JP2015108932A - 太陽電池の電力配分回路 - Google Patents

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を提供する。【解決手段】 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、相補的且つ周期的にＯＮ／ＯＦＦの切り換えを行うことで、フライバックトランスＴを介して発電出力の大きい太陽電池Ｍ１（又は太陽電池Ｍ２）から小さい太陽電池Ｍ２（又は太陽電池Ｍ１）へ電力配分を連続的に行い、両者の発電出力を均等化する。この際、コンデンサＣ１、Ｃ２によって、これらのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の発生するノイズが軽減されるとともに、外部負荷へ流れる電流の変動が平滑化される。【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２２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はそれぞれ、出力線路Ａを介して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２３に太い実線で表示したような、最大出力動作点をＰとする電流・電圧特性を示す。

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２４に太い実線で表示したような、階段状の電流電圧特性を示す。

図２４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の出力電力を表し、また、領域（２）の面積は、太陽電池モジュールＭ２の出力電力を表している。

このような電流・電圧特性において、最大出力動作点Ｐが同図に示す位置にあった場合に得られる出力電力は、領域（１）と領域（２）の面積の和となり、領域（３）の部分は発電出力には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電力配分回路は、複数直列に接続された太陽電池の相互間に設けられる電力配分回路であって、一方の端が前段の太陽電池の正極端子に導通し、他方の端が前記前段の太陽電池の負極端子に導通する第１の充放電路と、一方の端が後段の太陽電池の正極端子に導通し、他方の端が前記後段の太陽電池の負極端子に導通する第２の充放電路と、１次側と２次側の巻き線の何れか一方が、前記第１の充放電路の一部を構成するとともに、他方が前記第２の充放電路の一部を構成するフライバックトランスと、前記第１の充放電路中に、前記フライバックトランスの一方の巻き線と直列に組み込まれた第１のスイッチング素子と、前記第２の充放電路中に、前記フライバックトランスの他方の巻き線と直列に組み込まれた第２のスイッチング素子と、前記第１の充放電路中に組み込まれ、少なくとも前記第１のスイッチング素子ならびに前記フライバックトランスの一方の巻き線と並列に接続されたコンデンサを有する第１の平滑回路と、前記第２の充放電路中に組み込まれ、少なくとも前記第２のスイッチング素子ならびに前記フライバックトランスの他方の巻き線と並列に接続されたコンデンサを有する第２の平滑回路と、前記第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を、相補的且つ周期的にＯＮ／ＯＦＦの切換を行うスイッチング制御回路とを備えたものである。

本発明の太陽電池の電力配分回路においては、スイッチング制御回路は、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ことが望ましい。

また、本発明の太陽電池の電力配分回路においては、充放電路と太陽電池との間を流れる電流を計測する電流センサと、前記電流センサと接続されたマイクロコンピュータを備え、前記マイクロコンピュータは、スイッチング制御回路を起動した後、所定の時間間隔で前記電流センサによる電流計測を行い、前記電流が流れていないと判断した場合には、次回の電流計測を行うまでスイッチング制御回路への電源供給を遮断してその動作を停止させることも望ましい。

さらに、本発明の太陽電池の電力配分回路においては、各スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）で構成されているとともに、これらのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが各太陽電池のバイパスダイオードとして利用されていることも望ましい。

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て、本来、出力電力として利用することができなかった電力が利用可能となるため、発電効率を高めることができる。また、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計測が容易となり、ＭＰＰＴミスマッチ損失を回避することができる。

また、従来のＡＣ太陽電池モジュールを用いたシステムでは、日陰が無い時も、常時ＡＣ／ＤＣ変換による回路損失が生じているのに対して、本発明の電力配分回路は、日陰が無い場合にはその動作を停止して回路損失を無くすことができるため、発電効率の低下を防ぐことができる。

