JP2012244825A

JP2012244825A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2012244825A
Application number: JP2011114261A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Kawakami; 知之川上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】太陽電池２０の直流出力電力を交流電力に変換する電力変換部３と電力変換部３を冷却する冷却ファン６、８とを備えた電力変換装置１において、容易な装置構成で冷却ファン６、８の消費電力低減化を図る。
【解決手段】電力変換部３を筐体２内に収納し、筐体２の上面に太陽電池２０を配置する。太陽電池２０の出力を電力変換部３に入力すると共に、太陽電池２０の出力を電力変換部３を介することなく冷却ファン駆動装置２４に供給する。太陽電池２０の発電量に応じて冷却ファン６、８の駆動電圧が得られて、冷却ファン６、８の駆動電力を必要量に応じて生成する。
【選択図】図３

Description

この発明は、太陽電池の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置は、電力変換部による発電量を監視するための監視部と、発電制御データを予め記憶するためのファン制御データテーブルと、冷却ファンの駆動を制御するための駆動制御部とを備え、監視された発電量と現発電制御データとを比較することで、冷却ファンの消費電力の低減を可能とし、電力変換の効率を向上させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２１３２６２号公報

従来の電力変換装置では、冷却ファンの消費電力の低減のために、太陽電池の発電量を監視し、また複数の発電制御データを予め記憶して上記発電量と比較する必要があり、監視や制御のために装置構成が複雑になるという問題点があった。また、種々の環境で太陽電池および電力変換装置が用いられた場合、冷却ファンが実際の冷却の為に必要とする電力以上を消費して電力変換装置の効率を低下させたり、必要とする電力が冷却ファンに供給されずに電力変換装置内の半導体素子の冷却が十分行えないこともあった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、簡略な装置構成で冷却性能を確保しつつ冷却ファンの消費電力の低減化を図り、電力変換効率の向上を促進した電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明による第１の電力変換装置は、太陽電池の直流出力電力を交流電力に変換して負荷あるいは系統に出力する電力変換部と該電力変換部を冷却するための冷却ファンとを備えるものであって、上記太陽電池の直流出力から上記電力変換部を介することなく上記冷却ファンの駆動電源を直接生成するものである。

またこの発明による第２の電力変換装置は、太陽電池の直流出力電力を交流電力に変換して負荷あるいは系統に出力する電力変換部と該電力変換部を冷却するための冷却ファンとを備えるものであって、さらに上記冷却ファンの駆動電源用太陽電池を備え、上記駆動電源用太陽電池の直流出力から上記電力変換部を介することなく上記冷却ファンの駆動電源を直接生成するものである。

上記第１の電力変換装置によると、太陽電池の直流出力から電力変換部を介することなく冷却ファンの駆動電源を直接生成するため、太陽電池の発電量に応じて冷却ファンの駆動電圧が得られる。このため、簡略な装置構成で冷却ファンの駆動電力を必要量に応じて生成することができ、冷却性能を確保しつつ冷却ファンの消費電力の低減化を図り、電力変換装置の電力変換効率の向上を促進できる。

上記第２の電力変換装置によると、冷却ファンの駆動電源用太陽電池を備え、駆動電源用太陽電池の直流出力から電力変換部を介することなく冷却ファンの駆動電源を直接生成するため、駆動電源用太陽電池の発電量に応じて冷却ファンの駆動電圧が得られる。このため、簡略な装置構成で冷却ファンの駆動電力を必要量に応じて生成することができ、冷却性能を確保しつつ冷却ファンの消費電力の低減化を図り、電力変換装置の電力変換効率の向上を促進できる。また、駆動電源用太陽電池の直流出力から冷却ファンの駆動電源を生成するのが容易であり、さらに装置構成を簡略化できる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。この発明の実施の形態１による太陽電池の出力特性図である。この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路図である。この発明の実施の形態１による日射量と各部の特性変化との関係を示す図である。この発明の実施の形態１による日射量と冷却ファンの消費電力量との関係を示す図である。この発明の実施の形態２による電力変換装置の回路図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。尚、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の側面から見た概略構成図である。図に示すように、電力変換装置１は、図示しない吸気口、排気口を有する筐体２内に電力変換部３を収納している。筐体２の外側上面には太陽電池２０が配置され、電力変換部３は、電力半導体素子を収納したパワーモジュール４を備えて、太陽電池２０の直流出力電力を交流電力に変換して図示しない負荷あるいは系統に出力する。
また、電力変換部３内のパワーモジュール４を冷却するヒートシンク５を、筐体２の背面側に露出するように設け、ヒートシンク５に冷却風を送ってパワーモジュール４を冷却する第１の冷却ファンとしての素子冷却ファン６を備える。筐体２の上部には筐体２内で上昇した暖かい空気を外気と遮断した状態で冷却する熱交換器７と、熱交換器７に冷却風を送る第２の冷却ファンとしての熱交換器冷却ファン８とを備える。なお、熱交換器７の周囲に筐体２の内気と遮断されて冷却風となる外気９が流れるための流路が形成された流路形成部１０が設けられている。

