[電力・クリーンエネルギー測定機器]バイパスダイオードとは、太陽光発電における不具合を軽減、回避するために発電回路を迂回させる素子のことをいいます。発電効率の低下を抑える経済的な側面と、火災という最悪事態の発生を阻止する安全的な側面があります。2016年年末に保守点検ガイドラインに規定されて、最近ますますダイオード検査の重要性に注目が集まっています。設備メンテナンスと測定のポイント」で太陽光発電設備の概要を、「太陽光発電I-Vカーブトレーサーと故障位置測定器選び方」でI-Vカーブテスター群と故障位置測定に特化した故障位置測定器群の測定器の選び方を取り上げました。これらの測定器はバイパスダイオードの故障判定に役立ちます。一方で、NTTRECは、新たにバイパスダイオードの故障に対応した専用測定器を商品化予定です。それに伴い、バイパスダイオードについて「太陽光発電バイパスダイオード故障判定原理と測定器選び方」と題して、以下に示すとおり解説します。FT4310(日置電機)メーカーアピール(2)バイパスダイオードチェッカーBDC15310(日本カーネルシステム株式会社)メーカーアピール(3)バイパスダイオード故障判定装置(日置、カーネル)仕様一覧(4)バイパスダイオード故障判定装置(日置、カーネル)比較のポイント(5)I-Vカーブで理解するバイパスダイオードオープン故障の検出原理(6)バイパスダイオードのオープン故障検出に対する開発思想1.バイパスダイオードの直観的理解バイパスダイオードは、写真1-1に示すように、モジュール(パネル)の裏のジャンクションボックスに設置されています。設備メンテナンスと測定のポイント」が役にたつと思います。以下、自ブログを再掲します。「太陽電池ですから、影がかかれば電流が流れにくくなります。その一部のセルのためにモジュール全体の電流が流れにくくなってしまいますね。それを避けるために、モジュールを3つのセルのグループに分けて、影がかかって流れにくくなったグループに対する電流の迂回路(バイパス)を作っています。正常時は、迂回路を通る必要はありませんから図1-2のような電流経路になります。写真1-2でわかるように、モジュールの裏に設置してあるスイッチングボックスに3つのバイパスダイオードが接続されています。その2「この迂回路は、グループに対してバイパスダイオードを並列に配置することで実現しており、この組み合わせをクラスタと呼んでいます。モジュールは、3つのクラスタを直列に接続した構成となっているわけです。図1-3に欠陥クラスタが生じモジュールに異常をきたすときの電流経路を示しました。バイパスダイオードとクラスタの関係をイメージできると思います。一つのセルの欠陥で、そのクラスタも欠陥となります。3クラスタで構成されているモジュールならば、モジュールの発電能力が1/3減ります。図1-3モジュール内に異常が生じた時の電流経路セルに影がかかると、セル自身が抵抗体になります。そのセルが電気抵抗を引き起こして、電力を消費します。セルの電力消費は、そのセルをヒートアップさせ、発電効率を低下させるとともに、その度が過ぎると火災という最悪の事態につながります。それを回避するバイパスダイオードは、経済的側面と安全的側面で貢献しているのです。2.ダイオードの特性から見た太陽電池・バイパスダイオードの系としての動作(1)ダイオードの特性ダイオードとは、電圧がかかっている順方向には電流を流し、逆方向には電流を流さない、整流作用があるP-N接合の半導体素子のことをいいます。図2-2にダイオードのI-Vカーブを示します。順方向にダイオードに電圧を印加すると、ある電圧以上の時に、急激に電流が流れます。それ以下では、ほとんど電流は流れません。電流が流れ始めるときの電圧を順方向電圧といい、VFで表記します。ダイオードによって差異がありますが、VFの値は概ね0.5Vから1.5V程度です。逆方向に電圧を印加すると、ほとんど電流は流れません。逆方向の電圧をさらに印加していくと、急激に電流が流れますが、それ以上の電圧を加えるとダイオードは破壊されます。ダイオードのI-Vカーブ実は、太陽電池もバイパスダイオードも同じダイオードです。結論から先にいうと、図2-3のように電流が流れます。その1バイパスダイオードは順方向電圧を印加されることにより電流が流れて、太陽電池は光が当たることにより電気エネルギーを生成し、電流を流します。アノードとは外部回路から電流が流れ込む電極、カソードとは外部回路へ電流が流れ出す電極のことをいいます。バイパスダイオードに順方向電圧を印加すると、P型には電流が流れ込むからアノード、N型は電流が流れ出すのでカソードと呼びます。太陽電池はP型から電流が流れ出すのにアノード、N型には電流が流れ込むのにカソードと呼んでいます。その2同じダイオードであるバイパスダイオードと太陽電池の向きの組み合わせは図2-5のようになります。