JP2014206781A

JP2014206781A - 太陽光発電システム

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Publication number: JP2014206781A
Application number: JP2013082339A
Authority: JP
Inventors: 太田　順也; Junya Ota; 順也太田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】電力取り出し効率の悪化を抑制可能な太陽光発電システムを提供する。
【解決手段】太陽光発電システム１においては、動作点変更装置２０（特に日射分布算出装置２１）が、太陽電池パネル１０の状態を示すパネル状態情報を取得し、その情報に基づいて太陽電池パネル１０の発電セル１１の動作点を変更する。このため、例えば太陽電池パネル１０（及び発電セル１１の主面１１ｓ）が曲面状である場合等においても、太陽電池パネル１０内の日射分布に応じた最大電力点に追従するように発電セル１１の動作点を変更することが可能となる。よって、この太陽光発電システム１によれば、電力取り出し効率の悪化を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光発電システムに関する。

一般に、太陽電池の出力特性は、日射量や温度等により刻々と変化する。このため、太陽電池において効率よく発電を行うためには、太陽電池の動作点を、出力電力が最大となる最大電力点に追従させる動作が必要である。太陽電池の動作点を最大電力点に追従させるための方法として、山登り法、焼きなまし法、及び遺伝的アルゴリズム等の従来のアルゴリズムや、全動作点を探索する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。特に、特許文献１に記載の太陽光発電システムにおいては、従来の山登り法に加えて、予め最大電力点を推定して動作点の追従を行うことが記載されている。

特開２０１１−１７０８３５号公報

ところで、太陽光発電システムを車両等に適用する場合には、車両形状の意匠や空気抵抗対策等の理由から、太陽電池パネルを曲面状に構成する場合がある。そのような場合には、太陽電池パネルの曲面の形状等のパネル状態に応じて太陽電池パネル内に日射量の分布が生じると共に、車両の姿勢の変化に伴ってその日射量の分布が頻繁に変化する。このため、太陽電池パネルの出力特性が複雑となる結果、特許文献１に記載の方法では最大電力点への追従が困難になり、電力取り出し効率が悪化するおそれがある。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、電力取り出し効率の悪化を抑制可能な太陽光発電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る太陽光発電システムは、太陽光の照射により起電力を生じさせる複数の発電セルを有する太陽電池パネルと、発電セルの動作点を変更する動作点変更装置と、を備え、動作点変更装置は、太陽電池パネルの状態を示すパネル状態情報を取得すると共に、該パネル状態情報に基づいて太陽電池パネルにおける日射量の分布を示す日射分布を算出し、日射分布に基づいて動作点を変更する、ことを特徴とする。

この太陽光発電システムにおいては、動作点変更装置が、太陽電池パネルの状態を示すパネル状態情報を取得し、その情報に基づいて日射分布を算出して太陽電池パネルの発電セルの動作点を変更する。このため、例えば太陽電池パネルが曲面状である場合等においても、その状態に応じて適切に発電セルの動作点を最大電力点に追従するように変更することが可能となる。よって、この太陽光発電システムによれば、電力取り出し効率の悪化を抑制することが可能となる。なお、パネル状態情報は、例えば、太陽電池パネルの各部の方位、傾き、位置、形状、及び太陽電池パネルの取り付け状態等を示す情報を含む。

本発明に係る太陽光発電システムにおいては、動作点変更装置は、パネル状態情報に基づいて日射分布を算出する日射分布算出部と、日射分布算出部が算出した日射分布に基づいて、太陽電池パネルの出力電力が最大となる最大電力点を推定して推定最大電力点を取得する最大電力点推定部とを有し、最大電力点推定部が取得した推定最大電力点に基づいて動作点を変更することができる。このように、太陽電池パネル内における日射分布を算出し、その日射分布に基づいて推定最大電力点を取得すれば、実際の最大電力点に迅速且つ確実に動作点を変更することが可能となる。

本発明に係る太陽光発電システムにおいては、日射分布算出部は、パネル状態情報に基づいて、太陽電池パネルの所定の単位における太陽光の日射情報を取得することにより、日射分布を算出することができる。この場合、太陽電池パネル内における日射分布を確実に算出することができる。

