JP6091391B2

JP6091391B2 - 太陽電池パネルの診断方法

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Publication number: JP6091391B2
Application number: JP2013200259A
Authority: JP
Inventors: 睦津田; 正和滝; 保聡屋敷; 知弘池田; 本並　薫; 薫本並
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: JP2014186022A

Description

本発明は、太陽電池パネルの診断方法に関する。

太陽光発電は、火力発電や原子力発電の代替エネルギーとして大いに期待されており、単結晶あるいは多結晶シリコン基板を用いる結晶系太陽電池パネルやガラス基板上にシリコン等の薄膜を堆積して太陽電池セルを形成する薄膜太陽電池パネルの生産量は、近年飛躍的に増加している。現在では、これらの太陽電池パネルを複数個、目的に合わせて直並列に接続した太陽光発電システムが、一般の家庭用発電に留まらず、１ＭＷ以上の発電量を持つ大規模発電所にも使用されるようになってきている。

太陽電池パネルは、機械的に動作する部分が少なく、その寿命は一般に２０年以上と言われているが、実際には、様々な原因により運転開始から数年足らずで不具合が発生することが多数報告されている。太陽電池セル内の発電層の劣化、電極・配線部の腐食による抵抗増大、太陽電池セルと金属製フレームとの間に充填している封止材の絶縁劣化、太陽電池パネルを固定している金属製架台の接地不良、等により、太陽電池パネルの特性劣化が起こり、最終的には動作不良に至る場合もある。太陽電池の更なる普及のためにも、このような太陽電池パネルの劣化状態を早期に検知できる診断技術が求められている。太陽電池パネルの劣化状態を早期に検知できれば、太陽光発電システム内の一部の太陽電池パネルに劣化が生じている場合に、適切なタイミングで太陽電池パネルの修理や交換を行えば、その太陽電池パネルが故障してシステム全体に及ぶ不具合が発生することを回避できる。そのためにもパネルの劣化診断や故障予測技術が重要である。

太陽電池パネルの発電量は、その時の日射量や気象条件などの外的要因によって大きく変化するため、太陽電池パネルの電流・電圧や発電量をモニタリングするだけでは、パネルが正常に動作しているかどうかを判断するのは難しい。このような発電量モニタリングでは、パネルが“動作している”／“動作していない”、のようにいわゆる“０”／“１”判定は可能であるが、日射量が刻々変動している実際の設置環境では、発電量が低下してもパネルに異常が発生したかどうかを判断することは困難である。また、太陽光発電システムを施工する際、施工が完了した時点で、パネルの結線に不具合がある、あるいは製品自体に問題があるかどうかをその場で判断することも難しい。

特許文献１には、太陽電池モジュール裏面の屋根用鋼板をアース線で接地極に接続し、太陽電池モジュールのプラス端子と接地極とにＬＣＲメータを接続し、太陽電池セルと接地極間の静電容量の測定を行うことが記載されている。これにより、特許文献１によれば、太陽電池モジュールから接地極に接続が行われていない場合には接続が行われている場合に比べて静電容量測定値が大幅に小さくなるので、太陽電池モジュールが接地極に接続されているかどうかを確認できるとされている。

特許文献２には、複数の太陽電池モジュールが直列に接続された太陽電池ストリングの端子にＬＣＲメータの入力端を接続し、対地間静電容量を測定することが記載されている。これにより、特許文献２によれば、（断線箇所までの太陽電池モジュール枚数）＝（故障時の静電容量／健全時の静電容量）×（太陽電池ストリング中の太陽電池モジュール枚数）の式で、太陽電池モジュール間の断線位置を容易に特定できるとされている。

特許第３４５０７０１号公報特許第４６０４２５０号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、いずれも、ＬＣＲメータを用いて太陽電池パネルの出力端子とアース（大地）間との静電容量を測定することが前提となっている。このため、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、太陽電池パネル間の断線状況やパネルを取付けている架台や太陽電池パネルのフレームとの接地不良を検知することはできても、太陽電池セルの発電層の劣化、電極・配線部の抵抗不良、太陽電池セルの絶縁不良等の太陽電池パネル自体の不具合や問題点を検知することは困難であると考えられる。

