JP2017184356A - 太陽光発電電圧テスタおよび太陽光パネルの発電電圧測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光パネルの発電電圧が人体の感電に対して許容できるレベルに低下しているか否かを現場作業により容易に検出する。【解決手段】人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器（１３）と、抵抗器と直列に接続された接点（１４）を有し、開状態と閉状態の切り換え制御が可能なリレー回路と、抵抗器と接点からなる直列回路の両端電圧を測定する電圧計（１５）と、両端電圧を測定する場合には、接点を閉状態に切り換え、電圧計で測定された両端電圧が、抵抗器の許容発熱量から規定される閾値電圧を超えている場合には、接点を開状態に切り換えるようにリレー回路を制御するコントローラ（２４）とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、太陽光パネルによる発電に起因した感電を防止することのできる太陽光発電システムおよび太陽光パネルの発電電圧測定方法に関する。

住宅用などの一般的な太陽発電システムでは、住宅の屋根に、直並列に接続された太陽電池モジュールからなる太陽電池アレイ（以下では、この太陽電池アレイのことを太陽光パネルと称す）が設置されている。そして、太陽光パネルからの出力は、接続箱を介してパワーコンディショナに接続されており、所望の電力が得られるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１０２９０号公報 特開２０１５−０１４７０９号公報 特願２０１５−１３１９４３

独立行政法人 労働安全衛生総合研究所 安全資料、ＪＮＩＯＳＨ−ＳＤ−Ｎｏ．２５（２００９）、「感電の基礎と過去３０年間の死亡災害の統計」

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
このような太陽光発電システムは、メンテナンスフリーといわれ、普及が進んでいる。その一方で、普及台数の増加に伴い、太陽光発電システムに起因する火災（例えば、太陽光パネルを構成する太陽電池モジュールの製品不良、経年劣化、施工不良などによる異常発熱や火災）の増加が問題となっている。

太陽光発電システムは、太陽電池モジュールに不備がある場合でも、太陽が出ていると発電を行っており、数１００Ｖ、数１０Ａの電圧、電流が発生する。従って、太陽光パネルに光が照射されれば、常に発電するため、太陽光パネル内の故障が、火災発生につながることがある。そこで、このような太陽光パネルの異常発熱や火災を迅速に検出することが重要となる。

さらに、発電が継続している状態において、火災の焼損により太陽光発電システムの絶縁が損なわれた場合には、消火活動時の放水等によって周囲の人間が感電するおそれが生じてしまう。すなわち、太陽光発電システムの設置環境における火災時には、まず始めに、太陽光パネルの発電を停止させなければならないといった課題がある。

このような課題に対して、本願の出願人は、太陽光パネルの表面に遮光剤を塗布して、入射光を遮断する発明を提案している（例えば、特許文献２参照）、具体的には、この特許文献２は、チクソトロピー性を有する遮光剤を、粘度低下により液状化した状態で目標物表面である太陽光パネルに対して放射し、粘度上昇により固体状に変化した遮光剤で目標物表面を覆うことにより、目標物表面に入射する光を迅速に遮断している。

しかしながら、消火活動時の放水等によって周囲の人間が感電してしまうおそれを解消するためには、さらに、太陽光パネルの発電電圧が、感電のおそれのない許容電圧レベル以下まで低下したことを、設置環境において、確実に、かつ簡便に検出することが重要となる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、太陽光パネルの発電電圧が人体の感電に対して許容できるレベルに低下しているか否かを現場作業により容易に検出することのできる太陽光発電電圧テスタおよび太陽光パネルの発電電圧測定方法を得ることを目的とする。

本発明に係る太陽光発電電圧テスタは、太陽光パネルによる直流電圧が、感電のおそれがない許容電圧以下となっていることを計測する太陽光発電電圧テスタであって、人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器と、抵抗器と直列に接続された接点を有し、開状態と閉状態の切り換え制御が可能なリレー回路と、抵抗器と接点からなる直列回路の両端電圧を測定する電圧計と、両端電圧を測定する場合には、接点を閉状態に切り換えるようにリレー回路を制御し、電圧計で測定された両端電圧が、抵抗器の許容発熱量から規定される第１の閾値電圧を超えている場合には、接点を開状態に切り換えるようにリレー回路を制御するコントローラとを備えるものである。

