JP2001218365A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 太陽電池と電気二重層コンデンサとによって
直流電源装置を構成した場合、効率の良い充電を行うこ
とができる直流電源装置を提供することを目的とするも
のである。 【解決手段】 Ｌ個の太陽電池ユニットと、電気二重層
コンデンサを用いたＭ個の蓄電ユニットと、所定の閾値
を境に、上記Ｌ個の発電ユニットが並列、直列の少なく
とも一方で接続される第１の接続状態から、上記Ｌ個の
発電ユニットが並列、直列の少なくとも一方で接続さ
れ、上記第１の接続状態とは異なる第２の接続状態に変
化させる制御手段とを有する直流電源装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池を主な発
電素子として用いる直流電源装置およびその構成法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】経済社会の発展とともにエネルギー問題
は、重要性を増し、特に、近年は、地球環境保全の立場
とのバランスが重視されている。化石燃料の枯渇の危
倶、エネルギー発生に伴い処理または量的削減を要する
廃棄物・排出物の問題等への懸念から、クリーンエネル
ギーへの関心が高まっている。

【０００３】中でも、太陽電池は、エネルギー発生の源
となる太陽光エネルギーが将来にわたって無尽蔵に存在
すると考え得る点や、エネルギー発生に伴う排出物等の
副産物が無い点から、有望なクリーンエネルギー源とし
て注目されている。

【０００４】しかし、太陽光発電は、現状においては様
々な欠点を持っている。発生エネルギー当たりのシステ
ム価格が、他の一般的な発電手段に比べて高価であるこ
とが、システムの普及を遅らせている大きな原因である
が、この原因については、太陽電池素子本体と周辺技術
との発展によって今後克服されていく可能性を持ってい
る。

【０００５】他の欠点の中で本質的なものとしては、発
電電力の天候依存性・場所依存性（緯度・日当たり等）
が大きく、夜は発電しないというように、時間変動が大
きく一定しない特性を持つことが挙げられる。

【０００６】この時間変動が大きいことは、特に、商用
交流電力と連係しない自立型システム用電源として使用
する場合、システムの継続性・信頼性の面で問題とな
る。この特性を緩和・補償するために、通常、何らかの
蓄電手段が取られ、負荷へのエネルギー供給の平滑化が
図られている。蓄電手段の代表的なものとしては、種々
の二次電池が知られているが、一般に、二次電池は寿命
が短く、長期の使用の際にはメンテナンスコスト等の面
で不利である。

【０００７】また、二次電池の蓄電能力を十全に発揮す
るためには、充放電方法の詳細な制御（特に充電時の電
流電圧の緻密なコントロール等）が必要であり、この面
でもシステムのコストアップに繋がるという欠点があ
る。

【０００８】一方、他の蓄電手段として、電気二重層コ
ンデンサ（ＥＤＬＣ）が知られている。ＥＤＬＣは、二
次電池に比べて、充放電繰り返し寿命が長く、大電流取
り出し等の苛酷な使用にも耐える高信頼性の手段であ
り、充放電にあたっても、基本的には、最大許容充電電
圧を監視するのみで済むので、二次電池のような詳細な
充放電制御が不要であるという特徴がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図６は、従来の直流電
源回路ＤＰＳ１を示す回路と、その特性とを示す図とで
ある。

【００１０】直流電源回路ＤＰＳ１は、図６（１）に示
すように、太陽電池ユニット１０と、蓄電用ＥＤＬＣ２
０とによって構成されている。

【００１１】図６（１）では、電流の逆流防止と過電圧
防止とのためのダイオード等は、説明を簡単にするため
に省略してあり、これによる電圧ドロップ等も省略して
ある。他の図でも、上記と同様に、ダイオード等を省略
して示してある。

【００１２】図６（２）は、直流電源回路ＤＰＳ１にお
いて、ＥＤＬＣ２０への充電特性を示す図である。

【００１３】その横軸Ｖは、太陽電池ユニット１０、Ｅ
ＤＬＣ２０それぞれの両端電圧であり、その縦軸Ｉは、
太陽電池ユニット１０によって生じた電流であり、直流
電源回路ＤＰＳ１における抵抗値等によって、図６
（２）に示すように、電圧電流特性３０を示す。

【００１４】ここで、Ｖ_ocは開放電圧、Ｉ_scは短絡電流
であり、この太陽電池ユニット１０は、動作電圧、電流
がそれぞれＶ_max、Ｉ_maxであるときに、最大出力を示
す。後述の説明時に使用する曲線因子Ｆは、Ｆ＝Ｖ_max
・Ｉ_max／Ｖ_oc・Ｉ_scで定義される。

【００１５】ＥＤＬＣ２０の蓄電量は、使用に伴い、満
充電から空に近く変化する。たとえば、ＥＤＬＣ２０の
蓄電量が空に近い場合、ＥＤＬＣ２０の両端の電圧は低
く、図６（２）に示すように、動作電圧Ｖ１、動作電流
Ｉ１で示される。この場合における発電・蓄電電力は、
図６（２）の斜線部３１の面積（すなわちＶ１×Ｉ１）
で示される。

【００１６】一方、この太陽電池ユニット１０が最大出
力を示すのは、図６（２）におけるＶ_maxで示される動
作電圧、Ｉ_maxで示される動作電流のときである。

【００１７】ところで、太陽電池の電圧電流特性の特徴
から、電流（Ｉ_maxとＩ１）は大きな違いはないもの
の、電圧の値（Ｖ_maxとＶ１）は大きくかけ離れ、ＥＤ
ＬＣ蓄電量が小さいときに、斜線部（発電・蓄電電力）
３１は、太陽電池の最大出力Ｖ _max×Ｉ_maxに比べて、著
しく小さく、したがって入射する太陽光のエネルギー利
用効率は、低い状態に留まっている。

