JP2006032612A

JP2006032612A - 太陽電池モジュールの出力制御方法

Info

Publication number: JP2006032612A
Application number: JP2004208612A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ito; 伊藤　　隆
Original assignee: MSK CORP
Current assignee: MSK CORP
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】急激な日射強度や温度変化にも対応し、リアルタイムに最大電力を得る。
【解決手段】Ｓ１で現在の設定電圧値において太陽電池モジュールにより発電された電流値を計測する。Ｓ２において、テーブルを用い設定電圧値及び測定した電流値から現在の日射強度を換算し、Ｓ３において、Ｓ２で求めた日射強度の段階を基にテーブルを用いて、最大電力量が得られる基準電圧値を求める。また、Ｓ４においてセル１の温度を計測し、Ｓ５においてセル１の温度と基準温度との差分に温度係数を乗じて補正電圧値を算出し、基準電圧値に加算することにより温度補正を行って設定電圧値を算出する。Ｓ６で電圧制御手段３に指令し、最大出力が得られる設定電圧値に制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽光により発電する太陽電池モジュールの出力制御方法に関するものである。

近年、エコエネルギ、環境対策の一環から、住宅の屋根や建物の屋上に設置して、太陽光により発電を行う太陽光発電が注目されている。一般に、この太陽光発電は、単結晶、多結晶、アモルファスシリコン等から成る複数枚の太陽電池セルを基板上に配列して電力を得るものである。

太陽電池セルによる発電量は、日射強度に大きく依存することは当然であるが、その他に設定電圧値やセル温度により異なることも知られている。そこで、この太陽電池モジュールから有効な出力を得るために、最大出力が得られる電圧値を使用中において探索することが行われている。

例えば、一定時間毎にサンプリング測定を行い、前回の設定電圧値の前後の出力電圧値に変更して測定しながら、前回の電力と比較し、より大きな電力が得られる設定電圧値を選択し、これを繰り返し行うことにより、日射強度やセル温度の変動を基に、最大電力が得られる設定電圧値を算出する所謂山登り法による電圧制御方法が知られている。

しかしながら、この従来の山登り法による電圧制御方法は、天候の急変等により日射強度の変動が激しかったり、セルの温度が急激に変動した場合には、最大出力が得られる設定電圧値も急激に変化することも多く、リアルタイムに最大出力を求めることが難しい。

また、このような制御を行うには設備費用も嵩むことから、小規模の発電などでは定格の電圧値で電力を得ていることも多い。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、急激な日射強度の変動やセル温度の変動があっても、リアルタイムに最大出力が得られる設定電圧値を求め、安価な設備費用で済む太陽電池モジュールの出力制御方法を提供することにある。

上述の目的を達成するための本発明に係る太陽電池モジュールの出力制御方法は、太陽電池モジュールを最大出力が得られる電圧値に制御する太陽電池モジュールの出力制御方法において、太陽光により発電するセルと、該セルの温度を測定する温度測定手段と、太陽光の日射強度を算出する日射強度算出手段と、前記温度測定手段及び前記日射強度算出手段の出力に基づいて設定電圧値を算出する電圧値算出手段と、該電圧値算出手段で算出した設定電圧値により前記太陽電池モジュールの出力を制御する電圧制御手段とを有し、前記電圧値算出手段は前記日射強度算出手段で得られた前記日射強度により基準電圧値を算出し、前記温度測定手段により測定した前記セルの温度により前記基準電圧値に対する温度補正を行って制御すべき前記設定電圧値を算出することを特徴とする。

本発明に係る太陽電池モジュールの出力制御方法によれば、日射強度とセルの温度から最大出力を得られる設定電圧値を常時算出し制御できるため、天候の急変時等においても迅速に対応することができる。

