給される電力を単相三線式200Vの交流電力形態に変換する入出力が非絶縁のインバータと、
前記インバータに組み込まれた地絡検出センサと、
前記単相三線式200Vのラインと、一線が接地された単相二線式100Vの電力系統とを接続する入出力が非絶縁のトランスと、
前記単相三線式200Vが接続される前記トランスの巻線のセンタタップと、前記電力系統の接地側電線とを接続して、前記センタタップを接地電位にする非絶縁化結線とを有することを特徴とする系統連系装置。
【請求項２】
直流電源から供給される電力を単相三線式200Vの交流電力形態に変換する入出力が非絶縁のインバータと、
前記インバータに組み込まれた地絡検出センサと、
前記単相三線式200Vのラインと、一線が接地された単相二線式100Vの電力系統とを接続する入出力が非絶縁のトランスと、
前記単相三線式200VのUまたはV相電線と、前記電力系統の非接地側電線とを接続する非絶縁化結線とを有することを特徴とする系統連系装置。
【請求項３】
前記トランスは単巻トランスであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された系統連系装置。
【請求項４】
前記直流電源は太陽電池であることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載された系統連系装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池などの発電電力を電力系統へ連系する系統連系装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
住宅用の太陽光発電システムの普及が拡大し、そのコストダウンが進んでいる。図1は典型的な住宅用の太陽光発電システムの構成例を示す図である。
【０００３】
図1において、太陽電池1から出力される直流電力は、入出力が非絶縁の系統連系インバータ（以下、単に「インバータ」と呼ぶ）8によって交流電力に変換され、中点電位線（以下「中性線」と呼ぶ）が柱上変圧器のアース91によりB種接地された、単相三線式の200V系統（以下、単に「系統」と呼ぶ）9に接続される。
【０００４】
系統連系型の太陽光発電システムに入出力が非絶縁のインバータを用いると、太陽電池1と系統9とが非絶縁になる。このため、太陽電池1の対地電位は固定され、交流側の地絡と同様に、一点地絡で地絡電流が流れる。そこで、インバータ8には、太陽電池1における地絡を検出する目的で、電流検出型の地絡センサ89が備えられる。
【０００５】
また、インバータ8の電力回路は、コストダウンのために、単相二線式200V出力として構成される。そのため、インバータ8と系統9との間において、中性線は他の二線の電圧を検出する目的にのみ使用され、中性線には電流は流れない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の太陽光発電システムの適用範囲の拡大に伴い、単相100V系統への連系が要望されている。この要望に応えるためには、単相二線式100V出力の非絶縁型インバータを単相100V系統へ連系する方法が最も容易である。しかし、単相二線式100V出力の非絶縁型インバータを新規に開発すれば開発コストを必要とする。従って、現在市場に最も多く出回っている単相二線式200V出力のインバータを利用できれば好ましい。
【０００７】
単相二線式200V出力のインバータは、中性線に電流を流さない構成になっているため、単相三線式200V出力のうち片側（O相と、UまたはV相との二線）と単相100V系統の二線を接続して連系することは不可能である。
【０００８】
そこで、図2に示すように、絶縁トランス（以下、単に「トランス」と呼ぶ）10を利用することが考えられる。このような構成をとれば、単相二線式200V出力のインバータ8と単相100V系統4との連系が可能になる。しかし、このような構成には次の問題がある。
(1) 地絡センサ89は、太陽電池1の対地電位が固定されていることが前提であり、図2の構成では、太陽電池1における一点地絡を検出することができない。
(2) 一般に、トランス10は大きく、重く、かつ、高価である。
【０００９】
