JP2008159867A - 太陽光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路の昇圧性能を向上させること、装置コストを削減すること、および消費電力を低減することを課題とする。
【解決手段】太陽電池セル１から昇圧回路２およびコンデンサ３に電流がそれぞれ入力されると、昇圧回路２では、スイッチ素子５が「オン」されている間に、入力電流が電気エネルギとしてインダクタ４の内部に蓄えられる一方で、コンデンサ３でも同じように、入力電流がコンデンサ３の内部に電気エネルギとして蓄えられる。そして、太陽電池セル１から入力される入力電流が最大値（Ｉｍａｘ）となった時点で、コンデンサ３の内部に蓄えられた電気エネルギの放電が開始され、入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）をこえる電流がインダクタ４に供給され、インダクタ４の内部に電気エネルギとして蓄えられる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、太陽電池セルからの発電出力を昇圧回路により昇圧する太陽光発電装置に関する。

従来、太陽光のエネルギを直接電力に変換する太陽光発電システムにおいて、太陽電池セルに照射される太陽光の照射照度を増大させるとともに、太陽電池セルからの発電出力を目的に応じて昇圧回路により昇圧する技術が存在する。

例えば、特許文献１では、太陽電池セルからの発電出力を昇圧する技術として、太陽電池モジュールに複数の昇圧回路からなるＤＣ／ＤＣコンバータを具備し、任意の駆動周波数およびデューティー比から決定される特定の駆動条件でＤＣ／ＤＣコンバータを駆動させるとともに、予めメモリに記録されたデータに基づいて、太陽電池モジュールの最大電力点でＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流に大きなピークが生じないようにして、昇圧回路の昇圧能力を向上させる技術が開示されている。

特開２００６−４０９３１号公報

しかしながら、上記した従来の技術は、装置コストの上昇をもたらす、複雑な制御回路が必要となるという問題点があった。

すなわち、上記した従来の技術は、複数の昇圧回路を用いるため、装置の大型化および重量化を招来する結果となり、装置コストの上昇をもたらすという問題点があった。

また、上記した従来の技術は、制御回路内のマイコン等により生成され、各昇圧回路に伝達される制御信号により、各昇圧回路の動作タイミングをずらすことで、ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流に大きなピークが生じないように制御しているため、複雑な制御回路が必要になるという問題点があり、制御回路内のマイコン等の処理により消費電力が増大するという問題点もあった。

そこで、本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路の昇圧性能を向上させることが可能であり、また、装置コストを削減するとともに、消費電力を低減することが可能な太陽光発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に係る発明は、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セルと当該複数の太陽電池セルからの各発電出力を昇圧する昇圧回路とから構成される太陽光発電装置であって、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段を備えて構成されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、単一の太陽電池セルと当該太陽電池セルからの発電出力を昇圧する昇圧回路とから構成される太陽光発電装置であって、単一の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段を備えて構成されることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、上記の発明において、太陽電池セルの受光面に照射される太陽光を集光するための集光手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、上記の発明において、太陽電池セルの受光面に対して直接照射されない太陽光を当該受光面に照射させるように反射する反射手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段（例えば、コンデンサなど）を備えて構成されるので、複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路の昇圧性能を向上させることが可能である。また、複数の昇圧回路を必要としないことから、装置コストを削減することや、消費電力を低減することが可能である。

本発明によれば、単一の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段を備えて構成されるので、単一の太陽電池セルからの発電出力を昇圧回路により昇圧することで所望の電力が得られる場合には、単一の太陽電池セルで装置を構成することができ、コストの削減および装置の小型化が可能である。

本発明によれば、太陽電池セルの受光面に照射される太陽光を集光するための集光手段（例えば、円形フレネルレンズや線形フレネルレンズなど）を備えるので、太陽電池セルの受光面に対して効率的に太陽光を照射させることが可能である。

本発明によれば、太陽電池セルの受光面に対して直接照射されない太陽光を当該受光面に照射させるように反射する反射手段（例えば、太陽光を受光して太陽電池セルの受光面に反射させることが可能な金属鏡面や白色紙などの反射体や凹面鏡）を備えるので、太陽電池セルの受光面に対して効率的に太陽光を照射させることが可能である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る太陽光発電装置の実施例を詳細に説明する。