また、本発明に係る太陽光パネルの発電電圧測定方法は、太陽光パネルによる直流電圧が、感電のおそれがない許容電圧以下となっていることを計測する太陽光発電電圧テスタに含まれるコントローラにより実行される太陽光パネルの発電電圧測定方法であって、人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器と、開状態と閉状態の切り換え制御が可能な接点とからなる直列回路の両端電圧を測定する際に、接点を閉状態に切り換えることで、両端電圧を測定する電圧測定ステップと、接点の開状態と閉状態を周期的に切り換える際に、抵抗器の発熱量が許容発熱量に収まるように、１周期内における閉状態の期間の比率と、両端電圧との対応関係を定めたテーブルをあらかじめ記憶しておく記憶ステップと、電圧測定ステップにより測定された両端電圧の大きさに応じた比率をテーブルから抽出し、抽出した比率により接点を周期的に切り換えることで、繰り返し両端電圧を測定する周期制御ステップとを有するものである。

本発明によれば、人体の抵抗値を考慮した上で、太陽光パネルの発電電圧を迅速に計測できる構成を備えている。この結果、太陽光パネルの発電電圧が人体の感電に対して許容できるレベルに低下しているか否かを現場作業により容易に検出することのできる太陽光発電電圧テスタおよび太陽光パネルの発電電圧測定方法を得ることができる。

本発明が使用される一般的な太陽光発電システムの構成図である。 直流電流に対する人体の反応について示した説明図である。 本発明の実施の形態１における太陽光パネルの短絡電流の違いによる５００Ω負荷時の端子電圧を示した図である。 本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタの電圧計測回路を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタの機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタ内のコントローラにより実行される太陽光パネルの発電電圧測定処理に関するフローチャートである。

以下、本発明の太陽光発電電圧テスタおよび太陽光パネルの発電電圧測定方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
まず始めに、本発明が用いられる太陽光発電システムについて、以下に説明する。図１は、本発明が使用される一般的な太陽光発電システムの構成図である。太陽光発電システムは、太陽光パネル１、接続箱２、パワーコンディショナ３、分電盤４、および売電メータ５を含んで構成されている。

太陽光パネル１は、太陽からの光エネルギーを電力に変換して、直流電力として出力する。図１に示した２つの太陽光パネル１は、それぞれの入力用電線Ｌ１を介して、接続箱２に接続されており、発生した電力を接続箱２に出力する。

接続箱２は、太陽光パネル１が発電した直流の電力を集合させるものである。すなわち、太陽光パネル１が図１に示すように複数設置されている場合に、接続箱２は、各太陽光パネル１からの電力を集電する。さらに、接続箱２は、パワーコンディショナ３と出力用電線Ｌ２を介して接続されており、集電した直流の電力をパワーコンディショナ３に出力する。

パワーコンディショナ３は、入力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。さらに、パワーコンディショナ３は、時間や天候によって変わる太陽光パネル１の発電量に対応し、安定して電力を出力する機能を有している。そして、パワーコンディショナ３は、接続線Ｌ３を介して屋内に設置されている分電盤４に接続されている。

分電盤４は、パワーコンディショナ３によって交流に変換された電力を、家庭内で使用できるように送電する機器である。また、電力の売買のシステムが導入されている太陽光発電システムでは、分電盤４は、家庭内の電力が不足しているときには、家庭内に電力を送り、家庭内の電力が充分足りているときには、売電メータ５を介して電力会社に電力を送る。

次に、感電により人体に流れる電流について、図面を用いて説明する。図２は、直流電流に対する人体の反応について示した説明図であり、非特許文献１の１２ページに記載された図５を引用したものである。より具体的には、左手から両足を通って電流が流れたときの反応を表したものである。さらに、図２中の縦軸は、通電時間（ｍｓ）、横軸は、電流の大きさ（ｍＡ）を表している。

