JP2012205359A - 太陽電池式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成で商用電源との切り換えが容易な太陽電池式発電装置を提供する。
【解決手段】太陽電池２と負荷１０との間に接続される太陽電池式発電装置１において、太陽電池２からの電力が蓄電されるコンデンサ３及び二次電池４と、二次電池４の充放電を制御する二次電池用充放電制御回路５と、二次電池４の出力電圧を監視する二次電池出力電圧監視部７と、二次電池４に接続されるＤＣ／ＡＣ変換器８と、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧監視部９と、ＤＣ／ＡＣ変換器８と負荷１０との間に接続されるスイッチ１１と、を含む。負荷１０に供給されるＡＣ電力１２が、スイッチ１１によって、ＤＣ／ＡＣ変換器８からの供給又は商用電源１２からの供給に切り換えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池式発電装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、太陽電池の発電出力を二次電池に充電して負荷にＡＣ電力を供給し、さらに所定の発電出力以下の場合には商用電源に切り換えて負荷にＡＣ電力を供給する太陽電池式発電装置に関する。

近年、地域のクリーンエネルギー資源として、太陽光や木質バイオマスの利用が進められている。中でも、太陽光によって発電する太陽電池式発電装置の設置が世界中で推進されている（特許文献１及び２参照）。

太陽電池は、発電機能をもつが、通常は蓄電機能をもたない。従って、太陽電池を単独で用いる場合は昼間の晴れの時にしか使用できないので、その場合には不足分を従来の商用電源に切り換えて使用されている。

これに対して、太陽電池で発電した電気を二次電池に蓄電する場合は、使用したいときに使用可能となる。しかしながら、昼間だけ利用する場合であっても、太陽電池で発電した電気の不足分を二次電池に蓄電する場合は、二次電池の容量を大きくする必要がある。

蓄電するために、二次電池とコンデンサを併用する方式も知られている。

特開２０１０−２２６８５７号公報 特開２００１−００８３８３号公報

太陽電池で発生した電力を、二次電池とコンデンサを併用して蓄電する場合の制御は複雑であり、簡便な制御が可能な太陽電池式発電装置が実現されていないという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、簡便な構成で商用電源との切り換えが容易な太陽電池式発電装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の太陽電池式発電装置は、太陽電池と負荷との間に接続される太陽電池式発電装置において、太陽電池からの電力が蓄電されるコンデンサ及び二次電池と、二次電池の充放電を制御する二次電池用充放電制御回路と、二次電池の出力電圧を監視する二次電池出力電圧監視部と、二次電池に接続されるＤＣ／ＡＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器の出力電圧監視部と、ＤＣ／ＡＣ変換器と負荷との間に接続されるスイッチと、を含むことを特徴とする。

上記構成において、負荷に供給されるＡＣ電力が、好ましくは、スイッチによってＤＣ／ＡＣ変換器からの供給又は商用電源からの供給に切り換えられる。
負荷に供給されるＡＣ電力が、好ましくは、スイッチによって商用電源に切り換えられたとき、コンデンサと二次電池が太陽電池によって充電される。
好ましくは、二次電池異常検知部をさらに備えている。
二次電池用充放電制御回路の出力と二次電池との間に、好ましくは、過電流保護回路を備えている。
好ましくは、コンデンサ用充放電制御回路を備え、コンデンサ用充放電制御回路は、太陽電池と二次電池の充放電制御回路との間に接続される第１のスイッチと、第１のスイッチとコンデンサとの間に接続される第２のスイッチと、を備えている。
好ましくは、制御部を備え、制御部はコンデンサ用充放電制御回路と、二次電池用充放電制御回路と、二次電池出力電圧監視部と、スイッチとを制御する。

本発明によれば、太陽電池によって発電された電力を二次電池とコンデンサを併用して蓄電し、太陽電池によって電力が十分に発電されないときには、高速で商用電源に切り換えることができる太陽電池式発電装置を提供することができる。

本発明に係る太陽電池式発電装置のブロック図である。 本発明の太陽電池式発電装置の動作を説明するフロー図である。 本発明に係る太陽電池式発電装置の変形例のブロック図である。 太陽電池式発電装置のシミュレーションの一例を示す図である。 実施例の太陽電池式発電装置のＤＣ／ＡＣ変換器からの出力電力及び発電量を示す図であり、（ａ）は垂直型を、（ｂ）は屋根置型を示している。

