太陽光発電装置
【課題】落雷によってパワーコンディショナーに印加される過電圧を簡単な構成及び低コストにて低減可能とし、過電圧によるパワーコンディショナーの故障や誤動作を防止する。
【解決手段】太陽光パネルを設置するための構造体１００の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナー４１を配置すると共に、前記構造体１００の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置する。
【解決手段】太陽光パネルを設置するための構造体１００の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナー４１を配置すると共に、前記構造体１００の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メガソーラー発電所（大規模太陽光発電所）等に適用される太陽光発電装置に関し、詳しくは、雷撃による過電圧からパワーコンディショナーを保護するようにした太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メガソーラー発電所の建設には広大に土地が必要であり、より多くの太陽光エネルギーを得るために、発電所の周囲には高い建造物が少ないことが多い。このため、メガソーラー発電所自体はそれほど高い建造物でなくても、雷撃対象となりやすく、避雷針やサージ保護装置（ＳＰＤ）等を用いた雷害対策が必要不可欠である。
【０００３】
ここで、例えば、特許文献１には、電力系統に連系された太陽光発電装置の近辺に雷が発生したことを検出して太陽光発電装置を解列し、雷サージから内部電気回路を保護するようにした太陽光発電装置用制御装置、太陽光発電装置の雷サージ保護システム、及び雷サージ保護方法が記載されている。
この従来技術は、要約すると、電力系統に連系された太陽光発電装置の発電電力値を取得し、雷の発生を検知したときに、前記発電電力値が予め設定された値よりも小さかった場合に、当該太陽光発電装置を解列するための指示を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１６８５７号公報（段落[００７０]〜[０１４２]、図１〜図３等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００７−１１６８５７号公報に係る従来技術によれば、落雷時に電力系統から太陽光発電装置に雷サージが侵入するのを未然に防止することができ、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー等の内部電気回路を雷サージから保護することが可能である。
しかしながら、上記従来技術では、太陽光発電装置を解列するための開閉器や制御装置等の回路構成が複雑であり、装置の大型化やコストの増加を招く等の問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、雷撃時にパワーコンディショナーに印加される過電圧を簡単な構成及び低コストにて低減可能とし、過電圧によるパワーコンディショナーの故障や誤動作を防止するようにした太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、太陽光パネルを設置するための構造体の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、前記太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナーを配置すると共に、前記構造体の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メガソーラー発電所等において、太陽光発電装置の構造体の内部空間にパワーコンディショナーを配置し、かつ、導体メッシュ等の導電体を構造体の一部または全部を覆うように配置することにより、雷撃時にパワーコンディショナーに印加される過電圧を抑制することができ、パワーコンディショナーの故障や誤動作を防止することができる。
特に、従来技術のように解列用の開閉器や制御装置が不要であるため、回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の過電圧解析モデルの主要部を示す構成図である。
【図２】図１の過電圧解析モデルに注入した擬似的な雷電流の波形図である。
【図３】図１のＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入したときの電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。
【図４】導体メッシュを所定箇所に配置して図１のＡ点に図２の雷電流を注入したときの電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明では、数値電磁界解析法の一つであるＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法を用いて、太陽光発電装置に雷撃があった場合に発生する過電圧を解析する。なお、ＦＤＴＤ法（時間領域差分法、有限差分時間領域法などとも呼ばれる）は、マクスウェルの方程式を、空間と時間を離散化して電界及び磁界を交互に計算する解析手法であり、例えば、宇野亨「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」（コロナ社発行，１９９８年）等に詳しく説明されている。
【００１１】
図１は、既存のメガソーラー発電所を基に構築した太陽光発電装置の解析モデルの主要部を示す構成図である。
図１において、１００は太陽光パネルが設置される構造体であり、１１，１２，１５は互いに平行な長尺かつ水平の導体、１３，１４は導体１１，１２を相互に連結する水平の導体、１６，１７は導体１２，１５を相互に連結する垂直の導体、１８，１９は導体１１，１５を相互に連結する斜めの導体である。