以下の実施例１では、実施例１に係る太陽光発電装置の概要および特徴を説明した後に、実施例１による効果を説明する。

［太陽光発電装置の概要および特徴（実施例１）］
まず、図１〜図５を用いて、実施例１に係る太陽光発電装置の概要および特徴を説明する。図１は、実施例１に係る太陽光発電装置の回路構成を示す図である。図２は、太陽電池セルの電流電圧特性を示す図である。図３および図４は、昇圧回路に入力される電流波形を示す図である。図５は、実施例１に係る太陽光発電装置の特徴を示す図である。

実施例１に係る太陽光発電装置は、複数の太陽電池セルからの各発電出力を昇圧回路により昇圧することを概要とするが、複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路の昇圧性能を向上させることが可能である点、また、装置コストを削減することや消費電力を低減することが可能である点に主たる特徴がある。

すなわち、図１に示すように、実施例１に係る太陽光発電装置は、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セル１と、昇圧回路２と、コンデンサ３と、負荷７とから構成される。また、昇圧回路２は、コンデンサ３’、インダクタ４、スイッチ素子５およびダイオード６から構成される。

このうち、太陽電池セル１は、太陽から直接あるいは反射照射される太陽光を受光することにより生成した発電出力を昇圧回路２に出力する。また、昇圧回路２は、スイッチ素子５が「オン」されている間に太陽電池セル１からの発電電流をインダクタ４に電気エネルギとして蓄えて、スイッチ素子５が「オフ」されている間にインダクタ４に蓄えられた電気エネルギを回路内に出力することにより、太陽電池セル１からの発電出力を昇圧する。昇圧回路２の代表的なものとしては、インダクタを用いたチョッパ型昇圧回路やトランスを用いた絶縁型昇圧回路が存在する。

また、太陽電池セル１と昇圧回路２との間（昇圧回路２の入力端）に並列接続されたコンデンサ３は、昇圧回路２のスイッチ素子５が「オン」されている間に太陽電池セル１から入力される発電電流を電気エネルギとして内部に蓄えるとともに、内部に蓄えた電気エネルギを放電する。

このような構成を有する実施例１に係る太陽光発電装置の主たる特徴について具体的に説明する前に、太陽電池セル１の電流電圧特性および昇圧回路２の入力電流波形について簡単に説明する。

図２に示すように、一般的な太陽電池セルの電流電圧特性は、出力電流が変化しても出力電圧がほとんど変化せず、出力インピーダンスの低い状態である定電圧領域と、出力電流が少し変化しただけで出力電圧が大きく変化し、出力インピーダンスの大きい定電流領域とに分けられる。

また、図３に示すように、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力される入力電流は、スイッチ素子５が「オン」されている間は直線的に上昇し、スイッチ素子５が「オフ」されている間は直線的に減少する電流波形となるのが一般的である。そして、昇圧回路２は、所定のスイッチング周波数に基づいて、スイッチ素子５を「オン」から「オフ」へ切り換える動作を繰り返すことにより、例えば、電子機器の動作に必要な電圧まで、太陽電池セル１から昇圧回路２内に入力された入力電圧を昇圧する。

また、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力される入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）は、太陽電池セル１が受光面に受ける太陽光の照度や、昇圧回路２に接続されている太陽電池セル１の個数などにより変化し、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力される入力電流が最大値（Ｉｍａｘ）に到達した時点で、図４に示すように、昇圧回路２に入力される入力電流は最大値（Ｉｍａｘ）で一定となる。

そして、昇圧回路２において、スイッチ素子５が「オン」されている間にインダクタ４に蓄えられる電気エネルギは、インダクタ４に流れる電流の２乗に比例することから、最大値（Ｉｍａｘ）で一定となったまま、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力され続ける入力電流が、インダクタ４に蓄えられるエネルギの増加に寄与することはなく、昇圧には無効な電流となる。

そこで、太陽電池セル１から入力される入力電圧を昇圧回路２において効率的に昇圧するために、スイッチ素子５を「オン」から「オフ」へ切り換えるタイミングと、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力される入力電流の電流波形（図７参照）の最大値（Ｉｍａｘ）とを一致させることが考えられる。しかしながら、仮に、スイッチ素子５を「オン」から「オフ」へ切り換えるタイミングと、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力される入力電流の電流波形のピークとを一致させたとしても、昇圧回路２において昇圧される発電出力の実効的な電流値は、通常、入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）の半分となるため、入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）を大きく下回ることとなり、太陽電池セル１からの出力電力が最大となる入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）近傍（図２参照）で昇圧することができず、結果的に、太陽電池セル１からの発電出力を効率的に昇圧できていない。

