JP2000166098A

JP2000166098A - 太陽光発電屋根

Info

Publication number: JP2000166098A
Application number: JP10333656A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Sera; 賢昭瀬良
Original assignee: Kawamura Electric Inc; Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Kawamura Electric Inc; Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】方向の異なる複数の屋根面に互いに異なる太
陽電池モジュール直列数等の太陽電池を設置しながら、
発電効率が良く、かつ設備費用が低価格で済む太陽光発
電屋根を提供する。【解決手段】互いに異なる方向に向いた複数の屋根面
３２を有する屋根において、これら屋根面３２のうち、
少なくとも２つの屋根面３２に太陽電池１を設置する。
各屋根面３２毎の太陽電池１に各々別のインバータ４を
接続する。これら複数のインバータ４は、互いに共通の
コントローラ５の制御により並列運転されて商用電力系
統２に連系される。各屋根面の太陽電池１は、各々が任
意の太陽電池モジュール数とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、屋根の各方向の
屋根面に太陽電池を設置し、インバータを用いて商用電
力系統と連系して給電する太陽光発電屋根に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、図
５に一例を示すように、住宅の屋根の東西南北面など、
各方向の屋根面に太陽電池５１を設置した場合に、図６
に示すように、全ての太陽電池５１を１台のインバータ
５２に接続している。インバータ５２に入力される太陽
電池５１の電力は、インバータ５２の最大電力追随動作
により、図９（Ａ）に示すように、ほぼ各面の太陽電池
出力の合成値の最大電力となる。このように１台のイン
バータ５２を用いる場合、各屋根面の太陽電池５１に同
一特性のものを使用し、かつ各屋根面の太陽電池モジュ
ール５１ａの直列数を同じにした場合においては、ほぼ
有効に各太陽電池５１の発電電力をインバータ５２に入
力できる。

【０００３】しかし、太陽電池５１の取付面の面積や形
状の相違により、各屋根面の太陽電池５１の太陽電池モ
ジュール直列数を同一にすることが困難な場合がある。
図７に示すように、各屋根面の太陽電池５１の太陽電池
モジュール直列数が異なる場合は、各太陽電池５１の発
電電力−発電電圧特性の差が大きく、図９（Ｂ）のよう
に各太陽電池５１の最大電力点のずれが大きくなるた
め、合成最大電力は、各屋根面の太陽電池５１のそれぞ
れの最大電力の合計値に対して相当減少してしまう。そ
のため、各太陽電池５１の発電電力を有効にインバータ
５２に入力できず、発電効率が低下してしまうという問
題点があった。このような発電効率の低下は、太陽電池
モジュール数が異なる場合の他に、次のような場合にも
生じる。例えば、一部の屋根面の太陽電池５１が周囲の
建物や木立等の影になる場合や、各屋根面の太陽電池５
１の特性が異なる場合（南面に単結晶シリコン太陽電
池、東西北面にアモルファス太陽電池を用いたような場
合）である。最大電力追随制御（ＭＰＰＴ）により、動
作点は常に変動しているが、日射量の急変等により最大
電力点から大きくずれることがあり、この間、発電効率
が低下してしまう。

【０００４】さらに、各屋根面の太陽電池５１の太陽電
池モジュール直列数が異なる場合には、各太陽電池５１
の電力−発電電圧特性の差が大きく、合成電力の発電電
力−発電電圧特性には発電電力のピークが生じる。その
ため、インバータ５２が最大電力追随動作により、ある
ピーク点から抜け出せなくなる場合があり、これが発電
電力が低いピーク点の場合には、さらに発電効率が低下
してしまうという問題があった。

【０００５】このような課題を解消するものとして、図
８に示すように、各屋根面の太陽電池５１にそれぞれ別
のインバータ５２を接続し、これらインバータを並列運
転して商用電力系統５３に接続するものを考えた。しか
し、このような住宅の屋根面に設置された太陽電池５１
の電力を商用電力系統５３と連系して給電するためのイ
ンバータ５２は、その連系機能を得るために、商用電力
系統状況検出装置、給電状況検出装置、および出力電力
表示装置等の各種の装置を備えたものとされている。そ
のため、インバータ５２の価格は高価であり、このよう
な高価なインバータ５２を複数台設置すると、全体とし
て非常に高価なものとなってしまう。また、これら複数
台のインバータ５２を並列運転して商用電力系統５３と
連系するためには、例えば、複数台のうちの一台をマス
ター機として設定し、残りの各々をスレーブ機として設
定する必要があり、その設定が煩わしい。そのため誤設
定も生じ易い。