また、単相二線式100V出力のインバータを使用すれば、直流回路の対地電位は固定される。しかし、単相二線式100V出力のインバータは、そのインバータ回路の種類によっては、交流側で逆接続、つまり接地側の電線Nと非接地側の電線Hの接続を間違えると対地容量11を通して過大な漏れ電流が生じ、地絡センサ89の誤動作や漏電ブレーカの遮断などが発生する。とくに、金属屋根一体型の太陽電池の場合、対地容量11が大きく、上記の逆接続の防止が必須である。
【００１０】
本発明は、市場に出回っているインバータを系統連系装置で利用可能にすることを目的とする。
【００１１】
また、インバータに組み込まれた地絡センサによる、直流電源の一点地絡の検出を可能にすることを他の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１４】
本発明にかかる系統連系装置は、直流電源から供給される電力を単相三線式200Vの交流電力形態に変換する入出力が非絶縁のインバータと、前記インバータに組み込まれた地絡検出センサと、前記単相三線式200Vのラインと、一線が接地された単相二線式100Vの電力系統とを接続する入出力が非絶縁のトランスと、前記単相三線式200Vが接続される前記トランスの巻線のセンタタップと、前記電力系統の接地側電線とを接続して、前記センタタップを接地電位にする非絶縁化結線とを有することを特徴とする。
【００１５】
また、直流電源から供給される電力を単相三線式200Vの交流電力形態に変換する入出力が非絶縁のインバータと、前記インバータに組み込まれた地絡検出センサと、前記単相三線式200Vのラインと、一線が接地された単相二線式100Vの電力系統とを接続する入出力が非絶縁のトランスと、前記単相三線式200VのUまたはV相電線と、前記電力系統の非接地側電線とを接続する非絶縁化結線とを有することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる一実施形態の系統連系型の発電システムを図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
以下では、系統連系型の太陽光発電システムを説明するが、太陽電池の代わりに一次電池、二次電池および燃料電池などの電池などの各種直流電源を使用する発電システムにも本発明を適用することができる。さらに、回転形の発電機などの各種交流電源の電力を整流して得た直流電力を使用する、または、これらの組み合わせであっても何ら問題はない。なお、これら直流電源や交流電源が電圧源か電流源かは問わない。
【００２０】
また、太陽電池を使用する場合、その太陽電池にはアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンまたはこれらの組み合わせ、あるいは、化合物半導体などの材料を用いることができる。通常は、複数の太陽電池モジュールを直並列に組み合わせて、所望の電圧および電流が得られるように太陽電池アレイを構成するが、本発明は太陽電池アレイの構成形態や太陽電池モジュールの使用数には依存しない。
【００２１】
【第１実施形態】
［構成］
図3は第1実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図である。なお、図1および図2に示した構成と略同様の構成には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００２２】
インバータ8は、電流検出型の地絡センサ89を有する入出力が非絶縁の電力変換装置で、太陽電池1により発電された直流電力を交流電力に変換して、単相200Vの交流電力を出力する。なお、インバータ8の出力は、単相三線式に対応する三つの端子を有するが、O相端子はインバータ8の内部回路には接続されていないので、インバータ8は実質的に単相二線式200Vのインバータである。
【００２３】
トランス10は、入出力が非絶縁のトランスで、インバータ8側の単相三線式200Vの交流電力を単相二線式100Vの交流電力に変換し、単相二線式100Vの系統4へ接続する。系統4は、系統連系システムが連系される単相二線式100Vの商用電力系統で、二線のうち一線が、柱上変圧器のアース91によりB種接地されている。
【００２４】
インバータ8は、主として、＋および−入力端子間に入力される直流電圧を昇圧するためのコンバータ部27、コンバータ部27の出力を交流電力に変換し、UおよびV相端子に出力するインバータ部28、地絡センサ89、並びに、筐体を接地するためのFG端子で構成される。
【００２５】
UおよびV相端子はトランス10の非接地端子に接続される。また、O相端子は中性線を介してトランス10の接地端子に接続される。
