JP2004240552A

JP2004240552A - 太陽電池の最大電力点追尾方法及び装置

Info

Publication number: JP2004240552A
Application number: JP2003027080A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Dowa; 哲也道輪
Original assignee: DOWA YUKIKO
Current assignee: DOWA YUKIKO
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】簡単な回路で効率よく最大電力点を追尾することができるＭＰＰＴを得ることを課題としている。
【解決手段】太陽電池とバッテリーの間にスイッチを設け、このスイッチのＯＮとＯＦＦの時間を変化させることで、最大電力を発生させるようにしている。すなわち、この発明のＭＰＰＴは最大電力点追尾制御法に当たり、太陽電池の出力電圧をバッテリー電圧より高く設定するいわゆる降圧型にあたる。
降圧型では、日射量が低くなっても太陽電池の電圧がバッテリー電圧より低くならないように太陽電池とバッテリーを設定しなければならない。降圧型の最大電力点追尾制御法の回路は温度補賞付電圧一定制御法に比べて比較的コンパクトに作ることができ、降圧型は昇圧型に比べて高効率である。
【選択図】なし

Description

【発明が属する技術分野】
この発明は、太陽電池の最大電力点追尾装置（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｅｒ。以下「ＭＰＰＴ」と言う．）に関するものである。太陽電池から供給される電力は負荷側の抵抗値や日射量などによって左右される。したがって、太陽電池から供給される電力を最大に活用する工夫が必要となる。この役割を担っている装置を、ＭＰＰＴあるいはトラッカと呼んでいる。すなわち、この発明は、太陽電池の出力電圧を制御することで目的の最大電力を発生させようとする装置に関するものである。
【従来の技術】
太陽電池の最大電力点はその時の日射量、太陽電池の温度によって変化する（温度特性）。太陽電池の温度が下がると電力は上がり、温度が上がると電力は下がる。また、太陽電池の出力電圧は、太陽電池に接続されている負荷に依存する。すなわち、太陽電池からの出力電流は０〜短絡電流の間で変化する。短絡時には、負荷抵抗が０となるため太陽電池の端子間電圧は０となり、電流は流れているが電力は出ないことになる。したがって、電源の短絡によっても太陽電池は破壊しない。
太陽電池は、電圧の変動につれて電流の変動が生じる。それは、大電流の領域で電圧変動が激しく、高電圧の領域で電流変動が激しい。したがって、大電流でありなおかつ高電圧つまり高出力の領域は狭い範囲に限られる。例えば、動作電圧が１５Ｖの状態の太陽電池に１２Ｖのバッテリーを接続した場合、太陽電池の電圧は１２Ｖに下がってしまい最大電力を得ることが出来ない。
このように、太陽電池の発生電力は天候や入射光線の周波数、気温などによって変化するため常に変動するものである。このような中での電圧設定の方式として、以下のものが知られている。
▲１▼ ある時点での最大電力発生電圧に固定し、温度特性に合わせた補正を行う。
▲２▼ 太陽電池の出力電圧と電流を測定して電力を計算し、最大点となるの条件を追尾していく。
上記従来の方式についてさらに詳しく述べる。上記▲１▼の温度補賞付電圧一定制御法は、太陽電池の出力変化の要素のうち、温度変化によって出力が変動する分について、温度センサーを用いてモニタし、最大電力点を得ようとするものである。しかし、温度や日照の変化が大きい場合に想定した特性から外れてくるために最大電力をえられない可能性がある。さらに使用する動作条件の中であらかじめ手動で設定しておく必要がある。制御形態としては、太陽電池の出力特性に合わせた出力電圧を太陽電池の温度によって制御する方法なので、シーケンス制御に近い制御方法である。
上記▲２▼の最大電力点追尾制御法は、太陽電池の動作電圧を設定し、このときの動作電流を計測したもので電力を算出する、一定時間経過後動作電圧を少し変化させまた電流を測定する。その結果と前の結果を比較し、次の設定電圧が出力が最大になる側になるようにしていく。これを繰り返していくことにより最大出力がえられるように追尾する。この場合、太陽電池の温度や日射量が大きく変化して太陽電池の出力特性が大きく変化しても太陽電池の出力そのものを常に直接監視、計算して、その計算結果から動作点電圧を変化させていき、最終的に電力が最大になるように追尾して最大電力を供給するように、直接フィードバック制御するようにしている。
前者のＭＰＰＴは温度の計測のためサーミスタ等の温度センサを太陽電池に付けなくてはならないが、後者のＭＰＰＴは温度を計測対象にしてないため温度センサは必要ない。
【発明が解決しようとする課題】
この後者のＭＰＰＴは、前者のものより優れているが、装置が複雑になる問題がある。また効率的にも十分とは言えない。そこでこの発明は、簡単な回路で効率よく最大電力点を追尾することができるＭＰＰＴを得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
この発明のＭＰＰＴでは、太陽電池とバッテリーの間にスイッチを設け、このスイッチのＯＮとＯＦＦの時間を変化させることで、最大電力を発生させるようにしている。すなわち、この発明のＭＰＰＴは最大電力点追尾制御法に当たり、太陽電池の出力電圧をバッテリー電圧より高く設定するいわゆる降圧型にあたる。
