JP2007201257A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電出力を平滑化し、タイムシフトを可能にする太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】蓄電池モジュールと太陽電池モジュールを並列接続し、前記蓄電池モジュールと太陽電池モジュールの間にスイッチを備える太陽電池ストリングを、ＤＣ／ＡＣ変換装置を介して系統に接続した太陽光発電システムである。そして前記スイッチにより、前記太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの合成出力または前記太陽電池モジュールの出力を切り替え取り出すことにより、太陽光発電出力を平滑化し、タイムシフトを可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールを併設し、系統に接続する太陽光発電システムに関し、特に太陽電池モジュールの出力変動を平滑化し、また太陽電池モジュールの出力をタイムシフトする太陽光発電システムに関する。

太陽電池により太陽光を電力に変換し、その電力を電気負荷に供給し、または系統へ逆潮流することができる。しかしながら、従来は太陽電池と蓄電池の電力を一括してパワーコンディショナーで変換するため、蓄電池から系統への電力流出を避けるようパワーコンディショナーの変換電力を制限しなければならない。このようにパワーコンディショナーの変換電力を制限すると、太陽電池からの発電電力を制限することになる。そのため、結局太陽電池の発電電力が十分に利用できないという問題があった。

このような問題を解決するため、特許文献１の電力貯蔵型太陽光発電システムは、太陽電池と系統との間に接続され、系統との連系運転を行う第１の電力変換手段と、電力貯蔵手段と前記第１の電力変換手段との間の電力を変換する第２の電力変換手段とを具備した太陽光発電用パワーコンディショナーと、受電点の受電電力を検出する受電電力検出手段と、前記電力貯蔵手段からの電力出力時に、前記受電電力が所定の電力を下回らないような制御を含む前記第２の電力変換手段を制御する制御手段とを備えるものである。特許文献１では、第２の電力変換手段によって蓄電池の出力を調整し、あらかじめ深夜電力を蓄電していた電力を放電しながら、太陽光発電による電力を逆潮流することが可能となる。

また、特許文献２は、太陽電池から最大電力を取り出すために最大電力追従制御運転を行うとともに、太陽電池と蓄電池を並列接続した場合に蓄電池併用運転を煩雑な切り替え操作なしに運転する方法を開示している。即ち、特許文献２の太陽光発電装置は、太陽電池と、前記太陽電池と充放電手段を介して並列に接続された蓄電池と、前記太陽電池の出力電力を交流電力に変換し、他の交流電源と連系する電力変換器と、前記太陽電池の出力が増加する方向へ動作指令を変化させる最大電力追従制御手段と、前記太陽電池の電圧を一定に制御する直流定電圧制御手段と、外部からの電力指令による制御を行う手段を備えるものである。そして、前記蓄電池の電圧を前記太陽電池の直流定電圧より小さい値とするように設定し、前記蓄電池の電圧が前記太陽電池の電圧よりも小さいときに、前記蓄電池の放電を阻止するものである。このシステムによれば、太陽光発電の発電量がかなり低いときに蓄電池の電力を出力することが容易に行うことができる。
特開２００２−１７１６７４号公報 特開２００２−３４１７５号公報

特許文献１に開示された発明は、基本的には深夜電力充電し、昼間に放電するようなシステムであり、太陽光発電から充電する場合（自立運転時）には、電力変換手段を介して充放電することになる。そのため、システムの変換効率を非常に高める必要がある。また高効率な変換回路であっても変換のロスがあるため、頻繁に充放電を繰り返すような使い方には適さない。
また特許文献２に開示された発明は、太陽電池の出力が低下したとき、蓄電池から出力することを前提としているため、蓄電池の出力電圧は最大電力点電圧よりかなり低いところに設定されており、発電量が十分にあるときに蓄電池の電力を足すと、太陽電池が非常に効率の悪いところで動作することになる。

太陽光発電のように、再生可能エネルギーは出力変動が大きく、さらには自然現象に依存するため、計画的な発電ができないという問題がある。
また従来の蓄電池を併設したシステムは、非常時のために蓄電池を併設したものが多く、蓄電池に太陽電池から充電される頻度が少なく、その効率はあまり重要視されていない。しかし、出力変動が大きい太陽光発電の出力を常に平滑化するためには、蓄電池システムの頻繁な充放電が必要になる。そのため、高効率な充放電が必要となる。一般的に、電圧変換装置を用いた充放電装置では、充電時と放電時に電圧が２回変換されることになる。このため、高効率の変換装置であってもその合計の変換効率は、変換効率の２乗となってしまう。例えば、充電時または放電時の変換効率が９７％の変換装置は、充電と放電を行うことにより、その合計変換効率は、０．９７×０．９７＝０．９４％となってしまう。
また上記変換装置を含め、一般的に電気回路はベース電流が必要となるが、電気回路は定格容量に近いところで運転すると効率がよく、微小な電力変換は効率が悪くなる。従って、太陽光発電の出力を蓄電池に充電する場合、夜明けや日没前のように日射の弱い場合は、太陽光発電の出力が小さく、そのため、変換装置を作動させるためだけに消費されてしまい、効率が悪くなる。
本発明は、以上のような課題に鑑みて、太陽光発電出力を平滑化し、タイムシフトを可能にする太陽光発電システムを提供するものである。

