Journal of Japan Solar Energy Society, 46（5）, 79-85（2020）••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Research Paper
研究論文

Effect of high-voltage conductor on the PV
module surface on power generation
Effect of high-voltage characteristics
conductor on the PV module surface onpowergeneration characteristics
Masaya IKUKAWA
Ryo NISHIMURA*1*2‡

Masaya IKUKAWA *1 Ryo NISHIMURA *2‡

高電圧導体が受光面近傍に存在するモジュールの発電性能変化
高 電PV
圧導体が受光面近傍に存在する
モ ジ真也
ュールの発電性
能亮変 化
PV 生川西村*1*2‡

生川 真也 *1

西村 亮 *2‡

Abstract
PV power plants installed in arid lands can generate large amounts of power because of fineweather. However, sand accumulation on PV modules decreases the generated power in such area. It is
not desirable using water to remove the sand in arid land.

Electric field curtain (EFC) is one of apromising method to remove the sand without using water.

If EFC is adopted to PV modules, high-voltage conductor is placed very near the PV cells.

In this paper we report on the effects of highvoltage conductors placed on the PV module surface on the power generation characteristics.

It isshown that high voltage stress at high temperature may degrade the power generation performance.
Keywords: PV power generation, arid land, sand removal, electric field curtain, PID
キーワード：太陽光発電，乾燥地，砂じん除去，電界カーテン，PID

1．はじめに界カーテン (Electric Field Curtain, EFC) による砂の除去方
近年，化石燃料を用いず，発電時に温室効果ガスを排出法がある．

しない太陽光発電が注目されている．しかし，太陽光発電

電界カーテンとは，誘電体内部に多相の線状電極を埋設は様々な環境要因によって発電量が左右される．その中でし，これに相順に多相交流高電圧を印加すると進行波不平天候による影響が発電量を大きく左右してしまう．そこで等電界が発生し，帯電した微粒子や繊維などを電気力学的雨の少ない乾燥地で PV モジュールを設置することで安定に浮上させ，浮上状態で進行波方向に移動できる装置 (1-3)

して発電が可能と考えられる．しかし，乾燥地におけるのことである．透明電極で作成した電界カーテンを PV モ

PV モジュールの設置にも問題点があり，砂じんが舞いやジュールの受光面ガラス内に設置することによって発電性すい環境下であるため，PV モジュール受光面にこれらが能を低下させる受光面上への砂じんの堆積を防止できるこ堆積してしまうことである．これにより発電変換効率が低とが期待できる．
著者らはこれまでに砂じんは帯電している事を確認し(4)，下し，発電量低下を引き起こす．
太陽電池受光面の洗浄方法として，水を使った手動によ実際に電界カーテンを作成してその進行波電界で砂じんがる洗浄が一般的である．しかし，この方法では大量の水を移動する事を確認し，電界カーテンの形状や傾斜角になど必要とし，人件費などのコストが掛かってしまう欠点があ対する砂じんの移動状況（砂じん除去特性）の調査を行っる．この改善策として，水を使用せず，低コストである電た (5)．本稿では電界カーテンの実用に向け，PV モジュー
ル受光面に高電圧電極を長時間接触させた場合，PV モ*1 Tottori Univerity Graduate School*2 Associate Professor, Faculty of Engineering, Tottori University, 4101 Koyama-minami, Tottori 680-8552, Japan‡e-mail: ryo@tottori-u.ac.jp
Received: 5th March, 2020, Accepted: 21st August 2020

*1 鳥 取大 学大学 院*2 鳥 取大 学工学 部 准教 授（〒 680-8552 鳥 取市湖 山町南 4101）‡e-mail: ryo@tottori-u.ac.jp（原稿受付：2020 年 3 月 5 日，受理日：2020 年 8 月 21 日）－179 －

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Masaya IKUKAWA and Ryo NISHIMURA

Table 1 Specifications of PV module in standard condition

ジュールの発電性能が高電圧導体によりどのような影響を受けるのかを調査する．

2．電界カーテンを用いる場合の問題点
電界カーテンを用いて砂じんを除去する上で，電界カーテンに用いる太陽電池セル近傍の高電圧導体が，PV モ
ジュールの発電性能や発電システムに及ぼす影響が重要となる．
PV モ ジ ュ ー ル の 劣 化 原 因 の 一 つ に ， PID (Potential

Rated maximum output

15 W

Rated open circuit voltage

21.2 V

Rated short-circuit current
Output voltage at maximum
power operating point
Output current at maximum
power operating point