また、本発明の電力配分回路の主要部分は、フライバックトランス、コンデンサ、及び、ＦＥＴやリレー等のスイッチング素子からなる簡単な回路構成であるため、故障が発生し難く、高い信頼性が得られる。また、前後に隣合う太陽電池間で電力配分を行うために必要なスイッチング素子が２つだけで済むため、スイッチング動作に伴うノイズの発生を少なくすることができる。

さらに、従来の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、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では、万一回路に故障が発生してその機能が損なわれた場合でも、太陽光発電システム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、２つのスイッチング素子が同時にＯＦＦになる短絡防止期間を設けることで、安定したＯＮ／ＯＦＦの切換動作を行うことができるため、太陽電池相互間での電力の配分動作を確実に行うことができる。

請求項３に記載された発明によれば、太陽電池相互間で発電出力に差が無く、電力配分回路を動作させる必要が無い場合には、電力配分回路への電源供給を自動的に遮断してその動作を停止させることができる。

その結果、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ動作させるために、電力配分回路自体が消費する無駄な電力を抑えることができるとともに、スイッチング素子等の劣化を最小限にとどめることができるため、電力配分回路の寿命を延ばすことができる。

請求項４に記載された発明によれば、各スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴで構成し、これらのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを各太陽電池のバイパスダイオードとして利用することで、バイパスダイオードを省略することができる。

本発明の電力配分回路の１実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムの模式図である。 本発明の電力配分回路の１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。 本発明の電力配分回路の１実施形態における、２つのスイッチング素子の動作タイミングを示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が太陽電池モジュールＭ２の発電する電力より大きい場合における電力配分回路のフライバックトランスＴへの電力蓄積過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が太陽電池モジュールＭ２の発電する電力より大きい場合における電力配分回路のフライバックトランスＴからの電力放出過程を示す図である。 電力配分回路によって改善されたシステムの電流電圧特性を示す図である。 太陽電池モジュールＭ２の発電する電力が太陽電池モジュールＭ１の発電する電力より大きい場合における電力配分回路のフライバックトランスへの電力蓄積過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ２の発電する電力が前段の太陽電池モジュールＭ１の発電する電力より大きい場合における電力配分回路のフライバックトランスからの電力放出過程を示す図である。 本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、電力配分回路に電流センサを組み込んだ太陽光発電システムの模式図である。 図９に示す電力配分回路における、マイクロコンピュータで制御されるスイッチング制御回路のブロック図である。 図１０に示すマイクロコンピュータの内部で処理される演算のフローを示す図である。 本発明の電力配分回路のさらに別の実施形態を示す、各スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いた太陽光発電システムの模式図である。 本発明の電力配分回路のさらに別の実施形態を示す、直列接続された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３からなる太陽光発電システムの模式図である。 図１３に示すシステムにおいて、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電する電力より大きい場合における、電力配分回路を動作させていないときの電流電圧特性特性を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電する電力より大きい場合における、フライバックトランスＴへの電力蓄積過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電する電力より大きい場合における、フライバックトランスＴからの電力放出過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電する電力より大きい場合における、フライバックトランスＴとフライバックトランスＴ’への電力蓄積過程を示す図である。 太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３の発電する電力より大きい場合における、フライバックトランスＴとフライバックトランスＴ’からの電力放出過程を示す図である。 図１３に示すシステムにおいて、１つの太陽電池モジュールＭ３の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電する電力より小さい場合における、電力配分回路を動作させていないときの電流電圧特性を示す図である。 １つの太陽電池モジュールＭ３の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電する電力より小さい場合における、フライバックトランスＴとフライバックトランスＴ’への電力蓄積過程を示す図である。 １つの太陽電池モジュールＭ３の発電する電力が、他の２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の発電する電力より小さい場合における、フライバックトランスＴとフライバックトランスＴ’からの電力放出過程を示す図である。 ２つの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。 一方の太陽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に示す実施形態は、直列に接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２に、本発明の電力配分回路１を組み込んだものであって、前段の太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と、後段の太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２は、出力線路Ａを介して外部負荷と接続されている。