本発明の太陽光発電システムは、蓄電池モジュールと太陽電池モジュールを並列接続し、前記蓄電池モジュールと太陽電池モジュールの間にスイッチを備える太陽電池ストリングをＤＣ／ＡＣ変換装置を介して系統に接続する太陽光発電システムであって、前記スイッチにより、前記太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの合成出力または前記太陽電池モジュールの出力を切り替え取り出すものである。これにより、太陽光発電出力を平滑化し、タイムシフトを可能にすることができる。

前記太陽電池モジュールの出力Ｐと、蓄電池モジュールの充電容量Ｗは、
Ｐ×０．３時間＜Ｗであることが好ましい。これにより太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの容量バランスをとることができ、その結果、太陽電池モジュールが本来備えている電流制限機能を活かしつつ充電または放電することができる。
前記太陽電池素子は、温度特性の優れている太陽電池素子よりなることが好ましい。これにより、太陽電池モジュールの動作電圧範囲を蓄電池モジュールの電圧で固定した場合に、最大電力に近い適切な電圧範囲に設定することができる。
なお、前記太陽電池モジュールは、薄膜太陽電池素子よりなるとよい。薄膜太陽電池素子は温度特性の優れ、適切な電圧範囲に設定することができる。また前記蓄電池モジュールは、充電不足によるサイクル劣化、メモリー効果のない電池であるとよい。これにより、電圧範囲を狭く設定することが可能である。特にリチウムイオン電池は充放電曲線が平坦であり、部分充放電におけるサイクル劣化やメモリー効果がなく、好ましい。

前記蓄電池モジュールの電圧範囲は、所定の日射量および温度のときの最大電力電圧点（Ｖｐｍａｘ）に対して、前記所定の日射量および温度における６０％以上１００％以下の電力を取り出すことが可能な電圧範囲に設定することが望ましい。これにより、電圧範囲を狭くして、太陽電池モジュールの出力を平滑化することができる。
前記太陽電池モジュールは、逆流防止素子を介して蓄電池モジュールに直接接続するとよい。これにより、電圧変換装置を介することなく直接太陽電池モジュールの発電出力によって蓄電池モジュールを充電するので、電圧変換装置による変換ロスがなくなる。そのため高効率な出力の平滑が可能になる。また蓄電池モジュールと太陽電池モジュールは直接接続され、朝方または夕方あるいは曇りや雨のときのように日射量が少ないときは、小さい充電電流値で充電するので、ＣＶ充電の効果を得ることができる。

前記太陽電池ストリングは、少なくとも時間監視部、電圧検出部または電流検出部を更に備え、前記スイッチは、前記時間監視部、電圧検出部または電流検出部の出力が所定の条件を満たした際に切り替えられることが望ましい。このため、適切な電圧範囲に設定することができる。
前記所定の条件は、少なくとも検出電圧が所定値以上になると出力開始（スイッチＯＮ）、または出力停止（スイッチＯＦＦ）、所定時刻になると出力開始（スイッチＯＮ）、または出力停止（スイッチＯＦＦ）、あるいはそれらの組み合わせによって制御されるとよい。このため太陽光発電出力を平滑化する電圧値、タイムシフトの時間を任意に設定することができる。

前記太陽電池ストリングは、前記ＤＣ／ＡＣ変換装置により所定の電力を出力するように制御されることが望ましい。このため太陽電池モジュールの出力制御することができる。
前記スイッチが開列されている際に、前記太陽電池モジュールの出力を取り出す場合、前記太陽電池モジュールを最大電力点追尾方式で運転することが望ましい。これにより、蓄電池モジュールに制限されることなく、太陽電池モジュールから最大電力を取り出すことができる。
前記太陽電池ストリングが複数ＤＣ／ＡＣ変換装置に並列に接続し、各太陽電池ストリングに逆流防止素子を備えることが望ましい。このため簡単な回路構成により複数の太陽電池ストリングを接続することができ、非常に大型の太陽光発電システムを得ることができる。

本発明によれば、自然エネルギー特有の出力変動を平準化可能である。また本発明によれば、回路による変換ロスがなく、高効率な充放電が可能となる。また太陽電池モジュールの出力をタイムシフトして都合のよいときに太陽電池出力を取り出して有効に利用することができる。また蓄電池モジュールに充電する場合、最大電力点追尾をする必要がなくなりシステムの簡素化が可能となる。また本発明によれば、太陽光発電による電力を直接充電するため、従来のように回路を介して充放電していた場合のように、回路の消費電力がなく、そのため、発電電力量の大きさに依存せずほぼ一定の充放電効率で電力の授受を行うことが可能である。
また本発明によれば、複数の太陽電池ストリングを接続する場合、ひとつのパワコンで平準化制御が可能である。そして、通常大きな太陽光発電システムでは、蓄電池モジュールと太陽電池モジュールをパラレルでつないだ場合は、それぞれが補い合い、まとめて出力する制御部が必要になるが、本発明は１つのＤＣ／ＡＣ変換器によって行うことができ、通常のようにまとめて出力するように制御する制御部を必要としない。