0.96 A

Rated mass

2.0 kg17.4 V
0.87 A

極を配置し， この電極に室温下で電圧を 730 時間印加すInduced Degradation)劣化現象がある． 主に産業用等の大る．

規模な設備では，システムがより高電圧化する．そうした(3) モジュール C:モジュール受光面表面に電界カーテンシステムに組み込まれた PV モジュールは，フレームとモジュール内部の回路間の電位差が大きくなりがちだと言わ電極を配置し，この電極に 80℃の温度下で電圧を 730 時れている．この状況で，特に高温多湿のような環境にさら間印加する．
3.2 電界カーテンの存在を想定した高電圧印加実験

された場合には回路に電流漏れを生じ、劣化および出力低PV モジュール受光面に置く高電圧導体に用いる電極を下が起こるとされている．これが PID 劣化現象である(6)．

Fig. 1 に示す．電極はプリント基板上に作成した並行電極

著者らは発電時の PV モジュールの受光面の一部に高電になっており，この電極の電極幅は 0.3 mm，電極間隔は 4圧導体を乗せた状態で，電子負荷装置を用いて I-V 特性のmm とした．Fig. 2 は電極模式図を示している．電界カー測定を行うことを試みたが，高電圧導体に kV 単位の電圧

テンには波高値 HV の三相交流を印加することを想定し，が印加されている状態では電子負荷装置が誤作動し，計測+HV, 0（接地）, −HV をその交流の代表的な値と考えた．

不可能であることを確認した．このことからモジュール表

本研究では波高値を 2 kV を想定し，直流の+2 kV を①，面近傍の高電圧導体は外部回路の動作に悪影響を及ぼすと④，⑦，…に，−2 kV を③，⑥，⑨，…に印加し，②，⑤，推察できる．

⑧，…を接地した．これは各相の電圧が+2 kV，−2 kV，0

この電界カーテンを用いる上で考えられる改善策としてkV となった瞬間を想定し，疑似的に三相交流が印加され2 点挙げる．1 点目は，定期的に PV モジュールと外部回ている状態を模擬した．これを PV モジュール上にこのプ路を切り離してから電界カーテンを動作させるというもの．

リント基板の電極がモジュール受光面に接するように置き，2 点目は，電界カーテンと太陽電池セルの間に透明接地電固定する．これを実際に PV モジュール上に電界カーテン極を設けてセルをシールドするというものが考えられる．

が存在する状態だと想定する．

本稿では前者に着目し，この場合の PV モジュールの発電性能の変化を調べる．

330 mm3．実験
乾燥地に太陽光発電を導入すると日中の受光面温度は360 mm100℃程度まで上昇する．したがって電界カーテンの導入による PV モジュールの発電性能変化について，以下を調査する．

Fig.1 EFC electrodes on PCB for high-voltage stress test

(1) PV モジュールの温度上昇のみによる発電性能変化

experiments(2) 電界カーテン電極の電圧のみによる発電性能変化(3) PV モジュールの温度上昇と電界カーテン電極電圧の両＋ GND ― ＋ GND ―方の存在による発電性能変化―

3.1 使用 PV モジュール使用する PV モジュールの規格を Table 1 に示す． このPV モジュールを 3 枚用いる．このモジュールに対し，次のような実験を行い， 発電性能の変化を実験前後の I-V，P-V 特性および受光面の EL 発光状態より評価する．
(1) モジュール A:モジュールのみを 80℃の温度下に 730 時間放置する．

Fig.2 Voltage application sequence of EFC electrodes(2) モジュール B:モジュール受光面表面に電界カーテン電
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Effect of high-voltage conductor on the PV module surface on power generation characteristics(a) Thermostatic box mode of styrofoam(a) Appearance of high-voltage stress test at room temperature
DC power supplyPV moduleEFC Electrode(b) Schematic of high voltage-tress test at room temperature
Fig.3 Experimental apparatus for high-voltage stress test underroom temperature
室温下の場合の実験装置を Fig. 3，高温下の場合の実験装置を Fig. 4 に示す．PV モジュールはそれぞれ開放状態(b) PV module and EFC electrode installed in the thermostatic boxを維持し， 絶縁体である発泡スチロール上に設置する．
室温は 25℃であった．高温下では，発泡スチロールの箱を用いて断熱し，乾燥地の昼間時を考慮するためヒーター