パワーモジュール４内の電力半導体素子は、電力変換動作により発熱し、周囲の空気が暖められて上昇する。１１は、暖められて上昇する気流を示す。また電力半導体素子が発生する熱は、ヒートシンク５の羽根部に伝導している。素子冷却ファン６を駆動させることによって、冷たい外気がヒートシンク５で形成された空間をヒートシンク５の羽根部に接触しながら通過することにより、羽根部の熱が奪われる。その結果、パワーモジュール４は冷却される。１２は、パワーモジュール４からヒートシンク５側への熱流を示す。

また、暖められて上昇した気流１１により熱交換器７に熱が伝導している。熱交換器冷却ファン８を駆動させることによって、冷たい外気９が熱交換器７周囲の流路を通過し、熱交換器７の熱が奪われる。上昇した気流１１は、熱交換器７で冷却されて下降する。その結果、筐体２の内部は外気に触れることなく冷却される。１３は、熱交換器７から筐体２外側への熱流であり、１４は、熱交換器７で冷却されて下降する気流を示す。
なお、この場合、パワーモジュール４が冷却されることは、電力半導体素子および電力変換部３が冷却されることと同じである。また、素子冷却ファン６、熱交換器冷却ファン８のいずれにおいても、ヒートシンク５や熱交換器７を介して電力変換部３を冷却する為の冷却ファンである。

図２は太陽電池２０の出力特性図である。太陽電池２０は、天候変動、主に日射量に応じて出力特性（発電量）が変動し、通常、その時の最大電力を出力するように制御される。また発電量に応じて直流電圧は変化する。日射量が小さいａの場合は、日射量が大きいｂの場合に比べて、直流電圧が減少する傾向にある。

上記図１で示した電力変換装置１の回路図を図３に示す。
図３に示すように、電力変換装置１は、太陽電池２０および商用電力系統３０と接続され、太陽電池１からの直流電力を、電力変換部３において交流電力に変換し、変換された交流電力を電力系統３０に出力する発電システムとして機能する。
筐体２外側に配置された太陽電池２０からの直流出力は筐体２内に送られ、開閉器２１を介して電力変換部３および冷却ファン駆動装置２４に接続される。電力変換部３では入力された直流電力を交流電力に変換し、平滑フィルタ２２および開閉器２３を介して電力系統３０に出力する。なお、平滑フィルタ２２は、リアクトル２２ａおよびコンデンサ２２ｂにて構成される。

この場合、太陽電池２０の出力が電力変換部３を介することなく冷却ファン駆動装置２４に直接接続される。このため冷却ファン駆動装置２４は、太陽電池２０の出力電圧を、ヒートシンク５を冷却するための素子冷却ファン６と熱交換器７を冷却するための熱交換器冷却ファン８とにそれぞれ駆動電圧として印加する。なお、実際には太陽電池２０の出力電圧を降圧して駆動電圧として印加するが、太陽電池２０の出力電圧の傾向は維持されている。
図４（ａ）に示すように、日射量が低下した場合は、太陽電池２０の発電量が低下し直流電圧の低い状態で冷却ファン（素子冷却ファン６、熱交換器冷却ファン８）が駆動されるため冷却能力が低減する。また、太陽電池２０の発電量が低下しているため、電力変換部３の電力変換動作による電力半導体素子からの発熱量も低下する。このため冷却ファン６、８の冷却能力は低減された状態でも不足せず適している。

図４（ｂ）に示すように、日射量が増加した場合は、太陽電池２０の発電量が増加し直流電圧の高い状態で冷却ファン６、８が駆動されるため冷却能力が増加する。また、太陽電池２０の発電量が増加しているため、電力変換部３の電力変換動作による電力半導体素子からの発熱量も増加する。このため冷却ファン６、８の冷却能力は増加された状態でも過剰にならず適している。
図５に、日射量に応じて変化する太陽電池２０の直流電圧と、熱交換器冷却ファン８および素子冷却ファン６の各消費電力の具体例を示す。

