「直撃雷」でパネル33枚が破損したメガソーラー

バイパスダイオードが大電流でショート

2017/02/16 12:00
金子憲治=日経BPクリーンテック研究所

 落雷の直撃により、33枚もの太陽光パネルが損傷したメガソーラー(大規模太陽光発電所)がある。空に向かってタワー(支柱)やブレード(羽根)の伸びる風力発電設備は、国内に導入以来、落雷被害に苦しんできた。一方、野立てのメガソーラーに直接、雷が落ちることはほとんどない、と思われてきた。だが、必ずしもそうではない。

 雷による電気機器への被害には、「直撃雷」と「誘導雷」がある。「直撃雷」は、その名の通り、建物や機器に、直接、雷が落ちる。「誘導雷」は、近くに雷が落ちた際、電磁界が発生し、その電気的エネルギーが空間を伝搬し、電気機器の定格を大きく超える電圧がかかり、損傷することなどを指す。

 一般的に雷は、背の低い構造物には、落ちにくい。とはいえ、地面にパネルを並べた太陽光発電所のような設備でも、敷地が広く周囲に避雷針などがないと、雷が落ちることもある。実際に直撃雷に打たれ、多数のパネルが損傷したケースを紹介する。

不具合ストリングに焦げた跡

 その太陽光発電所は、特別高圧送電線に連系する数10MWのメガソーラーで、緩やかな丘陵に位置する。落雷の被害に気付いたきっかけは、ストリング監視モニターによるアラーム(警報)だった。ストリング(太陽光パネルの直列回路)の電流が「ゼロ」になったことを知らせるものだった。

 当初、単なるヒューズ切れだと判断し、接続箱を開けてヒューズを交換し、ストリングをオンにし、クランプ電流計で電気が流れていることを確認した。その上で、ストリング監視モニターを確認すると、依然として電流は「ゼロ」のままだった。

 再度、現地で該当のストリングの電流をクランプ電流計で確認すると、「マイナス電流」だったことから、電流が逆流していると考えられた。異変を感じた保守担当者が、周辺を目視点検すると、アレイ最上部に設置した太陽光パネルのフレームに1cmの程度黒い焦げ跡があり、その近くのパネルの接地線(アース線)が外れていた(図1図2

図1●雷の打撃痕とみられる焦げ跡
(出所:アイテス)
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図2●接地線が外れていた
(出所:アイテス)
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雷でバイパスダイオードがショート

 そこで、アイテス(滋賀県野洲市)の開発した太陽光パネル点検装置「ソラメンテ」を使って、パネルの状態を調べた。

 「ソラメンテ」は、「ストリングチェッカー」と「パネルチェッカー」という2つの点検装置を使う。まず、「ストリングチェッカー」で、接続箱からストリングに微弱な検出用信号を流し、開放電圧と抵抗値(インピーダンス)を測定する。これにより、不良パネルのあるストリングを特定。次に「パネルチェッカー」を使って、ストリング内の故障パネルを特定する。具体的には、パネル表面のバスバー(線状の電極)にセンサー部をあてて、電流の磁界を感知し、電流の有無を判断する(図3図4)。

図3●「ストリングチェッカー」による測定の様子
(出所:アイテス)
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図4●「パネルチェッカー」による測定の様子
(出所:アイテス)
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 まず、ストリングチェッカーで、このメガソーラーの該当ストリングを測定すると、開放電圧は300V程度に低下しているが、抵抗値は正常(低いまま)だった。同サイトのストリング構成はパネル22枚を直列接続し、開放電圧700~800Vとなるため、この電圧差により電流が逆流していると考えられた。

 抵抗値に異常がない(大きくない)ことから断線ではないことが分かった。一方で、開放電圧が大幅に下っていることから、一部のパネルのバイパスダイオードが通電し、複数セル(発電素子)で構成するクラスタごと不通になっていることが推察できた。

 この検査結果と目視で発見した「焦げ跡」から、直撃雷によって、一時的に大電流が流れてバイパスダイオードがショート(短絡)し、一部のクラスタに電流が流れない状態になっていると推測できた。

 パネルチェッカーで該当ストリングにつながる22枚のパネルを検査したところ、セル20枚のクラスタごと通電していないパネルが見つかった。こうした故障パネルは14枚にも及んだ。いずれも、バイパスダイオードのショートが原因と考えられた。

5ストリングでパネル33枚故障

 念のため、同一の接続箱につながっている他のストリングも、ストリングチェッカーで測定した。すると、ストリング監視モニターでは警報が出ていないものの、電圧低下しているストリングが4つあり、パネルチェッカーで測定したところ故障パネルが見つかった。

 最終的に5つのストリングに合計33枚の故障パネルを特定できた(図5)。故障したパネルの場所は、雷による打撃痕のあったパネルから離れているものもある。どういった経路やメカニズムで分散したパネルに大電流が流れたのかなど、まだ解明し切れていない。

図5●直撃雷と故障パネルの配置(赤・雷跡、緑・故障パネル、赤丸・接地線外れ)
(出所:アイテス)
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 今回の直撃雷の被害では、ストリング単位のモニタリングと、ストリング単位で開放電圧と抵抗値を測定できる検査機器、パネル内での電流の不通箇所を特定できる検査装置を導入したことで、早期に故障パネルを特定し交換できた。

 また、ストリング監視モニターでは気付かないストリングにも、故障パネルが発生していることも明らかになった。メガソーラーのO&M(運営・保守)にとって、監視装置に加え、測定機器の重要性がますます高まっている。