JP2010119236A - 太陽光発電電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率がよく、耐熱性に優れた太陽光発電電源装置を提供すること。
【解決手段】 筐体内に制御部本体と蓄電池とをほぼ密閉状態に収納する。電力変換部近傍に第１送風器を設け、筐体の上部に第２送風機を設ける。閾値と、電力変換部近傍の温度を比較し、第１の閾値を超えていると判断されたとき、第１送風器を作動させる。そして、前記第１の閾値より温度が高い第２の閾値を超えると、第２送風器を作動させて筐体内の空気を放出させる。そして更に温度が上昇したときは、電力変換を停止させることとして太陽光発電電源装置を構成した。これにより、冷却に伴う電力消費量を抑え、かつ温度上昇による破損等を防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽光発電パネルを備え、太陽光発電パネルで発電した電力をポンプなどに供給して作動させる屋外設置型の太陽光発電電源装置に関する。

太陽光発電パネルを用いた太陽光発電電源装置は、太陽光で発電することから省資源化が図れ、かつ燃料の補給などが不要なことから、電力線が配設されていない例えば山中に揚水ポンプを設置しようとした場合の電源装置として適した特性を有している。また太陽光発電電源装置は、例えば蓄電池と電力変換装置を備え、夜間や雨天などでも、商用電源と同等の電力が出力できるように構成されている。

太陽光発電パネルの発電電力は、１枚当たり１２Ｖ（ボルト）程度の直流電力であるので、変換装置により商用電源と同等の電力に変換している。例えば、１２Ｖを直流１４１ＶにＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧させたのち、直流−交流変換器（単相インバータ）においてＰＷＭ制御して商用電源と同等の周波数、波形を有する交流に変換していた。

ところが上記方法では、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、約１２倍の昇圧を行っており、そのためＰＷＭスイッチング部での電力変換ロスが大きく、温度が上昇する問題に加え、電力を効率よく利用できないという問題があった。

これに対して蓄電池に充電されている直流電力を単相インバータで直接交流電力に変換し、その交流電力をトランスで商用電源と同等の電圧に昇圧させるという方法が考案されている。これによれば、特殊な昇圧コンバータ部が不要となるため、変換ロスが少なく、簡潔な回路構成で太陽光発電電源装置を実現できる。
特開２００７−３００６９５号公報

しかしながら上記電源装置では、単相インバータからＰＷＭスイッチング部に、低い電圧で極めて大きい電流が流れるため、ＰＷＭスイッチング部における発熱量が大きかった。特に、太陽光が強く照射され太陽光発電パネルの発電量が増大する夏季などでは、気温の上昇と照射量の増大と相まって、最大負荷時における温度上昇が非常に大きくなっていた。

そこで低ＯＮ抵抗のパワーＦＥＴなどのスイッチング素子やアルミ製ヒートシンクなどを採用して、耐熱性を向上させ、装置全体の耐久性を向上させることも考えられていた。ところが夏季など気温が高い時期に最大負荷がかかると、自然冷却のみでは温度上昇に対応できず、温度を十分に低下させることができなかった。

そこで大型のファンを設置して強制的にヒートシンク等を冷却させる必要が生じるが、大型ファンを駆動させて装置自体を冷却させるために、太陽電池パネルで発電された電力が消費されてしまうという問題があった。

本発明は上記課題を解決し、装置を冷却させるための電力消費量が少なく、かつ温度上昇に適確に対応できる太陽光発電電源装置を提供することを目的とする。

１、太陽電池パネルと、制御部本体と、該制御部本体に接続される蓄電池と、を具え、前記太陽電池パネルで発電された電力を前記蓄電池に蓄電させるとともに電力変換部で商用電力と同等の電力に変換して出力する屋外設置型の太陽光発電電源装置において、
前記制御部本体と前記蓄電池とをほぼ密閉状態に収納する筐体と、前記制御部本体の電力変換部近傍に設けられた第１送風器と、前記筐体の上部に設けられ、該筐体の内部から外方に空気を送出させる第２送風機と、前記電力変換部近傍の温度を計測する温度計測器と、複数の閾値が記憶されている記憶手段と、前記温度計測器が計測した計測温度を各閾値と比較する比較手段とを有し、
前記温度計測器が計測した計測温度が前記記憶手段に記憶されている第１の閾値を超えていると判断されたとき、前記第１送風器を作動させ、前記計測温度が、前記第１の閾値より温度が高い第２の閾値を超えていると判断されたとき、少なくとも前記第２送風器を作動させることとして屋外設置型の太陽光発電電源装置を構成した。