この実施の形態では、上述したように、太陽電池２０の直流出力から電力変換部３を介することなく冷却ファン６、８の駆動電源を直接生成したため、冷却ファン６、８には、電力変換部３の冷却に必要とされる電力を過不足なく供給することができる。このように冷却ファンの駆動電力を必要量に応じて生成することができ、冷却性能を確保しつつ冷却ファンの消費電力の低減化を図り、電力変換装置の電力変換効率の向上を促進できる。また、従来技術のように、太陽電池の発電量を監視したり、発電制御データを予め記憶して上記発電量と比較する必要がなく、簡略な装置構成で上記効果を実現できる。

なお、電力変換装置１の装置構成は、筐体２を装置の一部として構成したものであっても良く、また筐体２の上面に取り付ける太陽電池２０も装置の一部として構成しても良い。
また、太陽電池２０は、筐体２の上面に限らず、太陽光が照射される位置で筐体２に近接配置されるものであればよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による電力変換装置について説明する。
図６はこの発明の実施の形態２による電力変換装置の回路図である。この場合、電力変換部３に接続される太陽電池２０とは別に、冷却ファン駆動装置２４の為に駆動電源用太陽電池２０ａを備え、駆動電源用太陽電池２０ａの出力が開閉器２５を介して冷却ファン駆動装置２４に接続される。その他の構成は上記実施の形態１と同様であり、駆動電源用太陽電池２０ａは太陽電池２０と同様に、筐体２の上面に配置される。

この場合も、駆動電源用太陽電池２０ａの出力が電力変換部３を介することなく冷却ファン駆動装置２４に直接接続される。このため冷却ファン駆動装置２４は、駆動電源用太陽電池２０ａの出力電圧を、各冷却ファン６、８にそれぞれ駆動電圧として印加する。
このため、上記実施の形態１と同様に、冷却ファン６、８には、電力変換部３の冷却に必要とされる電力を過不足なく供給することができ、簡略な装置構成で冷却性能を確保しつつ冷却ファンの消費電力の低減化が図れる。
また、電力系統３０に連系される太陽電池２０の電力を冷却ファン６、８には用いないため、連系電力側から見た損失を大きく低減できる。
さらに、駆動電源用太陽電池２０ａは、冷却ファン駆動装置２４の為に専用に設けられているため、駆動電源用太陽電池２０ａの出力電圧を昇降圧せずに冷却ファン６、８の駆動電圧として用いるように構成できる。このため、冷却ファン６、８の駆動電源を生成するのが容易であり、さらに装置構成を小型化、簡略化できる。

なお、駆動電源用太陽電池２０ａの出力特性（電圧、電流）を、冷却ファン６、８の定格値または、ほぼ定格値に相当する値に設定することにより、電力変換部３の冷却に必要とされる電力の上限値が冷却ファン６、８の電力仕様と等しいため、冷却ファン６、８の電力消費を必要最低限に確保でき装置全体の電力変換効率向上が図れる。

１電力変換装置、２筐体、３電力変換部、４パワーモジュール、
５ヒートシンク、６第１の冷却ファンとしての素子冷却ファン、７熱交換器、
８第２の冷却ファンとしての熱交換器冷却ファン、２０太陽電池、
２０ａ駆動電源用太陽電池、３０電力系統。

Claims

太陽電池の直流出力電力を交流電力に変換して負荷あるいは系統に出力する電力変換部と該電力変換部を冷却するための冷却ファンとを備えた電力変換装置において、
上記太陽電池の直流出力から上記電力変換部を介することなく上記冷却ファンの駆動電源を直接生成することを特徴とする電力変換装置。
上記電力変換部を収納する筐体を備え、上記太陽電池を該筐体と近接配置して備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
太陽電池の直流出力電力を交流電力に変換して負荷あるいは系統に出力する電力変換部と該電力変換部を冷却するための冷却ファンとを備えた電力変換装置において、
上記冷却ファンの駆動電源用太陽電池を備え、
上記駆動電源用太陽電池の直流出力から上記電力変換部を介することなく上記冷却ファンの駆動電源を直接生成することを特徴とする電力変換装置。
上記電力変換部を収納する筐体を備え、上記太陽電池および上記駆動電源用太陽電池を該筐体と近接配置して備えたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
上記駆動電源用太陽電池の出力特性を、上記冷却ファンの定格出力値に概等しく設定することを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。
上記電力変換部内の電力半導体素子を冷却するヒートシンクと、上記筐体の上部に設けられて筐体内で上昇した気流を冷却する熱交換器とを備え、上記ヒートシンクに冷却風を送る第１の冷却ファン、および上記熱交換器に冷却風を送る第２の冷却ファンを上記冷却ファンとして備えたことを特徴とする請求項２または４に記載の電力変換装置。