JP2009153306A

JP2009153306A - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP2009153306A
Application number: JP2007329474A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Sato; 光雄佐藤
Original assignee: HOMARE DENCHI KOGYO KK
Current assignee: HOMARE DENCHI KOGYO KK
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】日照量が低下しても、発電された電力を有効に利用することができる太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電システム１００は、太陽光発電モジュール１１０、１２０と、太陽光発電モジュール１１０、１２０を直列または並列接続する直並列切替回路１３０と、直列接続された太陽光発電モジュール１２０および１３０の出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいか否かを判定し、その判定結果Ｓを直並列切替回路１３０へ供給する判定回路１４０とを有する。直並列切替回路１３０は、判定結果Ｓに基づき、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいと判定されたとき、太陽光発電モジュール１１０および１２０を直列接続し、より小さな発電電圧でも二次電圧への充電を可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光発電システムに関し、特に、太陽光によって発電された電力を効率良く利用する技術に関する。

太陽光発電システムは、太陽電池またはソーラセルの光起電力効果を利用し、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行うものである。一般に、太陽電池の素材には、シリコン半導体や化合物半導体などが用いられている。シリコン半導体のＰＮ接合領域に光が入射すると、光エネルギーが吸収され、そこに電子または電力が発生する。

太陽電池は、その寿命が長く、環境にも優しいため、例えば、電卓、腕時計、携帯用電子機器、道路標識、庭園灯、街路灯、駐車券発行機、乗り物などに広く利用されている。また、太陽電池は、日照を得ることができればよいため、電力供給が難しい海洋や山岳地帯でも利用されている。

他方、太陽電池の出力は、受光する光エネルギーの強さ、すなわち日照時間や日照条件の影響を受ける。このため、太陽電池を二次電池と組合せ、太陽電池の電力を二次電池に蓄え、太陽電池の出力が低下した場合には、二次電池に蓄電された電力を利用している。これにより、夜間、雨天等の日照を十分に得ることができないときであっても、二次電池に充電された電力によって負荷を駆動することができる。

特許文献１は、太陽電池から蓄電器への蓄電を効率的に行う太陽電池蓄電装置の技術を開示している。図６に示すように、この太陽電池蓄電装置１は、太陽電池セルユニット２と、蓄電器４と、蓄電器４の蓄電電圧を検出する電圧検出手段５と、直列並列切替手段５と、制御電源安定器７とを含んでいる。直列並列切替手段５は、検出された蓄電電圧に応じて太陽電池セルユニット２の出力側の直列接続と並列接続の組合せを、蓄電電圧が低いほど並列接続数を多くして蓄電器４への電流量を増加させ、また、蓄電電圧が高いほど直列接続数を多くして蓄電器４への印加電圧を増加させる。これにより、蓄電器４の蓄電電圧が低いほど太陽電池セルユニット２から蓄電器４への電流量が多く、蓄電器４への印加電圧が蓄電器４の蓄電電圧を常に上回るようになり、蓄電器４への蓄電が効率的に行われる。

特開２０００−６００２１号

従来の太陽光発電システムの典型例を図７に示す。同図に示すように、太陽電池または太陽光モジュール１０−１、１０−２は並列に充電制御回路１２に接続され、充電制御回路１２は、太陽光モジュールにより発電された電力を二次電池へ供給する。充電制御回路１２は、太陽光モジュールの出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧より高い場合には、二次電池への電力を供給することができるが、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧を下回ると、電力を供給することができない。

太陽の日照時間が長く、その光エネルギーが強ければ、太陽光モジュールの出力電圧Ｖｏｕｔは、安定的に基準電圧よりも大きいが、日照時間が短くなったり、不安定になり、曇ったり、太陽光エネルギーが小さくなると、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧より小さくなってしまい、二次電池への充電を行うことができない。特に、朝夕、曇りのとき等は、太陽光の日照があるにもかかわらず、太陽光モジュールの受光面における光エネルギーが弱いため、出力電圧Ｖｏｕｔが低くなり、効率よく二次電池への充電を行うことができず、発電された電力を有効に活用することができない。