また、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、静電容量の測定自体も精度が不充分であると考えられる。例えば、太陽電池ストリングのパネル間の断線の有無を判定することは可能であるとしても、断線に至る途中の劣化度合いを定量的に検知することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽電池パネルの劣化度合いを定量的に診断できる太陽電池パネルの診断方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる太陽電池パネルの診断方法は、複数枚の太陽電池パネルが直列あるいは並列に接続された太陽電池ストリングの中の１枚の太陽電池パネルの出力端子に測定周波数が掃引可能であるインピーダンス測定器を接続し、前記太陽電池パネルと直接接続されている両隣の２枚の太陽電池パネルとの間に干渉防止用のダイオードが挿入された状態で、前記インピーダンス測定器を用いて前記太陽電池パネルのインピーダンスの周波数依存性を測定し、前記測定された周波数依存性における共振周波数及び共振特性に基づいて、前記太陽電池パネルの等価回路定数を決定し、前記決定された等価回路定数の値と前記太陽電池パネルが正常であるときとの値とを比較して、前記太陽電池パネルの劣化の程度を検知することを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池パネルの出力端子に測定周波数が掃引可能であるインピーダンス測定器を接続し、インピーダンス測定器を用いて太陽電池パネルのインピーダンスの周波数依存性を測定する。これにより、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を把握できる。そして、把握された共振周波数及び共振特性に基づいて、太陽電池パネルの等価回路定数を決定する。例えば、太陽電池パネルに対応する等価回路モデルから求められるインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性にフィッティングさせることで、太陽電池パネルの等価回路定数を決定できる。そして、決定された等価回路定数の値と太陽電池パネルが正常であるときとの値とを比較して、太陽電池パネルの劣化の程度を検知する。これにより、太陽電池パネル自体の状態を数値的に把握できるとともに、正常であるときとの値と数値的に比較できるので、太陽電池パネルの劣化度合いを定量的に診断できる。

図１は、実施の形態１にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法を模式的に示す概略構成図である。図２は、実施の形態１にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法を用いて測定した、太陽電池パネルの高周波インピーダンスＺ_ＰＶの強度と位相の周波数に対する依存性の一例を示す図である。図３は、実施の形態１における太陽電池パネルの高周波等価回路モデルを示す図である。図４は、実施の形態１にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法を用いて太陽電池パネルのインピーダンスを測定し、等価回路解析を行った結果の一例を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法を用いて太陽電池パネルの劣化度合いを診断した結果の一例を示す図である。図６は、実施の形態２にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法の概略構成を模式的に示す図である。図７は、実施の形態３にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法の概略構成を模式的に示す図である。図８は、実施の形態４にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法の概略構成を模式的に示す図である。図９は、実施の形態５にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法の概略構成を模式的に示す図である。図１０は、実施の形態５にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法を用いて評価した、測定回路全体の高周波インピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}の強度と位相の周波数に対する依存性の一例を示す図である。図１１は、実施の形態６にかかる太陽電池パネルの劣化・故障診断方法の概略構成を模式的に示す図である。

以下に、本発明にかかる太陽電池パネルの診断方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
実施の形態１にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。

診断すべき太陽電池パネルは、例えば、薄膜又は結晶系の太陽電池セルを含む太陽電池パネルである。太陽電池パネルの診断方法の診断対象は、例えば、太陽電池パネルの故障だけでなく、故障に至る途中段階の劣化についても含む。太陽電池パネルの診断方法の診断対象は、例えば、太陽電池パネルの劣化の程度を検知する。

具体的には、例えば図１に示すように、太陽電池パネル１１の出力端子にインピーダンス測定器１５を接続する。図１は、実施の形態１による太陽電池パネルの劣化診断方法を示す概略図である。

太陽電池パネル１１は、例えば、薄膜太陽電池パネルである。太陽電池パネル１１では、ガラス基板１２上に、シリコン等の発電層や透明電極膜などが積層されて太陽電池セルが形成されている。太陽電池パネル１１は、例えば、太陽電池パネル１１の周囲に金属製フレームを配置しないフレームレスのタイプである。また、太陽電池パネル１１の裏面側には、電力を取り出すための出力端子ボックス１３が配置されている。

この出力端子ボックス１３の一方の端子（正極側）１３ａには、パネルの劣化診断のため、インピーダンス測定器１５の測定ポート１６に接続された同軸ケーブル１７の中心導体１８を接続する。出力端子ボックス１３の他方の端子（負極側）１３ｂには、同軸ケーブル１７の外部導体１９が接続される。同軸ケーブル１７では、外部導体１９が誘電体２０を介して中心導体１８と電気的に絶縁されている。

インピーダンス測定器１５は、測定周波数が実質的に掃引可能であり、測定周波数を実質的に掃引（例えば、連続的に掃引、又は所定間隔（例えば、一定間隔）で離散的に掃引）する機能を有する。インピーダンス測定器１５は、例えば、ネットワークアナライザ、インピーダンスアナライザ、コンビネーションアナライザなどである。

次に、この太陽電池パネル１１のインピーダンス測定に関し詳細に説明する。ここではインピーダンス測定器１５として、ネットワークアナライザを使用し、１ポート反射法によりインピーダンスを測定する方法について説明する。

