JP2011129833A - 太陽電池単セル電源 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、太陽電池の最適な発電量を簡易に且つ低消費電力で制御することが可能な太陽電池単セル電源を提供することである。
【解決手段】太陽電池部と、前記太陽電池部からの出力電圧を昇圧する昇圧電源部と、前記昇圧電源部における昇圧を制御する最適発電量制御部とを備える太陽電池単セル電源であって、前記太陽電池部は、太陽電池単セルとセンシングセルとを備え、前記センシングセルは、前記太陽電池単セルの近傍に配置されることを特徴とする太陽電池単セル電源が提供される。これにより、太陽電池の最適な発電量を簡易に且つ低消費電力で制御することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池単セル電源に関し、具体的には、太陽電池単セルと、太陽電池単セルからの出力電圧を昇圧する昇圧電源部（コンバータ）とを有する太陽電池単セル電源に関する。

近年、化石燃料の使用に伴う二酸化炭素などの排出による地球温暖化や、原子力発電所の事故や放射性廃棄物による放射能汚染などの問題が深刻になり、地球環境とエネルギーに対する関心が高まっている。このような状況の下、無尽蔵かつクリーンなエネルギー源として太陽光を利用する太陽光発電システムが世界中で実用化されている。

しかしながら、一般的な太陽電池単セルの出力電圧は０．３Ｖ‐０．５Ｖ程度と低いため、電気・電子機器を動作させることや、ニッカド電池やニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池を充電することはできない。そのため、太陽電池は、直列接続され、又は昇圧回路と組み合わせて使用される。

太陽電池に光を照射するときにおいて、端子を開放した時の出力電圧を開放電圧（open circuit voltage）、短絡した時の電流を短絡電流（short-circuit current）、最大の出力電力を与える動作点を最大出力点（maximum power point）と呼ぶ。太陽電池から効率良く電力を得るには、太陽電池を最大出力点付近で動作させる必要がある。従って、最大電力点追従装置(Maximum Power Point Tracking、ＭＰＰＴ)を用いて、太陽電池側から見た負荷を常に最適に保つことが有効となる。

太陽電池の最大発電量を得るための回路方式としては、以下の３つが挙げられる。

第１の方式は、太陽電池の開放電圧の約８０％程度の電圧となるように、太陽電池の出力電圧を制御する方式である。この方式は、太陽電池の動作中、リニアに太陽電池の開放電圧を検出する訳ではなく、設定される出力電圧は、最初に設定した内容で固定される。

この方式による回路は、低コスト且つ簡単である。しかしながら、曇天など日照量の変化にはある程度の効果があるが、太陽電池の特性のばらつき、特に、部分日陰や周囲温度差による太陽電池の開放電圧特性のばらつきによる発電量の低下には対応できない。また、時間経過やパネル面の汚れと共に太陽電池の特性が変化して、太陽電池の効率が落ちると全く対応できなくなる。

第２の方式は、一定間隔で回路を無負荷状態にすることで、太陽電池の開放電圧を測定し、その時の測定値から昇圧ターゲットを決めてＭＰＰＴ（maximum power point tracking）制御を行う方式である。

この方式の課題については、後述する。

第３の方式は、常に太陽電池の最大発電電力点となるように、太陽電池からの出力電圧と出力電流とをモニタ及び演算し、この出力電圧と出力電流とを変化及び追従させる方式である。

この方式による回路では、モニタ・演算を高速で行おうとするとマイコンの負荷が大きく、エネルギー消費が大きくなってしまう。また、低速で行う場合は、最大発電電力点を見つけ出すまでの時間がかかり、結果的に発電効率を落としてしまう。それに加え、制御回路自体の消費電力が大きくなるので自律電源化が難しく、バックアップ電源が必要となる。そのため、ある程度以上（中型以上）の太陽電池システムでないと全体の発電効率も上がらず、コスト高になる。更にこの方式では、高速化する場合、回路及び演算アルゴリズムや補正などのプログラムが複雑になり、このこともコスト高の要因となる。