【０００６】この発明の目的は、方向の異なる複数の屋
根面に太陽電池を設置しながら、発電効率が良く、かつ
設備費用が低価格で済む太陽光発電屋根を提供すること
である。この発明の他の目的は、各屋根面の太陽電池の
太陽電池モジュール直列数が異なっていても、効率良く
電力が得られるようにすることである。この発明のさら
に他の目的は、４方の屋根面の全てに太陽電池を設置し
た場合にも、発電効率が良く、かつ設備費用が低価格で
済むようにすることである。この発明のさらに他の目的
は、太陽電池モジュールが屋根葺材を兼用するものであ
って、また各面の太陽電池の特性が異なる場合にも、優
れた発電効率が得られるようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の太陽光発電屋
根は、互いに異なる方向に向いた複数の屋根面を有する
屋根において、これら屋根面のうち、少なくとも２つの
屋根面に太陽電池が設置され、各屋根面毎の太陽電池に
各々別のインバータが接続され、これら複数のインバー
タが、互いに共通のコントローラの制御により並列運転
されて商用電力系統に連系されるものである。この発明
において、各屋根面に設置された太陽電池のうち、いず
れかの屋根面の太陽電池は、他の屋根面の太陽電池と
は、太陽電池モジュール直列数が互いに異なっていても
良い。また、この発明は、４方に向く屋根面を有する屋
根であって、４つの屋根面の全てに太陽電池を設置した
ものであっても良い。さらに、この発明において、各屋
根面に設置された太陽電池の太陽電池モジュールが屋根
葺材を兼用するものであり、これら各屋根面に設置され
た太陽電池のうち、いずれかの屋根面の太陽電池を単結
晶系の太陽電池とし、他の屋根面の太陽電池をアモルフ
ァス系の太陽電池としても良い。

【０００８】上記構成の太陽光発電屋根によると、各方
向の屋根面の太陽電池がそれぞれ別のインバータに設置
されているため、各屋根面の太陽電池が、太陽電池モジ
ュール直列数の違いや、太陽との対向角度の異なり等に
よって発電電力や発電電力−発電電圧の特性に大きな違
いが生じていても、各インバータは太陽電池の最大電力
を取り込むことができ、高い電力変換効率で太陽電池発
電を行うことができる。すなわち、各屋根面の太陽電池
の太陽電池モジュール数が異なっていても、インバータ
群全体から見た場合、各太陽電池の最大発電電力の合計
値を取り込むことと同じとなり、高い電力変換効率で太
陽電池発電を行うことができる。しかも、このような高
い電力変換効率の太陽電池発電でありながら、コントロ
ーラの共有により、個々のインバータは簡素な機能のも
のとして、重複機器の省略により設備全体を低価格のも
のとすることができる。また、各屋根面の太陽電池の太
陽電池モジュール直列数が異なる場合に、従来技術に見
られたインバータが最大電力追随動作により、あるピー
ク点から抜けだけなくなる不具合も発生しない。一部の
太陽電池が周囲の建物や木立等の影になる場合でも、シ
ステム全体からみた取り込み電力の低下は、その影にな
った太陽電池の低下分だけとなる。これらのため、各方
向の屋根面に、太陽電池モジュールを任意の直列数で設
置でき、すなわち任意枚数設置できて、限られた屋根面
積を最大に生かし、高い発電効率、発電量の太陽光発電
屋根とすることができる。各方向の屋根面に、異なる種
類、例えば単結晶シリコン太陽電池とアモルファスシリ
コン太陽電池を任意に選んでも、各太陽電池の最大発電
電力を交流電力に変換することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１ない
し図４と共に説明する。図１（Ａ）に示すように、建物
３０の屋根３１は、４方に向く屋根面３２（３２_A〜３
２_D）を有しており、各屋根面３２に太陽電池１が設置
されている。建物３０は、例えば戸建ての住宅であり、
屋根３１は寄せ棟屋根である。太陽電池１は、複数の太
陽電池モジュール１ａを直列に、あるいは直並列に接続
したものであって、各太陽電池モジュール１ａは屋根葺
き材を兼用し、各屋根面３２の略全面の屋根葺き材が太
陽電池１で構成される。各屋根面３２の太陽電池１の太
陽電池モジュール直列数は互いに異ならせても、また同
じ数としてもよい。例えば、寄せ棟屋根の場合、妻側の
一対の屋根面３２_B，３２_Dは狭く、桁側の一対の屋根
面３２_A，３２_Cは広く、この屋根面の広さに応じた太
陽電池モジュール直列数とされる。太陽電池１の種類
も、各方向の屋根面３２によって異ならせても良く、例
えば、南面の屋根面３２_Aを単結晶シリコン太陽電池等
の単結晶系の太陽電池とし、東西および北面の屋根面３
２_B〜３２_Dは、アモルファスシリコン太陽電池等のア
モルファス系の太陽電池とする。なお、各屋根面３２の
太陽電池１は、屋根葺き材とは別に、例えば屋根葺き材
の上に設置したものであっても良い。