図１に示すように、本発明の太陽光発電システムは太陽電池ストリング１と、ＤＣ／ＡＣ変換器２とからなり、系統３に接続される。太陽電池ストリング１は、太陽電池モジュール１１と、蓄電池モジュール１２と、スイッチ１３と、電流センサー１４と、逆流防止ダイオード１５とから構成される。ここで、太陽電池モジュール１１は逆流防止ダイオード１５を介して、また蓄電池モジュール１２はスイッチ１３を介して、接続点１６に接続される。接続点１６は電流センサー１４に接続される。スイッチ１３は、例えばオン・オフスイッチよりなり、スイッチ１３がオンのときは太陽電池モジュール１１と蓄電池モジュール１２の合成出力が取り出される。またスイッチ１３がオフのときは太陽電池モジュール１１からの出力のみが取り出される。電流センサー１４は太陽電池ストシング１の出力側に挿入され、出力電流を検出する。接続線１７は、太陽電池モジュール１１および蓄電池モジュール１２をＤＣ／ＡＣ変換器２に接続するアースラインを示す。信号線１８は蓄電池モジュール１２の充放電状態をＤＣ／ＡＣ変換器２に通知するための接続線である。なお、蓄電池モジュールの中に電圧検出部１９が設けられ、その検出出力は信号線１８を介してＤＣ／ＡＣ変換器２に送信される。この電圧検出部１９は、蓄電モジュールの外に設けてもかまわないし、太陽電池ストリング１が１個の場合は、特に設ける必要はなく、DC/AC変換装置の接続部分（電圧が等しいため）で電圧の検出が可能となる。
ちなみに電流はＤＣ／ＡＣ変換器２の入り口では太陽電池モジュール１２と蓄電池モジュール１３の電流の合成となっているため、太陽電池ストリング１が単数の場合でも、電流検出部は電池の出口のところで必要になる。

図２は、複数個の太陽電池ストリング１を接続する太陽光発電システムの構成図を示す。図２に示すように、複数個の太陽電池ストリング１は、逆流防止ダイオード２０を介してそれぞれ並列接続され、ＤＣ／ＡＣ変換器２を介して系統４に接続される。その他図１と同一部分には同一符号を付して示す。
信号線１８は、蓄電池モジュール１２に内蔵する電圧検出部１９の電圧情報や、容量カウンターによる充電状態の情報、その他異常が起こったときのエラー信号などのやり取りを行うために使用される。通信プロトコルは、RS-232CやRS-485など通常のものが使用可能である。

以下に、図１、図２に示す太陽光発電システムの各構成部分の詳細を説明する。
《太陽電池モジュール》
本発明に用いられる太陽電池モジュールは、結晶系の太陽電池セルを複数枚接続いて作製された結晶系太陽電池モジュールや、ガラス基板上にＣＶＤ等の方法により形成されたシリコン系半導体や化合物系半導体よりなる薄膜状の太陽電池を直列接続となるように加工したセルを用いた太陽電池モジュール、結晶系のシリコンとアモルファスシリコンを積層したタンデム構造の太陽電池を用いた太陽電池モジュールなどが挙げられる。

通常の太陽光発電システムは、日照条件、太陽電池モジュールの温度に応じて変化する最大電力点を追尾し、出力される電力が最大となるように動作点電圧が制御される。しかし本発明においては、接続される蓄電池モジュールの電圧が太陽電池モジュールの動作点電圧となるように動作させる。そのため、太陽電池モジュールの動作点電圧は蓄電池モジュールが動作する電圧範囲に限定される。
図３は、太陽電池モジュールの出力電力Ｐと出力電圧Ｖの関係を示し、太陽電池モジュールのＰ−Ｖ曲線Ａは図に示す通りである。このＰ−Ｖ曲線Ａにおいて、蓄電池モジュール１２の動作電圧範囲はＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲とする。ＳＯＣ（state of charge）は、蓄電池モジュールの充電状態を示し、ＳＯＣ１００％が満充電であり、ＳＯＣ０％が放電終了の状態である。
このＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲の最大電力点電圧（Ｐｍａｘ）に対する比率は、右側の縦軸目盛と、効率を示す曲線Ｂから効率は、９２％〜１００％の範囲にある。

一般的に、太陽電池は、そのモジュール温度が上がると出力が低下し、その最大電力動作点は温度に対して負の傾き（温度係数）を有する直線関係が見られる。通常、結晶シリコンでは、その温度係数は、−０．４５〜―０．５％／℃程度である。アモルファスシリコンよりなる薄膜太陽電池は、−０．１７〜―０．２％／℃程度である。またアモルファスシリコンを結晶シリコン等と積層したものやＧａＡｓなどの化合物半導体太陽電池などでは、温度係数を−０.２〜−０.３％／℃に抑えたものが開発され、実用化されている。
一方、蓄電池モジュールの動作電圧は温度の影響をさほど受けない。したがって、本発明における太陽電池モジュールは温度によって出力電圧の変化を受け難い温度特性の優れた太陽光電池を選択することが望ましい。上記のように太陽電池モジュールの温度係数は、−０．４２％／℃以下、さらに好ましくは−０．３％／℃以下の太陽電池モジュールを選択することが望ましい。これにより、高いシステム効率を得ることが可能となる。これは接続される蓄電池デバイスの種類にもよるが、蓄電池デバイスの動作電圧の温度変化による変動幅は、約２０〜３０％程度であり、一方太陽電池モジュールの使用温度幅が約６０℃であることから考慮し算出される。
特に、リチウムイオン電池は、温度による充電電圧の変化は非常に小さく、蓄電池モジュールの蓄電池デバイスとして、リチウムイオン電池を選択する場合は、特に温度係数が優れた太陽電池を組み合わせることが好ましい。