特許文献１は、蓄電器の電圧が低下したときに、太陽電池セルユニットから蓄電器へ多くの電流を流すものであり、上記したように、太陽光のエネルギーが低下したときに、その発電を有効に活用するものではない。

本発明は、このような従来の課題を解決し、太陽電池への太陽光エネルギーが低下しても、発電された電力を有効に利用することができる太陽光発電システムを提供すること目的とする。

本発明に係る太陽光発電システムは、複数の太陽光発電モジュールと、複数の太陽光発電モジュールを直列または並列に接続する直並列切替手段と、直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が基準電圧よりも大きいか否かを判定する判定手段とを有し、前記直並列切替手段は、前記判定手段により前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールを直列接続する。また、基準電圧以上となったとき複数の太陽光発電モジュールを直列接続から並列接続に切替える。

好ましくは、前記判定手段は、前記出力電圧と前記基準電圧とを比較する比較器を含み、前記直並列切替手段は、前記比較器の出力に基づき直並列の接続を切替える。例えば、前記直並列切替手段は、リレー回路を含む。好ましくは、太陽光発電システムはさらに、並列または直列に接続された複数の太陽光発電モジュールに接続された二次電池を含む。

好ましくは、第１の太陽光モジュールは、第１の正極および負極を有し、第２の太陽光モジュールは、第２の正極および負極を有し、第１の正極は、正側の出力ラインに接続され、第１の負極は、直並列切替手段の第１の切替回路の入力端子に接続され、第２の正極は、直並列切替手段の第２の切替回路の入力端子に接続され、第２の負極は、負側の出力ラインに接続され、第１の切替回路は、第１の入力端子を前記負側の出力ラインまたは第２の太陽光モジュールの第２の正極へ接続し、第２の切替回路は第２の入力端子を前記正側の出力ラインまたは開放に接続する。

本発明に係る太陽光の照射により発電する太陽光発電モジュールを複数備えた太陽光発電システムは、複数の太陽光発電モジュールと、複数の太陽光発電モジュールを直列または並列に接続する直並列切替手段と、直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が第１の基準電圧よりも大きいか否かを判定する第１の判定手段と、直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が第２の基準電圧よりも大きいか否かを判定する第２の判定手段とを有し、前記直並列切替手段は、第１の判定手段により前記出力電圧が前記第１の基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールの第１の選択された太陽光発電モジュールを直列接続し、前記直並列切替手段は、第２の判定手段により前記出力電圧が前記第２の基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールの第２の選択された太陽光発電モジュールを直列接続する。

本発明によれば、日照量が小さく太陽光発電モジュールの出力電圧が小さい場合には、複数の太陽光発電モジュールを直列に接続し、太陽光発電モジュールの出力電圧を大きくすることで、太陽光発電モジュールで発電された電力を効率よく二次電池へ充電することができる。

本発明の最良の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、太陽電池または太陽光モジュールを２つ用いた例を説明する。

図１は、本発明の実施例に係る太陽光発電システムの構成を例示するブロック図である。ここでの例示は、２つの太陽光発電モジュールを示しているが、３つ以上の太陽光モジュールであってもよい。本実施例に係る太陽光発電システム１００は、太陽光発電モジュール１１０、１２０と、太陽光発電モジュール１１０、１２０を直列または並列に接続する直並列切替回路１３０と、直列接続された太陽光発電モジュール１２０および１３０の発電電圧または出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいか否かを判定する判定回路１４０とを有している。判定回路１４０の判定結果は、出力信号Ｓとして直並列切替回路１３０へ供給され、直並列切替回路１３０は、出力信号Ｓに基づき出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいとき、直列接続された太陽光発電モジュール１１０および１２０を並列接続に切替える。

