はじめに
2012年7月から始まった「再生可能エネルギー固定価格買取制度、略称：FIT（Feed-In Tariff)法」の施行により、日本でも太陽光発電設備の導入が急速に進みました。火力発電や原子力発電のように発電機を回して電気エネルギーをつくる必要がないことから、CO2を排出せず安全で新しいクリーンなとして歓迎されました。
当初は「メンテナンスフリー」と宣伝されていた太陽光発電でしたが、再生可能エネルギーとして電気を長期安定的に供給し続けることが可能となるように、改正FIT法に基づいて2017年に策定された「事業計画ガイドライン（太陽光発電）」において、その所有者は「保守点検および維持管理を実施すること」と、設備の点検が「義務」であることが示されました1。
また、その方法については、民間団体が定めるガイドライン等を参考にし、これらと同等または同等以上の内容で行なうことも定められました2。
ですが、保守点検の必要性を知らされずに太陽光発電設備の導入を決められた所有者の方の中には、具体的にどのような点検を行えばよいか、悩まれている方も多いのではないでしょうか。
弊社では、シリコン結晶型太陽電池パネルの構造や特性を考慮した専用の点検機器「ソラメンテ」を2012年から開発、製品化しました。これによって、発電力が大きく低下した設置済みのシリコン結晶型太陽電池パネルを、短時間の作業で効率よく特定できるようになりました。本稿では、その点検手法、ソラメンテを用いた「インピーダンス測定試験」について解説します。
シリコン結晶型太陽電池パネルの発電が行われている基本単位は「クラスタ」
図1 国内太陽電池市場の普及割合 出所：太陽光発電協会（JPEA）から筆者が作成 3
まずは、設置済みの太陽電池パネルを点検するために不可欠な用語や知識について解説します。
太陽電池パネルの種類は、大別すると「シリコン（Si）結晶型」とCIS（Cu：銅、In：インジウム、Se：セレン）などの化合物や有機物を原料にしている「薄膜型」に分けられます。本稿では、国内市場の9割を占めているシリコン結晶型（単結晶・多結晶・ヘテロ接合型）太陽電池パネル（以下、結晶型太陽電池パネル）を用いた太陽光発電設備について説明いたします。（図1）
図2 シリコン結晶型太陽電池の基本構造
結晶型太陽電池パネルは、約150[mm]（6インチ）角の「セル」を最小単位として構成されています。
1枚のセルに太陽光が照射されると、電圧が約0.5～0.6[V]、電流が約8[A]の直流電気エネルギーに変換されます。セル1枚あたりの電圧が低くて利用し難いため、結晶型太陽電池パネルは、乾電池を直列につなぐように、「インターコネクタ」と呼ばれる配線ですべてのセルを直列につなぎ、電圧を数十[V]程度に高めています。（図2）
図3 シリコン結晶型太陽電池パネルの構造
ただし、すべてのセルが直列につながれているため、影が落ちてしまったセルは電流が流れなくなってしまい、他のセルの発電にも影響を及ぼしてしまいます。
そこで、結晶型太陽電池パネルには、電流の迂回回路として、20枚程度のセルに対して並列になるように「バイパス回路（バイパスダイオード）」が配置されています。このように、バイパスダイオードで分割された部分的なセル群を「クラスタ」と呼びます4。（図3）
結晶型太陽電池パネルの多くは、3つのクラスタが直列につながれています。
そのため、どれか1枚のセルに影が落ちても発電力が大きく低下しないように、バイパスダイオードが作動し、クラスタ単位で迂回されます。クラスタ内に導通不具合が起こったときにも、バイパスダイオードは同様の働きをします。
つまり、結晶型太陽電池パネルの最小単位はセルなのですが、発電が行なわれている基本単位はクラスタということです。
図4 シリコン結晶型太陽電池パネルを用いた太陽光発電設備の構成
結晶型太陽電池パネルを用いた太陽光発電設備では、複数の太陽電池パネルが直列につながれ、「ストリング」と呼ばれる単位で「接続箱」につながれています。
つまり、ストリングの発電電圧が、その太陽光発電設備の直流発電電圧になるということです。