本発明に係る太陽光発電システムは、車両に搭載されているものとすることができる。このように、当該太陽光発電システムを車両に搭載する場合には、上述したように、太陽電池パネルが曲面状に構成される場合があり、電力取り出し効率が悪化し易いので、本発明がより有効となる。

本発明によれば、電力取り出し効率の悪化を抑制可能な太陽光発電システムを提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。図１に示された発電セルの主面の法線ベクトルを示す図である。図１に示された発電セルの主面の法線ベクトルを示す図である。太陽の方向を示す単位ベクトルを示す図である。図１に示された発電セルの等価回路を示す図である。図１に示された太陽電池パネルの出力特性を示すグラフである。

以下、本発明に係る太陽光発電システムの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す図である。特に、図１の（ａ）は、本実施形態に係る太陽光発電システムの概略構成を示す模式図であり、図１の（ｂ）は、図１に示された太陽電池パネルが車両に搭載された様子を示す模式図である。図１に示されるように、太陽光発電システム１は、太陽電池パネル１０と動作点変更装置２０とを備えている。太陽光発電システム１は、車両Ｃに搭載されている。

太陽電池パネル１０は、複数の発電セル１１を有している。発電セル１１は、太陽光の入射面となる主面１１ｓを有している。発電セル１１は、主面１１ｓへの太陽光の照射により起電力を生じさせる。発電セル１１は、例えば、インターコネクタによって互いに直列に接続されている。発電セル１１に対しては、必要に応じてバイパスダイオード等を設けてもよい。発電セル１１は、例えば、Ｓｉ単結晶、多結晶、アモルファスＳｉ、ＧａＡｓ、及び、ＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）等から形成される層を含んで構成される。

太陽電池パネル１０は、ＤＣＤＣコンバータ２４を介して負荷４０に接続されており、発電セル１１で生じた電力は、ＤＣＤＣコンバータ２４を介して負荷４０に供給される。このような太陽電池パネル１０は、車両Ｃの上部に取り付けられている。そのため、太陽電池パネル１０は、車両Ｃの上部形状に応じた曲面状を呈しており、それぞれの発電セル１１の主面１１ｓも曲面状を呈している。このため、太陽電池パネル１０内においては、その曲面の形状等に応じた太陽光の日射量の分布が生じる場合がある。

動作点変更装置２０は、発電セル１１（太陽電池パネル１０）の動作点を変更する。より具体的には、動作点変更装置２０は、太陽電池パネル１０の状態を示すパネル状態情報を取得すると共に、そのパネル状態情報に基づいて、発電セル１１の動作点が太陽電池パネル１０の出力電力が最大となる最大電力点となるように（最大電力点に追従するように）変更する。

そのために、動作点変更装置２０は、日射分布算出装置（日射分布算出部）２１、最大電力点推定装置（最大電力点推定部）２２、最大電力点追従装置（最大電力点追従部）２３、及び、ＤＣＤＣコンバータ（動作点変更部）２４を有している。日射分布算出装置２１、最大電力点推定装置２２、及び最大電力点追従装置２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を含むコンピュータを主体として構成され、以下に述べる各装置の機能は、そのコンピュータにおいて所定のプログラムを実行することによって実現される。

日射分布算出装置２１は、太陽電池パネル１０のパネル状態情報を取得し、そのパネル状態情報に基づいて、太陽電池パネル１０における日射量の分布を示す日射分布を算出する。パネル状態情報は、例えば、太陽電池パネル１０（各発電セル１１の主面１１ｓ）の方位、傾き、位置、及び形状等を含む情報である。パネル状態情報は、車両Ｃの姿勢（方位、傾き、及び、位置等）や、太陽電池パネル１０の取り付け状態等によって変化する。

日射分布算出装置２１は、以下のようにパネル状態情報を取得する。すなわち、日射分布算出装置２１は、まず、車両Ｃが基準姿勢であるときの各発電セル１１の主面１１ｓの法線ベクトルを算出する。車両Ｃが基準姿勢であるとは、例えば、図２の（ａ）に示されるように、車両Ｃの前後方向が南北方向を示す座標軸Ａ１に略一致しており（ここでは、車両Ｃの先端が南方向に向いている）、車両Ｃの車幅方向が東西方向を示す座標軸Ａ２に略一致しており、車両Ｃの上下方向が天頂方向を示す座標軸Ａ３に略一致している状態とすることができる。なお、座標軸Ａ１〜Ａ３は、直交座標系を構成している。