《電圧範囲の設定》
本発明において、電圧範囲とは、蓄電池モジュールを充放電する場合の電圧範囲を指し、充電の上限電圧値は充電終止電圧であり、放電の下限値は放電終止電圧である。図４は、充電容量と充放電電圧の関係を示し、充電曲線Ｃで示すように充電され、放電曲線Ｄで示すように放電する。この電圧範囲は任意に設定することが可能であるが、この説明では、ＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲で蓄電池モジュールを使用する場合について説明すると、充電終止電圧はＳＯＣ８０％の電圧であり、放電終止電圧はＳＯＣ２０％の電圧である。結局、電池使用領域はＳＯＣの中心６０％である。
リチウムイオン電池は満充電状態に近い状態で放置すると使用していなくても劣化するため、蓄電デバイスとしてリチウムイオン電池を用いる場合には、電池の中心部の電力を活用することは、電池のサイクル特性上、好ましい。
例えば、上記電圧範囲の下限値は、日射量が１０００ｍＷ／ｍ²、温度が２５℃のときの太陽電池モジュールの最大電力点電圧（Ｖｐｍ）の発電電力に対して、同日射量、温度条件下で、６０％以上の電力が得られる動作点電圧以上とすることができる。好ましくは６５％以上の電力が得られる動作点電圧以上であり、より好ましくは７０％以上であり、更に好ましくは７５％以上である。ここでは２５℃の場合について説明したが、実際の設置場所の情報などをベースに最頻値の日射量や温度をベースに設定してもよい。

上記電圧は、太陽電池の種類および直列数と、蓄電池の種類および直列数、および使用する充電状態を適宜選択することによって実現可能である。
使用するＳＯＣを選択することについて、蓄電池デバイスとしてリチウムイオン電池を使用する場合を例にとって説明する。正極にコバルト酸化物を用いたリチウムイオン電池は、単セル当り３．０〜４．２Ｖの電圧領域にその容量を有する。したがってＳＯＣ０％〜１００％を利用する場合、上記電圧範囲の下限値は３.０Ｖ×直列数である。また下限値を高電圧側にシフトしたい場合には、例えばＳＯＣ５０％〜１００％を利用すれば、上記電圧範囲の上限値は、３．７Ｖ×直列数とすることができる。

前述したように、本発明においては、太陽電池モジュールの動作点は、接続される蓄電池モジュールの電圧によって決められる。そのため接続される蓄電池モジュールは太陽電池モジュールによって発電された電力に充電されたり、接続されたパワーコンディショナーへの出力によって放電されたりすることによって、その電圧は変動する。しかし電池電圧は急激に変動することができないため、上記のように電圧範囲を逸脱した電圧範囲を設定した場合には、最大電力電圧点に比べて、十分な電力を得ることができない。そのため効率の悪い動作電圧で太陽電池が発電し続けることになってしまい、システム効率を高めることができない。

さらに、設定されたＳＯＣの範囲によって決定された電圧範囲内に、６０℃、１０００ｍＷ／ｍ２での最大電力点電圧が含まれるように上記電圧範囲を設定することが好ましい。
太陽電池が十分に発電する日射量がある場合には、太陽電池モジュールの温度が高くなっている場合が多く、上記設定とすることによって種々の日射量、太陽電池モジュール温度にて高い効率で太陽光発電が可能となる。
上記電圧範囲は固定でもかまわないし、日射量や気候条件、蓄電池デバイスの劣化状況などによって、設定値を順次変えていくことも可能である。
日射条件や気候条件によって変更する場合は、過去の日射データや気温データをもとに適切な期間に区切り、電圧範囲を設定すればよい。例えば、気温が低い冬季には太陽電池モジュールの温度が低くなるため、電圧範囲を高く設定する。また気温が高くなる夏季には電圧範囲を低く設定する。更に春季や秋季には冬季と夏季の中間の電圧範囲に設定する。このように日射条件を考慮して設定する場合、日射が安定した地域などにおいては下限値を８０％以上とすることも可能である。

日射が安定した条件下で、本発明の太陽光発電システムの効率をさらに良くするためには、充放電による電圧の変動が少ない蓄電池デバイスを選択することが望ましい。充放電による電圧の変動が少ない蓄電池デバイスについては下記の蓄電池モジュールで説明する。
また、蓄電池は劣化が進むと、内部抵抗が増加するため、段階的に上記範囲内で充電終止電圧を上げていき、放電終止電圧では下げていくように予め設定しておくことも可能である。そのために、スイッチを備えたり、制御ソフト中に設定された設定値を、通信手段などを利用してアップデートが可能なようにしておくとよい。

《スイッチ》
スイッチは、メカニカルに入り切りを制御するスイッチやＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような電界効果型の半導体スイッチを用いることが可能である。このスイッチは、所定の動作電圧範囲で作動するように制御される。