【００２６】
コンバータ部27およびインバータ部28は、パワートランジスタ、MOSFET、IGBT、GTOなど、あるいは、これらの組み合わせを含む各種自己消弧形スイッチング素子と、インダクタ、キャパシタおよびダイオードなどの素子とで構成される。
【００２７】
具体的には、コンバータ部27は、スイッチング素子273、昇圧用のインダクタ271、逆流防止用のダイオード274、並びに、平滑用のキャパシタ272および275で構成される一般的なチョッパ回路である。
【００２８】
また、インバータ部28は、四つのスイッチング素子281〜284から構成されるフルブリッジ回路、並びに、インダクタ285および286で構成される。これらのスイッチング素子を適宜スイッチすることにより、フルブリッジ回路は、矩形波状の交流電圧波形を生成し出力する。インダクタ285および286は、インバータ8の連系リアクトルで、インバータ8から出力される交流電流の波形を正弦波状に整形する。
【００２９】
地絡センサ89は、インバータ8の非接地線（UおよびV相端子）に流れる電流の和（非地絡時はほぼ零）を検出することで、太陽電池1における地絡を検出する。
【００３０】
トランス10は、一次（200V側）-二次（100V側）間が非絶縁のトランスで、二次側の接地側電線Nが接続される端子と、一次側の中性線が接続される端子（センタタップ）とを短絡接続（以下「非絶縁化結線」と呼ぶ）12することで、一次-二次間が非絶縁化されている。また、トランス10の一次対二次の巻線比は2:1である。
【００３１】
また、太陽電池1と接地電位の間に接続される模擬地絡装置111は、図3に示す装置の動作確認用である。
【００３２】
［動作］
次に、図3に示す装置の動作を説明をする。
【００３３】
図3に示す系統連系発電装置において、模擬地絡装置111により太陽電池1を地絡させて、地絡センサ89の動作を確認する。その際の実験条件は、太陽電池1の出力電圧が約200V、発電電力は約3.2kW、インバータ8の出力電力が約3kW、模擬地絡装置111の地絡抵抗と、アース91の接地抵抗との合計が約500Ωである。
【００３４】
上記の実験の結果、地絡電流が約0.4Aが流れ、地絡センサ89により地絡電流が検出されることが確認された。また、図2に示す系統連系発電システムにおいて、上記と同様の実験を行ったところ、地絡電流は流れず、地絡センサ89は地絡電流を検出しなかった。
【００３５】
このように、第1実施形態の系統連系型の発電装置においては、電流検出型の地絡センサ89を有する入出力が非絶縁のインバータ8により直流電力を交流電力に変換して、単相三線式200Vの交流電力として出力し、入出力が非絶縁のトランス10を介して単相二線式100Vの系統4へ接続する。従って、現在市場に最も多く出回っている単相二線式200V出力のインバータ8を利用して、単相二線式100Vの系統4に連系する、安価な系統連系型の発電装置を提供することができ、インバータ8に内蔵された地絡センサ89により太陽電池1の地絡を検出することができる。
【００３６】
なお、第1実施形態の構成は、太陽電池1の対地電位が固定される構成であればよく、上記に限定されるものではない。
【００３７】
例えば、インバータ8のO相端子と、トランス10のセンタタップとが接続されていれば、インバータ8のUおよびV相端子と、トランス10の一次側の他の二つの端子の接続は任意である。
【００３８】
また、非絶縁化結線12は、接地側電線Nとトランス10のセンタタップとを結ぶのが好ましいが、一次側の他の二線（UまたはV相電線）と非接地側電線Hとを結んだとしても、太陽電池1の対地電位が固定されるので、地絡センサ89は機能する。勿論、非絶縁化結線12は抵抗器やキャパシタなどを介しても構わない。
【００３９】
さらに、インバータ8のO相端子（またはトランス10のセンタタップ）を接地すれば、太陽電池1の対地電位を固定することができるので、トランス10の非絶縁化結線12が不要になり、地絡センサ89も機能する。
【００４０】
また、インバータ8の内部構成は図3に限定されるものではなく、電流検出型の地絡センサを有し、入出力が非絶縁で直流電力を単相二線式200Vの交流電力に変換するものであればよい。
【００４１】
【第２実施形態】
以下、本発明にかかる第2実施形態の系統連系発電システムを説明する。なお、本実施形態において、第1実施形態と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００４２】