このように車両Ｃが基準姿勢であるとき、例えば、ｉ番目の発電セル１１の主面１１ｓに着目すると、その法線ベクトルｎ_ｉ ^０は、図２の（ｂ）に示されるように、南北方向を示す座標軸Ａ１との成す角α_ｉ、及び、天頂方向を示す座標軸Ａ３との成す角β_ｉとを用いて、下記式（１）のようにして求めることができる。

一方、図３に示されるように、車両Ｃの一般の姿勢（ここでは時刻ｔでの姿勢）は、上述した基準姿勢からの変化として、座標軸Ａ１に沿った回転角度φ、座標軸Ａ２に沿った回転角度θ、及び、座標軸Ａ３に沿った回転角度ψを用いることにより表すことができる。したがって、そのように車両Ｃが一般の状態である時刻ｔにおけるｉ番目の発電セル１１の主面１１ｓの法線ベクトルｎ_ｉ（ｔ）は、回転ベクトル（回転行列）Ｒ_ψ及びＲ_θφを用いて、下記式（２）のように表することができる。なお、回転行列Ｒ_ψ及びＲ_θφは、それぞれ、下記式（３）及び（４）のように表されるものである。

このように法線ベクトルｎ_ｉ（ｔ）を求めることにより、ｉ番目の発電セル１１の主面１１ｓの曲面の情報（すなわち、部分的なパネル状態情報であり、主面１１ｓの方位、傾き、形状等を含む情報）を得ることができる。同様の手法によって、他の発電セル１１の主面１１ｓの法線ベクトル（例えばｊ番目の法線ベクトルｎ_ｊ（ｔ））を順次求めることにより、全ての発電セル１１の主面１１ｓの曲面の情報を得ることができ、結果として、太陽電池パネル１０の全体のパネル状態情報を取得することができる。

さらに、図１に示されるように、日射分布算出装置２１は、パネル状態情報に基づいて、太陽電池パネル１０の所定の単位（ここでは発電セル１１）における太陽光の日射情報を取得する（日射量を算出する）。そのために、日射分布算出装置２１は、時刻ｔにおける太陽位置を公知の方向（例えば「長沢工，「日の出・日の入りの計算−天体の出没時刻の求め方」，地人書館（１９９９）」等参照）により求める。図４に示されるように、太陽Ｓの方向を示す単位ベクトルｈは、太陽高度（座標軸Ａ１と座標軸Ａ２とによって張られる面（例えば地表）との成す角）Ａｈと、太陽方位（座標軸Ａ１との成す角）Ａｓとを用いて表すことができる。

そして、時刻ｔにおけるｉ番目の発電セル１１における太陽光の日射量（日射情報）Ｉ_ｉ（ｔ）は、上記のように求めた法線ベクトルｎ_ｉ（ｔ）と、太陽Ｓの方向を示す単位ベクトルｈとの内積を用いて、下記式（５）のように算出することができる。

ここで、上記式（５）におけるＩ_ＩＤ（ｔ）は、散乱光入射照度を示しており、例えば下記式（６）により表される。また、上記式（５）におけるＩ_Ｄｎ（ｔ）は、法線面直達光入射照度を示しており、例えば下記式（７）によって表される（例えば「西川他，電気学会論文誌Ｃ電子・情報・システム部門誌１１（３），ｐ１０７−１１２，１９９１−０３」の永田の式等参照）。なお、下記式（６），（７）におけるＰは大気透過率であり、ｍは大気質量である。また、下記式（６），（７）におけるｒ及びｒ^＊は、それぞれ、太陽と地球との距離及びその平均値を示している。

日射分布算出装置２１は、同様の手法によって他の発電セル１１における太陽光の日射量を順次算出する。これにより、日射分布算出装置２１は、太陽電池パネル１０の全体の日射量の分布を示す日射分布を算出することができる。日射分布算出装置２１は、算出した日射分布を最大電力点推定装置２２に出力する。