《蓄電池モジュール》
本発明において使用される蓄電池モジュールは、1つ以上の蓄電池デバイスと、必要に応じて保護回路を接続したものである。蓄電池デバイスとしては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などの化学反応を利用した二次電池や、電気二重層キャパシタなどが使用可能である。上述したように、狭い電圧範囲でなるべくたくさん容量が取れる電池が好ましく、化学反応を利用した二次電池が好ましい。中でも、充放電反応に基本的に副反応を伴わない電池系が充放電による電力効率が高くより好ましい。その代表的な例としてリチウムイオン電池があげられる。
さらには、これまで蓄電池デバイスとして使用されていた鉛蓄電池は、充電不足が続くと容量劣化が起こったり、ニッケル水素電池などは決まった範囲で充放電を繰り返すと、容量が十分に得られなくなるメモリー効果などが見られたりするが、リチウムイオン電池は充電不足によるサイクル劣化やメモリー効果などがなく、充電終止電圧の温度依存性がないため、本発明の蓄電池モジュールを構成するための電池としては好適に使用することができる。
リチウムイオン電池の材料には正極材料、負極材料ともに種々なものが提案されており、それらすべてが使用可能である。中でもLｉＦｅＰＯ4を正極に用いたリチウムイオン電池はその充放電曲線が平坦であり、特に好ましい。
上記保護回路としては、例えば、過充電防止回路、過放電防止回路、過電流防止回路、直列に接続された蓄電池デバイスの各セルの電圧監視回路、各セルの電圧を調整するバランス回路などがある。

《太陽電池ストリング》
本発明において、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールが並列接続されたものを太陽電池ストリングと言う。更に詳細には、図１、図２に示すように、スイッチ１３、電流センサー１４、逆流防止ダイオード１５を含む。この場合、太陽電池モジュールは、屋根や屋上のような日当りのよい場所に設置する。蓄電池モジュールは、太陽電池モジュールによって日陰になる太陽電池用架台の一部や配線をまとめる接続箱の一部、または屋内のような雨風の当らない場所に設置可能である。そして、蓄電池モジュールと、蓄電池モジュールの電圧範囲が前記電圧範囲となるように接続された複数の太陽電池モジュールを、それぞれペアなるように電気配線により接続する。

《充電制御方法》
本発明では、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を制御することによって、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を平滑化するとともに、蓄電池モジュールの充電を制御することが可能である。つまり、太陽電池モジュールにより発電された太陽光発電電力からＤＣ/ＡＣ変換装置の出力を引き算したものが充電電力となるからである。このように出力制御することにより、太陽電池モジュールの発電出力を平滑化するとともに、充電制御を行うことができる。
ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力制御は、太陽電池モジュールからの出力変動を吸収するために一定の出力としてもかまわないし、または、充電電流が一定になるようにＤＣ／ＡＣ変換装置の出力を制御してもかまわない。

出力平滑化を重視した場合の制御方法を図５を用いて説明する。この図は、ある日の１６：００〜１７：００の太陽電池モジュールの発電電力ＥとＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｆ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｇ、ＳＯＣ（充電状態）Ｈを示したものである。夕刻に近づくにつれて、日射量が少なくなってきて、発電電力Ｅが徐々に低下しているが、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｆを一定になるよう制御されているので、日射量が下がってくるにもかかわらず、一定の出力を得ることが可能である。さらに同時に蓄電池モジュールへの充電電力Ｇを徐々に下げることが可能となり、二つの制御が同時に達成可能となる。このような制御は、蓄電池モジュールの充電末期に利用すると、蓄電池モジュールの充電制御でよく活用される定電流・定電圧充電と同様の降下が得られ、非常に有効である。
通常は、充電制御装置によって電池の満充電が近くなってくると、充電電力を絞るような制御が行われるが、本発明の太陽光発電システムでは満充電の近くで充電電力を絞るような制御は必要なく、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力制御のみで同時に充電制御が達成できる。

ついで、充電電流を制御する場合について、図６を用いて説明する。この図は、ある日の１０：００〜１１：００の太陽電池モジュールの発電電力Ｉと、ＤＣ／ＡＣ変換装置の出力Ｊ、蓄電池モジュールへの充電電力Ｋを示したものである。日射量の変動に伴って、太陽電池モジュールの発電電力Ｉが急峻に変化しているが、本発明は随時追従する制御ではなく、日射量の大きな流れに従って出力制御することによって、ＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力Ｊを平滑化することが可能となる。さらに充電電力Ｋは、変動があるものの、常に一定電力以下になるように同時に制御されている。電池の制御において、定格充電電力以上の充電を行わないように制御することは電池の寿命を延ばすためにも重要であり、通常は専用の充電装置によって、そのような制御がなされるが、本発明ではＤＣ／ＡＣ変換装置からの出力を平滑化すると同時に、充電電力の制御を同時に達成可能となる。

