JP2014116991A

JP2014116991A - 太陽電池の電力配分回路

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Publication number: JP2014116991A
Application number: JP2012266840A
Authority: JP
Inventors: Takao Yamada; 隆夫山田; Takashi Ozeki; 祟大関; Kazuhiko Kato; 和彦加藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】太陽光発電システムの一部の太陽電池の出力が、日陰等によって低下した場合に、システムの電流電圧特性に現れる段差を平滑化して出力電力の効率を高めることのできる、太陽電池の電力配分回路を提供する。
【解決手段】直列接続されて隣合う太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の正極端子Ｐ１どうしを接続する電力配分線路２と、負極端子Ｐ２どうしを接続する電力配分線路３と、これらの電力配分線路２、３に跨って接続されたローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２、及び、電力配分用コンデンサＣと、これらの電力配分線路２、３に設けられたスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに用いられる太陽電池の設置環境が悪く、一部が日陰等になった場合や、太陽電池間の出力特性にバラツキを生じた場合でも、システム全体の発電効率を高めることのできる、太陽電池の電力配分回路に関する。

なお、ここで「太陽電池」という用語は、複数直列接続された太陽電池セル（光発電素子）のストリングの両端に、バイパスダイオードが並列接続されたクラスタと、このようなクラスタを、単一もしくは複数直列接続して構成される太陽電池モジュールの両方を意味するものとする。

現在、太陽光発電システムの発電効率を上げるために、変換効率が高い太陽電池セル（モジュール）やパワーコンディショナの開発が進められている。現用されている太陽光発電システムは、特許文献１に記載されているように、複数の太陽電池モジュールを直並列に接続して、電圧を高めた後に、インバータで交流に変換する集中型インバータ方式が主流となっている。

しかしながら、このような集中型インバータ方式の太陽光発電システムは、実際の使用時においては、一部の太陽電池モジュールが、日陰等の設置環境下に置かれるために、それぞれの部位の太陽電池モジュールの発電能力を十分に発揮させることができない場合がある。

図１３は、２枚の直列接続された太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムを模式的に示した図であって、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２は、同一仕様のものが用いられている。

また、前記太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２のそれぞれの正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間にはバイパスダイオードＤが接続されているとともに、太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と太陽電池ジュールＭ２の負極端子Ｐ２は、外部負荷に接続されている。

これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２が両方とも日向に設置されていて、十分な太陽光が当たっている場合には、これらを総合した外部出力は、図１４に太い実線で示すような、最大出力動作点をＰとする電流・電圧特性となる。

ところが、例えば、一方の太陽電池モジュールＭ２が日陰に入った場合には、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２は、出力電流に違いが生じて、図１５に太い実線で示すような、階段状の出力特性を示す。

図１５において、領域（１）と領域（３）の面積を合わせたものは、太陽電池モジュールＭ１の発電電力を表し、また、領域（２）の面積は、太陽電池モジュールＭ２の発電電力を表している。

このような出力特性において、最大出力動作点Ｐが同図に示す位置にあった場合、得られる発電電力は、領域（１）と領域（２）の面積の和となり、領域（３）の部分は，出力電力に寄与することができないため損失となる。

一方、特許文献２に記載されているように、個々の太陽電池モジュールに、マイクロコンバータを搭載したＡＣ太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムがある。この方式は、各々の太陽電池モジュールに対して最大電力追従（ＭＰＰＴ）制御を行い、その出力をＤＣ／ＡＣ変換するようにした太陽電池モジュールで、日陰等による損失が少ないとされている。

特開２０００−３４７７５３号公報特開平１１−３１８０４２号公報

しかしながら、前述したような、ＡＣ太陽電池モジュールを用いた太陽光発電システムでは、複雑な変換回路を有するため、個々の太陽電池モジュールの製造コストが高くなるとともに、常時変換動作を行っているため、日陰が無い状態においても変換ロスが発生する問題があった。

また、変換回路が故障した場合には、これを搭載している太陽電池モジュール自体が使用できなくなるため、信頼性にも問題があった。
このようなことから、今後如何なる設置環境に対しても、高いシステム効率を維持できるシステムの開発が望まれる。