HeatInsulationboxをサーモスタットで制御し，毎日 8 時～20 時で内部温度Heaterを 80°C に維持するようにした． 内部温度については株式会社タニタのデジタル温度計（型式：TT-508N）で測定し確認を行う．また，Shenzhen Meihang Electronics Co. Ltd のDC power supplySensor
EFC
electrodeFanThermostat

PV module

サーモスタット（型式：MH1210W）と昭和精機工業株式会社のパネルヒーター（型式：SP-150）で内部温度制御を行い，リーベックス株式会社製の簡単デジタルタイマー（型式：PT70DG）で稼働時間の制御を行う．この時，断熱箱内部の温度が均一になるように，株式会社大創産業
USB ワイヤー扇風機を常時断熱箱内部で稼働させることで対流を作る．Fig. 5 に断熱箱内部の温度変化について示
す．ヒーターの電源が入ってから約 25 分で 80℃に到達し，(c) Schematic of high-voltage stress test under high temperature
condition
Fig.4 Experimental apparatus for high-voltage stress test underhigh temperature condition

その後内部温度を一定に維持していることを確認した．
PV モジュール受光面上に置いた電極への高電圧印加は，必要があると考え，高温条件下の電極にのみ電極先端部を2019 年 8 月 23 日 14 時より室温下と高温下のものを同時

サンハヤト株式会社の絶縁コーティング剤（AY-302）でにスタートさせた．高温下の加温はこの時点からスタート被膜した．ところがこの場合においても放電を防ぐことがし，以降の稼働状況は上記で示した時間中に稼働させた．

不可能であったため，実験中に放電した際，高電圧印加を

しかし高温条件下でのみ電圧印加開始数時間後で電極間が室温下と高温下のものを同時に中断し，短絡部分（トラッ埃によって放電し，トラッキング（放電痕）を発生して短キングした部分）を Fig. 7 のように削除し，電極の短絡が絡した．これは，放電電圧は電極温度が高くなることで低全て解消したことを確認後，室温条件下と高温条件下で同下する (7)ことに起因すると考えられる．放電は主に+2 kV時に高電圧印加を再開するというサイクルを繰り返した．

および−2 kV の電極間で発生した．電極の先端付近でこの高温条件下で異常放電が発生しやすいということは高温条短絡現象が多発したことから，この部分の絶縁性を上げる

件下で電界カーテンを動作させる場合，放電を生じにくくVol.46. No.5

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生川・西村Fig.5 Temperature change inside the insulation box
Fig.8 I-V characteristics of modules after 730 hour highvoltage stress test

Fig.6 Tracking of discharge between electrodes on PCB

Fig.9 P-V characteristics of modules after 730 hour highvoltage stress testing
るため，高電圧印加が長期に渡るにつれ蓄積で劣化すると考えられる．730 時間の高電圧印加前後で比較すると，最大出力は室温下高電圧印加後で 1.68%減少，高温下高電圧

Fig.7 Electrode after removing the short-circuited part

印加後で 3.65%減少，高温下無印加では 0.17%減少した．

する工夫が必要であることを意味している．

また， 最大出力である最適動作点の出力を，開放電圧と3.3 電界カーテンを稼働後の発電性能変化短絡電流の積で割った値である曲線因子（FF 値）は，室電界カーテンを想定した高電圧印加実験後，これに使用した PV モジュールの発電性能について計測を行った．測定は，IEC 認証規格である IEC61215-2 に基づいて行った．
高電圧を累計 730 時間（約 31 日間）印加した後の PV モ
ジュールの I-V 特性を Fig. 8 に，P-V 特性を Fig. 9 に示す．
また，この時の PV モジュールの EL 画像を Fig. 10 に示す．
Control は室温での初期状態としている．この結果から，
I-V 特性，P-V 特性で PV モジュールの最大出力部分に着目すると，共に高温のみにした場合は僅かな変化に留まり，電界カーテンを想定した高電圧印加を行った方では，出力が低下している結果を得ることができた．よって，高温時温下高電圧印加後で 0.29%減少，高温下高電圧印加後で1.13%減少，高温下無印加ではほとんど変化しなかった．
本実験においては，累計時間の高電圧印加で上記の減少であったが，乾燥地での電界カーテンを用いての砂じん除去は，長期で使用していくと劣化が蓄積し，PV モジュールそのものの出力が低下しやすくなると考えられる．このため，乾燥地での電界カーテンを用いての砂じん除去は，長期で使用していくと劣化が蓄積し，PV モジュールそのものの出力が低下しやすくなると考えられる．