《容量のバランスについて》
太陽電池モジュールの出力をＰ1（Ｗ）、蓄電池モジュールの蓄電容量Ｗ1（Ｗｈ）とした場合には、そのバランスは、Ｐ１×０．３時間＜Ｗ1とすることが好ましい。この程度の蓄電池容量を持っていれば、細かい時間間隔での出力の平準化は可能である。通常の蓄電池の充電制御においては、蓄電池に大電流が流れ込まないように電流制限が設けられている。しかし、太陽電池モジュールは、そのデバイスに流すことが可能な最大電流が、太陽電池セルの枚数、内部抵抗や配線抵抗などによって決まっており、本来電流制限機能を有する電源であるため、太陽電池モジュールの出力と蓄電池モジュールの蓄電容量バランスを調整することによって、通常必要であった充電時の電流制限回路が不要になる。従って、この容量バランスは非常に重要である。このような観点からも充電電流の最小値は上記下限値が好ましいが、更に好ましくは、Ｐ１×０.５時間、さらに好ましくはＰ１×１時間とすることが好ましい。通常の蓄電池デバイスは、３Ｃ（蓄電池容量を３時間で充電する電流）程度の電流の流れ込みであれば、非安全にならないように設計されており、安全性の観点からＰ１×０．３時間＜Ｗ1の関係が導き出される。さらには、蓄電デバイスは１Ｃ（蓄電池容量を１時間で充電する電流）程度の充電電流は特性に悪影響を与えない充電電流として許容しているため、最小値をＰ１×１時間とすると、蓄電池デバイスの特性を損なうことなく使用することができて好ましい。
充電電流の最大値は、大きくても本発明を実施する場合に問題はないが、設備サイズ、コスト、設備の稼働率等の観点から、Ｐ１×１０時間、さらに好ましくはＰ１×５時間程度とすることが好ましい。十分な蓄電容量があれば、細かい時間間隔での出力の平滑化と電力をタイムシフトする大きな時間での電力シフト（平準化）の両立が可能となり、好ましい。

《所定の容量を出力する出力制御の説明》
一般的な太陽光発電システムは、所定の日射量でもつ太陽光電池の最大電力点を追従しながら、出せる電力をすべて出すように制御される。
また自立型では、ＤＣ/ＡＣ変換装置に接続される機器の負荷容量にあわせて出力容量する制御する。この場合の出力は機器の負荷容量に規定されるので、太陽光発電電力は有効に使えない場合がある。
本発明ではそのような従来の制御は行わず、ある時間幅の間は一定の出力を保つように、図８に示すような制御を行う。または大きな日射変動の流れに沿って平滑化して出力するように、図７に示すような制御を行う。ここで、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールが直接接続されているとは、太陽光発電の電力が直接蓄電池に充電および放電が可能なように接続されていることである。図７、図８において、（ａ）は蓄電池モジュールの充電状態を示す。（ｂ）は日射量を示す。（ｃ）は太陽電池ストリングの出力を示す。

図７、図８に示すように、出力幅や出力量を調整することによって、蓄電池モジュールへの充放電量を制御することが可能であり、蓄電池モジュールを徐々に満充電方向にシフトさせたり、逆に徐々に放電終了方向へシフトさせたり、定期的に満充電→放電終了付近→満充電→放電終了付近となるようしたりすることが可能である。
図３の曲線Ｂは、太陽電池モジュールのモジュール温度６０℃、日射強度９０ｍＷ／ｍ²の場合の動作を示す。この場合は、設定されている電圧範囲では、最大電力点に対して、９２％の電力が得られる電圧から１００％の電力が得られる電圧の範囲で充放電が行われる。従って、初期には先ず充電を行い、満充電に近い領域で出力の平滑化を行うことによって、よりシステム効率を上げることが可能となる。
上記の一定出力の出力量と時間の幅は電池の充電状態によって決定する方法や、気象情報や別途測定している日射量を参考にあらかじめ設定されたパターンを選択する方法などが考えられる。

《スイッチ切り替え動作の説明》
本発明は、太陽電池ストリングに接続された蓄電池モジュール１２の電圧を検出してスイッチ１３を接続したり開列したり切り替えるので、たとえば満充電後しばらくの間、電池を切り離し、太陽電池の発電電力のみを最大電力点追尾方式で活用し、その後所定の時間になった際に、再度蓄電池モジュールを接続し、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの合成された電力を一定時間活用することが可能となる。
また、本発明により、太陽電池ストリングからの電流を検出してスイッチを切り替える。そのため、たとえば、図２に示すように複数の太陽電池ストリングを並列で一台のＤＣ/ＡＣ変換装置に接続し、一定電力制御している時に、一部の太陽電池ストリングの日射量が低下したり、日陰になったりして、一部の太陽電池ストリングの出力が低下した場合、極端には発電不能になった場合に、ある太陽電池ストリングのみに出力要求が集中することを回避することが可能となる。

本発明の太陽電池ストリングは、蓄電池モジュールを有するため、日射がなくても要求されるだけの電力を供給できるが、一定以上の電流が流れた場合に、出力を太陽電池モジュールのみに切り替えれば、太陽電池モジュールからの電力は有限であるため、電力を能力以上に要求されると電圧が下がり、他の太陽電池ストリング中の蓄電池からの出力を促すこととなる。
通常の通信手段で外部より信号を送ることによってスイッチを太陽電池と蓄電システムを開列するように切り替えることができるようにすれば、ＤＣ/ＡＣ変換装置からの信号により太陽電池の出力のみとなるようにスイッチを切り替え、必要に応じて最大電力点追尾で動作させるようなことが可能となる。