そこで、本発明は、前述したような従来技術における問題点を解決し、太陽光発電システムの一部の太陽電池の出力が、日陰等によって低下した場合に、システムの電流電圧特性に現れる段差を平滑化して出力電力の効率を高めることのできる、太陽電池の電力配分回路を提供することを目的とする。

前記目的のために提供される本発明の太陽電池の電力配分回路の第１のものは、複数直列接続されている太陽電池の、隣合う一方の太陽電池の正極端子と他方の太陽電池の正極端子間を接続する第１の電力配分線路と、前記一方の太陽電池の負極端子と他方の太陽電池の負極端子間を接続する第２の電力配分線路と、第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って接続された少なくとも１つのコンデンサを有する第１のローパスフィルタと、第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って前記コンデンサと並列に接続された少なくとも１つのコンデンサを有する第２のローパスフィルタと、第１の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置の間の位置と、第２の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置の間の位置に跨って接続された電力配分用コンデンサと、第１の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第１のスイッチング素子と、第２の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第２のスイッチング素子と、第１の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置との間に設けられた第３のスイッチング素子と、第２の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置との間に設けられた第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子を、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路とを備えたものである。

前記第１の発明では、３つ以上直列接続されている太陽電池の、太陽電池相互間にそれぞれ設けられて隣合う電力配分回路どうしは、一方の電力配分回路に含まれる第１のローパスフィルタと他方の電力配分回路に含まれる第２のローパスフィルタを、１つのローパスフィルタで兼用していることが望ましい。

また、本発明の太陽電池の電力配分回路の第２のものは、３つ以上直列接続されている太陽電池の、隣合う一方の太陽電池の正極端子と他方の太陽電池の正極端子間を接続する第１の電力配分線路と、前記一方の太陽電池の負極端子と他方の太陽電池の負極端子間を接続する第２の電力配分線路と、第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って接続された第１の平滑コンデンサと、第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って第１の平滑コンデンサと並列に接続された第２の平滑コンデンサと、第１の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置の間の位置と、第２の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置の間の位置に跨って接続された電力配分用コンデンサと、第１の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第１のスイッチング素子と、第２の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第２のスイッチング素子と、第１の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置との間に設けられた第３のスイッチング素子と、第２の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置との間に設けられた第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子を、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路とを備えたものである。

前記第２の発明では、太陽電池相互間にそれぞれ設けられて隣合う電力配分回路どうしは、一方の電力配分回路に含まれる第１の平滑コンデンサと他方の電力配分回路に含まれる第２の平滑コンデンサを、１つの平滑コンデンサで兼用していることが望ましい。

前記第１及び第２の発明においては、３つ以上直列接続されている太陽電池の、相互に接続されている太陽電池間に設けられる電力配分回路のそれぞれが有するスイッチング制御回路は、共有する単一のパルス発振器から供給される同期パルス信号に基づいて一斉に同期制御されることが望ましい。

また、前記第１及び第２の発明においては、スイッチング制御回路は、周期毎の各スイッチング素子がＯＦＦ状態にある時間比率をＯＮ状態にある時間比率より長くして、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態となる短絡防止期間が存在するように、各スイッチング素子の切換タイミングを制御することも望ましい。

請求項１に記載された発明によれば、太陽光発電システムに使用される各太陽電池（太陽電池モジュールや太陽電池モジュールを構成するクラスタ）間に、日陰や受光面の汚れ、経年劣化等によって、発電出力にバラツキが生じた場合に、各太陽電池間でバランス良く電力を配分することができる。

その結果、太陽光発電システム全体の電流電圧特性の段差が平滑化され、本来、発電出力として利用できなかった電力が利用可能となるため、出力電力を向上させることができる。
さらに、電流電圧特性の段差が平滑化されるため、パワーコンディショナの最大出力動作点の検出が容易となり、ＭＰＰＴミスマッチ損失を回避することができる。

また、本発明の電力配分回路が主に、トランジスタやリレー等のスイッチング素子やコンデンサ、及び、ローパスフィルタを用いた簡単でエネルギ損失の少ない回路構成であるため、従来のＡＣ太陽電池モジュール等と比較して、日陰が無い場合の変換による損失がほとんど発生しないため発電効率を向上させることができ、また、製造コストも安くできる利点がある。