これに対して、実施例１に係る太陽光発電装置は、太陽電池セル１と昇圧回路２との間（昇圧回路２の入力端）にコンデンサ３を並列接続することで、太陽電池セル１からの発電出力を効率的に昇圧する。

具体的に説明すると、太陽電池セル１から昇圧回路２およびコンデンサ３に電流がそれぞれ入力されると、昇圧回路２では、スイッチ素子５が「オン」されている間に、太陽電池セル１から入力された入力電流が電気エネルギとしてインダクタ４の内部に蓄えられる一方で、コンデンサ３でも同じように、太陽電池セル１から入力された発電電力がコンデンサ３の内部に電気エネルギとして蓄えられる。そして、太陽電池セル１から入力される入力電流が最大値（Ｉｍａｘ）となった時点で、コンデンサ３の内部に蓄えられた電気エネルギの放電が開始され、図５に例示するように、入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）をこえる電流がインダクタ４に供給され、インダクタ４の内部に電気エネルギとして蓄えられる。

このように、入力電流の最大値（Ｉｍａｘ）をこえる電流が、昇圧回路２のインダクタ４にコンデンサ３から供給されることで、昇圧回路２において昇圧される発電出力の実効的な電流値を最大値（Ｉｍａｘ）近傍に近づけることができ、太陽電池セル１からの発電電力は効率的に昇圧される。また、最大値（Ｉｍａｘ）を越えた入力電流をコンデンサ３に蓄えてインダクタ４に供給するので、昇圧の結果、大きな電力を得られる。

なお、コンデンサ３は、昇圧回路２の入力端近傍に配置するのが望ましい。つまり、昇圧回路２の入力端近傍にコンデンサ３を配置することで、配線抵抗による放電電流制限を大きく低減することができる。

また、コンデンサ３の容量としては、従来のリップル除去目的で回路内に配置されるコンデンサの容量では十分な効果は発揮できず、太陽電池セル１からの入力電流が最大値（Ｉｍａｘ）を越えても、インダクタ４に流れる電流が飽和しないような値とすることが必要である。すなわち、太陽電池セル１から入力される入力電流の最大値、スイッチング周波数、最大オンデューティ、スイッチング動作による太陽電池セル１の出力電圧の許容低限度、および配線による抵抗成分に基づいて十分な容量を設定したコンデンサ３を用いることで十分な効果が発揮される。

また、太陽電池セル１と昇圧回路２との結線が長くなる場合には、配線の交流インピーダンスおよび昇圧回路２のスイッチング周波数を考慮して、配線の途中にもコンデンサ３を複数配置することが望ましい。

［実施例１による効果］
上述してきたように、実施例１によれば、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セル１からの発電出力を昇圧する昇圧回路２の入力端に並列接続したコンデンサ３を備えるので、複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路２の昇圧性能を向上させることが可能である。また、複数の昇圧回路を必要としないことから、装置コストを削減することができるとともに、消費電力を低減することも可能である。なお、最大値（Ｉｍａｘ）を越えた太陽電池セル１からの入力電流を、コンデンサ３の内部に発電電力として蓄えてインダクタ４に供給するので、昇圧の結果、大きな電力を得ることが可能である。

上記の実施例１において、太陽光を集光して太陽電池セル１の受光面に照射させるようにしてもよい。そこで、以下の実施例２では、太陽光を集光して太陽電池セル１の受光面に照射させる場合を説明する。

図６に実施例２に係る太陽電池装置の概要を示す。同図に示すように、実施例２に係る太陽電池装置は、太陽電池セル１の受光面に照射される太陽光を集光するためのレンズ８と、上述した実施例１に係るものと同様の太陽電池セル１、昇圧回路２およびコンデンサ３を備えて構成される。