図７に示すような従来の太陽光発電システムでは、太陽光発電モジュールの出力電圧が二次電池の充電に必要な充電電圧より小さくなると、太陽光発電モジュールで発電された電力を二次電池に充電することができなかった。これに対し、本実施例の太陽光発電システムは、個々の太陽光発電モジュールの出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆより小さくなった場合には、個々の太陽光発電モジュールの出力電圧を直列に接続し、太陽光発電モジュールの全体の発電電力または出力電圧を大きくする。これにより、太陽光発電モジュールの出力電圧を、二次電池の充電電圧よりも容易に大きくすることができ、太陽光発電モジュールによって発電された電力を無駄にすることなく効率よく二次電池に充電させることができる。また、直列接続された出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆを超えた場合には、それぞれの太陽光発電モジュールは、直列接続から並列接続に切替えられ、個々の太陽光発電モジュールからの電力を二次電池へ充電させることができる。太陽光発電モジュールの直並列を切替える基準電圧Ｖｒｅｆは、二次電池の充電容量あるいは充電電圧等に応じて設定されるが、例えば、基準電圧Ｖｒｅｆは、二次電池の出力電圧と同等かそれよりも僅かに大きな値に設定される。

図２は、図１に示す太陽光発電システムの回路の構成例を示す図である。太陽光発電モジュール１１０は、複数のソーラセルを含むソーラパネルであり、
最大定格出力は、１７Ｖ、１Ａである。太陽光発電モジュール１２０は、太陽光発電モジュール１１０と同様の構成である。

太陽光発電モジュール１１０の正極は、正側の出力ラインＬ１に接続され、負極は、直並列切替回路の第１のスイッチＳ１の端子Ｔ_１１に接続される。太陽光発電モジュール１２０の正極は、直並列切替回路１３０の第１のスイッチＳ１の端子Ｔ_１３に接続されるとともに第２のスイッチＳ２の端子Ｔ_２１に接続され、負極は、負側の出力ラインＬ２に接続される。

直並列切替回路１３０は、第１および第２のスイッチＳ１、Ｓ２と、判定回路からの出力信号Ｓ（判定結果）に応答してスイッチＳ１、Ｓ２の切替を制御する切替制御部１３２とを含んでいる。スイッチＳ１は、端子Ｔ_１１を、端子Ｔ_１２または端子Ｔ_１３に接続する。端子Ｔ_１２は、負側の出力ラインＬ２に接続され、端子Ｔ_１３は、スイッチＳ２の端子Ｔ_２１または太陽光発電モジュール１２０の正極に接続される。スイッチＳ２は、端子Ｔ_２１を、端子Ｔ_２２または端子Ｔ_２３に接続する。端子Ｔ_２２は、正側の出力ラインＬ１に接続され、端子Ｔ_２３は、オープンである。直並列切替回路１３０は、例えば電磁リレー回路から構成され、スイッチＳ１、Ｓ２は、切替制御部（電磁ソレノイド）１３２によって開閉を制御される。

判定回路１４０は、比較器１４２を含み、比較器１４２の非反転入力端子（＋）には、出力電圧Ｖｏｕｔが供給され、反転入力端子（−）には基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。また、比較器１４２の非反転入力端子と出力端子との間に正帰還をかける抵抗Ｒが接続される。比較器１４２は、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ以上のとき、ハイレベル（Ｖｃｃ）の出力信号を出力し、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいとき、ローレベルの出力信号を出力する。

太陽光による日照がないとき、出力電圧Ｖｏｕｔは、ほぼ０Ｖであり、比較器１４２の出力信号Ｓはローレベルである。このとき、直並列切替回路１３０は、スイッチＳ１の端子Ｔ_１１をＴ_１３に接続し、スイッチＳ２のＴ_２１をＴ_２３に接続し、太陽光発電モジュール１１０と１２０とが直列接続されている。この状態から、太陽光による日照が開始されると、太陽光発電システム１１０と１２０は、僅かではあるが発電を開始する。太陽光発電ジュール１１０と１２０のそれぞれの出力電圧は小さいが、太陽光発電モジュールを直列接続したことにより、それぞれの出力電圧が合計されるため、太陽光発電モジュールの出力電圧は実質的に２倍の大きさとなる。このため、従来のように、１つの太陽光発電モジュールの出力電圧では二次電池への充電が不可能であった場合でも、直列接続された２倍の出力電圧であれば、二次電池の充電電圧よりも大きくなる確率が高くなり、その結果、朝夕、あるいは曇天のときの比較的太陽光エネルギーが弱い状態で発電された電力を無駄なく効率よく二次電池に蓄電することができる。