【００１８】図６（３）は、この系の電圧電力特性を示
す図である。

【００１９】ＥＤＬＣ２０が、空に近い状態から充電さ
れていくに従って（すなわち、充電電圧Ｖ１が低い値か
ら、次第に高くなるに従って）、特性曲線４０の太線部
分で示される範囲で、充電電力が変化し、概ね右肩上が
りの状態になる。このときの電圧の値は、たとえばゾー
ン０の範囲で変化する。

【００２０】ゾーン０の中でも特に、図６（３）のゾー
ン１（たとえば図６（２）に示すＶ１等）では、太陽電
池ユニット１０が出力する電流はほとんど変わらない
が、ＥＤＬＣ２０の蓄電量が少ないので、充電電圧が低
く、電力Ｐとしては小さい値である。

【００２１】上記のような特徴を持つ太陽電池を発電手
段とし、ＥＤＬＣを蓄電手段とするシステムにおいて、
従来は、それぞれの手段の特性に適合した構成が取られ
ていない。

【００２２】したがって、システム全体としてのエネル
ギー利用効率が低い。この場合の利用効率とは、入って
来る太陽光エネルギーに対する蓄積エネルギーまたは実
際に利用されたエネルギーの割合で定義される。

【００２３】具体的には、発電手段としての太陽電池
は、晴天でない場合または充分な光量が得られない室内
使用の場合等では、充分な起電力・電流が得られず、ま
た、ＥＤＬＣへの充電時には、すでに蓄積された電荷に
対応して、ＥＤＬＣの電圧が大きく異なった値を取るの
で、ある条件（日時・天候・ＥＤＬＣ蓄電状況等）にお
いて、太陽電池が最大出力を生じる際の電圧と、ＥＤＬ
Ｃ電圧との不一致が大きい場合が多く、太陽電池とＥＤ
ＬＣとが直結されている直結型である場合、必ずしも効
率の良い充電になってはいないという問題がある。

【００２４】また、利用効率を向上させるために、発電
手段から蓄積手段ヘエネルギーを移す際に、コンバータ
等を用いて電圧・電流を制御することが従来行われてい
るが、特に、小電力自立システムでは、これら制御系に
要するエネルギーと、蓄電された有効エネルギーとの割
合が無視できない値になり、系全体として有効な制御法
になっていないという問題がある。

【００２５】本発明は、太陽電池と電気二重層コンデン
サとによって直流電源装置を構成した場合、効率の良い
充電を行うことができる直流電源装置を提供することを
目的とするものである。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｌ個の太陽電
池ユニットと、電気二重層コンデンサを用いたＭ個の蓄
電ユニットと、所定の閾値を境に、上記Ｌ個の発電ユニ
ットが並列、直列の少なくとも一方で接続される第１の
接続状態から、上記Ｌ個の発電ユニットが並列、直列の
少なくとも一方で接続され、上記第１の接続状態とは異
なる第２の接続状態に変化させる制御手段とを有する直
流電源装置である。

【００２７】

【発明の実施の形態および実施例】（第１実施例）図１
は、本発明の第１の実施例である直流電源装置ＤＰＳ１
０を示す回路図と、その特性図である。

【００２８】図１（１）は、直流電源装置ＤＰＳ１０を
示す回路図である。

【００２９】直流電源装置ＤＰＳ１０は、２つの太陽電
池ユニット１１、１１と、蓄電用ＥＤＬＣ２０と、スイ
ッチＳ１１、Ｓ１２、Ｓ２と、図示しない制御部とを有
する。

【００３０】上記実施例では、スイッチＳ１１、Ｓ１
２、Ｓ２として、安価で低消費エネルギーの自己保持型
リレーを用いている。上記制御部は、スイッチＳ１１、
Ｓ１２、Ｓ２の開閉を制御するものであり、安価で低消
費電力のプロセッサを用いている。

【００３１】図１（２）は、直流電源装置ＤＰＳ１０に
おける電圧電流特性を示す図である。

【００３２】ＥＤＬＣ２０の蓄電状況（両端電圧）に応
じて、太陽電池ユニット１１、１１の接続を、直列、並
列に切り替えることによって、図１（２）の太線３２に
沿った電流電圧になる。

【００３３】図１（２）には、太陽電池ユニット１１の
単体の電圧電流特性３３も同時に示してある。

【００３４】図２は、直流電源装置ＤＰＳ１０におい
て、スイッチ切り替えすることによって、太陽電池ユニ
ット１１、１１を並列に接続した場合と直列に接続した
場合とにおける等価回路と、電圧電流特性とを示す図で
ある。

【００３５】図２（１）は、直流電源装置ＤＰＳ１０を
構成する２つの太陽電池ユニット１１、１１が並列接続
されている状態を示す回路図であり、図２（２）は、直
流電源装置ＤＰＳ１０を構成する２つの太陽電池ユニッ
ト１１、１１が並列接続されている状態における電圧電
流特性を示す図である。

【００３６】図２（３）は、直流電源装置ＤＰＳ１０を
構成する２つの太陽電池ユニット１１、１１が直列接続
されている状態を示す回路図であり、図２（４）は、直
流電源装置ＤＰＳ１０を構成する２つの太陽電池ユニッ
ト１１、１１が直列接続されている状態における電圧電
流特性を示す図である。