上記のように、太陽電池の最大発電量を得るための回路方式として、一定間隔で回路を無負荷状態にすることで、太陽電池の開放電圧を測定し、その時の測定値から昇圧ターゲットを決めて制御する方式（第２の方式）がある。

しかしながら、この方式では、周期的に無負荷とする時間は発電されないという課題がある。そのため、無負荷時間の割合を増やすと効率が低下し、逆に減らすとその周期内の変動に対応できない。

また、この方式ではＡ／Ｄコンバータ内蔵マイコンかピークホールド回路が必要になり、これらの制御回路を駆動するため、複数枚の太陽電池パネルを必要とするか、或いは負荷側のバッテリーなどから電力供給を受ける必要がある。

従って、単セルの太陽電池モジュールでは自律電源化が難しく、バッテリーに過放電保護などがかかってシャットダウンしたような場合は、ＭＰＰ制御回路も動作しなくなるという問題があった。

それに加え、無負荷指令⇒Ａ／Ｄ変換・演算⇒ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御のループの時間を早める為には高速のマイコンが必要であり、効率を重視する回路とは言えない。また、ピークホールド回路で制御する場合も、ホールド時間の設定や無負荷時間とホールド時間での安定動作の為の条件出しが難しい。

更に、従来の太陽電池パネルは、複数のセルを直列に接続して、必要な電圧を得ていた。そのため、太陽電池パネルの一部が日陰になったり、セルの一部が破損又は汚濁したりすると、その部分で回路の断線が発生し発電できなくなるという問題点もあった。

本発明の目的は、上記課題に鑑みて、太陽電池が設置された周辺の環境変動を常時測定できる低コスト且つ低消費電力な回路方式を備えた太陽電池単セル電源を提供することである。

本発明は、太陽電池部と、太陽電池部からの出力電圧を昇圧する昇圧電源部と、昇圧電源部における昇圧を制御する最適発電量制御部とを備える太陽電池単セル電源であって、太陽電池部は、太陽電池単セルとセンシングセルとを備え、センシングセルは、太陽電池単セルをカットした小型セルであって、太陽電池単セルの近傍に配置され、最適発電量制御部は、センシングセルからの出力電圧と太陽電池単セルからの出力電圧を比較し、昇圧電源部の昇圧コンバータに制御信号を送る、オペアンプを備えることを特徴とする太陽電池単セル電源である。

本発明の一実施態様において、センシングセルは、太陽電池単セルと同一平面に配置されることを特徴とする。

本発明の一実施態様において、センシングセルは、太陽電池単セルの中央に配置されることを特徴とする。

本発明の一実施態様において、最適発電量制御部は、抵抗素子Ｒ３とＲ４とを備え、Ｒ３とＲ４の抵抗値の比は２：８であることを特徴とする。

本発明に係る太陽電池単セル電源は、センシングセルを太陽電池単セルの近傍に配置することにより、太陽電池の最適な発電量を簡易且つ低消費電力な回路により制御することができる。

具体的には、本発明に係る太陽電池単セル電源において、最適発電量制御素子として低消費電力のオペアンプを用いた最適発電量制御部（ＭＰＰ回路）を実現した。これにより、昇圧コンバータに内蔵されているＶＡＵＸ電源のみ、即ち太陽電池の出力のみにてＭＰＰＴ制御を行うことができる。

本発明に係る太陽電池単セル電源の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る太陽電池単セル電源の回路図である。 本発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は底面図、（ｂ）は上面図を表す。 本発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は底面図、（ｂ）は上面図を表す。

以下では、本発明に係る太陽電池単セル電源について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

太陽電池単セル電源の構成
図１は、本発明に係る太陽電池単セル電源の基本構成を示すブロック図である。

本発明に係る太陽電池単セル電源は、図１に示すように、太陽電池部１１０と、太陽電池部１１０から接続され太陽電池部１１０からの出力電圧を昇圧する昇圧電源部１２０と、太陽電池部１１０から接続され、昇圧電源部１２０に制御信号を送ることにより、昇圧電源部１２０における昇圧制御を行う最適発電量制御部１３０を備える。太陽電池部１１０は、太陽電池単セル１１１とセンシングセル１１２を備える。太陽電池部１１０で発電された電力を、キャパシタ、ニッケル水素(Ｎｉ−ＭＨ)二次電池、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）二次電池等の蓄電素子１９０に蓄えて利用することができる。

