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太陽光発電におけるモジュール及びストリングレベル・パワーエレクトロニクス（MLPE ／ SLPE）の最近の技術動向

Tigo の MLPE による太陽光発電システムの効率化と安全性の向上
Tigo's MLPE Improves Efficiency and Safety of PV systems
天野啓史 *
1．Tigo Energy Inc. について

3．Tigo の Flex MLPE

Tigo Energy Inc. は 2007 年に，システムレベル長年にわたる研究開発，試験，認証を経て，スマーのアプローチと半導体，パワーエレクトロニクス，

トな MLPE として TS4 プラットフォームを市場に太陽エネルギーの専門知識を組み合わせた経験豊富投入しました．TS4 プラットフォームを用いると，な技術者チームによってシリコンバレーに設立されモニタリング，セーフティ，発電量のオプティマイました．業界の Tier 1 モジュールおよびインバージングの中から，PV モジュール毎にニーズに応じタのメーカーと提携することで，最もスマートなた機能の選択が可能になり，この柔軟性が Flex

TS4 モジュラープラットフォームと共にイノベーMLPE の由縁です．TS4 プラットフォームには，ジャションに集中し，より広範なエコシステムに貢献しンクションボックスの形態として PV モジュール一ます．Tigo Energy Inc は，米国，ヨーロッパ，日本，体型（Integrated）のものと，PV モジュールへ後中国，オーストラリア，中東にて事業を展開してい付け型（Add-on），図 1 のものがあります．

ます．

TS4 プラットフォームは，表 1 の通り，4 機種の1.1TS4 と三つの機能で構成されます．三つの機能とは，目的Tigo Energy Inc. のミッションは，Flex MLPE（モジュールレベルのパワーエレクトロニクス）と通信モニタリング，セーフティ，オプティマイジングです．

技術を活用して，最小限のコストで最大のエネルギー生成するように設計されたスマートな PV 技術を提供することにより，ユーザーの ROI を向上させることです．
1.2

技術

Tigo は，すべての PV モジュールを IoT 化する
PV 業界の取り組みの基礎として，MLPE 市場でFlex MLPE アーキテクチャを先駆けて開発しました．

2．MLPE とは

図1

MLPE（Module Level Power Electronics） は，PV モジュールへ後付け型 MLPE

PV モジュール単位で監視や制御を行い，モニタリングによる発電量管理と不具合の発見，シャットダウンによる太陽光発電システムの安全性の向上，オプティマイジングによる最適化と発電ロスの抑制を行います．

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26* Tigo Energy Inc., Director of Japan Sales（〒 100-0006 東京都千代田区有楽町 2-7-1）
hiroshi.amano@tigoenergy.com－ 26 －

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機種／機能（2）PV モジュールのホットスポットの有無

表1

TS4 機種と機能

TS4-F

TS4-M

TS4-S

TS4-O

-○○○

（3）バイパスダイオードの不良（4）断線，PV コネクターの接触不良

モニタリン（5）インバーター出力低下

グ
セーフティ，

下図のように出力（W），電流（A），電圧（V）
を高い精度でモニタリング表示されますので，症状

ラピッドシ
○-

○

○

によって不具合の発見と原因の特定が可能です．

ャットダウン

出力（W）

オプティマ
---

○

PLC

無線

無線

無線

イジング
通信方法

電流（A）

4．モニタリング
固定価格買取制度期間の 20 年，又は耐用年数の25 年を超えて太陽光発電システムを使い続けるた
めには，保守点検を予測・実施することが重要です．
モジュール単位のモニタリングを介してシステムの性能を確認することで，システムの稼働時間を最大電圧（V）化し，システムの不具合を深刻になる前に発見することができます．
4.1

