••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••特 集
太陽光発電設備の保守・保安点検に用いる各種測定機器の技術解説

ＰＶドクターシリーズの技術解説
Technical Guide of “PV Doctor” Series片渕健*

長くなり，かつ，充放電によるコンデンサの寿命も1．はじめに考慮する必要がある．ストリングトレーサは，「日太陽光発電システムの電気的特性を健全に維持す射強度変化の影響を受けない」というコンセプトをるための装置として，「太陽電池モジュールおよび実現するために，太陽電池のエネルギーを消費するストリングの電流－電圧特性測定装置」および「太装置として半導体素子を用いた電子負荷方式を採用陽光発電設備の保安点検装置」がある．本稿では，した．

電流－電圧特性測定装置を用いた「異常検知」と，（2）多チャンネル化による同時測定相対比較

保安点検装置を用いた「故障箇所特定」について，技術的側面から解説する．

従来の電流－電圧特性測定器は 1 回路構成が一般的で，刻々と変化する日射強度の影響を受けないよ

2．電流－電圧特性測定器（ストリングトレーサ）の技術解説

うに高速測定を行っても，測定結果の良否を判断するためには，基準状態への変換（以下 STC 変換）が必須となる．この変換には，モジュールの特性を当社の太陽光発電システム点検装置（PV ドク示す係数の他に，モジュール温度と日射強度データター）の製品構成は非常にシンプルで，まず電流－が必要であることから，温度センサと日射計を接続電圧特性測定器（以下ストリングトレーサ）でストし，電流－電圧特性（以下 I-V 特性）測定と同期をリングの出力特性を測定する．この段階で「異常を取る必要がある．しかしながら，屋根上設置の太陽検知」した場合は，故障箇所特定装置（以下セルラ

光発電システム等では，温度や日射強度を測定するインチェッカ）にて「異常箇所を特定」する最小限には屋根に上る必要があり，容易なことではない．の構成となっている．

このようにストリング出力の良否判断を行うため太陽電池は日射強度変化に追従して発電能力がには，STC 変換後の特性で判断を行うことが必要刻々と変化する．このような環境でストリングの出となるが，ストリングの健全性を確認する目的の場

力特性を精度良く測定するために，ストリングト合は，必ずしも STC 変換後の I-V 特性で判断するレーサは「日射強度変化の影響を受けない」ことを必要はなく，複数のストリングの I-V 特性を同時にコンセプトとした製品である．

測定し，波形を同時表示して相対比較を行うことで容易に異常判定が可能となる．ストリングトレーサ

2.1

コンセプトを実現するための技術アプローチ

は，電子負荷方式の利点である制御の容易性や小型（1）I-V 測定方式化のメリットを生かして，2 ストリング（2CH）ま「屋外での太陽電池アレイ出力特性測定方法」はたは 4 ストリング（4CH）同時に測定する仕様となっ

JIS C 8953 に規定されており，測定用負荷電流を流ている．
（図 1）（写真 1）

す方法としては，コンデンサ負荷方式と電子負荷方同時測定相対比較の条件としては，太陽電池モ式が主流である．コンデンサ負荷方式は一般的に測ジュールの設置条件がそろっていることや，少なく定時間を一定にすることが困難で，システム電圧やとも 1 ストリングは正常な状態であることが条件と日射強度により測定時間が変化する．また，再測定* 株式会社戸上電機製作所 技術本部 研究開発部には放電が伴うため，繰り返し測定インターバルもVol.44. No.3－1－太陽エネルギー

片渕

健：

プローブの相乗効果により測定作業効率がアップする．
電子負荷

測定制御

2.3 点 検による発電停止損失を最小現に抑えた

操作部

I-V 特性測定への技術アプローチ（特許取得

電子負荷電子負荷済み）

電子負荷
接続箱・ PCS
端子

太陽電池
ストリング

I-V
測定部

一般的な I-V 特性の測定方法は，ストリングを開放して行うが，この場合，一時的ではあるものの発表示部電停止損失が発生する．この課題を解決するためのアプローチとして，連系状態のままで I-V 特性を測図1定する「連系測定方法」を取り入れた．この方法は，同時測定方式装置構成