図２は、本発明に係る太陽電池単セル電源全体の回路図である。図２に示すように、回路がアナログにて成立しているので、太陽電池が発電している時だけ動作（完全自律電源）させても問題無く、再起動も素早く応答可能である。

この回路による制御方式は、携帯機器や太陽電池単セルのシステム等のより小型の太陽電池電源に特に効果的であり、太陽電池電源として、５Ｖ程度までの任意の電圧に安定化して出力することや、キャパシタ充電用として出力することができる。太陽電池電源として、よりパワーを求める場合は、同じものを複数個用意し、出力を並列接続すれば中容量にも充分対応可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

以下では、本発明に係る太陽電池単セル電源を構成する要素ごとの詳細な説明を記載する。

太陽電池部
太陽電池部１１０は、メインの太陽電池単セル１１１と開放電圧を得るためのセンシングセル１１２とから構成される。

太陽電池単セルとは、詳しくは後述するが、並列接続された複数個の太陽電池である。センシングセルとは、この複数個の太陽電池の中から１個の太陽電池を分離したものであって、その＋、−間の電圧を測定できるように分離配線されたものをいう。

太陽電池単セル１１１の−端子とセンシグセル１１２の−端子とは、太陽電池パネル表面で接続されているため、太陽電池部１１０は、太陽電池単セル１１１の＋端子、センシングセル１１２の＋端子、及び太陽電池単セル１１１とセンシグセル１１２の−端子という、３つの出力端子を有する。

太陽電池部１１０から４端子で出力することも可能である。その場合は、基板上で太陽電池単セル１１１の−端子とセンシグセル１１２の−端子のグランドは共通に接続されることとなる。

太陽電池単セル
通常、太陽電池単セルというと、シリコンインゴットからスライスした１５０ｍｍ角程度の１枚の太陽電池セルのことをいう。ただし、小型の太陽電池モジュールや変形モジュールなどは、この１枚を１／２、１／４などにカットし、それを複数枚直列接続して使用する場合がある。このような場合は、１／２カットセル、１／４カットセルなどと呼ばれることもあるが、カット後は１つのかたまりをセルと呼ぶことが多い。

本明細書では、太陽電池として用いる最小分解単位をセルとする。

太陽電池単セルは、設置のために、ガラスやプラスチックで保護される。太陽電池単セルは、太陽光が遮られることがない屋根などの屋外に設置され、アモルファスシリコン系、多結晶シリコン系、結晶シリコン系などの太陽電池素子が使用可能である。本発明では、太陽電池単セルとして、集光型球状シリコン太陽電池をシート状に並列接続したものを使用した。

また、太陽電池単セルの代わりに、太陽電池単セルを複数個接続したものを使用してもよい。複数の太陽電池単セルを直列に接続して、太陽電池電源の効率を改善することも可能である。

センシングセル
本発明に係る太陽電池単セル電源は、開放電圧を検出するための感知素子としてセンシングセルを使用する。センシングセルは、太陽電池単セルを１／ｎにカットした小型セルであって、発電させる太陽電池単セルの近傍に取り付けられる。

具体的な設置方法として、図３に、太陽電池単セルとセンシングセルの配置例を示す。図３（ａ）が底面図、図３（ｂ）が上面図である。太陽電池単セル１１１は、同一平面上で並列に接続された複数の集光型球状のシリコン太陽電池である。図３に示すように、センシングセル１１２は、太陽電池単セル１１１の中央に配置されるので、センシングセル１１２への太陽光入射角度は、太陽電池単セル１１１への入射角度である。