インピーダンス測定器１５の測定ポート１６から微弱な高周波信号を太陽電池パネル１１に送り、その入射波の電力と、太陽電池パネル１１からインピーダンス測定器１５に戻ってきた反射波の電力とをそれぞれ測定する。インピーダンス測定器１５では、この入射波と反射波との振幅比から反射係数（強度、位相）を求め、最終的には太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶを得ることができる。この測定では、高周波信号の周波数Ｆを、ある範囲（Ｆ_１＜Ｆ＜Ｆ_２）で掃引し、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶの周波数Ｆ依存性を得る（図２（ａ）、（ｂ）参照）。

図１に示した診断方法を用いて、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶを測定した結果の一例を図２に示す。図２（ａ）は、インピーダンスＺ_ＰＶの強度の周波数Ｆに対する依存性を表し、図２（ｂ）は、インピーダンスＺ_ＰＶの位相の周波数Ｆに対する依存性を表している。図２は、この測定を、例えば、太陽電池パネル１１における太陽電池セルが発電しない夜間帯（暗状態）に行い、例えば、下限周波数をＦ_１＝３００ｋＨｚ、上限周波数をＦ_２＝１０ＭＨｚに設定し、周波数ＦをＦ_１からＦ_２まで増加させながら、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶを測定した結果である。

周波数をＦ＝３００ｋＨｚから徐々に増加させると、図２（ａ）に示す太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶの強度は、初め減少し、周波数がＦ〜１．５ＭＨｚで最小を示した後、再び増加している。そして、周波数がＦ＞５ＭＨｚでほぼ平坦な特性を示している。一方、図２（ｂ）に示すインピーダンスＺ_ＰＶの位相は、周波数がＦ〜１．５ＭＨｚで、−９０°（容量性の負荷）から＋９０°（誘導性の負荷）に急激に変化している。そして、周波数がＦ＞２ＭＨｚでほぼ平坦な特性を示している。

図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施例で測定した太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶの周波数依存性は、Ｆ〜１．５ＭＨｚで共振特性を示し、Ｚ_ＰＶの強度が最小で、その位相が０°になるときの周波数（すなわち共振周波数）を求めると、この太陽電池パネル１１では、共振周波数はＦ_ｒｅｓ＝１．４８ＭＨｚであった。また、インピーダンスの最小値はＺ_ＰＶ＝７．３Ω（＠１．４８ＭＨｚ）であった。

共振周波数や最小インピーダンスの値は太陽電池パネルの状態により決定されるので、これらの数値を把握することで、太陽電池パネルの状態（例えば、劣化の程度）を把握・管理することができる。

ここで、これらの数値（例えば、共振周波数、及びインピーダンスの最小値）が変化しても、太陽電池パネル１１のどの箇所に問題が生じているかは直接的に分からない。不具合箇所を特定するためには、太陽電池パネル１１を等価回路に置き換えればよい。等価回路中の特定の素子（例えばシリーズ抵抗）の値が変化すれば、この素子に対応する箇所（電極や配線部）に不具合が生じたと考えることができる。このように、太陽電池パネル１１固有の等価回路定数を把握・管理することは有効である。

図３は、図１に示す太陽電池パネル１１の暗状態における等価回路モデルを表す。太陽電池パネル１１内の電極・配線部１１ａは、シリーズ抵抗ｒ_ｓと寄生インダクタンスＬとの直列接続で表せる。また、太陽電池セル部（電極／発電層／電極）１１ｂは、電極部のシリーズ抵抗ｒ_ｓと発電層のシャント抵抗Ｒ_ｓｈに加え、光照射が無い暗状態では、発電層のｐｎ接合部の接合容量Ｃ_ｄを用いて、図３に示すような直列並列回路で表すことができる。よって、出力端子ボックス１３から見た太陽電池パネル１１の全インピーダンスＺ_ＰＶは、次の数式（１）により表せると考えられる。

数式（１）で、ωは角周波数（Ｆ＝ω／（２π））、ｊは複素数の虚数単位を表し、ωと回路定数（Ｌ、Ｒ_ｓｈ、Ｃ_ｄ）の値がωＬ−ωＲ_ｓｈ ^２Ｃ_ｄ／｛１＋（ωＲ_ｓｈＣ_ｄ）^２｝＝０の関係を満たすときに、Ｚ_ＰＶの虚部の値はゼロになり、このときＺ_ＰＶの強度は最小、位相は０°になる。すなわち、これが回路の共振条件であり、Ｌ、Ｒ_ｓｈ、Ｃ_ｄの値が与えられているときには、共振周波数Ｆ_ｒｅｓは次の数式（２）により得られる。

太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶは、周波数範囲を適切に選ぶと、図２（ａ）に示すような共振特性を示し、共振周波数Ｆ_ｒｅｓの前後の周波数領域でＺ_ＰＶの強度が大きく変化するので、この領域で数式（１）および数式（２）を実測値にフィッティングさせる（図４参照）。これにより、数式（１），（２）中のフィッティング・パラメータである４つの回路定数（ｒ_ｓ、Ｒ_ｓｈ、Ｌ、Ｃ_ｄ）を比較的容易に求めることができる。