ここで、導体１１，１５，１８，１９によって形成される矩形の斜面は、太陽光パネル（図示を省略する）が設置される受光面を形成している。
【００１２】
また、導体１１，１２，１５の長さは１３０［ｍ］、導体１３，１４，１６，１７の長さは５［ｍ］であり、導体１１〜１４は地上面から１［ｍ］の高さに設置されている。
更に、２１は、深さ１５［ｍ］に埋設された２８本の導電性の基礎杭であり、これらの基礎杭は、大地（抵抗率：１００［Ωｍ］、比誘電率：１０）に固定されている。
【００１３】
３１〜３３は構造体１００の背後に設置された避雷針であり、その地上高は１１［ｍ］、構造体１００からの距離は２［ｍ］である。
４１は、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーであり、構造体１００の内部空間において、導体１１，１２，１５の長手方向のほぼ中央に配置してある。また、５１，５２はこのパワーコンディショナー４１と太陽光パネルとを接続するための電力線（長さはいずれも６３［ｍ］）である。
なお、構造体１００の形状や構造、各部の寸法、並びに、構造体１００の内部におけるパワーコンディショナー４１の位置は、上記の例になんら限定されるものではない。
【００１４】
次に、図２は、上記解析モデルに注入される擬似的な雷電流波形（波高値１［Ａ］、波頭長約１［μｓ］）を示している。
図示されていないが、電流源と抵抗（５００［Ω］）とを並列接続した電源を図１のＡ〜Ｆ点の直上に設置し、雷道を模擬した細線導体を介して電源からＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入することとした。
ここで、Ａ〜Ｃ点は導体１５上の点、Ｄ〜Ｆ点は避雷針３１〜３３の先端部である。
【００１５】
通常、太陽光パネルを支持する構造体やその近傍の避雷針等が雷撃を受けた場合、雷道や構造体を流れる電流により、電力線に誘導電圧が発生する。この誘導電圧により電力線が接続されているパワーコンディショナーに過電圧が加わり、パワーコンディショナーが故障したり誤動作するおそれがある。
メガソーラー発電所における雷事故の主たるものは、パワーコンディショナーの故障であると予想されるため、本実施形態では、擬似的な雷電流注入時における、図１の電力線５１，５２とパワーコンディショナー４１の筐体との間の電圧（パワーコンディショナー４１の直流側に発生する電圧）Ｖ１，Ｖ２をＦＤＴＤ法により計算し、検討した。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｆ）は、図１におけるＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入した場合の電圧Ｖ１，Ｖ２の計算結果である。
また、これらの解析結果による過電圧最大値（絶対値）を表１にまとめる。なお、表１において、Ａ＊は、後述するように導体メッシュを使用してＡ点に雷電流を注入した場合のデータである。
【００１７】
【表１】
【００１８】
例えば、一般的な雷電流（波高値２４［ｋＡ］）による雷撃時に発生する過電圧は、表１に示した電圧Ｖ１，Ｖ２を２４×１０３倍すればよい。なお、異なる波頭長における検討を行いたい場合は、ＦＤＴＤ法を用いた計算を再度行う必要がある。
【００１９】
図３（ｃ）から明らかなように、パワーコンディショナー４１の近傍に雷撃があった場合（Ｃ点から雷電流を注入した場合）に、電圧Ｖ１，Ｖ２の最大値が最も大きくなっている。これらの最大値を一般的な雷電流（波高値２４［ｋＡ］）が流れた場合に換算すると、４６０［ｋＶ］にも達する。
【００２０】
図１に示したように電力線５１，５２が構造体１００の内部に配置されている場合、この構造体１００を導体メッシュ等の導電体によって覆い、構造体１００と導電体とによりファラデーゲージを構成することで、電圧Ｖ１，Ｖ２が過大になるのを抑制することができると考えられる。
【００２１】
一例として、構造体１００の背面（避雷針３１〜３３と電力線５１，５２との間）、及び、構造体１００の側面（導体１３，１６，１８及び導体１４，１７，１９によってそれぞれ構成される三角形の部分）に導体メッシュを挿入し、Ａ点から擬似的な雷電流を注入した場合の計算結果を図４に示す。また、このときのＶ１，Ｖ２の最大値は、前記表１にＡ＊として示したとおりである。
上記のように導体メッシュを配置すると、完全なファラデーゲージを構成しているわけではないにも関わらず、過電圧最大値を導体メッシュのない場合に比べて約２５％程度に抑制することが可能である。
【００２２】
以上のように、この実施形態によれば、パワーコンディショナー４１を太陽光発電装置の構造体１００の内部空間に配置し、かつ、導体メッシュ等の導電体を構造体の一部または全部を覆うように配置することで、パワーコンディショナー４１の筐体と電力線との間に印加される過電圧を抑制することができ、パワーコンディショナー４１の故障や誤動作を防止することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１１〜１９：導体
２１：基礎杭
３１〜３３：避雷針
４１：パワーコンディショナー
５１，５２：電力線
１００：構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メガソーラー発電所（大規模太陽光発電所）等に適用される太陽光発電装置に関し、詳しくは、雷撃による過電圧からパワーコンディショナーを保護するようにした太陽光発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メガソーラー発電所の建設には広大に土地が必要であり、より多くの太陽光エネルギーを得るために、発電所の周囲には高い建造物が少ないことが多い。このため、メガソーラー発電所自体はそれほど高い建造物でなくても、雷撃対象となりやすく、避雷針やサージ保護装置（ＳＰＤ）等を用いた雷害対策が必要不可欠である。