ここで、レンズ８としては、凸レンズと同等の集光作用があれば適用することができ、代表的な例としては、円形フレネルレンズや線形フレネルレンズなどが存在する。

そして、例えば、図６において実線で示すように、上方から照射される太陽光がレンズ８により集光されて、太陽電池セル１の中心付近に照射される。ここで、レンズ８から集光された太陽光を受けた太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、太陽電池セル１が複数並列接続されているため、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となる。

また、図６において点線で示すように、太陽光のレンズ８に対する照射角がずれたとしても、レンズ８により集光されて太陽電池セル１の受光面上に照射される太陽光は、太陽電池セル１の受光面上を移動するだけで、レンズ８から集光された太陽光を受けた太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となり、太陽電池セル１の中心付近に太陽光が照射される上記の場合と同様である。

このようにして、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力された入力電流は、上記した実施例１と同様の過程を経て、効率的に昇圧される。

［実施例２による効果］
上述してきたように、実施例２によれば、太陽電池セル１の受光面に照射される太陽光を集光するための集光手段（例えば、円形フレネルレンズや線形フレネルレンズなど）を備えるので、太陽電池セル１の受光面に対して効率的に太陽光を照射させることが可能である。また、実施例２によれば、太陽光の照射角が多少ずれても発電特性には影響が出にくいので、従来、太陽光を集光する場合に用いられる高度な追尾装置を必要とすることなく、装置を大幅に簡素化することができ、低コスト化を実現することが可能である。

上記の実施例１において、太陽電池セル１の受光面に対して直接照射されない太陽光を受光面に照射させるように反射してもよい。そこで、以下の実施例３では、太陽電池セル１の受光面に対して直接照射されない太陽光を受光面に照射させるように反射する場合を説明する。

図７および図８に実施例３に係る太陽光発電装置の概要を示す。まず、図７に示すように、実施例３に係る太陽光発電装置は、太陽電池セル１の周辺に設置され、太陽電池セル１の受光面に対して直接照射されない太陽光を受光面に照射させるように反射するための反射体９と、上述した実施例１に係るものと同様の太陽電池セル１、昇圧回路２およびコンデンサ３を備えて構成される。

ここで、反射体９としては、太陽光の反射率の高いものあれば適用することができ、例えば、金属鏡面や白色紙などがこれに該当する。なお、太陽光を反射するのみならず、建築物等により反射された太陽光を反射するようにしてもよい。

そして、例えば、図７において実線で示すように、上方から照射される太陽光のうち、太陽電池セル１の受光面に直接照射されないものは、太陽電池セル１の周辺に設置された反射体９により反射されて、太陽電池セル１の受光面に間接的に照射される。ここで、直接的あるいは反射体９により間接的に照射される太陽光を受けた太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、太陽電池セル１が複数並列接続されているため、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となる。

また、図７において点線で示すように、反射体９に対する太陽光の照射角がずれたとしても、反射体９により照射されて太陽電池セル１の受光面上に照射される太陽光は、太陽電池セル１の受光面上を移動するだけで、太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、上記と同様に、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となる。

続いて、図８に示すように、実施例３に係る太陽光発電装置は、受光面と反対側を太陽に向けて設置された太陽電池セル１の下方に設置されて、太陽電池セル１の受光面に対して太陽光を照射させるように反射するための凹面鏡１０と、上述した実施例１に係るものと同様の太陽電池セル１、昇圧回路２およびコンデンサ３を備えて構成される。

ここで、凹面鏡１０は、太陽光の反射率の高いものあれば適用することができ、例えば、金属鏡面や白色紙などがこれに該当する。なお、太陽光を反射するのみならず、建築物等により反射された太陽光を反射するようにしてもよい。

そして、例えば、図８において実線で示すように、上方から照射される太陽光は、太陽電池セル１の下方に設置された凹面鏡１０により反射されて、太陽電池セル１の受光面に間接的に照射される。ここで、凹面鏡１０により間接的に照射される太陽光を受けた太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、太陽電池セル１が複数並列接続されているため、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となる。

また、図７において点線で示すように、凹面鏡１０に対する太陽光の照射角がずれたとしても、凹面鏡１０により照射されて太陽電池セル１の受光面上に照射される太陽光は、太陽電池セル１の受光面上を移動するだけで、太陽電池セル１から昇圧回路２に出力される出力電流は、上記と同様に、各太陽電池セル１からの出力電流の総和となる。

