JP2010521720A - Dc電源を用いた分散型電力ハーベストシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、次の米国特許仮出願に基づいて優先権を主張し、その全内容を参考文献として本明細書に含める:
米国特許仮出願第60/868,851号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Solar Array Monitoring, management and Maintenance”、
米国特許仮出願第60/868,893号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting System for Distributed Power Sources”、
米国特許仮出願第60/868,962号、2006年12月7日出願、発明の名称”System, Method and Apparatus for Chemically Independent Battery”
米国特許仮出願第60/908,095号、2007年3月26日出願、発明の名称”System and Method for Power Harvesting from Distributed Power Source”、
米国特許仮出願第60/916,815号、2007年3月9日出願、発明の名称”Harvesting Power from Direct Current Power Sources”。
さらに、本願は次の米国特許通常出願に関連し、その全内容を参考文献として本明細書に含める:
米国特許出願第11/950,224号、2007年12月4日出願、発明の名称”Current Bypass for Distributed Power Harvesting Systems”、
米国特許出願第11/950,271号、2007年12月4日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting Systems Using DC Power Sources”、
米国特許出願第11/950,307号、2007年12月4日出願、発明の名称”A Method for Distributed Power Harvesting Using DC Power Sources”。
本発明の分野は一般に、分散型DC電源からの電力生産に関するものであり、特に、直列に設置された分散型DC電源の管理に関するものである。
近年の再生可能エネルギーへの関心の増加は、太陽電池(PV)、燃料電池、(例えばハイブリッドカー用の)バッテリ、等のような分散型エネルギー発生システムの研究の増加をもたらした。電圧/電流の要求、動作条件、信頼性、安全性、コスト、等の種々のパラメータを考慮してこれらの電源を接続するための種々のトポロジー(接続形態)が提案されている。例えば、これらの電源の大部分は低電圧出力(通常は1セル当たり2、3ボルト、あるいは直列接続されたセルについては20〜30ボルト)を供給し、このため、これらの電源の多くは、必要な動作電圧を達成するために直列接続する必要がある。逆に、直列接続は必要な電流を供給し損なうことがあり、このため直列接続の何列かを並列接続して必要な電流を供給する必要があり得る。
Claims (43)
- 分散型電力ハーベストシステムにおいて、
複数のDC電源と;
複数のコンバータとを具え、
前記コンバータの各々が、
それぞれの前記DC電源に結合された入力端子と;
他の前記コンバータに直列に結合され、これにより直列ストリングを形成するための出力端子と;
前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を所定基準に応じて設定する回路ループと;
前記入力端子で受けた電力を前記出力端子における出力電力に変換する電力変換部とを具え、
前記分散型電力ハーベストシステムがさらに、
前記直列ストリングに結合された電力供給装置であって、当該電力供給装置への入力を所定値に維持する制御部を具えた電力供給装置を具えている
ことを特徴とする分散型電力ハーベストシステム。 - 前記制御部が、前記電力供給装置への入力電圧を所定値に維持することを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記制御部が、前記電力供給装置への入力電流を所定値に維持することを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記電力供給装置がDC/ACインバータを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記電力供給装置がバッテリ充電器を具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記回路ループが、前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を、それぞれの前記DC電源の最大電力点に設定する最大電力点追尾部を具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記電力変換部が、
バックコンバータと;
ブーストコンバータと;
前記最大電力点追尾部、及び前記出力端子における電流または電圧に応答して、前記バックコンバータまたは前記ブーストコンバータのいずれかを選択的に作動させるコントローラと
を具えていることを特徴とする請求項6に記載の分散型電力ハーベストシステム。 - 前記バックコンバータと前記ブーストコンバータとがインダクタを共用し、前記コントローラがパルス幅変調部を具えていることを特徴とする請求項7に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記制御部が、前記電力供給装置に並列に結合されたシャントレギュレータであって前記入力電圧を事前に選択した一定入力電圧に調整するシャントレギュレータを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- さらに、前記電力供給装置に結合された1つ以上の追加的な直列ストリングを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- さらに、