最大電力点推定装置２２は、日射分布算出装置２１から日射分布を入力する。最大電力点推定装置２２は、入力した日射分布に基づいて、太陽電池パネル１０の出力電力が最大となる発電セル１１の動作点（最大電力点）を推定する。最大電力点推定装置２２における最大電力点の推定について、より具体的に説明する。まず、各発電セル１１の等価回路は、例えば図５に示されるように表される。このような発電セル１１のうちの例えばｉ番目の発電セル１１における電圧Ｖ_ｉと電流Ｊ_ｉとの関係は、下記式（８）のように表される。

上記式（８）において、ｎはダイオード因子であり、ｋはボルツマン定数であり、ｑは電気素量であり、Ｔは絶対温度である。また、Ｊ_０は飽和電流であり、Ｒ_ｓは直列抵抗であり、Ｒ_ｓｈはシャント抵抗を示しており発電セル１１の性能から決まる値である。また、ｆ（Ｖ_ｉ）はバイパスダイオードの電圧−電流特性を示しており、各バイパスダイオードのデータシートから求めることができる。さらに、Ｊ_ｐｈ＿ｉは光電流であり、日射分布算出装置２１による日射量の算出結果を用いて下記式（９）から求めることができる。

上記式（９）において、Ｊ_ｐｈ０は、１０００Ｗ／ｍ^２の日射量の条件下における発電セル１１の短絡電流であり、Ｊｒｒ_ｉはｉ番目の発電セル１１における日射量である（すなわち、上述したＩ_ｉである）。一方、発電セル１１同士を直列接続した場合の太陽電池パネル１０の全体の電圧Ｖ_{ｐａｎｅｌ}と電流ｊ_{ｐａｎｅｌ}とは、下記式（１０），（１１）を満たすこととなる。

したがって、日射分布算出装置２１が算出した発電セル１１における日射量（Ｊｒｒ_ｉ＝Ｉ_ｉ）を上記式（９）に代入したうえで上記式（８）〜（１１）を解くことにより、太陽電池パネル１０の全体としての電圧−電流特性を算出することができ、例えば図６に示されるように出力特性が得られる。そして、図６に示されるように得られた出力特性から、最大電力点の推定値（推定最大電力点）Ｖ_ｍｐｐを推定して取得することができる。

このように、最大電力点推定装置２２は、日射分布算出装置２１における日射量の算出結果に基づいて（太陽電池パネル１０内の日射量の分布に基づいて）、推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐを取得する。したがって、最大電力点推定装置２２によって得られる推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐは、太陽電池パネル１０内の日射分布を反映したものとなる。最大電力点推定装置２２は、以上のように取得された推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐを示す情報を最大電力点追従装置２３に出力する。

最大電力点追従装置２３は、最大電力点推定装置２２によって推定された推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐを入力する。最大電力点追従装置２３は、例えば、山登り法や増大インダクタンス法等の従来のアルゴリズムを利用して、発電セル１１の動作点の最大電力点への追従を行う。その際に、最大電力点推定装置２２から入力した推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐと、ＤＣＤＣコンバータ２４から入力される太陽電池パネル１０の電力データとを利用する。すなわち、最大電力点追従装置２３は、最大電力点推定装置２２から入力した推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐから、実際の最大電力点の探索を開始する。

上述したように、推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐは、太陽電池パネル１０内の日射分布を反映したものであるため、日射量の分布が生じている場合の実際の最大電力点に近いと考えられる。したがって、最大電力点追従装置２３によれば、推定最大電力点Ｖ_ｍｐｐから最大電力点の探索を開始することにより、高い精度で速やかに実際の最大電力点を得ることが可能となる。そして、最大電力点追従装置２３は、得られた実際の最大電力点に発電セル１１の動作点を追従させるためのスイッチングＤｕｔｙ比をＤＣＤＣコンバータ２４に出力する。ＤＣＤＣコンバータ２４は、実際に、最大電力点追従装置２３から入力したスイッチングＤｕｔｙ比を用いて、発電セル１１の動作点を最大電力点に変更する。