さらに、従来のＡＣ太陽電池モジュールにおいては、太陽電池モジュールに搭載されているマイクロコンバータが故障すると、太陽電池モジュール自体も使用不能となるが、本発明の電力配分回路は、万一故障してその機能が損なわれた場合においても、これが接続されている太陽電池モジュール自体の機能に支障を生じる恐れがない。

請求項２に記載された発明によれば、全体で必要とするローパスフィルタの数を減らすことができるため、製造コストを低減することができる。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１に記載された発明と比較して、ローパスフィルタに代えて平滑コンデンサを使用することで回路構成が簡略化されるため、製造コストを低減することができる。

請求項４に記載された発明によれば、さらに、全体で必要とする平滑コンデンサの数を減らすことができるため、製造コストのさらなる低減を図ることができる。

請求項５に記載された発明によれば、各電力配分回路のスイッチング制御回路間で、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作のタイミングを同期させることにより、太陽電池が３つ以上直列に接続されたシステムにおいても、各太陽電池モジュール間で出力電力を効果的に配分することができる。

請求項６に記載された発明によれば、スイッチング制御回路が、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態になる短絡防止期間が存在するように、各スイッチング素子の切り換えタイミングを制御するようにしているため、隣接する太陽電池間での電力の配分動作を確実に行うことができる。

本発明の電力配分回路の第１の実施形態における、２枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。本発明の電力配分回路の第１の実施形態における、ローパスフィルタの詳細回路図である。本発明の電力配分回路の第１の実施形態における、スイッチング制御回路のブロック図である。各スイッチング素子の動作タイミングを示す図である。電力配分回路へ電力を取り込む過程を示す図である。電力配分回路から電力を配分する過程を示す図である。電力配分回路によって平滑化された電流電圧特性を示す図である。短絡防止期間を設けた場合の各スイッチング素子の動作タイミングを示す図である。本発明の電力配分回路の第２の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。２つの電力配分回路間で同期駆動されるスイッチング制御回路のブロック図である。本発明の電力配分回路の第３の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。本発明の電力配分回路の第４の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。２枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図である。両方の太陽電池モジュールが日向にある場合の電流電圧特性を示す図である。一方の対応電池モジュールが日陰に入った場合の電流電圧特性を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の電力配分回路の第１の実施形態２枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図であって、本発明の電力配分回路１は、直列に接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の間に組み込まれている。

これらの太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１とＭ２の負極端子Ｐ２は外部負荷と接続されている。また、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２のそれぞれの正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２間には、バイパスダイオードＤが接続されている。

前記電力配分回路１は、一方の太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と他方の太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１間を接続する電力配分線路２（第１の電力配分線路）と、前記一方の太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２と他方の太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２間を接続する電力配分線路３（第２の電力配分線路）を有している。

また、電力分配線路２と電力分配線路３間に跨って、ローパスフィルタＬＰＦ１（第１のローパスフィルタ）と、ローパスフィルタＬＰＦ２（第２のローパスフィルタ）が接続されている。

これらのローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２は同じ仕様のものであり、本実施形態のものにおいては、図２に示すように、電力配分線路２と電力配分線路３間に並列に接続された２つのコンデンサＣａ、Ｃｂと、電力配分線路２側のこれらのコンデンサＣａ、Ｃｂの接続位置間に組み込まれたコイルＬから構成されている。

また、電力配分線路２上の、ローパスフィルタＬＰＦ１の接続位置とローパスフィルタＬＰＦ２の接続位置の間の位置と、電力配分線路３上の、ローパスフィルタＬＰＦ１の接続位置とローパスフィルタＬＰＦ２の接続位置の間の位置に跨って、電力配分用コンデンサＣが接続されている。

また、電力配分線路２上の、ローパスフィルタＬＰＦ１の接続位置と電力配分用コンデンサＣの接続位置との間には、第１のスイッチング素子Ｓ１が設けられ、電力配分線路３上の、ローパスフィルタＬＰＦ１の接続位置と電力配分用コンデンサＣの接続位置との間には、第２のスイッチング素子Ｓ２が設けられている。