太陽光による日照が十分となり、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆ以上になると、比較器１４２の出力信号Ｓはハイレベルとなる。切替制御部１３２は、ハイレベルの出力信号Ｓに応答して、スイッチＳ１、Ｓ２の切替を制御し、スイッチＳ１の端子Ｔ_１１を端子Ｔ_１２に接続し、スイッチＳ２の端子Ｔ_２１を端子Ｔ_２２に接続し、太陽光発電モジュール１１０、１２０を並列接続に切替える。

図３は、図２の太陽光発電システムに二次電池を接続する例を示す図である。同図に示すように、出力ラインＬ１、Ｌ２は、充電制御回路１５０に接続され、充電制御回路１５０には、二次電池１６０が接続される。充電制御回路１５０は、出力ラインＬ１、Ｌ２間に一定値以上の出力電圧Ｖｏｕｔが生じると、太陽光発電モジュールで発電された電力を二次電池１６０に供給する。

充電制御回路１５０または二次電池１６０には、インバータ回路１６０が接続されている。インバータ回路１６０は、充電制御回路１５０または二次電池１６０から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧は、負荷１７０に供給される。

図４に、本実施例の好ましい太陽光発電モジュールの回路図であり、図２と等価なものである。太陽光発電モジュール１１０の正極および負極は、入力チャンネル２００に接続され、太陽光発電モジュール１２０の正極および負極は、入力チャンネル２１０に接続され、出力チャンネル２２０は、二次電池の入力端子に接続される。

入力チャンネル２００の正側端子は、ダイオードＤ３を介して正側出力ラインＬ１に接続され、正側出力ラインＬ１はダイオードＤ５を介して出力チャンネル２２０の正側端子に接続される。正側出力ラインＬ１にはさらに、出力電圧Ｖｏｕｔを安定化させるために、４７μＦの電解コンデンサＣ１が接続され、さらに安定化用のレギュレータＩＣ１と、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ２、Ｃ３が接続されている。コンデンサＣ２およびＣ３は、それぞれ例えば０．１μＦである。

直並列切替回路１３０は、スイッチＳ１と、スイッチＳ２と、リレー１３２と、リレーに並列に接続されたダイオードＤ２を含む。入力チャンネル２００、２１０と直並列切替回路１３０との接続関係は、上記した図２と同様である。

コンパレータ１４２の非反転入力端子（+）には、抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して正側出力ラインＬ１に接続され、さらに抵抗Ｒ２により正帰還ループが形成されている。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続ノードｎ１と負側出力ラインＬ２との間には、ツェナーダイオードと電圧レギュレータ用ＩＣが接続され、および２．４９Ｖの基準電圧Ｖｒｅｆを生成する。コンパレータ１４２の反転入力端子（−）には、正側出力ラインＬ１と負側出力ラインＬ２の電圧を抵抗Ｒ４とＲ５で分圧したノードｎ２の電圧、すなわち太陽光発電モジュールの出力電圧に対応した電圧が接続される。コンパレータ１４２の出力は、直並列切替回路１３０に提供される。好ましくは、抵抗Ｒ１は１．６ＫΩ、抵抗Ｒ２は５．６ＫΩ、抵抗Ｒ３は４．７ＫΩ、抵抗Ｒ４は５．６ＫΩ、抵抗Ｒ５は１ＫΩである。

上記実施例では、２つの太陽光発電モジュールの例を示したが、太陽光発電モジュールの数は、３以上のＮ個（Ｎは、自然数）であってもよい。図５に、Ｎ個の太陽光発電モジュールを用いた例を示す。同図に示すように、Ｎ個の太陽光発電モジュール１１０、・・・１１０Ｎを用いた場合、判定回路１４０は、太陽光発電モジュールの出力電圧をｍ個（ｍは自然数）の基準電圧と比較するようにしてもよい。基準電圧を複数設定することで、Ｎ個の太陽光発電モジュールをすべて直列接続したり、あるいはＮ個の中の選択された数の太陽光発電モジュールを直列接続し、これにより出力電圧を多段階で大きくすることができる。