接続箱には複数のストリングが並列につながれ、それぞれの接続箱内では個別の「断路器」につながれています。
接続箱で束ねられたストリングは、パワーコンディショナ（通称：パワコン）と呼ばれる機器につながれています。
ストリングから出力された直流電力がパワコンの内部で交流電力に変換され、さらに複数のパワコンから出力が集約される集電箱やキュービクルといった施設に集められて、送電系統に逆潮流されています。（図4）
太陽電池パネルの保証条件は出力保証
表1 メーカーによる太陽電池パネルの保証条件（抜粋）
太陽電池パネルには、メーカーによる長期間の保証があります。
メーカーが提示している太陽電池パネルの保証条件は、一般的に出力保証です。つまり、出力保証の条件を下回っている太陽電池パネルは不良品であり、無償で交換の対応を受けられる対象になります。（表1）
発電性能を維持するためは、保証条件を満たしていない太陽電池パネルを特定し、速やかに交換することが重要です。
メーカーと交換の交渉をするためには、太陽電池パネルが保証条件を満たしていないことを、太陽光発電設備の点検結果から立証することが所有者に求められます。しかしながら、太陽光発電設備の発電量は、天候により変動するため、所有者がそれらの要因を識別し、立証することは非常に難しいのが実情です。
発電力が大きく低下する故障「クラスタ故障」
結晶型太陽電池パネルには、クラスタ単位で発電力が大きく低下する「クラスタ故障」と呼ばれる、構造に起因した故障が起こります。
結晶型太陽電池パネルの発電が行なわれている基本回路は、クラスタであることを思い出してください。
結晶型太陽電池パネルの多くは、3つのクラスタが直列につながれていて、1つのクラスタが故障すると発電力が3分の2に低下します。
つまり、クラスタ故障が起こった結晶型太陽電池パネルは、メーカーの多くが提示している出力保証の条件を下回ってしまうのです。
クラスタ故障には、大きく分けて3つの種類があります。
① クラスタ断線
太陽電池パネル内の電路に断線がある故障です。
断線箇所があるクラスタは、当然のことながら発電には寄与しません。断線しているクラスタの分だけ開放電圧が低下することになり、他のクラスタで発電された電流はバイパスダイオードを配したバイパス回路に流れていきます。このときの太陽電池パネルの直列抵抗は、とても高くなります。（図5）
図5 クラスタ断線が起こっているときの電流の流れ
結晶型太陽電池パネルに、このような構造的な故障が起こる要因のひとつとして、セルとインターコネクタの接合部の耐久性の劣化が挙げられます。
太陽電池パネル1枚あたりでは、セルの電極とインターコネクタが「はんだ」で接合されている箇所が数百カ所に及びます。
それらが大きな温度変化を繰り返す屋外環境にさらされて、材料の熱膨張率の違いとはんだ接合部に熱応力が加わることで接合不良を起こし、最悪の場合には断線してしまいます。
② クラスタ高抵抗化
太陽電池パネル内の電路に、数[Ω]程度以上の抵抗が発生する故障です。
セルとインターコネクタの接合部の不具合により、接合面積が小さくなると接触抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなっている場合もあります。
高抵抗となっている部分で電圧降下が起こり、そのクラスタの発電力を打ち消してしまいます。そのため、他のクラスタで発電された電流は、クラスタ断線と同じようにバイパスダイオードを配したバイパス回路に流れていきます。
ただし、高抵抗化したクラスタは電気回路としてはつながっているため、開放電圧を測定しても低下が見られません。そのため、接続箱で太陽電池パネルの開放電圧を測定しているだけでは、健全な太陽電池パネルと見分けがつかない故障です。これは、クラスタ断線に至るまでの過渡的な状態として起こることも多くあります。
③ バイパス回路短絡
図6 バイパス回路短絡が起こっているときの電流の流れ
バイパス回路（バイパスダイオード）が短絡状態になる故障です。