ストリング毎にブロッキングダイオードが設けられたシステムが対象となるが，図 2 のように Pmax 点から Isc 側に測定を行うことにより，発電量に最も影響を与えるサブストリング故障（＝クラスタ故障）等の発見が可能である．連系状態のパワーコンディショナ（以下 PCS）は，MPPT 制御により，変化する日射量に対応して最大電力を引き出すよう運転を行っているが，「連系測定方法」はこの MPPT 点

写真 1で出力を行っている太陽電池に対し，PCS が電圧ストリングトレーサ低下を検出しても停止しない限界電圧領域までの電なるが，条件を満たさない場合は従来通りの方法で流，または，PCS の電圧低下検出時間以内に短絡測定を行い STC 変換後判断することもできるため，電流（Isc）までの電流をストリングトレーサ内で運用上の問題はない．同時測定相対比較のメリット

消費する形で I-V 特性を測定し，ストリング異常をとしては，下記に示す内容がある．

検知するものである．
「連系測定方法」時の接続としては，図 3 に示す①同時測定相対比較方式のため，測定時間違いにように，ブロッキングダイオードのアノード側にスよる日射変動の影響を受けない．
②日射変動の影響を受けないため STC 変換が不トリングトレーサを並列に接続して測定する．この要で，日射計や太陽電池モジュール温度測定が「連系測定方法」は，当社の配線路探査器シリーズ不要である．

商品の共通コンセプトである「無停電での点検」と③同一画面に 4 ストリングの測定結果グラフを表いう設計思想と共通するものである．
図 4 は連系状態で測定した多結晶太陽電池モ示するために，視覚的に異常の検知ができる．

ジュール 6 直列の正常ストリング I-V 特性，図 5 は2.2

点検作業性を考慮した I-V 特性測定への技術

その中の 1 枚のモジュールのセル数枚を遮光したス

アプローチ

トリングの I-V 特性である．
「連系測定方法」でもメガソーラー等の大規模発電設備の点検は，点検相対比較により，異常ストリングを検知できること時間がコストに影響を与えることから，短時間での測定が要望されている．

パワーコンディショナ動作停止電圧

2.1（2）項の同時測定の場合，多連プローブを使用すれば作業性は損なわれないが，未使用の場合は，Iscプローブ接続に多少の時間を要する．この問題を解

電流(A)最大出力動作点
Pmax

決するために，「同時測定方法」以外に 1CH のみを使用し，ストリングを移動しながら測定を行い，結果を重ね書きする「移動測定方法」を取り入れた．
この方法は，日射強度が比較的安定している場合電圧(V)に有効で，順次ストリング出力に測定プローブを当この範囲の電流をストリングトレーサで消費てて測定を行うが，電子負荷方式による高速測定と

図2

Journal of JSES

－2－連系 I-V 特性測定の考え方
2018 年

電流－電圧特性測定機器および保安点検用測定機器の技術解説（3）太陽電池群(ストリング)

接続箱

太陽電池モジュールに陰がかかった状態は I-V 特

Ｉ1性の形状からでも判断できる．しかしながら，ホットスポットの要因となる陰は時間によって変化する

ＰＣＳ

ため，晴天時に 1 日を通して観測を行わないと発見が難しい．特に目視に頼らず無人で調査を実施する

Ｉ2

場合には，雲の影響と陰の影響を区別する必要がある．ストリングトレーサは，この課題を解決するたストリングトレーサ

図3

めに，ストリング動作電圧と動作電流を連続的に記連系 I-V 特性測定時の接続
連系I-V特性録するトレンド測定機能を設けた．
写真 2 は実際のトレンド波形である．I-V 特性の（ST-1=正常 ST2=正常）

ような瞬時的な特性ではなく，長時間測定を行って109状態をグラフ化し，比較判断するものである．1 日8ストリング電流(A)7の測定では雲の影響と陰の影響を判別できないた