このようにして、太陽電池セル１から昇圧回路２に入力された入力電流は、上記した実施例１と同様の過程を経て、効率的に昇圧される。

［実施例３による効果］
上述してきたように、実施例３によれば、太陽電池セル１の受光面に対して直接照射されない太陽光を受光面に照射させるように反射する反射手段（例えば、太陽光を受光して太陽電池セルの受光面に反射させることが可能な金属鏡面や白色紙などの反射体９や凹面鏡１０）を備えるので、太陽電池セル１の受光面に対して効率的に太陽光を照射させることが可能である。

さて、これまで本発明の実施例について説明してきたが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、本発明に含まれる他の実施例を説明する。

（１）単一の太陽電池セルと昇圧回路との間にコンデンサを並列接続
上記の実施例１では、複数並列接続された太陽電池セル１と昇圧回路２との間（昇圧回路２の入力端）にコンデンサ３を並列接続して太陽光発電装置を構成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図９に例示するように、単一の太陽電池セル１と昇圧回路２との間にコンデンサ３を並列接続して構成するようにしてもよい。

このように、コンデンサ３などの蓄電手段は、単一接続された太陽電池セル１からの発電出力を昇圧する昇圧回路２の入力端に並列接続されるので、単一の太陽電池セル１からの発電出力を昇圧回路２により昇圧することで所望の電力（例えば、電子機器の動作に必要な分の電力）が得られる場合には、単一の太陽電池セルで装置を構成することができ、コストの削減および装置の小型化が可能である。

（２）回路構成等
また、図１および図９に示した太陽光発電装置の回路構成図は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、太陽光発電装置の具体的な回路構成は図示のものに限られず、リップル除去目的のコンデンサを回路内に配置する、トランス型の昇圧回路の場合はトランスを配置するなど、使用状況などに応じて、任意に構成することができる。

また、上記の実施例１では、太陽電池セルからの発電出力を昇圧する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、太陽電池以外の発電素子（例えば、燃料電池、ゼーベック素子、圧電装置など）からの発電出力を昇圧する場合にも同様に適用することができる。すなわち、太陽電池以外の発電素子においても発電対象となる入力エネルギが有限である以上、発電素子の電流電圧特性は太陽電池の電流電圧特性と類似し、素子固有の最大電流値を有する。それゆえ、上記の実施例１と同様に、発電素子と昇圧回路との間に並列に接続したコンデンサを付加することで、発電電力を効率よく取り出して昇圧することが可能である。

以上のように、本発明に係る太陽光発電装置は、太陽電池セルから入力される入力電流を昇圧回路により昇圧する場合に有用であり、特に、複雑な制御回路を必要とすることなく、簡易に昇圧回路の昇圧性能を向上させること、また、装置コストを削減するとともに、消費電力を低減することに適する。

実施例１に係る太陽光発電装置の回路構成を示す図である。 太陽電池セルの電流電圧特性を示す図である。 昇圧回路に入力される電流波形を示す図である。 昇圧回路に入力される電流波形を示す図である。 実施例１に係る太陽光発電装置の特徴を示す図である。 実施例２に係る太陽光発電装置の概要を示す図である。 実施例３に係る太陽光発電装置の概要を示す図である。 実施例３に係る太陽光発電装置の概要を示す図である。 実施例４に係る太陽光発電装置の回路構成を示す図である。

符号の説明

１ 太陽電池セル
２ 昇圧回路
３、３’ コンデンサ
４ インダクタ
５ スイッチ素子
６ ダイオード
７ 負荷
８ レンズ
９ 反射体
１０ 凹面鏡

Claims (4)

1. それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セルと当該複数の太陽電池セルからの各発電出力を昇圧する昇圧回路とから構成される太陽光発電装置であって、それぞれが並列に接続された複数の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段を備えて構成されることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 単一の太陽電池セルと当該太陽電池セルからの発電出力を昇圧する昇圧回路とから構成される太陽光発電装置であって、単一の太陽電池セルと昇圧回路との間に並列接続した蓄電手段を備えて構成されることを特徴とする太陽光発電装置。
3. 太陽電池セルの受光面に照射される太陽光を集光するための集光手段をさらに備えた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装置。
4. 太陽電池セルの受光面に対して直接照射されない太陽光を当該受光面に照射させるように反射する反射手段をさらに備えた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装置。

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