【０００３】
ここで、例えば、特許文献１には、電力系統に連系された太陽光発電装置の近辺に雷が発生したことを検出して太陽光発電装置を解列し、雷サージから内部電気回路を保護するようにした太陽光発電装置用制御装置、太陽光発電装置の雷サージ保護システム、及び雷サージ保護方法が記載されている。
この従来技術は、要約すると、電力系統に連系された太陽光発電装置の発電電力値を取得し、雷の発生を検知したときに、前記発電電力値が予め設定された値よりも小さかった場合に、当該太陽光発電装置を解列するための指示を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１６８５７号公報（段落[００７０]〜[０１４２]、図１〜図３等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００７−１１６８５７号公報に係る従来技術によれば、落雷時に電力系統から太陽光発電装置に雷サージが侵入するのを未然に防止することができ、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー等の内部電気回路を雷サージから保護することが可能である。
しかしながら、上記従来技術では、太陽光発電装置を解列するための開閉器や制御装置等の回路構成が複雑であり、装置の大型化やコストの増加を招く等の問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、雷撃時にパワーコンディショナーに印加される過電圧を簡単な構成及び低コストにて低減可能とし、過電圧によるパワーコンディショナーの故障や誤動作を防止するようにした太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、太陽光パネルを設置するための構造体の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、前記太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナーを配置すると共に、前記構造体の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メガソーラー発電所等において、太陽光発電装置の構造体の内部空間にパワーコンディショナーを配置し、かつ、導体メッシュ等の導電体を構造体の一部または全部を覆うように配置することにより、雷撃時にパワーコンディショナーに印加される過電圧を抑制することができ、パワーコンディショナーの故障や誤動作を防止することができる。
特に、従来技術のように解列用の開閉器や制御装置が不要であるため、回路構成の簡略化、コストの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽光発電装置の過電圧解析モデルの主要部を示す構成図である。
【図２】図１の過電圧解析モデルに注入した擬似的な雷電流の波形図である。
【図３】図１のＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入したときの電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。
【図４】導体メッシュを所定箇所に配置して図１のＡ点に図２の雷電流を注入したときの電圧Ｖ１，Ｖ２の波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明では、数値電磁界解析法の一つであるＦＤＴＤ（Finite-Difference Time-Domain）法を用いて、太陽光発電装置に雷撃があった場合に発生する過電圧を解析する。なお、ＦＤＴＤ法（時間領域差分法、有限差分時間領域法などとも呼ばれる）は、マクスウェルの方程式を、空間と時間を離散化して電界及び磁界を交互に計算する解析手法であり、例えば、宇野亨「ＦＤＴＤ法による電磁界およびアンテナ解析」（コロナ社発行，１９９８年）等に詳しく説明されている。
【００１１】
図１は、既存のメガソーラー発電所を基に構築した太陽光発電装置の解析モデルの主要部を示す構成図である。
図１において、１００は太陽光パネルが設置される構造体であり、１１，１２，１５は互いに平行な長尺かつ水平の導体、１３，１４は導体１１，１２を相互に連結する水平の導体、１６，１７は導体１２，１５を相互に連結する垂直の導体、１８，１９は導体１１，１５を相互に連結する斜めの導体である。
ここで、導体１１，１５，１８，１９によって形成される矩形の斜面は、太陽光パネル（図示を省略する）が設置される受光面を形成している。
【００１２】
また、導体１１，１２，１５の長さは１３０［ｍ］、導体１３，１４，１６，１７の長さは５［ｍ］であり、導体１１〜１４は地上面から１［ｍ］の高さに設置されている。
更に、２１は、深さ１５［ｍ］に埋設された２８本の導電性の基礎杭であり、これらの基礎杭は、大地（抵抗率：１００［Ωｍ］、比誘電率：１０）に固定されている。
【００１３】
３１〜３３は構造体１００の背後に設置された避雷針であり、その地上高は１１［ｍ］、構造体１００からの距離は２［ｍ］である。
４１は、太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーであり、構造体１００の内部空間において、導体１１，１２，１５の長手方向のほぼ中央に配置してある。また、５１，５２はこのパワーコンディショナー４１と太陽光パネルとを接続するための電力線（長さはいずれも６３［ｍ］）である。
なお、構造体１００の形状や構造、各部の寸法、並びに、構造体１００の内部におけるパワーコンディショナー４１の位置は、上記の例になんら限定されるものではない。
【００１４】