図２では、人体への感電の影響度が、ＤＣ−１からＤＣ−４までの４分類に分けて記載されており、ＤＣ−４に関しては、さらに３つに細分化されており、それぞれ以下の内容を意味している。
・ＤＣ−１：通常無反応、わずかに刺すような痛みがある領域
・ＤＣ−２：通常有害な生理的影響はない領域
・ＤＣ−３：心臓に回復可能な障害と伝達障害が起きる可能性がある領域
・ＤＣ−４：危険な病理生理学上の症状、例えば重度のやけど等が想定される領域
ＤＣ−４−１：心室細動の確率が約５％以下の領域
ＤＣ−４−２：心室細動の確率が約５０％以下の領域
ＤＣ−４−３：心室細動の確率が約５０％以上の領域

この図２から、人体を流れる電流が２０ｍＡ以下であれば、ＤＣ−２の通常有害な生理的影響はない領域に含まれることがわかる。一方、人体の電気抵抗は、皮膚の乾燥状態や充電部と接触したときの電圧（接触電圧）の大きさにより変わる。そして、皮膚が乾燥している場合には、皮膚抵抗が存在するため、人体の電気抵抗は、数ｋΩ以上になる。一方、発汗等により皮膚が完全に濡れてしまうと、皮膚の電気抵抗は、０Ωに限りなく近づく。

その結果、人体の電気抵抗は、通電経路によって異なるものの、最悪の場合を考慮すると、内部抵抗のみの約５００Ωになると考えられる。例えば、直流２００Ｖの充電部に５００Ωの人体が接触したと仮定すると、体内を４００ｍＡの電流が流れることになる。

その結果、筋収縮等により充電部から離れることが困難となり、電流が０．５秒以上流れると心室細動を引き起こして死亡する可能性がある．このように考えると、ＤＣ２００Ｖの電圧は、人体にとって危険な電圧であることが理解できる。

そこで、本実施の形態１に係る太陽光発電電圧テスタは、太陽パネルの発電電圧を測る際に、人体の電気抵抗が最小であることを想定した５００Ωであるとして、正確な発電電圧の測定を行うことを特徴としている。

次に、太陽光パネルの発電を停止させたい状況において、上述した特許文献２の遮光剤を太陽光パネルに塗布した場合の効果について説明する。図３は、本発明の実施の形態１における太陽光パネルの短絡電流の違いによる５００Ω負荷時の端子電圧を示した図である。

本実施の形態１における太陽光パネル１は、定格出力時には１０Ａまで流すことができる性能を有しているものとする。定格出力時の開放電圧の最大値は、ＤＣで約２５０Ｖとなる。そして、この定格出力時には、５００Ω負荷に対して、０．４９Ａの電流が流れ、２４５Ｖの電圧がかかることとなる。

一方、１／５０遮光においては、電流が、定格出力の１／５０である０．２Ａに抑えられるものの、開放電圧はほとんど低下していない。ただし、１／５０遮光時には、電流が０．２Ａに抑えられるため、５００Ω負荷に対して、０．２Ａの電流が流れ、１００Ｖの電圧がかかることとなる。

また、１／５００遮光においては、電流が、定格出力の１／５００である０．０２Ａに抑えられるものの、開放電圧はほとんど低下していない。ただし、１／５００遮光時には、電流が０．０２Ａに抑えられるため、５００Ω負荷に対して、０．０２Ａの電流が流れ、１０Ｖの電圧がかかることとなる。

従って、図３に示した定格出力時、１／５０遮光時、１／５００遮光時のそれぞれにおいて、５００Ω負荷による電力は、以下のようになる。
・定格出力時 ：０．４９Ａ×２４５Ｖ＝１２０Ｗ
・１／５０遮光時 ：０．２Ａ×１００Ｖ＝２０Ｗ
・１／５００遮光時：０．０２Ａ×１０Ｖ＝２Ｗ