２、１に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置において、前記第１送風器は、前記第２送風器より小さい定格出力であることとした。

３、１または２に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置において、前記計測温度が、前記第２の閾値より温度が高い第３の閾値を超えていると判断されたとき、前記電力変換部による電力変換動作を停止させることとした。

４、３に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置において、外部商用電源が接続され、前記計測温度が、前記第３の閾値を超えていると判断されたとき、前記電力変換部による電力に代えて前記外部商用電源からの電力を外部に直接出力させることとした。

本発明の屋外設置型の太陽光発電電源装置によれば、太陽電池パネルで発電された電力、および蓄電池からの電力が、商用電源と同等の電力に変換され、揚水ポンプなど接続された負荷に供給される。

そして温度計測器で計測された温度が第１の閾値を超えると第１送風器が作動し、第１送風器の送風により電力変換部が冷却される。これにより、自然エネルギーを利用し、商用電源が設けられていない箇所においても、安定して電気機器類を作動させることができるとともに、寒冷な季節や小型の機器が接続されている場合、また例えば給水ポンプが接続されて、その給水需要が少なく給水ポンプへの負荷が小さい場合など電力変換部の発熱量が小さい場合には、第１送風器による送風により、小さい電力消費量で電力変換部の過剰な温度上昇を確実に防止することができる。

計測温度が第２の閾値を超えると、第２送風器が作動する。すると、筐体内の空気が外部に放出されるとともに配線引き込み用の孔などから外気が導入され、筐体内の温度を低下させることができる。これにより各装置類の過熱が防止され、耐久性の低下を防ぎ、装置の長寿命化を図ることができる。

更に、計測温度が第３の閾値を超えた場合には、電力変換部の作動が停止し、太陽電池パネルや蓄電池からの電力の供給が停止される。これにより電力変換部での発熱を停止させ、熱破損を防止できる。また外部商用電源に出力を切り替えることにより、電力供給を継続させることができ、給水ポンプが作動停止されることによる断水などを回避できる。

本発明にかかる屋外設置型の太陽光発電電源装置の一実施形態について、図を参照して説明する。

図４に太陽光発電電源装置１０の全体構成を示す。太陽光発電電源装置１０は、太陽光発電パネル１２、電源装置１４、表示装置１６、および外部商用電源に接続される商用電源コード１８等から構成されている。また太陽光発電電源装置１０には出力コード２０が接続され、出力コード２０を介して負荷としての揚水ポンプ７０が接続されている。

太陽光発電パネル１２は、太陽光発電素子を内部に有し、脚部７２で支持されている。太陽光発電パネル１２は、通常１２Ｖ程度の直流電力を発電する。太陽光発電パネル１２は、適宜の台数設置し、所望の電力量が発電されるように構成されている。尚太陽光発電パネル１２を、電源装置１４に直接取り付けたり、あるいは移動台（図示せず。）などに取り付け、受光面を太陽の移動に追従させるように構成してもよい。

商用電源コード１８は、電力会社などから供給されている商用電源に接続させて、電力を入力させる電源コードである。商用電源としては、例えば１００Ｖあるいは２００Ｖの交流電力である。尚、その他の電圧の電力であってもよい。表示装置１６は、発電電力や消費電力、二酸化炭素の削減量などを表示する表示画面や、自動、手動、停止の切替スイッチなどが設けられている。

揚水ポンプ７０は、井戸（図示せず。）などに設置され、地下水を汲み上げ、灌水させるポンプである。揚水ポンプ７０は、タイマー（図示せず。）などに接続され、設定された時間に従い、あるいは季節に応じて適宜作動される。尚、太陽光発電電源装置１０の負荷は、揚水ポンプ７０に限定されるものではない。また商用電源コード１８を介して、外部の商用電源に必ずしも接続されなくてよい。