さらに、電力配分線路２上の電力配分用コンデンサＣの接続位置とローパスフィルタＬＰＦ２の接続位置との間には、第３のスイッチング素子Ｓ３が設けられ、電力配分線路３上の、電力配分用コンデンサＣの接続位置とローパスフィルタＬＰＦ２の接続位置との間には、第４のスイッチング素子Ｓ４が設けられている。

本実施形態のものにおいては、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成された同一仕様のものが用いられている。なお、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はリレーで構成することも可能である。

また、電力配分回路１は、図１には示していないが、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、第３のスイッチング素子Ｓ３と第４のスイッチング素子Ｓ４を、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路を有している。

図３は、このスイッチング制御回路のブロック図であって、同図に示すスイッチング制御回路４は、パルス発振器、相補回路、２つのドライバ回路Ａ、Ｂから構成されていて、パルス発振器は、図４の（１）に示す矩形波状の周期的なパルス信号を生成する。

前記パルス発振器で生成されたパルス信号が相補回路に入力されると、相補回路は前記パルス信号に基づいて、図４の（２）と（３）に示す、互いに逆位相のパルス信号を生成し、これらの信号をそれぞれ２系統のドライバ回路Ａ、Ｂに出力する。

ドライバ回路Ａは、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２をＯＮ／ＯＦＦ動作させるためのものであって、図４の（２）の信号に基づいてこれらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦする。

一方、ドライバ回路Ｂは、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４をＯＮ／ＯＦＦ動作させるためのものであって、図４の（３）の信号に基づいてスイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦする。

次に、前述したように構成されている電力配分回路１の動作を説明する。図１に示すように、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が両方ともＯＦＦの状態においては、電力配分回路１は機能していない状態にある。

ここで、図１に示す太陽電池モジュールＭ１は日向にあり、太陽電池モジュールＭ２は日陰に入っている場合を想定すると、この場合には、両者の間に出力電流の差が生じるため、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなるシステムは、先に説明したように、図１５に示すような階段状の電流電圧特性を示す。

次に、前述した図３に示すスイッチング制御回路４が駆動されて、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４はＯＦＦの状態で、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２が同時にＯＮの状態に切り換えられると、図５に示すように、日向側にある太陽電池モジュールＭ１から出力される電流の一部が電力配分線路２に流入し、ローパスフィルタＬＰＦ１を経由して電力配分用コンデンサＣに移動し、電気エネルギとしてここに一時的に蓄えられる。

その後、図６に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２が同時にＯＦＦの状態に切り換えられるとともに、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４が同時にＯＮの状態に切り換えられると、電力配分用コンデンサＣに蓄積されていた電気エネルギは、電力配分線路２を第２のローパスフィルタＬＰＦ２を経由する電流として太陽電池モジュールＭ２側に送り出される。

このとき、日陰側にある太陽電池モジュールＭ２と前記電力配分用コンデンサＣは並列接続となり、太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１側から太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２側へ流れる電流は、電力配分用コンデンサＣから放電される電流と太陽電池モジュールＭ２の出力電流の総和となる。

前述したスイッチング制御回路４によって、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を図５に示す状態と、図６に示す状態の間で周期的に交互に切り換えると、太陽電池モジュールＭ１側から太陽電池モジュールＭ２側への電力配分が継続して行われる。

これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のスイッチング動作は、スイッチング制御回路４のパルス発振器が生成するパルス信号の周期で断続的に行われるが、ローパスフィルタＬＰＦ１とローパスフィルタＬＰＦ２の働きによって、出力される電流の変動は平滑化されるとともに、これらのスイッチング動作に伴って発生するノイズが低減される。

なお、ローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２は、図２に示す回路構成に限定するものではなく、電力配分線路２と電力配分線路３間に跨って接続される少なくとも１つのコンデンサを有して、これらの電力配分線路２、３上を流れる電流の各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ動作による変動や高い周波数成分を含むノイズを低減できる性能を有するものであればよい。

前述した電力配分回路１を動作させることによって、図１５に示した領域（３）は分割されて、その一部が領域（２）の電流に加算され、図７に示すように、平滑化された電流電圧特性に改善することができ、これにより、本来出力として得られなかった発電電力分を有効に利用することが可能となる。