【００１０】各屋根面３２の太陽電池１は、図１（Ｂ）
に示すように各々別のインバータ４に接続され、これら
複数のインバータ４は、互いに共通のコントローラ５の
制御により並列運転されて商用電力系統２に連系され
る。

【００１１】コントローラ５は、複数のインバータ４に
よる給電状況および商用電力系統の状況を検出して前記
各インバータに並列運転制御信号を与える手段であり、
図２にブロック図で示す各手段および機能を備える。図
２に示すように、コントローラ５は、給電状況・系統状
況検出部７と、インバータ制御信号生成部８と、出力電
力表示信号生成部９とを備える。

【００１２】給電状況・系統状況検出部７は、給電電路
２９に設けた変成器（ＰＴ）、変流器（ＣＴ）、直流セ
ンサ（ＤＣ−ＣＴ）、直流地絡電流センサ（ＤＣ−ＺＣ
Ｔ）により、系統電圧、系統周波数、供給電流、直流地
絡電流等の給電状況および系統状況を取り込み、系統電
圧位相、系統電圧の上昇、系統の停電、直流電流の流
出、直流地絡電流の発生を検出し、それらの検出信号を
インバータ制御信号生成部８に送出する。また、出力電
力を計測し、そのデータを出力電力表示信号生成部９に
送出する。

【００１３】インバータ並列運転制御信号生成部８は、
給電状況・系統状況検出部７から信号を受け、並列運転
制御信号として次の各信号ａ〜ｄを生成し、各インバー
タ４に送出する手段である。出力電流位相同期信号ａ
は、全インバータ４の出力電流位相を揃え、かつ系統電
圧位相に対して一定周期でわずかに変動させるための信
号である。商用電力系統２が停電した場合、インバータ
４の単独運転となるが、位相変動による周波数変化を検
出して系統の停電が検出できる。全インバータ開列信号
ｂは、商用電力系統２の停電を検出した場合、および商
用電力系統２の過電圧がインバータ４の制御では低下で
きない場合に、全インバータ４を系統から開列するため
の信号である。異常インバータ検出・開列信号ｃは、直
流電流、直流地絡電流が発生した場合に、インバータ４
を順次開列して異常インバータ４を検出し、異常インバ
ータ４のみを商用電力系統２から開列するための信号で
ある。出力電流位相進相信号ｄは、商用電力系統２の電
圧が上昇した場合に、インバータ４の出力電力位相を進
相させることにより系統電圧を下げるための信号であ
る。出力電流抑制信号ｅは、商用電力系統２の電圧が上
昇した場合、インバータ４の出力電流位相を進相させて
も系統電圧が下がらない場合に、インバータ４の出力電
流を小さくして系統電圧を下げるための信号である。こ
れでも系統電圧が高い場合はインバータ４を開列する。

【００１４】出力電力表示信号生成部９は、給電状況・
系統状況検出部７および各インバータ４からの出力電力
データを受け、これを演算して商用電力系統２への総合
出力電力（太陽光発電電力）を求め、その総合出力電力
および各インバータ４の電力表示信号を表示装置６に送
出する。

