JP2006073827A

JP2006073827A - 太陽電池による駆動装置

Info

Publication number: JP2006073827A
Application number: JP2004256036A
Authority: JP
Inventors: Masaki Mitsui; 雅樹三井
Original assignee: SHINTOO KK
Current assignee: SHINTOO KK
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】安価で天候の変化への追従性がよく太陽電池の利用効率が高いものとする。
【解決手段】動力用太陽電池１からの出力により回転機器５を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータ２と、制御信号用太陽電池３から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータ２に入力する制御回路４とを備え、制御信号用太陽電池３および制御回路４を入射光エネルギー検出センサ１１として回転機器５を天候に応じて駆動することにより、上記の目的を達成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、太陽電池による駆動装置、特に回転機器を駆動する太陽電池による駆動装置に関し、例えば、公園等の噴水や、その他施設の給水を行うシステムのモータポンプなどの駆動に利用される。

太陽電池より得た電気エネルギーつまり電源は、入射光エネルギーの変化に比例して電源容量が変化する。一般には、この電源容量の増減に対し、インバータの周波数を変化させ、モータ負荷を調整している（例えば、特許文１参照。）。
今、晴れから曇りになれば、電源容量が減少するため、インバータの周波数を下げ、モータ回転数を降下させる。遠心ポンプの場合、ポンプの必要エネルギーは回転数の３乗に比例するので、モータ負荷つまり電源負荷は減少し、電源容量とバランスさせることができる。

ここで重要なことは、太陽電池における入射光エネルギーの変化による電源容量の変化をどのように検出するかである。電源容量の減少に応じて負荷容量を減少させるのに、負荷の減少度合いが電源容量の減少度合いよりも下回っていれば、電源から見れば過負荷となり、太陽電池の電源状態を不安定にさせてしまう。また、負荷の減少度合いが電源容量の減少度合い以上になる場合は、軽負荷となり、太陽電池の電源状態は安定している。しかし、入射光エネルギーを効率良く使うという点で、非蓄電環境では損失となる。

通常、太陽電池システムでは、特許文献１に記載があるように最大電力追従制御(ＭＰＰＴ制御)方式が用いられ、動力用太陽電池の出力電圧と出力電流を検出して出力電力を演算し、常に最大電力が得られるように負荷を調整している。

一方、ＭＰＰＴ制御方式において、太陽電池の出力電圧または出力電流を太陽電池の発電電力が最大となるように変化させる探索動作を、時間間隔をあけて断続的に行い、その時間間隔の間は、太陽電池の出力電圧または出力電流を、探索された出力電圧値または出力電流値に保持させ、探索を絶えず行う場合よりも電力の損失を低減し、探索に要する時間を短縮するようにした技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、特許文献２に記載のような技術では電圧目標を一定に保持している間に太陽電池の最大出力点が変われば、太陽電池の出力低下が生じ、電圧目標値の変動期間には太陽電池の出力低下が生じて、太陽電池の利用率が低下することに対し、入力される直流電力を負荷に応じた電力に変換する電力変換手段の動作により生じる、前記入力直流電力に含まれるリプルから入力直流電力の供給源の特性を検出し、この検出される特性に基づき前記目標値を設定することにより、直流電力の供給源の利用率を高めるようにした技術も知られている（特許文献３）。

さらに、ＭＰＰＴ制御方式において、回転機器の運転周波数を基に運転周波数の増減値を定めて最大電力点を追跡あるいは探索することにより、最大電力点により早期に到達させ収束するようにした技術も知られている（例えば、特許文献４参照。）。
特開昭６２−０８５３１２号公報特開平０７−３３４２６０号公報特開２００２−１０８４６６号公報特開２００３−００９５７２号公報

しかし、ＭＰＰＴ制御方式では効率良く運転するという面では優れているが、特許文献１〜４に記載のもののように、太陽電池の電力を演算、監視しながら負荷を調整する点で共通しており、中には探索速度を高めたり、探索過程での問題を回避したりしてはいるが、いずれも、天候の変化に対する追従性の面では不利である。併せ、動力用の太陽電池からの高い入力を受けて電力の演算、監視をしなければならない点でも不利である。これらの結果、総合的な効率を悪化させる原因となるし、高価にもつく。

また、ＭＰＰＴ制御方式では前記のように動力用の太陽電池を監視するので、晴れで太陽電池運転している状態から曇りになって商用電源運転へ切換えることは、太陽電池の監視システムから入射光エネルギーの変化を判断して比較的容易に行える。しかし、曇りから晴れになって商用電源運転から太陽電池運転に切換える逆の場合は、現状が商用電源運転状態で太陽電池が無負荷となっているため、入射光エネルギーが変化しても開放電圧Ｖ_OCはほぼ一定でその変化を検出できず切換えは困難である。一方、商用電源駆動状態で太陽電池への入射光エネルギーの変化を検出するには一定時間負荷を駆動させ、監視する方法があるが、追従性が悪い。よって、商用電源運転から太陽電池運転の自動切換えを追従性よく行うことは困難である。