同じダイオードであるバイパスダイオードと太陽電池の向きの組み合わせバイパスダイオードも太陽電池も同じPN接合体からなるダイオードです。両者の何が同じで、どこからどう違うのか等、原理を理解したい方は、「太陽電池とバイパスダイオードの原理に関する基礎知識」をご覧ください。中(内部回路)で、太陽電池のダイオードのカソードからアノードの向きに低い電位(-)を上げ(+)、その方向に電流が流れます。正常発電状態時2非正常発電状態時でバイパスダイオード動作時モジュールに影がかかって、その部分のセル(ダイオード)が発電していない状態が非正常発電時です。そのセルは抵抗体になり、電力を消費し、バイパスダイオードIIのA側はB側より電位が高くなります。この電位差が順方向電圧に達すればIIが動作し、当該クラスタはバイパスされますので、電位は図2-7に示すグラフのようなイメージになります。非正常発電状態時でバイパスダイオード動作時3.バイパスダイオードのオープン故障オープン故障(開放故障)とは、迂回機能を失っている故障のことです。不良セルは、正常なセルと直列に接続されています。バイパスダイオードがオープン故障していると、不良セルに関わらず全てのセルに同じ電流がれます。不良セルは抵抗体となっているので発熱という形で発電電力が自己消費されます。不良セルの温度が上昇し、更なる劣化、やがてはピンポイントで異常に高温となるホットスポットを生成し、火災の危険にもつながります。一方で、バイパスダイオードが故障していても、正常発電しているのであれば、そもそもバイパスダイオードの出番はありませんので、故障に気づくことがありません。当初、不良の程度が発電に影響を及ぼさない軽微なものであったとしても、そこから不良セルの劣化は進行します。バイパスダイオードのオープン故障は気づかれず放置されたままで、不良セルの劣化が進行し続けたら・・・・・オープン故障は、バイパスダイオードが動作する状況になって初めて把握できる状況であるため、オープン故障初期に発見することは難しいのです。これまでのバイパスダイオードのオープン故障の検知は、クラスタ単位に太陽電池を遮蔽する必要があります。1ストリング10モジュールであれば30個のバイパスダイオードに対して影を30回遮蔽して測定をする必要があります。太陽電池は屋根等の高所にあるケースが多く、影の遮蔽作業は煩雑になり、安全性、費用面の観点で日常的な作業に支障をきたします。加藤和彦工学博士のコメントを紹介します。バイパスダイオードが健常であるか否かを確認する項目がないし、その手段についても今まで合理的な方法、実用的な方法がなかったということで、意外と知られていない不具合です。影がかかっていない状態ではバイパスダイオードは働かないので、あってもなくても発電量、出力に与える影響はほとんどとない、といっていいほどないですが、そこが健常でないのは太陽電池パネルの安全面について非常に危うい状況にあると我々は判断しています。太陽光発電チャンネル動画中の発言を一部文書化して引用」(http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/ohisama_power/tv/)上記において、「太陽光発電I-Vカーブトレーサーと故障位置測定器選び方」でも取り上げている故障位置測定器の一つである「SPLC-A」を使って点検をしている動画がアップされています。以下、その内容を文面化したものを紹介します。「写真3-1に示すように、ゴムシートをかけていない時は、正常に信号が鳴っています(赤いランプが点灯)。そこに画面の上にある黒いゴムシートをかけると遮光されて発電ができなくなります。本来ならこの部分はバイパスダイオードによって電流が迂回されるので、信号がなりやむ(赤いランプが消灯)はずです。信号がなっている状態でゴムシートをかけようとしているところしかし、写真3-2に示すように鳴りやまず、赤いランプが点灯したままです。バイパスダイオードがオープン故障しているので、迂回できず、電流がそのまま流れ込んでいるのです。赤いランプが点灯したままになっています。ゴムシートをかけたのに信号がなりやまない(http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/ohisama_power/tv/)以下にケトミックス社の「バイパスダイオード故障によるホットスポット現象」に掲載されている写真を引用します。引用(ホットスポットについては、別途、発生メカニズムやそれを検査する赤外線サーモグラフィー等をまとめたいと思います。)4.バイパスダイオードのショート故障(短絡故障)ショート故障(短絡故障)とは、正常に発電しているクラスタの電力が、ループ状態となることにより正常に取り出せなくなる故障のことを言います。バイパスダイオードのショート故障もっとやっかいなことは、必要もないのにバイパスダイオードに多くの電流が流れ続けてしまう、ということです。