【００３７】図１（３）は、直流電源装置ＤＰＳ１にお
ける電圧電力特性４１を示す図である。

【００３８】図１（３）に示す電圧電力特性４１は、図
２（２）に示す特性と、図２（４）に示す特性とを重ね
合わせ、効率のよい方の特性を選択した特性である。

【００３９】つまり、図１（３）に示す電圧電力特性４
１は、ＥＤＬＣ２０の両端電圧が、所定の閾値Ｖｔｈ以
下である場合には、太陽電池ユニット１１、１１を並列
に接続するように、スイッチＳ１１、Ｓ１２を閉じ、ス
イッチＳ２を開き、図２（２）に示す電圧電流特性（２
並列時の特性）になり、一方、ＥＤＬＣ２０の両端電圧
が、所定の閾値Ｖｔｈよりも高い場合には、太陽電池ユ
ニット１１、１１を直列に接続するように、スイッチＳ
１１、Ｓ１２を開き、スイッチＳ２を閉じ、図２（４）
に示す電圧電流特性（２直列時の特性）になる。

【００４０】ところで、図６（３）に示す従来の直流電
源装置ＤＰＳ１における電圧電流特性が右肩上がりであ
るのに対して、図１（３）に示す直流電源装置ＤＰＳ１
における電圧電力特性４１は、２つのピークを持ち相対
的に平坦に近い特性である。特に、図１（３）における
ゾーン２では、電圧が低い状況において、効率の高いＥ
ＤＬＣ充電が行われている。

【００４１】実際の運用においては、ＥＤＬＣ２０の蓄
電量（すなわち両端電圧）が大きく動き、しかも、太陽
電池ユニット１１の動作点も、日照の変動によって刻々
と変化する。したがって、これらのバランスによって、
たとえば、上記実施例では、太陽電池ユニットをユニッ
ト分割して構成し、常時、有効なエネルギー利用効率を
達成している。上記実施例において、長時間運用時の平
均エネルギー利用効率は、従来比１３５％になった。

【００４２】上記第１の実施例は、２つの太陽電池ユニ
ット１１、１１を使用した場合の例であるが、太陽電池
ユニット１１の使用数は２つに限定されるものではな
く、直流電源装置が置かれた光照射の環境、利用可能面
積等に応じて、太陽電池ユニット１１の使用数を適宜、
設定することが好ましい。

【００４３】日照量が少ない環境下では、ＡＭ１．５
（エアマス１．５）のＶ_OC（太陽電池ユニット１１の開
放電圧の平均値）に比べて、各太陽電池ユニット１１に
おける発電電圧が低くなるので、太陽電池ユニット１１
の直列接続の割合を多くし、全発電電圧の大きさを確保
し、日照量が多い環境下では、並列接続の割合を多く
し、全発電電流を大きくすることが、有利である。な
お、「ＡＭ１．５」（エアマス１．５）は、太陽光のス
ペクトルが地上の大気層に吸収される影響（地球の場所
による）を考慮した場合の値である。

【００４４】（第２実施例）図３は、本発明の第２の実
施例である直流電源装置ＤＰＳ２０を示す図である。

【００４５】図３（１）は、第２の実施例である直流電
源装置ＤＰＳ２０の構成を示すブロック図である。

【００４６】直流電源装置ＤＰＳ２０は、６個（Ｌ＝
６）の太陽電池ユニット１１と、図示しないスイッチ
と、図示しない制御部とを有する。

【００４７】上記スイッチは、上記６個の太陽電池ユニ
ット１１を全て並列に接続したり（１直６並、つまり、
１個直列・６組並列の接続）、上記６個の太陽電池ユニ
ット１１のうちの２個づつを互いに直列接続した３組を
並列接続したり（２直３並、つまり、２個直列・３組並
列の接続）、上記６個の太陽電池ユニット１１のうちの
３個づつを互いに直列接続した２組を並列接続したり
（３直２並、つまり、３個直列・２組並列の接続）、上
記６個の太陽電池ユニット１１を全て直列に接続したり
（６直１並、つまり、６個直列・１組並列の接続）する
ために回路を切り替えるスイッチである。

【００４８】上記制御部は、ＥＤＬＣ２０の蓄電状況
（ＥＤＬＣ２０の両端電圧）に応じて、上記各スイッチ
の開閉を制御するものである。つまり、ＥＤＬＣ２０の
両端電圧が、低い状態から、高い状態に推移する場合、
この推移に応じて、１直６並、２直３並、３直２並、６
直１並の順で、太陽電池ユニット１１の接続状態を変化
させるように、上記スイッチの開閉を制御するものであ
る。

【００４９】図３（２）は、直流電源装置ＤＰＳ２０に
おける電圧電流特性３４を示す図である。

【００５０】Ｌ＝６の場合、６の約数は、１、２、３、
６である。つまり、（Ｌ，Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃）＝（１，
２，３，６）である。電圧電流特性３４を見ると明らか
なように、ＥＤＬＣ２０の両端電圧が低い場合には、１
直６並、２直３並等のように、並列接続の数を多くして
電流を稼ぎ、ＥＤＬＣ２０の両端電圧が高い場合は。直
列接続の数を多くすることによって、電圧を稼ぎ、いず
れの場合でも高エネルギー利用効率を達成している。

【００５１】図３（３）は、直流電源装置ＤＰＳ２０に
おける電圧電力特性４２を示す図である。

【００５２】直流電源装置ＤＰＳ２０における電圧電力
特性４２は、直流電源装置ＤＰＳ１０における電圧電力
特性４１よりも、全体的に、より平坦な特性を示し、広
範な電圧範囲において、高エネルギー利用効率を実現す
ることができる。

【００５３】直流電源装置ＤＰＳ２０では、太陽電池ユ
ニット１１を６個使用している（Ｌ＝６である）が、太
陽電池ユニット１１をたとえば１２個使用している（Ｌ
＝１２である）場合には、Ｌ＝１２の約数は、１、２、
３、４、６、１２であり、約数が６個であるので、６段
階の電流電圧特性を実現することができる。したがっ
て、要請される電圧値、電力値等の状況に応じて、種々
の応用を行うことができる。