図４に、太陽電池単セルとセンシングセルの別の配置例を示す。この例では、センシングセル１１２は、太陽電池単セル１１１に隣接して配置されている。

ここで、センシングセル１１２は、サイズにおいて太陽電池単セル１１１より小さいため、当然のことながらその発電量は太陽電池単セル１１１の発電量より少ない。しかしながら、センシングセル１１２は太陽電池単セル１１１と同一組成であり、且つセンシングセル１１２は上記のように太陽電池単セル１１１の極めて近傍に配置されるので、太陽電池単セル１１１とセンシングセル１１２とは、発電量以外は同一の特性を有するとみなすことができる。この特性とは、具体的には、日照量や周辺温度に基づいて変化する開放電圧の特性である。

センシングセル１１２の面積分だけ太陽電池単セル１１１の設置面積は小さくなり、発電効率は落ちるが、太陽電池単セル電源が設置された周辺環境の変化をリニアに反映して、太陽電池単セル１１１からの出力電圧を制御することが可能となる。

昇圧電源部
次に本発明に係る太陽電池単セル電源の昇圧電源部１２０について説明する。

図２に示すように、太陽電池単セル１１１の＋端子に、低電圧である太陽電池単セル１１１の出力を昇圧して高電圧にするための昇圧電源部１２０が接続されている。太陽電池単セル１１１によって発電された電力は、昇圧電源部１２０によって昇圧され、キャパシタＣ３に蓄電されて、Ｖoutとして出力される。なお、図２では蓄電素子としてキャパシタＣ３が接続されているが、これはバッテリーであってもよい。

昇圧電源部１２０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ６、コイルＬ１、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２、ダイオードＤ１、昇圧型コンバータＵ１から構成される回路である。

本発明では、昇圧コンバータＵ１として、テキサスインスツルメンツ社製のＯＰＡ３７９、ＴＰＳ６１２００をそれぞれの説明書に従って使用した。また、フリースケールセミコンダクター社製のＤＣ／ＤＣコンバータ等も使用して実験を行った。

太陽電池単セル１１１からの出力電圧を受けると、最初に内部補助電源（図示せず）が動作し、ＶＡＵＸ（１ピン）から５Ｖが出力される。このＶＡＵＸ（５Ｖ）は、Ｕ１内の発振回路・ドライブ回路を駆動させる。ＶＡＵＸ（５Ｖ）はまた、基準電圧を得るためにも利用される。キャパシタＣ２はＶＡＵＸ（１ピン）からの５Ｖ出力を安定化させるために接続される。

図２で、ＵＶＬＯ（７ピン）がＶＡＵＸ（１ピン）に接続されているが、ＵＶＬＯ（７ピン）は使用しないため、とりあえず５Ｖに接続してあるに過ぎない。

ＶＡＵＸが立ち上がると、昇圧コンバータＵ１は、出力電圧を検出するための端子ＦＢ（１０ピン）が０．５Ｖになるように動作する。

ここで、Ｖoutが、負荷Ｃ３が必要とする電圧となるように、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値は設定される。Ｖoutは、
Ｖout＝ＦＢ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２
と表すことができるので、Ｒ１は、
Ｒ１＝Ｖout＊Ｒ２／ＦＢ−Ｒ２
となる。Ｖout＝４Ｖの場合、ＦＢ＝０．５Ｖ、Ｒ２＝１０ｋΩとすると、Ｒ１＝７０（ｋΩ）となる。

図２に示すように、負荷がキャパシタＣ３のような場合、昇圧電源部１２０からの出力電圧を４ＶとしてもキャパシタＣ３の電圧はその充電状態に依存する。また、昇圧電源部１２０において出力電流は制限していないので、コンバータは最大出力で電流を流すよう動作する。この場合、昇圧コンバータＵ１は、太陽電池単セル１１１からの出力電圧をＵ１の最低動作電圧まで吸いこんでしまうため、太陽電池の最大出力を得ることができなくなる。

ここで、簡易的なＭＰＰ制御の方法としては、昇圧電源部への入力電圧Ｖcellを監視して０．４Ｖ程度になるようにフィードバックを行うことが考えられるが、周囲温度や日射量の増減による太陽電池の発電状態に対応することはできない。