［構成］
図4は第2実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図である。
【００４３】
インバータ9は、電流検出型の地絡センサ89を有する入出力が非絶縁の電力変換装置で、太陽電池1により発電された直流電力を交流電力に変換して、単相100Vの交流電力を出力する、単相二線式100Vのインバータである。インバータ9の単相二線式100Vの交流電力は、単相二線式100Vの系統4へ接続される。
【００４４】
インバータ9は、主として、＋および−入力端子間に入力される直流電圧を昇圧するためのコンバータ部27、コンバータ部27の出力を交流電力に変換し出力するインバータ部58、地絡センサ89、筐体を接地するためのFG端子、誤接続検知部520、警報部521、並びに、インバータ9と系統4との開閉を行う開閉器522で構成される。
【００４５】
インバータ部58は、キャパシタ581および582と、スイッチング素子583および584とから構成されるハーフブリッジ回路、並びに、インダクタ586で構成される。これらのスイッチング素子を適宜スイッチすることにより、ハーフブリッジ回路は、矩形波状の交流電圧波形を生成し出力する。インダクタ586は、インバータ9の連系リアクタで、インバータ9から出力される交流電流の波形を正弦波状に整形する。なお、比較的出力電力が小さいインバータに使用されるハーブブリッジ回路は、第1実施形態で説明したフルブリッジ回路に比べてスイッチング素子を少なくすることができる。インバータ9では、さらに連系リアクタも一つにしているので、スイッチング素子および連系リアクタを減らした分、小型、軽量かつ低コストになる。
【００４６】
［対地容量の影響］
図6および図7は、太陽光発電システムの各部対地電位を模式的に説明した図であり、図6は、インバータ9と系統4が正常な接続（系統4の接地側がN端子と接続）状態、図7は前記インバータ9と系統4が誤接続（系統4の接地側がH端子と接続）状態をそれぞれ示している。
【００４７】
インバータ部58は、N端子をゼロ点として、インバータ5の出力である実効値100Vの交流電圧波形を生成する。またコンバータ部27は、実効値100Vの波高値である約141Vの二倍以上の直流電圧を出力する。本実施例では、回路構成上、直流電圧はN端子を基準として±175Vとなる。
【００４８】
いま、太陽電池1の出力電圧がX[V]の場合、正常な接続状態では、図6より太陽電池1の対地電位の平均値は直流-175+X/2[V]となる。一方、誤接続状態では、図7よりN端子の対地電位が交流100Vであるため、平均値は直流(-175+X/2)V＋交流100Vとなる。
【００４９】
一般的に、太陽電池1の出力電圧は数百[V]程度で、結果として平均値も直流数百[V]程度となるので、正常な接続状態では太陽電池1とグランド間の絶縁抵抗は数MΩ以上確保されている。従って、正常な接続状態では、太陽電池1のグランドへ流れる地絡電流はほぼゼロである。
【００５０】
一方、図7で示すように誤接続状態では、太陽電池1の対地電位の平均値に対して、交流100Vが印加されるため、対地容量11を通じて太陽電池1からグランドへ地絡電流が流れ、系統連系システムの漏電ブレーカが作動する。
【００５１】
対地容量11は、太陽電池1と接地電位間の静電容量で、標準日射で1kW相当の電力を発電する太陽電池で約1μFである。対地容量11が1μF、太陽電池1の接地抵抗と系統4の接地抵抗の合計が500Ωだとすると、100/√[5002+{1/(ω×10-6)}2]であるから、50Hzで30mA強の、60Hzで40mA弱の地絡電流ILが発生する。この電流値は漏電ブレーカを遮断させるのに十二分な値である。
【００５２】
［誤接続検知部］
上記の誤接続により地絡電流が流れると漏電ブレーカが動作してインバータ9と系統4とが遮断される。インバータ9と系統4との遮断自体は、誤接続を直せば済むことであるが、漏電ブレーカの遮断により、系統4から電力の供給を受けている需要家内の負荷（電気・電力機器）も停電することになるので、誤接続による漏電ブレーカの遮断を防ぐ対策が必要である。
【００５３】
そこで、インバータ9を系統4に接続しようとする場合は、開閉器522を開状態にした後、接続を行う。開閉器522が開状態であれば誤接続しても地絡電流は流れず、漏電ブレーカは動作しない。