電源装置１４は、図２、および図３に示すように、蓄電池３２と、制御基板３４と、昇圧トランス３６と、遮断器３８と、筐体４０などから構成されている。電源装置１４は、筐体４０で覆われており、図３に筐体４０の一部を破断し、電源装置１４の内部を示している。

筐体４０は、基台４２と、基台４２上に設けられたカバー部４４で形成されている。 基台４２は、平板状で、左右両端に下方に延びる脚部４６を具えている。基台４２には、壁板６０が取り付けられ、壁板６０の一方側に蓄電池３２が載置されている。また基台４２には、孔４８が適宜形成されている。孔４８には、ゴム材などからなる封止材５０が取り付けてあり、封止材５０を介して商用電源コード１８や出力コード２０などが筐体４０の内外を貫通している。

カバー部４４は、基台４２の上部に取り外し可能に取り付けられている。カバー部４４を、ネジ等で基台４２に取り付けると、筐体４０の内部はほぼ密閉した状態に保持される。カバー部４４の側面上部には、開口部５２が形成されており、開口部５２の位置に合わせて第２送風器３３が取り付けられている。第２送風器３３は、筐体４０の内部から筐体４０の外部に空気を送り出す方向に作動する。また開口部５２には、ルーバー、および網（図示せず。）が取り付けてあり、開口部５２を通して筐体４０の内部に雨水や虫などが侵入することのないようにしている。尚第２送風器３３は、筐体４０の内部に外気を導入させるように作動させてもよい。

蓄電池３２は、例えば端子間電圧が１２Ｖの鉛蓄電池である。蓄電池３２は、壁板６０に沿って据えられ、取付具（図示せず。）により基台４２上に固定されている。尚、蓄電池３２の種類は特に限定しない。

壁板６０は、基台４２上にほぼ直立した状態で取り付けられている。壁板６０は、基台４２からカバー部４４の天井面まで届く高さを有し、筐体４０の内部を蓄電池３２側と制御基板３４側とに区分している。壁板６０には、上述した制御基板３４、昇圧トランス３６、遮断器３８、外部接続コンセント３９などが取り付けられている。また壁板６０には孔４９が設けてあり、蓄電池３２の電力コード５１が通っている。

制御基板３４には、図２に示す右方に電力変換部としてのインバータ部６４が設けられている。インバータ部６４は、複数のスイッチング素子（図示せず。）とスイッチング素子で発生した熱を放散させる放熱板６６とから構成され、直流電力を所定の波形、周波数の交流電力（商用電力と同等の交流電力である。）に変換している。

放熱板６６はアルミなど熱伝導性のよい材質から形成されており、上下方向に延びるフィンが複数設けられている。放熱板６６は、フィンを図の左方に向けて取り付けられており、フィンの先端側に第１送風器３１が、裏側（右方側の平坦面）に温度計測器６８が取り付けられている。

第１送風器３１は、放熱板６６のフィンに向かって空気を送出し、フィンの間を通って空気を上方に流すように取り付けられている。また第１送風器３１は、第２送風器３３の定格出力より低く設定してあり、第１送風器３１を作動させた時の消費電力は、第２送風器３３を作動させた時の消費電力より小さくなるように設定されている。温度計測器６８は、放熱板６６の温度、すなわちスイッチング素子の温度を計測し、制御部本体１３に送出する。

昇圧トランス３６は、インバータ部６４と外部接続コンセント３９に接続され、交流約８．５Ｖを交流１００Ｖに昇圧させて外部接続コンセント３９から出力させる。外部接続コンセント３９には、出力コード２０の先端に設けられたプラグ２２が差し込まれ、揚水ポンプ７０が接続される。遮断器３８は、蓄電池３２と制御基板３４の間に設けられ、蓄電池３２からの異常電流を検知すると両者間の接続を遮断する。遮断器３８は、また手動で遮断を復帰させるスイッチ部を有している。

更に制御基板３４には、蓄電池３２への充電を制御する充電制御部１１、および制御部本体１３が設けられている。次に図１を用い、制御部本体１３を含めた太陽光発電電源装置１０全体の回路構成について説明する。

図１に示すように、充電制御部１１は、太陽光発電パネル１２と蓄電池３２をつなぎ、太陽光発電パネル１２で発電された電力を、蓄電池３２の充電量に応じて送り出すようになっている。