Tigo のモニタリング

TS4-M のモニタリングの表示内容と機能には以

図2

モニタリング表示下のようになります．
（1）発電量（Wh）

5．セーフティ（2）リカバリー量（Wh）

世界中の太陽光発電システムの安全要件と危険管（3）出力（W）（4）リカバリー量（W）理が増加しています．MLPE は発電システムがこ（5）入力電圧（V）れらの基準を満たすのに役立ちます．現在，米国に（6）出力電圧（V）

は 最 も 厳 し い 太 陽 光 発 電 の 電 気 工 事 基 準，（7）入力電流（A）

NEC2017.690.12® があります．
このセーフティ機能は，火災など緊急時のシステ（8）出力電流（A）（9）通信強度

ム安全性を強化するだけでなく，通常のメンテナン（10）グラフ（分，時，日，月，年）

ス操作にも使用できます．この遮断機能により，設（11）データ・ダウンロード（秒〜年毎）

置作業者，消防士，およびメンテナンス技術者は，（12）アラート発信

高電圧が存在しないという安全な環境を得ることが（13）リポート（月，日毎）できます．

（14）ユーザー管理

5.1

日射を浴びますと PV モジュールは高電圧で充電（15）発電所情報（16）API データ共有されます．これは，設置作業者や消防士などアレイ

4.2の近くで作業する他の人にとっての主な安全上の懸Tigo モニタリングの有効性

各 PV モジュールのパフォーマンスを 1 分毎にモ念です．特に，太陽光発電システムを搭載した建物ニタリング，1 秒ごとのデータ保存することで，以の火災消火活動での現場安全確保は多くの国々で重下の不具合の発見と場所の特定が可能になります．

要視されています．DC 切断後も，標準的な回路の（1）PV モジュールの日射量の低下

PV モジュールは直列に接続されているため依然とVol.46. No2

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セーフティ機能の目的

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して開放電圧を伝達します．ストリングの直列接続により，各モジュールとケーブルは，許容される最大システム電圧に応じて，600V，1000V，さらには1500V の電荷を運ぶことができます．セーフティ機
能は，現場での手動または自動モジュールレベル切断により，安全性を強化します．
5.2

NEC2017.690.12® 概要

米国電気工事基準 NEC 2017.690.12 では，PV ア
レイ境界の外側，アレイの端から 350mm/1ft 以上
外側の電気導体は，ラピッドシャットダウンが起動された後 30 秒以内に 30V 以下に，アレイ境界に内側，アレイの端から 350mm/1ft 以上外側の電気導体は，ラピッドシャットダウン機能を示すラベルの貼り付けと，ラピッドシャットダウンが起動された
後 30 秒以内に 80V 以下に制限することが求められています．
5.3 Tigo 製品のラピッドシャットダウンへの対応
Tigo の Flex MLPE は，NEC 2017.690.12 に 準 拠

図4するために，UL および IEC から認証を受けていま

TS4-F のラピッドシャットダウン

す． これらの認証は，現在世界中で出荷されている 40 社以上のモジュールメーカーと 15 社のインTS4-F は， 図 4 の 様 に，SunSpec 標 準 に 沿 っ た

バーターメーカーによって製品化されています．図PLC 通信を使用し，ラピッドシャットダウン起動

3，図 4 のような二通りのシステム構成でラピッド後 10 秒で出力電圧を 0.6V へ落とします．どちらのシャットダウンを行います．NEC 2017.690.12 の中方法も，通信から “Keep-alive” 信号がなくなることに定められていますラピッドシャットダウン起動条

により各モジュールの出力をシャットダウンさせま

件の三通りのいずれにも沿っています．

す．

図 3 で表されるように，TS4-S と TS4-O は無線通信を使用し，ラピッドシャットダウン起動後 106．オプティマイジング
今日の PV システムは通常，ストリングで互いに秒で各 PV モジュールの出力電圧を 0W および 0Vへ落とします．