【００５４】
さらに、誤接続検知部520は、図5に示すように、電圧検出部5201によりインバータ9のN端子とFG端子との間の電圧（絶対値）を検出し、検出された電圧と所定値（例えば20V）とを比較器5202により比較する。もし、検出された電圧が所定値を超える場合、警報部521が駆動され、誤接続が警告される。
【００５５】
なお、警報部521としては、光、音、機械的振動、電気信号や光信号などによって、誤接続を人や情報端末などに伝達するものであればよい。また、誤接続検知部520や警報部521への電力は、系統4または太陽電池1のどちらかでも供給可能であるし、一次電池や二次電池から供給することもできる。
【００５６】
図9はインバータ9を系統4に接続する場合の作業手順を示すフローチャートである。
【００５７】
ステップS1で開閉器522を開状態にし、ステップS2で系統4とインバータ9とを接続する。そして、ステップS3で誤接続の警報が発せられたか否かを判断する。警報が発せられた場合はステップS4で系統4とインバータ9との接続をやり直す（つまり、NおよびH端子の接続を反転する）。そして、ステップS5で開閉器522を閉状態にして、系統連系発電システムの運転を開始する。なお、インバータ9と系統4の接続完了後、誤接続検知部520や警報部521への電力供給をオフにしてもよい。
【００５８】
このように、インバータ9のN端子の対地電位を検出することにより、系統4とインバータ9との誤接続を検知して警報を発することができる。従って、小型、軽量、低コストのインバータ9を使用して、誤接続防止機能を有する、小型、軽量、安価な系統連系発電システムを提供することができる。
【００５９】
また、図9に示す作業手順に従い、インバータ9と系統4との接続作業を行えば、誤接続した場合も地絡電流が流れず、漏電ブレーカが遮断することがない。従って、信頼性および安全性の高い作業が可能になる。
【００６０】
また、インバータ9の制御部の処理能力に余裕があれば、誤接続検知部520の機能を制御部に組み込むこともでき、より安価、小型で、誤接続防止機能を有する系統連系発電システムを提供することができる。
【００６１】
また、誤接続検知部520において、N端子の対地電位をディジタルデータとして検出して、系統4の周波数成分だけを検出するようにすれば、ノイズの影響を除去して誤検出を極めて少なくすることができる。
【００６２】
なお、インバータ9の内部構成は図4に限定されるものではなく、太陽電池1が発電した電力を、交流電力に変換して、一線が接地された単相2線式100Vの系統4に出力し、電流検出型の地絡センサ89を有する入出力が非絶縁の電力変換装置であればよい。つまり、第1実施形態と同様に、太陽電池1の対地電位が固定される構成であればよい。
【００６３】
また、開閉器522は、機械式スイッチまたは半導体スイッチなど、どのような開閉器でもよい。さらに、誤接続検知部520が誤接続を検知しなかった場合に、開閉器522を駆動して、開閉器522を閉状態にすることもできる。このようにすれば、接続時の作業性を向上することができる。
【００６４】
【第３実施形態】
以下、本発明にかかる第3実施形態の系統連系発電システムを説明する。なお、本実施形態において、第1または第2実施形態と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。
【００６５】
また、本系統連系システムの各部対地電位を図8および図11に示すが、インバータ8および太陽電池1の各部対地電位の詳細は省略する。
【００６６】
［構成］
図10は第3実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図である。
【００６７】
第1実施形態ではトランス10の一次-二次間を非絶縁化結線12で接続して非絶縁型のトランスとして利用する例を説明したが、第3実施形態では、オートトランス（単巻トランス）13を使用する。
【００６８】
このように、第3実施形態の系統連系発電システムにおいては、電流検出型の地絡センサ89を有する入出力が非絶縁のインバータ8により直流電力を交流電力に変換して、単相三線式200Vの交流電力として出力し、入出力が非絶縁のトランス13を介して単相二線式100Vの系統4へ接続する。従って、現在市場に最も多く出回っている単相二線式200V出力のインバータ8を利用して、単相二線式100Vの系統4に連系する、安価な系統連系発電システムを提供することができ、インバータ8に内蔵された地絡センサ89により太陽電池1の地絡を検出することができる。