制御部本体１３は、インバータ部６４に延びる信号線が接続され、信号線を介してインバータ部６４へ作動の指示を送出する。また制御部本体１３には、温度計測器６８からの信号線が接続されており、温度計測器６８が計測したインバータ部６４の温度が入力される。

更に制御部本体１３は、主な機能として図１に示すように記憶手段１５、比較手段１７を具えている。記憶手段１５には、インバータ部６４（スイッチング素子）の温度閾値である、第１閾値、第２閾値、第３閾値が記憶されている。第１閾値から第３閾値の順に、数値（閾値温度）が高く設定されている。

第１閾値は、インバータ部６４が作動して発熱し、放熱板６６に送風して冷却することが必要と判断される温度である。

第２閾値は、気温が上昇したり、負荷が大きくインバータ部６４での発熱がより大きくなり、第１送風器３１の送風のみでは対応できないと判断される温度である。計測値が第２閾値を超えると、第２送風器３３が作動され、開口部５２を通して筐体４０内部から熱気が筐体４０の外に放出されるとともに、発生する内部負圧により孔４８の隙間等から外気が筐体４０内に導入される。

第３の閾値は、第２送風器３３による送風によってもインバータ部６４の温度上昇を抑えられず、温度上昇が継続し、熱破壊の危険性を考慮する必要があると判断される温度である。かかる第３の閾値は、スイッチング素子の耐熱温度等を基準に定められる温度である。

比較手段１７は、記憶手段１５と温度計測器６８に接続しており、温度計測器６８からの計測値を記憶手段１５に記憶されている閾値と比較し、上記判断を行う。また比較手段１７には、第１リレー１９、第２リレー２１、第３リレー２３が接続されている。第１リレー１９は、第１送風器３１の電力線の接点１９ｂを作動させる。第２リレー２１は、第２送風器３３の電力線の接点２１ｂを作動させる。第３リレー２３は、商用電源コード１８の接点２３ｂを作動させる。

具体的には、温度計測器６８からの計測値が第１閾値より高いと比較手段１７で判断されると、第１リレー１９が作動される。温度計測器６８からの計測値が第２閾値より高いと判断されると、第２リレー２１が作動される。更に温度計測器６８からの計測値が第３閾値より高いと判断されると、まずインバータ部６４に作動停止の指示が送出されるとともに、第３リレー２３が作動される。

次に、太陽光発電電源装置１０の作用、効果について説明する。

太陽光を受け太陽光発電パネル１２が発電を開始すると、電力（１２Ｖ程度の直流電力）が電源装置１４に送られる。電源装置１４に入力された電力は、充電制御部１１を介し、充電可能であれば蓄電池３２に送られ、蓄電池３２に順次充電される。

一方揚水ポンプ７０がタイマー等より作動開始されると、太陽光発電パネル１２で発電された電力、および太陽光発電パネル１２での発電量が不足する場合には蓄電池３２からの電力がインバータ部６４に供給される。インバータ部６４は、直流（１２ボルト程度）を所定形式の交流に変換する。交流は、昇圧トランス３６に送られ、昇圧されて商用１００Ｖと同等の電力に変換される。そして、外部接続コンセント３９から出力され、出力コード２０を通して揚水ポンプ７０に供給され、作動させる。揚水ポンプ７０は、井戸から水を汲み上げて供給する。これにより、自然エネルギーを利用して揚水ポンプ７０を作動させることができる。

またその間温度計測器６８は、放熱板６６の温度を計測し、計測値を制御部本体１３に送出する。制御部本体１３では、比較手段１７が温度計測器６８からの計測値と各閾値とを比較する。そして、計測値が第１閾値を超えたと判断されたら、第１リレー１９を作動させる。すると接点１９ｂが接続され、第１送風器３１が作動する。これにより、図２の点線の矢印で示すように放熱板６６に風が送られ、冷却される。第１送風器３１は、第２送風器３３より消費電力が小さく、計測値が第２閾値を超えなければこの状態のまま、少ない消費電力の第１送風器３１を作動させて、揚水ポンプ７０に電力供給が行われる。