ここで、テスタに５００Ωの抵抗を組み込んだ場合の発熱を考える。定格出力時には、５００Ωの抵抗で１２０Ｗの電力を消費することとなるため、抵抗が非常に高温となってしまう。一方、１／５０遮光時、１／５００遮光時では、それぞれ、２０Ｗ、２Ｗの消費電力で抑えられるため、定格出力時と比較して、抵抗が高温とならないように抑えることができる。この結果、消費電力を考慮することで、小型抵抗を採用することができる。

図４は、本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタの後述する電圧計測回路２１を示す説明図である。図４に示す電圧計測回路は、端子１１、１２、抵抗１３、接点１４、および電圧計１５を備えて構成されている。端子１１、１２は、電圧の測定対象物の両端に接続される。抵抗１３と接点１４とは直列回路となり、その両端電圧を電圧計１５で計測する。ここで、図４における接点１４は、常開接点として記載されているが、回路構成によっては、常閉接点を採用することも可能である。

なお、詳細は省略するが、本願の出願人は、太陽光パネルで生成された直流電力を送信する電線（例えば、出力用電線Ｌ２）の被覆に針状測定端子を食い込ませることで、被覆内の導線と接触させて、作業者が現場での簡単な作業で電線の電圧を測定することができる電圧測定用機器をすでに特許文献３として出願済みであり、このような技術を端子１１、１２に活用することができる。

抵抗１３は、人体の電気抵抗の最小値を想定した５００Ωの小型抵抗が採用されている。接点１４は、後述する図５のリレー回路２２に含まれるリレー接点であり、リレー回路２２のコイルを非励磁状態とすることで開状態となり、励磁状態とすることで閉状態となるリレー接点である。

上述したように、太陽光パネルの遮光状態によって、抵抗１３で消費される電力が異なり、遮光が十分でない場合には、抵抗１３の許容発熱量を超えた発熱となってしまうおそれがある。そこで、本発明では、電圧測定を行いたいときのみ接点１４を閉状態とし、電圧測定値があらかじめ設定された許容値を超えた場合には、抵抗１３での発熱を防止するために、接点１４を開状態に切り換えるように開閉制御が行われる。

開状態への切り換えを判断する許容値をＤＣ３０Ｖとすると、５００Ω抵抗には、６０ｍＡの電流が流れることとなり、抵抗１３としては、
３０Ｖ×０．０６Ａ＝１．８Ｗ
で規定される最大電力を消費できる小型抵抗を採用することができる。

また、許容値よりも高い電圧を測定する場合にも、リレーのＯＮ／ＯＦＦ状態を周期的に切り換え、接点１４がＯＮしない期間、すなわち、抵抗１３に電流が流れずに発熱が抑えられる期間、を設けることで、１．８Ｗの小型抵抗を用いて、３０Ｖを超える電圧を測定することが可能となる。

電圧計１５は、接点１４が閉状態において、抵抗１３にかかる電圧を計測することができる。先の図２を用いて説明したように、人体を流れる電流が２０ｍＡ以下であれば、通常有害な生理的影響はない。従って、測定者は、５００Ωの抵抗１３の電圧測定値が、１０Ｖ以下であれば、人体に流れる電流を２０ｍＡ以下に抑えることができると判断でき、太陽光パネルの発電電圧が、感電のおそれのない許容レベル以下まで低下したことを容易に確認することができる。

また、測定者は、電圧測定値が許容レベルを超えている場合には、遮光剤をさらに塗布することで、太陽光パネルが出力可能な最大電流値を下げた後に、再度、電圧測定することも可能である。

図５は、本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタの機能ブロック図である。本実施の形態１における太陽光発電電圧テスタは、電圧計測回路２１、リレー回路２２、表示器２３、およびコントローラ２４を備えて構成されている。

電圧計測回路２１は、先の図４に記載した電圧計１５により測定された、所望の箇所の電圧測定値を、コントローラ２４に出力する回路に相当する。リレー回路２２は、図４に示した接点１４を含むリレー回路であり、コントローラ２４からの出力指令に応じて、リレーコイルが励磁状態／非励磁状態のいずれかに切り換えられることで、接点１４の開閉状態が切り換えられる。