4．考察に置いた場合の劣化より高電圧印加による劣化（縦方向の縞状のムラ）が大きいということが言える．EL 画像にお単結晶シリコン太陽電池の発電性能は，5 年後で 96.4％，いては，高温下電圧無印加では減光が見られないが，高電10 年後で 92.2％，20 年後で 84.2％となり(8)，経過年数に圧印加 では印加時間 が増加するに つれ減光が確 認でき応じて劣化する．この値および本実験で得た発電性能の劣Journal of Japan Solar Energy Society

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Effect of high-voltage conductor on the PV module surface on power generation characteristics(a) Control(d) High voltage stress test at room temperature for 730 hours(b) High voltage stress test at room temperature for 500(e) High voltage stress test at high temperature (80°C) for 730
hours

hours

(f) No voltage stress test at high temperature (80°C) for 730hours(c) High voltage stress test at high temperature (80°C) for
500 hours

Fig. 10 EL image of PV module
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生川・西村た．また，本報および文献 5 の電界カーテンは幅 0.3 mmの不透明な導導体が間隔を 4 mm で並んでいる構造であり，電界カーテンに遮られて太陽電池セルに到達する日射は通常の 4 / (4 + 0.3) ×100 = 93.0%となる．したがって，発電 電 力 が セル 到 達 日射 に 比例 す る と した 場 合 ，定格発電電力 100 W の太陽電池に本報と同様の電界カーテンを組み込むと定格時の発電電力は電界カーテン駆動電力を考慮して 100 × 0.93−2 = 91 W となり，通常よりも 9%減少する．一方，イ ン ド の タ ー ル 砂 漠 に お い て 45 度 傾 斜 させた PV モジュールを 7 月から 9 月の約 2 か月間洗浄せず放置した結果，モジュール表面上の汚れによって約 17%の光の透過損失が生じたとの報告がある (9) ．砂Fig.11 Degradation of power generation performance of

じんはモジュールの傾斜角が小さいほど重力での落下

single crystal silicon PVが生じにくくなるため堆積しやすくなり，結果として(Source of Normal data is quoted from Ref. 8)

透過損失は更に大きくなると考えられる．電界カーテ化状況，そしてこれを元に推察される予測値を Fig. 11 にンの電極による透過損失は透明導電体を採用して電極示す．発電性能がほぼ直線的に減少することから電界カー幅を更に狭く，電極間隔を更に大きく取ることで低減

テン使用時も同様な減少になるとし，予測値は式(1)を用いできる．砂じんにかかる電界を十分強くするために電て算出した．ここでは，730 時間の高電圧印加前後で，最極間隔を大きく取ると電界カーテンへの印加電圧も高大出力が高温高電界条件下で 3.65 %減少したことを元にしくしなければならないが，それでも乾燥地が多い低緯ている．また，730 時間を 1/12 年，x を経過年数とする．

度地帯でモジュールを低い傾斜角で設置する場合，電今回の 実験条件での 電界カーテン の稼働時の発 電性能

界カーテンによる砂じん除去の有効性が期待できる．
電界カーテンが外部に露出することは強度や安全性

RD[%]はRD [%] = 100 − 3.65 × (12x)の確保が困難であるため，Fig. 12 のように 2 枚のカ(1)バーガラスで電界カーテンをはさむ構造が望ましいと考えられる．この構造の場合，電界カーテンが密閉さとなる．この結果から，高温条件下で電界カーテンを動作させ続けると，約 4 ヶ月半で通常の 20 年経過での劣化とれるため，外部湿度の影響を受けにくく，電界カーテ同等になると考えられる．

ン電極間の表面抵抗を高く保ち，沿面放電を抑制する

著者らは，今回の実験で用いた電界カーテンと同様ことが比較的容易であると思われる．また，外気へのの，電極幅 0.3 mm，電極 間隔 4 mm の電界カーテン

コロナ放電も抑制でき，電界カーテンの消費電力削減を作成し，その電極面に放電を防止するための誘電体につながると思われる．

（透明接着剤）を塗布して厚さ 0.4 mm のガラス板をCover glass A

接着 し，それ を 10°に傾 斜させ てからそ のガラス表 面（ PV モ ジ ュー ル 表 面 を模擬 ） に 砂 じ ん を散 在 さ せ電
界 カー テン を作 動さ せた (5) ． その 場合 ，今 回の 実験 で