本発明の目的は、安価で天候の変化への追従性がよく太陽電池の利用効率が高い太陽電池による駆動装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の太陽電池による駆動装置は、動力用太陽電池からの出力により回転機器を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータと、制御信号用太陽電池から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータに入力する制御回路とを備え、制御信号用太陽電池および制御回路を入射光エネルギー検出センサとして回転機器を天候に応じて駆動することを１つの特徴としている。

このような構成では、制御信号用太陽電池と制御回路とが、回転機器をインバータ駆動するのに必要な電力の供給といった制約や、駆動負荷からの影響無しに、駆動用太陽電池と共通な入射光環境での入射光エネルギーセンサとして働き、入射光エネルギーに対する出力が安定しており、制御回路は入射光エネルギー、つまり天候に応じた駆動制御信号を生成してインバータに入力するだけで、天候の変化に対応したインバータ駆動が追従性および効率よく実現する。

本発明の太陽電池による駆動装置は、また、動力用太陽電池からの出力により回転機器を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータと、制御信号用太陽電池から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータに入力する制御回路と、制御回路からの駆動制御信号に応じて回転機器の駆動回路を動力用太陽電池による運転と商用電源による運転とに切換える切換え手段とを備え、制御信号用太陽電池および制御回路を入射光エネルギー検出センサとして回転機器を天候に応じて駆動することを別の特徴としている。

このような構成では、第１の特徴の場合に加え、さらに、制御信号用太陽電池および制御回路が太陽電池運転および商用電源運転のいずれであっても、入射光エネルギーセンサの機能を発揮し続けられるので、切換え手段は制御回路の出力から、天候の変化、つまり晴れから曇りへの変化により入射光エネルギーが減少する変化、曇りから晴れの変化により入射光エネルギーが増大する変化のいずれも検出して、太陽電池運転から商用電源運転への切換えも、商用電源運転から太陽電池運転への切換えも、自動的に適時に行える。

制御回路が、制御信号用太陽電池からの入力電流に応じて駆動制御信号を生成する、さらなる構成では、
制御信号用太陽電池の入射光エネルギーに対する出力が前記のように安定している上に、出力電流は特に入射光エネルギーとの比例関係の直線性が高く、駆動制御信号との相関特性が単純化して駆動制御信号が精度よく得られるので、天候の変化に応じた追従性のよいインバータ駆動がより容易により効率よく実現する。

制御回路が、動力用太陽電池と共通した入射光環境での制御信号用太陽電池の出力と、この出力に応じた駆動制御信号に従った動力用太陽電池による回転機器のインバータ駆動実績から予め求めた動力用太陽電池の利用率に対する好適回転数と、の相関特性に基づき、制御信号用太陽電池の出力に応じた駆動制御信号を出力する、さらなる構成では、
制御信号用太陽電池の入射光エネルギーに対する出力の安定性、およびそれらの比例関係の直線性から、制御信号用太陽電池の出力と、この制御信号用太陽電池の出力に応じて行う動力用太陽電池による回転機器のインバータ駆動実績上の動力用太陽電池の利用率に対する好適な回転数と、の相関特性が反復精度よく得られ、動力用太陽電池の利用率が安定して向上する。

制御回路が、入力に対する駆動制御信号の特性を変化させる機能を有する、さらなる構成では、
制御回路が入力に応じて出力する駆動制御信号の特性を変化させることにより、制御信号用太陽電池の出力に対する好適回転数との相関特性につき、回転機器の種類や特性の違いに応じたものとすることができ、異なった種類や特性の回転機器に適用できる汎用性が得られる。

制御信号用太陽電池は、入射光エネルギーの強弱に応じた駆動制御信号が生成できればよく、駆動用太陽電池よりも小型で低容量のものを採用することができる。

本発明の太陽電池による駆動装置の１つの特徴によれば、制御信号用太陽電池と制御回路とが入射光エネルギーに対する出力が安定したセンサとして働き、制御回路が入射光エネルギーに応じた駆動制御信号をインバータに入力することにより、天候の変化に対応したインバータ駆動が追従性および効率よく実現する。しかも、汎用ＶＶＶＦ方式のインバータを採用できるなど構成が簡単で安価なものとなる。

本発明の太陽電池による駆動装置の別の特徴によれば、１つの特徴に加え、さらに、切換え手段が制御回路からの出力にて、晴れから曇りへの変化、曇りから晴れへの変化のいずれも検出して、太陽電池運転と商用電源運転との天候に応じた切換えを自動的に適時に行え、天候が悪い日においても給水可能となるので、公園等公共施設の噴水設備や災害用の井戸水汲み上げに最適である。