本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

図１は本実施例における太陽電池発電の電力制御システムの構成図を示しており、太陽電池モジュールは複数のセル１の電気接続体であり、太陽電池モジュールにより発電された電力は電流計２、電圧制御手段３を経て外部の昇圧回路等に供給されている。太陽電池モジュール中の特定のセル１に温度センサ４が取り付けられており、この温度センサ４の出力は電流計２の出力と共に演算手段５に接続され、演算手段５の出力は電圧制御手段３に接続されている。

本実施例においては、従来の山登り法ではなく、セル１の電気的出力特性を決定する二大要因である日射強度とセル１の温度を用いて、常時最大電力が得られるような電圧値を演算し、その電圧値に制御を行う。

図２はセル１の電圧−電流特性図であり、日射強度（Ｗ／ｍ²）をパラメータとして、横軸に電圧値（Ｖ）、縦軸に電流値（Ｉ）を示している。セル１からの出力は出力電流Ｉ＝０の開放電圧値（Ｖｏｃ）から電圧を低下させてゆくと急激に電流が立ち上がり、最大電流を得られる電圧値を過ぎると、或る電流値（Ｉｓｃ）で飽和する。なお、セル１の電流値は電圧値と比較すると温度依存性は極めて低く、電流値については、セル１の温度の影響は殆ど無視することができる。

図３はセル１の温度が基準温度のときの電圧−電力特性図であり、パラメータを同様に日射強度として、横軸に電圧値、縦軸に電力量を示している。この電力特性は日射強度ごとに異なる電圧値によるピーク（Ｖｐｍａｘ）を有しており、同じ日射強度であっても得られる電力は設定電圧値に依存している。

図４は本実施例における電圧制御方法のフローチャート図を示している。先ず、ステップＳ１で或る電圧値、例えば現在の設定電圧値において、電流計２を用いてセル１により発電された電流値を計測する。

ステップＳ２において、例えば図２の電圧−電流特性を表にしたテーブルを用いることにより、演算手段５で設定電圧値及び測定した電流値から現在の日射強度を換算することができる。図２においては、日射強度は５つの段階を示しているが、テーブルを作成するには、日射強度を５０〜１００段階程度とすることが、高精度の電圧制御につながるので好ましい。

続いて、ステップＳ３において、ステップＳ２で得られた日射強度の段階により、図３を表にした日射強度の段階によって最大電力量（Ｖｐｍａｘ）が得られる基準電圧値のテーブルを用いて、演算手段５で最大出力が得られる基準電圧値を求める。

なお、この日射強度の段階を基に基準電圧を求めるには、図３のグラフ図からも明らかなように、最大電力量は日射強度の段階に対してほぼ直線状の軌跡を有することから、関係式を作成しこれにより算出してもよい。

また、セル１の温度が上昇するほど、最大出力を得るための基準電圧値は、例えば温度係数０．００２Ｖ／℃の割合で低下するため、ステップＳ４において温度センサ４によりセル１の温度を計測し、ステップＳ５において演算手段５でセル１の温度と基準温度との差分に前述の温度係数を乗じて補正電圧値を算出し、基準電圧値に加算することにより温度補正を行って設定電圧値を得る。

このセル１の温度は代表的なセル１の温度を測定すれば足りるが、複数のセル１の温度を測定し平均化してもよい。ステップＳ６では、この設定電圧値を電圧制御手段３に指令し、電圧制御手段３で最大出力が得られる設定電圧値に制御する。

このステップＳ１〜Ｓ５の工程を必要に応じて繰り返すことにより、日射強度、セル温度が急変しても容易に最大出力を得るための設定電圧値を、従来のような試行錯誤的に探索することなく算出できる。

なお、ステップＳ３、ステップＳ５において、テーブルをそれぞれ用いて算出をしたが、ステップＳ３を省略し、ステップＳ５において、最大電力を得る設定電圧値、日射強度、測定温度の関係のテーブルを基に日射強度と測定温度から設定電圧値を求めてもよい。