なお、前述した電力配分回路１は、電力配分用コンデンサＣに対して対称的な双方向回路として太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に組み込まれているため、太陽電池モジュールＭ１が日陰に入り、太陽電池モジュールＭ２が日向になった場合も有効である。

また、図８に示すように、前述したスイッチング制御回路４のパルス発振器の出力信号（１）に対して、（２）、（３）の信号を出力するように相補回路を構成し、周期毎の各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４がＯＦＦ状態にある時間比率を、ＯＮ状態にある時間比率より長くして、全てのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が同時にＯＦＦ状態となる短絡防止期間ａが存在するように、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の切換タイミングを制御することで、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間での電力の配分動作をより確実に行うことができる。

次に、図９は、本発明の電力配分回路の第２の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図であって、本実施形態のものにおいては、前述した第１の実施形態における電力配分回路１と、図示していないスイッチング制御回路の一部を除いて同一構成の電力配分回路１Ａ、１Ｂがそれぞれ、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間と太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に設けられている。

同図に示すように、電力配分回路１Ａの電力配分線路２Ａ（第１の電力配分線路）と電力配分線路３Ａ（第２の電力配分線路）は、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の正極端子Ｐ１間と、負極端子Ｐ２間をそれぞれ接続している。

また、電力配分回路１Ｂの電力配分線路２Ｂ（第１の電力配分線路）と電力配分線路３Ｂ（第２の電力配分線路）は、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の正極端子Ｐ１間と、負極端子Ｐ２間をそれぞれ接続している。

図１０は、これらの電力配分回路１Ａ、１Ｂが有するスイッチング制御回路のブロック図であって、同図に示すように、電力配分回路１Ａに設けられている各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を駆動するスイッチング制御回路４Ａと、電力配分回路１Ｂに設けられている各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を駆動するスイッチング制御回路４Ｂは、１つのパルス発振器を共有している

この実施形態のものにおいては、前記パルス発振器は、スイッチング制御回路４Ａに組み込まれていて、前記パルス発振器が出力する同期パルス信号（１）は、同期信号線５を介して、それぞれのスイッチング制御回路４Ａ、４Ｂの相補回路に入力され、これらの相補回路からそれぞれのドライバ回路Ａ、Ｂに入力される信号（２）、（３）によって、電力配分回路１Ａの各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と、電力配分回路１Ｂの各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が一斉に同期制御されるようになっている。

その結果、電力配分回路１Ａのスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４と、電力配分回路１Ｂのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は、同時にＯＮになることはないため、これらの電力配分回路１Ａ、１Ｂどうしが相互に干渉することはない。

前述した図９に示す実施形態においては、３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３が全て日向にある場合には、これらの電流電圧特性は同じになり、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間の出力電流の不均衡は生じないため、各電力配分回路１Ａ、１Ｂは実質的に機能せず、したがって、図１０に示すスイッチング制御回路４Ａ、４Ｂ部分で消費される電力以外の損失はほとんど無視することができる。

一方、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３が部分的に日陰に入って、相互の出力電流に差が発生した場合には、これらの間に組み込まれた電力配分回路１Ａ、１Ｂを介して、パルス発振器の出力するパルス信号のタイミングに合わせて太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間で電流が繰り返し分配されることで、各太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３間の電流電圧特性が平滑化される。

次に、図１１は、本発明の電力配分回路の第３の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図であって、前述した図９において説明した実施形態と同様に、相互に接続されている太陽電池モジュールＭ１と太陽電池モジュールＭ２の間、及び、太陽電池モジュールＭ２と太陽電池モジュールＭ３の間にそれぞれ、電力配分回路１Ａ’、１Ｂ’が設けられている。

図１１中の電力配分回路１Ａ’、１Ｂ’のそれぞれに用いられている電力配分用コンデンサＣと各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、前述した第２の実施形態のものと同様である。また、図１１には図示していないスイッチング制御回路においても、図１０に示すものが用いられている。

本実施形態のものにおいては、２つの電力配分回路１Ａ’、１Ｂ’は電力配分回路１Ａ’の電力配分線路２Ａ’（第１の電力配分線路）と電力配分線路３Ａ’（第２の電力配分線路）がそれぞれ、電力配分回路１Ｂ’の電力配分線路２Ｂ’（第１の電力配分線路）と電力配分線路３Ｂ’（第２の電力配分線路）の途中位置に接続されている。