なお、数式（１）をフィッティングする際、必ずしもこのような共振特性を利用する必要はないが、フィッティングの精度を向上させるには共振周波数Ｆ_ｒｅｓの前後の周波数領域でフィッティングを行うのが望ましい。

具体例として、図２において、共振周波数（Ｆ_ｒｅｓ＝１．４８ＭＨｚ）を含む領域として、周波数がＦ＝３００ｋＨｚから４ＭＨｚまでの周波数領域でフィッティングを行った結果を図４に示す。ここで、丸印はインピーダンスＺ_ＰＶの実測値であり、実線は数式（１）をフィッティングした結果である。実測値とフィッティングの結果とは比較的良く一致しているのがわかる。このフィッティングにより得られた等価回路定数の値は、シリーズ抵抗ｒ_ｓ＝７．１Ω、寄生インダクタンスＬ＝２．８μＨ、シャント抵抗Ｒ_ｓｈ＝４．３ｋΩ、接合容量Ｃ_ｄ＝４．０ｎＦであった。このようにして太陽電池パネルの等価回路定数を求めることができる。

なお、本実施の形態では、太陽電池パネル１１の正極側の端子１３ａにネットワークアナライザの測定ポート１６を接続した測定方法を例示しているが、逆に太陽電池パネル１１の負極側の端子１３ｂにネットワークアナライザの測定ポート１６を接続してもよく、同様の結果が得られる。

次に、本実施の形態で示した太陽電池パネル１１の診断方法を用いて、太陽電池パネル１１の劣化度合いを診断した結果について説明する。ここでは、１つの太陽電池パネルに高温・高湿試験（気温：＋８５℃、湿度：８５％ＲＨ）を時間を変えて実施し、試験後にパネルの発電特性および高周波特性を評価した結果について例示的に説明する。

なお、高温・高湿試験時間は１０００時間および２０００時間とし、試験前の初期値も含めて、計３回特性評価を行った。また、高周波特性評価の結果から、図３および図４で述べた計測・解析方法により太陽電池パネルの等価回路定数（ｒ_ｓ、Ｒ_ｓｈ、Ｌ、Ｃ_ｄ）を求めた。

図５は、太陽電池パネルに高温・高湿試験（１０００時間、２０００時間）を実施した後のパネルの等価回路定数（Ｌ、ｒ_ｓ、Ｃ_ｄ、Ｒ_ｓｈ）と変換効率（η）の変化を示している。ここで、回路定数や変換効率の値は、試験前の初期値で規格化している。試験前の初期値は、太陽電池パネルが正常であるときの値として用いている。すなわち、回路定数や変換効率の値を試験前の初期値で規格化することは、等価的に、回路定数や変換効率の値を太陽電池パネル１１が正常であるときの値と比較することに相当する。

図５に示すように、１０００時間の高温・高湿試験では、太陽電池パネルの変換効率ηは殆ど変化していない。しかしながら、パネルの回路定数に関しては、太陽電池セルの発電層の接合容量Ｃ_ｄの値とシャント抵抗Ｒ_ｓｈの値とが試験前と比較して少し低下している。すなわち、１０００時間の高温・高湿試験では、太陽電池パネルの発電特性には殆ど変化は認められないが、発電層には早くも僅かな劣化が発生していることが認められる。

この太陽電池パネルに高温・高湿試験を継続すると、図５に示すように、２０００時間後には、変換効率ηは０．８６にまで大きく低下した。一方、回路定数に関しては、配線の寄生インダクタンスＬや配線や電極部のシリーズ抵抗ｒ_ｓは相変わらず殆ど変化していないが、発電層の接合容量Ｃ_ｄは０．８７に、シャント抵抗Ｒ_ｓｈは０．９１に、大きく低下した。これらの結果から、発電層の劣化が変換効率ηの低下を引き起こしたといえる。また、配線や電極部に対応するシリ−ズ抵抗ｒ_ｓの値が一定であることから、２０００時間までの高温・高湿試験では、金属の腐食は起こっていないといえる。

このように、太陽電池パネルの変換効率が低下する前に、早くもＣ_ｄやＲ_ｓｈの低化を検知していることから、従来の発電量モニタリングに比べ、本実施の形態の診断方法では、太陽電池パネルの劣化度合いをより敏感に且つ定量的に診断することが可能であると結論される。

例えば、図５では、等価回路定数（Ｌ、ｒ_ｓ、Ｃ_ｄ、Ｒ_ｓｈ）及び変換効率（η）が、初期値（太陽電池パネル１１が正常であるときの値）で規格化されている。これらの規格化された各値は、太陽電池パネル１１が正常であるときの値との比較結果に相当するものであるとともに、劣化度合いを定量的に示す値にもなっている。