（実施形態１）
《システム構成》
図１は、本発明の太陽光発電システムの構成の一例を示す図である。太陽電池モジュール１１は、最大電力点電圧がＶｐｍ＝５１Ｖ、Ｉｓｃ＝２Ａ、８５Ｗの薄膜結晶太陽電池パネルを４直３並列の１２枚から構成される。蓄電池モジュール１２は、５．７Ａｈのリチウムイオン電池を４８直列として構成し、保護回路および電力カウンターを有する回路部を伴って構成される。この構成の太陽電池ストリング１は、蓄電池モジュール１２の電力が太陽電池モジュール１１に逆流しないように設けられた、逆流防止素子１５を介して並列接続を行う。ここで、保護回路は、市販の電圧監視ＩＣ、ＦＥＴおよび制御用ＣＰＵなどから構成され、電圧異常などを検出したら回路を開列し電池を保護するなどの機能を有するものである。電力カウンターは電力監視用のＩＣ等が搭載され、蓄電デバイスの充放電電力を監視し、電池の充電状態を外部に出力することが可能な回路である。また逆流防止素子１５は、ダイオードよりなる。
また、太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの接続をオン・オフするスイッチ１３が蓄電池モジュール１２と接続点１６の間に接続される。更に接続点１６は、太陽電池ストリングの電流を測定する電流センサー１４を介してＤＣ／ＡＣ変換装置２に接続される。ここでスイッチ１３としては、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ ＴＦＴ）を使用する。電流センサー１４は、例えばシャント抵抗を接続し、その両端の電圧を測定したり、ホールセンサーなどを利用したりすることができる。スイッチ５は、制御回路（図示しない）によって、太陽電池モジュールに接続されたり、太陽電池モジュールから開列するように制御される。
このようにして構成された太陽電池ストリング１をＤＣ／ＡＣ変換装置２に接続し、ＤＣ／ＡＣ変換装置２の出力によって、系統電力３と連係させる。
また蓄電池モジュール１２から信号線１８によって、蓄電池の状態を検出できるようになっている。この信号線１８は、蓄電池の電圧やＳＯＣ（充電状態）等の信号をＤＣ／ＡＣ変換装置２に供給し、ＤＣ／ＡＣ変換装置２からの出力を決定するために使用される。

《蓄電池の動作電圧範囲》
前記蓄電池モジュール２を構成するリチウムイオン電池の全電力を充放電する場合の電圧領域は、２０２Ｖ〜１４４Ｖであるが、この実施例１では上下２０％をカットしたＳＯＣ２０％〜ＳＯＣ８０％の範囲で、全容量の６０％を使用することとした。この場合の放電時の下限電圧は１７４Ｖ、充電時の上限電圧は１９９Ｖである。
上記太陽電池モジュールの１０００ｍＷ／ｍ２、２５℃における最大電力電点圧（Ｖｐｍ）は、２０４Ｖであり、その際の発電電力は８５Ｗである。また同条件下ＰＶ曲線での、電池の下限電圧１７４Ｖ、上限電圧１９９Ｖでの出力電力はそれぞれ７８．２Ｗ（９２％）、８３．７Ｗ（９２％）である。

《出力の制御方法》
この実施例１では出力制御は下記の条件で行った。下記説明でのＳＯＣ（Ｃ）は、数値を解りやすくするために、上記で規定した実際に使用する容量（蓄電デバイスの６０％容量）を１００として、比率で示している。即ち、ＳＯＣ２０％＝ＳＯＣ（Ｃ）０％、ＳＯＣ８０％＝ＳＯＣ（Ｃ）１００％である。
（１）ＳＯＣ（Ｃ）７０％以下では出力停止
（２）ＳＯＣ（Ｃ）７０％より受電が進んだら１００Ｗ出力開始
（３）ＳＯＣ（Ｃ）が１０％増加するごとに出力を１００Ｗ増加する。
（４）ＳＯＣ（Ｃ）が１０％減少するごとに出力を１００Ｗ減少させる。
（５）ＳＯＣ（Ｃ）１０％の変動が１５分以内に起こった場合には、増加あるいは減少 させる出力は２００Ｗとする。
（６）１６：１８になったら（７０％充電状態の電力が６００Ｗ（約１Ｃ放電）によっ て、１０：００に完了する時間）、６００Ｗ出力を行う。

《結果》
図７にこの実施例１のシステムの一日の動作データを示す。日射変動が激しく太陽電池の出力は大きく変動しているが、DC/AC変換装置からの出力は平滑化されていることがわかる。即ち、図７の日射量が６時４５分頃から８時まで増加しているが、蓄電池の充電状態はＳＯＣ（Ｃ）７０％未満である。そのため上記条件（１）により、この実施例１の太陽電池ストリング出力は、図７にａで示すように０Ｗである。しかし８時を過ぎたとき、蓄電池のＳＯＣ（Ｃ）は７０％を越える。このため太陽電池ストリング出力は上記（２）の条件により、図７にｂで示すように１００Ｗ出力する。日射量は更に増加して蓄電池のＳＯＣ（Ｃ）は１０％増加し、ＳＯＣ（Ｃ）８０％になる。しかもこの１０％増加は１５分以内であったので、上記（５）の条件により、図７にｃで示すように太陽電池ストリングからの出力を２００Ｗ増加させる。さらにその後も充電が続けられ、ＳＯＣ（Ｃ）が９０％となる。このときの１０％増加が１５分以内であったので、上記（５）の条件により、図７にｄで示すように，更に太陽電池ストリングからの出力を２００Ｗ増加させる。