バイパスダイオードは、もともと電流が長時間、大量に流れるづけることを前提とした設計になっていません。そのため、バイパスダイオード自身が発熱してしまい、バイパスダイオードが実装されているジャンクションボックスが熱変形したり、溶融してしまうこともあります。ループが形成されると、遮光しない限り、無条件に発電し続けてしまいます。発熱状態が続き、火災が発生する危険性もあります。ショート故障の検知においては、出力電圧の低下を精度よく検知することがポイントです。バイパスダイオードがショートすると、そこに該当するクラスタが発電に寄与できなくなります。1クラスタは10V程度ですので、1000Vのシステムであれば、10Vの差分を検出することがポイントになります。以下に不具合事例を引用します。引用5.ガイドラインへの保守点検・メンテナンス基準作りの機運の高まり2017年4月1日に改正FIT法が施行されました。改正FIT法の目的は、「再生可能エネルギーの最大限の導入」と「国民負担の抑制」の両輪を回すことにより、「最適なエネルギーミックスを実現していく」ということです。要は、「これまでの取り組みは再生可能エネルギーを増やす仕組み作り」でしたが、「これからは長期間、安定的に稼働させるための仕組みに変革する」、ということです。ケースによっては、「認定取り消し」という厳しい厳罰も規定されています。その観点から、太陽光発電のO&M、運用・保守メンテナンスがますます重要な位置づけになってきました。この背景の一つとして、太陽光発電にからむ事故、トラブルが急増しているということがあります。保守点検、メンテナンスに関する明確な基準、ガイドラインが存在していないのが、これまでの実態でした。■長期安定発電には、導入後のメンテナンス(保守・点検)の確実な実施を促していくことが鍵。■新認定制度では、事業者が事業計画において、適切に点検・保守を行うことを盛り込むこととしているが、具体的に実施すべき内容を規定するガイドラインを、今後、国と民間において役割分担をして策定し、適切なメンテナンスの水準を確実に担保していく。前項で、経済産業省が、「具体的に実施すべき内容を規定するガイドラインを、今後、国と民間において役割分担をして策定し、適切なメンテナンスの水準を確実に担保していく」と言明していることの一環として、「太陽光発電システム保守点検ガイドライン」が2016年12月28日に公開されました。(JPEA)により共同作成されました。このガイドラインで、バイパスダイオード試験が初めて明記されたことが、関係者の間で話題を呼んでいます。ここでは、その原文を引用します。バイパスダイオード試験バイパスダイオードは、オープン故障又はショート故障が発生するおそれがある。あるストリングが他のストリングの平均電圧よりも低い電圧である場合は、ダイオードが1つ以上短絡している兆候かもしれないと予測できる。オープン故障したダイオードは、バイパス回路への迂回がなければ兆候を予測し難いものである。別途バイパスダイオード故障判定装置などを使用することが望ましい。直列ストリング中の太陽電池モジュール(複数)の一部に、選択して影をあてることにより、オープン故障したダイオードを検知することができる。各太陽電池モジュールの当該バイパスダイオードが担当しているクラスタのエリアに選択的に影をあてる。b)各エリアに影をあてていきながら、電流低下がないかを探す。オープン故障したダイオードは、影となったセルを迂回するバイパス経路を作ることができないため、電流が大きく低下することになる。上記手順は長時間の作業を要するため、市販されているバイパスダイオード故障判定装置での検査のプロセスも活用できる。ショート故障ダイオード試験ショート故障したバイパスダイオードは赤外線サーモグラフィ又はストリング内で電圧の低い太陽電池モジュールがないか電圧測定を行うことで判定する。I-Vカーブトレーサーと故障位置測定器選び方」で異常ストリングから異常モジュール、異常クラスタへと絞り込み、故障位置を特定することについて説明しました。表7-1に示した測定器は、オープン故障ダイオード試験やショート故障ダイオード試験に役立ちます。新栄電子計測器ただし、使用にあたっては、前述と重複しますが、以下の点を考慮する必要があります。・オープン故障は、バイパスダイオードが動作する状況になって初めて把握できる状況であるため、オープン故障初期に発見することは難しい。・太陽電池を遮蔽する必要がある。1ストリング10モジュールであれば30個のバイパスダイオードに対して影を30回遮蔽して測定をする必要がある。・太陽電池が屋根等の高所にあるケースが多く、影の遮蔽作業は煩雑になり、安全性、費用面の観点で日常的な作業に支障をきたす。・1ストリング10モジュール300V規模であれば、10Vは3.3%相当。この10Vを精度よく測定することが有効な手段となる(2)バイパスダイオード故障判定装置のニーズの高まり以上示した留意点から、特にオープン故障に関するバイパスダイオード故障判定装置のニーズが高まってきました。