これにより、例えば、等価回路定数（Ｌ、ｒ_ｓ、Ｃ_ｄ、Ｒ_ｓｈ）及び変換効率（η）の規格化された値を閾値と比較することで、太陽電池パネル１１の修理や交換が必要か否かを判断できる。例えば、変換効率（η）の値が変換効率用の閾値ＴＨηより大きく、寄生インダクタンスＬの値が寄生インダクタンス用の閾値ＴＨＬより大きく、シリ−ズ抵抗ｒ_ｓの値がシリ−ズ抵抗用の閾値ＴＨｒ_ｓより大きい場合でも、接合容量Ｃ_ｄが接合容量用の閾値ＴＨＣ_ｄ以下になること（第１の条件）と、シャント抵抗Ｒ_ｓｈがシャント抵抗用の閾値ＴＨＲ_ｓｈ以下になること（第２の条件）との少なくとも一方が満たされた場合に、太陽電池パネルの修理や交換が必要であると判断できる。また、太陽電池パネル１１の修理や交換が必要であると判断した場合に、ユーザに太陽電池パネル１１の修理や交換を促すように（例えば、メッセージ表示やランプ点灯などの視覚的な方法で）報知できる。なお、第１の条件及び第２の条件がいずれも満たされない場合には、太陽電池パネル１１の修理や交換が不要であると判断できる。このように、太陽電池パネル１１の劣化度合いを定量的に診断できる。

なお、等価回路定数（Ｌ、ｒ_ｓ、Ｃ_ｄ、Ｒ_ｓｈ）及び変換効率（η）の規格化された値について複数の時間（例えば、１０００時間後、及び２０００時間後）の間の変化率をみることで、太陽電池パネル１１の故障時期を予測することもできる。この場合、予測された故障時期をユーザに（例えば、メッセージ表示やランプ点灯などの視覚的な方法で）報知できる。

ここで、仮に、測定周波数が掃引可変でないインピーダンス測定器（例えば、ＬＣＲメータ）を用いて太陽電池パネル１１の特性を測定する場合を考える。この場合、太陽電池パネル１１とアース（大地）との間の静電容量しか把握できず、太陽電池パネル１１の劣化度合いを定量的に診断することが困難である。

それに対して、実施の形態１では、太陽電池パネル１１の出力端子に測定周波数が掃引可能であるインピーダンス測定器１５を接続し、インピーダンス測定器１５を用いて太陽電池パネル１１のインピーダンスの周波数依存性を測定する。これにより、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を把握できる。そして、把握された共振周波数及び共振特性に基づいて、太陽電池パネル１１の等価回路定数を決定する。例えば、等価回路定数に対応した回路モデルに応じたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性にフィッティングさせることで、太陽電池パネル１１の等価回路定数を決定できる。そして、決定された等価回路定数の値と太陽電池パネル１１が正常であるときとの値とを比較して、太陽電池パネル１１の劣化の程度を検知する。これにより、太陽電池パネル自体の状態を数値的に把握できるとともに、正常であるときとの値と数値的に比較できるので、太陽電池パネルの劣化度合いを定量的に診断できる。

また、実施の形態１では、太陽電池パネル１１の等価回路定数を把握・監視することにより、太陽電池パネル１１の僅かな劣化を検知することができる。これにより、故障に至る前に適切なタイミングで太陽電池パネル１１の修理や交換をユーザに促すことができる。これにより、重大故障に至る前に太陽電池パネル１１を修理あるいは取替えることが可能となるので、太陽電池パネル１１を複数含む太陽電池システム全体の保全を効率よく行えるという効果を有する。

また、実施の形態１では、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性に基づいて、太陽電池パネル１１の複数の等価回路定数を決定する。これにより、複数の等価回路定数のそれぞれの値の太陽電池パネル１１が正常であるときからの変化を監視することで、太陽電池パネル１１における劣化箇所を特定することも可能である。

また、実施の形態１では、太陽電池パネル１１のインピーダンスの周波数依存性の測定は、太陽電池パネル１１が発電していない夜間帯に行われる。これにより、等価回路定数に対応した回路モデルを高精度に想定できるので、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性に基づいて、太陽電池パネル１１の複数の等価回路定数を高精度に決定できる。

また、実施の形態１では、等価回路定数を決定する際に用いる共振特性が、共振周波数よりも高い周波数における特性と共振周波数よりも低い周波数における特性とを含む。これにより、等価回路定数に対応した回路モデルに応じたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性に高精度にフィッティングさせることができ、等価回路定数を決定する際の精度を向上できる。

