前回の私の太陽光発電所のサーモビュアー評価で、温度分布の見られるところの検査をもっとやらなければならなかったと反省したことについてです。

実は私の発電所の出力については前から少し気になることがありました。

下の図は私の発電所の一日出力を示したグラフの一つです。

私の発電所は低圧連系の分譲で、私の発電所以外に分譲した会社が運営している分もあります。全体のうち１基は40kW、他は私の発電所を含め60kWが５基です。上のグラフでは赤い線が40kWの出力、他は60kWの出力で、60kWのグラフのうち黒い線が私の発電所の出力です。グラフからお分かりのように私の発電所の出力は他の発電所の出力（青い線に重なっている）に比べ少し低くなっています。

実際に、私の発電所出力は他のものに比べて1-2%出力が低いようです。

定常的にこのような状況ですが、私のパネルに影が入るようなことはありません。

1-2%と言っても年間で数万円になってしまいます。

また、全体で２百数十枚のパネルがあるので、1-2%と言っても数枚のパネル不良があるかもしれません。

これが気になっていました。

前回のチェックでは「ソコデス」や「ソラメンテ」の使い方を評価することに気をとられ、肝心の発電所の評価についてはおろそかになってしまいました。

「ソコデス」や「ソラメンテ」「サーモビュアー」で検出困難な現象であっても、重大なトラブルを見落としていたかもしれません（パネル数枚がダメになっているかもしれない）。

このようなことから、近いうちに再度検査を行おうと思っています。

検査は天候に左右され、これからは日が短くなり、また寒くなりますが何とかタイミングを見つけて行おうと思っています。

その時には結果をお知らせしますので、よろしくお願いします。

サーモビュアーによる評価例を紹介します。

とは言え、私もこのような評価を初めたばかりなので、あまりサンプルはありませんが、現在の手持ちで少しネタになりそうなものを二つ。

一つ目は下の写真です。

写真で色の白いところは温度の高いところです。これは裏面に端子ボックスのあるところの温度が少し高くなっていた例です。温度上昇は2-3℃だったので、端子ボックスが加熱したのではなく、端子ボックスがあるところはパネルの熱が逃げにくいため、周りよりも少し温度が高くなっただけだと思います。このパネル以外にも、ほとんど全てのパネルで端子ボックス部分の温度上昇は見られました。どこのサイトでもこのような例は見られるでしょうが、問題ないと思います。

二つ目は次の写真です。

赤外画像と可視光の画像とはどうしてもズレが起こりやすく、この写真も少し像がずれてしまっていますが、画像で白っぽいセルセルがオレンジ色のセル混じっているのがわかると思います。下の特に白いものは４℃ほど、それ以外のものも２℃ほど他のものより高いようでした。

実はこの評価は私が初めてサーモビュアーを使った時のもので、私の発電所で撮ったものです。それほど大した温度上昇ではなかったのでその時は大した問題ではないとその時は思いましたが、今から思うと特に白くなっているところはほとんど発電していない可能性もあると思われます。ここはもう一度行ってIVカーブをとって調べてみる必要があるかと思っています（反省）。

また、温度上昇がそれほど高くなくても、上の写真のようにパネルの中にいくつも温度の高いセルが混じっているのもあまり頂けない話です。本来ならパネル製造では性能の揃った（電流の揃った）セルを選んでいるはずで、性能が揃っていればこのような温度分布は起こらないはずです。下の写真は他の発電所のサーモビュアー画像ですが、上の場合のような色の分布は見られません。

色の分布がみられるのは、それだけ製造段階のチェックが甘いということで品質管理のレベルが疑われます。ただこれはコストとの兼ね合いで、多少品質が落ちても価格が安くなれば良いという考え方も成り立ちます。とりあえず、2-3℃の温度分布ぐらいなら直ちには問題にならないでしょうが、長期の信頼性にどのような影響があるかはこれから見ていく必要があると思われます。

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太陽光発電の動作チェックについて、いろいろ書いてきました。とりあえずはこれで一段落ついたかと思います。IVカーブやバイパスダイオードについてはまだ書きたいことがありますが、少し時間をもらい、十分準備してから書きたいと思います。

結構、説明の文や図を用意するのは大変なので、かなり先の話になるかもしれません。それまでは、この30年間を振り返って気が付いたことなどを道楽ブログとして書いて間を持たせようかな、などと考えています。

引き続きよろしくお願いします。

下図の実線のようなIVカーブになることまで話しました。

また、 電流の少ないセルが発生する電圧がマイナスということも説明しました。

このセルで発生する電力を考えます。

電力は電圧と電流の積ですから、電力もマイナスになります。 つまり電力を発生しているのではなく、逆に消費していることになります。
消費する電力は他のセルから供給されます。 せっかく他のセルで発電した電力をこのセルが消費することになります。