上記実施例では、直並列切替回路の一例として電磁リレーを用いたが、これ以外のスイッチや回路を利用しても良い。さらに、上記実施例では二次電池を例示したが、蓄電器としては、二次電池のほかにコンデンサを用いてもよい。さらに上記実施例では、判定回路に比較器を用いる例を示したが、判定回路は、比較器の他にマイクロコンピュータを用いて行うようにしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の携帯について詳述したが、本発明に係わる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、愛顧運表示による交差点案内時にも、進行方向を示す矢印を進行方向に応じて色分けできる。

本発明の太陽光発電システムは、電子機器、街灯、家庭用ソーラ発電システム等において利用することができる。

本発明の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。図１に示す太陽光発電システムの回路構成を示す図である。本実施例の太陽光発電システムに二次電池が接続された例を示す図である。本実施例の太陽光発電システムの好ましい回路図である。本発明の他の実施例に係る太陽光発電システムの構成を示すブロック図である。従来の太陽電池蓄電装置の構成を示す図である。従来の太陽光発電システムの課題を説明する図である。

符号の説明

１００：太陽光発電システム
１１０、１２０：太陽光発電モジュール
１３０：直並列切替回路
１４０：判定回路
１５０：充電制御回路
１６０：二次電池
１７０：インバータ回路
１８０：負荷

Claims

太陽光の照射により発電する太陽光発電モジュールを複数備えた太陽光発電システムであって、
複数の太陽光発電モジュールと、
複数の太陽光発電モジュールを直列または並列に接続する直並列切替手段と、
直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が基準電圧よりも大きいか否かを判定する判定手段とを有し、
前記直並列切替手段は、前記判定手段により前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールを直列接続する、太陽光発電システム。
前記判定手段は、前記出力電圧と前記基準電圧とを比較する比較器を含み、前記直並列切替手段は、前記比較器の出力に基づき直並列の接続を切替える、請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記直並列切替手段は、リレー回路を含む、請求項１または２に記載の太陽光発電システム。
太陽光発電システムはさらに、並列または直列に接続された複数の太陽光発電モジュールに接続された二次電池を含む、請求項１ないし３いずれか１つに記載の太陽光発電システム。
第１の太陽光モジュールは、第１の正極および負極を有し、第２の太陽光モジュールは、第２の正極および負極を有し、
第１の正極は、正側の出力ラインに接続され、第１の負極は、直並列切替手段の第１の切替回路の入力端子に接続され、
第２の正極は、直並列切替手段の第２の切替回路の入力端子に接続され、第２の負極は、負側の出力ラインに接続され、
第１の切替回路は、第１の入力端子を前記負側の出力ラインまたは第２の太陽光モジュールの第２の正極へ接続し、
第２の切替回路は、第２の入力端子を前記正側の出力ラインまたは開放に接続する、請求項１ないし５いずれか１つに記載の太陽光発電システム。
太陽光の照射により発電する太陽光発電モジュールを複数備えた太陽光発電システムであって、
複数の太陽光発電モジュールと、
複数の太陽光発電モジュールを直列または並列に接続する直並列切替手段と、
直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が第１の基準電圧よりも大きいか否かを判定する第１の判定手段と、
直列接続された太陽光発電モジュールの出力電圧が第２の基準電圧よりも大きいか否かを判定する第２の判定手段とを有し、
前記直並列切替手段は、第１の判定手段により前記出力電圧が前記第１の基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールの第１の選択された太陽光発電モジュールを直列接続し、
前記直並列切替手段は、第２の判定手段により前記出力電圧が前記第２の基準電圧よりも小さいと判定されたとき、前記複数の太陽光発電モジュールの第２の選択された太陽光発電モジュールを直列接続する、太陽光発電システム。