図１１において、電力配分回路１Ｂ’のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２がＯＦＦになっているときには、ローパスフィルタＬＰＦ２は、電力配分回路１Ａ’側のローパスフィルタＬＰＦ１（第１のローパスフィルタ）と対になったローパスフィルタ（第２のローパスフィルタ）として機能する。

一方、電力配分回路１Ａ’のスイッチング素子Ｓ３、Ｓ４がＯＦＦになっているときには、前記ローパスフィルタＬＰＦ２は、電力配分回路１Ｂ’側のローパスフィルタＬＰＦ３（第２のローパスフィルタ）と対になったローパスフィルタ（第１のローパスフィルタとして機能する。

前述したように、本実施形態においては、隣合う２つの電力配分回路１Ａ’、１Ｂ’間でローパスフィルタＬＰＦ２が兼用されているため、図９に示す実施形態のものと比較してローパスフィルタの数を減らすことができ、製造コストを低減することができる。

次に、図１２は、本発明の電力配分回路の第４の実施形態における、３枚の太陽電池モジュールからなる太陽光発電システムを模式的に示す図であって、同図に示すように、電力配分回路１ａの電力配分線路２ａ（第１の電力配分線路）と電力配分線路３ａ（第２の電力配分線路）は、それぞれ、電力配分回路１ｂの電力配分線路２ｂ（第１の電力配分線路）と電力配分線路３ｂ（第２の電力配分線路）の途中位置に接続されていて、図１１におけるローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＬＰＦ３をそれぞれ３つの同一仕様の平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に置き換えた点を除き、基本的な回路構成は前述した第３の実施形態のものと同じである。

これらの平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、ローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＬＰＦ３と比較すると、出力電流の変動やスイッチング動作に伴って発生するノイズを抑制する効果の面では若干性能が劣るものの、電力配分回路の製造コストを低減することができる利点がある。

なお、前述した図１２に示す実施形態のものにおいては、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に設けられた電力配分回路１ａと、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に設けられた電力配分回路１ｂ間で、１つの平滑コンデンサＣ２を兼用しているが、これに限定するものではなく、前述した図９に示すローパスフィルタＰＦ１、ＰＦ２と同様に、各電力配分回路毎に第１の平滑コンデンサと第２の平滑コンデンサをそれぞれ設けてもよい。

また、前述した各実施形態においては、２枚及び３枚の太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３を直列接続した場合について説明したが、本発明の電力配分回路は、太陽電池モジュールの直列接続枚数を３枚までに限定するものではなく、さらに多数の太陽電池モジュールを直列接続したシステムにおいても適用可能である。

また、前述した各実施形態においては、本発明の電力配分回路を直列接続された太陽電池モジュール間に設ける場合について説明したが、本発明の電力配分回路は、これに限定するものではなく、太陽電池モジュールを構成している、複数直列接続された太陽電池セル（光発電素子）のストリングの両端にバイパスダイオードが並列接続されてなるクラスタ単間の電力配分回路としても適用されるものである。

本発明の太陽電池の電力配分回路は、太陽光発電システムの日陰等による太陽電池モジュールやクラスタの出力電力の効率低下を改善するために有効に利用することができる。
また、特性の異なる種類の太陽電池モジュールを組み合わせた太陽光発電システムや、フレキシブルな太陽電池を含む複数の太陽電池モジュールが、異なる向きに設置された太陽光発電システム、さらに、追尾集光型の高効率太陽光発電システムのような、集光レンズの集光特性によって個々の太陽電池セルの出力特性が異なるシステム等、様々なケースにおいて出力電力の効率を高める手段としても利用可能である。

また、本発明の太陽電池モジュールの電力配分回路は、既設の太陽光発電システムにおいて、経年劣化や受光面の汚れ等によって太陽電池モジュール間の出力特性にバラツキが生じた場合における出力電力の効率改善にも利用可能である。