これは、被雷（直撃雷や誘導雷）により起こることが多くあります。バイパスダイオードが短絡状態になると、そのクラスタで発電された電流はバイパス回路を流れるため、該当するクラスタ内が閉回路となり、電流がループすることになります。この状態では、そのクラスタの分だけ開放電圧が低下することになります。（図6）
クラスタ故障の有無で太陽電池パネルの健全性が分かる
太陽光発電設備の点検で太陽電池パネルの健全性を調べる手法としては、「I-Vカーブトレーサー」がよく知られています。
これは、太陽電池パネルが発電している状態の電流と電圧の関係を示す特性（以下、「I-Vカーブ特性」と呼ぶ）を測定し、発電性能を調べる機器です。
I-Vカーブ特性の測定は、太陽電池パネルの発電性能が天候の影響を受けるため、太陽電池パネルのカバーガラス面で測定して700[W/m2]以上の安定した日射条件で実施することが望ましい、とされています5。
しかし、この測定条件を満たすのは快晴状態の日の数時間しかなく、加えて、点検を行なう日が快晴状態の日に当たるとは限らないことを考えると、屋外環境に設置された太陽光発電設備での点検に適しているとは言い切れないところがあります。
また、測定したI-Vカーブ特性を分析し、故障かそうでないかを判別するには、太陽電池パネルに関する専門知識と経験が求められます。そのため、点検の実施者の練度によって判断が異なってしまうことがある、という問題もあります。
そこで、太陽光発電設備の点検で発電性能を調べる前に、故障要因の識別と良否判別を容易にするため、前述したクラスタ故障の有無を調べることをお勧めします。前述した3つのクラスタ故障は、弊社が開発した「ソラメンテ」を使えば効率よく特定ができます。
クラスタ故障の点検手法「インピーダンス測定」
図7 ソラメンテ-Zとソラメンテ-iS
ソラメンテには、「ストリングチェッカー ソラメンテ-Z（以下、ソラメンテ-Z）」と「ソーラーパネルチェッカー ソラメンテ-iS（以下、ソラメンテ-iS）」の２つの機器があります。
ソラメンテ-Zは、ストリングがつながれている接続箱の電極端子にテストリードをあてることで、ストリングの開放電圧（Voc）と直列抵抗（Rs）を測定する機器です。
ソラメンテ-iSは、磁気センサーを内蔵したセンサーヘッドを太陽電池パネルのカバーガラス面に密着させて使います。インターコネクタに電流が流れると発生する磁界を検出し、磁界の強度、すなわち電流の流れを可視化する機器です。
これらの機器を使った点検手法は、JEMA 一般社団法人日本電機工業会・JPEA 一般社団法人太陽光発電協会による「太陽光発電システム保守点検ガイドライン」6や、産業技術総合研究所による「太陽光発電の直流電気安全のための手引きと技術資料」7といった民間団体が定めるガイドラインの中でも紹介されているので、ご参照ください。
ソラメンテ-Zを使った点検
まずは、接続箱で測定するストリングの断路器を切ることで、パワコンとストリングを切り離します。
次に開放状態になったストリングに対して、ソラメンテ-Zで開放電圧と直列抵抗を測定します。
太陽光発電設備内のストリングは、一般的には同じ型式の太陽電池パネルを同じ数だけ直列につないでいます。そのため、日射条件が同じであれば、開放電圧と直列抵抗は、すべてのストリングでほぼ同じ結果が得られるはずです。得られた結果を相対比較することで、クラスタ故障が起こっているストリングを判別します。
クラスタ断線があれば、1クラスタ分の電圧である「約10[V]の電圧低下」と「直列抵抗の上昇」という結果になります。クラスタ高抵抗化であれば、電圧低下は起こりませんが、「直列抵抗の上昇」となります。バイパス回路短絡であれば、直列抵抗の上昇は起こらず、1クラスタ分の電圧である「約10[V]の電圧低下」となります。（表2）
表2 ソラメンテ-Zによる故障判断
図8は、実際の太陽光発電設備で行なった、ソラメンテ-Zでの測定結果をグラフにしたものです。
開放電圧は、全体に渡って500[V]前後ですが、雲によって少しの間だけ日射が遮られたために電圧が下がっている部分があることが分かります。