6め，連続最大 7 日間 4CH（2CH）同時に測定し，毎st1
st2

54

日同じ時間帯に出力が低下するか否かで陰の影響の32有無を判断する．

10020

図4406080100ストリング電圧(V)120140160

正常ストリングの連系 I-V カーブ
連系I-V特性（ｓｔ1＝１クラスタ遮光

st2=正常）1098ストリング電流(A)76
st1st2543

写真 221ストリング電流／電圧の連続測定結果

00

図520406080100ストリング電圧(V)120140160

定期的に陰がかかるストリングについては，より精密なモジュール表面の状態観察や，後で述べる「セ正常ストリングで異常ストリングの連系 I-V カーブ

ルラインチェッカ」でのバイパス回路のチェックががわかる．
「連系測定方法」の場合，開放電圧（Voc）を起点とした特性カーブではないため，極性因子FF（Fill Factor）での判定はできないが，連系測定方法により「他とは違うストリングを検知」できれ必要である．

3．故障箇所特定装置（セルラインチェッカ）の技術解説（特許取得済み）

ば，第二段階として，故障ストリングのみを停止し，2 項では，ストリングの電流―電圧測定器につい従来と同じ開放状態での I-V 特性測定を行うことがて記載したが，異常を検知した後は次の段階として，できる．

どこに異常があるかを特定する「故障箇所特定」作業が必要となる．

2.4

I-V 特性測定以外の故障判断技術アプローチ

運用開始後の故障の原因を見てみると，施工段階（1）ストリング開放電圧測定（電圧テスタ）に起因していることも多い．

ストリングトレーサは I-V 特性測定時に電圧を測このようなことから，写真 3 のセルラインチェッ定することから，この回路を利用して開放電圧 Voc

カは「施工段階・運用段階の両方で利用できる」まを測定表示する．単純な機能であるが，ストリングた，点検可能日数を広げるために，晴天以外でも点点検の第一段階である Voc 測定により，ストリン検ができるように「曇り日でも点検できる」ことをグ断線等の重大故障を検知できる．

コンセプトとした製品である．

（2）陰の影響調査
Vol.44. No.3－3－太陽エネルギー片渕

健：とができない．この場合，故障箇所を検出する手段受信器としては，信号電圧印加による「電界検出方式」がある．

送信器

送信器接続は図 7 の形で点検ストリングと対地間に信号電圧を印加する．受信器は信号電界を検出するためのセンサを内蔵しているため，太陽電池モジュール間電線や接続コネクタに受信器を接触させて受信器の反応を確認する．信号電界は，接続されている導体すべてに発生するため，モジュール表面に受信器を当てて反応の有無を確認し，反応点と未写真 33.1

反応点の境界が見つかったらその付近を重点的に点

セルラインチェッカ

検する．
反応範囲

コンセプトを実現するための技術アプローチ（1）信号電流による故障箇所特定原理

接続箱

信号電界

故障箇所を特定する方法としてはいくつかの方法が考えられるが，故障箇所特定段階において，太陽太陽電池群(ストリング)電池にストレスを与えないことが最大のポイントであり，点検効率面からは天候の影響を受けないこと送信器が重要な要素となる．
「信号電流による故障箇所特定方法」の場合，送信器接続は図 6 の形で点検スト

図7

リング出力端子間に接続する．送信器は電流消費型送信器のため，太陽電池が電圧源となって信号電流

3.2 作 業性を考慮した故障箇所特定への技術ア
プローチが流れる．信号電流は微少な定電流としているため，天候に関係なく曇り日でも信号電流を流すことがで信号電圧による点検原理（1）ストリングの太陽電池モジュール配置特定
点検時の各ストリング構成太陽電池モジュールのき，また，連系前の施工段階でも使用できる．
受信器は信号磁界を検出するためのセンサを内蔵しており，太陽電池モジュール面に受信器を接触さ配置特定作業は，故障箇所特定時間短縮のためには欠かせない作業である．

せて受信器の反応を確認する．結晶シリコン系モ

図 6 に示すように，接続箱のストリング出力端子

ジュールの場合，ストリング構成は直列接続のため，間に送信器を接続し各モジュール面を点検すると，送信器を接続したストリングのすべてのモジュール送信器を接続したストリングのすべてのモジュールに同じ信号電流が流れることになる．