【００１５】図３は、インバータ４のブロック図であ
る。インバータ４は、インバータ制御部１０からの信号
により、直流−交流変換部１１および開閉部１２を制御
することにより、太陽電池１で発電された直流電力を交
流電力に変換し、交流電流を商用電力系統２に送出する
手段である。

【００１６】直流−交流変換部１１は、インバータ制御
部１０からの指令に基づいて、太陽電池１で発電された
直流電力を交流電力に変換し、交流電流を商用電力系統
２に出力する。開閉部１２は、インバータ制御部１０か
らの指令に基づいて、インバータ出力と商用電力系統２
との接続、開列を行う手段である。

【００１７】インバータ制御部１０は、太陽電池１の発
電電力データ、インバータ出力電流の波形・位相・電流
値データ、およびコントローラ５よりの制御信号に基づ
いて次の信号ｆ〜ｊを生成し、直流−交流変換部１１お
よび開閉部１２に送出する手段である。

【００１８】出力電流波形制御信号ｆは、フィードバッ
ク制御により出力電流波形が常に正弦波になるように出
力電流波形を指令する信号である。出力電流位相制御信
号ｇは、コントローラ５からの出力電流位相信号・出力
電流位相進相信号に基づいて出力電流位相を指令する信
号である。出力電流抑制制御信号ｈは、自インバータ４
の出力電流値がインバータ４の定格を超えた場合および
コントローラ５からの出力電流抑制信号を受けた場合に
出力電流値を現在値より下げることを指令する信号であ
る。起動・停止制御信号ｉは、太陽電池１の発生電圧が
設定値以上になった場合にインバータ４の運転開始およ
び商用電力系統２への接続を指令する信号である。すな
わち、この信号ｉは、太陽電池１の発生電圧が設定値以
下になった場合、またはコントローラ５およびインバー
タ異常検出部１３からの停止信号を受けた場合に商用電
力系統２からの開列およびインバータ１の運転停止を指
令する信号である。最大電力点追随制御信号ｊは、出力
電流値を常に太陽電池１の出力電力が最大となる方向に
変化させる信号である。

【００１９】インバータ異常検出部１３は、装置温度異
常、入出力特性異常、制御状態異常、動作状態異常等の
発生を検出する手段によりイバータ４の異常を検出し、
インバータ制御部１０および警報装置１５に信号を送出
する。この信号によりインバータ４は商用電力系統２よ
り開列して運転を停止し、警報装置１５は警報動作を開
始する。異常状態が解消した場合には、信号を停止して
運転を再開させるとともに警報装置１５の動作を停止さ
せる。

【００２０】警報装置１５は、インバータ異常検出部１
３からの信号を受け、異常表示を行うと共に警報を発す
る。インバータ出力電力計測部１４は、自インバータ４
の出力電力を計測し、そのデータをコントローラ５に送
出する手段である。

【００２１】この構成の太陽光発電屋根によると、各屋
根面３２の太陽電池１は、それぞれ対となるインバータ
４に接続されていて、各インバータ４はコントローラ５
の最大電力追随制御により、対の太陽電池１の最大電力
を取り込み、その電力を交流電力に変換する。変換され
た交流電力は、全インバータ４の並列運転により、それ
ぞれのインバータ４の交流出力電力の合計が商用電力系
統２に出力される。すなわち、各太陽電池１の発電電力
がＰ₁〜Ｐ₄であり、インバータ４の効率がηであると
すると、商用電力系統２への供給電力は、Ｐ₁η＋Ｐ₂η＋Ｐ₃η＋Ｐ₄η＝（Ｐ₁＋Ｐ₂＋Ｐ₃
＋Ｐ₄）η となる。したがって、太陽との対向角度が異なる各屋根
面３２に、太陽電池モジュール直列数が異なる太陽電池
１が設けられていても、各太陽電池１の発電電力が効率
良く交流電力に変換される。