また、実施の形態１では、インピーダンスの周波数依存性の測定は、測定周波数が１００Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲に含まれる。例えば、インピーダンスの周波数依存性の測定では、３００Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲を含む周波数範囲で測定周波数を掃引させる。これにより、インピーダンスの周波数依存性における共振周波数よりも高い周波数における特性と共振周波数よりも低い周波数における特性と広範囲に含ませながらインピーダンスの周波数依存性の測定を行うことができる。この結果、等価回路定数に対応した回路モデルに応じたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性を、測定されたインピーダンスの周波数依存性における共振周波数及び共振特性に高精度にフィッティングさせることができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１では、図１に示すように、インピーダンス測定器１５の測定ポート１６が太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３と直接接続されているため、暗状態では支障なく測定できるが、太陽電池パネル１１の受光面に光が入射すると、太陽電池パネル１１が発電し、インピーダンス測定器１５の測定ポート１６には例えば〜数１０Ｖ程度の直流電圧が印加されてしまう可能性がある。このため、屋外に設置されている実際の環境では、たとえ夜間帯の測定であっても、偶発的に外部の光が太陽電池パネル１１に当たる場合を考慮すると、太陽電池パネル１１に接続されているインピーダンス測定器１５が故障する可能性がある。

そこで、実施の形態２では、図６に示すように、太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３（正極側の端子１３ａ）とインピーダンス測定器１５との間にブロッキングキャパシタ２１を挿入する。これにより、測定ポート１６から太陽電池パネル１１へ供給される測定のための高周波信号は、周波数が充分に高いためにブロッキングキャパシタ２１を容易に通過し、太陽電池パネル１１にまで伝播することができるが、太陽電池パネル１１で発生する直流の電圧・電流はブロッキングキャパシタ２１によりカットされる。この結果、太陽電池パネル１１で発生した過電圧によるインピーダンス測定器１５の故障を防ぐことができる。なお、太陽電池パネル１１の負極側の端子１３ｂとリターン側のノード２２とは、電気的に接続されている。

また、複数の太陽電池パネル１１−１〜１１−３を含む太陽光発電システムＳに組み込まれている太陽電池パネル１１−２を診断する際、図６に示すようにブロッキングキャパシタ２１をインピーダンス測定器１５との間に挿入しておく。これにより、太陽電池パネル１１−２が発電している昼間帯においても、発電により生じた直流電流がインピーダンス測定器１５に流れ込むことを抑制でき、インピーダンス測定器１５を保護することができる。

以上のように、実施の形態２では、インピーダンスの周波数依存性の測定は、太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３（正極側の端子１３ａ）とインピーダンス測定器１５との間にブロッキングキャパシタ２１が挿入された状態で行う。これにより、例えば、夜間帯の測定において偶発的に外部の光が太陽電池パネル１１に当たった場合に、太陽電池パネル１１で発生した過電圧がインピーダンス測定器１５に流れ込むことを抑制でき、太陽電池パネル１１で発生した過電圧によるインピーダンス測定器１５の故障を防ぐことができる。

また、実施の形態２では、インピーダンス測定器１５がブロッキングキャパシタ２１を介して太陽電池パネル１１のインピーダンスの周波数依存性を測定するため、インピーダンス測定器１５が直流的に太陽電池パネル１１から切り離されているので、太陽電池セルが発電中（すなわち明状態）にも測定することが可能である。これにより、等価回路定数を決定するための回路解析が容易である。

実施の形態３．
次に、実施の形態３にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。以下では、実施の形態２と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態２では、太陽電池パネル１１−２の負極側の端子１３ｂやインピーダンス測定器１５のリターン側のノード２２は接地されておらず、インピーダンス測定器１５は電気的に浮いた状態になっている。このため、太陽電池パネル１１が発電しているときにインピーダンスを計測する場合には、負極側の直流電圧がインピーダンス測定器１５のリターン側のノード２２に印加されていることに注意する必要がある。

そこで、実施の形態３では、測定時の安全性を考慮して、図７に示すように、同軸ケーブル１７のリターン側のノード２２と太陽電池パネル１１−２との間にもブロッキングキャパシタ２３を挿入する。さらに、アース線２４を介してインピーダンス測定器１５の筐体を接地するようにしてもよい。また、太陽電池パネル１１が発電しているときの等価回路では、太陽電池セルの発電層のｐｎ接合部はキャパシタではなく、ショートした状態になっていることに注意して、価回路定数を決定するための回路解析を行う必要がある。

以上のように、実施の形態３では、インピーダンスの周波数依存性の測定は、太陽電池パネル１１の正極側の端子１３ａとインピーダンス測定器１５との間にブロッキングキャパシタ２１が挿入されるとともに、太陽電池パネル１１の負極側の端子１３ｂとインピーダンス測定器１５（のリターン側のノード２２）との間にブロッキングキャパシタ２３が挿入された状態で行う。これにより、測定時の安全性を向上できる。