表示器２３は、電圧計測回路２１の測定結果の表示、あるいは、コントローラ２４からの指令に応じた表示を行う表示器である。さらに、コントローラ２４は、電圧計測回路２１、リレー回路２２、表示器２３の統括制御を行う。

図６は、本発明の実施の形態１における太陽光発電電圧テスタ内のコントローラ２４により実行される太陽光パネルの発電電圧測定処理に関するフローチャートである。まず、ステップＳ６０１において、測定者により、端子１１、１２が被測定箇所（直流電流が流れる電線）にセットされた後、ステップＳ６０２において、コントローラ２４は、測定者の操作に基づいて電圧測定を開始するために、リレー回路２２を制御し、接点１４を閉状態に切り換える。

次に、ステップＳ６０３において、コントローラ２４は、電圧計１５による測定電圧値Ｖａを読み取る。そして、ステップＳ６０４において、コントローラ２４は、測定電圧値Ｖａと、第１の許容値Ｖｔｈ１（第１の閾値に相当）とを比較する。ここで、第１の許容値Ｖｔｈ１は、５００Ωの抵抗１３で消費される電力が発熱許容値以内となるために、あらかじめ設定された電圧値に相当し、本実施の形態１では、一例として、
Ｖｔｈ１＝３０（Ｖ）
とする。

そして、コントローラ２４は、
Ｖａ≦Ｖｔｈ１ （１）
が成立しない場合には、このまま、接点１４をＯＮし続けると、抵抗１３の発熱が許容値を超えてしまうと判断し、ステップＳ６０５に進む。そして、ステップＳ６０５において、コントローラ２４は、接点１４をＯＦＦ状態に切り換える。さらに、ステップＳ６０６において、コントローラ２４は、測定電圧値Ｖａが人体に影響があるレベルであると判断し、必要に応じて、表示器２３に警告メッセージを表示し、一連処理を終了する。

一方、先のステップＳ６０４において、上式（１）の関係が成立すると判断した場合には、ステップＳ６０７に進み、コントローラ２４は、
Ｖａ≦Ｖｔｈ２ （２）
が成立するか否かを判断する。ここで、第２の許容値Ｖｔｈ２（第２の閾値に相当）は、５００Ωの抵抗１３で、電流を人体に影響のない２０ｍＡ以内とするためにあらかじめ設定された電圧値に相当し、本実施の形態１では、一例として、
Ｖｔｈ２＝１０（Ｖ）
とする。

なお、第２の許容値Ｖｔｈ２は、人体の最小の電気抵抗であっても感電のおそれがない許容電圧以下であればよい。

そして、上式（２）が成立しない場合には、ステップＳ６０６に進み、コントローラ２４は、測定電圧値Ｖａが人体に影響があるレベルであると判断し、必要に応じて、表示器２３に警告メッセージを表示し、一連処理を終了する。なお、コントローラ２４は、警告メッセージとして、ＶａがＶｔｈ１を超えると判断した場合と、ＶａがＶｔｈ１以下ではあるがＶｔｈ２を超えると判断した場合とで、異なるメッセージを表示させることもできる。

また、コントローラ２４は、遮光剤をさらに塗布することを促すメッセージをこの警告メッセージとして表示させることもできる。

一方、先のステップＳ６０７において、コントローラ２４は、上式（２）の関係が成立すると判断した場合には、ステップＳ６０８に進み、測定電圧値Ｖａが人体に影響がないレベルであると判断し、必要に応じて、表示器２３に安全であることを伝えるメッセージを表示し、一連処理を終了する。

また、図６のフローチャートでは記載を省略したが、コントローラ２４は、以下のような手法により、測定電圧値Ｖａの大きさに応じて、接点１４の開閉制御を周期的に繰り返すこともできる。