次に、計測値が第２閾値を超えたと比較手段１７が判断したら、第２リレー２１を作動させる。すると接点２１ｂが接続され、第２送風器３３が作動する。これにより、筐体４０内部の空気が図２の実線の矢印で示すように筐体４０の外に放出されるとともに、負圧により孔４８等を通して筐体４０の内部に外気が導入される。すると筐体４０の内部の温度が低下し、インバータ部６４の温度を所定温度以下に保持し、揚水ポンプ７０への電力供給を継続させることができる。このとき、第１送風器３１を停止させてもよい。

更に、計測値が第３閾値を超えたと比較手段１７が判断したら、制御部本体１３からインバータ部６４に電力変換停止の指示が送出される。するとインバータ部６４の電力変換が停止され、電力変換に伴う発熱が停止して、さらなる温度上昇が防止される。これにより、スイッチング素子等の過熱による熱破壊が回避できる。またインバータ部６４に電力変換停止の指示が送出されると同時に第３リレー２３が作動される。すると接点２３ｂが接続され、外部の商用電力が出力コード２０に接続されて、外部商用電力が揚水ポンプ７０に供給される。したがって、揚水ポンプ７０は、停止することなく連続して作動される。

一方温度計測器６８の計測値が各閾値を下回った場合には、インバータ部６４による電力変換を再開させるとともに順次リレーを切断して送風に伴う消費電力を低減させながら、揚水ポンプ７０への電力の供給を行わせていく。

尚、本発明にかかる太陽光発電電源装置１０では、商用電源コード１８を外部商用電源に接続させることなく使用することができ、商用電源が設けられていない箇所においても太陽光のみを用いてポンプなどの電気機器類を作動させることができる。

本発明にかかる太陽光発電電源装置の制御回路の一実施形態を示すブロック図である。 本発明にかかる電源装置の一実施形態を示す側断面図である。 図２に示す電源装置を示す部分断面斜視図である。 本発明にかかる太陽光発電電源装置の一実施形態を示す全体斜視図である。

符号の説明

１０…太陽光発電電源装置
１１…充電制御部
１２…太陽光発電パネル
１３…制御部本体
１４…電源装置
１５…記憶手段
１７…比較手段
１８…商用電源コード
２０…出力コード
３１…第１送風器
３２…蓄電池
３３…第２送風器
３４…制御基板
３６…昇圧トランス
３９…外部接続コンセント
４０…筐体
５２…開口部
６４…インバータ部
６６…放熱板
６８…温度計測器
７０…揚水ポンプ

Claims (4)

1. 太陽電池パネルと、制御部本体と、該制御部本体に接続される蓄電池と、を具え、前記太陽電池パネルで発電された電力を前記蓄電池に蓄電させるとともに、電力変換部で商用電力と同等の電力に変換して出力する屋外設置型の太陽光発電電源装置において、
   前記制御部本体と前記蓄電池とを収納する筐体と、
   前記制御部本体の電力変換部近傍に設けられた第１送風器と、
   前記筐体の上部に設けられ、該筐体の内部から外方に空気を送出させる第２送風機と、
   前記電力変換部近傍の温度を計測する温度計測器と、
   複数の閾値が記憶されている記憶手段と、
   前記温度計測器が計測した計測温度を各閾値と比較する比較手段とを有し、
   前記温度計測器が計測した計測温度が前記記憶手段に記憶されている第１の閾値を超えていると判断されたとき、前記第１送風器を作動させ、
   前記計測温度が、前記第１の閾値より温度が高い第２の閾値を超えていると判断されたとき、少なくとも前記第２送風器を作動させることを特徴とした屋外設置型の太陽光発電電源装置。
2. 前記第１送風器は、前記第２送風器より小さい定格出力であることを特徴とした請求項１に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置。
3. 前記計測温度が、前記第２の閾値より温度が高い第３の閾値を超えていると判断されたとき、前記電力変換部による電力変換が停止されることを特徴とした請求項１または２に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置。
4. 外部商用電源が接続され、前記計測温度が、前記第３の閾値を超えていると判断されたとき、前記電力変換部による電力に代えて前記外部商用電源からの電力を外部に直接出力させることを特徴とした請求項３に記載の屋外設置型の太陽光発電電源装置。

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