消費した電力は熱になります。この場合は他からの電力も加わっているので、単に発電した電力を自己消費する場合（前回説明の場合）より多く熱を発生することになります。

それでもこの例のようにセルが4つぐらいならまだそれほど問題になりません。

しかし、普通のモジュールはセルが60個も直列接続されています。ストリングではモジュールが何枚も直列接続されているので、全体で何百枚ものセルが直列接続されています。その中でもし一つでも電流の少ないセルがあれば、他の何百枚ものセルから電力が流れ込んできて異常加熱を起こし、最悪、発火に至るケースもあります。

このようなトラブルを避けるため、モジュールを作る際にはできるだけセルの特性をそろえて、異常加熱が起こらないようにしています。

しかし、いくらセルの特性をそろえても、例えば枯葉などが太陽電池の上に落ち、一つのセルの電流だけが少なくなり異常加熱を起こしてしまうことも起こりえます。

影にならなくても、マイクロクラックなどによって電流が減少することも考えられます。

このような場合にも異常加熱が起こらないようにするためにバイパスダイオードが考えられました。

次回からはバイパスダイオードの話を進めます。

この話は少し複雑になるかもしれません。面倒な人は読み飛ばして頂いてかまいません。

前の時と同じように、後で結論をまとめようと思っています。

要は、結論を知っていれば十分なので・・・

さて、

普通の太陽電池は、セルと呼ばれる15cm角ほどの薄い板が最小単位で、これをつなぎ合わせていきます。ほとんどの場合、直列につなぎ合わせています。

よく使われる200数十Wの太陽電池モジュールは、セルを直列に60枚つなぎ合わせています。

セル1枚当たりの電圧は約0.5V、電流は8Aほどなので、1枚の太陽電池出力は約4W (電圧と電流を掛けます)、60枚で200数十Wとなるわけです。

直列なので電圧は60倍の約30Vとなり、電流は8Aほどのままです。

さて、これをIVカーブで見てみたいと思います。

例えばセルを4つ直列にする場合、直列なのですべてのセルを流れる電流は同じです。

従って下の上側の図のように、各セルのIVカーブを同じ電流値 i での電圧値 V₁ ,V₂ ,V₃ ,V₄  を足したものが、直列接続した下側の図のIVカーブで電流 i の時の電圧値 V₁ +V₂+,V₃+V₄ になります。

要するに4つ直列でのIVカーブは各セルのIVカーブを横に加えたものです。

さて、上記のように各セルの特性がそろっていると、違和感なく直列接続のIV特性が理解できると思います。しかし特性が揃っていないと少し話が複雑になります。下の例で考えます。

下図のように一番左のセルの特性が悪く、電流が他のものに比べて少ないとします。

電流は縦軸なので、電流が少ないということはIVカーブの縦方向が縮んでいるということになります。（この図では説明しやすくするために大げさにIVカーブを歪ませていますが、このように歪んだセルは製造不良時に見られます。）

直列なのでやはり同じ電流値の電圧を足すことで、全体のIVカーブが得られます。しかし図を見て分かるように、この場合はV₁が電圧のマイナスの領域に来ています。

従って、この場合の電圧はV₂+V₃+V₄ からV₁ 減じたものになります。

図の実線が直列接続した時のIVカーブになります。全体の電流も電流の少ないセルのために少なくなります。

済みません。

もう少し話を進めたいのですが、原稿サイズを超えそうなのでいったん中断します。

この前、太陽光発電の動作チェックをした際にサーモビュアーという測定器を使いましたが、そこで得られるデータをより理解するために、まず太陽電池の動作説明のようなものから始めたいと思います。

目標はサーモビュアーで見られるセルのホットスポットと言われる現象を理解することです。

このためには太陽電池のセル、モジュール、ストリングの動作や関係を理解する必要があります。

できるだけ面倒な話は避けるつもりですが、難解であればご容赦ください。

まずセルの話からです。

よく教科書に載っている話ですが、太陽電池は半導体でできていて、そのpn接合が発電現象を持つことを利用しています。P層はプラスの性質を持つ層、n層はマイナスの性質を持つ層で、発電した電気はp層から流れだし、n層に帰っていきます。今の太陽電池は、p層が基板となって表面にn層がくるものが多いので、その構造で発電している様子を表すと下図のようになります。