【００２２】しかも、並列運転用の各インバータ４は、
直流電力を交流電力に変換する機能、および自己保護機
能等のように実機として必要な最低限の追加機能に機能
限定した単純な構成にできる。そのため、インバータ４
の高信頼性、小型化につながると共に、システム全体の
低価格化、高信頼化が得られる。また、マスター・スレ
ーブの設定が不要で、省力化でき、誤設定も無くなる。
さらに、並列運転される複数のインバータ４の総合出力
電力が表示装置６に表示されるため、使用者が実際に必
要な出力電力であるシステム全体の総合出力電力の読み
取りが容易である。

【００２３】

【発明の効果】この発明の太陽光発電屋根は、互いに異
なる方向に向いた複数の屋根面を有する屋根において、
これら屋根面のうち、少なくとも２つの屋根面に太陽電
池を設置し、各屋根面毎の太陽電池に各々別のインバー
タを接続し、これら複数のインバータは、互いに共通の
コントローラの制御により並列運転されて商用電力系統
に連系されるものとしたため、方向の異なる複数の屋根
面に太陽電池を設置しながら、発電効率が良く、かつ設
備費用が低価格で済む。各方向の屋根面における太陽電
池の太陽電池モジュール直列数が互いに異なる場合に
も、効率良く電力が得られる。また、４方の屋根面の全
てに太陽電池を設置した場合にも、発電効率が良く、か
つ設備費用が低価格で済み、したがって限られた屋根面
の面積を最大に利用して高い発電電力を得ることができ
る。また、太陽電池モジュールが屋根葺材を兼用するも
のであって、これら各屋根面に設置された太陽電池のう
ち、いずれかの屋根面の太陽電池を単結晶系の太陽電池
とし、他の屋根面の太陽電池をアモルファス系の太陽電
池とした場合にも、発電効率の低下がなく、東西南北の
屋根面に応じて、経済的な太陽電池の種類を選び、また
限られた屋根面を最大に利用し、設備費用，屋根面広さ
に対して最大の発電電力を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかる太陽光
発電屋根の外観斜視図、（Ｂ）はその電気系統の概念構
成を示すブロック図である。

【図２】そのコントローラのブロック図である。

【図３】そのインバータのブロック図である。

【図４】その各太陽電池の発電電圧と発電電力の関係を
示すグラフである。

【図５】従来例の斜視図である。

【図６】同従来例の電気系統の概念構成を示すブロック
図である。

【図７】第１の提案例にかかる太陽光発電屋根の電気系
統の概念構成を示すブロック図である。

【図８】第２の提案例にかかる太陽光発電屋根の電気系
統の概念構成を示すブロック図である。

【図９】（Ａ）は第１の提案例における各太陽電池の発
電電圧と発電電力の関係を示すグラフ、（Ｂ）は第１の
提案例における各太陽電池の発電電圧と発電電力の関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１…太陽電池１ａ…太陽電池モジュール２…商用電力系統３…負荷４…インバータ５…コントローラ３０…建物３１…屋根３２，３２_A〜３２_D…屋根面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2E108 AA02 GG16 KK01 LL01 MM06 NN07 5F051 AA02 AA05 BA03 KA03 5G066 HA11 HA13 HA15 HA19 HB03 HB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なる方向に向いた複数の屋根面
を有する屋根において、これら屋根面のうち、少なくと
も２つの屋根面に太陽電池を設置し、各屋根面毎の太陽
電池に各々別のインバータを接続し、これら複数のイン
バータは、互いに共通のコントローラの制御により並列
運転されて商用電力系統に連系されるものとした太陽光
発電屋根。
【請求項２】各屋根面に設置された太陽電池のうち、
いずれかの屋根面の太陽電池は、他の屋根面の太陽電池
とは、太陽電池モジュール直列数が互いに異なる請求項
１記載の太陽光発電屋根。
【請求項３】４方に向く屋根面を有する屋根であっ
て、４つの屋根面の全てに太陽電池を設置した請求項１
または請求項２記載の太陽光発電屋根。
【請求項４】各屋根面に設置された太陽電池の太陽電
池モジュールが屋根葺材を兼用するものであり、これら
各屋根面に設置された太陽電池のうち、いずれかの屋根
面の太陽電池を単結晶系の太陽電池とし、他の屋根面の
太陽電池をアモルファス系の太陽電池とした請求項１な
いし請求項３のいずれかに記載の太陽光発電屋根。