【００５４】これを、一般的に示せば、１とＬを含むＬ
の約数とを小さい順に並べると、１、Ｌ₁、Ｌ₂、……
…、Ｌ_n-2、Ｌ_n-1、Ｌである場合、上記太陽電池ユニッ
トの接続の組み合わせは、１個直列・（Ｌ／１）組並列
の接続、Ｌ₁個直列・（Ｌ／Ｌ₁）組並列の接続、Ｌ₂個
直列・（Ｌ／Ｌ₂）組並列の接続、………、Ｌ_n-2個直列
・（Ｌ／Ｌ_n-2）組並列の接続、Ｌ_n-1個直列・（Ｌ／Ｌ
_n-1）組並列の接続、Ｌ個直列・（Ｌ／Ｌ）組並列の接
続であり、上記複数の組み合わせの１つから、上記１つ
の組み合わせの隣の組み合わせ（上記した順序における
隣の組み合わせ）に、上記太陽電池ユニットを組替え
る。

【００５５】なお、「Ｌ_i個直列・（Ｌ／Ｌ_i）組並列の
接続」は、太陽電池ユニットをｉ個直列接続した直列回
路を、（Ｌ／Ｌ_i）組並列接続した太陽電池ユニットの
組み合わせである。

【００５６】次に、太陽電池ユニット１１の接続状態の
組み替えを行う場合における閾値について説明する。

【００５７】これまで説明してきた組み替えでは、たと
えば、図３（２）に示す点３５、３６、３７に対応する
電圧（ＥＤＬＣ２０の両端電圧）が、太陽電池ユニット
１１の組み替え（太陽電池ユニット１１の接続状態の変
更）用の第１の閾値群を構成する。

【００５８】図４は、上記実施例を説明する特性曲線を
示す図である。

【００５９】一般に、太陽電池ユニット１１単体におけ
る電圧電流特性は、図４（１）に示す特性曲線６０であ
る。このときの開放電圧がＶ_OCであり、曲線因子がＦで
あるとする。今、特性曲線６０を、図４（２）に示す２
本の線分６１、６２で近似する。このときの近似線分の
交点の電圧値をＶ_OC×Ｆに取ると、これら２線分６１、
６２は、曲線６０に対する良い近似になる。

【００６０】ここで、２個の太陽電池ユニット１１を、
並列接続した場合における電圧電流特性は、図４（３）
に示す電圧電流特性６３（図２(２)と同じ特性）にな
り、２個の太陽電池ユニット１１を、直列接続した場合
における電圧電流特性は、図４（３）に示す電圧電流特
性６４（図２(４)に示す特性）になる。そして、電圧電
流特性６３、６４を、上記と同様の近似を行うと、線分
６５、６６、６７、６８で示される。

【００６１】この場合に、太陽電池ユニット１１の組み
替え（太陽電池ユニット１１の接続状態の変更〉用閾値
電圧は、近似的に、Ｖ_oc×（１＋Ｆ）／２になる。この
理由を以下に説明する。

【００６２】つまり、図４（３）で、線分６５は並列接
続の場合の近似になっており、その電流値すなわち線分
０Ｅの長さは、単一ユニットの場合の電流値すなわち線
分０Ｂの長さの２倍になる。接続の組み替えは点Ｇで行
われるのであるが、そのときの閾値電圧は、点Ｇまたは
点Ｈの横軸座標値で与えられる。図４（３）で点Ｄ、
Ｃ、Ｆの横軸座標値は同一であり、Ｖ_oc・Ｆである。線
分６６は、線分ＦＡの一部である。ＡＦＤで表される三
角形と、ＡＧＨで表される三角形は、相似であり、各辺
の比は２：１である。したがって、（線分ＡＤの長
さ）：（線分ＡＨの長さ）＝２：１であり、点Ｈの横座
標値（点Ｇの横座標値）は、Ｖ_oc×（１＋Ｆ）／２とな
る。

【００６３】次に、６個の太陽電池ユニット１１のとき
の一例として、太陽電池ユニット１１を２個直列・３組
並列の接続から、３個直列・２組並列の接続に組み換え
る場合（またはこの逆に組替える場合）の閾値電圧につ
いて説明する。

【００６４】図７（１）で、この場合の組み替え点は、
点３６（点Ｎ）であり、このときの閾値電圧は、点Ｎま
たは点Ｐの横座標値で与えられる。上記２個の太陽電池
ユニットの例と同様に、ＪＫＭで表される三角形とＪＮ
Ｐで表される三角形とは相似であり、その比は３：２で
ある。したがって、（ＪＭの長さ）：（ＪＰの長さ）＝
３：２であり、これから、点Ｐ（および点Ｎ）の横座標
値は、Ｖ_oc×２×（１＋２Ｆ）／３となる。

【００６５】一般に、Ｌ個の太陽電池ユニットを用い、
「Ｌ_i個直列・（Ｌ／Ｌ_i）組並列の接続」から、「Ｌ
_i+1個直列・（Ｌ／Ｌ_i+1）組並列の接続」へ、太陽電池
ユニット１１を組み替える（太陽電池ユニット１１の接
続状態を変更する）場合の閾値電圧、または、その逆方
向で、太陽電池ユニット１１を組み替える（太陽電池ユ
ニット１１の接続状態を変更する）場合の閾値電圧は、
Ｖ_OC×（Ｌ_i／Ｌ_i+1）×（Ｌ_i+1−Ｌ_i＋Ｌ_iＦ）にな
る。この理由を図７（２）を用いて説明する。

【００６６】この場合の組み替え点は、図７(２)におけ
る点Ｕであり、このときの閾値電圧は、点Ｕまたは点Ｗ
の横座標値で与えられる。上記２個および６個の太陽電
池ユニットの例と同様に、ＲＳＴで表される三角形とＲ
ＵＷで表される三角形とは相似であり、その比は
Ｌ_i+1：Ｌ_iである。