その後、日射量は減少し、蓄電池のＳＯＣ（Ｃ）は１０％減少し、上記（４）の条件により、図７にｅで示すように太陽電池ストリングからの出力を１００Ｗ減少させる。以降、日射量、ＳＯＣ（Ｃ）の変動に対応して太陽電池ストリングの出力は図７にｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋで示すように増減する。
そして、上記条件（６）により、１６：１８以降の間帯に起動時から、実際に出力を開始した時間までの発電電力（ａの時間帯）および日射時間中の発電電力をタイムシフトする。
以上のように上記条件に従って制御することにより、出力の平滑化が可能となり、かつ１６：１８以降の間帯に発電電力をタイムシフトできることがわかる。
今回得られた最大電力量ですべて制御した場合の想定発電電力に対して、実際に得られた電力量は９７％（蓄電池の充放電ロス除く）であった。これは回路を介して出力の平滑化を行う場合、回路での昇降圧の効率が９８．５％（往復で０．９８５×０．９８５＝０．９７）と同等であり、非常に高い効率であることがわかる。
したがって、本発明により、高効率で出力の平滑化および電力のタイムシフトが可能となることがわかる。

(実施形態２)
実施例1と同様のシステムによって制御方法のみを変更し、運転を行った。
運転条件は下記の通りである。
（１）満充電になるまで充電。
（２）満充電になったら蓄電池デバイスを切り離し、制御方法を最大電力点追尾変更して出力。
（３）１２：００〜１４：００になったら３００Ｗ出力を行う。（１時間）

上記の運転結果を図８に示す。結果から明らかなように、午前中の発電電力を１２：００〜１４：００にシフトすることが可能である。また、状況に応じて容易に最大電力点追尾によって太陽電池の発電電力のみを系統に出力することと、太陽電池の出力と蓄電池モジュールの出力を足し合せて平滑化された出力を行うことを容易に切り替えることが可能である。
また、本実施例で実際に得られた電力量（充放電されている期間のみ）は、最大電力量ですべて制御した場合の想定発電電力に対して、９６．３％（蓄電池の充放電ロス除く）であった。これは回路を介して出力の平滑化を行う場合、回路での昇降圧の効率が９８％（往復で０．９８×０．９８＝０．９６）と同等であり、非常に高い効率でタイムシフトが実現できていることがわかる。

太陽光発電システムの構成図である。 複数の太陽電池ストリングを備える太陽光発電システムの構成図である。 太陽電池モジュールの出力電圧と出力電力の関係を示す図である。 蓄電池モジュールの充電容量と充放電電圧の関係を示す図である。 太陽電池モジュールの出力平滑化を重視した場合の制御方法を説明する図である。 太陽電池モジュールの充電電流を制御する場合の制御方法を説明する図である。 本発明の太陽光発電システムの制御方法を説明する図であり、ある時間幅の間は一定の出力を保つように制御する場合の説明図である。 本発明の太陽光発電システムの制御方法を説明する図であり、大きな日射変動の流れに沿って平滑化して出力を行うように制御する場合の説明図である。

符号の説明

１ 太陽電池ストリング
２ ＤＣ／ＡＣ変換装置
３ 系統
１１ 太陽電池モジュール
１２ 蓄電池モジュール
１３ スイッチ
１４ 電流センサー
１５ 逆流防止素子
１６ 接続点
１７ アースライン
１８ 信号線
１９ 電圧検出部
２０ 逆流防止素子

Claims (10)

1. 蓄電池モジュールと太陽電池モジュールを並列接続し、前記蓄電池モジュールと太陽電池モジュールの間にスイッチを備える太陽電池ストリングを、ＤＣ／ＡＣ変換装置を介して系統に接続する太陽光発電システムであって、前記スイッチにより、前記太陽電池モジュールと蓄電池モジュールの合成出力または前記太陽電池モジュールの出力を切り替え取り出すことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 前記太陽電池モジュールの出力Ｐと、蓄電池モジュールの充電容量Ｗは、
   Ｐ×０．３時間＜Ｗであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記太陽電池モジュールは、温度特性の優れている薄膜太陽電池素子よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記蓄電池モジュールの電圧範囲は、所定の日射量および温度のときの最大電力電圧点（Ｖｐｍａｘ）に対して、前記所定の日射量および温度における６０％以上１００％以下の電力を取り出すことが可能な電圧範囲に設定することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
5. 前記太陽電池モジュールは、逆流防止素子を介して蓄電池モジュールに直接接続することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
6. 前記太陽電池ストリングは、少なくとも時間監視部、電圧検出部または電流検出部を更に備え、前記スイッチは、時間監視部、前記電圧検出部または電流検出部の出力が所定の条件を満たした際に切り替えられることを特徴とする請求項1に記載の太陽光発電システム。
7. 前記所定の条件は、少なくとも検出電圧が所定値以上になると出力開始（スイッチＯＮ）、または出力停止（スイッチＯＦＦ）、所定時刻になると出力開始（スイッチＯＮ）、または出力停止（スイッチＯＦＦ）、あるいはそれらの組み合わせによって制御されることを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システム。
8. 前記太陽電池ストリングは、前記ＤＣ／ＡＣ変換装置により所定の電力を出力するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
9. 前記スイッチが開列されている際に前記太陽電池モジュールの出力を取り出す場合、前記太陽電池モジュールを最大電力点追尾方式で運転することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
10. 前記太陽電池ストリングを複数ＤＣ／ＡＣ変換装置に並列に接続し、各太陽電池ストリングに逆流防止素子を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の太陽光発電システム。

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