制御回路が、制御信号用太陽電池からの入力電流に応じて駆動制御信号を生成する、さらなる構成によれば、制御信号用太陽電池の入射光エネルギーに対する出力の安定と、出力電流の直線比例性とから、天候の変化に応じた追従性のよいインバータ駆動がより容易により効率よく実現する。

制御回路が、動力用太陽電池と共通した入射光環境での制御信号用太陽電池の出力と、この出力に応じた駆動制御信号に従った動力用太陽電池による回転機器のインバータ駆動実績から予め求めた動力用太陽電池の利用率に対する好適回転数と、の相関特性に基づき、制御信号用太陽電池の出力に応じた駆動制御信号を出力する、さらなる構成によれば、制御信号用太陽電池の安定した出力と、駆動用太陽電池による回転機器のインバータ駆動実績上の動力用太陽電池の利用率に対する好適な回転数と、の反復精度のよい相関特性から、動力用太陽電池の利用率が安定して向上する。

制御回路が、入力に対する駆動制御信号を変化させる機能を有する、さらなる構成によれば、回転機器の種類や特性の違いに応じた駆動制御信号が生成でき、汎用性が得られる。

制御信号用太陽電池には駆動用太陽電池よりも小型で低容量のものを採用することができる。

本発明の実施の形態に係る太陽電池による駆動装置につき図１〜図５を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。本実施の形態は図４に示す例、図５に示す例のように汎用ポンプ５のモータＭを動力用太陽電池１によって駆動する場合の一例である。しかし、本発明は各種の回転機器一般の太陽電池による駆動に適用して有効である。

本実施の形態の太陽電池による駆動装置は、図４の例、図５の例に示すように、動力用太陽電池１からの出力により回転機器である汎用ポンプ５を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータ２と、制御信号用太陽電池３から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータ２に入力する制御回路４とを備え、制御信号用太陽電池３および制御回路４を入射光エネルギー検出センサ１１として汎用ポンプ５を天候に応じて駆動するようにしている。ここに、制御信号用太陽電池３と制御回路４とは、汎用ポンプ５をインバータ駆動するのに必要な電力の供給といった制約や、負荷からの影響無しに、動力用太陽電池１と共通な入射光環境での入射光エネルギーセンサ１１として働き、入射光エネルギーに対する出力が安定している。この結果、制御回路４は入射光エネルギー、つまり天候に応じた駆動制御信号を生成してインバータ２に入力するだけで、天候の変化に対応したインバータ駆動が追従性および効率よく実現する。しかも、構成が簡単で安価に実現する。

特に、制御信号用太陽電池３は入射光エネルギーに応じた駆動制御信号が得られればよく小型で低容量の太陽電池を用いられる。例えば、制御回路４にて晴れ、曇り、雨天等の天候の情報がＤＣ０〜５Ｖの信号で検出できるもので足りる。このような制御信号用太陽電池３の代表特性を図１に示す。図１から入射光エネルギーの変化に対し、開放電圧Ｖｏｃの立ち上がりは急上昇するが、あとは定電圧特性である。一方短絡電流Ｉｓｃ即ち負荷電流（出力可能な電流）は、ほぼ入射光エネルギーの変化に比例して上昇する。

この短絡電流Ｉｓｃの直線的な比例特性から、図２に示す制御回路４を用い、図３に示すような駆動制御信号としての制御回路出力電圧Ｖを出力させ、これをインバータ２の周波数指令つまりモータ回転数指令として用い、インバータ２に入力する。図３に示す制御回路出力電圧Ｖの特性、つまり回転数特性は、天候が変化してもインバータ電源である動力用太陽電池１をほぼ定格ＤＣ２８０Ｖ一定に保ち、かつ動力用太陽電池１の出力を最も効率良く使用できる特性を、入射光エネルギー密度ＫＷ／ｍ²と制御回路出力電圧Ｖとの相関特性として実験的に求めたものである。この制御回路出力電圧Ｖにてインバータ２へ回転数指令として入力させると、天候が変化しても常に高効率運転を実現する。また、太陽光を直接センシングするので、天候が急変してもそれに応じた回転数指令が瞬時にインバータ２へ入力されるため、すばやくかつ安定した追従が可能となる。