PV cells
Cover glass B EFC electrodes

採 用 し た 2 kV で は 砂 じ ん は ほ と ん ど 除 去 さ れ ず ，80%程 度 の 砂じ ん 除去 率を得 る ため に 必要 な電 圧は 6Fig. 12 PV module with double-layer cover glass and EFC
electrodes

kV であった．この電圧は今回用いた電圧の 3 倍大き
く，この電圧を用い，何らかの方法で電極間放電を抑5．まとめ制して，本報で述べた劣化試験を行った場合，太陽電池の劣化速度はさらに大きくなることが考えられる．
し た が っ て ， 単 に 日 中 の 高 温 下 で PV モジュールと外

今回の実験では，電界カーテンを想定する高電圧印加に部回路を切り離して電界カーテンを作動させることは望ま

おいて，PV モジュール，電界カーテンに用いる電極の双しくなく，電界カーテンは夜間に作動させる，もしくは高方に，悪影響が少なからずあることが確認できた．また，電圧導体の影響（高電界）が太陽電池セルに到達しな中でも高温下高電圧印加で一番出力が低下する結果を得た．

い よ う ， 電界カーテンとセルの間に透明接地電極を設けこの結果より，電界カーテンに用いる電極は気温が高い状てセルをシールドする方法などを検討する必要がある．

態では PV モジュールの劣化を早めると考えられる．今回

著者らの実験(5)では定格発電電力 100 W の太陽電池の砂の実験は最長累計が 730 時間であったが，実際に乾燥地でじん除去に要する電力は約 1.2 ~ 2 W であると見積もられ長期間電界カーテンを用いて砂じん除去を行うと発電出力

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が短期間に大幅に低下すると考えられる．

2) Hiroyuki Kawamoto and Takuya Shibata, Electrostatic

今後の展開として，電界カーテンとセルの間に透明接地

cleaning system for removal of sand from solar panels, Journalof Electrostatics, 73, 65-70 (2015)

電極を設けてセルをシールドした状態で，種々の電界カー
テン電極間隔に対し，電界カーテン電極間の放電および電

3) G. Liu and J.S. Marshall, Particle transport by standing waves

界カーテンと透明接地電極間の放電が起きない範囲の高電on an electric curtain, Journal of Electrostatics, 68, 289-298

圧を用いた実験を行い，砂じん除去効果と日射減少および(2010)

消費電力のトレードオフを定量的に調査する研究を今後実4)施する予定である．その際，高電圧化にともなう太陽電N.

OdawaraandR.

Nishimura,

Preventionofsandaccumulation on the Surface of PV modules installed in arid-

池外枠や架台への漏電など，沿面放電による不都合がland by using Electric field, Proceedings of JSES/JWEA Joint

予 想 さ れ る 部 位に 対 す る 対策 ， PV モ ジ ュー ル か ら電Conference (2017) (Oct. 2017), 229-232, Niigata, Japan.

気的に切り離せないバイパスダイオード等の素子への

5) Hiroki Takegata and Ryo Nishimura, Simulation of sand影響および対策を検討する．

removing by using electric field curtain for PV modules
installed in arid land, Journal of Japan Solar Energy Society,謝辞

46 (5), 57-62 (2020)
6) 太 陽光 発電総 合情報 , 太陽電 池の PID 劣 化 現象

本研究は JSPS 科研費 JP19K12428 および鳥取大学国際(accessed Feb. 6, 2020),

乾燥地研究教育機構「砂丘地保全・活用プロジェクト」か

http://standard-project.net/solar/words/pid.html

らの助成を受けて行われた． 本報は 2019 （令和元）年

7) デ ン ソ ー ス パ ー ク プ ラ グ , 放 電 電 圧 に 影 響 す る 条 件

度の日本太陽エネルギー学会研究発表会で発表したものに(accessed Feb. 3, 2020),加筆したものである．

https://www.denso.com/jp/ja/products-andservices/automotive-service-parts-and-

参考文献

accessories/plug/basic/spark/condition.html
8) ヒ ラ ソ ル ,ソ ー ラ ー パ ネ ル の 寿 命 (accessed Feb. 7, 2020),
https://www.girasol-solar.jp/magazine/lifespan/1) Arash Sayyah, David R. Crowell, Atri Raychowdhury, Mark N.
Horenstein and Malay K. Mazumder, An experimental study9) K. Mazumder, Arash Sayyah, Mark N. Horenstein, Malay,on the characterization of electric charge in electrostatic dust

Energy yield loss caused by dust deposition on photovoltaic

removal, Journal of Electrostatics, 87, 173–179 (2017).

panels, Solar Energy 107, 576-604 (2014)7

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