【００６９】
さらに、第1実施形態では、本来絶縁された一次側巻線と二次側巻線との間を非絶縁化結線12により非絶縁化したトランス10を使用するのに対して、第3実施形態では、一次側巻線と二次側巻線との間が非絶縁のオートトランス13を使用する。オートトランスの場合、その一次二次に共通な巻線（分路巻線）には一次電流と二次電流との差分電流が流れるだけであるから、分路巻線部分の電線の断面積は小さくてよい。従って、トランス13は、トランス10に比べて小型、軽量かつ低コスト（概略1/2）になるので、系統連系発電システムとしても小型、軽量かつ低価格を実現することができる。
【００７０】
以上説明した各実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)市場に数多く出回っている、電流検出型の地絡センサを有する入出力が非絶縁のインバータ（例えばフルブリッジ方式の単相三線200V出力）を、入出力が非絶縁のトランスを介して、一線が接地された単相二線式100Vの系統へ連系することで、地絡センサがそのまま使用でき、小型、軽量かつ安価な系統連系発電システムを提供することができる。
(2) (1)項の入出力が非絶縁のトランスとしてオートトランスを用いれば、さらに、小型、軽量かつ安価な系統連系発電システムを提供することができる。
(3) 市場に数多く出回っている、電流検出型の地絡センサを有する入出力が非絶縁のインバータ（例えばハーフブリッジ方式の単相二線100V出力）を、一線が接地された単相二線式100Vの系統へ連系することで、地絡センサがそのまま使用でき、小型、軽量かつ安価な系統連系発電システムを提供することができる。
(4) (3)項の構成において、さらに、インバータと系統との開閉を行う開閉器、および、系統の接地側の電線が接続されるべきインバータの出力端子の対地電位を検出し、所定以上の対地電圧が検出される場合に警報を発する構成を追加する。これらの構成により、開閉器を開状態にしてインバータを系統に接続し、警報が発せられた場合は接続をやり直した後、開閉器を閉状態にして系統連系発電システムの運転を開始する。このようにすれば、インバータと系統との間違えた場合に発生する地絡電流を防いで、漏電ブレーカの遮断など防ぐことができる。つまり、インバータと系統との誤接続を防ぐ機能を有する系統連系発電システムを提供することができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、市場に出回っているインバータを系統連系装置で利用可能にすることができる。
【００７２】
また、インバータに組み込まれた地絡センサによる、直流電源の一点地絡の検出を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な住宅用の太陽光発電システムの構成例を示す図、
【図２】絶縁トランスを利用する太陽光発電システムの構成例を示す図、
【図３】第1実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図、
【図４】第2実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図
【図５】誤接続検知部の構成例を示すブロック図、
【図６】第2実施形態の太陽光発電システムの正常な接続状態の各部対地電位を示す図、
【図７】第2実施形態の太陽光発電システムの誤接続な接続状態の各部対地電位を示す図、
【図８】第3実施形態の太陽光発電システムの正常な接続状態の各部対地電位を示す図、
【図９】第2実施形態のインバータを系統に接続する場合の作業手順を示すフローチャート、
【図１０】第3実施形態の系統連系型の発電装置の構成例を示すブロック図、
【図１１】第3実施形態の太陽光発電システムの誤接続な接続状態の各部対地電位を示す図である。
【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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【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１１】
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