実施の形態４．
次に、実施の形態４にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１では、太陽電池パネル１１のインピーダンスを測定するインピーダンス測定器１５としてネットワークアナライザを使用する場合を例示しているが、実施の形態４では、図８に示すように、周波数が掃引可能である高周波信号発生器２６を太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３（すなわち、正極側の端子１３ａ及び負極側の端子１３ｂのそれぞれ）と接続し、その接続位置の近くに電流・電圧センサ２７を設け、波形観測・演算部２５を用いて電流・電圧の高周波波形を観測してもよい。すなわち、高周波信号発生器２６、電流・電圧センサ２７、及び波形観測・演算部２５は、協働してインピーダンス測定器１５（図１参照）と同様に動作できるインピーダンス測定器２８を構成できる。

例えば、観測された波形から電流・電圧の振幅（Ｉ_０、Ｖ_０）と位相差（θ）を求めれば、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶを次の数式（３）より求めることができる。

このような電流・電圧測定からインピーダンスを求める方法では、測定用信号の周波数が高い場合には、電流と電圧の位相差θを正確に測定するのは容易ではなく、この場合にはインピーダンスＺ_ＰＶに誤差が含まれやすいことに注意する必要がある。

以上のように、実施の形態４では、高周波信号発生器２６が太陽電池パネル１１に印加する微弱な高周波信号の周波数を掃引し、その入射波の電流・電圧と反射波の電流・電圧とが合成された電流・電圧の波形を電流・電圧センサ２７が観測し、波形観測・演算部２５が観測された波形から電流・電圧の振幅（Ｉ_０、Ｖ_０）と位相差（θ）を求めて太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶを求める。これにより、太陽電池パネル１１の出力端子に測定周波数が掃引可能であるインピーダンス測定器１５と等価なインピーダンス測定器２８を接続でき、インピーダンス測定器２８を用いて太陽電池パネル１１のインピーダンスの周波数依存性を測定できる。

実施の形態５．
次に、実施の形態５にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態５では、図９に示すように、太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３（正極側の端子１３ａ）とインピーダンス測定器１５との間の測定ライン中に共振点調整用のインダクタ２９を挿入する。これにより、インピーダンス測定器１５からみた測定回路全体のインピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}は、太陽電池パネル１１のインピーダンスＺ_ＰＶに加え、共振点調整用のインダクタ２９のインピーダンスも考慮する必要がある。共振点調整用のインダクタ２９の等価回路は、インダンクタンス成分Ｌ_ｃｏｉｌと抵抗成分Ｒ_ｃｏｉｌの直列回路と考えられるので、測定回路全体のインピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}は次の数式（４）により表される。

また、Ｚ_{ｔｏｔａｌ}の虚部の値がゼロになるときの周波数、すなわち共振周波数Ｆ_ｒｅｓは、次の数式（５）により得られる。

このように、測定回路全体の共振特性は共振点調整用のインダクタ２９の影響を受ける。一例を図１０に示す。図１０（ａ）は、インピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}の強度の周波数Ｆに対する依存性を表し、図１０（ｂ）は、インピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}の位相の周波数Ｆに対する依存性を表している。ここで、数式（４）中の太陽電池パネルの回路定数（Ｃ_ｄ＝１０ｎＦ、Ｒ_ｓｈ＝１０ｋΩ、Ｌ＝０．２μＨ、Ｒ_ｓ＝１Ω）を固定し、共振点調整用のインダクタ２９の抵抗成分をゼロ（Ｒ_ｃｏｉｌ＝０）と仮定してインダクタンス成分の値をＬ_ｃｏｉｌ＝０〜４．８μＨの範囲で変化させてインピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}を計算した。

図１０に示されるように、測定ライン中にインダクタを挿入しない場合には、周波数が約３．５ＭＨｚで共振が起こっているが、これは太陽電池パネルのＬ（＝０．２μＨ）とＣ_ｄ（＝１０ｎＦ）による直列共振である。次に、インダクタを挿入し、そのＬ_ｃｏｉｌの値を最大４．８μＨまで増加させると、共振周波数は約３．５ＭＨｚから約０．７ＭＨｚにまで大きく低下している。このように、挿入するインダクタのＬ_ｃｏｉｌの値を選ぶことにより、共振周波数を広い範囲で調整することができる。

太陽電池パネルのセルの材料・構造やパネルの大きさが異なると、パネルの回路定数が異なり、共振周波数もパネルにより異なる。よって、様々な種類の太陽電池パネルを同一のインピーダンス測定器１５を用いて診断しようとすると、周波数の掃引範囲を充分に広くしておく必要があり、インピーダンス測定器のコストを上げてしまう。これに対し、共振点調整用のインダクタ２９を組み込むと、太陽電池パネルの種類や寸法に応じてＬ_ｃｏｉｌの値を適当に選べば、同一のインピーダンス測定器で殆ど全てのパネルをカバーすることができる。