最適発電量制御部
次に本発明に係る太陽電池単セル電源の最適発電量制御部１３０について説明する。

最適発電量制御部１３０は、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、キャパシタＣ４、Ｃ５、オペアンプＵ２から構成される回路である。最適発電量制御部１３０から出力される制御信号、即ちオペアンプＵ２からの出力は、ダイオードＤ１を通って、昇圧電源部１２０の昇圧コンバータＵ１のＦＢ端子に入力される。

センシングセルから出力される電圧（Ｖocsens）は、抵抗素子Ｒ３、Ｒ４で分圧される。本発明の一実施形態では、太陽電池単セル１１１の最大電力点がセンシングセル１０２の開放電圧の８０％であると仮定し、Ｒ３：Ｒ４＝２：８となるように設定した。これにより、オペアンプＵ２の−ＩＮ端子には、Ｖocsensの８０％の電圧がかかることになる。このＶocsensの８０％の電圧がＭＰＰ点となる。

太陽電池単セル１１１の電圧（Ｖcell）は、抵抗素子Ｒ６を通じオペアンプＵ２の＋ＩＮ端子に入力される。抵抗素子Ｒ６はオペアンプＵ２の出力電流を制限するために接続されており、Ｒ６の定数により、昇圧コンバータＵ１の出力電圧可変下限値が決定される。

オペアンプＵ２は、太陽電池単セル１１１の電圧（Ｖcell）とセンシングセル１０２の電圧（Ｖocsens）を比較し、昇圧電源部１２０の昇圧コンバータＵ１のＦＢへフィードバックをかける。

オペアンプＵ２は、太陽電池単セル１１１からの電圧がＭＰＰ点より高い場合は、出力はＬｏｗであり、昇圧電源部１２０の昇圧コンバータＵ１のＦＢへは何もフィードバックしない。これにより、昇圧コンバータＵ１は、最大出力で電流を流そうとする。そうすると、上で述べたように、太陽電池単セル１１１からの出力電圧は低下する。太陽電池単セル１１１からの電圧がＭＰＰ点よりも低くなると、オペアンプＵ２は、出力がＨｉｇｈとなり、昇圧電源部１２０の昇圧コンバータＵ１のＦＢへ電流を流す。これにより、昇圧コンバータからの出力電圧が低下する。最終的には、キャパシタＣ３の電圧と同じところまで低下し、負荷電流＝０Ａまで低下する。これにより、リニアに負荷電力量を制御するようになる。

抵抗素子Ｒ７、キャパシタＣ５、Ｃ６は位相補償或いは出力急変時の応答遅れ対策のために接続される。しかしながら、太陽電池の出力はそれほど高速に変化するものでは無いので、昇圧コンバータＵ１の応答速度との兼ね合いで定数を定める。特に問題が無ければ、接続しなくても良い。

１１０ 太陽電池部
１１１ 太陽電池単セル
１１２ センシングセル
１２０ 昇圧電源部
１３０ 最適発電量制御部
１９０ 蓄電素子

Claims (4)

1. 太陽電池部と、
   前記太陽電池部からの出力電圧を昇圧する昇圧電源部と、
   前記昇圧電源部における昇圧を制御する最適発電量制御部と
   を備える太陽電池単セル電源であって、
   前記太陽電池部は、太陽電池単セルとセンシングセルとを備え、
   前記センシングセルは、太陽電池単セルをカットした小型セルであって、前記太陽電池単セルの近傍に配置され、
   前記最適発電量制御部は、前記センシングセルからの出力電圧と前記太陽電池単セルからの出力電圧を比較し、昇圧電源部の昇圧コンバータに制御信号を送る、オペアンプを備えることを特徴とする太陽電池単セル電源。
2. 請求項１に記載の太陽電池単セル電源において、
   前記センシングセルは、前記太陽電池単セルと同一平面に配置されることを特徴とする太陽電池単セル電源。
3. 請求項２に記載の太陽電池単セル電源において、
   前記センシングセルは、前記太陽電池単セルの中央に配置されることを特徴とする太陽電池単セル電源。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の太陽電池単セル電源において、
   前記最適発電量制御部は更に、抵抗素子Ｒ３とＲ４とを備え、Ｒ３とＲ４の抵抗値の比は２：８であることを特徴とする太陽電池単セル電源。

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