さらに、太陽光発電の分野のみに留まらず、太陽電池モジュールと同様な電流電圧特性を示す、バッテリーや燃料電池等を直並列に接続した電力供給システムにおいても、利用が可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ａ’、１Ｂ’、１ａ、１ｂ電力配分回路
２、２Ａ、２Ｂ、２Ａ’、２Ｂ’、２ａ、２ｂ第１の電力配分線路
３、３Ａ、３Ｂ、３Ａ’、３Ｂ’、３ａ、３ｂ第２の電力配分線路
４、４Ａ、４Ｂスイッチング制御回路
５同期信号線
Ｃ電力配分用コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３平滑コンデンサ
Ｃａ、Ｃｂコンデンサ
Ｄバイパスダイオード
Ｌコイル
ＬＰＦ１、ＬＰＦ２、ＬＰＦ３ローパスフィルタ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３太陽電池モジュール（太陽電池）
Ｐ１正極端子
Ｐ２負極端子
Ｓ１第１のスイッチング素子
Ｓ２第２のスイッチング素子
Ｓ３第３のスイッチング素子
Ｓ４第４のスイッチング素子

Claims

複数直列接続されている太陽電池の、隣合う一方の太陽電池の正極端子と他方の太陽電池の正極端子間を接続する第１の電力配分線路と、
前記一方の太陽電池の負極端子と他方の太陽電池の負極端子間を接続する第２の電力配分線路と、
第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って接続された少なくとも１つのコンデンサを有する第１のローパスフィルタと、
第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って前記コンデンサと並列に接続された少なくとも１つのコンデンサを有する第２のローパスフィルタと、
第１の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置の間の位置と、第２の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置の間の位置に跨って接続された電力配分用コンデンサと、
第１の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第１のスイッチング素子と、
第２の電力配分線路上の、第１のローパスフィルタの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第２のスイッチング素子と、
第１の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置との間に設けられた第３のスイッチング素子と、
第２の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２のローパスフィルタの接続位置との間に設けられた第４のスイッチング素子と、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子を、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とする太陽電池の電力配分回路。
３つ以上直列接続されている太陽電池の、太陽電池相互間にそれぞれ設けられて隣合う電力配分回路どうしは、一方の電力配分回路に含まれる第１のローパスフィルタと他方の電力配分回路に含まれる第２のローパスフィルタを、１つのローパスフィルタで兼用していることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の電力配分回路。
３つ以上直列接続されている太陽電池の、隣合う一方の太陽電池の正極端子と他方の太陽電池の正極端子間を接続する第１の電力配分線路と、
前記一方の太陽電池の負極端子と他方の太陽電池の負極端子間を接続する第２の電力配分線路と、
第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って接続された第１の平滑コンデンサと、
第１の電力配分線路と第２の電力配分線路間に跨って第１の平滑コンデンサと並列に接続された第２の平滑コンデンサと、
第１の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置の間の位置と、第２の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置の間の位置に跨って接続された電力配分用コンデンサと、
第１の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第１のスイッチング素子と、
第２の電力配分線路上の、第１の平滑コンデンサの接続位置と前記電力配分用コンデンサの接続位置との間に設けられた第２のスイッチング素子と、
第１の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置との間に設けられた第３のスイッチング素子と、
第２の電力配分線路上の、前記電力配分用コンデンサの接続位置と第２の平滑コンデンサの接続位置との間に設けられた第４のスイッチング素子と、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を同期させて周期的にＯＮ／ＯＦＦ制御するとともに、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子を、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは逆位相でＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とする太陽電池の電力配分回路。
太陽電池相互間にそれぞれ設けられて隣合う電力配分回路どうしは、一方の電力配分回路に含まれる第１の平滑コンデンサと他方の電力配分回路に含まれる第２の平滑コンデンサを、１つの平滑コンデンサで兼用していることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池の電力配分回路。
３つ以上直列接続されている太陽電池の、相互に接続されている太陽電池間に設けられる電力配分回路のそれぞれが有するスイッチング制御回路は、共有する単一のパルス発振器から供給される同期パルス信号に基づいて一斉に同期制御されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の太陽電池の電力配分回路。
スイッチング制御回路は、周期毎の各スイッチング素子がＯＦＦ状態にある時間比率をＯＮ状態にある時間比率より長くして、全てのスイッチング素子が同時にＯＦＦ状態となる短絡防止期間が存在するように、各スイッチング素子の切換タイミングを制御することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の太陽電池の電力配分回路。