また、Ｌ_ｃｏｉｌの値を充分大きくとると（例えば、Ｌ_ｃｏｉｌ＝数１０〜数１００μＨ）、共振周波数はＦ_ｒｅｓ＝数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数帯にまで下げることができる。このような低周波数では、インピーダンスの測定が著しく容易になり、インピーダンス測定器の大幅な低コスト化が可能となる。

また、図１０に示されるように、Ｌ_ｃｏｉｌの値が大きい場合には、共振周波数の近傍でのインピーダンスの変化が激しくなっている。このような場合には、共振周波数の値をグラフから求めたり、実測データとのカーブフィッティングにより、等価回路定数を求めたりする際、精度を高めることができ、大変都合がよい。

実施の形態６．
次に、実施の形態６にかかる太陽電池パネルの診断方法について説明する。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態６では、複数枚の太陽電池パネルが直列に接続されたストリング内の特定の１枚の太陽電池パネルを診断する方法について、図１１を用いて説明する。実施の形態３と同様、太陽電池パネル１１の出力端子ボックス１３（正極側の端子１３ａ）とインピーダンス測定器１５との間にブロッキングキャパシタ２１が挿入されており、また同軸ケーブル１７のリターン側のノード２２と太陽電池パネル１１との間にもブロッキングキャパシタ２３が挿入されている。インピーダンス測定器１５から太陽電池パネル１１に供給される測定のための高周波信号は、周波数が充分に高いために（逆に言えば、キャパシタの容量が充分に大きいために）ブロッキングキャパシタ２１を容易に通過し、太陽電池パネル１１にまで伝播することができるが、太陽電池パネル１１で発生する直流の電圧・電流はブロッキングキャパシタ２１および２３によりカットされる。この結果、太陽電池パネル１１で発生した過電圧によるインピーダンス測定器１５の故障を防ぐことができる。また、同軸ケーブル１７のリターン側のノード２２もブロッキングキャパシタ２３により電気的に切り離されているので、アース線２４を介してインピーダンス測定器１５の筐体を接地して、感電を防止することもできる。

また、ストリング中の隣り合う太陽電池パネルとの接続部には、図１１に示すように、干渉防止用のダイオード３０が各パネル毎に挿入されている。インピーダンスを測定する夜間帯においては、太陽電池パネルは発電していないので、このダイオード３０の両端には電圧は発生しておらず、ダイオード３０はオフ状態となる。よって、インピーダンス測定器１５から特定の太陽電池パネル１１に供給される高周波信号は、このパネルに隣り合う他のパネルには伝搬することができず、結果として、測定対象である太陽電池パネルのみのインピーダンス測定が可能となる。一方、太陽電池パネルが発電している昼間帯では、このダイオード３０の両端には電圧が発生するのでダイオード３０はオン状態となり、ストリング中の太陽電池パネルは全て電気的に接続された状態になる。なお、このような状態で太陽電池パネルのインピーダンス測定を行うと、測定対象のパネル以外（特に両隣のパネル）の影響も受けてしまい、測定が困難になる。

以上のように、実施の形態６では、複数枚の太陽電池パネルが直列に接続された太陽電池ストリングにおいて、隣り合うパネルとの間にダイオードが挿入されているので、インピーダンス測定を行う夜間帯には、これらのダイオードがオフ状態となり、各々のパネルは電気的に切り離される。これにより、太陽電池パネルのインピーダンス測定において、他の太陽電池パネルからの干渉を防止することができる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかる太陽電池パネルの診断方法は、太陽電池パネルの劣化や故障の診断に有用である。

１１太陽電池パネル、１２ガラス基板、１３出力端子ボックス、１５，２８インピーダンス測定器、１６測定ポート、１７同軸ケーブル、１８中心導体、１９外部導体、２０誘電体、２１，２３ブロッキングキャパシタ、２２リターン側のノード、２４アース線、２５波形観測・演算部、２６高周波信号発生器、２７電流・電圧センサ、２９共振点調整用のインダクタ、３０干渉防止用ダイオード、３１接続コネクタ。

Claims

複数枚の太陽電池パネルが直列あるいは並列に接続された太陽電池ストリングの中の１枚の太陽電池パネルの出力端子に測定周波数が掃引可能であるインピーダンス測定器を接続し、
前記太陽電池パネルと直接接続されている両隣の２枚の太陽電池パネルとの間に干渉防止用のダイオードが挿入された状態で、前記インピーダンス測定器を用いて前記太陽電池パネルのインピーダンスの周波数依存性を測定し、
前記測定された周波数依存性における共振周波数及び共振特性に基づいて、前記太陽電池パネルの等価回路定数を決定し、
前記決定された等価回路定数の値と前記太陽電池パネルが正常であるときとの値とを比較して、前記太陽電池パネルの劣化の程度を検知する
ことを特徴とする太陽電池パネルの診断方法。