さて、上の図は発電している状態ですが、下のように開放状態の時は電流が全く流れないのでエネルギーは消費されません。

また、下図のように短絡状態であっても、電流は流れても電圧はゼロなのでエネルギーは消費されません。

ここで上の3つの状態を比べた場合、発電状態の太陽電池は開放状態や短絡状態の太陽電池よりも温度が低くなります。

発電した電力を外部に供給している太陽電池は、外にエネルギーを出している分、温度が低くなります。

開放状態のものも、短絡状態のものも光を受けて発電はしますが、その電力を外で使うところがないので、結局、エネルギーは太陽電池の中で熱エネルギーに代わるので、温度は高くなってしまいます。

要するに、開放状態や短絡状態のものは、太陽の光を受けた分だけ太陽電池の温度が上昇するのに対し、発電して電気を外に供給しているものはその分だけ温度が低くなるわけです。

状況にもよりますが、太陽電池が太陽光を受けていると、温度は周辺より20-30度上がります。一方、太陽電池の効率は１０数％ですから、発電分のエネルギーを外に出している場合、３－４度ぐらい温度は下がります。この程度の温度差が生じても、熱的には大したことはありません。

しかし、これは太陽電池セルが一つだけで動作している時の話です。セルがいくつも組み合わさって、モジュールやストリングになると厄介なことになってきます。

次回からはその説明に入っていきます。

読み飛ばしてもらっても良いのですが、できれば太陽電池の「直列抵抗」とはどんなものかを多少とも判ってもらえれば、後の話もより面白くなるのではないかと思います。

さて、

事の発端は“今回の測定の中で「ソラメンテ」だけが異様に高い抵抗値を示す”ということでした。ソラメンテでは20Ωほどを示し、ソコデスとIVカーブトレーサーでは数Ωに留まっていました。

この抵抗は「直列抵抗」と言われるもので、これを太陽電池の特性から説明したいと思います。太陽電池の特性はIVカーブ（電流・電圧特性曲線）でほぼ説明できます。

一般的に、太陽電池の出力電流は日射強度でほぼ決まり、電圧は太陽電池の材料・構造でほぼ決まると言ってよいでしょう。

太陽電池を短絡すると、その時の日射強度から得られる最大の電流が出てきます。これが短絡電流（Isc）と言われます。そこから電圧を上げていくと電流は少しずつ下がり、あるところから急に減って行って最後に電流ゼロになります。この電圧が開放電圧（Voc）と言われます。

この様子を示したものがIVカーブで、下図のような形になります。横軸が電圧で縦軸が電流です。

太陽電池はこの曲線上のどこかの点（動作点）の電圧、電流で動作し、出力される電力は電圧、電流の積になっています。動作点により出力電力は大きく変わりますが、上の図で、黒丸で示しているところで、出力電力は最大となります（最大電力点）。通常、系統連系のシステムでは動作点が常にこの最大電力点になるように制御されています。（この辺りの話は余談、本論に関係ありませんでした、すみません。）

で、

太陽電池は半導体の複雑な特性を活かして発電し、その結果、上図のような電圧電流特性を示すわけですが、その複雑な特性まで理解する必要はありません。

ただ、上の図のVocの点では半導体の複雑な特性がほぼキャンセルされるとお考えください。そうすると、この点では半導体特性の影響が消え、その系固有の抵抗による影響が支配的となります。測定対象が太陽電池だけなら太陽電池の純粋な抵抗成分、ストリングやアレイなどになれば太陽電池の抵抗成分に配線抵抗を加えたものになります。

このVoc点での抵抗が太陽電池の「直列抵抗」となります。

従って、Vocの点で抵抗を測れば、それが「直列抵抗」です。

Voc点の抵抗は次のように計算されます。

中学や高校で習ったオームの法則では、抵抗は電圧を電流で割れば求められました。電圧は抵抗の中を電流が流れて発生しているからです。しかし、Voc点での抵抗を測る時は電流を流す前からVocという電圧が発生しているので、この分は差し引かなければなりません。結局、抵抗値はIVカーブでVoc点とVocから少し離れた点で、変化した電圧分を変化した電流分で割って求めることになります。（すみません、少しややこしくなってしまいました）。

図で説明すると次のようになります。

まず図のVoc点でIVカーブの接線を引きます。その接線のどこかの点とVoc点との間で、横方向の電圧の変化分（ΔV）を縦方向の電流の変化分（ΔI）を求めます。そしてΔVをΔIで割れば直列抵抗です。

直列抵抗は電力ロスの原因となるので、できるだけ小さいことが望まれます。お気付きかもしれませんが、Vocでの接線ができるだけ立っている方が抵抗は少ないことになります。逆に、接線が寝ている（つまりIVカーブが寝ている）と抵抗が高く電力ロスが大きいことになります。