以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明に係る太陽電池式発電装置１のブロック図である。
図１に示すように、太陽電池式発電装置１は、太陽電池２からの電力が蓄電されるコンデンサ３及び二次電池４と、二次電池４の充放電を制御する二次電池用充放電制御回路５と、二次電池４の出力電圧を監視する二次電池出力電圧監視部７と、二次電池４に接続されるＤＣ／ＡＣ変換器８と、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧監視部９と、ＤＣ／ＡＣ変換器８と負荷１０との間に接続されるスイッチ１１と、二次電池出力電圧監視部７等に電源を供給する電源部１３等を含んで構成されている。

太陽電池２は、複数の太陽電池２のセルが板状に配列されており、建物の屋上や壁面に取り付けられている。例えば、１ユニットはＤＣ４０Ｖで出力電力が２１０Ｗである。このようなユニットを並列接続すれば、ユニット数に比例して太陽電池２の出力電力を増大することができる。

コンデンサ３は、電気二重層コンデンサ等からなり、繰り返し使用可能な二次電池４の前段に配置されている。太陽電池２から電気二重層コンデンサ３で電気を受けた後、二次電池４に蓄電する方法は、晴天でない場合に有効に充電することができる。コンデンサ３は、二次電池４の逆流防止用の保護用ダイオード１６を介して太陽電池２に接続されている。

二次電池４は、鉛電池、ニッケルカドミウム電池、リチウム電池等の繰り返し使用が可能な蓄電池を用いることができる。

二次電池４の出力電圧は、二次電池出力電圧監視部７によってそのＤＣ出力電圧が測定されている。さらに、二次電池出力電圧監視部７では、二次電池４において所定のＤＣ出力電圧が得られているか否かが判定されている。所定のＤＣ出力電圧は、例えば２６Ｖである。

二次電池用充放電制御回路５は、二次電池４の充放電を制御する回路である。二次電池用充放電制御回路５の出力は、第１のスイッチ１７を介してＤＣ／ＡＣ変換器８に接続されている。第１のスイッチ１７は、二次電池出力電圧監視部７によって制御されてもよい。

二次電池出力電圧監視部７からの出力は、二次電池用充放電制御回路５に入力される。二次電池４が所定の電圧まで充電されていない場合には、第１のスイッチ１７を開（オフ）として、二次電池４を充電の状態にすることができる。二次電池４が所定の電圧まで充電されている場合には、第１のスイッチ１７が閉（オン）となり、二次電池４がＤＣ／ＡＣ変換器８に接続される。

さらに、二次電池４には二次電池異常検知部１４を設けてよい。二次電池異常検知部１４は、リチウムイオン電池等の二次電池４の電圧や温度を監視し、規定の電圧以下になれば過放電の信号、さらに電圧が低下すれば故障信号を発報する。

二次電池異常検知部１４は、二次電池４の温度監視を行ってもよい。二次電池異常検知部１４は、二次電池４内部の温度が規定の温度以上になれば温度異常の信号を発報する。

さらに、二次電池用充放電制御回路５と二次電池４との間に過電流保護回路１５を設けてもよい。過電流保護回路１５は所謂シャントトリップを使用することができる。過電流保護回路１５は、二次電池異常検知部１４からの過放電や故障などの信号を受けて動作するようにしてもよい。この場合には、過電流保護回路１５は、二次電池異常検知部１４からの異常信号を受信すると二次電池用充放電制御回路５と二次電池４との接続を開（オフ）として、二次電池４からの過放電を停止することができる。

ＤＣ／ＡＣ変換器８は、太陽電池２で発電される直流電力を商用電源１２と同じＡＣ電圧かつ同じ周波数のＡＣ電源に変換する変換器であり、所謂インバータである。例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ電圧は１００Ｖであり、その周波数は５０Ｈｚである。

ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧監視部９は、ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ出力電圧を測定し、所定の出力電圧が得られているか否かを判定する。

ＤＣ／ＡＣ変換器８に接続される負荷１０には、ＤＣ／ＡＣ変換器８から発生されるＡＣ電力が供給される。負荷１０は、ＡＣ電源で動作する機器であれば何でもよい。例えば負荷１０は、照明装置である。