また、前段の太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２と後段の太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１間は連結線路Ｂによって繋がれており、これらの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２の正極端子Ｐ１と負極端子Ｐ２の間にはそれぞれ、バイパスダイオードＤが接続されている。

本発明の電力配分回路１は、一方の端が前段の太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１と出力線路Ａを介して導通し、また、他方の端が連結線路Ｂを介してこの太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２と導通している充放電路２（第１の充放電路）を有している。

また、前記電力配分回路１は、一方の端が後段の太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１と連結線路Ｂを介して導通し、他方の端が出力線路Ａを介してこの太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２と導通している充放電路３（第２の充放電路）を有している。

これらの充放電路２と充放電路３の間にはフライバックトランスＴが設けられている。前記フライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１は充放電路２の一部を構成しており、また、２次側巻き線Ｌ２は充放電路３の一部を構成している。

なお、図１においては、それぞれの充放電路２、３にフライバックトランスＴが図示してあるが、これらは同一のものを示している。また、このフライバックトランスＴは、１次側巻き線Ｌ１と２次側巻き線Ｌ２の巻き線比が１：１で、充放電路２側に２次側巻き線Ｌ２を、充放電路３側に１次側巻き線を接続しても、同じ特性が得られるものを用いている。

充放電路２の途中位置には、前記フライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１と直列に、スイッチング素子Ｓ１（第１のスイッチング素子）が組み込まれている。同様に、充放電路３の途中位置には、２次側巻き線Ｌ２と直列にスイッチング素子Ｓ２（第２のスイッチング素子）が組み込まれている。

さらに、充放電路２には、前記１次側巻き線Ｌ１及びスイッチング素子Ｓ１と並列に、第１の平滑回路としての、コンデンサＣ１が組み込まれている。また、充放電路３には、前記２次側巻き線Ｌ２及びスイッチング素子Ｓ２と並列に、第２の平滑回路としての、コンデンサＣ２が組み込まれている。

また、図１では図示を省略しているが、電力配分回路１は、図２に示すスイッチング制御回路４を備えており、それぞれのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２は、このスイッチング制御回路４によってＯＮ／ＯＦＦの切り換え動作が行われる。なお、本実施形態のものにおいては、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いているがこれらのスイッチング素子にはリレーを用いてもよい。

図２に示すように、前記スイッチング制御回路４は、パルス発振器、相補回路、及び、ドライバ回路Ａ、ドライバ回路Ｂから構成されており、パルス発振器は、図３の（１）に示す波形の周期的なパルス信号を生成する。

前記パルス発振器により生成されたパルス信号は相補回路に入力される。相補回路は前記パルス信号に基づいて、図３の（２）と（３）に示す２種類のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成し、その一方をドライバ回路Ａに、他方をドライバ回路Ｂに出力する。

ドライバ回路Ａは、図３の（２）のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、図１に示すスイッチング素子Ｓ１をＯＮ／ＯＦＦ動作させる。また、ドライバ回路Ｂは、図３の（３）のＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、スイッチング素子Ｓ２をＯＮ／ＯＦＦ動作させる。

なお、本実施形態のものにおいては、図３に示すように、ドライバ回路Ａに入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号（２）と、ドライバ回路Ｂに入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号（３）との間に、両方のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が同時にＯＦＦになる短絡防止期間ａを存在させて、スイッチング素子Ｓ１と、スイッチング素子Ｓ２間で、ＯＮ／ＯＦＦの切換動作が確実に行われるようにしてある。

次に、前述したように構成されている電力配分回路１の動作について説明する。
図１に示すシステムにおいて、前段の太陽電池モジュールＭ１が発電する電力が、後段の太陽電池モジュールＭ２が発電する電力より大きい場合、同図のようにスイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の両方がＯＦＦ（電力配分回路１が停止して機能していない状態）のときは、このシステムは、図２４に示すような、最大出力動作点をＰとする階段状の電流電圧特性を示す。