【００６７】したがって、（ＲＴの長さ）：（ＲＷの長
さ）＝Ｌ_i+1：Ｌ_iとなり、これよって、点Ｗの横座標値
（点Ｕの横座標値）は、Ｖ_OC×（Ｌ_i／Ｌ_i+1）×（Ｌ
_i+1−Ｌ_i＋Ｌ_iＦ）となる。ここで、Ｌの約数は、１、
Ｌ₁、Ｌ₂、…、Ｌ_i、…、Ｌ_nと（ｎ＋１）個あるとし
た。ｉは０≦ｉ≦ｎ−１である、なお、（Ｌ_j）²＝Ｌの
ように平方が含まれているときには、約数２個（すなわ
ち…、Ｌ_j、Ｌ_j、…のように）と数える。

【００６８】ところで、上記組み替えを行うに際して、
有効な組み替えを行うには、各太陽電池ユニット１１の
特性が、互いに、ある程度揃っていることが好ましい。

【００６９】各太陽電池ユニット１１における開放電圧
Ｖ_OCの平均値と、１つの太陽電池ユニット１１における
開放電圧Ｖ_OCとの差異が、±２０％以内であり、また、
各太陽電池ユニット１１における曲線因子Ｆの平均値
と、１つの太陽電池ユニット１１における曲線因子Ｆと
の差異が、±３０％以内であるときに、エネルギー利用
効率は、従来比１１０％になり、この範囲で有効であ
る。

【００７０】上記２つの実施例は、太陽電池ユニットの
みを配列組み替えするものであるが、太陽電池ユニット
群に加え、ＥＤＬＣについてもユニット群を構成し、太
陽電池ユニット群との組合わせに応じて適宜組み替えを
行うことができる。

【００７１】つまり、上記実施例は、Ｌ個の太陽電池ユ
ニットと、電気二重層コンデンサを用いた蓄電ユニット
とを設けた場合、第１の閾値群を境に、上記Ｌ個の太陽
電池ユニットが、並列、直列の少なくとも一方で接続さ
れる第１の接続状態から、上記Ｌ個の太陽電池ユニット
が、並列、直列の少なくとも一方で接続され、上記第１
の接続状態とは異なる第２の接続状態に変化させる第１
の制御手段を有し、上記Ｌ個の太陽電池ユニットが出力
した電力を、上記蓄電ユニットに蓄える直流電源装置の
例である。

【００７２】この場合、上記蓄電ユニットの残存容量が
大きいときに、上記太陽電池ユニットの並列接続の割合
を大きくし、上記太陽電池ユニットによる発電電力が小
さいときに、上記太陽電池ユニットの直列接続の割合を
大きくする。

【００７３】なお、Ｍ個の蓄電ユニットのそれぞれにお
ける許容蓄電電圧、容量の平均値からの差異は、それそ
れ±１５％以内であることが好ましい。

【００７４】（実施例３）図５は、本発明の第３の実施
例である直流電源装置ＤＰＳ３０を示す図である。

【００７５】図５（１）は、第３の実施例である直流電
源装置ＤＰＳ３０を示す回路図である。

【００７６】直流電源装置ＤＰＳ３０は、ＥＤＬＣユニ
ット２１、２１と、スイッチＳ３１、Ｓ３２、Ｓ４と、
回路内ゲート１００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０と、
負荷８０とを有するものである。なお、図５（１）で
は、太陽電池ユニット側が省略されている。

【００７７】直流電源装置ＤＰＳ３０において、ＥＤＬ
Ｃユニット２１、２１に蓄積されたエネルギーを、ＤＣ
／ＤＣコンバータ７０を介して、負荷８０に供給する。
負荷８０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０によって定電
圧がかかるように調整され、コンバータの入力電圧範囲
・変換効率に応じて、蓄電エネルギーの有効利用がはか
られるように、ＥＤＬＣユニットの組み替えが行われ
る。すなわち、コンバータ７０への入力電圧の適正化が
行われる。

【００７８】コンバータ７０の入力電圧範囲に、適正に
入るためには、ＥＤＬＣユニット２１の残存容量が大き
いとき（両端電圧が高いとき）に、ＥＤＬＣユニット２
１の並列接続の割合を大きくし、残存容量が小さいとき
（両端電圧が低いとき）に、ＥＤＬＣユニット２１の直
列接続の割合を大きくすることが好ましい。

【００７９】各太陽電池ユニット１１に蓄積されたエネ
ルギーが空に近くなるまで有効に使用されるのは、直列
接続の割合を大きくした場合であり、図５（１）に示す
２個のＥＤＬＣユニット２１、２１の場合、ユニットの
許容蓄電電圧がＶ_cmaxであると、コンバータ７０の仕様
出力電圧をＶ_cmax／２［一定］にし、入力電圧範囲（た
とえば、最大電圧Ｖ_cmax〜最小電圧Ｖ_cmax／２の範囲。
つまり、図５（２）にゾーン４で示す範囲）に設定する
と、ＥＤＬＣユニット２１の放電に伴い、図５（２）に
示すように、２並列（放電特性曲線９０）から、２直列
（曲線９１［全電圧］）に切り替えれば、コンバータ入
力電圧範囲をカバーすることができる（一定の電圧を出
力することができる）。

【００８０】このときの単一ユニット２１の電圧は、Ｖ
_cmax（並列時；曲線９０）から、Ｖ _cmax／４（直列時；
曲線９２）の範囲である。もし、２ユニット構成ではな
く単一ユニット構成であったならば、Ｖ_cmax〜Ｖ_cmax／
２の範囲でのみ、コンバータが機能することになり、Ｖ
の２乗に比例する蓄電エネルギーの利用効率の面で不利
である。