ＤＣ／ＡＣ変換器８と負荷１０との間には、第２のスイッチ１１が接続されている。第２のスイッチ１１は取り扱い電力が大きいので、電磁式継電器等を使用して構成されている。第２のスイッチ１１は、出力電圧監視部９からの信号によって、負荷１０へのＡＣ電力供給を、ＤＣ／ＡＣ変換器８からの供給又は商用電源１２からの供給に切り換える。

ＤＣ／ＡＣ変換器８と負荷１０とが接続される場合には、第２のスイッチ１１ａ，１１ｂが閉（オン）となっている。さらに、第２のスイッチ１１ｃ，１１ｄが閉（オン）となり、ＤＣ／ＡＣ変換器８からのＡＣ電力が、電源部１３に接続される。

ＤＣ／ＡＣ変換器８から負荷１０にＡＣ電力が供給されないときには、負荷１０には商用電源１２からＡＣ電力が供給される。この場合には、第２のスイッチ１１ａ，１１ｂ、１１ｃが開（オフ）となる。さらに、第２のスイッチ１１ｄ，１１ｅが閉（オン）となり、商用電源１２が負荷１０に接続されると共に、商用電源１２が電源部１３に接続される。

（太陽電池式発電装置の制御）
次に、太陽電池式発電装置１の制御について説明する。
図２は、本発明の太陽電池式発電装置１の動作を説明するフロー図である。
（ステップＳＴ０１）
ステップＳＴ０１では、太陽電池２が十分に発電し、二次電池４が満充電の場合には、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電力はＡＣ９５Ｖ〜１００Ｖ以上であるので、負荷１０には太陽電池式発電装置１からＡＣ電力が供給されている。

（ステップＳＴ０２〜ステップＳＴ０３）
ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ出力電力は監視されており、ステップＳＴ０２に示すように、ＡＣ出力電力が９５Ｖよりも低下した場合には、負荷１０には太陽電池式発電装置１の代わりに商用電源１２からＡＣ電力が供給される。

（ステップＳＴ０４）
商用電源１２から負荷１０に電力が供給されている場合、太陽電池２から二次電池４への充電状態が監視されている。ステップＳＴ０４に示すように、太陽電池２から二次電池４が充電中の場合には、ステップＳＴ０５に移行する。

一方、太陽電池２から二次電池４が十分に充電されていない場合には、ステップＳＴ０６〜ステップＳＴ０９に移行する。

（ステップＳＴ０５）
日中であって、太陽電池２が充電中の場合には、ステップＳＴ０４からステップＳＴ０５に移行し、ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ出力電圧が所定の値であるか否かの判定がされる。ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ出力電圧がＡＣ９５Ｖ〜１００Ｖ以上の場合には、ステップＳＴ０１に移行し、負荷１０には商用電源１２の代わりに太陽電池式発電装置１からＡＣ電力が供給される。

一方、ＤＣ／ＡＣ変換器８のＡＣ出力電圧がＡＣ９５Ｖ未満の場合には、ステップＳＴ０３に移行し、負荷１０には、引き続き商用電源１２からＡＣ電力が供給される。

（ステップＳＴ０６）
二次電池４が充電されていない場合には、ステップＳＴ０４からステップＳＴ０６に移行し、二次電池４のＤＣ出力電圧が計測される。二次電池４のＤＣ出力電圧が２３Ｖ以下の場合には、二次電池４は満充電ではないと判断されて、ステップＳＴ０７に移行する。

（ステップＳＴ０７）
ステップＳＴ０６で二次電池４が充電されていない場合には、スイッチ１１によって負荷１０には、引き続き商用電源１２からＡＣ電力が供給される。この場合、スイッチ１１の電磁式継電器のマグネットはオフである。

（ステップＳＴ０８、０９）
ステップＳＴ０８で二次電池４のＤＣ出力電圧が２６Ｖ以上になった場合には、ステップＳＴ０９で二次電池４がスイッチ１１によってＤＣ／ＡＣ変換器８に接続され、上述したステップＳＴ０５に移行する。この場合、スイッチ１１の電磁式継電器のマグネットはオンとなる。

以上説明したように、本発明の太陽電池式発電装置１では、ＤＣ／ＡＣ変換器８からＡＣ電力を供給している場合、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧が９５Ｖ以下、つまり所定電力が得られない場合には、スイッチ１１により商用電源１２に系統が切り換わる。