この状態から電力配分回路１を起動して、図４に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＮ、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦの状態に切り換わると、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流Ｉ１（矢印付きの点線で表示）が当該太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１から、出力線路Ａ、充放電路２を経由してフライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１に流れ、さらに、前記充放電路２から連結線路Ｂを経由して当該太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２へ還流する。この際、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力の一部がフライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄積される。

次に、図５に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２がＯＮに切り換わると、フライバックトランスＴに蓄えられていた、前記太陽電池モジュールＭ１で発電された一部の電力は、２次側巻き線Ｌ２を介して充放電路３に放電され、同図に矢印付きの点線で表示している電流Ｉ２を生じる。

このとき、フライバックトランスＴの２次側巻き線Ｌ２は、太陽電池モジュールＭ２と並列に接続されているため、前記電流Ｉ２は連結線路Ｂで、太陽電池モジュールＭ２から太陽電池モジュールＭ１に流れる電流に加算される。

このようにして、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦの切り換え動作を図４と図５の間で相補的且つ周期的に繰り返すことによって、太陽電池モジュールＭ１が発電した電力の一部が太陽電池モジュールＭ２に連続的に配分される。

その結果、先に述べた図２４に示した領域（３）は分割されてその一部が図６に示すように、領域（２）の電流に加算されることで、システムは平滑化された電流電圧特性に改善され、本来出力として得られずに損失となっていた電力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の動作の過程において、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２はそれぞれ、第１の平滑回路及び第２の平滑回路として、充放電路２と充放電路３を流れる電流の変動を平滑化するとともに、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が発生するスイッチングノイズを低減する役割を果たしている。

次に、図１のシステムにおいて、後段の太陽電池モジュールＭ２が発電する電力が、前段の太陽電池モジュールＭ１が発電する電力より大きい場合の電力配分回路１の動作について説明する。

この場合においても、図１のようにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が両方ともＯＦＦになっている停止状態においては、このシステムは、図２４のような最大出力動作点をＰとする階段状の電流電圧特性を示す。

この状態から電力配分回路１を起動して、図７に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２がＯＮの状態に切り換わったときに、太陽電池モジュールＭ２が出力する一部の電流ｉ１（矢印付きの点線で表示）がその正極端子Ｐ１から連結線路Ｂを介して充放電路３を経由し、フライバックトランスＴの２次側巻き線Ｌ２に流れ、さらに、前記充放電路３から出力線路Ａを経由して、当該太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２へ還流する。この際、太陽電池モジュールＭ２の発電する電力の一部がフライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄積される。

次いで、図８に示すように、スイッチング素子Ｓ１がＯＮ、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦに切り換わると、フライバックトランスＴに蓄えられていた、前記太陽電池モジュールＭ２で発電された一部の電力は、１次側巻き線Ｌ１を介して充放電路２に放電され、同図に矢印付きの点線で表示している電流ｉ２を生じる。

このとき、フライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１は、太陽電池モジュールＭ１と並列に接続されているため、前記電流ｉ２は出力電路Ａで太陽電池モジュールＭ１から外部負荷側へ出力される電流に加算される。

このようにして、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦの切り換え動作を図７と図８の間で相補的且つ周期的に繰り返すことによって、太陽電池モジュールＭ２が発電した電力の一部が太陽電池モジュールＭ１に連続的に配分され、システムは平滑化された電流電圧特性に改善される。

なお、前述した実施形態のものにおいては、前述したように、フライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１と２次側巻き線Ｌ２の巻き線比を１：１としたものを用いているが、太陽電池モジュールＭ、Ｍ２間で発電する電力の大小関係が逆転することがない場合には、前記巻き線比は必ずしも１：１でなくてもよい。

ところで、前述した電力配分回路１は、太陽電池モジュールＭ１と太陽電池モジュールＭ２の発電する電力が等しい場合には不要であり、この場合電力配分回路１を動作させておくと図２で説明したスイッチング制御回路４が消費する電力分がロスになる。