直列に接続されたパネルで構成されており，これらのストリングのいくつかは並列に接続されてアレイを形成しています．直列に接続された PV モジュールの性質により，最適化しない限り，パフォーマン
スが最も低いモジュールがアレイ全体のパフォーマンスに影響を与えます．以下では，PV アレイのパフォーマンス低下の原因の概要を説明し，インピーダンスマッチングと予測 IV の形でその影響を最小限に抑えるために利用できる優れた技術を説明します．
6.1

IV カーブ最適化の必要性は，モジュール IV の曲線と，モジュールを直列に接続したときの動作を調べることで理解できます．キルヒホッフの現在の法則は，すべてのコンポーネントが直列に接続されている閉じた電子回路では，電流は同一であるべきだと定めて
図3

TS4-S と TS4-O のラピッドシャットダウン

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います．たとえば，インバータに接続された単一の－ 28 －2020 年

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6.2

出力を低下させるミスマッチ

PV システムの機器構成のミスマッチは，アレイ内の PV モジュール間のパフォーマンスの差を表します．ミスマッチは，影のないアレイであっても，PV システムの発電量に大きな影響を与える可能性があります．モジュールの性能が同じでない場合，強いモジュールと弱いモジュールの電力曲線は異なります．インバーターが複数のモジュールに対して単一の動作点を選択する場合，強いモジュールと弱図5 異 なる日射レベルにさらされる 2 つの同一の PV モ
ジュールの例いモジュールの間で妥協が必要です．また，
モジュー
ル IV の曲線は 1 日を通して動的に独立して変化するため，中央のインバーターがアレイからの最大エネルギー収率を達成することはさらに困難になりま

ストリングを備えた単純な PV アレイでは，すべてす．
ミスマッチの原因には以下のようなものがありまのモジュールがその他全てと同じ電流を持つ必要があります．ただし，特定の条件下では，一部のモす．

ジュールはわずかな電流しか流すことができませ（1）雲の影と屈折ん．

（2）障害物の影，方位の違い

下図 5 は，2 つの同一の PV モジュールの IV 曲（3）出力交差線を示しています．1 つは高い日照度にさらされる（4）PV モジュール間の温度の違い（A），もう一つは低い日照度にさらされる（B）です．

（5）バイパスダイオードの不具合

同じ電流が両方のモジュールに適用されるため，（6）PV モジュール表面の汚れインバーターの最大電力点追従制御（MPPT）は，（7）ストリング電圧の違い

モジュール A の電力点（高放射照度，約 8.7A），モ（8）PV セルの劣化

ジュール B の作動点（低放射照度，約 5.2A），また（9）その他部品又は機械的劣化はその間の任意のポイントとなります．

6.3

Tigo のソリューション

8.7A では，強いモジュール A が最大電力を生成

Tigo の TS4 プラットフォームは，Predictive IVしますが，弱いモジュール B は完全にバイパスさ（PIV，特許出願中），予測 IV を利用する唯一のれます（8.7A に一致する IV 曲線上の点はありませ

MLPE であり，最高の ROI を保証します．Tigo は，ん）
．5.2A では，弱いモジュール B はピーク電力で各 PV モジュールが最大エネルギーを生成できるよ

すが，強いモジュール A は最大 185W しか出力でうに，最適な設定を予測する先進的なアプローチをきません．Tigo によるモジュールレベルの最適化提供します．

により，各モジュール（A または B）は，ストリン

6.3.1

予測 IV

グ内の他のモジュールとは無関係に，利用可能な最予測 IV（PIV）は，インピーダンスマッチング大エネルギーを生成できます．この例の結果は，両と長年の研究から進化した最新技術です．予測 IV