以上説明したように、本実施形態に係る太陽光発電システム１においては、動作点変更装置２０（特に日射分布算出装置２１）が、太陽電池パネル１０の状態を示すパネル状態情報を取得し、その情報に基づいて日射分布を算出して太陽電池パネル１０の発電セル１１の動作点を変更する。このため、例えば太陽電池パネル１０（及び発電セル１１の主面１１ｓ）が曲面状である場合等においても、太陽電池パネル１０内の日射分布に応じた最大電力点に追従するように発電セル１１の動作点を変更することが可能となる。よって、この太陽光発電システム１によれば、電力取り出し効率の悪化を抑制することが可能となる。

特に、太陽光発電システム１においては、日射分布算出装置２１が、日射センサ等を用いることなく、太陽電池パネル１０のパネル状態情報や太陽光の日射情報等に基づいて、太陽電池パネル１０内の日射分布を算出する。このため、装置の複雑化を避けて低コスト化を実現することができる。

以上の実施形態は、本発明に係る太陽光発電システムの一例を説明したものである。したがって、本発明に係る太陽光発電システムは、上述した太陽光発電システム１に限定されない。本発明に係る太陽光発電システムは、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した太陽光発電システム１を任意に変形したものとすることができる。

例えば、太陽光発電システム１において、発電セル１１の接続の態様は、互いに直列に接続するものに限定されない。発電セル１１の接続の態様は、例えば、所定数だけ直列に接続した発電セル１１の単位を互いに並列に接続するような態様であってもよい。

また、太陽光発電システム１においては、日射分布算出装置２１が、発電セル１１ごとに法線ベクトルを求めてパネル状態情報を取得し、また、発電セル１１ごとに太陽光の日射情報を取得するものとしたが、日射分布算出装置２１は、発電セル１１ごとでなく、太陽電池パネル１０の所定の単位ごとに法線ベクトルを求めてパネル状態情報を取得し、また、太陽光の日射情報を取得してもよい。

また、太陽光発電システム１においては、日射分布算出装置２１は、発電セル１１における日射量を算出する方法は、上述したものに限定されない。例えば、日射分布算出装置２１は、天候による変動を考慮したり、全天水平日射量から直達光と散乱光とを分離して計算するＥｒｂｓモデル（例えば「Ｅｒｂｓ，Ｄ．Ｇ．，Ｓ．Ａ．Ｋｌｅｉｎ，Ｊ．Ａ．Ｄｕｆｆｉｅ，ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．４，ｐｐ.２９３−３０２（１９８２）等参照」）等を用いたりすることができる。例えば、１つの日射計を用いることにより、天候の考慮ができ、より精度の高い日射分布を推定することが可能である。

さらに、太陽光発電システム１は、車両等の移動体に搭載されている場合に限定されず、家屋等に設置して使用してもよい。

１…太陽光発電システム、１０…太陽電池パネル、１１…発電セル、２０…動作点変更装置、２１…日射分布算出装置（日射分布算出部）、２２…最大電力点推定装置（最大電力点推定部）。

Claims

太陽光の照射により起電力を生じさせる複数の発電セルを有する太陽電池パネルと、
前記発電セルの動作点を変更する動作点変更装置と、を備え、
前記動作点変更装置は、前記太陽電池パネルの状態を示すパネル状態情報を取得すると共に、該パネル状態情報に基づいて前記太陽電池パネルにおける日射量の分布を示す日射分布を算出し、前記日射分布に基づいて前記動作点を変更する、
ことを特徴とする太陽光発電システム。
前記動作点変更装置は、前記パネル状態情報に基づいて前記日射分布を算出する日射分布算出部と、前記日射分布算出部が算出した前記日射分布に基づいて、前記太陽電池パネルの出力電力が最大となる最大電力点を推定して推定最大電力点を取得する最大電力点推定部とを有し、前記最大電力点推定部が取得した前記推定最大電力点に基づいて前記動作点を変更する、ことを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
前記日射分布算出部は、前記パネル状態情報に基づいて、前記太陽電池パネルの所定の単位における太陽光の日射情報を取得することにより、前記日射分布を算出する、ことを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
車両に搭載されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽光発電システム。