また、直列抵抗は、ほぼ15[Ω]前後で揃っていますが、4つのストリングだけ異常に高くなっています。よく見ると、直列抵抗が高い4つのストリングでは開放電圧が少しだけ（約10[V]）下がっていることが分かります。このように、開放電圧の変化に直列抵抗の変化を重ねることで、クラスタ故障が起こっていることが一目瞭然になります。
図8 太陽光発電設備で行なったソラメンテ-Zでの測定結果
ストリングの開放電圧を観測するだけであれば、一般的なテスターでも可能です。しかし、開放電圧は日射の影響で大きく変動します。そのため、開放電圧の変化を観測するだけでは、すべてのクラスタ故障を判別することは困難です。
ソラメンテ-iSを使った点検
クラスタ故障が起こっているストリングを判別できたら、ソラメンテ-iSで、該当する太陽電池パネルを特定します。
クラスタ断線またはクラスタ高抵抗化が起こっていると判断した場合は、接続箱の該当するストリングの断路器を入れることでパワコンとストリングをつなぎ、ストリングを発電（連系）状態にします。
クラスタ断線またはクラスタ高抵抗化が起こっているクラスタは電流が流れないので、太陽電池パネルのカバーガラス面からセンサーヘッドをインターコネクタに密着させて、該当するクラスタの場所を探索します。
バイパス回路短絡が起こっていると判断された場合は、接続箱で該当するストリングの断路器を切ることでパワコンとストリングを切り離し、ストリングを開放状態にして、電流が流れない状態にします。
バイパス回路短絡が起こっているクラスタは、先述したとおり閉回路となり日射が当たると発電された電流が流れるので、電流を検出することで、こちらも同様に該当するクラスタの場所を探索できます。（表3）
表3 ソラメンテ-iSによる故障判断
既に設置済みの太陽電池パネルのPVケーブルを脱着するのは、パネルの設置環境あるいは保証契約が絡むことがあり、軽率にできることではありません。
しかし、ソラメンテ-iSを使えば、PVケーブルを脱着しなくても、クラスタ故障が起こっている太陽電池パネルの特定ができます。それに加えて、センサーヘッドで日射の強弱を検出し、センサーの感度を自動的に調整するため、天候に左右されにくいという特長があります。
たった1枚のクラスタ故障が大きな発電力低下につながることもある
たった1枚のクラスタ故障の太陽電池パネルを放置していただけで、大きな発電力の低下につながることもあります。
パワコンは、直流電力を内部で交流電力に変換するだけでなく、異なる日射条件であっても太陽電池パネルの性能を最大限に引き出せるように、動作電圧を常に変化させ、太陽電池パネルから最大出力を取り出す制御を行なっています。この制御を最大電力追従（MPPT制御：Maximum Power Point Tracking）制御といいます。
太陽電池パネルの直列数が揃えられている複数のストリングを、並列にパワコンにつないで一括してMPPT制御を行おうとする場合を考えてみましょう。
すべての太陽電池パネルが健全で正常に発電していれば、各ストリングのI-Vカーブ特性が同じになるため、パワコンが導く最大動作電圧はすべてのストリングで一致し、最大出力を取り出すことができます。
図9 クラスタ断線故障と発電力低下の例
しかし、影が落ちてしまったり、クラスタ故障が起こっていたりする太陽電池パネルがストリングの中にあると『発電力が大きく低下する故障「クラスタ故障」』で述べたように、発電電流がバイバス回路に迂回してパネル1枚の発電量は66%以下に大きく低下してしまいます。
この時、正常なストリングと故障パネルが混ざっているストリングは、図9のようにI-Vカーブ特性が不揃いになります。その状態でパワコンにより同一の電圧にMPPT制御されると、結果、ストリング全体でその故障面積より大きく発電量が落ちてしまうことになります。