そこで、このような場合には、スイッチング制御回路４への電力供給を遮断してこれを停止させ、図１のように電力配分回路１の両方のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２をＯＦＦにしておくことで、前記電力ロスを回避し、図２２に示すような従来のシステムとして運用することができる。

次に、図９は、本発明の電力配分回路の別の実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムの模式図であって、同図に示す電力配分回路１Ａは、前述した図１中の電力配分回路１の一方の充放電路２（第１の充放電路）の途中位置に電流センサ５を組み込んである。

また、この電力配分回路１Ａは、図１０に示すように、スイッチング制御回路４の電源のＯＮ／ＯＦＦを制御するマイクロコンピュータ６を備えている。このマイクロコンピュータ６は、スイッチング制御回路４を起動した後、前記電流センサ５によって充放電路２を流れる電流を所定の時間間隔で計測し、その測定値から充放電路２に実質的に電流が流れていないと判断した場合には、次回の電流測定を行うまでスイッチング制御回路４への電源供給を遮断してその動作を停止させる機能を有している。

図１１は、前記マイクロコンピュータ６の内部で処理される演算のフローを示す図であって、マイクロコンピュータ６が起動されると、スイッチング制御回路４を起動させ（ステップ１）、次いで、電流センサ５により充放電路２を流れる電流を計測する（ステップ２）。

次に、電流センサ５の計測結果から、マイクロコンピュータ６が充放電路２に電流が流れていると判断した場合（ステップ３のＹｅｓ）にはステップ４で所定の時間待ちをした後、ステップ２に戻り電流センサ５による電流計測をしてステップ３の判断を再度実行する。

一方、マイクロコンピュータ６が充放電路２に電流が流れていないと判断した場合（ステップ３のＮｏ）にはステップ５を実行し、スイッチング制御回路４への電源供給を遮断して当該回路を停止させる。

その後、マイクロコンピュータ６は、ステップ６で所定の時間待ちをした後、ステップ１に処理を戻し、スイッチング制御回路４を再び起動して、前述した各ステップの処理を反復する。

本実施形態における電力配分回路１Ａは、充放電路２に電流が流れていない場合に、スイッチング制御回路４を自動的に停止させる機能が付加されているため、無駄な消費電力を低減させることができるとともに、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２等の劣化を最小限に抑えることができ、電力配分回路１Ａの寿命を延ばすことができる。

なお、スイッチング制御回路４の電源制御は、マイクロコンピュータ６に代えて、これと同等の機能を備えた専用の回路で行うようにしてもよい。また、この実施形態では、電流センサ５を充放電路２に組み込んでいるが充放電路３に組み込んでもよい。

次に、図１２は本発明の電力配分回路のさらに別の実施形態を示す、直列接続された２つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２からなる太陽光発電システムの模式図であって、同図に示す電力配分回路１Ｂは、前述した図１に示す電力配分回路１におけるスイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２がそれぞれ、２つのＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２によって構成されている。

図１２中で図１と同符号を付してある部分は、前述した電力配分回路１と同一構成であるが、同図に示すシステムにおいては、電力配分回路１Ｂ中のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２がそれぞれ内蔵する寄生ダイオードＢＤを、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２のバイパスダイオードとして利用しているため、図１中の各太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２に接続されているバイパスダイオードＤは省かれている。

次に、図１３は、本発明の電力配分回路のさらに別の実施形態を示す、直列接続された３つの太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３からなる太陽光発電システムの模式図であって、このシステムにおいては、それぞれ前後に隣合う太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間と、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間には、先に説明した図１の電力配分回路１と同じ回路構成のものがそれぞれ組み込まれている。

なお、図１３では説明の便宜上、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間のものを電力配分回路１、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間のものを電力配分回路１’で表し、前者の各回路部分と対応する後者の各回路部分の符号には、「’」を付して両者を区別してある。また図示を省略しているが、これらの電力配分回路１、１’は、これも先に説明した図２のスイッチング制御回路４と同じものをそれぞれ備えている。