降圧型では、日射量が低くなっても太陽電池の電圧がバッテリー電圧より低くならないように太陽電池とバッテリーを設定しなければならない。降圧型の最大電力点追尾制御法の回路は温度補賞付電圧一定制御法に比べて比較的コンパクトに作ることができ、降圧型は昇圧型に比べて高効率である。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図１は、ＭＰＰＴの回路図で、１は太陽電池、２はスイッチング素子、３はダイオード、４はコイル、５はコンデンサ、１０はバッテリーである。
６はＰＩＣ（ペリフェラルインタフェースコントローラ）、具体的には１６Ｆ８７３で、制御用のマイクロコンピュータで、太陽電池の電圧と電流の値から電力を計算し、デューティ比ｙを演算し、ＰＷＭを出力する。７はバッファ、具体的には７４ＬＳＯ４で、否論理回路で、ＰＩＣ６から来るＰＷＭのパルスを反転させる。ＰＩＣ６の保護の役割も持っている。８はフォトカプラ、具体的にはＴＬＰ５５９で、発光ダイオードとフォトダイオードで構成されていて、信号だけを送り、ＰＩＣから来た５ＶのＰＷＭを１２Ｖに増幅する。個々でパルスは反転する。９はゲートドライバー、具体的にはＩＲ２１１０で、ＭＯＳ−ＦＥＴ２にＰＷＭを出力する。
太陽電池とバッテリーの間に設けるスイッチには、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｃｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｃｔｏｒ − ｆｉｅｌｄｅｆｅｃｃｔＴｒａｎｓｉｓｔａｒ）を使用する。これは１０Ｖ〜１５Ｖで駆動するスイッチング素子で、これに信号（ＰＷＭ）を送りスイッチングさせる。１周期（１ＨＺ）のなかでのＯＮ時間の割合をデューティ比（デューティーファクター）と言うが、例えば、１００Ｖの太陽電池に１０Ｖのバッテリーが接続されている状態で、デューティ比を０パーセントにすると太陽電池は１００Ｖになる。逆に１００パーセントにすると太陽電池は１０Ｖになり、５０パーセントなら６５Ｖになる。
このデューティ比を駆動信号として２０ｋＨＺでＭＯＳ−ＦＥＴに送信する。このデューティ比を計算して出力しているのがＰＩＣ６である。これは、太陽電池の電圧値と電流値から電力を計算し前回の結果と比較しデューティ比を演算して出力する。電流値は電流センサ１１で測定し、電圧値は分圧回路１２を介して測定する。測定された値はノイズカットされた後ＰＩＣ６に送られる。
ＰＩＣ６は５Ｖの信号を出力するのでフォトカプラ８で１２Ｖまで増幅する。またフォトカプラは否論理回路なのでパルスが逆転してしまう。そのためフォトカプラに信号が入る前にバッファという否定論理回路７を入れる必要がある。１２Ｖに増幅された信号はゲートドライバー９に入りＭＯＳ−ＦＥＴ２に出力される。
すなわち、ＰＩＣ６のスイッチ駆動信号は、バッファ７、フォトカプラ８、ゲートドライバー９を経てスイッチとなるＭＯＳ−ＦＥＴ２に送られている。
なお、ダイオード３、コイル４及びコンデンサ５は、公知の整流回路を形成している。１３はオペアンプである。
太陽電池１の電流計測は電流センサ１１、電圧計測は分圧回路１２を用い、計測された値はノイズカットされた後、ＰＩＣ６に送られる。ＰＩＣ６での処理は次のように行われる。
１．入力電圧、入力電流を定期的に読みとる。
２．その結果から電力を算出する
３．算出した電力を、前回計測時のの電力と比較する。
４．比較結果から新たなデューティ比を決定する。
５．決定したデューティ比をスイッチング素子に駆動パルスとして出力する。
６．周期を決め１から５を繰り返す。
図２は、ＰＩＣ６で行われている上記処理手順の詳細を示すフローチャートである。まず、ステップ２１、２２で初期設定を行う。これらの初期設定値は、予めＰＩＣに登録した値である。ＰＩＣは設定された割込時間間隔毎にステップ２３、２４で電流と電圧の計測値を入力し、入力電力を算出する。ここでいう入力は、ＰＩＣへの入力であり、従ってここで言う入力電流、電圧及び入力電力は、太陽電池１の出力電流、電圧及び出力電力を意味する。次にステップ２５でスイッチング素子２をオンオフしている制御信号（ＰＩＣ６の出力信号）の今回デューティ比と前回デューティー比とを比較し、今回デューティー比が大きければ、更にステップ２６で今回の入力電圧と前回の入力電圧とを比較する。そして、今回の入力電圧が高ければ、即ち太陽電池１の出力電力が増加していれば、ステップ２７でデューティー比を更に増加し、もし、入力電圧が前回入力電圧よりも小さくなっていたら、即ち太陽電池１の出力電力が減少していれば、デューティー比を減少する。また、ステップ２５で今回デューティー比が前回デューティー比より小さくなっているときは、更にステップ３６で今回の入力電圧と前回の入力電圧を比較し、今回の入力電圧が大きくなっているときは、デューティー比を更に減少し、逆に今回の入力電圧が小さくなっているときは、ステップ３８でデューティー比を増加する。
上記の手順によって増加又は減少したデューティー比をステップ４０、４１で新たなデューティー比として決定し、出力する。そして、ステップ４２で今回算出した入力電力を前回入力電力と置換えてステップ２３の前に戻る。以上の動作を設定された割込時間間隔毎に繰り返し実行する。
図３は、太陽電池の電力と電圧の特性を表したグラフで、●の点が最大電力点で１７Ｖ付近で最大電力が得られるものの例である。現在のＭＰＰＴの動作点が□の点にあるとき、上記制御手順に従う制御により、ＭＰＰＴは電圧を上げてこの□の動作点を最大電力点に近ずけて行く（この方法は山登り法とも言う）。最大電力点を通り過ぎた場合は逆に電圧を落とす。この動作の繰り返しで、太陽電池の出力が常に最大電力点にくるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の最大電力点追尾装置の一実施例を示す回路図
【図２】制御手順を示すフローチャート
【図３】太陽電池の電圧−電力特性の一例と最大電力点の追尾を示すグラフ