なお本実施例においては、電流計２により日射強度の算出を行っているが、電流計２の代りに日射を直接測定する日射センサを用いて、日射強度を測定してもよい。

実施例１においては、セル１の電気的出力特性を決定する二大要因である日射強度とセル１の温度を用いて、常時最大電力が得られるような設定電圧値を演算したが、この実施例２においては簡易的な方法として、電流計２、日射センサを用いることなく、セル１の温度の変化のみを測定して、日射強度を推定することによる電力制御を行っている。

図５は冬期における或る地方の時刻に対するセル温度（℃）と気温（℃）と日射強度（Ｗ／ｍ²）との実測グラフ図である。このグラフ図から、セル１の温度は気温よりも日中の日射強度に依存することが分かる。また、朝方の発電開始時と夕方の発電停止時においては、気温とセル温度とは殆ど同程度であるが、日中になるに従ってセル温度、日射強度は気温の変化に比較して同じ傾向で大きく上昇する。

また、図６はΔＴ（℃）＝（セル温度−気温）と日射強度とのデータをプロットした特性図であり、これらの間には日射強度＝２０．５３６×ΔＴの相関がある。このことから、セル１の温度を測定することによって、概略の日射強度を推定することが可能である。

図７は実施例２のフローチャート図であり、ステップＳ１１において、温度センサ４によりセル１の温度を測定する。次に、ステップＳ１２において、セル温度から気温を差し引いたΔＴを基に、図６の特性図を関数化した演算式により、日射強度を推定する。なお、この場合に気温は測定値ではなく、時季ごとの平均的な気温を差し引くようにしてもよい。

ステップＳ１３において、図４のフローチャート図のステップＳ３と同様に、推定した日射強度を基にテーブルを用いて基準電圧値を算出する。

そしてステップＳ１４において、セル１の温度と基準温度との差分に温度係数を乗じて、補正電圧値を算出し、基準電圧値に対する温度補正を行って設定電圧値を得る。更に、ステップＳ１５において設定電圧値を制御する。

本発明は特に小規模の発電システムにおいて、安価にかつ有効利用できる。

電力制御システムの構成図である。セルの電圧−電流特性図である。セルの電圧−電力特性図である。実施例１の電圧制御方法のフローチャート図である。時刻に対するセル温度と気温の差ΔＴのグラフ図である。セル温度と日射強度の特性図である。実施例２の電圧制御方法のフローチャート図である。

符号の説明

１セル
２電流計
３電圧制御手段
４温度センサ
５演算手段

Claims

太陽電池モジュールを最大出力が得られる電圧値に制御する太陽電池モジュールの出力制御方法において、太陽光により発電するセルと、該セルの温度を測定する温度測定手段と、太陽光の日射強度を算出する日射強度算出手段と、前記温度測定手段及び前記日射強度算出手段の出力に基づいて設定電圧値を算出する電圧値算出手段と、該電圧値算出手段で算出した設定電圧値により前記太陽電池モジュールの出力を制御する電圧制御手段とを有し、前記電圧値算出手段は前記日射強度算出手段で得られた前記日射強度により基準電圧値を算出し、前記温度測定手段により測定した前記セルの温度により前記基準電圧値に対する温度補正を行って制御すべき前記設定電圧値を算出することを特徴とする太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記セルは複数個接続し、前記温度測定手段は特定のセルの温度を測定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記日射強度算出手段は現在の設定電圧値及び前記セルにより発電された電流値を基に前記日射強度を算出することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記日射強度は電圧値、電流値、日射強度の関係を作成したテーブルから算出することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記日射強度算出手段は前記温度測定手段で測定した前記セルの温度から前記日射強度を推定することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記基準電圧値は最大電力を得る電圧値、日射強度の関係を作成したテーブルから求めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記温度補正は前記セルの測定温度に温度係数を乗じた補正電圧値を前記基準電圧値に加算して前記設定電圧値を得ることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。
前記制御すべき設定電圧値は最大電力を得る電圧値、日射強度、測定温度の関係を作成したテーブルから求めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの出力制御方法。