図１３に示すように、それぞれの電力配分回路１、１’の各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ’１、Ｓ’２が全てＯＦＦの状態（電力配分回路が停止している状態）において、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力が、太陽電池モジュールＭ２及び太陽電池モジュールＭ３の発電する電力より大きい場合、このシステムは、図１４に示すような階段状の電流電圧特性を示す。

ここで、電力配分回路１、１’を起動され、図１５に示すように、電力配分回路１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦの状態に切り換わると、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流Ｉ１（矢印付きの点線で表示）が当該太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１から、出力線路Ａ、充放電路２を経由してフライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１に流れ、さらに、前記充放電路２から連結線路Ｂを経由して当該太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２へ還流する。この際、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力の一部がフライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄積される。

次に、図１６に示すように、電力配分回路１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２がＯＮに切り換わると、フライバックトランスＴに蓄えられていた、前記太陽電池モジュールＭ１で発電された一部の電力は、２次側巻き線Ｌ２を介して充放電路３に電流Ｉ２として放電される。

ここで、本実施形態のものにおいては、もう１つの電力配分回路１’のスイッチング素子Ｓ’１、Ｓ’２は、それぞれ、電力配分回路１のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と同期してＯＮ／ＯＦＦ制御されており、同図に示すように、充放電路２’のスイッチング素子Ｓ’１はこのときＯＦＦに切り換わり、前記電流Ｉ２は、充放電路３に並列接続されているコンデンサＣ２と、充放電路２’に並列接続されているコンデンサＣ’１に流れてそれぞれを充電する。

次いで、図１７に示すように、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ’１がＯＮに切り換わると、前記２つのコンデンサＣ２、Ｃ’１が放電して、充放電路２’に設けられているフライバックトランスＴ’の１次側巻き線Ｌ’１に電流Ｉ３が流れ、その電力が前記フライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄積される。

このとき、電力配分回路１側では、充放電路２のスイッチング素子Ｓ１は再びＯＮに、また、充放電路３のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦに切り換わるため、フライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１には、前述した図１５と同様に電流Ｉ１が流れ、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力の一部が再びフライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄えられる。

その後、図１８に示すように、電力配分回路１’側で、スイッチング素子Ｓ’１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ’２がＯＮに切り換わると、フライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄えられていた電力は、２次側巻き線Ｌ’２を介して太陽電池モジュールＭ３と並列に設けられた充放電路３’に放電される。

その結果、充放電路３’には電流Ｉ４が流れ、これが太陽電池モジュールＭ３を流れる電流に加算される。前記電流Ｉ４はさらに、連結線路Ｂ’から太陽電池Ｍ２と並列に設けられた充放電路３を経由して連絡線路Ｂへ流れ、当該太陽電池モジュールＭ２を流れる電流に加算される。

同時に電力配分回路１側では、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２がＯＮに切り換わるので、フライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄えられていた電力は、２次側巻き線Ｌ２を介して充放電路３に放電される。

このとき、２次側巻き線Ｌ２には電流Ｉ’２が流れる。この電流Ｉ’２の一部には前記電流Ｉ４が含まれており、残りの部分が前述した図１６の場合と同様に、充放電路３に並列接続されているコンデンサＣ２と、充放電路２’に並列接続されているコンデンサＣ’１に流れてそれぞれを充電する。

その後は、図１７と図１８の間で、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ’１、Ｓ’２の切換動作が周期的に反復されることにより、太陽電池モジュールＭ１で発電された電力の一部が、太陽電池モジュールＭ２と太陽電池モジュールＭ３に均等に配分される。

一方、太陽電池モジュールＭ１及び太陽電池モジュールＭ２の発電する電力に対して太陽電池モジュールＭ３の発電する電力が小さい場合、図１３に示すように、それぞれの電力配分回路１、１’の全てのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ’１、Ｓ’２がＯＦＦの状態（電力配分回路１、１’が停止している状態）では、このシステムは、図１９に示すような電流電圧特性を示す。