次に、図２は、上記解析モデルに注入される擬似的な雷電流波形（波高値１［Ａ］、波頭長約１［μｓ］）を示している。
図示されていないが、電流源と抵抗（５００［Ω］）とを並列接続した電源を図１のＡ〜Ｆ点の直上に設置し、雷道を模擬した細線導体を介して電源からＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入することとした。
ここで、Ａ〜Ｃ点は導体１５上の点、Ｄ〜Ｆ点は避雷針３１〜３３の先端部である。
【００１５】
通常、太陽光パネルを支持する構造体やその近傍の避雷針等が雷撃を受けた場合、雷道や構造体を流れる電流により、電力線に誘導電圧が発生する。この誘導電圧により電力線が接続されているパワーコンディショナーに過電圧が加わり、パワーコンディショナーが故障したり誤動作するおそれがある。
メガソーラー発電所における雷事故の主たるものは、パワーコンディショナーの故障であると予想されるため、本実施形態では、擬似的な雷電流注入時における、図１の電力線５１，５２とパワーコンディショナー４１の筐体との間の電圧（パワーコンディショナー４１の直流側に発生する電圧）Ｖ１，Ｖ２をＦＤＴＤ法により計算し、検討した。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｆ）は、図１におけるＡ〜Ｆ点に図２の雷電流を注入した場合の電圧Ｖ１，Ｖ２の計算結果である。
また、これらの解析結果による過電圧最大値（絶対値）を表１にまとめる。なお、表１において、Ａ＊は、後述するように導体メッシュを使用してＡ点に雷電流を注入した場合のデータである。
【００１７】
【表１】
【００１８】
例えば、一般的な雷電流（波高値２４［ｋＡ］）による雷撃時に発生する過電圧は、表１に示した電圧Ｖ１，Ｖ２を２４×１０３倍すればよい。なお、異なる波頭長における検討を行いたい場合は、ＦＤＴＤ法を用いた計算を再度行う必要がある。
【００１９】
図３（ｃ）から明らかなように、パワーコンディショナー４１の近傍に雷撃があった場合（Ｃ点から雷電流を注入した場合）に、電圧Ｖ１，Ｖ２の最大値が最も大きくなっている。これらの最大値を一般的な雷電流（波高値２４［ｋＡ］）が流れた場合に換算すると、４６０［ｋＶ］にも達する。
【００２０】
図１に示したように電力線５１，５２が構造体１００の内部に配置されている場合、この構造体１００を導体メッシュ等の導電体によって覆い、構造体１００と導電体とによりファラデーゲージを構成することで、電圧Ｖ１，Ｖ２が過大になるのを抑制することができると考えられる。
【００２１】
一例として、構造体１００の背面（避雷針３１〜３３と電力線５１，５２との間）、及び、構造体１００の側面（導体１３，１６，１８及び導体１４，１７，１９によってそれぞれ構成される三角形の部分）に導体メッシュを挿入し、Ａ点から擬似的な雷電流を注入した場合の計算結果を図４に示す。また、このときのＶ１，Ｖ２の最大値は、前記表１にＡ＊として示したとおりである。
上記のように導体メッシュを配置すると、完全なファラデーゲージを構成しているわけではないにも関わらず、過電圧最大値を導体メッシュのない場合に比べて約２５％程度に抑制することが可能である。
【００２２】
以上のように、この実施形態によれば、パワーコンディショナー４１を太陽光発電装置の構造体１００の内部空間に配置し、かつ、導体メッシュ等の導電体を構造体の一部または全部を覆うように配置することで、パワーコンディショナー４１の筐体と電力線との間に印加される過電圧を抑制することができ、パワーコンディショナー４１の故障や誤動作を防止することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１１〜１９：導体
２１：基礎杭
３１〜３３：避雷針
４１：パワーコンディショナー
５１，５２：電力線
１００：構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽光パネルを設置するための構造体の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、前記太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナーを配置すると共に、前記構造体の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置したことを特徴とする太陽光発電装置。
【請求項１】
太陽光パネルを設置するための構造体の各辺を複数の導体により構成し、これらの導体によって包囲される内部空間に、前記太陽光パネルによる直流発電電力を交流電力に変換するためのパワーコンディショナーを配置すると共に、前記構造体の一部または全部を覆うように導体メッシュ等の導電体を配置したことを特徴とする太陽光発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−５４１８０（Ｐ２０１２−５４１８０Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７４４６（Ｐ２０１０−１９７４４６）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）研究集会名：平成２２年電気学会全国大会 （２）主催者名：社団法人電気学会 （３）開催日：平成２２年３月１７日
【出願人】（５０９１５５７８２）
【出願人】（０００１４５９５４）株式会社昭電 (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１）研究集会名：平成２２年電気学会全国大会 （２）主催者名：社団法人電気学会 （３）開催日：平成２２年３月１７日
【出願人】（５０９１５５７８２）
【出願人】（０００１４５９５４）株式会社昭電 (22)
【Ｆターム（参考）】
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