図４に示す例は最も簡単な太陽電池ポンプシステムである。動力用太陽電池１で得られたエネルギーを汎用ＶＶＶＦ方式のインバータ２で３φ２００Ｖに変換し、汎用ポンプ５を運転させるようにしている。前記のように、天候に応じて効率よく安定したすばやい追従を行うために、制御信号用太陽電池３から得られたエネルギーを、抵抗器とダイオードで構成された図２に示すような単純な制御回路４でＤＣ０−５Ｖの制御回路出力電圧Ｖに変換し、インバータ２へポンプ運転周波数指令として入力し、天候に応じた負荷となるよう運転する。このように本実施の形態では、太陽電池システム専用のインバータ、モータポンプを用いることなく、汎用ＶＶＶＦ方式のインバータ２を用い、汎用モータポンプとの組み合わせでのシステム構築が可能となり、低価格かつメンテナンス性の良いシステムが構築できる。

また、制御回路４内の抵抗定数を変えることにより、制御信号用太陽電池３からの入力に対する制御回路出力特性、つまりモータ回転数指令の特性を任意に変化させることができ、様々な種類の動力用太陽電池の特性に合せた調整を行うことができる。もっとも、制御回路４の構成はこれに限られることはない。

さらに、図５の例では、制御信号用太陽電池３および制御回路４が太陽電池運転および商用電源運転のいずれであっても、天候の変化、つまり晴れから曇りへの変化により入射光エネルギーが減少する変化、曇りから晴れの変化により入射光エネルギーが増大する変化のいずれも検出できるのを利用して、動力用太陽電池−商用電源自動切換え運転のシステムを採用している。具体的には、制御回路４の出力に市販の設定器を切換え手段６として取り付け、図３に示すように晴れの時と曇りの時の切換え基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を現地の状況に応じて任意に設定しておく。天候が晴れた場合、つまり制御回路４の出力がＶｒｅｆ１に到達した時、商用電源１２側の駆動回路１３における電磁接触器８をＯＦＦしポンプ５を一旦停止させ、インバータ２の出力側の駆動回路１４における電磁接触器７をＯＮし、インバータ２にＯＮ指令を入力しポンプ５を動力用太陽電池１で運転させる。次に曇ってきた場合、つまり制御回路４の出力がＶｒｅｆ２に到達した時、インバータ２にＯＦＦ指令を入力しポンプ５を一旦停止させ、インバータ２の出力側の駆動回路１４における電磁接触器７をＯＦＦし、商用電源１２側の駆動回路１３における電磁接触器８をＯＮして商用電源で運転させる。これによって、天候が悪い日においても給水可能となるので、公園等公共施設の噴水設備や災害用の井戸水汲み上げに最適である。

本発明は、以上のように太陽電池を用いたポンプシステムに実用でき、太陽電池出力を天候の変化にすばやく追従して効率良く利用できる。

制御信号用太陽電池の代表特性を示す図。制御信号用太陽電池出力を駆動制御信号に変換するための制御回路図。制御回路の出力特性を示す図。本実施の形態に係る最も簡単な太陽電池ポンプシステムを示す図。本実施の形態における駆動用太陽電池−商用電源の自動切換え運転を行う太陽電池ポンプシステムを示す図。

符号の説明

１動力用太陽電池
２インバータ
３制御信号用太陽電池
４制御回路
５ポンプ
６切換え手段
７、８電磁接触器
１１入射光エネルギー検出センサ
１２商用電源
１３、１４駆動回路

Claims

動力用太陽電池からの出力により回転機器を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータと、制御信号用太陽電池から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータに入力する制御回路とを備え、制御信号用太陽電池および制御回路を入射光エネルギー検出センサとして回転機器を天候に応じて駆動することを特徴とする太陽電池による駆動装置。
動力用太陽電池からの出力により回転機器を駆動制御信号に応じた周波数でインバータ駆動するインバータと、制御信号用太陽電池から天候情報を得て駆動制御信号を生成しそれをインバータに入力する制御回路と、制御回路からの駆動制御信号に応じて回転機器の駆動回路を動力用太陽電池による運転と商用電源による運転とに切換える切換え手段とを備え、制御信号用太陽電池および制御回路を入射光エネルギー検出センサとして回転機器を天候に応じて駆動することを特徴とする太陽電池による駆動装置。
制御回路は、制御信号用太陽電池からの入力電流に応じて駆動制御信号を生成する請求項１、２のいずれか１項に記載の太陽電池による駆動装置。
制御回路は、動力用太陽電池と共通した入射光環境での制御信号用太陽電池の出力と、この出力に応じた駆動制御信号に従った動力用太陽電池による回転機器のインバータ駆動実績から予め求めた動力用太陽電池の利用効率に対する好適回転数と、の相関特性に基づき、制御信号用太陽電池の出力に応じた駆動制御信号を出力する請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽電池による駆動装置。
制御回路は、入力に対する駆動制御信号の特性を変化させる機能を有する請求項１、２のいずれか１項に記載の太陽電池による駆動装置。
制御信号用太陽電池は、駆動用太陽電池よりも小型で低容量である請求項１〜５のいずれか１項に記載の太陽電池による駆動装置。