IVカーブのVoc辺りが寝ていると（抵抗が大きいと）、太陽電池の特性が悪いか、配線のどこかが悪いことになります。抵抗がかなり大きいのは、断線などが生じている時でしょう。

今回の測定対象のIVカーブについてもう少し説明したいことがあるのですが、ずいぶん長くなってしまったので、とりあえずここで置いて残りは次回に回します。

次回もお読みいただければ幸いです。

測定対象のストリングは240Wのパネルが7直（計1.68kW）でVoc約240V、Isc約8A。一つのパワコンには4つのストリングが並列に入力されて計6.72kW（これは復習）。

この発電所の動作は、これまで遠隔監視で得られる出力値で見る限り特に問題はなかったので、おそらく異常はないと思われます。従って、今回の測定は発電所を検査することより、各測定器の使い勝手などの比較をすることに重点を置いています。

で、パワコンの入力ブレーカーを切り、プローブをあてると239V、22Ω。　

ん？？かなり抵抗が高いな。

このパワコンに並列に繋がっている他の3つのストリングも測定してみましたが、他も同じような値。

22Ωがなぜ高いかというと、―――

このストリングでは電流が最大8Aぐらいまで流れます。

22Ωも抵抗があると160-170Vも電圧降下が起こるということ。

これはあり得ません。ブレーカーを切るまで順調に発電していました。

プローブの接触不良かもしれないので、何度も図りなおしましたが同じような値です。プローブの接触不良とも思えません。

原因究明はさて置いて、とりあえず「ソコデス」を使い同じように測定してみることに。

そうすると4つのストリングのうち3つは抵抗が10Ω以下で、一つだけ10.9Ω（「ソコデス」の場合、10Ω以下は「10Ω以下」と表示されるだけ）と測定されました。

こちらの方が現実的な値と見られますが、それでも10.9Ωはやや高い。

このアレイに異常があるとは思えませんでしたが、「異常があるかもしれない」と仮定して、「サーモビュアー」と「IVカーブトレーサー」による測定の出動です。

まず「IVカーブトレーサー」。

「ソラメンテ」や「ソコデス」と同じようにパワコンの入力端子から測定。

この測定には約30秒もかかる。もっと高級なIVカーブトレーサーなら1-2秒で測定できるのですが、何分このトレーサーは安かったので時間がかかります。30秒の間に日射が変化すると正確な測定ができません。それがこの安いIVカーブトレーサーの欠点です。

IVカーブトレーサーで測定すると、ほぼ正常なIVカーブが得られるものの、曲線に微妙な歪みが見られます。（すみません、データーセーブを忘れていたので、特性曲線見せることができません。また別の機会に特性曲線の歪みの例をお見せしようと思います。）

この歪が測定中の日射の変化によるものか太陽電池のせいなのかはわかりません。

太陽電池のせいだとすると、マイクロクラックなどの影響で歪んでいる可能性があります。

現実にはそれほど問題にならないような「歪み」ですが、更に「サーモビュアー」を使って異常モジュールがないかチェックすることにしました。

「サーモビュアー」の像でも太陽電池の色はほぼ均一で、一部のセルにやや温度の高い（3-4°C）ものがあるぐらいでした（すみません、この像もセーブし忘れたのでお見せすることができなくなりました）。

太陽電池モジュールの中に電流値の低いセルがあると、どうしてもそのセルの温度は高くなります（このメカニズムについては別途説明したいと思います）。このためできるだけセルの特性をそろえてモジュールを作りますが、どうしても多少のバラツキは残るので、多少の温度分布が生じるのは止むを得ないと思います。逆にサーモビュアーで見て温度分布が均一であれば、なかなかよく品質管理して生産しているモジュールだと言えるでしょう。

まぁ、多少の温度分布や抵抗の大きなストリングはありましたが、このストリングは異常なしということにしました。

しかし、この測定で「ソラメンテ」の値は不可解だったので使うのを止め、残りの8つのアレイは「ソコデス」を用いて順次測定し、発電所の検査は終了しました。

発電所は異常なしです。

かかった1時間ほどで、意外に簡単に終わりました。

さて、今回の測定の内容を理解するうえでは、太陽電池の「抵抗」（もう少し専門的にいうと「直列抵抗」）の意味をより深く理解することが望まれます。これと関連して「IVカーブ」や「発熱」についてもより深く理解した方が良いと思われます。

実は、測定の後、「ソラメンテ」の測定値が高すぎることについてメーカーと議論したので、それを紹介したいのですが、そのためにも「抵抗」や「IVカーブ」の意味をより理解しておいた方が良いと思います。

次回からはまずそのあたりの説明をしようと思います。