商用電源１２に系統が切り換わると、太陽電池式発電装置１において、太陽電池２によりコンデンサ３と二次電池４が充電される。ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧が１００Ｖ以上になると、再び太陽電池式発電装置１から負荷１０にＡＣ電力が供給される。

天候が悪い日や夜間等で太陽電池２が発電できない場合、商用電源１２の系統へ切り換わったままである。また、太陽電池２によって発電ができるようになり、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧が１００Ｖ以上になると再び太陽電池式発電装置１から負荷１０にＡＣ電力が供給される。

なお、太陽電池２の発電が停止し二次電池４に充電されていない場合、二次電池４の端子電圧が２３Ｖ以下になるとスイッチ１１が動作して、負荷１０には商用電源１２からＡＣ電力が供給される。

ＤＣ／ＡＣ変換器８の状態監視による二次電池４の電力消費を抑えるため、太陽電池２から再び充電され二次電池４の端子電圧を２６Ｖまで回復させる。この場合には、スイッチ１１が動作して、負荷１０には商用電源１２からＡＣ電力が供給される。

上記動作を繰り返すことによって、太陽電池式発電装置１は日射のある間は、負荷１０にＡＣ電力を効率良く供給することができる。

本発明の太陽電池発電装置１は、コンデンサ用充放電制御回路２０をさらに備えて構成されてもよい。
図１に示すように、コンデンサ用充放電制御回路２０は、第３及び第４のスイッチ２１、２２を含んで構成されている。第３のスイッチ２１は、太陽電池２と二次電池用充放電制御回路５との間に保護用ダイオード１６を介して接続されている。つまり、第３のスイッチ２１の一端が太陽電池２に接続され、第３のスイッチ２１の他端が保護用ダイオード１６を介して二次電池用充放電制御回路５の入力部に接続されている。第４のスイッチ２２の一端は二次電池用充放電制御回路５の入力部に接続されている。第４のスイッチ２２の他端はコンデンサ３の一端に接続されている。このコンデンサ３の他端は接地されている。

第３のスイッチ２１が閉（オン）で、第４のスイッチ２２が開（オフ）の場合には、太陽電池２の出力はコンデンサ３に接続されないので、太陽電池２の出力は二次電池用充放電制御回路５を介して二次電池４に接続される。

第３及び第４のスイッチ２１，２２が共に閉（オン）の場合には、太陽電池２の出力はコンデンサ３に接続されるので、二次電池４を、コンデンサ３から充電することができる。太陽電池２からコンデンサ３で電気を受けた後、コンデンサ３だけを満充電してから二次電池４に蓄電してもよい。この制御によれば、晴天でない場合にも二次電池４を有効に充電することができる。

さらに、コンデンサ３だけを満充電して、二次電池４を使用しないで、ＤＣ／ＡＣ変換器８に出力してもよい。この場合には、コンデンサ３の充放電は高速であるので、ＤＣ／ＡＣ変換器８に、高速でＤＣ電力を供給することができる。

（太陽電池発電装置の変形例）
図３は、図１に示した本発明の太陽電池式発電装置１の変形例のブロック図である。
図３に示すように、太陽電池発電装置１Ａは、図１に示す太陽電池発電装置１にさらに制御部３０を備えて構成されてもよい。制御部３０は、コンデンサ用充放電制御回路２０と、二次電池用充放電制御回路５と、二次電池出力電圧監視部７と、スイッチ１１とを制御する。制御部３０は、さらに、二次電池出力電圧監視部７及びＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧監視部９、スイッチ１７を制御してもよい。制御部３０としては、所謂マイクロプロセッサやマイクロコンピュータを用いることができる。

（シミュレーション）
本発明のＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧、二次電池４への充電状態、負荷１０における電力消費、商用電源１２の電力、発電量についてシミュレーションをした。
図４に、太陽電池式発電装置１のシミュレーションの一例を示す。図４の横軸は時間（時）であり、縦軸は、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧、二次電池４への充電状態、負荷１０における電力消費、商用電源１２の電力、発電量を示している。
図４に示すように、太陽電池式発電装置１は日中、つまり日射がある間は発電されることがわかる。負荷電力は常に一定であるが、太陽電池式発電装置１のＤＣ／ＡＣ変換器８からの出力電力があるときには、負荷にはＤＣ／ＡＣ変換器８からＡＣ電力が供給されている。