ここで、電力配分回路１、１’を起動され、図２０に示すように、電力配分回路１のスイッチング素子Ｓ１と電力配分回路１’のスイッチング素子Ｓ’１がＯＮ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ’２がＯＦＦの状態に切り換わると、太陽電池モジュールＭ１が出力する一部の電流ｉ１（矢印付きの点線で表示）が当該太陽電池モジュールＭ１の正極端子Ｐ１から、出力線路Ａ、充放電路２を経由してフライバックトランスＴの１次側巻き線Ｌ１に流れ、さらに、前記充放電路２から連結線路Ｂを経由して当該太陽電池モジュールＭ１の負極端子Ｐ２へ還流し、この際、太陽電池モジュールＭ１の発電する電力の一部がフライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄積される。

また同時に、太陽電池モジュールＭ２が出力する一部の電流ｉ２（矢印付きの点線で表示）が当該太陽電池モジュールＭ２の正極端子Ｐ１から、連結線路Ｂ、充放電路２’を経由して電力配分回路１’側のフライバックトランスＴ’の１次側巻き線Ｌ’１に流れ、さらに、前記充放電路２’から連結線路Ｂ’を経由して当該太陽電池モジュールＭ２の負極端子Ｐ２へ還流し、この際、太陽電池モジュールＭ２の発電する電力の一部がフライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄積される。

次に、図２１に示すように、電力配分回路１側のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２がＯＮに、電力配分回路１’側のスイッチング素子Ｓ’１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ’２がＯＮにそれぞれ切り換わると、フライバックトランスＴに磁気エネルギとして蓄えられていた電力は、２次側巻き線Ｌ２を介して充放電路３に電流ｉ３として放電されるが、このとき充放電路２’のスイッチング素子Ｓ’１がＯＦＦになっているため、前記電流ｉ３はコンデンサＣ２とコンデンサＣ’１に流入してそれぞれを充電する。

一方、フライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄積されていた電力は、２次側巻き線Ｌ’２を介して太陽電池モジュールＭ３と並列に設けられた充放電路３’に電流ｉ４として放電され、この電流ｉ４が太陽電池モジュールＭ３を流れる電流に加算される。

また、図示は省略するが、電流ｉ３によって各コンデンサＣ２、Ｃ’１に蓄えられた電力は、次にスイッチング素子Ｓ’１がＯＮになると放電され、図２０における太陽電池モジュールＭ２から充放電路２’に流れる電流ｉ２と加算されてフライバックトランスＴ’の１次側巻き線Ｌ’１を流れ、フライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄積される。

その後さらに、スイッチング素子Ｓ’１がＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ’２がＯＮに切り換わると、前記フライバックトランスＴ’に磁気エネルギとして蓄積されていた電力は、再び図２１のように、その２次側巻き線Ｌ’２を介して充放電路３’に放電される。

このような各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ’１、Ｓ’２の切換動作が周期的に反復されることによって、太陽電池モジュールＭ１及びＭ２で発電された電力の一部が太陽電池モジュールＭ３に均等に配分されて、システム全体の電流電圧特性が改善される。

なお、前述した実施形態においては、太陽電池モジュールＭ１、Ｍ２間に組み込んだ電力配分回路１の各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、太陽電池モジュールＭ２、Ｍ３間に組み込んだ電力配分回路１’の各スイッチング素子Ｓ’１、Ｓ’２とは、切換動作のタイミングを同期させているが、電力配分回路１、１’にそれぞれ平滑回路として組み込まれているコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ’１、Ｃ’２によって、２つの電力配分回路１、１’間の充放電のタイミングのずれが吸収されるため、これらの電力配分回路１、１’間におけるスイッチング素子の切換動作は同期させなくてもよい。