複数の電流センサと;
複数の電圧センサとを具え、
前記電流センサの各々及び前記電圧センサの各々が、それぞれの前記DC電源の間に結合されて、それぞれ電流情報及び電圧情報を前記最大電力点追尾部に提供することを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。 - 前記複数のDC電源の各々が、太陽電池パネルまたは建物一体型太陽電池パネルを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記複数のDC電源の少なくとも1つが燃料電池を具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記複数のDC電源の少なくとも1つがバッテリを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記コンバータの各々がさらに、所定事象が発生するまで、前記出力電力を事前設定された安全値に制限する安全モジュールを具えていることを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記所定事象が、事前設定されたしきい値を上回る負荷が前記コンバータに加わったこと、または解除信号を検出したことの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項15に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記コンバータの各々がさらに、複数のスイッチングデバイスを具え、前記スイッチングデバイスの各々が、少なくとも1つの前記DC電源への電流バイパスを形成することを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記太陽電池パネルが複数のセルストリングを具え、前記セルストリングの各々が、直列接続された太陽電池セル、及び前記直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えていることを特徴とする請求項12に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記スイッチングデバイスがトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項18に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 前記コンバータの各々がさらに、状態関係データを監視して送信する監視モジュールを具え、前記状態関係データは、前記コンバータへの入力電流、前記コンバータへの入力電圧、前記DC電源の温度、前記コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の分散型電力ハーベストシステム。
- 複数のDC電源及び複数のDC電力コンバータを有する分散型電力ハーベストシステムから電力を獲得する方法において、
前記DC電源をそれぞれの前記DC電力コンバータに結合するステップと;
前記DC電力コンバータを直列に結合し、これにより少なくとも1つの直列ストリングを形成するステップと;
前記直列ストリングを電力供給装置に結合するステップと;
前記電力供給装置への入力電圧または入力電流の一方を所定値に固定し、これにより、前記直列ストリングを通って流れる電流を、前記DC電源によって供給される電力に応じて変化させるステップと;
前記DC電源の各々から出力される電力を個別に制御して、それぞれの前記DC電力コンバータへの入力電圧及び入力電流を所定基準に応じて個別に変化させるステップと
を具えていることを特徴とする方法。 - 前記入力電圧または入力電流の一方を固定するステップが、前記入力電圧または入力電流の一方を所定の一定値に固定することを含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記直列ストリングを電力供給装置に結合するステップが、前記直列ストリングをDC/ACインバータに結合し、前記ACインバータへの入力電圧を固定することを含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記方法がさらに、出力電力を監視するステップを具え、このステップは、前記DC電源の最大電力点を追尾するステップを含み、前記入力電圧及び前記入力電流を個別に変化させるステップが、前記入力電圧及び前記入力電流を、前記DC電源の各々から最大電力を取り出すことのできる値に設定することを含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- さらに、前記DC電力コンバータの各々の入力電圧及び入力電流を個別に、前記直列ストリングを通って流れる電流によって決まる電流レベル及び浮動電圧を有する出力電力に変換するステップを具えていることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- さらに、前記DC電力コンバータの各々の入力電圧及び入力電流を個別に、前記直列ストリングを通って流れる電流によって決まる電流レベル及び浮動電圧を有する出力電力に変換するステップを具えていることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- さらに、前記DC電力コンバータ上の負荷を監視し、前記負荷が事前設定された値に達するまで、前記電力コンバータの各々からの出力電力を事前設定された安全レベルに制限するステップを具えていることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- さらに、前記DC電源及び前記DC電力コンバータの少なくとも一方の出力電力を監視し、前記出力電力が所定特性を示した際に、前記DC電源及び前記DC電力コンバータの少なくとも一方の電流をバイパスさせることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- さらに、前記DC電力コンバータの各々を個別に動作させて電力関係データを監視して報告するステップを具え、前記電力関係データは、前記DC電力コンバータへの入力電流、前記DC電力コンバータへの入力電圧、前記DC電源の温度、前記DC電力コンバータへの入力電力、及び利用可能な照射、の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- DC/ACインバータであって、当該DC/ACインバータへの入力電圧または入力電流を所定値に維持する手段を具えたDC/ACインバータと;