【００８１】上記実施例のような２ユニット構成に限ら
ず、一般に、Ｍ個のＥＤＬＣユニットを、「Ｍ_j並列、
Ｍ／Ｍ_j直列」から「Ｍ_j+1並列、Ｍ／Ｍ_j+1直列」へ組
み替えるとき、またはその逆方向へ組み替えるときに
は、個別の蓄電ユニットの蓄電電圧がＶ_cmax×（１／Ｍ
_j+1）、または、全蓄電電圧がＶ_cmax×（Ｍ_j／Ｍ_j+1）
である上記第２の閾値群の値をもって組み替えを行え
ば、２ユニット構成の場合と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ７０の仕様入力電圧範囲に入れることができ、有利
な蓄電エネルギー利用効率を得ることができる。

【００８２】この場合、閾値許容範囲±１０％のとき
に、従来比１１０％の効率が得られ、この許容範囲のと
きに有効である。

【００８３】なお、図５（１）に示すように、上記実施
例では、ＥＤＬＣユニット２１が放電しない場合に、無
用なエネルギー消費を抑えるように、回路内にゲート１
００が設けられている。負荷８０が接続されていない場
合には、ゲート１００を遮断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ
７０の稼動によるエネルギー消費を抑制する。

【００８４】図５（３）は、直流電源装置ＤＰＳ３０に
おいて、太陽電池ユニット１１、１１、ＥＤＬＣユニッ
ト２１、２１部分のみを示す回路図である。

【００８５】直流電源装置ＤＰＳ３０では、太陽電池ユ
ニット１１、１１、ＥＤＬＣユニット２１、２１は、と
もに２ユニット構成になっている。光照射量の多少、刻
々のＥＤＬＣ電圧の大小によって、それぞれ、直列接続
／並列接続を組み換える。組み替えに要するエネルギー
消費と、制御に伴う効率向上を比較検討し、最大効果を
上げる制御方法（組み替え動作繰り返し周期の選択等）
を採用することによって、エネルギー利用効率の最大化
が達成される。

【００８６】また、図５（３）は、太陽電池ユニットの
接続の組み合わせを変えるとともに、ＥＤＬＣユニット
の接続の組み合わせを変えるようにしているが、ＥＤＬ
Ｃユニットの接続の組み合わせのみを変化させるように
してもよい。

【００８７】つまり、太陽電池ユニットと、電気二重層
コンデンサを用いたＭ個の蓄電ユニットとを設け、第２
の閾値群を境に、上記Ｍ個の蓄電ユニットが並列、直列
の少なくとも一方で接続される第３の接続状態から、上
記Ｍ個の蓄電ユニットが並列、直列の少なくとも一方で
接続され、上記第３の接続状態のとは異なる第４の接続
状態に変化させる第２の制御手段を有し、上記太陽電池
ユニットが出力した電力を、上記Ｍ個の蓄電ユニットに
蓄えるようにしてもよい。

【００８８】この場合、蓄電ユニットの残存容量が大き
いときに、蓄電ユニットの並列接続の割合を大きくし、
蓄電ユニットの残存容量が小さいときに、蓄電ユニット
の直列接続の割合を大きくする。

【００８９】また、１とＭを含むＭの約数とを小さい順
に並べると、１、Ｍ₁、Ｍ₂、………、Ｍ_n-2、Ｍ_n-1、Ｍ
である場合、上記蓄電ユニットの接続の組み合わせは、
１個直列・（Ｍ／１）組並列の接続、Ｍ₁個直列・（Ｍ
／Ｍ₁）組並列の接続、Ｍ₂個直列・（Ｍ／Ｍ₂）組並列
の接続、………、Ｍ_n-2個直列・（Ｍ／Ｍ_n-2）組並列の
接続、Ｍ_n-1個直列・（Ｍ／Ｍ_n-1）組並列の接続、Ｍ個
直列・（Ｍ／Ｍ）組並列の接続であり、上記複数の組み
合わせの１つから、上記１つの組み合わせの隣の組み合
わせに、上記蓄電ユニットを組替える。

【００９０】なお、個別の上記蓄電ユニットの許容蓄電
電圧の平均値をＶ_cmaxとし、上記複数の組み合わせの１
つから、上記１つの組み合わせの隣の組み合わせに、上
記蓄電ユニットを組替える場合の上記閾値は、個別の上
記蓄電ユニットの蓄電電圧が、Ｖ_cmax×（１／Ｍ_j+1）
であり、または、全蓄電電圧が、Ｖ_cmax×（Ｍ_j／
Ｍ_{j+ 1}）である（１≦ｊ≦ｎ−１）。

【００９１】上記実施例では、昼間（すなわち光照射量
大のとき）の組み替え動作周期として５分間が好適であ
り、夜間は１０時間の組み替え停止モード後、３０分間
周期の組み替え動作を行ない、朝の光照射立ち上がりに
追随した後、５分間周期の昼間モードを繰り返す条件が
好適である。

【００９２】上記実施例では、周期的な（最短５分間）
組み替え動作時点でのみ、制御のためのエネルギーを消
費するやり方を採用しているので、省エネルギー化を実
現することができる。

【００９３】なお、上記のように、上記実施例によれ
ば、日照等の状況による太陽電池ユニット群の組み替え
による発電状況（ＥＤＬＣへの充電状況）の最適化に加
えて、上記実施例である直流電源装置に負荷を繋いで使
用する場合の状況（ＥＤＬＣからの放電状況）を最適化
することが、上記と同じに実現することができ、これら
の組合わせによって全体としてロスが少ない、高エネル
ギー利用効率の電源が実現される。