で受信器が反応する．
モジュールを外して裏面配線を確認することなく，簡単に該当モジュールを見つけることができる．

反応範囲（2）太陽電池モジュール内の故障箇所特定

接続箱

a．発電停止サブストリング（＝クラスタ）特定
太陽電池モジュール内の故障は図 8 に示すような故障が考えられ，出力低下のみならず，断線が起点太陽電池群(ストリング)となる異常発熱の故障要因となる．この中でバス
バー断線，インターコネクタ断線，セル割れ等の故

信号電流→磁界

障箇所特定は，図 6 のように送信器を接続して信号送信器

図6

信号電流による点検原理

電流を流し，受信器でモジュール表面を点検することにより検知できる．

（2）信号電圧による故障箇所特定原理

サブストリングの異常検知が主体となるため，短ストリング内のコネクタ接触不良やケーブル断線時間で信頼性の高い点検が可能である．

等の場合，回路が切れることから信号電流を流すこJournal of JSES－4－

図 9 は実際の点検状態を示した図である．
2018 年

電流－電圧特性測定機器および保安点検用測定機器の技術解説（3）バイパス回路（短絡）

インターコネクタ断線＝サブストリング故障

バイパス回路（断線）

サブストリング内のインターコネクタ部をトレースチェックする
信号電流（＝発電電流）の回流現象

セル特性劣化図8

バスバー断線＝サブストリング故障

セル割れ＝サブストリング故障

信号電流でも回流現象が発生するため、インターコネクタ断線箇所
では受信器が反応しな
い太陽電池モジュール内故障箇所

ロッドセンサでモジュール面を 1 箇所トレースすることにより，故障サブストリングを特定

図 10

故障セルの点検方法器反応も大差はない．一方，セル内で一部のインターコネクタが断線していた場合は，受信器の反応は断線部では未反応となり，対向する他のインターコネクタ部の反応は大きくなることから，容易に断線箇ロッドセンサ所を特定することができる．この段階の状態を放置

図9すると，ホットスポットの拡大や高温発熱によって周辺部材へ影響を及ぼすことになるため，モジューb．ホットスポット発生箇所特定

ルの交換対応が必要となる．

太陽電池モジュールの故障モードの一つであるセインターコネクタの断線箇所は未発電領域となる

ルの部分異常発熱（以下 ホットスポット）の有無場合が多く，図 11 のように EL 画像で見た場合の点検は，サーモグラフィー等を用いれば発熱温度お未発電セル状態とも一致する．

よび発熱場所を視覚的に確認できるために広く用い

前述の通り送信器は定電流負荷装置として作用すられている．また近年は，ドローンの普及により広るため，天候に関係なく曇り日でもモジュール内の範囲を短時間で点検する手法も開発され，メンテナ

信号電流の流れは一定である．受信器は信号電流レンスコストの低減に寄与している．しかしながら，サーモグラフィーの場合，発熱していることが前提受信器反応レベルとなるため，点検できるのは晴天時であることが条件となる．

セルインターコネクタ
断線箇所

ホットスポット発生モジュールを特定した後はどの時点で交換を行うかの判断が重要となる．交換を行う判断材料としては，太陽電池モジュールメーカーへ技術的な見解を求める場合もあり，発熱温度データのみでは不十分な場合もある．
「セルラインチェッカ」は，セル内の電気的故障検知が可能であり，断線故障を物理的に証明することができる．
図 10 は故障セルの点検方法で，図 9 と同様に送信器を接続箱に接続し，（サーモグラフィーを用い特定したホットスポット発生部分の）インターコネEL 画像