方のモジュールから利用可能な電力を合計することには，MPPT およびインピーダンスマッチングテ

により，3 つのオプションすべてについて定量化でクニックに加えて，モジュールの最適な設定を予測きます．

して最大エネルギーを生成する過去のモジュールの動作統計が組み込まれています．その結果，より正8.7A の場合：320W ＋ 0W ＝ 320W

確なモジュールレベルの最適化が実現し，エネル（強いモジュール出力 ＋弱いモジュール出力）ギー収率が向上します．

5.2A の場合：185W ＋ 190W ＝ 375W

6.3.2

510W －変換効率（0.5% － 1.5%）＝ 505W

インピーダンスマッチング

電池と同様に，PV モジュールは直列に接続され

オ プ テ ィ マ イ ズ さ れ た 場 合：320W ＋ 190W ＝ています．すべてのモジュールが同じ量の電力を生成している場合，アレイは最適に発電しています．
ただし，1 枚のモジュールのパフォーマンスが低い

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場合，同一ストリング内の他のモジュールも出力低対応できるようにします．各モジュールを最適な出下します．PV モジュールをパイプと考えると，完力ポイントに戻し，ミスマッチにより失われたエネ

全なモジュールには大きなパイプがあり，パフォールギーを回収し，総発電量を増加させます．Tigo

マンスの低いモジュールには小さなパイプがありまの TS4 プラットフォームと予測 IV は，ユニバーサす．一緒に接続すると，細いパイプがアレイを通る

ルに使用される従来のインバーターおよびバッテエネルギーの流れを制限し，モジュールを加熱する

リー充電器の多くと互換性を保ち，回路設計の変更ことで電力を失います．これにより，大きな電力損など特定の設計変更を必要としません．そのことか失とパネル損傷が発生する可能性があります．それら，新しく設置される太陽光発電システムだけではは，図 6 で表されます．

なく，既に稼働中の既設太陽光発電システムにもインピーダンスマッチングテクノロジーは，トンネルを開いて一部の電流がパフォーマンスの低いモ
ジュールをバイパスできるようにすることで，モMLPE を追加設置が可能です．

7．まとめ

ジュール間のミスマッチを修正します．トンネルのMLPE の最も優位性のあるモニタリング ，セー

直径は動的であり，必要な量だけ開きます．パフォー

フティ，オプティマイジングを用いて，太陽光発電マンスの低いモジュールは引き続きストリングにそシステムの効率化と安全性の向上を実現できます．の力を提供しますが，他のモジュールの流れを制限

その MLPE の中でも，Tigo の TS4 プラットフォーしません．図 7 ではそのバイパスが表されています．

ムは以上に紹介しました精度の高いモニタリング，

6.3.3

Tigo のオプティマイジングのまとめUL および IEC から認証を取得したセーフティ，ユTigo TS4 ベ ー ス の オ プ テ ィ マ イ ジ ン グ はニバーサルなオプティマイジング機能を用いて実現

Predictive IV を利用して，変化する条件に迅速にさせています．今後これから新たに設置される太陽光発電システムだけに効率化と安全性の向上を望むのではなく，これまでに設置されたシステムの効率化と安全性の向上を行える Tigo の Flex MLPE は，太陽光発電の持続可能性に於いても有効であると思われます．
参考文献
１）National Fire Protection Association, NFPA
70R National Electrical CodeR,（2020）, USA.

図6２）Tigo Energy Inc., Maximizing Energy Harvest,

直列に接続された 4 枚の PV モジュール
そのうち 1 枚はパフォーマンスが低く，電流を制限

The Roles of Predictive IV and ImpedanceMatching in PV Array Optimization, 2-6,
California, USA.
３）Tigo Energy Inc., Rapid Shutdown Solutions for
project developers and asset owners,（Jan.
2020）, 1-6, California, USA.
著者略歴
天野啓史（アマノ ヒロシ）
University of Victoria, Bachelor ofCommerce 卒業．
2010 年から外資太陽電池モジュール

図7 パ フォーマンスの低いモジュールを流れることができない電流は，オプティマイザーによってバイパスメーカーの国内スタートアップに携わる．2016 年より現職，Tigo Energy Inc. の Directorof Japan Sales.

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