6項で示した「太陽光発電システム保守点検ガイドライン(JM16Z001)」の一部を再掲します。「オープン故障したダイオードは、バイパス回路への迂回がなければ兆候を予測し難いものである。別途バイパスダイオード故障判定装置などを使用することが望ましい。近日レンタル化*レンタル価格は週額対応、また長期割引きあり(4)バイパスダイオード故障判定装置(日置、カーネル)比較のポイント双方ともオープン故障とショート故障に対応します。オープン故障対応の検出原理は、バイパスダイオードの順方向電圧を印加した時の電流値測定であり、双方とも本質的に同じです。順方向電圧印加はモジュールに負担をかけるという懸念があります。これに対して、日本カーネルシステムは夜間対応にこだわる一方で、日置電機は日射時でも対応可能とする開発思想に違いがあります。両者ともに、異常ストリングの絞り込みまでのみの対応です。その後の異常モジュール及び異常バイパスダイオードの特定には、「太陽光発電I-Vカーブトレーサーと故障位置測定器選び方」でラインナップしている故障位置測定器を使用します。日本カーネルシステムのBDC15310は日置電機のFT4310より安価ですが、利用シーン、条件等で適宜コストパフォーマンスに基づき判断されるとよいでしょう。近日レンタル化*レンタル価格は週額対応、また長期割引きあり(5)I-Vカーブで理解するバイパスダイオードオープン故障の検出原理オープン故障の検出においては上記の系のI-Vカーブ図8-1を利用します。太陽電池とバイパスダイオードの系におけるI-Vカーブ第1象限は、太陽電池が発電している状態で、電圧、電流ともにプラスの領域です。第2象限は、太陽電池に影がかかって抵抗が増し、電力を消費している状態で電圧がマイナスとなっている領域です。ここでは、バイパスダイオードが正常でも故障でも、系としては、太陽電池が発電しているときと同じ方向に電流が流れるので電流はプラスです。太陽電池に影がかかり、バイパスダイオードが動作するのは、バイパスダイオードにとって順方向電圧VFが印加された時です。そのVFは、太陽電池から見ればみずから発電してプラスと定義する電位とは逆方向なので、-VFと定義されます。バイパスダイオードが正常な場合のグラフは、太陽電池に-VFが印加されて、電流がバイパスダイオードに一気に流れ込むことを示しています。一方で、バイパスダイオードがオープン故障している場合のグラフは、太陽電池と同じ電流が無理やり流しこまれ、電力を消費していることを示しています。バイパスダイオードのオープン故障の検出原理は、相当にざっくりと言えば図8-2に示すとおりです。αを印加して、バイパスダイオードの電流の有無により、オープン故障を検出します。バイパスダイオードのオープン故障の検出イメージもし、夜間であれば太陽電池は発電していないので、バイパスダイオードのAからBの方向にVtestを印加します。Vtestを印加します。Vtestを印加すると、モジュールへの負担がかかることは容易に想像できます。バイパスダイオードが正常で、そこへの電流が急増した場合は大変です。その点への対応については、日置電機と日本カーネルシステムは、各々の開発思想を持って商品化に取り組んでいるようです。日置電機と日本カーネルシステムの開発思想をオープン資料から引用します。i)日置電機バイパスダイオードの開放検出は可能であっても太陽電池を壊してしまっては意味がないため、測定時にストリングに与える影響については充分検討されています。最初にIscを測定したうえで、Isc+1Aの定電流制御であること、印加時間が数msと短いこと、その測定原理から、ストリングに与える影響はIV曲線を測定する場合や、短絡して絶縁抵抗を測定する場合とほぼ同じ程度で、太陽電池を壊すことはありません。逆バイアスにてIsc以上の電流を印加すれば、太陽電池が発電している日中でも測定が可能です。通常運用ではメーカーが想定しない電圧を印加することによるPVモジュールへの影響が懸念されます。BPDオープン故障時は、当該クラスタのすべてのPVセルへ、最も発電状態のよいセルのIsc相当の電流を流すため、部分影等により発電状態にばらつきがある場合は、BPD検査により、セルを破壊する当の危険性が考えられます。本機は太陽電池モジュールへの影響を考慮し、負担をかけない夕方や夜間測定に限定した設計としました。バイパスダイオード故障判定原理と測定器選び方」を解説させていただきました。ラインナップ(一部)がありますので、図8-3をごらんください。STORYで、新規参入領域の太陽光発電設備のメンテナンスをケースとして、NTTRECの設立経緯、強み、新規参入の考え方、新規参入領域での取り組み姿勢等をストーリー化してとりまとめてありますので、ご一読ください。ネットワーク系以外の執筆を担当しています。Reserved.このページの先頭へ。