一方、ＤＣ／ＡＣ変換器８からの出力電力がないときには、負荷には商用電源１２から電力が供給されていることが分かる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
太陽電池式発電装置１の主要部を以下に示す。
（太陽電池）
三洋電機製（ＨＩＴ、２１０Ｗ／ユニット）の太陽電池２を５ユニット用いた。この太陽電池２の発電量は約１ｋＷである。この太陽電池２の特徴は、曇りの日でも発電可能な点にある。太陽電池２は、建物の側壁に設置する垂直型と屋根や建物の屋上に設置する屋根置型とを用いた。

（電気二重層コンデンサ）
電気二重層コンデンサ３は、パワーシステム製のスーパーキャパシタを用いた。電気二重層コンデンサ３の耐圧はＤＣ５４Ｖ、その容量は６０Ｆであった。

（二次電池）
二次電池４は、エナックス製のリチウムイオン電池を用いた。二次電池４の出力電圧はＤＣ２９.６Ｖであり、容量は７４０Ｗｈである。

図５は、実施例の太陽電池式発電装置１のＤＣ／ＡＣ変換器８からの出力電力及び発電量を示す図であり、（ａ）は垂直型を、（ｂ）は屋根置型を示している。図５の横軸は時間（時）であり、縦軸は、ＤＣ／ＡＣ変換器８の出力電圧、発電量を示している。負荷１０は、３００〜４００Ｗである。
図５から明らかなように、実施例１の太陽電池式発電装置１では、発電は上記日射量に準じ、順調に発電しており、負荷１０の容量が３００〜４００Ｗであり、２４時間常時使用されている環境から、太陽電池２の容量と二次電池４の容量が不足していることが分かる。

太陽電池２の垂直型と屋根置型を比較してみると、太陽電池２の容量及び二次電池４の容量が共に不足していることは共通事項であるが、午後からの発電量が特に多い垂直型については、ＤＣ／ＡＣ変換器８から継続的に出力が出ていることが分かる。つまり、日照がある時間では、負荷１０にはＤＣ／ＡＣ変換器８と商用電源１２とからＡＣ電力が供給されていることが分かる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

１，１Ａ：太陽電池式発電装置
２：太陽電池
３：コンデンサ
４：二次電池
５：二次電池用充放電制御回路
７：二次電池出力電圧監視部
８：ＤＣ／ＡＣ変換器
９：出力電圧監視部
１０：負荷
１１，１７，２１，２２：スイッチ
１２：商用電源
１３：電源部
１４：二次電池異常検知部
１５：過電流保護回路
１６：保護用ダイオード
２０：コンデンサ用充放電制御回路
３０：制御部

Claims (7)

1. 太陽電池と負荷との間に接続される太陽電池式発電装置において、
   上記太陽電池からの電力が蓄電されるコンデンサ及び二次電池と、
   上記二次電池の充放電を制御する二次電池用充放電制御回路と、
   上記二次電池の出力電圧を監視する二次電池出力電圧監視部と、
   上記二次電池に接続されるＤＣ／ＡＣ変換器と、
   上記ＤＣ／ＡＣ変換器の出力電圧監視部と、
   上記ＤＣ／ＡＣ変換器と負荷との間に接続されるスイッチと、
   を含むことを特徴とする、太陽電池式発電装置。
2. 前記負荷に供給されるＡＣ電力が、前記スイッチによって、前記ＤＣ／ＡＣ変換器からの供給又は商用電源からの供給に切り換えられることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池式発電装置。
3. 前記負荷に供給されるＡＣ電力が前記スイッチによって前記商用電源に切り換えられたとき、前記コンデンサと前記二次電池が前記太陽電池によって充電されることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池式発電装置。
4. 二次電池異常検知部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池式発電装置。
5. 前記二次電池用充放電制御回路の出力と前記二次電池との間に、過電流保護回路を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池式発電装置。
6. コンデンサ用充放電制御回路を備え、該コンデンサ用充放電制御回路は、前記太陽電池と前記二次電池の充放電制御回路との間に接続される第１のスイッチと、該第１のスイッチと前記コンデンサとの間に接続される第２のスイッチと、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池式発電装置。
7. 制御部を備え、該制御部は、前記コンデンサ用充放電制御回路と、前記二次電池用充放電制御回路と、前記二次電池出力電圧監視部と、前記スイッチとを制御することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池式発電装置。