Claims

制御器（６）から出力される所定周期のパルス信号でで太陽電池（１）とバッテリー（１０）との間に介装したスイッチング素子（２）をオンオフさせ、太陽電池（１）の出力電圧値と出力電流値とを計測して電力を測定し、上記パルス信号のデューティ比を所定時間毎に変更して、変更前と変更後の上記電力の測定値を比較し、変更前の電力が変更後の電力より大きければ次の前記所定時間後にデューティ比を逆方向に変更し、変更後の電力が変更前の電力より大きければ次の前記所定時間後にデューティ比を同方向に変更する
動作を繰り返すことを特徴とする、太陽電池の最大電力点追尾方法。
太陽電池（１）とバッテリー（１０）との間に介装したスイッチング素子（２）と、太陽電池（１）の出力電力を計測すると共に上記スイッチング素子に所定周期のオンオフ信号を出力し、上記オンオフ信号のデューティ比を所定時間毎に変更して、変更前と変更後の上記電力の測定値を比較し、変更前の電力が変更後の電力より大きければ次の前記所定時間後にデューティ比を逆方向に変更し、変更後の電力が変更前の電力より大きければ次の前記所定時間後にデューティ比を同方向に変更する動作を繰り返す制御器（６）とを備えた、太陽電池の最大電力点追尾装置。