14直列、42クラスタというストリングの発電所でアイテスが実験した結果、６クラスタ（パネル２枚分）のクラスタ故障かある場合、そのストリング（パネル14枚分）の発電量は47%と半減し、９クラスタ故障がある場合はそのストリングの発電電流はゼロとなり、全く発電しなくなることを確認しました。
図10 クラスタ故障がある発電設備
この実験結果からは、集中型パワコンに接続されたストリングの発電力の低下は、該当ストリング内のクラスタの故障率（面積）の約４倍になることが分かります。
実際にソラメンテのユーザーの発電所で「ストリング内の全パネルが故障しているわけではないのに、発電電流が全く流れない」との連絡を受けて調査してみると、そのストリングにはクラスタ故障のパネルが複数あり、先の実験と同じ現象が起こっていました。
このように、些細な故障であっても、思っている以上に発電に与える影響は大きくなります。したがって、ストリング、パネルの点検は、発電量の観点でも定期的に実施することをお勧めします。
↓実験の詳細はこちらから読めます↓
おわりに
太陽電池パネルやパワコンといった機器の単価が大幅に下落し、太陽光発電設備のコストは全体的に下落傾向を示しています。
しかしながら、太陽電池パネルは太陽光発電設備のコスト全体の約33パーセントという、最も大きい部分を占めています8 。
一方で、太陽光発電設備の目的である「再生可能エネルギー電気」、すなわち「お金」を生み出すのも、心臓部である太陽電池パネルです。
太陽光発電設備は、長期間に渡って運転されるものです。過酷な屋外環境に設置された太陽電池パネルは、数十年先まで健全に発電性能を維持することが求められています。そのためには太陽電池パネルを定期的に点検し、太陽光発電設備の健全性を維持することが重要です。
参考文献
1) 経済産業省 資源エネルギー庁，事業計画ガイドライン（太陽光発電），p22
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/dl/fit_2017/legal/guideline_sun.pdf (2020年)
2) 経済産業省 資源エネルギー庁，事業計画ガイドライン（太陽光発電），p23
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/dl/fit_2017/legal/guideline_sun.pdf (2020年)
3) JPEA 一般社団法人太陽光発電協会，
太陽電池の出荷統計「日本における太陽電池モジュールの出荷量(kW)」，
http://www.jpea.gr.jp/document/figure/index.html
(2014年，2015年，2016年, 2017年, 2018年)
4) 加藤和彦， 太陽発電システムの不具合事例ファイル， p20（2010年）
5) JEMA 一般社団法人日本電機工業会・JPEA 一般社団法人太陽光発電協会,
太陽光発電システム保守点検ガイドライン 第2版, p83
http://www.jpea.gr.jp/pdf/t191227.pdf （2019年）
6) JEMA 一般社団法人日本電機工業会・JPEA 一般社団法人太陽光発電協会,
太陽光発電システム保守点検ガイドライン 第2版, p116
http://www.jpea.gr.jp/pdf/t191227.pdf （2019年）
7) 国立研究開発法人 産業技術総合研究所,
太陽光発電の直流電気安全のための手引きと技術資料 第2版, p160
https://unit.aist.go.jp/rcpv/ci/service/PV_Electrical_Safety/Technical_Information_on_PV_Electrical_Safety2(AIST2019).pdf （2019年）
8) 公益財団法人 自然エネルギー財団， 日本の太陽光発電の発電コスト 現状と将来推計2019年7月， p6
https://www.renewable-ei.org/pdfdownload/activities/Report_SolarCost_201907.pdf （2019年）