（手順１）接点１４の開状態と閉状態を周期的に切り換える際に、抵抗１３の発熱量が許容発熱量に収まるように、１周期内における閉状態の期間の比率と、測定電圧値Ｖａとの対応関係を定めたテーブルをあらかじめ記憶しておく。
（手順２）コントローラ２４は、測定電圧値Ｖａの大きさに応じた比率をテーブルから抽出し、抽出した比率に従って接点１４を周期的に切り換えるように、リレー回路２２を開閉制御する。

このような周期的な制御を行うことで、測定電圧値Ｖａを、その大きさによらず連続的に計測することができ、測定者は、太陽光パネルの発電電圧を正確に把握することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、太陽光パネルの発電電圧が人体の感電に対して許容できるレベルに低下しているか否かを、人体の電気抵抗を考慮した５００Ωの抵抗を用いて、正確に定量評価することができる構成を備えている。この結果、太陽光パネルの消火活動時の放水等によって周囲の人間が感電しまうおそれを、現場での簡易な計測操作により、未然に回避することができる。

１ 太陽光パネル、２ 接続箱、３ パワーコンディショナ、４ 分電盤、５ 売電メータ、１１、１２ 端子、１３ 抵抗、１４ 接点、１５ 電圧計、２１ 電圧計測回路、２２ リレー回路、２３ 表示器、２４ コントローラ。

Claims (5)

1. 太陽光パネルによる直流電圧が、感電のおそれがない許容電圧以下となっていることを計測する太陽光発電電圧テスタであって、
   人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器と、
   前記抵抗器と直列に接続された接点を有し、開状態と閉状態の切り換え制御が可能なリレー回路と、
   前記抵抗器と前記接点からなる直列回路の両端電圧を測定する電圧計と、
   前記両端電圧を測定する場合には、前記接点を閉状態に切り換えるように前記リレー回路を制御し、前記電圧計で測定された前記両端電圧が、前記抵抗器の許容発熱量から規定される第１の閾値電圧を超えている場合には、前記接点を開状態に切り換えるように前記リレー回路を制御するコントローラと
   を備える太陽光発電電圧テスタ。
2. 太陽光パネルによる直流電圧が、感電のおそれがない許容電圧以下となっていることを計測する太陽光発電電圧テスタであって、
   人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器と、
   前記抵抗器と接点からなる直列回路の両端電圧を測定する電圧計と、
   前記電圧計で測定された前記両端電圧が、前記許容電圧から規定される第２の閾値電圧以下である場合と、前記第２の閾値電圧を超える場合とで、異なる表示をするように表示器を制御するコントローラと
   を備える太陽光発電電圧テスタ。
3. 前記コントローラは、前記接点の前記開状態と前記閉状態を周期的に切り換え、前記電圧計で測定された前記両端電圧の大きさに応じて、１周期内における前記閉状態の期間の比率を可変設定し、前記抵抗器の発熱量が前記許容発熱量以内に収まるように前記リレー回路の開閉制御を行う
   請求項１に記載の太陽光発電電圧テスタ。
4. 前記抵抗器は、５００Ω以下の抵抗値を有する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽光発電電圧テスタ。
5. 太陽光パネルによる直流電圧が、感電のおそれがない許容電圧以下となっていることを計測する太陽光発電電圧テスタに含まれるコントローラにより実行される太陽光パネルの発電電圧測定方法であって、
   人体の電気抵抗に相当する抵抗値を有する抵抗器と、開状態と閉状態の切り換え制御が可能な接点とからなる直列回路の両端電圧を測定する際に、
   前記接点を閉状態に切り換えることで、前記両端電圧を測定する電圧測定ステップと、
   前記接点の開状態と閉状態を周期的に切り換える際に、前記抵抗器の発熱量が許容発熱量に収まるように、１周期内における前記閉状態の期間の比率と、前記両端電圧との対応関係を定めたテーブルをあらかじめ記憶しておく記憶ステップと、
   前記電圧測定ステップにより測定された前記両端電圧の大きさに応じた前記比率を前記テーブルから抽出し、抽出した前記比率により前記接点を周期的に切り換えることで、繰り返し前記両端電圧を測定する周期制御ステップと
   を有する太陽光パネルの発電電圧測定方法。

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