Improvement of photovoltaic cell examination with the modulated light irradiation method in generating photovoltaic modules
| Project/Area Number |
21K14147
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Teikyo University |
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Principal Investigator |
小林 靖之 帝京大学, 理工学部, 准教授 (00604513)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 太陽光発電システム / 太陽電池 / 発電中検査 / 並列抵抗成分 / セル電圧揺らぎ / 変調光照射法 / 太陽電池セル / セル並列抵抗成分 / 発電中セル電圧揺らぎ |
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| Outline of Research at the Start |
太陽電池モジュールの既存検査方法の多く(I-V曲線測定,エレクトロルミネッセンス観察など)は、発電中モジュール内の太陽電池セル個々のセル電圧等を直接推定できない。そこで発電中モジュール内のセル動作電圧の非接触推定方法（変調光照射法）が提案されたが、セル並列抵抗成分や自然太陽光下のセル電圧の変動の影響でまだ実用化できていない。
本研究では、変調光照射法による発電中モジュール内のセル並列抵抗成分の推定や自然太陽光下のセル電圧の変動の挙動解明を進め、変調光照射法による各セルの電圧測定と既存検査手法の融合によるモジュールの劣化基準を提案し、非接触で発電中モジュールの高度な検査を実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は①研究代表者の開発した変調光照射法を拡張して発電中太陽電池モジュール内の太陽電池セル個々の並列抵抗成分の非接触推定を実現すること、②自然太陽光下のモジュール内セル動作電圧について、観測地点上空の大気揺らぎに由来する太陽電池セルの電圧揺らぎと気象現象との相関や揺らぎを含む電圧の適正条件を把握すること、③変調光照射法によるモジュール内各セルの状態推定（セル並列抵抗成分や揺らぎを含む動作電圧）と既存手法（EL法やサーモグラフィ検査）を融合したモジュールの劣化基準を提案することである。
本研究では上記①②のため、変調光照射法で周波数10kHz以上の高速変調を実現する変調器付き半導体レーザとデジタルロックインアンプを導入し、発電中モジュールへ周期変化する入射光を照射した際に変化するセル電圧のリアルタイム測定を実現し、太陽電池の国際会議PVSEC-33にて"Real-time, noncontact estimation method for voltage of one cell in generating module"として報告した。
さらに①について発電中太陽電池モジュール内の測定対象セルの部分遮光により測定対象セルの並列抵抗成分を推定する方法を発展整理し、電気学会の英語論文誌にて"Partial Shading Method to Estimate the Shunt Resistance Component of a Photovoltaic Cell in a Module"として公表した。
②について自然太陽光の強度揺らぎの測定システムを作製した結果、J.M. Beckers(2001)の論文との類似傾向を確認した。この自然太陽光が太陽電池モジュール内のセル個々の動作電圧に与える影響の確率モデル化を試みている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①変調光照射法を拡張し発電中太陽電池モジュール内の太陽電池セル個々の並列抵抗成分の非接触推定を実現すること、②自然太陽光下のモジュール内セル動作電圧揺らぎと気象現象との相関を把握することの前提として、測定対象セル電圧のリアルタイム測定が不可欠である。高速変調可能な変調器付き半導体レーザとデジタルロックインアンプを導入して変調レーザ光やロックインアンプ等の測定機器の最適条件の探索が可能となり、さらに高感度な電流クランプセンサも導入したため、残りの時間をかけて最適条件探索やプリアンプ(雑音除去フィルタ・増幅回路)を開発できるかが問題であり、現時点の測定機器の大幅な能力不足による懸念はない。
①モジュール内の太陽電池セル個々の並列抵抗成分の非接触推定の一環として、太陽電池の国際会議PVSEC-33にてポスター発表し、このポスター発表の内容を発展して電気学会の英語論文誌へ投稿中である。さらに、部分遮光による太陽電池モジュール内測定対象セルの並列抵抗成分の推定法も電気学会の英語論文誌にて公表できた。改善すべき点として測定回路中の雑音が悪影響を及ぼしているため、測定回路中の雑音除去と最適条件探索が課題でありこれらの所要時間の見積は難しい。
②の自然太陽光の強度揺らぎについて複数の測定から、自然太陽光の強度揺らぎは概ね正規分布で表せること、自然太陽光の強度とモジュール内セル電圧の間に強い相関はなく、セル同士が離れるほど相関が減少することを確認できた。そこで、この傾向を確率モデルで表すことで、個々のセル電圧の関係を体系的に説明したいと考えている。しかし、現時点では確率モデルの提案に至っていない。
以上を総合的に評価しておおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
①変調光照射法を拡張し発電中太陽電池モジュール内の太陽電池セル個々の並列抵抗成分の非接触推定を実現すること、②自然太陽光下のモジュール内セル動作電圧揺らぎと気象現象との相関を把握することの前提として、測定対象セル電圧のリアルタイム測定を実現するため、導入した高速変調可能な変調器付き半導体レーザとデジタルロックインアンプに対する最適な設定条件と測定回路中の雑音除去フィルタを実現する必要がある。このフィルタのため、ロックインアンプの入力前段に挿入するプリアンプ内のフィルタ・増幅回路を改良していく。以上を実現した上で①モジュール内の太陽電池セル個々の並列抵抗成分の非接触推定へ本格的に取り組む予定である。
②の自然太陽光の強度揺らぎ測定には、PDに代わり太陽電池セル1個を用いた場合の自然太陽光の強度揺らぎ測定装置を開発したが、PDやセル間距離の増加に伴う強度揺らぎの相関減少が見られ、相関の値自体も時間変動するため現状の装置では不十分とわかった。そこで、太陽電池モジュールと同じ配置の複数セル位置における同時刻の自然太陽光の強度揺らぎ測定を測定・記録する装置を開発し研究していく。さらに、個々のセル電圧の関係を体系的に説明できる確率モデルを考案し、測定結果と比較して確率モデルの改良を進めていく。
以上①②を実現した上で、③変調光照射法によるモジュール内各セルの状態推定と既存手法を融合する研究に取り組んでいく。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