また、これらの電力配分回路１、１’に代えて、先に説明した電力配分回路１Ａや電力配分回路１Ｂをそれぞれ用いることも可能である。さらに、本発明の電力配分回路は、太陽電池モジュールの直列数が４つ以上の場合にも、太陽電池モジュールの数に応じて、それぞれ隣合う太陽電池モジュール間に組み込んで使用することが可能である。

さらに、前述した各実施形態のものにおいては、第１の平滑回路としてコンデンサＣ１及びコンデンサＣ’１を、第２の平滑回路としてコンデンサＣ２及びコンデンサＣ’２を用いたものを説明しているが、これらに限定するものではない。

すなわち、第１の平滑回路としては、第１の充放電路中に組み込まれ、少なくとも第１のスイッチング素子ならびにフライバックトランスの一次側巻き線と並列に接続されたコンデンサを有していればよく、例えば、当該コンデンサを含むローパスフィルタ回路によって構成してもよい。同様に、第２の平滑回路も、少なくとも第２のスイッチング素子ならびにフライバックトランスの２次側巻き線と並列に接続されたコンデンサを有するものであればよい。

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発電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発電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発電効率改善にも利用可能である。

さらに、太陽光発電の分野だけでなく、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、利用可能である。

１、１’、１Ａ、１Ｂ 電力配分回路
２、２’ 充放電路（第１の充放電路）
３、３’ 充放電路（第２の充放電路）
４ スイッチング制御回路
５ 電流センサ
６ マイクロコンピュータ
Ａ 出力線路
Ｂ 連結線路
ＢＤ 寄生ダイオード
Ｃ１、Ｃ１’ コンデンサ（第１の平滑回路）
Ｃ２、Ｃ２’ コンデンサ（第２の平滑回路）
Ｄ バイパスダイオード
Ｌ１、Ｌ１’ １次側巻き線
Ｌ２、Ｌ２’ ２次側巻き線
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
Ｑ１ ＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチング素子）
Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチング素子）
Ｓ１、Ｓ１’ スイッチング素子（第１のスイッチング素子）
Ｓ２、Ｓ２’ スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
Ｔ、Ｔ’ フライバックトランス

Claims (4)

1. 複数直列に接続された太陽電池の相互間に設けられる電力配分回路であって、
   一方の端が前段の太陽電池の正極端子に導通し、他方の端が前記前段の太陽電池の負極端子に導通する第１の充放電路と、
   一方の端が後段の太陽電池の正極端子に導通し、他方の端が前記後段の太陽電池の負極端子に導通する第２の充放電路と、
   １次側と２次側の巻き線の何れか一方が、前記第１の充放電路の一部を構成するとともに、他方が前記第２の充放電路の一部を構成するフライバックトランスと、
   前記第１の充放電路中に、前記フライバックトランスの一方の巻き線と直列に組み込まれた第１のスイッチング素子と、
   前記第２の充放電路中に、前記フライバックトランスの他方の巻き線と直列に組み込まれた第２のスイッチング素子と、
   前記第１の充放電路中に組み込まれ、少なくとも前記第１のスイッチング素子ならびに前記フライバックトランスの一方の巻き線と並列に接続されたコンデンサを有する第１の平滑回路と、
   前記第２の充放電路中に組み込まれ、少なくとも前記第２のスイッチング素子ならびに前記フライバックトランスの他方の巻き線と並列に接続されたコンデンサを有する第２の平滑回路と、
   前記第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を、相補的且つ周期的にＯＮ／ＯＦＦの切換を行う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。
2. スイッチング制御回路は、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. 充放電路を流れる電流を計測する電流センサと、前記電流センサと接続されたマイクロコンピュータを備え、前記マイクロコンピュータは、スイッチング制御回路を起動した後、所定の時間間隔で前記電流センサによる電流計測を行い、前記電流が流れていないと判断した場合には、次回の電流計測を行うまでスイッチング制御回路への電源供給を遮断してその動作を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池の電力配分回路。
4. 各スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴで構成されているとともに、これらのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが各太陽電池のバイパスダイオードとして利用されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の太陽電池の電力配分回路。

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