【００９４】つまり、上記実施例によれば、太陽電池の
特性とＥＤＬＣの電圧とのバランスをとるために、太陽
電池、ＥＤＬＣの少なくとも一方を複数のユニットで構
成するので、太陽電池の発電環境とＥＤＬＣ蓄電状況と
に応じて、太陽電池ユニットを、並列接続、直列接続の
少なくとも一方に、組合わせ可能とし、エネルギー利用
効率の良い発電が可能になる。

【００９５】また、ＥＤＬＣユニット群についても、太
陽電池ユニット群の構成によって調整された電圧・電流
に適合し、または、負荷側の特性に適合したエネルギー
利用効率の高い、並列接続、直列接続の少なくとも一方
の組合わせを採用したものである。

【００９６】したがって、上記実施例によれば、日照の
状況に応じて刻々と変化する太陽電池発電特性と、ＥＤ
ＬＣ蓄電状況との不一致が大きいために生じるエネルギ
ー利用効率の低下を、構成太陽電池ユニット群、ＥＤＬ
Ｃユニット群の少なくとも一方を、直列接続、並列接続
の少なくとも一方の組合わせに配置することによって改
善し、またさらに、負荷側の特性に応じてＥＤＬＣユニ
ット群を、並列接続、直列接続の少なくとも一方の組合
わせに配置することによって、安価で高エネルギー利用
効率の直流電源装置を得ることができる。

【００９７】また、切り替えに際して各太陽電池ユニッ
ト１１群の特性の均一化を配慮すれば、切り替えに伴う
ロスの極小化を図ることができる。

【００９８】

【発明の効果】本発明によれば、太陽電池と電気二重層
コンデンサとによって直流電源装置を構成した場合、効
率の良い充電を行うことができるというこかを奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である直流電源装置ＤＰ
Ｓ１０を示す回路図と、その特性図である。

【図２】直流電源装置ＤＰＳ１０において、スイッチ切
り替えすることによって、太陽電池ユニット１１、１１
を並列に接続した場合と直列に接続した場合とにおける
等価回路と、電圧電流特性とを示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例である直流電源装置ＤＰ
Ｓ２０を示す図である。

【図４】上記実施例を説明する特性曲線を示す図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施例である直流電源装置ＤＰ
Ｓ３０を示す図である。

【図６】従来の直流電源回路ＤＰＳ１を示す回路と、そ
の特性とを示す図とである。

【図７】上記実施例において、閾値を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１１…太陽電池ユニット、 ２０…ＥＤＬＣ、 ２１…ＥＤＬＣユニット、 ３１…電圧Ｖ１、電流Ｉ１のときの電力を表す量、 ３２…２ユニット構成の電圧電流特性曲線、 ３３…１ユニットの電圧電流特性曲線、 ３４…第２の実施例の電圧電流特性曲線、 ４１…第１の実施例の電圧電力特性曲線、 Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２…太陽電池用スイッチ、 Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ４…ＥＤＬＣ用スイッチ、 ６０…太陽電池ユニットの電圧電流特性曲線、 ６１、６２…ユニット特性曲線の近似線分、 ６３…２ユニット並列の電圧電流特性曲線、 ６４…２ユニット直列の電圧電流特性曲線、 ６５、６６、６７、６８…２ユニット構成の近似線分、 ７０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、 ８０…負荷、 ９０、９１、９２…ＥＤＬＣ放電特性曲線、 １００…回路内ゲート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 武 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F051 BA11 JA17 KA03 KA10 5G065 AA00 DA04 EA03 HA17 JA02 JA05 JA07 LA01 MA10 NA01