互いに並列接続されて前記DC/ACインバータに結合された複数の直列ストリングとを具え、
前記直列ストリングの各々が、
複数の太陽電池パネルと;
複数のコンバータとを具え、
前記コンバータの各々が、
それぞれの太陽電池パネルに結合された入力端子と;
他の前記コンバータに直列に結合され、これにより直列ストリングを形成するための出力端子と;
前記コンバータの前記入力端子における電圧及び電流を、それぞれの前記太陽電池パネルの最大電力点に応じて設定する最大電力点追尾部と;
前記入力端子で受けた電力を、前記出力端子における出力電力に変換する電力変換部と
を具えていることを特徴とする太陽光発電設備。 - 前記所定値が一定値を含むことを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。
- 前記電力変換部が、前記入力端子で受けた電力を出力電力に変換し、前記出力電力が、前記直列ストリング内の前記複数の太陽電池パネルによって供給される総電力を前記DC/ACインバータの入力端子における前記所定値の電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有することを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。
- 前記電力変換部が、当該電力変換部のパルス幅変調を制御する電力変換コントローラを具えて、前記直列ストリング内の前記複数の太陽電池パネルによって供給される総電力を前記DC/ACインバータの入力端子における前記所定値の電圧で除算した値にほぼ等しい電流を有する電力を出力することを特徴とする請求項32に記載の太陽光発電設備。
- 前記電力変換部の各々が、
バックコンバータと;
ブーストコンバータと;
パルス幅変調器と;
前記パルス幅変調器を制御して、前記バックコンバータまたは前記ブーストコンバータのいずれかを選択的に動作させるデジタルコントローラと
を具えていることを特徴とする請求項33に記載の太陽光発電設備。 - 前記直列ストリングの各々がさらに、
各々が前記太陽電池パネルの1つの出力電流を測定し、測定した電流信号をそれぞれの前記デジタルコントローラに送信する複数の電流センサと;
各々が前記太陽電池パネルの1つの出力電圧を測定し、測定した電圧信号をそれぞれの前記デジタルコントローラに送信する複数の電圧センサとを具え、
前記デジタルコントローラの各々が、取得可能な最大電力を得るように電流及び電圧を調整する
ことを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。 - 事前設定されたしきい値を上回る負荷が前記コンバータに加わらない限り、前記太陽光発電設備の出力電圧を事前設定された安全値に制限する安全モジュールを具えていることを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。
- 前記太陽電池パネルの各々が複数のセルストリングを具え、前記セルストリングの各々が、直列接続された太陽電池セル、及び前記直列接続された太陽電池セルをバイパスするように結合されたスイッチングデバイスを具えていることを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。
- 前記スイッチングデバイスがトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項37に記載の太陽光発電設備。
- 前記コンバータの各々がさらに、状態関係データを監視して送信する監視モジュールを具え、前記状態関係データは、前記コンバータへの入力電流、前記コンバータへの入力電圧、前記太陽電池パネルの温度、前記太陽電池パネルの空間的向き、及び利用可能な照射、の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項30に記載の太陽光発電設備。
- 中央負荷に結合された複数のDC電源を有する分散型電力システムにおける、前記中央負荷内の構成要素の信頼性を向上させる方法において、
前記DC電源を前記中央負荷に結合するステップと;
前記中央負荷への入力を、固定値の所定電圧に維持するステップであって、前記所定電圧は、前記中央負荷内の構成要素にとって安全な動作電圧であるステップと;
前記中央負荷への入力電流を、前記DC電源から取り出される電力に応じて変化させるステップと
を具えていることを特徴とする方法。 - 前記中央負荷がDC/ACインバータを具え、前記入力を維持するステップが、前記DC/ACインバータへの入力電圧を維持することを含むことを特徴とする請求項40に記載の方法。
- 前記DC電源を結合するステップが、複数の太陽電池パネルの各々を、複数のコンバータのそれぞれに結合し、前記複数のコンバータのすべてを前記DC/ACインバータに結合することを含むことを特徴とする請求項41に記載の方法。
- さらに、それぞれの前記太陽電池パネルが電気エネルギーを出力し始め次第、それぞれの前記太陽電池パネルから得られた電圧を昇圧させるように、各コンバータを動作させることを特徴とする請求項42に記載の方法。
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