クタ部を受信器でトレースする．
セルが正常な場合，各インターコネクタの信号電流はほぼ均等であり，各インターコネクタ毎の受信Vol.44. No.3－5－

図 11

EL 画像と受信器反応対比
太陽エネルギー片渕健：

ベルを受信レベルに置き換えて表示するため，受信インターコネクタ部分に受信器をあてると，バイパレベルの絶対値比較が可能である．

ス回路が健全なサブストリングは「未反応」，故障高価な EL 装置を用いなくてもモジュール内電気回路の状態を視覚的に確認できるメリットがある．

しているサブストリングでは「反応」することから，容易に故障を検知できる．

c．バイパス回路の健全性調査

PCS の代わりに，負荷装置となる送信器を接続し，バイパスダイオードを含むバイパス回路の断線模擬的に陰を作るだけのため，実際の陰と等価な電は，安全性側面において最も影響が大きい故障モー気的環境となり，モジュールに対するストレスを考ドである．この部分の故障は，陰が掛からない限り慮する必要がない．

発見しにくい故障のため検知手段も限られる．

（3）太陽電池モジュール外の故障箇所特定

図 12 は太陽電池モジュールに陰かかかった場合

a．不良コネクタ・ケーブル断線箇所の特定のストリング内の発電電流の流れを示す図で，バイコネクタ接触不良やケーブル断線箇所特定は，図パス回路が健全な場合，発電量は低下するもののモ7 の形で点検ストリングと対地間に送信器を接続しジュール内のセルは保護される．バイパス回路が断信号電圧を印加する．写真 4 はストリングの点検状

線しているモジュールは，未発電部分のセルにも電況を示す図で，太陽電池モジュール表面，またはバッ流が流れることから，陰の部分のセルは発熱する．

クシート面を受信器で点検し，反応する範囲（信号樹木や屋根の陰のように毎日繰り返し陰がかかるよ電界がかかっている範囲）と未反応の境界を探して，うな設置環境では，長期使用による熱ストレスによ断線箇所の切り分けを行う．その後，モジュール裏りバイパス回路が故障に至り，モジュールの設置環面のコネクタ部電線に受信器を近づけて点検を進境によっては，周辺部材へ影響を及ぼし最悪火災等

め，コネクタ両側の電線の点検結果が「反応有」とへ移行することも懸念される．

「反応無」となる部分が断線箇所となる．

図 13 は具体的な点検方法を示した図である．
この方法は，2009 年の太陽エネルギー学会誌
Vol.35 の中で紹介されたもので，サブストリングのセルの一部を遮光シートで遮光し模擬の陰を作る．
この状態で，遮光シートで覆ったサブストリングの太陽電池モジュール内バイパスダイオード（バイパス回路）

モジュール表面点検で断線範囲を切り分ける

写真 4

断線

発熱

ストリングにおける断線箇所特定方法

図 15 は直・並列ストリングにおける断線箇所点接続箱

検方法を示したもので，電界信号は接続されたすべ

陰

陰コネクタ電線部で点検ての直・並列モジュールおよび接続電線（電気回路）に印加されるため，直列ストリングとは異なった点

太陽電池群(ストリング)

図 12

陰がある場合のストリング電流の流れ検手順が必要となる．
第一段階でストリングブレーカを「切」にし，送断線信器を図 15（1）のようにストリング出力＋－端子接続箱間に接続して信号電流を流し，「磁界モード」で断線並列回路を特定する．
断線回路が確定したら第二段階として図 15（2）

未反応

未反応

反応

陰を模擬した遮光シートのように送信器をストリング出力端子と対地間に接続し，断線回路の並列コネクタを外した後，「電界モード」で再度故障回路のモジュール表面およびコネクタ電線を点検し断線箇所を特定する．
以上の方法で並列回路の故障も検知が可能であ

図 13
Journal of JSES

バイパス回路健全性の点検方法

る．
－6－

2018 年

電流－電圧特性測定機器および保安点検用測定機器の技術解説（3）

著者略歴（1）断線並列回路の点検

片渕 健（カタフチ タケシ）

断線回路

信号なし

（株）戸上電機製作所－信号あり＋－端子間に接続信号あり（2）断線箇所の特定信号あり

信号なし

技術本部 研究開発部 R ＆DG 上席研究員，佐賀県再エネコーディネーター

＋電界モード時には、並列コネクタを切り離す＋－－端子とアース間に接続
図 15

 ・平列接続ストリングにおける不良コネクタ・断直線箇所特定方法

Vol.44. No.3

－7－

太陽エネルギー