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｌ個の太陽電池ユニットと；電気二重層
   コンデンサを用いた蓄電ユニットと；第１の閾値群を境
   に、上記Ｌ個の太陽電池ユニットが、並列、直列の少な
   くとも一方で接続される第１の接続状態から、上記Ｌ個
   の太陽電池ユニットが、並列、直列の少なくとも一方で
   接続され、上記第１の接続状態とは異なる第２の接続状
   態に変化させる第１の制御手段と；を有し、上記Ｌ個の
   太陽電池ユニットが出力した電力を、上記蓄電ユニット
   に蓄えることを特徴とする直流電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 上記蓄電ユニットの残存容量が大きいときに、上記太陽
   電池ユニットの並列接続の割合を大きくし、上記太陽電
   池ユニットによる発電電力が小さいときに、上記太陽電
   池ユニットの直列接続の割合を大きくすることを特徴と
   する直流電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 １とＬを含むＬの約数とを小さい順に並べると、１、Ｌ
   ₁、Ｌ₂、………、Ｌ_{n- 2}、Ｌ_n-1、Ｌである場合、 上記太陽電池ユニットの接続の組み合わせは、１個直列
   ・（Ｌ／１）組並列の接続、Ｌ₁個直列・（Ｌ／Ｌ₁）組
   並列の接続、Ｌ₂個直列・（Ｌ／Ｌ₂）組並列の接続、…
   ……、Ｌ_n-2個直列・（Ｌ／Ｌ_n-2）組並列の接続、Ｌ
   _n-1個直列・（Ｌ／Ｌ_n-1）組並列の接続、Ｌ個直列・
   （Ｌ／Ｌ）組並列の接続であり、 上記複数の組み合わせの１つから、上記１つの組み合わ
   せの隣の組み合わせに、上記太陽電池ユニットを組替え
   ることを特徴とする直流電源装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、 個別の上記太陽電池ユニットの開放電圧の平均値をＶ_OC
   とし、曲線因子の平均値をＦとし、 上記複数の組み合わせの１つから、上記１つの組み合わ
   せの隣の組み合わせに、上記太陽電池ユニットを組替え
   る場合の上記閾値は、全発電電圧がＶ_OC×（Ｌ _i／
   Ｌ_i+1）×（Ｌ_i+1−Ｌ_i＋Ｌ_iＦ）である電圧である（０
   ≦ｉ≦ｎ−１）ことを特徴とする直流電源装置。
5. 【請求項５】 請求項３において、 上記Ｌ個の太陽電池ユニットの個々の開放電圧・曲線因
   子の平均値からの差異が、開放電圧においては、±２０
   ％以内であり、曲線因子においては±３０％以内である
   ことを特徴とする直流電源装置。
6. 【請求項６】 ２個の太陽電池ユニットと；電気二重層
   コンデンサを用いた蓄電ユニットと；所定の閾値を境
   に、上記２個の太陽電池ユニットが、並列接続されてい
   る状態と、上記２個の太陽電池ユニットが、直列接続さ
   れている状態との間で変化させる第１の制御手段と；を
   有し、上記２個の太陽電池ユニットが出力した電力を、
   上記蓄電ユニットに蓄えることを特徴とする直流電源装
   置。
7. 【請求項７】 太陽電池ユニットと；電気二重層コンデ
   ンサを用いたＭ個の蓄電ユニットと；第２の閾値群を境
   に、上記Ｍ個の蓄電ユニットが並列、直列の少なくとも
   一方で接続される第３の接続状態から、上記Ｍ個の蓄電
   ユニットが並列、直列の少なくとも一方で接続され、上
   記第３の接続状態のとは異なる第４の接続状態に変化さ
   せる第２の制御手段と；を有し、上記太陽電池ユニット
   が出力した電力を、上記Ｍ個の蓄電ユニットに蓄えるこ
   とを特徴とする直流電源装置。
8. 【請求項８】 請求項７において、 上記蓄電ユニットの残存容量が大きいときに、上記蓄電
   ユニットの並列接続の割合を大きくし、上記蓄電ユニッ
   トの残存容量が小さいときに、上記蓄電ユニットの直列
   接続の割合を大きくすることを特徴とする直流電源装
   置。
9. 【請求項９】 請求項７において、 １とＭを含むＭの約数とを小さい順に並べると、１、Ｍ
   ₁、Ｍ₂、………、Ｍ_{n- 2}、Ｍ_n-1、Ｍである場合、 上記蓄電ユニットの接続の組み合わせは、１個直列・
   （Ｍ／１）組並列の接続、Ｍ₁個直列・（Ｍ／Ｍ₁）組並
   列の接続、Ｍ₂個直列・（Ｍ／Ｍ₂）組並列の接続、……
   …、Ｍ_n-2個直列・（Ｍ／Ｍ_n-2）組並列の接続、Ｍ_n-1
   個直列・（Ｍ／Ｍ_{n -1}）組並列の接続、Ｍ個直列・（Ｍ
   ／Ｍ）組並列の接続であり、 上記複数の組み合わせの１つから、上記１つの組み合わ
   せの隣の組み合わせに、上記蓄電ユニットを組替えるこ
   とを特徴とする直流電源装置。
10. 【請求項１０】 請求項９において、 個別の上記蓄電ユニットの許容蓄電電圧の平均値をＶ
    _cmaxとし、 上記複数の組み合わせの１つから、上記１つの組み合わ
    せの隣の組み合わせに、上記蓄電ユニットを組替える場
    合の上記閾値は、個別の上記蓄電ユニットの蓄電電圧
    が、Ｖ_cmax×（１／Ｍ_j+1）であり、または、全蓄電電
    圧が、Ｖ_cmax×（Ｍ_j／Ｍ_j+1）である（０≦ｊ≦ｎ−
    １）ことを特徴とする直流電源装置。
11. 【請求項１１】 請求項９において、 上記Ｍ個の蓄電ユニットのそれぞれにおける許容蓄電電
    圧、容量の平均値からの差異が、それそれ±１５％以内
    である直流電源装置。
12. 【請求項１２】 太陽電池ユニットと；電気二重層コン
    デンサを用いた２個の蓄電ユニットと；所定の閾値を境
    に、上記２個の蓄電ユニットが、並列接続されている状
    態と、上記２個の蓄電ユニットが、直列接続されている
    状態との間で変化させる第２の制御手段と；を有し、上
    記太陽電池ユニットが出力した電力を、上記２個の蓄電
    ユニットに蓄えることを特徴とする直流電源装置。
13. 【請求項１３】 Ｌ個の太陽電池ユニットと；電気二重
    層コンデンサを用いたＭ個の蓄電ユニットと；第１の閾
    値群を境に、上記Ｌ個の太陽電池ユニットが、並列、直
    列の少なくとも一方で接続される第１の接続状態から、
    上記Ｌ個の太陽電池ユニットが、並列、直列の少なくと
    も一方で接続され、上記第１の接続状態とは異なる第２
    の接続状態に変化させる第１の制御手段と；第２の閾値
    群を境に、上記Ｍ個の蓄電ユニットが並列、直列の少な
    くとも一方で接続される第３の接続状態から、上記Ｍ個
    の蓄電ユニットが並列、直列の少なくとも一方で接続さ
    れ、上記第３の接続状態とは異なる第４の接続状態に変
    化させる第２の制御手段と；を有し、上記Ｌ個の太陽電
    池ユニットが出力した電力を、上記Ｍ個の蓄電ユニット
    に蓄えることを特徴とする直流電源装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３において、 上記蓄電ユニットの残存容量が大きいときに、上記太陽
    電池ユニットの並列接続の割合を大きくし、上記太陽電
    池ユニットによる発電電力が小さいときに、上記太陽電
    池ユニットの直列接続の割合を大きし、また、上記蓄電
    ユニットの残存容量が大きいときに、上記蓄電ユニット
    の並列接続の割合を大きくし、上記蓄電ユニットの残存
    容量が小さいときに、上記蓄電ユニットの直列接続の割
    合を大きくすることを特徴とする直流電源装置。